ES2262691T3 - Filtros de particulas para la purificacion de gases de escape de los motores de combustion interna. - Google Patents

Abstract

Filtro de partículas de purificación de los ases de escape de un motor de combustión interna, en particular de un motor Diesel, que comprende un cuerpo filtrante y medios de calentamiento de dicho cuerpo filtrante, caracterizado porque dichos medios comprenden al menos un encendedor cerámico (3) del tipo de punto caliente.

Description

Filtros de partículas para la purificación de gases de escape de los motores de combustión interna.

La invención se refiere a la utilización de encendedores cerámicos para la regeneración de filtros de partículas de purificación de los gases de escape de los motores de combustión interna, en particular de los motores diesel que equipan a los vehículos automóviles.

Se utilizan estructuras porosas de nido de abejas como cuerpos filtrantes para la filtración de las partículas emitidas por los vehículos diesel. Generalmente, estos cuerpos filtrantes son de cerámica (cordierita, carburo de silicio, ...). Pueden ser monolíticos o bien pueden estar constituidos por diferentes bloques. En este último caso, los bloques son montados entre sí por adhesivo por medio de un cemento cerámico. El conjunto es mecanizado a continuación para conferirle la sección deseada, redonda u ovalada, en general. El cuerpo filtrante puede comprender una pluralidad de canales, obturados uno u otro de sus extremos, que pueden tener, en sección transversal, formas y diámetros diferentes y se inserta en una envoltura metálica, por ejemplo como se describe en el documento FR-A-2 789 327.

Después de un cierto tiempo de utilización, se acumulan hollines en los canales del cuerpo filtrante, en particular sobre su superficie de aguas arriba, lo que aumenta la pérdida de carga debida al cuerpo filtrante y disminuye de esta manera el rendimiento del motor. Por esta razón, el cuerpo filtrante debe ser regenerado (por ejemplo cada 500 kilómetros).

La regeneración consiste en oxidar los hollines. Para hacerlo, es necesario calentarlos, puesto que la temperatura de auto-inflamación de los hollines es del orden de 600ºC en condiciones de funcionamiento clásicas, mientras que la temperatura de los gases de escape solamente es del orden de 300ºC. No obstante, es posible agregar aditivos al carburante que permiten catalizar la reacción de oxidación de los hollines y reducir la temperatura de auto-inflamación de 150ºC aproximadamente. El calentamiento puede afectar a los gases de escape, al cuerpo filtrante o bien incluso directamente a los hollines. Han sido desarrolladas diferentes técnicas, pero requieren mucha energía y con mucha frecuencia son difíciles de controlar.

Un método reciente y ventajoso consiste en calentar localmente (delante del cuerpo filtrante) con el fin de iniciar la combustión que se propaga entonces progresivamente al conjunto del cuerpo filtrante. Este tipo de técnica se describe, por ejemplo, en los documentos FR-A-2 771 449 o DE-A-19530749.

Los medios de calentamiento de las partículas depositadas sobre el cuerpo filtrante se basan en una fuente de alimentación de energía eléctrica del vehículo y están constituidos, por ejemplo por bujías de pre-calentamiento para motor diesel.

Estos medios de calentamiento presentan varios inconvenientes. En primer lugar, su volumen es importante, lo que hace difícil su colocación con relación al cuerpo filtrante. En la figura 2 del documento FR-A-2 771 449 se ve bien que no es posible colocar estos medios de calentamiento en contacto directo con los hollines y todavía menos en el corazón del cuerpo filtrante. Por otro lado, se constata que la presencia de estos medios de calentamiento hace que un cierto número de canales del cuerpo filtrante sean inaccesibles a los gases de escape, lo que reduce considerablemente su eficacia. Por otra parte, la energía consumida es importante y la subida de la temperatura es bastante lenta, por lo que el sistema de regeneración tiene un tiempo de respuesta mediocre.

