ES2283250T3 - Motor de combustion interna con un dispositivo de suministro para un medio de combustion. - Google Patents
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Abstract
Motor de combustión interna (3) con un depósito de carburante (8) y un dispositivo de suministro (7) para un medio de combustión que se alimenta como carburante y aire a la al menos una cámara de combustión (4a) del motor de combustión interna (3) y que es expulsado de la cámara de combustión (4a) hacia un tubo de escape (2) unido con dicha cámara de combustión (4a), estando dispuesto en el tubo de escape (2) un sistema CRT recorrido por el gas de escape, el cual presenta, situados uno tras otro en la dirección de flujo (16) un catalizador de oxidación (17) y un filtro de partículas subsiguiente (18) para filtrar partículas contenidas en el gas de escape, saliendo del catalizador de oxidación (17) durante el funcionamiento un componente de óxido de nitrógeno que produce juntamente con el gas de escape en el filtro de partículas una cremación continua de las partículas contenidas en dicho filtro de partículas, caracterizado porque está previsto un dispositivo de alimentación (12) para un aditivo que reduce la temperatura de encendido de las partículas y que alimenta el aditivo al medio de combustión después de que el carburante haya salido del depósito de carburante (8) y antes de que el medio de combustión llegue al filtro de partículas (18), y porque se emplean como aditivo compuestos organometálicos de hierro, por ejemplo octoato de hierro, ferroceno y/o compuestos de cerio.
Description
Motor de combustión interna con un dispositivo
de suministro para un medio de combustión.
La invención se refiere a un motor de combustión
interna con un dispositivo de suministro para un medio de
combustión.
Además de contener otros contaminantes, los
gases de escape de un motor de combustión interna, especialmente un
motor de combustión interna diesel, contienen también principalmente
partículas que incorporan carbono, concretamente partículas de
hollín que se producen en cantidad acrecentada en caso de una
combustión incompleta. Para evitar que las partículas salgan del
tubo de escape juntamente con el gas de escape, se filtran y separan
éstas del gas de escape circulante por medio de un filtro de
partículas dispuesto en el tubo de escape y se acumulan en el
filtro de partículas. Esto es problemático, ya que los filtros de
partículas colmados perjudican el flujo de los gases de escape y
establecen una contrapresión que puede alterar considerablemente el
funcionamiento del tubo de escape y también del motor de combustión
interna y, en un caso extremo, puede ponerlos fuera de
funcionamiento.
Por este motivo, es necesario eliminar las
partículas del filtro de partículas, lo que en el estado de la
técnica se efectúa por medio de una regeneración espontánea o
continua de dicho filtro de partículas. En este caso, se queman y
se convierten las partículas.
En el caso de una regeneración espontánea, la
cual, especialmente al producirse un aumento de la temperatura,
puede ser provocada de forma automática o bien deliberadamente por
medio de un dispositivo de calentamiento o de encendido, se pueden
alcanzar temperaturas punta muy altas que pueden sobrecalentar el
filtro de partículas y también dañarlo permanentemente o
destruirlo.
Para evitar esto se ha desarrollado ya un
llamado sistema CRT en el que está montado delante del filtro de
partículas un catalizador de oxidación que genera un componente de
óxido de nitrógeno, haciéndose reaccionar continuamente las
partículas con NO_{2}. Se pueden evitar de este modo una
acumulación de partículas y, por tanto, también una regeneración
espontánea.
Además, se ha propuesto ya reducir la
temperatura de encendido de las partículas mediante la aportación de
un aditivo que puede ser entregado, por ejemplo, a la cámara de
combustión. Cuando se emplea un aditivo, se tiene que, debido a la
reducción de la temperatura de encendido de las partículas, se
inicia ya una regeneración espontánea de éstas a temperaturas más
bajas. Tanto el sistema CRT como la aditivación trabajan
insatisfactoriamente en condiciones de funcionamiento
desfavorables. Durante el funcionamiento de un motor de combustión
que se utilice especialmente como accionamiento de un vehículo no
se pueden evitar condiciones de funcionamiento insatisfactorias, y
esto constituye la regla en las actuales y difíciles condiciones del
tráfico, especialmente en el tráfico urbano. Por este motivo, en el
sistema CRT conocido y también en la aditivación conocida existe el
riesgo de que se obstruya el filtro de partículas y/o existe el
riesgo de que se produzca una cremación espontánea incontrolada que
sobrecaliente y dañe el filtro de partículas.
