WO2024077363A1 - Método e sistema para otimização da redução de emissões em motores diesel - Google Patents
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- F02M25/12—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone the apparatus having means for generating such gases
Definitions
- the present invention relates to a method and a system for optimizing the reduction of atmospheric emissions in diesel engines. More specifically, the present invention refers to a method and a system for optimizing the reduction of atmospheric emissions in large diesel engines, used in thermoelectric plants, locomotives, industries, naval vessels, mining equipment, tunnel drilling equipment, among others. others.
- combustion engines including spark ignition and diesel engines (or more specifically, “compression ignition”) , mainly because they are large contributors to many greenhouse gases and other harmful emissions, such as carbon monoxide, unburned hydrocarbons, nitrous oxides (NOx) and, in the case of diesel engines, particulate matter.
- spark ignition and diesel engines or more specifically, “compression ignition”
- NOx nitrous oxides
- a technique that has been studied by interested entities is the injection of Hydrogen, or Hydrogen and Oxygen, into the air intake system of internal combustion engines.
- Document W02009/051788A2 discloses systems and methods for improved enrichment of fuels with hydrogen that allow, among other improvements, better combustion with lower emissions from internal combustion engines.
- the system may comprise a water supply, a power source and an electrolyzer to generate mixed hydrogen and oxygen.
- An air intake system for conveying the gas output from the electrolyzer to an engine is also provided.
- W02009/051788A2 discloses a method for providing gas for improved combustion. The method includes providing a water source, a power source for activating an apparatus, an electrolyzer that generates hydrogen and oxygen as well as a unit for collecting the gas output from the electrolyzer and transporting it to an engine.
- Document W02010/084358A2 provides an electrolysis device for generating hydrogen and oxygen for use in improving the combustion of hydrocarbon fuel, the device comprising a housing containing an electrolysis cell and electronic control means for providing an electrical current to the cell. The device further features operational sediment reduction means to reduce the sediment that accumulates in the cell, so that the device can be used with tap water or sea water without electrolyte, so as to generate hydrogen gas and oxygen.
- Document WO2016/064289A1 provides a method for increasing the efficiency of internal combustion engines, with the use of hydrogen to act as a combustion parameter optimizer in the form of an oxidizer fed to the engine along with the intake air.
- the method of WO20 16/064289 Al uses a hydrogen production device powered by the electrical circuit of the engine that can be connected to the battery or a fuse box.
- the device is electronically controlled by an integrated module that manages the electrolysis reaction, ensuring that the device only operates with the engine running and that hydrogen production is adequate to the amount of fuel consumed by the engine, which can be inferred from displacement and engine rotation speed.
- Patent US10495032B2 discloses a ship propulsion system comprising: an internal combustion engine for propelling a ship, wherein the internal combustion engine has a combustion chamber for burning a fossil fuel, in particular a diesel fuel, an electrolysis chamber to produce hydrogen gas and oxygen gas, a turbocharger, a supply line, which is designed so that a gas mixture can be transported through a compressor from the turbocharger to the combustion chamber, the gas mixture being gas includes at least a part of hydrogen gas and oxygen gas, wherein: a vacuum pump is provided to extract hydrogen gas and oxygen gas from the electrolysis chamber, a gasification tank is provided with volatile organic compounds received therein , in particular methanol or ethanol, an air supply to supply compressed air to the gasification tank is provided and, in addition to the turbocharger, there is an air compressor to pump air into the gasification tank, the gas mixture, which is guided through the supply line and turbocharger to the combustion chamber, it also includes gasified organic compounds from the gasification tank.
- a vacuum pump is provided to extract hydrogen gas and oxygen gas
- Patent US11015520B2 provides a ship propulsion system comprising at least one internal combustion engine with a combustion chamber for burning a fuel and a turbocharger with a compressor.
- the ship propulsion system additionally comprises an electrolysis device, which produces hydrogen and oxygen, which are added to a pressure side of the compressor and conveyed to the internal combustion engine.
- a water tank and an alcohol tank are connected to a pressure side of the compressor to add water and alcohol to the charge air.
- Document W02018072011A1 presents a system and method of managing an electrolytic reactor on demand for supplying hydrogen gas and oxygen to an internal combustion engine.
- the system minimizes reactor power consumption and parasitic power loss usually associated with perpetual reactors.
- the system comprises a plurality of sensors coupled to the reactor measuring a plurality of reactor parameters, an electronic control unit coupled to the plurality of sensors and the engine, and a reactor control board coupled to the reactor and the electronic control unit.
- the electronic control unit monitors the plurality of reactor parameters and the plurality of engine parameters; determines a reactor performance level; determines an engine performance level; determines a change in engine performance level to predict a future level of engine demand; and determines an optimal reactor performance level corresponding to the engine performance level or future engine demand level.
- the reactor control board regulates the reactor by modifying at least one electrical current supplied to the reactor, electrical voltage supplied to the reactor, and reactor temperature.
- Patent US7021249B1 discloses a method and apparatus for generating hydrogen to enrich a hydrocarbon-based fuel for an internal combustion engine with hydrogen extracted from a salt water electrolyte solution by means of electrolysis.
- a current is applied to a positively charged anode and a negatively charged cathode submerged in a salt water solution to dissociate and separate diatomic molecules of hydrogen and oxygen.
- the collected hydrogen is supplied to the engine carburetor through a venturi mixing tube and introduced into the hydrocarbon fuel being pumped into it and the hydrogen and hydrocarbon fuel are mixed and atomized before distribution to the combustion chamber.
