ES2240790T3 - Filtro de particulas que trabaja con combustion de hollin para motores diesel. - Google Patents
Filtro de particulas que trabaja con combustion de hollin para motores diesel.Info
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Abstract
Filtro de partículas (5) para motores diesel (1) que trabaja con combustión del hollín, que presenta un cuerpo de filtro (10) con superficie filtrante situada entre el lado del gas bruto por la parte de llegada de la corriente y el lado del gas puro por la parte de salida de la corriente y que, para la regeneración, trabaja con combustión de hollín iniciada por una fuente de calentamiento eléctrico (22) prevista en el lado del gas bruto, siendo encendido el hollín que recubre la superficie filtrante únicamente en una fracción de la superficie filtrante por la acción sin contacto, por el lado del gas bruto, de la fuente de calentamiento (22) formada como radiador de calentamiento (23, 28, 29, 31, 33) y efectuándose la combustión del hollín sobre la superficie filtrante, a partir de la zona de encendido solicitada por la fuente de calentamiento (22), por transmisión de la llama en la capa de hollín, caracterizado porque el cuerpo (10) del filtro está constituido por bolsas filtrantes (11) deforma de cuña con superficies filtrantes de metal sinterizado, porque las bolsas filtrantes (11) están vueltas hacia un plano común respecto de la sección transversal de sus aberturas y, con sus aberturas de bolsa (15) asociadas a lados frontales de forma triangular y con su dorso (17) de forma triangular asociado al perímetro exterior del cuerpo (10) del filtro, se estrechan contra los lados frontales opuestos a las aberturas (5) de las bolsas y contra los cantos longitudinales que discurren entre los lados frontales y que están enfrente del dorso (17), y porque la fuente de calentamiento (22) formada por al menos un radiador de calentamiento (31, 33) está dispuesta en la zona parcial longitudinal del cuerpo (10) del filtro que termina contra el plano de la sección transversal de las aberturas de las bolsas filtrantes (11) y está dirigida contra los dorsos (17) de las bolsas filtrantes (11) asociados al perímetro exterior del lado del gas bruto del cuerpo (10) del filtro.
Description
Filtro de partículas que trabaja con combustión
de hollín para motores diesel.
La invención concierne a un filtro de partículas
que trabaja con combustión de hollín para motores diesel según el
preámbulo de la reivindicación 1.
Se conoce por el documento US 4,641,496 A un
filtro de partículas de la clase antes citada. Este presenta un
cuerpo de filtro constituido por material filtrante cerámico con
canales axiales dispuestos uno respecto de otro en forma de panal
de miel, de los cuales los adyacentes uno a otro están cerrados
alternadamente en sus extremos axialmente enfrentados uno a otro y
sus paredes forman superficies filtrantes, de modo que el gas de
escape pasa de los canales de entrada abiertos por el lado de
llegada de la corriente, solicitados con gas bruto, a los canales
de salida abiertos por el lado de descarga de la corriente,
depositándose mientras tanto las impurezas sobre las paredes
correspondientes de los canales.
La secciones transversales de las aberturas de
entrada y de salida de los canales están situadas todas ellas en un
plano y las secciones transversales de las aberturas de entrada de
los canales de entrada solicitados con gas bruto determinan un plano
de entrada en el que un sector del mismo está cubierto por un
radiador de calentamiento antepuesto aguas arriba que gira
continuamente y que actúa como fuente de calentamiento. El radiador
de calentamiento está situado detrás de un apantallamiento previsto
por el lado de llegada de la corriente, el cual presenta una
pequeña distancia al plano de entrada, de modo que, a pesar de
pequeñas aberturas de paso previstas en el apantallamiento, la
respectiva zona cubierta por el apantallamiento puede verse como
zona filtrante parada que no está disponible en amplio grado para
la corriente de gases de escape y en la que se efectúa únicamente
la combustión del hollín.
De conformidad con la rotación continua del
radiador de calentamiento, se proporciona un calentamiento y
combustión de hollín continuos que se efectúan en la respectiva
zona cubierta por el apantallamiento para la combustión del hollín
desde el lado de entrada al lado de salida, propagándose al propio
tiempo el frente de la llama en las capas de hollín depositadas en
las paredes de los canales de entrada.
El calentamiento continuo requiere un consumo de
energía correspondiente. La rotación del radiador de calentamiento
está ligada a un coste mecánico considerable en vista de las
condiciones ambientales, y debido a la respectiva zona filtrante
cubierta por el apantallamiento está disponible también cada vez
para la función de filtrado, con independencia del recubrimiento de
hollín, solamente una parte de la superficie filtrante total.
Asimismo, se conocen por el documento DE 198 10
738 C1 unos filtros de partículas con bolsas filtrantes planas de
chapa de metal sinterizado cerradas a lo largo del perímetro
exterior, las cuales están apiladas una sobre otra
perpendicularmente al plano de dichas bolsas y, unidas una con otra
en la zona del borde de sus aberturas de bolsa centrales, forman un
cuerpo de filtro. Este cuerpo de filtro es atacado centralmente por
la corriente de gas bruto a través de las aberturas de las bolsas y
es barrido en la dirección de los planos entre las bolsas por la
corriente de gas caliente de un quemador, de modo que el gas
caliente y el gas puro entre las bolsas se mezclan y calientan las
bolsas a partir de los lados exteriores de sus paredes, con lo que
se consigue una temperatura suficiente para la combustión del
hollín.
Filtros de partículas de esta clase están en uso
práctico y satisfacen los requisitos funcionales, pero, a
consecuencia de la configuración constructiva, en combinación con
el empleo de un quemador, son complicados y también ocupan mucho
espacio, por lo que se han impuesto límites especialmente al empleo
de los mismos en instalaciones de gases de escape de automóviles de
turismo.
