ITMI980398A1 - Procedimento e dispositivo per ridurre sostanze nocive in gas di scarico di combustione di motori a combustione con catalizzatori dei - Google Patents

Procedimento e dispositivo per ridurre sostanze nocive in gas di scarico di combustione di motori a combustione con catalizzatori dei

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ITMI980398A1
ITMI980398A1 IT98MI000398A ITMI980398A ITMI980398A1 IT MI980398 A1 ITMI980398 A1 IT MI980398A1 IT 98MI000398 A IT98MI000398 A IT 98MI000398A IT MI980398 A ITMI980398 A IT MI980398A IT MI980398 A1 ITMI980398 A1 IT MI980398A1
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Description

DESCRIZIONE
Stato della tecnica
L 'invenzione riguarda in primo luogo un prò sedimento per ridurre sostanze nocive in gas di scari co di combustione di motori a combustione con catalizzatori dei gas di scarico, specialmente di autoveicoli, laddove il gas di scarico del motore a combustione in dipendenza del suo stato di esercizio viene addot ta aria secondaria mediante ima pompa dell'aria secondaria.
Circa l'80% dell' emissione complessiva di monossido di carbonio CO e di idrocarburi HC di un motore a combustione conformemente all'esperienza in prova (ad esempio FTP 75) vengono emessi durante i primi 120 secondi.La causa di iò è in primo luogo una cattiva preparazione della miscela nel motore freddo in secondo luogo una carente quota di conversionne del catalizzatore non ancora operante a temperatura di esercizio..Per ovviare a questo problema pertanto è necessario tentare di ridurre il tempo di avvia mento del catalizzatore, ossia il tempo che trascor re fino a quando i catalizzatore raggiunge la sua temperatura di esercizio, poichè in tal modo è possibile ottenere una decisa riduzione dell'emissione di sostanze nocive.
Si può ottenere ciò ad esempio in quanto al gas di scarico a monte del catalizzatore per mezzo di una pompa dell' aria secondaria oppure una soffiante dell 'aria secondaria viene addotta aria ambiente. Un procedimento di tale tipo per ridurre sostanze nocive in gas di scarico di combustione di motori a combutione ed un dispositivo per attuare questo procedimento risultano ad esempio dal DE-41 41 946 A1.
In tal caso al gas di scarico del motore a combustione a monte del catalizzatore, in dipendenza del suo stato di esercizio, mediante la pompa dell'aria secondaria viene addotta aria secondaria per aumentare la temperatura del gas di scarico. Ad esempio ciò avviene in quanto nel caso di un impostazione grassa di funzionamento a caldo (eccesso di combustibile) per breve tempo dopo l'avviamento viene insufflata aria nel sistema dei gas di scarico a monte del catalizzatore. Questo eccesso di aria nel caso di un sufficiente livello di temperatura porta ad una ossi dazione HC e CO nel sistema di scarico e quindi una desiderata piu alta temperatura del gas di scarico Il gas di scarico più caldo provoca ora da parte sua l fatto che l catalizzatore raggiunge più rapidamente la sua temperatura di esercizio
Sono inoltre noti procedimenti, che mediante aggiunta di ossigeno puro O2 all'aria fresa aspirata raggiungono un aumento della temperatura del gas di scarico e quindi una riduzione del tempo di avviamen to del catalizzatore
Un procedimento di tale tipo per ridurre sostanze nocive in gas di scarico di combustione di mo tori a combustione ed un dispositivo per attuare questo procedimento risultano ad esempio dal DE 4404681 C1. Al riguardo è previsto che i ottenga un arricchimento con ossigeno O2 dell'aria di aspirazione mediante una membrana che è disposta in una camera ed è permeabil soltanto per molecole di ossigeno O2.
