IT201900014304A1 - Sistema di post-trattamento di gas di scarico per un motore a combustione interna a ciclo diesel - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“SISTEMA DI POST-TRATTAMENTO DI GAS DI SCARICO PER UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA A CICLO DIESEL”

Campo dell’invenzione

La presente invenzione è relativa ad un sistema di post-trattamento di gas di scarico per un motore a combustione interna a ciclo diesel.

Descrizione della tecnica anteriore

Come è noto, un sistema di post-trattamento (ATS, After Treatment System) riceve il gas di scarico da un motore a combustione interna e, secondo il ciclo implementato in tale motore, ad esempio un ciclo a benzina o diesel, esso comprende un certo numero di dispositivi per ridurre/eliminare inquinanti contenuti nel gas di scarico, quale ad esempio NOx, HC, particolato, eccetera.

In particolare, EGR è una strategia consistente nel mettere in ricircolo il gas di scarico al fine di limitare la produzione di NOx.

Al contempo, nel campo dei motori a ciclo diesel, l’ATS è solitamente dotato di un filtro, ad esempio un filtro anti-particolato Diesel (DPF, Diesel Particulate Filter), in modo da intrappolare e raccogliere il particolato contenuto nel gas di scarico. Il particolato include principalmente fuliggine, ossia particelle derivate dalla combustione incompleta di idrocarburi. I filtri antifuliggine sono solitamente rigenerati in modo da convertire automaticamente la fuliggine accumulata. La rigenerazione è eseguita passivamente (a temperature di esercizio normali da NO2, ad esempio 200-550°C) o attivamente (generando calore aggiuntivo in caso di predeterminate condizioni di esercizio, in modo da raggiungere temperature relativamente elevate, ad esempio 550-650°C). Durante la rigenerazione, la fuliggine raccolta viene bruciata nel filtro, mediante ossidazione da parte di O2. I filtri sono solitamente combinati con un rivestimento catalitico, in modo da abbassare la temperatura di attivazione di tale ossidazione e pertanto favorire la rigenerazione.

In aggiunta, i filtri e i catalizzatori NOx possono essere implementati insieme a linee EGR.

In questo campo, si sente la necessità di fornire un’ossidazione di NOx tempestiva e un filtraggio di fuliggine tempestiva lungo la linea di scarico dell’ATS, in particolare per migliorare la capacità di rigenerazione e per proteggere una possibile linea di EGR a valle dal particolato di fuliggine, al fine di evitare la corrosione e l’usura del motore dovuta all’aspirazione del motore a causa di questa linea di EGR.

Si sente un'ulteriore necessità di fornire filtri aventi una piccola dimensione, in modo da usare il sistema di post-trattamento ATS per cosiddetti motori “piccoli”, ma senza compromettere l’elevato livello di efficienza richiesto durante il trattamento del particolato.

Uno scopo della presente invenzione è quello di soddisfare le necessità summenzionate.

Riepilogo dell’invenzione

Lo scopo summenzionato è conseguito da un sistema di post-trattamento di gas di scarico per un motore a combustione interna a ciclo diesel, come definito nell’insieme di rivendicazioni allegato.

Il principio fondamentale dell’invenzione è quello di fornire un sistema di post-trattamento in cui la funzione di filtraggio di particolato nel sistema di posttrattamento è divisa in due filtri, ossia in un primo filtro definito da un filtro anti fuliggine e in un secondo filtro disposto a valle del primo filtro e definito da un filtro di raccolta di cenere, in cui questo secondo filtro può essere sottoposto a manutenzione in modo da rimuovere periodicamente la cenere raccolta.

Preferibilmente, il sistema di post-trattamento è associato ad un sistema di sovralimentazione a singolo stadio o a due stadi per comprimere l’aria alimentata nel motore a combustione interna, in cui il primo filtro anti fuliggine è disposto a monte di una turbina di tale sistema di sovralimentazione, in modo da funzionare a pressioni più elevate e a temperature più elevate e il secondo filtro è disposto a valle della turbina, o delle turbine, del sistema sovralimentato.

