Устройство для создания электрического поля в системе выпуска отработавшего газа (ог)

Устройство для создания электрического поля в системе выпуска отработавшего газа (ог)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к устройству для создания электрического поля в системе выпуска отработавшего газа (ОГ), прежде всего в системе выпуска ОГ автомобиля. Прежде всего, изобретение относится к устройству для обработки содержащего частицы сажи ОГ, которое может быть применено, прежде всего, с так называемым электростатическим фильтром или же электрофильтром. В этом отношении изобретение предпочтительно находит применение при обработке ОГ мобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в автомобилях.

Уже обсуждалось множество различных концепций устранения частиц сажи из ОГ мобильных 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».

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 выпускного трубопровода в качестве коллекторного электрода используются для того, чтобы образовать конденсатор. При таком 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, например, в виде металлической сетки. При этом происходит отложение частиц на металлической сетке с той целью, чтобы, при необходимости, объединить 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.

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. Это действительно так, прежде всего, в виду сильно колеблющегося, временами очень высокого содержания сажи в ОГ. Желаемая возможность дооборудования такой системы для существующих в настоящее время систем выпуска ОГ также представляет собой все еще большую проблему. Прежде всего, в системе выпуска ОГ автомобилей регулярно имеют место резко возрастающие количества ОГ, которых, например, в стационарных ДВС, которые применяются для выработки электроэнергии, не бывает. Кроме того, системы выпуска ОГ, например, из-за неровностей грунта подвержены механическим нагрузкам. К тому же необходимо учитывать, что при повышенной мощности или же эффективности таких систем выпуска ОГ в плане устранения частиц сажи также требуется (периодическая и/или непрерывная) регенерация фильтрационных систем, при которой сажа переводится в газообразные составляющие.

При регенерации фильтрационных систем, наряду с прерывистой регенерацией посредством кратковременного нагрева, т.е. сжигания сажи (каталитически мотивированное, окислительное превращение) также известно преобразование сажи посредством двуокиси азота (NO₂). 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, где 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.

Исходя из этого, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы, по меньшей мере, частично решить указанные со ссылкой на уровень техники проблемы. Прежде всего, должно быть предложено устройство для создания электрического поля в системе выпуска ОГ, которое простыми средствами и по известным технологиям может быть обеспечено, в том числе, и в рамках серийного производства. К тому же устройство должно быть легко интегрируемым в выпускной трубопровод, прежде всего так, чтобы была возможной целенаправленная ориентация электродов в сторону желательного электрического поля или же соотнесенного улавливателя твердых частиц.

Эти задачи решены посредством устройства, охарактеризованного в независимом пункте формулы изобретения. Следует указать на то, что приведенные в формуле изобретения по отдельности признаки могут комбинироваться между собой любым, технологически рациональным образом и показывают дополнительные варианты осуществления изобретения.

Предлагаемое в изобретении устройство для создания электрического поля в системе выпуска ОГ мобильного ДВС имеет выпускной трубопровод, в котором расположен по меньшей мере один электрод, который находится в контакте с блоком питания. При этом по меньшей мере один электрод выполнен с помощью по меньшей мере одного металлического листа, по меньшей мере один электрод простирается в направлении потока ОГ, и все электроды имеют в направлении потока ОГ несколько выступов, образованных за счет удаления материала по меньшей мере одного металлического листа около торцевой кромки, причем по меньшей мере один электрод интегрирован в сотовое тело.

Настоящим изобретением обеспечивается упрощение выполнения электродов в сотовом теле, т.е. интегрирования электродов в сотовое тело.

В случае с этим устройством речь идет, прежде всего, об одном полюсе электростатического фильтра. При этом предпочтительно, что электрическое поле (при необходимости, импульсное) является полем постоянного напряжения. При этом могут генерироваться, прежде всего, напряжения в диапазоне от 10 кВ до 30 кВ (киловольт). В случае с системой выпуска ОГ речь идет, прежде всего, о системе выпуска ОГ мобильного дизельного двигателя автомобиля. Область выпускного трубопровода, которая выполняется с соответствующим электрическим полем, при необходимости, может быть электрически изолирована, и это может быть реализовано в аксиальном направлении выпускного трубопровода, как и радиально наружу. При этом по меньшей мере один электрод расположен во внутреннем пространстве выпускного трубопровода, то есть в пространстве, по которому протекает ОГ. При этом по меньшей мере один электрод находится в электрическом контакте с блоком питания, например, посредством соответствующих электрических проводников, штекеров, паяных соединений и т.п. При этом, прежде всего, предпочтительным является электрически инкапсулированное проведение электропитания через выпускной трубопровод.