El documento EP 0 758 731 A1 describe un motor
de combustión interna con un depósito de carburante y un dispositivo
de suministro para un medio de combustión que se alimenta como
carburante y aire a la al menos una cámara de combustión del motor
de combustión interna y que se expulsa de la cámara de combustión
hacia un tubo de escape unido con la cámara de combustión, estando
dispuestos primeramente en el tubo de escape, situados uno tras
otro en la dirección de flujo, un catalizador de oxidación y un
filtro de partículas para filtrar partículas contenidas en el gas
de escape, de modo que el sistema de depuración de gas de escape
corresponde a un sistema CRT.
El documento WO 98/46867 A describe un
procedimiento para reducir la emisión de un motor de combustión
interna diesel, en el que el motor de combustión interna está
equipado con un filtro de partículas revestido de catalizador,
sirviendo el revestimiento de platino del filtro de partículas para
regenerar dicho filtro. Se alimenta al sistema de aspiración de
aire o al sistema de aportación de carburante un aditivo que produce
una reducción de la temperatura de combustión en el filtro de
partículas, es decir, de la temperatura de regeneración de dicho
filtro de partículas.
La invención se basa en el problema de
estabilizar la función de regeneración continua en un motor de
combustión interna de la presente clase.
Este problema se resuelve con las
características de la reivindicación 1. Ejecuciones preferidas de la
invención son objeto de las reivindicaciones subordinadas.
En el motor de combustión interna según la
invención tienen lugar, debido a la presencia del NO_{2} y del
aditivo, una combustión continua de las partículas y, por tanto, una
regeneración continua del filtro de partículas, concretamente en un
intervalo de temperaturas de combustión que es más bajo, en la
medida de la actividad del aditivo, que el intervalo de
temperaturas en el que se queman las partículas al faltar el
aditivo. La masa de partículas que se acumula cada vez no es
suficiente durante la cremación para generar temperaturas tan altas
que el filtro de partículas pudiera ser sobrecalentado y dañado. Por
tanto, el intervalo funcional se desplaza hacia temperaturas más
bajas y, por tanto, se aleja más del intervalo crítico de
temperaturas. Esto da como resultado una menor propensión a
perturbaciones y una mayor estabilidad funcional, puesto que
incluso en condiciones funcionales más desfavorables del motor de
combustión interna, tal como ocurre especialmente con números de
revoluciones y estados de carga cambiantes, tiene lugar una
cremación de las partículas en un rango de temperatura que está más
alejado del rango crítico de temperatura y, por tanto, es menos
propenso a perturbaciones y resulta más estable o puede someterse a
mayores cargas.
La invención se refiere a un procedimiento para
reducir constituyentes nocivos en el gas de escape de un motor de
combustión interna según las reivindicaciones 9 y 10, que conduce a
ventajas comparables.
En el marco de la invención, el aditivo puede
consistir en una o más sustancias activas y puede ser añadido al
medio de combustión en la zona antepuesta al filtro de partículas.
Tienen lugar un buen mezclado y una distribución uniforme del
aditivo en el medio de combustión cuando dicho aditivo se agrega al
carburante, especialmente en el conducto de alimentación, o bien se
introduce directamente en la cámara de combustión del motor de
combustión interna.
Se mejora y estabiliza aquí adicionalmente el
funcionamiento cuando la cantidad de alimentación del aditivo es
regulada en función de parámetros de funcionamiento del motor de
combustión interna, tal como, por ejemplo, en función de la
magnitud de la potencia entregada y/o de la temperatura de
funcionamiento.
Se explica seguidamente con más detalle un
ejemplo de realización preferido de la invención haciendo referencia
a un dibujo simplificado.
La figura 1 muestra una representación
esquemática del dispositivo según la invención.