- Patent US8336508B2 describes a system for use with a combustion engine with air intake, sensors and an engine control module, comprising a hydrogen cell capable of transforming water into hydrogen and oxygen gases and a controller electrically connected to the sensors , to the engine control module and the hydrogen cell, wherein the controller is programmed to activate the hydrogen cell in response to predetermined signal levels, wherein the hydrogen cell is fluidly connected to the engine through the air intake and wherein the controller is programmed to cause the engine control module to reduce the fuel flow rate to the engine and activate the hydrogen cell simultaneously.
- Patent EP2569523B1 describes a method of combustion of a hydrocarbon fuel in an internal combustion engine, engine enhancement system and use of hydrogen as a combustion catalyst the present invention provides an engine enhancement system and method that utilizes hydrogen as a combustion catalyst within an internal combustion engine, the hydrogen preferably being obtained and/or replenished from a supply of HHO gas fed into the engine's combustion chambers and being located in interstitial sites in the walls of the combustion chambers .
- Patent AU2007202111B2 presents a system for the production and use of hydrogen in marine applications comprising: a water source; a source of electrical energy; a water converter into hydrogen to convert said water into hydrogen gas and oxygen gas, said converter in fluid communication with said water source and in electrical communication with said electrical energy source; a hydrogen power plant in fluid communication with said converter for converting said hydrogen gas into usable energy; and a power distribution device in electrical communication with the electrical power source, the converter and the power plant.
- HHO gas increases engine torque, power and thermal efficiency, while at the same time as it reduces the formation of NOx, CO, HC and CO2.
- the main challenges in using HHO gas in engines are identified as system complexity, safety, cost and electrolysis efficiency.
- the method and system presented here seek to solve the challenge of increasing efficiency in reducing pollutant emissions from diesel engines without solely using diesel fuel consumption as a calculation basis, but also making use of measurements of the concentrations of polluting gases, This parameter allows an improvement in the results obtained in mitigating emissions and improving combustion, as it provides much more precise data on the quality of combustion in the engine. It is also an objective of the present invention to control the additives of diesel engines, which has as a priority the global reduction in the emission of polluting gases, acting on the concentration of engine exhaust gases and fuel consumption.
- Engine exhaust gases are the main indicators of fuel burning efficiency in the diesel engine. Ideally, in a complete combustion of diesel, the hydrocarbons would be converted only to carbon dioxide and water. However, under real conditions combustion does not occurs completely, generating intermediate compounds, such as: carbon monoxide, soot and volatile organic compounds. These intermediate combustion compounds have a much higher environmental impact than carbon dioxide, being responsible for a large part of the environmental liabilities caused by the burning of fossil fuels. Taking into account the points previously discussed, we can conclude that monitoring the concentration of exhaust gases provides a very accurate parameter regarding the pollution generated by an engine and its efficiency. For this reason, a system proposed to reduce pollution and increase the efficiency of diesel engines that makes use of exhaust gas concentration data has a significant technical advantage over other systems that do not have this data as a feedback parameter for its operation.
- the present invention deals with a method and a system for optimizing the reduction of atmospheric emissions in large diesel engines.
- the system in which one or more diesel engines are inserted must be understood, such as, for example, thermoelectric plants, locomotives, industries, naval vessels, mining equipment , tunnel boring equipment, among others.
- the method for optimizing the reduction of emissions in diesel engines object of the present invention comprises deionizing water available in an asset to generate deionized water; store deionized water in a reservoir; produce hydrogen and oxygen through electrolysis using stored deionized water; inject the hydrogen and oxygen produced by the electrolysis of water into an air intake system of at least one diesel engine; monitoring a concentration of one or more pollutant gases in an exhaust stream of the at least one diesel engine; monitor operating parameters of said at least one diesel engine; store pollutant emissions data and diesel engine parameters in a database; continuously calculate, based on measured and stored data (primarily data on the concentration of polluting gases in the engine exhaust stream), an improved dosage of hydrogen and oxygen to be injected into the air intake system with the aim of reducing emissions of pollutants generated by the engine; and, monitoring the presence of hydrogen gas to detect a gas leak, whereby, when a leak is detected, system operation is stopped.
- a second object of the present invention deals with a system for optimizing the reduction of emissions in diesel engines, capable of carrying out the method object of the present invention, in which the system comprises a water purification and storage subsystem, a water purification subsystem, water electrolysis, a gas purifier, a control and integration subsystem with the system in which the engine is inserted, a safety subsystem, and a pollutant gas analysis subsystem.
- Figure 1 shows a flowchart of the method object of the present invention.
- Figure 2 illustrates a schematic diagram of the system object of the present invention.
- FIG. 1 a flowchart that represents the method for optimizing the reduction of emissions in diesel engines object of the present invention is defined.
- hydrogen gas and oxygen are dosed in the air intake of diesel engines in accordance with monitoring the concentration of polluting gases and particulate matter in an exhaust gas stream, thus providing maximum reduction. of emissions.
- the developed method comprises the steps of:
- monitor 106 a concentration of one or more polluting gases in an exhaust stream of at least one diesel engine
- the steps of monitoring 106 and 107 data and parameters, storing data 108, calculating 109 and monitoring the presence of hydrogen gas 110 can be performed remotely.
- the method of the present invention is capable of generating a technical report based on the measured and stored data and parameters.
- the operating parameters of said at least one diesel engine being monitored in step 107 refer to information about the operating conditions of the diesel engine, and may be, but are not limited to, data on: rotation, pressure, temperature, gas flow, fuel flow, load, generation, vibration, among others.
- the method of the present invention further comprises the step of activating a security and firefighting system of the asset, in the event of a failure or emergency.
- Figure 2 shows a second aspect of the present invention.
