ES2233831T3 - Filtro para particulas de gases de escape de metal sinterizado. - Google Patents

Abstract

Filtro para partículas de gases de escape de metal sinterizado para la eliminación de partículas contenidas en la corriente de gases de escape de un motor de combustión interna, en particular un motor de combustión interna diesel, constituido por un soporte (1) de metal que presenta material filtrante con al menos una abertura (Ö), al que mediante un proceso de sinterizado está ligado polvo de metal sinterizado poroso, caracterizado porque el soporte (1) es un metal estirado y por tanto las secciones que limitan las aberturas (Ö) del soporte (1) se hallan en unión de material entre ellas, y el soporte (1), tras el proceso de estirado, ha sido calandrado en un valor que no supera el 70%.

Description

Filtro para partículas de gases de escape de metal sinterizado.

La invención se refiere a un filtro para partículas de gases de escape de metal sinterizado para la eliminación de partículas contenidas en la corriente de gases de escape de un motor de combustión interna, en particular un motor de combustión interna diesel, constituido por un soporte de metal que presenta material filtrante con al menos una abertura, al que mediante un proceso de sinterizado está ligado metal sinterizado poroso.

Los filtros de metal sinterizado se emplean como filtros para partículas de gases de escape para motores de combustión interna, por ejemplo motores de combustión interna diesel, para la eliminación de partículas contenidas en la corriente de gases de escape, por ejemplo partículas de hollín. Los filtros para partículas de gases de escape intercalados en el recorrido de los gases de escape de un motor de combustión interna de este tipo deben soportar no sólo las temperaturas de los gases de escape que circulan a través del filtro para partículas de gases de escape, sino también las temperaturas que se generan durante la combustión del hollín para la regeneración de un filtro de gases de escape de este tipo. Los filtros de metal sinterizado cumplen estos requerimientos. Tales filtros de metal sinterizado son fabricados mediante conformado de tiras de material filtrante para la configuración de placas filtrantes o bolsas filtrantes, a partir de las cuales se fabrica el cuerpo filtrante. Las propias tiras filtrantes consisten usualmente en un tejido de alambre como material soporte, que ha sido recubierto con un polvo de metal a sinterizar y sometido a continuación a un proceso de sinterización. Con este procedimiento se pueden fabricar placas de metal sinterizado con una porosidad de aproximadamente 50% - 80%. Para la unión de las placas filtrantes o bolsas filtrantes conformadas individualmente para configurar el cuerpo filtrante propiamente dicho, es necesario unir los elementos individuales entre sí mediante acoplamiento, por ejemplo soldadura. En el documento EP 0 505 832 B1 se describe un filtro de metal sinterizado de este tipo, en el que se emplea como soporte un tejido de alambre. Para mejorar la distribución del calor y por tanto en particular también la evacuación del calor durante la soldadura del material metálico sinterizado, el tejido de alambre del cuerpo sirve como soporte. Frente a los tejidos de alambre usuales por lo demás, el tejido de alambre del cuerpo se caracteriza porque, para aumentar los puntos de contacto de los alambres individuales entre sí, se tejen en el tejido alambres adicionales, que como hilos de trama salvan cada uno varios hilos de urdimbre. Mediante un material soporte de este tipo se mejora, gracias al número aumentado de puntos de contacto entre los alambres individuales, la transmisión del calor de alambres individuales a otros alambres, mediante el aumento de los puntos de transferencia de calor frente a otros tejidos de alambre. Sin embargo, mediante la implementación de alambres adicionales para configurar el tejido se aumentan también su rigidez y su peso. Esto a su vez actúa de modo inconveniente sobre el proceso de conformado necesario para la fabricación de placas filtrantes o bolsas filtrantes. Para su conformado se precisan por tanto fuerzas de conformado más elevadas en comparación con secciones de material filtrante con otros tejidos como material soporte. Puede ocurrir por tanto que el material sinterizado aplicado sobre el tejido de alambre del cuerpo, debido a sus propiedades de resistencia reducidas por su porosidad en comparación con el material soporte, y a las fuerzas necesarias a aplicar para llevar a cabo el proceso de conformado, sea dañado o incluso reviente.

