ES2321026T3

ES2321026T3 - Aparato de purificacion de gases de escape, procedimiento de purificacion de gases de escape y procedimiento de medicion de materia particulada.

Info

Publication number: ES2321026T3
Application number: ES06386030T
Authority: ES
Inventors: Athanasios Konstandopoulos
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2009-06-01
Anticipated expiration: 2026-10-17
Also published as: JP2008101602A; US7866146B2; US20080087011A1; JP2012167672A; PL1916394T3; KR100920150B1; JP5142624B2; CN100549374C; EP1916394A1; ATE426736T1; EP1916394B1; KR20080034768A; DE602006005936D1; CN101165322A

Abstract

Un aparato (20) de purificación de gases de escape, que comprende: un filtro (22) de partículas diésel primario previsto en un conducto (21) de escape de un motor (11) diésel; un conducto (21A) de escape secundario ramificado desde dicho conducto de escape en un lado aguas arriba de dicho filtro de partículas diésel primario; un filtro (22A) de partículas diésel secundario previsto en dicho conducto de escape secundario, teniendo dicho filtro de partículas diésel secundario una capacidad menor que una capacidad de dicho filtro de partículas diésel primario; y una parte (22B) de medición de la presión diferencial que mide una presión diferencial entre una entrada y una salida de dicho filtro de partículas diésel secundario, de modo que se mide una cantidad de deposición de partículas en la materia particulada diésel primaria usando el filtro de partículas diésel secundario.

Description

Aparato de purificación de gases de escape, procedimiento de purificación de gases de escape y procedimiento de medición de materia particulada.

Campo técnico

La presente invención se refiere en general a aparatos de purificación de gases de escape, a un procedimiento de purificación de gases de escape y a un procedimiento de medición de materia particulada, de motores de combustión interna, y más particularmente a un aparato de purificación de gases de escape que incluye un filtro de partículas diésel (DPF) y que se usa para eliminar materia particulada (PM) contenida en un gas de escape de un motor diésel y a un procedimiento para el mismo, y a un procedimiento de medición de materia particulada para determinar la materia particulada (PM) incluida en un gas de escape de un motor diésel.

Técnica anterior

Convencionalmente, se ha usado un filtro de partículas diésel de material cerámico poroso para recoger materia particulada principalmente de C (carbono) emitida desde un motor diésel. Con un filtro de partículas diésel de este tipo, se produce la deposición gradual de materia particulada con el uso continuo de la misma y, por tanto, se ha puesto en práctica en la técnica de aparatos de purificación de gases de escape que usan un filtro de partículas diésel para eliminar la materia particulada depositada produciendo un proceso de combustión dentro del filtro de partículas diésel periódicamente y para regenerar el filtro de partículas diésel. Cuando no se ocupa de tal deposición de materia particulada, se produce una presión excesiva en el filtro de partículas diésel mediante el gas de escape, mientras que esto puede conducir al deterioro de la eficacia del combustible o al daño en el motor.

Es preferible que tal regeneración del filtro de partículas diésel se realice durante el funcionamiento del motor diésel, sin sustituir ni desmontar el filtro y, por tanto, se pone en práctica en la técnica llevar a cabo la inyección de combustible en el estado en que el pistón está bajando en el cilindro tras la combustión para formar un gas a alta temperatura (proceso tras la inyección). De ese modo, la materia particulada depositada se somete a combustión con el gas a alta temperatura así formado.

Divulgación de la invención

La figura 1 muestra la construcción global de un sistema de purificación de gases de escape de un motor diésel equipado con un filtro de partículas diésel según una técnica relacionada de la presente invención.

En referencia a la figura 1, un motor 11 diésel tiene un conducto 12 de escape, en el que se proporciona un filtro 12B de partículas diésel en el conducto 12 de escape para recoger la materia particulada contenida en el gas de escape y emitida desde el motor 11 diésel.

La figura 2A muestra el esquema del filtro 12B de partículas diésel mientras que la figura 2B muestra un elemento que constituye el filtro de partículas diésel.

El filtro 12B de partículas diésel está formado de una unidad 12A de filtro de un material cerámico poroso, normalmente de SiC, en el que se forma un gran número de pasos 12a de gas en la unidad 12A de filtro de modo que se extienden desde un extremo hasta el otro extremo de la misma con una sección transversal de 1 mm x 1 mm, por ejemplo.

De ese modo, el filtro 12B de partículas diésel está formado mediante la unión de diversas unidades 12A de filtro (elementos de filtro) mediante un material de sellado (capa de adhesión) y mediante el mecanizado de la parte periférica de las mismas de manera que el filtro 12B como un todo tiene forma cilíndrica. Además, la superficie periférica del filtro 12B está cubierta por un material de sellado (capa de recubrimiento). Puede haber un caso en el que sólo se usa una unidad 12A en el filtro 12B de partículas diésel.

La figura 2C muestra el principio del filtro 12B de partículas diésel.

Tal como se muestra esquemáticamente en la figura 2C, los diversos pasos 12a de gas tienen sus extremos aguas arriba o sus extremos aguas abajo cerrados alternativamente con respecto a la dirección del flujo del gas de escape desde el motor, y el gas de escape introducido en uno de tales pasos 12a de gas pasa a un paso de gas adyacente a modo de penetración a través del elemento 12b poroso del filtro 12B. De ese modo, la materia particulada contenida en el gas de escape se recoge mediante el elemento 12b poroso cuando el gas de escape penetra a su través, y se produce la deposición de la materia 12c particulada sobre el elemento 12b poroso en forma de capa tal como se muestra en la figura 2D.

Dado que el filtro 12B de partículas diésel produce así la deposición de la materia particulada contenida en el gas de escape en la misma, existe una necesidad de regeneración del filtro con tiempos adecuados realizando un proceso de regeneración (combustión de la materia particulada depositada), tal como se describió anteriormente.

Con el sistema de purificación de gases de escape convencional explicado con referencia a la figura 1, debe observarse que tal regeneración del filtro se realiza cada vez que el vehículo se ha desplazado una distancia recorrida predeterminada tal como de 500 km, a lo largo de la duración de 10 minutos, por ejemplo.

En el caso de que la regeneración del filtro a modo de inyección posterior se haya realizado imparcialmente, la regeneración se lleva a cabo independientemente de la cantidad real de recogida de la materia particulada en el filtro. Por tanto, con el fin de garantizar que no se produce una deposición excesiva de la materia particulada en el filtro, existe una necesidad de fijar el intervalo de regeneración del filtro para que sea más corto de lo que realmente es necesario por motivos de seguridad. Sin embargo, tal regeneración del filtro excesiva realizada mediante la inyección posterior aumenta el consumo de combustible y se deteriora la eficacia de combustible del vehículo.

Por otra parte, existe una construcción conocida de llevar a cabo la regeneración del filtro 12B de partículas diésel a modo de la inyección posterior tal como se muestra en la figura 3, en la que se mide una presión diferencial \DeltaP entre el lado aguas arriba y el lado aguas abajo del filtro 12B de partículas diésel y la inyección posterior se lleva a cabo cuando la presión diferencial \DeltaP anterior ha alcanzado un valor predeterminado. Debe hacerse referencia a la patente estadounidense 6.952.920.

Según la construcción de la figura 3, la regeneración del filtro 12B de partículas diésel sólo se lleva a cabo cuando la presión diferencial entre el lado aguas arriba y el lado aguas abajo ha alcanzado el valor predeterminado, y se suprime el proceso de inyección posterior innecesario. De ese modo, se mejora la eficacia de combustible del vehículo accionado con el motor diésel.

Desgraciadamente, la recogida de la materia particulada en el filtro 12B de partículas diésel no es uniforme. Tal como se muestra en la figura 4, existe una diferencia de densidad o espesor en la materia particulada recogida dependiendo de las ubicaciones (A, 1), (B, 1), (C, 1), (A, 2), (B, 2), (C, 2), (A, 3), (B, 3), (C, 3) en el filtro 12B. Además, puede observarse que se forma una cavidad en la capa de la materia particulada depositada, en la que una cavidad de este tipo formada en la capa de materia particulada proporciona un paso local de gas de escape. La existencia de una cavidad de este tipo indica el caso de combustión incontrolada en la materia particulada recogida e indica además que se ha producido la combustión local en la materia particulada recogida.

Además, tal como se muestra en la figura 5, la densidad de la materia particulada recogida puede tener diferentes valores aun cuando la cantidad de deposición de la materia particulada sea idéntica. La figura 5 muestra que se ha producido una gran variación en la presión diferencial según el cambio del espesor, aun cuando la cantidad de deposición sea idéntica. En los ejemplos de la figura 5, por ejemplo, debe observarse que la cantidad de deposición de la materia particulada es de 8 g/l en su totalidad. Pese a esto, puede observarse en la figura 5 que la presión diferencial ha cambiado desde 15,3 kPa hasta 8,8 kPa cuando el espesor de la materia particulada recogida ha cambiado desde 109 \mum hasta 255 \mum. Por tanto, puede observarse que se produce aproximadamente el doble de una gran diferencia en la presión diferencial.

