ES2629430T3 - Sistema de purificación de gases de escape para motor de combustión interna - Google Patents

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Kohei Yoshida
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Abstract

Sistema de purificación de gases de escape de un motor de combustión interna en el que una válvula (15) de alimentación de hidrocarburos para alimentar hidrocarburos está dispuesta en el interior de un conducto de escape del motor, una combinación de catalizadores de purificación de gases de escape para hacer reaccionar NOx contenido en gases de escape e hidrocarburos reformados está dispuesta en el interior del conducto de escape del motor aguas abajo de la válvula (15) de alimentación de hidrocarburos, la combinación de catalizadores de purificación de gases de escape está compuesta por un catalizador (14a) de lado aguas arriba y un catalizador (14b) de lado aguas abajo dispuestos en serie con un intervalo entre sí, el catalizador (14a) de lado aguas arriba tiene un área de sección transversal más pequeña que el catalizador (14b) de lado aguas abajo y tiene una función de al menos reformar hidrocarburos que se alimentan desde la válvula (15) de alimentación de hidrocarburos, se porta un catalizador (51, 52) de metales preciosos sobre una superficie de flujo de gases de escape de al menos un catalizador del catalizador (14a) de lado aguas arriba y el catalizador (14b) de lado aguas abajo y se forma una parte (54) superficial de flujo de gases de escape básica alrededor del catalizador (51, 52) de metales preciosos, la combinación de catalizadores de purificación de gases de escape reduce el NOx que está contenido en gases de escape si se hace vibrar una concentración de hidrocarburos que fluyen al catalizador (14a) de lado aguas arriba dentro de un intervalo predeterminado de amplitud y dentro de un intervalo predeterminado de periodo y aumenta una cantidad almacenada de NOx que está contenido en gases de escape si el periodo de vibración de la concentración de hidrocarburos se hace más largo que el intervalo predeterminado, y, en el momento de funcionamiento de motor, se hace vibrar la concentración de hidrocarburos que fluyen al catalizador (14a) de lado aguas arriba dentro de dicho intervalo predeterminado de amplitud y dentro de dicho intervalo predeterminado de periodo para reducir de ese modo NOx que está contenido en gases de escape en el catalizador de purificación de gases de escape, caracterizado porque se hacen reaccionar el NOx contenido en gases de escape e hidrocarburos reformados en el interior de la combinación de catalizadores de purificación de gases de escape mediante lo cual se produce un producto intermedio reductor que contiene nitrógeno e hidrocarburos, y un periodo de vibración de la concentración de hidrocarburos es un periodo de vibración requerido para la producción continuada del producto intermedio reductor, en el que el periodo de vibración de la concentración de hidrocarburos es de 0,3 segundos a 5 segundos.

Description

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SISTEMA DE PURIFICACION DE GASES DE ESCAPE PARA MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
DESCRIPCION
Campo tecnico
La presente invencion se refiere a un sistema de purificacion de gases de escape de un motor de combustion interna.
Tecnica anterior
En la tecnica se conoce un motor de combustion interna que dispone, en un conducto de escape del motor, un catalizador de almacenamiento de NOx que almacena NOx que esta contenido en los gases de escape cuando la relacion aire-combustible de los gases de escape entrantes es pobre y que libera el NOx almacenado cuando la relacion aire-combustible de los gases de escape entrantes pasa a ser rica, que dispone, en el conducto de escape del motor aguas arriba del catalizador del almacenamiento de NOx, un catalizador de oxidacion que tiene una funcion de adsorcion y que alimenta hidrocarburos al interior del conducto de escape del motor aguas arriba del catalizador de oxidacion para hacer rica la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador de almacenamiento de NOx cuando se libera NOx del catalizador de almacenamiento de NOx (vease, por ejemplo, el documento de patente 1).
En este motor de combustion interna, los hidrocarburos que se alimentan cuando se libera NOx del catalizador de almacenamiento de NOx se convierten en hidrocarburos gaseosos en el catalizador de oxidacion, y los hidrocarburos gaseosos se alimentan al catalizador de almacenamiento de NOx. Como resultado, el NOx que se libera del catalizador de almacenamiento de NOx se reduce bien.
Ademas, el documento de patente 2 da a conocer un motor de combustion interna en un conducto de escape del motor en el que esta dispuesto un catalizador de purificacion de gases de escape que tiene una funcion de oxidacion y en el que en el conducto de escape del motor aguas arriba del catalizador de purificacion de gases de escape estan dispuestos un catalizador de oxidacion de pequeno tamano y una valvula de alimentacion de combustible para alimentar combustible al catalizador de oxidacion de pequeno tamano. Cuando se activa el catalizador de purificacion de gases de escape, el combustible alimentado desde el inyector de combustible se usa para calentar el catalizador de oxidacion de pequeno tamano y cuando se aumenta adicionalmente la temperatura del catalizador de purificacion de gases de escape, se aumenta el combustible alimentado desde la valvula de alimentacion de combustible y se expulsa combustible reformado desde el catalizador de oxidacion de pequeno tamano.
Ademas, el documento de patente 3 da a conocer que se vuelve practico realizar desnitrificaciones parciales mediante un catalizador SCR situado aguas abajo de un adsorbente de NOx. El catalizador SCR permite que se extiendan desnitrificaciones parciales al punto en el que puede utilizarse una tasa de aumento de consumo de combustible favorable presentada por condiciones de conduccion hasta un grado suficiente de modo que el beneficio de las condiciones favorables no se ve desplazado por el aumento de consumo de combustible de arranque incrementado asociado con la realizacion de desnitrificaciones parciales oportunistas. En realizaciones espedficas de este documento de la tecnica anterior, las regeneraciones se basan en bajas concentraciones de oxfgeno, condicion que existe mientras se cambia la marcha, y acontecimientos de reduccion para un motor con un suministro de aire reducido. Los metodos aprovechan de manera flexible condiciones de conduccion para reducir los aumentos de consumo de combustible asociados con regeneraciones. En una realizacion de este documento de la tecnica anterior, las condiciones de conduccion incluyen condiciones futuras predichas basandose en datos de GPS y mapa.
Lista de citas
Bibliografia de patentes
Documento de patente 1: patente japonesa n.° 3969450 Documento de patente 2: documento EP 2 239 432 A1 Documento de patente 3: documento WO 2006/131825 A1 Sumario de la invencion Problema tecnico
Sin embargo, existe el problema de que cuando el catalizador de almacenamiento de NOx llega a una alta temperatura, la tasa de purificacion de NOx disminuye.
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Un objeto de la presente invencion es proporcionar un sistema de purificacion de gases de escape de un motor de combustion interna que pueda obtener una alta tasa de purificacion de NOx aunque la temperatura del catalizador de purificacion de gases de escape llegue a ser una alta temperatura.
Solucion al problema
Segun la presente invencion, se proporciona un sistema de purificacion de gases de escape de un motor de combustion interna en el que una valvula de alimentacion de hidrocarburos para alimentar hidrocarburos esta dispuesta en el interior de un conducto de escape del motor, una combinacion de catalizadores de purificacion de gases de escape para hacer reaccionar NOx contenido en gases de escape e hidrocarburos reformados esta dispuesta en el interior del conducto de escape del motor aguas abajo de la valvula de alimentacion de hidrocarburos, la combinacion de catalizadores de purificacion de gases de escape esta compuesta por un catalizador de lado aguas arriba y un catalizador de lado aguas abajo dispuestos en serie con un intervalo entre sf, el catalizador de lado aguas arriba tiene un area de seccion transversal mas pequena que el catalizador de lado aguas abajo y tiene una funcion de al menos reformar hidrocarburos que se alimentan desde la valvula de alimentacion de hidrocarburos, se porta un catalizador de metales preciosos sobre una superficie de flujo de gases de escape de al menos un catalizador del catalizador de lado aguas arriba y el catalizador de lado aguas abajo y se forma una parte superficial de flujo de gases de escape basica alrededor del catalizador de metales preciosos, la combinacion de catalizadores de purificacion de gases de escape reduce el NOx que esta contenido en gases de escape si se hace vibrar una concentracion de hidrocarburos que fluyen al catalizador de lado aguas arriba dentro de un intervalo predeterminado de amplitud y dentro de un intervalo predeterminado de periodo y aumenta una cantidad almacenada de NOx que esta contenido en gases de escape si el periodo de vibracion de la concentracion de hidrocarburos se hace mas largo que el intervalo predeterminado, y, en el momento de funcionamiento de motor, se hace vibrar la concentracion de hidrocarburos que fluyen al catalizador de lado aguas arriba dentro del intervalo predeterminado anterior de amplitud y dentro del intervalo predeterminado anterior de periodo para reducir de ese modo el NOx que esta contenido en gases de escape en el catalizador de purificacion de gases de escape, en el que se hacen reaccionar el NOx contenido en gases de escape e hidrocarburos reformados en el interior de la combinacion de catalizadores de purificacion de gases de escape mediante lo cual se produce un producto intermedio reductor que contiene nitrogeno e hidrocarburos, y un periodo de vibracion de la concentracion de hidrocarburos es un periodo de vibracion requerido para la produccion continuada del producto intermedio reductor, en el que el periodo de vibracion de la concentracion de hidrocarburos es de 0,3 segundos a 5 segundos.
