BRPI0900348B1

BRPI0900348B1 - dispositivo para a conversão de componentes de gás de escape de um motor de combustão interna

Info

Publication number: BRPI0900348B1
Application number: BRPI0900348-7A
Authority: BR
Inventors: Andreas Kistner; Andreas Dõring
Original assignee: Man Truck & Bus Ag
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2020-11-17
Also published as: BRPI0900348A2; EP2101049B1; CN101513592B; US20090205325A1; CN101513592A; EP2101049A2; DE102008010071A1; US8261538B2; RU2405947C2; RU2009105733A; EP2101049A3

Abstract

dispositivo para a conversão de componentes de gás de escape de um motor de combustão interna e sistema de tratamento posterior de gás de escape. dispositivo para a conversão de componentes de gás de escape de um motor de combustão interna por meio de pelo menos um catalisador e/ou filtro de partículas e/ou separados de partículas e para compensar movimentos relativos entre o motor de combustão interna e o trato de gás de escape e/ou de movimentos relativos de diferentes partes do trato de gás de escape por meio de pelo menos um compensador que admite movimentos relativos. é previsto que pelo menos um catalisador para a conversão de componentes de gás de escape e/ou pelo menos um filtro de partículas e/ou pelo menos um separador de partículas fique alojado dentro do compensador (20.1 - 20.8, 20.x, 20.y, 20.z) e/ou dentro de uma parte do trato de gás de escape, que fica conectada ao compensador (20.1 - 20.8, 20.x, 20.y, 20.z) de forma não removível. o diâmetro externo do catalisador e/ou do filtro de partículas e/ou do separador de partículas, neste caso, é menor ou igual ao diâmetro interno do compensador (20.1 - 20.8, 20.x, 20.y, 20.z).

Description

[0001] Objeto da invenção é um dispositivo para a conversão de componentes de gás de escape de um motor de combustão interna por meio de pelo menos um catalisador e/ou um filtro de particulas e/ou um separador de particulas e para compensar movimentos relativos entre o motor de combustão interna e a seção de gás de escape e/ou de movimentos relativos de diferentes peças da seção de gás de escape por meio de pelo menos um compensador que permite movimentos relativos.

[0002] Devido a valores-limite de gás de escape cada vez mais rigorosos, que nem sempre podem ser alcançados somente através de medidas relativas ao motor, a maioria dos motores de combustão interna neste interim são equipados com sistemas de tratamento posterior para diminuir as emissões de poluentes.

[0003] Neste caso, pode se tratar, por exemplo, de: - catalisadores de três vias;- catalisadores de armazenamento de NOX;- catalisadores de oxidação Diesel;- catalisadores SCR; e - filtro de particulas.

[0004] Como o filtro de particulas e catalisadores SCR representam um desenvolvimento relativamente novo, eles serão a seguir brevemente esclarecidos.

[0005] Além das particulas de matéria sólida óxidos de nitrogênio fazem parte dos componentes de gás de escape limitados, que surgem durante processos de combustão e cujas emissões permitidas vêm sendo cada vez mais reduzidas. Para minimizar esses componentes de gás de escape no caso de motores de combustão interna operados em veiculosautomotores, hoje em dia são utilizados diversos métodos. A redução dos óxidos de nitrogênio ocorria na maioria das vezes com auxílio de catalisadores, em gás de escape rico em oxigênio também é necessário um agente de redução para elevar a seletividade e as conversões de NOx. Esses métodos tornaram-se conhecidos pelo termo coletivo método SCR, sendo que SCR representa "redução catalítica seletiva". Sua aplicação é feita, há muitos anos, na área de usinas elétricas e mais recentemente em motores de combustão interna. Uma ilustração detalhada de tais métodos consta no documento DE 34 28 232 Al. Como catalisadores SCR podem ser empregados óxidos mistos contendo V2O5, por exemplo na forma de V2O5/WO3/TÍO2. Porcentagens de V2O5 situam-se neste caso entre 0,2-3%. Como agentes de redução podem ser utilizados na aplicação prática de amónia ou compostos liberadores de amónia como uréia ou formiato de amónia, na forma sólida ou em solução. Para a conversão de um mol de óxido de nitrogênio é necessário, neste caso, um mol de amónia.4NO+4NH3+O2 => 4N2+6H2O (1)

[0006] Se um catalisador de oxidação de NO contendo platina é conectado em série na frente aos catalisadores SCR, para a formação de NO22NO+O2 <- 2NO2 (2)

[0007] Então a reação SCR poderá ser bastante acelerada e sensivelmente aumentada a atividade sob baixa temperatura.NO+2NH3+NO2 => 2N2+3H2O (3)

[0008] No caso de motores de combustão interna operados em veículos automotores, a redução de óxido de nitrogênio com auxílio do método SCR, é dificultada, pois lá estão presentes condições operacionais alternantes, o que dificulta a mediçãoquantitativa do agente de redução. Por um lado, obtém-se uma conversão a mais elevada possível de óxidos de nitrogênio, por outro lado deve-se observar atentamente ao fato de isso não permitir a emissão de amónia não consumida. Para remediar essa situação, muitas vezes é utilizado um catalisador captador de amónia, que converte amónia em excesso em nitrogênio e vapor d'água. Além disso, a utilização de V2O5 como material ativo para o catalisador SCR pode causar problemas se a temperatura de gás de escape no catalisador SCR se situar acima de 650 °C, pois V2O5 sublima. Por essa razão zéolitas de ferro ou de cobre livres de V2O5 são utilizadas para aplicações sob altas temperaturas.

[0009] Para minimizar as partículas de matéria sólida são utilizados separadores de partículas ou filtros de partículas tanto no setor de usinas elétricas como em veículos automotores.

[0010] Um arranjo típico para o uso em veículos com separador de partículas é descrito, por exemplo, no documento EP 1 072 765 Al. Arranjos desse tipo se diferenciam daqueles com filtros de partículas pelo fato de o diâmetro dos canais do separador de partículas serem bem maiores do que o diâmetro da maior partícula existente, enquanto que nos filtros de partículas o diâmetro dos canais filtrantes situa-se na faixa dos diâmetros das partículas.

[0011] Devido a essa diferença os filtros de partículas apresentam riscos de entupimento, o que aumenta a contra- pressão de gás de escape e diminui o desempenho do motor. Um arranjo e um método com filtro de partículas consta no documento EP 0 341 832 A2. Os dois arranjos e métodos mencionados acima se destacam pelo fato de o catalisador deoxidação disposto respectivamente em curso ascendente em relação ao separador de partículas ou ao filtro de partículas - na maioria das vezes um catalisador com platina como material ativo - oxida o monóxido de nitrogênio no gás de escape com auxílio do oxigênio residual também presente formando dióxido de nitrogênio, o que, por sua vez, no separador de partículas ou filtro de partículas com as partículas de carbono formando CO, CO2, N2 e NO. Desse modo é feita uma separação contínua das partículas de matéria sólida acumuladas.2NO2+C => 2NO +CO2 (4)2NO2+C => 2NO +CO (5)2C+2NO2 =>N2 + 2CO2 (6)

[0012] Uma outra possibilidade para remover as partículas de fuligem acumuladas no separador de partículas ou filtro de partículas, reside no fato de oxidá-las em ciclos de regeneração sob elevadas temperaturas com o oxigênio presente no fluxo de gás de escape.C+O2 => CO2 (7)

[0013] Para cumprir as determinações sobre gás de escape futuramente válidas, é necessária a aplicação simultânea tanto de arranjos para a redução da emissão de óxido de nitrogênio, como também de arranjos para a redução da emissão de partículas de matéria sólida. Para tanto, já são conhecidos diferentes arranjos e métodos.

[0014] No documento DE 103 48 799 Al é descrito um arranjo que é composto de um catalisador de oxidação, de um catalisador SCR disposto em curso descendente em relação a ele, e de um filtro de partículas disposto no fluxo de gás de escape. A condução do agente de redução para a reação catalítica seletiva transcorre no catalisador SCR, é feita imediatamente antes docatalisador SCR através de um dispositivo de injeção de uréia controlado em função de parâmetros operacionais do motor de combustão interna. No caso desse arranjo a desvantagem reside no fato de o óxido de nitrogênio produzido no catalisador de oxidação ser consumido através da redução catalítica seletiva no catalisador SCR quase que totalmente, portanto, não ficando disponível para a conversão das partículas de matéria sólida acumuladas no filtro de partículas conectado em série na saída. A regeneração do filtro de partículas, por isso, precisa ser realizada de modo dispendioso mediante aquecimento cíclico do fluxo de gás de escape, em que o fluxo de gás de escape é enriquecido com hidrocarbonetos não queimados. Isso ocorre tanto pela lubrificação da mistura de combustão ou injeção de combustível antes do filtro de partículas. Um arranjo desse tipo para regenerar o filtro de partículas, por um lado, é dispendioso e portanto mais caro, e por outro a regeneração cíclica do filtro de partículas situado no fim do arranjo produz novamente poluentes, que não podem ser removidos mais do gás de escape. Além disso, pode ocorrer, no caso do uso de filtros de partículas, um entupimento do filtro através de cinzas de combustível de forma que essas precisam ser decompostas in determinados intervalos e purificadas.

