IT202200000956A1 - Un sistema di post-trattamento dei gas di scarico e un sistema di propulsione comprendente il sistema di post-trattamento - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Della domanda di brevetto per invenzione industriale avente come titolo:

?UN SISTEMA DI POST-TRATTAMENTO DEI GAS DI SCARICO E UN SISTEMA DI PROPULSIONE COMPRENDENTE IL SISTEMA DI POST-TRATTAMENTO?

Campo dell?invenzione

La presente invenzione si riferisce al settore dei sistemi di post-trattamento dei gas di scarico ed in particolare al settore dei motori a ciclo Diesel.

Stato dell?arte

I motori a ciclo diesel sono generalmente dotati di un sistema di post-trattamento dei gas di scarico (ATS) che include in successione

- un catalizzatore di ossidazione diesel,

- un DPF (Filtro Antiparticolato Diesel) ed

- un catalizzatore di riduzione selettiva SCR (Selective Catalytic Reduction) progettato per ridurre gli ossidi di azoto (NOx) iniettando, a monte del catalizzatore stesso, un agente riducente a base di urea al fine di produrre ammoniaca (NH3) utile per la conversione di NOx.

Spesso un cosiddetto ?Clean up catalyst? ? disposto immediatamente a valle dell'SCR per neutralizzare un eccesso di ammoniaca prodotta nell'SCR per neutralizzare gli NOx.

I catalizzatori SCR pi? conosciuti e implementati sono catalizzatori CU-zeolite e Fe-zeolite. Quest'ultimo mostra una stabilit? migliorata ma una selettivit? ad alta temperatura.

Secondo la presente descrizione, per ?alta temperatura? si intende una temperatura superiore a 400-450?C.

Sono noti diversi tipi di SCR.

Si prevede che le future normative sulle emissioni in Europa e altrove includano limiti di soglia per gli inquinanti che non sono stati finora regolamentati. Tra questi inquinanti c'? il protossido di azoto (N2O), che dovrebbe essere regolamentato a causa del suo fortissimo potenziale di riscaldamento globale (GWP), che ? 265-298 volte superiore a quello della CO2. N2O ? gi? un inquinante regolamentato negli Stati Uniti. L'N2O ? un inquinante prodotto principalmente dai catalizzatori di reazione catalitica selettiva (SCR), come sottoprodotto della riduzione di NOx da parte di NH3. Allo stato attuale dell'arte, l'ATS ? un produttore di N2O e la produzione di N2O ? proporzionale alla quantit? di NOx convertito.

? anche noto un catalizzatore SCR di tecnologia titaniovanadio (TiV), che viene utilizzato per convertire gli NOx nel flusso di scarico in N2, in modo simile e alternativo alle attuali implementazioni commerciali basate su catalizzatori CU o FE-zeolite. Un catalizzatore TiV SCR ha tipicamente una selettivit? N2O molto bassa, nell'intervallo di temperatura 200-400?C, nelle condizioni di composizione dei gas di scarico pi? comuni. In questo intervallo di temperature, questa tecnologia ? la migliore della categoria per quanto riguarda la bassa produzione di N2O, il che la rende un candidato interessante per le future normative sulle emissioni. Tuttavia, la produzione di N2O aumenta notevolmente al di sopra dei 450?C, il che potrebbe portare al superamento delle future soglie di emissione. In particolare, questo SCR produce N2O proporzionalmente alla quantit? di NOx che converte e il fattore di proporzionalit?, definito come il rapporto molare di N2O prodotto diviso per NOx convertito, varia tra lo 0,5% e il 20% per le pi? comuni tecnologie e condizioni operative.

Se non espressamente escluso nella descrizione dettagliata che segue, quanto descritto in questo capitolo ? da considerarsi parte integrante della descrizione dettagliata.

Sommario dell?invenzione

Scopo della presente invenzione ? quello di presentare un ATS specificamente progettato per motori Diesel e in grado di ridurre sensibilmente la produzione di N2O ad alta temperatura.

