CN102574130B - 用于处理含有炭黑颗粒的排气的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于处理含有炭黑颗粒(2)的排气的装置(1)，该装置包括至少一个用于电离炭黑颗粒(2)的电离元件(4)和至少一个分离装置(26)，该分离装置具有用于沉积被电离的炭黑颗粒(2)的表面分离器(6)，其中至少一个表面分离器(6)具有两个以上至少部分地导电的中和区域(5)，所述中和区域相互电绝缘以便用于中和被电离的炭黑颗粒(2)。本发明还涉及一种用于转化排气中的炭黑颗粒(2)的方法，其中施加不同的电位。

Description

用于处理含有炭黑颗粒的排气的装置
技术领域
本发明涉及一种尤其是具有所谓的静电过滤器或电过滤器的、用于处理含有炭黑颗粒的排气的装置，以及一种用于转化排气中的炭黑颗粒的合适的方法。本发明尤其适合用于在机动车领域中处理移动式内燃发动机的排气，尤其适用于处理源自柴油燃料的排气。
背景技术
已经讨论过许多不同的用于消除来自移动式内燃发动机的排气中的炭黑颗粒的方案。除了交替封闭的壁流过滤器、敞开式支流过滤器、重力分离器等以外，还已经提出了使排气中的颗粒荷电(带有电荷)然后借助于静电引力沉淀的系统。这些系统尤其以名称“静电过滤器”或“电过滤器”所公知。
对于这种电过滤器，通常建议在排气管中安置(多个)放电极和集电极。在此，例如利用一基本居中地穿过排气管延伸的中央放电极以及一包围的排气管外壳面作为集电极来构成电容器。通过放电极和集电极的这种布置，垂直于排气流动方向形成电场，其中放电极例如可以在约15kV范围的高压运行。由此尤其可以形成电晕放电，该放电使得随排气流过电场的颗粒被以单极性方式充电(荷电)。由于该充电，颗粒通过静电的库仑力移动到集电极。
除了排气管作为集电极的系统以外，还已知例如由丝网(格栅)构成集电极的系统。颗粒积聚在丝网上，目的是使颗粒在适当的情况下与其他颗粒相结合，由此形成团块。然后流过丝网的排气又携带较大的颗粒并且将它们输送到常规的过滤器系统。
尽管上述系统目前至少在试验中已经显示出适用于处理炭黑颗粒，但是将这种方案转化成在机动车中大量应用是一个大的挑战。尤其在剧烈变化的、有时非常大的排气中的炭黑负荷方面以及所期望的这种系统用于目前现有排气系统的再装备性方面更是如此。特别是，在机动车的排气系统中经常发生排气量的间歇式增加，而例如在用于发电的静止式内燃发动机中不会出现这种情况。此外，排气系统例如在冲击等的作用下、例如由于地面不平而处于机械负荷下。此外要考虑，随着这种排气设备的功率增加在消除炭黑颗粒方面也需要过滤器系统的(周期性的或连续的)再生，在再生时炭黑被转化成气态成分。
关于过滤器系统的再生，除了通过短时间加热进行的间歇式再生、即烧掉炭黑(催化激发的氧化转化)以外，还已知利用二氧化氮(NO2)转化炭黑。通过二氧化氮连续再生的优点是，在这种情况下可以在明显更低的温度(尤其低于250℃)进行炭黑的转化。因此在许多应用场合优选连续的再生。但是这导致的问题是，必需保证在排气流中的二氧化氮与沉积的炭黑颗粒以足够的程度相接触。
与此相关，在使这种排气设备在机动车中连续运行方面也存在技术上的困难，其中内燃发动机的不同负载导致不同的排气流、排气组分和温度。
发明内容
基于此，本发明的目的是，至少部分地解决关于现有技术描述的问题。尤其给出一种用于处理含有炭黑颗粒的排气的装置，该装置同样对于炭黑颗粒提供高的分离效果并且能够良好地再生。还给出一种相应的用于转化排气中的炭黑颗粒的方法。该装置和方法容易集成到现有的移动式排气系统中，同时能够成本有利地制成。
