ES2311570T3 - Sistema de control de las emisiones de un motor de combustion interna. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de control de las emisiones de un motor (1) de combustión interna, que comprende un catalizador (41) absorbente del NOx dispuesto en un sistema de escape (40) del motor (1) de combustión interna y tiene la propiedad de promover reacciones para reducir el NOx cuando la concentración de una substancia reductora en el gas de escape se hace elevada, medios (14, 16, 17, P2) para agregar un agente reductor al gas de escape que circula hacia el catalizador absorbente (41) a través del sistema de escape, caracterizado por comprender medios de control (80) para controlar los medios (14, 16, 17, P2) de adición para agregar el agente reductor en forma de gotitas al gas de escape, y porque las gotitas del agente reductor tienen un tamaño de partícula comprendido en un intervalo entre 50 mum y 100 mum, y porque los medios (14, 16, 17, P2) de adición del reductor se hallan dispuestos de manera que las gotitas se adhieren a la superficie del catalizador (41) absorbente del NOx cuando circulan hacia un recipiente (42) del catalizador.
Description
Sistema de control de las emisiones de un motor
de combustión interna.
La invención se refiere a un sistema de control
de las emisiones para motores de combustión interna capaces de
realizar una combustión pobre en combustible, sistema que
suministra un agente reductor a una parte de un sistema de escape
del motor que está situado más arriba de un catalizador de Nox
dispuesto en el mismo, promoviendo con ello la eliminación o la
purificación de componentes perjudiciales contenidos en el gas de
escape.
Un motor diesel o un motor de gasolina capaz de
realizar una combustión pobre en combustible se hace trabajar en la
mayor parte de la zona de funcionamiento o de conducción con una
mezcla de aire-combustible que tiene una elevada
relación aire-combustible (esto es, una atmósfera
de bajo índice) suministrada a la combustión. En el motor de
combustión interna de este tipo se dispone generalmente en un
sistema de escape del motor un absorbente de NOx (o catalizador de
NOx) capaz de absorber óxidos de nitrógeno (NOx) de una atmósfera de
bajo índice.
En general, el catalizador de NOx tiene la
propiedad de absorber NOx cuando la concentración de una substancia
reductora en el gas de escape es baja y de liberar NOx cuando la
concentración de la substancia reductora en el gas de escape es
alta. Si la substancia reductora, como un hidrocarburo (HC) u óxido
de carbono (CO), se halla presente en el gas de escape, el NOx que
se ha liberado del catalizador de NOx reacciona inmediatamente con
la substancia reductora, y por ello es reducido a nitrógeno
(N_{2}). Existe un límite para la cantidad de NOx que puede
quedar retenida y almacenada en el catalizador de NOx y la cantidad
límite puede llamarse "cantidad de saturación". Si el
catalizador de NOx ha absorbido NOx hasta la cantidad límite, el
catalizador deja de absorber más NOx aun cuando la concentración de
la substancia reductora en el gas de escape sea baja.
En vista de la situación antedicha, un sistema
de control de las emisiones descrito en la patente japonesa nº
2845056 comprende una válvula de adición destinada a suministrar un
agente reductor a un sistema de escape de un motor de combustión
interna. Con la válvula de adición, el sistema de control de las
emisiones realiza repetidamente un control para agregar el agente
reductor en el gas de escape que circula por un catalizador de NOx a
intervalos predeterminados antes de que la cantidad de NOx
almacenado en el catalizador de NOx alcance un nivel
predeterminado. Cuando el sistema de control de las emisiones
suministra el agente reductor al sistema de escape por medio de la
válvula de adición antes descrita, el agente reductor suministrado
se pulveriza o difunde en una niebla y con ello aumenta la
concentración de la substancia reductora en el gas de escape. Como
resultado, el NOx almacenado en el catalizador de NOx (que se
denominará "NOx almacenado") se libera y el NOx liberado se
reduce y elimina, mientras que al mismo tiempo la capacidad de
almacenamiento de NOx en el catalizador de NOx se recupera.
Como se ha descrito antes, suministrando el
agente reductor al sistema de escape por medio de la válvula de
adición, la cantidad de substancia reductora en el gas de escape que
discurre hacia el catalizador de NOx puede incrementarse según
convenga en los momentos deseados, y por ello la eficacia de
purificación del gas de escape del catalizador de NOx puede
mantenerse constantemente alta.
Con un sistema de control de las emisiones como
el descrito en la publicación arriba indicada, el agente reductor
suministrado al sistema de escape por medio de la válvula de adición
se transfiere mientras se difunde en la forma de una niebla y actúa
sobre el NOx almacenado cuando pasa a través del catalizador de
NOx.
Asimismo, el anterior estado de la técnica según
US 5.965.098 A describe un sistema de control de emisiones para un
motor de combustión interna.
En este momento, sin embargo, sólo una parte del
agente reductor en forma de niebla que alcanza el catalizador de
NOx establece contacto con una superficie del catalizador y
prácticamente actúa sobre el NOx almacenado. El resto del agente
reductor pasa a través del catalizador sin reaccionar con el NOx
almacenado y se libera como una parte en exceso en el lado situado
más abajo del catalizador. Puede disponerse un catalizador de
oxidación más abajo del catalizador de NOx para purificar (oxidar)
la parte de exceso del agente reductor. Sin embargo, es difícil en
la práctica purificar el agente reductor en exceso con el
catalizador de oxidación, dado que el gas de escape en el que se
difunde el agente reductor no contiene una cantidad suficientemente
grande de oxígeno (a saber, el gas de escape como un conjunto en una
atmósfera rica en combustible).
Por consiguiente, un objeto de la invención,
según la reivindicación 1, es proporcionar un sistema de control de
las emisiones de un motor de combustión interna que permita un uso
eficaz de la función purificadora de gases de un catalizador de NOx
dispuesto en el sistema de escape del motor de combustión
interna.
