MOTOR DE COMBUSTION INTERNA CON UN CATALIZADOR DE PEQUEÑO VOLUMEN.

Motor de combustión interna (1) con una cilindrada H y con un catalizador (2) dispuesto a continuación para la depuración de los gases de escape,

en que

- el catalizador (2) tiene una superficie geométrica O,

- el catalizador (2) tiene una efectividad E para la conversión de al menos un componente nocivo de los gases de escape en componentes inocuos y

- el catalizador (2) tiene al menos un cuerpo de panal de abeja (3) y

- todos los cuerpos de panal de abeja (3) tienen conjuntamente un volumen total V,

caracterizado porque

- el volumen V se escoge de tal modo que es menor en un factor de al menos 0,6 que la cilindrada H, pero la superficie geométrica O está dimensionada al mismo tiempo de tal modo que el catalizador (2) tiene una efectividad E de más del 98%

Motor de combustión interna con un catalizador de pequeño volumen.

La presente invención se refiere a un motor de combustión interna con una cilindrada H dada y con un catalizador dispuesto a continuación para la depuración de los gases de escape. Correspondientemente a las prescripciones legales en la mayoría de los países, es habitual depurar los gases de escape de motores de combustión interna mediante un convertidor catalítico, que está dispuesto en el sistema de gases de escape del motor de combustión interna.

En el diseño de sistemas de depuración de gases de escape se han establecido en el pasado en su mayoría conocimientos empíricos. En el documento WO 91/01178 se describen por ejemplo sistemas de depuración de gases de escape, que están constituidos por varios cuerpos de panal de abeja, de forma que mediante el tamaño y número de estos cuerpos de panal de abeja puede escogerse el volumen deseado de catalizador para cada valor arbitrario de la cilindrada de un motor de combustión interna. Es importante aquí en último término depurar los gases de escape tanto como para poder cumplir las prescripciones legales. Esto significa en la mayoría de los países hoy en día que más del 98% de las partes nocivas en los gases de escape, en particular de los hidrocarburos y/o de los óxidos de nitrógeno, son convertidos en componentes inocuos, preferentemente incluso más del 99%. La efectividad E se mide con ayuda de determinados ciclos de marcha prefijados o en determinadas circunstancias de operación.

Los criterios a atender en el diseño de un sistema de depuración de gases de escape son muy numerosos. Los convertidores catalíticos contienen típicamente cuerpos de panal de abeja, cuya tarea es poner a disposición una superficie geométrica suficientemente grande, que entre en contacto con los gases de escape a depurar. Los cuerpos de panal de abeja tienen en general canales permeables para los gases de escape, cuyos canales están separados entre sí por paredes. Para la efectividad E de un catalizador, la superficie geométrica O es de importancia decisiva. Básicamente puede obtenerse una superficie geométrica O determinada mediante un aumento del número A de paredes en un volumen prefijado o mediante un aumento del volumen para un número A prefijado de paredes por unidad de sección transversal. Deben tenerse en cuenta en el diseño además la velocidad de flujo y las condiciones de flujo en los canales, que afectan a la efectividad E, y la pérdida de presión provocada por el catalizador en la corriente de gases de escape, cuya pérdida afecta al rendimiento del motor de combustión interna. Por supuesto, el diseño depende de la forma de la sección transversal del cuerpo de panal de abeja, del tipo del recubrimiento catalíticamente activo, del flujo incidente sobre el cuerpo de panal de abeja y de otros parámetros.

En el curso del desarrollo de cuerpos de panal de abeja como cuerpos portadores para material catalíticamente activo en un catalizador, los grosores de pared de los canales han sido reducidos cada vez más, lo que tiene efectos positivos sobre la pérdida de presión. El margen de actuación en el diseño se ha hecho con ello cada vez mayor, ya que con un grosor de pared decreciente se han hecho realizables canales cada vez más pequeños y con ello superficies geométricas cada vez mayores por unidad de volumen con una pérdida de presión aceptable. A pesar de ello, las reglas halladas empíricamente se han mantenido en lo esencial, de modo que en motores de combustión interna el volumen de un catalizador dispuesto a continuación es típicamente del mismo orden de magnitud que la cilindrada. Por ejemplo, a partir del documento US 5.802.845 es conocido un sistema de gases de escape que comprende cuerpos de panal de abeja con un volumen total de 100 hasta 400% de la cilindrada del motor de combustión interna.

Constituye la tarea de la presente invención proporcionar un motor de combustión interna con un catalizador dispuesto a continuación, para cuyo motor el catalizador esté diseñado de tal modo que alcance una efectividad E alta requerida legalmente, pero tenga un volumen V significativamente menor que la cilindrada H del motor de combustión interna y al mismo tiempo pueda fabricarse de forma económica. En particular, el cuerpo de panal de abeja en el catalizador debe estar hecho de láminas metálicas parcialmente estructuradas.

Para resolver esta tarea sirve un motor de combustión interna con un catalizador dispuesto a continuación según la reivindicación 1. Se proporcionan conformaciones ventajosas en las reivindicaciones subordinadas.

