BRPI0905379B1 - motor de combustão interna de auto-ignição e método para desinfecção de éter do ar de combustão num motor de combustão interna de auto-ignição para veículos - Google Patents

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Abstract

motor de combustão interna de auto-ignição e método para desinfecção de éter do ar de combustão num motor de combustão interna de auto-ignição para veículos a invenção refere-se a um motor de combustão interna de auto-ignição (10) com desinfecção de éter do ar de combustão para veículos, sendo que para prover a desinfecção de éter, são providos meios de alimentação (1,2,3) para um alcanol combustível no sentido do fluxo, um trocador de gás de escape (4) é provido para resfriar urna porção do gás de escape emitido durante a deflagração do motor de combustão interna ( 1 o) e para evaporar o alcanol combustível alimentado enquanto ao mesmo tempo absorve a energia térmica a ser dissipada durante o resfriamento do gás de escape, e um catalisador (5) sendo provido para desidratar o alcanol cornbustí vel evaporado para formar éter, sendo que os meios de alimentação ( 1, 2, 3) , o trocador de calor de gás de escape ( 4) e o catalisador (5) são conectados à câmara de combustão do motor de combustão interna (10) e adaptados de forma tal que uma porção do combustível necessário para deflagrar o motor de combustão interna (10) possa ser alimentado por meio de desinfecção de éter do ar de combustão, durante mistura no gás de escape resfriado no trocador de calor de gás de escape (4), à câmara de combustão do motor de combustão interna (10).

Description

MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE AUTO-IGNIÇÃO E MÉTODO PARA DESINFECÇÃO DE ÉTER DO AR DE COMBUSTÃO NUM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE AUTO-IGNIÇÃO PARA VEÍCULOS.
A invenção refere-se a um motor de combustão interna de auto-ignição com desinfecção de éter do ar de combustão para veículos de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1. A invenção refere-se ainda a um método de desinfecção de éter do ar de combustão num motor de combustão interna de auto-ignição para veículos de acordo com o preâmbulo 10 da reivindicação 11.
Atualmente, em todos os estados industriais são estabelecidos requisitos legais na forma de valores limite ou meta para a liberação de certos poluentes num
esquema de esforços mundiais no sentido de reduzir a emissão de poluentes do ar. Incluem emissões de gases de escape de motores a diesel, especialmente de óxidos de nitrogênio (NOX) e negro de carbono (também conhecido como negro de fumo) (partículas - PN) , de importância específica devido ao volume de tráfego que aumenta a cada dia no mundo todo. Existe, portanto, a necessidade de motores com processos de combustão potentes e de póstratamento de gás de escape, que sejam capazes de atender aos esforços de proteção ambiental e, consequentemente, às normas cada vez mais rígidas impostas aos gases de escape, em especial à liberação de óxidos de nitrogênio e de negro de carbono.
O uso de combustíveis contendo oxigênio é conhecido como o meio apropriado para reduzir as emissões de negro de carbono. Motores operados com metanol (número aproximado de cetano = 3), etanol (número aproximado de cetano = 8), n-butanol (número de cetano = 17) ou dimetil éter (DME, número aproximado de cetano= 55 a 80), emitem negro combustível).
de carbono durante a
Números de cetano >
praticamente não operação pobre (de 50 são necessários, porém, para operar motores a diesel modernos e acelerados; desta forma, metanol, etanol e n-butanol não podem ser usados diretamente em motores de combustão interna de auto-ignição ou em motores a diesel, devido a seus baixos números de cetano, tornando-se necessário o uso de auxiliares adicionais de ignição, tais como, por exemplo, velas de incandescência e/ou aditivos aceleradores de ignição.
Embora o dimetil éter não esteja, nesse aspecto, sujeito a nenhuma restrição, as restrições surgem, entretanto, devido ao fato de que o DME é um líquido sob pressão com um ponto de ebulição de -26°C e, portanto, como acontece com um combustível 10 gás/líquido (LPG = gás liquefeito de petróleo), ele requer um sistema logístico especial, não fornecido em veículos convencionais com motores a diesel.
Uma redução nas emissões de óxido de nitrogênio em motores a diesel é possível através de redução catalítica seletiva, conhecida há mais de trinta anos como método SCR (SCR - redução catalítica seletiva). De acordo com o método, uma solução aquosa de uréia (AdBlue®) é adicionada no fluxo de gás de escape a um catalisador, por meio do que amônia e água são formadas numa reação de 20 hidrólise. A amônia produzida, num catalisador denominado
SCR, consistindo de dióxido de titânio, pentóxido de vanádio e óxido de tungstênio ou zeólitos, a temperaturas entre 200 e 600°C, reduz então os óxidos de nitrogênio contidos no gás de escape a nitrogênio. Assim, é possível 25 uma remoção bastante substancial de óxidos de nitrogênio do gás de escape, porém o consumo da solução aquosa de uréia equivale a cerca de 8% da quantidade de diesel combustível necessário para operar o motor, devendo sempre ser provida numa quantidade correspondente em um 30 tanque adicional.
Em anos recentes, a recirculação de gás de escape (EGR) comprovou ser uma mistura eficaz à redução catalítica seletiva para reduzir as emissões de óxido de nitrogênio de motores a diesel, que são queimadas com combustíveis 35 diesel à base de óleo mineral e com baixo teor de enxofre. Neste caso, uma porção do gás de escape é misturada ao ar de admissão ou de combustão refrigerado por meio de uma válvula de controle, que permite conexão entre o gás de escape e o ar de admissão ou canal de ar de combustão e a alimenta com os mesmos para a câmara de combustão, tornando assim possível uma redução de 5 temperatura na combustão de diesel combustível abaixo do nível necessário para formação de óxido de nitrogênio.
