УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ СОДЕРЖАЩЕГО ЧАСТИЦЫ САЖИ ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА
APPARATUS FOR TREATING SPENT GAS CONTAINING SOOT PARTICLES

Настоящее изобретение относится к устройству для обработки содержащего частицы сажи отработавшего газа (ОГ), прежде всего с так называемым электростатическим фильтром или же электрофильтром. Изобретение находит применение, прежде всего, при обработке ОГ мобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в автомобилях, прежде всего при обработке ОГ, получающихся из дизельного топлива.
В автомобилях с мобильными ДВС и, прежде всего, в автомобилях с дизельным двигателем, как правило, в ОГ ДВС содержатся определенные количества частиц сажи, которые не должны выбрасываться в окружающую среду. Это предписано соответствующими постановлениями по ОГ, которые задают предельные величины для количества и массы частиц сажи на вес ОГ или объем ОГ, а также частично и для всего автомобиля. Частицы сажи - это, прежде всего, не сгоревшие углероды и углеводороды в ОГ.
Уже обсуждалось множество различных концепций устранения частиц сажи из ОГ мобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Наряду с попеременно закрытыми фильтрами пристеночного потока, открытыми фильтрами побочного потока, гравитационными сепараторами и т.д. уже также предложены системы, в которых частицы сажи в ОГ электрически заряжаются, а затем с помощью сил электростатического притяжения осаждаются. Эти системы известны, прежде всего, под названием «электростатический фильтр» или же «электрофильтр». В «электрофильтрах» за счет создания электрического поля и/или плазмы осуществляется агломерация малых частиц сажи в более крупные частицы сажи и/или электрический заряд частиц сажи. Электрически заряженные частицы сажи и/или более крупные частицы сажи, как правило, значительно проще отделять в фильтрационной системе. Агломераты частиц сажи в связи со своей большей инерцией транспортируются в потоке ОГ более инертно и поэтому проще осаждаются в местах отклонения потока ОГ. Электрически заряженные частицы сажи в связи со своим зарядом притягиваются к поверхностям, на которых они осаждаются и отдают свой заряд. И это тоже облегчает удаление частиц сажи из потока ОГ при эксплуатации автомобилей.
Так, для таких электрофильтров, как правило, предлагается (несколько) коронирующих электродов и коллекторных электродов, которые расположены в выпускном трубопроводе. При этом, например, центральный коронирующий электрод, который проходит примерно посередине через выпускной трубопровод, и окружающая боковая поверхность в выпускном трубопроводе 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, причем коронирующий электрод, например, может эксплуатироваться под высоким напряжением, которое составляет около 15 кВ. В результате этого могут образовываться, прежде всего, коронные разряды, посредством которых текущие с ОГ через электрическое поле частицы униполярно заряжаются. В связи с этим зарядом частицы за счет электростатических кулоновских сил перемещаются 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 отложение частиц на металлической сетке с той целью, чтобы, при необходимости, соединить частицы с другими частицами, чтобы таким образом достигнуть агломерации. Тогда протекающий через сетку ОГ снова увлекает за собой более крупные агломераты частиц и подводит их к классическим системам фильтрации.
2
При регенерации фильтрационных систем, наряду с прерывистой регенерацией посредством кратковременного нагрева, то есть сжигания сажи (каталитически мотивированное, окислительное превращение) также известно преобразование сажи посредством двуокиси азота (NO). Преимущество непрерывной регенерации с помощью двуокиси азота состоит в том, что превращение сажи здесь может происходить уже при явно более низких температурах (прежде всего, ниже 250°C). По этой причине непрерывная регенерация во многих случаях применения является предпочтительной. Однако это приводит к той проблеме, что должно быть обеспечено, чтобы двуокись азота в ОГ в достаточном объеме контактировала с отложившимися частицами сажи.
Также и в этой связи также возникают технические трудности при реализации длительной эксплуатации таких систем выпуска ОГ в автомобилях, причем разные нагрузки ДВС ведут к разным потокам ОГ, составам ОГ и/или температурам.
Кроме того, необходимо учитывать, что при изготовлении таких деталей для такой системы сепарации сажи должны применяться как можно более простые детали, прежде всего также такие, которые экономично изготавливаются в рамках серийного производства. Кроме того, именно при конструировании электродов необходимо учитывать, что они должны быть расположены, при необходимости, выровненным образом, в выпускном трубопроводе, прежде всего так, чтобы в области электрода не возникал нежелательно высокий скоростной напор или же нежелательное завихрение ОГ.
