ES2234108T3 - Reduccion de emisiones de nox de un motor maximizando al mismo tiempo la economia de combustible. - Google Patents
Reduccion de emisiones de nox de un motor maximizando al mismo tiempo la economia de combustible.Info
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Abstract
Procedimiento que permite realizar buenas economías de carburante y reducir las emisiones de los motores que funcional con diesel o con una mezcla pobre, procediendo al reciclado de los gases de escape (RGE) y a la reducción catalítica selectiva (RCS) (18) mediante urea (20) u otro reactivo reductor de NOx. El RGE (32) se aplica a una carga baja así como cuando la alimentación de reactivo o la unidad RCS (18) plantean problemas. La RCS (18) funciona en condiciones óptimas de carga normal a elevada, lo que evita el recorrido con RGE (32). Este efecto de red permite evitar el compromiso conocido entre Nox y consumo elevado de carburante. Esta nueva aplicación combinada de la RCS (18) y del RGE (32) permite realizar motores que responden a las normas anti-polución a la vez que se conserva la tecnología existente.
Description
Reducción de emisiones de NO_{x} de un motor
maximizando al mismo tiempo la economía de combustible.
La invención se refiere a medios y métodos que
permiten la reducción segura y eficaz de emisiones de óxidos de
nitrógeno (NO_{x}) permitiendo al mismo tiempo que un motor de
combustión pobre funcione eficientemente.
Los motores diesel y de gasolina de combustión
pobre proporcionan ventajas en economía de combustible y son
preferidos por esta razón. Sin embargo, producen cantidades grandes
de NO_{x} durante su funcionamiento normal y no hay tecnología
conocida disponible que saque partido de su economía sin tener el
inconveniente de emisiones de NO_{x}.
Cuando se toman medidas primarias (acciones que
afectan al propio proceso de combustión) para reducir las emisiones
de NO_{x} en motores de combustión pobre, usualmente se reduce
también la economía de combustible y se incrementan las emisiones de
partículas. Por otro lado, las condiciones de combustión
seleccionadas para reducir la polución de partículas y obtener buena
economía de combustible tienden a incrementar las emisiones de
NO_{x}. Esta alternativa es más grave bajo condiciones de carga
alta, en las que la economía de combustible y las emisiones de
NO_{x} son de la mayor importancia.
Las estrategias actuales para disminuir las
emisiones de NO_{x} incluyen: mezclado óptimo de combustible/aire,
regulación de la velocidad de inyección del combustible, presiones
de inyección altas, enfriadores intermedios, recirculación de los
gases de escape (RGE) y catalizadores reductores de NO_{x}. La
técnica de reducción de NO_{x} está limitada por su coste y
viabilidad comercial. Además, la probable necesidad de emplear
motores de combustión pobre para cumplir los objetivos de economía
de combustible hace aún más difícil conseguir los objetivos de
emisión.
Los sistemas catalíticos para control de
emisiones tienen varios inconvenientes. Los catalizadores útiles
para motores de gasolina convencionales no son en general eficaces
para motores diesel y de gasolina de combustión pobre. Se han
propuesto catalizadores de reducción de NO_{x} basados en
reactivos con amoníaco, urea o hidrocarburos como combustible
diesel. Sin embargo, los reactivos no combustibles, como amoníaco y
urea, requieren una operación separada de llenado. Y el uso de
combustible como reactivo reduce la economía de combustible e
implica un coste adicional en cuanto al impuesto sobre el
combustible.
Hay una necesidad actual de una respuesta
económica y eficaz a los problemas asociados con la reducción de
NO_{x} sin tener inconvenientes importantes en cuanto a consumo de
combustible o emisiones de partículas, particularmente para motores
diesel móviles y otros motores de combustión pobre.
Intensas investigaciones durante la última década
han originado una serie de tecnologías disponibles para la reducción
de NO_{x}. Sin embargo, como se ha indicado antes brevemente,
ninguna tecnología ha demostrado ser eficaz para conseguir los
dobles objetivos de economía de combustible y bajas emisiones de
contaminantes. La técnica no ha desarrollado una tecnología
simplemente, o combinando dos o más estrategias disponibles, para
cumplir las demandas reguladoras proyectadas para economía de
combustible con bajas emisiones de NO_{x}.
Hay disponibles catalizadores de reducción
catalítica selectiva (RCS) para limitar las emisiones de NO_{x}
procedentes de motores diesel pero, aunque se han conseguido algunos
éxitos en este área, todavía no se ha resuelto el problema de
tiempos de parada significativos. La RCS es eficaz en sentido
práctico cuando las temperaturas de los gases de escape son
suficientemente elevadas y, durante la puesta en marcha o
funcionamiento en vacío, no se consiguen temperaturas eficaces.
Además, su eficacia depende de que el operador mantenga un
suministro de reactivo y siga la actividad del catalizador. Estas
son limitaciones que se consideran desfavorables a los reguladores.