Como alternativa, essa redução de temperatura pode ocorrer por meio de introdução direta de gás de escape na câmara de combustão do motor através de uma válvula de 10 admissão durante o ciclo de admissão. A redução de temperatura por meio de recirculação de gás de escape baseia-se, nesse caso, no baixo valor de combustão da mistura gás-diesel combustível com oxigênio reduzido provida na câmara de combustão. A taxa de recirculação de 15 gás de escape em motores a diesel é de no máximo 35% a plena carga. Porém, motores deste tipo com alto EGR são de fabricação mais cara do que os motores a diesel sem um dispositivo EGR, já que as altas taxas de recirculação de gás de escape estão ligadas à produção de altas pressões 20 de carga, por exemplo devido à carga em dois estágios com resfriamento intermediário e altas pressões de injeção de combustíveis superiores a 1.800 bar. Quando se utiliza combustíveis contendo oxigênio, pode-se prescindir de pressões de carga mais altas sem incorrer em problemas de 25 emissão, o que por sua vez permite operar o motor com um grupo de carga monoestágio convencional.
Contrariando o histórico de que países tais como China especialmente, terão em poucos anos capacidade substancial de produção de metanol a partir de gás 30 natural, a custos de produção de cerca de 2 a 3 EUR/GJ, e a partir de carvão mineral, a custos de produção de cerca de 7 EUR/GJ, com escassez simultânea de combustíveis à base de óleo mineral, para os quais, além disso, são estimados custos de produção da ordem de aproximadamente 35 16 EUR/GJ, e no caso do Brasil onde o bioetanol ou biodiesel já está disponível de forma abrangente, as exigências ambientais específicas acima citadas para motores a diesel ou para veículos utilitários são tão relevantes para a operação de motores com combustíveis de alcanol como para combustíveis diesel à base de óleo mineral.
0 conceito de desinfecção provou ser adequado para o uso de metanol em motores a diesel. Uma parte do metanol é convertida aqui num reator catalítico a bordo do veículo em dimetil éter gasoso e vapor de água de acordo com a seguinte equação:
2CH3OH (CH3)2O + H2O (1) e é diretamente misturada ao ar de combustão. O reator catalítico contém grânulos de óxido de alumínio como catalisador. O óxido de alumínio (γ-Α12Ο3) demonstrou ser o catalisador mais ativo para a reação de acordo com a 15 Equação 1, sendo também distinguido por sua alta estabilidade térmica. Para que se possa, por exemplo, suprir dimetiletileno suficiente para fumigar um motor de
180 kW, são necessários 0,7 kg do catalisador γ-Α12Ο3. Uma temperatura de parede de reator de > 250°C, que pode ser obtida numa partida a frio metanol em 25 s, é também reação estável.
Se, em vez de metanol, por meio de um queimador de necessária para um curso de for utilizado etanol como combustível, de forma similar à reação de acordo com a
Equação 1, a desidratação catalítica necessária para a desinfecção ocorre de acordo com a equação:
CH2H5OH -> (C2H5)2O + H2O (2) para formar dietil éter (número de cetano = 150) e vapor de água.
Da mesma forma, n-butanol (número de cetano - 17) pode ser desidratado para formar di-n-butil éter com um número de cetano de 100.
Um método desse tipo para converter alcoóis em éteres para desinfecção em motores a diesel operados com metanol 35 é descrito no jornal Proceedings of the Institution of
Mechanical Engineers, Part D : Journal of Automobile Engineering, Vol.217, No.3/2003, páginas 155 a 164. De acordo com o utilizado como cataliticamente texto, uma pequena porção combustível é primeiramente em dimetil éter e do metanol convertido no veículo produtos de conversão são combustão ao motor para que motor e emissões de gás operados com álcool com polietileno glicol óxido de alumínio então alimentados água. Esses via ar de este atinja os desempenhos de escape dos motores a diesel aditivação do combustível com de (PEG) (γ-Α12θ3) num catalisador, como acelerador de ignição. O reator de leito fixo é aqui provido como para acelerar a desidratação do sendo aquecido até 250°C metanol, e nesse ponto, através dos melhorar seu comportamento de partida a frio, gases de combustão quentes de um queimador associado.
de metanol
A invenção baseia-se no objeto de descrever combustão interna de auto-ignição com desinfecção de éter do ar um motor de estado de gás de combustão para veículos que, da técnica de escape turbo de anterior, resfriado correspondendo ao é equipado com recirculação e preferivelmente também com escape. O motor é também alterações substanciais, ao sistema carga apropriado, sem logístico convencional de motores a diesel modernos deste tipo e sem auxiliares de ignição e aceleradores de ignição adicionais, ambos para queima combustíveis e sem combustíveis diesel à gás de com alcanol base de óleo mineral e baixo teor de enxofre e alcanol combustíveis.
Permite ainda uma remoção bastante substancial de óxidos de nitrogênio e negro de carbono do gás de escape, enquanto ao mesmo tempo atende às normas relevantes de 30 gás de escape, sem desperdício no armazenamento de substâncias operacionais adicionais utilizadas apenas para redução de gás de escape. Além disso, pode ser produzido e operado sem custos extras substanciais, em comparação com os motores correspondentes de construção 35 conhecida.
