ES2569923T3

ES2569923T3 - Dispositivo de postratamiento de los gases de escape de un motor de combustión interna

Info

Publication number: ES2569923T3
Application number: ES10809286.7T
Authority: ES
Inventors: Thomas Le Tallec; Julien Chapel; Nicolas Ferrand; Mehdi Ferhan
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2016-05-13
Anticipated expiration: 2030-12-16
Also published as: EP2529091B1; CN102822464B; EP2529091A1; CN102822464A; WO2011089330A1

Abstract

Dispositivo de postratamiento de los gases de escape de un motor de combustión (1) que incluye, según el sentido de flujo de los gases de escape del motor: * Un catalizador de oxidación (3); * una boca (41) de un medio de introducción (4) de reductor o de precursor de un reductor para la reducción catalítica selectiva de los óxidos de nitrógeno; * un mezclador (5) para la mezcla de los gases de escape y del reductor y/o la conversión del precursor en reductor; * un catalizador de reducción catalítica selectiva de los óxidos de nitrógeno (6); estando reunidos los citados elementos dentro de una única envuelta (2), caracterizado por que incluye además un filtro de partículas (7) dentro de la envuelta única, estando dicho filtro de partículas, bien posicionado aguas abajo del catalizador de reducción catalítica selectiva, o bien constituido por un substrato único (6') que cumple a la vez el cometido de filtro de partículas y el de catalizador de reducción catalítica selectiva de los óxidos de nitrógeno, y por que el mezclador (5) es de un tipo que presenta una longitud de recorrido para gases que lo atraviesan al menos dos veces superior a la longitud que ocupa longitudinalmente dentro de la envuelta (2).

Description

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DESCRIPCION

Dispositivo de postratamiento de los gases de escape de un motor de combustion interna

La presente invencion recaba la prioridad de la solicitud francesa 1050453 presentada el 25 de enero de 2010 y la prioridad de la solicitud francesa 1054080 presentada el 27 de mayo de 2010.

La invencion trata del campo de los medios de tratamiento de los contaminantes de los gases de escape de los motores de combustion.

Las emisiones contaminantes de los motores de combustion con que van equipados los vehlculos automoviles estan reguladas por unas normativas cada vez mas estrictas. Los contaminantes regulados son -segun la tecnologla de motor de combustion que se considere- el monoxido de carbono (CO), los hidrocarburos sin quemar (HC), los oxidos de nitrogeno (NOx) y las partlculas.

Se conoce emplear un cierto numero de medios de depuracion en la llnea de escape de los motores de combustion para limitar sus emisiones de contaminantes regulados. Un catalizador de oxidacion permite el tratamiento del monoxido de carbono, de los hidrocarburos sin quemar y, en determinadas condiciones, de los oxidos de nitrogeno; para el tratamiento de las partlculas de hollln, se puede emplear un filtro de partlculas.

Estos dispositivos se designan en general por el termino de medios de “postratamiento” de los gases de escape.

Para cumplir con las normativas anticontaminantes acerca de las emisiones de oxidos de nitrogeno (NOx), se puede introducir un sistema especlfico de postratamiento en la llnea de escape de los vehlculos, especialmente de los vehlculos equipados con motores diesel. Para el tratamiento de los oxidos de nitrogeno (NOx), son conocidas tecnologlas de reduccion catalltica selectiva, o “SCR”, por “Selective Catalytic Reduction”, que consisten en reducir los NOx mediante introduction de un agente reductor (o de un precursor de tal agente reductor) en los gases de escape. Puede tratarse, por ejemplo, de una solution de urea, cuya descomposicion va a permitir la obtencion de amonlaco que servira de agente reductor, pero tambien de un reductor o de un precursor de tal reductor en forma gaseosa. En la continuation del presente documento, se hablara, con caracter general, de “reductor” para designar un agente reductor o un precursor de agente reductor.

El agente reductor generado permite reducir los oxidos de nitrogeno por reaction en un catalizador SCR, es decir, un substrato portador de una impregnation catalltica apta para favorecer la reduccion de los NOx mediante el agente reductor.

Las tecnologlas de reduccion catalltica selectiva presentan la ventaja de permitir un nivel de conversion muy elevado de los oxidos de nitrogeno.

Con caracter general, la catalisis SCR precisa anadir un substrato catalltico en la llnea de escape, as! como un medio de introduccion del reductor en los gases de escape, que puede ser, por ejemplo, un inyector de reductor.

Convencionalmente, el catalizador SCR se ubica en los bajos del vehlculo, lejos del motor, ya que el reductor inyectado necesita, por una parte, un largo recorrido por la llnea de escape para descomponerse y, por otra, suficientes volumenes libres para implantarse. Si la distancia recorrida por el reductor no es suficiente, hay un riesgo considerable de acumulacion de carbonilla en la llnea de escape.