[0015] Uma outra combinação a partir de um filtro de partículas e um arranjo para a redução catalítica seletiva é conhecida a partir do documento EP 1 054 722 Al. O arranjo ali descrito é composto de um catalisador de oxidação disposto no fluxo de gás de escape que aumenta a porcentagem do dióxido de nitrogênio no gás de escape, de um filtro de sólidos conectado em série na saída em curso descendente, de um reservatório para o líquido de redução, assim como de um dispositivo deinjeção para o líquido de redução, que fica disposto atrás do filtro de sólidos e de um catalisador SCR disposto no fluxo de gás de escape em curso descendente. 0 arranjo descrito acima permite uma conversão contínua das partículas de matéria sólida acumuladas no filtro de sólidos do tipo fuligem com auxílio do dióxido de nitrogênio produzido no catalisador de oxidação, porém apresenta uma outra desvantagem grave. O filtro de partículas exige um resfriamento do gás de escape, de forma que por exemplo no caso do uso do líquido de redução chamado AdBluosolução de ureia, atualmente disponível comercialmente, a temperatura de gás de escape especialmente após o start do motor de combustão interna, ou durante a operação do motor de combustão interna na faixa de potência inferior é baixa demais para gerar amónia sem o surgimento de produtos secundários problemáticos a partir da solução de uréia aquosa a 33%.

[0016] Em associação à decomposição de uréia (NHzHCO) em amónia (NH3) é conhecido o fato de isso ocorrer sob condições ideais (temperaturas acima de 350 °C) , em dois níveis, de acordo com(NH2)2CO => NH3+HNCO (8)

[0017] É feita primeiramente a termólise, ou seja, a decomposição térmica de uréia. Em seguida é feita, de acordo comHNCO+H2O => NH3+CO2 (9)

[0018] A hidrólise, portanto a decomposição catalítica de ácido isociânico (HNCO) em amónia (NH3) e dióxido de carbono (CO2) .

[0019] Como está presente o agente de redução no uso de AdBlucsolução de ureiaem uma forma dissolvida em água, essaágua deve evaporar antes e durante a termólise e hidrólisepropriamente ditas.

[0020] Se as temperaturas presentes durante a reação acima segundo (8) e (9) ficarem abaixo de 350 °C ou se o aquecimento for feito apenas lentamente, é conhecido porém a partir do documento DE 40 38 054 Al, que principalmente ácido cianúrico sólido, não fusível, surge mediante trimerização do ácido isociânico formado conforme (8), de acordo com3HNCO <350 oC->->350 oc (HNCO)3 (10)

[0021] Que provoca o entupimento do catalisador SCR subseqüente. Auxílio, conforme mencionado no documento citado DE 40 38 054, pode ser criado pelo fato de o fluxo de gás de escape carregado com o agente de redução é conduzido através de um catalisador de hidrólise. A temperatura de gás de escape, a partir da qual é possível uma hidrólise quantitativa, pode ser reduzida para 160 °C. Estrutura e composição de um catalisador correspondente também estão descritos na publicação mencionada como estrutura e função de um sistema de catalisador SCR equipado com um catalisador de hidrólise.

[0022] Para reduzir os catalisadores, porém para manter constante o tempo de permanência nos catalisadores, os catalisadores de hidrólise também são operados em um fluxo parcial de gás de escape, que é derivado de um fluxo de gás de escape é conduzido a este novamente depois de feita a hidrólise. Um arranjo correspondente consta no documento EP 1052009. Especialmente vantajoso neste caso é se a derivação do fluxo parcial de gás de escape for feita o mais próximo possível do motor, para poder operar o catalisador de hidrólise em um nível de temperatura elevado. No caso de motores de combustão interna carregados com gás de escape é também vantajoso retirar o fluxo parcial de gás de escape já antes doturbocarregador e reconduzi-lo novamente em curso descendente do turbocarregador. Na verdade, ocorre um problema no caso da derivação próxima do motor do fluxo parcial de gás de escape e na dosagem do agente de redução. Em determinados estados operacionais do motor de combustão interna pode ocorrer uma inversão do sentido de fluxo do gás de escape principalmente na operação de baixa carga, sobre-rotação, frenagem do motor, em fases de marcha em vazio ou de parada do motor, de forma que agentes de redução, amónia liberada do agente de redução ou produtos secundários formados a partir do agente de redução, como por exemplo ácido isociânico (equação 9), ácido isocianúrico (equação 10) etc, podem entrar em contato com as peças do motor expostas ao gás de escape, através de fluxos de retorno e/ou difusão no sentido do bloco do motor. Isso pode causar corrosão dos materiais ali instalados, especialmente das juntas.

[0023] Uma solução desse problema estaria no arranjo de um catalisador com atividade de oxidação para os produtos de decomposição da uréia entre ponto de injeção e o bloco do motor, no qual no caso de um fluxo de retorno, esses compostos altamente corrosivos seriam destruídos.

[0024] Através de um catalisador, aumenta na verdade o problema de espaço já criado pela multiplicidade de catalisadores a serem empregados, pelo sistema de injeção de agente de redução e separadores de partículas, uma vez que principalmente no caso de motores de combustão interna instalados em veículos automotores muitas vezes não existe espaço construtivo suficiente.

[0025] Em conexão com a seção de gás de escape de motores de combustão, portanto com a peça que aloja também oscatalisadores, é conhecido a partir do documento DE 10157131 C2, instalar compensadores. Neste caso, trata-se de componentes flexiveis, que compensam as variações mecânicas do motor e dilatações térmicas da seção de gás de escape. Eles são integrados na seção de gás de escape, pelos quais circula portanto o gás de escape.

[0026] Partindo do estado da técnica acima descrito, é tarefa da presente invenção dispor um sistema de tratamento posterior de gás de escape ou peças de um sistema de tratamento posterior de gás de escape na seção de gás de escape, a fim de evitar as desvantagens de arranjos conhecidos, de tal forma que possa ser evitada uma ampliação do espaço construtivo.

[0027] Essa tarefa é solucionada através de um dispositivo, de acordo com a característica da reivindicação 1, sendo que aperfeiçoamentos vantajosos do dispositivo, de acordo com a invenção, são caracterizados nas reivindicações dependentes.

[0028] Partiu-se da idéia básica de que através de múltiplo- uso de espaços construtivos existentes, pode-se diminuir a necessidade de espaço para um sistema para o tratamento posterior de gás de escape. Descobriu-se que compensadores instalados normalmente na seção de gás de escape de motores de combustão interna, são muito adequados para a instalação de catalisadores e/ou filtros de partículas e/ou separadores de partículas. Como desse modo, o espaço construtivo necessário para os compensadores também pode ser duplamente utilizado para os catalisadores, esse mesmo espaço construtivo assim obtido fica disponível vantajosamente para outras finalidades.

[0029] Como os compensadores muitas vezes são instalados próximos do motor de combustão interna, essa solução se apresenta de modo especialmente vantajoso para catalisadoresque precisam ser colocados mesmo assim bem próximas do motor.

[0030] No caso do elemento de compensador, ou da peça do compensador, que permite o movimento relativo, pode se tratar vantajosamente de um fole de passagem ou de um tubo flexível ondulado ou de uma luva deslizante.

[0031] Com relação aos tipos de catalisador integráveis no compensador, não existe qualquer restrição, pode se tratar, por exemplo, de catalisadores de três vias, catalisadores de armazenamento de N0x, catalisadores SCR, catalisadores de hidrólise, catalisadores de oxidação de NH3, catalisadores para a oxidação de um agente de redução, catalisadores de oxidação de HC, catalisadores de oxidação para a produção de NO2 a partir de NO ou outros catalisadores, sendo também possível a integração de quaisquer combinações de dois ou vários dos catalisadores acima referidos.

[0032] A integração de catalisadores e, se necessário, separadores de partículas ou filtros de partículas em compensadores pode ser feita especialmente se estes forem instalados próximos do motor. Isso se aplica especialmente aos catalisadores de hidrólise para a decomposição de agentes de redução e eventualmente catalisadores de oxidação dispostos em curso ascendentes em relação a estes, especialmente se a condução da amónia ou de uma substância liberadora de amónia for feita em um fluxo parcial de gás de escape, que deriva do fluxo de gás de escape em curso ascendente em relação ao catalisador SCR. Para a condução do agente de redução (amónia ou substância liberadora de amónia), é previsto neste caso normalmente um reservatório para o agente de redução e um dispositivo de medição do agente de redução, sendo que o dispositivo de medição adiciona o agente de redução ao fluxoparcial de gás de escape e o fluxo parcial de gás de escape em curso descendente em relação ao ponto de alimentação e o fluxo parcial de gás de escape é reconduzido ao fluxo de gás de escape em curso ascendente em relação ao catalisador SCR, por exemplo por meio de um bocal. O catalisador SCR disposto em curso descendente em relação ao ponto de recondução reduz os óxidos de nitrogênio presentes no fluxo de gás de escape com auxilio da amónia liberada na operação da redução catalitica seletiva formando nitrogênio e vapor de água. No fluxo parcial de gás de escape, em curso ascendente com relação ao ponto de alimentação do agente de redução, encontra-se um catalisador de oxidação, que em condições operacionais do motor, nas quais tenha ocorrido uma inversão do fluxo de gás de escape no sentido do motor de combustão interna, oxida amónia e/ou produtos de decomposição de agente de redução que passam no fluxo de retorno.