En el documento DE 195 20 146 C1 se describe un procedimiento para la fabricación de cuerpos porosos, por ejemplo de filtros para partículas de gases de escape, según el cual en una primera etapa del procedimiento un material soporte es conformado, antes de ser recubierto mediante inyección a la llama hasta el punto de que las aberturas existentes en el material soporte se hayan colmatado. Según las enseñanzas de este documento, el material soporte de la placa filtrante o de la bolsa filtrante es llevado en primer lugar a su forma correspondiente, y este cuerpo es recubierto seguidamente con el material filtrante propiamente dicho. Aparte de que este procedimiento no es apropiado para la fabricación de filtros de metal sinterizado, una utilización de este procedimiento para la fabricación de filtros de metal sinterizado aportaría en todo caso la ventaja, frente a otros procedimientos, de que para el conformado se evitaría la capa de metal sinterizado aplicada sobre el soporte, y la soldadura para la fabricación del cuerpo filtrante a partir de piezas conformadas previamente individualmente. Sin embargo, con el procedimiento descrito en este documento no se pueden fabricar filtros para partículas de gases de escape con cámaras filtrantes o bolsas filtrantes, que sólo tienen una amplitud de aberturas de pocos milímetros o que - configurados como filtros en forma de cuña - incluso adelgazan. Existe además el peligro de que la unión fabricada según este documento entre el soporte y el metal aplicado resulte dañada también debido a las grandes oscilaciones de temperatura entre las temperaturas de los gases de escape y de regeneración respecto a las temperaturas en estado fuera de uso.

Según el documento EP 0 166 606 B1 se describe un objeto metálico poroso, utilizable como filtro. En este objeto poroso, un soporte metálico con aberturas sirve como soporte para polvo de metal sinterizado insertado en las aberturas, el cual durante el proceso de sinterización es aglutinado consigo mismo y con el soporte. Como soportes para la configuración de este material filtrante se describen soportes de metal con aberturas de cualquier naturaleza, si bien en este documento se cita también un metal estirado como soporte equivalente a un soporte de un tejido de alambre empleado por lo demás convencionalmente. Es objeto de este documento el llenado de las aberturas del soporte con un polvo metálico apropiado, para proporcionar de esta manera un filtro metálico, con el que se puedan eliminar de una corriente másica incluso partículas de grano fino. De todos modos, en este documento no se publica que pudiera ser conveniente emplear un cuerpo filtrante fabricado según el procedimiento descrito en este documento como filtro de metal sinterizado para la eliminación de partículas contenidas en la corriente de gases de escape de un motor de combustión interna. Por tanto, este documento tampoco publica en modo alguno indicaciones de cómo se hubiera de configurar convenientemente un filtro de metal sinterizado de este tipo.

A partir del estado actual de la técnica tratado anteriormente, la invención se plantea por tanto el problema de desarrollar un filtro de metal sinterizado del tipo citado al principio, que constituye el tipo genérico, de modo que el material filtrante empleado para la constitución del filtro de metal sinterizado para proporcionar diferentes cuerpos filtrantes de metal sinterizado no sólo pueda ser conformado casi como un material macizo, sino que también pueda ser soldado más fácilmente.

Este problema se resuelve según la invención de modo que el soporte 1 es un metal estirado y por tanto las secciones que limitan las aberturas Ö del soporte 1 se hallan en unión de material entre ellas, y el soporte 1, tras el proceso de estirado en un valor que no supera el 70%, ha sido calandrado.

En los filtros de metal sinterizados reivindicados, el soporte consiste en un material que forma una unidad de materia - un metal estirado. La provisión de un metal estirado como soporte tiene, gracias a su unidad de materia, por una parte la ventaja de que se mejora la transmisión del calor dentro del filtro así formado y por tanto la evacuación del calor durante la soldadura y también durante la regeneración del filtro de metal sinterizado, porque frente al estado actual de la técnica conocido anteriormente, gracias a la unidad de materia se evitan las transiciones térmicas dentro del soporte necesarias para el transporte del calor. La configuración del soporte de metal estirado tiene además ventajas durante el conformado, en particular si hay que elaborar estampaciones, como por ejemplo acanaladuras o similares. Debido a la unidad de materia, en un elemento de metal sinterizado de este tipo no existe el peligro, en contraposición al estado actual de la técnica conocido anteriormente, de que debido al proceso de conformado alambres individuales de un tejido se desplacen unos respecto a otros, lo que pudiera tener como consecuencia desplazamientos o reventones de metal sinterizado. Este material soporte es por tanto muy estable en su forma, en particular también durante el proceso de conformado. Sin tener que asumir influencias respecto a la distribución del calor ni a la evacuación del calor, el soporte para el metal sinterizado puede presentar una amplitud de aberturas relativamente grande, lo que tiene efectos favorables sobre la contrapresión de los gases de escape, porque se puede reducir la fracción superficial del material soporte en la superficie del filtro.

