BR0214668A2 - sistema e métodos para um controle de emissão melhorado de motores de combustão interna - Google Patents

Abstract

SISTEMA E MéTODOS PARA UM CONTROLE DE EMISSãO MELHORADO DE MOTORES DE COMBUSTãO INTERNA. A presente invenção provê sistemas e métodos para melhoria da performance e controle de emissão de motores de combustão interna equipados com sistemas de controle de emissão de redução de armazenamento de áxidos de nitrogênio ("NSR") (206). O sistema compreende um catalisador de NSR (206), um processador de combustível (200) localizado a montante do catalisador de NSR, e pelo menos uma janela de injeção de combustível (208). O processador de combustível (200) converte um combustível em uma mistura de gás de redução compreendendo CO e H~ 2~. A mistura de gás de redução, então, é alimentada para o catalisador de NSR (206), onde ele regenera o adsorvente de NSR, reduz o NO~ x~ para nitrogênio e, opcionalmente, de forma periádica, dessulfata o catalisador de NSR. O processador de combustível (200) compreende um ou mais catalisadores, os quais facilitam as reações tais como combustão, oxidação parcial e/ou reformação, e ajudam a consumir o oxigênio em excesso presente no fluxo de escapamento do motor. Os métodos da presente invenção provêem uma regeneração de adsorvente de catalisador de NSR. As estratégias de controle são providas para o controle do sistema e dos métodos da invenção.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA EMÉTODOS PARA UM CONTROLE DE EMISSÃO MELHORADO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA".

Referência Cruzada a Pedidos Relacionados

Este pedido reivindica prioridade para o Pedido de Patente U.S.N0 de Série 60/337.023, depositado em 3 de dezembro de 2001 e intitulado"Devices and Methods for Improved Emission Control of Internai CombustionEngines", o qual, desse modo, é incorporado como referência em sua totalidade.

Campo da Invenção

Esta invenção refere-se, geralmente, a motores de combustãointerna ("IC") e, mais particularmente, a dispositivos, sistemas e métodospara melhoria da performance e controle de emissão de motores IC que pro-duzem emissões de óxidos de nitrogênio ("NOx"). Ela ainda refere-se, geral-mente, a sistemas de controle de emissão, sistemas de reação catalítica eprocessamento de combustível.

Antecedentes da Invenção

Os esforços para se melhorar a qualidade do ar levaram a con-troles e regulamentos estritos de emissão emitidos pelo governo. Ao longodos últimos 30 anos, as emissões admissíveis de motores de gasolina deignição por centelha têm sido substancialmente reduzidas. Em tensão comos esforços para redução das emissões está um desejo geral por uma efici-ência aumentada de combustível. Isto é um problema particularmente commotores diesel, os quais, embora sejam muito eficientes, freqüentementeproduzem emissões muito altas de NOx e matéria em partículas ("PM"). Defato, de modo a se estar em conformidade com os regulamentos de motor deignição por centelha a gasolina, as emissões de um motor a diesel modernodevem ser reduzidas por um fator em torno de 10 a 50, dependendo do tipoespecífico de motor.

Motores de queima pobre incluem motores de ignição por cen-telha ("SI") e de ignição por compressão ("Cl"). Em comparação com osmotores Sl convencionais, os motores Sl de queima pobre oferecem umaeconomia de combustível de 20 a 25% maior, enquanto os motores Cl ofe-recem uma economia de combustível de 50 a 100% maior. Os motores Clsão amplamente usados por todos os Estados Unidos em células de cargapesada e espera-se que seu uso em veículos de carga leve cresça. Os mo-tores Cl também são amplamente usados pela maior parte de todo o mundoem veículos de passageiros, caminhões de carga leve e pesada e geradoresde energia elétrica.

Atualmente, o controle de emissão automotiva é baseado gran-demente em uma tecnologia de catalisador de três vias, a qual reduz asemissões de monóxido de carbono ("CO"), hidrocarbonetos não queimados("UHCs") e NOx. Esta tecnologia pode ser altamente efetiva para motores agasolina comuns operando em relações de ar / combustível estequiométri-cas ou quase estequiométricas. Entretanto, a tecnologia de catalisador detrês vias, geralmente, não é adequada para motores de queima pobre, osquais geram uma mistura de escapamento geral muito pobre contendo umgrande excesso de oxigênio. Isso é porque o oxigênio em excesso no esca-pamento impede a redução de NOx, uma grande limitação dos motores dequeima pobre e da tecnologia de controle de emissão à base de TWC. Porexemplo, no caso de motores a diesel de queima pobre, o sistema de con-trole de emissão deve remover NOx e PM de um fluxo de escapamentocontendo um oxigênio em excesso de 6 a 15%.

Muitas tecnologias, portanto, foram exploradas para se resolvero problema de remoção de NOx de um escapamento de motor de queimapobre. Uma tecnologia como essa utiliza sistemas de redução de armaze-namento de NOx ("NSR" ou tipo de NSR). Esta tecnologia foi descrita portoda a literatura científica e, geralmente, é bem conhecida na técnica. Porexemplo, uma descrição desta tecnologia pode ser encontrada em S. Ma-tsumoto, CATTECH, Vol. 4, N0 2, pp. 102-109, 2000 e nas referências cita-das ali, todas as quais, desse modo, sendo incorporadas como referênciaem sua totalidade.

Como descrito aqui, um catalisador de NSR típico tem um siste-ma de adsorvente - catalisador, provendo as funções duplas de armazena-mento de NOx reversível ou aprisionamento e redução de NOx. Um compo-nente do catalisador de NSR reage com NOx no fluxo de gás, para capturá-lo, sob condições de oxidação ou condições em que o fluxo de escapamentocontém O2 em excesso. Este componente é selecionado de modo que,quando o fluxo de escoamento for feito reduzir, isto é, conter espécies deredução de excesso, o NOx seja liberado. O catalisador de NSR tambémcontém um catalisador de redução de NOx que reage NOx com um agentede redução, sob condições de redução, para a formação de N2 não poluente.Quando o fluxo de escapamento é feito reduzir, o NOx é liberado e este NOxreage com espécies de redução no catalisador de redução de NOx, paraformar N2. Um exemplo de um sistema de adsorvente - catalisador é o sis-tema Pt / Rh / Ba / TiO2 / ZrO2 / γ-ΑΙ203, o qual tem sido usado comercial-mente em veículos no Japão.

As vantagens principais do catalisador de NSR são sua compa-tibilidade e efetividade com motores de IC de queima pobre de combustíveleficiente; sua aceitação comercial; seu uso desnecessário de amônia ouuréia como agentes de redução; e sua capacidade de obtenção de altasconversões de NOx, quando operado em condições ideais. Por exemplo,conversões de NOx de 90 a 100% foram obtidas em testes de motores dieselsob condições ideais, usando-se combustível diesel como um agente de redução.

Entretanto, a tecnologia de NSR tem algumas sérias desvanta-gens e limitações também. Durante uma regeneração do catalisador deNSR, o ambiente do catalisador de NSR deve ser tornado rico para conver-são do NOx aprisionado em N2 e para a regeneração do catalisador. Se oambiente de redução no escapamento fosse para ser obtido pela modifica-ção da operação do motor de pobre para rica, então, o ciclo do motor estariaoperando em uma região em que ele não foi projetado para operar. Porexemplo, um motor a diesel, o qual, usualmente, opera sem um estrangula-mento na admissão de ar, requereria um estrangulamento para direcionar arelação ar / combustível para o regime rico. Além disso, isto teria de ser feitorapidamente e bastante freqüentemente, a partir de cerca de a cada 2 a 20minutos.

Um combustível pode ser injetado no fluxo de escapamento equeimado no catalisador de NSR em um catalisador de oxidação a montan-te, de modo a se consumir o oxigênio e a produzir o ambiente de redução. Aaltas temperaturas de escapamento, isto mostrou dar ciclos de regeneraçãoe uma conversão de NOx razoáveis. A uma baixa carga e a temperaturas deescapamento baixas, contudo, este procedimento não funciona bem, umavez que o catalisador não é suficientemente reativo com combustível diesel.Além disso, as altas temperaturas produzidas poderiam direcionar o catali-sador de NSR para uma temperatura indesejavelmente alta.

Uma outra desvantagem da tecnologia de NSR é que os adsor-ventes de NSR, tipicamente, são muito sensíveis a enxofre. O material ad-sorvente de NOx pode reagir com óxidos de enxofre contidos no combustívelpara a formação de sulfatos, como descrito, por exemplo, em S. Matsumoto,CATTECH, Vol. 4, N0 2, pp. 102-109, 2000; K. Yamazaki et al„ Applied Ca-talysis B: Environmental, Vol. 30, N0 3 e 4, pp. 459-468, 2001 e nas referên-cias citadas ali, todas as quais sendo, desse modo, incorporadas como refe-rência em sua totalidade. Estes sulfatos não são prontamente decompostose lentamente convertem o adsorvente de NOx em um sulfato inativo, redu-zindo sua eficiência de aprisionamento. Mesmo com um combustível de bai-xo enxofre (por exemplo, na faixa de 15 ppm), o catalisador de NSR duraapenas cerca de 805 a 1609 km terrestres, antes de sua eficiência de aprisi-onamento de NOx tornar-se significativamente reduzida. Para a produção deum catalisador de NSR que durasse de 241402 a 643738 km como requeri-do pelos regulamentos de emissões atuais e por vir, a unidade de NSR teriade ser projetada grande demais para ser convenientemente utilizada na in-dústria. Embora tenha sido descoberto que a unidade de catalisador de NSRpode ser dessulfatada por um tratamento em uma atmosfera de redução atemperaturas de 500 a 650°C, é muito difícil operar um motor de maneira ase produzir este ambiente na unidade de aprisionamento de NSR em si.

O uso de um combustível diesel como um redutor por injeçãodireta no escapamento não é muito efetivo a temperaturas de fluxo de esca-pamento de 150 a 250°C, o que cobre uma porção significativa do ciclo deoperação de um motor diesel, incluindo inativo e com carga baixa. Emboraaltas conversões de NOx sejam possíveis usando-se um redutor de diesel aaltas temperaturas de entrada (por exemplo, variando de 250 a 300°C ouacima), estas temperaturas, freqüentemente, não são obteníveis por um es-pectro suficientemente amplo de condições de operação, para tornar estaabordagem útil. Outros agentes de redução, tais como hidrogênio, monóxidode carbono, álcoois e alguns hidrocarbonetos de peso molecular baixo (porexemplo, propileno), são mais reativos a baixas temperaturas e podem pro-ver melhores capacidades de redução em uma faixa mais ampla de condi-ções de operação. Entretanto, o uso destes materiais requereria que o veí-culo tivesse uma fonte de combustível adicional, impondo uma infra-estrutura significativa e implicações de projeto, bem como custos aumenta-dos. Estas desvantagens e limitações grandemente impediram o uso comer-cial difundido e a aceitação da tecnologia de NSR.

O pedido de patente PCT publicado WO 01/34959 A1 de H. S.Hwang et ai, o qual é incorporado, desse modo, como referência em suatotalidade, mostra uma abordagem para se melhorar a regeneração de umcatalisador de NSR. Este pedido descreve uma unidade de processador decombustível que recebe combustível e ar e os processa por um catalisadorpara a produção de uma mistura de combustível parcialmente reagido e,possivelmente, algum H2 e CO em um sistema externo ao sistema de esca-pamento. A mistura de combustível parcialmente reagida, então, é injetadano fluxo de escapamento, quando surgir uma necessidade de uma regene-ração de catalisador de NSR.

