BRPI1004311A2 - sistema de pós-tratamento de exaustão com dispositivo aquecido - Google Patents

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Abstract

SISTEMA DE PóS-TRATAMENTO DE EXAUSTãO COM DISPOSITIVO AQUECIDO.A presente invenção refere-se a um sistema pós-tratamento de exaustão (10) para um veículo sendo dotado de um motor (14) que inclui uma passagem fluida (20) se estendendo do motor para um ambiente (18) para comunicar fluidicamente o gás de escapamento (F), e um catalisador de redução NOx (28) disposto na passagem fluida e a jusante do motor. Um injetor (34) é disposto a jusante do motor (14) e a montante do catalisador de redução NOx (28) na passagem fluida (20) para injetar um redutor (36) na passagem fluida. Um dispositivo de rede aquecido (44) é disposto na passagem fluida a jusante do injetor (34) e a montante do catalisador de redução NOx (28). O redutor (36) que é injetado do injetor (34) colide com o dispositi- vo de rede aquecido (44).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE PÓS-TRATAMENTO DE EXAUSTÃO COM DISPOSITIVO AQUECIDO".
Antecedentes da Invenção
A presente invenção refere-se a um sistema, método e dispositi- vo para evaporar redutor líquido injetado em um fluxo de gás. Especifica- mente, as modalidades aqui descritas referem-se a um sistema, método e dispositivo para evaporar uma emissão redutora, como, por exemplo, uréia, em um fluxo de gás de escapamento de um sistema pós-tratamento de um veículo, como, por exemplo, um sistema SCR.
A combustão de motor a diesel resulta na formação de óxidos de nitrogênio (NOx) no gás de escapamento. Tipicamente, os sistemas de re- dução catalisadores seletivos de uréia (sistemas SCR de uréia) são usados para reduzir NOx dos motores. Os sistemas SCR de uréia contam com inje- ção de solução de uréia aquosa, que é injetada na linha de escapamento de um veículo a montante de um catalisador SCR. No catalisador SCR, o NOx é reduzido por amônia, e a emissão do catalisador é N2, H2O e CO2.
Para desempenho eficiente, o redutor de emissão, por exemplo, uréia para os sistemas SCR, deve ser injetado no gás de escapamento do motor, evaporado e decomposto antes de alcançar a entrada do catalisador pós-tratamento. O tempo característico da evaporação do redutor depende das propriedades físicas do redutor, das características da injeção, e da e- nergia do gás de escapamento. O calor requerido para evaporar a maioria dos redutores é alto. Por exemplo, a solução de uréia é injetada no sistema em uma temperatura ambiente e tipicamente precisa ser aquecida acima de 150°C ou 200°C para evaporar a água e decompor a uréia remanescente em amônia e ácido isociânico.
Quando a uréia ou outro redutor é pulverizado no sistema, a ve- locidade do gás de escapamento é alta, e o fluxo de gás de escapamento transporta as gotinhas em alta velocidade para o catalisador. Como um re- sultado, o tempo característico da evaporação do redutor pode ser maior do que o tempo de percurso para o catalisador. Se a evaporação e a decompo- sição não forem completas, o desempenho do catalisador SCR é reduzido devido à disponibilidade insuficiente do redutor.
Adicionalmente, se a solução de uréia não for evaporada e de- composta antes de atingir uma superfície interna do cano de gás de esca- pamento, que está em uma temperatura mais fria devido ao fato de estar ex- posto ao ambiente, a solução de uréia irá permanecer líquida e não irá de- compor-se. Ademais, a uréia pode formar um depósito sólido na superfície interna do cano de gás de escapamento.
Para facilitar a evaporação e decomposição do redutor, pode ser instalado um misturador na frente do catalisador SCR. Adicionalmente, o in- jetor redutor pode ser colocado o mais distante possível a montante do cata- lisador SCR. Contudo, sem temperaturas de escapamento suficientemente altas, pode ocorrer a evaporação e decomposição da solução de uréia, e podem ser formados depósitos sólidos no misturador e nas paredes do sis- tema de escapamento. O depósito sólido de uréia pode diminuir a área de fluxo do cano de descarga, resultando no aumento da queda de pressão e na velocidade do gás de escapamento no cano, que pode sucessivamente, resultar no depósito de uréia no catalisador a jusante. Eventualmente, os depósitos sólidos podem ocasionar a obstrução do sistema de escapamento, e redução da eficiência da conversão NOx.
