Устройство и способ очистки содержащего частицы сажи отработавшего газа
Изобретение относится к устройству для очистки содержащего частицы сажи отработавшего газа. Сущность изобретение: способ преобразования частиц (2) сажи отработавшего газа (ОГ), включающий в себя следующие шаги: а) обеспечение диоксида азота или кислорода в ОГ; б) ионизация частиц (2) сажи посредством электрического поля (16); в) осаждение электрически заряженных частиц (2) сажи на внутренних стенках (17) каналов поверхностного сепаратора (6); г) приведение в контакт диоксида азота или кислорода с осажденными частицами (2) сажи на внутренних стенках (17) каналов поверхностного сепаратора (6). Помимо этого, предлагается подходящее для осуществления способа устройство, при этом предусмотрен поверхностный сепаратор (6), который имеет несколько каналов (7), которые выполнены с возможностью протекания сквозь них ОГ и простираются между входной областью (8) и выходной областью (9), при этом во входной области (8) предусмотрена преграда (10) осаждению для электрически заряженных частиц (2) сажи. За счет этого достигается, прежде всего, равномерное осаждение частиц сажи и непрерывная регенерация поверхностного сепаратора. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокого сепарирующего действия для частиц сажи. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение относится к устройству для очистки содержащего частицы сажи отработавшего газа (ОГ), прежде всего с помощью так называемого электростатического фильтра или же электрофильтра, а также к соответствующему способу преобразования частиц сажи ОГ. Изобретение находит применение, прежде всего, при очистке ОГ мобильных двигателей внутреннего сгорания автомобилей, прежде всего при очистке ОГ, происходящих из дизельного топлива.
Уже обсуждалось множество различных концепций устранения частиц сажи из ОГ мобильных двигателей внутреннего сгорания. Наряду с попеременно закрытыми фильтрами пристеночного потока, открытыми фильтрами побочного потока, гравитационными сепараторами и т.п., уже предлагались системы, в которых частицы в ОГ электрически заряжаются, а затем осаждаются с помощью электростатических сил притяжения. Эти системы, прежде всего, известны под названием «электростатические фильтры» или же «электрофильтры».
Так, для таких электрофильтров обычно предлагается (несколько) коронирующих электродов и коллекторных электродов, которые располагаются в выпускном трубопроводе. При этом, например, центральный коронирующий электрод, который проходит примерно посередине через выпускной трубопровод, а окружающая боковая поверхность выпускного трубопровода в качестве коллекторного электрода используются для того, чтобы образовать конденсатор. При этом расположении коронирующего электрода и коллекторного электрода поперек направления потока ОГ образуется электрическое поле, при этом коронирующий электрод, например, может работать на высоком напряжении, которое составляет около 15 кВ. В результате этого могут образовываться, прежде всего, коронные разряды, благодаря которым протекающие с ОГ через электрическое поле частицы униполярно заряжаются. В связи с этим зарядом частицы перемещаются за счет электростатических кулоновских сил к коллекторному электроду.
Наряду с системами, в которых выпускной трубопровод выполнен в качестве коллекторного электрода, также известны системы, в которых коллекторный электрод выполнен в виде металлической сетки. При этом происходит осаждение частиц на металлической сетке с той целью, чтобы, при необходимости, свести частицы с другими частицами для того, чтобы таким образом осуществить агломерацию. Тогда протекающие через сетку ОГ снова увлекают более крупные частицы и подводят их к классическим фильтрационным системам.
Несмотря на то, что вышеописанные системы до сих пор, по меньшей мере в экспериментах, оказались пригодными для очистки частиц сажи, реализация этой концепции для серийного производства автомобилей представляет собой большой вызов. Это относится, прежде всего, к существенно изменяющемуся, временами очень высокому содержанию сажи в ОГ, а также к желательной возможности дооборудования такой системы для существующих в настоящее время систем выпуска ОГ. Кроме того, необходимо учитывать, что с повышенной производительностью таких систем выпуска ОГ относительно устранения частиц сажи также необходима (периодическая или непрерывная) регенерация фильтрационных систем, при которой сажа переводится в газообразные компоненты.
Что касается регенерации фильтрационных систем, наряду с прерывистой регенерацией посредством кратковременного нагрева, то есть сжигания сажи (каталитически мотивированное, окислительное преобразование), также известно преобразование сажи посредством диоксида азота (NO2). Преимущество непрерывной регенерации диоксидом азота состоит в том, что здесь преобразование сажи может происходить уже при явно более низких температурах, прежде всего меньше 250°С. По этой причине непрерывная регенерация во многих случаях применения является предпочтительной. Однако, это приводит к той проблеме, что должно быть обеспечено, чтобы диоксид азота в потоке ОГ контактировал с отложившимися частицами сажи в достаточном объеме.
Также и в этой связи получаются технические трудности при реализации длительной эксплуатации таких систем выпуска ОГ в автомобилях, при которой различные нагрузки двигателей внутреннего сгорания ведут к различным потокам ОГ, составам ОГ и температурам.
