ES2279896T3 - Capa de filtro resistente al calor, cuerpo de filtro y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents

Capa de filtro resistente al calor, cuerpo de filtro y procedimiento para su fabricacion. Download PDF

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Abstract

Capa de filtro (1) resistente al calor constituida por un material compuesto de fibras que puede ser recorrido al menos en parte por un fluido, con al menos un tramo de filtro (2) y al menos una zona de borde (3), caracterizada porque la capa de filtro (1) presenta en la al menos una zona de borde (3) un espesor de capa (4) diferente del que tiene el al menos un tramo de filtro (2), concretamente un espesor de capa más pequeño, estando formado este espesor con un conjunto de fibras comprimido o compactado.

Description

Capa de filtro resistente al calor, cuerpo de filtro y procedimiento para su fabricación.
La invención se refiere a una capa de filtro resistente al calor constituida por un material que puede ser recorrido al menos en parte por un fluido, a un cuerpo de filtro con al menos una capa de filtro resistente al calor de esta clase y a un procedimiento para fabricar tal cuerpo de filtro. Estos cuerpos de filtro se utilizan especialmente para depurar gases de escape de motores de combustión interna móviles en la construcción de automóviles.
Si se consideran las nuevas matriculaciones en Alemania, se verifica entonces que en el año 2000 alrededor de un tercio de todos los vehículos nuevamente matriculados presentan motores diesel. Esta proporción es por tradición netamente más alta que, por ejemplo, en los países de Francia y Austria. Este creciente interés en vehículos automóviles diesel tiene, por ejemplo, su origen en el consumo de carburante relativamente pequeño, en los precios del carburante diesel que en la actualidad son relativamente bajos y también en las propiedades de circulación mejoradas de tales vehículos. Un vehículo diesel es muy atractivo también atendiendo a criterios específicos del medio ambiente, ya que dicho vehículo presenta una emisión de CO_{2} netamente reducida en comparación con vehículos accionados por gasolina. No obstante, se tiene que constatar también que la proporción de las partículas de hollín generadas durante la combustión está netamente por encima de la de vehículos accionados por gasolina.
Si se considera ahora la depuración de gases de escape, especialmente de motores diesel, se pueden oxidar de manera conocida hidrocarburos (HC) y también monóxidos de carbono (CO) contenidos en el gas de escape poniéndolos para ello en contacto, por ejemplo, con una superficie catalíticamente activa. No obstante, la reducción de óxidos de nitrógeno (NO_{x}) en condiciones ricas en oxígeno es más difícil. Un catalizador de tres vías como el que se utiliza, por ejemplo, en motores Otto no aporta los efectos deseados. Por este motivo, se ha desarrollado el procedimiento de reducción catalítica selectiva (SCR: "selective catalytic reduction"). Asimismo, se han probado adsorbedores de NO_{x} en cuanto a su utilización con miras a la reducción de los óxidos de nitrógeno.
La discusión de si las partículas o los hidrocarburos de cadena larga tienen un efecto negativo sobre la salud humana, se viene haciendo ahora ya durante un período de tiempo muy largo sin que se haya efectuado hasta el presente una declaración definitiva. A pesar de ello, se puede apreciar la tendencia a que tales emisiones no sean entregadas al medio ambiente hasta más allá de un cierto intervalo de tolerancias. Por tanto, se plantea la cuestión de qué eficiencia de filtro es realmente necesaria para que las directrices legales conocidas hasta ahora se puedan observar también en el futuro. Si se observa el comportamiento actual de los gases de escape de vehículos que se encuentran en circulación en la República Federal de Alemania, se puede verificar entonces que la mayoría de los automóviles de turismo certificados en 1999 según EU III pueden satisfacer también los requisitos según EU IV cuando estos sean equipados con un filtro que presente una efectividad de al menos 30 a 40%.
Para reducir las emisiones de partículas se conocen trampas de partículas que están constituidas por un substrato cerámico. Éstas presentan canales para que el gas de escape a depurar pueda entrar en la trampa de partículas. Los canales contiguos están cerrados alternándose unos con otros, con lo que el gas de escape entra por el lado de entrada en el canal, atraviesa la pared cerámica y vuelve a escapar por el canal contiguo en el lado de salida. Tales filtros alcanzan una efectividad de aproximadamente 95% en todo el abanico de tamaños de partículas que se presenten.
Además de interacciones químicas con aditivos y revestimientos especiales, la regeneración segura del filtro en el sistema de gas de escape de un automóvil sigue planteando todavía un problema. La regeneración de la trampa de partículas es necesaria, ya que la acumulación creciente de fragmentos de partículas en la pared del canal a recorrer por la corriente tiene como consecuencia una pérdida de presión continuamente creciente que tiene repercusiones negativas sobre la potencia del motor. La regeneración comprende sustancialmente el breve calentamiento de la trampa de partículas o de las partículas acumuladas en ella, de modo que las partículas de hollín se conviertan en componentes gaseosos. No obstante, esta alta solicitación térmica de la trampa de partículas tiene repercusiones negativas sobre la vida útil.
Para evitar esta regeneración discontinua y muy fomentadora de desgaste térmico se ha desarrollado un sistema de regeneración continua de filtros (CRT: "continuous regeneration trap"). En este sistema se queman las partículas a temperaturas ya por encima de 200ºC por medio de oxidación con NO_{2}. El NO_{2} necesario para ello es generado frecuentemente por un catalizador de oxidación que está dispuesto aguas arriba delante de la trampa de partículas. Sin embargo, precisamente con respecto a la aplicación en vehículos automóviles con gasóleo se plantea el problema de que solamente existe una proporción insuficiente de monóxido de nitrógeno (NO) en el gas de escape que pueda ser convertida en el dióxido de nitrógeno deseado (NO_{2}). Como consecuencia, no se puede asegurar hasta ahora que tenga lugar una regeneración continua de la trampa de partículas en el sistema de gas de escape.
Además, hay que tener en cuenta que, aparte de partículas no convertibles, se depositan también en una trampa de partículas aceite o residuos adicionales de aditivos que no pueden regenerarse sin más medidas. Por este motivo, se tienen que cambiar y/o lavar los filtros conocidos a intervalos regulares. Los sistemas de filtrado construidos a manera de placas intentan resolver este problema haciendo posible una estimulación semejante a vibraciones que conduzca a que estos componentes se desprendan del filtro. No obstante, la proporción no regenerable de las partículas llega así directamente al medio ambiente, en parte sin un tratamiento adicional.
Además de una temperatura de reacción mínima y un tiempo de permanencia específico, se tiene que proporcionar suficiente óxido de nitrógeno para la regeneración continua de partículas con NO_{2}. Los ensayos realizados respecto de la emisión dinámica de monóxido de nitrógeno (NO) y partículas han destacado claramente que las partículas se emiten precisamente cuando no está presente o sólo está presente una cantidad muy pequeña de monóxido de nitrógeno en el gas de escape, y viceversa. Se sigue de esto que un filtro con regeneración continua real ha de funcionar sustancialmente como compensador o acumulador, de modo que se garantice que los dos reaccionantes permanezcan en un instante dado en las cantidades necesarias en el filtro. Asimismo, el filtro ha de disponerse lo más cerca posible del motor de combustión interna para que pueda adoptar ya temperaturas lo más altas posible inmediatamente después del arranque en frío. Para la habilitación del dióxido de nitrógeno necesario hay que montar delante del filtro un catalizador de oxidación que convierta monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC) y especialmente también convierta el monóxido de nitrógeno (NO) en dióxido de nitrógeno (NO_{2}). En caso de que se disponga cerca del motor este sistema constituido por el catalizador de oxidación y el filtro, es adecuada especialmente la posición delante de un turboalimentador que se emplea frecuentemente en vehículos automóviles diesel para aumentar la presión de alimentación en la cámara de combustión.
Si se consideran estas reflexiones fundamentales, se plantea para la utilización real en la construcción de automóviles la cuestión del modo en que está estructurado un filtro de esta clase que presente en tal posición y en presencia de cargas térmicas y dinámicas extremadamente altas un rendimiento de filtrado satisfactorio. Hay que tener en cuenta especialmente las circunstancias de espacio, las cuales requieren un nuevo concepto para el filtro. Mientras que en los filtros clásicos, que se han dispuesto en los bajos de un vehículo automóvil, estaba en primer plano un volumen lo más grande posible para garantizar un alto tiempo de permanencia de las partículas aún no convertidas en el filtro y, por tanto, una alta eficiencia, en el caso de una disposición próxima al motor no está disponible sitio o espacio suficiente.
