ES2262768T3 - Sistema de tratamiento de gas de escape de un motor de combustion interna. - Google Patents
Sistema de tratamiento de gas de escape de un motor de combustion interna.Info
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Abstract
Sistema de tratamiento (10) de los gases de escape (G) de un motor de combustión (12) del tipo que utilizan plasma no térmico en un material catalítico y/o filtrante que comprende un elemento de tratamiento (16) en forma de paralelepípedo colocado en una línea de escape (14) y un sistema (20) de producción de descargas eléctricas de alta tensión y de baja intensidad, entre por lo menos un cátodo (24) y un ánodo (22) dispuestos en la línea de escape (14) para formar especies químicas favorables a la regeneración del elemento de tratamiento (16), el tipo en el que el ánodo (22) se extiende en el elemento de tratamiento (16) de manera paralela a las dos paredes opuestas (42, 44) del elemento de tratamiento (16) y según una dirección sensiblemente paralela a la dirección de circulación de los gases de escape (G) en la línea de escape (14), y en el cual están colocados dos cátodos (24) sobre las citadas paredes opuestas (42, 44) según una dirección sensiblemente paralela a la del ánodo (22), demanera que las descargas eléctricas se producen simultáneamente entre el ánodo (22) y los dos cátodos (24), caracterizado por el hecho de que el ánodo (22) y/o por lo menos un cátodo (24) son una red de hilos conductores (40) que se extiende en un plano paralelo a la dirección de circulación del gas en la línea de escape (14).
Description
Sistema de tratamiento de gas de escape de un
motor de combustión interna.
La invención se refiere a un sistema de
tratamiento de los gases de escape de un motor de combustión.
La invención se refiere más particularmente a un
sistema de tratamiento de los gases de escape de un motor de
combustión, del tipo que comprende un elemento de tratamiento
dispuesto en una línea de escape, y un sistema de producción de
descargas eléctricas de alta tensión y de baja intensidad, entre al
menos un cátodo y un ánodo que se disponen en la línea de
escape.
escape.
Los motores diesel y de gasolina emiten
substancias contaminantes tales como hidrocarburos no quemados,
óxidos de nitrógeno, óxidos de carbono y partículas en el caso de
los motores diesel. Se sabe que una de las mayores preocupaciones
de los que equipan y construyen los vehículos automóviles resulta
ser la reducción de la contaminación originada por el
funcionamiento de estos motores.
Para intentar reducir los niveles de
contaminación de estos motores se han considerado diferentes
soluciones técnicas.
El dominio de las emisiones contaminantes
gaseosas se puede obtener mediante la introducción de catalizadores
específicos en la línea de escape, como por ejemplo el catalizador
de tres vías para los motores de gasolina que funcionan a la
estequiometría o la pieza de óxidos de nitrógeno para los motores de
Inyección Directa de Gasolina o diesel que funcionan con mezcla
pobre (contenido elevado de oxígeno). En el caso de la pieza de
óxidos de nitrógeno, los agentes reductores son los hidrocarburos no
quemados accesibles en los gases de escape, contrariamente a la
catálisis SCR, utilizando para ello un agente reductor exterior
como, por ejemplo, la urea.
El tratamiento de las partículas en los motores
diesel actuales es posible gracias a la introducción, en la línea
de escape de estos motores, de un filtro para partículas tal como ya
se ha propuesto en el estado de la técnica. A menudo, estos filtros
se han adaptado para atrapar las partículas o "el hollín"
contenido en los gases de escape de estos motores y quemarlos
durante una fase de regeneración del filtro. En la literatura se
encuentran disponibles diferentes estrategias de regeneración, que
hacen referencia, por ejemplo, a la inyección posterior de
carburante para alcanzar la temperatura de combustión del hollín
(600ºC como mínimo) o, por ejemplo, a medios adicionales de
calentamiento colocados más arriba del filtro de
partículas.
partículas.
