BRPI0612863A2

BRPI0612863A2 - método para regeneração de conversores catalìticos de armazenamento de óxido de nitrogênio

Info

Publication number: BRPI0612863A2
Application number: BRPI0612863-7A
Authority: BR
Inventors: Stephan Bremm; Christian Manfred Tomanik; Thomas Kreuzer; Ulrich Goebel; Wilfried Mueller
Original assignee: Umicore Ag & Co Kg
Priority date: 2005-07-16
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2010-11-30
Also published as: CN101248257B; RU2008105358A; CN101248257A; ATE412819T1; DE102005033395B4; EP1907675B1; DE502006001956D1; WO2007009550A1; BRPI0612863B1; JP4728395B2; US7905087B2; US20090145112A1; KR20080026175A; RU2402684C2; KR101281485B1; JP2009501864A; DE102005033395A1; EP1907675A1

Abstract

MéTODO PARA REGENERAçãO DE CONVERSORES CATALITICOS DE ARMAZENAMENTO DE óXIDO DE NITROGêNIO. A presente invenção refere-se a conversores catalíticos de armazenamento de óxido de nitrogênio para purificar o gás de exaustão de motores de combustão pobre, conversores estes que são periodicamente regenerados mediante comutação do motor de modo combustão pobre para modo combustão rica. Depois da regeneração ter ocorrido, o motor é comutado de volta ao modo combustão pobre. Nesse instante, gás de exaustão rico ainda flui na linha de exaustão do motor para o conversor catalítico, gás de exaustão rico que é ejetado via conversor catalítico para o meio ambiente pelo gás de exaustão pobre seguinte. Isso leva a picos breves de emissões dos constituintes do gás de exaustão rico e prejudica o nível de limpeza do gás de exaustão que pode ser obtida. A fim de resolver esse problema, propõe-se criar condições oxidantes mediante injeção de ar a montante do conversor catalítico de armazenamento, de modo que os constituintes do gás de exaustão rico que ainda fluem na linha de exaustão a montante do conversor catalítico de armazenamento possam ser convertidos no conversor catalítico de armazenamento para formar produtos não nocivos, O método proposto pode conduzir a um aperfeiçoamento considerável na purificação de gás de exaustão, em particular no caso de conversores catalíticos que já estão prejudicados por envelhecimento em termos de sua capacidade de armazenamento e que têm de ser regenerados significativamente com mais freqúência do que conversores catalíticos novos.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODOPARA REGENERAÇÃO DE CONVERSORES CATALÍTICOS DE ARMAZENAMENTO DE ÓXIDO DE NITROGÊNIO".

A presente invenção refere-se a um método para regeneraçãode conversores cataiíticos de armazenamento de oxido de nitrogênio quereduz os picos de emissões curtas de hidrocarbonetos e monóxido de car-bono que usualmente ocorrem durante regeneração quando se comuta no-vamente para o modo armazenamento. O método é particularmente vantajo-so no caso de conversores catalíticos que já estão prejudicados por enve-lhecimento e que têm de ser regenerados mais freqüentemente do que con-versores catalíticos novos.

Conversores catalíticos de armazenamento de oxido de nitrogê-nio são usados para remover os óxidos de nitrogênio contidos no gás de e-xaustão pobre de chamados motores de combustão pobre. Aqui, o efeito depurificação baseia-se no fato de que, em uma fase de operação de combus-tão pobre (fase de armazenamento, modo combustão pobre) do motor, osóxidos de nitrogênio são armazenados pelo material de armazenamento doconversor cataiítico de armazenamento na forma de nitratos. Em uma fasesubseqüente de operação de combustão rica (fase de regeneração, modocombustão rica) do motor, os nitratos anteriormente formados são decom-postos e os óxidos de nitrogênio liberados são convertidos com os constitu-intes ricos, que têm uma ação redutora, do gás de exaustão durante o modocombustão rica no conversor catalítico de armazenamento para formar nitro-gênio, dióxido de carbono e água. Constituentes ricos do gás de exaustãoincluem hidrocarbonetos, monóxido de carbono e hidrogênio.

O modo de operação de conversores catalíticos de armazena-mento de óxido de nitrogênio é descrito em detalhes no documento SAE950809. A composição de conversores catalíticos de armazenamento deóxido de nitrogênio é suficientemente bem-conhecida daquele versado noestado da técnica. Os materiais de armazenamento de óxido de nitrogêniosão geralmente compostos alcalinos de metais alcalinos ou alcalino-terrosostais como, por exemplo, óxidos, hidróxidos ou carbonatos de bário e estrôn-cio que são aplicados sob forma finamente distribuída em materiais de su-porte adequados. Adicionalmente, um conversor catalítico de armazenamen-to de oxido de nitrogênio também apresenta metais nobres cataliticamenteativos do grupo da platina e materiais de armazenamento de oxigênio. A ditacomposição fornece um conversor catalítico de oxido de nitrogênio com afunção de um conversor catalítico de três vias sob condições estequiométri-cas de operação.