[0033] O sistema de tratamento posterior, de acordo com a invenção, permite de modo vantajoso por um lado, converter óxidos de nitrogênio a partir do gás de escape formando nitrogênio e água, por outro lado impede-se sem esforço adicional, principalmente relativo a técnica de controle ou de regulação, que através do fluxo de retorno de gases de escape, que surge em determinadas condições operacionais do motor de combustão interna, amónia ou agente de redução ou produtos secundários formados a partir do agente de redução entrem em contato com peças do motor de combustão interna expostas ao gás de escape, e estas fiquem protegidas contra uma corrosão condicionada a esses fatores. A necessidade de espaço para o sistema de tratamento posterior de gás de escape, de acordo com a invenção, pode ser restritos vantajosamente a um nivelmínimo mediante a integração de pelo menos um dos catalisadores referidos em um compensador. Vantajosamente, vários catalisadores, se necessário, juntamente com um separador de partículas ou filtro de partículas são dispostos em um compensador.

[0034] Um catalisador de oxidação integrado no compensador pode ser, neste caso, projetado de tal forma que por um lado, ele oxida a amónia em fluxo de retorno e/ou os produtos de decomposição do agente de redução em fluxo de retorno, e por outro, nas condições operacionais de motor, nas quais o gás de escape em sentido normal, ou seja, no fluxo desde o motor de combustão em diante, oxida monóxido de carbono e/ou monóxido de nitrogênio conduzidos juntos no gás de escape e/ou hidrocarboneto conduzido junto. Desse modo, obtém-se de forma vantajosa que as partes do gás de escape aqui tratadas sejam transformadas no fluxo parcial de gás de escape em compostos não poluentes, ou para aqueles compostos que podem ser utilizados nas reações subseqüentes. Assim, a oxidação de monóxido de nitrogênio faz por exemplo com que seja adicionado à reação SCR no catalisador SCR dióxido de nitrogênio adicional, mais compatível à reação.

[0035] No caso da oxidação acima abordada de amónia no catalisador de oxidação disposto em curso ascendente com relação ao ponto de alimentação do agente de redução, é desejado que a reação transcorra até o nível de oxidação 0, portanto nitrogênio.4NH3+3O2 => 2N2+6H2O (11)

[0036] Na verdade, isso nem sempre ocorre seletivamente de forma que a oxidação muitas vezes continua até o nível de oxidação [+1] (gás hilariante -N2O), [+] (monóxido denitrogênio-NO) ou até mesmo [+4} (dióxido de nitrogênio -NO2) .2NH3+2,5 O2 => 2NO+3H2O [+2] (12)2NO+O2 => 2NO2 [+4] (13)NH3+NO2 => 2NO+H2O [+2] (14)2NH3+2NO2+^O2 => 2N2O+H2O [ + 1] (15)

[0037] Para aumentar a seletividade com relação a nitrogênio, é disposto vantajosamente no fluxo parcial de gás de escape, em curso descendente com relação ao catalisador de oxidação e em curso ascendente com relação ao ponto de alimentação do agente de redução, um catalisador SCR adicional para a redução seletiva de óxidos de nitrogênio com auxilio de amónia no fluxo de retorno no compensador. Desse modo, obtém- se vantajosamente que amónia no fluxo de retorno oxide primeiramente com auxilio de óxidos de nitrogênio presentes no fluxo parcial de gás de escape, de acordo com as equações (1) e (3) formando nitrogênio. Essa reação transcorre de modo altamente seletivo de forma que a formação de produtos secundários indesejados como gás hilariante ou óxidos de nitrogênio seja evitada.

[0038] Somente se não estiverem mais presentes óxidos de nitrogênio no gás de escape, amónia e/ou produtos secundários de decomposição de agente de redução se deparam com o catalisador de oxidação puro, que fica disposto em curso ascendente do catalisador SCR, lá então a reação transcorre com quantidade bastante reduzida de amónia residual, basicamente de acordo com a equação de reação (11).

[0039] O catalisador SCR também não necessita de espaço construtivo adicional, pois ele pode ser alojado no compensador. Naturalmente o catalisador de oxidação no fluxo parcial de gás de escape e o catalisador SCR adicional dispostoem curso descendente em relação a este, podem se reunir vantajosamente formando um componente, minimizando assim o espaço construtivo solicitado. Neste caso é especialmente vantajoso dotar o catalisador de oxidação no fluxo parcial de gás de escape, por exemplo através do revestimento com material catalisador correspondentemente ativo, com uma atividade SCR de óxidos de nitrogênio.

[0040] Para favorecer a liberação de amónia do agente de redução, pode ser disposto um catalisador de hidrólise em curso descendente com relação ao ponto de alimentação do agente de redução. Além disso, é vantajoso dispor pelo menos um dispositivo separador para a separação de particulas do gás de escape, em curso descendente em relação ao ponto de alimentação do agente de redução no fluxo parcial de gás de escape e/ou no fluxo de gás de escape. O catalisador de hidrólise e o dispositivo separador também podem ser integrados em um compensador para a separação de particulas.

[0041] Na maioria das vezes, o compensador é soldado fixamente a peças tubulares curtas formando um componente. Assim, isso resulta na possibilidade de dispor todos os componentes acima descritos, dispostos no fluxo parcial de gás de escape, os catalisadores o dispositivo de alimentação, por exemplo bocal para o agente de redução, assim como se necessário um separador de partículas para o fluxo parcial de gás de escape dentro do compensador e/ou dentro das peças tubulares, ou seja da parte da seção de gás de escape , que é conectada de forma não removível ao compensador. Desse modo, pode ser criada uma instalação de preparação de agente de redução de construção compacta em um componente.

[0042] Através do arranjo de um outro catalisador deoxidação no fluxo de gás de escape, que transforma no sentido normal de fluxo do gás de escape o monóxido de nitrogênio presente no fluxo de gás de escape pelo menos parcialmente em dióxido de nitrogênio, é criado o pressuposto mediante o aumento da porcentagem de dióxido de nitrogênio, por um lado, de regenerar continuamente, de forma vantajosa, um dispositivo separador conectado em série na saída no fluxo parcial de gás de escape, para a separação de partículas do gás de escape, por outro lado, fica disponível para a reação SCR que se realiza em curso descendente em relação à recondução do fluxo parcial de gás de escape para o fluxo de gás de escape, uma porcentagem maior do dióxido de nitrogênio mais compatível com reação, o que aumenta favoravelmente a conversão de óxidos de nitrogênio. Após o fluxo de gás de escape ser conduzido para outro ponto diferente do fluxo parcial de gás de escape, desde o motor de combustão interna, por exemplo após o turbocarregador, torna-se necessário no fluxo de gás de escape um outro comparador, no qual pode ser integrado vantajosamente o outro catalisador de oxidação.

[0043] Para o catalisador de oxidação abordado, para a oxidação de amónia, assim como para o outro catalisador de oxidação, podem ser utilizados vantajosamente platina e/ou paládio e/ou irídio e/ou seus óxidos e/ou IrTiOx e/ou zeólita com materiais ativos.

[0044] No caso do catalisador de oxidação disposto no fluxo parcial de gás de escape para a oxidação de amónia é vantajoso visto ao longo do sentido de fluxo do gás de escape, prever diferentes propriedades de tal forma que o lado contíguo ao ponto de alimentação do agente de redução oxide preferivelmente seletivamente formando nitrogênio e água, enquanto o ladooposto, em contrapartida, oxida monóxido de carbono conduzido junto no gás de escape e/ou monóxido de nitrogênio e/ou hidrocarboneto conduzido junto, otimizando a conversão. Isso pode ser obtido vantajosamente pelo fato de o lado contíguo ao ponto de alimentação do agente de redução apresentar um carregamento maior com paládio e/ou irídio e/ou zeólita do que o lado voltado ao motor de combustão. O mesmo efeito pode ser obtido pelo fato de o lado contíguo ao ponto de alimentação do agente de redução do catalisador de oxidação apresentar um carregamento menor com platina e/ou seus óxidos, do que o lado voltado ao motor de combustão interna.

[0045] Como componentes ativos para os catalisadores SCR, para a redução de óxidos de nitrogênio com auxílio de amónia, podem ser utilizados vantajosamente vanádio e/ou pentóxido de vanádio e/ou dióxido de titânio e/ou óxido de tungsténio e/ou zeólita contendo cobre e/ou zeólita contendo ferro e/ou zeólita contendo cobalto. Para o catalisador de hidrólise, para melhorar a liberação de amónia pode ser empregado como componente ativo dióxido de titânio e/ou dióxido de silício e/ou óxido de alumínio e/ou zeólita.

