WO2021232126A1 - Reformador e catalisador automotivo integrados e método de reforma de combustível - Google Patents

Reformador e catalisador automotivo integrados e método de reforma de combustível Download PDF

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catalytic
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention refers to an automotive reformer and catalyst, or catalytic converter, integrated in a system to increase fuel energy from the thermal reform or synthesis of a fraction of this fuel in a device that maximizes the use of heat in the internal combustion engine (MCI) exhaust.
  • the invention also relates to a method for catalytic reforming fuel.
  • the scope of this invention includes conventional fuels for internal combustion engines (ethanol, methanol, gasoline, natural gas or diesel).
  • the present invention is intended to promote the energy increase of a fraction of fuel that flows, together with ambient air and/or alternatively with a fraction of the exhaust gas, within a device with impregnation of catalytic content (for example: R, Pd, Rh, etc.), and this device under certain temperatures promotes the production of compounds with greater calorific value compared to the original fuel.
  • catalytic content for example: R, Pd, Rh, etc.
  • the fuel fraction submitted to this process and in the form of steam will have a higher energy content that will be mixed with the Air/Fuel mixture that enters the MCI. Therefore, due to the higher energy content, the MCI combustion process, operating preferably with ethanol (or any other fuel), will be improved, resulting in greater energy efficiency and reduced levels of greenhouse gas emissions and pollutants.
  • gasoline has an energy content, or calorific value, approximately 30% greater than that of ethanol.
  • an internal combustion engine when operating on gasoline, has a lower fuel consumption, that is, greater autonomy compared to operating with ethanol. This difference is proportional to the energy difference between the two fuels.
  • a complementary objective of the present invention comprises a reformer and catalyst device integrated in a single equipment.
  • an integrated automotive reformer and catalyst device comprising a housing which surrounds and defines at least two individual and adjacent chambers, the first chamber being intended for the catalytic conversion of the exhaust gases of the MCI and at least one second chamber for fuel reforming, and the heat generated in the first chamber is transferred to the second chamber by thermal conduction.
  • the reforming system with production of compounds for fuel energy increase provides for the integration of the vehicle's catalytic converter in the reformer, thus allowing the maximized use of the heat generated.
  • the heat of the catalytic converter is generated by its operation (exothermic chemical reactions due to the catalytic conversion of harmful exhaust gases). In this way, and in the device of the invention, in addition to the heat that is normally rejected by the internal combustion engine due to exhaustion, the heat generated by the activity of the catalytic converter is also used.
  • this invention aims to contribute to further enable the use of "Flex Fuel” engines, making the increased use of ethanol even more attractive due to the improvement in performance and autonomy with this fuel.
  • CO 2 carbon dioxide
  • HC hydrocarbons
  • NO x nitrogen oxides
  • Figure 1 is a schematic view of an internal combustion engine illustrating the elements directly related to the system of the present invention
  • figure 2 is a schematic view of an embodiment of the reforming catalyst system, according to the invention.
  • figure 3 is a schematic view of a second embodiment of the reforming catalyst system according to the invention, in which two fuel reformers are provided, one on each side of the catalyst; and
  • Figure 4 is a schematic view of a third embodiment of the reformer catalyst system, according to the invention, in which the reformer is positioned in the central part of the automotive catalyst, the reformer being completely radially enveloped.
  • the MCI (1) comprises a block (2) which defines, in its interior, the cylinders (3). Said cylinders (3) are fed by an Air/Fuel mixture in stoichiometric ratio, which can be formed upstream of the intake manifold (4) in indirect injection systems, or inside each cylinder (3), in the systems of direct injection.
  • an ECU (5) or electronic central, is responsible for providing the admission of a certain amount of fuel, through the injectors (9), according to the driver's requests and the fresh air flow being admitted. in the system - function of the inlet negative pressure and throttle position (6).
  • the exhaust gases are discharged from the exhaust manifold (7), downstream from which a lambda probe (not shown) is provided to determine the amount of residual O2. in the exhaust gases and thus determine the quality of combustion, which information is sent to the ECU (5) and used to regulate the Air/Fuel mixture to be admitted.
  • the exhaust gases are then conducted by the exhaust (8) of the vehicle, not without first passing a catalyst, or catalytic converter, responsible for treating the exhaust gases in order to eliminate the most harmful chemical forms such as , for example, carbon monoxide that is oxidized to form CO2, hydrocarbons that are also oxidized to form CO2 and H2O.
  • a catalyst or catalytic converter
  • Another reaction carried out conventionally on the catalyst is the catalytic reduction of NOx emitted in the forms of N2 and O2. Also as is known, despite the need for a minimum initial temperature for such catalytic reactions to occur, these reactions are exothermic.