El material estirado ha sido calandrado tras su proceso de estirado, a saber en no más del 70%. Se garantiza con ello que incluso tras el proceso de calandrado las almas del metal estirado que abarcan las aberturas proporcionen una superficie de soporte suficiente, a fin de que el material sinterizado alojado en las aberturas quede fijado en ellas en unión positiva de forma, para cumplir en particular los requerimientos para la utilización según normas del filtro de metal sinterizado.

La relación de pesos de los componentes que toman parte en la constitución del material filtrante - soporte y metal sinterizado - es convenientemente menor que 3 : 7 (soporte : metal sinterizado), y esta relación se encuentra preferentemente entre 2 : 8 y 1 : 9, partiéndose para estos datos de relaciones de que en las aberturas del soporte solamente hay polvo de metal sinterizado. Sin embargo, si se plantean requerimientos de estabilidad muy elevados a los filtros para partículas de gases de escape, pueden llegar a emplearse incluso relaciones de aproximadamente 1 : 1. La configuración de un material filtrante con una fracción de material soporte tan pequeña no se puede realizar con los soportes convencionales de tejido, al menos no con los valores de resistencia que se obtienen para el material filtrante según la invención.

Como material soporte se emplea preferentemente un metal estirado. Es ventajoso por una parte que éste presenta una estabilidad de forma particularmente buena y uniforme en diferentes direcciones, y es además de fabricación sencilla y económica. Es además particularmente ventajoso, en el caso de emplearse un metal estirado como soporte, que gracias al cierre hermético superior e inferior uniforme de las zonas individuales que definen una abertura del material sinterizado, no se ha de configurar capa alguna estáticamente activa continua sobre el soporte, sino que ésta sólo se ha de insertar en las aberturas del soporte. Esto no sólo reduce la cantidad del material sinterizado necesario, sino que tiene la ventaja de que durante el proceso de conformado son conformadas esencialmente las almas del metal estirado que se encuentran entre las aberturas, y no, o sólo de forma muy secundaria, el material sinterizado insertado en las aberturas. Se pueden llevar a cabo por tanto etapas de conformado, como por ejemplo un canteado en 90º o incluso en 180º, sin que exista el peligro de que se rompa el material sinterizado insertado en las aberturas. Un canteado de este tipo puede ser necesario para reforzar la zona del borde de una placa filtrante o también para poder configurar un engrosamiento de material para la subsiguiente soldadura.

En caso de provisión de un soporte de metal estirado se obtiene además la ventaja de que gracias al proceso de estirado, las aberturas necesarias para la configuración de la estructura en forma de rejilla pueden presentar diferentes dimensiones. Esto se puede conseguir mediante el grado de estirado y/o mediante la práctica de diferentes incisiones antes del proceso de estirado propiamente dicho. De esta manera se pueden preparar elementos para un filtro de metal sinterizado, que presenten una geometría de aberturas diferente en función de su disposición dentro del cuerpo filtrante de metal sinterizado.

En caso de provisión de un metal estirado como soporte, mediante el grado de estirado se puede predeterminar, además de la amplitud de las aberturas del soporte, también la inclinación de las almas para la fijación de los rellenos de metal sinterizado. Mediante la etapa de calandrado se puede ajustar el espesor. Se puede emplear por tanto un mismo material inicial para poder fabricar a partir de él tiras de material filtrante de diferente configuración. El espesor de una tira de material filtrante de este tipo viene determinado por el grado de erección de las almas del soporte que limitan las aberturas, por lo que frente a tejidos en los cuales el espesor viene determinado por el espesor del alambre empleado, se pueden fabricar también tiras de material filtrante más gruesas respecto a su espesor, sin que aumente desmesuradamente la fracción del material soporte en el peso total de la tira de material filtrante.