Una política nacional o regional, tan limitada, debe ser ineficaz
simplemente por un número significativo de operadores que no
consideran el tiempo de parada para el llenado de reactivo o para
poner en servicio sus sistemas. Así, el problema de llenado de
reactivo es más grave que simplemente la conveniencia del conductor
u otro operador.
Además de estos factores, R. J. Hulterman, en
"A Selective Catalytic Reduction of NO_{x} from Diesel Engines
Using of Urea" (tesis Ph.D., septiembre de 1995), describe una
serie de problemas técnicos para implementar la RCS con urea,
incluidos obstrucción de atomizadores, problemas de descomposición y
dinámica del sistema. Y, como puntualiza, los incentivos para
emplear RCS con amoníaco pueden ser menores debido a los riesgos
asociados. La patente de los Estados Unidos número 5.431.893
concedida a Hug et al. y la memoria de la patente europea
615.777 A1 se refieren a problemas con la RCS. Los costes asociados
con estos problemas y el hecho de que la RCS es ineficaz en una
porción significativa del ciclo operativo de un motor móvil han
desempeñado un papel en los éxitos limitados vistos actualmente en
la RCS.
También se ha encontrado que medidas primarias,
como las indicadas anteriormente, proporcionan menos que una
solución total del problema de reducción de NO_{x} con economía de
combustible. A una carga fija, cuando se emplea RGE, se incrementa
el consumo específico de combustible durante el frenado y las
emisiones de partículas. Véase a este respecto Psaras et al.,
"Achieving the 2004 Heavy-Duty Diesel Emissions
Using Electronic EGR and a Cerium Based Fuel Borne Catalyst", SAE
Technical Paper Series nº 970189 (1997).
La técnica espera el desarrollo de un proceso y
un aparato que permita reducir NO_{x} sin tener inconvenientes
indebidos en cuanto a consumo de combustible y emisiones de
partículas y que lo realice de manera simple, eficaz, económica y
segura.
Un objeto de la invención es proporcionar un
sistema para reducir emisiones de NO_{x} de un motor de combustión
interna de combustión pobre permitiendo al mismo tiempo buena
economía de combustible.
Otro objeto de la invención es permitir la
reducción de NO_{x} durante todo el intervalo operativo de un
motor.
También otro objeto de la invención es optimizar
la economía de combustible consiguiendo al mismo tiempo reducciones
de emisiones de NO_{x}, partículas, hidrocarburos no quemados y
monóxido de carbono.
También otro objeto de la invención es reducir la
cantidad de reactivo reductor de NO_{x}, requerido para la
operación de RCS.
Otro objeto de la invención es permitir emisiones
reducidas de partículas debido a RGE de carga baja y afino
adelantado del encendido, sin sacrificar la economía de combustible
ni la reducción de NO_{x} a carga alta.
Un objeto relacionado de la invención es eliminar
los problemas alternativos asociados con estrategias conocidas para
conseguir reducción de NO_{x} junto con economía de combustible y
bajas emisiones de partículas.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
sistema para motores de combustión pobre que sea aceptable para que
reguladores relativos a esos operadores, especialmente en
aplicaciones móviles, puedan evitar estrategias de emisiones bajas
por conveniencia, negligencia o aceptación simple de las
regulaciones.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
sistema que dé a los operadores, especialmente en aplicaciones
móviles, un incentivo económico para mantener sus sistemas de
control de polución.
También otro objeto de la invención es
proporcionar una estrategia de control de emisiones que emplee
reactivos reductores de NO_{x} nitrogenados, como amoníaco y urea,
sin problema de emisiones de amoníaco a carga baja.
Estos y otros objetos se consiguen con la
presente invención, que proporciona un proceso y aparato mejorados
para la reducción de NO_{x} con economía de combustible y control
de partículas. El proceso en uno de sus aspectos comprende:
- proporcionar un sistema de escape que tiene un
conducto de escape que llega a un reactor catalítico eficaz para la
reducción de NO_{x} por reducción catalítica selectiva utilizando
un reactivo reductor de NO_{x} seleccionado del grupo formado por
ammelida (cianuramida), ammelina (cianurdiamida), carbonato amónico,
bicarbonato amónico, carbamato amónico, cianato amónico, sales
amónicas de ácidos inorgánicos, sales amónicas de ácidos orgánicos,
biuret, ácido cianúrico, hexametilentetraamina, ácido isociánico,
aminas de alquilos inferiores, melamina, tricianourea y urea,
- proporcionar un sistema de recirculación de los
gases de escape para mezclar los gases de escape procedentes del
citado conducto de escape y aire de entrada y suministrar al motor
la mezcla resultante,
- detectar parámetros operativos, como carga del
motor, disponibilidad de reactivo reductor de NO_{x} y/o
temperatura de los gases de escape, indicativos de condiciones
eficaces para la reducción catalítica de NO_{x} por reducción
catalítica selectiva,
- generar una o más señales operativas
representativas de los parámetros operativos detectados,
- comparar una o más señales operativas con un
valor o valores de referencia para determinar si la reducción
catalítica de NO_{x} por reducción catalítica selectiva puede ser
realizada eficazmente,
- generar una o más señales de control
representativas de los resultados de la comparación, y
- hacer funcionar el citado reactor catalítico
para la reducción catalítica selectiva con introducción de uno de
los citados reactivos reductores de NO_{x} y/o la citada unidad de
recirculación de los gases de escape en respuesta a las citadas
señales de control para maximizar la economía de combustible y
asegurar la reducción de NO_{x}.