En otro filtro de partículas conocido que trabaja
con combustión de hollín (EP 0 650 551 B1) se trabaja con un
calentamiento eléctrico de un cuerpo de filtro de metal sinterizado
en el que se efectúa la deposición del hollín. A este fin, se ha
antepuesto al cuerpo del filtro por el lado de llegada de la
corriente o por el lado del gas bruto un electrodo de proyección a
través del cual se consigue una carga de las partículas o una
aglomeración de las mismas, y la deposición de las partículas sobre
la superficie filtrante se efectúa tanto por vía mecánica como por
vía electrostática, ya que el cuerpo del filtro actúa como un
electrodo de precipitación. Para regenerar el filtro así cargado se
conduce temporalmente una corriente eléctrica a través del cuerpo
del filtro y se calienta así este cuerpo del filtro como elemento
de resistencia hasta la temperatura de encendido.
Además, se conoce aún una multitud de otros
filtros de partículas para motores diesel que trabajan con
calentamiento eléctrico para la combustión del hollín, en parte en
unión de cuerpos de filtro que presentan superficies filtrantes de
metal sinterizado (documentos DE 195 03 067 A1, EP 0 849 444 A2),
en parte con cuerpos de filtro metálicos de otro tipo (documento EP
0 837 228 A2) y en parte con cuerpos de filtro cerámicos
configurados especialmente en forma de filtros de nido de abeja
(documentos DE 36 08 801 A1, EP 0 485 974 B1). En estos filtros se
pretende efectuar en parte el calentamiento eléctrico en la zona de
la desembocadura de los gases de escape por el lado del gas bruto
por medio de alambres de calentamiento por resistencia colocados en
los canales de entrada, con el objetivo de que, después de la
inflamación del hollín al comienzo del canal, el frente de la llama
siga ardiendo en dirección al final del canal y, por tanto, la
combustión discurra a partir del lado del gas bruto de conformidad
con el desarrollo de la circulación en dirección al lado del gas
puro. Sobrepuestos, o bien independientemente de la combustión del
hollín fomentado por el calentamiento eléctrico, se utilizan en
parte medios químicos que fomentan la reacción, así como también las
posibilidades de medidas internas al motor para la elevación de la
temperatura de los gases de escape y/o formas de funcionamiento del
motor en el sentido de fomentar la combustión del hollín.
Asimismo, se conocen filtros de polvo para fines
industriales por el documento DE 36 37 516 C1. Estos están
configurados a la manera de filtros tubulares cuyos cuerpos de
filtro de forma de manguera, atacados desde fuera por la corriente
de gas bruto, están cerrados por el lado del gas bruto y presentan
aberturas de salida extremas abiertas por el lado del gas puro. En
la zona de estas aberturas de salida los cuerpos de filtro de forma
de manguera están fijados a un tabique que delimita el lado de gases
de escape respecto del lado del gas bruto. Los distintos cuerpos de
filtro están constituidos por bolsas filtrantes de sección
transversal de forma triangular que se estrechan en forma de cuña en
la dirección de su extensión longitudinal hacia el lado del gas
bruto y en dirección radial y que están cerradas en estas
direcciones. Las aberturas de las bolsas que forman las aberturas
de salida del lado del gas puro están situadas en la zona del
tabique en el que están fijados los distintos cuerpos de filtro.
Para la limpieza del filtro de polvo dispuesto en posición vertical
se ha previsto un dispositivo de barrido a contracorriente, mediante
el cual el polvo depositado por el lado del gas bruto en las
paredes filtrantes de los cuerpos de filtro puede ser arrastrado
por soplado, acumulado en la parte inferior de la carcasa del
filtro y retirado a través de una boca de descarga de polvo.
La invención se basa en el problema de
perfeccionar filtros de partículas para motores diesel que trabajan
con combustión de hollín en el sentido de que puedan aprovecharse
las ventajas de superficies filtrantes de metal sinterizado para la
deposición de partículas y la regeneración por combustión del
hollín, concretamente con un consumo de energía minimizado, alto
grado de combustión y ventajosas premisas de fabricación
económica.
Esto se consigue conforme a la invención con las
particularidades caracterizantes de la reivindicación 1 y, por
consiguiente, se trabaja con el calentamiento eléctrico de
únicamente una fracción, especialmente una pequeña fracción de la
superficie filtrante de metal sinterizado, concretamente con una
acción de calentamiento sin contacto desde el lado del gas bruto, de
modo que se proporcionan condiciones óptimas para la inflamación
del hollín, y especialmente unas eventuales medidas adicionales,
sean del tipo de motor u otras, para elevar la temperatura en el
lado del gas bruto o para fomentar la combustión pueden entrar
directamente en acción con otros medios, por ejemplo químicos,
junto con la potencia de calentamiento y, por tanto, dado el caso,
entran también en acción adicionalmente fomentando la combustión
del recubrimiento de hollín debido a la inflamación puesta en marcha
por el calentamiento eléctrico. En particular, con el calentamiento
eléctrico sin contacto se mejoran también las condiciones de
construcción, sea respecto de la flexibilidad en la disposición,
respecto de la demanda de espacio, respecto de la garantía de un
funcionamiento a largo plazo sin perturbaciones y también respecto
de la seguridad de funcionamiento eléctrico. Asimismo, se influye
positivamente sobre la libertad de configuración y el coste para el
cuerpo del filtro, ya que resulta posible una fabricación
independiente de la fuente de calentamiento, eventualmente una
construcción modular, y sobre todo se pueden reducir también las
cargas térmicamente extremas al quemar el hollín de las superficies
filtrantes y sobre las superficies filtrantes en sus repercusiones
sobre la fuente de calentamiento eléctrico y su configuración
constructiva.
Por tanto, mediante la invención se ofrece una
solución que hace posible una reducción de la demanda de energía de
calentamiento junto con un coste reducido y que, inaugura también
especialmente posibilidades favorables para la utilización efectiva
de otras medidas que fomenten la combustión del hollín, ya que la
aportación sin contacto de la potencia de calentamiento proporciona
ventajas para la configuración y alojamiento de la fuente de
calentamiento, incluso respecto de medidas de seguridad necesarias,
como, por ejemplo, el aislamiento.