[0046] No caso de motores de combustão interna carregados por meio de turbocarregador de gás de escape, pode ser vantajoso dispor a derivação do fluxo parcial de gás de escape, no qual é injetado liquido de redução, em curso ascendente em relação á turbina do turbocarregador de gás de escape a fim de criar para a liberação de amónia um nível de temperatura o mais alto possível. Se se tratar de uma turbina alimentada em fluxo duplo, sendo que um fluxo de pelo menos um primeiro cilindro e o outro fluxo de pelo menos um segundo cilindro são carregados com gás de escape, é vantajoso derivar o fluxoparcial de gás de escape de um dos dois fluxos. Os cilindros do fluxo, do qual o fluxo parcial de gás de escape deriva, podem ser operados então com outros parâmetros de motor, diferentes daqueles dos cilindros do outro fluxo, de forma que torne-se vantajosamente possível uma otimização das condições no fluxo parcial de gás de escape com relação à preparação do agente de redução, em que por exemplo a temperatura de gás de escape é elevada na fase inicial ou na faixa de carga baixa.

[0047] Se se tratar de um motor de combustão interna com dois turbocarregadores de gás de escape, sendo que a turbina do turbocarregador de gás de escape é carregada com gás de escape por um primeiro banco de cilindro do motor de combustão interna e a turbina do outro turbocarregador de gás de escape é carregada com gás de escape por um segundo banco de cilindro do motor de combustão interna, é vantajoso então se o fluxo parcial de gás de escape derivar do fluxo de gás de escape antes da turbina de um dos dois turbocarregadores de gás de escape. Os cilindros do banco de cilindros, de cuja seção de gás de escape deriva o fluxo parcial de gás de escape, podem então ser operados com outros parâmetros de motor diferentes dos cilindros do outro banco de cilindros. Desse modo, aqui neste também torna-se possível uma otimização vantajosa das condições no fluxo parcial de gás de escape com relação à preparação do agente de redução, em que por exemplo a temperatura de gás de escape é elevada na fase de start ou na faixa de baixa carga.

[0048] Para uma dosagem exata do agente de redução, pode ser também vantajoso dispor no fluxo parcial de gás de escape um elemento estrangulador, que controla ou regula a velocidade espacial do gás de escape e/ou a quantidade de gás de escapena derivação.

[0049] Para descarregar o catalisador de oxidação ativado pelo fluxo de retorno de gás de escape com amónia ou produtos de decomposição de agente de redução ou o catalisador SCR previsto, é vantajoso dispor uma válvula de retenção em curso ascendente em relação ao ponto de alimentação do agente de redução. Alternativamente ou adicionalmente a aplicação de um elemento de barreira controlável, disposto no fluxo parcial de gás de escape em curso ascendente em relação ao ponto de alimentação, por exemplo na forma de uma válvula de borboleta de gás de escape, que corta o fluxo parcial de gás de escape em caso de necessidade. Uma válvula borboleta controlável desse tipo também poderia servir vantajosamente como elemento de estrangulamento controlável ou regulável e seria comando através do aparelho de comando do motor então presente.

[0050] Além disso, pode ser vantajoso, dispor um catalisador em curso descendente em relação ao catalisador SCR, para a oxidação de amónia, a fim de evitar amónia não reagida.

[0051] Com relação aos catalisadores de oxidação acima referidos, que, conforme mencionado, servem a diferentes finalidades, é vantajoso otimizá-los pela seleção dos componentes ativos respectivamente melhores adequados quanto à respectiva finalidade assim como quanto ás reações químicas respectivamente subsequentes.

[0052] Depois que a temperatura de gás de escape assim como o teor de dióxido de nitrogênio no gás de escape interfere consideravelmente na eficácia do sistema de tratamento posterior de gás de escape, pode ser vantajoso alterar a temperatura de gás de escape ou o teor de dióxido de nitrogêniovariando o ajuste do motor por meio do dispositivo de comando do motor então presente. Mais especialmente, a temperatura de gás de escape e o teor de dióxido de nitrogênio podem ser elevados mediante alteração dos parâmetros do motor ou mediante condução de hidrocarbonetos ao fluxo de gás de escape antes do catalisador de oxidação, para a oxidação de monóxido de nitrogênio (e/ou de hidrocarboneto e/ou de monóxido de carbono).

[0053] Além disso, é vantajoso, reunir vários dos catalisadores presentes no sistema de tratamento posterior de gás de escape em uma carcaça, por exemplo, em um compensador e/ou dentro de uma parte da seção de gás de escape, que fique conectada de forma não removível ao compensador a fim de minimizar os custos do sistema e especialmente a necessidade de espaço para a instalação em veículos utilitários, por exemplo. Separadores de partículas ou filtros de partícula podem ser vantajosamente instalados de forma que possam ser intercambiáveis.

[0054] Conforme já mencionado, podem ser integrados não apenas catalisadores de hidrólise ou catalisadores de oxidação, mas também outros componentes do sistema de tratamento posterior de gás de escape, como todos os tipos de catalisadores, filtros de partícula ou separadores de partículas mas também válvulas de retenção ou dispositivo de estrangulamento em um ou vários compensadores e/ou parte da seção de gás de escape, que fique conectada aos compensadores de forma não removível. Isso minimiza os custos de peças e os custos de montagem de forma vantajosa.

[0055] Para assegurar que os catalisadores peguem rapidamente após o arranque do motor de combustão interna(partida a frio) , é vantajoso instalar os compensadores com componentes integrados do sistema de tratamento posterior de gás de escape próximos do motor, o que também vai de encontro com a função dos compensadores.

[0056] No caso da integração de componentes do sistema de tratamento posterior de gás de escape nos compensadores, deve- se observar atentamente sempre para que a função básica do compensador, ou seja absorver oscilações e dilatações térmicas da seção de gás de escape, não seja prejudicada. Se forem utilizados, por exemplo, foles de passagem ou tubos flexiveis ondulados, que possam compensar grandes movimentos transversais, isso significa que o diâmetro externo dos componentes de tratamento posterior precise ser menor do que o diâmetro interno do compensador, já que, senão, no funcionamento pode ocorre o contato entre compensador e sistema de tratamento posterior. Isso, dentro de um breve espaço de tempo, pode provocar uma danificação do compensador e/ou do sistema de tratamento posterior de gás de escape.

[0057] Se apenas o movimento longitudinal da seção de gás de escape for compensado com auxilio de uma luva deslizante, e se o sistema de tratamento posterior for instalado somente nas peças tubulares contiguas ao compensador, o sistema de tratamento posterior poderá ficar fixamente adjacente. Ou seja, o diâmetro externo dos componentes de tratamento posterior, deduzidas as tolerâncias, será igual ao diâmetro interno do compensador.

[0058] A invenção é a seguir mais detalhadamente esclarecida com auxilio dos desenhos com base em alguns exemplos, onde:

[0059] A figura 1 mostra um sistema de tratamento posteriorde gás de escape com hidrólise do fluxo parcial de acordo com o estado da técnica;

[0060] A figura 2 mostra um primeiro sistema SCR com hidrólise de fluxo parcial para o agente de redução e com um catalisador de oxidação para evitar fluxos de retorno no fluxo parcial;

[0061] A figura 3 mostra um segundo sistema SCR com hidrólise de fluxo parcial para o agente de redução e com um catalisador de oxidação para evitar fluxos de retorno no fluxo parcial;

[0062] A figura 4 mostra um sistema de tratamento posterior de gás de escape com hidrólise de fluxo parcial e com segurança contra fluxo de retorno no fluxo parcial de motores de combustão interna com turbocarregador;

[0063] A figura 5 mostra um sistema de tratamento posterior de gás de escape com um catalisador de partida integrado em um compensador e próximo ao motor, e um catalisador principal conectado em série posteriormente;

[0064] A figura 6 mostra uma vista de cima sobre um compensador, sendo que o compensador é projetado como tubo ondulado semelhante a fole de passagem;

[0065] A figura 7 mostra um corte através do compensador ilustrado na figura 6 com catalisador integrado, que fica conectado de forma removível ao compensador, no plano de corte B-B;

[0066] A figura 8 mostra um corte através do compensador e catalisador, sendo que o catalisador é conectado de forma removível ao compensador;

[0067] A figura 9 mostra uma vista de cima sobre o compensador ilustrado na figura 8 com catalisador desmontado;

[0068] A figura 10 mostra um corte através do compensador e catalisador, sendo que o compensador é projetado como luva deslizante.

[0069] Para esclarecer as interrelações é mostrado primeiramente, ilustrado esquematicamente na figura 1, um arranjo de acordo com o estado da técnica, através do qual são removidos óxidos de nitrogênio no curso da redução catalítica seletiva, de dentro do gás de escape de um motor de combustão interna.