La invención se explica a continuación con ayuda de un ejemplo de realización, haciendo referencia a los dibujos adjuntos. Muestran:

Figura 1: una representación esquemática de un fragmento de un soporte de un material filtrante para la configuración de un filtro de metal sinterizado, y

Figura 2: un corte esquemático a lo largo de la línea A - B a través de un gran fragmento del soporte de la Figura 1, cuyas aberturas están llenas con polvo de metal sinterizado.

Un soporte 1 para la configuración de material filtrante para un filtro de metal sinterizado para la eliminación de partículas contenidas en la corriente de gases de escape de un motor de combustión interna diesel está fabricado de metal estirado. El soporte 1 consiste en una chapa de acero como material inicial, en la que se han practicado incisiones para la generación de las aberturas a lo largo del proceso de estirado. A lo largo de un proceso de estirado, la chapa de acero ha sido llevada a la forma mostrada en Figura 1, habiéndose ensanchado las incisiones practicadas originalmente en la chapa de acero para generar aberturas Ö. Las aberturas Ö están limitadas por las secciones de la chapa de acero original designadas como almas S, las cuales convergen en cada caso en aquellas zonas del soporte en las que terminan las incisiones. Estas zonas se designan como puntos de unión K. Todas las almas S del soporte 1 se hallan por tanto en unión de materia unas con otras mediante los puntos de unión K. Esto permite la configuración de un soporte, que no sólo garantiza una evacuación del calor y distribución del calor particularmente buenas, sino que incluso con un empleo de material soporte muy pequeño permite presentar una estabilidad muy elevada y uniforme en diferentes direcciones.

El ángulo de apertura \beta entre dos almas S separadas por una incisión se halla convenientemente en el rango entre 40º y 80º, preferentemente entre 50º y 70º. En el caso de ángulos de apertura más pequeños, la abertura es tan pequeña que el material filtrante provocaría una contrapresión de los gases de escape demasiado elevada.

La constitución del soporte 1 se puede apreciar, en representación a escala ampliada, en el corte transversal de la Figura 2. La línea de corte representada cruza a través de varios puntos de unión K, desde cada uno de los cuales se extienden almas S respectivas hacia el punto de unión K siguiente. Las propias almas S están canteadas, tal como se representa mediante los puntos de unión K, y forman aberturas Ö con superficies laterales inclinadas. Estas superficies laterales inclinadas permiten un zunchado particularmente bueno del metal sinterizado insertado allí, tal como se indica en la representación de Figura 2. Cada abertura Ö está llena con metal sinterizado, pudiéndose apreciar mediante el corte transversal mostrado en Figura 2 que los rellenos de metal sinterizado quedan fijados en unión positiva de forma en cada caso en una abertura Ö proporcionada por el soporte 1. El soporte 1 con sus aberturas Ö ofrece por tanto buenas propiedades mecánicas de zunchado y un soporte eficaz, por lo que el material sinterizado insertado en las aberturas no corre el peligro de que, debido a la diferencia de presión entre el lado de admisión del filtro y el lado de escape del filtro, pueda ser expulsado metal sinterizado fuera de aberturas individuales. Los rellenos de metal sinterizado son por tanto grupos en forma de islas, alojados en cada caso en las aberturas Ö del soporte 1.

El espesor de la chapa de acero original para la configuración del soporte 1 corresponde a la cara pequeña de un punto de unión K o bien al espesor S_{d} del alma. La relación de la anchura S_{b} del alma al espesor S_{d} del alma vale convenientemente 1. En caso de una tal relación, las almas son de sección transversal cuadrada. Para poder conseguir una unión positiva de forma suficiente con el metal sinterizado, las almas pueden presentar también relaciones anchura de alma-espesor de alma entre 0,5 y 2,0.

La íntima unión mecánica de las almas S y puntos de unión K que forman parte de la constitución del soporte 1 deja claro que el soporte 1 es capaz de soportar elevadas solicitaciones mecánicas. Como el soporte 1 configura una unidad de materia y es más fácilmente deformable en relación al metal sinterizado, en el caso de que el material filtrante sea conformado por ejemplo mediante canteado o mediante estampación de acanaladuras, el conformado tiene lugar de modo decisivo en las almas S y en los puntos de unión K.