- the schematic diagram shown represents the system 200 for optimizing the reduction of emissions in diesel engines object of the present invention.
- the system described here is specially adapted to carry out the method for optimizing the reduction of emissions in diesel engines subject to the present invention.
- the system 200 object of the present invention comprises a water purification and storage subsystem configured to purify water 214 available in an asset.
- the water must be purified until it reaches a minimum resistivity of 5MQ-cm, using a deionizer 201 and stored in a reservoir 202.
- the stored water is fed into a water electrolysis subsystem configured to produce hydrogen gas and oxygen, without producing accumulation.
- Water electrolysis is carried out in a 203 electrochemical electrolysis reactor that produces hydrogen gas, oxygen from water.
- a gas purifier 204 is present to separate water remnants and hydrogen and oxygen gases. The water separated in this component is returned to reservoir 202.
- the engine 205 is a diesel engine with a capacity above 1500 hp.
- the system 200 further comprises a pollutant gas analysis subsystem configured to perform measurements and analysis of the pollutant gases in the exhaust stream 213 of the engine 205.
- An atmospheric emissions gauge (not shown) is responsible for collecting emissions data from from an engine exhaust stream 205.
- the atmospheric emissions gauge can be, for example, electrochemical sensors for monitoring concentrations of carbon monoxide, nitrogen dioxide, nitrogen oxide, sulfur dioxide and oxygen.
- a security subsystem 206 is shown configured to stop the operation of the system 200 if a leak or conditions that pose a risk to the operation of the equipment are detected. Due to the explosive nature of Hydrogen, subsystem 206 is configured to monitor a concentration of Hydrogen in active environments.
- a control and integration subsystem represented by a controller 207, has the main purpose of controlling all automation routines for the safe production of hydrogen and oxygen and calculating the ideal instantaneous dosage that must be supplied to the engine. It is also introduced to send and receive data in order to allow integrated control with the system in which the engine is inserted.
- the controller 207 is responsible for compiling the data sent by the pollutant gas analysis subsystem and the safety subsystem 206, in addition to being responsible for sending and receiving data to an online database 208 to form an inventory of atmospheric emissions.
- the controller 207 based on the data stored in the database 208, is capable of generating technical reports.
- controller 207 is configured to allow the system to be operated remotely.
- the controller 207 controls an electrical transformer 209 powered by electrical energy from the medium itself by at least one energy source 210, 211.
- the electrical energy supplied to the equipment can be totally or partially from renewable sources 211.
- the system 200 of the present invention is configured to be activated and inject Hydrogen and Oxygen on demand.
- the controller 207 sends a command to the electrical transformer 209 to activate the system 200. This feature is important, since it is not desired to store Hydrogen in the asset due to its explosive nature.
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Abstract
A presente invenção se refere a um método para otimização da redução de emissões em motores diesel realizado por um sistema embarcado (200), o método compreendendo: deionizar (101) água disponível em um ativo para gerar água deionizada; armazenar (102) a água deionizada em um reservatório (202); produzir (103) hidrogênio e oxigênio por meio de eletrólise utilizando a água deionizada armazenada; purificar (104) os gases produzidos na eletrólise para remoção de contaminantes como água (gotículas ou vapor) e/ou eletrólito (quando presente); injetar (105) o hidrogênio e oxigênio produzidos pela eletrólise da água em um sistema de admissão de ar de pelo menos um motor diesel (205); monitorar (106) uma concentração de um ou mais gases poluentes em uma corrente de exaustão (213) do pelo menos um motor diesel; monitorar (107) parâmetros de funcionamento do referido pelo menos um motor diesel (205); armazenar (108) dados de emissões de poluentes e parâmetros do motor diesel (205) em um banco de dados (208); calcular (109) continuamente, com base nos dados medidos e armazenados, uma dosagem aprimorada de hidrogênio e oxigênio a ser injetada no sistema de admissão de ar; e, monitorar (110) a presença de gás hidrogênio para detectar um vazamento de gás, em que, quando um vazamento é detectado, o funcionamento do sistema (200) é interrompido. Também é um objeto da presente invenção um sistema (200) para otimização da redução de emissões em motores diesel.
Description
MÉTODO E SISTEMA PARA OTIMIZAÇÃO DA REDUÇÃO DE EMISSÕES EM MOTORES DIESEL
CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção se refere a um método e um sistema para otimização da redução de emissões atmosféricas em motores diesel. Mais especificamente, a presente invenção se refere a um método e um sistema para otimização da redução de emissões atmosféricas em motores diesel de grande porte, utilizados em termoelétricas, locomotivas, indústrias, embarcações navais, equipamentos de mineração, equipamentos de perfuração de túneis, entre outros.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
[002] Impulsionados por preocupações com o aquecimento global causado por gases de efeito estufa, muitas tentativas foram feitas para melhorar a eficiência energética dos motores de combustão, incluindo motores de ignição por centelha e diesel (ou mais especificamente, “ignição por compressão”), principalmente porque são grandes contribuintes para muitos gases de efeito estufa e outras emissões nocivas, como monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados, óxidos nitrosos (NOx) e, no caso de motores a diesel, partículas.
[003] Uma técnica que vem sendo estudada por entidades interessadas é a de injeção de Hidrogênio, ou Hidrogênio e Oxigênio, no sistema de admissão de ar de motores de combustão interna.