Efectos ventajosos de la invencion
Aunque la temperatura del catalizador de purificacion de gases de escape llegue a ser una alta temperatura, puede obtenerse una alta tasa de purificacion de NOx.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 es una vista general de un motor de combustion interna de tipo encendido por compresion.
La figura 2 es una vista que muestra esquematicamente una parte superficial de un soporte de catalizador.
La figura 3 es una vista para explicar una reaccion de oxidacion en un catalizador de purificacion de gases de escape.
La figura 4 es una vista que muestra un cambio de una relacion aire-combustible de gases de escape que fluyen al interior de un catalizador de purificacion de gases de escape.
La figura 5 es una vista que muestra una tasa de purificacion de NOx.
Las figuras 6A, 6B y 6C son vistas para explicar una reaccion de oxidacion-reduccion en un catalizador de purificacion de gases de escape.
Las figuras 7A y 7B son vistas para explicar una reaccion de oxidacion-reduccion en un catalizador de purificacion de gases de escape.
La figura 8 es una vista que muestra un cambio de una relacion aire-combustible de gases de escape que fluyen al interior de un catalizador de purificacion de gases de escape.
La figura 9 es una vista de una tasa de purificacion de NOx.
La figura 10 es un diagrama de tiempo que muestra un cambio de una relacion aire-combustible de gases de escape que fluyen al interior de un catalizador de purificacion de gases de escape.
La figura 11 es un diagrama de tiempo que muestra un cambio de una relacion aire-combustible de gases de escape
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La figura 12 es una vista que muestra una relacion entre una fuerza de oxidacion de un catalizador de purificacion de gases de escape y una relacion aire-combustible minima demandada X.
La figura 13 es una vista que muestra una relacion entre una concentracion de oxfgeno en gases de escape y una
amplitud AH de una concentracion de hidrocarburos que aporta la misma tasa de purificacion de NOx.
La figura 14 es una vista que muestra una relacion entre una amplitud AH de una concentracion de hidrocarburos y una tasa de purificacion de NOx.
La figura 15 es una vista que muestra una relacion de un periodo de vibracion AT de una concentracion de hidrocarburos y una tasa de purificacion de NOx.
La figura 16 es una vista que muestra un mapa de la cantidad de alimentacion de hidrocarburos W.
La figura 17 es una vista que muestra un cambio en la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen
al catalizador de purificacion de gases de escape etc.
La figura 18 es una vista que muestra un mapa de una cantidad de NOx expulsado, NOXA.
La figura 19 es una vista que muestra un tiempo de inyeccion de combustible.
La figura 20 es una vista que muestra un mapa de una cantidad de alimentacion de hidrocarburos WR.
Las figuras 21A y 21B son vistas que muestran vistas aumentadas de un catalizador de purificacion de gases de escape.
La figura 22 es un diagrama de flujo para control de purificacion de NOx.
Descripcion de realizaciones
La figura 1 es una vista general de un motor de combustion interna de tipo encendido por compresion.
Haciendo referencia a la figura 1, 1 indica un cuerpo de motor, 2 una camara de combustion de cada cilindro, 3 un inyector de combustible controlado electronicamente para inyectar combustible al interior de cada camara 2 de combustion, 4 un colector de admision y 5 un colector de gases de escape. El colector 4 de admision esta conectado a traves de un canal 6 de admision a una salida de un compresor 7a de un turbocompresor 7 de gases de escape, mientras que una entrada del compresor 7a esta conectada a traves de un detector 8 de cantidad de aire de admision a un purificador 9 de aire. En el interior del canal 6 de admision esta dispuesta una valvula 10 de mariposa accionada por un motor paso a paso. Ademas, alrededor del canal 6 de admision esta dispuesto un dispositivo 11 de enfriamiento para enfriar el aire de admision que fluye a traves del interior del canal 6 de admision. En la realizacion mostrada en la figura 1, el agua de enfriamiento de motor se grna al interior del dispositivo 11 de enfriamiento en el que el agua de enfriamiento de motor se usa para enfriar el aire de admision.
Por otro lado, el colector 5 de gases de escape esta conectado a una entrada de una turbina 7b de gases de escape del turbocompresor 7 de gases de escape. La salida de la turbina 7b de gases de escape esta conectada a traves de una tubena 12 de gases de escape a un catalizador 13 de purificacion de gases de escape. Tal como se muestra en la figura 1, este catalizador 13 de purificacion de gases de escape esta compuesto por un catalizador 14a de lado aguas arriba y un catalizador 14b de lado aguas abajo dispuestos en serie con un intervalo entre sf. El catalizador 14a de lado aguas arriba tiene un area de seccion transversal mas pequena que el catalizador 14b' de lado aguas abajo
En el interior de la tubena 12 de gases de escape aguas arriba del catalizador 13 de purificacion de gases de escape, esta dispuesta una valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos, para alimentar hidrocarburos compuestos por gasoleo u otro combustible usado como combustible para un motor de combustion interna de tipo encendido por compresion. En la realizacion mostrada en la figura 1, se usa gasoleo como hidrocarburos que se alimentan desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos. Observese que, la presente invencion tambien puede aplicarse a un motor de combustion interna de tipo encendido por chispa en el que el combustible se quema con una relacion aire- combustible pobre. En este caso, desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos, se alimentan hidrocarburos compuestos por gasolina u otro combustible usado como combustible de un motor de combustion interna de tipo encendido por chispa.
Por otro lado, el colector 5 de gases de escape y el colector 4 de admision estan conectados entre sf a traves de un conducto 16 de recirculacion de gases de escape (a continuacion en el presente documento denominado “EGR”). En el interior del conducto 16 de EGR esta dispuesta una valvula 17 de control de EGR controlada electronicamente.
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Adicionalmente, alrededor del conducto 16 de EGR esta dispuesto un dispositivo 18 de enfriamiento para enfriar el gas de EGR que fluye a traves del interior del conducto 16 de EGR. En la realizacion mostrada en la figura 1, el agua de enfriamiento de motor se gma al interior del dispositivo 18 de enfriamiento en el que el agua de enfriamiento de motor se usa para enfriar el EGR. Por otro lado, cada inyector 3 de combustible esta conectado a traves de un tubo 19 de alimentacion de combustible a un conducto 20 comun. Este conducto 20 comun esta conectado a traves de una bomba 21 de combustible de descarga variable controlada electronicamente a un tanque 22 de combustible. El combustible que esta almacenado en el interior del tanque 22 de combustible se alimenta mediante la bomba 21 de combustible al interior del conducto 20 comun. El combustible que se alimenta al interior del conducto 20 comun se alimenta a traves de cada tubo 19 de alimentacion de combustible al inyector 3 de combustible.