Debido a la acción sin contacto de la fuente de
calentamiento formada especialmente por al menos un radiador de
calentamiento, especialmente también por al menos un radiador de
láser, se puede conseguir con una reducida demanda de energía la
alta potencia de calentamiento necesaria, específica de la
superficie, requerida para una inflamación segura, sin acceso
directo a la superficie filtrante, pudiendo utilizarse
eventualmente reflectores en combinación con radiadores de
calentamiento convencionales. Aparte de la acción de reflexión, se
pueden manifestar también como ventajosos unos apantallamientos
correspondientes para influir sobre el recubrimiento con hollín de
la superficie filtrante en la zona de radiación por medio de una
función de guiado o de retención y se pueden mejorar así,
igualmente sin contacto con el cuerpo del filtro, las condiciones
previas para la inflamación y para una combustión segura del
hollín.
El calentamiento eléctrico sin contacto aporta
ventajas especiales en combinación con cuerpos de filtro que estén
constituidos por bolsas filtrantes de forma de cuña que, respecto
de la sección transversal de sus aberturas, estén vueltas hacia un
plano común, de modo que el gas bruto llegue a los extremos del
filtro cerrados y configurados a modo de filos de cuña y las bolsas
filtrantes que presentan superficies filtrantes de metal
sinterizado se enfrenten casi a manera de erizo al gas bruto que
entra a lo largo de las superficies filtrantes en los recintos
antagonistas limitados por las bolsas en cuña, se recoja en éstos y
salga por las superficies filtrantes en la dirección de las
respectivas aberturas de las bolsas filtrantes.
Como quiera que las bolsas filtrantes, en el caso
de una sección transversal de forma triangular de su abertura
frontal, convergen a manera de filo con sus superficies laterales
formadas por los lados tanto en dirección longitudinal como en la
dirección vertical de la sección transversal de forma triangular, se
pueden construir, en el caso de superficies filtrantes grandes,
cuerpos de filtro con un contorno periférico regular, sea un
contorno circular o un contorno ovalado, como también con contornos
irregulares. Existen condiciones muy favorables especialmente en el
caso de los contornos circulares u ovalados comentados o aproximados
a estas formas.
En una estructura de esta clase de un filtro de
partículas de metal sinterizado, cuyas aberturas de bolsa del lado
del gas puro - vueltas hacia un plano común - están asociadas a las
secciones transversales frontales de forma triangular de las bolsas
filtrantes y cuyas bolsas filtrantes se extienden en forma de cuña
en dirección al centro común y también en forma de cuña en el
sentido de la extensión longitudinal, es decir, axialmente con
respecto al lado del gas bruto, el calentamiento eléctrico sin
contacto por el lado del gas bruto se efectúa en la zona
longitudinal de las bolsas filtrantes que termina hacia el plano de
dichas bolsas y situada por fuera, referido al centro, concretamente
de preferencia en el caso de concentración de la potencia de
calentamiento sobre un sector del cuerpo de filtro que comprenda
varias bolsas filtrantes. Se efectúa prioritariamente el
calentamiento de las superficies posteriores de las bolsas
filtrantes. Respecto de la disposición de los elementos de
calentamiento en su asociación con el cuerpo del filtro, se
obtienen así ventajas, habiéndose mostrado sorprendentemente
respecto de la concentración de la potencia de
calentamiento sobre la zona de una longitud parcial de las bolsas filtrantes que termina contra el plano de las aberturas de dichas bolsas que allí no sólo son especialmente favorables las condiciones para la inflamación partiendo de una superficie de encendido de pequeña área, sino que, partiendo de esta zona, la combustión del hollín se desarrolla también muy eficazmente en contra de la dirección de llegada de la corriente por efecto de la propagación del frente de la llama en la capa de hollín.
calentamiento sobre la zona de una longitud parcial de las bolsas filtrantes que termina contra el plano de las aberturas de dichas bolsas que allí no sólo son especialmente favorables las condiciones para la inflamación partiendo de una superficie de encendido de pequeña área, sino que, partiendo de esta zona, la combustión del hollín se desarrolla también muy eficazmente en contra de la dirección de llegada de la corriente por efecto de la propagación del frente de la llama en la capa de hollín.
No obstante, por motivos de espacio, y también a
causa de la posibilidad de la acción simultánea sobre superficies
filtrantes mutuamente opuestas, puede ser conveniente también una
disposición de los elementos de calentamiento de tal manera que
éstos encajen en los recintos antagonistas del lado del gas bruto
situados entre bolsas filtrantes consecutivas.
En particular, en unión de la acción prevista sin
contacto de la fuente de calentamiento es conveniente limitar la
potencia de calentamiento a una zona de encendido de pequeña
superficie, concretamente para potencias de calentamiento
específicas del orden de magnitud de 20-100
kW/m^{2}, especialmente de alrededor de 60 kW/m^{2}, pudiendo
corresponder de preferencia la superficie de la zona de encendido a
aproximadamente la superficie de la zona dorsal de las bolsas
filtrantes solicitadas en la zona longitudinal solicitada de las
mismas. Referido a toda la superficie filtrante, esto significa una
potencia de calentamiento específica del orden de
0,8-1,6 kW/m^{2}. Con la concentración de la
energía de calentamiento utilizada sobre superficies de encendido de
pequeña área y también con la posibilidad inherente de garantizar
en cortos tiempos de calentamiento, situados especialmente en el
rango de unos pocos minutos, una inflamación segura que, debido a
la combustión del hollín, en función del recubrimiento de hollín, se
propague al menos en una gran parte de las superficies filtrantes
recubiertas de hollín, concretamente por propagación del frente de
la llama en la capa de hollín, resulta en conjunto para el filtro
de partículas según la invención una solución en la que la demanda
de energía de calentamiento a aplicar adicionalmente por medio de
una calefacción externa es pequeña y está situada en un rango
compatible también para el rendimiento de la instalación eléctrica
de automóviles de turismo.