A este fin, se ha desarrollado un nuevo concepto que se ha dado a conocer sustancialmente bajo el término de "sistema de filtro abierto". Estos sistemas de filtro abierto se caracterizan porque se puede prescindir de un cierre alternativo constructivo de los canales del filtro. Se prevé a este respecto que las paredes de los canales estén constituidas al menos en parte por material poroso o altamente poroso y que los canales de flujo del filtro abierto presenten estructuras de desviación o de guía. Estas estructuras internas hacen que el flujo o las partículas contenidas en el mismo sean conducidos hacia las zonas de material poroso o altamente poroso. A este respecto, se ha comprobado sorprendentemente que las partículas permanecen adheridas por interceptación y/o impacto sobre y/o en la pared porosa del canal. Las diferencias de presión en el perfil de flujo del gas de escape circulante son de importancia para que se produzca esta acción. Debido a la desviación se pueden originar, además, condiciones de depresión o de sobrepresión locales que conduzcan a un efecto de filtrado a través de la pared porosa, ya que se tienen que compensar las diferencias de presión antes citadas.
La trampa de partículas contrasta con los sistemas de tamiz o de filtro cerrado conocidos, ya que no están previstos pasillos de flujo sin salida. Por tanto, esta propiedad puede servir también para caracterizar tales filtros de partículas, de modo que, por ejemplo, el parámetro "libertad de flujo" es adecuado para la descripción. Así, una "libertad de flujo" de 20% significa que, considerando la sección transversal, se puede ver a través de aproximadamente el 20% de la superficie. En un filtro de partículas con una densidad de canales de aproximadamente 600 cpsi ("cells per square inch" = celdas por pulgada cuadrada) con un diámetro hidráulico de 0,8 mm, esta libertad de flujo correspondería a una superficie sustancialmente continua de más de 0,1 mm^{2}. Para una mejor explicación se puede decir también que un filtro de partículas se designa como abierto cuando puede ser recorrido en principio por partículas, concretamente también por partículas que son considerablemente mayores que las partículas que se han de filtrar y separar expresamente. De este modo, un filtro de esta clase no puede ser obstruido él mismo por efecto de una aglomeración de partículas durante el funcionamiento. Un procedimiento adecuado para medir el grado de apertura de un filtro de partículas es, por ejemplo, la comprobación de hasta qué diámetro pueden seguir corriendo partículas esféricas a través de un filtro de esta clase. En los presentes casos de aplicación un filtro es abierto especialmente cuando pueden seguir corriendo a su través bolas superiores o iguales a 0,1 mm de diámetro, preferiblemente bolas con un diámetro por encima de 0,2 mm, especialmente con un diámetro por encima de 0,3 mm.
Los documentos EP-A-0821145 y EP-A-0325111 describen filtros resistentes al calor en los que una capa de filtro individual presenta un espesor de capa diferente en la zona del borde.
Precisamente respecto de la materialización de un sistema de filtro abierto de esta clase es ahora un cometido de la presente invención indicar una capa de filtro resistente al calor que sea especialmente adecuada justo para su utilización en el marco de la regeneración continua y de los requisitos resultantes de ésta. Por tanto, el sistema de filtro ha de aguantar las altas cargas térmicas y dinámicas existentes en el sistema de gas de escape de un automóvil de turismo, las cuales tienen su origen en la expulsión a manera de impulsos de un gas de escape muy caliente. Además, se pretende indicar un cuerpo de filtro correspondiente que sea adecuado para lograr una reducción significativa de partículas en el sistema de gas de escape. Además, se pretende indicar un procedimiento para fabricar el cuerpo de filtro. La capa de filtro deberá estar configurada aquí de modo que se favorezca la formación de uniones por técnicas de ensamble, especialmente uniones de soldadura de aporte de material o uniones de soldadura autógena.
Estos problemas se resuelven por medio de una capa de filtro resistente al calor con las características de la reivindicación 1, un cuerpo de filtro para depurar gases de escape de un motor de combustión interna según las características de la reivindicación 7 y un procedimiento para fabricar un cuerpo de filtro de esta clase con los pasos de procedimiento según la reivindicación 17. Otras ejecuciones ventajosas están descritas en las respectivas reivindicaciones subordinadas, pudiendo presentarse las características allí expuestas en forma individualizada o bien en cualquier combinación conveniente de unas con otras.
La capa de filtro resistente al calor es al menos en parte de un material que puede ser recorrido por un fluido y presenta al menos un tramo de filtro y al menos una zona de borde. La capa de filtro según la invención se caracteriza porque ésta tiene en la al menos una zona de borde un espesor de capa diferente del que tiene el al menos un tramo de filtro. Por tanto, la capa de filtro presenta zonas diferentes que tienen respectivas funciones diferentes. Mientras que el tramo de filtro sirve primordialmente para filtrar y separar las partículas o similares contenidas en el gas de escape e incorporarlas o depositarlas al menos temporalmente en cavidades, poros o similares o bien en el propio material filtrante, la al menos una zona de borde funciona para formar uniones por técnicas de ensamble. La realización de la capa de filtro con espesores de capa diferentes en estas zonas crea una delimitación espacial claramente reconocible, de modo que se evitan errores de montaje, por ejemplo en lo que respecta a la fabricación de un cuerpo de filtro que presente tal capa de filtro.
Respecto de la disposición espacial de la al menos una zona de borde y del al menos un tramo de filtro con relación a la capa de filtro, cabe hacer notar aún que el tramo de filtro está dispuesto preferiblemente en una zona central de la capa de filtro. La al menos una zona de borde está formada preferiblemente al menos cerca de un canto, pero en ciertas circunstancias es posible también formar la zona de borde alrededor del al menos un tramo de filtro, análogamente a un marco. Por tanto, existe la posibilidad de formar un tramo de filtro de superficie relativamente grande y centralmente dispuesto que esté rodeado por al menos una zona de borde, pero como alternativa a esto puede ser también ocasionalmente conveniente prever varios tramos de filtro de modo que cada uno de éstos esté delimitado por al menos una zona de borde (especialmente realizada de manera semejante a un marco), análogamente a un dibujo de tablero de ajedrez. La configuración de la capa de filtro resistente al calor con varios tramos de filtro que están rodeados cada uno de ellos por al menos una zona de borde permite uniones relativamente rígidas dentro de un cuerpo de filtro correspondiente, ya que una unión de capas de filtro contiguas permite crear un amarre plano y uniformemente distribuido en la pluralidad de zonas de borde que están dispuestas también en zonas centrales de la capa de
filtro.
Según otra ejecución de la capa de filtro, el espesor de capa en la al menos una zona de borde es más pequeño que en el al menos un tramo de filtro, especialmente de menos de 60%, preferiblemente menos de 50% o incluso menos de 35%. Esta ejecución de la capa de filtro tiene la ventaja de que en el al menos un tramo de filtro construido con pared más gruesa se proporciona un volumen mayor. Esto tiene la consecuencia de que en este al menos un tramo de filtro se proporcionan suficientes poros, cavidades o similares que sirven para recoger o almacenar, por ejemplo, partículas de hollín. En este caso, con poros tan grandes se incorporan especialmente partículas con un diámetro de las mismas de 100 nm a 250 nm. La capa de filtro resistente al calor es preferiblemente de un material fibroso que representa, por ejemplo, un material compuesto de fibras relativamente flojo. Este material compuesto puede ser, por ejemplo, un tejido o un género de punto de fibras cerámicas, pero, como alternativa o acumulativamente, se pueden emplear también fibras metálicas, materiales sinterizados, telas metálicas o similares.
La al menos una zona de borde está constituida sustancialmente por el mismo material que el al menos un tramo de filtro, comprendiendo preferiblemente un conjunto de fibras comprimido o compactado. Mientras que el material filtrante puede ser recorrido por un fluido, especialmente por una corriente de gas de escape, en la zona del al menos un tramo de filtro, es preferible que la al menos una zona de borde sea sustancialmente impenetrable para un fluido. Esto significa que se ha realizado una compactación tal, al menos parcial, del material fibroso que se han cerrado un gran número de cavidades, aberturas, poros, pasos o similares. Por tanto, el espesor de capa reducido es la consecuencia de un proceso de compresión del material filtrante.
