ES2260697T3 - Aparato de purificacion de gas de escape. - Google Patents
Aparato de purificacion de gas de escape.Info
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Abstract
Aparato de purificación de gas de escape para atrapar y quemar la MP, que comprende electrodos (14, 16) y una estructura (10) alveolar aislante que tiene varios conductos celulares, caracterizado porque los electrodos forman un campo eléctrico en dicha estructura (10) alveolar, no siendo el campo eléctrico paralelo a la dirección de los conductos celulares de dicha estructura (10) alveolar, y porque dicha estructura (10) alveolar porta un catalizador de la oxidación de la MP seleccionado del grupo que consiste en CeO2, Fe/CeO2, Pt/CeO2, y Pt/Al2O3, y combinaciones de los mismos.
Description
Aparato de purificación de gas de escape.
La presente invención se refiere a un aparato
para purificar gas de escape procedente de un motor de combustión
interna y, en particular, a un aparato para purificar la MP (materia
particulada) emitida a partir de un motor diesel.
Un motor diesel se utiliza normalmente para
vehículos de motor, particularmente para vehículos de motor de gran
tamaño. Recientemente, se requiere reducir el óxido de nitrógeno, el
monóxido de carbono y los hidrocarburos, así como la MP en el gas de
escape procedente del motor diesel. Para este fin, se considera
mejorar un motor u optimizar un estado de combustión para controlar
la generación de la MP, y para purificar la MP generada en un gas de
escape.
Para eliminar la MP en un gas de escape,
generalmente se utilizan un filtro alveolar cerámico que tiene
varios conductos celulares (canales celulares), un filtro metálico y
un filtro de fibra cerámica que atrapan la MP. Sin embargo, en el
caso de utilizar un filtro de este tipo, la MP atrapada bloquea
gradualmente el filtro y, además, el filtro aumenta la resistencia
al flujo del gas y llega a convertirse en una carga mayor en el
motor. Además, una MP de tamaño de nanopartícula tiende a pasar a
través del filtro y a no quedar atrapada. En el caso de que el
filtro atrape la MP en el gas de escape, es difícil quemar
suficientemente la MP atrapada en el filtro utilizando sólo la
energía térmica del gas de escape.
Se conoce bien el uso de un aparato que
proporciona una descarga eléctrica para purificar un gas de escape
procedente del motor diesel. Por ejemplo, la patente japonesa número
2698804 describe un aparato que comprende un electrodo de aguja, un
electrodo de deflexión electromagnética, y un electrodo de
atrapamiento que los rodea. El aparato carga eléctricamente la MP
en un gas de escape procedente de un motor diesel mediante una
descarga eléctrica entre los electrodos, y de este modo atrapa la MP
en el electrodo de atrapamiento. Sin embargo, este aparato está
destinado a atrapar la MP y no quema la MP atrapada. Por tanto, el
aparato no quema suficientemente la MP atrapada, y es necesario un
tratamiento especial para hacerlo. Esto se debe a que una corriente
eléctrica pasa a través del electrodo de atrapamiento de metal, en
lugar de la MP depositada en él y, por tanto, es imposible quemar
la MP mediante la corriente eléctrica.
Además, la publicación nacional japonesa número
2001-511493 describe un aparato de purificación de
gas de escape que comprende gránulos aislantes entre electrodos. Sin
embargo, este aparato pretende llevar un suministro de energía
eléctrica próximo a un horno de reacción, en particular para llevar
el suministro de energía eléctrica hacia un recipiente
eléctricamente conductor que está conectado a masa (conectado a
tierra). Por tanto, esta referencia no describe la importancia del
ángulo del campo eléctrico con respecto a la dirección del flujo del
gas de escape ni la importancia del cuerpo aislante a través del
cual pasa el gas de escape.
La publicación de patente japonesa no examinada
número 60-235620 describe un filtro de partículas
diesel que porta una mezcla de un elemento del grupo del platino y
un óxido de metal alcalinotérreo para quemar la MP atrapada en el
filtro. Sin embargo, esta referencia no describe que se proporcione
un campo eléctrico en el filtro ni que combine el campo eléctrico y
la mezcla del elemento del grupo del platino y el óxido de metal
alcalinotérreo.
Por tanto, los aparatos de purificación de gas
de escape en las técnicas anteriores no utilizan suficientemente un
campo eléctrico para atrapar la MP, o no queman suficientemente la
MP atrapada.
El documento WO 91/16528 describe un dispositivo
para eliminar partículas de los gases de escape, que comprende un
canal de ionización en el que se producen iones negativos mediante
un campo eléctrico que discurre perpendicular a la dirección del
flujo de gas; la corriente de gas se desvía para que pase de nuevo
en la dirección opuesta; los gases se hacen pasar a través de una
multiplicidad de canales de precipitación dispuestos sustancialmente
paralelos al canal de ionización, depositándose las partículas sobre
las paredes de los canales mediante otro campo eléctrico y
permitiendo que se quemen.
La presente invención se refiere a un aparato de
purificación de gas de escape para atrapar y quemar la MP que
comprende electrodos y una estructura alveolar aislante que tiene
varios conductos celulares. El aparato, tal como se define en la
reivindicación 1, se caracteriza porque los electrodos forman un
campo eléctrico en la estructura alveolar, siendo el campo eléctrico
no paralelo, particularmente en el ángulo de al menos 45 o 60
grados, más particularmente, sustancialmente perpendicular a la
dirección de los conductos celulares de la estructura alveolar.
Según la presente invención, la MP en el gas de
escape que pasa a través de los conductos celulares de la estructura
alveolar se deposita en las paredes laterales de los conductos
celulares de la estructura alveolar mediante la fuerza de Coulomb
entre ella y el campo eléctrico que no es paralelo a la dirección de
los conductos celulares de la estructura alveolar. Además, la MP
depositada en la estructura alveolar se quema con el uso de la
energía térmica de un gas de escape y también de una corriente
eléctrica que pasa a través de la MP depositada, en lugar de la
estructura alveolar aislante.
La MP puede cargarse eléctricamente mediante
cualquier medio adecuado, tal como electrodo de descarga eléctrica
aguas arriba de la estructura alveolar, y/o mediante el campo
eléctrico en la estructura alveolar, aunque la MP está algo cargada
eléctricamente de manera natural sin ningún tratamiento
particular.
En un aspecto del aparato de la presente
invención, los electrodos comprenden un electrodo central y un
electrodo exterior que rodea al electrodo central, y la estructura
alveolar se coloca entre los electrodos central y exterior.
Según este aspecto, la MP en el gas de escape
que pasa a través de los conductos celulares de la estructura
alveolar se fuerza radialmente hacia el electrodo central y/o el
electrodo exterior para depositarse en las paredes laterales de los
conductos celulares mediante la fuerza de Coulomb entre ellos y el
campo eléctrico entre los electrodos central y exterior.
En otro aspecto del aparato de la presente
invención, los electrodos comprenden un electrodo de malla en el
extremo aguas arriba de la estructura alveolar, y un electrodo
exterior alrededor de la superficie de circunferencia de la
estructura alveolar.
Según este aspecto, la MP en el gas de escape
que pasa a través de la estructura alveolar se carga eléctricamente
mediante el contacto con el electrodo de malla y el campo eléctrico
en la estructura alveolar, y después se deposita en las paredes
laterales de los conductos celulares de la estructura alveolar
mediante la fuerza de Coulomb entre ella y el campo eléctrico
proporcionado entre el electrodo de malla y el exterior.
En este aspecto, los electrodos pueden
comprender además un segundo electrodo de malla en el extremo aguas
abajo de la estructura alveolar, estando el segundo electrodo de
malla conectado eléctricamente con el electrodo exterior.
En otro aspecto del aparato de la presente
invención, los electrodos comprenden un electrodo central y un
electrodo exterior que rodea al electrodo central; la estructura
alveolar se coloca entre los electrodos central y exterior; el
electrodo central se extiende más allá del extremo aguas arriba de
la estructura alveolar; y el área radialmente interior de la
estructura alveolar tiene una resistividad al flujo de gas inferior
que la del área radialmente externa de la misma.
En este aspecto, el área radialmente interior
puede ser un orificio perforado que pasa a través de la estructura
alveolar.
Según este aspecto, el área radialmente interior
que tiene resistividad al flujo de gas inferior provoca una caída de
presión a través de la estructura alveolar, mientras que la MP en el
gas de escape que pasa a través de la estructura alveolar se fuerza
hacia el electrodo exterior y se deposita en el área radialmente
exterior de la estructura alveolar mediante la fuerza de Coulomb
entre ella y el campo eléctrico proporcionado entre los electrodos
central y exterior.
En los aspectos anteriores, el electrodo
exterior puede estar conectado a masa para evitar una descarga
eléctrica en los alrededores.
En otro aspecto del aparato de la presente
invención, la estructura alveolar tiene superficies exteriores
opuestas, y los electrodos comprenden un par de electrodos de placa
colocados respectivamente en las superficies exteriores
opuestas.
Según este aspecto, la MP en el gas de escape
que pasa a través de los conductos celulares de la estructura
alveolar se fuerza hacia cualquiera de los electrodos de placa para
depositarse en las paredes laterales de los conductos celulares
mediante la fuerza de Coulomb entre ellas y el campo eléctrico
proporcionado entre los electrodos de placa.
En este aspecto, el aparato puede comprender dos
o más conjuntos de la estructura alveolar y el par de electrodos de
placa colocados respectivamente en las superficies exteriores
opuestas del mismo. Por tanto, el conjunto de la estructura alveolar
y el par de electrodos de placa pueden estar alineados en paralelo
con uno o más de otros conjuntos. En este caso, el electrodo de
placa entre las estructuras alveolares puede cortarse entre los
conjuntos adyacentes.
Según este aspecto, la distancia entre los
electrodos de placa puede estrecharse de modo que se obtenga un
campo eléctrico más intenso con una tensión inferior. Especialmente,
la intensidad del campo eléctrico es proporcional a la tensión entre
los electrodos, y es inversamente proporcional a la distancia entre
ellos. Por tanto, puede obtenerse una intensidad del campo eléctrico
deseada con la mitad de la tensión, si la distancia entre los
electrodos se reduce a la mitad.
Además, en este aspecto, los electrodos de placa
pueden energizarse mediante un suministro de energía eléctrica de CA
(corriente alterna).
Según este aspecto, la MP cargada positiva o
negativamente en el flujo de gas de escape se fuerza hacia
direcciones alternativas con el fin de depositarse uniformemente en
las paredes laterales de los conductos celulares de la estructura
alveolar. Es decir, en este aspecto, la MP en el flujo de gas de
escape se deposita en una pared lateral, mientras que la MP
depositada se quema en la otra pared lateral. Esto evita que la MP
depositada tapone la estructura alveolar.
En otro aspecto del aparato de la presente
invención, la estructura alveolar tiene dos pares de superficies
exteriores opuestas, particularmente en una forma de paralelepípedo
rectangular; los electrodos comprenden dos pares de electrodos de
placa opuestos; y cada par de electrodos de placa opuestos se coloca
en cada par de las superficies exteriores opuestas, particularmente
en la superficie exterior opuesta que es paralela a la dirección de
los conductos celulares de la estructura alveolar, de modo que los
dos pares de electrodos de placa opuestos pueden formar los campos
eléctricos alternativos en dos direcciones diferentes que no son
paralelas, particularmente en el ángulo de al menos 45 o 60
grados,
más particularmente sustancialmente perpendicular a la dirección de los conductos celulares de la estructura alveolar.
más particularmente sustancialmente perpendicular a la dirección de los conductos celulares de la estructura alveolar.