Una unidad 30 de control electronica esta compuesta por un ordenador digital dotado de una ROM (memoria de solo lectura) 32, una RAM (memoria de acceso aleatorio) 33, una CPU (microprocesador) 34, un puerto 35 de entrada y un puerto 36 de salida, que estan conectados entre sf mediante un bus 31 bidireccional. Aguas abajo del catalizador 14a de lado aguas arriba, se conecta un sensor 23 de temperatura para estimar la temperatura del catalizador 14a de lado aguas arriba y la temperatura de un extremo aguas arriba del catalizador 14a de lado aguas arriba. Las senales de salida de este sensor 23 de temperatura y el detector 8 de cantidad de aire de admision se introducen a traves de correspondientes convertidores 37 AD respectivamente al puerto 35 de entrada. Adicionalmente, un pedal 40 de acelerador tiene un sensor 41 de carga conectado al mismo que genera una tension de salida proporcional a la cantidad de depresion L del pedal 40 de acelerador. La tension de salida del sensor 41 de carga se introduce a traves de un correspondiente convertidor 37 AD en el puerto 35 de entrada. Ademas, en el puerto 35 de entrada esta conectado un sensor 42 del angulo del ciguenal que genera un impulso de salida cada vez que un arbol de ciguenal rota, por ejemplo, 15°. Por otro lado, el puerto 36 de salida esta conectado a traves de correspondientes circuitos 38 de accionamiento a cada inyector 3 de combustible, motor paso a paso para accionar la valvula 10 de mariposa, valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos, valvula 17 de control de EGR y bomba 21 de combustible.
En una primera realizacion segun la presente invencion, el catalizador 14a de lado aguas arriba y el catalizador 14b de lado aguas abajo estan formados a partir del mismo catalizador. La figura 2 muestra esquematicamente la parte superficial del soporte de catalizador portado sobre el sustrato del catalizador 14a de lado aguas arriba y el catalizador 14b de lado aguas abajo. En este catalizador 14a de lado aguas arriba y catalizador 14b de lado aguas abajo, tal como se muestra en la figura 2, por ejemplo, se portan catalizadores 51 y 52 de metales preciosos sobre un soporte 50 de catalizador compuesto por alumina. Ademas, sobre este soporte 50 de catalizador, se forma una capa 53 basica que incluye al menos un elemento seleccionado de potasio K, sodio Na, cesio Cs u otro metal alcalino de este tipo, bario Ba, calcio Ca u otro metal alcalinoterreo de este tipo, un lantanido u otra tierra rara de este tipo y plata Ag, cobre Cu, hierro Fe, iridio Ir, u otro metal que pueda donar electrones al NOx. Los gases de escape fluyen a lo largo de la parte superior del soporte 50 de catalizador, de modo que puede decirse que la superficie de flujo de gases de escape del catalizador 14a de lado aguas arriba y el catalizador 4b de lado aguas abajo porta los catalizadores 51 y 52 de metales preciosos. Adicionalmente, la superficie de la capa 53 basica presenta basicidad, asf que la superficie de la capa 53 basica se denomina la parte 54 superficial de flujo de gases de escape basica.
Por otro lado, en la figura 2, el catalizador 51 de metales preciosos esta compuesto por platino Pt, mientras que el catalizador 52 de metales preciosos esta compuesto por rodio Rh. Es decir, los catalizadores 51 y 52 de metales preciosos que porta el soporte 50 de catalizador estan compuestos por platino Pt y rodio Rh. Observese que, sobre el soporte 50 de catalizador del catalizador 14a de lado aguas arriba y el catalizador 14b de lado aguas abajo, ademas de platino Pt y rodio Rh, adicionalmente puede portarse paladio Pd o, en lugar de rodio Rh, puede portarse paladio Pd. Es decir, los catalizadores 51 y 52 de metales preciosos que porta el soporte 50 de catalizador estan compuestos por platino Pt y al menos uno de rodio Rh y paladio Pd.
Si se inyectan hidrocarburos desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos al interior de los gases de escape, los hidrocarburos se reforman en el catalizador 14a de lado aguas arriba. En la presente invencion, en este momento, los hidrocarburos reformados se usan para eliminar el NOx en el catalizador 14b de lado aguas abajo. La figura 3 muestra esquematicamente la accion de modificacion realizada en el catalizador 14a de lado aguas arriba en este momento. Tal como se muestra en la figura 3, los hidrocarburos HC que se inyectan desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos pasan a ser hidrocarburos HC con radicales con un pequeno numero de carbonos por el catalizador 51.
La figura 4 muestra los tiempos de alimentacion de hidrocarburos desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos y los cambios en la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba. Observese que, los cambios en la relacion aire-combustible (A/F)in dependen del cambio en la concentracion de los hidrocarburos en los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba, de modo que puede decirse que el cambio en la relacion aire-combustible (A/F)in mostrado en la figura 4 expresa el cambio en la concentracion de los hidrocarburos. Sin embargo, si la concentracion de hidrocarburos pasa a ser mas alta, la relacion aire-combustible (A/F)in pasa a ser mas pequena, de modo que, en la figura 4, cuanto mas hacia el lado rico esta la relacion aire-combustible (A/F)in, mas alta es la concentracion de hidrocarburos.
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La figura 5 muestra la tasa de purificacion de NOx por el catalizador 13 de purificacion de gases de escape con respecto a las temperatures de catalizador TC del catalizador 14a de lado aguas arriba cuando se hace cambiar periodicamente la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba para, tal como se muestra en la figura 4, hacer cambiar la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape que fluyen al catalizador 14a de lado aguas arriba. Los inventores se dedicaron a la investigacion en relacion a la purificacion de NOx durante mucho tiempo. En el proceso de investigacion, aprendieron que si se hace vibrar la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba dentro de un intervalo predeterminado de amplitud y dentro de un intervalo predeterminado de periodo, tal como se muestra en la figura 5, se obtiene una tasa de purificacion de NOx extremadamente alta incluso en una region de alta temperatura de 400°C o superior.
Ademas, en este momento, una gran cantidad de producto intermedio reductor que contiene nitrogeno e hidrocarburos continua estando retenida o adsorbida sobre la superficie de la capa 53 basica del catalizador 14a de lado aguas arriba, es decir, sobre la parte 54 superficial de flujo de gases de escape basica del catalizador 14a de lado aguas arriba. Se aprendio que este producto intermedio reductor desempena un papel central en la obtencion de una alta tasa de purificacion de NOx. A continuacion, esto se explicara con referencia a las figuras 6A, 6B y 6C. Observese que las figuras 6A y 6B muestran esquematicamente la parte superficial del soporte 50 de catalizador del catalizador 14a de lado aguas arriba, mientras que la figura 6C muestra esquematicamente la parte superficial del soporte 50 del catalizador 14b de lado aguas abajo. Estas figuras 6A, 6B y 6C muestran la reaccion que se presupone que se produce cuando se hace vibrar la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba dentro de un intervalo predeterminado de amplitud y dentro de un intervalo predeterminado de periodo.
La figura 6A muestra cuando la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba es baja, mientras que la figura 6B muestra cuando se alimentan los hidrocarburos desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos y la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba pasa a ser alta.
Ahora, tal como se entendera a partir de la figura 4, la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba se mantiene pobre excepto por un instante, de modo que los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba pasan normalmente a un estado de exceso de oxfgeno. Por tanto, el NO que esta contenido en los gases de escape, tal como se muestra en la figura 6A, se oxida sobre el platino 51 y pasa a ser NO2. A continuacion, este NO2 se oxida adicionalmente y pasa a ser NO3. Una parte adicional del NO2 pasa a ser NO2". En este caso, la cantidad de produccion de NO3 es mucho mayor que la cantidad de produccion de NO2". Por tanto, sobre el platino Pt 51, se producen una gran cantidad de NO3 y una pequena cantidad de NO2" Estos NO3 y NO2" presentan una fuerte actividad. A continuacion, estos NO3 y NO2" se denominaran como el NOx* activo.
Por otro lado, si se alimentan hidrocarburos desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos, tal como se muestra en la figura 3, los hidrocarburos se reforman y pasan a estar radicalizados en el interior del catalizador 14a de lado aguas arriba. Como resultado, tal como se muestra en la figura 6B, la concentracion de hidrogeno alrededor del NOx* activo pasa a ser mas alta. A este respecto, despues de producirse el NOx* activo, si el estado de una alta concentracion de oxfgeno alrededor del NOx* activo continua durante un tiempo predeterminado o mas, el NOx* activo se oxida y se absorbe en la capa 53 basica en forma de iones de nitrato NO3". Sin embargo, si la concentracion de hidrocarburos alrededor del NOx* activo se hace mas alta antes de que transcurra este tiempo predeterminado, tal como se muestra en la figura 6B, el NOx* activo reacciona sobre el platino 51 con los hidrocarburos HC con radicales mediante lo cual se produce un producto intermedio reductor sobre la superficie de la capa 53 basica.
