BRPI1013165B1 - processo para a produção de energia mecânica ou elétrica a partir de combustível compreendendo etanol - Google Patents

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BRPI1013165B1
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fuel
exhaust gas
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David A. Morgenstern
Jennifer C. Wheeler
Robert A. Stein
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Monsanto Technology Llc
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Abstract

PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE ENERGIA MECÂNICA OU ELÉTRICA A PARTIR DE COMBUSTÍVEL COMPREEN DENDO ETANOL A presente invenção refere-se a sistemas melhorados de energia de motor de combustão interna (por exemplo, aqueles usados para geração de energia mecânica ou elétrica em aplicações veiculares) que utilizam um combustível álcool reformado compreendendo uma mistura de gás que contêm hidrogênio, e mais particularmente, o funcionamento eficiente dos referidos motores e sistemas de energia são descritos. Modos de operação dos sistemas de energia de motor que fornecem uma partida mais rápida e menos custo e emissões são fornecidos. Em várias modalidades preferidas, os sistemas de energia de motor de combustão interna incluem a diluição da mistura de fluidos de admissão introduzida na câmara de combustão ou cilindro do motor usando gases de escape recirculados e/ou excesso de ar de combustão como diluente, o uso de misturas de etanol reformado e não reformado como combustível e pós-tratamento dos gases de escape descarregados docilindro usando uma armadilha magra de NO x.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[0001] A presente invenção refere-se aos sistemas de força do motor de combustão interna (por exemplo, aqueles usados gerar força mecânica ou elétrica em aplicações veiculares) que utiliza um combustível reformado do álcool que compreende uma mistura do gás contendo hidrogênio, e mais particularmente, à operação eficiente de tais motores e sistemas de poder.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[0002] Na publicação n° U.S. 2004/0137288 A1 e "Low Temperature Reforming of Etanol overCopper-Plated Raney Nickel: A New Route to Sustainable Hydrogen for Transportation," Energy and Fuels, Vol. 19, No. 4, pp. 1708-1716 (2005), Morgenstern et al. divulga um processo para reforma da fase de gás e conversão do etanol ao metano, hidrogênio e CO/CO2 em temperaturas baixas (por exemplo, abaixo de aproximadamente 300°C) usando um catalizador de reforma que compreende ligas chapeadas de cobre Raney.
[0003] A publicação n° US 2008/0010993 A1 por Morgenstern, divulga processos para reforma de etanol para produzir uma mistura de gás reformando de contendo hidrogênio e metano que pode ser queimado em um motor de combustão interna para fornecer a força mecânica ou elétrica, e na exaustão do motor utilizado para fornecer 0 calor à reação de reforma.
[0004] Todo conteúdo destas publicações por Morgenstern et al. são incorporados no presente documento por referência.
Sumário da invenção
[0005] Uma modalidade da invenção atual é dirigida para um processo para produzir o poder mecânico ou elétrico de um combustível que compreende o etanol. O processo compreende contatar uma mistura do gás de alimentação que compreende o combustível do etanol com um catalizador de reforma que compreende o cobre em uma zona de reforma da reação para produzir uma mistura do gás do reformado do produto que compreende o hidrogênio, o metano e um componente do óxido do carbono selecionado do monóxido de carbono consistindo do grupo, dióxido de carbono e misturas disso. Uma mistura de combustível de gás é queimada em uma câmara de combustão de um motor de combustão interna para produzir uma mistura do gás de exaustão. A mistura combustível do gás compreende o ar, o hidrogênio e o metano obtidos na mistura do gás do reformado do produto e um efluente de gás de exaustão que compreende de aproximadamente 5% a aproximadamente 40% da mistura do gás de exaustão produzida na combustão precedente. A energia da combustão é utilizada para a geração do poder mecânico ou elétrico, uma parcela da mistura do gás de exaustão é descarregada pelo menos da câmara de combustão e uma parcela da mistura descarregada do gás de exaustão é trazida pelo menos no contato térmico com a zona de reforma da reação para aquecer desse modo o catalizador de reforma e para refrigerar a mistura descarregada do gás de exaustão.
[0006] De acordo com outra modalidade da presente invenção, o processo para a produção de uma força mecânica ou elétrica a partir de um combustível que compreende etanol compreende o contato com uma mistura do gás de alimentação que compreende o combustível do etanol com um catalizador de reforma que compreende o cobre em uma zona de reforma da reação para produzir uma mistura do gás do reformado do produto que compreende o hidrogênio, o metano e um componente do óxido do carbono selecionado do monóxido de carbono consistindo do grupo, dióxido de carbono e misturas disso. A relação molar do metano para o componente do óxido do carbono na mistura do gás do reformado do produto é de aproximadamente 0.9 a aproximadamente 1.25 e a taxa em que o metano é produzido na mistura do gás do reformado é de pelo menos aproximadamente 50% da taxa do etanol introduzida na zona de reforma da reação em uma base molar. Uma mistura combustível do gás compreende o ar, o hidrogênio e o metano obtidos na mistura do gás do reformado do produto são queimados em uma câmara de combustão de um motor de combustão interna com aproximadamente 5% a aproximadamente 40% de recirculação de gás de exaustão para produzir uma mistura de gás de exaustão. A energia da combustão é utilizada para a geração do poder mecânico ou elétrico, uma parcela da mistura do gás de exaustão é descarregada pelo menos da câmara de combustão e uma parcela da mistura descarregada do gás de exaustão é trazida pelo menos em contato térmico com a zona de reforma da reação para aquecer desse modo o catalizador de reforma e para refrigerar a mistura descarregada do gás de exaustão.
[0007] De acordo com outra modalidade da presente invenção, o processo para a produção de uma força mecânica ou elétrica a partir de um combustível que compreende etanol compreende o contato com uma mistura do gás de alimentação que compreende o combustível do etanol com um catalizador de reforma que compreende o cobre em uma zona de reforma da reação para produzir uma mistura do gás do reformado do produto que compreende o hidrogênio, o metano e um componente do óxido do carbono selecionado do monóxido de carbono consistindo do grupo, dióxido de carbono e misturas disso. Uma mistura fluida da entrada é introduzida em uma câmara de combustão de um motor de combustão interna. A mistura fluida da entrada compreende o ar e o hidrogénio e o metano obtidos na mistura do gás do reformado do produto com lambda (À) da mistura fluida da entrada que é maior do que 1. A mistura fluida de entrada é queimada na câmara de combustão para produzir uma mistura do gás de exaustão que compreende óxidos do nitrogênio e a energia da combustão é utilizada para a geração do poder mecânico ou elétrico. Ao menos uma porção da mistura do gás de exaustão é descarregada da câmara de combustão e trazida ao contato térmico com a zona de reforma da reação para aquecer desse modo o catalizador de reforma e para refrigerar a mistura descarregada do gás de exaustão. Uma parcela da mistura descarregada do gás de exaustão é passada pelo menos através de uma armadilha dos óxidos do nitrogênio.
[0008] Ainda de acordo com outra modalidade da presente invenção, o processo para a produção de uma força mecânica ou elétrica a partir de um combustível que compreende etanol compreende o contato com uma mistura do gás de alimentação que compreende o combustível do etanol com um catalizador de reforma que compreende o cobre em uma zona de reforma da reação para produzir uma mistura do gás do reformado do produto que compreende o hidrogênio, o metano e um componente do óxido do carbono selecionado do monóxido de carbono consistindo do grupo, dióxido de carbono e misturas disso. Uma mistura fluida da entrada que compreende o ar e um combustível selecionado do hidrogênio e do metano consistindo do grupo obtido na mistura do gás do reformado do produto, etanol não reformado e as misturas destes são introduzidas em uma câmara de combustão de um motor de combustão interna. A mistura fluida de entrada é queimada na câmara de combustão para produzir uma mistura do gás de exaustão e a energia da combustão é utilizada para a geração do poder mecânico ou elétrico. Ao menos uma porção da mistura do gás de exaustão é descarregada da câmara de combustão e trazida ao contato térmico com a zona de reforma da reação para aquecer desse modo o catalizador de reforma e para refrigerar a mistura descarregada do gás de exaustão. Quando o motor de combustão interna é operado abaixo de aproximadamente 7 bar IMEP, a mistura fluida da entrada está diluída por pelo menos aproximadamente 20% e o combustível na mistura fluida da entrada compreende uma mistura do etanol reformado e o etanol não reformado em uma razão de massa de aproximadamente de 1:3 a aproximadamente 3:1.
[0009] Outros objetos e características serão aparente em parte e em parte indicados doravante.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERENCIAIS
[00010] As modalidades da invenção atual são dirigidas aos sistemas de força do motor de combustão interna (ICE) que utilizam um combustível álcool reformado (por exemplo, etanol) ou um reformado e a provisão de tais sistemas que apresentam eficiência melhorada e emissões baixas. As modalidades de operação do sistema de força ICE que fornecem uma partida mais rápida e um custo mais baixo são fornecidas também.
[00011] Um aspecto da invenção atual é fornecer níveis da diluição (por exemplo, pelo menos aproximadamente 20%) na câmara de combustão ou no cilindro de ICE usando o gás de exaustão (recirculação do gás de exaustão ou EGR) e/ou o ar adicional que permite que altas eficiências e níveis baixos de emissão sejam alcançadas simultaneamente, ao manter temperaturas do gás de exaustão altas o bastante para manter a conversão elevada na zona de reforma da reação do reformador do álcool. Quando a exaustão é usada como o diluente, os níveis de EGR de aproximadamente 5% a aproximadamente 40% estão preferidos (isto é, se prefere de aproximadamente 5% a aproximadamente 40% da exaustão reciclada), mais preferivelmente, de aproximadamente 15% a aproximadamente 40%, mais preferivelmente pelo menos de aproximadamente 20%, e mais preferivelmente de aproximadamente 30% a aproximadamente 40%, conforme níveis mais elevados podem produzir a variação indesejável na combustão de ciclo a ciclo. Quando o ar adicional for usado, a razão de ar na mistura fluida da entrada para a requerida estequiometricalidade (comumente conhecido como lambda (À)) é selecionado preferivelmente para manter uma temperatura do gás de exaustão quente o bastante para fornecer o calor suficiente à zona de reforma da reação e para manter a atividade do catalizador de reforma. O Lambda (X) é calculado dividindo a real razão de arcombustível pela relação estequiométrica do ar: o combustível para o combustível que é queimado. Quando o ar adicional é usado como o diluente, os níveis da diluição de pelo menos aproximadamente 20% são preferidos (correspondendo a um valor de lambda (À) de aproximadamente 1.2). Em algumas modalidades, os valores de lambda (À) de 1.8 a 2.2 são preferidos especialmente enquanto estes produzem tipicamente temperaturas de exaustão aproximadamente de 400°C. A recirculação do gás de exaustão e o ar adicional podem ser usados em conjunto para conseguir o nível desejado da diluição na mistura fluida da entrada introduzida na câmara de combustão do motor de combustão interna.
[00012] Em uma modalidade da estratégia do ar adicional (isto é, em que o lambda (À) da mistura fluida da entrada é maior do que 1), uma "armadilha de armadilha magra de NOX" está presente no trem do gás de exaustão a fim reduzir concentrações de óxidos de nitrogênio (por exemplo, NO, NO2; conhecido coletivamente como 0 NOX) no gás de exaustão para níveis baixos. A armadilha pode eficientemente ser regenerada , por exemplo, usando 0 reformado do etanol ou alternativamente pela operação intermitente do motor rico de estequiometria (isto é, reduzindo lambda ((À) da mistura fluida de entrada para menos de 1 como necessário). A experiência até a presente data sugere que a última estratégia, operação intermitente do motor rico, pode ser preferida porque o metano reformado do etanol reage somente para uma extensão pequena quando regenera a armadilha de armadilha magra de NOX.