L'idea alla base della presente idea ? quella di implementare un primo catalizzatore SCR, quale CU-Zeolite, dotato del suo dosatore di agente riducente a base di urea disposto immediatamente a monte del primo SCR e di implementare un secondo SCR di ferro-zeolite (Fe-zeolite), disposto immediatamente a valle del primo SCR e di implementare mezzi per introdurre idrocarburi lungo l'ATS, a monte almeno del secondo catalizzatore SCR.

Solitamente, un SCR dotato di un dosatore di agente riducente viene chiamato ?attivo?. Secondo la presente invenzione, solo il primo SCR ? attivo, mentre il secondo SCR ? passivo.

Il secondo SCR di FE-zeolite ? in grado di convertire specie N2O oltre una soglia di temperatura predeterminata. Tuttavia, al di sotto di tale soglia di temperatura, il secondo catalizzatore SCR ? in grado di convertire N2O quando il flusso di scarico ? arricchito con HC.

Pertanto, secondo l'invenzione, nell'ATS vengono introdotti idrocarburi per convertire N2O.

L'introduzione di idrocarburi pu? essere calcolata considerando la selettivit? del primo catalizzatore SCR e la temperatura al secondo catalizzatore SCR.

Il principale vantaggio di questa invenzione ? che permette di calibrare il motore in modo che produca valori pi? elevati di emissioni di NOx fuori motore, pur rispettando i limiti di emissione sia di NOx che di N2O.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono varianti preferite dell'invenzione, formanti parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue di un esempio di una sua forma realizzativa (e sue varianti) e dai disegni allegati forniti a titolo puramente esplicativo non limitativo, in cui:

- La figura 1 mostra un diagramma di una conversione percentuale da N2O a N2 dell'SCR Fe-Zeolite in funzione della temperatura, con una composizione del Gas all'ingresso dell'SCR Fe-Zeolite di: 30 ppm N2O, 100 ppm NO, 10%O2, 5%H2O e Rapporto NH3/NOx secondo la legenda del grafico;

- la figura 2 illustra un diagramma della produzione percentuale di N2O sulla temperatura per diverse tecnologie di catalizzatori SCR, a base di Cu-zeolite e Fe-zeolite, a differenti composizioni dei gas di scarico rispetto al rapporto tra NO2 e NOx totali;

- la figura 3 illustra schematicamente una porzione dell'ATS secondo la presente invenzione;

- le figure 4a e 4b mostrano due diagrammi per due corrispondenti differenti valori di temperatura, in cui ? riportata la conversione di N2O su scala temporale in connessione con un'iniezione di HC nell'ATS tale da raggiungere il secondo SCR;

- La figura 5 illustra un esempio di diagramma di flusso di una forma di realizzazione preferita del metodo della presente invenzione.

Gli stessi numeri e lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti o funzioni. Va anche notato che i termini "primo", "secondo", "terzo", "superiore", "inferiore" e simili possono essere qui usati per distinguere vari elementi. Questi termini non implicano un ordine spaziale, sequenziale o gerarchico per gli elementi modificati se non espressamente indicato o dedotto dal testo.

Gli elementi e le caratteristiche illustrati nelle varie forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall'ambito della presente domanda come di seguito descritto.

Descrizione dettagliata di esempi implementativi

La figura 3 mostra una forma di realizzazione preferita di una porzione di un ATS secondo la presente invenzione.

Secondo la presente invenzione, la conversione di NOx ? realizzata tramite un tandem di due SCR, dove il primo SCR1 ? attivo e il secondo, SCR2, ? del tipo ferro-zeolite.

Immediatamente a monte del tandem SCR ? disposto un dosatore a base di urea INJ1.

Nessun dosatore a base di urea ? disposto tra i due SCR. Preferibilmente, l'ATS include in successione un DOC (non mostrato nelle figure), un DPF (non mostrato nelle figure) e il tandem dei suddetti SCR. Qui la successione ? relativa alla circolazione del flusso di gas, indicata dalla freccia grande in figura 3.

