BRPI0823287B1 - método e disposição para redução de um conteúdo de nox no gás de exaustão de um motor de combustão interna em um veículo - Google Patents

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Abstract

MÉTODO E DISPOSIÇÃO PARA REDUÇÃO DE UM CONTEÚDO DE NOx NO GÁS DE EXAUSTÃO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA EM UM VEÍCULO. A presente invenção se refere a um método e a uma disposição para redução de um conteúdo de NOx no gás de exaustão de um motor de combustão interna (10) em um veículo, o motor de combustão interna (10) compreendendo pelo menos um cilindro (11), uma entrada (admissão) (12) para o suprimento de ar, uma saída de exaustão (14) para descarga de gases de exaustão para um sistema de pós-tratamento de exaustão (40) para redução de emissões do motor de combustão interna (10), em que uma re-circuIação de gás de exaustão (80) supre gás de exaustão a partir da saída de exaustão (14) para a entrada (12) do motor de combustão interna (10), e pelo menos dois absorvedores de energia (54, 60) dispostos em série no fluxo de exaustão à jusante da saída de exaustão (14) para absorção de energia do gás de exaustão. Em concordância com a presente invenção, o gás de exaustão é superaquecido para uma primeira temperatura por tração do motor de combustão interna (10) em uma faixa de velocidade rotacional produzindo gás de exaustão quente na saída de exaustão (14), em que a primeira temperatura é suficiente (...).

Description

CAMPO TÉCNICO
[001] A presente invenção se refere a um método para redução de um conteúdo de NOx no gás de exaustão de um motor de combustão interna em um veículo e a uma disposição para redução de um conteúdo de NOx no gás de exaustão de um motor de combustão interna em concordância com os preâmbulos das reivindicações independentes subsequentes.
PANORAMA DO ESTADO DA TÉCNICA
[002] Os anos recentes têm mostrado uma tendência em direção de legislação mais restrita se referindo para níveis de emissão a partir de veículos. Para veículos impulsionados por gasolina, o catalisador (conversor catalítico) de três vias foi tornado possível para rodar (funcionar) em um motor praticamente sem emissões indesejadas.
[003] Para veículos impulsionados por diesel ou motores de ignição por compressão [compression ignition (CI)], os problemas de emissão estão, entretanto, longe de serem solucionados, motores de CI possuem níveis de emissão inerentemente altos para óxidos nítricos (NOx), tais como NO e NO2, e matéria de particulado, tal como fuligem, enquanto que os níveis de emissão de monóxido de carbono (CO) e de hidrocarbonetos (HC) são baixos. Além do mais, é razoavelmente fácil para se reduzir a já baixa emissão de HC e CO a partir de um motor de CI.
[004] Uma outra característica inerente de motores de CI é o baixo consumo de combustível. Existe, entretanto, um intercâmbio (relação, troca) bem conhecido entre consumo de combustível e emissões: um motor regulado (bem ajustado) para economia de combustível maximizada irá emitir grandes quantidades de NOx e pequenas quantidades de particulados, enquanto que um motor regulado (bem ajustado) para baixas emissões de NOx irá determinar (dar) um alto consumo de combustível e altas emissões de particulados.
[005] Um outro fenômeno bem conhecido é a conexão entre velocidade de motor e emissões de particulados. Diminuição da velocidade de motor usualmente conduz para uma redução das emissões de particulados, simplesmente devido para o fato de que irá existir mais tempo para queimar os (dar combustão aos) particulados na câmara de combustão.
[006] Atualmente, existe mais ou menos um padrão de indústria para proporcionar o sistema de exaustão de motor com alguma espécie de sistema de pós-tratamento tratamento de exaustão, por exemplo, uma armadilha de particulado, um catalisador de três vias (para motores a gasolina), uma SCR (Redução Catalítica Seletiva) [SCR = “Selective Catalytic Reduction”] de uma armadilha de NOx.
[007] Um método comum para aperfeiçoar o desempenho e o consumo de combustível de um motor de CI é o de proporcionar o motor com um turbocharger. A função do turbocharger é a de recuperar um pouco da energia presente nos gases de exaustão em uma turbina conectada para um compressor utilizado para comprimir ar para ser deixado para os cilindros de motor. Isto conduz para mais ar sendo induzido (introduzido) para os cilindros durante o curso de admissão, o que por sua vez conduz para o motor tendo capacidade para proporcionar mais energia por ciclo (varredura) de volume de motor.
[008] Um outro método para recuperar energia de exaustão é o de utilizar um assim chamado turbocomposto. Um turbocomposto assemelha-se a um turbocharger, mas a turbina do turbocomposto é conectada para proporcionar o eixo de comando (eixo de manivela, virabrequim) do motor ao invés de proporcionar energia para um compressor de supercharging do motor, que é o caso para um turbocharger. A transferência de energia a partir da turbina para o eixo de comando poderia ser conseguida de qualquer maneira adequada, mas as duas maneiras as mais comuns são tanto proporcionar uma conexão mecânica entre a turbina e o eixo de comando ou quanto proporcionar a turbina com um gerador elétrico conectado para um motor eletricamente impulsionado conectado para o eixo de comando.
[009] Além do mais, emissões de particulado dependem pesadamente de pressão de injeção, isto é, a pressão com a qual o combustível de diesel é injetado para as câmaras de combustão. Quanto mais alta é a pressão de injeção, mais baixas são as emissões de particulado.
[010] A patente européia número EP 1 036 270 descreve um sistema de pós-tratamento de exaustão (EGR) (Re- circulação de Gás de Exaustão) [Exhaust Gas Recirculation = EGR] e um turbocharger em série com um turbocomposto que podem reduzir a quantidade de NOx emitida por um motor de combustão interna. O turbocomposto é vantajoso para aumentar a pressão de retorno de gás de exaustão que pode ser utilizada para aperfeiçoamento da re-circulação de gás de exaustão.
