ES2225728T3 - Aparato para reducir particulas de carbon. - Google Patents
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Abstract
Un aparato (12) para retirar partículas de carbón de los gases de escape (1) de un motor Diesel, cuyo aparato (12) comprende: - una pluralidad de filtros metálicos (13) cada uno de los cuales tiene una estructura de malla de alambre, cuyos filtros (13) están dispuestos para capturar durante el uso partículas de carbón, y dichos filtros (13) se regeneran durante el uso con objeto de ser utilizados de modo continuo después, y en el que al menos algunos de los filtros (13) tienen el mismo diámetro exterior; - una envuelta cilíndrica (21) dispuesta, durante el uso, para alojar dichos filtros; caracterizado por: - un espacio (22) dispuesto entre la envuelta (21) y los filtros (13); - un retenedor (23) situado en el espacio (22) entre la envuelta (21) y los filtros (13), dispuesto para sujetar durante el uso los filtros (13) dentro de la envuelta (21); - una placa (25) que cierra, durante el uso, un extremo del filtro (13) más próximo al lado de aguas arriba del aparato (12); - una abertura (24)dispuesta en una sección central de al menos uno de los filtros (13) para comunicación durante el uso entre los filtros (13), y comunicación con un tubo de escape (3) sobre el lado de aguas abajo del aparato (12); y - en el que al menos algunos de los filtros (13) tienen densidades de malla diferentes.
Description
Aparato para reducir partículas de carbón.
La presente invención se refiere a un aparato
para reducir partículas de carbón. Más particularmente, la presente
invención se refiere a un aparato reductor de partículas de carbón
que puede captar y acumular partículas de carbón tales como de
hollín y humo contenidas en el gas de escape de, por ejemplo, un
motor Diesel, y que permite entonces que dichas partículas de
carbón sea oxidadas y quemadas, con lo que se las reduce y/o
elimina.
En los gases de escape de un motor Diesel hay
contenidas partículas finas de carbón, es decir partículas de
carbón PM (materia en partículas), que forman el hollín y el humo
generados por la combustión incompleta de un combustible.
Si dichas partículas PM de carbón son descargadas
directamente en la atmósfera abierta constituyen un contaminante, y
son nocivas. Por tanto, es una cuestión importante reducir o
eliminar dichas partículas de carbón.
La fig. 4 es un corte transversal explicatorio
que muestra un aparato para las partículas de carbón PM de acuerdo
con la técnica anterior de esta clase. Un tubo de escape 2, 3 para
el gas de escape 1 emitido desde un motor Diesel está dotado de un
convertidor catalítico entre dichas partes 2, 3. El convertidor
catalítico 4 cuenta con un purificador 5 para purificar CO, HC,
etc., y un aparato eliminador 6 para las partículas de carbón PM,
en ese orden.
El purificador 5 tiene un núcleo alveolar 7
dotado de unas paredes de celdas a las que se hace que se adhiera y
sean recubiertas con un catalizador de oxidación, tal como Pt. El
purificador 5 se hace que no sólo oxide, queme, y elimine así el
CO, HC, etc., sino que permite también que el NO en el gas de
escape 1 se oxide en NO_{2}.
El aparato eliminador 6 para las partículas de
carbón PM tiene un filtro poroso de alta densidad 9 hecho de
cerámica, dotado de unas paredes porosas 10 a las que se adhiere y
son recubiertas por un catalizador tal como Pt. El aparato
eliminador no sólo capta y acumula las partículas de carbón PM del
gas de escape 1, sino que además oxida, quema, y elimina así dichas
partículas de carbón PM.
Primer
problema
Los siguientes problemas han sido la señalados en
la técnica anterior. En primer lugar, el aparato eliminador 6 de las
partículas de carbón PM del convertidor catalítico 4 se rompe
fácilmente durante el uso.
Es decir, que en el aparato de eliminación
convencional 6 es empleado un filtro poroso 9 de alta densidad hecho
de cerámica, en el que una gran cantidad de partículas de carbón
PM, después de haber sido capturadas y acumuladas en cada pared 10
de poros del filtro 9, han sido oxidadas, quemadas y luego
eliminadas todas juntas. En este caso, una relación de captura y/o
una relación de eliminación de las partículas de carbón PM se
elevan a un 95% o más. Dado que la gran cantidad de partículas de
carbón PM así capturadas y acumuladas, son oxidadas y quemadas
intensamente todas juntas, se produce una elevación aguda de la
temperatura, y ésta alcanza casi un valor aproximado de 1.200 K.
Por tanto, en el aparato de eliminación
convencional 6 de las partículas de carbón PM, existe el problema
de que el filtro se romperá con tan altas temperaturas de uso.
Segundo
problema
La vida del aparato de eliminación convencional 6
de la partículas de carbón PM es corta.
Es decir, que estaba previsto que este aparato
eliminador 6 fuese regenerado con objeto de ser utilizado después de
modo continuo. Por tanto, una vez que el filtro 9 oxida, quema, y
elimina luego las partículas de carbón PM capturadas y eliminadas,
el filtro 9 es regenerado para repetir un ciclo de captura de nuevas
partículas de carbón PM, acumulación, oxidación, quema, y luego su
eliminación, Por tanto, era de esperar que el filtro 9 repita una
serie de ciclos de regeneración, captura, acumulación, oxidación,
quema, y eliminación, en ese orden.
