ES2273922T3 - Dispositivo y procedimiento para el tratamiento posterior de gases de escape procedentes de maquinas de combustion interna. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para el tratamiento posterior de gases de escape de máquinas de combustión interna en el que la corriente de gas de escape se conduce a través de una zona (3) rellena con esferas huecas y, a continuación, a través de una zona (5) rellena de fibras metálicas, como filtro de partículas.
Description
Dispositivo y procedimiento para el tratamiento
posterior de gases de escape procedentes de máquinas de combustión
interna.
La invención se refiere a un dispositivo y a un
procedimiento para el tratamiento posterior de gases de escape
procedentes de máquinas de combustión interna y, en este caso, se
refiere especialmente al tratamiento posterior de gases de escape
de motores de combustión interna.
A este respecto existe la posibilidad, en
diferentes modificaciones alternativas, de realizar un tratamiento
catalítico posterior y/o un filtrado de las partículas contenidas en
la corriente de gases de escape de forma aislada o combinada.
Se conocen diferentes posibilidades para el
tratamiento posterior de gases de escape de gases de escape
procedentes de máquinas de combustión interna. A este respecto, se
disponen elementos adicionales tales como catalizadores o filtros
de partículas en un tubo de gases de escape y los gases de escape
que han de tratarse se conducen a través de estos elementos o se
hacen pasar por éstos para transformar componentes dañinos en
componentes no dañinos y retener partículas, especialmente hollín,
que se producen durante la combustión en motores diésel.
Para el tratamiento catalítico posterior de
gases de escape es habitual hasta el momento integrar un denominado
"catalizador" en el tubo de gases de escape, utilizándose un
objeto que ha de dotarse o revestirse de fábrica con materiales
catalíticamente activos tales como, por ejemplo, platino, rodio y
paladio, en una superficie relativamente grande que ya se ha
aumentado mediante un recubrimiento conocido por sí mismo.
No obstante, para la acción catalítica es
necesaria una temperatura mínima que en los sistemas convencionales
puede alcanzarse con determinados regímenes de funcionamiento dado
que en la fase inicial de un motor de combustión interna el aumento
de temperatura necesario sólo se produce gracias al gas de escape
que sale. A causa del recubrimiento que amplía la superficie
efectiva necesario hasta el momento debe evitarse un
sobrecalentamiento dado que estas capas, al superar determinadas
temperaturas, pueden descomponerse o desprenderse y, como
consecuencia, un catalizador de este tipo no puede disponerse
directamente junto a la salida de los gases de escape de un motor
de combustión interna.
Para el filtrado de partículas y, en este caso
especialmente de partículas de hollín procedentes de los gases de
escape de motores de combustión interna, se conocen los más diversos
sistemas de filtrado en los que se emplean tanto materiales
metálicos, como también materiales de cerámica. Debido a la
deposición de partículas de hollín en los filtros conocidos, hasta
el momento es necesario realizar una denominada "regeneración"
con intervalos de tiempo más o menos regulares para evitar un gran
atasco del filtro y, como consecuencia, también un aumento de la
presión dinámica. Para una regeneración de este tipo normalmente se
inicia una combustión del hollín separado en el filtro, para lo
cual es necesario un suministro de energía, lo que conduce
naturalmente a una reducción del rendimiento, independientemente de
si se inicia un calentamiento eléctrico o si la combustión
necesaria se inicia alimentando hidrocarburos combustibles.
En especial mediante el filtro de partículas
convencional se ejerce influencia en las condiciones de flujo en la
corriente de gases de escape en función del estado de carga del
material del filtro, de manera que en muchos periodos de
funcionamiento no pueden mantenerse condiciones de combustión
óptimas debido a la presión opuesta de los gases de escape.
Además, los sistemas convencionales tienen
elevados costes tanto en la fabricación, como también en el
funcionamiento. Asimismo, del documento DE3436443A1 se conoce un
catalizador de gases de escape con paquete de esferas.
En el documento US4.106.913 se describe un
catalizador de gases de escape con soportes del catalizador que
deben fabricarse por sinterizado.
La solución descrita en el documento GB2259461A
se refiere a catalizadores de gases de escape con esferas de óxido
de aluminio.
Del documento EP0142722A2 se conoce el empleo de
un paquete de esferas o cuerpos esféricos de un material de
cerámica para el empleo en catalizadores de gases de escape.
El documento DE4234436A1 se refiere a un
catalizador montado posteriormente con un relleno de esferas de
cerámica.
