Trampa de partículas con capa de fibras revestida.

Trampa de partículas (2) para la purificación de gases de escape de motores de combustión interna (13) móviles,

teniendo éstos al menos una lámina metálica (14), al menos parcialmente estructurada, y al menos una capa defibras (1) a base de fibras metálicas, resistente a altas temperaturas, para una trampa de partículas (2) abierta parala purificación de gases de escape de motores de combustión interna (13) móviles, en donde la trampa de partículas(2) tiene canales (17) que discurren en esencia paralelos a un eje (16) de la trampa de partículas (2), penetrandosuperficies conductoras (18) de las láminas metálicas (14) en al menos una parte de los canales (17) y determinandouna desviación de corrientes de gas que fluyen a través de los canales (17) hacia la capa de fibras (1), y en el casode la trampa de partículas (2) no están previstos callejones sin salida de flujo, además, la capa de fibras (1) presentaen un tramo (3) un revestimiento (4) catalíticamente activo, en donde, además, el revestimiento (4) se compone devarias zonas parciales dispuestas una tras otra en la dirección del eje (16) y en donde al menos una zona parcialcomprende un revestimiento (4) catalíticamente activo de un catalizador para la SCR.

Trampa de partículas con capa de fibras revestida

La invención se refiere a una trampa de partículas para la purificación de gases de escape de motores de combustión interna móviles con una capa de fibras resistente a alta temperatura.

Si se contempla la purificación de gases de escape, en particular de motores Diesel, entonces se pueden oxidar de manera conocida hidrocarburos (HC) al igual que monóxido de carbono (CO) en el gas de escape, al poner en contacto a éstos, por ejemplo, con componentes que eventualmente presentan una superficie catalíticamente activa. La reducción de óxidos de nitrógeno (NOx) en condiciones ricas en oxígeno es, no obstante, más difícil. Un catalizador de tres vías tal como se emplea, por ejemplo, en el caso de motores Otto, no proporciona por sí solo para motores Diesel los efectos deseados. Por este motivo se desarrolló, por ejemplo, el procedimiento de la reducción catalítica selectiva (SCR: “selective catalytic reduction”) .

Además, catalizadores acumuladores se examinaron en cuanto a su empleo en relación con la reducción de óxido de nitrógeno. El revestimiento de un catalizador acumulador contiene, aparte de los componentes de metales nobles habituales, además carbonato u óxido de bario. Con ello, es posible que en el caso de un exceso de oxígeno el NOx pueda ser acumulado. En los componentes de metales nobles, el monóxido de nitrógeno (NO) procedente del gas de escape es oxidado en dióxido de nitrógeno (NO2) . Éste se acumula luego, bajo formación de nitrato de bario, sobre el catalizador. En el caso de esta acumulación se forma sobre el grano de bario una capa de nitrato que ralentiza la acumulación, dado que el NO2 debe penetrar a través de esta capa para una acumulación ulterior. Dado que la capacidad de acumulación está por lo tanto delimitada, el catalizador debe ser regenerado a intervalos regulares. Esto sucede, por ejemplo, mediante un breve engrasamiento del gas de escape, es decir, mediante un breve período con condiciones sub-estequiométricas. En atmósfera reducida, el nitrato se transforma de nuevo en (p. ej.) carbonato y se libera monóxido de nitrógeno. Éste se reduce inmediatamente en nitrógeno. Dado que la regeneración discurre de forma más rápida que la acumulación, los períodos de regeneración pueden ser esencialmente más cortos que los períodos de acumulación.

Para la reducción de emisiones de partículas son conocidas trampas de partículas las cuales están constituidas por un sustrato de material cerámico. Estas trampas presentan canales, de modo que el gas de escape a purificar puede fluir hacia la trampa de partículas. Canales contiguos están cerrados recíprocamente, de modo que el gas de escape se introduce en el lado de entrada en el canal, atraviesa una pared de material cerámico y se desprende de nuevo a través de un canal contiguo en el lado de salida. Filtros de este tipo alcanzan una efectividad de aprox. 95% a lo largo de toda la gama de los tamaños de partículas que se manifiestan.