Por tanto, cuando se produce una deposición no uniforme o formación de cavidad local de este tipo en la materia 12c particulada recogida en la construcción de la figura 3, puede producirse un error de hasta el \pm50% con respecto a la evaluación de la materia particulada realmente depositada y a la presión diferencial \DeltaP, con respecto a valores de cálculo teóricos. Como resultado de un error de este tipo, se produce una gran desviación en la relación entre la cantidad de partículas depositadas realmente y los tiempos de la regeneración. Además en vista del hecho de que la presión del gas de escape y el caudal del gas de escape cambian con la carga del motor o con la revolución del motor, ha sido extremadamente difícil con la construcción de la figura 3 detectar de manera precisa la cantidad de deposición de la materia particulada en el filtro 12B de partículas diésel.

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Además, la patente estadounidense 5.651.248 describe la construcción que usa, además del filtro de partículas diésel, un filtro de detección y evalúa la cantidad de la materia particulada recogida en el filtro de detección mediante la medición de la resistencia eléctrica. Según esta tecnología, la materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel y la materia particulada recogida mediante el filtro de detección se someten a combustión mediante el uso de un calentador cuando la resistencia detectada ha disminuido por debajo de un valor predeterminado. Con esto se logra la regeneración del filtro.

Por otra parte, esta técnica anterior tiene un inconveniente porque, además del problema de que la construcción de la misma se hace compleja debido a la necesidad de proporcionar un calentador en el filtro de partículas diésel, se produce el consumo de energía eléctrica en el momento de la regeneración del filtro de partículas diésel. Con el fin de ahorrar consumo de energía eléctrica en el momento de la regeneración del filtro, la tecnología de la patente estadounidense 5.651.248 selecciona los tiempos de ejecución de la regeneración del filtro de manera que la operación de regeneración se realiza en el momento en que la temperatura del filtro de partículas diésel es superior a una temperatura predeterminada, excepto para el caso en el que el filtro de partículas diésel está en el estado crítico con respecto a la deposición de la materia particulada y es inevitable llevar a cabo la regeneración inmediatamente. Como resultado, se impone una restricción sobre los tiempos de la operación de regeneración del filtro de detección usado para la detección de partículas con esta tecnología y se restringe el grado de libertad de la operación de regeneración del filtro de detección de partículas.

Además, con la tecnología de la patente estadounidense 5.651.248 no es posible usar el filtro de partículas diésel durante la operación de regeneración llevada a cabo mediante el calentador, y debido a esto, se proporciona un filtro de partículas diésel de reserva y se cambia a este filtro de partículas diésel de reserva durante el proceso de regeneración. Sin embargo, una construcción de este tipo requiere dos filtros de partículas diésel equivalentes junto con una válvula de cambio y surge un problema porque la construcción del aparato de purificación de gases de escape se vuelve voluminosa. Resulta difícil montar un aparato de purificación de gases de escape de este tipo en vehículos
compactos.

Además con la tecnología de la patente estadounidense 5.651.248, se lleva a cabo la regeneración del filtro de detección simultáneamente con el filtro de partículas diésel o consecutivamente al filtro de partículas diésel, mientras que una construcción de este tipo no puede elegir los tiempos de regeneración del filtro de detección arbitrariamente y existe un problema de que tiende a producirse un error en los tiempos de regeneración del filtro de partículas diésel, dependiendo del estado del filtro de detección.

Cuando la regeneración del filtro de partículas diésel y la regeneración del filtro de detección se llevan a cabo independiente, se produce una disminución de la resistencia a la ventilación en el filtro de detección con la regeneración del mismo, y el gas de escape comienza a fluir principalmente a través del filtro de detección. De ese modo, se produce un error en la detección de los tiempos de regeneración del filtro de partículas diésel. Por estos motivos, la tecnología de la patente estadounidense 5.651.248 lleva a cabo la regeneración del filtro de detección y la regeneración del filtro de partículas diésel en sincronización tal como se explicó anteriormente.

Además, la tecnología de la patente estadounidense 5.651.248 tiene un inconveniente en los puntos de: (a) deposición de ceniza; y (b) gran error de evaluación debido al deterioro.

Además, con la tecnología de la patente estadounidense 5.651.248, surge otro problema a partir del propio principio de la misma de medir la resistencia eléctrica del electrodo para evaluar la cantidad de deposición de la materia particulada recogida.

Tal como se muestra en la figura 5, puede existir una situación en la que el espesor de la materia particulada recogida cambia pese al hecho de que la cantidad de deposición de la misma es igual. Ahora, cuando el espesor de la materia particulada recogida es diferente, se hace difícil medir la resistencia eléctrica con precisión y tiende a producirse un error en la evaluación de la cantidad de deposición.

Además, en el caso de que se produzca una deposición de ceniza en el filtro de partículas diésel o en el filtro de detección tras la combustión de la materia particulada, ya no es posible la medición precisa de la resistencia eléctrica y debe producirse un gran error en la evaluación de la cantidad de deposición.

Además, con el uso del filtro de detección, se produce la degradación en el filtro o el electrodo con el tiempo o con el uso en el ambiente del gas de escape. Particularmente, el electrodo (terminal formado de un metal conductor) se forma mediante la infiltración de un metal tal como Cu, Cr, Ni, o similares, y por tanto, existe una tendencia de producir problemas de degradación física, degradación por oxidación y degradación térmica, tal como oxidación, adhesión de impurezas, formación de grietas, corrosión y similares.

Cuando se produce degradación en el filtro o el electrodo, ya no es posible llevar a cabo la medición precisa de la resistencia eléctrica y se produce un error en la evaluación de la cantidad de deposición de la materia particulada.

En un primer aspecto, la presente invención resuelve los problemas anteriores mediante un aparato de purificación de gases de escape, que comprende:

un filtro de partículas diésel primario previsto en un conducto de escape de un motor diésel;

un conducto de escape secundario ramificado desde dicho conducto de escape desde un lado aguas arriba de dicho filtro de partículas diésel primario;

un filtro de partículas diésel secundario previsto en dicho conducto de escape secundario, teniendo dicho filtro de partículas diésel secundario la capacidad de almacenamiento de hollín menor que la capacidad de almacenamiento de hollín de dicho filtro de partículas diésel primario; y

una parte de medición de la presión diferencial que mide una presión diferencial entre una entrada y una salida de dicho filtro de partículas diésel secundario.

En otro aspecto, la presente invención proporciona un procedimiento de purificación de gases de escape que usa un aparato de purificación de gases de escape que comprende: un filtro de partículas diésel primario previsto en un conducto de escape de un motor diésel; un conducto de escape secundario ramificado desde dicho conducto de escape desde un lado aguas arriba de dicho filtro de partículas diésel primario; un filtro de partículas diésel secundario previsto en dicho conducto de escape secundario, teniendo dicho filtro de partículas diésel secundario una capacidad de almacenamiento de hollín menor que la capacidad de almacenamiento de hollín de dicho filtro de partículas diésel primario; y una parte de medición de la presión diferencial que mide una presión diferencial entre un orificio de entrada y un orificio de salida de dicho filtro de partículas diésel secundario, comprendiendo dicho procedimiento de purificación de gases de escape las etapas de:

(A) medir una presión diferencial producida a través de dicho filtro de partículas diésel secundario, una temperatura de un gas de escape en dicho conducto de escape secundario y un caudal de dicho gas de escape;

(B) calcular la masa de materia particulada recogida mediante dicho filtro de partículas diésel secundario por tiempo unitario a partir de dicha presión diferencial, dicha temperatura y dicho caudal de dicho gas de escape obtenidos en dicha etapa (A);

(C) calcular la concentración de dicha materia particulada en dicho gas de escape a partir de dicha masa de materia particulada recogida mediante dicho filtro de partículas diésel secundario por tiempo unitario obtenida en dicha etapa (B);

(D) calcular la masa de dicha materia particulada que se ha hecho fluir hacia dicho filtro de partículas diésel primario a partir de dicha concentración de dicha materia particulada en dicho gas de escape obtenida en dicha etapa (C) y además desde un estado de funcionamiento del motor o un caudal de gas hasta dicho filtro de partículas diésel primario;

(E) considerar si dicha masa de dicha materia particulada recogida mediante dicho filtro de partículas diésel primario ha rebasado o no un umbral predeterminado a partir de dicha masa de dicha materia particulada recogida mediante dicho filtro de partículas diésel primario obtenida en dicha etapa (D) y una eficacia de recogida de dicho filtro de partículas diésel primario; y

(F) ejecutar la regeneración de dicho filtro de partículas diésel primario en el caso de que dicha masa de dicha materia particulada diésel recogida mediante dicho filtro de partículas diésel primario haya rebasado dicho umbral predeterminado.