La presente invención propone el uso de la
tecnología de los plasmas no térmicos en un material catalítico y/o
filtrante con el fin de ayudar al tratamiento de los contaminantes
gaseosos contenidos en el escape de un motor de gasolina o diesel,
entre otros la catálisis de reducción de los óxidos de nitrógeno y/o
con el fin de inducir la combustión del hollín atrapado en un
filtro colocado en una línea de escape de un motor de gasolina o
diesel.
Esta tecnología consiste en formar especies
metaestables, radicales e iones muy reactivos por colisión entre
las moléculas de gas y los electrones energéticos producidos por las
descargas eléctricas, y todo ello sin aumento de la temperatura del
medio de
reacción.
reacción.
Las características físicas de las descargas
eléctricas varían según la aplicación prevista, los consumos y los
niveles de conversión requeridos para las aplicaciones en motores
principalmente de vehículos automóviles (frecuencia, tensión,
intensidad variables).
Las especies metaestables, los radicales y los
electrones fuertemente energéticos producidos son agentes promotores
de la reducción química, por ejemplo, de los óxidos de nitrógeno y
de las partículas de hollín, por interacciones directas de estas
especies, de duración de vida muy corta, con los contaminantes.
El documento
WO-A-0134281, que está considerado
como el estado de la técnica más próximo, describe y representa
(página 8, alineado 4, figuras 5-7) un sistema de
tratamiento de los gases de escape de un motor de combustión, del
tipo que comprende un elemento de tratamiento (11, 12) en forma de
paralelepípedo dispuesto en una línea de escape y un sistema de
producción de descargas eléctricas de alta tensión y de baja
intensidad, entre por lo menos un cátodo (4) y un ánodo (3)
situados en la línea de escape para formar especies químicas
favorables a la regeneración del elemento de tratamiento (11, 12),
del tipo en el cual el ánodo (3) se extiende en el elemento de
tratamiento (11, 12) de manera paralela a dos paredes opuestas del
elemento de tratamiento (11, 12) y según una dirección
sensiblemente paralela a la dirección de circulación de los gases de
escape en la línea de escape, y en el que están dispuestos dos
cátodos (4) sobre las citadas paredes opuestas según una dirección
sensiblemente paralela a la del ánodo (3), de manera que las
descargas eléctricas se producen simultáneamente entre el ánodo (3)
y los dos cátodos (4). El objeto de la reivindicación difiere del de
D1 en el hecho de que el ánodo es una red de hilos conductores que
se extiende en un plano paralelo a la dirección de circulación de
los gases en la línea de escape. El documento D1 no divulga la
estructura del ánodo (3), y la figura 5 representa un ánodo (3) en
forma de placa que se extiende en un plano paralelo a la circulación
de los gases de escape. Sin embargo, dicho ánodo (3) no permite
obtener un reparto homogéneo de las descargas eléctricas emitidas
en la longitud total del filtro en el momento de cada uno de los
impulsos eléctricos.
La invención propone por tanto un sistema de
tratamiento de los gases de escape de un motor de combustión, del
tipo que comprende un elemento de tratamiento dispuesto en una línea
de escape y un sistema de producción de las descargas eléctricas de
alta tensión y de baja intensidad, entre por lo menos un cátodo y un
ánodo dispuestos en la línea de escape, para formar especies
químicas favorables a la regeneración del elemento de tratamiento,
que se caracteriza por el hecho de que el ánodo se extiende en el
elemento de tratamiento según una dirección sensiblemente paralela
a la dirección de circulación de los gases de escape en la línea de
escape y por el hecho de que por lo menos un cátodo está dispuesto
por lo menos parcialmente en la periferia del elemento de
tratamiento según una dirección sensiblemente paralela a la del
ánodo.
