СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОКРАЩЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ РАБОТЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR REDUCING AMOUNT OF SOLID PARTICLES IN WASTE GAS PRODUCED IN ICE OPERATION

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для сокращения количества твердых частиц в отработавших газах (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
В отработавших газах, выбрасываемых двигателями внутреннего сгорания, работающими на углеводородах в качестве топлива, помимо иных компонентов присутствуют также углеродсодержащие твердые частицы. Такие углеродсодержащие твердые частицы имеют различные размеры с переменным распределением. Подобные углеродсодержащие твердые частицы и особенно частицы малого диаметра, которые называют также высокодисперсной пылью, могут являться причиной различных заболеваний людей и животных. Под высокодисперсной пылью в данном контексте подразумеваются главным образом твердые частицы со средним диаметром 100 нм или менее. К числу углеродсодержащих твердых частиц относятся, в частности, и углеродные частицы с возможно осевшими на них углеводородами.
Для сокращения выброса твердых частиц в атмосферу, прежде всего с ОГ автомобилей, часто применяют так называемые фильтры закрытого типа для улавливания твердых частиц, имеющие проточную для ОГ структуру, образованную попеременно закрытыми, т.е. попеременно выполненными глухими, с ее противоположных концов каналами и ограничивающими их пористыми стенками. Для уменьшения противодавления, создаваемого фильтром для улавливания твердых частиц потоку ОГ, до минимально возможного даже в уже насыщенном задержанными твердыми частицами состоянии стенки каналов должны иметь такую пористость, чтобы именно высокодисперсная пыль могла проходить через фильтр в основном без задерживания им, в связи с чем подобные фильтры закрытого типа пропускают как раз те твердые частицы, которые согласно широко распространенному на сегодня мнению представляют особо высокую опасность для здоровья человека.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать такие способ и устройство для обработки ОГ, образующихся при работе ДВС, которые позволяли бы по меньшей мере снизить остроту известных из уровня техники проблем.
Указанная задача решается с помощью устройства и способа, заявленных в соответствующих независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Предлагаемое в изобретении устройство предназначено для сокращения количества твердых частиц в отработавших газах (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и имеет по меньшей мере две проточные для ОГ структуры, при этом при работе такого устройства поток ОГ проходит сначала через первую проточную структуру, а затем через вторую проточную структуру. Согласно изобретению предусмотрена возможность создания разности электрических потенциалов между этими проточными структурами, каждая из которых образована сотовой структурой с несколькими проточными для текучей среды полостями.
Под "проточной структурой" в данном контексте подразумевается компонент с по меньшей мере одной проточной для ОГ полостью. В качестве примера подобных проточных структур можно назвать сотовые элементы, структуры из проволочной сетки, структуры из пенометалла и иные аналогичные проточные структуры. Разность электрических потенциалов между проточными структурами можно прежде всего создавать, электрически соединяя одну из проточных структур, предпочтительно вторую проточную структуру, с "массой" (корпусом) и подводя к первой проточной структуре электрическое напряжение, предпочтительно отрицательного знака по сравнению с потенциалом "массы". Между по меньшей мере одной из проточных структур и другими компонентами системы выпуска ОГ, прежде всего между одной из проточных структур и по меньшей мере еще одной проточной структурой, наиболее предпочтительно предусматривать электрическую изоляцию. Предпочтительно при этом создавать разность электрических потенциалов, не приводящую к образованию плазмы.
Технические результаты, связанные с применением сотовых структур при осуществлении изобретения, заключаются в следующем. Благодаря увеличенной площади поверхности стенок каналов сотовой структуры увеличивается степень ионизации частиц в первой сотовой структуре и увеличивается вероятность осаждения частиц на стенках второй сотовой структуры и агломерации частиц. Кроме того, вынужденное прохождение отработавших газов через каналы сотовой структуры обеспечивает ламинаризацию потока отработавших газов. Такое успокоение потока и придание ему равномерности способствует ионизации содержащихся в отработавших газах твердых частиц. Одновременно расположенная ниже по потоку вторая сотовая структура создает сопротивление потоку газов, повышающее противодавление перед второй сотовой структурой. Это противодавление делает прохождение потока через вторую сотовую структуру более равномерным, и, соответственно, твердые частицы равномерно заполняют все поперечное сечение второй сотовой структуры.
Далее, при работе предлагаемого в изобретении устройства происходит агломерация твердых частиц, что сопровождается увеличением их среднего диаметра с одновременным уменьшением их содержания в ОГ. Подобный эффект основан на электростатической агломерации твердых частиц, при которой они приобретают электрический заряд. Передача электрических зарядов твердым частицам может обеспечиваться, например, ионами азота, после чего твердые частицы становятся носителями отрицательного заряда. Приобретение твердыми частицами отрицательного электрического заряда одновременно способствует также их осаждению на действующей в качестве положительно заряженного электрода проточной структуре и агломерации на ней нескольких твердых частиц. В результате агломерации твердых частиц увеличивается их средний диаметр. Даже при отделении осевших на второй проточной структуре и увеличившихся затем в своих размерах твердых частиц от этой проточной структуры обычно не происходит деагломерация укрупнившихся твердых частиц. В результате при работе предлагаемого в изобретении устройства, с одной стороны, сокращается количество твердых частиц в ОГ, а с другой стороны, максимум функции распределения твердых частиц по крупности смещается в сторону твердых частиц больших размеров, благодаря чему при использовании предлагаемого в изобретении устройства в конечном итоге удается существенно уменьшить выброс в атмосферу прежде всего высокодисперсной пыли.