[00013] Em uma modalidade adicional da invenção dirigida para reduzir emissões na inicialização, o motor pode ser ligado a frio reformado usando o reformado armazenado no veículo com sincronismo retardado da faísca a fim aumentar rapidamente temperaturas do gás de exaustão para a temperatura de "light-off" no ponto em que o conversor catalítico se torna funcional. O lightoff do catalizador pode ainda ser acelerado fornecendo um fluxo do combustível do reformado para o conversor catalítico quando a temperatura de exaustão atingiu cerca de 100°C.
[00014] Um aspecto mais adicional da invenção é relacionado ao benefício de reformar somente uma parcela do etanol usado abastecer o motor (isto é, a mistura fluida da entrada introduzida na câmara de combustão compreende o ar e uma mistura do combustível que compreende o hidrogênio e o metano obtidos na mistura do gás do reformado do produto e etanol não reformado. Reformar uma parcela do etanol e introduzindo o equilíbrio do combustível como o etanol líquido, preferivelmente através dos portais injetores de combustível, demonstrou melhorar a eficiência na maioria dos pontos de operação. Além disso, reformar somente uma fração do combustível permite o tamanho e o custo do reformador de álcool a ser reduzido. Geralmente, reformar aproximadamente 25% a aproximadamente 75% do combustível de etanol (por massa) é preferido (isto é, o combustível na mistura fluida da entrada compreende uma mistura do etanol reformado e etanol não reformado em uma razão de massa de aproximadamente 1:3 aproximadamente a 3:1) com uma proporção maior de combustível reformado sendo favorecida em menor força e maior velocidade.
[00015] As publicações mencionadas acima de Morgenstern et al. descreve um processo pelo qual o etanol pode ser reformado para produzir uma mistura dos gases (isto é, reformado) nas temperaturas baixas (por exemplo, 300°C) de acordo com as equações (1) e (2). Os produtos gasosos têm um valor do combustível (ou menor valor de aquecimento) que é aproximadamente 7% mais elevado do que aquele do etanol líquido. sem deslocamento de água-gás:
Figure img0001
kcal/mol(1) líquido após o deslocamento opcional de água-gás:
Figure img0002
[00016] Nas modalidades onde a mistura do gás da alimentação introduzida na zona de reforma da reação do reformador compreende 0 etanol, prefere-se que 0 processo de reforma prossiga de acordo com a via de reação de baixa temperatura mostrada nas equações da reação (1) e (2) (após 0 deslocamento opcional de água-gás se a água estiver presente na alimentação de etanol). Isto é, mantendo a temperatura de reforma dentro da escala preferida (por exemplo, abaixo de aproximadamente 400°C, mais preferivelmente abaixo de 350°C), 0 decomposição de alta temperatura do etanol, que é dominante em sistemas de reforma de vapor de alta temperatura, não ocorre de forma apreciável. Assim, prefere-se que a mistura do gás do reformado do produto produzida compreende 0 hidrogênio, 0 metano e um componente do óxido do carbono selecionado do grupo consistindo de monóxido de carbono, dióxido de carbono e misturas destes. Preferivelmente, 0 metano e os componentes do óxido do carbono estão presentes aproximadamente em quantidades equimolares na mistura do gás do reformado do produto. As razões molares do metano para o componente do óxido do carbono de aproximadamente 0,9 a aproximadamente 1,25 são aproximadamente equimolares. Além disso, metanização indesejada é minimizada preferivelmente. Uma vantagem importante do catalizador de reforma preferido que compreende uma fase ativa contendo cobre na superfície de uma estrutura de suporte de esponja de níquel é que a metanização é insignificante sob as condições de operação preferidas do reformador em temperaturas de reforma de até cerca de 400°C, mais preferivelmente, temperaturas até cerca de 350°C.
[00017] Quando o combustível do álcool na mistura do gás da alimentação introduzida na zona de reforma da reação compreende o etanol, prefere-se também que a taxa da produção do metano na mistura do gás do reformado do produto seja pelo menos aproximadamente 50% da taxa de alimentação do etanol em uma base molar (isto é, a conversão de aproximadamente 50% do etanol para o metano é conseguida pelo menos). Mais preferivelmente, a conversão de aproximadamente 60% do etanol ao metano é conseguida pelo menos, mais preferivelmente pelo menos conversão de aproximadamente 70%, pelo menos conversão de aproximadamente 80%, pelo menos conversão de aproximadamente 90%, e aproximadamente 95% do etanol na mistura do gás da alimentação é convertido ainda mais preferivelmente pelo menos ao metano no gás do reformado em uma base molar. A mistura do gás do reformado do produto compreende preferivelmente não mais do que aproximadamente 10% em mols do acetaldeído e o não mais do que aproximadamente 20% em mols de etanol, mais preferivelmente, não mais do que aproximadamente 5% em mols de acetaldeído e não mais do que aproximadamente 15% em mols de etanol. Para os catalizadores que contêm uma fase ativa contendo cobre na superfície de uma estrutura suportando de metal, a cinética é descrita por Morgenstern et al. em "Low Temperature Reforming of Etanol over Copper-Plated Raney Nickel: A New Route to Sustainable Hydrogen for Transportation," Energy and Fuels, Vol. 19, No. 4, pp. 1708-1716 (2005) como sendo uma função da taxa de alimentação do etanol, do carregamento do catalizador, e da temperatura tais que as condições do reformador podem prontamente ser determinadas e selecionadas baseado em exigências do sistema de poder produzir uma mistura do gás do reformado do produto da composição desejada.
[00018] Além do valor aumentado do combustível, a reforma de etanol beneficia a eficiência do motor porque a presença do hidrogênio na mistura do gás do reformado do produto aumenta extremamente a velocidade da chama, permitindo que a combustão ocorra em uma taxa aceitável mesmo quando a mistura fluida da entrada introduzida no cilindro é diluída com o ar adicional ou o gás de exaustão. O uso de misturas diluídas da entrada para conseguir melhorias da eficiência é bem conhecido no campo do motor. Os diluentes reduzem temperaturas no cilindro que reduz por sua vez perdas de calor para o refrigerador através das paredes do cilindro. Além disso, na carga parcial, os diluentes reduzem as perdas de afogamento. O uso do ar adicional fornece ainda melhorias adicionais na eficiência reduzindo a razão de aquecimentos específicos, ou gama (y), da mistura no cilindro.
[00019] O uso do ar adicional ou da recirculação externa de refrigeração do gás de exaustão (EGR) reduz as temperaturas do gás de exaustão, que podem ter um efeito prejudicial no desempenho do reformador se o gás de exaustão que está sendo usado aquecer o reformador não puder aquecer o catalizador na sua temperatura de operação (por exemplo, pelo menos cerca de 300°C na saída do reformador). O uso de EGR interno, por outro lado, pode produzir o gás de exaustão que tem uma temperatura mais alta do que o gás de exaustão produzido usando o ar adicional ou EGR externo resfriado porque o EGR interno tem uma temperatura mais alta do que o EGR externo resfriado quando retorna ao cilindro. Mais especificamente, as temperaturas crescentes do gás de exaustão, como as pelo uso de EGR interno, podem ser valiosas porque o reformador do álcool funciona como um permutador de calor entre o fluxo de gás de exaustão (que fornece o calor) e o catalizador e o combustível de entrada do etanol que o recebe. A taxa de transferência de calor por unidade de área em um dado ponto é proporcional à diferença da temperatura entre os lados quentes e frios. Na forma diferencial, este relacionamento é expresso pela equação (3), que é retirada de Handbook of Heat Transfer, (Rohsenow, Warren M., Hartnett, James P., and Cho, Young I. eds, McGraw Hill New York, 1998 pg 17.28), onde o dq é a taxa de transferência do calor do fluido quente ao frio através da superfície de área d A e (Th- Tc)ioc são a diferença da temperatura nesse ponto.
Figure img0003
[00020] Neste caso, Th- Tc corresponde à diferença entre a temperatura do fluxo de exaustão e a temperatura do catalizador. A temperatura do catalizador é tipicamente cerca de 300°C na saída do reformador. Assim, mantendo uma temperatura mais quente do gás de exaustão, é possível utilizar um reformador do álcool que tem uma área de superfície menor de troca de calor, assim reduzindo o custo e o peso para o reformador. Além disso, um reformador menor terá uma massa térmica mais baixa e pode consequentemente ser trazido à temperatura mais rapidamente pelo calor da exaustão. É preferível manter pelo menos uma temperatura do gás de exaustão de aproximadamente 400°C durante a maioria do ciclo de operação e mais preferivelmente pelo menos cerca de 450°C durante as parcelas do ciclo de operação que requerem umas taxas mais elevadas do combustível fluindo através do reformador e assim maiores taxas de transferência de calor (por exemplo, aquelas em baixa força e altas velocidades).
[00021] Por esta razão, o uso da recirculação do gás de exaustão (EGR) é preferido mediante o uso do ar adicional em umas cargas mais elevadas do motor. Com que o fluxo total do combustível é mais elevado, sob estas circunstâncias prefere-se tomar medidas para assegurar que a atividade do reformador é mantida. O uso de EGR mantem a alta temperatura do gás de exaustão e a proporção do fluxo do combustível para o reformador é reduzida. Além disso, é preferível que alguns ou todo o EGR seja "EGR interno" ao invés de EGR externo de refrigeração. A recirculação do gás de exaustão através de um refrigerador e de volta para o distribuidor de entrada é uma abordagem comum para melhorar emissões nos motores, mas tem o efeito de reduzir temperaturas do gás de exaustão. Além disso, é desafiador conseguir tais taxas elevadas de EGR (isto é, preferivelmente de aproximadamente 30% a aproximadamente 40%) em veículos de produção. Além disso, as temperaturas mais altas dos gases de exaustão recirculados internamente reduzem as perda de afogamento. EGR interno pode ser obtido deixando a válvula de exaustão aberta durante uma parcela do curso subsequente da entrada, que resulta em uma parcela da mistura descarregada do gás de exaustão que está sendo extraída para trás na câmara ou no cilindro de combustão ou de outra maneira retendo uma parcela da mistura do gás de exaustão na câmara de combustão. Pouco refrigeramento de exaustão ocorre durante este processo, que resulta em temperaturas da exaustão mais altas do que é conseguido pela diluição equivalente com ar ou exaustão de refrigeração. A abertura atrasada da válvula de exaustão também aumenta o trabalho de expansão retardando a despressurização da exaustão. EGR interno tem as vantagens adicionais de ser rapidamente ajustável nos motores com as válvulas controladas com temporizador variável tanto pelo sincronismo variável de carne ou por controles eletrônicos. Tais motores são preferidos para a operação com o combustível reformado do etanol.
[00022] Como notado acima, descobriu-se que reformar somente uma parcela do etanol fornece a eficiência melhorada na maioria de pontos de operação se comparados à operação com o reformado 100% ou usando somente combustível líquido do etanol não reformado (0% reformado). Reformar a fração preferida do etanol é benéfico não só para melhorar a eficiência do motor, mas também para reduzir as demandas térmicas do reformador, uma vez que não é necessário vaporizar e reformar tanto etanol. Divisões preferidas entre etanol reformado e líquido são descritas abaixo.
