EXAUSTÃO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA,

ESPECIALMENTE DE MOTORES A DIESEL

A presente invenção diz respeito a um dispositivo e a um método para prover a filtragem e a separação das partículas sólidas e inaláveis contidas no fluxo dos gases quentes de exaustão de motores de combustão interna, particularmente de motores a diesel, como também o resfriamento e a depuração de referidos gases de exaustão, de modo a reduzir drasticamente a liberação, para o meio ambiente, de compostos poluentes, tais como monóxido de carbono, óxido de nitrogénio e dióxido de enxofre, compostos esses contendo substâncias carcinogênicas e capazes de penetrar nos pulmões quando inaladas.

Antecedentes da invenção

E do conhecimento da técnica que motores a diesel produzem gases quentes de exaustão contendo material particulado poluidor, na forma de finas partículas que são de difícil remoção tanto por meio de filtragem como de separação mecânica em ciclones, mesmo quando submetidas a forças centrífugas. O dispositivo (Sistema GLR) é configurado e acoplado a um método que reaproveita o desperdício de energia (troca térmica) gerada por todos os motores ciclo Otto e ciclo Diesel. Quanto ao principio de funcionamento, os motores de combustão interna dividem-se em: Ciclo Otto (gasolina, etanol, GNV); Ciclo Diesel (Óleo diesel, biodiesel e óleos pesados como o BPF). Tanto no Ciclo Otto quanto Diesel, o desperdício fica em torno de 55% do nominal e a principal perca de potência, é devido a troca térmica (exaustão) estágio 4,(36,6%)variando de combustíveis para combustíveis. Devido a combustão interna, os motores atingem altas temperaturas, o que resulta em percas inevitáveis, sendo as principais: refrigeração forçada, grupo de alimentação, óleo lubrificante, refrigeração do êmbolo e refrigeração dos cilindros.

Tese (Causa e Efeito)

Entretanto, descobrimos em nossa invenção que é possível converter essa perca de potência causada pela troca térmica em energia mecânica e posteriormente energia elétrica, alternada e contínua. Sendo contínua em baterias de ônibus, caminhões, navios, termelétricas e alternada para residências, salas e ambientes refrigerados, câmaras frigoríficas, supermercados, enfim: equipamentos e unidades que necessitam de corrente alternada. E ainda, simultaneamente com a geração de energia mecânica, o depurador do sistema GLR irá sequestrar materiais particulados, depurar gases e até mesmo simular chuva ácida enclausurada para posterior tratamento quando a acidificação se tornar crítica. No caso da água residual desse processo, a mesma poderá ser descarregada em estações de tratamentos em postos de gasolina ou em depósitos nos mesmos onde serão recolhidos, tratados e a água devolvida a natureza.

A energia gerada pelo sistema GLR, através do desperdício dos motores de combustão interna irá alimentar as baterias convencionais e as futuras baterias de lítio (íon-lítio) e cilício, que por sua vez sendo elas corrente contínuas, poderão ser convertidas em corrente alternada. A eficiência das baterias (peso e capacidade) ainda é uma barreira tecnológica; não em nosso caso, porque a fonte geradora é contínua, ela vem do quarto estágio denominado tecnologicamente de TEMPO quatro - ESCAPE - Gases sendo expelidos (expansão) em alta pressão, calor e volume de gases com materiais particulados superaquecidos (expansão). É aqui o início de nossa inovação tecnológica.

O motor tem sua capacidade definida em termos de potência, em HP (Horse-power) ou CV (Cavalo Vapor). É a indicação da quantidade de trabalho que ele é capaz de realizar na unidade de tempo.

Por definição, 1 HP é a potência necessária para elevar a altura de um pé, em um segundo, uma carga de 550 libras e 1 CV é a potência necessária para elevar a altura de um metro, em um segundo, uma carga de 75 quilogramas. Ou seja: 1 HP = 550 lb-ft/seg. e 1 CV = 75 gm/seg. Se a unidade de tempo utilizada for o minuto, multiplicamos 550 x 60 e temos 1 HP = 3.0 lb-ft/min. e 1 CV = 75 x 60 = 4.500 kgm/min.

É possível analisar a seguir um Diagrama de fluxo térmico de um motor Diesel de grande cilindrada, com turbo compressor acionado pelos gases de escape e refrigeração forçada.

Calor aduzido de 1508 Kcal / Cvh com PE = 8 kp /cm ² . Vê-se que 41 ,5% do calor transforma-se em potência útil, 22,4% é trocado com a água de refrigeração e 36,1% saem com os gases de escape. Aqui estaremos utilizando: pressão, volume e gases superaquecidos contendo partículas para gerar eletricidade através de uma turbina independentemente de sua tecnologia geométrica, sistema operacional, horário ou anti-horário e se tem ou não vários estágios. Veículos terrestres, cada um com seu layout de carroceria e assim também para navios; que podem ser cargueiros, petroleiros; pequeno, médio e grande porte.

Aproveitando as forças atuantes dos gases de escape, que correspondem a um desperdício em torno de 36% (troca térmica) da potência nominal, acionaremos uma turbina que dará início a todo o processo de funcionamento da invenção denominada SISTEMA GLR. O sistema GLR, que tem princípios mecânicos e físico-químicos filtra materiais particulados (fumaça negra), lava e depura gases nocivos à atmosfera, elimina calor excessivo liberado pelos escapamentos, reduz drasticamente o ruído em veículos em grandes cidades e áreas metropolitanas e além disso, gerar eletricidade. O Sistema GLR é sustentável principalmente por funcionar através do desperdício da troca térmica (expansão) em torno de 180°c, aproximadamente, que pode variar de acordo com ambiente, altitude, temperatura, tamanho e potência de motor. O equipamento (sistema) além de captar particulados nocivos a saúde humana, tratar gases (depurar), reduzir ruídos e amenizar a temperatura de saída dos escapes; tem ainda a função de simular/antecipar a chuva ácida e impedir que ela aconteça na atmosfera. Hoje em dia, a chuva ácida contamina a terra, mares, oceanos e florestas e a redução disso na atmosfera, através do GLR, será essencial um mundo mais saudável.