La impermeabilidad del material filtrante en la al menos una zona de borde tiene la consecuencia de que se puede aplicar deliberadamente, por ejemplo, material de unión o material aditivo (material de soldadura, aditivos de soldadura autógena o similares) sobre la superficie en la al menos una zona de borde, impidiéndose, al producirse un calentamiento de los medios de unión o de los aditivos de soldadura autógena, que estos medios se depositen en el interior del material fibroso y, por tanto, no estén disponibles para una unión de capas de filtro contiguas. En función de los medios de unión necesarios para la formación de uniones de ensamble, hay que realizar una compresión adecuada de modo que se produzca una reducción del espesor de capa en la al menos una zona de borde, preferiblemente de al menos 40%, especialmente al menos 50% o incluso más de 65%. Resultan entonces en la al menos una zona de borde unos espesores de capa en un rango de menos de 1 mm, especialmente menos de 0,5 mm y eventualmente incluso menos de 0,1 mm.
Según otra ejecución, la al menos una zona de borde tiene, partiendo de un canto de la capa de filtro, una anchura de borde de a lo sumo 30 mm, especialmente a lo sumo 20 mm, preferiblemente a lo sumo 10 mm o incluso como máximo tan sólo 5 mm. Esto significa que especialmente la zona del canto de la capa de filtro se emplea para formar uniones de ensamble. Esto es especialmente ventajoso, ya que precisamente estas zonas son especialmente solicitadas debido a la corriente pulsante de los gases de escape. La configuración de la capa de filtro en esta zona de canto con un material filtrante comprimido de manera relativamente fuerte evita fenómenos de disgregación, ya que está presente allí una unión íntima netamente más resistente de las fibras. Además, las capas de filtro contiguas en un cuerpo de filtro correspondiente están unidas una con otra en esta zona de canto, de modo que también se evita una oscilación o aleteo de estas zonas. La anchura del borde se puede diseñar aquí atendiendo a las cargas dinámicas que se presentan en uso, debiendo tenerse en cuenta también el comportamiento de dilatación térmica de la capa de filtro. Por tanto, es ventajoso seleccionar zonas de borde lo más estrechas posible cuando la capa de filtro sea expuesta a cargas dinámicas moderadas y a cargas térmicas de moderadas a altas.
Asimismo, se propone que la capa de filtro comprenda al menos una capa de fibras que tenga preferiblemente un espesor de a lo sumo 3 mm, especialmente a lo sumo 1 mm y preferiblemente como máximo 0,5 mm. El espesor de la capa de fibras puede seleccionarse particularmente teniendo en cuenta la corriente de gas de escape a depurar o las partículas contenidas en ella. Además, hay que tener en cuenta que con un espesor mayor de la capa de fibras se proporciona un volumen de almacenamiento mayor o un número incrementado de fibras, de modo que tales capas de filtro no tienen que regenerarse con tanta frecuencia y, en consecuencia, se pueden utilizar también en zonas alejadas del motor, tal como, por ejemplo, en los bajos de un automóvil. En tales posiciones alejadas del motor el gas de escape alcanza la temperatura necesaria para la regeneración únicamente después de un espacio de tiempo relativamente grande, de modo que tiene que proporcionarse una capacidad de almacenamiento suficiente para este espacio de tiempo. Cuando se desee una disposición de la capa de filtro en zonas muy calientes de un sistema de gas de escape, especialmente en el caso de una disposición próxima al motor, se puede garantizar eventualmente una regeneración continua, por lo que se emplean aquí preferiblemente capas de filtro con un espesor muy pequeño de las mismas.
Un perfeccionamiento ventajoso de la capa de filtro comprende al menos una capa metálica que delimita preferiblemente la capa de filtro hacia fuera y que presenta especialmente un espesor de dicha capa metálica de a lo sumo 0,05 mm, preferiblemente a lo sumo 0,03 mm o incluso como máximo solamente 0,015 mm. Esta capa metálica puede ser atravesada por un fluido preferiblemente en el al menos un tramo de filtro, es decir que presenta aberturas, pasos o similares. La capa metálica se extiende preferiblemente también hasta la al menos una zona de borde o hasta quedar encima de ésta, estando configurada la capa metálica en la al menos una zona de borde de manera que ventajosamente sea impenetrable para un fluido. Como material para una capa metálica de esta clase se utilizan especialmente aleaciones de aluminio-cromo, tal como éstas son ya conocidas por la fabricación de cuerpos de nido de abeja metálicos utilizados como cuerpos de soporte de catalizador para la depuración de gases de escape. La capa metálica puede estar realizada también como un revestimiento o como una lámina separada.
Es especialmente ventajoso que la capa de filtro sea una estructura de emparedado y presente al menos una capa de fibras y al menos una capa metálica. La capa metálica forma entonces preferiblemente una envoltura que rodea a la capa de fibras, de modo que la capa de fibras está dispuesta de forma imperdible en el interior de la al menos una capa metálica. Por envoltura ha de entenderse en este contexto una disposición de la al menos una capa metálica en la que dicha al menos una capa metálica se extienda al menos en parte también más allá de la limitación de la capa de fibras, especialmente rodeando a ésta por completo. Por tanto, está formada al menos en parte una envoltura sobre todo el perímetro de la capa de fibras. Por consiguiente, esta disposición de la capa metálica alrededor de la limitación de la capa de fibras tiene la consecuencia de que se dificulta por acoplamiento de ajuste de forma un movimiento relativo de la capa de fibras con respecto a la al menos una capa metálica en al menos una dirección.
La construcción de una estructura de emparedado de esta clase reúne varias ventajas que son de importancia especialmente en lo que respecta a la disposición de una capa de filtro de esta clase cerca del motor. La al menos una capa metálica representa una especie de envoltura de protección que protege la capa de fibras interior contra los golpes de presión o las puntas de temperatura que se presenten. La capa de fibras representa frente a la capa metálica un material compuesto de fibras netamente más suelto. La capa de fibras puede presentar aquí una porosidad muy alta, ya que, a causa de la presencia de una capa metálica que la protege, esta capa de fibras no tiene que diseñarse atendiendo en primer término a la resistencia. Por tanto, se pueden materializar espacios libres, poros o similares especialmente grandes en la capa de fibras. Esto viene favorecido especialmente por el hecho de que la al menos una capa de fibras está construida de manera semejante a una banda o una lámina, es decir que ofrece una superficie de asiento relativamente grande. Como consecuencia, se pueden utilizar aquí materiales fibrosos empaquetados en forma netamente más suelta que, por ejemplo, en el caso de redes de alambre conocidas que se han utilizado hasta ahora para preservar la estabilidad de forma de las capas de filtro.
Desde entonces, se han configurado tales estructuras de emparedado de modo que están dispuestas sendas estructuras de apoyo en ambos lados del material filtrante (especialmente trenzados de alambre), y esta estructura de emparedado se ha curvado o conformado seguidamente con la forma deseada. Estas estructuras de emparedado se han dispuesto entonces en la corriente de gas de escape de modo que la limitación (o superficie frontal) del material filtrante estaba expuesta sin protección a la corriente pulsante del gas de escape. Esto conducía a fenómenos de disgregación precisamente en estas zonas frontales. Para asegurar que el material fibroso esté inmovilizado durante un período de tiempo más largo entre las telas metálicas, esta estructura de emparedado se tenía que comprimir en una superficie grande (parcialmente incluso en toda la superficie) bajo una alta presión, lo que, debido a los poros o espacios libres muy pequeños resultantes de ello para la acumulación de partículas, tenía como consecuencia mermas perceptibles concernientes a la efectividad del material filtrante, así como una pérdida de presión indeseablemente alta a través del filtro. Esto se evita de manera sencilla en la estructura de emparedado aquí propuesta, ya que una disposición de la al menos una capa metálica alrededor de la limitación de la capa de fibras tiene directamente como consecuencia la disposición imperdible de la capa de fibras en el interior.