Adicionalmente a interacciones químicas con aditivos y revestimientos especiales, la regeneración segura del filtro en el sistema de gas de escape de un automóvil sigue planteando todavía un problema. La regeneración de la trampa de partículas es necesaria, dado que la acumulación creciente de pequeñas partículas en las paredes del canal a recorrer tiene como consecuencia una pérdida constantemente creciente de presión, la cual tiene efectos negativos sobre el rendimiento del motor. La regeneración comprende esencialmente el breve calentamiento de la trampa de partículas o bien de las partículas acumuladas en la misma, de modo que las partículas de negro de carbono son transformadas en componentes gaseosos. Esto se puede alcanzar también, por ejemplo, debido a que con ayuda de una reacción exotérmica antepuesta (p. ej. oxidación de carburante inyectado adicionalmente en la tubería del gas de escape en un catalizador de oxidación (“combustión posterior”) ) , el gas de escape alcanza brevemente las temperaturas que son suficientes como para transformar las partículas que se adhieren a la trampa de partículas. Esta elevada solicitación térmica de la trampa de partículas tiene, no obstante, efectos negativos sobre la vida útil.

Para evitar esta regeneración discontinua y térmicamente muy fomentadora de desgaste se desarrolló un sistema para la regeneración continua de filtros (CRT: “continous regeneration trap” – “trampa de regeneración continua”) . En un sistema de este tipo, las partículas se calcinan a temperaturas ya por encima de 200ºC por medio de oxidación con NO2. El NO2 necesario para ello es generado, a menudo, a través de un catalizador de oxidación que está dispuesto aguas arriba de la trampa de partículas. Sin embargo, en este caso se plantea el problema, precisamente en relación con la aplicación en vehículos automóviles con carburante Diesel, de que en el gas de escape existe sólo una porción insuficiente de monóxido de nitrógeno (NO) el cual puede ser transformado en el dióxido de nitrógeno (NO2) deseado. Como consecuencia de ello, hasta ahora no se ha podido asegurar que en el sistema de gases de escape tenga lugar una regeneración continua de la trampa de partículas.

Se ha de tener en cuenta, además, que junto a partículas que no se pueden transformar, también se acumulan en una trampa de partículas aceite o residuos adicionales de aditivos, que no pueden ser regenerados sin más. Por este motivo, los filtros conocidos deben ser intercambiados y/o lavados a intervalos regulares.

Adicionalmente a una temperatura de reacción mínima y un tiempo de permanencia específico, para la regeneración continua de partículas con NO2, se ha de disponer de suficiente óxido de nitrógeno. Ensayos relacionados con la emisión dinámica de monóxido de nitrógeno (NO) y partículas han puesto claramente de relieve que las partículas son emitidas precisamente cuando en el gas de escape no está presente monóxido de carbono o sólo lo está en una muy pequeña cantidad, y a la inversa. De ello se deduce que un filtro con una regeneración continua real debe funcionar esencialmente como compensador o acumulador, de modo que se garantice que los dos participantes en la reacción estén presentes en el filtro en un instante dado al mismo tiempo en las cantidades requeridas. Además, el filtro se ha de disponer lo más próximo posible al motor de combustión interna con el fin de poder adquirir, ya inmediatamente después del arranque en frío, temperaturas lo más elevadas posibles. Para la habilitación del dióxido de nitrógeno necesario, se ha de anteponer al filtro un catalizador de oxidación que haga reaccionar monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC) y, en particular, convierta también monóxido de nitrógeno (NO) en dióxido de nitrógeno (NO2) . En el caso de una disposición cercana al motor de este sistema a base de catalizador de oxidación y filtro, es particularmente adecuada la posición delante de un turbocompresor el cual se utiliza a menudo en vehículos Diesel para aumentar la presión de carga en la cámara de combustión.

Contemplando estas reflexiones básicas, entonces se plantea para el empleo real en la construcción de automóviles la cuestión de cómo está constituido un filtro de este tipo, el cual, en una posición de esta forma y en presencia de solicitaciones térmicas y dinámicas extremadamente elevadas, presente un grado de efectividad del filtro satisfactorio. En este caso, se han de tener particularmente en cuenta las circunstancias espaciales que condicionan un nuevo concepto para filtros. Mientras que en el caso de los filtros clásicos, los cuales se dispusieron en los bajos de un vehículo automóvil, tenía especial interés un volumen lo mayor posible con el fin de garantizar un elevado tiempo de permanencia en el filtro de las partículas que no habían reaccionado y, por consiguiente, una elevada eficacia, en el caso de una disposición próxima al motor no se encuentra a disposición sitio o espacio suficiente.