El dibujo muestra una instalación de escape
designada en general con 1 que se extiende en forma de un tubo de
escape 2 desde un motor de combustión interna, especialmente un
motor de combustión interna diesel 3, en forma de un motor Otto con
varios cilindros, por ejemplo cuatro cilindros 4 que están
representados como cámaras de combustión 4a hasta las cuales se
extienden sendos conductos de alimentación 5a, 5b, 5c, 5d para el
aire comburente, los cuales se derivan de un conducto de
alimentación común 5 en el que está dispuesto un filtro de aire no
representado. Desde las cámaras de combustión 4a se extienden sendas
derivaciones 2a, 2b, 2c, 2d de un conducto de evacuación que
desembocan en el tubo de escape común 2 y que son partes de dicho
tubo de escape 2.
El motor de combustión interna 3 lleva asociado
un dispositivo de suministro 7 para un medio de combustión que está
constituido por una mezcla de carburante/aire y que sale del motor
de combustión interna 3 en forma de un gas de escape. En
particular, está previsto un depósito de carburante 8 que está unido
con las válvulas de inyección, no representadas, de los cilindros 4
por medio de un conducto 9 de alimentación de carburante y un
conducto 11 de retorno de carburante. El dispositivo de suministro 7
lleva asociada una bomba, no representada, que genera en el
carburante una presión de inyección necesaria para la inyección y
que puede producir también el transporte del carburante desde el
depósito de carburante 8 hasta las válvulas de inyección y el
retorno del carburante por el conducto de retorno 11 hasta el
depósito.
El dispositivo de suministro 7 lleva asociado un
dispositivo de alimentación 12 para un medio o aditivo que se
describe aún más abajo y al que se alimenta el medio de combustión
por medio de un dispositivo de dosificación adecuado en la zona del
dispositivo de suministro 7, pudiendo alimentarse el aditivo al
depósito de carburante 8 o a las cámaras de combustión 4a de los
cilindros 4 o por las vías dispuestas entre ellos. En la presente
ejecución el dispositivo de alimentación 12 presenta un recipiente
de reserva 13 para el aditivo, que está unido con el conducto de
alimentación 9 a través de un conducto de unión 14, estando previsto
el dispositivo de dosificación en el conducto de unión 14, por
ejemplo en forma de una bomba de dosificación 15. La cantidad de
aditivo que ajusta el dispositivo de dosificación en la fase de
funcionamiento puede ser constante o bien variable en función de
determinados parámetros de funcionamiento del motor de combustión
interna 3 y/o de su entorno, y especialmente esta cantidad puede
ser regulada en función de la respectiva magnitud de potencia del
motor de combustión interna 3. El dispositivo de dosificación está
configurado cada vez de manera correspondiente y puede estar unido,
a través de una línea de control no representada, con el dispositivo
de control o regulación electrónico existente y puede ser activado
de manera correspondiente por éste.
En la fase de funcionamiento, el gas de escape
expulsado del motor de combustión interna 3 circula en la dirección
de flujo 16 a través del tubo de escape 2. En el tubo de escape 2
están dispuestos uno tras otro un catalizador de oxidación 17 y un
filtro de partículas 18 de modo que el gas de escape llegue primero
al catalizador de oxidación 17, circule por éste y llegue después
al filtro de partículas 18 y circule por éste. El catalizador de
oxidación 17 y el filtro de partículas 18 están dispuestos en sendas
carcasas 17a, 18a cuyo tamaño de sección transversal asciende
preferiblemente a un múltiplo del tamaño de la sección transversal
de tramos 2e, 2f, 2g del tubo de escape dispuestos en particular
coaxialmente delante de la carcasa 17a, entre las carcasas 17a, 18a
y preferiblemente también después de la carcasa 18a.
El filtro de partículas 18 filtra partículas del
gas de escape y éstas se acumulan de la manera usual en el cuerpo
de filtro propiamente dicho, circulando el gas de escape por el
cuerpo del filtro. El catalizador de oxidación 17 trabaja con un
exceso de oxígeno que puede ser proporcionado por una relación
carburante/aire comburente ajustada en un valor
correspondientemente pobre o bien mediante una llamada alimentación
de aire secundario en la zona que llega hasta el catalizador de
oxidación 17.