O objeto da invenção é atendido através de um motor de combustão interna de auto-ignição com desinfecção de éter do ar de combustão para veículos, de acordo com a reivindicação 1, sendo adequado, de acordo com a invenção, para executar um método de desinfecção de éter do gás de escape recirculado num motor de combustão 5 interna para veículos, de acordo com a reivindicação 11.
motor de combustão interna compreende, para desinfecção de éter no sentido do fluxo, meios de alimentação para um alcanol combustível, um trocador de calor de gás de escape para resfriar uma porção do gás de escape emitido 10 durante deflagração do motor de combustão interna e para evaporar o alcanol combustível alimentado, enquanto ao mesmo tempo absorve a energia térmica a ser dissipada durante o resfriamento do gás de escape. Compreende ainda um catalisador para desidratar o alcanol combustível 15 evaporado para formar éter, sendo que os meios de alimentação, o trocador de calor de gás de escape e o catalisador são configurados de forma tal que uma porção do combustível necessário para deflagrar o motor de combustão interna possa ser alimentada por meio de 20 desinfecção de éter do ar de combustão, durante mistura no gás de escape resfriado no trocador de calor de gás de escape, para a câmara de combustão do motor de combustão interna.
O motor de combustão interna, de acordo com a invenção, 25 não requer alteração substancial no sistema de logística e pode ser operado tanto com alcanol combustíveis, como com combustíveis diesel à base de óleo mineral e baixo teor de enxofre e alcanol combustíveis, sem auxiliares de ignição adicionais.
Devido à alimentação do éter contendo alto teor de cetano, a aceitação da mistura ar-combustivel ou mistura de combustão (CM) para ignição é vantajosamente aumentada, de forma que a adição de aceleradores de ignição de alto custo, que com frequência contém 35 compostos de nitro, podem ser prescindida.
Uma redução bastante substancial nas emissões de poluentes pode ser obtida através de desinfecção de éter, de acordo com a invenção, por meio de uma homogeneização substancialmente melhorada da mistura combustivel-ar na câmara de combustão do motor, com um desempenho simultâneo ou aumento na eficiência do motor. O motor de 5 combustão interna, de acordo com a invenção, em especial neste caso, também satisfaz às normas relevantes legais para gases de escape, por exemplo a EU (diretrizes EU 2006/51/EX) e EU VI (diretrizes EU 2009), relativas aos motores de veículos utilitários, e que trata da liberação 10 de óxidos de nitrogênio e de negro de carbono;
legislações análogas também existem nos EUA e Japão.
Uma outra vantagem é que nenhuma substância operacional adicional, utilizada exclusivamente para redução da emissão, precisa ser suprida.
As modificações estruturais, pequenas se comparadas a um motor convencional de auto-ignição com carga turbo de gás de escape e recirculação de gás de escape resfriado, permite a produção do motor de acordo com a invenção sem custos extras substanciais. Obtém-se uma redução nos custos operacionais, simplesmente devido às vantagens anteriormente mencionadas em comparação com os motores correspondentes de construção conhecida. A margem substancialmente ampliada de uso do motor, devido à possibilidade de uso de diesel combustível mineral e 25 alcanol combustível, de forma vantajosa também contribui para uma redução nos custos operacionais.
Outras vantagens do motor de combustão interna, de acordo com a invenção, ou do método, emergem diretamente dos objetos constantes das reivindicações dependentes 2 a 15.
Esses objetos são descritos em detalhes abaixo, demonstrando as respectivas vantagens.
Alcanóis monovalentes ou divalentes são preferivelmente utilizados para a desinfecção de éter do gás de combustão e são providos no veículo por meio de um tanque de 35 combustível de design convencional, adequado para esse fim. Para operar o motor, o alcanol combustível é primeiramente alimentado através de pelo menos uma bomba de distribuição de combustível, de acordo com circunstâncias estruturais no veículo, do tanque de combustível para o trocador de calor de gás de escape através de pelo menos uma válvula de injeção, para uma 5 distribuição tão uniforme quanto possível. Para uso no motor de combustão interna, de acordo com a invenção, ou no método de acordo com a invenção, os alcanóis monovalentes metanol, etanol, n-propanol e i-propanol, nbutanol e o alcanol divalente 1,2-etanodiol demonstraram ser particularmente vantajosos.
A desidratação dos alcanóis monovalentes ocorre de acordo com as Equações 1 e 2 dadas acima para formar dialquiléteres. Os alcanóis ou alcanodióis divalentes são cataliticamente convertidos de acordo com a equação.
1,2-etanodiol é convertido em dioxano (Kp = 100°C) . Esses são preferivelmente acordo com a invenção. É particularmente alcanol combustível éteres dioxano usados na dialquil éter e desinfecção de éter não apenas alimentar desinfecção de de de combustão, ou o combustão, para lo, tal como convencional, preferível por meio da gás de escape recirculado motor de combustão, mas também durante operação de um motor de um um um preferivelmente utilizando uma bomba tanque de de éter do e o ar ar de introduzia diesel combustível, tanque de distribuição combustível comum, de combustível, por meio de injeção direta na câmara de combustão. Um motor a alcanol de auto-ignição deste tipo com recirculação de 30 gás de escape e desinfecção de éter permite operação substancialmente livre de óxido de nitrogênio sem adição de aceleradores de ignição. Uma outra vantagem deste motor, de acordo com a invenção, é que apenas um tanque de combustível é necessário.
Alternativamente, direta na câmara é preferido que, de combustão, um através de injeção diesel combustível, especialmente um diesel combustível à base de óleo mineral e baixo teor de enxofre, seja alimentado na forma anteriormente citada, através de um tanque de combustível, bomba de distribuição de combustível e injeção direta, e simultaneamente um alcanol combustível seja introduzido através de desinfecção de éter do ar de combustão ou do gás de escape recirculado e do ar de combustão, cada um dos dois tipos de combustível atendendo os requisitos de energia estabelecidos para operação do motor. A aplicabilidade, de acordo com a invenção, de diesel combustíveis minerais de fácil obtenção, com exceção dos alcanol combustíveis, aumenta vantajosamente a margem de uso do motor, e também leva a uma economia nos custos operacionais, contrariando especialmente o histórico de desenvolvimento de preço previsto para as próximas décadas no caso dos alcanóis e dos diesel combustíveis à base de óleo mineral, segundo o qual os alcanóis serão significatimente mais econômicos para se obter do que os diesel combustíveis à base de óleo mineral.
