ES2299800T3

ES2299800T3 - Aparato para filtrar y quemar materia en forma de particulas.

Info

Publication number: ES2299800T3
Application number: ES04251459T
Authority: ES
Inventors: Tetsuro Toyoda; Katsunori Matsuoka
Original assignee: Clean Diesel Technologies Inc
Current assignee: Clean Diesel Technologies Inc
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2008-06-01
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: AU2004202977B2; KR100595407B1; PL1544426T3; JP2005180262A; DE602004011176D1; ATE383501T1; US7473288B2; US20050132674A1; EP1544426A1; DE602004011176T2; DK1544426T3; AU2004202977A1; EP1544426B1; KR20050062317A; CN1629458A; CN101532413B; ZA200403230B; CN101532413A; CN100445520C

Abstract

Un aparato (10) de reducción de materia en partículas, destinado a quemar y reducir materia en partículas (PM) contenida en el gas de escape (1) de un motor diesel (9) al tiempo que se recoge la materia en partículas (PM) en dos o más filtros (11), en el cual cada filtro (11) está compuesto de una estructura de malla de alambre, está conformado con una forma de columna corta provista de un orificio pasante central (12), y está alojado coaxialmente en una carcasa o caja cilíndrica exterior (4), conectada a un tubo de escape (2) para el gas de escape (1), de tal manera que el aparato comprende adicionalmente: un par de placas de pantalla o barrera, frontal y trasera (17, 18), dispuestas de manera que retienen los filtros (11), de tal modo que una sección circunferencial externa de una de las placas de barrera (17) tiene en ella uno o más orificios (15) para el aire, que desembocan en un espacio de separación (14) situado entre la superficie circunferencial externa (13) de cada filtro (11) y la caja cilíndrica exterior (4), de manera que los orificios centrales (12) de cada uno de los filtros (11) están alineados unos con otros y dispuestos de tal modo que el gas de escape (1) fluye, durante el uso, entre la superficie circunferencial externa y una interna (13, 19) de los mismos, y de tal forma que una sección central de la otra placa de barrera (18) tiene un orificio (16) para el aire, de tal modo que dicho orificio (16) para el aire desemboca en el orificio pasante central (12) de cada filtro (11), caracterizado por que la estructura de malla de alambre tiene una densidad de llenado de entre el 10% y el 40%, de tal manera que la tasa o proporción de recogida de la materia en partículas (PM) se ajusta en una proporción del 50% o menos.

Description

Aparato para filtrar y quemar materia en forma de partículas.

La presente invención se refiere a un aparato para reducir la materia en partículas. Más particularmente, la presente invención se refiere a un aparato para la reducción de materia en partículas, que puede recoger, quemar y reducir la materia en partículas contenida en un gas de escape de un motor diesel. Por ejemplo, la presente invención se refiere a un aparato de reducción que puede ser montado adicionalmente, de forma ulterior, en un coche ya existente que está siendo utilizado.

Descripción de la técnica

Un gas de escape de un motor diesel contiene CO, HC, NO_{x}, materia en partículas y similares. Si se descargan directamente a la atmósfera, éstos son nocivos para el cuerpo humano y para el medio ambiente. Es, por tanto, un tema importante reducir estas sustancias nocivas.

La presente invención se refiere, por lo tanto, a un aparato de reducción de materia en partículas, destinado a reducir la materia en partículas entre estas sustancias nocivas.

La Figura 5 es una vista en corte transversal explicativa de un aparato convencional de reducción de materia en partículas, y similar, de este tipo. Un purificador 3 de gas de escape está conectado a un tubo de escape 2 de gas de escape 1 que es descargado desde un motor diesel. El purificador 3 de gas de escape está provisto de un purificador 5 y un aparato 6 de reducción de materia en partículas, dentro de una carcasa o caja cilíndrica exterior 4, en este orden.

El purificador 5, situado en el lado de aguas arriba, está compuesto de un núcleo de panal de abejas, del cual la pared de cada celda está revestida de un catalizador de oxidación 7. El purificador 5 quema y reduce el CO y el HC contenidos en el gas de escape 1 mediante oxidación, y oxida el NO para dar NO_{2}. El aparato 6 de reducción de materia en partículas, situado en el lado de aguas abajo, quema y reduce la materia en partículas contenida en el gas de escape 1 por oxidación.

Como es bien conocido, el motor diesel se encuentra en un estado subalimentado en la mezcla y con aire en exceso, es decir, en un estado de exceso de oxígeno en la relación entre aire y combustible, en comparación con un motor de gasolina, en el que el NO del gas de escape no puede apenas ser desoxidado. Además, el NO y la materia en partículas del gas de escape 1 se encuentran en una relación de compromiso en la que, cuanto más alta es la temperatura de quemado del motor diesel, más alta es la cantidad del primero y más baja es la de la segunda.

Como aparato 6 de reducción de materia en partículas para el quemado y la reducción de la materia en partículas del gas de escape 1 del motor diesel, existe un aparato de un tipo en el que se utiliza un catalizador de oxidación. Sin embargo, se utiliza ampliamente un tipo de alto rendimiento que se sirve de un filtro 8, tal como se muestra en la Figura 5.

Se hace referencia también al aparato 6 de reducción de materia en partículas que utiliza este filtro 8, como un filtro de partículas diesel (que se denomina, en lo que sigue, "DPF" -"diesel particulate filter"). En el aparato 6 de reducción de materia en partículas, la materia en partículas se recoge, primeramente, en un filtro 8, para quemarse a continuación y reducirse. Mediante el quemado y la eliminación de la materia en partículas, el filtro 8 puede ser regenerado.

Como aparato 6 de reducción de materia en partículas de semejante tipo de DPF, se han desarrollado y utilizado diversos tipos de filtros porosos 8 de alta densidad.

Es típico desde un punto de vista estructural albergar coaxialmente un filtro 8 de un tipo de flujo en pared, dentro de una carcasa o caja cilíndrica exterior 4, con el mismo diámetro y la misma área en sección transversal que la caja exterior 4. Este filtro 8 está provisto de un gran número de orificios para el aire, divididos por muchas paredes delgadas según la dirección del flujo, y de manera que la entrada y la salida de cada orificio para el aire están obturadas de forma alternativa. Cuando el gas de escape 1 introducido en cada orificio para el aire pasa a través de los numerosos poros de la pared delgada, la materia en partículas contenida en el gas de escape 1 se recoge, en primer lugar, en los poros de la pared delgada, para ser reducida a continuación por quemado.

La materia en partículas presenta aproximadamente un tamaño de varias \mum en un estado primario de las partículas, pero éstas se interconectan o unen habitualmente entre sí en un estado secundario de las partículas con un tamaño aproximado de varios cientos de \mum. Puesto que el diámetro de los numerosos poros de la pared delgada del filtro 8 es pequeño, con un tamaño de entre aproximadamente 10 \mum y 100 \mum, casi la totalidad de la materia en partículas se ha recogido.

Como material para dicha pared delgada de un filtro 8 del tipo de flujo en pared, se utilizan habitualmente la cordierita (que se elabora endureciendo Al_{2}O_{3} y S_{2}O_{3} por medio de un agente de ligadura), el SiC o diversas otras cerámicas.

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Ha de apreciarse que se han desarrollado y utilizado también los aparatos 6 de reducción de materia en partículas de otros diversos de tipos de DPF. Por ejemplo, se ha desarrollado o utilizado un aparato 6 de reducción de materia en partículas en el que el NO contenido en el gas de escape 1 es oxidado a NO_{2} por medio de un catalizador de oxidación 7, y el NO_{2} obtenido promueve el quemado de la materia en partículas recogida en el filtro 8.

Como filtro 8, se dispone de un filtro de un tipo de flujo en pared, hecho de cerámica, de un filtro hecho de cerámica esponjada, de un filtro hecho de fibra de cerámica, de un filtro de una estructura de malla de alambre, o similar. Dicho filtro se ha dispuesto alojado coaxialmente en una caja cilíndrica exterior 4, con el mismo diámetro y la misma área en sección transversal que la caja exterior 4.

En los siguientes documentos de Patente 1 y 2 se describe un aparato convencional 6 de reducción de materia en partículas, del tipo de flujo en pared:

[Documento de Patente 1] Memoria de la Patente norteamericana Nº 4.329.162;

[Documento de Patente 2] Memoria de la Patente Europea Nº 31348.

Sin embargo, se han destacado los siguientes problemas concernientes a dicho aparato convencional 6 de reducción de materia en partículas.

Primer problema

En primer lugar, los aparatos convencionales 6 de reducción de materia en partículas, de un tipo de DPF, han venido adoptando diferentes métodos para recoger una gran cantidad de materia en partículas en el filtro 8, respectivamente.

Tal y como se ha descrito anteriormente, el filtro 8 de tipo de flujo en pared típicamente utilizado, consiste en un método por el que se ha venido recogiendo casi toda la materia en partículas, y en el que la tasa o proporción de recogida era del 90% o más. Incluso los otros filtros 8 han adoptado métodos de una alta proporción de recogida en los que la proporción de recogida es del 50% o más.