Según este aspecto, los campos eléctricos
alternativos en dos direcciones diferentes cambian alternativamente
las paredes laterales en las que se deposita la MP, de modo que la
MP se deposita uniformemente en las paredes laterales de los
conductos celulares de la estructura alveolar.
En este aspecto, los electrodos de placa pueden
energizarse mediante un suministro de energía eléctrica de CA.
Según este aspecto, la MP cargada positiva o
negativamente en el flujo de gas de escape se fuerza hacia la
dirección alternativa con el fin de depositarse uniformemente en las
paredes laterales de los conductos celulares de la estructura
alveolar. Es decir, en este aspecto, la MP en el flujo de gas de
escape se deposita en una pared lateral, mientras que la MP
depositada se quema en la otra pared lateral. Esto evita que la MP
depositada tapone la estructura alveolar.
En cualquiera de los aspectos anteriores, el
aparato de purificación de gas de escape puede tener un electrodo de
descarga eléctrica aguas arriba de la estructura alveolar con el fin
de potenciar la electrificación (carga eléctrica) de la MP y la
deposición coulómbica de la MP en la estructura alveolar.
El electrodo de descarga eléctrica puede estar
eléctricamente conectado con los electrodos que proporcionan un
campo eléctrico en la estructura alveolar, por ejemplo, el electrodo
exterior o central. Es decir, el electrodo de descarga eléctrica
puede ser una parte del electrodo central, en el que la parte se
extiende más allá del extremo aguas arriba de la estructura
alveolar. El electrodo de descarga eléctrica puede tener un
electrodo similar a una antena, particularmente un electrodo de
aguja, con el fin de potenciar la descarga eléctrica y después la
carga eléctrica de la MP.
La presente invención se refiere a un aparato de
purificación de gas de escape para atrapar y quemar la MP que
comprende electrodos y una estructura alveolar aislante. El aparato
se caracteriza porque los electrodos forman un campo eléctrico en la
estructura alveolar, y porque la estructura alveolar porta al menos
un metal seleccionado del grupo que consiste en metal alcalino y
metal alcalinotérreo.
Según la presente invención, el quemado de la
MP atrapada en la estructura alveolar se acelera. Esto parece
deberse a que el metal alcalino y/o el metal alcalinotérreo portado
en la estructura alveolar almacena el NOx en el gas de escape para
formar un nitrato, de modo que se acelera el quemado de la MP
mediante (1) las especies químicas oxidantes tales como el NO_{2}
emitido a partir del nitrato mediante la conducción de una corriente
eléctrica a su través, (2) el ion nitrato producido mediante la
reacción entre el nitrato y el vapor de agua en el gas de escape,
y/o (3) el propio nitrato que tiene un punto de fusión inferior que
se funde para mejorar el contacto con la MP mediante la energía
térmica del gas de escape.
La presente invención se refiere a un aparato de
purificación de gas de escape para atrapar y quemar la MP que
comprende electrodos y una estructura alveolar aislante. El aparato
se caracteriza porque los electrodos forman un campo eléctrico en
dicha estructura alveolar, y porque la estructura alveolar porta un
dióxido de manganeso (MnO_{2}).
Según la presente invención se acelera el
quemado de la MP atrapada en la estructura alveolar. Esto parece
deberse a que una descarga eléctrica generada por el campo eléctrico
en la estructura alveolar produce ozono, y el ozono se descompone en
MnO_{2} para producir un radical de oxígeno. El radical de oxígeno
tiene una fuerte capacidad oxidante para acelerar el quemado de la
MP.
La presente invención se refiere a un aparato de
purificación de gas de escape para atrapar y quemar la MP que
comprende electrodos y una estructura alveolar aislante. El aparato
se caracteriza porque los electrodos forman un campo eléctrico en
dicha estructura alveolar, y porque la estructura alveolar porta un
material que tiene una constante dieléctrica alta, por ejemplo, un
material ferroeléctrico tal como titanato de bario y titanato de
estroncio.
El término "un material que tiene una
constante dieléctrica alta" significa un material que tiene una
constante dieléctrica específica estática (es decir, a una tensión
constante) al menos 10 veces superior en la temperatura de
funcionamiento del aparato (por ejemplo, a la temperatura de 250ºC)
que la del material del que está hecha la estructura alveolar. La
cordierita que se utiliza normalmente para elaborar la estructura
alveolar aislante tiene una constante dieléctrica específica
inferior a 10, especialmente de 4 a 6. El material que tiene una
constante dieléctrica alta puede ser un material que tiene una
constante dieléctrica específica estática a la temperatura anterior
de más de 100, especialmente de más de 500, más especialmente de más
de 1.000.
Según la presente invención, se acelera el
atrapamiento de la MP en la estructura alveolar. Esto parece deberse
a que el material que tiene una constante dieléctrica alta portado
por la estructura alveolar permite que la estructura alveolar tenga
una carga eléctrica mayor, lo que mejora el atrapamiento de la MP en
la estructura alveolar.
En los aspectos anteriores, la estructura
alveolar porta un catalizador de la oxidación de la MP para quemar
la MP depositada en la estructura alveolar. El catalizador incluye
uno seleccionado del grupo que consiste en CeO_{2}, Fe/CeO_{2},
Pt/CeO_{2}, y Pt/Al_{2}O_{3}, y combinaciones de los
mismos.
Las características anteriores de los aparatos
de purificación de gas de escape de la presente invención pueden
combinarse opcionalmente. Por ejemplo, cualquiera de los aparatos
presentes comprende una estructura alveolar que porta al menos un
metal seleccionado del grupo que consiste en metal alcalino y metal
alcalinotérreo; el dióxido de manganeso; el material que tiene una
constante dieléctrica alta; y/o el catalizador de la oxidación de la
MP.
En el caso de que el presente aparato se utilice
para generar una descarga eléctrica, es posible atrapar la MP en la
estructura alveolar y, además, generar especies químicas muy
oxidantes, por ejemplo, oxígeno activo, ozono, NOx, radical de
oxígeno, radical NOx de modo que se acelere el quemado de la MP
atrapada. Además, es posible generar un plasma mediante el uso de
una tensión alta para potenciar el atrapamiento y el quemado de la
MP.
Estos y otros objetos, características y
ventajas de la presente invención se harán evidentes para una
persona experta en la técnica ordinaria con la lectura de la
siguiente descripción detallada, junto con los dibujos.
Las figuras 1a y 1b son respectivamente una
vista en perspectiva y una vista en sección transversal del aparato
de purificación de gas de escape según la primera realización de la
presente invención.
Las figuras 2a y 2b son respectivamente una
vista en perspectiva y una vista en sección transversal del aparato
de purificación de gas de escape según la segunda realización de la
presente invención.
Las figuras 3a y 3b son respectivamente una
vista en perspectiva y una vista en sección transversal del aparato
de purificación de gas de escape según la tercera realización de la
presente invención.
Las figuras 4a a 4c son vistas transversales del
aparato de purificación de gas de escape utilizado en los
ejemplos.
La figura 5 es una vista en perspectiva del
aparato de purificación de gas de escape según la cuarta realización
de la presente invención.
Las figuras 6a y 6b son vistas en alzado del
extremo aguas arriba del aparato mostrado en la figura 5.
La figura 7 es una vista en perspectiva del
aparato de purificación de gas de escape según la quinta realización
de la presente invención.
Las figuras 8a a 8d son vistas en alzado del
extremo aguas arriba del aparato mostrado en la figura 7.
Las figuras 9a y 9b son vistas en alzado a
escala ampliada de un conducto celular del aparato mostrado en la
figura 7.
Las figuras 10a y 10b son vistas en perspectiva
de los aparatos de purificación de gas de escape utilizados en los
ejemplos.
La presente invención se describe con respecto a
las realizaciones y los dibujos que no pretenden limitar el alcance
de la presente invención mostrado en las reivindicaciones.
Aparato
1
A continuación se describe la primera
realización del presente aparato de purificación de gas de escape.
La figura 1a muestra una vista en perspectiva y la figura 1b muestra
una vista transversal lateral de la primera realización del presente
aparato.
En las figuras 1a y 1b, 10 indica una estructura
alveolar aislante de tipo de flujo lineal que tiene varios conductos
celulares, 14 indica un electrodo central, 16 indica un electrodo
exterior, 18 indica electrodos de aguja en el electrodo 14 central,
y 110 indica un suministro de energía. La estructura 10 alveolar
aislante se coloca entre los electrodos central 14 y exterior 16 de
modo que estos electrodos se aíslen eléctricamente. Un gas de escape
que contiene MP fluye desde el lado izquierdo hasta el lado derecho
de las figuras 1a y 1b, tal como se indica mediante una flecha 100,
y pasa a través de los conductos celulares de la estructura 10
alveolar rodeada por el electrodo 16 exterior.
En la utilización del aparato de purificación de
gas de escape mostrado en las figuras 1a y 1b, el suministro 110 de
energía eléctrica aplica una tensión entre el electrodo 14 central y
el electrodo 16 exterior para generar un campo 121 eléctrico radial
en la estructura 10 alveolar. Es decir, se genera un campo 121
eléctrico en la dirección transversal de los conductos celulares de
la estructura alveolar en la estructura 10 alveolar. El campo 121
eléctrico fuerza a la MP en el gas de escape a depositarse en las
paredes laterales de los conductos celulares de la estructura 10
alveolar, y potencia de este modo el atrapamiento de la MP.
A continuación se describen con más detalle los
componentes del aparato de purificación de gas de escape mostrado en
las figuras 1a y 1b.
La estructura 10 alveolar aislante puede
fabricarse de un material cerámico, por ejemplo, cordierita. La
estructura alveolar puede ser de un tipo de flujo lineal (es decir,
una estructura alveolar en la que los conductos celulares están
sustancialmente no taponados) o de un tipo de flujo por la pared (es
decir, una estructura alveolar cuyos conductos celulares están
alternativamente taponados, denominado "filtro de partículas
diesel"). Según esta realización, la estructura alveolar de tipo
de flujo lineal es preferible para la resistencia al flujo de gas y
puede lograr un atrapamiento suficiente de MP. Además, la estructura
alveolar de tipo de flujo por la pared es preferible para producir
una trayectoria de MP y después quemar la MP atrapada por la
corriente eléctrica a su través. La estructura alveolar aislante
puede ser suficientemente más aislante que la MP con el fin de
asegurarse de que una corriente eléctrica pase a través de la MP
depositada en la estructura alveolar y queme la MP.
El electrodo 14 central está hecho de un
material que permite aplicar una tensión entre el electrodo 14
central y el electrodo 16 exterior. El material puede ser un
material eléctricamente conductor, un material eléctricamente
semiconductor etc. y, especialmente, un metal tal como Cu, W, acero
inoxidable, Fe, Pt y Al, siendo el acero inoxidable el más
preferible debido a su durabilidad y bajo coste. El electrodo 14
central puede ser normalmente un hilo de metal, aunque puede ser una
barra hueca.
