ES2336701T3 - Procedimiento de funcionamiento de una trampa de particulas y dispositivo de ejecucion del procedimiento. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de funcionamiento de una trampa de partículas (1), especialmente abierta, en una instalación de escape (2) de un motor de combustión interna (3), en el que la trampa de partículas (1) presenta, respecto de la depuración de un gas de escape, una efectividad (E) que resulta de la relación de partículas retenidas a partículas entrantes, cuyo procedimiento comprende al menos los pasos siguientes: a) determinación de un primer momento (t1) de la trampa de partículas (1) en el que la efectividad (E) de dicha trampa de partículas (1) cae por debajo de un primer valor límite de efectividad (E1), b) realización de un aumento de efectividad de la trampa de partículas (1) ajustando al menos un parámetro de funcionamiento específico (B) del motor de combustión interna (3), teniendo el gas de escape generado por el motor de combustión interna (3) en la zona de la trampa de partículas (1) una temperatura tan baja que no tenga lugar sustancialmente una regeneración térmica de las partículas (4), c) determinación de un segundo momento (t2) de la trampa de partículas (1) en el que la efectividad (E) de dicha trampa de partículas (1) sobrepasa un segundo valor límite de efectividad (E2), y d) activación de un funcionamiento normal del motor de combustión interna (3), determinándose el periodo de tiempo para el paso b) en función de al menos un parámetro del grupo de: - la temperatura del gas de escape durante el aumento de efectividad, - la concentración de dióxido de nitrógeno del gas durante el aumento de efectividad, - la concentración de agua del gas de escape durante el aumento de efectividad, - la concentración de ozono del gas de escape durante el aumento de efectividad.
Description
Procedimiento de funcionamiento de una trampa de
partículas y dispositivo de ejecución del procedimiento.
La presente invención concierne a un
procedimiento de funcionamiento de una trampa de partículas,
especialmente abierta, en una instalación de escape de un motor de
combustión interna. Asimismo, se describe también un dispositivo de
ejecución del procedimiento. El procedimiento y el dispositivo se
aplican preferiblemente en el sector del
automóvil.
automóvil.
Aparte de contener constituyentes gaseosos, el
gas de escape generado por un motor de combustión interna comprende
frecuentemente también partículas sólidas que no deben ser
entregadas al ambiente o que sólo deben serlo en medida limitada. A
este fin, es conocido el recurso de conducir el gas de escape por un
filtro, en el que las partículas contenidas en dicho gas son
retenidas al menos temporalmente en una estructura de pared porosa.
Para impedir una obstrucción completa de la estructura de pared se
tienen que regenerar tales filtros en repetidas ocasiones. Durante
esta regeneración se queman las partículas de hollín. Para la
combustión de las partículas se tienen que habilitar temperaturas
superiores a aproximadamente 600ºC. Esto puede efectuarse mediante
una breve elevación de la temperatura del filtro o del gas de
escape y/o mediante la aportación de aditivos. Para esta
regeneración es conocido, por ejemplo, el recurso de realizar un
desplazamiento del punto de carga del motor por medio del sistema
de gestión de dicho motor de modo que llegue al filtro un gas de
escape netamente más caliente. Es posible también alimentar una
cantidad de carburante al sistema de escape mediante la supresión
de un encendido en un cilindro del motor de modo que una elevada
concentración de hidrocarburos insaturados alcance a un
catalizador. Al contacto con el calentador se produce una combustión
que conduce al aumento deseado de la temperatura del gas de escape
en el filtro. Sin embargo, estos procedimientos de regeneración
están ligados generalmente a un mayor consumo de carburante y a
cargas netamente mayores del filtro.
Aparte de los filtros anteriormente citados, que
presentan canales alternativamente cerrados y que, por tanto,
aseguran que toda la cantidad de gas de escape atraviese las paredes
del filtro, se conocen aún otros dispositivos para retener
partículas de una corriente de gas de escape. Hay que aludir
especialmente a las llamadas trampas de partículas "abiertas".
Esta trampa de partículas "abierta" se caracteriza porque
existen en ella vías de flujo o canales que hacen posible que el
gas de escape atraviese la trampa de partículas sin circular a
través del material filtrante que limita al menos parcialmente las
paredes de flujo. Como ejemplo de un filtro de partículas abierto
de esta clase cabe citar el modelo de utilidad alemán DE 201 17 873,
ya que aquí se indican un gran número de parámetros de una trampa
de partículas de esta clase.
En contraste con el filtro cerrado, que presenta
siempre una efectividad relativamente constante, ya que todas las
partículas tienen que atravesar las paredes del filtro, varía la
efectividad de la trampa de partículas abierta. Con efectividad se
quiere dar a entender en este contexto la relación de partículas
retenidas a las partículas entrantes (E =
P_{retenidas}/P_{introducidas}). Por tanto, si se retienen todas
las partículas, la efectividad es entonces del 100%, mientras que
si solamente se retienen dos tercios de las partículas y el resto
de ellas salen nuevamente, la efectividad asciende entonces a un
67%.
En trampas de partículas abiertas la efectividad
viene determinada decisivamente por las condiciones de presión en
el interior y en el entorno de la trampa de partículas. Hay que
tener en cuenta a este respecto que al aumentar el periodo de
funcionamiento se acumulan partículas en o sobre el material
filtrante, con lo que al menos se reducen o se hacen más pequeños
los poros o cavidades del material filtrante que pueden ser
atravesados. Aumenta así la diferencia de presión con respecto a
canales contiguos, lo que tiene la consecuencia de que con un
periodo de funcionamiento más prolongado las partículas afluyentes
elijan en medida creciente las vías de flujo libres hacia el
ambiente y no sean capturadas. Se reduce así la efectividad.
El documento
US-A1-2003/0106309 revela un
procedimiento de funcionamiento de una trampa de partículas en una
instalación de escape de un motor de combustión interna, en el que
la regeneración de la trampa de partículas tiene lugar a bajas
temperaturas, con lo que no se realiza una regeneración térmica de
las partículas.