Исходя из этого, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере частично, решить описанные со ссылкой на уровень техники проблемы. Прежде всего, должно быть разработано устройство для очистки содержащих частицы сажи ОГ, которое равным образом обеспечивает высокое сепарирующее действие для частиц сажи и является хорошо регенерируемым. Также должен быть указан соответствующий способ преобразования частиц сажи ОГ. Устройство, а также способ должны легко интегрироваться в существующие мобильные системы выпуска ОГ и равным образом быть экономичными в изготовлении.
Эти задачи решены с помощью устройства согласно признакам пункта 1 формулы изобретения, а также с помощью способа преобразования частиц сажи ОГ согласно шагам пункта 11 формулы изобретения. Другие благоприятные варианты изобретения указаны в сформулированных как зависимые пунктах формулы изобретения. Следует указать на то, что приведенные в формуле изобретения отдельно признаки могут быть любым, технологически рациональным образом комбинированы друг с другом и показывают другие варианты осуществления изобретения. Описание, прежде всего, в связи с фигурами, поясняет изобретение и указывает дополнительные примеры осуществления.
Предлагаемое устройство для очистки содержащего частицы сажи отработавшего газа (ОГ), содержит, по меньшей мере:
- по меньшей мере один источник диоксида азота или источник кислорода,
- по меньшей мере один ионизирующий элемент для ионизации частиц сажи,
- по меньшей мере один нейтрализующий элемент для нейтрализации электрически заряженных частиц сажи,
- по меньшей мере один поверхностный сепаратор, который имеет несколько каналов, которые выполнены с возможностью протекания сквозь них ОГ и простираются между входной областью и выходной областью,
при этом, по меньшей мере частично, во входной области предусмотрена по меньшей мере одна преграда осаждению для электрически заряженных частиц сажи
Предложенное здесь устройство может быть, прежде всего, частью системы выпуска ОГ автомобиля, который имеет дизельный двигатель. Но устройство также может быть предоставлено в распоряжение в виде модульного узла для системы выпуска ОГ.
Согласно этому сначала предусмотрен источник диоксида азота. Таким источником диоксида азота является, например, каталитический конвертер, который (вместе с другими компонентами ОГ, прежде всего кислородом) способствует преобразованию содержащихся в ОГ оксидов азота (прежде всего, моноксида азота N0) в диоксид азота. В принципе, могут присутствовать и несколько таких источников диоксида азота, но это является настоятельно необходимым. Обычно, источник диоксида азота может быть реализован с каталитическим конвертером, который имеет сотовое тело с покрытием, при этом покрытие имеет платину, родий, палладий или тому подобное. Следовательно, источник диоксида азота подключен за двигателем внутреннего сгорания, то есть находится, по меньшей мере частично, в системе выпуска ОГ.
В то время как источник диоксида азота, например, предпочтительно применяется при относительно «холодных системах выпуска ОГ» (например, применение в дизельных двигателях), может быть также проведено окислительное преобразование частиц сажи с помощью кислорода от источника кислорода при более высоких температурах (например, применение в бензиновых двигателях). Предпочтительно, в качестве источника кислорода рассматриваются, например, сам двигатель внутреннего сгорания или так называемый впуск вторичного воздуха, то есть, прежде всего, подача содержащего кислород газа в выпускной трубопровод. При определенных условиях производить кислород может также химическое преобразование с помощью катализатора, так что и это может рассматриваться как источник кислорода.
Предпочтительным является, прежде всего, устройство, которое, в качестве альтернативы, имеет по меньшей мере один источник диоксида азота или по меньшей мере один источник кислорода вверх по потоку от поверхностного сепаратора или сепарационного устройства в выпускном трубопроводе.
Кроме того, предусмотрен по меньшей мере один ионизирующий элемент для ионизации частиц сажи. При этом является предпочтительным, что ОГ сначала достигает источника диоксида азота, до того как он достигнет участка устройства по меньшей мере с одним ионизирующим элементом. Предпочтительно, ионизирующий элемент содержит ионизирующий электрод или же множество ионизирующих электродов. По меньшей мере один ионизирующий элемент соединен с источником напряжения, прежде всего с источником высокого напряжения. Напряжение может быть также регулируемым посредством блока управления. В принципе, может быть подготовлен источник напряжения постоянного тока или источник напряжения переменного тока.
Помимо этого, предусмотрен по меньшей мере один нейтрализующий элемент для нейтрализации электрически заряженных частиц сажи. По меньшей мере один нейтрализующий элемент выполняет по меньшей мере одну задачу подачи или же отвода (согласно электрическому заряду) электрического заряда к электрически заряженным частицам сажи, так что при контакте электрически заряженных частиц сажи происходит электрическая нейтрализация или же деионизация частиц сажи. В принципе, количестве ионизирующих элементов и нейтрализующих элементов не должно быть равным, однако это может быть целесообразным.
Между по меньшей мере одним ионизирующим элементом и по меньшей мере одним нейтрализующим элементом обычно образуется электрическое поле. Это электрическое поле простирается, прежде всего, так в направлении системы выпуска ОГ или же в направлении потока ОГ, при этом ОГ достигает сначала по меньшей мере одного ионизирующего элемента, а затем по меньшей мере одного нейтрализующего элемента. Таким образом по меньшей мере один ионизирующий элемент и области нейтрализации расположены в направлении потока ОГ друг за другом, прежде всего, на расстоянии несколько сантиметров, как, например, по меньшей мере 5 см, по меньшей мере 15 см или даже по меньшей мере 30 см.
