BRPI0711722A2

BRPI0711722A2 - método e aparelho para a redução de emissões em motores a diesel

Info

Publication number: BRPI0711722A2
Application number: BRPI0711722-1A
Authority: BR
Inventors: R Gifford Broderick; Tom Eldredge
Original assignee: Tenneco Automotive Operating
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2011-11-29
Also published as: EP2700792B1; US20080022654A1; EP2032809A2; WO2007142899A2; WO2007142899A3; EP2032809A4; EP2032809B1; KR20090023582A; KR101460967B1; CN101454543A; CA2655129A1; CA2655129C; MX2008015177A; CN101454543B; JP2009539026A; EP2826967A1; US7861520B2; EP2700792A1; JP5161207B2

Abstract

MéTODO E APARELHO PARA A REDUçãO DE EMISSõES EM MOTORES A DIESEL. A presente invenção refere-se a um método de redução de emissões a partir de um motor a diesel inclui as etapas de provisão de um injetor para uma saída de exaustão do motor a diesel, o injetor tendo um orificio com um diâmetro de 0,006 polegadas (152,4 <109>m) ou menos, provisão de um reagente para o injetor a uma pressão de entrada entre em torno de 120 psi (827,37 kPa) e em torno de 60 psi (413,69 kPa), atuação do injetor para ligar e desligar a uma freqúência entre em torno de 10 Hz e em torno de 1 Hz com um tempo ligado de em torno de 1% ou mais, injeção do reagente através do orifício para a saída de exaustão em uma taxa de injeção, e onde a variação de pelo menos duas dentre a pressão de entrada, a frequência e o tempo ligado obtém uma relação de giro de uma taxa de injeção máxima para um taxa de injeção mínima de pelo menos em torno de 31:1.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E APARELHO PARA A REDUÇÃO DE EMISSÕES EM MOTORES A DIESEL".

Referência Cruzada a Pedidos Relacionados

Este pedido reivindica prioridade a partir do Pedido Provisório U.S. N- 60/809.918, depositado em 31 de março de 2006.

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se geralmente à redução de emis- sões produzidas por motores de queima pobre. Em particular, a presente invenção provê métodos e aparelhos para a injeção de um reagente, tal co- mo uma solução de uréia aquosa, em uma corrente de exaustão, de modo a reduzir emissões de óxidos de nitrogênio ("NOx") da exaustão de um motor a diesel. Mais particularmente, a presente invenção provê um injetor de vazão baixa para controle de emissões de diesel, e métodos para a injeção de um reagente a vazões baixas.

Antecedentes da Invenção

Motores de queima pobre provêem uma eficiência de combustí- vel melhorada pela operação com um excesso de oxigênio em relação à quantidade necessária para se completar a combustão do combustível. Es- ses motores são ditos como funcionando "pobres" ou em uma "mistura po- bre". Contudo, este aumento na economia de combustível é deslocado por emissões de poluição indesejadas, especificamente na forma de óxidos de nitrogênio ("NOx").

Um método usado para redução de emissões de NOx de moto- res de combustão interna de queima pobre é conhecido como redução cata- lítica seletiva ("SCR"). A SCR, quando usada, por exemplo, para redução de emissões de NOx de um motor a diesel, envolve a injeção de um reagente atomizado na corrente de exaustão do motor em relação a um ou mais pa- râmetros operacionais de motor selecionados, tais como temperatura de gás de exaustão, rpm de motor ou carga de motor, conforme medido pelo fluxo de combustível de motor, pressão de turbocompressão, ou fluxo em massa de NOx de exaustão. A mistura de reagente / gás de exaustão é passada através de um reator contendo um catalisador, tal como, por exemplo, car- vão ativado, ou metais, tais como platina, vanádio ou tungstênio, os quais são capazes de reduzirem a concentração de NOx na presença do reagente. Um sistema de SCR deste tipo é mostrado na Patente U.S. N9 5.979.475.

Uma solução aquosa de uréia é conhecida como sendo um rea- gente efetivo em sistemas de SCR para motores a diesel. Contudo, o uso de uma solução aquosa de uréia como essa envolve muitas desvantagens. A uréia é altamente corrosiva e ataca os componentes mecânicos do sistema de SCR, tais como os injetores usados para a injeção da mistura de uréia na corrente de gás de exaustão. A uréia também tende a se solidificar mediante uma exposição prolongada a altas temperaturas, tal como encontrado em sistemas de exaustão de diesel. A uréia solidificada pode se acumular nas passagens estreitas e em aberturas de orifício de saída tipicamente encon- tradas em injetores. A uréia solidificada pode obstruir as partes móveis do injetor e entupir quaisquer aberturas, tornando o injetor não usável.

Além disso, se a mistura de uréia não for finamente otimizada, depósitos de uréia se formarão no reator catalítico, inibindo a ação do catali- sador e, desse modo, reduzindo a efetividade do sistema de SCR. Altas pressões de injeção são uma forma de minimização do problema de atomi- zação insuficiente da mistura de uréia. Contudo, pressões de injeção altas freqüentemente resultam em penetração excessiva do penacho de aspersão de injetor na corrente de exaustão, fazendo com que o penacho impinja so- bre a superfície interna do tubo de exaustão oposto ao injetor. Uma penetra- ção em excesso leva a um uso ineficiente da mistura de uréia e reduz a faixa pela qual o veículo pode operar com emissões reduzidas de NOx. Apenas uma quantidade finita de uréia aquosa pode ser portada em um veículo, e o que é portado deve ser usado eficientemente para a maximização do alcan- ce de veículo e redução da necessidade de enchimentos freqüentes do rea- gente.