  • the present invention comprises a catalytic system, or catalyst reformer device (10) that integrates a catalyst to a fuel reformer, particularly of ethanol fuel, or of fuel mixtures containing ethanol, in order to maximize the use of the heat generated by the automotive catalyst, or catalytic converter, by a fuel reformer.
  • a fuel reformer particularly of ethanol fuel, or of fuel mixtures containing ethanol
  • this description makes specific reference to ethanol as the fuel, it is clear to technicians in the sector that the same concepts and constructions of the catalytic reformer from invention can also be implemented for other fuels, such as methanol, natural gas or CNG, gasoline and diesel.
  • the device (10) of the invention is externally defined by a housing (11) which surrounds and defines two individual and adjacent chambers, the first chamber (12) being for the catalytic conversion of exhaust gases from the MCI and the second chamber (13) for the reform of fuel alcohol.
  • the first chamber (12) is connected, upstream, to said exhaust manifold (7) of the MCI from the inlet nozzle (14).
  • the plenum of the first chamber (12) is filled with a catalytic mesh so that, when the exhaust gases from the MCI flow through it, the catalysts dispersed in this mesh catalyze the oxidation or reduction reactions of the exhaust gas components to the In less harmful ways, as indicated above, such processed and minimized gases are then exhausted from the device from the exhaust (8) downstream, which connects to the outlet nozzle (15).
  • said second chamber (13) comprises a plenum filled with a catalytic mesh similar to the mesh of the first chamber, i.e., it may be palladium, platinum, rhodium, silver and/or other suitable catalysts .
  • the inlet nozzle (16) of the second chamber (13) is designed to receive both ambient air (alternatively a fraction of the exhaust gas) and the ethanol to be reformed.
  • the ambient air is filtered, via the filter (20) before entering the inlet nozzle (16).
  • Said supply nozzle (16) can be connected so as to receive a fresh ambient air flow, locally combined with a vaporized fuel alcohol flow by means of a fuel injector (17) specific for this purpose.
  • said fuel injector (17) is connected to the fuel pump outlet (not shown), or directly to a specific outlet of the fuel gallery (not shown) in which the injectors (9) of feeding the cylinders (3).
  • said inlet nozzle (16) can also receive a partial flow of exhaust gases, which comprises chemical species of interest for the catalytic reactions to be carried out in the catalytic mesh.
  • exhaust gases which comprises chemical species of interest for the catalytic reactions to be carried out in the catalytic mesh.
  • Table 1 below presents information from the art and compiled in order to correlate the compounds of interest, with the catalyst needed for the production of these compounds of interest and the operating temperatures necessary for the catalytic system to synthesize said compounds of interest.
  • the alcoholic fuel injected by said fuel injector (17) may comprise an electrical fuel pre-heating system (cold start system), similar to the one used in the feed injector(s) (9) of fuel from the cylinders (3), and/or can be heated using the heat of the exhaust gases of the MCI, transferred by convection between the respective pipes.
  • ambient air or alternatively the mixture of ambient air with a fraction of the exhaust gas, which is introduced into the reformer can be electrically preheated, and/or can be heated using heat from the MCI exhaust gases , transferred by contact between the respective pipes.
  • pre-heating is essential to increase the guarantee of evaporation of fuel, specifically ethanol, when injected into the reformer chamber, which is also heated.
  • the electric pre-heating system of ethanol and ambient air can remain activated while the exhaust of the MCI is not yet hot enough to transfer heat to these two fluids in the cold start of the MCI operation.
  • the catalytic reforming system of the invention can be timed in relation to the start of the MCI, in order to start the fuel reform only after the operating conditions have been reached (estimated MCI heating time) minimum requirements for fuel reform.
  • the catalytic reforming system of the invention can be conditioned to the identification of a functional parameter of the MCI, such as the temperature of the coolant and/or ambient air temperature (identification of cold engine).
  • each of the second chambers (13) is laterally disposed in relation to the first chamber (12).
  • Each of the second chambers (13) comprises a plenum filled with a catalytic mesh; an inlet nozzle (16) designed to receive both ambient air and fuel to be reformed; an exhaust nozzle (18), connected upstream of the intake manifold (4); and a fuel injector (17), arranged upstream of the inlet nozzle (16), for injecting the fuel to be reformed in the respective second chamber (13).
  • this solution is illustrated in which two reformers, that is to say two second chambers (13) are arranged on opposite sides in relation to the catalyst, or first chamber (12).
  • Each of the second chambers (13) of the reformer in this case, has a respective inlet (16) and respective injector (17). In this solution, there is an increase in relation to the heat exchange from the first chamber (12) to the second chamber (13).