Para ello, se desarrolló un nuevo concepto, el cual se ha conocido esencialmente bajo la expresión “sistema de filtro abierto”. Estos sistemas de filtro abierto se distinguen porque se puede renunciar a un cierre constructivo y recíproco de los canales del filtro. En este caso, se prevé que las paredes del canal estén constituidas, al menos en parte, de un material poroso o muy poroso, y que los canales de flujo del filtro abierto presenten estructuras desviadoras o conductoras. Estas estructuras internas... [Seguir leyendo]

1. Trampa de partículas (2) para la purificación de gases de escape de motores de combustión interna (13) móviles, teniendo éstos al menos una lámina metálica (14) , al menos parcialmente estructurada, y al menos una capa de fibras (1) a base de fibras metálicas, resistente a altas temperaturas, para una trampa de partículas (2) abierta para la purificación de gases de escape de motores de combustión interna (13) móviles, en donde la trampa de partículas

(2) tiene canales (17) que discurren en esencia paralelos a un eje (16) de la trampa de partículas (2) , penetrando superficies conductoras (18) de las láminas metálicas (14) en al menos una parte de los canales (17) y determinando una desviación de corrientes de gas que fluyen a través de los canales (17) hacia la capa de fibras (1) , y en el caso de la trampa de partículas (2) no están previstos callejones sin salida de flujo, además, la capa de fibras (1) presenta en un tramo (3) un revestimiento (4) catalíticamente activo, en donde, además, el revestimiento (4) se compone de varias zonas parciales dispuestas una tras otra en la dirección del eje (16) y en donde al menos una zona parcial comprende un revestimiento (4) catalíticamente activo de un catalizador para la SCR.

2. Trampa de partículas (2) según la reivindicación 1, en donde las zonas parciales en la dirección de flujo del gas de escape y en la dirección del eje (16) están divididas de la siguiente forma:

- revestimiento de un catalizador de hidrólisis, -revestimiento de un catalizador para la SCR.

3. Trampa de partículas (2) según la reivindicación 2, en donde el revestimiento de un catalizador de oxidación está antepuesto en la dirección de flujo del gas de escape y en la dirección del eje (16) del revestimiento del catalizador de hidrólisis y/o está conectado a continuación del revestimiento del catalizador para la SCR.

4. Trampa de partículas (2) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde varias láminas metálicas estructuradas y varias capas de fibras están dispuestas alternativamente entre sí y retorcidas una con otra en una carcasa.

5. Trampa de partículas (2) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la trampa de partículas (2) tiene un volumen (20) , y la cantidad de revestimiento en relación con este volumen se encuentra en el intervalo de 20 a 300 g/l (gramos por litro) , preferiblemente incluso entre 50 y 120 g/l.

6. Trampa de partículas (2) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la al menos una lámina metálica (14) al menos parcialmente estructurada presenta agujeros (19) que se extienden a lo largo de al menos una anchura estructurada (36) , preferiblemente incluso a lo largo de dos, en particular incluso de tres anchuras estructuradas (36) .

7. Trampa de partículas (2) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el revestimiento (4) comprende un recubrimiento sellador (5) .

8. Trampa de partículas (2) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de fibras (1) comprende un material de sinterización y/o de fibras poroso.

9. Trampa de partículas (2) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de fibras (1) presenta fibras (6) con un diámetro medio (7) que es menor que 0, 082 mm, en particular se encuentra en un intervalo de 0, 01 a 0, 05 mm.

10. Trampa de partículas (2) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de fibras (1) tiene una porosidad que es de al menos el 50%, en particular de al menos el 75%, preferiblemente de al menos el 85% y, de preferencia, incluso de al menos el 95%.

11. Trampa de partículas (2) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la trampa de partículas (2) tiene, en un primer tramo longitudinal (32) ,

- una baja capacidad térmica, -una mayor porosidad, -una mayor carga en relación con el revestimiento catalíticamente activo, -un número/tamaño incrementado de agujeros (19) , superficies conductoras (18) o fibras

que en un segundo tramo longitudinal (33) .