El electrodo 16 exterior está hecho de un
material que permite aplicar una tensión entre el electrodo 14
central y el electrodo 16 exterior. El material puede ser un
material eléctricamente conductor, un material eléctricamente
semiconductor etc. y, especialmente, un metal tal como Cu, W, acero
inoxidable, Fe, Pt y Al, siendo el acero inoxidable el más
preferible debido a su durabilidad y bajo coste. El electrodo 16
exterior puede obtenerse rodeando una malla o lámina de estos
materiales alrededor de la estructura 10 alveolar, o aplicando una
pasta conductora en la superficie de circunferencia de la estructura
10 alveolar.
El suministro 110 de energía eléctrica puede ser
uno que suministre tensión de corriente continua (CC) constante o
por impulsos, o corriente alterna (CA). Una tensión aplicada entre
el electrodo 14 central y el electrodo 16 exterior normalmente puede
ser superior a 1 kV, preferiblemente superior a 10 kV. El periodo de
un impulso de la tensión aplicada es preferiblemente inferior a 1 ms
(milisegundo), más preferiblemente inferior a 1 \mus
(microsegundo). El electrodo 14 central puede ser un cátodo o un
ánodo. Preferiblemente, el electrodo 14 central es el ánodo, y el
electrodo 16 exterior es el cátodo. El electrodo 16 exterior puede
estar eléctricamente conectado con el suministro 110 de energía
eléctrica para aplicarle una tensión opuesta a la del electrodo 14
central, aunque el electrodo 16 exterior en las figuras 1a y 1b esté
conectado a masa.
Aguas arriba de la estructura 10 alveolar, el
aparato de purificación de gas de escape mostrado en las figuras 1a
y 1b tiene electrodos 18 de aguja para una descarga eléctrica. Una
vez energizados los electrodos de aguja mediante el suministro 110
de energía, potencian una descarga eléctrica del mismo y después una
carga eléctrica de la MP. Esto mejora adicionalmente el atrapamiento
de la MP en la estructura 10 alveolar. Los electrodos 18 de aguja
están hechos de un material que permite generar de manera estable
una descarga eléctrica entre los electrodos 18 de aguja y el
electrodo 16 exterior. El material puede ser un material
eléctricamente conductor, un material eléctricamente semiconductor
etc., especialmente un metal tal como Cu, W, acero inoxidable, Fe,
Pt y Al, siendo el acero inoxidable el más preferible debido a su
durabilidad y bajo coste. Los electrodos 18 de aguja están dirigidos
hacia el electrodo 16 exterior. Si el número de los electrodos 18 de
aguja es demasiado bajo, es difícil mantener una descarga eléctrica
uniforme entre los electrodos 18 de aguja y el electrodo 16
exterior. Por tanto, es necesario un número significativo de
electrodos de aguja. El número óptimo de electrodos de aguja puede
determinarse de modo que la MP en un flujo de gas de escape pueda
electrificarse (cargarse) preferiblemente. El suministro 100 de
energía eléctrica aplica una tensión entre los electrodos 18 de
aguja y el electrodo 16 exterior para producir una descarga
eléctrica entre ellos.
El suministro 110 de energía eléctrica puede
aplicar una tensión de CC, una tensión de CA, una tensión que tiene
una forma de onda periódica, etc., entre los electrodos.
Preferiblemente, se aplica una tensión por impulsos de CC puesto que
puede generar una descarga eléctrica en corona estable. La tensión
aplicada, la anchura entre impulsos y el periodo de un impulso de la
tensión por impulsos de CC puede determinarse opcionalmente siempre
que genere una descarga eléctrica en corona. Preferiblemente, la
tensión aplicada y el periodo de un impulso son respectivamente una
tensión alta y un periodo corto, con el fin de generar una descarga
eléctrica en corona, aunque estos parámetros pueden estar limitados
por el diseño del aparato, un interés económico, etc.
La estructura 10 alveolar aislante puede portar
cualquier material que sea eficaz para atrapar y/o quemar la MP. El
material incluye al menos un metal seleccionado del grupo que
consiste en metal alcalino y metal alcalinotérreo; el dióxido de
manganeso (MnO_{2}); el material que tiene una constante
dieléctrica alta; y/o el catalizador de la oxidación de la MP tal
como Pt, CeO_{2}, Fe/CeO_{2}, Pt/CeO_{2} y Pt/Al_{2}O_{3},
y combinaciones de los mismos.
La estructura alveolar que porta uno o más de
estos materiales puede obtenerse mediante cualquier procedimiento,
por ejemplo, un procedimiento de recubrimiento de lavado. Puede
portarse cualquier cantidad de material sobre la estructura
alveolar. Una vez que se utiliza el procedimiento de recubrimiento
de lavado para que la estructura alveolar porte el catalizador de
óxido de metal, la estructura alveolar se cuece preferiblemente. Las
condiciones de cocción son bien conocidas por una persona experta en
la técnica ordinaria, y preferiblemente incluyen una temperatura de
cocción de 450 a 500ºC (grados Celsius). En el caso del catalizador
de la oxidación de la MP, la cocción de la estructura alveolar que
porta el catalizador mejora un efecto de quemado de la MP.
Aparato
2
A continuación se describe la segunda
realización del presente aparato de purificación de gas de escape.
La figura 2a muestra una vista en perspectiva y la figura 2b muestra
una vista lateral en corte transversal de la segunda realización del
presente aparato.
En las figuras 2a y 2b, 20 indica una estructura
alveolar aislante de tipo de flujo lineal que tiene varios conductos
celulares, 24 indica un electrodo de malla aguas arriba, 26 indica
un electrodo exterior, 27 indica un electrodo de malla aguas abajo y
110 indica un suministro de energía eléctrica. El electrodo 26
exterior está eléctricamente conectado con el electrodo 27 de malla
aguas abajo. El electrodo 24 de malla aguas arriba está
eléctricamente aislado con el electrodo 26 exterior y el electrodo
27 de malla aguas abajo mediante la estructura 20 alveolar aislante
colocada entre ellos. Un gas de escape que contiene MP fluye desde
el lado izquierdo hasta el lado derecho de las figuras 2a y 2b tal
como se indica mediante una flecha 100, y pasa a través de los
conductos celulares de la estructura 20 alveolar rodeada por el
electrodo 26 exterior.
En el uso del aparato de purificación de gas de
escape mostrado en las figuras 2a y 2b, el suministro 110 de energía
eléctrica aplica una tensión entre el electrodo 24 de malla aguas
arriba y el conjunto del electrodo 26 exterior y el electrodo 27 de
malla aguas abajo para generar un campo 12 eléctrico en la
estructura 20 alveolar entre ellos. Tal como se muestra en la figura
2b, el campo 122 eléctrico va desde el electrodo 24 de malla aguas
arriba hasta el electrodo 26 exterior y el electrodo 27 de malla
aguas abajo. El campo 122 eléctrico fuerza a la MP en el gas de
escape a depositarse en las paredes laterales de los conductos
celulares de la estructura 20 alveolar de modo que se potencie el
atrapamiento de la MP. Puede generarse una descarga eléctrica entre
el electrodo 24 de malla aguas arriba y el conjunto del electrodo 26
exterior y el electrodo 27 de malla aguas abajo para electrificar la
MP de modo que se mejore el efecto de atrapamiento de la MP en la
estructura 20 alveolar.
A continuación se describen con más detalle los
componentes del aparato de purificación de gas de escape mostrado en
las figuras 2a y 2b.
El electrodo 24 de malla aguas arriba, el
electrodo 26 exterior y el electrodo 27 de malla aguas abajo pueden
obtenerse de los materiales descritos anteriormente, por ejemplo,
para el electrodo 14 central de las figuras 1a y 1b. Es decir, el
electrodo 26 exterior puede obtenerse rodeando una malla o lámina de
estos materiales alrededor de la circunferencia de la estructura 20
alveolar, o aplicando una pasta conductora sobre la superficie de
circunferencia exterior de la estructura 20 alveolar. La estructura
20 alveolar aislante, el suministro 110 de energía eléctrica y los
materiales portados en la estructura 20 alveolar son similares a los
descritos para el aparato de las figuras
1a y 1b.
1a y 1b.
Aparato
3
A continuación se describe la tercera
realización del presente aparato de purificación de gas de escape.
La figura 3a muestra una vista en perspectiva y la figura 3b muestra
una vista lateral en corte transversal de la tercera realización del
presente aparato.
En las figuras 3a y 3b, 30 indica una estructura
alveolar aislante de un tipo de flujo por la pared que tiene varios
conductos celulares, 31 indica un orificio perforado en el área
radialmente interior de la estructura 30 alveolar, 34 indica un
electrodo central, 36 indica un electrodo exterior, 38 indica
electrodos de aguja en el electrodo 34 central, y 111 indica un
suministro de energía de CC. El electrodo 34 central está
eléctricamente aislado con el electrodo 36 exterior mediante la
estructura 30 alveolar aislante entre ellos. Un gas de escape que
contiene MP fluye desde el lado izquierdo hasta el lado derecho de
las figuras 3a y 3b tal como se indica mediante una flecha 100, y
pasa a través de los conductos celulares y el orificio 31 perforado
de la estructura 30 alveolar rodeada por el electrodo 36
exterior.
En el uso del aparato de purificación de gas de
escape mostrado en las figuras 3a y 3b, el suministro 111 de energía
eléctrica aplica una tensión entre el electrodo 34 central y el
electrodo 36 exterior para generar un campo 123 eléctrico en los
conductos celulares y el orificio 31 perforado de la estructura 30
alveolar y aguas arriba del mismo. El campo 123 eléctrico aguas
arriba de la estructura 30 alveolar fuerza a la MP en el gas de
escape a pasar a través de los conductos celulares en el lado
radialmente exterior de la estructura 30 alveolar, en lugar del
orificio 31 perforado. La estructura 30 alveolar atrapa la MP con la
ayuda de un campo 123 eléctrico. Es posible atrapar suficientemente
la MP con una resistividad al flujo de gas inferior según este
mecanismo, ya que el gas de escape que contiene principalmente la MP
pasa a través de los conductos celulares mientras que el gas de
escape que contiene menos MP pasa a través del orificio 31 perforado
en el área radialmente interior de la estructura 30 alveolar.
A continuación se describen con más detalle los
componentes del aparato de purificación de gas de escape mostrado en
las figuras 3a y 3b.
La estructura 30 alveolar aislante puede
obtenerse del mismo material descrito para el aparato de las figuras
1a y 1b. La estructura 30 alveolar puede ser de tipo de flujo lineal
o de tipo de flujo por la pared. Debido al orificio 31 perforado, el
tipo de flujo por la pared es aceptable, independientemente de su
mayor resistividad al flujo de gas y es preferible para que la MP
quede atrapada. El orificio 31 perforado puede tener cualquier
diámetro adecuado, por ejemplo, la razón del diámetro de la
estructura 30 alveolar con respecto al del orificio 31 perforado
puede ser de 10:1 a 2:1. El suministro 111 de energía de CC puede
ser cualquier suministro eléctrico adecuado que proporciona una
tensión, el periodo de un impulso, etc. adecuados para forzar la MP
hacia la parte radialmente exterior para pasar los conductos
celulares. El electrodo 34 central y electrodo 36 exterior pueden
obtenerse tal como se describió anteriormente para los de las
figuras 1a y 1b. Los materiales portados en la estructura 30
alveolar son similares a los descritos para el aparato de las
figuras 1a y 1b.
