MX2008007040A - Convertidor catalitico - Google Patents

Abstract

Se proporciona un convertidor catalítico (30), un sistema de escape que comprende un convertidor catalítico (30), y un método para fabricar un convertidor catalítico (30);el convertidor catalítico (30) comprende por lo menos un canal (16) que estáconfigurado para recibir un flujo de gas (40) y un catalizador revestido sobre el por lo menos un canal (16);en una de las modalidades descritas, el convertidor catalítico (30) es uno en el cual el por lo menos un canal (16) tiene una forma no lineal.

Description

CONVERTIDOR CATALITICO CAMPO TECNICO La presente descripción se refiere a un convertidor catalítico, a un sistema de escape de un motor de combustión interna que comprende un convertidor catalítico, y a un método para fabricar un convertidor catalítico. Más particularmente, la presente descripción se refiere a un convertidor catalítico que está configurado para catalizar parcialmente por lo menos una porción de los productos secundarios de combustión no deseados que son emitidos por el sistema de escape de un motor de combustión interna.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Hay millones de motores que se están utilizando en todo el mundo. Muchos de estos motores son motores de combustión interna, que incluyen motores con combustible de disel y de gasolina para los automóviles. Desafortunadamente la mayoría de estos motores emiten contaminantes al aire que son dañinos ambientalmente, como óxidos de nitrógeno ("NOx"), combustible no quemado o hidrocarburos, y monóxidos de carbono, por nombrar algunos. En un esfuerzo por reducir la producción de estos contaminantes dañinos, los gobiernos de los Estados Unidos y de todo el mundo siguen legislando sobre la limpieza del aire, regulando la cantidad de las emisiones dañinas que pueden producir legalmente los motores. Para apegarse a la legislación del aire limpio, los fabricantes de motores deben de refinar continuamente la tecnología de los motores. Un área de tecnología de motores que con frecuencia se está mejorando para cumplir con las estrictas normas, es la tecnología del convertidor catalítico. Un convertidor catalítico es un dispositivo que utiliza un catalizador químico para ayudar a convertir varias emisiones dañinas del escape del motor, en productos químicos inofensivos o menos dañinos. Como se mencionó previamente, algunas de estas emisiones dañinas incluyen hidrocarburos, NOx y monóxido de carbono. Algunos convertidores catalíticos se fabrican con una estructura de cerámica, como un panal, que después es revestida con un catalizador y por último se aloja en un empaque tipo mofle, que está unido a un tubo de escape. Otros convertidores catalíticos comprenden láminas metálicas, que después se enrollan alrededor de un eje para formar una estructura cilindrica, que después es alojada en un empaque tipo mofle, que está unido al tubo de escape. En estos convertidores catalíticos enrollados se puede aplicar el catalizador, ya sea antes o después de enrollar juntas las láminas. Normalmente el convertidor comprende numerosos canales cercanos, a través de los cuales fluye el gas de escape. La mayoría de los convertidores catalíticos están revestidos con un catalizador químico. Estos catalizadores pueden comprender un metal precioso, como por ejemplo rodio, platino y paladio. Por ejemplo, algunos catalizadores ayudan a convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono. Otros catalizadores pueden ayudar a convertir los hidrocarburos en dióxido de carbono y agua, mientras que otros catalizadores pueden ayudar a convertir el NOx en nitrógeno y oxígeno. Si el convertidor catalítico está hecho con un sustrato de cerámica, el convertidor puede fabricarse por extrusión, lo cual hace que los canales tengan canales rectos a lo largo de toda su longitud. Si el convertidor catalítico está hecho de metal, se disponen alternativamente tiras o láminas corrugadas con tiras planas, ambas se enrollan después alrededor de un eje o alrededor de múltiples ejes, como el diseño de