Para mejorar las propiedades de ligazón entre el polvo de metal a sinterizar durante la sinterización y el soporte, es conveniente dotar a la superficie del soporte de un estructurado, por ejemplo un micro-estructurado, obtenido mediante un tratamiento químico o un proceso de irradiación con partículas. Mediante un proceso de irradiación de ese tipo se puede generar por lo demás una cierta tensión propia en el soporte (irradiación de tensión), que tiene un efecto favorable sobre su estabilidad. Con una medida de este tipo se aumenta la superficie efectiva del soporte, en particular también en las superficies laterales orientadas unas hacia otras de las almas que abarcan las aberturas, de modo que es también posible un zunchado del polvo de metal sinterizado sobre las almas.

La fracción de grano o respectivamente el tamaño de partículas del polvo de metal sinterizado empleado está dimensionado de modo que haya presentes al menos 10 capas de polvo, para rellenar una abertura Ö del soporte 1 en la dirección del espesor del soporte 1. Ha resultado suficiente sin embargo, para la configuración de filtros de metal sinterizado para la eliminación de partículas contenidas en la corriente de gases de escape de un motor de combustión interna, llenar las aberturas Ö del soporte 1 con polvo de metal sinterizado con un tamaño de grano que permita como máximo la existencia de 15 capas de polvo en la dirección del espesor del material filtrante así
formado.

Como material inicial se puede emplear por ejemplo una chapa de acero con un espesor de 0,2 mm. Tras la realización del proceso de estirado, y según la configuración y disposición de las incisiones, el espesor del soporte así obtenido puede ser de 3 mm, debiendo señalarse que, independientemente del espesor, el peso del soporte no aumenta durante el proceso de estirado. En caso necesario, el material estirado puede ser calibrado, por ejemplo a un espesor de 0,9 mm, lo que corresponde a un calibrado del 70%.

Lista de símbolos de referencia

1

Soporte

K

Punto de unión

Ö

Abertura

S

Alma

S_{b}

Anchura del alma

S_{d}

Espesor del alma

\beta

Ángulo de apertura.

Claims (11)

1. Filtro para partículas de gases de escape de metal sinterizado para la eliminación de partículas contenidas en la corriente de gases de escape de un motor de combustión interna, en particular un motor de combustión interna diesel, constituido por un soporte (1) de metal que presenta material filtrante con al menos una abertura (Ö), al que mediante un proceso de sinterizado está ligado polvo de metal sinterizado poroso, caracterizado porque el soporte (1) es un metal estirado y por tanto las secciones que limitan las aberturas (Ö) del soporte (1) se hallan en unión de material entre ellas, y el soporte (1), tras el proceso de estirado, ha sido calandrado en un valor que no supera el 70%.

2. Filtro para partículas de gases de escape según la reivindicación 1, caracterizado porque el soporte ha sido calandrado en no más del 50%.

3. Filtro para partículas de gases de escape según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la relación de peso del soporte a peso del metal sinterizado, referida al peso total del material filtrante, es menor de 3 : 7.

4. Filtro para partículas de gases de escape según la reivindicación 3, caracterizado porque la relación de peso del soporte a peso del metal sinterizado, referida al peso total del material filtrante, está entre 2 : 8 y 1 : 9.

5. Filtro para partículas de gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el metal sinterizado rellena esencialmente sólo las aberturas (Ö) del soporte (1).

6. Filtro para partículas de gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el filtro para partículas de gases de escape consiste en elementos individuales del material filtrante, por ejemplo bolsas, cuyas secciones de los bordes a unir son conformadas mediante uno o varios procesos de canteado.

7. Filtro para partículas de gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque elementos del filtro para partículas de gases de escape fabricado a partir del material filtrante son estampados mediante un proceso de estampación, por ejemplo para la configuración de acanaladuras o elementos de refuerzo.

8. Filtro para partículas de gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la fracción de polvo, del polvo de metal sinterizado empleado, está diseñada de modo que, para adaptarse al espesor respectivo del soporte, en una abertura haya presentes al menos 10 capas de polvo.

9. Filtro para partículas de gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el ángulo de apertura de una abertura del soporte se halla entre 40º y 80º.

10. Filtro para partículas de gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la relación entre anchura (S_{b}) del alma y espesor (S_{d}) del alma del soporte (1) está entre 0,5 y 2,0, siendo preferentemente 1,0 ó aproximadamente 1,0.

11. Filtro para partículas de gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la superficie del soporte está estructurada, en particular micro-estructurada, para mejorar la ligazón entre el metal sinterizado y el soporte.