[011] A patente US 6.539.716 B2 apresenta um motor de combustão interna com um turbocharger e um turbocomposto em série, ambos tracionados por gás de exaustão. As duas turbinas são proporcionadas para possuírem um relacionamento de dimensão específico determinado pela capacidade de absorção de energia de cada turbina. A conexão em série das turbinas aumenta a pressão na saída de motor comparada com a admissão de motor, por conseqüência, proporcionando uma pressão de propulsão para a re-circulação de gás de exaustão (EGR).
RESUMO DA INVENÇÃO
[012] É um objetivo da presente invenção é o de proporcionar um método aperfeiçoado para redução de um conteúdo de NOx no gás de exaustão de um motor de combustão interna em um veículo que possibilita consecução de baixas emissões de exaustão, particularmente de baixas emissões de HC, CO, NOx e particulados, e uma boa economia de combustível de um motor. Um outro objetivo da presente invenção é o de proporcionar uma disposição aperfeiçoada para redução de um conteúdo de NOx no gás de exaustão de um motor de combustão interna em um veículo.
[013] Os objetivos são conseguidos pelas características das reivindicações independentes posteriormente. As outras reivindicações dependentes posteriormente e a presente descrição apresentam concretizações vantajosas da presente invenção.
[014] Em concordância com um primeiro aspecto da presente invenção, um método é proposto para redução de um conteúdo de NOx no gás de exaustão de um motor de combustão interna em um veículo, o motor de combustão compreendendo pelo menos um cilindro, uma entrada (admissão) para o suprimento de ar, uma saída de exaustão para descarga de gases de exaustão para um sistema de pós-tratamento de exaustão para redução de emissões do motor de combustão interna, em que uma re-circulação de gás de exaustão supre gás de exaustão a partir da saída de exaustão para a entrada do motor de combustão interna, e pelo menos dois absorvedores de energia em série no fluxo de exaustão à jusante da saída de exaustão absorvem energia do gás de exaustão. Superaquecimento do gás de exaustão para uma primeira temperatura é conseguido por tração do motor de combustão em uma faixa de velocidade rotacional produzindo gás de exaustão quente na saída de exaustão, em que a primeira temperatura é suficiente para tracionar os pelo menos dois absorvedores de energia, em que uma temperatura do gás de exaustão é estabelecida à jusante dos pelo menos dois absorvedores de energia suficiente para remover o NOx a partir do gás de exaustão no sistema de pós-tratamento de exaustão com uma eficiência de mais do que 80 %. É possível operar o sistema de pós-tratamento de exaustão, particularmente um catalisador no sistema de pós-tratamento de exaustão, em uma temperatura favorável enquanto o motor de combustão é operado em um regime favorável de consumo de energia. Preferivelmente, o motor está funcionando (rodando) em velocidade a mais baixa possível, mas em uma carga mais alta para manter força (energia) constante. Favoravelmente, eficiência de motor é alta nesta região, especialmente para motores de turbocomposto. Carga mais alta aumenta a temperatura de exaustão. Superaquecimento do gás de exaustão pode ser conseguido preferivelmente por uma velocidade rotacional mais baixa do motor com uma carga mais alta para proporcionar uma determinada força constante e/ou um excedente de ar mais baixo. Particularmente, baixa velocidade rotacional de motor é utilizada para consecução de uma alta (“superaquecida”) temperatura de gás de exaustão comparada com a mesma força de motor em velocidade de motor mais alta.
[015] O método é utilizado pelo menos durante fases de carga alta do motor. O método pode também ser aplicado durante fases de carga média do motor de combustão. A velocidade rotacional desejada está preferivelmente em um baixo valor que produz altas temperaturas no gás de exaustão. Uma baixa velocidade rotacional pode preferivelmente ser estabelecida por utilização de uma transmissão mecânica automatizada com troca (mudança) de força que é transmissão de dupla embreagem em que virtualmente nenhuma perda de força de saída ocorre quando trocando (mudando) entre marchas da transmissão.
[016] A velocidade rotacional do motor de combustão interna é variada dependendo do conteúdo de NOx à jusante do sistema de pós-tratamento de exaustão e/ou dependendo da possibilidade de conversão de NOx prevista do sistema de pós- tratamento de exaustão.
[017] A velocidade pode ser ajustada para estar dentro da faixa de alta eficiência do sistema de pós- tratamento de exaustão. Particularmente, a velocidade de motor pode ser reduzida especialmente em carga mais baixa de maneira a aumentar a temperatura de exaustão, o que é favorável para um catalisador ou sistema de SCR e para um filtro de particulado. A temperatura de exaustão mais alta a partir de velocidade de motor mais baixa aumenta a energia de exaustão que traciona o turbocomposto. Adicionalmente, trabalho de fricção de motor pode ser reduzido por diminuição da velocidade de motor. Em alta carga a temperatura de exaustão é reduzida para estar dentro da faixa de temperatura de alta eficiência de pós-tratamento por se possuir duas expansões de turbina. Isto favoravelmente resulta em uma banda de temperatura não usualmente estreita para o sistema de pós-tratamento de exaustão.
[018] Particularmente, em partida a frio quando a SCR está inativa, o motor pode favoravelmente estar funcionando (rodando) em uma temperatura mais alta de maneira a mais bem tracionar a re-circulação de gás de exaustão para manter a emissão de NOx baixa na saída de motor. Uma outra solução para este problema pode ser a de utilizar um velho gerenciador de pressão de exaustão para criar uma pressão de tração de re-circulação de gás de exaustão extra em partida a frio.