El documento
EP-A-1 512 860 describe un sistema
de depuración de gas de escape, en el que la regeneración de un
filtro de partículas de gasóleo se consigue por medio del aumento
controlado de la temperatura del gas de escapa a consecuencia de
una inyección adaptada de carburante.
El problema de la presente invención consiste en
mitigar al menos parcialmente los problemas descritos en relación
con el estado de la técnica. Se pretende describir aquí
especialmente un procedimiento de funcionamiento de una trampa de
partículas abierta que contrarreste la pérdida de efectividad
descrita. Además, el procedimiento deberá actuar ahorrando
carburante y protegiendo el material en lo que respecta al filtro
utilizado. Por lo demás, se pretende indicar también un dispositivo
que sea adecuado especialmente para la ejecución de este
procedimiento.
Estos problemas se resuelven con un
procedimiento que comprende las características de la reivindicación
1. En las reivindicaciones formuladas como subordinadas se
describen ejecuciones especialmente ventajosas del procedimiento y
un dispositivo especialmente adecuado para la realización del
procedimiento. Cabe consignar que las características expuestas
individualmente en las reivindicaciones pueden combinarse unas con
otras de cualquier manera tecnológicamente pertinente y que pueden
describirse otras ejecuciones del procedimiento y del dispositivo.
Como complemento, en la descripción de la invención se puede
recurrir también a características o parámetros complementarios de
la memoria.
\vskip1.000000\baselineskip
El procedimiento según la invención para el
funcionamiento de una trampa de partículas, especialmente abierta,
en una instalación de escape de un motor de combustión interna, en
donde la trampa de partículas presenta una efectividad respecto de
la depuración de un gas de escape que resulta de la relación de
partículas retenidas a partículas entrantes, comprende al menos los
pasos siguientes:
a) determinación de un primer momento de la
trampa de partículas en el que dicha trampa de partículas cae por
debajo de un primer valor límite de efectividad,
b) realización de un aumento de efectividad de
la trampa de partículas ajustando al menos un parámetro de
funcionamiento específico del motor de combustión interna, teniendo
el gas de escape generado por el motor de combustión interna en la
zona de la trampa de partículas una temperatura tan baja que no
tenga lugar sustancialmente una regeneración térmica de las
partículas,
c) determinación de un segundo momento de la
trampa de partículas en el que esta trampa de partículas sobrepasa
un segundo valor límite de actividad, y
d) activación de un funcionamiento normal del
motor de combustión interna,
\vskip1.000000\baselineskip
en donde el periodo de tiempo para el paso b) se
determina en función de al menos un parámetro del grupo de:
- la temperatura del gas de escape durante el
aumento de efectividad,
- la concentración de dióxido de nitrógeno del
gas de escape durante el aumento de efectividad,
- la concentración de agua del gas de escape
durante el aumento de efectividad,
- la concentración de ozono del gas de escape
durante el aumento de efectividad.
\vskip1.000000\baselineskip
Este procedimiento de funcionamiento de una
trampa de partículas abierta se utiliza de manera espacialmente
preferida como el que se ha descrito al principio o en el documento
DE 201 17 873. Respecto de su utilización en la instalación de
escape de un motor de combustión interna, se prefiere la de un motor
Otto o Diesel como las que se pueden encontrar en el sector del
automóvil. La idoneidad especial de un filtro de partículas abierto
resulta de que aquí se puede presentar en el transcurso del
funcionamiento una disminución de efectividad perceptible en
ciertas circunstancias que puede ser reducida o eliminada según la
invención. No obstante, es en principio posible hacer que funcionen
también filtros cerrados de la manera aquí descrita, puesto que se
realiza una conversión de las partículas incorporadas que ahorra
carburante y protege el material. Las explicaciones siguientes se
refieren en primer término a una trampa de partículas abierta, pero
esto no significa que el procedimiento según la invención esté
limitado al funcionamiento de un sistema abierto.
Según el paso a), se determina inicialmente un
primer momento en el que la efectividad de la trampa de partículas
cae por debajo de un primer valor límite. Este primer valor límite
de la efectividad no es igual para todas las aplicaciones, sino
que, por ejemplo, depende de la clase del motor de combustión
interna y de la constitución de la propia trampa de partículas,
especialmente de la geometría y la orientación de las vías de flujo
en la trampa de partículas. Las trampas de partículas abiertas
descritas al principio presentan en general una efectividad de
aproximadamente un 80% cuando son nuevas. Después de un determinado
periodo de funcionamiento se tiene que, debido a las partículas
incorporadas, la efectividad oscila aproximadamente en un rango de
60% para camiones y 30% para turismos, lo que sigue siendo
insuficiente en vista de las limitaciones legales de contaminantes
a lo largo de los próximos decenios. Para la conversión de las
partículas que atraviesan la trampa de partículas o que se acumulan
allí tienen que presentarse condiciones ambiente especiales, si bien
es usual que éstas no reinen permanentemente durante el
funcionamiento. El ciclo de marcha establecidos por los operadores
de vehículos no es adecuado, por ejemplo al menos temporalmente,
para asegurar estas condiciones exteriores. Esto afecta, entre
otras cosas, a viajes en trayectos cortos o en ciudad. En tales
viajes se arrastra regularmente un número incrementado de
partículas en el gas de escape y, además, se presentan, en ciertas
circunstancias, unas temperaturas que no fomentan una conversión de,
por ejemplo, hollín en constituyentes gaseosos. Esto conduce ahora
de que se deposite un número relativamente grande de partículas en o
sobre el material filtrante de la trampa de partículas abierta, lo
que normalmente tiene como consecuencia una caída de la
efectividad. Sin embargo, tan pronto como ésta haya caído por debajo
de un primer valor límite de efectividad, se inicia entonces según
la invención un aumento de efectividad conforme al paso b).