Как указано выше, для улучшенной ориентации электрода внутри выпускного трубопровода и упрощенного изготовления, а также контактирования электрода предлагается, что электрод выполнен с помощью по меньшей мере одного металлического листа. Под «металлическим листом» подразумевается, прежде всего, (плоскостная) полоса из металлического плоского материала. При этом металлический лист может быть выполнен, по существу, гладким или же ровным, но также является возможным, что металлический лист является структурированным, то есть, например, имеет волнистость. Именно в отношении изготовления металлических сотовых тел в качестве носителя катализатора в системах выпуска ОГ серийное производство уже шагнуло очень далеко вперед, так что здесь уже было осуществлено точное выполнение имеющих сходную форму металлических листов. Теперь эти производственные знания могут быть использованы, чтобы выполнять такие металлические листы и в виде электродов и привлекать к созданию соответствующего электрического поля. Для этого металлический лист должен быть выполнен с соответствующими контактными проводниками, электрическими проводниками, точками пайки и тому подобным, так что, при необходимости, и при использовании изолирующих покрытий или же прокладок для металлического листа может быть выполнена заданная токовая цепь через сам металлический лист. Само собой разумеется, при этом рассматриваются соответственно электрически проводящие материалы.

Предпочтительно, плоскостная сторона металлического листа расположена параллельно направлению потока ОГ. Так металлический лист представляет как можно меньшее аэродинамическое сопротивление для протекающего ОГ.

Металлический лист изготовлен, прежде всего, из материала с незначительным омическим сопротивлением, который кумулятивно или альтернативно обладает лишь незначительной окислительной способностью. Металлический лист предпочтительно должен состоять из однородного материала, так чтобы на выступах образовывалось равномерное поле с хорошей ионизирующей способностью. Предпочтительно, металлический лист имеет толщину менее 0,1 мм, особо предпочтительно менее 0,065 мм, совершенно особо предпочтительно менее 0,035 мм. В этой связи считается особенно предпочтительным то, что по меньшей мере один электрод простирается в направлении потока ОГ. Другими словами, это означает, что металлический лист расположен относительно направления потока так, что он представляет собой как можно меньшее аэродинамическое сопротивление. В этом отношении, плоскостная сторона металлического листа расположена, прежде всего, параллельно направлению потока ОГ. Как следствие такого расположения и выполнения электрода могут быть предотвращены сильные завихрения ОГ при контакте с электродом и/или большая потеря давления при прохождении ОГ.

Как указано выше, выступы электрода образованы за счет удаления материала металлических листов около торцевой кромки, например высекания этого материала. Остающиеся после удаления материала выступы, которые ориентированы, прежде всего, в направлении электрического поля, являются пригодными для того, чтобы образовывать локальные центры для электрического поля. При определенных условиях также может быть рациональным, что только эти выступы контактируют с соответствующими электрическими проводниками, в то время как остальные части металлического листа электрически изолированы. Так, проведение тока может происходить целенаправленно к этим выступам. Именно в этой связи считается благоприятным, что металлический лист или же выступы расположены или же ориентированы относительно выпускного трубопровода так, что следствием этого является равномерное электрическое поле к коллекторному электроду, прежде всего расположенного далее улавливателя твердых частиц. При этом совершенно особо предпочтительно то, что предусмотрен только один (отдельный) металлический лист, который, однако, имеет несколько выступов, которые соответственно образуют острия электрода. Особенно предпочтительно, чтобы по меньшей мере один выступ имел длину от 15 до 20 мм в направлении потока, так что предотвращается вибрация выступов при эксплуатации.

