BRPI0719831A2

BRPI0719831A2 - Dispositivo redutor de gás de escapamento de temperatura para dispositivos de pós-tratamento

Info

Publication number: BRPI0719831A2
Application number: BRPI0719831-0A
Authority: BR
Inventors: Michael J Eifert; Andrea Brown; Mark A Schmale; Jeffrey R Kelso; Timothy Juan
Original assignee: Int Truck Intellectual Prop Co
Priority date: 2006-10-11
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2014-02-04
Also published as: CA2665488A1; MX2009003428A; WO2008046006A2; WO2008046006A3

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVO REDUTOR DE gás DE escapamento DE temperatura para dis- positivos DE PÓS-TRATAMENTO".

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a motores de combustão interna,

incluindo, mas não se limitando a, passagens de escapamento contendo dispositivos de pós-tratamento para o motor de combustão interna. ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Os motores de combustão interna geram gases de escapamento 10 durante uma operação que contÉM vários compostos químicos. Muitos mo- tores modernos incluem dispositivos de pós-tratamento associados aos mes- mos para tratar alguns destes compostos químicos no gás de escapamento. Os componentes de pós-tratamento típicos podem incluir catalisadores de oxidação (OC) e filtros de partículas (PF). Os motores de ignição por com- 15 pressão, em particular, podem usar esses dispositivos para o tratamento de seus gases de escapamento.

O tratamento, ou o pós-tratamento, tal como é vulgarmente co- nhecido, é um processo de tratamento dos gases de escapamento gerados durante o funcionamento de um motor e antes de serem liberados para o 20 ambiente. Em um veículo típico, por exemplo, o motor pode ser conectado a um tubo de escapamento, ou cano de descarga, que pode transportar gases de escapamento para fora do motor. O cano de descarga do veículo pode incluir vários componentes de pós-tratamento, juntamente com outros com- ponentes, por exemplo, silenciadores, válvulas, e assim por diante.

Durante o funcionamento de um motor, a temperatura dos gases

de escapamento gerados dependerá de vários fatores. Durante uma opera- ção normal do motor, a temperatura dos gases de escapamento pode de- pender principalmente da velocidade e carga do motor, como também de outros fatores, tais como a pressão barométrica, a temperatura ambiente, e 30 assim por diante. Durante a marcha lenta, espera-se que a temperatura dos gases de escapamento no cano de descarga seja relativamente baixa, por exemplo, em alguns motores, de cerca de 200 graus C (400 graus F). Duran- te condições de carga elevada, por exemplo, quando o veículo está viajando a uma taxa maior de velocidade sob uma carga elevada, a temperatura dos gases de escapamento pode alcançar uma temperatura de 815 graus C (1500 graus F).

5 A regeneração de filtro FP1 como é conhecida, vem a ser um

processo periódico por meio do qual a matéria presa no filtro FP é queimada no sentido de limpar o filtro FP. A adição de dispositivos de pós-tratamento, como, por exemplo, um filtro FP, pode aumentar a temperatura dos gases de escapamento nos momentos em que tal temperatura de outra forma é baixa. 10 Este aumento da temperatura pode ser devido a um evento de regeneração do filtro FP que pode ocorrer, por exemplo, enquanto o motor encontra-se em marcha lenta.

Por conseguinte, existe a necessidade de evitar-se aumentos de temperatura de escapamento nos tubos de saída de um veículo durante os períodos em que espera-se que tais temperaturas sejam baixas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

O aumento da temperatura de escapamento nos tubos de saída de um veículo quando espera-se que tais temperaturas sejam baixas, pode ser vantajosamente evitado através do uso de um dispositivo misturador, 20 conforme descrito a seguir. O sistema do motor inclui um motor de combus- tão interna conectado a um sistema de escapamento. Uma parte do sistema de escapamento é conectada ao motor de combustão interna, e uma parte adicional do sistema de escapamento é conectada ao veículo e inclui um cano de descarga que se abre para a atmosfera. O sistema de pós- 25 tratamento é conectado ao sistema de escapamento localizado entre o motor de combustão interna e o cano de descarga. O dispositivo misturador locali- za-se entre um primeiro segmento do cano de descarga e um segundo seg- mento do cano de descarga. O dispositivo misturador é disposto de modo a misturar um fluxo de gases de escapamento a partir do primeiro segmento 30 do cano de descarga com um fluxo de ar ambiente a fim de produzir uma mistura de baixa temperatura, em comparação ao fluxo dos gases de esca- pamento, e encaminhar a mistura para o segundo segmento do cano de descarga. O mesmo atua passivamente, sem a necessidade de peças mó- veis ou acionadas.