Ahora bien, si se ubica este lejos de la salida del colector de escape del motor, o de la salida de la turbina en el caso de un motor sobrealimentado, el catalizador SCR puede no estar activo desde los primeros segundos de funcionamiento del vehlculo y, entonces, deja pasar una cantidad importante de oxidos de nitrogeno sin tratar. Igualmente, el inyector de reductor, que precisa alcanzar un cierto nivel de temperatura para ser operativo (initiation suficiente de la descomposicion del precursor de urea (Adblue@) o precalentamiento del sistema dispensador de reductor (gas)), se resiente por este alejamiento de la salida del colector de escape. Por el documento WO2008/144385 A se conoce un dispositivo segun el preambulo de la revindication 1. Por otro lado, se conoce, por el documento EP 2295754 A (el estado de la tecnica tal como se define segun el Artlculo 54(3) CBE, que no es tenido en cuenta para el criterio de la actividad inventiva), una arquitectura de depuracion que comprende, de aguas arriba a aguas abajo, un catalizador de oxidacion, un acelerador de descomposicion de urea, un mezclador de urea, un catalizador SCR y luego un filtro de partlculas.

En la invencion, se soluciona este problema proponiendo un conjunto de postratamiento que reune, en un modulo compacto, el tratamiento de los HC y CO y el tratamiento de los NOx por reduccion catalltica selectiva, y que permite, segun la variante de la invencion que se considere, una implantation dentro del espacio bajo el capo del motor de un vehlculo automovil. Adicionalmente, este dispositivo esta optimizado en la invencion para evitar el rociado del catalizador de oxidacion con reductor, mediante la adoption de un precatalizador SCR posicionado entre el catalizador de oxidacion y los medios de introduccion de reductor en el escape.

Asl, se propone un dispositivo de tratamiento de los oxidos de nitrogeno compacto, dentro de un solo “canning” o envuelta. Tal configuration participa en la reduccion del volumen de implantacion del conjunto de los medios de

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postratamiento de un motor de combustion, lo cual es fundamental, por ejemplo, en una aplicacion en automocion. Tal como se propone en la invencion, el dispositivo de postratamiento puede implantarse, por ejemplo, bajo del capo del motor de un vehlculo automovil. Esto conduce a un acercamiento del dispositivo de postratamiento al motor, originando un clrculo virtuoso en el diseno del dispositivo: los elementos del dispositivo de postratamiento, al estar dispuestos en la proximidad de la salida de las camaras de combustion del motor (bajo el capo y no en los bajos en una aplicacion en automocion), gozan de condiciones termicas favorables para un optimo funcionamiento, lo cual permite reducir su tamano para obtener una misma eficiencia de tratamiento, comparado con un dispositivo implantado en los bajos.

Preferiblemente, el dispositivo incluye ademas un precatalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno entre el catalizador de oxidacion y la boca.

En efecto, la firma solicitante ha advertido la existencia de un riesgo de rociado del catalizador de oxidacion con reductor (o precursor de agente reductor) introducido aguas abajo del mismo. Y es que se tiende a obtener un tamano de gotas del reductor (o de su precursor) lo mas pequeno posible en su introduccion, con el fin de facilitar la mezcla del reductor en los gases de escape. Ahora bien, un estudio comparativo realizado por la firma solicitante sobre diversos inyectores de reductor muestra que tamanos finos de gotas generalmente van aparejados con un cono de pulverizacion ancho, lo cual aumenta el riesgo de rociado del catalizador de oxidacion aguas arriba.

Un fenomeno de este tipo es muy perjudicial, por dos principales razones. Por una parte, el reductor que entra contacto con el catalizador de oxidacion es transformado (especialmente en el caso de un reductor basado en urea) en oxidos de nitrogeno, lo cual aumenta la cantidad de NOx que habra de tratar el sistema. Por otra parte, el reductor as! transformado sobre el catalizador es consumido a perdida completa.

El precatalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno as! dispuesto permite la reduccion de al menos una parte de los oxidos de nitrogeno presentes en los gases de escape mediante el bloque catalltico situado aguas arriba de la boca de los medios de introduccion de reductor o de precursor de reductor, a saber, el precatalizador de reduccion catalltica selectiva y ya no el catalizador de oxidacion.

Preferentemente, el precatalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno se constituye a partir de un bloque de una longitud (medida segun la direccion de flujo de los gases de escape) inferior a 30 mm, y preferentemente, comprendida entre 20 mm y 30 mm. Al ser esta longitud generalmente inferior a las demas dimensiones del bloque, se puede hablar igualmente de “espesor” del precatalizador. El precatalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno podra presentar especialmente un espesor de 1 pulgada (25,4 mm), unidad de longitud empleada generalmente dentro del campo del postratamiento de los gases de escape de automovil. Una longitud as! de escasa es suficiente, no obstante, para anular el riesgo de entrada en contacto del reductor sobre el catalizador de oxidacion, hidrolizar el precursor de reductor que se inyectara a reflujo, permaneciendo al propio tiempo dentro de los llmites de viabilidad industrial.

El precatalizador puede presentar especialmente las mismas caracterlsticas generales (material del substrato y/o densidad de celda y/o espesor de pared y/o revestimiento catalltico) que el catalizador de reduccion selectiva de los oxidos de nitrogeno empleado en la invencion. El precursor de agente reductor, dentro del ambito de un dispositivo de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno que pone en uso urea, en contacto con esta rodaja catalltica, es entonces hidrolizado, lo cual a continuacion permite su transformacion en NH3 que, a su vez, sera empleado en el postratamiento de los NOx.

