Устройство и способ очистки потока отработавших газов, образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, от твердых частиц путем их отделения
Изобретение относится к устройству для очистки потока отработавших газов, образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения: устройство (1) для очистки потока (2) отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере имеющее ионизатор (4), агломератор (6) и (каталитически активный) радиально-проточный сотовый элемент (14), который охватывает канал (8) выпускного трубопровода и в который из этого канала отклоняется поток ОГ, тогда как агломерированные твердые частицы задерживаются в их улавливателе (18), предусмотренном в данном канале (8), а также способ очистки отработавших газов и автомобиль, имеющий устройство для очистки отработавших газов. Техническим результатом изобретения является снижение количества твердых частиц, обеспечение компактной конструкции устройства и возможности интеграции в него систем регенерации тепла отработавших газов. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к устройству для очистки потока отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), прежде всего дизельного двигателя, от твердых частиц, которые электризуют, агломерируют и отделяют от потока ОГ. Изобретение относится, кроме того, к способу эксплуатации такого устройства.
В связи с ужесточением норм на предельно допустимые показатели выброса вредных веществ с ОГ, образующихся при работе ДВС, из потока ОГ требуется удалять содержащиеся в нем твердые частицы и задерживать их в выпускном трубопроводе, соответственно при необходимости превращать их в безвредные вещества. Помимо этого законодательными актами были дополнительно ужесточены также предельно допустимые показатели выброса твердых частиц (сажи) в окружающую среду, прежде всего с ОГ дизельных двигателей.
Для соблюдения подобных норм на предельно допустимые показатели выброса твердых частиц уже было предложено множество различных фильтровальных систем, работа которых основана на использовании, например, фильтров для глубокого фильтрования, фильтров с проницаемыми стенками каналов, многопоточных фильтров (фильтров с разделением потока на множество частичных потоков), циклонов и иных аналогичных концепций. Помимо этого для соблюдения законодательно установленных норм на предельно допустимые показатели выброса твердых частиц уже было предложено также обрабатывать твердые частицы электрическими полями, плазмой и т.п. Именно с учетом использования новых видов топлива и/или совершенствования процессов сгорания топлива постоянно приходится вновь решать задачи по надежному и максимально полному удалению имеющих иное строение и/или иной состав твердых частиц из ОГ, образующихся при работе нестационарных ДВС.
При разработке систем снижения токсичности ОГ на переднем плане стоит прежде всего задача по их размещению в минимально возможном монтажном пространстве на легковых автомобилях, равно как и на грузовых автомобилей. По этой причине существует потребность в первую очередь в компактных системах, позволяющих встраивать их в автомобили современных и будущих поколений.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично решить проблемы, рассмотренные выше в описании уровня техники, и прежде всего разработать устройство для очистки потока ОГ двигателя внутреннего сгорания, которое позволяло бы значительно снижать, с одной стороны, количество, а с другой стороны, массу твердых частиц в потоке ОГ. При этом такое устройство должно иметь максимально компактную конструкцию, а также обеспечивать возможность интеграции в него систем регенерации тепла ОГ.
Указанные задачи решаются с помощью устройства, заявленного в п.1 формулы изобретения, а также с помощью способа, заявленного в п.11 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Необходимо отметить, что представленные по отдельности в зависимых пунктах формулы изобретения отличительные особенности изобретения могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать другие варианты осуществления изобретения. Помимо этого отличительные особенности изобретения, указанные в формуле изобретения, конкретизированы и более подробно рассмотрены в последующем описании, в котором представлены также другие предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Согласно изобретению указанная задача решается с помощью устройства для очистки потока отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, прежде всего дизельного двигателя, благодаря тому, что оно имеет по меньшей мере следующие компоненты:
а) ионизатор, предназначенный для электризации твердых частиц, содержащихся в потоке ОГ,
б) агломератор, предназначенный для по меньшей мере частичной агломерации электризованных твердых частиц,
в) канал (8), который по меньшей мере имеет проточную боковую поверхность, вход со своей первой торцевой стороны и выход со своей второй торцевой стороны,
г) радиально-проточный сотовый элемент, который имеет внутреннюю боковую поверхность, наружную боковую поверхность и проходящие от внутренней боковой поверхности к наружной боковой поверхности проточные каналы и который своей внутренней боковой поверхностью расположен на боковой поверхности канала, и
д) улавливатель твердых частиц, по меньшей мере временно задерживающий твердые частицы, содержащиеся в потоке ОГ,
при этом ионизатор и агломератор расположены перед входом канала или в нем, а улавливатель твердых частиц расположен за выходом канала или в нем.