这些目的通过如权利要求1的特征所述的装置以及如权利要求11的步骤所述的用于转化排气炭黑颗粒的方法得以实现。本发明的其他有利的扩展构型分别在从属权利要求中给出。要指出，在各权利要求中单独描述的特征可以以任意技术上可行的方式相互组合并且展示本发明的其他扩展构型。说明书尤其结合附图阐明了本发明并且给出了附加的实施例。
本发明涉及一种用于处理含有炭黑颗粒的排气的装置，它至少包括：
-至少一个用于电离炭黑颗粒的电离元件，
-至少一个分离装置，该分离装置具有至少一个表面分离器，用于沉积被电离的炭黑颗粒，
其中，所述至少一个分离装置具有至少两个至少部分地导电的中和区域，所述中和区域相互绝缘，用于中和被电离的炭黑颗粒。
在此提出的装置尤其可以是具有柴油发动机的机动车的排气系统的一部分。然而，该装置也可以被设置为用于排气系统的模块化结构组件。
因此，首先优选尤其是在分离装置的上游设有至少一个二氧化氮源和/或至少一个氧源。这种二氧化氮源例如是催化转化器，该催化转化器(与排气的其他组分、尤其是氧一起)辅助将排气中含有的氮氧化物(尤其是一氧化氮NO)转化成二氧化氮。原则上也可以设置多个这样的二氧化氮源，但这不是绝对必需的。所述二氧化氮源通常可以由具有带覆层的蜂窝体的催化转化器来实现，其中该覆层具有铂、铑、钯或类似元素。因此所述二氧化氮源连接到内燃发动机的下游，且至少部分地位于排气系统中。也可以选择借助于内燃发动机内部的措施来实现二氧化氮源。例如，可以实施排气回输作为在内燃发动机内部的措施。
尽管通常优选在相对“冷的排气系统”中使用所述二氧化氮源(例如柴油发动机应用场合)，但也可以在相对高的温度通过来自氧源的氧来实现炭黑颗粒的氧化转化(例如汽油发动机应用场合)。作为氧源，优选考虑例如内燃发动机本身或所谓的二次空气输入管，即尤其输送含氧气体到排气管中。利用催化剂的化学反应也可能产生氧，由此也可以将催化剂视为氧源。
尤其优选这样的装置：该装置有选择地在排气管中在表面分离器或分离装置的上游具有至少一个二氧化氮源或至少一个氧源。
此外，设有至少一个用于电离炭黑颗粒的电离元件。在此优选地，在排气到达装置的具有至少一个电离元件的部段之前，使排气首先到达二氧化氮源。电离元件优选具有一个电离电极或多个电离电极。所述至少一个电离元件与电压源连接，尤其与高压源连接。高压源是产生至少5kV(千伏；5000伏)电压的电压源。也可以利用控制单元调节电压。原则上可以使用直流电压源或交流电压源。电离电极优选是放电极，它大致点状或线状地构成。大致点状的放电极例如可以是导线的尖端。线状的放电极例如可以是沿着其长度起到放电极作用的导线。与电离电极对置地设有相应的反电极。在电离电极与反电极之间可以形成电场。大致点状或线状的放电极与反电极相比一般具有明显更小的表面。因此，在电离电极与反电极之间形成的电场集中地围绕电离电极是非常强烈的，由此可以从电离电极产生电荷。优选将电离电极和反电极的电位(电势)设计成，使得从电离电极产生负电荷。负电荷通常比正电荷更容易移动。当排气经过电离元件时，这些电荷与排气中的炭黑颗粒接触。炭黑颗粒变得带有电荷。也称为被电离的炭黑颗粒。
在本发明的意义上，表面分离器尤其是这样一种装置，在该装置中炭黑颗粒基本在(三维的)表面附近被分离。因此，例如实际上对于颗粒仅提供线状沉积区(筛子、格栅等)的部件不是表面分离器。典型的表面分离器是具有通道式或杂乱的表面的排气处理部件，它们形成为例如蜂窝结构。在此优选敞开式分离器或支流过滤器，排气可以通过它们而无需通过过滤器壁。然而，表面分离器也可以是多孔的壁过滤器或深床过滤器。