Emitec. Normalmente la forma de ' sección transversal del canal resultante es rectangular o trapezoidal. Adicionalmente, como sucede con los canales en los convertidores de sustrato de cerámica, los canales resultantes en los convertidores de metal también son normalmente rectos a lo largo de toda su longitud. Debido a que muchos de los convertidores catalíticos, ya sea del tipo de cerámica o metálico, tienen canales generalmente rectos, con superficies planas y parejas, y las velocidades de los gases que fluyen a través de los mismos son relativamente bajas, el flujo dentro de los canales con frecuencia es laminar. En el flujo de fluido laminar, se forma una capa de límite más cerca de una pared del canal. En esta capa de límite, la velocidad del gas es cercana a cero. Como resultado, la capa de límite reduce el coeficiente de la transferencia de masas, lo cual puede reducir la eficacia del convertidor catalítico. Una medida de la eficacia del convertidor catalítico depende de la conversión de las emisiones dañinas dentro del convertidor. Siendo así, es preferible tener un convertidor que tenga una alta eficacia. Generalmente para que un convertidor catalítico tenga una alta eficacia, el coeficiente de transferencia de masas, que mide la velocidad de transferencia de masa, también debe de ser alto. Para incrementar el coeficiente de transferencia de masas, y por lo tanto la eficacia del convertidor catalítico, se puede cambiar el flujo del gas de escape a través de los canales, de un flujo laminar a un flujo turbulento, aunque normalmente esto aumenta la caída en la presión a través del filtro. El flujo turbulento se puede crear de muchas maneras diferentes. Por ejemplo, se puede aumentar sustancialmente la velocidad del gas de escape, lo cual genera un flujo turbulento en los canales. Alternativamente, al disponer los canales de manera que no sean rectos a lo largo de todas sus longitudes, también se pueden crear flujos turbulentos. La patente de E.U.A. No. 6, 187,274 de Nilsson ("Nilsson") describe un inductor de turbulencia en un canal de convertidor catalítico. En Nilsson, se describe un convertidor catalítico que comprende canales longitudinales. En Nilsson los canales tienen primero y segundo generadores de turbulencia separados en la dirección longitudinal para hacer turbulento el flujo de gas. También en Nilsson, cada generador de turbulencia incluye una cara posterior que está inclinada hacia adelante a un ángulo de 35° a 60° desde una base del canal y que está orientada hacia atrás, una cara de conexión que se extiende hacia adelante desde un borde libre de la cara posterior, y una cara frontal que se proyecta hacia la base desde un borde frontal de la cara de conexión y que está orientada hacia adelante. Aunque Nilsson enseña el uso de inductores de turbulencia para crear el flujo turbulento en por lo menos una parte de un canal de convertidor catalítico, hay varias características del convertidor catalítico descrito en Nilsson que hacen que el convertidor catalítico no sea práctico. Por ejemplo, debido a la presencia de los generadores de turbulencia, podría resultar muy alto el costo de fabricación del convertidor catalítico de Nilsson. Adicionalmente, el flujo dentro de toda la longitud del canal de Nilsson puede mantener todavía las características laminares, dependiendo de varios factores, que incluyen toda la separación entre los generadores de turbulencia. La presente invención se refiere a la superación de uno o más de los problemas o desventajas que existen en la técnica anterior.