  • the first chamber (12) surrounds the second chamber (13); or the second chamber (13) surrounds the first chamber (12).
  • the second chamber (13) is cylindrical and completely surrounds the first chamber (12) so that a very significant portion of the heat produced by the first chamber (12) is exclusively directed towards the second chamber (13).
  • an inversion is foreseen between the said chambers of figure 4, that is, with the second cylindrical chamber (13) being totally surrounded by the first chamber (12), also cylindrical. In this situation, it is possible to obtain a more accurate control in relation to the percentage of heat emanating from the first chamber and which is directed to the second chamber (13).
  • the first chamber (12) can surround the second chamber (13), which also results in a better utilization of the heat released by the first chamber (12) by the second chamber (13).
  • the reformer catalyst device (10) of the invention is externally coated with a thermal insulating cover (23), also in order to allow a more accurate control between the amount of heat generated in the first chamber (12 ) and transferred to the second chamber (13).
  • said thermal insulating cover (23) may enclose, totally or partially, the first chamber (12) and the second chamber (13).
  • the reformer catalyst device (10) of the invention when provided to be installed in an MCI (1) turbocharged, or equipped with a supercharger type super-feeding system, the nozzle of exhaust (18) is connected to a point of the supply system upstream of the turbocharger or supercharger.
  • an air filter (20) is provided in order to prevent the ambient air from introducing foreign elements and thus compromising the environment of the plenum of the second chamber (13), as well as the catalytic reactions conducted in this.
  • a heat exchanger integrated to a filter at the output of the reform products is provided, in order to prevent new fuels from entering the feed system at an excessively high temperature and accompanied by solid impurities.
  • a water reservoir (21) is also provided in order to inject water vapor inside the second chamber (13).
  • said water reservoir (21) is intended to increase the amount of water originally provided for in the ethanol fuel, which may not be sufficient to ensure sufficient H2 production in the reformer. Furthermore, and in the event that fuels other than fuel ethyl alcohol are reformed, such extra water supply will guarantee the raw material necessary for the production of gaseous hydrogen.
  • the method of the present invention comprises the step of reforming via catalyst the fuel from the heat generated by the catalytic conversion of the MCI exhaust gases and also by the heat normally rejected in this same exhaust system (1).

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Abstract

É descrito um reformador catalisador (10) integrado, compreendendo uma carcaça (11) a qual envolve e define ao menos duas câmaras individualizadas e adjacentes, sendo a primeira câmara (12) destinada a conversão catalítica dos gases de exaustão do MCI e ao menos uma segunda câmara (13) destinada a reforma do combustível, etanol ou outros, e sendo que o calor gerado na primeira câmara (12) é transferido para a segunda câmara (13) por condução térmica. A primeira câmara (12) é conectada, a montante, no coletor de exaustão (7) do MCI a partir do bocal de entrada (14) e é conectada ao escapamento (8) do veículo a partir do bocal de saída (15), enquanto que o plenum da primeira câmara (12) é preenchido com uma malha catalítica. A segunda câmara (13) compreende um plenum preenchido com uma malha catalítica; um bocal de admissão (16) destinado a receber tanto ar ambiente quanto o combustível a ser reformado; e um bocal de exaustão (18), conectado a montante do coletor de admissão (4), de modo a permitir que o combustível reformado seja aspirado.

Description

REFORMADOR E CATALI SADOR AUTOMOTI VO I NTEGRADOS E MÉTODO DE
REFORMA DE COMBUSTÍVEL
[001 ] A presente invenção se refere a um reformador e catalisador automotivo, ou conversor catalítico, integrados em um sistema para incrementar energeticamente o combustível a partir da reforma térmica ou síntese de uma fração deste combustível em um dispositivo que maximiza o aproveitamento do calor na exaustão do motor de combustão interna (MCI). A invenção também se refere a um método para a reforma catalítica do combustível. Fazem parte da abrangência deste invento os combustíveis convencionais dos motores de combustão interna (etanol, metanol, gasolina, gás natural ou diesel).
[002] Mais especificamente, a presente invenção é destinada a promover o incremento energético de uma fração de combustível que flui, juntamente com ar ambiente e/ou alternativamente com uma fração do gás da exaustão, dentro de um dispositivo com impregnação de conteúdo catalítico (por exemplo: R, Pd, Rh e etc.), sendo que este dispositivo sob determinadas temperaturas promove a produção de compostos com maior poder calorífico em relação ao combustível original. Desta forma, a fração de combustível submetida a este processo e em forma de vapor, terá um maior conteúdo energético que será misturado à mistura Ar/Combustível que entra no MCI . Sendo assim, pelo maior conteúdo energético, o processo de combustão do MCI operando preferencialmente com etanol (ou qualquer outro combustível) será melhorado, resultando em uma maior eficiência energética e redução dos níveis de emissões de gases do efeito estufa e poluentes.
