IT201900000603A1 - Sistema di trattamento dei gas di scarico in ingresso ad un dispositivo catalitico - Google Patents

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IT102019000000603A
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Paolo Antonelli
Andrea Forte
Luca Linari
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Automobili Lamborghini Spa
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Description

DESCRIZIONE
Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo
“SISTEMA DI TRATTAMENTO DEI GAS DI SCARICO IN INGRESSO
AD UN DISPOSITIVO CATALITICO”
La presente invenzione ha per oggetto un sistema di trattamento di gas di scarico ed in particolare un sistema elettrico di trattamento dei gas di scarico in ingresso ad un dispositivo catalitico di autoveicoli.
I dispositivi catalitici, conosciuti comunemente con i nomi di marmitte catalitiche o semplicemente catalizzatori, sono dispositivi atti all’abbattimento delle emissioni nocive dei gas di scarico prodotti dai motori a combustione interna, come gli ossidi d’azoto e il monossido di carbonio.
Tramite l’opportuno posizionamento di canali, per il transito dei gas, le cui pareti sono costituite in proporzioni variabili da metalli catalitici quali il platino, il palladio e il rodio, i gas di scarico dannosi vengono trasformati in gas meno nocivi per la salute dell’uomo e dell’ambiente.
L’efficienza di tale trasformazione dipende fortemente dalla temperatura alla quale il dispositivo catalitico opera e, indicativamente, un rendimento soddisfacente si ottiene solo per temperature superiori a 300 C°.
Il raggiungimento di tali temperature, determinato dal transito dei gas di scarico nel dispositivo catalitico, può richiedere tempistiche considerevoli, specialmente quando la macchina viene accesa dopo un periodo di inutilizzo che ha causato il raffreddamento di tutti i suoi componenti, comportando di conseguenza un transitorio in cui il rendimento del dispositivo catalitico è altamente subottimale.
I tempi di tale transitorio possono essere accorciati fino a raggiungere tempistiche di venti secondi approssimativamente mediante, ad esempio, arricchimenti dei metalli catalitici nel dispositivo catalitico oppure tramite l’utilizzo di pompe di aria secondaria che mandano attraverso il dispositivo catalitico aria a temperatura ambiente ricca di ossigeno.
Negli autoveicoli con esclusivamente motori termici, la problematica legata al funzionamento subottimale del catalizzatore è circoscritta esclusivamente alla fase di accensione del motore “da freddo”.
Tuttavia, con l’avvento dei veicoli ibridi, tale problematica può ripresentarsi numerose volte all’interno di un unico viaggio, indicativamente una ad ogni transizione fra la fase di operatività in modalità puramente elettrica e la fase in cui il motore termico viene azionato, in quanto quest’ultimo potrebbe essersi raffreddato.
Visto l’inasprimento delle normative sulle emissioni nocive degli autoveicoli, la presenza di numerosi transitori in cui il dispositivo catalitico non assolve pienamente i suoi compiti potrebbe causare il mancato rispetto dei limiti imposti dalla legge.
Le soluzioni note, implementate allo scopo di accorciare ulteriormente i tempi di raggiungimento della temperatura ottimale di operatività, sono principalmente legate all’utilizzo di dispostivi noti come Electrically Heated Catalyst, spesso abbreviato in EHC.
In concreto, l’EHC consta di un carico resistivo, composto anch’esso in proporzioni variabili da metalli catalitici, collegato ad una sorgente di tensione e posto a monte dell’entrata dei gas di scarico nel dispositivo catalitico.
Quando detto carico resistivo viene attraversato da corrente, esso si riscalda aumentando a sua volta la temperatura dei gas di scarico in transito prima che questi entrino nel dispositivo catalitico; in tal modo il processo di riscaldamento del dispositivo catalitico viene notevolmente accelerato, al punto da raggiungere il rendimento ottimale a regime quasi istantaneamente.
Nelle applicazioni note, l’EHC è operativamente collegato alla batteria da 12 V della vettura e viene comandato dalla centralina dell’autoveicolo tramite un interruttore che viene chiuso quando la temperatura nel dispositivo catalitico non è ottimale.
In una situazione di alternanza tra fasi di raffreddamento e riscaldamento, il collegamento dell’EHC alla batteria da 12 V, applicato finora nelle soluzioni note, presenta però delle limitazioni dovute all’energia immagazzinata nella batteria stessa: tale energia potrebbe infatti risultare insufficiente a riscaldare l’EHC quando il motore termico, rimasto inattivo, non ha provveduto alla ricarica della batteria stessa.