Esta abordagem tem várias desvantagens, contudo. Em primeirolugar, o processador é limitado a produzir os agentes de redução, ele nãoauxilia na redução do nível de oxigênio no escapamento. Além disso, estedispositivo não pode prover uma temperatura de escapamento alta o bas-tante para facilitar a regeneração de catalisador de NSR ótima ou uma des-sulfação. Ainda, se o dispositivo for para ser usado apenas de forma inter-mitente, o combustível e o ar devem ser operados de forma intermitente. Istopode ser muito difícil, uma vez que o processador de combustível deve sermantido em temperaturas elevadas para funcionar apropriadamente. Du-rante uma operação inativa ou de carga baixa, o catalisador de NSR podeser regenerado apenas uma vez a cada 10 a 20 minutos para uma economiaótima de combustível. Além disso, uma vez que o processador de combustí-vel deve ser mantido a temperaturas elevadas por períodos muito longos,mesmo quando não necessário, o gasto de energia é significativamente au-mentado e a economia de combustível é afetada de modo adverso. Por últi-mo, devido ao fato de combustível parcialmente processado, H2 e CO pode-rem ser gerados continuamente, eles devem ser armazenados até ser ne-cessário para o ciclo de regeneração. Isto complica o projeto do sistema ge-ral. Assim, permanece uma necessidade de métodos e dispositivos que pos-sam eliminar as desvantagens e as limitações dos sistemas de NSR atual-mente disponíveis e, ao mesmo tempo, que provejam uma solução práticapara os problemas de emissões e eficiência de combustível atuais.Breve Resumo da Invenção

A presente invenção preenche esta necessidade pela provisãode sistemas e processos que possibilitam a tecnologia de NSR. Desta forma,um uso comercial em larga escala de motores a diesel e de outros de quei-ma pobre com tecnologias de NSR é facilitado. Isto, por sua vez, ajuda aconservar petróleo e a reduzir as emissões de gás de efeito estufa, enquantogarante uma conformidade com regulamentos ambientais estritos.

Assim sendo, é um objetivo da presente invenção prover melho-ramentos na performance e nas emissões de motores de IC de queima po-bre equipados com sistemas de controle de emissão de NSR ou tipo deNSR. É um outro objetivo prover um dispositivo capaz de converter um com-bustível, tal como diesel ou gasolina, em uma mistura de gás de reduçãocontendo CO e H2 a uma temperatura compatível para uso com sistemas deNSR. É ainda um outro objetivo prover uma mistura de gás de redução ca-paz de regenerar um adsorvente de NOx, reduzir NOx para nitrogênio e, pe-riodicamente, dessulfatar um catalisador de sistema de controle de emissãotipo de NSR. É ainda um objetivo adicional prover um agente de redução deNOx e um agente de dessulfatação de adsorvente - catalisador que sejamais eficiente do que um combustível diesel. É ainda um objetivo adicionalpermitir que motores de IC sejam operados em um modo de queima pobrecontínua, ao invés de em um modo intermitente de queima rica / pobre. Es-tes e outros objetivos e vantagens tornar-se-ão evidentes a partir da descri-ção estabelecida a partir deste ponto e nos desenhos anexados a esta.

Em um aspecto, a presente invenção cumpre estes objetivospela provisão de um sistema para redução de NOx em um fluxo de escapa-mento contendo oxigênio em excesso, que compreende um catalisador deNSR, um processador de combustível e pelo menos uma janela injetora decombustível. O processador de combustível está localizado em uma posiçãoa montante do catalisador de NSR e compreende uma entrada, uma saída epelo menos um catalisador. O combustível é injetado na janela de injeção decombustível e reage com o catalisador de processador de combustível pararapidamente aumentar a temperatura de pelo menos uma porção do catali-sador de processador de combustível e pelo menos uma porção dele é con-vertida para H2 e CO.

Em algumas variações, o sistema ainda compreende uma mas-sa térmica que tem uma capacidade térmica maior do que aquela do proces-sador de combustível. A massa térmica, por exemplo, pode ser um filtro dePM, uma estrutura monolítica, ou pode ser uma porção do catalisador deNSR ou do processador de combustível. O sistema, opcionalmente, podecompreender um pré-aquecedor de combustível, um vaporizador de com-bustível, um misturador e um sistema de controle.

Em um outro aspecto, a presente invenção cumpre estes objeti-vos pela provisão de um método para a regeneração de um adsorvente decatalisador de NSR, que compreende as etapas de provisão de um fluxo deescapamento a partir de um motor, injeção de combustível em uma posiçãoa montante de um processador de combustível, opcionalmente mistura dofluxo de escapamento com o combustível, reação da mistura de combustívele de fluxo de escapamento no processador de combustível para a geraçãode uma mistura de gás de redução que compreende CO e H2 e introduçãoda mistura de gás de redução em uma armadilha de NOx, por meio do que oadsorvente é regenerado pela introdução da mistura de gás de redução.

Em uma variação, o combustível é vaporizado antes da injeção.Em uma outra variação, o combustível é injetado em uma relação de equi-valência maior do que 1. Em uma outra variação, o combustível pode sergasolina ou combustível diesel. Ainda em uma outra variação, pelo menosuma porção do catalisador é aquecida até pelo menos 500°C.

Em um outro aspecto, a presente invenção cumpre estes objeti-vos pela provisão de uma unidade de processador de combustível para usocom um sistema de NSR1 que compreende uma entrada, uma saída, pelomenos um catalisador e pelo menos uma janela de injeção de combustível.A janela de injeção de combustível está localizada em uma posição a mon-tante do catalisador e facilita a injeção de combustível no catalisador. Pelomenos uma porção do combustível reage no catalisador para rapidamenteelevar a temperatura de pelo menos uma porção do catalisador, e pelo me-nos uma porção do combustível e convertida em H2 e CO. Em algumas vari-ações, a unidade de processador de combustível ainda compreende ummisturador ou catalisadores adicionais.

Ainda em um outro aspecto, a presente invenção provê estraté-gias de controle para uso com os sistemas e os métodos da presente inven-ção.

Breve Descrição dos Desenhos

Os aspectos precedentes e outros da presente invenção serãomais bem apreciados com referência à descrição detalhada em conjuntocom os desenhos em anexo, onde:

a figura 1 descreve a adsorção e a redução de noz em um sis-tema de NSR ilustrativo.

A figura 2 ilustra uma variação do sistema da presente invenção,onde um processador de combustível está localizado a jusante de um siste-ma de NSR.

A figura 3 ilustra uma variação do processador de combustívelda presente invenção, onde o processador de combustível compreende umcatalisador único.

A figura 4 provê um gráfico baseado no tempo que ilustra ummétodo de operação do processador de combustível de acordo com a pre-sente invenção.

A figura 5 ilustra uma variação da presente invenção, onde oprocessador de combustível compreende dois catalisadores em série.

A figura 6 ilustra uma variação da presente invenção, onde oprocessador de combustível compreende dois catalisadores em paralelo.

A figura 7 provê um conjunto ilustrativo de curvas de respostatérmica para os processadores de combustível tendo diferentes massas tér-micas.

A figura 8 provê resultados de teste indicando um rápido aque-cimento e a geração de H2 usando-se a presente invenção.

A figura 9 provê resultados de teste indicando um rápido aque-cimento e a geração de H2 usando-se a presente invenção com uma pro-gramação alternativa de combustível e motor.

A figura 10 provê resultados de teste usando-se um possível es-quema de dessulfatação usando-se o processador de combustível da pre-sente invenção.

A figura 11 provê resultados de teste indicando um rápido aque-cimento e a geração de H2 e CO usando-se a presente invenção com umsistema contendo uma massa térmica a jusante do processador de combustível.

Descrição Detalhada da Invenção

Em um aspecto, a presente invenção provê um sistema para amelhoria da performance e o controle de emissão de motores de IC e, emparticular, motores de queima pobre equipados com um catalisador de NSR.Quando uma referência for feita a um "catalisador de NSR", deve ser com-preendido que todos os sistemas tendo um sistema de adsorvente - catali-sador de NOx são realizados segundo isto. Fazendo-se uma referência, ago-ra, aos desenhos, onde números iguais indicam elementos iguais por todasas vistas, é ilustrada, na figura 1, a operação de um catalisador de NSR típi-co.

Como mostrado aqui, conforme um gás de escapamento fluiatravés do catalisador durante um ciclo de adsorção 100, NOx é adsorvidona presença de oxigênio em excesso por um adsorvente. O catalisador deNSR pode ser projetado de modo que a adsorção seja muito eficiente, comuma adsorção quase completa de NOx a partir do fluxo de escapamento,como mostrado pela curva 102. O catalisador de NSR, tipicamente, compre-ende um recipiente situado na unidade de escapamento para se permitir queo gás de escapamento flua através dele. Os catalisadores típicos são estru-turas monolíticas tipo de favo de mel tendo os componentes adsorventes ecatalisadores revestidos sobre suas superfícies ou paredes.

Conforme o adsorvente no catalisador de NSR torna-se saturadocom NOx, a adsorção torna-se menos completa e o nível de NOx que sai daarmadilha de NOx começa a aumentar, como mostrado pela curva 104.Neste ponto, a composição do fluxo de escapamento é mudada de um esta-do de oxidação para um de redução, e o ciclo de redução 106 começa. Umagente de redução, então, é introduzido e o nível de oxigênio é reduzidopara zero, como mostrado pela curva 108.

Em um ambiente de redução, o NOx é dessorvido do adsorventee é reduzido para nitrogênio pelos componentes catalíticos da armadilha deNOx. Esta reação, geralmente, ocorre com uma velocidade suficiente demodo que um ciclo de redução 106 seja relativamente curto, enquanto, aomesmo tempo, permite que um tempo suficiente decorra, de modo que umafração significativa da capacidade de adsorção de NOx seja regenerada. Acomposição de escapamento, então, reverte de volta para sua condição deoxidação normal, e todo o ciclo é repetido. Tipicamente, um ciclo de adsor-ção 100 dura qualquer coisa entre 1 e 5 minutos a uma carga alta e, possi-velmente, 20 minutos a uma carga baixa ou inativa. O ciclo de regeneração- redução 106, tipicamente, dura de 1 a 10 segundos e, possivelmente mais,dependendo do tempo requerido para a regeneração do catalisador de NSR.

A composição de gás de redução para regeneração - redução éobtida pela injeção de combustível extra nos cilindros do motor tarde nacombustão (isto é, durante o fim do curso de potência ou durante o curso deescapamento), ou diretamente no tubo de escapamento a montante do sis-tema de NSR. A performance geral de conversão ou remoção de NOx destatecnologia é afetada pela performance de regeneração - redução do sistemade adsorvente - catalisador. Assim, se o ciclo de regeneração for ineficiente,o ciclo de adsorção subseqüente é ineficiente e os níveis de NOx saindo doescapamento, tipicamente, são muito altos.

Voltando-nos, agora, para a figura 2, é mostrado um esquemageral do sistema da presente invenção. Como ilustrado ali, um processadorde combustível 200 pode estar localizado em uma posição ao longo de umtubo de escapamento 202 a uma distância entre um motor 204 e um sistemade NSR 206. Desta forma, o fluxo de escapamento fluirá, primeiramente,através do processador de combustível 200 e, então, através do sistema deNSR 206. O processador de combustível 200 pode estar localizado em con-junto com o sistema de NSR 206 em uma estrutura de alojamento única, ounão. Em uma variação, como será descrito em maiores detalhes abaixo, oprocessador de combustível 200 é operado de forma intermitente para peri-odicamente regenerar o adsorvente de NSR do sistema de NSR 206. Quan-do da regeneração do adsorvente de NSR, o combustível 208 pode ser in-jetado no processador de combustível 200, injetado em uma posição amontante do processador de combustível 200, ou pode ser injetado direta-mente na unidade de processador de combustível 200 e em uma posição amontante da mesma.

