СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОКРАЩЕНИЯ ЧАСТИЦ САЖИ В ОТРАБОТАННОМ ГАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR DECREASE OF SOOT PARTICLE CONTENT IN EXHAUST GAS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Предметом настоящего изобретения являются способ и устройство для сокращения частиц сажи в отработанном газе (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
ДВС, которые работают на углеводородах в качестве топлива, выпускают ОГ, который, среди прочего, также содержит углеродосодержащие частицы. Эти углеродосодержащие частицы имеют разные размеры, распределение которых зависит от многих условий. Прежде всего, углеродосодержащие частицы малых диаметров, которые также называются тонкой пылью, являются причиной заболеваний человека и животных. Под тонкой пылью здесь подразумеваются, прежде всего, частицы, средний диаметр которых составляет 100 нанометров или меньше. Углеродосодержащие частицы содержат, прежде всего, и углеродные частицы, при определенных условиях, с осажденными углеводородами.
Для уменьшения выбросов частиц, прежде всего, в автомобилях часто применяют так называемые закрытые пылевые фильтры, в которых ОГ проходит через структуру, которая имеет попеременно закрытые каналы, а между - каналами пористые стенки. Для обеспечения наименьшего противодавления пылевого фильтра также и в уже насыщенном состоянии необходимо использовать пористость, которая именно тонкую пыль может пропускать по существу еще неотфильтрованной.
Также известно, что в результате создания электрического поля и/или плазмы происходит агломерация мелких частиц сажи в более крупные частицы и/или электрический заряд частиц сажи. Электрически заряженные частицы сажи и/или более крупные частицы сажи, как правило, могут быть отделены в фильтрационной системе явно проще. Агломераты частиц сажи, из-за их большей инерции транспортируются в потоке ОГ более инертно и поэтому проще осаждаются в местах изменения направления потока ОГ. Электрически заряженные частицы сажи, в связи со своим зарядом, притягиваются к противоположно заряженным поверхностям, на которых они откладываются и отдают свой заряд. Это также облегчает удаление частиц сажи из потока ОГ при эксплуатации автомобилей с помощью различных фильтрационных или сепарационных устройств.
Эффективность электрического поля для описанных процессов зависит, среди прочего, от напряженности поля, однородности электрического поля в зоне действия и его воспроизводимости в течение длительных промежутков времени. Чем выше применяемые напряжения, тем выше эффективность, однако возрастают и трудности, связанные с изоляцией, предотвращением коротких замыканий и нежелательных пробоев напряжения. Это более или менее существенно относится ко всем известным компоновкам электрического поля в системе нейтрализации ОГ. К тому же при коротком замыкании или пробое напряжения, также называемом электрической дугой, электрическое поле время от времени может разрушаться, так что в течение таких промежутков времени работа системы не обеспечена.
Таким образом, в основе настоящего изобретения лежит задача, по меньшей мере, частично решить указанные проблемы и, прежде всего, предложить усовершенствованное по сравнению с уровнем техники устройство для создания электрического поля для мобильной системы обработки ОГ. Кроме того, должен быть указан способ обработки ОГ.
Эти задачи решены посредством устройства с признаками п.1 формулы изобретения, а также посредством способа с признаками п.9 формулы изобретения. Другие благоприятные варианты устройства и способа указаны в соответственно сформулированных зависимыми пунктах формулы изобретения. Приведенные в формуле изобретения по отдельности признаки являются комбинируемыми между собой любым, технологически рациональным, образом и могут быть дополнены поясняющими фактами из описания, причем показываются дополнительные варианты осуществления изобретения.
Устройство согласно изобретению для сокращения частиц сажи в ОГ, прежде всего ОГ ДВС, имеет по меньшей мере одну первую, по меньшей мере, частично электропроводную структуру, вторую, по меньшей мере, частично электропроводную структуру, промежуточное пространство между первой структурой и второй структурой, источник высокого напряжения для создания электрического потенциала между первой структурой и второй структурой, причем в промежуточном пространстве расположена по меньшей мере одна, по меньшей мере, частично электропроводная промежуточная структура, на которой может быть создан промежуточный потенциал.
При этом электропроводная промежуточная структура за счет своей формы и/или своего потенциала позволяет оказывать влияние на электрическое поле в промежуточном пространстве. Таким образом, эта промежуточная структура может быть использована для того, чтобы сделать электрическое поле как можно более однородным или же для того, чтобы структурировать электрическое поле между первой структурой и второй структурой неоднородно. В простейшем случае промежуточная структура может быть расположена посередине в промежуточном пространстве и при этом получать потенциал в середине между потенциалами первой структуры и второй структуры. Это приводит к гомогенизации электрического поля, что является благоприятным для некоторых случаев применения. Однако промежуточная структура также может быть применена и для того, чтобы сделать электрическое поле неоднородным, как в направлении потока ОГ, так и перпендикулярно ему, то есть в радиальном направлении. Поскольку поток ОГ в корпусе ни в коем случае не является однородным, таким образом, при необходимости, форма электрического поля может быть адаптирована к гидродинамике потока, например концентрирована к середине потока.