Otros medios de calentamiento, tales como simples resistencias eléctricas, están mal adaptados, puesto que las temperaturas pueden alcanzar más de 1000ºC en el filtro durante la combustión de los hollines y, en estas condiciones de temperatura y de oxidación, se pueden utilizar pocos materiales, siendo importantes los problemas de desgaste rápido debido a la corrosión.

Por lo tanto, existe una necesidad de medios de calentamiento para filtros de partículas de purificación de los gases de escape de los motores de combustión interna, principalmente de los motores Diesel, que estén exentos de los inconvenientes mencionados anteriormente.

La invención pretende satisfacer esta necesidad.

Más particularmente, la invención tiene por objeto un filtro de partículas de purificación de los gases de escape de un motor de combustión interna, en particular de un motor diesel, que comprende un cuerpo filtrante y medios de calentamiento de dicho cuerpo filtrante, caracterizado porque dichos medios comprende al menos un encendedor cerámico del tipo de punto caliente.

Los encendedores cerámicos de punto caliente están disponibles en el comercio y son piezas pequeñas que, cuando son atravesadas por una corriente eléctrica, son llevados localmente a una temperatura muy elevada (1200 a 1400ºC) permitiendo el encendido del gas. Estas piezas son utilizadas en ciertos aparatos electrodomésticos, tales como las cocinas de gas, por ejemplo, para encender los quemadores. Estos encendedores están constituidos habitualmente por un material cerámico altamente resistente, tal como el carburo de silicio, a veces mezclado con otros componentes cerámicos.

La relación entre la resistencia eléctrica de estas piezas y su geometría es bien conocida; así, los encendedores cerámicos pueden adoptar numerosas formas diversas, lo que facilita su utilización. A título indicativo, en la gama de los encendedores MINI-IGNITER® disponibles a partir de la sociedad NORTON, la longitud de las piezas puede variar entre 2 y 4 centímetros por una anchura de algunos milímetros.

Informaciones detalladas con respecto a la estructura y la fabricación de los encendedores cerámicos se pueden encontrar en las patentes de los Estados Unidos Nº 5 191 508, 5 085 804, 5 045 237, 4 429 003 y 3 974 106, todas propiedad de la Sociedad NORTON COMPANY.

Las ventajas ofrecidas por la utilización de estos encendedores cerámicos son numerosas.

En primer lugar, su volumen es reducido, lo que permite numerosas colocaciones más ventajosas en el filtro. Colocados más cerca de los hollines, estos medios de calentamiento transmiten el calor reduciendo al mínimo las pérdidas.

Además, los encendedores cerámicos de punto caliente consumen poca energía, puesto que presentan una superficie pequeña a calentar y puesto que los materiales cerámicos utilizados están perfectamente adaptados. De esta manera, pueden ser alimentados perfectamente por la o las fuentes de energía del vehículo en el que están montados.

La utilización de los encendedores cerámicos de punto caliente permite sobre todo tener un sistema con un tiempo de respuesta muy corto. En efecto, mientras que las bujías tardan entre 10 y 40 segundos para alcanzar 1000ºC, los encendedores cerámicos solamente necesitan entre 3 y 6 segundos para alcanzar la misma temperatura. Esto es crucial, puesto que si el calentamiento no es suficientemente rápido, los hollines tienen tendencia a consumirse más que a inflamarse; de ello resulta una especie de barrera que impide la propagación de la combustión. Por otra parte, la regeneración del filtro no está controlada y generalmente sólo es inicial cuando el régimen del motor es óptimo. En efecto, la eficacia de la regeneración depende mucho del régimen del motor. Con un tiempo de respuesta muy corto, se limita considerablemente el riesgo de un cambio de régimen importante en el inicio del proceso de regeneración y el momento en el que los hollines se inflaman efectivamente.

El bajo consumo de energía de cada encendedor hace posible la utilización simultánea de varios encendedores, tal como se ha mostrado en los ensayos. No obstante, el número de encendedores puede ser más o menos importante en función de sus características propias así como del tipo de filtro que en el que son utilizados.

