MX2012012110A - Montaje y metodo para reducir los oxidos de nitrogeno, monoxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de los motores de combustion interna. - Google Patents

Abstract

Un montaje y un método para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de los motores de combustión interna, en donde los gases de escape actúan en un convertidor catalítico de la primera etapa. Una primera porción de la salida del convertidor catalítico de la primera etapa se enfría y una segunda porción de la salida del convertidor catalítico no se enfría. Los gases de escape enfriados y no enfriados son unificados y dirigidos a un convertidor catalítico de la segunda etapa. Se inyecta aire en uno seleccionado de (1) los gases de escape no enfriados antes de la unión de los mismos con los gases de escape enfriados, y (2) los gases de escape enfriados y no enfriados combinados, después de la unión de los mismos.

Description

MONTAJE Y MÉTODO PARA REDUCIR LOS ÓXIDOS DE NITRÓGENO , MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBUROS EN LOS GASES DE ESCAPE DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA REFERENCIA A LA SOLICITUD RELACIONADA Esta solicitud reclama la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos 61/343,392, presentada en Abril 28 del 2010, a nombre de Joseph B. Gehret, Robert A. Panora y Ranson Roser.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Campo de la invención Esta invención se relaciona con el tratamiento de los gases de escape de los motores de combustión interna, y más particularmente, con la reducción de los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos que prevalecen en los gases de escape de los motores de combustión interna, particularmente los motores de combustión interna encendidos con chispa, alimentados con combustible gaseoso.

Descripción de la técnica previa Los motores de combustión interna (IC) encendidos con chispa (SI), operados con combustibles gaseosos, producen pequeñas cantidades de compuestos químicos indeseables en la cámara de combustión, compuestos que son expulsados del motor a altas temperaturas ( 426.66° -676.66°C) (800°-1250°F) . Para los combustibles compuestos principalmente de metano y otros hidrocarburos ligeros, los compuestos químicos regulados comúnmente son óxidos de nitrógeno (NO, 02 o generalmente NOx) y monóxido de carbono (CO) . Los óxidos de nitrógeno se forman cuando el nitrógeno (N2) , un componente principal del aire, reacciona con el oxígeno (02) , otro componente principal del aire, cuando ambos se exponen a altas temperaturas y presiones en una cámara de combustión del motor. El monóxido de carbono, por otra parte, es la consecuencia de la falla del combustible en reaccionar completamente con el oxígeno, resultando en la formación de dióxido de carbono (C02) . El CO y los NOx son contaminantes problemáticos, puesto que sus valores regulados en muchas regiones geográficas están fijos en, o por debajo de los límites de la tecnología actual.

En las regiones reguladas de manera estricta, la práctica actual para controlar las emisiones de los motores SI/IC alimentados con combustibles ricos en metano (gas natural, biocombustibles, gas de vertederos públicos, etc.), es instalar sistemas en el conducto de escape del motor para eliminar, al grado requerido por las regulaciones, tales compuestos químicos. Para los motores más pequeños (menos de 1000 bhp) , el sistema de tratamiento posterior común es un catalizador de una sola etapa. En estos sistemas pequeños, los productos de la combustión que salen del motor, son impulsados a través de un monolito de catalizador (estructura de panal de abeja con un recubrimiento de metal precioso) , que facilita las reacciones de oxidación y reducción deseadas : NOx produce N2 + 02 CO + 02 produce C02 Los óxidos de nitrógeno son reducidos a nitrógeno gaseoso (N2) y oxigeno (O2) , ambos benignos, mientras que el monóxido de carbono (CO) , se oxida completamente, formando dióxido de carbono (C02) , de igual manera no dañino y no regulado.

Los sistemas de emisiones basados en catalizadores actuales, se basan en un control muy exacto de los parámetros de operación del motor, para maximizar la eficiencia de la conversión de las reacciones indicadas anteriormente. De manera especifica, la eliminación simultánea de NOx y CO a través de tales reacciones en un convertidor catalítico, requiere una ventana de operación precisa del proceso de combustión del motor, con relación a la mezcla de aire y combustible. Esto se describe en la Figura 1 para un motor SI/IC típico. Como se muestra, las mezclas ricas resultan en bajos NOx fuera del catalizador pero alto CO, mientras que las mezclas pobres resultan en bajo CO, pero altos NOx. De ¦la Figura 1, es evidente que la limpieza simultánea de NOx y CO, requiere que la relación de aire/combustible (AFR) del motor, se controle de manera precisa en la región estrecha alrededor de la relación aire/combustible estequiométrica . El cumplimiento de ambos contaminantes regulados puede sólo mantenerse cuando la estequiometría de la combustión se mantiene dentro de los puntos A y B de la Figura 1. La mezcla de combustión aceptable para lograr los estándares de las emisiones incrementadamente estrictos, requiere que la relación de aire/combustible del motor se controle dentro de límites estrechos.

Refiriéndose todavía a la Figura 1, se describen las emisiones típicas del motor como una función de la AFR del motor SI/IC equipado con un catalizador de tres vías, único o múltiple (T C) . El cumplimiento con los límites regulados para CO y NOx, requiere que la AFR del motor se mantenga entre los puntos A y B de la Figura 1, una banda que representa aproximadamente la AFR estequiométrica.