Pero como antes se ha dicho, se produce
fácilmente la rotura térmica del filtro 9 de este aparato
eliminador 6 bajo una temperatura alta, y el filtro queda destruido
aproximadamente en una semana. Por ello, el filtro 9 presenta la
desventaja de una vida en servicio extremadamente corta, y su coste
constituye un grave inconveniente.
Tercer
problema
En tercer lugar ha de hacer notar que el azufre
(S) contenido en el gas de escape 1 puede afectar a la captura,
acumulación, oxidación, quema, y eliminación de las partículas de
carbón PM.
Es decir, que el azufre (S) del petróleo
permanece en el gas de escape 1. Aproximadamente 500 ppm de azufre
(S) están contenidas ahora en el gas de escape 1, pero en el futuro
serán reducidas aproximadamente a 50 ppm. Por tanto, se ha señalado
que el azufre (S) forma sulfato SO_{4}^{2} en el aparato de
eliminación 6 de las partículas de carbón PM, se adhiere a éstas, y
produce obstrucciones, etc.
Como resultado ha sido difícil capturar,
acumular, oxidar, quemar, y luego eliminar las partículas de carbón
PM en el filtro 9. En particular, los problemas causados por el
azufre (S) son obvios en el gas de escape 1, que contiene una alta
concentración de azufre (S), aproximadamente de 500 ppm, o el gas
de escape 1 contiene una gran cantidad de partículas de carbón
PM.
En el convertidor catalítico 4, el purificador 5
situado sobre su lado de aguas arriba hace que el óxido de
nitrógeno NO se oxide en dióxido de nitrógeno NO_{2}, que luego
es suministrado al aparato eliminador 6 de las partículas de carbón
PM en el lado de aguas abajo.
El dióxido de nitrógeno NO_{2} tiene la función
de acelerar la oxidación y la quema, y la eliminación de las
partículas de carbón PM en el aparato eliminador 6, por lo que es
de esperar que se resuelvan considerablemente los problemas
causados por el azufre (S), antes descritos.
Dicha función del dióxido de nitrógeno NO_{2}
se presenta a un nivel de temperatura aproximado de 600 K. No
obstante y como antes se ha descrito, en el aparato de eliminación
convencional se observa una elevación aguda de la temperatura de
hasta 1.200 K. De acuerdo con ello, ha sido casi imposible hacer
que el dióxido de nitrógeno NO_{2} ejerza esa función.
El documento
WO-A-0034632 describe un sistema
para después del tratamiento de los gases de escape, que comprende
dos catalizadores.
El documento
WO-A-9944725 describe un sistema
para la retirada de las partículas de combustible diesel, que
comprende un catalizador y un retenedor de partículas.
El aparato
EP-A-1055805 describe un sistema
para retirar la suciedad de los gases de escape, que tiene dos
etapas de tratamiento consecutivas.
Para resolver algunos de los problemas presentes
en la técnica anterior, de acuerdo con la presente invención se
proporciona un aparato para retirar las partículas de carbón de los
gases de escape de un motor diesel, cuyo aparato comprende:
- una pluralidad de filtros metálicos que tienen
una estructura de malla de alambre, cuyos filtros están dispuestos
para capturar durante el uso las partículas de carbón, y los cuales
se regeneran durante el uso con objeto de ser utilizados después de
modo continuo, y en el que al menos algunos de los filtros tienen
el mismo diámetro exterior;
- una envuelta cilíndrica dispuesta, durante el
uso, para alojar dichos filtros; caracterizado por:
- un espacio dispuesto entre la envuelta y los
filtros;
- un retenedor situado en el espacio entre la
envuelta y los filtros, dispuesto durante el uso para retener los
filtros dentro de la envuelta;
- una placa que cierra durante el uso un extremo
de un filtro más próximo al lado de aguas arriba del aparato;
- una abertura dispuesta en una sección central
de al menos alguno de los filtros, para comunicación durante el uso
entre los filtros, y comunicación con un tubo de escape en el lado
de aguas abajo del aparato; y
- en el que al menos alguno de los filtros tienen
densidades de malla diferentes.
Seguidamente se describirán las operaciones del
aparato para reducir las partículas de carbón, de acuerdo con la
presente invención.
Un tubo de escape para la salida del gas
procedente de un motor Diesel o similar, está dotado aquí de un
aparato para reducir las partículas de carbón, que emplea uno o más
filtros con una estructura de malla de alambre. Este aparato
reductor tiene por objeto capturar, acumular, oxidar, quemar,
reducir, y/o eliminar las partículas de carbón del gas de
escape.
Una relación de captura y/o una relación de
eliminación de las partículas de carbón se establece para que sea
aproximadamente de 5% \sim 80%, por ejemplo aproximadamente de
60% \sim 80%, El establecimiento y ajuste de esta relación de
captura y/o relación de eliminación se efectúan teniendo en cuenta
el contenido de las partículas de carbón en el gas de escape,
mediante una combinación selectiva de: a) la adopción esencial de
uno o más filtros con una estructura de malla de alambre; b) la
adherencia a los filtros y el recubrimiento de ellos con un
catalizador de oxidación tal como platino; c) la adopción de una
pluralidad de filtros que tengan diferentes densidades de malla; d)
espacios en la dirección lateral entre los filtros; e) la inserción
de una sección auxiliar para el catalizador de oxidación, tal como
platino, dentro de los espacios; etc.
En el aparato reductor de partículas de carbón,
una pequeña cantidad de dichas partículas es capturada primero y es
acumulada por los filtros, y pronto es oxidada y quemada bajo dicha
relación de captura y/o de eliminación.
