ES2203369T3 - Dispositivo de purificacion de gases de escape con catalizador acumulador de nox y precatalizador. - Google Patents
Dispositivo de purificacion de gases de escape con catalizador acumulador de nox y precatalizador.Info
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Abstract
Dispositivo para la purificación de un gas de escape de un motor de combustión interna (12) de inyector directo de gasolina, donde el dispositivo para la purificación de los gases de escape presenta un sistema catalizador dispuesto en un canal de gases de escape (18), donde el sistema catalizador comprende un catalizador de tres pasos (14) próximo al motor y al menos un catalizador acumulador de NOx (16) dispuesto aguas abajo, caracterizado porque el volumen del catalizador de tres pasos (14) corresponde del 15 % al 35 % de un volumen de una cilindrada del motor de combustión interna (12).
Description
Dispositivo de purificación de gases de escape
con catalizador acumulador de NO_{x} y precatalizador.
La invención se refiere a una disposición para la
purificación de un gas de escape de un motor de combustión interna
con las características mencionadas en el preámbulo de la
reivindicación 1.
Se conocen disposiciones del tipo indicado al
principio y se emplean para la reducción de substancias nocivas en
forma de gas, como CO, HC o NO_{x} como componentes de los gases
de escape. Tales motores de combustión pueden ser accionados en
diferentes modos de trabajo, que se pueden caracterizar a través de
un valor Lambda. Así, por ejemplo, un valor Lambda > 1 se
refiere a un modo de trabajo, en el que una concentración de
oxígeno excede a una concentración de un combustible (atmósfera
pobre). Con \lambda = 1, están presentes relaciones
estequiométricas, mientras que con \lambda < 1 -en la llamada
atmósfera rica- predomina la concentración del combustible. En el
curso de los esfuerzos continuos de optimización de un proceso de
combustión con respecto a un consumo de combustible se ha revelado
que es ventajoso mantener durante el tiempo más prolongado posible
el modo de trabajo pobre (\lambda > 1) del motor de combustión
interna, especialmente en el caso de motores de combustión interna
con inyección directa.
Durante el proceso de la combustión de una mezcla
de aire y combustible se producen, de acuerdo con los parámetros de
funcionamiento y del modo de trabajo del motor de combustión
componentes de gas reductores, como CO y HC, o componentes de gas
reductores, como NO_{x}. Ambos componentes de gas se encuentran en
un equilibrio termodinámico entre sí y con oxígeno, cuyo ajuste se
puede apoyar a través de catalizadores adecuados. Una oxidación de
los componentes de gas reductores es posible en la mayor amplitud
posible en todos los modos de trabajo. Sin embargo, no es posible
garantizar en el modo de trabajo pobre una reducción del NO_{x} en
el catalizador. Por lo tanto, se emplean absorbedores de NO_{x},
que permiten con \lambda \leq 1 una transformación catalítica
(reducción) del NO_{x}.
Además, se conoce formar un sistema catalizador
constituido por un precatalizador próximo al motor con al menos un
catalizador acumulador de NO_{x} dispuesto aguas abajo. El
precatalizador es habitualmente un catalizador de 3 pasos. Es
decir, que puede acelerar, por una parte, una oxidación de los
componentes de gas reductores y, por otra parte, también apoyar la
reducción del NO_{x}. En el modo de trabajo pobre preferido, sin
embargo, solamente tiene lugar la oxidación de los componentes
reductores de gas, mientras que se inserta NO_{x} en el
catalizador acumulador de NO_{x} siguiente. Tiene lugar una
absorción del NO_{x} en el catalizador acumulador de NO_{x}
hasta que se excede su capacidad y/o se consigue una temperatura de
desorción.
En los combustibles usuales, el azufre está
presente en porcentajes variables. Durante el proceso de la
combustión de la mezcla de aire y combustible se forma en este caso
SO_{2}, que es absorbido en el catalizador acumulador de NO_{x}
bajo la formación de sulfato. La formación de sulfato puede
conducir, sin embargo, a inhomogeneidades dentro del catalizador
acumulador de NO_{x} en virtud de una formación parcial. Tales
inhomogeneidades forman un punto de ataque para procesos corrosivos,
como por ejemplo una formación de grietas o también fenómenos de
envejecimiento térmico, y, por lo tanto, conducen a un deterioro
del catalizador acumulador de NO_{x}. Además, los lugares de
acumulación disponibles para el almacenamiento de NO_{x} se
bloquean con los sulfatos químicamente más estables y, por lo
tanto, se reduce la eficiencia del almacenamiento de NO_{x} en el
modo de trabajo pobre (gas de escape).