[0070] Os gases de escape produzidos por um motor de combustão interna (não ilustrado) através dos processos de combustão, simbolizado na figura 1 pelas setas, chegam primeiramente a um trato de preparação de gás de escape 1, no qual é adicionado ao gás de escape quente um agente de redução o mais próximo possível do motor. No caso do agente de redução trata-se, conforme normalmente ocorre na prática em veículos automotores com catalisador SCR, de uma solução aquosa de uréia, naturalmente sendo possível também a adição de uréia na forma sólida, conforme é descrito detalhadamente na literatura científica atual. Além disso, é possível, adicionar amónia como agente de redução que é obtido em outro ponto, por exemplo sob condições térmicas mais favoráveis, a partir de uma substância liberadora de amónia. A medição é feita em função de parâmetros operacionais do motor de combustão interna, controlado através de uma unidade de comando do motor (não ilustrada) de forma que através de um bocal 2 é atomizada a solução de uréia aquosa, para dentro do fluxo de gás de escape, imediatamente antes de um catalisador de hidrólise 3. A tarefa do catalisador de hidrólise 3 é transformar a solução de uréia aquosa o mais completamente possível em amónia e vapor de água,evitando-se produtos secundários. Sob determinados pressupostos, essa dissociação é feita suficientemente também sem catalisador de hidrólise, de forma que este pode ser dispensado. Paralelamente ao catalisador de hidrólise 3 fica disposto um catalisador de oxidação 4, cuja tarefa reside em sobreoxidar uma parte do monóxido de nitrogênio presente no gás de escape, por meio do oxigênio em excesso presente no gás de escape, formando dióxido de nitrogênio.

[0071] A redução catalítica seletiva propriamente dita dos óxidos de nitrogênio é feita em catalisador SCR 6 situado em curso descendente em relação ao catalisador de hidrólise 3, que transforma uma porcentagem maior possível dos óxidos de nitrogênio (NOX) presentes no gás de escape, com seletividade simultaneamente maior da redução, em nitrogênio e vapor de água, sem que permaneça amónia em excesso (NH3) no fluxo de gás de escape. No caso da reação SCR abordada, o dióxido de nitrogênio presente no fluxo de gás de escape é mais compatível a reação do que o monóxido de nitrogênio presente no gás de escape, é portanto desejável, dimensionar o catalisador de oxidação de tal forma que uma porcentagem mais elevada possível de monóxido de nitrogênio seja transformada em dióxido de nitrogênio.

[0072] Considerando as condições operacionais constantemente alternantes de um motor de combustão interna operado em um veículo automotor, fica claro que a taxa de conversão a mais elevada possível de óxidos de nitrogênio desejada só pode ser obtida com segurança se um excesso mínimo de amónia for admitido. Para impedir em casos de conversão insuficiente, que amónia venenosa seja lançado no ar externo, com o gás de escape parcialmente purificado, posteriormente aum catalisador SCR 6 é conectado em série um catalisador de oxidação NH3 7, através do qual o NH3 em excesso é transformado em nitrogênio e vapor de água. Essa reação de oxidação deve transcorrer o mais seletivamente possível.

[0073] Conforme já sugerido mais acima, é possível dispensar o catalisador de hidrólise 3 quando o nível de temperatura no ponto de alimentação de agente de redução for alto sobre toda a área operacional.

[0074] Um exemplo de concretização do sistema de tratamento posterior de gás de escape, de acordo com a invenção, é mostrado na figura 2.

[0075] O arranjo também recorre à hidrólise de fluxo parcial, para tanto é derivado do fluxo de gás de escape 10 um fluxo parcial de gás de escape 11, no qual o agente de redução, nesse exemplo solução de uréia aquosa—(AdBluc), é adicionado. A medição é feita através de um dispositivo de medição 9 controlado em função de parâmetros operacionais do motor de combustão interna, que retira a solução de uréia aquosa de um reservatório 8 e a injeta n o fluxo de gás de escape, através de um bocal 2.1, dependendo do estado operacional do motor de combustão interna, em quantidades pré-determinadas. Um catalisador de hidrólise 3.1 fica disposto no fluxo de gás de escape, em curso descendente em relação ao ponto de alimentação, que, conforme já mencionado acima, estimula a hidrólise do agente de redução. O retorno do fluxo parcial de gás de escape 11 carregado agora com amónia, é feito em curso descendente em relação ao catalisador de hidrólise 3.1 e em curso ascendente em relação ao catalisador 6 SCR disposto no fluxo de gás de escape 10, ao qual é conectado em série um catalisador de oxidação NH3. O catalisador SCR 6 e ocatalisador de oxidação NH3 são idênticos aos descritos já na figura 1, de forma que não é preciso uma descrição de sua função, em vez disso é feita referência aos trechos de descrição correspondentes em relação á figura 1.

[0076] Conforme já mencionado, em determinados estados operacionais do motor de combustão interna, principalmente na operação de carga leve, de sobre-rotação e frenagem do motor, em fases de marcha em vazio, ou no caso de parada do motor, pode ocorre uma inversão do sentido de fluxo do gás de escape. Para impedir em tais casos que agentes de redução, amónia liberada do agente de redução ou produtos secundários formados a partir do agente de redução, como por exemplo ácido isociânico (equação 9) , ácido isocianúrico (equação 10) etc, possam entrar em contato com as peças do motor expostas ao gás de escape, através de fluxos de retorno e/ou difusão no sentido do bloco do motor, um catalisador de oxidação 16 fica disposto no fluxo parcial de gás de escape 11, em curso ascendente em relação ao ponto de alimentação do agente de redução. Este é projetado com relação ao seu componente ativo, de tal forma que ele oxide agente de redução em fluxo de retorno, amónia liberada do agente de redução ou produtos secundários formados a partir do agente de redução. A seleção dos componentes ativos do catalisador de oxidação é feita neste caso de forma que a oxidação de amónia transcorra o mais seletivamente possível. Como materiais ativos para o catalisador de oxidação 16 temos platina, irídio, seus óxidos, IrTiOx e zeólita, devendo-se observar durante o cálculo, que uma porcentagem de platina elevada na verdade é necessária para uma conversão a mais elevada possível, porém a seletividade da reação interfere negativamente.

[0077] Como a decomposição de uréia em temperaturas elevadas transcorre de modo acelerado, é vantajoso dispor o catalisador de hidrólise e, portanto, também o catalisador de oxidação 16 próximos ao motor. Como os compensadores são normalmente instalados também próximos ao motor, tem-se uma integração dos dois catalisadores acima referidos nos compensadores.

[0078] Ao ampliar a função do catalisador de oxidação 16, este é projetado de tal forma que ele, visto ao longo do sentido de fluxo do gás de escape, apresenta diferentes propriedades, de forma que o lado 16a adjacente ao ponto de alimentação do agente de redução oxida amónia preferivelmente seletivamente, formando nitrogênio e água, enquanto o lado oposto 16b, ao contrário, oxida otimizando a conversão, monóxido de carbono levado junto no gás de escape e/ou monóxido de nitrogênio e/ou hidrocarboneto levado junto. Isso pode ser obtido vantajosamente pelo fato de o lado 16a adjacente ao ponto de alimentação do agente de redução apresentar um carregamento maior com paládio e/ou iridio e/ou zeólita, do que o lado 16b voltado ao motor de combustão interna. O mesmo efeito pode ser obtido pelo fato de o lado 16 a do catalisador de oxidação, adjacente ao ponto de alimentação do agente de redução apresentar um carregamento menor com platina e/ou seus óxidos do que o lado 16b voltado ao motor de combustão interna.

[0079] Conforme já mencionado, o retorno do fluxo parcial de gás de escape 11 ao fluxo de gás de escape 10 é feito em curso ascendente em relação ao catalisador SCR 6. O ponto de retorno , neste caso, de ficar o mais imediatamente antes do catalisador SCR a fim de evitar que gás de escape com amónia retorne ao fluxo de gás de escape 10. Se, no entanto, ocorrerfluxos de retorno pequenos no fluxo de gás de escape 10, a amónia em fluxo de retorno oxida através do outro catalisador de oxidação 4.1 disposto paralelamente ao fluxo parcial de gás de escape 11 no fluxo de gás de escape 10. O outro catalisador de oxidação 4.1 serve para elevar a porcentagem de dióxido de nitrogênio no fluxo de gás de escape 10, a fim de melhorar a conversão de óxidos de nitrogênio que pode ser obtida na reação SCR, e por isso, fica disposto paralelamente ao fluxo parcial de gás de escape 11, pois assim o nível de temperatura no fluxo parcial de gás de escape 11 e especialmente no ponto de alimentação do agente de redução não é negativamente influenciado. Isso seria o caso, se o outro catalisador de oxidação 4.1, relativamente maior, fosse disposto em curso ascendente em relação ao fluxo parcial de gás de escape 11.

[0080] No caso desse arranjo, temos a integração do catalisador de oxidação 16 e do catalisador de hidrólise 3 em compensadores 20.1 e 20.2.

