ES2293386T3 - Estructura de filtracion, en particular, filtro de particulas para los gases de escape de un motor de combustion interna y organo de armazon destinado para tal estructura. - Google Patents
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Abstract
Estructura de filtración (11), en particular, filtro de partículas para los gases de escape de un motor de combustión interno, del tipo que incluye: - al menos un primer y segundo órganos de filtración (15A, 15B) que presentan respectivamente una primera y una segundas cara (24A, 24B), dispuestas en frente una de la otra; - una unión de conexión (17) de las dichas caras (24A, 24B), que se extienden entre dichas caras (24A, 24B), incluyendo esta unión (17) un aglutinante (41) y medios de armazón (43) incrustados en este aglutinante (41), caracterizada por que dichos medios de armazón (43) implican al menos un órgano de armazón perforado que tiene una coherencia autónoma e incluyendo al menos una parte activa (45) perforada e incrustada en el aglutinante, de forma general sensiblemente plana, (45) presentando la parte activa un comportamiento mecánico propio.
Description
Estructura de filtración, en particular, filtro
de partículas para los gases de escape de un motor de combustión
interna y órgano de armazón destinado para tal estructura.
La presente invención se refiere a una
estructura de filtración, en particular a un filtro de partículas
para los gases de escape de un motor con combustión interna según
el preámbulo de la reivindicación 1.
Tales estructuras, son utilizadas
particularmente en los dispositivos de descontaminación de los gases
de escape de motores de combustión interna. Estos dispositivos
implican un colector de escape que incluye un órgano de
purificación catalítico en serie y un filtro con partículas. El
órgano de purificación catalítico se adapta para el tratamiento de
las emisiones contaminantes en fase gaseosa, mientras que el filtro
de partículas se adapta para retener las partículas de hollín
emitidas por el motor.
En una estructura conocida del tipo antes citado
(véase por ejemplo EP - A - 0.816 065), los órganos de filtración
incluyen un conjunto de conductos adyacentes de ejes paralelos,
separados por paredes porosas de filtración. Estos conductos se
extienden entre una cara de admisión de los gases de escape que
deben filtrarse y una cara de evacuación de los gases de escape
filtrados. Estos conductos se sellan por una u otra de sus extremos
para delimitar cámaras de entrada que se abren sobre la cara de
admisión y cámaras de salida que se abren sobre la cara de
evacuación.
Esta estructura funciona según una sucesión de
fases de filtración y regeneración. En las fases de filtración, las
partículas de hollín emitidas por el motor se depositan sobre las
paredes de las cámaras de entrada. La pérdida de carga a través del
filtro aumenta progresivamente. Más allá de un valor predeterminado
de esta pérdida de carga, se efectúa una fase de regeneración.
En la fase de regeneración, las partículas de
hollín, compuestas esencialmente de carbono, se queman sobre las
paredes de las cámaras de entrada gracias a medios de calefacción
auxiliar, con el fin de devolver a la estructura sus propiedades
originales.
Sin embargo, la combustión de los hollines en el
filtro no se hace de manera homogénea (la combustión empieza antes
y en el centro del filtro luego se propaga). Por lo tanto,
gradientes de temperatura importantes aparecen en el filtro en las
fases de regeneración.
Los gradientes de temperatura en la estructura
de filtración generan dilataciones locales de amplitudes diferentes,
y por lo tanto, de las tensiones longitudinales y transversales en
y/o entre los distintos órganos de filtración.
Estas fuertes tensiones termomecánicas son la
causa de fisuras en los órganos de filtración y/o en las uniones de
conexión entre estos órganos de filtración.
Para limitar el riesgo de aparición de estas
fisuras, la solicitud de patente EP - A - 0.816.065 propone utilizar
uniones de conexión que incluyen una red tridimensional de fibras
de cerámica incrustadas en un cemento mineral. La cohesión de la
red de fibras y la conexión entre esta red y el cemento están
garantizadas por sustancias de encolado de fibras, una de las
cuales es mineral, y la otra es orgánica.
Las estructuras actuales no dan entera
satisfacción. En efecto, la aplicación de una unión tal entre los
órganos de filtración es poco práctica, en particular, debido a la
reología de la unión.
La invención tiene por objeto principal remediar
este inconveniente, es decir, proporcionar una estructura de
filtración porosa para filtro de partículas que incluye una unión de
conexión reforzada, fácil de aplicar.
