PT1706605E

PT1706605E - Estrutura de filtração, nomeadamente filtro de partículas para os gases de escape de um motor de combustão interna e membro de reforço para uma tal estrutura

Info

Publication number: PT1706605E
Application number: PT04816403T
Authority: PT
Inventors: Sebastien Bardon; Dominique Dubots
Original assignee: Saint Gobain Ct Recherches
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2007-12-21
Also published as: ES2293386T3; JP4637117B2; WO2005071234A1; DE602004009834T2; ATE377142T1; JP2007517160A; EP1706605B1; EP1706605A1; DK1706605T3; DE602004009834D1; FR2864577A1; FR2864577B1; US20070095038A1; PL1706605T3

Description

Descrição

Estrutura de filtração, nomeadamente filtro de partículas para os gases de escape de um motor de combustão interna e membro de reforço para uma tal estrutura A presente descrição diz respeito a uma estrutura de filtração, nomeadamente a um filtro de partículas para os gases de escape de um motor de combustão interna de acordo com o preâmbulo da revindicação 1.

Tais estruturas são utilizadas nomeadamente nos dispositivos de despoluiçâo dos gases de escape de motores de combustão interna. Esses dispositivos compreendem uma panela de escape que compreende em série um órgão de purificação catalítico e um filtro de partículas. 0 órgão de purificação catalítico é adaptado para o tratamento das emissões poluentes na fase gasosa, enquanto o filtro de partículas é adaptado para reter as partículas de fuligem emitidas pelo motor.

Numa estrutura conhecida do tipo anteriormente citado (ver por exemplo EP-A-0816065), os órgãos de filtração compreendem um conjunto de tubos adjacentes de eixos paralelos, separados por paredes porosas de filtração. Esses tubos estendem-se entre uma face de admissão dos gases de escape a filtrar e uma face de evacuação dos gases de escape filtrados. Esses tubos são por outro lado obturados a um ou a outro nas suas extremidades para delimitar as câmaras de entrada que se abrem na face de admissão e câmaras de saída que se abrem na face de evacuação. 1/12

Essa estrutura funciona seguindo uma sucessão de fases de filtração e de regeneração. Na altura das fases de filtração, as partículas de fuligem emitidas pelo motor são depositadas nas paredes das câmaras de entrada. A perda de carga através do filtro aumenta progressivamente. Para além de um valor predeterminado dessa perda de carga, é efectuada uma fase de regeneração.

No momento da fase de regeneração, as partículas de fuligem, compostas essencialmente por carbono, são queimadas nas paredes das câmaras de entrada graças aos meios de aquecimento auxiliar, a fim de restituir à estrutura as suas propriedades originais.

No entanto, a combustão das fuligens no filtro, não se faz de forma homogénea (a combustão começa à frente do centro do filtro e depois propaga-se). De seguida, os gradientes de temperatura importantes aparecem no filtro no momento das fases de regeneração.

Os gradientes de temperatura dentro da estrutura de filtração geram dilatações locais de amplitudes diferentes e de seguida tensões longitudinais e transversais nos e/ou entre os diferentes órgãos de filtração.

Essas fortes tensões termomecânicas estão na origem das fissuras nos órgãos de filtração e/ou nas juntas de ligação entre esses órgãos de filtração.

Para limitar o risco de aparecimento dessas fissuras, o pedido de patente EP-A-0816065 propõe utilizar juntas de ligação que compreendem uma rede tridimensional de fibras de cerâmica submersas num cimento mineral. A coesão da rede de fibras e a ligação entre essa rede e o cimento são 2/12 asseguradas pelas substâncias de engomadura das fibras, em que uma é mineral e a outra é orgânica.

As estruturas actuais não são inteiramente satisfatórias. Com efeito, a realização de uma tal junta entre os órgãos de filtração é pouco prática devido nomeadamente à reologia da junta. A invenção tem como objecto principal remediar esse inconveniente, quer dizer, fornecer uma estrutura de filtração porosa para a filtragem de partículas que compreende uma junta de ligação reforçada, fácil de ser realizada.