El precatalizador puede permitir igualmente, segun la aplicacion que se considere, reducir la longitud del catalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno (ya que una parte del tratamiento la asume el precatalizador de reduccion catalltica selectiva). Al reducir la longitud del catalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno, se disminuye su inercia termica, lo cual es un parametro muy importante para la rapidez de aumento de temperatura del catalizador y, finalmente, para la eficiencia total del dispositivo.

Preferentemente, el catalizador de oxidacion presenta una densidad de celdas comprendida entre 62 y 140 celdas por centlmetro cuadrado, y preferentemente, del orden de 93 celdas por centlmetro cuadrado. La densidad de celdas corresponde al numero de celdas o “canales” determinados en el catalizador por unidad de superficie, y observado segun una seccion transversal del catalizador, sensiblemente ortogonal al eje por el que los gases pueden atravesar el catalizador. Para un catalizador cillndrico, se observa, por tanto, una seccion transversal al eje principal del catalizador. En la practica, si este presenta canales no ciegos, salientes ortogonalmente a la cara de entrada o de salida del catalizador, se observa la densidad de canales en la cara de entrada o de salida del catalizador.

Preferentemente, el catalizador de oxidacion presenta un espesor de pared comprendido entre 50 pm y 165 pm. Por espesor de pared se entiende el espesor de las paredes que separan dos canales de un catalizador.

La utilizacion de altas densidades de celdas, tlpicamente de 600 CPSI (celdas por pulgada cuadrada), esto es, del orden de 93 celdas por cm2, y/o de escasos espesores de paredes, tlpicamente entre 2 milesimas de pulgada (aproximadamente 50 pm) y 6,5 milesimas de pulgada (aproximadamente 165 pm) en el catalizador de oxidacion diesel permite aumentar su eficacia de conversion del monoxido de carbono y de los hidrocarburos sin quemar, as!

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como su facultad para transformar el monoxido de nitrogeno en dioxido de nitrogeno. Ahora bien, esto obedece a la obtencion, tantas veces como sea posible, de una proportion NO2/NOx en los gases de escape tras el catalizador de oxidation cercana al 50 %, lo cual es necesario para el correcto funcionamiento de la reduction catalltica selectiva de los NOx. Cabe tambien la posibilidad, en una variante, de posicionar dentro del dispositivo dos catalizadores de oxidacion diesel consecutivos, de los cuales uno al menos de ambos presenta altas densidades de celdas, del orden de 600 celdas por pulgada cuadrada (aproximadamente 93 celdas por cm2), y/o escasos espesores de paredes, entre 2 milipulgadas (aproximadamente 50 pm) y 7 milipulgadas (aproximadamente 178 pm).

La obtencion de un catalizador de oxidacion particularmente eficaz obedece a la compacidad del dispositivo segun la invention y, en consecuencia, a la posibilidad de implantarlo en la proximidad de la salida de las camaras de combustion del motor y, por tanto, a la obtencion de un dispositivo aun mas compacto y facil de implantar.

Preferentemente, el catalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno presenta una densidad de celdas comprendida entre 62 y 140 celdas por centlmetro cuadrado, y preferentemente, del orden de 93 celdas por centlmetro cuadrado.

Preferentemente, el catalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno presenta un espesor de pared comprendido entre 50 pm y 165 pm.

La utilization de altas densidades de celdas, tlpicamente de 600 CPSI (celdas por pulgada cuadrada) esto es, del orden de 93 celdas por cm2, y/o de escasos espesores de paredes, tlpicamente entre 2 milesimas de pulgada (aproximadamente 50 pm) y 6,5 milesimas de pulgada (aproximadamente 165 pm) en el catalizador SCR permite aumentar su eficacia de conversion de los oxidos de nitrogeno. La obtencion de un catalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno particularmente eficaz obedece a la compacidad del dispositivo segun la invencion y, en consecuencia, a la posibilidad de implantarlo en la proximidad de la salida de las camaras de combustion del motor y, por tanto, a la obtencion de un dispositivo aun mas compacto y facil de implantar. En una variante de la invencion, se posicionan dentro del dispositivo dos catalizadores SCR consecutivos, de los cuales uno al menos de ambos presenta altas densidades de celdas (600 celdas por pulgada cuadrada (aproximadamente 93 celdas por cm2) y/o escasos espesores de paredes (2 milesimas de pulgada (aproximadamente 50 pm), 3,5 milesimas de pulgada (aproximadamente 89 pm), 7 milesimas de pulgada (aproximadamente 178 pm)), con el fin de aumentar su eficacia de conversion. El catalizador SCR, en una variante de la invencion, puede presentar una impregnation catalltica heterogenea para optimizar su eficiencia o para mejorar su comportamiento (mantenimiento de las prestaciones) a lo largo del tiempo.

