ITRM960768A1 - Procedimento per il funzionamento di un motore diesel - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo Procedimento per il funzionamento di un motore diesel
L invenzione si riferisce ad un procedimento per il funzionamento di un motore diesel secondo la rivendicazione 1
Dalla pubblicazione DE 4334 763 Al e noto un procedimento per il funzionamento di un motore a combustione interna in cui in un impianto di depurazione di gas di scarico e disposto un dispositivo di assorbimento per ossidi di azoto (NOx) che assor be NOx quando il rapporto lambda tra aria e combusti bile del gas di scarico passante nel dispositivo di assorbimento e magro (lambda maggiore di 1) e libera NOx assorbito quando il rapporto lambda di aria e combustibile del gas di scarico passante nel dispo sitivo di assorbimento ? grasso (lambda minore di 1) La temperatura del dispositivo di assorbimento di NOx viene mantenuta entro un intervallo ben de terminato quando la temperatura del dispositivo di accumulo di NOx decresce e mediante 1 insufflamento di aria nel gas di scarico quando la temperatura del dispositivo di assorbimento di NOx diventa trop po elevata
Quale stato della tecnica generale si rimanda anche alle pubblicazioni DE 4319 294 CI e EP 0560 991 A1
L invenzione si e posta il compito di proporre un procedimento m cui il processo di accumulo e di rigenerazione di NOx viene perfezionato rispetto allo stato della tecnica in questione in maniera ta le da rendere possibile una ulteriore riduzione delle emissioni di ossido di azoto in particolare di motori diesel
Il compito viene risolto secondo i nvenzione mediante le caratteristiche della rivendicazione 1 Le caratteristiche delle sottorivendicazioni indicano ulteriori forme di realizzazione e sviluppi vantag giosi dell invenzione
Un vantaggio del procedimento secondo l invenzione consiste nel fatto di essere utilizzabile particolar mente anche per la riduzione di ossido di azoto (NOx ) a valle di motori diesel una rigenerazione del catalizzatore-accumulatore di NOx essendo rea lizzata non mediante un semplice salto di lambda bens? mediante altri accorgimenti adattati al motore diesel Tali accorgimenti sono ad esempio un ri torno di gas di scarico ottimizzato m relazione al sistema di trattamento successivo dei gas di scaricq una appropriata strozzatura di aria di aspirazione e una iniezione supplementare di carburante Lo scopo di questi accorgimenti e in primo luogo quello di mettere a disposizione un mezzo riducente sotto forma di idrocarburi (HC) sufficiene per la riduzione d ?0? e m secondo luogo generare nel gas di scarico per un breve periodo di tempo un atmosfera ad effetto riducente che sostiene il processo di rigenerazione Con il catalizzatore accumulatore secondo la proposta un adsorbimento di NOx e possibile gi? ad una temperatura a partire da 120?C circa e quindi a temperature di gas di scarico relativamente basse Alle temperature a partire da 200?C circa contemporaneamente ad una ossidazione di HC ha luogo una riduzione di ?0? maggiore del 60% degli ?0? contenu ti nel gas di scarico Inoltre gli ossidi di azoto adsorbiti precedentemente a temperature piu basse vengono per la maggior parte ridotti per cui si ottiene ina rigenerazione del catalizzatore-accumula tore di NOx Nella riduzione degli ossidi di zoto, vengono ridotti mediante gli idrocarburi sia gli ossidi di azoto generati continuamente sia anche gli ossidi di azoto adsorbiti nell adsorbitone a temperature di gas di scarico piu basse
Altri vantaggi dell invenzione risultano dalle sotto rivendicazioni e dalla descrizione
L invenzione verr? ora descritta piu da vicino con riferimento ad un esempio di realizzazione illustrato nel disegno in cui
la figura 1 mostra un disegno schematico di un motore diesel con ritorno di gas di scarico e condotti relativi anche ad un controllo del motore che col legano 1 singoli aggregati come impianto di ?niezio ne sensore di NOx catalizzatore accumulatore valvola a farfalla e sonda di O2 con il controllo del motore e
la figura 2 rappresenta un decorso della concentrazione di NOx e HC espulsi dall adsorbitone di NOx m funzione di una temperatura di reazione del catalizzatore accumulatore (adsorbitone di NOx ) ad una prestabilita concentrazione di entrata di HC 900 ppm e NOx 300 ppm
La figura 1 mostra in un disegno schematico un mo tore diesel 1 con un condotto di aspirazione 2 e con un condotto di gas di scarico 3 nonch? con una regolazione di motore 4 che e collegata attraverso condotti con componenti strutturali descritti qui di seguito piu da vicino dispositivi di misurazione e regolazione da 7 a 16 del motore diesel