Кроме того, предусмотрен по меньшей мере один поверхностный сепаратор, который имеет несколько каналов, которые выполнены с возможностью протекания сквозь них ОГ и простираются между входной областью и выходной областью. В принципе, было бы возможно выполнить поверхностный сепаратор только с двумя каналами, предпочтительна, однако, конструктивная форма, в которой предусмотрено множество каналов, например по меньшей мере 30, по меньшей мере 50 или даже по меньшей мере 100. Под понятием «поверхностный сепаратор» обозначается то, что для осаждения частиц сажи обеспечивается (прежде всего, и по отношению к его объему) очень большая поверхность. В противоположность известным вариантам, в которых частицы сажи агломерировались по возможности друг на друге на узко ограниченном пространстве, здесь целью является то, чтобы распределить частицы сажи на большой площади по поверхностям образованных каналами стенок каналов. Однако при этом не следует исключать, что частицы сажи будут осаждаться, например, и внутри пористой стенки канала. То есть, в качестве подходящих для осаждения поверхностей здесь могут рассматриваться, прежде всего, расположенные снаружи и расположенные внутри поверхности стенок каналов. Под понятием «канал» подразумевается, прежде всего, отграниченный путь потока, протяженность которого явно длиннее, чем его диаметр, при этом диаметр, прежде всего, явно больше, чем обычные размеры частиц сажи. Даже если для некоторых целей является достаточным образовывать отдельные и разделенные каналы, могут быть, тем не менее, обеспечены и сообщающиеся каналы, при которых является возможным обмен частичными потоками ОГ (например, через отверстия в стенках каналов). Обеспечение каналов с протяженностью, например, по меньшей мере, 5 см, предпочтительно, однако, даже по меньшей мере 10 см, которые, прежде всего, относительно малы в поперечном сечении, позволяют без дополнительных мер соотнесенное с профилем потока выполнение отдельных каналов или же поверхностного сепаратора.
Для того чтобы не происходило осаждение частиц сажи только в одной плоскости перпендикулярно направлению потока (как в случае с решеткой), по меньшей мере частично, во входной области предусмотрена по меньшей мере одна преграда осаждению для электрически заряженных частиц сажи. Эта преграда осаждению выполняет функцию предотвращения (исключительного или же в значительной мере преобладающего) осаждения электрически заряженных частиц сажи во входной области. При этом преграда осаждению может быть выполнена так, что она выполнена только для части каналов или же различно для каналов. С одной стороны, преграда осаждению может относиться к самому поверхностному сепаратору, однако также возможно, что по меньшей мере одна преграда осаждению воздействует на поток ОГ и, тем самым, вызывает измененное направление потока ОГ через поверхностный сепаратор. Для этого по меньшей мере одна преграда осаждению может быть выполнена непосредственно на входной области с небольшим смещением и/или, начинаясь во входной области, в направлении до выходной области. При известных условиях также возможно, что такая преграда осаждению для по меньшей мере одной части каналов предусмотрена также от входной области до выходной области. Расположение или же распределение по меньшей мере одной преграды осаждению для электрически заряженных частиц сажи в поверхностном сепараторе необходимо выбирать так, что происходит по возможности равномерное осаждение частиц сажи на стенках каналов нескольких каналов (а не только на передней поверхности). Прежде всего, это ведет к тому, что также и при кратковременном увеличенном содержании сажи ОГ осажденные частицы сажи расположены на обширной площади, то есть с относительно большим расстоянием друг от друга. Это, в большом количестве, дает возможность непрерывно регенерировать там частицы сажи с помощью диоксида азота. Это облегчается тем, что направляемый через каналы ОГ по относительно длинному пути потока и с малым расстоянием до стенки канала имеет возможность осуществления преобразования с относительно свободно лежащими там, малыми частицами. Следствием этого является, что при увеличивающимся содержании частиц сажи предотвращается, прежде всего, нежелательное падение давления по поверхностному сепаратору, т.к. осуществляется особо эффективная, непрерывная регенерация поверхностного сепаратора.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения в области выходной области по меньшей мере одного поверхностного сепаратора выполнен нейтрализующий элемент. Прежде всего, под этим подразумевается, что по меньшей мере один нейтрализующий элемент образует часть выходной области, при этом это может быть, например, часть поверхностного сепаратора, с которым он может быть расположен с наличием электрического контакта, или также быть расположенным за ним в направлении потока. Согласно этому по меньшей мере один нейтрализующий элемент может быть интегрирован в поверхностный сепаратор, однако также возможна отдельная, последовательно расположенная форма выполнения по меньшей мере одного нейтрализующего элемента. Если по меньшей мере один нейтрализующий элемент является интегральной составной частью поверхностного сепаратора, тогда поверхностный сепаратор одновременно перенимает функцию нейтрализации, так что на поверхностях поверхностного сепаратора осаждаются лишь электрически нейтральные частицы сажи. Если по меньшей мере один нейтрализующий элемент должен быть выполнен расположенным за поверхностным сепаратором, это может быть выполнено по типу обычного коллекторного электрода для образования электрического поля через поверхностный сепаратор. Тогда каналы должны быть, прежде всего, быть выполнены так, что электрически заряженные частицы сажи за счет электрических сил соударяются со стенками каналов.