[004] Diversos estudos recentes demonstram o efeito da otimização da combustão em motores ciclo diesel quando do acréscimo de hidrogênio. Esse efeito pode ser explicado pelas propriedades do hidrogênio, como elevada velocidade de propagação de chama, elevada difusividade e elevada entalpia de combustão, que, quando combinado com o diesel na câmara de combustão, propiciam o aumento da velocidade de queima do combustível. Isso se traduz na oxidação mais completa do mesmo, permitindo o
aproveitamento da energia de frações do diesel que antes não eram completamente oxidadas. A oxidação mais completa do combustível reduz a nocividade das emissões atmosféricas e otimiza a eficiência termodinâmica do motor.
[005] Alguns sistemas e métodos que buscam reduzir as emissões de motores de combustão interna são conhecidos do estado da técnica.
[006] O documento W02009/051788A2 revela sistemas e métodos para enriquecimento aprimorado de combustíveis com hidrogênio que permitem, entre outras melhorias, melhor combustão com menores emissões de motores de combustão interna. O sistema pode compreender um fornecimento de água, uma fonte de energia e um eletrolisador para gerar hidrogênio e oxigênio misturados. Um sistema de admissão de ar para transportar a saída de gás do eletrolisador para um motor também é fornecido. Ainda, W02009/051788A2 apresenta um método para fornecer gás para a combustão melhorada. O método inclui fornecer uma fonte de água, uma fonte de energia para ativar um aparelho, um eletrolisador que gera hidrogênio e oxigênio bem como uma unidade para a coleta da saída de gás do eletrolisador e transportá-lo para um motor.
[007] O documento W02010/084358A2 fornece um dispositivo de eletrólise para gerar hidrogênio e oxigênio para o uso na melhoria da combustão de combustível de hidrocarboneto, o dispositivo compreende um alojamento contendo uma célula de eletrólise e meios de controle eletrônico para fornecer uma corrente elétrica à célula. O dispositivo apresenta ainda meios de redução de sedimentos operacionais para reduzir o sedimento que se acumula na célula, de modo que o dispositivo possa ser utilizado com água da torneira ou do mar sem eletrólito, de modo a gerar gás hidrogênio e oxigênio. [008] O documento WO2016/064289A1 fornece um método para o aumento da eficiência dos motores de combustão interna, com o uso de hidrogênio para atuar um otimizador de parâmetros de combustão sob a forma
de um oxidante alimentado ao motor junto com o ar de admissão. O método de WO20 16/064289 Al usa um dispositivo de produção de hidrogênio alimentado pelo circuito elétrico do motor que pode ser conectado à bateria ou a uma caixa de fusíveis. O dispositivo é controlado eletronicamente por um módulo integrado que gerencia a reação de eletrólise, garantindo que o dispositivo só funcione com o motor em funcionamento e que a produção de hidrogênio seja adequada à quantidade de combustível consumida pelo motor, que pode ser inferida pelo deslocamento e velocidade de rotação do motor.
[009] A patente US10495032B2 revela um sistema de propulsão de navio que compreende: um motor de combustão interna para impulsionar um navio, em que o motor de combustão interna tem uma câmara de combustão para queimar um combustível fóssil, em particular um combustível diesel, uma câmara de eletrólise para produzir gás hidrogênio e gás oxigênio, um turbocompressor, uma linha de alimentação, a qual é projetada para que uma mistura de gás possa ser transportada através de um compressor do turbocompressor para a câmara de combustão, sendo que a mistura de gás inclui pelo menos uma parte do gás hidrogênio e do gás oxigênio, em que: uma bomba de vácuo é fornecida para extrair o gás hidrogênio e o gás oxigênio da câmara de eletrólise, um tanque de gaseificação é fornecido com compostos orgânicos voláteis recebidos no mesmo, em particular metanol ou etanol, um suprimento de ar para suprir ar comprimido ao tanque de gaseificação é fornecido e, além do turbocompressor, há um compressor de ar para bombear ar para o tanque de gaseificação, a mistura de gás, a qual é guiada através da linha de alimentação e do turbocompressor para a câmara de combustão, também inclui compostos orgânicos gaseificados do tanque de gaseificação.
[0010] A patente US11015520B2 fornece um sistema de propulsão de navio que compreende pelo menos um motor de combustão interna com uma câmara de combustão para queimar um combustível e um turboalimentador
com um compressor. O sistema de propulsão de navio compreende adicionalmente um dispositivo de eletrólise, que produz hidrogênio e oxigênio, que são adicionados em um lado de pressão do compressor e conduzidos para o motor de combustão interna. Ademais, um tanque de água e um tanque de álcool são conectados a um lado de pressão do compressor para adicionar água e álcool ao ar de carga.
[0011] O documento W02018072011A1 apresenta um sistema e método de gerenciamento de um reator eletrolítico sob demanda para fornecer gás hidrogênio e oxigênio a um motor de combustão interna. O sistema minimiza o consumo de energia do reator e a perda de energia parasitária geralmente associada a reatores perpétuos. O sistema compreende uma pluralidade de sensores acoplados ao reator medindo uma pluralidade de parâmetros do reator, uma unidade de controle eletrônico acoplada à pluralidade de sensores e ao motor e uma placa de controle do reator acoplada ao reator e à unidade de controle eletrônico. A unidade de controle eletrônico: monitora a pluralidade de parâmetros do reator e a pluralidade de parâmetros do motor; determina um nível de desempenho do reator; determina um nível de desempenho do motor; determina uma mudança no nível de desempenho do motor para prever um nível futuro de demanda do motor; e determina um nível de desempenho ideal do reator correspondente ao nível de desempenho do motor ou ao nível de demanda do motor futuro. A placa de controle do reator regula o reator modificando pelo menos uma corrente elétrica fornecida ao reator, tensão elétrica fornecida ao reator e temperatura do reator.
