ES2199393T3 - Sistema de purificacion del gas de escape de un motor. - Google Patents

Sistema de purificacion del gas de escape de un motor.

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ES2199393T3 ES98114827T ES98114827T ES2199393T3 ES 2199393 T3 ES2199393 T3 ES 2199393T3 ES 98114827 T ES98114827 T ES 98114827T ES 98114827 T ES98114827 T ES 98114827T ES 2199393 T3 ES2199393 T3 ES 2199393T3
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Makoto Kyogoku
Hiroshi Yamada
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Tomomi Watanabe
Hirofumi Nishimura
Tadataka Nakazumi
Youichi Kuji
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Abstract

UN SISTEMA DE PURIFICACION DE LOS GASES DE ESCAPE DE UN MOTOR INCLUYE UN CATALIZADOR (14) DE PURIFICACION DE LOS GASES DE ESCAPE QUE TIENE UN MATERIAL DE ABSORCION DE OXIDO DE NITROGENO QUE VA INSTALADO EN UN CONDUCTO DE ESCAPE (13) DE UN MOTOR (1) Y REALIZA LA INYECCION DE COMBUSTIBLE DIVIDIDA PARA INYECTAR COMBUSTIBLE DIRECTAMENTE A CADA CAMARA DE COMBUSTION (5) EN PARTE DURANTE UNA CARRERA DE ASPIRACION Y EN PARTE DURANTE UNA CARRERA DE COMPRESION, A FIN DE PROPORCIONAR Y SUMINISTRAR UNA MAYOR CANTIDAD DE MONOXIDO DE CARBONO AL MATERIAL ABSORBENTE DEL OXIDO DE NITROGENO, CON EL FIN DE PURIFICAR LOS OXIDOS DE AZUFRE DEL MATERIAL ABSORBENTE DE OXIDO DE NITROGENO.

Description

Sistema de purificación del gas de escape de un motor.
La invención trata de un sistema de purificación del gas de escape de un motor de combustión interna.
Ha sido ampliamente conocido en la técnica el uso de materiales absorbentes de óxido de nitrógeno para controlar el nivel de emisión de NO_{x}. Tal material absorbente de óxido de nitrógeno, instalado en una línea de escape, por un lado, absorbe óxidos de nitrógeno (NO_{x}) de un gas de escape mientras que un cociente aire-combustible del gas de escape es mayor y, por otro lado, libera los óxidos de nitrógeno (NO_{x}) mientras la concentración de oxígeno (O_{2}) en el gas de escape disminuye. Los óxidos de nitrógeno (NO_{x}) liberados del material absorbente de óxido de nitrógeno son entonces reducidos. En el caso de que dicho material absorbente de óxido de nitrógeno se instale como un catalizador en un sistema de escape de un vehículo que se usa en países específicos o regiones donde el combustible y el aceite de motor contienen azufre, el material absorbente de óxido de nitrógeno tiene la propiedad de absorber fácilmente óxidos de azufre (SO_{x}) mejor que óxidos de nitrógeno (NO_{x}) en el gas de escape. El material absorbente de óxido de nitrógeno contaminado como resultado de la absorción de óxido de azufre sufre una disminución significativa en la eficiencia en la absorción de nitrógeno.
La Publicación de la Patente Japonesa No Examinada nº 6-272541 enseña que un material absorbente de óxido de nitrógeno que contiene óxido de bario cambia a sulfato de bario (BaSO_{4}) debido a la contaminación por óxidos de azufre (SO_{x}) y que, cuando el cociente aire-combustible del gas de escape disminuye tras el calentamiento del material absorbente de óxido de nitrógeno a una elevada temperatura, el sulfato de bario (BaSO_{4}) se descompone y se desorbe en forma de un gas de óxido de azufre (SO_{2}). Adicionalmente, la Publicación de la Patente Japonesa No Examinada nº 6-272538 enseña que, con objeto de descomponer óxidos de nitrógeno (NO_{x}) absorbidos en un material absorbente de óxido de nitrógeno instalado en la línea de escape de un motor, los hidrocarburos (HC) se queman imperfectamente para producir monóxido de carbono (CO) y el monóxido de carbono (CO) es suministrado al material absorbente de óxido de nitrógeno para reducirlo.
Sin embargo, con objeto de desorber un componente de azufre en forma de un óxido de azufre (SO_{2}) gaseoso del material absorbente de óxido de nitrógeno únicamente mediante calentamiento del material absorbente de óxido de nitrógeno, es necesario calentar el material absorbente de óxido de nitrógeno hasta aproximadamente 800 a 900ºC, lo que provoca un deterioro térmico del material absorbente de óxido de nitrógeno y es siempre indeseable. Durante el calentamiento no se produce descomposición del sulfato de bario (BaSO_{4}) ni desorción del óxido de azufre (SO_{2}) hasta que el material absorbente de óxido de nitrógeno se calienta a una elevada temperatura, incluso cuando el cociente aire-combustible del gas de escape disminuye. Adicionalmente, el suministro de monóxido de carbono (CO) al material absorbente de óxido de nitrógeno no se realiza para disolver la contaminación por óxidos de azufre (SO_{x}) sino para reducir los óxidos de nitrógeno (NO_{x}).
El documento JP 9 032 619 A describe un dispositivo de purificación del gas de escape en el que se suministra combustible adicional a un catalizador pobre en NO_{x} para eliminar la capacidad de purificación del material disminuyendo el material absorbido en el catalizador. El documento EP 0 903 481 A1 describe un dispositivo de purificación del gas de escape en el que se inyecta combustible adicional durante un golpe de expansión además de una inyección principal para aumentar la temperatura del gas de escape para desorber un componente de azufre de un catalizador NO_{x}.
Es el objeto de la invención proporcionar un sistema de purificación del gas de escape equipado con material absorbente de óxido de nitrógeno que provoque que el material absorbente de óxido de nitrógeno desorba óxidos de azufre (SO_{x}) como un material contaminante del mismo incluso a bajas temperaturas.
Como resultado de un estudio y unos experimentos concernientes a la contaminación de los materiales absorbentes de óxido de nitrógeno por óxidos de azufre (SO_{x}) que han sido llevadas a cabo por los inventores de ésta solicitud, se ha descubierto que el suministro de una gran cantidad de monóxidos de carbono (CO) a un material absorbente de óxido de nitrógeno con bario (Ba) provoca una fácil desorción de un componente de azufre en forma de un gas de óxido de azufre (SO_{2}) desde el material absorbente de óxido de nitrógeno, gracias a lo cual se realizó el sistema de purificación del gas de escape de la invención.
El sistema de purificación del gas de escape de la invención incluye un material absorbente de óxido de nitrógeno instalado en la línea de escape de un motor para absorber óxidos de nitrógeno (NO_{x}) del gas de escape y para reducirlos mientras que una mezcla de combustible es pobre y tiene un cociente mayor (más pobre) aire-combustible representado por un exceso del factor aire (\lambda) mayor de 1 (uno). Durante unas condiciones operacionales específicas de un motor bajo las cuales emisiones diferentes a óxidos de nitrógeno (NO_{x}) se absorben por el material absorbente de óxido de nitrógeno, el sistema de purificación del gas de escape suministra monóxido de carbono (CO) al material absorbente de óxido de nitrógeno y es absorbido por el material absorbente de óxido de nitrógeno de forma que libera las otras emisiones desde el material absorbente de óxido de nitrógeno. En este caso, mientras que un cociente aire-combustible del gas de escape es mayor (más pobre), las emisiones de NO_{x} del gas de escape son absorbidas por el material absorbente de óxido de nitrógeno y se evita su liberación a la atmósfera. Los óxidos de nitrógeno (NO_{x}) se liberan desde el material absorbente de óxido de nitrógeno cuando el cociente aire-combustible del gas de escape se hace menor (más rico) y se reduce. Cuando el material absorbente de óxido de nitrógeno se contamina por las otras emisiones, se suministra monóxido de carbono (CO) al material absorbente de óxido de nitrógeno para situarlo en una atmósfera de monóxido de carbono (CO), de tal forma que los componentes de escape que son más difíciles de ser absorbidos por el material absorbente de óxido de nitrógeno que el monóxido de carbono (CO) se hacen relativamente fáciles de liberar desde el material absorbente de óxido de nitrógeno incluso a temperaturas relativamente inferiores y el monóxido de carbono (CO) es consecuentemente absorbido por el material absorbente de óxido de nitrógeno. Como resultado, se evita que el material absorbente de óxido de nitrógeno resulte contaminado.
