APARATO PARA GASES DE ESCAPE Y PROCEDIMIENTO PARA LA REGENERACIÓN DE UNA TRAMPA DE NOx Y DE UN FILTRO DE PARTÍCULAS.

Aparato para gases de escape destinado a la limpieza de los gases de escape,

comprendiendo el aparato para gases de escape una sección de conducto de gases de escape (10) que está formada con por lo menos dos trayectorias de flujo separadas (34, 35; 41, 42) presentando cada trayectoria de flujo - un filtro de partículas (30) para la eliminación de partículas de los gases de escape, - una trampa de NOx (40) para la eliminación de NOx de los gases de escape, caracterizado porque el aparato para gases de escape comprende además - por lo menos un vaporizador de llama fría (11), en el que el combustible se oxida parcialmente en aire precalentado para formar una gas de llama fría, estando dispuesto el vaporizador de llama fría (11) en comunicación fluídica con cada una de las trayectorias de flujo (34, 35; 41, 42) de la sección del conducto de gases de escape (10), de tal manera que el gas de llama fría pueda circular a través del filtro de partículas (30) y la trampa de NOx (40), y - unos medios de válvula (17) para controlar la circulación del gas de llama fría desde el vaporizador de llama fría hacia cada trayectoria de flujo (34, 35; 41, 42) en la sección del conducto de gases de escape (10), de manera que tanto el filtro de partículas (30) como la trampa de NOx (40) por lo menos en una de las trayectorias de flujo (34, 35; 41, 42) se pueden regenerar en una sola operación

La presente invención se refiere a un aparato para regenerar una trampa de NOx y a la regeneración de un filtro de partículas y una trampa de NOx en una sola operación. La presente invención también se refiere a un procedimiento para la regeneración de una trampa de NOx y a un procedimiento para regenerar un filtro de partículas y una trampa de NOx en una sola operación. La presente invención se refiere además a la utilización del aparato y a los procedimientos con un motor de encendido por compresión, es decir, lo cual se denomina habitualmente un motor diésel.

La llama fría es un fenómeno que hasta el momento no ha recibido demasiada atención. En una llama fría, el combustible se oxida parcialmente en aire precalentado y la temperatura se mantiene constante aproximadamente a 450 °C, y es independiente de la relación aire/combustible y del tiempo de paso. En el proceso de la llama fría, se libera únicamente entre el 2 y el 20% del valor calorífico del combustible y dicho calor se utiliza para evaporar el combustible, obteniéndose un combustible gaseoso homogéneo. Durante el trabajo de desarrollo, se ha observado que el gas pudo eliminar los depósitos de carbono de las paredes del reactor. El motivo de ello todavía no se ha determinado, pero se considera que se debe a los radicales libres que se encuentran presentes en el gas de llama fría, es decir, el combustible gaseoso parcialmente oxidado.

Una descripción más completa del fenómeno del gas de llama fría se puede encontrar en la patente US nº

6.793.693.

El escape de los motores de encendido por compresión (a menudo denominados de un modo impreciso motores diésel), que funcionan con el exceso de aire, comprende principalmente partículas, NOx y productos de una combustión incompleta (HC y CO). Las partículas se pueden eliminar utilizando un filtro aguas abajo del motor. Pasado un tiempo, el filtro se bloquea y necesita regenerarse. Esto se realiza aumentando la temperatura de los gases de escape por encima de los 600 °C en unas condiciones oxidantes y, por lo tanto, quemando los depósitos de carbono. Con el objetivo de permitir un funcionamiento continuo, es habitual disponer de dos filtros en paralelo y una válvula que envía la mayor parte de los gases de escape hacia uno de los filtros mientras que el otro se encuentra regenerándose.

Los productos de la combustión incompleta (HC y CO) se pueden retirar mediante un catalizador de oxidación.