El mezclador es de un tipo que presenta una longitud de recorrido para gases que lo atraviesan al menos dos veces superior a la longitud que ocupa longitudinalmente dentro de la envuelta. La finalidad del mezclador es homogeneizar la mezcla entre los gases de escape y el reductor y, si se introduce un precursor de un agente reductor, favorecer la descomposicion del precursor de reductor en agente reductor. El empleo de un mezclador que impone a los gases de escape un recorrido relativamente largo en comparacion con la longitud del reductor, por ejemplo de un tipo que impone al gas un curso sensiblemente helicoidal, resulta particularmente adecuado para la invencion. Este, mediante la obtencion de una distancia de recorrido de los gases de escape superior a sus propias dimensiones, permite el empleo, dentro de un dispositivo compacto, de una solution basada en urea como precursor de amonlaco, aun cuando la hidrolisis de la urea en los gases de escape precisa de un tiempo nada desdenable.

Tal mezclador permite especialmente la inyeccion de precursor de reductor en una section de escape igual a la section de los bloques de catalisis, es decir, en una envuelta que no presenta una particular restriction de seccion en el punto de introduction del reductor. Adicionalmente, permite la obtencion de estas prestaciones generando tan solo escasas perdidas de carga.

En una variante preferida de la invencion, el mezclador tiene una longitud inferior a 100 mm, y preferentemente inferior a 70 mm. En una aplicacion en automocion tradicional, la mezcla del reductor con un reparto del 95 % de la misma cantidad en especie por toda la superficie de entrada del catalizador SCR y/o la descomposicion completa de un precursor de reductor se pueden lograr a la salida del mezclador con un mezclador que impone al gas un curso sensiblemente helicoidal de una longitud, medida longitudinalmente dentro de la envuelta del dispositivo, del orden de 70 mm.

Debido al poco espacio que requiere y a su gran eficiencia, tal mezclador permite, dentro del ambito de un sistema SCR que pone en uso un precursor de agente reductor basado en urea, mediante un posicionamiento del dispositivo en una zona termicamente favorable, limitar el riesgo de acumulacion de incrustaciones por la urea cristalizada (obteniendo provecho de una condition termica favorable).

Preferentemente, la envuelta esta dotada de un tramo convergente de salida dotado de una salida lateral, sensiblemente ortogonal a su entrada. Esto permite una mas sencilla implantation del dispositivo. Esto es particularmente interesante en una aplicacion en automocion en el caso en que el dispositivo segun la invencion esta implantado verticalmente bajo un capo de motor: cabe as! la posibilidad de relacionar el dispositivo con un circuito de escape en los bajos sensiblemente horizontal.

Preferentemente, la envuelta unica es sensiblemente en forma de un cilindro dotado de un tramo divergente de

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entrada y de un tramo convergente de salida, de una longitud total inferior a 700 mm. La aplicacion de las caracterlsticas propuestas en la invencion, por separado o combinadas, permite contener la longitud de la envuelta (y, por tanto, del conjunto del dispositivo) a una longitud aproximada de 700 mm, compatible con la implantacion bajo el capo de un motor de un vehlculo automovil.

Preferentemente, el medio de introduccion es un inyector del tipo de actuador por solenoide, o por piezoelectrico, o mecanico o hidroneumatico. El nivel de presion de inyeccion empleado se adapta en funcion de la eficiencia de los elementos de interfaz (tlpicamente, de 4 a 30 bares).

El inyector de precursor de reductor o de reductor tiene, en la presente invencion, unas caracterlsticas funcionales y geometricas optimizadas, que participan en la compactibilidad del dispositivo segun la invencion. El empleo de un inyector del tipo de actuador por solenoide, o por piezoelectrico, o mecanico o hidroneumatico, cuyo nivel de presion de inyeccion dependera de la eficacia de los elementos de interfaz. Tlpicamente, una presion de inyeccion de 4 a 30 bares para la introduccion de un reductor (o precursor) llquido permite en particular un tamano de gotas del orden de 30 a 100 micrometros, compatible con la invencion. Tambien permite la obtencion de una velocidad de penetracion de la pulverizacion, medida a la salida de inyector, del orden de 10 a 30 m/s, compatible con la invencion. Adicionalmente, se posiciona el inyector al objeto de favorecer la mezcla del reductor en los gases de escape. La capacidad de integracion del inyector de precursor dentro del entorno geometrico disponible puede precisar ademas descentrar el eje de la pulverizacion de inyeccion del eje del inyector un angulo del orden de -15° a +15°.

Preferentemente, el medio de introduccion de reductor esta posicionado en oposicion a una seccion de envuelta identica a la seccion transversal del catalizador de reduccion catalltica selectiva. Tal organization, permitida por la conjugation de un mezclador eficiente y de la optimization de los medios de introduccion de reductor, permite la obtencion de una geometrla de envuelta y, con ello, de dispositivo, simple y compacta.

El dispositivo incluye un filtro de partlculas, dentro de la envuelta unica. Asl, se obtiene, en un conjunto compacto, un dispositivo de tratamiento del conjunto de los contaminantes regulados en una aplicacion en automocion (CO, HC, NOx y partlculas).

En una variante de la invencion, el filtro de partlculas esta posicionado aguas abajo del catalizador de reduccion catalltica selectiva.

