PT1825107E

PT1825107E - Estrutura de filtração, nomeadamente um filtro de partículas para os gases de escape de um motor de combustão interna, e linha de escape associada

Info

Publication number: PT1825107E
Application number: PT05822962T
Authority: PT
Inventors: Anthony Briot; Vincent Gleize; Patrick Girot; Sebastien Bardon
Original assignee: Saint Gobain Ct Recherches
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2008-06-05
Also published as: DE602005005357D1; EP1825107B1; RU2386042C2; JP2008525681A; US20090288380A1; FR2878896A1; CN101072929B; JP4689680B2; WO2006061488A1; ATE389102T1; RU2007125698A; CA2585100A1; ES2301088T3; AU2005313248A1; ZA200704242B; FR2878896B1; DK1825107T3; BRPI0516693A; EP1825107A1; CN101072929A

Description

Descrição

ESTRUTURA DE FILTRAÇÃO, NOMEADAMENTE UM FILTRO DE PARTÍCULAS PARA OS GASES DE ESCAPE DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA, E LINHA DE ESCAPE ASSOCIADA A presente invenção diz respeito a uma estrutura de filtração, nomeadamente um filtro de partículas para os gases de escape de um motor de combustão interna, que compreende: pelo menos uma primeira e uma segunda unidades de filtração, apresentando cada unidade de filtração uma superfície de admissão de gases e uma superfície de evacuação de gases, ligadas entre si por pelo menos duas superfícies laterais, as referidas primeira e segunda unidades de filtração apresentam respectivamente uma primeira e uma segunda superfícies laterais dispostas em oposição; e uma junta de ligação das referidas superfícies, prolongada entre as referidas superfícies; a primeira superfície lateral compreende, na sua metade a montante, uma primeira zona de aderência fraca ou nula com a referida junta delimitada longitudinalmente a montante por uma zona a montante de aderência forte com a referida junta; cada zona de aderência fraca ou nula com a referida junta da primeira superfície está situada em oposição a uma zona de aderência forte com a referida junta da segunda superfície, e cada zona de aderência forte com a referida junta da primeira superfície está situada em oposição a uma zona de aderência fraca ou nula com a referida junta da segunda superfície. 1/15

Tais estruturas são utilizadas nomeadamente dentro de dispositivos de despoluição dos gases de escape de motores de combustão interna. Estes dispositivos comportam uma panela de escape compreendendo em série uma unidade de purificação catalitica e um filtro de partículas. A unidade de purificação catalitica está adaptada para o tratamento de emissões poluentes em fase gasosa, desde que o filtro de partículas esteja adaptado para reter as partículas de fuligem emitidas pelo motor.

Numa estrutura conhecida do tipo referido (FR -A- 2 853 256) , as unidades de filtração compreendem um conjunto de condutas adjacentes de eixos paralelos, separadas por paredes porosas de filtração. Estas condutas estendem-se entre a superfície de admissão dos gases de escape a filtrar e a superfície de evacuação dos gases de escape filtrados. Estas condutas são, por outro lado, obturadas numa ou noutra das suas extremidades para delimitar que as câmaras de entrada se abram sobre a superfície de admissão e que as câmaras de saída se abram sobre a superfície de evacuação.

Estas estruturas funcionam de acordo com uma sucessão de fases de filtração e de regeneração. Durante as fases de filtração, as partículas de fuligem emitidas pelo motor depositam-se sobre as paredes das câmaras de entrada. A perda de carga através do filtro aumenta progressivamente. Para além de um valor predeterminado desta perda de carga, uma fase de regeneração é efectuada. 2/15

Depois da fase de regeneração, as partículas de fuligem, compostas essencialmente de carbono, são queimadas sobre as paredes da câmara de entrada, graças aos meios de aquecimento auxiliares, para restituir à estrutura as suas propriedades originais.

Contudo, a combustão de fuligens dentro do filtro não se faz de modo homogéneo. A combustão inicia a montante e no meio do filtro depois se propaga. Surgem gradientes de temperatura dentro do filtro durante as fases de regeneração.

Os gradientes de temperatura no seio da estrutura de filtração geram dilatações locais de amplitudes diferentes e, em resultado, tensões longitudinais e transversais dentro e/ou entre as diferentes unidades de filtração.