Para conseguir el objeto antedicho, la
invención, según la reivindicación 1, presenta un sistema de
control de las emisiones de un motor de combustión interna que
comprende (a) un catalizador de NOx dispuesto en el sistema de
escape del motor de combustión interna y que tiene la propiedad de
promover reacciones para reducir el NOx cuando una concentración de
una substancia reductora en el gas de escape llega a ser alta, y
(b) medios para la adición de un agente reductor al gas de escape
que circula por el catalizador de NOx hacia el sistema de escape.
El sistema de control de emisiones incluye medios de control para
regular los medios de adición del agente reductor en forma de
gotitas al gas de escape.
El catalizador de NOx tiene la propiedad de
absorber NOx cuando la concentración de la(s)
substancia(s) reducto-
ra(s) en el gas de escape es relativamente baja, y de liberar el NOx absorbido mientras promueve reacciones de reducción cuando la concentración de la(s) substancia(s) reductora(s) en el gas de escape es relativamente alta.
ra(s) en el gas de escape es relativamente baja, y de liberar el NOx absorbido mientras promueve reacciones de reducción cuando la concentración de la(s) substancia(s) reductora(s) en el gas de escape es relativamente alta.
El agente reductor en la forma de gotitas
consiste en partículas líquidas de un tamaño de partícula entre 50
\mum y 100 \mum, y esas partículas de líquido están dispersas en
forma de una niebla en el gas de escape. El diámetro de cada una de
las partículas que constituyen el agente reductor se controla a un
valor adecuado de modo que cada partícula que alcanza al catalizador
de NOx se deposite sobre la superficie del mismo en un estado
bruto. El tamaño de partícula adecuado puede diferir en función de
las características físicas y químicas del agente reductor
utilizado, la propiedad y estado del gas de escape y las
características y estado del catalizador.
El sistema de control de las emisiones
constituido como se ha descrito más arriba controla la difusión del
agente reductor agregado al gas de escape de manera que el agente
reductor forma una niebla relativamente espesa (o una atmósfera
localmente rica) en el gas de escape, que entonces se transfiere al
catalizador de NOx. El agente reductor que se ha transferido al
catalizador de NOx se deposita relativamente rápido sobre la
superficie del catalizador debido al diámetro relativamente grande
de las partículas del agente reductor, de manera que se reduzca el
NOx almacenado en el catalizador. Es decir, una parte principal del
agente reductor agregado al gas de escape actúa eficazmente sobre
el catalizador de NOx meramente sin pasar a través del mismo. Así,
el sistema de control de emisiones requiere una cantidad mínima de
agente reductor para reducir un NOx que se elimina, asegurando así
un empleo de alto rendimiento del agente reductor.
Además, el sistema de control de las emisiones
tal como se ha descrito arriba es capaz de formar una atmósfera
local rica en combustible en el gas de escape, a la vez que mantiene
a este último como un conjunto como una atmósfera de bajo índice de
combustible (es decir, manteniendo baja la relación
aire-combustible del gas de escape). Disponiendo un
catalizador de oxidación que promueve la oxidación del agente
reductor en una atmósfera de bajo índice en una posición situada
más abajo del catalizador de NOx, se puede eliminar o purificar una
parte en exceso del agente reductor que ha pasado a través del
catalizador de NOx con gran seguridad.
Es preferible que las gotitas del agente
reductor tengan un diámetro de partícula de 50 \mum. Estando así
controlado el diámetro de partícula, el agente reductor agregado al
gas de escape forma una atmósfera local rica en combustible, que es
improbable de formarse si el agente reductor consiste en partículas
líquidas pequeñas de un diámetro inferior a 10 \mum.
Preferentemente, el medio de control varía el
diámetro de partícula de las gotitas del agente reductor en función
de la temperatura del medio lecho del catalizador de NOx. En ese
caso, el medio de control puede aumentar el diámetro de partícula de
las gotitas del agente reductor a medida que aumenta la temperatura
del catalizador de NOx.
La temperatura de medio lecho del catalizador de
NOx y el diámetro de partícula del agente reductor en forma de
gotitas son parámetros dominantes que determinan la probabilidad de
deposición de las gotitas del agente reductor en la superficie del
catalizador. Esto es, el agente reductor en la forma de gotitas es
más probable de depositarse sobre la superficie del catalizador de
NOx cuando el diámetro o tamaño de las partículas aumenta dentro de
un intervalo predeterminado, y el agente reductor es menos probable
de depositarse físicamente sobre la superficie del catalizador en
la medida que la temperatura del lecho medio del catalizador de NOx
aumenta. Así se establecen con facilidad las condiciones óptimas
reduciendo y eliminando el NOx con la cantidad mínima de agente
reductor aplicado al catalizador de NOx.
El medio de control puede variar el diámetro de
partícula de las gotitas del agente reductor en función de la
temperatura del gas de escape como un parámetro dominante que
determina la probabilidad de difusión del agente reductor en el gas
de escape, además de o en lugar del diámetro de partícula de las
gotitas del agente reductor.
\vskip1.000000\baselineskip
Los anteriores y/o otros objetos,
características y ventajas de la invención se pondrán mejor de
manifiesto con la siguiente descripción de las realizaciones
preferidas con referencia a los dibujos que se acompañan, en los
cuales se emplean los mismos números para representar elementos
similares y en los que:
La fig. 1 es una vista que muestra
esquemáticamente la estructura de un equipo de motor diesel que
comprende un sistema de control de emisiones según una primera
realización de la invención.
La fig. 2 es un diagrama de flujos que muestra
una rutina de control de adición de reducción realizada por el
sistema de control de emisiones según la primera realización de la
invención.
Las figs. 3A y 3B son diagramas de tiempos que
muestran las variaciones de la relación
aire-combustible con el tiempo cuando se realiza el
control de adición de reducción, en que la relación
aire-combustible se calcula en base a una señal de
salida de un sensor de la relación aire-combustible
situado más abajo de un catalizador.