Sumário da Invenção
Um sistema de pós-tratamento de exaustão para um veículo sendo dotado de um motor inclui uma passagem se estendendo do motor para um ambiente para comunicar fluidicamente gás de escapamento, e um catalisador de redução NOx disposto na passagem fluida e a jusante do mo- tor. Um injetor está disposto a jusante do motor e a montante do catalisador de redução NOx na passagem fluida para injetar um redutor na passagem fluida. Um dispositivo de rede aquecido está disposto na passagem fluida a jusante do injetor e a montante do catalisador de redução NOx. O redutor que é injetado do injetor colide com dispositivo de rede aquecido.
Breve Descrição dos Desenhos
A figura 1 é um esquema de um sistema de pós-tratamento de exaustão sendo dotado de um dispositivo de rede aquecido situado a jusante de um injetor e a montante de um catalisador de redução NOx.
A figura 2 é uma vista posterior em elevação do dispositivo de rede da figura 1.
Descrição Detalhada
Referindo-se agora às figuras 1 e 2, um sistema SCR (ou outro sistema pós-tratamento de exaustão), está geralmente indicado em 10, e é dotado de uma montagem de cano de descarga 12 se estendendo do motor 14 para uma saída 16, como, por exemplo, a saída para o ambiente 18. A montagem do cano de descarga 12 forma uma passagem fluida 20 para o fluxo do gás de escapamento F do motor 14 para o ambiente 18. Uma pri- meira parte 22 da montagem do cano de descarga 12 se estende do motor 14 para um catalisador de oxidação de diesel / filtro de particulado de diesel (DOC/DPF). Um cano redutor 26 da montagem do cano de descarga 12 se estende do DOC/DPF 24 para um catalisador de redução NOx 28, como, por exemplo, um catalisador de redução catalítica seletiva (catalisador SCR). Uma terceira parte 30 da montagem do cano de descarga 12 se estende do catalisador SCR 28 para a saída 16. É possível que o sistema SCR 10 da figura 1 possa ser dotado de outras configurações, por exemplo, o cano re- dutor 26 pode ser colocado entre o DOC e o catalisador SCR 29, seguido por um DPF, ou o cano redutor 26 pode ser instalado entre o DOC e um substrato que combine as funções do catalisador SCR e do DPF, dentre ou- tras configurações.
Montado em um furo de montagem 32 no cano redutor 26 entre o DOC/DPF 24 e o catalisador SCR 28 está um injetor 34 para pulverizar um redutor 36, como, por exemplo, uma solução de uréia, no fluxo do gás de escapamento F. O injetor 34 pode ser montado externamente ao cano redu- tor 26, com um bocal 38 do injetor 34 estando situado em ou em comunica- ção fluida com uma superfície interna 40 do cano redutor 26 de maneira que a uréia pulverizada ou outro redutor 36 esteja em comunicação fluida com a passagem fluida 20 e o fluxo do gás de escapamento F. A solução de uréia 36 é armazenada em um reservatório (não ilustrado) e bombeada para o in- jetor 34 com uma bomba (não ilustrada) para injetar no cano redutor 26. Após ser emitido do motor 14 e fluir através do DOC/DPF 24, o gás de escapamento F flui através do cano redutor 26 da montagem do cano de descarga 12 onde o injetor 34 injeta uréia 36 no fluxo de gás de escapa- mento. A uréia 36 é geralmente injetada em uma temperatura ambiente, e tipicamente precisa ser aquecida acima de pelo menos 200 graus Celsius para ser evaporada e decomposta no gás de escapamento F antes de al- cançar uma entrada 42 do catalisador SCR 28. A uréia 26 é aquecida pela energia do gás de escapamento F emitido do motor 14. Contudo, o tempo característico da evaporação da uréia ou outro redutor 36 pode ser ainda maior do que o tempo de percurso para o catalisador 28, e podem ser for- mados depósitos sólidos na superfície interna 40 do cano redutor 26, no ca- talisador SCR 28, e em quaisquer outros componentes a jusante do injetor 34 no sistema SCR 10.
