ES2312002T3 - Dispositivo para limpiar gases de escape de un motor de combustion interna. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo (3) para limpiar los gases de escape de un motor de combustión interna (1), con un filtro de partículas (4) que está dotado de un recubrimiento (8) activo catalíticamente, en donde el recubrimiento (8) activo catalíticamente comprende un material soporte (9) y un material (10) con contenido de hierro unido al material soporte (9), disponible al menos sobre la superficie del mismo, en donde el material soporte (9) es un silicato alumínico o un óxido de silicio, caracterizado porque el material soporte (9) está unido mediante un aglutinante (11) al filtro de partículas (4), en donde el aglutinante es ceróxido.
Description
Dispositivo para limpiar gases de escape de un
motor de combustión interna.
La invención se refiere a un dispositivo para
limpiar los gases de escape de un motor de combustión interna.
Asimismo la invención se refiere a una instalación de gases de
escape para un motor de combustión interna.
Del documento DE 37 16 446 A1 se conoce un
filtro de hollín de gasóleo, que presenta un recubrimiento activo
catalítico de zeolita dotada de metal. La zeolita está cargada con
un metal de los grupos IB, IIB, VB, VIB o VIIB del sistema periódico
o de una combinación de los mismos, en donde se utiliza con
preferencia níquel, cobre, manganeso, vanadio, plata o una
combinación de los mismos.
Sin embargo, en este filtro conocido existe el
problema de que la acción deseada no se aplica hasta que se
adiciona un medio reductor, lo que sin embargo representa una
complejidad relativamente grande. Otro inconveniente de este filtro
de partículas conocido es el hecho de que las moléculas de NO
contenidas en el gas de escape sólo se transforman en N_{2} por
encima de una temperatura de 400ºC, lo que hace necesaria ya sea
una disposición de este filtro de partículas cerca del motor o la
generación de temperaturas elevadas en el conducto de gases de
escape.
El documento 37 31 889 A1 describe un filtro de
partículas de hollín de gasóleo, que presenta un elemento de filtro
como soporte para un catalizador fabricado con la utilización de al
menos un óxido metálico. El soporte se compone de un cuerpo
esponjoso de cerámica o metal, cuyas superficies porosas están
recubiertas de forma pasante con uno ovarios óxidos metálicos de
los grupos Ib, Vb, Vib, VII o del grupo Fe. También este filtro de
partículas presenta, sin embargo, una eficacia satisfactoria con
relación a la reducción de NO_{x}.
Asimismo se conoce del documento EP 0 600 442 A
un dispositivo para limpiar gases de escape de un motor de
combustión interna, que comprende un filtro de partículas que está
dotado de un recubrimiento activo catalíticamente. El recubrimiento
activo catalíticamente comprende un material soporte y un material
con contenido de hierro unido al material soporte, disponible al
menos sobre la superficie del mismo, en donde el material soporte
es por ejemplo un óxido de silicio (sílice).
En los procedimientos y dispositivos conocidos
del estado general de la técnica para la limpieza de gases de
escape se necesita con frecuencia un medio reductor adicional, como
por ejemplo urea o un hidrocarburo, para conseguir la transformación
de NO_{x}, lo que sin embargo está ligado a una complejidad
adicional y a mayores costes.
Por ello la tarea de la presente invención
consiste en crear un dispositivo para limpiar gases de escape de un
motor de combustión interna, que incluso a temperaturas
relativamente bajas muestre una acción limpiadora muy buena y en el
que pueda prescindirse de un medio reductor adicional.
Esta tarea es resuelta conforme a la invención
mediante las particularidades citadas en la reivindicación 1.
Se ha determinado sorprendentemente que un
material con contenido de hierro, unido al material soporte y
disponible sobre la superficie del mismo, posee como sustancia
activa catalíticamente una acción muy buena con relación a la
transformación de los gases de escape. De este modo ha podido
determinarse que mediante la composición conforme a la invención
del recubrimiento activo catalíticamente se induce a los óxidos de
nitrógeno a que reaccionen con las partículas de hollín disponibles
en el gas de escape, en donde incluso a temperaturas de unos 220ºC
se ha comprobado una reducción de NO_{x} a N_{2}, es decir una
formación de nitrógeno, y en el que los gases de escape que
abandonan el dispositivo ya no contienen casi ninguna molécula de
NO dañina, en donde puede prescindirse de un medio reductor
adicional.