Los NOx, por el contrario, únicamente se pueden retirar catalíticamente si los gases de escape son ligeramente reductores (tal como, en un motor Otto). Esto no sucede habitualmente en un motor de encendido por compresión. Debido a que la regeneración de la partícula requiere un ambiente oxidante mientras que la regeneración de la trampa de NOx requiere un ambiente ligeramente reductor, no se ha dispuesto de un procedimiento para regenerar el filtro de partículas y la trampa de NOx en una sola operación.

Un modo de reducir las emisiones de NOx en un motor diésel comprende recircular algunos de los gases de escape hacia el motor de escape (EGR).

Mientras que el procedimiento anterior reduce la formación de NOx, resulta asimismo posible eliminar NOx introduciendo un absorbente de NOx, tal como se describe en diversos documentos de patente, por ejemplo, la patente US nº 5.974.791. Un absorbente de NOx se puede realizar de carbonato de bario. Durante la absorción, el absorbente se convierte en nitrato de bario y libera al mismo tiempo CO2. Cuando el absorbente se satura, se puede regenerar utilizando CO con el que el nitrato de bario se convierte de nuevo en carbonato de bario y se libera gas N2.

Para un tratamiento completo de los gases de escape, se utiliza un filtro de partículas + un absorbente de NOx (trampa de NOx) + un catalizador de oxidación. El problema es, tal como se mencionó anteriormente, que el filtro de partículas se debe regenerar a una temperatura elevada (600 °C) en un ambiente oxidante mientras que el absorbente de NOx se regenera a temperaturas inferiores en un ambiente reductor (500 ºC con gas CO). Esto significa que se necesitan dos operaciones de proceso para limpiar el filtro de partículas y la trampa de NOx, tal como se describe en la patente US nº 6.955.042.

En el documento US 2005/0274107 A1, se da a conocer un procedimiento para reformar combustible de hidrocarburo líquido, pero el procedimiento que se describe en D1 es, sin embargo, un procedimiento para obtener un gas de llama fría tal como se define en la presente solicitud. En el párrafo 0010 se indica que la temperatura en la cámara de mezcla en la que tiene lugar el proceso de "llama fría" está comprendida entre 700 °C y 1200 °C. Si se aumenta la temperatura en una llama fría hasta el intervalo de temperatura indicado en el documento US n.º 2005/0274107 A1, la llama fría se enciende por sí misma en presencia de un exceso de oxígeno (y en el proceso de la llama fría siempre existe un exceso de oxígeno). Además, se indica en el documento US nº 2005/0274107 A1 que la proporción aire/combustible puede alcanzar un nivel tan bajo como 0,014, es decir, la reacción química que se produce es extingue al limitar la disponibilidad de oxígeno. En un proceso de llama fría, la proporción aire/combustible es autorreguladora y habitualmente es aproximadamente de 0,7 si únicamente se añade aire y posiblemente desciende hasta 0,3 si se añade tanto aire como vapor. Por lo tanto, el procedimiento descrito en D1 no se encuentra dentro del intervalo de la proporción aire/combustible requerida para formar el gas de llama fría.

Por lo tanto, un objetivo de la presente invención es encontrar un nuevo modo de regenerar una trampa de NOx.

Un objetivo adicional de la presente invención es encontrar un modo de regenerar el filtro de partículas y la trampa de NOx en una sola operación.

Dicho objetivo se alcanza mediante la presente invención tal como se define en las reivindicaciones independientes. Otras formas de realización de la presente invención se definen en las reivindicaciones subordinadas.

Está previsto un aparato de limpieza de gases de escape para limpiar los gases de escape que circulan en un conducto de gases de escape. Los aparatos de limpieza de gases de escape comprenden por lo menos una trampa de NOx, dispuesta en el conducto de gases de escape de tal modo que la trampa de NOx elimina, por lo menos parcialmente, el NOx de los gases de escape que circulan a través del conducto de gases de escape. Los aparatos de limpieza de gases de escape comprenden además un vaporizador de llama fría en el que el combustible se oxida parcialmente en aire precalentado para formar un gas de llama fría. El vaporizador de llama fría está dispuesta en comunicación fluídica con el conducto de gases de escape de tal modo que el gas de llama fría puede circular a través de la trampa de NOx en el conducto de gases de escape, regenerando de este modo la trampa de NOx.

