用於減少內燃機的廢氣中的煤煙顆粒的方法和裝置的製作方法

2023-04-30 01:58:06

專利名稱：用於減少內燃機的廢氣中的煤煙顆粒的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於減少內燃機的廢氣中的煤煙顆粒的方法和裝置。
背景技術：
以碳氫化合物作為燃料來運行的內燃機釋放廢氣，該廢氣除其它成分外還包含碳質顆粒。這些碳質顆粒具有不同的尺寸，其分布取決於許多條件。尤其是，也稱為細粒的小直徑的碳質顆粒被認為對人類和動物的疾病負有責任。在本案中，細粒理解為尤其意指平均直徑為100納米或更小的顆粒。碳質顆粒尤其還包括可能具有積累的碳氫化合物的碳顆粒。為了尤其是在機動車輛中減少顆粒的排放，經常使用「閉合的顆粒過濾器」，在其中廢氣流動通過包括交替閉合的通道和位於通道之間的多孔壁的結構。為了保證顆粒過濾器的最小背壓，即使當已經負載時，也必須要使用尤其允許細粒以它們大致上仍未被過濾的方式來通過的孔隙度。還知道的是，設置電場和/或等離子體可以導致小煤煙顆粒聚集以形成更大的煤煙顆粒和/或使煤煙顆粒帶電。在過濾系統中，帶電的煤煙顆粒和/或更大的煤煙顆粒大致上更容易分離。由於它們更大的慣性，煤煙顆粒聚集物在廢氣流動載體中以更大的慣性被運輸，並且因此在廢氣流動的偏轉點處更容易沉澱。帶電的煤煙顆粒通過它們的電荷被牽引向帶相反電荷的表面，在那裡它們積累並釋放它們的電荷。這也在具有不同的過濾器或分離器件的機動車輛的操作中促進了煤煙顆粒從廢氣流中的移除。電場的用於所述方案的功效除了其它因素外還取決於電場強度、電場在有效區域中的均勻性，以及其在長時間周期上的再生能力。所施加的電壓越高，功效越好，然而絕緣以及避免短路和不期望的電壓擊穿所遇到的困難也增加了。這對於所有已知的廢氣淨化系統中的電場布置來說或多或少是正確的。另外，在短路或電壓擊穿(也稱作電弧)的情況中，電場可能至少暫時性地消失，因此在這樣的期間無法保證系統的功能。

發明內容
因此，本發明的目的是要至少部分地解決上述問題，並且尤其是要公開一種相比現有技術有所改善的裝置，用於產生用於機動廢氣處理系統的電場。還將公開一種用於處理廢氣的方法。這些目的通過根據權利要求1中的特徵的裝置以及根據權利要求9中的特徵的方法來達到。在每一條從屬權利要求中公開了裝置和方法的進一步的有利的實施方案。權利要求中單個地公開的特徵也可以任何技術上可行的方式彼此組合，並且可以由來自說明書的解釋性的實質性內容來補充，其中呈現了本發明的進一步的變體。根據本發明的用於減少廢氣、尤其是內燃機的廢氣中的煤煙顆粒的裝置至少具有第一至少局部導電的結構、第二至少局部導電的結構、位於第一結構和第二結構之間的中間空間，以及用於在第一結構和第二結構之間創建電勢的高壓源，其中，在中間空間中布置有至少一個至少局部導電的中間結構，在其上可以創建中間電勢。作為其形狀和/或其電勢的結果，導電的中間結構使得可以影響中間空間中的電場。該中間結構因此可以用來製造儘可能均勻的電場，或用來非均勻地構建位於第一結構和第二結構之間的電場。在最簡單的情況中，中間結構可以在中間空間中居中地布置，並且可以獲得位於第一結構的電勢和第二結構的電勢中間的電勢。這導致了電場的均勻化，這在一些應用中是有利的。然而，中間結構還可以用來使電場在廢氣的流動方向上和與其垂直的方向上、也就是說在徑向方向上非均勻化。因為殼體中的廢氣流動絕非均勻的，電場的形狀因此可以適應於所要求的流動條件，例如其可以朝向流動的中心集中。在本發明的一個優選改進中，第一結構、中間結構和第二結構相繼地布置在廢氣的流動方向上，使得廢氣能夠相繼地流動通過這些結構。