La fig. 4 es un diagrama de flujo que muestra
una rutina del control de adición de reducción efectuado por un
sistema de control de emisión según una segunda realización de la
invención, y
La fig. 5 es una gráfica que muestra una
relación entre el diámetro de partícula de las gotitas del agente
reductor y el rendimiento de la purificación.
Primera
realización
Se describirá en detalle un sistema de control
de las emisiones de un motor de combustión interna según una
primera realización de la invención. En esa primera realización, el
sistema de control de las emisiones se aplica a un sistema de motor
diesel. Un motor de combustión interna (que se denominará
simplemente "motor") 1 representado en la fig. 1 tiene la forma
de un motor diesel de cuatro cilindros en línea que comprende un
dispositivo de alimentación 10, cámaras de combustión 20, un
dispositivo de admisión 30, un sistema de escape 40 y así otros,
como principales componentes.
El dispositivo 10 de alimentación de combustible
incluye una bomba de impulsión 11, una cámara común 12, válvulas de
inyección de combustible 13, una válvula de cierre 14, una válvula
de regulación 16, una válvula de adición de reducción 17, un paso de
combustible al motor P1, un paso de combustible de adición P2 y
otros componentes.
La bomba de alimentación 11 se destina a
suministrar a alta presión el combustible procedente de un depósito
(no representado) y a enviarlo a la cámara común 12 por medio del
paso P1 de combustible al motor. La cámara común 12 funciona como un
acumulador para mantener la alta presión del combustible
suministrado por la bomba de alimentación 11 a un valor elevado
predeterminado y distribuye el combustible acumulado a las válvulas
de inyección 13. Cada una de estas últimas es una válvula
electromagnética provista de un solenoide electro magnético (no
representado) dispuesto en ella, y se controla para abrir según
convenga para inyectar el combustible en una de las cámaras de
combustión 20 correspondiente.
La bomba de combustible 11 envía una parte del
combustible procedente del depósito a la válvula de adición de
reducción 17 por medio del paso P2 de combustible de adición. En
dicho paso P2 se disponen la válvula de corte 14 y la válvula de
regulación 16 entre la bomba 11 y la válvula 17 de adición de
reducción, de manera que la válvula de corte 14 se sitúa más próxima
a la bomba de combustible 11 que la válvula de regulación 16. La
válvula de corte 14 sirve para cortar el paso P2 de combustible de
adición a fin de detener el suministro de combustible en caso de
emergencia. La válvula de regulación 16 se activa para controlar la
presión (presión de combustible) PG del combustible que se envía a
la válvula 17 de adición de reducción. Al igual que las válvulas 13
de inyección de combustible, la válvula 17 de adición de reducción
es una válvula electromagnética con un solenoide electromagnético
(no representado) dispuesto en ella y se destina a suministrar una
cantidad adecuada de combustible que sirve como reducción o agente
reductor en una parte del dispositivo de escape 40 más arriba de un
depósito 42 de catalizador en momentos apropiados.
El dispositivo de admisión 30 forma un paso
(paso de entrada) del aire de admisión que se ha suministrar a cada
una de las cámaras de combustión 20. Por otra parte, el dispositivo
de escape 40 forma un paso (paso de expulsión) del gas de escape
emitido por cada cámara de combustión 20.
Además, el motor 1 está provisto de un
supercargador conocido (esto es, un turbocargador) 50. Este último
incluye dos ruedas de turbina 52, 53 acopladas entre sí por medio
de un eje 51. La rueda de turbina 52 (rueda de turbina de entrada)
se expone al aire de entrada en el dispositivo de admisión 30,
mientras que la rueda de turbina 53 (rueda de turbina de escape) se
expone al gas de expulsión en el dispositivo de expulsión 40. El
turbocargador 50 así constituido sirve para realizar la llamada
sobrecarga para aumentar la presión del aire de admisión al hacer
girar la rueda de turbina 52 del lado de la entrada, utilizando el
flujo del gas de escape (presión del gas de escape) al cual se
somete la rueda de turbina 53 del lado de la expulsión.
En el dispositivo de admisión 30, el aire de
entrada que se ha calentado mientras era sobrecargado se enfría
forzadamente en un interenfriador 31 dispuesto en el turbocargador
50. Más abajo del interenfriador 31 se dispone una válvula de
regulación de paso 32. Esta última es una válvula de paso/no paso
controlada electrónicamente, capaz de variar su abertura
continuamente y funciona para regular (disminuir) la cantidad de
suministro del aire de admisión reduciendo la sección del paso de
circulación del aire de admisión en condiciones pre
determinadas.
En el motor 1 se ha dispuesto también un paso 60
de re-circulación del gas de escape (paso EGR).
Este último sirve como una derivación para comunicar partes situadas
más arriba y más abajo de las cámaras de combustión 20 (partes del
dispositivo de admisión 30 y del dispositivo de escape 40). Durante
el funcionamiento del motor 1, una parte del gas de escape es
devuelta al dispositivo de admisión 30 por medio del paso EGR 60
cuando conviene. El paso EGR 60 está provisto de una válvula EGR 61
que se controla electrónicamente para que se abra y se cierre
continuamente o ininterrumpidamente y así es capaz de regular con
flexibilidad la cantidad de gas de escape que circula por el paso
EGR 60. Este último está provisto además de un enfriador EGR 62 que
sirve para enfriar el gas de escape que pasa a través del paso EGR
60 mientras es recirculado.
Asimismo, el recipiente 42 del catalizador que
aloja un catalizador de NOx del tipo
almacenamiento-reducción (que se denominará
simplemente "catalizador") está dispuesto más abajo de una
parte del dispositivo de escape 40 con el cual comunican el propio
dispositivo de escape 40 y el paso EGR60.
El catalizador 41 almacenado en el recipiente 42
de catalizador comprende (a) un soporte formado por ejemplo por
alúmina (Al_{2}O_{3}), (b) por lo menos un elemento portado
sobre el soporte y escogido entre un metal alcalino como el potasio
(K), el sodio (Na), el litio (Li) y el cesio (Cs), un metal
alcalinotérreo como el bario (Ba) y el calcio (Ca) y un metal de
tierras raras como el lantano (La) y el ytrio (Y), y (c) por lo
menos un metal noble como el platino (Pt) también portado sobre el
soporte.