此外设有至少一个分离装置，其具有至少一个表面分离器。该表面分离器具有横截面和长度。例如，表面分离器可以是金属的或陶瓷的蜂窝体，其具有从入口面延伸到出口面的通道。这种表面分离器的通道具有壁，炭黑颗粒可以沉积在该壁上。优选地，表面分离器设有许多通道，例如至少30个、至少50个、甚或至少100个通道。术语“表面分离器”是指使(尤其与其体积相比)非常大的表面用于积聚炭黑颗粒。与其中炭黑颗粒在尽可能狭小受限的空间上相互凝聚成团的已知变型不同，在这里目的是使炭黑颗粒大面积地分布在由通道形成的通道壁的表面上。但是在此并不排除，炭黑颗粒例如也沉积在多孔通道壁的内部。在这里尤其也可以将通道壁的外表面和内表面视为适合于沉积炭黑的表面。“通道”尤其应理解为长度明显长于其直径的界定出的通流路径，其中直径尤其显著大于通常的炭黑颗粒尺寸。尽管对于某些目的构成独立和分开的通道已经足够了，但是也可以提供连通的通道，其中(例如通过通道壁中的开孔)能够实现排气分流的交换。
根据本装置的一个改进方案，所述分离装置环形地构成。尤其是，使分离装置环形地围绕排气流动的初始中心方向设置，由此使排气至少部分地偏转以便流过分离装置。因此所述分离装置尤其集成到环形的催化器载体中。从而尤其可使具有较大颗粒浓度的中心排气流流过，同时使具有较小颗粒浓度的外部排气流导引到催化器载体、例如SCR催化器。
为了在垂直于流动方向的恰好一个平面中(例如格栅)不产生炭黑颗粒的积聚，所述至少一个表面分离器具有至少两个至少局部地导电的中和区域，所述中和区域相互电绝缘，用于中和被电离的炭黑颗粒。
被电离的炭黑颗粒优选沉积在相反充电的表面上或者中性充电的表面上。
中和区域可以通过与电压源或电接地(接地线)连接而具有一定的电位(电势)并由此充电。由于通过电压源或电接地在中和区域上呈现的电位，使得在中和区域上呈现电荷。由此在荷电的炭黑颗粒与表面分离器的表面在中和区域中接触时发生炭黑颗粒的电中和或去电离。被电离的或荷电的炭黑颗粒也由于这种中和区域的电作用力而越过间隔被牵引或推开。
所述分离装置的中和区域也可以同时至少部分地形成所述电离元件的反电极。
在所述至少一个电离元件与所述至少一个分离装置或所述至少一个分离装置的中和区域之间通常形成电场。该电场尤其在排气系统的方向上或者排气的流动方向上延伸，使得荷电的炭黑颗粒在流动方向上被牵引通过电场，其中排气首先到达至少一个电离元件，然后到达至少一个具有中和区域的分离装置。由此，所述至少一个电离元件与所述中和区域在排气流动方向上错开，尤其是错开数厘米例如至少5cm、至少15cm、甚或至少30cm的间隔。
也可以选择，使所述电离元件与所述分离装置及形成于其上的中和区域在电上是相互独立的。在此，被电离的炭黑颗粒与可能存在的电场无关地由排气流从电离元件输送到分离装置。在此优选地，在所述至少一个电离元件与所述中和区域之间不存在电场。相反，在这个扩展构型中所述电离元件与所述分离装置及其用于中和被电离的炭黑颗粒的中和区域是相互分开的系统，它们可以理解为所谓的“黑箱系统”。可以任意地且相互独立地由本领域技术人员选择各种准确的技术方法和布置，通过它们在电离元件中实现电离且在表面分离器中实现被电离的炭黑颗粒的沉积。
通过在所述至少一个分离装置上形成两个相互电绝缘的中和区域，能够影响炭黑颗粒在表面分离器中的分布。例如可以这样形成中和区域，使得被电离的炭黑颗粒在该区域的中和只能达到表面分离器的炭黑颗粒的特定极限加载量。
为了尽可能均匀地在表面分离器中沉积炭黑颗粒，相应地匹配中和区域和表面分离器本身的形状、大小和数量。也可以使各个相互电绝缘的中和区域不同地连接到电压源和/或电接地。此外，可以使中和区域与电离元件之间的电场强度模型化，以便影响被电离的炭黑颗粒在表面分离器中的沉积。
根据在此所述的装置的一个优选扩展构型，所述中和区域可分别配设给所述至少一个表面分离器的子区域(分区域/局部区域)。
所述表面分离器优选至少部分地导电，由此使在被电离的炭黑颗粒上呈现的电荷可以从表面分离器流出，电荷随着炭黑颗粒在表面分离器上的沉积而至少部分地转移到表面分离器上。通过被电离的炭黑颗粒的长时间沉积，电绝缘的表面分离器得到电荷，它可能阻止其他被电离的荷电炭黑颗粒的沉积。这种表面分离器可以具有多个子区域，它们分别导电并且分别形成表面分离器的中和区域，其中这些导电的子区域相互间电绝缘。