這些結構因此可以適應於相應的當下佔主導的流動情形。然而，這些結構還可以適應於使得它們可以單個地影響流動。廢氣可以優選地流動通過第一結構、第二結構以及還有中間結構。就此而言，第一結構、第二結構和中間結構尤其優選地在橫截面上完全覆蓋住廢氣的流動，使得整個廢氣流尤其可以完全流過相繼的單個結構中的每一個。在本發明的一個優選的實施方案中，結構中的至少一個具有多個廢氣可以從中流過的通道，其中尤其可以使用蜂窩體形式的設計。現有技術中已經提議將蜂窩體作為第一結構和第二結構的形式，其中第二結構尤其可以形成為顆粒捕集器。蜂窩體形成為顆粒捕集器的許多實施方案在現有技術中已知，並且如果它們為至少局部導電的話，則也可以用來作為本發明的第二結構。尤其是，在現有技術中所充分了解的由片狀金屬層所形成的具有廢氣可從中流過的通道的蜂窩體可以考慮用於第一結構和中間結構。至少第一結構尤其優選地具有多個廢氣可從中流過的通道，其中第一結構和中間結構尤其具有廢氣可從中流過的通道。備選地，第一結構和第二結構尤其優選地具有多個廢氣可從中流過的通道。在另一個實施方案中，所有的結構都可以具有多個廢氣可從中流過的通道。根據本發明，或是所有的結構或是一些結構可以優選地完全地或部分地設置有催化活性塗層。尤其是，具有用在典型的機動車輛的廢氣淨化系統中的催化性塗層的蜂窩體可以考慮用於第一結構和第二結構。相反，中間結構大致上不設置大表面，而是形成為在流動方向上為短的片狀物，因此，催化活性塗層無關緊要。中間結構還可以形成為線柵或為折線。如此處所描述的典型的用於廢氣中的離子化的布置具有處在電場中的電極，在所述電極的尖端處產生強電場，其促進了電子的分離並且因此促進了離子化。根據本發明，第一結構優選地還具有第一電極組，其成形並對齊以形成尖端放電。中間結構尤其優選地還具有第二電極組，其中所有的電極成形並對齊，以使得當在第一結構和中間結構之間或在中間結構和第二結構之間施加高電壓時能夠產生尖端放電。當使用多個中間結構時，整個系列的電極組因此可以布置在廢氣中，這促進了均勻的離子化。第一結構和至少一個中間結構優選地以電絕緣的方式布置在殼體中，並且通過電絕緣的套管連接到高壓源。殼體內的處在中間空間的區域中的電絕緣體阻止了結構和殼體之間的不期望有的電場變形和電壓擊穿。高壓源尤其優選地配備有一個或多個分壓器，其中通過開關實現了第一結構或中間結構與高壓源的選擇性分離。在本發明的另一個實施方案中，在中間空間中設置彼此相隔一定距離地布置的至少兩個中間結構，這使得電場能夠以可以甚至更好地適應於不同應用的方式成形。
本發明還涉及尤其使用如上所述的裝置來處理包含煤煙顆粒的廢氣的方法。廢氣從第一結構流動到第二結構，並且在第一結構和第二結構之間至少暫時性地施加高電壓，使得至少一些廢氣中的煤煙顆粒離子化或聚集，並且沉澱到第二結構上。根據本發明，對布置在第一結構和第二結構之間的中間空間中的中間結構至少暫時性地施加高電壓，所述高電壓具有處於第一結構的電勢和第二結構的電勢之間的值。因此，可以影響第一結構和第二結構之間的電場的軸向和/或徑向的分布，使得可以產生能適用於任何應用的場的分布。本發明還提供如下選擇，即改變中間結構的電勢並且因此使其適應於不同的操作條件。因此，即使是汙染的或不規則燃燒的第一結構的電極的再生也是可能的。通過多個具有其自己的電極組的中間結構，可以通過改變施加在每個中間結構處的電壓來區別地操作。當在第一結構和第二結構之間使用相對高的總電壓時，例如IOkV (千伏特)，電壓可以由中間結構分壓，使得即使發生單個的電壓擊穿，系統的其餘部分仍能保持廢氣的淨化。