Il motore diesel 1 comprende un impianto di iniezione 5 nonch? un dispositivo di ritorno di gas di sca rico 6 (condotto di ritorno di gas di scarico) m cui e disposto un elemento di regolazione 7 (valvola di ritorno di gas di scarico) che e azionabile per il funzionamento del dispositivo di ritorno di gas di scarico 6 da un comando di regolazione azionato da una forza ausiliare e non illustrato piu da vici no in funzione di segnali di un dispositivo di con trollo elettronico rispettivamente dalla regolazione di motore 4
Nel condotto di aspirazione 2 si trova una valvola a farfalla 8 nonch? un misuratore di massa d aria 9 e un sensore di pressione 10 mentre nel condotto di gas di scarico 3 e disposta una sonda di lambda 11 un catalizzatore accumulatore (adsorbitore di NOx ) 12 per accumulare ossidi di azoto un sensore di tempe ratura 13 un sensore di HC 14 e un sensore di NOx 15 per rilevare ? componenti di NOx nella corrente di gas di scarico nonch? una valvola di gas di sca rico 16
La regolazione di motore 4 comprende una unita di entrata 17 (lato di entrata) e una unita di uscita 18 (lato di uscita) nonch? una unita calcolatrice 19 in cui sono memorizzati i singoli campi caratteristi ci KF e algoritmi di regolazione NA per la regolazione del motore diesel 1 La comunicazione della regola zione di motore 4 con 1 componenti dispositivi di misurazione e di regolazione 7-16 del motore diesel I avviene attraverso condotti 20 e convertitori analogico/digitale 21 dal lato di entrataRispettiva mente convertitori digitale/analogico 22,dal lato di uscita
II catalizzatore accumulatore 12 (asorbitore di NOx ) e sostanzialmente un catalizzatore a tre vie con sup plementari componenti di accumulo di NOx ad esempio come Perowskite (LaCoO ) e comprende in modo pn nci palmente noto un supporto di ossido di alluminio sul quale e disposta una dispersione di catalizzatoremetallo nobile che consiste di una combinazione di elementi di uno o piu dei seguenti gruppi del sistema periodico il gruppo dei metalli alcalini (ad esempio callo litio) e/o dei gruppi di metali alcalino terrosi ad esempio bario stronzio) e/o dei metalli terrori rari (ad esempio lantanio) e/o del gruppo di metalli nobili (ad esempio platino palla dio)
Nella figura 2 e illustrato 1 andamento di concentrazione di ossido di azoto (N0x) e di idrocarburi (HC) all uscita del catalizzatore-accumulatore 12 in fun zione della sua temperatura di reazione all entrata nell adsorbitore la concentrazione degli ossidi di azoto NOx essendo uguale a 300 ppm e quella degli idrocarburi HC essendo uguale a 900 ppm Sull ascisse e riportata la temperatura di reazione in gradi C (gradi Celtius) e sull ordinata la concentrazione m ppm (parti per milione) di ?0? rispettivamente di HC nel gas di scarico dopo 1 attraversamento del catalizzatore-accumulatore 12 La linea a tratto continuo rappresenta 1 andamento di concentrazione del NOx e la linea a tratteggio la concentrazione di HC m funzione della temperatura di reazione
In un intervallo di temperature tra 100 e 200?C nel catalizzatore accumulatore 12 ha innanzitutto luogo l adosrbimento di NOx pero anche eia l'inizio della riduzione di ?0? A partire da una temperatura di circa 200?C mediante 1 ossidazione degli HC e della riduzione simultanea di NOx avviene una trasformazione catalitica di NOx in N2 e O2
L andamento leggermente ascendente della curva della concentrazione di NOx sul lato di deflusso del cata lizzatore-accumulatore 12 alle temperature superiori (T 250?C) e dovuto al fatto che una ossidazione diretta degli idrocarburi viene favorita a temperature superiori nel gas di scarico contenente ossigeno mentre decresce sempre di piu la velocita di reazione della riduzione di NOx Nell andamento della cencentrazione di HC si pu? chiaramente vedere che a partire dalla temperatura di reazione di circa 250?C viene consumato quasi tutto HC Alle temperature di reazioni superiori T (T maggiore di 400?C) nel cata lizzatore-accumulatore 12 si registra un adsorbimen to termico di ?0? precedentemente accumulato Si pu? pero rilevare in modo univoco che sull intero intervallo di temperature di gas di scarico n le vante per diesel si verifica una riduzione signi ficativa di NOx nel gas di scarico