[0012] A patente US7021249B1 apresenta um método e aparelho para geração de hidrogênio para enriquecer um combustível à base de hidrocarboneto para um motor de combustão interna com hidrogênio extraído de uma solução eletrolítica de água salgada por meio de eletrólise. Uma corrente é aplicada a um ânodo carregado positivamente e um cátodo carregado negativamente submerso em uma solução de água salgada para
dissociar e separar moléculas diatômicas de hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio coletado é fornecido ao carburador do motor através de um tubo de mistura venturi e introduzido no combustível de hidrocarboneto que está sendo bombeado para o mesmo e o combustível de hidrogênio e hidrocarboneto são misturados e atomizados antes da distribuição para a câmara de combustão.
[0013] A patente US8336508B2 descreve um sistema para uso com motor de combustão com entrada de ar, sensores e um módulo de controle do motor, compreendendo uma célula de hidrogênio capaz de transformar água em gases hidrogênio e oxigênio e um controlador conectado eletricamente aos sensores, ao módulo de controle do motor e à célula de hidrogênio, em que o controlador é programado para ativar a célula de hidrogênio em resposta a níveis de sinal predeterminados, em que o hidrogênio a célula é conectada fluidamente ao motor através da entrada de ar e em que o controlador é programado para fazer com que o módulo de controle do motor reduza a taxa de fluxo de combustível para o motor e ative a célula de hidrogênio simultaneamente.
[0014] A patente EP2569523B1 descreve um método de combustão de um combustível de hidrocarboneto em um motor de combustão interna, sistema de aprimoramento de motor e uso de hidrogênio como um catalizador de combustão a presente invenção fornece um sistema e método de aprimoramento de motor que utiliza hidrogênio como catalizador de combustão dentro de um motor de combustão interna, o hidrogênio preferivelmente ser obtido e/ou reabastecido a partir de um fornecimento de gás HHO alimentado em câmaras de combustão do motor e sendo localizado nos sítios intersticiais nas paredes das câmaras de combustão.
[0015] A patente AU2007202111B2 apresenta um sistema para a produção e utilização de hidrogênio em aplicações marítimas compreendendo: uma fonte de água; uma fonte de energia elétrica; um conversor de água em
hidrogênio para converter a referida água em gás hidrogênio e gás oxigênio, o referido conversor em comunicação fluida com a referida fonte de água e em comunicação elétrica com a referida fonte de energia elétrica; uma usina de energia de hidrogênio em comunicação fluida com o referido conversor para converter o referido gás hidrogênio em energia utilizável; e um dispositivo de distribuição de energia em comunicação elétrica com a fonte de energia elétrica, o conversor e a usina de energia.
[0016] Em Yilmaz AC, Uludamar E, Aydin K. “ Effect of hydroxy (HHO) gas addition on performance and exhaust emissions in compression ignition engines”; International Journal of Hydrogen Energy (2010); 35:11366-72, foi realizado estudo em que gás hidroxi (HHO) foi produzido pelo processo de eletrólise de diferentes eletrólitos (KOH(aq), NaOH(aq), NaCl(aq)) com diversos designs de eletrodos em um reator de acrílico à prova de vazamentos (gerador de hidrogênio). O gás hidroxi foi usado como combustível suplementar em um motor de quatro cilindros, quatro tempos, ignição por compressão (Cl) sem qualquer modificação e sem necessidade de tanques de armazenamento. Seus efeitos nas emissões de escape e nas características de desempenho do motor foram investigados.
[0017] Em Subramanian B, Ismail S, “Production and use of HHO gas in IC engines”, International Journal of Hydrogen Energy (2018), https://doi.Org/10.1016/j.ijhydene.2018.02.120, foi realizada uma revisão de importantes características e técnicas utilizadas para a produção de gás HHO. Vários aspectos da termodinâmica e cinética química das reações de eletrólise são discutidos. Os parâmetros de projeto e operação para melhorar a taxa de produção de gás são identificados. Hipóteses amplamente diferentes sobre a estrutura e composição do gás HHO são comparadas em profundidade. O estado da arte sobre o uso do gás HHO em motores de combustão interna (Cl) é apresentado na última parte do artigo. O estudo aponta que a introdução do gás HHO aumenta o torque do motor, a potência e a eficiência térmica, ao
mesmo tempo em que reduz a formação de NOx, CO, HC e CO2. Os principais desafios no uso do gás HHO em motores são identificados como complexidade do sistema, segurança, custo e eficiência da eletrólise.
[0018] Embora existam sistemas e métodos para otimizar as emissões de motores conhecidos a partir da técnica anterior, os sistemas de controle aplicados para a dosagem de Hidrogênio e Oxigênio são limitados por fazerem uso unicamente de parâmetros operacionais. Não existem sistemas e métodos que fazem aferições dos gases poluentes na corrente de exaustão dos motores e usem essa informação para o cálculo e aprimoramento da dosagem dos gases Hidrogênio e Oxigênio com objetivo principal de reduzir a emissão de poluentes, que coletem esses dados e fazem relatório sobre o funcionamento do motor e que permitam operação e monitoramento remotos. Além disso não há dispositivos configurados para utilizarem água disponível no ativo, necessitando movimentar e armazenar água purificada.
[0019] O método e sistema ora apresentados buscam solucionar o desafio de aumentar a eficiência na redução de emissões poluentes de motores diesel sem utilizar unicamente como base de cálculo o consumo de combustível diesel, mas também fazendo uso de aferições das concentrações dos gases poluentes, parâmetro este que permite um aprimoramento nos resultados obtidos na mitigação de emissões e aprimoramento da combustão, uma vez que confere dados muito mais precisos sobre a qualidade da combustão no motor. Também é um objetivo da presente invenção o controle de aditivação de motores diesel que tem como prioridade a redução global da emissão de gases poluentes, atuando na concentração dos gases de escape do motor e no consumo de combustível.
