MX2012000074A - Motores de etanol reformado. - Google Patents

Abstract

Se describen sistemas de energía mejorados de motores de combustión interna (por ejemplo los usados para generar energía mecánica o eléctrica en aplicaciones vehiculares) que utilizan un combustible de alcohol reformado que comprende una mezcla de gases que contiene hidrógeno y, más particularmente, una operación eficaz de tales motores y sistemas de energía; se proveen modos de operar los sistemas de energía de motores que proveen un arranque más rápido y menores costos y emisiones; en varias modalidades preferidas, los sistemas de energía de motores de combustión interna incluyen la dilución en la mezcla de fluidos de admisión introducida a la cámara o cilindro de combustión del motor mediante el uso de gas de escape recirculado y/o aire de combustión excedente como diluyente, uso de combinaciones de producto reformado de etanol y etano no reformado como combustible y tratamiento ulterior del gas de escape descargado del cilindro mediante el uso de un purgador de NOx pobre.

Description

MOTORES DE ETANOL REFORMADO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona generalmente con los sistemas de generación de potencia de motores de combustión interna (por ejemplo, aquellos que se usan para generar potencia eléctrica o mecánica en las aplicaciones vehiculares) que utilizan un combustible de alcohol reformado que comprende una mezcla de gas que contiene hidrógeno, y más particularmente, con el funcionamiento eficiente de tales motores y sistemas de generación de potencia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En la publicación de Estados Unidos No. US 2004/0137288 A1 y "Low Temperature Reforming of Ethanol over Cópper-Plated Raney Nickel: A New Route to Sustainable Hydrogen for Transportation," Energy and Fuels, Vol. 19, No. 4, pp. 1708-1716 (2005), Morgenstern y otros, describen un proceso para el reformado en fase gaseosa y conversión de etanol en metano, hidrógeno y CO/CO2 a bajas temperaturas (por ejemplo, inferior a aproximadamente 300°C) usando un catalizador de reformado que comprende aleaciones de Raney revestidas con cobre.

La publicación de Estados Unidos No. US 2008/0010993 A1 de Morgenstern, describe los procesos para reformar el etanol para producir una mezcla de gas de reformado que contiene hidrógeno y metano y que puede combustionarse en un motor de combustión interna para proporcionar energía mecánica o eléctrica, y utilizar los gases de escape del motor para proporcionar calor a la reacción de reformado.

El contenido completo de estas publicaciones de Morgenstern y otros, se incorpora aquí como referencia.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Una modalidad de la presente invención se orienta a un proceso para producir energía mecánica o eléctrica a partir de un combustible que contiene etanol. El proceso comprende contactar una mezcla de gas de alimentación que comprende el combustible de etanol con un catalizador de reformado que comprende cobre en la zona de la reacción de reformado para producir una mezcla de gas producto de reformado que comprende hidrógeno, metano y un componente de óxido de carbono seleccionado del grupo que consiste de monóxido de carbono, dióxido de carbono y mezclas de estos. Una mezcla de gas de combustible se combustiona en la cámara de combustión de un motor de combustión interna para producir una mezcla de gas de escape. La mezcla de gas combustible comprende aire, hidrógeno y metano obtenidos en la mezcla de gas producto de reformado y un efluente gaseoso de escape que comprende de aproximadamente 5% a aproximadamente 40% de la mezcla de gas de escape producida en la combustión anterior. La energía de la combustión se utiliza para la generación de energía mecánica o eléctrica, al menos una porción de la mezcla de gas de escape se descarga desde la cámara de combustión y al menos una porción de la mezcla de gas de escape descargada se pone en contacto térmico con la zona de reacción de reformado para calentar el catalizador de reformado y enfriar la mezcla de gas de escape descargada.

De acuerdo con otra modalidad de la presente invención, el proceso para producir energía mecánica o eléctrica a partir de un combustible que contiene etanol comprende contactar una mezcla de gas de alimentación que comprende el combustible de etanol con un catalizador de reformado que comprende cobre en la zona de reacción de reformado para producir una mezcla de gas producto de reformado que comprende hidrógeno, metano y un componente de óxido de carbono seleccionado del grupo que consiste de monóxido del carbono, dióxido de carbono y mezclas de estos. La proporción molar de metano con relación al componente de óxido de carbono en la mezcla de gas producto de reformado es de aproximadamente 0.9 a aproximadamente 1.25 y la proporción a la cual se produce el metano en la mezcla de gas de reformado es al menos aproximadamente 50% de la proporción de etanol introducido en la zona de reacción de reformado en base molar. Una mezcla de gas combustible que comprende aire, hidrógeno y metano que se obtiene en la mezcla de gas producto de reformado se combustiona en una cámara de combustión de un motor de combustión interna con una recirculación de aproximadamente de 5% a aproximadamente 40% de los gases de escape para producir una mezcla de gas de escape. La energía de la combustión se utiliza para la generación de energía mecánica o eléctrica y al menos una porción de la mezcla de gas de escape descargada se pone en contacto térmico con la zona de reacción de reformado para calentar el catalizador de reformado y enfriar la mezcla de gas de escape descargada.

En una modalidad adicional de la presente invención, el proceso para producir energía mecánica o eléctrica a partir de un combustible que contiene etanol comprende contactar una mezcla de gas de alimentación que comprende el combustible de etanol con un catalizador de reformado que comprende cobre en la zona de la reacción de reformado para producir una mezcla de gas producto de reformado que comprende hidrógeno, metano y un componente de óxido de carbono seleccionado del grupo que consiste de monóxido de carbono, dióxido de carbono y mezclas de estos. Una mezcla fluida de entrada se introduce en la cámara de combustión de un motor de combustión interna. La mezcla fluida de entrada comprende aire e hidrógeno y metano obtenidos en la mezcla de gas producto de reformado con una lambda (?) de la mezcla fluida de entrada que es mayor que 1. La mezcla fluida de entrada se combustiona en la cámara de combustión para producir una mezcla de gas de escape que comprende óxidos de nitrógeno y la energía de combustión se utiliza para la generación de energía mecánica o eléctrica. Al menos una porción de la mezcla de gas de escape se descarga de la cámara de combustión y se pone en contacto térmico con la zona de reacción de reformado para calentar el catalizador de reformado y enfriar la mezcla de gas de escape descargada. Al menos una porción de la mezcla de gas de escape descargada se pasa a través de una trampa de óxidos de nitrógeno.

En otra modalidad adicional de la presente invención, el proceso para producir energía mecánica o eléctrica a partir de combustible que contiene etanol comprende contactar una mezcla de gas de alimentación que comprende el combustible de etanol con un catalizador de reformado que comprende cobre en la zona de la reacción de reformado para producir una mezcla de gas producto de reformado que comprende hidrógeno, metano y un componente de óxido de carbono seleccionado del grupo que consiste de monóxido de carbono, dióxido de carbono y mezclas de estos. La mezcla fluida de entrada comprende aire y un combustible seleccionado del grupo que consiste en hidrógeno y metano obtenidos en la mezcla de gas producto de reformado, etanol sin reformar y las mezclas de estos se introduce en la cámara de combustión de un motor de combustión interna. La mezcla fluida de entrada se combustiona en la cámara de combustión para producir una mezcla de gas de escape y la energía de combustión se utiliza para la generación de energía mecánica o eléctrica. Al menos una porción de la mezcla de gas de escape se descarga de la cámara de combustión y se pone en contacto térmico con la zona de reacción de reformado para calentar el catalizador de reformado y enfriar la mezcla de gas de escape descargada.

Cuando el motor de combustión interna se opera por debajo de aproximadamente 7 bar IMEP, la mezcla fluida de entrada se diluye al menos aproximadamente en 20% y el combustible en la mezcla fluida de entrada comprende una mezcla de etanol reformado y etanol sin reformar en una proporción en masa de aproximadamente 1 :3 a aproximadamente 3:1.

Otros objetos y particularidades resultarán en parte evidentes y en parte se señalan a continuación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Figura 1 : Representación esquemática de un sistema de generación de energía flexible con etanol reformado que incorpora un reformador de alcohol, refrigerante de reformado, tanque buffer, y trampa de NOx.

Figura 2: Un diseño para el tanque buffer con capacidad de separación de las gotas líquidas en la corriente de reformado.

Figura 3: Uso de un sobre-alimentador con una válvula de desviación normalmente abierta para mezclar el reformado y el aire. El reformado se rocía en la entrada de aire del super-compresor.

Figura 4: Coeficiente de variación de la presión efectiva media neta indicada para 25°C encendido en frío del Ejemplo 1 usando reformado y E100 a tiempo de chispa MBT.

Figura 5: Emisiones de hidrocarburos (ppm) durante el encendido en frío 25°C del motor del Ejemplo 1 reformado usando reformado y E100 a tiempo de chispa MBT.

Figura 6: Emisiones de hidrocarburos (ppm) durante- el encendido en frío 25°C del motor del Ejemplo 1 usando etanol reformado simulado y E100 a tiempo de chispa MBT.

Figura 7: Consumo de combustible durante el encendido en frío del motor del Ejemplo 1 usando etanol reformado a MBT y retardo del tiempo de la chispa.

La Figura 8: 1200 rpm, 4.33 bar BMEP ciclo de regeneración de trampa de NOx.

La Figura 9: 1500 rpm, 2.83 bar BMEP ciclo de regeneración de trampa de NOx.

Figura 10: Velocidad del motor, lambda, hidrocarburos, y emisiones de CO durante el encendido del motor del Ejemplo 12 a 20°C.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Las modalidades de la presente invención se orientan a los sistemas de generación de energía de motores de combustión interna (ICE) que utilizan un combustible de alcohol reformado (por ejemplo, etanol) o reformado y la provisión de tales sistemas que exhiben una eficiencia mejorada y bajas emisiones. También se proporcionan los modos de operación de los sistemas de generación de energía ICE que proporcionan un encendido inicial más rápido y de menor costo.

Un aspecto de la presente invención es proporcionar niveles de dilución (por ejemplo, al menos aproximadamente 20%) en la cámara de combustión o en el cilindro del ICE usando el gas de escape (recirculación del gas de escape o EGR) y/o un exceso de aire el cual simultáneamente facilita alcanzar altos niveles de eficiencia y bajos niveles de emisión, mientras conserva las temperaturas del gas de escape suficientemente altas para mantener una elevada conversión en la zona de la reacción de reformado del reformador de alcohol. Cuando se usa el gas de escape como diluyente, se prefieren niveles de EGR de aproximadamente 5% a aproximadamente 40% (es decir, se prefiere que de aproximadamente 5% a aproximadamente 40% del gas de escape se recicle), preferentemente, de aproximadamente 15% a aproximadamente 40%, más preferentemente al menos aproximadamente 20%, y aun más preferentemente de aproximadamente 30% a aproximadamente 40%, dado que altos niveles pueden producir una variación indeseable en la combustión de ciclo a ciclo. Cuando se usa un exceso de aire, la proporción de aire en la mezcla fluida de entrada con relación a la requerida estequiométricamente (normalmente conocida como lambda (?)) se selecciona preferentemente para mantener una temperatura del gas de escape suficientemente caliente para proporcionar el calor suficiente a la zona de la reacción de reformado y mantener la actividad del catalizador de reformado. Lambda (?) se calcula dividiendo la proporción real de airexombustible por la proporción estequiométrica de aire:combustible para el combustible que se combustiona. Cuando se usa un exceso de aire como diluyente, se prefieren niveles de dilución de al menos aproximadamente 20% (correspondientes a un valor de lambda (?) de aproximadamente 1.2). En algunas modalidades, se prefieren valores de lambda (A) específicamente de 1.8 a 2.2 dado que estos producen típicamente temperaturas de los gases de escape de aproximadamente 400°C. La recirculación del gas de escape y el exceso de aire pueden usarse en conjunto para lograr el nivel deseado de dilución en la mezcla fluida de entrada introducida en la cámara de combustión del motor de combustión interna.

En una modalidad de la estrategia de exceso de aire (es decir, en donde el lambda (A) de la mezcla fluida de entrada es mayor que 1), una trampa de NOx" está presente en el conducto del gas de escape para reducir las concentraciones de óxidos de nitrógeno (por ejemplo, NO, NO2; colectivamente conocido como NOx) en el gas de escape hasta niveles bajos. La trampa puede regenerarse eficientemente mediante, por ejemplo, el uso de etanol reformado o alternativamente por un funcionamiento intermitente del motor rico en estequiométrica (es decir, mediante la reducción de lambda (A) de la mezcla fluida de entrada a menos de 1 como requisito). La experiencia hasta hoy sugiere que la última estrategia, el funcionamiento intermitente enriquecido del motor, se prefiere porque el metano en el etanol reformado reacciona sólo en una pequeña extensión cuando se regenera la trampa de NOx pobre.

En una modalidad adicional de la invención orientada a reducir las emisiones del encendido inicial, el motor puede encenderse en frío usando el reformado guardado a bordo del vehículo con un retardo del tiempo de encendido de la chispa para incrementar rápidamente las temperaturas del gas de escape hasta la temperatura de "activación" en cuyo punto el convertidor catalítico es funcional. La activación del catalizador puede acelerarse proporcionando una corriente de combustible reformado al convertidor catalítico cuando la temperatura del gas de escape alcanza aproximadamente 100°C.