Los motores SI/IC estacionarios que operan en la mayoría de las aplicaciones en los Estados Unidos y en cualquier otro lugar, son altamente regulados con relación a las emisiones permisibles de CO y NOx, que se están volviendo cada vez más controladas. De manera más notable, el Comité de Recursos de Aire de California (CARB) , recomienda ahora limites de 0.07 lb/ Wh y 0.1 lb/ Wh de CO como parte de su estándar del 2007 para aplicaciones Combinadas de Calor y Energía (CHP) . Aplicando un crédito de recuperación de calor para mantener un mínimo de 60% de eficiencia total del sistema y suponiendo una eficiencia eléctrica del 27%, los límites de las emisiones indicados en términos de la concentración real en el gases de escape, son 3.7 PPM de NOx y 8.9 PPM de CO. Como se utiliza en la presente, "PPM" significa partes por millón por volumen corregidas por un factor de dilución del aire estándar (equivalente a 15% de oxígeno) . El área del Sur de California bajo la jurisdicción del Distrito de Manejo de la Calidad del Aire de la Costa Sur (SCAQMD) , ha adoptado el estándar "CARB 2007" para el NOx, mientras que restringe las emisiones de CO a un valor cercano al límite de CARB. Otras regiones en California, de igual manera están adoptando estándares similares, mientras que otras regiones del país están aplicando por fases, las regulaciones que se aproximan a los estándares CARB 2007 (MA, NY y NJ, por ejemplo) .

El cumplimiento con los estándares más recientes requiere una eficiencia de la conversión extremadamente alta en el catalizador para el CO y los NOx. Se requieren monolitos de conversión extragrandes, además de una precisión extrema en el control de la mezcla de aire/combustible.

La Figura 2 describe la precisión del control de la AFR en estado continuo para un motor estándar (modelo TecoDrive 7400)·, que utiliza un sistema TWC dimensionado para cumplir con CARB 2007, como se indica por una salida en milivolt (mV) del sensor del oxigeno gaseoso del escape calentado en una banda estrecha del precatalizador, que el controlador de AFR mantiene via un control de AFR en estado continuo (sin perturbaciones). Como se muestra en la Figura 2, la mezcla de combustión del motor (relación de aire a combustible) , es aceptable para el desempeño del catalizador para los limites regulados, sólo cuando la señal de un sensor lambda estándar en el conducto de escape se mantiene entre 680 y 694 mV. Por encima de este intervalo, la concentración de CO que sale del catalizador, excede del limite SCAQMD de 8.9 PPM, mientras que por debajo de este intervalo, los NOx excederán rápidamente el limite de 3.7 PPM. Los limites mostrados en la Figura 2 son aquéllos de CARB 2007, con un crédito para una recuperación de calor del motor, de manera que 60% del contenido de calor del combustible se utiliza a propósito como energía eléctrica o energía térmica recuperada. Con el fin de mantener el cumplimiento, la mezcla de aire de combustión a combustible debe mantenerse dentro de la ventana de 14 mV para el ejemplo mostrado.

Un posible método para expandir la ventana de control para la operación del motor para lograr emisiones aceptables tanto para el CO como los NOx, es modificar el sistema, de manera que se utilizan dos etapas de los sistemas de catalizador, cada uno que opera en atmósferas químicas claramente diferentes. Los sistemas de catalizador iniciales utilizaban comúnmente un diseño de dos etapas con inyección de aire interetapa. En esta época, se empleaban monolitos de catalizador de un solo propósito, oxidación o reducción, pero no ambos. Posteriormente, conforme se desarrollaron los catalizadores de una sola etapa (TWC) con múltiples propósitos, éstos se volvieron el estilo dominante. Los sistemas de dos etapas iniciales se empleaban en motores SI/IC estacionarios alimentados con combustible gaseoso, con éxito, pero bajo estándares mucho menos estrictos. Supuestamente, los problemas de reformación de los NOx encontrados con los sistemas de dos etapas, estuvieron presentes en la etapa inicial, pero no tenían consecuencias con relación a los límites regulados en ese momento.

La Figura 3 describe el arreglo descrito anteriormente. Como se muestra, dos etapas del catalizador se instalan en un sistema de escape en serie. El aire se bombea hacia la corriente de escape entre la etapa uno (CAT 1) y la etapa 2 (CAT 2), y se mezcla completamente. La relación de aire a combustible del motor se mantiene para facilitar la eliminación efectiva de los NOx en la primera etapa. El aire inyectado hacia el escape, resulta en un medio oxidante en la segunda etapa del catalizador, desviado hacia la oxidación de CO a CO2, incluso si la AFR del motor está fuera de la ventana de operación aceptable en el lado rico, un beneficio altamente significativo.

Las pruebas que utilizan el sistema de dos etapas, demostraron que la estrategia de dos etapas con inyección de aire no es sólo inefectiva, sino realmente perjudicial para el desempeño del catalizador. Se encontró que las emisiones de NOx del sistema de dos etapas eran generalmente mayores que en el sistema de una sola etapa, de un tamaño y carga del material de catalizador comparables. Este resultado sorprendente indicó que existe un mecanismo, de manera que los NOx se forman en la segunda etapa, hecho posible por el medio rico en oxigeno, junto con las condiciones que conducen a la reacción química, es decir, alta temperatura y una abundancia de material catalítico.