A fase de armazenamento (modo combustão pobre) usualmentedura 100 a 200 segundos e é dependente da capacidade de armazenamentodo conversor catalítico e da concentração dos óxidos de nitrogênio no gásde exaustão. No caso de conversores catalíticos envelhecidos com reduzidacapacidade de armazenamento, a duração da fase de armazenamento podecontudo também cair para 50 segundos e menos. A fase de regeneração(modo combustão rica) é, em contraste, sempre significativamente mais cur-ta e dura somente alguns segundos. O gás de exaustão que emerge dõ con-versor catalítico de armazenamento de oxido de nitrogênio durante regene-ração é substancialmente livre de poluentes e é de composição estequiomé-trica. Sua proporção de ar λ é aproximadamente igual a 1 durante esse tempo.

No final da fase de regeneração, os óxidos de nitrogênio libera-dos e o oxigênio que se liga aos componentes de armazenamento de oxigê-nio do conversor catalítico não são mais suficientes para oxidar todos osconstituintes do gás de exaustão rico. Há, portanto, uma ruptura dessesconstituintes através do conversor catalítico e a razão de ar cai a um valorabaixo de 1. A dita ruptura indica o fim da regeneração e pode ser registradapor meio de uma chamada sonda lâmbda a jusante do conversor catalíticode armazenamento.

A regeneração de um conversor catalítico de armazenamentoassocia-se, portanto, inevitavelmente a picos de emissões curtas de hidro-carbonetos e monóxido de carbono, que são intensificados todavia adicio-nalmente pelo seguinte efeito: a linha de exaustão entre o motor e o conver-sor catalítico de armazenamento usualmente possui um comprimento finito.Durante a comutação do modo combustão rica para o modo combustão po-bre, toda a linha de exaustão está ainda cheia de gás de exaustão rico, queé descarregado por meio do conversor catalítico no meio ambiente após atroca pelo gás de exaustão agora pobre do motor. O conversor catalítico nãopode mais purificar a proporção residual de gás de exaustão rico, uma vezque os constituintes oxidantes anteriormente armazenados já foram consu-midos durante o modo combustão rica. Há, portanto, um pico de emissõesintensificadas resultantes de hidrocarbonetos e monóxido de carbono no fimde uma regeneração.

Trata-se de um objetivo da presente invenção especificar ummétodo que seja capaz de reduzir os picos de emissões e permitir purifica-ção global aperfeiçoada de gás de exaustão, em particular no caso de con-versores catalíticos de armazenamento já envelhecidos.

Esse objetivo é alcançado por meio de um método para regene-ração de um conversor catalítico de armazenamento de oxido de nitrogênio,que é disposto na linha de exaustão de um motor de combustão pobre, co-mutando o motor de modo combustão pobre com gás de exaustão pobrepara modo combustão rica com gás de exaustão rico, e comutar de voltapara o modo combustão pobre após regeneração ter ocorrido. O métodocaracteriza-se pelo fato de que, com a comutação de volta ao modo combus-tão pobre, ar é injetado no gás de exaustão diretamente a montante do con-versor catalítico de armazenamento, e, portanto, a composição do gás deexaustão temporariamente ainda rica muda para uma composição estequi-ométrica ou pobre, até o gás de exaustão agora pobre do motor atingir oconversor catalítico de armazenamento.

A injeção temporária de ar na linha de exaustão já é conhecidapor exemplo de DE 198 02 631 C1, que descreve um sistema de purificaçãode gás de exaustão para um motor de combustão pobre composto de umconversor catalítico de armazenamento de óxido de nitrogênio e um conver-sor catalítico de armazenamento de SOx disposto a montante na linha deexaustão. Nesse documento, o ar adicional é utilizado para elevar a tempe-ratura do conversor catalítico de SOx até a temperatura de dessulfurizaçãocom o fim de dessulfurizar. O oxigênio do ar adicional é convertido aqui comuma parte dos constituintes redutores do gás de exaustão no conversor ca-talítico de armazenamento de SOx com a liberação de energia térmica, en-quanto se mantém uma composição redutora de gás de exaustão. A injeçãodo ar adicional começa com a comutação do motor de modo combustão po^bre para o modo combustão rica.

De acordo com a invenção, em contraste, a composição do gásde exaustão rico que ainda flui na linha de exaustão entre o motor e o con-versor cataiítico após a comutação do modo combustão rica para o modocombustão pobre desloca-se para a faixa pobre estequiométrica ou superes-tequiométrica mediante injeção de ar, de modo que o conversor catalítico dearmazenamento seja capaz de converter os constituintes redutores, que es-tão contidos no gás de exaustão, com oxigênio. Os picos de emissões deconstituintes redutores de gás de exaustão que inevitavelmente ocorremquando se comuta do modo combustão rica para o modo combustão pobresão, portanto, reduzidos ao nível mínimo exigido.