[0081] No caso da oxidação de amónia no catalisador de oxidação 16 disposto em curso ascendente em relação ao ponto de alimentação do agente de redução, é desejável que a reação seja feita seletivamente, ou seja, que transcorra até o nível de oxidação 0 (equação 11) . Naturalmente, isso nem sempre pode ser feito seletivamente, de forma que a oxidação muitas vezes continua processando até o nível de oxidação [+1] (gás hilariante - N20),T [+2] (Monóxido de nitrogênio- NO), ou gás [=4] (dióxido de nitrogênio - NO2) (equações (12) a (15), conforme já relacionado acima. Um arranjo de açodo com a figura 3 pode ser utilizado para um auxílio. O arranjo ali mostrado se diferencia do arranjo de acordo com a figura 2 apenas pelofato de em curso descendente em relação ao catalisador deoxidação 16 e em curso ascendente em relação ao ponto de alimentação do agente de redução no fluxo parcial de gás de escape 11, fica alojado um outro catalisador SCR 17. Este transforma em nitrogênio e vapor de água, em alta seletividade, amónia eventualmente em fluxo de retorno, com auxilio de monóxido de nitrogênio presente no gás de escape e oxigênio residual de acordo com a equação (1) ou com auxilio de monóxido de nitrogênio e dióxido de nitrogênio de acordo com a equação (3). Só quando os óxidos de nitrogênio forem colocados no gás de escape, é feita então a oxidação da amónia com auxílio do catalisador de oxidação 16.

[0082] Nesse arranjo, pode ser feita a integração do catalisador de oxidação 16, do catalisador SCR 17 e o catalisador de hidrólise 3 em compensadores separados 20.3, 20.4 e 20.5.

[0083] Com exceção do acima exposto, após os componentes e funções do arranjo terem sido descritos de acordo com a figura 3 de forma idêntica aos da figura 2, é feita então referência aos trechos da descrição correspondentes em relação à figura 2.

[0084] No caso de motores de combustão interna atualmente operados em veículos automotores, muitas vezes encontra-se pelo menos um arranjo de turbocarregador monofásico, que, com auxílio da entalpia de gás de escape presente no fluxo de gás de escape, veda o ar de combustão conduzido ao motor de combustão interna. Para o tratamento posterior de gás de escape, surgem problemas pelo fato de o gás de escape que circula pelas turbinas do ou dos turbocarregadores de gás de escape, ser forçosamente muito resfriado por elas. Um fluxo de gás de escape resfriado assim não está em condiçõesespecialmente na operação de partida e na área inferior de carga parcial de atingir temperaturas suficientes de gás de escape para a hidrólise do agente de redução. Mesmo quando catalisadores de hidrólise são utilizados, o nivel de temperatura muitas vezes não é suficiente. O arranjo de acordo com a figura 4 pode auxiliar quanto a esse problema. Conforme ali mostrado, o fluxo de gás de escape que vêm do motor de combustão interna (não ilustrado) já deriva antas da turbina 14 do turbocarregador de gás de escape 13 de modo que de lá é retirado um fluxo parcial de gás de escape 11.1, enquanto o gás de escape é conduzido pela turbina 14, aciona o compressor 15 através dela, e deixa o turbocarregador como fluxo de gás de escape 10.1

[0085] A hidrólise do agente de redução é feita também no caso desse exemplo no fluxo parcial de gás de escape 11.1, para tanto o agente de redução é conduzido ao fluxo parcial de gás de escape 11.1 em função de parâmetros operacionais do motor de combustão interna, através de um dispositivo dosador composto de reservatório 8, dispositivo de medição 9 e de bocal 2.1. Através da temperatura de gás de escape relativamente elevada, dominante no fluxo parcial de gás de escape 11.1 e do catalisador de hidrólise conectado em série após o ponto de alimentação, o agente de redução pode liberar amónia sem precipitação de produtos de reação problemáticos, tais como, ácido cianúrico.

[0086] Paralelamente ao fluxo parcial de gás de escape 11.1, o fluxo de gás de escape 10.1 que vêm do turbocarregador de gás de escape 13 é conduzido através de um catalisador de oxidação 4.1, que, tal como os exemplos descritos acima, oxida monóxido de nitrogênio presente no fluxo de gás de escape 1,formando dióxido de nitrogênio. Em curso descendente em relação ao catalisador de oxidação 4.1 é feito o retorno do fluxo parcial de gás de escape 11.1 ao fluxo de gás de escape 10.1 Devido ás grandes diferenças de temperatura entre o fluxo principal e o fluxo parcial, a instalação de compensadores é inevitável. Neste caso, tanto o catalisador de hidrólise como também o catalisador de oxidação para a oxidação de NO 4.1 e/ou o catalisadores para a oxidação de produtos de decomposição de uréia 16.1 são integrados em compensadores.

[0087] O gás de escape carregado com amónia, vindo do fluxo parcial de gás de escape 11.1 e o gás de escape enriquecido com dióxido de nitrogênio advindo do fluxo de gás de escape 10_^l—, circulam pelo separador de particulas 5 conectado em série depois do ponto de retorno, o qual por um lado possibilita uma mistura e distribuição homogênea dos componentes presentes o gás de escape, e por outro acumula particulas de fuligem vindas do gás de escape, que são transformadas continuamente em monóxido de carbono, dióxido de carbono, nitrogênio e monóxido de nitrogênio, com auxilio do dióxido de nitrogênio produzido no catalisador de oxidação 4.1. Um catalisador SCR 6.1 fica conectado em série depois de um separador de particulas, catalisador este que transforma os óxidos de nitrogênio presentes no gás de escape em nitrogênio e vapor de água no curso da redução catalítica seletiva. Para evitar amónia em excesso o catalisador SCR 6.1 é revestido em sua área situada em curso descendente, com um material ativo que forma um catalisador de oxidação NH3 7.1.

[0088] Para evitar que partes expostas ao gás de escape do motor de combustão interna se danifiquem através de gás de escape em fluxo de retorno em determinados estadosoperacionais, que é carregado com amónia liberada do agente de redução e com produtos secundários formados na liberação, é feita entre a derivação do fluxo parcial de gás de escape 11.1 e o ponto de alimentação do agente de redução uma combinação de um catalisador de oxidação 16.1 e um catalisador SCR 17.1, que visto no sentido normal de fluxo de gás de escape, sugerido pelas setas, é conectado em série depois do catalisador de oxidação 16.1. Neste caso, o catalisador de oxidação 16.1 previsto na combinação no sentido normal de fluxo do gás de escape sugerido pelas setas, atua de tal forma que ele converte monóxido de nitrogênio em dióxido de nitrogênio. Se, em contrapartida, ocorrer uma inversão do fluxo de gás de escape, por exemplo na operação de frenagem do motor, a amónia presente no gás de escape será transformada em nitrogênio e vapor de água durante a passagem pelo catalisador SCR 17 com auxílio dos óxidos de nitrogênio ou oxigênio residual presentes no gás de escape, de acordo com as equações (1) e (3) . Se não estiverem mais presentes óxidos de nitrogênio no gás de escape, será feita então a oxidação de amónia em fluxo de retorno no catalisador de oxidação 16.1.

[0089] Para descarregar a combinação acima abordada de catalisador SCR 17.1 e catalisador de oxidação 16.1 em fases de fluxo de retorno mais prolongadas, é previsto um órgão de bloqueio 12 comandável por meio de um dispositivo de comando de motor (não ilustrado) em função de parâmetros operacionais do motor de combustão interna, entre o catalisador SCR 17.1 e o ponto de alimentação do agente de redução. Os parâmetros operacionais do motor de combustão interna, nos quais é feito um bloqueio, podem ser determinados pela unidade de comando do motor por meio de sensores e/ou por meio de mapas de curvascaracterísticas de motor armazenados na unidade de comando do motor.

[0090] O órgão de bloqueio 12 pode ser empregado além disso nos estados operacionais, nos quais o gás de escape circula no sentido normal de fluxo, ou seja, no sentido sugerido pelas setas, para o controle ou regulação do fluxo em massa ou da quantidade de gás de escape no fluxo parcial de gás de escape 11.1. Para tanto, é feito um estrangulamento do fluxo parcial de gás de escape 11.1 em função de parâmetros operacionais do motor de combustão interna, automaticamente ou em discretas etapas. A variabilidade assim obtida do fluxo parcial de gás de escape permite controlar com mais precisão ainda a concentração de amónia necessária para a reação SCR no gás de escape.

[0091] Como o catalisador de oxidação 16.1 e o catalisador SCR 17.1 são instalados muito próximos ao motor, isso possibilita integrar os dois catalisadores em um compensador 20.6 conjunto. O catalisador de hidrólise 3.1 colocado em curso descendente do ponto de injeção é instalado, correspondentemente, em um compensador separado 20.7

[0092] Diferentemente do exemplo de acordo com a figura 4, o órgão de bloqueio 12 pode ser disposto naturalmente em qualquer outro ponto entre a derivação do fluxo parcial de gás de escape 11.1 e o ponto de alimentação do agente de redução. Além disso, é possível prever um órgão de bloqueio correspondente também nos arranjos de acordo com as figuras 2 e 3. Na simplificação do arranjo, existe finalmente a possibilidade de ao invés do órgão de bloqueio controlado e regulado 12, prever uma válvula de retenção que fecha no fluxo parcial de gás de escape 11.1, quando ocorre inversão de fluxo.