Em uma variação, o processador de combustível 200 compreen-de pelo menos um catalisador, como mostrado na figura 3. Como mostradode forma ilustrativa ali, o processador de combustível 200 compreende umaentrada 300, uma saída 302, e pelo menos um catalisador 308. Pelo menosuma janela de injeção de combustível 304 e um misturador opcional 306estão localizados em uma posição a montante do processador de combustí-vel. Além disso, o processador de combustível 200 ainda pode compreenderum pré-aquecedor, um vaporizador de combustível, uma janela de injeçãosecundária para a introdução de ar ou de um combustível adicional (nãomostrado) e um sistema de controle (não mostrado).

Como mostrado de forma ilustrativa na figura 3, o processadorde combustível 200 compreende uma entrada 300 para o recebimento deuma mistura de gás de escapamento 310. A janela de injeção de combustí-vel 304 está localizada em uma posição a montante do processador decombustível 200, para o recebimento de combustível ali. Após o combustívelser injetado na janela 304, ele entra no processador de combustível 200 e secombina com a mistura de gás de escapamento 310. O combustível a serinjetado na janela 304 pode tomar a forma de um vapor, um líquido ou umacombinação dos dois. Se o combustível injetado for um líquido, então, parteou todo ele pode ser vaporizado, quando contatado pela mistura de gás deescapamento aquecida. A mistura pode acelerar mais esta vaporização. As-sim, a mistura de gás de escapamento 310 e o combustível injetado podempassar através de um misturador opcional 306. O misturador 306 pode serqualquer misturador adequado que promova a mistura de gases e auxilie navaporização de gotículas de líquido.

A mistura pode ser suficientemente uniforme de modo que a re-lação de equivalência resultante (Φ) esteja em qualquer limite desejado,onde a relação de equivalência é a concentração de combustível divididapela concentração de combustível teórica necessária para se reagir com-pletamente todo o oxigênio presente na mistura de gás para a formação deCO2 e H2O. Por exemplo, se o processador de combustível for para ser usa-do para a redução da concentração de oxigênio no escapamento para zero,antes de entrar na armadilha de NOx, então, o nível de mistura determinará arelação de equivalência de mistura requerida. Se o misturado produzir umamistura na entrada de catalisador de +/- 10% de uniformidade, então, ocombustível pode ser adicionado para dar uma relação de equivalência de1,1, de modo que a relação de equivalência mais baixa no catalisador seja1,0. De modo similar, para a porção do processador de combustível operan-do rica para produzir H2 e CO, a uniformidade de mistura, provavelmente,será determinada pela relação de equivalência requerida e pela temperaturarequerida para a obtenção da performance de reformação necessária. Emgeral, a uniformidade de mistura de +/- 20% é desejável, enquanto +/-10% émais desejável e +/- 6% é o mais desejável.

Em uma variação, um misturador estático (isto é, que não tempartes móveis) em linha, que mistura os componentes em um fluxo relativa-mente homogêneo, é usado. Nesta variação, o misturador atua pela mudan-ça do escoamento dos componentes de fluxo de gás, desse modo causandouma mistura do fluxo de entrada. Vários tipos de misturadores estáticos es-tão comercialmente disponíveis e podem ser usados. Por exemplo, um tipode misturador estático tem um arranjo de canais que se interceptam, quedividem o fluxo em porções, cujas porções, então, são rearranjadas e re-combinadas. Outros tipos de misturadores incluem um misturador espiraladoe misturadores espiralados girando ao contrário, os quais imprimem um mo-vimento de rodamoinho à mistura de gás. O misturador espiralado pôde teruma porção girando em uma direção e uma outra porção girando na direçãooposta. Seções de tubo também podem ser usadas como misturadores. Porexemplo, seções retas de tubo com uma relação de comprimento / diâmetrointerno (L/D,) maior do que 5 ou seções curvas de tubo podem ser usadas.

Alternativamente, o misturador pode ter partes móveis, tais comoventiladores, turbinas ou dispositivos de entrada de energia acústica, osquais induzem turbulência ou mistura nos fluxos de gás. Tais misturadoressão menos desejáveis, contudo, uma vez que as partes móveis podem sedesgastar e requererem serviços e, também, podem requerer uma energiade entrada maior. Uma avaliação de qualquer melhoramento na eficiência demistura deve ser feita, antes de se determinar se uma mistura não estática ésuficientemente vantajosa para se tolerar a complexidade de projeto adicio-nal e o consumo de energia.

Além disso, é possível que depósitos de verniz e carbonáceosse formem nas partes do misturador em contato com a aspersão de com-bustível, especialmente se o combustível tiver um alto peso molecular e forpropenso a pirólise. O verniz é um revestimento tipo de hidrocarboneto for-mado pela pirólise parcial do combustível diesel. Partes do misturador po-dem ser revestidas com um catalisador capaz de oxidar estes depósitos deverniz ou carbonáceos. Desta foram, o catalisador impede ou remove os de-pósitos, muito como um forno de limpeza contínua ou autolimpante.

Em uma variação, janelas de injeção de combustível podem serusadas como misturadores. Em uma variação, as janelas de injeção decombustível estão localizadas a jusante do processador de combustível notubo de escapamento e um comprimento de tubo de escapamento é usadopara a mistura da mistura de gás uniformemente. A seção de comprimentode tubo necessária para a realização desta função, geralmente, é pensadacomo sendo de dez vezes a extensão do diâmetro do tubo. As janelas deinjeção também podem estar localizadas a montante de uma curva no tubode escapamento para se misturarem mais o combustível e o ar. Em algunscasos, pode ser desejável misturar o combustível e o ar rapidamente ou emuma distância curta, antes de sua introdução no catalisador. Isso é porquecombustíveis pesados (por exemplo, combustíveis diesel) são propensos àpirólise ou a uma decomposição e produzem verniz e outros depósitos, osquais, por sua vez, podem levar à degradação do sistema. Em uma outravariação, as janelas de injeção de combustível do motor são usadas comomisturadores.

O combustível e a mistura de escapamento, então, fluem para ocatalisador 308 para reação. Uma porção do combustível reage com oxigê-nio, enquanto o combustível remanescente reage com água para a formaçãode monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2) por processos bem conhe-cidos na técnica. O H2 e o CO, então, fluem para fora do catalisador 308 epara fora do processador de combustível através da saída 302. O H2 e o CO,então, podem fluir para jusante para o sistema de NSR 206, como mostradona figura 2. Uma vez que a mistura de gás compreende uma mistura de gásde redução de H2 e CO, contendo pouco ou nenhum oxigênio, a unidade deNSR será regenerada de forma rápida e eficiente. À conclusão deste ciclo deregeneração, o escoamento de combustível para o processador de combus-tível é terminado e o sistema retorna para o modo de adsorção.

O catalisador 308 pode compreender uma unidade de catalisa-dor única ou pode compreender vários catalisadores em série. Por exemplo,um primeiro catalisador pode ser projetado, primariamente, como um catali-sador de combustão com uma composição de catalisador selecionada parareagir com parte do combustível e oxigênio para formar dióxido de carbono eágua e gerar calor. O combustível em excesso e/ou o combustível injetadoentre as unidades de catalisador, então, poderiam passar para uma segundaunidade de catalisador, onde o combustível em excesso poderia reagir comágua e dióxido de carbono para a formação de CO e H2. Este segundo cata-lisador pode ser projetado, primariamente, como um catalisador de reforma-ção, por exemplo. Alternativamente, um catalisador único pode ser projetadotendo uma seção de entrada para oxidação e uma seção de saída para re-formação. Desta forma, um catalisador único é provido, que efetivamentefunciona como duas unidades separadas de catalisador.

O catalisador 308 pode compreender um ou mais metais ou óxi-dos como o catalisador ativo combinados com um suporte refratário de áreasuperficial alta, muitos dos quais sendo bem conhecidos na técnica para oxi-dação de hidrocarbonetos. O catalisador pode ser aplicado como uma ca-mada de óxido no substrato, um revestimento poroso tipicamente compre-endendo uma mistura de suporte de área superficial alta e elementos decatalisador ativos. Alternativamente, o revestimento pode compreender umsuporte com uma estrutura porosa, que tem uma segunda porção de óxidoou uma mistura de óxidos ativos para a oxidação de hidrocarbonetos ou car-bono. O revestimento pode ser aplicado usando-se qualquer um de váriosprocessos. Por exemplo, ele pode ser aplicado usando-se uma aspersão dechama de plasma, deposição de vapor de produto químico, eletrodeposição,deposição sem elétrons, aplicação de sol aspersível (compreendendo umasuspensão das partículas de catalisador em um líquido) ou pode ser aplica-do por mergulho das partes em uma suspensão. Um exemplo de uma com-posição de catalisador que pode ser usada na presente invenção é descritona Patente U.S. N0 5.232.357 de Dalla Betta et ai, a qual é incorporada des-se modo como referência em sua totalidade.

O combustível usado no processador de combustível pode serqualquer combustível compatível com a unidade. Por exemplo, ele pode serdo mesmo tipo de combustível que o usado no motor. Quando o combustívelé um líquido, tal como um combustível diesel ou gasolina, a mistura de gásde escapamento pode não estar aquecida o suficiente para a vaporizaçãocompleta do combustível. Nessas circunstâncias, a temperatura da misturapode ser aumentada o suficiente para fazer com que alguma parte do com-bustível reaja com o oxigênio no fluxo de escapamento que passa através docatalisador, desse modo fazendo com que a temperatura do catalisador au-mente. Conforme o catalisador de processador de combustível 308 aumentade temperatura, o combustível líquido remanescente pode ser vaporizado nocatalisador.

Alternativamente, o combustível pode ser pré-aquecido de modoque ele seja mais prontamente vaporizado mediante uma injeção. Um aque-cedor de combustível opcional pode ser posicionado em qualquer local con-veniente, dentro da unidade de processador de combustível em si ou emqualquer posição desejável a montante dali. O combustível pode ser injetadode forma contínua ou intermitente, pela duração do ciclo de regeneração. Nocaso de uma injeção de combustível contínua, a taxa e a duração do esco-amento de combustível controlam a quantidade de combustível. No caso deuma injeção de combustível intermitente, a freqüência de pulso e o volumede pulso controlam a quantidade de combustível. A quantidade de combustí-vel injetada, tipicamente, é suficiente para reagir com todo o oxigênio emexcesso presente no fluxo de escapamento e para a geração da quantidaderequerida de mistura de gás de redução (CO e H2) na temperatura de opera-ção do sistema de NSR. Esta quantidade de combustível corresponde a umarelação de equivalência (Φ) maior do que 1.

O combustível, geralmente, não é injetado durante a fase de ad-sorção de NOx, a qual, tipicamente, dura de 1 a 5 minutos em cargas altas emais em uma carga baixa ou inativa. Então, o combustível é injetado denovo por de cerca de 1 a 10 segundos, durante a fase de regeneração - re-dução de NOx, e o ciclo é repetido desde que o motor esteja operando e es-teja produzindo NOx. A quantidade e o sincronismo de injeção de combustí-vel podem ser opcionalmente controlados por um sistema de controle deprocessador de combustível, o qual pode ser ligado a ou ser parte do siste-ma de gerenciamento do motor ou da unidade de controle do motor.

O agente de redução de H2 e CO pode ser formado por uma va-riedade de reações. Em uma variação, uma porção do combustível é quei-mada para elevação da temperatura do catalisador para aproximadamentede 500 a 700°C e o combustível remanescente reage com H2O e CO2 nofluxo de escapamento ou formado pela combustão de combustível para aprodução do H2 e do CO desejados. Alternativamente, o combustível, O2,H2O e CO2 podem reagir simultaneamente no catalisador para a produçãodo H2 e do CO desejados.