Para esse efeito, a invenção tem como objecto uma estrutura de filtração de acordo com a reivindicação 1. A estrutura de filtração de acordo com a invenção, pode compreender uma ou mais características que fazem o objecto das reivindicações 2 a 10.

Exemplos de realizações da invenção vão agora ser descritos tendo em conta os desenhos em anexo, nos quais: - a figura 1 é uma vista em perspectiva de uma primeira estrutura de filtração de acordo com a invenção; a figura 2 é uma vista parcial em perspectiva explodida da estrutura de filtração da figura 1; a figura 3 é uma vista de baixo da estrutura de filtração da figura 1; e a figura 4 é uma vista análoga à figura 3, de uma segunda estrutura de filtração de acordo com a invenção. 3/12 0 filtro de partículas 11 representado na figura 1 está disposto numa linha 13 de gases de escape de um motor a diesel de um veículo automóvel, representado parcialmente.

Essa linha de escape 13 prolonga-se para além das extremidades do filtro de partículas 11 e delimita uma passagem de circulação dos gases de escape. 0 filtro de partículas 11 estende-se seguindo uma direcção X-X' longitudinal de circulação dos gases de escape. Compreende uma pluralidade de blocos 15 de filtração ligados entre eles através de juntas de ligação 17.

Cada bloco de filtração 15 é sensivelmente de uma forma em paralelepípedo de rectângulo alongado, seguindo a direcção longitudinal X-X'. 0 termo "bloco de filtração", designa com maior amplitude um conjunto que compreende uma face de entrada, uma face de saída e pelo menos três faces laterais (quatro faces laterais no exemplo representado) que ligam a face de entrada à face de saída.

Como ilustrado na figura 2 onde estão representados dois blocos de filtração 15A e 15B sobrepostos, cada bloco de filtração 15 compreende uma estrutura de filtração 19 porosa, uma face 21 de admissão dos gases de escape a filtrar, uma face 23 de evacuação dos gases de escape filtrados, e quatro faces laterais 24. A estrutura de filtração porosa 19 é realizada num material de filtração constituída por uma estrutura monolítica, nomeadamente em cerâmica (cordierita ou carbureto de silício). 4/12

Essa estrutura 19 possui uma porosidade suficiente para permitir a passagem dos gases de escape. No entanto, como é sabido, o diâmetro dos poros é escolhido para que seja suficientemente pequeno para assegurar uma retenção das partículas de fuligem. A estrutura porosa 19 compreende um conjunto de tubos adjacentes de eixos paralelos à direcção longitudinal X-X'. Esses tubos são separados por paredes 25 porosas de filtração. No exemplo ilustrado na figura 2, essas paredes 25 são de espessura constante e estendem-se longitudinalmente na estrutura de filtração 19, da face de admissão 21 à face de evacuação 23.

Os tubos são repartidos num primeiro grupo de tubos de entrada 27 e um segundo grupo de tubos de saida 29. Os tubos de entrada 27 e os tubos de saida 29 estão dispostos um para cima e outro para baixo.

Os tubos de entrada 27 são obturados ao nivel da face de evacuação 23 do bloco de filtração 15 e são abertos na sua outra extremidade.

Pelo contrário, os tubos de saida 29 são obturados ao nivel da face de admissão 21 do bloco de filtração 15 e são abertos seguindo a sua face de evacuação 23.

No exemplo ilustrado que diz respeito à figura 2, os tubos de entrada 27 e de saída 29 têm secções constantes seguindo todo o seu comprimento.

Por outro lado, as faces laterais 24A e 24B em comparação com as dos blocos de filtração 15A e 15B são planas. 5/12

Como ilustrado na figura 2, a junta de ligação 17 está disposta entre as faces planas 24A e 24B em comparação com as dos blocos de filtração 15A e 15B. Essa junta de ligação 17 compreende um aglutinante 41 e meios de reforço 43, submersos nesse aglutinante 41. 0 aglutinante 41 é realizado com base de cimento cerâmico, geralmente constituído por sílica e/ou carbureto de silício e/ou nitrato de alumínio. Após a vitrificação, esse cimento tem um módulo de elasticidade de 500 a 5000 Mpa.