Por tanto, los filtros son controlados en el
nivel de temperatura aproximado de 600 K (por ejemplo, la
temperatura máxima aproximada es de 900 K) y como resultado, se
evita la rotura térmica. Además, dado que los filtros están dotados
de estructura de malla de alambre, son flexibles y se limpian
fácilmente. Gracias a esta característica puede también ser evitada
la rotura.
En segundo lugar, los filtros repiten el ciclo de
captura y acumulación de las partículas de carbón
\rightarrow
oxidación y quema \rightarrow reducción y/o eliminación \rightarrow regeneración, para poder ser utilizados de manera continua.
oxidación y quema \rightarrow reducción y/o eliminación \rightarrow regeneración, para poder ser utilizados de manera continua.
En tercer lugar, si uno o más filtros son
utilizados en este aparato reductor, es posible también reducir
dicha influencia nociva de que el azufre contenido en el gas de
escape forme un sulfato, se adhiera a las partículas de carbón para
hacer la oxidación y quema difíciles, y cause obstrucciones o
similares.
Lo que anteriormente fue descrito primero, puede
ser asegurado también en combinación con un purificador. El
purificador tiene uno o más núcleos alveolares dotados de paredes
de celdas, recubiertas con un catalizador de oxidación tal como
platino, y a las que se hace que se adhieren. Los núcleos alveolares
hacen que el óxido de nitrógeno se oxide en dióxido de nitrógeno,
con lo que se acelera la oxidación y la quema de las partículas de
carbón en los filtros del aparato reductor dispuestos en el lado de
aguas abajo.
Lo que fue descrito anteriormente en segundo
lugar puede ser asegurado también en combinación de una o más
secciones de suministro para un aditivo combustible. Dichas
secciones de suministro pueden ser controladas por uno o más
sensores de contrapresión cerca de los filtros, y pueden
suministrar al motor Diesel con cerio y un catalizador de oxidación
tal como platino como aditivo combustible. De esta manera, la
captura y acumulación, la oxidación y quema de las partículas de
carbón en los filtros, son aceleradas por el aditivo combustible en
el gas de escape del motor Diesel.
En tercer lugar, uno o más filtros pueden ser
situados también dentro de una envuelta cilíndrica exterior mediante
la disposición de un espacio entre los filtros y la envuelta, y
dichos filtros están dotados también de una abertura para
comunicación en la posición central de ellos.
Los anteriores, así como otros objetos,
características, y ventajas de la presente invención se apreciarán
mejor en la descripción siguiente, tomada en conjunción con los
dibujos que se acompañan.
La fig. 1 es una vista explicatoria de un corte
transversal de un aparato reductor comparable de partículas de
carbón;
La fig. 2 es una vista frontal que expone la
totalidad de un sistema de escape de un aparato comparable reductor
de partículas de carbón;
La fig. 3 es una vista explicatoria de un corte
transversal de un aparato reductor de partículas de carbón, de
acuerdo con una realización de la presente invención; y
La fig. 4 es una vista explicatoria de un corte
transversal de un aparato convencional para eliminar las partículas
de carbón.
Realizaciones preferidas de la presente invención
serán ahora descritas con referencia a los dibujos que se acompañan.
La fig. 3 sirve para explicar una realización de la presente
invención.
La fig. 1 es una vista explicatoria de un corte
transversal de un aparato comparable reductor de partículas de
carbón, y la fig. 2 es una vista frontal explicatoria de un sistema
completo de escape. La fig. 3 es una vista explicatoria de un corte
transversal de una realización de la presente invención.
Un convertidor catalítico es explicado con
referencia a la fig. 2. Un motor de combustión interna, por ejemplo,
un motor Diesel 11, es ampliamente utilizado no sólo en automóviles
sino también en la producción de energía, embarcaciones marinas,
locomotoras, aviones, piezas diversas de maquinaria, o
similares.
El gas de escape 1 descargado desde el motor de
combustión interna, por ejemplo, el motor Diesel 11, contiene
monóxido de carbono CO, hidrocarburo HC, óxidos de nitrógeno NOx,
partículas de carbón PM, etc.
Si el gas de escape 1 que contiene dichos
contaminantes nocivos es descargado directamente a la atmósfera, es
dañino para los seres humanos y el medio ambiente. De acuerdo con
ello, con la finalidad de evitar la contaminación medioambiental, un
tubo de escape 2, 3 para el gas de escape 1 utilizado en el motor
Diesel 11, etc. está dotado de un convertidor catalítico 4 o
similar, en el centro de él.
El convertidor catalítico 4 está constituido en
general por un tubo de forma cilíndrica o cuadrada, y está insertado
entre el tubo de escape 2 sobre el lado de aguas arriba y el tubo
de escape 3 sobre el lado de aguas abajo. El convertidor catalítico
4 está dotado de modo separable de un purificador 5 para monóxido
de carbono CO e hidrocarburo HC, y un aparato reductor 12 para
partículas de carbón PM en ese orden, dentro de una envuelta
cilíndrica exterior 21.
El purificador 5 tiene uno o más núcleos
alveolares dotados de paredes 8 de celdas recubiertas con un
catalizador de oxidación tal como Pt, que se adhiere a ellas. El
purificador 5 está dispuesto para hacer que el CO, HC, etc.
contenidos en el gas de escape 1 que lo atraviesa se oxiden y se
quemen, con lo que se reducen y/o se eliminan. Además, el
purificador 5 permite que el NO del NOx se oxide en dióxido de
nitrógeno NO_{2}.