El método y el aparato son particularmente
eficaces para motores diesel y de gasolina de combustión pobre y
también para otros motores de combustión pobre. La unidad catalítica
es una unidad de RCS. Típicamente, el reactor catalítico y los
medios asociados preferidos de suministro de reactivo permiten el
funcionamiento a la temperatura operativa eficaz del catalizador,
por ejemplo, cuando los gases de escape están en el intervalo de
aproximadamente 200 a aproximadamente 650ºC.
De acuerdo con una realización, el reactor
catalítico es una unidad de RCS y se introduce en los gases de
escape un reactivo reductor de NO_{x} cuando el reactor está
operativo.
Una realización del aparato comprende:
- un sistema de escape que tiene un conducto de
escape que llega a un reactor catalítico eficaz para la reducción de
NO_{x} por reducción catalítica selectiva utilizando un reactivo
reductor de NO_{x} seleccionado del grupo formado por ammelida,
ammelina, carbonato amónico, bicarbonato amónico, carbamato amónico,
cianato amónico, sales amónicas de ácidos inorgánicos, sales
amónicas de ácidos orgánicos, biuret, ácido cianúrico,
hexametilentetraamina, ácido isociánico, aminas de alquilos
inferiores, melamina, tricianourea y urea,
- un sistema de recirculación de los gases de
escape para mezclar una porción de los gases de escape procedentes
del citado conducto de escape y aire de entrada y suministrar al
motor la mezcla resultante,
- sensores para detectar parámetros operativos,
como carga del motor, disponibilidad de reactivo reductor de
NO_{x} y/o temperatura de los gases de escape, indicativos de
condiciones eficaces para la reducción catalítica de NO_{x} por
reducción catalítica selectiva y generar una o más señales
operativas representativas de los mismos,
- un controlador de retroalimentación para
comparar una o más señales operativas con un valor o valores de
referencia para determinar si la reducción catalítica de NO_{x}
por reducción catalítica selectiva puede ser realizada eficazmente y
generar una o más señales de control representativas de los
resultados de la comparación, y
- controladores sensibles a las citadas señales
de control para hacer funcionar el citado reactor catalítico y/o la
citada unidad de recirculación de los gases de escape para maximizar
la economía de combustible y asegurar la reducción de NO_{x}.
La invención será mejor entendida y sus ventajas
serán más evidentes por la siguiente descripción detallada,
especialmente cuando se lea a la luz de los dibujos adjuntos, en los
que:
la figura 1 es un diagrama de flujos que muestra
los componentes principales de una realización de la invención que
emplea recirculación de los gases de escape y reducción catalítica
selectiva, y
la figura 2 es un diagrama de flujos que muestra
recirculación de los gases de escape y un catalizador de NO_{x},
suplementado opcionalmente por alimentación de hidrocarburos
(combustible).
En esta descripción, el término "motor de
combustión pobre" incluye motores que pueden funcionar con al
menos un exceso de 1% de oxígeno en peso con respecto a la cantidad
estequiométrica requerida para la combustión completa de un
combustible del tipo de hidrocarburos. El término "motor"
incluye, en sentido amplio, todos los equipos de combustión que
queman combustible para proporcionar calor, por ejemplo, para su
conversión directa o indirecta en energía mecánica o eléctrica. Se
incluyen motores de combustión interna de los tipos Otto, Diesel y
de turbinas, así como quemadores y hornos y todos ellos pueden
beneficiarse de la invención. Sin embargo, como los problemas y
ventajas de conseguir con éxito la reducción eficaz de NO_{x} en
motores diesel son tan pronunciados, en esta descripción se usa como
ejemplo el motor diesel. Se contemplan motores fijos y móviles.
El término "motor diesel" incluye todos los
motores de compresión-ignición para centrales
térmicas móviles (incluidas marinas) y fijas y de los tipos de dos
carreras por ciclo, cuatro carreras por ciclo y rotativos.
El término "combustible del tipo de
hidrocarburos" incluye todos los combustibles preparados a partir
de "combustibles destilados" o "petróleo". Se incluyen
gasolina, combustible para turbinas de combustión y otros diversos
combustibles destilados. El término "combustible destilado"
incluye todos los productos preparados por destilación de petróleo o
de fracciones y residuos de petróleo. El término "petróleo"
incluye, en su sentido usual, todos los materiales incluidos en el
significado del término con independencia de su origen, incluidos
los hidrocarburos (con independencia de su viscosidad) recuperados
de combustibles fósiles.