En otro aspecto, la presente invención proporciona un procedimiento de medición de materia particulada que usa un sensor de materia particulada, comprendiendo dicho sensor de materia particulada: un filtro de detección de PM previsto en un conducto de gas ramificado desde un conducto de escape de un motor diésel desde un lado aguas arriba de un filtro de partículas diésel previsto en dicho conducto de escape, teniendo dicho filtro de detección de PM una capacidad de almacenamiento de hollín menor que la capacidad de almacenamiento de hollín de dicho filtro de partículas diésel; y una parte de medición de la presión diferencial que mide una presión diferencial entre un orificio de entrada y un orificio de salida de dicho filtro de detección de PM, comprendiendo dicho procedimiento de medición de materia particulada las etapas de:

(A) medir una presión diferencial producida a través de dicho filtro de detección de PM, una temperatura de un gas de escape en dicho conducto de gas y un caudal de dicho gas de escape en dicho conducto de gas;

(B) calcular la masa de materia particulada recogida mediante dicho filtro de detección de PM por tiempo unitario a partir de dicha presión diferencial, dicha temperatura y dicho caudal de dicho gas de escape obtenidos en dicha etapa (A);

(C) calcular la concentración de dicha materia particulada en dicho gas de escape a partir de dicha masa de materia particulada recogida mediante dicho filtro de detección de PM por tiempo unitario obtenida en dicha etapa (B);

(D) calcular la masa de dicha materia particulada que se ha hecho fluir hacia dicho filtro de partículas diésel primario a partir de dicha concentración de dicha materia particulada en dicho gas de escape obtenida en dicha etapa (C) y además desde un estado de funcionamiento del motor o un caudal de gas hasta dicho filtro de partículas diésel primario.

Según la presente invención, se posibilita medir la cantidad de deposición de materia particulada en el filtro de partículas diésel primario de manera simple y fácil, mediante el uso del filtro de partículas diésel secundario de menor capacidad de almacenamiento de hollín y por tanto, menos propenso a producir la deposición no uniforme de la materia particulada y mediante la detección de la deposición de la materia particulada en el filtro de partículas diésel primario mediante la medición de la presión diferencial que se produce en un filtro de partículas diésel secundario de este tipo. De ese modo, se posibilita suprimir el deterioro de la eficacia de combustible mediante una inyección posterior excesiva. Además, con la presente invención, se posibilita ejecutar la regeneración del filtro de partículas diésel secundario de manera independiente al filtro de partículas diésel primario, y se posibilita medir de manera constante y precisa la cantidad de deposición de la materia particulada en el filtro de partículas diésel primario mediante el uso del filtro de partículas diésel secundario. Además, se posibilita realizar la medición precisa mientras se elimina el efecto de deposición de ceniza o degradación del filtro o el electrodo.

Además, con la presente invención, se posibilita evitar la concentración del gas de escape del conducto 21 de escape hacia el conducto 21A de escape secundario con la regeneración del filtro de partículas diésel secundario, que se produce como resultado de la disminución de la resistencia a la ventilación del segundo conducto 21A de escape con la regeneración del filtro de partículas diésel secundario, proporcionando una válvula en el conducto de escape secundario y controlando el caudal en el mismo para que sea constante. Por tanto, la recogida de la materia particulada en el filtro de partículas diésel primario se produce de manera similar a la del filtro de partículas diésel secundario, y se evita de manera eficaz la desviación producida entre la evaluación de la cantidad de deposición de la materia particulada en el filtro de partículas diésel primario, llevada a cabo mediante la medición de la presión diferencial en el filtro de partículas diésel secundario, y la cantidad de deposición real de la materia particulada en el filtro de partículas diésel primario.

El documento JP 60242341A describe un instrumento de medición para la medición de un gas de escape tomado como muestra de un canal de dilución, el efecto de filtración, en particular las cantidades de hollín seco y materia orgánica soluble.

El documento JP 55019934 describe un sistema de purificación de escape en un motor diésel. Para restablecer el filtro de la obstrucción se proporciona un aparato de regeneración para someter a combustión y eliminar las partículas de humo negro aguas arriba de los filtros termorresistentes.

El documento AT413887B muestra un sistema para evaluar las emisiones de partículas en el flujo de gas de escape de un motor de combustión interna. Se dispone un filtro de partículas en el conducto de gas de escape de un motor de combustión interna. Un sensor de partículas está dispuesto en el conducto de gas de escape, preferiblemente aguas arriba del filtro de partículas. Además, son posibles sensores tales como, por ejemplo, un sensor de presión diferencial, pero no son absolutamente necesarios para el procedimiento tal como se describe.

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Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un diagrama que muestra un sistema de motor global que usa un aparato de purificación de gases de escape convencional;

la figura 2A es un diagrama que muestra una construcción esquemática de un filtro de partículas diésel;

la figura 2B es un diagrama que muestra un elemento constituyente del filtro de partículas diésel;

la figura 2C es un diagrama que muestra el principio de funcionamiento del filtro de partículas diésel;

la figura 3 es un diagrama que muestra la construcción global de un sistema de motor que usa un aparato de purificación de gases de escape según una técnica relacionada de la presente invención;

la figura 4 es un diagrama que explica el problema con el aparato de purificación de gases de escape de la figura 3;

la figura 5 es otro diagrama que explica el problema del aparato de purificación de gases de escape de la figura 3;

la figura 6 es un diagrama que muestra la construcción de un aparato de purificación de gases de escape según una primera realización de la presente invención;

la figura 7A es un diagrama que muestra la construcción de un filtro de partículas diésel secundario usado en la figura 6;

la figura 7B es un diagrama que explica el principio del filtro de partículas diésel secundario de la figura 7A;

la figura 8 es un diagrama que muestra la construcción de un sensor de materia particulada (PM) que usa el filtro de partículas diésel secundario de la figura 6;

la figura 9 es un diagrama que explica el efecto de la invención;

la figura 10 es un diagrama de flujo que explica la operación de regeneración del filtro de partículas diésel en el aparato de purificación de gases de escape según una segunda realización de la presente invención;

la figura 11 es un diagrama de flujo que explica otra operación de regeneración del filtro de partículas diésel del aparato de purificación de gases de escape según la segunda realización de la presente invención;

la figura 12 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de medición de materia particulada según las etapas A-D de la figura 10; y

la figura 13 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de medición de partículas según las etapas A-D de la figura 11.

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Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Según una realización preferida de la presente invención, se proporciona un aparato de purificación de gases de escape que incluye: un filtro de partículas diésel primario previsto en un conducto de escape de un motor diésel; un conducto de escape secundario ramificado desde el conducto de escape en un lado aguas arriba de dicho filtro de partículas diésel primario; un filtro de partículas diésel secundario previsto en el conducto de escape secundario, teniendo el filtro de partículas diésel secundario una capacidad menor que una capacidad del filtro de partículas diésel primario; y una parte de medición de la presión diferencial que mide una presión diferencial entre una entrada y una salida del filtro de partículas diésel secundario.

Preferiblemente, el conducto de escape secundario incluye además un caudalímetro o medidor equivalente (por ejemplo, un medidor de la velocidad de gases).

Preferiblemente, el conducto de escape secundario incluye además una parte de medición de la temperatura.

Preferiblemente, el filtro de partículas diésel secundario incluye un calentador.

Preferiblemente, el aparato de purificación de gases de escape comprende además una válvula para mantener un caudal del gas de escape en el conducto de escape secundario a un valor predeterminado.

Según una realización preferida de la presente invención, se proporciona un procedimiento de purificación de gases de escape que usa un aparato de purificación de gases de escape, incluyendo el aparato de purificación de gases de escape: un filtro de partículas diésel primario previsto en un conducto de escape de un motor diésel; un conducto de escape secundario ramificado desde el conducto de escape desde un lado aguas arriba del filtro de partículas diésel primario; un filtro de partículas diésel secundario previsto en el conducto de escape secundario, teniendo el filtro de partículas diésel secundario una capacidad de almacenamiento de hollín menor que la capacidad de almacenamiento de hollín del filtro de partículas diésel primario; y una parte de medición de la presión diferencial que mide una presión diferencial entre un orificio de entrada y un orificio de salida del filtro de partículas diésel secundario, en el que el procedimiento de purificación de gases de escape incluye las etapas de: (A) medir una presión diferencial producida a través del filtro de partículas diésel secundario, una temperatura de un gas de escape en el conducto de escape secundario y un caudal del gas de escape; (B) calcular la masa de materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel secundario por tiempo unitario a partir de la presión diferencial, la temperatura y el caudal del gas de escape obtenidos en la etapa (A); (C) calcular la concentración de la materia particulada en el gas de escape a partir de la masa de materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel secundario por tiempo unitario obtenida en la etapa (B); (D) calcular la masa de la materia particulada que se ha hecho fluir hacia el filtro de partículas diésel primario a partir de la concentración de la materia particulada en el gas de escape obtenida en la etapa (C) y además desde un estado de funcionamiento del motor o un caudal de gas hasta el filtro de partículas diésel primario; (E) considerar si la masa de dicha materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel primario ha rebasado o no un umbral predeterminado a partir de la masa de la materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel primario obtenida en la etapa (D) y la eficacia de recogida del filtro de partículas diésel primario; y (F) ejecutar la regeneración del filtro de partículas diésel primario en el caso en el que la masa de dicha materia particulada diésel recogida mediante el filtro de partículas diésel primario haya rebasado el umbral
predeterminado.

Preferiblemente, el procedimiento de purificación de gases de escape comprende además la etapa de regenerar el filtro de partículas diésel secundario, ejecutándose la regeneración del filtro de partículas diésel secundario de manera independiente a la regeneración del filtro de partículas diésel primario en el caso en el que una masa de materia particulada recogida en el filtro de partículas diésel secundario haya rebasado un valor predeterminado.

