BRPI1004925B1 - "dispositivo e método para a regeneração de filtro de particulados disposto no trato de gás de escape de um motor de combustão interna" - Google Patents
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Abstract
dispositivo e método para a regeneração de filtro de particulados disposto no trato de gás de escape de um motor de combustão interna a invenção refere-se a um dispositivo e a um método para a regeneração de um filtro de particulados disposto no trato de gás de escape de um motor de combustão interna, que apresenta pelo menos um catalisador de oxidação de no, uqe fica disposto a montante do filtro de particulados, para a oxidação de no, particularmente para formar no2. de acordo com a invenção, pelo menos um dispositivo de aquecimento (8; 19) também é provido a montante do filtro de particulados (6), por meio do qual um fluxo de gás de escape (2' ") conduzido até o filtro de particulados (6), pode ser aquecido a uma temperatura definida de acordo com parâmetros de regeneração definidos, parrticualrmente, de acordo com aum grau de carga do filtro de particulados (6) e/ou de acordo com um grau de ação de uma regeneração a base de no2 - do filtro de particulados (6) por meio de uma quantidade de no2 formada em pelo menos um catalisador de oxidação de no (4).
Description
DISPOSITIVO E MÉTODO PARA A REGENERAÇÃO DE FILTRO DE PARTICULADOS DISPOSTO NO TRATO DE GÁS DE ESCAPE DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA
A invenção refere-se a um dispositivo para a 5 regenração de um filtro de particulado disposto no trato de gás de escape de um motor de combustão interna, de acordo com o conceito geral da reivindicação 1 assim como a um método para a regeneração de um filtro de pariculas disposto no trato de gás de escape de um motor de combustão interna de acordo com o 10 conceito geral da reivindicação 8.
Especialmente, a invenção refere-se a um método e a um dispositivo para a regeneração de filtros de partícula no caso de motores de combustão interna operados com excesso de ar, tais como motores diesel ou motores a gasolina 15 com injeção direta, como são utilizados por exemplo em automóveis ou veículos utilitários.
Para minimizar as partículas sólidas contendo carbono são utilizados em veículos normalmente separados de partículas ou filtros de partículas.Um arranjo típico de 20 separador de partículas em veículos é por exemplo conhecido a partir do documento EP 10 727 65 A2. Separadores de partícula desse tipo diferenciam-se dos filtros de partículas pelo fato de o fluxo de gás de escape ser conduzido ao longo das estruturas de separação, enquanto no caso de filtros de 25 partículas o gás de escape deve circular pelo meio filtrante.
Devido a essa diferença os filtros de partículas tendem a entupir o que aumenta a contra-pressão do gás de escape, ou seja, provoca um aumento de pressão indesejado na saída de gás
2/27 de escape de urn motor de combustão interna, o que por sua vez diminui a potência do motor , resultando em um consumo elevado de combustível do motor de combustão interna. Um exemplo de um arranjo de filtro de particulado desse tipo é conhecido a partir do documento EP 03 418 32 A2.
No caso dos arranjos anteriormente descritos, um catalisador de oxidação disposto a montante do separador de partículas ou do filtro de particulado oxida o monóxido nítrico (NO) no gás de escape com auxilio do oxigênio residual (O 2 ) também presente formando o dióxido nítrico (NO 2 ) , na verdade de acordo com a seguinte equação:
NO + O 2 <-> 2 NO 2 (1)
Neste caso, deve-se observar atentamente o fato de o equilíbrio da reação acima sob elevadas temperaturas situar-se no lado de NO. Isso, por sua vez, resulta no fato de as porcentagens de NO 2 -possíveis sob elevadas temperaturas serem limitadas em virtude dessa delimitação termo-dinâmica.
O NO 2 reage por sua vez no filtro de particulado com as partículas mais finas contendo carbono formando CO, CO 2 , N 2 e NO. Com auxílio do meio de oxidação forte NO 2 é feita uma remoção contínua das partículas de material fino depositadas de forma que ciclos de regeneração, tal como eles precisam ser feitos de forma dispendiosa no caso de outros arranjos, podem ser dispensados. Trata-se neste contexto de uma regeneração passiva, de acordo com as equações abaixo:
C + 2 NO 2 > 2 NO + CO 2 (2)
NO 2 +C -> NO + CO (3)
3/27
A formação de monóxido de carbono de acordo com a equação 3 desempenha, neste caso, um papel apenas secundário, na maioria das vezes realiza-se uma oxidação completa do carbono até o estágio de oxidação +4, na forma de dióxido de carbono, sendo que para essa oxidação são necessários por molécula de carbono duas moléculas de NO 2 - .
Além do NO 2 nos catalisadores de oxidação NO contendo platina também é formado SO 3 a partir do enxofre presente no óleo de combustível e/ou do motor. SO 3 e NO 2 condensam em pontos frios no trato de gás de escape formando ácido sulfúrico ou nítrico altamente corrosivo de forma que a instalação de gás de escape seja projetada em relação aos filtros de partículas em aço inox a fim de evitar uma corrosão.
Se não ocorrer oxidação completa do carbono depositado no filtro de particulado com auxílio de NO 2 λ então a porcentagem de carbono e portato a contra-pressão de gás de escape aumentarão sempre. Para evitar que isso aconteça, atualmente os filtros de partículas são providos muitas vezes de um revestimento catalítico para a oxidação de NO (EP 03418 32 A2) . Neste caso, trata-se concretamente de catalisadores contendo platina. A desvantagem desse método reside porém no fato de o NO 2 formado no filtro de particulado poder servor somente para a oxidação de partículas que foram separadas a jusante da camada cataliticamente ativa para a oxidação NO-, ou seja portanto dentro do meio filtrante. Se em contrapartida, se formar sobre a superfície filtrante e portanto sobre a camada cataliticamente ativa uma camada feita de partículas separadas, um assim chamado bolo de filtração, então o catalisador de
4/27 oxidação NO no lado do filtro de particulado ficará a jusante do bolo de filtração de forma que as partículas de negro de fumo ali separadas não possam ser oxidadas com auxílio de NO 2 a partir do catalisador de oxidação de NO colocado sobre o filtro de particulado. Ainda por cima, na verdade, apenas a camada de catalisador aplicada no lado de gás bruto contribui para o desempenho do sistema, já que o NO 2 formado cataliticamente no lado de gás puro não pode entrar em contato com o negro de fumo separado no lado de gás bruto e dentro do material filtrante.