Observese que, en este momento, se considera que el primer producto intermedio reductor producido es un nitrocompuesto R-NO2. Si se produce este nitrocompuesto R-NO2, el resultado pasa a ser un compuesto de nitrilo R- CN, pero este compuesto de nitrilo R-CN solo puede sobrevivir durante un instante en este estado, asf que inmediatamente pasa a ser un compuesto de isocianato R-NCO. Este compuesto de isocianato R-NCO, cuando se hidroliza, pasa a ser un compuesto de amina R-NH2. Sin embargo, en este caso, lo que se hidroliza se considera parte del compuesto de isocianato R-NCO. Por tanto, tal como se muestra en la figura 6B, se cree que la mayona del producto intermedio reductor que se produce sobre la superficie de la capa 53 basica es el compuesto de isocianato R-NCO y el compuesto de amina R-NH2. El producto intermedio reductor R-NCO o R-NH2 que se produce en el catalizador 14a de lado aguas arriba se envfa al catalizador 14b de lado aguas abajo.
Por otro lado, el area de seccion transversal del catalizador 14b de lado aguas abajo es mas grande que el area de seccion transversal del catalizador 14a de lado aguas arriba. Por tanto, aunque la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen hacia fuera del catalizador 14a de lado aguas arriba se vuelva rica durante un instante, estos gases ricos se dispersaran antes de que fluyan al interior del catalizador 14b de lado aguas abajo, por tanto la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14b de lado aguas abajo se mantiene pobre de manera constante. Por tanto, tal como se muestra en la figura 6C, se produce activamente NOx* activo sobre el catalizador 14b de lado aguas abajo. Ademas, parte del NOx* activo producido en el catalizador 14a
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de lado aguas arriba fluye hacia fuera del catalizador 14a de lado aguas arriba, fluye al interior del catalizador 14b de lado aguas abajo, y se adhiere o fija a la superficie de la capa 53 basica del catalizador 14b de lado aguas abajo. Por tanto, se retiene una gran cantidad de NOx* activo en el interior del catalizador 14b de lado aguas abajo.
Por otra parte, tal como se explico anteriormente, una gran cantidad de producto intermedio reductor se envfa desde el catalizador 14a de lado aguas arriba hasta el catalizador 14b de lado aguas abajo. El producto reductor intermedio R-NCO o R-NH2, tal como se muestra en la figura 6C, reacciona con el NOx* activo que esta retenido en el catalizador 14b de lado aguas abajo y pasa a ser N2, CO2 y H2O, por tanto, se elimina el NOx.
De este modo, en el catalizador 13 de purificacion de gases de escape, al hacer temporalmente mas alta la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba y al producir un producto intermedio reductor, el NO2* activo reacciona con el producto intermedio reductor y se elimina el NOx. Es decir, con el fin de que el catalizador 13 de purificacion de gases de escape elimine el NOx, tiene que cambiarse periodicamente la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba.
Obviamente, en este caso, es necesario aumentar la concentracion de hidrocarburos hasta una concentracion suficientemente alta para producir el producto intermedio reductor. Es decir, es necesario hacer vibrar la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba dentro de un intervalo predeterminado de amplitud.
Por otro lado, si se prolonga el periodo de alimentacion de los hidrocarburos, el tiempo en el que la concentracion de oxfgeno se hace mas alta pasa a ser mas largo en el periodo despues de alimentar los hidrocarburos hasta que se alimentan de nuevo los hidrocarburos. Por tanto, el NOx* activo se absorbe en la capa 53 basica en forma de nitratos sin producir un producto intermedio reductor. Para evitar esto, es necesario hacer vibrar la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 13 de purificacion de gases de escape dentro de un intervalo predeterminado de periodo. . A este respecto, en el ejemplo mostrado en la figura 4, se hace que el intervalo de inyeccion sea de 3 segundos.
Tal como se menciono anteriormente, si el periodo de vibracion de la concentracion de hidrocarburos, es decir, el periodo de alimentacion de los hidrocarburos HC, se hace mas largo que un intervalo predeterminado de periodo, el NOx* activo que se produce sobre el platino Pt 53, tal como se muestra en la figura 7A, se difundira en la capa 53 basica en forma de iones nitrato NO3" y pasara a ser nitratos. Es decir, en este momento, el NOx en los gases de escape se absorbe en forma de nitratos en el interior de la capa 53 basica.
Por otro lado, la figura 7B muestra el caso en el que se absorbe NOx en forma de nitratos en el interior de la capa 53 basica, de este modo, se hace que la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba sea la relacion aire-combustible estequiometrica o rica. En este caso, la concentracion de oxfgeno en los gases de escape disminuye, asf que la reaccion avanza en el sentido opuesto (NO3' ^NO2), y por consiguiente los nitratos absorbidos en la capa 53 basica pasan a ser iones nitrato NO3" uno a uno y, como se muestra en la figura 7B, se liberan de la capa 53 basica en forma de NO2. A continuacion, el NO2 liberado se reduce mediante los hidrocarburos HC y CO contenidos en los gases de escape.
La figura 8 muestra el caso de hacer temporalmente rica la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba ligeramente antes de que la capacidad de absorcion de NOx de la capa 53 basica pase a estar saturada. Observese que, en el ejemplo mostrado en la figura 8, el intervalo de tiempo de este control de riqueza es de 1 minuto o mas. En este caso, el NOx que se absorbio en la capa 53 basica cuando la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape era pobre se libera todo de una vez de la capa 53 basica y se reduce cuando la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape se hace temporalmente rica. Por tanto, en este caso, la capa 53 basica desempena el papel de un absorbedor para absorber temporalmente NOx.
Observese que, en este momento, en ocasiones la capa 53 basica adsorbe temporalmente el NOx. Por tanto, si se usa el termino almacenamiento como un termino que incluye tanto absorcion como adsorcion, en este momento, la capa 53 basica desempena el papel de un agente de almacenamiento de NOx para almacenar temporalmente el NOx. Es decir, en este caso, si la relacion del aire y el combustible (hidrocarburos) que se alimentan al interior del conducto de admision del motor, las camaras 2 de combustion y el conducto de escape aguas arriba del catalizador 14a de lado aguas arriba se denomina relacion aire-combustible de los gases de escape, el catalizador 13 de purificacion de gases de escape funciona como catalizador de almacenamiento de NOx que almacena el NOx cuando la relacion aire-combustible de los gases de escape es pobre y libera el NOx almacenado cuando la concentracion de oxfgeno en los gases de escape disminuye.
La figura 9 muestra la tasa de purificacion de NOx cuando se hace que el catalizador 13 de purificacion de gases de escape funcione como catalizador de almacenamiento de NOx de este modo. Observese que, la abscisa de la figura 9 muestra la temperatura de catalizador TC del catalizador 14a de lado aguas arriba. Cuando se hace que el catalizador 13 de purificacion de gases de escape funcione como catalizador de almacenamiento de NOx, tal como se muestra en la figura 9, cuando la temperatura de catalizador TC es de 300°C a 400°C, se obtiene una tasa de
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purificacion de NOx extremadamente alta, pero cuando la temperatura de catalizador TC pasa a ser de 400°C o una temperatura mas alta, la tasa de purificacion de NOx disminuye.
De esta manera, cuando la temperatura de catalizador TC pasa a ser de 400°C o mas, la tasa de purificacion de NOx disminuye porque si la temperatura de catalizador TC pasa a ser de 400°C o mas, los nitratos se descomponen por el calor y se liberan en forma de NO2 desde el catalizador 13 de purificacion de gases de escape. Es decir, siempre que se almacene NOx en forma de nitratos, cuando la temperatura de catalizador TC es alta, es diffcil obtener una alta tasa de purificacion de NOx. Sin embargo, en el nuevo metodo de purificacion de NOx mostrado de la figura 4 a las figuras 6A y 6B, tal como se entendera a partir de las figuras 6A y 6B, no se forman nitratos o aunque se formen, su cantidad es extremadamente pequena, por consiguiente, tal como se muestra en la figura 5, incluso cuando la temperatura de catalizador TC es alta, se obtiene una alta tasa de purificacion de NOx.