Inoltre, vista la modesta tensione erogata dalle comuni batterie a 12 V, al fine di ottenere elevati livelli di dissipazione termica nell’EHC, è necessario che le correnti in circolo attraverso i componenti resistivi siano piuttosto elevate, con conseguenti svantaggi legati all’efficienza elettrica.
In questo contesto, compito precipuo della presente soluzione è ovviare ai suddetti inconvenienti.
Scopo della presente descrizione è di proporre un sistema di trattamento dei gas di scarico in ingresso ad un dispositivo catalitico di un autoveicolo che permette una lavorazione ottimale dei gas di scarico anche in presenza di una frequente alternanza tra fasi di attività e fasi di riposo del motore termico di un veicolo, come avviene ad esempio nei veicoli ibridi. Secondo un aspetto della descrizione, il sistema di trattamento dei gas di scarico in ingresso ad un dispositivo catalitico comprende:
- Un carico resistivo atto a trasformare in calore la corrente che lo attraversa per effetto Joule ed inseribile in un condotto di passaggio dei gas di scarico a monte del dispositivo catalitico;
- Un generatore di tensione continua atto ad alimentare il carico resistivo con una tensione nominale dettata dalle specifiche del generatore stesso;
- Un dispositivo di modulazione atto a modificare il valore della tensione a valle del dispositivo di modulazione stesso per adattarla alle caratteristiche del carico resistivo e alla potenza da dissipare in calore su carico resistivo;
- Un’unita di controllo e comando operativamente collegata al dispositivo di modulazione per pilotarlo attraverso opportuni segnali elaborati sulla base di parametri funzionali del dispositivo catalitico.
Secondo un altro aspetto, la descrizione riguarda un sistema catalitico comprendente il sistema di trattamento dei gas di scarico in ingresso ad un dispositivo catalitico. Oltre a detto sistema di trattamento, il sistema catalitico comprende un dispositivo catalitico atto al trattamento dei gas di scarico transitati attraverso il sistema di trattamento dei gas di scarico. Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente soluzione appariranno maggiormente chiari dalla seguente descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un sistema di trattamento dei gas di scarico in ingresso ad un dispositivo catalitico e di un sistema catalitico come illustrato con riferimento agli uniti disegni in cui:
- Figura 1 illustra una rappresentazione schematica di un sistema di trattamento dei gas di scarico in ingresso ad un dispositivo catalitico; - Figura 2 rappresenta un sistema catalitico comprendente un sistema di trattamento dei gas di scarico in accordo con la Figura 1.
Con riferimento alla Figura 1 è stato indicato con 100 un sistema di trattamento dei gas di scarico in ingresso ad un dispositivo catalitico.
Il sistema 100 di trattamento dei gas di scarico in ingresso ad un dispositivo catalitico serve, ad esempio, ad una prima lavorazione dei gas emessi da un motore termico di un autoveicolo ed al loro riscaldamento prima che essi entrino in un dispositivo catalitico 7, dove verranno ulteriormente trattati da metalli catalitici di modo che le emissioni del veicolo risultino meno dannose per la salute dell’uomo e dell’ambiente.
In generale, il rendimento del dispositivo catalitico 7 è ottimale quando la sua temperatura interna è superiore a 300 C°.
Il sistema 100 di trattamento comprende un carico resistivo 1 inseribile in un condotto 9 di passaggio dei gas di scarico a monte del dispositivo catalitico 7. Preferibilmente, il carico resistivo 1 comprende anch’esso metalli catalitici in proporzioni variabili.
Il sistema 100 di trattamento comprende un generatore di tensione 2 per un’alimentazione elettrica del carico resistivo 1.
Secondo un primo aspetto, il carico resistivo 1 coadiuva il dispositivo catalitico 7 nell’azione catalitica di pulizia dei gas di scarico in uscita dal motore termico.
Quando detto carico resistivo 1 viene attraversato da corrente, esso si riscalda, raggiungendo molto rapidamente temperature intorno a 500-600 C° che garantiscono un rendimento ottimale dell’azione catalitica; in tal modo buona parte delle emissioni dannose dei gas di scarico viene abbattuta dal carico resistivo 1 a monte del dispositivo catalitico 7.