Un aspecto adicional de la invención se relaciona con el beneficio de reformar sólo una porción del etanol para alimentar el motor (es decir, la mezcla fluida de entrada introducida en la cámara de combustión que comprende aire y una mezcla de combustible que comprende hidrógeno y metano obtenidos en la mezcla de gas producto de reformado y etanol sin reformar). Se ha encontrado que al reformar una porción del etanol e introduciendo el balance del combustible como etanol líquido, preferentemente a través de los puertos inyectores de combustible, se mejora la eficiencia en casi todos los puntos de funcionamiento. Además, el reformado de sólo una fracción del combustible permite reducir el tamaño y costo del reformador de alcohol. Generalmente, se prefiere un reformado de aproximadamente 25% a aproximadamente 75% del combustible de etanol (por masa) (es decir, el combustible en la mezcla fluida de entrada comprende una mezcla de etanol reformado y etanol sin reformar en una proporción en masa de aproximadamente 1 :3 a aproximadamente 3:1) siendo favorecida la mayor proporción de combustible reformado a menor potencia y mayor velocidad.

Las publicaciones de Morgenstem y otros, mencionadas anteriormente describen un proceso mediante el cual el etanol puede reformarse para producir una mezcla de gases (es decir, reformado) a bajas temperaturas (por ejemplo, 300°C) de acuerdo con las ecuaciones (1) y (2). Los productos gaseosos tienen un valor de combustible (o menor valor calórico) que es aproximadamente 7% superior que el del etanol líquido, sin desplazamiento de agua-gas: CH3CH2OH(i)? CH4 + CO + H2; AHf = +21.89 kcal/mol (1) neto después del desplazamiento de agua-gas opcional: CH3CH2OH + H20? CH4 + C02 + 2H2 (2) En modalidades donde la mezcla de gas de alimentación introducida en la zona de reacción de reformado del reformador comprende etanol, se prefiere que el proceso de reformado proceda según la vía de reacción a baja temperatura mostrada en las ecuaciones de la reacción (1) y (2) (después del desplazamiento de agua-gas opcional si el agua está presente en el etanol suministrado). Esto es, manteniendo la temperatura del reformado dentro del rango preferido (por ejemplo, por debajo de aproximadamente 400°C, más preferentemente por debajo de 350°C), la descomposición de etanol a altas temperaturas que es dominante en los sistemas de reformado con vapor a altas temperaturas no ocurre apreciablemente. Así, se prefiere que la mezcla de gas producto de reformado producida comprenda hidrógeno, metano y un componente de óxido de carbono seleccionado del grupo que consiste de monóxido de carbono, dióxido de carbono y mezclas de estos. Preferentemente, el metano y los componentes de óxido de carbono están presentes en aproximadamente cantidades equimolares en la mezcla de gas producto de reformado. Las proporciones molares de metano con relación al componente de óxido de carbono de aproximadamente 0.9 a aproximadamente 1.25 son aproximadamente equimolares. Es más, se minimiza preferentemente la metanación indeseada. Una ventaja importante del catalizador de reformado preferido que comprende una fase activa que contiene cobre sobre la superficie de una esponja de níquel como estructura de soporte es que la metanación es despreciable bajo las condiciones de funcionamiento preferidas del reformador a las temperaturas de reformado de hasta aproximadamente 400°C, más preferentemente, temperaturas de hasta aproximadamente 350°C.

Cuando el alcohol combustible en la mezcla de gas de alimentación introducida en la zona de reacción de reformado comprende etanol, también se prefiere que la tasa de producción de metano en la mezcla de gas producto de reformado sea al menos aproximadamente 50% de la tasa de alimentación de etanol en una base molar (es decir, se logra al menos aproximadamente 50% de conversión de etanol en metano. Más preferentemente, se logra, al menos aproximadamente 60% de conversión de etanol en metano, aun más preferentemente al menos aproximadamente 70% de conversión, al menos aproximadamente 80% de conversión, al menos aproximadamente 90% de conversión, y todavía más preferentemente al menos aproximadamente 95% de etanol en la mezcla de gas de alimentación se convierten en metano en el gas de reformado en una base molar. La mezcla de gas producto de reformado comprende preferiblemente no más de aproximadamente 10 %mol de acetaldehído y no más de aproximadamente 20 %mol de etanol, más preferentemente, no más de aproximadamente 5 %mol de acetaldehído y no más de aproximadamente 15 %mol de etanol. Para los catalizadores que contienen una fase activa que contiene cobre sobre la superficie de una estructura soporte de metal, las cinéticas son descritas por Morgenstern y otros, en "Low Temperature Reforming of Ethanol over Copper-Plated Raney Nickel: A New Route to Sustainable Hydrogen for Transportation," Energy and Fuels, Vol. 19, No. 4, pp. 1708-1716 (2005) como una función de la tasa de alimentación de etanol, carga del catalizador, y temperatura de manera que las condiciones del reformador puedan determinarse y seleccionarse fácilmente basado en los requerimientos de los sistemas de generación para producir una mezcla de gas producto de reformado de composición deseada.

Además del incremento del valor como combustible, el etanol reformado beneficia la eficiencia del motor debido a que la presencia de hidrógeno en la mezcla de gas producto de reformado incrementa grandemente la velocidad de la llama, permitiendo que ocurra la combustión a una proporción aceptable incluso cuando la mezcla fluida de entrada que se introduce al cilindro se diluye con exceso de aire o gas de escape. El uso de mezclas de entrada diluidas para lograr mejoras en la eficiencia es bien conocido en el campo de los motores. Los diluyentes reducen las temperaturas en el cilindro lo que a su vez reduce las pérdidas de calor al refrigerante a través de las paredes del cilindro. Además, en cargas parciales, los diluyentes reducen las pérdidas por estrangulación. El uso de exceso de aire proporciona mejoras adicionales en la eficiencia por la reducción de la proporción de calores específicos, o gamma (?), de la mezcla en el cilindro.

El uso de exceso de aire o de recirculación externa de gas de escape frío (EGR) reduce las temperaturas del gas de descarga, lo cual puede tener un efecto en detrimento del desempeño del reformador si el gas de escape que se usa para calentar el reformador no es capaz de calentar el catalizador a su temperatura de funcionamiento (por ejemplo, al menos aproximadamente 300°C a la salida del reformador). El uso de EGR interna, por otro lado, puede producir gas de escape que tiene una temperatura más alta que el gas de escape que se produce usando exceso de aire o EGR externa fría porque la EGR interna tiene una temperatura más alta que la EGR externa fría cuando regresa al cilindro. Más específicamente, el incremento de las temperaturas del gas de escape, como al usar la EGR interna, puede ser valioso debido a que el reformador de alcohol funciona como un intercambiador de calor entre el flujo de gas de escape (que proporciona calor) y el catalizador y el combustible de etanol entrante que lo reciben. La tasa la transferencia de calor por unidad de área sobre un punto dado es proporcional a la diferencia de temperaturas entre los lados caliente y frío. En forma diferencial, esta relación se expresa por la ecuación (3), la cual se toma del Manual de Transferencia de Calor ((Rohsenow, Warren M.( Hartnett, James P., y Cho, Young I. eds, McGraw Hill Nueva York, 1998 pág 17.28)), donde dq es la tasa de transferencia de calor del fluido caliente al fluido frío a través del área superficial dA y (Th-Tc)|0C es la diferencia de temperaturas en ese punto. q = (Th-Tc),0CdA (3) En este caso, Th-Tc corresponde a la diferencia entre la temperatura de la corriente de escape y la temperatura del catalizador. La temperatura del catalizador es típicamente de aproximadamente 300°C a la salida del reformador. Por lo tanto, manteniendo una temperatura del gas de escape más caliente, es posible utilizar un reformador de alcohol que tiene un área superficial de intercambio de calor más pequeña, reduciendo así el costo y peso del reformador. Además, un reformador más pequeño tendrá una menor masa térmica y puede llevarse por consiguiente más rápidamente a la temperatura por el calor del escape. Es preferible mantener la temperatura del gas de escape al menos a aproximadamente 400°C a lo largo de la mayoría del ciclo de conducción y más preferentemente al menos a aproximadamente 450°C durante las porciones del ciclo de conducción que requieren elevadas velocidades de flujo de combustible a través del reformador y así mayores tasas de transferencia de calor (por ejemplo, aquellos a baja potencia y velocidades más altas).

Por esta razón, se prefiere el uso de la recirculación del gas de escape (EGR) sobre el uso de exceso de aire a mayores cargas del motor. Ya que el flujo global de combustible es más alto en estas condiciones, se prefiere tomar medidas para asegurar que se mantenga la actividad del reformador. El uso de la EGR mantiene alta la temperatura del gas de escape y se reduce la velocidad de flujo de combustible al reformador. Además, se prefiere que alguna o toda la EGR sea "EGR interna" en lugar de EGR externa fría. La recirculación del gas de escape a través del refrigerador y de regreso al colector de entrada es un enfoque común para mejorar las emisiones en los motores, pero tiene el efecto de reducir las temperaturas de gas de escape. Además, lograr esas proporciones de EGR tan altas (es decir, preferentemente de aproximadamente 30% hasta aproximadamente 40%) en los vehículos de producción es un desafío. Además, a temperaturas más altas de los gases de escape recirculados internamente se reducen las pérdidas por estrangulación. La EGR interna puede lograrse al dejar la válvula de escape abierta durante una parte de la carrera de admisión subsiguiente lo cual resulta en que una parte de la mezcla del gas de escape descargada regresa hacia la cámara de combustión o cilindro o, de otra manera, reteniendo una parte de la mezcla de gas de escape en la cámara de combustión. El enfriamiento del gas de escape que ocurre en este proceso es muy pequeño lo cual resulta en que pueden alcanzarse temperaturas más altas del gas de escape mediante la dilución equivalente con aire o con gas de escape enfriado. El retardo de la apertura de la válvula de escape también incrementa el trabajo de expansión mediante el retardo de la purga de los gases de escape. La EGR interna tiene las ventajas adicionales de ser rápidamente ajustable en motores con válvulas controladas por temporización-sincronización o por levas variables duales e independientes o mediante controles electrónicos. Se prefieren tales motores para el funcionamiento con combustible de etanol reformado.

Como se mencionó anteriormente, se ha encontrado que reformar solamente una porción del etanol proporciona una eficiencia mejorada en casi todos los puntos de funcionamiento comparado con 100% de reformado o usando sólo combustible líquido de etanol sin reformar (0% de reformado). El reformando de la fracción preferida de etanol es beneficioso no sólo en la mejora de la eficiencia del motor, sino también en la reducción de las demandas térmicas en el reformador, ya que no es necesario vaporizar y reformar tanto etanol. Las diferencias preferidas entre el etanol reformado y el líquido se describen a continuación.

Una limitación adicional en el uso del exceso de aire o vapores de EGR proviene del hecho de que la dilución excesiva de la mezcla fluida de entrada que se introduce en el cilindro del motor causa una combustión inestable. La estabilidad de la combustión se mide, típicamente, como el coeficiente de variación (COV) de la presión efectiva media indicada (IMEP). Los COV por encima de aproximadamente 2% són generalmente inaceptables para el funcionamiento de vehículos de pasajeros excepto en reposo. Esto limita la proporción de aire-combustible en exceso estequimétrico o el nivel de EGR usado.

En vista de estas varias consideraciones, cuando se usa el gas de escape como diluyente, se prefieren niveles de EGR de aproximadamente 30% a aproximadamente 40% especialmente en algunas modalidades de la presente invención, ya que los niveles más altos tienden a producir una variación indeseable en la combustión de ciclo a ciclo. Como se muestra en los Ejemplos, las temperaturas de gas de escape se mantienen a aproximadamente 450°C, incluso cuando se usa EGR externa enfriada a estos niveles. La dilución con un exceso de aire, en lugar de EGR, permite mejoras de una mayor eficiencia a menor carga. Como se mencionó anteriormente, en algunas modalidades de la presente invención se prefieren valores de lambda (?) de aproximadamente 1.8 a aproximadamente 2.2 ya que estos producen temperaturas del gas de escape de aproximadamente 400°C con COV por debajo de aproximadamente 2%. Altos valores de ? incrementan el COV y reducen las temperaturas del gas de escape fuera del intervalo preferido. Un valor óptimo de ? de aproximadamente dos se describe por Wong y otros.

Otra consideración adicional involucra el manejo de los niveles de emisión de los motores a fin de lograr o superar los estándares legales. Para los motores de encendido por chispa, los tres contaminantes primarios son los óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de carbono (CO), e hidrocarburos. Particularmente en los Estados Unidos, los estándares para hidrocarburos se definen en términos de hidrocarburos no metánicos. El etanol reformado es, por consiguiente, un combustible ventajoso con respecto a la satisfacción de los requisitos existentes para la emisión de hidrocarburos porque el metano es el único hidrocarburo en el combustible. No obstante, se esperan algunas emisiones de hidrocarburos a partir de etanol liquido sin reformar y aceite de motor.

Las emisiones de metano de los vehículos deben regularse en el futuro, dado que el metano es un gas con potente efecto invernadero. Sin embargo, se ha encontrado que las emisiones de metano en motores alimentados por una mezcla 50-50 de etanol reformado y E85 son equivalente a aquellas de la gasolina en el mismo motor y en el mismo punto de funcionamiento. Las emisiones de tubos de escape vehiculares son menores cuando funcionan sin exceso de aire (lambda mayor que uno) dado que la presencia de oxígeno en el escape mejora la eficiencia de la oxidación de los hidrocarburos del convertidor catalítico.

Debido a la rápida propagación de la llama cuando se usa etanol reformado, se ha encontrado que el CO y los hidrocarburos, ambos productos de la combustión incompleta, se suprimen en comparación con el etanol líquido sin reformar y combustibles de gasolina. Además, las emisiones de CO y de hidrocarburos pueden manejarse eficientemente por los catalizadores convencionales de escape de tres vías incluso a lambda altas (?), siempre que la temperatura del gas de escape se mantenga lo suficientemente caliente para mantener la actividad del catalizador de tres vías. Esto típicamente requiere una temperatura del gas de escape de al menos aproximadamente 400°C. Pero los catalizadores de tres vías son ineficientes en la reducción de ??? en presencia de un exceso de aire (es decir, el valor de lambda (?) mayor que 1).