Ионизатор пригоден для электризации содержащихся в потоке ОГ твердых частиц, которые агломерируются затем в следующем по ходу потока ОГ за ионизатором агломераторе в укрупненные твердые частицы. Ионизатор может при этом иметь различное исполнение, прежде всего с учетом свободного сечения выпускного трубопровода и/или с учетом расположенной в нем структуры. Подобный ионизатор в результате создания разности потенциалов (составляющей, например, более 5000 В или даже более 30000 В) создает электрический заряд на углеродсодержащих твердых частицах, присутствующих в потоке ОГ.
В соответствии с этим ионизатор образован прежде всего электродом, расположенным в потоке ОГ. Такой электрод при этом выполнен прежде всего в виде структуры или сотового элемента. Электрический потенциал создается в этом случае между ионизатором и расположенным далее по ходу потока ОГ агломератором, вследствие чего твердые частицы электризуются в ионизаторе и по меньшей мере периодически оседают на стенках агломератора, агломерируясь на них или уже в потоке ОГ в укрупненные твердые частицы.
Помимо этого ионизатор может электризовать твердые частицы в результате создания коронного или плазменного разряда.
Предлагаемое в изобретении устройство имеет далее канал, который по меньшей мере частично образован или ограничен внутренней боковой поверхностью радиально-проточного сотового элемента. В соответствии с этим канал на своей боковой поверхности выполнен по меньшей мере частично открытым, и поэтому поток ОГ поступает непосредственно из канала в сотовую структуру радиально-проточного сотового элемента. Боковая поверхность канала может быть также образована гильзой, которая по меньшей мере частично снабжена отверстиями, через которые поток ОГ может выходить из канала. Помимо этого канал имеет вход со своей первой торцевой стороны и выход со своей второй торцевой стороны, при этом вход и выход прежде всего могут также иметь разную площадь. Причем прежде всего выход канала выполнен меньших размеров по сравнению с его входом.
В предлагаемом в изобретении устройстве предусмотрен далее радиально-проточный сотовый элемент, который по меньшей мере частично охватывает боковую поверхность канала и через который проходит по меньшей мере преобладающая часть движущегося по каналу потока ОГ. У такого радиально-проточного сотового элемента его проточные каналы проходят при этом от его внутренней боковой поверхности к его наружной боковой поверхности в радиальном направлении относительно канала (выпускного трубопровода) и причем могут также по меньшей мере частично иметь изогнутую в окружном направлении форму. Проточные каналы радиально-проточного сотового элемента могут, кроме того, иметь профильные структуры и/или встроенные элементы, которые могут обеспечивать перемешивание, соответственно завихрение потока ОГ. Радиально-проточный сотовый элемент в предпочтительном варианте изготовлен из по меньшей мере частично профилированных листов фольги и помимо этого прежде всего имеет волокнистые слои.
Предлагаемое в изобретении устройство имеет далее улавливатель твердых частиц, который по меньшей мере периодически задерживает твердые частицы, содержащиеся в потоке ОГ и который при этом расположен за выходом (центрального) канала или в нем (вне радиально-проточного сотового элемента), поэтому поток ОГ по меньшей мере большей частью проходит через радиально-проточный сотовый элемент в обход улавливателя твердых частиц. При расположении улавливателя твердых частиц в канале он прежде всего выполнен удлиненным по сравнению с радиально-проточным сотовым элементом, и поэтому улавливатель твердых частиц преимущественно не перекрывает расположенную ниже по ходу потока ОГ часть внутренней боковой поверхности радиально-проточного сотового элемента, а расположен по ходу потока ОГ лишь после радиально-проточного сотового элемента за пределами его протяженности в продольном направлении (например, по типу тупика). Однако улавливатель твердых частиц прежде всего можно располагать и в той части канала, которая находится в пределах внутренней боковой поверхности радиально-проточного сотового элемента, т.е. в пределах его протяженности в продольном направлении. В подобном варианте улавливатель твердых частиц со своей стороны прежде всего снабжен отверстиями в направлении внутренней боковой поверхности радиально-проточного сотового элемента и/или имеет уменьшенный по сравнению с каналом наружный диаметр, благодаря чему поток ОГ может по всей внутренней боковой поверхности радиально-проточного сотового элемента входить в его проточные каналы.
Улавливатель твердых частиц обладает прежде всего большим аэродинамическим сопротивлением по сравнению с радиально-проточным сотовым элементом, и поэтому в улавливатель твердых частиц попадает, соответственно проходит через него лишь сравнительно малая часть потока ОГ. В особых случаях улавливатель твердых частиц может быть выполнен также практически не проточным для ОГ, например, по типу отражательной пластины с устройством для удаления твердых частиц (нагревателем) и/или в виде (трудно) проходимого для потока ОГ пористого мата, соответственно (трудно) проходимой для потока ОГ структуры.