Aparato
4
A continuación se describe la cuarta realización
del presente aparato de purificación de gas de escape. Las figuras 5
a 6b son una vista en perspectiva y vistas en alzado del extremo
aguas arriba del aparato, respectivamente.
En las figuras 5 a 6b, 50 indica una estructura
alveolar aislante de tipo de flujo lineal que tiene varios conductos
celulares, 54 a 58 indican electrodos de placa de malla, 110 indica
un suministro de energía eléctrica, y 125 y 126 indican flechas que
muestran direcciones de los campos eléctricos en la estructura 50
alveolar. Entre los electrodos 54 a 58 de placa, los electrodos 55 y
57 de placa están conectados al suministro 110 de energía eléctrica,
y los electrodos 54, 56 y 58 de placa están conectados a masa. Cada
uno de los electrodos 54 a 58 de placa está eléctricamente aislado
con uno adyacente mediante la estructura 50 alveolar aislante entre
ellos. Un gas de escape que contiene MP pasa a través de los
conductos celulares de las estructuras 50 alveolares aislantes
intercaladas entre los electrodos 54 a 58 de placa, tal como se
muestra en una flecha 100.
El aparato mostrado en las figuras 5 a 6b
comprende cuatro conjuntos de la estructura alveolar y los
electrodos de placa en las superficies exteriores opuestas de los
mismos. Sin embargo, en el caso de que el aparato comprenda sólo un
conjunto de la estructura alveolar y los electrodos de placa en las
superficies exteriores opuestas del mismo, el aparato puede
consistir en el electrodo 55 de placa conectado al suministro 110 de
energía eléctrica, el electrodo 54 de placa conectado a masa, y la
estructura 50 alveolar aislante entre ellos.
En el uso del aparato de purificación de gas de
escape mostrado en las figuras 5 a 6b, el suministro 110 de energía
eléctrica aplica una tensión entre los electrodos 54, 56 y 58 de
placa, y los electrodos 55 y 57 adyacentes para generar un campo 125
o 126 eléctrico en la estructura 50 alveolar. Por ejemplo, los
electrodos 55 y 57 de placa se utilizan como ánodos, mientras que
los electrodos 54, 56 y 58 de placa se utilizan como cátodos, con el
fin de generar un campo eléctrico en una dirección indicada por la
flecha 125 de la figura 6a. Si los ánodos y los cátodos están
cambiados, se genera un campo eléctrico en una dirección indicada
por la flecha 126 de la figura 6b en la estructura 50 alveolar. En
cualquier caso, el campo eléctrico cruza los conductos celulares de
la estructura 50 alveolar a través de la cual fluye un gas de
escape. El campo 125 o 126 eléctrico fuerza a la MP en el gas de
escape a depositarse en la pared lateral de los conductos celulares
de la estructura 50 alveolar mediante la fuerza de Coulomb con el
fin de mejorar un atrapamiento de la MP.
A continuación se describen con más detalle los
componentes del aparato de purificación de gas de escape mostrado en
las figuras 5 a 6b.
Los electrodos 54 a 58 de placa pueden obtenerse
de los materiales descritos anteriormente para el electrodo 14
central y el electrodo 16 exterior de las figuras 1a y 1b. Aunque
los electrodos 54 a 58 de placa del aparato mostrado en las figuras
5 a 6b son electrodos de malla, los electrodos de placa pueden ser
una lámina o placa sólida de estos materiales y pueden obtenerse
mediante la aplicación de una pasta conductora en la superficie de
la estructura 50 alveolar. La estructura 50 alveolar aislante, el
suministro 110 de energía eléctrica y los materiales portados en la
estructura 50 alveolar son similares a los descritos para el aparato
de las figuras 1a y 1b.
Aparato
5
A continuación se describe la quinta realización
del presente aparato de purificación de gas de escape. La figura 7
muestra una vista en perspectiva del aparato, las figuras 8a a 8d
muestran vistas en alzado frontales del aparato y las figuras 9a y
9b muestran vistas en alzado a escala ampliada de un conducto
celular de la estructura alveolar del aparato.
En las figuras 7 a 8d, 70 indica una estructura
alveolar aislante de tipo de flujo lineal que tiene varios conductos
celulares, 74 a 77 indican electrodos de placa de malla, y 111 y
112 indican suministros de energía eléctrica. Los electrodos 74 a 77
de placa están aislados entre sí mediante la estructura 70 alveolar
aislante entre ellos. Entre los electrodos 74 a 77 de placa, los
electrodos 74 y 76 de placa están conectados respectivamente al
suministro 111 y 112 de energía eléctrica, y los otros electrodos 75
y 77 de placa están conectados a masa. Un gas de escape que contiene
MP pasa a través de los conductos celulares de las estructuras 70
alveolares aislantes rodeadas por los electrodos 74 a 77 de placa,
tal como se muestra en una flecha 100. En las figuras 9a y 9b, 98
indica una pared lateral de los conductos celulares de la estructura
70 alveolar, y 99 indica la MP depositada en la pared lateral.
En el uso del aparato de purificación de gas de
escape mostrado en las figuras 7 a 9b, el suministro 111 de energía
eléctrica aplica una tensión entre los electrodos 74 y 75 de placa
opuestos para generar un campo eléctrico entre ellos, y el
suministro 112 de energía eléctrica aplica una tensión entre los
electrodos 76 y 77 de placa opuestos para generar un campo eléctrico
entre ellos. Por ejemplo, el electrodo 74 de placa se utiliza como
ánodo mientras que el electrodo 75 de placa se utiliza como cátodo,
con el fin de generar un campo eléctrico en una dirección indicada
por la flecha 281 en la estructura 70 alveolar de la figura 8a.
Además, el electrodo 76 de placa se utiliza como ánodo mientras que
el electrodo 77 de placa se utiliza como cátodo, con el fin de
generar un campo eléctrico en una dirección indicada por la flecha
283 en la estructura 70 alveolar de la figura 8c. Si el ánodo y el
cátodo están cambiados en estos casos, los campos eléctricos van en
una dirección indicada por la flechas 282 y 284 de las figuras 8b y
8d. En cualquier caso, el campo eléctrico cruza los conductos
celulares de la estructura 70 alveolar a través de la cual fluye un
gas de escape. Mediante la fuerza de Coulomb, el campo eléctrico
fuerza a la MP en el gas de escape a depositarse en la pared
lateral de los conductos celulares de la estructura alveolar con el
fin de mejorar el atrapamiento de la MP.
Los campos eléctricos alternativos en dos
direcciones diferentes muestran el efecto siguiente. En las figuras
9a y 9b, 98 indica las paredes laterales del conducto celular de la
estructura alveolar, y 99 indica la MP depositada en la pared 98
lateral. En el caso de que se genere el campo 281 o 282 eléctrico,
es decir, el campo eléctrico aguas arriba o aguas abajo, en la
estructura 70 alveolar, la MP en el flujo de gas de escape se
deposita preferentemente en la superficie inferior o superior de la
pared lateral, tal como se muestra en la figura 9a. En tal periodo,
la MP en las superficies verticales de la pared lateral se quema
mediante la energía térmica del gas de escape y una corriente
eléctrica a su través. En el caso de que se genere el campo 283 o
284 eléctrico, es decir, el campo eléctrico hacia la derecha o hacia
la izquierda, en la estructura 70 alveolar, la MP en el flujo de gas
de escape se deposita preferentemente en la superficie derecha o
izquierda de la pared lateral, tal como se muestra en la figura 9b.
En tal periodo, la MP en las superficies horizon-
tales de la pared lateral se quema mediante la energía térmica del gas de escape y una corriente eléctrica a su través.
tales de la pared lateral se quema mediante la energía térmica del gas de escape y una corriente eléctrica a su través.
Debido al cambio de las direcciones del campo
eléctrico en la estructura alveolar, la MP en el flujo de gas de
escape puede depositarse uniformemente en las paredes laterales de
los conductos celulares de la estructura alveolar. Además, si la MP
se carga preferentemente de forma electrostática tanto de manera
positiva como negativa, y se deposita preferentemente tanto en la
superficie superior como en la inferior o tanto en la superficie
derecha como en la izquierda de la pared lateral, es posible
depositar uniformemente la MP en la pared lateral cambiando la
dirección del campo eléctrico tal como se muestra en las figuras 8a
y 8b o en las figuras 8c y 8d.
A continuación se describen con más detalle los
componentes del aparato de purificación de gas de escape mostrado en
las figuras 7 a 9b.
Los electrodos 74 a 77 de placa pueden obtenerse
de los materiales descritos anteriormente para el electrodo 14
central y el electrodo 16 exterior de las figuras 1a y 1b. La
estructura 70 alveolar aislante, el suministro 110 de energía
eléctrica y los materiales portados en la estructura 70 alveolar son
similares a los descritos para el aparato de las figuras 1a y
1b.
Los efectos de la presente invención se muestran
con respecto a los ejemplos, que no pretenden limitar el alcance de
la presente invención mostrado en las reivindicaciones.
Ejemplos 1 a
5
Ejemplo
1
Se proporcionó un aparato de purificación de gas
de escape según la primera realización de la presente invención
mostrada en las figuras 1a y 1b. Es decir, alrededor de la
superficie de circunferencia de una estructura alveolar de
cordierita de tipo de flujo lineal (diámetro: 30 mm y longitud: 50
mm, densidad de células: 200 células/pulgada cuadrada, porosidad:
65%, y tamaño de poro promedio: 25 \mum (micrometros)), se rodeó
una malla de acero inoxidable (anchura: 40 mm, SUS 304, 300 de
malla) para ser un electrodo exterior. En el eje central de la
estructura alveolar, se fijó un electrodo central (electrodo de
barra) que tenía electrodos de aguja. El aparato de purificación de
gas de escape utilizado para este ejemplo se muestra en la figura
4a.
Ejemplo
2
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 1, excepto en que se utilizó
una estructura alveolar de cordierita de tipo de flujo por la pared
(densidad de células: 300 células/pulgada cuadrada, porosidad: 65%,
y tamaño de poro promedio: 25 \mum) en lugar de la estructura
alveolar de cordierita de tipo de flujo lineal del ejemplo 1.
Ejemplo
3
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 1, excepto en que la
estructura alveolar porta 4,0 g de un polvo de CeO_{2} y Pt (2% en
peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de CeO_{2}),
portándose el polvo de CeO_{2} mediante recubrimiento de lavado y
cociendo la estructura alveolar durante 2 horas a la temperatura de
450ºC, y después portándose el Pt mediante la impregnación de una
solución acuosa de complejo de Pt-dinitrodiamina en
la estructura alveolar, secando y cociendo la estructura alveolar
obtenida durante 2 horas a la temperatura de 450ºC.
Ejemplo
4
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 1, excepto en que la
estructura alveolar porta 4,0 g de un polvo de CeO_{2} y Fe (2% en
peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de CeO_{2}),
portándose el polvo de CeO_{2} mediante recubrimiento de lavado y
cociendo la estructura alveolar durante 2 horas a la temperatura de
450ºC, y después portándose el Fe mediante la impregnación de una
solución acuosa de Fe(NO_{3})_{3} en la estructura
alveolar, secando y cociendo la estructura alveolar obtenida durante
2 horas a la temperatura de 450ºC.