En una variante de la invencion, se pone en uso un substrato unico para el catalizador de reduccion catalltica selectiva y el filtro de partlculas. Se obtiene asl en la invencion un dispositivo particularmente optimizado en terminos de espacio ocupado de masa y de precio de coste. El empleo de un unico substrato para constituirse en filtro de partlculas y llevar una impregnation catalltica para la SCR permite la realization de estas funciones en un volumen netamente menor que empleando dos substratos separados. La presencia de una impregnacion SCR tan solo repercute escasamente en la capacidad de filtrado y de almacenamiento del filtro de partlculas, en tanto que un substrato del tipo filtro de partlculas esta perfectamente adaptado para llevar una impregnacion catalltica sCr. El empleo de una impregnacion SCR heterogenea adquiere entonces sentido pleno, especialmente para garantizar un correcto mantenimiento de la eficiencia de la SCR a lo largo del tiempo, pese a solicitaciones termicas de consideration ligadas a las regeneraciones del filtro de partlculas.

La invencion trata asimismo de un conjunto que incluye un colector de escape, un dispositivo de postratamiento tal y como se describe en la invencion y un conducto que relaciona el colector de escape con el dispositivo de postratamiento, caracterizado por que el conducto presenta una longitud de, como maximo, 30 cm. Asl, tal conjunto permite disfrutar de condiciones termicas favorables para la eficiencia (o para la reduccion de volumen por una misma eficiencia) de los diferentes elementos del dispositivo de postratamiento. En especial, el catalizador de oxidation conoce una subida de temperatura mas rapida y una mejor eficacia de conversion, lo mismo que para el catalizador SCR, la mezcla y la ocasional descomposicion del reductor se ven favorecidas, y el filtro de partlculas - para las variantes de la invencion provistas de el- se regenera de manera mas eficaz.

El conducto entre el colector de escape y el dispositivo segun la invencion puede incluir ademas una o varias turbinas de turbocompresor dentro del ambito de un motor sobrealimentado y, en particular, el dispositivo segun la invencion puede estar unido directamente al carter de un turbocompresor, a la salida de una turbina.

La invencion trata asimismo de un vehlculo dotado de un compartimento motor y de un conjunto segun la invencion, caracterizado por que el conjunto esta contenido dentro del compartimento motor. En un vehlculo de este tipo, el empleo de un conjunto segun la invencion permite, dentro del espacio bajo el capo, obtener un medio eficiente de depuration al propio tiempo que ofrece numerosas ventajas en cuanto a arquitectura general del vehlculo, liberando volumenes bajo el piso comunmente empleados para albergar elementos de postratamiento de los gases de escape.

La invencion queda seguidamente descrita con mayor detalle y con referencia a las figuras, que representan esquematicamente el sistema en su forma preferente de realizacion.

La figura 1 presenta de manera esquematica un motor y su llnea de escape.

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La figura 2 presenta de manera esquematica un motor y su ilnea de escape.

Las figuras 3 a 6 presentan de manera esquematica un motor y su ilnea de escape inciuyendo un dispositivo segun variantes de ia invencion.

La figura 7 presenta una vista exterior de un conjunto segun ia invencion.

En ia figura 1, se propone un dispositivo de tratamiento de ios gases de escape de un motor 1. Este dispositivo inciuye, dentro de una misma envueita 2 (que tambien podemos designar con ei termino angiosajon “canning”) y segun ei sentido de fiujo, un cataiizador de oxidacion 3, una boca 41 de un medio de introduction de reductor 4 (o de un precursor de agente reductor), un mezciador 5 y un cataiizador SCR 6 (cataiizador de reduction catailtica seiectiva de ios oxidos de nitrogeno).

En ia apiicacion representada en ia figura 1, ia ilnea de escape inciuye ademas un fiitro de partlcuias 7, para atrapar ias partlcuias de hoiiln de ios gases de escape.

En ei funcionamiento dei motor 1, ios gases de escape atraviesan en primer iugar ei cataiizador de oxidacion 3. Se eiiminan as! de ios gases de escape ei monoxido de carbono (CO) y ios hidrocarburos sin quemar (HC). Ei cataiizador de oxidacion 3 tambien permite transformar una parte dei monoxido de nitrogeno (NO) en dioxido de nitrogeno (NO2), transformation esta que es necesaria para mejorar ia reduccion catailtica seiectiva de ios oxidos de nitrogeno (NOx) sobre ei cataiizador SCR 6. En una variante de ia invencion, se puede utiiizar sobre ei cataiizador de oxidacion 3 un revestimiento especlfico encaminado a aimacenar ia totaiidad o parte de ias emisiones de oxidos de nitrogeno, especiaimente cuando ei cataiizador SCR 6 no ha aicanzado una temperatura suficiente para encargarse de una correcta conversion de ios oxidos de nitrogeno. Se habia entonces de una funcion de adsorbedor de oxidos de nitrogeno inciuida en ei cataiizador de oxidacion diesei 3. Por io tanto, ei cataiizador de oxidacion convierte CO y HC, pero, sobre todo, en ia presente invencion, produce una proportion NO2/NOx cercana ai 50 % ia mayorla de ias veces. Esta funcionaiidad se iogra con una reducida ocupacion de espacio merced a ia utiiizacion de geometrlas particuiares en ia densidad de ceidas y ei espesor de ias paredes. Preferentemente, se utiiiza un cataiizador de oxidacion que presenta dei orden de 600 CpSI (ceiis per square inch), esto es, aproximadamente 93 ceidas por centlmetro cuadrado, y un espesor de pared comprendido entre 2 miiesimas de puigada (aproximadamente 50 pm) y 6,5 miiesimas de puigada (aproximadamente 165 pm).