Especialmente, teniendo en cuenta que en el marco
de la invención pueden preverse varias fuentes de calentamiento
distribuidas por la superficie filtrante, especialmente sobre el
perímetro del filtro, actuando de la manera preconizada por la
invención sobre el cuerpo del filtro o sus bolsas filtrantes, y que
en la solución según la invención las fuentes de calentamiento
pueden ser activadas de manera controlada en el tiempo, tanto al
mismo tiempo como también con desfase en el tiempo, se puede
conseguir también, aparte de la utilización de energía conseguida
por la invención, la cual tiene lugar con un rendimiento
especialmente bueno, una minimización de las superficies filtrantes
necesarias, ofreciendo para ello la configuración en forma de
filtros en cuña unas condiciones especialmente favorables y
aumentándose también la seguridad de funcionamiento mediante el
aprovechamiento de fuentes de calentamiento activadas y/o
alimentadas preferiblemente en forma independiente.
Otras posibilidades para reducir la potencia de
calentamiento externa necesaria son factibles en el marco de la
invención mediante el ajuste recíproco de la combustión de hollín y
los modos de funcionamiento del motor, sea que estos modos de
funcionamiento están condicionados por el funcionamiento de marcha
correspondiente, sea que estos modos de funcionamiento se consigan
mediante intervenciones que se superponen al funcionamiento del
motor dependiente del estado de marcha, tal como, por ejemplo,
mediante una elevación deliberada de la cantidad de inyección o
similar. En particular, se manifiesta también como ventajoso que se
tengan en cuenta colectivos de estados de marcha y/o de
comportamientos de marcha para el ciclo de cambios entre combustión
de hollín y funcionamiento del motor. Si se tiene en cuenta el
comportamiento de conducción del conductor de un vehículo
correspondiente captado especialmente de manera progresiva durante
un período de tiempo y adaptado así también continuamente o a
intervalos, se tienen en cuenta con ello al mismo tiempo también las
peculiaridades del respectivo trayecto. Dado que la realización de
la combustión del hollín no es necesaria en general en un momento
determinado, sino que está disponible un intervalo de tiempo
relativamente grande, se puede fomentar también de esta manera la
combustión del hollín y especialmente se puede integrarla
convenientemente en el tiempo en la evolución del
funcionamiento.
En conjunto, se mantiene abierta una multitud de
posibilidades que pueden tenerse en cuenta adicionalmente en el
marco de la invención para el control de la combustión del hollín y
que pueden aprovecharse para minimizar la potencia de calentamiento
necesaria, así como para mejorar la combustión del hollín. Entre
éstas se cuenta también, por ejemplo, un control en función del
contenido de oxígeno de los gases de escape, el cual es captado o
puede ser captado por medio de una sonda \lambda, una
influenciación del número de revoluciones del motor por
intervenciones correspondientes en el control de la transmisión, la
utilización del retorno del gas de escape, la alimentación de aire
adicional, que puede derivarse, por ejemplo, del aire de
alimentación con motor sobrealimentado, y similares.
Otros detalles y características de la invención
se desprenden de las reivindicaciones. Asimismo, se explica
seguidamente la invención con referencia a ejemplos de ejecución.
Muestran:
la figura 1, en esquema, un motor diesel con
transmisión pospuesta por el lado de salida y con filtro de
partículas situado en la línea del gas de escape y que trabaja con
combustión de hollín, así como con un aparato de control a través
del cual están funcionalmente enlazados el motor y los grupos
comenta-
dos,
dos,
la figura 2, una representación esquematizada en
perspectiva del cuerpo de un filtro de partículas que trabaja con
combustión de hollín, cuyo cuerpo de filtro está constituido por
bolsas filtrantes con superficies filtrantes de metal
sinterizado,
la figura 3, un fragmento de un cuerpo de filtro
según la figura 2, en el que está representada únicamente una bolsa
filtrante,
las figuras 4 y 5, en alzado lateral exterior y
en vista en planta, en forma esquematizada, la asociación de
elementos de calentamiento a bolsas filtrantes de un filtro en cuña
según las figuras 2 y 3, y
las figuras 6 y 7, 8 y 9, así como 10 y 11,
sendas representaciones correspondientes a las figuras 4 y 5 en
unión de otras ejecuciones y disposiciones de elementos de
calentamiento en asociación con las bolsas en cuña.
En la representación esquemática según la figura
1 se muestra como motor de combustión interna un motor diesel 1, a
continuación del cual está dispuesta en la línea de propulsión una
unidad de transmisión 2, y que presenta una línea 3 de gas de
escape en cuya tubería 4 de gas de escape está dispuesto un filtro
de partículas 5 que trabaja como filtro de combustión de hollín.
Asimismo, se ilustra un aparato de control 6 que puede estar
construido como una unidad de control y de ordenador y en el que,
como se indica por las flechas, las señales de medida y control
captadas por el lado del motor diesel 1, la unidad de transmisión 2
y el filtro de partículas 5 se convierten en órdenes de control
para el funcionamiento del motor 1, la unidad de transmisión 2, el
filtro de partículas 5 y otros elementos no representados aquí de
un vehículo no mostrado, los cuales puede estar enlazados a su vez
también en el lado de salida con el aparato de control 6. Las
señales alimentadas al aparato de control 6 están ilustradas por las
flechas 7 y las señales que parten del aparato de control 6 están
ilustradas por flechas 8. Pertenece también a las señales captadas
por el aparato de control 6, entre otras, una señal 9 de número de
revoluciones tomada en el lado de salida de fuerza. En la unidad de
accionamiento representada en forma simplificadora por el motor
diesel 1, la unidad de transmisión 2 y el filtro de partículas 5
pueden estar integrados constructivamente también en particular un
turboalimentador de gas de escape situado en la línea 3 de gas de
escape, y, por ejemplo, también un grupo de motor de arranque en
forma de una unidad de motor de arranque-alternador
que es accionada por el lado del alternador en función de las
condiciones de funcionamiento del vehículo, tal como especialmente,
por ejemplo, en el funcionamiento como freno para convertir la
energía de frenado en energía eléctrica, como la que se necesita en
medida incrementada en el marco de la solución presentada según la
invención con calentamiento eléctrico del filtro de partículas como
receptor adicional. Los terminales eléctricos pertinentes del
filtro de partículas están indicados simbólicamente con +/-.