El término "combustible diesel" significa
"combustibles destilados", incluidos combustibles diesel que
cumplen la definición ASTM de combustibles diesel u otros aunque no
estén compuestos totalmente de destilados y pueden comprender
alcoholes, éteres, compuestos orgánicos nitrogenados, etc. (por
ejemplo, metanol, etanol, dietil éter, metil etil éter,
nitrometano). También están incluidos dentro del alcance de esta
invención combustibles líquidos y en forma de emulsiones de origen
vegetal o mineral, como maíz, alfalfa, pizarra y carbón. Estos
combustibles también pueden contener otros aditivos conocidos por
los expertos en la técnica, incluidos colorantes, mejoradores del
índice de cetano, antioxidantes [como
2,6-di(terc-butil)-4-metilfenol],
inhibidores de corrosión, inhibidores de formación de herrumbre
(como ácidos y anhídridos succínicos alquilados), agentes
bacteriostáticos, inhibidores de formación de gomas, desactivadores
de metales, lubricantes de cilindros superiores, agentes
anticongelantes, etc.
En la presente memoria, el término "RCS" se
refiere a un proceso conocido en la técnica como "reducción
catalítica selectiva". Este proceso y la invención pueden
utilizar amoníaco o cualquier reactivo reductor de NO_{x} capaz de
generar gas amoníaco al calentarlo. Entre estos materiales los
preferidos son los que comprenden un miembro seleccionado del grupo
formado por ammelida, ammelina, carbonato amónico, bicarbonato
amónico, carbamato amónico, cianato amónico, sales amónicas de
ácidos inorgánicos, incluidas sales de los ácidos sulfúrico y
fosfórico, sales amónicas de ácidos orgánicos, incluidas sales de
los ácidos fórmico y acético, biuret, ácido cianúrico,
hexametilentetraamina y sus carbonatos, ácido isociánico, aminas de
alquilos inferiores, como metilamina, etilamina y dimetilamina,
melamina, tricianourea, urea y mezclas de cualquier número de estos
compuestos. El término "urea" comprende todas sus formas
comerciales. Típicamente, las formas comerciales de urea consisten
esencialmente en urea, conteniendo 95% en peso o más de urea.
Cuando se desee se pueden emplear soluciones
acuosas de urea, amoníaco (hidróxido amónico) o de cualquiera de los
otros reactivos. Se prefiere usar la menor cantidad posible de agua
debido al coste añadido de transportar y vaporizar el agua. También,
en ausencia de agua, se minimiza el tiempo necesario para gasificar
la urea u otro reactivo haciendo que el tamaño del equipo sea menor
que cuando se deba volatilizar agua u otro disolvente. Sin embargo,
una ventaja de esta invención es que se puede emplear agua
estratégicamente para mantener en los gases de escape una
temperatura baja pero eficaz, un resultado no deseable usualmente
para la RCS pero útil cuando puede beneficiarse la naturaleza del
catalizador u otro equipo, como las válvulas asociadas, etc. Se
puede emplear agua a concentraciones conocidas en la técnica, por
ejemplo, de aproximadamente 5 a aproximadamente 65% (o más en el
caso de suspensiones) aunque, si se emplea, estará presente
típicamente a concentraciones de aproximadamente 25 a
aproximadamente 50% en peso de la solución de reactivo.
El término "catalizador de NO_{x}" se usa
en la presente memoria de la misma manera que en la técnica para
definir un sistema de catalizador eficaz para reducir NO_{x} en
los gases de escape de un motor de combustión pobre. Típicamente
estos catalizadores requieren usar un reactivo del tipo de
hidrocarburos (por ejemplo, lo más convenientemente combustible).
Véase a este respecto, Heimrich, "Demonstration of Lean NO_{x}
Catalytic Converter Technology on a Heavy Duty Diesel Engine",
SAE Technical Paper Series nº 970755 (1997), cuya descripción se
incorpora como referencia. Se ha tenido éxito con catalizadores
eficaces sin reactivos del tipo de hidrocarburos.
La tecnología de "recirculación de los gases de
escape" (RGE) está bien desarrollada y este término se usa en la
presente memoria de la misma manera usada en la técnica.
Típicamente, se recircula una porción de los gases de escape desde
cámara(s) de combustión de un motor a una o más de las
cámaras de combustión con aire de combustión. Una porción de los
gases de escape se puede separar de un colector de escape o tubería
de éste y mezclar con aire de entrada por medios adecuados, como se
describe en la patente de los Estados Unidos número 4.609.342, de
Showalter, cuya descripción se incorpora en la presente memoria como
referencia.