Un objeto de la invención es, por lo tanto, proporcionar montajes y métodos para retirar de manera consistente y confiable los óxidos de nitrógeno y el monóxido de carbono de los gases de escape de los motores de combustión interna alimentados con combustible gaseoso, encendidos con chispa.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Con los objetos anteriores y otros en vista, una característica de la invención es la provisión de montajes y métodos para reducir de manera efectiva los óxidos de nitrógeno, el monóxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de un motor de combustión interna alimentado con combustible gaseoso, encendido con chispa, presentando los gases que entran a una segunda etapa del convertidor catalítico a una temperatura menor.

De acuerdo con la invención, los gases que entran a la segunda etapa del convertidor catalítico se enfrían inmediatamente después de la etapa uno, de temperaturas extremadamente altas que salen normalmente del motor (426.66°-676.66°C) (800°-1250°F) a un valor menor. Una temperatura intermedia, o intervalo de temperaturas, proporciona las reacciones químicas deseables (eliminación de CO e hidrocarburos) , y son altamente favorecidas con respecto a aquéllas que son indeseables debido a la formación de los NOx. Esto se considera como un procedimiento particularmente viable en las aplicaciones que combinan el calor y la energía (CHP) , puesto que los gases son enfriados en el proceso de recuperación del calor. El hacer esto en una aplicación de CHP, requiere sólo que (1) la etapa de enfriamiento se reoriente para enfriar entre las etapas, y (2) la efectividad 1 del enfriamiento se altere para residir en un intervalo de temperatura favorable.

Las características anteriores y otras de la invención, incluyendo varios detalles novedosos de construcción y combinaciones de partes y pasos del método, se describirán ahora más particularmente con referencia a los dibujos acompañantes, y se indican en las reivindicaciones. Se entenderá que los montajes y métodos particulares que incorporan la invención, se muestran a manera de ilustración únicamente, y no como limitaciones de la invención. Los principios y características de esta invención pueden emplearse en varias y numerosas modalidades, sin apartarse del alcance de la invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Se hace referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales se muestran las modalidades ilustrativas de la invención, de las cuales serán evidentes de las características y ventajas novedosas.

En los dibujos: La Figura 1 es una gráfica que describe las relaciones de la técnica previa entre los óxidos de nitrógeno y el monóxido de carbono presentes en los gases de escape del motor, dentro y más allá de los intervalos aceptables, dada una relación de aire/combustible controlada de manera precisa; La Figura 2 es una gráfica que ilustra la precisión del control de la relación de aire/combustible en estado continuo de la técnica previa, requerida para un motor estándar, utilizando un catalizador de tres vías; La Figura 3 es una descripción esquemática de un sistema de catalizador de dos etapas de la técnica previa con una inyección de aire interetapa; La Figura 4 es una descripción esquemática de un montaje y método para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de un motor, de acuerdo con una modalidad de la invención; La Figura 4A es una descripción esquemática de un montaje alterno; La Figura 5 es una gráfica que ilustra los resultados de la Prueba 1 descrita aquí posteriormente; La Figura 6 es una gráfica similar a la Figura 5, pero que ilustra las reducciones marcadamente diferentes y mejoradas en gran medida, de los óxidos de nitrógeno y el monóxido de carbono en el uso del montaje de la Figura 4; La Figura 7 es una gráfica que muestra que incluso con un mal ajuste del controlador de la relación de aire a combustible, los montajes y métodos inventivos proporcionan emisiones menores y una tolerancia mayor para las excursiones en las relaciones de aire a combustible del motor; La Figura 8 es una descripción esquemática de un montaje y método adicionales, para reducir las emisiones de los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en los motores de combustión interna; y La Figura 8A es una descripción esquemática de aún otro montaje alterno.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS La prueba de un sistema con dos etapas con enfriamiento interetapa se realizó utilizando un aparato descrito en la Figura 4. Como se muestra en la Figura, los gases de escape del motor salen de un motor 20, y son canalizados por un conducto de los gases de escape 22 a la primera etapa de un convertidor catalítico 24, que tiene al menos uno, y de manera preferida dos convertidores catalíticos, Cat la y Cat Ib. Se prefieren dos elementos catalíticos, en lugar de uno, para lograr un alto desempeño en la primera etapa 24, con relación a la eliminación de los NOx. Un solo elemento del convertidor catalítico funciona bien para el sistema descrito, con un desempeño ligeramente comprometido de la primera etapa 24.

Los gases de combustión del motor 20 entran en la primera etapa 24 a una temperatura de escape del motor normal (aproximadamente 648.88°C (1200°F)), después de lo cual, el flujo de escape se divide en dos corrientes 26, 28. Una corriente 26 se enfria a aproximadamente 137.77°C (280°F) conforme pasa sobre medios de enfriamiento 30, o a través de un conducto sometido a un medio de enfriamiento inyectado, adaptado para evaporarse y reducir sustancialmente la temperatura de la corriente. La otra corriente 28 circunvala las espiras de enfriamiento 30 y se inyecta con una cantidad controlada de aire de un inyector de aire 32. Las dos corrientes 26, 28 se reúnen, en una junta 34, a continuación se envían a una segunda etapa catalítica (Cat. 2) 46. El grado de enfriamiento de los gases de escape puede ajustarse con una válvula que ajusta la temperatura 36.