Um outro problema do revestimento do filtro de particulado reside no fato de as superfícies geométricas do filtro serem bem menores do que os substratos de catalisador normalmente utilizados. A razão disso reside no fato de os filtros necessitarem de seções transversais livres relativamente grandes e com isso volume livre no lado de gás .bruto, a fim de armazenar cinzas de óleo de motor e de negro de fumo. Se forem utilizados substratos de filtro cerâmicos, isso será feito através de uma densidade celular pequena de 50 cpsi a 200 cpsi. Em contrapartida, catalisadores puros são projetados normalmente com densidades celulares de 400 cpsi a 900 cpsi. Através do aumento de 50 cpsi para 900 cpsi obtém-se um aumento da superfície geométrica de 1 m 2 /1 para 4 m 2 /1, sendo possíveis elevações de reação nos catalisadores.
Por esse motivo, apesar do revestimento catalítico do filtro, não é possível dispensar um catalisador de oxidação de NO antes do filtro de particulado de forma que resulte um volume de construção relativamente grande. Isso é exatamente o caso quando os catalisadores de oxidação NO e os
5/27 filtros de partículas formam uma unidade estrutural, na qual a área de entrada do filtro de particulado é projetada como catalisador de NO, conforme descrito por exemplo no caso do documento DE 103 270 30 Al.
No caso de todas essas variantes para a regeneração passiva através de NO 2 é preciso observar atentamente para que a oxidação de negro de fumo não fique ainda mais abaixo de 200 0 C a 230 0 C através do aumento das quantidade de NO 2. Em aproximadamente 370 °C atingi-se o máximo de reação. A partir dessa temperatura a oxidação de negro de fumo cessa de acordo com a reação acima descrita (2) , ou seja, duas moléculas de NO 2 - reagem com uma molécula de carbono. Isos significa em massas, que com um grama de NO 2 0,13g de carbono podem ser oxidados, isto é, a oxidação de negro de fumo pode ser aumentada aleatoriamente por elevação da quantidade de NO 2. Esse contexto aparece ilustrado na figura 1.
Se as temperaturas se situarem abaixo de 200 0 C - 230 0 C, não é possível assegurar uma função mais segura do filtro de particulado, Isso ocorre normalmenteno caso de motores instalados em veículos e sob pouca carga por exemplo no caso de carros de passeio, ônibus de linha ou veículos coletores de lixo, que apresentam ainda porcentagens de marcha em vazio elevadas adicionais. Por isso, é empregada especialmente em casos específicos uma segunda possibilidade da regeneração de filtro de particulado, em que a temperatura de gás de escape é ativamente elevada. Isso ocorre normalmente mediante adição de hidrocarbonetos (HC) a momtante de catalisadores, especialmente catalisadores de oxidação HC. Em
6/27 virtude da oxidação dos hidrocarbonetos adicionados com auxilio dos catalisadores obtém-se um aumento de temperatura.
„HC + 0 2 -> CO + H 2 0 (4) „HC + 0 2 -> CO 2 + H 2 O (5)
Para estabilizar esses catalisadores termicamente de forma suficiente, estes contém como componentes ativos muitas vezes paládio. O paládio não possui atividade de oxidação de NO e além disso reduz a atividade de oxidação de NO de platina eventualmente presente nos catalisadores. Isso resulta no fato de catalisadores de oxidação HC apresentarem uma atividade de oxidação de NO bem menor do que catalisadores de oxidação de NO puros.
Se ao adicionar hidrocarbonetos ocorrer um aumento de temperatura, indo para cima de 600 0 C, ocorrerá uma oxidação ou queima do carbono separado no filtro de particulado com auxilio de oxigênio, de acordo com as equações abaixo:
C + O 2 — > CO 2 (θ)
2C + O 2-> 2CO (7)
No caso dessa regeneração ativa de filtro existe o risco de através da queima exoterma do negro de fumo contendo carbono ocorrer um acentuado aumento de temperatura indo para acima de 1000 °C, e consequentemente de haver uma danificação do filtro de particulado e/ou de catalisadores a jusante. Como, o aumento de temperatura deve ser mantido ainda por vários minutos, a fim de assegurar uma oxidação quantitativa das partículas de negro de fumo, a demanda em hidrocarbonetos é considerável e piora o grau de eficácia do
7/27 motor de combustão interna, já que normalmente é empregado combustível como fonte de hidrocarboneto.
Um outro problema, em contrapartida à regeneração passiva, sao as emissões de monóxido de carbono elevadas durante a regeneração cuja formaçao é descrita na equação 7. Por essa razão, é preciso colocar sobre o filtro de particulado e/ou a jusante do filtro de particulado um outro catalisador para a oxidação do monóxido de carbono formado durante a regeneração a fim de evitar sua saída para o meio ambiente.
Uma combinação simples da regeneração passiva e ativa, em que hidrocarbonetossão adicionados antes de catalisadores de oxidação NO, não é aplicável:
Através do aumento de temperatura para acima de 600 0 C, praticamente não é mais formado NO 2 nos catalisadores de oxidação NO devido ao limite termodinâmico. Além disso, a oxidação de NO é impedida através de elevadas quantidades de hidrocarbonetos, em que ocorre uma forte diminuição na formação de NO 2 ~ · Isso faz com que as partículas tenham que ser oxidadas unicamente com auxílio de oxigênio, já que nesta fase não está disponível NO 2, o que prolonga o tempo de regeneração e leva a elevadas emissões de monóxido de carbono.
Ao mesmo tempo, os catalisadores de oxidação de NO em relação à danificação térmica, são bem menos estáveis do que catalisadores em relação à oxidação de hidrocarboneto, já que ocorre sob temperatura acima de 550 C uma sinterização
8/27 irreversível dos componentes ativos e, portanto, um recuo da atividade de oxidação de NO.
Por essa razão é tarefa da presente invenção, disponibilizar um dispositivo e um método para a regeneração de 5 um filtro de particulado disposto no trato de gás de escape de um motor de combustão interna, por meio dos quais / do qual pode-se obtercom base em uma construção simples e compacta, uma regeneração de filtro de particulado de função mais segura e confiável. Essa tarefa é solucionada com relação ao dispositivo através das características da reivindicação 1. Com relação ao método, esta tarefa é solucionada através das características da reivindicação 8. Arranjos vantajosos neste caso são respectivamente objeto das reivindicações dependentes que a ela se reportam.