Essendo i componenti del sistema di scarico freddi nel periodo immediatamente successivo all’accensione del motore termico, i gas di scarico in ingresso al carico resistivo 1 si trovano ad una temperatura nettamente inferiore a quelle di regime, che normalmente sono intorno ai 500 C°. Il passaggio attraverso il carico resistivo 1 riscaldato, permette dunque un riscaldamento dei gas di scarico in ingresso al dispositivo catalitico 7 e un conseguente accorciamento delle tempistiche per il raggiungimento delle temperature ottimali all’interno del dispositivo catalitico 7 stesso.
Il generatore di tensione 2 comprende, ad esempio, una batteria a voltaggio superiore a 80 V.
Preferibilmente, il generatore di tensione 2 fornisce un voltaggio superiore a 400 V.
Tale livello di tensione non è erogabile dalle tradizionali batterie a 12 V nominali delle autovetture, mentre le batterie ad alto voltaggio di cui sono equipaggiati i veicoli ibridi possono fornirla.
Preferibilmente il generatore di tensione 2 comprende, in caso di veicolo ibrido, la batteria o le batterie ad alto voltaggio dello stesso.
Secondo quanto descritto in particolare nella Figura 1, il sistema 100 di trattamento comprende un dispositivo di modulazione 3 dell’alimentazione elettrica del carico resistivo 1 operativamente attivo fra il carico resistivo 1 ed il generatore di tensione 2.
Il dispositivo di modulazione 3 in accordo con la presente descrizione comprende un convertitore DC/DC 5 per modulare la tensione fornita dal generatore di tensione 2 ed adattarla alle specifiche del carico resistivo 1. Preferibilmente, ma non limitatamente, il dispositivo di modulazione 3 comprende un interruttore 6, posizionato a monte del convertitore DC/DC 5, in grado di chiudersi o aprirsi per, rispettivamente, permettere o bloccare il transito di corrente sul carico resistivo 1.
Quando l’interruttore è in posizione di apertura, nel carico resistivo 1 non scorre corrente: in tale configurazione non può avvenire dissipazione di calore per effetto Joule sul carico resistivo 1 e di conseguenza i gas di scarico in transito nel condotto 9 non vengono riscaldati.
Il sistema 100 comprende un’unità di controllo e comando 4 del dispositivo di modulazione 3.
L’unità di controllo e comando 4 può, ad esempio, essere una centralina di controllo motore del veicolo in cui è installato il sistema 100 di trattamento. In generale, l’unità di controllo e comando 4 è configurata per pilotare il convertitore DC/DC 5 di modo che esso adatti la tensione sul carico resistivo 1 in base alle specifiche dello stesso e alle esigenze di trattamento dei gas di scarico.
Preferibilmente, l’interruttore 6 è operativamente collegato all’unita di controllo e comando 4 la quale invia segnali per l’apertura e la chiusura dell’interruttore stesso.
Preferibilmente, il convertitore DC/DC 5 del dispositivo di modulazione 3 converte la corrente continua alla tensione erogata dal generatore di tensione 2 in una corrente continua ad una diversa tensione in conformità alle caratteristiche tecniche del carico resistivo 1 e alle esigenze di trattamento dei gas di scarico.
Vantaggiosamente, la tensione a valle del dispositivo di modulazione 3 è inferiore a 200 V.
Secondo una forma di realizzazione, il livello massimo di tensione sostenibile dal carico resistivo 1 è di 48 V.
Ancora più preferibilmente, dunque, la tensione a valle del dispositivo di modulazione 3 è inferiore a 48 V.
In una forma di realizzazione, l’unità di controllo e comando 4 invia segnali al dispositivo di modulazione 3 per controllarne il comportamento sulla base di un modello di lavoro del dispositivo catalitico 7.
Preferibilmente, tramite detto modello di lavoro, l’unita di controllo e comando 4 deduce la temperatura interna del dispositivo catalitico 7 sulla base, ad esempio, di alcuni parametri funzionali del dispositivo catalitico stesso. Ad esempio, sulla base del modello, la temperatura interna del dispositivo catalitico 7 viene stimata in funzione della temperatura dei gas in una diversa sezione del condotto 9 di scarico o in funzione dell’alimentazione del carico resistivo 1 in un intervallo temporale precedente.
In un’altra forma di realizzazione, il dispositivo di modulazione 3 è pilotato dall’unità di comando e controllo 4 in funzione di un segnale riportante la temperatura interna del dispositivo catalitico 7.