[00023] Uma restrição adicional sobre a utilização do excesso de ar ou EGR deriva do fato que diluição excessiva da mistura de fluido de ingestão introduzida no cilindro do motor faz com que a combustão se torne instável. A estabilidade da combustão é geralmente medida como o coeficiente de variação (COV) da pressão eficaz média indicada (IMEP). COVs acima de 2% são geralmente considerados inaceitáveis para o funcionamento de veículos de passageiros, exceto no modo ocioso. Isso limita a proporção de ar/combustível em excesso do nível estequiométrico ou EGR usado.
[00024] Atendendo estas considerações, quando o gás de escape é utilizado como diluente, níveis de EGR de cerca de 30 a cerca de 40 são especialmente preferidos em algumas modalidades da invenção presente, pois níveis mais elevados tendem a produzir variações indesejáveis na combustão de ciclo para ciclo. Como mostrado nos exemplos, as temperaturas do gás de exaustão são mantidas a cerca de 450°C, mesmo quando se usa EGR externo resfriado a esses níveis. A diluição com excesso de ar, em vez de EGR, permite melhorias de maior eficiência em carga reduzida. Conforme observado acima, os valores de lambda (X) de cerca de 1.8 a cerca de 2.2 são preferíveis em algumas modalidades da invenção presente, pois produzem temperaturas de gás de escape de cerca de 400°C com COV abaixo de cerca de 2%. Altos valores de À aumentam COV e reduzem as temperaturas de gás de escape fora do intervalo preferido. Um valor ideal À de cerca dois foi descrito por Wong et al.
[00025] Outra consideração envolve o gerenciamento de níveis de emissões do motor, a fim de atingir ou superar normas legais. Para motores de faísca por faísca, os três poluentes primários são óxidos de nitrogênio (NOX), monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos. Particularmente, nos Estados Unidos, normas de hidrocarbonetos são definidas em termos de hidrocarbonetos não-metano. Etanol reformado, portanto, é um combustível vantajoso em relação a satisfazer os requisitos de emissão de hidrocarbonetos existentes, porque o metano é o único hidrocarboneto no combustível. Algumas emissões de hidrocarbonetos de etanol líquido não reformado e óleo do motor são esperadas, no entanto.
[00026] As emissões de metano provenientes dos veículos podem ser reguladas no futuro, uma vez que o metano é um gás de efeito- estufa potente. No entanto, verificou-se que as emissões de metano de saída do motor dos motores alimentados por uma mistura de 50-50 de etanol reformado e E85 são equivalentes as da gasolina sobre o mesmo motor no mesmo ponto de funcionamento. As emissões são mais baixas quando operando com excesso de ar (lambda maior do que um), pois a presença de oxigênio nos gases de escape melhora a eficiência de oxidação de hidrocarbonetos do conversor catalítico.
[00027] Devido à propagação da chama rápida quando se usa etanol reformado, verificou que CO e hidrocarbonetos, ambos os produtos de combustão incompleta, são suprimidos em comparação aos combustíveis líquidos não reformados de etanol e gasolina. Além disso, as emissões de CO e hidrocarbonetos podem ser eficientemente gerenciadas por catalisadores convencionais de exaustão de três vias, mesmo em lambda alto (À),desde que a temperatura do gás de escape permaneça quente o suficiente para manter a atividade catalisadora de três vias. Isso geralmente requer uma temperatura do gás de escape de pelo menos cerca de 400°C. Mas catalisadores de três vias não são eficazes na redução de NOX na presença de excesso de ar (ou seja, valor de lambda (X) maior que 1).
[00028] Como mostrado nos exemplos, a diluição com EGR ou excesso de ar é eficaz em reduzir grandemente as emissões de NOX. Ao operar usando EGR sem excesso de ar, a redução adicional dos níveis de NOX por um catalisador de três vias convencional permite que níveis muito baixos de NOX sejam alcançados quando o catalisador de três vias está em uma temperatura de operação adequada. Os níveis de NOX de saída do motor são baixos quando se opera com excesso de ar na faixa preferida (p. ex., valor de lambda (À) de cerca de dois), mas não são negligenciáveis.
[00029] Existem três estratégias operacionais preferidas quando se usa etanol reformado que alcançam níveis aceitáveis de NOX. 1. Operação com EGR e sem excesso de ar; valor de (lambda (À) não maior que 1) durante todo o ciclo. 2. Operação com lambda (À) de cerca de dois para uma porção pequena do ciclo (preferivelmente em baixa energia) e operação com EGR em todo o equilíbrio do ciclo. 3. Operação com lambda (X) maior que um para uma porção significativa do ciclo em conjunto com um sistema avançado pós-tratamento para abatimento de NOX, preferivelmente redução catalítica seletiva (SCR) ou o uso de uma armadilha magra de NOX.
[00030] A estratégia 3 é particularmente preferida quando combinada com o uso de EGR interno. Como ainda mais descrito nos exemplos, os níveis de lambda e EGR para cada ponto de funcionamento podem ser escolhidos, a fim de satisfazer os critérios mencionados acima: temperatura do gás de escape adequada, COV de BMEP aceitável, NOX baixo e alta eficiência. Além disso, muitos motores impõem uma restrição operacional adicional devido ao fato de que algum nível de vácuo deve ser mantido no coletor de admissão para operar o PCV e outros sistemas. O limite de pressão absoluta no coletor (o limite "MAP") é específico do motor. Para o motor multicilindros descrito nos exemplos, o limite MAP foi de 90 kPa de pressão absoluta.
[00031] Os valores precisos destes limites dependerão do veículo e do desempenho do reformador. Por exemplo, um reformador mais eficiente pode tolerar temperaturas mais baixas de escape e veículos mais pesados precisarão de limites mais rigorosos de NOX. NOX mais alto também é esperado em pontos de operação de energia mais altos devido a temperaturas do cilindro mais altas. Alvos normais são 425°C de temperatura de exaustão, 2% COV de combustão e 2-4 g de NOX específico de freio por quilowatt/hora.
[00032] Armadilhas de armadilha magra de NOX são bem conhecidas na técnica como um método para a redução das emissões de NOX dos motores rodando magro (ou seja, lambda (À) maior que um). Conforme descrito por W.S. Epling et al. in Catai. Rev., vol. 46 (2004), pp 163-245, durante a operação magro, NO no gás de escape é oxidado, normalmente por platina, em NO2. O NO2 é então oxidado adicionalmente e absorvido como um nitrato. Durante a regeneração sob condições de redução, os nitratos são reduzidos a N2. Armadilhas de armadilha magra de NOX são propensas a se desativar devido À contaminação com óxidos de enxofre derivados de enxofre na gasolina, mas etanol (e etanol reformado) possui baixo teor de enxofre. A contaminação com enxofre de armadilhas armadilha magra de NOx é descrita por Matsumoto et al. (Appl. Cat. B., vol. 25 (2000), 115-24).
[00033] De acordo com a presente invenção, um armadilha magra de NOx é de preferência posicionada a jusante do reformador de álcool. A oxidação de NO é preferida a cerca de 300 a cerca de 400°C, assim, o resfriamento do gás de escape que ocorre no reformador melhorará o desempenho da armadilha de NOX.
[00034] Os níveis de NOX durante a operação com valores de lambda (X)de cerca de dois ou para valores de lambda entre 1,2 e 2 combinados com EGR interno ou externo são muito mais baixos do que o normal usando combustíveis líquidos, o que reduz grandemente a frequência de regeneração da armadilha magra de NOX e assim, melhora a economia de combustível.
[00035] As emissões no arranque do motor, quando o catalisador de três vias está frio e inativo, são contribuintes para as emissões totais do veículo através do ciclo. Isto é particularmente verdadeiro para os veículos de etanol não reformado, uma vez que o calor de vaporização do etanol é maior do que o da gasolina (840 kJ/kg, versus cerca de 350 kJ/kg para gasolina), levando à combustão incompleta e níveis elevados de hidrocarbonetos e emissões de CO durante a partida a frio. Como resultado, os motores que operam em combustíveis ricos em etanol, como E85, têm dificuldade em cumprir as restritas normas de emissão, tais como SULEV. Esta questão é descrita em mais detalhes no documento SAE 2009-01-1080, "Treatment of Vehicle Emissions from the Combustion of E85 and Gasoline with Catalyzed Hydrocarbon Traps," por J.A. Lupescu et al.
[00036] Na Publicação N° U.S. 2008/0010993 A1, por Morgenstern, o uso do etanol reformado armazenado para partida a frio de urn motor é descrito. O tanque de reformado também serve para transientes de reserva na demanda do reformado conforme a carga sobre o motor varia. Um outro aspecto da invenção presente é a determinação de uma quantidade preferida de reformado a ser armazenada e uma estratégia melhor para a utilização de reformado na partida para atingir baixas emissões.
[00037] Conforme descrito no Exemplo 8, a partida de um motor de deslocamento de cilindro único de 0,575 litros foi realizada à temperatura ambiente (25°C) usando uma mistura 1:1:1 de hidrogênio, metano e monóxido de carbono que simula etanol reformado armazenado. A 1000 rpm, 1.0 bar de Pressão Efetiva Média Indicada Líquida (NIMEP), o motor teve partida muito mais suave usando etanol reformado líquido em relação ao etanol não reformado líquido, com muito menos emissões de hidrocarbonetos. Ao iniciar o etanol reformado, verificou-se que retardar a faísca por cerca de 20 graus possibilitou que as temperaturas de gás de escape excedam cerca 300°C em 13 segundos e cerca de 400°C em 21 segundos. Retardar a faísca também reduziu as emissões de hidrocarbonetos e CO, aumentando as temperaturas durante o curso de expansão que promove a oxidação. Além disso, os volumes de fissura são carregados com mistura não queimada em pressões mais baixas, reduzindo ainda mais as emissões de hidrocarbonetos específicos indicados (ISHC).
[00038] A temperatura de operação (ou "temperatura light-off") para catalisadores de três vias convencionais é de cerca de 300°C e acima (ver M. Shelef e R.W. McCabe, Catai. Today, vol. 62, (2000) 35-50). Um fluxo de combustível de cerca de 0,52 kg/hr foi necessário durante a partida a frio em reformado com o tempo de faísca retardado em cerca de 20 graus. 13 segundos de reformado (suficiente para elevar a temperatura de escape acima de 400°C), portanto, representa 1,9 g de combustível ou 2,7 litros-padrão.
[00039] A quantidade de reformado que seria necessária para ser armazenada em motores veiculares depende de três fatores: o deslocamento do motor; a pressão inicial do reformado; e a pressão mínima de armazenamento do reformado necessária para medir o combustível para o motor. Por exemplo, se um motor tem um deslocamento de 2.0 litros, então a quantidade de reformado que teria de ser liberada pode ser calculada pelo dimensionamento dos resultados do estudo de cilindro único de acordo com a equação (4): 1,9 g de reformado x (2,0L/0.575L) = 6,5 g de reformado necessário para a partida(4)
[00040] Se a pressão de armazenamento inicial e a pressão de liberação mínima forem de 7 atm (absoluta) e 4 atm (absoluta), respectivamente, então a capacidade total do tanque de armazenamento de reformado ou reserva pode ser calculada de acordo com a equação (5): 6,5 g de reformado x (7 atm.)/(4 atm.) = 11,4 g de reformado (16,7 std. Iitros)(5)
[00041] Para uma temperatura de partida de 0°C a uma pressão de 7 atm. (absoluta), a capacidade do tanque de reserva deve ser cerca de quatro galões. Como é preferível minimizar o volume do tanque de armazenamento de forma a minimizar a exclusão no compartimento do motor, portanto, é preferível minimizar a pressão do tanque de reserva exigida para a medição precisa do reformado. Também é preferível usar um resfriador entre o reformador e o tanque de reserva, uma vez que mais reformado pode ser armazenado no tanque a temperaturas mais baixas. Líquido de resfriamento do motor ou, preferencialmente, etanol de entrada, pode ser usado para resfriar o reformado armazenado. Conforme descrito nos Exemplos, a partia a frio de um motor multicilindros comercial pode ser realizada utilizando misturas de E85 e etanol reformado. O uso de 50% de reformedo/50% de E85 reduziu bastante as emissões de CO e hidrocarbonetos. Em algumas modalidades, o uso da mistura de combustível líquido e reformado pode ser preferido para reduzir o tamanho e a classificação de pressão necessária para o tanque de reserva.