Según otras características de la invención:
- - los hilos conductores son
paralelos a la dirección de circulación de los gases de escape;
- - los hilos conductores son
perpendiculares a la dirección de circulación de los gases de
escape;
- - el elemento de tratamiento está
constituido por dos bloques que están dispuestos en una y otra parte
del ánodo, de manera que se interpone un bloque entre el ánodo y
cada cátodo;
- - el sistema está constituido por
una pila de elementos de tratamiento, y dos elementos de tratamiento
adyacentes comprenden un cátodo común;
- - el elemento de tratamiento
comprende un filtro de partículas;
- - el sistema comprende un
catalizador, principalmente un catalizador para la reducción de
óxidos de nitrógeno.
Otras características y ventajas de la invención
aparecerán durante la lectura de la descripción detallada que sigue
a continuación, para la comprensión de la cual nos referiremos a los
dibujos anexos, entre los cuales:
- - la figura 1 representa
esquemáticamente una línea de escape de un motor de
combustiónequipado con un sistema de tratamiento de los gases de
escape;
- - la figura 2 representa una
sección en un corte según la línea 2-2 de la figura
1 del sistema de tratamiento de los gases de escape según un primer
modo de realización de la invención;
- - la figura 3 representa de
manera esquemática una perspectiva de un sistema de tratamiento de
los gases de escape según un segundo modo de realización de la
invención; y
- - la figura 4 representa de
manera esquemática una sección transversal del sistema de
tratamiento de los gases de escape según una variante del segundo
modo de realización de la invención.
La descripción que sigue se ha hecho, de manera
no limitante, en referencia a un sistema de tratamiento 10 que
comprende un filtro de partículas. Sin salirse del marco de la
invención, el filtro de partículas se puede substituir por un
catalizador tal como un catalizador de reducción de los óxidos de
nitrógeno.
Sobre la figura 1 se ha representado un sistema
de tratamiento 10 de los gases de escape G de un motor de
combustión 12. El motor 12 puede ser principalmente un motor diesel
o un motor de combustión que funciona con mezcla pobre tal como un
motor de gasolina de inyección directa.
Una línea de escape 14 permite la evacuación de
los gases G del motor hacia la atmósfera. El sistema de tratamiento
10 destinado a purificar los gases de escape G se encuentra
interpuesto en la línea 14. Comprende principalmente un elemento de
tratamiento 16 dispuesto en una cámara 18.
El sistema de tratamiento 10 comprende también
un sistema 20 de producción de descargas eléctricas.
Las descargas eléctricas se generan con un
generador de impulsos 26 entre un ánodo 22 y un cátodo 24 dispuestos
en la línea de escape 14.
La tecnología usada es la de los plasmas
no
térmicos.
térmicos.
Por consiguiente, las descargas eléctricas se
producen a una frecuencia que puede ir desde el monopulso hasta
varias decenas de kHz para una tensión aplicada alta (hasta varias
decenas de kV) entre el (o los) ánodos y el (o los) cátodos y
consiste en impulsos de corriente de gran intensidad (hasta varios
kA) y una corta duración de vida.
Las descargas eléctricas se producen de manera
que se propagan en los gases de escape G para tratar los óxidos de
nitrógeno y dar lugar a especies activas oxidantes que favorecen la
combustión de las
partículas.
partículas.
Según la invención, el ánodo 22 se extiende en
el elemento de tratamiento 16 según una dirección sensiblemente
paralela a la dirección de circulación de los gases de escape G en
la línea de escape 14. Además, por lo menos un cátodo 24 está
dispuesto en la periferia del elemento de tratamiento 16 según una
dirección sensiblemente paralela a la del ánodo.
Por razones de seguridad, principalmente para
limitar el riesgo de cortocircuitos, el generador de impulsos 26
alimenta el ánodo 22, situado en el interior del elemento de
tratamiento 16 bajo tensión alta, y el cátodo 24, dispuesto en la
periferia del elemento de tratamiento 16, que está comunicado a la
masa eléctrica del sistema.
