CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a um método e um sistema para otimização da redução de emissões atmosféricas em motores diesel. Mais especificamente, a presente invenção se refere a um método e um sistema para otimização da redução de emissões atmosféricas em motores diesel de grande porte, utilizados em termoelétricas, locomotivas, indústrias, embarcações navais, equipamentos de mineração, equipamentos de perfuração de túneis, entre outros.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Impulsionados por preocupações com o aquecimento global causado por gases de efeito estufa, muitas tentativas foram feitas para melhorar a eficiência energética dos motores de combustão, incluindo motores de ignição por centelha e diesel (ou mais especificamente, “ignição por compressão”), principalmente porque são grandes contribuintes para muitos gases de efeito estufa e outras emissões nocivas, como monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados, óxidos nitrosos (NOx) e, no caso de motores a diesel, partículas.

[003] Uma técnica que vem sendo estudada por entidades interessadas é a de injeção de Hidrogênio, ou Hidrogênio e Oxigênio, no sistema de admissão de ar de motores de combustão interna.

[004] Diversos estudos recentes demonstram o efeito da otimização da combustão em motores ciclo diesel quando do acréscimo de hidrogênio. Esse efeito pode ser explicado pelas propriedades do hidrogênio, como elevada velocidade de propagação de chama, elevada difusividade e elevada entalpia de combustão, que, quando combinado com o diesel na câmara de combustão, propiciam o aumento da velocidade de queima do combustível. Isso se traduz na oxidação mais completa do mesmo, permitindo o aproveitamento da energia de frações do diesel que antes não eram completamente oxidadas. A oxidação mais completa do combustível reduz a nocividade das emissões atmosféricas e otimiza a eficiência termodinâmica do motor.

[005] Alguns sistemas e métodos que buscam reduzir as emissões de motores de combustão interna são conhecidos do estado da técnica.

[006] O documento W02009/051788A2 revela sistemas e métodos para enriquecimento aprimorado de combustíveis com hidrogênio que permitem, entre outras melhorias, melhor combustão com menores emissões de motores de combustão interna. O sistema pode compreender um fornecimento de água, uma fonte de energia e um eletrolisador para gerar hidrogênio e oxigênio misturados. Um sistema de admissão de ar para transportar a saída de gás do eletrolisador para um motor também é fornecido. Ainda, W02009/051788A2 apresenta um método para fornecer gás para a combustão melhorada. O método inclui fornecer uma fonte de água, uma fonte de energia para ativar um aparelho, um eletrolisador que gera hidrogênio e oxigênio bem como uma unidade para a coleta da saída de gás do eletrolisador e transportá-lo para um motor.

[007] O documento W02010/084358A2 fornece um dispositivo de eletrólise para gerar hidrogênio e oxigênio para o uso na melhoria da combustão de combustível de hidrocarboneto, o dispositivo compreende um alojamento contendo uma célula de eletrólise e meios de controle eletrônico para fornecer uma corrente elétrica à célula. O dispositivo apresenta ainda meios de redução de sedimentos operacionais para reduzir o sedimento que se acumula na célula, de modo que o dispositivo possa ser utilizado com água da torneira ou do mar sem eletrólito, de modo a gerar gás hidrogênio e oxigênio. [008] O documento WO2016/064289A1 fornece um método para o aumento da eficiência dos motores de combustão interna, com o uso de hidrogênio para atuar um otimizador de parâmetros de combustão sob a forma de um oxidante alimentado ao motor junto com o ar de admissão. O método de WO20 16/064289 Al usa um dispositivo de produção de hidrogênio alimentado pelo circuito elétrico do motor que pode ser conectado à bateria ou a uma caixa de fusíveis. O dispositivo é controlado eletronicamente por um módulo integrado que gerencia a reação de eletrólise, garantindo que o dispositivo só funcione com o motor em funcionamento e que a produção de hidrogênio seja adequada à quantidade de combustível consumida pelo motor, que pode ser inferida pelo deslocamento e velocidade de rotação do motor.