Se realizaron tres pruebas con este aparato, que demuestran la invención descrita, las pruebas se resumen a continuación .

Prueba 1.

En un primer experimento, el motor 20 se operó a un alto rendimiento (156 bhp y 2500 rpm) y se alimentó con gas natural. La válvula que ajusta la temperatura 36, se ajustó de manera que la mayoría de los gases circunvalaban las espiras de enfriamiento 30. Bajo la operación del motor en estado continuo, y con la AFR del motor fija a una condición que favorece la reducción del NOx fuera de los catalizadores 24 de la Etapa 1, se inició el experimento resumido en la Figura 5.

Durante los primeros 200 segundos y sin inyección de aire interetapa, las concentraciones de NOx, CO y 02 en el sistema de escape, asi como la temperatura de escape interetapa ("Tmix") , se midieron en la abertura SI (Figura 4) . En este marco de tiempo, y con el muestreo en SI, las emisiones de NOx estuvieron por debajo del limite de cumplimiento, mientras que los valores de CO no estaban en cumplimiento. Además, la temperatura de escape interetapa era alta, como se esperaba (aproximadamente 426.66°C (800°F) , mientras que la concentración de 02 era muy cercana a cero, indicativo de una operación casi estequiométrica . A los 200 segundos y en la preparación del inicio de la inyección de aire, la abertura de muestreo se movió a S2 (Figura 4), inmediatamente después de la segunda etapa (Cat 2). Como se esperaba, las concentraciones de CO y NOx medidas después de la segunda etapa, fueron modestamente menores, con el beneficio del elemento del catalizador adicional.

A los 520 segundos se inició la inyección de aire interetapa, como se indica claramente en la Figura 5 por el cambio del paso en la concentración de 02 en la abertura S2. El CO disminuyó inmediatamente a casi cero, ,pero los niveles de NOx se incrementaron abruptamente, demostrando el resultado decepcionante obtenido en el pasado, sin el beneficio de esta invención.

Conforme la inyección de aire se incrementó gradualmente a 800, 1100 y 1400 segundos, los NOx mejoraron ligeramente, pero se mantuvieron altamente sin cumplimiento. A los 1660 segundos, se hizo un cambio en la combustión del motor a un valor más rico, lo que sólo empeoró las emisiones de NOx.

A 1950 segundos, la inyección de aire se interrumpió, regresando esencialmente el proceso a una sola etapa. En este segmento de tiempo final, la operación como un sistema de una sola etapa con una AFR rica, la concentración de NOx se midió como baja, mientras que el CO se encontró alto, el resultado esperado (véase la Figura 1) .

Prueba 2.

En un segundo experimento, la Prueba 1 se repitió, pero con el enfriamiento interetapa incrementado para lograr valores de "Tmix" menores (intervalo de 204.44°C (400°F)). Los resultados, mostrados en la Figura 6, son marcadamente diferentes. Cuando la inyección de aire comenzó a 550 segundos, la concentración de NOx disminuyó de 0.5 PPM a aproximadamente la mitad del valor, mientras que el CO de igual manera, se redujo a concentraciones muy por debajo de los limites del cumplimiento. La prueba del cumplimiento se basa en la fecha con promedio de tiempo tomada en intervalos extendidos con picos a corto plazo, tales como aquéllos observados en la Prueba 2 (Figura 6) , y que son permitidos siempre que no sean excesivos.

La inyección de aire, que tuvo un efecto sustancialmente negativo en las emisiones a la temperatura mayor, fue altamente efectiva para mejorar el proceso cuando el enfriamiento interetapa se incrementó sustancialmente. Es importante que la reducción de NOx no se anticipara, y es un beneficio muy significativo del proceso.

Prueba 3.

En una tercera prueba, el sistema se ajustó primero a una condición de estado continuo, que proporcionó un desempeño casi óptimo, a saber, enfriamiento interetapa a aproximadamente 271.11°C (520°F) con inyección de aire igual a aproximadamente 1% del aire de combustión primario. A continuación, un controlador de la relación de aire a combustible del motor se ajustó a gradualmente a puntos de operación en estado continuo alternos, tanto más ricos como más pobres, para determinar la tolerancia del proceso al mal ajuste. Los resultados, mostrados en la Figura 7, indican que- el proceso cumplió de manera exitosa con las lecturas del sensor lambda de 660 mV a más de 692 mV, esencialmente duplicando la ventana de cumplimiento del sistema de catalizador de una sola etapa.

El nuevo montaje y método proporcionan asi, tanto emisiones menores como mayor tolerancia para las excursiones en los motores con una relación de aire-combustible bajo control del combustible en estado continuo (sin perturbaciones) . El mismo fenómeno y conclusiones son aplicables a las estrategias de control del combustible con perturbaciones, pero con incrementos en la ventana de cumplimiento de la AFR, medido por el oxigeno del escape o los sensores lamda postcatalizador.

Se proporciona asi por la presente invención, un montaje 10, mostrado en la Figura 4, para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de un motor de combustión interna. El montaje comprende un primer conducto de escape 22 que tiene un extremo que recibe el escape para conectarse a, y extenderse desde un motor de combustión interna 20, medios del convertidor catalítico de la primera etapa 24 en comunicación con un extremo de distribución del primer conducto de escape 22, medios de enfriamiento, tales como espiras de enfriamiento 30, colocados en los medios del convertidor catalítico de la primera etapa 24 para enfriar una primera porción de los gases de escape del motor, recibida del primer conducto de escape 22.