Con el uso de dicho filtro 8, se han venido señalando los siguientes problemas. Puesto que se han venido recogiendo en el filtro 8 materias en partículas en más de la cantidad o límite permisible, el filtro 8 queda fácilmente obstruido o colmatado con la materia en partículas recogida. Para su regeneración, el filtro 8 ha de ser limpiado con una frecuencia extremadamente alta. En particular, la obstrucción se ha producido intensamente y de forma preponderante en las inmediaciones de una sección superficial de toma o admisión del lado de aguas arriba del filtro 8.

Por otra parte, se han señalado problemas por cuanto que el filtro 8 ha de ser limpiado, por ejemplo, una vez al día, la limpieza lleva mucho tiempo y es embarazosa, y la regeneración del filtro 8 no resulta sencilla.

Para la regeneración de dicho filtro 8, se han desarrollado y utilizado, a fin de quemar y eliminar la materia en partículas que se recoge en grandes cantidades, un método para incorporar un calentador eléctrico en el interior del filtro 8, un método para sacar el filtro 8 y llevarlo al interior de un horno de calentamiento, y un método para regenerar de forma alterna el calentador 8 ó similar. Sin embargo, existía una desventaja por cuanto que estos métodos tienen un elevado coste de equipamiento y los costes de funcionamiento se hacen altos.

Segundo problema

En segundo lugar, en el aparato convencional de reducción de materia en partículas, de un tipo de DPF, existe un filtro poroso 8 de alta densidad, alojado axialmente en la caja cilíndrica exterior, con el mismo diámetro y la misma área en sección transversal que la caja exterior. En este caso, las áreas de las superficies de admisión y de escape del filtro 8 son pequeñas. Por ejemplo, las superficies de aspiración y de escape tienen la misma área que la sección transversal de la caja cilíndrica exterior 4. Durante el uso, el filtro convencional 8 presenta, estructuralmente, una alta resistencia al flujo del gas de escape 1. Así pues, se genera una resistencia mayor por rozamiento y similar, y existe una gran pérdida de presión o de carga en el gas de escape 1.

Además, según se ha descrito anteriormente, el filtro convencional 8 ha mostrado una alta proporción de recogida, de, por ejemplo, el 90% o más, y, al menos, del 50% o más. Así pues, la resistencia al flujo del gas de escape 1 se hace incluso mayor debido a la materia en partículas recogida. En particular, la resistencia y la pérdida de presión se han venido haciendo más grades a medida que la recogida avanza hasta aproximarse a las condiciones de obstrucción. Esto se hace intensa y preponderantemente acusado en las proximidades de la sección de superficie de admisión situada en el lado de aguas arriba del filtro 8.

Ya se ha señalado que la presión de retroceso del gas de escape 1 dentro de un tubo de escape 2, en el lado de aguas arriba del filtro 8, crece de acuerdo con la generación de la resistencia y de la pérdida de presión en dicho filtro 8, y el incremento de la presión de retroceso tiene una influencia perniciosa en un motor dispuesto adicionalmente aguas arriba. Es decir, se ha señalado que el incremento de la presión de retroceso impone una carga excesiva en el motor, lo que incrementa excesivamente el par motor, empeorando con ello el consumo de combustible e incrementando la proporción de incidencia y el contenido en porcentaje de la materia en partículas en el gas de escape 1.

Tercer problema

En tercer lugar, el filtro 8 del aparato convencional 6 de reducción de materia en partículas, de un tipo de DPF, ha mostrado una alta proporción de recogida, según se ha descrito anteriormente.

Ya se ha señalado que la temperatura del filtro 8 sube repentinamente debido a que la materia en partículas recogida y retenida en el filtro 8 en grandes cantidades, se prende y arde de una sola vez, de manera que el filtro 8 está en peligro de fundirse por la alta temperatura o resultar dañado por el calor. En el caso del filtro 8 hecho de cordierita que se ha descrito anteriormente, el agente de ligadura se funde y desaparece con facilidad. Por otra parte, dicho problema se produce de forma intensiva y preponderante en las proximidades de la sección de superficie de succión situada en el lado de aguas arriba del filtro 8.

De esta manera, durante el uso, el filtro 8 se funde fácilmente o resulta dañado por el calor. En ocasiones, el filtro 8 queda inutilizable, por ejemplo, en aproximadamente una semana. Así pues, ya se ha señalado que es difícil utilizar de forma regenerativa el filtro 8; el filtro 8 tiene un problema de durabilidad, su vida es corta y es difícil soportar el coste.

Se desarrolló un aparato de reducción de materia en partículas de acuerdo con la presente invención con el fin de resolver los anteriores problemas de los ejemplos convencionales, a la vista de dichas condiciones actuales, y que se caracteriza porque se han adoptado uno o más filtros en combinación con cada uno de lo que sigue:

a saber, una estructura de malla de alambre; una forma de columna corta con un orificio pasante central; una disposición coaxial situada dentro de una carcasa o caja cilíndrica exterior; un par de placas de pantalla o barrera, con uno o más orificios para el aire; el diámetro y la densidad de llenado con un alambre; una baja proporción de recogida; un alambre cuyo componente principal es el Fe; un catalizador de oxidación; un catalizador portado o arrastrado por el combustible, etc.

El documento DE-A-2944841 describe un convertidor catalítico de gas residual para motores de combustión interna que tiene una matriz portadora de catalizador hecha de una pantalla de acero y un soporte de alojamiento. Las matrices de acero están arrolladas espiralmente y crean guías de flujo para diversas posibilidades de flujo a su través del gas residual.

El documento EP 1087113 A describe un filtro de partículas conformado con una forma de columna y que tiene un orificio pasante central, de manera que el filtro comprende también unas placas de barrera frontal y trasera, de tal modo que la placa frontal tiene un orificio alienado con el orificio pasante del filtro. La estructura del filtro puede tener una densidad de llenado predeterminada tal, que la proporción de recogida de la materia en partículas se ajusta en una proporción deseada.

Es, por tanto, un propósito de la presente invención proporcionar un aparato de reducción de materia en partículas mejorado en el cual, en primer lugar, un filtro apenas se obstruya o colmate y pueda eludirse el problema de la limpieza; en segundo lugar, pueda controlarse el incremento de la presión de retroceso con el fin de evitar una influencia perniciosa en un motor diesel; en tercer lugar, el filtro no se encuentre en peligro de fundirse o de resultar dañado por el calor; en cuarto lugar, estas condiciones puedan llevarse a la práctica fácilmente; y, en quinto lugar, pueda conseguirse una alta reducción y proporción de purificación.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un aparato de reducción de materia en partículas, destinado a quemar y reducir la materia en partículas (PM -"particulate matter") contenida en el gas de escape de un motor diesel, al tiempo que se recoge la materia en partículas (PM) en dos o más filtros, de tal manera que cada filtro está compuesto de una estructura de malla de alambre, está conformado en forma de una columna corta provista de un orificio pasante central, y está alojado coaxialmente en una carcasa o caja cilíndrica exterior, conectada a un tubo de escape para el gas de escape, de tal manera que el aparato comprende adicionalmente:

: un par de placas de pantalla o barrera, frontal y trasera, dispuestas de manera que retienen los filtros, de tal modo que una sección circunferencial exterior de una de las placas de barrera tiene en ella uno o más orificios para el aire, que desembocan en un espacio de separación situado entre la superficie circunferencial externa de cada filtro y la caja cilíndrica exterior,

de manera que los orificios centrales de cada uno de los filtros están alineados unos con otros y dispuestos de tal manera que el gas de escape fluye, durante el uso, entre la superficie circunferencial externa y una interna de los mismos, y

de tal forma que una sección central de la otra placa de barrera tiene un orificio para el aire, de tal modo que dicho orificio para el aire desemboca en el orificio pasante central de cada filtro,

caracterizado porque la estructura de malla de alambre tiene una densidad de llenado de entre el 10% y el 40%, de tal manera que la proporción de recogida de la materia en partículas (PM) se ajusta en una proporción o tasa del 50% o menos.

Cada filtro se proporciona de tal manera que el diámetro del alambre se encuentra entre 0,2 mm y 0,8 mm, la densidad de llenado de alambre es entre el 10% y el 40%, y la proporción de recogida de la materia en partículas se ajusta entre el 20% y el 50% del total mediante la selección del número de superposiciones (estratificaciones) en correspondencia con la cantidad de gas de escape.

Reivindicación 3

En el aparato de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 2, cada filtro se proporciona de tal manera que el diámetro del orificio pasante central es cercano o mayor que el del tubo de escape, y más pequeño que la mitad del diámetro exterior del filtro.

Reivindicación 4

Se proporciona el aparato de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual se ha proporcionado, en el lado de aguas arriba, una de las placas de barrera, en tanto que la otra placa de barrera se ha proporcionado en el lado de aguas abajo.

La superficie circunferencial externa del filtro sirve como superficie de toma o admisión para el gas de escape, y la superficie circunferencial interna sirve como superficie de escape para el gas de escape, de tal manera que el gas de escape es dispersado para que fluya a través del filtro, desde el exterior hacia el interior del mismo, por lo que la materia en partículas se recoge uniformemente en cada filtro.

Reivindicación 5

Se proporciona el aparato de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual una de las placas de barrera se ha proporcionado en el lado de aguas abajo, en tanto que la otra placa de barrera se ha proporcionado en el lado de aguas arriba.

