CN103154453B - 用于减少内燃机的废气中的煤烟颗粒的方法和装置 - Google Patents

用于减少内燃机的废气中的煤烟颗粒的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于减少废气、尤其是内燃机的废气中的煤烟颗粒的装置和方法，具有至少一个第一至少局部导电的结构（1），第二至少局部导电的结构（2），位于第一结构（1）和第二结构（2）之间的中间空间（3），用于在第一结构（1）和第二结构（2）之间形成电势的高压源（11），其中，在中间空间（3）中布置有至少一个至少局部导电的中间结构（8），在中间结构（8）上可以形成中间电势。在根据本发明的处理具有煤烟颗粒的废气的方法中，废气从第一结构（1）流动到第二结构（2），并且在第一结构（1）和第二结构（2）之间至少暂时性地施加高电压，结果是使得至少一部分废气中的煤烟颗粒被电离或凝聚，并且被沉淀到第二结构（2）上。另外，根据本发明，在第一结构（1）和第二结构（2）之间布置在中间空间（3）中的中间结构（8）至少暂时性地负载高电压，该高电压具有处于第一结构（1）的电势和第二结构（2）的电势之间的值。以此方式，可以有利地影响电场，并且减少了不期望的电压击穿所导致的干扰。

Description

用于减少内燃机的废气中的煤烟颗粒的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于减少内燃机的废气中的煤烟颗粒的方法和装置。
背景技术
以碳氢化合物作为燃料来运行的内燃机释放废气，该废气除其它成分外还包含碳质颗粒。这些碳质颗粒具有不同的尺寸，其分布取决于许多条件。尤其是，也称为细粒的小直径的碳质颗粒被认为对人类和动物的疾病负有责任。在本案中，细粒理解为尤其意指平均直径为100纳米或更小的颗粒。碳质颗粒尤其还包括可能具有积累的碳氢化合物的碳颗粒。
为了尤其是在机动车辆中减少颗粒的排放，经常使用“闭合的颗粒过滤器”，在其中废气流动通过包括交替闭合的通道和位于通道之间的多孔壁的结构。为了保证颗粒过滤器的最小背压，即使当已经负载时，也必须要使用尤其允许细粒以它们大致上仍未被过滤的方式来通过的孔隙度。
还知道的是，设置电场和/或等离子体可以导致小煤烟颗粒聚集以形成更大的煤烟颗粒和/或使煤烟颗粒带电。在过滤系统中，带电的煤烟颗粒和/或更大的煤烟颗粒大致上更容易分离。由于它们更大的惯性，煤烟颗粒聚集物在废气流动载体中以更大的惯性被运输，并且因此在废气流动的偏转点处更容易沉淀。带电的煤烟颗粒通过它们的电荷被牵引向带相反电荷的表面，在那里它们积累并释放它们的电荷。这也在具有不同的过滤器或分离器件的机动车辆的操作中促进了煤烟颗粒从废气流中的移除。
电场的用于所述方案的功效除了其它因素外还取决于电场强度、电场在有效区域中的均匀性，以及其在长时间周期上的再生能力。所施加的电压越高，功效越好，然而绝缘以及避免短路和不期望的电压击穿所遇到的困难也增加了。这对于所有已知的废气净化系统中的电场布置来说或多或少是正确的。另外，在短路或电压击穿(也称作电弧)的情况中，电场可能至少暂时性地消失，因此在这样的期间无法保证系统的功能。
发明内容
因此，本发明的目的是要至少部分地解决上述问题，并且尤其是要公开一种相比现有技术有所改善的装置，用于产生用于机动废气处理系统的电场。还将公开一种用于处理废气的方法。
这些目的通过根据如下特征的装置以及根据如下特征的方法来达到。所述装置至少具有第一至少局部导电的结构、第二至少局部导电的结构、位于第一至少局部导电的结构和第二至少局部导电的结构之间的中间空间，以及用于在所述第一至少局部导电的结构和所述第二至少局部导电的结构之间创建电势的高压源，在所述中间空间中布置有至少一个至少局部导电的中间结构，在所述中间结构上能创建中间电势，作为其形状和/或其电势的结果，所述至少一个至少局部导电的中间结构使得能够影响所述中间空间中的电场。在所述方法中，废气从第一至少局部导电的结构流动到第二至少局部导电的结构，并且在第一至少局部导电的结构和第二至少局部导电的结构之间至少暂时性地施加高电压，使得至少一些废气中的煤烟颗粒被电离或聚集，并且沉淀到所述第二至少局部导电的结构上，对布置在所述第一至少局部导电的结构和所述第二至少局部导电的结构之间的中间空间中的至少局部导电的中间结构至少暂时性地施加高电压，所述高电压具有处于所述第一至少局部导电的结构的电势和所述第二至少局部导电的结构的电势之间的值。在每一条从属权利要求中公开了装置和方法的进一步的有利的实施方案。权利要求中单个地公开的特征也可以任何技术上可行的方式彼此组合，并且可以由来自说明书的解释性的实质性内容来补充，其中呈现了本发明的进一步的变体。
根据本发明的用于减少废气、尤其是内燃机的废气中的煤烟颗粒的装置至少具有第一至少局部导电的结构、第二至少局部导电的结构、位于第一结构和第二结构之间的中间空间，以及用于在第一结构和第二结构之间创建电势的高压源，其中，在中间空间中布置有至少一个至少局部导电的中间结构，在其上可以创建中间电势。
作为其形状和/或其电势的结果，导电的中间结构使得可以影响中间空间中的电场。该中间结构因此可以用来制造尽可能均匀的电场，或用来非均匀地构建位于第一结构和第二结构之间的电场。在最简单的情况中，中间结构可以在中间空间中居中地布置，并且可以获得位于第一结构的电势和第二结构的电势中间的电势。这导致了电场的均匀化，这在一些应用中是有利的。然而，中间结构还可以用来使电场在废气的流动方向上和与其垂直的方向上、也就是说在径向方向上非均匀化。因为壳体中的废气流动绝非均匀的，电场的形状因此可以适应于所要求的流动条件，例如其可以朝向流动的中心集中。
在本发明的一个优选改进中，第一结构、中间结构和第二结构相继地布置在废气的流动方向上，使得废气能够相继地流动通过这些结构。这些结构因此可以适应于相应的当下占主导的流动情形。然而，这些结构还可以适应于使得它们可以单个地影响流动。
废气可以优选地流动通过第一结构、第二结构以及还有中间结构。就此而言，第一结构、第二结构和中间结构尤其优选地在横截面上完全覆盖住废气的流动，使得整个废气流尤其可以完全流过相继的单个结构中的每一个。