也可以选择使所述中和区域不配设给所述表面分离器的子区域，而是例如作为平面电极围绕表面分离器设置。在这种结构中优选设有不导电的表面分离器。例如，可以这样设置中和区域，使得在表面分离器中呈现垂直于排气流动方向的电场。荷电的炭黑颗粒由这种电场垂直于排气流动方向偏转并由此朝向通道壁或表面分离器的表面的方向移动。例如由于在各个中和区域之间的电场取向有规律地变换从而使得被电离的炭黑颗粒分别在不同的方向上被牵引并且使得电荷被相互中和，所述表面分离器的表面可被电中和。也可使电离元件不总是只产生具有相同电荷的被电离的炭黑颗粒、即尤其总是带正电荷或总是带负电荷的炭黑颗粒，而是使从电离元件离开的炭黑颗粒的电荷有规则地变换，从而使得带负电荷的炭黑颗粒在带正电荷的炭黑颗粒之后短时间被中和。
根据本发明装置的另一优选的实施例，对中和区域分别配设控制机构，所述控制机构包括至少一个电接地、至少一个可调整的电压源和/或至少一个开关元件。
借助于这种控制机构，中和区域的电特性可以随时间改变。例如，可使一个中和区域或多个中和区域具有使得被电离的炭黑颗粒在其上被分离的电位。这例如可以由于所有的中和区域可经由单独的开关元件与电接地连接而实现。也可对于各中和区域设置可调整的电压源，由此使每个中和区域具有给定的电位。通过这种方式，甚至能够选择性地使炭黑颗粒从表面分离器的各个区域偏转出来，以便将它们输送到表面分离器的其他区域从而在那里实现有针对性的沉积。
根据本装置的一种改进方案，所述至少两个中和区域形成为环形电极和/或平面触头(接触片)。
如果设置这样的电极，则优选表面分离器不导电或者只以微小程度导电。微小导电在这里指的是，由于在表面分离器中存在的电流，在表面分离器内部给出显著的电压降。通过被电离的炭黑颗粒的电荷而在表面分离器中产生电流。
如果在根据本发明的装置上设置形式为环形电极或平面触头的中和区域，则它们优选设置在表面分离器的出口面和/或外表面上。外表面是在表面分离器的入口面与出口面之间呈现的圆周面。表面分离器优选呈圆柱形。圆柱形的端面分别形成入口面和出口面，外表面是圆柱形的圆周面。
例如，环形电极可以具有对应于表面分离器直径的直径并且可以沿着蜂窝体的圆周设置在出口面上。从而在表面分离器的外部区域中朝向该环形电极形成电场，由此使被电离的炭黑颗粒尤其被输运到这里。这是特别有利的，因为排气流速在表面分离器的外部区域与在内部区域相比一般显著降低，由此通过将被电离的炭黑颗粒增强地输运到外部区域而在表面分离器中实现了被电离的炭黑颗粒的更均匀的沉积。
平面触头优选在表面分离器的出口区域处平面地构成。由此有效地将被电离的炭黑颗粒输运到表面分离器的通道中。
根据本发明的装置还有利的是，对于在表面分离器中的每个中和区域设置蜂窝体。这种蜂窝体优选是盘状的。
这种蜂窝体可以是导电的或不导电的。导电的蜂窝体优选是金属的或者由陶瓷材料制成，在其中衬入导电结构例如导电纤维以提供导电性。不导电的蜂窝体优选是陶瓷蜂窝体。如果对于每个中和区域均设有盘状的蜂窝体，则可以使这些蜂窝体分别相互间隔地设置。此外可以使各个蜂窝体相对于外壳存在绝缘。因而各个中和区域相互间绝缘。
如果各个蜂窝体不导电，则优选分别在各个蜂窝体的出口侧上设置平面触头。在不导电的蜂窝体中，仅触头被视为中和区域。
导电的蜂窝体可以任意地接触。通过接触，整个导电的蜂窝体作为电极使用并由此也作为完整的中和区域。在导电的蜂窝体内部通常不形成电场，而是仅在这种导电的蜂窝体的外表面上存在电场，因为在导电的蜂窝体里面一般呈现一致的电位。导电的蜂窝体可完全视为中和区域。导电的蜂窝体例如由金属层、优选由光滑的和波纹的金属层尤其以卷绕、缠绕和/或层叠的方式构成。