Является предпочтительным, что ионизирующий элемент в направлении потока ОГ расположен перед поверхностным сепаратором, так что ионизация частиц сажи происходит перед поверхностным сепаратором. Особо предпочтительно, если ионизирующий элемент расположен перед поверхностным сепаратором на расстоянии по меньшей мере 5 см, прежде всего по меньшей мере 10 см. За счет этого поверхностный сепаратор служит не только для ионизации, а по существу только в качестве сборника (коллектора) для уже ионизированных (выше по потоку) частиц сажи.
Помимо этого, является особо предпочтительным, что по меньшей мере один поверхностный сепаратор выполнен в виде сотового тела. В принципе, сотовое тело может быть выполнено из любых материалов, прежде всего также и с металлическими и/или керамическим компонентами. Способы изготовления таких сотовых тел уже давно известны, и сотовые тела проявили себя особо подходящими в отношении контактирования потока ОГ со стенками в каналах. При этом сотовые тела могут иметь (только) открытые и/или (частично) закрытые каналы. Как правило, является предпочтительным, что каналы простираются по существу прямолинейно и параллельно друг другу (как, например, при экструдированном сотовом теле), однако это не является настоятельно необходимым. Также, для реализации дополнительного улучшения контактирования задержанных частиц сажи с диоксидом азота из ОГ каналы или же канальные стенки могут быть выполненными со структурированием (канавками, утолщениями, поверхностями скольжения и т.п.). Тем самым, структурирования выступают, начинаясь от стенки канала, в каналы и сужают, прежде всего, поперечное сечение канала. При этом стенки канала могут быть газонепроницаемыми и/или газопроницаемыми, при этом последнее может быть реализовано за счет пористости материала и/или за счет отверстий (например, дыр).
Прежде всего, также предлагается, что с каналами являются соотносимыми различные формы выполнения по меньшей мере одной преграды осаждению. Другими словами это означает, прежде всего, что вследствие этого во время эксплуатации по меньшей мере одна преграда осаждению имеет временное и/или пространственное влияние на различные области осаждения отдельных каналов. Так, преграды осаждению в области центрально расположенных каналов могут быть выполнены иначе, чем преграды осаждению в каналах в краевой зоне поверхностного сепаратора. Альтернативно или кумулятивно является возможным иное выполнение преград осаждению вблизи входной области для отдельных каналов, чем в области выходной области. Если поверхностный сепаратор сам является нейтрализующим элементом, то, прежде всего, в направлении прохождения каналов или же в зависимости от расположения каналов может быть реализована различная электрическая проводимость стенки канала, за счет чего является согласованным проявление электрического поля и, тем самым, кулоновских сил на электрически зараженные частицы сажи.
Усовершенствование устройства далее также предусмотрено в том, что по меньшей мере одна преграда осаждению простирается в различные осевые зоны каналов. Следовательно, преграда осаждению у части каналов может быть выполнена от входной области до нескольких миллиметров вглубь в канал, однако также возможно, что преграда осаждению простирается до выходной области. При этом в соответствующих каналах могут быть предусмотрены также несколько (одинаковых и/или различных) преград осаждению.
Кроме того, также предлагается, что меньшей мере одна преграда осаждению образована за счет различных форм каналов. В этой конкретной форме выполнения поверхностного сепаратора, прежде всего, если он представляет собой нейтрализующий элемент, должно быть возможным, что вероятность столкновения и/или способность осаждения и/или потоковые прохождения для частиц сажи согласована с потоковым профилем ОГ и/или объемным потоком ОГ. Прежде всего, тем самым должно быть оказано противодействие тому, что каналы с различной силой омываются потоком частиц. Напротив, это может быть реализовано таким образом, что каналы при различных потоках ОГ омываются потоком различно (и тем самым, в среднем равномерно). Под «формой канала» рассматривается как их поперечное сечение, так и форма прохождения канала. Прежде всего, различные формы каналов присутствуют тогда, если каналы различаются по одному из следующих свойств:
размер (диаметр) поперечного сечения канала, форма поперечного сечения канала, наклон прохождения канала, искривление прохождения канала, расширение прохождения канала, сужение прохождения канала, расположение и/или тип структурирования стенок канала и т.п.
Помимо этого, специально для этого варианта предлагается, что центрально омываемые каналы выполнены по меньшей мере большими или более структурированными, чем децентрально омываемые каналы. Другими словами это означает, что в центральной области или же в центрально омываемой области поверхностного сепаратора предусмотрено большее поперечное сечение канала или же меньшая плотность каналов, чем в децентральной или же расположенной вблизи края области поверхностного сепаратора. Альтернативно или кумулятивно этому, стенки каналов центрально омываемых каналов могут быть выполнены в большей степени со структурированием, то есть в отношении размера структур, повторяемости структур и т.п. Прежде всего, эта мера принимает во внимание тот факт, что падение давления ОГ при протекании через поверхностный сепаратор массовым потоком ОГ возрастает квадратично. Обеспечение структурирования в центральной области приводит теперь к тому, что также и для этой части сверхпропорционально большие части потока ОГ направляются в краевые области, так что в каналах можно наблюдать в целом приблизительно одинаковые потоки.