Благодаря размещению улавливателя твердых частиц в канале или за его выходом поток ОГ по меньшей мере частично перенаправляется из канала в радиально-проточный сотовый элемент, при этом содержащиеся в потоке ОГ агломерированные твердые частицы обладают вследствие их возросшей массы такой инерционностью, что они по меньшей мере частично не могут следовать за отклонением или поворотом потока ОГ, а падают по каналу в улавливатель твердых частиц. Для этого прежде всего нет необходимости выполнять улавливатель твердых частиц проточным для потока ОГ, а более того, улавливатель твердых частиц можно также выполнить в виде непроточного тупика, образованного стенкой или структурой. В результате твердые частицы направляются из потока ОГ в по существу непроточную часть выпускного трубопровода и поэтому не попадают через радиально-проточный сотовый элемент в расположенный далее по ходу потока ОГ выпускной трубопровод.
Таким путем твердые частицы по меньшей мере периодически задерживаются в улавливателе твердых частиц, соответственно в по существу не проточной для ОГ зоне выпускного трубопровода, предусмотренной для накапливания агломерированных твердых частиц, отделенных от потока ОГ.
В варианте с выполнением улавливателя твердых частиц проточным через него проходит меньшая часть потока ОГ, которая попадает далее на последующий участок выпускного трубопровода. В этом случае твердые частицы по меньшей мере частично отфильтровываются из потока ОГ и по меньшей мере периодически задерживаются в улавливателе твердых частиц.
Описанное выше предлагаемое в изобретении устройство пригодно для применения в системах выпуска ОГ прежде всего дизельных двигателей с целью электризации содержащихся в ОГ твердых частиц в ионизаторе и агломераторе и по меньшей мере периодического их соединения друг с другом в агломераторе. В агломераторе твердые частицы скапливаются, например, на его возможно предусмотренных структурах и в результате этого агломерируются с образованием в результате твердых частиц большего среднего диаметра и большей массы. Вследствие пульсаций потока ОГ или прежде всего в результате внешнего возбуждения агломератора твердые частицы отделяются от него и возвращаются в поток ОГ.
Твердые частицы вследствие их агломерации имеют столь большую массу и тем самым обладают столь высокой инерционностью, что они не способны следовать за отклонением потока ОГ внутри канала в радиально-проточный сотовый элемент, а в основном продолжают двигаться далее в направлении протяженности канала, попадая в улавливатель твердых частиц. Тем самым для отклонения твердых частиц с целью их отделения от потока ОГ прежде всего не требуется использовать создающую электрическое поле систему, которая, с одной стороны, имеет сложную и поэтому дорогостоящую конструкцию, а с другой стороны, потребляет при своей работе достаточно большое количество энергии.
В одном из предпочтительных вариантов ионизатор имеет устройство для создания коронного или плазменного разряда. Для образования плазмы в автомобилестроении преимущественно используют электрическое поле, генерируемое высоким напряжением. Плазму предпочтительно генерировать прежде всего путем коронного разряда или диэлектрического барьерного разряда. В том случае, когда желательно создание коронного разряда, возможна неравномерная ориентация электрического поля. Так, например, известны устройства с проволокой, окруженной электрическим полем высокой напряженности, которое, однако, значительно ослабевает в направлении радиально наружу и которое не достигает окружающего его корпуса, благодаря чему подавляется образование электрической дуги. Альтернативно этому подавлять образование электрической дуги можно путем импульсного приложения напряжения. В случае же диэлектрического барьерного разряда по меньшей мере один электрод снабжен диэлектрическим покрытием. Возникающие электрические дуги гасятся при этом под поверхностью диэлектрического материала.
В еще одном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства ионизатор и/или агломератор имеют/имеет по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей трубу, структуру и сотовый элемент. Сказанное означает, что ионизатор и/или агломератор расположены/расположен в выпускном трубопроводе, а электрический заряд сообщается присутствующим в ОГ твердым частицам в ионизаторе либо проточной трубой, т.е. участком выпускного трубопровода, либо предусмотренной в нем структурой, к которой приложен электрический потенциал, отличный от потенциала, под которым находится агломератор. Структура занимает при этом по меньшей мере преобладающую часть поперечного сечения выпускного трубопровода, и поэтому твердым частицам вне зависимости от их положения в потоке ОГ сообщается электрический заряд. Такая структура может иметь прежде всего звездообразную форму или же может быть выполнена аналогично сотовому элементу, прежде всего с плотностью расположения каналов от 10 до 200 каналов на кв.дюйм, предпочтительно от 25 до 100 каналов на кв.дюйм. Подобные элементы дополнительно используют также в агломераторе, однако при применении в нем они прежде всего имеют большую длину в направлении прохождения потока ОГ. Сотовый элемент при его использовании в ионизаторе и агломераторе прежде всего имеет непрофилированные, гладкие обтекаемые стенки, т.е. не имеет никаких дополнительных аэродинамических сопротивлений либо завихряющих или смесительных элементов, и в свою очередь образован по меньшей мере частично профилированными, главным образом гофрированными и гладкими листами фольги. Выполнение агломератора в виде сотового элемента, с одной стороны, увеличивает площадь поверхности, доступной для осаждения и агломерации на ней содержащихся в ОГ твердых частиц, а с другой стороны, обеспечивает успокоение потока ОГ, благодаря чему после выхода из агломератора поток ОГ имеет прежде всего ламинарный характер. Подобная ламинаризация потока ОГ способствует отделению от него агломерированных твердых частиц и их направлению в их улавливатель, соответственно предотвращает попадание твердых частиц в радиально-проточный сотовый элемент и их прохождение через него вследствие завихрений потока ОГ. Элемент, выбранный из группы, включающей трубу, структуру и сотовый элемент, прежде всего выполнен электрически изолированным от выпускного трубопровода, благодаря чему возможно пространственно ограниченное создание потенциала между ионизатором и агломератором.