Según otro aspecto de la invención, se proporciona un cuerpo de filtro para depurar gases de escape de un motor de combustión interna que comprende capas al menos parcialmente estructuradas que están apiladas y/o arrolladas de modo que se forman canales que pueden ser recorridos por un gas de escape. El cuerpo de filtro según la invención presenta aquí al menos una capa de filtro resistente al calor anteriormente descrita. El cuerpo de filtro puede estar constituido aquí según el principio convencional, conforme al cual los canales están alternativamente cerrados, con lo que la corriente completa de gas de escape circula por la capa de filtro resistente al calor. Sin embargo, se prefiere una configuración del cuerpo de filtro según el "sistema abierto" descrito al principio, es decir que presenta una libertad de flujo de al menos 20%, especialmente al menos 40% o incluso más de 50%. Esto significa que el cuerpo de filtro abierto presenta secciones transversales de circulación libre en toda la longitud de los canales, estando previstos en los canales unos medios para generar diferencias de presión o unos medios para influir sobre la dirección de flujo en el canal. Se hace así que el gas de escape a depurar sea conducido al menos parcialmente hacia la capa de filtro resistente al calor y atraviese dicha capa de filtro al menos parcialmente, y, por tanto, se produzca una deposición o almacenamiento de partículas en el material filtrante.
Especialmente preferida es la ejecución del cuerpo de filtro con capas que comprenden al menos una lámina de chapa estructurada y al menos una capa de filtro sustancialmente lisa o no estructurada, estando las capas unidas una con otra por medio de técnicas de ensamble, especialmente soldadas por aporte de material o soldadas por vía autógena, en al menos un tramo de unión. Esto significa que se apilan y/o se arrollan la al menos una lámina de chapa estructurada y la al menos una capa de filtro, con lo que, a consecuencia de la estructura de la lámina de chapa, que funciona en principio como un distanciador de capas de filtro lisas contiguas, se forman canales. Estos canales discurren de preferencia sustancialmente paralelos uno a otro. Para garantizar que se evite sustancialmente un movimiento relativo de las capas del cuerpo de filtro incluso bajo altos esfuerzos térmicos y dinámicos, estas capas se tienen que unir una con otra por técnicas de ensamble. Son adecuadas para esto especialmente uniones por soldadura de aporte o por soldadura autógena, tales como las que ya son conocidas por la fabricación de cuerpos de nido de abeja metálicos utilizables como cuerpos de soporte de catalizador en la construcción de automóviles.
Es especialmente ventajoso a este respecto que el al menos un tramo de unión esté dispuesto en la al menos una zona de borde de la capa de filtro. Esto quiere decir, por ejemplo, que el tramo de unión se puede hacer preferiblemente más pequeño que en toda la extensión de la capa de filtro. Esto es ventajoso debido a que en el presente caso se unen uno con otro dos materiales diferentes (lámina de chapa y capa de filtro) que presentan un comportamiento de dilatación térmica diferente. La unión de estos componentes dispuestos contiguos uno a otro en sólo un tramo de unión relativamente pequeño garantiza que no se dificulte significativamente este comportamiento de dilatación debido a una unión común. Esto tiene especialmente repercusiones positivas sobre la vida útil de un cuerpo de filtro de esta clase, ya que se reduce netamente la probabilidad de una formación de fisuras cerca del tramo de unión. Una disposición espacialmente coincidente del al menos un tramo de unión y la al menos una zona de borde conduce a uniones especialmente duraderas, ya que la capa de filtro es impenetrable para el medio de unión (material de soldadura de aporte o material de soldadura autógena) en la zona de borde, de modo que este medio queda disponible también durante la formación de la unión de ensamble en la zona de contacto de los componentes que han de unirse uno con otro.
En atención al hecho de que la capa de filtro resistente al calor según la invención está construida con espesores de capa diferentes, es especialmente ventajoso que estén presentes en el cuerpo de filtro unos medios para compensar los diferentes espesores de la capa de filtro. Cuando un componente contiguo se aplica a la capa de filtro según la invención, se proporciona en la zona del al menos un tramo de filtro una aplicación de los componentes uno a otro que establece sustancialmente un acoplamiento por ajuste de forma. Dado que, por ejemplo, las láminas de chapa tienen sustancialmente una superficie de asiento plana, pero la capa de filtro según la invención forma un talón en la transición del al menos un tramo de filtro a la al menos una zona de borde, se originaría en la al menos una zona de borde una especie de rendija entre la lámina de chapa y la capa de filtro. Esta rendija tendría una dimensión que con frecuencia no podría ser puenteada solamente por material de soldadura de aporte o material de soldadura autógena. Por tanto, se necesitan medios para compensar esta rendija que aseguren también en la al menos una zona de borde de la capa de filtro un contacto de componentes del cuerpo de filtro dispuestos contiguos uno a otro. A este fin, se explican en lo que sigue a título de ejemplo algunos medios de compensación diferentes.
Para el caso de que el espesor de la capa de filtro en la al menos una zona de borde se haya reducido con respecto al al menos un tramo de filtro, se propone que la al menos una zona de borde tenga una zona de conformación que se solape al menos parcialmente consigo misma y que preferiblemente esté incluso soldada. Esto significa que la al menos una zona de borde que está dispuesta especialmente cerca de al menos un canto de la capa de filtro se realiza con una anchura de borde mayor que aquélla con la que deberá generarse a continuación un tramo de unión. La parte de la zona de borde que se proyecta más allá del tramo de unión se curva, pliega, acoda o similar ahora de modo que estas zonas sobresalientes penetren de nuevo en el tramo de unión. Por tanto, algunas zonas parciales de la zona de borde están contiguas una a otra y de preferencia incluso se aplican una a otra, de modo que al menos se duplica el espesor de capa, al menos parcialmente, en la al menos una zona de borde. Esto se ofrece, por ejemplo, para capas de filtro que presentan en la al menos una zona de borde un espesor de capa que asciende sustancialmente a sólo un 50% del espesor de capa en el al menos un tramo de filtro. Por tanto, durante la conformación de la al menos una zona de borde se proporciona al menos en un lado de la capa de filtro una superficie de asiento sustancialmente plana para componentes contiguos del cuerpo de filtro. Para impedir que esta zona parcial conformada o curvada de la al menos una zona de borde comience a aletear o a oscilar a consecuencia de las cargas dinámicas en un sistema de gas de escape de un automóvil o que se desprenda de la capa de filtro, es especialmente ventajoso que la parte de solapamiento de la zona de borde que se aplica preferiblemente a la propia zona de borde sea también soldada (consigo misma) por aporte de material o por vía autógena. En cuanto a un procedimiento de soldadura autógena, ha dado aquí resultados especialmente buenos el procedimiento de soldadura de costura por rodillo.
Según un perfeccionamiento ventajoso, se propone que en una realización de la capa de filtro con un espesor de capa reducido en la al menos una zona de borde el área de una capa, especialmente una lámina de chapa estructurada, dispuesta contigua a la al menos una zona de borde tenga una altura mayor en comparación con una zona restante (de ella). Para el caso de que la capa contigua sea una lámina de chapa estructurada, es especialmente ventajoso realizar ésta en el área con una altura de estructura mayor en comparación con la zona restante, siendo preferiblemente igual el espesor del material de la lámina de chapa en las diferentes áreas. En contraste con el principio anteriormente descrito, según el cual se produce a través de la propia capa de filtro una compensación de los diferentes espesores de capa, se propone aquí realizar la compensación a través de los componentes dispuestos contiguos a la capa de filtro.
Como ya se explicado, la estructura de la lámina de chapa sirve primordialmente como distanciador de las capas de filtro contiguas. Por tanto, en una ejecución de las capas de filtro con alturas de estructura diferentes se puentean también distancias diferentes entre las capas de filtro contiguas. En una ejecución mayor de la altura de las estructuras en el área dispuesta contigua a la al menos una zona de borde con respecto al área restante dispuesta contigua al tramo de filtro se asegura que la lámina de chapa presente un contacto con capas de filtro contiguas en toda la longitud de los canales, con lo que se hace posible una unión de ensamble de estos componentes uno con otro (precisamente en la al menos una zona de borde). Por consiguiente, se puede realizar el incremento de la altura de las estructuras hasta un porcentaje semejante a aquél en que se presenta una reducción del espesor de capa al pasar del al menos un tramo de filtro a la al menos una zona de borde.