A jusante do injetor 34 está montado um dispositivo de rede a- quecido 44 dentro do cano redutor 26 e está configurado para receber todo ou substancialmente todo fluxo do gás de escapamento F através do dispo- sitivo de rede aquecido. O dispositivo de rede aquecido 44 inclui uma parte de rede de arame 46 que permite que o fluxo do gás de escapamento F a- través da mesma, sem criar uma contrapressão substancial a montante do dispositivo de mola aquecido. É possível que a parte de rede de arame 46 seja uma grade, uma pluralidade de grades, ou outro formato que seja capaz de permitir o fluxo do gás de escapamento F através da mesma criando uma contrapressão substancial, e que é capaz de ser aquecida para temperatu- ras suficientes para evaporar e decompor a uréia ou outra solução redutora 36.
O dispositivo de rede aquecido 44 pode incluir um anel de supor- te 48 que pelo menos parcialmente encerra a parte de rede de arame 46, onde o anel de suporte é fixada na superfície interna 40 do cano redutor 26, ou, alternativamente, o dispositivo de rede aquecido pode ser diretamente fixado no cano redutor. O dispositivo de rede aquecido 44 pode ser geral- mente cilíndrico ou em forma de disco, contudo são possíveis outros formatos. O dispositivo de rede aquecido 44 é montado no sistema pós- tratamento 10 a montante do catalisador SCR 28, e pode ser montado sol- dando o dispositivo de rede aquecido 44 no cano redutor 26, ou pode ser fi- xado mecanicamente no cano redutor, por exemplo, com um batente em es- tria ou com anéis retentores. É também possível que o dispositivo de rede aquecido 44 seja fixado a um cano que seja fixado no cano redutor 26, de maneira que o dispositivo de rede aquecido e o cano fixado sejam fixados nas duas partes do cano redutor. Alternativamente, o dispositivo de rede a- quecido 44 pode estar situado entre duas partes do cano redutor 26 sem um cano fixado separado. O cano redutor 26 e o dispositivo de rede aquecido 44 comunicam fluidicamente o fluxo de escapamento F do DOC/DPF 24 com o catalisador SCR 28 sem a perda do gás de escapamento entre o DOC/DPF e o catalisador SCR.
O dispositivo de rede aquecido 44 está posicionado a jusante do injetor 34 de maneira que a pulverização de uréia 36 colide com dispositivo de rede aquecido, o que minimiza ou evita que a uréia contate e ou cristalize na superfície interna 40 da montagem do cano de descarga 12. A uréia 36 se decompõe no dispositivo de rede aquecido 44 e o dispositivo de rede a- quecido distribui amônia para o catalisador SCR 28. O dispositivo de rede aquecido 44 pode ser parcial ou totalmente revestido com TiO2 ou outro ma- terial adequado servindo como um catalisador de hidrolise que hidrolise HN- CO em amônia. Um misturador fixo 50 pode estar situado a jusante do dis- positivo de rede aquecido 44 e a montante do catalisador SCR 28.
O fluxo do gás de escapamento F através do dispositivo de rede aquecido 44 é um caminho sinuoso através da parte de rede de arame 46, que proporciona uma área de superfície aumentada sobre a rede de arame para transferir calor do dispositivo de rede para o gás de escapamento. O material de rede de arame pode ser enrugado em ângulos em torno de 10 a 30 graus, contudo, são possíveis outros ângulos. Adicionalmente, uma altura de enrugamento ou uma distância de enrugamento do material pode ser va- riada. O padrão de enrugamento do material de rede de arame pode ser um padrão de ziguezague, um padrão de ângulo reto 10, e um padrão de ângulo reto 30, contudo são possíveis outros padrões de enrugamento.