De acordo com a invenção, a montante do filtro de particulado é previsto para pelo menos um catalisador de oxidação de NO, pelo menos um dispositivo de aquecimento,por meio do qual um fluxo de gás de escape conduzido para o filtro de particulado pode ser aquecido em função de parâmetros de 20 regeneração definidos, especialmente em função de um grau de cargado filtro de particulado e/ou de um grau de eficácia de regeneração ou de um trabalho de regeneração de uma uma regeneração de NO 2 do filtro de particulado por meio de uma quantidade de NO 2 formada em pelo menos um catalisador de oxidação de NO a uma temperatura definida. Através do fluxo de gás de escape aquecido a temperatura portanto pode ser elevada no filtro de particulado, sendo que ao mesmo tempo ainda estão presentes quantidads ainda elevadas de NO 2 a partir do
9/27 catalisador de oxidação de NO-, já que na seção do catalisador de oxidação de NO não é feito nenhum aumento de temperatura que age favoravelmente à formação de NO 2 — θ não estão presentes concentrações de hidrocarbonetos elevadas, que levam a um recuo da atividade de oxidação de NO. Esse aumento de temperatura do fluxo de gás de escape ocorre antes do filtro de particulado ocorre portanto em uma parte do sistema de gás de escape, que se situa a jusante do catalisador de oxidação de NO e/ou paralelamente ao catalisador de oxidação de NO assim como a montante do filtro de particulado. De acordo com a invenção, neste caso, portanto, é disponibilizada uma combinação de função mais segura, de uma regeneração ativa ou passiva de um filtro de particulado que evita interações negativas com função mais segura, que explora as respectivas vantagens. Através de uma solução de acordo com a invenção desse tipo é portanto possível deixar que a regeneração de fltro de partículas ocorra exclusivamente através das quantidade de NO 2 _ sendo que em caso de necessidade, a temperatura no filtro de particulado é deslocada para a janela de temperatura idela para a reação respectivamente desejada por meio de uma unidade controle eletrônica projetada como dispositivo de controle e/ou de regulação. Ou seja, que o fluxo de gás de escape conduzido para o filto de partículas por meio de pelo menos um dispositivo de aquecimento em períodos pré-determinados ou estados operacionais pré-determinados do motor de combustão interna e/ou do sistema de tratamento posterior é aquecido a uma tal temperatura que se situa abaixo da temperatura de regeneração
10/27 de uma regeneração de filtro de partícula ativa pura mediante adição de hidrocarbonetos no fluxo de gás de escape. Neste caso, este fluxo de gás de escape conduzido até o filtro de particulado é aquecido a uma temperatura inferior a 600 0 C, preferivelmente inferior ou igual a aproximadamente 550 °C, o mais preferivelmente inferior ou igual a aproximadamente 450 0 C. Especialmente preferivelmente as temperaturas neste caso situam-se em uma faixa de temperatura de 300°C a 550 0 C, o mais preferivelmente em uma faixa de temperatura de 350°C a 450 0 C. A temperatura do fluxo de gás de escape conduzido até o filtro de particulado é portanto pré-determinado no caso da solução de acordo com a invenção especialmente preferivelmente em função de uma concentração de NO2 e/ou do estado de cargado filtro de particulado com partículas contendo carbono em uma faixa definida de pelo menos um fluxo de gás de escape na verdade com auxílio de um dispositivo de controle e/ou de regulação como dispositivo de controle eletrônico.
Em virtude das possíveis temperaturas relativamente elevadas durante a assistência simultânea da oxidação de negro de fumo através do forte agente de oxidação NO 2 θ possível abreviar o período de regeneração e diminuir a temperatura de regeneração para aproximadamente 400 0 C. Desse modo, a quantidade de hidrocarboneto necessária para o aumento de temperatura assim como as emissões de monóxido de carbono que ocorrem através da regeneração também diminui tal como o risco de uma elevação de temperatura incontrolável e uma danificação térmica portanto a ele associada do filtro de partícula ou de catalisadores a jusante.
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Para assegurar uma regeneração mais segura do filtro de particulado ou do separador de partículas, é previsto de acordo com uma forma de concretização especialmente preferida que pelo menos durante uma operação de regeneração definida a razão de massa entre carbono presente no gás de escape e dóxido nítrico é de pelo menos 1 :4, preferivelmente de pelo menos 1 :8. Essa operação de regeneração é caracterizada especialmente através de uma elevação definida da temperatura de gás de escape a montante do filtro de particulado.
De acordo com uma primeira forma de concretização concreta, o dispositivo de aquecimento neste caso fica disposto preferivelmente pela hidrodinâmica paralelamente ao catalisador de oxidação de NO. Por exemplo, estes são desacoplados pela hidrodinâmica de tal forma que pelo dispositivo de aquecimento e pelo catalisador de oxidação de NO respectivamente circula fluxo de gás ou gás de escape. Isso significa na verdade que por exemplo através do catalisador de oxidação de NO um primeiro fluxo de gás de escape e através ou sobre o dispositivo de aquecimento circula um segundo fluxo de gás de escape, sendo que os dois fluxos de gás de escape são conduzidos a jusante do catalisador de oxidação de NO e do dispositivo de aquecimento assim como a montante do filtro de particulado. De acordo com uma primeira variante de dispositivo é possível a montante do catalisador de oxidação de NO que uma derivação derive de uma linha de alimentação que conduz até o catalisador de oxidação de NO, sendo que a derivação desemboca então a jusante do catalisador de oxidação de NO em uma linha
12/27 de descarga que sai do catalisador de oxidação NO até o filtro de particulado. O dispositivo de aquecimento deve ser disposto na área da derivação. Alternativamente a isso, porém é possível também uma execução de projeto na qual o catalisador de oxidação de NO circunde ou envolva o dispositivo de aquecimento pelo menos em alguns segmentos. Desse modo, é possível evitar vantajosamento que o dispositivo de aquecimento se resfrie.
