ITMI20101476A1 - Apparato e metodo per la rigenerazione di filtri antiparticolato per motori a combustione interna - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

<■>'APPARATO E METODO PER LA RIGENERAZIONE DI FILTRI ANTI PARTI COLATO PER MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA.”

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un metodo ed un apparato per la rigenerazione di filtri antiparticolato, impiegati ad esempio per ridurre le emissioni nocive dei gas di scarico dei motori a combustione interna.

Come è noto il termine particolato, indicato con la sigla PM (particulate matter) o DPM (diesel particulate matter), identifica l'insieme delle sostanze sospese in aria (fibre, particelle carboniose, metalli, silice, inquinanti liquidi o solidi, e esso indica pertanto l'inquinante che oggi è considerato di maggiore impatto nelle aree urbane. Esso è composto da tutte quelle particelle solide e liquide disperse nell'atmosfera, con un diametro che va da pochi nanometri fino ai 500 micron e oltre (cioè da miliardesimi di metro a mezzo millimetro).

Il particolato è il responsabile del fumo nero che tradizionalmente si associa ai veicoli alimentati a ciclo diesel, ed insieme agli ossidi di azoto rappresenta il più dannoso prodotto di combustione disperso in atmosfera dai motori diesel.

Per eliminare il PM emesso dai motori diesel, è noto installare un filtro antiparticolato sulla linea di scarico dei gas. Detti filtri antiparticolato possono essere composti da monolitici ceramici con flusso a parete, fibre ceramiche, schiume ceramiche, fibre metalliche, metalli sinterizzati e via dicendo.

Durante il funzionamento del filtro il PM si raccoglie sulla superficie filtrante e all'interno della matrice di supporto di detta superficie, accumulandosi nel tempo e generando una perdita di carico sempre più alta fino a causare l’ostruzione più o meno marcata del filtro antiparticolato stesso. L’ostruzione del filtro causa, oltre al peggioramento delle performance di filtraggio del filtro stesso, un mal funzionamento del motore per la non corretta evacuazione dei gas di scarico.

Al fine di evitare questi inconvenienti e mantenere sempre alta l’efficienza sia del filtro antiparticolato che del motore stesso, il PM che si accumula nel filtro antiparticolato deve periodicamente essere rimosso ed eliminato tramite un processo di rigenerazione.

Attualmente sono noti diverse metodologie di rigenerazione dei filtri antiparticolato. Tra queste metodologie si possono citare l'aggiunta di un reagente nel combustibile per abbassare il punto di autoaccensione del particolato e aumentare la velocità di ossidazione del particolato stesso alle basse temperature. L’ossidazione del particolato porta alla sua eliminazione.

Un'altra metodologia nota consiste nel nebulizzare e successivamente fare evaporare un reagente nel condotto di scarico per il tempo necessario alla riduzione del particolato sul filtro.

Ancora, una metodologia nota per l’eliminazione del particolato dal filtro prevede di incrementare la temperatura dei gas di scarico per un tempo relativamente breve al fine di portare la temperatura del particolato stesso depositato sulla matrice ceramica del filtro ad una temperatura superiore al punto di accensione con conseguente combustione dello stesso.

Queste soluzioni di tipo noto lasciano tuttavia irrisolti alcuni inconvenienti che la presente invenzione si propone di risolvere.

Un primo inconveniente risiede nel fatto che i metodi sopra esposti, con l'eccezione del sistema di incremento della temperatura dei gas di scarico al fine di raggiungere l’autoaccensione del particolato, non sono in generale sufficientemente efficienti ad assicurare una sicura, affidabile e ripetibile rigenerazione.

Il metodo di incrementare la temperatura dei gas di scarico presenta i seguenti svantaggi:

- Alto consumo di carburante

- Shock termici e rotture della matrice ceramica (problema particolarmente importante per i filtri inseriti su motori di grosse dimensioni e per i revamping di motori esistenti), dovuta all’autoaccensione improvvisa di una elevata quantità di incombusti in contemporanea ad un’alta temperatura dei gas di carico.

Compito precipuo della presente invenzione è quindi quello di eliminare o ridurre gli inconvenienti che affliggono i metodi di rigenerazione dei filtri antiparticolato noti dallo stato dell’arte.