Por lo tanto, se conoce desulfurar el catalizador
acumulador de NO_{x} en ciclos regulares. La condición necesaria
para la desulfuración es, por una parte, un ajuste de la
temperatura mínima de desulfuración y, por otra parte, el motor de
combustión interna debe encontrarse en el modo de trabajo rico. Si
Lambda es muy reducida, entonces se forma predominantemente
H_{2}S, mientras que con un valor Lambda en torno a 1 o
ligeramente menor que 1, se forma predominantemente SO_{2}. Sin
embargo, en los sistemas de catalizador conocidos hasta ahora, es
un inconveniente que existe, además, un porcentaje de conversión
muy alto para la oxidación de los componentes reductores del gas en
el precatalizador. Por lo tanto, a pesar de la atmósfera rica, la
concentración de los componentes reductores de gas detrás del
precatalizador es relativamente pequeña, y, por lo tanto, se
prolonga la duración de la desulfuración. Esto conduce a un consumo
elevado de combustible.
El documento EP 0 908 613 A2 describe una
disposición para la purificación de gases de escape de un motor de
combustión según el preámbulo de la reivindicación 1.
Se conoce por el documento DE 196 36 041 A1
emplear en motores de combustión interna Diesel en el sistema de
purificación de gases de escape un precatalizador delante de un
catalizador de acumulación de NO_{x}, debiendo tener el
precatalizador del motor de combustión Diesel de 10 a 25% de la
cilindrada del motor de combustión Diesel. En el precatalizador se
trata de un puro catalizador de oxidación, cuyo cometido es
incrementar la relación de NO_{2}/NO en el gas de escape del motor
de combustión interna. Este catalizador no tiene ninguna función
especial para una desulfuración del catalizador acumulador de
NO_{x}.
La presente invención tiene el cometido de
posibilitar de la manera más sencilla posible y con el coste más
favorable posible una reducción del porcentaje de conversión de los
componentes reductores de gas durante la desulfuración. Además, la
desulfuración debe conducir de manera predominante a la formación de
SO_{2} en lugar de H_{2}S.
Según la invención, este cometido se soluciona a
través del dispositivo para la purificación de gases de escape del
motor de combustión interna con las características mencionadas en
la reivindicación 1. Puesto que el volumen del precatalizador
corresponde del 15% al 35% de un volumen de una cilindrada del motor
de combustión interna, se puede reducir claramente el porcentaje de
conversión del precatalizador durante la desulfuración, de manera
que en tal modo de trabajo del motor de combustión interna está
presente una concentración elevada de componentes reductores de
gas. De esta manera se eleva claramente la velocidad de
desulfuración.
Además, se prefiere configurar un ajuste de los
parámetros de funcionamiento del motor de combustión interna durante
la desulfuración de tal manera que se eleva claramente al mismo
tiempo una velocidad espacial de los gases de escape durante la
circulación del precatalizador. De esta manera, se puede reducir
adicionalmente el porcentaje de conversión en el precatalizador
para los componentes reductores de gas. En general, el volumen del
precatalizador está seleccionado de tal manera que en todos los
modos de trabajo del motor de combustión interna, excepto durante la
desulfuración, se transforman casi completamente los componentes de
gas reductores al menos a velocidades espaciales bajas. A través de
la irrupción del porcentaje de conversión durante la desulfuración,
se puede seleccionar un modo de trabajo del motor de combustión
interna con Lambda ligeramente menor que 1, con preferencia
\lambda = 0,97... 0,995, puesto que aquí ya la concentración de
los componentes reductores del gas conducen a la desulfuración
activa suficientemente alta. En tal atmósfera, se transforma el
sulfato predominantemente en SO_{2} e impide una formación del
H_{2}S de olor molesto. Además, se reduce el rendimiento del
motor de combustión interna a medida que falta el valor lambda, es
decir, que el motor de combustión interna proporciona, bajo estos
parámetros de regeneración, una potencia más reducida o bien trabaja
con un consumo de combustible elevado.
La invención se emplea de una manera
especialmente ventajosa en motores de combustión interna con
inyección directa del combustible en los cilindros, especialmente
con inyectores directos de gasolina.
Otras configuraciones preferidas de la invención
se deducen a partir de las restantes características mencionadas en
las reivindicaciones dependientes.
A continuación se explica en detalle la invención
en un ejemplo de realización con la ayuda de los dibujos
correspondientes. En este caso:
La figura 1 muestra un sistema catalizador con un
precatalizador próximo al motor y con al menos un catalizador
acumulador de NO_{x} dispuesto aguas abajo en un canal de gases
de escape de un motor de combustión interna, y
La figura 2 muestra una concentración o bien una
porción del volumen de HC y CO delante y detrás del precatalizador
durante una desulfuración.
La figura 1 muestra de forma esquemática un
sistema catalizador 10 para la purificación de un gas de escape de
un motor de combustión interna 12. El sistema catalizador 10
comprende en este caso un precatalizador 14 y un catalizador
acumulador de NO_{x} 16, que está dispuesto en un canal de gases
de escape 18 del motor de combustión interna 12. Para la detección
de una concentración de substancias nocivas, como CO, HC o NO_{x}
se forman en regiones seleccionadas del canal de gases de escape 18
sensores de gases 20. Además, se puede medir una temperatura de los
gases de escape con la ayuda de sensores de temperatura 22
dispuestos adicionalmente en el canal de gases de escape 18.