Estado da Arte
[003] É de conhecimento geral que a gasolina possui conteúdo energético, ou poder calorífico, aproximadamente 30% maior que o do etanol. Assim, um motor de combustão interna quando opera com gasolina, apresenta um menor consumo de combustível, ou seja, maior autonomia em relação à operação com etanol. Esta diferença é proporcional a diferença energética entre os dois combustíveis.
[004] Para minimizar este problema, uma alternativa conhecida na arte propõe a chamada “reforma” do etanol. Na literatura científica e de patentes são ilustrados alguns sistemas ou metodologias relacionadas à reforma térmica do etanol para obtenção principalmente de hidrogénio (H2), as quais sempre empregam sistemas ou dispositivos reformadores que aproveitam 0 calor dissipado na exaustão dos MCI . Uma referência a esta tecnologia pode ser vista na publicação de Atsushi Shimada e Takao Ishikawa, I mproved Thermal Efficiency Using Hydrous Ethanol Reforming in SI Engines, SAE Technical Paper 2013-24-0118, publicado em 09/08/2013. Já 0 documento WO 2012/130407 ensina um processo para a conversão catalítica de álcool, em fase liquida a partir de um dispositivo catalítico compacto de reforma de combustível aplicável a um motor a combustão interna.
[005] Nestas soluções conhecidas, no sistema de exaustão dos MCI são previstos dois dispositivos separados, 0 conversor catalítico convencional para redução dos níveis de emissões e 0 reformador para promover principalmente a obtenção de H2. Nesta solução, 0 aquecimento e consequente início de operação do reformador depende da passagem, na sua parte interna, dos gases de exaustão aquecidos para que 0 reformador alcance as temperaturas ideais para obtenção de H2 a partir do etanol alimentado no reformador. Ou seja, as reações catalíticas promovidas pelo reformador somente tem início a partir de uma dada temperatura, a qual é gerada pelos gases de exaustão do MCI .
[006] Entretanto, esta configuração do sistema de reforma do etanol acarreta alguns efeitos indesejáveis como 0 incremento da complexidade do sistema de exaustão, pois neste é acrescido um reformador além de todo 0 suporte (tubos e válvulas) para conduzir uma fração do gás da exaustão para 0 interior do reformador.
[007] Além disso, a dependência exclusiva dos gases da exaustão para aquecer 0 reformador e fornecer os gases para reações de reforma térmica, permite que ocorra a mistura de gases inertes (ex. CO2) com a mistura Ar/Combustível, sendo que esta mistura de gases pode prejudicar a combustão se a produção de H2 não for suficiente para compensar a presença de gases inertes. Nestes sistemas, apesar da passagem do gás da exaustão, as temperaturas ideais para as reações de reforma térmica do etanol, não são mantidas de forma desejável para uma produção contínua de H2, pois as variações nas condições de funcionamento do motor não garantem uma estabilidade de temperaturas dentro do reformador, limitando dessa forma 0 desempenho do sistema. Objetivos da Invenção
[008] Desta forma constitui um primeiro objetivo da presente invenção um dispositivo destinado à promoção do incremento energético de um combustível para possibilitar um aumento da eficiência energética e redução das emissões de poluentes pelo motor de combustão interna.
[009] Um objetivo complementar da presente invenção compreende um dispositivo reformador e catalisador integrados em um único equipamento.
Síntese da Invenção
[0010] Estes e outros objetivos são alcançados e satisfeitos a partir de um dispositivo reformador e catalisador automotivo integrados compreendendo uma carcaça a qual envolve e define ao menos duas câmaras individualizadas e adjacentes, sendo a primeira câmara destinada a conversão catalítica dos gases de exaustão do MCI e a ao menos uma segunda câmara destinada a reforma do combustível, e sendo que o calor gerado na primeira câmara é transferido para a segunda câmara por condução térmica.
[001 1] Estes e outros objetivos são alcançados e satisfeitos a partir de um método de reforma de combustível compreendendo a etapa de reformar via catalisador o combustível a partir do calor gerado pela conversão catalítica dos gases de exaustão do MCI (1 ) e também do calor normalmente rejeitado na exaustão.