在本发明的一个优选的实施方案中，结构中的至少一个具有多个废气可以从中流过的通道，其中尤其可以使用蜂窝体形式的设计。现有技术中已经提议将蜂窝体作为第一结构和第二结构的形式，其中第二结构尤其可以形成为颗粒捕集器。蜂窝体形成为颗粒捕集器的许多实施方案在现有技术中已知，并且如果它们为至少局部导电的话，则也可以用来作为本发明的第二结构。尤其是，在现有技术中所充分了解的由片状金属层所形成的具有废气可从中流过的通道的蜂窝体可以考虑用于第一结构和中间结构。
至少第一结构尤其优选地具有多个废气可从中流过的通道，其中第一结构和中间结构尤其具有废气可从中流过的通道。备选地，第一结构和第二结构尤其优选地具有多个废气可从中流过的通道。在另一个实施方案中，所有的结构都可以具有多个废气可从中流过的通道。
根据本发明，或是所有的结构或是一些结构可以优选地完全地或部分地设置有催化活性涂层。尤其是，具有用在典型的机动车辆的废气净化系统中的催化性涂层的蜂窝体可以考虑用于第一结构和第二结构。相反，中间结构大致上不设置大表面，而是形成为在流动方向上为短的片状物，因此，催化活性涂层无关紧要。中间结构还可以形成为线栅或为折线。
如此处所描述的典型的用于废气中的离子化的布置具有处在电场中的电极，在所述电极的尖端处产生强电场，其促进了电子的分离并且因此促进了离子化。根据本发明，第一结构优选地还具有第一电极组，其成形并对齐以形成尖端放电。中间结构尤其优选地还具有第二电极组，其中所有的电极成形并对齐，以使得当在第一结构和中间结构之间或在中间结构和第二结构之间施加高电压时能够产生尖端放电。当使用多个中间结构时，整个系列的电极组因此可以布置在废气中，这促进了均匀的离子化。
第一结构和至少一个中间结构优选地以电绝缘的方式布置在壳体中，并且通过电绝缘的套管连接到高压源。壳体内的处在中间空间的区域中的电绝缘体阻止了结构和壳体之间的不期望有的电场变形和电压击穿。高压源尤其优选地配备有一个或多个分压器，其中通过开关实现了第一结构或中间结构与高压源的选择性分离。
在本发明的另一个实施方案中，在中间空间中设置彼此相隔一定距离地布置的至少两个中间结构，这使得电场能够以可以甚至更好地适应于不同应用的方式成形。
本发明还涉及尤其使用如上所述的装置来处理包含煤烟颗粒的废气的方法。废气从第一结构流动到第二结构，并且在第一结构和第二结构之间至少暂时性地施加高电压，使得至少一些废气中的煤烟颗粒离子化或聚集，并且沉淀到第二结构上。根据本发明，对布置在第一结构和第二结构之间的中间空间中的中间结构至少暂时性地施加高电压，所述高电压具有处于第一结构的电势和第二结构的电势之间的值。因此，可以影响第一结构和第二结构之间的电场的轴向和/或径向的分布，使得可以产生能适用于任何应用的场的分布。
本发明还提供如下选择，即改变中间结构的电势并且因此使其适应于不同的操作条件。因此，即使是污染的或不规则燃烧的第一结构的电极的再生也是可能的。通过多个具有其自己的电极组的中间结构，可以通过改变施加在每个中间结构处的电压来区别地操作。当在第一结构和第二结构之间使用相对高的总电压时，例如10kV(千伏特)，电压可以由中间结构分压，使得即使发生单个的电压击穿，系统的其余部分仍能保持废气的净化。
附图说明
在下文中，本发明将基于一个示例性的实施方案来更详细地解释，然而本发明并不限制于此。
图1显示了具有中间结构的根据本发明的装置的结构示意图。
具体实施方式
第一结构1和第二结构2与中间空间3一起布置在壳体4中。在本示例性实施方案中，第二结构2电连接到壳体4并且形成基准势，也称作接地。电绝缘体5将第一结构1与壳体4分离，并且还在壳体4的内侧延伸过整个中间空间3。第一结构1可以通过第一套管6连接到高压源11，并且可在所述第一结构上施加正的或负的高电压，例如2.5到25kV，优选地为5到15kV。第一结构1配备有第一电极组7，当施加高电压时，第一电极组7导致在中间空间3中的尖端放电，该尖端放电促进待净化废气的离子化。所施加的电场将自由电子加速到中间空间3中，这导致待净化废气的原子或分子的离子化。中间结构8布置在中间空间3中，并且同样与壳体4电绝缘且同样可以通过第二套管9暴露于高电压下。应用了两个或更多的中间结构的实施方案也同样有效。
高压源11配备有分压器，在最简单的情况中，分压器示意性包括第一电阻22和第二电阻23。第一局部电压12对应于第一电阻22，第二局部电压13对应于第二电阻23。如果第一电阻22和/或第二电阻23是可控制的，如附图中所示，则可以改变高压源11的总电压在第一局部电压12和第二局部电压13之间的分压，并可以将其设定到所期望的值。在最简单的情况中，例如如果中间结构8正好置于第一结构1和第二结构2的中间，并且中间结构8也设有处于第一结构1的电势和第二结构2的电势的中间的电压，则由此达到了在中间空间3中的电场的更均匀的分布。然而还可能的是，通过为中间结构8选择接近第二结构2的电势的电势来提升第一结构1和第一电极组7附近的电场。
在所示的示例性实施方案中，中间结构8携带有第二电极组10，通过适合地选择第一局部电压12和第二局部电压13，可以在待净化废气中设置两组尖端放电。这提供了不同的有利的可能性，用于使装置适应不同的操作条件和要求。
第二结构2典型地形成为过滤体14，并且用来分离在中间空间3中离子化的和/或聚集的煤烟颗粒。催化活性涂层协助煤烟颗粒的转换和过滤体14的再生。第一结构1典型地体现为金属蜂窝体15，其由具有固定于其上的针状电极18的结构化片状金属层16形成。蜂窝体15还可以设有催化活性涂层19。
本发明能够实现均匀的废气净化，其可以适应于不同的操作条件，并且通过使用电离高压而对故障具有低敏感性。
附图标记列表
1  第一结构
2  第二结构
3  中间空间
4  壳体
5  电绝缘体
6  第一套管
7  第一电极组
8  中间结构
9  第二套管
10 第二电极组
11 高压源
12 第一局部电压
13 第二局部电压
14 过滤体
15 蜂窝体
16 结构化片状金属层
17 废气可从中流过的通道
18 针状电极
19 催化活性涂层
20 第一开关
21 第二开关
22 第一电阻
23 第二电阻