Preferiblemente, la etapa de regenerar el filtro de partículas diésel secundario se ejecuta tras la etapa (A) mediante un primer proceso que incluye la etapa (B) y en el que la etapa de regenerar el filtro de partículas diésel primario se ejecuta tras la etapa (B) del primer proceso mediante un segundo proceso que incluye las etapas (C) y (D).

Preferiblemente, la etapa de regenerar el filtro de partículas diésel secundario se ejecuta tras la etapa (A) mediante un primer proceso que incluye la etapa (B) y en el que la etapa de regenerar el filtro de partículas diésel primario se ejecuta tras la etapa (A) mediante un segundo proceso que incluye las etapas (B) - (D), en el que el primer proceso y el segundo proceso se ejecutan en paralelo.

Preferiblemente, la etapa (B) calcula la cantidad de carga de hollín de la materia particulada recogida en el filtro de partículas diésel secundario según una ecuación de la forma

\DeltaP = función (flujo, temperatura, carga de hollín, geometría)

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con un ejemplo preferido mostrado más adelante (aunque también pueden emplearse otras expresiones) según la cual se calcula el espesor W[m] de una capa de la materia particulada recogida en el filtro de partículas diésel secundario según

1

en la que \DeltaP representa la presión diferencial [Pa], \mu representa un coeficiente de viscosidad cinética, Q representa el caudal del gas de escape en el segundo filtro de partículas diésel representado en cuanto a [m^{3}/h], \alpha representa una longitud de borde de una célula en el filtro de partículas diésel secundario, \rho representa un peso específico del gas de escape, V_{trap} representa un volumen de filtro del filtro de partículas diésel secundario, W_{s} representa un espesor de pared del filtro de partículas diésel secundario, K_{w} representa una permeabilidad de pared del filtro de partículas diésel secundario, K_{holl\text{í}n} representa una permeabilidad de la capa de dicha materia particulada recogida en el segundo filtro de partículas diésel, F es un coeficiente numérico (=28,454), L representa una longitud de filtro eficaz del segundo filtro de partículas diésel, \beta representa el coeficiente de Forchheimer de una pared porosa del segundo filtro de partículas diésel, \zeta representa el coeficiente de pérdida de inercia del gas de escape que entra y sale del filtro de partículas diésel secundario, y además obtiene una masa m_{holl\text{í}n} [g] de la materia particulada recogida en el filtro de partículas diésel secundario según una ecuación

2

en la que N_{células} representa un número de aberturas de la célula en un lado de entrada de la misma y \rho_{holl\text{í}n} representa una densidad de la materia particulada recogida.

Preferiblemente, la etapa (C) obtiene una concentración PM_{conc} [g/m^{3}] de la materia particulada en el gas de escape mediante una ecuación

PM \ [g/h] = PM_{conc} \ [g/m^{3}] \ x \ Q2 \ [m^{3}/h]

en la que Q2 [m^{3}/h] representa un caudal del gas de escape que pasa a través del filtro de partículas diésel secundario, PM [g/h] representa la masa de la materia particulada depositada por tiempo unitario.

Preferiblemente, la etapa (D) obtiene la cantidad (PM_{introducida \ por \ todo \ el \ filtro} [g/h]) de la materia particulada que se ha hecho fluir hacia el filtro de partículas diésel primario mediante una ecuación

PM_{introducida \ por \ todo \ el \ filtro} \ [g/h] \ = \ PM_{conc} \ [g/m^{3}] \ x \ Q1 \ [m^{3}/h]

en la que PM_{conc} [g/m^{3}] representa una concentración materia particulada en el gas de escape.

Según una realización preferida de la presente invención, se proporciona un procedimiento de medición de materia particulada que usa un sensor de materia particulada, comprendiendo el sensor de materia particulada: un filtro de detección de PM previsto en un conducto de gas ramificado desde un conducto de escape de un motor diésel en un lado aguas arriba de un filtro de partículas diésel previsto en el conducto de escape, teniendo el filtro de detección de PM una capacidad menor que una capacidad del filtro de partículas diésel; y una parte de medición de la presión diferencial que mide una presión diferencial entre un orificio de entrada y un orificio de salida del filtro de detección de PM, comprendiendo el procedimiento de medición de materia particulada las etapas de: (A) medir una presión diferencial producida a través del filtro de detección de PM, una temperatura de un gas de escape en el conducto de gas y un caudal del gas de escape en dicho conducto de gas; (B) calcular la masa materia particulada recogida mediante el filtro de detección de PM por tiempo unitario a partir de la presión diferencial, la temperatura y el caudal del gas de escape obtenidos en la etapa (A); (C) calcular la concentración de la materia particulada en dicho gas de escape a partir de la masa de materia particulada recogida mediante el filtro de detección de PM por tiempo unitario obtenida en la etapa (B); (D) calcular la masa de dicha materia particulada que se ha hecho fluir hacia el filtro de partículas diésel primario a partir de la concentración de la materia particulada en el gas de escape obtenida en la etapa (C) y además desde un estado de funcionamiento del motor o un caudal de gas hasta el filtro de partículas diésel primario.

Preferiblemente, la etapa de calcular la masa de dicha materia particulada recogida mediante el filtro de detección de PM se ejecuta tras la etapa (A) mediante un primer proceso que incluye la etapa (B) y en el que la etapa de calcular la masa de la materia particulada que se ha hecho fluir hacia el filtro de partículas diésel se ejecuta tras la etapa (B) del primer proceso mediante un segundo proceso que incluye las etapas (C) y (D).

Preferiblemente, la etapa de calcular la masa de la materia particulada recogida mediante el filtro de detección de PM se ejecuta tras la etapa (A), mediante un primer proceso que incluye la etapa (B), y en el que la etapa de calcular la masa de la materia particulada que se ha hecho fluir hacia el filtro de partículas diésel se ejecuta tras la etapa (A) mediante un segundo proceso que incluye las etapas (B) - (D), en el que el primer proceso y dicho segundo proceso se ejecutan en paralelo.

\DeltaP = función (flujo, temperatura, carga de hollín, geometría)

3

en la que \DeltaP representa la presión diferencial [Pa], \mu representa un coeficiente de viscosidad cinética, Q representa el caudal del gas de escape en el filtro de detección de PM representado en cuanto a [m^{3}/h], \alpha representa una longitud de borde de una célula en dicho filtro de detección de PM, \rho representa un peso específico del gas de escape, V_{trap} representa un volumen de filtro del filtro de detección de PM, W_{s} representa un espesor de pared del filtro de detección de PM, K_{w} representa una permeabilidad de pared del filtro de detección de PM, K_{holl\text{í}n} representa una permeabilidad de la capa de la materia particulada recogida en el filtro de detección de PM, F es un coeficiente numérico (=28,454), L representa una longitud de filtro eficaz del filtro de detección de PM, \beta representa el coeficiente de Forchheimer de una pared porosa del filtro de detección de PM, \zeta representa el coeficiente de pérdida de inercia del gas de escape que entra y que sale del filtro de detección de PM, y además obtiene una masa m_{holl\text{í}n} [g] de la materia particulada recogida en el filtro de detección de PM según una ecuación

4

PM \ [g/h] \ = \ PM_{conc} \ [g/m^{3}] \ x \ Q2 \ [m^{3}/h]

en la que Q2 [m^{3}/h] representa un caudal del gas de escape que pasa a través del filtro de detección de PM, PM [g/h] representa la masa de la materia particulada depositada por tiempo unitario en el filtro de detección de PM.

\newpage

en la que PM_{conc} [g/m^{3}] representa una concentración de materia particulada en el gas de escape.

Primera realización

La figura 6 muestra la construcción de un aparato 20 de purificación de gases de escape según una primera realización de la presente invención.

En referencia a la figura 6, un gas de escape de un motor diésel no ilustrado se hace fluir hacia un filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario similar al explicado anteriormente con referencia a la figura 2A por medio de un conducto 21 de escape, y el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario recoge la materia particulada en el gas de escape tal como se explica con referencia a las figuras 2C y 2D.

Además, con la construcción de la figura 6, un conducto 21A de escape secundario se ramifica desde el conducto 21 de escape en un lado aguas arriba del filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario y se proporciona un filtro 22A de partículas diésel secundario en el conducto 21A de escape secundario con un volumen menor que el volumen del filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario. Además, se proporciona un manómetro 22B diferencial para medir una presión diferencial \DeltaP producida entre una entrada y una salida del filtro 22A de partículas diésel secundario. Además, con la construcción de la figura 6, se proporcionan un caudalímetro 24 y una válvula 23 de control en el conducto 21A de escape secundario en un lado aguas abajo del filtro 22A de partículas diésel secundario, en el que la válvula 23 de control se usa para mantener constante el caudal del gas de escape en el conducto 21A de escape secundario basándose en la medición realizada mediante el caudalímetro 24. Debe observarse que la válvula 23 de control y el caudalímetro 24 pueden proporcionarse en cualquier lugar en el conducto 21A de escape secundario. En este caso, debe observarse que el filtro 22A de partículas diésel secundario, el manómetro 22B diferencial y el caudalímetro 24 constituyen juntos un sensor de materia particulada (PM) que mide la cantidad de partículas contenidas en el gas de escape. El sensor de materia particulada (PM) puede definirse para incluir una parte (T1) de medición de la temperatura. Además, es posible proporcionar una parte T2 de medición de la temperatura en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario.