A tal fine si possono confrontare le due superfici A1 e A2 che sono riportate tra la curva di concen trazione di NOx e una parallela all ascisse in corrispondenza a 300 ppm di NOx ( concentrazione di NOx all afflusso nel catalizzatore accumulatore 12) e che rappresentano il contenuto di NOx del gas di scarico defluente dall adsorbitore La superficie A1 si estende in direzione dell ascisse da 100?C fino al punto di intersezione S della curva di con centrazione di ?0? con la parallela all ascisse m corrispondenza a 300 ppm (punto di intersezione S all incirca a 350?C) mentre la superficie A2 si estende dal detto punto di intersezione S fino a 500?C Si riconosce chiaramente che la superficie A1 , riportata al di sotto della linea di 300 ppm e maggiore della superficie riportata al di sopra della linea di 300 ppm Pertanto sull intero intervallo di temperature una quantit? sostanzialmente maggiore di NOx viene trasformata per adsor bimento e per reazione catalitica in componenti in nocui rispetto alla quantit? di NOx liberata per disassorbimento termico
La superficie A1 e ancora suddividibile in zone Aa e Ak la superficie Aa rappresentando 1 ossido di azoto NOx adsorbito prevalentemente nel catalizzatore accumulatore 12 e la superficie Ak rappresen tando l ossido di azoto NOx trasformato cataliticamente nel catalizzatore 12
La regolazione di motore 4 acconsente ora una regolazione grasso/magro del motore diesel 1 m funzione dei parametri^ di esercizio come carico numero di giri e quantit? di iniezione Al raggiungimento di un valore di soglia di accumulo di NOx variabile conformemente al campo caratteristico m funzione del numero di giri e del carico il sensore di NOx 15 comporta la commutazione da un esercizio del motore diesel 1 con un rapporto tra aria e carburante (valore lambda) maggiore di 1 ( esercizio normale ) ad un esercizio con un valore lambada minore di 1 In un esercizio con lambda minore di 1 viene rigenerato il catalizzatore accumulatore di NOx 12 ossia NOx accumulato viene ridotto da HC 1 esercizio di rigenerazione essendo avviato e favorito dal ri torno dei gas di scarico dall aumento della pressione dei gas di scarico o da una quantit? di carbu rante supplementare addotta nel campo del termine di combustione oppure anche mediante lo strozzamen to di aria di aspirazione Cosi per la n generazio ne ottimale del catalizzatore accumulatore di NOx 12 particolarmente in una finestra di temperatura da 200 a 250?C anteriormente al catalizzatore accumulatore di NOx 12 viene iniettato il carburante supple mentare
In un esercizio del motore con lambda maggiore di 1 ha luogo un adsorbimento di ?0? sempreche 1 adosrbitore di NOx non sia ancora saturo Quale mezzo di riduzione del NOx pu? essere usata in aggiunta fu liggm e
L avviamento dell esercizio di rigenerazione mediante la variazione della composizione del gas di sca nco viene effettuata mediante accorgimenti di rego lazione del motore descritti qui di seguito dapprima il motore viene azionato tra 1 esercizio di accumulo e di rigenerazione del catalizzatore accumula tore Ha luogo un rilevamento del flusso di ?0? su un campo caratteristico (numero di giri carico quantit? di iniezione) A valle del catalizzatore accumulatore e disposto un sensore di NOx che si commuta automaticamente all esercizio di rigenerazione in funzione di numero di giri carico e quantit? di iniezione al raggiungimento di un valore di soglia di ?0? il che significa che viene corn spon dentemente variata la composizione dei gas di sca rico Questa variazione della composizione dei gas di scarico avviene mediante i seguenti accorgimenti di regolazione del motore in funzione dei suoi parametri di esercizio
ritorno di gas di scarico regolato elettronica mente
strozzatura di aria di aspirazione
iniezione supplementare successiva di combustibile diesel (specialmente con sistemi di iniezione Common rail)
ottimizzazione della composizione dei gas di scarico a mezzo della misurazione delle particelle di fuliggine
- regolazione della temperatura di rigenerazione del catalizzatore accumulatore 12 (adsorbitore di ?0?) attraverso la valvola di gas di scarico 16 oppure attraverso un bruciatore non illustrato, disposto a monte dell adsorbitore 12
La regolazione grasso-magro del motore diesel 1 avvie ne in funzione del contenuto di ossigeno residuo nel gas di scarico Questo contenuto viene misurato me diante una sonda di O2 (ad esempio sonda di lambda) disposta nel sistema di gas di scarico oppure rileva to per calcolo in base alla quantit? di carburante iniettata e della massa di aria aspirata