Continuando ainda um pouco mais sobre a chuva ácida, veremos algumas curiosidades antes de entrar no mérito da questão do funcionamento do Sistema GLR. Chuva ácida: As queimas de carvão ou de petróleo liberam resíduos gasosos (óxidos de nitrogénio e de enxofre são alguns deles) e a reação dessas substâncias com a água forma ácido nítrico e ácido sulfúrico, presentes nas precipitações de chuva ácida.

Os poluentes do ar são carregados pelos ventos e viajam milhares de quilómetros. Assim, as chuvas ácidas podem cair a grandes distâncias das fontes poluidoras, prejudicando outros países.

O solo se empobrece, a vegetação fica comprometida, a acidificação prejudica os organismos em rios e lagoas, comprometendo a pesca e até mesmo monumentos de mármore são corroídos, aos poucos, pela chuva ácida. Os milhares de navios cargueiros, ao redor do globo terrestre, correspondem em poluição o proporcional a frota de automóveis no mundo e é responsável por 70% do transporte mundial por águas marítimas e fluviais. Um navio de médio porte queima de três mil Kg de óleo bruto a 5 mil Kg por hora. Alguns invertem seus escapes para dentro do oceano (cruzeiros, para esconderem à fumaça negra) e os cargueiros utilizam concentradores eletfostáticos de modo que, quando chega a noite, eles liberam no oceano ou atmosfera os gases.

Prejuízos para o homem:

Saúde: A chuva ácida libera metais tóxicos que estavam no solo. Esses metais podem alcançar rios e serem utilizados pelo homem, na construção de prédios, casas e arquiteturas, causando sérios problemas para o homem. A chuva ácida também ajuda a corroer os materiais já usados nas construções, destruindo até mesmo represas e turbinas hidrelétricas.

Prejuízos para o meio ambiente:

Lagos: O lagos pode ser os mais prejudicados com o efeito da chuva ácida, pois podem ficar totalmente acidificados perdendo toda a sua vida.

Desmatamentos: A chuva ácida faz clareiras, matando duas ou três árvores. Porém, em uma floresta com muitas árvores as clareiras podem ir aumentando e essa reação pode destruir florestas.

Agricultura: A chuva ácida afeta as plantações quase do mesmo jeito que as florestas, só que é destruída mais rápido já que as plantas são do mesmo tamanho, tendo assim mais áreas atingidas. O fito plâncton (fito = planta, plâncton = vaguear) são plantas constituídas por uma única célula e que vivem nas águas oceânicas de superfície. A maior parte destas células vegetais encontra-se à deriva nas águas dos oceanos, mas algumas podem deslocar-se um pouco sozinhas. O fitoplâncton utiliza a luz solar, o dióxido de carbono (CO2) e a água, para produzir a matéria que consome ou que serve para se autoconstruir: é a fotossíntese.

Através deste processo, o fito plâncton fabrica o oxigénio que é necessário para a sobrevivência dos animais no planeta. Estes seres unicelulares absorvem tanto dióxido de carbono quanto as plantas terrestres e, assim, ajudam a regular o nosso clima. Cientificamente, pelo o que se sabe, o único sequestradores de C02 são os fito plânctons e são a maior fábrica de oxigénio já descoberta pelos cientistas. Não temos equipamentos nem conhecimento científico até então para sequestrar o C02 dessa maneira. Existem somente duas formas comprovadamente eficiente: a citada acima ou plantas e florestas novas em desenvolvimento. Estudiosos e cientistas advertem: se perdermos 40% dos plânctons em nosso planeta, a catástrofe será pior que a ocorrida com a extinção dos dinossauros.

Portanto, se impedirmos a proliferação de chuvas ácidas manteremos as águas saudáveis e a produção de fito plânctons será beneficiada. Caso contrário, quanto menos fito plâncton maior o risco de um cataclismo no planeta terra. A ionização referida anteriormente ocorre tanto nas gotículas de água atmosférica (nas nuvens, nevoeiros e neblinas), na água existente na superfície de gelos ou cristais de neve e ainda no orvalho e na água absorvida em partículas sólidas em suspensão no ar. É devido a essa multiplicidade de vias de formação que o termo chuva ácida, apesar de muito difundido, deve ser preferencialmente substituído por deposição ácida, já que a acidificação da precipitação, com todas as consequências ambientais resultantes, pode ocorrer na ausência de chuva. E aqui que entra o sistema inventivo, dentro do depurador do GLR terá uma espécie de simulador que sequetra a acidificação, trata e devolve a água a natureza isento de acidéz.

Em resultado dessa acidez natural, o limite para se considerar a precipitação como ácida é em geral um pH inferior a 4,5 (a 20 °C), o que corresponde a precipitação que contém concentrações mensuráveis de um ou mais ácidos fortes e que pela sua acidez causa comprovados efeitos negativos sobre as plantas, os organismos vivos aquáticos e as estruturas construídas e equipamentos com os quais entre em contato.