Conforme a la invención, a continuación de un motor de combustión interna con una cilindrada H está dispuesto un catalizador para la depuración de los gases de escape, en que el catalizador tiene una superficie geométrica O, una efectividad E para convertir al menos un componente nocivo de los gases de escape en componentes inocuos y en que el catalizador tiene al menos un cuerpo de panal de abeja y todos los cuerpos de panal de abeja tienen conjuntamente un volumen total V, en que el volumen V se escoge de tal modo que es menor en un factor de al menos 0,6 que la cilindrada H y la superficie geométrica O está dimensionada al mismo tiempo sin embargo de tal modo que el catalizador tiene una efectividad E de más del 98%. Expresadas como fórmulas, estas condiciones son:

(a)

E > 98%

(b)

V < 0,6 H

Esta elección de los parámetros tiene por un lado la ventaja de que el catalizador requiere sólo un volumen relativamente pequeño, lo que facilita la colocación en el espacio del motor y/o debajo de la plancha de suelo de un vehículo automóvil. Por supuesto debe aumentarse la superficie geométrica O por unidad de volumen en comparación con catalizadores de gran volumen, para alcanzar la necesaria efectividad E. Mientras que previamente se suponía que las paredes de canal más delgadas necesarias para ello aumentan los costes en la fabricación de cuerpos de panal de abeja de pequeño volumen con gran superficie geométrica, un análisis preciso da sorprendentemente como resultado que esto no es válido, como se explica a continuación en particular con ayuda de cuerpos de panal de abeja hechos a partir de láminas metálicas.

Es particularmente ventajoso que el número A de canales en la sección transversal del cuerpo de panal de abeja sea al menos de 500 cpsi (del inglés "cells per square inch", celdas por pulgada cuadrada). El grosor d de las paredes de canal, que separan los canales entre sí, debe tener en promedio un valor de como máximo 40 micrómetros, preferentemente de como máximo 35 micrómetros, en particular de entre 18 y 32 micrómetros.

(c)

A >= 500 cpsi

(d)

d < 40 micrómetros

En cuerpos de panal de abeja metálicos hechos de hojas de chapa estratificadas y/o enrolladas, al menos parcialmente estructuradas, existe una relación entre el número A de canales por unidad de superficie de sección transversal del cuerpo de panal de abeja y el grosor d de las hojas de chapa. Para relativamente pocos canales por unidad de superficie de sección transversal, los propios canales tienen dimensiones relativamente grandes, de forma que las paredes de canal deben ser relativamente gruesas para que no oscilen en la corriente pulsante de gases de escape y sufran daños para tiempos de operación largos. Cuanto menores sean las secciones transversales de los canales, tanto más cortas son las secciones libremente oscilantes de las hojas de chapa estructuradas, que forman las paredes de canal. Las hojas de chapa pueden ser por ello más delgadas, sin que aumente la tendencia a oscilar. Este efecto es muy importante para la presente invención, ya que sólo pueden llevarse a la práctica números A grandes de canales por unidad de superficie de sección transversal en lo que respecta a pérdidas de presión indeseadas cuando las paredes de canal son muy delgadas.

Como por la resistencia a la corrosión sólo se emplean para catalizadores chapas de acero con elevado contenido de cromo y aluminio, cuya laminación es comparativamente dificultosa, los especialistas partían correctamente del hecho de que los costes de fabricación para tales láminas de acero aumentan al disminuir el grosor. Un análisis preciso, como se explica aún más detalladamente con ayuda de la figura 3, muestra sin embargo que en realidad el precio para...

1. Motor de combustión interna (1) con una cilindrada H y con un catalizador (2) dispuesto a continuación para la depuración de los gases de escape, en que

caracterizado porque

2. Motor de combustión interna (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo de panal de abeja (3) tiene canales (4) a través de los que pueden fluir los gases de escape, en que el número A de canales (4) en la sección transversal del cuerpo de panal de abeja (3) es de al menos 500 cpsi (del inglés "cells per square inch", celdas por pulgada cuadrada).

3. Motor de combustión interna según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el cuerpo de panal de abeja (3) es un cuerpo de panal de abeja (3) metálico hecho de hojas de chapa (6, 7) estratificadas y/o enrolladas, al menos parcialmente estructuradas.

4. Motor de combustión interna (1) según una de las reivindicaciones 2 ó 3, caracterizado porque los canales (4) están separados entre sí por paredes de canal (5), cuyo grosor medio (d) es de como máximo 40 micrómetros, preferentemente de como máximo 35 micrómetros, en particular de entre 18 y 32 micrómetros.

5. Motor de combustión interna (1) según una de las reivindicaciones 2 ó 3, caracterizado porque el número (A) de canales (4) del cuerpo de panal de abeja (3) sobre una sección transversal del cuerpo de panal de abeja (3) es de al menos 600 cpsi, mientras que el grosor medio (d) de las paredes de canal (5) es de como máximo 32 micrómetros.

6. Motor de combustión interna (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el catalizador es un catalizador de tres vías y en operación normal convierte al menos el 98% de los hidrocarburos y óxidos de nitrógeno presentes en los gases de escape, preferentemente al menos el 99%.

7. Motor de combustión interna (1) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el cuerpo de panal de abeja (3) tiene un número de canales (4) de más de 750 cpsi y un volumen V de menos de 0,5 veces la cilindrada H.

8. Motor de combustión interna según la reivindicación 7, caracterizado porque el grosor medio (d) de las paredes de canal (5) del cuerpo de panal de abeja (3) es menor de 32 micrómetros, preferentemente de aproximadamente 25 micrómetros.