Estas fortes tensões termomecânicas são a origem de fissuras nas unidades de filtração e/ou nas juntas de ligação entre estas unidades de filtração.

Para limitar o risco de aparecimento destas fissuras, o documento FR -A- 2 853 256 propõe a criação referente às primeira e segunda superfícies, zonas de aderência fraca ou nula com a junta, nomeadamente por deposição nesta zona de um revestimento anti-adesivo. A presença destas zonas permite relaxar as tensões termomecânicas na junta e, se estas tensões forem demasiado fortes, conduzir a propagação de eventuais fissuras na junta ao longo destas zonas. 3/15 A disposição das zonas de aderência fraca ou nula com a junta permite além disso suster as unidades de filtração logo que a junta seja fissurada, ao encontro da pressão dos gases de escape exercida sobre as superfícies de admissão das unidades de filtração. A invenção tem como objectivo principal melhorar ainda a retenção das unidades de filtração ao encontro da pressão exercida sobre uma ou várias peças do filtro durante as etapas de montagem do filtro de partículas na linha de escape ou da pressão dos gases de escape durante a utilização do filtro.

Para esse efeito, a invenção tem como objecto uma estrutura de filtração do tipo mencionado, caracterizada pela zona a montante de aderência forte ser delimitada longitudinalmente a montante por uma segunda zona de aderência fraca ou nula com a referida junta. A estrutura de filtração de acordo com a invenção pode incluir uma ou várias das características seguintes, tomadas isoladamente ou seguindo todas as combinações tecnicamente possíveis: - a segunda zona de aderência fraca ou nula com a referida junta estende-se até à superfície de admissão; - o comprimento máximo da zona a montante de aderência forte com a referida junta é inferior ou sensivelmente igual ao comprimento mínimo das regiões de aderência fraca ou nula adjacentes com a referida junta; 4/15 - o comprimento máximo da zona a montante é inferior a um quinto do comprimento total da primeira unidade de filtração; uma das primeira e segunda superfícies laterais compreende, na sua metade a jusante, uma zona a jusante de aderência forte com a referida junta delimitada a montante e a jusante pelas regiões respectivas de aderência fraca ou nula com a referida junta; - a zona de aderência fraca ou nula com a referida junta adjacente a jusante à zona a jusante estende-se até à superfície de evacuação; - o comprimento máximo da zona a jusante de aderência forte com a referida junta é inferior ou sensivelmente igual ao comprimento minimo das zonas de aderência fraca ou nula adjacentes com a referida junta; - a referida zona a jusante estende-se sobre a referida primeira superfície; uma das primeira e segunda superfícies laterais compreende, entre a zona a montante e a zona a jusante, pelo menos uma zona intermediária de aderência forte com a referida junta e as zonas adjacentes de aderência fraca ou nula com a referida junta respectivamente situadas a montante e a jusante da zona intermediária; e - os comprimentos da zona a jusante, da zona a montante e da zona intermediária são sensivelmente idênticos. A invenção tem igualmente por objecto uma linha de escape, caracterizada por compreender uma estrutura conforme definida anteriormente.

Os exemplos de execução da invenção vão agora ser descritos tendo em consideração os desenhos anexos, nos quais: 5/15 - a Figura 1 é uma vista em perspectiva de uma primeira estrutura de filtração de acordo com a invenção; - a Figura 2 é uma vista parcial em perspectiva detalhada da estrutura de filtração da Figura 1; - a Figura 3 é uma vista de duas faces no plano referente às unidades de filtração da Figura 2; - a Figura 4 é uma vista parcial seccionada, seguindo o plano longitudinal IV-IV da Figura 1, da primeira estrutura de filtração após vários ciclos de regeneração da estrutura de filtração; - a Figura 5 é uma vista análoga à da Figura 3, de uma segunda estrutura de filtração de acordo com a invenção; - a Figura 6 é uma vista análoga à da Figura 4, da segunda estrutura de filtração de acordo com a invenção; - a Figura 7 é uma vista análoga à da Figura 3, de uma terceira estrutura de filtração de acordo com a invenção; e - a Figura 8 é uma vista análoga à da Figura 4, da terceira estrutura de filtração de acordo com a invenção. 0 filtro de partículas 11 representado na Figura 1 está disposto numa linha 13 de escape dos gases de um motor diesel de veiculo automóvel representado parcialmente.