El vaporizador de llama fría es un vaporizador de llama fría estándar en el que el combustible se puede oxidar parcialmente en aire precalentado. En el vaporizador de llama fría, el aire y el combustible se mezclan en una proporción comprendida típicamente entre 0,3 y 1,0 (1,0 es la proporción estequiométrica aire/combustible), pero únicamente una pequeña fracción del aire se utiliza en la reacción de la llama fría.

El conducto de gases de escape puede ser un tubo o elemento similar de cualquier forma de sección transversal, o el conducto de gases de escape se puede realizar como conductos interiores en un cuerpo más grande.

Los medios para precalentar el aire pueden ser un intercambiador térmico en el que el calor de los gases de escape calienta el aire. Asimismo resultaría posible utilizar otros medios para el precalentamiento, por ejemplo, unos medios de calentamiento eléctrico.

El vaporizador de llama fría se puede disponer fuera del conducto de gas de escape y, si resulta necesario, conectarse con el conducto de gases de escape mediante conducciones para fluidos. Si el vaporizador de llama fría está dispuesto en el conducto de gases de escape, únicamente puede resultar necesario disponer unas aberturas en el conducto de gases de escape, mientras que si el vaporizador de llama fría está dispuesto separado del conducto de gases de escape, las conducciones para fluidos se dispondrán conectando el vaporizador de llama fría y el conducto de gases de escape.

En una forma realización de la presente invención,... [Seguir leyendo]

1. Aparato para gases de escape destinado a la limpieza de los gases de escape, comprendiendo el aparato para gases de escape una sección de conducto de gases de escape (10) que está formada con por lo menos dos trayectorias de flujo separadas (34, 35; 41, 42) presentando cada trayectoria de flujo

- un filtro de partículas (30) para la eliminación de partículas de los gases de escape,

- una trampa de NOx (40) para la eliminación de NOx de los gases de escape,

caracterizado porque el aparato para gases de escape comprende además

- por lo menos un vaporizador de llama fría (11), en el que el combustible se oxida parcialmente en aire precalentado para formar una gas de llama fría, estando dispuesto el vaporizador de llama fría (11) en comunicación fluídica con cada una de las trayectorias de flujo (34, 35; 41, 42) de la sección del conducto de gases de escape (10), de tal manera que el gas de llama fría pueda circular a través del filtro de partículas (30) y la trampa de NOx (40), y

- unos medios de válvula (17) para controlar la circulación del gas de llama fría desde el vaporizador de llama fría hacia cada trayectoria de flujo (34, 35; 41, 42) en la sección del conducto de gases de escape (10), de manera que tanto el filtro de partículas (30) como la trampa de NOx (40) por lo menos en una de las trayectorias de flujo (34, 35; 41, 42) se pueden regenerar en una sola operación.

2. Aparato para gases de escape según la reivindicación 1, caracterizado porque las trayectorias de flujo (34, 35; 41, 42) están formadas proporcionando a la sección del conducto de gases de escape (10) una o más separaciones, de tal modo que se forman dos o más trayectorias de flujo separadas para los gases de escape en la sección del conducto de gases de escape (10).

3. Aparato para gases de escape según la reivindicación 1, caracterizado porque las trayectorias de flujo se forman proporcionando a la sección del conducto de gases de escape (10) por lo menos dos conductos separados a través de los cuales pueden circular los gases de escape.

4. Aparato para gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho por lo menos un vaporizador de llama fría (11) está dispuesto en el exterior de las trayectorias de flujo y porque el vaporizador de llama fría (11), si resulta necesario, está conectado a cada una de las trayectorias de flujo (34, 35; 41, 42) de la sección del conducto de gases de escape (10) mediante unas conducciones o conductos para fluidos.

