ES2200477T3 - Nuevo elemento catalitico destinado para el tratamiento de los gases de escape de un motor de combustion interna. - Google Patents
Nuevo elemento catalitico destinado para el tratamiento de los gases de escape de un motor de combustion interna.Info
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Abstract
LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UN ELEMENTO CATALITICO DESTINADO A ELIMINAR LOS CONTAMINANTES DE LOS GASES DE ESCAPE DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA, QUE COMPRENDE AL MENOS UN MONOLITO (10) ENVUELTO EN UNA VIROLA (11). - SEGUN LA INVENCION, EL MONOLITO (10) COMPRENDE DOS ELEMENTOS (12, 13) SEPARADOS POR UN VOLUMEN VACIO (14) DELIMITADO POR DICHA VIROLA (11) Y UNA CARA DE CADA UNO DE DICHOS ELEMENTOS (12, 13). DICHA VIROLA (11) COMPRENDE ABERTURAS (15) COLOCADAS EN EL VOLUMEN VACIO (14).
Description
Nuevo elemento catalítico destinado para el
tratamiento de los gases de escape de un motor de combustión
interna.
La presente invención se refiere al ámbito del
tratamiento de los gases de escape procedentes de un motor de
combustión interna.
Más precisamente la invención se refiere a la
descontaminación catalítica de estos gases de escape.
Un problema importante relacionado con la
descontaminación puede provenir, en algunas aplicaciones de la
fuerte exotermicidad de las reacciones a nivel de los catalizadores
habitualmente dispuestos en el tubo de escape. Se denominará en lo
que sigue del texto "catalizador" o "monolito" todo
elemento que comprenda un soporte mecánico sobre el cual esté
dispuesto el catalizador propiamente dicho. La exotermicidad
provoca elevaciones importantes de la temperatura de los monolitos;
estas temperaturas son peligrosas para el comportamiento mecánico
del soporte (metal, cerámica u otro). Además, estas temperaturas
elevadas son nefastas para la actividad catalítica del catalizador
depositado sobre el soporte.
Con el fin de evitar el dañado de los monolitos,
varios conceptos han sido ya propuestos.
Una primera vía consiste en equipar el conducto
de escape con dos catalizadores. La patente US 5.377 486 es un
ejemplo. En tales conductos un monolito principal, por el cual
pasará permanentemente el gas de escape es precedido de un monolito
denominado de "Light-off" o "de inicio"
por el cual pasarán los gases al arrancar el motor, por
consiguiente cuando no están aún muy calientes. Aunque es de
pequeño tamaño, el monolito "de light off" es sin embargo
eficaz desde los primeros momentos de funcionamiento del sistema.
Cuando los gases se van calentando, un conjunto de válvulas
permitirá eludir este primer catalizador para enviar el gas
directamente al monolito principal.
El documento JP-08 189344 permite
así un conjunto de válvulas en función de la temperatura de los
gases a la salida del motor.
Otro concepto conocido, tal como se describe en
la patente US 3.796.546, consiste en hacer pasar los gases por
caminos diferentes, según su temperatura. Así, según este documento,
los gases pasan bien sea sucesivamente a través de dos
catalizadores o no pasan por ninguno.
La problemática al principio de la presente
invención es la siguiente:
Puede suceder que la composición de los gases
tenga un efecto desfavorable en la descontaminación catalítica. En
efecto, se puede encontrar en presencia de un gas de escape que
contenga simultáneamente una fuerte cantidad de reductores (CO, HC)
y una fuerte cantidad de oxidantes (oxígeno).
Esto producirá una fuerte actividad de oxidación
de los reductores que provocarán un aumento importante de la
temperatura de los gases (reacción exotérmica).
Además, la mezcla gaseosa, aunque contenga mucho
oxígeno, puede sin embargo no contener lo suficiente para oxidar a
la vez el óxido de carbono y los hidrocarburos (en CO_{2} y
H_{2}O). Una parte de los hidrocarburos solo es entonces oxidada
parcialmente para formar óxido de carbono en el catalizador. La
eficacia catalítica respecto al CO será por consiguiente un
compromiso entre el CO oxidado en CO_{2} y el CO reformado por
esta oxidación parcial de los hidrocarburos. Este proceso es
favorecido a temperatura elevada.
Se puede representar este fenómeno por la
relación CO/HC a la salida del catalizador (a comparar con la
existente en la entrada).