Según el paso b), el aumento de efectividad se
efectúa ajustando al menos un parámetro de funcionamiento específico
del motor de combustión interna. Esto significa que el motor de
combustión interna cambia pasando de su modo normal a un modo
diferente que tiene como consecuencia condiciones más favorables
para la reacción que se produce en la trampa de partículas. Esto se
efectúa preferiblemente de tal manera que no pueda apreciarse un
significativo aumento de consumo de carburante y la temperatura del
gas de escape en la trampa de partículas permanezca por debajo de
la temperatura límite necesaria para una regeneración térmica. En
particular, el gas de escape no sobrepasa en la zona de la trampa
de partículas una temperatura de 500ºC y de manera muy
especialmente preferida de 400ºC. En lo que sigue se explicará aún
con más detalle los parámetros de funcionamiento específicos del
motor de combustión interna que pueden variarse aquí para provocar
este aumento de efectividad de la trampa de partículas. El aumento
de efectividad conduce ahora a que se conviertan o retengan más
partículas que en el caso del funcionamiento normal del motor de
combustión interna. Preferiblemente, se convierten aquí tantas
partículas que se sobrepase normalmente el primer valor límite de
efectividad.
Según el paso c), se puede determinar entonces
un segundo momento de los filtros de partículas en el que la trampa
de partículas sobrepasa un segundo valor límite de efectividad. El
segundo valor límite de efectividad es preferiblemente mayor que el
primer límite de efectividad y eventualmente incluso mayor que la
efectividad de la trampa de partículas durante el funcionamiento
normal. Cuando se sobrepasa este segundo valor límite de
efectividad, se activa entonces, según el paso d), el funcionamiento
normal del motor de combustión interna.
En principio, hay que hacer notar que el caudal
másico de hollín (\dot{m}_{holl\text{í}n}) generado por el motor
de combustión interna es en la instalación de escape, respecto de
su comportamiento en un filtro de partículas, a saber, por un lado,
el caudal másico de hollín que se regenera
(\dot{m}m_{regenerado}), el caudal másico de hollín que se
acumula en el filtro de partículas (\dot{m}_{acumulado}) y el
caudal másico de hollín que se hace circular por delante del
material filtrante y es conducido al ambiente
(\dot{m}_{derivado}).
Para el caso de que, en condiciones inalteradas,
se mantenga igual el caudal másico de hollín regenerado
(\dot{m}_{regenerado}), el caudal másico de hollín acumulado
(\dot{m}_{acumulado}) se hace más pequeño al aumentar la carga
de la trampa de partículas. Esto conduce automáticamente a que el
caudal másico de hollín (\dot{m}_{derivado}) que pasa por la
trampa de partículas se haga mayor. Se posibilita la eliminación de
esto con la ayuda del procedimiento propuesto, que, especialmente,
ahorra energía, protege el material y es especialmente activo en lo
que respecta a la conversión de los contaminantes. De manera muy
especialmente preferida, el procedimiento se hace funcionar en
relación con una trampa de partículas abierta que está dispuesta en
la instalación de escape de un motor diesel.
Asimismo, se propone que el paso a) comprenda la
determinación de un estado de carga actual de la trampa con
partículas. Con esto se quiere dar a entender especialmente que se
proporciona conocimiento sobre la magnitud de la cantidad de
partículas que están almacenadas en el interior de la trampa de
partículas. Con partículas se quieren dar a entender especialmente
las materias sólidas siguientes: partículas de hollín, ceniza y
productos de combustión adheridos a estas materias sólidas.
Se consideran aquí en primer término las
partículas de hollín. En principio, es posible a este respecto que
se determine directamente el estado de carga (por ejemplo,
cuantitativamente), pero es posible también aprovechar valores de
medida (indirectos) o magnitudes características que estén en
relación con el mismo. El paso a) se realiza de preferencia
continuamente al menos durante el funcionamiento normal del motor de
combustión interna, pero, en ciertas circunstancias, puede ser
pertinente también una determinación a cortos intervalos.
En este contexto, es especialmente ventajoso que
se calcule el estado de carga actual. Este cálculo viene
determinado preferiblemente por los eductos que forman el gas de
escape y por las condiciones ambiente exteriores en la zona de la
trampa de partículas. Por ejemplo, se puede aprovechar también la
tasa de conversión del gas de escape en función del estado de
funcionamiento del motor de combustión interna. Esto quiere decir en
otras palabras que, por ejemplo, se tiene en cuenta la composición
del gas de escape, especialmente la formación de óxidos de
nitrógeno y su influencia sobre la eliminación de partículas. Se
materializan aquí respectivas tasas de conversión específicas por
reducción de dióxido de nitrógeno. A fines de ilustración, se
considerará seguidamente con más detalle esta conversión de las
partículas de hollín por dióxido de nitrógeno, cuya reacción
química se puede describir a grandes rasgos por medio de la ecuación
siguiente:
C + NO_{2}
\rightarrow CO_{2} + ½
N_{2},
en donde C representa partículas de
hollín, NO_{2} representa dióxido de nitrógeno, CO_{2}
representa dióxido de carbono y N_{2} representa nitrógeno. La
velocidad de reacción puede ilustrarse con ayuda de las relaciones
siguientes:
\newpage
en
donde
\vskip1.000000\baselineskip
Se toma aquí como base una superficie absoluta
de las partículas de hollín (A) que se compone de la disposición de
las partículas de hollín dispersamente distribuidas sobre la
superficie de la trampa de partículas (A_{trampa \ de \
part\text{í}culas}) o del material filtrante de la trampa de
partículas (A_{velo}), de la carga de la trampa con partículas de
hollín (k_{holl\text{í}n}) y de una superficie de las partículas
de hollín específica de la masa (A'_{espec\text{í}fica}:
superficie específica de las propias partículas: para hollín
aproximadamente 350 m^{2}/kg). La superficie de las partículas de
hollín específica de la masa depende aquí ella misma regularmente de
la presente carga de partículas de hollín en la trampa de
partículas, ya que se superponen las partículas de hollín al
aumentar la carga y disminuye la superficie de las partículas de
hollín específica de la masa. Por tanto, según la ejecución
concreta de la trampa de partículas y especialmente en el caso de
una carga incrementada de dicha trampa con partículas de hollín, no
hay que partir de la consideración de que toda la superficie de las
partículas de hollín es accesible también como superficie de
reacción para los reaccionantes y, por tanto, puede aprovecharse
para el cálculo. Por el contrario, ocurre que algunas zonas de la
trampa de partículas son bañadas mejor por la corriente y
abastecidas mejor con partículas de hollín o con dióxido de
nitrógeno que otras zonas y/o que algunas zonas de la partículas de
hollín activas en principio debido a la estratificación superpuesta
de dichas partículas de hollín están ocultas y, por tanto, son
inaccesibles para los reaccionantes.