Se hace que el aparato reductor 12 de partículas
de carbón PM capture y acumule, y luego oxide y queme las partículas
de carbón PM contenidas en el gas de escape 1 que lo atraviesa, con
lo que se reducen y/o se eliminan dichas partículas de carbón PM.
El convertidor catalítico 4 está construido como antes se ha
descrito.
Con referencia a la fig. 1 se explica un aparato
reductor 12 de partículas de carbón PM. Dicho aparato reductor 12
recibe uno o más filtros 13 que tienen una estructura de malla de
alambre para capturar y acumular las partículas de carbón PM
procedentes del gas de escape 1 \rightarrow oxidar y quemar dichas
partículas de carbón PM \rightarrow reducir y/o eliminar las
partículas de carbón PM. Por tanto, el aparato reductor 12 es
también regenerado y utilizado después de manera continua.
Seguidamente se describirá en detalle el aparato
reductor comparable 12. Primero, las partículas de carbón PM son
generadas por la combustión incompleta del combustible en un motor
Diesel 11 (véase la fig. 2), y consisten en un material impuro de
partículas finas de carbón denominadas hollín y humos, que son
cenizas del combustible. Los filtros 13 consisten en una estructura
de malla de alambre en la que unos alambres metálicos extrafinos
están entramados vertical y lateralmente en forma de red densa y
fina. Los filtros 13 están formados típicamente de metal, tal como
acero inoxidable, pero pueden estar formados por un conglomerado de
fibras tejidas, o un conglomerado punzado.
Los filtros 13 del aparato reductor 12 pueden
estar formados de varias maneras, como se expone seguidamente:
a) La estructura de malla de alambre antes
descrita es adoptada en común por uno o más filtros 13.
b) Se considera ha de contarse con una estructura
mediante la cual un catalizador de oxidación tal como Pt, se
adhiera a los filtros 13, y éstos queden recubiertos con el
catalizador de oxidación, que puede ser Pt.
Es decir, que se considera una estructura en la
que uno o más filtros 13 con malla de alambre están dispuestos para
servir como cuerpo que retenga un catalizador de oxidación, cuyos
alambres han de contener un metal y un óxido metálico tal como Pt,
V, Cu, o Mn como catalizador de oxidación, por medio de
impregnación, aplicación, adherencia, recubrimiento, o similares.
Por el contrario, es posible también que el catalizador de
oxidación esté dispuesto no para adherirse a los filtros 13, y que
éstos no estén recubiertos con dicho catalizador de oxidación.
c) Es considerada también una estructura con la
que una pluralidad de filtros 13 que tienen densidad de malla
diferente sea utilizada en el aparato reductor 12. Específicamente,
la pluralidad de filtros 13 con la estructura de malla de alambre
puede estar dispuesta desde el lado de aguas arriba hacia el lado de
aguas abajo, y los filtros con diferente densidad de malla pueden
estar combinados también como se muestra en las figuras. La razón
por la que son utilizados filtros con densidad de malla diferente es
poder hacer frente a partículas de carbón PM con tamaños
diferentes.
En el caso de que la densidad de malla total sea,
por ejemplo, del 40% en un aparato reductor 12, filtros 13 con
densidad de malla intermedia aproximada del 10%, filtros 13 con
densidad de malla escasa aproximada del 5%, y filtros 13 con
densidad de malla muy cerrada, aproximadamente del 25%, pueden ser
utilizados por combinación de ellos en orden. Por supuesto que es
posible que una pluralidad de filtros 13 con la misma densidad de
malla puedan ser combinados en el aparato reductor 12.
d) En el caso en que la pluralidad de filtros 13
sea utilizada en un aparato reductor 12, pueden disponerse también
espacios 14 en una dirección lateral entre cada filtro 13.
Aunque los espacios 14 pueden ser dispuestos
entre cada filtro 13, es posible también permitir que filtros
adyacentes 13 estén en contacto, de modo que no se disponga espacio
entre ellos. En la fig. 1 hay cinco (5) filtros 13 en total, y hay
formados dos (2) espacios 14 en una dirección lateral. Hay también
dos (2) emplazamientos en los que los filtros 13 están en contacto
entre sí.
c) En el caso de haya dispuestos uno o más
espacios 14 en dirección lateral entre cada filtro 13, es posible
hacer que los espacios sean falsos, o insertar un a sección
auxiliar 15 dentro de uno o más espacios 14. En la fig. 1 sólo una
sección auxiliar 15 está insertada en un espacio 14.
Esta sección auxiliar 15 hace que cada pared 17
de celdas de un núcleo alveolar 16 hecho de un metal tal como acero
inoxidable sea un cuerpo para sostener un catalizador de oxidación.
El catalizador de oxidación tal como Pt es sostenido por la pared 17
de celdas por medio de adherencia y recubrimiento. La adherencia y
el recubrimiento con el catalizador de oxidación al núcleo alveolar
16 es más fácil que la adherencia y el recubrimiento con dicho
catalizador de oxidación al filtro 13 con estructura de malla de
alambre.
En el aparato reductor comparable 12 de
partículas de carbón PM, una relación de captura y/o una relación de
eliminación de dichas partículas de carbón PM se establece
aproximadamente en 5% \sim 80%, típicamente de 60% \sim 80%
aproximadamente, mediante varias combinaciones de filtros 13
descritos en los párrafos anteriores a), b), c), d), y e), En el
caso de que se utilice un motor Diesel 11 convencional del que el
contenido del porcentaje y una relación de descarga de las
partículas de carbón PM sean altos, la relación de captura y/o la
relación de eliminación se establecen aproximadamente en 60% \sim
80%. Por el contrario, en dicho motor Diesel 11 en el que el
contenido de porcentaje y/o la relación de descarga de las
partículas de carbón PM sean bajos, la relación de captura y/o la
relación de eliminación se establecen aproximadamente en 5% \sim
30%.
