ES2344244T3 - Motor de combustion interna con un catalizador de pequeño volumen. - Google Patents
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Abstract
Motor de combustión interna (1) con una cilindrada H y con un catalizador (2) dispuesto a continuación para la depuración de los gases de escape, en que - el catalizador (2) tiene una superficie geométrica O, - el catalizador (2) tiene una efectividad E para la conversión de al menos un componente nocivo de los gases de escape en componentes inocuos y - el catalizador (2) tiene al menos un cuerpo de panal de abeja (3) y - todos los cuerpos de panal de abeja (3) tienen conjuntamente un volumen total V, caracterizado porque - el volumen V se escoge de tal modo que es menor en un factor de al menos 0,6 que la cilindrada H, pero la superficie geométrica O está dimensionada al mismo tiempo de tal modo que el catalizador (2) tiene una efectividad E de más del 98%.
Description
Motor de combustión interna con un catalizador
de pequeño volumen.
La presente invención se refiere a un motor de
combustión interna con una cilindrada H dada y con un catalizador
dispuesto a continuación para la depuración de los gases de escape.
Correspondientemente a las prescripciones legales en la mayoría de
los países, es habitual depurar los gases de escape de motores de
combustión interna mediante un convertidor catalítico, que está
dispuesto en el sistema de gases de escape del motor de combustión
interna.
En el diseño de sistemas de depuración de gases
de escape se han establecido en el pasado en su mayoría
conocimientos empíricos. En el documento WO 91/01178 se describen
por ejemplo sistemas de depuración de gases de escape, que están
constituidos por varios cuerpos de panal de abeja, de forma que
mediante el tamaño y número de estos cuerpos de panal de abeja
puede escogerse el volumen deseado de catalizador para cada valor
arbitrario de la cilindrada de un motor de combustión interna. Es
importante aquí en último término depurar los gases de escape tanto
como para poder cumplir las prescripciones legales. Esto significa
en la mayoría de los países hoy en día que más del 98% de las
partes nocivas en los gases de escape, en particular de los
hidrocarburos y/o de los óxidos de nitrógeno, son convertidos en
componentes inocuos, preferentemente incluso más del 99%. La
efectividad E se mide con ayuda de determinados ciclos de marcha
prefijados o en determinadas circunstancias de operación.
Los criterios a atender en el diseño de un
sistema de depuración de gases de escape son muy numerosos. Los
convertidores catalíticos contienen típicamente cuerpos de panal de
abeja, cuya tarea es poner a disposición una superficie geométrica
suficientemente grande, que entre en contacto con los gases de
escape a depurar. Los cuerpos de panal de abeja tienen en general
canales permeables para los gases de escape, cuyos canales están
separados entre sí por paredes. Para la efectividad E de un
catalizador, la superficie geométrica O es de importancia decisiva.
Básicamente puede obtenerse una superficie geométrica O determinada
mediante un aumento del número A de paredes en un volumen prefijado
o mediante un aumento del volumen para un número A prefijado de
paredes por unidad de sección transversal. Deben tenerse en cuenta
en el diseño además la velocidad de flujo y las condiciones de
flujo en los canales, que afectan a la efectividad E, y la pérdida
de presión provocada por el catalizador en la corriente de gases de
escape, cuya pérdida afecta al rendimiento del motor de combustión
interna. Por supuesto, el diseño depende de la forma de la sección
transversal del cuerpo de panal de abeja, del tipo del
recubrimiento catalíticamente activo, del flujo incidente sobre el
cuerpo de panal de abeja y de otros parámetros.
En el curso del desarrollo de cuerpos de panal
de abeja como cuerpos portadores para material catalíticamente
activo en un catalizador, los grosores de pared de los canales han
sido reducidos cada vez más, lo que tiene efectos positivos sobre
la pérdida de presión. El margen de actuación en el diseño se ha
hecho con ello cada vez mayor, ya que con un grosor de pared
decreciente se han hecho realizables canales cada vez más pequeños
y con ello superficies geométricas cada vez mayores por unidad de
volumen con una pérdida de presión aceptable. A pesar de ello, las
reglas halladas empíricamente se han mantenido en lo esencial, de
modo que en motores de combustión interna el volumen de un
catalizador dispuesto a continuación es típicamente del mismo orden
de magnitud que la cilindrada. Por ejemplo, a partir del documento
US 5.802.845 es conocido un sistema de gases de escape que
comprende cuerpos de panal de abeja con un volumen total de 100
hasta 400% de la cilindrada del motor de combustión interna.