[009] A patente US10495032B2 revela um sistema de propulsão de navio que compreende: um motor de combustão interna para impulsionar um navio, em que o motor de combustão interna tem uma câmara de combustão para queimar um combustível fóssil, em particular um combustível diesel, uma câmara de eletrólise para produzir gás hidrogênio e gás oxigênio, um turbocompressor, uma linha de alimentação, a qual é projetada para que uma mistura de gás possa ser transportada através de um compressor do turbocompressor para a câmara de combustão, sendo que a mistura de gás inclui pelo menos uma parte do gás hidrogênio e do gás oxigênio, em que: uma bomba de vácuo é fornecida para extrair o gás hidrogênio e o gás oxigênio da câmara de eletrólise, um tanque de gaseificação é fornecido com compostos orgânicos voláteis recebidos no mesmo, em particular metanol ou etanol, um suprimento de ar para suprir ar comprimido ao tanque de gaseificação é fornecido e, além do turbocompressor, há um compressor de ar para bombear ar para o tanque de gaseificação, a mistura de gás, a qual é guiada através da linha de alimentação e do turbocompressor para a câmara de combustão, também inclui compostos orgânicos gaseificados do tanque de gaseificação.

[0010] A patente US11015520B2 fornece um sistema de propulsão de navio que compreende pelo menos um motor de combustão interna com uma câmara de combustão para queimar um combustível e um turboalimentador com um compressor. O sistema de propulsão de navio compreende adicionalmente um dispositivo de eletrólise, que produz hidrogênio e oxigênio, que são adicionados em um lado de pressão do compressor e conduzidos para o motor de combustão interna. Ademais, um tanque de água e um tanque de álcool são conectados a um lado de pressão do compressor para adicionar água e álcool ao ar de carga.

[0011] O documento W02018072011A1 apresenta um sistema e método de gerenciamento de um reator eletrolítico sob demanda para fornecer gás hidrogênio e oxigênio a um motor de combustão interna. O sistema minimiza o consumo de energia do reator e a perda de energia parasitária geralmente associada a reatores perpétuos. O sistema compreende uma pluralidade de sensores acoplados ao reator medindo uma pluralidade de parâmetros do reator, uma unidade de controle eletrônico acoplada à pluralidade de sensores e ao motor e uma placa de controle do reator acoplada ao reator e à unidade de controle eletrônico. A unidade de controle eletrônico: monitora a pluralidade de parâmetros do reator e a pluralidade de parâmetros do motor; determina um nível de desempenho do reator; determina um nível de desempenho do motor; determina uma mudança no nível de desempenho do motor para prever um nível futuro de demanda do motor; e determina um nível de desempenho ideal do reator correspondente ao nível de desempenho do motor ou ao nível de demanda do motor futuro. A placa de controle do reator regula o reator modificando pelo menos uma corrente elétrica fornecida ao reator, tensão elétrica fornecida ao reator e temperatura do reator.

[0012] A patente US7021249B1 apresenta um método e aparelho para geração de hidrogênio para enriquecer um combustível à base de hidrocarboneto para um motor de combustão interna com hidrogênio extraído de uma solução eletrolítica de água salgada por meio de eletrólise. Uma corrente é aplicada a um ânodo carregado positivamente e um cátodo carregado negativamente submerso em uma solução de água salgada para dissociar e separar moléculas diatômicas de hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio coletado é fornecido ao carburador do motor através de um tubo de mistura venturi e introduzido no combustível de hidrocarboneto que está sendo bombeado para o mesmo e o combustível de hidrogênio e hidrocarboneto são misturados e atomizados antes da distribuição para a câmara de combustão.

[0013] A patente US8336508B2 descreve um sistema para uso com motor de combustão com entrada de ar, sensores e um módulo de controle do motor, compreendendo uma célula de hidrogênio capaz de transformar água em gases hidrogênio e oxigênio e um controlador conectado eletricamente aos sensores, ao módulo de controle do motor e à célula de hidrogênio, em que o controlador é programado para ativar a célula de hidrogênio em resposta a níveis de sinal predeterminados, em que o hidrogênio a célula é conectada fluidamente ao motor através da entrada de ar e em que o controlador é programado para fazer com que o módulo de controle do motor reduza a taxa de fluxo de combustível para o motor e ative a célula de hidrogênio simultaneamente.