Según todavía otra ejecución, el cuerpo de filtro está provisto de al menos una capa de compensación adicional que está dispuesta preferiblemente contigua a la al menos una zona de borde de la capa de filtro con espesor de capa reducido. En consecuencia, estas capas de compensación adicionales no se extienden por toda la longitud del cuerpo de filtro, sino de preferencia tan sólo sobre sustancialmente el tramo de unión en el que se unen uno con otro los componentes contiguos del cuerpo de filtro. La capa de compensación llena entonces sustancialmente la rendija generada en la al menos una zona de borde a consecuencia del espesor reducido de la capa de filtro y está preferiblemente unida también por técnicas de ensamble, especialmente por soldadura de aporte de material, con los componentes contiguos. En ciertas circunstancias, es posible también hacer la capa de compensación adicional más larga que la al menos una zona de borde, proyectándose esta capa al menos parcialmente más allá de la capa de filtro o de la al menos una lámina de chapa. Esta zona parcial sobresaliente puede estar dispuesta eventualmente también alrededor de una zona de borde de la capa de filtro, de modo que se pueden compensar con una capa de compensación dos rendijas dispuestas formando una zona de borde de la capa de filtro cerca del canto. De esta manera, se protegerán en mayor medida los cantos de la capa de filtro que están expuestos a cargas dinámicas especialmente altas, reduciéndose el número de capas de compensación que han de integrarse adicionalmente en el cuerpo de
filtro.
Según otro aspecto de la invención, se propone un procedimiento para fabricar un cuerpo de filtro anteriormente descrito, que comprende los pasos siguientes:
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fabricar al menos una capa de filtro resistente al calor;
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formar al menos una zona de borde de la al menos una capa de filtro con espesor de capa reducido;
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prever medios para compensar los diferentes espesores de la al menos una capa de filtro;
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apilar y/o arrollar al menos una capa de filtro y al menos una lámina de chapa estructurada para formar un cuerpo de nido de abeja con canales que pueden ser recorridos por un gas de escape;
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alimentar un medio de soldadura a al menos un tramo de unión de la al menos una capa de filtro con la al menos una lámina de chapa; y
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calentar el cuerpo de nido de abeja para formar uniones de soldadura de aporte en el al menos un tramo de unión.
Respecto de la formación de las uniones de soldadura de aporte, cabe remitirse a las técnicas ya conocidas para fabricar cuerpos de nido de abeja metálicos utilizables como cuerpos de soporte de catalizador para sistemas de gas de escape móviles de automóviles. Por tanto, se emplean preferiblemente como medio de soldadura materiales de soldadura en forma de polvo a base de níquel, realizándose el calentamiento del cuerpo de nido de abeja preferiblemente en una atmósfera de gas protector o bajo un vacío casi completo.
Según otra ejecución del procedimiento, antes de la alimentación del medio de soldadura se introduce el cuerpo de nido de abeja en una carcasa, permaneciendo éste adherido con la carcasa durante la alimentación, preferiblemente también en al menos una zona de amarre de la al menos una capa de filtro y/o de la al menos una lámina de chapa, de modo que con el calentamiento se generan también uniones de soldadura de aporte en la al menos una zona de amarre. A este fin, el tramo de unión y la zona de amarre son provistos primero, de manera conocida, de un adhesivo al que se adhiere el material de soldadura en forma de polvo durante el proceso de soldadura de aporte. Para limitar el tramo de unión y/o la zona de amarre se conocen también medios que limitan el flujo del material de soldadura (tope para material de soldadura, aceite, cera, revestimiento cerámico o similares) que se pueden utilizar eventualmente también aquí. La introducción del cuerpo de nido de abeja en una carcasa antes de la soldadura de aporte tiene la consecuencia de que se evitan varios pasos de soldadura y se establecen uniones de soldadura uniformes, ya que éstas están expuestas al mismo tratamiento térmico.
Según un perfeccionamiento de la invención, la formación de la al menos una zona de borde con espesor de capa reducido se efectúa ejerciendo una fuerza de prensado sobre la capa de filtro en la al menos una zona de borde. Esta fuerza de prensado puede generarse, por ejemplo, por medio de un cilindro o similar, presionando este cilindro la capa de filtro contra una matriz o similar y efectuándose así primordialmente una compactación del material filtrante. A este respecto, es posible también ejercer esta fuerza de prensado, por ejemplo, en paralelo durante un proceso de soldadura autógena. Si, por ejemplo, se elige una configuración de la capa de filtro con zona de borde conformada, se puede conformar primero la capa de filtro en la zona de borde y a continuación se pueden compactar éstas y al mismo tiempo soldarlas una con otra por vía autógena por medio del proceso de soldadura de costura por rodillo.
Asimismo, se propone obtener los medios de compensación por la conformación de la al menos una zona de borde de la capa de filtro. Este medio se ha explicado ya más arriba con detalle, y se realiza una descripción adicional más detallada con referencia a la figura 5.
Según todavía otra ejecución del procedimiento, se obtienen los medios de compensación disponiendo al menos una capa de compensación entre una capa de filtro y una lámina contigua. Este paso del procedimiento ha sido explicado ya también más arriba y se le describirá seguidamente con más detalle haciendo referencia a la figura 5.
Se explica ahora la invención con más detalle haciendo referencia a las figuras que muestran ejecuciones especialmente ventajosas y especialmente preferidas de la capa de filtro resistente al calor y del cuerpo de filtro según la invención. Asimismo, estas figuras sirven para ilustrar el procedimiento descrito según la invención. No obstante, cabe clarificar en este punto que la invención no está limitada a los ejemplos de realización representados en las figuras.
Muestran:
La figura 1, esquemáticamente y en perspectiva, una primera forma de realización de la capa de filtro resistente al calor según la invención,
La figura 2, un alzado lateral de una capa de filtro en forma de una estructura de emparedado,
La figura 3, esquemáticamente, una instalación de gas de escape,
La figura 4, esquemáticamente y en perspectiva, una vista de detalle de una forma de realización del cuerpo de filtro según la invención,
La figura 5, esquemáticamente, una vista de detalle de otra forma de realización del cuerpo de filtro,
La figura 6, esquemáticamente y en perspectiva, una forma de realización de una lámina de chapa para compensar los espesores diferentes de la capa de filtro,
La figura 7, esquemáticamente y en perspectiva, una forma de realización del cuerpo de filtro y
La figura 8, esquemáticamente, el desarrollo de una ejecución del procedimiento según la invención para fabricar un cuerpo de filtro.
La figura 1 muestra esquemáticamente y en perspectiva una forma de realización de la capa de filtro 1 según la invención, la cual puede ser recorrida por un fluido (insinuado por la dirección de flujo 35) al menos en un tramo de filtro 2. La capa de filtro 1 está constituida al menos en parte por un material poroso (véase la zona de filtro punteada 2) y presenta dos zonas de borde 3 cerca de cantos opuestos 5. Las zonas de borde 3 han sido comprimidas por una fuerza de prensado 29 (insinuada por las flechas), de modo que éstos presentan un espesor de capa 4 reducido en comparación con el tramo de filtro 2. La compresión se señaliza por medio de los poros o cavidades representados en la capa, los cuales se han representado netamente más pequeños en las zona de borde 3 que en el tramo de filtro 2.
La figura 2 muestra esquemáticamente y en un alzado en sección no perteneciente a la invención una capa de filtro 1 realizada como una estructura de emparedado 11, presentando esta capa de filtro dos capas metálicas 9 que forman una envoltura alrededor de una capa de fibras 7. Las capas metálicas 9 tienen cada una de ellas dos zonas de borde 3, estando las capas metálicas 9 unidas una con otra por técnicas de ensamble en las zonas de borde 3. La unión de ensamble se asegura aquí con ayuda de un medio de soldadura 26, estando previsto por fuera de la zona de borde 3 un tope 30 para material de soldadura que impide que el medio de soldadura 26 llegue a las proximidades de la capa de fibras 7 durante un tratamiento térmico. La zona de borde 3 se extiende desde un canto 5 de la capa metálica 9 sobre una anchura de borde 6 que preferiblemente está comprendida entre 3 y 15 mm. Respecto de los espesores del material, se puede explicar con ayuda de la figura 2 que las capas metálicas 9 están realizadas, por ejemplo, como láminas metálicas y presentan un espesor 10 de las mismas que es inferior a 0,04 mm. Asimismo, se puede apreciar que la capa de fibras 7 tiene un espesor 8. Éste está comprendido preferiblemente en el intervalo de 0,01 mm a 1 mm.