Se trata pues de realizar un compromiso entre la
temperatura por una parte y la relación CO/HC a la salida del
conducto de escape por otra parte. La situación ideal sería aquella
en la que no hubiera ni óxido de carbono ni hidrocarburos a la
salida. Al ser esto imposible, debe encontrarse un compromiso con
el fin particularmente de conseguir la mejor relación de CO/HC.
Las normas futuras, en la mayoría de los países
industrializados van, en situaciones de este tipo, a ser difíciles
de respetar. Un catalizador tendrá que ser montado en los conductos
de escape. El problema del coste de un catalizador se vuelve
entonces un factor determinante.
Buscar un coste mínimo implica tener una sola
pieza. Vistas las disposiciones de voluminosidad, se puede
elegir:
- bien sea un monolito de sección baja, y más
bien alargado; esta solución crea variaciones locales de
temperatura más bien desfavorables para la eficacia del
catalizador.
- un monolito de gran sección y de poca longitud
puede también elegirse pero esta solución presenta el mismo
inconveniente que la precedente.
- también es conocido, por la patente francesa FR
2.687.431 por ejemplo, revestir la pared interna del conducto de
escape de una capa catalítica. Este concepto permite limitar las
elevaciones de temperatura; sin embargo todo el gas no alcanza
forzosamente la pared así revestida de modo que la actividad
catalítica puede considerarse como baja.
Esta problemática es más aguda en los conductos
de escape de los motores de dos tiempos pues por una parte las
emisiones de contaminantes son muy importantes. Por otra parte el
volumen es un problema crucial. Dicho de otro modo, las soluciones
actuales de catalizador en los motores de 2 tiempos no son
satisfactorias.
Las normas futuras relativas a las emisiones de
contaminantes harán necesaria y obligatoria una vasija catalítica
en los motores de dos tiempos.
Se conocen ya monolitos colocados en los
silenciosos de tubos de escape de motores de dos tiempos. Se
presentan corrientemente en forma de una virola que envuelve un
soporte de cerámica o metálico así mismo recubierto con un
catalizador. Los soportes a menudo solo están parcialmente rodeados
por la virola a causa de problemas de temperatura. Se trata por ello
de reducir el riesgo de elevación de temperatura inherente a la
reacción catalítica.
Es igualmente conocido por el documento
JP-A-04140413 disponer, en una
virola, dos elementos catalíticos uno a continuación del otro y a
distancia uno del otro con el fin de crear un volumen vacío entre
estos dos elementos, volumen en el cual los gases de escape
procedentes del primer elemento son refrigerados antes del paso por
el segundo elemento catalítico.
Esta disposición conocida presenta el
inconveniente no solamente de no poder asegurar el control de la
exotermicidad de los elementos catalíticos sino también la de
necesitar un largo período antes de que el segundo elemento sea
operativo.
La presente invención representa particularmente
una solución al problema de los monolitos colocados en el escape de
los motores de dos tiempos; la elevación de temperatura se reduce
favorablemente según la invención; además las normas de
voluminosidad se respetan; por otro lado la presente invención
puede suplementarse con una vasija de escape existente, de forma
rápida y cómoda.
Ventajosamente, la presente invención permite
utilizar algunas características de los monolitos metálicos
conocidos para eliminar los problemas de exotermicidad excesiva. La
misma permite además mantener de forma duradera los rendimientos
catalíticos.
Así, la invención tiene por objeto un elemento
catalítico destinado para eliminar los contaminantes de los gases
de escape de motores de combustión interna que comprende al menos
un monolito envuelto en una virola, comprendiendo el indicado
monolito un primer y un segundo elementos catalíticos separados por
un volumen vacío delimitado por la indicada virola y una superficie
de cada uno de los indicados elementos, caracterizado porque la
virola comprende unas aberturas colocadas a nivel del volumen vacío
y a través de las cuales se introduce un fluido de refrigeración de
los gases de escape que han pasado por el primer elemento
catalítico y porque el indicado volumen vacío está también
revestido interiormente con una capa catalítica.
Según un modo de realización de la invención, uno
al menos de los elementos sobrepasa en una parte de su longitud, por
fuera de la virola.
Según otro modo de realización de la invención
ninguno de los indicados elementos sobrepasa la virola.
Los volúmenes de cada uno de los indicados
elementos pueden ser diferentes.