Per un procedimento di tale tipo è problema tico che tutto il comando del motore dovrà essere a dattato ad un'aria di aspirazione arricchita con O2 Per questo motivo sono necessari considerevoli inter venti di comando del motore.Da ultimo è necessario modificare l'intero management di n motore a combustione.
L 'invenzione si pone pertanto il compito di sviluppare ulteriormente un procedimento per ridurre sostanze nocive in gas di scarico di ombustione di motori a combustione con catalizzatori dei gas di scarico del genere in questione, in modo tale che con la realizzazione tecnica il più possibile semplice s rende possibile una riduzione del tempo di avviamento del catalizzatore e quindi una decisa riduzione delle sostanze nocive in gas di scarico di combustione, Vantaggi dell'invenzione
Per un procedimento per ridurre sostanze no cive in gas di scarico di combustione di motori a combustione can catalizzatore del genere descritto all' inizio questo problema viene risolto secondo l'linvenzione per il fatto che il tenore di ossigeno O2 dell aria secondaria addotta viene aumentato Con un au— mento del tenore di O2 dell 'aria secondaria addotta, ossia mediante un arricchimento co O 2del gas di scarico a monte del catalizzatore, vengono migliorate le condizioni di ossidazione a monte del e ne cata lizzatore in maniera assai vantaggiosa, per cui viene ridotto il tempo di av iamento del catalizzatore ed in tal modo si ottiene una riduzione di sostanze nocive in gas di scarico o di combustione Inoltre è particolarmente vantaggioso che con un aumento de t nore di ossigeno dell'aria insufflata è possibile ri durre complessivamente la corrente di olume. In tal modo si riduce anche il raffreddamento del gas di scarico del motore, l che infleunza pure assai vantaggiosamente un ridotto tempo di avviamento del catalizzatore.
Al livello puramente di principio sono pensa bili le più diverse forme di realizzazione per aumentare il tenore di ossigeno nell'aria secondaria.
Così l'ossigeno ad esempio può essere preleveto da una bombola di gas montata nell'autoveicolo, ed essere addotto alla pompa dell'aria secondaria, In questo caso è necessario sostituire una bombola di gas compresso ossigeno, completamente,svuotata, oppure caricarla di nuovo, il che richiede un consid revole dispendiotecnico ed infrastrutturale Pertanto una forma di realizzazione art -colarmente vantaggiosa prevede che l'aria secondaria per aumentare il tenore di O viene fatta passare attraverso una membrana, disposta in una camera e per— meabile soltanto per molecole di ossigeno, un cosiddetto modulo di separazipne. n tal modo mediante il modulo di separazione a bordo del veicolo, in dipenden za del fabbisogno, è possibile produrre continuament aria secondaria arricchita con O e addurla al gas di scarico. Pertanto si può fare completamente a meno ad esempio di bombole di gas compresso ossigeno o si milari.
Un'altra forma di realizzazione assai vantaggiosa del procedimento prevede che l'aria secondaria arricchita con O 2dopo la produzione del modulo di separazione e prima della miscelazione con il gas di scarico del motore a combustione venga immagazzinata temporaneamente in un primo momento in un serbatoio a pressione o venga addotta al gas di scarico in dipendenza dellostato di esercizio in un successivo ciclo di esercizio. In tal modo si può attuare un ar, ricchimento con O2 dell'aria secondaria, da addurre successivamente al gas di scarico, in stati di esercizio in cui non è necessario alcun insufflaggio di aria secondaria ad esempio nel funzionamento a pieno carico del veicolo. In successivi cicli di esercizio ad esempio nel caso di un avviamento a freddo oppure nella fase di avviamento a caldo, è possibile addurre al gas di scarico quindi l'aria secondaria immagazzinata temporaneamente ed arricchita con 0
La membrana ad esempio può essere fatta con una ceramica a conduzione mista richiedente un gra— diente di tensione parziale di 02 sulla membrana come forza,propellente. Pertanto per evitare una soffiante supplementare in una forma di realizzazione vantaggiosa è previsto che mediante la pompa dell'aria seconda ria venga prodotto un gradiente di tensione parziale necessario in corrispondenza della membrana. Inoltre l'invenzione riguarda un dispositivo per ridurre sostanze nocive in gas di scarico di com-
bustione di motori a combustione con catalizzatori
prendente una pompa dell'aria secondaria,mediante la quale al gas di scarico del motore a combustione a monte del catalizzatore dei gas di scàrico in dipendenza dello stato di esercizio del motore a combustione è possibile addurre aria secondaria.