O material do dispositivo de rede aquecido 44 pode incluir quan- tidades variadas de cromo, alumínio, ferro, níquel e carbono, apesar de se- rem possíveis outros materiais. Em um material exemplar, há em torno de 18 a 20% cromo, de 68 a 74% de ferro, de 8 a 12% de níquel e 0,08% de car- bono. Em outro material exemplar, há em torno de 24 a 26% de cromo, 48 a 55% de ferro, 19 a 22% de níquel, e 0,08% de carbono. Em outro terceiro exemplo, há em torno de 22% de cromo, 4,8% de alumínio, e 73,2% de fer- ro. O ponto de fundição do material pode ser em torno de 1400 a 1500 graus Celsius, com uma temperatura de operação máxima de um dispositivo de rede aquecido estando em torno de 900 a 1300 graus Celsius. A densidade do material pode ser em torno de 7,25 a 8,1 g/cm3, contudo, são possíveis outras densidades. A resistividade elétrica pode ser em torno de 0,72 a 1,35 pohm-m em 20 graus Celsius, contudo são possíveis outras quantidades de resistividade. Ademais, o material pode ser dotado de um coeficiente de ex- pansão térmica em torno de 11 a 17 pm/m K, condutividade térmica em tor- no de 11 a 16,2 W/m K, e um aquecimento específico em torno de 0,46 a 0,5 kJ/kg K.
Um sensor 52 percebe a temperatura do dispositivo de rede a- quecido 44 e comunica a temperatura para um sistema de controle 54. Quando a temperatura do dispositivo de rede aquecido 44 está abaixo de uma temperatura mínima predeterminada, por exemplo, 200 graus Celsius, o sistema de controle 54 atua um aquecedor 56 para aquecer o dispositivo de rede aquecido 44, como, por exemplo, por aquecimento elétrico. Aquecendo eletricamente o dispositivo de rede aquecido 44 proporciona um tempo de resposta térmica rápida. Alternativamente, o aquecedor pode ser um aque- cedor refrigerante 56, onde o refrigerante aquecido pode ser usado para transferir calor para o dispositivo de rede aquecido 44. O refrigerante pode ser guiado através dos ou próximos dos componentes de temperatura alta, por exemplo, do sistema de escapamento, onde o refrigerante é aquecido, e então o refrigerante é guiado para o dispositivo de rede 44. É possível que o dispositivo de rede aquecido 44 seja isolado de maneira a não impactar ou- tras partes do veículo.
Uma fonte de energia 58 proporciona energia para o aquecedor 56 para aquecer o dispositivo de rede aquecido 44. O aquecedor 56 mantém o dispositivo de rede aquecido 44 acima da temperatura predeterminada. É possível que a temperatura predeterminada possa ser variável, e que o a- quecedor 56 possa ser atuado tanto automaticamente quanto manualmente.
Quando o injetor 34 pulveriza a uréia ou outra solução redutora 36 em direção ao dispositivo de rede aquecido 44, a solução de uréia é mi- nimizada ou impedida de atingir a montagem do cano de descarga mais fria 12 (que é circundada pelo ar ambiente), e em vez disso contata a parte de rede de arame 46. Uma vez que a parte de rede de arame 46 do dispositivo de rede aquecido 44 é aquecida para uma temperatura predeterminada mí- nima, por exemplo, pelo menos 200 graus Celsius, a solução de uréia 36 pode continuar a evaporar. Adicionalmente, uma vez que a solução de uréia 36 não contata a montagem do cano de descarga 12, o cano pode ser feito de aço mais barato ou de outros materiais resistentes à corrosão.
A temperatura da uréia ou de outra solução redutora 36 é au- mentada devido ao contato com a rede, que aperfeiçoa a evaporação. A vida útil da gota de uréia se torna mais curta devido ao contato com o dispositivo de rede 44. O resultado é a evaporação aperfeiçoada da uréia ou de outro redutor 36, aperfeiçoamento da eficiência do sistema SCR 10, redução da construção de uréia sólida, e redução da corrosão da montagem do cano de descarga 12. Com o aumento da eficiência no sistema SCR 10, pode ser di- minuída a distância entre o injetor 34 e o catalisador SCR 28.

Claims (20)

1. Sistema pós-tratamento de exaustão para um veículo sendo dotado de um motor, o sistema pós-tratamento de exaustão compreenden- do: uma passagem fluida se estendendo do motor para um ambiente para comunicar fluidicamente o gás de escapamento; um catalisador de redução NOx disposto na passagem fluida a jusante do motor; um injetor disposto a jusante do motor e a montante do catalisa- dor de redução NOx na passagem fluida para injetar um redutor na passa- gem fluida; e um dispositivo de rede aquecido disposto na passagem fluida a jusante do injetor e a montante do catalisador de redução NOx1 em que o redutor injetado do injetor colide com o dispositivo de rede aquecido.