Por tanto, en una primera realizacion segun la presente invencion, una valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos para alimentar hidrocarburos esta dispuesta en el interior de un conducto de escape del motor, un catalizador 13 de purificacion de gases de escape para hacer reaccionar el NOx contenido en los gases de escape e hidrocarburos reformados esta dispuesto en el interior del conducto de escape del motor aguas abajo de la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos, el catalizador 13 de purificacion de gases de escape esta compuesto por un catalizador 14a de lado aguas arriba y un catalizador 14b de lado aguas abajo dispuestos en serie con un intervalo entre sf, el catalizador 14a de lado aguas arriba tiene un area de seccion transversal mas pequena que el catalizador 14b de lado aguas abajo y tiene la funcion de reformar los hidrocarburos que se alimentan desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos, la superficie de flujo de gases de escape del catalizador 14a de lado aguas arriba y el catalizador 14b de lado aguas abajo porta los catalizadores 51 y 52 de metales preciosos y una parte 54 superficial de flujo de gases de escape basica esta formada alrededor de los catalizadores 51 y 52 de metales preciosos, el catalizador 13 de purificacion de gases de escape tiene la propiedad de reducir el NOx que esta contenido en los gases de escape si se hace vibrar la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba dentro de un intervalo predeterminado de amplitud y dentro de un intervalo predeterminado de periodo y tiene la propiedad de aumentar la cantidad de almacenamiento de NOx que esta contenido en los gases de escape si el periodo de vibracion de la concentracion de hidrocarburos se hace mas largo que este intervalo predeterminado, y, en el momento de funcionamiento del motor, se hace vibrar la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba dentro del intervalo predeterminado de amplitud y dentro del intervalo predeterminado de periodo para reducir de ese modo el NOx que esta contenido en los gases de escape en el catalizador 13 de purificacion de gases de escape.
Es decir, puede decirse que el metodo de purificacion de NOx que se muestra de la figura 4 a las figuras 6A y 6B es un nuevo metodo de purificacion de NOx disenado para eliminar NOx sin formar casi ningun nitrato en caso de usar un catalizador de purificacion de gases de escape que porta catalizadores de metales preciosos y forma una capa basica que puede absorber NOx. En realidad, cuando se usa este nuevo metodo de purificacion de NOx, la cantidad de nitratos que se detectan de la capa 53 basica pasa a ser mucho mas pequena en comparacion con el caso en el que se hace funcionar el catalizador 13 de purificacion de gases de escape como catalizador de almacenamiento de NOx. Observese que, este nuevo metodo de purificacion de NOx se denominara a continuacion como el primer metodo de purificacion de NOx.
A continuacion, con referencia a de la figura 10 a la figura 15, este primer metodo de purificacion de NOx se explicara un poco mas en detalle.
La figura 10 muestra ampliado el cambio en la relacion aire-combustible (A/F)in mostrada en la figura 4. Observese que, tal como se explico anteriormente, el cambio de la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba muestra simultaneamente el cambio en la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba. Observese que, en la figura 10, AH muestra la amplitud del cambio en concentracion de hidrocarburos HC que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba, mientras que AT muestra el periodo de vibracion de la concentracion de los hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba.
Ademas, en la figura 10, (A/F)b muestra la relacion aire-combustible base que muestra la relacion aire-combustible del gas de combustion para generar la salida de motor. En otras palabras, esta relacion aire-combustible base (A/F)b muestra la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba cuando se detiene la alimentacion de hidrocarburos. Por otro lado, en la figura 10, X muestra el lfmite superior de la relacion aire-combustible (A/F)in usada para producir el producto intermedio reductor sin que el NOx* activo producido se almacene casi nada en forma de nitratos dentro de la capa 53 basica. Para hacer que el NOx* activo y los hidrocarburos reformados reaccionen para producir un producto intermedio reductor, la relacion aire-combustible (A/F)in tiene que hacerse inferior a este lfmite superior X de la relacion aire-combustible.
En otras palabras, en la figura 10, X muestra el lfmite inferior de la concentracion de hidrocarburos requerida para hacer que el NOx* activo e hidrocarburos reformados reaccionen para producir un producto intermedio reductor. Para producir el producto intermedio reductor, la concentracion de hidrocarburos tiene que hacerse superior a este lfmite inferior X. En este caso, se determina si se produce el producto intermedio reductor por la relacion de la
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concentracion de ox^geno y la concentracion de hidrocarburos alrededor del NOx* activo, es dedr, la relacion aire- combustible (A/F)in. El Kmite superior X de la relacion aire-combustible requerida para producir el producto intermedio reductor se denominara a continuacion la relacion aire-combustible minima demandada.
En el ejemplo mostrado en la figura 10, la relacion aire-combustible minima demandada X es rica, por tanto, en este caso, para formar el producto intermedio reductor, la relacion aire-combustible (A/F)in se hace instantaneamente la relacion aire-combustible minima demandada X o menos, es decir, rica. En contraposicion a esto, en el ejemplo mostrado en la figura 11, la relacion aire-combustible minima demandada X es pobre. En este caso, la relacion aire- combustible (A/F)in se mantiene pobre mientras se reduce periodicamente la relacion aire-combustible (A/F)in para formar el producto intermedio reductor.
En este caso, si la relacion aire-combustible minima demandada X pasa a ser rica o pasa a ser pobre depende de la fuerza de oxidacion del catalizador 14a de lado aguas arriba. En este caso, el catalizador 14a de lado aguas arriba, por ejemplo, pasa a ser mas fuerte en fuerza de oxidacion si se aumenta la cantidad portada del metal 51 precioso y pasa a ser mas fuerte en fuerza de oxidacion si se refuerza la acidez. Por tanto, la fuerza de oxidacion del catalizador 14a de lado aguas arriba cambia debido a la cantidad portada del metal 51 precioso o la fuerza de la acidez.
Ahora, si se usa un catalizador 14a de lado aguas arriba con una gran fuerza de oxidacion, tal como se muestra en la figura 11, si se mantiene la relacion aire-combustible (A/F)in pobre mientras se disminuye periodicamente la relacion aire-combustible (A/F)in, los hidrocarburos terminan oxidandose completamente cuando se reduce la relacion aire-combustible (A/F)in. Como resultado, el producto intermedio reductor ya no puede producirse. En contraposicion a esto, cuando se usa un catalizador 14a de lado aguas arriba con una gran fuerza de oxidacion, tal como se muestra en la figura 10, si se hace la relacion aire-combustible (A/F)in periodicamente rica, cuando se hace rica la relacion aire-combustible (A/F)in, los hidrocarburos se oxidaran parcialmente, sin oxidarse completamente, es decir, los hidrocarburos se reformaran, por consiguiente se producira el producto intermedio reductor. Por tanto, cuando se usa un catalizador 14a de lado aguas arriba con una gran fuerza de oxidacion, la relacion aire- combustible minima demandada X tiene que hacerse rica.
Por otro lado, cuando se usa un catalizador 14a de lado aguas arriba con una fuerza de oxidacion debil, tal como se muestra en la figura 11, si se mantiene la relacion aire-combustible (A/F)in pobre mientras se disminuye periodicamente la relacion aire-combustible (A/F)in, los hidrocarburos se oxidaran parcialmente sin oxidarse completamente, es decir, los hidrocarburos se reformaran, y por consiguiente se producira un producto intermedio reductor. En contraposicion a esto, cuando se usa un catalizador 14a de lado aguas arriba con una fuerza de oxidacion debil, tal como se muestra en la figura 10, si se hace la relacion aire-combustible (A/F)in periodicamente rica, se expulsara una gran cantidad de hidrocarburos desde el catalizador 14a de lado aguas arriba sin oxidarse y por consiguiente la cantidad de hidrocarburos que se desperdicia aumentara. Por tanto, cuando se usa un catalizador 14a de lado aguas arriba con una fuerza de oxidacion debil, la relacion aire-combustible minima demandada X tiene que hacerse pobre.
