PT1336034E

PT1336034E - Dispositivo e processo para o tratamento posterior de gases de escape de máquinas de combustão interna

Info

Publication number: PT1336034E
Application number: PT01996674T
Authority: PT
Inventors: Frank Bretschneider; Guenter Stephani; Olaf Andersen; Gennadi Zikoridse; Ernstwendelin Bach
Original assignee: Hochschule Fur Technik Und Wir; Fraunhofer Ges Forschung; Glatt Systemtechnik Dresden
Priority date: 2000-11-18
Filing date: 2001-11-17
Publication date: 2007-01-31
Also published as: DE10058580B4; EP1336034A1; KR20030076980A; DE10058580A1; JP2004526091A; ES2273922T3; ATE341702T1; WO2002040837A1; DE50111164D1; AU2002218989A1; DK1336034T3; US6968681B2; KR100852954B1; EP1336034B1; US20040065079A1

Description

DESCRIÇÃO "DISPOSITIVO E PROCESSO PARA O TRATAMENTO POSTERIOR DE GASES DE ESCAPE DE MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA" A invenção refere-se a um dispositivo e a um processo para o tratamento posterior dos gases de escape de máquinas de combustão interna e aqui nomeadamente ao tratamento posterior dos gases de escape de motores de combustão interna.

Nestes motores existe a possibilidade, em diversas variantes alternativas, de proceder a um tratamento posterior por via catalítica e/ou a uma filtração das partículas contidas no caudal de gases de escape, e isto individualmente ou de uma forma combinada. São conhecidas várias maneiras de efectuar o tratamento posterior dos gases de escape de máquinas de combustão interna. Para tal são introduzidos numa conduta de gases de escape elementos adicionais, tais como catalizadores e filtros de partículas, sendo os gases de escape a tratar conduzidos através de tais elementos ou conduzidos em torno desses elementos para converter os componentes poluentes em componentes inócuos e para reter as partículas, nomeadamente a fuligem que resulta da combustão nos motores Diesel.

Para o tratamento posterior por via catalítica de gases de escape é até à data habitual intercalar um assim chamado catalisador na conduta de gases de escape, para o que se utiliza uma estrutura que por natureza tem uma superfície com uma área 1 bastante grande, área essa que foi ainda aumentada por um revestimento já em si conhecido, que é dopado com materiais que proporcionam um efeito catalítico, como por exemplo a platina, o ródio e o paládio.

Para obter o efeito catalítico é no entanto necessário haver uma temperatura mínima que nos sistemas convencionais pode ser atingida a determinados regimes de serviço, uma vez que na fase de arranque de um motor de combustão interna se torna necessário obter primeiro o aumento de temperatura requerido por acção dos gases de escape que saem do motor. Nos revestimentos até agora utilizados, que aumentam a área da superfície eficaz, torna-se necessário impedir um sobreaquecimento, dado que essas camadas se podem dissolver ou destacar quando forem excedidas determinadas temperaturas, o que faz com que um catalisador deste tipo não possa ser montado directamente no seguimento da saída dos gases de escape de um motor de combustão interna.

Para a filtração de partículas, e no presente caso em particular de partículas de fuligem contidas nos gases de escape dos motores de combustão interna, são já conhecidos os mais diversos sistemas de filtração, nos quais são utilizados não só materiais metálicos como também materiais cerâmicos. Devido à deposição de partículas de fuligem torna-se necessário nos filtros já conhecidos efectuar a intervalos mais ou menos regulares uma assim chamada regeneração, para impedir uma colmatagem em elevado grau do filtro e em consequência disso impedir também um aumento da pressão dinâmica. Para obter uma tal regeneração inicia-se habitualmente uma queima da fuligem retida no filtro, o que requer uma adução de energia, provocando assim evidentemente uma redução do rendimento, independentemente do facto de se pôr a funcionar um aquecimento eléctrico ou a 2 combustão requerida se efectuar pela adução de hidrocarbonetos combustíveis.