En caso de encontrar un problema de contaminación del material absorbente de óxido de nitrógeno por óxidos de azufre (SO_{x}), mientras que el material absorbente de óxido de nitrógeno tiene la propiedad de absorber óxidos de azufre (SO_{x}) y óxidos de carbono (CO_{x}) el orden de dificultad de absorción relativa es primero óxidos de nitrógeno (NO_{x}), después óxidos de azufre (SO_{x}) y finalmente óxidos de carbono (CO_{x}) y experimenta un descenso en la absorción de óxidos de nitrógeno (NO_{x}) debido a la contaminación por óxidos de azufre (SO_{x}), en cualquier caso, se hace más fácil desorber óxidos de azufre (SO_{x}) a una concentración relativamente baja y, como resultado, se restaura la capacidad de absorción de NO_{x}. Existe un material que contiene metales alcalinotérreos y metales alcalinos como material absorbente de óxido de nitrógeno de esta clase. Este tipo de material absorbente de óxido de nitrógeno toma la forma de nitrato cuando absorbe óxidos de nitrógeno (NO_{x}), la forma de sulfato cuando absorbe óxidos de azufre (SO_{x}) y la forma de carbonato cuando absorbe monóxido de carbono (CO). Metales de transición como lantano (La) pueden estar disponibles como material absorbente de óxido de nitrógeno. Un material absorbente de óxido de nitrógeno especialmente útil es aquel que contiene bario (Ba). Cuando un material absorbente de óxido de nitrógeno contiene bario (Ba) y platino (Pt) y el bario (Ba) toma la forma de carbonato en una atmósfera de gas de escape con un elevado(pobre) cociente aire-combustible (por ejemplo, el cociente aire-combustible del gas de escape es superior a 22 y la concentración de oxígeno (O_{2}) del gas de escape es superior a 5%), los óxidos de nitrógeno (NO_{x}) se oxidan sobre platino (Pt) y consecuentemente se activan, y se absorben según se expresa en la siguiente fórmula de reacción:
BaCO_{3} + NO_{2} + O_{2} \rightarrow (BaNO_{3})_{2} + CO_{2} \uparrow (se omiten los coeficientes)
Adicionalmente, los óxidos de azufre (SO_{x}) se oxidan y se activan, y se absorben según se expresa en la siguiente fórmula de reacción:
BaCO_{3} + SO_{2} + O_{2} \rightarrow BaSO_{4} + CO_{2} \uparrow (se omiten los coeficientes)
El material absorbente de óxido de nitrógeno con óxidos de nitrógeno (NO_{x}) y óxidos de azufre (SO_{x}) absorbidos en él desorbe parcialmente los óxidos de nitrógeno (NO_{x}) y los óxidos de azufre (SO_{x}) cuando una atmósfera de gas de escape que tiene un bajo cociente aire-combustible o un exceso de factor aire (\lambda) más pequeño que 1 (uno) (la concentración de oxígeno (O_{2}) del gas de escape es inferior a 5% o 0%). En cualquier caso, en presencia de monóxido carbono (CO), libera los óxidos de nitrógeno (NO_{x}) y los óxidos de azufre (SO_{x}) de forma que se reactiva debido a la reacción expresada por la siguiente fórmula:
Ba(NO_{3})_{2} + CO BaCO_{3} + NO_{2} \uparrow (se omiten los coeficientes)
BaSO_{4} + CO \rightarrow BaCO_{3} + SO_{2} \uparrow (se omiten los coeficientes)
Los óxidos de azufre (SO_{x}) se desorben como sulfuro de hidrógeno (H_{2}S) si están débilmente unidos al material absorbente de óxido de nitrógeno y, sin embargo, tienen tendencia a desorberse como sulfuro de carbonilo (COS) a una temperatura mayor de 450ºC, en particular mayor de 500ºC, cuando el monóxido de carbono (CO) actúa si está fuertemente unido al material absorbente de óxido de nitrógeno. Aunque el material absorbente de óxido de nitrógeno contaminado por óxidos de azufre (SO_{x}) tiene dificultad para desorberlos, se hace más fácilmente propenso a desorber óxidos de azufre (SO_{x}) incluso a temperaturas inferiores a 600ºC en presencia de monóxido de carbono (CO) debido al progreso de las anteriores reacciones químicas.
La cantidad de monóxido de carbono (CO) se aumenta mediante la producción de una cantidad estequiométrica o más de una mezcla enriquecida en combustible junto a una bujía así como una mezcla pobre en combustible alrededor de la mezcla rica en combustible y quemándolas. La mezcla enriquecida en combustible junto a una bujía se quema con una elevada velocidad de combustión inmediatamente después de la ignición y es, sin embargo, propensa a producir hidrocarburos (HC) debido a la limitada cantidad de oxígeno (O_{2}). Mientras la combustión se extiende hacia la mezcla pobre en combustible, la combustión de la mezcla pobre en combustible es lenta con un efecto de fácil producción de monóxido de carbono (CO) que es el mismo resultado al obtenido retardando un tiempo de ignición así como un efecto de aumentar la temperatura de un gas de escape. En otras palabras, no hay necesidad de adelantar un tiempo de ignición, a fin de que la cantidad de monóxido de carbono (CO) aumente debido a un efecto de un retraso en el tiempo de ignición. El aumento de la temperatura de un gas de escape afecta al material absorbente de óxido de nitrógeno para desorber los componentes contaminantes. Este efecto no se limita al caso en que se produce una cantidad estequiométrica o más de la mezcla enriquecida en combustible junto a una bujía. Es decir, se proporciona un aumento en la cantidad de monóxido de carbono (CO) mediante la producción de una cantidad estequiométrica o más de mezcla enriquecida en combustible localmente en una cámara de combustión, así como una mezcla pobre en combustible en la parte restante de la cámara de combustión, y quemándolas. En la parte de la cámara de combustión en la que se carga la mezcla enriquecida en combustible hay oxígeno (O_{2}) de sobra, de forma que es fácil producir monóxido de carbono (CO). Por otro lado, en la parte restante de la cámara de combustión donde se carga la mezcla pobre en combustible, la combustión es lenta, de forma que se proporcione el mismo efecto al obtenido mediante un retraso en el tiempo de ignición. Como resultado, se produce fácilmente monóxido de carbono (CO) y se obtiene un aumento en la temperatura del gas de escape.
Con objeto de cargar y quemar mezclas ricas y pobres de combustible en la cámara de combustión, es apropiado dividir la inyección de combustible de una cantidad requerida de combustible en dos o más. Por ejemplo, mientras que para cargar una mezcla rica en combustible junto a una bujía es preferible realizar una inyección directa de combustible a través de un inyector de combustible, la inyección directa de combustible no es siempre necesaria para cargar una mezcla pobre en combustible alrededor de la mezcla rica en combustible, y puede realizarse para vaporizar combustible en la cámara de combustión a través de una conexión de entrada. Preferiblemente, una cantidad dada de combustible se divide en una pluralidad de partes y se vaporiza directamente en la cámara de combustión sobre golpes de succión y compresión durante un ciclo de combustión para cada cilindro, en este caso, una carga de una mezcla rica en combustible se desarrolla localmente en la cámara de combustión mediante inyección de combustible realizada en una etapa posterior y una carga de una mezcla pobre en combustible se desarrolla mediante inyección de combustible realizada en una etapa anterior en una parte de la cámara de combustión donde llega el combustible proporcionado mediante la inyección de combustible realizada en la etapa posterior. Se han conocido algunos tipos de inyección dividida de combustible, a saber, un tipo de inyección divisora de combustible en dos, una de las cuales se realiza en un golpe de succión, y la otra se realiza en un golpe de compresión, un tipo en el que el combustible se divide en una pluralidad de partes y se inyecta únicamente en un golpe de succión, y un tipo en el que el combustible se divide en una pluralidad de partes y se inyecta únicamente en un golpe de compresión. Para la inyección divisora de combustible, un inyector de combustible debe ser frecuentemente abierto y cerrado para cada ciclo de combustión, lo que aumenta la proporción de partículas groseras de combustible al comienzo de la apertura del inyector de combustible, de forma que causan un empeoramiento de la vaporización del combustible. Como resultado, incluso cuando una mezcla de combustible está uniformemente distribuida en el interior de la cámara de combustión, se produce fácilmente monóxido de carbono (CO) debido a la combustión imperfecta que se produce localmente en la cámara de combustión. Adicionalmente, el tiempo permitido es considerablemente corto antes de la ignición del combustible en el golpe de compresión, el combustible es quemado en un estado de vaporización del combustible considerablemente empeorado con un efecto de aumento del nivel de emisión de dióxido de carbono. Desde el punto de vista de la economía de combustible cuando se realiza inyección dividida de combustible, es deseable controlar una mezcla de combustible con un cociente aire-combustible representado por un exceso del factor aire (\lambda) de 1 (uno) en la totalidad de la cámara de combustión. La inyección directa de combustible es preferible para controlar un cociente aire-combustible de una mezcla de combustible en la cámara de combustión, así como para desorber los componentes contaminantes del material absorbente de óxido de nitrógeno.