Debe observarse que la parte de medición de la temperatura en el conducto de escape puede proporcionarse en cualquiera de: (1) el interior del filtro de partículas diésel primario, (2) el interior del filtro de partículas diésel secundario, (3) en un tubo conectado a los mismos, (4) el exterior del filtro de partículas diésel primario o (5) el exterior del filtro de partículas diésel secundario. Desde el punto de vista de la medición precisa de la temperatura del gas de escape, es preferible la disposición de (1) o (2), en la que se cree que es más preferible la disposición de (2).

La figura 7A muestra la construcción global que incluye el filtro 22A de partículas diésel secundario, mientras que la figura 7B muestra el principio del filtro 22A de partículas diésel secundario.

Debe observarse que el filtro 22A de partículas diésel secundario puede estar formado de un material cerámico poroso similar al filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario. En el caso en el que el filtro de partículas diésel secundario esté formado de un material cerámico poroso, es preferible que el filtro de partículas diésel secundario incluya una célula 22b de forma rectangular. En ella está formado un único paso 22a de gas que tiene un volumen de 65 ml o menos tal como 0,05 ml - 65 ml, o el 5% o menos tal como el 0,05% - 5% del volumen total de los pasos de gas de escape (correspondiente al paso 12a de la figura 3) en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario. Como alternativa, el paso 22a de gas puede tener un área de filtración de 0,1 cm^{2} - 1000 cm^{2} (preferiblemente 1 cm^{2} - 10 cm^{2}). El paso 22a de gas puede tener una forma en sección transversal rectangular, por ejemplo, y está formado en el estado en el que un extremo del mismo está cerrado (el extremo posterior está cerrado en el caso de una célula). En este caso, debe observarse que la forma externa del paso 22a de gas o la forma externa del filtro 22A de partículas diésel secundario (célula 22b) no ha de ser necesariamente idéntica a la forma en sección transversal de los pasos de gas del filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario, y por tanto, pueden conformarse para dar cualquier forma arbitraria de circular, cuadrada, octaédrica, elíptica o similares. Además, debe observarse que el material cerámico poroso que constituye el filtro 22A de partículas diésel secundario (célula 22b) no ha de ser necesariamente idéntico al material cerámico poroso que forma el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario. Además, debe observarse que el filtro 22A de partículas diésel secundario (célula 22b) puede estar formado de un material distinto a los materiales cerámicos.

Mediante la formación del paso 22a de gas con el volumen del 5% o menos del paso de gas de escape (correspondiente al paso 12a de la figura 3) en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario, o con el volumen de 65 ml o menos, o con el área de filtración de 0,1 cm^{2} - 1000 cm^{2} (preferiblemente 1 cm^{2} - 10 cm^{2}), se posibilita medir la cantidad de deposición de la materia particulada en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario con un procedimiento sencillo.

El filtro 22A de partículas diésel secundario (célula 22b) está provisto de una parte de medición de la temperatura para medir la temperatura T del gas de escape, y se proporciona un termopar 22d para la parte de medición de la temperatura. Además, un calentador 22h está enrollado alrededor del filtro de partículas diésel secundario (célula 22b) para incinerar una capa 22c de hollín depositada en la superficie de pared interna y para regenerar el filtro 22A de partículas diésel secundario. Además, la célula 22b, el termopar 22d y el calentador 22h están alojados en un soporte 22e cilíndrico de SiO_{2}-Al_{2}O_{3} o similares, por medio de un aislante 22i de Al_{2}O_{3} o similares, y se proporciona un manómetro 22B de diafragma en el soporte 22e para medir la presión diferencial \DeltaP, de tal manera que el gas de escape en el conducto 21A de escape secundario se suministra al manómetro 22B. El soporte 22e está alojado en un alojamiento metálico y se proporciona al conducto de escape secundario como el sensor de materia particulada (PM). El soporte 22e también puede proporcionarse dentro del tubo del conducto de escape secundario o puede proporcionarse dentro del conducto de escape secundario en el estado alojado en el alojamiento metálico.

Por tanto, cuando se introduce el gas de escape en el conducto 21A de escape secundario en el paso 22a de escape del filtro de partículas diésel secundario (célula 22b), se hace fluir el gas de escape hacia fuera de la célula a través de la superficie de pared del filtro de partículas diésel secundario (célula 22b), y se recoge la materia particulada en el gas de escape de manera similar al caso de la figura 2C. De ese modo, la materia particulada se deposita sobre la superficie interna de la célula 22b para formar una capa 22c.

Con la presente realización, se calcula la cantidad de deposición de la materia 22c particulada así recogida y depositada en la superficie de pared interna del filtro 22 de partículas diésel a partir de la diferencia de presión \DeltaP y de la temperatura T del gas de escape y del caudal Q del gas de escape así obtenidos mediante el uso de la ecuación (1) más adelante.

La figura 8 muestra una construcción más detallada del filtro 22A de partículas diésel secundario de la figura 6.

En referencia a la figura 8, el gas de escape en el conducto 21A de escape secundario se suministra al paso 22a de gas en el filtro de partículas diésel secundario (célula 22b) tal como se representa mediante una flecha y se descarga, tras pasar a través de la célula, en la dirección lateral o dirección trasera. De ese modo, se acciona el calentador 22h en el filtro de partículas diésel secundario (célula 22b) mediante la energía eléctrica suministrada mediante un conducto 22b1 de accionamiento y produce la incineración en la materia 22c particulada recogida mediante la célula 22b. Además, se suministra la señal de salida del manómetro 22B de diafragma a un circuito de control por medio de un conducto 22p de señal.

Con el filtro 22A de partículas diésel secundario de las figuras 7A y 7B, se calcula la cantidad de carga de hollín de la materia particulada recogida en el filtro de partículas diésel secundario según una ecuación de la forma

5

en la que \DeltaP representa la presión diferencial [Pa], \mu representa un coeficiente de viscosidad cinética, Q representa el caudal del gas de escape representado en cuanto a [m^{3}/h], \alpha representa una longitud de borde de la célula, \rho representa un peso específico del gas de escape, V_{trap} representa un volumen de filtro, W_{s} representa un espesor de pared, K_{w} representa una permeabilidad de gas a través de la pared, K_{holl\text{í}n} representa una permeabilidad de gas de la capa de materia particulada recogida, W representa el espesor de la capa de materia particulada recogida, F es un coeficiente numérico (= 28,454), L representa una longitud de filtro eficaz, \beta representa el coeficiente de Forchheimer de la pared porosa, \zeta representa el coeficiente de pérdida de inercia del gas de escape que entra y sale del filtro.

A continuación, la masa m_{holl\text{í}n} de la materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel secundario (célula 21b) se obtiene según

6

en la que m_{holl\text{í}n} representa la masa [g] de la materia particulada recogida, mientras que N_{células} representa un número de aberturas de la célula en el lado de entrada y \rho_{holl\text{í}n} representa la densidad de la materia particulada recogida.

Por tanto, una cantidad de recogida por tiempo unitario, PM [g/h] se obtiene dividiendo m_{holl\text{í}n} entre el tiempo [h] tal como se mide a partir de la regeneración anterior del filtro 22A de partículas diésel secundario.

Una vez que se obtiene la masa PM [g/h] de la materia particulada depositada en una tiempo unitario, se obtiene la concentración de la materia particulada en el gas de escape, PM_{conc} [g/m^{3}], mediante el uso del caudal Q2 [m^{3}/h] del gas de escape que pasa a través del filtro 22A de partículas diésel secundario como

(3)PM \ [g/h] \ = \ PM_{conc} \ [g/m^{3}] \ x \ Q2 \ [M^{3}/H].

Dado que la concentración PM_{conc} de la materia particulada en el gas de escape toma el mismo valor en el conducto 21A de escape secundario y también en el conducto 21 de escape, se obtiene la cantidad de la materia particulada PM_{introducida \ por \ todo \ el \ filtro} [g/h] que ha fluido hacia el filtro 22 de partículas diésel a partir de la masa PM [g/h] de la materia particulada depositada por tiempo unitario, como

(4)PM_{introducida \ por \ todo \ el \ filtro} \ [g/h] \ = \ PM_{conc} \ [g/m^{3}] \ x \ Q1 \ [m^{3}/h]

Además, a partir de esto, se obtiene la cantidad de la materia particulada depositada en el filtro teniendo en cuenta la eficacia de recogida del filtro. En lo anterior, Q1 representa el caudal del gas de escape que pasa a través del filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario. Q1 puede obtenerse mediante medición real o puede estimarse a partir del estado de funcionamiento del motor.