Nomeadamente os filtros de partículas convencionais influenciam negativamente as condições fluídicas do caudal de gases de escape, e isto consoante o estado de colmatagem do material filtrante, de modo que em grande número de períodos de funcionamento não se conseguem manter, devido à contrapressão que actua sobre os gases de escape, as melhores condições de combustão possíveis.

Além disso os sistemas convencionais são bastante onerosos, tanto no que se refere ao seu fabrico como também ao seu funcionamento. A par disso ficou a ser conhecido pelo documento da DE 34 36 443 AI um catalisador de gases de escape com um enchimento de esferas.

No documento da US 4,106,913 descreve-se um catalisador de gases de escape com elementos portadores de catalisador que são produzidos por sinterização. A solução descrita no documento da GB 2 259 461 A refere-se a catalisadores de gases de escape com esferas de óxido de alumínio.

Pelo documento da EP 0 142 722 A2 ficou a ser conhecida a utilização de um conjunto de esferas ou de corpos similares a esferas de um material cerâmico destinado a ser utilizado em catalisadores de gases de escape. 3 0 documento da DE 42 34 436 AI refere-se a um catalisador para montagem posterior, que tem um enchimento de esferas cerâmicas.

Pelo documento da JP 5843111 ficou a ser conhecido um filtro de partículas para motores Diesel em que os gases de escape passam através de fibras metálicas, seguidamente por uma camada catalítica e depois disso novamente por fibras metálicas.

Pelos motivos apontados o objectivo da invenção é o de propor um dispositivo e um processo para o tratamento posterior de gases de escape, dispositivo esse que deve ter uma estrutura simples, possa ser produzido a bom preço, bem como tenha efeitos menos inconvenientes sobre as condições fluídicas do caudal dos gases de escape.

De acordo com a invenção este objectivo atinge-se pela adopção de um dispositivo de acordo com a reivindicação 1 e de um processo com as características enunciadas na reivindicação 15. Formas de configuração vantajosas, bem como aperfeiçoamentos da invenção conseguem-se obter pela adopção das características referidas nas reivindicações secundárias. 0 dispositivo de acordo com a invenção, destinado ao tratamento posterior dos gases de escape de máquinas de combustão interna utiliza pelo menos uma câmara intercalada no caudal de gases de escape, câmara essa que está preenchida com esferas ocas, fluindo os gases de escape através dos espaços existentes entre essas esferas ocas, o que permite manter as melhores condições fluídicas possíveis, devido ao fluxo bastante uniforme do caudal de gases de escape. Estas condições fluídicas têm efeitos especialmente vantajosos sobre a aglomeração de 4 partículas, tornando-se possível, de maneira mais vantajosa, separar dos gases de escape as aglomerações formadas nos elementos filtrantes dispostos a jusante, permitindo além disso obter para tais elementos de filtro ou outros elementos uma protecção contra variações bruscas de pressão dos gases de escape.

Para uma câmara preenchida com esferas ocas as condições fluídicas e a distribuição de pressões na linha de gases de escape podem ser calculadas de maneira relativamente simples, bem como optimizadas para a máquina de combustão interna em questão, de modo que a combustão não é influenciada negativamente por uma distribuição desvantajosa da pressão dinâmica do caudal de gases de escape.

De maneira especialmente vantajosa podem ser aplicadas esferas ocas, que por um lado asseguram uma considerável redução de peso e por outro lado podem diminuir a emissão de ruídos.

Além disso é possível ajustar de maneira relativamente simples uma determinada porosidade da superfície exterior das esferas, mas também a porosidade das calotes esféricas, o que permite aumentar a área da superfície e influenciar também positivamente as propriedades fluídicas dessa superfície.

Uma câmara cheia de esferas ou de esferas ocas pode ser intercalada na linha de gases de escape, sendo as esferas mantidas em posição mediante redes metálicas, por exemplo, cuja largura de malha deve evidentemente ser menor do que o diâmetro de esfera mais pequeno, visto na direcção do fluxo do caudal, tornando-se em princípio possível praticamente qualquer disposição ao longo da linha de gases de escape, devendo uma 5 câmara do género referido estar no entanto em qualquer dos casos disposta, visto na direcção do fluxo do caudal de gases de escape, a montante de um filtro de partículas eventualmente utilizado.