El catalizador 41 se dispone para absorber NOx
cuando en el gas de escape está presente mucho oxígeno y para
reducir el NOx a NO_{2} o NO y expulsarlo a la atmósfera cuando en
el gas de escape existe mucha substancia reductora (por ejemplo un
componente no quemado del combustible (HC)). El NOx que se ha
expulsado tras ser reducido a NO_{2} o NO reacciona inmediata
mente con el HC o CO contenido en el gas de escape para ser reducido
después a N_{2}. Como resultado de reducir NO_{2} a NO, el HC o
CO se oxida a H_{2}O o CO_{2}. En consecuencia, es posible
purificar el gas de escape de HC, CO y NOx ajustando debidamente la
concentración de oxígeno o componente de HC del gas de escape para
ser introducido en el recipiente 42 del catalizador (catalizador
41).
Además, se instalan varios sensores en
respectivas partes del motor 1. Cada uno de los sensores genera una
señal indicativa de un estado del medio ambiente de la
correspondiente parte o el estado de funcionamiento del motor
1.
Más concretamente, un sensor 70 de la presión de
la cámara genera una señal de detección indicativa de la presión
del combustible acumulado en la cámara común 12. Un sensor 71 de la
presión del combustible genera una señal de detección indicativa de
la presión PG (presión del combustible) del combustible que pasa a
través del paso P2 de combustible de adición y que debe
introducirse en la válvula 17 de adición de reductor por medio de la
válvula de regulación 16. Se dispone un medidor 72 del flujo de
aire en una parte del sistema de admisión 30 más arriba de la
válvula de control 32 y genera una señal de detección indicativa de
la cantidad Ga (cantidad de aire de admisión) del aire de admisión.
Se dispone un sensor 73 de aire-combustible (A/F)
en una parte del sistema de escape 40 más abajo del recipiente 42
del catalizador y que genera una señal de detección que varía
continuamente de acuerdo con la concentración de oxígeno en el gas
de escape. Se dispone también un sensor 74 de la temperatura del gas
de escape en una parte del sistema de escape 40 más abajo del
recipiente 42 del catalizador y que genera una señal de detección
indicativa de la temperatura TEX del gas de escape. Asimismo, se
dispone un sensor 75 de NOx en una parte del sistema de escape 40
más abajo del catalizador 41 y que genera una señal de detección
que varía continuamente con la concentración CNOx de NOx en el gas
de escape.
Además, hay un sensor 76 de la posición del
acelerador asociado al pedal del acelerador (no representado) y que
genera una señal de detección indicativa de la cantidad de depresión
ACC del pedal del acelerador. Un sensor 77 del ángulo del eje se
destina a generar una señal de detección (pulso) cada vez que un
eje de salida (un árbol axial) del motor 1 gira un ángulo
predeterminado. Cada uno de los sensores 70 a 77 está eléctricamente
conectado a una unidad de control electrónico (ECU) 80.
La ECU 80 comprende una unidad central de
tratamiento (CPU) 81, una memoria 82 de sólo lectura (ROM), una
memoria 83 de acceso aleatorio (RAM), una RAM de soporte 84, un
contador de tiempo 85, y así sucesivamente. Estos componentes 81 a
85, un circuito exterior de entrada 86 que incluye un convertidor
A/D y un circuito exterior de salida 87 se hallan interconectados
uno con otro mediante un bus direccional 88, formando así un
circuito de cálculo lógico.
La ECU 80 así constituida está dispuesta para
recibir señales de detección de los respectivos sensores por medio
del circuito exterior de entrada y realizar controles básicos como
el de la inyección de combustible del motor 1. Además, la ECU 80
realiza otros varios controles relacionados con el estado operativo
del motor 1, incluyendo un control de adición de reducción para
determinar el momento de agregar un agente reductor (por ej.,
combustible que sirve de agente reductor) y la cantidad de agente
reductor a agregar.
En una realización, el sistema de control de las
emisiones del motor 1 está constituido por un sistema 10 de
suministro de combustible, el catalizador 41 dispuesto en el sistema
de escape 40, la ECU 80 que es operable para controlar las
funciones del sistema de suministro de combustible 10 y el
catalizador 41 y otras. Como se ha indicado antes, el sistema 10 de
suministro de combustible sirve para agregar combustible en el
sistema de escape 40 a través de la válvula 17 de adición de
reducción, así como para suministrar combustible a los respectivos
cilindros a través de las válvulas de inyección 13. Así, el
antedicho control de adición de reducción se realiza mediante las
operaciones de la ECU 80, la cual genera señales de mando relativas
al control de adición de reductor, y los otros componentes que
constituyen el sistema de control de las emisiones.
Seguidamente se describirá con detalle el
principio básico y el procedimiento del control de adición de
reductor por el sistema de control de emisiones de la
realización.
En los motores diesel, la concentración de
oxígeno en las mezclas aire-combustible a quemar en
las cámaras de combustión es alta en la mayoría de las zonas de
trabajo de los motores.