在下文中，本發明將基於一個示例性的實施方案來更詳細地解釋，然而本發明並不限制於此。圖1顯示了具有中間結構的根據本發明的裝置的結構示意圖。
具體實施例方式第一結構I和第二結構2與中間空間3 —起布置在殼體4中。在本示例性實施方案中，第二結構2電連接到殼體4並且形成基準勢，也稱作接地。電絕緣體5將第一結構I與殼體4分離，並且還在殼體4的內側延伸過整個中間空間3。第一結構I可以通過第一套管6連接到高壓源11，並且可在所述第一結構上施加正的或負的高電壓，例如2.5到25kV，優選地為5到15kV。第一結構I配備有第一電極組7，當施加高電壓時，第一電極組7導致在中間空間3中的尖端放電，該尖端放電促進待淨化廢氣的離子化。所施加的電場將自由電子加速到中間空間3中，這導致待淨化廢氣的原子或分子的離子化。中間結構8布置在中間空間3中，並且同樣與殼體4電絕緣且同樣可以通過第二套管9暴露於高電壓下。應用了兩個或更多的中間結構的實施方案也同樣有效。高壓源11配備有分壓器，在最簡單的情況中，分壓器示意性包括第一電阻22和第二電阻23。第一局部電壓12對應於第一電阻22,第二局部電壓13對應於第二電阻23。如果第一電阻22和/或第二電阻23是可控制的，如附圖中所示，則可以改變高壓源11的總電壓在第一局部電壓12和第二局部電壓13之間的分壓，並可以將其設定到所期望的值。在最簡單的情況中，例如如果中間結構8正好置於第一結構I和第二結構2的中間，並且中間結構8也設有處於第一結構I的電勢和第二結構2的電勢的中間的電壓，則由此達到了在中間空間3中的電場的更均勻的分布。然而還可能的是，通過為中間結構8選擇接近第二結構2的電勢的電勢來提升第一結構I和第一電極組7附近的電場。在所示的示例性實施方案中，中間結構8攜帶有第二電極組10，通過適合地選擇第一局部電壓12和第二局部電壓13，可以在待淨化廢氣中設置兩組尖端放電。這提供了不同的有利的可能性，用於使裝置適應不同的操作條件和要求。
第二結構2典型地形成為過濾體14，並且用來分離在中間空間3中離子化的和/或聚集的煤煙顆粒。催化活性塗層協助煤煙顆粒的轉換和過濾體14的再生。第一結構I典型地體現為金屬蜂窩體15，其由具有固定於其上的針狀電極18的結構化片狀金屬層16形成。蜂窩體15還可以設有催化活性塗層19。本發明能夠實現均勻的廢氣淨化，其可以適應於不同的操作條件，並且通過使用電離高壓而對故障具有低敏感性。附圖標記列表I第一結構2第二結構3 中間空間4 殼體5 電絕緣體6第一套管7第一電極組8中間結構9第二套管10第二電極組11高壓源12第一局部電壓13第二局部電壓14過濾體15蜂窩體16結構化片狀金屬層17廢氣可從中流過的通道18針狀電極19催化活性塗層20第一開關21第二開關22第一電阻23第二電阻
權利要求
1.一種用於減少廢氣、尤其是內燃機的廢氣中的煤煙顆粒的裝置，至少具有第一至少局部導電的結構(I)、第二至少局部導電的結構(2)、位於第一結構(I)和第二結構(2)之間的中間空間(3)，以及用於在所述第一結構(I)和所述第二結構(2)之間創建電勢的高壓源(11)，其特徵在於，在所述中間空間(3)中布置有至少一個至少局部導電的中間結構(8)，在所述中間結構上能創建中間電勢。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述結構(1，2，8)中的至少一個具有多個廢氣能夠從中流過的通道(17)。
3.根據上述權利要求中任一項所述的裝置(I)，其特徵在於，所述結構(1，2，8)中的至少一個形成為蜂窩體(15)。