El término "específico" en una condición operacional de un motor usado en la presente invención debería significar y referirse a que el monóxido de carbono (CO) no se suministra regularmente, en otras palabras, el estado en el que se juzga que se produce un aumento en la cantidad de óxidos de azufre (SO_{X}) absorbidos en el material absorbente de óxido de nitrógeno. Por ejemplo, en el estado en el que, mientras el motor está bajo estados operacionales normales en zonas bajas e intermedias de las velocidades y cargas del motor, un cociente aire- combustible representado por un exceso de factor aire (\lambda) es mayor de 1 (uno), cuando se refiere a una zona operacional del motor en la que se produce un aumento en la temperatura del gas de escape debido a un aumento en las velocidades o en las cargas del motor como una zona \lambda-1, es apropiado suministrar óxido de carbono (CO) mediante la inyección divida de combustible en la zona operacional \lambda- 1 del motor. Cuando la operación del motor entra en una estado de aceleración desde un estado operacional normal o se mantiene en un estado operacional normal durante un periodo mayor al periodo especificado, puede ser apropiado suministrar óxido de carbono (CO) mediante la inyección dividida de combustible con un cociente aire-combustible representado por un exceso de factor aire (\lambda) de 1 solo. Adicionalmente, se puede suministrar óxido de carbono (CO) cuando el motor entra en la zona operacional \lambda-1 del motor tras un periodo de duración específico de un estado operacional normal.
Como se describió anteriormente, el suministro de óxido de carbono (CO) al material absorbente de óxido de nitrógeno facilita la desorción de óxidos de azufre (SO_{X}). Mientras que el hidrocarburo (HC) actúa como un componente reductor al igual que el monóxido de carbono (CO), su efecto de desorción es débil. Sin embargo, en presencia de zeolita, el hidrocarburo (HC) se oxida parcialmente debido a un efecto catalítico de la zeolita que cambia a hidrocarbonato (HCO) y monóxido de carbono (CO) que contribuyen efectivamente a la desorción de los óxidos de azufre (SO_{X}). En vista de lo anterior es preferible proporcionar una capa de zeolita dispuesta sobre una capa de material absorbente de óxidos de nitrógeno de forma que entre en contacto con los gases de escape antes que el material absorbente de óxido de nitrógeno. Los gases de escape entran en contacto con la zeolita y los hidrocarburos (HC) de los gases de escape cambian a hidrocarbonato (HCO) y monóxido de carbono (CO) antes de entrar en contacto con el material absorbente de óxido de nitrógeno. Cuando se dispone una capa de material absorbente de óxido de nitrógeno corriente arriba del material absorbente de óxido de nitrógeno en la línea de escape, también se consigue el mismo efecto al descrito anteriormente.
Se puede disponer una capa de ceria sobre una capa de material absorbente de óxido de nitrógeno de forma que entre en contacto con los gases de escape antes que el material absorbente de óxido de nitrógeno, lo que es deseable para acelerar la desorción de los óxidos de azufre (SO_{x}). Los gases de escape entran en contacto con la ceria antes de entrar en contacto con el material absorbente de óxido de nitrógeno. Cuando se dispone una capa de ceria corriente arriba del material absorbente de óxido de nitrógeno en la línea de escape, también se consigue el mismo efecto al descrito anteriormente.
Con objeto de reducir los óxidos de nitrógeno (NO_{x}) desorbidos del material absorbente de óxido de nitrógeno, se dispone un catalizador purificador de óxido de nitrógeno corriente abajo del dispositivo absorbente de óxido de nitrógeno en la línea de escape, o de otro modo, se puede mezclar un material absorbente de óxido de nitrógeno con metales catalíticos purificadores de óxido de nitrógeno. La mezcla de estos materiales se puede realizar de varias formas. Por ejemplo, una capa absorbente de óxido de un material absorbente de óxido de nitrógeno y un metal o metales nobles se recubre con un miembro soporte que se dispone en la línea de escape. El catalizador de metal noble reduce los óxidos de nitrógeno (NO_{x}) desorbidos del material absorbente de óxido de nitrógeno. Es preferible suministrar una capa de material absorbente de óxido de nitrógeno con bario (Ba), ceria y platino (Pt) que absorbe óxidos de nitrógeno (NO_{X}) contenidos en él y una capa catalizadora que contiene metales nobles y zeolita sobre el material absorbente de óxido de nitrógeno. El bario (Ba) realiza un excelente trabajo de absorción de óxidos de nitrógeno (NO_{x}) y el platino (Pt) hace al material absorbente de óxido de nitrógeno apto para desorber óxidos de nitrógeno (NO_{x}) así como para absorber oxígeno (O_{2}). Como resultado, se prevé una atmósfera microscópicamente apropiada para la purificación por reducción de los óxidos de nitrógeno (NO_{x}). El platino (Pt) es uno de los metales nobles que presenta una mayor resolución de reducción y, cuando se combina con rodio (Rh), rinde una aumento en la eficiencia de la conversión de óxido de nitrógeno. Aunque paladio (Pd) e iridio (Ir) están disponibles como metales nobles, platino (Pt) y rodio (Rh) son más apropiados. Los metales nobles en la capa catalítica reducen los óxidos de nitrógeno (NO_{x}) desorbidos de la capa del material absorbente de óxido de nitrógeno. Como se ha descrito anteriormente, mientras que la zeolita cambia hidrocarburos (HC) a hidrocarbonato (HCO) y monóxido de carbono (CO) con los cuales se acelera la desorción de óxidos de azufre (SO_{X}), hace que la capa catalítica reduzca óxidos de nitrógeno (NO_{x}) en una atmósfera de gases de escape con un cociente aire-combustible pobre. Consecuentemente, en este caso, los óxidos de nitrógeno (NO_{X}) del gas de escape, son parcialmente reducidos por el catalizador de la capa superior y parcialmente absorbidos por el material absorbente de óxido de nitrógeno de la capa inferior. Los últimos óxidos de nitrógeno (NO_{x}) se reducen por el catalizador de la capa superior cuando se liberan como resultado de un cociente aire-combustible enriquecido.
La capa de material absorbente de óxido de nitrógeno puede contener óxidos compuestos de cerio-zirconio (Ce-Zr) en lugar de ceria con efecto de aumentar la resistencia al calor y la resistencia a la contaminación por azufre (S). Mientras que cada uno de los óxidos compuestos de cerio-zirconio (Ce-Zr) y el ceria son capaces de absorber oxígeno (O_{2}), los óxidos compuestos de cerio-zirconio (Ce-Zr) tienen una resistencia mayor a la incrustación que la ceria cuando sus partículas se exponen a calor intenso. Cuando la ceria se incrusta con calor intenso, motea el platino (Pt) como un metal noble y bario (Ba) como un material absorbente de óxido de nitrógeno, de forma que se produce un deterioro químico. Sin embargo, debido a la alta resistencia a la incrustación, el óxido compuesto cerio-zirconio (Ce-Zr) es difícil que cause deterioro químico. Adicionalmente, debido a la alta capacidad para absorber oxígeno (O_{2}), mientras que el óxido compuesto cerio-zirconio (Ce-Zr) produce una atmósfera en la que los óxidos de nitrógeno (NO_{x}) se reducen fácilmente debido a un descenso en la concentración microscópica de oxígeno alrededor de los metales nobles, atrapa el oxígeno (O_{2}) de los óxidos de nitrógeno (NO_{x}) para activarlos para una fácil reducción.
La capa del material absorbente de óxido de nitrógeno tiene una mayor capacidad para oxidar monóxido de nitrógeno (HC) cuando contiene óxidos compuestos cerio-zirconio (Ce-Zr) que cuando contiene ceria y, sin embargo, provoca una disminución en la capacidad para oxidar dióxido de azufre (SO_{2}). Como resultado, la capa del material absorbente de óxido de nitrógeno que contiene óxidos compuestos cerio-zirconio (Ce-Zr) absorbe una cantidad mayor de óxidos de nitrógeno y, sin embargo, una cantidad menor de óxidos de azufre. En particular, la capa de material absorbente de óxido de nitrógeno que contiene óxidos compuestos cerio-zirconio (Ce-Zr) aumenta más su resistencia a la contaminación por azufre (S) cuando tiene una gran proporción de óxido de zirconio (ZrO_{2}) que cuando tiene una gran proporción de óxido de cerio (CeO_{2}).