Normalmente, la concentración de oxígeno de la
mezcla aire-combustible antes de ser quemada en las
cámaras de combustión se refleja directamente en la concentración de
oxígeno en el gas de escape. Más concretamente, la concentración de
oxígeno en la mezcla aire-combustible disminuye
tras la combustión del mismo en una proporción correspondiente a la
cantidad de oxígeno utilizada en la combustión. Cuando la
concentración de oxígeno (relación
aire-combustible) en la mezcla
aire-combustible es alta, por consiguiente, la
concentración de oxígeno en el gas de escape se hace alta de manera
similar (es decir, la cantidad de agente reductor en el gas de
escape disminuye). Como se ha indicado más arriba, el catalizador de
NOx del tipo almacenamiento-reducción tiene la
propiedad de absorber NOx cuando la concentración de oxígeno en el
gas de escape es alta y de reducir el NOx a NO_{2} o NO y liberar
el NOx resultante cuando la concentración de oxígeno del gas de
escape es baja (esto es, cuando la cantidad de agente reductor es
grande). El catalizador de NOx, por tanto, continúa absorbiendo NOx
en tanto que la concentración de oxígeno en el gas de escape es
alta. Sin embargo, la cantidad de NOx que puede ser absorbida por
el catalizador de NOx es limitada, como se ha indicado antes. En el
caso de que el catalizador de NOx ha absorbido ya NOx hasta la
cantidad límite, el NOx en el gas de escape no es absorbido por el
catalizador, sino que pasa a través del recipiente del catalizador
como tal, lo cual se traduce en un aumento de la concentración de
NOx en el lado más abajo del catalizador 41.
A la vista de la situación anterior, en el motor
1 que comprende la válvula 17 de adición de reductor se añade, en
los momentos apropiados, una cantidad de combustible que sirve de
agente reductor a una parte del sistema de escape 40 situada más
arriba del catalizador 41 por medio de la válvula 17 de adición de
reductor, con el fin de disminuir temporalmente la cantidad de
la(s) substancia(s) reductora(s) (es decir,
HC) en el gas de escape. Con el combustible así agregado, el NOx
que se ha absorbido en el catalizador 41 se reduce a NO_{2} o NO y
es expulsado del catalizador 41, con lo cual se recupera la
capacidad de absorción del catalizador 41. En ese momento, el
NO_{2} o NO liberado se reduce inmediatamente a N_{2} por
reacción con HC o CO, como se ha indicado más arriba.
Mientras tanto, el agente reductor (combustible)
añadido al sistema de escape 40 presenta diferentes comportamientos
cuando se mueve en el sistema de escape 40 por bajo del catalizador
41 y produce diferentes efectos sobre el catalizador 41, según sea
el estado del agente reductor cuando se agrega al sistema de escape
40. Por ejemplo, si las partículas del agente reductor esparcidas
en el sistema de escape 40 a través de la válvula 17 de adición de
reductor son de un tamaño inferior a 10 \mum, el agente reductor
agregado al sistema de escape 40 se difunde rápidamente en el gas
de escape mientras es transferido al catalizador 41. Inversamente,
si el agente reductor esparcido en el sistema de escape 40 a través
de la válvula 17 de adición de reductor consiste en gotitas que
tengan un diámetro de partícula de 10 o superior, se forma con las
gotitas del gas de escape una niebla espesa (una atmósfera rica en
combustible) que se enviará al recipiente 42 del catalizador.
Debido al diámetro relativamente grande de las partículas, una
mayoría del agente reductor se adhiere inmediatamente a las
superficies del catalizador 41 cuando circula hacia el recipiente
42 del mismo. A saber, la mayor parte del agente reductor añadido
al gas de escape actúa efectivamente sobre el catalizador 41
simplemente pasando a través de él. Así es posible reducir y
eliminar el NOx del catalizador de NOx haciendo que una cantidad
mínima de agente reductor actúe sobre el catalizador de NOx con alto
rendimiento.
El sistema de control de las emisiones de la
realización se dispone para controlar los respectivos componentes
incluyendo el sistema de suministro de combustible 10, de manera que
el agente reductor añadido al sistema de escape 40 por medio de la
válvula 17 de adición de reductor forma una niebla constituida por
partículas en forma de gotitas, cada una de las cuales tiene un
diámetro entre 50 \mum y 100 \mum.
Con referencia ahora al diagrama de flujos de la
fig. 2, se describirá en detalle un proceso o rutina del control de
la adición de reducción realizado por el sistema de control de las
emisiones de la realización.
La fig. 2 muestra una rutina del control de
adición del reductor que se ejecuta para controlar la cantidad y
tiempos de la adición de un agente reductor cuando éste se introduce
en el sistema de escape 40. La ECU 80 inicia esa rutina al mismo
tiempo que se pone en marcha el motor 1 y después ejecuta
repetidamente la rutina a intervalos de tiempo predeterminados.
En la rutina, la ECU 80 determina primeramente
en el paso S101 los estados operativos del motor 1 verificando los
registros de la concentración CNOx de NOx y la temperatura TEX del
gas de escape más abajo del catalizador 41, la velocidad del motor
NE, la cantidad de depresión ACC del pedal del acelerador y así
sucesivamente.
La ECU 80 determina a continuación en el paso
S102 si los estados operativos del motor 1 obtenidos en el paso
S101 satisfacen todas las condiciones para realizar la adición del
agente reductor, incluyendo, por ejemplo, las siguientes
condiciones (Al), (A2) y (A3).
(A1) El valor indicado por la señal de detección
generada por el sensor 75 de NOx ha aumentado para ser mayor que un
valor predeterminado. Cuando se satisface esta condición, significa
que la cantidad de NOx almacenada en el catalizador 41 ha superado
un valor predeterminado y por lo tanto se necesita liberar el NOx
almacenado, reduciéndolo.
(A2) La temperatura TEX del gas de escape es
mayor que un valor predeterminado (por ej., 250ºC). Esta condición
se establece para asegurar que el catalizador 41 ha sido activado
suficientemente.
(A3) Se determina el estado operativo del motor
1 para que sea adecuado para efectuar la adición del agente
reductor en base a la velocidad NE del motor, la cantidad de
depresión ACC del pedal del acelerador y así sucesivamente.
Si se cumplen las anteriores condiciones (Al) a
(A3), la ECU 80 procede hasta el paso S103. Si no se cumple alguna
las tres condiciones, por el contrario, la ECU termina la rutina
enseguida.
En el paso S103, la magnitud de la apertura de
la válvula 17 de adición de reductor se ajusta de modo que se añada
una cantidad controlada del agente reductor al sistema de escape
40.