Несмотря на то, что описанные выше системы до сих пор, по меньшей мере, в опытах оказались пригодными для обработки частиц сажи, реализация этой концепции для серийной эксплуатации в автомобилях все еще является большим техническим вызовом. Прежде всего, на электрической изоляции электрода противоположного электрода к выпускному трубопроводу осаждаются частицы сажи, причем слой частиц сажи может привести к короткому замыканию.
Исходя из этого, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично решить указанные со ссылкой на уровень техники проблемы. Прежде всего, должно быть указано устройство для обработки содержащего частицы сажи ОГ, которое предотвращает возникновение коротких замыканий через электрические изоляции.
Эти задачи решены посредством устройства согласно признаками п.1 формулы изобретения. Другие благоприятные варианты устройства указаны в сформулированных соответственно зависимыми пунктах формулы изобретения. Следует указать на то, что приведенные в формуле изобретения по отдельности признаки могут комбинироваться между собой любым технологически рациональным образом и показывают другие варианты осуществления изобретения. Описание, прежде всего, в связи с фигурами поясняет изобретение и приводит дополнительные примеры осуществления.
Устройство согласно изобретению для обработки содержащего частицы сажи ОГ, по меньшей мере, содержит:
- по меньшей мере один ионизирующий элемент для ионизации частиц сажи,
- по меньшей мере один фильтрующий элемент, причем по меньшей мере к одному участку фильтрующего элемента является прилагаемым электрический потенциал
- по меньшей мере одно устройство направления потока, которое может влиять на поток ОГ таким образом, что может быть предотвращено или устранено отложение частиц сажи на по меньшей мере одном ионизирующем элементе или электрической изоляции фильтрующего элемента.
Прежде всего, предложенное здесь устройство может быть частью системы выпуска ОГ автомобиля, который имеет дизельный двигатель и расположено, прежде всего, в выпускном трубопроводе системы выпуска ОГ.
В соответствии с этим, содержащий частицы сажи ОГ протекает через ионизирующий элемент, который содержит по меньшей мере один электрод, к которому может быть приложено электрическое напряжение от 3 кВ (киловольт) до 50 кВ, предпочтительно от 5 кВ до 25 кВ. Напряжение, прежде всего, устанавливается или же регулируется или управляется так, что происходит коронный разряд между электродом и противоположным электродом. Ионизирующий элемент может быть выполнен в виде простого коронирующего электрода или стержневого электрода, но предпочтительно, чтобы ионизирующий элемент содержал сотовое тело с множеством проточных каналов, на входной области или выходной области которого расположен по меньшей мере один электрод, который ориентирован в направлении потока или же против направления потока. Прежде всего, сотовое тело может, по меньшей мере, частично, предпочтительно полностью, быть образовано из электропроводного материала, так что к сотовому телу и тем самым одновременно к электродам может быть приложен электрический потенциал.
Также предпочтительно по меньшей мере один ионизирующий элемент может иметь внешнюю трубку и расположенную концентрично ей внутреннюю трубку, которые образуют проходимое для потока ОГ промежуточное пространство, причем внутри на внешней трубке расположен по меньшей мере один кольцеобразный электрод с множеством радиально вдающихся в промежуточное пространство остриев электрода.
Предпочтительно, по меньшей мере один фильтрующий элемент выполнен в виде поверхностного сепаратора, который имеет множество каналов, которые являются проходимыми для потока ОГ и простираются между входной областью и выходной областью. За счет прилагаемого, по меньшей мере, на одном участке фильтрующего элемента электрического потенциала фильтрующий элемент может быть применен в качестве противоположного электрода к электроду ионизирующих элементов, и отложившиеся в фильтрующем элементе частицы сажи могут быть нейтрализованы.