El montaje incluye además, un primer conducto de salida 27 para facilitar el movimiento de la corriente de la primera porción enfriada 26 de los gases de escape del motor de los medios del convertidor catalítico de la primera etapa 24, un segundo conducto de salida 29 para facilitar el movimiento de la segunda corriente 28 de gases de escape del motor, recibida de los medios del convertidor catalítico de la primera etapa 24, un conducto de inyección de aire 37 que recibe el aire del inyector de aire 32 y que está en comunicación con el segundo conducto de salida 29 para enfriar la segunda porción de los gases de escape del motor, un segundo conducto de los gases de escape 33 en comunicación con el primer conducto de salida 27 y el conducto de inyección de aire 37, y un convertidor catalítico de la segunda etapa 46 en comunicación con el segundo conducto de los gases de escape 33 y que tiene una salida que emite gases de escape 48. El primer conducto de salida 27 puede proporcionarse opcionalmente con una válvula de ajuste de la temperatura 36.

En la operación del montaje de la Figura 4, los gases de escape del motor 20 pasan a través del primer conducto de escape 22 y hacia los medios del convertidor catalítico de la primera etapa 24, en donde una porción 26 de los gases de escape se enfría y pasa al primer conducto de salida 27. Una segunda porción 28 de los gases de escape no se enfría sustancialmente y pasa hacia el segundo conducto de El inyector de aire 32 inyecta aire hacia el segundo conducto de salida 29. Los gases de escape calientes de la segunda corriente de gases de escape 28 y el aire inyectado proceden a través del conducto de inyección de aire 37 y se unen con la corriente enfriada 26 de los gases de escape y proceden a la segunda etapa del convertidor catalítico 46 y salen de la misma en la salida 48.

Se proporciona además, una modalidad alterna 15 del montaje para reducir óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de un motor de combustión interna, el montaje alterno 15 se muestra en la Figura 8 y comprende un primer conducto de escape 50 que tiene un extremo que recibe el escape 52 conectado a, y que se extiende desde el motor de combustión interna 20, medios del convertidor catalítico de la primera etapa 54 en comunicación con un extremo de distribución 56 del primer conducto de escape 50, medios de enfriamiento 58 en comunicación con los medios del convertidor catalítico de la primera etapa 54, para enfriar una primera porción 60 de los gases de escape del motor, recibida de los medios del convertidor catalítico de la primera etapa 54, y un conducto 62 para los gases de escape enfriados, el conducto 62 se extiende desde los medios de enfriamiento 58.

El montaje 15 incluye además, una derivación de los medios de enfriamiento 64 en comunicación con la salida de los medios del convertidor catalítico de la primera etapa 54 y el conducto 62 para los gases de escape enfriados.

Los medios del convertidor catalítico de la segunda etapa 66 están en comunicación con el conducto de escape enfriado 62 y el conducto de derivación de los medios de enfriamiento 64. Un conducto de inyección de aire 68 está en comunicación con el conducto de escape enfriado 62. Una salida del escape 70 se extiende desde los medios del convertidor catalítico de- la segunda etapa 66.

En la operación del montaje de la Figura 8, los gases de escape del motor 20 fluyen al convertidor catalítico de la primera etapa 54. Una primera porción de los gases de escape que dejan la primera etapa del convertidor catalítico 54 se dirige a los medios de enfriamiento 58. Una segunda porción de los gases de escape que deja la primera etapa del convertidor catalítico 54 entra al conducto de derivación de los medios de enfriamiento 64, que se une al conducto de escape enfriado 62, que sale de los medios de enfriamiento 58. El escape combinado de los medios de enfriamiento 58 y el conducto de derivación 64 se combinan, en una válvula de mezclado 72, y se someten a una inyección de aire del inyector de aire 32, y se dirigen a los medios del convertidor catalítico de la segunda etapa 66, del cual los gases de escape son emitidos a través de la salida 70, con óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono reducidos en gran medida .

Se proporciona además, en conjunto con el montaje 10, mostrado en la Figura 4, un método para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos de los gases de escape de los motores de combustión interna. El método comprende los pasos de transportar los gases de escape del motor a un convertidor catalítico de la primera etapa 24, enfriar una primera porción de los gases de escape del motor en el convertidor catalítico de la primera etapa 24 y eliminar la primera porción enfriada del convertidor catalítico a través de un primer conducto de salida de los gases de escape 27, eliminar una porción no enfriada de los gases de escape del motor del convertidor catalítico 24 a través de un segundo conducto de salida de los gases de escape 29, inyectar aire en el segundo conducto de salida 29, transportar la segunda porción no enfriada de los gases de escape del motor y el aire inyectado a través del conducto de inyección de aire 37 al primer conducto de salida de los gases de escape 27 para unirse con la primera porción enfriada de los gases de escape del motor en el conducto de inyección de aire 37.