Проточными для текучей среды полостями в первой и второй проточных структурах могут быть упорядоченно расположенные полости, такие, например, как каналы, и/или неупорядоченно расположенные полости, образованные, например, полостями в пенометалле или в структуре из проволочной сетки.
В случае первой и второй проточных структур речь может идти преимущественно о по меньшей мере частично металлических сотовых структурах. Так, в частности, в предпочтительном варианте по меньшей мере одну проточную структуру можно получить путем свертывания в рулон или скручивания по меньшей мере одного металлического слоя. По меньшей мере один отдельный участок по меньшей мере одного такого слоя предпочтительно при этом выполнять по меньшей мере частично проточным для текучей среды. Помимо этого согласно изобретению возможно также изготовление керамической сотовой структуры с заделанными в ее материал электродами.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства по меньшей мере одна из проточных структур по меньшей мере частично снабжена каталитически активным покрытием.
В данном случае по меньшей мере одну из проточных структур можно снабжать каталитическим покрытием, обычно используемым в трехкомпонентных каталитических нейтрализаторах. В принципе же предпочтительно покрытие, которое катализирует химическое превращение твердых частиц, т.е. прежде всего катализирует по меньшей мере частичное их окисление, и которое благодаря подобным его свойствам позволяет снизить температуру регенерации прежде всего второй проточной структуры, в чем состоит особое преимущество.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого устройства в направлении прохождения через него потока ОГ первая проточная структура имеет первую длину, а вторая проточная структура имеет вторую длину при соотношении между первой длиной и второй длиной менее 1.
При создании изобретения было установлено, что для достижения максимально возможной степени осаждения твердых частиц вторую проточную структуру предпочтительно выполнять длиннее первой проточной структуры. Длину второй проточной структуры выбирают прежде всего с таким расчетом, чтобы при работе предлагаемого в изобретении устройства под действием электростатических сил, создаваемых второй проточной структурой, к ее стенкам отклонялось заданное количество присутствующих в движущемся через нее потоке ОГ твердых частиц. Вместо выполнения проточных структур с соотношением между первой длиной первой из них и второй длиной второй из них меньше единицы их можно выполнять и с указанным соотношением, большим единицы, и в этом случае к примыкающему ко второй проточной структуре участку выпускного трубопровода предпочтительно прикладывать такой же электрический потенциал, что и ко второй проточной структуре, чтобы этот участок выпускного трубопровода также можно было использовать для осаждения на нем твердых частиц, главным образом при высоком расходе ОГ.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого устройства в направлении прохождения через него потока ОГ первая проточная структура имеет первую длину и расположена с отступом от второй проточной структуры, при этом соотношение между первой длиной и величиной указанного отступа в основном превышает 2, предпочтительно в основном превышает 4, а наиболее предпочтительно составляет в основном 7 или более.
В принципе указанный выше отступ в предлагаемом устройстве можно выбирать настолько малой величины, при которой еще не происходит короткого замыкания между первой и второй проточными структурами.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ сокращения количества твердых частиц в отработавших газах (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания и проходящих сначала через первую проточную структуру с первым сотовым элементом, а затем через вторую проточную структуру со вторым сотовым элементом, причем твердые частицы, выходящие из второй проточной структуры, имеют больший средний диаметр, чем твердые частицы, присутствующие в ОГ перед их входом в первую проточную структуру.
При этом между первой и второй проточными структурами создают разность электрических потенциалов.
Для осуществления такого предлагаемого в изобретении способа прежде всего можно использовать описанное выше предлагаемое в изобретении устройство.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа разность электрических потенциалов поддерживают в основном постоянной во времени.
Обеспечить поддержание в основном постоянной во времени разности электрических потенциалов можно простым путем. Под "в основном постоянной" в данном контексте подразумевается разность электрических потенциалов, величина которой колеблется в пределах от 95 до 105% от ее среднего значения.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа разность электрических потенциалов изменяют во времени.
В этом случае наиболее предпочтительно, чтобы изменение разности электрических потенциалов во времени происходило без изменений ее знака на противоположный, т.е. чтобы электрический потенциал второй проточной структуры всегда оставался выше электрического потенциала первой проточной структуры. Предпочтительны при этом периодические изменения разности электрических потенциалов, а наиболее предпочтительны низкочастотные изменения разности электрических потенциалов, прежде всего с частотой 10 Гц и ниже, предпочтительно даже 5 Гц и ниже. Особое преимущество, связанное с изменением разности электрических потенциалов во времени, состоит в возможности обеспечить равномерное и регулярное поступление твердых частиц во вторую проточную структуру.
В следующем предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа создают разность электрических потенциалов свыше 5 кВ.