[00042] Um layout esquemático de um sistema de energia combustível flex de etanol reformado preferido que incorpora um reformador de álcool, resfriador reformado, tanque de reserva e armadilha magra de NOX é mostrado na Figura 1 abaixo. Etanol é bombeado através de um trocador de calor onde ele troca calor com o reformado que sai do reformador, resfriando o reformado e parcialmente vaporizando o etanol de entrada. O etanol então passa pelo reformador e o reformado passa para o tanque de reserva. A mesma configuração de sistema pode ser usada sem uma armadilha magra de NOX, mas isso requer que o funcionamento do motor magro se limite a uma porção menor do ciclo.
[00043] A taxa de bombeamento é controlada de modo a manter um ponto de pressão no tanque de reserva do reformado. Isso é indicado como uma linha tracejada de sensor de pressão no tanque de reserva, P1, e na bomba. A temperatura é monitorada por meio de um termopar interno (marcado como T). A temperatura do reformador é controlada usando uma válvula de desvio que controla a fração de gás de escape roteada através do reformador. O saldo do gás de escape não passa pelo reformador, mas ambos os fluxos de escape são combinados antes de passar através de uma armadilha magra de NOX. O reformado é medido para o motor e a exaustão para regeneração da armadilha magra de NOX é necessária. Um catalisador de três vias (TWC) é preferencialmente acoplado ao coletor de escape para light- off de catalisador rápido. Um segundo sensor de pressão, P2, monitora a pressão a jusante da bomba. A bomba é desligada quando a pressão de entrada excede a pressão nominal do reformador. Além disso, a bomba não opera a menos que o reformador esteja em uma temperatura de funcionamento aceitável, de preferência pelo menos cerca de 250°C.
[00044] Em uma modalidade preferida, o tanque de reserva serve para separar e recolher os componentes líquidos do fluxo reformado. O líquido é de preferência roteado para os injetores de combustível líquido, embora também possa ser reciclado para um tanque de combustível. A condensação é reforçada se o combustível é resfriado ainda mais com um trocador de calor localizado na via do reformado, entre o resfriador do reformado e o tanque de reserva mostrado na Figura 1. De preferência, o fluxo de combustível líquido é usado como um refrigerante, mas um loop de arrefecimento usando refrigerante de motor também pode ser usado no lugar de, ou como um complemento ao trocador de calor resfriado de combustível líquido. Após o resfriamento, o líquido deve ser separado do fluxo reformado gasoso que é dirigido para os injetores de combustível gasoso. Isso é realizado convenientemente no tanque de reserva.
[00045] Métodos para desengatar gás e líquido dessa maneira são bem conhecidos na técnica e são descritos em (M. Stewart e K. Arnold, "Gas-Liquid and Liquid-Liquid Separators," Elsevier, New York, 2008, pp 65-130.) Em uma modalidade preferida, o fluxo de reformado entra no tanque de reserva pelo lado e colide com uma placa de desvio. O tanque de reserva está equipado com um sensor de nível, utilizando preferencialmente a capacitância ou condutividade. O nível do líquido é controlado pela drenagem do líquido através de uma válvula de controle inferior, conduzida pela pressão no tanque de reserva. O reformado gasoso sai através da parte superior do tanque de reserva. De preferência, um extrator de névoa, geralmente feito de malha de metal, está localizado na parte superior do tanque de reserva para extinguir gotículas. Eliminadores de névoa são descritos em (Fabian, P.; Cusack, R.; Hennessey, P.; Neuman, M., "Demystifying the Selection of Mist Eliminators," Chemical Engineering, Nov. 1993, 100/11, pp. 148-56). Este desenho é ilustrado na Figura 2.
[00046] Na configuração mostrada na Figura 1, o etanol reformado é fornecido ao coletor de admissão do ICE. Em outra configuração preferida, o reformado pode ser fornecido para injetores de combustível de porta. Em ambos os casos, no entanto, um conjunto de injetores de combustível de porta (PFIs) é preferencialmente utilizado para monitorar o etanol líquido não reformado ou a gasolina para o motor. Isso permite que o etanol líquido seja usado em conjunto com o reformado, torando o sistema robusto contra as flutuações na atividade de reformador. Essas flutuações podem ser causadas, por exemplo, por períodos prolongados de temperatura de baixa do gás de escape devido à ociosidade, seguido por demanda de alta potência.
[00047] Em uma modalidade preferida relacionada, o reformado do tanque de reserva é fornecido a montante, em vez de a jusante do conversor catalítico. Metais nobres no conversor catalítico podem oxidar hidrogênio e monóxido de carbono a temperaturas mais baixas do que eles podem oxidar hidrocarbonetos. Conforme descrito na publicação n° US 20090071420 A1, a adição de hidrogênio e monóxido de carbono de um reformador para o fluxo de gás de escape reduz a temperatura de lightoff de catalisador para 150-180°C.
[00048] Figura 1: Desenho esquemático de um sistema de energia de combustível flex de etanol reformado incorporando um reformador de álcool, resfriador de reformado, tanque de reserva e armadilha magra de NOX.
Figure img0004
[00049] De preferência, o reformado é introduzido na corrente exaustora começando quando a temperatura do catalisador atinge cerca de 100 °C e continuando até que o lightoff do catalisador seja alcançado. O motor é operado no modo magro durante este período, preferencialmente em um valor de lambda (À)que fornece oxigênio apenas suficiente para o conversor catalítico habilitar a combustão do hidrogênio e CO no reformado. A taxa de fornecimento do reformado é em grande parte uma função da atividade catalítica e pode ser facilmente determinada empiricamente para um sistema específico.
[00050] Nos Estados Unidos, o combustível de motor de etanol normalmente é fornecido como E85, que nominalmente contém 15% de gasolina. O teor de gasolina pode ser significativamente superior a 15%, no entanto. A gasolina se reforma nas temperaturas de funcionamento preferidas do reformador de etanol (inferior a 350°C). Portanto, gotículas de gasolina líquida estarão presentes no reformado, particularmente após o resfriamento. Água em estado líquido também pode estar presente se a metanização ocorrer em uma pequena medida, ou se etanol hidratado for usado como combustível. Etanol líquido também pode estar presente se a reforma for incompleta. Verificou-se que estas gotículas são uma fonte de "ruído de combustão". As gotículas de condensado no fluxo de combustível gasoso criam variações na quantidade de combustível injetado. Portanto, é preferível condensar as gotas a montante dos injetores de combustível reformado.
[00051] Em uma modalidade preferida, o tanque de reserva serve para separar e recolher os componentes líquidos do fluxo reformado. O líquido é de preferência roteado para os injetores de combustível líquido, embora também possa ser reciclado para um tanque de combustível. A condensação é reforçada se o combustível é resfriado ainda mais com um trocador de calor localizado na via do reformado entre o resfriador do reformado e o tanque de reserva mostrado na Figura 1. De preferência, o fluxo de combustível líquido é usado como um refrigerante, mas um loop de resfriamento usando o refrigerante de motor também pode ser usado no lugar de, ou como um complemento para o trocador de calor resfriado a combustível líquido. Após o resfriamento, o líquido deve então ser separado do fluxo gasoso reformado que é dirigido para os injetores de combustível gasoso. Isso é realizado convenientemente no tanque de reserva.
[00052] Métodos para desengatar gás e líquido dessa maneira são bem conhecidos na técnica e são descritos em (M. Stewart and K. Arnold, "Gas-Liquid and Liquid-Liquid Separators," Elsevier, New York, 2008, pp 65-130.) Em uma modalidade preferida, o fluxo de reformado entra no tanque de reserva pelo lado e colide com uma placa de desvio. O tanque de reserva está equipado com um sensor de nível, utilizando preferencialmente a capacitância ou condutividade. O nível do líquido é controlado drenando-se o líquido através de uma válvula de controle inferior, conduzida pela pressão no tanque de reserva. O reformado gasoso sai através da parte superior do tanque de reserva. De preferência, um extrator de névoa, geralmente feito de malha de metal, está localizado na parte superior do tanque de reserva para aplicar para extinguir as gotículas. Eliminadores de névoa são descritos em (Fabian, P.; Cusack, R.; Hennessey, P.; Neuman, M., "Demystifying the Selection of Mist Eliminators," Chemical Engineering, Nov. 1993, 100/11, pp. 148-56.) este desenho é ilustrado na Figura 2 abaixo.
[00053] Figura 2: Desenho para o tanque de reserva com a capacidade de desengatar gotículas no fluxo do reformado.
Figure img0005
[00054] Melhorar a retirada de gotículas também pode ser conseguido empregando-se um separador de gás-líquido waveplate a montante do tanque de reserva. Separadores de gás-líquido waveplate são descritos em (Wilkinson, D., "Optimizing the Design of Waveplates for Gas-liquid Separation," Proc. Instn. Meeh. Engrs. vol 213 Part E, 1999, 265-74).
[00055] Vantagens de custo e eficiência podem ser obtidas por meio da otimização da divisão entre etanol líquido não reformado e reformado a cada ponto de operação do ciclo. O Exemplo 9 fornece dados a 2000 rpm, 8,5 bar IMEP de um motor de cilindro único. A alta potência, a eficiência usando o reformado é não melhor do que usando etanol líquido não reformado. Isso se dá porque a combustão é rápida em alta potência usando etanol líquido, tornando a cinética de combustão mais rápida fornecida pelo etanol reformado menos importante. Ao mesmo tempo, o uso do etanol líquido não reformado esfria a carga de combustível-ar no cilindro, melhorando a eficiência.
[00056] A energia na qual operação com reformado misto e etanol líquido deve mudar para combustível líquido só depende de certa forma do motor que está sendo usado. Aumentar a taxa de compressão (o que aumenta a temperatura da mistura ar-combustível no cilindro no final do curso de compressão) e o uso de dispositivos para aumentar o movimento de carga e a turbulência no cilindro, reforçam as capacidades diluídas e podem permitir a operação magro usando etanol líquido ou E85 com baixo NOX em 5-7 bar IMEP. Além disso, incluir uma válvula de controle para aprimoramento do movimento de carga, conforme descrito no exemplo 13 abaixo, pode ser preferível.
[00057] Os Exemplos 3-5 mostram melhoria substancial da eficiência usando combustão diluída de etanol reformado em comparação ao etanol líquido não reformado em valores de IMEP de cerca de 3,5 a cerca de 6 bar. Assim, para este motor, a utilização de pelo menos algum etanol reformado é preferida abaixo de aproximadamente 7 IMEP. Surpreendentemente, verificou-se que a melhor eficiência é obtida quando cerca de 25% a cerca de 75% do combustível (em massa) são reformados com o etanol líquido reformado restante. De preferência, o etanol líquido não reformado é introduzido utilizando injetores de combustível de porta.