El proceso de la realización de la figura 1
muestra un motor de combustión pobre con recirculación de los gases
de escape (RGE) y un sistema de reducción catalítica selectiva
(RCS). El sistema combinado de RGE/RCS se controla para recircular
gases de escape en tiempos de carga baja, durante el calentamiento a
la temperatura de régimen y/o cuando el sistema de RCS es ineficaz.
El sistema de RGE reduce así NO_{x} cuando la temperatura de los
gases de escape es demasiado baja para el mejor uso de este sistema,
cuando se ha consumido el suministro de reactivo y/o cuando ocurren
problemas mecánicos o de inactivación del catalizador.
Durante la operación de RGE se mezclan aire de
combustión procedente de la entrada 10 (a presión alta o baja;
calentado o enfriado) y gases de escape procedentes de la tubería 12
(separados de la corriente principal 16 de gases de escape) y se
alimentan a uno o más cilindros del motor 14 (por ejemplo, un motor
diesel o de gasolina de combustión pobre). La proporción de gases de
escape recirculados al motor para formar una mezcla de aire de
combustión debe ser eficaz para disminuir la producción de NO_{x}
por el motor utilizando la mezcla de aire de combustión en
comparación con aire de combustión que no contenga gases de escape.
Típicamente, se puede recircular de aproximadamente 0 a
aproximadamente 30%.
Típicamente se comprime la mezcla de aire de
combustión antes de introducirla en cilindro(s) del motor, en
los que se comprime más causando su calentamiento. El combustible
apropiado se inyecta en los cilindros después de la compresión en el
caso de motores diesel pero puede ser inyectado antes en el caso de
motores de encendido por chispa. El combustible se quema entonces
con la mezcla de aire de combustión produciendo gases de escape que
se descargan por la corriente de escape 16. El ciclo descrito se
repite continuamente cuando el motor continúa funcionando en el modo
de RGE. La RGE disminuye la temperatura de combustión y reduce la
cantidad de NO_{x} producido pero, como se ha observado,
incrementa la producción de materia en partículas e hidrocarburos no
quemados a cargas altas - de nuevo, el compromiso entre NO_{x} y
combustión completa.
Una ventaja de la invención es que la RGE se
puede parar a cargas altas y que se pueden evitar el consumo de
combustible y los inconvenientes de emisiones que causaría a cargas
altas. Otra ventaja de la invención es que, como la RGE no está
operando a cargas altas (a no ser que se haya consumido el reactivo)
se recircula al motor menos materia en partículas que podría causar
problemas mecánicos o de combustión. Realmente, el equipo de RGE
puede ser más económico porque no necesita ser tan robusto como
cuando se emplea continuamente durante todas las cargas.
Corriente abajo de los gases de escape 16 hay una
unidad de RCS 18. La reducción catalítica selectiva es eficaz a un
intervalo relativamente estrecho de temperatura, de aproximadamente
180 a aproximadamente 650ºC. Durante condiciones de carga alta, la
temperatura de los gases de escape se mantiene a las temperaturas
más preferidas para la RCS y, a estas temperaturas, son reales
conversiones superiores a 90% y más y se alimenta reactivo reductor
de NO_{x} desde el depósito de alimentación 20. Sin embargo, hay
tiempos, como durante la puesta en marcha y funcionamiento en vacío,
en los que la temperatura no es suficientemente alta. Durante estos
tiempos, preferiblemente no se introduce amoníaco ni otro reactivo
en los gases de escape porque pasaría simplemente y ensuciaría el
aire.
La figura 1 ilustra también un sistema de control
de un tipo útil para mantener la operación apropiada de las unidades
de recirculación de los gases de escape y reducción catalítica
selectiva y determinar el nivel de introducción (esto es,
dosificación) del reactivo. El controlador 22 puede, si se desea,
regular que las inyecciones ocurran a tiempos escalonados según una
secuencia diseñada para nivelar la velocidad de introducción a pesar
del uso de inyectores por impulsos. La temperatura de los gases de
escape (sensor 26) es un parámetro de importancia. La carga del
motor es otro parámetro clave (sensor 28) y se puede seguir éste u
otro factor similar para determinar la cantidad de NO_{x} que se
está generando y la cantidad de reactivo reductor de NO_{x} que se
necesita alimentar a los gases de escape. Preferiblemente hay un
sensor 29 para determinar la disponibilidad de reactivo reductor de
NO_{x} en el depósito de reactivo 20.
Los sensores provistos para detectar parámetros
operativos indicativos de condiciones eficaces para la reducción
catalítica de NO_{x} detectan el parámetro operativo apropiado y
generan una señal representativa. El controlador 22 proporciona
medios de control para comparar una o más señales con valores de
referencia apropiados y determina si se puede realizar eficazmente
la reducción catalítica de NO_{x}. El controlador genera entonces
señales de control apropiadas representativas del resultado de la
comparación. Se proporcionan medios de respuesta a las señales de
control para el funcionamiento del citado reactor catalítico y de la
citada unidad de recirculación de los gases de escape, a petición
del controlador. La figura 1 muestra, como representativos de estos
medios, las válvulas 30 y 32.