Breve descrizione dei disegni

Per una migliore comprensione della presente invenzione, è descritta nel seguito una forma di realizzazione preferita, a titolo di esempio non limitativo e con riferimento al disegno allegato, che è indicata come figura 1 e mostra schematicamente un sistema di posttrattamento di gas di scarico per un motore a combustione interna a ciclo diesel secondo la presente invenzione.

Descrizione dettagliata della forma di realizzazione preferita

Nella figura 1, l’acronimo ATS indica, nel complesso, un sistema di post-trattamento di gas di scarico, per un motore a combustione interna a ciclo diesel E, preferibilmente un motore di tipo a quattro tempi.

Il motore E comprende una pluralità di cilindri C, che sono in comunicazione con una linea di aspirazione IP attraverso le rispettive valvole di aspirazione (non mostrate) per ricevere un flusso d’aria, in particolare un flusso di aria compressa. L’aria aspirata dai, o compressa nei, cilindri C è miscelata con carburante diesel, dosato in tali cilindri C da rispettivi iniettori (non mostrati). Al contempo, i cilindri C sono in comunicazione con il sistema ATS attraverso le rispettive valvole di scarico (non mostrate).

Il sistema ATS rilascia il gas di scarico nell’ambiente esterno ed è progettato per ridurre gli inquinanti contenuti nel gas di scarico.

Preferibilmente, il flusso d’aria nella linea di aspirazione IP è compresso per mezzo di un sistema di sovralimentazione, in particolare un sistema di sovralimentazione a due stadi TC. Il sistema TC comprende due compressori C1 e C2 disposti in serie lungo la linea di aspirazione IP per comprimere l’aria alimentata nei cilindri C e due turbine T1 e T2 disposte lungo una linea di scarico EP del sistema ATS e accoppiate rispettivamente ai compressori C1 e C2, ad esempio mediante rispettivi alberi, per far funzionare tali compressori C1 e C2. Secondo la figura 1, il compressore C1 è disposto a valle del compressore C2, considerando la direzione di flusso d’aria nella linea di aspirazione IP; e la turbina T1 è disposta a monte della turbina T2, considerando la direzione del gas di scarico nella linea di scarico EP.

Secondo una variante, non mostrata, è previsto un sistema di sovralimentazione a singolo stadio, ossia con un singolo compressore disposto lungo la linea di aspirazione IP e una singola turbina disposta lungo la linea di scarico EP.

Secondo un’altra variante, almeno una delle turbine T1 e T2 aziona un generatore elettrico, in modo da alimentare energia elettrica ad un motore che, a sua volta, è controllato per azionare il corrispondente compressore.

Come mostrato nella figura 1, la linea di aspirazione IP comprende una porzione P1, che è collegata ad un orifizio di uscita del compressore C1 per dirigere il flusso di aria compressa verso le valvole di aspirazione ed è, pertanto, ad una pressione elevata. Un raffreddatore intermedio o un raffreddatore di aria AC è preferibilmente previsto lungo la porzione P1. La linea di aspirazione IP comprende inoltre una porzione P2, che collega un orifizio di uscita del compressore C2 ad un orifizio di ingresso del compressore C1 e, pertanto, è ad una pressione intermedia; e una porzione P3, che è collegata ad un orifizio di ingresso del compressore C2 e riceve aria dall’ambiente esterno.

Al contempo, la linea di scarico EP comprende: una porzione P4, che è collegata ad un orifizio di ingresso della turbina T1 ed è, pertanto, a pressione e temperatura elevate; una porzione P5, che collega un orifizio di uscita della turbina T1 ad un orifizio di ingresso della turbina T2 e, pertanto, è a pressione e temperatura intermedie; e una porzione P6, che è collegata ad un orifizio di uscita della turbina T2 e incanala il gas di scarico dalla turbina T2 ad un tubo di scappamento TP, che scarica il gas di scarico nell’ambiente esterno.

La linea di scarico EP preferibilmente comprende anche una marmitta, non mostrata.

