Geometría de escape para la acumulación de partículas.

Un tubo de escape (100) para un motor de combustión que comprende un cuerpo hueco,

teniendo dicho cuerpo una superficie interna (120), una superficie externa (110), un primer extremo abierto (130), un segundo extremo abierto (140) y un eje longitudinal (150), en el que el gas (20) que contiene partículas inhalables (22) que entra en el tubo de escape (100) a través de dicho primer extremo abierto (130) y fluye hacia fuera del tubo de escape (100) a través de dicho segundo extremo abierto (140 ), en el que una cantidad de dichas partículas inhalables (22) se agrupan para formar partículas filtrables (182), mientras que fluye en el interior del tubo de escape (100), caracterizado porque dicha superficie interna (120) se conforma para formar la geometría de onda estacionaria cíclica que tiene al menos 2 ciclos (c).

Geometría de escape para la acumulación de partículas Solicitud Relacionada La presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional de los Estados Unidos 61/164, 477 presentada el 30 de marzo de 2009.

Campo de la invención La presente invención se refiere a la agrupación de partículas pequeñas y más particularmente a la agrupación de partículas submicrónicas en un tubo que tiene una geometría tipo onda estacionaria.

Antecedentes y estado de la técnica Hay una importante preocupación sobre la salud y el medio ambiente con respecto a las partículas emitidas desde los tubos de escape de los vehículos, en particular de los motores Diesel. Las partículas, que tiene un tamaño que va desde nanómetros a micrómetros (de ahora en adelante referido como "partículas submicrónicas") , imponen riesgos para la salud y para el medio ambiente. Dado que las partículas submicrónicas son de tamaño pequeño, es más fácil para las partículas submicrónicas penetrar en el sistema respiratorio. Por otra parte, el tiempo de permanencia de las partículas de menor tamaño en el aire es mucho más largo. Por ejemplo, una partícula de 0.1 micras se mantendrá alrededor de 100 veces más tiempo en el aire que una partícula de 1 micra. Por lo tanto, las partículas submicrónicas imponen un riesgo doble: (a) más exposición y (b) más fácil penetración a los pulmones. Este riesgo se describe en numerosos trabajos académicos, así como también en el sitio web de la US-EPA. Las partículas emitidas también dañan la vegetación e incluso la superficie de los edificios y monumentos. El término "partículas inhalables" se usa en la presente de forma intercambiable con el término "partículas submicrónicas".

Por lo tanto, aumentar el tamaño de una partícula a expensas de la reducción del número de partículas submicrónicas reducirá el arriba mencionado riesgo impuesto por las partículas submicrónicas a la salud y el medio ambiente. El término "partículas filtrables" como se usa en la presente se refiere a las partículas lo suficientemente grandes tal que los organismos de inhalación de los sujetos vivos en general, y los de los seres humanos en particular, son capaces de filtrar las partículas filtrables, de esta manera evita que las partículas filtrables entren en los pulmones. Partículas filtrables también corresponde a las partículas que pueden ser capturadas por un filtro mecánico.

La agrupación de partículas submicrónicas lleva a la coagulación y a la formación de partículas de mayor tamaño y de esta manera disminuye el número de partículas submicrónicas. Por lo tanto, existe una necesidad y sería ventajoso tener un aparato que agrupe las partículas submicrónicas en partículas de mayor tamaño, preferentemente partículas filtrables, y de esta manera disminuir el número de partículas submicrónicas, por ejemplo, las partículas submicrónicas que salen desde el sistema de escape de un motor tal como un motor Diesel.

Un análisis matemático relativo a la agrupación de partículas submicrónicas se encuentra en D. Katoshevski, "Characteristics of Spray Grouping/ Non-Grouping Behavior", Aerosol and Air Quality Research, Vol. 6 (1) , pp. 54-66, 2006. El análisis muestra que cuando la velocidad de la materia que lleva las partículas submicrónicas, como el aire, tiene la forma de una onda en movimiento, las partículas que son transportadas por tal onda pueden formar grupos bajo un rango específico de parámetros. Tal onda existe en diversos sistemas tales como en el caso de las partículas en el agua de mar donde la onda se mueve, descrito en Winter, C. y otros, "Grouping Dynamics of Suspended Matter in Tidal Channels", J. Geophysical Research (JGR) , Vol. 112: C08010, doi: 10.1029/2005JC003423, 2007.