A tal efecto, la invención tiene por objeto una
estructura de filtración según la reivindicación 1.
La estructura de filtración según la invención
puede implicar unas o más de las características que son objeto de
las reivindicaciones 2 a 10.
Ejemplos de aplicación de la invención van ahora
a describirse respecto a los dibujos anexos en los cuales:
- la Figura 1 es una vista en perspectiva de una
primera estructura de filtración según la invención;
- la Figura 2 es una vista parcial en
perspectiva desplegada de la estructura de filtración de la Figura
1;
- la Figura 3 es una vista en punta de la
estructura de filtración de la Figura 1;
y - la Figura 4 es una vista similar a la Figura
3, de una segunda estructura de filtración según la invención.
El filtro de partículas 11 representado en la
figura 1 está dispuesto en una línea 13 de escape de los gases de
un motor diesel de vehículo automóvil, representada
parcialmente.
Esta línea de escape 13 se prolonga mas allá de
las extremos del filtro de partículas 11 y delimita un paso de
circulación de los gases de escape.
El filtro de partículas 11 se extiende según una
dirección X-X' longitudinal de circulación de los
gases de escape. Incluye una pluralidad de bloques 15 de filtración
conectados entre ellos por uniones de conexión 17.
Cada bloque de filtración 15 está de forma
sensiblemente paralelepipédico rectángulo alargado que sigue la
dirección longitudinal X-X'.
El término "bloque de filtración" designa
más ampliamente un conjunto que implica una cara de entrada, una
cara de salida y al menos tres caras laterales (cuatro caras
laterales en el ejemplo representado) que conectan la cara de
entrada a la cara de salida.
Como se ilustra en la figura 2 dónde se han
representado dos bloques de filtración 15A y 15B superpuestos, cada
bloque de filtración 15 implica una estructura de filtración 19
porosa, una cara 21 de admisión de los gases de escape que deben
filtrarse, una cara 23 de evacuación de los gases de escape
filtrados, y cuatro caras laterales 24.
Se realiza la estructura de filtración porosa 19
en un material de filtración constituido de una estructura
monolítica, en particular, en cerámica (cordierita o carburo de
silicio).
Esta estructura 19 posee una porosidad
suficiente para permitir el paso de los gases de escape. Sin
embargo, tal como se conoce en sí, el diámetro de los poros se
escoge suficientemente pequeño para garantizar una retención de las
partículas de hollín.
La estructura porosa 19 implica un conjunto de
conductos adyacentes de ejes paralelos a la dirección longitudinal
X-X'. Estos conductos son separados por paredes 25
porosas de filtración. En el ejemplo ilustrado en la figura 2,
estas paredes 25 son de grosor constante y se extienden
longitudinalmente en la estructura de filtración 19, de la cara de
admisión 21 a la cara de evacuación 23.
Los conductos son repartidos en un primer grupo
de conductos de entrada 27 y uno segundo grupos de conductos de
salida 29. Los conductos de entrada 27 y los conductos de salida 29
están dispuestos cabeza-laya.
Los conductos de entrada 27 se sellan al nivel
de la cara de evacuación 23 del bloque de filtración 15 y están
abiertos en su otra extremo.
Al contrario, los conductos de salida 29 se
sellan en la cara de admisión 21 del bloque de filtración 15 y
desembocan según su cara de evacuación 23.
En el ejemplo ilustrado con respecto a la Figura
2, los conductos de entrada 27 y de salida 29 tienen secciones
constantes según toda su longitud.
Además las caras laterales 24A y 24B respecto a
los bloques de filtración 15A y 15B son planas.
Como se ilustra en la Figura 2, la unión de
conexión 17 está dispuesta entre las caras planas 24A y 24B respecto
a los bloques de filtración 15A y 15B. Esta unión de conexión 17
incluye una aglutinante 41 y medios de armazón 43, incrustados en
esta aglutinante 41.
El aglutinante 41 se realiza a base de cemento
de cerámica, generalmente constituido de sílice y/o de carburo de
silicio y/o de nitruro de aluminio. Después de la sinterización,
este cemento tiene un módulo de elasticidad de 500 a 5000 MPa.