[0093] Naturalmente o órgão de bloqueio 12 ou a válvula de retenção podem ser integrados no compensador 20.6, o mesmo se aplica naturalmente para o bocal 2.1, este pode se encontrar por exemplo juntamente com o catalisador de hidrólise 3.1 no compensador 20.7.

[0094] Se se tratar, no caso da turbina 14, diferentemente do exemplo de acordo com a figura 4, de uma turbina alimentada em dois fluxos, sendo que um fluxo com uma primeira quantidade de cilindros é carregado com gás de escape e o outro fluxo com uma segunda quantidade de cilindros é carregado com gás de escape, é então vantajoso derivar o fluxo parcial de gás de escape de um dos dois fluxos. Os cilindros do fluxo que do qual deriva o fluxo parcial de gás de escape, podem então ser operados com outros parâmetros de motor (p.Ex. tempos ou quantidades de injeção de combustível) diferentes daqueles dos cilindros do outro fluxo, de forma que torna-se possível de forma vantajosa uma otimização das condições no fluxo parcial de gás de escape com relação à preparação do agente de redução, em que por exemplo a temperatura de gás de escape é elevada na fase de partida ou na faixa de baixa carga por exemplo através de uma injeção posterior no ciclo de expansão ou de deslocamento.

[0095] No caso de motores de combustão interna com duas camisas de cilindros, que normalmente apresentam para cada uma das camisas de cilindro um turbocarregador de gás de escape, de forma que a turbina de um turbocarregador de gás de escape é carregada com gás de escape por uma camisa de cilindros do motor de combustão interna e a turbina do outro turbocarregador de gás de escape é carregada com gás de escape por uma outra camisa de cilindros do motor de combustãointerna, é vantajoso derivar do fluxo de gás de escape o fluxo parcial de gás de escape antes da turbina de um dos dois turbocarregadores de gás de escape. Os cilindros da camisa de cilindros de cuja seção de gás de escape deriva o fluxo parcial de gás de escape, podem ser operados então com outros parâmetros de motor (p.Ex tempos ou quantidades de injeção de combustível) diferentes daqueles dos cilindros da outra camisa de cilindros, de forma que neste caso é possível vantajosamente uma otimização das condições no fluxo parcial de gás de escape com relação à preparação do agente de redução em que por exemplo a temperatura de gás de escape na fase de partida ou na faixa de baixa carga, p.Ex através de uma injeção posterior no ciclo de expansão ou de deslocamento.

[0096] Com relação aos catalisadores abordados nos exemplos anteriores, deve-se observar que se trata de catalisadores integrais e/ou catalisadores de revestimento, os componentes ativos dos catalisadores podem ser aplicados em si suportes cerâmicos e/ou metálicos e/ou contendo silicato e/ou contendo quartzo. Catalisadores desse tipo podem ser fabricados com auxílio de muitos métodos conhecidos de fabricação, sendo feita expressamente referência neste caso à literatura técnica especializada correspondente.

[0097] Para os catalisadores de oxidação abordados nos exemplos acima, para a oxidação de amónia assim como para os outros catalisadores de oxidação podem ser empregados como materiais ativos platino e/ou paládio e/ou irídio e/ou respectivos óxidos e/ou IrTiOx e/ou zeólita. Como componentes ativos para os catalisadores SCR para a redução de óxidos de nitrogênio com auxílio de amónia podem ser utilizados vanádio e/ou pentóxido de vanádio e/ou dióxido de titânio e/ou óxidode tungsténio e/ou zeólita contendo cobre e/ou zeólita contendo ferro e/ou zeólita contendo cobalto. Para o catalisador de hidrólise para melhorar a liberação de amónia, podem ser empregados como componente sativos dióxido de titânio e/ou dióxido de silício e/ou monóxido de alumínio e/ou zeólita.

[0098] Para tanto pode ser conveniente alojar vários catalisadores e/ou separadores de partículas em uma carcaça conjunta, a fim de economizar espaço e reduzir custos.

[0099] Como, no caso da aplicação de separadores de partículas ou filtros de partículas pode ocorrer um entupimento dos separadores ou filtros com cinza de combustível, é conveniente instalar os filtros de tal forma que estes possam ser facilmente intercambiáveis e limpos.

[0100] Para operar o sistema de tratamento posterior de gás de escape em sua faixa operacional ideal, a temperatura de gás de escape e/ou o teor de dióxido de nitrogênio pode ser alterado nos dispositivos para a separação de partículas mediante ajuste de parâmetros do motor e/ou mediante elevação da concentração de hidrocarboneto com auxílio de um ajuste de parâmetros de motor, tais como tempos e quantidades de injeção de combustível, e/ou mediante condução de hidrocarbonetos para o fluxo de gás de escape em curso ascendente dos catalisadores para a oxidação de monóxido de nitrogênio, que produzem ao mesmo tempo a oxidação de hidrocarbonetos e/ou monóxido de carbono.

[0101] Na figura 5 a divisão do sistema de tratamento posterior em um catalisador de partida 21 pequeno, instalado próximo ao motor de combustão interna 23, e em um catalisador principal 2 conectado em série posteriormente, sendo que os dois podem ser do mesmo tipo, como por exemplo catalisadoresde três vias. A divisão deve ser para alcançar a temperatura de arranque do sistema de tratamento posterior já logo após a partida do motor, através de um rápido aquecimento do catalisador de partida. Como o catalisador de partida e o catalisador principal são expostos a cargas térmicas diferentes, suas composições normalmente são diferentes, ainda que sejam do mesmo tipo. No caso desse arranjo, a integração do catalisador de partida pequeno ocorre no compensador 20.8

[0102] Os compensadores 20 a 20.—8 abordados acima em conexão com as figuras 2 a 5, conforme acima relacionado, podem ser executados em diferentes tipos, alguns exemplos a esse respeito são a seguir esclarecidos,

[0103] A figura 6 mostra um arranjo, semelhante a fole de passagem, de um compensador 20.X. Neste caso, as áreas de conexão com as quais o compensador 20.X é conectado à canalização de gás de escape (não ilustrada), são formadas através de um primeiro flange 24 e um segundo flange 25. Entre os flanges 24, 25 se estende um tubo de conexão 26, que apresenta em sua área central um segmento de tubo ondulado 27 moldado em formato de fole de tubo ondulado , os dois flanges 24, 25 são conectados fixamente através do tubo de união 26, de forma que no caso do compensador 20.X montado na canalização de gás de escape (não ilustrada) então quando os segmentos da canalização de gás de escape conectados ao compensador 20.X se movimentarem entre si relativamente em qualquer sentido, esse movimento será compensado pelo segmento de tubo ondulado.

[0104] Em uma corte através do compensador 20.X, de acordo com a figura 6, ao longo da linha B - B é mostrada na figura 7 a fixação de um catalisador 28 no compensador 20.X. Conforme se pode observar no corte, o tubo de união 26 se estende entreos flanges 24, 25 e é deslocado por um lado para um ressalto 29 de formato cilíndrico alojado no primeiro flange 24, e conectado a esse ressalto por exemplo por solda em união positiva. Por outro lado, o tubo de união 26 encaixa pela sua outra extremidade em uma reentrância 30, que se encontra no segundo flange 25. Também entre o segundo flange 25 e o tubo de união 26 é criada uma união positiva por exemplo mediante solda. O catalisador 28 é inserido por sua outra extremidade 33 em um orifício 32, que atravessa centricamente o primeiro flange 24 e o ressalto 29 em formato cilíndrico disposto ali e fica fixado em união positiva nessa reentrância 32. A extremidade livre 34 do catalisador 28 se estende para dentro do tubo de união 26 e fica distante em relação á parede interna do tubo de união 2 6, de forma que em movimentos relativos entre o primeiro flange 24 e o segundo flange 25 não ocorre nenhum contato entre o catalisador 28 e o tubo de união 26. Do mesmo modo, podemos observar na figura 7 furos 31 no primeiro flange 24, que servem para a fixação do compensador 20.X no tubo de gás de escape (não ilustrado) por meio de parafusos (não ilustrados).

[0105] A figura 8 mostra uma execução de um compensador 20.Y no caso do catalisador ali alojado que pode ser facilmente desmontada, também em corte. Neste caso, um primeiro flange 24.1 e um segundo flange 25.1 são conectados por meio de um tubo de união 26.1, apresenta em sua área central um segmento de tubo ondulado moldado em fole de tubo ondulado 27.1. O primeiro flange 24.1 e o segundo flange 25.1 apresentam respectivamente em sentido concêntrico reentrâncias 35, 36, nas quais o tubo de união 2 6.1 é encaixado por suas respectivas extremidades e conectado em união positiva aos flanges 24.1,25.1.

[0106] Na posição desmontada aparece um catalisador 29.1, na figura 8 à esquerda, disposto em um outro flange 37, que apresenta um ressalto 38. O flange 37 e o ressalto 38 são atravessados centricamente por uma reentrância 39, na qual fica alojado o catalisador 29.1 em união positiva. Para a fixação do catalisador 29.1 no compensador 20.Y ficam alojados no outro flange 37 furos de passagem 40, que se alinham no estado montado do catalisador com os furos 31.1 no primeiro flange 24.1. Os furos 31.1 e os furos de passagem 40 servem ,neste caso, ao mesmo tempo para fixar o catalisador 28.1 no compensador 20.Y e para fixar esse arranjo no tubo de gás de escape (não ilustrado).

