ITMI941953A1 - Impianto dei gas di scarico per un motore a combustione interna con un tubocompressore a gas di scarico - Google Patents
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Abstract
L'invenzione si riferisce ad un impianto dei gas di scarico per un motore a combustione interna con un tubo compressore a gas di scarico, il quale impianto è munito di catalizzatori a tre vie per il disinquinamento dei gas di scarico. Per accorciare, durante l'avviamento del motore a combustione interna, il tempo di ritardo sino all'inizio della depurazione dei gas di scarico, si propone di disporre nella conduttura dei gas di scarico, a valle del turbocompressore, un catalizzatore sempre percorso dai gas di scarico e, a monte del turbocompressore, un secondo catalizzatore percorso dai gas di scarico solamente temporaneamente, laddove il secondo catalizzatore viene percorso soltanto fino a quando il sistema dei gas di scarico ha raggiunto una temperatura preassegnata.
Description
Descrizione del trovato
L'invenzione concerne un impianto dei gas di scarico per un motore a combustione interna con un turbocompressore a gas di scarico secondo la definizione introduttiva della rivendicazione 1.
Motori a combustione interna con turbocompressore a gas di scarico offrono un ottimale potenziale per l'aumento della densità di potenza del motore a combustione interna, e quindi un grande potenziale per l'aumento delle prestazioni di marcia di un autoveicolo azionato da un motore a combustione interna. Uno dei traguardi nel futuro ulteriore sviluppo dei motori a combustione interna con turbocompressore a gas di scarico è il miglioramento del comportamento delle emissioni. Se in questa correlazione viene impiegato un catalizzatore a tre vie, allora si verifica qui il problema secondo il quale nel-funzionamento a pieno carico nel rapporto stochiometrico carburante/aria (λ=1) si verificano delle temperature dei gas di scarico molto elevate e, nella disposizione del catalizzatore a monte del turbocompressore, questo può essere distrutto. Se di contro il catalizzatore viene disposto a valle del turbocompressore, allora risulta un lungo intervallo di tempo sino al raggiungimento della temperatura di funzionamento del catalizzatore, perchè in questo caso la massa del turbocompressore, ancora fredda all'avviamento, sottrae il calore ai gas di scarico.
Per la soluzione di questo problema sono divenuti noti i concetti, di accorciare, in un catalizzatore disposto termicamente protetto a valle del turbocompressore a gas di scarico, il tempo per il riscaldamento del catalizzatore mediante un riscaldamento esterno del catalizzatore.
In questa correlazione dalla domanda di brevetto tedesco DE-A1 23 44 022 è noto un dispositivo per diminuire il contenuto di sostanze nocive nel gas di scarico di motori a combustione interna, nel quale dispositivo a monte, come anche a valle, di una turbina del turbocompressore sono disposti reattori termici per evitare l'emissione dei gas di scarico. In tal modo viene resa possibile una reazione chimica completa nel gas di scarico e nello stesso tempo viene utilizzata, per l'azionamento del turbocompressore, l'energia liberata dal reattore posto a monte della turbina del turbocompressore.
Inoltre dalla domanda di brevetto tedesco DE-A125 49 934 per un motore a combustione interna con un turbocompressore a gas di scarico è noto il fatto di disporre un catalizzatore a monte oppure a valle di un turbocompressore a gas di scarico e di prevedere parallelamente una conduttura di bipasso tra il motore a combustione interna e un insonorizzatore finale trovantesi a valle tanto del turbocompressore a gas di scarico quanto anche del catalizzatore. La conduttura di bipasso viene aperta quando la sovrappressione di alimentazione prodotta dal turbocompressore a gas di scarico supera un valore predeterminato. Mediante questo accorgimento tramite il catalizzatore vengono migliorate le emissioni dei gas di scarico di un motore a combustione interna sovralimentato, senza che per evitare danneggiamenti del catalizzatore in seguito a sovraccarico siano necessari dispostivi addizionali .
Partendo da questo stato della tecnica alla base dell'invenzione è posto il compito di creare un impianto dei gas di scarico per un motore a combustione interna con un turbocompressore, il quale impianto per la decontaminazione dei gas di scarico è munito di catalizzatori a tre-vie, laddove all'avviamento del motore a combustione interna viene accorciato il tempo di ritardo sino all'inizio della depurazione dei gas di scarico.