O dispositivo misturador possui várias passagens através das quais os gases de escapamento são orientados. As passagens de ar ambi- 5 ente ficam aninhadas entre as passagens do gás de escapamento. O dispo- sitivo misturador é projetado de modo que possa ser facilmente inserido no primeiro e segundo segmentos do cano de descarga, onde o mesmo pode ser soldado ou mecanicamente fixado no lugar. O mesmo é projetado de modo a ser fabricado em um processo de conformação final, ao invés de 10 ficar limitado a uma fabricação de chapa metálica, embora possa ser fabri- cado utilizando uma fabricação de chapa metálica, se assim desejado. De preferência, o dispositivo misturador pode ser fabricado de aço inoxidável fundido de investimento. Isto oferece as conformas e as seções necessárias, ao mesmo tempo mantendo os custos e o peso a um nível aceitável.

Na modalidade mostrada, a corrente de escapamento quente é

dividida em cinco passagens distintas. Cada passagem é completamente envolvida pela corrente de ar ambiente de tal conforma a maximizar o conta- to entre a corrente de escapamento quente e a corrente de ar ambiente. Isto maximiza a mistura, ao mesmo tempo minimizando a contrapressão à cor- rente de escapamento.

O dispositivo misturador pode ser sintonizado de modo a contro- lar a quantidade de contrapressão experimentada pela corrente de escapa- mento e controlar a temperatura máxima na saída do escapamento do se- gundo segmento do cano de descarga. Isto pode ser feito através da utiliza- 25 ção de uma restrição ou tampão localizado na passagem de ar ambiente do dispositivo misturador, onde o mesmo pode ser soldado ou mecanicamente fixado no lugar. Isto pode ser feito também através da variação do compri- mento do segundo segmento do cano de descarga.

Tal como descrito acima, o dispositivo redutor de temperatura de escapamento para um dispositivo de pós-tratamento e um veículo feito com este dispositivo oferecem uma série de vantagens, algumas das quais foram sido descritas acima e outras são inerentes à presente invenção. Além disso, modificações podem ser propostas ao dispositivo redutor de temperatura de escapamento para um dispositivo de pós-tratamento ou ao veículo produzido com este dispositivo sem se afastar dos ensinamentos da presente invenção. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A patente ou pedido de depósito contém pelo menos um dese-

nho executado em cor. Cópias desta patente ou publicação de pedido de patente com desenho(s) coloridos serão fornecidas pelo Escritório mediante solicitação e pagamento da taxa necessária.

Figura 1 - Uma primeira modalidade da presente invenção.

Figura 2 - Uma segunda modalidade da presente invenção.

Figura 3 - Uma terceira modalidade da presente invenção.

Figura 4 - Uma quarta modalidade da presente invenção.

Figura 5 - Uma quinta modalidade da presente invenção.

Figura 6 - Uma sexta modalidade da presente invenção.

Figura 7 - Uma sétima modalidade da presente invenção.

Figura 8 - Uma oitava modalidade da presente invenção.

Figura 9 - Uma nona modalidade da presente invenção.

Figura 10 - Uma décima modalidade da presente invenção.

Figura 11 - Uma décima primeira modalidade da presente inven-

ção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A figura 1 mostra um dispositivo misturador 101 para uso no sis- tema de escapamento de um veículo com um motor de combustão interna, particularmente em um sistema de escapamento com um sistema de pós- tratamento, cujo sistema de pós-tratamento resulta na geração de gases de escapamento de temperatura muito elevada.