В одном благоприятном усовершенствовании изобретения первая структура, промежуточная структура и вторая структура расположены друг за другом в направлении потока, так что структуры могут быть обтекаемы ОГ одна за другой. Таким образом, структуры в каждом случае могут быть адаптированы к имеющейся гидродинамической ситуации. Однако в каждом случае структуры также могут быть соответственно адаптированы так, что они могут оказывать влияние на поток поодиночке.
Является предпочтительным, что как первая структура, вторая структура, так и промежуточная структура являются проходимыми для ОГ. В этой связи особо предпочтительно, что первая структура, вторая структура и промежуточная структура полностью перекрывают поток ОГ в поперечном сечении, так что, прежде всего, структуры могут быть проходимыми в каждом случае отдельно друг за другом полностью всем ОГ.
В одной предпочтительной форме осуществления изобретения по меньшей мере одна из структур имеет несколько проходимых для ОГ каналов, причем рассматривается, прежде всего, выполнение в виде сотового тела. Сотовые тела в уровне техники уже были предложены в качестве первой структуры и в качестве второй структуры, причем, прежде всего, вторая структура может быть выполнена в виде ловушки для частиц. Выполненные в виде ловушки для частиц сотовые тела известны в уровне техники во многих конструктивных формах и могут, поскольку они, по меньшей мере, частично являются электропроводными, найти применение в качестве второй структуры и для настоящего изобретения. Для первой структуры и промежуточной структуры рассматриваются, прежде всего, образованные в виде листовых слоев сотовые тела с проходимыми для ОГ каналами, такие как они также в большом количестве известны из уровня техники.
Является особо предпочтительным, что, по меньшей мере, первая структура имеет несколько проходимых для ОГ каналов, причем, прежде всего, первая структура и промежуточная структура имеют несколько проходимых для ОГ каналов. В качестве альтернативы, особо предпочтительно, что первая структура и вторая структура имеют несколько проходимых для ОГ каналов. В еще одной конструктивной форме могут и все структуры иметь проходимые для ОГ каналы.
Предпочтительно, согласно изобретению все или часть структур могут быть полностью или частично снабжены каталитически активным покрытием. Прежде всего, в качестве первой и второй структуры в расчет принимаются сотовые тела с каталитическими покрытиями, которые находят применение в типичных системах нейтрализации ОГ автомобилей. Промежуточная структура, напротив, в общем, не обеспечивает большую поверхность, а выполнена в виде короткого в направлении потока диска, так что каталитически активное покрытие имеет небольшое значение. Промежуточная структура также может быть выполнена в виде металлической сетки или в виде проволоки в форме меандра.
Типичные устройства для ионизации в ОГ, так как они описываются здесь, имеют в электрическом поле электроды, на остриях которых возникают особенно высокие электрические поля, что благоприятствует отделению электронов, а тем самым и ионизации. Согласно изобретению, предпочтительно, также и первая структура имеет первую группу электродов, которые имеют форму и ориентированы для образования разрядов между остриями. Особо предпочтительно также и промежуточная структура имеет вторую группу электродов, причем электроды выполнены и ориентированы так, что они могут формировать разряды между остриями при приложении высокого напряжения между первой структурой и промежуточной структурой или же между промежуточной структурой и второй структурой. При использовании нескольких промежуточных структур в ОГ могут быть расположены целые серии групп электродов, что благоприятствует равномерной ионизации.
Первая структура и по меньшей мере одна промежуточная структура расположены электрически изолированно в корпусе и посредством электрически изолированных выводов соединены с источником высокого напряжения. Электрическая изоляция внутри корпуса в области промежуточного пространства предотвращает нежелательные деформации электрического поля и пробои напряжения между структурами и корпусом. Особо предпочтительно, источник высокого напряжения оснащен одним или несколькими делителями напряжения, причем становится возможным выборочное отключение первой структуры или промежуточной структуры от источника высокого напряжения с помощью выключателя.
В еще одной форме осуществления изобретения в промежуточном пространстве имеются по меньшей мере две расположенные на расстоянии друг от друга промежуточные структуры, что делает возможной еще лучшую, адаптируемую к различным случаям применения форму электрического поля.
Изобретение также относится к способу обработки имеющего частицы сажи ОГ, прежде всего с помощью устройства, как оно было описано выше. При этом ОГ течет от первой структуры ко второй структуре, и, по меньшей мере, между первой структурой и второй структурой прилагается высокое напряжение, так что, по меньшей мере, часть частиц сажи в ОГ ионизируется или агломерируется и осаждается на второй структуре. Согласно изобретению, по меньшей мере, время от времени на промежуточную структуру, которая расположена в промежуточном пространстве между первой структурой и второй структурой, подводится высокое напряжение, которое имеет величину между потенциалами первой и второй структуры. Таким образом, оказывается влияние на аксиальную и/или радиальную характеристику электрического поля между первой и второй структурой, так что для каждого случая применения могут быть созданы благоприятные характеристики поля.