Nell’ambito di questo compito, scopo della presente invenzione è quindi quello di fornire un metodo per la rigenerazione dei filtri antiparticolato che si caratterizza per una elevatissima efficienza nella pulizia del filtro stesso, del controllo preciso della fase di inizio e fine rigenerazione e della riduzione degli shock termici e delle sovratemperatrure al filtro evitandone il danneggiamento.

Un altro vantaggio del metodo secondo la presente invenzione consiste neH’utilizzo di agenti ossidanti completamente innocui per l’ambiente come ΙΉ202(acqua ossigenata o perossido di azoto).

Ancora, è scopo della presente invenzione quello di fornire un apparato in grado di performare il metodo di rigenerazione in oggetto.

Questo compito e questi e altri scopi che risulteranno maggiormente chiari in seguito sono raggiunti da un metodo per la rigenerazione di un filtro antiparticolato mediante l’impiego di una miscela acquosa contenente un reagente ossidante (soprattutto acqua ossigenata e/o clorato ma non limitatamente a questi), caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di nebulizzazione di detta miscela di reagente ossidante su detto filtro antiparticolato, la miscela raggiungendo il filtro antiparticolato allo stato liquido in forma di goccioline.

Inoltre, questi compiti e scopi sono raggiunti da un apparato per la rigenerazione di un filtro antiparticolato mediante un reagente chimico ossidante caratterizzato dal fatto di comprendere un ugello nebulizzatore atto a nebulizzare una soluzione acquosa di reagente ossidante direttamente sulla superficie filtrante di detto filtro antiparticolato, e dal fatto di effettuare detta nebulizzazione per mezzo di iniezione impulsiva di una portata elevata di soluzione in un tempo breve, così che detta soluzione investa il filtro antiparticolato in forma di gocce allo stato liquido.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione diverranno maggiormente chiari dalla seguente descrizione dettagliata, data in forma esemplificativa e non limitativa e illustrata nell’allegata figura 1 la quale mostra uno schema dell'apparato per la rigenerazione dei filtri antiparticolato secondo la presete invenzione.

Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione illustrata nella citata figura a titolo esemplificativo e non limitativo, comprende un serbatoio di accumulo V della soluzione reagente posto su di una linea c dotata di una valvola automatica 2 a monte di detto serbatoio di accumulo V, una linea di aria compressa a che porta l’aria in pressione alla linea c e, tramite una valvola automatica 1 ad una linea e direttamente connessa alla linea di uscita ed all’ugello u, una linea di approvvigionamento del reagente ossidante che porta, attraverso una valvola automatica 4, il reagente ossidante al serbatoio di accumulo V e, attraverso una valvola automatica 3 alla linea di uscita e aH’ugello u, dove si ricongiunge con la linea e per l’aria compressa.

Il funzionamento dell’apparato schematizzato in figura 1 è il seguente.

All’istante iniziale il serbatoio di accumulo V del reagente ossidante è vuoto.

Tramite una pompa di dosaggio 5, e previa l’apertura della valvola di intercettazione opzionale 4, il reagente ossidante passa attraverso la linea b dal serbatoio di stoccaggio 6 al serbatoio di accumulo V, in quanto la valvola di intercettazione 3 posta a valle dell’intersezione con la linea c è mantenuta chiusa. La valvola di intercettazione 4 è opzionale in quanto con alcuni tipi di pompe 5 essa non è necessaria, in quanto la pompa stessa impedisce il ritorno del fluido lungo la linea b.

Grazie alla presenza di opportuni mezzi sensori A, costituiti ad esempio da un pressostato o da un qualunque sensore in grado di accertare il riempimento parziale o totale del serbatoio di accumulo V, lo stop al riempimento avviene quando il livello di riempimento desiderato è stato raggiunto.

A questo punto viene chiusa la valvola di intercettazione 4 sulla linea b, qualora tale valvola sia presente, e viene aperta la valvola di intercettazione 2 consentendo all’aria compressa presente nella linea a di raggiungere attraverso la linea c il serbatoio di accumulo V.