[00058] Uma modalidade preferida das estratégias descritas acima inclui atrasar fechamento das válvulas de escape e de admissão em carga parcial. O fechamento atrasado da válvula de escape fornece recirculação do gás de escape interno (EGR), como discutido acima, reduzindo o calor para a refrigeração e perdas de bombeamento. Em uma modalidade particularmente preferida, esta estratégia operacional do atraso do fechamento da válvula EGR é combinada com a utilização de uma proporção ar/combustível ligeiramente magra, com valores de lambda (À) de preferência no intervalo de cerca de 1,04 a cerca de 1,4 e o uso de uma armadilha magra de NOX no trem do gás de escape. O excesso de ar aumenta bastante a tolerância de EGR.
[00059] Em uma modalidade mais preferida, em carga parcial, os atrasos nas aberturas da válvula de escape e de admissão são aproximadamente iguais, mas a magnitude do atraso é ajustada para eficiência máxima. Esta estratégia, conhecida como "retardamento de câmara igual duplo", pode ser implementada em motores com câmara suspensa única e sincronismo de câmara variável.
[00060] A implementação desta estratégia em um motor multicilindros é descrita abaixo no Exemplo 10. Em uma modalidade mais particularmente preferida para motores com um limite MAP, os atrasos na abertura das válvulas de escape e admissão não são iguais. Particularmente, em pontos mais elevados da energia onde a pressão do coletor aproxima-se do limite MAP, é preferível limitar o atraso na abertura da válvula de escape, de modo a não exceder o limite MAP e aumentar o atraso na abertura da válvula de escape, a fim de aumentar o EGR interno. Essa estratégia requer controle "independente duplo" de temporização de válvula, que é um pouco mais caro que o retardamento de câmara igual, mas que fornece melhor NOX e economia de combustível em pontos de operação de carga maior.
[00061] Conforme descrito nos exemplos, ao operar um motor com temporização de válvula independente dupla, a seleção da combinação ideal de EGR interno e excesso de ar a um ponto de funcionamento específico baseia-se na minimização do NOX e na melhora da eficiência ao mesmo tempo em que mantém COV aceitável de combustão e temperaturas de gás de escape adequadas. A maior eficiência térmica e as emissões de NOX mais baixas normalmente são atingidas usando uma combinação de EGR interno, alcançado pelo atraso de abertura da válvula e excesso de ar, em vez do máximo possível de lambda. Existem várias razões para isso. Em alto retardo de câmara, a abertura de válvula de admissão atrasada fornece maior turbulência no cilindro, o que promove a combustão e aumenta a capacidade de diluição do motor. Por exemplo, a 2.62 bar BMEP e 1500 rpm, uma quantidade maior de diluição é conseguida usando 55°C de retardo de câmara e um lambda de 1,35, em vez de usando um lambda de 1,65 sem nenhum retardo de câmara. Isso aumenta a eficiência e reduz as emissões de NOX. Além disso, a sobreposição de válvula atrasada e o fechamento atrasado da válvula de admissão a 55 °C fornecem um trabalho significativo de bombeamento de admissão reduzido. Finalmente, a abertura atrasada da válvula de escape aumenta o trabalho de expansão.
[00062] Por causa da disponibilidade limitada de combustível etanol na maioria das áreas do mundo, o veículo é de preferência equipado com um tanque de gasolina separado que também pode ser fornecido para os injetores de combustível de porta. Se não houver reformado suficiente no tanque de reserva para a partida a frio, a partida no veículo pode ser dada a frio usando gasolina.
[00063] A eficiência do motor que funciona com etanol líquido e etanol reformado é melhorada pelo uso de taxas de compressão maiores. Mas a gasolina encontra problemas em alta potência com taxas de compressão superiores a cerca de 10. Se não for necessário manter a capacidade de operar o motor com ambos, gasolina e etanol, a taxa de compressão é aumentada preferencialmente até ao limite de batida do etanol líquido não reformado. Um estudo EPA relatou o funcionamento de um motor de faísca por faísca em uma taxa de compressão de 19,5 usando etanol líquido, mas encontrou batida em alta carga e velocidade. (M. Brusstar et al., SAE 2002-01-2743). Em um estudo posterior usando E85, a taxa de compressão foi reduzida para 16.3 (M. Brusstar e C.L Gray Jr., SAE 2007-01-3993).
[00064] Aumentar a taxa de compressão geralmente implica em aumentar a razão de superfície sobre volume na câmara de combustão ou cilindro, o que tende extinguir a combustão. Portanto, é preferível usar uma geometria de cilindro que minimiza a razão de superfície sobre volume. Em uma modalidade preferida, é utilizado um design de câmara de combustão de bowl em pistão.
[00065] Na publicação N° US 2008/0010993 A1, Morgenstern descreve uma estratégia para funcionar com gasolina a altas taxas de compressão, conhecida como o ciclo de Atkinson. Nesta abordagem, a válvula de admissão é deixada aberta após o centro morto superior ao operar com gasolina, reduzindo a taxa de compressão efetiva. O Exemplo 7 descreve a operação usando gasolina com o ciclo de Atkinson em um motor de cilindro único usando uma taxa de compressão de 14. Em potência mais baixa (por exemplo, 3.5 bar IMEP no exemplo 7), o motor não é limitado e pode funcionar normalmente com gasolina.
[00066] Com energia mais alta (por exemplo, 8,5 bar IMEP, 2000 rpm no exemplo 7), o motor é severamente limitado. Verificou-se que melhor energia é conseguida se a estratégia de atrasar o fechamento de válvula de admissão do ciclo de Atkinson for complementada com temporização de faísca atrasada. Isto é porque, mesmo com o fechamento da válvula de admissão a 65 graus após centro morto inferior, o motor ainda foi limitado. A taxa de compressão eficaz poderia ser ainda mais reduzida atrasando o fechamento de válvula de admissão para um ângulo de manivela ainda mais tardio, mas isso limita a quantidade de ar que pode ser arrastada para o cilindro, reduzindo o pico do torque do motor. Ao atrasar o tempo da faísca após o MBT (torque de freio máximo), 8,5 bar IMEP poderia ser alcançado. Embora haja alguma perda de eficiência com a mudança no tempo de faísca, a eficiência ainda foi melhor do que para a gasolina operada no ciclo de Otto convencional a uma taxa de compressão de 10, porque o ciclo de Atkinson forneceu uma razão de expansão de 14.
[00067] Assim, em uma modalidade preferida, a taxas de compressão de cerca de 11 a cerca de 17 e mais de preferência cerca de 12,5 a cerca de 15, o etanol reformado é usado como o principal combustível para o motor, pelos meios acima especificados, mas se faz referência também a alimentar o motor com gasolina quando desejado (preferencialmente através de injetores de combustível de porta) e a operação de gasolina é habilitada pelo fechamento atrasado da válvula de admissão durante o curso de compressão (ciclo de Atkinson) e o uso de temporização de faísca atrasada de MBT.
[00068] Em outra modalidade preferida, gasolina de alta octanagem é utilizada e a taxa de compressão é limitada a cerca de 12. Ambos os combustíveis podem funcionar bem com essa taxa de compressão. Nakata et al. demonstrou que em uma taxa de compressão de 13, tanto gasolina 100 RON quanto etanol fornecem maior eficiência em relação à gasolina 92 RON (SAE 2006-01-3380). Na presente modalidade, não é necessário empregar o ciclo de Atkinson.
[00069] Aumentar a taxa de compressão é sinérgico com outra estratégia para melhorar a eficiência e simplificar o gerenciamento de condensado que pode ser praticado como parte da invenção presente. O pico do torque do motor pico aumenta com a taxa de compressão. O Exemplo 11 mostra um aumento no torque máximo de cerca de 7%, que acompanha um aumento da taxa de compressão de 10:1 para 12:1. Novos aumentos na taxa de compressão resultam em novos aumentos no torque.
[00070] Uma estratégia comum para melhorar a eficiência do motor é reduzir o deslocamento do motor e proporcionar um reforço para ajudar a restaurar o torque máximo. O reforço é geralmente fornecido por um turbocompressor, mas o turbocompressor geralmente não é preferido em conexão com esta invenção. Em geral, incluir um turbocompressor reduziria a entalpia de escape, que é necessária para o reformador. Qualquer redução significativa na entalpia de escape poderia resultar em atrasos indesejados no aquecimento do reformador.
[00071] No entanto, aquele versado na técnica poderia contemplar que o uso de um supercompressor mecanicamente ou eletricamente controlado pode ser de valor em conjunto com a presente invenção, porque um compressor é acionado ou diretamente pelo motor, ou indiretamente pelo alternador. Além disso, a carga de um compressor seria grandemente reduzida na invenção presente quando utilizando combustíveis de etanol em taxas de compressão maiores, devido ao efeito mencionado acima da taxa de compressão no torque.
[00072] Em modalidades incluindo um supercompressor, um supercompressor do tipo turbina é preferido.
[00073] Sistemas supercompressores geralmente incluem válvulas de desvio que, neste caso, seriam usadas para reciclar o ar comprimido de volta a montante do supercompressor. O reformado é introduzido apenas a montante do supercompressor. A mistura de ar reformado passa por várias passagens através do supercompressor, particularmente quando o supercompressor estava a montante da válvula de borboleta, conforme mostrado na Figura 3 abaixo. Como a compactação é insignificante, a carga parasitária do supercompressor deve ser menor durante a operação como um misturador.
[00074] Figura 3: Utilização de um supercompressor com uma válvula de desvio normalmente aberta para misturar o reformado e o ar. O reformado é pulverizado para a entrada de ar do compressor
Figure img0006
[00075] O reformado é introduzido no ar de admissão a montante do supercompressor usando um dispositivo de pulverização de cone estreito como um injetor de combustível. A queda de pressão do tanque de reserva permite melhor atomização do líquido residual como faz o envio fornecido pelo reformado gasoso. Gotas de condensado são misturadas no fluxo por lâminas da turbina do supercompressor, formando uma névoa uniforme ou umedecendo de modo reversível as paredes do coletor de admissão. Isso impede o ruído de combustão. Ligeiras diferenças na razão de combustível-ar atingindo cilindros diferentes podem ser "cortadas" por pequenos ajustes no combustível liberado por injetores líquidos.
[00076] A condensação eficiente a montante do tanque de reserva é ainda essencial para esta modalidade da invenção, porque líquido excessivo pode causar um acúmulo significativo de combustível líquido na superfície do coletor de ingestão, levando a emissões de hidrocarbonetos excessivas durante transientes de motor de baixo consumo de energia.
[00077] Tendo descrito as modalidades da invenção em detalhes, ficará evidente que as modificações e variações são possíveis sem se afastar do escopo de aplicação da invenção definido nas reivindicações anexadas.
EXEMPLOS
[00078] Os exemplos não limitantes a seguir são fornecidos para ilustrar ainda mais a presente invenção.
[00079] Exemplo 1. Este exemplo fornece uma descrição do motor de pistão cilindro único usado para demonstrar algumas modalidades da invenção presente. O motor foi equipado com um sistema de injeção de combustível (PIF) de porta de gás. Parâmetros do motor são indicados na Tabela 1.
[00080] Tabela 1: Parâmetros de motor
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[00081] O motor tem duas portas de entrada, uma porta de redemoinho tangencial e um enchimento neutro ou porta de alto fluxo. As portas são projetadas para dar uma razão de redemoinho medidor de torque de 2.6 com apenas a válvula de porta do redemoinho tangencial aberta e 0.1 com ambas as válvulas abertas. As duas válvulas de admissão foram utilizadas inicialmente para maximizar o fluxo de ar de admissão. No entanto, a porta de alto fluxo foi desativada posteriormente a fim de aumentar a mistura e ajudar a prevenir a lavagem do orifício enquanto executa E100 (100 etanol líquido não reformado). A razão de redemoinho alta também é benéfica para operação com altas razões de diluição.