Del documento JP5843111 se conoce un filtro de
partículas para motores diésel en el que el gas de escape debe
conducirse a través de fibras metálicas, a continuación de esto, a
través de una capa catalítica y, después, nuevamente a través de
fibras metálicas.
Por tanto, el objetivo de la invención es
proponer un dispositivo y un procedimiento para el tratamiento
posterior de gases de escape que puedan construirse de forma
sencilla y económica y que influyan de forma menos desventajosa
sobre las condiciones de flujo en la corriente de gases de
escape.
Según la invención, este objetivo se alcanza con
un dispositivo según la reivindicación 1 y un procedimiento que
presenta las características de la reivindicación 15. Con las
características citadas en las reivindicaciones subordinadas pueden
conseguirse configuraciones y variantes ventajosas de la
invención.
El dispositivo según la invención para el
tratamiento posterior de gases de escape de máquinas de combustión
interna utiliza al menos una zona dispuesta en la corriente de gases
de escape que está rellena con esferas huecas y por la que circula
gas de escape a través de los espacios intermedios de las esferas
huecas, pudiendo mantenerse condiciones de flujo óptimas gracias a
la conducción relativamente homogénea de la corriente. Estas
condiciones de flujo repercuten de forma especialmente ventajosa en
una aglomeración de partículas, y los aglomerados formados pueden
separarse entonces del gas de escape de forma más favorable en
elementos de filtrado dispuestos a continuación, proporcionándose
además una protección frente a impactos de presión del gas de
escape para estos elementos de filtrado u otros elementos.
Las condiciones de flujo y condiciones de
presión en el conducto de gases de escape pueden calcularse de forma
relativamente sencilla para una zona de este tipo rellena con
esferas huecas y pueden optimizarse en relación con la máquina de
combustión interna correspondiente de manera que la combustión no se
vea influenciada de forma desventajosa por condiciones de presión
dinámica desfavorables en la corriente de gas de escape.
De forma especialmente ventajosa, pueden
emplearse esferas huecas que, por una parte, garanticen una
considerable reducción de la masa y, por otra parte, puedan reducir
la emisión de ruidos.
Además, de forma relativamente sencilla puede
ajustarse una determinada porosidad de las superficies de las
esferas, y también de los espacios entre las esferas, con lo que
pueden ampliarse las superficies y también puede ejercerse una
influencia positiva sobre las propiedades de las superficies
relativas a la mecánica de fluidos para configurar de forma más
efectiva el tratamiento posterior de los gases de escape.
Una zona rellena con esferas o esferas huecas
puede disponerse en el conducto de gases de escape, sujetándose las
esferas, por ejemplo, con tamices metálicos cuyo ancho de malla debe
ser naturalmente menor que el diámetro mínimo de las esferas, visto
en el sentido del flujo, siendo posible en principio prácticamente
cualquier disposición en el conducto de gases de escape, no
obstante, debiendo disponerse una superficie de este tipo en todo
caso delante, en el sentido del flujo de los gases de escape, de un
filtro de partículas que vaya a utilizarse dado el caso.
Sin embargo, una zona rellena con esferas
también puede estar dispuesta de forma ventajosa directamente junto
a la máquina de combustión interna, en sus salidas de gases de
escape, por ejemplo, directamente en un colector de escape,
pudiendo estar dispuestas también varias de estas superficies en
conductos de gases de escape individuales de un colector de gases
de escape de este tipo.
Las esferas deberían estar hechas de un material
térmicamente estable de forma correspondiente, pudiendo emplearse
de forma preferida metales debido a sus buenas propiedades de
conductividad térmica.
Las esferas usadas pueden presentarse como
relleno suelto en la zona correspondiente, rellenándola casi por
completo en la medida de lo posible. No obstante, también existe la
posibilidad de fabricar mediante un tratamiento térmico un
compuesto sinterizado puntual de esferas contiguas.
En una zona común pueden emplearse también
esferas de diferentes diámetros exteriores. Sin embargo, se muestra
favorable emplear varias zonas rellenas de esferas en una
disposición en serie, estando contenidas en las zonas individuales
esferas con diámetros exteriores prácticamente iguales que pueden
aumentar o reducirse de forma gradual en el sentido del flujo del
gas de escape.
No obstante, en todos los casos las esferas
forman una estructura autoportante de manera que, aparte del
sinterizado realizado dado el caso, no son necesarias medidas
adicionales para aumentar la resistencia y la estabilidad.