Además, a través del aparato de control 6 se
pueden procesar datos de marcha caracterizantes del comportamiento
de conducción del conductor de un vehículo correspondiente y, dado
el caso, también, especialmente en unión de sistemas de trazado de
rutas y guía del tráfico, datos que describen perfiles de trayecto y
el flujo del tráfico y se pueden convertir estos datos en señales
de control, tal como, por ejemplo, en señales de control para
programas especiales de cambio de la transmisión, así como también
en el funcionamiento del filtro de partículas para la combustión del
hollín en coordinación con programas de control del funcionamiento
del motor. Así, por ejemplo, se pueden establecer y convertir
también magnitudes de control que controlan la combustión del hollín
teniendo en cuenta los estados de funcionamiento captados para
espacios de tiempo transcurridos.
Como filtro de partículas de metal sinterizado
que trabaja con combustión de hollín se ha previsto preferiblemente
en el marco de la invención un filtro de metal sinterizado cuyo
cuerpo 10 (figura 2) está constituido por bolsas filtrantes 11 que,
en el caso de un contorno de forma triangular, terminan en al menos
uno y preferiblemente dos filos de cuña que están
asociados a cantos de la bolsa filtrante 11 perpendiculares uno a otro y mutuamente adyacentes. No se representa en la figura 2 la carcasa del filtro asociada al cuerpo 10 del mismo, contra la cual está apoyado el cuerpo 10 del filtro en el ejemplo de ejecución a través de un borde periférico 12 que, referido a la llegada de la corriente por el lado del gas bruto (flecha 13) y a la salida de la corriente por el lado de gas puro (flecha 14), está situado en la zona del plano de separación, especialmente asociado al plano de separación entre el lado del gas bruto y el lado del gas puro, estando situadas también en la zona de este plano de separación las aberturas 15 de las bolsas filtrantes 11, tal como puede apreciarse en la figura 3. La figura 2 permite apreciar que el cuerpo 10 del filtro está constituido por una pluralidad de bolsas filtrantes 11, pudiendo materializarse, aparte de la forma rotacionalmente simétrica representada, formas ovaladas y también formas del cuerpo del filtro estrechadas parcialmente en su perímetro, esto último, por ejemplo, por medio de tamaños diferentes de las bolsas filtrantes 11.
asociados a cantos de la bolsa filtrante 11 perpendiculares uno a otro y mutuamente adyacentes. No se representa en la figura 2 la carcasa del filtro asociada al cuerpo 10 del mismo, contra la cual está apoyado el cuerpo 10 del filtro en el ejemplo de ejecución a través de un borde periférico 12 que, referido a la llegada de la corriente por el lado del gas bruto (flecha 13) y a la salida de la corriente por el lado de gas puro (flecha 14), está situado en la zona del plano de separación, especialmente asociado al plano de separación entre el lado del gas bruto y el lado del gas puro, estando situadas también en la zona de este plano de separación las aberturas 15 de las bolsas filtrantes 11, tal como puede apreciarse en la figura 3. La figura 2 permite apreciar que el cuerpo 10 del filtro está constituido por una pluralidad de bolsas filtrantes 11, pudiendo materializarse, aparte de la forma rotacionalmente simétrica representada, formas ovaladas y también formas del cuerpo del filtro estrechadas parcialmente en su perímetro, esto último, por ejemplo, por medio de tamaños diferentes de las bolsas filtrantes 11.
Las bolsas filtrantes 11 presentan
preferiblemente una estructura de soporte provista de aberturas de
paso, por ejemplo y preferiblemente de metal desplegado, sobre la
cual está sinterizada la superficie filtrante porosa metálica. Puede
resultar conveniente a este respecto prever especialmente
superficies de la estructura de soporte, es decir, por ejemplo,
superficies de nudo del metal desplegado, como superficies de
solicitación para el radiador o los radiadores de calentamiento que
forman la fuente de calentamiento, de modo que estas superficies
puedan formar superficies de reflexión en cuya zona tenga lugar un
calentamiento especialmente intenso del recubrimiento de hollín.
Dado el caso, unas superficies correspondientes, por ejemplo
debido a una estructura asperizada de la superficie, pueden
experimentar también un calentamiento especialmente intenso, de
modo que forman "puntos de incandescencia" desde los cuales
progresa la combustión del hollín.
Referido al ejemplo de ejecución representado, se
proporciona un cuerpo de filtro 10 que está constituido por
aproximadamente 50 (cincuenta) bolsas filtrantes 11 adyacentes una
a otra, de modo que resulta para éstas, referido a la estructura
rotacionalmente simétrica, un ángulo de cuña \alpha que se abre
radialmente hacia fuera -véase la figura 3- de aproximadamente 7º.
La longitud axial de las bolsas se ha designado con L y corresponde
en el ejemplo de ejecución a aproximadamente el doble de la altura
H de la bolsa filtrante 11 o de su abertura 15. Resulta de esto un
ángulo de cuña \beta de aproximadamente 3 a 4º que se abre contra
la abertura 15 de la bolsa. La anchura B del dorso de la cuña
existente en la zona de la abertura 15 de la bolsa y, por tanto, la
anchura de la pared posterior 17 de la bolsa filtrante 11 en la zona
de la abertura 15 de dicha bolsa son de aproximadamente la octava
parte de la altura H de la bolsa filtrante 11. Referido a un cuerpo
de filtro con aproximadamente 60 (sesenta) bolsas filtrantes 11,
resulta un ángulo de cuña \alpha de aproximadamente 6º que se abre
radialmente hacia fuera, y se manifiesta como conveniente un diseño
en el que la anchura B del dorso de la cuña de la bolsa filtrante
11 en la zona de la abertura 15 de dicha bolsa esté entre la sexta
y la octava parte de la altura H de la bolsa filtrantes 11.