Alla base di ciò sta il compito di indicareun dispositivo del genere in quest one che on dispendio tecnico il più possibile modesto consente una piu efficace riduzione delle sostanze nocive di gas di scarico di combustione.
Per risolvere questo problema per un disposi tivo per ridurre sostanze nocive in gas di scarico di combustione di motori a combustione con catalizzatori dei gas di scarico del genere precedentemente descritto secondo l'invenzione sono previsti mezzi con i quali è possibile un arricchimento con ossgeno O dell' aria secondaria.
In una forma di realizzazione vantaggiosa è pravisto che questi mezzi comprendono almeno una membrana (modulo di eparazione) che è disposta in una camera ed è permeabile soltanto per molecole di ossigeno. In tal modo è possibile attuare un arricchimento con ossigeno a bordo di un autoveicolo.
Vantaggiosamente è previsto che il,modulo di separazione sia inserito a valle della pompa dell aria secondaria . In tal modo è possibile impiegare la pressione, formata dalla pompa dell'aria secondaria per produrre un gradiente di tensione parziale. necessario ad esempio nel caso di una membrana,f atta di ceramica a conduzione mista, per l'arricchimento con 0 .Per immagazzinare l'aria arricchita con O2 per successivi cicli di esercizio del motore a combustione a valle,del modulo di separazione è inserito un serbatoio a pressione, in cui temporaneamente è immagazzinabile l'aria arricchita con O2.
Disegno,
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell' invenzione formano oggetto della seguente descrizione,nonchè della rappresentazione grafica di alcuni esempi di realizzazione.
In particolare:
la figura 1 ostra la rappresentazione parzialmente in spaccato di un primo esempio di realizzazione di un dispositivo secondo l'intenzione per ridurre sostanze nocive in gas di scarico di combustione di motori a combustione con catalizzatori dei gas di scarico,
la figura 2 mostra una rappresentazione parzialmente in spaccato di un secondo esempio di rea— lizzazione di un dispositivo secondo l'invenzione per ridurre sostanze nocive in gas di scarico di combustione di motori a combustione con catalizzatori dei gas di scarico, e
la figura 3 mostra una rappresentazione par. zialmente in spaccato di un terzo esempio di realizzazione di un dispositivo secondo l'invenzione per ridurre sostanze nocive in gas di scarico di combustione di motori a combustione.
Descrizione degli esempi di realizzazione
Un primo esempio di realizzazione di un di— spositivo secondo l'invenzione per ridurre sostanze nocive in gas di scarico di combustione di un motore a combustione 10, comprende una pompa 20 dell'aria secondaria, alla quale viene addotta aria ambiente, arricchita con ossigeno, rappresentata sche maticamente per mezzo di una freccia indicata con 22. L'ossigeno oppure l'aria arricchita con ossigeno in tal caso viene prelevata ad esempio da un immagazzi natore a pressione (non rappresentato) e tramite un dispositivo miscelatore viene miscelata all'aria am biente. L'ossigeno ad esempio viene prelevato da un serbatoio dell'ossigeno disposto a bordo di un autoveicolo (non rappresentato), oppure può essere prodotto a bordo di un veicolo nel modo da descrivere ulteriormente in seguito.