[0020] Os gases de exaustão do motor são os principais indicadores da eficiência da queima do combustível no motor diesel. Idealmente, em uma combustão completa do diesel, os hidrocarbonetos seriam convertidos apenas em dióxido de carbono e água. Todavia, em condições reais a combustão não
ocorre de maneira completa, gerando compostos intermediários, como: monóxido de carbono, fuligem e compostos orgânicos voláteis. Estes compostos intermediários da combustão possuem impacto ambiental muito mais elevado do que o dióxido de carbono, sendo responsáveis por grande parte do passivo ambiental causado pela queima de combustíveis fósseis. Tendo em vista os pontos anteriormente discutidos, podemos concluir que o monitoramento da concentração dos gases de escape fornece um parâmetro muito preciso a respeito da poluição gerada por um motor e sua eficiência. Por este motivo, um sistema proposto para reduzir a poluição e aumentar a eficiência de motores diesel que faça uso dos dados da concentração dos gases de escape possui uma vantagem técnica significativa em relação a outros sistemas que não possuem esses dados como parâmetro de feedback para seu funcionamento.
[0021] Conforme explicado, a presente invenção trata de um método e um sistema para otimização da redução de emissões atmosféricas em motores diesel de grande porte. Para fins de definição, no presente relatório, quando for mencionado um “ativo”, deve-se entender o sistema em que um ou mais motores diesel estão inseridos, como, por exemplo, termoelétricas, locomotivas, indústrias, embarcações navais, equipamentos de mineração, equipamentos de perfuração de túneis, entre outros.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[0022] Tendo em vista os aspectos e os problemas apresentados no estado da técnica atual, e no propósito de superá-los, foi desenvolvido um novo e inédito método para otimização da redução de emissões de motores diesel. Foi desenvolvido também um sistema capaz de realizar o método objeto da presente invenção.
[0023] O método para otimização da redução de emissões em motores diesel objeto da presente invenção compreende deionizar água disponível em um ativo para gerar água deionizada; armazenar a água deionizada em um
reservatório; produzir hidrogênio e oxigênio por meio de eletrólise utilizando a água deionizada armazenada; injetar o hidrogênio e oxigênio produzidos pela eletrólise da água em um sistema de admissão de ar de pelo menos um motor diesel; monitorar uma concentração de um ou mais gases poluentes em uma corrente de exaustão do pelo menos um motor diesel; monitorar parâmetros de funcionamento do referido pelo menos um motor diesel; armazenar dados de emissões de poluentes e parâmetros do motor diesel em um banco de dados; calcular continuamente, com base nos dados medidos e armazenados (primordialmente os dados de concentração de gases poluentes na corrente de exaustão dos motores), uma dosagem aprimorada de hidrogênio e oxigênio a ser injetada no sistema de admissão de ar com o objetivo de reduzir a emissão de poluentes gerados pelo motor; e, monitorar a presença de gás hidrogênio para detectar um vazamento de gás, em que, quando um vazamento é detectado, o funcionamento do sistema é interrompido.
[0024] Um segundo objeto da presente invenção trata de um sistema para otimização da redução de emissões em motores diesel, capaz de realizar o método objeto da presente invenção, em que o sistema compreende um subsistema de purificação e armazenamento de água, um subsistema de eletrólise de água, um purificador de gases, um subsistema de controle e integração com o sistema em que o motor se encontra inserido, um subsistema de segurança, e um subsistema de análise de gases poluentes.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[0025] O método e o sistema de acordo com a presente invenção são adicionalmente explicados por meio dos desenhos anexos, nos quais:
A figura 1 mostra um fluxograma do método objeto da presente invenção.
[0026] A figura 2 ilustra um diagrama esquemático do sistema objeto da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0027] Esta seção apresenta detalhadamente a solução proposta pela presente invenção, referenciando-se às figuras descritas na seção anterior.
[0028] De acordo com a figura 1 apresentada, um fluxograma que representa o método para otimização da redução de emissões em motores diesel objeto da presente invenção é definido. Como é possível observar, no método objeto da presente invenção, gás hidrogênio e oxigênio são dosados na admissão de ar de motores diesel de acordo com um monitoramento da concentração de gases poluentes e material particulado em uma corrente gasosa de exaustão, assim propiciando a máxima redução das emissões.
[0029] Especificamente, o método desenvolvido compreende as etapas de:
• deionizar 101 água disponível em um ativo para gerar água deionizada;
• armazenar 102 a água deionizada em um reservatório;
• produzir 103 hidrogênio e oxigênio por meio de eletrólise utilizando a água deionizada armazenada;
• purificar 104 os gases produzidos na eletrólise para remoção de contaminantes como água (gotículas ou vapor) e/ou eletrólito (quando presente);
• injetar 105 o hidrogênio e oxigênio produzidos pela eletrólise da água em um sistema de admissão de ar de pelo menos um motor diesel;
• monitorar 106 uma concentração de um ou mais gases poluentes em uma corrente de exaustão do pelo menos um motor diesel;
• monitorar 107 parâmetros de funcionamento do referido pelo menos um motor diesel;
• armazenar 108 dados de emissões de poluentes e parâmetros do motor diesel em um banco de dados;
• calcular 109 continuamente, com base nos dados medidos e armazenados (primordialmente os dados de concentração de gases poluentes na corrente de exaustão dos motores), uma dosagem aprimorada de hidrogênio e oxigênio a ser injetada no sistema de admissão de ar com o objetivo de reduzir a emissão de poluentes gerados pelo motor; e,
• monitorar 110 a presença de gás hidrogênio para detectar um vazamento de gás, em que, quando um vazamento é detectado, o funcionamento do sistema é interrompido.