Para bifurcar um fluxo de gás de escape pela dinâmica de fluidos de acordo com um outro arranjo especialmente preferido da solução de acordo com a invenção é previsto um dispositivo de bloqueio acoplado por meio de um dispositivo de controle e/ou de regulação, por exemplo uma válvula borboleta ou similar, por meio da qual a quantidade do fluxo de gás conduzido ao longo do catalisador de oxidação de NO e/ou do fluxo de gás conduzido ao longo do dispositivo de aguecimento pode ser controlada ou regulada em função de parâmetros operacionaos ou de bloqueio definidos.
Alternativamente ao arranjo fluidicamente paralelo pelo menos de um catalisador de oxidação de NO e pelo menos de um dispositivo de aquecimento também pode ser previsto que estes sejam dispostos fluidicamente em série entre si e pelos quais circule um fluxo de gás de escape. Para tanto, o dispositivo de aquecimento deve ser disposto a jusante do catalisador de oxidação de NO e a montante do filtro de particulado.
O dispositivo de aquecimento propriamente dito é formado por um catalisador de aquecimento que por sua vez é projetado preferivelmente como catalisador de oxidação. É
13/27 previsto especialmente preferivelmente um dispositivo dosador por meio do qual é adicionado ao fluxo de gás de escape a montante do catalisador de aquecimento um agente de redução para uma reação exoterma em função de parâmetros de dosagem definidos para períodos pré-determinados assim como em quantidade pré-determinada. A dosagem é feita neste caso especialmente periodicamente. Para o caso especialmente preferido de o catalisador de aquecimento ser um catalisador de oxidação de HC, o agente de redução será formado preferivelmente por hidrocarbonetos.
Os hidrocarbonetos são, neste caso, formados preferivelmente por combustível. Especialmente preferido é, dosar a adição dos hidrocarbonetos através de um dispositivo dosador separado, previsto no trato de gás de escape, por exemplo um bocal de injeção ou similar. Essa dosagem é feita a montante do catalisador de aquecimento, em que é doseada ao fluxo de gás de escape em períodos pré-determinados uma quantidade pré-determinada de hidrocarbonetos. Neste caso, é especialmente preferido conforme já mencionado, uma dosagem que feita de acordo com um parâmetro de controle e/ou de regulação pré-determinado, periodicamente repetida, com auxílio de uma unidade de controle eletrônica.
Para oxidar os hidrocarbonetos adicionados o fluxo de gás de escape a ser aquecido portanto pode ser conduzido ao longo do dispositivo de aquecimento projetado como catalisador de oxidação de HC sendo que o fluxo de gás de escape é aquecido. A potência de aquecimento a ser atingida desse modo é limitada através da quantidade de oxigênio
14/27 presente. Pois, para o caso de o valor lambda, portanto a razão de quantidade de oxigênio para de combustível, atingir o valor 1, não é mais possível oxidação dos hidrocarbonetos. Para evitar que isso aconteça, é proposto de acordo com um outro arranjo preferido, adicionar ar fresco ao fluxo de gás de escape a ser aquecido, após atingir uma temperatura prédeterminada e/ou um tempo pré-determinado e/ou ao ultrapassar um valor lambda ou de oxigênio pré-determinado. Esse fornecimento de ar fresco ideal provoca um aumento do valor lambda e portanto também uma elevação da potência de aquecimento máxima possível. O ar fresco pode, neste caso, ser derivado em geral no lado de ar de admissão do motor de combustão interna, na verdade por exemplo a montante e/ou a jusante de uma desembocadura de uma linha de retorno de gás de escape para uma linha de ar de admissão do motor de combustão interna. Além disso, é possível a utilização de um ventilador ou compressor para a condução de ar fresco.
Uma possibilidade alternativa para elevar a temperatura de gás de escape reside no fato de empregar um queimador operado preferivelmente com combustível como dispositivo de aquecimento. Para tanto, aplica-se numa extensão especial a problemática acima descrita das razões de ar muito baixas, que pode ser tratada de forma análoga à solução para o catalisador de aquecimento.
O dispositivo de aquecimento, especialmente o catalisador de aquecimento, pode ser disposto a princípio fora do trato de gás de escape ou seja de forma que por este não possa circular gás de escape. Isso leva principalmente de forma
15/27 relativamente rápida a um resfriamento desse dispositivo de aquecimento, especialmente do catalisador de aquecimento. Por isso, é mais conveniente dispor o dispositivo de aquecimento, especialmente o catalisador de aquecimento de tal forma no trato de gás de escape que por ele circule pelo menos parcialmente gás de escape em que as perdas de calor para o meio ambiente sejam diminuídas.
Especialmente, é possível circundar por exemplo o catalisador de oxidação de HC como catalisador de aquecimento com o catalisador de oxidação de NO. Além disso, é possível empregar para o catalisador de oxidação de NO e o catalisador de oxidação por exemplo de HC como catalisador de aquecimento um substrato conjunto, que apresenta em diferentes áreas diferentes revestimetos catalíticos. Através de peças agregadas da tecnologia de fluxo a montante do substrato, tal como chapas de guia e/ou paredes separadoras, é assegurado que durante a fase de regeneração não estarão presentes hidrocarbonetos nas áreas com revestimento de oxidação de NO.
Além disso, é viável a instalação- do dispositivo de aquecimento, especialmente do catalisador de aquecimento e do catalisador de oxidação de NO em uma carcaça conjunta.
Para melhorar ainda mais o sistema, é além disso possível prover o catalisador de aquecimento projetado como catalisador de oxidação de HC adicionalmente com uma atividade de oxidação de NO em que as porcentagens de NO 2 -são elevadas na operação de não-regeneração e portanto melhorada a oxidação das partículas com auxílio da regeneração passiva.
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Desse modo, é possível prolonger os intervalos entre as elevações de’ temperaturas ativas. O catalisador de aquecimento neste caso deve ser projetado termicamente mais estável do que o catalisador de oxidação de NO puro. Isso normalmente resulta em uma atividade de oxidação de NO menor em relação aos catalisadores de oxidação de NO puros, conforme já anteriormente mencionado.
Para, especialmente na aplicação de catalisadores de oxidação de HC como catalisadores de aquecimento, evitar elevadas concentrações de hidrocarboneto a jusante do filtro de particulado, este pode ser provido de um catalisador para a oxidação de hidrocarbonetos. Também é possível um catalisador colocado ou disposto a montante e/ou a jusante do filtro de particulado com atividade de oxidação de hidrocarboneto. Como compoentes ativos podem ser utilizados em ter outro óxido de vanádio, cério, zeólita e elementos do grupo de metal da platina.