5. Aparato para gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho por lo menos un vaporizador de llama fría (11) está dispuesto en el interior de la sección del conducto de gases de escape (10).

6. Aparato para gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el aparato para gases de escape comprende uno o más medios de válvula que controlan la circulación de los gases de escape a través de cada una de las trayectorias de flujo de la sección del conducto de gases de escape (10).

7. Aparato para gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el aparato para gases de escape comprende un suministro de combustible (12) que está dispuesto en comunicación fluídica con el vaporizador de llama fría (11).

8. Aparato para gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el aparato para gases de escape comprende un suministro de aire (13) y unos medios de calentamiento para precalentar el aire, estando dispuesto el suministro de aire (13) en comunicación fluídica con el vaporizador de llama fría (11).

9. Aparato para gases de escape según la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque el aparato para gases de escape comprende uno o más medios de válvula (16, 19) que controlan la circulación de combustible y del aire precalentado hacia el vaporizador de llama fría (11).

10. Aparato para gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque, en cada trayectoria de flujo (34, 35; 41, 42), la trampa de NOx (40) está dispuesta aguas abajo del filtro de partículas (30).

11. Aparato para gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el aparato para gases de escape comprende un catalizador de oxidación (50) dispuesto aguas abajo del filtro de partículas (30) y la trampa de NOx (40).

12. Procedimiento para regenerar unos medios de limpieza de gases de escape que circulan a través de una sección del conducto de gases de escape (10) de un conducto de gases de escape, estando formada la sección del conducto de gases de escape (10) con por lo menos dos trayectorias de flujo (34, 35; 41, 42) para los gases de

escape, estando previstos los medios de limpieza en cada una de las trayectorias de flujo (34, 35; 41, 42) y comprendiendo un filtro de partículas (30) para la eliminación de las partículas de los gases de escape, una trampa de NOx (40) para la eliminación de los NOx de los gases de escape,

caracterizado porque el procedimiento comprende las etapas siguientes:

- proporcionar un gas de llama fría,

- dejar que el gas de llama fría circule través del filtro de partículas (30) y de la trampa de NOx (40) por lo menos en una de las trayectorias de flujo (34, 35; 41, 42) de una sección del conducto de gases de escape (10), regenerando de este modo tanto el filtro de partículas (30) como la trampa de NOx (40) en una sola operación, en dicha por lo menos una trayectoria de flujo (34, 35; 41, 42).

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque proporciona uno o más medios de válvula para que controlen separadamente la circulación del gas de llama fría desde el vaporizador de llama fría hacia cada trayectoria de flujo del conducto de gas de escape.

14. Procedimiento según la reivindicación 12 ó 13, caracterizado porque proporciona un suministro de combustible

(12) dispuesto en comunicación fluídica con el vaporizador de llama fría (11), y un suministro de aire (13) y unos medios de calentamiento para el precalentamiento del aire, estando dispuesto el suministro de aire (13) en comunicación fluídica con el vaporizador de llama fría (11).

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque proporciona uno o más medios de válvula (16, 19) para controlar la circulación de combustible y de aire precalentado hacia el vaporizador de llama fría (11).

16. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque dispone, en cada trayectoria de flujo (34, 35; 41, 42) en la sección del conducto de gases de escape (10), la trampa de NOx (40) aguas abajo del respectivo filtro de partículas (30).

17. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 16, caracterizado porque dispone un catalizador de oxidación (50) en la sección del conducto de gases de escape (10) aguas abajo del filtro de partículas (30) y la trampa de NOx (40).

18. Utilización de un gas de llama fría para regenerar una trampa de NOx (40).

19. Utilización de un aparato para gases de escape según una de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la sección del conducto de gases de escape (10) forma parte del conducto de gases de escape de un motor de encendido por compresión.

20. Utilización de un gas de llama fría para regenerar un filtro de partículas (30) y una trampa de NOx (40) en una sola operación.

21. Utilización del procedimiento para regenerar unos medios de limpieza según una de las reivindicaciones 12 a 17, con un motor de encendido por compresión.