Preferibilmente, un sistema EGR è previsto in modo da mettere in ricircolo una parte del gas di scarico dalla linea di scarico EP nella linea di aspirazione IP, ad esempio sotto il controllo delle valvole e/o dispositivi che non sono mostrati e sono generalmente noti nella tecnica. Preferibilmente, il sistema EGR comprende una linea di ricircolo EGR1 che collega la porzione P5 alla porzione P2 ed una linea di ricircolo EGR2 che collega la porzione P6 alla porzione P3, per prelevare rispettivi flussi del gas di scarico dalla linea di scarico EP. Secondo una variante, non mostrata, è prevista soltanto una delle linee di ricircolo EGR1 e EGR2. Più preferibilmente, il sistema EGR comprende inoltre una linea di ricircolo aggiuntiva EGR3 che collega la porzione P4 (o l’orifizio di ingresso della turbina T1) alla porzione P2, per aspirare un flusso aggiuntivo di gas di scarico dalla linea di scarico EP.

Il sistema EGR può opzionalmente comprendere uno o più raffreddatori (non mostrati) per raffreddare il flusso o i flussi di gas di scarico prelevati dalla linea di scarico EP, prima della miscelazione di tali flussi con l’aria nella linea di aspirazione IP.

Secondo un aspetto della presente invenzione, il sistema ATS comprende un filtro F1 configurato per intrappolare e raccogliere fuliggine dal gas di scarico che fluisce lungo la linea di scarico EP e di lasciare fluire la cenere a valle del filtro F1. In altri termini, la porosità e/o le dimensioni dei pori nel filtro F1 sono sufficienti ad intrappolare la maggior parte della fuliggine, ma sono troppo elevate per intrappolare e raccogliere tutte le particelle fini, come la cenere e/o le particelle PM10.

Preferibilmente, il filtro F1 è disposto a monte di almeno una delle turbine T1 e T2 (considerando la direzione del gas di scarico), in modo da essere relativamente vicino al motore E. In altri termini, il filtro F1 funziona a pressioni più elevate e a temperature più elevate, per una rigenerazione più efficiente (infatti, le temperature e la pressione più elevate migliorano la capacità di rigenerazione passiva). Pertanto, i materiali per le pareti di filtraggio del filtro F1 sono devono essere scelti sulla base di tali temperature e pressioni.

In particolare, il filtro F1 è disposto lungo la porzione P5, ossia tra le turbine T1 e T2. Più preferibilmente, la linea EGR1 comincia da un punto che è disposto a valle del filtro F1, in modo che il gas di scarico prelevato e fatto ricircolare dalle linee EGR1 e EGR2 sia già filtrato dalla fuliggine, al fine di proteggere il motore.

Preferibilmente, il filtro F1 è rigenerato soltanto passivamente, ossia la rigenerazione attiva della fuliggine non è prevista nel sistema ATS e nel motore E.

In particolare, il filtro F1 è associato ad un catalizzatore per favorire l’ossidazione di NOx e, pertanto, per abbassare la temperatura di attivazione della rigenerazione nel filtro F1. Questa disposizione consente inoltre un’ossidazione di NOx tempestiva lungo il sistema ATS.

Più in particolare, tale catalizzatore può essere definito dal materiale catalitico direttamente nel filtro F1, ad esempio le pareti di filtraggio del filtro F1 sono prodotte in modo da includere tale materiale catalitico. A titolo di esempio, il filtro F1 è definito da un così detto filtro anti-fuliggine catalizzato (CSF, Catalyzed Soot Filter).

In combinazione o come alternativa, il catalizzatore può essere definito da un convertitore catalitico dedicato, ad esempio un cosiddetto catalizzatore di ossidazione diesel (DOC, Diesel Oxidation Catalyst), disposto a monte del filtro F1. Il DOC ha il compito di sottoporre ad ossidazione gli idrocarburi e di generare NO2, sia per la riduzione di NOx (reazione rapida) sia per l’ossidazione di fuliggine passiva nel filtro. In questo approccio, lo scopo principale può essere il filtraggio del gas di scarico per l’EGR. Pertanto, una combinazione DOC/filtro potrebbe essere preferita.

In ogni caso, un qualsiasi tipo di filtro anti fuliggine può essere scelto come filtro F1, tra quelli disponibili sul mercato.