El tamaño pequeño de los encendedores permite una colocación muy precisa. Esto puede ser ventajoso en particular para cubrir las zonas en la que se sabe que la regeneración se realiza mal en los sistemas clásicos, más frecuentemente en la periferia del cuerpo filtrante. El bajo volumen de estas fuentes de calor permite igualmente aproximarse lo más posible al cuerpo filtrante; se puede obtener de la misma manera un punto de contacto entre el punto caliente del encendedor y el cuerpo filtrante o los hollines depositados en su superficie.

De una manera ventajosa, dicho cuerpo filtrante comprende una pluralidad de bloques filtrantes montados por medio de al menos una zona de adhesivo, llamada todavía "junta de montaje", estando dispuesto al menos uno de dichos encendedores en el espesor de dicha zona.

La invención se refiere finalmente a un dispositivo según la reivindicación 10.

La descripción siguiente, realizada con referencia a los dibujos anexos, permitirá comprender y apreciar mejor las ventajas de la invención.

En los dibujos:

Las figuras 1a y 1b son vistas esquemática en sección longitudinal que muestran dos modos de realización de un filtro según la invención, en los que los encendedores cerámicos de punto caliente están fijados a través de la envoltura metálica que rodea al cuerpo filtrante y aguas arriba de éste.

Las figuras 2a y 2b son vistas esquemáticas en sección axial longitudinal y en sección transversal según la línea II-II de la figura 2a, respectivamente, que muestran otro modo de realización, en el que los encendedores cerámicos de punto caliente están fijados sobre un anillo colocado en contacto con la cara delantera del cuerpo filtrante.

Las figuras 3a y 3b son vistas esquemáticas en sección axial longitudinal y en sección transversal según la línea III-III de la figura 3a, respectivamente, que muestran todavía otro modo de realización, en el que los encendedores cerámicos de punto caliente están dispuestos en canales del cuerpo filtrante.

La figura 4 es una vista esquemática en sección transversal que muestra otro modo de realización, en el que los encendedores cerámicos de punto caliente están colocados en contacto con la cara de aguas arriba del cuerpo filtrante.

La figura 5 es una vista esquemática en sección axial longitudinal que muestra todavía otro modo de realización, en el que los encendedores cerámicos de punto caliente están colocados en el cuerpo filtrante, pero a través de la envoltura metálica.

La figura 6 es una vista esquemática en sección axial longitudinal que ilustra un modo de realización suplementario en el que los encendedores de punto caliente están dispuestos aguas abajo del cuerpo filtrante.

La figura 7 representa de forma esquemática un dispositivo de aplicación del procedimiento de atenuación de limitaciones termo-mecánicas según la invención, estando representado el filtro en sección transversal.

Las figuras 1a y 1b muestran el filtro que comprende un cuerpo filtrante 1 protegido con una envoltura metálica 2. El cuerpo filtrante 1 está constituido por bloques encolados los unos junto a los otros y perforados por múltiples canales como se verá mejor en la figura 2b. Los gases de escape llegan por la entrada 4. En los modos de realización representados, cuatro encendedores cerámicos de punto caliente 3 (dos son visibles solamente en las figuras 1a y 1b) atraviesan la envoltura metálica 2. Están colocados en planos ortogonales de dos en dos y ya sea oblicuamente con respecto al eje longitudinal del filtro (figura 1a), ya sea perpendicularmente a este eje (figura 1b) de tal manera que el punto caliente 3’ de cada encendedor está situado en la proximidad inmediata de la cara de aguas arriba del cuerpo filtrante. La radiación y la emisión de calor permiten de esta manera inflamar los hollines e iniciar su combustión por propagación en todo el cuerpo filtrante.

Las figuras 2a y 2b ilustran un modo de realización, en el que los encendedores están soportados por un anillo 5 dispuesto en la envoltura metálica 2 junto delante del cuerpo filtrante 1. Para que la posición del anillo con relación al cuerpo filtrante sea muy precisa, se puede contemplar encolarlo con un cemento cerámico del mismo tipo que se utiliza para encolar los diferentes bloques de canales que constituyen el cuerpo filtrante.