[0014] A patente EP2569523B1 descreve um método de combustão de um combustível de hidrocarboneto em um motor de combustão interna, sistema de aprimoramento de motor e uso de hidrogênio como um catalizador de combustão a presente invenção fornece um sistema e método de aprimoramento de motor que utiliza hidrogênio como catalizador de combustão dentro de um motor de combustão interna, o hidrogênio preferivelmente ser obtido e/ou reabastecido a partir de um fornecimento de gás HHO alimentado em câmaras de combustão do motor e sendo localizado nos sítios intersticiais nas paredes das câmaras de combustão.

[0015] A patente AU2007202111B2 apresenta um sistema para a produção e utilização de hidrogênio em aplicações marítimas compreendendo: uma fonte de água; uma fonte de energia elétrica; um conversor de água em hidrogênio para converter a referida água em gás hidrogênio e gás oxigênio, o referido conversor em comunicação fluida com a referida fonte de água e em comunicação elétrica com a referida fonte de energia elétrica; uma usina de energia de hidrogênio em comunicação fluida com o referido conversor para converter o referido gás hidrogênio em energia utilizável; e um dispositivo de distribuição de energia em comunicação elétrica com a fonte de energia elétrica, o conversor e a usina de energia.

[0016] Em Yilmaz AC, Uludamar E, Aydin K. “ Effect of hydroxy (HHO) gas addition on performance and exhaust emissions in compression ignition engines”; International Journal of Hydrogen Energy (2010); 35:11366-72, foi realizado estudo em que gás hidroxi (HHO) foi produzido pelo processo de eletrólise de diferentes eletrólitos (KOH(aq), NaOH(aq), NaCl(aq)) com diversos designs de eletrodos em um reator de acrílico à prova de vazamentos (gerador de hidrogênio). O gás hidroxi foi usado como combustível suplementar em um motor de quatro cilindros, quatro tempos, ignição por compressão (Cl) sem qualquer modificação e sem necessidade de tanques de armazenamento. Seus efeitos nas emissões de escape e nas características de desempenho do motor foram investigados.

[0017] Em Subramanian B, Ismail S, “Production and use of HHO gas in IC engines”, International Journal of Hydrogen Energy (2018), https://doi.Org/10.1016/j.ijhydene.2018.02.120, foi realizada uma revisão de importantes características e técnicas utilizadas para a produção de gás HHO. Vários aspectos da termodinâmica e cinética química das reações de eletrólise são discutidos. Os parâmetros de projeto e operação para melhorar a taxa de produção de gás são identificados. Hipóteses amplamente diferentes sobre a estrutura e composição do gás HHO são comparadas em profundidade. O estado da arte sobre o uso do gás HHO em motores de combustão interna (Cl) é apresentado na última parte do artigo. O estudo aponta que a introdução do gás HHO aumenta o torque do motor, a potência e a eficiência térmica, ao mesmo tempo em que reduz a formação de NOx, CO, HC e CO2. Os principais desafios no uso do gás HHO em motores são identificados como complexidade do sistema, segurança, custo e eficiência da eletrólise.

[0018] Embora existam sistemas e métodos para otimizar as emissões de motores conhecidos a partir da técnica anterior, os sistemas de controle aplicados para a dosagem de Hidrogênio e Oxigênio são limitados por fazerem uso unicamente de parâmetros operacionais. Não existem sistemas e métodos que fazem aferições dos gases poluentes na corrente de exaustão dos motores e usem essa informação para o cálculo e aprimoramento da dosagem dos gases Hidrogênio e Oxigênio com objetivo principal de reduzir a emissão de poluentes, que coletem esses dados e fazem relatório sobre o funcionamento do motor e que permitam operação e monitoramento remotos. Além disso não há dispositivos configurados para utilizarem água disponível no ativo, necessitando movimentar e armazenar água purificada.