Согласно другой форме выполнения изобретения по меньшей мере одна преграда осаждению может быть выполнена посредством по меньшей мере одного электрического изолятора. Для этого подходят, прежде всего, керамические покрытия, которые, например, могут быть также нанесены и на металлическое поверхности. Альтернативно, могут быть добавлены также и отдельные детали, которые образуют электрический изолятор.
Однако, в принципе, также возможно, что по меньшей мере один поверхностный сепаратор в качестве основного материала имеет электрический изолятор, который образует преграду осаждению. Другими словами это означает, что поверхностный сепаратор сам, по меньшей мере частично, не имеет электрической проводимости. Тогда, прежде всего принимая во внимание форму канала (например, спирально закрученные и/или структурированные каналы) или же концепцию поверхностного сепаратора (например, фильтр с пористыми стенками, имеющий попеременно заглушенные с разных сторон каналы), необходимо обеспечить, что частицы могут осаждаться на или же в этом основном материале.
Для того чтобы также и здесь достичь равномерного осаждения частиц по всей поверхности поверхностного сепаратора, электрическая проводимость может быть интегрирована, например таким образом, что поверхностный сепаратор имеет по меньшей мере один нейтрализующий элемент, при этом по меньшей мере один нейтрализующий элемент выполнен в каналах различно. Следовательно, на или же в основном материале поверхностного сепаратора могут быть расположены электрически проводимые материалы, которые соединены с электрическим заземлением («массой»). Это может быть достигнуто за счет соответствующих, электропроводящих (при необходимости находящихся друг с другом в контакте) проводов, волокон, частиц и подобного. Прежде всего, для этого подходят металлические прокладки.
Предпочтительно, поверхностный сепаратор имеет пористые стенки каналов, которые, прежде всего, образованы с металлокерамикой, керамикой, карбидом кремния (SiC) или их смесей. Особо предпочтительно, речь идет о (по меньшей мере частично) экструдированном сотовом теле.
Согласно следующему аспекту рассматриваемого изобретения предлагается способ преобразования частиц сажи отработавшего газа (ОГ), который включает в себя, по меньшей мере, следующие шаги:
а) обеспечение, по меньшей мере, диоксида азота или кислорода в ОГ,
б) ионизация частиц сажи посредством электрического поля,
в) осаждение электрически заряженных частиц сажи на внутренних стенках каналов по меньшей мере одного поверхностного сепаратора,
г) приведение в контакт, по меньшей мере, диоксида азота или кислорода с осажденными частицами сажи на внутренних стенках каналов по меньшей мере одного поверхностного сепаратора.
Тем самым, также предлагается, прежде всего, непрерывная регенерация частиц сажи в предложенном согласно изобретению устройстве. Также на основании этого указывается на то, что описанные со ссылкой на устройство признаки могут быть привлечены к пояснению способа и наоборот. Также необходимо указать на то, что шаги а) и б) могут выполняться друг за другом и/или одновременно, при этом на соответствующее проявление направляется частичный поток ОГ. Является предпочтительным, что все шаги а) - г) во время эксплуатации мобильного двигателя внутреннего сгорания осуществляются постоянно. Кроме того, является предпочтительным, что стадия а), альтернативно, включает в себя происходящее внутри выпускного трубопровода обеспечение/формирование диоксида азота или кислорода.
Согласно одному усовершенствованию способа предлагается, что зависимости от параметра ОГ изменяют характер прохождения ОГ через каналы по меньшей мере одного поверхностного сепаратора или конфигурацию электрического поля. При необходимости, также возможно осуществлять обе меры одновременно или же параллельно. Изменение характера прохождения может происходить самостоятельно, например за счет соответствующей формы выполнения поверхностного сепаратора, так что при различном характере прохождения протекание происходит в различных каналах. Однако, также возможно предпринять активное изменение за счет того, что, например, изменяют частоту и/или силу поля электрического поля. В качестве параметра ОГ подходят, прежде всего, температура, массовый поток, объемный поток и/или скорость потока ОГ. Само собой разумеется, что, альтернативно этому или кумулятивно, могут быть использованы также и другие характеристические величины для того, чтобы сделать выводы о соответствующем параметре ОГ.
Предпочтительно, способ служит для того, чтобы осуществлять непрерывную регенерацию по меньшей мере одного поверхностного сепаратора. Для этого сажа приводится в контакт диоксидом азота, который формируется выше по току в ОГ, и химически преобразуется. Для дальнейших пояснений приводится ссылка на т.н. CRT-способ (CRT - continuous regeneration trap (фильтр с постоянной регенерацией), сравни, например, ЕР-А-0341832).
