FILTRO PARA GASES DE ESCAPE Y PROCEDIMIENTO PARA LA PURFICACIÓN DE UN GAS DE ESCAPE.

Filtro (11) para gases de escape, destinado a la purificación de un gas de escape de un motor de combustión interna,

que tiene - un lado (13) de entrada de los gases y un lado (14) de salida de los gases, circulando una corriente (12) de gases de escape en una dirección axial (10) desde el lado (13) de entrada de los gases hasta el lado (14) de salida de los gases; - por lo menos una capa de filtro en forma de cinta (1), que se extiende a lo largo de la dirección axial (10), con una zona de filtración (2) a base de un material atravesable por lo menos parcialmente por un fluido, para la separación por filtración de partículas a partir del gas de escape, y con una zona de contacto (3) que tiene un revestimiento activo catalíticamente para la conversión química de componentes gaseosos del gas de escape, caracterizado porque la zona de contacto (3) tiene una lámina metálica (4) con un revestimiento activo catalíticamente y la lámina metálica (4) está dispuesta en dirección axial (10) corriente arriba de la zona de filtración (2) y la lámina metálica (4) y la zona de filtración (2) se superponen en una zona de unión (5), siendo la zona de unión (5) en la dirección axial (10) más pequeña que la zona de contacto (3)

Filtro para gases de escape y procedimiento para la purificación de un gas de escape.

El invento se refiere a un filtro para gases de escape, destinado a la purificación de un gas de escape de un motor de combustión interna, constituido a base de por lo menos una capa de filtro en forma de cinta, así como a un procedimiento para la purificación de un gas de escape de un motor de combustión interna.

A causa, entre otras cosas, del consumo relativamente bajo de combustible, aumentan en muchos países las cifras de ventas de vehículos automóviles con motores Diésel. Frente a los vehículos automóviles propulsados por gasolina, los vehículos con motores Diésel presentan una emisión manifiestamente reducida de dióxido de carbono, pero la proporción de las partículas de hollín generadas al realizar la combustión interna en este motor Diésel está situada manifiestamente por encima de la de un motor de gasolina. En numerosos países, los vehículos automóviles deben de cumplir unas normas para gases de escape, en las cuales se establecen unos límites máximos para la concentración de ciertos componentes individuales en el gas de escape del vehículo automóvil, que es emitido al medio ambiente.

Si se considera ahora la purificación de gases de escape, en particular de motores Diésel, se pueden oxidar de una manera conocida en el gas de escape unos hidrocarburos (HC) así como también monóxido de carbono (CO), mediante el recurso de que se ponen en contacto éstos por ejemplo con una superficie activa catalíticamente. La reducción de óxidos de nitrógeno (NO_x) en condiciones ricas en oxígeno es sin embargo más difícil. Un catalizador de tres vías, tal como el que se emplea por ejemplo en el caso de motores Otto, no aporta la efectividad deseada. Por este motivo se desarrolló el procedimiento de la reducción catalítica selectiva (Selective Catalytic Reduction, con el acrónimo SCR). Además, se probaron unos agentes adsorbentes con NO_x en cuanto a su empleo en relación con la reducción de óxidos de nitrógeno del gas de escape.

Además, para la reducción de las emisiones de partículas en el gas de escape, en particular de máquinas y motores Diésel, se conocen unas trampas de partículas, que están constituidas a base de un substrato cerámico. Éstas tienen unos canales, de manera tal que el gas de escape que se ha de purificar puede afluir en la trampa de partículas. Los canales contiguos son cerrados alternativamente, de manera tal que el gas de escape entra en el canal por el lado de entrada, pasa a través de la pared cerámica y se escapa nuevo a través del canal contiguo por el lado de salida. Tales trampas de partículas son conocidas como filtros cerrados de partículas. Ellas alcanzan una efectividad de aproximadamente un 95% a lo largo de toda la anchura de los tamaños de partículas que aparecen.

Un problema lo constituye la regeneración segura del filtro en el sistema de gases de escape de un automóvil. La regeneración de la trampa de partículas es necesaria, puesto que la acumulación creciente de trozos de partículas en la pared de canal que se ha de atravesar tiene como consecuencia una pérdida de presión constantemente creciente, que tiene repercusiones negativas sobre la potencia del motor. La regeneración comprende en lo esencial el calentamiento durante un breve período de tiempo de la trampa de partículas o respectivamente de las partículas allí acumuladas, de manera tal que las partículas de hollín se convierten químicamente en componentes gaseosos. Esta solicitación térmica de la trampa de partículas tiene no obstante unas repercusiones negativas sobre la duración de vida útil.