[0019] O método e sistema ora apresentados buscam solucionar o desafio de aumentar a eficiência na redução de emissões poluentes de motores diesel sem utilizar unicamente como base de cálculo o consumo de combustível diesel, mas também fazendo uso de aferições das concentrações dos gases poluentes, parâmetro este que permite um aprimoramento nos resultados obtidos na mitigação de emissões e aprimoramento da combustão, uma vez que confere dados muito mais precisos sobre a qualidade da combustão no motor. Também é um objetivo da presente invenção o controle de aditivação de motores diesel que tem como prioridade a redução global da emissão de gases poluentes, atuando na concentração dos gases de escape do motor e no consumo de combustível.

[0020] Os gases de exaustão do motor são os principais indicadores da eficiência da queima do combustível no motor diesel. Idealmente, em uma combustão completa do diesel, os hidrocarbonetos seriam convertidos apenas em dióxido de carbono e água. Todavia, em condições reais a combustão não ocorre de maneira completa, gerando compostos intermediários, como: monóxido de carbono, fuligem e compostos orgânicos voláteis. Estes compostos intermediários da combustão possuem impacto ambiental muito mais elevado do que o dióxido de carbono, sendo responsáveis por grande parte do passivo ambiental causado pela queima de combustíveis fósseis. Tendo em vista os pontos anteriormente discutidos, podemos concluir que o monitoramento da concentração dos gases de escape fornece um parâmetro muito preciso a respeito da poluição gerada por um motor e sua eficiência. Por este motivo, um sistema proposto para reduzir a poluição e aumentar a eficiência de motores diesel que faça uso dos dados da concentração dos gases de escape possui uma vantagem técnica significativa em relação a outros sistemas que não possuem esses dados como parâmetro de feedback para seu funcionamento.

[0021] Conforme explicado, a presente invenção trata de um método e um sistema para otimização da redução de emissões atmosféricas em motores diesel de grande porte. Para fins de definição, no presente relatório, quando for mencionado um “ativo”, deve-se entender o sistema em que um ou mais motores diesel estão inseridos, como, por exemplo, termoelétricas, locomotivas, indústrias, embarcações navais, equipamentos de mineração, equipamentos de perfuração de túneis, entre outros.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0022] Tendo em vista os aspectos e os problemas apresentados no estado da técnica atual, e no propósito de superá-los, foi desenvolvido um novo e inédito método para otimização da redução de emissões de motores diesel. Foi desenvolvido também um sistema capaz de realizar o método objeto da presente invenção.

[0023] O método para otimização da redução de emissões em motores diesel objeto da presente invenção compreende deionizar água disponível em um ativo para gerar água deionizada; armazenar a água deionizada em um reservatório; produzir hidrogênio e oxigênio por meio de eletrólise utilizando a água deionizada armazenada; injetar o hidrogênio e oxigênio produzidos pela eletrólise da água em um sistema de admissão de ar de pelo menos um motor diesel; monitorar uma concentração de um ou mais gases poluentes em uma corrente de exaustão do pelo menos um motor diesel; monitorar parâmetros de funcionamento do referido pelo menos um motor diesel; armazenar dados de emissões de poluentes e parâmetros do motor diesel em um banco de dados; calcular continuamente, com base nos dados medidos e armazenados (primordialmente os dados de concentração de gases poluentes na corrente de exaustão dos motores), uma dosagem aprimorada de hidrogênio e oxigênio a ser injetada no sistema de admissão de ar com o objetivo de reduzir a emissão de poluentes gerados pelo motor; e, monitorar a presença de gás hidrogênio para detectar um vazamento de gás, em que, quando um vazamento é detectado, o funcionamento do sistema é interrompido.