Esta linha de escape 13 prolonga-se até às extremidades do filtro de partículas 11 e delimita uma passagem de circulação dos gases de escape. 0 filtro de partículas 11 estende-se seguindo uma direcção X-X' de circulação dos gases de escape. Compreende uma pluralidade de blocos 15 de filtração ligados entre eles pelas juntas de ligação 17. 6/15

Cada bloco de filtração 15 tem uma forma sensivelmente paralelepipédica rectangular alongada seguindo a direcção longitudinal X-X'. 0 termo «bloco de filtração» designa mais amplamente um conjunto com uma superfície de admissão, uma superfície de evacuação e pelo menos duas superfícies laterais (quatro superfícies laterais no exemplo representado) que ligam a superfície de admissão à superfície de evacuação.

Como ilustrado na Figura 2, cada bloco de filtração 15A, 15B inclui uma estrutura de filtração 19 porosa, uma superfície 21 de admissão dos gases de escape a filtrar, uma superfície 23 de evacuação dos gases de escape filtrados, e quatro superfícies laterais 24. A estrutura de filtração porosa 19 é realizada num material de filtração constituído por uma estrutura monolítica, nomeadamente em cerâmica (cordierite, carboneto de silício, etc) .

Esta estrutura 19 possui uma porosidade suficiente para permitir a passagem dos gases de escape. Portanto, conforme é do conhecimento geral, o diâmetro dos poros escolhido é suficientemente pequeno para assegurar uma retenção das partículas de fuligem (compreendido entre 5 e 100 micrómetros). 7/15 A estrutura porosa 19 inclui um conjunto de condutas adjacentes de eixos paralelos à direcção longitudinal X-X'. Estas condutas são separadas pelas paredes 25 porosas de filtração. No exemplo ilustrado na Figura 2, estas paredes 25 são de espessura constante e estendem-se longitudinalmente na estrutura de filtração 19, da superfície de admissão 21 à superfície de evacuação 23.

As condutas são repartidas num primeiro grupo de condutas de entrada 27 e um segundo grupo de condutas de saída 29. As condutas de entrada 27 e as condutas de saída 29 são dispostas em oposição.

As condutas de entrada 27 são obturadas ao nível da superfície de evacuação 23 do bloco de filtração 15A, 15B e são abertas na sua outra extremidade.

Pelo contrário, as condutas de saida 29 são obturadas ao nivel da superfície de admissão 21 do bloco de filtração 15A, 15B e terminam na sua superfície de evacuação 23.

No exemplo ilustrado na Figura 1, as condutas de entrada 27 e de saída 29 têm as secções constantes ao longo de todo o seu comprimento.

Conforme representado na Figura 2 as superfícies laterais 24A, 24B dos blocos 15A e 15B são planas.

Conforme ilustrado nas Figuras 2 e 3, cada superfície plana 24A, 24B de um bloco de filtração situado na direcção 8/15 paralela axial a outro bloco inclui pelo menos uma zona 33 firmemente solidária à junta 17, e pelo menos uma zona 35 que, durante o fabrico da estrutura 19, é convertida num revestimento anti-adesivo. Este revestimento é, por exemplo, à base de papel, de politetrafluoroetileno, de polietileno, de polipropileno, de grafite ou de nitreto de boro. A aderência entre a junta de ligação 17 e as superficies planas 24 dos blocos de filtração 15 nas zonas 33 de aderência forte com a junta é pelo menos 10 vezes superior àquela das zonas 35 de aderência fraca ou nula com a junta 17. A aderência das zonas 35 de aderência fraca ou nula com a junta 17 é compreendida entre 0 e 50 MPa.