Con ello se retienen las partículas de hollín
contenidas en el gas de escape, de forma conocida, en el filtro de
partículas y de este modo se impide que abandonan el conducto de
gases de escape, en el que está instalado con preferencia el
dispositivo conforme a la invención. Al mismo tiempo las partículas
de hollín retenidas en los poros del filtro de partículas
contribuyen a la reducción anteriormente descrita de los óxidos de
nitrógeno, de tal modo que la cantidad de hollín aumenta bastante
menos que en el caso de los filtros de partículas conocidos y, de
forma correspondiente, se hace necesaria una regeneración del mismo
con bastante menos frecuencia. El recubrimiento catalítico con el
material que contiene hierro produce ventajosamente, además de la
activación de estas reacciones, también una reducción de la
temperatura de encendido del hollín.
Aquí se han obtenido las siguientes fórmulas
reactivas:
2NO + C -> N_{2} +
CO_{2}
o
bien
2NO_{2} + 2C -> N_{2} +
2CO_{2}
\newpage
Hay que destacar especialmente el efecto de la
reducción simultánea de óxido de nitrógeno y de la oxidación de
hollín en el gas de escape del motor de combustión interna, que
tiene como consecuencia una limpieza especialmente buena del gas de
escape y, de este modo, permite el mantenimiento de los valores
límite de gas de escape más rigu-
rosos.
rosos.
Por medio de que el material soporte es un
silicato aluminoso o un óxido de silicio, se consigue una
distribución muy fina del material con contenido de hierro
disponible sobre la superficie del material soporte, con lo que se
consigue un aumento notable de la reactividad.
Pueden conseguirse resultados especialmente
buenos con relación a la transformación
hollín-NO_{x}, si se utiliza una zeolita como
material soporte
Sin embargo, alternativamente puede usarse
también un óxido de silicio como material soporte, cuya estructura
de armadura del tipo MCM41 o MCM48. También con esto se obtienen
buenos resultados con relación a la transformación
hollín-NO_{x}.
Ha quedado demostrado de forma especialmente
ventajosa con relación a las reacciones catalíticas que el material
con contenido de hierro presente óxido de hierro. El óxido de
hierro es un catalizador de oxidación muy bueno para hollín y
ventajosamente no es tóxico.
Aquí puede ser especialmente ventajoso que el
material con contenido de hierro se componga al 100% de óxido de
hierro.
Alternativamente puede esperarse también una
acción limpiadora muy buena, si el material con contenido de hierro
presenta hierro puro.
Análogamente también aquí puede pensarse que el
material con contenido de hierro se componga al 100% de hierro
puro.
Podría observarse una mejor reacción de los
componentes de gas de escape y, de este modo, una acción limpiadora
especialmente buena, si el recubrimiento activo catalíticamente
presenta un metal noble.
Ha quedado demostrado ser con ello especialmente
eficaces los metales nobles platino y en especial paladio.
En la reivindicación 16 se indica una
instalación de gases de escape para un motor de combustión interna
con un dispositivo conforme a la invención para limpiar gases de
escape.
Se deducen configuraciones y perfeccionamientos
ventajosos adicionales de las restantes reivindicaciones
subordinadas. A continuación se representa a modo de principio un
ejemplo de ejecución de la invención con base en el dibujo.
Aquí muestran:
la figura 1 un motor de combustión interna con
un conducto de gases de escape, en el que está dispuesto un
dispositivo conforme a la invención para limpiar el gas de escape
del motor de combustión interna; y
la figura 2 una representación esquemática de la
estructura por capas de una forma de ejecución preferida de la
invención.
Un motor de combustión interna 1 está dotado de
una instalación de gases de escape 2, que presenta un conducto de
gases de escape 2a, a través de la cual se evacuan los gases de
escape producidos de forma conocida por sí misma en el motor de
combustión interna 1. En el conducto de gases de escape 2a está
dispuesto un dispositivo 3 para limpiar los gases de escape del
motor de combustión interna 1, que se describe a continuación con
más detalle. En el caso del motor de combustión interna 1 se trata
con preferencia de un motor de combustión interna que trabaja según
el principio diésel, en cuyo gas de escape están contenidas
partículas de hollín, aparte de otras sustancias nocivas.