Lo scopo degli accorgimenti motorici sopra descritti e m primo luogo quello di mettere a disposizione un mezzo di riduzione ad esempio sotto forma di idrocar buri sufficienti perla riduzione di NOx e in secondo luogo quello di generare per un breve periodo di tempo nel gas di scarico e/o sulla superficie del catalizzatore un ambiente ad effetto riducente che favorisca il processo di rigenerazione
In un altra forma di realizzazione dell invenzione per il miglioramento della riduzione di ?0? m un intervallo di temperature del catalizzatore accumulatore di ?0?12 compreso tra 200 e 300?C quale mezzo di riduzione viene addotto in aggiunta HC In tale maniera si evita il disassorbimento termico di N0x e quindi si ottiene un altra riduzione delle emissiom di NOx
Nel corso delle ricerche e stato constatato che in catalizzatori accumulatori di NOx m un ambiente ossidante si forma 1 indesiderabile gas esilarante (N2O) Secondo quanto proposto la produzione del gas esilarante pu? essereottenuta mediante la regolazione della composizione dei gas di scarico con un dosaggio di aggiunta mirato di HC m maniera tale che il gas di scarico agisca in modo riducente nel cataliz zatore accumulatore di ?0?12 Per impedire in modo efficace la formazione di N2O e inoltre necessario che la temperatura di reazione del catalizzatore accumulatore di NOx 12 sia maggiore o uguale all m cir ca a 350C Per raggiungere questa temperatura di reazione oltre agli accorgimenti motorici gi? descritti quale altro accorgimento motorico interno viene proposto di regolare 1 inizio di iniezione in direzione ritardo il che comporta un aumento del la temperatura del gas di scarico Attraverso le temperature cosi aumentate del gas di scarico si pu? ottenere in modo semplice il riscaldamento neces san o del catalizzatore accumulatore di NOxx12
In un altra forma di realizzazione dell invenzione oltre al sensore di ?0?15 pu? essere usato anche il sensore di HC14 per controllare la rigenerazione del catalizzatore accumulatore di NOx 122 II sensore di HC14 pu? riconoscere la completa rigenerazione nel 1 esercizio con lambda minore di 1 in quanto le eissioni di HC aumentano fortemente con 1 esercizio grasso non appena e terminata la rigenerazione del catalizzatore accumulatore di NOx 12
Come indicato a punti e tratti nella figura 1 in un altra forma di realizzazione dell invenzione pu? essere previsto anche un sistema di catalizzatore strutturato con un catalizzatore accumulatore di
NOx vicino al motore e con un catalizzatore ?nferiore con o senza la funzione di accumulo di NOx che e indicato con 12 nella figura 1 Analogamente alla sonda di lambda 11 al sensore di temperatura 13 al sensore di HC14 e al sensore di NOx nella zona del catalizzatore inferiore 12 possono essere disposti una sonda di lambda 11 un sensore di temperatura 13 un sensore di HC 14 e un sensore di NOx 15
Con una strategia di dosaggio di NOx e di HC condotta m funzione della temperatura dei gas di scarico (ad esempio come precedentemente menzionato) attra verso 1 iniezione successiva di carburante a mezzo di Common rail) pu? essereadattato 1 intervallo di temperatura di entrambi ? catalizzatori e cosi si possono condurre e influenzare in modo ottimale 1 adsorbimento il disassorbimento e la riduzione (conversione) di ??? Nella finestra di temperature efficace del catalizzatore accumulatore di NOx HC viene iniettato successivamente in conformit? alla qantita di NOx risultante All inizio della finestra di temperatura efficace per il disassorbimento e la riduzione 1 iniezione successiva di HC viene usata in un modo mirato per aumentare la temperatura e per variare la composizione del gas di scarico Ci? favorisce le reazioni necessarie per la riduzione di NOx Mediante una ottimale strategia di im e zione successiva di HC si pu? inoltre ridurre m modo drastico la formazione di N2O
Mediante la disposizione vicina e lontana al motore di entrambi 1 catalizzatori viene assicurato che entrambi 1 catalizzatori funzionino in diversi campi di temperatura e siano sintonizzati m maniera tale che le funzioni di disassorbimento (catalizzatore vicino al motore) e contemporaneamente quella di riduzione (catalizzatore lontano dal motore) agisca no m modo complementare ossia ad un disadsorbimento di NOx nel catalizzatore 12 vicino al motore ha luogo contemporaneamente una riduzione di NOx nel catalizzatore inferiore 12
Per il controllo del sistema di catalizzatori strutturato la quantit? di ?0? pu? essere determinata o dal campo caratteristico del motore oppure attraver so un sensore di NOx .