La superficie circunferencial interna del filtro sirve como superficie de admisión para el gas de escape, y la superficie circunferencial exterior del mismo sirve como superficie de escape para el gas de escape, de tal modo que el gas de escape es dispersado para que fluya a través de cada filtro desde el interior hacia el exterior del mismo, con lo que la materia en partículas es recogida uniformemente en cada filtro.

Reivindicación 6

En el aparato de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 1, cada filtro está hecho de un alambre cuyo componente principal es Fe y que favorece el quemado de la materia en partículas recogida, al utilizar la función del Fe como catalizador de oxidación.

Reivindicación 7

En el aparato de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 6, se proporciona cada filtro de tal manera que su superficie de alambre está revestida con un catalizador de oxidación de un metal precioso, por medio de un revestimiento de acabado. El catalizador de oxidación incrementa el área superficial de cada filtro con el fin de favorecer la recogida de la materia en partículas en cada filtro, y de favorecer el quemado de la materia en partículas recogida en el filtro.

Reivindicación 8

Se proporciona el aparato de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 6, en el cual puede suministrase a un depósito de combustible del motor diesel un catalizador portado o arrastrado por el combustible, seleccionado de entre, o combinado con, el PT, el Ce, el Fe y similar. El catalizador portado por el combustible favorece entonces el quemado de la materia en partículas recogida en cada filtro.

Funcionamiento

Se describirá en lo que sigue el funcionamiento del aparato de reducción de materia en partículas de acuerdo con la presente invención.

(1) Un gas de escape procedente de un motor diesel pasa a través de un filtro de una estructura de malla de alambre.

(2) Se ha formado un filtro con una forma de columna corta con un orificio pasante central, y, en muchos casos, se han superpuesto axialmente una pluralidad de filtros (para estratificación). El filtro está confeccionado de un alambre cuyo componente principal es el Fe, y el alambre está revestido con un catalizador de oxidación. El diámetro del orificio pasante central es cercano al de un tubo de escape o más grande que éste. La proporción de recogida de materia en partículas se ajusta entre el 20% y el 50% del total mediante una selección en combinación del diámetro y de la densidad de llenado de alambre, y por medio de la selección del número de superposiciones de filtros (estratificaciones).

Dicho filtro está alojado coaxialmente en una carcasa o caja cilíndrica exterior y es retenido por un par de placas de pantalla o barrera, frontal y trasera.

(3) En un primer ejemplo, el gas de escape fluye desde uno o más orificios para aire de una sección circunferencial exterior de una de las placas de barrera, hacia cada filtro, a través de un espacio de separación en el que la superficie circunferencial externa de del filtro sirve como superficie de toma o admisión y la superficie circunferencial interna del mismo sirve como superficie de escape. A continuación, el gas de escape fluye aguas abajo desde un orificio para aire de la sección central de la otra placa de barrera, a través de cada orificio pasante central.

En un segundo ejemplo, el gas de escape fluye desde un orificio para aire de la sección central de la otra placa de barrera, a través de cada orificio pasante central, hacia cada filtro, de tal manera que la superficie circunferencial interna del filtro sirve como superficie de admisión y la superficie circunferencial externa del mismo sirve como superficie de escape. A continuación, el gas de escape fluye aguas abajo desde uno o más orificios para aire pertenecientes a la sección circunferencial exterior de una de las placas de barrera, a través del espacio vacío.

(4) La materia en partículas contenida en el gas de escape se quema mientras es recogida en cada filtro, por lo que el filtro es regenerado.

(5) El aparato de reducción de materia en partículas de la presente invención tiene ventajas operativas según se describe más adelante (con referencia a los primer a quinto puntos). En primer lugar, (a) el filtro se ajusta de manera que tenga una baja proporción de recogida, y (b) el filtro se regenera una vez que la materia en partículas es quemada y eliminada al tiempo que es recogida en el filtro. Por otra parte, la quema continua de la materia en partículas es posible gracias al alambre, cuya componente principal es el Fe, el cual funciona como catalizador de oxidación, a un catalizador de oxidación con el que está revestido el alambre, o a un catalizador portado por el combustible, y similar. Es posible, de esta forma, la regeneración continua del filtro.

(c) El gas de escape es dispersado y la materia en partículas se recoge uniformemente en el filtro debido a que las superficies de admisión y de escape del filtro están formadas en un área grande a lo largo del flujo del gas.

Con estos puntos (a), (b) y (c), el filtro apenas llega a alcanzar una cantidad permisible y un límite de recogida. Como resultado de ello, difícilmente se produce la obstrucción y la frecuencia de limpieza del filtro se hace
baja.

(6) En segundo lugar, (a) este filtro se proporciona de tal manera que la densidad de llenado de alambre es del 40% o menos, y se alcanza una proporción de recogida baja. El diámetro del orificio pasante central es casi el mismo, o mayor, que el del tubo de escape, y se toma también en consideración para incrementar el número de superposiciones (estratificaciones). (b) Puesto que la eliminación de la materia en partículas es posible por la quema continua de ésta, se hace posible la regeneración del filtro. (c) El gas de escape es dispersado de tal manera que la materia en partículas se recoge uniformemente.

Con estos puntos (a), (b) y (c), la resistencia al flujo de gas de escape y la pérdida de presión o de carga son también pequeñas. Como resultado de ello, se impide el incremento de presión de retroceso en el lado de aguas arriba y se evita también una influencia perniciosa en el motor diesel.

(7) En tercer lugar, el filtro está compuesto de (a) una estructura de malla de alambre en la que el diámetro del alambre es 0,2 mm o más, y se ha proporcionado para alcanzar una baja proporción de recogida. (b) Es posible la quema continua de la materia en partículas. (c) El gas de escape es dispersado para recoger de manera uniforme la materia en partículas.

Con estos puntos (a), (b) y (c), se evita que una quema de materia en partículas en grandes cantidades de una sola vez incremente bruscamente la temperatura. Es posible, sin embargo, la quema continua y temprana de la materia en partículas en pequeñas cantidades. De esta forma, el incremento de la temperatura del filtro puede controlarse para evitar la fusión y daños en el filtro por el calor.

(8) En cuarto lugar, este aparato de reducción está compuesto por una estructura sencilla por la cual el filtro es retenido dentro de la caja cilíndrica exterior mediante un par de placas de barrera. Así, pueden llevarse a cabo fácilmente la limpieza y similares.

(9) En quinto lugar, en este aparato de reducción se utiliza el filtro de una baja proporción de recogida, pero es también posible obtener una alta proporción de reducción y de purificación utilizando conjuntamente el catalizador de oxidación y el catalizador portado por el combustible.

El aparato de reducción de materia en partículas de acuerdo con la presente invención se caracteriza porque se han adoptado uno o más filtros en combinación con cada uno de lo que sigue:

El aparato de reducción de materia en partículas de la presente invención ejerce los siguientes efectos.

Primer efecto

En primer lugar, el filtro apenas se obstruye y es posible minimizar el problema de la limpieza. Es decir, el filtro de la presente invención no constituye un método para una recogida en proporción elevada, como se observa en el ejemplo convencional del tipo anteriormente descrito, sino que constituye un método de baja proporción de recogida en el que el filtro se regenera por quemado de la materia en partículas mientras es recogida. La materia en partículas recogida puede ser quemada continuamente y, por tanto, el filtro puede también ser regenerado de forma continua.

En particular, el alambre, cuyo componente principal es el Fe, el catalizador de oxidación con el que está revestido el alambre, y el catalizador portado por el combustible, son efectivos para esto. Por otra parte, puesto que se recoge uniformemente, la materia en partículas no es recogida de forma acentuada y preponderante, a diferencia del ejemplo del tipo descrito en lo anterior.

Con ello, el filtro apenas llega a alcanzar su cantidad permisible y el límite de recogida, en comparación con el ejemplo convencional de esta clase que se ha descrito anteriormente, y difícilmente se produce la obstrucción. Por ejemplo, es posible reducir la frecuencia de limpieza del filtro, debido a que basta con llevar a cabo la limpieza una vez por semana aproximadamente. Con el fin de regenerar el filtro, no es necesario emplear un calentador eléctrico, un horno de calentamiento, un método de regeneración alternativo, o similar. Así pues, el filtro es también excelente en términos del coste de equipamiento y del coste de funcionamiento.

Segundo efecto

En segundo lugar, el incremento de la presión de retroceso se controla, con lo que se evita una influencia adversa en el motor diesel. Es decir, en el filtro de la presente invención, la densidad de llenado del alambre es el 40% o más baja, y se adopta un método de proporción de recogida baja. El diámetro del orificio pasante central es casi el mismo, o mayor, que el del tubo de escape. Es también posible incrementar el número de superposiciones (estratificaciones). Por otra parte, la materia en partículas se quema al tiempo que es recogida. Además, la eliminación de la materia en partículas es posible al quemarla de forma continua, por lo que se hace posible regenerar continuamente el filtro. Aún adicionalmente, la materia en partículas se recoge uniformemente.

Con ello, la resistencia al paso del gas de escape y la pérdida de presión son pequeñas, a fin de evitar un incremento de la presión de retroceso en al lado de aguas arriba. De acuerdo con ello, no se impone una carga excesiva al motor, a diferencia de los ejemplos convencionales anteriormente descritos. Como resultado, pueden eliminarse un incremento excesivo en el par motor y un empeoramiento en el consumo de combustible. Por otra parte, la proporción de aparición y el contenido (en porcentaje) de la materia en partículas en el gas de escape no se incrementan.