[0030] Em uma configuração preferencial, as etapas de monitorar 106 e 107 dados e parâmetros, armazenar dados 108, calcular 109 e monitorar a presença de gás hidrogênio 110 podem ser realizadas de maneira remota.
[0031] Em mais uma configuração preferencial, a produção de Hidrogênio e Oxigênio no motor é realizada sob demanda.
[0032] Em uma outra configuração preferencial, o método da presente invenção é capaz de gerar um relatório técnico com base nos dados e parâmetros medidos e armazenados.
[0033] Os parâmetros de funcionamento do referido pelo menos um motor diesel sendo monitorados na etapa 107 se referem a informações sobre as condições de funcionamento do motor diesel, e podem ser, mas não se limitam a dados de: rotação, pressão, temperatura, fluxo de gases, fluxo de combustível, carga, geração, vibração, entre outros.
[0034] Em uma configuração preferencial, o método da presente invenção compreende ainda a etapa de acionar um sistema de segurança e combate a incêndios do ativo, quando no caso de uma falha ou emergência.
[0035] A Figura 2 apresenta um segundo aspecto da presente invenção. O diagrama esquemático mostrado representa o sistema 200 para otimização da redução de emissões em motores diesel objeto da presente invenção. O sistema aqui descrito é especialmente adaptado para realizar o método para otimização da redução de emissões em motores diesel objeto da
presente invenção.
[0036] Conforme apresentado, o sistema 200 objeto da presente invenção compreende um subsistema de purificação e armazenamento de água configurado para purificar água 214 disponível em um ativo. A água deve ser purificada até atingir uma resistividade mínima de 5MQ-cm, através de um deionizador 201 e armazenada em um reservatório 202.
[0037] De acordo com a demanda do ativo, a água armazenada é alimentada em um subsistema de eletrólise de água configurado para produzir gás hidrogênio e oxigênio, sem produzir acúmulo. A eletrólise da água é realizada em um reator eletroquímico de eletrólise 203 que produz gás hidrogênio, oxigênio a partir da água.
[0038] Um purificador de gases 204 está presente para realizar a separação de remanescentes de água e dos gases hidrogênio e oxigênio. A água separada neste componente é retomada para o reservatório 202.
[0039] Tendo os gases hidrogênio e oxigênio purificados, os mesmos são dosados na admissão de ar de um motor 205 que é também alimentado por um combustível representado pela seta 212, e que libera uma corrente de exaustão representada pela seta 213.
[0040] Em uma configuração preferencial, o motor 205 é um motor diesel com capacidade acima de 1500 hp.
[0041] O sistema 200 compreende ainda um subsistema de análise de gases poluentes configurado para realizar medições e análises dos gases poluentes na corrente de exaustão 213 do motor 205. Um aferidor de emissões atmosféricas (não mostrado) é responsável por coletar dados de emissões a partir de uma corrente de exaustão do motor 205. O aferidor de emissões atmosféricas pode ser, por exemplo, sensores eletroquímicos para monitorar concentrações de monóxido de carbono, dióxido de nitrogênio, óxido de nitrogênio, dióxido de enxofre e oxigênio.
[0042] Um subsistema de segurança 206 é apresentado configurado
para interromper o funcionamento do sistema 200 caso seja detectado um vazamento ou condições que ofereçam risco à operação do equipamento. Devido à natureza explosiva do Hidrogênio, o subsistema 206 é configurado para monitorar uma concentração de Hidrogênio em ambientes do ativo.
[0043] Um subsistema de controle e integração, representado por um controlador 207, tem como principal finalidade controlar todas as rotinas de automação para produção segura do hidrogênio e oxigênio e calcular a dosagem ideal instantânea que deve ser fornecida ao motor. Ele também é introduzido para enviar e receber dados de forma a permitir controle integrado com o sistema em que o motor se encontra inserido. O controlador 207 é responsável pela compilação dos dados enviados pelo subsistema de análise de gases poluentes e pelo subsistema de segurança 206, além de ser responsável por enviar e receber dados para um banco de dados online 208 para formar um inventário de emissões atmosféricas.
[0044] Em uma configuração preferencial, o controlador 207, com base nos dados armazenados no banco de dados 208, é capaz de gerar relatórios técnicos.
[0045] Em uma outra configuração preferencial, o controlador 207 é configurado para permitir que o sistema seja operado de forma remota.
[0046] De forma a completar sua atuação no sistema 200, o controlador 207 controla um transformador elétrico 209 alimentado por energia elétrica do próprio meio por pelo menos uma fonte de energia 210, 211. A energia elétrica fornecida para o equipamento pode ser totalmente ou parcialmente proveniente de fontes renováveis 211.
[0047] O sistema 200 da presente invenção é configurado para ser acionado e injetar Hidrogênio e Oxigênio sob demanda. Desta forma, o controlador 207 envia um comando para o transformador elétrico 209 para acionar o sistema 200. Esta característica é importante, uma vez que não é desejado realizar armazenamento de Hidrogênio no ativo devido a sua
natureza explosiva.
[0048] O sistema e o método aqui descritos, objetos da presente patente de invenção, podem ter a construção de seus elementos básicos constituintes em diferentes tecnologias, bem como diferentes configurações acessórias conforme as características, tipos de instalações e necessidades dos usuários; logicamente alterações podem ser feitas nos dispositivos e sistema sem a perda da inovação aqui apresentada.