Con el fin de evitar esta regeneración discontinua y que favorece térmicamente el desgaste, se desarrolló un sistema para la regeneración continua de filtros (Continous Regeneration Trap, CR1. En uno de tales sistemas, las partículas son hechas reaccionar químicamente a unas temperaturas ya situadas por encima de 200ºC mediante oxidación con NO₂. Este límite de temperaturas está situado manifiestamente más bajo que en el caso de las clásicas trampas de partículas. El NO₂ necesario para esto es generado frecuentemente mediante un catalizador de oxidación, que está dispuesto corriente arriba de la trampa de partículas. En este caso se plantea sin embargo, precisamente en relación con el uso de vehículos automóviles con un combustible Diésel (gasóleo), el problema de que existe en el gas de escape solamente una insuficiente proporción de monóxido de nitrógeno (NO), que se puede convertir químicamente en el deseado dióxido de nitrógeno (NO₂). Como consecuencia de esto, hasta ahora no se puede asegurar que se efectúe una regeneración continua de la trampa de partículas en el sistema de gases de escape.

Adicionalmente a una temperatura mínima de reacción y a una duración específica de permanencia, para la regeneración continua de partículas con NO₂ se debe poner a disposición suficiente cantidad de óxido de nitrógeno. Unos ensayos en lo que se refiere a la emisión dinámica de NO y de partículas han mostrado con claridad que las partículas son emitidas precisamente cuando no está presente en el gas de escape nada o solamente una muy pequeña cantidad de NO y a la inversa. Por consiguiente, un filtro con una regeneración continua real debe de funcionar en lo esencial como elemento compensador o almacenador, con el fin de garantizar que los dos partícipes en la reacción en un momento dado en el que se da, entre otras, la temperatura mínima de reacción, estén presentes en el filtro en las cantidades necesarias. Además, el filtro ha de ser dispuesto lo más cerca que sea posible del motor de combustión interna con el fin de poder adoptar ya inmediatamente después del arranque en frío unas temperaturas lo más altas que sean posibles. Para la puesta a disposición del NO₂ necesario ha de conectarse delante del filtro un catalizador de oxidación, que haga reaccionar el monóxido de carbono y los hidrocarburos y en particular convierta también al monóxido de nitrógeno en dióxido de nitrógeno.

El material de filtración solicitable térmicamente en alto grado, que es necesario para esto, es conocido a partir de la solicitud de patente alemana DE 101 53 283. todavía no publicada con anterioridad. En este documento se describe un sistema de filtro que se puede designar en lo esencial como "sistema abierto de filtro". En el caso de uno de tales sistemas abiertos, se prescinde de un cierre constructivo alternativo de los canales del filtro. Las paredes de los canales se componen por lo menos parcialmente de un material poroso o altamente poroso, los canales de circulación del filtro abierto tienen unas estructuras de desviación o de dirección, que dirigen al gas de escape, con las partículas contenidas en él, hacia las zonas constituidas a base de un material poroso o altamente poroso. Un filtro de partículas es designado como abierto en el caso de que él pueda ser atravesado totalmente de modo fundamental por unas partículas, y ciertamente también por unas partículas, que son de tamaño considerablemente mayor que las partículas que propiamente se han de separar por filtración. De esta manera, uno de tales filtros no puede obstruirse ni siquiera en el caso de una aglomeración de partículas durante el funcionamiento. Un apropiado procedimiento para la medición del estado abierto de un filtro de partículas es por ejemplo la comprobación de hasta qué diámetro unas partículas de forma esférica pueden correr todavía a través de tales filtros. En los presentes casos de aplicación, un filtro es abierto en particular cuando pueden correr todavía a su través unas esferas con un diámetro mayor o igual que 0,1 mm, preferiblemente unas esferas con un diámetro situado por encima de 0,2 mm.