La utilización de óxido compuesto cerio-praseodimio (Ce-Pr) proporciona un aumento a la resistencia al calor más acusado en comparación con la utilización de ceria. Se piensa que esto es resultado de un pequeño descenso en la capacidad para la absorción de oxígeno del óxido compuesto cerio-praseodimio (Ce-Pr) tras la exposición al calor.
Como se aprecia de lo anterior, el sistema de purificación del gas de escape de un motor de la invención hace que el material absorbente de óxido de nitrógeno desorba óxidos de azufre (SO_{x}) incluso a temperaturas relativamente más bajas. En particular, en combinación con un suministro de monóxido de carbono (CO) por medio de la inyección dividida de combustible, el contenido en monóxido de carbono del gas de escape se aumenta mediante el control de la inyección de combustible para prevenir la contaminación del material absorbente de óxido de nitrógeno por óxidos de azufre (SO_{X}) sin instalar ningún medio extra para la producción de monóxido de carbono en la línea de escape.
Los anteriores y otros objetos y características de la presente invención se comprenderán claramente a partir de la siguiente descripción detallada de los ejemplos preferibles cuando se lean en conjunción con los dibujos adjuntos en los que:
La Figura 1 es una ilustración esquemática que muestra un motor equipado con un sistema de purificación del gas de escape según un ejemplo de la invención;
La Figura 2 es una vista seccional cruzada de un catalizador purificador del gas de escape de dos capas empleado en el sistema de purificación del gas de escape mostrado en la Figura 1;
Las Figuras 3 a 5 son diagramas de flujo que ilustran una rutina secuencial del control de la inyección de combustible;
La Figura 6 es una ilustración esquemática que muestra un mapa de las zonas de combustión para la operación del motor en caliente.
La Figura 7 muestra esquemas temporales de cronometraje de la inyección de combustible;
La Figura 8 es una ilustración esquemática que muestra un mapa de las zonas de combustión para la operación del motor en frío;
La Figura 9 es un esquema temporal de inyección dividida de combustible \lambda-1 para una operación de motor normal;
La Figura 10 es una ilustración esquemática que muestra un mapa en el que no se especifica ninguna zona de combustión \lambda-1;
La Figura 11 es un diagrama de flujo que ilustra una rutina secuencial del control de la inyección de combustible para un motor para el cual no se especifica ninguna zona de combustión \lambda-1;
La Figura 12 es un gráfico que muestra un efecto de la inyección dividida de combustible sobre un consumo específico de combustible y el contenido de monóxido de carbono del gas de escape;
La Figura 13 es un gráfico que muestra un efecto de la inyección dividida de combustible sobre un consumo específico de combustible y el contenido de hidrocarburo del gas de escape;
La Figura 14 es un gráfico que muestra un efecto de la inyección dividida de combustible sobre un consumo específico de combustible y la temperatura del gas de escape; y
La Figura 15 es un gráfico que muestra la relación entre el cronometraje de la inyección dividida de combustible en un golpe de succión y el nivel de emisión de monóxido de carbono;
La Figura 16 es un gráfico que muestra las características de desorción de óxido de azufre (SO_{2}) de los materiales absorbentes de óxido de nitrógeno calentados en diferentes condiciones atmosféricas; y
La Figura 17 es un vista seccional cruzada de un catalizador purificador del gas de escape de tres capas empleado en el sistema de purificación del gas de escape mostrado en la Figura 1.
El término "operación del motor en frío" como se usa en la presente invención debería significar y referirse a una operación del motor en la que el motor está todavía frío, es decir, la temperatura del agua de enfriamiento del motor es inferior a una temperatura dada, y el término "operación del motor en caliente" como se usa en la presente invención debería significar y referirse a una operación del motor después de que el motor haya sido adecuadamente calentado, es decir, la temperatura del agua de enfriamiento del motor es igual o superior a una temperatura dada.
En referencia a los dibujos en detalle y, en particular, a la Figura 1 que muestra una inyección directa de combustible, el motor de combustión interna 1 equipado con un sistema de purificación del gas de escape de acuerdo con un ejemplo de la invención, el motor de combustión interna 1 consiste en un bloque 2 de cilindro y una cabeza 3 de cilindro. El bloque 2 de cilindro está equipado con alesajes de cilindro 2a (sólo se muestra uno) en el que puede deslizarse cuatro pistones. Las cámaras de combustión 5 están formadas por las partes superiores de los pistones 4, una pared inferior de la cabeza del cilindro 3 y los alesajes del cilindro 2a. Una conexión de entrada 6 y una conexión de escape 7 se abren cada una hacia la cámara de combustión 5, y se abren y cierran a unos tiempos determinados por la válvula de entrada 8 y la válvula de escape 9, respectivamente. Una bujía 10 está instalada en la cabeza del cilindro 3 con la punta del electrodo situada abajo en la sección central de la cámara de combustión 5. Un inyector de combustible 11 está instalado en la cabeza del cilindro 3 de tal forma que inyecta y dirige el combustible descendentemente por debajo de la bujía 10 en la cámara de combustión 5 desde un lateral. La parte superior del pistón 4 está formada por una cavidad 12 a través de la cual el combustible desde el inyector de combustible 11 retorna hacia la bujía 10. Un catalizador purificador del gas de escape 14 está instalado en la línea de escape 13 que se extiende desde la conexión de escape 7. Una unidad de control de motor 15 se muestra esquemáticamente en bloque, que comprende un microprocesador programado, recibe varias señales de los sensores incluyendo al menos un sensor de velocidad del motor 15a, un sensor de la posición del acelerador 15b, un sensor de flujo de aire 15c y un sensor de la temperatura del agua de enfriamiento del motor 15d, todos los cuales pueden ser de cualquier tipo conocido. En las bases de las señales de los sensores 15a a 15d, la unidad de control del motor 15 lleva a cabo diversos controles del motor incluyendo el control de la inyección de combustible en el que el inyector de combustible 11 se controla para inyectar combustible en un modo de inyección dividida del combustible en una zona de combustión específica con respecto a las condiciones operacionales del motor de forma que se genera un gas de escape con un elevado contenido en hidrocarburos y se dirige al dispositivo de purificación del gas de escape 14, como se describirá posteriormente.
La Figura 2 muestra un catalizador 14 instalado en el dispositivo de purificación del gas de escape 14. El catalizador 14 usa un miembro soporte 21 como una base en panal de cordierita recubierto por una capa inferior de material absorbente de óxido de nitrógeno (al que se referirá como una capa de absorción de NO_{X}) y una capa exterior 23 de un material catalítico. La capa de absorción de NO_{X} 22 contiene un componente principal consistente en platino (Pt) y bario (Ba), como material absorbente de nitrógeno, soportados en partículas de alúmina activa como vehículo en el que las partículas tienen grandes áreas de superficie específica. La capa catalítica 23 contiene un componente principal consistente en platino (Pt) y rodio (Rh) soportados en zeolita como vehículo. En este caso, el dispositivo de purificación del gas de escape 14 puede tener una capa de ceria recubriendo la capa catalítica 23.
La unidad de control del motor 15 realiza el control de la inyección de combustible como parte del control del motor para determinar los estados operacionales actuales del motor, un cronometraje de la inyección de combustible y un ancho del pulso inyector que es una medida de cuánto tiempo permanece abierto el inyector de combustible 11. Los estados operacionales del motor incluyen valoraciones del arranque del motor, operación del motor en frío, operación del motor en caliente, zonas de combustión y aceleración del motor. Estas operaciones en frío y en caliente del motor se valoran según una temperatura de enfriamiento. Las condiciones operacionales del motor concernientes a las zonas de combustión se valoran según una velocidad del motor y una cantidad de aire de entrada. La aceleración del motor se valora según la posición del acelerador. La unidad de control del motor 15 incluye varios mapas en forma de cuadro de búsqueda que se usan para valorar los estados operacionales del motor. Como resultado de estas valoraciones, se determinan un cronometraje de la inyección de combustible y un ancho del pulso inyector siguiendo un diagrama de flujo lógico mostrado en las Figuras 3 a 5.