Ejemplo
5
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 1, excepto en que la
estructura alveolar porta 4,0 g de un polvo de Al_{2}O_{3} y Pt
(2% en peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de
Al_{2}O_{3}), portándose el polvo de Al_{2}O_{3} mediante
recubrimiento de lavado y cociendo la estructura alveolar durante 2
horas a la temperatura de 450ºC, y después portándose el Pt mediante
la impregnación de una solución acuosa de complejo de
Pt-dinitrodiamina en la estructura alveolar, secando
y cociendo la estructura alveolar obtenida durante 2 horas a la
temperatura de 450ºC.
Se rodeó cada uno de los aparatos de los
ejemplos 1 a 5 por una estera de alúmina y se insertó en un tubo de
cuarzo que tenía un diámetro interno de 37 mm (milímetros). El
electrodo central se conectó eléctricamente a un suministro de
energía eléctrica, y el electrodo exterior se conectó a masa. Al
aparato de purificación de gas de escape, se le bombeó una parte del
gas de escape (100 l/minuto) procedente de un motor diesel de
sistema de inyección directa que tenía un volumen de desplazamiento
de 2.400 cc, y se aplicó una tensión de 4 kV (energía eléctrica de
entrada de aproximadamente 3 W). Se determinó el contenido de MP en
el gas de escape aguas arriba y aguas abajo del aparato mediante el
uso de un ELPI (Impactor Eléctrico a Presión Baja). Se determinó
una tasa de purificación de la MP a partir de la diferencia entre el
contenido de MP aguas arriba y aguas abajo del aparato. Cuanto mayor
es este valor, superior es el rendimiento del aparato. En cualquier
caso, el motor estaba en marcha lenta (700 rpm).
Tras depositarse suficientemente MP en las
estructuras alveolares de los ejemplos 1 a 5, se secaron las
estructuras alveolares durante 24 horas a la temperatura de 120ºC en
una secadora, y después se pesaron. El peso obtenido es un peso
inicial. Se insertó cada aparato en el tubo de cuarzo tal como se
estableció anteriormente (atmósfera: aire), y se energizó el
electrodo central a 15 kV durante 15 minutos. Se secó la estructura
alveolar resultante durante 24 horas a la temperatura de 120ºC, y
después se pesó. El peso obtenido es un peso tras el tratamiento. Se
obtuvo la cantidad de oxidación de la MP a partir de la diferencia
entre el peso inicial y el peso tras el tratamiento. Se calculó la
energía de oxidación de la MP dividiendo la cantidad de oxidación
de la MP por la energía de entrada (tensión x corriente eléctrica x
tiempo) a partir del suministro de energía eléctrica. Cuanto menor
es este valor, superior es el rendimiento de la oxidación de la MP.
La energía de entrada requerida para oxidar la MP mediante simple
calentamiento es de aproximadamente 290 kJ/g.
| Atrapamiento de la MP | Energía de oxidación | ||
| Con campo eléctrico | Sin campo eléctrico | de la MP (kJ/g) | |
| (%) | (%) | ||
| Ej. 1 (Sin catalizador, flujo lineal) | 11 | 69 | 65 |
| Ej. 2 (Sin catalizador, flujo por la pared) | 45 | 68 | 67 |
| Ej. 3 (Pt/CeO_{2}, flujo lineal) | 12 | 69 | 45 |
| Ej. 4 (Fe/CeO_{2}, flujo lineal) | 12 | 67 | 49 |
| Ej. 5 (Pt/Al_{2}O_{3}, flujo lineal) | 13 | 70 | 44 |
Los rendimientos del atrapamiento de la MP en
la tabla 1 muestran que el campo eléctrico en la estructura alveolar
mejora el atrapamiento de la MP, y que las estructuras alveolares de
tipo de flujo lineal y de tipo de flujo por la pared logran
resultados similares de atrapamiento de MP proporcionados con la
energía eléctrica. Los rendimientos de la oxidación de la MP en la
tabla 1 muestran que la corriente eléctrica reduce la energía de
oxidación de la MP requerida con relación al simple calentamiento, y
que los catalizadores de la oxidación de la MP reducen
adicionalmente la energía de oxidación de la MP requerida.
Ejemplos 6 a
9
Ejemplo
6
Se proporcionó un aparato de purificación de gas
de escape según la segunda realización de la presente invención
mostrada en las figuras 2a y 2b. Es decir, en el extremo aguas
arriba y en el extremo aguas abajo de una estructura alveolar de
cordierita de tipo de flujo lineal (diámetro: 30 mm, longitud: 50
mm, densidad de células: 200 células/pulgada cuadrada, porosidad;
65%, y tamaño de poro promedio; 25 \mum), se fijaron mallas de
acero inoxidable en forma circular (diámetro: 25 mm, SUS 304, 30 de
malla) para ser un electrodo de malla aguas arriba y un electrodo de
malla aguas abajo, respectivamente. Además, alrededor de la
superficie de circunferencia de la estructura alveolar, se rodeó una
malla de acero inoxidable (anchura: 30 mm, SUS 304, 300 de malla)
para ser un electrodo exterior. Se muestra el aparato de
purificación de gas de escape utilizado para este ejemplo en la
figura 4b.
Ejemplo
7
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 6, excepto en que la
estructura alveolar porta 4,0 g de un polvo de CeO_{2} y Pt (2% en
peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de CeO_{2}),
portándose el polvo de CeO_{2} mediante recubrimiento de lavado y
cociendo la estructura alveolar durante 2 horas a la temperatura de
450ºC, y después portándose el Pt mediante la impregnación de una
solución acuosa de complejo de Pt-dinitrodiamina en
la estructura alveolar, secando y cociendo la estructura alveolar
obtenida durante 2 horas a la temperatura de 450ºC.
Ejemplo
8
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 6, excepto en que la
estructura alveolar porta 4,0 g de un polvo de CeO_{2} y Fe (2% en
peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de CeO_{2}),
portándose el polvo de CeO_{2} mediante recubrimiento de lavado y
cociendo la estructura alveolar durante 2 horas a la temperatura de
450ºC, y después portándose el Fe mediante la impregnación de una
solución acuosa de Fe(NO_{3})_{3} en la estructura
alveolar, secando y cociendo la estructura alveolar obtenida durante
2 horas a la temperatura de 450ºC.
Ejemplo
9
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 6, excepto en que la
estructura alveolar porta 4,0 g de un polvo de Al_{2}O_{3} y Pt
(2% en peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de
Al_{2}O_{3}), portándose el polvo de Al_{2}O_{3} mediante
recubrimiento de lavado y cociendo la estructura alveolar durante 2
horas a la temperatura de 450ºC, y después portándose el Pt mediante
la impregnación de una solución acuosa de complejo de
Pt-dinitrodiamina en la estructura alveolar, secando
y cociendo la estructura alveolar obtenida durante 2 horas a la
temperatura de 450ºC.
Se rodeó cada uno de los aparatos de los
ejemplos 6 a 9 por una estera de alúmina y se insertó en un tubo de
cuarzo que tenía un diámetro interno de 37 mm. El electrodo aguas
arriba se conectó eléctricamente a un suministro de energía
eléctrica, y el electrodo de malla aguas abajo y el electrodo
exterior se conectaron a masa. Al aparato de purificación de gas de
escape, se le bombeó una parte del gas de escape (100 l/minuto)
procedente de un motor diesel de sistema de inyección directa que
tenía un volumen de desplazamiento de 2.400 cc, y se aplicó una
tensión de 4 kV (energía eléctrica de entrada de aproximadamente 3
W). Se determinó el contenido de MP en el gas de escape aguas arriba
y aguas abajo del aparato mediante el uso de un ELPI. Se determinó
una tasa de purificación de la MP a partir de la diferencia entre el
contenido de MP aguas arriba y aguas abajo del aparato. Cuanto mayor
es este valor, superior es el rendimiento del aparato. En cualquier
caso, el motor estaba en marcha lenta (700 rpm).
Tras depositarse suficientemente MP en las
estructuras alveolares de los ejemplos 6 a 9, se secaron las
estructuras alveolares durante 24 horas a la temperatura de 120ºC en
una secadora, y después se pesaron. El peso obtenido es un peso
inicial. Se insertó cada aparato en el tubo de cuarzo tal como se
estableció anteriormente (atmósfera: aire), y se energizaron los
electrodos a 15 kV durante 15 minutos. Se secó la estructura
alveolar resultante durante 24 horas a la temperatura de 120ºC, y
después se pesó. El peso obtenido es un peso tras el tratamiento.
Se obtuvo la cantidad de oxidación de la MP a partir de la
diferencia entre el peso inicial y el peso tras el tratamiento. Se
calculó la energía de oxidación de la MP dividiendo la cantidad de
oxidación de la MP por la energía de entrada (tensión x corriente
eléctrica x tiempo) a partir del suministro de energía eléctrica.
Cuanto menor es este valor, superior es el rendimiento de la
oxidación de la MP. La energía de entrada requerida para oxidar la
MP mediante simple calentamiento es de aproximadamente 290 kJ/g.
| Atrapamiento de la MP | Energía de oxidación | ||
| Con campo eléctrico | Sin campo eléctrico | de la MP (kJ/g) | |
| (%) | (%) | ||
| Ej. 6 (Sin catalizador) | 16 | 69 | 69 |
| Ej. 7 (Pt/CeO_{2}) | 17 | 70 | 44 |
| Ej. 8 (Fe/CeO_{2}) | 17 | 69 | 46 |
| Ej. 9 (Pt/Al_{2}O_{3}) | 18 | 68 | 44 |
Los rendimientos del atrapamiento de la MP en la
tabla 2 muestran que el campo eléctrico en la estructura alveolar
mejora el atrapamiento de la MP. Los rendimientos de oxidación de la
MP en la tabla 2 muestran que la corriente eléctrica reduce la
energía de oxidación de la MP requerida con respecto al simple
calentamiento, y que los catalizadores de la oxidación de la MP
reducen además la energía de oxidación de la MP requerida.
En el caso de que los aparatos de purificación
de gas de escape de los ejemplos 6 a 9 se utilizaran sin el
electrodo exterior, es decir, que estos aparatos se energizaran sólo
en el electrodo de malla aguas arriba y el electrodo aguas abajo
para generar un campo eléctrico paralelo a la dirección de los
conductos celulares de la estructura alveolar, el atrapamiento de MP
no era suficiente, por ejemplo, de aproximadamente un 25%. Esto
demuestra un efecto del campo eléctrico que no es paralelo con la
dirección de los conductos celulares de la estructura alveolar.
Ejemplos 10 a
13
Ejemplo
10
Se proporcionó un aparato de purificación de gas
de escape según la tercera realización de la presente invención
mostrada en las figuras 3a y 3b. Es decir, se proporcionó un
orificio perforado (diámetro: 9 mm, longitud: 50 mm) en el área
central de una estructura alveolar de cordierita de tipo de flujo
por la pared (diámetro: 30 mm, longitud: 50 mm, densidad de células:
200 células/pulgada cuadrada, porosidad: 65%, y tamaño de poro
promedio: 25 \mum). Además, alrededor de la superficie de
circunferencia de la estructura alveolar, se rodeó una malla de
acero inoxidable (anchura: 40 mm, SUS 304, 300 de malla) para ser un
electrodo exterior. En el eje central de la estructura alveolar, se
fijó un electrodo central (electrodo de barra) que tenía electrodos
de aguja. El aparato de purificación de gas de escape utilizado para
este ejemplo se muestra en la figura 4c.