Se puede regular un modo de trabajo del motor de
combustión interna 12 por medio de un aparato de control del motor
24. Así, por ejemplo, para el caso de que sea necesario un modo de
trabajo rico, es decir, \lambda < 1, del motor de combustión
interna, se puede reducir la concentración de oxigeno en un tubo de
aspiración 26. A tal fin se conduce, por una parte, a través de una
válvula de retorno 28 de gases de escape, el gas de escape pobre en
oxígeno al conducto de aspiración 26 y, por otra parte, se reduce
una corriente volumétrica de aire aspirado a través de una trampilla
de estrangulamiento 30. Después de un proceso de combustión en el
motor de combustión interna 12, existen en tal modo de trabajo
concentraciones elevadas de componentes reductores de gas en el gas
de escape.
El precatalizador 14 está diseñado habitualmente
como un catalizador de tres pasos. Además de una reducción de
NO_{x} en atmósfera rica o estequiométrica, posibilita una
oxidación de los componentes reductores del gas en todos los modos
de trabajo. Un volumen del precatalizador corresponde en este caso
del 15 a 35%, especialmente del 20% al 30%, de la cilindrada del
motor de combustión interna.
Una desulfuración debe provocar una regeneración
del catalizador acumulador de NO_{x} 16. Durante el proceso de
combustión se obtiene, a través de los porcentajes variables de
azufre en la mezcla de combustible, SO_{2}, que se almacena en el
caso de \lambda > 1 como sulfato en concurrencia con NO_{x}
en el catalizador acumulador de NO_{x} 16. De esta manera se
reduce la capacidad de acumulación de NO_{x} y la superficie
catalíticamente activa del catalizador acumulador de NO_{x} 6.
Además, debido a una formación de sulfato se pueden producir
tensiones dentro del catalizador acumulador de NO_{x} 16, que
pueden conducir a un envejecimiento acelerado debido a la formación
de grietas. Se puede supervisar el grado de sulfuración del
catalizador acumulador de NO_{x} 16 a través de una medición de
la eficiencia para la conversión de NO_{x}. A tal fin, se mide
por medio del elemento sensor de gas 20 la concentración de
NO_{x}. Detrás del catalizador acumulador de NO_{x} 16 y se
estima la concentración de NO_{x} delante del catalizador
acumulador de NO_{x} 16 con la ayuda de valores experimentales. Se
conoce un procedimiento de este tipo y no es necesario explicarlo
aquí en detalle.
La desulfuración del catalizador acumulador de
NO_{x} 16 puede tener lugar solamente con \lambda \leq 1 y
cuando se excede una temperatura mínima de desulfuración
(parámetros de regeneración). Una influencia temporal sobre los
parámetros de funcionamiento del motor de combustión interna 12, por
ejemplo a través de un encendido tardío, una estabilización
selectiva de los cilindros del motor de combustión interna 12 o una
inyección posterior, conduce, además de a un cambio del modo de
trabajo en \lambda < 1, a una elevación de la temperatura de
los gases de escape y de la velocidad espacial. En este caso, el
modo de trabajo del motor de combustión interna 12 se encuentra con
preferencia sólo ligeramente por debajo de \lambda = 1, de manera
que la desulfuración conduce a la formación de SO_{2} en lugar del
H_{2}S de olor esencialmente más intenso.
En la figura 2 se representa de forma esquemática
una curva de dos componentes reductores de gas, a saber, HC y CO,
delante y detrás del precatalizador 13. Por razones de claridad, se
prescinde de la representación de H_{2}, que se forma en una
relación CO-H_{2} de aproximadamente 3 : 1. La
concentración de HC delante y detrás del precatalizador 14 es
relativamente grande, y se puede pasar por alto la influencia de
este componente sobre la desulfuración, especialmente sobre la
velocidad de desulfuración. En cambio, el porcentaje en volumen de
monóxido de carbono con \lambda = 0,9 es aproximadamente 3% y con
\lambda = 0,95 continúa siendo todavía aproximadamente 2%. Estos
porcentajes en volumen exceden ampliamente los valores que se pueden
detectar durante un funcionamiento normal del sistema catalizador
10, y se produce, por lo tanto, una aceleración clara de la
desulfuración. Esta irrupción del porcentaje de conversión de los
componentes reductores de gas durante la desulfuración se basa en el
diseño según la invención del volumen del precatalizador 14 con
relación al volumen de la cilindrada del motor de combustión
interna 12.
Claims (2)
1. Dispositivo para la purificación de un gas de
escape de un motor de combustión interna (12) de inyector directo
de gasolina, donde el dispositivo para la purificación de los gases
de escape presenta un sistema catalizador dispuesto en un canal de
gases de escape (18), donde el sistema catalizador comprende un
catalizador de tres pasos (14) próximo al motor y al menos un
catalizador acumulador de NO_{x} (16) dispuesto aguas abajo,
caracterizado porque el volumen del catalizador de tres pasos
(14) corresponde del 15% al 35% de un volumen de una cilindrada del
motor de combustión interna (12).
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque el volumen del catalizador de tres
pasos (14) corresponde del 20% al 30% del volumen de la cilindrada
del motor de combustión interna (12).
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