A técnica anterior demonstrou o uso de um injetor atuado por solenóide de largura de pulso modulada para a injeção de uma aspersão fina de uréia ou reagentes de hidrocarboneto na exaustão de um motor a diesel para redução de NOx através do catalisador apropriado ou para aumento da temperatura na exaustão para regeneração de uma armadilha de particula- dos. Veja, por exemplo, as Patentes U.S. N°: 5.605.042; 5.976.475 e 6.279.603; e o Pedido de Patente U.S. comumente possuído co-pendente 2005/0235632 A1. Tipicamente, estes injetores foram aplicados para redu- ção de NOx em grandes motores a diesel estacionários usados em geração de potência ou em motores a diesel móveis de carga pesada em estrada ou fora de estrada, tais como aqueles usados em equipamento de construção ou transporte de refugo, onde grandes quantidades de reagente são requeri- das, devido às grandes quantidades de NOx emitidas. As taxas de injeção típicas de um injetor com um orifício de 0,012 polegadas (304,8 µm) são de 36,1 a 103,5 gramas / minuto ("g/min") de solução de uréia a 32,5%. Motores menores, tais como aqueles usados em carros de passageiro ou caminhões de carga leve requerem volumes menores de reagente, devido aos seus ní- veis mais baixos de emissões de massa de NOx. Por exemplo, taxas de inje- ção de 0,5 a 5,0 g/min seriam típicas para uma aplicação de carga leve u- sando uma redução catalítica seletiva baseada em uréia para controle de NOx.

A redução do tamanho de orifício do injetor pode prover alguma redução nas vazões, conforme indicado na Tabela 1 (abaixo) para um injetor com um orifício de saída de 0,006 polegadas (152,4 µm). Contudo, mesmo estas vazões de 3,3 a 25,5 g/min são mais do que é requerido para muitos motores a diesel de carga leve. Uma redução adicional no tamanho de orifí- cio, embora possível, pode se tornar impraticável de uma perspectiva de produção, devido a limites de durabilidade de orifício e usinabilidade, con- forme o diâmetro se tornar menor do que 0,006 de uma polegada (152,4 µm). De uma perspectiva de aplicação em campo, orifícios de menos de 0,006 polegadas (152,4 µm) e, especialmente abaixo de 0,004 polegadas (101,6 µm), requerem provisões especiais para a filtração de reagentes para prevenção do tamponamento do orifício fino com contaminantes encontrados em reagentes comerciais.

Sumário da Invenção Assim sendo, é um objeto da presente invenção prover um mé- todo e um aparelho para redução de emissões de um motor a diesel e, parti- cularmente, um motor a diesel pequeno, tais como os tipos usados em car- ros de passageiro, caminhões de carga leve e veículos ou um equipamento fora de estrada.

É um objeto adicional da presente invenção prover um método para redução de emissões de um motor a diesel usando um injetor de rea- gente com uma vazão baixa e uma relação de giro alta (isto é, uma relação entre uma vazão máxima de injetor e uma vazão mínima de injetor).

É um objeto adicional da presente invenção prover um método para redução de emissões de um motor a diesel usando um injetor de rea- gente com uma vazão que pode ser ajustada pela modificação eletrônica da freqüência e/ou do percentual de tempo ligado (largura de pulso), de modo a se obterem vazões baixas de um reagente, especialmente na faixa de 0,5 g/min a 5 g/min.

É um objeto adicional da presente invenção prover um aparelho como esse com a capacidade de obter vazões mais altas de reagente além de 25 g/min.

Estes e outros objetivos são obtidos pela provisão de um método de redução de emissões de um motor a diesel incluindo as etapas de provi- são de um injetor para uma saída de exaustão do motor a diesel, o injetor tendo um orifício com um diâmetro de em torno de 0,006 polegadas (152,4 μιη) ou menos, provisão de um reagente para o injetor a uma pressão de entrada entre em torno de 120 psi (827,37 kPa) e em torno de 60 psi (413,69 kPa), atuação do injetor para ligar e desligar a uma freqüência entre em tor- no de 10 Hz e em torno de 1 Hz (por exemplo, 0,5 Hz) com um tempo ligado de em torno de 1 % ou mais, injeção do reagente através do orifício para a saída de exaustão em uma taxa de injeção, e onde a variação de pelo me- nos duas dentre a pressão de entrada, a freqüência e o tempo ligado obtém uma relação de giro de uma taxa de injeção máxima para um taxa de injeção mínima de pelo menos em torno de 31:1.

Outros objetos são obtidos pela provisão de um método de re- dução de emissões de um motor a diesel incluindo as etapas de provisão de um injetor de reagente em comunicação com uma saída de exaustão do mo- tor a diesel, o injetor tendo um orifício com um diâmetro menor do que em torno de 0,035 polegadas (889 pm), provisão de um reagente para o injetor em uma pressão de entrada, atuação do injetor para ligado e desligado em uma freqüência para injeção do reagente através do orifício para a saída de exaustão a uma taxa de injeção, ajuste de um tempo ligado do injetor entre em torno de 85% e em torno de 5%, ajuste da pressão de entrada entre uma primeira pressão de entrada e uma segunda pressão de entrada, onde as etapas de ajuste do tempo ligado e de ajuste da pressão de entrada obtêm uma relação de giro de uma taxa de injeção máxima para uma taxa de inje- ção mínima maior do que 10:1. Em algumas modalidades, o método inclui o ajuste da freqüência entre a primeira freqüência de em torno de 10 Hz e uma segunda freqüência de em torno de 1,5 Hz e ajuste do tempo ligado para em torno de 1% ou menos para a obtenção de uma taxa de giro de pelo menos 50:1.

Ainda é provido um método de redução de emissões a partir de um motor a diesel incluindo as etapas de provisão de um injetor de reagente para uma saída de exaustão do motor a diesel, o injetor tendo um orifício com um diâmetro não maior do que em torno de 0,006 polegadas (152,4 pm), suprimento de um reagente para o injetor a uma pressão de entrada de em torno de 80 psi (551,58 kPa) ou menos, atuação do injetor para ligado e desligado a uma freqüência não maior do que em torno de 1,5 Hz, onde o atuador injeta o reagente através do orifício para a saída de exaustão a uma taxa de injeção de pelo menos em torno de 3,3 gramas / minuto ou menos, e onde o injetor tem um tempo ligado menor do que 10,5%. Em algumas mo- dalidades de exemplo, o injetor tem um tempo ligado menor do que 5% e a atuação injeta o reagente através do orifício na saída de exaustão a uma taxa de injeção de em torno de 1,5 gramas / minuto ou menos. Em algumas modalidades de exemplo, o injetor tem um tempo ligado de em torno de 1% ou menos e a atuação injeta o reagente através do orifício para a saída de exaustão a uma taxa de injeção de em torno de 0,8 gramas / minuto ou me- nos.