Особо предпочтительно в случае по меньшей мере с одним фильтрующим элементом речь идет о так называемом открытом фильтре побочного потока, в котором нет полностью закрытых проточных каналов. Напротив, фильтрующий элемент образован с помощью металлического нетканого материала и металлических волнистых слоев, в которых предусмотрены отверстия, направляющие структуры и т.п. При этом направляющие структуры образуют узкие места в проходах для потока, так что время пребывания или же вероятность столкновения для частиц сажи внутри фильтрующего элемента увеличивается. В этой связи указывается на известные патентные публикации заявителя, которые могут быть привлечены для более детальной характеризации фильтрующего элемента и/или их регенерации; прежде всего, в полном объеме делается ссылка на описание из следующих документов: WO-A-01/80978; WO-A-02/00326; WO-A-2005/099867; WO-A-2005/066469; WO-A-2006/136431; WO-A-2007/140932.
При этом регенерация такого фильтрующего элемента происходит предпочтительно непрерывно на основе CRT-метода (метода уловителя сажи с постоянной регенерацией). Для этого перед устройством может быть включен, например, катализатор окисления, в котором (также) моноксид азота окисляется до диоксида азота, который затем вступает в реакцию с сажей в фильтрующем элементе. Кроме того, также является возможным, что такое окислительно действующее покрытие реализовано в самом фильтрующем элементе либо в какой-либо его зоне, либо во всех областях фильтрующего элемента.
По меньшей мере одно устройство направления потока расположено в направлении потока ОГ перед по меньшей мере одним ионизирующим элементом или перед по меньшей мере одним фильтрующим элементом. Устройство направления потока содержит элементы, которые отклоняют, по меньшей мере (пространственно ограниченную часть), ОГ, прежде всего, за счет того, что часть ОГ, по меньшей мере, участками обтекает устройство направления потока, так что на отклонение влияет только форма устройства направления потока. Отклонение частичного потока ОГ происходит таким образом, что частицы сажи совсем не достигают либо ионизирующего элемента (и прежде всего, электрической изоляции ионизирующего элемента) либо электрической изоляции фильтрующего элемента, или сталкиваются с ними таким образом, что поток ОГ действует там так, что осаждение частиц сажи невозможно. Благодаря предотвращению слоя сажи на электрической изоляции и/или на ионизирующем элементе предотвращается и образование короткого замыкания между ионизирующим элементом и/или фильтрующим элементом с выпускным трубопроводом.
Предпочтительно, устройство направления потока содержит по меньшей мере один элемент из следующей группы:
- по меньшей мере один выпрямитель потока,
- по меньшей мере один направляющий щиток.
При этом под выпрямителем потока подразумевается устройство, которое, по меньшей мере, частично уменьшает завихрения в потоке или же ламинирует поток ОГ и тем самым производит более равномерное распределение скорости ОГ по поперечному сечению выпускного трубопровода. Это может происходить, например, через сотовое тело с множеством проходимых для потока ОГ каналов.
Является особенно благоприятным, если устройство направления потока является регулируемым. Так, посредством регулирования устройства направления потока может быть изменено направление части покидающего устройство направления потока ОГ. Прежде всего, через задаваемые интервалы или на основе параметров автомобиля устройство направления потока регулируется так, что попеременно ОГ обтекаются разные области ионизирующего элемента или фильтрующего элемента, причем предотвращается отложение частиц сажи на ионизирующем элементе или электрических изоляциях, или уже отложившиеся частицы уносятся и тем самым устраняются. Для предотвращения отложения частиц сажи на ионизирующем элементе или электрической изоляции фильтрующего элемента устройство направления потока благоприятным образом образует проходимый для потока ОГ диаметр, который меньше, предпочтительно на 10% меньше, особо предпочтительно на 25% меньше, чем проходимый для потока диаметр установленного далее в направлении потока ионизирующего элемента или фильтрующего элемента. Таким образом ОГ совсем не достигает окружающей ионизирующий элемент или фильтрующий элемент электрической изоляции. Поэтому отложения частиц сажи не происходит. Прежде всего, при отклонении частиц сажи электрическим полем ионизирующего элемента заряженные частицы сажи не могут достигать ионизирующего элемента и/или электрической изоляции фильтрующего элемента.
В качестве усовершенствования изобретения предлагается, что по меньшей мере одно устройство направления потока содержит каталитический дожигатель. Таким образом протекающий мимо устройства направления потока ОГ может каталитически преобразовываться.
Предпочтительно, по меньшей мере одно устройство направления потока закреплено прямо на выпускном трубопроводе, так что от дополнительных крепежных элементов для устройства направления потока можно отказаться.