也可使用局部导电的蜂窝体。这种局部导电的蜂窝体的导电性可以限制成使得由于电流流动而在蜂窝体内部产生电位差，或者蜂窝体可以具有导电的子区域和不导电的子区域。例如，可使蜂窝体在边缘区域具有导电性。因此在边缘区域可以实现被电离的炭黑颗粒的增强牵引，并由此弥补在蜂窝体的边缘区域由于较低的排气流速而发生的较小沉积量。
此外，本发明涉及一种用于转化排气中的炭黑颗粒的方法，该方法至少包括以下步骤：
a)在排气中产生二氧化氮；
b)利用至少一个电离元件电离炭黑颗粒；
c)使被电离的炭黑颗粒沉积在至少一个表面分离器中，该表面分离器具有至少两个导电的中和区域，用于中和被电离的炭黑颗粒；以及
d)使二氧化氮与所述至少一个表面分离器中的沉积的炭黑颗粒接触，
其中，所述至少两个导电的中和区域分别具有电位，并且至少一个中和区域的电位与其余中和区域的电位不同。
由此尤其在根据本发明提出的装置中提供了炭黑颗粒的连续再生。需要指出，关于装置描述的特征也可以用于说明方法，反之亦然。尤其可以使用根据本发明的装置来执行本方法。
优选在移动式内燃发动机运行期间持久地执行所有步骤a)至d)。
此外优选地，步骤a)包括通过适当的排气转化器提供二氧化氮和/或通过发动机内部的措施提供二氧化氮。在此，发动机内部的措施例如可以是排气回输。
可以通过影响中和区域的电位来影响炭黑颗粒在表面分离器中的沉积。
根据本发明的方法优选这样来实施，即调整所述至少两个中和区域的电位以使得炭黑颗粒在表面分离器中基本均匀地沉积。在此优选在表面分离器的表面上(或中)的均匀沉积。
根据本发明的方法特别有利的是，所述中和区域的电位随时间变化。例如，可使中和区域配有确定的电位，以便首先在这里实现被电离的炭黑颗粒的沉积，接着在该中和区域施加另一电位，用于停止被电离的炭黑颗粒在这个中和区域附近的沉积。同时，可以在另一中和区域施加电位，用于在这里实现或促使被电离的炭黑颗粒的沉积。
关于通过在电离区域处的电位的随时间变化来促使被电离的炭黑颗粒的均匀沉积，可以设想不同的工作方式。
在根据本发明的方法的第一实施例变型中，所述中和区域的电位以高频、例如以10kHz、20kHz、或者甚至50kHz以上的频率变化(高频变化)。在该实施例变型中，在表面分离器的所有表面上在所有时刻都基本均匀地沉积被电离的炭黑颗粒。
在第二实施例变型中，各个中和区域的电位以非常低的频率变化。例如，各个中和区域的电位可至多1分钟一次、优选至多2分钟一次、尤其至多5分钟一次地变化(以一赫兹(1/秒)以下的频率低频变化)。在该实施例变型中，在表面分离器中分别在各区域进行被电离的炭黑颗粒的沉积，并且当在较长的时间间隔上观察时在整个表面分离器上实现了均匀的沉积。
根据本发明的方法还有利的是，所述中和区域可分别配设给表面分离器的子区域，并且使中和区域当在所配设的表面分离器子区域中已经超过炭黑颗粒的最大加载时失效。
对于该方法实施例，优选总是仅使一个中和区域同时与接地电极连接，并且在所配设的子区域沉积被电离的炭黑颗粒。其余的子区域通过被电离的炭黑颗粒的沉积而被充电，直到其他被电离的炭黑颗粒不再可能沉积在这些子区域上，而是向前行进到相应的有效的中和区域。
根据本发明的方法还有利的是，所有中和区域具有不同的电位，并且在表面分离器中存在沿着排气流动方向增加的电场或降低的电场。
为了使荷电的炭黑颗粒在表面分离器中相继地沉积，需要使沉积的炭黑颗粒的电荷可通过表面分离器释放，因为否则表面分离器的表面将带有电荷。此外有利的是，导电的蜂窝体在其内部基本没有电场，在蜂窝体中不存在电流流动。为了在导电的表面分离器中产生增加的或降低的电位，需要使表面分离器的不同子区域相互间电绝缘。通过这种结构，可以使表面分离器中的电场从入口面到出口面构造成，使得在表面分离器中且尤其在表面分离器的长度上基本均匀地吸附被电离的炭黑颗粒。