A tale scopo si propone, secondo l'invenzione, di disporre in una conduttura dei gas di scarico a valle del turbocompressore un primo catalizzatore, sempre percorso dai gas di scarico e, a valle del turbocompressore, un secondo catalizzatore, percorso dai gas di scarico solo temporaneamente, laddove il secondo catalizzatore viene percorso solamente fintanto che l'impianto dei gas di scarico ha raggiunto una temperatura preassegnata.
Nell'invenzione è particolarmente vantaggioso il fatto che i due catalizzatori sono protetti da una sovrasollecitazione termica. Ciò vale anche per il funzionamento del motore a combustione interna a pieno carico e a rapporto di carburante/aria stechiometrico ( = 1), in presenza del quale si verificano temperature dei gas di scarico estremamente elevate. Poiché il secondo catalizzatore, trovantesi a monte del turbocompressore, in seguito alla sua posizione direttamente a valle del motore a combustione interna, nello stato percorso da corrente dopo l'avviamento del motore a combustione interna è esposto a delle temperature dei gas di scarico sostanzialmente più elevate, esso entro un breve tempo raggiunge la sua temperatura di funzionamento e può in tal modo depurare efficacemente i gas di scarico, perchè tramite la massa del turbocompressore ai gas di scarico non è stata ancora sottratta energia.
Nelle rivendicazioni dipendenti sono descritti vantaggiosi ulteriori sviluppi dell'invenzione. Mediante questi si consegue inoltre in modo vantaggioso il fatto che il secondo catalizzatore nel suo stato commutato in passaggio conduce la corrente dei gas di scarico senza sostanziali perdite e rende così possibile un'alimentazione a colpi ottimale relativamente al rendimento della turbina del compressore a gas di scarico. Mediante questa disposizione nello stesso tempo il secondo catalizzatore è protetto in modo particolare dalla sovrasollecitazione termica.
Mediante la commutazione passante del secondo catalizzatore nel momento, in cui il primo catalizzatore inizia con la depurazione dei gas di scarico, viene assicurato il fatto che la depurazione dei gas di scarico è sempre garantita a partire dall'avviamento del secondo catalizzatore dopo l'avviamento del motore a combustione interna.
A tutte le esecuzioni è comune la protezione della turbina del turbocompressore a gas di scarico dalla distruzione della girante della turbina tramite separazione di piccole particelle dal cosiddetto "wash-coat", vale a dire dal rivestimento del secondo catalizzatore, per mezzo della corrente caldissima dei gas di scarico, le quali poi successivamente vengono scagliate con elevata energia dalla corrente dei gas di scarico contro la ruota della turbina. Infine la posizione del primo catalizzatore è sceglibile in un ampio ambito, poiché non è ora più necessario disporre il primo catallizatore, per un riscaldamento il più possibile rapido nella fase di avviamento del motore a combustione interna, direttamente a valle del turbocompressore a gas di scarico.
L'invenzione è illustrata nel seguito in base all'esempio di esecuzione descritto nell'unica figura.
Un motore a combustione interna 1 aspira, attraverso una conduttura 2 di aspirazione, aria fresca, la quale attraverso il turbocompressore a gas di scarico 3 e la conduttura di pressione 4 attraverso il radiatore 5 dell'aria di sovralimentazione ed una valvola a farfalla 6, entra dapprima nel distributore di aspirzione 23 e successivamente nel motore a combustione interna 1. La corrente dei gas di scarico viene condotta dal motore a combustione interna 1 attraverso un impianto 7 dei gas di scarico all'aperto. Nell'impianto 7 dei gas di scarico i gas di scarico fluiscono dapprima attraverso una conduttura collettrice 10 dei gas di scarico, applicata al motore a combustione interna 1 e attraverso un catalizzatore 11 di avviamento, in una turbina 12 a gas di scarico del turbocompressore a gas di scarico 3 e successivamente, attraverso un catalizzatore principale 13, all'aperto. Dietro alla turbina a gas di scarico 12 una sonda lambda 14 rileva il contenuto di ossigeno della corrente dei gas di scarico. Inoltre attraverso una conduttura 15 dell'aria secondaria può essere addotta aria fresca alla conduttura collettrice 10 dei gas di scarico.