Todo motor de combustão interna, independetemente se com combustível fóssil ou alternativo, estará saturado (alto nivel de acidez) em um determinado momento. Tratamento dos gases e material particulado retido pelo depósito do sistema, como funciona:

A forma de tratamento dos gases e material particulado retido pelo depósito do sistema (emborá dependerá de cada motor e sua manutenção), funcionará da seguinte maneira: Um caminhão abastece com 800 kilos de óleo diesel e tem uma trajetória traçada para 4.500 km com um consumo de 5,6 km por litro de óleo. Partindo do ponto A para o ponto B, percorreu 4500 km. Haverá a necessidade de se trocar a água do depósito do GLR e consequentemente abasteçer o veículo (citado aqui, um ônibus ou caminhão pelo quantidade de consumo diesel). Essa água será depositada em silos subterrâneos, onde uma uma cooperativa local fará a coleta; isso onde se encontra grandes aglomerações de pequenas cidades e no caso de cidades de grande porte, onde os postos tem infra-estrutura financeira e recursos para financiamentos, pode-se criar estações de tratamento citados abaixo; denominadas estações de tratamento de águas residuais (muito utilizadas em indústrias químicas em geral). A água tratadas e analisada será devolvida ao solo ou para o sistema hídrico da região sem causar transtornos a natureza, pelo contrário, ajudando a irrigação local evitando secas. Uma tecnologia económica e eficaz. Em muitas situações, a forma mais eficiente de se controlar a emissão de S02 é sua remoção do gás de processo antes desse ser liberado na atmosfera. Quase todos os processos comerciais de tratamento são baseados em remoção de S02 via substância alcalina apropriada (por exemplo, calcário (carbonato de cálcio), cal (óxido de cálcio) e amónia), gerando uma mistura de saís de sulfitos e sulfatos.

Vários processos tecnológicos de dessulfurização, de Gases (FGD), têm sido desenvolvidos e comercializados. Porém, os dois sistemas mais comuns, responsáveis por mais de 95% do total da capacidade instalada mundialmente, são: processo úmido, utilizando-se o calcário como reagente, e processo semi-seco, utilizando-se o cal como reagente. Economicamente viável em postos de gasolina e diesel. Aliás, porque não uma estação de tratamento em cada posto, garagens de ônibus e caminhões. Inclusive, estações de tratamento em navios, onde normalmente há espaço suficiente para tal.

A poluição tem sido um grande problema ambiental. A chuva ácida é um dos aspectos da poluição mais relevantes. Na realidade, a chuva é naturalmente ácida em função do gás carbónico atmosférico e das erupções vulcânicas que exalam óxidos de enxofre. Porém, existem chuvas excessivamente ácidas, resultado da queima de combustíveis fósseis provenientes da combustão interna de motores utilizados em caldeiras e geradores de indústrias, residências, veículos e, o mais grave, usinas termelétricas. Cada uma das usinas grandes, em média, poluem quase que a frota de automóveis de uma cidade com 400 mil habitantes. Os ambientes naturais demoram algum tempo para responder agressões, como acidificação, pois a água e o solo possuem capacidade de neutralizar ácidos e bases e só depois de esgotadas essas possibilidades, o ambiente sofre mudança acentuada. Com aumento da acidez, metais tóxicos como alumínio, manganês e cádmio são solubilizados causando graves problemas aos ecossistemas. Quando as águas residuais são lançadas sem tratamento em rios, lagos e oceanos causam poluição com graves consequências para o ecossistema. E preciso tratar essas águas antes de devolvê-las ao ambiente, o que é feito em Estações de Tratamento de águas residuais. As estações poderão utilizar vários recursos disponíveis na engenharia química, química, bio-química e até puramente biológica.

Em razão dos inconvenientes e deficiências das soluções até agora conhecidas para a redução de poluentes nos gases de exaustão de motores de combustão interna alimentados a diesel, é um objetivo que a presente invenção forneça um dispositivo de filtragem e depuração dos referidos gases de exaustão, de construção relativamente simples e compacta, passível de ser facilmente instalado em veículos ou em unidades motoras estacionárias e que permita a obtenção de um elevado grau de retenção de material particulado e de gases tóxicos do fluxo dos gases de exaustão dos motores a diesel. Com o intuito de solucionar tais inconvenientes, desenvolveu-se a presente invenção onde através da qual é possível comprovadamente despoluir e depurar gases gerando eletridade.

Escapamentos: Outro fator relevante e maléfico ao meio ambiente é a temperatura de operação no processo de queima do combustível no motor que chega aproximadamente a 800°C, em que consequentemente a fuligem sai incandescente com temperatura na faixa de 400 °C. Essa temperatura é suficiente para promover a chama no capim seco em rodovias e provocar incêndios de proporções catastróficas, além de super aquecimento das cidades no mundo todo independente da altura ou região em relação ao o nível do mar.

Em relação à frota de ônibus e milhões de caminhões no Brasil(os caminhões são responsáveis pela maioria do transporte brasileiro), estes possuem a saída do escapamento direcionado para o lado direito, esquerdo, para baixo e raramente para cima. A saída da descarga para o lado direito propicia o inicio da queimada no lado direito da pista, quando o caminhão aproxima do acostamento, e a saída para a esquerda propicia a queimada no lado esquerdo da estrada quando o caminhão faz uma ultrapassagem. Imagina o calor que uma frota de ônibus pode causar em uma metrópole como São Paulo, com todos funcionando ao mesmo tempo. Gera o fenómeno denominado efeito estufa metropolitano, onde as edificações e o asfalto absorvem este calor, cria-se então uma camada baixa de calor insuportável com sensação térmica de até 50 ^ç c. A invenção GLR irá reduzir essa temperatura aproximadamente à mesma do meio ambiente natural.