Como antes se ha descrito, los filtros 13
dispuestos en el aparato reductor 12 pueden estar construidos de
varios modos. Las relaciones de captura, de eliminación, y la
fracción de filtración se establecen en un valor predeterminado (%)
por selección selectiva de la estructura de filtros de los párrafos
a), b), c), d), y e) en respuesta al contenido de las partículas de
carbón PM en el gas de escape 1.
Por ejemplo, en el caso de que el catalizador de
oxidación tal como Pt no se adhiera y recubra (véase el párrafo b))
la pluralidad de filtros 13 con estructura de malla de alambre
(véase el párrafo a)), cuando el contenido de partículas de carbón
PM en el gas de escape 1 sea grande, la sección auxiliar 15 es
insertada entre uno o más espacios 14 (véase el párrafo d))
dispuestos en la dirección lateral entre la pluralidad de filtros
(véase el párrafo c)), mientras que cuando el contenido de
partículas de carbón PM sea pequeño, cada espacio 14 se deja nulo,
como correspondiente a un espacio vacante (véase el párrafo
e)).
La combinación de lo expuesto en los párrafos a),
b), c), d), y e) se hace de varios modos. Por ejemplo, con
referencia a la pluralidad de filtros 13, se considera también si
hay adherencia y recubrimiento del catalizador de oxidación tal como
Pt, o si son espacios 14, con independencia de las realizaciones
mostradas en las figuras.
Un aparato reductor comparable 12 de partículas
de carbón PM está construido como se ha descrito anteriormente.
Contenidas en condición flotante en el gas de
escape 1 procedente del motor Diesel 11, etc., hay unas partículas
de carbón PM tales como hollín y humos. De acuerdo con ello, hay
dispuesto un tubo de escape 2, 3 para el gas de escape 1, con un
convertidor catalítico 4 dotado de un aparato reductor comparable
12 de las partículas de carbón PM.
Dicho aparato reductor comparable 12 de las
citadas partículas de carbón PM cuenta con una pluralidad de
filtros 13 que tienen una estructura de malla de alambre fino,
cuyos alambres están hechos de metal tal como acero inoxidable, y
entrelazados. Cada filtro 13 captura y acumula partículas de carbón
PM procedentes del gas de escape 1 que lo atraviesa, y luego oxida y
quema dichas partículas, con lo que éstas se eliminan
aproximadamente en un 5% a un 80%, por ejemplo, del 60% al 80%. De
esta manera, las citadas partículas de carbón son reducidas.
La temperatura de salida del gas de escape 1 es
aproximadamente de 600 K, y cuando el motor Diesel 11 es accionado a
alta velocidad se hace aproximadamente de 800 K. Las partículas de
carbón PM capturadas y acumuladas por cada filtro 13 naturalmente
se encienden y queman a tales temperaturas del gas de escape.
Así, por ejemplo, aproximadamente del 60% al 80%
de las partículas de carbón PM del gas de escape son eliminadas. El
restante 20% a 40% de dichas partículas PM es pasado a través de
cada filtro 13 para obtener un cierto grado de tamaño de
partículas, y luego son descargadas directamente al aire abierto.
Este nivel de descarga de las partículas de carbón PM es
considerado en la actualidad como dentro de un margen
permisible.
Por ejemplo, las partículas de carbón PM de 200
mg/m_{3} son reducidas y/o eliminadas a través de cada filtro 13
hasta 60 mg/m_{3}. Dicho en otros términos, las partículas de
carbón PM son reducidas y/o eliminadas aproximadamente en un 70%
(cuando el azufre S es de 50 ppm).
Por tanto, en cada filtro 13 del aparato reductor
12, la relación de captura y/o la relación de eliminación de dichas
partículas de carbón PM ha sido establecida, por ejemplo, en
aproximadamente el 60% al 80%, y aproximadamente en el 5% al 30% en
respuesta al contenido predecible de partículas de carbón PM en el
gas de escape 1.
La disposición y/o el ajuste de dicha relación de
captura y/o dicha relación de eliminación puede ser llevada a cabo
teniendo en consideración la actuación del motor Diesel 11 y el
contenido de partículas de carbón PM en el gas de escape, mediante
la combinación selectiva de: a) uso de filtros 13 con estructura de
malla de alambre; b) adherencia y recubrimiento del catalizador de
oxidación, tal como Pt, a cada filtro 13; c) combinación de una
pluralidad de filtros 13 que tengan densidades de malla diferentes;
d) existencia o no existencia de espacios 14 entre cada filtro 13;
e) inserción o no inserción de una sección auxiliar 15 entre cada
espacio 14, etc.
Con referencia al aparato reductor 12 de
partículas de carbón PM, se exponen seguidamente las siguientes tres
descripciones.
Primera: bajo la relación de captura y/o la
relación de eliminación mejoradas, de aproximadamente 5% \sim
80%, por ejemplo aproximadamente de 5% \sim 30% y aproximadamente
60% \sim 80% (reducidas notablemente en comparación con la
técnica anterior del 95% o más), las partículas de carbón PM son
capturadas y acumuladas en una cantidad comparativamente pequeña
por la pluralidad de filtros 13 mostrados en la figura, y luego son
inmediatamente oxidadas y quemadas. De acuerdo con ello, es posible
evitar así una elevación aguda de la temperatura en cada filtro 13.