Em contrapartida, podem ser empregados tanto para os catalisadores de oxidação de NO como para os catalisadores de oxidação de HC como componentes ativos, principalmente metais do grupo de metal da platina, na verdade sua composição se destaca: para melhorar a estabilidade térmica dos catalisadores de oxidação de HC, sua porcentagem de paládio por exemplo é maior do que a dos catalisadores de oxidação de NO. Para os catalisadores de oxidação de HC pode ser utilizado a princípio cpmo elemento ativo também o cério.
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A atividade de ambos os tipos de catalisador pode ser também amentada por exemplo pela utlização de zeólitas.
A regeneração pode ser ainda mais melhorada aumentando—se o fornecimento de NO 2 — · Isso pode ser obtido através da elevação da emissão em bruto de NOX-. Isso é possível alterando-se parâmetros operacionais do motor tais como pressão de injeção, taxas de retorno de gás de escape, inicio de injeção, quantidade de injeções, ajuste da válvula reguladora de sucção etc. Através do maior fornecimento de NO. x -aumenta simultaneamente a quantidade de NO 2 formada nos catalisadores de oxidação de NO. Uma outra possibilidade reside no fato de aumentar a quantidade de NO 2 formada mediante melhoria da· oxidação de NO nos catalisadores de oxidação de NO. Isso é possível normalmente ao aumentar o tempo de permanência, especialmente pela redução da quantidade de gás de escape conduzida através dos catalisadores e/ou pelo aumento da temperatura dos catalisadores de oxidação de NO. Para conseguir isso podem ser utilizadas as medidas já descritas acima para elevar a emissão em bruto de NOx.
Para reduzir a emissão de óxidos nítrico, além das partículas, no trato de gás de escape ou no sistema de gás de escape podem ser previstos também catalisadores para° a oxidação de NOx-, como por exemplo pelo menos um catalisador de armazenamento de NO x —e/ou pelo menos um catalisador de SCR-. Os catalisadores de armazenamento de NO x podem ser dispostos a jusante dos catalisadores de oxidação e/ou a jusante do filtro de particulados, enquanto para os catalisadores de SCR- também
18/27 é possível um posicinamento a montante dos catalisadores de oxidação. Para os catalisadores de armazenamento de NO x - são preferivelmente utilizados platina e/ou bário e/ou cálcio como componentes ativos. Em contrapartida é conveniente para os catalisadores de SCR- a aplicação de pentóxido de vanádio estabilizado em óxido de tungstênio, preferivelmente a base de dióxido de titânio, ou zeólita de ferro ou zeólita de cobre ou zéolita de cobalto ou óxido de zircônio.
espaço de instalação de um sistema desse tipo para redução de óxidos nítricos e partículas pode ser diminuído em que pelo menos um filtro de particulados e pelo menos um catalisador de SCR e/ou pelo menos um catalisador de bloqueio de NO x - Forman uma unidade construtiva, sendo que o filtro de particulados pode ser provido de um revestimento de catalisador SCR e/ou de um catalisador de armazenamento de NOx.
Em suma, por isso é possível estabelecer que com a solução de acordo com a invenção, na qual podem ser combinadas uma regeneração de filtro de particulado passiva e uma regeneração de filtro de particulado ativa pelo menos ocasionalmente, podendo ser obtidas uma série de vantagens: desse modo, a capacidade de regeneração do sistema pode ser ativamente influenciada. Além disso, o ajuste pode ser feito de tal forma que o trabalho máximo de regeneração transcorre através da oxidação de negro de fumo com auxílio de NO 2 1 que é formado em um catalisador de oxidação de NO a montante ou seja, o agente de redução ou combustível é adicionado apenas quando o trabalho de regeneração não é suficiente por meio de NO 2/ de forma que o consumo de combustível é assim bastante reduzido em
19/27 relação a uma regeneração de filtro de particulado pura ativa. Alémm disso, através da solução de acordo com a invenção ocorre uma carga térmica bem menor do filtro de particulados especialmente do filtro de particulados Diesel, e eventualmente 5 de componentes de tratamento posterior de gás de escape a jusante. Uma outra vantagem reside no fato de a regeneração poder ocorrer uniformemente, eliminando-se assim o risco dos assim chamados ninhos de negro de fumo e combustões do filtro de particulados. Uma outra vantagem essencial reside também no 10 fato de a demanda em platina e portanto os custos para a fabricação do sistema de tratamento posterior de gás de escape serem bem menores do que aqueles de sistemas de regeneração de HCI-puros (Hydrocarbon injection), ou sejam sistemas de regeneração pura ativa, já que precisam ser oxidadas quantidades pequenas de hidrocarbonetos e não é necessária uma oxidação de monóxido de carbono formado durante a regeneração ativa. E devido à pequena diferença de temperatura ocorrem menos perdas de calor para o meio ambiente do que na regeneração de filtro de particulados pura ativa sendo 20 necessários menos gastos para isolamento e para material etc.
Vários exemplos de concretização da presente invenção serão a seguir mais detalhadamente esclarecidos com base em um desenho, onde:
A Fig. 1 mostra de forma esquemática um 25 diagrama, que mostra a titulo de exemplo a melhora da oxidação de negro de fumo mediante elevação da temperatura;
A Fig. 2 mostra de forma esquemática um diagrama, que mostra a titulo de exemplo a melhora da oxidação
20/27 de negro de fumo mediante elevação do fornecimento de NO 2 - e da temperatura;
A Fig. 3 mostra uma primeira forma de concretização de um arranjo paralelo de catalisador de oxidação de NO e de um catalisador de aquecimento prjetado como catalisador de oxidação a montante de um filtro de particulados;
A Fig. 4 mostra de forma esquemática uma forma de concretização alternativa de um arranjo paralelo de urn catalisador de oxidação de NO- e de um catalisador de aquecimento projetado como catalisador de oxidação HC-a montante de um filtro de particulados;
A Fig. 5 mostra de forma esquemática uma outra forma alternativa de concretização de um dispositivo de acordo com a invenção para a regeneração de um filtro de particulados disposto no trato de gás de escape de um motor de combustão interna com um arranjo em serie de um catalisador de oxidação NO e de um catalisador de oxidação HC- a montante de um filtro de particulados; e
A Fig. 6 mostra de forma esquemática uma forma de concretização alternativa em relação à figura 5, na qual é utilizado um queimador ao invés de um catalisador de aquecimento.