Помимо этого, является предпочтительным способ, в котором равномерное осаждение электрически заряженных частиц сажи происходит на всех каналах по меньшей мере одного поверхностного сепаратора. Прежде всего, под этим подразумевают, что устройство или же поверхностный сепаратор устроен так, что вероятность осаждения электрически заряженной частицы сажи на всех внутренних поверхностях каналов является, по существу, одинаковой. Необходимые к принятию, при известных обстоятельствах, меры для этого были уже описаны выше.
Предпочтительно, изобретение находит применение в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, прежде всего дизельным мотором с подключенной последовательно системой выпуска ОГ, которая имеет предлагаемое устройство. Для этого автомобиль имеет, например, блок управления для того, чтобы эксплуатировать это устройство со способом согласно изобретению, при этом блок управления, прежде всего, оснащен соответствующим программным обеспечением для того, чтобы реализовывать предлагаемую эксплуатацию во время эксплуатации автомобиля. При необходимости, блок управления может взаимодействовать с датчиками системы выпуска ОГ и/или двигателя внутреннего сгорания и/или хранящимися в памяти моделями данных для того, чтобы предпринимать подстройку этой системы.
Далее изобретение, а также технический контекст поясняются более подробно на фигурах. Следует указать на то, что фигуры показывают особо предпочтительные варианты осуществления изобретения, которыми оно, однако, не ограничено. Схематически показано на:
Фиг.1 первый вариант выполнения устройства согласно изобретению, Фиг.2 первая деталь первого варианта выполнения поверхностного сепаратора,
Фиг.3 вторая деталь второго варианта поверхностного сепаратора, Фиг.4 третья деталь третьего варианта выполнения поверхностного сепаратора,
Фиг.5 другой вариант выполнения устройства, Фиг.6 иллюстрация способа согласно изобретению, Фиг.7 наглядный показ сил притяжения на частицу сажи, и Фиг.8 деталь другого варианта выполнения поверхностного сепаратора. На фиг.1 показан первый пример выполнения для устройства 1 согласно изобретению. При этом ОГ в направлении 31 (движения) потока протекает через систему выпуска ОГ, которая в данном случае представлена в форме приблизительно трубы, хотя это является несущественным. В ОГ содержаться частицы 2 сажи. ОГ с частицами 2 газа направляется сначала через источник 3 диоксида азота, прежде всего через сотовый каталитический конвертер с платиновым покрытием. Этот источник диоксида азота преобразует находящийся в ОГ моноксиды азота (NO) в диоксиды азота (NO2), так что доля диоксидов азота увеличивается (прежде всего, составляя по меньшей мере 25% по массе или даже по меньшей мере 50% по массе всех оксидов азота). Подготовленный таким образом газ протекает далее к (единственному) поверхностному сепаратору 6. Поверхностный сепаратор 6 имеет входную область 8 и выходную область 9. Между входной областью 8 и выходной областью 9 простираются прямолинейные, проходящие параллельно друг другу каналы 7. В данном случае каналы 7 (частично) выполнены с каталитическим покрытием 18, однако это не является настоятельно необходимым.
Прежде чем ОГ достигает поверхностного сепаратора 6, он входит в электрическое поле, которое образовано посредством ионизирующего элемента 4 выше по потоку от поверхностного сепаратора 6 и нейтрализующим элементом в выходной области 9 поверхностного сепаратора 6. В представленном случае нейтрализующий элемент 5 интегрирован в стенки каналов поверхностного сепаратора 6. Для того чтобы теперь предотвратить, что электрически заряженные частицы сажи попадают прямо на переднюю (лицевую) поверхность сотового тела в области входной области 8 и, тем самым, каналы 7 сами более не служат для отложения частиц сажи, в области входной области 8 выполнена преграда 10 осаждению, которая как раз уменьшает или же предотвращает отложение в том месте. Различные формы выполнения этой преграды 10 осаждению будут представлены также со ссылкой на последующие фигуры.
Так, например, на фиг.2 показана деталь поверхностного сепаратора с несколькими каналами 7, которые ограничены стенками 17 каналов. Таким образом, образовано, прежде всего, т.н. сотовое тело 11. Для того чтобы теперь предотвратить, что частицы сажи откладываются только во входной области 8 сотового тела 11, там в качестве преграды осаждению предусмотрен (выполненный на стенках каналов по типу покрытия) электрический изолятор 15. На этой фигуре также показано, что осуществление преграды осаждению или, как здесь показано, электрического изолятора может затрагивать различные зоны 12 каналов 7. Так, зоны 12 могут отличаться друг от друга, прежде всего в отношении их протяженности и/или положения.
На фиг.3 показан вариант выполнения сотового тела 11, которое выполнено с коническими или же сужающимися/расширяющимися каналами. В то время как форма каналов на фиг.2 является, например, по существу круглой и остающейся одинаковой по длине, поперечное сечение при конической форме каналов изменяется в их направлении длины. За счет изменяющихся поперечных сечений каналов также и здесь может быть оказано влияние на поток или же может быть достигнуто отложение частиц сажи также и в задней части сотового тела 11. Выше по потоку от сотового тела 11 чисто схематически показан источник 32 кислорода, который может быть интегрирован в систему выпуска ОГ, например на месте источника диоксида азота.