Em relação a uma redução de óxidos de nitrogênio e uma melhora na aceitação da mistura de combustão para ignição, surpreendentemente as mesmas demonstraram ser ótimas tanto para motor a alcanol, de acordo com a invenção, como para motor a diesel-alcanol, se cerca de 5 a 40%, especialmente de 10 a 35% e especialmente cerca de 25% do combustível total necessário para deflagrar o motor de combustão interna for alimentado por meio de desinfecção de éter e a fração restante por meio de injeção direta para o motor de combustão. No motor de combustão interna de acordo com a invenção, isso é levado em consideração através de um design correspondente dos meios de alimentação de combustível, do trocador de calor de gás de escape e do catalisador, opcionalmente incluindo dispositivos de controle ou de regulagem apropriados.
O motor a alcanol de auto-ignição acima mencionado é uma aplicação importante do método, de acordo com a invenção, e sua exigência de combustível é de 5 a 40% implementada através da fase gasosa, ou seja, por meio do gás de escape ao qual os éteres são adicionados, devendo, pois, ser designado como motor a alcanol de combustão interna de auto-ignição com desinfecção de éter do gás de escape recirculado. Foi comprovado como especialmente vantajoso se cerca de 10 a 35% e, especialmente, cerca de 25% da exigência total de combustível necessário para deflagrar um motor de combustão interna 10 de acordo com invenção, 10 seja provida por meio da fase gasosa.
De acordo com a invenção, uma redução substancial na formação de óxido de nitrogênio deve ser obtida através de recirculação de gás de escape durante a combustão do motor. Uma outra redução é possível quando se utiliza os 15 combustíveis contendo oxigênio, aumentando-se a concentração ou o teor de vapor de água no gás de combustão, com o consequente aumento na capacidade térmica do gás de combustão. A concentração de vapor de água pode ser controlada, por outro lado, por meio da 20 água liberada durante a desidratação de acordo com as
Equações 1 a 3 acima. De acordo com a invenção, é, porém, preferível que para essa finalidade seja provido um meio de alimentação de água apropriado no sentido do fluxo entre o catalisador e a câmara de combustão do motor de 25 combustão interna, com o qual a água seja introduzida na câmara de combustão por meio do ar de combustão, do gás de escape recirculado e/ou do alcanol éter. Alternativa ou adicionalmente, a introdução de água por meio do combustível injetado diretamente é preferida.
O motor de combustão interna, de acordo com a invenção, é operado com a finalidade de um aumento no desempenho com ar de combustão comprimido e resfriado. Compreende, portanto, no sentido do fluxo entre a entrada de ar de carga e a câmara de combustão, um carregador turbo de ar 35 de escape, em especial um carregador turbo de gás de escape para carga de pressão ou um carregador de onda de pressão para carga de impacto e um resfriador de ar de combustão para refrigerar o ar de combustão comprimido antes do ingresso na câmara de combustão.
Uma recirculação e utilização de gás de escape eficiente, levando em consideração o respectivo desempenho e design do motor, é assegurada de acordo com a invenção através de um design de um só fluxo ou de fluxo múltiplo, em especial de duplo fluxo do trajeto de gás de escape para o gás de escape recirculado.
Ά configuração preferida de recirculação do gás de escape, incluindo o trocador de calor de gás de escape, garante que os vapores de alcanol combustível possam ser alimentados a uma temperatura de > 200°C, em especial de cerca de 210 a 240°C, e especialmente de cerca de 220°C, ao catalisador, sendo assim a desidratação catalítica vantajosamente influenciada.
O motor de combustão interna, de acordo com a invenção, preferivelmente possui um porta-catalisador alveolar preferivelmente feito de metal - que é revestido com dióxido de titânio ou misturas de dióxido de titânio, dióxido de silício e/ou dióxido de alumínio ou zeólitos de ferro como componentes ativos para as reações catalíticas. Catalisadores deste tipo tem sido utilizados até agora com sucesso como catalisadores de hidrólise de uréia para produção integrada de amônia através da técnica SCR.
O porta-catalisador do tipo alveolar é preferivelmente fabricado com folha metálica numa espessura de cerca de 20 a 50 μιη, em especial de cerca de 25 a 40 μιη e especialmente de cerca de 30 μπι. Na medida do possível possui células finas com uma densidade celular de cerca de 400 a 800 cpsi, em especial de cerca de 500 a 800 cpsi e especialmente de cerca de 600 cpsi. O componente ativo para as reações catalíticas é aplicado como revestimento washcoat (camada selante) com baixa concentração de aplicação de cerca de 5 a lOOg de óxido metálico/1, em particular de cerca de 10 a 40g de óxido metálico/1 θ especialmente de cerca de 20g de óxido metálico/1, no porta-catalisador tipo alveolar, que é preferivelmente configurado como um porta-catalisador metálico para reduzir a limitação da velocidade de conversão de alcanol em alquil éter através de difusão por poro. O catalisador 5 preferivelmente possui um diâmetro de cerca de 20 a lOOmm, em especial de cerca de 40 a 80 mm, e especialmente de cerca de 60mm e um comprimento de cerca de 50 a 400 mm, em especial de cerca de 100 a 300 mm, e especialmente de cerca de 200 mm.