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION En una modalidad, se proporciona un convertidor catalítico. El convertidor catalítico puede comprender por lo menos un canal que está configurado para recibir un flujo de gas y un catalizador recubierto en sobre por lo menos un canal. En esta modalidad, en por lo menos un canal es parcialmente no lineal a lo largo de su longitud, en otra modalidad, se proporciona un sistema de escape de un motor de combustión interna. El sistema puede comprender un tubo de escape que se encuentra en comunicación de fluido con un múltiple de escape de un motor de combustión interna, un alojamiento que se encuentra en comunicación de fluido con el tubo de escape, y un convertidor catalítico alojado dentro del alojamiento. El convertidor catalítico puede comprender por lo menos un canal que está configurado para recibir un flujo de gas y un catalizador recubierto sobre el por lo menos un canal. En esta modalidad, el por lo menos un canal puede ser no lineal a lo largo de por lo menos una parte de la longitud del canal. El sistema de escape puede ser uno en el cual el convertidor catalítico está configurado para catalizar por lo menos parcialmente un constituyente de escape. En otra modalidad, se proporciona un método para fabricar un convertidor catalítico. En esta modalidad, el método puede comprender los pasos de proporcionar por lo menos una primera lámina de metal, la primera lámina de metal es sustancialmente plana, proporcionando por lo menos una segunda lámina de metal, la segunda lámina de metal comprende canales no lineales, y enrollar la por lo menos una primera lámina de metal y la por lo menos una segunda lámina de metal alrededor de un eje. En otra modalidad, se proporciona otro método para fabricar un convertidor catalítico. En esta modalidad particular, el método puede comprender los pasos de proporcionar por lo menos una lámina, la lámina comprende canales no lineales, y enrollarla por lo menos una lámina alrededor de un eje.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una vista en perspectiva de una lámina de convertidor catalítico con canales no lineales; La figura 2 es una vista superior esquemática de una parte de la lámina del convertidor catalítico de la figura 1 ; La figura 3 es una vista frontal en sección transversal esquemática de una parte del convertidor catalítico de la figura 1 ; La figura 4 es una vista en perspectiva de dos láminas de convertidor catalítico con canales no lineales interpuestos alternativamente entre dos láminas planas; La figura 5 es una vista en perspectiva de una lámina de convertidor catalítico con canales no lineales enrollada parcialmente alrededor de un eje; La figura 6 es una vista en perspectiva de dos láminas de convertidor catalítico con canales no lineales parcialmente enrolladas alrededor de un eje junto con dos láminas planas; y La figura 7 es una vista en perspectiva del gas de escape fluyendo a través de una modalidad particular de un convertidor catalítico.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION La figura 1 es una vista en perspectiva de una lámina de convertidor catalítico 10 con canales no lineales 16. En esta modalidad particular, los canales 16 tienen una forma sinusoidal a lo largo de toda la longitud de los canales 16. Los canales 16 están configurados para recibir un flujo fluido como el flujo fluido de gas de escape 40, cuando forman parte de un convertidor catalítico 30 (que se muestra en la figura 7). La naturaleza no lineal de los canales 16 promueve un flujo de fluido turbulento, que con frecuencia aumenta la eficacia del catalizador químico. Aunque los canales 16 representados en las figuras 1 a 7 son sinusoidales, el lector podrá apreciar que se puede utilizar cualquier otro canal no lineal 16. Por ejemplo, los canales 16 pueden comprender esquinas agudas, contornos irregulares que son inconsistentes con una típica onda de seno, y cualquier otra forma que no sea lineal, siempre y cuando se genere un flujo turbulento en por lo menos una parte del canal 16. El lector también podrá apreciar que la naturaleza no lineal del canal 16 no necesita estar presente en toda la longitud del canal 16. Aunque las figuras 1 a 7 representan una onda no lineal que está presente a lo largo de toda la longitud del canal 16, las modalidades descritas no están limitadas a esta estructura. Por ejemplo, el canal 16 puede incluir ondas no lineales, dobleces, contornos y curvas, por ejemplo, sólo en una parte de la longitud del canal 16. En el resto del canal 16, éste puede ser recto.