[0012] Em relação aos aspectos construtivos do dispositivo da presente invenção, o sistema de reforma com produção de compostos para o incremento energético do combustível prevê a integração do conversor catalítico do veículo no reformador, permitindo assim o aproveitamento maximizado do calor gerado. O calor do conversor catalítico é gerado pela sua operação (reações químicas exotérmicas em função da conversão catalítica dos gases nocivos da exaustão). Desta forma, e no dispositivo da invenção, além do calor que normalmente é rejeitado pelo motor de combustão interna pela exaustão, também é aproveitado o calor gerado pela atividade do conversor catalítico. Lembrando que para a reforma térmica do combustível são necessárias temperaturas adequadas e que na condição de integração do reformador ao conversor catalítico o aproveitamento do calor e consequentemente da constância de temperaturas adequadas ocorre de forma facilitada. [0013] De uma forma geral este invento tem o objetivo de contribuir para viabilizar ainda mais a utilização de motores “Flex Fuel” tornando ainda mais atrativo o aumento do uso do etanol em função da melhoria do desempenho e autonomia com este combustível. Além de proporcionar uma redução do nível de emissão de dióxido de carbono (CO2) e, portanto, 0 consumo de combustível, além das demais emissões de gases poluentes como monóxido de carbono (CO), hidrocarbonetos (HC), óxidos de nitrogénio (NOx) e aldeídos. Especificamente, no caso do CO2 proveniente da combustão do etanol, ocorre a renovação natural pela fotossíntese, minimizando 0 problema do efeito estufa. Entretanto, outros gases que também fazem parte dos gases que promovem 0 efeito estufa como metano (CH4) e óxido nitroso (N2O) também são reduzidos.
Breve Descrição dos Desenhos
[0014] O presente invento será melhor compreendido à luz da descrição detalhada de uma forma preferencial de realização, a qual é suportada e ilustrada a partir das figuras em anexo, trazidas a mero título de ilustração e orientação, mas não limitando 0 escopo da invenção, nas quais:
- a figura 1 é uma vista esquemática do de um motor a combustão interna ilustrando os elementos diretamente correlatos ao sistema da presente invenção;
- a figura 2 é uma vista esquemática de uma forma de realização do sistema catalisador reformador, de acordo com a invenção;
- a figura 3 é uma vista esquemática de uma segunda forma de realização do sistema catalisador reformador, de acordo com a invenção, na qual são previstos dois reformadores de combustível, um de cada lado do catalisador; e
- a figura 4 é uma vista esquemática de uma terceira forma de realização do sistema catalisador reformador, de acordo com a invenção, na qual 0 reformador está posicionado na parte central do catalisador automotivo, ficando 0 reformador totalmente envolvido radialmente.
Descrição de uma Forma Preferencial de Realização da invenção
[0015] De conformidade com as figuras em anexo, com (10) é indicado um sistema ou dispositivo catalisador reformador, de acordo com a invenção, destinado a ser acoplado a um motor a combustão interna (1 ), ou MCI , de um veículo automotor. Com particular referência a figura 1 , o MCI (1 ) compreende um bloco (2) o qual define, em seu interior, os cilindros (3). Ditos cilindros (3) são alimentados por uma mistura Ar/Combustível em relação estequiométrica, a qual pode ser formada a montante do coletor de admissão (4) nos sistemas de injeção indireta, ou no próprio interior de cada cilindro (3), nos sistemas de injeção direta. Para tanto, uma ECU (5), ou central eletrónica, é responsável por prover a admissão de certa quantidade de combustível, através dos injetores (9), de acordo com as solicitações do condutor e com o fluxo de ar fresco que está sendo admitido no sistema - função da pressão negativa na admissão e posição da borboleta (6).
[0016] Após a combustão da mistura Ar/Combustível assim admitida, os gases de exaustão são descarregados a partir do coletor de exaustão (7), a jusante do qual é prevista uma sonda lambda (não ilustrada) para determinar a quantidade de O2 residual nos gases de exaustão e assim determinar a qualidade de combustão, informação esta que é enviada para a ECU (5) e utilizada para regular a mistura Ar/Combustível a ser admitida.
[0017] Em sistemas convencionais, os gases de exaustão são então conduzidos pelo escapamento (8) do veículo, não sem antes ultrapassar um catalisador, ou conversor catalítico, responsável pelo tratamento dos gases de exaustão de modo a eliminar as formas químicas mais danosas como, por exemplo, 0 monóxido de carbono que é oxidado para a formação de CO2, hidrocarbonetos que são também oxidados para formar CO2 e H2O. Outra reação realizada convencionalmente no catalisador é a redução catalítica de NOx emitido nas formas de N2 e O2. Também como sabido, a despeito da necessidade de uma temperatura inicial mínima para que tais reações catalíticas possam ocorrer, estas reações são exotérmicas.