Es decir, se aprende que la relacion aire-combustible minima demandada X, tal como se muestra en la figura 12, tiene que reducirse cuanto mas grande es la fuerza de oxidacion del catalizador 14a de lado aguas arriba. De este modo, la relacion aire-combustible minima demandada X pasa a ser pobre o rica debido a la fuerza de oxidacion del catalizador 14a de lado aguas arriba. A continuacion, tomando como ejemplo el caso en el que la relacion aire- combustible minima demandada X es rica, se explicaran la amplitud del cambio en la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba y el periodo de vibracion de la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba.
Ahora, si la relacion aire-combustible base (A/F)b pasa a ser mas grande, es decir, si la concentracion de oxfgeno en los gases de escape antes de que se alimenten los hidrocarburos pasa a ser mas alta, la cantidad de alimentacion de hidrocarburos requerida para hacer la relacion aire-combustible (A/F)in la relacion aire-combustible minima demandada X o menos aumenta. Por tanto, cuanto mas alta es la concentracion de oxfgeno en los gases de escape antes de que se alimenten los hidrocarburos, mayor tiene que hacerse la amplitud de la concentracion de hidrocarburos.
La figura 13 muestra la relacion entre la concentracion de oxfgeno en los gases de escape antes de que se alimenten los hidrocarburos y la amplitud AH de la concentracion de hidrocarburos cuando se obtiene la misma tasa de purificacion de NOx., A partir de la figura 13, se aprende que, para obtener la misma tasa de purificacion de NOx, cuanto mas alta es la concentracion de oxfgeno en los gases de escape antes de que se alimenten los hidrocarburos, mayor tiene que hacerse la amplitud AH de la concentracion de hidrocarburos. Es decir, para obtener la misma tasa de purificacion de NOx, cuanto mas alta es la relacion aire-combustible base (A/F)b, mayor se hace la amplitud AT de la concentracion de hidrocarburos. En otras palabras, para eliminar el NOx bien, cuanto menor es la relacion aire-combustible base (A/F)b, mas puede reducirse la amplitud AT de la concentracion de hidrocarburos.
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A este respecto, la relacion aire-combustible base (A/F)b pasa a ser la mas baja en el momento de una operacion de aceleracion. En este momento, si la amplitud AH de la concentracion de hidrocarburos es de aproximadamente 200 ppm, es posible eliminar el NOx bien. La relacion aire-combustible base (A/F)b es habitualmente mas grande que en el momento de la operacion de aceleracion. Por tanto, tal como se muestra en la figura 14, si la amplitud AH de la concentracion de hidrocarburos es de 200 ppm o mas, se puede obtener una excelente tasa de purificacion de NOx.
Por otro lado, se aprende que cuando la relacion aire-combustible base (A/F)b es la mas alta, si se hace la amplitud AH de la concentracion de hidrocarburos de 10000 ppm o similar, se obtiene una excelente tasa de purificacion de NOx. Por tanto, en la presente invencion, el intervalo predeterminado de la amplitud de la concentracion de hidrocarburos se hace de 200 ppm a 10000 ppm.
Adicionalmente, si el periodo de vibracion AT de la concentracion de hidrocarburos pasa a ser mayor, la concentracion de oxfgeno alrededor del NOx* activo pasa a ser mas alta en el momento despues de alimentarse los hidrocarburos hasta cuando los hidrocarburos se alimentan de nuevo. En este caso, si el periodo de vibracion AT de la concentracion de hidrocarburos se hace mas largo de aproximadamente 5 segundos, la mayor parte del NOx* activo empieza a absorberse en forma de nitratos en el interior de la capa 53 basica. Por tanto, tal como se muestra en la figura 15, si el periodo de vibracion AT de la concentracion de hidrocarburos se hace mas largo de aproximadamente 5 segundos, la tasa de purificacion de NOx disminuye. Por tanto, el periodo de vibracion AT de la concentracion de hidrocarburos tiene que hacerse de 5 segundos o menos.
Por otro lado, si el periodo de vibracion AT de la concentracion de hidrocarburos pasa a ser de aproximadamente 0,3 segundos o menos, los hidrocarburos alimentados empiezan a acumularse sobre la superficie de flujo de gases de escape del catalizador 14a de lado aguas arriba, por tanto, tal como se muestra en la figura 15, si el periodo de vibracion AT de la concentracion de hidrocarburos pasa a ser de aproximadamente 0,3 segundos o menos, la tasa de purificacion de NOx disminuye. Por tanto, en la presente invencion, el periodo de vibracion de la concentracion de hidrocarburos se hace de desde 0,3 segundos hasta 5 segundos.
Ahora, en la presente invencion, cambiando la cantidad de alimentacion de hidrocarburos y el tiempo de inyeccion de la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos, el periodo de amplitud AH y de vibracion AT de la concentracion de hidrocarburos se controla para pasar a ser los valores optimos segun el estado de funcionamiento de motor. En este caso, en esta realizacion de la presente invencion, la cantidad de alimentacion de hidrocarburos W que puede dar la amplitud optima AH de la concentracion de hidrocarburos se almacena como funcion de la cantidad de inyeccion Q desde el inyector 3 de combustible y la velocidad de motor N en forma de un mapa tal como se muestra en la figura 16 de antemano en la ROM 32. Ademas, la amplitud de vibracion optima AT de la concentracion de hidrocarburos, es decir, el periodo de inyeccion AT de los hidrocarburos, se almacena de manera similar como funcion de la cantidad de inyeccion Q y la velocidad de motor N en forma de un mapa de antemano en la ROM 32.
A continuacion, con referencia a de la figura 17 a la figura 20, se explicara en detalle un metodo de purificacion de NOx en el caso en el que el catalizador 13 de purificacion de gases de escape se hace funcionar como un catalizador de almacenamiento de NOx. El metodo de purificacion de NOx en el caso en el que el catalizador 13 de purificacion de gases de escape se hace funcionar como un catalizador de almacenamiento de NOx de este modo se denominara a continuacion como el segundo metodo de purificacion de NOx.
En este segundo metodo de purificacion de NOx, tal como se muestra en la figura 17, cuando la cantidad de NOx almacenado ZNOx que esta almacenado en la capa 53 basica supera una cantidad permisible predeterminada MAX, la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba se hace temporalmente rica. Si la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape se hace rica, el NOx que estaba almacenado en la capa 53 basica cuando la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape era pobre se libera de la capa 53 basica todo de una vez y se reduce. Debido a esto, se elimina el NOx.
La cantidad de NOx almacenado ZNOx se calcula, por ejemplo, a partir de la cantidad de NOx que se expulsa del motor. En esta realizacion segun la presente invencion, la cantidad de NOx expulsado NOXA de NOx que se expulsa del motor por unidad de tiempo se almacena como funcion de la cantidad de inyeccion Q y la velocidad de motor N en forma de un mapa tal como se muestra en la figura 18 de antemano en la ROM 32. La cantidad de NOx almacenado ZNOx se calcula a partir de la cantidad de NOx expulsado NOXA. En este caso, tal como se explico anteriormente, el periodo en el que la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape se hace rica es habitualmente de 1 minuto o mas.
En este segundo metodo de purificacion de NOx, tal como se muestra en la figura 19, el inyector 3 de combustible inyecta combustible adicional WR al interior de la camara 2 de combustion ademas del combustible para su uso en combustion Q de modo que la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape que fluyen al catalizador 14a de lado aguas arriba se hace rica. Observese que, en la figura 19, la abscisa indica el angulo del ciguenal. Este combustible adicional WR se inyecta en un tiempo en el que se quemara, pero no aparecera como salida de motor, es decir, ligeramente antes de ATDC90° despues del centro de punto muerto de compresion. Esta cantidad de combustible WR se almacena como funcion de la cantidad de inyeccion Q y la velocidad de motor N en forma de un
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mapa tal como se muestra en la figura 20 de antemano en la ROM 32. Evidentemente, en este caso, tambien es posible hacer aumentar la cantidad de alimentacion de hidrocarburos desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos para hacer la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape rica.
La figura 21A muestra una vista aumentada del entorno del catalizador 13 de purificacion de gases de escape de la figura 1a. Ademas, la figura 21B es una vista para explicar las funciones del catalizador 13 de purificacion de gases de escape segun la presente invencion mostrado en la figura 21A.