Il comando della quantità di insufflaggio avviene per mezzo di una valvola secondaria 30, comandabile da un comando otore (non rappresentato) e corrispondentemente alla quantità di ossigeno l ' aria di insufflaggio viene preassegnata dal comando motore.In tal caso di volta in volta si parte da un rapporto di iscelazione fisso.
L'aria arricchita con ossigeno tramite un canale 40 viene addotta al canale 50 del gas di sca rico del motore endotermico 10 a monte del catalizzatore 52.
Adducendo l'aria arricchita con ossigeno si ottengono nel canale 50 dei gas di scarico reazioni esotermiche, che portano ad un riscaldamento del catalizzatore e pertanto ad una riduzione del tempo di avviamento del catalizzatore, ossia del tempo che trascorre fino a quando il catalizzatore ad esempio nel caso di un avviamento a freddo raggiunge la sua temperatura di esercizio.
In un secondo esempio di realizzazione, rappresentato nella figura 2, gli elementi identici a quelli d e1 primo sono dotati degli stessi contrassegni, cosicché relativamente alla loro descrizione si fa completamente riferimento alle indicazioni relative al primo esempio di realizzazione.
A differenza del primo esempio di realizzazione per il secondo esempio di realizzazione rappresentato in figura 2 a valle della pompa 20 dell' aria secondaria è inserito un modulo di separazione 70. Con questo modulo di separazione 70 comprendent una membrana disposta in una camera e permeabile soltanto per molecole di ossigeno,l'aria arricchìta con ossigeno e necessaria per l'insuffiaggio viene prodotta a bordo del veicolo, e precisamente sol tanto durante l'inserimento della soffiante 20 dell aria secondaria. In tal modo tutte le volte in cui viene inserita la soffiante dell'aria secondaria si ottiene contemporaneamente anche un arricchimento con ossigeno dell'aria secondaria.
L'esempio di realizzazione rappresentato in figura 3 si distingue dall'esempio di realizzazione rappresentato in figura2 in quanto a valle del modulo di separazione 70 è inserito un serbatoio a pressione 80, nel quale viene temporaneamente imma gazzinata l'aria secondaria, prodotta mediante il modulo di separazione 70 ed arricchita con ossigeno, per poter essere addotta al gas di scarico in un successivo ciclo di esercizio, ad esempio nella fase di avviamento a freddo del motore a combustione. In particolare vantaggiosamente la pompa dell'aria seconda ria viene inserita in stati di esercizio, nei quali non è necessario affatto un insufflaggìo dell'aria secondaria. Essa può essere impiegata anche nell'esercizio permanente.
Vantaggiosamente la pompa dell'aria secondaria viene inserita in cicli di esercizio con ecce denza di energia, ad esempio nella fase di rilascio oppure quando si frena l'autoveicolo. In tal modo si evita in particolare un maggiore consumo di combustibile per produrre aria arricchita con ossigeno. L 'insufflaggio secondario può essere attuato, senza funzionamento della pompa dell'aria secondaria, con comando tramite la valvola 30 di insufflaggìo dell' aria secondaria, per produrre l'aria di insufflaggio arricchita con ossigeno nel modulo di separazione 7I si possono impiegare membrane di diverso tipo.
Ad esempio si possono impiegare membrana di ceramica di biossido di zirconio ZrO oppure di Perovskite.
L'ottenimento di ossigeno dall'aria ambient nel caso di membrane di biossido di zirconio avviene per mezzo di una differenza di tensione che è applicata sulla membrana e viene ottenuta con una corrente elettronica tramite un collegamento conduttivo esterno fra entrambi i lati della membrana. Tramite la tensione elettrica in auesto caso, specialmente senza aggiuntivo lavoro di pompaggio meccanico, è possibile ottenere una compressione dell'ssigeno O2 ricavato in tal modo. Poiché al riguardo è possibile impostare anche elevatissime pressioni (superiori a 10 bar) in funzione della tensione, si fare completamente a meno di aggiuntivi compressori per la carica del serbatoio e pressione 80.