Por estos motivos, hay que partir regularmente
de una superficie accesible de las partículas de hollín (A),
dependiente de la carga y la clase de construcción para la trampa de
partículas utilizada, que pueda variar, por ejemplo, entre un valor
máximo (correspondiente, en caso de una dispersión máxima de las
partículas de hollín, a un aumento lineal de la superficie absoluta
de las partículas de hollín con un aumento lineal de las partículas
de hollín acumuladas en la trampa de partículas) y un valor mínimo
(superficie absoluta constante de las partículas de hollín a pesar
de la acumulación creciente de partículas de hollín en la trampa de
partículas. Estas relaciones se describen con la ecuación
siguiente:
\newpage
en la
que
Asimismo, en la ecuación (2) se proporciona la
constante de velocidad (k') que se puede describir como sigue:
en
donde
Si se insertan las circunstancias de las
ecuaciones (3) y (4) en (2), se obtiene la relación siguiente para
el coeficiente de desarrollo de reacción del hollín, referido a la
masa:
Con ayuda de esta relación y de los criterios
mostrados para la acumulación del hollín se puede establecer un
balance de masa que permita determinar con relativa exactitud la
carga de hollín que se presenta en cualquier momento en la trampa
de partículas, incorporando a la vez las condiciones marginales del
motor (concentración de partículas, temperatura, concentración de
dióxido de nitrógeno, caudal másico del gas de escape) y las
condiciones marginales de la trampa de partículas (longitud,
diámetro, densidad de celdas, superficie del filtro, espesor del
filtro, permeabilidad, geometría del filtro). En el caso que aquí se
presenta se han expuesto los procesos de reacción con atención
especial a la transformación de NO_{2}. Sin embargo, es evidente
que pueden tenerse en cuenta también otras influencias sobre el
modo de comportamiento de la trampa de partículas, tal como, por
ejemplo, la combustión del hollín (por ejemplo, a consecuencia de
una alta carga del motor), para el cual se pueden proporcionar
modelos de cálculo correspondientes. Por tanto, se ha propuesto un
método muy sencillo en materia de aparatos para determinar el
momento del aumento de efectividad de la trampa de partículas.
Por tanto, se puede reproducir el comportamiento
de la trampa de partículas con relativa exactitud, de modo que, en
caso de que se proporcionen las informaciones o valores reales
necesarios del sistema de escape y/o del motor de combustión
interna, se determinan en cualquier momento la cantidad de
partículas que se producen y la cantidad de partículas que se hacen
reaccionar. A partir de esto se puede determinar también el estado
de carga. Se propone así un método muy sencillo en materia de
aparatos para determinar el momento del aumento de efectividad de
la trampa de partículas.
Según otra ejecución del procedimiento, se
propone que se obtenga el estado de carga actual con ayuda de una
diferencia de presión en la instalación de escape entre una primera
posición antes de la trampa de partículas y una segunda posición
después de la trampa de partículas. Con "antes" y
"después" de la trampa de partículas se quiere dar a entender
una posición que se refiere a la dirección de extensión del gas de
escape. El material filtrante y las vías de flujo o canales de la
trampa de partículas representan una resistencia al flujo para el
gas de escape que tiene como consecuencia una caída de presión. Si
se vigila ahora la diferencia de presión en la trampa de
partículas, se pueden obtener entonces manifestaciones referentes al
estado de carga. Cabe consignar que esta vigilancia de la
diferencia de presión no es necesaria, y especialmente no lo es
cuando el método de cálculo proporciona en todas las condiciones
una precisión respecto del estado de carga actual que es suficiente
para el procedimiento según la invención. Sin embargo, para el caso
de que, por ejemplo, se efectúe como control una vigilancia de la
diferencia de presión, ésta se tiene que realizar entonces de
preferencia continuamente.
Según otra ejecución del procedimiento, se
aumenta en al menos un 20% una efectividad de la trampa de
partículas con respecto a partículas contenidas en el gas de escape
durante el paso b) en comparación con un funcionamiento normal del
motor de combustión interna. De manera muy especialmente preferida,
el aumento de efectividad de la trampa de partículas durante el
paso b) está en un intervalo de 20% a 30%. El periodo de tiempo en
el que se realiza el aumento de efectividad viene determinado
sensiblemente por las condiciones ambiente exteriores o el modo de
funcionamiento del motor de combustión interna (por ejemplo, el
ciclo de marcha). No es inusual que se mantenga el paso b) durante
un periodo de tiempo de varios minutos, por ejemplo de más de 10 ó
30 minutos y eventualmente incluso más de 60 minutos. El aumento de
efectividad se realiza hasta que esté presente de nuevo una
superficie de filtro suficientemente libre, de modo que la relación
de las diferencias de presión reinantes respecto de la travesía del
material filtrante, por un lado, y respecto de la salida sin filtrar
al ambiente, por otro, sea suficientemente
pequeña.
pequeña.
Asimismo, se propone también que el periodo de
tiempo para el paso b) se determine en función del estado de carga
tomado como base. Con esto se quiere dar a entender especialmente
que, en función de la cantidad de partículas almacenadas en la
trampa de partículas, el aumento de efectividad según el paso b) se
mantiene durante un tiempo diferente. En particular, esto quiere
decir que el paso b) se realiza durante un espacio de tiempo más
prolongado en el caso de una mayor cantidad de partículas en la
trampa de partículas.
