ES2250740T3 - Cuerpo filtrante que comprende una pluraridad de bloques filtrantes, destinado en especial para un filtro de particulas. - Google Patents

Cuerpo filtrante que comprende una pluraridad de bloques filtrantes, destinado en especial para un filtro de particulas.

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Abstract

Cuerpo filtrante, en especial para un filtro de partículas (1) para los gases de escape de un motor de combustión interna de un vehículo automotor, que comprende una pluralidad de bloques filtrantes (11a 11i) solidarizados entre si mediante por lo menos una junta (12) intercalada entre dichos bloques filtrantes (11a - 11i) y conformado de manera de oponerse al paso de dichos gases de escape entre dichos bloques filtrantes (11a - l 11i), caracterizado porque dicha junta (12) comprende una pluralidad de porciones de junta (12 a - 12e) que se extiende por toda la longitud (L) del cuerpo filtrante y adaptadas localmente, siendo la indicada adaptación local tal que por lo menos dos de dichas porciones de junta (12a, 12b; 12c, 12d) comprenden materiales que difieren en su composición y/o su estructura y/o su espesor, y/o tal como al menos una de las indicadas porciones de junta (12e) en una hendidura (14).

Description

Cuerpo filtrante que comprende una pluralidad de bloques filtrantes, destinado en especial para un filtro de partículas.
La invención se refiere a un cuerpo filtrante, destinado en especial para ser incorporado en un filtro de partículas para filtrar los gases de escape de un motor de combustión interna de un vehículo automotor, que comprende una pluralidad de bloques filtrantes solidarizados entre si mediante por lo menos una junta intercalada entre dichos bloques filtrantes y conformado de manera tal de oponerse al paso de dichos gases de escape entre dichos bloques filtrantes.
Antes de ser descargados al aire libre, los gases de escape pueden ser purificados mediante un filtro de partículas tal como el representado en las Figuras 1 y 2, conocido por la técnica anterior.
En la Figura 1 se representa un filtro de partículas 1, en sección transversal, de acuerdo con el plano de corte B-B representado en la Figura 2, y, en la Figura 2, en corte longitudinal se representa el filtro según el plano de corte A-A representado en la Figura 1.
El filtro de partículas, 1, comprende clásicamente por lo menos un cuerpo filtrante 3 insertado en una envoltura metálica 5 de manera de ser necesariamente atravesado desde una cara situada corriente arriba 7 hasta una cara situada corriente abajo 9, por los gases de escape. Las flechas representadas indican el sentido de la circulación de los gases de escape.
El cuerpo filtrante 3 comprende en términos generales una pluralidad de bloques filtrantes 11a - 11i constituidos por estructuras porosas en forma de nido de abeja, clásicamente de material cerámico (cordierita, carburo de silicio, ...), ensamblados entre si por encolado mediante juntas 12 de cemento cerámico. Las juntas 12 tienen clásicamente un espesor de aproximadamente 1 mm. El cemento cerámico, generalmente constituido por sílice y/o carburo de silicio y/o nitruro de aluminio, tiene un módulo de elasticidad de aproximadamente 5000 Mpa después del fritado.
El conjunto así constituido puede ser seguidamente mecanizado para adquirir la sección deseada, redonda u ovoidal, por ejemplo.
Un bloque filtrante 11a - 11i comprende una pluralidad de canales 13 que puede tener, en sección transversal, formas o diámetros diferentes. Cada uno de los canales 13 está obturado en uno u otros de sus extremos. Los gases de escape son así forzados a atravesar las paredes de los canales 13, mientras que las partículas a ser filtradas, son retenidas.
Después de un determinado tiempo de utilización, las partículas, u "hollines", acumulados en los canales del cuerpo filtrante 3, en particular en su cara situada corriente arriba, 7, aumentan la pérdida de carga debida al cuerpo filtrante 3 y alteran de esta manera los rendimientos del motor. Por esta razón, el cuerpo filtrante debe ser regenerado regularmente, por ejemplo cada 500 km.
La regeneración, o "desatascamiento", consiste en oxidar los hollines. A tal efecto es necesario calentarlos hasta una temperatura que permita su infla-
mación.
El funcionamiento del filtro de partículas, 1, produce un calentamiento diferente entre las distintas zonas del cuerpo filtrante 3, particularmente durante las fases de regeneración.