La temperatura de cada filtro 13 por la oxidación y la combustión
es controlada normalmente a un nivel de 600 K. La temperatura
máxima es de 900 K, y no alcanza los 1.200 K.
Por tanto, puede evitarse así la rotura de cada
filtro 13 debido a la alta temperatura. Dado que cada filtro 13
consiste en una estructura de retención de malla de alambre, es
flexible, y aunque se acumulen partículas de carbón PM hay un cierto
grado de libertad. Es fácil también limpiar las cenizas de las
partículas de carbón PM, y grasas a este aspecto es posible también
evitar la rotura.
Segunda: dado que la rotura de cada filtro puede
ser evitada como se ha descrito, el filtro 13 repite un ciclo del
siguiente uso regenerativo,: captura y acumulación de nuevas
partículas de carbón PM \rightarrow oxidación y quema
\rightarrow reducción y eliminación \rightarrow captura y
acumulación de nuevas partículas de carbón PM \rightarrow
oxidación y quema \rightarrow reducción y eliminación. Por tanto,
el filtro 13 puede repetir el ciclo de uso regenerativo para ser
utilizado de modo continuo. Con ello, la duración es superior. Por
ejemplo, el filtro 13 puede ser utilizado de modo continuo durante
al menos aproximadamente 250 horas.
Tercera: es posible también evitar una influencia
nociva debido al azufre (S) contenido tanto en el combustible como
en el gas de escape 1 del motor Diesel 11.
Como antes se ha descrito, las partículas de
carbón PM del gas de escape 1 pueden ser capturadas y acumuladas en
cantidad comparativamente pequeña, con una relación de captura y/o
una relación de eliminación aproximadas de 5% \sim 80%, por
ejemplo, aproximadamente de 60% \sim 80%, y luego oxidadas y
quemadas inmediatamente, con lo que son reducidas y/o eliminadas.
De esta manera, es posible disminuir la posibilidad de que se
produzca un fenómeno tal como que el azufre (S) del tubo de escape 1
forme sulfato SO_{4}^{2} y se adhiera a las partículas de
carbón PM, lo que hace así difícil la oxidación y la quema, y se
originan obstrucciones o similares.
Primero. - Lo anterior puede ser asegurado además
mediante el uso en combinación con un purificador 5 dispuesto en el
lado de aguas arriba.
Es decir, que este purificador 5 está dispuesto
en el lado de aguas arriba del aparato reductor 12, dentro de la
envuelta cilíndrica exterior 21 del convertidor catalítico 4. El
purificador 5 tiene un núcleo alveolar 16 dotado de paredes 17 de
celdas hechas de un metal tal como acero inoxidable, al que se
adhiere y recubre un catalizador de oxidación tal como Pt. El
purificador 5 no sólo permite que CO, HC, etc. del gas de escape 1,
se oxiden y quemen para su reducción y eliminación, sino que
permite también que NO del gas de escape 1 se oxide en NO_{2},
para ser suministrado al lado de aguas abajo.
De esta manera, la oxidación, quema, reducción, y
eliminación de las partículas de carbón PM son acelerados por medio
de NO_{2} que ha quedado contenido en el gas de escape 1, en la
pluralidad de filtros 13 del aparato reductor 12 de partículas de
carbón PM sobre el lado de aguas abajo.
Una función de aceleración de la oxidación y la
quema por NO_{2} es asegurada también desde el punto de vista de
la temperatura, ya que la temperatura de cada filtro 13 es
controlada normalmente a un nivel aproximado de 600 K, como antes se
ha descrito.
Segundo. - Lo anterior se asegura también
mediante el uso en combinación con una sección de suministro 19 de
un aditivo combustible 18, como se muestra en la fig. 2.
Es decir, que la sección de suministro 19 puede
suministrar al motor Diesel 11 cerio y un catalizador de oxidación
tal como Pt, como aditivo combustible 18. La sección de suministro
está dispuesta de tal manera que el suministro, la necesidad de la
adición, y la cuantía de ésta, son controlados en base a un valor de
contrapresión detectado por dos (2) sensores de contrapresión SE
dispuestos cerca de cada filtro 13.
Por tanto, la captura y acumulación, oxidación, y
quema, y reducción y eliminación de partículas de carbón PM, son
aceleradas por medio del aditivo combustible 18 contenido en el gas
de escape 1 en cada filtro 13 del aparato reductor 12 de dichas
partículas de carbón PM.
Seguidamente se hará aquí otra descripción de la
sección de suministro 19, Por ejemplo, dicha sección de suministro
19 para el aditivo combustible 18 añade éste en una relación de 7,5
ml a 50 ml de combustible en un depósito de combustible 20. El
aditivo combustible 18 de 7,5 ml contiene aproximadamente 5 ppm de
Ce y aproximadamente 0,5 ppm de Pt en él, en el disolvente.
La necesidad de la adición y la cantidad
específica de ella, o la relación de adición del aditivo
combustible 18 por la sección de suministro 19, son controladas y
determinadas como sigue. El contenido de las partículas carbón PM en
el gas de escape 1 y el tamaño de la relación de captura y/o de la
relación de eliminación de las partículas de carbón PM son
detectados en base al aumento o disminución de un valor de
contrapresión detectado por dos (2) sensores de contrapresión SE, y
son controlados y determinados entonces en respuesta a dicho
valor.