En el marco de la invención se manifiestan como
convenientes unos filtros de partículas que trabajan con combustión
de hollín, especialmente en una ejecución en la que las bolsas
filtrantes 11 están agrupadas en torno a un centro y están
configuradas aproximadamente con simetría de revolución o en forma
ovalada, presentando las bolsas filtrantes 11 de forma de cuña unas
anchuras B del dorso de la cuña entre 5 y 12 mm, preferiblemente
entre 6 y 8 mm. Esto especialmente en unión de dimensiones en las
que un cuerpo de filtro 10 está formado por bolsas filtrantes 11 con
anchuras del dorso de la cuña entre 5 y 12 mm, especialmente 6 y 8
mm, estando el número n de bolsas filtrantes 11 para el diámetro D
en mm del cuerpo 10 del filtro en el intervalo de
0,26 x D < n
< 0,52 x
D.
De manera análoga, esto rige también para cuerpos
de filtro no representados aquí con perímetro no redondo cuando
como equivalente de su superficie filtrante respectiva se aplica
una superficie filtrante del mismo tamaño para cuerpos de filtro
con sección transversal circular o sección transversal de corona
circular con un pequeño núcleo condicionado por la convergencia de
las bolsas filtrantes, y viceversa, de modo que se pueden obtener
configuraciones de forma diferentes de cuerpos de filtro en el
marco del empleo según la invención de bolsas filtrantes de forma
de cuña sin un mayor coste en ensayos y pruebas.
Asimismo, especialmente con un número
correspondiente de bolsas filtrantes 11, se manifiesta como
conveniente un ángulo de cuña \beta que se abre contra la
abertura 15 de las bolsas y para el cual se cumple: 1º < \alpha
< 4,5º, y esto especialmente en unión de bolsas filtrantes en
cuña en las que la anchura B del dorso de la cuña en la zona de la
abertura 15 de las bolsas filtrantes está en la relación siguiente
con la longitud L de dichas bolsas filtrantes:
\vskip1.000000\baselineskip
\hskip2,3cm10 < L/B < 80, {}\hskip0,7cm especialmente 10 < L/B < 60.
\vskip1.000000\baselineskip
Además, se manifiesta como conveniente una
fijación de la superficie filtrante total F en relación con la
máxima masa de aire m que circula por el cuerpo 10 del filtro, para
la cual se cumple:
200 < m/F
<
350,
en donde la masa de aire m se
expresa en kg/h y la superficie filtrante F en
m^{2}.
Con un cuerpo de filtro 10 optimizado de esta
manera se obtienen también resultados especialmente ventajosos
atendiendo a criterios de costes, estando un intervalo medio
especialmente interesante para la práctica según la invención en
250 < m/F
<
270.
Un filtro de partículas diseñado de esta manera
se manifiesta como especialmente conveniente para motores diesel de
vehículo sobrealimentados con un volumen de cilindrada de
aproximadamente 2000 cm^{3}, un caudal máximo de la masa de aire
de 450 kg/h y una superficie filtrante de 1,7 m^{2}, estando
previstas aproximadamente 60 bolsas filtrantes 11 cuya longitud L
es de 250 mm, con una anchura B del dorso de la cuña de
aproximadamente 7 mm y una altura H de aproximadamente 60 mm.
En el ejemplo de ejecución según las figuras 2 y
3 las bolsas filtrantes 11 están unidas formando un cuerpo de
filtro 10 que presenta un núcleo cerrado, de modo que la llegada de
la corriente por el lado del gas bruto puede producirse tan sólo
axial y radialmente desde fuera.
Sin embargo, en el marco de la invención se
encuentran también ejecuciones con núcleo abierto, por ejemplo
radialmente por dentro y por fuera en el caso de apoyo de las
bolsas filtrantes en el plano de separación entre el lado del gas
bruto y el lado del gas puro y tan sólo radialmente por fuera en el
caso de apoyo por el lado del gas bruto, de modo que, a pesar de la
reunión radialmente interior de las bolsas filtrantes 11, se
obtiene también cierta llegada de la corriente desde la zona del
núcleo situada radialmente por dentro.
Las figuras 2 y 3 permiten apreciar también,
además de la ejecución ya expuesta de las bolsas filtrantes 11, que
éstas convergen en un lado frontal 18 a manera de filo de cuña
enfrentándose a su lado frontal que contiene la abertura triangular
15 de dichas bolsas, y que también el lado longitudinal opuesto a la
pared posterior 17 casi forma un filo de cuña en el que convergen
las paredes laterales 20. En una vista en alzado de las paredes
laterales 20, la bolsa filtrante 11 presenta forma rectangular.
Las figuras 4 a 11 muestran representaciones
fuertemente esquematizadas, ilustrando cada una de las figuras 4, 6,
8 y 10 un alzado de una pared lateral 20 y estando representada
únicamente la longitud parcial de la misma que termina contra el
plano de las aberturas de las bolsas filtrantes 11. La zona de
longitud de la bolsa filtrante 11 correspondiente a esta longitud
parcial en la figura 2 está simbolizada por la flecha 21.
Preferiblemente, esta zona de longitud de la bolsa filtrante 11
corresponde aproximadamente a la mitad de la longitud L de la bolsa
filtrante o es menor que la mitad de la longitud L de dicha bolsa
filtrante 11.
Las figuras 5, 7, 9 y 11 simbolizan cada una de
ellas la vista en planta entre dos bolsas filtrantes yuxtapuestas
11 y muestran en forma fuertemente simplificada la posición de los
elementos de calentamiento 22 que actúan especialmente sin contacto
como radiadores sobre las respectivas paredes laterales 20 y las
paredes posteriores 17 y que en el ejemplo de ejecución según las
figuras 4 y 5 están formados por varillas de calentamiento 23,
especialmente varillas de calentamiento planas 23. Las varillas de
calentamiento 23 están retenidas, para fines de ilustración, en una
carcasa insinuada 24 del filtro de partículas 5, de modo que la
alimentación de energía puede efectuarse desde fuera de la carcasa
24 y, por tanto, en forma protegida, tal como se simboliza con las
líneas 25. Las varillas de calentamiento 23 penetran cada una de
ellas en el recinto antagonista 26 delimitado por bolsas filtrantes
yuxtapuestas 11, el cual se ensancha de acuerdo con la forma de
cuña de las bolsas filtrantes 11 en dirección contraria, es decir,
en contra de la llegada de la corriente por el lado del gas
bruto
-flecha 13-, y se extienden radialmente con respecto al eje 27 del cuerpo 10 del filtro sustancialmente en la parte radialmente exterior de la altura H de las bolsas filtrantes 11, estando dispuestos los elementos de calentamiento 22, como se ilustra, a lo largo de la longitud L de las bolsas filtrantes en la zona parcial 23 que termina contra el plano de las aberturas 15 de dichas bolsas, especialmente cerca del plano de las aberturas 15 de las bolsas filtrantes.