El método comprende además, dirigir los gases de escape en el conducto de los gases de escape 33 a un convertidor catalítico de la segunda etapa 46, y descargar los gases de escape del convertidor catalítico de la segunda etapa 46, para proporcionar, por lo tanto, gases de escape del motor con menos contenido de óxidos de nitrógeno y menos contenido de monóxido de carbono.

Se proporciona además, en conjunto con el montaje 15, mostrado en la Figura 8, un método para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos de los gases de escape de los motores de combustión interna.

El método comprende los pasos de transportar los gases de escape del motor a un convertidor catalítico de la primera etapa 54 y transportar los gases de escape del motor del convertidor catalítico de la primera etapa 54 en parte a los medios de enfriamiento 58 y en parte a la derivación de los medios de enfriamiento 64, y mezclar los gases de escape de los medios de enfriamiento 58 y la derivación de los medios de enfriamiento 64 en un conducto de escape enfriado 62, inyectar aire a través de un conducto de inyección de aire 68 hacia el conducto de escape enfriado 62, y dirigir los gases de escape de los medios de enfriamiento 58, y de la derivación de los medios de enfriamiento 64, y del conducto de aire inyectado 68, a un convertidor catalítico de la segunda etapa 66,' y descargar a través de una salida 70, los gases de escape del motor así tratados, por lo que se proporcionan gases de escape del motor con menos contenido de óxidos de nitrógeno y menos contenido de monóxido de carbono.

De acuerdo con aún otra característica de la invención, se proporciona un método para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de motores de combustión interna alimentados con combustible gaseoso, encendidos con chispa. El método comprende los pasos de dirigir los gases de escape de un motor 20 a un convertidor catalítico de la primera etapa 24, 54, dirigir una primera porción de la salida del escape del convertidor catalítico de la primera etapa 24, 54 a los medios de enfriamiento 30, 58 y por lo tanto, al conducto de escape enfriado 26, 62, dirigir una segunda porción de la salida del escape del convertidor catalítico de la primera etapa 24, 54 a un conducto de los gases de escape no enfriado 28, 64, unificar la primera y segunda porciones de gases de escape y dirigir la primera y segunda porciones unificadas a un segundo convertidor catalítico 46, 66 e inyectar aire en uno seleccionado de (1) el conducto de escape no enfriado 29 y (2) los gases de escape enfriados y no enfriados unificados después de la unificación de los mismos.

En una modalidad alterna 16 del sistema de la Figura 4, para utilizarse en situaciones en las cuales la carga es constante y el líquido utilizado para enfriar se mantiene a una velocidad constante, la modalidad de la Figura 4A puede proporcionarse y operarse sin el conducto de salida de los gases de escape caliente 29 y el conducto de inyección 37 mostrado en la Figura 4.

De manera similar, una modalidad alterna 18 (Figura 8A) puede afectar la disminución deseada de las emisiones en un sistema mantenido a una carga constante y una velocidad constante, en el cual la derivación del escape 64 y la válvula de mezclado 72 se omiten del montaje, como se ilustra en la Figura 8A.

Asi, la modalidad alterna del montaje de la Figura 4, mostrada en la Figura 4A, comprende el conducto de escape 22, los medios de enfriamiento 30 de construcción de la evaporación, el conducto de salida 27, el conducto de los gases de escape 33, el inyector de aire 32 colocado para inyectar áire hacia el conducto de los gases de escape 33, y los medios del conector catalítico de la segunda etapa 46 y su salida 48.

El método para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en el escape de los motores de combustión interna que utilizan el montaje mostrado en la Figura 4A, comprende los pasos de dirigir los gases de escape del motor de combustión interna a los medios del convertidor catalítico de la primera etapa, enfriar con agua los gases de escape de los medios del convertidor catalítico y dirigir los gases de escape enfriados hacia los medios del convertidor catalítico de la segunda etapa, inyectar aire hacia los gases de escape enfriados, dirigir los gases de escape enfriados con aire hacia los medios del segundo convertidor catalítico, y descargar los gases de escape de los mismos.

La modalidad alterna de la Figura 8A comprende un montaje, el mismo que el mostrado en la Figura 8, pero sin la derivación del escape 64 y la válvula de mezclado 72. Esto es, el montaje comprende un conducto de escape 52, medios del conector catalítico de la primera etapa 54 en comunicación con los medios de enfriamiento, los medios de enfriamiento 58 tienen espiras o una instalación de evaporación de enfriamiento. El montaje incluye además, medios de inyección de aire 32 para inyectar aire en una línea de salida 62 de los medios de enfriamiento 58, y medios del convertidor catalítico de la segunda etapa 66 con una salida 70 para los gases de escape tratados.

El método para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de los motores de combustión interna que utilizan el montaje mostrado en la Figura 8A, comprende los pasos de dirigir los gases de escape del motor de combustión interna a los medios del primer convertidor catalítico, enfriar los gases de escape del primer convertidor catalítico, inyectar aire en los gases de escape enfriados, dirigir los gases de escape enfriados hacia los medios del conector catalítico de la segunda etapa, y descargar los gases de escape de los medios del segundo convertidor catalítico.