En la situación de funcionamiento del motor de
combustión interna 3 o de la instalación de escape 1, el gas de
escape circula por el catalizador de oxidación 17, sirviendo el
exceso de oxígeno para oxidar CO y HC y saliendo del catalizador de
oxidación 17 en el gas de escape un componente de óxido de nitrógeno
tal como NO_{2}. El filtro de partículas 18 forma con el
catalizador de oxidación 17 antepuesto al mismo un llamado sistema
CRT (continuous regenerating trap = trampa de regeneración continua)
que contribuye a que las partículas consistentes principalmente en
carbono sean quemadas y convertidas en el filtro de partículas 18 de
una manera que se describirá todavía.
El aditivo alimentado con el dispositivo de
alimentación 12 consiste en un aditivo que reduce la temperatura de
encendido de las partículas. Son muy ventajosos para esto algunos
compuestos organometálicos, tales como, por ejemplo, octoato de
hierro, ferroceno o compuestos de cerio.
El funcionamiento del motor de combustión
interna 3 y de la instalación de escape 1 es el siguiente.
El motor de combustión interna 3 es hecho
funcionar de la manera antes descrita con una mezcla pobre de
carburante/aire o bien puede ser hecho funcionar, por ejemplo, en
condiciones sustancialmente estequiométricas cuando se introduzca
en el tubo de escape 2 aire secundario de un conducto de
alimentación no representado antes de que el gas de escape llegue
al catalizador de oxidación 17. Este último oxida NO a NO_{x} o
NO_{2}, que produce con el gas de escape enviado al filtro de
partículas 18 una cremación continua de las partículas contenidas en
el filtro de partículas 18, regenerándose este filtro de partículas
18. Debido a la eficacia adicional y combinatoria del medio o
aditivo reductor de la temperatura de encendido de las partículas,
la regeneración se inicia ya a temperaturas más bajas, con lo que
se reduce la temperatura media de regeneración, y la masa de
partículas que se acumula mientras tanto no es suficiente durante
la cremación para calentar el filtro de partículas 18 hasta una
temperatura dañina. Por tanto, se advierte que la regeneración
continua provocada por el sistema CRT y la disminución de la
temperatura de encendido de las partículas se complementan
ventajosamente y conducen, a temperaturas relativamente bajas, a
una regeneración continua, poco propensa a perturbaciones y estable
del filtro de partículas 18, siendo solicitados los materiales de la
instalación de escape 1 por temperaturas más bajas y
consiguiéndose, junto con una buena función de reducción de los
constituyentes nocivos del gas de escape, una larga vida
útil.
útil.
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
1 \+ Instalación de escape\cr 2 \+ Tubo de escape\cr 2a \+
Derivación del conducto de evacuación\cr 2b \+ Derivación del
conducto de evacuación\cr 2c \+ Derivación del conducto de
evacuación\cr 2d \+ Derivación del conducto de evacuación\cr 2e \+
Tramo del tubo de escape\cr 2f \+ Tramo del tubo de escape\cr 2g
\+ Tramo del tubo de escape\cr 3 \+ Motor de combustión interna
diesel\cr 4 \+ Cilindro\cr 4a \+ Cámara de combustión\cr 5 \+
Conducto de alimentación\cr 5a \+ Conducto de alimentación\cr 5b
\+ Conducto de alimentación\cr 5c \+ Conducto de alimentación\cr
5d \+ Conducto de alimentación\cr 6\+\cr 7 \+ Dispositivo de
suministro\cr 8 \+ Depósito de carburante\cr 9 \+ Conducto de
alimentación de carburante\cr 10 \+ 11 Conducto de retorno de
carburante\cr 12 \+ Dispositivo de alimentación\cr 13 \+
Recipiente de reserva\cr 14 \+ Conducto de unión\cr 15 \+ Bomba de
dosificación\cr 16 \+ Dirección de flujo\cr 17 \+ Catalizador de
oxidación\cr 17a \+ Carcasa\cr 18 \+ Filtro de partículas\cr 18a
\+
Carcasa\cr}
Claims (10)
1. Motor de combustión interna (3) con un
depósito de carburante (8) y un dispositivo de suministro (7) para
un medio de combustión que se alimenta como carburante y aire a la
al menos una cámara de combustión (4a) del motor de combustión
interna (3) y que es expulsado de la cámara de combustión (4a) hacia