[019] Favoravelmente, o conteúdo de NOx é mensurado e/ou calculado por controle confiável do motor de combustão apropriadamente. A velocidade rotacional pode ser mantida baixa o suficiente particularmente se uma transmissão mecânica automatizada com troca de força pode ser utilizada. Por manutenção da baixa velocidade o motor irá produzir exaustão com uma temperatura uniforme e alta o suficiente para estar dentro de uma determinada janela de temperatura e velocidade espacial irá ser mais baixa devida para velocidade baixa, isto é, mais baixa admissão de ar.
[020] Por ajustamento de uma velocidade de uma unidade de transmissão dependendo da velocidade rotacional do motor de combustão interna e da propulsão requerida e/ou da temperatura requerida à montante dos pelo menos dois absorvedores de energia, a velocidade rotacional do motor de combustão pode ser escolhida tão baixa que a temperatura de exaustão pode ser mantida em valores suficientemente altos. Por conseqüência, o conteúdo de NOx pode ser diminuído. A velocidade pode ser mudada por ajustamento de uma marcha de transmissão de uma unidade de transmissão. Favoravelmente, manutenção da velocidade rotacional do motor de combustão em uma faixa entre 800 rpm e 1.500 rpm, preferivelmente entre 850 rpm e 1.300 rpm, produz temperaturas de gás de exaustão suficientemente altas.
[021] Preferivelmente, uma variação da velocidade rotacional do motor de combustão pode ser mantida abaixo de 200 rpm.
[022] A temperatura de gás de exaustão pode ser reduzida para uma faixa de temperatura desejada que é favorável para conversão de NOx em um catalisador por preferivelmente utilização de uma turbina de gás de exaustão de um turbocharger e de uma turbina de um turbocomposto em série para refrigeração do gás de exaustão. Embora a temperatura da exaustão venha a aumentar quando o motor de combustão está funcionando em velocidade muito baixa, os pelo menos dois absorvedores de energia reduzem a temperatura de exaustão para um intervalo de temperatura favorável que é particularmente favorável para remoção de NOx a partir do gás de exaustão. O catalisador pode ser, por exemplo, um catalisador de SCR ou um catalisador de absorção de NOx. Preferivelmente, a temperatura do gás de exaustão pode ser estabelecida para um valor entre pelo menos 330 0C e não mais do que 450 0C. A temperatura do gás de exaustão pode particularmente ser estabelecida para um valor entre pelo menos 350 0C e não mais do que 400 0C. Nesta faixa de temperatura, particularmente um catalisador de SCR pode operar sob condições de operação otimizadas com uma eficiência muito alta na conversão de NOx.
[023] A faixa de temperatura pode particularmente ser estabelecida para estar em uma faixa otimizada para redução catalítica seletiva (SCR) de NOx no gás de exaustão por uma combinação bem adaptada de baixa velocidade rotacional do motor de combustão, uma relação de transmissão apropriadamente selecionada e absorção de energia de exaustão nos pelo menos dois absorvedores de energia. Preferivelmente, a unidade de transmissão acoplada para o motor de combustão possui marchas discretas entre as quais podem ser trocadas sem perdas ou com unicamente perdas insignificantes em propulsão quando trocando (mudando) entre as marchas.
[024] Favoravelmente, um valor de lambda da relação combustível/ar suprida para o motor de combustão de não mais do que 1,4 pode ser estabelecida. Preferivelmente, um valor de lambda entre 1,2 e 1,4 pode ser estabelecido. Os baixos valores de lambda podem ser conseguidos particularmente por utilização de um turbocomposto como uma unidade de absorção de energia.
[025] Um sistema para um motor de combustão possuindo uma unidade de turbocharger disposta para extração de uma determinada quantidade de energia a partir dos gases de exaustão e alimentação desta energia de volta para o motor, por exemplo, para o eixo de comando de motor (eixo de manivela, virabrequim), é normalmente chamado de um sistema de “turbocomposto”. A energia alimentada de volta para o motor pode também ser alimentada de volta para um gerador acoplado para o motor ou em uma disposição de divisão onde a energia pode ser alimentada de volta para o eixo de comando de motor e bem como para um gerador. Por utilização das duas turbinas (turbocharger e turbocomposto) que são dispostas em série, uma pressão é conseguida durante operação do motor de combustão sobre a lateral de exaustão do motor de combustão, que é mais alta do que a pressão sobre sua lateral de entrada. Por conseqüência, uma suficiente pressão de propulsão é obtida para recirculação de gases de EGR para o manifold (misturador) de entrada, sem deterioração da eficiência do motor de combustão. Por intermédio disso, parte da energia contida nos gases de exaustão é utilizada como força adicional para o eixo de comando ao invés de ser conduzida para fora para a atmosfera e, por conseqüência, sendo perdida.
[026] Devido para o fato do turbocomposto, a quantidade de ar em excesso proporcionado para o motor de combustão é reduzida e, por conseqüência, lambda é reduzido a partir de valores tipicamente altos de cerca de, por exemplo, 1,7 para baixo para 1,4 ou menos. O turbocomposto favoravelmente aumenta a pressão de retorno de exaustão do motor de combustão que é vantajosamente para EGR (re- circulação de gás de exaustão) e possibilita utilização de um turbocharger de alta eficiência na admissão de ar do motor de combustão. Favoravelmente, com um turbocharger de alta eficiência o diferencial de pressão entre manifolds de exaustão e de admissão não traciona re-circulação de gás de exaustão. Isto pode usualmente ser solucionado por escolha de um turbocharger com eficiência mais baixa. Baixa eficiência significa mais queda de pressão criando pressão mais alta no manifold de exaustão, e significa adicionalmente construção de menos pressão em manifold de admissão. Com a queda de pressão extra a partir do turbocomposto, entretanto, a pressão no manifold de exaustão irá aumentar e a re- circulação de gás de exaustão irá também fluir com um turbocharger de alta eficiência.