Еще одно усовершенствование изобретения предусматривает, что по меньшей мере одно устройство направления потока образует тень потока в области электрической изоляции, в результате чего также предотвращается отложение частиц сажи, по меньшей мере, на ионизирующем элементе или электрической изоляции фильтрующего элемента. То есть устройство направления потока расположено в потоке ОГ так, что ОГ не обтекает ионизирующий элемент или электрическую изоляцию фильтрующего элемента.
Для предотвращения отложения частиц сажи, по меньшей мере, на ионизирующем элементе или электрической изоляции и устранения уже отложившихся частиц сажи, кроме того, предлагается, что по меньшей мере одно устройство направления потока образует концентрированный набегающий поток в области электрической изоляции с увеличенной скоростью ОГ. Таким образом, скорость ОГ повышена по сравнению со средней по поперечному сечению выпускного трубопровода скоростью ОГ или же скоростью ОГ без устройства направления потока. Это импульсное повышение ОГ обеспечивает то, что уже отложившиеся частицы устраняются, по меньшей мере, с ионизирующего элемента или электрической изоляции, и находящиеся в ОГ частицы наслаиваться не могут.
Согласно еще одной предпочтительной формой осуществления предлагается устройство, в котором устройство направления потока установлено перед ионизирующим элементом, и устройство направления потока имеет проходимую для потока область, которая имеет такие размеры, что ионизированные частицы сажи в потоке ОГ от созданного ионизирующим элементом электрического поля, по меньшей мере, не попадают на поверхность ионизирующего элемента или электрической изоляции фильтрующего элемента. Эта форма осуществления особо предпочтительно скомбинирована с ионизирующим элементом, у которого внешняя трубка и расположенная концентрично ей внутренняя трубка образуют проходимое потоком ОГ промежуточное пространство, причем внутри на внешней трубке расположен по меньшей мере один кольцеобразный электрод с множеством радиально вдающихся в промежуточное пространство остриев электрода. Это, прежде всего, означает, что, исходя радиально из, по меньшей мере, внешней трубки или внутренней трубки, расположено препятствие потоку, радиальная протяженность которого выбирается в зависимости от длины электрического поля ионизирующего элемента в направлении потока, напряженности электрического поля и скорости ОГ так, что ионизированные частицы сажи при эксплуатации, по меньшей мере, не попадают на поверхность ионизирующего элемента или электрических изоляций фильтрующего элемента. То есть основной поток ОГ ограничивается ограниченной частью промежуточного пространства, причем к стенкам ионизирующего элемента образуется лишь незначительный поток ОГ.
Далее изобретение, а также технический контекст поясняются в качестве примера на фигурах. Следует указать на то, что на фигурах показаны особо предпочтительные варианты осуществления изобретения, но это изобретение ими не ограничено.
Схематически показано на:
Фиг.1: конструктивная форма устройства согласно изобретению,
Фиг.2: еще одна конструктивная форма устройства согласно изобретению,
Фиг.3: еще одна конструктивная форма устройства согласно изобретению.
На фиг.1 схематически показано поперечное сечение через устройство 1 согласно изобретению в выпускном трубопроводе 16. В направлении 15 потока содержащего частицы 2 сажи ОГ за устройством 8 направления потока расположен ионизирующий элемент 3 и фильтрующее устройство 4. Устройство 8 направления потока содержит направляющий щиток 11, который не показанными крепежными элементами закреплен на выпускном трубопроводе 16. Ионизирующий элемент 3 имеет электропроводное сотовое тело 17, которое соединено с выпускным трубопроводом 16 через первую электрическую изоляцию 9.1. На задней в направлении 15 потока стороне сотового тела 17 расположено множество электродов 14, которые через первый электрический контакт 13.1 выполнены с возможностью подвода к ним электрического напряжения. Фильтрующий элемент 4 имеет множество каналов 5, которые являются проходимыми для потока ОГ и простираются между входной областью 6 и выходной областью 7. Фильтрующий элемент 4 изолирован от выпускного трубопровода 16 второй электрической изоляцией 9.2. Фильтрующий элемент 4 через второй электрический контакт 13.2 выполнен с возможностью подвода к нему электрического напряжения.