Vantaggiosamente, l’unità di controllo e comando 4 è configurata per pilotare il dispositivo di modulazione 3 in modo che il carico resistivo 1 si trovi ad una temperatura superiore a 300 C° per un ottimale trattamento preliminare dei gas di scarico ed un riscaldamento di detti gas di scarico prima che questi transitino attraverso il dispositivo catalitico 7.
In una forma di realizzazione, l’unità di controllo e comando 4 è configurata per pilotare il dispositivo di modulazione 3 in modo che il carico resistivo 1 si trovi ad una temperatura superiore a 500 C°.
Con riferimento alla Figura 2 è stato indicato con 200 un sistema catalitico il cui compito è quello di trasformare i gas di scarico dannosi per la salute dell’uomo e dell’ambiente in gas meno dannosi per mezzo dei metalli catalitici contenuti in misura variabile nel dispositivo catalitico 7.
Il sistema catalitico 200 comprende un sistema 100 di trattamento dei gas di scarico in ingresso ad un dispositivo catalitico in una delle forme di realizzazione precedentemente descritte.
Il sistema catalitico 200 comprende inoltre il dispositivo catalitico 7 per il trattamento dei gas di scarico.
In una forma di realizzazione, l’unità di comando e controllo 4 del sistema 100 di trattamento emette segnali di comando per velocizzare il riscaldamento del dispositivo catalitico 7 sulla base di un modello di lavoro del dispositivo catalitico stesso.
Vantaggiosamente, tramite tale modello è possibile per l’unità di controllo e comando 4 dedurre la temperatura interna al dispositivo catalitico 7 sulla base, ad esempio, di alcuni parametri funzionali ed evitare di conseguenza la procedura di rilevazione diretta della temperatura interna del dispositivo catalitico stesso.
In una forma di realizzazione, il sistema catalitico 200 comprende almeno un sensore 8 operativamente collegato al dispositivo catalitico 7 per rilevare valori significativi del funzionamento del dispositivo catalitico 7 stesso.
Il sensore 8 è ad esempio operativamente collegato al dispositivo catalitico 7 per rilevare i valori di parametri interni al dispositivo catalitico 7.
In una forma di realizzazione, vantaggiosamente, il sensore 8 è un sensore di temperatura che rileva la temperatura interna al dispositivo catalitico 7.
Vantaggiosamente il sistema catalitico può comprendere una pluralità di sensori per rilevare parametri funzionali del veicolo correlati alla temperatura interna del dispositivo catalitico 7.
facendo per semplicità riferimento ad una forma di realizzazione in cui il sensore 8 è un sensore di temperatura che rileva la temperatura interna al dispositivo catalitico 7, il sensore 8 è collegato all’unità di comando e controllo 4 ed invia all’unità di controllo stessa un segnale T di temperatura interna al dispositivo catalitico 7.
Vantaggiosamente, la presenza di un generatore di tensione 2 con caratteristiche analoghe a quelle delle batterie presenti sui veicoli ibridi permette di avere un cospicuo quantitativo di energia elettrica immagazzinata.
La disponibilità di grandi quantità di energia elettrica permette di poter compiere numerosi cicli di dissipazione di potenza elettrica sul carico resistivo senza che l’energia disponibile si esaurisca.
Tale caratteristica è di particolare importanza nei veicoli con doppia alimentazione termica-elettrica poiché, a causa dei prolungati periodi di attività del motore elettrico, l’energia immagazzinata nelle tradizionali batterie a 12 V non sarebbe sufficiente a mantenere la corrente in circolo sul carico resistivo per le tempistiche necessarie.
Vantaggiosamente, il sistema di trattamento può essere alimentato dalla batteria ad alto voltaggio del veicolo ibrido stesso ovvero la batteria ad alto voltaggio del veicolo ibrido definisce il generatore di tensione 2.
Ancora più vantaggiosamente, la possibilità di avere tensioni maggiori a 12 V a monte del dispositivo di modulazione provoca l’abbassamento delle correnti necessarie per ottenere i livelli di dissipazione sul carico resistivo richiesti per un ottimo trattamento preliminare dei gas di scarico in ingresso al dispositivo catalitico.
La presenza di correnti di bassa intensità presenta numerosi vantaggi dal punto di vista dell’efficienza elettrica in quanto i componenti non principalmente resistivi del sistema di trattamento dissipano meno potenza per effetto Joule e, di conseguenza, hanno minori problemi legati al surriscaldamento.