-flecha 13-, y se extienden radialmente con respecto al eje 27 del cuerpo 10 del filtro sustancialmente en la parte radialmente exterior de la altura H de las bolsas filtrantes 11, estando dispuestos los elementos de calentamiento 22, como se ilustra, a lo largo de la longitud L de las bolsas filtrantes en la zona parcial 23 que termina contra el plano de las aberturas 15 de dichas bolsas, especialmente cerca del plano de las aberturas 15 de las bolsas filtrantes.
Las figuras 6 y 7 muestran también una ejecución
correspondiente, estando previsto aquí como elemento de
calentamiento 22 un serpentín de calentamiento 28 y conservándose,
por lo demás, la misma estructura que en las figuras 4 y 5, de
acuerdo con la descripción referente a éstas.
Las figuras 8 y 9 ilustran otras ejecuciones de
elementos de calentamiento 22, estando previsto un elemento de
calentamiento en forma de un radiador de superficie 29 que se
extiende en la dirección longitudinal de las bolsas filtrantes 11
en el recinto antagonista 26 encerrado por éstas, estando prevista
aquí también, en aras de un mayor sencillez, una alimentación de
energía radial a través de líneas 30, eventualmente con un soporte
radial correspondiente. No se muestra que en el marco de la
invención está situado también un soporte que se extiende en la
dirección longitudinal.
En aras de una mayor sencillez, se ha incorporado
también en la representación según las figuras 8 y 9 una ejecución
de una fuente de calentamiento 22 como radiador radial 31 que, en
contraste con el radiador de superficie 29, no está situado en el
recinto antagonista 26 ni penetra en éste, sino que está dispuesto
por el lado de la periferia enfrente del cuerpo 10 del filtro,
especialmente enfrente de la pared posterior 17 de una bolsa
filtrante 11, y para el que la pared posterior 17 forma
sustancialmente la superficie irradiada, sirviendo aquí también la
disposición mostrada, referido a la longitud L de la respectiva
bolsa filtrante 11, únicamente para la ilustración de que el
calentamiento para la inflamación del hollín se realiza
especialmente en la zona longitudinal del cuerpo 10 del filtro que
termina sobre las aberturas 15 de las bolsas filtrantes 15.
La figura 10 muestra una solicitación periférica
correspondiente, preferiblemente con una fuente de calentamiento 22
asociada a la zona de la pared posterior de las bolsas filtrantes
11, enfrentada a esta pared y alineada con ella, estando formada la
fuente de calentamiento 22 en este caso por medio de un respectivo
radiador 33 de forma de varilla, en contraposición a la ejecución
del radiador 31 en las figuras 8 y 9, que está configurado como una
fuente de calentamiento puntiforme, aproximadamente en analogía a
una fuente de calentamiento puntiforme formada por un láser. Tanto
en las figuras 8 y 9 como en las figuras 10 y 11 se ilustra también
que el radiador 31 ó 33 situado por el lado de la periferia con
respecto a la correspondiente bolsa filtrante 11 puede llevar
asociado preferiblemente un reflector 34 para concentrar la
respectiva radiación, y al mismo tiempo también para apantallar la
carcasa 24, así como eventualmente también en una ejecución, lo que
no se muestra aquí,
\hbox{como} cuerpo de guía para el
gas bruto que afluye contra las bolsas filtrantes 11, pudiendo
servir la configuración de este cuerpo de guía tanto para la
protección de la fuente de calentamiento 22 contra la solicitación
directa con partículas de hollín como también para la formación del
centro de gravedad con miras a la carga de hollín de la bolsa
filtrante en la zona de radiación de la respectiva fuente de
calentamiento 22.
La respectiva fuente de calentamiento 22 está
activada preferiblemente sólo por breve tiempo en la solución según
la invención, aproximadamente durante un período de tiempo de hasta
3 minutos, y se produce entonces la combustión adicional del hollín
por el avance de un frente de incandescencia o de llama en la capa
de hollín. En atención tanto a unas condiciones de encendido
favorables como también a una combustión lo más continua posible por
transmisión de la llama con captación de la respectiva zona
deseada, se manifiesta como ventajoso en el marco de la invención
ajustar las medidas comentadas que fomentan el encendido y/o la
separación al intervalo de tiempo de encendido o al intervalo de
tiempo de la combustión, pudiendo controlarse en último término
también especialmente la combustión por medio de estas medidas.
Pueden estar superpuestas a éstas unas medidas que fomentan la
combustión, tal como, por ejemplo, el calentamiento de los gases
brutos por medio de las medidas ya comentadas de naturaleza interior
al motor o bien el aumento de la proporción de oxígeno mediante una
aportación de aire adicional. De manera correspondiente, es posible
influir en la dirección contraria para decelerar o para terminar el
proceso de combustión correspondiente, siendo también posibles y
convenientes a este respecto combinaciones de las medidas
individuales que se comentan con detalle en las reivindicaciones,
así como en parte también en la descripción precedente.