В процессе эксплуатации содержащий частицы 2 сажи ОГ течет к ионизирующему элементу 3 и при этом, по меньшей мере, частично отклоняется перегородкой 11. За счет перегородки 11 часть ОГ ускоряется и попадает на первую электрическую изоляцию 9.1 с повышенной скоростью, в результате чего частицы 2 сажи не могут осаждаться на первой электрической изоляции 9.1, или же уже осажденные на первой электрической изоляции 9.1 частицы снова отделяются.
Далее ОГ протекает через сотовое тело 17 ионизирующего элемента 3, причем поток, по меньшей мере, частично ламинируется. В области между электродами 14 и фильтрующим элементом 4, по меньшей мере, часть частиц 2 сажи в коронном разряде между электродами 14 и фильтрующим элементом 4 ионизируется. Заряженные частицы 2 сажи ускоряются к фильтрующему элементу 4 и в нем из-за своего заряда осаждаются с повышенной скоростью осаждения.
На фиг.2 схематически показано поперечное сечение через еще один конструктивный пример устройства 1 согласно изобретению. Этот конструктивный пример устройства 1 согласно изобретению выполнен сходным конструктивному примеру согласно фиг.1, поэтому здесь подробно рассматриваются только отличия. В этом конструктивном примере устройство 8 направления потока выполнено в виде выпрямителя 10 потока. Выпрямитель 10 потока имеет проходимый для потока диаметр 12, который меньше, чем проходимый для потока диаметр установленного далее ионизирующего элемента 3. В выпрямителе 10 потока поток ОГ, по меньшей мере, частично ламинируется и уменьшается в своем диаметре до проходимого для потока диаметра 12 выпрямителя 10 потока. При достаточной разнице диаметров 12 выпрямителя потока и ионизирующего элемента 3 достигается то, что частицы 2 сажи в ОГ не достигают первых электрических изоляций 9.1 ионизирующего элемента 3. За счет этого предотвращается отложение на электрических изоляциях 9.1.
На фиг.3 схематически показан разрез еще одной конструктивной формы устройства 1 согласно изобретению, причем далее подробно рассматриваются только отличия от конструктивной формы согласно фиг.2. Устройство 8 направления потока имеет сотовое тело 17, которое удерживает противоположный электрод 22 ионизирующего элемента 3. Сотовое тело 17 во внешней и внутренней области имеет закрытые каналы 18, которые с радиальной протяженностью 20 предотвращают протекание потока через сотовое тело 17 в этих областях. Таким образом образуется проходимая для потока область 19 сотового тела 17. Ионизирующий элемент 3 имеет приданный выпускному трубопроводу 16 кольцеобразный электрод 14 с множеством остриев электрода. Центрально в выпускном трубопроводе 16 расположен трубчатый противоположный электрод 22, который удерживается сотовым телом и, при необходимости, изолирован от него. Таким образом, на длине 21 может быть образовано электрическое поле между кольцеобразным электродом 14 и трубчатым противоположным электродом 22.
Радиальная протяженность 20 закрытых каналов 18 выбрана так, что ионизированные частицы 2 сажи от имеющегося между кольцеобразным электродом 14 и противоположным электродом 22 электрического поля не могут быть отклонены настолько, чтобы они могли попасть на поверхность ионизирующего элемента 3. Таким образом, величина радиальной протяженности 20 зависит, по существу, от длины 21, напряженности электрического поля и скорости ОГ.
С помощью настоящего изобретения эффективно предотвращается осаждение частиц сажи на электрической изоляции компонентов нейтрализации ОГ, в результате чего предотвращается возникновение короткого замыкания. За счет этого обеспечена надежная работа системы выпуска ОГ.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ:
1
Устройство
2
Частица сажи
3
Ионизирующий элемент
4
Фильтрующий элемент
5
Канал
6
Входная область
7
Выходная область
8
Устройство направления потока
9.1
Первая электрическая изоляция
9.2
Вторая электрическая изоляция
10
Выпрямитель потока
11
Направляющий щиток
12
Диаметр
13.1
Первый электрический контакт
13.2
Второй электрический контакт
14
Электрод
15
Направление потока
16
Выпускной трубопровод
17
Сотовое тело
18
Закрытые каналы
19
Проходимая для потока область
20
Радиальная протяженность
21
Длина
22
Противоположный электрод