Tercer efecto

En tercer lugar, es posible evitar la fusión y los daños del filtro por el calor. Es decir, el filtro de la presente invención está compuesto de una estructura de malla de alambre en la que el diámetro del alambre es 0,2 mm o más, y adopta un método con una baja proporción de recogida. La materia en partículas se quema mientras es recogida y puede ser quemada de forma continua. Por otra parte, la materia en partículas se recoge uniformemente.

No se quema de una sola vez una cantidad elevada de materia en partículas recogida, a diferencia de los ejemplos convencionales de este tipo que se han descrito anteriormente, y, como resultado de ello, puede evitarse un incremento brusco de la temperatura del filtro. De esta manera, se impide que el filtro se funda o resulte dañado por el calor. Así pues, es posible regenerar el filtro durante un tiempo prolongado, de tal modo que la durabilidad es buena, la vida es larga y el coste puede también ser reducido.

Cuarto efecto

En cuarto lugar, éstos pueden ser llevados a la práctica fácilmente. Es decir, la presente invención está constituida de una estructura simple, por lo que el filtro es retenido dentro de una carcasa o caja cilíndrica exterior por medio de un par de placas de barrera. De esta forma, el coste de la presente invención es excelente, y el mantenimiento de dicha estructura es fácil debido a que la limpieza del filtro puede llevarse a cabo también con facilidad.

Quinto efecto

En quinto lugar, puede llevarse a efecto también una alta proporción de reducción y purificación. Es decir, en la presente invención, mediante el uso conjunto del catalizador de oxidación y/o del catalizador portado por el combustible, es posible obtener una proporción de reducción y purificación de la materia en partículas más alta que con el solo uso del filtro. Es decir, puede llevarse a efecto una proporción de reducción y purificación más alta, a pesar del uso de un filtro con una baja proporción de recogida. A diferencia de los ejemplos convencionales del tipo anteriormente descrito, la proporción de reducción y purificación más alta puede obtenerse en las condiciones en las que no existe el problema de la limpieza, del incremento de la presión de retroceso, de la fusión del filtro, y similares.

Como se ha descrito anteriormente, los problemas existentes en los ejemplos convencionales de este tipo pueden resolverse por medio de la presente invención. Así pues, los efectos que la presente invención puede ejercer son grandes y notorios.

Figuras

Los anteriores y otros propósitos, características y ventajas de la presente invención se harán más evidentes a partir de la siguiente descripción, al tomarse en combinación con los dibujos que la acompañan.

La Figura 1 se proporciona para explicar el mejor modo de proporcionar un aparato de reducción de materia en partículas de acuerdo con la presente invención, y, en ella, la Figura 1A es una vista explicativa en corte transversal de un primer ejemplo, y la Figura 1B es una vista explicativa en corte transversal de un segundo ejemplo;

La Figura 2 se proporciona para explicar el mejor modo de llevar a cabo la misma invención que se ha descrito anteriormente, y, en ella, la Figura 2A es una vista frontal explicativa de una parte sustancial del primer ejemplo, la Figura 2B es una vista explicativa de la parte sustancial del primer ejemplo, según se observa desde el lado derecho, la Figura 2C es una vista explicativa de una parte sustancial del segundo ejemplo, según se observa desde el lado izquierdo, y la Figura 2D es una vista frontal explicativa de la parte sustancial del segundo ejemplo;

La Figura 3 se proporciona con el fin de explicar el mejor modo de llevar a cabo la misma invención que anteriormente, y, en ella, la Figura 3A es una vista en perspectiva de un filtro, la Figura 3B es una vista en perspectiva de una pluralidad de filtros que están superpuestos (para estratificación), y la Figura 3C es un diagrama de sistema, o sistémico, de un sistema de escape;

La Figura 4 se proporciona para explicar el mejor modo de llevar a cabo la misma invención que anteriormente, y, en ella, la Figura 4A es un gráfico que muestra la relación existente entre el área superficial del filtro y la tasa o proporción de recogida de materia en partículas, la Figura 4B es un gráfico que muestra la relación existente entre el área superficial del filtro y la pérdida de presión o de carga, y la Figura 4C es un gráfico que muestra la relación que existe entre el área superficial del filtro y la proporción de reducción de la materia en partículas; y

La Figura 5 es una vista en corte transversal explicativa de un aparato convencional de reducción de materia en partículas, de este tipo, y similar.

Sistema de escape

Se explicará a continuación un sistema de escape con referencia a la Figura 3C. Se utiliza de forma generalizada un motor diesel 9 como motor de combustión interna en automóviles, en generación de energía, en embarcaciones marinas, locomotoras, aeronaves, diversas unidades de maquinaria y similares.

En el gas de escape 1 que se descarga del motor diesel 9 se halla contenida materia en partículas. Si la materia en partículas se descargase directamente a la atmósfera exterior, resultaría dañina para el cuerpo humano y el medio ambiente. En consecuencia, se conecta un aparato 1 de reducción de materia en partículas a un tubo de escape 2. Es decir, se suministra combustible desde un depósito 9' de combustible al motor diesel 9, el cual descarga el gas de escape 1 en el tubo de escape 2. El gas de escape 1 se descarga a la atmósfera exterior a través del aparato 10 de reducción de materia en partículas, conectado al tubo de escape 2.

El aparato 10 de reducción de materia en partículas se proporciona para quemar y reducir la materia en partículas (a la que se hace referencia en lo que sigue como "PM" -"particulate matter") contenida en el gas de escape 1 de dicho motor diesel 9, al tiempo que es recogida en un filtro 11. El aparato 10 de reducción de materia en partículas está alojado coaxialmente en una caja cilíndrica exterior 4 conectada al tubo de escape 2.

A menudo alojado en el lado de aguas arriba del aparato 10 de reducción de materia en partículas contenido dentro de la caja cilíndrica exterior 4, se encuentra un purificador 5 con un catalizador de oxidación (hágase referencia a la Figura 5 anteriormente descrita) que quema y reduce, por oxidación, CO, HC, NO y similares, así como la PM contenida en el gas de escape 1, los cuales están considerados como la sustancia nociva. El purificador 5 y el aparato 10 de reducción de materia en partículas reciben genéricamente, en ocasiones, el nombre de purificador 3 de gas de escape.

La PM está compuesta principalmente de hollín seco (humo negro), HC (hidrocarburos) no quemados, HC de aceite lubricante, sulfato, esto es, SO_{4}, y H_{2}O.

El hollín seco es el así denominado hollín consistente en rescoldos quemados procedentes de la combustión incompleta de C [carbono]. El hollín seco y el sulfato son componentes que no se disuelven en un disolvente y se hace referencia a ellos como el componente de "ISF" (fracción insoluble -"Insoluble Fraction"). Éste constituye aproximadamente el 60% de la PM.

El HC sin quemar y el HC del aceite lubricante son componentes que se disuelven en el disolvente y se hace referencia a ellos como el componente de "SOF" (fracción orgánica soluble -"Soluble Organic Fraction"). Este constituye aproximadamente el 40% de la PM.

La PM consistente en tales componentes tiene el tamaño aproximado de algunas \mum en un estado primario de las partículas, pero ser interconecta o une mutuamente en un estado secundario de las partículas, de un tamaño aproximado de varios cientos de \mum.

El sistema de escape es como se ha descrito en lo anterior.

Esbozo del aparato 10 de reducción de materia en partículas

Se describirá a continuación en detalle un aparato 10 de reducción de materia en partículas de la presente invención, con referencia a las Figuras 1 a 4.

El aparato 10 de reducción de materia en partículas está compuesto de un tipo de DPF en el que se utilizan uno o más filtros 11. El filtro 11 está hecho de una estructura de malla de alambre y está conformado con la forma de una columna corta provista de un orificio pasante central 12. El filtro 11 se encuentra alojado coaxialmente en una carcasa o caja cilíndrica exterior 4, conectada a un tubo de escape 2 para el gas de escape 1. El filtro 11 es retenido por un par de placas de pantalla o barrera 17 y 18 con uno o más orificios 15 y 16 para el aire, que tienen un espacio de separación 14 dispuesto entre la superficie cilíndrica externa 13 del filtro 11 y la caja cilíndrica exterior 4.

El filtro 11 permite que el gas de escape 1 fluya entre la superficie circunferencial interna del filtro 11, en el lado del orificio pasante central 12, y la superficie circunferencial externa 13 del filtro 11, de tal manera que la proporción de recogida de la PM se ajusta en el 50% o menos del total.

Esto se describe con detalle más adelante. Existen uno o más filtros 11 de este aparato 10 de reducción de materia en partículas, que están compuestos de una estructura de malla de alambre en la que un alambre 20, hecho de hierro fino y acero, cuyo componente principal es el Fe del acero inoxidable, y similar, se agrega en una malla fina y densa, tanto horizontalmente como verticalmente. Es decir, el filtro 11 consiste en agregados de malla en los que dicho alambre metálico 20 está tejido o entrelazado en una forma fibrilar tal como una tela lisa o plana, una tela tejida con líneas diagonales paralelas ("twilled fabric"), un punto de media o elástico ("stockinette stitch") o similar.