La zona rellena de esferas puede estar rodeada
de un elemento de carcasa hasta aberturas a través de las cuales
puede entrar o salir el gas de escape, pudiendo emplearse los más
diversos materiales con resistencia y estabilidad térmica
suficientes. Si, por ejemplo, se utiliza una carcasa metálica, se
proporciona también una evacuación térmica suficiente, de manera
que, en combinación con las esferas metálicas, pueden aprovecharse
también las buenas propiedades de conductividad térmica.
Las esferas o esferas huecas usadas pueden estar
dotadas o revestidas, al menos en su superficie, con materiales
catalíticamente activos conocidos por sí mismos, de manera que es
posible un tratamiento catalítico posterior del gas de escape.
Gracias a la disposición posible ya citada de
una zona rellena con esferas directamente junto a las salidas de
gases de escape de una máquina de combustión interna se consiguen
las temperaturas necesarias para la acción catalítica de forma más
rápida que en los sistemas convencionales. Además, el comportamiento
de respuesta puede mejorarse gracias a la capacidad térmica
relativamente reducida, especialmente en caso de usar esferas
metálicas huecas.
La carcasa en la que está dispuesta la zona
rellena con esferas debería presentar una sección transversal libre
mayor que las partes del tubo de gases de escape dispuesta antes y
después en el sentido del flujo para garantizar condiciones de
flujo favorables para el gas de escape y un aumento de presión
relativamente reducido delante de la zona rellena con esferas.
Los diámetros de las esferas pueden elegirse en
el intervalo entre 1 y 10 mm, pudiendo elegirse grosores de pared
de las esferas huecas entre 0,03 y 1 mm. La porosidad de la
estructura de esferas puede situarse entre 70 y 97%.
Además de la influencia ejercida en las
condiciones de presión de la corriente de gas de escape, resulta
ventajoso que el flujo de gas de escape a continuación de la zona
rellena de esferas sea en gran medida laminar, lo cual puede
repercutir de forma ventajosa especialmente en una unidad
subsiguiente para la filtración de partículas.
Por tanto, a continuación, en el sentido de
flujo del gas de escape, puede disponerse otro elemento
catalíticamente activo, pero también un filtro de partículas ya
mencionado.
Un filtro de partículas especialmente ventajoso
utiliza fibras metálicas con una porosidad o distribución del
tamaño de los poros que puede seleccionarse o ajustarse, a través de
las que se conducen los gases de escape, especialmente de motores
diésel, para la filtración/separación de las partículas. La
distribución de los tamaños de los poros puede situarse en el
intervalo de 1 a 500 \mum.
Los aglomerados de partículas formados al pasar
a través de la zona rellena con esferas pueden retenerse de forma
eficaz con una estructura de fibras metálicas de este tipo y pueden
emitirse al entorno gases de escape casi totalmente libres de
partículas.
Una zona de este tipo rellena de fibras
metálicas también es térmicamente estable, de manera que también es
posible disponerla junto a las máquinas de combustión interna y
también en esta zona se presentan temperaturas del gas de escape
que son suficientes para producir una regeneración autónoma, y no es
necesario un aporte de energía adicional para la combustión de las
partículas de hollín.
De forma muy especialmente ventajosa puede
elegirse una estructura gradual para un filtro de partículas de
este tipo, es decir, se disponen unas tras otras varias zonas
parciales en el sentido del flujo de los gases de escape que
presentan en cada caso diferentes porosidades y/o distribución del
tamaño de los poros, en las que, en la medida de lo posible, el
tamaño de los poros del filtro se reduce. Esto es posible gracias a
una selección correspondiente de las fibras metálicas y/o a un
empaquetado más o menos compacto de forma correspondiente de las
fibras metálicas.
La zona rellena con fibras metálicas y también
las zonas parciales ya citadas de un filtro de partículas gradual
también pueden estar rodeadas por tamices metálicos y la parte
restante estar rodeada por una carcasa cerrada hecha
preferentemente de un metal. Las superficies de sección transversal
de la salida de las zonas rellenas con esferas y las de la entrada
en las zonas rellenas con fibras metálicas deberían estar diseñadas
iguales y de igual tamaño.
Las fibras metálicas pueden formar una
estructura sinterizada autoportante.
La porosidad de las estructuras de fibras
metálicas utilizadas puede elegirse o ajustarse también en el
intervalo entre 70 a 95% y pueden emplearse diámetros de las fibras
metálicas en el intervalo entre 0,005 y 0,25 mm.
Tanto las fibras metálicas, como también las
esferas o esferas huecas pueden estar hechas de forma ventajosa de
aceros al cromo y níquel, aleaciones con base de níquel, aleaciones
de hierro, cromo y aluminio y aluminuros. Naturalmente, también
pueden emplearse otros metales o aleaciones.