Ejemplo
11
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 10, excepto en que la
estructura alveolar porta 4,0 g de un polvo de CeO_{2} y Pt (2% en
peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de CeO_{2}),
portándose el polvo de CeO_{2} mediante recubrimiento de lavado y
cociendo la estructura alveolar durante 2 horas a la temperatura de
450ºC, y después portándose el Pt mediante la impregnación de una
solución acuosa de complejo de Pt-dinitrodiamina en
la estructura alveolar, secando y cociendo la estructura alveolar
obtenida durante 2 horas a la temperatura de 450ºC.
Ejemplo
12
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 10, excepto en que la
estructura alveolar porta 4,0 g de un polvo de CeO_{2} y Fe (2% en
peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de CeO_{2}),
portándose el polvo de CeO_{2} mediante recubrimiento de lavado y
cociendo la estructura alveolar durante 2 horas a la temperatura de
450ºC, y después portándose el Fe mediante la impregnación de una
solución acuosa de Fe(NO_{3})_{3} en la estructura
alveolar, secando y cociendo la estructura alveolar obtenida durante
2 horas a la temperatura de 450ºC.
Ejemplo
13
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 10, excepto en que la
estructura alveolar porta 4,0 g de un polvo de Al_{2}O_{3} y Pt
(2% en peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de
Al_{2}O_{3}), portándose el polvo de Al_{2}O_{3} mediante
recubrimiento de lavado y cociendo la estructura alveolar durante 2
horas a la temperatura de 450ºC, y después portándose el Pt mediante
la impregnación de una solución acuosa de complejo de
Pt-dinitrodiamina en la estructura alveolar, secando
y cociendo la estructura alveolar obtenida durante 2 horas a la
temperatura de 450ºC.
Se rodeó cada uno de los aparatos de los
ejemplos 10 a 13 por una estera de alúmina y se insertó en un tubo
de cuarzo que tenía un diámetro interno de 37 mm. El electrodo
central se conectó eléctricamente a un suministro de energía
eléctrica, y el electrodo exterior se conectó a masa. Al aparato de
purificación de gas de escape, se le bombeó una parte del gas de
escape (100 l/minuto) procedente de un motor diesel de sistema de
inyección directa que tenía un volumen de desplazamiento de 2.400
cc, y se aplicó una tensión de 4 kV (energía eléctrica de entrada
de aproximadamente 3 W). Se determinó el contenido de MP en el gas
de escape aguas arriba y aguas abajo del aparato mediante el uso de
un ELPI. Se determinó una tasa de purificación de la MP a partir de
la diferencia entre el contenido de MP aguas arriba y aguas abajo
del aparato. Cuanto mayor es este valor, más superior es el
rendimiento del aparato. En cualquier caso, el motor estaba en
marcha lenta (700 rpm).
Tras depositarse suficientemente MP en las
estructuras alveolares de los ejemplos 10 a 13, se secaron las
estructuras alveolares durante 24 horas a la temperatura de 120ºC en
una secadora, y después se pesaron. El peso obtenido es un peso
inicial. Se insertó cada aparato en el tubo de cuarzo tal como se
estableció anteriormente (atmósfera: aire), y se energizaron los
electrodos a 15 kV durante 15 minutos. Se secó la estructura
alveolar resultante durante 24 horas a la temperatura de 120ºC, y
después se pesó. El peso obtenido es un peso tras el tratamiento. Se
obtuvo la cantidad de oxidación de la MP a partir de la diferencia
entre el peso inicial y el peso tras el tratamiento. Se calculó la
energía de oxidación de la MP dividiendo la cantidad de oxidación
de la MP por la energía de entrada (tensión x corriente eléctrica x
tiempo) a partir del suministro de energía eléctrica. Cuanto menor
es este valor, más superior es el rendimiento de la oxidación de la
MP. La energía de entrada requerida para oxidar la MP mediante
simple calentamiento es de aproximadamente 290 kJ/g.
| Atrapamiento de la MP | Energía de oxidación | ||
| Con campo eléctrico | Sin campo eléctrico | de la MP (kJ/g) | |
| (%) | (%) | ||
| Ej. 10 (Sin catalizador) | 19 | 60 | 145 |
| Ej. 11 (Pt/CeO_{2}) | 20 | 62 | 138 |
| Ej. 12 (Fe/CeO_{2}) | 21 | 59 | 140 |
| Ej. 13 (Pt/Al_{2}O_{3}) | 23 | 57 | 140 |
Los rendimientos del atrapamiento de la MP en
la tabla 3 muestran que el campo eléctrico en la estructura alveolar
mejora el atrapamiento de la MP. Los rendimientos de oxidación de la
MP en la tabla 3 muestran que la corriente eléctrica reduce la
energía de oxidación de la MP requerida con respecto al
calentamiento, y que los catalizadores de la oxidación de la MP
reducen además la energía de oxidación de la MP requerida.
Ejemplos 14 a
19
Ejemplo
14
Se proporcionó un aparato de purificación de gas
de escape según la cuarta realización de la presente invención
mostrada en la figura 5. Es decir, las estructuras alveolares de
cordierita de tipo de flujo lineal en forma de paralelepípedo
rectangular (densidad de células: 200 células/pulgada cuadrada,
porosidad: 65%, tamaño de poro promedio: 25 \mum, altura: 15
células, anchura: 5 células, y longitud: 50 mm) están intercaladas
con electrodos de malla de acero inoxidable (SUS 304, altura de 24
mm, longitud de 45 mm, y 300 o 30 de malla). El aparato de
purificación de gas de escape utilizado para este ejemplo se muestra
en la figura 10a.
En el experimento, el gas de escape pasa a
través del aparato en una dirección indicada mediante una flecha en
la figura 10a. Los electrodos de malla están conectados
alternativamente a un suministro de energía eléctrica y a masa. Los
electrodos conectados al suministro de energía eléctrica son ánodos
y los electrodos conectados a masa son cátodos.
Ejemplo
15
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 14, excepto en que la
estructura alveolar porta 1,5 g de un polvo de CeO_{2} y Fe (2% en
peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de CeO_{2}),
portándose el polvo de CeO_{2} mediante recubrimiento de lavado y
cociendo la estructura alveolar durante 2 horas a la temperatura de
450ºC, y después portándose el Fe mediante la impregnación de una
solución acuosa de Fe(NO_{3})_{3} en la estructura
alveolar, secando y cociendo la estructura alveolar obtenida durante
2 horas a la temperatura de 450ºC.
Ejemplo
16
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 14, excepto en que la
estructura alveolar porta 1,5 g de un polvo de Al_{2}O_{3} y Pt
(2% en peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de
Al_{2}O_{3}), portándose el polvo de Al_{2}O_{3} mediante
recubrimiento de lavado y cociendo la estructura alveolar durante 2
horas a la temperatura de 450ºC, y después portándose el Pt mediante
la impregnación de una solución acuosa de complejo de
Pt-dinitrodiamina en la estructura alveolar, secando
y cociendo la estructura alveolar obtenida durante 2 horas a la
temperatura de 450ºC.
Ejemplo
17
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 14, excepto en que todos
electrodos de malla tenían un tamaño de malla de 300 de malla y en
que se utiliza un suministro de energía eléctrica de CA como
suministro de energía eléctrica para cambiar alternativamente la
dirección del campo eléctrico en la estructura alveolar.
Ejemplo
18
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 17, excepto en que la
estructura alveolar porta Fe/CeO_{2} tal como se describe en el
ejemplo 15.
Ejemplo
19
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 17, excepto en que la
estructura alveolar porta Pt/Al_{2}O_{3} tal como se describe en
el ejemplo 16.
Se rodeó cada uno de los aparatos de los
ejemplos 14 a 19 por una estera de alúmina y se insertó en un tubo
acrílico que tenía un perfil de 34 x 48 mm. Al aparato, se le bombeó
una parte del gas de escape (100 l/minuto) procedente de un motor
diesel de sistema de inyección directa que tenía un volumen de
desplazamiento de 2.400 cc, y se aplicó una energía eléctrica de CC
de 4 kV y aproximadamente 3 W (ejemplos 14 a 16) o una energía
eléctrica de CA de 4 kV y 60 Hz (ejemplos 17 a 19).
Se determinó el contenido de MP en el gas de
escape aguas arriba y aguas abajo del aparato mediante el uso de un
ELPI. Se determinó una tasa de purificación de la MP a partir de la
diferencia entre el contenido de MP aguas arriba y aguas abajo del
aparato. Cuanto mayor es este valor, más superior es el rendimiento
del aparato. En cualquier caso, el motor estaba en marcha lenta (700
rpm).
Tras depositarse suficientemente MP en las
estructuras alveolares de los ejemplos 14 a 19, se secaron las
estructuras alveolares durante 24 horas a la temperatura de 120ºC en
una secadora, y después se pesaron. El peso obtenido es un peso
inicial. Se insertó cada aparato en el tubo acrílico tal como se
estableció anteriormente (atmósfera: aire), y se energizó a 10 kV
durante 20 minutos. Se secó el aparato resultante durante 24 horas a
la temperatura de 120ºC, y después se pesó. El peso obtenido es un
peso tras el tratamiento. Se obtuvo la cantidad de oxidación de la
MP a partir de la diferencia entre el peso inicial y el peso tras el
tratamiento. Se calculó la energía de oxidación de la MP dividiendo
la cantidad de oxidación de la MP por la energía de entrada
(tensión x corriente eléctrica x tiempo) a partir del suministro de
energía eléctrica. Cuanto menor es este valor, superior es el
rendimiento de la oxidación de MP. La energía de entrada requerida
para oxidar la MP mediante simple calentamiento es de
aproximadamente 290 kJ/g.
| Atrapamiento de la MP | Energía de oxidación | ||
| Con campo eléctrico | Sin campo eléctrico | de la MP (kJ/g) | |
| (%) | (%) | ||
| Ej. 14 | 19 | 67 | 70 |
| Ej. 15 | 20 | 69 | 39 |
| Ej. 16 | 21 | 68 | 42 |
| Ej. 17 | 19 | 60 | 80 |
| Ej. 18 | 20 | 62 | 51 |
| Ej. 19 | 21 | 64 | 48 |
Los rendimientos del atrapamiento de la MP en
la tabla 4 muestran que el campo eléctrico en la estructura alveolar
mejora el atrapamiento de la MP. Los rendimientos de oxidación de la
MP en la tabla 4 muestran que la corriente eléctrica reduce la
energía de oxidación de la MP requerida con respecto al simple
calentamiento, y que los catalizadores de la oxidación de la MP
reducen además la energía de oxidación de la MP requerida.
Ejemplos 20 y
21
Ejemplo
20
Se proporcionó un aparato de purificación de gas
de escape según la quinta realización de la presente invención
mostrada en la figura 7. Es decir, estructuras alveolares de
cordierita de tipo de flujo lineal en forma de paralelepípedo
rectangular (densidad de células: 200 células/pulgada cuadrada,
porosidad: 65%, tamaño de poro promedio: 25 \mum, altura: 15
células, anchura: 15 células, longitud: 50 mm) se rodean con cuatro
electrodos de malla de acero inoxidable (SUS 304, altura: 20 mm,
longitud: 40 mm, y 300 o 30 de malla) sobre las superficies de las
mismas que son paralelas a la dirección de los conductos celulares.