Una ventaja es que las puntas y discontinuidades
que ocurren usualmente en los niveles de NO_{x} pueden ser mejor
controladas con inyección de reactivo y/o recirculación de los gases
de escape en la configuración apropiada del proceso. Otra ventaja de
la invención es que una vez que el controlador detecta operación a
carga baja, la unidad de reducción catalítica selectiva puede estar
más tiempo usando reactivo del sistema de alimentación, con lo que
se elimina o reduce mucho el problema de deslizamiento de amoníaco
asociado normalmente con unidades de reducción catalítica
selectiva.
El reactivo de RCS puede ser alimentado a los
gases de escape, en respuesta a un controlador de retroalimentación
en respuesta a un número de parámetros medidos, incluidos: carga del
motor (representada por diversas mediciones mecánicas o
electrónicas, como flujo de combustible, oscilación o anchura de los
impulsos, velocidad del motor, temperatura del aire de entrada),
presión barométrica, humedad del aire de entrada, temperatura de los
gases de escape y/u otros parámetros eficaces para motores
particulares. Además, en la extensión en que haya disponibles
sensores, se puede proporcionar control de ajuste fino o de
retroalimentación basados en especies gaseosas residuales después
del catalizador, por ejemplo, el nivel de NO_{x}, hidrocarburos o
CO. Si se desea, se puede emplear control de retroalimentación para
el ajuste fino del sistema en respuesta a niveles residuales de
amoníaco, otras especies gaseosas o cualquier otra propiedad medible
del motor o de los gases de escape.
La urea, u otro reactivo o especie activa, se
introduce en los gases de escape en una cantidad suficiente para
proporcionar el grado de reducción de NO_{x} deseado. La cantidad
deseada puede ser determinada por regulación, requisitos de diseño
del motor u otros criterios. Típicamente, se emplea una relación
molar de especie activa a nivel de referencia de óxidos de nitrógeno
(que significa el nivel de pretratamiento de NO_{x} en el
efluente) de por lo menos aproximadamente 0,3:1. Más estrechamente,
se suministra el reactivo necesario para proporcionar una relación
molar de especie activa a nivel de referencia de óxidos de nitrógeno
de aproximadamente 0,5:1 a aproximadamente 1:1. Los niveles de
reactivo o las concentraciones deseadas de NO_{x} en los gases de
escape se pueden preprogramar en el controlador basándose en valores
ensayados para flujos dados de combustible y parámetros relacionados
o se pueden proporcionar sensores o controles relacionados para
proporcionar lecturas a tiempo real. Se puede proporcionar un sensor
para corregir valores preprogramados por control de
retroalimentación.
El catalizador de RCS usado es uno capaz de
reducir, en presencia de amoníaco, la concentración de óxidos de
nitrógeno en el efluente. Estos catalizadores incluyen, por ejemplo,
carbono activado, carbón o coque, zeolitas, óxido de vanadio, óxido
de tungsteno, óxido de titanio, óxido de hierro, óxido de cobre,
óxido de manganeso, óxido de cromo, metales nobles, como metales del
grupo del platino, como platino, paladio, rodio e iridio, y mezclas
de los mismos. También se pueden utilizar otros catalizadores de RCS
convencionales, bien conocidos en la técnica y familiares a los
expertos. Típicamente estos catalizadores de RCS están sobre un
soporte, como un metal, material cerámico, zeolita o monolito
homogéneo, aunque también se pueden usar otros soportes conocidos en
la técnica.
Entre los catalizadores de RCS útiles están los
procesos representativos de la técnica anterior descritos a
continuación. Los procesos de reducción catalítica selectiva para
reducir NO_{x} son bien conocidos y utilizan una diversidad de
agentes catalíticos. Por ejemplo, en la solicitud de patente europea
WO 210.392, Elchhiltoz y Weiler describen la eliminación catalítica
de óxidos de nitrógeno por adición de amoníaco usando, como
catalizador, carbón activado o coque activado. Kato et al. en
la patente de los Estados Unidos 4.138.469 y Henke en la patente de
los Estados Unidos 4.393.031 describen la reducción catalítica de
NO_{x} por adición de amoníaco usando metales del grupo del
platino y/u otros metales, como titanio, cobre, molibdeno, vanadio,
tungsteno, óxidos de los mismos o zeolitas, para conseguir la
reducción catalítica deseada.
Otro proceso de reducción catalítica se describe
en la patente canadiense 1.100.292, de Knight, que se refiere al
uso, como catalizador, de un metal del grupo del platino, oro y/o
plata depositado sobre un óxido refractario. Mori et al. en
la patente de los Estados Unidos describen la reducción catalítica
de NO_{x} por adición de gas amoníaco usando óxidos de azufre o
sulfatos o sulfitos de vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobre y
níquel.