[027] Em concordância com um outro aspecto da presente invenção, uma disposição para redução das emissões de NOx de um motor de combustão para desempenho do método anteriormente descrito, compreendendo um motor de combustão interna com pelo menos um cilindro, uma entrada (admissão) para o suprimento de ar, uma saída de exaustão para descarga de gases de exaustão para um sistema de pós-tratamento de exaustão para redução de emissões do motor de combustão interna, uma re-circulação de gás de exaustão suprindo gás de exaustão a partir da saída de exaustão para a entrada do motor de combustão interna, e pelo menos dois absorvedores de energia em série no fluxo de exaustão à jusante da saída de exaustão. Uma unidade de transmissão é proporcionada que é acoplada entre o motor de combustão interna e um eixo de tração do veículo que possibilita para uma velocidade rotacional pré-determinada do motor de combustão interna para superaquecimento do gás de exaustão; e energia de gás de exaustão pode ser absorvida nos pelo menos dois absorvedores de energia para estabelecer uma temperatura do gás de exaustão em uma faixa de temperatura desejada para conversão de NOx no sistema de pós-tratamento de exaustão dependendo da velocidade rotacional do motor de combustão. Particularmente, baixa velocidade rotacional de motor é utilizada para consecução de uma alta (“super-aquecida”) temperatura de gás de exaustão comparada com a mesma força de motor em velocidade de motor mais alta.
[028] A transmissão da unidade de transmissão é variável para possibilitar uma pré-determinada faixa de velocidade estreita de uma velocidade rotacional do motor de combustão interna. O motor de combustão é preferivelmente tracionado com uma baixa velocidade rotacional entre 850 e 1.500 rpm.
[029] A disposição em concordância com a presente invenção é intencionada para um motor de combustão, preferivelmente um motor a diesel, particularmente um motor a diesel de um veículo comercial pesado, possuindo pelo menos um cilindro, uma entrada (admissão) para a provisão de ar, uma saída de exaustão para descarga de gases de exaustão, uma linha adicional para re-circulação de gases de exaustão a partir de referida saída para referida entrada para redução de emissões nocivas (prejudiciais) a partir do motor (na forma de CO e de NOx e de compostos de HC), uma válvula controlável disposta em referida linha adicional e uma unidade de turbocharger compreendendo um primeiro absorvedor de energia para absorção de energia a partir de gases de exaustão e um compressor para compressão de ar para referida entrada. A disposição compreende um segundo absorvedor de energia absorvendo energia a partir dos gases de exaustão, disposto à jusante de referido primeiro absorvedor de energia, para construção de uma pressão em referida saída que sobrepuja a pressão em referida entrada.
[030] Para re-circulação de gás de exaustão, uma linha separada entre a saída de exaustão corriqueira do motor e um ponto próximo para a entrada de ar fresco do motor é proporcionada. Nesta linha, uma válvula controlável é disposta, esta válvula adicionalmente sendo conectada para uma unidade de controle. Em dependência das condições de operação de motor existentes, particularmente considerando sua velocidade rotacional e sua carga, a unidade de controle irá determinar o grau de abertura da válvula, isto é, a quantidade de gases de EGR a serem re-circulados para a entrada de ar de motor. Uma determinada quantidade de gases de EGR irá então ser alimentada a partir da lateral de exaustão de motor para sua lateral de entrada, através da pressão de lateral de exaustão normalmente sendo mais alta do que a pressão de lateral de entrada, por conseqüência, criando uma “pressão de propulsão” natural para os gases de EGR.
[031] Nestes casos onde um motor a diesel possuindo um sistema de EGR é utilizado juntamente com uma unidade de turbocharger, um problema irá ser criado pela presença, para a maior parte dos pontos de operação, de uma pressão mais alta depois do compressor de turbocharger (isto é, no ponto do manifold de entrada de motor onde o ar fresco adentrando é alimentado para o motor) do que na saída de exaustão de motor. Isto, por sua vez significa que uma re-circulação de gases de EGR não irá ser possível, na medida em que não irá existir qualquer pressão de propulsão natural a partir da exaustão de motor para sua lateral de entrada. Desta maneira, nenhum fluxo de gás de EGR pode ser injetado para o motor.
[032] Em concordância com uma concretização preferida da presente invenção, referido motor pode ser equipado com um sistema de EGR e um sistema para extração adicional de energia a partir dos gases de exaustão e realimentação daquela energia para o eixo de comando de motor e/ou para um gerador. Desta maneira, é assegurado que a pressão de propulsão requerida é construída sobre a lateral de exaustão de motor sem deterioração da eficiência de motor, na medida em que um intercâmbio de gás prejudicado irá ser compensado pela extração de energia adicional a partir dos gases de exaustão e alimentado de volta para o motor.
[033] A unidade de transmissão pode preferivelmente compreender uma transmissão mecânica automatizada com troca (mudança) de força (AMT-PS). Uma transmissão de dupla embreagem, sendo considerada como uma subclasse de uma transmissão automatizada com troca de força, pode também ser empregada.
[034] Preferivelmente, um dos pelo menos dois absorvedores de energia, pode ser acoplado para um compressor de turbocharger. Favoravelmente, um dos pelo menos dois absorvedores de energia é acoplado para um de um eixo de comando ou de uma máquina elétrica. Vantajosamente, um absorvedor de energia pode englobar uma turbina de um turbocharger e um absorvedor de energia pode englobar uma turbina de um turbocomposto.