Outros objetos da invenção e seus recursos em particular e van- tagens tornar-se-ão mais evidentes a partir de uma consideração dos dese- nhos a seguir e da descrição detalhada associada.

Breve Descrição dos Desenhos

A presente invenção será descrita aqui adiante em conjunto com as figuras de desenho em apenso, onde números iguais denotam elementos iguais, e onde:

a figura 1 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade de exemplo de um motor a diesel de estrada com um sistema de controle de emissão de poluição usando um injetor de acordo com a presente invenção;

a figura 2 mostra uma vista em seção transversal longitudinal de uma modalidade de exemplo de um injetor usado no sistema da figura 1;

a figura 3A mostra uma vista de topo de uma modalidade de e- xemplo de uma porção de placa de rodamoinho do injetor da figura 2;

a figura 3B mostra uma vista em seção transversal de uma mo- dalidade de exemplo de uma porção de placa de rodamoinho do injetor da figura 2;

a figura 3C mostra uma vista de fundo de uma modalidade de exemplo de uma porção de placa de rodamoinho do injetor da figura 2;

a figura 4A mostra uma modalidade de exemplo de um bujão de medição usado no injetor da figura 2;

a figura 4B mostra uma outra vista do bujão de medição mostra- do na figura 4A;

a figura 5 mostra uma vista em perspectiva de uma modalidade de exemplo de um injetor usado no sistema da figura 1 montado em um tubo de exaustão de acordo com a presente invenção; e

a figura 6 mostra um gráfico de uma vazão de reagente de e- xemplo versus # de tempo ligado de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

A descrição detalhada a seguir provê modalidades de exemplo apenas, e não é pretendida para limitação do escopo, da aplicabilidade ou da configuração da invenção. Ao invés disso, a descrição detalhada a seguir das modalidades de exemplo proverá àqueles versados na técnica uma des- crição capacitante para a implementação de uma modalidade de exemplo da invenção. Deve ser entendido que várias mudanças podem ser feitas na fun- ção e no arranjo de elementos, sem se desviar do espírito e do escopo da invenção, conforme estabelecido nas reivindicações em apenso.

A presente invenção provê um injetor de vazão baixa para con- trole de emissões de diesel, e métodos para a injeção de um reagente a va- zões baixas.

A presente invenção obtém as vazões mais baixas em um injetor comercial do tipo mostrado no Pedido de Patente U.S. comumente possuído co-pendente N° 11/112.039, intitulado Methods and Apparatus for Injecting Atomized Fluid, depositado em 22 de abril de 2005 (Pedido Publicado U.S. N° 2005/0235632 A1), o qual é incorporado aqui e tornado uma parte desta como referência, como se plenamente estabelecido aqui.

A figura 1 mostra um sistema de controle de poluição de exem- plo para redução de emissões de NOx da exaustão de um motor a diesel 21. Na figura 1, as linhas contínuas entre os elementos do sistema denotam li- nhas de fluido e as linhas tracejadas denotam conexões elétricas. O sistema da presente invenção pode incluir um tanque de reagente 10 para manuten- ção do reagente e um módulo de envio 12 para envio do reagente a partir do tanque 10. O reagente pode ser, por exemplo, uréia aquosa, hidrocarbone- tos, água e/ou outros fluidos. O tanque 10 e o módulo de envio 12 podem formar um módulo integrado de tanque de reagente / envio. Também é pro- vida como parte do sistema uma unidade de controle de injeção eletrônica 14, um módulo de injetor 16 e um sistema de exaustão 19 que tem pelo me- nos um leito de catalisador 17.

O módulo de envio 12 pode compreender uma bomba que tem reagente suprido a partir do tanque 10 através de um filtro em linha 23 atra- vés de uma linha de suprimento 9. O tanque de reagente 10 pode ser de polipropileno, aço carbono revestido com epóxi, PVC, ou aço inoxidável e dimensionado de acordo com a aplicação (por exemplo, tamanho do veículo, uso pretendido do veículo, e similares). O filtro 23 pode incluir um alojamento construído de plástico rígido ou de aço inoxidável com um cartucho removí- vel. Um regulador de pressão (não mostrado) pode ser provido para manter o sistema em um ponto de regulagem de pressão predeterminado (por e- xemplo, a aproximadamente 60 psi (413,69 kPa)) e pode estar localizado na linha de retorno 35 a partir do injetor 16. Um sensor de pressão pode ser provido na linha flexível levando ao injetor de reagente 16. O sistema tam- bém pode incorporar várias estratégias de proteção de congelamento para se amolecer a uréia congelada ou impedir que a uréia congele. Por exemplo, durante uma operação do sistema, independentemente de o injetor estar ou não liberando reagente nos gases de exaustão, um reagente é circulado continuamente entre o tanque 10 e o injetor 16 para resfriamento do injetor e minimização do tempo de espera do reagente no injetor, de modo que o rea- gente permaneça frio. Uma circulação de reagente contínua é necessária para reagentes sensíveis à temperatura, tal como uréia aquosa, os quais tendem a solidificar mediante uma exposição a temperaturas elevadas de 300 9C a 650 eC, conforme seria experimentado em um sistema de exaustão de motor. Foi descoberto ser importante manter a mistura de uréia abaixo de 140 eC e, preferencialmente, em uma faixa de orifício mais baixa entre 5 -C e 95 2C, para se prover uma margem de segurança garantindo que uma solidi- ficação da uréia seja impedida. A uréia solidificada, caso tenha permissão para se formar, obstruiria as partes móveis e aberturas do injetor, eventual- mente tornando o injetor inútil. Será reconhecido que as vazões dependerão do tamanho do motor e dos níveis de NOx.