O processador de combustível pode ser operado em qualquerum de vários modos. Um modo de operação é mostrado, por exemplo, nafigura 4. Como mostrado ali, o ciclo de regeneração 400 consiste em umafase de aquecimento A e uma fase de redução Β. A concentração de oxigê-nio 402 do motor, o escoamento de combustível para o processador decombustível 404, o CO e o H2 produzidos pelo processador de combustível406 e a temperatura do catalisador de processador de combustível 408 sãoindicados. No começo da fase de aquecimento A, um combustível é injetadono processador de combustível a uma taxa indicada por 410. Isto aquece ocatalisador de processador de combustível até a temperatura desejada,como mostrado na curva 408.

Quando a temperatura do catalisador de processador de com-bustível tiver atingido o nível desejado, o escoamento de combustível é au-mentado 412 e o nível de oxigênio 402 é diminuído pelo estrangulamentoparcial do fluxo de ar para o motor. A combinação de diminuição de concen-tração de oxigênio e aumento da concentração de combustível faz com quea mistura geral no catalisador de processador de combustível se torne rica,isto é, tendo uma relação de equivalência maior do que 1, e CO e H2 sãoproduzidos, como mostrado na curva 406. Quando a armadilha de NOx nosistema de NSR está completamente regenerada, a entrada de combustívelpara o processador é terminada, e o estrangulamento do motor reaberto.Uma vantagem deste ciclo é que o consumo de combustível é minimizado.Além disso, uma vez que o motor é estrangulado apenas durante o períodoem que o CO e o H2 são gerados, quaisquer efeitos negativos sobre a per-formance do motor e a dirigibilidade são minimizados.

Procedimentos de operação alternativos também são possíveis.

Por exemplo, o escoamento de combustível no processador de combustívelpode ser imediatamente elevado para aquele nível requerido para reduçãoda geração de agente. Então, quando o processador de combustível tiveratingido uma temperatura adequada, o motor pode ser estrangulado para aprodução de uma mistura de redução total de CO e H2. Isto pode facilitar umaquecimento mais rápido do combustível do catalisador de processador decombustível, uma vez que a quantidade de combustão de combustível émais alta. Entretanto, cuidados em particular devem ser tomados de modo ase evitar um superaquecimento do catalisador, desse modo desativando-o.

Durante o ciclo de regeneração, o fluxo de gás de saída do pro-cessador de combustível é sem oxigênio, incluindo um oxigênio que poderiase desviar do catalisador 308. Isso é porque este oxigênio irá se misturarcom a mistura de gás de redução e reagirá no catalisador de NSR, dessemodo reduzindo a efetividade do processo de regeneração. Além disso, oprocedimento de operação do motor pode tomar várias formas. Ao invés dese estrangular o motor para redução da concentração de oxigênio de esca-pamento, o escoamento do sistema de recirculação de gás de escapamento("EGR") pode ser aumentado, desse modo fazendo-se com que o nível deoxigênio de escapamento diminua. Alternativamente, a quantidade de com-bustível injetada no motor pelos injetores de combustível do motor pode seraumentada. Além disso, uma combinação desses métodos ou de outrosmétodos pode ser usada para a diminuição do nível de oxigênio de escapa-mento.

Em uma variante, o processador de combustível compreendecatalisadores em série. Nesta variação, um catalisador de oxidação está po-sicionado a montante de um catalisador de reformação, como mostrado nafigura 5. Como mostrado ali, a unidade de processador de combustível 200compreende um catalisador de oxidação 500 a montante de um catalisadorde reformação 502. O escoamento de gás de escapamento entra no refor-mador de combustível através da entrada 504 e passa através do misturador506, do catalisador de oxidação 500, do segundo misturador 508, do catali-sador de reformação 502 e, então, através da saída 510.

Nesta variação, o combustível pode ser injetado através do in-jetor de combustível 512 e ser reagido no catalisador de oxidação 500, paraaquecimento do catalisador de reformação 502. Em qualquer momento de-sejável, o combustível também pode ser injetado através do injetor de com-bustível 514 para se aumentar mais a relação combustível / ar para o catali-sador de reformação 502, de modo que uma reformação possa ocorrer, paraa produção de CO e H2. Uma vantagem desta variação é que as funçõesdos catalisadores de oxidação e reformação são separadas. Desta forma,cada catalisador pode realizar sua função de modo muito eficiente.

Por exemplo, durante uma operação, o catalisador de oxidaçãopoderia ser configurado para operar sob condições constantes de oxigênioem excesso (relação de equivalência de menos de 1,0), desse modo facili-tando uma alta atividade e uma baixa deposição de carbono ou hidrocarbo-netos. Adicionalmente, uma vez que o catalisador de reformação 502 podereceber separadamente combustível através de um ou mais injetores emuma posição próxima do injetor de combustível 514, o combustível pode seradicionado uma vez que a temperatura do catalisador de reformação tenhaatingido seu nível ótimo. Além disso, ter um catalisador de oxidação separa-do permite seu posicionamento próximo do motor, desse modo facilitandosua operação a temperaturas de gás de escapamento mais altas. Isto, porsua vez, ajuda a prover uma melhor operação nas condições inativa e deambiente baixo.

Os dois catalisadores em série, nesta variação, podem ter qual-quer uma de várias configurações. Por exemplo, os catalisadores podemestar localizados a uma distância separado um do outro e ter injetores emisturadores a montante separados. Alternativamente, os dois catalisadorespodem estar localizados em uma unidade única. Ter os catalisadores locali-zados em uma unidade única tem a vantagem de tornar cada sistema maisfacilmente reprodutível, desse modo provendo uma vantagem de fabricação.

Em uma outra variação, os catalisadores estão em paralelo,como mostrado na figura 6. O gás de escapamento entra através da janela600. O combustível pode ser injetado através de injetores de combustível602, onde ele, então, é misturado com o gás de escapamento pelo mistura-dor 604. A mistura de combustível e de escapamento, então, passa atravésda passagem 612 e, então, através do catalisador 614 até a temperaturadesejada. Quando a temperatura do catalisador 614 está na faixa desejada euma mistura de redução é requerida, o combustível é injetado através deinjetores 602 a uma relação de equivalência próxima de 1,0. Isto consome ooxigênio no escoamento de escapamento principal. Opcionalmente, umcombustível adicional pode ser adicionado através do injetor 610, para setornar a relação de equivalência da mistura no catalisador 614 acima de 1,0e produzir CO e H2. Deve ser notado que a relação de equivalência da mis-tura no catalisador 614 aumentará quando um combustível for injetado atra-vés dos injetores 602. Isto é porque o combustível é misturado com a porçãodo fluxo de escapamento que está escoando para o catalisador 614, tornan-do a composição de combustível no catalisador 614 a soma da relação deequivalência dos injetores 602 e 610.

O projeto do sistema geral pode ser modificado de várias for-mas. Por exemplo, o sistema pode ser modificado de modo que um com-bustível dos injetores 602 não seja misturado com o escoamento de esca-pamento que vai para o catalisador 614. Alternativamente, os catalisadorespodem estar localizados em posições separadas umas as outras. Por exem-plo, eles podem estar localizados em unidades separadas e ter injetores decombustível e misturadores separados.

Uma vantagem da configuração em paralelo ilustrada na figura 6é que o catalisador de reformação pode ser pré-aquecido até uma tempera-tura alta pela aplicação de combustível apenas à seção próxima. Se o tama-nho do catalisador 614 for pequeno em relação ao 606, então, a quantidadede combustível usada para aquecimento do catalisador de reformação 614até a temperatura de reformação desejada seria minimizada. Também, ocatalisador 614 pode ser projetado com uma massa térmica muito pequena,de modo que um aquecimento ocorra rapidamente, minimizando-se mais ogasto de combustível.

Por outro lado, pode ser desejável que o catalisador de sistemade NSR a jusante não seja aquecido até uma temperatura alta demais, umavez que isto pode danificá-lo ou direcioná-lo para fora de sua faixa de opera-ção desejada para adsorção. Isto pode ser realizado pelo aumento da massatérmica do catalisador 606, de modo que quando um combustível for adicio-nado aos injetores 602 para a remoção do oxigênio do fluxo de escapamentoprincipal, o catalisador e o fluxo de gás de saída de 606 subam lentamente.Alternativamente, uma massa térmica pode ser colocada a jusante da unida-de de processador de combustível para absorção de calor do fluxo de saídade processador de combustível e redução da temperatura de fluxo de gásantes de entrar no sistema de NSR.

Os catalisadores da presente invenção podem ser compostospor qualquer material adequado. Por exemplo, eles podem ser compostospor pelotas ou contas em um recipiente, ou podem ser unidades monolíticastipo de favo de mel. Uma unidade monolítica tipo de favo de mel pode serdesejável, porque uma vibração do veículo pode causar abrasão e perda dematerial de pelota ou conta. Adicionalmente, as unidades monolíticas, tipi-camente, têm uma perda de pressão mais baixa para o fluxo de escapa-mento fluindo. Qualquer monólito pode ser usado. Por exemplo, o monólitopode ser cerâmico ou pode ser metal e pode ter uma variedade de tamanhose formatos de célula. A determinação do tamanho e do formato de célula édependente da área superficial desejada e da perda de pressão, bem comodos coeficientes de calor e transferência de massa relevantes.

Por exemplo, pode ser desejável que o catalisador de processa-dor de combustível tenha uma baixa capacidade térmica, de modo que elepossa se aquecer rapidamente. De modo similar, pode ser desejável que ocatalisador de processador de combustível tenha uma baixa perda de pres-são, de modo que a perda de pressão geral de todo o sistema não repre-sente um impedimento para a operação ou uma redução na eficiência domotor.

Quando uma estrutura monolítica é usada para o substrato decatalisador, suas superfícies ou paredes externas podem ser revestidas comuma camada de catalisador. Este revestimento de camada de óxido nosubstrato pode compreender um óxido inerte poroso, tal como alumina ouzircônia e ter uma área superficial altamente exposta. Este suporte de óxidopode conter componentes adicionais ativos para a oxidação ou a reforma-ção, dependendo da função desejada. A preparação e a composição de vá-rios catalisadores monolíticos para uso com a presente invenção são des-critas nas Patentes U.S. N0 5.183.491, 5.259.754 e 5.512.250 de Dalla Bettaet al., cada uma das quais sendo, desse modo, incorporada como referênciaem sua totalidade.

O catalisador de oxidação pode compreender qualquer catalisa-dor capaz de oxidação de hidrocarbonetos. Por exemplo, o catalisador deoxidação pode compreender elementos selecionados a partir de quaisquerGrupos VI, VII, Vlll e IB da tabela periódica dos elementos. Os elementoscatalíticos mais ativos podem ser selecionados a partir do grupo de Pd, Pt,Ir, Rh, Cu, Co, Fe, Ni, Ir, Cr, e Mo. Em alguns casos, pode ser mais desejá-vel usar Pd, Pt, Rh, Co, Fe, ou Ni, os quais podem ser usados separada-mente ou em combinação e ainda podem existir como o elemento ou o óxidoem uso real.

Uma propriedade do catalisador de oxidação que pode ser de-sejável é que ele tem boa atividade cataiítica a temperaturas muito baixas.Desta forma, uma oxidação pode ser iniciada a temperaturas de escapa-mento baixas, sem modificação do projeto do sistema. Esta propriedade,freqüentemente, é referida como temperatura de Iightoff1 ou a temperaturana qual o combustível e o oxigênio no escapamento começam a reagir. Istorequer, tipicamente, que a temperatura esteja abaixo de 250°C e, mais tipi-camente, abaixo de 150°C.