[035] Vantajosamente, o sistema de pós-tratamento pode compreender um dispositivo para redução de um conteúdo de particulados, por exemplo, fuligem no gás de exaustão. O sistema de pós-tratamento pode compreender um dispositivo para remoção de NOx no gás de exaustão. Os dois dispositivos são favoravelmente dispostos em série no fluxo de exaustão. O dispositivo para redução de um conteúdo de particulados pode ser disposto à montante ou à jusante do dispositivo de remoção de NOx. No caso de uma disposição à montante, o NOx na exaustão pode ser utilizado para oxidar os particulados, por exemplo, fuligem e hidrocarboneto não queimado no dispositivo para redução de um conteúdo de particulados. Adicionalmente, um dispositivo para oxidação de um ou mais componentes no gás de exaustão, particularmente um catalisador de oxidação, pode também ser proporcionado.
[036] Preferivelmente a disposição pode compreender uma transmissão mecânica automatizada com mudança de força (AMT-PS) com uma estratégia de mudança de marcha de velocidade extremamente baixa onde o veículo é engatado para modo de cruzeiro abaixo de uma velocidade de motor de força máxima. Ao lado das (paralelamente às) outras vantagens mencionadas, o filtro de particulado pode favoravelmente ser continuamente cataliticamente regenerado devido para a temperatura suficientemente alta e bem como a operação de um catalisador ou sistema de SCR fundamentado em uréia pode ser aperfeiçoada na medida em que uréia requer uma temperatura mínima para trabalhar (funcionar) apropriadamente.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[037] A presente invenção juntamente com o anteriormente mencionado e outros objetivos e vantagens pode ser mais bem compreendida a partir da descrição detalhada a seguir das concretizações, mas não restrita para as concretizações, em que são ilustradas esquematicamente: Figura 1 é uma primeira concretização de uma disposição para um motor de combustão compreendendo um sistema de pós-tratamento de exaustão em concordância com a presente invenção; Figura 2 é uma característica de conversão de NOx versus temperatura de exaustão; e Figura 3 uma comparação entre uma temperatura calculada e mensurada dependente de características de conversão de NOx em concordância com a presente invenção.
[038] Nos Desenhos, elementos iguais ou similares são referenciados por iguais referencias numéricas. Os Desenhos são somente representações esquemáticas e não são intencionados para representar parâmetros específicos da invenção. Além disso, os Desenhos são intencionados a retratar somente concretizações típicas da invenção e, portanto, não devem ser considerados como limitadores do escopo da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS DA INVENÇÃO
[039] A Figura 1 esquematicamente ilustra uma disposição em concordância com a presente invenção, que pode ser utilizada particularmente para um motor de combustão do tipo a diesel.
[040] Em concordância com uma concretização preferida da presente invenção, o motor a diesel (10) é intencionado para utilização em um veículo de transportamento de carga, e compreende, por exemplo, seis cilindros (11) (unicamente um é simbolizado com um numeral de referência). A presente invenção é, entretanto, não limitada para qualquer número de cilindros específico ou qualquer configuração de cilindro específica.
[041] De uma maneira tal como previamente conhecida, o motor (10) é equipado com um manifold de entrada (12), para o qual ar é alimentado a partir da atmosfera por intermédio de um conduíte de entrada (admissão) (90). O ar de entrada é então dividido entre os vários cilindros (11). Adicionalmente, combustível é suprido para os cilindros (11) por um correspondente número de dispositivos de injeção de combustível (não mostrados) que são cada um deles conectados para uma unidade de controle central (não mostrada) por intermédio de uma conexão elétrica (não mostrada). A unidade de controle, que é preferivelmente fundamentada em computador, é de uma maneira conhecida operativa para controlar cada dispositivo de injeção de combustível de maneira a suprir, em cada instante, uma mistura apropriada de combustível/ar para o motor (10).
[042] Durante operação do motor (10), a unidade de controle é operativa para controlar o respectivo dispositivo de injeção de maneira que a mistura de combustível/ar suprida para o motor (10) irá ser adaptada, em cada instante, para as condições de operação correntes. O suprimento de combustível é, por intermédio disso obtido de uma maneira genericamente conhecida, isto é, em dependência de uma multitude de parâmetros representativos das condições de operação do motor (10) e do veículo em questão. Por exemplo, o controle pode ser desempenhado dependendo da presente posição de válvula de estrangulamento (de acele-rador) e da velocidade rotacional e da carga do motor (10).
[043] Cada cilindro (11) é proporcionado com uma saída de exaustão. Juntamente, as saídas de exaustão convergem para um manifold de exaustão (14), continuando para uma tubulação de exaustão (42). Esta tubulação de exaustão (42) funciona por intermédio de uma unidade de turbocharger (50), que como tal é substancialmente convencional. Por conseqüência, a unidade de turbocharger (50) compreende um compressor (52) e uma unidade de absorção de energia (54) para absorção de energia a partir dos gases de exaustão na forma de uma turbina, que é disposta na tubulação de exaustão (42) e está sendo rotacionada pelos gases de exaustão fluindo através da tubulação de exaustão (42) e que traciona o compressor (56). Como uma alternativa para a concretização mostrada na Figura 1, que é projetada de uma maneira tal que as saídas de exaustão se unem em uma tubulação de exaustão única (42) [conhecida como uma “entrada (admissão) única”], as saídas de exaustão podem ser agrupadas em dois grupos, fazendo o duto de exaustão consistir de duas tubulações conduzindo para a turbina (54) [conhecida como uma “entrada (admissão) gêmea (dupla)”].