Las Figuras 3 a 5 son diagramas de flujo que ilustran la rutina de la secuencia de control de la inyección de combustible a través de la cual se determinan un cronometraje de la inyección de combustible y un ancho del pulso inyector. Cuando comienza el diagrama de flujo lógico y el control prosigue directamente a un bloque de función en el paso S1 donde se leen varias señales de los sensores 15a-15c para determinar una velocidad de motor Ne representada por una señal desde el sensor de velocidad del motor 15a, una posición del acelerador Acc representada por una señal desde el sensor de posición del acelerador 15b, una cantidad de aire de entrada Aire representada por una tasa de flujo de entrada representada por una señal desde el sensor de flujo de aire 15c y una temperatura del agua de enfriamiento del motor Th representada por una señal desde el sensor de temperatura del agua 15d. Cuando la velocidad del motor Ne es mayor que cero (0) pero menor que una velocidad dada Nj como resultado de una valoración realizada en la etapa S2, esto indica que el motor 1 está inmediatamente después de un arranque del motor, entonces, un ancho del pulso inyector de arranque, es decir, un ancho del pulso inyector de la etapa de succión Tal, y un cronometraje de la inyección de combustible Tti para la inyección de combustible realizada en un golpe de succión (denominado en lo sucesivo inyección de combustible de la etapa de succión), se determinan en la etapa S3. En este caso, la etapa de compresión de la inyección de combustible, que se refiere a la inyección de combustible realizada en un golpe de compresión, no se produce y, consecuentemente, un ancho del pulso inyector Tac para la etapa de compresión de la inyección de combustible se pone a 0 (cero). Cuando la velocidad del motor es mayor que una velocidad dada Nj, esto indica que el motor 1 es operado durante un instante después del arranque del motor, entonces, se realiza una valoración en la etapa S4 si la temperatura del agua de enfriamiento del motor Th es mayor que una temperatura dada Thj para la operación del motor en caliente. Cuando el motor 1 se ha calentado, es decir, la temperatura del agua de enfriamiento Th es mayor que la temperatura dada Thj, se realiza una valoración adicional si el motor 1 opera en una zona de combustión de carga \lambda = 1 en caliente ZW2 en la etapa S5 o en una zona de combustión de carga enriquecida en caliente ZW3 en la etapa S6. Estas valoraciones se realizan en base a la temperatura del agua de enfriamiento del motor y una carga de motor Ce representada por una eficiencia en la carga de aire determinada basada en la cantidad de aire de
entrada Air.
Como se muestra en la Figura 6, un mapa de control para la operación del motor en caliente para operaciones específicas del motor en caliente, tres zonas de combustión calientes, a saber, una zona de combustión de carga estratificada en caliente ZW1 para velocidades del motor bajas y moderadas inferiores a, por ejemplo, 3.000 rpm, y una carga menor de, por ejemplo, la mitad de la carga completa, una zona de combustión de carga \lambda = 1 en caliente ZW2 para velocidades y cargas medias y altas del motor y una zona de combustión de carga enriquecida en caliente Z3 para velocidades y cargas del motor mayores. En la zona de combustión de carga estratificada en caliente ZW1, la inyección de combustible se realiza sólo en un golpe de compresión para distribuir y estratificar desigualmente una mezcla de combustible alrededor de la bujía 10 como se muestra en la Figura 7. En la zona de combustión de carga \lambda = 1 en caliente ZW2, la inyección de combustible se realiza tanto en una etapa temprana del golpe de succión como en una etapa media o tardía del golpe de compresión para distribuir una mezcla de combustible con un exceso de factor aire (\lambda) de 1 como se muestra en la Figura 7. En la zona de combustión de carga enriquecida en caliente ZW3, la inyección de combustible se realiza durante una etapa temprana a media del golpe de succión para distribuir una mezcla enriquecida de combustible. Cuando la respuesta a la decisión concerniente a la zona de combustión de carga enriquecida en caliente ZW3 realizada en la etapa S6 es negativa, esto indica que el motor 1 opera en la zona de combustión de carga estratificada en caliente ZW1. Incluso mientras el motor 1 opera en la zona de combustión de carga estratificada en caliente ZW1, cuando se valora que el motor 1 se acelera en la etapa S7, la inyección de combustible se lleva a cabo en el modo de inyección dividida de combustible, así como en la zona de combustión de carga \lambda = 1 en caliente ZW2. Se determina que el motor 1 se acelera en base al hecho de que se produce un aumento en la velocidad del motor, carga del motor o posición del acelerador. Adicionalmente, incluso mientras se valora que el motor 1 está bajo una operación en frío en la etapa S4, cuando se determina que el motor 1 opera en la zona de combustión de carga \lambda = 1 en frío ZC2 en la etapa S8, la inyección de combustible se divide en dos etapas, es decir, la inyección de combustible de la etapa de succión y la inyección de combustible de la etapa de compresión. Como se muestra en la Figura 8, un mapa de control de la operación del motor en frío para una operación del motor en frío especifica dos zonas de combustión en frío, a saber, una zona de combustión de carga \lambda = 1 en frío ZC2 para velocidades y cargas del motor bajas y moderadas y una zona de combustión de carga enriquecida en frío ZC3 para cargas y velocidades mayores del motor. Cuando el motor 1 opera en la zona de combustión de carga \lambda = 1 en frío ZC2, un factor de corrección del ancho de pulso Caf determinado basado en el cociente aire-combustible, específicamente un exceso del factor aire \lambda en este ejemplo, y un cociente de división Ra (0 \leq Ra \leq 1) se determinan en la etapa S9 como se muestra en la Figura 4. En este caso, el cociente de división Ra se refiere a un cociente de una cantidad de inyección de combustible en la etapa de compresión relativa a una cantidad total de inyección de combustible durante un ciclo único de combustión. En la zona de combustión de carga \lambda = 1 en frío ZC2, el factor de corrección del ancho de pulso Caf se pone a 1 (uno). El cociente de división se especifica según las cantidades de inyección de combustible en un mapa de control de inyección de combustible. Subsecuentemente, en la etapa S10, los anchos del pulso inyector Tai y Tac para la inyección de combustible en la etapa de succión y la inyección de combustible en la etapa de compresión se determinan calculando las siguientes expresiones:
Tai = KGKF x Caf x Ce x (1 - Ra)
Tac = KGKF x Caf x Ce x Ra
donde KGKF es el factor del ancho de pulso determinado basado en una cantidad de inyección de combustible;
Ra es un factor determinado basado en un cociente aire-combustible.
Estos factores KGKF y Ra se han determinado experimentalmente con respecto a las cantidades de inyección de combustible y cocientes aire-combustible, respectivamente, y almacenados en forma de mapa.
En este caso, el factor de corrección del ancho de pulso Caf toma el valor de 1 (uno) para un exceso de factor aire \lambda de 1 (uno), esto significa que no se realiza ninguna corrección para un ancho de pulso inyector cuando el exceso de factor aire \lambda es 1 (uno). En este caso, el factor de corrección del ancho de pulso Caf es menor de 1 (uno) cuando el exceso de factor aire \lambda es mayor de 1 (uno), y es mayor de 1 (uno) cuando el exceso de factor aire \lambda es menor de 1 (uno). Subsecuentemente, en la etapa S11, los cronometrajes de la inyección de combustible Tti y Ttc se determinan para la inyección de combustible en la etapa de succión con el ancho del pulso inyector Tai y la inyección de combustible en la etapa de compresión con el ancho del pulso inyector Tac como se muestra en la 
\hbox{Figura 7.}
Como se muestra en la Figura 5, tras la determinación de los cronometrajes de inyección de combustible en la etapa S11, se realiza una valoración en la etapa S12 si el ancho del pulso inyector Tai para la etapa de succión de la inyección de combustible es 0 (cero). En la zona de combustión de carga \lambda = 1 en frío ZC2, el ancho del pulso inyector Tai tiene una cierta medida para realizar la inyección de combustible en la etapa de succión. Tan pronto como el cronometraje de la inyección Tti para la inyección de combustible en la etapa de succión ha llegado a la etapa S13, la unidad de control del motor 15 proporciona un pulso conductor que hace que el ancho del pulso inyector Tai haga que el inyector de combustible 11 pulverice combustible en un golpe de succión en la etapa S14. Del mismo modo, en la zona de combustión de carga \lambda = 1 en frío ZC2, tan pronto como llega el cronometraje de inyección Tti para la inyección de combustible en la etapa de compresión, la unidad de control del motor 15 proporciona un pulso conductor que hace que el ancho del pulso inyector Tac haga que el inyector de combustible 11 pulverice combustible en un golpe de compresión en las etapas S15 a S17.