La cantidad Q de adición de combustible, que es
una cantidad total de agente reductor suministrada al sistema de
escape 40 por medio de la válvula 17, puede definirse básicamente
como una función del tiempo T de apertura de la válvula
(microsegundos, ms) y de la presión PG del combustible enviado a la
válvula 17 de adición de reductor a través del paso P2 de
combustible de adición durante el tiempo T de apertura de la
válvula, representado por la siguiente expresión (1).
(1)Q =
f(T,
PG)
A saber, la ECU 80 calcula el tiempo T de
apertura de la válvula en base a la presión PG (presión del
combustible) del combustible que circula a través del paso P2 de
combustible de adición de manera que la cantidad del combustible
suministrado al sistema de escape 40 se haga igual a la cantidad Q
de adición de combustible determinada. Después se aplica una
corriente continuamente o intermitentemente a la válvula 17 de
adición de reductor en momentos predeterminados, de modo que la
válvula 17 se controle para abrirse durante el tiempo total T
(tiempo de apertura de la válvula) a fin de agregar el combustible
de una manera determinada como se ha explicado más arriba.
En este momento, en el sistema de control de
emisiones de la realización se ajusta la cantidad de apertura de la
válvula de regulación 16 (esto es, se controla la presión PG del
combustible) a fin de formar el agente reductor a una niebla
constituida por gotitas cada una de las cuales sea de un diámetro
de 50 \mum aproximadamente. Cuando debe aumentarse el diámetro de
las partículas del agente reductor en forma de gotitas, se reduce la
cantidad de abertura de la válvula de regulación 16 de modo que
aumente la presión PG (esto es, la presión del combustible) del
agente reductor.
Después del paso S103, la ECU 80 termina la
rutina.
Las figs. 3A y 3B son diagramas de tiempo que
muestran las variaciones de la relación
aire-combustible con el tiempo cuando se agrega el
agente reductor con el control de adición de reductor convencional
(fig. 3A) y cuando el agente reductor se agrega con el control de
adición de reductor de la realización (fig. 3B). Aquí, la relación
aire-combustible se calcula a base de una señal de
salida del sensor A/F 73 dispuesto más abajo del catalizador de NOx,
y la relación aire-combustible se inscribe en el
mismo eje de tiempos en los diagramas de tiempos de las figs. 3A y
3B. En los diagramas de tiempos, "ti" en el eje de tiempos de
cada diagrama representa el momento de iniciar la adición del
agente reductor.
Mientras tanto, se agrega la misma cantidad de
agente reductor por unidad de tiempo en el control de la
realización y en el control convencional.
Generalmente, cuando se añade un agente reductor
al sistema de escape, la cantidad de un componente reductor en el
gas de escape aumenta, en tanto que la cantidad de oxígeno
disminuye. Como resultado, la relación
aire-combustible determinada en base a la señal de
salida del sensor NF 73 situado en el sistema de escape (que se
denominará simplemente "relación
aire-combustible") disminuye temporalmente (o se
desplaza al lado rico en combustible).
Aquí, si se agrega el agente reductor en la
forma de una niebla constituida por pequeñas partículas de líquido
con un diámetro inferior a 10 \mu para reducir el NOx almacenado
con el control de adición convencional, la adición del agente
reductor necesita continuarse durante el tiempo T1 predeterminado,
con el fin de mantener la relación aire-combustible
en un valor inferior al de la relación estequiométrica (o sea
mantener una atmósfera rica en combustible) durante un cierto
periodo de tiempo (ver fig. 3A).
Por el contrario, se ha confirmado por parte de
los presentes inventores que, si con el control de adición del
reductor según la realización se agrega el agente reductor en forma
de una niebla constituida por gotitas cada una de las cuales tiene
un diámetro relativamente grande, el NOx almacenado en el
catalizador se reduce efectivamente en la medida suficiente aún si
la adición del agente reductor continúa sólo durante un tiempo (T2)
relativamente corto siendo la relación
aire-combustible mayor que la relación
estequiométrica (ver fig. 3B).
Además, de la comparación entre las variaciones
de la relación aire-combustible con el tiempo con
el control convencional de adición de reducción (fig. 3A) y las
variaciones con el control de la realización (fig. 3B) resulta
evidente que el grado o velocidad de variación de la relación
aire-combustible hacia el lado rico en combustible
desde el momento ti (punto de comienzo de la adición de reductor)
con el control de la realización es mayor que con el control de la
adición de reductor convencional. En otras palabras, el grado de
variación de la relación aire-combustible en
respuesta al establecimiento del control de adición de reductor es
superior al del control de adición convencional.
Con el control de adición del reductor según la
realización, el agente reductor agregado en el sistema de escape en
forma de una niebla constituida por gotitas (partículas
relativamente grandes) crea una atmósfera local rica en combustible
en el gas de escape, la cual actúa directamente e instantáneamente
sobre el catalizador, aun cuando la aparente cantidad de reducción
de la relación aire-combustible parezca ser pequeña
(esto es, la atmósfera alrededor de la atmósfera rica en
combustible es pobre en combustible) con ese control. En
consecuencia, es posible reducir y eliminar el NOx almacenado
haciendo que una cantidad mínima de agente reductor actúe sobre el
catalizador de NOx con gran rendimiento.
Aunque la atmósfera local rica en combustible se
crea en el gas de escape bajo el control de adición de combustible
de la realización según se ha descrito más arriba, la atmósfera
alrededor de la atmósfera local rica en combustible se mantiene
pobre en combustible. Si se dispone un catalizador de oxidación que
promueva la oxidación del agente reductor en una atmósfera pobre en
combustible más abajo del catalizador de NOx, resulta posible
eliminar con seguridad y facilidad una parte remanente del agente
reductor que haya pasado a través del catalizador de NOx.
Mientras tanto, el diámetro de partícula de las
gotitas (agente reductor) usadas en el antedicho control de adición
de reductor está entre 50 \mum y 100 \mum y más preferentemente
es de 50 \mum, aunque difiera en función de las características
físicas y químicas del agente reductor utilizado, la propiedad y
estado del gas de escape y las características y estado del
catalizador 41.