O dispositivo misturador 101 da modalidade mostrada na figura 1 é provido com cinco passagens de escapamento 102 regularmente espa- çadas entre quatro passagens de ar ambiente 103. Os gases de escapa- 30 mento de alta temperatura 112 entram no dispositivo misturador 101 na ex- tremidade de entrada 106, e são canalizados através das cinco passagens de escapamento 102 na extremidade de saída 107. A extremidade de entra- da 106 é dimensionada de tal modo que a superfície de junção de tubo de escapamento de motor 108 deslize para dentro e fique presa sobre o, solda- da no, ou mecanicamente fixada ao cano de descarga do motor (não- mostrado). As passagens externas de escapamento 102 da extremidade de 5 saída 107 são conformadas de tal modo que as suas superfícies externas sejam em parte concentricamente cilíndricas, conformando uma superfície de junção de tubo de escapamento de cano de descarga 109.

A figura 2 mostra um dispositivo misturador 101 para uso no sis- tema de escapamento de um veículo com um motor de combustão interna, similar ao dispositivo misturador 101 mostrado na figura 1. O dispositivo mis- turador 101 da modalidade mostrada na figura 2 é também provido com cin- co passagens de escapamento 102, quatro passagens de ar ambiente 103, uma extremidade de entrada 106, e uma extremidade de saída 107. O ar ambiente 113 entra no dispositivo misturador 101 através das quatro passa- gens de ar ambiente 103, e arrastado por meio de um efeito venturi criado pelos gases de escapamento de alta temperatura 112 (não-mostrados) que saem pelas cinco passagens de escapamento 102. A extremidade de entra- da 106 é mais uma vez dimensionada de tal modo que a superfície de jun- ção de tubo de escapamento de motor 108 deslize para dentro e fique presa sobre o, soldada no, ou mecanicamente fixada ao cano de descarga do mo- tor (não-mostrado). As passagens externas de escapamento 102 da extre- midade de saída 107 são mais uma vez conformadas de tal modo que as superfícies externas destas passagens sejam em parte concentricamente cilíndricas, conformando a superfície de junção de tubo de escapamento ou cano de descarga 109. Desta forma, um cano de descarga (não-mostrado) que desliza sobre a, ou fica preso sobre a, ou é mecanicamente fixado à ex- tremidade de saída 107 do dispositivo misturador 101 conforma a parede de saída das quatro passagens de ar ambiente 103. O ar ambiente 113 é, as- sim, arrastado para ou misturado com os gases de escapamento de alta temperatura 112 (não-mostrado), à medida que os mesmos entram no tubo de descarga (não-mostrado).

A figura 3 mostra um dispositivo misturador 101 instalado, de tal modo que a extremidade de entrada 106 seja inserida no tubo de escapa- mento 110 do motor, e a extremidade de saída 107 seja inserido em um ca- no de descarga 111. As passagens de ar ambiente 103 permanecem expos- tas, de tal modo que o ar ambiente seja arrastado para o cano de descarga 5 111 por meio do efeito venturi dos gases de escapamento que saem das passagens de escapamento 102 (não-visíveis).

A figura 4 mostra uma vista de extremidade da extremidade de saída 107 de um dispositivo misturador 101, semelhante ao dispositivo mistu- rador 101 mostrado na figura 1. O dispositivo misturador 101 mostrado na fi- 10 gura 4 é mais uma vez provido com cinco passagens de escapamento 102 e quatro passagens de ar ambiente 103. Quatro das cinco passagens de esca- pamento 102 são conformadas de modo a produzirem os segmentos de uma superfície de junção de tubo de escapamento de cano de descarga 109.

A figura 5 mostra uma vista lateral de um dispositivo misturador 15 101, similar ao dispositivo misturador 101 mostrado na figura 1. O dispositivo misturador 101 mostrado na figura 5 é também provido com as passagens de escapamento 102, as passagens de ar ambiente 103, uma extremidade de entrada 106, e uma extremidade de saída 107. A extremidade de entrada 106 é mais uma vez provida com uma superfície de junção de tubo de escapa- 20 mento de motor 108. A extremidade de saída 107 é mais uma vez provida com uma superfície de junção de tubo de escapamento de cano de descarga 109.