Благодаря наличию электрического потенциала между ионизатором и агломератором твердые частицы по меньшей мере частично осаждаются на стенке трубы или на поверхностях структуры, соответственно сотового элемента агломератора и поэтому самое позднее в нем, но уже и в потоке ОГ агломерируются с образованием укрупненных твердых частиц большего диаметра и большей массы.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства радиально-проточный сотовый элемент по меньшей мере частично снабжен по меньшей мере одним покрытием, выбранным из группы, включающей покрытие для селективного каталитического восстановления (СКВ-покрытие), покрытие для трехкомпонентной каталитической нейтрализации ОГ и покрытие для адсорбции NOx. СКВ-покрытием называют покрытие, пригодное для химического превращения оксидов азота по реакции селективного каталитического восстановления. СКВ-покрытие при снабжении им радиально-проточного сотового элемента обеспечивает прежде всего превращение присутствующих в ОГ оксидов азота путем их взаимодействия с подаваемым в поток ОГ восстановителем (аммиаком, мочевиной, водным раствором мочевины, выпускаемым под наименованием "AdBlue") в основном в элементарный азот и воду. Покрытие для трехкомпонентной каталитической нейтрализации ОГ предназначено главным образом для нейтрализации ОГ двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением рабочей смеси и обеспечивает окисление монооксида углерода и углеводородных соединений, а также восстановление оксидов азота. Функция покрытия для адсорбции NOx состоит в накоплении оксидов азота (NOx), содержащихся в ОГ двигателей с принудительным воспламенением рабочей смеси и дизельных двигателей, что обеспечивает возможность аккумулирования оксидов азота при работе ДВС на обедненной горючей смеси, последующего их восстановления путем кратковременного перевода ДВС на работу на обогащенной горючей смеси и в завершение их выделения из покрытия.
В следующем варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства радиально-проточный сотовый элемент имеет проточные каналы, которые расположены под углом к средней оси канала, составляющим от 90 до 135°. Указанный угол образуется прежде всего между средней осью канала и направлением ориентации проточных каналов в месте, в котором они отходят непосредственно от внутренней боковой поверхности радиально-проточного сотового элемента. Подобное расположение проточных каналов обеспечивает резкий поворот потока ОГ, содержащиеся в котором агломерированные твердые частицы вследствие этого наибольшей частью попадают в их расположенный в канале или за его выходом улавливатель и задерживаются в нем.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства к улавливателю твердых частиц примыкает трубопровод рециркуляции ОГ. Такой трубопровод рециркуляции ОГ обычно выполнен с таким расчетом, чтобы по нему в ДВС на дальнейшее восстановление содержащихся в ОГ оксидов азота, соответственно не сгоревших углеводородных соединений вновь подавалась лишь сравнительно небольшая часть потока ОГ. Для этого в предлагаемом в изобретении устройстве прежде всего необходимо предусмотреть отвод малой части потока ОГ через улавливатель твердых частиц, который в этом случае выполнен проточным. Тем самым поток ОГ, который таким путем подается в трубопровод рециркуляции ОГ и по нему вновь поступает в ДВС, практически полностью очищен прежде всего от содержавшихся в ОГ твердых частиц.