O catalisador de oxidação pode ser depositado em suportescompreendendo óxido de alumínio, óxido de silício, óxido de zircônio, oumisturas e combinações dos mesmos, ou misturas e combinações dosmesmos com componentes ou elementos adicionais. Os exemplos são mis-turas de óxido de cério e zircônio ou soluções sólidas, alumina e sílica, alu-mina estabilizada com Ca, Ba, Si ou La, bem como outros suportes bem co-nhecidos na técnica. Uma vez que um combustível diesel com alto pesomolecular tem uma propensão a pirolisar a altas temperaturas, o catalisadortambém pode conter componentes catalíticos ativos para craqueamento devapor do combustível de hidrocarboneto. Os possíveis aditivos podem incluiróxidos básicos, tais como óxido de cálcio, óxido de bário outros óxidos alca-linos ou alcalinos terrosos e óxidos de terras raras. O catalisador pode serfeito pela impregnação de Pd, Pt, ou qualquer outro catalisador ativo em umsuporte poroso, tal como alumina ou zircônia. O carregamento de metal po-deria ser na faixa de 0,1 a 20% em peso e, mais desejavelmente, na faixa de10% em peso. Os vários catalisadores ilustrativos que podem ser usadoscom a presente invenção incluem aqueles descritos na Patente U.S. N05.232.357 de Betta et al., a qual, desse modo, é incorporada como referên-cia em sua totalidade.

O catalisador de reformação, de modo similar, pode usar um su-porte de área superficial alto com componentes ativos adicionados. Porexemplo, o catalisador de reformação pode compreender componentes Ni,Rh, Pd, Pt. O catalisador pode ser selecionado de modo que seja capaz depermanecer estável sob condições normais de oxidação pobre e, então, res-ponder rapidamente à adição de combustível, de modo que H2 e CO sejamreformados, desse modo. Neste aspecto, pode ser desejável usar Pt, Pd eRh suportados em um suporte de óxido poroso.

Por exemplo, um catalisador de reformação típico pode compre-ender 1% em peso de Rh suportado em um substrato de óxido de zircônioporoso. Isto pode ser realizado pela dissolução de tricloreto de ródio emágua e, então, impregnando-se um substrato de óxido de zircônio sólido ten-do uma área superficial alta (por exemplo, variando de 15 a 150 m2/g). Aconcentração de ródio, tipicamente, pode estar na faixa de 0,1 a 20% empeso do sólido catalisador de revestimento de camada de óxido de substratototal. Mais tipicamente, a concentração de ródio pode estar na faixa de 0,1 a10% em peso do sólido catalisador de revestimento de camada de óxido desubstrato total. O revestimento de camada de óxido de substrato pode serrevestido sobre os canais interiores de uma estrutura monolítica de favo demel a uma espessura de carregamento de 1 a 50 mg/cm2 ou, mais tipica-mente, na faixa de 5 a 15 mg/cm2. Catalisadores de Pd ou R podem serpreparados de maneira similar.

Os catalisadores de oxidação e reformação podem ser combina-dos na mesma unidade monolítica pela combinação no revestimento de ca-mada de óxido de substrato de ambos os componentes de oxidação e re-formação. Por exemplo, o Pd de catalisador de oxidação ativo e o Rh decatalisador de reformação ativo podem ser combinados em um suporte dezircônia para a formação de um catalisador que tem uma atividade de oxida-ção para reação do combustível com oxigênio e a atividade de reformaçãonecessária para se reformar o combustível remanescente para CO e hfe. Al-ternativamente, o componente de Rh pode ser revestido sobre o substratomonolítico e calcinado ou fixado. Separadamente, pode ser revestido sobreum suporte de área superficial alto e calcinado ou fixado. Estes caso tam-bém podem ser misturados em conjunto par artigo absorvente formação deum catalisador de Pd / Rh e este catalisador misto, então, revestido sobre osubstrato monolítico.

Em uma variação, uma massa térmica é usada para ajudar acontrolar a operação do sistema e, em particular, para ajudar a moderar atemperatura entre o processador de combustível e o catalisador de armadi-lha de NOx. Isto pode ser importante porque, enquanto a faixa de temperatu-ra de operação ótima para o processador de combustível pode ser bastantealta, a faixa de temperatura de operação ótima para o sistema de NSR pode-ria não ser. Isso pode ser porque o catalisador de armadilha de NOx podeser desativado a altas temperaturas. Qualquer número de configurações demassa térmica é possível para uso com a presente invenção e qualquer nú-mero de massas térmicas pode ser empregado.

Em uma variação, a massa térmica do catalisador de processa-dor de combustível em si é seletivamente controlada. Por exemplo, pode serdesejável que o catalisador se aqueça tão rapidamente quanto possível paraconsumo de tão pouco combustível quanto possível. Isto envolve, tipica-mente, controlar a massa térmica do catalisador de processador de combus-tível, de modo que ela seja relativamente pequena. Em uma outra variação,a massa térmica pode ser colocada a jusante do processador de combustí-vel para a absorção do calor que ele libera, de modo a ajudar a prevenir umsuperaquecimento do sistema de NSR. Esta massa térmica pode ser umfiltro de PM ou uma armadilha de fuligem colocado entre o processador decombustível e o sistema de NSR ou pode ser um componente separado demassa térmica. Quando um filtro de PM ou fuligem é colocado entre o pro-cessador de combustível e o sistema de NSR como a massa térmica, o sis-tema de NSR pode ser mantido a uma temperatura constante. Uma vanta-gem deste projeto é que o calor gerado pelo processador de combustívelpode ser usado para o aquecimento e a regeneração da armadilha de parti-culado ao ajudar a queimar a fuligem carbonácea.

A massa térmica pode ser feita de qualquer material adequado.Por exemplo, ela pode ser cerâmica ou pode ser de metal. Ela pode ter umacapacidade térmica alta e uma baixa perda de pressão, para se garantir quea perda de pressão através de todo o sistema não prejudique a operação dosistema. A faixa ótima de massa térmica é uma função pelo menos da vazãode gás e da elevação de temperatura desejada e, assim, pode ser seletiva-mente controlada. Em uma outra variação, o sistema de NSR em si pode serprojetado com uma massa térmica alta.

A figura 7 provê resultados de uma simulação em computadorde um aquecimento de catalisador durante a combustível de uma mistura decombustível e ar. As hipóteses a seguir foram feitas: a liberação de energiarequerida foi para uma combustão completa de combustível diesel; a energiada combustão foi usada para se aquecer a mistura de gás fluindo através docatalisador e para aquecer o catalisador em si; ha uma boa transferência decalor entre o gás e o catalisador; e a vazão de gás foi típica de uma unidadede catalisador dimensionada para um veículo. Como mostrado na figura 7, aunidade de catalisador se aquece uma vez que o combustível seja ativado.Em uma espessura de parede monolítica de metal de 100 mícrons, a unida-de de catalisador atinge 450°C em cerca de 12 segundos. A uma espessurade parede de 50 mícrons, ela atinge 450°C em cerca de 6 segundos e a umaespessura de parede de 25 mícrons, ela atinge 450°C em cerca de 3 segun-dos. Assim, para um rápido aquecimento, uma baixa espessura de paredecom uma massa térmica baixa resultante é desejável. Entretanto, deve sernotado que pode haver outras considerações de projeto que podem influen-ciar a seleção da espessura de parede ou da massa térmica. Estas incluema durabilidade mecânica do catalisador e a resistência à oxidação do metal.

A espessura de parede típica para uma unidade de catalisadorde reformação monolítica estaria na faixa de 10 a 200 mícrons e, mais tipi-camente, de 25 a 50 mícrons. A unidade de catalisador de oxidação na con-figuração em paralelo da figura 6, ou uma massa térmica em configuraçãoem série, poderia ser substancialmente mais espessa, tipicamente, de 50 a500 mícrons e, mais tipicamente, de 100 a 200 mícrons. Além disso, comodiscutido acima, embora possa ser desejável ter o catalisador de reformaçãose aquecendo rapidamente para gerar hidrogênio rapidamente, com fre-qüência não é desejável ter o catalisador de oxidação se aquecendo rápidodemais, uma vez que isto pode superaquecer o catalisador de NSR a jusante.

Em um outro aspecto, a presente invenção facilita a dessulfata-ção de uma armadilha de NOx. O enxofre no combustível do motor produzóxidos de enxofre, SO2 ou SO3 no sistema de escapamento. Estes óxidos deenxofre ("SOx") podem reagir com os componentes da armadilha para a for-mação de sulfatos, os quais, por sua vez, desativam o sistema de NSR. Em-bora os níveis típicos de enxofre em combustível sejam relativamente bai-xos, fazendo com que a desativação da armadilha ocorra a qualquer mo-mento de dias a semanas (correspondente a centenas a milhares de quilô-metros de uso de motor), a armadilha deve ser capaz de funcionar por muitomais tempo do que isto. O sistema e os métodos da presente invenção, as-sim, podem ser usados para a dessulfatação da armadilha. Em uma varia-ção, isto é realizado pela operação da porção de oxidação do processadorde combustível para produzir um fluxo de gás de saída tendo uma tempera-tura na faixa de 500 a 800°C. Isto, por sua vez, aquece o sistema de NSR ajusante até uma temperatura na faixa de 500 a 700°C.

Quando o sistema de NSR está na temperatura desejada, o es-coamento de combustível para o processador de combustível e o estrangu-lamento do motor pode ser ajustado para a produção de H2 e CO e reduçãoda concentração de oxigênio que sai do processador de combustível parazero. Esta mistura de gás de redução, então, regenerará a armadilha de NOxpela decomposição de sulfatos e outras espécies que tenham causado suadesativação. Esta mistura de gás de redução quente pode ser mantida até aregeneração estar concluída. Em uma variação, a faixa de temperatura deregeneração para o sistema de NSR, tipicamente, é de cerca de 100 a800°C e, mais tipicamente, de cerca de 500 a 700°C. Além disso, o agentede redução de H2 e CO pode ser alimentado para o catalisador de NSR pararegeneração como um pulso de redução longo contínuo ou como muitos pul-sos curtos.

Em uma variação, um processador de controle ou um sistema decontrole pode ser usado para o controle de vários aspectos da presente in-venção. Qualquer número de estratégias de controle pode ser empregado.Por exemplo, um sistema de controle pode ser usado para mapeamento dasaída de NOx versus uma dada condição de operação do motor, tal comocarga ou velocidade. Desta forma, o NOx coletado pela armadilha de NSRpode ser estimado e conforme a armadilha atingir a capacidade, o ciclo deregeneração de NOx pode ser iniciado. Alternativamente, um sensor de NOxpode ser colocado a jusante da armadilha de NSR. Desta forma, uma vezque o sensor perceba que a armadilha de NSR atingiu sua capacidade (porexemplo, pela medição de níveis de NOx aparecendo), o ciclo de regenera-ção pode ser iniciado.

De modo similar, um sistema de controle pode ser usado para amonitoração e o controle de todas ou de qualquer uma das temperaturas dosistema. As temperaturas ilustrativas que podem ser controladas incluem astemperaturas de mistura de gás de entrada e saída, a temperatura de entra-da de combustível e a temperatura de catalisador. Por exemplo, a tempera-tura do catalisador de reformação pode ser monitorada e controlada atravésde um termopar ou de um outro dispositivo de detecção de temperatura co-locado próximo da saída do catalisador.