Como se ilustra en la Figura 3, los medios de
armazón incluyen camisas 43 dispuestas alternativamente en torno a
un bloque de filtración 15 sobre dos, cuando se desplaza en paralelo
a un primer eje transversal Y-Y' de la estructura
de filtración 11 (horizontal en la figura 3). Por otra parte, las
camisas 43 están dispuestas alternativamente en torno a un bloque
de filtración 15A sobre dos, cuando se desplaza en paralelo a un
segundo eje transversal Z-Z' de la estructura 11
(vertical en la figura 3).
Así, cada bloque de filtración 15A rodeado por
una camisa 43 es adyacente a bloques de filtración 15B libres, es
decir, que no están rodeados por una camisa 43. Por otra parte, cada
bloque de filtración libre 15B está adyacente a bloques de
filtración 15A rodeados de camisas.
Cada camisa 43 incluye cuatro partes activas 45
de forma general sensiblemente plana, en donde cada una de la cual
se extiende sensiblemente sobre toda la superficie adyacente del
bloque 15A que corresponde.
Por "parte activa de forma general
sensiblemente plana", se entiende una parte 45 cuya dimensión,
tomada en paralelo a un eje transversal horizontal o vertical
Y-Y' o Z-Z' es inferior en al menos
dos veces a la dimensión de la parte 45 tomada en paralelo al otro
eje transversal vertical u horizontal y a la dimensión de la parte
45, tomada en paralelo a la dirección longitudinal
X-X' de la estructura de filtración 11.
Como se ilustra en la Figura 3, cada parte
activa 45 está dispuesta entre una cara 24A de un bloque 15A rodeado
por una camisa 43 y una cara 24B de un bloque libre 15B.
En lo referente a la Figura 2, cada parte activa
45 incluye una pluralidad de vigas 47 metálicas dispuestas en
paralelo a la dirección longitudinal X-X' de la
estructura. Por otra parte, la parte activa 45 incluye una
pluralidad de travesaños 49 metálicos que conectan dichas vigas 47.
Estos travesaños 49 están dispuestos en paralelo al eje transversal
Y-Y', perpendicular a la dirección longitudinal
X-X' de la estructura.
Así, las vigas 47 y los travesaños 49 delimitan
una pluralidad de luces 51. La parte activa 45 es así perforada, lo
que permite incrustarla en el cemento 41, y posee una coherencia o
un comportamiento mecánico propio o autónomo, en comparación con
una masa de fibras incrustadas en el cemento de manera
aleatoria.
En el ejemplo ilustrado a la Figura 2, las vigas
47 y los travesaños 49 están constituidos por troncos de diámetro
inferior a la distancia que separa dos troncos sucesivos, tomada en
paralelo a la dirección longitudinal X-X' de la
estructura o al eje transversal Y-Y'. Así pues, el
volumen de las luces 51 es superior al volumen total de las vigas 47
y de los travesaños 49.
Estas luces 51 definen así una estructura
periódica siguiendo la dirección longitudinal X-X' y
según el eje Y-Y'.
La orientación de las vigas 47 y de los
travesaños 49 refuerza las propiedades mecánicas de la unión 17 en
un plan paralelo a las caras 24A y 24B de los bloques de filtración
15A y 15B en frente.
Por otra parte, estando las vigas 47 y los
travesaños 49 realizados a base de un material metálico,
constituyen ejes privilegiados de propagación de los flujos
térmicos al seno de la unión 17. Permitiendo así distribuir el
calor liberado por la combustión de los hollines, de manera más
uniforme al seno de la unión 17 y reducir la formación de puntos
calientes en esta unión 17.
En el caso en el que las tensiones
termomecánicas son demasiado fuertes en la estructura 11, las
fisuras generadas en la unión 17 por la relajación de la estructura
11 se orientan a lo largo de las vigas 47 y de los travesaños
49.
Como se ilustra en la Figura 3, las partea
activas 45C Y 45 D en frente de las dos caras adyacentes 24C y 24D
de cada bloque 15 rodeado por una camisa 43 están conectadas entre
ellas. Esta disposición particular mejora también la cohesión de la
unión 17 entre dos caras 24C y 24E en frente, según una dirección
ortogonal al plano definido por la parte activa 45C dispuesta
entre estas dos caras 24C y 24E.
El funcionamiento de la primera estructura de
filtración según la invención va ahora a describirse.