Durante estas fases, las zonas del cuerpo filtrante 3 situadas en la proximidad de la cara situada corriente arriba, 9, son mas calientes que las zonas situadas en la proximidad de la cara situada corriente arriba 7, ya que los gases de escape transportan hacia corriente abajo la totalidad de la energía calorífica desprendida por la combustión de los hollines.
Además, dada la forma del filtro de partículas 1 y del trayecto de los gases de escape, resultante de ello, simbolizado por las flechas de trazo grueso, los hollines no se acumulan necesariamente de manera homogénea, ya que se acumulan de manera preferible por ejemplo en la zona del filtro en la proximidad de su eje longitudinal C-C, que también recibe la denominación de "corazón" del cuerpo filtrante, 3, La combustión de los hollines origina por lo tanto una elevación de la temperatura en el corazón del cuerpo filtrante 3, superior a la elevación de la temperatura en las zonas periféricas.
El trayecto de los gases de escape calientes y el enfriamiento de la envoltura metálica 5 por el aire rodeante, conducen también, pero en una menor medida, a temperaturas superiores en el corazón del cuerpo filtrante 3, en ausencia de la combustión de los hollines.
La falta de homogeneidad de las temperaturas en el seno del cuerpo filtrante 3 y las eventuales diferencias de naturaleza de los materiales utilizados para los bloques filtrantes 11 a - 11i y las juntas 12, generan dilataciones locales de amplitudes diferentes.
Las entrecaras entre los cuerpos filtrantes 3 y la envoltura 5, y entre los cuerpos filtrantes 3 y las juntas 12, deben sin embargo seguir siendo impermeables a los gases, de manera de evitar toda circulación de los gases entre las caras situadas corriente arriba 7 y corriente abajo 9, sin filtración.
Por otra parte, el filtro de partículas 1 está montado en una tubería de escape y por lo tanto no debe deformarse excesivamente, bajo pena de perjudicar el funcionalmente de dicha tubería, por ejemplo por el hecho de crear fugas.
El resultado son fuertes tensiones internas termo-mecánicas, que pueden ser causa de fisuras en las juntas y/o en los bloques filtrantes 11 a - 11 i, que acortan la vida útil del filtro de partículas 1.
A efectos de limitar el riesgo de la aparición de dichas fisuras, es conocido el recurso consistente en seleccionar el cemento de la junta 12 en función de su capacidad de asegurar la cohesión de los bloques filtrantes 11 a - 11i y de su conductividad térmica. Por ejemplo, la Solicitud de Patente WO 01/23069 de la sociedad Ibiden propone utilizar una junta cuyo espesor es elegido en el intervalo de 0,3 a 3 mm y constituido por un cemento que tiene una conductividad térmica comprendida entre 0,1 y 10 W/m.K.
Sin embargo, una junta de este tipo no permite suprimir por completo el riesgo de la aparición de fisuras.
El objeto de la Invención es el de proveer un nuevo bloque filtrante, apto para disminuir mas aun este riesgo.
Se logra dicho objeto mediante un cuerpo filtrante, en especial para un filtro de partículas para los gases de escape de un motor de combustión interna de un vehículo automotor, que comprende una pluralidad de bloques filtrantes solidarizados entre si mediante por lo menos una junta intercalada entre dichos bloques filtrantes y conformado de manera de oponerse al paso de dichos gases de escape entre dichos bloques filtrantes.
Dicho cuerpo filtrante es notable por el hecho que dicha junta comprende una pluralidad de porciones de junta adaptadas de manera de optimizar la reducción de las tensiones internas termo-mecánicas que pueden ser generadas en dicho cuerpo filtrante.
De acuerdo con otras características del cuerpo filtrante de acuerdo con la invención:
.- por lo menos dos de dichas porciones de junta comprenden materiales que difieren por su composición y/o su estructura y/o su espesor;
.- dichos materiales de dichas porciones de junta tienen módulos de elasticidad diferentes, de un valor superior o igual al 10%;
.- por lo menos una de dichas porciones de junta presenta propiedades de elasticidad anisótropa;
.- dicha porción de junta comprende un tejido de sílice impregnado con un cemento;
.- los espesores de por lo menos dos de dichas porciones de junta, difieren en una relación que tiene una valor de por lo menos 2;
.- por lo menos una de dichas porciones de junta comprende una hendidura;
.- dicha hendidura desemboca en una de las caras situadas corriente arriba y corriente abajo de dicho cuerpo filtrante;
.- dicha hendidura está formada en una plano sensiblemente paralelo a las caras de dichos bloques filtrantes ensamblados por dicha porción de junta;
.- la longitud o "profundidad" de dicha hendidura se halla comprendida entre 0,1 y 0,9 veces la longitud total de dicho cuerpo filtrante;
.- dicha hendidura es sensiblemente adyacente a uno de los lados de uno de dichos bloques filtrantes;
.- dicha hendidura está rellena, por lo menos parcialmente, con un material de relleno que no se adhiere ni a dicho bloque filtrante, ni al cemento de dicha porción de junta en la cual ha sido prevista;
.- dicho material de relleno consiste en nitruro de boro o en sílice.