本发明还涉及一种具有内燃发动机的机动车，该内燃发动机具有包括根据本发明的装置的排气系统或者具有用于执行根据本发明的方法的排气系统。
附图说明
下面参照附图详细说明本发明以及技术领域。要指出，附图示出本发明的特别优选的实施例，但是本发明并不局限于这些实施例。在附图中：
图1示出具有根据本发明的装置的优选实施例的机动车的示意图；
图2示出根据本发明的装置的优选实施例的细节的示意图；
图3示出用于根据本发明的装置的优选实施例的表面分离器的纵向截面示意图；
图4示出在执行根据本发明的方法的优选实施例时在根据本发明的装置的优选实施例中的电位的示意图；
图5示出用于根据本发明的装置的另一优选实施例的表面分离器的横截面图；
图6示出用于根据本发明的装置的另一优选实施例的表面分离器的纵向截面图，
图7示出用于根据本发明的装置的另一优选实施例的表面分离器的纵向截面图，
图8示出根据本发明方法的示意图。
具体实施方式
图1示出机动车16，其具有内燃发动机24和带有排气管29的排气系统25，内燃发动机24的排气从内燃发动机24开始经该排气管在排气流动方向23上流动。在排气系统25中的排气管29上设有根据本发明的用于处理含有炭黑颗粒的排气的装置1。根据本发明的装置1具有在排气流动方向23上沿着排气管29前后设置的二氧化氮源3、电离元件4和表面分离器6。表面分离器6优选由蜂窝体22构成，其具有从入口区域8延伸到出口区域9的通道7。在表面分离器6上设有中和区域5。中和区域5通过控制机构17控制。所述表面分离器6、中和区域5和控制机构17一起形成分离装置26。分离装置26和电离元件4在本发明的一个优选实施例中可以相互结合地运行，即一起被控制和调节，或者也可以是分别独立于另一元件运行且可以相互独立地被控制和调节的两个单独的系统(所谓的“黑箱系统”)。
图2示出根据本发明的装置1，其中在这里特别关注电离元件4的视图，并且只在排气管29中表示二氧化氮源3和排气分离器26。在根据图2的电离元件4中设有放电极31。在放电极31与电离元件4的外壳30之间、或者在放电极31与分离装置26之间可以施加电压，所述电压可以借助于电压源14产生。为此使外壳30或分离装置26与放电极31利用电绝缘体25隔绝。此设计不是用于电离元件4的唯一可能的设计。例如，也可以设置棒状的放电极。也可实现电离元件4的上层结构，其中在两个平面电极之间实现电离。在使用根据本发明的方法时，在二氧化氮源3中产生的二氧化氮被用于在分离装置26中的表面分离器6再生。通过与二氧化氮的反应，炭黑颗粒中的一氧化碳在表面分离器6中被转化成二氧化碳。
作为二氧化氮源3的替代，可以形成氧源40，这在图2中作为与排气管29的可选连接由虚线示出。通过提供氧，可以使分离装置26中的表面分离器6再生，其中碳被氧化以形成二氧化碳。在这两种实施方式中优选所谓的连续再生运行，其中(在正常运行条件下在排气管中)连续地进行至少一个表面分离器6的再生。
图3示出用于根据本发明的装置1的表面分离器6。根据图3的表面分离器6由三个前后设置的蜂窝体21构成。蜂窝体21分别相互间以距离20间隔。表面分离器6总体上具有长度11。在表面分离器6中设有三个子区域21，它们分别对应于三个蜂窝体22。每个子区域21可以配设一个中和区域5。表面分离器6具有入口区域8和出口区域9。在这里，两个中和区域5示例地由平面触头18构成。一个中和区域5由环形电极12构成。中和区域5分别由控制机构17控制。控制机构17分别包括开关元件28。借助于控制机构17中的开关元件28，可以使各个中和区域连接到电接地13。各个蜂窝体22分别具有通道7、横截面10和通道壁19。通道壁19在这里由波纹状金属箔36和无纺布27构成。炭黑颗粒可特别容易地沉积在无纺布27上。也部分地在无纺布27中发生沉积。因此无纺布是表面分离器6的组成部分。