Figura 6 mostra a porção interna 105 de um dispositivo mistura- dor 101, com o objetivo de melhor ilustrar a sua conforma. O dispositivo mis- 25 turador 101 tem uma extremidade de entrada 106 e uma extremidade de saída 107. As passagens de escapamento 102 e as passagens de ar ambi- ente 103 são conformadas a partir de uma peça de metal essencialmente contígua. A porção externa (não-mostrada) pode ser da mesma peça de me- tal contígua, de modo que o dispositivo misturador 101 passe por um pro- 30 cesso de estampagem profunda e perfuração a partir de uma única peça de metal. De maneira alternativa, a porção interna 105 do dispositivo misturador 101 e a porção externa (não-mostrada) do dispositivo misturador 101 podem ser conformadas a partir de pecas de metal separadas e posteriormente jun- tadas. Além disso, a parte interna 105 e a porção externa (não-mostrada) do dispositivo misturador 101 podem ser fundidas em separado, ou o dispositivo misturador 101 pode ser uma única peça de fundição. De preferência, o dis- 5 positivo misturador 101 pode ser um investimento de fundição de peça única de aço inoxidável.

A figura 7 mostra a porção interna 105 de um dispositivo mistu- rador 101, similar à porção interna 105 mostrada na figura 6. A porção inter- na 105 mostrada na figura 7 mais uma vez apresenta uma extremidade de 10 entrada 106, uma extremidade de saída 107, as passagens de escapamento 102, e as passagens de ar ambiente 103. A porção interna 105 pode ser também feita de uma única peça contígua de metal estampado e, em segui- da, juntada a uma porção externa conformada em separado (não-mostrada), ou a porção interna 105 e a porção externa (não-mostrada) podem ser es- 15 tampadas pelo processo de estampagem profunda e perfuradas a partir de uma única peça de metal. Similar à porção interna 105 do dispositivo mistu- rador 101 da figura 6, a porção interna 105 do dispositivo misturador 101 da figura 7 pode ser fundida, quer em separado da, quer integralmente com a porção externa (não-mostrada).

A figura 8 mostra a porção interna 105 de um dispositivo mistu-

rador 101 similar à porção interna 105 mostrada nas figuras 6 e 7. A porção interna 105 da figura 8 mais uma vez apresenta uma extremidade de entrada 106, uma extremidade de saída 107, as passagens de escapamento 102, e as passagens de ar ambiente 103. O ar ambiente 113 é arrastado para o 25 dispositivo misturador 101 por meio de um efeito venturi causado pelo fluxo dos gases de escapamento de alta temperatura 112 (não-mostrado) à medi- da que os gases de escapamento de alta temperatura 112 saem pelas pas- sagens de escapamento 102 e entram no cano de descarga 111 (não- mostrado). O fluxo de ar ambiente 113 é representado pelos vetores de ve- 30 Iocidade de fluxo de ar ambiente 117. De modo geral, as regiões de fluxo de ar ambiente de baixa velocidade são indicadas nos pontos 118. De modo geral, as regiões de fluxo do ar ambiente de velocidade média são indicadas nos pontos 119. De modo geral, as regiões de fluxo do ar ambiente de alta velocidade são indicadas nos pontos 120.

A figura 9 mostra a porção interna 105 de um dispositivo mistu- rador 101, similar à porção interna 105 mostrada nas figuras 6 a 8. A porção interna 105 mostrada na figura 9 mais uma vez apresenta uma extremidade de entrada 106, uma extremidade de saída 107, as passagens de escapa- mento 102, e as passagens de ar ambiente 103. Os gases de escapamento de alta temperatura 112 entram no dispositivo misturador 101 na extremida- de de entrada 106, atravessam as passagens de escapamento 102, e en- tram no cano de descarga 111. O ar ambiente 113 entra pelas passagens de ar ambiente 103. O ar ambiente 113 é mostrado no momento de entrada com cerca de 40° Celsius ou cerca de 100° Fahrenheit. Os gases de esca- pamento de alta temperatura 112 são mostrados no momento de entrada com cerca de 650° Celsius ou cerca de 1200° Fahrenheit. Existe uma área de contato inicial entre os gases de escapamento de alta temperatura 112 e

o ar ambiente 113, seguido de um volume de mistura 115 dentro do cano de descarga 111.0 comprimento do cano de descarga 111 e, por conseguinte,

o volume de mistura 115 podem variar, a fim de realizar uma mistura ótima e, ao mesmo tempo, maximizar o volume de ar ambiente que é arrastado para o dispositivo misturador 101. Finalmente, a mistura de ar e gases de escapamento 116 de temperatura mais baixa sai pelo cano de descarga 111.