[0018] Desta forma, a presente invenção compreende um sistema catalítico, ou dispositivo reformador catalisador (10) que integra um catalisador a um reformador de combustível, particularmente de etanol combustível, ou de misturas combustíveis contendo etanol, de modo a maximizar 0 aproveitamento do calor gerado pelo catalisador automotivo, ou conversor catalítico, por um reformador de combustível. A despeito da presente descrição fazer referência específica ao etanol como 0 combustível, fica claro aos técnicos do setor que os mesmos conceitos e construções do reformador catalisador da invenção podem igualmente ser implementados para outros combustíveis, quais metanol, gás natural ou GNV, gasolina e diesel.
[0019] Tal como particularmente ilustrado na forma de realização da figura 2, o dispositivo (10) da invenção é externamente definido por uma carcaça (1 1 ) a qual envolve e define duas câmaras individualizadas e adjacentes, sendo a primeira câmara (12) destinada a conversão catalítica dos gases de exaustão do MCI e a segunda câmara (13) destinada a reforma do álcool combustível.
[0020] Mais especificamente, a primeira câmara (12) é conectada, a montante, no dito coletor de exaustão (7) do MCI a partir do bocal de entrada (14). O plenum da primeira câmara (12) é preenchido com uma malha catalítica de forma que, quando os gases de exaustão do MCI fluem pela mesma, os catalisadores dispersos nesta malha catalisam as reações de oxidação ou de redução dos componentes dos gases de exaustão para as formas menos nocivas, supra indicadas, tais gases assim processados e minimizados são então exauridos do dispositivo a partir do escapamento (8) a jusante, o qual se conecta no bocal de saída (15).
[0021] Como estas reações são exotérmicas, todo o ambiente interno da primeira câmara (12) é aquecido e, desta forma, também o é a segunda câmara (13) por transferência de calor.
[0022] No tocante especificamente a dita segunda câmara (13), a mesma compreende um plenum preenchido com uma malha catalítica similar a malha da primeira câmara, ou seja, podendo ser de paládio, platina, ródio, prata e/ou outros catalisadores apropriados. O bocal de admissão (16) da segunda câmara (13) é destinado a receber tanto ar ambiente (alternativamente uma fração do gás da exaustão) quanto o etanol a ser reformado. De preferência, o ar ambiente é filtrado, via filtro (20) antes de ingressar no bocal de admissão (16). Dito bocal de alimentação (16) pode ser conectado de modo a receber um fluxo de ar ambiente fresco, localmente combinado com um fluxo de álcool combustível vaporizado por meio de um injetor de combustível (17) específico para esta finalidade. Nesta forma de realização, o dito injetor de combustível (17) é conectado à saída da bomba de combustível (não ilustrada), ou diretamente em uma saída específica da galeria de combustível (não ilustrada) na qual são montados os injetores (9) de alimentação dos cilindros (3). Alternativamente, o dito bocal de admissão (16) pode também receber um fluxo parcial dos gases de exaustão, o qual compreende espécies químicas de interesse para as reações catalíticas a serem realizadas na malha catalítica. [0023] No plenum da segunda câmara (13) é catalisado o fluxo da mistura entre etanol e ar ambiente, e eventualmente dos gases de exaustão. Tais reações são possíveis devido ao fato do plenum da segunda câmara (13) estar devidamente aquecido em função da transferência de calor que ocorre da dita primeira câmara (12) em direção à segunda câmara (13), adjacente àquela. Como resultado das reações catalisadas na segunda câmara (13), são formadas novas espécies químicas (conhecidas da arte) em função da temperatura operacional da dita segunda câmara (13) e, portanto, do fluxo de calor emanada da primeira câmara (12) para a segunda câmara (13).
[0024] A tabela 1 abaixo apresenta informações da arte e compiladas de modo a correlacionar os compostos de interesse, com o catalisador necessário para a produção destes compostos de interesse e as temperaturas operacionais necessárias para que o sistema catalítico possa sintetizar ditos compostos de interesse.
Tabela 1
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[0025] Tal como pode ser facilmente compreendido pelos técnicos do setor, as espécies químicas obtidas a partir das reações catalíticas promovidas no plenum da segunda câmara (13) levam a síntese de compostos com maior rendimento energético em comparação com o etanol combustível. Como sabido, o rendimento energético de um composto químico está diretamente ligado à quantidade de ligações químicas existentes em sua molécula.
[0026] Desta forma, tais compostos sintetizados fluem a partir do bocal de exaustão (18) da segunda câmara (13), sendo então direcionados para, ou a montante de, o coletor de admissão (4), posteriormente distribuídos nos cilindros (3) do MCI (1 ). Mais especificamente, o dito bocal de exaustão (18) está conectado em um ponto do sistema de alimentação, a montante do coletor de admissão (4) e a jusante da válvula borboleta (6) e, em particular em uma região de depressão; desta forma, o combustível reformado é, de fato, aspirado pelo sistema de alimentação do veículo.