\vskip1.000000\baselineskip
Segunda
realización
A continuación se describirá un sistema de
control de las emisiones según una segunda realización de la
invención. En lo que sigue se describirán principalmente las
diferencias entre la segunda realización respecto a la primera.
El sistema de control de las emisiones de la
segunda realización se emplea con un motor de combustión interna
que tiene prácticamente la misma función y la misma constitución que
el motor 1 de la primera realización. Por lo tanto, elementos del
motor de combustión interna en que se emplea el sistema de control
de las emisiones y elementos del sistema de control de emisiones que
tengan cada uno la misma o equivalente función que en la primera
realización se designarán con los mismos números y signos de
referencia y no se describirán aquí con detalle.
El sistema de control de las emisiones de la
segunda realización es diferente del de la primera en que el
diámetro de partícula de las gotitas que forman una niebla del
agente reductor suministrado a través de la válvula 17 de adición
de reductor se modifica en función de la temperatura de lecho medio
del catalizador 41 en el control de adición de reductor.
La fig. 4 es un diagrama de flujos que muestra
la "rutina de control de adición de reductor" que se establece
por la ECU 80 para controlar la cantidad y el tiempo de adición del
agente reductor cuando éste se suministra al sistema de escape
40.
Los procesos en el paso S201 y en el paso S202
de esta rutina son prácticamente los mismos o equivalentes a los
del paso S101 y el paso S102 de la rutina de control de adición de
reductor de la primera realización (fig. 2), respectivamente. En el
paso S201, sin embargo, para determinar el estado de funcionamiento
del motor 1 la ECU 80 verifica asimismo la temperatura de lecho
medio del catalizador 41, así como todos los registros de la
concentración CNOx de NOx y la temperatura TEX del gas de escape
más abajo del catalizador 41, la velocidad NE del motor y la
magnitud de la depresión ACC del pedal del acelerador. La
temperatura de lecho medio del catalizador de NOx puede medirse
realmente disponiendo un sensor de temperatura en el recipiente 42
del catalizador o bien puede estimarse en base a la temperatura TEX
del gas de escape con referencia a otros parámetros, como la
magnitud de la depresión ACC del pedal del acelerador.
A continuación, si se determina en el paso S202
que se satisfacen todas las condiciones para realizar la adición
del agente reductor, la ECU determina en el paso 203 el diámetro de
partícula de las gotitas del agente reductor que se ha de agregar,
en base a la temperatura de lecho medio del catalizador 41
comprobada en el paso S201 como se ha descrito más arriba.
La fig. 5 es un gráfico que muestra una relación
entre el diámetro de partícula de las gotitas del agente reductor
que constituye una niebla y el rendimiento de la reducción de NOx (o
rendimiento de eliminación de NOx) cuando se envía la niebla
formada por las gotitas al sistema de escape 40 para reducir y
eliminar el NOx almacenado en el catalizador. En la fig. 5, la curva
definida por una línea seguida representa la relación establecida
cuando la temperatura de lecho medio del catalizador 41 es
relativamente baja (por ej., 250ºC), mientras que la curva definida
por una línea de trazos representa la relación establecida cuando
la temperatura de lecho medio del catalizador 41 es relativamente
alta (por ej., 400º). Como se deduce de la fig. 5, el diámetro de
partícula de las gotitas que proporciona el rendimiento óptimo de la
eliminación de NOx difiere según sea la temperatura de lecho medio
del catalizador 41 (ver los puntos Q y R del gráfico de la fig.
5).
En el sistema de control de las emisiones (ECU
80) de la realización, por lo tanto, se almacena, por ejemplo, en
la ROM 52, un mapa que representa la relación entre el diámetro de
partícula de las gotitas (agente reductor) que proporciona el
rendimiento óptimo de eliminación de NOx y la temperatura de lecho
medio del catalizador 41. En el paso S203, la ECU determina el
diámetro de partícula de las gotitas de agente reductor usado en el
control de adición con referencia al mapa así obtenido.
Seguidamente, la ECU 80 actúa para accionar la
válvula 17 de adición de reductor y la válvula 16 de regulación a
fin de suministrar una niebla consistente en gotitas del agente
reductor que tengan el diámetro (determinado en el paso S203) en el
sistema de escape 40 en el paso S204 de la misma manera que el paso
S103 de la rutina de control de adición de reductor de la primera
realización (fig. 2).
Después del paso S204, la ECU 80 termina la
rutina.
Como se ha descrito antes, cuando el sistema de
control de las emisiones de la realización reduce y elimina el NOx
almacenado usando el agente reductor en forma de gotitas, el
rendimiento de purificación del catalizador de NOx se optimiza en
base a la relación entre los parámetros dominantes (el diámetro de
partícula de las gotitas y la temperatura de reacción del
catalizador) que determinan el rendimiento de purificación del
catalizador de NOx. Así resulta posible asegurar constantemente un
elevado rendimiento de la purificación del gas de escape, la cual
se obtendría con el empleo del agente reductor en forma de gotitas,
aunque se produzca un cambio en el estado del ambiente (tal como
una temperatura) que afecte a la función del catalizador de NOx.
Esta disposición es ventajosa en un motor de combustión interna en
que se queme frecuentemente una atmósfera pobre en combustible y por
lo tanto la temperatura del gas de escape varíe frecuentemente y
considerablemente. En este tipo de motor, el sistema de control de
las emisiones de la segunda realización proporciona un importante
efecto realzador en términos de eliminación de NOx debido a la
adición del agente reductor en forma de gotitas, en comparación con
la primera realización.