A quantidade de reagente requerida pode variar com a carga, a rpm do motor, a velocidade do motor, a temperatura de gás de exaustão, o fluxo de gás de exaustão, a contrapressão de exaustão, o sincronismo de injeção de combustível de motor e a redução desejada de NOx. Todos ou alguns dos parâmetros de operação do motor podem ser supridos a partir da unidade de controle de motor 27, através do barramento de dados de motor / veículo para o controlador de injeção de reagente 14. A unidade de controle de injeção de reagente 14 também poderia ser incluída como parte da uni- dade de controle de motor 27, se o fabricante do caminhão concordar em prover aquela funcionalidade.

A temperatura de gás de exaustão, o fluxo de gás de exaustão e a contrapressão de exaustão podem ser medidos por respectivos sensores.

Um comutador de nível mínimo de reagente ou uma lógica pro- gramada com base em voltagem pode ser usado para se evitar que o siste- ma de injeção funcione a seco e superaqueça. Uma vez que o nível mínimo de reagente no tanque 10 seja atingido, a injeção cessará e uma luz de falha e/ou um alarme de texto acenderá na cabine do veículo.

A taxa de injeção pode ser regulada pela programação da uni- dade de controle de injeção de reagente 14 com uma estratégia ou um mapa de controle de injeção, conforme descrito na Patente comumente possuída U.S. Ne 6.941.746, emitida em 13 de setembro de 2005, intitulada "Mobile Diesel Selective Catalytic Reduction Systems and Methods", a qual é incor- porada aqui e tornada uma parte desta como referência. Conforme descrito aqui, a estratégia de injeção pode ser desenvolvida pela instalação temporá- ria de um detector de NOx 25 no veículo. O detector de NOx 25 pode ser um sensor ou um medidor com um sistema de amostragem. A figura 1 mostra um medidor de NOx 25 o qual analisa a concentração ou massa de gás em uma localização externa ao sistema de exaustão 19.

A figura 2 mostra uma vista em seção transversal de uma moda- lidade de exemplo do injetor 16 de acordo com a presente invenção, o qual pode ser usado no sistema mostrado na figura 1. O injetor 16 pode compre- ender um corpo de injetor 18 que tem uma seção superior 18a e uma seção inferior 18b. Uma câmara cilíndrica alongada 30 pode ser disposta dentro do corpo de injetor 18. A câmara 30 pode estar em comunicação de fluido com uma placa de rodamoinho 50, a qual tem um orifício de saída 22 que se abre para os gases de exaustão dentro do sistema de exaustão 19 (figura 1) de um motor a diesel, quando montada ali. Circundando o orifício de saída 22 pode estar uma sede de válvula 24, a qual pode ter qualquer formato prático, mas preferencialmente é cônica. Um membro de válvula na forma de um bujão de medição alongado 26 pode ser montado de forma deslizante dentro da câmara 30.

A figura 3A mostra uma vista de topo da placa de rodamoinho 50. A figura 3B mostra uma vista em seção transversal da placa de rodamoi- nho 50. A figura 3C mostra uma vista de fundo da placa de rodamoinho 50.

Conforme pode ser visto a partir da figura 3A, a placa de rodamoinho 50 po- de incluir uma pluralidade de fendas de rodamoinho 51 circundando a sede de válvula 24 e formando uma câmara de rodamoinho 52 na área que cir- cunda a extremidade 28 do bujão de medição 26 (veja a figura 2). Conforme pode ser visto a partir das figuras 3A e 2B, a sede de válvula 24 circunda o orifício de saída 22 para a distribuição do fluido atomizado a partir da câmara de rodamoinho 52. A placa de rodamoinho 50 pode ser afixada à seção infe- rior do corpo de injetor 18b por um tampão de retenção 74 (conforme mos- trado na FIG. 2).

Na configuração de exemplo mostrada na figura 2, uma gaxeta de retenção de fluido 60 pode ser interposta entre a placa de rodamoinho 50 e a porção inferior do corpo de injetor 18b para se evitar que um fluido vaze entre as superfícies de combinação da placa de rodamoinho 50, do corpo de injetor 18 e do tampão de retenção 74. A gaxeta pode compreender um ma- terial de silicone. O corpo de injetor superior 18a pode incluir vários anéis em O de vedação 76 interpostos entre as superfícies de combinação do corpo de injetor superior 18a e o corpo de injetor inferior 18b, o corpo de injetor inferior 18b e a placa de fundo 75, a placa de fundo 75 e a bobina 38, e a bobina 38 e o corpo de injetor superior 18a, para se evitarem vazamentos de fluido.

As figuras 4A e 4B mostram vistas em seção transversal e ex- ternas, respectivamente, de uma modalidade de exemplo de bujão de medi- ção 26. O bujão de medição 26 pode ter uma extremidade 28 formada para se encaixar de forma vedante na sede de válvula 24, desse modo se fe- chando o orifício de saída 22 de uma comunicação de fluido com a câmara de rodamoinho 52. O bujão de medição 26 pode ser móvel dentro da câmara de rodamoinho 52 entre a posição fechada mostrada na figura 2 e uma posi- ção aberta em que a extremidade 28 é removida do encaixe de vedação com a sede de válvula 24. Na posição aberta, o orifício de saída 22 está a- berto para comunicação de fluido com a câmara de rodamoinho 52.

O fluido pode ser enviado para a câmara de rodamoinho 52 a- través de uma entrada de fluido 34 (figura 2). A entrada de fluido 34 pode estar em comunicação de fluido com a câmara de rodamoinho 52 e pode ser externamente conectada ao tanque 10 através da linha de suprimento 9. Um fluido, tal como um reagente de uréia aquosa, pode ser bombeado a um ponto de regulagem de pressão predeterminado para a entrada de fluido 34 e para a câmara de rodamoinho 52. O fluido pressurizado pode ser acelera- do para uma velocidade alta nas fendas de rodamoinho 51. Isto produz um fluxo rotativo à alta velocidade na câmara de rodamoinho 52. Quando a ex- tremidade 28 do bujão de medição é removida da sede de válvula 24, uma porção do fluxo rotativo de fluido é passada através do orifício de saída 22, onde uma atomização ocorre a partir de uma combinação de força centrífuga e cisalhamento do fluido por ar, conforme ele jatear na corrente de exaustão.