La figura 2 representa en sección un primer modo
de realización de la invención.
La cámara 18, en este caso, es sensiblemente
cilíndrica y su eje longitudinal corresponde a la dirección general
de circulación de los gases de escape G en la línea 14.
El elemento de tratamiento 16, que en este caso
es un elemento filtrante también llamado pieza para partículas,
está constituido por canales de entrada 17O y por canales de salida
17B longitudinales, que están alternativamente cerrados y abiertos
a la entrada y que están inversamente abiertos y cerrados a la
salida respectivamente. Las paredes de los canales son porosas.
Así, los gases de escape G entran en los canales
17O que están abiertos en la entrada y atraviesan las paredes
porosas de manera que salen de nuevo por los canales 17B que están
abiertos a la salida. Puesto que atraviesan las paredes, las
partículas quedan retenidas de manera que los gases de escape que
salen del elemento de tratamiento 16 están desprovistos de
partículas.
El ánodo 22 se extiende en el elemento de
tratamiento 16 según una dirección sensiblemente paralela a la
dirección de circulación de los gases de escape G.
El ánodo 22 consiste aquí en un hilo conductor
que se extiende longitudinalmente al elemento de tratamiento 16.
El cátodo 24, que es de forma tubular, envuelve
al elemento de tratamiento 16.
Así, el sistema formado por el elemento de
tratamiento 16, el ánodo 22 y el cátodo 24 es simétrico.
Cuando el elemento de tratamiento 16 está
saturado, es decir, cuando la cantidad de partículas retenidas es
superior a un umbral predeterminado, se inicia su regeneración.
La carga del filtro de partículas 16 se puede
determinar mediante un medidor de presión diferencial, no
representado, que proporciona el valor de la pérdida de carga
producida por el filtro de partículas 16 entre la entrada y la
salida de la cámara 18. Cuando el valor de la pérdida de carga es
superior a un valor predeterminado, significa que el filtro 16 está
saturado, y entonces se inicia su regeneración.
En el momento de la fase de regeneración, el
generador de impulsos 26 produce descargas eléctricas que se
reparten de manera homogénea en el elemento de tratamiento 16. El
reparto homogéneo de las descargas en el elemento de tratamiento 16
se debe principalmente a la simetría del sistema formado por el
elemento de tratamiento 16, el ánodo 22 y el cátodo 24.
De esta manera se provoca la formación de
especies activas oxidantes en la proximidad inmediata de las paredes
de los canales del elemento de tratamiento 16 que están cargadas de
partículas. Esta proximidad así como el reparto homogéneo de las
especies oxidadas permiten favorecer la combustión de las partículas
almacenadas en el elemento de tratamiento.
Así, la regeneración del sistema de tratamiento
10 se encuentra optimizada.
Con el fin de liberar las presiones mecánicas
que pueden estar ligadas a las vibraciones o a la dilatación de los
materiales que constituyen el sistema de tratamiento 10, se puede
colocar una banda de lana térmica 25 entre la pared interior de la
cámara 18 y el cátodo 24.
La banda de lana térmica 25 permite realizar un
desacoplamiento mecánico entre la pared de la cámara 18 y el
elemento de tratamiento 16. Además, asegura el aislamiento térmico
del elemento de tratamiento 16 de manera que limita la temperatura
de la cara externa de la pared de la cámara 18 y favorece el aumento
de temperatura del interior del elemento de tratamiento, lo que
facilita la regeneración del sistema de tratamiento.
Las figuras 3 y 4 representan un segundo modo de
realización preferido de la invención.
En la descripción que sigue se utiliza, de modo
no limitante, una orientación superior, inferior de acuerdo con la
orientación de arriba debajo de las figuras.
Según la figura 3, la cámara 18 del sistema de
tratamiento recibe un reactor 30 constituido por dos cascos,
superior e inferior 32, 34, en los cuales se encuentra el elemento
de tratamiento 16 de forma globalmente de paralelepípedo.