Ad oggi, i filtri anti-fuliggine (nudi o catalizzati) solitamente hanno una dimensione dei pori media tra 15 e 20 micron e spessori di parete di circa 10 milli-pollici. A titolo di esempio, i materiali di substrato sono SiC o Cordierite. Le densità di celle sono tra 300 e 400 cpsi (celle per pollice quadrato) e preferibilmente sono parzialmente asimmetriche per aumentare la capacità di cenere.

Vantaggiosamente, il filtro F1 potrebbe essere progettato in modo dedicato, in modo da sottoporre ad ossidazione la fuliggine e HC per non inquinare il sistema di aspirazione di motore e per non causare l’usura del cilindro, a perdite di contropressione e esigenze di rigenerazione di fuliggine minime. Ciò consente una certa migrazione di cenere a valle, perdite di pressione relativamente basse ed efficienza di filtrazione relativamente elevata.

Secondo un altro aspetto della presente invenzione, il sistema ATS comprende inoltre un filtro F2, che è disposto a valle del filtro F1 (considerando la direzione del gas di scarico) ed è configurato per intrappolare e raccogliere la cenere. In altri termini, la porosità e/o le dimensioni dei pori nel filtro F2 sono abbastanza ridotte da intrappolare e raccogliere cenere e particelle ultrafini, ad esempio particelle classificate come PM10. Al contempo, il filtro F2 è configurato in modo da essere sottoposto a manutenzione, al fine di consentire al personale di manutenzione la rimozione periodica della cenere raccolta dal sistema ATS. A titolo di esempio, il filtro F2 è temporaneamente rimosso dalla linea di scarico EP da tale personale ed è trattato in modo noto in modo da scaricare ed eliminare la cenere.

Anche questo tipo di filtro può essere scelto tra quelli comunemente disponibili sul mercato.

Vantaggiosamente, questo filtro a valle F2 potrebbe essere progettato in modo dedicato, per rispettare al meglio le prescrizioni sul trattenimento della cenere (e il servizio di pulizia della cenere) e sulla riduzione delle emissioni di particolato fine, per adempiere le prescrizioni fino a 10 nm.

In altri termini, il filtro F2 consente di raggiungere una disposizione che consegue un’efficienza di filtrazione molto elevata, in modo da ridurre PN (il numero di particelle) anche per granulometria nell’intervallo tra 5 e 23 nm (e non soltanto maggiore di 23 nm).

Come mostrato nella figura 1, il filtro F2 è disposto a valle delle turbine T1 e T2, ossia lungo la porzione P6, in cui le temperature e le pressioni sono relativamente basse.

Preferibilmente, il sistema ATS comprende inoltre almeno un dispositivo SCR disposto lungo la porzione P6, per aggiungere un liquido a base di urea o un liquido a base di ammoniaca nel gas di scarico al fine di eseguire un processo di riduzione catalitica selettiva e, pertanto, convertire i NOx. In particolare, il sistema ATS comprende due dispositivi SCR disposti in serie, ossia un dispositivo SCR1 disposto a monte del filtro F2 e un dispositivo SCR2 disposto a valle del filtro F2. Il dispositivo SCR1 favorisce la conversione di una eventuale parte di fuliggine che è passata attraverso il filtro F1, senza essere stata intrappolata e bruciata. D’altra parte, il dispositivo SCR2 è controllato in modo da raggiungere determinati obiettivi nelle emissioni/inquinanti in corrispondenza del tubo di scappamento TP, se il dispositivo SCR1 non è sufficiente a raggiungere tali obiettivi.

Secondo una variante, non mostrata, il dispositivo SCR2 non è previsto.

Dalla descrizione di cui sopra è chiaro che la funzione di filtraggio del sistema ATS è divisa nei due filtri F1 e F2. Grazie a questa caratteristica, è possibile raggiungere un’elevata efficienza nella conversazione e nella rimozione del particolato, usando una soluzione avente una dimensione relativamente ridotta e determinando una perdita di pressione relativamente bassa lungo il sistema ATS.