La WO 2007 101 246 A2 da a conocer el rendimiento de un filtro de partículas diesel mejorado mediante la aglomeración sónica de partículas en el que los gases de escape se someten a ondas sónicas para aglomerar las partículas antes de entrar en el filtro.

Resumen de la invención De acuerdo con las enseñanzas de la presente invención, se proporciona un tubo de escape para un motor de combustión que incluye un cuerpo hueco, el cuerpo tiene una superficie interna, una superficie externa, un primer extremo abierto, un segundo extremo abierto y un eje longitudinal, en el que la superficie interna se conforma para formar una geometría de onda estacionaria cíclica que tiene al menos 2 ciclos. Cuando el gas que contiene partículas inhalables entra en el tubo de escape a través del primer extremo abierto y fluye hacia fuera del tubo de escape a través del segundo extremo abierto, una cantidad sustancial de las partículas inhalables se agrupan para formar partículas filtrables, mientras que fluye en el interior del tubo de escape, de manera que sustancialmente aumenta la cantidad de partículas filtrables y se reduce sustancialmente la cantidad de partículas inhalables.

Por lo general, el eje longitudinal se dispone horizontalmente. Sin embargo, en variaciones de la presente invención, el eje longitudinal se dispone verticalmente, en el que el segundo extremo abierto está elevado con respecto al primer

extremo abierto. En otras variaciones de la presente invención, el eje longitudinal se dispone diagonalmente, en el que el segundo extremo abierto está elevado con respecto al primer extremo abierto.

Por lo general, la sección transversal del tubo de escape puede ser radial, poligonal, elíptica, o de otras formas.

La onda estacionaria cíclica incluye una dimensión radial estrecha DN y una dimensión radial ancha DW, en la que la dimensión radial estrecha DN es sustancialmente menor que la dimensión radial ancha DW. La relación DW/DN influye directamente en la tendencia de la agrupación de partículas submicrónicas.

El campo velocidad U en el interior del tubo de escape es un campo de velocidad de la onda estacionaria, que se calcula de la siguiente manera:

donde Ua es la velocidad media, C es constante, Ub es la amplitud, ω es la frecuencia angular de la onda:

donde T es el período de la onda, y k es el número de la onda:

donde L es la longitud de la onda, y en la que dicha constante C se selecciona para obtener los valores de velocidad máxima y mínima en DW y DN, respectivamente.

El campo velocidad normalizada U* es:

donde las velocidades se normalizan con una velocidad característica: Uc, donde Uc = ω/k; x se normaliza con k y t con ω, y en la que el asterisco indica los parámetros adimensionales y en la que la agrupación sustancial se produce cuando:

Breve descripción de los dibujos La presente invención se entenderá más completamente a partir de la descripción detallada dada a continuación y de los dibujos acompañantes que se presentan sólo a modo de ilustración, y por lo tanto no son limitativos de la presente invención, y en la que:

La Fig. 1 es un gráfico que ilustra un ejemplo de las trayectorias de partículas que muestra la formación de dos grupos; La Fig. 2 es una ilustración de la sección transversal de un tubo de escape, según la modalidad de la invención presente; La Fig. 3a muestra un ejemplo de una sección transversal circular del tubo de escape que se muestra en la Fig. 2; La Fig. 3b muestra un ejemplo de una sección transversal elíptica del tubo de escape que se muestra en la Fig. 2; La Fig. 4a ilustra gráficamente la agrupación de partículas como resultado de los cambios de velocidad que fluyen en el interior del tubo de escape que se muestra en la Fig. 2; La Fig. 4b ilustra gráficamente la variación sinusoidal en la velocidad del flujo de partículas en el tiempo, mientras que fluyen en el interior del tubo de escape que se muestra en la Fig. 2; La Fig. 5 ilustra esquemáticamente una configuración experimental que tiene el tubo de escape de un motor diesel operativamente unido, en paralelo, a un tubo de acero convencional recto y a un tubo de escape cíclico, de acuerdo con modalidades de la presente invención, así como también una ampliación de un ciclo del tubo de escape cíclico; La Fig. 6 ilustra gráficamente la disminución de la cantidad de partículas inhalables que fluyen hacia fuera del tubo de escape, que se muestra en la Fig. 5, en comparación con las partículas inhalables que fluyen hacia fuera del tubo recto convencional; La Fig. 7 ilustra gráficamente el efecto de un tubo de escape cíclico, de acuerdo con modalidades de la presente invención, en la distribución del tamaño de las partículas; La Fig. 8 ilustra gráficamente el efecto de la carga del motor sobre la distribución del tamaño de las partículas; La Fig. 9 ilustra gráficamente el efecto de la velocidad... [Seguir leyendo]

1. Un tubo de escape (100) para un motor de combustión que comprende un cuerpo hueco, teniendo dicho cuerpo una superficie interna (120) , una superficie externa (110) , un primer extremo abierto (130) , un segundo extremo abierto (140) y un eje longitudinal (150) , en el que el gas (20) que contiene partículas inhalables (22) que entra en el tubo de escape (100) a través de dicho primer extremo abierto (130) y fluye hacia fuera del tubo de escape (100) a través de dicho segundo extremo abierto (140 ) , en el que una cantidad de dichas partículas inhalables (22) se agrupan para formar partículas filtrables (182) , mientras que fluye en el interior del tubo de escape (100) , caracterizado porque dicha superficie interna (120) se conforma para formar la geometría de onda estacionaria cíclica que tiene al menos 2 ciclos (c) .

2. El tubo de escape (100) de la reivindicación 1, en el que dicho eje longitudinal (150) se dispone horizontalmente.

3. El tubo de escape (100) de la reivindicación 1, en el que dicho eje longitudinal (150) se dispone verticalmente, en el que dicho segundo extremo abierto está elevado con respecto a dicho primer extremo abierto.

4. El tubo de escape (100) de la reivindicación 1, en el que dicho eje longitudinal (150) se dispone diagonalmente, en el que dicho segundo extremo abierto está elevado con respecto a dicho primer extremo abierto.

5. El tubo de escape (100) de la reivindicación 1, en el que dicha onda estacionaria cíclica incluye una dimensión radial estrecha DN y una dimensión radial ancha DW, en el que dicha dimensión radial estrecha DN es menor que dicha dimensión radial ancha DW.

6. El tubo de escape (100) de la reivindicación 5, en el que la relación DW/DN influye directamente en la tendencia de agrupación de partículas submicrónicas.

7. El tubo de escape (100) de la reivindicación 1, en el que la sección transversal del tubo de escape (100) puede ser radial, poligonal, elíptica, o de otras formas.

8. El tubo de escape (100) de la reivindicación 1, en el que el campo de velocidad U en el interior del tubo de escape

(100) es un campo de velocidad de la onda estacionaria:

donde Ua es la velocidad media, C es constante, Tb es la amplitud, ω es la frecuencia angular de la onda: ω donde T es el período de la onda, y k es el número de onda:

donde L es la longitud de onda, y en el que dicha constante C se selecciona para conseguir los valores de velocidad máxima y mínima en DW y DN, respectivamente.

9. El tubo de escape (100) de la reivindicación 8, en el que el campo de velocidad normalizada U* es:

donde las velocidades se normalizan con una velocidad característica: Uc, donde Uc = ω/k; x se normaliza con k y t con ω, y en el que el asterisco indica los parámetros adimensionales; y en el que la agrupación se produce cuando:

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