Constituye la tarea de la presente invención
proporcionar un motor de combustión interna con un catalizador
dispuesto a continuación, para cuyo motor el catalizador esté
diseñado de tal modo que alcance una efectividad E alta requerida
legalmente, pero tenga un volumen V significativamente menor que la
cilindrada H del motor de combustión interna y al mismo tiempo
pueda fabricarse de forma económica. En particular, el cuerpo de
panal de abeja en el catalizador debe estar hecho de láminas
metálicas parcialmente estructuradas.
Para resolver esta tarea sirve un motor de
combustión interna con un catalizador dispuesto a continuación
según la reivindicación 1. Se proporcionan conformaciones ventajosas
en las reivindicaciones subordinadas.
Conforme a la invención, a continuación de un
motor de combustión interna con una cilindrada H está dispuesto un
catalizador para la depuración de los gases de escape, en que el
catalizador tiene una superficie geométrica O, una efectividad E
para convertir al menos un componente nocivo de los gases de escape
en componentes inocuos y en que el catalizador tiene al menos un
cuerpo de panal de abeja y todos los cuerpos de panal de abeja
tienen conjuntamente un volumen total V, en que el volumen V se
escoge de tal modo que es menor en un factor de al menos 0,6 que la
cilindrada H y la superficie geométrica O está dimensionada al mismo
tiempo sin embargo de tal modo que el catalizador tiene una
efectividad E de más del 98%. Expresadas como fórmulas, estas
condiciones son:
(a)
E >
98%
(b)
V < 0,6
H
Esta elección de los parámetros tiene por un
lado la ventaja de que el catalizador requiere sólo un volumen
relativamente pequeño, lo que facilita la colocación en el espacio
del motor y/o debajo de la plancha de suelo de un vehículo
automóvil. Por supuesto debe aumentarse la superficie geométrica O
por unidad de volumen en comparación con catalizadores de gran
volumen, para alcanzar la necesaria efectividad E. Mientras que
previamente se suponía que las paredes de canal más delgadas
necesarias para ello aumentan los costes en la fabricación de
cuerpos de panal de abeja de pequeño volumen con gran superficie
geométrica, un análisis preciso da sorprendentemente como resultado
que esto no es válido, como se explica a continuación en particular
con ayuda de cuerpos de panal de abeja hechos a partir de láminas
metálicas.
Es particularmente ventajoso que el número A de
canales en la sección transversal del cuerpo de panal de abeja sea
al menos de 500 cpsi (del inglés "cells per square inch",
celdas por pulgada cuadrada). El grosor d de las paredes de canal,
que separan los canales entre sí, debe tener en promedio un valor de
como máximo 40 micrómetros, preferentemente de como máximo 35
micrómetros, en particular de entre 18 y 32 micrómetros.
(c)
A >= 500
cpsi
(d)
d < 40
micrómetros
En cuerpos de panal de abeja metálicos hechos de
hojas de chapa estratificadas y/o enrolladas, al menos parcialmente
estructuradas, existe una relación entre el número A de canales por
unidad de superficie de sección transversal del cuerpo de panal de
abeja y el grosor d de las hojas de chapa. Para relativamente pocos
canales por unidad de superficie de sección transversal, los
propios canales tienen dimensiones relativamente grandes, de forma
que las paredes de canal deben ser relativamente gruesas para que no
oscilen en la corriente pulsante de gases de escape y sufran daños
para tiempos de operación largos. Cuanto menores sean las secciones
transversales de los canales, tanto más cortas son las secciones
libremente oscilantes de las hojas de chapa estructuradas, que
forman las paredes de canal. Las hojas de chapa pueden ser por ello
más delgadas, sin que aumente la tendencia a oscilar. Este efecto
es muy importante para la presente invención, ya que sólo pueden
llevarse a la práctica números A grandes de canales por unidad de
superficie de sección transversal en lo que respecta a pérdidas de
presión indeseadas cuando las paredes de canal son muy delgadas.