Medidas como controle de circulação de veículos, desenvolvimento de motores menos poluentes, instalação de filtros industriais e a busca constante no desenvolvimento de combustíveis alternativos, tem sido implementadas.

Entretanto, os catalisadores atuais, assim como os denominadores oxicatalisadores, desenvolvidos para reduzir a poluição derivada da combustão de diesel e de gasolina, deixam a desejar, uma vez que diminuem a potência dos motores e não alcançam a eficiência necessária. Se realmente a eficiência se comprovasse, não estariam sendo ainda despejados milhões de toneladas de vários gases nocivos à atmosfera.

São ainda conhecidos, alguns métodos visando depurar os referidos gases de exaustão e que compreendem os procedimentos de direcionar o fluxo dos gases de exaustão para passarem por um conduto, incluindo um Venturi convergente e divergente, e de suprir água à região de "garganta" do Venturi, para então separar, dos gases de exaustão, a água com as partículas sólidas e com os gases dissolvidos.

Apesar de propor a umidificação do material particulado e dos gases contidos no fluxo de exaustão, visando aumentar o peso das partículas umedecidas e dissolver os gases poluentes, esse método não alcança resultados satisfatórios pelo fato de não permitir uma efetiva umidificação da massa particulada, a qual permanece com sua área superficial original. Além disso, a atomização de água, apenas na região do Venturi, não produz uma adequada e homogénea mistura da água com os gases e com material particulado, reduzindo o grau de dissolução dos gases e o aumento da densidade do material particulado, com reflexos negativos na eficiência da separação das partículas sólidas e na lavagem dos gases tóxicos. Esse tipo de solução é tratado nos documentos de patente NO-B- 162530 e GB 2.300.024.

O documento de patente WO 99/56854 (PCT/DK99/00237) descreve um método e um dispositivo para separar partículas sólidas de um fluxo de gases quentes de exaustão de um motor a diesel.

Nessa solução anterior, o fluxo de exaustão tem sua umidade relativa aumentada por atomização de água, sendo resfriado para uma temperatura próxima o seu ponto de orvalho e então acelerado por redução de área de seção transversal do conduto ou por turbina, para que ocorra redução adicional de temperatura e condensação do vapor d 'água, fazendo com que as partículas sólidas fiquem encapsuladas em gotículas de condensado, podendo ser separadas do fluxo de exaustão por ciclone ou por gravidade.

A proposta apresentada no documento WO 99/56854, acima mencionado, sugere que o fluxo gasoso misto (contendo gases e material particulado) seja umedecido e resfriado simultaneamente e então acelerado para novo resfriamento suficiente para prover a condensação dos vapores d'água e o envolvimento das partículas sólidas por gotículas de condensado, permitindo a separação do material particulado e dos gases dissolvidos na fase líquida do referido fluxo misto.

Essa solução anterior também não sugere nenhum tratamento adicional do fluxo misto umidificado, visando homogeneizar sua umidificação e resfriamento, para alcançar um maior grau de retenção de material particulado e de gases tóxicos.

O pedido de patente PI0502332-7 do mesmo inventor propõe um dispositivo voltado ao mesmo objetivo funcional e que submete o fluxo dos gases de exaustão a uma etapa inicial de centrifugação do fluxo misto antes da umidificação e do resfriamento do dito fluxo misto, o qual é então submetido às etapas subsequentes de difusão, expansão, deflexão e desintegração, extravasando o novo resfriamento dos gases antes de sua liberação para a atmosfera.

Além de complexo e de difícil implementação em veículos automotores, o dispositivo proposto nesse pedido de patente brasileiro anterior não conduziu a uma eliminação praticamente total do material particulado e dos gases tóxicos do fluxo de exaustão liberado para a atmosfera.

Sumário da invenção

Em razão dos inconvenientes e deficiências das soluções até agora conhecidas para a redução de poluentes nos gases de exaustão de motores de combustão interna alimentados a diesel, o objetivo do Sistema GLR é prover um dispositivo de filtragem e depuração dos referidos gases de exaustão, de construção relativamente simples e compacta, passível de ser facilmente instalado em veículos ou em unidades motoras estacionárias e que permita a obtenção de um elevado grau de retenção de material particulado e de gases tóxicos do fluxo dos gases de exaustão dos motores a diesel, além de gerar energia de maneira simultânea. É ainda um objetivo da presente invenção prover um dispositivo tal como acima definido e que permita que o fluxo dos gases de exaustão seja liberado para a atmosfera a uma temperatura que não seja superior a cerca de 30°C a 40°C acima da temperatura ambiente.

E ainda mais um objetivo da presente invenção prover um dispositivo tal como acima definido e que permita a coleta do material particulado e dos gases tóxicos dissolvidos em um sistema aquoso de lavagem em circuito fechado.

Tem ainda a invenção o objetivo de prover um método para a realização da filtragem e depuração dos gases de exaustão de um motor a diesel, de acordo com os propósitos acima definidos.

De acordo com um primeiro aspecto da invenção, o dispositivo de filtragem e depuração dos gases de exaustão de motores de combustão interna, especialmente de motores a diesel, compreende:

- um meio de pré-tratamento para pré-umidificar e pré-resfriar, com água atomizada, o fluxo de gases quentes de exaustão do motor;

- um meio homogeneizado de fluxo, para turbilhonar o referido fluxo de gases de exaustão, e homogeneizá-lo;

- pelo menos um meio de tratamento para prover umidifícação, com água, do fluxo de gases de exaustão homogeneizados, processo chamado cisalhamento das partículas sólidas. Haverá também a compressão de até uma pressão de cerca de 8,0 Kg/cm ² , podendo alcançar cerca de 1 ,2 vezes a pressão de descarga do motor;

- um meio exaustor, recebendo o fluxo de gases em pressão negativa do meio de tratamento e imprimindo, ao referido fluxo de gases, uma trajetória descendente, por uma saída inferior de liberação de água, e gases de exaustão, contendo vapor d'água e partículas sólidas;

- um meio condensador para receber o fluxo de gases de exaustão do meio exaustor, provendo a condensação do vapor d'água e sua captação com o arraste do material particulado e gases tóxicos e liberar o fluxo de gases de exaustão depurados para a atmosfera.