En la figura 2 puede apreciarse una capa metálica 7 que está provista de superficies de guía de flujo 41. Ésta está configurada especialmente como una microestructura. En la forma de realización representadas se realizan dos funciones con esta microestructura o con las superficies de guía de flujo 41. Por un lado, se desvía o fluidiza el gas de escape circulante, con lo que unas corrientes de gas parciales pueden ser desviadas hacia la pared porosa contigua, especialmente hacia una capa de filtro según la invención, o pueden atravesar ésta. Asimismo, se puede apreciar que con tal microestructura se produce también una acción de apriete con respecto a la capa de fibras interior 7. Esto mejora la estabilidad de la capa de filtro 1. Además, esto hace posible que pueda incrementarse la porosidad de las capas metálicas 9, puesto que las fuerzas de apriete adicionalmente introducidas impiden ya en grado suficiente posibles fenómenos de disgregación de la capa de fibras 7. La capa de filtro 1 realizada en la figura 2 como una estructura de emparedado 11 tiene dos espesores de capa 4, 4', siendo el espesor de capa 4 en la región de la zona de borde 3 netamente más pequeño que el espesor de capa 4' en la zona del tramo de filtro 2. Se representa aquí una forma de realización especial, ya que la capa de fibras 7 no se extiende hasta dentro de las zonas de borde 3.
La figura 3 muestra esquemáticamente la constitución de un sistema de gas de escape 36 para un motor de combustión interna 13. Este motor de combustión interna 13 está construido preferiblemente como un motor diesel. El sistema de gas de escape 36 comprende, en la dirección de flujo 35 del gas de escape, los componentes siguientes:
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un catalizador de oxidación 31 dispuesto aguas arriba,
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un cuerpo de filtro 12 según la invención,
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un turboalimentador 32 y
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otro convertidor catalítico 34.
Los distintos componentes pueden estar dispuestos en carcasas separadas o parcialmente uno junto a otro en una carcasa y están unidos uno con otro a través de una tubería de gas de escape 33. Como ya se ha explicado en la introducción, es especialmente ventajoso disponer el cuerpo de filtro 12 lo más cerca posible del motor de combustión interna 13. En particular, es adecuada para ello una distancia 37 al motor de combustión interna 13 que sea de menos de 0,7 m, especialmente incluso menos de 30 cm. Con esta disposición de los componentes individuales se proporciona primero con ayuda del catalizador de oxidación 31 una cantidad suficiente de dióxido de nitrógeno que asegura en el cuerpo de filtro directamente pospuesto 12 una regeneración (continua) de las partículas de hollín incorporadas. El convertidor catalítico pospuesto 34 puede estar construido, por ejemplo, como un convertidor híbrido, presentando éste unas zonas parciales con capacidad calorífica diferente. Éste tiene que diseñarse en este caso de modo que tenga una capacidad calorífica creciente en la dirección de flujo.
La figura 4 muestra esquemáticamente y en perspectiva otra forma de realización del cuerpo de filtro 12 según la invención. El cuerpo de filtro 12 comprende aquí láminas de chapa 15 entre las cuales está dispuesta una respectiva capa de filtro 1 según la invención. En la forma de realización representada la capa de filtro 1 está formada con dos capas metálicas 9 y una capa de fibras 7 dispuesta entre ellas, no pudiendo apreciarse, debido a la representación en sección, la unión de ensamble formada en la zona de borde. En el fragmento representado se muestra la capa de filtro 1 solamente en el tramo de filtro 2, de modo que se puede apreciar aquí también únicamente el espesor 4' de la capa.
Las láminas de chapa 15 tienen un espesor de material constante 22 y están provistas aquí de una estructura, mientras que la capa de filtro 1 presenta una superficie sustancialmente lisa. Con ayuda de esta estructura de las láminas de chapa 15 se forman canales 14 que pueden ser recorridos por un gas de escape en una dirección de flujo 35. Las láminas de chapa 15 presentan aquí alturas diferentes 20 de la estructura, de modo que los canales formados 14 están ajustados a la característica de la corriente de gas de escape afluyente. La forma de realización aquí representada muestra sustancialmente un detalle de un cuerpo de filtro abierto. Esta propiedad viene descrita por el hecho de que existe una libertad de flujo de al menos 20%. Libertad de flujo significa en este contexto que en cualquier sección transversal arbitraria se puede ver a través de al menos un 20% de la superficie, es decir que está libre de estructuras internas tales como superficies de desviación 39 o similares. Esto quiere decir también en otras palabras que en una vista frontal de tal filtro de partículas se puede ver al menos parcialmente a través de los canales, siempre que las estructuras internas tengan todas aproximadamente la misma posición de montaje, es decir que estén dispuestas alineadas una tras otra. Esto es lo que ocurre típicamente en cuerpos de nido de abeja a base de capas de chapa al menos parcialmente estructuradas. Sin embargo, la libertad de flujo no significa forzosamente para estructuras internas no alineadas una con otra que se pueda ver realmente en parte a través de un cuerpo de nido de abeja de esta clase. Las láminas de chapa 15 están provistas de pasos 38 y superficies de desviación 39 que garantizan una desviación de la corriente de gas de escape hacia la capa de filtro 1. Se generan así diferencias de presión que tienen la consecuencia de que unas corrientes de gas parciales atraviesan la capa de filtro 1 y se produce de este modo una adherencia o deposición de partículas de hollín o similares en la capa de fibras 7.
La figura 5 muestra esquemáticamente una vista de detalle de otra forma de realización del cuerpo de filtro 12, estando dispuesta una capa de filtro 1 según la invención entre dos láminas de chapa 15. La capa de filtro 1 presenta nuevamente dos espesores 4, 4', siendo el espesor 4 de la capa en la zona de borde 3 más pequeño que en el tramo de filtro 2. Las capas de chapa 15 están unidas, especialmente soldadas (con el medio de soldadura 26), con la capa de filtro 1 en un tramo de unión 16 directamente o a través de una capa de compensación 23 que está dispuesta aquí adicionalmente en la zona de borde 3 o en la zona de unión 16. Las láminas de chapa 15, la capa de compensación 23 y la capa de filtro 1 están aquí enrasadas por el lado frontal. La zona de borde delgada representada 3 de la capa de filtro 1 está construida sustancialmente con el doble de longitud que el tramo de unión 16, habiéndose obtenido una zona de conformación 17, de modo que la zona de borde 3 se solapa al menos parcialmente a sí misma. Las zonas parciales de la zona de borde 3 que se solapan mutuamente se aplican ahora una a otra e incluso están soldadas una con otra.
Debido al hecho de que el espesor 4 de la capa en la forma de realización representada corresponde aproximadamente a 1/3 del espesor 4' de la capa en el tramo de filtro, se consigue mediante el curvado o plegado de la zona de borde 3 que la capa de filtro 1 se pueda unir directamente al menos hacia un lado con la capa de chapa 15 dispuesta en posición contigua. Por tanto, la zona de borde 3 llena ahora 2/3 del espesor 4' de la capa, de modo que la capa de compensación adicional 23 puentea ahora el tercio restante y se presenta una unión indirecta de la capa de filtro 1 con la lámina de chapa opuesta 15. Como alternativa a esta forma de realización, es posible también que la zona de borde (no conformada) 3 sea unida indirectamente hacia ambos lados con las láminas de chapa contiguas 15 mediante una capa de compensación 23, estando construida entonces preferiblemente la capa de compensación 23 con una zona de conformación, de modo que esta zona de conformación se proyecta alrededor y más allá del extremo frontal de la zona de borde 3 y entonces una capa de compensación 23 llena al mismo tiempo ambas distancias de la zona de borde 3 hacia las láminas de chapa 15.
La figura 6 muestra esquemáticamente y en perspectiva una forma de realización de una lámina de chapa 15 para compensar los espesores diferentes 4, 4' de la capa de filtro 1 (no representada). La lámina de chapa estructurada 15 se dispone contigua a la capa de filtro 1 de la manera ya explicada y sirve para compensar los espesores diferentes de esta capa. A este fin, la lámina de chapa 15 presenta en el área 18 una altura de estructura 21 mayor que en el área restante 19, siendo preferiblemente igual un espesor de material 22 (no representado) de la lámina de chapa 15 en las diferentes áreas 18, 19. Por consiguiente, el área 18 con la altura de estructura 21 está agrandada en el perímetro para que se asegure una aplicación de la lámina metálica 15 en el área 18 o en la zona de borde 3 de la capa de filtro 1. Si se parte, por ejemplo, de una forma de realización de la capa de filtro 1 como la representada en la figura 5, es ventajoso entonces que la altura de estructura 21 en el área 18 sea mayor que la altura de estructura 21' aproximadamente en una cuantía que corresponda sustancialmente a la diferencia del espesor 4' de la capa y el espesor 4 de ésta. Para este caso, se puede prescindir ventajosamente de capas de compensación adicionales.