Il catalizzatore di avviamento 11 è eseguito come catalizzatore di commutazione. Esso è costituito di una cassa 26 con un pezzo di entrata 16, un pezzo di uscita 17 e un corpo di catalizzatore 18 trovantesi tra di essi nella cassa 26 e conformato in forma anulare. Concentricamente all'interno del corpo 18 del catalizzatore, e in modo isolato rispetto a questo, è disposto un tubo di bipasso 19. Tra il pezzo di ingresso 16 e il tubo di bipasso 19, come pure tra il pezzo di uscita 17 e il tubo di bipasso 19, viene formata di volta in volta una fessura anulare, cosicché la corrente dei gas di scarico può attraversare tanto il corpo 18 del catalizzatore quanto anche il tubo 19 di bipasso. Il pezzo di ingresso 16, il tubo di bipasso 19 e il pezzo di uscita 17 sono allineati tra loro, laddove il diametro efficace del tubo di bipasso 19 è maggiore del diametro efficace del pezzo di ingresso 16 e il diametro efficace del pezzo di uscita 17 è maggiore del diametro efficace del tubo di bipasso 19. Nel tubo di bipasso 19 è inoltre prevista una farfalla di comando 20, la quale può intercettare il tubo di bipasso 19 e viene azionata da una capsula a depressione 21. La capsula a depressione 21 è collegata, attraverso una linea 22, con il distributore di aspirazione 23 del motore a combustione interna 1, laddove la linea 22 presenta una valvola magnetica 24.
La valvola magnetica 24 viene pilotata, attraverso una linea 25 dei segnali, da un apparecchio di comando, non illustrato. Nello stato di riposo, vale a dire a valvola magnetica 24 non eccitata, la farfalla di comando 20 è aperta. Nello stato di lavoro, vale a dire a valvola magnetica 24 eccitata, la depressione dominante nel distributore di aspirazione 23 agisce sulla capsula a depressione 21, la cui corsa di lavoro chiude la farfalla di comando 20. Per il comando della valvola magnetica 24 l'apparecchio di comando valuta la temperatura della corrente dei gas di scarico e fornisce un segnale sinché la temperatura si trova al di sotto di un valore preassegnato. Il rilevamento della temperatura ha qui luogo mediante un trasduttore di temperatura nel oppure sul catalizzatore principale 13 e la soglia di temperatura è scelta con 300°C in modo tale per cui il catalizzatore principale ha raggiunto la sua temperatura di funzionamento minima.
La disposizione descritta lavora come segue:
dopo l'avviamento a freddo del motore a combustione interna 1 l'apparecchio di comando stabilisce che la temperatura del catalizzatore principale 13 si trova al di sotto di 300°C. L'apparecchio di comando fornisce pertanto un segnale attraverso la linea 25 alla valvola magnetica 24 e la depressione prelevata, attraverso la conduttura 22, dal distributore di aspirazione 23, chiude la farfalla di comando 20 attraverso la capsula a depressione 21. La corrente dei gas di scarico del motore a combustione interna 1 attraversa ora completamente il corpo 18 del catalizzatore e lo riscalda rapidamente, cosicché la depurazione dei gas di scarico inizia parimenti rapidamente. Con l'ulteriore funzionamento del motore a combustione interna 1 vengono riscaldati, con ritardo temporale, anche la turbina 12 a gas di scarico come pure il catalizzatore principale 13. Se l'apparecchio di comando riconosce che il catalizzatore principale 13 ha raggiunto la sua temperatura di funzionamento minimale di 300°C , allora esso chiude la valvola magnetica 24 e la capsula a depressione 21 porta la farfalla di comando 20 nella sua posizione aperta. Da questo momento la corrente dei gas di scarico del motore a combustione interna 1 attraversa quasi completamente il catalizzatore di avviamento 11 attraverso il tubo di bipasso 19, laddove il corpo 18 del catalizzatore non è ulteriormente efficace in seguito alla mancanza di un attraversamento di corrente. Tramite il passaggio a corrente inostacolato anche scostamenti di pressione della corrente dei gas di scarico attraversano indisturbati il catalizzatore di avviamento 11, cosicché risulta possibile una sovraalimentazione ad urto della turbina a gas di scarico 12. D'altro canto in tal modo il corpo 18 del catalizzatore non viene ulteriormente riscaldato; in particolare esso non raggiunge le temperature, verificantesi a pieno carico, della corrente dei gas di scarico, le quali porterebbero ad una sovrasollecitazione termica, vale a dire porterebbero alla distruzione del corpo 18 del catalizzatore. Di contro il catalizzatore principale 13, in seguito alla sua distanza funzionamento del motore a combustione interna 1 non è possibile con rapporto stechiometrico carburante/aria (λ =1), in funzione dello stato di carico del motore a combustione interna 1 alla corrente dei gas di scarico viene addotta, attraverso la conduttura 15 dell'aria secondaria, aria fresca nella quantità necessaria per ottenere in modo sicuro un eccesso di aria (λ>1).