Este anillo 5 puede estar constituido del mismo material que el cuerpo filtrante y de la misma sección. En este ejemplo, se trata de una sección circular como se muestra bien en la figura 2b. Cuatro encendedores cerámicos 3 están distribuidos equiangularmente sobre el contorno interior del anillo 4 por ejemplo como se muestra mejor en la figura 2b. En esta figura, se ve en planta trasera (representadas con líneas de puntos) las zonas de adhesivo 6 entre los diferentes bloques 7 perforados por canales que constituyen el cuerpo filtrante. Para simplificar el diseño, los canales han sido representados en un solo bloque, su número ha sido disminuido y su sección así como el espesor entre las paredes de dos canales consecutivos han sido aumentados. El anillo 5 está orientado de tal manera que los encendedores 3 están en coincidencia con zonas de adhesivo 6.

Este modo de realización presenta varias ventajas sobre las de las figuras 1a y 1b.

En efecto, permite evitar la colocación de los encendedores a través de la envoltura cerámica lo que es un punto importante para las líneas de montaje automático utilizadas en la industria del automóvil.

Existe un contacto íntimo entre el punto caliente de los encendedores y el cuerpo filtrante o los hollines acumulados sobre el cuerpo filtrante y el calor se transmite de uno a otro por conducción y no sólo ya por radiación. La subida de la temperatura rápida de los encendedores así como el contacto íntimo mencionado anteriormente permiten tener un tiempo de respuesta del sistema ampliamente mejorado con relación a los dispositivos de la técnica anterior.

Por otro lado, este modo de realización tiene la ventaja suplementaria de no afectan en absoluto al funcionamiento del filtro. En efecto, los encendedores están colocados frente a las zonas de adhesivo 6, lo que evita la obstrucción de los canales.

Este modo de realización se refiere a un filtro, cuyo cuerpo filtrante está constituido por el montaje de diferentes bloques de sección cuadrada, pero el principio, que consiste en montar los encendedores sobre un soporte distinto del cuerpo filtrante y contiguo a éste, podría aplicarse a otras concepciones de cuerpos filtrantes.

Las figuras 3a y 3b ilustran igualmente un modo de realización, en el que se ha insertado un anillo 5'' en la envoltura metálica 2 delante del cuerpo filtrante 1. Aquí, el anillo circunscribe una rejilla de soporte 8 constituida del mismo material que el anillo y de una sola pieza con ella. En las intersecciones 9 de la rejilla están fijados cuatro encendedores cerámicos 3 orientados perpendicularmente a la rejilla e insertados en el interior de canales del cuerpo filtrante. Como anteriormente, se han representado de forma esquemática en planta trasera algunas secciones de canales 7.

Es, evidentemente, el tamaño pequeño de los encendedores el que permite una posición de este tipo.

Este modo de realización se describe con relación a un filtro, cuyo cuerpo filtrante resulta del ensamblaje de diferentes bloques de sección cuadrada, pero el principio que consiste en colocar los encendedores en el interior de canales del cuerpo filtrante, podría aplicarse, bien evidentemente, a otras concepciones de cuerpos filtrantes.

La figura 4 muestra la cara de aguas arriba del cuerpo filtrante 1 alojado en una envoltura metálica 2. El cuerpo filtrante está constituido por bloques encolados los unos a los otros según zonas de encolado 6. La representación esquemática ha seguido las mismas reglas que para las figuras 2b y 3b. En este modo de realización, la cara de aguas arriba del cuerpo filtrante ha sido mecanizada en el lugar de las zonas de encolado 6 con el fin de formar refuerzos en los que están encajados los encendedores cerámicos 3. Éstos pueden estar encolados o no sobre la cara del cuerpo filtrante.