Si bien se utilizan en muchos casos una pluralidad de filtros, el filtro 11 se proporciona de tal manera que el diámetro del alambre 20 se encuentra entre 0,2 mm y 0,8 mm, y la densidad de llenado del mismo (el volumen cúbico de alambre 20 por unidad de volumen) (el factor de llenado del alambre 20, es decir la densidad de llenado) se encuentra entre el 10% y el 40%, y la proporción de recogida de la PM es entre el 20% y el 50% del total, lo que se consigue mediante la sección del número de superposiciones en correspondencia con la cantidad del gas de escape 1.

Haciendo referencia a las especificaciones del filtro 11, en el caso de que el diámetro del alambre sea inferior a 0,2 mm, el filtro 11 tendrá una baja resistencia al calor durante la recogida y la quema de la PM, y estará en riesgo de fundirse, con lo que los costes de producción se harán elevados. Por el contrario, en el caso de que el diámetro del alambre sea 0,8 mm o más, la formación del filtro 11 resultará difícil y la malla se hará demasiado basta o grosera, con lo que se reducirá excesivamente el área superficial del filtro 11 por unidad de volumen.

En el caso de que la densidad de llenado del alambre 20 sea inferior al 10%, la malla se hará demasiado basta, de manera que se hará difícil el mantenimiento de la forma del filtro 11. Por el contrario, en el caso de que la densidad de llenado del alambre 20 sea el 40% o más, la malla se hace demasiado densa, con lo que se incrementa la pérdida de presión.

El filtro 11 confeccionado de una estructura de malla de alambre hecha de dicho alambre 20, está conformado con una forma de columna corta provista de un orificio pasante central 12.

Es decir, el filtro 11 se proporciona de tal manera que, por ejemplo, el diámetro exterior (la dimensión entre las superficies circunferenciales externas 13 del filtro 11) es aproximadamente 250 mm, el diámetro interior (el diámetro de un orificio pasante central) (la dimensión entre las superficies circunferenciales internas 19) es aproximadamente
90 mm, y el espesor (la dimensión lineal en la dirección axial) es aproximadamente 40 mm. El filtro 11 está formado con la forma de columna corta dotada de un orificio pasante central 12, con una forma de orificio circular. El diámetro del orificio pasante central 12 es cercano al del tubo de escape 2 ó mayor que éste (incluyendo el caso de que el diámetro sea ligeramente más pequeño que el del tubo de escape 2, tal y como se muestra en la Figura 1), pero es más pequeño que la mitad del diámetro exterior del filtro 11.

Dicho filtro 11 se proporciona de tal manera que, en muchos casos, se encuentran superpuestos una pluralidad de filtros, tales como los filtros 4 a 8, para su estratificación, en tanto que se alinean los orificios pasantes 12 centrados mutuamente en la dirección axial, y está alojado coaxialmente en la caja cilíndrica exterior 4, habiéndose proporcionado cada eje de filtro según la dirección axial. En este caso, el filtro 11 está alojado en la caja cilíndrica exterior, proporcionando un espacio de separación consistente en un espacio o hueco circunferencial entre la superficie circunferencial externa 13 del filtro 11 y la caja cilíndrica exterior 4. La caja cilíndrica exterior 4 está conformada con una forma cilíndrica de un diámetro de, por ejemplo, 300 mm aproximadamente, que es mayor que el del tubo de escape 2, y está interpuesta en el medio del tubo de escape 2, tal y como se muestra en el ejemplo de la Figura 3C, o bien unida al extremo del tubo de escape 2.

El filtro 11 se ha proporcionado de tal manera que, en él, la proporción de recogida de PM está ajustada entre el 20% y el 50% del total, en el caso de que se utilice una pluralidad de filtros. En el caso de que la proporción de recogida sea inferior al 20%, la eliminación y la reducción de la PM se hacen demasiado pequeñas. Por el contrario, cuando la proporción de recogida es el 50% o más, la obstrucción se genera fácilmente por la PM recogida. Como resultado de ello, la frecuencia de limpieza se incrementa y el filtro 11 se encuentra también en riesgo de un incremento de la presión de retroceso, y de la fusión o daños ocasionados por el calor.

Dicha proporción de recogida del filtro 11 se ajusta por medio de la selección del área superficial del filtro 11 (el área mayor de toda la superficie externa del alambre 20 utilizado), obtenida seleccionando el diámetro del alambre 20 y la densidad de llenado del mismo, así como el número de superposiciones, de conformidad con la cantidad del gas de escape 1.

El aparato 10 de reducción de materia en partículas se proporciona según se ha destacado anteriormente.

Placas de barrera 17 y 18

Tal y como se muestra en la Figura y en la Figura 2, en este aparato 10 de reducción de materia en partículas, dichos filtros 11 son retenidos en tanto en cuanto están emparedados entre un par de placas de pantalla o barrera, frontal y trasera, 17 y 18, situadas una enfrente de la otra con una distancia de separación predeterminada. Las placas de barrera frontal y trasera, 17 y 18, respectivamente conformadas con una forma circular, están hechas de metal y dispuestas dentro de la caja cilíndrica exterior 4 con el fin de dividir el interior de la caja 4 en una parte delantera y una parte trasera.

La sección circunferencial exterior de una de las placas de barrera, la 17, está provista de uno o más orificios 15 para aire, destinados al paso del gas de escape 1, que desembocan en el espacio de separación 14 proporcionado entre la superficie circunferencial externa 13 del filtro 11 alojado en la caja cilíndrica exterior 4, y la caja cilíndrica exterior 4. La sección central de la otra placa de barrera 18 está provista de un orificio 16 para aire, destinado al paso del gas de escape 1 y que desemboca en el orificio pasante central 12 del filtro 11.

Haciendo referencia al orificio 15 para aire formado en la sección circunferencial exterior de la placa de barrera 17, puede haberse proporcionado un gran número de orificios circulares concéntricamente en el mismo intervalo, o bien puede haberse proporcionado concéntricamente un número pequeño de orificios largos. Por otra parte, el orificio 15 para aire puede consistir en una pluralidad de ranuras formadas en el lado de la caja cilíndrica exterior 4.

En el primer ejemplo, mostrado en la Figura 1A, en la Figura 2A y en la Figura 2B, la placa de barrera 17 está dispuesta aguas arriba según el sentido del flujo del gas de escape 1, en tanto que la placa de barrera 18 está dispuesta aguas abajo con respecto al mismo. En este ejemplo, la superficie circunferencial externa 13 del filtro 11 sirve como una superficie de admisión 21 para el gas de escape 1, y la superficie circunferencial interna 19 del mismo sirve como una superficie de escape 22 para el gas de escape 1. Y el gas de escape 1 fluye del exterior al interior al tiempo que se dispersa dentro de cada filtro 11, de tal manera que la PM es recogida uniformemente en cada filtro 11.

Por el contrario, en el segundo ejemplo, que se muestra en la Figura 1B, la Figura 2C y la Figura 2D, la placa de barrera 17 está dispuesta aguas abajo, en tanto que la placa de barrera 18 está dispuesta aguas arriba. En este ejemplo, la superficie circunferencial interna del filtro 11 es la superficie de admisión 21 para el gas de escape 1, y la superficie circunferencial externa del filtro 11 es la superficie de escape 22 para el gas de escape 1. El gas de escape 1 fluye del interior al exterior al tiempo que se dispersa dentro de cada filtro 11, de tal forma que la PM se recoge uniformemente en cada filtro 11.

El número de referencia 23 de la Figura 2 indica una pluralidad de tuercas y pernos que están dispuestos axialmente para encerrar el exterior de cada filtro 11. Las tuercas y los pernos se disponen en puente y se aseguran entre las placas de barrera 17 y 18. De esta manera, cada filtro 11 se coloca y asegura al tiempo que queda emparedado entre las placas de barrera 17 y 18.

Las placas de barrera 17 y 18 se proporcionan según se ha descrito en lo anterior.

Catalizador

A continuación se describirá un catalizador. En primer lugar, el filtro 11 del aparato 10 de reducción de materia en partículas está hecho de un alambre 20 cuyo componente principal es el Fe.

El Fe tiene una función de catalizador (catalizador de oxidación) que favorece la oxidación y la quema de la PM recogida. En particular, favorece la oxidación y la quema de un componente de SOF que consiste en HC sin quemar y HC del aceite lubricante de los componentes de la PM. Por ejemplo, el Fe de este alambre 20 es capaz de quemar y eliminar por sí solo más del 25% de la PM recogida.

Cada filtro 11, según se muestra en la Figura 1, la Figura 2, la Figura 3A y la Figura 3B, es portado y sustentado. La superficie del alambre 20 se ha revestido con el catalizador de oxidación 24 de metal precioso, por medio de un revestimiento de acabado. Este catalizador de oxidación 24 incrementa el área superficial (el área mayor de la totalidad de la superficie externa del alambre 20) de cada filtro 11 con el fin de favorecer la recogida de la PM, con lo que se favorece la oxidación y el quemado de la PM recogida. Se dispone, por ejemplo, como revestimiento de acabado, del Al_{2}O_{3}, la zeolita del mismo o similares. Como catalizador de oxidación 24, se emplea un metal precioso tal como el Pt, con entre aproximadamente 1,48 \times 10^{-3} g/cm^{3} y 4,44 \times 10^{-3} g/cm^{3} (40 g/ft^{3} \sim 120 g/ft^{3}).