Se entenderá que la presente invención de ninguna manera se limita a la construcción y a los pasos del método particulares descritos y/o mostrados en la presente en los dibujos, sino que también comprende cualquier modificación o equivalente dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (23)

REIVINDICACIONES

1. Un montaje para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de un motor de combustión interna, el montaje comprende : un primer conducto de escape que tiene un solo extremo que recibe el escape para conectarse a, y que se extiende desde un motor de combustión interna y en comunicación con todas las cámaras de combustión del motor; medios del convertidor catalítico de la primera etapa en comunicación con un extremo de distribución del primer conducto de escape y adaptados para recibir todos los gases de escape del motor; medios de enfriamiento colocados próximos a los medios del convertidor catalítico de la primera etapa para enfriar una primera porción de los gases de escape del motor, recibida del primer conducto de escape; un primer conducto de salida para facilitar el movimiento de la primera porción enfriada de los gases de escape del motor de los medios del convertidor catalítico de la primera etapa; un segundo conducto de salida para recibir una segunda porción de los gases de escape del motor, recibida de los medios del convertidor catalítico de la primera etapa; un conducto de inyección de aire en comunicación con el segundo conducto de salida para enfriar la segunda porción de los gases de escape del motor; un segundo conducto de los gases de escape en comunicación con el primer conducto de salida del escape y el segundo conducto de entrada; y un convertidor catalítico de la segunda etapa en comunicación con el segundo conducto de los gases de escape y que tiene una salida que emite gases de escape.

2. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los medios del convertidor catalítico de la primera etapa comprenden una pluralidad de convertidores catalíticos.

3. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los medios para el enfriamiento comprenden espiras para un medio de enfriamiento .

4. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los medios para el enfriamiento comprenden medios de inyección para el medio de enfriamiento, el medio de enfriamiento está adaptado para evaporarse y reducir la temperatura de la primera porción de los gases de escape del motor.

5. El montaje de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque las espiras están adaptadas para reducir la temperatura de la primera porción de los gases de escape del motor a aproximadamente 137.77°C (280°F) .

6. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el primer conducto de salida se proporciona con una válvula de ajuste de la temperatura.

7. Un montaje para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de un motor de combustión interna, el montaje comprende : un primer conducto de escape que tiene un solo extremo que recibe el escape conectado a, y que se extiende desde un motor de combustión interna y en comunicación con todas las cámaras de combustión del motor; medios del convertidor catalítico de la primera etapa en comunicación con un extremo de distribución del primer conducto de escape y adaptados para recibir todos los gases de escape del motor; medios de enfriamiento en comunicación con los medios del convertidor catalítico de la primera etapa para enfriar una primera porción de los gases de escape del motor, recibida de los medios del convertidor catalítico de la primera etapa; un conducto de escape enfriado que se extiende desde los medios de enfriamiento; un conducto de derivación de los medios de enfriamiento en comunicación con el convertidor catalítico de la primera etapa y el conducto de escape enfriado; un convertidor catalítico de la segunda etapa en comunicación con el conducto de escape enfriado y el conducto de derivación de los medios de enfriamiento; un conducto de inyección de aire en comunicación con el conducto de escape enfriado; y una salida del escape que se extiende desde el convertidor catalítico de la segunda etapa.

8. El montaje de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque los medios del convertidor catalítico de la primera etapa comprenden una pluralidad de convertidores catalíticos.

9. El montaje de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque los medios de enfriamiento comprenden espiras para un medio de enfriamiento.

10. El montaje de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque los medios para el enfriamiento comprenden medios de inyección del medio de enfriamiento, el medio de enfriamiento está adaptado para evaporarse para reducir la temperatura de la primera porción de los gases de escape del motor.

11. El montaje de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque comprende además, una válvula de mezclado colocada próxima a una junta del conducto de escape enfriado y el conducto de derivación.

12. Un método para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de motores de combustión interna alimentados con combustible gaseoso, encendidos con chispa, el método comprende los pasos de: dirigir todos los gases de escape del motor a través de un solo conducto de escape a un convertidor catalítico de la primera etapa; dirigir una primera porción de la salida del escape del convertidor catalítico de la primera etapa a los medios de enfriamiento, y por lo tanto, a un conducto de escape enfriado; dirigir una segunda porción de la salida del escape del convertidor catalítico de la primera etapa a un conducto de los gases de escape no enfriado; unificar la primera y segunda porciones de los gases de escape y dirigir la primera y segunda porciones unificadas del gas de escape a un segundo conducto del gas de escape y por lo tanto, a un segundo convertidor catalítico; e inyectar aire en uno seleccionado de (1) el conducto de escape no enfriado, y (2) los gases de escape enfriados y no enfriados unificados, después de la unificación de los mismos.

13. Un método para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos de los gases de escape de los motores de combustión interna, el método comprende los pasos de: transportar todos los gases de escape¦ del motor a través de un solo conducto de escape a los medios del convertidor catalítico de la primera etapa, enfriar una primera porción de los gases de escape del motor en los medios del convertidor catalítico de la primera etapa y retirar la primera porción enfriada de los gases de escape de los medios del convertidor catalítico a través de un primer conducto de salida; retirar una segunda porción no enfriada de los gases de escape del motor de los medios del convertidor catalítico a través de un segundo conducto de salida; inyectar aire hacia el segundo conducto de salida; transportar la segunda porción no enfriada de los gases de escape del motor y el aire inyectado al segundo conducto de salida de los gases de escape, para unirse con la primera porción enfriada de los gases de escape del motor en el segundo conducto de salida de los gases de escape; dirigir los gases de escape en el segundo conducto de salida de los gases de escape a un convertidor catalítico de la segunda etapa; descargar los gases de escape del convertidor catalítico de la segunda etapa; y para proporcionar por lo tanto, gases de escape del motor con menos contenido de óxidos de nitrógeno, menos monóxido de carbono y menos hidrocarburos.