Opzionalmente, l'ATS pu? includere un catalizzatore CUC, non mostrato nelle figure, predisposto come ultimo dispositivo dell'ATS per gestire l'eventuale eccesso di ammoniaca.

La Figura 1 illustra la capacit? del secondo SCR di convertire N2O oltre la temperatura per diversi rapporti NH3/NOx. ? chiaro che, essendo il secondo SCR passivo, cio? non provvisto di un corrispondente dosatore di agente riducente, i rapporti NH3/NOx > 0 si ottengono per lo slippage (liberazione dell?eccesso) di NH3 dal primo SCR. La Figura 1 chiarisce che il secondo SCR ? in grado di convertire N2O a partire da una temperatura di 400?C e questa capacit? raggiunge il 40% a 500?C.

Inoltre, la sua capacit? aumenta notevolmente quando NH3 e NOx raggiungono secondo i rapporti 0,5 e 1.

Ci? significa che se il primo SCR non ? in grado di convertire tutti gli NOx prodotti dal motore, il dosaggio di NH3 tale da raggiungere il secondo SCR nello stesso rapporto con gli NOx non convertiti ? vantaggioso per la completa conversione degli NOx e conversione quasi completa degli N2O.

Secondo l'invenzione la conversione di N2O ? ?gestita? (managed nelle figure), nel senso che il flusso di scarico viene arricchito con monossido di carbonio (CO) e/o idrocarburi (HC) almeno secondo uno schema di iniezione ciclica.

Grazie all'introduzione del monossido di carbonio (CO) e/o degli idrocarburi (HC), la capacit? del secondo SCR, FE-zeolite, di convertire N2O ? fortemente aumentata a partire dalle condizioni di bassa temperatura, ovvero a partire dalle temperature in cui il primo SCR iniziare a convertire NOx a circa 250?C.

La figura 2 illustra diagrammi di produzione di N2O a temperatura eccessiva per due tecnologie SCR note, ciascuna a due composizioni rappresentative di gas di scarico rispetto al rapporto tra NO2 e NOx totale.

La Fe-zeolite (Fe nella figura), rivela una bassa produzione di N2O in tutto l'intervallo di temperatura. In particolare a temperature superiori a 450?C, la produzione di N2O si riduce all'aumentare della temperatura. Questa riduzione ? attribuita alla capacit? intrinseca della Fezeolite di ridurre N2O a detto intervallo di temperatura, come evidenziato in Fig. 1.

Il Cu-SCR rivela una maggiore produzione di N2O nell'intervallo a bassa temperatura 200-300?C rispetto al Fe-zeolite SCR, tuttavia, ? noto che il Cu-SCR rivela migliori prestazioni per la conversione di NOx nello stesso intervallo di temperatura. Pertanto, un tandem comprendente Cu-zeolite SCR e un Fe-zeolite SCR potrebbe rappresentare un compromesso ottimale.

Le figure 4a e 4b illustrano due diagrammi tracciati per due diverse temperature di esercizio, rispettivamente 450?C e 400?C.

Finch? il secondo SCR (SCR2) non ? gestito, ovvero non viene introdotta CO e/o HC a monte del secondo SCR, la percentuale di N2O che sopravvive dopo il secondo SCR ? di circa l'85% a 400?C e di circa il 50% a 450? C.

L'introduzione di HC come impulso all'incirca all'istante 397 provoca un'improvvisa riduzione della percentuale di N2O che sopravvive dopo il secondo SCR. La percentuale di sopravvivenza ? di circa il 5% a 400?C e di circa lo 0% a 450?C.

Pertanto, l'iniezione di HC ? efficace anche a bassa temperatura.

Secondo una forma preferita di realizzazione dell'invenzione, l'HC viene introdotto come impulsi, cio? per intervalli di tempo relativamente brevi, durante il funzionamento dell'ATS.