La figura 7 muestra esquemáticamente y en perspectiva una forma de realización del cuerpo de filtro 12 que comprende un cuerpo de nido de abeja 24 dispuesto en una carcasa 27. El cuerpo de nido de abeja 24 está formado con una pluralidad de capas de filtro 1 y láminas de chapa estructuradas 15 alternativamente dispuestas que primero se han apilado y luego se han enroscado una con otra de modo que se proporcione una configuración sustancialmente cilíndrica del cuerpo de nido de abeja 24. Como alternativa a esto, se pueden obtener también configuraciones cónicas, rectangulares u ovaladas, pudiendo estar previstas también una sola lámina de chapa 15 y una sola capa de filtro 1 que estén en particular arrolladas conjuntamente en espiral. Las láminas de chapa estructuradas 15 y las capas de filtro 1 limitan canales 14 que pueden ser recorridos por un gas de escape y que se extienden desde una superficie extrema 25 hasta la superficie extrema opuesta 25. Se asegura así que se pueda ver al menos parcialmente a través de estos canales 14. Esto se garantiza con la libertad de flujo mencionada al principio de al menos 20%.
Las láminas de chapa estructuradas 15 y las capas de filtro 1 están unidas una con otra por técnicas de ensamble, especialmente soldadas, preferiblemente soldadas bajo vacío a alta temperatura, en un tramo de unión 16. Además, se efectúa un amarre del cuerpo de nido de abeja 24 con la carcasa 27 en al menos una zona de amarre 28, utilizándose aquí preferiblemente (al mismo tiempo) el mismo procedimiento de ensamble que para la unión de las láminas de chapa 15 y las capas de filtro 1 una con otra. El amarre y también las uniones no están realizados en toda la longitud 42 del cuerpo de nido de abeja, de modo que bajo carga térmica son posibles también dilataciones diferentes a consecuencia del comportamiento de dilatación diferente de los componentes. Esto tiene la consecuencia de que en el cuerpo de nido de abeja 24 o entre el cuerpo de nido abeja 24 y la carcasa 27 no se producen tensiones que conducirían a una pérdida prematura de la integridad estructural del cuerpo de filtro.
La figura 8 representa esquemáticamente el desarrollo de una ejecución del procedimiento según la invención para fabricar un cuerpo de filtro 12. Este procedimiento comprende los pasos siguientes:
a) Fabricación de al menos una capa de filtro 1 resistente al calor
Según el primer paso, se fabrica la capa de filtro 1 de modo que se asocian a una capa de fibras central 7 dos capas metálicas 9 que limitan hacia fuera la capa de fibras 7, con lo que se forma una especie de envoltura de protección (véase la estructura de emparedado). La capa de filtro 1 se fabrica entonces preferiblemente a partir de materiales brutos semejantes a bandas o semejantes a láminas (chapas, tejidos, etc.), para lo cual se cortan éstos en debida forma a las medidas deseadas.
b) Formación de al menos una zona de borde 3 de la al menos una capa de filtro 1 con espesor de capa reducido 4
La formación de las dos zonas de borde opuestas 3 con espesor de capa reducido 4 se efectúa ejerciendo una fuerza de prensado 29 sobre la capa de filtro 1 (véase el primer paso: insinuado con flechas) en las zonas de borde 3. Se comprime entonces claramente al menos la capa de fibras, de modo que estas zonas de borde 3 resultan sustancialmente impenetrables para un medio de soldadura (véase el segundo paso). Para este proceso de compresión son adecuados un gran número de procedimientos de fabricación, cabiendo citar en este sitio a título de ejemplo el prensado con un rodillo.
c) Previsión de medios para compensar los diferentes espesores 4, 4' de la al menos una capa de filtro 1
Se ofrecen para ello, como se ha explicado más arriba, sustancialmente dos principios diferentes o bien una combinación de estos principios. En la ejecución representada en el tercer paso se efectúa la compensación de los diferentes espesores 4, 4' de la al menos una capa de filtro 1 exclusivamente a través de las capas dispuestas entre las capas de filtro 1. Por consiguiente, la lámina de chapa 15 presenta varias áreas frontales con una altura 20 que es mayor que la altura 20' en el área restante central o intermedia. Por tanto, las capas contiguas se aplican una a otra en toda la longitud, de modo que se evita también un movimiento relativo entre las capas después de formar uniones de ensamble (tal como, por ejemplo, aleteo u oscilación de las zonas de borde de las capas de filtro 1).
d) Apilamiento y/o arrollamiento de al menos una capa de filtro 1 y al menos una lámina de chapa estructurada 15 para formar un cuerpo de nido de abeja 24 con canales 14 que pueden ser recorridos por un gas de escape
Se apilan ahora las láminas de chapa 15 y las capas de filtro 1 de la manera representada en el tercer paso y a continuación se conforman éstas formando un cuerpo de nido de abeja cilíndrico 24. Las zonas de borde han de disponerse aquí al menos en parte en un plano paralelo a una superficie extrema 25 del cuerpo de nido de abeja 24 y especialmente lindan todas con éste en al menos una superficie extrema 25. Debido a la estructura de las láminas de chapa 15 se forman canales 14 que pueden ser recorridos por un gas de escape y que aseguran una libertad de flujo de al menos 20%. Respecto del proceso de arrollamiento, cabe remitirse también a técnicas conocidas que se han acreditado ya reiteradas veces para la fabricación de una estructura de nido de abeja metálica utilizable como cuerpo de soporte de catalizador. El cuerpo de nido de abeja 24 se introduce ahora todavía en una carcasa 27 (véase el cuarto paso), de modo que el cuerpo de nido de abeja 24 y la carcasa 27 pueden ser provistos a continuación conjuntamente de un adhesivo y/o un medio de soldadura 26.
e) Alimentación de un medio de soldadura 26 a al menos un tramo de unión 16 de la al menos una capa de filtro 1 con la al menos una lámina de chapa 15
También en este paso del procedimiento cabe aludir a la técnica de soldadura conocida de estructuras de nido de abeja metálicas que se utilizan, por ejemplo, como cuerpo de soporte de catalizador en sistemas de gas de escape de automóviles. Aparte del empleo de franjas fijas de material de soldadura o similares, se utilizan aquí preferiblemente también medios de soldadura en forma de polvo. Se deposita entonces primeramente un adhesivo en las zonas de contacto de las capas que se han de unir una con otra, poniéndose en contacto un cuerpo de filtro así pretratado 12 con el medio de soldadura 26 en forma de polvo que permanece adherido al adhesivo (véase el quinto paso).
f) Calentamiento del cuerpo de nido de abeja 24 para formar uniones de soldadura de aporte en el al menos un tramo de unión 16:
Para la formación de uniones resistentes a la corrosión y a la temperatura entre las capas (tramo de unión 16) y para el amarre con la carcasa 27 (zona de amarre 28), se ha visto que es especialmente bueno un proceso de vacío a alta temperatura. En este caso, se calienta bajo vacío el cuerpo de filtro 12 en un horno 40 a temperaturas de hasta 1200ºC y a continuación se enfría nuevamente dicho cuerpo. El proceso de calentamiento y el proceso de enfriamiento se desarrollan usualmente según un modelo prefijable que puede describirse con transitorios de temperatura y tiempos de retención.
El cuerpo de filtro 12 así fabricado satisface los muy altos requisitos térmicos y dinámicos impuestos, por ejemplo, en sistemas de gas de escape de motores diesel como los que se utilizan hoy en día en la construcción de automóviles. Esto se aplica precisamente en lo que respecta a una disposición del cuerpo de filtro cerca del motor, en la que puede tener lugar una regeneración continua del cuerpo de filtro. Esta construcción del cuerpo de filtro abierto hace aquí que los reaccionantes para la conversión de las partículas de hollín y estas mismas partículas permanezcan más tiempo en el cuerpo de filtro, con lo que se incrementa la probabilidad respecto de la presencia de todos los reaccionantes y condiciones ambientales necesarios. Los ensayos realizados han confirmado esto, habiéndose podido verificar, por ejemplo, una efectividad del filtro de más de 50%. Esto significa que la mayoría de los automóviles de turismo que se encuentran actualmente en circulación pueden cumplir también en el futuro las más estrictas directrices de gas de escape o disposiciones legales. Por tanto, este cuerpo de filtro es especialmente adecuado justo también como conjunto de repuesto.