O dióxido de titânio como componente ativo é superior a outros óxidos em relação a sua atividade em reações catalíticas no qual água esteja envolvida. Além disso, o dióxido de titânio é resistente à sulfatação, podendo, portanto, também ser usado no caso de baixos teores de 15 enxofre dos combustíveis. Em comparação, o y-Al2O3 e outras substâncias descritas na literatura só podem ser usados para revestir o porta-catalisador juntamente com gases de escape que sejam absolutamente isentos de enxofre. Assim, um teor de enxofre de combustível de 20 cerca de < lOppm já é suficiente para desativar um catalisador de y-Al2O3 num período relativamente curto.
É também preferido que o trocador de calor do gás de escape possua uma válvula injetora por saída, para garantir um retorno controlado do gás de escape resfriado para a câmara de
Uma válvula de combustão.
preferivelmente recirculação de respectiva escape misturado com de escape é também cada trajeto de através do qual, com uma recirculação de gás provida no ou em gás de escape, orientação/guia de linha apropriada, o éter pode ser alimentado o gás de de forma
controlada ao ar de combustão, o gás de
alimentado de forma controlada ao éter
com o ar de combustão ou o gás de
alimentado de forma controlada ao éter jc
escape antes escape pode ser a misturado ao ar pode ser da mistura de combustão.
O motor de combustão interna, preferivelmente em detalhes, de acordo com a invenção, possui meios guia e pelo menos uma válvula de recirculação de gás de escape, tais características sendo configuradas e conectadas entre si de forma tal que o gás de escape resfriado no trocador de calor de gás de escape e o éter formado no catalisador, de forma controlável por meio da ou de cada válvula de recirculação de gás de escape, possam ser misturados com o ar de combustão comprimido e resfriado.
É alternativamente preferido que os meios guia e pelo menos uma válvula de recirculação de gás de escape sejam configurados e conectados entre si de forma tal que o gás de escape resfriado no trocador de calor de gás de escape possa ser primeiramente adicionado de forma controlável ao éter formado no catalisador e então que a mistura gás de escape-éter formada desta forma possa ser misturada com o ar de combustão comprimido e resfriado.
De acordo com uma segunda alternativa de alimentação preferida, os meios guia e a pelo menos uma válvula de recirculação de gás de escape são configurados e conectados entre si de forma tal que o gás de escape resfriado no trocador de calor de gás de escape possa ser misturado de forma controlada e o éter formado no catalisador possa ser misturado diretamente ao ar de combustão comprimido e resfriado.
De acordo com uma terceira alternativa de alimentação preferida, os meios guia e a pelo menos uma válvula de recirculação de gás de escape são finalmente configurados e conectados entre si de forma tal que o gás de escape resfriado no trocador de calor de gás de escape possa ser misturado de forma controlada ao ar de combustão comprimido e resfriado e o éter formado no catalisador possa ser misturado diretamente ao ar de combustão comprimido e não resfriado.
Nesta alternativa de alimentação, o catalisador é conectado através de meios guia apropriados à linha de ar de combustão, entre o carregador turbo de gás de escape e a área de resfriamento de ar de combustão, tornando assim possível primeiramente a mistura do éter com o ar de combustão comprimido e então, por meio da área de resfriamento de ar de combustão disposta na linha de ar de combustão, o resfriamento da mistura éter-ar de combustão. A adição controlada do gás de escape resfriado ocorre em todas as três alternativas de alimentação por meio da pelo menos uma válvula de recirculação de gás de escape, via pelo menos uma linha entre a válvula de recirculação de gás de escape e a linha de ar de combustão na região entre a área de resfriamento de ar de 10 combustão e a seção de admissão do motor.
A mistura éter-ar de combustão produzida de acordo com essas configurações ou alternativas de alimentação e enriquecida com gás de escape resfriado, é introduzida na câmara de combustão e forma, juntamente com o combustível 15 injetado diretamente à câmara de combustão, a mistura de combustão necessária para operar o motor de combustão interna de acordo com a invenção.
Para o tratamento de gás de escape, o motor de combustão interna, de acordo com a invenção, possui de acordo com uma variante de concretização de escape, um paládio como eficazmente a catalisador de componente(s) emissão de vantajosa no trajeto de gás oxidação com platina e/ou ativo(s) monóxido de para impedir carbono e de alcanos, especialmente (formaldeído, acetaldeído emissão de aldeídos
Concretizações preferidas do motor de combustão interna de acordo com a invenção, com desinfecção de éter do ar de combustão para veículos, são ilustradas nas Figuras de 1 a 4, onde:
A Figura 1 mostra uma concretização do motor de combustão interna de acordo com a invenção, numa vista esquemática, na forma de um motor para veículo utilitário de seis cilindros com desinfecção de éter e recirculação de gás de escape de duplo fluxo, dando as trajetórias de fluxo para combustível, gás de escape e ar de combustão;
A Figura 2 mostra a concretização do motor de combustão interna de acordo com a Figura 1, com uma primeira
introdução alternativa de éter;
A Figura 3 mostra a concretização do motor de combustão
interna de : acordo com a Figura 1, com uma segunda
introdução alternativa de éter; e
5 A Figura 4 mostra a concretização do motor de combustão
interna de acordo com a Figura 1, com uma terceira
introdução alternativa de éter.
A Figura 1 mostra o sistema geral de acordo com a
invenção, numa concretização com um motor de : veículo
utilitário de seis cilindros 10 com um carregador turbo de gás de escape 11 e recirculação de gás de escape de duplo fluxo, conforme pode ser obtido, por exemplo, do depositante com a designação de motor D 2066.