La figura 2 representa una vista superior parcial de la lámina 10. Como se puede ver, la lámina 10 comprende canales sinusoidales 16 con amplitud 1 1 y periodo 12. En por lo menos una modalidad, la amplitud 1 1 es de aproximadamente 6.35 mm o menos y el período 12 es de aproximadamente 50.8 mm o menos. Aunque la figura 2 proporciona volúmenes específicos para la amplitud 1 1 y el período 12, el lector podrá apreciar que se pueden utilizar varios valores diferentes para promover el flujo turbulento en los canales 16. Como se describió previamente, el lector podrá apreciar que el convertidor catalítico 30 no está limitado para requerir los canales 16 con formas sinusoidales, como se describió, sino que puede incluir cualquier otra forma no lineal que promueva el flujo de fluido turbulento. Ahora haciendo referencia a la figura 3, se muestra una vista en sección transversal frontal parcial de la lámina 10. Como se puede ver, la lámina 10, además de tener canales sinusoidales 16 8represnetqados en la figura 1 , también esta ondulado en su extremo. En esta modalidad, las ondas tienen un radio 15, una amplitud 13 y un período 14. En por lo menos una modalidad, el radio 15 es de aproximadamente 0.9652 mm, la amplitud 13 es de aproximadamente 3.81 mm o menos, y el período 14 es de aproximadamente 3.81 mm o menos. Aunque la figura 3 proporciona valores específicos para el radio 15, la amplitud 13 y el período 14, el lector podrá apreciar que se pueden utilizar varios valores diferentes en el diseño de la lámina 10 y los canales 16 (que se muestran en la figura 1 ). También, el lector podrá apreciar que el convertidor catalítico 30 no está limitado a requerir los canales 16 con secciones transversales semi-circulares u onduladas, como se representa en la figura 3, sino que pueden incluir cualquier forma de sección transversal. Por ejemplo, los canales 16 pueden incluir formas de sección transversal poligonal, como formas trapezoidales, rectangulares o triangulares, por nombrar algunas. Haciendo referencia ahora a las figuras 4 a 7, el convertidor catalítico 30 puede fabricarse de varias maneras diferentes. En un ejemplo y como se representa la figura 5, la lámina 10 se puede enrollar para formar el convertidor catalítico cilindrico 30, que se representa en la figura 7. En este ejemplo, el eje 17 del convertidor enrollado 30 es sustancialmente paralelo a la dirección de los canales no lineales 16. Aunque la modalidad representada ilustra el eje 17 como sustancialmente paralelos a los canales 16, el lector podría a preciar que la lámina 10 también se puede enrollar junta alrededor del eje 17 de manera que el eje 17 no es sustancialmente paralelo a la dirección de los canales no lineales 16. Por ejemplo, la lámina 10 se puede enrollar alrededor del eje 17 de manera que la dirección de los canales 16 esté desviada en cierto ángulo con respecto al eje 17. Siempre y cuando el convertidor 30 sea capaz de recibir el flujo de escape 40 desde un extremo 31 y enviar el gas de escape hacia el otro extremo 32, los canales 16 se pueden alinear de cualquier forma posible con respecto al eje 17. Adicionalmente, el lector podrá apreciar que se puede enrollar cualquier número de láminas 10 juntas alrededor del eje 17 para formar el convertidor catalítico 30, por ejemplo se pueden enrollar juntas, dos, tres, cuatro ó cinco láminas 10 para formar el convertidor catalítico 30. Como se representa en las figuras 4 y 6, el convertidor catalítico 30 puede fabricarse alternativamente colocando dos láminas planas 20 en forma adyacente a dos láminas sinusoidales 10. En esta modalidad particular, las láminas 10 y 20 se enrollan juntas alrededor del eje 17, de manera que el eje 17 sea sustancialmente paralelo a la dirección de los canales sinusoidales 16. Como se describió previamente, el lector podrá apreciar que las láminas 10 y 20 también se pueden enrollar juntas alrededor del eje 17 de manera que el eje 17 no sea sustancialmente paralelo a la dirección de los canales sinusoidales 16. En por lo menos una modalidad, la lámina 10 y/o la lámina 20 se pueden componer de cualquier material que sea conocido para los expertos en la técnica, incluyendo materiales flexibles. En una modalidad particular, la lámina 10 y la lámina 20 están compuestas de materiales similares. En un ejemplo, las láminas 10 y 20 comprenden aluminio. Adicionalmente, la láminas 10 y/o la lámina 20 también se pueden recubrir con un catalizador, como por ejemplo paladio, rodio y/o platino. En una modalidad particular, las láminas 10 y 20 se recubren ambas con el mismo catalizador químico. Existen varios catalizadores conocidos que catalizan varios componentes de escape diferentes que se pueden utilizar en los convertidores 30 descritos. Un experto en la técnica podrá entender que las modalidades descritas no están limitadas a catalizar sólo hidrocarburos, monóxidos de carbono y NOx.