En una fase de filtración (Figura 1), los gases
de escape cargados de partículas son guiadas hasta las caras de
entrada 21 de los bloques de filtración 15 por la línea de escape
13. Penetrando a continuación en los conductos de entrada 27, y
pasando a través de las paredes 25 de la estructura porosa 19
(Figura 2). Durante este paso, los hollines se depositan sobre las
paredes 25 de los conductos de entrada 27. Estos hollines se
depositan preferencialmente en el centro del filtro con partículas
11 y hacia la cara de evacuación 23 de los bloques de filtración 15
(a la derecha en el dibujo).
Los gases de escape filtrados se expulsan por
los conductos de evacuación 29 y son guiados hacia la salida del
colector de escape.
Cuando el vehículo recorre 500 km
aproximadamente, la pérdida de carga a través del filtro 11 aumenta
significativamente. Se efectúa entonces una fase de
regeneración.
En esta fase, los hollines son oxidados por la
subida de la temperatura del filtro 11. Esta oxidación es
exotérmica. La propagación de la regeneración así como la
distribución no homogénea de los hollines en el filtro 11 causan un
gradiente de temperatura entre las zonas de fuerte acumulación de
los hollines y las zonas de escasa acumulación de los hollines.
Por otra parte, los bloques de filtración 15 y
las uniones 17 se dilatan bajo el efecto de la temperatura. La
amplitud local de esta dilatación depende de la temperatura.
Estas variaciones de amplitud de dilatación,
bajo el efecto de los gradientes de temperatura, generan fuertes
tensiones termomecánicas.
Como se preciso anteriormente, las camisas 43
garantizan la cohesión de la unión 17 cuando se somete a estas
fuertes tensiones.
Cuando las tensiones termomecánicas sean
demasiado fuertes en la estructura, las fisuras generadas en la
unión 17 por la relajación de la estructura 11 se orientan a lo
largo de las vigas 47 y de los travesaños 49 de las camisas
43.
43.
Por otra parte, la amplitud de los gradientes de
temperatura es disminuida por una mejor difusión de los flujos
térmicos a través de las camisas 43.
En la alternativa ilustrada respecto a la Figura
4, la estructura incluye células 61 que implican cuatro bloques de
filtración 15 adyacentes.
En el seno de una célula, cada bloque de
filtración 15C incluye dos caras adyacentes 24 en frente
respectivamente de dos caras de otros dos bloques de filtración
15D, 15E de la célula 61.
Cada célula 61 incluye por otro lado un órgano
de armazón 43 común para los cuatro bloques de filtración 15.
Como se ilustra en la Figura 4, el órgano de
armazón 43 de cada célula tiene una forma sinuosa e incluye una
pluralidad de partes activas sucesivas 45 de forma sensiblemente
plana conectadas entre ellas en serie. Así pues, se conecta cada
parte activa 45 a lo sumo a otras dos partes activas 45 del órgano
de armazón 43.
Por otra parte, las partes activas 45 conectadas
entre ellas, se extienden en planes ortogonales.
Por lo tanto, al seno de cada célula 61, el
órgano de armazón 43 incluye al menos dos partes activas 45 en
frente respectivamente de dos caras adyacentes 24 de cada bloque de
filtración 15.
La cohesión al seno de una célula de filtración
61 se refuerza entonces en paralelo a la dirección longitudinal
X-X' de la estructura 11, en paralelo al eje
horizontal Y-Y' y en paralelo al eje vertical
Z-Z' de esta estructura 11.
Por otra parte, la estructura de filtración 11
incluye una pluralidad de células 61. Como se ilustra en la Figura
4, para cada par de células adyacentes, al menos una parte activa
45A del órgano de armazón 43A de una primera célula 61A está
dispuesta en frente de una cara 24B de un bloque de filtración 15B
de una segunda célula 61 B adyacente, con el fin de garantizar la
cohesión mecánica entre las diferentes células 61.
De forma alternativa, las vigas 47 y los
travesaños 49 pueden tener otras orientaciones, por ejemplo a 45º
de los ejes X-X' y Y-Y' o a 30º de
uno de estos ejes.
De forma alternativa igualmente, el órgano de
armazón incluye partes activas formadas con ayuda de una tela
tejida. La tela tejida se realiza a base de fibras, por ejemplo
orgánicas, que se deterioran a temperaturas superiores a 150ºC.