Помимо этого, здесь показана форма выполнения сотового тела 11, в которой стенки 17 каналов выполнены с основным материалом, который действует как электрический изолятор 15, например керамикой или карбидом кремния. Для того чтобы теперь, тем не менее, стимулировать перемещение частиц сажи за счет кулоновских сил к стенкам 17 каналов, стенки 17 каналов (которые, при необходимости, могут быть также пористыми) имеют эклектические провода 30, например по типу армирования, вплетенных нитей и т.п. Тем самым сила притяжения стенки 17 канала на частицы сажи по длине каналов сильнее или же эта сила притяжения является во входной области 8 меньшей. Эта аксиально дифференцированная проводимость может происходить при этом позонно, так что вдоль заданных зон 12 соответственно присутствует приблизительно одинаковая проводимость, однако переход может быть также непрерывным или бесступенчатым.
На фиг.4 показана другая деталь сотового тела 11 в качестве поверхностного сепаратора, при этом каналы 7 имеют различные формы 18 каналов. В центре 24, то есть центрально омываемой области поверхностного сепаратора 6, поперечное сечение 7 канала является относительно большим. При рассмотрении формы 13 каналы в направлении радиуса 27 можно установить, что в области края 25, то есть децентрально омываемой области, поперечное сечение каналов является меньшим. Помимо этого, можно установить, что (только) каналы 7 в области центра 24 имеют структурирования 14, которые, прежде всего с возрастающей скоростью потока ОГ или же большим объемным потоком ОГ, создают большее падение давление, так что ОГ усиленно направляется также в расположенные радиально снаружи каналы. Прежде всего, эти меры помогают при осуществлении равномерной загрузки частицами сажи и равномерного обеспечения диоксида азота для осажденных частиц сажи.
На фиг.5 показан другой пример осуществления предлагаемого устройства 1. В левой частичной области снова представлено как содержащий частицы сажи 2 ОГ протекает через источник 3 диоксида азота в направлении 31 потока, так что образуется увеличенное количество диоксида азота. Вновь, следуя за ним, образовано электрическое поле 16, в этот раз посредством служащего в качестве ионизирующего элемента 4 ионизирующего электрода и, расположенного после поверхностного сепаратора 6, служащего в качестве нейтрализующего элемента заземляющего (массового) электрода 29. Вследствие этого, поверхностный сепаратор полностью находится в электрическом поле 16.
В случае представленного здесь поверхностного сепаратора речь идет, прежде всего, о классическом Wall-Flow-Filter (фильтре с пористыми стенками - прим. переводчика) из керамики или же карбида кремния, каналы которого попеременно заглушены с одной и другой стороны, так что образуются потоковые тупики. Однако каналы 7 не должны, как представлено здесь, простираться параллельно центральной оси 26. Предусмотренные для закрытия, расположенные попеременно с одной и другой стороны заглушки 23 могут представлять собой соответствующую преграду осаждению для электрически заряженных частиц сажи или быть выполненными как таковые. При этом стенки каналов выполнены пористыми или же газопроницаемыми, так что частицы сажи могут быть отфильтрованы. Если в таком поверхностном сепараторе 6 присутствует электрическая проводимость, например за счет прямого контакта заземляющего электрода 29 и соответствующей формы выполнения сотового тела, должен происходить также соответственно целенаправленный отвод электрического заряда. Для этой цели предлагается, что сотовое тело окружено матом 21, который реализует достаточное расстояние 22 до корпуса 19 для того, чтобы предотвратить пробой под действием напряжения от поверхностного сепаратора 6 к корпусу 19. То же самое действует, если сотовое тело является металлическим и имеет свой собственный кожух 20.
На фиг.6 еще раз наглядно проиллюстрированы отдельные стадии способа. Здесь на первой стадии оксиды азота (NOx) или же моноксид азота (NO) с помощью источника диоксида азота (или же соответствующего каталитического покрытия) превращается в диоксид азота (NO2). Кроме того, происходит ионизация частиц (РМ) сажи или же части частиц сажи, так что они имеют электрический заряд. Затем электрически заряженные частицы (РМ) сажи равномерно осаждаются на стенке канала с помощью соответствующих электростатических сил притяжения, при этом это происходит, по возможности, очень равномерно. Более удаленные, при определенных условиях еще электрически заряженные или даже уже нейтрализованные частицы (PM+/PM) сажи являются свободно доступными для произведенного диоксида азота (NO2), так что становится возможной простая и эффективная регенерация поверхности осаждения или же фильтрующего материала. В поддержку этого процесса преобразования могут быть также применены катализаторы. После преобразования частиц сажи из поверхностного сепаратора удаляются газообразные компоненты, такие как, например, диоксид углерода (CO2) и элементарный азот (N2).
На фиг.7 еще раз в качестве примера и иллюстрационно показано воздействие поверхностного сепаратора 6 на частицу 2 сажи. Согласно этому, она летит, например, в направлении 31 потока через поры 33 поверхностного сепаратора, при этом она электрически заряжена. За счет потенциала по отношению к поверхностному сепаратору 6 эта частица 2 сажи летит дальше не прямолинейно (как изображено штриховкой), а получает отклонение 34 и входит в контакт с поверхностным сепаратором 6. Там может происходить соответствующее преобразование частицы 2 сажи.