Ahora, tal como se explico anteriormente, para producir el producto intermedio reductor, tiene que hacerse que la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape que fluyen al interior el catalizador 13 de purificacion de gases de escape sea la relacion aire-combustible minima demandada X o menos. En este caso, tal como se muestra en la figura 21B, si una parte 55 de seccion transversal aumentada del conducto de escape se forma delante del catalizador 13 de purificacion de gases de escape, el flujo de los gases de escape se alterara en el interior de esta parte 55 de seccion transversal aumentada, de modo que los hidrocarburos que se inyectan desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos terminaran difundiendose en la direccion radial y la direccion del flujo. Como resultado, la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 13 de purificacion de gases de escape terminara desplazandose en gran medida hacia el lado pobre de la relacion aire- combustible en el interior de la tubena 12 de gases de escape. Por tanto, en este caso, para hacer que la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape que fluyen al interior el catalizador 13 de purificacion de gases de escape sea la relacion aire-combustible minima demandada X o menos, se requiere que se alimente una gran cantidad de hidrocarburos.
En la presente invencion, para reducir la cantidad de alimentacion de hidrocarburos requerida para hacer que la relacion aire-combustible (A/F)in de los gases de escape sea la relacion aire-combustible minima demandada X o menos, tal como se muestra en la figura 21A, el catalizador 13 de purificacion de gases de escape esta compuesto por el catalizador 14a de lado aguas arriba y catalizador 14b de lado aguas abajo dispuestos en serie con un intervalo entre sf, y el catalizador 14a de lado aguas arriba tiene un area de seccion transversal mas pequena que el catalizador 14b' de lado aguas abajo. Si se hace que el area de seccion transversal del catalizador 14a de lado aguas arriba sea mas pequena de este modo, el grado de difusion de los hidrocarburos alimentados en los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba pasa a ser mas debil, de modo que se hace posible reducir la cantidad de alimentacion de los hidrocarburos requerida para hacer que la relacion aire- combustible (A/F)in de los gases de escape sea la relacion aire-combustible minima demandada X o menos.
Observese que, si se hace que el diametro del catalizador 13 de purificacion de gases de escape en su totalidad sea mas pequeno, sera necesario hacer mayor la longitud total del catalizador 13 de purificacion de gases de escape. Como resultado, en el lado aguas abajo del catalizador, surgira el problema de que disminuye en gran medida la temperatura del catalizador. No solo eso, surgira el problema de que aumenta en gran medida de la resistencia de escape. Por tanto, en la presente invencion, para impedir que surjan estos problemas, el diametro del catalizador 14b de lado aguas abajo se hace mas grande y, tal como se muestra en la figura 21A, se forma una parte 56 de seccion transversal aumentada del conducto de escape entre el catalizador 14a de lado aguas arriba y el catalizador 14b de lado aguas abajo.
Es decir, en la presente invencion, no tiene que hacerse que la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen al catalizador 14b de lado aguas abajo sea la relacion aire-combustible minima demandada X o menos. Para producir NOx*, es decir, para aumentar la tasa de purificacion de NOx, es necesario mantener pobre la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14b de lado aguas abajo. Por tanto, tal como se muestra en la figura 21A, puede decirse que es preferible formar la parte 56 de seccion transversal aumentada entre el catalizador 14a de lado aguas arriba y el catalizador 14b de lado aguas abajo.
Por otra parte, para impedir la difusion de los hidrocarburos que se inyectan desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos, es necesario impedir la alteracion del flujo de gases de escape que fluyen al catalizador 14a de lado aguas arriba tanto como sea posible. Por tanto, en esta realizacion segun la presente invencion, tal como se muestra en la figura 21A, se forma el conducto de escape del motor entre la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos y el catalizador 14a de lado aguas arriba en el interior de la tubena 12 de gases de escape que se extiende en lmea recta. En este caso, para impedir ademas que los hidrocarburos alimentados se difundan, tal como se muestra en la figura 21A, es preferible ajustar el catalizador 14a de lado aguas arriba en el interior de la tubena 12 de gases de escape de un diametro constante.
Observese que, en la presente invencion, el catalizador 14a de lado aguas arriba puede estar compuesto por un catalizador de oxidacion, y puede realizarse solo una accion de oxidacion parcial de hidrocarburos, es decir, solo una accion de reformado los hidrocarburos en el catalizador 14a de lado aguas arriba. En este caso, se realizan la produccion del producto intermedio reductor y la accion de purificacion del NOx en el catalizador 14b de lado aguas abajo. Por tanto, en la presente invencion, el catalizador 14a de lado aguas arriba tiene un area de seccion transversal mas pequena que el catalizador 14b de lado aguas abajo y tiene la funcion de al menos reformar los hidrocarburos que se alimentan desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos.
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Ademas, en la presente invencion, como catalizador 14b de lado aguas abajo, por ejemplo, es posible usar un catalizador de purificacion de NOx en el que se porta un metal que tiene una fuerza de oxidacion mas baja que un metal precioso sobre un soporte de catalizador. En este catalizador de purificacion de NOx, por ejemplo, el soporte de catalizador esta compuesto por alumina o zeolita, mientras que el metal que se porta sobre este soporte de catalizador esta compuesto por al menos un metal de transicion seleccionado de plata Ag, cobre Cu, hierro Fe, vanadio V, molibdeno Mo, cobalto Co, mquel Ni y manganeso Mn. Por tanto, en la presente invencion, se portan catalizadores 51 y 52 de metales preciosos sobre la superficie de flujo de gases de escape de al menos un catalizador del catalizador 14a de lado aguas arriba y el catalizador 14b de lado aguas abajo, y se forma una parte 54 superficial de flujo de gases de escape basica alrededor de los catalizadores 51 y 52 de metales preciosos.
Ahora, se realiza la reaccion de oxidacion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba de la manera mas activa en el extremo aguas arriba del catalizador 14a de lado aguas arriba. Por tanto, en el catalizador 14a de lado aguas arriba, la temperatura del extremo aguas arriba pasa a ser la mas alta. Si la temperatura del extremo aguas arriba del catalizador 14a de lado aguas arriba pasa a ser alta, el NOx* activo producido empezara a desorberse y como resultado la cantidad de produccion del producto intermedio reductor empezara a disminuir, de modo que la tasa de purificacion de NOx empezara a disminuir. Es decir, la temperatura TCA del extremo aguas arriba del catalizador 14a de lado aguas arriba tiene una temperatura lfmite predeterminada TCmax mas alla de la cual se produce una disminucion en la tasa de purificacion de NOx. Esta temperatura lfmite TCmax es de aproximadamente 500°C.
Por tanto, en esta realizacion segun la presente invencion, cuando la temperatura TCA del extremo aguas arriba del catalizador 14a de lado aguas arriba supera la temperatura lfmite predeterminada TCmax mas alla de la cual se produce una disminucion en la tasa de purificacion de NOx, se reduce la temperatura TCA del extremo aguas arriba del catalizador 14a de lado aguas arriba. Un metodo para reducir la temperatura TCA del extremo aguas arriba del catalizador 14a de lado aguas arriba es el metodo de aumentar la cantidad de hidrocarburos alimentados para hacer que la atmosfera en el catalizador 14a de lado aguas arriba sea rica. Si se hace que la atmosfera en el catalizador 14a de lado aguas arriba sea rica, se suprime la reaccion de oxidacion y el calor de evaporacion de los hidrocarburos alimentados produce que la temperatura TCA del extremo aguas arriba del catalizador 14a de lado aguas arriba disminuya.
Ademas, otros metodos de reducir la temperatura TCA del extremo aguas arriba del catalizador 14a de lado aguas arriba son prolongar el periodo de vibracion AT de la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba, es decir, prolongar el periodo de inyeccion de los hidrocarburos, o detener la alimentacion de hidrocarburos. En la presente invencion, se usa cualquiera de estos metodos.
La figura 22 muestra la rutina de control de purificacion de NOx. Esta rutina se ejecuta mediante interrupcion de cada cierto tiempo constante.