De uma maneira similar, a temperatura na saída do processadorde combustível pode ser medida e monitorada usando-se um termopar. Atemperatura pode ser controlada pelo ajuste do escoamento de combustívelpara o processador de combustível, enquanto se deixa o nível de oxigêniono escapamento constante. Alternativamente, a temperatura pode ser con-trolada ao se manter o escoamento de combustível para o processador decombustível constante, enquanto se ajusta o nível de oxigênio, por exemplo,pelo estrangulamento do motor. Ainda uma outra alternativa é ajustar amboso escoamento de combustível para o processador de combustível e o nívelde O2. Isto permitiria que o sistema controlasse a temperatura de saída doprocessador de combustível e a relação de equivalência. Desta forma, o ní-vel de H2 e CO pode ser efetivamente controlado.

A temperatura do processador de combustível pode ser monito-rada pela medição da temperatura do gás na saída ou pela medição da tem-peratura real do catalisador em si. Para minimização do uso de combustívelpela unidade de processador de combustível, um sensor de combustíveis ouum sensor de H2 ou CO pode ser colocado a jusante da unidade de armadi-lha de NSR para detecção da ruptura de agente de redução de H2 e CO.Isto, por sua vez, sinaliza para o sistema de controle parar o ciclo de regene-ração.

Se a unidade de processador de combustível for usada para adessulfatação da unidade de armadilha de NSR, então, pode ser desejávelmedir a temperatura na saída da unidade de processador de combustívelpara limitação da temperatura de operação para se garantir a durabilidade.Além disso, a temperatura na saída da unidade de armadilha de NSR podeser medida para se garantir a durabilidade. Além disso, a temperatura nasaída da unidade de armadilha de NSR pode ser medida para se garantirque a unidade de NSR esteja na temperatura desejada para regeneração.Além disso, a temperatura da unidade de processador de combustível podeser modulada para a obtenção da temperatura desejada da unidade de NSRpara uma dessulfatação apropriada.

Um sistema de controle também pode ser usado para o controleda relação de equivalência. Por exemplo, quando H2 e CO devem ser gera-dos pelo reformador de processador de combustível, a relação de equivalên-cia na entrada para o catalisador de reformação pode ser controlada pelamudança do escoamento de combustível ou pelo estrangulamento do fluxode ar para o motor. Mais especificamente, em um fluxo de ar do motor deoperação normal, o combustível pode ser adicionado ao catalisador de re-formação até a temperatura estar na faixa requerida para a reformação docombustível para H2 e CO. Neste ponto, o fluxo de ar do motor pode ser es-trangulado para a redução do fluxo de ar e da concentração de O2 no esca-pamento. Isto, por sua vez, aumentará a relação de equivalência no catali-sador e o direcionará para a região rica, para a regeneração de H2 e CO.Também é possível ajustar o escoamento de combustível para o reformadorpara o ajuste da relação de equivalência ou para o ajuste de ambos o es-trangulamento do motor e o escoamento de combustível para a obtenção darelação de equivalência desejada de reformador.

A relação de equivalência no reformador e no catalisador de oxi-dação pode ser calculada a partir de vários parâmetros do motor, incluindorpm do motor e regulagem de estrangulamento (o que, por sua vez, provê ofluxo de ar do motor), escoamento de combustível do motor e escoamento(s)de combustível de processador de combustível. Alternativamente, o nível deO2 de escapamento pode ser medido usando-se um sensor de O2 no esca-pamento a montante do processador de combustível e combinado com oescoamento de combustível de processador de combustível para o cálculode relações de equivalência.

Uma estratégia de controle que pode ser especificamente em-pregada compreende as etapas a seguir: (1) adição de combustível sobcondições de operação normal (por exemplo, aproximadamente 8 a 15% deO2) para aquecimento do catalisador de processador de combustível para atemperatura de operação; (2) ajuste do motor de modo que a concentraçãode oxigênio no escapamento esteja entre 4 e 6%; (3) ajuste do combustívelpara a obtenção da relação de equivalência desejada (por exemplo, pelarecirculação de gás de escapamento ou pelo estrangulamento do ar de ad-missão para o motor); (4) aumento da vazão de combustível de modo queuma relação de equivalência maior do que 1 seja obtida (por exemplo, nafaixa de 2 a 5) ou se a vazão de combustível já estiver suficientemente alta,diminuindo o O2 de escapamento; (5) manutenção das condições até a ar-madilha de NSR ser regenerada; (6) desligar o combustível e reassumir aoperação normal do motor.

Uma outra estratégia de controle ilustrativa que pode ser especi-ficamente empregada compreende as etapas a seguir: (1) iniciar o escoa-mento de combustível para o processador de combustível e, ao mesmo tem-po, diminuir o O2 de escapamento do motor; (2) ajustar a vazão de combus-tível após o processador de combustível ter atingido uma temperatura dese-jada, de modo que uma relação de equivalência desejada seja obtida; (3)manutenção do escoamento de combustível até a armadilha de NSR serregenerada; (4) desligar o combustível e reassumir a operação normal domotor.

Em combinação com uma das duas estratégias específicas es-tabelecidas acima, a temperatura de escapamento do processador de com-bustível poderia ser ajustada pela mudança das condições de operação domotor. Por exemplo, se a temperatura de escapamento na entrada do pro-cessador de combustível for baixa demais para a obtenção da reação entreo combustível e o O2 de escapamento, então, a operação do motor pode sermudada para se aumentar a temperatura de escapamento. As possíveismudanças no motor incluem diminuição do ar de admissão do motor, au-mento da quantidade de EGR, ou desvio de um turbocompressor. De modosimilar, uma medição de temperatura pode ser usada para o controle datemperatura do gás de escapamento. Por exemplo, a temperatura na entra-da ou na saída do processador de combustível pode ser medida e usadacomo um indicador da temperatura do gás de escapamento. Desta forma, atemperatura de escapamento pode ser controlada.

Uma estratégia de controle baseada em modelo para uso com apresente invenção também pode ser usada, como se segue. Para a maximi-zação da economia de combustível do sistema de catalisador de NSR1 o ci-cio de regeneração pode ser realizado apenas quando o adsorvente de NOxde NSR tiver atingido um alto nível de satélite. Isso ajudaria a minimizar afreqüência de regeneração e o custo de combustível associado à regenera-ção. A partir de testes em sonda do catalisador e de testes controlados domotor, o carregamento máximo do adsorvente de NOx de NSR, por exemplo,em moles de NOx (MLNox), pode ser determinado. Durante um uso real docatalisador de NSR, o fluxo total de NOx para o catalisador de NSR pode serestimado a partir de uma medição da concentração de NOx na entrada decatalisador usando um sensor NOx posicionado no fluxo de escapamento.

Esta concentração de NOx de escapamento (CNox) pode ser combinada coma vazão de escapamento (Fexh) em uma função matemática, para o cálculoda quantidade total de NOx fluindo através do catalisador de NSR (Lnox) pelaintegração ao longo do tempo (t), Equação 1.

Lnox = f (Cnox. FeXh, t) = Zt f(CNOx. Fexh) Eq. 1

Conforme o valor de Lnox atinge uma fração pré-regulada dovalor de MLNox, o ciclo de regeneração pode ser iniciado. Por exemplo, umteste prévio pode ser usado para o estabelecimento de que um controle deNOx desejável pode ser obtido pelo catalisador de NSR, se o nível de satu-ração de NOx estiver abaixo de 80%. Neste caso, quando LNox é 80% deMLnox. o ciclo de regeneração é iniciado. Deve ser notado que a relação deL-nox para MLnox, quando a regeneração é iniciada, poderia ser uma funçãoda temperatura de escapamento média durante o período de adsorção deNOx, da taxa de geração de NOx, da carga média no motor ou de outros pa-râmetros que podem afetar a capacidade do adsorvente de NOx de catalisa-dor de NSR. Além disso, uma ver que o adsorvente de NSR pode se degra-dar com o tempo, o MLnox pode ser uma função do tempo de operação totaldo catalisador, tal como horas do motor, km do veículo ou mesmo um NOxtotal integrado produzido pelo motor. Também como descrito abaixo, a con-centração de NOx de escapamento e a vazão de escapamento e outros pa-râmetros poderiam ser estimados a partir dos parâmetros de operação domotor.

O escoamento de combustível para o processador de combustí-vel pode ser controlado para dar uma taxa de liberação de calor desejada ouuma relação de equivalência desejada. No primeiro caso, a vazão de com-bustível (Ffuei) pode ser uma função da temperatura de escapamento na en-trada de processador de combustível (TFpjn). da vazão de escapamento total(Fexh) e de vários parâmetros fixos, tais como a massa de catalisador de pro-cessador de combustível, a taxa desejada de aquecimento e o calor decombustão do combustível e outras constantes do sistema (SC), que podemvariar potência tipo de motor, tamanho de catalisador, etc. Esta relação fun-cional é mostrada na Equação 2.

Ffuei = f (TFP.in. Fexh. SC) Eq. 2

Se o escoamento de combustível para o processador de com-bustível for controlado até uma relação de equivalência desejada, então, oescoamento de combustível também será uma função da concentração deO2 no fluxo de escapamento (E02) e da relação de equivalência desejadapara operação para o processador de combustível (Req)1 como mostrado naEquação 3.

Ffuel = f (TFP.in, Fexh, SC, E02. Req) EQ- 3

A concentração de O2 no fluxo de escapamento pode ser medi-da usando-se um sensor posicionado no sistema de escapamento.

Alternativamente, os parâmetros nas Eq. 1 a 3 podem ser cal-culados ou estimados a partir de parâmetros de operação do motor. Porexemplo, a vazão de escapamento pode ser uma função da vazão de espa-ço de ar de entrada no motor, a qual pode ser medida como parte do siste-ma de controle do motor. Alternativamente, a vazão de escapamento podeser calculada a partir de certos parâmetros do motor, tais como rpm do mo-tor e pressão de intensificação de turbocompressor. Assim, um fluxo de es-capamento pode ser expresso como uma função da rpm do motor (Erpm) eda pressão de intensificação de turbocompressor (Eboost). como mostrado naEquação 4. Outros parâmetros do motor também podem ser incluídos, senecessário, para a obtenção de uma estimativa mais acurada da vazão deescapamento.

Fexh = (Erpm, Eboost) Eq. 4

De modo similar, pode ser desejável calcular o nível de oxigêniode escapamento ou o nível de NOx de escapamento ao invés de se usaremsensores no fluxo de escapamento, uma vez que tais sensores são dispen-diosos e podem não ter boa durabilidade. A concentração de O2 ou de NOxno escapamento pode ser estimada a partir de um ou mais parâmetros deoperação do motor, tais como vazão de combustível do motor (EfueO, rpm domotor (Erpm), torque de saída do motor (Etorque). pressão de intensificação deturbocompressor (Eb0ost). fluxo de EGR do motor (Eegr), bem como outrospossíveis parâmetros do motor. A concentração de O2 no escapamento podeser determinada como mostrado na Equação 5 e, de modo similar, determi-nada para a concentração de NOx de escapamento como mostrado na

Equação 6.

E02 = f (Efuel 1 Erpm, Etorque· Eboost. Eegr, etc.) Eq. 5Enox = f (Efuel 1 Erpm, Etorque, Eboost, Eegr, etc.) Eq. 6

Pela substituição das Eq. 5 e 6 na Eq. 3, a taxa de combustívelde processador de combustível pode ser calculada ou estimada a partir dosparâmetros do motor.