В следующем варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства улавливатель твердых частиц имеет по меньшей мере один регенератор, выбранный из группы, включающей нагревательную проволоку, нагревательный катализатор, впрыскиватель и покрытие. Наличие регенератора указанного типа обеспечивает регенерацию улавливателя твердых частиц путем удаления из него находящихся в нем, отделенных от потока ОГ твердых частиц через равные или же через зависящие от степени заполнения улавливателя твердых частиц задержанными им твердыми частицами интервалы времени и тем самым предотвращает забивание улавливателя твердых частиц вследствие его заполнения твердыми частицами, отделенными от потока ОГ. Улавливатель твердых частиц можно регенерировать термически или же непрерывно по принципу непрерывно регенерируемого улавливателя (НРУ). При непрерывной регенерации улавливателя твердых частиц скопившаяся в нем сажа превращается при наличии диоксида азота в потоке ОГ в соответствующем количестве в диоксид углерода.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства у радиально-проточного сотового элемента и/или улавливателя твердых частиц расположен по меньшей мере один охватывающий по меньшей мере отдельные их/его участки теплообменник. Интеграция теплообменника в предлагаемое в изобретении устройство позволяет регенерировать тепловую энергию ОГ, например, путем преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, которую можно затем подавать в ее накопители на автомобиле, соответственно ее потребителям. С этой целью теплообменник может быть, например, связан с термоэлектрическими элементами, которые могут быть предусмотрены вне предлагаемого в изобретении устройства и/или в нем.
В одном из предпочтительных вариантов теплообменник имеет один или несколько нагревательных контуров, а именно первый нагревательный контур, который расположен за пределами наружной боковой поверхности радиально-проточного сотового элемента, второй нагревательный контур, который по меньшей мере частично расположен в радиально-проточном сотовом элементе, и/или третий нагревательный контур, который расположен вне улавливателя твердых частиц. В соответствии с этим проходящий через радиально-проточный сотовый элемент поток ОГ по поверхности большой площади обтекает прежде всего расположенные в радиально-проточном сотовом элементе соответственно за пределами его наружной боковой поверхности нагревательные контуры, что позволяет добиться исключительно высокой эффективности теплообменника. При этом расположенный в сотовом элементе нагревательный контур может проходить в основном в продольном направлении протяженности канала, соответственно радиально-проточного сотового элемента через его структуру или в основном поперечно оси канала между проточными каналами радиально-проточного сотового элемента. При необходимости между проточными каналами радиально-проточного сотового элемента можно расположить дисковидные сегменты с термоэлектрическими элементами с тем, чтобы преобразование тепловой энергии ОГ в электрическую энергию по меньшей мере частично происходило в радиально-проточном сотовом элементе. В этом случае также обеспечивается компактность конструкции предлагаемого в изобретении устройства.
Предлагаемое в изобретении устройство можно далее выполнить с по меньшей мере одним первым катализатором окисления, предусмотренным перед одним из ионизаторов. Такой катализатор окисления позволяет эффективно регулировать состав ОГ, например, касательно содержания в них диоксида азота и/или их температуру.
Еще одним объектом изобретения является предлагаемый в нем способ очистки отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в выполнении по меньшей мере следующих стадий:
I) электризуют содержащиеся в потоке ОГ твердые частицы,
II) электризованные твердые частицы агломерируют с образованием укрупненных твердых частиц, обладающих повышенной инерционностью массы,
III) часть потока ОГ в количестве по меньшей мере 80 об.% отклоняют на по меньшей мере 90 угловых градусов,
IV) укрупненные твердые частицы, которые теперь обладают повышенной инерционностью массы, отделяют от потока ОГ путем его отклонения и
V) улавливают укрупненные твердые частицы.
Предлагаемый в изобретении способ пригоден прежде всего для эксплуатации или управления работой предлагаемого в изобретении устройства.
Помимо этого при осуществлении предлагаемого в изобретении способа на по меньшей мере 90 угловых градусов отклоняют часть потока ОГ в количестве по меньшей мере 80 об.%, предпочтительно по меньшей мере 90 об.%, особенно предпочтительно по меньшей мере 95 об.%, которая тем самым проходит через предусмотренный для этого радиально-проточный сотовый элемент. При выполнении улавливателя твердых частиц в виде (непроточного) тупика в радиально-проточный сотовый элемент в канале предлагаемого в изобретении устройства отклоняется все 100 об.% потока ОГ.
Не отклоненная в радиально-проточный сотовый элемент объемная часть потока ОГ проходит через предусмотренный для нее улавливатель твердых частиц, в котором по меньшей мере частично задерживаются по меньшей мере частично агломерированные твердые частицы. После прохождения через улавливатель твердых частиц эту меньшую объемную часть потока ОГ предпочтительно подавать в трубопровод рециркуляции ОГ или вновь объединять с ранее отклоненной частью потока ОГ в точке, расположенной по ходу их потока за предлагаемым в изобретении устройством.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа дополнительно предусмотрена возможность регенерации тепловой энергии потока ОГ. С этой целью предусмотрено по меньшей мере частичное преобразование тепловой энергии потока ОГ в электрическую энергию. Наличие подобного теплообменника прежде всего позволяет отводить также тепло от меньшей части потока ОГ, которая по трубопроводу рециркуляции ОГ вновь подается в ДВС.