Кроме того, предлагается, что по меньшей мере три выступа выполнены соответственно с удалением по меньшей мере от двух соседних выступов, причем удаления по существу одинаковы. Это, прежде всего, означает, что удаления отличаются максимально на 10%. Предпочтительно удаления составляют по меньшей мере 10 мм, особо предпочтительно по меньшей мере 30 мм, совершенно особо предпочтительно по меньшей мере 50 мм. Таким образом

образуется очень равномерное электрическое поле, которое на поперечном сечении в области выступов имеет равномерно распределенные локальные поля максимальной напряженности. Для этого выступы должны быть расположены на металлическом листе с соответствующим обмотке удалением друг от друга. Относительно большие удаления, прежде всего, также предотвращают образование между выступами (нежелательного) электрического поля.

Предпочтительно, по меньшей мере один выступ образует оканчивающийся острием электрод, причем острие выступа имеет угол максимально 30°, предпочтительно максимально 20°, особо предпочтительно максимально 10°. К тому же предлагается, что по меньшей мере одно острие выступа ориентировано поперек направления потока, причем острия разных выступов могут быть ориентированы в разных направлениях.

Согласно одному усовершенствованию устройства предлагается, что по меньшей мере один электрод интегрирован в сотовое тело. Так, например, известно изготовление металлических сотовых тел, в которых, по меньшей мере, частично структурированные слои из металлической фольги уложены в стопку, намотаны или завиты, чтобы образовать по существу параллельные каналы. Даже если эта металлическая фольга сотового тела, при необходимости, может быть выполнена с меньшей толщиной материала, тем не менее, в целом, сотовая структура считается относительно жесткой, так что с помощью этой металлической фольги или же сотового тела электрод металлическим листом может быть надежно зафиксирован. В результате является возможным, что сотовое тело представляет собой что-то типа опорной структуры для электрода или же металлического листа. При этом очевидно, что электрод, при необходимости, должен быть электрически изолирован от сотового тела. Если при этом предусмотрены, например, электрически изолирующие покрытия, они могут, к тому же, служить в качестве основы для электрических проводников к электроду, которые просто нанесены на это электрически изолирующее покрытие.

Согласно особо предпочтительной области применения настоящего изобретения, наконец, предлагается, что по меньшей мере за одним электродом в направлении потока ОГ расположен улавливатель твердых частиц. При этом является совершенно особенно предпочтительным то, что расположенный здесь (непосредственно) за электродом улавливатель твердых частиц служит чем-то типа коллекторного электрода. При этом частицы сажи, которые проходят через область между по меньшей мере одним электродом и улавливателем твердых частиц, заряжаются в расположенном там электрическом поле и, наконец, направляются к фильтрующему материалу улавливателя твердых частиц. Само собой разумеется, причем одновременно может происходить еще и агломерация. В случае улавливателя твердых частиц речь идет, прежде всего, о так называемом открытом фильтре побочного потока, в котором нет полностью закрытых проточных каналов. Напротив, улавливатель твердых частиц образован металлическим нетканым материалом и металлическими волнистыми слоями, 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 улавливателя твердых частиц увеличивается. В этой связи указывается на известные патентные публикации заявителя, которые могут быть привлечены для более детальной характеризации улавливателя твердых частиц 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 улавливателя твердых частиц происходит, предпочтительно непрерывно, на основе метода CRT (метода уловителя твердых частиц (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 улавливателе твердых частиц. Кроме того, также является возможным, что такое окислительно действующее покрытие реализовано в самом улавливателе твердых частиц, либо в какой-либо его зоне, либо во всех областях улавливателя твердых частиц.

Далее настоящее изобретение поясняется более подробно на фигурах. Следует указать на то, что на фигурах показаны особенно предпочтительные варианты осуществления, которыми изобретение, однако, не ограничено. Схематически показано на:

Фиг.1: первый конструктивный вариант устройства согласно изобретению в поперечном сечении,

Фиг.2: деталь еще одного конструктивного варианта устройства, относящаяся к выполненному с сотовой структурой электроду,

Фиг.3: вид сверху в направлении потока на конструктивный вариант устройства.