[044] A turbina (54) é disposta sobre um eixo (56), sobre o qual o compressor (52) é da mesma forma disposto. A energia absorvida a partir do fluxo de exaustão pela turbina (54) é desta maneira transferida para o compressor (52), que funciona para comprimir o ar adentrando (influindo) no conduíte de ar (100) para o conduíte de entrada (12) do motor (10). Desta maneira, uma quantidade de combustível aumentada pode ser alimentada para o motor (10), por intermédio do que sua saída de força pode ser aumentada.
[045] O motor (10) é adicionalmente equipado com uma disposição para re-circiulação de uma determinada quantidade de gases de exaustão para a lateral de entrada do motor (10). Em concordância para aquilo que foi discutido na introdução, um sistema de EGR (80) (Re-circulação de Gás de Exaustão) [Exhaust Gas Recirculation = EGR] é como tal previamente conhecido. Em concordância com a concretização da presente invenção, uma linha adicional na forma de uma linha de EGR (82) é, conseqüentemente, conectada para a tubulação de exaustão (42), em um ponto à montante da turbina (54). A linha de EGR (82) desemboca no conduíte de entrada (90), em um ponto à montante do manifold de entrada (12) do motor (10). Ao longo da linha de EGR (82), uma válvula controlável (não mostrada) é disposta, conectada para a unidade de controle por intermédio de uma conexão adicional (não mostrada). Em uma concretização alternativa adicional da presente invenção, um sistema de EGR de rota longa pode ser proporcionado onde o gás de exaustão não é re-circulado à montante da turbina (54) e à jusante do compressor (52) mas, ao invés disso à montante do compressor (52) e à jusante da turbina (54).
[046] A unidade de controle é operativa, em dependência das condições de operação presentes, para ajustar a válvula para uma posição fechada, aberta ou parcialmente aberta. Dependendo da posição da válvula, uma correspondente quantidade de gases de exaustão irá, por conseqüência, ser re-circulada para o manifold de entrada (12) por intermédio da linha de EGR (82). Através da re-circulação destes gases de EGR para o manifold de entrada (12), uma redução de temperatura durante a combustão é conseguida no respectivo cilindro (11), por intermédio do que a geração de NOx no cilindro (11) é reduzida.
[047] A geração de NOx no respectivo cilindro (11) é dependente de temperatura e por esta razão é desejável diminuir, tanto quanto possível, a temperatura dos gases (isto é, incluindo ar e gases de EGR re-circulados) chegando ao motor (10). Por esta razão, a linha de EGR (82) é proporcionada com um refrigerador (84) funcionando para refrigerar os gases de EGR re-circulados para o manifold de entrada (12). Para esta finalidade, o refrigerador (84) inclui um circuito (86) através do qual um líquido refrigerante adequado é circulado. Preferivelmente, este líquido refrigerante é o refrigerante corriqueiro (normal) para o motor (10), mas ar pode também ser utilizado para esta refrigeração. Por intermédio deste refrigerante (84), os gases de EGR podem ser refrigerados, o que adicionalmente contribui para reduzir a quantidade gerada de compostos de NOx.
[048] O conduíte de entrada (90) é equipado com um outro refrigerador (não mostrado), também conhecido como um “intercooler”, que é utilizado para refrigeração do ar comprimido suprido pelo compressor (52). Isto também contribui para uma redução da quantidade de compostos de NOx gerados no motor (10). O segundo refrigerador é preferivelmente disposto para refrigeração por ar.
[049] Uma segunda turbina (60) é utilizada para absorver energia a partir dos gases de exaustão. A segunda turbina (60) é parte de um turbocomposto. Os gases de exaustão deixando o motor (10) e sendo passados através da primeira turbina (54) são, por conseqüência, também alimentados através da segunda turbina (60), que é então concretizada para rotacionar. Para este propósito, a segunda turbina (60) é rotativamente disposta sobre um eixo adicional (72). Depois de ter transferido parte de suas energias para a segunda turbina (60), os gases de exaustão são conduzidos para fora para a atmosfera, preferivelmente por intermédio de um silencioso (não mostrado) depois de passagem através do sistema de pós-tratamento de exaustão (40). Em uma concretização exemplificativa da presente invenção, o eixo (72) traciona um gerador (70) que proporciona energia elétrica para uma máquina elétrica (20) por intermédio de um conversor de voltagem (74). A máquina elétrica (20) pode ser conectada e desconectada a partir do eixo de saída (16) do motor de combustão (10) por ativação ou desativação de uma embreagem (18).
[050] Adicionalmente, a segunda turbina (60) pode ser conectada para o eixo de comando de saída (não mostrado) do motor (10), por intermédio de uma transmissão de força, não mostrada. A transmissão de força pode ser preferivelmente de um tipo mecânico incluindo uma transmissão de marcha conectando o eixo (72) (não mostrada). A transmissão de força é, além do mais, proporcionada com uma redução de marcha para conversão da velocidade rotacional da segunda turbina (60) para uma velocidade rotacional adequada para o eixo de comando. Desta maneira, força é transferida entre a segunda turbina (60) e o eixo de comando, isto é, uma determinada quantidade de energia nos gases de combustão pode ser re- aproveitada a partir do fluxo de exaustão e ser utilizada como força adicional para o eixo de comando.
[051] É também possível dividir a força proporcionada pelo gás de exaustão para a segunda turbina (60) entre o eixo de comando e a máquina elétrica (20).
[052] O sistema de pós-tratamento de exaustão (40) favoravelmente compreende pelo menos uma de uma unidade (44) para redução de matéria de particulado no gás de exaustão ou uma unidade (46) para conversão de NOx, particularmente um catalisador de SCR. A unidade de conversão de NOx (46) pode ser disposta à montante ou à jusante da unidade (44). A unidade (44) pode ser um filtro de particulado que retém (captura, prende) particulados de fuligem e/ou um catalisador de oxidação para oxidação de carbono não queimado.