La invención se refiere asimismo a un filtro de partículas, en especial destinado al filtrado de los gases de escape de un motor de combustión interna de un vehículo automotor, que comprende una envoltura y un cuerpo filtrante obtenido, de acuerdo con la presente invención, mediante el ensamblado de una pluralidad de bloquea filtrantes mediante una junta.
Otras características y ventajas de la presente invención serán puestas en mayor relieve mediante la lectura de la siguiente descripción y el examen de los dibujos adjuntos, en los cuales:
.- la Figura 1 representa un filtro de partículas de acuerdo con la técnica anterior, en sección transversal según el plano B-B de la Figura 2;
.- la Figura 2 representa el mismo filtro de partículas, en sección longitudinal según el plano de corte A- A representado en la Figura 1;
.- las Figuras 3 y 4 representan en sección transversal cuerpos filtrantes de acuerdo con las formas de realización primera y segunda, de la presente invención;
.- la Figura 5 representa una vista lateral izquierda, es decir, siendo visible la cara situada corriente abajo (9), de un cuerpo filtrante de acuerdo con una tercera forma de realización de la presente invención;
.- la Figura 6 representa, en corte longitudinal según el plano de corte D-D representado en la Figura 5, un detalle del cuerpo filtrante representado en la Figura 5;
.- la Figura 7 representa, en corte longitudinal, un detalle de un cuerpo filtrante en una cuarta forma de realización de la presente invención.
En las diferentes Figuras se han utilizado números de referencia idénticos para señalar órganos idénticos o similares.
Por razones de claridad, los canales 13 no han sido representados en las Figuras 3, 4 y 5.
Las Figuras 1 y 2 han sido descritas en preámbulo.
En lo que sigue de la descripción, se diferencian las "porciones de junta" de la junta 12. Se denomina "porción de junta" una fracción continua de la junta 12 que tiene propiedades sensiblemente constantes.
Para un mismo cuerpo filtrante 3, las diferentes porciones de junta contiguas forman una junta 12 única.
De acuerdo con una primera forma de realización de la Invención, representada en la Figura 3, se utilizan dos cementos de ensamblado diferentes para encolar los bloques filtrantes 11 a - 11i de un cuerpo filtrante 3. Los dos cementos utilizados se diferencian por su módulo de elasticidad, también conocido como módulo de Young. Se considera que una diferencia de valor del módulo de elasticidad, superior o igual al 10%, es significativa, es decir indicativa de un comportamiento diferente y no vinculada con las variaciones de medida ni con las variaciones "normales" debidas a la heterogeneidad de un material.
En las zonas sometidas a las tensiones termo-mecánicas mas elevadas, se utilizan las porciones de junta 12a_{1}, 12a_{2}, 12a_{3}, 12a_{4}, 12a_{5} y 12a_{6}, que comprenden un primer cemento que tiene un módulo de elasticidad inferior a 1000 Mpa. En las otras zonas se utiliza una porción de junta 12b, que comprende un segundo cemento que tiene un módulo de elasticidad de aproximadamente 5000 Mpa y de uso clásico en la técnica anterior.
El primer cemento tiene un comportamiento mas elástico que el segundo, y puede por lo tanto absorber mejor, sin fisurarse, las variaciones de volumen de los bloques filtrantes que separa. El primer cemento limita también la transmisión de las tensiones entre los bloques filtrantes 11 a - 11 i, y contribuye así de manera ventajosa a limitar la aparición de fisuras en dichos cuerpos.
Es posible disminuir el módulo de elasticidad de un cemento, por ejemplo aumentando su porosidad total mediante la adición de agentes porógenos.
El segundo cemento tiene mejores propiedades de adherencia, bajo las condiciones de funcionamiento del filtro, que el primer cemento. La combinación de porciones de junta que comprenden el primer cemento con otras porciones de junta que comprenden el segundo cemento, permite de esta manera obtener un cuerpo filtrante 3 robusto y adaptado a las fuertes tensiones internas termo-mecánicas.