Asimismo, las fibras metálicas, tal como ya se
ha citado para las esferas o esferas huecas, pueden estar dotadas o
recubiertas de materiales catalíticamente activos, de manera que no
sólo puede conseguirse una separación de las partículas, sino
también un tratamiento catalítico posterior del gas de escape.
Asimismo, las zonas que contienen fibras
metálicas presentan una masa relativamente reducida y forman una
estructura autoportante. Gracias a la alta porosidad posible puede
conseguirse una tasa de deposición correspondientemente alta.
Además, se reduce adicionalmente la emisión de
ruidos y, gracias a la buena conductividad térmica de las fibras
metálicas en combinación con la reducida capacidad de absorción
térmica, se proporciona también un buen comportamiento de respuesta
tanto durante el tratamiento catalítico posterior, como también en
la retrodepuración (regeneración) espontánea.
Los materiales citados explícitamente no sólo
son suficientemente resistentes, estables y térmicamente
consistentes, sino también son en gran medida resistentes a la
corrosión, de manera que puede garantizarse una larga vida útil.
No es necesaria una disposición paralela
redundante, tal como se usa hasta el momento en algunos sistemas
conocidos de filtros de partículas, dado que ya no tiene que
observarse ninguna pausa para una regeneración de los filtros de
partículas habitual hasta el momento.
Tanto las esferas huecas, como también las
fibras metálicas presentan de fábrica una porosidad
correspondientemente alta, de manera que ya no es necesario un
revestimiento adicional que aumente las superficies y pueden
eliminarse las desventajas ya citadas a este respecto.
A continuación, se explicará detalladamente la
invención a título de ejemplo.
Muestran:
la figura 1, de forma esquemática, una
estructura de un ejemplo de un dispositivo según la invención;
la figura 2, una zona dividida en varias zonas
parciales para la separación de partículas que están rellenas de
fibras metálicas.
En el ejemplo mostrado en la figura 1 de un
dispositivo según la invención para el tratamiento posterior de
gases de escape de máquinas de combustión interna, se conduce el gas
de escape sin tratar y sin depurar, a través de una tubuladura 1 de
entrada de gas, a una carcasa 2 metálica. A este respecto se amplía
la sección transversal libre de la carcasa 2.
En la carcasa 2 está configurada una zona 3
rellena con esferas metálicas huecas hechas de un acero de cromo y
níquel. Las esferas metálicas huecas se mantienen dentro de la
carcasa 2 con tamices metálicos de ancho de malla relativamente
grande, que, sin embargo, es menor que el diámetro mínimo de las
esferas, y pueden estar configuradas como relleno suelto, pero
también de forma sinterizada como estructura autoportante.
El gas de escape conducido a través de la zona 3
rellena con esferas huecas puede tratarse posteriormente de forma
catalítica si las superficies de las esferas huecas están dotadas o
revestidas con un material adecuado catalíticamente activo.
No obstante, en todo caso se ejerce influencia
sobre la corriente de gas de escape de modo que las partículas
eventualmente contenidas se aglomeran, y los aglomerados formados se
separan de la corriente de gas de escape en la zona 5 subsiguiente
en el sentido de flujo del gas de escape y rellena con fibras
metálicas y se retienen, de manera que el gas de escape puede
evacuarse de la tubuladura 6 de salida en gran medida libre de
partículas y sustancias
dañinas.
dañinas.
En el ejemplo mostrado en la figura 1 de un
dispositivo según la invención, entre la zona 3 rellena con esferas
huecas y la zona 5 rellena con fibras metálicas está configurado un
espacio 4 hueco a través del cual puede entrar la corriente de gas
de escape, en gran medida laminar, en la zona 5 rellena con fibras
metálicas.
En el caso del ejemplo aquí mostrado, se usa una
estructura gradual de una zona 5 rellena con fibras metálicas en la
que, como puede observarse más claramente en la figura 2, se ha
elegido una graduación triple.
Por tanto, el gas de escape que eventualmente
contiene partículas entra desde la zona 3 rellena con esferas
huecas a una zona 5' parcial como filtro de depuración basta. En
esta zona 5' parcial se han elegido las fibras metálicas de tal
manera que presentan una porosidad de 90 a 95%, así como un tamaño
de poro de 100 a 200 \mum.
A continuación, está dispuesta en el centro una
segunda zona 5'' parcial que está separada de la primera zona 5'
parcial adecuadamente de forma permeable al gas de escape. Esta zona
5'' parcial presenta una porosidad en el intervalo entre 80 y 90%
con un tamaño del poro entre 50 y 100 \mum y garantiza una
separación más fina de las partículas más pequeñas.