De esta manera, cuando el aditivo combustible 18
está contenido en el gas de escape 1 procedente del motor Diesel
11, Ce en dicho aditivo 18 acelera la captura y la acumulación de
partículas de carbón PM en la pluralidad de filtros 13, en base a
un efecto sinergético. El catalizador de oxidación, tal como Pt en
el aditivo combustible 18 acelera la oxidación y quema de las
partículas de carbón PM capturadas y acumuladas por cada filtro 13,
en base a dicho efecto sinergético.
Por tanto, la relación de captura y/o la relación
de eliminación aproximadamente del 5% \sim 80%, por ejemplo, del
60% \sim 80% de las partículas de carbón PM en cada filtro 13, y
la oxidación y quema al nivel de temperatura aproximado de 600 K son
logradas con seguridad.
Tercero. - Uno o más sensores de contrapresión SE
están dispuestos cerca de los filtros 13. Dos (2) sensores SE de
contrapresión son mostrados en la figura, antes y después de los
filtros 13.
La sección de suministro 10 del aditivo
combustible 18 es controlada primero en base al valor de detección
de la contrapresión de ambos sensores SE de ella, como antes se ha
descrito. Además, la necesidad de limpiar cada filtro 13 es estimada
también en base a dicho valor de detección de contrapresión de
ambos sensores SE de ella.
Es decir, que las cenizas de partículas de carbón
PM se adhieren gradualmente a cada filtro 13, pero el momento de la
limpieza y/o la eliminación de dichas cenizas es estimada y
detectada en base al valor de la contrapresión detectado. Un
criterio para la determinación del momento es, por ejemplo, de 25
Kpa aproximadamente.
Cuarto. - Hay dispuestos uno o más filtros 13 que
tienen sustancialmente el mismo diámetro que el diámetro interior
de una envuelta cilíndrica exterior 21 del convertidor catalítico
4, como se muestra en la fig. 1, pero pueden ser adoptadas varias
formas de filtros.
En la realización de la presente invención como
se muestra en la fig. 3, una pluralidad de filtros 13 pueden estar
contenidos también dentro de la envuelta cilíndrica 21 mediante un
retenedor, mediante la disposición de un espacio 22 entre los
filtros y la envuelta cilíndrica exterior 21. Una abertura de
comunicación 24 está formada en la sección central de cada filtro
13.
En la fig. 3, cuatro (4) filtros 18 están
combinados en contacto, los cuales tienen el mismo diámetro
exterior, y unos espacios superior e inferior 22 están dispuestos
entre la envuelta cilíndrica exterior 21 y los filtros 13. Un filtro
en el lado más aguas arriba no cuenta con la abertura de
comunicación 24 formada, y los restantes tres (3) filtros 13 están
dotados respectivamente de una abertura 24 para comunicar entre sí.
Estas aberturas de comunicación 24 están dispuestas para comunicar
con un tubo de escape 3 en el lado de aguas abajo. La referencia
numérica 25 de la fig. 3 es una placa para cerrar un extremo del
filtro 13 en el lado de aguas arriba.
En el aparato reductor 12 de partículas de carbón
PM de la fig. 3, los detalles de construcción, función, operación,
etc. están basados en los de la fig. 1. De acuerdo con ello, se
utilizan aquí las mismas referencias numéricas, y su descripción se
omite.
La presente invención ofrece los siguientes
efectos:
Primer
efecto
Primeramente pueden ser evitadas la rotura
térmica, etc. Es decir, que se proporciona un aparato reductor de
partículas de carbón de acuerdo con la presente invención, en el
que la relación de captura y/o la relación de eliminación de dichas
partículas se establece aproximadamente en 5% \sim 80%, por
ejemplo, aproximadamente 60% \sim 80%.
Las partículas de carbón son pronto oxidadas y
quemadas en cantidad pequeña, antes de ser capturadas y acumuladas
en gran cantidad. Por tanto, puede ser evitada una elevación aguda
de la temperatura en los filtros, y dicha temperatura es controlada
a un nivel comparativamente más bajo.
Además, esto puede ser asegurado mediante la
utilización de dióxido de nitrógeno suministrado desde el
purificador, en el lado de aguas arriba, o mediante el uso de cerio
y de un catalizador de oxidación tal como platino como aditivo
combustible.
En el aparato de eliminación convencional de
partículas de carbón, hecho de cerámica, una gran cantidad de ellas
son capturadas y acumuladas, y luego son oxidadas y quemadas de una
vez. Como resultado, la relación de captura y/o la relación de
oxidación alcanza el 95% o más, y la temperatura máxima aproximada
es de 1.200 K. Por el contrario, en el aparato reductor de
partículas de carbón de acuerdo con la presente invención, la
temperatura es controlada a un nivel inferior, y se evita así la
rotura térmica del filtro debida a la alta temperatura.
Dado que los filtros comprenden una estructura de
malla de alambre, son flexibles, y su limpieza puede ser hecha con
facilidad. El aparato reductor de acuerdo con la presente invención
es, por tanto, de resistencia superior, y no puede ser roto
fácilmente, en comparación con el aparato de eliminación
convencional hecho de cerámica.
Segundo
efecto
El aparato reductor de partículas de carbón es de
duración superior, Es decir, que dicho aparato de acuerdo con la
presente invención no se rompe fácilmente, como antes se ha
descrito, y puede evitarse también la rotura térmica debida a altas
temperaturas.