На фиг.8 показана деталь другого варианта осуществления поверхностного сепаратора согласно изобретению с несколькими каналами, которые ограничены стенками 17 каналов. Тем самым, образовано, прежде всего, т.н. сотовое тело 11. Сотовое тело 11 образовано из изолирующего материала, предпочтительно керамики. Для того чтобы теперь достичь в сотовом теле 11 предпочтительного осаждения частиц сажи также и за входной областью 8 сотового тела 11, в выполненном в виде электрического изолятора 15 сотовом теле предусмотрены электрические провода 30, которые в различных зонах 12 сотового тела различно по глубина простираются в направлении к входной области 8.
С помощью изобретения достигается, прежде всего, равномерное осаждение частиц сажи и непрерывная регенерация поверхностного сепаратора.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
| 1 | Устройство |
| 2 | Частицы сажи |
| 3 | Источник диоксида азота |
| 4 | Ионизирующий элемент |
| 5 | Нейтрализующий элемент |
| 6 | Поверхностный сепаратор |
| 7 | Канал |
| 8 | Входная область |
| 9 | Выходная область |
| 10 | Преграда осаждению |
| 11 | Сотовое тело |
| 12 | Осевая зона |
| 13 | Форма канала |
| 14 | Структурирование |
| 15 | Электрический изолятор |
| 16 | Электрическое поле |
| 17 | Стенка канала |
| 18 | Каталитическое покрытие |
| 19 | Корпус |
| 20 | Кожух |
| 21 | Мат |
| 22 | Расстояние |
| 23 | Заглушка |
| 24 | Центр |
| 25 | Край |
| 26 | Ось |
| 27 | Радиус |
| 28 | Ионизирующий электрод |
| 29 | Заземляющий электрод |
| 30 | Электрический провод |
| 31 | Направление потока |
| 32 | Источник кислорода |
| 33 | Пора |
| 34 | Отклонение |
1. Устройство (1) для очистки содержащего частицы (2) сажи отработавшего газа (ОГ), содержащее, по меньшей мере:
по меньшей мере один источник (3) диоксида азота или источник (32) кислорода,
по меньшей мере один ионизирующий элемент (4) для ионизации частиц (2) сажи,
по меньшей мере один нейтрализующий элемент (5) для нейтрализации электрически заряженных частиц (2) сажи,
по меньшей мере один поверхностный сепаратор (6), который имеет несколько каналов (7), которые выполнены с возможностью протекания сквозь них ОГ и простираются между входной областью (8) и выходной областью (9),
при этом, по меньшей мере частично, во входной области (8) предусмотрена по меньшей мере одна преграда (10) осаждению для электрически заряженных частиц (2) сажи.
2. Устройство (1) по п.1, в котором по меньшей мере один нейтрализующий элемент (5) выполнен в области выходной области (9) по меньшей мере одного поверхностного сепаратора (6).
3. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором по меньшей мере один поверхностный сепаратор (6) выполнен в виде сотового тела (11).
4. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором с каналами (7) являются соотносимыми различные формы выполнения по меньшей мере одной преграды (10) осаждению.
5. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором по меньшей мере одна преграда (10) осаждению простирается в различные осевые зоны (12) каналов (7).
6. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором по меньшей мере одна преграда (10) осаждению образована за счет различных форм (13) каналов.
7. Устройство (1) по п.6, в котором центрально омываемые каналы (7) выполнены по меньшей мере большими или более структурированными, чем децентрально омываемые каналы (7).
8. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором по меньшей мере одна преграда (10) осаждению образована посредством по меньшей мере одного электрического изолятора (15).
9. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором по меньшей мере один поверхностный сепаратор (6) в качестве основного материала имеет электрический изолятор (15), который образует преграду (10) осаждению.
10. Устройство (1) по п.9, в котором поверхностный сепаратор (6) имеет по меньшей мере один нейтрализующий элемент (5), при этом по меньшей мере один нейтрализующий элемент (5) выполнен в каналах (7) различно.
11. Способ преобразования частиц (2) сажи отработавшего газа (ОГ), включающий в себя, по меньшей мере, следующие шаги:
а) обеспечение, по меньшей мере, диоксида азота или кислорода в ОГ,
б) ионизация частиц (2) сажи посредством электрического поля (16),
в) осаждение электрически заряженных частиц (2) сажи на внутренних стенках (17) каналов по меньшей мере одного поверхностного сепаратора (6),
г) приведение в контакт, по меньшей мере, диоксида азота или кислорода с осажденными частицами (2) сажи на внутренних стенках (17) каналов по меньшей мере одного поверхностного сепаратора (6).
12. Способ по п.11, в котором в зависимости от параметра ОГ изменяют характер прохождения ОГ через каналы (7) по меньшей мере одного поверхностного сепаратора (6) или конфигурацию электрического поля (16).
13. Способ по п.11 или 12, в котором происходит непрерывная регенерация по меньшей мере одного поверхностного сепаратора (6)
14. Способ по п.11 или 12, в котором равномерное осаждение электрически заряженных частиц (4) сажи происходит на всех каналах (7) по меньшей мере одного поверхностного сепаратора (6).