Os meios de pré-tratamento, de tratamento e condensador são alimentados com água a partir de uma fonte de água, geralmente um tanque, sendo que a captação da água, e condensado de arraste de material particulado e de dissolução de gases tóxicos, será feita em um reservatório de recolhimento.

De acordo com um segundo aspecto da invenção, o método de filtragem e depuração dos gases de exaustão de motores de combustão interna, especialmente de motores a diesel, compreende as etapas de:

- submeter o fluxo de gases de exaustão do motor a um pré-tratamento, para pré-umidificá-lo e pré- resfriá-lo com água;

- submeter o fluxo de gases de exaustão pré-tratado a um turbilhonamento para promover sua homogeneização;

- submeter o fluxo de gases de exaustão pré-tratado e homogeneizado a um tratamento para promover sua umidifícação com água, fazer o cisalhamento das partículas sólidas contidas no fluxo de gases de exaustão e a compressão desse último até cerca de 8,0 Kg/cm ² , podendo alcançar cerca de 1 ,2 vezes a pressão de descarga do motor, para liberar o referido fluxo de gases após sua compressão;

- aspirar, em pressão negativa, o fluxo de gases de exaustão liberado pelo meio de tratamento e imprimir ao referido fluxo de gases de exaustão uma trajetória descendente, por uma saída de liberação de água, partículas sólidas e gases de exaustão contendo vapor d'água e partículas sólidas.

Com o dispositivo e o processo, acima definidos em seus aspectos básicos, passa a ser técnica e economicamente viável o tratamento dos gases de exaustão de motores de combustão interna, particularmente de motores a diesel, com retenção praticamente total do material particulado e diluição dos gases tóxicos contidos no fluxo de gases quentes de exaustão, os quais são ainda liberados em baixas temperaturas, geralmente apenas ligeiramente superiores à temperatura ambiente, com grande redução dos usuais odores desses gases e do nível de ruído dos escapamentos.

Com a aplicação da presente invenção, o escapamento dos motores de combustão interna, principalmente os motores a diesel, montados em veículos ou estacionários, passa a liberar, para o meio ambiente, um fluxo de gases limpos, em baixas temperaturas e substancialmente inodoros, não prejudiciais à saúde e isentos de gases tóxicos e de materiais particulados, aí incluídos os inaláveis.

Em forma de cartucho a ser periodicamente substituído, para ser então liberado para a atmosfera.

O equipamento em questão, operando de acordo com a metodologia aqui descrita e sendo aplicado na descarga dos gases de exaustão de um motor a diesel, 340 CV, ano de fabricação 1993, permitiu alcançar os índices de depuração de gases de exaustão e de retenção de material particulado, conforme definidos abaixo. Os gases de exaustão foram submetidos à análise em um equipamento Analisador de Gases modelo 350-XL, da Testo do Brasil. Os resultados verificados foram os seguintes, com o motor sendo alimentado com o diesel convencionalmente disponibilizado no Brasil:

(NOX) -77%

(NO) -78%

(N0 ₂ ) -49%

(CO) - 33%

(S0 ₂ ) . 78%

Materiais particulados (MP) - 80%

Conforme pode ser observado pelos resultados exemplificativos acima expostos, a invenção permite a obtenção de grande eficiência em termos de filtragem/retenção de material particulado e de depuração de gases tóxicos de um fluxo de exaustão de um motor de combustão interna queimando um combustível fóssil derivado de petróleo.

Breve descrição dos desenhos

A invenção será descrita a seguir, fazendo-se referência aos desenhos anexos, dados a título de exemplo de uma das possíveis concretizações da solução proposta e nos quais:

A figura 1 representa um simples fluxograma dos meios envolvidos na constituição do dispositivo e na realização do método de filtragem e depuração dos gases de exaustão de um motor de combustão interna; A figura 2 representa, escala ampliada, uma vista em corte longitudinal diametral do meio de pré- tratamento e homogenizador dos gases de exaustão, recebidos do motor, por umidificação e resfriamento; A figura 3 representa, em escala ampliada e de modo um tanto simplificada, uma vista em corte axial de um par de meios de tratamento e do meio exaustor do dispositivo em questão, para prover a umidifícação final do fluxo de gases de exaustão, o cisalhamento das partículas sólidas contidas no referido fluxo e uma compressão deste último e ainda a impulsão do fluxo de gases de exaustão, dos meios de tratamento, para o meio condensador;

A figura 4 representa uma vista em corte transversal diametral de um dos meios de tratamento, dito corte tendo sido tomado segundo a linha IV-IV nas figuras 1 e 3;

A figura 5 representa, em escala ampliada e de modo um tanto simplificado, uma vista em corte axial longitudinal do meio condensador e do reservatório de recolhimento;

A figura 6 representa uma vista em corte transversal, diametral, um tanto simplificada, dos meios exaustor e condensador, dito corte tendo sido tomado segundo a linha VI- VI na figura 1 ;

A figura 7 representa uma vista em corte longitudinal ampliada do meio de liberação de gases, montado a jusante do meio condensador.