На фиг.1 показан первый конструктивный вариант устройства 1 согласно изобретению для создания электрического поля 2 в системе 3 выпуска ОГ. При этом устройство 1 также содержит область выпускного трубопровода 4, в которой расположен по меньшей мере один электрод 5. В показанном здесь конструктивном варианте несколько электродов 5 интегрированы в одно (отдельное) сотовое тело 10. Для соответствующего электрического контактирования предусмотрен блок электропитания 6, которое электрически изолированно от выпускного трубопровода 4 проводится через электрический контакт 12. При этом электроды 5 выполнены с помощью (при необходимости отдельного) металлического листа 7, который простирается по существу параллельно в направлении 8 потока ОГ и с торцовой стороны имеет несколько выступов 9. При этом между электродами 5 и следующим в направлении 8 потока улавливателе 11 твердых частиц образуется желаемое электрическое поле 2, в котором частицы сажи могут агломерироваться или же заряжаются. Тогда электрически заряженные частицы сталкиваются с улавливателем 11 твердых частиц 11, где они, предпочтительно, осаждаются в или же на фильтрующем материале и в рамках регенерации превращаются в газообразные компоненты. Также здесь наглядно показаны выступы 9 по их длине 16 до острия 18, причем острие 18 образует угол 17.

На фиг.2 наглядно представлен конструктивный вариант устройства 1, в котором электроды 5 также интегрированы в сотовом теле 10. При этом в перспективе показан цилиндрический корпус 13, в котором расположено множество, по меньшей мере, частично структурированных (электрически неактивных) металлических листов фольги (показано белым) и (электрически, по меньшей мере, частично активные) металлические листы (обозначены черным). При этом между структурами металлической фольги или же металлических листов выполнены продольно проходимые для потока, по существу проходящие параллельно друг другу каналы. За счет соответствующего блока 6 электропитания через корпус 13 может быть реализован электрический контакт к желательному металлическому листу 7, так что тем самым обеспечена подача тока на электроды 5. При этом электроды 5 выступают на торце, причем предпочтительным является равномерное распределение по поперечному сечению сотового тела 10.

На фиг.3 схематически показан вид сверху в направлении потока ОГ или же против направления ОГ на конструктивную форму устройства 1 согласно изобретению. Сотовое тело 10 расположено в корпусе 13. Сотовое тело 10 содержит по меньшей мере один металлический лист 7, который образует выступы 9, которые служат в качестве электродов 5. Через электрический контакт 12 на электроды может быть подано напряжение. Каждый выступ 9 имеет, по меньшей мере, первое удаление 14 и второе удаление 15 от соседних электродов 5. Первое удаление 14 и второе удаление 15 по существу одинаковы, причем выступы 9 равномерно распределены по торцовой поверхности сотового тела 10.

Таким образом, по меньшей мере, частично решены указанные вначале со ссылкой на уровень техники проблемы. Прежде всего, было создано устройство для создания электрического поля в системе выпуска ОГ, которое с помощью простых средств и по известным технологиям может изготавливаться в рамках серийного производства. К тому же, устройство является легко интегрируемым в выпускной трубопровод, прежде всего так, что становится возможной целенаправленная ориентация электродов к желательному электрическому полю или же соотнесенному улавливателю твердых частиц.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1	Устройство
2	Электрическое поле
3	Система выпуска ОГ
4	Выпускной трубопровод
5	Электрод
6	Блок питания
7	Металлический лист
8	Направление потока
9	Выступ
10	Сотовое тело
11	Улавливатель твердых частиц
12	Электрический контакт
13	Корпус
14	Первое удаление
15	Второе удаление
16	Длина
17	Угол
18	Острие

1. Устройство (1) для создания электрического поля (2) в системе (3) выпуска отработавшего газа (ОГ) мобильного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), имеющее выпускной трубопровод (4), в котором расположен по меньшей мере один электрод (5), который находится в контакте с блоком (6) питания, причем по меньшей мере один электрод (5) выполнен с помощью по меньшей мере одного металлического листа (7), по меньшей мере один электрод (5) простирается в направлении (8) потока ОГ, и все электроды (5) в направлении (8) потока ОГ имеют несколько выступов (9), образованных за счет удаления материала по меньшей мере одного металлического листа (7) около торцевой кромки, причем по меньшей мере один электрод (5) интегрирован в сотовое тело (10).

2. Устройство (1) по п. 1, в котором предусмотрено максимально три электрода (5).

3. Устройство (1) по п. 1 или 2, в котором по меньшей мере три выступа (9) выполнены соответственно с удалением (14, 15) по меньшей мере от двух соседних выступов (9), причем удаления (14, 15) одинаковы.

4. Устройство (1) по п. 1 или 2, в котором за по меньшей мере одним электродом (5) в направлении (8) потока ОГ расположен улавливатель (11) твердых частиц.