Ei medio de introduccion de reductor 4 permite introducir en ia ilnea de escape, por su boca 41, un reductor o un precursor de reductor, reductor necesario para encargarse de ia reaction de reduccion de ios oxidos de nitrogeno sobre ei cataiizador SCR 6. Ei reductor io proporciona una fuente (no representada) que puede ser una fuente de reductor ilquida (soiucion de urea, formiato de guanidina), gaseosa (tipo amonlaco a presion) y soiida (saies de amonlaco).

Ei reductor se descompone en ei mezciador 5, a io iargo de una distancia muy corta. Conviene para tai fin empiear un mezciador que tenga una gran eficiencia, por ejempio por imponer a ios gases que io atraviesan una distancia de recorrido ampiiamente superior a sus dimensiones exteriores y/o por generar turbuiencias en ei fiujo gaseoso que favorezcan su mezcia. En una apiicacion en automocion, se ha conseguido en ensayos ia obtencion de una mezcia suficiente con un mezciador que presenta una dimension de 69 mm (medida iongitudinaimente dentro de ia envueita) y que origina una perdida de carga iimitada a aproximadamente 100 miiibares. Finaimente, ias partlcuias de hoiiln se acumuian sobre ei fiitro de partlcuias 7, reduciendo as! su presencia a ia saiida dei escape.

La figura 2 presenta un dispositivo muy parecido ai representado en ia figura 1, saivo con ia diferencia de que presenta ademas un precataiizador de reduccion catailtica seiectiva de ios oxidos de nitrogeno 61 entre ei cataiizador de oxidacion 3 y ia boca 41.

Ei precataiizador SCR 61 corresponde a un bioque catailtico SCR preferentemente de escasa iongitud, dei orden de 1 puigada (25,4 mm aproximadamente). Puede presentar ias mismas caracterlsticas que ei cataiizador SCR 6, especiaimente en io que concierne a ia impregnation catailtica.

Ei precataiizador SCR 61 permite evitar que parte dei reductor (o dei precursor de agente reductor) introducido en ia ilnea de escape pueda entrar en contacto con ei cataiizador de oxidacion, sobre ei cuai se podrla transformar en NOx (especiaimente, en ei caso de un reductor basado en urea). Este fenomeno puede producirse especiaimente, en determinadas condiciones de utiiizacion, cuando ei medio de introduccion de reductor 4 es un inyector que presenta un ampiio cono de inyeccion.

La introduccion dei precataiizador SCR 61 puede permitir iguaimente, segun ia apiicacion que se considere, reducir ei voiumen dei cataiizador SCR 6, ai asumir ei precataiizador una parte dei tratamiento de reduccion catailtica seiectiva de ios oxidos de nitrogeno.

Tai precataiizador puede ser empieado ventajosamente en todas ias variantes de ia invencion, especiaimente cuando ei medio de introduccion de reductor 4 es tai que induce un riesgo de rociado dei cataiizador de oxidacion 3 con reductor.

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En la figura 3, se ha representado esquematicamente un motor 1 y su ilnea de escape, incluyendo un dispositivo segun una variante de la invencion. La configuracion es parecida a la que se presenta en la figura 1, pero difiere en que la llnea de escape esta dotada de un dispositivo segun una variante de la invencion en la que el filtro de partlculas 7 se halla dispuesto dentro de la unica envuelta 2, aguas abajo del catalizador SCR 6.

La figura 4 presenta un dispositivo muy parecido al representado en la figura 3, salvo con la diferencia de que presenta ademas un precatalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno 61 entre el catalizador de oxidacion 3 y la boca 41.

En la figura 5, se ha representado esquematicamente un motor 1 y su llnea de escape, incluyendo un dispositivo segun una variante de la invencion. La configuracion es parecida a las presentadas anteriormente, pero difiere de ellas por la presencia de un unico substrato 6', que cumple a la vez el cometido de filtro de partlculas y el de catalizador SCR. Por lo tanto, el substrato unico 6' puede ser un monolito de carburo de silicio o de cordierita o titanato de aluminio, por ejemplo, recubierto con una impregnacion catalltica que permite la reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno.

Preferentemente y en una aplicacion en automocion de la invencion, la envuelta unica 2 se halla dispuesta dentro del espacio bajo el capo que alberga el motor 1. En una variante de la invencion no representada, entre la salida del motor (generalmente un colector de escape) y el dispositivo segun la invencion contenido dentro de la envuelta unica 2, puede ir dispuesta una (o varias) turbina(s) de turbocompresor.