Uma câmara cheia de esferas pode no entanto estar localizada também, de maneira vantajosa, na vizinhança imediata da máquina de combustão interna, junto das suas saidas de gás de escape, por exemplo directamente no colector de gases de escape, podendo também várias dessas câmaras estar localizadas em cada uma das linhas de gases de escape de um tal colector de gases de escape.

As esferas deveriam ser constituídas por um material com uma estabilidade térmica adequada, podendo de um modo preferido ser utilizados metais, devido à sua boa condutibilidade térmica.

As esferas utilizadas podem ser introduzidas a granel na respectiva câmara, de modo a preenchê-la na medida do possivel quase por completo. Existe no entanto também a possibilidade de produzir uma ligação pontual por sinterizaçao entre esferas vizinhas, e isto por acção de um tratamento térmico.

Numa câmara conjunto podem também ser introduzidas esferas com diferentes diâmetros exteriores. Afigura-se no entanto ser mais vantajoso prever várias câmaras cheias de esferas, que estão dispostas em série, contendo cada uma das câmaras esferas com praticamente o mesmo diâmetro exterior, podendo o diâmetro exterior dessas esferas aumentar ou diminuir por escalões nas diversas câmaras alinhadas na direcção do fluxo dos gases de escape. 6

Em todos os casos as esferas formam no entanto uma estrutura autoportante, de modo que para além da sinterização eventualmente produzida se torna desnecessário tomar quaisquer outras medidas adicionais para aumentar a estabilidade e a resistência. A câmara cheia de esferas pode ser envolvida por um elemento de corpo, à excepção das aberturas através das quais os gases de escape podem entrar e sair, para o que se podem utilizar os mais diversos materiais, desde que tenham uma resistência suficientemente grande e uma boa estabilidade térmica. Utilizando por exemplo um corpo metálico, está também assegurada uma dissipação de calor suficientemente boa, de modo que em ligação com as esferas metálicas se podem aproveitar também em pleno as boas propriedades de condução térmica destes materiais.

As esferas ou as esferas ocas utilizadas podem estar dopadas ou revestidas pelo menos à sua superfície com materiais já em si conhecidos, que têm um efeito catalítico, de modo a tornar-se possível um tratamento posterior por via catalítica dos gases de escape.

Devido à possibilidade já referida de colocar uma câmara preenchida com esferas na proximidade imediata das saídas dos gases de escape de uma máquina de combustão interna, conseguem-se atingir mais rapidamente as temperaturas necessárias para obter o efeito catalítico do que no caso dos sistemas convencionais. 0 tempo de resposta pode além disso ser melhorado devido à capacidade calorífica relativamente pequena do material, nomeadamente quando forem utilizadas esferas metálicas ocas. 7 0 corpo no interior do qual se encontra disposta a zona preenchida com esferas deveria ter uma secção transversal livre maior do que a dos componentes da linha de gases de escape existentes a montante e a jusante dessa zona, visto na direcção do fluxo do caudal de gases, para assegurar condições fluidicas vantajosas para os gases de escape e uma subida de pressão relativamente pequena a montante da zona preenchida com esferas. 0 diâmetro das esferas pode ser escolhido dentro de uma gama situada entre 1 e 10 mm, sendo possível escolher espessuras de parede das esferas ocas compreendidas entre 0,03 e 1 mm. A porosidade da estrutura esférica pode estar situada entre 70 e 97%. A par da influência controlada exercida sobre as condições de pressão do caudal de gases de escape será vantajoso que a corrente de gases de escape seja no mais elevado grau laminar a jusante da zona preenchida com esferas, o que terá efeitos vantajosos, nomeadamente quando estiver prevista uma unidade subsequente destinada a filtrar as partículas.

Assim torna-se possível dispor a jusante, visto na direcção do fluxo do caudal de gases de escape, mais outro elemento que proporciona um efeito catalítico, mas também um filtro de partículas do género já referido.