Na Fig. 3 aparece ilustrado uma primeira forma de concrtização de acordo com a invenção a titulo de exemplo, na qual no trato de gás de escape 1 de um motor de combustão interna aqui não ilustrado, especialmente de um motor de combustão interna Diesel, um fluxo de gás de escape 2 é
21/27 conduzido por meio de um tubo de alimentação 3 até um catalisador de oxidação NO- 4. Deste catalisador de oxidação de NO- 4 segue um tubo de descarga 5 até um filtro de particulados 6.
A montante do catalisador de oxidação de NO- 4 deriva um tubo de alimentação 7 do tubo de alimentação 3 e desemboca a jusante do catalisador de oxidação de NO 4 no tubo de descarga 5.
Nessa derivação 7 fica disposto um catalisador de oxidação de HC- 8 como catalisador de aquecimento. Além disso, na derivação 7 a montante do catalisador de oxidação de HC 8 fica disposto um bocal 9, por meio do qual o combustível 10 como agente de redução pode ser adicionado na derivação 7 a montante do catalisador de oxidação HC- 8. Por essa razão, o bocal 9 é parte integrante de um dispositivo dosador 11 , que além do bocal 9 também apresenta um revervatório de combustível 12 e um dispositivo de controle e/ou de regulação 13 que regula ou controla a dosagem.
Opcionalmente, na derivação 7 a montante do bocal 9 fica disposto um elemento de bloqueio 14, que pode ser acoplado também a uma unidade CE controle eletrônica, que aliás não aparece ilustrada a fim de derivar em intervalos prédeterminados uma quantidade de gás de escape definida do fluxo de gás de escape 2 de forma que um primeiro fluxo de gás de escape 2' circule pelo catalisador de oxidação de NO- 4 e um segundo fluxo de gás de escape 2 circule pela derivação 7. Ambos os fluxos de gás de escape são novamente encaminhados a jusante do catalisador de oxidação de NO 4 e ajusante do
22/27 catalisador de oxidação HC 8 e conduzidos como fluxo de gás de escape 2' ao filtro de particulados 6.
Conforme aparece ilustrado na figura 3 de forma esquemática, o catalisador de oxidação de NO 4 é projetado e dimensionado bem maior do que o catalisador de oxidação HC 8, o que depende do fato de a regeneração de filtro de particulados ser realizada basicamente como regeneração de filtro de particulados baseada em NO 2 -ou seja por meio do NO 2 formado no catalisador de oxidação NO 4. No caso de o trabalho de regeneração do NO 2 formado no ou junto do catalisador de oxidação de NO- 4, será adicionado combustível 10 na derivação 7 correspondentemente de forma controlada ou regulada através do dispositivo de controle e/ou de regulação 13 pelo bocal 9. Ao mesmo tempo, através do acionamento correspondente do elemento de bloqueio 14 um fluxo de massa de gás de escape correspondente será conduzido como segundo fluxo de gás de escape 2 ” através da derivação 7, a fim de conduzir ao catalisador de oxidação de HC- 8 um fluxo de gás de escape enriquecido com hidrocarbonetos,em que no catalisador de oxidação HC- ocorre uma reação exotérmica, que gera um segundo fluxo de gás de escape quente 2, que será misturado a jusante do catalisador de oxidação de NO 4 com o primeiro fluxo de gás de escape 2' de forma que este ser aumentado com o primeiro fluxo de gás de escape 2' enriquecido com NO 2 - a uma temperatura mais elevada em que a oxidação de negro de fumo baseada em NO 2 no filtro de particulados 6 transcorre de forma ideal conforme ilustrado de forma esquemática na figura 1. Ali, a linha ideal que caracteriza uma reação 100% é assinalada pelo
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I número 15, neste caso, são oxidados por grama conduzido de NO 2 0,13g de carbono. Se então a unidade de controle eletrônica registrar que o trabalho de regeneração de NO 2 - na faixa de temperatura inferior 16 não fornceu mais nenhum resultado de regeneração satisfatório e/ou o grau de cargado filtro de particulados aumentou para acima de um limite pré-determinado, então através das medidas anteriormente citadas o nível de temperatura será elevado para uma faixa de temperatura superior 17 a fim de dimensionar com mais eficácia e de forma mais otimizada a combustão de negro de fumo. Neste caso, devido à combinação de acordo com a invenção de uma possibilidade de regeneração ativa e passiva por exemplo elevar o fluxo de gás de escape, que é conduzido ao filtro de particulados 6, para um nível de temperatura que se situe preferivelmente na faixa de 370 0 C a 400 0 C. Através da elevação do nível de N0 2 adicional mostrado na figura 2 mediante aumento das emissões em bruto de NOx já acima descrito e/ou melhora da atividade de oxidação de NO do catalisador de oxidação de NO com auxílio de parâmetros operacionais alterados e/ou dos catalisadores de oxidação de NO a capacidade de regeneração pode ser melhorada em contrapartida ao mero aumento da temperatura de gás de escape.
A determinação da quantidade de NO 2 e/ou da capacidade de regeneração e/ou do grau de cargado filtro de particulados podem ser apuradas por exemplo através de modelos matemáticos e/ou campos característicos e/ou sensores de gás de escape, especialmente sensores de pressão, sensores de NO 2 sensores de NOx-, sensores de temperatura e/ou sensores para a determinação da quantidade de particulados ou de negro de fumo.
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O acima exposto se aplica analogamente ao arranjo alternativo de acordo com a figura 4, no qual, diferentemente do arranjo da figura 3, foi realizada uma conexão paralela de catalisador de oxidação de NO 4 e um catalisador de oxidação de HC 8 partindo do fato deo catalisador de oxidação de HC que forma o catalisador de aquecimento ou o dispositivo de aquecimento ' é nestecaso cercado pelo menos por áreas pelo catalisador de oxidaçãode
NO. Desse modo, o resfriamento do catalisador de oxidação de HC 8 é melhor evitado do que no caso de um arranjo separado de um catalisador de oxidação de HC 8. A dosagem do combustível 10 é feita neste caso de forma análoga à forma de concretização de acordo com a figura 3, em relação ao catalisador de oxidação HC 8. Para dividir os fluxos de gás de escape através do catalisador de oxidação de NO 4, por um lado, e do catalisador de oxidação HC- 8, por outro lado, também podem ser previstos neste caso novamente elementos de circulação, por exemplo um elemento-guia 18 meramente ilustrado de forma esquemática. Além disso, na área desse elemento-guia 18 também pode ser previsto um elemento de bloqueio que controla ou regula a quantidade ou em geral o fluxo de entrada do fluxo de gás de escape até o catalisador de oxidação 'de HC 8, conforme descrito anteriormente em conexão com o elemento de bloqueio 14 e a derivação 7.