Por otra parte, el catalizador de oxidación 24 oxida el NO contenido en el gas de escape 1 en NO_{2} de la misma manera que el catalizador de oxidación 7 anteriormente descrito, pero la oxidación y la quema de la PM también se ven favorecidas incluso por el NO_{z} obtenido de esta manera. El catalizador de oxidación 24 desempeña la función de favorecer la oxidación y la quema de la PM recogida, de resultas de este aspecto.

Aún adicionalmente, en el ejemplo que se muestra en la Figura 3C, puede suministrarse a un depósito 9' de combustible de un motor diesel 9 un catalizador 25 portado o arrastrado por el combustible, seleccionado de entre, o combinado con, el Pt, el Ce y el Fe. Entonces, el catalizador 25 portado por el combustible, que ha estado contenido en el gas de escape 1, favorece la oxidación y el quemado de la PM recogida en el filtro 11.

El catalizador 25 portado por el combustible puede ser suministrado directamente al combustible 27 contenido en el depósito 9' de combustible, desde un depósito 26 de catalizador. Sin embargo, es deseable suministrar el catalizador 25 portado por el combustible, de conformidad con la cantidad restante de combustible 27 en el depósito 9' de combustible, mediante el uso de un sistema de dosificación que se muestra en la Figura 3C. En este caso, los datos del motor diesel 9, del aparato 10 de reducción de materia en partículas y del depósito 9' de combustible son suministrados como entrada a una unidad 28 de control del motor, con lo que se suministra como salida una señal de control a una bomba dosificadora 29 y similar.

El catalizador se proporciona según se ha descrito en lo anterior.

Funcionamiento, etc.

El aparato 10 de reducción de materia en partículas de la presente invención está construido según se ha descrito anteriormente. El funcionamiento del aparato se realiza según se describe en lo que sigue.

(1) El gas de escape 1 que contiene la PM procedente del motor diesel 9, se suministra al aparato 10 de reducción de materia en partículas a través del tubo de escape 2, y pasa a través del filtro 11 (hágase referencia a la Figura 3C). El filtro 11 está hecho de una estructura de malla de alambre formada a partir de un alambre metálico 20, y está construido con la forma de columna provista de un orificio pasante central 12, de tal manera que se superponen una pluralidad de filtros para su estratificación (hágase referencia a la Figura 3A y a la Figura 3B).

(2) Cada filtro 11 se ha construido adicionalmente como sigue. El alambre 20 de cada filtro 11, cuyo componente principal es el Fe, está revestido con el catalizador de oxidación 24. El diámetro del orificio pasante central 12 de cada filtro 11 es cercano al del tubo de escape 2 ó mayor que éste, pero más pequeño que la mitad del diámetro exterior del filtro 11.

Cada filtro 11 se proporciona de tal manera que el diámetro del alambre 20 se encuentra entre 0,2 mm y 0,8 mm, y la densidad de llenado del mismo es entre el 10% y el 40%. En cada filtro 11, la tasa o proporción de recogida de la PM es entre el 20% y el 50% del total, por la combinación de la selección del diámetro del alambre 20 y de la densidad de llenado del mismo, y por la selección del número de superposiciones (estratificaciones) de los filtros 11 en correspondencia con la cantidad de gas de escape 1.

Cuando se escoge un valor más grande del intervalo de valores numéricos para el diámetro del alambre 20 y se selecciona un valor más pequeño del intervalo de valores numéricos para la densidad de llenado del alambre 20, a fin de obtener un área superficial del filtro 11 necesaria para una proporción de recogida predeterminada, es posible incrementar el número de superposiciones de los filtros 11 en comparación con el caso de que no se haya hecho tal elección. Por supuesto, ha de comprenderse que el número de superposiciones (estratificaciones) de cada filtro 11 se incrementa o reduce dependiendo de la cantidad de gas de escape 1.

Dicho filtro 11 se encuentra alojado en el interior de la caja cilíndrica exterior 4, conectado al tubo de escape 2 del gas de escape 1, y está retenido por un par de placas de pantalla o barrera, frontal y trasera, 17 y 18.

En el aparato de reducción de materia en partículas proporcionado con dicho filtro 11, el gas de escape 1 fluye según se describe en lo que sigue. El primer ejemplo se muestra en la Figura 1A, la Figura 2A y la Figura 2B.

El gas de escape 1 es suministrado desde el tubo de escape 2 al interior de la primera mitad de sección de la caja cilíndrica exterior 4, y fluye hacia la placa de barrera 17, situada en el lado de aguas arriba. El gas de escape 1 fluye a continuación hacia un espacio de separación 14, a través de uno o más orificios 15 para aire dispuestos en la sección circunferencial exterior de la placa de barrera 17.

A continuación, el gas de escape 1 fluye a través de cada filtro 11, desde el exterior al interior, a la vez que convierte la superficie circunferencial externa 13 del filtro 11 en una superficie de toma o admisión 21, y convierte la superficie circunferencial interna del mismo en una superficie de escape 22. El gas de escape 1 fluye desde cada orificio pasante central 12 al interior de la última mitad de sección de la caja cilíndrica exterior 4, a través de un orificio 16 para aire, proporcionado en la sección central de la placa de barrera 18, en el lado de aguas abajo. El gas de escape 1 es descargado entonces a la atmósfera exterior a través del tubo de escape 2.

El segundo ejemplo se muestra en la Figura 1B, la Figura 2C y la Figura 2D.

El gas de escape 1 es suministrado desde el tubo de escape 2 al interior de la primera mitad de sección de la caja cilíndrica 4, y fluye hacia la placa de barrera 18, situada en el lado de aguas arriba. El gas de escape 1 fluye entonces hacia el orificio pasante central 12 a través de un orificio central 16 para aire, proporcionado en la sección central de la placa de barrera 18.

El gas de escape 1 fluye a continuación a través de cada filtro 11 del interior al exterior, a la vez que convierte la superficie circunferencial interna 19 del filtro 11 en una superficie de admisión 21 y convierte la superficie circunferencial externa 13 del mismo en una superficie de escape 21. El gas de escape 1 fluye desde el espacio de separación 14 al interior de la última mitad de la caja exterior 4, a través de uno o más orificios 15 para aire proporcionados en la sección circunferencial externa de la placa de barrera 17, en el lado de aguas abajo. El gas de escape 1 se descarga a continuación a la atmósfera exterior a través del tubo de escape 2.

(4) Tanto en el primer ejemplo como en el segundo, el gas de escape 1 fluye a través de cada filtro según se ha descrito anteriormente, por lo que la PM contenida en el gas de escape 1 se quema y reduce simultáneamente al tiempo que es recogida en cada filtro 11. Es decir, la PM contenida en el gas de escape 1 se recoge en cada filtro 11 y se oxida y quema a continuación, en orden, por el calor del gas de escape 1 de forma temprana tras la recogida, por lo que el contenido (en porcentaje) de la PM en el gas de escape 1 se ve reducido.

Cada filtro 11 se regenera cuando la PM recogida de esta manera es quemada y eliminada. En otras palabras, puesto que a PM recogida en la superficie es eliminada en orden, la siguiente PM nueva puede ser recogida de nuevo en la superficie. De esta manera, el filtro se regenera otra vez.

Si se compara el primer ejemplo con el segundo ejemplo, el primer ejemplo proporciona un mejor rendimiento en la recogida, particularmente en las proximidades de la superficie circunferencial externa 13, más ancha, del filtro 11. Por el contrario, el segundo ejemplo proporciona un mejor rendimiento en la quema, debido a que la PM se recoge de forma más intensa, particularmente en las proximidades de la superficie circunferencial interna 19 del filtro 11.

(5) El aparato 10 de reducción de materia en partículas de la presente invención presenta ventajas operativas tales como las que se describen en lo que sigue (hágase referencia a los puntos primero a quinto). En primer lugar, cada filtro del aparato de reducción de materia en partículas está hecho de (a) una estructura de malla de alambre, y se ha ajustado de manera que tenga una tasa o proporción de recogida del 20% al 50% en total, de tal modo que se recoja una cantidad de PM comparativamente pequeña.

De acuerdo con ello, es difícil que cualquiera de los filtros 11 alcance la cantidad permisible y el límite de recogida. Esto significa apenas se produce la obstrucción y que la frecuencia de limpieza del filtro 11 es baja.

(b) Cada filtro 11 es regenerado tras la quema y la eliminación de la PM en orden, a la vez que es recogida. Dicha quema por ignición se basa en el calor del gas de escape 1 suministrado a alta temperatura, pero la quema se ve favorecida adicionalmente por el alambre 20, cuyo componente principal es el Fe, el cual funciona como un catalizador, por el catalizador de oxidación 24 con el que está revestido el alambre 20, y por el catalizador 25 portado por el combustible.

La eliminación continua de la PM es posible por la quema continua de ésta, y es posible realizar, por tanto, la regeneración continua del filtro 11. Incluso de resultas de este aspecto, es difícil que cualquiera de los filtros 11 alcance la cantidad permisible y el límite de recogida, por lo que la obstrucción apenas se produce y la frecuencia de limpieza de cada filtro 11 es baja.

(c) Cada filtro 11 está formado con una forma de columna corta con un orificio pasante central, y es retenido por un par de placas de pantalla o barrera 17 y 18, con uno o más orificios 15 y 16 para el aire.