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1 Procedimento per il funzionamento di un motore diesel (1) - con un dispositivo di ritorno di gas di scarico (6) disposto tra il condotto di gas di scarico (3) e il condotto di aria di aspirazione (2) - con un elemento di regolazione (7) che e azionabile per il funzionamento del dispositivo di ritorno di gas di scarico da un comando di regolazione azionato da una forza ausiliare in funzione di segnali di un dispositivo di controllo elettronico inoltre con una regolazione di motore (4) che rende possibile una regolazione grasso/magro del mo tore diesel (1) in funzione dei suoi paramentn di esercizio - inoltre con un catalizzatore accumulatore (12) disposto nel condotto di gas di scarico (3),in cui gli ossidi di azoto (?0?) sono adsorbibili disadsor bibili e riducibili - e con un sensore (15) disposto a valle del cata lizzatore accumulatore (12) per rilevare la concen trazione di NOx nella corrente di gas di scarico a partire dal quale al raggiungimento di un vaio re di soglia di accumulo di NOx variabile conformemente al campo caratteristico m funzione del numero di giri e del carico viene effettuata una commutazione da un esercizio con un valore di lambda maggiore di 1 ad un esercizio con un valore di lambda minore di 1 2 Procedimento secondo la rivendicazione 1 caratte rizzato dal fatto che nell esercizio con lambda mi nore di 1 viene rigenerato il catalizzatore accumu latore (12) e vengono ridotti gli ossidi di azoto (?Ox) 3 Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dal fatto che 1 esercizio di rigenerazione viene avviato e favorito dal ritorno di gas di scarico dall aumento della pressione di gas di scarico o da una quantit? di combustibile supplemen tare addotta nella zona del termine di combustione oppure anche mediante la strozzatura di aria di asp?razione 4 Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3 caratterizzato dal fatto che nel condotto di gas di scarico (3) e prevista almeno una valvola di gas di scarico (16) con la detta valvola di gas di scarico (16) nell esercizio di rigenerazione essendo accumulato il gas di scarico per generare una maggiore contropressione del gas di scarico 5 Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4 caratterizzato dal fatto che per aumentare la temperatura del gas di scarico per 1 esercizio di rigenerazione nella zona del catalizzatore accumulatore (12) viene disposto un bruciatore ! 6 Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5 caratterizzato dal fatto che quale mezzo di riduzione viene usata in aggiunta la fuliggine 7 Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6 caratterizzato dal fatto che la regola zione grasso/magro del motore diesel (1) viene ri levata m funzione del contenuto di ossigeno resi duo nel gas di scarico 8 Procedimento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che m una finestra di temperatu ra efficace del catalizzatore accumulatore di NOx (12) tra 200 e 300?C quale mezzo riducente viene addotto m aggiunta HC 9 Procedimento secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che per impedire la formazione di gas esilarante nell accumulatore-catalizzatore di ?0? (12) al gas di scarico vengono agggiunti in modo mirato idrocarburi (HC) per ottenere su una superficie del catalizzatore una atmosfera ad azione riducente 10 Procedimento secondo la rivendicazione 1 carat terizzato dal fatto che nel condotto di gas di scarico sono disposti due catalizzatori accumulatori di NOx (12, 12'-)-.con diversi campi di lavoro, questi campi di lavoro essendo sintonizzati in maniera tale che in .caso di un disadsorbimento di NO nel catal?zzatore ( 12) .vicino al . motore . ha luogo una riduzione. di NO x nel .catalizzatore ( 12 ' ) lontano dal motore. 11. Procedimento .secondo .la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il controllo della rigenerazione del catalizzatore accumulatore di NOx (12) ha luogo ad unlambda minore di 1 attraverso un .sensore di HC (14).
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