Através da utilização de um elemento-guia também é possível, colocar o catalisador de oxidação de NO 4 e o catalisador de oxidação HC 8 em um substrato de catalisador conjunto. As áreas, que durante a regeneração com
25/27 hidrocarbonetos a partir da unidade de alimentação, aqui projetada a título de exemplo como bocal 9, são ativadas, são neste caso projetadas como catalisador de oxidação de HC 8, especialmente revestidas, enquanto as áreas restantes são projetadas como catalisadores de oxidação de NO 4, especialmente revestidas. Normalmente, as diferentes areas diferenciam-se pelça seção transversal, tambpem transversalmente em relação ao sentido de circulação.
Na figura 4 além disso aparece ilustrado meramente de forma esquemática ainda um catalisador de redução 21 de NOx disposto também no trato de gás de escape 1, que é formado por exemplo como catalisador de armazenamento de NO x ou catalisador de SCR.
O modo de funcionamento e o controle de processo correspondem àqueles conforme já descritos em conexão com as figuras 1 a 3.
Na figura 5, aparece finalmente ilustrada uma forma de concretização na qual o catalisador de oxidação de NO 4 e o catalisador de oxidação HC 8, não são paralelamente conectados, mas sim dispostos em série. Isso significa, na verdade que o catalisador de oxidação HC 8 fica disposto a jusante do catalisador de oxidação de NO 4 e mais a montante do filtro de filtrados 6. A dosagem do combustível 10 como agent de redução é feita neste caso também por sua vez de tal forma que esse combustível não possa chegar até o catalisador de oxidação de NO 4, em que a dosagem é feita a jusante do catalisador de oxidação de NO 4 e a montante do catalisador de oxidação HC 8. O controle de processo e o modo de funcionamento
26/27 correspondem àqueles tal como mais detalhadamente esclarecidos já anteriormente em conexão com a figura 1 a 4. A diferença fundamental reside portanto neste caso no fato de o fluxo de gás de escape 2 não ser dividido ou derivado , em contrapartida aos arranjos de acordo com a figura 3 e 4, mas sim todo o fluxo de gás de escape 2 circular primeiramente pelo catalisador de oxidação de NO 4, em seguida pelo catalisador de oxidação de HC 8 assim como ainda pelo filtro de particulados 6. Na figura 6 aparece finalmente ilustrado um arranjo alternative em relação à figura 5 no qual ao invés de um catalisador de oxidação de HC 8 como dispositivo de aquecimento é utilizado um queimador 19 operado com combustível. Uma plaicação de queimador desse tipo é especialmente possível também em conexão com as formas de concretização anteriormente citadas, especialmente em conexão com a forma de concretização de acordo com a Fig. 3. A estruturação da figura 6 corresponde àquela da figura 5 de forma que é feita referência às concretizações anteriormente feitas a fim de evitar repetições.
No caso de todas as formas de concretização o fluxo de gás de escape ou um fluxo parcial de gás de escape é conduzido através de um dispositivo de aquecimento. A potência de aquecimento a ser atingida desse modo é, conforme já anteriormente descrito, limitada pela quantidade de oxigênio presente. Para evitar isso, pode ser adicionado ar fresco opcionalmente ao fluxo de gás de escape a ser aquecido depois de atingir uma temperatura pré-determinada e/ou um tempo prédeterminado e/u ao ultrapassar um valor lambda ou de oxigênio pré-determinado, por exemplo um fluxo de ar fresco derivado no
27/27 lado de ar de admissão. A alimentação de ar fresco 20 aparece ilustrada nas figuras 3, 5 e 6 de forma bem esquemática por ττιθΐο de uma seta.
Claims (6)
1. “DISPOSITIVO E MÉTODO PARA A REGENERAÇÃO DE FILTRO DE PARTICULADOS DISPOSTO NO TRATO DE GÁS DE ESCAPE DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA”, sendo o dispositivo para regeneração de um filtro de partículas disposto no circuito de gás de escape de um motor de combustão interna com pelo menos um catalisador de oxidação NO disposto a montante do filtro de partículas para a oxidação de NO, formando especialmente NO2, sendo que a montante do filtro de partículas (6) está previsto ainda pelo menos um dispositivo de aquecimento (8; 19), por meio do qual um fluxo de gás de escape (2') conduzido até o filtro de partículas (6) pode ser aquecido em função de parâmetros de regeneração definidos, a uma temperatura definida, caracterizado por para a realização de pelo menos uma regeneração de filtro de partículas ativa e passiva temporariamente combinada o dispositivo de aquecimento (8) fica disposto fluidicamente paralelamente ao catalisador de oxidação de NO (4) de tal forma que em um primeiro fluxo de gás de escape (2') circule através do catalisador de oxidação de NO (4) e um segundo segundo fluxo de gás de escape (2“) aquecido circule através ou sobre o dispositivo de aquecimento (8) e os dois fluxos de gás de escape (2', 2) sejam juntamente conduzidos a jusante do catalisador de oxidação de NO (4) e do dispositivo de aquecimento (8) assim como a montante do filtro de partículas (6).
2/6 presentes no gás de escape ser de pelo menos 1:4, preferivelmente pelo menos de 1:8.
2.Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos durante a fase de regeneração, que é caracterizada por um aumento definido da temperatura de gás de escape a montante do filtro de partículas (6), a razão de massa entre carbono e dióxido de nitrogênio
Petição 870190126529, de 02/12/2019, pág. 5/30
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3.Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o fluxo de gás de escape (2') conduzido até o filtro de partículas (6) poder ser aquecido por meio de pelo menos um dispositivo de aquecimento (8; 19) em uma temperatura que se situa abaixo da temperatura de uma regeneração de filtro de partículas ativa pura mediante adição de hidrocarbonetos ao fluxo de gás de escape, especialmente em uma temperatura inferior a 600°C, preferivelmente inferior ou igual a aproximadamente 550°C, o mais preferivelmente inferior ou igual a aproximadamente 450°C, sendo que a temperatura situa-se preferivelmente em uma faixa de temperatura de aproximadamente 300°C a 550°C, o mais preferivelmente em uma faixa de temperatura de aproximadamente 350°C a 450°C.