Descrição da invenção

Conforme ilustrado nas figuras de desenho, o dispositivo de filtragem e depuração dos gases de exaustão e co-geraçao de energia elétrica simultânea compreende, inicialmente, um meio de pré-tratamento 10 para pré-umidificar e pré-resfriar o fluxo de gases quentes, liberado pelo motor M em temperaturas que variam, geralmente, na faixa de cerca de 350°C a cerca de 650°C.

O meio de pré-tratamento 10 compreende uma porção tubular 1 1 tendo um extremo de entrada 1 1 a, conectado à descarga do motor M, um extremo de saída 1 1 b e um meio atomizador 12, montado internamente à porção tubular l i e disposto de modo a atomizar água no fluxo de gases de exaustão recebido do motor M, com a referida atomização feita no mesmo sentido do fluxo de gases de exaustão. Nessa primeira etapa do método de filtragem e depuração dos gases de exaustão, o fluxo de gases tem o material particulado pré-umidifícado e toda a sua massa pré-resfriada em função da atomização de água, permitindo não só o aumento da densidade das partículas em suspensão no fluxo de exaustão, como também o resfriamento desse último para uma temperatura de cerca de 65°C a cerca de 95°C menor do que a temperatura de recebimento do fluxo gasoso no dispositivo em questão.

A água a ser atomizada no fluxo de gases de exaustão é bombeada a partir de uma fonte de água 20 que pode tomar diferentes formas, conforme descrito mais adiante. Uma das formas é representada por um tanque 21 montado no veículo automotivo no qual o dispositivo em questão é instalado ou em qualquer apoio no sítio de montagem.

O fluxo de gases de exaustão, já pré-umidifícado e pré-resfriado, são então alimentados a um meio homogeneizador de fluxo 30 que é construído para turbilhonar o fluxo de gases de exaustão, provocando sua homogeneização.

Na construção ilustrada, o meio homogeneizador de fluxo 30 compreende um corpo tubular anelar 31 , definido por uma parede tubular externa 32 e por uma parede tubular interna 33, as quais definem; em conjunto com paredes extremas 34a, 34b, uma câmara anelar externa CE, com extremos fechados pelas paredes extremas 34a, 34b, e uma câmara cilíndrica interna Cl, com um extremo fechado por uma das paredes extremas 34a e com o outro extremo aberto e definindo um bocal de saída 30b do meio homogeneizador de fluxo 30, cujo bocal de entrada 30a é provido, de modo substancialmente radial, através da parede tubular externa 32.

O bocal de entrada 30a do meio homogeneizador de fluxo 30 pode tomar a forma de uma voluta, para facilitar a admissão do fluxo de gases de exaustão no interior da câmara anelar externa CE, preenchendo e pressurizando essa última e sendo então dividido em múltiplos fluxos radiais de gases, os quais são feitos passar por uma pluralidade de tubos radiais 35, dispostos através da parede tubular interna 33 e abertos para a câmara anelar externa CE e para a câmara cilíndrica interna Cl.

A construção do meio homogeneizador de fluxo 30 é feita de modo a provocar, no interior da câmara cilíndrica interna Cl, do corpo tubular anelar 31, um forte turbilhonamento dos múltiplos fluxos de gases de exaustão feita passar através da pluralidade de tubos radiais 35, provocando um alto grau de homogeneização da massa de material particulado em suspensão no fluxo de gases de exaustão já pré- umidificado e pré-resfriado. A câmara cilíndrica interna Cl do corpo tubular anelar 31 define, assim, em seu interior, uma região de turbilhonamento e homogeneização do fluxo de gases de exaustão, sendo a referida câmara cilíndrica interna Cl aberta para o bocal de saída 30b do meio homogeneizador de fluxo 30, bocal esse que é aberto para pelo menos uma região de expansão 36, para o qual é direcionado o fluxo de gases já turbilhonado e homogeneizado.

O fluxo de gases de exaustão já pré-umidificado, pré-resfriado e homogeneizado é então conduzido, da região de expansão 36, geralmente em forma de uma extensão de tubo de seção transversal não inferior àquela da câmara cilíndrica interna Cl, para pelo menos um meio de tratamento 40, que é projetado para prover uma umidificação final, com água, do fluxo de gases de exaustão, o cisalhamento das partículas sólidas e ainda sua compressão até uma pressão de cerca de 1,2 vezes a pressão de descarga do motor M. Na construção ilustrada, são providos dois meios de tratamento 40, dispostos em paralelo, cada um recebendo uma respectiva parcela do fluxo de gases de exaustão liberada do meio homogeneizador 30, através de uma respectiva região de expansão 36.

Cada meio de tratamento 40 compreende pelo menos um compressor rotativo 41 , com um rotor R tendo um eixo horizontal 44 e múltiplos estágios de compressão, concêntricos e mantidos em comunicação fluida radial entre si e dispostos no interior de uma carcaça tubular 42 provida de uma entrada radial 42a, geralmente inferior, para o fluxo de gases de exaustão, já homogeneizado, recebido da respectiva região de expansão 36 do meio homogeneizador de fluxo 30, e de uma saída axial central 42b (ver figura 3) para liberar o fluxo de gases com as partículas já cisalhadas, umidificadas e resfriadas, em conjunto com a massa gasosa.