Claims (5)
- Rivendicazioni 1. Impianto dei gas di scarico per un motore a combustione interna (1) con un turbocompressore a gas di scarico (3) e per lo meno con un catalizzatore (13), caratterizzato dal fatto che a valle del turbocompressore a gas di scarico (3) è disposto un primo catalizzatore (13) sempre percorso dalla corrente dei gas di scarico, e a monte del turbocompressore è disposto un secondo catalizzatore (11) percorso dalla corrente dei gas di scarico solamente temporaneamente .
- 2. Impianto dei gas di scarico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il secondo catalizzatore (11) è costituito di una cassa (26) con un pezzo di ingresso (16) e con un pezzo di uscita (17), tra il pezzo di ingresso (16) e il pezzo di uscita (17) è disposto un corpo anulare di catalizzatore (18), concentricamente all'interno del corpo di catalizzatore (18) è supportato un tubo di bipasso (19), e il tubo di bipasso è chiudibile mediante dal motore a combustione interna 1 e in seguito alla sua posizione a valle della turbina a gas di scarico 12, è protetto da queste temperature. Delle prove hanno mostrato che nella disposizione descritta precedentemente nel caso di un motore di prova il catalizzatore di avviamento 11 raggiunge la sua temperatura di partenza per l'inizio della depurazione dei gas di scarico dopo 28 secondi e il catalizzatore principale 13 raggiunge la sua temperatura di partenza 65 secondi dopo l'avviamento a freddo. Una efficace depurazione dei gas di scarico inizia quindi circa 40 secondi prima di quando si avrebbe senza il catalizzatore di avviamento 11. L 'insufflamento di aria fresca per mezzo della conduttura di ingresso 15 dell'aria secondaria migliora addizionalmente il comportamento dei gas di scarico del motore a combustione interna 1 dopo l'avviamento a freddo. In questa fase da un lato la sonda lambda 14 non ha ancora raggiunto la sua temperatura di funzionamento, d'altro canto il motore a combustione interna non viene sempre fatto funzionare con rapporto stechiometrico carburante/aria (λ=1), per garantire un funzionamento uniforme. Poiché d'altro canto per un'azione ottimale del catalizzatore di avviamento 11 è necessario per lo meno un rapporto stechiometrico carburante/aria (λ=1) oppure addirittura un eccesso di. aria (λ>1), sinché il una valvola a farfalla di comando (20) azionata dall'esterno.
- 3. Impianto dei gas di scarico secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che il secondo catalizzatore (il) viene attraversato dalla corrente dei gas di scarico alla condizione che la temperatura dell'impianto dei gas di scarico (7) si trovi al di sotto di un valore limite preassegnato.
- 4. Impianto dei gas di scarico secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la temperatura dell'impianto dei gas di scarico (7) viene rilevata mediante la temperatura del primo catalizzatore (13), e il valore limite di temperatura corrisponde alla temperatura di funzionamento minimale del primo catalizzatore.
- 5. Impianto dei gas di scarico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il pezzo di ingresso (16), il tubo di bipasso (19) e il pezzo di uscita (17) sono allineati tra loro, il diametro efficace del tubo di bipasso (19) è maggiore del o uguale al diametro efficace del pezzo di ingresso (16) e il diametro efficace del pezzo di uscita (17) è maggiore del o uguale al diametro efficace del tubo di bipasso (19).
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