La figura 9 muestra la relación entre la presión diferencial que se produce a través del filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario del aparato de purificación de gases de escape de la figura 6 y la cantidad de deposición de la materia particulada en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario, en el que debe observarse que la línea continua muestra el caso en el que se obtiene la cantidad de deposición de la materia particulada en el filtro 22 de partículas diésel principal mediante el uso del filtro 22A de partículas diésel secundario y las ecuaciones (1) - (4). Por otra parte, la línea discontinua representa el caso en el que se obtiene la cantidad de deposición de la materia particulada en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario directamente a partir de la presión diferencial a través del filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario.

En referencia a la figura 9, puede observarse que puede producirse una variación, y por tanto un error, de hasta el \pm50% en la presión diferencial a través del filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario cuando se compara con la misma cantidad de deposición de la materia particulada.

Por lo contrario, es posible obtener la cantidad de deposición de la materia particulada recogida mediante el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario dentro del error del \pm10% obteniendo la presión diferencial \DeltaP a través de la materia particulada diésel secundaria y mediante el uso de las ecuaciones (1) - (4).

Por tanto, según la presente invención, se posibilita evaluar con precisión la cantidad de deposición de la materia particulada en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario en el aparato de purificación de gases de escape de la figura 6 mediante la medición de la presión diferencial \DeltaP formada en el filtro 22A de partículas diésel secundario de volumen pequeño, y se posibilita ejecutar la regeneración del filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario con tiempos óptimos llevando a cabo la inyección posterior basándose en el resultado anterior. Con esto se evita la inyección posterior innecesaria y se mejora la eficacia de combustible del vehículo.

En la construcción de la figura 6, es posible usar un caudalímetro Vencheri conocido, un caudalímetro de hilo caliente o similares, en el que el caudalímetro 24 puede controlar el caudal de gas de escape en el conducto 21A de escape secundario generalmente constante dentro del intervalo de 50 - 6000 ml/min., por ejemplo. Con esto se evita un flujo unilateral del gas de escape a través del conducto 21A de escape secundario y se posibilita obtener la cantidad de deposición de la materia particulada en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario a partir de la cantidad de deposición obtenida mediante el uso del filtro 22A de partículas diésel secundario, con precisión mejorada adicional.

En este caso, debe observarse que la "parte de medición de la presión diferencial que mide una presión diferencial entre una entrada y una salida de dicho filtro de partículas diésel secundario" incluye no sólo el manómetro diferencial que mide la presión diferencial entre el lado de entrada y el lado de salida del filtro 22A de partículas diésel secundario, sino también la construcción que usa un manómetro sólo en el lado de salida del filtro 22A de partículas diésel. Con una construcción de este tipo, se memoriza el valor de presión del estado inicial (el estado inmediatamente tras la regeneración) y se calcula la presión diferencial mediante la medición de la presión para el estado en el que se produce la deposición del material particulado en el filtro 22A de partículas diésel secundario y restando el valor de presión así obtenido del valor de presión inicial memorizado.

Además, también es posible proporcionar un caudalímetro, un medidor de la velocidad de flujo o similares, en el lado de entrada y el lado de salida o sólo en el lado de salida del filtro de partículas diésel secundario para medir la presión diferencial. Con una construcción de este tipo, se obtiene la presión diferencial a partir del valor de lectura del caudalímetro, el medidor de la velocidad de flujo o similares, proporcionado en el lado de entrada y el lado de salida del filtro de partículas diésel secundario. Como alternativa, puede obtenerse la presión diferencial a partir del valor de lectura del caudalímetro, el medidor de la velocidad de flujo, o similares, en el lado de salida del filtro de partículas diésel secundario, comparando el valor de lectura para el estado inicial (el estado inmediatamente tras la regeneración) y el valor de lectura para el estado en el que se produce la deposición de la materia particulada en el filtro de partículas diésel secundario.

La presente invención tiene la característica de obtener la cantidad de la materia particulada depositada en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario a partir de la presión diferencial obtenida para el filtro 22A de partículas diésel secundario mediante el uso de las ecuaciones (1) - (4), y por tanto, puede usarse cualquier instrumento incluyendo los que se usan convencionalmente para medir una presión diferencial para medir la presión diferencial del filtro de partículas diésel secundario.

Segunda realización

La figura 10 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de purificación de gases de escape según una segunda realización de la presente invención que usa el aparato de purificación de gases de escape de la figura 6.

En referencia a la figura 10, se detecta el caudal Q de gas de escape mediante el caudalímetro 24 en la etapa 1 y se detecta la presión diferencial \DeltaP a través del filtro 22A de partículas diésel secundario mediante el manómetro 22B diferencial. Además, se detecta la temperatura del gas de escape mediante el uso de la parte T1 de medición de la temperatura.

A continuación, en la etapa 2, se obtiene el espesor W de capa de la materia particulada recogida mediante el filtro 22A de partículas diésel secundario a partir de la presión diferencial \DeltaP detectada en la etapa 1 según la ecuación (1). En este caso, debe observarse que la temperatura T del gas de escape puede obtenerse mediante el uso de la parte T2 de medición de la temperatura del filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario en lugar de usar la parte T1 de medición de la temperatura del filtro 22A de partículas diésel secundario como en el presente caso. Además, puede calcularse la temperatura T a partir de las temperaturas de las partes T1 y T2 de medición de la temperatura (en forma del valor promedio, el valor máximo, el valor mínimo, por ejemplo). Desde el punto de vista del cálculo de la cantidad de la materia particulada de manera más precisa, es preferible usar la parte T1 de medición de la temperatura del filtro 22A de partículas diésel secundario. Para la parte de medición de la temperatura puede usarse un termopar, mientras que también es posible usar cualquier instrumento siempre que pueda medir la temperatura. Aunque es preferible medir la temperatura del gas de escape dentro del tubo de escape, también es posible medir la temperatura del filtro o de la célula.

Además, en la etapa 2, se obtiene la masa m_{holl\text{í}n} de la materia particulada recogida mediante la célula 21b a partir del espesor W de capa detectado en la etapa 1 mediante el uso de la ecuación (2) mencionada anteriormente.

Además, en la etapa 3, se considera si la masa m_{holl\text{i}n} de la materia particulada estratificada depositada en la célula 22b del filtro 22A de partículas diésel secundario ha rebasado o no un umbral Th0 predeterminado, y si el resultado es NO, el proceso vuelve a la etapa 1.

Cuando la masa m_{holl\text{í}n} de la materia particulada estratificada depositada en la célula 22b del filtro 22A de partículas diésel secundario ha rebasado el umbral Th0 predeterminado en la etapa 3, se activa el calentador 22h en la etapa 4 y se elimina la materia 22c particulada mediante combustión.

Mientras tanto, en el proceso de la figura 10, se obtiene la concentración PM de la materia particulada en el gas de escape en la etapa 11 a partir de la ecuación (3) usando la masa m_{holl\text{í}n} de la materia particulada recogida en la célula 22b obtenida en la etapa 2, y se obtiene la cantidad depositada PM_{introducida \ por \ todo \ el \ filtro} de las partículas depositadas en el filtro 22 de partículas diésel principal a partir de la ecuación (4) y a partir de la eficacia de recogida del filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario.

Por tanto, en la etapa 12, se considera si la cantidad depositada PM_{introducida \ por \ todo \ el \ filtro} de la materia particulada en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario rebasa o no un valor Th1 umbral predeterminado, y si el resultado de la consideración es NO, la operación vuelve a la etapa S11.

En el caso en el que se considera en la etapa 12 que la cantidad depositada PM_{introducida \ por \ todo \ el \ filtro} de la materia particulada en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario rebasa el valor Th1 umbral predeterminado, se ejecuta la inyección posterior en la etapa 13 mediante el control de una unidad de control del motor (ECU), y se elimina la materia particulada depositada en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario mediante combustión. De ese modo, se logra la regeneración del filtro.

Con el proceso de la figura 10, es posible llevar a cabo la regeneración del filtro 22A de partículas diésel secundario y el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario independientemente, y por tanto, es posible mantener siempre la cantidad depositada de la materia 22c particulada, o la cantidad de la capa de hollín, en la célula 22b, que constituye el filtro 22A de partículas diésel secundario, para que sea un valor pequeño de 0,5 g/l o menos. Con una construcción de este tipo, se posibilita mejorar la sensibilidad del sensor de materia particulada que usa el filtro 22A de partículas diésel secundario.

Con la construcción de la figura 6, en la que se inserta la válvula 23 en el conducto 21A de escape secundario, no se produce una situación tal que el gas de escape fluye predominantemente a través del filtro de partículas diésel secundario en el que se ha realizado la regeneración incluso cuando la regeneración del filtro 22A de partículas diésel secundario se realiza de manera independiente al filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario, y no se produce ningún error en la evaluación de la cantidad depositada de la materia particulada en el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario.

De ese modo, debe observarse que no hay necesidad de que la válvula 23 mantenga el caudal de gas de escape en el conducto 21A de escape secundario exactamente a un nivel constante, sino que simplemente es suficiente evitar la desviación extrema del flujo de gas de escape hacia el conducto 21A de escape secundario.