[00082] Um sistema de atuação de válvula hidráulica totalmente variável (HVA) Sturman é usado no motor para controlar tempos de válvula e levantes. Ele utiliza a força hidráulica controlada por válvulas de travamento digitais de alta velocidade no lugar do tradicionais carnes mecânicos para acionar a admissão do motor e válvulas de escape. O levante totalmente variável, a duração e a temporização são controlados independentemente para todas as três válvulas do motor. Este sistema não produz perfis de levante de válvula de câmara tradicionais, mas perfis tipo planalto. A temporização fixa da válvula foi determinada pela maximização do fluxo de ar de admissão e pressão do cilindro de pico enquanto opera o motor sem aceleração a 2000 rpm.
[00083] Dados usando gasolina padrão (Indoleno) foram obtidos a uma taxa de compressão de 10:1 usando um pistão totalmente plano. Todos os dados para etanol reformado, etanol líquido não reformado (E100) e suas misturas foram obtidos em uma taxa de compressão de 14:1 usando um pistão com cúpula.
[00084] O software de Sturman controla o tempo de faísca e a largura de pulso de combustível também. A aceleração de admissão e a largura de pulso de combustível são ajustadas para controlar a relação de carga e ar-combustível do motor em cada velocidade do motor. A temporização da faísca é controlada de forma a maximizar o torque e evitar a detonação.
[00085] Esse motor também está equipado com uma válvula EGR e resfriador. A válvula EGR é dimensionada para substituir até 50% da massa de ar de admissão com gases de escape. O resfriador EGR é capaz de reduzir as temperaturas de gás de escape de 1000°C para 120°C.
[00086] Para aquisição de dados de alta velocidade, indímetro AVL 619 foi empregado. Todos os parâmetros relacionados a combustão, tal como indicados, significa que a pressão eficaz (IMEP) e o ângulo de manivela de 50% de local de fração mássica queimada (CA50) foram calculados pelo software AVL IndiWin. Todos os dados indicados nos Exemplos a seguir foram calculados como um valor líquido que inclui os efeitos dos cursos de admissão e de escape além dos cursos de compressão e expansão (ou seja, integrado em mais de 720 graus de ângulo de manivela). O rendimento volumétrico é calculado usando a medida de pressão e temperatura no coletor de admissão. O início da combustão (SOC) é definido como o local no qual 5% da fração da massa é queimado. A eficiência termodinâmica é calculada com base no valor de aquecimento inferior (PCI). Todos os outros parâmetros relatados são determinados usando métodos convencionais.
[00087] A maioria das medições de emissões foram realizadas com uma bancada de emissões brutas AVL CEB II. O dispositivo executa medição contínua de hidrocarbonetos (HC), CO, CO2, O2 e NOX. As medições de aldeído foram determinadas usando um dispositivo portátil que utiliza tubos colorimétricos. O gás de escape é retirado através dos tubos pré-calibrados de uma porta no fluxo de escape usando a bomba portátil. As medições são registradas em partes por milhão (ppm) e convertidas em g/kWh com base no fluxo de escape total e velocidade do motor IMEP.
[00088] Foram utilizados três combustíveis nestas experiências. Gasolina padrão, "Indoleno," (Conoco Phillips), etanol desnaturado não reformado ("The Andersons, Albion Ml, etanol 96.3 em peso) e etanol reformado simulado. O reformado simulado compreendeu uma mistura de 1:1:1 (mol:mol:mol) de hidrogênio, monóxido de carbono e metano, com uma tolerância de 2% e é representativo do reformado que deverá ser produzido de acordo com a divulgação das publicações mencionadas acima, de Morgenstern et al.
[00089] Ambos os combustíveis líquidos foram injetados via injetores de combustível de porta. O reformado simulado foi injetado no sistema de admissão a montante da válvula EGR. Foi fornecido a uma pressão de 3 bar e a uma temperatura de 25 °C. A quantidade de fluxo é medida em padrão de litros por minuto (SLPM), convertida em kgh e, finalmente, reportada como uma porcentagem do total de massa de combustível.
[00090] Exemplo 2. Este exemplo fornece dados gerados usando gasolina no motor descrito no exemplo 1, com uma taxa de compressão de 10:1 usando aceleração aberta (WOT). Os resultados são mostrados na Tabela 2. Nesta e em tabelas subsequentes, as seguintes abreviaturas são usadas: NISFC = Consumo específico de combustível indicado líquido NITE = Eficiência térmica indicada líquida NIMEP = Pressão efetiva média indicada líquida COV= Coeficiente de variação de NIMEP SA = Avanço da faísca em graus de ângulo de manivela antes do centro morto superior (deg BTDC) ISCO = Emissões específicas de CO indicadas líquidas ISHC = Emissões de hidrocarbonetos específicas indicadas líquidas ISNOX = Emissões de NOX específicas indicadas líquidas EGT= Temperatura do gás de escape
[00091] Neste e em todos os exemplos posteriores, os valores de emissões mostrados são "fora do motor" e não refletem o efeito de pós-tratamento.
[00092] Tabela 2: Gasolina (Indoleno) a WOT
Figure img0008
[00093] Exemplo 3. Este exemplo apresenta os dados em 1500 rpm, 3,5 bar NIMEP para operação do motor do exemplo 1 usando a taxa de compressão 14 e combustível etanol líquido não reformado (E100) bem como reformado simulado usando recirculação dos gases de escape ou relação de alta de ar-combustível. Começando com este exemplo, outra métrica de eficiência é relatada: Eff. NITE = Eficiência térmica indicada efetiva líquida
[00094] Esta métrica define o valor de combustível (PCI) de etanol reformado igual ao valor do etanol combustível. Esta invenção inclui o uso de calor de gás de escape para conduzir a conversão de etanol em etanol reformado. Como o calor de gases de escape é efetivamente calor residual do motor, o uso de calor de gases de escape para conduzir o reformador não constitui uma perda de eficiência. A métrica de Eff NITE é o rendimento esperado para um sistema de motor reformador da invenção presente na conversão de etanol em energia mecânica em vez de transformar o etanol em reformado. Este parâmetro exclui efeitos tais como a contrapressão de escape adicional que pode ocorrer em um sistema integrado, mas que são esperados para serem pequenos.
[00095] Tabela 3: Reformado de etanol simulado (Ref) em razão alta de ar-combustível em comparação com gasolina e E100 a lambda (X) = 1 sem EGR. 1500 rpm, 3.5 bar NIMEP
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[00096] Tabela 4: Etanol reformado simulado (Ref) usando recirculação de gás de escape resfriado (EGR) em comparação com gasolina e E100 a lambda (À) = 1 sem EGR. 1500 rpm, 3.5 bar NIMEP
Figure img0010
[00097] Exemplo 4. Neste exemplo, o motor do exemplo 1 foi operado usando uma mistura de etanol reformado simulado e etanol líquido não reformado com recirculação de gás de escape arrefecido em 3.5 bar NIMEP e várias velocidades do motor. A taxa EGR para uma dada mistura de combustível foi escolhida para manter um COV de NIMEP de menos de 2.3%.
[00098] Os dados obtidos são mostrados nas tabelas a seguir. Os dados mostram que não é necessário reformar todo o etanol combustível a fim de obter as emissões e os benefícios de eficiência da reforma de etanol.
[00099] Tabela 5: Dados para etanol líquido não reformado misto (E100) e etanol simulado reformado (Ref) a uma taxa de compressão de 14:1 em relação à gasolina a 10:1 a 1000 rpm, 3.5 bar NIMEP.
Figure img0011
[000100] Tabela 6: Dados para etanol líquido não reformado misto (E100) e etanol simulado reformado (Ref) a uma taxa de compressão de 14:1 em relação à gasolina a 10:1 a 1500 rpm, 3.5 bar NIMEP.
Figure img0012
[000101] Tabela 7: Dados para etanol líquido não reformado misto (E100) e etanol simulado reformado (Ref) a uma taxa de compressão de 14:1 em relação à gasolina a 10:1 a 2000 rpm, 3.5 bar NIMEP.
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[000102] Exemplo 5. Neste exemplo, o motor do exemplo 1 foi operado usando uma mistura de etanol simulado reformado e etanol líquido não reformado com recirculação do gás de escape arrefecido a 6 bar NIMEP em 1500 e 2000 rpm. A taxa EGR para uma dada mistura de combustível foi escolhida para manter um COV de NIMEP de menos de 2.3%.
[000103] Tabela 8: Dados para etanol líquido não reformado misto (E100) e etanol simulado reformado (Ref) a uma taxa de compressão de 14:1 em relação à gasolina a 10:1 a 1500 rpm, 6 bar NIMEP.
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[000104] Tabela 9: Dados para etanol líquido não reformado misto (E100) e etanol simulado reformado (Ref) a uma taxa de compressão de 14:1 em relação à gasolina a 10:1 a 2000 rpm, 6 bar NIMEP.
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[000105] Exemplo 6. Este exemplo fornece o nível de emissões de aldeído (g/kWh como acetaldeído) para os pontos cinco pontos de carga de velocidade nos exemplos 5 e 6 para misturas de etanol simulado reformado e E100. Aumentar a fração de reformado suprime aldeídos. A supressão é virtualmente completada quando 100% de reformado é usado.
[000106] Tabela 10: Níveis de aldeído (g/kWh) para operação a bar 3,5 IMEP usando várias misturas de E100 e simulados de etanol reformado (Ref) e vários níveis de EGR.
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[000107] Tabela 11: Níveis de aldeído (g/kWh) para operação a bar 6 IMEP usando várias misturas de E100 e simulados de etanol reformado (Ref) e vários níveis de EGR.
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[000108] Exemplo 7. Este exemplo demonstra o uso de gasolina (Indoleno) no mecanismo do exemplo 1 com uma taxa de compressão nominal de 14:1, usando o mesmo pistão que nos exemplos 3-5. O fechamento atrasado da válvula de admissão e faísca retardada foi usado para impedir a batida do motor. Nenhum EGR foi empregado.
[000109] Primeiro, o motor foi operado a 1500 rpm, 3.5 NIMEP-bar. O motor não foi limitado a essa carga reduzida. Por conseguinte, não foi necessário alterar o tempo de fechamento da válvula de admissão para fornecer uma menor taxa de compressão efetiva. O tempo da válvula foi mantido e a faísca foi variada para determinar a temporização de MBT.
[000110] Como esperado, a 2000 rpm, 8,5 bar NIMEP, o motor foi extremamente limitado quando operou a gasolina com a maior taxa de compressão. Para atenuar a batida, o tempo de fechamento da válvula de admissão foi ajustado tal que uma menor taxa de compressão efetiva foi alcançada. Fechar a válvula a 65 graus depois do centro morto inferior forneceu o NIMEP mais alto, mas o mecanismo ainda foi limitado. A batida foi eliminada pelo retardado do tempo de faísca.
[000111] Tabela 12: Dados para gasolina em taxas de compressão de 10:1 e 14:1 a 1500 rpm, 3.5 bar NIMEP.
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[000112] Tabela 13: Dados para gasolina em taxas de compressão de 10:1 e 14:1 a 2000 rpm, 8,5 bar NIMEP.