Como se muestra en los Ejemplos, la dilución con EGR o con exceso de aire es efectiva en la reducción significativa de las emisiones de NOx. Cuando se opera usando EGR sin exceso de aire, una reducción adicional de los niveles de NOx por un catalizador convencional de tres vías facilita alcanzar niveles muy bajos de NOx cuando el catalizador de tres vías está a una temperatura de funcionamiento adecuada. Los niveles de NOx emitidos por el motor son bajos cuando funciona con exceso de aire en el intervalo preferido (por ejemplo, valores de lambda (?) aproximadamente dos), pero no son despreciables.

Hay tres estrategias de funcionamiento preferidas cuando se usa etanol reformado que logran niveles de NOx aceptables. 1. Funcionamiento con EGR y ningún exceso de aire (el valor de lambda (?) no mayor que 1) a todo lo largo del ciclo de conducción. 2. Funcionamiento con lambda (?) aproximadamente dos para una porción pequeña del ciclo de conducción (preferentemente a baja potencia) y funcionar con EGR a todo lo largo del equilibrio del ciclo de conducción. 3. Funcionamiento con lambda (?) mayor que uno para una porción significante del ciclo de conducción junto con un sistema de tratamiento posterior avanzado para la disminución de NOX) preferentemente la reducción catalítica selectiva (RCS) o el uso de una trampa de NOx.

La Estrategia 3 es particularmente preferida cuando se combina con el uso de EGR interna. Como se describe en los Ejemplos, los niveles de lambda y EGR para cada uno de los puntos de funcionamiento se escoge a fin de satisfacer el criterio discutido anteriormente: la temperatura del gas de escape adecuada, COV de BMEP aceptable, bajo NOx, y alta eficiencia. Además, muchos motores imponen limitaciones funcionales adicionales debido al hecho de que debe mantenerse algún nivel de vacío en el colector de entrada para funcionar los PCV y otros sistemas. El límite en la Presión Absoluta del Colector ("límite MAP") es específico para cada motor. Para un motor multi-cilindro descrito en los Ejemplos, el límite MAP fue de 90 kPa de presión absoluta.

Los valores precisos de estos límites dependerán del vehículo y del desempeño del reformador. Por ejemplo, un reformador más eficiente puede tolerar temperaturas de escape más bajas y los vehículos más pesados necesitarán limites más estrictos en NOx. También se espera un incremento en NOx en los puntos de funcionamiento a potencias superiores debido al incremento de las temperaturas del cilindro. Los limites típicos son temperatura de escape de 425°C, 2% COV de combustión, y una disminución específica de emisión de 2-4 g de NOx por kilovatio hora Las trampas de NOx se conocen en el arte como un método para la reducción de las emisiones de NOx de los motores que funcionan con mezclas pobres (es decir, lambda (?) mayor que uno). Como es descrito por W.S. Epling y otros, en Catal. Rev., vol. 46 (2004), pp 163-245, durante el funcionamiento con una mezcla pobre, el NO en la corriente de escape se oxida, típicamente por platino, a NO2. El NO2 se oxida después y se absorbe como nitrato. Durante la regeneración en condiciones reductoras, los nitratos se reducen a N2. Las trampas de NOx son propensas a desactivarse debido al envenenamiento con los óxidos de azufre derivados del azufre en la gasolina, pero el etanol (y el etanol reformado) es bajo en azufre. El envenenamiento de las trampas de NOx con azufre es descrito por atsumoto y otros, {Appl. Cat. B., vol. 25 (2000), 1 15-24).

De acuerdo con la presente invención, una trampa de NOx se posiciona preferentemente aguas abajo del reformador de alcohol. Se prefiere la oxidación de NO de aproximadamente 300 a aproximadamente 400°C, así el enfriamiento del gas de escape que ocurre en el reformador mejorará el desempeño de la trampa de NOx.

Los niveles de NOx durante el funcionamiento con valores de lambda (?) de aproximadamente dos o para valores de lambda entre 1 .2 y 2 combinados con EGR interna o externa son mucho más bajos que el típico al usar combustibles líquidos, reduciendo significativamente la frecuencia de regeneración de las trampas de NOx y por tanto mejorando la economía de combustible.

Las emisiones al encender el motor, cuando el catalizador de tres vías está frío e inactivo, es un contribuyente importante a las emisiones totales del vehículo durante el ciclo de conducción. Esto es particularmente cierto para los vehículos de etanol sin reformar, ya que el calor de vaporización del etanol es más alto que el de la gasolina (840 kJ/kg, contra aproximadamente 350 kJ/kg para la gasolina), conlleva a la combustión incompleta y altos niveles de hidrocarburos y CO en las emisiones durante el encendido en frío. Como resultado, los motores que operan con combustibles enriquecidos con etanol como E85 tienen dificultad para alcanzar los estrictos estándares de las emisiones como SU LEV. Este problema se describe detalladamente en el documento SAE 2009-01-1080, "Tratamiento de Emisiones Vehiculares a partir de la Combustión de E85 y Gasolina con trampas catalíticas de hidrocarburos," de J.A. Lupescu y otros.

En la publicación de Estados Unidos No. US 2008/0010993 A1 de Morgenstern, se describe el uso de etanol reformado almacenado para el encendido en frío del motor. El tanque del reformado también sirve como un buffer transitorio en las exigencias de reformado mientras varía la carga sobre el motor. Un aspecto adicional de la presente invención es la determinación de la cantidad preferida de reformado para almacenarse y una estrategia mejorada para utilizar el reformado durante el encendido para lograr bajas emisiones en el tubo de escape Como se describe en el Ejemplo 8, el encendido de un motor de un solo cilindro de 0.575 litros de cilindrada se realizó a temperatura ambiente (25°C) usando una mezcla 1 :1.1 de hidrógeno, metano, y monóxido de carbono que simula el etanol reformado almacenado. A 1000 rpm, y 1.0 bar de presión efectiva media neta indicada (NIMEP), el motor encendió mucho más fácilmente usando reformado en comparación con el etanol líquido sin reformar con muchas más bajas emisiones de hidrocarburo. Cuando se enciende con etanol reformado, se encontró que el retardo de la chispa por aproximadamente 20 grados facilitó que las temperaturas del gas de escape excedieran aproximadamente 300°C en 13 segundos y aproximadamente 400°C en 21 segundos. El retardo de la chispa también redujo las emisiones de hidrocarburos y de CO incrementando las temperaturas durante el tiempo de expansión que promueve la oxidación. Además, los volúmenes de fisura se cargan con mezcla sin quemar a presiones menores, reduciendo el Indicador Específico de Hidrocarburo (ISHC) en las emisiones.

La temperatura de trabajo (o "temperatura de activación") para los catalizadores de tres vías convencionales es aproximadamente 300°C y superiores (ver M. Shelef y R.W. McCabe, Catal. Today, vol. 62, (2000) 35-50). Se requiere un flujo de combustible de aproximadamente 0.52 kg/h durante el encendido frío con reformado con un tiempo de chispa retardado por aproximadamente 20 grados. 13 segundos de reformado (suficientes para levantar la temperatura del gas de escape sobre 400°C) representan por consiguiente 1.9 g de combustible o 2.7 litros estándares.

La cantidad de reformado que se necesita almacenar en los motores vehiculares depende de tres factores: la cilindrada del motor; la presión inicial del reformado; y la presión de almacenamiento mínima del reformado exigida para medir el combustible al motor. Por ejemplo, si un motor tiene una cilindrada de 2.0 litros, entonces la cantidad de reformado que tendría que ser entregada se calcula mediante el escalado de los resultados del estudio con un solo cilindro de acuerdo con la ecuación (4): 1.9 g de reformado x (2.0 I/0.575 I) = 6.5 g de reformado requeridos para el encendido (4) Si la presión inicial de almacenamiento y la presión mínima de entrega son 7 atm. (absolutas) y 4 atm. (absolutas), respectivamente, entonces puede calcularse la capacidad total de almacenamiento del reformado o tanque buffer de acuerdo con la ecuación (5): 6.5 g reformado x (7 atm.) / (4 atm.) = 11.4 g de reformado (16.7 litros estándares) (5) Para una temperatura de encendido de 0°C a una presión de 7 atm. (absolutas), la capacidad del tanque buffer necesitaría ser de aproximadamente cuatro galones. Debido a que es preferible minimizar el volumen del tanque de almacenamiento para minimizar la aglomeración en el compartimiento del motor, es preferible minimizar la presión en el tanque buffer requerida para la dosificación exacta del reformado. También es preferible usar un refrigerador entre el reformador y el tanque buffer, ya que puede almacenarse más reformado en el tanque a temperaturas más bajas del reformado. Un refrigerante de motor o, preferentemente, el etanol entrante pueden usarse para enfriar el reformado almacenado. Como se describe en los Ejemplos, el encendido en frío de un motor multi-cilindro comercial se logra al usar mezclas de E85 y etanol reformado. El uso de 50% reformado/50% E85 reduce significativamente las emisiones de CO e hidrocarburos. En algunas modalidades, el uso de combustible líquido mixto y reformado se prefiere para reducir el tamaño y grado de presión requeridos para el tanque buffer.

Un diseño esquemático preferido de un sistema de generación flexible de combustible etanol reformado que incorpora un reformador de alcohol, un refrigerante de reformado, un tanque buffer y la trampa de NOx se muestra a continuación en la Figura 1. El etanol se bombea a través de un intercambiador de calor donde intercambia calor con el reformado que sale del reformador, enfriando el reformado y vaporizando parcialmente el etanol entrante. El etanol atraviesa después el reformador y el reformado pasa al tanque buffer de reformado. La misma configuración del sistema se puede usar sin la trampa de NOx, pero esto requiere que el funcionamiento pobre del motor se confine a una porción más pequeña del ciclo de conducción.

La tasa de bombeo se controla para mantener valores fijos de presión en el tanque buffer del reformado. Esto se indica como una línea punteada desde el sensor de presión en el tanque buffer, P1 , y la bomba. La temperatura se monitorea mediante un termopar interno (marcado como T). La temperatura del reformador se controla usando una válvula de desvío de expulsión que controla la fracción del gas de escape que se desplaza a través del reformador. El balance de gas de escape elude el reformador, pero las dos corrientes de escape se combinan antes de atravesar una trampa de NOx. El reformado se dosifica al motor y al escape para la regeneración de la trampa de NOx como se requiere. Preferentemente un catalizador de tres vías (TWC) se acopla directamente al colector de escape para la activación del catalizador. Un segundo sensor de presión, P2, monitorea la presión del flujo inferior de la bomba. La bomba se apaga cuando la presión de entrada excede el valor de presión del reformador. La bomba no funciona tampoco, a menos que el reformador esté a una temperatura de funcionamiento aceptable, preferentemente de al menos aproximadamente 250°C.

En una modalidad preferida, el tanque buffer sirve para separar y colectar los componentes líquidos de la corriente del reformado. El líquido se dirige preferentemente hacia los inyectores de combustible líquido, aunque también puede reciclarse a un tanque de combustible. La condensación se potencia si el combustible se enfría adicíonalmente con un ¡ntercambiador de calor localizado en el camino del reformado entre el refrigerante del reformado y el tanque buffer que se muestra en la Figura . Preferentemente, la corriente de combustible líquido se usa como un refrigerante, pero un circuito de refrigeración que usa el refrigerante del motor también puede usarse en lugar de éste o como un suplemento al intercambiador de calor-refrigerante del combustible líquido. Después de enfriado, el líquido se separa de la corriente gaseosa de reformado el cual se direcciona a los inyectores de combustible gaseoso. Esto es convenientemente completado en el tanque buffer.

Los métodos para separar gas y líquido de esta manera son conocidos en la técnica y se describen en (M. Stewart y K. Arnold, "Gas-Liquid and Liquid-Liquid Separators," Elsevier, Nueva York, 2008, pp 65-130.) En una modalidad preferida, la corriente del reformado entra en el tanque buffer lateralmente y choca con un plato desviador. El tanque buffer está provisto con un sensor de nivel, que utiliza preferentemente capacitancia o conductividad. El nivel del líquido se controla mediante el drenado del líquido a través de una válvula de control inferior, dirigida por presión en el tanque buffer. El reformado gaseoso sale a través de la parte superior del tanque buffer. Preferentemente, un extractor de niebla, típicamente hecho de tejido de malla metálica entrelazada, se localiza en la parte superior del tanque buffer para eliminar las gotas líquidas. Los eliminadores de niebla se describen en (Fabián, P.; Cusack, R.; Hennessey, P.; Neuman, M., "Demystifying the Selection of Mist Eliminators," Chemical Engineering, Nov. 1993, 100/11 , pp. 148-56.). Este diseño se ilustra en la Figura 2.

En la configuración que se muestra en la Figura 1 , el etanol reformado se suministra al colector de entrada del ICE. En otra configuración preferida, el reformado puede suministrarse al puerto de inyectores de combustible. En cualquiera de los casos, sin embargo, un juego de puertos de inyectores de combustible (PFI) se utiliza preferentemente para dosificar el etanol líquido no reformado o gasolina al motor. Esto permite usar etanol líquido conjuntamente con el reformado, mientras hace al sistema robusto contra las fluctuaciones en la actividad del reformador. Tales fluctuaciones pueden causarse, por ejemplo, por períodos prolongados de bajas temperaturas del gas de escape debido al funcionamiento sin desplazamiento, seguido de una alta demanda de potencia.