El filtro abierto de partículas, que se describe en este documento, presenta sin embargo el problema de que, condicionado por el catalizador de oxidación forzosamente necesario, que debe estar conectado delante de la trampa de partículas en la dirección de circulación, el comportamiento de arranque en frío de la trampa de partículas es relativamente lento, es decir que mediante el catalizador de oxidación que primeramente ha de ser calentado, situado delante de la trampa de partículas, esta última es calentada solo con relativa lentitud.

El documento de solicitud de patente europea EP A1 0798452 divulga un filtro de partículas destinado a su utilización en un motor Diésel, teniendo...

1. Filtro (11) para gases de escape, destinado a la purificación de un gas de escape de un motor de combustión interna, que tiene

- un lado (13) de entrada de los gases y un lado (14) de salida de los gases, circulando una corriente (12) de gases de escape en una dirección axial (10) desde el lado (13) de entrada de los gases hasta el lado (14) de salida de los gases;

- por lo menos una capa de filtro en forma de cinta (1), que se extiende a lo largo de la dirección axial (10), con una zona de filtración (2) a base de un material atravesable por lo menos parcialmente por un fluido, para la separación por filtración de partículas a partir del gas de escape, y con una zona de contacto (3) que tiene un revestimiento activo catalíticamente para la conversión química de componentes gaseosos del gas de escape,

caracterizado porque la zona de contacto (3) tiene una lámina metálica (4) con un revestimiento activo catalíticamente y la lámina metálica (4) está dispuesta en dirección axial (10) corriente arriba de la zona de filtración (2) y la lámina metálica (4) y la zona de filtración (2) se superponen en una zona de unión (5), siendo la zona de unión (5) en la dirección axial (10) más pequeña que la zona de contacto (3).

2. Filtro (11) para gases de escape de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la lámina metálica (4) está microestructurada en relieve.

3. Filtro (11) para gases de escape de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la zona de contacto (3) se compone por lo menos parcialmente a base de un material atravesable por un fluido.

4. Filtro (11) para gases de escape de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque el filtro (11) para gases de escape tiene una dirección de circulación principal, en la que éste es atravesado por el gas de escape, y porque la zona de contacto (3) está constituida corriente arriba en la dirección de circulación principal de la zona de filtración (2).

5. Filtro (11) para gases de escape de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la zona de contacto (3) está constituida en la zona frontal (14) situada en el lado de entrada de los gases del filtro (11) para gases de escape, de manera preferida en una zona longitudinal de menos que 20% de la longitud axial (17) del filtro (11) para gases de escape, de manera especialmente preferida en una zona longitudinal de menos que 10% de la longitud axial (17) del filtro (11) para gases de escape.

6. Filtro (11) para gases de escape de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque el filtro (11) para gases de escape está constituido mediante unas capas (15, 16) entrelazadas unas con otras, que son por lo menos parcialmente capas de filtro (1).

7. Filtro (11) para gases de escape de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el filtro (11) para gases de escape está constituido a base de capas de chapa esencialmente lisas (15) y de capas de filtro estructuradas en relieve (1).

8. Filtro (11) para gases de escape de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el filtro (11) para gases de escape esta constituido a base de capas de filtro esencialmente lisas (1) y de capas de chapa estructuradas en relieve (16).

9. Filtro (11) para gases de escape de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque la lámina metálica (4) y el material atravesable por lo menos parcialmente por un fluido se unen entre sí según una técnica de ensamble.

10. Filtro (11) para gases de escape de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque la lámina metálica (4) y el material atravesable por lo menos parcialmente por un fluido se sueldan con aporte, se sueldan sin aporte y/o se remachan, preferiblemente se sueldan con aporte y/o se sueldan sin aporte, de manera especialmente preferida se sueldan sin aporte.

11. Filtro (11) para gases de escape de acuerdo con una de las preferentes reivindicaciones, caracterizado porque el material atravesable por lo menos parcialmente por un fluido está constituido a base de fibras metálicas.

12. Procedimiento para la purificación de un gas de escape de un motor de combustión interna, en un filtro (11) para gases de escape de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque en relación con una dirección de circulación principal del filtro (11) para gases de escape la conversión química de los componentes gaseosos del gas de escape se efectúa corriente arriba de la separación por filtración de partículas.

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque la conversión química de las partículas gaseosas es catalizada por al menos un catalizador, preferiblemente por un catalizador de metal noble.