No contexto actual, designar-se-á por «zona de aderência forte», uma zona 33 de aderência forte com a junta 17 e por «zona de aderência fraca», uma zona 35 de aderência fraca ou nula com a junta 17. A disposição das zonas 33 e das zonas 35 sobre as superficies planas 24 dos blocos de filtração 15 é ilustrada nas Figuras 2 e 3. A primeira superficie 24A do primeiro bloco de filtração 15A compreende, na sua metade a montante 36A situada a montante de um plano P transversal mediano, uma zona a montante 33A de aderência forte, delimitada a jusante, à direita na Figura por uma primeira zona 35C de aderência fraca que se estende de um lado ao outro do plano P. 9/15 A zona a montante 33A é para além disso delimitada a montante, à esquerda na Figura, por uma segunda zona 35A de aderência fraca que se estende até à aresta 37 comum à superfície de admissão 21 e à primeira superfície 24A. A primeira superfície 24A compreende para além disso, na sua metade a jusante 36B, uma zona a jusante de aderência forte 33E delimitada a montante pela primeira zona 35C de aderência fraca, e delimitada a jusante por uma terceira zona de aderência fraca 35G que se estende até à aresta 39 comum à superfície de evacuação 23 e à primeira superfície 24A.

As zonas 33 de aderência forte e as zonas 35 de aderência fraca são de formas sensivelmente rectangulares e estendem-se transversalmente sobre todo o comprimento da superfície 24A.

No contexto actual, os comprimentos são tomados paralelamente à direcção longitudinal X-X' . 0 comprimento da zona a montante 33A é sensivelmente inferior a um quarto do comprimento total do primeiro bloco de filtração 15A. No exemplo representado, a relação do comprimento da zona a montante 33A com o comprimento total do bloco 15A está compreendida entre 0,10 e 0,15.

Neste exemplo, o comprimento da zona a montante 33A é inferior ao comprimento da primeira zona de aderência fraca 10/15 35C e sensivelmente igual ao comprimento da segunda zona de aderência fraca 35A.

Deste modo, a distância entre o bordo a jusante 41 da zona a montante 33A e a aresta 37 é inferior à metade do comprimento total do bloco 15A. A zona a montante 33A está então situada na proximidade da superficie de admissão 21. 0 comprimento total da primeira zona de aderência fraca 35C é superior a metade do comprimento total do bloco 15A, de modo a que a distância entre o bordo a jusante 41 da zona a montante 33A e o bordo a montante 43 da zona a jusante 33E é superior à metade do comprimento total do bloco 15A. 0 comprimento da zona a jusante 33E é sensivelmente igual ao comprimento da zona a montante 33A e ao comprimento da terceira zona 35G de aderência fraca.

Cada zona de aderência forte 33A, 33E da primeira superfície 24A está disposta sensivelmente em frente de uma região 35B, 35F de aderência fraca, de forma sensivelmente idêntica, sobre a segunda superfície 24B.

Considera-se que, cada zona de aderência fraca 35A, 35C, 35G da primeira superfície 24A está situada em frente de uma zona 33B, 33D, 33H de aderência forte, de forma sensivelmente idêntica, sobre a segunda superfície 24B. 0 funcionamento da primeira estrutura de filtração de acordo com a invenção vai ser agora descrito. 11/15

Durante uma fase de filtração (Figura 1), os gases de escape carregados de partículas são conduzidos até às superfícies de entrada 21 dos blocos de filtração 15 pela linha de escape 13. Conforme indicado pelas setas na Figura 2, penetram em seguida nas condutas de entrada 27, e passam através das paredes 25 da estrutura porosa 19. Durante esta passagem, as fuligens depositam-se nas paredes 25 das condutas de entrada 27. Estas fuligens depositam-se preferencialmente na zona do eixo central do filtro de partículas 11 e junto da superfície de evacuação 23 dos blocos de filtração 15 (à direita no desenho).

Os gases de escape filtrados evadem-se pelas condutas de evacuação 29 e são conduzidos para a saída da panela de escape. A partir do momento que o veículo percorra cerca de 500 km, a perda de carga através do filtro 11 aumenta de modo significativo. Uma fase de regeneração é então efectuada.

Durante esta fase, as fuligens são oxidadas pela elevação da temperatura do filtro 11. Esta oxidação é exotérmica, tendo início a meio e a montante do filtro. Isso origina então um gradiente de temperatura entre as partes a montante e a jusante assim como entre a periferia e o centro do filtro.