En una modalidad preferida relacionada, el reformado del tanque buffer se suministra aguas arriba, en lugar de aguas abajo del convertidor catalítico. Los metales nobles en el convertidor catalítico pueden oxidar el hidrógeno y el monóxido de carbono a temperaturas más bajas que a las que pueden oxidar los hidrocarburos. Como se describe en la publicación de Estados Unidos No. US 2009/0071420 A1 , la adición de hidrógeno y monóxido de carbono desde un reformador a la corriente de gas de escape reduce la temperatura de activación del catalizador a 150-180°C.

Preferentemente, el reformado se introduce en la corriente de escape al inicio cuando la temperatura del catalizador alcanza aproximadamente 100°C y continúa hasta que se logra la activación del catalizador. Durante este período el motor funciona ligeramente pobre, preferentemente a un valor de lambda (?) el cual suministra suficiente oxígeno al convertidor catalítico para facilitar la combustión del hidrógeno y CO en el reformado. La tasa de suministro del reformado es una función de la actividad catalítica y puede determinarse empíricamente para un sistema específico.

En los Estados Unidos, el combustible de motor etanol se suministra típicamente como E85 que nominalmente contiene 15% gasolina. Sin embargo, el volumen de gasolina puede ser significativamente más alto que 15%. La gasolina se reforma a las temperaturas de funcionamiento preferidas del reformador de etanol (menos de 350°C). Por consiguiente, las gotas de gasolina líquida estarán presentes en el reformado, particularmente después del enfriamiento. El agua líquida también puede estar presente si ocurre la metanación en una magnitud pequeña o si se usa etanol acuoso como combustible. El etanol líquido también puede estar presente si el reformado es incompleto. Se ha encontrado que estas gotas son una fuente de "ruido de la combustión". Las gotas de condensado en la corriente de combustible gaseoso crean variaciones en la cantidad de combustible inyectado. Es por consiguiente preferible condensar las gotas en la parte superior de la corriente del reformado en los inyectores de combustible.

En una modalidad preferida, el tanque buffer sirve para separar y colectar los componentes líquidos de la corriente de reformado. El líquido se dirige preferentemente a los inyectores de combustible líquido aunque también puede reciclarse a un tanque de combustible. La condensación se refuerza si adicionalmente el combustible se enfría con un intercambiador de calor localizado en el camino del reformado entre el refrigerador del reformado y el tanque buffer que se muestra en la Figura 1. Preferentemente, la corriente de combustible líquido se usa como un refrigerante, pero un ciclo de enfriamiento que usa el refrigerante del motor también puede usarse en lugar de este o como un suplemento al intercambiador de calor-refrigerante del combustible líquido. Después de enfriado, el líquido se separa de la corriente gaseosa de reformado el cual se direcciona a los inyectores de combustible gaseoso. Esto es convenientemente completado en el tanque buffer.

Los métodos para separar gas y líquido de esta manera son conocidos en la técnica y se describen en (M. Stewart y K. Arnold, "Gas-Liquid and Liquid-Liquid Separators", Elsevier, Nueva York, 2008, pp 65-130.) En una modalidad preferida, la corriente del reformado entra en el tanque buffer lateralmente y choca con un plato desviador. El tanque buffer está provisto con un sensor de nivel, que utiliza preferentemente capacitancia o conductividad. El nivel del líquido se controla mediante el drenado del líquido a través de una válvula de control de fondo, dirigida por presión en el tanque buffer. El reformado gaseoso sale a través de la parte superior del tanque buffer. Preferentemente, un extractor de niebla, típicamente hecho de tejido de malla metálica entrelazada, se localiza en la parte superior del tanque buffer para eliminar las gotas líquidas. Los eliminadores de niebla se describen en (Fabián, P.; Cusack, R.; Hennessey, P.; Neuman, M., "Demystifying the Selection of Mist Eliminators", Chemical Engineering, Nov. 1993, 100/1 1 , pp. 148-56.). Este diseño se ¡lustra en la Figura 2.

El mejoramiento de la separación de las gotas líquidas también puede lograrse mediante el empleo de un separador gas-líquido con platos de retardo de fase en la parte superior de la corriente del tanque buffer. Los separadores gas-líquido de plato de retardo de fase se describen en (Wilkinson, D., "Optimizing the Design of Waveplates for Gas-liquid Separation", Proc. Instn. Mech. Engrs. Vol. 213 Parte E, 1999, 265-74).

El costo y las ventajas de eficiencia pueden obtenerse mediante el perfeccionamiento de la separación entre el etanol líquido sin reformar y el reformado en cada uno de los puntos de funcionamiento del ciclo de conducción. El Ejemplo 9 proporciona los datos a 2000 rpm, 8.5 bar IMEP a partir de un motor de un solo cilindro. A esa alta potencia, la eficiencia al usar el reformado no es mejor que aquella al usar el etanol líquido sin reformar. Esto se debe a que la combustión es rápida a alta potencia al usar etanol líquido, lo que hace las cinéticas de la combustión más rápidas proporcionadas por el reformado de etanol menos importante. Al mismo tiempo, el uso de etanol líquido sin reformar enfría la carga de combustible-aire en el cilindro, mejorando la eficiencia.

La potencia a la cual el funcionamiento con el reformado y el etanol líquido mezclados debe cambiar al combustible líquido, solamente depende de alguna manera del motor que se usa. El incremento de la tasa de compresión (la cual incrementa la temperatura de la mezcla de aire-combustible en el cilindro al final del tiempo de compresión) y el uso de dispositivos para incrementar el movimiento de la carga y la turbulencia en el cilindro, aumenta las capacidades de dilución y puede permitir un funcionamiento pobre usando etanol líquido o E85 con bajo NOx a 5-7 bar IMEP. Adicionalmente, puede preferirse la inclusión de una válvula de control del movimiento de la carga para el mejoramiento del movimiento de la carga como se describe a continuación en el Ejemplo 13.

Los Ejemplos 3-5 muestran el mejoramiento sustancial de la eficiencia al usar dilución de la combustión del etanol reformado en comparación con el etanol líquido sin reformar a valores de IMEP de desde aproximadamente 3.5 a aproximadamente 6 bar. Así, para este motor, se prefiere el uso de al menos algún etanol reformado por debajo de aproximadamente 7 bar IMEP. Sorprendentemente, se ha encontrado que la mejor eficiencia se obtiene cuando aproximadamente 25% a aproximadamente 75% (en masa) del combustible se reforma con el balance del etanol líquido sin reformar. Preferentemente, el etanol líquido sin reformar se introduce usando los puertos de inyectores de combustible.

Una modalidad preferida de las estrategias descritas anteriormente incluye el cierre retardado de ambas válvulas de escape y entrada a la carga parcial. El cierre retardado de la válvula de escape proporciona la recirculación interna del gas de escape (EGR) como se discutió anteriormente, lo que reduce las pérdidas de calor al refrigerante y las pérdidas por bombeo. En una modalidad particularmente preferida, la estrategia de funcionamiento de cierre retardado de la válvula/EGR interna se combina con el uso de una proporción de aire-combustible ligeramente pobre, con los valores de lambda (?) preferentemente en el intervalo de aproximadamente 1.04 a aproximadamente 1.4 y el uso de una trampa de ??? en el conducto de gas de escape. El exceso de aire mejora significativamente la tolerancia de EGR.

En una modalidad adicional preferida, en la carga parcial, el retardo en las aperturas de las válvulas de escape y de entrada es aproximadamente igual, pero la magnitud del retardo se ajusta para una eficiencia óptima. Esta estrategia, denominada como "Temporizado de leva variable dual-igual" puede implementarse en motores con un árbol de levas individual y tiempo variable de levas.

La implementación de esta estrategia en un motor multi-cilindro se describe a continuación en el Ejemplo 10. En una modalidad adicional particularmente preferida para los motores con un límite MAP, el retardo en la apertura de la válvula de escape y de entrada no es igual. Particularmente en los puntos de alta potencia donde la presión del colector se acerca al límite MAP, es preferible limitar el retardo en la apertura de válvula de escape a fin de no exceder el límite MAP e incrementar el retardo en la apertura de la válvula de escape a fin de incrementar la EGR interna. Esta estrategia requiere un control "dual independiente" de la sincronización de las válvulas que es algo más costoso que el temporizado de leva igual y dual, pero la cual proporciona un mejor NOx y economía de combustible en los puntos de funcionamiento con cargas más altas.

Como se describe en los Ejemplos, al funcionar un motor con sincronización independiente dual de las válvulas, la selección de la combinación óptima de EGR interna y exceso de aire en un punto de funcionamiento específico se basa en minimizar NOx y mejorar la eficiencia mientras se mantiene un COV de combustión aceptable y las temperaturas del gas de escape adecuadas. La mayor eficiencia térmica y las emisiones más bajas de NOx se logran al usar una combinación de EGR interna lograda mediante el retardo de la abertura de la válvula y exceso de aire, en lugar del valor máximo que se logra de lambda. Hay varias razones para esto. A un elevado retardo de la leva, una apertura tardía de la válvula de entrada proporciona una elevada turbulencia en el cilindro lo que promueve la combustión e incrementa la capacidad de dilución del motor. Por ejemplo, a 2.62 bar BMEP y 1500 rpm, se logra una cantidad mayor de dilución al usar 55°CA de retardo de la leva y una lambda de 1.35 que al usar un lambda de 1.65 sin el retardo de la leva. Esto incrementa la eficiencia y disminuye las emisiones de NOx. Además, el solapamiento retardado de la válvula y el cerrado tardío de la válvula de entrada que ocurre a 55°CA de retardo de la leva proporciona una reducción significativa del trabajo de bombeo de entrada. Finalmente, el proceso de apertura retardada de la válvula de escape incrementa el trabajo de expansión.

Debido a la limitada disponibilidad de combustible de etanol en la mayoría de las áreas del mundo, el vehículo preferentemente se equipa con un tanque de gasolina separado la cual también puede suministrarse al puerto de inyectores de combustible. Si hay insuficiente reformado en el tanque buffer para el encendido en frío, el vehículo puede encenderse en frío usando gasolina.

La eficiencia del motor que funciona con etanol líquido no reformado y etanol reformado se mejora medíante el uso de proporciones de compresión incrementadas. Pero la gasolina encuentra problemas de pistoneo a alta potencia y a proporciones de compresión por encima de aproximadamente 10. Si no es necesario retener la capacidad del motor para funcionar tanto con gasolina como con etanol, la proporción de compresión se incrementa preferentemente hasta el límite de pistoneo del etanol líquido no reformado. Un estudio de la EPA reporta el funcionamiento de un motor de ignición por chispa a una proporción de compresión de 19.5 usando etanol líquido, pero se encontró pistoneo a altas cargas y velocidad. (M. Brusstar y otros, SAE 2002-01-2743). En un estudio posterior que usa E85, la proporción de compresión se redujo a 16.3 (M. Brusstar y C.L Gray Jr., SAE 2007-01-3993).

El incremento de la proporción de compresión generalmente trae consigo un incremento de la proporción de superficie-a- volumen en la cámara de combustión o cilindro, lo que tiende a apagar la combustión. Por consiguiente, es preferible usar una geometría del cilindro que minimice la proporción de superficie-a-volumen. En una modalidad preferida, se utiliza un diseño copa en el pistón de la cámara de combustión.

En la publicación de Estados Unidos No. US 2008/0010993 A1 , Morgenstern describe una estrategia para funcionar con gasolina a una elevada proporción de compresión, conocida como el ciclo de Atkinson. En este enfoque, la válvula de entrada se deja abierta después del punto muerto superior cuando se opera usando gasolina, lo que reduce la proporción de compresión efectiva. El Ejemplo 7 describe el funcionamiento usando gasolina con el ciclo de Atkinson en un motor de un solo cilindro que usa una proporción de compresión de 14. A baja potencia (por ejemplo, 3.5 bar IMEP en el Ejemplo 7), el motor no se limita por pistoneo y el motor puede funcionar normalmente con gasolina.

A potencias más altas (por ejemplo, 8.5 bar IMEP, 2000 rpm en el Ejemplo 7), el motor está severamente limitado por el pistoneo. Se ha encontrado que una mejor potencia se alcanza si la estrategia del ciclo de Atkinson de retardar el cerrado de la válvula de entrada se complementa con el retardo del tiempo de chispa. Esto se debe a que incluso, cuando se cierra la válvula de entrada a 65 grados después del punto muerto inferior, el motor todavía está limitado por el pistoneo. La proporción de comprensión eficiente puede adicionalmente reducirse mediante el retardo del cierre de la válvula de entrada a un ángulo del cigüeñal posterior, pero esto limita la cantidad de aire que puede moverse en el cilindro, reduciendo el torque máximo del motor. Retardando la chispa después del tiempo de MBT (torque máximo de frenado), puede lograrse 8.5 bar IMEP. Aunque hay algunas pérdidas de eficiencia a partir del cambio del tiempo de chispa, la eficiencia es todavía mejor que para el funcionamiento con gasolina en el ciclo convencional de Otto a una proporción de compresión de 10, debido a que el ciclo de Atkinson suministra una proporción de expansión de 14.

Así en una modalidad preferida, a unas proporciones de compresión de aproximadamente 11 a aproximadamente 17, y más preferentemente de aproximadamente 12.5 a aproximadamente 15, el etanol reformado se usa como el combustible primario para el motor mediante los medios especificados anteriormente, pero la provisión también se hace para alimentar el motor con gasolina cuando se desee (preferentemente a través de los puertos inyectores de combustible) y el funcionamiento con gasolina se habilita mediante el cierre retardado de la válvula de entrada durante el tiempo de compresión (ciclo de Atkinson) y el uso de tiempos de chispa retardados deI MBT.