在图3中中间的蜂窝体22特别浓密地充有炭黑颗粒2。从入口区域8观察，借助于在各个控制元件17中的开关元件28使前面的两个蜂窝体22无效。最后的蜂窝体22借助于在相关的控制元件17中的开关元件28激活。根据图3，炭黑颗粒2相应地优选沉积在最后的蜂窝体22中。
图4示例地示出在根据本发明的装置1中可能呈现的电位37。在电压轴线32上标出在根据本发明的装置的纵轴线33上的电位37。排气沿着纵轴线33以流动方向23流过装置。开始时呈现电离电位34。该电位通过施加在电离元件4上的电离电压保持。然后电位沿着纵轴线33和排气流动方向23提高，直到表面分离器6中的入口区域8。在表面分离器6中电位37阶跃式增加。例如在表面分离器6中设有各个导电的蜂窝体22，并且借助于独立的电压源14在各相关的控制机构17中保持在这些蜂窝体22中的各电位37。在导电的蜂窝体22内部没有电场，由此电位37在这里分别是恒定的。各个蜂窝体22分别以距离20相互间隔。由于各个蜂窝体22的电位差而在每个距离20处呈现电场，并且使电位37在蜂窝体之间连续增加。
在图5中示出表面分离器6的横截面10。根据图5的表面分离器6在内部具有中和区域5并且在其外表面上具有中和区域5。设置在表面分离器6中的蜂窝体22不导电，由此从内部的电离区域5向着外部的电离区域5可以形成电场15。通过这种电场15，可以使被电离的炭黑颗粒从表面分离器6的内部区域输运到表面分离器6的外部区域。借助于控制机构17可以改变施加在各个电离区域5上的电压或电位。
图6示出一个表面分离器6，它在横截面10上具有多个借助于绝缘体35相互绝缘的子区域21。对各子区域21分别配设中和区域5，并且这些中和区域通过平面触头接通。每个中和区域5分别具有控制机构17和电压源14。表面分离器6还具有通道7和由无纺布27制成的通道壁19。在这种表面分离器6中可以有针对性地控制被电离的炭黑颗粒是要沉积在径向外部区域38中还是要沉积在径向内部区域39中。
图7示出一个表面分离器6，它由盘状的陶瓷蜂窝体22构成。蜂窝体22分别形成表面分离器6的子区域21。此外，蜂窝体22分别以距离20相互间隔并且在其各个出口区域9上设有平面触头18。这些触头18形成中和区域5。在此平面触头18分别横跨表面分离器6的整个横截面10。这种表面分离器6能够确定地设定被电离的炭黑颗粒渗入到表面分离器6内的深度。
图8旨在再次图示出各方法步骤。在此，在第一步骤中利用二氧化氮源(或适当的催化覆层)将氮氧化物(NOx)或一氧化氮(NO)转化成二氧化氮(NO2)。此外，使炭黑颗粒(PM)或部分炭黑颗粒电离，由此使它们带有电荷。被电离的或荷电的炭黑颗粒(PM+)然后在相应的静电引力的辅助下均匀地沉积在通道壁上，其中这近可能非常均匀地发生。更加远离的、可能仍荷电的或甚至已经被中和的炭黑颗粒(PM+/PM)自由接触到所产生的二氧化氮(NO2)，由此能够简单且有效地实现沉积表面或过滤材料的再生。对于该转化过程也可以支持性地使用催化剂。在炭黑颗粒被转化后，从表面分离器中排出气态剩余物，例如二氧化碳(CO2)和元素态氮(N2)。
附图标记清单
1 装置
2 炭黑颗粒
3 二氧化氮源
4 电离元件
5 中和区域
6 表面分离器
7 通道
8 入口区域
9 出口区域
10 横截面
11 长度
12 环形电极
13 电接地
14 电压源
15 电场
16 机动车
17 控制机构
18 平面触头
19 通道壁
20 距离
21 子区域
22 蜂窝体
23 排气流动方向
24 内燃发动机
25 排气系统
26 分离装置
27 无纺布
28 开关元件
29 排气管
30 外壳
31 放电极
32 电压轴线
33 纵轴线