Según la invención, se ha previsto que el
periodo de tiempo para el paso b) se determine en función de la
temperatura del gas de escape durante el aumento de efectividad. Aun
cuando en el procedimiento que aquí se propone no se alcance una
temperatura para la regeneración térmica de las partículas, la
influencia de la temperatura del gas de escape es ciertamente de
considerable importancia. Si se considera, por ejemplo, la
conversión de hollín utilizando dióxido de nitrógeno, se han de
habilitar entonces, por ejemplo, temperaturas de aproximadamente al
menos 200 a 230º. Si en el transcurso del paso b) se cae por debajo
de esta temperatura durante al menos un breve tiempo, hay que
prolongar en general el proceso de aumento de efectividad. En cierto
modo, una reacción en el rango de la temperatura límite
anteriormente citada no es todavía tan propicia a la conversión o
tan dinámica como, por ejemplo, a temperaturas de aproximadamente
300ºC. Por este motivo, es ventajoso elegir el periodo de tiempo
para el paso b) en función de la temperatura del gas de escape. La
temperatura del gas de escape puede determinarse de manera conocida,
por ejemplo por integración de al menos un sensor de temperatura en
la instalación de escape del motor de combustión interna y/o en la
trampa de partículas.
Se propone ahora también para el procedimiento
según la invención que el periodo de tiempo para el paso b) se
determine en función de la concentración de dióxido de nitrógeno del
gas de escape durante el aumento de efectividad. Esto quiere decir
con otras palabras que se calcula o vigila la concentración de
dióxido de nitrógeno del gas de escape durante el paso b) y se
varía el periodo de tiempo en función de esta concentración de
dióxido de nitrógeno. Se puede acortar así el periodo de tiempo a
altas concentraciones de dióxido de nitrógeno, puesto que se
proporciona un mayor número de reaccionantes para las
partículas.
Asimismo, es ventajoso para el procedimiento
según la invención que el periodo de tiempo para el paso b) se
determine en función de la concentración de agua del gas de escape
durante el aumento de efectividad. Con esto se quiere dar a
entender, entre otras cosas, que se vigila o determina la
concentración de agua o de vapor de agua en el gas de escape. La
concentración de agua tiene una notable influencia también sobre el
comportamiento de conversión de hollín, produciéndose al aumentar la
concentración de agua un incremento de la efectividad de la trampa
de partículas, lo que se aplica especialmente en un rango de hasta
5% de concentración de agua en el gas de escape.
Según todavía otra ejecución del procedimiento
según la invención, se determinan el periodo de tiempo para el paso
b) en función de la concentración de ozono del gas de escape durante
el aumento de efectividad. Se ha visto que, precisamente a
temperaturas relativamente bajas (por ejemplo, hasta aproximadamente
300ºC), la presencia de ozono tiene un efecto sobre la
transformación de hollín semejante al de dióxido de nitrógeno. Por
tanto, es especialmente ventajoso proporcionar una elevada
concentración de ozono (especialmente a temperaturas de hasta
300ºC).
Según otra ejecución de la invención, se ajusta
el al menos un parámetro de funcionamiento del motor de combustión
interna durante el paso b) de modo que el gas de escape generado
experimente un aumento de la concentración de dióxido de nitrógeno.
Esto significa, por ejemplo, que se varía en el lado del motor el
campo característico de funcionamiento hasta que se presente en el
gas de escape producido una elevada concentración de dióxido de
nitrógeno en comparación con el funcionamiento normal. Sin embargo,
es posible alternativa o acumulativamente que, por ejemplo, se haga
funcionar el motor de combustión interna de modo que se genere una
elevada concentración de monóxido de nitrógeno, conduciéndose
seguidamente este gas de escape enriquecido con monóxido de
nitrógeno (NO) a través de un catalizador de oxidación, por lo que
se forma con el oxígeno (O_{2}) contenido en el gas de escape una
cantidad acrecentada de dióxido de nitrógeno (NO_{2}). Asimismo,
es imaginable también que, con el objetivo aquí descrito, se adapte
de manera correspondiente un retorno del gas de escape.
Según otra propuesta, se ajusta el al menos un
parámetro de funcionamiento del motor de combustión interna durante
el paso b) de modo que el gas de escape generado experimente un
aumento de la concentración de oxígeno. La presencia de oxígeno
tiene una influencia decisiva sobre el comportamiento de reacción
del hollín o de la conversión de monóxido de nitrógeno en dióxido
de nitrógeno. Por este motivo, es ventajoso proporcionar la mayor
cantidad posible de oxígeno. En instalaciones de escape que
comprenden un retorno de gas de escape se tiene que, de manera
ventajosa, la proporción del gas de escape retornado puede
mantenerse lo más pequeña posible, con lo que se presenta durante
el paso b) una concentración de oxígeno incrementada con respecto
al funcionamiento normal.
Cabe consignar en este sitio que es posible
también hacer funcionar en ciertas circunstancias el motor de
combustión interna de modo que se presente una proporción de agua de
hasta 5% y/o una proporción elevada de ozono.
Según todavía otra ejecución del procedimiento,
se ajusta el al menos un parámetro de funcionamiento del motor de
combustión interna durante el paso b) de modo que el gas de escape
generado experimente en la zona de la trampa de partículas un
aumento de temperatura de a lo sumo 50ºC. Preferiblemente, el
aumento de temperatura está incluso netamente por debajo de este
valor, concretamente, por ejemplo, por debajo de 20ºC. Se ilustra
así que se evita en este caso una alta carga térmica de la trampa de
partículas. En vista de la conversión del hollín por medio de
dióxido de nitrógeno se tiene que, precisamente en el rango de la
temperatura límite, un aumento de temperatura tan pequeño puede
conducir ya a tasas de conversión netamente mejoradas, lo que va
acompañado del aumento deseado de efectividad de la trampa de
partículas. El aumento de temperatura es aquí especialmente
ventajoso cuando, antes de la iniciación del paso b), una
temperatura del gas de escape en la zona de la trampa de partículas
está por debajo de la temperatura para una reacción química de
dióxido de nitrógeno con hollín, es decir, por ejemplo, por debajo
de 230ºC. Si en la zona de la trampa de partículas reina ya una
temperatura netamente por encima de esta temperatura límite, se han
de adaptar preferiblemente otros parámetros de funcionamientos
específicos del motor de combustión
interna.
interna.