A duração da injeção de ar é dependente do tempo de desloca-mento do gás de exaustão entre o motor e o conversor catalítico, e resultada extensão da linha de exaustão e da velocidade de fluxo do gás de exaus-tão no respectivo ponto de operação do motor. A quantidade de ar injetadono gás de exaustão deve deslocar a razão de ar do gás de exaustão a mon-tante da entrada do conversor catalítico de armazenamento para a faixa po-bre estequiométrica ou superestequiorriétrica. A intensidade da injeção de aré preferencialmente dimensionada tal que a mistura de gases resultante a-presente uma razão de ar λ igual ou maior que 1, e, em particular, entre 1 e1,3, e particularmente de preferência entre 1 e 1,05. Uma injeção de ar ex-cessivamente intensa deverá ser evitada a fim de manter o resfriamento dogás de exaustão pelo ar frio tão baixo quanto possível.

A invenção é explicada mais pormenorizadamente abaixo combase nas figuras 1 e 2, em que:

Figura 1: mostra um motor de combustão interna que apresentaum sistema de purificação de gás de exaustão e alimentação secundária dear para realizar o método de acordo com a invenção,

Figura 2: mostra um motor de combustão interna que apresentaum sistema de purificação de gás de exaustão e alimentação secundáriaalternativa de ar para realizar o método de acordo com a invenção.

Na figura 1, o motor de combustão interna (1) é dotado de umsistema de purificação de gás de exaustão (2) que compreende uma carcaçade conversor (3) com um conversor catalítico de armazenamento de oxidode nitrogênio. A carcaça do conversor conecta-se por meio da linha de e-xaustão (4) e do tubo de exaustão aos cilindros do motor de combustão in-terna. Para injeção de ar uma curta distância a montante do conversor catalí-tico de armazenamento de oxido de nitrogênio, uma bomba de ar secundária(5) é dotada. A linha de alimentação de ar (6) estende-se uma curta distân-cia a montante do conversor catalítico de armazenamento até o sistema deexaustão. O ponto de extensão pode situar-se aqui uma curta distância amontante da carcaça do conversor ou pode ocorrer diretamente na carcaçado conversor. Uma válvula dosadora (7) serve para medir a injeção de ar notempo correto e na quantidade correta.

Como já discutido, a regeneração do conversor catalítico de ar-mazenamento dura somente alguns segundos e a descarga do gás de e-xaustão residual rico pelo gás de exaustão pobre seguinte da linha de e-xaustão entre os cilindros do motor e o conversor catalítico de armazena-mento termina exatamente após uma fração de segundo. A fim de asseguraruma rápida provisão de ar, é portanto conveniente operar a bomba de arsecundária continuamente e realizar a dosagem de ar no tempo correto pormeio da válvula. É no entanto mais econômico em termos de energia iniciarsempre a bomba de ar secundária somente no início da fase de regeneraçãoe efetuar do mesmo modo a dosagem de ar por meio da válvula. Após o fe-chamento da injeção de ar, a bomba de ar secundária é também fechadanovamente.

Na figura 2, o motor de combustão interna é dotado de uma ali-mentação de ar secundária alternativa. Nesse arranjo, um depósito de arcomprimido (8) é proporcionado, do qual o ar para a injeção de ar é extraídovia válvula (6). A pressão no depósito de ar comprimido é mantido em umintervalo de pressão predefinido pela bomba de ar secundária. A bomba dear secundária é sempre iniciada quando a pressão no depósito cai abaixo deum valor limite inferior e é fechada quando a pressão excede um valor limitesuperior predefinido. Dessa maneira, os processos de iniciação da bomba dear secundária são desacoplados dos eventos de regeneração e o número deprocessos de iniciação reduz-se globalmente em relação à disposição dafigura 1.

Claims

1. Método para regeneração de um conversor catalítico de ar-mazenamento de oxido de nitrogênio, que é disposto na linha de exaustãode um motor de combustão pobre, mediante comutação do motor do modocombustão pobre com gás de exaustão pobre para modo combustão ricacom gás de exaustão rico, e comutação novamente para o modo combustãopobre após ocorrer regeneração, caracterizado pelo fato de que, com a co-mutação de volta ao modo combustão pobre, ar é injetado no gás de exaus-tão diretamente a montante do conversor catalítico de armazenamento, eportanto, a composição do gás de exaustão temporariamente ainda rica mu-da para uma composição estequiométrica ou pobre, até o gás de exaustãoagora pobre do motor atingir o conversor catalítico de armazenamento.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que a quantidade de ar injetado no gás de exaustão é dimensionadatal que a mistura de gãsès resultante apresenta uma razão de ar λ igual oumaior que 1.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelofato de que a quantidade de ar injetado no gás de exaustão é dimensionadatal que a mistura de gases resultante apresenta uma razão de ar λ entre 1 e 1,05.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o ar exigido é proporcionado por uma bomba de ar secundária(5) e é misturado com o gás de exaustão no tempo correto e na quantidadecorreta por meio de uma válvula (7).

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelofato de que a bomba de ar secundária é operada continuamente.

6. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelofato de que a bomba de ar secundária é somente iniciada imediatamenteantes do fim do modo combustão rica e é fechada outra vez após o fim daalimentação de ar ao gás de exaustão.

7. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelofato de que a bomba de ar secundária é iniciada no começo do modo com-bustão rica.

8. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelofato de que a bomba de ar secundária alimenta ar a um depósito de ar com-primido (8), do qual o ar é extraído para a injeção de ar via válvula (7).