Um tanque de combustível 1 é provido para alcanol combustível, sendo conectado através de uma primeira linha 18, uma bomba de combustível 2 e uma válvula injetora 3 a uma primeira entrada de um trocador de calor de gás de escape 4. Configurada entre a primeira entrada e uma primeira saída no trocador de gás de escape 4 encontra-se uma primeira região para evaporação do alcanol combustível enquanto ao mesmo tempo absorve a energia térmica. Para prover a energia térmica necessária, o trocador de calor de gás de escape 4 possui uma segunda região entre uma segunda entrada e uma segunda saída, possuindo ainda uma terceira região entre uma terceira entrada e uma terceira saída, a segunda e terceira entradas em cada caso sendo diretamente conectadas por uma segunda e terceira linhas 19, 20 à saída de gás de escape 8 do motor 10. Uma transferência 30 térmica ótima da segunda e terceira regiões para a primeira região é assegurada por um design estrutural correspondente das três regiões do trocador de calor de gás de escape 4, de forma tal que o alcanol combustível evaporado possa ser fornecido a uma temperatura > 200°C 35 na primeira saída do trocador de calor de gás de escape 4 e o respectivo gás de escape resfriado possa ser provido para transferência pára a segunda e terceira saídas.
Para transferir o gás de escape resfriado deste trocador de calor de gás de escape de duplo fluxo 4, a segunda e terceira saídas são conectadas através de uma respectiva válvula de pico de pressão 6 a uma quarta linha comum 21, que é conectada a uma válvula EGR 7. A válvula EGR 7 é diretamente conectada à seção de admissão 9 do motor 10 por meio de uma quinta linha 22. Provida adiante do alcanol combustível evaporado da primeira saída do trocador de calor de gás de escape 4 encontra-se uma 10 sexta linha 23 conectada à entrada de um catalisador 5. O catalisador 5, como componente ativo, possui dióxido de titânio para desidratação de vapores do alcanol
combustível que egressam do trocador de calor 4 a uma
temperatura de > 200°C para formar dialquil éter, de
15 acordo com as Equações 1 ou 2 acima. A saída do
catalisador 5 é conectada através de uma sétima linha 24
à quarta linha 21, para a desinfecção de éter do gás de escape resfriado que egressa do trocador de calor de gás de escape 4 e para a posterior introdução da mistura 20 éter-gás de escape, procedente do processo, no motor 10.
A alimentação de combustível necessário para deflagrar as seis câmaras de combustão indicadas ou os cilindros do motor 10 através do sistema associado de injeção direta é executada da forma convencional para motores de auto25 ignição e, neste aspecto, não enfatizada nos desenhos.
O trajeto de ar de combustão compreende, no sentido do fluxo, um entrada de ar de carga 12, um filtro de ar 14, uma linha de ar de combustão 15 com a roda de compressor de um carregador turbo de gás de escape 11 e com uma área 30 de resfriamento de ar de combustão 17 e a seção de admissão 9 do’ motor 10. O trajeto de gás de escape compreende, no sentido do fluxo, a saída de gás de escape do motor 10, a roda de turbina do carregador turbo de gás de escape 11, e linha de escape 16 e uma saída de gás 35 de escape 13.
A concretização mostrada na Figura 2 do motor de combustão interna, de acordo com a invenção, como alternativa à sétima linha 24, possui uma oitava linha 25 que conecta a saída do catalisador 5 à quinta linha 22 derivando a válvula EGR 7. Assim, essa concretização do motor de combustão interna, de acordo com a invenção, também compreende - correspondendo ao que mostra a Figura
- uma desinfecção de éter do gás de escape recirculado.
A Figura 3 é uma vista do motor de combustão interna de acordo com a invenção, com uma outra alternativa de introdução de éter derivando a válvula EGR 7, a saída do 10 catalisador 5, via nona linha 26, que substitui a sétima linha 24 na Figura 1, sendo diretamente conectado à linha de ar de combustão 15 entre a área de resfriamento de ar de combustão 17 e a seção de admissão 9 do motor 10 e neste ponto sendo diretamente misturável com o ar de 15 combustão comprimido e resfriado.
Uma última alternativa de introdução de éter no motor de combustão interna, de acordo com a Figura 1, é mostrada na Figura 4. A saída do catalisador 5 é diretamente conectada aqui por uma décima linha 27, que, por sua vez, 20 substitui a sétima linha 24 na Fig. 1, à linha de ar de combustão 15 a montante da área de resfriamento de ar de combustão 17, possibilitando a mistura do alcanol combustível evaporado com o ar de combustão comprimido e o resfriamento dessa mistura antes da adição do gás de 25 escape resfriado.
É também objeto da presente invenção descrever um método para desinfecção de éter do ar de combustão num motor de combustão interna de auto-ignição para veículos de acordo com o preâmbulo da reivindicação 11, que resolva os 30 problemas do estado da técnica fornecidos em detalhes acima e, em especial, que possa ser aplicado utilizando o motor de combustão interna de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 10.
Esse objeto da invenção é alcançado através de um método, 35 de acordo com a reivindicação 11, que, de acordo com a invenção, seja apropriado para uso num motor de combustão interna de auto-ignição com desinfecção de éter do ar de combustão para veículos de acordo com a reivindicação 1 e que apresente as seguintes etapas:
(a) prover um alcanol combustível a bordo de um veículo;
(b) evaporar o alcanol combustível;
(c) desidratar o alcanol combustível evaporado para formar éter e vapor de água num catalisador;
(d) desinfecção de éter do ar de combustão;
(e) prover a mistura de combustão na câmara de combustão do motor de combustão interna misturando um combustível diretamente injetado à mistura éter-ar de combustão;
(f) deflagrar o motor de combustão interna, queimando a mistura de combustão na câmara de combustão, sendo que o alcanol combustível é provido através de um meio de alimentação na etapa (a) do método, e o alcanol 15 combustível provido é evaporado num trocador de calor de gás de escape na etapa (b) do método, uma porção do gás de escape originado durante a deflagração do motor de combustão interna sendo alimentada para resfriamento ao trocador de calor de gás de escape e o alcanol combustível sendo evaporado, enquanto ao mesmo tempo absorve a energia térmica dissipada durante o resfriamento do gás de escape, sendo que nas etapas (c) a (e) do método, uma porção do combustível necessário para deflagrar o motor de combustão interna é alimentada por 25 meio de desinfecção de éter do ar de combustão, com mistura do gás de escape resfriado no trocador de calor de gás de escape, à câmara de combustão do motor de combustão interna, sendo que na etapa (f) do método, a deflagração do motor de combustão interna ocorre através 30 da combustão da mistura de combustão à qual se adicionou o gás de escape resfriado e recirculado.