Um filtro de partículas especialmente vantajoso utiliza fibras metálicas com uma porosidade e/ou uma distribuição do tamanho dos poros que podem ser escolhidas ou ajustadas, filtro esse através do qual os gases de escape, nomeadamente os de motores Diesel, são conduzidos para obter uma filtração/ separação de partículas. A distribuição do tamanho dos poros pode estar situada numa gama de 1 a 500 μιη.

Os aglomerados de partículas formados durante a passagem pela zona preenchida com esferas podem ser retidos de maneira eficiente por meio de uma tal estrutura de fibras metálicas, podendo ser emitido para a atmosfera um gás de escape isento na sua quase totalidade de partículas.

Uma zona deste género, preenchida com fibras metálicas, apresenta igualmente uma boa estabilidade térmica, de modo que também neste caso se torna possível prever uma localização perto da máquina de combustão interna, verificando-se também nesta zona temperaturas de gases de escape que são suficientes para provocar uma regeneração automática, tornando-se desnecessária uma adução adicional de energia para queimar as partículas de fuligem.

De uma maneira especialmente vantajosa pode escolher-se uma estrutura escalonada para um tal filtro de partículas, isto é, prevêem-se várias zonas parciais sucessivas, visto na direcção do fluxo de gases de escape, apresentando cada uma dessas zonas porosidades e/ou tamanhos dos poros distintos, tornando-se o tamanho de poros na medida do possível cada vez menor. Isto torna-se possível através de uma escolha adequada das fibras metálicas e/ou de uma maior ou menor compactação dessas fibras metálicas. A zona preenchida com fibras metálicas e também as já referidas zonas parciais de um filtro de partículas escalonado podem ser igualmente retidas por redes metálicas, sendo a parte restante envolvida por um corpo fechado que de um modo preferido 9 é feito de metal. As áreas da secção transversal da salda da zona preenchida com as esferas e da entrada das zonas preenchidas com fibras metálicas deveriam estar configuradas de modo a terem o mesmo tamanho.

As fibras metálicas podem formar uma estrutura autoportante com ligações internas por sinterização. A porosidade das estruturas de fibras metálicas utilizadas pode igualmente ser escolhida ou ajustada dentro de uma gama compreendida entre 70 e 95%, podendo ser aplicados diâmetros de fibra metálica situados numa gama compreendida entre 0,005 e 0,25 mm.

Tanto as fibras metálicas como também as esferas ou as esferas ocas podem de um modo preferido ser constituídas por aços cromoníquel, por ligas à base de níquel, por ligas à base de ferro, crómio e alumínio e por aluminatos. Podem evidentemente ser utilizados também outros metais ou outras ligas.

Também as fibras metálicas podem, tal como já se referiu em relação às esferas ou às esferas ocas, ser dopadas ou revestidas com materiais que proporcionam um efeito catalítico, de modo que se consegue obter não só uma separação de partículas mas também um tratamento posterior dos gases por via catalítica.

Também as zonas que contém as fibras metálicas têm uma massa relativamente pequena e formam uma estrutura autoportante. Devido ao facto de se ter escolhido uma porosidade tão grande quanto possível consegue-se obter um grau de separação correspondentemente elevado. 10

Além disso torna-se adicionalmente reduzida a emissão de ruidos e devido à boa condutibilidade térmica das fibras metálicas, em ligação com a sua reduzida capacidade calorífica, consegue-se obter igualmente um bom tempo de resposta, tanto para o tratamento posterior por via catalítica como também para a depuração automática (regeneração).

Os materiais explicitamente referidos não só são suficientemente firmes, resistentes e termicamente estáveis, mas também em elevado grau resistentes à corrosão, de modo que se encontra assegurada uma longa vida útil.

Uma disposição paralela e redundante do género até agora utilizada em alguns sistemas já conhecidos de filtros de partículas torna-se desnecessária, dado que já não é necessário prever as pausas até agora necessárias para efectuar a regeneração dos filtros de partículas.

Tanto as esferas ocas como também as fibras metálicas apresentam por natureza uma porosidade adequadamente elevada, de modo que se torna desnecessário um revestimento suplementar para aumentar a área da superfície, podendo assim eliminar-se os inconvenientes já referidos em relação a esse revestimento. A invenção será seguidamente explicada mais em pormenor a título de exemplo.