Con objeto de maximizar la eficiencia de los diferentes elementos del dispositivo segun la invencion y permitir as! la reduccion de su volumen para alcanzar un nivel de eficiencia que interesa, el conducto que relaciona la salida del motor con la entrada a la envuelta unica 2 es lo mas corto posible. Preferiblemente, en una aplicacion en automocion de la invencion, el conducto que relaciona la salida de un colector de escape del motor 1 con la entrada al dispositivo de postratamiento conforme a la invencion es inferior a 30 cm.

La figura 6 presenta un dispositivo muy parecido al representado en la figura 5, salvo con la diferencia de que presenta ademas un precatalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno 61 entre el catalizador de oxidacion 3 y la boca 41.

En la figura 7 se presenta una vista exterior de un dispositivo de postratamiento conforme a una variante de la invencion. La envuelta unica 2 del dispositivo presenta un tramo divergente de entrada 21, por el que son introducidos los gases de escape que han de tratarse, y un tramo convergente de salida 22, por el que vuelven a salir del dispositivo los gases tratados en el.

En la variante de la invencion representada en este punto, el tramo divergente 21 o cono de entrada esta optimizado en volumen, al propio tiempo que preserva el criterio de perdida de carga del conjunto del sistema. Su geometrla tiene asimismo por objetivo optimizar el rociado del catalizador de oxidacion.

La geometrla convergente de salida 22, o cono de salida, esta optimizada con el fin de reducir su longitud, al propio tiempo que preserva el criterio de perdida de carga del conjunto del sistema. En particular, en la variante de la invencion representada en este punto, el tramo convergente de salida presenta una forma aplanada, con una salida lateral sensiblemente ortogonal al eje principal del dispositivo, que presenta en este punto la forma general de un cilindro. Tal arquitectura permite reducir la longitud total del dispositivo segun la invencion, y permite asimismo facilitar su implantacion vertical en el espacio bajo el capo de un vehlculo automovil, relacionando el tramo convergente de salida 22 con un conducto de escape en los bajos sensiblemente horizontal.

En la variante de la invencion representada en este punto, el medio de introduccion de reductor 4 adopta la forma de un inyector del tipo de actuador por solenoide, o por piezoelectrico, o mecanico o hidroneumatico, cuyo nivel de presion de inyeccion dependera de la eficiencia de los elementos de interfaz (tlpicamente de 4 a 30 bares), cuya boca en correspondencia con la cabeza de inyector esta contenida dentro de la envuelta comun 2. Por lo tanto, el inyector tiene salida a una seccion de escape sensiblemente igual a la seccion de los bloques de catalisis, que no presenta una particular restriccion de seccion. Adicionalmente, el medio de fijacion del inyector a la envuelta unica 2 puede adoptar la forma de una base que impone un angulo predefinido entre el inyector y la direction de la corriente gaseosa por el dispositivo (o el eje principal del dispositivo, o cualquier otra referencia geometrica), optimizandose el angulo, emplricamente o con el concurso de medios de simulation, para obtener un adecuado compromiso entre la mejora de la mezcla del reductor en los gases de escape y la reduccion del volumen necesario para la implantacion del medio de introduccion de reductor 4.

Asl, la invencion presenta multiples ventajas tecnicas. Ofrece un dispositivo de postratamiento particularmente compacto, especialmente con posibilidad de permitir su integration en el espacio bajo el capo de un vehlculo automovil, por ejemplo en el frente delantero. Una integracion bajo el capo ofrece una mayor libertad de arquitectura en el diseno de los vehlculos, liberando abundantes volumenes bajo el piso.

Adicionalmente, el dispositivo tal y como se describe en la invencion origina un clrculo virtuoso en el diseno del dispositivo de postratamiento. La optimization aportada, al permitir una instalacion cercana a la salida del motor, aumenta la eficiencia del conjunto de los elementos de postratamiento puestos en uso, lo cual permite reducir su

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volumen para la obtencion de un nivel de eficiencia dado. En efecto, la solucion desarrollada en la invencion permite acercar los elementos de depuracion al motor, y con ello, al foco calorifico, y con ello, aumentar su eficiencia. Ademas, esta solucion permite reducir el volumen total de los elementos de depuracion que el vehiculo habra de llevar embarcados.

La reduccion dimensional de los elementos de postratamiento presenta, ademas, ventajas en cuanto a costes y a masa. En particular, la invencion permite la reduccion de la longitud del o los cannings metalicos y la reduccion de la cantidad de metales preciosos portados, especialmente, por el catalizador de oxidacion. Y es que la funcion de reduccion de los oxidos de nitrogeno sobre el filtro de particulas - SCR precisa de una correcta transformacion del monoxido de nitrogeno (NO) en dioxido de nitrogeno (NO2) por el catalizador de oxidacion. Esta transformacion es dependiente de la cantidad de metales preciosos embarcados en el catalizador de oxidacion. La optimizacion de la reduccion de los oxidos de nitrogeno, inducida por el acercamiento del catalizador SCR al foco caliente, reduce la dependencia de esta funcion de la transformacion de NO en NO2 por el catalizador de oxidacion diesel, por lo que reduce la cantidad de metales preciosos que este ultimo habra de llevar embarcados.