O método de acordo com a invenção, permite especialmente operação econômica do motor, que tem emissões substancialmente baixas utilizando alcanol combustíveis 35 ou alcanol combustíveis e diesel combustíveis à base de óleo mineral e baixo teor de enxofre.
Os objetos das reivindicações 11 a 15, são concretizações vantajosas do método, de acordo com a invenção. Detalhes relativos a essas concretizações vantajosas e com respeito a outras vantagens do método originam-se diretamente das explicações acima em conjunto com o motor 5 de combustão interna de acordo com a reivindicação 1 e em conjunto com os desenvolvimentos correspondentes vantajosos do motor de combustão interna de acordo com as reivindicações 2 a 10 da invenção.
Lista de Números de Referência
- tanque de combustível
- bomba de distribuição de combustível
- bomba injetora
4 - trocador de calor de gás de escape
- catalisador
- válvula de pico de pressão
- válvula de recirculação de gás de escape/válvula EGR
- saída de gás de escape
9 - seção de admissão
- motor
- carregador turbo de gás de escape
- entrada de ar de carga
- saída de gás de escape
14 - filtro de ar
- linha de ar de combustão
- linha de escape
- área de resfriamento de ar de combustão
- primeira linha (linha de ar de combustão)
19 - segunda linha (linha de gás de escape)
- terceira linha (linha de gás de escape)
- quarta linha (linha de gás de escape)
- quinta linha (linha de gás de escape ou linha de éter de gás de escape)
25 23 - sexta linha (linha de gás de escape)
24 - sétima linha (linha de éter)
25 - oitava linha (linha de éter) /primeira alternativa a
24
26 - nona linha (linha de éter)/segunda alternativa a 24
30 27 - décima linha (linha de éter)/terceira alternativa a
24

Claims (15)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Motor de combustão interna de auto-ignição, com desinfecção de éter do ar de combustão para veículos, caracterizado pelo fato de, para a desinfecção de éter no sentido do fluxo, serem providos meios de alimentação (1,2,3) para um alcanol combustível, um trocador de calor de gás de escape (4) sendo provido para resfriar uma porção do gás de escape emitido durante a deflagração do motor de combustão interna (10) e para evaporar o alcanol combustível alimentado enquanto ao mesmo tempo absorve a energia térmica a ser dissipada durante o resfriamento do gás de escape, e um catalisador (5) sendo provido para desidratar o alcanol combustível evaporado para formar éter, sendo que os meios de alimentação trocador de calor de catalisador (5) são configurados e conectados à câmara de combustão do motor de combustão interna (10) de forma tal que uma porção do combustível necessário para deflagrar o motor de combustão interna (10) possa ser alimentado por meio de desinfecção de éter do ar de combustão, durante mistura no gás de escape resfriado no trocador de calor de gás de escape (4), à câmara de combustão do motor de combustão interna (10).
  2. 2. Motor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os meios de alimentação para desinfecção de éter serem providos para injetar o alcanol combustível ao trocador de calor de gás de escape (4) e, provendo a outra porção do combustível necessário para deflagrar o motor de combustão interna (10), sendo que os meios de
    30 alimentação para injeção direta do combustível na câmara de combustão do motor de combustão interna (10) são providos para alimentar o alcanol combustível ou alternativamente um diesel combustível, os meios de alimentação para desinfecção de éter e para injeção 35 direta no sentido do fluxo compreendendo pelo menos um tanque de combustível (10) , pelo menos uma respectiva bomba de distribuição de combustível (2) e pelo menos uma respectiva válvula injetora (3) .
  3. 3. Motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o alcanol combustível ser um alcanol combustível monovalente, especialmente
    5 metanol, etanol, n-propanol, i-propanol ou n-butanol, ou um alcanol combustível divalente, especialmente 1,2etanodiol, e sendo que a outra porção do combustível necessário para deflagrar o motor de combustão interna (10) é um diesel combustível, especialmente um diesel 10 combustível à base de óleo mineral e baixo teor de enxofre.
  4. 4. Motor, de acordo com pelo menos qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de os meios de alimentação (1,2,3) para o alcanol combustível,
    15 o trocador de calor de gás de escape (4) e o catalisador (5) serem configurados de forma tal que a porção do combustível alimentada por meio de desinfecção de éter do ar de combustão possa ser ajustada em cerca de 5 a 40%, especialmente em cerca de 10 a 35% e especialmente em 20 cerca de 25% do combustível total necessário para deflagrar o motor de combustão interna (10).
  5. 5. Motor, de acordo com pelo menos qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de um meio de alimentação de água ser provido no sentido do fluxo entre o catalisador (5) e a câmara de combustão do motor de combustão interna (10) para aumentar o teor de vapor de água do ar de combustão.
  6. 6. Motor, de acordo reivindicações de 1 a provido um carregador comprimir combustão com pelo menos
    5, caracterizado qualquer uma das pelo fato de ser combustão turbo de
    gás de escape (11) um resfriador de para resfriar O <
    ar para de o ar de combustão, e provido no sentido do fluxo (17) sendo de entrada de comprimido, ar de carga entre uma de combustão do
    35 motor de combustão interna (10).