O ponto de regulagem de pressão predeterminado pode variar em resposta a condições de operação, para a provisão de pelo menos uma faixa de operação aumentada e padrões de aspersão variados a partir do orifício de saída 22.

Para se efetuarem a abertura e o fechamento do orifício de saí- da 22, um atuador pode ser provido, por exemplo, na forma de uma bobina magnética 38 montada no corpo de injetor 18. Quando o ímã 38 é energiza- do, o bujão de medição 26 é removido para cima da posição fechada para a posição aberta. A placa de fundo 75 e o corpo de injetor superior 18a podem ser construídos de aço inoxidável magnético para a provisão de uma super- fície magnetizada, enquanto se retêm as características resistentes à corro- são. O corpo de injetor inferior 18b pode ser construído a partir de um aço inoxidável não magnético, tal como um aço inoxidável do tipo 316. Isto me- lhora o isolamento da característica magnética na placa de fundo 75 e limita o potencial para o bujão de medição 26 ser magnetizado em direção ao orifí- cio de saída 22. O ímã seria energizado, por exemplo, em resposta a um sinal do controlador eletrônico 14 da figura 1, o qual decide, com base nos sinais de entrada do sensor e seus algoritmos pré-programados, quando um reagente é necessário para uma redução catalítica seletiva efetiva de emis- sões de NOx na corrente de exaustão.

A figura 5 mostra uma vista externa do injetor 16 conectado a um tubo de exaustão 80. As conexões elétricas 82 podem ser providas para a provisão de um sinal de controle para o injetor 16, por exemplo, a partir do controlador de injeção de reagente 14 (figura 1). A bobina magnética 28 po- de ser energizada por uma corrente de 12 a 24 VDC com um sinal digital de largura de pulso modulada.

Conforme mostrado na figura 4A, o bujão de medição 26 inclui uma seção oca 90 a qual pode estar em comunicação de fluido com a câma- ra de rodamoinho 52 através de furos 92 no bujão de medição 26. O fluido pressurizado a partir da câmara de rodamoinho 52, o qual não é expelido a partir do orifício de saída 22, pode ser forçado para os orifícios 82, para a seção oca 90 e, finalmente, para a saída 36 através da porção de topo oca 94 do bujão de medição 26. A saída de fluido 36 pode ser posicionada con- forme mostrado na figura 2 para remoção de fluido da porção de topo 94 da seção oca 90 de bujão de medição 26. A saída de fluido 36 pode ser exter- namente conectada à linha de retorno 35 (figura 5), desse modo se permitin- do que o fluido circule a partir do tanque 10 da figura 1, através da linha de suprimento 9, através da entrada de fluido 34, para a câmara de rodamoinho 52, através dos furos 92, através da seção oca 90 de bujão de medição 26, para fora da porção de topo oca 94 e para a saída de fluido 36, através da linha de retorno 35 e de volta para o tanque 10 da figura 1. Esta circulação mantém o injetor 16 frio e minimiza o tempo de espera do fluido no injetor. A entrada de fluido 34, a saída de fluido 36 e a porção oca 90 do bujão de me- dição 26 podem prover um percurso de fluxo para um fluido fluindo através do injetor 16, desse modo se permitindo um resfriamento do injetor 16. O percurso de fluxo para o fluido através do injetor 16 pode ser independente da posição do bujão de medição 18. Um orifício de medição 37 pode ser provido para controle da quantidade de fluido de resfriamento fluindo através do injetor 16. Assim, por exemplo, uréia aquosa, quando usada com este inje- tar frio 16, não se solidificará em qualquer lugar dentro do injetar 16 e, em particular, na área da câmara de rodamoinho 52. Se permitido que solidifi- que, a uréia poderia impedir o bujão de medição 26 de assentar apropriada- mente ou poderia fazer com que o bujão de medição 26 colasse na posição aberta ou fechada e/ou o orifício de saída 22 poderia se tornar entupido. A- lém disso, efeitos prejudiciais de temperatura elevada no reagente, nas par- tes móveis e aberturas da válvula são evitados. Por exemplo, pelo resfria- mento direto do injetar, uma performance aumentada é obtida em compara- ção com a técnica anterior, o que provê resfriamento apenas na região da sede de válvula. Ainda, um resfriamento aumentado provê uma vida prolon- gada dos componentes do injetar, incluindo o bujão de medição 26 e os componentes de atuação associados, e a sede de válvula 24. Nervuras de resfriamento 72 providas no exterior da porção superior do corpo de injetar 18a provêem uma capacidade de resfriamento adicional.

Como um exemplo, aproximadamente 10 galões (37,854 litros) de fluido podem ser circulados através do injetar por hora. Esta vazão pode ser variada dependendo da aplicação. Mediante a remoção da extremidade 28 do bujão de medição 26 da sede de válvula 24, um fluido atomizado pode ser expelido na vazão de aproximadamente 3 a 500 gramas por minuto, de- pendendo da aplicação e/ou do algoritmo de controle usado. Conforme dis- cutido abaixo, vazões muito menores do que 3 g/min, por exemplo, tão bai- xas quanto 0,2 g/min também pode ser obtidas por métodos de acordo com a presente invenção.

As características de aspersão de fluido expelido a partir do ori- fício de saída 22 podem ser variadas, dependendo das relações de pressão da pressão mantida nas linhas de retorno e de suprimento. Por exemplo, o tamanho das gotículas pode ser controlado pela variação da pressão na li- nha de suprimento 9. Além disso, as características de aspersão podem ser variadas pelo intercâmbio de placas de aspersão diferentes. Por exemplo, a placa de aspersão 50, a qual é afixada ao corpo de injetar pelo tampão de retenção 74, pode ser removida e substituída por placas de aspersão com orifícios de saída dimensionados diferentes 22, um número diferente de fen- das de rodamoinho 51 ou fendas de rodamoinho de comprimento, profundi- dade ou largura diferente. Ainda, as placas de aspersão podem ser configu- radas para a provisão de câmaras de rodamoinho maiores ou menores 52, quando afixadas à seção inferior do corpo de injetor 18a. A taxa de circula- ção de fluido também pode ser variada pela modificação do diâmetro interno do orifício de medição 37. A variação da taxa de circulação de fluido muda o tamanho de gotícula e tem impacto no nível de resfriamento provido pelo fluido.