En una variante de este ejemplo, y por razones de simplicidad de aplicación, se podría simplemente encolar los encendedores sobre la cara de aguas arriba del cuerpo filtrante sin mecanizare este último.

Estos modos de realización presentan la ventaja de no atravesar la envoltura metálica y no necesitar la adición de un elemento suplementario, tal como un anillo. Por otro lado, al paso de los gases de escape no está afectado, porque no está obstruido ningún canal por los encendedores.

Este modo de realización se describe con relación a un filtro, cuyo cuerpo filtrante resulta del ensamblaje de diferentes bloques de sección cuadrada, pero el principio, que consiste en fijar los encendedores directamente sobre el cuerpo filtrante o en refuerzos practicados en la superficie del filtro, podría aplicarse a otras concepciones de cuerpos filtrantes.

La figura 5 representa un modo de realización, en el que la envoltura y el cuerpo filtrante están perforados con el fin de realizar allí alisados en los que están insertados los encendedores cerámicos 3. Con este modo de realización se evita así calentar el flujo gaseoso y toda la energía calorífica es transmitida a los hollines.

De manera sorprendente, los encendedores cerámicos funcionan en estas condiciones particulares de utilización. En efecto, se utilizan de manera corriente para inflamar el gas que los rodea o, en la nueva aplicación presente, están muy a menudo en contacto con partículas sólidas a inflamar, o bien en contacto directo o por medio de un adhesivo con el filtro cerámico. Este contacto modifica el funcionamiento de los encendedores: con una energía suministrada equivalente, la temperatura de funcionamiento sea más baja. En esta aplicación, será del orden de 1000ºC, mientras que los encendedores utilizados de manera clásica, son llevados a temperaturas del orden de 1200 a 1400ºC. No obstante, si se desea, se podría aportar más energía y de esta manera alcanzar temperaturas más importantes. Estos niveles de temperatura permiten pensar que la transmisión del calor se hace principalmente por emisión. Por lo tanto, se puede contemplar colocar también encendedores sobre la cara de aguas abajo del filtro donde se encuentra una cantidad importante de hollines, como se ilustra por la figura 6 que muestra la disposición contra la cara de aguas abajo del filtro 1 de un anillo 5 portador de encendedores que se parece al de las figuras 2a y 2b. Se podría contemplar igualmente sustituir algunos de los tapones que cierran ciertos canales sobre la cara de aguas abajo del cuerpo filtrante por encendedo-
res.

El funcionamiento normal de un filtro de partículas produce un calentamiento diferente de las diferentes zonas del filtro, particularmente durante las fases de regeneración. Durante estas fases, en efecto, las zonas del cuerpo filtrante 1 situadas en la proximidad de la cara de aguas abajo están más calientes que las situadas en la proximidad de la cara de aguas arriba, puesto que los gases de escape transportan hacia abajo toda la energías calorífica desarrollada por la combustión de los hollines.

Además, teniendo en cuenta la forma del filtro de partículas y la trayectoria de los gases de escape que resulta de ello, los hollines no se acumulan necesariamente de manera homogénea, acumulándose, por ejemplo, de manera preferente en la zona del cuerpo filtrante que está situada en la proximidad de su eje longitudinal. La combustión de los hollines provoca, por lo tanto, una elevación de la temperatura en el corazón del cuerpo filtrante 1 superior a la de las zonas periféricas.

La trayectoria de los gases de escape calientes y la refrigeración de la envoltura metálica 2 por el aire ambiental conducen igualmente, pero en una medida menor, a temperaturas superiores al corazón del cuerpo filtrante 1 en ausencia de combustión de los hollines.

La heterogeneidad de las temperaturas en el cuerpo filtrante 1 produce fuertes limitaciones termo-dinámicas, que pueden ser el origen de fisuras que reducen la duración de vida útil del filtro de partículas.

De una manera ventajosa, el filtro según la presente invención permite establecer y mantener una temperatura sensiblemente homogénea en el cuerpo filtrante 1.