De igual modo, la densidad de célula de cada uno
de los monolitos puede ser diferente.
Según la invención, la formulación de cada uno de
los monolitos puede ser diferente. Sin salirse del marco de la
invención, puede también ser la misma.
Las aberturas pueden presentar rebordes
inclinados con el fin de guiar el flujo gaseoso en el interior de
dicho volumen vacío.
Además, la virola comprende, a nivel del volumen
vacío y río abajo de las indicadas aberturas, al menos una ranura
circunferencial ahuecada hacia el interior de la virola.
Según un modo preferido de realización de la
invención, el elemento catalítico se coloca en el interior de un
silencioso que forma parte del tubo de escape.
La invención se refiere además a un silencioso
que comprende un elemento catalítico y que comprende además al
menos una entrada y al menos una salida para los gases de escape,
delimitando una doble cubierta un volumen intermediario y el
volumen interior del silencioso, una pared destinada para separar
el indicado volumen interior en dos partes, río arriba y río abajo
y sobre la cual está montado el elemento catalítico de tal forma
que el primer elemento catalítico esté situado en la parte río
arriba y que el segundo elemento catalítico esté situado en la
parte río abajo, estando las indicadas aberturas del elemento
catalítico situadas por el lado río abajo; la cubierta interna
presenta unas aberturas situadas por el lado río abajo de forma que
un fluido que fluya por el volumen intermediario pueda penetrar en
el indicado volumen río abajo a través de las indicadas aberturas
luego a través del segundo elemento catalítico.
El fluido en el volumen intermediario puede ser
aire y/o gases de escape a tratar.
Otras características, detalles, ventajas de la
invención aparecerán mejor con la lectura de la descripción que
sigue, realizada a título ilustrativo y en modo alguno limitativo
con referencia a las figuras adjuntas.
- La figura 1 es un esquema longitudinal de un
tubo de escape que comprende un elemento catalítico del estado de
la técnica;
- La figura 2 es una perspectiva simplificada de
un elemento catalítico según la figura 1;
- La figura 3 es un esquema longitudinal de un
tubo de escape que comprende un elemento catalítico según un modo
de realización de la invención;
- La figura 4 es una perspectiva simplificada de
un elemento catalítico según el modo de realización de la
invención;
- Las figuras 5A, 5B, 5C representan variantes
del elemento catalítico según el modo de realización de la
invención;
- La figura 6 es una sección longitudinal parcial
de un silencioso según la invención.
La figura 1 es un esquema de un tubo de escape
que comprende un conducto 1 que tiene un primer extremo 2 conectado
con la salida del motor (no representado); en su segundo extremo 3
el conducto desemboca, según este modo de realización de la
invención, en un cárter que sirve habitualmente de silencioso. Más
precisamente, el conducto 1 sobrepasa en una cierta extensión en el
interior del cárter 4.
Además, el cárter 4 incluye una pared de
separación 6 que define dos volúmenes:
El primero 7 contiene el extremo 3 del
conducto.
El segundo volumen 8 del cárter 4 comprende una
abertura 9 para la salida de los gases de escape descontaminados a
la atmósfera.
Sobre la pared de separación 6 está previsto un
paso que contiene un elemento catalítico 10.
El elemento catalítico 10 está representado con
más detalle en la figura 2 donde se puede apreciar que comprende
una virola 11 que rodea el monolito propiamente dicho. Este
comprende dos elementos catalíticos 12, 13 separados por un vacío
14. El volumen vacío 14 está así delimitado por una parte de la
virola 11 y por una superficie de cada uno de los elementos
catalíticos 12, 13.
Así los gases de escape que desembocan en el
volumen cerrado 7 pasan sucesivamente a través del primer elemento
catalítico 12, el volumen vacío 14 y luego el segundo elemento
catalítico 13 antes de alcanzar el volumen 8 de donde salen a la
atmósfera por la abertura (o las aberturas) 9.
Por otro lado, la pared interna del volumen vacío
14 está revestida por una capa catalítica. Este concepto denominado
"combi" permite a los gases pasar sucesivamente a través de un
canal de efecto catalítico y luego a través de un monolito de tipo
nido de abeja multicanal también dotado de una actividad
catalítica. Este concepto es muy interesante para el tratamiento de
los gases durante el funcionamiento a bajo régimen ya que favorece
la alimentación de las reacciones catalíticas.