Por tanto, en la segunda realización indicada anteriormente se miden la presión diferencial \DeltaP, la temperatura T del gas de escape y el caudal Q de gas de escape (etapa 1), se obtiene la masa de la materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel secundario mediante el uso de las ecuaciones (1) y (2) a partir del resultado anterior de medición (etapa 2) y se obtiene la cantidad de la materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel primario a partir de la cantidad de la materia particulada recogida en el filtro de partículas diésel secundario mediante el uso de las ecuaciones (3) y (4) y además usando la eficacia de recogida del filtro de partículas diésel primario (etapa 11).

En la figura 10, y también en la figura 11 que va explicarse más adelante, el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario se designa como DPF mientras que el filtro 22A de partículas diésel secundario se designa como sub-DPF. Además, la deposición de materia particulada diésel se designa como DPM depo.

Por otra parte, el proceso de obtención de la cantidad de la materia particulada recogida en el filtro de partículas diésel primario puede modificarse tal como se muestra en la figura 11.

Por tanto, en la figura 11, el proceso para obtener la cantidad de la materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel primario (etapa 11) se lleva a cabo en paralelo con el proceso de obtención de la cantidad de la materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel secundario (etapa 2), usando el resultado de la medición obtenido en la etapa 1.

Tercera realización

La figura 12 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de medición de la materia particulada según una tercera realización de la presente invención que usa el sensor de materia particulada PM de la figura 6, en el que las partes correspondientes a las partes descritas anteriormente se designan mediante los mismos números de referencia y se omitirá la descripción de las mismas.

En referencia a la figura 12, se fija el caudal en el conducto 21A de escape secundario a un valor predeterminado en el intervalo de 50 - 6000 ml/min. en la etapa 21 correspondiente a la etapa 1 anterior mediante el uso del caudalímetro 24, o en algunos casos mediante el uso de la válvula 23, y se detecta la presión diferencial \DeltaP a través del filtro 22A de partículas diésel secundario mediante el manómetro 22B diferencial. Además, se detecta la temperatura del gas de escape mediante el uso de la parte T1 de medición de la temperatura.

A continuación, en la etapa 22 correspondiente a la etapa 2 anterior, se obtiene el espesor W de capa de la materia particulada recogida mediante el filtro 22A de partículas diésel secundario a partir de la presión diferencial \DeltaP detectada en la etapa 1 según la ecuación (1). En este caso, debe observarse que puede obtenerse la temperatura T del gas de escape mediante el uso de la parte T2 de medición de la temperatura del filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario en lugar de usar la parte T1 de medición de la temperatura del filtro 22A de partículas diésel secundario como en el presente ejemplo. Además, puede calcularse la temperatura T a partir de las temperaturas de las partes T1 y T2 de medición de la temperatura (en forma del valor promedio, el valor máximo, el valor mínimo, por ejemplo). Desde el punto de vista del cálculo de la cantidad de la materia particulada de manera más precisa, es preferible usar la parte T1 de medición de la temperatura del filtro 22A de partículas diésel secundario. Para la parte de medición de la temperatura puede usarse un termopar, aunque también es posible usar cualquier instrumento siempre que pueda medir la temperatura. Aunque es preferible medir la temperatura del gas de escape dentro del tubo de escape, también es posible medir la temperatura del filtro o de la célula.

Además, en la etapa 22, se obtiene la masa m_{holl\text{í}n} de la materia particulada recogida mediante la célula 21b a partir del espesor W de capa detectado en la etapa 1 mediante el uso de la ecuación (2) mencionada anteriormente.

Además, en el proceso de la figura 12, se obtiene la concentración PM de la materia particulada en el gas de escape en la etapa 31 correspondiente a la etapa 11 anterior a partir de la ecuación (3) usando la masa m_{holl\text{í}n} de la materia particulada recogida en la célula 22b obtenida en la etapa 22, y se obtiene la cantidad depositada PM_{introducida \ por \ todo \ el \ filtro} de las partículas depositadas en el filtro 22 de partículas diésel principal a partir de la ecuación (4) y a partir de la eficacia de recogida del filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario.

Por tanto, en la tercera realización indicada anteriormente se miden la presión diferencial \DeltaP, la temperatura T del gas de escape y el caudal Q de gas de escape (etapa 21), la masa de la materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel secundario se obtiene mediante el uso de las ecuaciones (1) y (2) a partir del resultado anterior de medición (etapa 22), y se obtiene la cantidad de la materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel primario a partir de la cantidad de la materia particulada recogida en el filtro de partículas diésel secundario mediante el uso de las ecuaciones (3) y (4) y además mediante el uso de la eficacia de recogida del filtro de partículas diésel primario (etapa 31).

En la figura 12, y también en la figura 13 que va a explicarse más adelante, el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario se designa como DPF mientras que el filtro 22A de partículas diésel secundario se designa como sub-DPF. Además, la deposición de la materia particulada diésel se designa como DPM depo.

Por otra parte, el proceso de obtención de la cantidad de la materia particulada recogida en el filtro de partículas diésel primario puede modificarse tal como se muestra en la figura 13.

Por tanto, en la figura 13, el proceso para obtener la cantidad de la materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel primario (etapa 31) se lleva a cabo en paralelo con el proceso de obtención de la cantidad de la materia particulada recogida mediante el filtro de partículas diésel secundario (etapa 22), usando el resultado de medición obtenido en la etapa 21.

Además, aunque hasta ahora en el presente documento se ha realizado la explicación para el caso de usar un componente de panal de SiC para el filtro 22 de partículas diésel (DPF) primario y el filtro 22A de partículas diésel secundario, la presente invención no está limitada de ninguna manera a tales componentes de filtro particulares, y también es posible usar un material compuesto que contiene carburo de silicio en el 60% o más, tal como un material compuesto de carburo de silicio y metal tal como silicio (la presente invención incluye un material compuesto de este tipo también en carburo de silicio), un nitruro tal como nitruro de aluminio, nitruro de silicio, nitruro de boro, nitruro de tungsteno, o similares, un carburo tal como carburo de zirconio, carburo de titanio, carburo de tantalio, carburo de tungsteno, o similares, un óxido tal como alúmina, óxido de zirconio, cordierita, mullita, sílice, titanato de aluminio, o un cuerpo poroso de metal tal como acero inoxidable. Además, es posible usar un cuerpo estructural tal como una placa de elemento u ondulada además de la estructura de panal.

El aparato de purificación de gases de escape de la presente invención tiene un tamaño compacto y no sólo puede aplicarse a vehículos grandes como camiones o máquinas industriales sino también a turismos.

Claims

1. Un aparato (20) de purificación de gases de escape, que comprende:

un filtro (22) de partículas diésel primario previsto en un conducto (21) de escape de un motor (11) diésel;

un conducto (21A) de escape secundario ramificado desde dicho conducto de escape en un lado aguas arriba de dicho filtro de partículas diésel primario;

un filtro (22A) de partículas diésel secundario previsto en dicho conducto de escape secundario, teniendo dicho filtro de partículas diésel secundario una capacidad menor que una capacidad de dicho filtro de partículas diésel primario; y

una parte (22B) de medición de la presión diferencial que mide una presión diferencial entre una entrada y una salida de dicho filtro de partículas diésel secundario, de modo que se mide una cantidad de deposición de partículas en la materia particulada diésel primaria usando el filtro de partículas diésel secundario.

2. El aparato de purificación de gases de escape según la reivindicación 1, en el que dicho conducto de escape secundario incluye además un caudalímetro (24).

3. El aparato de purificación de gases de escape según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicho conducto de escape secundario incluye además una parte (T1) de medición de la temperatura.

4. El aparato de purificación de gases de escape según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3, en el que dicho filtro de partículas diésel secundario incluye un calentador (22b).

5. El aparato de purificación de gases de escape según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4, que incluye además una válvula (23) para mantener un caudal de dicho gas de escape en dicho conducto de escape secundario a un valor predeterminado.

6. Un procedimiento de purificación de gases de escape que usa un aparato (20) de purificación de gases de escape que comprende: un filtro (22) de partículas diésel primario previsto en un conducto (21) de escape de un motor (11) diésel; un conducto (21A) de escape secundario ramificado desde dicho conducto de escape en un lado aguas arriba de dicho filtro de partículas diésel primario; un filtro (22A) de partículas diésel secundario previsto en dicho conducto de escape secundario, teniendo dicho filtro de partículas diésel secundario una capacidad menor que una capacidad de dicho filtro de partículas diésel primario; y una parte (22B) de medición de la presión diferencial que mide una presión diferencial entre un orificio de entrada y un orificio de salida de dicho filtro de partículas diésel secundario, caracterizado porque dicho procedimiento de purificación de gases de escape comprende las etapas de:

(B) obtener una masa de materia particulada recogida mediante dicho filtro de partículas diésel secundario por tiempo unitario a partir de dicha presión diferencial, dicha temperatura y dicho caudal de dicho gas de escape obtenidos en dicha etapa (A);

(C) obtener una concentración de dicha materia particulada en dicho gas de escape a partir de dicha masa de materia particulada recogida mediante dicho filtro de partículas diésel secundario por tiempo unitario obtenida en dicha etapa (B);

(D) obtener una masa de dicha materia particulada que se ha hecho fluir hacia dicho filtro de partículas diésel primario a partir de dicha concentración de dicha materia particulada en dicho gas de escape obtenida en dicha etapa (C) y además desde un estado de funcionamiento del motor o un caudal de gas hasta dicho filtro de partículas diésel primario;

7. El procedimiento de purificación de gases de escape según la reivindicación 6, que incluye además la etapa de regenerar dicho filtro de partículas diésel secundario, ejecutándose la regeneración de dicho filtro de partículas diésel secundario de manera independiente a la regeneración de dicho filtro de partículas diésel primario en el caso en el que una masa de materia particulada recogida en dicho filtro de partículas diésel secundario haya rebasado un valor predeterminado.