  7. 7. Motor, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o gás de escape no trocador de calor de gás de escape (4) e o éter formado no catalisador (5), controlados por meios guia (21, 22, 24), poderem ser misturados com o ar de combustão comprimido e resfriado ou o gás de escape resfriado no trocador de gás de escape 5 (4) poder ser misturado de forma controlada com o éter formado no catalisador (5) através de meios guia (21, 25) e essa mistura gás de escape-éter poder ser misturada através de outro meio guia (22) com o ar de combustão comprimido e resfriado, os meios guia (21, 22)
    10 compreendendo pelo menos uma válvula de recirculação de gás de escape (7) para a alimentação controlada do gás de escape ou da mistura gás de escape-éter.
  8. 8. Motor, de acordo com a reivindicação δ, caracterizado pelo fato de o gás de escape resfriado no trocador de 15 calor de gás de escape (4) poder ser misturado, controlado por meios guia (21, 22), com o ar de combustão comprimido e resfriado e, sendo que o éter formado no catalisador (5) pode ser diretamente misturado através de outro meio guia (26) com o ar de combustão comprimido e resfriado ou diretamente misturado através de outro meio guia (27) os meios com o ar de combustão comprimido e (21, 22) resfriado, guia válvula de alimentação recirculação controlada do compreendendo pelo de gás gás de com pelo
    8, caracterizado pelo menos uma de escape (7) para a
  9. 9. Motor, de acordo reivindicações de catalisador (5), escape.
    menos qualquer uma das fato de o catalíticas, ter dióxido de titânio como componente ativo dióxido de titânio ou com dióxido de silício para reações misturas de e/ou óxido de alumínio ou zeólitos de ferro.
  10. 10. Motor, de pelo fato de ser provido (camada cerca de cerca de cerca de acordo com a reivindicação 9, caracterizado o componente ativo para reações catalíticas revestimento do tipo washcoat como um uma concentração selante) com
    5 a lOOg de óxido metálico/1
    10 a 40g de óxido metálico/1, e
    20g de óxido metálico/1, no cé de de de catalisador (5) sendo provido na forma de um portacatalisador, especialmente um porta-catalisador alveolar.
  11. 11. Método para desinfecção de éter do ar de combustão num motor de combustão interna de auto-ignição para
    5 veículos, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:
    (a) prover um alcanol combustível a bordo de um veiculo;
    (b) evaporar o alcanol combustível;
    (c) desidratar o alcanol combustível evaporado para 10 formar éter e vapor de água num catalisador;
    (d) desinfecção de éter do ar de combustão;
    (e) prover a mistura de combustão na câmara de combustão do motor de combustão interna misturando um combustível diretamente injetado à mistura éter-ar de combustão;
    15 (f) deflagrar o motor de combustão interna, queimando a mistura de combustão na câmara de combustão, sendo que o alcanol combustível é provido através de um meio de alimentação (1,2,3) na etapa (a), e o alcanol combustível provido é evaporado num trocador de calor de 20 gás de escape na etapa (b) , uma porção do gás de escape originado durante a deflagração do motor de combustão interna (10) sendo alimentada para resfriamento ao trocador de calor de gás de escape e o alcanol combustível sendo evaporado, enquanto ao mesmo tempo 25 absorve a energia térmica dissipada durante o resfriamento do gás de escape, sendo que nas etapas (c) a (e) do método, uma porção do combustível necessário para deflagrar o motor de combustão interna (10) é alimentada por meio de desinfecção de éter do ar de combustão, com 30 mistura do gás de escape resfriado no trocador de calor de gás de escape (4) , à câmara de combustão do motor de combustão interna (10), sendo que na etapa (f) do método, a deflagração do motor de combustão interna ocorre através da combustão da mistura de combustão à qual se 35 adicionou o gás de escape resfriado e recirculado.
  12. 12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de um alcanol monovalente, especialmente metanol, etanol, n-propanol, i-propanol ou n-butanol, ou um alcanol divalente, especialmente 1,2etanodiol, ser usado como alcanol combustível, sendo que o alcanol combustível é usado para desinfecção de éter e 5 para injeção direta ou, alternativamente, o alcanol combustível é usado para desinfecção de éter e um diesel combustível, especialmente um diesel combustível à base de óleo mineral e baixo teor de enxofre, é usado para injeção direta.
  13. 13. Método, de acordo com qualquer
    11 ou 12, caracterizado pelo fato uma das reivindicações de cerca de 5 a 40%, especialmente cerca
    25% do combustível motor de combustão forma de um alcanol especialmente cerca total alimentado para deflagrar interna (10) serem alimentados de 10 a 35% e de na combustível por meio da desinfecção de éter do ar de combustão.
  14. 14. Método, de acordo com pelo menos qualquer uma das reivindicações de 11 a 13, caracterizado pelo fato de os vapores de alcanol combustível no trocador de calor de
    20 gás de escape (4) serem aquecidos a uma temperatura de >
    200°C, especialmente de cerca de 210 a 240°C, e especialmente de cerca de 220°C.
  15. 15. Método, de acordo com pelo menos qualquer uma das reivindicações de 11 a 14, caracterizado pelo fato de
    25 água ser alimentada à mistura éter-ar de combustão para redução adicional das emissões de poluentes durante a combustão da mistura de combustão.
BRPI0905379-4A 2008-07-09 2009-07-08 motor de combustão interna de auto-ignição e método para desinfecção de éter do ar de combustão num motor de combustão interna de auto-ignição para veículos BRPI0905379B1 (pt)

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