A figura 10 mostra a porção interna 105 de um dispositivo mistu- rador 101, similar à porção interna 105 mostrada nas figuras 6 a 9. A porção interna 105 mostrada na figura 10 tem mais uma vez uma extremidade de 25 entrada 106, uma extremidade de saída 107, as passagens de escapamento 102, e as passagens de ar ambiente 103. Os gases de escapamento de alta temperatura 112 e o ar ambiente 113 são novamente mostrados no momen- to de entrada no dispositivo misturador 101 e fluindo para o cano de descar- ga 111. O ar ambiente 113 é mostrado novamente no momento de entrada, 30 com cerca de 40° Celsius ou cerca de 100° Fahrenheit, e os gases de esca- pamento de alta temperatura 112 são mostrados no momento de entrada, com cerca de 650° Celsius ou cerca de 1200° Fahrenheit. Existe novamente uma área de contato inicial 114 entre os gases de escapamento de alta tem- peratura 112 e o ar ambiente 113, seguido de um volume de mistura 115 dentro do cano de descarga 111, e de uma mistura de ar e gases de esca- pamento de temperatura mais baixa 116 que sai do cano de descarga 111. A 5 mistura de ar e gases de escapamento de temperatura mais baixa 116 sai do cano de descarga 111 com cerca de 340° Celsius ou cerca de 640° Fa- hrenheit.

A figura 11 mostra um dispositivo misturador 101 para uso em um sistema de escapamento de um veículo com um motor de combustão interna, similar ao dispositivo misturador 101 mostrado na figura 1. O dispo- sitivo misturador 101 da modalidade mostrada na figura 11 é mais uma vez provido com cinco passagens de escapamento 102, quatro passagens de ar ambiente 103, uma extremidade de entrada 106, uma superfície de junção de tubo de escapamento de motor 108, uma extremidade de saída 107, e uma superfície de junção de tubo de escapamento de cano de descarga 109. Um tampão 104 é mostrado inserido em uma das quatro passagens de ar ambiente 103, cujo tampão pode ser geometricamente fechado no lugar, encaixado com força, ou soldado no lugar. O tampão 104 é útil para a sinto- nização da contrapressão do sistema de escapamento e da quantidade de ar ambiente arrastado para o sistema de escapamento.

Enquanto modalidades específicas tenham sido descritas em detalhe na descrição detalhada acima e ilustrada nos desenhos em anexo, aqueles versados na técnica apreciarão que várias permutações da presente invenção são possíveis sem se afastar dos ensinamentos aqui apresenta- 25 dos. Sendo assim, as disposições específicas apresentadas destinam-se a serem tão somente exemplificativas e não Iimitantes quanto ao escopo de aplicação da presente invenção, e devem ser consideradas na total amplitu- de das reivindicações em apenso e todos os seus equivalentes. Outras van- tagens de um veículo equipado com um dispositivo redutor de temperatura 30 de escapamento para um dispositivo de pós-tratamento podem também ser inerentes à presente invenção, sem que tenham sido descritas no presente documento.

Claims

1. Veículo para operação no solo, compreendendo: - um chassi; - um motor fixado ao dito chassi; - um sistema de escapamento conectado ao dito motor, o dito sistema de escapamento tendo um tubo de escapamento de motor, o dito tubo de escapamento de motor incluindo pelo menos um dispositivo pós- tratamento, o dito sistema de escapamento tendo ainda um cano de descar- ga; e - um dispositivo misturador localizado entre o dito tubo de esca- pamento de motor e o dito cano de descarga.