Nel caso di membrane di ceramica a conduzione mista ad esempio membrane di Perovskite, un gradiente di tensione parziale dellossigeno da produrre sulla membrana serve da forza propellente. Questo può essere prodotto mediante la pompa 20 dell'aria secondaria·
Poiché sia membrane di biossido di zirconio sia anche membrane a conduzione mista per un impiego economico presentano opportune quote di permeazione soltanto in caso di temperature elevate (superiori a 400°C), il modulo di separazione viene disposto il più possibile in prossimità del canale 50 del gas d scarico oppure nel canale 50 del gas di scarico, per consentire così in maniera semplice un riscaldamento della membrana.
Inoltre si può ottenere un arricchimento con ossigeno mediante membrane di materia artificiale. ad esempio membrane polimere. Con membrane polimere di tale tino è possibile ottenere tenori di ossigeno fino del 40% in volume. Per il funzionamento di moduli di separazione 70 presentanti membrane polimere è necessaria una potenza di separazione meccanica nella forma di lavoro di pompaggio rispettivamente di compressione per produrre un gradiente di tensione parziale. Questo lavoro di pompaggio e di compressione ad esempio può essere prodotto mediante un adatto accoppiamento fra una pompa/un compressore ed il freno sfruttando l'energia cinetica formantesi durante la frenatura. Inoltre per produrre il gradiente di pressione si può utilizzare anche la pompa 20 dell'aria secondaria.

Claims (7)

  1. RIVENDICAZIONI 1.
  2. Procedimento per ridurre sostanze nocive in gas di scaric o di combustione di motori a combustione (10) con catalizzatori (52) dei gas di scarico, specialmente di autoveicoli, laddove al gas di scarico del motore a combustione (10) in dipendenza del suo stato di esercìzio per mezzo di una pompa (20) dell'aria secondaria viene addotta aria secondaria, caratterizzato dal fatto che viene aumentato i tenore di ossigeno O dell'aria secondaria ad otta. 2.
  3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto he l'aria secondaria per aumentare il tenore di O2 viene fatta passare attraverso una membrana (modulo di separazione 70 ) da di sporre in una camera e permeabile soltanto per mole col e di ossigeno Procedi mento secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che l'aria secondaria arricchita con O prima della miscelazione con il gas di scarico de motore (10) a combustione viene dapprima immagazzinata temporaneamente in un serbatoio a pressione (80) ed addotta al gas di scarico in dipendenza dello stato di esercizio in un successivo ciclo di esercìzio.
  4. 4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 3 caratterizzato dal fatto che mediante la pampa (20) dell'aria secondaria si produce un gradiente di tensione parziale necessario in corrispondenza della membrana.
  5. 5. Dispositivo per ridurre sostanze nocive in gas di scarico di combustione di motori a combustione (10) con catalizzatore (52) del gas di scarico specialmente di autoveicoli, comprendente una pompa (20) dell'aria secondaria, per mezzo dalla uale al gas di scarico del motore a combustione (10) a monte del catalizzatore (52)è possibile addurre aria secondari a in dipendenza dello stato di esercizio del motore a combustione (10), caratterizzato dal fatto che sono previsti mezzi consententi un arricchimento con ossigeno O2 dell'aria secondaria.
  6. 6.Dìspositivo secondo la rivendicazione 5 caratteri zzato dal fatto che i mezzi comprendono almeno una membrana (modulo di separazione 70) che è disposto in una camera ed è permeabile soltanto per molecole di ossigeno.
  7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 5 oppure 6, caratterizzato dal fatto che il modulo i separazione (70)è inserito a valle ella pompa (20) dell'aria secondaria. .Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 5 fino a 7, caratterizzato dal fatto che a valle del modulo di separazione (70) è inserito un serbatoio a pressione (80), nel quale è possibile immagazzinare temporaneamente l 'aria secondaria arricchita con O2.
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