Mostra-se na:

Figura 1 de forma esquemática a estrutura de um exemplo de realização do dispositivo de acordo com a invenção; 11

Figura 2 uma área destinada à separação de partículas, subdividida em várias áreas parciais providas de um enchimento de fibras metálicas.

No exemplo que a figura 1 mostra de um dispositivo de acordo com a invenção destinado ao tratamento posterior de gases de escape de máquinas de combustão interna fazem-se entrar gases de escape não tratados e não depurados num corpo metálico 2 através de uma tubuladura 1 de entrada de gases. No interior desse corpo 2 é aumentada a secção transversal livre de passagem.

No interior do corpo 2 encontra-se configurada uma zona 3 preenchida com esferas metálicas ocas feitas de aço cromoniquel. No interior do corpo 2 as esferas metálicas ocas são mantidas em posição por meio de redes metálicas com uma largura de malha relativamente grande, mas que é no entanto menor do que o diâmetro de esfera mais pequeno, podendo essas esferas estar enchidas a granel ou então sob a forma de um elemento sinterizado com uma estrutura autoportante.

Os gases de escape conduzidos através da zona 3 preenchida com as esferas ocas podem ser sujeitos a um tratamento posterior por via catalítica se a periferia das esferas ocas estiver dopada ou revestida de um material apropriado que proporciona um efeito catalítico.

Em todo o caso o caudal de gases de escape é no entanto influenciado de tal maneira que as partículas eventualmente nele contidas são aglomeradas, sendo as aglomerações assim formadas separados do caudal de gases de escape e retidas na zona 5 12 preenchida com fibras metálicas que, visto na direcção do fluxo dos gases de escape, se situa a jusante da anterior, de modo que se consegue escoar através da tubuladura 6 de sarda um gás de escape em larga medida isento de poluentes e de partículas.

No exemplo de um dispositivo de acordo com a invenção que a figura 1 mostra encontra-se configurado entre a zona 3 preenchida com esferas ocas e a zona 5 preenchida com fibras metálicas um espaço oco 4 através do qual a corrente de gases de escape, que na mais larga medida é laminar, pode entrar na zona 5 preenchida com fibras metálicas.

No exemplo que aqui se mostra utiliza-se uma estrutura escalonada para uma zona 5 preenchida com fibras metálicas em relação à qual se escolheu um escalonamento triplo, tal como se depreende claramente da figura 2.

Assim, os gases de escape, que contêm eventualmente partículas, saem da zona 3 preenchida com esferas ocas para entrar na zona parcial 5' que serve de filtro grosseiro. Nesta zona parcial 5' as fibras metálicas foram escolhidas de tal maneira que se obtém uma porosidade de 90 a 95%, bem como poros com um tamanho compreendido entre 100 e 200 μπι.

Seguidamente encontra-se disposta no meio uma segunda zona parcial 5" que é separada da primeira zona parcial 5' de uma maneira apropriada por forma a que haja passagem de gases de escape. Esta zona parcial 5" apresenta uma porosidade situada numa gama compreendida entre 80 e 90% e tem poros com um tamanho compreendido entre 50 e 100 μιη, assegurando uma separação mais fina das partículas mais pequenas. 13

Na direcção da saída 6 dos gases segue-se uma terceira zona parcial 5"', igualmente preenchida com fibras metálicas, cuja porosidade está situada entre 60 e 70% e cujos poros foram ajustados para um tamanho inferior a 50 μιη, de modo que nesta zona se efectua uma filtração muito fina. É evidente que se pode também escolher um escalonamento mais fino, para o que se preveem mais do que as três zonas parciais 5' , 5", 5"'.