Uma seção de guia circular 32 do bujão de medição 26 pode prover a função de guia principal para um movimento deslizante do bujão de medição 26 dentro da câmara 30. A tolerância entre a seção de guia circular 32 e a câmara 30 é suficiente para se permitir um movimento relativo e uma lubrificação do bujão de medição 26, enquanto ainda se guia o movimento do bujão de medição.

Geralmente, as tolerâncias específicas requeridas nas várias seções entre o bujão de medição 26 e a câmara 30 variarão de acordo com a temperatura de operação, a pressão de operação, a vazão desejada e a taxa de circulação do reagente, as propriedades tribológicas do reagente e os materiais escolhidos para o bujão de medição 26 e o corpo de injetor 18. As tolerâncias para uma performance ótima de injetor podem ser obtidas experimentalmente através de tentativas de campo.

Conforme mostrado na figura 2, o bujão de medição 26 pode ser orientado na posição fechada por um membro de orientação, o qual pode ser, por exemplo, na forma de uma mola em espiral 42 disposta coaxialmen- te com a porção de topo oca 94 do bujão de medição 26, a qual serve como uma sede de mola contra a qual a mola 42 pode fazer pressão para orientar o bujão de medição 26.

Na configuração mostrada, uma blindagem térmica 58 pode ser montada externamente à placa de rodamoinho 50 e o tampão de retenção 74 impede o calor dos gases de exaustão de serem transferidos para a placa de rodamoinho 50 e o corpo de injetor 18, enquanto simultaneamente provê uma superfície aquecida garantindo que gotículas contatando não intencio- nalmente o corpo de injetor não formem depósitos. Por exemplo, a blinda- gem térmica 58 pode ser feita de inconel. Alternativamente, o orifício de saí- da 22 pode ser movido para o exterior ou a extremidade de injeção da placa de rodamoinho 50, desse modo se aumentando o ângulo de aspersão α e também permitindo uma faixa mais ampla de ângulos de aspersão, enquanto se retêm as propriedades de resfriamento. A gaxeta térmica 70 pode ser fei- ta de uma folha de grafita flexível embainhada em um material de aço inoxi- dável cuja condutividade térmica baixa serve para isolamento do corpo de injetor 18 e da placa de rodamoinho 50 do tubo de exaustão quente 80, re- duzindo a transferência de calor condutivo para o injetor 16 e, desse modo, ajudando a manter frio o fluido circulando dentro da válvula.

O bujão de medição 26 pode ser feito de um aço inoxidável de tipo 430C ou 440F preferencialmente revestido com um revestimento que retenha a resistência à corrosão pela uréia e as propriedades magnéticas enquanto se reduz a fadiga de metal causada ao longo da vida do injetor. A placa de rodamoinho 50 pode ser feita de inconel ou de um aço inoxidável do tipo 316 e revestida com um revestimento que retenha a resistência à corrosão pela uréia enquanto se reduz a fadiga de metal causada ao longo da vida do injetor 16. A placa de fundo 75 pode ser separada do bujão de medição 26 e o bujão de medição 26 pode ser encurtado para o comprimen- to mais curto razoável para fabricação para a provisão de uma massa signi- ficativamente reduzida de bujão de medição. A massa diminuída do bujão de medição 26 prolonga a vida do bujão e, em particular, prolonga a vida da extremidade 28 do bujão de medição, a qual está sujeita a desgaste e de- formação do impacto repetido sobre a sede de válvula 24.

O injetor 16 da presente invenção pode ter um orifício de saída 22 com um diâmetro de aproximadamente 0,006 de uma polegada (152,4 pm). A presente invenção obtém vazões mais baixas em um injetor 16 tendo um orifício de saída 22 de 0,006 polegadas (152,4 pm) pelo ajuste da fre- qüência e do tempo ligado percentual de 10 Hz a aproximadamente 1,5 Hz e para baixo até aproximadamente de 1 a 10% de tempo ligado (por exemplo, através do controlador de injeção de reagente 14 (figura 1)). Deve ser apre- ciado que a dimensão de diâmetro de orifício de saída de 0,006 polegadas (152,4 pm) é provida para fins de exemplo apenas, e vazões baixas podem ser obtidas com outros tamanhos de orifício de saída, por exemplo, orifícios de saída tendo um diâmetro na faixa de aproximadamente 0,004" a 0,035" (de 101,6 a 889 μιη).

A vazão de reagente injetado com a presente invenção pode variar de aproximadamente 0,2 g/min até 25 g/min ou mais. Pela variação da seleção de tamanho de orifício, freqüência de injeção, pressão de entrada e/ou duração de injeção (por exemplo, tempo ligado), uma faixa de taxas de injeção de menos de 0,5 g/min a até 900 g/min pode ser obtida de acordo com a presente invenção.

Por exemplo, uma modalidade de acordo com a presente inven- ção obtém vazões ultrabaixas de aproximadamente 0,8 g/min a 5,5 g/min de um reagente (por exemplo, uréia em uma solução a 32% em água) a uma freqüência de aproximadamente 1,5 Hz e de 1% a 10,4% de tempo ligado, conforme mostrado na Tabela 2.