Vantaggiosamente, la presenza di un dispositivo di modulazione dotato di un convertitore DC/DC permette di adattarsi facilmente ad eventuali migliorie delle specifiche del carico resistivo tramite un aggiornamento dell’unità di controllo e comando di modo da modificare, ad esempio, la tensione massima applicabile sul carico resistivo.
La configurazione del sistema di trattamento dei gas di scarico in ingresso ad un dispositivo catalitico permette di evitare l’utilizzo di convertitori boost, ossia convertitori che trasformano una corrente continua a tensione minore in una corrente continua a tensione maggiore.
Vantaggiosamente, l’utilizzo di convertitori DC/DC atti ad abbassare la tensione della corrente continua ai due estremi del convertitore stesso garantisce livelli di efficienza maggiori rispetto ai convertitori boost.
L’invenzione così concepita è suscettibile di evidente applicazione industriale e ben si presta all’applicazione su un autoveicolo ibrido dotato di batteria ad alto voltaggio per il riscaldamento dei gas d’ingresso in un dispositivo catalitico allo scopo di migliorare l’efficienza del dispositivo catalitico stesso.

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di trattamento per gas di scarico in ingresso ad un dispositivo catalitico, detto sistema di trattamento comprendendo - un carico resistivo (1) inseribile in un condotto (9) di passaggio dei gas di scarico a monte di un dispositivo catalitico (7); - un generatore di tensione (2) per un’alimentazione elettrica di detto carico resistivo (1); - un dispositivo di modulazione (3) dell’alimentazione elettrica del carico resistivo (1) operativamente attivo fra detto carico resistivo (1) ed il generatore di tensione (2); - un’unità di controllo e comando (4) del dispositivo di modulazione (3); detto sistema di trattamento essendo caratterizzato dal fatto che - il dispositivo di modulazione (3) comprende un convertitore DC/DC (5) pilotato dall’unità di controllo e comando (4); - il generatore di tensione (3) comprende una batteria a voltaggio superiore a 80V.
  2. 2. Sistema di trattamento secondo la rivendicazione precedente in cui il dispositivo di modulazione (3) comprende un interruttore (6) posizionato a monte del convertitore DC/DC (5) e comandato in apertura e chiusura dall’unità di controllo e comando (4).
  3. 3. Sistema di trattamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui il voltaggio di detto generatore di tensione (2) è superiore a 400 V.
  4. 4. Sistema di trattamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detta unità di controllo e comando (4) è configurata per pilotare detto dispositivo di modulazione (3) in funzione di un modello di lavoro del dispositivo catalitico (7).
  5. 5. Sistema di trattamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detta unità di controllo e comando (4) è configurata per pilotare detto dispositivo di modulazione (3) in funzione di un segnale T significativo della temperatura interna del dispositivo catalitico (7).
  6. 6. Sistema di trattamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detta unità di controllo e comando (4) è configurata per pilotare il dispositivo di modulazione (3) in modo che la temperatura in corrispondenza del carico resistivo (1) o del carico resistivo (1) sia superiore a 300 C°, in particolare in modo che la temperatura in corrispondenza del carico resistivo (1) o del carico resistivo (1) sia superiore a 500 C°.
  7. 7. Sistema di trattamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detta unità di controllo e comando (4) è configurata per pilotare il dispositivo di modulazione (3) in modo che la tensione a valle del dispositivo di modulazione (3) è inferiore a 200V.
  8. 8. Sistema di trattamento secondo la rivendicazione precedente in cui detta unità di controllo e comando (4) è configurata per pilotare il dispositivo di modulazione (3) in modo che la tensione a valle del dispositivo di modulazione (3) è inferiore a 48V.
  9. 9. Sistema catalitico comprendente un sistema di trattamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti ed un dispositivo catalitico (7), in cui il carico resistivo (1) del sistema di trattamento è disposto nel condotto (9) di passaggio dei gas di scarico in ingresso al dispositivo catalitico (7).
  10. 10. Sistema catalitico secondo la rivendicazione precedente comprendente almeno un sensore (8) operativamente collegato al dispositivo catalitico (7) per acquisirne un parametro funzionale.
  11. 11. Sistema catalitico secondo la rivendicazione precedente in cui il sensore (8) è un sensore di temperatura che rileva la temperatura interna al dispositivo catalitico (7).
  12. 12. Sistema catalitico secondo la rivendicazione 10 o 11 in cui il sensore di temperatura (8) è operativamente associato all’unità di controllo e comando (4).
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