un tubo de escape (2) unido con dicha cámara de combustión (4a),
estando dispuesto en el tubo de escape (2) un sistema CRT recorrido
por el gas de escape, el cual presenta, situados uno tras otro en la
dirección de flujo (16) un catalizador de oxidación (17) y un
filtro de partículas subsiguiente (18) para filtrar partículas
contenidas en el gas de escape, saliendo del catalizador de
oxidación (17) durante el funcionamiento un componente de óxido de
nitrógeno que produce juntamente con el gas de escape en el filtro
de partículas una cremación continua de las partículas contenidas
en dicho filtro de partículas, caracterizado porque está
previsto un dispositivo de alimentación (12) para un aditivo que
reduce la temperatura de encendido de las partículas y que alimenta
el aditivo al medio de combustión después de que el carburante haya
salido del depósito de carburante (8) y antes de que el medio de
combustión llegue al filtro de partículas (18), y porque se emplean
como aditivo compuestos organometálicos de hierro, por ejemplo
octoato de hierro, ferroceno y/o compuestos de cerio.
2. Motor de combustión interna según la
reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de
alimentación (12) introduce el aditivo en el carburante o en la
cámara de combustión (4a).
3. Motor de combustión interna según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un conducto
de alimentación (9) se extiende desde el depósito de carburante (8)
hasta la cámara de combustión (4a) y el dispositivo de alimentación
(12) para el aditivo está unido con el conducto de alimentación
(9).
4. Motor de combustión interna según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
dispositivo de alimentación (12) comprende un recipiente de reserva
(13) para el aditivo y un conducto unión (14) que está unido con el
dispositivo de suministro (7).
5. Motor de combustión interna según la
reivindicación 4, caracterizado porque el dispositivo de
alimentación (12) presenta un dispositivo de dosificación para el
aditivo, especialmente una bomba de dosificación (15).
6. Motor de combustión interna según la
reivindicación 5, caracterizado porque el dispositivo de
dosificación o la bomba de dosificación (15) está dispuesto en el
conducto de unión (14).
7. Motor de combustión interna según una de las
reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque el conducto de
unión (14) desemboca en el conducto de alimentación (9).
8. Motor de combustión interna según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho motor
de combustión interna está formado por un motor de combustión
interna diesel (3).
9. Procedimiento para reducir constituyentes
nocivos en el gas de escape de un motor de combustión interna (3)
con un dispositivo de suministro (7) para un medio de combustión que
se alimenta como carburante y aire a la al menos una cámara de
combustión (4a) del motor de combustión interna (3) y que es
expulsado de la cámara de combustión (4a) hacia un tubo de escape
(2) unido con dicha cámara de combustión (4a), en el que se filtran
partículas contenidas en el gas de escape con un filtro de
partículas (18) dispuesto en el tubo de escape (2) y se transforman
éstas al menos en parte y de manera sustancialmente continua con
NO_{2} contenido en el gas de escape, y en el que se genera el
óxido de nitrógeno o NO_{2} con un catalizador de oxidación (17)
antepuesto al filtro de partículas (18), caracterizado porque
se introduce en el medio de combustión, antes de que éste llegue
como gas de escape al filtro de partículas (18), un aditivo que
reduce la temperatura de encendido de las partículas, y se queman
las partículas en el filtro de partículas (18), y porque se emplean
como aditivo compuestos organometálicos de hierro, por ejemplo
octoato de hierro y/o ferroceno.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque se introduce el aditivo en el
carburante, especialmente en la zona de un conducto de alimentación
de carburante (9), o en la cámara de combustión (4a) del motor de
combustión interna (3).
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