Como ilustrado na figura 3, os meios de reforço compreendem mangas 43 dispostas alternativamente à volta de um bloco de filtração 15 em dois, no momento em que se desloca paralelamente para um primeiro eixo transversal Y-Y' da estrutura de filtração 11 (horizontal na figura 3) . Por outro lado, as mangas 43 estão dispostas alternativamente à volta de um bloco de filtração 15A em dois, no momento em que se desloca paralelamente para um segundo eixo transversal Z-Z' da estrutura 11 (vertical na figura 3).

Assim, cada bloco de filtração 15A rodeado por uma manga 43 é adjacente aos blocos de filtração 15B livres, o que quer dizer que não são rodeados por uma manga 43. Por outro lado, cada bloco de filtração livre 15B é adjacente aos blocos de filtração 15A rodeados por mangas.

Cada manga 43 compreende quatro partes activas 45 de forma geral sensivelmente planas, em que cada uma se estende sensivelmente em toda a superfície adjacente do bloco 15A correspondente.

Por "parte activa da forma geral sensivelmente plana", entende-se uma parte 45 em que a dimensão, presa 6/12 paralelamente a um eixo transversal horizontal ou vertical Y-Y' ou Z-Z' é inferior a pelo menos duas vezes a dimensão da parte 45 presa paralelamente ao outro eixo transversal vertical ou horizontal e à dimensão da parte 45, presa paralelamente à direcção longitudinal X-X' da estrutura de filtração 11.

Como ilustrado na figura 3, cada parte activa 45 está disposta entre uma face 24A de um bloco 15A rodeado por uma manga 43 e uma face 24B de um bloco livre 15B.

Com referência à figura 2, cada parte activa 45 compreende uma pluralidade de vigas 47 metálicas dispostas paralelamente na direcção longitudinal X-X' da estrutura. Por outro lado, a parte activa 45 compreende uma pluralidade de travessas 49 metálicas que ligam as ditas vigas 47. Essas travessas 49 estão dispostas paralelamente no eixo transversal Y-Y', perpendicular à direcção longitudinal X-X' da estrutura.

Assim, as vigas 47 e as travessas 49 delimitam uma pluralidade de vias 51. A parte activa 45 é assim aberta, o que lhe permite submergir no cimento 41, e possui uma coesão ou uma resistência mecânica própria ou autónoma, por oposição a uma massa de fibras submersas no cimento de forma aleatória.

No exemplo ilustrado na figura 2, as vigas 47 e as travessas 49 são constituídas por hastes de diâmetro inferior à distância que separa as duas hastes sucessivas, presas paralelamente na direcção longitudinal X-X' da estrutura ou no eixo transversal Y-Y'. Assim, o volume das vias 51 é superior ao volume total das vigas 47 e das travessas 49. 7/12

Essas vias 51 definem assim uma estrutura periódica seguindo a direcção longitudinal X-X' e seguindo o eixo Y-Y' . A orientação das vigas 47 e das travessas 49 reforça as propriedades mecânicas da junta 17 num plano paralelo nas faces 24A e 24B dos blocos de filtração 15A e 15B em comparação.

Por outro lado, as vigas 47 e as travessas 49 sendo realizadas com base num material metálico, constituem eixos privilegiados de propagação dos fluxos térmicos dentro da junta 17. Elas permitem assim repartir o calor libertado pela combustão das fuligens, de maneira mais uniforme dentro da junta 17 e de reduzir a formação de pontos quentes nessa junta 17.

No caso onde as tensões termomecânicas são muito fortes na estrutura 11, as fissuras geradas na junta 17 pelo afrouxamento da estrutura 11 são orientadas ao longo das vigas 47 e das travessas 49.

Como ilustrado na figura 3, as partes activas 45C e 45D em comparação com as duas faces adjacentes 24C e 24D de cada bloco 15 rodeado por uma manga 43, são ligadas entre elas. Essa disposição particular melhora também a coesão da junta 17 entre duas faces 24C e 24E em comparação, seguindo uma direcção ortogonal no plano definido pela parte activa 45C disposta entre essas duas faces 24C e 24E. 0 funcionamento da primeira estrutura de filtração de acordo com a invenção vai agora ser descrita. 8/12

No momento de uma fase de filtração (figura 1), os gases de escape carregados de partículas são guiados até às faces de entrada 21 dos blocos de filtração 15 pela linha de escape 13. Eles penetram de seguida nos tubos de entrada 27, e passam através das paredes 25 de estrutura porosa 19 (figura 2) . No momento dessa passagem, as fuligens são depositadas nas paredes 25 dos tubos de entrada 27. Essas fuligens são depositadas de preferência no centro do filtro de partículas 11 e para a face de evacuação 23 dos blocos de filtração 15 (à direita no desenho).