Como por la resistencia a la corrosión sólo se
emplean para catalizadores chapas de acero con elevado contenido de
cromo y aluminio, cuya laminación es comparativamente dificultosa,
los especialistas partían correctamente del hecho de que los costes
de fabricación para tales láminas de acero aumentan al disminuir el
grosor. Un análisis preciso, como se explica aún más detalladamente
con ayuda de la figura 3, muestra sin embargo que en realidad el
precio para la superficie geométrica O, de la que depende muy
esencialmente la efectividad E de un catalizador, disminuye en la
medida en que aumenta el número A de canales por unidad de sección
transversal en un cuerpo de panal de abeja, cuando el grosor d de
las láminas se reduce correspondientemente. El descubrimiento
sorprendente de la presente invención es por ello que al menos para
cuerpos de panal de abeja metálicos los costes para alcanzar la
necesaria efectividad de un catalizador disminuyen cuando aumenta la
relación del número A de canales por unidad de superficie de
sección transversal al volumen V del cuerpo de panal de abeja,
siempre que el grosor d de la lámina sea bajado a la medida
respectivamente admisible desde el punto de vista de la tendencia
oscilatoria. Mientras que naturalmente el precio por litro de
volumen de catalizador crece prácticamente de forma lineal con el
número A de canales por unidad de sección transversal en este
volumen y por ello números A mayores de canales no pueden
considerarse necesariamente como económicos, realmente un aumento
del número A de canales y una reducción simultánea del volumen V es
particularmente favorable.
Desde estos puntos de vista se proponen conforme
a la invención en particular cuerpos de panal de abeja con al menos
600 cpsi y con un grosor medio d de las paredes de canal de como
máximo 32 micrómetros.
En lo que sigue se explica aún más
detalladamente la invención con ayuda del dibujo. Muestran
la figura 1 un motor de combustión interna con
un catalizador dispuesto a continuación,
la figura 2 una vista esquemática en perspectiva
de un catalizador y
la figura 3 un diagrama para ilustrar el precio
del volumen o respectivamente la superficie en un cuerpo de panal
de abeja metálico en función del número A de canales por unidad de
sección transversal.
La figura 1 muestra un motor de combustión
interna 1, a continuación del cual está dispuesto un catalizador 2.
Típicamente, un catalizador 2 así está compuesto por uno o varios
cuerpos de panal de abeja y está dispuesto en el espacio del motor
o debajo de la plancha de suelo de un vehículo automóvil.
\newpage
La figura 2 muestra un catalizador 2, que
contiene un cuerpo de panal de abeja 3. Este cuerpo de panal de
abeja 3 está compuesto en el presente ejemplo de realización de la
invención, al que no está limitada sin embargo ésta, por hojas de
chapa lisas 6 y onduladas 7 alternas, que forman canales 4. Las
hojas de chapa 6, 7 forman las paredes de canal 5 con un grosor
medio d. Las hojas de chapa 6, 7 forman conjuntamente la superficie
geométrica O del cuerpo de panal de abeja 3. Por otra parte las
hojas de chapa 6, 7 están revestidas aún con un recubrimiento por
inmersión (washcoat) cerámico sobre la base de óxido de
aluminio, con lo cual se obtiene una superficie porosa muy grande,
que puede ser varias veces mayor que la superficie geométrica O.
Sobre el recubrimiento por inmersión no representado se aplica una
sustancia catalíticamente activa, en particular una mezcla de
diversos metales preciosos.
La figura 3 muestra en un diagrama sobre el eje
x el número A de canales 4 por unidad de superficie de sección
transversal (cpsi), mientras que en la dirección y se representa por
el lado izquierdo el precio por unidad de volumen de cuerpo de
panal de abeja (precio/litro) y por el lado derecho el precio por
unidad de superficie (precio/metro cuadrado). Mediante líneas
verticales están indicadas aquí las zonas en las que pueden
aplicarse grosores d típicos, disponibles en el mercado, de láminas
metálicas. Se observa que para valores de hasta 500 cpsi son
particularmente adecuadas láminas metálicas con un grosor de 50
micrómetros, para 500 - 600 cpsi láminas con un grosor de 40
micrómetros, para 600 - 800 cpsi láminas con un grosor de 30
micrómetros, en que para números aún mayores de canales por unidad
de sección transversal pueden aplicarse láminas aún más delgadas.
La línea P1 en el diagrama ilustra cómo aumenta el precio por litro
al aumentar el número A de canales 4 por unidad de sección
transversal. Sin embargo, es mucho más importante para la presente
invención que la curva P2 muestra cómo disminuye el precio por
metro cuadrado al aumentar el número A de canales 4 por unidad de
sección transversal. Para cuerpos de panal de abeja conforme a la
invención, esto significa que un cuerpo de panal de abeja de
pequeño volumen con gran número de canales es más económico a
igualdad de superficie geométrica O que un cuerpo de panal de abeja
con un volumen mayor.