При этом изобретение также обеспечивает возможность варьировать потенциал промежуточной структуры и тем самым адаптировать его к различным условиям эксплуатации. Таким образом, возможна даже регенерация загрязненных или неравномерно сгоревших электродов первой структуры. При нескольких промежуточных структурах с собственными группами электродов могут и они эксплуатироваться по-разному путем изменения соответственно имеющегося на промежуточных структурах напряжения. При применении относительно высокого общего напряжения между первой и второй структурой, например 10 кВ (киловольт) напряжение может быть подразделено промежуточными структурами так, что даже при отдельно возникающих пробоях напряжения остальная часть системы поддерживает нейтрализацию ОГ в рабочем состоянии.
Далее изобретение поясняется более детально на примере осуществления, которым оно, однако, не ограничено.
На фиг.1 показана схематическая конструкция устройства согласно изобретению с промежуточной структурой.
Первая структура 1 и вторая структура 2 расположены в корпусе 4 с промежуточным пространством 3. В настоящем примере осуществления вторая структура 2 электрически соединена с корпусом 3 и образует опорный потенциал, также называемый массой. Электрическая изоляция отделяет первую структуру 1 от корпуса 4 и также простирается на внутренней стороне корпуса 4 через все промежуточное пространство 3. Первая структура 1 через первый вывод 6 может быть соединена с источником 11 высокого напряжения, и на нее может быть подано положительное или отрицательное высокое напряжение, например 2,5-25 кВ, предпочтительно 5-5 кВ. Первая структура 1 оснащена первой группой электродов 7, которые при приложении высокого напряжения приводят к пиковым разрядам в промежуточном пространстве 3, что благоприятствует ионизации подлежащего нейтрализации ОГ. Освобождающиеся электроны посредством имеющегося электрического поля ускоряются в промежуточное пространство 3, что приводит к ионизации атомов или молекул подлежащего нейтрализации ОГ. В промежуточном пространстве 3 расположена промежуточная структура 8, которая также электрически изолирована от корпуса 4 и через второй вывод 9 на нее также может быть подано высокое напряжение. Следующие варианты осуществления, по смыслу, также имеют действительность при использовании двух или более промежуточных структур.
Источник 11 высокого напряжения оснащен делителем напряжения, который схематически в простейшем случае состоит из первого сопротивления 22 и второго сопротивления 23. Над первым сопротивлением 22 отпадает первая составляющая 12 напряжения, над вторым сопротивлением 23, вторая составляющая 13 напряжения. Если первое сопротивление 22 и/или второе напряжение 23, как обозначено на чертеже, являются регулируемыми, разделение общего напряжения источника 11 высокого напряжения на первую составляющую 12 напряжения и вторую составляющую 13 напряжения может варьироваться и устанавливаться на желаемую величину. В простейшем случае тем самым достигают однородного распределения электрического поля в промежуточном пространстве 3, например, если промежуточная структура 8 находится точно посередине между первой структурой 1 и второй структурой 2, и промежуточная структура 8 устанавливается также с напряжением в середине между потенциалом первой структуры 1 и второй структуры 2. Однако является возможным повышать электрическое поле около первой структуры 1 и первой группы электродов 7 за счет того, что для промежуточной структуры 8 выбирается лежащий ближе к потенциалу второй структуры 2 потенциал.
В представленном примере осуществления промежуточная структура 8 имеет вторую группу электродов 10, в результате чего при соответствующем выборе первой составляющей 12 напряжения и второй составляющей 13 напряжения создаются две группы разрядов между остриями в подлежащем нейтрализации ОГ. Это дает различные благоприятные возможности адаптировать устройство к различным условиям эксплуатации и требованиям.
Типичным образом, вторая структура 2 выполнена в виде фильтрующего элемента 14 и служит для сепарации частиц сажи, которые в промежуточном пространстве 3 ионизируются и/или агломерируются. Каталитически активное покрытие поддерживает преобразование частиц сажи и регенерацию фильтрующего элемента 14. Первая структура 1 типично выполнена в виде металлического сотового тела 15 из структурированных листовых слоев 16 с закрепленными в них штифтовыми электродами 18. Также и оно тоже может быть снабжено каталитически активным покрытием 19.
Настоящее изобретение делает возможной равномерную и адаптируемую к различным условиям эксплуатации нейтрализацию ОГ с незначительной восприимчивостью к помехам при применении ионизирующих высоких напряжений.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1
Первая структура
2
Вторая структура
3
Промежуточное пространство
4
Корпус
5
Электрическая изоляция
6
Первый вывод
7
Первая группа электродов
8
Промежуточная структура
9
Второй вывод
10
Вторая группа электродов
11
Источник высокого напряжения
12
Первая составляющая напряжения
13
Вторая составляющая напряжения
14
Фильтрующий элемент
15
Сотовое тело
16
Структурированные листовые слои
17
Проходимые для ОГ каналы
18
Штифтовые электроды
19
Каталитически активное покрытие
20
Первый выключатель
21
Второй выключатель
22
Первое сопротивление
23
Второе сопротивление