Ainda de acordo com a construção exemplificativa ilustrada nos desenhos, cada estágio E do rotor R do compressor rotativo 41 é definido entre duas paredes cilíndricas 45, concêntricas, sendo que os referidos estágios E tomam a forma de câmaras anelares concêntricas, tendo os extremos das paredes cilíndricas 45 respectivamente fixados a paredes extremas 46 do rotor R, as quais fecham os extremos dos estágios E. ^x Cada meio de tratamento 40 é construído para prover uma umidificação do fluxo de gases de exaustão. Para tanto, no interior da carcaça tubular 42 de cada compressor 41 é provido um meio atomizador 43, para água, geralmente um bico atomizador disposto na região superior da carcaça tubular 42, preferivelmente no interior de uma projeção tubular radial 42c dessa última, oposta à entrada radial 42a da carcaça tubular 42.

De acordo com essa construção, cada compressor rotativo 41 , carrega, externamente à parede cilíndrica 45, externa ao primeiro estágio de compressão E, uma pluralidade de pequenas pás radiais 47, dispostas de modo a conduzirem, quando do giro do compressor rotativo 41 , a água de umidificação, pulverizada no interior da carcaça tubular 42, pelo meio atomizador 43, contida no reservatório 43, para o interior do primeiro estágio de compressão E, através de furos radiais 45a providos na referida parede cilíndrica externa 45 do primeiro estágio de compressão E. Deve ser observado que a comunicação fluida entre os estágios de compressão E entre o último estágio de compressão E a saída axial central 42b da carcaça tubular 42 é definida por uma pluralidade de furos radias 45a providos nas paredes laterais cilíndricas 45 que limitam cada estágio de compressão E. Os furos radiais 45 a são dispostos defasados entre si a cada dois estágios de compressão adjacentes E.

Assim, cada compressor rotativo 41 apresenta os múltiplos estágios na forma de câmaras tubulares anelares, concêntricas e radialmente adjacentes entre si, tendo seus extremos fechados pelas paredes extremas 46 do rotor R.

Ainda de acordo com a construção sugerida nos desenhos anexos, cada rotor R de compressor rotativo 41 compreende ainda, em pelo menos parte dos diferentes estágios de compressão E, uma pluralidade de hastes de cisalhamento 48 dispostas axialmente, angularmente afastadas entre si e com extremos opostos fixados nas respectivas paredes extremas 46 do rotor R, ditas hastes de cisalhamento 46 girando em conjunto com o rotor R, de modo a entrarem em choque com as partículas sólidas contidas do fluxo de gases de exaustão.

O dispositivo em questão compreende ainda um tubo retifícador de fluxo 49 disposto coaxialmente ao compressor rotativo 41 e interligando sua saída axial central 42b ao meio exaustor radial 50.

Com a disposição construtiva acima descrita para cada meio de tratamento 40, os dois compressores rotativos 41 são montados em paralelo e com suas saídas axiais centrais 42b coaxiais e convergindo uma em direção à outra. Nessa construção, o fluxo de gases de combustão, recebido no interior da carcaça tubular 42, é turbilhonado, umidificado intensamente pela mistura com a água de umidificação atomizada para o interior da carcaça tubular e conduzida através dos diferentes estágios de compressão E, quando do giro das pequenas pás radiais 47, sendo o fluxo gasoso progressivamente comprimido, passando para o primeiro estágio de compressão E, através dos furos radiais 45a providos na parede lateral cilíndrica 45 mais externas do rotor R. Assim, o fluxo de gases de exaustão vai sendo progressivamente comprimido e umidificado, de um estágio E para o seguinte, radialmente mais interno, enquanto as partículas sólidas vão sendo progressivamente cisalhadas pelas hastes de cisalhamento 48 dispostas no interior de cada estágio de compressão E. Ao final dos estágios de compressão E, o fluxo de gases de combustão, já totalmente umidificado e com suas partículas sólidas em suspensão já intensamente cisalhadas, é liberado através da saída axial central 42b e dirigido a um meio exaustor radial 50 disposto de modo geralmente coaxial aos compressores rotativos 41.

De acordo com a construção ilustrada, o meio exaustor radial 50 compreende uma carcaça cilíndrica 52 com extremos opostos acoplados, cada um, a uma carcaça tubular 42 de um respectivo meio de tratamento 40 e alojando um rotor RE montado no mesmo eixo 44 dos rotores R dos compressores 44 e tendo, em cada extremo, uma entrada axial central 52a para o fluxo de gases de exaustão proveniente de cada meio de tratamento 40 e uma pluralidade de aletas radiais 55, sendo a carcaça cilíndrica 52 lateralmente aberta para uma voluta lateral 53 que define uma saída inferior 54 para a água e gases de exaustão contendo vapor d'água e partículas sólidas em suspensão. Como pode ser observado pelas figuras 3 e 6, o fluxo de exaustão, contendo vapor d'água e partícula sólida é então alimentada a um meio condensador 60 que compreende uma câmara de entrada CEN, de formato tubular-anelar alongado, com extremos fechados, disposta horizontalmente e que recebe, mediana e tangencialmente, o fluxo de gases de exaustão liberado pela saída inferior 54 do meio exaustor 50.

Internamente à câmara de entrada CEN, o meio condensador 60 compreende uma câmara externa CEX, também tubular-anelar alongada, disposta horizontalmente e definida entre uma parede tubular externa 62, separando-a da câmara de entrada CEN, e uma parede tubular interna 63, dita câmara externa CEX sendo fechada por uma parede extrema 64 em um de seus extremos.

O fluxo de gases de exaustão que admitido na câmara de entrada CEN, pressuriza o interior dessa última e é feito passar para uma das regiões extremas da câmara externa CEX, através de uma pluralidade de janelas 65 providas na parede tubular externa 62. Na referida região extrema da câmara externa CEX, radialmente alinhada com as janelas 65, é formada uma câmara anelar de atomização CAT, que é separada da câmara externa CEX por uma parede divisória anelar 66 a qual é transpassada por uma pluralidade de tubos axiais excêntricos 67, comunicando a câmara anelar de atomização CAT com a câmara externa CEX. Na parede extrema 64, comum às câmaras anelar de atomização CAT e externa CEX, são montadas bicos atomizadores 68, para atomizar água do tanque 21 no fluxo de gás de exaustão que penetra na câmara anelar de atomização CAT, sendo a atomização feita no sentido axial, voltado para os tubos axiais excêntricos 67.