Помимо этого еще одним, предпочтительным объектом настоящего изобретения является также автомобиль с системой выпуска отработавших газов, имеющей предлагаемое в изобретении устройство.
Ниже изобретение, а также необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Необходимо отметить, что на этих чертежах представлены особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем. На всех чертежах одни и те же детали и элементы обозначены также одинаковыми позициями. На прилагаемых к описанию (схематичных) чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - система выпуска ОГ, образующихся при работе ДВС, с предлагаемым в изобретении устройством,
на фиг.2 - выполненное по первому варианту предлагаемое в изобретении устройство,
на фиг.3 - выполненное по другому варианту предлагаемое в изобретении устройство и
на фиг.4 - выполненная еще по одному варианту система выпуска ОГ, образующихся при работе ДВС.
На фиг.1 схематично показан автомобиль 41 с системой 40 выпуска ОГ, в которой по ходу потока ОГ после ДВС 3 предусмотрено устройство 1 для очистки потока 2 ОГ. При этом по ходу потока ОГ перед устройством 1 установлен первый катализатор 32 окисления (каталитический нейтрализатор окислительного типа), который прежде всего со своей выходной торцевой стороны снабжен устройством 33 для подачи восстановителя, который подается этим устройством преимущественно на заднюю сторону первого катализатора 32 окисления. Само устройство 1 имеет ионизатор 4 с устройством 19, пригодным для электризации твердых частиц, присутствующих в потоке 2 ОГ. Такие электризованные твердые частицы по меньшей мере периодически отделяются от потока ОГ в расположенном далее по ходу потока ОГ агломераторе 6, который образован трубой 20, структурой 21 или сотовым элементом 22. Агломерированные таким путем и поэтому укрупненные твердые частицы вследствие пульсации потока 2 ОГ и/или в результате внешнего возбуждения агломератора 6 возвращаются в поток 2 ОГ и в результате попадают в расположенный далее по ходу потока ОГ вход 10 с первой торцевой стороны 11 канала 8. По меньшей мере преобладающая часть потока 2 ОГ отклоняется внутри канала 8 в радиально-проточный сотовый элемент 14. Такой радиально-проточный сотовый элемент 14 расположен при этом на боковой поверхности 9 канала 8. Канал 8 со своей второй торцевой стороны 13 имеет далее выход 12, через который по меньшей мере часть твердых частиц, прежде всего укрупненных твердых частиц, попадает в их улавливатель 18. После прохождения через радиально-проточный сотовый элемент 14 и прежде всего после прохождения через улавливатель 18 твердых частиц поток 2 ОГ по выпускным трубопроводам 34 вновь поступает в общий выпускной трубопровод 34 и прежде всего после прохождения через второй катализатор 35 окисления, который в данном случае предусмотрен прежде всего в качестве задерживающего катализатора, предотвращающего прорыв восстановителя, выбрасывается в атмосферу.
На фиг.2 показано выполненное по первому варианту устройство 1. При этом на данном чертеже не показаны ионизатор и агломератор. Они могут располагаться вне канала 8 или внутри него. При их расположении внутри канала 8 он удлинен навстречу направлению потока 2 ОГ вдоль средней оси 25, и поэтому ионизатор и агломератор расположены вне пределов протяженности 42 радиально-проточного сотового элемента 14, а к его проточным каналам 17 имеется свободный доступ. Поток 2 ОГ поступает в канал 8 через его вход 10, который расположен с первой торцевой стороны 11 канала 8, и вследствие повышенного аэродинамического сопротивления, создаваемого расположенным в канале 8 или за ним улавливателем 18 твердых частиц, отклоняется по меньшей мере большей частью под углом 24 в радиально-проточный сотовый элемент 14. При этом радиально-проточный сотовый элемент 14 своей внутренней боковой поверхностью 15 расположен на боковой поверхности 9 канала 8, и поэтому поток 2 ОГ по меньшей мере большей частью проходит через проточные каналы 17 радиально-проточного сотового элемента 14 радиально наружу. Эта часть потока 2 ОГ выходит затем из радиально-проточного сотового элемента 14 через его радиально наружную боковую поверхность 16 и движется далее по выпускным трубопроводам 34. Другая, прежде всего малая часть потока 2 ОГ проходит по каналу 8 и попадает в улавливатель 18 твердых частиц, который в данном случае расположен в канале 8 перед его выходом 12 на второй торцевой стороне 13 канала 8. Улавливатель 18 твердых частиц по меньшей мере частично расположен при этом в пределах протяженности 42 радиально-проточного сотового элемента 14 в его продольном направлении 43. Диаметр улавливателя 18 твердых частиц при этом меньше диаметра канала 8, и поэтому поток 2 ОГ может проходить через все проточные каналы 17 радиально-проточного сотового элемента 14. Эта предпочтительно лишь малая часть потока 2 ОГ вследствие его отклонения в радиально-проточный сотовый элемент 14 содержит преобладающую часть присутствующих в потоке 2 ОГ твердых частиц 5, которые при прохождении через ионизатор и агломератор агломерировались в укрупненные твердые частицы 7. Такие твердые частицы 7 задерживаются в улавливателе 18 твердых частиц. Прошедшая через улавливатель 18 твердых частиц часть потока 2 ОГ затем объединяется с проходящим по общим выпускным трубопроводам 34 потоком ОГ, прошедшим через радиально-проточный сотовый элемент 14, и направляется далее.