Es ventajoso que haya bloques filtrantes 11 a - 11i, en particular bloques filtrantes 11 a - 11 i dispuestos en la periferia del cuerpo filtrante 3, conformados y dispuestos de manera tal que las porciones de junta 12 a_{1-6} que los separan estén dispuestos radialmente. Esta disposición mejora en efecto la absorción de las tensiones radiales ejercidas por las porciones radiales 12 a_{1-6}.
De acuerdo con otra forma de realización de la Invención, el cemento de por lo menos una de las porciones de junta tiene un módulo de elasticidad que presenta un comportamiento anisótropo. Por ejemplo, es posible utilizar un tejido de sílice impregnado con un cemento clásico. El elemento tejido tiene una estructura y un comportamiento anisótropo, y el cemento impregnado simple las funciones clásicas de ensamblado.
El comportamiento anisótropo permite privilegiar la elasticidad en una o mas direcciones. Es ventajoso disponer el tejido de sílice de manera tal que el módulo de elasticidad de la porción de junta sea mas débil en la dirección longitudinal.
De acuerdo con otra forma de realización de la Invención, representada en la Figura 4, se utiliza un espesor de junta variable en función de la amplitud de las tensiones termo-mecánicas que puede experimentar.
Se considera que el espesor, e1, de una porción de junta 12c, localizada en una zona sometida a tensiones termo-mecánicas máximas, debe ser de por lo menos dos veces el espesor e2 de una porción de junta 12d utilizada en una zona sometida a tensiones termo-mecánicas mínimas.
Los cementos que constituyen las porciones de junta, aún los utilizados para fabricar la porción de junta clásica 12b, tienen módulos de elasticidad netamente inferiores, del orden de un factor igual a 10, que el módulo de elasticidad de los bloques filtrantes 11 a - 11 i. Es decir que su capacidad para absorber las tensiones es mucho más elevada que la de estos bloques.
Por lo tanto, si se aumenta el espesor de los materiales más elásticos, se contribuye a la reducción de las tensiones internas.
De acuerdo con otra forma de realización representada en las Figuras 5 y 6, una porción de junta 12e comprende una hendidura 14 de longitud l', dispuesta de manera de limitar la transmisión de las tensiones a través de la porción de junta 12e.
Es preferible que la hendidura 14 desemboque en alguna de las caras situadas corriente arriba 7 o corriente abajo 9.
Dado que la cara situada corriente abajo, 9, es la que experimenta las tensiones termo-mecánicas mas elevadas durante la regeneración, la hendidura 14 es, también de manera preferida, dispuesta en la cara corriente abajo, 9.
Por supuesto, la hendidura 14 no desemboca en ambas caras situadas corriente arriba, 7, y corriente abajo, 9, ello, a efectos de evitar que los gases de escape atraviesen el cuerpo filtrante 3 sin ser filtrados. En cambio, la hendidura 14 podría carecer de
desembocadura.
Es preferible que la hendidura 14 sea prevista en la totalidad del ancho l' de la porción de junta, 12e, tal como se representa en la Figura 5. También es preferible que la hendidura 14 esté centrada en un plano mediano P paralelo a las caras de los bloques filtrantes adyacentes, 11 a y 11h, 11b y 11i, y 11c y 11 d, que la porción de junta, 12e, se solidarice respectivamente.
Es preferible que la longitud l' (o "profundidad") de la hendidura 14 este comprendida entre 0,1 a 0,9 veces la longitud total L del cuerpo filtrante 3. En efecto, se comprueba que para las relaciones L'/L inferiores a 1/10, no hay ningún efecto sensible y que, para las relaciones L'/L superiores a 9/10, la cohesión mecánica del cuerpo filtrante 3 es insuficiente.
Para crear la hendidura 14 es posible, por ejemplo, introducir una hoja de papel en el espesor de la porción de junta 12e antes de la etapa del fritado. La hoja de papel se quemará durante el calentamiento, dejando así lugar a la hendidura 14.
Para crear la hendidura 14, también es posible, lo mismo que en la forma de realización representada en la Figura 7, depositar en la superficie de un bloque filtrante 11i un material que no se adhiera a este bloque, o que no se adhiera al cemento de la porción de junta 12e , o también un material que no se adhiera a ninguno de los dos.