En un sistema catalítico de varias fases, Ginger
en la patente de los Estados Unidos 4.268.488 describe exponer, en
presencia de amoníaco, un efluente que contiene óxidos de nitrógeno
a un primer catalizador que comprende un compuesto de cobre, como
sulfato de cobre, y a un segundo catalizador que comprende
combinaciones de metales, como sulfatos de vanadio y hierro o
tungsteno y un soporte.
Lo más preferiblemente se hace pasar el efluente
que contiene reactivo de RCS gasificado sobre el catalizador de RCS
cuando el efluente está a una temperatura entre aproximadamente 100
y aproximadamente 650ºC, preferiblemente a una temperatura de por lo
menos 180ºC. De esta manera, la especie activa presente en el
efluente, debido a hidrólisis y gasificación de la solución del
reactivo, facilita lo más eficazmente la reducción catalítica de
óxidos de nitrógeno. Usando la presente invención con cualquiera de
los catalizadores de RCS antes mencionados (cuya descripción se
incorpora específicamente como referencia) se reduce el requisito de
transporte, almacenaje y manejo de cantidades grandes de amoníaco o
agua amoniacal.
La figura 2 es un diagrama de flujo, similar al
de la figura 1, pero mostrando recirculación de los gases de escape
y un catalizador de NO_{x}, suplementado opcionalmente por
alimentación de hidrocarburos (combustible). Aquí, no se requiere un
recipiente separado para el agente reductor de NO_{x} sino que se
puede emplear el depósito 24. La válvula 34, igual que la válvula 32
en la figura 2, es accionada por el controlador 22 para suministrar
combustible según sea necesario por el catalizador 18, en este caso
un catalizador pobre de NO_{x}, como el descrito por Heimrich,
"Demonstration of Lean NO_{x} Catalytic Converter Technology on
a Heavy Duty Diesel Engine", SAE Technical Paper Series nº 970755
(1997). Hay disponibles catalizadores para operar, al menos durante
una porción del ciclo de carga, sin alimentación de reactivo
(combustible u otro hidrocarburo). También hay que indicar que el
sensor 36 se emplea para detectar flujo de combustible como
indicador de carga del motor.
La invención es compatible con el uso de
catalizadores de combustible que pueden mejorar el rendimiento del
motor, reducir emisiones y/o mejorar el funcionamiento de unidades
de tratamiento catalítico de los gases de escape o de colectores de
partículas. Por ejemplo, el combustible puede ser catalizado con un
aditivo adecuado del tipo de metales del grupo del platino y/o una
composición catalizadora auxiliar seleccionada del grupo formado por
compuestos de sodio, litio, potasio, calcio, magnesio, cerio,
hierro, cobre, manganeso y mezclas de los mismos. Entre estos
compuestos están los descritos, por ejemplo, en las patentes de los
Estados Unidos números 4.892.562 y 4.891.050 de Bowers y Sprague,
5.034.020 de Epperly y Sprague, 5.215.652 de Epperly, Sprague, Kelso
y Bowers y 5.266.083 de Peter-Hoblyn, Epperly y
Sprague, en la solicitud de patente WO 90/07561 de Epperly, Sprague,
Kelso y Bowers y en la solicitud de patente de los Estados Unidos
número de serie 08/597.517 presentada el 31 de enero de 1996 por
Peter-Hoblyn, Valentine y Sprague, que se incorporan
en la presente memoria como referencia. Cuando lo permita la
aplicación, se puede usar una mezcla de estos compuestos con uno o
más compuestos de metales del grupo del platino, como jabones,
acetilacetonatos, alcoholatos, \beta-dicetonatos y
sulfonatos, por ejemplo, del tipo que se describirá con más detalle
a continuación.
El catalizador de metal del grupo del platino y/o
cualquier otro catalizador puede ser añadido de cualquier manera
eficaz para el fin pretendido, como añadiéndolo al combustible en el
depósito de almacenamiento de gran capacidad, al combustible en un
depósito asociado con el motor o por adición continua o
intermitente, como por un dispositivo de dosificación adecuado, a la
tubería de combustible que llega al motor o en forma de vapor, gas o
aerosol a la entrada del aire, a los gases de escape antes del
colector, a los gases de escape después del colector pero antes de
su recirculación al motor o a una cámara de mezcla o medios
equivalentes en los que los gases de escape se mezclan con aire de
entrada.
Cuando se empleen, particularmente en combinación
con colectores de partículas, las composiciones de catalizador de
metal del grupo del platino se emplean preferiblemente a
concentraciones inferiores a 1 parte en peso de metal del grupo del
platino por millón de partes en volumen de combustible. Para los
fines de esta descripción, salvo que se indique lo contrario, todas
las cifras de "partes por millón" se refieren a partes en peso
por partes en volumen, esto es, gramos/millón de centímetros cúbicos
(que también puede expresarse como miligramos/litro). Los
catalizadores auxiliares se emplean a niveles eficaces para su fin
pretendido, preferiblemente a niveles de 1 a 100 ppm del combustible
utilizado, por ejemplo, 10 a 60 ppm.