Le specie riducenti introdotte riducono quasi completamente l'N2O in ingresso durante l'impulso, anche a temperature di esercizio inferiori a 400-450?C.

Le specie riducenti introdotte riducono il materiale catalitico del secondo SCR. Al termine di un impulso di iniezione, parte dell'N2O in ingresso viene consumata per riossidare il materiale catalitico, fornendo cos? un effetto di riduzione dell'N2O che dura oltre la durata dell'impulso delle specie riducenti. Questo ? il motivo per cui non ? richiesta, seppur possibile, una continua introduzione degli HC.

L'introduzione dell'HC pu? avvenire in due modi diversi: a) attraverso la post-iniezione del carburante, che ? definita come iniezione di carburante dal sistema di iniezione del carburante del motore, in modo da non consentire a questo carburante di bruciare nel motore, solitamente durante la corsa di scarico, oppure b) tramite un secondo iniettore INJ2 dedicato come illustrato in figura 4. Il secondo iniettore pu? essere disposto in qualsiasi luogo lungo l'ATS, tuttavia ? preferibile disporlo a monte del DOC oppure a monte del DPF. Entrambi i suddetti metodi di iniezione di HC possono essere utilizzati non solo per migliorare la conversione di N2O, ma anche per forzare le rigenerazioni del DPF.

Se il secondo iniettore si trova a monte di un DOC o DPF, per consentire agli impulsi HC di raggiungere il secondo SCR, senza essere ossidati nel DOC o DPF, gli impulsi HC vengono sincronizzati con una condizione di basso ossigeno nei gas di scarico, come durante un'accelerazione.

Il secondo iniettore pu? essere disposto alternativamente a valle del primo SCR, come illustrato in figura 3. In questo caso ? implementato solo per la conversione di N2O.

Secondo una strategia di controllo preferita, l'HC viene introdotto tramite post-iniezioni e/o tramite un iniettore di carburante INJ2 purch? la prima temperatura dell'SCR si trovi nella temperatura compresa nell'intervallo di temperatura di [250 ? 450]?C.

Quando la temperatura SCR1 rientra in tale intervallo di temperatura, la frequenza degli impulsi HC e la quantit? di HC introdotta in ciascun impulso vengono calcolati da un algoritmo informatico eseguito in un'unit? di controllo elettronica di bordo. Questo algoritmo tiene preferibilmente in considerazione: la temperatura SCR1 misurata o calcolata, la concentrazione di NOx misurata o calcolata nel flusso di scarico, il flusso del gas di scarico e il contenuto di ossigeno misurato o calcolato nel gas di scarico.

Secondo un'altra strategia di controllo preferita che pu? essere combinata con la precedente, quando la prima temperatura SCR supera una soglia predeterminata, ad esempio 500?C o superiore, il primo dosatore INJ1 viene comandato per saturare il primo SCR e per riempire almeno parzialmente il secondo SCR.

In altre parole, viene gestita l'iniezione dell'agente riducente

- Per neutralizzare gli NOx,

- Per neutralizzare N2O.

La figura 5 illustra un esempio di diagramma di flusso secondo la presente invenzione.

Secondo la presente invenzione il metodo illustrato nella figura 5 comprende le seguenti fasi:

- (Passo 1) acquisizione dei segnali di ingresso, mediante misura o calcolo, rappresentativi di:

o Valore di temperatura al secondo SCR

o Concentrazione di NOx nel flusso di scarico a motore spento

o Portata massica dei gas di scarico

o Coppia del motore

o Quantit? di carburante iniettato nella camera di combustione

o Contenuto di ossigeno nei gas di scarico

- (Passo 2) utilizzo di detti segnali di ingresso (Passo 1) per calcolare del ?potenziale di riduzione di N2O?, definito come la capacit? del secondo SCR di ridurre N2O alle condizioni attuali,