Dopo che l’aria in pressione raggiunge il serbatoio di accumulo V vengono aperte le valvole 1 e 3 e sia l'aria compressa proveniente dalla linea a sia il reagente vengono inviati all’ugello nebulizzatore u attraverso rispettivamente le linee e e d. La quantità di soluzione di reagente ossidante iniettata è quindi pari a quella contenuta nel serbatoio di accumulo V e l’iniezione avviene in un tempo molto breve, normalmente 4-6 secondi per una portata di 2 o 3 litri, e al massimo per 30 secondi in base alla regolazione scelta, al tipo di motore, alla distanza dell’ugello dal filtro antiparticolato, dalla quantità di particolato accumulatasi sul filtro e via dicendo.

La rimozione del particolato avviene dunque grazie alla nebulizzazione di un reagente chimico ossidante, in soluzione con acqua, sulla superficie del filtro antiparticolato. La soluzione di acqua e reagente ossidante è in grado di rigenerare il filtro liberandolo dalle particelle incombuste ed evitando così l'intasamento del filtro stesso.

Secondo quanto preferito, la concentrazione del reagente in acqua può variare dal 5% al 75%. Ancora, è preferito per il metodo di rigenerazione secondo la presente invenzione l'impiego come reagente di acqua ossigenata.

L’apparato sopra descritto è dunque atto ad attuare una procedura di iniezione di tipo impulsivo che consiste nello spruzzamene dell’ossidante ad elevata portata e per un tempo breve (inferiore ai 30 secondi) con il motore in funzionamento e con la temperatura dei gas di scarico superiore ai 150 gradi Celsius.

L’elevata portata istantanea di reagente impedisce che esso evapori nel gas caldo. Il reagente viene nebulizzato dall’ugello spruzzatore e raggiunge dunque in massima parte il filtro antiparticolato sotto forma di numerosissime minute goccioline di liquido, senza che tali goccioline evaporino. In questo modo, grazie alla forma liquida ed al numero elevato di piccole gocce il reagente si distribuisce sul filtro ceramico antiparticolato in modo uniforme raggiungendo anche i canali più stretti.

La nebulizzazione del reagente avviene grazie ad un opportuno ugello ad aria compressa o a singolo fluido (in questo secondo caso la linea e non è presente) installato molto vicino al filtro antiparticolato. È preferibile, secondo l’apparato anch’esso oggetto della presente invenzione, che detto ugello nebulizzatore sia posizionato ad una distanza non superiore ai 50 cm rispetto al filtro, e che l'angolo di spruzzo sia studiato in modo da coprire l’intera superficie filtrante.

Secondo quanto detto, il reagente ossidante preferito è costituito da acqua ossigenata. In ogni caso il reagente è sempre in soluzione con acqua, e pertanto l’apparato secondo la presente invenzione può essere impiegato per nebulizzare in forma di goccioline finissime diversi reagenti, sempre in soluzione con acqua. II risultato cercato, consistente nel fatto di riuscire a depositare il reagente ossidante sulla superficie del filtro in forma di piccole gocce, di diametro anche inferiore ai 500 micron, senza che queste evaporino per effetto dell’elevata temperatura, è ottenuto principalmente grazie all’elevatissima portata istantanea che si ottiene grazie all'iniezione impulsiva che l’apparato secondo la presente invenzione come sopra descritto è in grado di performare. Anche la distanza dell’ugello dal filtro è un parametro importante per evitare che il reagente evapori prima di depositarsi sul filtro.

Quando il particolato che ostruisce il filtro viene investito dalla portata della soluzione acquosa di reagente, esso viene umidificato dalla soluzione e quindi viene ossidato gradatamente una volta che la temperatura del gas riscalda detto particolato. L’umidificazione del particolato depositato sulla superficie del filtro modifica chimicamente il suo stato rendendolo suscettibile ad una ossidazione molto efficace non appena la temperatura dello stesso risale sopra i 150 gradi Celsius.