Dicho material puede ser por ejemplo nitruro de boro depositado mediante un aerosol, o una fieltro refractario tal como por ejemplo un colchón de fibras. Dicho material es depositado en el bloque filtrante 11i antes de la colocación del cemento de la porción de junta 12e y de la etapa del fritado. La hendidura 14 resultante es adyacente al bloque filtrante 11i.
Es ventajoso que la hendidura 14 sea rellenada con un material tal como nitruro de boro, para mejorar la conducción de la energía calórica entre el bloque filtrante 11i y la porción de junta 12e.
Por las razones anteriormente expuestas, la longitud L de la hendidura 14 debe también estar comprendida entre 0,1 y 0,9 veces la longitud total L del cuerpo filtrante 3.
Por supuesto, la presente invención no se limita a las formas de realización descritas y representadas en lo que precede, dadas a título ilustrativo y no limitativo.
Así, un mismo cuerpo filtrante 3 puede presentar características propias de varias de las diferentes variantes de la Invención anteriormente mencionadas. Por ejemplo, un cuerpo filtrante 3 puede comprender varias porciones de junta de naturalezas diferentes, comprender porciones de junta hendidas, etc.

Claims (13)

1. Cuerpo filtrante, en especial para un filtro de partículas (1) para los gases de escape de un motor de combustión interna de un vehículo automotor, que comprende una pluralidad de bloques filtrantes (11a - 11i) solidarizados entre si mediante por lo menos una junta (12) intercalada entre dichos bloques filtrantes (11a - 11i) y conformado de manera de oponerse al paso de dichos gases de escape entre dichos bloques filtrantes (11a - 11i), caracterizado porque dicha junta (12) comprende una pluralidad de porciones de junta (12 a - 12e) que se extiende por toda la longitud (L) del cuerpo filtrante y adaptadas localmente, siendo la indicada adaptación local tal que por lo menos dos de dichas porciones de junta (12a, 12b; 12c, 12d) comprenden materiales que difieren en su composición y/o su estructura y/o su espesor, y/o tal como al menos una de las indicadas porciones de junta (12e) en una hendidura (14).
2. Cuerpo filtrante de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dichos materiales de dichas porciones de junta (12 a, 12b) tienen módulos de elasticidad que difieren entre si en un valor superior o igual al 10%.
3. Cuerpo filtrante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque por lo menos una de dichas porciones de junta presenta propiedades de elasticidad anisótropa.
4. Cuerpo filtrante de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque dicha porción de junta comprende un tejido de sílice impregnado con un cemento.
5. Cuerpo filtrante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los espesores de por lo menos dos de dichas porciones de junta (12 c, 12d ), difieren en una relación de por lo menos dos.
6. Cuerpo filtrante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha hendidura (14) desemboca en una de las caras de dicho cuerpo filtrante (3) por las cuales los indicados gases de escape entran o salen de dicho cuerpo filtrante (3)
7. Cuerpo filtrante de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque dicha hendidura (14) desemboca en dicha cara situada corriente arriba (9) de dicho cuerpo filtrante (3), por la cual los indicados gases de escape entran o salen de dicho cuerpo filtrante (3).
8. Cuerpo filtrante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha hendidura (14) está forma en un plano (P) que es sensiblemente paralelo a las caras de dichos bloques filtrantes (11 b, 11 i) ensamblados por dicha porción de junta (12e).
9. Cuerpo filtrante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la longitud L de dicha hendidura (14) se halla comprendida entre 0,1 y 0,9 veces la longitud total L de dicho cuerpo filtrante (3).
10. Cuerpo filtrante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dicha hendidura (4) es sensiblemente adyacente a uno de los lados de uno de dichos bloques filtrantes (11i).
11. Cuerpo filtrante de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque dicha hendidura (14) está rellena, por lo menos parcialmente, con un material de relleno que no se adhiere ni a dicho bloque filtrante (11i) ni al cemento de dicha porción de junta (12e) en la cual es introducido.
12. Cuerpo filtrante de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque dicho material de relleno es nitruro de boro o sílice.
13. Filtro de partículas, destinado en especial al filtrado de los gases de escape de un motor de combustión interna de un vehículo automotor, que comprende una envoltura (5) y un cuerpo filtrante (3) obtenido ensamblando una pluralidad de bloques filtrantes (11 a - 11 i) mediante una junta (12), caracterizado porque dicho cuerpo filtrante (3) responde a una cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
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