El aparato de purificación de gas de escape utilizado para este
ejemplo se muestra en la figura 10b.
En el experimento, el gas de escape pasa a
través del aparato en una dirección indicada mediante una flecha en
la figura 10b. Los dos electrodos de malla están conectados a un
suministro de energía eléctrica de CC y los otros a masa. Los
electrodos conectados al suministro de energía eléctrica son ánodos
y los electrodos conectados a masa son cátodos.
Ejemplo
21
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 20, excepto en que todos los
electrodos de malla tenían un tamaño de malla de 300 de malla y en
que se utiliza un suministro de energía eléctrica de CA para cambiar
alternativamente la dirección del campo eléctrico en la estructura
alveolar.
Se rodeó cada uno de los aparatos de los
ejemplos 20 y 21 por una estera de alúmina y se insertó en un tubo
acrílico que tenía un perfil de 34 x 48 mm. Al aparato, se le bombeó
una parte del gas de escape (100 l/minuto) procedente de un motor
diesel de sistema de inyección directa que tenía un volumen de
desplazamiento de 2.400 cc, y se aplicó una energía eléctrica de CC
de 10 kV y aproximadamente 7,5 W (ejemplo 20) o una energía
eléctrica de CA de 10 kV y 60 Hz (ejemplo 21). La dirección de los
campos eléctricos se cambió alternativamente entre las direcciones x
e y de la figura 10b cada 10 segundos.
Se determinó el contenido de MP en el gas de
escape aguas arriba y aguas abajo del aparato mediante el uso de un
ELPI. Se determinó una tasa de purificación de la MP a partir de la
diferencia entre el contenido de MP aguas arriba y aguas abajo del
aparato. Cuanto mayor es este valor, más superior es el rendimiento
del aparato. En cualquier caso, el motor estaba en marcha lenta (700
rpm).
Tras depositarse suficientemente MP en las
estructuras alveolares de los ejemplos 20 y 21, se secaron las
estructuras alveolares durante 24 horas a la temperatura de 120ºC en
una secadora, y después se pesaron. El peso obtenido es un peso
inicial. Se insertó cada aparato en el tubo acrílico tal como se
estableció anteriormente (atmósfera: aire), y se energizó a 10 kV
durante 20 minutos. Se secó el aparato resultante durante 24 horas a
la temperatura de 120ºC, y después se pesó. El peso obtenido es un
peso tras el tratamiento. Se obtuvo la cantidad de oxidación de la
MP a partir de la diferencia entre el peso inicial y el peso tras el
tratamiento. Se calculó la energía de oxidación de la MP dividiendo
la cantidad de oxidación de la MP por la energía de entrada
(tensión x corriente eléctrica x tiempo) a partir del suministro de
energía eléctrica. Cuanto menor es este valor, más superior es el
rendimiento de la oxidación de la MP. La energía de entrada
requerida para oxidar la MP mediante simple calentamiento es de
aproximadamente 290 kJ/g.
| Atrapamiento de la MP | Energía de oxidación | ||
| Con campo eléctrico | Sin campo eléctrico | de la MP (kJ/g) | |
| (%) | (%) | ||
| Ej. 20 | 19 | 69 | 79 |
| Ej. 21 | 21 | 68 | 77 |
Los rendimientos del atrapamiento de la MP en
la tabla 5 muestran que el campo eléctrico en la estructura alveolar
mejora el atrapamiento de la MP. Los rendimientos de oxidación de la
MP en la tabla 5 muestran que la corriente eléctrica reduce la
energía de oxidación de la MP requerida con respecto al
calentamiento, y que los catalizadores de la oxidación de la MP
reducen además la energía de oxidación de la MP requerida.
\newpage
Ejemplos 22 y
23
Los ejemplos 22 y 23 muestran que la combinación
de la energía eléctrica y el metal alcalino o alcalinotérreo portado
en la estructura alveolar reduce una energía de oxidación de la MP
requerida. Con fines de comparación, se preparó un ejemplo A
control. En estos ejemplos 22, 23 y A, alrededor de la superficie de
circunferencia de una estructura alveolar de cordierita de tipo de
flujo lineal (diámetro: 30 mm, longitud: 50 mm, densidad de células:
200 células/pulgada cuadrada, porosidad: 65%, y tamaño de poro
promedio: 25 \mum), se rodeó una malla de acero inoxidable
(anchura: 40 mm, SUS 304, 300 de malla) para ser un electrodo
exterior. En el eje central de la estructura alveolar, se fijó un
electrodo central (electrodo de barra) que tenía electrodos de
aguja. El aparato de purificación de gas de escape utilizado para
estos ejemplos se muestra en la figura 4a.
Ejemplo
A
En este ejemplo, la estructura alveolar porta
4,0 g de un polvo de Al_{2}O_{3} y Pt (2% en peso partiendo de
la base de la cantidad de un polvo de Al_{2}O_{3}), portándose
el polvo de Al_{2}O_{3} mediante recubrimiento de lavado y
cociendo la estructura alveolar durante 2 horas a la temperatura de
450ºC, y después portándose el Pt mediante la impregnación de una
solución acuosa de complejo de Pt-dinitrodiamina en
la estructura alveolar, secando y cociendo la estructura alveolar
obtenida durante 2 horas a la temperatura de 450ºC.
Ejemplo
22
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo es igual que el del ejemplo A, excepto en que la
estructura alveolar porta además 0,07 mol/estructura alveolar de K,
portándose el K mediante la impregnación de una solución de acetato
de potasio en la estructura alveolar del ejemplo A
(Pt/Al_{2}O_{3}), secando y cociendo la estructura alveolar
obtenida durante 2 horas a la temperatura de 550ºC.
Ejemplo
23
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo es igual que el del ejemplo A, excepto en que la
estructura alveolar porta además 0,07 mol/estructura alveolar de Ba,
portándose el Ba mediante la impregnación de una solución de acetato
de bario en la estructura alveolar del ejemplo A
(Pt/Al_{2}O_{3}), secando y cociendo la estructura alveolar
obtenida durante 2 horas a la temperatura de 550ºC.
Se rodeó cada uno de los aparatos de los
ejemplos A, 22 y 23 por una estera de alúmina y se insertó en un
tubo de cuarzo que tenía un diámetro interno de 37 mm. El electrodo
central se conectó eléctricamente a un suministro de energía
eléctrica, y el electrodo exterior se conectó a masa. Al aparato de
purificación de gas de escape, se le bombeó una parte del gas de
escape (100 l/minuto) procedente de un motor diesel de sistema de
inyección directa que tenía un volumen de desplazamiento de 2.400
cc, y se aplicó una tensión de 4 kV (energía eléctrica de entrada de
aproximadamente 3 W). Se determinó el contenido de MP en el gas de
escape aguas arriba y aguas abajo del aparato mediante el uso de un
ELPI. Se determinó una tasa de purificación de la MP a partir de la
diferencia entre el contenido de MP aguas arriba y aguas abajo del
aparato. Cuanto mayor es este valor, más superior es el rendimiento
del aparato. En cualquier caso, el motor estaba en marcha lenta (700
rpm).
Tras depositarse suficientemente MP en las
estructuras alveolares de los ejemplos A, 22 y 23, se secaron las
estructuras alveolares durante 24 horas a la temperatura de 120ºC en
una secadora, y después se pesaron. El peso obtenido es un peso
inicial. Se insertó cada aparato en el tubo de cuarzo tal como se
estableció anteriormente. Se energizó el electrodo central a 15 kV
durante 15 minutos mientras que se calentó el aparato a la
temperatura de 250ºC en un horno eléctrico y se hizo pasar una
mezcla de gases que contenía un 10% de O_{2}, 1.000 ppm de NO, un
15% de CO_{2} y un 10% de H_{2}O a través de la estructura
alveolar. Se secó el aparato resultante durante 24 horas a la
temperatura de 120ºC, y después se pesó. El peso obtenido es un peso
tras el tratamiento. Se obtuvo la cantidad de oxidación de la MP a
partir de la diferencia entre el peso inicial y el peso tras el
tratamiento. Se calculó la energía de oxidación de la MP dividiendo
la cantidad de oxidación de la MP por la energía de entrada (tensión
x corriente eléctrica x tiempo) a partir del suministro de energía
eléctrica. Cuanto menor es este valor, superior es el rendimiento de
oxidación de la MP. La energía de entrada requerida para oxidar la
MP mediante calentamiento es de aproximadamente
290 kJ/g.
290 kJ/g.
| Atrapamiento de la MP | Energía de oxidación | ||
| Con campo eléctrico | Sin campo eléctrico | de la MP (kJ/g) | |
| (%) | (%) | ||
| Ej. A | 13 | 70 | 40 |
| Ej. 22 | 12 | 71 | 30 |
| Ej. 23 | 13 | 70 | 34 |
Los rendimientos del atrapamiento de la MP en
la tabla 6 muestran que el campo eléctrico en la estructura alveolar
mejora el atrapamiento de la MP. Los rendimientos de oxidación de la
MP en la tabla 6 muestran que la corriente eléctrica reduce la
energía de oxidación de la MP requerida con respecto al simple
calentamiento, y que el metal alcalino o alcalinotérreo
(especialmente K y Ba) portado en la estructura alveolar reduce
además la energía de oxidación de la MP requerida.
Ejemplos 24 y
25
Los ejemplos 24 y 25 muestran que la combinación
de una corriente eléctrica y el metal alcalino o alcalinotérreo
portado en la estructura alveolar mejora considerablemente la
oxidación de la MP. Con fines de comparación, se preparó un ejemplo
A' control.
Ejemplo
A'
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo A (Pt/Al_{2}O_{3}),
excepto en que se utilizó una estructura alveolar de cordierita de
tipo de flujo por la pared (diámetro: 30 mm, longitud: 50 mm,
densidad de células: 200 células/pulgada cuadrada, porosidad: 65%, y
tamaño de poro promedio: 25 \mum) en lugar de la estructura
alveolar de cordierita de tipo de flujo lineal.
Ejemplo
24
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 22, excepto en que se utilizó
la estructura alveolar de cordierita de tipo de flujo por la pared
(diámetro: 30 mm, longitud: 50 mm, densidad de células: 200
células/pulgada cuadrada, porosidad: 65%, y tamaño de poro promedio:
25 \mum) en lugar de la estructura alveolar de cordierita de tipo
de flujo lineal.
Ejemplo
25
El aparato de purificación de gas de escape de
este ejemplo fue igual al del ejemplo 23, excepto en que se utilizó
una estructura alveolar de cordierita de tipo de flujo por la pared
(diámetro: 30 mm, longitud: 50 mm, densidad de células: 200
células/pulgada cuadrada, porosidad: 65%, y tamaño de poro promedio:
25 \mum) en lugar de la estructura alveolar de cordierita de tipo
de flujo lineal.