La descripción anterior es con el fin de enseñar
a los expertos en la técnica cómo practicar la presente invención y
no pretende detallar todas las modificaciones y variaciones obvias
que serán evidentes a los expertos tras la lectura de esta
descripción. Sin embargo, se pretende que todas estas modificaciones
y variaciones obvias están incluidas dentro del alcance de la
presente invención, que se define por las siguientes
reivindicaciones. Las reivindicaciones cubren los componentes y
etapas indicadas en todas las disposiciones y secuencias que sean
eficaces para cumplir los objetivos pretendidos por la invención,
salvo que el contexto indique específicamente lo contrario.
Claims (4)
1. Un método para hacer funcionar un motor de
combustión pobre con alta economía de combustible y emisiones
reducidas de NO_{x}, partículas, hidrocarburos gaseosos y monóxido
de carbono, método que comprende:
- proporcionar un sistema de escape que tiene un
conducto de escape que llega a un reactor catalítico eficaz para la
reducción de NO_{x} por reducción catalítica selectiva utilizando
un reactivo reductor de NO_{x} seleccionado del grupo formado por
ammelida, ammelina, carbonato amónico, bicarbonato amónico,
carbamato amónico, cianato amónico, sales amónicas de ácidos
inorgánicos, sales amónicas de ácidos orgánicos, biuret, ácido
cianúrico, hexametilentetraamina, ácido isociánico, aminas de
alquilos inferiores, melamina, tricianourea y urea,
- proporcionar un sistema de RGE para mezclar los
gases de escape procedentes del citado conducto de escape y aire de
entrada y suministrar al motor la mezcla resultante,
- detectar parámetros operativos, como carga del
motor, disponibilidad de reactivo reductor de NO_{x} y/o
temperatura de los gases de escape, indicativos de condiciones
eficaces para la reducción catalítica de NO_{x} por reducción
catalítica selectiva,
- generar una o más señales operativas
representativas de los parámetros operativos detectados,
- comparar una o más señales operativas con un
valor o valores de referencia para determinar si la reducción
catalítica de NO_{x} por reducción catalítica selectiva puede ser
realizada eficazmente,
- generar una o más señales de control
representativas de los resultados de la comparación, y
- hacer funcionar el citado reactor catalítico
para la reducción catalítica selectiva con introducción de uno de
los citados reactivos reductores de NO_{x} y/o la citada unidad de
RGE en respuesta a las citadas señales de control para maximizar la
economía de combustible y asegurar la reducción de NO_{x}.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que el reactor catalítico para la reducción catalítica de
NO_{x} por reducción catalítica selectiva es operativo cuando la
temperatura de los gases de escape está en el intervalo de
aproximadamente 200 a aproximadamente 600ºC.
3. Un aparato para controlar el funcionamiento de
un motor de combustión pobre para obtener alta economía de
combustible y bajas emisiones de NO_{x} y partículas, aparato que
comprende:
- un sistema de escape que tiene un conducto de
escape que llega a un reactor catalítico eficaz para la reducción de
NO_{x} por reducción catalítica selectiva utilizando un reactivo
reductor de NO_{x} seleccionado del grupo formado por ammelida,
ammelina, carbonato amónico, bicarbonato amónico, carbamato amónico,
cianato amónico, sales amónicas de ácidos inorgánicos, sales
amónicas de ácidos orgánicos, biuret, ácido cianúrico,
hexametilentetraamina, ácido isociánico, aminas de alquilos
inferiores, melamina, tricianourea y urea,
- un sistema de RGE para mezclar una porción de
los gases de escape procedentes del citado conducto de escape y aire
de entrada y suministrar al motor la mezcla resultante,
- sensores para detectar parámetros operativos,
como carga del motor, disponibilidad de reactivo reductor de
NO_{x} y/o temperatura de los gases de escape, indicativos de
condiciones eficaces para la reducción catalítica de NO_{x} por
reducción catalítica selectiva y generar una o más señales
operativas representativas de los mismos,
- un controlador de retroalimentación para
comparar una o más señales operativas con un valor o valores de
referencia para determinar si la reducción catalítica de NO_{x}
por reducción catalítica selectiva puede ser realizada eficazmente y
generar señales de control representativas de los resultados de la
comparación, y
- controladores sensibles a las citadas señales
de control para hacer funcionar el citado reactor catalítico y/o la
citada unidad de RGE para maximizar la economía de combustible y
asegurar la reducción de NO_{x}.
4. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
en el sistema de RGE está en funcionamiento cuando la unidad de RCS
no está en funcionamiento.
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