Las figuras 3 y siguientes se refieren a un modo
de realización de la invención que difiere del precedente por el
hecho de que la virola 11 comprende unas lumbreras 15 a nivel del
volumen vacío 14. Así, una parte de los gases de escape no pasa a
través del primer elemento catalítico 12 ya que llega directamente
al volumen vacío. Esta proporción de los gases de escape permite
refrigerar los gases de escape que han atravesado el primer elemento
catalítico.
El conjunto de los gases de escape atraviesa por
consiguiente el segundo elemento catalítico 13 con una temperatura
menor que en el modo de realización precedente. Además, esta
introducción de gas de escape permite modificar la relación de
emisión entre los óxidos de carbono y los hidrocarburos.
Las figuras 5A, 5B y 5C muestran variantes de la
invención.
La figura 5A ilustra un modo de realización con
lumbreras 15 que ocupan una gran superficie; así el porcentaje de
penetración de los gases directamente en el volumen 14 es
relativamente importante. Bien entendido, esta permeabilidad se
adaptará al caudal considerado.
La figura 5B muestra encorvaduras alrededor de
las aberturas 15, que permiten dirigir mejor el flujo gaseoso al
interior de la virola 11, en el volumen 14.
Según la figura 5C, la virola 11 presenta un
perfil específico con al menos una ranura circunferencial 16
ahuecada hacia el interior. La ranura 16 está situada río abajo de
las aberturas 15 con relación al sentido de circulación de los
gases. Este perfil de tipo venturi permite por consiguiente acelerar
desde su introducción en el volumen 14 y/o favorecer la mezcla de
los dos flujos gaseosos.
En la figura 5C, se aprecia que el primer
elemento catalítico 12 presenta un volumen más pequeño que el
segundo elemento catalítico 13.
En efecto, no es necesario que los volúmenes
respectivos de los elementos 12 y 13 sean los mismos. El volumen
propio de cada elemento catalítico 12, 13 se calculará con el fin de
optimizar las temperaturas de gases obtenidas a la salida de cada
uno de ellos, con el fin particularmente de evitar los picos de
temperaturas perjudiciales para su integridad.
De igual modo la distancia entre los monolitos
puede definirse con el fin de obtener una refrigeración suficiente
de los gases que salen del primer elemento catalítico 12 hasta la
entrada del segundo 13, y para impedir de nuevo temperaturas
demasiado elevadas en el segundo elemento catalítico.
Los volúmenes respectivos de cada elemento
catalítico que sobrepasan la virola 11 son a tratar con el mismo
objetivo.
Los mismos ajustes pueden ser realizados, según
las necesidades, con el fin bien sea de reducir las emisiones de
óxidos de carbono demasiado elevadas o por el contrario para
favorecer la oxidación incluso parcial de los hidrocarburos
comprendidos si la misma conduce a un aumento de la emisión de
óxidos de carbono.
Con miras a favorecer la oxidación de los
hidrocarburos, se puede igualmente actuar sobre la relación
sección/longitud de cada elemento catalítico y sobre las densidades
de las células utilizadas, así como bien entendido sobre la
formulación catalítica.
La temperatura, la eficacia catalítica global y
relación de emisiones CO/HC pueden optimizarse realizando orificios
sobre la virola 11, que permiten a una parte del gas de derivar el
primer elemento catalítico 12. El número, la dimensión y la forma
de los orificios hay que adaptarla en función de la proporción de
gas que se desea desviar del primer elemento catalítico 12.
En este modo de realización, todo el gas que no
pasa por el primer elemento catalítico, al producirse las
reacciones catalíticas en éste conducirán a temperaturas menos
fuertes a la salida. La entrada de gases "frescos" por los
orificios 15 refrigera también el gas de entrada del segundo
elemento catalítico 13, que a su vez debería funcionar a una
temperatura más baja, incluso si estos gases "frescos"
reintroducidos son a descontaminar y pueden "re- aumentar" la
temperatura de funcionamiento de este segundo catalizador. La
descontaminación "en dos fases" modificará igualmente el
balance entre las emisiones de CO y las emisiones de HC, siendo el
sentido de variación función de la proporción de gas desviada.
Así, un óptimo puede ser obtenido, según la
invención para obtener un compromiso global satisfactorio a la vez
a nivel de las temperaturas y de las emisiones de
contaminantes.