Claims
1. Método para otimização da redução de emissões em motores diesel, caracterizado pelo fato de que compreende: deionizar (101) água disponível em um ativo para gerar água deionizada; armazenar (102) a água deionizada em um reservatório (202); produzir (103) hidrogênio e oxigênio por meio de eletrólise utilizando a água deionizada armazenada; purificar (104) os gases produzidos na eletrólise para remoção de contaminantes como água (gotículas ou vapor) e/ou eletrólito; injetar (105) o hidrogênio e oxigênio produzidos pela eletrólise da água em um sistema de admissão de ar de pelo menos um motor diesel (205); monitorar (106) uma concentração de um ou mais gases poluentes em uma corrente de exaustão (213) do pelo menos um motor diesel; monitorar (107) parâmetros de funcionamento do referido pelo menos um motor diesel (205); armazenar (108) dados de emissões de poluentes e parâmetros do motor diesel (205) em um banco de dados (208); calcular (109) continuamente, com base nos dados medidos e armazenados, uma dosagem aprimorada de hidrogênio e oxigênio a ser injetada no sistema de admissão de ar; e, monitorar (110) a presença de gás hidrogênio para detectar um vazamento de gás, em que, quando um vazamento é detectado, o funcionamento do sistema (200) é interrompido.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as etapas de monitorar dados e parâmetros (106, 107), armazenar dados (108), calcular (109) e monitorar a presença de gás hidrogênio (110) são realizadas de maneira remota.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a produção de Hidrogênio e Oxigênio no motor é realizada sob demanda.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a
3, caracterizado pelo fato de que compreende ainda gerar um relatório técnico com base nos dados armazenados.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a
4, caracterizado pelo fato de que os parâmetros de funcionamento do referido pelo menos um motor diesel sendo monitorados na etapa (107) são, mas não se limitam a, dados de rotação, pressão, temperatura, fluxo de gases, fluxo de combustível, carga, geração e vibração.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a
5, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a etapa de acionar um sistema de segurança e combate a incêndios do ativo, quando no caso de uma falha ou emergência.
7. Sistema (200) para otimização da redução de emissões em motores diesel, capaz de realizar o método como definido na reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que compreende: um subsistema de purificação e armazenamento de água configurado para purificar água disponível em um ativo; um subsistema de eletrólise de água configurado para produzir gás hidrogênio e oxigênio a partir da água purificada; um purificador de gases (204); um subsistema de análise de gases poluentes configurado para realizar medições e análises dos gases poluentes em uma corrente de exaustão (213) de pelo menos um motor diesel (205); um subsistema de segurança configurado para interromper o funcionamento do sistema (200) caso seja detectado um vazamento; e, um subsistema de controle e integração (207) com o ativo que
envia e recebe dados configurado para permitir controle integrado com o ativo.
8. Sistema (200), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o subsistema de purificação e armazenamento de água compreende um deionizador (201) e um reservatório (202).
9. Sistema (200), de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o subsistema de eletrólise de água compreende um reator eletroquímico de eletrólise (203).
10. Sistema (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que o subsistema de segurança é configurado para monitorar uma concentração de Hidrogênio em ambientes.
11. Sistema (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que o subsistema de controle e integração (207) é configurado ainda para permitir o controle e monitoramento de maneira remota.
12. Sistema (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11, caracterizado pelo fato de que a energia elétrica de alimentação do sistema é fornecida pelo próprio ativo.
13. Sistema (200), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a energia elétrica de alimentação do sistema fornecida pelo próprio ativo é totalmente ou parcialmente proveniente de fontes renováveis (211).
14. Sistema (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 13, caracterizado pelo fato de que o sistema (200) é acionado sob demanda.
15. Sistema (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 14, caracterizado pelo fato de que o motor (205) é um motor diesel com capacidade acima de 1500 hp.
16. Sistema (200), de acordo com qualquer uma das
reivindicações 7 a 15, caracterizado pelo fato de que um banco de dados (208) é alimentado pelo subsistema de controle e integração (207) para formar um inventário de emissões atmosféricas, em que sistema (200) é configurado para gerar relatórios técnicos a partir dos dados armazenados no banco de dados (208).
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Publications (1)
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|---|---|
| WO2024077363A1 true WO2024077363A1 (pt) | 2024-04-18 |
Family
ID=84286244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/BR2023/050076 WO2024077363A1 (pt) | 2022-10-14 | 2023-03-07 | Método e sistema para otimização da redução de emissões em motores diesel |
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| WO (1) | WO2024077363A1 (pt) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8336508B2 (en) * | 2008-09-17 | 2012-12-25 | Timothy Huttner | System and method for use with a combustion engine |
| WO2018072011A1 (en) * | 2016-10-20 | 2018-04-26 | Dynacert Inc. | A management system and method for regulating the on-demand electrolytic production of hydrogen and oxygen gas for injection into a combustion engine |
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-
2022
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-
2023
- 2023-03-07 WO PCT/BR2023/050076 patent/WO2024077363A1/pt unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8336508B2 (en) * | 2008-09-17 | 2012-12-25 | Timothy Huttner | System and method for use with a combustion engine |
| WO2018072011A1 (en) * | 2016-10-20 | 2018-04-26 | Dynacert Inc. | A management system and method for regulating the on-demand electrolytic production of hydrogen and oxygen gas for injection into a combustion engine |
| WO2019119062A1 (en) * | 2017-12-22 | 2019-06-27 | HYDI IP Pty Ltd | Hydrogen direct injection system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| BR102022020931A2 (pt) | 2022-12-06 |
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