En las variantes de la invencion que incluyen ademas un precatalizador de reduccion catalitica selectiva de los oxidos de nitrogeno, la invencion permite, ademas:

• impedir el contacto del precursor o del reductor sobre el catalizador de oxidacion;

• mejorar la eficiencia de depuracion reduciendo la inercia termica;

• incrementar las posibilidades de eleccion de las impregnaciones cataliticas entre el precatalizador y el catalizador de reduccion catalitica selectiva de los oxidos de nitrogeno.

Multiples son tambien los intereses economicos de estas variantes, especialmente debido a una reduccion de la cantidad de metales preciosos que habra de llevar embarcados el catalizador de oxidacion diesel y a una reduccion de la longitud total de catalizador SCR (suma de la longitud del precatalizador y del catalizador de oxidacion catalitica selectiva).

La invencion permite ademas contemplar la sencilla introduccion de la tecnologia de reduccion catalitica selectiva de los oxidos de nitrogeno en los vehiculos automoviles que presentan un motor diesel de pequena o mediana cilindrada (tipicamente inferior a 2,2 L de cilindrada).

La introduccion de la tecnologia de reduccion catalitica selectiva en los vehiculos permite ademas autorizar emisiones superiores de oxidos de nitrogeno a la salida del motor, lo cual permite la adopcion de modos de combustion que reducen el consumo del motor y sus emisiones de CO2.

Finalmente, la variante de la invencion que preve el empleo de un unico substrato para las funciones de filtro de particulas y de catalizador SCR permite la obtencion de un dispositivo de postratamiento para el tratamiento del conjunto de los contaminantes regulados de los gases de escape de un vehiculo automovil.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de postratamiento de los gases de escape de un motor de combustion (1) que incluye, segun el sentido de flujo de los gases de escape del motor:

• Un catalizador de oxidacion (3);

• una boca (41) de un medio de introduccion (4) de reductor o de precursor de un reductor para la reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno;

• un mezclador (5) para la mezcla de los gases de escape y del reductor y/o la conversion del precursor en reductor;

• un catalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno (6); estando reunidos los citados elementos dentro de una unica envuelta (2),

caracterizado por que incluye ademas un filtro de partlculas (7) dentro de la envuelta unica, estando dicho filtro de partlculas, bien posicionado aguas abajo del catalizador de reduccion catalltica selectiva, o bien constituido por un substrato unico (6') que cumple a la vez el cometido de filtro de partlculas y el de catalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno, y por que el mezclador (5) es de un tipo que presenta una longitud de recorrido para gases que lo atraviesan al menos dos veces superior a la longitud que ocupa longitudinalmente dentro de la envuelta (2).
2. Dispositivo segun la reivindicacion 1, caracterizado por que incluye ademas un precatalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno (61) entre el catalizador de oxidacion (3) y la boca (41).
3. Dispositivo segun la reivindicacion 2, caracterizado por que el precatalizador de reduccion catalltica selectiva (61) esta constituido a partir de un bloque de una longitud inferior a 30 mm, y preferentemente comprendida entre 20 mm y 30 mm.
4. Dispositivo segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el catalizador de oxidacion (3) presenta una densidad de celdas comprendida entre 62 y 140 celdas por centlmetro cuadrado, y preferentemente del orden de 93 celdas por centlmetro cuadrado.
5. Dispositivo segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el catalizador de oxidacion (3) presenta un espesor de pared comprendido entre 50 pm y 165 pm.
6. Dispositivo segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el catalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno (6) presenta una densidad de celdas comprendida entre 62 y 140 celdas por centlmetro cuadrado, y preferentemente del orden de 93 celdas por centlmetro cuadrado.
7. Dispositivo segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el catalizador de reduccion catalltica selectiva de los oxidos de nitrogeno (6) presenta un espesor de pared comprendido entre 50 pm y 165 pm.
8. Dispositivo segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el mezclador (5) tiene una longitud inferior a 100 mm y preferentemente inferior a 70 mm.
9. Dispositivo segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que la envuelta (2) esta dotada de un tramo convergente de salida (22) dotado de una salida lateral, sensiblemente ortogonal a su entrada.
10. Dispositivo segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que la envuelta unica (2) es sensiblemente en forma de un cilindro dotado de un tramo divergente de entrada (21) y de un tramo convergente de salida (22), de una longitud total inferior a 700 mm.
11. Dispositivo segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el medio de introduccion (4) es un inyector del tipo de actuador por solenoide, o por piezoelectrico, o mecanico o hidroneumatico.
12. Dispositivo segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado por que el medio de introduccion (4) esta posicionado en oposicion a una seccion de envuelta identica a la seccion transversal del catalizador de reduccion catalltica selectiva (6).
13. Conjunto que incluye un colector de escape, un dispositivo de postratamiento segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones y un conducto que relaciona el colector de escape con el dispositivo de postratamiento, caracterizado por que el conducto presenta una longitud de, como maximo, 30 cm.
14. Vehlculo dotado de un compartimento motor y de un conjunto segun la reivindicacion 13, caracterizado por que el conjunto esta contenido dentro del compartimento motor.