El dispositivo 3 presenta un filtro de
partículas 4 representado muy esquematizadamente, que se compone
con preferencia de cerámica, como por ejemplo carburo de silicio,
que sin embargo puede componerse también de óxido de aluminio o de
otro material adecuado. El filtro de partículas 4 presenta por su
parte varios canales de admisión 5 y canales de escape 6, que están
cerrados alternativamente. Según esto se trata de un sistema de
canales alternativo. Alternativamente también seria posible un
sistema abierto con cualquier forma y geometría de canal. Los
canales de admisión 5 y los canales de escape 6 están separados
entre sí por respectivas paredes 7 indicadas mediante líneas a
trazos, de tal modo que los gases de escape tienen que fluir a
través de las paredes 7, para llegar desde los canales de admisión
5 a los canales de escape 6 y, de este modo, abandonar el filtro de
partículas 4. Para esto el material de las paredes 7 del filtro de
partículas 4 está configurado poroso de forma conocido por sí
mismo, de tal modo que los componentes de gas de escape gaseosos
puede fluir a través de las paredes 7, pero las partículas de
hollín permanecen sobre las mismas o se precipitan.
Como puede verse en la representación
esquemática conforme a la figura 2, el filtro de partículas 4 o las
paredes 7 que forman el mismo están dotados de un recubrimiento 8
activo catalíticamente, que presenta un material soporte 9 y un
material 10 con contenido de hierro, unido al material soporte 9 y
disponible sobre la superficie del mismo. El material soporte 9 del
recubrimiento 8 activo catalíticamente está unido al filtro de
partículas 4, mediante un aglutinante 1 de ceróxido.
Para unir el recubrimiento 8 activo
catalíticamente al filtro de partículas 4, a través del aglutinante
11, pueden aplicarse procedimientos conocidos por sí mismos y por
ello no explicados con más detalle a continuación.
Los grosores de capa representados en la figura
2 deben contemplarse como es natural solamente a modo de
ejemplo.
El material 10 con contenido de hierro puede
presentar en una forma de ejecución del dispositivo 3 óxido de
hierro, pero también es posible con relación a esto que el material
10 con contenido de hierro se compone al 100% de óxido de hierro.
Alternativamente es también posible que el material 10 con contenido
de hierro presente hierro puro o se componga al 100% de hierro
puro. Asimismo es también posible una mezcla de óxido de hierro y
hierro puro para formar el material 10 con contenido de hierro.
Adicionalmente pueden estar contenidos en el material 10 con
contenido de hierro titanio, vanadio, cromo, manganeso, cobalto,
níquel, cobre, cinc, circonio, niobio, volframio y/o renio, en
donde el óxido de hierro o el hierro puro suponen siempre el mayor
compuesto del material 10 con contenido de hierro.
Para unir el material 7 con contenido de hierro
al material soporte 9 puede aplicarse el procedimiento de
intercambio de iones conocido por sí mismo, pero también es posible
unir el material soporte 9 al material con contenido de hierro 10
mediante un procedimiento de recubrimiento.
En el caso presente el recubrimiento 8 activo
catalíticamente presenta, además del material soporte 9 y del
material 10 con contenido de hierro, un metal noble 12 que está
aplicado en el caso representado como capa adicional sobre el
recubrimiento 8 activo catalíticamente. En una forma no
representada es también posible distribuir el metal noble 12 en el
recubrimiento 8 activo catalíticamente. Como metal noble 12 se
utiliza con preferencia paladio o platino, pero también podría estar
prevista la utilización de rutenio, rodio, plata, osmio, iridio u
oro. El metal noble 12 puede estar disponible como óxido o como
elemento puro.
El material soporte 9 se compone con preferencia
de un silicato alumínico amorfo o cristalino, por ejemplo de una
zeolita \beta, una zeolita de tipo Y o de una zeolita de tipo
ZSM5. Este material soporte 9 poroso, que presenta una superficie
muy grande, está modificado con el material 10 con contenido de
hierro, de tal modo que el material 10 con contenido de hierro está
distribuido en fino por al menos casi toda la superficie del
material soporte 9. En la práctica ha demostrado ser especialmente
adecuada una zeolita \beta cristalina, en especial porque incluso
después de un tiempo prolongado, en el que está expuesta al gas de
escape, no se descompone y precisamente con el material 10 con
contenido de hierro provoca una acción extraordinariamente buena
del recubrimiento 8 activo catalíticamente. Alternativamente seria
también posible utilizar para el material soporte 9 óxido de
silicio (SiO_{2}) amorfo, en donde su estructura de armadura puede
ser por ejemplo de tipo MCM41.