[0027] Outras considerações em relação ao sistema da invenção incluem a necessidade de introdução do combustível etanol, no plenum da segunda câmara (13) na forma pulverizada e, mais preferencialmente pulverizada e pré-aquecida, de modo a facilitar a evaporação e incrementar o índice de reforma deste, principalmente nos estágios iniciais a seguir à partida do motor (1 ). Para tanto, o combustível alcoólico injetado pelo dito injetor de combustível (17) pode compreender um sistema de pré- aquecimento elétrico do combustível (sistema de partida a frio), similar ao empregado no(s) injetor(es) (9) de alimentação de combustível dos cilindros (3), e/ou pode ser aquecido empregando o calor dos gases de exaustão do MCI , transferido por convecção entre as respectivas tubulações. De forma similar, o ar ambiente, ou alternativamente a mistura de ar ambiente com uma fração do gás da exaustão, que é introduzido no reformador pode ser pré-aquecido eletricamente, e/ou pode ser aquecido empregando o calor dos gases de exaustão do MCI , transferido por contato entre as respectivas tubulações. Ressalta-se que o pré-aquecimento é fundamental para aumentar a garantia de evaporação do combustível, especificamente o etanol, ao ser injetado na câmara do reformador, que também está aquecida. O sistema de pré-aquecimento elétrico do etanol e do ar ambiente podem permanecer ativados, enquanto a exaustão do MCI ainda não estiver suficientemente quente para transferir calor para estes dois fluidos no início de funcionamento a frio do MCI .
[0028] Como as temperaturas dos compostos provenientes da reforma podem ser elevadas, esta fração energeticamente incrementada pode passar por um trocador de calor (19) antes de ser introduzida no sistema de admissão do MCI . Da mesma forma, é conveniente incluir um filtro de impurezas (22) antes do ingresso dos compostos provenientes da reforma no sistema de admissão do MCI .
[0029] Em uma alternativa de realização, o sistema de reforma catalítica da invenção pode ser temporizado em relação a partida do MCI , de modo a iniciar a reforma do combustível apenas após terem sido alcançadas (tempo estimado de aquecimento do MCI) as condições operacionais mínimas para a reforma do combustível.
[0030] Em uma alternativa de realização, o sistema de reforma catalítica da invenção pode ser condicionado a identificação de um parâmetro funcional do MCI , tal como a temperatura do líquido de arrefecimento e ou temperatura do ar ambiente (identificação de motor frio).
[0031] Em outra alternativa de realização, são previstas duas segundas câmaras (13), cada uma das segundas câmaras (13) estando lateralmente dispostas em relação a primeira câmara (12). Cada uma das segundas câmaras (13) compreende um plenum preenchido com uma malha catalítica; um bocal de admissão (16) destinado a receber tanto ar ambiente quanto o combustível a ser reformado; um bocal de exaustão (18), conectado a montante do coletor de admissão (4); e um injetor de combustível (17), disposto a montante do bocal de admissão (16), para injetar o combustível a ser reformado na respectiva segunda câmara (13). Conforme a figura 3, é ilustra esta solução na qual dois reformadores, ou seja duas segundas câmaras (13) são dispostas em lados opostos em relação ao catalisador, ou primeira câmara (12). Cada uma das segundas câmaras (13) do reformador, neste caso, apresenta um respectivo bocal de admissão (16) e respectivo injetor (17). Nesta solução ocorre um incremento em relação à troca de calor da primeira câmara (12) para a segunda câmara (13).
[0032] Também alternativamente, a primeira câmara (12) envolve a segunda câmara (13); ou a segunda câmara (13) envolve primeira câmara (12). Nesta alternativa de construção, ilustrada na figura 4, a segunda câmara (13) é cilíndrica e envolve totalmente a primeira câmara (12) de modo a que uma parcela bastante significativa do calor produzido pela primeira câmara (12) seja exclusivamente direcionada para a segunda câmara (13). Em uma variante desta solução (não ilustrada) é prevista uma inversão entre as ditas câmaras da figura 4, ou seja, com a segunda câmara (13) cilíndrica sendo totalmente envolvida pela primeira câmara (12), também cilíndrica. Nesta situação é possível obter um controle mais apurado em relação ao percentual de calor emanado da primeira câmara e que é direcionado a segunda câmara (13). De mesma forma, a primeira câmara (12) pode envolver a segunda câmara (13), do que resulta também um melhor aproveitamento do calor liberado pela primeira câmara (12) pela segunda câmara (13). [0033] Em outra forma de realização, o dispositivo catalisador reformador (10) da invenção é externamente revestido com uma cobertura isolante térmica (23), igualmente de modo a permitir um controle mais apurado entre a quantidade de calor gerada na primeira câmara (12) e transferida para a segunda câmara (13). Ademais, a dita cobertura isolante térmica (23) pode envolver, total ou parcialmente, a primeira câmara (12) e a segunda câmara (13).