[0024] Um segundo objeto da presente invenção trata de um sistema para otimização da redução de emissões em motores diesel, capaz de realizar o método objeto da presente invenção, em que o sistema compreende um subsistema de purificação e armazenamento de água, um subsistema de eletrólise de água, um purificador de gases, um subsistema de controle e integração com o sistema em que o motor se encontra inserido, um subsistema de segurança, e um subsistema de análise de gases poluentes.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0025] O método e o sistema de acordo com a presente invenção são adicionalmente explicados por meio dos desenhos anexos, nos quais:

A figura 1 mostra um fluxograma do método objeto da presente invenção.

[0026] A figura 2 ilustra um diagrama esquemático do sistema objeto da presente invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA

[0027] Esta seção apresenta detalhadamente a solução proposta pela presente invenção, referenciando-se às figuras descritas na seção anterior.

[0028] De acordo com a figura 1 apresentada, um fluxograma que representa o método para otimização da redução de emissões em motores diesel objeto da presente invenção é definido. Como é possível observar, no método objeto da presente invenção, gás hidrogênio e oxigênio são dosados na admissão de ar de motores diesel de acordo com um monitoramento da concentração de gases poluentes e material particulado em uma corrente gasosa de exaustão, assim propiciando a máxima redução das emissões.

[0029] Especificamente, o método desenvolvido compreende as etapas de:

• deionizar 101 água disponível em um ativo para gerar água deionizada;

• armazenar 102 a água deionizada em um reservatório;

• produzir 103 hidrogênio e oxigênio por meio de eletrólise utilizando a água deionizada armazenada;

• purificar 104 os gases produzidos na eletrólise para remoção de contaminantes como água (gotículas ou vapor) e/ou eletrólito (quando presente);

• injetar 105 o hidrogênio e oxigênio produzidos pela eletrólise da água em um sistema de admissão de ar de pelo menos um motor diesel;

• monitorar 106 uma concentração de um ou mais gases poluentes em uma corrente de exaustão do pelo menos um motor diesel;

• monitorar 107 parâmetros de funcionamento do referido pelo menos um motor diesel;

• armazenar 108 dados de emissões de poluentes e parâmetros do motor diesel em um banco de dados; • calcular 109 continuamente, com base nos dados medidos e armazenados (primordialmente os dados de concentração de gases poluentes na corrente de exaustão dos motores), uma dosagem aprimorada de hidrogênio e oxigênio a ser injetada no sistema de admissão de ar com o objetivo de reduzir a emissão de poluentes gerados pelo motor; e,

• monitorar 110 a presença de gás hidrogênio para detectar um vazamento de gás, em que, quando um vazamento é detectado, o funcionamento do sistema é interrompido.

[0030] Em uma configuração preferencial, as etapas de monitorar 106 e 107 dados e parâmetros, armazenar dados 108, calcular 109 e monitorar a presença de gás hidrogênio 110 podem ser realizadas de maneira remota.

[0031] Em mais uma configuração preferencial, a produção de Hidrogênio e Oxigênio no motor é realizada sob demanda.

[0032] Em uma outra configuração preferencial, o método da presente invenção é capaz de gerar um relatório técnico com base nos dados e parâmetros medidos e armazenados.

[0033] Os parâmetros de funcionamento do referido pelo menos um motor diesel sendo monitorados na etapa 107 se referem a informações sobre as condições de funcionamento do motor diesel, e podem ser, mas não se limitam a dados de: rotação, pressão, temperatura, fluxo de gases, fluxo de combustível, carga, geração, vibração, entre outros.

[0034] Em uma configuração preferencial, o método da presente invenção compreende ainda a etapa de acionar um sistema de segurança e combate a incêndios do ativo, quando no caso de uma falha ou emergência.

[0035] A Figura 2 apresenta um segundo aspecto da presente invenção. O diagrama esquemático mostrado representa o sistema 200 para otimização da redução de emissões em motores diesel objeto da presente invenção. O sistema aqui descrito é especialmente adaptado para realizar o método para otimização da redução de emissões em motores diesel objeto da presente invenção.