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[000113] Exemplo 8. Este exemplo descreve a partida a frio do motor do exemplo 1 à temperatura ambiente interior (cerca de 25 °C). Para a primeira experiência de partida a frio, 100% de reformado foi usado para iniciar o motor a 1000 rpm, 1.0 bar NIMEP com temperaturas de fluido definidas como 25 °C. O motor iniciou imediatamente, com estabilidade de combustão soberba, indicada por um COV extremamente baixo de NIMEP, como mostrado na Figura 4. O motor também iniciou imediatamente quando 100% de E100 foi usado. No entanto, a estabilidade de combustão foi pobre, indicada por um COV muito maior de NIMEP e emissões muito mais elevadas de ISHC (Figura 5).
[000114] Em experimentos subsequentes, o tempo de faísca foi retardado em 15 e 20 graus após o centro morto superior, a fim de elevar a temperatura dos gases de escape mais rapidamente e obter um lightoff do conversor catalítico em um momento anterior. O aumento mais rápido nas temperaturas de exaustão é mostrado na Figura 6. Atrasar a faísca aumentou o consumo de combustível, no entanto, como mostrado na Figura 7.
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[000115] Figura 4: Coeficiente de variação da pressão efetiva média indicada líquida para partida a frio a 25 °C do motor do Exemplo 1
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[000116] Figura 5: Emissões de hidrocarbonetos (ppm) durante partida a frio a 25 °C do motor do Exemplo 1 usando reformado e E100 na temporização de faísca MBT.
Figure img0024
[000117] Figura 6: Emissões de hidrocarbonetos (ppm) durante partida a frio a 25 °C do motor do Exemplo 1 usando reformado simulado e E100 na temporização de faísca MBT.
Figure img0025
[000118] Figura 7: Consumo de combustível durante a partida a frio do motor do Exemplo 1 usando etanol reformado em tempos de faísca MBT e retardado.
[000119] Exemplo 9. Neste exemplo, o motor do Exemplo 1 foi operado usando uma mistura de etanol reformado e etanol líquido com recirculação do gás de escape arrefecido em 8,5 bar NIMEP e uma velocidade de motor de 2000 rpm. Os dados são mostrados na Tabela abaixo.
[000120] Para este ponto de operação de alta carga a 2000 rpm, 8,5 bar NIMEP, a quantidade de fluxo reformado e a quantidade de EGR foi limitada pela quantidade da massa de admissão total que o motor foi capaz de fluir em condições sem aceleração. Por esta razão, apenas 25% de EGR pode ser alcançado no caso de 100% de etanol mantendo 8,5 Bar NIMEP. No caso de 75% de reformado, é possível alcançar apenas 15% de EGR. É claro que não há nenhuma vantagem em reformar o combustível neste ponto operacional em termos de eficiência térmica. Na verdade, a mesma eficiência térmica e menores emissões de ISNOx podem ser alcançadas executando EGR 25 sem nenhum fluxo reformado. Reformar fornece menos emissões de hidrocarbonetos neste ponto operacional, no entanto.
[000121] Tabela 14: Dados para etanol líquido misturado ("E100") e combustível reformado a uma taxa de compressão de 14:1 em comparação com gasolina a 10:1 a 2000 rpm, 8.5 bar NIMEP.
Figure img0026
Figure img0027
[000122] Exemplo 10. Este exemplo descreve a modificação de um motor de 5.4-litros e 8 cilindros Ford para funcionamento com etanol reformado e combustível E85. O motor tinha três válvulas por cilindro com capacidade de retardo de câmara igual duplo. A taxa de compressão foi aumentada para 12:1, aumentando a altura do pistão e mantendo um êmbolo completamente plano.
[000123] E85 ou gasolina foi injetado através de injetores de combustível de porta. Injetores de hidrogênio gasoso fabricados por Quantum (PN 110764-001) foram utilizados para introduzir combustível reformado a montante do combustível líquido nas portas de admissão. A capacidade de EGR externa foi adicionada usando um tubo de aço inoxidável para direcionar o fluxo de gases de escape do flange coletor do escape da margem direita do motor para a válvula EGR. Especificações do motor são dadas na Tabela 15.
[000124] Tabela 15: Especificações de motor para um motor de oito cilindros operado usando etanol reformado e combustível E85.
Figure img0028
Figure img0029
[000125] Reformadores foram inseridos no trem de escape a jusante dos conversores catalíticos. Uma válvula de desvio colocada no fluxo de escape controlou a quantidade de fluxo de escape direcionado para o reformador. Um LNT de volume de 5,6 L com dois tijolos envelhecidos de 6"x6" foi instalado no reformador a jusante. Nos exemplos a seguir, são apresentados dados de experimentos nos quais o reformador não foi usado e o reformado foi fornecido diretamente de um cilindro contendo uma mistura de 1:1:1 (mol: mol) de hidrogênio, metano e monóxido de carbono. Isso serve para definir mais claramente a influência de estratégia operacional do motor em eficiência e emissões.
[000126] Exemplo 11.0 torque do motor foi medido em aceleração aberta (WOT) para o motor do Exemplo 10 usando gasolina RON 98 e E85 certificado a taxas de compressão de 10:1 e 12:1 respectivamente. O aumento na taxa de compressão e classificações favoráveis de octano de E85 forneceu um aumento de 5-10% no torque máximo em toda uma gama de velocidades do motor. Os dados são mostrados na Tabela 16.
[000127] Tabela 16: Torque usando gasolina 98 RON a CR 10:1 e E85 a CR 12:1. Aceleração aberta.
Figure img0030
[000128] Exemplo 12. Este exemplo compara a eficiência do motor e emissões em três pontos representativos de estado estacionário no ciclo. A temporização de faísca de torque de freio máximo binário (MBT) foi usada para todos os pontos. As condições de funcionamento do motor foram otimizadas separadamente para gasolina 98 RON, líquido E85 e misturadas (5050) alimentando com "reformado simulado" de cilindros de gás e E85 líquido. Os dois combustíveis líquidos não apresentaram tolerância de diluição suficiente para permitir a operação com lambda maior do que com COV e NOX aceitável. Os pontos ideais para gasolina e E85, portanto, foram escolhidos para corresponder ao retardo de câmara máximo possível, mantendo COV de combustão aceitável. Da mesma forma, o melhor ponto de funcionamento usando E85 reformado foi escolhido baseado na eficiência e NOX com COV aceitável de combustão e temperaturas de exaustão superiores a 425 °C. Conforme discutido no relatório descritivo, esse não foi tipicamente o ponto mais alto de lambda.
[000129] Ao contrário dos exemplos que apresentam dados do motor de cilindro único, esses dados são apresentados numa base de "freio" com emissões e eficiência referenciadas à potência real produzida pelo motor, potência não indicada. Para um ponto de funcionamento (1200 rpm, 1,95 bar BMEP), dados de gasolina não estão disponíveis devido a um problema experimental.
Abreviações:
[000130] COV: Coeficiente de variação de IMEP
[000131] BSFC: Consumo de combustível freio-específico
[000132] BTE: Eficiência térmica de freio com base no valor aquecimento inferior (LHV) do combustível fornecido.
[000133] Eff BTE: Eficiência térmica de freio baseada no valor de aquecimento inferior de etanol para reformado, simulando a eficiência efetiva de um sistema de reformador-motor.
[000134] COV: Coeficiente de variação de energia por cilindro por ciclo
[000135] MAP: Pressão absoluta do coletor
[000136] SA: Avanço da faísca de ignição antes do centro morto superior
[000137] BSCO: Emissões de monóxido de carbono freio-específicas do motor
[000138] BSHC: Emissões de hidrocarbonetos totais freio- específicas do motor
[000139] BSCH4: Emissões de metano freio-específicas do motor
[000140] BSNOx: Emissões de NOx freio-específicas do motor
[000141] EGT: Temperatura do gás a montante dos conversores catalíticos, média de duas temperaturas de banco de escape
[000142] Tabela 17: Dados do motor descrito no Exemplo 10 usando gasolina RON 98 em uma taxa de compressão de 10:1, combustível E85 sozinho ou em uma mistura de 50-50 de etanol reformado simulado (E85Ref) em uma taxa de compressão de 12:1 a 1500 rpm, 2,62 bar BMEP. Os dados mostrados são em pontos operacionais otimizados conforme descrito no relatório descritivo.
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[000143] Tabela 18: Dados a 1200 rpm, 1,95 bar BMEP
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[000144] Exemplo 13. Este exemplo apresenta dados semelhantes aos do Exemplo 12 em um ponto de funcionamento de maior potência, 1200 rpm 4.33 bar BMEP. Neste ponto o retardo da câmara de base é 50 °CA. Isso fornece MAP muito alto, neste ponto de operação, que já está próximo ao limite de 90 kPa. Para aumentar o lambda, o retardo da câmara deve ser reduzido continuamente para proporcionar oportunidade de maior diluição. O retardo de câmara reduzido fornece menos movimento de carga no cilindro, o que reduz o limite diluído do motor. Este motor foi equipado com um coletor de admissão de protótipo 2006MY, que incluiu uma válvula de controle de movimento de carga (CMCV). O CMCV pode ser usado para aumentar a turbulência e promover a combustão. Ele não é usado no motor 2009MY porque não é necessário, devido os altos níveis de retardo de câmara e a maior altura da máscara de admissão na câmara de combustão. No entanto, para este ponto de funcionamento, foi conveniente usar o CMCV para promover a mistura turbulenta, para aumentar ainda mais o limite diluído, uma vez que níveis baixos de retardo de câmara foram necessários. Os dados na Tabela 19 refletem o uso do CMCV para E85 e reformado E85, mas não para gasolina.
[000145] Tabela 19: Dados a 1200 rpm, 4.33 bar BMEP
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[000146] Exemplo 14. Este exemplo fornece dados para o motor do Exemplo 12 em ociosidade. O ponto de marcha lenta do motor é exclusivo de outros pontos de carga parcial discutidos. O baixo EGT em ociosidade impede o uso de lambda alto. Além disso, a baixa pressão do óleo do motor em marcha lenta evita o uso de VCT aplicar retardo de câmara para aumentar o residual interno. Portanto, o único método possível de aumentar a diluição é o uso de EGR externo. Este método geralmente não é usado com gasolina ou com E85, porque resulta na estabilidade ociosa degradada.
[000147] O motor manteve-se estável em ociosidade para ambos os casos, E85 e 50% de reformado. No entanto, o caso do reformado teve 0 -10% de durações de queima um pouco mais rápidas e as emissões de HC diminuíram significativamente pela combustão de hidrogênio promovida. Portanto, a varredura EGR só foi executada com reformado, visto que nesta carga reduzida, o aumento de EGR aumentará ainda mais as emissões de HC. Para ambos os casos, lambda foi aumentado ligeiramente para 1,04 para reduzir as emissões de CO, a fim de melhorar o consumo de combustível, uma vez que a combustão magro é permitida pelo uso de LNT. Na ociosidade, pequenas variações em BMEP podem causar grandes alterações na estabilidade de combustão, consumo de combustível e medições de emissões, se reportado da maneira tradicional. Por conseguinte, estabilidade de combustão é indicada por SD de IMEP e o consumo de combustível e as emissões são relatados em gramas por hora por litro de deslocamento do motor (g/Lh).
[000148] Para o caso do reformado, o EGR é aumentado de 0% a 20% sem encontrar quaisquer problemas de estabilidade. O EGR aumentado também forneceu MAP maior, o que reduziu o consumo de combustível através do trabalho de bombeamento reduzido. O gás de alimentação NOx também foi reduzido significativamente devido ao maior nível de diluição. Isso é importante, pois permite um período maior para operar ligeiramente magro antes que o LNT exija regeneração.