En otra modalidad preferida, se utiliza gasolina de alto octanaje y la proporción de compresión se limita a aproximadamente 12. Ambos combustibles pueden funcionar bien a esta proporción de compresión. Nakata y otros, demostraron que a una proporción de compresión de 13, ambos la gasolina 100 RON y el etanol proporcionan una eficiencia mejorada en relación con la gasolina 92 RON (Ver 2006-01-3380). En esta modalidad, no es necesario emplear el ciclo de Atkinson.

El incremento de la proporción de compresión es sinérgico con otra estrategia para el mejoramiento de la eficiencia y simplificación del manejo del condensado que puede practicarse como parte de la presente invención. El torque máximo del motor aumenta con la proporción de compresión. El Ejemplo 11 muestra un incremento en el torque máximo de aproximadamente 7% que se acompaña de un incremento de la proporción de compresión de 10:1 a 12:1. Los incrementos adicionales en la proporción de compresión resultan en un incremento adicional del torque.

Una estrategia común para mejorar la eficiencia del motor es reducir la cilindrada del motor y proporcionar empuje para ayudar a restaurar el torque máximo. El empuje se proporciona típicamente por un turbocompresor, pero generalmente la turbo-compresión no se prefiere en relación con esta invención. ¡Generalmente, la inclusión de un turbocompresor reduciría la entalpia del escape lo cual se requiere por el reformador. Cualquier reducción significativa en la entalpia del escape podría resultar en retardos no deseados en el calentamiento del reformador.

Sin embargo, un experto en la técnica puede contemplar que el uso de un sobre-alimentador mecánica o eléctricamente manejado podría ser de valor en conjunto con la presente invención debido a que un sobre-alimentador se maneja tanto directamente por el motor o indirectamente a través del alternador. Además, se reduciría significativamente la carga desde un sobre-alimentador en la presente invención cuando se usan combustibles de etanol a las proporciones de compresión incrementadas debido al efecto mencionado anteriormente de la proporción de compresión sobre el torque.

En las modalidades que incluyen un sobre-alimentador, se prefiere un sobre-alimentador de tipo turbina.

Los sistemas de sobrealimentación generalmente incluyen las válvulas de desviación las cuales, en este caso, se usarían para reciclar el aire comprimido hacia atrás en la corriente superior del sobre-alimentador. El reformado se introduce sólo en la corriente superior del sobre-alimentador. La mezcla de reformado-aire se somete a múltiples pasos a través del sobre-alimentador, particularmente cuando el sobre-alimentador está en la corriente superior de la válvula del acelerador como se muestra en Figura 3. Debido a que la compresión es despreciable, la carga parásita del sobre-alimentador debe ser menor cuando funciona como un mezclador.

El reformado se introduce en la corriente superior de entrada de aire del sobre-alimentador que usa un dispositivo de rocío de cono estrecho como inyector de combustible. La caída de presión desde el tanque buffer permite una mejor atomización del líquido residual debido al empuje proporcionado por el reformado gaseoso. Las gotas de condensado se mezclan en la corriente por las hojas de la turbina del sobre-alimentador formando una niebla uniforme o mojando reversiblemente las paredes del colector de entrada. Esto previene el ruido de la combustión. Las ligeras diferencias en la proporción de combustible-aire que alcanzan los diferentes cilindros pueden ser "arregladas" mediante ligeros ajustes al combustible entregado por los inyectores líquidos.

La condensación eficiente aguas arriba del tanque buffer es esencial para esta modalidad de la invención debido a que el líquido en exceso puede causar un aumento significativo de combustible líquido en la superficie del colector de entrada, lo que conlleva a emisiones excesivas de hidrocarburos durante las etapas transitorias del motor de baja potencia.

Habiendo descrito en detalle las modalidades de la invención, resultará evidente que son posibles modificaciones y variaciones sin apartarse del alcance de la invención definido en las reivindicaciones anexas.

EJEMPLOS Los siguientes ejemplos no limitantes se proporcionan para ilustrar adicionalmente la presente invención.

EJEMPLO 1 Este Ejemplo proporciona una descripción del motor de pistón de un solo cilindro que se usa para demostrar ciertas modalidades de la invención presente. El motor se equipa con un sistema de puerto para inyección de gas combustible (PFI). Se dan los parámetros del motor en la cuadro 1.

CUADRO 1 Parámetros del motor Diámetro [mm] 90.2 Carrera del émbolo 90.0 [mm] Cilindrada [I] 0.575 Proporción de 10:1 Compresión Distribución de las 2 Entrada / 1 Escape válvulas Sincronización de Totalmente Variable válvulas /Elevación Sistema de PFI inyección de combustible El motor tiene dos puertos de entrada, un puerto de rotación tangencial y un relleno neutro o puerto de alto flujo. Los puertos se diseñan para dar una medida de torque con proporción rotacional de 2.6 solamente con la válvula del puerto de rotación tangencial abierta y 0.1 con ambas válvulas abiertas. Ambas válvulas de entrada se usan inicialmente para aumentar el flujo de aire de entrada. Sin embargo, el puerto de alto flujo se inhabilita posteriormente con el objetivo de aumentar el mezclado y ayudar a prevenir el desgaste del diámetro mientras corre E100 (100% de etanol líquido sin reformar. La elevada proporción de rotación también es beneficiosa para el funcionamiento con altas proporciones de dilución.

Para el control de la sincronización de las válvulas y la elevación se usa un sistema Sturman de accionamiento de la válvula hidráulica totalmente variable (HVA). Este utiliza la fuerza hidráulica controlada por válvulas de cierre digital de alta velocidad, en lugar de los árboles de levas mecánicos tradicionales para accionar las válvulas de entrada y escape del motor. La elevación variable total, la duración, y la sincronización se controlan independientemente por las tres válvulas del motor. Este sistema no produce el perfil tradicional del elevador de la válvula del árbol de leva, sino un perfil tipo meseta. La sincronización fija de la válvula se determina aumentando al máximo el flujo de entrada de aire y la presión máxima del cilindro mientras se hace funcionar el motor a 2000 rpm sin estrangulación durante el automovilismo.

Los datos al usar gasolina normal (Indolene) se obtienen a una proporción de compresión de 10:1 usando un pistón completamente plano. Todos los datos para el etanol reformado, etanol líquido sin reformar (E 00) y mezclas de estos se obtiene a una proporción de compresión de 14:1 que usa un pistón abovedado.

El software de Sturman controla tanto el tiempo de la chispa como la anchura del pulso de combustible. La estrangulación del aire de entrada y la anchura del pulso de combustible se ajustan para controlar la carga del motor y la proporción de aire-combustible a cada velocidad del motor. El tiempo de la chispa se controla con el objetivo de aumentar al máximo el torque y evitar la detonación.

Este motor también está equipado con una válvula de EGR y un enfriador. La válvula de EGR se diseña para reemplazar hasta el 50% de la masa de aire de entrada con los gases de escape. El enfriador de EGR es capaz de reducir las temperaturas de los gases de escape de 100O°C a 120°C.

Para la adquisición de datos a alta velocidad, se emplea un AVL Indimetro 619. Todos los parámetros relacionados con la combustión, como la presión efectiva media indicada (I EP-PEMI) y la localización del ángulo del cigüeñal al 50% de la fracción de masa quemada (CA50), se calculan mediante el software AVL IndiWin. Todos los datos que se indican en los siguientes Ejemplos se calculan como valor neto que incluye los efectos de las corridas de entrada y escape además de los tiempos de compresión y expansión (es decir integrados por encima de 720 grados de ángulo de cigüeñal). La eficiencia volumétrica se calcula utilizando la presión y la temperatura medidas en el colector de entrada. El inicio de la combustión (SOC) se define como el punto en el que se quema el 5% de la fracción de masa. La eficiencia termodinámica se calcula sobre la base del menor valor calorífico (LHV). Todos los otros parámetros reportados se determinan mediante métodos convencionales.

La mayoría de las mediciones de las emisiones se realizaron con un banco AVL CEB II de emisiones brutas. El dispositivo realiza mediciones continuas de hidrocarburos (HC), CO, C02> 02, y NOx. Las mediciones de aldehido se determinan usando un dispositivo portátil que utiliza tubos colorimétricos. El gas de escape se arrastra a través de los tubos pre-calibrados de un puerto en la corriente de escape usando una bomba portátil. Las mediciones se registran en partes por millón (ppm) y se convierten a g/kWh sobre la base del flujo de escape total, IMEP y la velocidad del motor.

Se usan tres combustibles en estos experimentos. Una gasolina estándar, "Indolene," (Conoco Phillips), etanol desnaturalizado sin reformar ("The Andersons, Albion MI, 96.3% etanol por peso) y etanol reformado simulado. El reformado simulado comprende una mezcla de 1:1 :1 (mol:mol:mol) de hidrógeno, monóxido de carbono, y metano con una tolerancia de 2% y es representativa del reformado que se produce de acuerdo a lo descrito en las publicaciones mencionadas anteriormente de Morgenstern y otros.

Ambos combustibles líquidos se inyectan a través del puerto de inyectores de combustible. El reformado simulado se inyecta en el sistema de entrada por encima de la válvula de EGR. Este se proporciona a una presión de 3 bar y a una temperatura de 25°C. La cantidad de flujo se mide en litros estándares por minuto (SLPM) convertidos a kg/h, y finalmente se reporta como por ciento de la masa total de combustible.

EJEMPLO 2 Este Ejemplo proporciona los datos generados al usar gasolina en el motor descrito en el Ejemplo 1 a una proporción de compresión de 10:1 y usando un regulador totalmente abierto (WOT). Los resultados se muestran en el cuadro 2. En éste y en los cuadros subsiguientes, se usan las siguientes abreviaturas: NISFC = Consumo de Combustible Específico Neto Indicado NITE = Eficiencia Térmica Neta Indicada NIMEP = Presión Efectiva Media Neta Indicada COV = Coeficiente de Variación del NIMEP SA = Avance de la Chispa en Grados de Ángulo de Cigüeñal antes del Punto Muerto Superior (grados BTDC) ISCO = Emisiones Específicas Netas de CO Indicadas ISHC = Emisiones Específicas Netas de Hidrocarburo Indicadas ISNOX = Emisiones de NOx Específicas Netas Indicadas EGT = Temperatura del Gas de Escape En este y todos los ejemplos subsiguientes, los valores de las emisiones que se muestran son las que se "emiten por el motor" y no reflejan el efecto de tratamiento posterior.

CUADRO 2 Gasolina (Indolene) en condiciones WOT 1000 1500 2000 3000 4000 rpm rpm rpm rpm rpm NISFC 234 233 228 214 224 (g/kWh) NITE (%) 35.6% 35.7% 36.5% 38.9% 37.2% NIMEP (bar) 10.7 10.7 10.5 10.8 10.2 COV (%) 1.57% 1.83% 3.08% 1.53% 2.06% SA (deg 5 18 22 26 25 BTDC) ISCO 26.6 43.9 35.8 16.5 24.2 (g/kWh) ISHC 4.63 6.81 3.06 1.90 1.09 (g/kWh) ISNOX 18.16 17.84 16.00 19.71 19.74 EJEMPLO 3 Este ejemplo presenta los datos a 1500 rpm, 3.5 bar NIMEP para el funcionamiento del motor del Ejemplo 1 al usar una proporción de compresión de 14 y combustible de etanol líquido sin reformar (E100), así como reformado simulado que usa tanto la recirculación de gas de escape como una alta proporción de aire/combustible. Empezando con este ejemplo, se reporta otra métrica de eficiencia: Eff. NITE = Eficiencia Térmica Efectiva Neta Indicada Esta variable métrica ajusta el valor del combustible (LHV) de etanol reformado igual al valor de combustible del etanol. Esta invención incluye el uso del calor del gas de escape para manejar la conversión de etanol a etanol reformado. Debido a que el calor del gas de escape es efectivamente un calor de desecho del motor, el uso del calor del gas de escape para manejar el reformador no constituye una pérdida de eficiencia. La métrica Eff NITE es la eficiencia esperada para un sistema reformador/motor de la presente invención para convertir el etanol en energía mecánica si el reformador no tiene otro efecto sobre la eficiencia que no sea convertir el etanol a reformado. Este parámetro excluye efectos tales como la contrapresión adicional del escape que podría ocurrir en un sistema integrado, pero la cual se espera que sea pequeña.

CUADRO 3 Etanol reformado simulado (Ref) a una alta proporción de aire- combustible comparada con la gasolina y E100 a una lambda (?) = 1 sin EGR. 1500 rpm. 3.5 bar NIMEP Gas E100 Ref Ref Ref Ref Ref Ref ?=1 ?=1 ?=1.01 ?=1.55 ?=1.84 ?=2.14 ?=2.30 ?=2.48 NISFC 265.0 369 367.1 327.0 316.4 305.9 304.8 300.8 (g/kWh) NITE 31.4 35.8 35.1 39.5 40.8 42.2 42.3 42.9 (%) Eff NITE 31.4 35.8 37.8 42.4 43.8 45.3 45.5 46.1 (grad 28 14 10 14 18 24 28 42 BTDC) ISCO 18.8 9.4 1 1.2 7.7 11.2 15.9 22.8 27.4 (g/kWh) ISHC 5.38 8.9 2.5 3.5 6.6 9.6 12,2 15.0 (g/kWh) ISNOX 16.8 10.7 19.6 4.5 0.93 0.26 0.1 1 0.08 (g/kWh) EGT 608 529 525.3 437.5 394.0 354.7 334.7 312.0 (X) CUADRO 4 Etanol reformado simulado (Ref) que usa la recirculación de gas de escape enfriada (EGR) comparado con la gasolina y E100 a lambda (?) = 1 sin EGR. 1500 rpm. 3.5 bar NIMEP Gas E100 Ref Ref Ref Ref Ref 0% 0% 0% 9.7% 18.0% 27.5% 35.9% EGR EGR EGR EGR EGR EGR EGR NISFC 265.0 369 362.0 354.1 347.3 338.4 332.8 (g/kWh) NITE (%) 31.4 35.8 35.6 36.4 37.2 38.1 38.8 Eff NITE (%) 31.4 35.8 38.3 39.1 39.9 41.0 41.6 EJEMPLO 4 En este Ejemplo, el motor del Ejemplo 1 funciona usando una mezcla de etanol reformado simulado y etanol líquido sin reformar con recirculación de gas de escape enfriada a 3.5 bar NIMEP y varias velocidades del motor. La proporción de EGR para una mezcla de combustible dada se selecciona para mantener un COV de NIMEP menor de 2.3%.