Cada filtro 11 se proporciona de tal manera que las superficies de admisión y de escape, 21 y 22, consistentes en la superficie circunferencial externa 13 del filtro 11 y en la superficie circunferencial interna 19 del mismo, están formadas a lo largo del flujo del gas de escape 1, sin incidir en el flujo de forma recta, y las áreas de las superficies de admisión y de escape, 21 y 22, son también grandes. De acuerdo con ello, puesto que el gas de escape 1 fluye a través del interior de cada filtro 11 al tiempo que es dispersado extensa y uniformemente en su interior, la PM es recogida total y uniformemente en cada filtro 11. Por lo tanto, la PM no se recoge de forma intensiva y preponderante en una parte de cada filtro 11.

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De acuerdo con ello, incluso como consecuencia de este aspecto, es difícil que cualquiera de los filtros alcance la cantidad permisible y el límite de recogida, por lo que la obstrucción apenas se produce y la frecuencia de limpieza de cada filtro 11 es baja.

Como se ha descrito anteriormente, cada filtro 11 puede ser regenerado de forma automática y continua. Para el propósito de la regeneración de cada filtro 11, no es necesario incorporar un calentador eléctrico dentro del filtro o un horno de calentamiento adyacente a él para quemar y eliminar la PM recogida. Es posible, sin embargo, utilizar cada filtro 11 en combinación con un calentador eléctrico o un horno de calentamiento.

(6) En segundo lugar, cada filtro 11 está hecho de (a) una estructura de malla de alambre para la que la densidad de llenado del alambre 20 es el 40% o menos y que también presenta una proporción de recogida baja. Además, el diámetro de cada orificio pasante central 12 es ligeramente mayor que el del tubo de escape 2, y es menor que la mitad del diámetro exterior del filtro 11 en el máximo. Se ha considerado también incrementar el número de superposiciones (estratificaciones) de cada filtro 11 escogiendo un diámetro más grande para el alambre 20 y una densidad de llenado más pequeña del alambre 20, del intervalo de área superficial del filtro 11 necesario para una proporción de recogida predeterminada.

En consecuencia, en cada filtro 11, la resistencia por rozamiento, etc., al flujo del gas de escape 1 es pequeña y la pérdida de presión es también pequeña. De acuerdo con ello, el incremento de presión de retroceso del gas de escape 1 se ve reducido al mínimo o evitado en el interior del tubo de escape 2, en el lado de aguas arriba de cada filtro 11, y ésta no tiene ningún efecto dañino en el motor diesel 9.

(b) Puesto que cada filtro quema la PM a la vez que la recoge a una baja proporción de recogida, y es posible la eliminación de la PM por su quema continua, cada filtro 11 puede ser regenerado de forma continua y puede evitarse también su obstrucción.

De esta manera, cada filtro presenta tan sólo una pequeña resistencia al gas de escape 1 incluso por razón de este aspecto, y la pérdida de presión o carga es también pequeña. Puesto que se reduce al mínimo o se evita el incremento de la presión de retroceso, ésta no tiene ningún efecto adverso en el motor 9.

(c) Cada filtro 11 se ha conformado con una forma de columna corta provista de un orificio pasante central, está alojado en una carcasa o caja cilíndrica exterior 4, y es retenido por un par de placas de barrera 17 y 18. De este modo, puesto que las superficies de admisión y de escape, 21 y 22, tienen grandes áreas y están formadas a lo largo del flujo del gas de escape 1, el gas de escape 1 fluye a la vez que es dispersado en su interior, y, como resultado, la PM se recoge uniformemente en cada filtro 11.

De acuerdo con ello, incluso por razón de este aspecto, la resistencia de cada filtro 11 al gas de escape 1 es pequeña y la pérdida de presión es también pequeña, de manera que puede reducirse o evitarse el incremento de la presión de retroceso. Así pues, el filtro 11 no tiene un efecto dañino en el motor diesel 9.

(7) En tercer lugar, cada filtro 11 está hecho de (a) una estructura de malla de alambre para la que el diámetro del alambre 20 es 0,2 mm o más, y cuyo componente principal es el Fe. Cada filtro 11 presenta también una baja proporción de recogida. (b) La PM se quema simultáneamente a la vez que es recogida y es también posible una quema continua. (c) Puesto que cada filtro 11 está provisto de unas superficies de admisión y de escape, 21 y 22, de un área mayor, y está formado a lo largo del flujo, el gas de escape 1 fluye a la vez que es dispersado en su interior, por lo que la PM se recoge uniformemente.

Con estos puntos (a), (b) y (c), se evita la ignición y el quemado de una sola vez de una gran cantidad de PM recogida, así como el aumento brusco de la temperatura del filtro 11. Puesto que la PM se quema de forma continua en pequeñas cantidades y en una etapa temprana, el incremento de la temperatura de cada filtro 11 es controlado y, como resultado de ello, puede evitarse la fusión o los daños por calor.

(8) En cuarto lugar, estas condiciones pueden llevarse a la práctica con facilidad. Es decir, este aparato 10 de reducción de materia en partículas se proporciona de tal manera que cada filtro 11 se encuentra alojado en la caja cilíndrica exterior 4 y es retenido por el par de placas de barrera 17 y 18. Así, el aparato 10 puede ser de una estructura simple y con un número pequeño de partes, de tal manera que el mantenimiento, tal como la limpieza, es también sencillo.

Por ejemplo, cuando se requiere una limpieza, cada filtro 11 puede ser desensamblado fácilmente liberándole de su retención por el par de placas de barrera 17 y 19, y, a continuación, puede tirarse de cada filtro 11 hasta sacarlo de la caja exterior 4 para su fácil limpieza.

(9) En quinto lugar, en este aparato 10 de reducción de materia en partículas, si bien la proporción de recogida de la PM por el filtro 11 en sí se ajusta de manera que sea baja, del 20% al 50% en total, es posible incrementar la proporción de reducción y purificación de la PM de todo el aparato utilizando el catalizador de oxidación 24 y/o el catalizador 25 portado por el combustible, conjuntamente.

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En consecuencia, a pesar del uso del filtro 11 con la proporción de recogida baja, es posible obtener las proporciones de reducción y purificación para todo el aparato más altas que la proporción de recogida del filtro 11 en sí (es decir, la proporción de reducción y purificación más alta que la obtenida para el filtro 11 por sí mismo).

En el caso de que el alambre 20 de cada filtro 11 esté revestido con un el catalizador de oxidación 24, es posible quemar continuamente la PM recogida, de tal manera que la proporción de reducción y purificación de todo el aparato pueda incrementarse en aproximadamente del 5% al 10%. Por ejemplo, cuando la proporción de recogida del filtro 11 es del 50%, puede obtenerse una proporción de reducción y purificación de entre aproximadamente el 55% y el 60% en total (es decir, para todo el aparato).

Incluso en el caso de que se suministre al depósito 9' de combustible del motor diesel 9 el catalizador 25 portado por el combustible, es posible incrementar adicionalmente la proporción de reducción y purificación de todo el aparato en entre aproximadamente el 5% y el 10%, en comparación con el caso en que se utiliza únicamente el filtro 11, debido a que el catalizador 25 portado por el combustible que está contenido en el gas de escape 1, funciona de la misma manera que el catalizador de oxidación 24 anteriormente descrito.

Además, cuando el catalizador de oxidación 24 y el catalizador 25 portado por el combustible se utilizan al mismo tiempo, es posible incrementar adicionalmente la proporción de reducción y purificación de todo el aparato en entre aproximadamente el 10% y el 20%, en comparación con el caso en que se utiliza únicamente el filtro 11. Por ejemplo, cuando la proporción de recogida del filtro en sí es el 50%, puede obtenerse una proporción de reducción y purificación de hasta aproximadamente el 70% para todo el aparato.

En el caso de un atasco de tráfico, como la temperatura del motor diesel 9 y del gas de escape 1 es baja, el catalizador de oxidación 24 no está activado (debido a la baja temperatura) y la función de promoción de la oxidación y el quemado del mismo baja. Como resultado de ello, cae también la proporción de reducción y purificación, pero existe una ventaja en el hecho de que pueden evitarse de forma segura el incremento de la presión de retroceso y la fusión o los daños por calor.

Por el contrario, en una marcha normal, como la temperatura del motor diesel 9 y del gas de escape 1 sube, el catalizador de oxidación 24 se activa (por el incremento de la temperatura) y puede obtenerse una alta proporción de reducción y purificación, según se ha descrito anteriormente.

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Realización 1

A continuación se describen, en lo que sigue, ensayos de cada realización del aparato 10 de reducción de materia en partículas de acuerdo con la presente invención. Se describirán a continuación, con referencia a la Figura 4A, ensayos de la primera realización.

En esta primera realización, se llevó a cabo un ensayo en banco de la proporción de recogida utilizando dos tipos de filtros 11 en los que la combinación del diámetro del alambre 20 y la densidad de llenado del mismo era diferente, al tiempo que se cambiaba el número de superposiciones (estratificaciones) del filtro 11, respectivamente. Las condiciones de ensayo eran como sigue.

Forma de cada filtro 11: diámetro exterior de 250 mm; diámetro interior de 90 mm; y espesor de 40 mm.

Especificaciones de cada filtro 11: se utilizaron dos tipos de filtro: (1) un filtro 11 para el que el diámetro del alambre 20 era 0,5 mm y la densidad de llenado del mismo era el 25%; (2) un filtro 11 para el que el diámetro del alambre 20 era 0,35 mm y la densidad de llenado del mismo era el 31%.