[000149] Tabela 20: Dados em ociosidade, 525 rpm, 1.0 bar BMEP. Retardo de câmara foi zero em ociosidade, devido à baixa pressão de óleo, mas EGR externo foi usado.
Figure img0036
[000150] Exemplo 15. Este exemplo descreve o uso e a regeneração de uma armadilha magra de NOX operando com o motor do Exemplo 12. O motor foi operado de modo magro conforme descrito nos Exemplos 13 e 14 e, em seguida, regenerado pelo funcionamento do motor rico (lambda 0.8) por alguns segundos.
[000151] A Figura 8 mostra vários ciclos de regeneração no funcionamento do motor a 1200 rpm, 4.33 bar BMEP, como no Exemplo 13. O BSFC alcançado com operação magra usando reformado neste ponto de operação foi de 327 g/kWh em comparação com 347 g/kWh usando apenas E85 e operação estequiométrica. Usar o ciclo de regeneração LNT de 100s magro e 2s rico causou ao BSFC um aumento de 1,2% para 331 g/kWh. Esta é uma melhoria de 5% ao longo da linha de base de E85 a 12:1 CR e alta diluição interna.
[000152] A capacidade de carga de LNT, bem como a eficiência de conversão, é altamente dependente da temperatura do catalisador LNT. Durante este ciclo de regeneração, a temperatura LNT estava diminuindo ligeiramente. Conforme a temperatura estabilizou, aumentou a eficiência de conversão. Isso é indicado por um tubo de escape decrescente de NOx e um deslizamento crescente de CO. As alterações nestes parâmetros implicam que um intervalo de carregamento mais longo ou um intervalo de regeneração mais curto poderiam ser usados para otimizar este ponto e reduzir ainda mais o BSFC.
[000153] Figura 8: 1200 rpm, 4.33 bar BMEP ciclo de regeneração de armadilha magra de NOX.
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[000154] A regeneração de armadilha magra de NOX a 1500 rpm, 2.83 bar BMEP é mostrada na Figura 9. Para este ciclo, os intervalos foram determinados para ser 300s de combustão marga seguida de 4s combustão rica. O BSFC alcançado com operação magra usando reformado neste ponto de funcionamento foi de 362 g/kWh comparado com 377 g/kWh usando E85 apenas e operação estequiométrica. O ciclo de regeneração de LNT de 300s magro e 4s rico aumentou o BSFC em 1.5% a 368 g/kWh. Este tempo de intervalo fornece eficiência de conversão de NOX extremamente alta e NOX no tubo de escape muito baixo. O deslizamento de CO e o deslizamento de HC são muito elevados, indicando que a otimização adicional do tempo de intervalo é necessária e melhoraria significativamente o BSFC. No entanto, apesar da falta de otimização, essa temporização fornece uma melhoria de 2.5% no consumo de combustível ao longo da linha de base do caso E85.
[000155] Figura 9: 1500 rpm, 2.83 bar BMEP ciclo de regeneração de armadilha magra de NOX
Figure img0038
[000156] Exemplo 16. Este Exemplo descreve o teste de partida a frio do motor do Exemplo 12 a 20 °C. A partida a frio em E85 foi controlada pela Unidade de Controle de Motor Ford (ECU) usando a calibração de fábrica. Os valores de lambda para este caso são inicialmente tão ricos quanto 0,5 para acionar o motor. Então, a operação estequiométrica é usada enquanto se aumenta a velocidade do motor e os tempos de faísca são retardados até 15 °CA ATDC para obter EGT alto para light-off rápido de TWC. Depois que temperaturas de 400 °C são atingidas, a velocidade do motor é reduzida lentamente para aproximadamente 850 rpm. Esta velocidade do motor é mantida até que o motor esteja quente o suficiente para manter uma baixa velocidade ociosa do motor.
[000157] A partida a frio também foi alcançada com misturas de E85 e reformado (de um cilindro) em um valor de lambda de 1.0. O consumo de combustível foi assim reduzido, enquanto a inflamabilidade elevada do hidrogênio leva a uma ignição extremamente rápida, apesar das condições de partida estequiométrica.
[000158] Importantemente, a partida a frio usando 50-100% de reformado reduziu bastante as emissões de hidrocarbonetos de saída do motor e de CO, devido à capacidade de partida em lambda=1 e a combustão rápida possibilitada por hidrogênio. Como mostrado na Figura 10, as emissões de hidrocarbonetos utilizando E85 sozinho excederem a leitura máxima do instrumento, mas estes níveis são bastante reduzidos quando se usa 50%, 75%, ou 100% de reformado. As emissões de CO são também drasticamente reduzidas.
[000159] Figura 10: Velocidade do motor, lambda, hidrocarbonetos e emissões de CO durante a partida do motor do Exemplo 12 a 20°C.
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[000160] Ao introduzir os elementos da invenção presente ou a(s) modalidade(s) preferida(s) dos mesmos, os artigos urn, uma, o, a destinam-se a significar que há um ou mais elementos. Os termos compreender, incluir e ter, são destinados a serem inclusivos e significam que pode haver elementos adicionais que não sejam os elementos listados.
[000161] Como poderiam ser introduzidas várias alterações nas construções, produtos e métodos acima sem se afastar do escopo da invenção, entende-se que toda a matéria contida na descrição acima e indicada nos desenhos que acompanham deve ser interpretada como sendo ilustrativa, e não em um sentido limitante.

Claims (11)

1. Processo para a produção de energia mecânica ou elétrica a partir de um combustível compreendendo etanol, caracterizado pelo fato de que compreende: contatar uma mistura de gás de alimentação compreendendo o combustível etanol com um catalisador de reforma compreendendo cobre, em uma zona de reação de reforma, para produzir um produto de mistura de gás reformado que inclui componente de hidrogênio, metano e óxido de carbono, selecionado do grupo que consiste em monóxido de carbono, dióxido de carbono, e misturas dos mesmos; combustão de uma mistura de gás combustível em uma câmara de combustão de um motor de combustão interna para produzir uma mistura de gás de escape, a mistura de gás combustível incluindo ar, hidrogênio e metano, obtida na mistura de gás do produto reformado e um gás de escape de efluentes incluindo cerca de 5% a cerca de 40% da mistura de gases de escape produzidos na combustão anterior; utilizar a energia de combustão para a geração de energia mecânica ou elétrica; descarregar pelo menos uma porção da mistura de gás de escape da câmara de combustão; e colocar pelo menos uma porção da mistura descarregada dos gases de escape em contato térmico com a zona de reação de reforma para, assim, aquecer o catalisador de reforma nele e resfriar a mistura de gás de exaustão descarregada.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a razão molar do componente metano sobre o óxido de carbono na mistura de gás do produto reformado é de cerca de 0,9 a cerca de 1,25 e a taxa na qual o metano é produzido na mistura de gás reformado é de pelo menos cerca de 50% da taxa de etanol introduzido na zona de reação de reforma em uma base molar.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a mistura de gás combustível compreendendo o efluente do gás de escape é produzida por: recirculação interna de uma porção da mistura de gás de escape, retendo uma porção da mistura de gás de escape na câmara de combustão e/ou retirando uma porção da mistura descarregada do gás de escape de volta para a câmara de combustão durante o curso de admissão posterior; e/ou recirculação externa de uma porção da mistura do gás de escape resfriado na câmara de combustão após o contato térmico entre a mistura descarregada do gás de escape com a zona de reação de reforma.
4. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que uma porção da mistura de gás de escape é recirculada internamente usando retardo de câmara dupla igual.
5. Processo para a produção de energia mecânica ou elétrica a partir de um combustível compreendendo etanol, caracterizado pelo fato de que compreende: contatar uma mistura de gás de alimentação compreendendo o combustível etanol com um catalisador de reforma compreendendo cobre em uma zona de reação de reforma para produzir um produto de mistura de gás reformado que inclui componente de hidrogênio, metano e óxido de carbono, selecionado do grupo que consiste em monóxido de carbono, dióxido de carbono, e misturas dos mesmos; em que a razão molar entre metano e o componente óxido de carbono na mistura de gás do produto reformado é de cerca de 0,9 a cerca de 1,25 e a taxa na qual o metano é produzido na mistura de gás reformado é de pelo menos cerca de 50% da taxa de etanol introduzida na zona de reação de reforma em uma base molar; combustão de uma mistura de gás combustível incluindo ar, hidrogênio e metano, obtida no produto de mistura de gás reformado em uma câmara de combustão de um motor de combustão interna com cerca de 5% a cerca de 40% de recirculação do gás de escape para produzir uma mistura de gás de escape; utilizar a energia da combustão para a geração de energia mecânica ou elétrica; e colocar pelo menos uma porção da mistura descarregada do gás de escape em contato térmico com a zona de reação de reforma para, assim, aquecer o catalisador de reforma nele e resfriar a mistura de gás de escape descarregada.
6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a mistura de gás combustível é produzida por: recirculação interna de uma porção da mistura de gás de escape, retendo uma porção da mistura de gás de escape na câmara de combustão e/ou retirando uma porção da mistura descarregada do gás de escape de volta para a câmara de combustão durante o curso de admissão posterior; e/ou recirculação externa de uma porção da mistura do gás de escape resfriado na câmara de combustão após o contato térmico entre a mistura descarregada do gás de escape com a zona de reação de reforma.
7. Processo de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que de cerca de 5% a cerca de 25% da mistura de gás de escape é recirculada externamente na câmara de combustão.
8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que de cerca de 5% a cerca de 40% da mistura de gás de escape é recirculada internamente.
9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que mistura de gás combustível compreende pelo menos 20% de etanol não reformado com relação a etanol reformado na mistura de gás combustível em base mássica.
10. Processo para a produção de energia mecânica ou elétrica a partir de um combustível compreendendo etanol, caracterizado pelo fato de que compreende: contatar uma mistura de gás de alimentação compreendendo o combustível etanol com um catalisador de reforma que inclui cobre em uma zona de reação de reforma para produzir um produto de mistura de gás reformado que inclui componente de hidrogênio, metano e óxido de carbono, selecionado do grupo que consiste em monóxido de carbono, dióxido de carbono, e misturas dos mesmos; introduzir uma mistura fluida de admissão em uma câmara de combustão de um motor de combustão interna, a mistura de fluidos de admissão incluindo ar e combustível selecionado do grupo que consiste em hidrogênio e metano, obtida no produto de mistura de gás reformado, etanol não reformado e misturas dos mesmos; combustão da mistura de fluidos de admissão na câmara de combustão para produzir uma mistura de gás de escape; utilizar a energia da combustão para a geração de energia mecânica ou elétrica; descarregar pelo menos uma porção da mistura de gás de escape da câmara de combustão; e colocar pelo menos uma porção da mistura descarregada dos gases de escape em contato térmico com a zona de reação de reforma para, assim, aquecer o catalisador de reforma nele e resfriar a mistura de gás de escape descarregada, em que quando o motor de combustão interna é operado abaixo de cerca de 700 KPa (7 bar) IMEP, a mistura de fluido de admissão é diluída em pelo menos cerca de 20% e o combustível na mistura de fluido de admissão é composto por uma mistura de etanol reformado e etanol não reformado em uma razão de cerca de 1:3 a cerca de 3:1, em massa.
11. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a mistura de fluido de admissão é diluída com mistura de gás de exaustão recirculado e/ou ar em excesso com relação ao que é necessário para a combustão completa do combustível.
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