34 电离电位
35 绝缘体
36 波纹状金属箔
37 电位曲线
38 径向外部区域
39 径向内部区域
40 氧源

Claims (11)

1.一种用于处理含有炭黑颗粒(2)的排气的装置(1)，至少包括：
-至少一个用于电离炭黑颗粒(2)的电离元件(4)，
-设置在所述电离元件(4)下游的至少一个分离装置(26)，所述分离装置具有表面分离器(6)，用于沉积被电离的炭黑颗粒(2)，
其中，所述至少一个分离装置(26)具有至少两个中和区域(5)，所述中和区域至少部分地导电且相互电绝缘，用于中和被电离的炭黑颗粒(2)，其中，所述中和区域(5)分别配设有控制机构(17)，所述控制机构包括至少一个电接地(13)、至少一个可调整的电压源(14)或至少一个开关元件(28)，使得所述至少两个导电的中和区域(5)分别被施加电位，并且至少一个中和区域(5)的电位不同于其余中和区域(5)的电位。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述中和区域(5)分别配设给所述至少一个表面分离器(6)的子区域(21)。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其中，所述至少两个中和区域(5)形成为环形电极(12)和/或平面触头(18)。
4.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其中，对于所述分离装置(26)中的每个中和区域(5)设有蜂窝体(22)。
5.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其中，形成至少一个二氧化氮源(3)或至少一个氧源(40)。
6.一种用于转化排气中的炭黑颗粒(2)的方法，至少包括以下步骤：
a)在排气中产生二氧化氮；
b)利用至少一个电离元件(4)电离炭黑颗粒(2)；
c)使被电离的炭黑颗粒(2)沉积在至少一个表面分离器(6)中，所述表面分离器设置在所述电离元件(4)下游且具有至少两个导电的中和区域(5)，用于中和被电离的炭黑颗粒(2)；以及
d)使二氧化氮与在所述至少一个表面分离器(6)中的沉积的炭黑颗粒(2)相接触，
其中，所述至少两个导电的中和区域(5)分别具有电位，并且至少一个中和区域(5)的电位与其余中和区域(5)的电位不同。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，设定所述至少两个中和区域(5)的电位，使得炭黑颗粒(2)基本均匀地沉积在所述表面分离器(6)中。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述中和区域(5)的电位随时间变化。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述中和区域(5)分别配设给所述表面分离器(6)的子区域(21)，并且当在所述表面分离器(6)的子区域(21)中已经超过炭黑颗粒(2)的最大加载时，使所配设的中和区域(5)失效。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所有的中和区域(5)具有不同的电位，并且在所述表面分离器(6)中呈现沿着排气流动方向(23)增加的电位(15)。
11.一种机动车(16)，所述机动车包括内燃发动机(24)，所述内燃机发动机具有包括如权利要求1至5中任一项所述的装置(1)的排气系统(25)，或者具有用于执行如权利要求6至10中任一项所述的方法的排气系统(25)。
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