Os gases de escape filtrados escapam-se pelos tubos de evacuação 29 e são guiados para a saída da panela de escape.

No momento em que o veículo percorre cerca dos 500km, a perda de carga através do filtro 11 aumenta de forma significativa. É então efectuada uma fase de regeneração.

Nessa fase, as fuligens são oxidadas por elevação da temperatura do filtro 11. Essa oxidação é exotérmica. A propagação da regeneração assim como a repartição não homogénea das fuligens no filtro 11 provoca um gradiente de temperatura entre as zonas de forte acumulação das fuligens e das zonas de fraca acumulação das fuligens.

Por outro lado, os blocos de filtração 15 e as juntas 17 dilatam-se sob o efeito da temperatura. A amplitude local dessa dilatação depende da temperatura.

Essas variações de amplitude de dilatação sob o efeito dos gradientes de temperatura, geram fortes tensões termomecânicas. 9/12

Como precisado anteriormente, as mangas 43 asseguram a coesão da junta 17 no momento em que é submetida a essas fortes tensões.

No caso onde as tensões termomecânicas são muito fortes na estrutura, as fissuras geradas na junta 17 pelo afrouxamento da estrutura 11 são orientadas ao longo das vigas 47 e travessas 49 das mangas 43.

Por outro lado, a amplitude dos gradientes de temperatura é diminuída por uma melhor difusão dos fluxos térmicos através das mangas 43.

Na variante ilustrada em comparação com a da figura 4, a estrutura compreende as células 61 que compreendem quatro blocos de filtração 15 adjacentes.

Dentro de uma célula, cada bloco de filtração 15C compreende duas faces adjacentes 24 em comparação respectivamente das duas faces de dois outros blocos de filtração 15D, 15E da célula 61.

Cada célula 61 compreende por outro lado um órgão de armação 43 comum para os quatro blocos de filtração 15.

Como ilustrado na figura 4, o órgão de armação 43 de cada célula tem uma forma sinuosa e compreende uma pluralidade de partes activas sucessivas 45 sensivelmente de forma plana, ligadas entre si em série. Assim, cada parte activa 45 está ainda ligada a duas outras partes activas 45 do órgão de armação 43.

Por outro lado, as partes activas 45 ligadas entre si, estendem-se nos planos ortogonais. 10/12

De seguida, dentro de cada célula 61, o órgão de armação 43 compreende pelo menos duas partes activas 45 em comparação respectivamente com as duas faces adjacentes 24 de cada bloco de filtração 15. A coesão dentro de uma célula de filtração 61 é então reforçada paralelamente na direcção longitudinal X-X' da estrutura 11, paralelamente no eixo horizontal Y-Y' e paralelamente no eixo vertical Z-Z' dessa estrutura 11.

Por outro lado, a estrutura de filtração 11 compreende uma pluralidade de células 61. Como ilustrado na figura 4, para cada par de células adjacentes, pelo menos uma parte activa 45A do órgão de armação 43A de uma primeira célula 61A está disposta em comparação com uma face 24B de um bloco de filtração 15B de uma segunda célula 61B adjacente, afim de assegurar a coesão mecânica entre as diferentes células 61.

Como variante, as vigas 47 e as travessas 49 podem ter outras orientações, por exemplo a 45° dos eixos X-X' e Y-Y' ou a 30° de um desses eixos.

Igualmente como variante, o órgão de armação compreende partes activas formadas com a ajuda de uma tela trançada. A tela trançada é realizada com uma base de fibras, por exemplo orgânicas, que se degradam em temperaturas superiores a 150° C.