Tras depositarse suficientemente MP en las
estructuras alveolares de los ejemplos A', 24 y 25, se secaron las
estructuras alveolares durante 24 horas a la temperatura de 120ºC en
una secadora, y después se pesaron. El peso obtenido es un peso
inicial. Se rodeó el aparato por una estera de alúmina y se insertó
en un tubo de cuarzo que tenía un diámetro interno de 37 mm. Se
energizó el electrodo central a 15 kV durante 15 minutos, o no,
mientras que se calentó el aparato a la temperatura de 250ºC en un
horno eléctrico y se hizo pasar una mezcla de gases que contenía un
10% de O_{2}, 1.000 ppm de NO, un 15% de CO_{2} y un 10% de
H_{2}O a través de la estructura alveolar. Se secó la estructura
alveolar resultante durante 24 horas a la temperatura de 120ºC, y
después se pesó. El peso obtenido es un peso tras el tratamiento. Se
obtuvo la cantidad de oxidación de la MP a partir de la diferencia
entre el peso inicial y el peso tras el tratamiento. Cuanto mayor es
este valor, superior es el rendimiento de la oxidación de MP.
| Cantidad de oxidación de la MP | Aumento de la cantidad de | ||
| Con campo eléctrico | Sin campo eléctrico | oxidación de la MP (g) | |
| (%) | (%) | ||
| Ej. A' | 0,04 | 0,12 | 0,08 |
| Ej. 24 | 0,08 | 0,26 | 0,18 |
| Ej. 25 | 0,07 | 0,23 | 0,16 |
El aumento de la cantidad de oxidación de la MP
en la tabla 7 muestra que, al aplicar una tensión, el ejemplo A'
control que utiliza Pt/Al_{2}O_{3} aumenta la cantidad de
oxidación de la MP en 0,08 g, mientras que los ejemplos 24 y 24,
respectivamente, que utilizan un metal alcalino y alcalinotérreo (K
y Ba) aumentan la cantidad de oxidación de la MP en 0,18 g y 0,16 g
(aproximadamente 2 veces). Es decir, la combinación del metal
alcalino o alcalinotérreo y el campo eléctrico acelera
significativamente la oxidación de la MP.
Ejemplos 26 y
27
Los ejemplos 26 y 27 muestran que el MnO_{2}
portado en la estructura alveolar reduce una cantidad de energía de
oxidación de la MP requerida. Con fines de comparación, se realizó
el ejemplo A comparativo (Pt/Al_{2}O_{3}). Los aparatos de
purificación de gas de escape de los ejemplos 26 y 27 son iguales
que los del ejemplo A control mostrado en la figura 4a, excepto por
el material portado en la estructura alveolar.
Ejemplo
26
En este ejemplo, la estructura alveolar porta
4,0 g de polvo de MnO_{2}, portándose el polvo de MnO_{2}
mediante recubrimiento de lavado y cociendo la estructura alveolar
durante 2 horas a la temperatura de 450ºC.
Ejemplo
27
En este ejemplo, la estructura alveolar porta
4,0 g de polvo de MnO_{2} y Pt (2% en peso partiendo de la base de
la cantidad de polvo de MnO_{2}), portándose el polvo de MnO_{2}
mediante recubrimiento de lavado y cociendo la estructura alveolar
durante 2 horas a la temperatura de 450ºC, y después portándose el
Pt mediante la impregnación de una solución acuosa de complejo de
Pt-dinitrodiamina en la estructura alveolar, secando
y cociendo la estructura alveolar obtenida durante 2 horas a la
temperatura de 450ºC.
La evaluación del rendimiento en el atrapamiento
de la MP y la oxidación de la MP se realizaron tal como se describe
en los ejemplos 22 y 23. La energía de entrada requerida para oxidar
la MP mediante calentamiento es de aproximadamente 290 kJ/g.
\vskip1.000000\baselineskip
| Atrapamiento de la MP | Energía de oxidación | ||
| Con campo eléctrico | Sin campo eléctrico | de la MP (kJ/g) | |
| (%) | (%) | ||
| Ej. A | 13 | 70 | 40 |
| Ej. 26 | 12 | 71 | 35 |
| Ej. 27 | 13 | 70 | 33 |
Los rendimientos del atrapamiento de la MP en
la tabla 8 muestran que el campo eléctrico en la estructura alveolar
mejora el atrapamiento de la MP. Los rendimientos de oxidación de la
MP en la tabla 8 muestran que la corriente eléctrica reduce la
energía de oxidación de la MP requerida con respecto al
calentamiento, y que el polvo de MnO_{2} portado en la estructura
alveolar solo o en combinación con Pt reducen además la energía de
oxidación de la MP requerida.
Ejemplos 28 y
29
Los ejemplos 28 y 29 muestran el efecto de un
material de constante dieléctrica alta en un rendimiento de
atrapamiento de la MP. Con fines de comparación, se preparó el
ejemplo A control anterior (Pt/Al_{2}O_{3}). Los aparatos de
purificación de gas de escape de los ejemplos 28 y 29 son iguales a
que los del ejemplo A control mostrado en la figura 4a excepto por
el material portado en la estructura alveolar.
Ejemplo
28
En este ejemplo, la estructura alveolar porta
4,0 g de una mezcla 1:1 de polvos de Al_{2}O_{3} y BaTiO_{3},
y Pt (2% en peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de
BaTiO_{3}), portándose la mezcla 1:1 mediante recubrimiento de
lavado y cociendo la estructura alveolar durante 2 horas a la
temperatura de 450ºC, y después portándose el Pt mediante la
impregnación de una solución acuosa de complejo de
Pt-dinitrodiamina en la estructura alveolar, secando
y cociendo la estructura alveolar obtenida durante 2 horas a la
temperatura de 450ºC.
\newpage
Ejemplo
29
En este ejemplo, la estructura alveolar porta
4,0 g de una mezcla 1:1 de polvos de Al_{2}O_{3} y SrTiO_{3},
y Pt (2% en peso partiendo de la base de la cantidad de polvo de
SrTiO_{3}), portándose la mezcla 1:1 mediante recubrimiento de
lavado y cociendo la estructura alveolar durante 2 horas a la
temperatura de 450ºC, y después portándose el Pt mediante la
impregnación de una solución acuosa de complejo de
Pt-dinitrodiamina en la estructura alveolar, secando
y cociendo la estructura alveolar obtenida durante 2 horas a la
temperatura de 450ºC.
La evaluación del rendimiento en el atrapamiento
de la MP y la oxidación de la MP se realizaron tal como se describe
en los ejemplos 22 y 23. La energía de entrada requerida para oxidar
la MP mediante calentamiento es de aproximadamente 290 kJ/g.
| Atrapamiento de la MP | Energía de oxidación | ||
| Con campo eléctrico | Sin campo eléctrico | de la MP (kJ/g) | |
| (%) | (%) | ||
| Ej. A | 13 | 70 | 40 |
| Ej. 28 | 13 | 79 | 48 |
| Ej. 29 | 13 | 78 | 51 |
Los rendimientos del atrapamiento de la MP en
la tabla 9 muestran que el campo eléctrico en la estructura alveolar
mejora el atrapamiento de la MP, y que la combinación del campo
eléctrico y el material de constante dieléctrica elevada,
especialmente BaTiO_{3} o SrTiO_{3}, mejora adicionalmente el
atrapamiento de la MP. Los rendimientos de oxidación de la MP en la
tabla 9 muestran que la corriente eléctrica reduce la energía de
oxidación de la MP requerida con respecto al simple
calentamiento.
Claims (20)
1. Aparato de purificación de gas de escape para
atrapar y quemar la MP, que comprende electrodos (14, 16) y una
estructura (10) alveolar aislante que tiene varios conductos
celulares, caracterizado porque los electrodos forman un
campo eléctrico en dicha estructura (10) alveolar, no siendo el
campo eléctrico paralelo a la dirección de los conductos celulares
de dicha estructura (10) alveolar, y porque dicha estructura (10)
alveolar porta un catalizador de la oxidación de la MP seleccionado
del grupo que consiste en CeO_{2}, Fe/CeO_{2}, Pt/CeO_{2}, y
Pt/Al_{2}O_{3}, y combinaciones de los mismos.
2. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho campo
eléctrico está en el ángulo de al menos 45 grados con respecto a los
conductos celulares de la estructura alveolar.
3. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha
estructura alveolar es una estructura alveolar de tipo de flujo
lineal.
4. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos
electrodos comprenden un electrodo de descarga eléctrica aguas
arriba de la estructura alveolar.
5. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos
electrodos comprenden un electrodo central y un electrodo exterior
que rodea al electrodo central, y porque dicha estructura alveolar
se coloca entre el electrodo central y el electrodo exterior.
6. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos
electrodos comprenden un electrodo de malla en el extremo aguas
arriba de dicha estructura alveolar y un electrodo exterior
alrededor de la superficie de circunferencia de dicha estructura
alveolar.
7. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 6, caracterizado porque dichos
electrodos comprenden adicionalmente un segundo electrodo de malla
en el extremo aguas abajo de dicha estructura alveolar, estando
dicho segundo electrodo de malla conectado eléctricamente con el
electrodo exterior.
8. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos
electrodos comprenden un electrodo central y un electrodo exterior
que rodea al electrodo central; porque dicha estructura alveolar se
coloca entre dicho electrodo central y dicho electrodo exterior;
porque dicho electrodo central se extiende más allá del extremo
aguas arriba de dicha estructura alveolar; y porque el área
radialmente interior de dicha estructura alveolar tiene una
resistividad al flujo de gas inferior que la del área externa de la
misma.
9. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 8, caracterizado porque dicha área
radialmente interior de la estructura alveolar tiene un orificio
perforado a través de la estructura alveolar.
10. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 9, caracterizado porque la razón del
diámetro de dicha estructura alveolar con respecto al de dicho
orificio perforado es de 10:1 a 2:1.
11. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha
estructura alveolar tiene superficies exteriores opuestas, y porque
dichos electrodos comprenden un par de electrodos de placa colocados
respectivamente sobre dichas superficies exteriores opuestas de la
estructura alveolar.
12. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 11, caracterizado porque el aparato
comprende dos o más conjuntos de dicha estructura alveolar y dicho
par de electrodos de placa.
13. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha
estructura alveolar tiene dos pares de superficies exteriores
opuestas; porque dichos electrodos comprenden dos pares de
electrodos de placa opuestos; y porque cada par de los electrodos de
placa opuestos se coloca sobre cada par de las superficies
exteriores opuestas de la estructura alveolar de modo que dichos dos
pares de electrodos de placa opuestos alternativamente forman los
campos eléctricos que tienen dos direcciones diferentes que no son
paralelas a la dirección de los conductos celulares de la estructura
alveolar.
14. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 13, caracterizado porque dicha
estructura alveolar es en una forma de paralelepípedo rectangular, y
porque dichos electrodos se colocan sobre las cuatro superficies
exteriores de la misma que son paralelas a la dirección del conducto
celular.
15. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 1, caracterizado porque la estructura
alveolar porta al menos un metal seleccionado del grupo que consiste
en un metal alcalino y un metal alcalinotérreo.
16. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 15, caracterizado porque dicho al
menos un metal es potasio o bario.
17. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 1, caracterizado porque la estructura
alveolar porta un dióxido de manganeso.
18. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 1, caracterizado porque la estructura
alveolar porta un material que tiene una constante dieléctrica
elevada.
19. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 18, caracterizado porque dicho
material es un material que tiene una constante dieléctrica
específica estática superior a 100 a la temperatura de 250ºC.
20. Aparato de purificación de gas de escape
según la reivindicación 18, caracterizado porque dicho
material es un titanato de bario o titanato de estroncio.
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