Según un modo de realización de la invención, el
elemento catalizador es está dispuesto en el silencioso del tubo de
escape.
La figura 6 presenta parcialmente un silencioso
que se asemeja al esquematizado en la figura 3. Las diferencias
residen en la presencia de una doble cubierta 4, 4' que delimita un
espacio anular 24 por el cual transita un fluido: aire y/o gases de
escape. Este fluido fluye según las flechas B y penetra en el
volumen 8 por unos orificios 17 de la cubierta interna 4.
Por otro lado, el elemento catalítico 10 que está
aquí provisto de aberturas 15 situadas a nivel de los orificios 17,
el fluido procedente del espacio anular 24 puede fluir por el
volumen vacío 14 por efecto venturi luego en el segundo monolito
13. Esto es particularmente interesante en los motores donde el
aspecto dinámico es muy importante.
Sin salirse del marco de la invención, el
elemento catalítico puede integrarse en una zona tubular del tubo
de escape o también a la salida del difusor.
Las aplicaciones preferidas de la invención se
refieren a los motores de dos tiempos de vehículos de transporte,
pero también a cortadoras de césped, máquinas cortadoras u otras
máquinas motorizadas.
Claims (12)
1. Elemento catalítico destinado para eliminar
los contaminantes de los gases de escape de motores de combustión
interna, que comprende al menos un monolito (10) envuelto en una
virola (11), comprendiendo el indicado monolito un primer (12) y un
segundo (13) elementos catalíticos separados por un volumen vacío
(14) delimitado por la indicada virola y una superficie de cada uno
de los indicados elementos, caracterizado porque la virola
(11) comprende unas aberturas (15) colocadas a nivel del volumen
vacío (14) y a través de las cuales se introduce un fluido de
refrigeración de los gases de escape que han atravesado el primer
elemento catalítico (12) y porque el indicado volumen vacío está
también revestido interiormente por una capa catalítica.
2. Elemento catalítico según la reivindicación 1,
caracterizado porque uno al menos de los elementos (12, 13)
sobrepasa sobre una parte de su extensión por fuera de la virola
(11).
3. Elemento catalítico según la reivindicación 1,
caracterizado porque ninguno de los indicados elementos (12,
13) sobrepasa el exterior de la virola (11).
4. Elemento catalítico según una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los
volúmenes de cada unos de los indicados elementos (12, 13) son
diferentes.
5. Elemento catalítico según una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
densidad de célula de cada uno de los elementos (12, 13) es
diferente.
6. Elemento catalítico según una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
formulación de cada uno de los elementos (12, 13) es diferente.
7. Elemento catalítico según una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las
aberturas (15) de la mencionada virola (11) presentan unos
rebordes inclinados con el fin de guiar el flujo gaseoso al interior
de dicho volumen vacío (14).
8. Elemento catalítico según una cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
virola (11) comprende, a nivel del volumen vacío (14) y río abajo
de las indicadas aberturas (15), al menos una ranura
circunferencial (16) ahuecada hacia el interior de la virola (11) y
destinada para realizar un efecto venturi.
9. Utilización de un elemento catalítico según
una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el interior de
un silencioso que forma parte del tubo de escape.
10. Silencioso que comprende un elemento
catalítico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 y que
comprende además al menos una entrada (3) y al menos una salida (9)
para 'los gases de escape, delimitando una doble cubierta (4, 4')
un volumen intermediario (24) y el volumen interior del silencioso,
una pared (6) destinada para separar el indicado volumen interior
en dos partes, río arriba (7) y río abajo (8) y sobre la cual está
montado el elemento catalítico (10) de tal forma que el primer
elemento catalítico (12) esté situado en la parte río arriba (7) y
que el segundo elemento catalítico (13) esté situado en la parte
río abajo (8), porque las indicadas aberturas (15) del elemento
catalítico están situadas por el lado río abajo (8), porque la
cubierta interna (4) presenta igualmente aberturas (17) situadas
por el lado río abajo (8) de forma que un fluido que fluye por el
volumen intermediario (24) pueda penetrar en el indicado volumen río
abajo (8) a través de las indicadas aberturas (17) y luego a través
del segundo elemento catalítico (13).
11. Silencioso según la reivindicación 10,
caracterizado porque el fluido consiste en aire.
12. Silencioso según una cualquiera de las
reivindicaciones 10 u 11, caracterizado porque el fluido
consiste en gases de escape.
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