2.Veículo para operação no solo, de acordo com a reivindicação 1, no qual: - o dito dispositivo misturador tem pelo menos duas passagens de escapamento e pelo menos duas passagens de ar ambiente, as ditas pe- lo menos duas passagens de ar ambiente sendo interpostas entre e envol- vendo parcialmente as ditas pelo menos duas passagens de escapamento.

3.Veículo para operação no solo, de acordo com a reivindicação 2, no qual: - o dito dispositivo misturador tem cinco passagens de escapa- mento e quatro passagens de ar ambiente, as ditas quatro passagens de ar ambiente sendo interpostas entre e envolvendo parcialmente as ditas cinco passagens de escapamento.

4. Veículo para operação no solo, de acordo com a reivindicação 3, no qual: - o dito dispositivo misturador é fabricado a partir de uma chapa de metal conformada.

5. Veículo para operação no solo, de acordo com a reivindicação 4, no qual: -o dito dispositivo misturador é fabricado usando uma porção interna conformada e uma porção externa conformada separada, a dita por- ção externa conformada sendo juntada à dita porção interna conformada.

6. Veículo para operação no solo, de acordo com a reivindicação 4, no qual: - o dito dispositivo misturador é fabricado utilizando uma única peça de chapa metálica conformada, a dita única peça de chapa metálica conformada sendo estampada pelo processo de estampagem profunda e perfurada.

7. Veículo para operação no solo, de acordo com a reivindicação 3, no qual: - o dito dispositivo misturador é fabricado utilizando um processo de conformação líquida.

8. Veículo para operação no solo, de acordo com a reivindicação 7, no qual: - o dito dispositivo misturador é fabricado como uma fundição.

9. Veículo para operação no solo, de acordo com a reivindicação 7, no qual: - o dito dispositivo misturador é fabricado como um aço inoxidá- vel fundido de investimento.

10. Veículo para operação no solo, de acordo com a reivindica- ção 3, no qual: -o dito dispositivo misturador é provido ainda com um tampão, o dito tampão sendo inserível em uma das ditas quatro passagens de ar ambi- ente.

11. Dispositivo misturador para uso em um sistema de escapa- mento de veículo, compreendendo: - uma extremidade de entrada capaz de ser juntada a um tubo de escapamento de motor; - uma extremidade de saída capaz de ser juntada a um cano de descarga; - pelo menos duas passagens de escapamento; - pelo menos duas passagens de ar ambiente, as ditas pelo me- nos duas passagens de ar ambiente sendo interpostas entre e envolvendo parcialmente as ditas pelo menos duas passagens de escapamento.

12. Dispositivo misturador, de acordo com a reivindicação 11, no qual: - o dito dispositivo misturador tem cinco passagens de escapa- mento e quatro passagens de ar ambiente, as ditas quatro passagens de ar ambiente sendo interpostas entre cinco e envolvendo parcialmente as ditas cinco passagens de escapamento.

13. Dispositivo misturador, de acordo com a reivindicação 12, no qual: - o dito dispositivo misturador é fabricado a partir de uma chapa metálica conformada.

14. Dispositivo misturador, de acordo com a reivindicação 13, no qual: - o dito dispositivo misturador é fabricado usando uma porção interna conformada e uma porção externa conformada separada, a dita por- ção externa conformada sendo juntada à dita porção interna conformada.

15. Dispositivo misturador, de acordo com a reivindicação 13, no qual: - o dito dispositivo misturador é fabricado utilizando uma única peça de chapa metálica conformada, a dita única peça de chapa metálica conformada sendo estampada pelo processo de estampagem profunda e perfurada.

16. Dispositivo misturador, de acordo com a reivindicação 12, no qual: - o dito dispositivo misturador é fabricado utilizando um processo de conformação final.

17. Dispositivo misturador, de acordo com a reivindicação 16, no qual: - o dito dispositivo misturador é fabricado como uma fundição.

18. Dispositivo misturador, de acordo com a reivindicação 16, no qual: - o dito dispositivo misturador é fabricado como um aço inoxidá- vel fundido de investimento.

19. Dispositivo misturador, de acordo com a reivindicação 12, no qual: - o dito dispositivo misturador é provido ainda com um tampão, o dito tampão sendo inserível em uma das ditas quatro passagens de ar ambi- ente.