La envoltura 18 permite conectar de manera
estanca el reactor 30 a la línea de escape 14.
El elemento de tratamiento 16 está constituido
por dos bloques superior e inferior 36, 38, que son simétricos en
relación a un plano P horizontal medio del reactor 30.
El ánodo 22 está aquí constituido por una red de
hilos conductores 40, paralelos entre sí, que pueden ser de acero
inoxidable.
La red de hilos conductores 40 se extiende entre
los dos bloques 36 y 38 en el plano P horizontal medio que es
paralelo a la dirección de circulación de los gases de escape G en
la línea 14.
Los hilos conductores están unidos entre sí
mediante dos pasadores 41, de material conductor, que se extienden
longitudinalmente por uno y otro lado, sobre las caras laterales del
elemento de tratamiento 16. Los pasadores 41 permiten, por una
parte, extender los hilos 40 entre los bloques superior e inferior
36, 38 y, por otra parte, formar dos elementos de alimentación
comunes a todos los hilos 40.
Los hilos conductores 40 pueden ser
perpendiculares a la dirección de circulación de los gases de escape
G, según la figura 3.
Según una variante, también pueden estar
orientados de manera diferente, principalmente según una dirección
paralela a la dirección de circulación de los gases de escape G.
Según otra variante, el ánodo 22 puede estar
constituido por una placa de material conductor.
Según la invención, un primer cátodo 24 se
encuentra intercalado entre la pared superior 42 del bloque superior
36 y la pared interior del casco superior 32.
De manera similar, un segundo cátodo 24 está
intercalado entre la pared inferior 44 del bloque inferior 38 y la
pared interior del casco inferior 34.
Los cátodos 24 están formados por una placa de
material conductor que puede ser de acero inoxidable.
Así, el primer y el segundo cátodo 24 se
extienden cada uno en un plano paralelo al del plano de los hilos
conductores 40 que forman el ánodo 22.
Cada bloque superior 36 e inferior 38 está
intercalado entre el ánodo 22 y el primer y segundo cátodo 24.
El sistema formado por los cátodos 24 y los
bloques 36, 38 del elemento de tratamiento 16 es simétrico en
relación al plano horizontal medio P que contiene el ánodo 22.
Así, las descargas eléctricas provocadas por el
generador de impulsos 26 se producen simultáneamente entre el ánodo
22 y cada uno del primer y segundo cátodos 24.
Por consiguiente, las descargas eléctricas se
reparten de manera homogénea en el elemento de tratamiento 16, lo
que favorece la combustión de las partículas almacenadas.
La envoltura 18, que permite conectar de manera
estanca el reactor 30 a la línea de escape 14, permite también
mantener los dos bloques superior 36 e inferior 38 del reactor
30.
La envoltura 18 debe permitir el paso de los
conductores eléctricos que permiten unir el ánodo 22 y los cátodos
24 al generador de impulsos 26.
Para poder llevarlo a cabo, se realizan en su
pared orificios (no representados) aislados eléctricamente, de
manera que los elementos conductores unen el ánodo 22 y los cátodos
24 al generador de impulsos 26, respectivamente.
Los elementos conductores pueden ser multicapas
de cobre 50 y 52, según la figura 3.
La envoltura 18 permite formar una caja de
Faraday de manera que se limitan las perturbaciones
electromagnéticas producidas por el sistema de tratamiento 10.
De manera similar al primer modo de realización,
para liberar las tensiones mecánicas que pueden estar ligadas a las
vibraciones o a la dilatación de los materiales que constituyen el
sistema de tratamiento 10, se pueden colocar bandas de lana térmica
25 entre los cátodos 24 y los bloques superior 36 e inferior 38 del
elemento de tratamiento 16.