[0107] Uma ilustração em perspectiva da figura 8 descrita acima é mostrada na figura 9. Como os arranjos nas figuras 8 e 9 são idênticos, isso se aplica também para os sinais de identificação. Serão abordadas somente as características em conexão com a figura 9, que puderem ser também visualizadas na forma de ilustração, além disso é feita referência à descrição em relação à figura 8.

[0108] Na figura 9 podemos observar que os flanges 24.1 e 25.1 são girados entre si em 90°, isso serve para uma melhor montagem, pois os flanges estão afastados entre si. A fixação do segundo flange 25.1 no tubo de gás de escape adjacente ali (não ilustrado) é feita através dos furos 41, através dos quais o flange 25.1 é fixado em uma contra-peça correspondente no furo de gás de escape (não ilustrado), por meio de parafusos.

[0109] Um outro tipo de compensador aparece ilustrado na figura 10 em corte. Como o arranjo mostrado se diferencia do arranjo de acordo com a figura 8 e 9 apenas em alguns pontos,serão abordadas somente essas diferenças, peças iguais por exemplo de acordo com as figuras 8 e 9 recebem os mesmos sinais de referência, para a descrição dessas peças é feita referência a essas figuras.

[0110] O arranjo, de acordo com a figura 10, mostra um compensador 20.Z executado como luva deslizante. A luva deslizante, neste caso, é formada por uma primeira peça tubular 42 e uma segunda peça tubular 43 correspondente no diâmetro interno ao correspondente externo da primeira peça tubular 42. A segunda peça tubular 43 é colocada sobre a primeira peça tubular 42, sendo que a peça 44 da segunda peça tubular 43, peça essa 44 colocada sobre a primeira peça tubular 42 é executada no formato de tubo ondulado. A formação como tubo ondulado serve por um lado para minimizar o contato entre as duas peças tubulares e conseguir uma melhor capacidade de deslize das duas peças tubulares entre si, e por outro, obtém- se assim uma vedação suficientemente eficaz. A primeira peça tubular 42 é fixada no primeiro flange 24.1 e a segunda peça tubular no segundo flange 25.1 em união positiva, mediante solda ou fusão a quente. O compensador 20.Z permite somente movimentos relativos das peças tubulares 42,43 em seu sentido axial.

[0111] Além disso, o arranjo de catalisador de acordo com a figura 10 se diferencia daquele de acordo com a figura 8 pelo fato de no exemplo de acordo com a figura 10 se tratar de uma combinação feita de um primeiro catalisador 45 e um segundo catalisador 46. Os dois ficam alojados em um tubo de suporte 48, que fica apoiado em união positiva pela sua extremidade 49 no outro flange 37. No caso do primeiro catalisador 45 pode se tratar de um catalisador de oxidação e no caso do segundocatalisador 46 pode se tratar de um catalisador SCR, tal como, de acordo com os exemplos com base nas figuras 3 e 4, eles ficam entre si adjacentes no fluxo parcial de gás de escape do sistema de tratamento posterior de gás de escape.

[0112] As concretizações acima descritas podem ser naturalmente configuradas através de conhecimento técnico especializado acessivel ao habilitado na técnica de múltiplas formas, sem que a idéia inventiva que serve de base à invenção seja abandonada.

Claims

1. Dispositivo para a conversão de componentes de gás de escape de um motor de combustão interna, por meio de pelo menos um catalisador e/ou filtro de partículas e/ou separador de partículas e para compensar movimentos relativos entre o motor de combustão interna e a seção de gás de escape e/ou para movimentos relativos de diferentes peças da seção de gás de escape por meio de pelo menos um compensador que permite os movimentos relativos, no qual- pelo menos um catalisador para a conversão de componentes de gás de escape e/ou pelo menos um filtro de partículas e/ou pelo menos um separador de partículas sendo alojado dentro do compensador (20.1 - 20.8, 20.X, 20.Y, 20.Z) e/ou dentro de uma parte da seção de gás de escape, que fica conectada ao compensador de forma não removível,- o diâmetro externo do catalisador e/ou do filtro de partículas e/ou do separador de partículas sendo menor ou igual ao diâmetro interno do compensador (20.1-20.8, 20.X, 20. Y, 20.Z) e/ou a parte da seção de gás de escape que é conectada de forma não removível ao compensador, caracterizadopelo fato de- em curso ascendente em relação ao catalisador SCR (6, 6.1) um fluxo parcial de gás de escape (11, 11.1) derivar do fluxo de gás de escape (10, 10.1),- estarem previstos um reservatório (8) de agente de redução e um dispositivo de medição (9) do agente de redução, e sendo que o dispositivo de medição (9) adiciona o agente de redução no fluxo parcial de gás de escape (11, 11.1),- o agente de redução ser uma substância que libera amónia em curso descendente do ponto de alimentação através do gás deescape quente, e de o agente de redução ser amónia,- o fluxo parcial de gás de escape (11, 11.1) ser reconduzido ao fluxo de gás de escape (10, 10.1) em curso descendente em relação ao ponto de alimentação e em curso ascendente em relação ao catalisador SCR (6, 6.1),- o catalisador SCR (6, 6.1) disposto em curso descendente em relação ao ponto de alimentação reduzindo os óxidos de nitrogênio presentes no fluxo de gás de escape, com auxilio da amónia liberada, no curso da redução catalitica seletiva, formando nitrogênio e vapor de água,- no fluxo parcial de gás de escape (11, 11.1) esta alojado em curso ascendente em relação ao ponto de alimentação do agente de redução, um catalisador de oxidação (16, 16.1), que nas condições operacionais do motor, nas quais ocorre uma inversão do fluxo de gás de escape no sentido do motor de combustão interna, oxidando a amónia em fluxo de retorno e/ou produtos de decomposição de agente de redução, que circulam em curso de retorno,- o catalisador de oxidação (16, 16.1) é disposto dentro de pelo menos um compensador (20.1, 20.3, 20.6, 20.X, 20.Y, 20.Z) e/ou dentro de uma parte da seção de gás de escape, que é conectada de forma não removivel ao compensador.- o diâmetro externo de pelo menos um componente de tratamento posterior que se projeta no compensador (20.1-20.8, 20.X, 20.Y, 20.Z) sendo menor do que ou igual ao diâmetro interno do compensador.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o catalisador de oxidação (16, 16.1) ser formado de tal forma que, além da amónia que circula em fluxo de retorno, e/ou os produtos de decomposição de agente de reduçãoque circulam em fluxo de retorno, nas condições operacionais do motor, nas quais o gás de escape circula do motor de combustão interna em diante, ele oxida também monóxido de carbono e/ou monóxido de nitrogênio arrastados no gás de escape, e/ou hidrocarbonetos também arrastados ao longo das condições de operação do veiculo, nas quais o gás de escape flui para longe do motor de combustão interna.

3. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de no fluxo parcial de gás de escape (11, 11.1) em curso descendente em relação ao catalisador de oxidação (16, 16.1) e em curso ascendente em relação ao ponto de alimentação do agente de redução, ser alojado um catalisador adicional SCR (17, 17.1) para a redução seletiva de óxidos de nitrogênio com auxilio de amónia que circula em fluxo de retorno, e de o catalisador adicional SCR (17, 17.1) ficar alojado dentro de pelo menos um compensador (20.4, 20.6, 20.X, 20.Y, 20.Z) e/ou dentro de uma peça da seção do gás de escape, que fica conectada de forma não removível ao compensador.

4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o catalisador de oxidação (16, 16.1) no fluxo parcial de gás de escape (11, 11.1) e o catalisador SCR (17, 17.1) adicionais, dispostos em curso descendente em relação a este último, serem reunidos formando um componente e de esse componente ficar alojado dentro do compensador (20.X, 20.Y, 20.Z) e/ou dentro de uma parte da seção de gás de escape, que fica conectada ao compensador de forma não removível.

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o catalisador de oxidação para a oxidação de amónia em fluxo parcial de gás de escape (11, 11.1) apresentar simultaneamente atividade SCR de óxidos de nitrogênio e deesse catalisador de oxidação com atividade SCR ficar alojado dentro de pelo menos um compensador (20. X, 20.Y, 20.Z) e/ou dentro de uma parte da seção de gás de escape que fica conectada de forma não removível ao compensador.

6. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizadopelo fato de- uma válvula de retenção ou um dispositivo de bloqueio (12) com controle de circuito fechado ou de circuito aberto sendo disposto no fluxo parcial de gás de escape a montante ao ponto de alimentação do agente de redução estar alojada, e- a válvula de retenção ou o dispositivo de bloqueio (12) sendo alojado dentro de pelo menos um compensador (20.4, 20.6, 20.X, 20.Y, 20.Z) e/ou dentro de uma parte da seção de gás de escape, que é conectada de forma não removível ao compensador.