La respuesta afirmativa a la valoración realizada en la etapa S6 o la respuesta negativa a la valoración realizada en la etapa S8 indica que el motor 1 opera en la zona de combustión de carga enriquecida ZW3 o ZC3, en cualquier zona de combustión de carga enriquecida ZW3 o ZC3, tras establecer el factor de corrección del ancho de pulso Caf y el cociente de división Ra a EN y (cero), respectivamente, en la etapa S18 (véase Figura 4), los anchos de pulso inyector Tai y Tac para la inyección de combustible en la etapa de succión y la inyección de combustible en la etapa de compresión se determinan en la etapa S10 y, subsecuentemente, los cronometrajes de inyección de combustible Tti y Ttc se determinan para la inyección de combustible en la etapa de succión con el ancho del pulso inyector Tai y la inyección de combustible en la etapa de compresión con el ancho del pulso inyector Tac en la etapa S11. En estas zonas de combustión de carga enriquecida ZW3 y ZC3 donde sólo se realiza la inyección de combustible en la etapa de succión, mientras el factor de corrección del ancho de pulso Caf es mayor de 1 (uno), el cociente de división Ra es 0 (cero).
Cuando la respuesta a la decisión concerniente a la aceleración realizada en la etapa S7 es negativa, esto indica que el motor 1 opera bajo condiciones normales en la zona de combustión de carga estratificada en caliente ZW1, entonces, sólo cuando un periodo de tiempo dado (al que se refiere como periodo de tiempo DISC) ha pasado desde una transición a una condición operacional normal desde una condición de aceleración, se realiza la inyección de combustible en el modo de inyección dividida de combustible durante un periodo de tiempo dado (al que se refiere como periodo de tiempo SPRT). Específicamente, cuando la bandera de transición F_{DISC} permanece abajo o todavía no está en el estado de "1", lo que indica que el motor 1 todavía no ha entrado en una condición operacional normal en la etapa S19, entonces, después de llevar la bandera de transición F_{DISC} al estado de "1" en la etapa S20 y el cronómetro DISC al tiempo DISC en la etapa S21, se determinan en la etapa S22 un ancho del pulso de inyección Tai y un cronometraje de la inyección de combustible Tti para la inyección de combustible en la etapa de succión para realizar la inyección de combustible en la etapa de succión en las etapas S12 a S17. Por otro lado, cuando la bandera de transición F_{DISC} se ha levantado, esto indica que el motor 1 ha estado bajo una condición operacional normal, entonces, se realiza una valoración en la etapa S23 si el cronómetro DISC ha contado el tiempo DISC. Cuando todavía no ha acabado el tiempo DISC, continúa la inyección de combustible en la etapa de succión. Sin embargo, cuando el tiempo DISC se ha acabado, tras restablecer la bandera de transición F_{DISC} abajo en la etapa S24, entra en el periodo de tiempo SPIJ para la inyección dividida de combustible, lo que se indica mediante una bandera de inyección dividida F_{SPRT} llevada al estado de "1". Cuando la bandera de inyección dividida F_{SPRT} está abajo en la etapa S25, tras poner la bandera de inyección dividida F_{SPRT} arriba en la etapa S26 y un cronómetro SPRT en el tiempo SPRT en la etapa S27, la inyección dividida de combustible se realiza en las etapas S8 a S17. Por otro lado, cuando la bandera de inyección dividida F_{SPRT} está arriba en la etapa S25, se valora en la etapa S28 si el periodo de tiempo SPRT se ha acabado. Hasta que el periodo SPRT de tiempo SPRT se acaba, continúa la inyección dividida de combustible en las etapas S9 a S17. Cuando se acaba el periodo SPRT de tiempo SPRT, tras restablecer la bandera de inyección dividida F_{SPRT} abajo en la etapa S29, sólo se realiza la inyección de combustible en la etapa de succión en las etapas S12 a S17 vía etapa S22.
De este modo, en el caso de que, mientras el motor 1 opera en la zona de combustión de carga \lambda = 1 ZW2 o ZC2, la operación de aceleración del motor o la operación del motor normal en caliente continúa, la inyección dividida de combustible se dirige temporalmente durante un periodo dado de tiempo, como resultado de lo cual, aumenta la emisión de monóxido de carbono (CO) con un efecto de aumento de la temperatura del gas de escape y es atrapado por la capa de absorción de NO_{x} 22 del catalizador 14. El monóxido de carbono (CO) acelera la desorción de los óxidos de azufre (SO_{x}) de la capa de absorción de NO_{x} 22, reactivando la capa de absorción de NO_{x} 22. En particular, mientras el motor 1 está en la zona operacional de velocidades medias del motor inferiores a, por ejemplo, 3.000 rpm y carga media menor de, por ejemplo, la mitad de la carga completa donde el gas de escape está a una alta temperatura, o después de que el motor 1 haya cambiado a la zona operacional, la inyección dividida de combustible se puede realizar con un efecto de prevenir que el material absorbente de óxido de nitrógeno se contamine con óxidos de azufre (SO_{x}).
En el control del motor para motores de combustión interna para los que la zona de combustión de carga \lambda = 1 no está especificada como se muestra en la Figura 10, la inyección dividida de combustible se realiza siguiendo una rutina secuencial ilustrada por un diagrama de flujo mostrado en la Figura 11 en lugar de las etapas S1 a S6 del diagrama de flujo de la rutina secuencial de control de la inyección de combustible mostrada en la Figura 3.
Como se muestra en la Figura 11, tras la lectura de las condiciones operacionales actuales del motor en la etapa S101, se realiza una valoración en la etapa S102 si la condición operacional del motor está en una zona de combustión de carga estratificada Z1 y, cuando es afirmativo, se realiza otra valoración en la etapa S103 en cuanto a aceleración se refiere. Mientras el motor opera en la zona de combustión de carga estratificada ZW1, está bajo operación ordinaria, el diagrama de flujo lógico prosigue a la etapa S19 del diagrama de flujo de la rutina secuencial de control de la inyección de combustible mostrado en las Figuras 4 y 5 para realizar la inyección dividida de combustible para una carga de combustión \lambda = 1. Por otro lado, mientras el motor opera en la zona de combustión de carga estratificada Z1, está bajo aceleración, el diagrama de flujo lógico prosigue a la etapa S9 del diagrama de flujo de la rutina secuencial de control de la inyección de combustible mostrado en las Figuras 4 y 5 para realizar la inyección dividida de combustible para una carga de combustión \lambda = 1. Cuando el motor opera fuera de la zona de combustión de carga estratificada Z1, en otras palabras, opera en una zona de combustión de carga enriquecida Z3, el diagrama de flujo lógico prosigue a la etapa S18 del diagrama de flujo de la rutina secuencial de control de la inyección de combustible mostrado en las Figuras 4 y 5 para realizar sólo la inyección de combustible en la etapa de succión.
La Figura 12 muestra la relación del consumo específico de combustible relativo al contenido en monóxido de carbono (CO) del gas de escape por caballo de fuerza en una hora para la inyección de combustible en la etapa de succión y la inyección dividida de combustible con diferentes cocientes de división Ra entre 22 y 60%. La ignición de combustible se realizó con varios retrasos en el tiempo de ignición. Adicionalmente, ambas inyecciones en la etapa de succión y dividida se midieron a 65º antes del centro del pico de muerte. La inyección dividida de combustible con un cociente de división de Ra de 50% se realizó adicionalmente con algún adelanto antes del centro del pico de muerte de un golpe de combustión. Las condiciones de medida fueron a una velocidad de motor de 1.500 rpm, una presión media efectiva de 3 kgt/cm^{2} y un cociente de exceso de aire de 1.
Como se revela aparentemente en la Figura 12, a pesar de que la inyección de combustible en la etapa de succión rinde un aumento en el contenido de monóxido de carbono (CO) del gas de escape debido al retraso en el tiempo de ignición, la inyección dividida de combustible rinde un notable aumento en el contenido de monóxido de carbono (CO) del gas de escape que es dos veces tanto como el resultante de la inyección de combustible en la etapa de succión. Adicionalmente, se ha probado que el contenido de monóxido de carbono (CO) del gas de escape se reduce según avanza el tiempo de inyección de combustible. No se produce ningún empeoramiento del consumo específico de combustible. En base a los resultados puede decirse que la inyección dividida de combustible permite a la capa de absorción de NO_{x} 22 del catalizador 14 recibir una cantidad aumentada de la emisión de monóxido de carbono (CO).