Considera-se que, os blocos de filtração 15 e as juntas 17 se dilatam sob o efeito da temperatura. A amplitude local desta dilatação dependente da temperatura. 12/15

Estas variações de amplitude de dilatação, sob o efeito de gradientes de temperatura, geram fortes tensões termomecânicas. A presença de zonas 35 de aderência fraca, permite relaxar as tensões e evitar a formação de fissuras nos blocos de filtração 15 ou nas juntas de ligação 17.

Considera-se que, como ilustrado na Figura 4, se as tensões termomecânicas forem demasiado fortes para a estrutura, a junta 17 pode fissurar-se longitudinalmente. Contudo, as zonas 35 de aderência fraca e as zonas 33 de aderência forte são dispostas de tal modo que a fissuração se faz nas zonas privilegiadas.

Deste modo, como ilustrado na Figura 4, a propagação das fissuras nas juntas 17 é conduzida ao longo das zonas 35 de aderência fraca nas superfícies planas 24 dos blocos de filtração 15, e transversalmente entre estas zonas.

Como consequência, mesmo que a junta 17 esteja totalmente fissurada, a parte 51A da junta situada em oposição à zona a montante 33Ά forma uma saliência a montante paralelepipédica, solidária ao primeiro bloco 15A. Considera-se que, as partes 53A e 53B, dispostas respectivamente em oposição às zonas 35A e 35C de aderência fraca, fiquem solidárias ao bloco 15B. As partes 53A e 53B delimitam uma fresta a montante 55A que recebe a saliência 51A.

Deste modo, mesmo que a junta 17 esteja totalmente fissurada, a cooperação entre a saliência a montante 51A e 13/15 a fresta a montante 55A impede a deslocação com a zona a jusante dos blocos 15A e 15B, ao encontro da pressão dos gases de escape exercida nas superfícies de admissão 21. A saliência a montante 51A e a fresta a montante 55A estendem-se na proximidade da superfície de admissão 21, em oposição às partes a montante dos blocos 15A, 15B nas quais as tensões térmicas são relativamente fracas. Como consequência, a retenção dos blocos de filtração 15A, 15B é assegurada de modo eficaz, mesmo que as partes a jusante destes blocos 15A, 15B que são sujeitas a fortes tensões térmicas, sejam deterioradas.

Considera-se que, a parte 51B da junta situada em oposição à região a jusante 33E da primeira superfície 24A forma uma saliência a jusante solidária ao primeiro bloco 15A. A saliência a jusante 51B coopera com a fresta cavada a jusante 55B delimitada pelas partes adjacentes 53B, 53C que se estendem em oposição às zonas de aderência fraca 35C e 35G, as partes 53B e 53C ficam solidárias à segunda superfície 24B.

Como consequência, se as partes a jusante dos blocos 15A, 15B não forem deterioradas, a cooperação entre a saliência a jusante 51B e a fresta a jusante 55B contribui igualmente para a retenção dos blocos 15A e 15B. 0 filtro 11 representado nas Figuras 5 e 6 difere do representado na Figura 5 pelas características seguintes. 14/15 A primeira superficie 24A compreende uma zona intermediária 33J de aderência forte situada sensivelmente a meio da superficie 24A.

Esta região 33J apresenta um comprimento sensivelmente igual ao das zonas a montante 33A e a jusante 33E. 0 comprimento da zona 33J é considerado inferior ao das zonas adjacentes 35C e 35K de aderência fraca.

No decorrer do funcionamento, se a junta 17 se fissurar, a parte 51C de ligação situada em oposição à zona intermediária 33J forma uma saliência intermediária. Esta saliência 51C coopera com uma fresta intermediária cavada 55C delimitada pelas partes adjacentes 53B e 53D solidárias à segunda superfície 24B e situadas respectivamente em oposição às zonas 35C, 35K de aderência fraca adjacentes à zona intermediária 33J. 0 filtro 11 representado nas Figuras 7 e 8 difere do filtro representado nas Figuras 5 e 6 pela relação do comprimento da zona a montante 33A com o comprimento da segunda zona 35C de aderência fraca ser superior a 0,6. No exemplo, a relação é sensivelmente igual a 0,75.