Los parámetros de funcionamiento específicos
anteriormente citados del motor de combustión interna se pueden
materializar de manera sencilla mediante una adaptación
correspondiente del campo característico del motor de combustión
interna por medio de un denominado controlador del motor.
Se propone ahora todavía un dispositivo de
ejecución del procedimiento anteriormente descrito, que comprende
al menos los componentes siguientes:
- un vehículo con un motor de combustión interna
y una instalación de escape,
- en donde se hace funcionar el motor de
combustión interna por medio de un controlador del motor y
- la instalación de escape presenta al menos una
trampa de partículas, especialmente abierta,
en donde están previstos medios para determinar
la efectividad de la al menos una trampa de partículas.
El vehículo consiste preferiblemente en un
vehículo automóvil terrestre, por ejemplo, un turismo o un camión.
Estos vehículos presentan usualmente un motor Otto o Diesel como
motor de combustión interna, siendo entregado el gas de escape allí
producido al ambiente a través de (al menos) una instalación de
escape. Para el funcionamiento de estos motores de combustión
interna es usual emplear un controlador del motor que varía por
ejemplo, las cantidades de aire o de carburante alimentadas, los
instantes de encendido de la mezcla de
carburante-aire, las presiones reinantes en el
motor de combustión interna y muchos otros parámetros de
funcionamiento específicos en función del estado de carga del motor
de combustión interna. El controlador del motor o el funcionamiento
del motor de combustión interna se determinan aquí durante el
funcionamiento normal partiendo de un ciclo de marcha prefijado
(por ejemplo, el llamado ciclo NEFZ para Europa o el ciclo FTP para
EE.UU., los cuales son ambos conocidos de los especialistas en este
sector), de modo que es usual que, a estados de carga determinados,
el controlador del motor regule también los mismos parámetros de
funcionamiento de una manera correspondiente.
Aparte de contener (al menos) una trampa de
partículas, la instalación de escape puede presentar también otros
componentes para el tratamiento de gas de escape, tales como, por
ejemplo, un catalizador de oxidación, un mezclador, elementos de
aportación de aditivos, filtros, adsorbedores, etc. Para
materializar el procedimiento descrito al principio se han previsto
también en el dispositivo unos medios para determinar la efectividad
de la al menos una trampa de partículas. Se puede tratar aquí de
una parte del controlador del motor, de sensores separados o
similares. En caso de que los medios sean parte del controlador del
motor, éstos están integrados preferiblemente como un programa
informático en dicho controlador del motor. Este programa
informático hace que se produzca durante el paso b) una desviación
del funcionamiento normal del motor de combustión interna,
ajustándose el al menos un parámetro de funcionamiento específico
del motor de combustión interna de modo que se produzca un aumento
de efectividad de la trampa de partículas.
En este contexto, es especialmente ventajoso que
el dispositivo esté equipado con una instalación de escape que
comprenda un dispositivo de retorno de gas de escape. Este
dispositivo de retorno de gas de escape hace posible de manera
relativamente sencilla que se influya sobre parámetros de
funcionamiento específicos del motor de combustión interna de modo
que se inicie el aumento de efectividad deseado. La corriente de gas
de escape retornada puede ser ajustada aquí en forma variable por
medio de preferiblemente el controlador del motor.
La invención y el entorno técnico se explican
seguidamente con más detalle ayudándose de las figuras. Cabe
consignar que las figuras muestran ejecuciones especialmente
preferidas del procedimiento y del dispositivo según la invención,
pero la invención no está limitada a ellas. En particular, las
relaciones de magnitudes ilustradas con respecto a los diagramas no
pueden transferirse tampoco regularmente a la realidad.
Muestran:
La figura 1, un vehículo automóvil con una
instalación de escape,
La figura 2, un detalle de una trampa de
partículas abierta,
La figura 3, otra vista de detalle de una trampa
de partículas abierta,
La figura 4, esquemáticamente, la curva de
evolución de la efectividad de una trampa de partículas,
La figura 5, esquemáticamente, la variación de
un parámetro de funcionamiento específico del motor de combustión
interna y
La figura 6, esquemáticamente, la influencia de
la concentración de dióxido de nitrógeno sobre la tasa de
conversión de hollín.
La figura 1 muestra esquemáticamente y en una
representación en perspectiva un vehículo 5 con un motor de
combustión interna 3. El gas de escape generado por el motor de
combustión interna 3 pasa al ambiente a través de una instalación
de escape 2, tratándose previamente dicho gas dentro de la
instalación de escape 2 en cuanto a los contaminantes contenidos en
el mismo. El funcionamiento del motor de combustión interna 3 se
efectúa por medio de un controlador 6 del motor. Aparte de regular
el comportamiento de encendido del motor de combustión interna,
este controlador regula también, por ejemplo, la proporción de gas
de escape que es retornada al motor de combustión interna 3 a
través del equipo de retorno de gas de escape 7. En la instalación
de escape 2 el gas de escape ataca primero a un catalizador 8, por
ejemplo un catalizador 8 que es adecuado para la formación de
dióxido de nitrógeno (catalizador de oxidación). El gas de escape
enriquecido con dióxido de nitrógeno sigue circulando ahora hacia
la trampa de partículas 1. La instalación de escape 2 está equipada
con sensores de presión (no representados) en una primera posición
P1 y una segunda posición P2, de modo que se puede determinar la
diferencia de presión a través de la trampa de partículas 1. Los
valores de medida obtenidos con los sensores del sistema de gas de
escape son preferiblemente puestos a disposición del controlador 6
del motor. La diferencia de presión puede aprovecharse, por ejemplo,
como medida de la efectividad de la trampa de partículas 4.