На фиг.3 показано выполненное по другому варианту устройство 1, при этом и в данном случае на этом чертеже, как и на фиг.2, не показаны ионизатор и агломератор. Поток 2 ОГ поступает в канал 8 через расположенный с его первой торцевой стороны 11 вход 10 и по меньшей мере большей частью отклоняется в радиально-проточный сотовый элемент 14. При этом в данном случае предусмотрен по меньшей мере один теплообменник 36, прежде всего с первым нагревательным контуром 37, который расположен радиально за пределами наружной боковой поверхности 16 радиально-проточного сотового элемента 14. Помимо этого предусмотрен второй нагревательный контур 38, который при необходимости соединен с первым нагревательным контуром 37 и который выполнен прежде всего независимым от него. Этот второй нагревательный контур 38 можно также предусматривать независимо от первого нагревательного контура 37. Второй нагревательный контур проходит внутри радиально-проточного сотового элемента 14 и расположен прежде всего поперечно его проточным каналам 17.
Другая, прежде всего малая часть потока 2 ОГ полностью проходит по каналу 8 и через его выход 12 попадает в улавливатель 18 твердых частиц, который расположен за выходом 12 канала 8 на его второй торцевой стороне 13.
В данном варианте прежде всего предусмотрен третий нагревательный контур 39, позволяющий отводить тепло от улавливателя 18 твердых частиц, выделяющееся внутри него главным образом в результате его непрерывной регенерации, но также в результате его термической регенерации.
Нагревательные контуры 37, 38, 39 могут при этом иметь термоэлектрические элементы, наличие которых обеспечивает возможность преобразования тепловой энергии ОГ в электрическую энергию. Такие термоэлектрические элементы могут быть предусмотрены в устройстве 1 или вне него.
На фиг.4 показано выполненное еще по одному варианту устройство 1, при этом в данном случае предусмотрен трубопровод 26 рециркуляции ОГ, по которому в ДВС 3 автомобиля 41 подается часть потока 2 ОГ. При этом поток 2 ОГ, образующихся при работе ДВС 3, проходит через специально предусмотренный первый катализатор 32 окисления, пригодный для превращения присутствующих в потоке 2 ОГ углеводородных соединений и монооксида углерода. С задней по ходу потока ОГ стороны этого катализатора окисления расположено прежде всего устройство 33 для подачи восстановителя в поток 2 ОГ, при этом восстановитель в предпочтительном варианте подается на выходную по ходу потока ОГ торцевую сторону первого катализатора 32 окисления. Таким путем обеспечиваются практически полное испарение и эффективное распределение восстановителя в потоке 2 ОГ, который затем поступает в ионизатор 4 и агломератор 6. После этого поток ОГ 2 направляется в канал 8 и из него проходит далее через радиально-проточный сотовый элемент 14, соответственно через улавливатель 18 твердых частиц, в котором при этом из потока 2 ОГ удаляется преобладающая часть присутствующих в нем твердых частиц. При этом та часть потока 2 ОГ, которая выходит из улавливателя 18 твердых частиц, вновь подается в ДВС 3 по трубопроводу 26 рециркуляции ОГ. Другая же часть потока 2 ОГ, которая проходит через радиально-проточный сотовый элемент 14, после выхода из него поступает в выпускной трубопровод 34, в котором при необходимости предусмотрен второй катализатор 35 окисления, который в данном случае выполнен в виде задерживающего катализатора, исключающего попадание восстановителя в окружающую среду.
В соответствии с вышеописанным в настоящем изобретении предлагается прежде всего устройство для очистки потока ОГ нестационарного ДВС, которое по меньшей мере имеет ионизатор, агломератор и (каталитически активный) радиально-проточный сотовый элемент, который охватывает канал выпускного трубопровода и в который из этого канала отклоняется поток ОГ, тогда как агломерированные твердые частицы задерживаются в их улавливателе, предусмотренном в данном канале.