Tabela 1: orifício de 0,006 polegadas (152.4 um) a 10 Hz

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Tabela 2: orifício de 0.006 polegadas (152.4 um) a 1.5 Hz

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A figura 6 mostra um gráfico de vazão de uréia versus % de tempo ligado obtido com a presente invenção, onde a freqüência de modula- ção de largura de pulso de injetor é regulada para 1,5 Hz (ao invés de para 10 Hz). Conforme pode ser visto a partir da figura 6, a vazão obtida com a presente invenção a 1,5 Hz é uma vazão linear, mesmo com um tempo liga- do abaixo de 5%. Um resultado linear como esse foi surpreendente e inespe- rado, uma vez que a 10 Hz a vazão pode se tornar não linear quando o tem- po ligado de injetor for reduzido abaixo de 5%. O que vem a seguir descreve quatro métodos de exemplo de uso de injetores de vazão baixa de acordo com a presente invenção para redução das emissões de um motor a diesel. Em um primeiro exemplo, um injetor de fluxo de retorno com um orifício de 0,030 (762 μm) é inicialmente operado a uma pressão de reagente de 120 psi (827,37 kPa) e a uma fre- qüência de 10 Hz, e provê uma taxa de injeção máxima de 631,0 g/min (por exemplo, usando-se um fluido de teste Viscor). O injetor tem uma vazão mí- nima de 68,0 g/min a uma pressão de 120 psi (827,37 kPa). Fazer a pressão de injeção cair para 80 psi (551,58 kPa) reduz a vazão mínima para 58,8 g/min. Assim, um giro máximo na taxa de injeção de 631,0 g/min para 58,8 g/min é possível, resultando em uma relação de iro de 10,7:1.

Contudo, pela mudança também da freqüência de operação pa- ra 1,5 Hz, o tempo ligado mínimo para operação de injetor pode ser reduzido para 1%, resultando em uma taxa de injeção mínima de 12,6 g/min a 80 psi (551,58 kPa). Assim, uma combinação dos recursos de operação acima do injetor pode ser usada para a provisão de um giro surpreendentemente alto de 631,0 g/min para 12,6 g/min; ou um giro de 50:1.

Em um segundo exemplo, um injetor com um orifício de 0,006 polegadas (152,4 μm) tem uma faixa de injeção de operação de 3,6 g/min em seu ponto de operação mais baixo correspondente a 5% de tempo liga- do, e uma taxa de injeção máxima de 3,6 g/min em seu ponto de operação mais baixo correspondente a 5% de tempo ligado, e uma taxa de injeção máxima de 25,6 g/min a 100% de tempo ligado, quando fluindo água a 80 psi (551,58 kPa) e operada a uma freqüência de 10 Hz. A mudança da fre- qüência para 1,5 Hz permite que a taxa de operação de extremidade inferior seja feita cair para 1% de tempo ligado com um fluxo de extremidade inferior de 0,6 g/min a 80 psi (551,58 kPa). Assim, a faixa de giro geral a uma pres- são constante de 80 psi (551,58 kPa) é de em torno de 43:1.

Em um terceiro exemplo, uma área de fenda de injetor para um injetor de orifício de 0,005 (127 μm) operado a 50% de tempo ligado, 80 psi (551,58 kPa) e 10 Hz é selecionado para a manutenção de um tamanho de fibra ótica de menos de 100 mícrons SMD (Diâmetro Médio de Sauter) e prover um resfriamento do injetor a vazões de retorno baixas de 2,6 a 7,5 galões por hora ("gph") (de 9,842 a 28,39 litros por hora (Iph)). Taxas de cir- culação e de retorno mais baixas são benéficas na redução de exigências de potência para bombeamento, e ainda devem prover uma velocidade ade- quada na câmara de rodamoinho para manutenção do tamanho de gotícula e manutenção do resfriamento do injetor. Portanto, foi descoberto ser dese- jável ter taxas de circulação de reagente gerais de modo que a vazão de retorno através do injetor seja maior do que a quantidade de reagente injeta- da. A Tabela 3 ilustra os dados gerados pela terceira aplicação de exemplo.

Tabela 3:

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Em um quarto exemplo, um injetor de orifício de 0,005 (127 μιτι) é operado a 1% de tempo ligado e a uma freqüência de 1 Hz em água e pro- vê uma taxa de injeção de extremidade inferior de 0,2 g/min a uma pressão de operação de 60 psi (413,69 kPa) e de 0,35 g/min a uma pressão de ope- ração de 120 psi (827,37 kPa) e 100% de tempo ligado. Isto provê uma rela- ção de giro de 100:1. Quando operado a 10 Hz e uma pressão de 120 psi (827,37 kPa), o tempo ligado mínimo é de 5% e a taxa de injeção mínima é de 2,2 g/min. Assim, a capacidade de ajustar a freqüência de operação de 10 Hz para 1 Hz mostrou melhorar substancialmente a faixa de firo sozinha e em combinação com uma variação no ponto de regulagem de pressão.

Nesta modalidade, os dados de tamanho de partículas surpre- endentemente mostraram que o tamanho de gotícula parece ser indepen- dente do tempo ligado e da freqüência. Apenas a pressão de suprimento mostrou alterar significativamente o tamanho de gotícula. O tamanho de go- tícula teve média de 69 mícrons SMD a 80 psi (551,58 kPa), de 77 mícrons SMD a 60 psi (413,69 kPa) e de 56 mícrons a 120 psi (827,37 kPa). Deve ser apreciado, agora, que a presente invenção vantajosa- mente permite uma vazão baixa e um giro máximo em vazão pelo ajuste da freqüência e do tempo ligado percentual (largura de pulso) de um injetor de reagente de largura de pulso modulada de fluido único comercial, tal como aquele usado na redução de emissões de NOx de motores a diesel.

Embora a invenção tenha sido descrita em relação a várias mo- dalidades ilustradas, numerosas modificações e adaptações podem ser fei- tas nele, sem se desviar do espírito e do escopo da invenção, conforme es- tabelecido nas reivindicações.