Los datos obtenidos se muestran en los siguientes cuadros. Los datos muestran que no es necesario reformar todo el etanol combustible para obtener el beneficio en eficiencia y emisiones del reformado de etanol.

CUADRO 5 Datos para el etanol líquido sin reformar (E100) mezclado y el etanol reformado simulado (Ref) a una proporción de compresión de 14:1 comparados con la gasolina a 10:1. a 1000 rpm. 3.5 bar NIMEP.

Gas 0% Ref 25% 50% Ref 75% Ref 100% 100% Ref 50% 25% Ref E100 75% E100 E100 0% E100 E100 EGR Rate 0 30 30 30 30 30 (%) NISFC 274 356 353 346 344 358 (g/kWh) NITE (%) 30.4 37.1 36.9 37.1 36.9 35.0 Eff NITE (%) 30.4 37.1 37.4 38.1 38.4 36.4 COV (%) 1.2 1.5 0.6 0.6 0.6 0.6 SA (grad 18 28 26 24 24 22 BTDC) ISCO (g/kWh) 20.9 10.6 12.2 14.3 10.3 11.2 ISHC (g/kWh) 6.5 12.54 9.5 7.5 6.6 5.4 CUADRO 6 Datos para el etanol liquido sin reformar (E100) mezclado y el etanol reformado simulado (Ref) a una proporción de compresión de 14:1 comparados con la gasolina a 10:1 , a 1500 rpm, 3.5 bar NIMEP.

Gas 0% 25% Ref 50% Ref 75% Ref 100% Ref 75% 50% 25% Ref 100% E100 E100 E100 0% E100 E100 EGR Rate 0 18 18 18 36 36 (%) NISFC 265 348 350 349 330 334 (g/kWh) NITE (%) 31.4 38.0 37.2 36.9 38.5 37.6 Eff NITE (%) 31.4 38.0 37.7 37.9 40.0 39.5 CUADRO 7 Datos para el etanol líquido sin reformar (E100) mezclado y el etanol reformado simulado (Ref) a una proporción de compresión de 14:1 comparados con la gasolina a 10:1 , a 2000 rpm, 3.5 bar NIMEP.

Gas 0% Ref 25% 50% 75% Ref 100% 100% Ref Ref 25% Ref E100 75% 50% E100 0% EJEMPLO 5 En este Ejemplo, el motor del Ejemplo 1 funciona usando una mezcla de etanol reformado simulado y etanol líquido sin reformar con la recirculación de gas de escape enfriada a 6 bar NIMEP a 1500 y 2000 rpm. La proporción de EGR para una mezcla de combustible dada se selecciona para mantener un COV de NIMEP menor de 2.3%.

CUADRO 8 Datos para el etanol líquido sin reformar (E100) mezclado v el etanol reformado simulado (Ref) a una proporción de compresión de 14:1 comparados con la gasolina a 10:1, a 1500 rpm, 6 bar NIMEP.

Gas 0% 25% 50% Ref 75% Ref 100% Ref Ref 50% 25% Ref 100% 75% E100 E100 0% E100 E100 E100 EGR Rate (%) 0 18 18 36 36 18 NISFC (g/kWh) 236 320 318 31 1 301.5 313 NITE (%) 35.2 41.3 40.9 41.3 42.1 40.1 Eff NITE (%) 35.2 41.3 41.5 42.4 43.8 42.1 COV (%) 0.9 0.7 0.5 1.3 1.4 0.3 SA (grad 24 16 14 30 34 14 BTDC) ISCO (g/kWh) 17.5 8.5 10.3 12.5 1 1.7 12.8 ISHC (g/kWh) 5.4 9.1 6.9 8.9 8.3 3.6 ISNOX 19.0 5.16 4.98 0.26 0.26 7.02 (g/kWh) 0 EGT (°C) 620 518 518 433 421 524 CUADRO 9 Datos para el etanol líquido sin reformar (E100) mezclado y el etanol reformado simulado (Ref) a una proporción de compresión de 14:1 comparados con la gasolina a 10:1. a 2000 rpm, 6 bar NIMEP.

Gas 0% Ref 25% Ref 50% Ref 75% Ref 100% 100% 75% 50% 25% Ref E100 E100 E100 E100 0% E100 EGR Rate (%) 0 30 18 18 36 36 NISFC (g/kWh) 229 312 311 312 304 314 NITE (%) 36.3 42.3 42.0 41.2 41.8 39.9 Eff NITE (%) 36.3 42.3 42.5 42.3 43.4 42.0 COV (%) 1.4 0.9 0.5 0.6 1.0 2.2 ISHC (g/kWh) 4.1 8.8 6.3 5.5 6.7 6.7 ISNOX 7.02 1.12 5.28 5.43 0.49 0.55 (g/kWh) EGT (°C) 672 491 541 544 474 485 EJEMPLO 6 Este Ejemplo proporciona el nivel de emisiones de aldehido (g/kWh como acetaldehído) para los cinco puntos velocidad/carga en los Ejemplos 5 y 6 para las mezclas de etanol reformado simulado y E100. El incremento de la fracción de reformado suprime los aldehidos. La supresión es virtualmente completa cuando se usa 100% de reformado.

CUADRO 10 Niveles de aldehido (g/kWh) por funcionamiento a 3.5 bar IMEP usando varias combinaciones de E100 y el etanol reformado simulado (Ref) y varios niveles de EGR. 0% 25% 50% Ref 75% Ref 100% Ref Ref Ref 50% 25% 0% E100 100 75% E100 E100 % E100 E100 1000 rpm 0% EGR 1.71 1.00 0.77 0.40 0.03 1000 rpm 15% EGR 1.62 0.97 0.55 0.38 0.05 1000 rpm 30% EGR 1.37 1.16 0.71 0.45 0.06 1500 rpm 0% EGR 1.99 0.99 0.71 0.69 — 1500 rpm 18% — EGR 2.14 1.32 0.87 0.63 1500 rpm 36% — EGR 1.90 1.49 0.94 0.80 2000 rpm 0% EGR 1.49 1.08 0.91 0.48 0.09 2000 rpm 15% EGR 2.06 1.60 1.16 0.60 0.07 2000 rpm 30% EGR 1.93 1.35 1.26 0.57 0.09 CUADRO 11 Niveles de aldehido (g/kWh) por funcionamiento a 6 bar IMEP usando varias combinaciones de E100 y el etanol reformado simulado (Ref) y varios niveles de EGR. 0% 25% 50% Ref 75% Ref 100% Ref Ref Ref 50% 25% 0% E100 100% 75% E100 E100 E100 E100 1500 rpm 0% EGR 1.61 1.04 0.66 0.42 — 1500 rpm 18% — EGR 1.49 1.04 0.48 0.36 1500 rpm 36% — EGR 1.52 1.41 0.62 0.63 2000 rpm 0% EGR 1.45 0.86 1.08 0.33 0.07 2000 rpm 8% EGR 1.59 1.01 0.70 0.31 0.05 2000 rpm 36% EGR 2.13 1.1 1 0.80 0.52 0.10 EJEMPLO 7 Este Ejemplo demuestra el uso de gasolina (Indolene) en el motor del Ejemplo 1 con una proporción de compresión nominal de 14:1 , usando el mismo pistón como en los Ejemplos 3-5. El retardo del cierre de la válvula de entrada y el retardo de la chispa se usan para prevenir el golpeteo del motor. No se emplea EGR.

Primero, el motor se operó a 1500 rpm, 3.5 bar NIMEP. El motor no está limitado por golpeteo a baja carga. Por consiguiente, no es necesario cambiar el tiempo de cierre de la válvula de entrada para facilitar una proporción de compresión efectiva más baja. Se mantiene el sincronizado de la válvula y se varía la chispa para determinar el tiempo de MBT.

Como se espera, a 2000 rpm, 8.5 bar NIMEP, el motor está extremadamente limitado por el golpeteo cuando corre gasolina a la proporción de compresión más alta. Para mitigar el golpeteo, el tiempo de cierre de la válvula de entrada se ajusta de manera que se logre la proporción de compresión eficiente más baja. Cerrando la válvula a 65 grados después del punto muerto inferior se proporciona el NIMEP más alto, pero el motor todavía está limitado por el golpeteo. El golpeteo se elimina mediante el retardo del tiempo de la chispa.

CUADRO 12 Datos para la gasolina a las proporciones de compresión de 10:1 y 14:1 a 1500 rpm. 3.5 bar NIMEP 10:1 14:1 NISFC 264 263 (g/kWh) NITE (%) 31.5 31.6 CUADRO 13 Datos para la gasolina a las proporciones de compresión de 10:1 y 14:1 a 2000 rpm. 8.5 bar NIMEP. 10:1 14:1 SA (grad BTDC) 26 10 ISCO (g/kWh) 40.0 12.5 ISHC (g/kWh) 3.7 2.8 ISNOX (g/kWh) 17.1 17.2 EGT (°C) 682 657 EJEMPLO 8 Este Ejemplo describe el encendido en frío del motor del Ejemplo 1 a la temperatura ambiente interior (aproximadamente 25°C). Para el primer experimento de encendido eñ frío, se usa 100% de reformado para encender el motor a 1000 rpm, 1.0 bar NIMEP con temperaturas de fluido fijas a 25 °C. El motor se enciende inmediatamente, con una extraordinaria estabilidad de combustión, que se indica por un COV sumamente bajo de NIMEP como se muestra en la Figura 4. El motor también enciende inmediatamente cuando se usa 100% de E100. Sin embargo, la estabilidad de la combustión es pobre, que se indica por un COV mucho más alto de NIMEP y por emisiones de ISHC mucho más altas (Figura 5).

En los experimentos subsiguientes el tiempo de la chispa se retarda por 15 y 20 grados después del punto muerto superior, con el objetivo de aumentar la temperatura del gas de escape más rápidamente y alcanzar la activación del convertidor catalítico en un tiempo menor. El rápido aumento en las temperaturas del escape se muestra en la Figura 6. El retardo de la chispa aumenta el consumo de combustible, sin embargo, como se muestra en la Figura 7.

EJEMPLO 9 En este Ejemplo, el motor del Ejemplo 1 funciona usando una mezcla de reformado y etanol líquido con recirculación de gas de escape enfriada a 8.5 bar NIMEP y una velocidad del motor de 2000 rpm. Los datos se muestran en el cuadro a continuación.

Para este punto de funcionamiento con alta carga a 2000 rpm, 8.5 bar NIMEP, la cantidad de flujo del reformado y la cantidad de EGR se limita por la cantidad de masa total de entrada que el motor es capaz de impulsar en condiciones sin estrangulación. Por esta razón, sólo el 25% de EGR se logra en el caso de 100% de etanol mientras se mantiene 8.5 Bar NIMEP. Para el caso de 75% de reformado, sólo se logra el 15% de EGR. Está claro que no hay ventaja en reformar el combustible en este punto de funcionamiento en términos de eficiencia térmica. De hecho, la misma eficiencia térmica y las más bajas emisiones de ISNOx se logran corriendo el 25% de EGR sin flujo de reformado. El reformado, sin embargo, proporciona las emisiones de hidrocarburos más bajas en este punto de funcionamiento.

CUADRO 14 Datos para el etanol líquido mezclado ("E100") y el combustible de reformado a una proporción de compresión de 14:1 comparada con la gasolina a 10:1 a 2000 rpm, 8.5 bar NIMEP.

Gas 0% Ref 25% Ref 50% Ref 75% Ref 100% 75% 50% 25% E100 E100 E100 E100 Tasa EGR (%) 0 25 25 20 15 NISFC (g/kWh) 232 305 303 304 306 NITE (%) 35.9 43.3 43.0 42.3 41.2 Ef NITE (%) 35.9 43.3 43.6 43.4 43.1 COV (%) 3.1 0.92 0.69 0.63 0.48 SA (grad 26 26 22 18 16 BTDC) ISCO (g/kWh) 40.0 11.2 8.9 6.3 8.2 ISHC (g/kWh) 3.7 4.6 3.7 2.6 2.0 EJEMPLO 10 Este Ejemplo describe la modificación de un motor Ford de 5.4- litros y 8 cilindros para el funcionamiento con etanol reformado y combustible E85. El motor tiene tres válvulas por cilindro con capacidad de retardo de leva igual dual. La proporción de compresión se incrementa hasta 12:1 mediante el incremento de la altura del pistón mientras se mantiene la corona del pistón completamente plana.

Se inyectó E85 o gasolina a través del puerto de inyectores de combustible. Los inyectores de combustible de hidrógeno gaseoso fabricados por Quantum (P/N 110764-001) se usaron para introducir el combustible reformado sólo por encima del combustible líquido en los puertos de entrada. Se adicionó la capacidad de EGR externa usando una tubería de acero inoxidable para dirigir el flujo de escape desde la brida del colector de escape del banco derecho del motor hasta la válvula de EGR. Las características técnicas del motor se dan en el cuadro 15.