La Figura 13 muestra la relación entre el contenido en hidrocarburo (HC) del gas de escape relativo al consumo específico de combustible por caballo de fuerza en una hora para la inyección de combustible en la etapa de succión y la inyección dividida de combustible medida bajo la misma condición que el contenido de monóxido de carbono (CO) del gas de escape mostrado en la Figura 12. En la Figura 13 se revela que la inyección dividida de combustible rinde una disminución en el contenido en hidrocarburo (HC) del gas de escape, a pesar de que el contenido en hidrocarburo (HC) del gas de escape se reduce mediante la inyección de combustible en la etapa de succión debido únicamente al retraso en el tiempo de ignición, es notablemente reducido mediante la inyección dividida de combustible, y que se produce un aumento en el contenido en hidrocarburo (HC) del gas de escape debido a un adelanto en el tiempo de inyección de combustible durante la inyección dividida de combustible. En base a los resultados puede decirse que la inyección dividida de combustible reduce el contenido en hidrocarburo del gas de escape a condición de que el hidrocarburo mantenga una cantidad necesaria para completar un efecto de reducción para purificar los óxidos de nitrógeno (NO_{x}), lo que siempre es deseable en la purificación de un gas de escape.
La Figura 14 muestra la temperatura del gas de escape medida bajo la misma condición que el contenido en monóxido de carbono (CO) del gas de escape mostrado en la Figura 12. En la Figura 14 se revela que mientras que un aumento en la temperatura del gas de escape es causado por un simple retraso en el tiempo de ignición, es notable cuando se realiza una inyección dividida de combustible.
La inyección dividida de combustible puede ser realizada sólo durante un golpe de succión. Esta inyección dividida de combustible en el golpe de succión se realiza tras una duración específica de la inyección dividida de combustible en golpes de succión y compresión en un estado de aceleración con velocidad y carga media del motor, o puede realizarse mientras el motor 1 opera con menor velocidad de motor y mayor carga de motor. En este caso, la inyección dividida de combustible en el golpe de succión proporciona un efecto de aumento en el contenido en monóxido de carbono del gas de escape al igual que la inyección dividida de combustible en golpes de succión y compresión.
La Figura 15 muestra el nivel de emisión de monóxido de carbono cuando se realiza la inyección dividida de combustible en una etapa tardía del golpe de succión. Como puede verse en la Figura 15, se ha probado que un retraso en un tiempo de inyección de combustible hacia la etapa tardía de un golpe de succión proporciona un aumento en el nivel de emisión de monóxido de carbono.
La Figura 16 muestra una desorción de óxido de azufre característica de la capa de absorción de NO_{x} 22 en varias atmósferas tras la contaminación por una gran cantidad de óxido de azufre (SO_{2}). Se empleó como gas atmosférico gas de helio puro y gas de helio conteniendo 1% de monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H_{2}) u oxígeno (O_{2}).
Como se muestra en la Figura 16, se revela que la capa absorbente de NO_{x} 22 tiene dificultades para desorber óxido de azufre (SO_{2}) en un gas oxidante como el oxígeno (O_{2}) incluso a alta temperatura, y que la capa de absorción de NO_{x} 22 acelera la desorción de óxido de azufre (SO_{2}) en un gas reductor como monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H_{2}). Es claro que un gas de monóxido de carbono (CO) provoca que la capa de absorción de NO_{x} 22 desorba en un amplio intervalo de temperaturas de gas. En particular, la capa de absorción de NO_{x} 22 rinde un efecto mejorado de la desorción de óxido de azufre (SO_{2}) en el gas reductor con temperaturas del gas atmosférico partiendo de una temperatura de 400ºC y muestra un significativo pico de desorción de óxido de azufre (SO_{2}) en el gas reductor a una temperatura de 600ºC. La temperatura del gas de escape descargado de un motor bajo una condición operacional normal es de entre 400 y 600ºC. La inyección dividida de combustible en la zona de combustión \lambda = 1 en caliente proporciona un aumento del contenido en monóxido de carbono (CO) del gas de escape y un ligero aumento en la temperatura del gas de escape, como resultado de lo cual, el material absorbente de NO_{x} del catalizador desorbe efectivamente óxido de azufre (SO_{2}) y se reactiva. Este efecto es más significativo cuando el catalizador contiene ceria u óxido de cerio (CeO_{2}).
Para un ensayo de uso real del catalizador purificador del gas de escape usado en el sistema de purificación del gas de escape de la invención se prepararon dos tipos de catalizadores purificadores del gas de escape, a saber, un catalizador de dos capas que comprende una capa de material absorbente de óxido de nitrógeno 22 y una capa de material catalítico 23 cubierta con un miembro soporte 21 como se muestra en la Figura 2, y un catalizador de tres capas que comprende una capa de material absorbente de óxido de nitrógeno 22, una capa de material catalítico 23 y una capa de suero cubierta con un miembro soporte 21 por este orden como se muestra en la Figura 17. Se usó una base en panal de cordierita monolítica como el miembro soporte 21. En ambos catalizadores purificadores del gas de escape, la capa de material absorbente de óxido de nitrógeno 22 contenía platino (Pt) y bario (Ba) soportados en alúmina y ceria, y un ligante de hidrato de alúmina, y la capa de material catalítico 23 contenía platino (Pt) y rodio (Rh) soportados en zeolita y un ligante de hidrato de alúmina. La capa de ceria del catalizador de tres capas contenía ceria y un ligante de hidrato de alúmina.
Para la preparación del catalizador de dos capas, alúmina y ceria, y un ligante de hidrato de alúmina se mezcló con un cociente de peso de 46,5:46,5:7, y después se añadió agua y ácido nítrico para proporcionar una suspensión de la mezcla. El ácido nítrico se añadió para regular un pH de la suspensión entre 3,5 y 4. La base en panal de cordierita monolítica 21 se sumergió en la suspensión de la mezcla. Tras eliminar la parte en exceso de la suspensión de la mezcla, la base en panal de cordierita monolítica 21 se secó a 150ºC durante dos horas y se quemó subsecuentemente a 500ºC durante dos horas. El proceso se realizó una vez que nacieron de cada alúmina y ceria 78 g por litro de la base en panal de cordierita monolítica 21 (lo que se expresa en adelante como 78 g./L). Como resultado, la capa inferior 22 que comprende la cantidad total de alúmina y ceria que era 97% en peso de la base en panal de cordierita monolítica 21 se formó en la base en panal de cordierita monolítica 21.
Adicionalmente, se mezclaron una solución de dinitro-diamino platino y una solución de nitrato de rodio de tal forma que el cociente de platino (Pt) y rodio (Rh) contenidos en la mezcla fue 75:1. a la mezcla se añadió zeolita en polvo (tipo MFI) y se diluyó con agua para dar una suspensión tal que el peso de la cantidad total de platino (Pt) y rodio (Rh) por kg de zeolita fue 24 g. La suspensión se secó con un dispositivo de secado por pulverización y se quemó subsecuentemente a 500ºC durante dos horas para preparar platino y rodio (Pt-Rh) portadores de polvo de zeolita.
El Pt-Rh portador de polvo de zeolita se mezcló con hidrato de alúmina con un cociente de peso de 85:15 y se añadió subsecuentemente a agua para dar una suspensión. La base en panal de cordierita monolítica 21 con un recubrimiento de una capa de alúmina y ceria se sumergió en la suspensión de la mezcla. Tras eliminar la parte en exceso de la suspensión de la mezcla, la base en panal de cordierita monolítica 21 se secó a 150ºC durante dos horas y se quemó subsecuentemente a 500ºC durante dos horas. El proceso se realizó de tal forma que la cantidad total de platino y rodio estaba entre 20 y 22 g/L (5% en peso de la base en panal de cordierita monolítica 21). Como resultado, la capa superior 23 que comprende platino y rodio se formó en la capa inferior 22 en la base en panal de cordierita monolítica 21.
Adicionalmente, la base en panal de cordierita monolítica 21 se impregnó con una mezcla de una solución de dinitro-diamino platino y una solución de nitrato de bario de tal forma que contiene 6,5 g/L de platino y 30 g/L de bario. Después de esto, la base en panal de cordierita monolítica 21 se secó a 150ºC durante dos horas y se quemó subsecuentemente a 500ºC durante dos horas. En este caso, las soluciones que contienen platino y bario, respectivamente, pasan a través de ceria y zeolita sin detenerse debido a las pequeñas áreas de superficie específicas de las partículas de ceria y zeolita y llegan a la alúmina, de forma que el platino y el bario son transportados por la alúmina. Con estos dos procesos se completó el catalizador de dos capas.