4/6
NO, a uma temperatura definida, sendo que o dispositivo de aquecimento (8) fica disposto fluidicamente paralelamente ao catalisador de oxidação de NO (4) de forma que um primeiro fluxo de gás de escape (2') passe pelo catalisador de oxidação de NO (4) e um segundo fluxo de gás de escape (2) passe pelo ou sobre o dispositivo de aquecimento (8) e os dois fluxos de gás de escape (2', 2) sejam conduzidos juntos a jusante do catalisador de oxidação de NO (4) e do dispositivo de aquecimento (8) assim como a montante do filtro de partículas (6).
7.Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por pelo menos durante a fase de regeneração, que compreende um aumento definido da temperatura de gás de escape a montante do filtro de partículas (6), a razão de massa entre carbono e dióxido de nitrogênio presentes no gás de escape ser pelo menos de 1:4, preferivelmente pelo menos de 1:8.
8.Método, de acordo com a reivindicação 6 ou reivindicação 7, caracterizado por o fluxo de gás de escape (2“) conduzido até o filtro de paertículas (6) ser aquecido por meio de pelo menos um dispositvo de aquecimento (8; 19) em uma temperatura que se situa abaixo da temperatura de regeneração de uma regeneração de filtro de partículas ativa pura mediante adição de hidrocarbonetos ao fluxo de gás de escape, especialmente em uma temperatura inferior a 600°C, preferivelmente inferior ou igual a aproximadamente 550°C, o mais preferivelmente inferior ou igual a aproximadamente 450°C, e /ou de a temperatura situar-se em uma faixa de temperatura de aproximadamente 300°C a 550°C, o mais preferivelmente em uma faixa de temperatura de aproximadamente 350CC a 450°C.
Petição 870190126529, de 02/12/2019, pág. 8/30
4. Dispositivo, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por pelo menos um dispositivo de aquecimento ser formado por um queimador (19) ou um catalisador de oxidação projetado como catalisador de aquecimento (8), preferivelmente um catalisador de oxidação de HC, o mais preferivelmente um catalisador de oxidação de HC com uma atividade de oxidação de NO, sendo que um dispositivo de dosagem (11) está previsto, por meio do qual pode ser doseado ao fluxo de gás de escape a montante do catalisador de aquecimento um agente de redução (10), preferivelmente hidrocarbonetos, para uma reação exotérmica em função de parâmetros d dosagem em intervalos prédeterminados em quantidade pré-determinada, especialmente periodicamente.
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9.Método, de acordo com uma das reivindicações de 6 a 8, caracterizado por ser previsto um dispositivo de controle e/ou de regulação, por meio do qual a temperatura do fluxo de gás de escape (2“) conduzido até o filtro de partícula (6) (2) é prédetemrinada em função de uma concentração de N02 e/ou do carregamento do filtro de partículas e/ou da capaicdade de regeneração do filtro de partícula em uma faixa deifnida de pelo menos um fluxo de gás de escape.
10.Método, de acordo com uma das reivindicações de 6 a 9, caracterizado por ser conduzido ao fluxo de gás de escape a montante do dispositivo de aquecimento (8;19) projetado preferivelmente como catalisador de oxidação ou como queimador em intervalos pré-determinados e/ou em caso de uma temperatura de gás de escape pré-determinada ser ultrapassada e/ou no caso de um valor Lambda fica abaixo do valor Lambda pré-determinado e/ou no caso de um índice de oxigênio ficar abaixo do indice de oxigênio pré-determinado, uma quantidade pré-determinada de um fluxo de ar fresco no lado de ar de admissão e/ou uma quantidade prédeterminada de um fluxo de ar de admissão derivado a jusante da desembocadura de um conduto de recondução de gás de escape em um coduto de ar de admissão.
11.Método, de acordo com uma das reivindicações de 6 a 10, caracterizado por durante a regeneração do filtro de partículas (6) a emissão em bruto de NOx do motor de combustão interna e/ou a capacidade de oxidação do catalisador de oxidação de NO serem alteradas, especialmente aumentadas mediante ajuste de parâmetros operacionais definidos, especialmente da pressão de injeção de combustível e/ou do início de injeção e/ou da taxa de
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5.Dispositivo, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado por ser previsto um conduto de ar fresco bloqueável (20) por meio de um elemento de bloqueio, através do qual pode ser conduzido a um fluxo de gás de escape, a montante do dispositivo de aquecimento (8; 19) e/ou a montante do catalisador de oxidação de NO (4), um fluxo de ar fresco no lado de ar de admissão e/ou um fluxo de ar de admissão derivado a jusante da desembocadura de um conduto de recondução de gás de escape em um conduto de ar de admissão ou um fluxo de ar fresco conduzido com auxílio de uma ventoinha ou um compressor.
6.Método para a regeneração de um filtro de partículas disposto no circuito de gás de escape de um motor de combustão interna, especialmente para operar um dispositivo, como definido em uma das reivindicações de 1 a 5, no qual pelo menos através de um catalisador de oxidação de NO disposto a montante do filtro de partículas para a oxidação de NO, especialmente formando NO2, passa um fluxo de gás de escape, sendo que a montante do filtro de partículas (6) é também previsto pelo menos um dispositivo de aquecimento (8; 19), por meio do qual um fluxo de gás de escape conduzido até o filtro de partículas (6) é aquecido, caracterizado por o fluxo de gás de escape conduzido até o filtro de partículas (6) ser aquecido por combinação pelo menos temporária de uma regeneração de filtro de partículas ativa e passiva, em função de parâmetros de regeneração definidos, especialmente em função de um grau de carregamento do filtro de partículas (6) e/ou de um grau de ação de uma regeneração do filtro de partículas (6) baseada em NO2 por meio de pelo menos uma quantidade de NO2 formada por um catalisador (4) de oxidaçao de
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6/6 recondução de gás de escape e/ou da quantidade das injeções.
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