Claims

1. Método de redução de emissões de um motor a diesel, que compreende as etapas de: provisão de um injetor para uma saída de exaustão do motor a diesel, o injetor tendo um orifício com um diâmetro de 0,006 polegadas (152,4 μm) ou menos; provisão de um reagente para o injetor a uma pressão de entra- da entre em torno de 120 psi (827,37 kPa) e em torno de 60 psi (413,69 kPa); atuação do injetor para ligar e desligar a uma freqüência entre em torno de 10 Hz e em torno de 1 Hz com um tempo ligado de em torno de -1 % ou mais; injeção do reagente através do orifício para a saída de exaustão em uma taxa de injeção; e onde a variação de pelo menos duas dentre a pressão de entra- da, a freqüência e o tempo ligado obtém uma relação de giro de uma taxa de injeção máxima para um taxa de injeção mínima de pelo menos em torno de -31:1.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde a taxa de inje- ção está entre em torno de 0,2 gramas / minuto e em torno de 25 gramas / minuto.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde o reagente inclui pelo menos uma dentre uma solução de uréia e uma solução de hidro- carboneto.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde pelo menos dois consistem na freqüência e no tempo ligado.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, que ainda compre- ende a etapa de: manutenção de uma pressão de entrada constante de em torno de 80 psi (551,58 kPa).

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde o diâmetro é de 0,005 (127 μιτι) ou menos; e onde a variação de cada um dentre a pressão de entrada, a fre- qüência e o tempo ligado obtém uma relação de giro de pelo menos 100:1.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, que ainda compre- ende a etapa de: ajuste da pressão de entrada até o reagente ser injetado com tamanhos de gotícula de em torno de 40 μ e em torno de 100 μ SMD.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde o reagente é provido para o injetor a partir de um tanque de reagente, onde o método ain- da inclui uma etapa de recirculação de pelo menos uma porção do reagente de volta para o tanque de reagente.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, onde uma vazão de recirculação é maior do que a taxa de injeção.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde o reagente é provido a uma vazão entre em torno de 2,5 galões / hora (9,463 litros / hora) e em torno de 10 galões / hora (37,854 litros / hora).

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, onde a taxa de injeção mínima é de em torno de 0,2 gramas / minuto e a taxa de injeção máxima é de em torno de 25 gramas / minuto.

12. Método, de acordo com a reivindicação 1, onde o reagente é provido a uma vazão entre em torno de 7 galões / hora (26,498 litros / hora) e em torno de 25 galões / hora (94,635 litros / hora).

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, onde a taxa de injeção mínima é de em torno de 20 gramas / minuto e a taxa de injeção má- xima é de em torno de 600 gramas / minuto.

14. Método de redução de emissões de um motor a diesel, que compreende as etapas de: provisão de um injetor de reagente em comunicação com uma saída de exaustão do motor a diesel, o injetor tendo um orifício com um diâ- metro menor do que em torno de 0,035 polegadas (889 pm); provisão de um reagente para o injetor em uma pressão de en- trada; atuação do injetor para ligado e desligado em uma freqüência para injeção do reagente através do orifício para a saída de exaustão a uma taxa de injeção; ajuste de um tempo ligado do injetor entre em torno de 85% e em torno de 5%; ajuste da pressão de entrada entre uma primeira pressão de en- trada e uma segunda pressão de entrada; onde as etapas de ajuste do tempo ligado e de ajuste da pres- são de entrada obtêm uma relação de giro de uma taxa de injeção máxima para uma taxa de injeção mínima maior do que 10:1.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, onde o diâmetro é de em torno de 0,03 polegadas (762 pm) ou menos; e onde a taxa de injeção máxima é de em torno de 800 gramas / minuto.

16. Método, de acordo com a reivindicação 14, que ainda com- preende a etapa de: ajuste da freqüência entre uma primeira freqüência de em torno de 10 Hz e uma segunda freqüência de em torno de 1,5 Hz e ajuste do tem- po ligado para em torno de 1 % ou menos para a obtenção de uma taxa de giro de pelo menos 50:1.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, onde a primeira pressão de entrada é de em torno de 120 psi (827,37 kPa) e a segunda pressão de entrada é de em torno de 80 psi (551,58 kPa).

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, onde o diâmetro de orifício é de 0,005 (127 pm) ou menos; e onde a relação de giro é de pelo menos em torno de 100:1.

19. Método, de acordo com a reivindicação 14, onde a primeira pressão de entrada é de em torno de 120 psi (827,37 kPa) e a segunda pressão de entrada é de em torno de 60 psi (413,69 kPa).

20. Método, de acordo com a reivindicação 14, onde a primeira pressão de entrada é de em torno de 140 psi (965,27 kPa) e a segunda pressão de entrada é de em torno de 40 psi (275,79 kPa).

21. Método, de acordo com a reivindicação 14, onde a relação de giro é de pelo menos em torno de 43:1.

22. Método de redução de emissões de um motor a diesel, que compreende as etapas de: provisão de um injetor de reagente para uma saída de exaustão do motor a diesel, o injetor tendo um orifício com um diâmetro não maior do que em torno de 0,006 polegadas (152,4 μιτι); suprimento de um reagente para o injetor a uma pressão de en- trada de em torno de 80 psi (551,58 kPa) ou menos; atuação do injetor para ligado e desligado a uma freqüência não maior do que em torno de 1,5 Hz; onde a referida atuação injeta o reagente através do orifício para a saída de exaustão a uma taxa de injeção de pelo menos em torno de 3,3 gramas / minuto ou menos; e onde o injetor tem um tempo ligado menor do que 10,5%.

23. Método, de acordo com a reivindicação 22, onde o injetor tem um tempo ligado menor do que 5%; e onde a referida atuação injeta o reagente através do orifício para a saída de exaustão a uma taxa de injeção de em torno de 1,5 gramas / mi- nuto ou menos.

24. Método, de acordo com a reivindicação 22, onde o injetor tem um tempo ligado menor do que 1 %; e onde a referida atuação injeta o reagente através do orifício para a saída de exaustão a uma taxa de injeção de em torno de 0,8 gramas / mi- nuto ou menos.

25. Método, de acordo com a reivindicação 22, onde a freqüên- cia é de 1,0 Hz ou menos.

26. Método, de acordo com a reivindicação 22, onde a taxa de injeção está entre em torno de 0,2 gramas / minuto e em torno de 3 gramas / minuto.

27. Método, de acordo com a reivindicação 22, onde o tempo ligado está em torno de 1 % ou menos.

28. Método, de acordo com a reivindicação 22, onde o reagente inclui pelo menos uma dentre uma solução de uréia e uma solução de hidro- carboneto.