El modo de funcionamiento del dispositivo 3 es
el siguiente: sobre el filtro de partículas 4 se depositan las
partículas de hollín contenidas en el gas de escape y reducen,
mediante la acción del recubrimiento 8 activo catalíticamente, las
moléculas de NO_{2} y NO contenidas en el gas de escape a
moléculas de N_{2}, en donde al mismo tiempo el carbono que forma
fundamentalmente las partículas de hollín se oxida a CO_{2}. Con
ello se aplican las siguientes fórmulas reactivas o al menos una de
las mismas:
2NO + C -> N_{2} +
CO_{2}
o
bien
2NO_{2} + 2C -> N_{2} +
2CO_{2}
Esto significa que en el gas de escape que
abandona el dispositivo 3 ya sólo está contenida una cantidad
considerablemente reducida de moléculas de NO_{x} y
fundamentalmente sólo moléculas de N_{2}, y que al mismo tiempo
las partículas de hollín se precipitan en el filtro de partículas 4
y después se oxidan mediante NO y NO_{2}. Mediante la acción del
material 7 con contenido de hierro en el recubrimiento 8 activo
catalíticamente se desarrollan las reacciones descritas incluso a
temperaturas de unos 220ºC, de tal modo que no es necesario
disponer el dispositivo 3 cerca del motor de combustión interna o
introducir en el conducto de gases de escape 2a medios reductores
adicionales. De este modo es posible extraer del gas de escape del
motor de combustión interna 1, mediante un único dispositivo 3, las
dos sustancias nocivas NO_{x} y hollín.
En la figura 1 se ha representado además que al
dispositivo 3 puede estar preconectado un catalizador de oxidación
13 adicional comercial, por ejemplo sobre la base de platino y/o
paladio, para generar el NO_{2} reactivador a partir del NO
existente en el gas de escape. Una tarea adicional del catalizador
de oxidación 13 puede consistir en oxidar hidrocarburos y CO.
Debido a que precisamente los hidrocarburos podrían almacenarse en
la zeolita, se evita de este modo el riesgo de la desactivación de
la zeolita.
Claims (17)
1. Dispositivo (3) para limpiar los gases de
escape de un motor de combustión interna (1), con un filtro de
partículas (4) que está dotado de un recubrimiento (8) activo
catalíticamente, en donde el recubrimiento (8) activo
catalíticamente comprende un material soporte (9) y un material (10)
con contenido de hierro unido al material soporte (9), disponible
al menos sobre la superficie del mismo, en donde el material
soporte (9) es un silicato alumínico o un óxido de silicio,
caracterizado porque el material soporte (9) está unido
mediante un aglutinante (11) al filtro de partículas (4), en donde
el aglutinante es ceróxido.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque el material soporte (9) es una
zeolita.
3. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque el material soporte (9) es un óxido de
silicio, cuya estructura de armadura es de tipo MCM41 o MCM48.
4. Dispositivo según la reivindicación 1, 2 ó 3,
caracterizado porque el material (10) con contenido de
hierro presenta óxido de hierro.
5. Dispositivo según la reivindicación 4,
caracterizado porque el material (10) con contenido de
hierro es al 100% óxido de hierro.
6. Dispositivo según la reivindicación 1, 2 ó 3,
caracterizado porque el material (10) con contenido de
hierro presenta hierro puro.
7. Dispositivo según la reivindicación 6,
caracterizado porque el material (10) con contenido de
hierro es al 100% hierro puro.
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 7, caracterizado porque el material (10) con contenido
de hierro está unido al material soporte (9) mediante
recubrimiento.
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 7, caracterizado porque el material (10) con contenido
de hierro está aplicado al material soporte (9) mediante
intercambio de iones.
10. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el
recubrimiento (8) activo catalíticamente presenta un metal noble
(12).
11. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado porque el metal noble (12) está aplicado como
capa adicional sobre el recubrimiento (8) activo
catalíticamente.
12. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado porque el metal noble (12) está distribuido
por el recubrimiento (8) activo catalíticamente.
13. Dispositivo según la reivindicación 10, 11 ó
12, caracterizado porque el metal noble (12) es platino o
paladio.
14. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 2 ó 4 a 11, caracterizado porque la zeolita
(9) es una zeolita \beta.
15. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque el filtro de
partículas (4) se compone de cerámica o de metal con un sistema de
canales alternativo o un sistema abierto.
16. Instalación de gases de escape (2) para un
motor de combustión interna (1), con un conducto de gases de escape
(2a) y un dispositivo (3) dispuesto en el conducto de gases de
escape (2a) para limpiar gases de escape, según una de las
reivindicaciones 1 a 15.
17. Instalación de gases de escape según la
reivindicación 16, caracterizada porque al dispositivo (3)
está preconectado un catalizador de oxidación (13).
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