A câmara de entrada CEN é inferiormente provida, em sua região adjacente às janelas 65 da câmara anelar de atomização CAT, de uma saída inferior 65a que é conectada, por um conduto 65b, ao reservatório de recolhimento 70, para conduzir, gravitacionalmente a esse último, a água, o condensado e o material particulados já liberados radial e inferiormente da câmara anelar de atomização CAT.

A parede tubular interna 63 limita, em seu interior, uma câmara interna CIN, de formato tubular, tendo um extremo aberto para um adjacente extremo da câmara extrema CEX e com o extremo oposto projetando-se através da câmara anelar de atomização CAT, para fora do meio condensador 60, para ser aberto para a atmosfera ou ainda preferivelmente conectado a um meio de escapamento 100.

A câmara externa é ainda provida uma pluralidade de paredes divisórias anelares 66a, dispostas paralelas e distanciadas entre si, transversalmente ao eixo geométrico longitudinal da câmara externa CEX. As paredes divisórias anelares 66a definem, entre si, câmaras anelares CA, mantidas em comunicação por uma pluralidade de tubos axiais 67a, dispostos através das paredes divisórias anelares 66a e que se mantêm radialmente distanciados das paredes tubulares interna 63 e externa 62 da câmara externa CEX e tendo seus extremos abertos e projetantes para dentro das respectivas câmaras anelares CA, sendo os tubos axiais 67a de uma parede divisória anelar 66a axialmente defasados em relação aos tubos axiais 67a das duas paredes divisórias anelares 66a adjacentes.

Com a construção sugerida para o meio condensador 60, o fluxo de gases, contendo ainda vapor d'água e material particulado residual, é feito passar pelas câmaras anelares CA, sendo progressivamente condensado e liberado, pelo extremo aberto da câmara externa CEX, para um dispositivo quebra gotas 80, provido de uma saída inferior 81 conectada a um tubo 82 que conduz o condensado, e o material particulado nele suspenso, para o reservatório de recolhimento 70.

O fluxo gasoso remanescente, já resfriado e depurado, pode ser liberado para a atmosfera ou ainda preferivelmente conduzido, através da câmara interna CIN, para o meio de escapamento 100.

Deve ser observado que a água a ser atomizada no meio de pré-tratamento 10, nos meios de tratamento 40 e no meio condensador 60 é bombeada, a partir da fonte de água 20 que, no exemplo ilustrado, é definida pelo tanque 21. O bombeamento pode ser feito por qualquer bomba 25 adequada e através de tubos 26. O reservatório de recolhimento 70 pode ser construído de diferentes maneiras, incluindo ou não um meio 71 para tratar a água e o condensado captados, por exemplo, por filtragem, para que a água usada no processo seja reutilizada em circuito fechado, ou seja, retornada ao tanque 21. Essa disposição permite que haja uma grande economia da água a ser utilizada no método de umidificação, sem exigir a contínua reposição de água no tanque 21 , aumentando a autonomia do dispositivo, particularmente quando aplicado em veículos automotivos.

O meio de escapamento 100, quando provido, é acoplado à saída da câmara interna CIN do meio condensador 60, para receber o fluxo gasoso resfriado e depurado nesse último e submetê-lo a uma operação de condensação adicional, com o objetivo principal de captar qualquer água ainda remanescente, na forma de vapor, no fluxo de escapamento.

Na construção ilustrada, o fluxo de gases que deixa o meio condensador 60 é conduzido por uma tubulação 69 adequada, ao meio de escapamento 100 que pode tomar a forma de um corpo tubular 101, disposto verticalmente, tendo um extremo inferior 101a conectado à tubulação 69 e um extremo superior aberto para a atmosfera. Em sua região mediana, o corpo tubular 101 aloja uma pluralidade de bandejas anelares 102, horizontais e um tanto distanciadas entre si, através das quais é feito passar o fluxo ascendente de gases, sendo as regiões periféricas das bandejas anelares 102 projetantes e abertas para o interior da uma câmara de captação 103, envolvendo o corpo tubular 101 e tendo uma parede de fundo anelar 103 a da qual se projeta para baixo um tubo de drenagem 104 tendo um extremo inferior aberto para o interior do meio de pré-tratamento 10, a jusante do meio atomizador 12 e a montante do meio homogeneizador de fluxo 30. A junção do tubo de drenagem 104 com a porção tubular 1 1 do meio pré- tratamento 10 é feito de modo que o fluxo dos gases de exaustão passantes por esse último opere como um ejetor, produzindo uma queda de pressão no interior do tubo de drenagem 104 e a consequente aspiração, de volta do dispositivo, de qualquer condensado captado no interior da câmara de captação 103, impedindo a perda de água utilizada no processo de filtragem e depuração dos gases de exaustão. Com a construção proposta para o meio de escapamento 100, o fluxo de gases proveniente do meio condensador 60 é feito passar pelo interior das bandejas anelares 102, nas quais o vapor d'água remanescente é condensado, conduzido radialmente à câmara captadora 103 e gravitacional e pressurizadamente aspirado de volta ao meio de pré-tratamento 10, enquanto o fluxo de filtro 105, geralmente em forma de cartucho a ser periodicamente substituído, para ser então liberado para a atmosfera.