[053] Preferivelmente, a velocidade rotacional do motor de combustão (10) é abaixo de 1.500 rpm, particularmente entre 850 rpm e 1.500 rpm. Particularmente, o motor de combustão (10) funciona em uma velocidade rotacional virtualmente constante. Por utilização do motor de combustão (10) com uma transmissão flexível se possibilita para otimização da velocidade rotacional do motor com respeito para tempe-ratura de exaustão e/ou eficiência de conversão de NOx.
[054] Quanto mais baixa a velocidade rotacional do motor de combustão (10), mais alta é a temperatura de gás de exaustão no manifold de exaustão (14). A baixa velocidade rotacional provoca não somente uma alta temperatura de exaustão, mas também uma baixa formação de fuligem e uma redução de fluxo de ar proporcionado para o manifold de entrada (12). A baixa combustão de lambda provoca também velocidade espacial mais baixa através das unidades (44) e (46) devido para menos ar, o que pode aumentar a eficiência do sistema catalítico.
[055] A temperatura de gás de exaustão pode ser estabelecida na faixa de 200 0C - 400 0C, preferivelmente em uma faixa de 250 0C - 380 0C à jusante do turbocomposto e à montante da unidade de conversão de NOx (46), que pode ser particularmente um catalisador de SCR. O catalisador de SCR fornece uma eficiência de ^ > 80 % do catalisador de SCR em uma faixa de temperatura de 300 0C - 400 0C. Esta faixa é vantajosa para catalisador de SCR fresco e bem como para catalisadores de SCR envelhecidos.
[056] A Figura 2 representa uma característica geral de eficiências de conversão de diversos NOx empobrecidos depois de sistemas de tratamento como uma função de temperatura. Em baixas temperaturas, a eficiência de conversão é baixa e bem como em altas temperaturas, o que é indicado por um círculo (LO) desenhado com uma linha tracejada em baixas e altas temperaturas. Melhores eficiências podem ser conseguidas em uma faixa de temperatura média que é de cerca de entre 200 0C até 400 0C, indicadas por um círculo (HI) desenhado com uma linha tracejada em temperaturas médias.
[057] Com tração do motor de combustão interna (10) em uma baixa velocidade rotacional, a temperatura de gás de exaustão à jusante dos dois absorvedores de energia (54, 60) pode ser mantida bem acima de 250 0C, em que a expansão de dois estágios do turbocharger (50) e da turbina (60) do turbocomposto mantém a temperatura de saída do segundo absorvedor de energia (60) bem dentro da janela de temperatura indicada pelo círculo H(I) mostrado na Figura 2 abaixo da temperatura de gás de exaustão no manifold de exaustão (14). A recuperação de energia do turbocomposto aumenta extraordinariamente com temperaturas de exaustão mais altas. Uma velocidade rotacional mais baixa do motor de combustão interna (10) produz conteúdo de fuligem mais baixo na exaustão deixando o motor de combustão interna (10), o que significa que um lambda (A) mais baixo é possível para a combustão no motor de combustão interna (10), resultando em temperaturas de exaustão mais altas e uma melhor eficiência de motor com um turbocomposto. (A) pode variar entre 1,2 e 1,4 ao invés de convencionalmente valores mais altos de até 1,7.
[058] Por provisão de uma eficiência mais alta de (q) no catalisador de SCR o motor de combustão interna (10) pode otimizar para um conteúdo de NOx mais alto na exaustão deixando o motor de combustão interna (10), por conseqüência, proporcionando uma melhor eficiência e uma melhor regeneração do filtro de particulado (DPF). Matéria de particulado no filtro de particulado pode ser oxidada por NOx no gás de exaustão. Neste caso, a unidade (44) é disposta, preferivelmente, à montante da unidade (46).
[059] Uma temperatura de T > 300 0C é favorável para um filtro de particulado para regeneração passiva. Para um catalisador de SCR, a temperatura deveria preferivelmente estar abaixo de T < 380 0C. Uma estratégia de baixa velocidade do motor de combustão interna (10) com uma velocidade rotacional muito baixa aperfeiçoa a velocidade espacial, particularmente diminui a velocidade espacial, do gás de exaustão e possivelmente reduz a divisão de NOx através da unidade de catalisador (46).
[060] A Figura 3 ilustra valores mensurados mostrados como pontos (A) e uma curva modulada mostrada como curva (C) de uma eficiência de redução de NOx em um catalisador de SCR empregado como unidade (46) no sistema de pós-tratamento de exaustão (EATS) [Exhaust After Treatment System = EATS].
[061] Os valores mensurados podem ser normalizados fornecendo valores normalizados mostrados como pontos (B). A curva modulada (C) se ajusta bem para os valores normalizados (B).
[062] Por utilização de uma baixa velocidade rotacional do motor de combustão interna (10) para aumento da temperatura de gás de exaustão no manifold de exaustão (14) em combinação com uma transmissão mecânica automatizada com troca (mudança) de força como unidade de transmissão (30) e um turbocharger (50) em combinação com um turbocomposto para redução da temperatura de gás de exaustão, eficiências de redução de NOx tão altas quanto 80 %, podem ser estabelecidas na faixa de temperatura desejada. Para um sistema fresco, as eficiências são altas até mesmo em temperaturas moderadamente mais altas. Se o sistema for envelhecido, a eficiência em altas temperaturas pode diminuir.