Esse órgão de armação desaparece por combustão, seja na altura da elaboração da estrutura de filtração, seja na altura do aquecimento local dentro da junta. Todavia, as passagens criadas no espaço anteriormente ocupado através de fibras orgânicas do órgão de armação favorecem o afrouxamento das tensões na junta de filtração, e no caso 11/12 onde as tensões termomecânicas são muito fortes, asseguram a propagação das fissuras ao longo dessas passagens.

Numa outra variante, as partes activas do órgão de armação compreendem placas com aberturas ou chapas onduladas com aberturas afim de diminuir a amplitude dos gradientes térmicos dentro da estrutura.

Graças à invenção que acaba de ser descrita, é possível dispor de uma estrutura de filtração que pode suportar uma variedade de fases de regeneração preservando a sua coesão mecânica e a sua impermeabilização em relação à fuligem.

Nessa estrutura, o afrouxamento das tensões termomecânicas e a formação de eventuais fissuras na junta são orientadas seguindo as direcções privilegiadas.

Essa estrutura assegura por outro lado uma melhor repartição das temperaturas dentro da junta, no caso onde o órgão de armação é realizado com base num material metálico.

Lisboa, 12/12

Claims

Reivindicações 1. Estrutura de filtração (11), nomeadamente filtro de partículas para os gases de escape de um motor de combustão interna, do tipo que compreende: - pelo menos um primeiro e um segundo órgão de filtração (15A, 15B) que apresentam respectivamente uma primeira e segunda face (24A, 24B), dispostas em comparação uma com a outra; - uma junta de ligação (17) das ditas faces (24A, 24B) , que se estendem entre as ditas faces (24A, 24B), essa junta (17) que compreende um aglutinante (41) e meios de reforço (43) submersos nesse aglutinante (41), caracterizada pelo facto de que os ditos meios de reforço (43) compreendem pelo menos um órgão de armação com orifícios abertos, que tem uma coesão autónoma e que compreende pelo menos uma parte activa (45) com aberturas e submersa no aglutinante, de forma geralmente sensível plana, a parte activa (45) apresenta uma resistência mecânica própria.
2. Estrutura (11) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo facto de que a dita parte activa (45) compreende uma pluralidade de vigas (47) dispostas sensivelmente e paralelamente numa primeira direcção (X-X') ·
3. Estrutura (11) de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo facto de que a dita parte activa (45) compreende uma pluralidade de travessas (49) ligando as ditas vigas (47) e dispostas sensivelmente e paralelamente 1/3 numa segunda direcção (Y-Y'), distinta da primeira direcção (X-X'),
4. Estrutura (11) de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo facto de que o volume total das vias (51) delimitadas pelas ditas vigas (47) e pelas ditas travessas (49), é superior ao volume total das ditas vigas (47) e das ditas travessas (49).
5. Estrutura (11) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de que o órgão de armação (43) é realizado com base num material metálico.
6. Estrutura (11) de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo facto de que o órgão de armação (43) é realizado com base num material que se degrada em temperaturas superiores a 150°C.
7. Estrutura (11) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de que o órgão de armação (43) compreende uma parte activa (45C,45D) em comparação com as duas faces adjacentes (24C,24D) do órgão de filtração (24C, 24D), as ditas partes activas (45C,45D) sendo ligadas entre si.
8. Estrutura (11) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de que compreende pelo menos uma célula (61) que compreende quatro órgãos de filtração (15) , e um órgão de armação (43) comum, de forma sinuosa, pelos ditos órgãos de filtração (15), o órgão de armação comum (43) que compreende pelo menos três partes activas sucessivas (45) dispostas em comparação com 2/3 as faces adjacentes (24) dos órgãos de filtração (15) da célula (61) .
9. Estrutura (11) de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo facto de que ela compreende pelo menos uma primeira e segunda célula (61A, 61B), pelo menos uma parte activa (45A) do órgão de armação (43A) da primeira célula (61A) estando disposta em comparação com a face (24B) de um órgão de filtração (15B) da segunda célula (β 1B) .
10. Estrutura (11) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de que a ou cada parte activa é formada com a ajuda de uma tela trançada, de uma chapa ondulada com aberturas ou uma placa com aberturas. Lisboa, 3/3