Lista de símbolos de referencia
1
Capa de filtro
2
Tramo de filtro
3
Zona de borde
4,4'
Espesor de capa
5
Canto
6
Anchura de borde
7
Capa de fibras
8
Espesor de la capa de fibras
9
Capa metálica
10
Espesor de la capa metálica
11
Estructura de emparedado
12
Cuerpo de filtro
13
Motor de combustión interna
14
Canal
15
Lámina de chapa
16
Tramo de unión
17
Zona de conformación
18
Área
19
Área restante
20,20'
Altura
21,21'
Altura de estructura
22
Espesor de material
23
Capa de compensación
24
Cuerpo de nido de abeja
25
Superficie extrema
26
Medio de soladura
27
Carcasa
28
Zona de amarre
29
Fuerza de prensado
30
Tope para material de soldadura
31
Catalizador de oxidación
32
Turboalimentador
33
Tubería de gas de escape
34
Convertidor catalítico
35
Dirección de flujo
36
Sistema de gas de escape
37
Distancia
38
Paso
39
Superficie de desviación
40
Horno
41
Superficie de guía de flujo
42
Longitud

Claims (21)

1. Capa de filtro (1) resistente al calor constituida por un material compuesto de fibras que puede ser recorrido al menos en parte por un fluido, con al menos un tramo de filtro (2) y al menos una zona de borde (3), caracterizada porque la capa de filtro (1) presenta en la al menos una zona de borde (3) un espesor de capa (4) diferente del que tiene el al menos un tramo de filtro (2), concretamente un espesor de capa más pequeño, estando formado este espesor con un conjunto de fibras comprimido o compactado.
2. Capa de filtro (1) resistente al calor según la reivindicación 1, caracterizada porque el espesor de capa (4) en la al menos una zona de borde (3) es de menos de 60% en el al menos un tramo de filtro (2), preferiblemente menos de 50% o incluso menos de 35%.
3. Capa de filtro (1) resistente al calor según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la al menos una zona de borde (3) tiene, partiendo de un canto (5) de la capa de filtro (1), una anchura de borde (6) de a lo sumo 30 mm, especialmente a lo sumo 20 mm, preferiblemente a lo sumo 10 mm o incluso solamente como máximo 5 mm.
4. Capa de filtro (1) resistente al calor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la capa de filtro (1) comprende al menos una capa de fibras (7) que tiene preferiblemente un espesor (8) de a lo sumo 3 mm, especialmente a lo sumo 1 mm y preferiblemente como máximo 0,5 mm.
5. Capa de filtro (1) resistente al calor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la capa de filtro (1) tiene al menos una capa metálica (9) que delimita preferiblemente la capa de filtro (1) hacia fuera y presenta especialmente un espesor (10) de dicha capa metálica de a lo sumo 0,05 mm, preferiblemente a lo sumo 0,03 mm o incluso como máximo 0,015 mm.
6. Capa de filtro (1) resistente al calor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la capa de filtro (1) es una estructura de emparedado (11) y presenta al menos una capa de fibras (7) y al menos una capa metálica (9).
7. Cuerpo de filtro (12) para depurar gases de escape de un motor de combustión interna (13), que comprende capas (1, 15) al menos parcialmente estructuradas que están apiladas y/o arrolladas de modo que se forman canales (14) que pueden ser recorridos por el gas de escape, caracterizado porque las capas comprenden al menos una capa de filtro (1) resistente al calor según una de las reivindicaciones anteriores.
8. Cuerpo de filtro (12) según la reivindicación 7, caracterizado porque las capas comprenden al menos una lámina de chapa estructurada (15) y al menos una capa de filtro sustancialmente lisa (1), estando las capas (1, 15) unidas una con otra mediante técnicas de ensamble, especialmente soldadas por aporte de material o por vía autógena, en al menos un tramo de unión (16).
9. Cuerpo de filtro (12) según la reivindicación 8, caracterizado porque el al menos un tramo de unión (16) está dispuesto en la al menos una zona de borde (3) de la capa de filtro (1).
10. Cuerpo de filtro (12) según una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque están presentes unos medios (17, 18, 19, 20, 21, 23) para compensar los espesores diferentes (4, 4') de la capa de filtro (1).
11. Cuerpo de filtro (12) según la reivindicación 10, en el que el espesor (4) de la capa de filtro (1) ha sido reducido en la al menos una zona de borde (3), caracterizado porque la al menos una zona de borde (3) tiene una zona de conformación (17) y se solapa al menos parcialmente a sí misma y preferiblemente incluso está soldada consigo misma.
12. Cuerpo de filtro (12) según la reivindicación 10 u 11, en el que el espesor (4) de la capa de filtro (1) ha sido reducido en la al menos una zona de borde (3), caracterizado porque el área (18) de una capa (1, 15), especialmente de una lámina de chapa estructurada (15), dispuesta contigua a la al menos una zona de borde (3) tiene una altura (20) mayor que la de un área restante (19).
13. Cuerpo de filtro (12) según la reivindicación 12, en el que la capa contigua es una lámina de chapa estructurada (15), caracterizado porque ésta está realizada en el área (18) con una altura de estructura (21) mayor que en el área restante (19), siendo preferiblemente igual un espesor de material (22) de la lámina de chapa (15) en las diferentes áreas (18, 19).
14. Cuerpo de filtro (12) según una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado porque está prevista al menos una capa de compensación adicional (23) que está dispuesta preferiblemente contigua a la al menos una zona de borde (3) de la capa de filtro (1) con espesor de capa reducido (4).
15. Cuerpo de filtro (12) según una de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque éste presenta canales (14) alternativamente cerrados.
16. Cuerpo de filtro (12) según una de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque estos canales (14) presentan una sección transversal que puede ser recorrida libremente por el fluido en toda la longitud, estando previstos en los canales (14) unos medios para generar diferencias de presión o unos medios para influir sobre la dirección de flujo.
17. Procedimiento para fabricar un cuerpo de filtro (12) según una de las reivindicaciones 7 a 16, que comprende los pasos siguientes:
-
fabricación de al menos una capa de filtro (1) resistente al calor;
-
formación de al menos una zona de borde (3) de la al menos una capa de filtro (1) con espesor de capa reducido (4);
-
previsión de medios para compensar los espesores diferentes (4, 4') de la al menos una capa de filtro (1);
-
apilamiento y/o arrollamiento de al menos una capa de filtro (1) y al menos una lámina de chapa estructurada (15) para formar un cuerpo de nido de abeja (24) con canales (14) que pueden ser recorridos por un gas de escape;
-
alimentación de un medio de soldadura (26) a al menos un tramo de unión (16) de la al menos una capa de filtro (1) con la al menos una lámina de chapa (15); y
-
calentamiento del cuerpo de nido de abeja (24) para formar uniones de soldadura de aporte en el al menos un tramo de unión (16).
18. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que se introduce el cuerpo de nido de abeja (24) en una carcasa (27) antes de la alimentación del medio de soldadura (26), y durante la alimentación del medio de soldadura (26) se dispone éste preferiblemente también en al menos una zona de amarre (28) de la al menos una capa de filtro (1) y/o de la al menos una lámina de chapa (15) con la carcasa (27), de modo que con el calentamiento se generen uniones de soldadura de aporte en la al menos una zona de amarre (28).
19. Procedimiento según la reivindicación 17 ó 18, en el que se efectúa la formación de la al menos una zona de borde (3) con espesor de capa reducido (4) ejerciendo una fuerza de prensado (29) sobre la capa de filtro (1) en la al menos una zona de borde (3).
20. Procedimiento según una de las reivindicaciones 17 a 19, en el que se producen los medios de compensación conformando la al menos una zona de borde (3).
21. Procedimiento según una de las reivindicaciones 17 a 20, en el que se producen los medios de compensación disponiendo al menos una capa de compensación (23) entre una capa de filtro (1) y una lámina de chapa contigua (15).
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