[0034] Em outra forma de realização não ilustrada, o dispositivo catalisador reformador (10) da invenção, quando previsto para ser instalado em um MCI (1 ) turbo alimentado, ou dotado de um sistema de sobre-alimentação tipo supercharger, o bocal de exaustão (18) é conectado em um ponto do sistema de alimentação a montante do turbo alimentador ou supercharger.
[0035] Em uma alternativa de realização (vide a figura 1 ), é previsto um filtro de ar (20) de modo a evitar que o ar ambiente introduza elementos estranhos e assim comprometa o ambiente do plenum da segunda câmara (13), bem como as reações catalíticas neste conduzidas.
[0036] Em outra alternativa de realização, é previsto um trocador de calor integrado a um filtro na saída dos produtos da reforma, de modo a evitar que os novos combustíveis adentrem no sistema de alimentação em temperatura excessivamente elevada e acompanhados de impurezas sólidas.
[0037] Em uma última alternativa de realização, e visando incrementar a produção de H2 no reformador, é ainda previsto um reservatório de água (21 ) de modo a injetar vapor d’água no interior da segunda câmara (13). Neste caso, o referido reservatório de água (21 ) é destinado a incrementar a quantidade de água originalmente prevista no combustível etanol, a qual pode não ser suficiente para garantir uma produção suficiente de H2 no reformador. Além disto, e na hipótese de serem reformados outros combustíveis que não o álcool etílico combustível, tal suprimento extra de água irá garantir a matéria prima necessária para a produção de hidrogénio gasoso.
[0038] Por fim, o método da presente invenção compreende a etapa de reformar via catalisador o combustível a partir do calor gerado pela conversão catalítica dos gases de exaustão do MCI e também pelo calor normalmente rejeitado neste mesmo sistema de exaustão (1 ).

Claims

Reivindicações
1. Reformador catalisador (10) integrados, caracterizado por compreender uma carcaça (1 1 ) a qual envolve e define duas câmaras individualizadas e adjacentes, sendo a primeira câmara (12) destinada a conversão catalítica dos gases de exaustão do MCI e a segunda câmara (13) destinada a reforma do combustível, e sendo que o calor gerado na primeira câmara (12) é transferido para a segunda câmara (13) por condução térmica.
2. Reformador catalisador, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a primeira câmara (12) ser conectada, a montante, no coletor de exaustão (7) do MCI a partir do bocal de entrada (14); ser conectada ao escapamento (8) do veículo a partir do bocal de saída (15); e o plenum da primeira câmara (12) ser preenchido com uma malha catalítica.
3. Reformador catalisador, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a segunda câmara (13) compreender um plenum preenchido com uma malha catalítica; um bocal de admissão (16) destinado a receber tanto ar ambiente quanto o combustível a ser reformado; e um bocal de exaustão (18), conectado a montante do coletor de admissão (4), de modo a permitir que o combustível reformado seja aspirado.
4. Reformador catalisador, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por compreender um injetor de combustível (17), disposto a montante do bocal de admissão (16), para injetar o combustível a ser reformado na segunda câmara (13).
5. Reformador catalisador, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por compreender uma cobertura isolante térmica (23) envolvendo, total ou parcialmente, a primeira câmara (12) e a segunda câmara (13).
6. Reformador catalisador, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a primeira câmara ( 12) envolver a segunda câmara (13).
7. Reformador catalisador, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por a segunda câmara ( 13) envolver primeira câmara (12).
8. Reformador catalisador, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por compreender duas segundas câmaras (13), cada uma das segundas câmaras (13) estando lateralmente dispostas em relação a primeira câmara (12).
9. Reformador catalisador, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por cada uma das segundas câmaras (13) compreender um plenum preenchido com uma malha catalítica; um bocal de admissão (16) destinado a receber tanto ar ambiente quanto o combustível a ser reformado; um bocal de exaustão (18), conectado a montante do coletor de admissão (4); e um injetor de combustível (17), disposto a montante do bocal de admissão (16), para injetar o combustível a ser reformado na respectiva segunda câmara (13).
10. Método de reforma de combustível, do tipo a ser realizado por um reformador catalisador (10) integrado conforme definido na reivindicação 1 , caracterizado por a etapa de reformar via catalisador o combustível a partir do calor gerado pela conversão catalítica dos gases de exaustão do MCI (1 ) e também do calor normalmente rejeitado na exaustão.
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