Согласно этому варианту разность электрических потенциалов, в частности, может также превышать 10 кВ или даже составлять 30 кВ и более. Создание разности электрических потенциалов такой величины обеспечивает эффективную передачу электрических зарядов твердым частицам.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа между первой проточной структурой и второй проточной структурой создают положительную разность электрических потенциалов.
Сказанное означает, что вторая проточная структура находится под более высоким электрическим потенциалом, чем первая проточная структура, и поэтому твердые частицы при их прохождении через первую проточную структуру ионизируются в ней, приобретая отрицательный заряд, а затем осаждаются на второй проточной структуре и агломерируются на ней.
Все преимущества предлагаемого в изобретении способа и частные варианты его осуществления могут относиться также к предлагаемому в изобретении устройству и распространяться на него. И наоборот, все преимущества предлагаемого в изобретении устройства и частные варианты его выполнения могут относиться также к предлагаемому в изобретении способу и распространяться на него.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, представленными на которых вариантами осуществления изобретения его объем не ограничен и на которых, в частности, показано:
на фиг.1 - схематичный вид в продольном разрезе предлагаемого в изобретении устройства, выполненного по одному из вариантов, и
на фиг.2 - схематичный вид в поперечном разрезе проточной структуры, которая может использоваться в предлагаемом в изобретении устройстве.
На фиг.1 схематично показано предлагаемое в изобретении устройство 1 для сокращения количества твердых частиц в ОГ, образующихся при работе ДВС, который на чертеже не показан. При работе такого устройства поток ОГ проходит через него в направлении 2. При работе устройства 1 поток ОГ проходит сначала через первую проточную структуру 3, а затем через вторую проточную структуру 4. Между этими проточными структурами 3, 4 может создаваться разность электрических потенциалов. Каждая проточная структура 3, 4 имеет по электрическому контактному выводу 5, через которые к проточным структурам 3, 4 могут прикладываться определенные электрические потенциалы. В рассматриваемом варианте к первой проточной структуре 3 приложен отрицательный, а ко второй проточной структуре 4 - положительный электрический потенциал. Для этого контактные выводы 5 соединены с соответствующим источником 6 постоянного напряжения.
При прохождении потока содержащих твердые частицы ОГ через первую проточную структуру 3 углеродсодержащие твердые частицы электрически заряжаются и в результате становятся носителями отрицательных зарядов. При дальнейшем прохождении потока ОГ через вторую проточную структуру 4 твердые частицы оседают на ней и при этом прилипают друг к другу, соединяются между собой и тем самым агломерируются. Агломерированные твердые частицы в последующем можно подвергать химическому превращению во второй структуре 4 либо их можно удалять из нее путем импульсной продувки газом. В результате среднее во времени содержание твердых частиц в ОГ после их выхода из второй проточной структуры 4 оказывается меньше, чем в ОГ перед их входом в первую проточную структуру 3. Помимо этого твердые частицы, присутствующие в ОГ, выходящих из второй проточной структуры 4, имеют больший средний диаметр, чем твердые частицы, присутствующие в ОГ перед их входом в первую проточную структуру 3, благодаря чему удается сократить выброс в атмосферу прежде всего высокодисперсной пыли с ОГ, образующимися при работе ДВС.
Первая проточная структура 3 имеет в направлении 2 прохождения через нее потока ОГ первую длину 7, а вторая структура 4 - вторую длину 8. Проточные структуры 3, 4 расположены с отступом 9 одна от другой. В предпочтительном варианте вторая длина 8 меньше первой длины 7. Альтернативно этому или дополнительно к этому отступ 9 предпочтительно должен быть меньше, особенно предпочтительно существенно меньше первой длины 7. Проточные структуры 3, 4 могут быть выполнены, например, в виде обычных сотовых структур, соответственно сотовых элементов. Альтернативно этому или дополнительно к этому проточные структуры 3, 4 могут быть по меньшей мере частично выполнены, например, в виде структур из проволочной сетки, в виде фильтровальных патронов или в виде структур из пенометалла либо пенокерамики.
На фиг.2 схематично в поперечном разрезе показана проточная структура 3, 4 в качестве примера проточной структуры, которая может использоваться в предлагаемом в изобретении устройстве. Такая проточная структура 3, 4 выполнена в виде сотовой структуры 10. В рассматриваемом примере такая сотовая структура 10 образована профилированными 11 и в основном гладкими 12 металлическими слоями, которые набирали в пакеты, которые затем совместно скручивали, и которые образуют каналы 13. Через эти каналы 13 могут проходить ОГ. Первую 3 и вторую 4 проточные структуры в предпочтительном варианте можно изготавливать с разным количеством каналов, приходящимся на единицу площади их поперечного сечения, используя для этого для образования одной и другой из них металлические слои 11, 12 разной толщины. В предпочтительном варианте по меньшей мере некоторые слои 11, 12 можно выполнить пористыми на по меньшей мере отдельных их участках.
В результате происходящей в первой проточной структуре 3 передачи электрического заряда присутствующим в ОГ углеродсодержащим твердым частицам они оседают и агломерируются во второй проточной структуре 4.