As estratégias de controle descritas acima podem ser na formade expressões matemática sistema de número abreviado unidade de con-trole do sistema do motor ou de emissões, ou essas expressões podem serreduzidas para uma ou mais tabelas multidimensionais, as assim denomina-das tabelas de consulta, armazenadas na unidade de controle do motor.Outras variáveis de sistema, tais como relação de equivalência de processa-dor de combustível, extensão de tempo em que o processador de combustí-vel é operado no modo rico, temperatura de operação do processador decombustível e outros aspectos do processador de combustível, podem serdeterminadas de uma maneira similar. Na utilização das estratégias de con-trole descritas aqui acima, qualquer número de sensores, microprocessado-res, reguladores de vazão de combustível e reguladores de estrangulamentopode ser usado, todos os quais sendo bem conhecidos na técnica. A pre-sente invenção pode ser adicionalmente compreendida com referência aosexemplos não Iimitativos a seguir.

Exemplo 1. Um catalisador monolítico foi preparado como des-crito na Patente U.S. N0 5.259.754 de Dalla Betta et al.. Tricloreto de ródiofoi dissolvido em água desionizada a uma concentração de cerca de 0,18 gRh/cm3 e, então, pó de óxido de zircônio com uma área superficial de cercade 75 m2/g foi adicionado com agitação. Enquanto se agita a mistura, umasolução de hidróxido de amônio a 20% em água, então, foi adicionada a umpH de 8. A mistura, então, foi evaporada até a secura e o pó resultante cal-cinado em ar a 700°C, por 10 horas. A concentração final de ródio foi de5,5% de Rh em peso no catalisador final. O catalisador de Rh / ZrO2 foiposto em suspensão em água e 10% em peso de uma solução de acetatode zircônio a 20% para a formação de uma suspensão de cerca de 30% desólidos.

Uma tira de River Lite 20-5Sr da Kawasaki Steel Company couma espessura de 0,050 por 75 mm de largura e um comprimento de 3 m foicorrugada para a formação de canais em formato de V através da largura de75 mm, com os canais em V em um padrão de espinha de arenque. Os ca-nais foram de aproximadamente 0,8 mm de altura. Esta folha foi tratada emar a 900°C, por 10 horas, para a formação de uma camada de óxido de alu-mínio na superfície. A suspensão de Rh / ZrO2, então, foi aspergida sobreambos os lados da folha até um carregamento de aproximadamente 6mg/cm2. O catalisador revestido, então, foi calcinado em ar a 700°C por 10horas adicionais. A seção de folha, então, foi dobrada em duas e enroladapara a formação de um rolo em espiral não alojado com canais longitudinaisabertos. O catalisador final tinha um diâmetro de 50 mm e continua cerca de17 g de revestimento de camada de óxido no substrato de catalisador.

Exemplo 2. O catalisador do Exemplo 1 foi colocado em um re-ator de fluxo compreendendo um suprimento de gás e medidores de fluxoem massa para ar, nitrogênio e hélio como um equipamento de trato quanti-tativo de espectrômetro, um aquecedor elétrico, um aspersor de assistênciade ar para água, um segundo aspersor de assistência de ar para combustí-vel diesel e um misturador estático a montante do catalisador. O catalisadorestava contido em uma seção isolada de 50 mm de diâmetro com sensoresde temperatura de termopar a montante e a jusante do catalisador. Um sen-sor de amostragem para um espectrômetro de massa estava localizado acerca de 50 cm a jusante da saída do catalisador. O fluxo de ar, nitrogênio eágua foi ajustado para a formação de um misturador fluido a 800 SLPM (li-tros padronizados por minuto) com uma composição de 5% de H2O, 8% deO2, 0,3% de He e o saldo de N2. Esta mistura foi aquecida, então, para370°C, usando-se o aquecedor elétrico. Os resultados dos testes conduzidossão providos na figura 8.

A figura 8A mostra o sinal de espectrômetro de massa para H2 eCO2 convertidos em unidades de concentração por percentual em volume. Afigura 8B mostra a temperatura do gás na saída do catalisador, como medi-da por três termopares colocados exatamente a jusante do catalisador emlocais diferentes através da face de saída. A figura 8C mostra a concentra-ção de O2 em percentual e o escoamento de combustível em g/min, comoregulado pelo sistema de controle. No tempo igual a 298 segundos, o com-bustível foi ativado a uma vazão de 10 gm/min. Este combustível foi queima-do no catalisador e a temperatura do catalisador subiu rapidamente, comomostrado pela temperatura dos três termopares na figura 8B. Aquela com-bustão está ocorrendo, como foi confirmado pelo aparecimento imediato deCO2, como medido pelo espectrômetro de massa, como mostrado na figura8B. No tempo igual a 309 segundos, o fluxo de ar foi diminuído, de modoque a concentração de oxigênio na entrada para o catalisador caísse de 8%para 4% e o fluxo de combustível foi aumentado de 10 g/min para 30 g/min,como mostrado na figura 8C. Imediatamente, H2 aparece como medido peloespectrômetro de massa e indicado na figura 8A. Em um tempo igual a 325segundos, o escoamento de combustível foi terminado e o nível de oxigênioretornado para 8%. O nível de CO2 e H2 rapidamente diminuiu.

Estes dados mostram que um catalisador monolítico pode serprojetado para rapidamente se produzirem H2 e CO a partir de um combustí-vel diesel, que o aquecimento da unidade de catalisador pode ocorrer emmenos de 10 s e que um agente de redução desejável, tal como H2 e COpode ser produzido muito rapidamente, em de 3 a 4 segundos. Todo o pro-cesso cíclico foi completado em cerca de 25 segundos.

Exemplo 3. A figura 9 mostra um outro exemplo de geração depulso de hidrogênio. O catalisador usado neste exemplo foi preparado deuma maneira similar àquela do Exemplo 1, exceto pelo fato de que a folhade metal foi corrugada para ter uma altura de canal de 1,2 mm. O fluxo dear, nitrogênio e água foi ajustado para a formação de uma mistura fluindo a200 SLPM (litros padronizados por minuto) com uma composição de 8% deH2O, 5% de O2, 0,3% de He e o saldo de N2. Esta mistura foi aquecida, en-tão, para 300°C, usando-se o aquecedor elétrico. O Gráfico A mostra o sinaldo espectrômetro de massa para H2 e CO2 convertidos em unidades de con-centração de percentual em volume. O Gráfico B mostra a temperatura dogás na saída do catalisador 906 e dentro do catalisador a 2,54 cm da saída904, como medido por dois termopares. O Gráfico C mostra o escoamentode combustível em g/min, como regulado pelo sistema de controle. Em umtempo igual a 2630 segundos, o combustível foi ativado a uma vazão de 1,8gm/min. Este combustível foi queimado no catalisador e o termopar próximoda entrada co catalisador subiu rapidamente. A 2635 segundos, o escoa-mento de combustível foi aumentado para 6,5 g/min, para a provisão de umataxa mais rápida de elevação de temperatura, como mostrado pela tempe-ratura dos termopares no Gráfico B. Aquela combustão estar ocorrendo foiconfirmado pelo aparecimento imediato de CO2, como medido pelo espec-trômetro de massa, como mostrado por 900 no gráfico A. Em um tempo iguala 2642 segundos, o escoamento de combustível foi aumentado mais para 10g/min, para gerar um escapamento rico em combustível, como mostrado por908 no gráfico C. Imediatamente, H2 aparece como medido pelo espectrô-metro de massa e indicado por 902 no gráfico A. Em um tempo igual a 2650segundos, o escoamento de combustível foi terminado. O nível de CO2 e H2rapidamente diminuiu.Exemplo 4. O catalisador do Exemplo 1 foi usado para demons-tração de um possível ciclo de dessulfatação. O fluxo de ar, nitrogênio eágua foi ajustado para a formação de uma mistura fluindo a 500 SLPM (litrospadronizados por minuto) com uma composição de 8% de H2O, 8% de CO2,7% de O2, 0,3% de He e o saldo de N2. Esta mistura foi aquecida, então,para 250°C, usando-se o aquecedor elétrico. Como mostrado na figura 10, aaproximadamente 325 segundos, o combustível foi ativado para elevar apressão do processador de combustível e produzir uma temperatura de gásde saída de 500 a 600°C. Esta temperatura de gás alta aquecerá o catalisa-dor de armadilha de NSR a jusante para 500 ou 600°C, após um curto perí-odo de tempo. Quando o catalisador de NSR está na temperatura desejadapara dessulfatação, então, o nível de O2 de escapamento é diminuído e oescoamento de combustível para o processador de combustível é aumenta-do, 375 segundos na figura 10, para a obtenção de uma relação de equiva-lência maior do que 1 e para a produção de H2 e CO para a dessulfataçãodo catalisador de NSR. Esta condição de redução pode ser mantida por umlongo período ou a redução de pulsos contendo H2 e CO pode ser pulsada,como mostrado neste exemplo. Entre pulsos, um nível mais baixo de com-bustível é alimentado para o processador de combustível, para manutençãoda temperatura do processador de combustível e da temperatura do catali-sador de NSR. Quando o catalisador de NSR está plenamente dessulfatado,então, o combustível para o catalisador de processador de combustível édesligado e a temperatura do gás de saída do processador de combustívelcai rapidamente.

Exemplo 5. Este exemplo demonstra o efeito de uma massatérmica em série a jusante do processador de combustível. O mesmo catali-sador que no Exemplo 3 foi usado. A resistência térmica monolítica foi mon-tada a partir de uma folha de metal de 2,54 mm de espessura e 100 mm delargura e corrugada para a formação de uma estrutura monolítica com umaaltura de canal de cerca de 1,5 mm e pesando cerca de 550 g. Esta resis-tência térmica foi colocada imediatamente a jusante do catalisador de pro-cessador de combustível do Exemplo 3, e um termopar monitorou as tempe-raturas de gás a montante do catalisador de processador de combustível,entre o catalisador de processador de combustível e a massa térmica e ajusante da massa térmica. O fluxo de ar, nitrogênio e água foi ajustado paraa formação de uma mistura fluindo a 600 SLPM (litros padronizados por mi-nuto) com uma composição de 8% de H2O, 8% de CO2, 7% de O2, 0,3% deHe e o saldo de N2. Como mostrado na figura 11, o combustível foi introdu-zido a 20 g/min por 10 segundos, usando-se um injetor tipo de pulso ope-rando a uma freqüência de 50 Hz com um ciclo de carga de cerca de 50%. Acurva 1100 representa a temperatura medida a jusante do reformador e acurva 1102 representa a temperatura do escapamento a jusante da resistên-cia térmica. A 748 segundos, o combustível foi introduzido. A temperatura degás fora do reformador começa a subir a 749 segundos e atinge um máximode 576°C a 560 segundos (o escoamento de combustível foi parado em 758segundos). Ao mesmo tempo, a temperatura da resistência térmica subiumuito mais lentamente, atingindo 445°C a 781 segundos, devido à sua ca-pacidade térmica maior. Isto demonstra que embora o processador de com-bustível tenha sido aquecido para 576°C, onde ele geraria o H2 e o CO deredução requeridos, a massa térmica moderou a temperatura de fluxo degás, de modo que ela subiu de 310 para cerca de 445°C, um aumento deapenas 135°C. Esta elevação baixa de temperatura de gás e curta duraçãoimpediria qualquer elevação significativa de temperatura do catalisador deNSR a jusante.

Embora variações ilustrativas da presente invenção tenham sidodescritas acima, será evidente para uma pessoa versada na técnica que vá-rias mudanças e modificações podem ser feitas, sem se desviar da inven-ção. Pretende-se que as reivindicações a seguir cubram tais mudanças emodificações que caiam no verdadeiro escopo e espírito da invenção.