Mientras tanto, puesto que el tamaño de
partícula de las gotitas (agente reductor) a agregar por medio de
la válvula 17 de adición de reductor se modifica según sea la
temperatura de lecho medio del catalizador 41 en la segunda
realización, el diámetro de partícula puede modificarse con la
temperatura TEX del gas de escape en vez de la temperatura de lecho
medio del catalizador 41 o bien con ambos factores, la temperatura
de lecho medio y la temperatura TEX del gas de escape. Análogamente
a la primera realización, el diámetro de partícula de las gotitas
(agente reductor) puede aumentar a medida que se eleva la
temperatura TEX del gas de escape.
Asimismo, cuando se emplea un combustible (es
decir, un aceite ligero) en un motor diesel como agente reductor en
las realizaciones arriba representadas, puede utilizarse otra
substancia como la gasolina o el queroseno en el supuesto de que
sirva como componente reductor que tenga una función de reducir el
NOx y pueda existir en forma de gotitas en el gas de escape.
En cada una de las realizaciones representadas,
el sistema de control de las emisiones se constituye de manera que
una parte del combustible suministrado desde el depósito de
combustible por la bomba de alimentación 11 para enviar el
combustible desde el depósito al recinto común 12 se agregue en el
sistema de escape 40. No obstante, la invención no se limita a esta
disposición. Por ejemplo, puede disponerse un sistema de suministro
independiente para suministrar combustible de adición procedente
del depósito de combustible o de otra fuente de suministro de
combustible (reductor).
Igualmente, mientras que el sistema de control
de las emisiones se emplea en el motor diesel 1 de cuatro cilindros
en línea como motor de combustión interna en cada una de las
realizaciones ilustradas, el sistema de control de las emisiones de
la invención puede también utilizarse adecuadamente en un motor de
gasolina capaz de realizar una combustión pobre en combustible.
Asimismo, en adición al motor de cuatro cilindros en línea, el
sistema de control de las emisiones según la invención puede también
emplearse en un motor de combustión interna con un número de
cilindros diferente.
Claims (12)
1. Un sistema de control de las emisiones de un
motor (1) de combustión interna, que comprende un catalizador (41)
absorbente del NOx dispuesto en un sistema de escape (40) del motor
(1) de combustión interna y tiene la propiedad de promover
reacciones para reducir el NOx cuando la concentración de una
substancia reductora en el gas de escape se hace elevada, medios
(14, 16, 17, P2) para agregar un agente reductor al gas de escape
que circula hacia el catalizador absorbente (41) a través del
sistema de escape, caracterizado por comprender medios de
control (80) para controlar los medios (14, 16, 17, P2) de adición
para agregar el agente reductor en forma de gotitas al gas de
escape, y porque las gotitas del agente reductor tienen un tamaño
de partícula comprendido en un intervalo entre
50 \mum y 100 \mum, y porque los medios (14, 16, 17, P2) de adición del reductor se hallan dispuestos de manera que las gotitas se adhieren a la superficie del catalizador (41) absorbente del NOx cuando circulan hacia un recipiente (42) del catalizador.
50 \mum y 100 \mum, y porque los medios (14, 16, 17, P2) de adición del reductor se hallan dispuestos de manera que las gotitas se adhieren a la superficie del catalizador (41) absorbente del NOx cuando circulan hacia un recipiente (42) del catalizador.
2. El sistema de control de las emisiones de la
reivindicación 1, caracterizado porque las gotitas del
agente reductor tienen un diámetro de partícula de 50 \mum.
3. El sistema de control de las emisiones de la
reivindicación 1, caracterizado porque el agente reductor se
agrega bajo una atmósfera pobre en combustible.
4. El sistema de control de las emisiones de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los medios (14,
16, 17, P2) de adición de reductor comprenden una válvula (17) de
adición de reductor a través de la cual se agrega el agente
reductor al gas de escape que circula por el catalizador (41)
absorbente de NOx, y porque los medios de control (80) controlan el
tiempo de apertura de la válvula (17) de adición de reductor en
base a la presión del agente reductor aplicado a la válvula (17) de
adición de reductor de manera que se consiga la adición de la
cantidad requerida de agente reductor.
5. El sistema de control de las emisiones de la
reivindicación 4, caracterizado porque los medios de control
(80) controlan la presión del agente reductor, de manera que se
consiga un tamaño de partícula de las gotitas deseado.
6. El sistema de control de las emisiones de la
reivindicación 5, caracterizado porque los medios de control
(80) reducen la presión del agente reductor de manera que se aumente
el tamaño de partícula del agente reductor en forma de gotitas.
7. El sistema de control de las emisiones de las
reivindicaciones 5 o 6, caracterizado porque los medios (14,
16, 17, P2) de adición de reductor comprenden una válvula de
regulación (16) dispuesta en un paso de reductor entre un depósito
de combustible y la válvula (17) de reducción de reductor, y porque
los medios de control (80) ajustan la apertura de la válvula de
regulación (16) para controlar la presión del agente reductor
aplicado a la válvula de adición de reductor para conseguir el
deseado tamaño de las gotitas.
8. El sistema de control de las emisiones de una
de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque los
medios de control (80) modifican un diámetro de partícula de las
gotitas del agente reductor en función de una temperatura del
catalizador (41) absorbente del NOx.
9. El sistema de control de las emisiones de la
reivindicación 8, caracterizado porque los medios de control
(80) aumentan el diámetro de partícula de las gotitas del agente
reductor cuando aumenta la temperatura del catalizador (41)
absorbente del NOx.
10. El sistema de control de las emisiones de
una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque los
medios de control (80) modifican el diámetro de partícula de las
gotitas del agente reductor en función de una temperatura del gas
de escape.
11. El sistema de control de las emisiones de la
reivindicación 10, caracterizado porque los medios de
control (80) modifican el diámetro de partícula de las gotitas del
agente reductor cuando aumenta la temperatura del gas de
escape.
12. El sistema de control de las emisiones de
una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el
motor (1) de combustión interna comprende un motor diesel, y el
agente reductor comprende un aceite ligero.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001275399A JP4720054B2 (ja) | 2001-09-11 | 2001-09-11 | 内燃機関の排気浄化装置 |
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