Este órgano de armazón desaparece por
combustión, sea en la elaboración de la estructura de filtración, o
en un calentamiento local al seno de la unión. No obstante, los
pasos creados en el espacio previamente ocupado por las fibras
orgánicas del órgano de armazón favorecen la relajación de las
tensiones en la unión de filtración, y cuando las tensiones
termomecánicas sean demasiado fuertes, que garanticen la propagación
de fisuras a lo largo de estos pasos.
En otra alternativa, las partes activas del
órgano de armazón incluyen placas perforadas o chapas onduladas
perforadas con el fin de disminuir la amplitud de los gradientes
térmicos en la estructura.
Gracias a la invención que acaba describirse, es
posible disponer de una estructura de filtración que puede aguantar
una multitud de fases de regeneración preservando al mismo tiempo su
cohesión mecánica y su estanqueidad con relación a los
hollines.
En esta estructura, el relajamiento de las
tensiones termomecánicas y la formación de eventuales fisuras en la
unión se orientan según direcciones privilegiadas.
Esta estructura garantiza por otro lado una
mejor distribución de las temperaturas al seno de la unión, cuando
el órgano de armazón se realiza a base de un material metálico.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante tiene por objeto solamente ayudar al lector y no forma
parte del documento de patente europeo. Aunque el mayor cuidado se
concedió a su concepción, no pueden excluirse errores u omisiones y
OEP declina toda responsabilidad a este respecto.
\bullet EP 0816065 A [0003] [0009]
Claims (10)
1. Estructura de filtración (11), en particular,
filtro de partículas para los gases de escape de un motor de
combustión interno, del tipo que incluye:
- al menos un primer y segundo órganos de
filtración (15A, 15B) que presentan respectivamente una primera y
una segundas cara (24A, 24B), dispuestas en frente una de la
otra;
- una unión de conexión (17) de las dichas caras
(24A, 24B), que se extienden entre dichas caras (24A, 24B),
incluyendo esta unión (17) un aglutinante (41) y medios de armazón
(43) incrustados en este aglutinante (41),
caracterizada porque dichos medios de
armazón (43) implican al menos un órgano de armazón perforado que
tiene una coherencia autónoma e incluyendo al menos una parte
activa (45) perforada e incrustada en el aglutinante, de forma
general sensiblemente plana, (45) presentando la parte activa un
comportamiento mecánico propio.
2. Estructura (11) según la reivindicación 1,
caracterizada porque la dicha parte activa (45) incluye una
pluralidad de vigas (47) dispuestas sensiblemente en paralelo a una
primera dirección (X-X').
3. Estructura (11) según la reivindicación 2,
caracterizada porque dicha parte activa (45) incluye una
pluralidad de travesaños (49) que conectan las dichas vigas (47) y
dispuestas sensiblemente en paralelo a una segunda dirección
(Y-Y'), distinta de la primera dirección
(X-X').
4. Estructura (11) según la reivindicación 3,
caracterizada porque el volumen total de las luces (51)
delimitadas por las dichas vigas (47) y por los dichos travesaños
(49) es superior al volumen total de las dichas vigas (47) y de
dichos travesaños (49).
5. Estructura (11) según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el órgano
del armazón (43) se realiza a base de un material metálico.
6. Estructura (11) según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el órgano de
armazón (43) se realiza a base de un material que se deteriora a
temperaturas superiores a 150ºC.
7. Estructura (11) según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el órgano
de armazón (43) incluye una parte activa (45C, 45D) respecto a dos
caras adyacentes (24C, 24D) del órgano de filtración (24C, 24D),
estando las dichas partes activas unidas entre sí (45C, 45D).
8. Estructura (11) según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque incluye al
menos una célula (61) que implica cuatro órganos de filtración (15),
y un órgano de armazón (43) común, de forma sinuosa, para los
dichos órganos de filtración (15), el órgano de armazón común
(43)comprende al menos tres partes activas sucesivas (45)
dispuestas respecto a caras adyacentes (24) de los órganos de
filtración (15) de la célula (61).
9. Estructura (11) según la reivindicación 8,
caracterizada porque incluye al menos primera y segunda
células (61A, 61 B), al menos una parte activa (45A) del órgano de
armazón (43A) de la primera célula (61A) estando dispuesta en
frente de una cara (24B) de un órgano de filtración (15B) de la
segunda célula (61B).
10. Estructura (11) según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la o cada
parte activa se forma con ayuda de una tela tejida, de una chapa
ondulada perforada o de una placa perforada.
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