L’ossidazione risulta in questo modo graduale ed inizia ad una temperatura del particolato molto più bassa rispetto a quanto richiesto dai metodi di rigenerazione noti dallo stato dell’arte, evitando in questo modo i pericoli di surriscaldamento del filtro antiparticolato dovuto al raggiungimento delle elevate temperature di rigenerazione, evitando rotture e danneggiamenti della matrice ceramica o metallica del filtro stesso.

Si è così mostrato come il metodo e l’apparato secondo la presente invenzione raggiungano lo scopo e gli oggetti proposti.

In particolare, si è illustrato come il metodo di rigenerazione secondo la presente invenzione consenta di ottimizzare il processo rigenerativo ottenendo una più efficace ossidazione del particolato che consente la rigenerazione a temperature più basse rispetto a quelle comunemente impiegate dalle metodologie note dallo stato dell’arte.

Numerose modifiche possono essere effettuate dall'esperto del ramo senza uscire daH'ambito di protezione della presente invenzione.

L’ambito di protezione delle rivendicazioni, quindi, non deve essere limitato dalle illustrazioni o dalle forme di realizzazione preferite mostrate nella descrizione in forma di esempio, ma piuttosto le rivendicazioni devono comprendere tutte le caratteristiche di novità brevettabile deducibili dalla presente invenzione, incluse tutte le caratteristiche che sarebbero trattate come equivalenti dal tecnico del ramo.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la rigenerazione di un filtro antiparticolato mediante l’impiego di una miscela acquosa contenente un reagente ossidante, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di nebulizzazione di detta miscela di reagente ossidante su detto filtro antiparticolato, la miscela raggiungendo il filtro antiparticolato allo stato liquido in forma di goccioline.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che dette goccioline hanno un diametro medio inferiore ai 500 micron.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta fase di nebulizzazione di detta miscela contenente l’ossidante avviene mediante iniezione impulsiva di una elevata portata istantanea in un ugello (u) nebulizzatore posto a monte rispetto a detto filtro antiparticolato con un angolo di spruzzo tale da poter investire l’intera superficie filtrante e ad una distanza inferiore ai 50 cm.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta portata è di circa 2 o 3 litri in un tempo inferiore ai 30 secondi.
5. 5. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto reagente ossidante è acqua ossigenata.
6. 6. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta iniezione impulsiva è ottenuta mediante lo scarico, attraverso detto ugello di nebulizzazione (u), di un volume di reagente ossidante in soluzione acquosa preventivamente accumulato in un serbatoio di accumulo (V) da cui viene espulso mediante l’introduzione di aria compressa.
7. 7. Apparato per la rigenerazione di un filtro antiparticolato mediante un reagente chimico ossidante caratterizzato dal fatto di comprendere un ugello nebulizzatore (u) atto a nebulizzare una soluzione acquosa di reagente ossidante direttamente sulla superficie filtrante di detto filtro antiparticolato, e dal fatto di effettuare detta nebulizzazione per mezzo di iniezione impulsiva di una portata elevata di soluzione in un tempo breve, così che detta soluzione investa il filtro antiparticolato in forma di gocce allo stato liquido.
8. 8. Apparato secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere un serbatoio di accumulo (V) per l’accumulo della soluzione acquosa di reagente ossidante, una prima linea idraulica (a) per la veicolazione di aria compressa, detta prima linea (a) essendo a sua volta connessa, tramite una valvola (2), a detto serbatoio di accumulo (V), e comprendendo inoltre una seconda linea idraulica (d) atta a veicolare detta soluzione acquosa di agente ossidante da un serbatoio di stoccaggio (6) a detto serbatoio di accumulo (V), ed almeno una linea (d) dotata di una valvola di intercettazione (3) atta a veicolare la portata di soluzione acquosa di reagente ossidante in uscita da detto serbatoio di accumulo (V) verso detto ugello nebulizzatore (u).
9. 9. Apparato secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi sensori (A) connessi a detto serbatoio di accumulo (V) ed atti a determinare il livello di riempimento di detto serbatoio di accumulo.
10. 10. Apparato secondo una o più delle rivendicazioni precendenti, caratterizzato dal fatto che detto serbatoio di accumulo (V) ha un volume di circa 3 litri, e che detta aria compressa viene introdotta in detto serbatoio di accumulo ad una pressione di circa 4 bar.