[0036] Conforme apresentado, o sistema 200 objeto da presente invenção compreende um subsistema de purificação e armazenamento de água configurado para purificar água 214 disponível em um ativo. A água deve ser purificada até atingir uma resistividade mínima de 5MQ-cm, através de um deionizador 201 e armazenada em um reservatório 202.

[0037] De acordo com a demanda do ativo, a água armazenada é alimentada em um subsistema de eletrólise de água configurado para produzir gás hidrogênio e oxigênio, sem produzir acúmulo. A eletrólise da água é realizada em um reator eletroquímico de eletrólise 203 que produz gás hidrogênio, oxigênio a partir da água.

[0038] Um purificador de gases 204 está presente para realizar a separação de remanescentes de água e dos gases hidrogênio e oxigênio. A água separada neste componente é retomada para o reservatório 202.

[0039] Tendo os gases hidrogênio e oxigênio purificados, os mesmos são dosados na admissão de ar de um motor 205 que é também alimentado por um combustível representado pela seta 212, e que libera uma corrente de exaustão representada pela seta 213.

[0040] Em uma configuração preferencial, o motor 205 é um motor diesel com capacidade acima de 1500 hp.

[0041] O sistema 200 compreende ainda um subsistema de análise de gases poluentes configurado para realizar medições e análises dos gases poluentes na corrente de exaustão 213 do motor 205. Um aferidor de emissões atmosféricas (não mostrado) é responsável por coletar dados de emissões a partir de uma corrente de exaustão do motor 205. O aferidor de emissões atmosféricas pode ser, por exemplo, sensores eletroquímicos para monitorar concentrações de monóxido de carbono, dióxido de nitrogênio, óxido de nitrogênio, dióxido de enxofre e oxigênio.

[0042] Um subsistema de segurança 206 é apresentado configurado para interromper o funcionamento do sistema 200 caso seja detectado um vazamento ou condições que ofereçam risco à operação do equipamento. Devido à natureza explosiva do Hidrogênio, o subsistema 206 é configurado para monitorar uma concentração de Hidrogênio em ambientes do ativo.

[0043] Um subsistema de controle e integração, representado por um controlador 207, tem como principal finalidade controlar todas as rotinas de automação para produção segura do hidrogênio e oxigênio e calcular a dosagem ideal instantânea que deve ser fornecida ao motor. Ele também é introduzido para enviar e receber dados de forma a permitir controle integrado com o sistema em que o motor se encontra inserido. O controlador 207 é responsável pela compilação dos dados enviados pelo subsistema de análise de gases poluentes e pelo subsistema de segurança 206, além de ser responsável por enviar e receber dados para um banco de dados online 208 para formar um inventário de emissões atmosféricas.

[0044] Em uma configuração preferencial, o controlador 207, com base nos dados armazenados no banco de dados 208, é capaz de gerar relatórios técnicos.

[0045] Em uma outra configuração preferencial, o controlador 207 é configurado para permitir que o sistema seja operado de forma remota.

[0046] De forma a completar sua atuação no sistema 200, o controlador 207 controla um transformador elétrico 209 alimentado por energia elétrica do próprio meio por pelo menos uma fonte de energia 210, 211. A energia elétrica fornecida para o equipamento pode ser totalmente ou parcialmente proveniente de fontes renováveis 211.

[0047] O sistema 200 da presente invenção é configurado para ser acionado e injetar Hidrogênio e Oxigênio sob demanda. Desta forma, o controlador 207 envia um comando para o transformador elétrico 209 para acionar o sistema 200. Esta característica é importante, uma vez que não é desejado realizar armazenamento de Hidrogênio no ativo devido a sua natureza explosiva.

[0048] O sistema e o método aqui descritos, objetos da presente patente de invenção, podem ter a construção de seus elementos básicos constituintes em diferentes tecnologias, bem como diferentes configurações acessórias conforme as características, tipos de instalações e necessidades dos usuários; logicamente alterações podem ser feitas nos dispositivos e sistema sem a perda da inovação aqui apresentada.