La figura 2 muestra esquemáticamente la
constitución de una variante de realización de una trampa de
partículas abierta 1. La trampa de partículas 1 presenta un gran
número de canales 11 que están dispuestos sustancialmente paralelos
uno a otro. Los canales 11 se forman con una disposición alternante
de al menos una capa lisa 9 y al menos una capa ondulada 10. A
continuación, la capa lisa 9 y la capa ondulada 10 pueden también
unirse o arrollarse una con otra y formar así la trampa de
partículas 1. Preferiblemente, la capa lisa 9 consiste aquí en un
material filtrante, por ejemplo un velo de fibras metálicas. Para
provocar una desviación del gas de escape a depurar en el interior
de los canales 11 hacia este material filtrante se han previsto unos
salientes 12 que se extienden hacia adentro de los canales 11 (aquí
tan sólo en las capas onduladas 10, pero esto no tiene que ocurrir
así forzosamente). Estos salientes 12 cierran parcialmente los
canales 11, pero hacen posible que el gas de escape circule también
a lo largo de ellos. El gas de escape penetra ahora en los canales
11 en la dirección de flujo 13, siendo desviado al menos en algunos
sitios por los salientes 12 hacia la capa lisa 9 consistente en
material filtrante. Al contacto del gas de escape con la capa lisa 9
que comprende material filtrante se acumulan o retienen las
partículas de hollín, de modo que ahora puede tener lugar una
conversión con el dióxido de nitrógeno contenido en el gas de
escape. Para mejorar el intercambio de flujo en canales contiguos
11, la capa lisa 9 y/o la capa ondulada 10 pueden estar provistas de
aberturas 14.
La figura 3 muestra ahora en detalle unos
canales contiguos 11 de una trampa de partículas 1, pretendiéndose
ilustrar la dirección de flujo 13 del gas de escape o el
comportamiento de flujo en el interior de la trampa de partículas
1. La capa lisa 9 se representa aquí en forma rayada y deberá
comprender un material filtrante. La capa ondulada 10 está formada,
por ejemplo, por una lámina metálica que presenta un gran número de
salientes 12, por ejemplo debido a que algunas zonas parciales de
la lámina metálica se han hincado en el canal 11 o bien debido a
que se han troquelado unas aletas de guía en la lámina metálica. Los
salientes 12 están configurados aquí de modo que está previsto un
desvío 15 para el gas de escape afluyente. La orientación de los
salientes 12 puede estar ajustada al respectivo caso de aplicación.
En principio, se pueden utilizar para la configuración de la trampa
de partículas 1 unos materiales que sean estables frente a altas
temperaturas y frente a la corrosión.
El gas de escape que contiene las partículas 4
es forzado (tal como se insinúa con flechas) a través del respectivo
desvío 15 o de la capa lisa 9 que comprende el material filtrante.
En la parte derecha de la figura 3 se ilustran por medio de una
diferencia de presión las resistencias al flujo necesarias para
ello. Al recorrer el desvío 15, la corriente parcial de gas de
escape experimenta una variación de presión de derivación
\Deltap2. Al recorrer la capa lisa 9 que comprende el material
filtrante se puede consignar una variación de presión de filtro
\Deltap1. Bajo una carga creciente del material filtrante ocurre
ahora que aumenta el valor \Deltap1, incrementándose la tendencia
de las corrientes parciales de gas de escape a no circular por la
capa lisa 9, sino por el desvío 15. Ligada a esto va una caída de
efectividad que puede restringirse al menos netamente por medio del
procedimiento según la invención.
La figura 4 muestra esquemáticamente la curva de
evolución de la efectividad E de una trampa de partículas abierta.
La efectividad E de la trampa de partículas oscilará en torno a un
valor de efectividad medio Em en condiciones suficientes para la
reacción de hollín. Sin embargo, precisamente en viajes por ciudad
se produce una acumulación acrecentada de partículas de hollín en
el material filtrante a consecuencia de la pequeña temperatura del
gas de escape y de la formación reforzada de hollín, con lo que se
dificulta en grado creciente la circulación del gas de escape.
Disminuye así la efectividad E de la trampa de partículas. Al
alcanzarse un primer momento t1 de la trampa de partículas en el
que se consigue un primer valor límite de efectividad E1 o se queda
por debajo de éste, se realiza un aumento de efectividad de la
trampa de partículas. En la figura 4 se ilustra la curva de
evolución "normal" de la efectividad E, sin la intervención de
la invención, con una línea que comprende puntos y trazos. Sin
embargo, después de activar el aumento de efectividad según la
invención se mantiene de momento la efectividad E de la trampa de
partículas y, finalmente, se puede elevar ésta incluso hasta un
segundo valor límite de efectividad E2. Al alcanzar el segundo valor
límite de efectividad E2 en un segundo momento t2 se activa
nuevamente el funcionamiento normal del motor de combustión interna
y la efectividad E de la trampa de partículas oscila alrededor del
valor de efectividad medio Em.
La figura 5 ilustra también esquemáticamente la
curva de evolución de un parámetro de funcionamiento B durante el
funcionamiento normal (Bn) en función del tiempo t. En el momento
t1, es decir, cuando se comienza con el aumento de efectividad,
sigue una variación del parámetro de funcionamiento B (véase la
curva de evolución Be). Después de que se haya alcanzado el segundo
valor límite de efectividad E2 en el segundo momento t2, se activa
nuevamente el funcionamiento normal del motor de combustión interna.
Cabe consignar que la curva de evolución según Be no tiene que ser
constante; ésta puede comprender también un valor variable durante
el aumento de efectividad. Además, esta ilustración esquemática de
un parámetro de funcionamiento específico B no debe entenderse de
tal manera que se varíe siempre solamente un parámetro de
funcionamiento B. Por el contrario, es posible adaptar varios
parámetros de funcionamiento B simultáneamente y/o con decalaje
temporal entre ellos para lograr un aumento de efectividad de la
trampa de partículas.