CUADRO 15 Características técnicas para un motor de ocho cilindros que funciona usando etanol reformado y combustible E85.

Propiedades Valor Unidad Tipo de motor 4-tiempos - Sistema de Combustión Ignición o chispa - Sistema de carga Aspirada naturalmente - Sistema de inyección de Puerto de inyección de - combustible combustible Dual Configuración de las SOHC: 2 entradas - 1 - válvulas escape Configuración del motor V8 - Cilindrada 5.4 I Diámetro 90.2 Mm Carrera 105.8 Mm Proporción de compresión 9.8:1 - Largo de la varilla 169.1 Mm Bulón del pistón 1.0 Mm Tren de Válvulas Temporizado de levas - Variable Dual-igual Potencia nominal 233 kW Velocidad nominal 5000 Rpm Torque máximo 515 Nm Velocidad en el torque 3750 Rpm máximo Combustible Gasolina / E85 & Reformado Los reformadores se insertaron en la corriente de escape por debajo de los convertidores catalíticos. Una válvula desviadora puesta en la corriente de escape controló la cantidad de flujo de escape dirigida hacia el reformador. Un LNT de 5.6I de volumen con dos 6"x6" ladrillos envejecidos se instaló por debajo del reformador. En los siguientes Ejemplos, los datos se presentan a partir de experimentos en los cuales el reformador no se usó y el reformado se suministró directamente desde un cilindro que contiene una mezcla 1 :1 :1 (mol:mol) de hidrógeno, metano, y monóxido de carbono. Esto sirve para definir más claramente la influencia de la estrategia de funcionamiento del motor en la eficiencia y las emisiones.

EJEMPLO 11 El torque del motor se midió con el regulador completamente abierto (WOT) para el motor del Ejemplo 10 que usa gasolina 98 RON y E85 certificado a proporciones de compresión de 10:1 y 12:1 respectivamente. El incremento en la proporción de compresión y los favorables índices de octano de E85 proporcionaron un 5-10% de incremento en el torque máximo a través de un intervalo de velocidades del motor. Los datos se muestran en el cuadro 16.

CUADRO 16 Torque usando gasolina 98 RON a CR 10:1 y E85 a CR 12:1. Regulador completamente abierto.

Velocidad del motor Torque (N-M) (rpm) gasolina 98 RON CR 10 E85 CR 12 1000 395 439 1500 439 464 2000 454 480 2500 465 490 3000 494 520 4000 493 540 5000 420 449 EJEMPLO 12 Este Ejemplo compara la eficiencia del motor y las emisiones en tres puntos representativos con régimen estable en el ciclo de conducción. El máximo torque de frenado (MBT) y el tiempo de chispa se usaron para todos los puntos. Las condiciones de funcionamiento del motor se optimizaron separadamente para la gasolina 98 RON, E85 líquido, y mezclado (50/50) alimentando con el "reformado simulado" de los cilindros de gas y E85 líquido.

Los dos combustibles líquidos no exhibieron una tolerancia a la dilución suficiente para facilitar el funcionamiento con lambda mayor que uno con COV y ??? aceptables. Los puntos óptimos para la gasolina y E85 se seleccionan por consiguiente para corresponder con el retardo máximo alcanzable de la leva mientras se mantiene un COV aceptable de combustión. De manera similar, el punto óptimo de funcionamiento que usa reformado/E85 se seleccionó en base a la eficiencia y NOx con un COV de combustión aceptable y temperaturas de escape mayores que 425°C. Como se discutió en la descripción, éste no era típicamente el punto de lambda más alto.

A diferencia de los Ejemplos que presentan los datos del motor de un solo cilindro, estos datos se presentan en base al "frenado" con las emisiones y eficiencia referenciadas a la potencia real producida por el motor, no la potencia indicada. Para un punto de funcionamiento (1200 rpm, 1.95 bar BMEP), los datos para la gasolina no están disponibles debido a un problema experimental.

Abreviaturas: COV: Coeficiente de variación de IMEP BSFC: Consumo específico de combustible durante el frenado BTE: Eficiencia térmica de frenado basado en el valor calorífico más bajo (LHV) del combustible suministrado.

Ef BTE: Eficiencia térmica de frenado basado en el valor calorífico más bajo de etanol por reformado, simulando la eficiencia efectiva del sistema reformador-motor.

COV: Coeficiente de variación de potencia por cilindro por ciclo AP: Presión absoluta del colector SA: Avance de la Chispa antes del punto muerto superior BSCO: Emisiones específicas de monóxido de carbono durante el frenado del motor BSHC: Emisiones específicas de hidrocarburos totales durante el frenado del motor BSCH4: Emisiones específicas de metano durante el frenado del motor BSNOx: Emisiones específicas de NOx durante el frenado del motor EGT: Temperatura del gas de escape aguas arriba de los convertidores catalíticos, promedio de dos temperaturas del banco de escape, CUADRO 17 Datos del motor descrito en el Ejemplo 10 usando gasolina 98 RON a una proporción de compresión de 10:1 , combustible E85 exclusivamente o en una mezcla simulada 50-50 de etanol reformado (E85/Ref) a una proporción de compresión de 12:1 a 1500 rpm, 2.62 bar BMEP. Los datos que se muestran son para puntos de funcionamiento optimizados como se describe en la descripción.

Gas E85 E85 /Ref Lambda 1.0 1.0 1.35 Retardo de leva 45 50 55 (grad CA) BSFC (g/kWh) 289 388 364 BTE (%) 28.8 31.7 34.0 Ef BTE (%) COV (%) MAP (kPa) 58.5 61.5 80.0 SA (grad BTDC) 47 32.7 29.6 BSCO (g/kWh) 17.53 14.72 4.18 BSHC (g/kWh) 3.90 4.29 4.92 BSNOX (g/kWh) 6.24 3.02 0.72 EGT (°C) 543 501 465 CUADRO 18 Datos a 1200 rpm. 1.95 bar BMEP E85 E85 /Ref Lambda 1.0 1.3 COV (%) MAP (kPa) 34.2 55.5 SA (grad BTDC) 25 28.8 BSCO (g/kWh) 27.08 5.74 BSHC (g/kWh) 5.43 5.07 BSNOX (g/kWh) 7.67 1.39 EGT (°C) 458 439 EJEMPLO 13 Este Ejemplo presenta datos similares a los del Ejemplo 12 en un punto de funcionamiento a una potencia más alta, 1200 rpm 4.33 bar BMEP. En este punto el retardo base de la leva es 50°CA. Esto proporciona un MAP muy alto en este punto de funcionamiento el cual está realmente cerca del límite de 90 kPa. Con el objetivo de incrementar lambda, el retardo de la leva debe reducirse continuamente para proporcionar la oportunidad de incrementar la dilución. El retardo de la leva reducido proporciona menos movimiento de la carga en el cilindro lo cual reduce el límite de dilución del motor. Este motor se equipa con un prototipo 2006MY de colector de entrada el cual incluye una válvula de control de movimiento de carga (CMCV). La CMCV se usa para incrementar la turbulencia y promover la combustión. Esta no se usa en el motor 2009MY porque no es necesaria debido a los elevados niveles de retardo de la leva y a la altura incrementada de la careta de entrada en la cámara de combustión. Sin embargo, para este punto de funcionamiento, es conveniente usar la CMCV para promover el mezclado turbulento y el incremento adicional del límite de dilución dado que se requieren bajos niveles de retardo de la leva. Los datos en el cuadro 19 reflejan el uso de la CMCV para E85 y E85/reformado, pero no para la gasolina.

CUADRO 19 Datos a 1200 rpm, 4.33 bar BMEP Gas E85 E85 /Ref Lambda 1 1 1.6 Retardo de leva 50 50 35 (deg CA) BSFC (g/kWh) 256 350 330 BTE (%) 32.61 35.19 37.64 Ef BTE (%) COV (%) MAP (kPa) 76.5 79.7 88.4 SA (grad BTDC) 36 21.2 24.3 BSCO (g/kWh) 15.02 8.42 4.85 BSHC (g/kWh) 2.90 3.60 5.85 BSNOX (g/kWh) 8.50 5.09 1.71 EGT (°C) 524 496 440 EJEMPLO 14 Este Ejemplo proporciona los datos para el motor del Ejemplo 12 sin desplazamiento. El punto de no desplazamiento del motor es único de otros puntos de carga parcial discutidos. El EGT bajo sin desplazamiento previene el uso de altas lambda. Además, la baja presión de aceite del motor a la velocidad sin desplazamiento previene el uso de VCT para aplicar el retardo de la leva para incrementar el residuo interno. Por consiguiente, el único método posible para incrementar la dilución es el uso de la EGR externa. Típicamente, este método no se usa con la gasolina o con E85 debido a que resulta en una degradación de la estabilidad sin desplazamiento.

El motor es estable sin desplazamiento tanto para E85 como el caso de 50% de reformado. Sin embargo, para el caso del reformado tuvo duraciones de quema de 0 -10% ligeramente más rápidas y las emisiones de HC se redujeron significativamente por la combustión promovida por el hidrógeno. Por consiguiente, el paso de la EGR sólo se realizó con el reformado dado que a esta carga baja, un incremento de la EGR incrementa adicionalmente las emisiones de HC. Para ambos casos, lambda se incrementa ligeramente hasta 1.04 para reducir las emisiones de CO para mejorar el consumo de combustible, ya que se permite la combustión pobre mediante el uso de LNT. Sin desplazamiento, las pequeñas variaciones en BMEP pueden causar grandes cambios en la estabilidad de la combustión, consumo de combustible y mediciones de la emisión si se reporta de manera tradicional. Por consiguiente, la estabilidad de la combustión es indicada por SD de IMEP y el consumo de combustible y de emisiones se reportan en gramos por hora por litro de cilindrada del motor (g/lh).

Para el caso del reformado, la EGR se incrementa de 0% a 20% sin encontrar ningún problema de estabilidad. El incremento de la EGR también proporciona un incremento de MAP el cual reduce el consumo de combustible a través de la reducción del trabajo de bombeo. En el gas de alimentación, el NOx también se reduce significativamente debido al nivel más alto de dilución. Esto es importante porque permite un período más extenso para las corridas ligeramente pobres antes de que las LNT requieran regeneración.

CUADRO 20 Datos a 525 rpm sin desplazamiento, 1.0 bar BMEP. El retardo de la leva fue cero sin desplazamiento debido a la baja presión de aceite, pero se usa una EGR externa.

E85 E85 /Ref Lambda 1.04 1.04 EGR % 2.5 20 BSFC (g/kWh) 640 587 BTE (%) 19.22 20.96 Ef BTE (%) COV (kPa) 0.9 2.4 MAP (kPa) 28.3 35.6 SA (grad 18.9 22.2 BTDC) BSCO (g/kWh) 25.79 21.38 BSHC (g/kWh) 27.91 14.84 BSNOX 5.85 0.74 (g/kWh) EGT (°C) 227 253 EJEMPLO 15 Este ejemplo describe el uso y regeneración de una trampa de ??? que funciona con el motor del Ejemplo 12. El motor funciona pobre tal como se describe en los Ejemplos 13 y 14 y entonces se regenera mediante el funcionamiento enriquecido del motor (lambda = 0.8) durante unos segundos.

La Figura 8 muestra varios ciclos de regeneración mientras el motor funciona a 1200 rpm, 4.33 bar BMEP como en el Ejemplo 13. Se logra un BSFC con funcionamiento pobre usando reformado en este punto de funcionamiento de 327 g/kWh comparado con 347 g/kWh al usar sólo E85 y funcionamiento estequiométrico. Al usar un ciclo de regeneración para LNT de 100s pobre y 2s enriquecido provoca un incremento de BSFC de 1.2% hasta 331 g/kWh. Esto es una mejora del 5% por encima de la línea base del caso E85 a 12:1 CR y una dilución interna alta.

La capacidad de carga de LNT así como la eficiencia de la conversión es altamente dependiente de la temperatura del catalizador en la LNT. Durante este ciclo de regeneración, la temperatura de LNT decrece ligeramente. Con la estabilización de la temperatura, la eficiencia de la conversión se incrementa. Esto se indica por un decrecimiento de NOx en los tubos de escape vehiculares y un incremento del desprendimiento de CO. Los cambios en estos parámetros implican que un intervalo de carga más largo o un intervalo de regeneración más corto se pueden usar para optimizar este punto y adicionalmente reducir BSFC.

La regeneración de la trampa de NOx a 1500 rpm, 2.83 bar BMEP se muestra en la Figura 9. Para este ciclo, los intervalos se determinaron para ser de 300s de combustión pobre seguida por 4s de combustión enriquecida. El BSFC que se logra con este funcionamiento pobre que usa el reformado en este punto de funcionamiento es de 362 g/kWh en comparación con 377 g/kWh que sólo usan E85 y funcionamiento estequiométrico. El ciclo de regeneración LNT de 300s pobre y 4s enriquecido aumenta el BSFC en 1.5% a 368 g/kWh. Este intervalo de tiempo proporciona una eficiencia de conversión de NOx sumamente alta y muy bajo NOx en los tubos de escape vehiculares. Los altos desprendimientos de CO e HC indican que es necesaria una optimización adicional del intervalo de tiempo y que mejoraría significativamente BSFC. Sin embargo, a pesar de la falta de optimización, este tiempo proporciona una mejora de 2.5% en el consumo de combustible sobre la línea base del caso E85.