La presente invención enseña por ello la
aplicación económica de catalizadores de pequeño volumen con un
número A grande de canales 4 por unidad de superficie de sección
transversal, en particular el empleo de láminas metálicas con un
grosor medio de aproximadamente 25 micrómetros o incluso 20
micrómetros para cuerpos de panal de abeja con más de 800 cpsi
hasta 1200 cpsi. Con tales cuerpos de panal de abeja puede
conseguirse una efectividad del 98%, preferentemente incluso del
99%, incluso cuando el volumen V de un catalizador 2 dispuesto a
continuación de un motor de combustión interna 1 sólo es
aproximadamente la mitad o menos de la cilindrada H del motor de
combustión interna 1.
\vskip1.000000\baselineskip
- 1
- Motor de combustión interna
- 2
- Catalizador
- 3
- Cuerpo de panal de abeja
- 4
- Canal
- 5
- Pared de canal
- 6
- Hoja de chapa lisa
- 7
- Hoja de chapa estructurada
\vskip1.000000\baselineskip
- A
- Número de canales
- d
- Grosor de pared de canal
- H
- Cilindrada
- E
- Efectividad
- O
- Superficie geométrica
- V
- Volumen
\vskip1.000000\baselineskip
- P1
- Precio por unidad de volumen
- P2
- Precio por unidad de superficie geométrica
Claims (8)
1. Motor de combustión interna (1) con una
cilindrada H y con un catalizador (2) dispuesto a continuación para
la depuración de los gases de escape, en que
- -
- el catalizador (2) tiene una superficie geométrica O,
- -
- el catalizador (2) tiene una efectividad E para la conversión de al menos un componente nocivo de los gases de escape en componentes inocuos y
- -
- el catalizador (2) tiene al menos un cuerpo de panal de abeja (3) y
- -
- todos los cuerpos de panal de abeja (3) tienen conjuntamente un volumen total V,
caracterizado porque
- -
- el volumen V se escoge de tal modo que es menor en un factor de al menos 0,6 que la cilindrada H, pero la superficie geométrica O está dimensionada al mismo tiempo de tal modo que el catalizador (2) tiene una efectividad E de más del 98%.
2. Motor de combustión interna (1) según la
reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo de panal de
abeja (3) tiene canales (4) a través de los que pueden fluir los
gases de escape, en que el número A de canales (4) en la sección
transversal del cuerpo de panal de abeja (3) es de al menos 500 cpsi
(del inglés "cells per square inch", celdas por pulgada
cuadrada).
3. Motor de combustión interna según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el cuerpo de panal
de abeja (3) es un cuerpo de panal de abeja (3) metálico hecho de
hojas de chapa (6, 7) estratificadas y/o enrolladas, al menos
parcialmente estructuradas.
4. Motor de combustión interna (1) según una de
las reivindicaciones 2 ó 3, caracterizado porque los canales
(4) están separados entre sí por paredes de canal (5), cuyo grosor
medio (d) es de como máximo 40 micrómetros, preferentemente de como
máximo 35 micrómetros, en particular de entre 18 y 32
micrómetros.
5. Motor de combustión interna (1) según una de
las reivindicaciones 2 ó 3, caracterizado porque el número
(A) de canales (4) del cuerpo de panal de abeja (3) sobre una
sección transversal del cuerpo de panal de abeja (3) es de al menos
600 cpsi, mientras que el grosor medio (d) de las paredes de canal
(5) es de como máximo 32 micrómetros.
6. Motor de combustión interna (1) según una de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
catalizador es un catalizador de tres vías y en operación normal
convierte al menos el 98% de los hidrocarburos y óxidos de
nitrógeno presentes en los gases de escape, preferentemente al menos
el 99%.
7. Motor de combustión interna (1) según una de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
cuerpo de panal de abeja (3) tiene un número de canales (4) de más
de 750 cpsi y un volumen V de menos de 0,5 veces la cilindrada
H.
8. Motor de combustión interna según la
reivindicación 7, caracterizado porque el grosor medio (d) de
las paredes de canal (5) del cuerpo de panal de abeja (3) es menor
de 32 micrómetros, preferentemente de aproximadamente 25
micrómetros.
Applications Claiming Priority (2)
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