8. El procedimiento de purificación de gases de escape según la reivindicación 7, en el que dicha etapa de regenerar dicho filtro de partículas diésel secundario se ejecuta tras dicha etapa (A) mediante un primer proceso que incluye dicha etapa (B) y en el que dicha etapa de regenerar dicho filtro de partículas diésel primario se ejecuta tras dicha etapa (B) de dicho primer proceso mediante un segundo proceso que incluye dichas etapas (C) y (D).

9. El procedimiento de purificación de gases de escape según la reivindicación 7, en el que dicha etapa de regenerar dicho filtro de partículas diésel secundario se ejecuta tras dicha etapa (A) mediante un primer proceso que incluye dicha etapa (B) y en el que dicha etapa de regenerar dicho filtro de partículas diésel primario se ejecuta tras dicha etapa (A) mediante un segundo proceso que incluye dichas etapas (B) - (D), en el que dicho primer proceso y dicho segundo proceso se ejecutan en paralelo.

10. El procedimiento de purificación de gases de escape según cualquiera de las reivindicaciones 6 - 9, en el que dicha etapa (B) obtiene un espesor W[m] de una capa de dicha materia particulada recogida en dicho filtro de partículas diésel secundario según una ecuación de

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en la que \DeltaP representa dicha presión diferencial [Pa], \mu representa un coeficiente de viscosidad cinética, Q representa dicho caudal de dicho gas de escape en dicho segundo filtro de partículas diésel representado en cuanto a [m^{3}/h], \alpha representa una longitud de borde de una célula en dicho filtro de partículas diésel secundario, \rho representa un peso específico de dicho gas de escape, V_{trap} representa un volumen de filtro de dicho filtro de partículas diésel secundario, W_{s} representa un espesor de pared de dicho filtro de partículas diésel secundario, K_{w} representa una permeabilidad de pared de dicho filtro de partículas diésel secundario, K_{holl\text{í}n} representa una permeabilidad de dicha capa de dicha materia particulada recogida en dicho segundo filtro de partículas diésel, F es un coeficiente (=28,454), L representa una longitud de filtro eficaz de dicho segundo filtro de partículas diésel, \beta representa un coeficiente de una pared porosa de dicho segundo filtro de partículas diésel, \zeta representa la presión diferencial producida en dicho gas de escape que pasa a través de dicho filtro de partículas diésel secundario, y además obtiene una masa m_{holl\text{í}n} [g] de dicha materia particulada recogida en dicho filtro de partículas diésel secundario según una ecuación

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en la que N_{cells} representa un número de aberturas de dicha célula en un lado de entrada de la misma y \rho_{holl\text{í}n} representa una densidad de dicha materia particulada recogida.

11. El procedimiento de purificación de gases de escape según la reivindicación 10, en el que dicha etapa (C) obtiene una concentración PM_{conc} [g/m^{3}] de dicha materia particulada en dicho gas de escape mediante una ecuación

PM \ [g/h] \ = \ PM_{conc} \ [g/m^{3}] \ x \ Q2 \ [m^{3}/h]

en la que Q2 [m^{3}/h] representa un caudal de dicho gas de escape que pasa a través de dicho filtro de partículas diésel secundario, PM [g/h] representa la masa de la materia particulada depositada por tiempo unitario.

12. El procedimiento de purificación de gases de escape según la reivindicación 11, en el que dicha etapa (D) obtiene la cantidad (PM_{introducida \ por \ todo \ el \ filtro} [g/h]) de dicha materia particulada que se ha hecho fluir hacia dicho filtro de partículas diésel primario mediante una ecuación

en la que PM_{conc} [g/m^{3}] representa una concentración de materia particulada en dicho gas de escape.

13. Un procedimiento de medición de materia particulada que usa un sensor de materia particulada, comprendiendo dicho sensor de materia particulada: un filtro de detección de PM previsto en un conducto de gas ramificado desde un conducto de escape de un motor diésel en un lado aguas arriba de un filtro de partículas diésel previsto en dicho conducto de escape, teniendo dicho filtro de detección de PM una capacidad menor que una capacidad de dicho filtro de partículas diésel; y una parte de medición de la presión diferencial que mide una presión diferencial entre un orificio de entrada y un orificio de salida de dicho filtro de detección de PM, comprendiendo dicho procedimiento de medición de materia particulada las etapas de:

(B) obtener una masa de materia particulada recogida mediante dicho filtro de detección de PM por tiempo unitario a partir de dicha presión diferencial, dicha temperatura y dicho caudal de dicho gas de escape obtenidos en dicha etapa (A);

(C) obtener una concentración de dicha materia particulada en dicho gas de escape a partir de dicha masa de materia particulada recogida mediante dicho filtro de detección de PM por tiempo unitario obtenida en dicha etapa (B);

(D) obtener una masa de dicha materia particulada que se ha hecho fluir hacia dicho filtro de partículas diésel primario a partir de dicha concentración de dicha materia particulada en dicho gas de escape obtenida en dicha etapa (C) y además desde un estado de funcionamiento del motor o un caudal de gas hasta dicho filtro de partículas diésel primario.

14. El procedimiento de medición de materia particulada según la reivindicación 13, en el que dicha etapa de obtener la masa de dicha materia particulada recogida mediante dicho filtro de detección de PM se ejecuta tras dicha etapa (A) mediante un primer proceso que incluye dicha etapa (B) y en el que dicha etapa de obtener la masa de dicha materia particulada que se ha hecho fluir hacia dicho filtro de partículas diésel se ejecuta tras dicha etapa (B) de dicho primer proceso mediante un segundo proceso que incluye dichas etapas (C) y (D).

15. El procedimiento de medición de partículas según la reivindicación 13, en el que dicha etapa de obtener la masa de dicha materia particulada recogida mediante dicho filtro de detección de PM se ejecuta tras dicha etapa (A) mediante un primer proceso que incluye dicha etapa (B) y en el que dicha etapa de obtener la masa de dicha materia particulada que se ha hecho fluir hacia dicho filtro de partículas diésel se ejecuta tras dicha etapa (A) mediante un segundo proceso que incluye dichas etapas (B) - (D), en el que dicho primer proceso y dicho segundo proceso se ejecutan en paralelo.

16. El procedimiento de medición de materia particulada según cualquiera de las reivindicaciones 13 - 15, en el que dicha etapa (B) obtiene un espesor W[m] de una capa de dicha materia particulada recogida en dicho filtro de detección de PM según una ecuación de

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en la que \DeltaP representa dicha presión diferencial [Pa], \mu representa un coeficiente de viscosidad cinética, Q representa dicho caudal de dicho gas de escape en dicho filtro de detección de PM representado en cuanto a [m^{3}/h], \alpha representa una longitud de borde de una célula en dicho filtro de detección de PM, \rho representa un peso específico de dicho gas de escape, V_{trap} representa un volumen de filtro de dicho filtro de detección de PM, W_{s} representa un espesor de pared de dicho filtro de detección de PM, K_{w} representa una permeabilidad de pared de dicho filtro de detección de PM, K_{holl\text{í}n} representa una permeabilidad de dicha capa de dicha materia particulada recogida en dicho filtro de detección de PM, F es un coeficiente (=28,454), L representa una longitud de filtro eficaz de dicho filtro de detección de PM, \beta representa un coeficiente de una pared porosa de dicho filtro de detección de PM, \zeta representa la presión diferencial producida en dicho gas de escape que pasa a través de dicho filtro de detección de PM, y además obtiene una masa m_{holl\text{í}n} [g] de dicha materia particulada recogida en dicho filtro de detección de PM según una ecuación

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en la que N_{células} representa un número de aberturas de dicha célula en un lado de entrada de la misma y \rho_{holl\text{í}n} representa una densidad de dicha materia particulada recogida.

17. El procedimiento de medición de materia particulada según la reivindicación 16, en el que dicha etapa (C) obtiene una concentración PM_{conc} [g/m^{3}] de dicha materia particulada en dicho gas de escape mediante una ecuación

PM \ [g/h] \ = \ PM_{conc} \ [g/m^{3}] \ x \ Q2 \ [m^{3}/h]

en la que Q2 [m^{3}/h] representa un caudal de dicho gas de escape que pasa a través de dicho filtro de detección de PM, PM [g/h] representa la masa de la materia particulada depositada por tiempo unitario en dicho filtro de detección de PM.

18. El procedimiento de medición de materia particulada según la reivindicación 17, en el que dicha etapa (D) obtiene la cantidad (PM_{introducida \ por \ todo \ el \ filtro} filter [g/h]) de dicha materia particulada que se ha hecho fluir hacia dicho filtro de partículas diésel primario mediante una ecuación