En el sentido de la salida 6 del gas sigue una
tercera zona 5''' parcial, también rellena con fibras metálicas,
cuya porosidad se ha ajustado entre 60 y 70% y el tamaño de poro
< 50 \mum, de manera que aquí tiene lugar un filtrado muy
fino.
Naturalmente, también puede elegirse una
graduación más fina con más de las tres zonas 5', 5'', 5'''
parciales mostradas.
En todas, pero también solamente en una o dos
zonas 5', 5'' ó 5''' parciales pueden emplearse fibras metálicas
dotadas o recubiertas de forma catalítica para realizar un
tratamiento posterior catalítico adicional.
El dispositivo según la invención puede estar
configurado de forma relativamente variable y, por ejemplo, la zona
3 rellena con esferas huecas puede emplearse solamente para ejercer
influencia en la corriente de gas de escape y/o para la
aglomeración de partículas favorable para la separación, y el
tratamiento catalítico posterior puede ser una posibilidad
opcional.
Algo similar sucede con las zonas 5 rellenas con
fibras metálicas que únicamente pueden utilizarse para la
separación de partículas de la corriente de gas de escape, pero
también puede proporcionarse de forma opcional un tratamiento
catalítico posterior.
Asimismo, para la carcasa 2 puede emplearse el
mismo material que se ha utilizado también para las esferas huecas
y las fibras metálicas, de manera que no son de notar diferencias de
potenciales electroquímicos y también están presentes las
propiedades citadas en la parte general de la descripción.
Claims (17)
1. Dispositivo para el tratamiento posterior de
gases de escape de máquinas de combustión interna en el que la
corriente de gas de escape se conduce a través de una zona (3)
rellena con esferas huecas y, a continuación, a través de una zona
(5) rellena de fibras metálicas, como filtro de partículas.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque las esferas huecas están hechas de
metal.
3. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 ó 2, caracterizado porque las esferas huecas son
porosas.
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 3, caracterizado porque los diámetros de las esferas se
reducen en el sentido del flujo del gas de escape.
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 4, caracterizado porque las esferas huecas están
sinterizadas unas con otras de forma puntual.
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 5, caracterizado porque la zona (5) rellena con fibras
metálicas está dividida en al menos dos zonas parciales en forma de
capa con diferente porosidad y/o distribución del tamaño del poro
en el sentido de la corriente del flujo del gas de escape.
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 6, caracterizado porque la porosidad se reduce en el
sentido del flujo del gas de escape.
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 7, caracterizado porque se observan porosidades en el
intervalo entre 70 y 95%.
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 8, caracterizado porque la superficie de las esferas
huecas y/o fibras metálicas está dotada o revestida con material
catalíticamente activo.
10. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la zona (3)
rellena con esferas huecas está dispuesta cerca de la salida de
gases de escape de una máquina de combustión interna.
11. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la zona (3)
rellena con esferas huecas está dispuesta en el colector de gases
de escape de una máquina de combustión interna.
12. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque entre la zona
(3) rellena con esferas huecas y la zona (5) rellena con fibras
metálicas existe un espacio (4) hueco.
13. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la sección
transversal libre a través de la cual se conduce el gas de escape a
través de las zonas (3, 4, 5) está ampliada en comparación con el
tubo de gases de escape.
14. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque las esferas
huecas y las fibras metálicas están hechas de una aleación de
hierro, cromo y níquel, una aleación con base de níquel, una
aleación de hierro, cromo y aluminio o aluminuro, o una combinación
de éstos.
15. Procedimiento para el tratamiento posterior
de gases de escape de una máquina de combustión interna, en el que
el gas de escape se conduce a través de una zona (3) rellena con
esferas huecas para ejercer influencia en la corriente del gas de
escape, en la aglomeración de partículas y/o en el tratamiento
catalítico posterior del gas de escape, y, a continuación de la
zona (3) rellena con esferas huecas, el gas de escape se conduce a
través de una zona (5) rellena con fibras metálicas para el filtrado
de partículas del gas de escape y/o para el tratamiento catalítico
posterior del gas de escape.
16. Procedimiento según la reivindicación 15,
caracterizado porque, al pasar por la zona (3) rellena con
esferas huecas, las partículas aglomeradas en la zona (4) rellena
con fibras metálicas se separan de la corriente del gas de
escape.
17. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 15 ó 16, caracterizado porque en la zona (5)
rellena de fibras metálicas que está dividida en zonas (5', 5'',
5''') parciales de diferente porosidad se filtran partículas de
forma gradual.
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