Con este efecto, el dispositivo representado en la figura 7 comprende encendedores 3a, 3b y 3c conectado a un ordenador 18 por medio de hilos eléctricos 20a, 20b y 20c, respectivamente, y medios de evaluación 22 de las limitaciones termo-mecánicas en el cuerpo filtrante 1. Los medios de evaluación 22 son aptos para informar al ordenador 18.

Los medios de evaluación 22 pueden comprender medios de medición de los gradientes de temperatura en el seno del cuerpo filtrante 1, por ejemplo sensores de temperatura dispuestos en el cuerpo filtrante 1, y medios de deducción de las limitaciones termo-mecánicas. Pueden comprender de la misma manera medios de modelación aptos para evaluar estos gradientes y/o las limitaciones termo-mecánicas, por ejemplo en función del tiempo de rodadura del vehículo.

A la recepción de una información "i" que alerta sobre la presencia y la posición de limitaciones termo-dinámicas locales inaceptables, por ejemplo porque exceden un umbral predeterminado, el ordenador 18 envía una corriente de encendido a uno o varios de los encendedores 3a-3c con el fin de provocare el encendido de las zonas relativamente frías afectadas por estas limitaciones. El calentamiento reduce el gradiente de temperatura y, por lo tanto, la intensidad de las limitaciones termo-mecánicas.

Los encendedores cerámicos de punto caliente 3a-3c pueden ser introducidos de una manera ventajosa en el espesor de las zonas de adhesivo.

Los modos de realización mencionados anteriormente se dan con el único objetivo de ilustrar la invención y en ningún caso son limitativos. En particular, la colocación de los encendedores en y/o en la proximidad del cuerpo filtrante podría realizarse de otras maneras diferentes, aprovechando el volumen pequeño de los encendedores cerámicos utilizados en la invención. Por otro lado, por razones de simplificación, solamente hemos representado encendedores en forma de bastoncillos, pero se podrían utilizan encendedores que presentan otras formas y dimensiones adaptadas a la utilización para la regeneración de filtros según la invención.

Claims (11)

1. Filtro de partículas de purificación de los ases de escape de un motor de combustión interna, en particular de un motor Diesel, que comprende un cuerpo filtrante y medios de calentamiento de dicho cuerpo filtrante, caracterizado porque dichos medios comprenden al menos un encendedor cerámico (3) del tipo de punto caliente.

2. Filtro de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende varios encendedores.

3. Filtro de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el punto caliente de al menos un encendedor está en contacto directo con el cuerpo filtrante y los hollines depositados sobre el cuerpo filtrante.

4. Filtro de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque los encendedores están dispuestos en la proximidad de la cara de aguas arriba del cuerpo filtrante.

5. Filtro de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque los encendedores están dispuestos en la proximidad de la cara de aguas abajo del cuerpo filtrante.

6. Filtro de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque los puntos calientes de los encendedores están dispuestos en el interior del cuerpo filtrante.

7. Filtro de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque los encendedores están dispuestos perpendicularmente a los canales del cuerpo filtrante.

8. Filtro de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque los encendedores están dispuestos en el interior de canales del cuerpo filtrante.

9. Filtro de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho cuerpo filtrante (1) comprende una pluralidad de bloques filtrantes (7) montados por medio de al menos una zona de encolado (6), estando dispuesto al menos uno de dichos encendedores (3) en el espesor de dicha zona.

10. Dispositivo que comprende un filtro de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, un ordenador (18) de control de dichos encendedores (3a, 3b, 3c) y medios de evaluación (22) de dichas limitaciones termo-mecánicas en el filtro, que son aptos para informar a dicho ordenador (18), estando programado dicho ordenador (18) para controlar el encendido selectivo de dichos encendedores (3a, 3b, 3c) cuando dichas limitaciones exceden un umbral determinado.

11. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el ordenador (18) está programado para calentar selectivamente zonas relativamente frías de dicho filtro, con el fin de disminuir los gradientes de temperaturas en el origen de dichas limitaciones.