Para la preparación del catalizador de tres capas, se sumergió el catalizador de dos capas sin impregnar con una mezcla de una solución de dinitro-diamino platino y una solución de nitrato de bario en un suspensión acuosa que contiene ceria e hidrato de alúmina con un cociente de peso de 10:1. Tras eliminar la parte en exceso de la suspensión, la base en panal de cordierita monolítica 21 se secó a 150ºC durante dos horas y se quemó subsecuentemente a 500ºC durante dos horas. El proceso se realizó de tal forma que la cantidad de ceria fue 100 g/L. Como resultado, la capa de ceria 24 se formó en la capa superior 23 en la base en panal de cordierita monolítica 21. A continuación, la base en panal de cordierita monolítica 21 se impregnó con una mezcla de una solución de dinitro-diamino platino y una solución de nitrato de bario para completar el catalizador de tres capas.
Se realizaron ensayos de uso real operando el tipo de inyección directa de combustible de dos líneas, motor de cuatro cilindros con una línea de escape con cada uno de los catalizadores purificadores del gas de escape instalados bajo un suelo de un compartimento de pasajero del vehículo. El motor se operó con una velocidad espacial de 25.000/h en un modo transicional MC durante un periodo específico de tiempo. Si se representa la capacidad de un reactor (convertidor en panal) como V con el volumen de material (gas de escape) introducido en el reactor durante una unidad de tiempo (hora) bajo una condición normal como F', entonces F'/V se llama velocidad espacial. Adicionalmente, el motor se operó usando un combustible que contiene 150 ppm de azufre durante 24 horas de tal forma que el gas de escape aumentó y se mantuvo a una temperatura de 350ºC para contaminar el catalizador con azufre (S). Entonces, bajo una condición de una velocidad espacial de 25.000/h, se midió la eficiencia en la conversión de óxido de nitrógeno durante 130 segundos tras un cambio en el cociente aire-combustible al lado pobre desde el lado rico. Adicionalmente, después de fluir el gas de escape, cuyo cociente aire- combustible era 13,5 y que comprendía 13% de CO_{2}, 0,2% de O_{2}, 2,8% de CO, 0,9% de H_{2}, 0,06% de HC, 0,1% de NO y el balance de N_{2}, a través del catalizador a 500ºC durante 30 minutos, se midió la eficiencia en la conversión de óxido de nitrógeno bajo las mismas condiciones. Se obtuvieron las diferencias entre la eficiencia en la conversión de óxido de nitrógeno tras la contaminación y la eficiencia en la conversión de óxido de nitrógeno tras la reactivación. Como resultado, el catalizador de dos capas provocó un 13% de diferencia en la eficiencia en la conversión de óxido de nitrógeno, y el catalizador de tres capas provocó un 33% de diferencia en la eficiencia en la conversión de óxido de nitrógeno. Este resultado revela que el suministro de monóxido de carbono reactiva el material absorbente de óxido de nitrógeno contaminado por azufre, y la capa de ceria afecta a la reactivación del material absorbente de óxido de nitrógeno contaminado.
Se debe comprender que aunque la presente invención se ha descrito con respecto a ejemplos preferibles de la misma, los expertos en la materia pueden pensar en otros varios ejemplos y variantes que están dentro del alcance de la invención, y tales otros ejemplos y variantes pretenden ser cubiertos por las siguientes reivindicaciones.

Claims (12)

1. Un sistema de purificación del gas de escape que tiene un material absorbente de óxido de nitrógeno (14) dispuesto en una línea de escape (13) de un motor de combustión interna (1) para absorber los óxidos de nitrógeno de los gases de escape que contienen otras emisiones cuando una mezcla de combustible en una cámara de combustión (5) del motor (1) es más pobre que una mezcla de combustible con un exceso de factor aire de uno y para reducir los óxidos de nitrógeno para así purificar el gas de escape, comprendiendo dicho sistema de purificación del gas de escape:
un medio de detección de la condición operativa del motor (15a-15d) para detectar una condición operacional específica del motor en la que dicho material absorbente de óxido de nitrógeno (14) absorbe dicha otra emisión; y
un medio de suministro de monóxido de carbono (11, 15) para suministrar monóxido de carbono a dicho material absorbente de óxido de nitrógeno de forma que dicho material absorbente de óxido de nitrógeno (14) absorba dicho monóxido de carbono y desorba dicha otra emisión mientras se detecta dicha condición operativa específica del motor,
caracterizado porque dicho medio de suministro de monóxido de carbono (11, 15) está adaptado para producir una mezcla rica en combustible con un cociente aire-combustible representado por un exceso del factor aire equivalente a uno o inferior localmente en la cámara de combustión (5) del motor (1) y una mezcla rica en combustible con un cociente aire-combustible representado por un exceso del factor aire mayor de uno en la cámara de combustión (5) alrededor de dicha mezcla rica en combustible, y para quemar dichas mezclas rica y pobre en combustible de forma que proporcionen un aumento en una cantidad de monóxido de carbono en el gas de escape.
2. El sistema de purificación del gas de escape según la reivindicación 1, en el que dicho medio de suministro de monóxido de carbono (11, 15) produce una distribución de combustible en la que una mezcla rica en combustible con un cociente aire-combustible representado por un exceso de factor aire equivalente o inferior a uno se forma localmente junto a la bujía en una cámara de combustión (5) del motor (1) y una mezcla pobre en combustible con un cociente aire-combustible representado por un exceso de factor aire superior a uno alrededor de dicha mezcla rica en combustible en la cámara de combustión (5) y provoca que dichas mezclas pobre y rica de combustible se quemen de forma que proporcionen un aumento en una cantidad de monóxido de carbono en el gas de escape.
3. El sistema de purificación del gas de escape según la reivindicación 1, en el que dicho medio de suministro de monóxido de carbono (11, 15) divide una cantidad de combustible para ser inyectada en un ciclo de combustión para cada cilindro en una pluralidad de partes e inyecta dicho combustible directamente en la cámara de combustión (5) durante golpes de entrada y compresión de forma que proporcionen un aumento en una cantidad de monóxido de carbono en el gas de escape.
4. El sistema de purificación del gas de escape según la reivindicación 3, en el que dicho medio de suministro de monóxido de carbono (11, 15) divide una cantidad de combustible para ser inyectada en un ciclo de combustión para cada cilindro en una pluralidad de partes e inyecta dicho combustible directamente en la cámara de combustión (5) al menos una vez durante cada uno de dichos golpes de entrada y de compresión de forma que proporcionen un aumento en una cantidad de monóxido de carbono en el gas de escape.
5. El sistema de purificación del gas de escape según la reivindicación 3, en el que dicho medio de suministro de monóxido de carbono (11, 15) divide una cantidad de combustible para ser inyectada en un ciclo de combustión para cada cilindro en una pluralidad de partes e inyecta dicho combustible directamente en la cámara de combustión (5) sólo durante dicho golpe de entrada de forma que proporcione un aumento en una cantidad de monóxido de carbono en el gas de escape.
6. El sistema de purificación del gas de escape según la reivindicación 3, en el que dicho medio de suministro de monóxido de carbono (11, 15) divide una cantidad de combustible para ser inyectada en un ciclo de combustión para cada cilindro en una pluralidad de partes e inyecta dicho combustible directamente en la cámara de combustión (5) de forma que proporcione un cociente aire-combustible representado por un exceso de factor aire de uno de una mezcla de combustible completa en la cámara de combustión.
7. El sistema de purificación del gas de escape según la reivindicación 1, en el que dicho material absorbente de óxido de nitrógeno (14) comprende al menos uno seleccionado entre un grupo de metales alcalinotérreos, metales alcalinos y metales de transición.
8. El sistema de purificación del gas de escape según una de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho material absorbente de óxido de nitrógeno (14) está cubierto como una capa absorbente de óxido de nitrógeno (22) en un miembro soporte (21) instalado en la línea de escape (13).
9. El sistema de purificación del gas de escape según la reivindicación 8, y que comprende adicionalmente zeolita dispuesta en dicho miembro soporte (21) de forma que entre en contacto con el gas de escape antes que dicho material absorbente de óxido de nitrógeno (14).
10. El sistema de purificación del gas de escape según la reivindicación 8, y que comprende adicionalmente ceria dispuesta en dicho miembro soporte (21) de forma que entre en contacto con el gas de escape antes que dicho material absorbente de óxido de nitrógeno (14).
11. El sistema de purificación del gas de escape según una de las reivindicaciones 8 a 10, en el que dicha capa absorbente de óxido de nitrógeno (22) contiene al menos uno de los metales nobles.
12. El sistema de purificación del gas de escape según una de las reivindicaciones 8 a 11, y que contiene adicionalmente una capa catalítica (23) cubriendo dicha capa absorbente de óxido de nitrógeno (22), en la que dicha capa absorbente de óxido de nitrógeno (22) contiene bario y platino y dicha capa catalítica (23) contiene zeolita y al menos uno de los metales nobles.
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