Перечень ссылочных обозначений:
1 - устройство
2 - поток отработавших газов (ОГ)
3 - двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
4 - ионизатор
5 - твердые частицы
6 - агломератор
7 - укрупненные твердые частицы
8 - канал
9 - боковая поверхность
10 - вход
11 - первая торцевая сторона
12 - выход
13 - вторая торцевая сторона
14 - радиально-проточный сотовый элемент
15 - внутренняя боковая поверхность
16 - наружная боковая поверхность
17 - проточный канал
18 - улавливатель твердых частиц
19 - устройство
20 - труба
21 - структура
22 - сотовый элемент
23 - покрытие
24 - угол
25 - средняя ось
26 - трубопровод рециркуляции ОГ
27 - регенератор
28 - нагревательная проволока
29 - нагревательный катализатор
30 - впрыскиватель
31 - покрытие
32 - первый катализатор окисления
33 - устройство для подачи восстановителя
34 - выпускной трубопровод
35 - второй катализатор окисления
36 - теплообменник
37 - первый нагревательный контур
38 - второй нагревательный контур
39 - третий нагревательный контур
40 - система выпуска ОГ
41 - автомобиль
42 - протяженность
43 - продольное направление.
1. Устройство (1) для очистки потока (2) отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя (3) внутреннего сгорания, имеющее по меньшей мере следующие компоненты:
а) ионизатор (4), предназначенный для электризации твердых частиц (5), содержащихся в потоке (2) ОГ,
б) агломератор (6), предназначенный для по меньшей мере частичной агломерации электризованных твердых частиц (5),
в) канал (8), который по меньшей мере имеет проточную боковую поверхность (9), вход (10) со своей первой торцевой стороны (11) и выход (12) со своей второй торцевой стороны (13),
г) радиально-проточный сотовый элемент (14), который имеет внутреннюю боковую поверхность (15), наружную боковую поверхность (16) и проходящие от внутренней боковой поверхности (15) к наружной боковой поверхности (16) проточные каналы (17) и который своей внутренней боковой поверхностью (15) расположен на боковой поверхности (9) канала (8), и
д) улавливатель (18) твердых частиц, по меньшей мере временно задерживающий твердые частицы (5), содержащиеся в потоке (2) ОГ,
при этом ионизатор (4) и агломератор (6) расположены перед входом (10) канала (8) или в нем, а улавливатель (18) твердых частиц расположен за выходом канала (8) или в нем.
2. Устройство (1) по п.1, в котором ионизатор (4) имеет устройство (19) для создания коронного или плазменного разряда.
3. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором агломератор (6) имеет по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей трубу (20), структуру (21) и сотовый элемент (22).
4. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором радиально-проточный сотовый элемент (14) по меньшей мере частично снабжен по меньшей мере одним покрытием (23), выбранным из группы, включающей покрытие для селективного каталитического восстановления, покрытие для трехкомпонентной каталитической нейтрализации ОГ и покрытие для адсорбции NOx.
5. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором радиально-проточный сотовый элемент (14) имеет проточные каналы (17), которые расположены под углом (24) к средней оси (25) канала (8), составляющим от 90 до 135°.
6. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором к улавливателю (18) твердых частиц примыкает трубопровод (26) рециркуляции ОГ.
7. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором улавливатель (18) твердых частиц имеет по меньшей мере один регенератор (27), выбранный из группы, включающей нагревательную проволоку (28), нагревательный катализатор (29), впрыскиватель (30) и покрытие (31).
8. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором у радиально-проточного сотового элемента (14) и/или улавливателя (18) твердых частиц расположен по меньшей мере один охватывающий по меньшей мере отдельные их/его участки теплообменник (36).
9. Устройство (1) по п.8, в котором теплообменник (36) имеет несколько нагревательных контуров, а именно первый нагревательный контур (37), который расположен за пределами наружной боковой поверхности (16) радиально-проточного сотового элемента (14), второй нагревательный контур (38), который по меньшей мере частично расположен в радиально-проточном сотовом элементе (14), и третий нагревательный контур (39), который расположен вне улавливателя (18) твердых частиц.
10. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором перед одним из ионизаторов (4) предусмотрен по меньшей мере один первый катализатор (32) окисления.
11. Способ очистки отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя (3) внутреннего сгорания, заключающийся в выполнении по меньшей мере следующих стадий:
I) электризуют содержащиеся в потоке (2) ОГ твердые частицы (5),
II) электризованные твердые частицы (5) агломерируют с образованием укрупненных твердых частиц, обладающих повышенной инерционностью массы,
III) часть потока (2) ОГ в количестве по меньшей мере 80 об.% отклоняют на по меньшей мере 90 угловых градусов,
IV) укрупненные твердые частицы, которые теперь обладают повышенной инерционностью массы, отделяют от потока (2) ОГ путем его отклонения и
V) улавливают укрупненные твердые частицы.
12. Автомобиль (41) с системой (40) выпуска отработавших газов, имеющей устройство (1) по одному из пп.1-10.