Claims (62)

1. Sistema para a redução de NOx em um fluxo de escapamentocontendo O2 em excesso, que compreende:um catalisador de NSR;um processador de combustível localizado em uma posição a mon-tante do catalisador de NSR, compreendendo uma entrada, uma saídae pelo menos um catalisador; epelo menos uma janela de injeção de combustível localizada a mon-tante do catalisador de processador de combustível, onde o combustí-vel é injetado na janela de injeção de combustível e reage com o cata-lisador de processador de combustível para rapidamente aumentar atemperatura de pelo menos uma porção do catalisador de processadorde combustível e por meio do que pelo menos uma porção do com-bustível é convertida em H2 e CO.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, que ainda compre-ende uma massa térmica que tem uma capacidade térmica maior do queaquela do processador de combustível.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, onde pelo menosuma porção da massa térmica é selecionada a partir do grupo que consisteem um filtro de PM, o processador de combustível, o catalisador de NSR,uma estrutura monolítica tendo uma capacidade térmica maior do queaquela do processador de combustível, e combinações dos mesmos.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, onde pelo menosuma porção da massa térmica é um filtro de PM e pelo menos uma porçãoda massa térmica é uma estrutura monolítica tendo uma capacidade térmicamaior do que aquela do processador de combustível.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, que ainda compre-ende um pré-aquecedor de combustível, onde o pré-aquecedor de combus-tível está localizado em uma posição a montante do processador de com-bustível e a jusante da janela de injeção de combustível.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, que ainda compre-ende um vaporizador de combustível, onde o vaporizador de combustívelestá localizado em uma posição a montante do processador de combustívele a jusante da janela de injeção de combustível.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, que ainda compre-ende um misturador, onde o misturador está localizado em uma posição amontante do processador de combustível e a jusante da janela de injeção decombustível.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, onde o misturadoré um misturador estático.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, onde o misturadorcompreende um comprimento de tubo, onde o comprimento de tubo temuma relação de L/D maior do que 5.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, onde pelo menosuma porção do misturador é revestida com um catalisador capaz de oxidardepósitos de verniz e carbonáceos.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, que ainda com-preende um comprimento de tubo, onde o tubo está localizado em uma posi-ção a montante do processador de combustível e a jusante da janela de in-jeção de combustível.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, onde pelo me-nos uma porção do misturador é revestida com um catalisador capaz de oxi-dar depósitos de verniz e carbonáceos.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, que ainda com-preende um sinal de controle.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, onde o sinal decontrole mede e regula a vazão de combustível.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, onde pelo menosum catalisador do processador de combustível é um catalisador monolítico.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, onde o catalisa-dor monolítico é construído a partir de um material selecionado a partir dogrupo que consiste em cerâmica e metal.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, onde o catalisa-dor monolítico tem uma espessura de parede na faixa de 10 a 500 mícrons.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, onde o processa-dor de combustível compreende pelo menos dois caso, onde pelo menos umcatalisador é um catalisador de reformação e pelo menos um catalisador éum catalisador de oxidação.

19. Sistema, de acordo com a reivindicação 18, onde o catalisa-dor de oxidação compreende elementos selecionados a partir do grupo queconsiste em Grupos VII, Vlll e IB da tabela periódica dos elementos e com-binações dos mesmos.

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, onde o catalisa-dor de oxidação compreende elementos selecionados a partir do grupo dePd, Pt, Ir, Rh, Cu, Co, Fe, Ni, Ir, Cr, Mo e combinações dos mesmos.

21. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, onde o catalisa-dor de reformação compreende elementos selecionados a partir do grupoque consiste em Ni, Rh, Pd, Pt, e combinações dos mesmos.

22. Sistema, de acordo com a reivindicação 18, onde pelo me-nos dois catalisadores estão em série.

23. Sistema, de acordo com a reivindicação 18, onde pelo me-nos dois catalisadores estão em paralelo.

24. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, onde o catalisa-dor de NSR e o processador de combustível não estão localizados em umaestrutura de alojamento única.

25. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, onde o catalisa-dor de NSR e o processador de combustível estão localizados em uma es-trutura de alojamento única.

26. Método de regeneração de um adsorvente de catalisador deNSR, que compreende as etapas de:provisão de um fluxo de escapamento de motor compreendendo oxi-gênio;injeção de combustível em uma posição a montante de um processa-dor de combustível, onde o processador de combustível compreendeuma entrada, uma saída e pelo menos um catalisador;opcionalmente, mistura do fluxo de escapamento com o combustível;reação da mistura de combustível e fluxo de escapamento em pelomenos um catalisador de processador de combustível para a geraçãode uma mistura de gás de redução compreendendo CO e hh;introdução da mistura de gás de redução em um catalisador de NSRque tem um adsorvente, por meio do que o adsorvente é regeneradopela introdução da mistura de gás de redução.

27. Método, de acordo com a reivindicação 26, onde o fluxo deescapamento é selecionado a partir do grupo que consiste em escapamentode motor de ignição de compressão e escapamento de motor de ignição porcentelhamento de queima pobre.

28. Método, de acordo com a reivindicação 26, onde o combus-tível compreende hidrocarbonetos.

29. Método, de acordo com a reivindicação 28, onde o combus-tível é selecionado a partir do grupo que consiste em gasolina e combustíveldiesel.

30. Método, de acordo com a reivindicação 26, onde o combus-tível é vaporizado antes de entrar para injeção na janela de injeção de com-bustível.

31. Método, de acordo com a reivindicação 26, onde o combus-tível é injetado na janela de injeção de combustível em uma relação de equi-valência maior do que 1.

32. Método, de acordo com a reivindicação 31, Método, de acor-do com a reivindicação 26, onde o combustível é injetado na janela de inje-ção de combustível em uma relação de equivalência de cerca de 2 a cercade 5.

33. Método, de acordo com a reivindicação 26, onde pelo menosuma porção do catalisador de processador de combustível é aquecida a pelomenos 500°C.

34. Método, de acordo com a reivindicação 33, onde o temporequerido para o aquecimento de pelo menos uma porção do catalisador até- 500°C é de menos de 10 segundos.

35. Método, de acordo com a reivindicação 26, onde o catalisa-dor de NSR é regenerado pela operação do processador de combustível auma relação de equivalência de cerca de 1,2 a cerca de 7.

36. Método, de acordo com a reivindicação 35, onde o catalisa-dor de NSR é regenerado pela operação do processador de combustível auma relação de equivalência de cerca de 2 a cerca de 5.

37. Método, de acordo com a reivindicação 26, onde a concen-tração de oxigênio no fluxo de escapamento é de menos de 6%.

38. Método, de acordo com a reivindicação 26, onde a etapa deintrodução da mistura de gás de redução no catalisador de NSR ainda faci-lita uma dessulfatação periódica do adsorvente de catalisador de NSR.

39. Método, de acordo com a reivindicação 26, que ainda com-preende o uso de um sistema de controle.

40. Método, de acordo com a reivindicação 26, onde o proces-sador de combustível compreende pelo menos dois catalisadores, pelo me-nos um catalisador sendo um catalisador de reformação e pelo menos umcatalisador sendo um catalisador de oxidação.

41. Método, de acordo com a reivindicação 26, onde o combus-tível é injetado de forma intermitente.

42. Unidade de processador de combustível para uso com umfluxo de escapamento de motor, que compreende:uma entrada para o recebimento de um fluxo de escapamento de mo-tor que compreende oxigênio;uma saída;pelo menos um catalisador; epelo menos uma janela de injeção de combustível, onde a janela deinjeção de combustível está localizada em uma posição a montante docatalisador e facilita a injeção de combustível no catalisador, de modoque pelo menos uma porção do combustível reaja no catalisador pararapidamente elevar a temperatura de pelo menos uma porção do cata-lisador, e pelo menos uma porção do combustível seja convertida emH2 e CO.

43. Unidade de processador de combustível, de acordo com areivindicação 42, onde o fluxo de escapamento é selecionado a partir dogrupo que consiste em escapamento de motor de ignição de compressão eescapamento de motor de ignição por centelhamento de queima pobre.

44. Unidade de processador de combustível, de acordo com areivindicação 42, onde pelo menos uma porção do catalisador é aquecidapara pelo menos 500°C.

45. Unidade de processador de combustível, de acordo com areivindicação 44, onde o tempo requerido para se aquecer pelo menos umaporção do catalisador para 500°C é de menos de 10 segundos.

46. Unidade de processador de combustível, de acordo com areivindicação 42, que ainda compreende um misturador, onde o misturadorestá localizado a jusante da janela de injeção de combustível e a montantedo catalisador.

47. Unidade de processador de combustível, de acordo com areivindicação 46, onde o misturador é selecionado a partir do grupo que con-siste em um misturador estático e um comprimento de tubo.

48. Unidade de processador de combustível, de acordo com areivindicação 42, que ainda compreende pelo menos pelo menos dois catali-sadores, pelo menos um catalisador sendo um catalisador de reformação epelo menos um catalisador sendo um catalisador de oxidação.

49. Unidade de processador de combustível, de acordo com areivindicação 48, onde o catalisador de oxidação compreende elementosselecionados a partir do grupo que consiste em Grupos VII, Vlll e IB da ta-bela periódica dos elementos e combinações dos mesmos.

50. Unidade de processador de combustível, de acordo com areivindicação 49, onde o catalisador de oxidação compreende elementosselecionados a partir do grupo de Pd, Pt, Ir, Rh, Cu, Co, Fe, Ni, Ir, Cr, Mo ecombinações dos mesmos.

51. Unidade de processador de combustível, de acordo com areivindicação 49, onde o catalisador de reformação compreende elementosselecionados a partir do grupo que consiste em Ni, Rh, Pd, Pt, e combina-ções dos mesmos.

52. Unidade de processador de combustível, de acordo com areivindicação 48, onde pelo menos dois catalisadores estão em série.

53. Unidade de processador de combustível, de acordo com areivindicação 48, onde pelo menos dois catalisadores estão em paralelo.

54. Método de controle do sistema de acordo com a reivindica-ção 1, que compreende as etapas de:iniciação do escoamento de combustível para o processador de com-bustível;ajuste da vazão de combustível;manutenção da vazão de combustível até o catalisador de NSR serregenerado; etérmino do escoamento de combustível.

55. Método de controle do método de acordo com a reivindica-ção, que compreende as etapas de:iniciação da injeção de combustível;redução da concentração de oxigênio do fluxo de escapamento domotor;ajuste da vazão de combustível;manutenção da vazão de combustível até o adsorvente de catalisadorde NSR ser regenerado; etérmino do escoamento de combustível.

56. Método, de acordo com a reivindicação 55, onde a etapa deiniciação da injeção de combustível e a etapa de redução de concentraçãode oxigênio de fluxo de escapamento de motor ocorrem simultaneamente.

57. Método de controle do método da reivindicação 26, onde ainjeção de combustível é controlada pelo controle de uma variável selecio-nada a partir do grupo que consiste em temperatura em um local desejadono fluxo de escapamento, concentração de oxigênio em um local desejadono fluxo de escapamento, concentração de NOx em um local desejado nofluxo de escapamento, vazão de escapamento total e um parâmetro de ope-ração do motor.

58. Método, de acordo com a reivindicação 57, onde o parâme-tro de operação do motor é ainda selecionado a partir do grupo que consisteem rpm, torque, intensificação de turbocarregador, regulagem de válvula deEGR1 e fluxo de ar do motor.

59. Método de controle do método da reivindicação 23 pela es-timativa do nível de saturação de NOx do catalisador de NSR.

60. Método, de acordo com a reivindicação 59, onde o nível desaturação é estimado usando-se um sensor de NOx a jusante do catalisadorde NSR.

61. Método, de acordo com a reivindicação 59, onde o nível desaturação é estimado usando-se parâmetros de operação do motor, que es-timam a quantidade total de NOx produzida pelo motor.

62. Método, de acordo com a reivindicação 59, onde o métododa reivindicação 23 é iniciado quando o catalisador de NSR é estimadocomo estando em um nível predeterminado de saturação.