2. Sistema pós-tratamento de exaustão, de acordo com a reivin- dicação 1, compreendendo adicionalmente um aquecedor que mantém uma temperatura mínima do dispositivo de rede aquecido em uma temperatura predeterminada.
3. Sistema pós-tratamento de exaustão, de acordo com a reivin- dicação 2, compreendendo adicionalmente um sensor que percebe a tempe- ratura do dispositivo de rede aquecido e comunica a temperatura para um sistema de controle.
4. Sistema pós-tratamento de exaustão, de acordo com a reivin- dicação 3, em que quando a temperatura do dispositivo de rede aquecido está abaixo da temperatura predeterminada, o sistema de controle atua o aquecedor para aquecer o dispositivo de rede aquecido.
5. Sistema pós-tratamento de exaustão, de acordo com a reivin- dicação 2, em que a temperatura predeterminada está em torno de 200 graus Celsius.
6. Sistema pós-tratamento de exaustão, de acordo com a reivin- dicação 2, em que o aquecedor aquece eletricamente o dispositivo de rede aquecido.
7. Sistema pós-tratamento de exaustão, de acordo com a reivin- dicação 1, em que o dispositivo de rede aquecido compreende uma parte de rede de arame que permite o fluxo do gás de escapamento através da mes- ma.
8. Sistema pós-tratamento de exaustão, de acordo com a reivin- dicação 7, em que o dispositivo de rede aquecido compreende adicional- mente um anel de suporte que encerra axialmente a parte de rede de arame.
9. Sistema pós-tratamento de exaustão, de acordo com a reivin- dicação 7, em que a rede de arame é pelo menos parcialmente revestida de um catalisador de hidrólise de uréia.
10. Sistema pós-tratamento de exaustão, de acordo com a rei- vindicação 1, em que a passagem fluida está definida por um cano redutor se estendendo entre um catalisador de oxidação de diesel e um catalisador de redução NOx, em que o dispositivo de rede aquecido é fixado em uma superfície interna do cano redutor.
11. Método de evaporar um redutor em um sistema pós- tratamento de um motor, o método compreendendo: proporcionar uma passagem fluida de um motor para um ambi- ente, injetar um redutor na passagem fluida com um injetor; colidir o redutor em um dispositivo de rede a jusante do injetor na passagem fluida; e aquecer o dispositivo de rede para uma temperatura predetermi- nada mínima.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, compreendendo adicionalmente as etapas de perceber a temperatura do dispositivo de rede com um sensor.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, compreendendo adicionalmente as etapas de comunicar a temperatura para um sistema de controle, em que, se a temperatura estiver abaixo da temperatura predeter- minada mínima, o sistema de controle atua um aquecedor para aquecer o dispositivo de rede.
14. Método, de acordo com a reivindicação 11, compreendendo adicionalmente a etapa de revestir pelo menos parcialmente o dispositivo de rede com catalisador de hidrólise de uréia.
15. Método, de acordo com a reivindicação 11, em que a passa- gem fluida está definida por um cano redutor, e compreendendo adicional- mente a etapa de soldar o dispositivo de rede no cano redutor.
16. Dispositivo de rede para um sistema SCR de um motor sen- do dotado de um cano redutor com uma superfície interna, o dispositivo de rede compreendendo: uma parte de rede de arame que permite a passagem de um flu- xo de gás de escapamento através da mesma; um anel de suporte que encerra pelo menos parcialmente a par- te de rede de arame, em que o anel de suporte está configurado para se fi- xar na superfície interna do cano redutor; e um aquecedor para aquecer a parte de rede de arame.
17. Dispositivo de rede, de acordo com a reivindicação 16, em que a parte de rede de arame está pelo menos parcialmente revestida com um catalisador de hidrólise de uréia.
18. Dispositivo de rede, de acordo com a reivindicação 16, em que o dispositivo de rede é feito de cromo, ferro, níquel e carbono.
19. Dispositivo de rede, de acordo com a reivindicação 16, em que a parte de rede de arame é uma grade.
20. Dispositivo de rede, de acordo com a reivindicação 16, em que o dispositivo de rede é aquecido eletricamente.
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