Em todas as zonas parciais 5', 5" ou 5"', mas também só em uma ou duas delas, podem ser utilizadas fibras metálicas dopadas ou revestidas para fins de obtenção de um efeito catalítico, para assim poder proceder a um tratamento posterior e suplementar por via catalítica. O dispositivo de acordo com a invenção pode ser configurado de uma maneira bastante versátil, podendo por exemplo a zona 3 preenchida com esferas ocas ser utilizada unicamente para influenciar o caudal de gases de escape e/ou as aglomerações de partículas vantajosas em termos de separação, podendo o tratamento posterior catalítico constituir uma potencialidade opcional.

Nas zonas 5 preenchidas com fibras metálicas as condições são semelhantes, podendo essas zonas ser utilizadas unicamente para separar partículas do caudal de gases de escape, mas podendo opcionalmente também estar previsto um tratamento posterior por via catalítica. 14

Também para o corpo 2 pode ser utilizado o mesmo material que foi utilizado para as esferas ocas e as fibras metálicas, de modo que não são de registar diferenças de potencial electroquimico e estando também presentes as caracteristicas referidas na parte geral da presente descrição.

Lisboa, 16 de Novembro de 2006 15

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo para o tratamento posterior de gases de escape de máquinas de combustão interna, no qual o caudal de gases de escape é conduzido através de uma zona (3) preenchida com esferas ocas e seguidamente através de uma zona (5) preenchida com fibras metálicas que servem de filtro de partículas.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as esferas ocas serem constituídas por um metal.
3. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por as esferas ocas serem porosas.
4. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado por os diâmetros das esferas diminuírem na direcção do fluxo do caudal de gases de escape.
5. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado por as esferas ocas estarem em alguns pontos sinterizadas umas com as outras.
6. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 5, caracterizado por a zona (5) preenchida com fibras metálicas estar subdividida, visto na direcção do fluxo do caudal de gases de escape, em pelo menos duas zonas parciais que têm a forma de uma camada e que apresentam porosidades e/ou distribuições de tamanho de poros distintas. 1
7. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 6, caracterizado por a porosidade diminuir na direcção do fluxo do caudal de gases de escape.
8. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 7, caracterizado por a porosidade ser mantida numa gama situada entre 70 e 95%.
9. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 8, caracterizado por a superfície das esferas ocas e/ou das fibras metálicas estar dopada ou revestida de materiais que proporcionam um efeito catalítico.
10. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 9, caracterizado por a zona (3) preenchida com esferas ocas estar disposta perto da saida dos gases de escape de uma máquina de combustão interna.
11. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 10, caracterizado por a zona (3) preenchida com esferas ocas estar disposta no interior do colector dos gases de escape de uma máquina de combustão interna.
12. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 11, caracterizado por entre a zona (3) preenchida com esferas ocas e a zona (5) preenchida com fibras metálicas existir um espaço oco (4). 2
13. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 12, caracterizado por a secção transversal livre, através da qual os gases de escape passam pelas zonas (3, 4, 5), ser alargada em relação à secção transversal da conduta de gases de escape.
14. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 13, caracterizado por as esferas ocas e as fibras metálicas serem constituídas por uma liga de ferro, crómio e níquel, por uma liga de ferro, crómio e alumínio ou por um aluminato ou ainda por uma combinação destes materiais.
15. Processo para o tratamento posterior de gases de escape de máquinas de combustão interna, em que os gases de escape são conduzidos através de uma zona (3) preenchida com esferas ocas para influenciar o caudal de gases de escape, a aglomeração de partículas e/ou o tratamento posterior por via catalítica dos gases de escape, passando esses gases de escape a seguir à zona (3) preenchida por esferas ocas por uma zona (5) preenchida com fibras metálicas para filtrar as partículas contidas nos gases de escape e/ou para efectuar um tratamento posterior dos gases de escape por via catalítica.
16. Processo de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por as partículas que se aglomeram durante a passagem dos gases através da zona (3) preenchida com esferas ocas serem separadas do caudal de gases de escape na zona (4) que é preenchida com fibras metálicas.
17. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 15 ou 16, caracterizado por as partículas serem separadas por filtração de uma forma escalonada na zona (5) preenchida com fibras 3 parciais metálicas, estando essa zona subdividida em zonas (5', 5", 5'") com porosidades distintas. Lisboa, 16 de Novembro de 2006 4