APLICABILIDAD INDUSTRIAL El convertidor catalítico 30 descrito se puede aplicar en muchas aplicaciones diferentes, incluyendo la corriente de escape de un motor de combustión interna. Por ejemplo, el convertidor catalítico 30 se puede colocar en un alojamiento cilindrico (no se muestra) y recibe el gas de escape 40 desde un múltiple de escape del motor. En dicha aplicación, el gas de escape 40 puede ser parcial o completamente catalizado antes de ser emitido al medio ambiente o recirculado de regreso al sistema de captación del motor, por ejemplo, para los motores que tengan una recirculación de gas de escape. Durante la operación, y como se muestra en la modalidad particular de la figura 7, el gas de escape 40 fluye de izquierda a derecha a través del convertidor catalítico 30. A medida que el gas 40 entra por el extremo izquierdo 31 del convertidor catalítico 30, el gas de escape 30 puede tener constituyentes indeseables, como por ejemplo hidrocarburos, monóxidos de carbono y/o NOx. A medida que el gas de escape 40 entra al convertidor catalítico , los constituyentes de escape que son dañinos para el medio ambiente pueden ser convertidos parcial o completamente en productos menos dañinos. Durante esta conversión, los constituyentes indeseables interactúan con el catalizador, que facilita las reacciones químicas. Al proporcional canales no lineales 16, el flujo del gas de escape 40 a través del convertidor 30 puede ser más turbulento, lo cual da como resultado una mejor interacción de superficie entre el gas de escape 40 y el catalizador químico. Como resultado, se convierte la mayor parte de los constituyentes de escape que son dañinos para el medio ambiente. Los expertos en la técnica podrán apreciar que se pueden hacer varias modificaciones y variaciones con respecto a las modalidades que se describieron en la presente, sin apartarse del alcance de la descripción. Otras modalidades de la invención descritas serán evidentes para los expertos en la técnica teniendo en consideración la especificación y la práctica de los materiales descritos en la presente. Se pretende que la especificación y los ejemplos sean considerados únicamente como ejemplos, estando indicado el verdadero alcance de la descripción por las siguientes reivindicaciones y sus equivalentes.

Claims (1)

1. NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES 1 .- Un convertidor catalítico (30), que comprende: por lo menos un canal (16) que está configurado para recibir un flujo de gas (40); y un catalizador revestido sobre el por lo menos un canal (16), y en donde el por lo menos un canal (16) tiene una forma no lineal. 2. - El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el por lo menos un canal (16) tiene una forma por lo menos parcialmente sinusoidal. 3. - El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el por lo menos un canal (16) tiene una forma sinusoidal a lo largo de toda la longitud del canal (16). 4.- El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el por lo menos un canal (16) es no lineal a lo largo de toda la longitud del canal (16). 5. - El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el por lo menos un canal (16) se fabrica con una lámina metálica (10). 6. - El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque también comprende por lo menos una lámina (10) que comprende canales no lineales (16) interpuestos con por lo menos una lámina plana (20). 7. - El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la lámina plana (20) está revestida con el catalizador. 8. - El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el por lo menos un canal (16) comprende una forma de sección transversal semicircular. 9. - El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el catalizador comprende por lo menos uno de platino, paladio o rodio. 10. - El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque la lámina metálica (10) comprende aluminio. 1 1 .- El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el por lo menos un canal (16) tiene una sección transversal ondulada. 12. - El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque por lo menos un canal (16) tiene una amplitud ( ) de aproximadamente 6.35 mm o menos. 13. - El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el por lo menos un canal (16) tiene un periodo (12) de por lo menos 50.8 mm o menos. 14.- El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado además porque la onda de la sección transversal ondulada tiene una amplitud (13) de aproximadamente 3.81 mm o menos. 15.- El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado además porque la onda de la sección transversal ondulada tiene un periodo (14) de aproximadamente 3.81 mm o menos. 16. - El convertidor catalítico (30) de conformidad con la reivindicación 1 1 , caracterizado además porque la onda de la sección transversal ondulada tiene un radio (15) de aproximadamente 0.9652 mm. 17. - Un método para fabricar un convertidor catalítico (30), que comprende: proporcionar por lo menos una lámina (10), dicha lámina (10) comprende canales sinusoidales (16); y enrollarla por lo menos una lámina (10) alrededor de un eje (17). 18. - El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque el eje (1 7) es sustancialmente paralelo a los canales sinusoidales (16).