Claims (14)

1. Método para redução de conteúdo de NOx no gás de exaustão de um motor de combustão interna (10) em um veículo, o motor de combustão interna (10) compreendendo pelo menos um cilindro (11), uma entrada (12) para o suprimento de ar, uma saída de exaustão (14) para descarga de gases de exaustão para um sistema de pós-tratamento de exaustão (40) para redução de emissões do motor de combustão interna (10), em que uma re-circulação de gás de exaustão (80) supre gás de exaustão a partir da saída de exaustão (14) para a entrada (12) do motor de combustão interna (10), e uma turbina (54) de um turbocompressor (50) e uma turbina (60) de um turbocomposto como pelo menos dois absorvedores de energia (54, 60) dispo stos em série no fluxo de exaustão à jusante da saída de exaustão (14) para absorção de energia do gás de exaustão, caracterizado pelo fato do método compreender as etapas de: - tracionar o motor de combustão (10) durante pelo menos de uma fase de carga alta e uma fase de carga média em uma energia específica com uma carga mais alta e uma velocidade rotacional mais baixa comparadas com uma velocidade rotacional escolhida para a energia específica; - superaquecer o gás de exaustão para uma primeira temperatura por tração do motor de combustão interna (10) em velocidade rotacional mais baixa que é suficiente para tracionar as pelo menos duas turbinas (54, 60) e para estabelecer uma temperatura do gás de exaustão à jusante das pelo menos duas turbinas (54, 60); - refrigerar o gás de exaustão superaquecido nas duas turbinas (54, 60) para uma faixa de temperatura desejada favorável para conversão de NOx no sistema de pós-tratamento de exaustão (40); e - variar a velocidade rotacional do motor de combustão interna (10) dependendo do conteúdo de NOx à jusante do sistema de pós-tratamento de exaustão (40) e de uma possibilidade de conversão de NOx prevista do sistema de pós- tratamento de exaustão (40).
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ajustar uma marcha de transmissão de uma unidade de transmissão (30) dependendo de pelo menos a velocidade rotacional do motor de combustão interna (10) e a temperatura requerida à montante dos pelo menos dois absorvedores de energia (54, 60).
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende manter a velocidade rotacional do motor de combustão (10) em uma faixa entre 800 rpm e 1.500 rpm.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende manter uma variação da velocidade rotacional do motor de combustão (10) abaixo de 200 rpm.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura do gás de exaustão à jusante dos dois absorvedores de energia (54, 60) é estabelecida em uma faixa de temperatura que está dentro de uma faixa otimizada para redução de emissão de NOx em um catalisador de redução de NOx (46) no sistema de pós- tratamento de exaustão (40).
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a temperatura do gás de exaustão é estabelecida para um valor entre pelo menos 330 0C e não mais que 450 0C, preferivelmente para um valor entre pelo menos 350 0C e não mais do que 400 0C.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende estabelecer uma relação lambda (Â) da mistura combustível/ar suprida para o motor de combustão (10) de mais do que 1,4.
8. Disposição para redução das emissões de NOx de um motor de combustão interna (10) para desempenho do método conforme definido em qualquer uma das reivindicações precedentes, compreendendo um motor de combustão interna (10) com pelo menos um cilindro (11), uma entrada (12) para o suprimento de ar, uma saída de exaustão (14) para descarga de gases de exaustão para um sistema de pós-tratamento de exaustão (40) para redução de emissões do motor de combustão interna (10), uma re-circulação de gás de exaustão (80) suprindo gás de exaustão a partir da saída de exaustão (14) para a admissão (14) do motor de combustão interna (10), e uma turbina (54) de um turbocompressor (50) e uma turbina (60) de um turbocomposto como pelo menos dois absorvedores de energia (54, 60) dispostos em série no fluxo de exaustão à jusante da saída de exaustão (14) para absorção de energia do gás de exaustão, caracterizada pelo fato de que: - uma unidade de transmissão (30) acoplada entre o motor de combustão interna (10) e um eixo de tração (16) do veículo que possibilita para uma velocidade rotacional pré-determinada do motor de combustão interna (10) para superaquecimento do gás de exaustão, em que a unidade de transmissão (30) é uma transmissão automatizada com troca de energia que possibilita para uma baixa velocidade rotacional do motor de combustão interna (10), e é utilizada para variação da velocidade rotacional do motor de combustão interna (10) dependendo de pelo menos um do conteúdo de NOx à jusante do sistema de pós-tratamento de exaustão (40) e de uma possibilidade de conversão de NOx prevista do sistema de pós-tratamento de exaustão (40); e - pelo menos duas turbinas (54, 60) para refrigeração do gás de exaustão superaquecido durante pelo menos uma de fase de carga alta e uma fase de carga média do motor de combustão interna (10) para estabelecer uma temperatura do gás de exaustão em uma faixa de temperatura desejada para conversão de NOx no sistema de pós-tratamento de exaustão (40) dependendo da velocidade rotacional do motor de combustão (10).
9. Disposição, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a velocidade rotacional do motor de combustão interna (10) é estabelecida entre 850 rpm e 1.500 rpm.
10. Disposição, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que um dos pelo menos dois absorvedores de energia (60) é acoplado a um de um eixo de comando ou uma máquina elétrica (70).
11. Disposição, de acordo com reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a unidade de transmissão (30) é uma unidade de transmissão continuamente variável.
12. Disposição, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o sistema de pós-tratamento de exaustão (40) compreende um dispositivo (44) para redução de um conteúdo de partículas no gás de exaustão.
13. Disposição, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o sistema de pós-tratamento de exaustão (40) compreende um dispositivo (46) para redução de um conteúdo de óxidos de nitrogênio de (NOx) no gás de exaustão.
14. Disposição, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o motor de combustão interna (10) é um motor a diesel.
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