La proporción de superficie solicitada en
conjunto por la radiación en la superficie filtrante total es según
la invención de 0,5-30%, especialmente 0,5 a 10% de
la superficie filtrante total, de modo que la energía aportada en
conjunto por el calentamiento eléctrico y que sirve para la
inflamación del hollín actúa únicamente sobre una parte entre
pequeña y muy pequeña de la superficie filtrante, con una densidad
de potencia correspondientemente elevada junto con un pequeño
consumo de energía. Esto resulta especialmente claro por el hecho
de que, según la invención, las paredes posteriores 17 de una parte
de las bolsas filtrantes 11 sirven ventajosamente como superficies
irradiadas y en este caso la proporción de superficie alcanzada en
total por la radiación es únicamente de 0,1 a 10%, especialmente
hasta 4% de la superficie filtrante periférica formada por las
paredes posteriores 17 de todas las bolsas filtrantes 11 del cuerpo
10 del filtro.
Claims (12)
1. Filtro de partículas (5) para motores diesel
(1) que trabaja con combustión del hollín, que presenta un cuerpo
de filtro (10) con superficie filtrante situada entre el lado del
gas bruto por la parte de llegada de la corriente y el lado del gas
puro por la parte de salida de la corriente y que, para la
regeneración, trabaja con combustión de hollín iniciada por una
fuente de calentamiento eléctrico (22) prevista en el lado del gas
bruto, siendo encendido el hollín que recubre la superficie
filtrante únicamente en una fracción de la superficie filtrante por
la acción sin contacto, por el lado del gas bruto, de la fuente de
calentamiento (22) formada como radiador de calentamiento (23, 28,
29, 31, 33) y efectuándose la combustión del hollín sobre la
superficie filtrante, a partir de la zona de encendido solicitada
por la fuente de calentamiento (22), por transmisión de la llama en
la capa de hollín, caracterizado porque el cuerpo (10) del
filtro está constituido por bolsas filtrantes (11) de forma de cuña
con superficies filtrantes de metal sinterizado, porque las bolsas
filtrantes (11) están vueltas hacia un plano común respecto de la
sección transversal de sus aberturas y, con sus aberturas de bolsa
(15) asociadas a lados frontales de forma triangular y con su dorso
(17) de forma triangular asociado al perímetro exterior del cuerpo
(10) del filtro, se estrechan contra los lados frontales opuestos a
las aberturas (5) de las bolsas y contra los cantos longitudinales
que discurren entre los lados frontales y que están enfrente del
dorso (17), y porque la fuente de calentamiento (22) formada por al
menos un radiador de calentamiento (31, 33) está dispuesta en la
zona parcial longitudinal del cuerpo (10) del filtro que termina
contra el plano de la sección transversal de las aberturas de las
bolsas filtrantes (11) y está dirigida contra los dorsos (17) de las
bolsas filtrantes (11) asociados al perímetro exterior del lado del
gas bruto del cuerpo (10) del filtro.
2. Filtro de partículas que trabaja con
combustión de hollín según la reivindicación 1,
caracterizado porque el radiador de calentamiento (31, 33)
lleva asociado un reflector (34).
3. Filtro de partículas que trabaja con
combustión de hollín según la reivindicación 1,
caracterizado porque el radiador de calentamiento (31, 33)
y/o la superficie filtrante alcanzada por su radiación están
situados en una zona a sotavento formada por un apantallamiento
asociado.
4. Filtro de partículas que trabaja con
combustión de hollín según la reivindicación 1,
caracterizado porque como fuente de calentamiento (22) está
previsto un radiador de calentamiento (31, 33) que está asociado a
al menos un sector del cuerpo (10) del filtro que comprende varias
bolsas filtrantes (11).
5. Filtro de partículas que trabaja con
combustión de hollín según la reivindicación 4,
caracterizado porque a lo largo del perímetro del cuerpo
(10) del filtro están dispuestos varios sectores de calentamiento
distanciados uno de otro.
6. Filtro de partículas que trabaja con
combustión de hollín según la reivindicación 1,
caracterizado porque la combustión del hollín para
respectivas zonas previstas se realiza con desfase en el tiempo.
7. Filtro de partículas que trabaja con
combustión de hollín según la reivindicación 1,
caracterizado porque en el caso de un radiador de
calentamiento (31, 33), dispuesto por el lado del perímetro con
respecto al cuerpo (10) del filtro, las bolsas filtrantes (11)
están agrupadas en torno a un centro común.
8. Filtro de partículas que trabaja con
combustión de hollín según la reivindicación 1,
caracterizado porque el radiador de calentamiento (23, 28,
29) está dispuesto penetrando entre las bolsas filtrantes (11).
9. Filtro de partículas que trabaja con
combustión de hollín según la reivindicación 1,
caracterizado porque la potencia de calentamiento que actúa
sobre el cuerpo (10) del filtro, aportada por la fuente de
calentamiento (22), como potencia de calentamiento específica
P_{espec}, referido a la superficie alcanzada por radiación, está
en el intervalo de
20 \leq
P_{espec} \leq 100
kW/m^{2}.
10. Filtro de partículas que trabaja con
combustión de hollín según la reivindicación 1, caracterizado
porque la proporción de superficie alcanzada en conjunto por
radiación de la fuente de calentamiento (22) formada cada vez por
al menos un radiador de calentamiento (31, 33) es de 0,5 a 10% de la
superficie filtrante total.
11. Filtro de partículas que trabaja con
combustión de hollín según la reivindicación 10 u 11,
caracterizado porque la proporción de superficie alcanzada
en conjunto por radiación de la fuente de calentamiento (22) es de
0,1 a 10%, especialmente de hasta 4% de la superficie filtrante
periférica formada por las paredes dorsales (17) de las bolsas
filtrantes (11) del cuerpo (10) del filtro.
12. Filtro de partículas que trabaja con
combustión de hollín según la reivindicación 1,
caracterizado porque unos radiadores de calentamiento (31,
33) asociados a sectores diferentes del cuerpo (10) del filtro están
activados alternadamente durante un tiempo limitado.
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| DE10128938A DE10128938A1 (de) | 2001-06-18 | 2001-06-18 | Verfahren zum Abtrennen von Rußpartikeln in Partikelfiltern, und Partikelfilter hierzu |
| DE10128936 | 2001-06-18 | ||
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| DE10223452A DE10223452A1 (de) | 2002-05-25 | 2002-05-25 | Partikelfilter für Abgase von Brennkraftmaschinen |
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