Haciendo referencia a la figura 22, en primer lugar, en la etapa 60, se evalua a partir de la senal de salida del sensor 23 de temperatura si la temperatura tC del catalizador 14a de lado aguas arriba supera la temperatura de activacion TX. Cuando TC>TX, es decir, cuando se activa el catalizador 14a de lado aguas arriba, la rutina continua a la etapa 61 en la que se evalua a partir de la senal de salida del sensor 23 de temperatura si la temperatura TCA del extremo aguas arriba del catalizador 14a de lado aguas arriba supera la temperatura lfmite predeterminada TCmax mas alla de la cual se produce una disminucion en la tasa de purificacion de NOx. Cuando TCA<TCmax, se evalua que debe usarse el primer metodo de purificacion de NOx. En este momento, la rutina continua a la etapa 62. En la etapa 62, se realiza el control de alimentacion de hidrocarburos desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos. En este momento, se realiza la accion de purificacion NOx mediante el primer metodo de purificacion de NOx.
Por otra parte, cuando se evalua en la etapa 61 que TCA>TCmax, la rutina continua a la etapa 63 en la que se realiza un procesamiento de disminucion de temperatura en el que se hace que disminuya la temperatura TCA del extremo aguas arriba del catalizador 14a de lado aguas arriba. Por ejemplo, se eleva la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba de manera que cuando la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba es pobre, se hace que la relacion aire-combustible de los gases de escape pase a ser rica, mientras que cuando la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba es rica, se hace que la relacion aire- combustible de los gases de escape pase a ser aun mas rica. Alternativamente, el periodo de vibracion de la concentracion de hidrocarburos que fluyen al interior del catalizador 14a de lado aguas arriba se hace mas largo o se detiene la alimentacion de hidrocarburos desde la valvula 15 de alimentacion de hidrocarburos.
Por otra parte, cuando se evalua en la etapa 60 que TC<TX, se evalua que debe usarse el segundo metodo de purificacion de NOx, entonces la rutina continua a la etapa 64. En la etapa 64, la cantidad de NOx NOXA del NOx expulsado por unidad de tiempo se calcula a partir del mapa mostrado en la figura 18. A continuacion, en la etapa 65, se aumenta ZNOx mediante la cantidad de NOx expulsado NOXA para calcular la cantidad de NOx almacenado ZNOx. A continuacion, en la etapa 66, se evalua si la cantidad de NOx almacenado ZNOx supera el valor permisible MAX. Cuando ZNOx>MAX, la rutina continua a la etapa 67 en la que se calcula la cantidad de combustible adicional
WR a partir del mapa mostrado en la figura 20 y se realiza una accion de inyeccion del combustible adicional. A continuacion, en la etapa 68, se borra ZNOx.
Lista de numeros de referencia
5
4 .. colector de admision
5 .. colector de gases de escape
10 7 .. turbocompresor de gases de escape
12 .. tubena de gases de escape
13 .. catalizador de purificacion de gases de escape 15
14a .. catalizador de lado aguas arriba 14b .. catalizador de lado aguas abajo 20 15 .. valvula de alimentacion de hidrocarburos

Claims (5)

  1. 10
    15
    20
    25
    30
  2. 2.
    35
  3. 3.
    40
    45
  4. 4.
    50
    55
  5. 5.
    60 6.
    REIVINDICACIONES
    Sistema de purificacion de gases de escape de un motor de combustion interna en el que una valvula (15) de alimentacion de hidrocarburos para alimentar hidrocarburos esta dispuesta en el interior de un conducto de escape del motor, una combinacion de catalizadores de purificacion de gases de escape para hacer reaccionar NOx contenido en gases de escape e hidrocarburos reformados esta dispuesta en el interior del conducto de escape del motor aguas abajo de la valvula (15) de alimentacion de hidrocarburos, la combinacion de catalizadores de purificacion de gases de escape esta compuesta por un catalizador (14a) de lado aguas arriba y un catalizador (14b) de lado aguas abajo dispuestos en serie con un intervalo entre sf, el catalizador (14a) de lado aguas arriba tiene un area de seccion transversal mas pequena que el catalizador (14b) de lado aguas abajo y tiene una funcion de al menos reformar hidrocarburos que se alimentan desde la valvula (15) de alimentacion de hidrocarburos, se porta un catalizador (51, 52) de metales preciosos sobre una superficie de flujo de gases de escape de al menos un catalizador del catalizador (14a) de lado aguas arriba y el catalizador (14b) de lado aguas abajo y se forma una parte (54) superficial de flujo de gases de escape basica alrededor del catalizador (51, 52) de metales preciosos, la combinacion de catalizadores de purificacion de gases de escape reduce el NOx que esta contenido en gases de escape si se hace vibrar una concentracion de hidrocarburos que fluyen al catalizador (14a) de lado aguas arriba dentro de un intervalo predeterminado de amplitud y dentro de un intervalo predeterminado de periodo y aumenta una cantidad almacenada de NOx que esta contenido en gases de escape si el periodo de vibracion de la concentracion de hidrocarburos se hace mas largo que el intervalo predeterminado, y, en el momento de funcionamiento de motor, se hace vibrar la concentracion de hidrocarburos que fluyen al catalizador (14a) de lado aguas arriba dentro de dicho intervalo predeterminado de amplitud y dentro de dicho intervalo predeterminado de periodo para reducir de ese modo NOx que esta contenido en gases de escape en el catalizador de purificacion de gases de escape, caracterizado porque se hacen reaccionar el NOx contenido en gases de escape e hidrocarburos reformados en el interior de la combinacion de catalizadores de purificacion de gases de escape mediante lo cual se produce un producto intermedio reductor que contiene nitrogeno e hidrocarburos, y un periodo de vibracion de la concentracion de hidrocarburos es un periodo de vibracion requerido para la produccion continuada del producto intermedio reductor, en el que el periodo de vibracion de la concentracion de hidrocarburos es de 0,3 segundos a 5 segundos.
    Sistema de purificacion de gases de escape de un motor de combustion interna segun la reivindicacion 1, en el que se forma el conducto de escape del motor entre dicha valvula (15) de alimentacion de hidrocarburos y dicho catalizador (14a) de lado aguas arriba en el interior de una tubena (12) de gases de escape que se extiende en lmea recta.
    Sistema de purificacion de gases de escape de un motor de combustion interna segun la reivindicacion 1, en el que cuando una temperatura (TCA) de un extremo aguas arriba de dicho catalizador (14a) de lado aguas arriba supera una temperatura lfmite predeterminada (TCmax) mas alla de la cual se produce una disminucion en una tasa de purificacion de NOx, para reducir la temperatura del extremo aguas arriba de dicho catalizador (14a) de lado aguas arriba, se eleva la concentracion de hidrocarburos que fluyen al catalizador (14a) de lado aguas arriba de manera que se hace que una relacion aire-combustible de los gases de escape sea rica cuando la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen al interior el catalizador (14a) de lado aguas arriba es pobre y se hace que la relacion aire-combustible de los gases de escape sea mas rica cuando la relacion aire-combustible de los gases de escape que fluyen al interior el catalizador (14a) de lado aguas arriba es rica.
    Sistema de purificacion de gases de escape de un motor de combustion interna segun la reivindicacion 1, en el que cuando una temperatura (TCA) de un extremo aguas arriba de dicho catalizador (14a) de lado aguas arriba supera una temperatura lfmite predeterminada (TCmax) mas alla de la cual se produce una disminucion en una tasa de purificacion de NOx, para reducir la temperatura del extremo aguas arriba de dicho catalizador (14a) de lado aguas arriba, un periodo de vibracion de la concentracion de hidrocarburos que fluyen al catalizador (14a) de lado aguas arriba se hace mas largo o se detiene una alimentacion de hidrocarburos desde la valvula (15) de alimentacion de hidrocarburos.
    Sistema de purificacion de gases de escape de un motor de combustion interna segun la reivindicacion 1, en el que dicho catalizador (51, 52) de metales preciosos esta compuesto por platino Pt y al menos uno de rodio Rh y paladio Pd.
    Sistema de purificacion de gases de escape de un motor de combustion interna segun la reivindicacion 1, en el que se forma una capa (53) basica que contiene un metal alcalino, un metal alcalinoterreo, una tierra rara, o un metal que puede donar electrones a NOx sobre la superficie de flujo de gases de escape de la combinacion de catalizadores de purificacion de gases de escape y en el que una superficie de dicha capa (53) basica forma dicha parte (54) superficial de flujo de gases de escape basica.
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