El material que constituye los cascos superior
32 e inferior 34 debe presentar una conductividad eléctrica muy
débil debido al hecho de la presencia de los electrodos 22, 24, con
el fin de reducir al máximo el riesgo de cortocircuitos. Además,
este material debe poder resistir las temperaturas elevadas. Por
consiguiente, los cascos superior 32 e inferior 34 pueden estar
hechos de cerámica o con un revestimiento
cerámico.
cerámico.
Según una variante del segundo modo de
realización, la invención propone según la figura 4 que el sistema
de tratamiento 10 esté constituido por una pila de elementos de
tratamiento 16. En este caso, se encuentran apilados dos elementos
de tratamiento 16.
Con el fin de minimizar el volumen del sistema
10, los dos elementos comprenden un cátodo común 54.
Dicha realización permite adaptar la capacidad
de tratamiento del sistema 10 en función del vehículo sobre el que
se encuentra instalado y en función de la cantidad de substancias
contaminantes a tratar, a partir de un modelo único de elemento de
tratamiento 16.
Ello permite optimizar los costes de producción
de los sistemas de tratamiento 10.
Claims (7)
1. Sistema de tratamiento (10) de los gases de
escape (G) de un motor de combustión (12) del tipo que utilizan
plasma no térmico en un material catalítico y/o filtrante que
comprende un elemento de tratamiento (16) en forma de
paralelepípedo colocado en una línea de escape (14) y un sistema
(20) de producción de descargas eléctricas de alta tensión y de
baja intensidad, entre por lo menos un cátodo (24) y un ánodo (22)
dispuestos en la línea de escape (14) para formar especies químicas
favorables a la regeneración del elemento de tratamiento (16), el
tipo en el que el ánodo (22) se extiende en el elemento de
tratamiento (16) de manera paralela a las dos paredes opuestas (42,
44) del elemento de tratamiento (16) y según una dirección
sensiblemente paralela a la dirección de circulación de los gases
de escape (G) en la línea de escape (14), y en el cual están
colocados dos cátodos (24) sobre las citadas paredes opuestas (42,
44) según una dirección sensiblemente paralela a la del ánodo (22),
de manera que las descargas eléctricas se producen simultáneamente
entre el ánodo (22) y los dos cátodos (24),
caracterizado por el hecho de que el
ánodo (22) y/o por lo menos un cátodo (24) son una red de hilos
conductores (40) que se extiende en un plano paralelo a la
dirección de circulación del gas en la línea de escape (14).
2. Sistema de tratamiento (10) según la
reivindicación precedente, caracterizado por el hecho de que
los hilos conductores (40) son paralelos a la dirección de
circulación de los gases de escape (G).
3. Sistema de tratamiento (10) según la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que los hilos
conductores (40) son perpendiculares a la dirección de circulación
de los gases de escape (G).
4. Sistema de tratamiento (10) según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
por el hecho de que el elemento de tratamiento (16) está
constituido por dos bloques (36, 38) que están situados en una y
otra parte del ánodo (22) de manera que entre el ánodo (22) y cada
uno de los cátodos (24) se encuentra interpuesto un bloque (36,
38).
5. Sistema de tratamiento (10) según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
por el hecho de que está constituido por una pila de elementos de
tratamiento (16), y en que dos elementos de tratamiento (16)
adyacentes comprenden un cátodo común (54).
6. Sistema de tratamiento (10) según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
por el hecho de que el elemento de tratamiento (16) comprende un
filtro de partículas.
7. Sistema de tratamiento (10) según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
por el hecho de que comprende un catalizador, principalmente un
catalizador para la reducción de los óxidos de nitrógeno.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0112580A FR2830275B1 (fr) | 2001-10-01 | 2001-10-01 | Systeme de traitement des gaz d'echappement d'un moteur a combustion |
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Publications (1)
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|---|---|
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Family Applications (1)
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Country Status (5)
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Families Citing this family (5)
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|---|---|---|---|---|
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