EJEMPLO 16 Este Ejemplo describe el ensayo de encendido en frío del motor del Ejemplo 12 a 20°C. El encendido en frío con E85 se controló por una Unidad de Control de motor Ford (ECU) usando la calibración de la fábrica. Los valores de lambda para este caso son ¡nicialmente tan ricos como 0.5 con el objetivo de encender el motor. Entonces se usa el funcionamiento estequiométríco mientras la velocidad del motor se incrementa y se retardan los tiempos de chispa a 15°CA ATDC para obtener un EGT alto para una rápida activación del TWC. Una vez alcanzadas las temperaturas de 400°C, la velocidad del motor se reduce lentamente hasta aproximadamente 850 rpm. Esta velocidad del motor se mantiene hasta que el motor este suficientemente caliente para mantener una baja velocidad sin desplazamiento del motor.

El encendido en frío también se logra con las mezclas de E85 y reformado (de un cilindro) a un valor de lambda de 1.0. El consumo de combustible se reduce mientras la elevada inflamabilidad del hidrógeno conlleva a una ignición sumamente rápida a pesar de las condiciones estequiométricas de encendido.

Es de destacar que el encendido en frío usando 50-100% de reformado redujo significativamente las emisiones del motor al exterior de hidrocarburos y CO, debido a la capacidad de encender a lambda=1 y la rápida combustión facilitada por el hidrógeno. Como se muestra en la Figura 10, las emisiones de hidrocarburos al usar solo E85 excedieron la lectura máxima del instrumento, pero estos niveles se redujeron drásticamente al usar 50%, 75%, o 100% de reformado. También se reducen drásticamente las emisiones de CO.

Al introducir elementos de la presente invención o de las modalidades preferidas de ésta, los artículos "un", "un", "el" y "dicho" significan que hay uno o más de los elementos. Los términos "que comprende", "que incluye" y "que tiene" se pretende que incluyan y significan que puede haber elementos adicionales distintos de los elementos enumerados.

Ya que pueden realizarse varios cambios en las construcciones, productos, y métodos anteriores sin apartarse del alcance de la invención, se intenta que toda la materia contenida en la descripción anterior y que se muestra en los dibujos acompañantes se interprete como ilustrativa y no en un sentido limitante.

Claims (32)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un proceso para la producción de energía mecánica o eléctrica a partir de un combustible que comprende etanol, el proceso comprende: contactar una mezcla de gas de alimentación que comprende el combustible de etanol con un catalizador de reformado que comprende cobre en una zona de reacción de reformado para producir una mezcla de gas producto de reformado que comprende hidrógeno, metano y un componente de óxido de carbono seleccionado del grupo que consiste en monóxido de carbono, dióxido de carbono y mezclas de estos; combustionar una mezcla de gas combustible en una cámara de combustión de un motor de combustión interna para producir una mezcla de gas de escape, la mezcla de gas combustible comprende aire, hidrógeno y metano obtenidos en la mezcla de gas producto de reformado y un efluente de gas de escape que comprende de aproximadamente 5% a aproximadamente 40% de la mezcla de gas de escape producida en la combustión anterior; utilizar la energía de combustión para la generación de energía mecánica o eléctrica; descargar al menos una porción de la mezcla de gas de escape de la cámara de combustión; y poner al menos una porción de la mezcla de gas de escape descargada en contacto térmico con la zona de la reacción de reformado para calentar así el catalizador de reformado y enfriar la mezcla de gas de escape descargada.

2.- El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la temperatura del catalizador de reformado a la salida de la zona de reacción de reformado está por debajo de aproximadamente 400°C.

3.- El proceso de conformidad con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado además porque la proporción molar de metano con relación al componente de óxido de carbono en la mezcla de gas producto de reformado es de aproximadamente 0.9 a aproximadamente 1.25 y la proporción a la cual se produce el metano en la mezcla de gas de reformado es al menos aproximadamente 50% de la proporción de etanol introducido en la zona de reacción de reformado en base molar.

4.- El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado además porque la mezcla de gas combustible comprende adicionalmente etanol sin reformar.

5.- El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado además porque la mezcla de gas combustible comprende el efluente de gas de escape que se produce por: recircular internamente una porción de la mezcla de gas de escape reteniendo una porción de la mezcla de gas de escape en la cámara de combustión y/o arrastrando una porción de la mezcla de gas de escape descargada de regreso a la cámara de combustión durante el recorrido de entrada subsiguiente; y/o recircular externamente una porción de la mezcla de gas de escape enfriada hacia la cámara de combustión seguido del contacto térmico entre la mezcla del gas de escape descargada con la zona de reacción de reformado.

6. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado además porque de aproximadamente 5% a aproximadamente 25% de la mezcla de gas de escape se recircula externamente hacia la cámara de combustión.

7. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado además porque de aproximadamente 5% a aproximadamente 40% de la mezcla de gas de escape se recircula internamente.

8. - El proceso de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque una porción de la mezcla del gas de escape se recircula internamente usando un retardo de leva igual dual.

9. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado además porque de aproximadamente 15% a aproximadamente 40% de la mezcla de gas de escape producida en la combustión anterior se recircula a la cámara de combustión.

10. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado además porque de aproximadamente 30% a aproximadamente 40% de la mezcla de gas de escape producida en la combustión anterior se recircula a la cámara de combustión.

1 1.- Un proceso para producir energía mecánica o eléctrica a partir de un combustible que comprende etanol, el proceso comprende: contactar una mezcla de gas de alimentación que comprende el combustible de etanol con un catalizador de reformado que comprende cobre en una zona de reacción de reformado para producir una mezcla de gas producto de reformado que comprende hidrógeno, metano y un componente de óxido de carbono seleccionado del grupo que consiste en monóxido de carbono, dióxido de carbono y mezclas de estos; en donde la proporción molar de metano con relación al componente de óxido de carbono en la mezcla de gas producto de reformado es de aproximadamente 0.9 a aproximadamente 1.25 y la proporción a la cual se produce el metano en la mezcla de gas de reformado es al menos aproximadamente 50% de la proporción de etanol introducido en la zona de reacción de reformado en una base molar; combustionar una mezcla de gas combustible que comprende aire e hidrógeno y metano que se obtiene en la mezcla de gas producto de reformado en una cámara de combustión de un motor de combustión interna de aproximadamente 5% a aproximadamente 40% de recirculación de gas de escape para producir una mezcla de gas de escape; utilizar la energía de combustión para la generación de energía mecánica o eléctrica; y poner al menos de una porción de la mezcla de gas de escape descargada en contacto térmico con la zona de reacción de reformado para calentar así el catalizador de reformado y enfriar la mezcla de gas de escape descargada.

12.- El proceso de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado además porque la temperatura del catalizador de reformado a la salida de la zona de reacción de reformado está por debajo de aproximadamente 400°C.

13.- El proceso de conformidad con la reivindicación 11 o la reivindicación 12, caracterizado además porque la mezcla de gas combustible comprende adicionalmente etanol sin reformar.

14. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 13, caracterizado además porque la mezcla de gas combustible se produce por: recircular internamente una porción de la mezcla de gas de escape reteniendo una porción de la mezcla de gas de escape en la cámara de combustión y/o arrastrando una porción de la mezcla de gas de escape descargada de regreso a la cámara de combustión durante el recorrido de entrada subsiguiente; y/o recircular externamente una porción de la mezcla de gas de escape enfriada hacia la cámara de combustión seguido de un contacto térmico entre la mezcla de gas de escape descargada con la zona de reacción de reformado.

15. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado además porque de aproximadamente 5% a aproximadamente 25% de la mezcla de gas de escape se recircula externamente hacia la cámara de combustión.

16. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado además porque de aproximadamente 5% a aproximadamente 40% de la mezcla de gas de escape se recircula internamente.

17. - El proceso de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque una porción de la mezcla de gas de escape se recircula internamente usando el retardo de la leva igual dual.

18. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado además porque la mezcla de gas combustible se combustiona con aproximadamente 15% a aproximadamente 40% de gas de escape de recirculación.

19.- El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 15, caracterizado además porque la mezcla de gas combustible se combustiona con aproximadamente 30% a aproximadamente 40% de gas de escape de recirculación.

20. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, caracterizado además porque la mezcla de gas combustible comprende al menos 20% de etanol sin reformar con respecto al etanol reformado en la mezcla de gas combustible en una base de masa.

21. - Un proceso para la producción de energía mecánica o eléctrica a partir de un combustible que comprende etanol, el proceso comprende: contactar una mezcla de gas de alimentación que comprende el combustible de etanol con un catalizador de reformado que comprende cobre en una zona de la reacción de reformado para producir una mezcla de gas producto de reformado que comprende hidrógeno, metano y un componente de óxido de carbono seleccionado de un grupo que consiste en monóxido de carbono, dióxido de carbono y mezclas de estos; introducir una mezcla fluida de entrada en una cámara de combustión de un motor de combustión interna, la mezcla fluida de entrada comprende aire e hidrógeno y metano obtenidos en la mezcla de gas producto del reformado, en donde la lambda (?) de la mezcla fluida de entrada es mayor que 1 ; combustionar la mezcla fluida de entrada en la cámara de combustión para producir una mezcla de gas de escape que comprende los óxidos de nitrógeno; utilizar la energía de combustión para la generación de energía mecánica o eléctrica; descargar por lo menos una porción de la mezcla de gas de escape desde la cámara de combustión; poner al menos una porción de la mezcla de gas de escape descargada en contacto térmico con la zona de reacción de reformado para calentar así el catalizador de reformado y enfriar la mezcla de gas de escape descargada; y pasar una porción de la mezcla del gas de escape descargada al menos a través de una trampa de óxidos de nitrógeno.

22. - El proceso de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque la mezcla de gas de escape descargada se pone en contacto con un catalizador de oxidación dentro de una zona de oxidación de óxidos de nitrógeno de la trampa de óxidos de nitrógeno para la conversión catalítica de los óxidos de nitrógeno a nitratos.

23. - El proceso de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque el catalizador de oxidación en la zona de oxidación de los óxidos de nitrógeno se regenera mediante contacto del catalizador con la mezcla de gas producto del reformado bajo condiciones reductoras para convertir los nitratos a nitrógeno gaseoso.

24. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 21 a 23, caracterizado además porque la mezcla de gas de escape descargada se enfría primero por contacto térmico con la zona de reacción de reformado antes de atravesar la trampa de óxidos de nitrógeno.

25. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 21 a 24, caracterizado además porque la temperatura del catalizador de reformado a la salida de la zona de reacción de reformado está por debajo de aproximadamente 400°C.

26. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 21 a 25, caracterizado además porque la proporción molar de metano con relación al componente de óxido de carbono en la mezcla de gas producto del reformado es de aproximadamente 0.9 a aproximadamente 1.25 y la proporción a la cual se produce el metano en la mezcla gaseosa de reformado es al menos aproximadamente 50% de la proporción de etanol introducido en la zona de reacción de reformado en una base molar.

27. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 21 a 26, caracterizado además porque la mezcla fluida de entrada comprende adicionalmente etanol sin reformar.

28. - El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 21 a 27, caracterizado además porque la lambda (?) de la mezcla fluida de entrada está dentro de un intervalo de aproximadamente 1 .8 a aproximadamente 2.2 cuando el motor funciona a una presión efectiva media indicada (IMEP) menor que aproximadamente 7 bar y la trampa de óxidos de nitrógeno no está en proceso de regeneración.

29.- Un proceso para la producción de energía mecánica o eléctrica a partir de un combustible que comprende etanol, el proceso comprende: contactar una mezcla del gas de alimentación que comprende el combustible de etanol con un catalizador de reformado que comprende cobre en una zona de la reacción de reformado para producir una mezcla de gas producto de reformado que comprende hidrógeno, metano y un componente de óxido de carbono seleccionado del grupo que consiste en monóxido de carbono, dióxido de carbono y mezclas de estos; introducir una mezcla fluida de entrada en una cámara de combustión de un motor de combustión interna, la mezcla fluida de entrada comprende aire y un combustible seleccionado del grupo de hidrógeno y metano obtenidos en la mezcla de gas producto del reformado, etanol sin reformar y mezclas de estos; combustionar la mezcla fluida de entrada en la cámara de combustión para producir una mezcla de gas de escape; utilizar la energía de combustión para la generación de energía mecánica o eléctrica; descargar una porción de la mezcla de gas de escape al menos desde la cámara de combustión; y poner al menos una porción de la mezcla de gas de escape descargada en contacto térmico con la zona de reacción de reformado para calentar por tanto el catalizador de reformado y enfriar la mezcla de gas de escape descargada, en donde cuando el motor de combustión interna funciona por debajo de aproximadamente 7 bar IMEP, la mezcla fluida de entrada se diluye al menos aproximadamente por 20% y el combustible en la mezcla fluida de entrada comprende una mezcla de etanol reformado y etanol sin reformar en una proporción de masa de aproximadamente 1 :3 a aproximadamente 3:1.

30.- El proceso de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado además porque la mezcla fluida de entrada se diluye con la mezcla de gas de escape recirculada y/o aire en exceso del requerido para la combustión completa del combustible.

31.- El proceso de conformidad con la reivindicación 29 o la reivindicación 30, caracterizado además porque el motor de combustión interna funciona de aproximadamente 5 a aproximadamente 7 bar IMEP, el combustible en la mezcla fluida de entrada comprende una mezcla de etanol reformado y etanol sin reformar en una proporción en masa de aproximadamente 1 :4 a aproximadamente 1.5:1.

32.- El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 29 a 31 , caracterizado además porque el motor de combustión interna funciona por encima de aproximadamente 8 bar IMEP, el combustible en la mezcla fluida de entrada comprende esencialmente etanol sin reformar.