El aparato reductor de acuerdo con la presente
invención puede repetir, en orden, el ciclo de captura y
acumulación de las partículas de carbón \rightarrow oxidación y
quema \rightarrow reducción y eliminación \rightarrow uso
regenerativo, para ser utilizado continuamente.
Aunque el aparato de eliminación convencional se
rompe aproximadamente en una semana al producirse las altas
temperaturas, el aparato reductor de acuerdo con la presente
invención es de duración y coste superiores debido a que su vida
prevista es larga.
Tercer
efecto
La influencia nociva debido al azufre puede ser
también evitada. Es decir, que en el aparato reductor de partículas
de carbón de acuerdo con la presente invención, dichas partículas
del gas de escape son capturadas y acumuladas en cantidad
comparativamente pequeña, como antes se ha descrito, y luego son
oxidadas y quemadas rápidamente, con lo que se reducen y/o
eliminan.
Dado que la relación de captura y/o la relación
de acumulación del aparato de eliminación convencional son del 95% o
más, existe la posibilidad de que el azufre contenido en el gas de
escape forme un sulfato y se adhiera a las partículas de carbón, lo
que hace así la oxidación y la quema difícil. Sin embargo, en el
aparato reductor de acuerdo con la presente invención es posible
reducir notablemente dicha posibilidad. La citada influencia nociva
puede ser evitada en el aparato reductor de acuerdo con la presente
invención, aunque azufre, en cantidades aproximadas de 50 ppm a 500
ppm, esté contenido en el gas de escape.
Como antes se ha descrito, en el aparato reductor
de acuerdo con la presente invención, la temperatura de uno o más
filtros es controlada a un nivel comparativamente inferior. De
acuerdo con ello, dióxido de nitrógeno suministrado desde el
purificador en el lado de aguas arriba puede ofrecer con seguridad
la función de acelerar la oxidación y la quema de las partículas de
carbón, lo que no es factible en el aparato de eliminación
convencional. Por tanto, en el aparato reductor de acuerdo con la
presente invención puede ser evitada la influencia nociva debida al
azufre.
Como antes se ha descrito, todos los problemas
hallados en el aparato de eliminación convencional pueden ser
resueltos con la presente invención, y por tanto, los efectos que
ésta ofrece son notablemente grandes.
Claims (10)
1. Un aparato (12) para retirar partículas de
carbón de los gases de escape (1) de un motor Diesel, cuyo aparato
(12) comprende:
- una pluralidad de filtros metálicos (13) cada
uno de los cuales tiene una estructura de malla de alambre, cuyos
filtros (13) están dispuestos para capturar durante el uso
partículas de carbón, y dichos filtros (13) se regeneran durante el
uso con objeto de ser utilizados de modo continuo después, y en el
que al menos algunos de los filtros (13) tienen el mismo diámetro
exterior;
- una envuelta cilíndrica (21) dispuesta, durante
el uso, para alojar dichos filtros; caracterizado por:
- un espacio (22) dispuesto entre la envuelta
(21) y los filtros (13);
- un retenedor (23) situado en el espacio (22)
entre la envuelta (21) y los filtros (13), dispuesto para sujetar
durante el uso los filtros (13) dentro de la envuelta (21);
- una placa (25) que cierra, durante el uso, un
extremo del filtro (13) más próximo al lado de aguas arriba del
aparato (12);
- una abertura (24) dispuesta en una sección
central de al menos uno de los filtros (13) para comunicación
durante el uso entre los filtros (13), y comunicación con un tubo
de escape (3) sobre el lado de aguas abajo del aparato (12); y
- en el que al menos algunos de los filtros (13)
tienen densidades de malla diferentes.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que un catalizador de oxidación se adhiere a los hilos de los
filtros (13) y los recubre.
3. Un aparato (12) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que una relación de captura
y/o una relación de eliminación de las partículas de carbón se
establece en aproximadamente 5% a 80%.
4. Un aparato (12) de acuerdo con la
reivindicación 3, en el que la relación de captura y/o la relación
de eliminación se establece aproximadamente en 60% a 80%.
5. Un aparato (12) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, que comprende además:
- un purificador (5) situado sobre el lado de
aguas arriba de la envuelta cilíndrica (21), cuyo purificador
comprende al menos un núcleo alveolar metálico (16) con un
catalizador de oxidación adherido a las paredes de las celdas del al
menos un núcleo alveolar; y que recubre dichas paredes.
- en el que durante el uso, los núcleos
alveolares ayudan a la oxidación y quema de los compuestos de
carbón de los gases de escape, y causan la oxidación del óxido
nítrico de dicho gas de escape.
6. Un aparato (12) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, que comprende además: al menos
una sección de suministro que suministra, durante el uso, un
aditivo combustible al motor, que queda contenido en el gas de
escape y acelera la captura de las partículas de carbón en los
filtros.
7. Un aparato (12) de acuerdo con la
reivindicación 6, en el que el aditivo combustible es un catalizador
de oxidación.
8. Un aparato (12) de acuerdo con la
reivindicación 7, que comprende además al menos un sensor de
contrapresión situado cerca de los filtros, cuyo sensor de
contrapresión y dicha al menos una sección de suministro están
dispuestos de tal modo que durante el uso, el suministro del
aditivo combustible es controlado en base a un valor de
contrapresión detectado por dicho al menos un sensor de
contrapresión.
9. Un aparato (12) de acuerdo con la
reivindicación 5, en el que el núcleo alveolar está hecho de acero
inoxidable.
10. Un aparato (15) de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 2, 5, ó 7, en el que el catalizador de
oxidación es platino.
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