Tipo del motor diesel 9: se utilizó un motor de aspiración normal o atmosférica y ocho cilindros en V, de 17 litros de capacidad.

Combustible: se empleó gasóleo ligero de bajo contenido de azufre (contenido de azufre de 50 ppm -partes por millón).

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Modo de ensayo: 13 modos

Como resultado de los ensayos en las anteriores condiciones, se obtuvieron los resultados de medición según se muestra en la Figura 4A, con lo que se verificó que la proporción de recogida depende del área superficial del filtro 11 (selección del diámetro del alambre y la densidad de llenado de alambre, y selección del número de superposiciones).

Por ejemplo, el área superficial del filtro necesaria para obtener una proporción de recogida del 50% es aproximadamente 18 m^{2}, y un área superficial del filtro de aproximadamente 1 m^{2} fue adecuada para un litro de gas de escape 1. Por supuesto, el área superficial del filtro necesaria cambia si varía la forma del filtro 11.

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Realización 2

Se describirán a continuación, con referencia a la Figura 4B, ensayos en la segunda realización. En esta segunda realización, se llevó a cabo un ensayo en banco para la pérdida de presión o carga utilizando tres tipos de filtros 11 en los que la especificación de combinación del diámetro del alambre 20 y la densidad de llenado del mismo era diferente, al tiempo que se cambiaba el número de superposiciones (estratificaciones), respectivamente. Las condiciones de ensayo estaban basadas en la primera realización.

Como resultado, se obtuvieron los resultados de medición según se muestra en la Figura 4B, con lo que se verificó que la pérdida de presión varía con la especificación de cada filtro 11 utilizado, incluso en el caso de una misma área superficial del filtro. En otras palabras, cuando el diámetro del alambre 20 y la densidad de llenado del mismo difieren, el volumen cúbico del filtro 11 cambia y, por tanto, la pérdida de presión era diferente.

Por ejemplo, en el caso en que se utilizaron dos filtros 11 en los que el diámetro del alambre 20 era 0,35 mm y la densidad de llenado del mismo era el 31%, el área superficial de los filtros 11 era 12,12 m^{2}. Por el contrario, en el caso en que se utilizaron 3,6 filtros 11 para los que el diámetro del alambre 20 era 0,5 mm y la densidad de llenado del mismo era el 25%, el área superficial del filtro 11 era la misma que anteriormente (12,12 m^{2}).

En este caso, puesto que éste último tiene un paso para el flujo del gas de escape 1 más ancho y una resistencia más pequeña, por la diferencia de 1,6 filtros en comparación con el primero, la pérdida de presión se hace pequeña. De esta manera, cuando se requiere un área superficial específica del filtro para obtener una cierta proporción de recogida, es deseable, desde el punto de vista de la pérdida de presión, que se escoja el filtro 11 para el que el diámetro del alambre 20 es grueso y grande, y la densidad de llenado del mismo es pequeña.

Realización 3

Se describirán a continuación, con referencia a la Figura 4C, ensayos en la tercera realización. En esta tercera realización, se llevó a cabo un ensayo en banco de la proporción de reducción y purificación (la proporción de recogida) utilizando un solo tipo de filtro 11 en los casos en que se utiliza únicamente el filtro 11, cuando se utilizaba el filtro 11 con el catalizador de oxidación 24, y cuando se utilizaba el filtro 11 con el catalizador de oxidación 24 y, conjuntamente, con el catalizador 25 portado por el combustible, respectivamente, al tiempo que se cambiaba el número de superposiciones (estratificaciones) del filtro 11. Las condiciones de ensayo estaban basadas en las primera y segunda realizaciones anteriormente descritas.

Como resultado, se obtuvieron los resultados de medición según se muestra en la Figura 4C. En cada caso, cuanto mayor era el número de superposiciones y más ancha era el área superficial del filtro 11, más alta era la proporción de reducción y purificación (proporción de recogida). Cuando se observó en el intervalo de proporción de recogida (proporción de reducción y purificación) del 20% al 50%, en el caso en que se utilizaba únicamente el filtro 11, se verificó que la proporción de reducción y purificación se incrementaba en entre aproximadamente el 5% y el 10% cuando éste se utilizaba con el catalizador de oxidación 24, y que se incrementaba en entre aproximadamente el 10% y el 20% cuando éste utilizaba con el catalizador de oxidación 24 y el catalizador 25 portado por el combustible, conjuntamente.

Claims

1. Un aparato (10) de reducción de materia en partículas, destinado a quemar y reducir materia en partículas (PM) contenida en el gas de escape (1) de un motor diesel (9) al tiempo que se recoge la materia en partículas (PM) en dos o más filtros (11), en el cual cada filtro (11) está compuesto de una estructura de malla de alambre, está conformado con una forma de columna corta provista de un orificio pasante central (12), y está alojado coaxialmente en una carcasa o caja cilíndrica exterior (4), conectada a un tubo de escape (2) para el gas de escape (1), de tal manera que el aparato comprende adicionalmente:

: un par de placas de pantalla o barrera, frontal y trasera (17, 18), dispuestas de manera que retienen los filtros (11), de tal modo que una sección circunferencial externa de una de las placas de barrera (17) tiene en ella uno o más orificios (15) para el aire, que desembocan en un espacio de separación (14) situado entre la superficie circunferencial externa (13) de cada filtro (11) y la caja cilíndrica exterior (4),

de manera que los orificios centrales (12) de cada uno de los filtros (11) están alineados unos con otros y dispuestos de tal modo que el gas de escape (1) fluye, durante el uso, entre la superficie circunferencial externa y una interna (13, 19) de los mismos, y

de tal forma que una sección central de la otra placa de barrera (18) tiene un orificio (16) para el aire, de tal modo que dicho orificio (16) para el aire desemboca en el orificio pasante central (12) de cada filtro (11),

caracterizado porque la estructura de malla de alambre tiene una densidad de llenado de entre el 10% y el 40%, de tal manera que la tasa o proporción de recogida de la materia en partículas (PM) se ajusta en una proporción del 50% o menos.

2. El aparato (10) de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 1, en el que cada filtro (11) está compuesto de una estructura de malla de alambre que comprende agregados de malla de un alambre metálico (20), y en el cual los dos o más filtros (11) están superpuestos axialmente por estratificación, de tal modo que la estructura está dispuesta para recoger partículas de carbono y está dispuesta adicionalmente de tal manera que es regenerada por quemado y eliminación de la materia en partículas (PM) recogida, y en el que un diámetro del alambre (20) de cada filtro (11) se encuentra entre 0,2 mm y 0,8 mm, y la proporción de recogida de la materia en partículas (PM) es entre el 20% y el 50% en total.

3. El aparato (10) de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 2, en el cual cada filtro (11) está configurado de tal manera que el diámetro del orificio pasante central (12) es sustancialmente igual o es mayor que el del tubo de escape (2), y es más pequeño que la mitad del diámetro exterior del filtro (11).

4. El aparato (10) de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual una de las placas de barrera (17) está dispuesta aguas arriba y la otra placa de barrera (18) está dispuesta aguas abajo,

en el que la superficie circunferencial externa (13) del filtro sirve como superficie de toma o admisión (21) del gas de escape (1), y la superficie circunferencial interna (19) del mismo sirve como superficie de escape (22) del gas de escape (1), y

en el cual el gas de escape (1) es dispersado de manera que fluye a través de cada filtro (11) del exterior al interior del mismo, por lo que la materia en partículas (PM) se recoge uniformemente en cada filtro (11).

5. El aparato (10) de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual una de las placas de barrera (17) está dispuesta aguas abajo y la otra placa de barrera (18) está dispuesta aguas arriba,

en el que la superficie circunferencial interna (19) del filtro sirve como superficie de toma o admisión (21) del gas de escape (1), y la superficie circunferencial externa (13) del mismo sirve como superficie de escape (22) del gas de escape (1), y

en el cual el gas de escape (1) es dispersado de manera que fluye a través de cada filtro (11) del interior al exterior del mismo, por lo que la materia en partículas (PM) se recoge uniformemente en cada filtro (11).

6. El aparato (10) de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual cada filtro (11) comprende un alambre (20) cuyo componente principal es el Fe, siendo dicho componente un catalizador de oxidación (24) tal, que se favorece durante el uso el quemado de la materia en partículas (PM) recogida.

7. El aparato (10) de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 6, en el cual cada filtro (11) está provisto de un revestimiento de acabado de un catalizador de oxidación (24) de metal precioso, de tal manera que dicho revestimiento de acabado aumenta el área superficial del filtro (11) de modo que se favorecen durante el uso la recogida de la materia en partículas (PM) en cada filtro (11) y el quemado de la materia en partículas (PM) recogida en cada filtro (11).

8. El aparato (10) de reducción de materia en partículas de acuerdo con la reivindicación 6, de manera que el aparato comprende, adicionalmente, medios para suministrar un catalizador (25) portado o arrastrado por el combustible, que se selecciona de entre, o combina con, el Pt, el Ce, el Fe y similares, al depósito (9') de combustible del motor diesel (9), de tal manera que el catalizador (25) portado por el combustible, contenido en el gas de escape (1), favorece el quemado de la materia en partículas (PM) recogida en cada filtro (11).