4.根據上述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述結構(1，2，8)中的至少一個至少部分地具有催化活性塗層(19)。
5.根據上述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述第一結構(I)具有第一電極組(7)，並且所述至少一個中間結構(8)具有第二電極組(10)，其中，每個組(7，10)的電極成形並對齊，使得當在所述第一結構(I)和所述中間結構(8)之間或在所述中間結構(8)和所述第二結構(2)之間施加高電壓時，它們能夠產生尖端放電。
6.根據上述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述第一結構(I)和至少一個所述中間結構(8)以電絕緣的方式布置在殼體(4)中，並且通過電絕緣的套管(6，9)連接到所述高壓源(11)。
7.根據上述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，設置了開關(20，21)，所述開關(20，21)使得能夠將所述第一結構(I)或所述中間結構(8)與所述高壓源(11)選擇性地分離。
8.根據上述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，在所述中間空間(3)中設置有彼此相隔一定距離地布置的至少兩個所述中間結構(8)。
9.尤其是使用根據上述權利要求中任一項所述的裝置來處理包含煤煙顆粒的廢氣的方法，其中，廢氣從第一結構(I)流動到第二結構(2)，並且在第一結構(I)和第二結構(2)之間至少暫時性地施加高電壓，使得至少一些廢氣中的煤煙顆粒被電離或聚集，並且沉澱到所述第二結構(2)上，其特徵在於，對布置在所述第一結構(I)和所述第二結構(2)之間的所述中間空間(3)中的所述中間結構(8)至少暫時性地施加高電壓，所述高電壓具有處於所述第一結構(I)的電勢和所述第二結構(2)的電勢之間的值。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，改變所述中間結構(8)的電勢。
全文摘要
本發明涉及用於減少廢氣、尤其是內燃機的廢氣中的煤煙顆粒的裝置和方法，具有至少一個第一至少局部導電的結構(1)，第二至少局部導電的結構(2)，位於第一結構(1)和第二結構(2)之間的中間空間(3)，用於在第一結構(1)和第二結構(2)之間形成電勢的高壓源(11)，其中，在中間空間(3)中布置有至少一個至少局部導電的中間結構(8)，在中間結構(8)上可以形成中間電勢。在根據本發明的處理具有煤煙顆粒的廢氣的方法中，廢氣從第一結構(1)流動到第二結構(2)，並且在第一結構(1)和第二結構(2)之間至少暫時性地施加高電壓，結果是使得至少一部分廢氣中的煤煙顆粒被電離或凝聚，並且被沉澱到第二結構(2)上。另外，根據本發明，在第一結構(1)和第二結構(2)之間布置在中間空間(3)中的中間結構(8)至少暫時性地負載高電壓，該高電壓具有處於第一結構(1)的電勢和第二結構(2)的電勢之間的值。以此方式，可以有利地影響電場，並且減少了不期望的電壓擊穿所導致的幹擾。
文檔編號F01N3/021GK103154453SQ201180039582
公開日2013年6月12日 申請日期2011年8月10日 優先權日2010年8月13日
發明者羅爾夫·布呂克, 克裡斯蒂安·福斯曼, 簡·霍奇森 申請人:依米泰克排放技術有限公司