Al contempo, soltanto il filtro F2 deve essere sottoposto a manutenzione, per la rimozione e/o la pulizia da cenere. Pertanto, la soluzione proposta è relativamente economica.

Inoltre, se è previsto un sistema EGR, il motore E è protetto più efficacemente dalla corrosione e dall’usura, poiché la parte principale della fuliggine è convertita dal filtro F1, a monte della linea EGR1 e EGR2, in modo che queste linee mettano in ricircolo il gas avente una quantità ridotta di particolato.

Una parte minore della fuliggine potrebbe essere ancora presente nel gas di scarico che fluisce nella porzione P6, ossia verso il filtro F2, ma tale parte è intrappolata dallo stesso filtro F2, insieme alla cenere ed è convertita dal processo di riduzione catalitica selettiva eseguito dal dispositivo SCR1. Al contempo, l’efficienza dei dispositivi SCR è maggiore grazie all’ossidazione di NOx tempestiva eseguita dal catalizzatore che è associato al filtro F1.

Da quanto precede dovrebbe essere chiaro che possono essere apportate modifiche al sistema ATS descritto in precedenza, senza allontanarsi dall’ambito di protezione definito dalle rivendicazioni allegate.

In particolare come menzionato in precedenza, un qualsiasi tipo di filtro anti-fuliggine può essere scelto come filtro F1 e qualsiasi tipo di filtro anti-cenere può essere scelto come filtro F2.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Sistema di post-trattamento di gas di scarico (ATS) per un motore a combustione interna a ciclo diesel (E), il sistema di post-trattamento comprendendo: - una linea di scarico (EP) per incanalare il gas di scarico da detto motore (E) a un ambiente esterno; - un primo filtro anti-particolato (F1) e un secondo filtro anti-particolato (F2) disposti in serie lungo detta linea di scarico (EP); in cui il primo filtro anti-particolato (F1) è configurato per intrappolare e raccogliere la fuliggine e lasciar passare la cenere attraverso il primo filtro antiparticolato (F1) e in cui il secondo filtro antiparticolato (F2) è configurato per intrappolare e raccogliere la cenere, è disposto a valle di detto primo filtro anti-particolato (F1), considerando la direzione del gas di scarico in detta linea di scarico (EP) ed è configurato per essere sottoposto a manutenzione, così da consentire la rimozione della cenere raccolta. 2.- Sistema di post-trattamento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto primo filtro anti-particolato (F1) è associato ad un catalizzatore. 3.- Sistema di post-trattamento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto catalizzatore comprende materiale catalitico in detto primo filtro anti-particolato (F1). 4.- Sistema di post-trattamento secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detto catalizzatore comprende un convertitore catalitico (DOC) disposto a monte di detto primo filtro anti-particolato (F1). 5.- Sistema di post-trattamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo filtro anti-particolato (F1) è un filtro a rigenerazione passiva. 6.- Sistema di post-trattamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una turbina (T1, T2) adatta per far funzionare, direttamente o indirettamente, un compressore di aria e disposta lungo detta linea di scarico (EP) a valle di detto primo filtro anti-particolato (F1); detto secondo filtro anti-particolato (F2) essendo disposto a valle di detta turbina (T1, T2). 7.- Sistema di post-trattamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una linea di EGR (EGR1, EGR2) per mettere in ricircolo una parte del gas di scarico in una linea di aspirazione (IP) per detto motore a combustione interna (E); detta linea di EGR (EGR1, EGR2) partendo da un punto della linea di scarico (EP) a valle di detto primo filtro anti-particolato (F1). 8.- Sistema di post-trattamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un dispositivo SCR (SCR1) disposto lungo detta linea di scarico (EP) tra detto primo filtro anti-particolato (F1) e detto secondo filtro antiparticolato (F2). 9.- Sistema di post-trattamento secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di comprendere un ulteriore dispositivo SCR (SCR2) disposto lungo detta linea di scarico (EP) a valle di detto secondo filtro antiparticolato (F2). 10.- Gruppo comprendente: - un motore a combustione interna a ciclo diesel e - un sistema di post-trattamento di gas di scarico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.