Em opção, a zona a jusante 33E de aderência forte, de comprimento sensivelmente igual à zona a montante 33A, pode estender-se sobre a segunda superficie 24B.

Lisboa, 15/15

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Estrutura (11) de filtração, nomeadamente um filtro de partículas para os gases de escape de um motor de combustão interna, que compreende: - pelo menos uma primeira e uma segunda unidades de filtração (15A, 15B), apresentando cada unidade de filtração (15A, 15B) uma superfície (21) de admissão de gases e uma superfície (23) de evacuação de gases, ligadas entre si por pelo menos duas superfícies (24) laterais, as referidas primeira e segunda unidades de filtração (15A, 15B) apresentam respectivamente uma primeira e uma segunda superfícies laterais (24A, 24B) dispostas em oposição; e - uma junta (17) de ligação das referidas superfícies (24A, 24B), prolongada entre as referidas superfícies; a primeira superfície lateral (24A) compreende, na sua metade a montante (36A), uma primeira zona (35C) de aderência fraca ou nula com a referida junta (17) delimitada longitudinalmente a montante por uma zona a montante (33A) de aderência forte com a referida junta (17) ; cada zona (35) de aderência fraca ou nula com a referida junta (17) da primeira superfície (24A) está situada em oposição a uma zona (33) de aderência forte com a referida junta (17) da segunda superfície, e cada zona (33) de aderência forte com a referida junta (17) da primeira superfície (24A) está situada em oposição a uma zona (35) de aderência fraca ou nula com a referida junta (17) da segunda superfície (24B); caracterizada por uma zona a montante (33A) de aderência forte delimitada longitudinalmente a montante por uma segunda zona (35A) de aderência fraca ou nula com a referida junta (17). 1/3
2. Estrutura (11) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por uma segunda zona (35A) de aderência fraca ou nula com a referida junta (17) que se estende até à superfície de admissão (21).
3. Estrutura (11) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por um comprimento máximo da zona a montante (33A) de aderência forte com a referida junta (17) inferior ou sensivelmente igual ao comprimento minimo das zonas (35A, 35C) adjacentes de aderência fraca ou nula com a referida junta.
4. Estrutura (11) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada por o comprimento máximo da zona a montante (33A) ser inferior a um quinto do comprimento total da primeira unidade de filtração (15A).
5. Estrutura (11) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizadas por uma das primeira e segunda superfícies laterais (24A, 24B) compreender, na sua metade a jusante (36B) , uma zona a jusante (33E) de aderência forte com a referida junta (17) delimitada a montante e a jusante pelas zonas (35C; 35K, 35G) respectivas de aderência fraca ou nula com a referida junta (17) .
6. Estrutura (11) de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por uma zona (35G) de aderência fraca ou nula com a referida junta (17) adjacente a jusante à zona a jusante (33E) que se estende até à superfície de evacuação (23) .
7. Estrutura (11) de acordo com uma das reivindicações 5 ou 6, caracterizada por o comprimento máximo da zona a jusante (33E) de aderência forte com a referida junta (17) ser inferior ou sensivelmente igual ao comprimento minimo das 2/3 zonas (35C; 35K, 35G) adjacentes de aderência fraca ou nula com a referida junta (17) .
8. Estrutura (11) de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizada por a referida zona a jusante (33E) se estender sobre a referida primeira superfície (24A).
9. Estrutura (11) de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8, caracterizada por uma das primeira e segunda superfícies laterais (24A, 24B) compreender, entre a zona a montante (33A) e a zona a jusante (33E) , pelo menos uma zona (33J) intermediária de aderência forte com a referida junta (17), e as zonas adjacentes (35C, 35K) de aderência fraca ou nula com a referida junta (17) respectivamente situadas a montante e a jusante da zona intermediária (33J).
10. Estrutura (11) de acordo com a reivindicação 9, caracterizada por os comprimentos da zona a jusante (33E), da zona a montante (33A) e da zona intermediária (33J) serem sensivelmente idênticos.
11. Linha de escape (13) caracterizada por compreender uma estrutura (11) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes. Lisboa, 3/3