La figura 6 ilustra esquemáticamente la
influencia de la concentración N de dióxido de carbono sobre la masa
reaccionada M de las partículas a intervalos de tiempo iguales. Se
puede apreciar a partir de esto que, con la elevación del valor de
la concentración de dióxido de nitrógeno (véanse N1, N2, N3),
aumenta la cantidad de partículas reaccionadas (véanse \DeltaM1,
\DeltaM2, \DeltaM3). Esta repercusión se aprovecha para el
aumento de efectividad, de modo que, por ejemplo, bajo una alta
carga, es decir, una cantidad grande de partículas de hollín
acumuladas en la trampa de partículas, se puede elegir la aportación
de dióxido de carbono para que en un intervalo de tiempo prefijado,
con un ajuste determinado del retorno de gas de escape, etc., la
trampa de partículas sea liberada de partículas de hollín
acumuladas.
Con el procedimiento que aquí se describe y con
el dispositivo correspondiente se puede garantizar un funcionamiento
de una instalación de escape de un motor de combustión interna que
economiza carburante y protege el material, junto con, al mismo
tiempo, una alta efectividad de la trampa de partículas integrada en
la instalación de escape.
- 1
- Trampa de partículas
- 2
- Instalación de escape
- 3
- Motor de combustión interna
- 4
- Partícula
- 5
- Vehículo
- 6
- Controlador del motor
- 7
- Dispositivo de retorno de gas de escape
- 8
- Catalizador
- 9
- Capa lisa
- 10
- Capa ondulada
- 11
- Canal
- 12
- Saliente
- 13
- Dirección de flujo
- 14
- Abertura
- 15
- Derivación
- B
- Parámetro de funcionamiento
- Bn
- Parámetro de funcionamiento durante el funcionamiento normal
- Be
- Parámetro de funcionamiento durante el aumento de efectividad
- E
- Efectividad
- E1
- Primer valor límite de efectividad
- E2
- Segundo valor límite de efectividad
- Em
- Valor límite de efectividad medio
- M
- Masa de partículas
- N
- Concentración de dióxido de nitrógeno
- P1
- Primera posición
- P2
- Segunda posición
- t
- Tiempo
- t1
- Primer momento
- t2
- Segundo momento
- \Deltap1
- Variación de presión del filtro
- \Deltap2
- Variación de presión de la derivación
Claims (11)
1. Procedimiento de funcionamiento de una trampa
de partículas (1), especialmente abierta, en una instalación de
escape (2) de un motor de combustión interna (3), en el que la
trampa de partículas (1) presenta, respecto de la depuración de un
gas de escape, una efectividad (E) que resulta de la relación de
partículas retenidas a partículas entrantes, cuyo procedimiento
comprende al menos los pasos siguientes:
a) determinación de un primer momento (t1) de la
trampa de partículas (1) en el que la efectividad (E) de dicha
trampa de partículas (1) cae por debajo de un primer valor límite de
efectividad (E1),
b) realización de un aumento de efectividad de
la trampa de partículas (1) ajustando al menos un parámetro de
funcionamiento específico (B) del motor de combustión interna (3),
teniendo el gas de escape generado por el motor de combustión
interna (3) en la zona de la trampa de partículas (1) una
temperatura tan baja que no tenga lugar sustancialmente una
regeneración térmica de las partículas (4),
c) determinación de un segundo momento (t2) de
la trampa de partículas (1) en el que la efectividad (E) de dicha
trampa de partículas (1) sobrepasa un segundo valor límite de
efectividad (E2), y
d) activación de un funcionamiento normal del
motor de combustión interna (3),
determinándose el periodo de tiempo para el paso
b) en función de al menos un parámetro del grupo de:
- la temperatura del gas de escape durante el
aumento de efectividad,
- la concentración de dióxido de nitrógeno del
gas durante el aumento de efectividad,
- la concentración de agua del gas de escape
durante el aumento de efectividad,
- la concentración de ozono del gas de escape
durante el aumento de efectividad.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que el paso a) comprende la determinación de un estado de carga
actual de la trampa de partículas (1) con partículas (4).
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en
el que se calcula el estado de carga actual.
4. Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3,
en el que se obtiene el estado de carga actual con ayuda de una
diferencia de presión en la instalación de escape (2) entre una
primera posición (P1) antes de la trampa de partículas (1) y una
segunda posición (P2) después de dicha trampa de partículas (1).
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que se aumenta durante el paso
b) en al menos un 20% una efectividad de la trampa de partículas (1)
respecto de partículas (4) contenidas en el gas de escape en
comparación con un funcionamiento normal del motor de combustión
interna (3).
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que se determina el periodo de
tiempo para el paso b) en función del estado de carga tomado como
base.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que se ajusta el al menos un
parámetro de funcionamiento (B) del motor de combustión interna (3)
durante el paso b) de modo que el gas de escape generado
experimente un aumento de la concentración de dióxido de
nitrógeno.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que se ajusta el al menos un
parámetro de funcionamiento (B) del motor de combustión interna (3)
durante el paso b) de modo que el gas de escape generado
experimente un aumento de la concentración de oxígeno.
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que se ajusta el al menos un
parámetro de funcionamiento (B) del motor de combustión interna (3)
durante el paso b) de modo que el gas de escape generado
experimente en la zona de la trampa de partículas (1) un aumento de
temperatura de a lo sumo 50ºC.
10. Dispositivo de ejecución del procedimiento
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende
al menos:
- un vehículo (5) con un motor de combustión
interna (3) y una instalación de escape (2),
- en donde se hace funcionar el motor de
combustión interna (3) por medio de un controlador (6) de dicho
motor y
- la instalación de escape (2) presenta al menos
una trampa de partículas (1), especialmente abierta,
caracterizado porque están previstos unos
medios para determinar la efectividad - que resulta de la relación
de partículas retenidas a partículas entrantes - de la al menos una
trampa de partículas (1), y porque se ajusta por el controlador (6)
del motor el al menos un parámetro de funcionamiento específico (B)
de modo que se produzca un aumento de efectividad de la trampa de
partículas (1).
11. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado porque la instalación de escape (2) comprende
un dispositivo de retorno de gas de escape (7).
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