14. Un método para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos de los gases de escape de los motores de combustión interna, el método comprende los pasos de: transportar todos los gases de escape del motor a través de un solo conducto de escape un convertidor catalítico de la primera etapa; transportar los gases de escape del motor del convertidor catalítico de la primera etapa, en parte a los medios de enfriamiento y en parte a la derivación de los medios de enfriamiento; mezclar los gases de escape de los medios de enfriamiento y la derivación de los medios de enfriamiento en un conducto de escape enfriado; inyectar aire hacia el conducto de escape enfriado; dirigir los gases de escape de los medios de enfriamiento, y de la derivación de los medios de enfriamiento, y el aire inyectado, a un convertidor catalítico de la segunda etapa; descargar los gases de escape del motor del convertidor catalítico de la segunda etapa; y para proporcionar por lo tanto, gases de escape del motor con menos contenido de óxidos de nitrógeno y menos contenido de monóxido de carbono.

15. Un montaje para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de un motor de combustión interna, el montaje comprende : un primer conducto de escape que tiene un extremo que recibe el escape, para recibir todos los gases de escape de un motor de combustión interna, el primer conducto de los gases de escape está conectado a, y se extiende desde el motor de combustión interna; medios del convertidor catalítico de la primera etapa en comunicación con un extremo de distribución del primer conducto de escape; un conducto de salida para facilitar el movimiento de los gases de escape del motor de los medios del convertidor catalítico de la primera etapa; medios de enfriamiento para enfriar los gases de escape del motor en el conducto de salida; un conducto de inyección de aire en comunicación con el conducto de salida para enfriar los gases de escape del motor; y un convertidor catalítico de la segunda etapa en comunicación con el conducto de salida y que tiene una salida que emite gases de escape.

16. El montaje de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque los medios del convertidor catalítico de la primera etapa comprenden una pluralidad de convertidores catalíticos.

17. El montaje de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque los medios para el enfriamiento, comprenden espirar para un medio de enfriamiento .

18. El montaje de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque los medios para el enfriamiento comprenden medios de inyección del medio de enfriamiento, el medio de enfriamiento está adaptado para evaporarse para reducir la temperatura de los gases de escape del motor dentro del conducto de salida.

19. Un montaje para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos en los gases de escape de un motor de combustión interna, el montaje comprende : un primer conducto de escape que tiene un solo extremo que recibe el escape conectado a, y que se extiende desde un motor de combustión interna y en comunicación con todas las cámaras de combustión del motor; medios del convertidor catalítico de la primera etapa en comunicación con un extremo de distribución del primer conducto de escape y adaptados para recibir todos los gases de escape del motor; medios de enfriamiento en comunicación con los medios del convertidor catalítico de la primera etapa para enfriar los gases de escape del motor, recibida de los medios del convertidor catalítico de la primera etapa; un conducto de escape enfriado que se extiende de los medios de enfriamiento; un conducto de inyección de aire en comunicación el conducto de escape enfriado; un convertidor catalítico de la segunda etapa en comunicación con el conducto de escape enfriado; y una salida del escape que se extiende desde el convertidor catalítico de la segunda etapa.

20. El montaje de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque los medios del convertidor catalítico de la primera etapa comprenden una pluralidad de convertidores catalíticos.

21. El montaje de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque los medios de enfriamiento comprenden medios de inyección de un medio de enfriamiento, el medio de enfriamiento está adaptado para evaporarse para reducir la temperatura de los gases de escape del motor.

22. Un método para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos de los gases de escape de los motores de combustión interna, el método comprende los pasos de: transportar todos los gases de escape del motor a través de un solo conducto de escape a los medios del convertidor catalítico de la primera etapa; retirar los gases de escape enfriados de los medios del convertidor catalítico a través de un conducto de salida; enfriar los gases de escape del motor en el conducto de salida; inyectar aire en el conducto de salida; dirigir los gases de escape en el conducto de salida a un convertidor catalítico de la segunda etapa; descargar los gases de escape del convertidor catalítico de la segunda etapa; y por lo que se proporcionan gases de escape del motor con menos contenido de óxidos de nitrógeno, menos monóxido de carbono y menos hidrocarburos.

23. Un método para reducir los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos de los gases de escape de los motores de combustión interna, el método comprende los pasos de: transportar todos los gases de escape del motor a través de un solo conducto de escape a un convertidor catalítico de la primera etapa; transportar los gases de escape del motor del convertidor catalítico de la primera etapa a los medios de enfriamiento; dirigir los gases de escape de los medios de enfriamiento a un conducto de escape enfriado; inyectar aire en el conducto de escape enfriado; dirigir los gases de escape de los medios de enfriamiento, y el aire inyectado, a un convertidor catalítico de la segunda etapa; descargar los gases de escape del motor del convertidor catalítico de la segunda etapa; y por lo que se proporcionan gases de escape del motor con menos contenido de óxidos de nitrógeno, menos monóxido de carbono y menos hidrocarburos.