- (Passo 3) utilizzo dei segnali di ingresso (dal Passo 1) per calcolare lo "sforzo di trattamento HC", definito come la quantit? di idrocarburi necessaria per ripristinare completamente il potenziale di riduzione di N2O del secondo SCR alla sua massima capacit?, quando un impulso di idrocarburi viene introdotto nelle condizioni attuali;

- (Passo 4) sulla base dei calcoli delle fasi 2 e 3, decisione se ? necessario un impulso di idrocarburi o se tale impulso di idrocarburi pu? essere posticipato;

se (step 4 = si) si decide di introdurre un impulso HC, - (Passo 5) avviare gli impulsi di iniezione per introdurre la quantit? di HC calcolata (nella Passo 3) e attendere che tale quantit? sia stata iniettata, quindi

- (Step 6) viene effettuato il reset delle acquisizioni e dei calcoli precedenti e si torna all?inizio (Passo 1);

- in caso contrario, se (passo 4 = no) si decide di posticipare l'introduzione di un impulso HC, l'iterazione torna direttamente all'inizio (passo 1).

? importante notare che i passi 2 e 3 possono essere eseguiti in qualsiasi ordine o anche in parallelo come illustrato nella figura 5.

La presente invenzione pu? essere vantaggiosamente realizzata mediante un programma per elaboratore, che comprende mezzi di codificazione per eseguire una o pi? fasi del metodo, quando tale programma viene eseguito su elaboratore. Pertanto, si intende che l'ambito di protezione si estenda a detto programma per elaboratore e oltre a mezzi leggibili da elaboratore comprendenti un messaggio registrato, detti mezzi leggibili da elaboratore comprendendo mezzi di codificazione di programma per eseguire una o pi? fasi del metodo, quando detto programma viene eseguito su un computer.

Sono possibili varianti realizzative dell'esempio non limitativo descritto, senza peraltro uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione, comprensivo di tutte le forme di realizzazione equivalenti per un tecnico del ramo, al contenuto delle rivendicazioni.

Da quanto sopra descritto, il tecnico del ramo pu? realizzare l'oggetto dell'invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims (13)

RIVENDICAZIONI

1. Un sistema di post-trattamento dei gas di scarico per un motore Diesel includente

- un primo catalizzatore di riduzione selettiva SCR (SCR1) accoppiato con

- un secondo SCR (SCR2) della ferro-zeolite disposto immediatamente a valle del primo SCR secondo una circolazione di corrente di gas e

- un dosatore di agente riducente a base di urea (INJ1) disposto immediatamente a monte del primo SCR, in funzione di detta circolazione di flusso gassoso, e

- mezzi di introduzione di idrocarburi atti ad introdurre idrocarburi nel sistema di post-trattamento per cooperare con detto secondo SCR per convertire l'N2O prodotto da detto primo SCR.

2. Sistema di post-trattamento dei gas di scarico secondo la rivendicazione 1, comprendente in successione, secondo una circolazione del flusso di gas di scarico

- un catalizzatore di ossidazione diesel (DOC),

- un filtro antiparticolato diesel (DPF),

- detto primo dosatore (INJ1) per un riducente a base di urea,

- detto primo catalizzatore di riduzione selettiva (SCR) (SCR1),

- detto secondo SCR (SCR2) della ferro-zeolite ed eventualmente

- un catalizzatore Clean Up (CUC) e

- mezzi di introduzione di idrocarburi atti ad introdurre idrocarburi nel sistema di post-trattamento per cooperare con detto secondo SCR per convertire l'N2O prodotto da detto primo SCR.

3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui detti mezzi di introduzione di idrocarburi comprendono un secondo dosatore (INJ2) per l'introduzione di idrocarburi disposto preferibilmente immediatamente a monte di detto DPF o tra detti primo e secondo SCR.

4. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui detti mezzi di introduzione di idrocarburi comprendono mezzi di controllo (ECU) per controllare la post-iniezione del carburante nel motore Diesel a cui ? destinato ad essere accoppiato il sistema di post-trattamento.

5. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 -4, in cui detti mezzi di introduzione di idrocarburi sono predisposti per riempire solo detto primo SCR con ammoniaca o per saturare detto primo SCR con ammoniaca e riempire almeno parzialmente detto secondo SCR.

6. Sistema secondo la rivendicazione 5, in cui detti mezzi di introduzione di idrocarburi sono predisposti per regolare una quantit? di idrocarburo da immettere nell'ATS ed in particolare tale che detta quantit? sia inversamente proporzionale ad un valore di temperatura misurato al secondo SCR.

7. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 o 6, in cui detti mezzi di introduzione di idrocarburi sono abilitati quando una temperatura di detto primo SCR (SCR1) supera i 250?C.

8. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 -7, in cui detti mezzi di introduzione di idrocarburi sono predisposti per controllare una quantit? di detta introduzione di idrocarburi in funzione della temperatura di detto secondo SCR.

9. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4 -8, in cui detti mezzi di introduzione di idrocarburi sono configurati per introdurre idrocarburi in funzione del contenuto di ossigeno nel gas di scarico.

10. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 ? 9, in cui detti mezzi di controllo sono predisposti per controllare detto secondo dosatore (INJ2) per introdurre HC nell'ATS secondo una sequenza di impulsi, in cui detti mezzi di controllo sono configurati per calcolare una frequenza di detti impulsi e una quantit? di HC per impulso in funzione di detta temperatura del secondo SCR.

11. Sistema di propulsione veicolare comprendente un motore Diesel ed un sistema di post-trattamento dei gas di scarico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 ? 10, in cui il sistema di post-trattamento ? predisposto per trattare i gas di scarico prodotti dal motore Diesel.

12. Sistema di propulsione secondo la rivendicazione 11, in cui detti mezzi di controllo (ECU) sono ulteriormente configurati per controllare il funzionamento del motore Diesel e per monitorare e controllare il sistema di posttrattamento ed in cui i mezzi di controllo sono predisposti per comandare le post-iniezioni di carburante quando la temperatura del secondo SCR ? inferiore ad una soglia predeterminata con una quantit? di carburante iniettata funzione di una temperatura di detto secondo SCR.

13. Metodo per controllare un sistema di post-trattamento dei gas di scarico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10 comprendente le seguenti fasi:

- (Fase 1) acquisizione dei segnali in ingresso mediante misure o calcoli rappresentativi di:

o Valore di temperatura al secondo SCR

o Concentrazione di NOx nel flusso di scarico a motore spento

o Portata massica dei gas di scarico

o Coppia del motore

o Quantit? di carburante iniettato nella camera di combustione

o Contenuto di ossigeno nei gas di scarico

- (Fase 2) utilizzando i segnali di ingresso da (fase 1) per calcolare il ?potenziale di riduzione di N2O?, definito come la capacit? del secondo SCR di ridurre N2O alle condizioni attuali,

- (Fase 3) utilizzando i segnali di ingresso da (fase 1), calcolo dello "sforzo di trattamento HC", definito come la quantit? di idrocarburi necessaria per ripristinare completamente il potenziale di riduzione di N2O del secondo SCR alla sua massima capacit?, quando un idrocarburo l'impulso viene introdotto nelle condizioni attuali;

- (Fase 4) sulla base dei calcoli delle fasi 2 e 3, decisione se ? necessario un impulso di idrocarburi o se tale impulso di idrocarburi pu? essere posticipato;

se (step 4 = si) si decide di introdurre un impulso HC, - (Fase 5) avviare gli impulsi di iniezione per introdurre la quantit? di HC calcolata (nella fase 3) e attendere che tale quantit? sia stata iniettata completamente, quindi - (Step 6) si esegue il reset delle acquisizioni e dei calcoli precedenti e si torna all'inizio (Step 1);

- in caso contrario, se (passo 4 = no) si decide di posticipare l'introduzione di un impulso HC, l'iterazione torna direttamente all'inizio (passo 1).