Claims (11)

1.一种用于减少内燃机的废气中的煤烟颗粒的装置，至少具有第一至少局部导电的结构(1)、第二至少局部导电的结构(2)、位于第一至少局部导电的结构(1)和第二至少局部导电的结构(2)之间的中间空间(3)，以及用于在所述第一至少局部导电的结构(1)和所述第二至少局部导电的结构(2)之间创建电势的高压源(11)，其特征在于，在所述中间空间(3)中布置有至少一个至少局部导电的中间结构(8)，在所述中间结构上能创建中间电势，
作为其形状和/或其电势的结果，所述至少一个至少局部导电的中间结构(8)使得能够影响所述中间空间(3)中的电场。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一至少局部导电的结构(1)、所述第二至少局部导电的结构(2)和所述至少一个至少局部导电的中间结构(8)中的至少一个具有多个废气能够从中流过的通道(17)。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，所述第一至少局部导电的结构(1)、所述第二至少局部导电的结构(2)和所述至少一个至少局部导电的中间结构(8)中的至少一个形成为蜂窝体(15)。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一至少局部导电的结构(1)、所述第二至少局部导电的结构(2)和所述至少一个至少局部导电的中间结构(8)中的至少一个至少部分地具有催化活性涂层(19)。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一至少局部导电的结构(1)具有第一电极组(7)，并且所述至少一个至少局部导电的中间结构(8)具有第二电极组(10)，其中，每个组(7,10)的电极尖锐地成形并对齐，使得当在所述第一至少局部导电的结构(1)和所述至少一个至少局部导电的中间结构(8)之间或在所述至少一个至少局部导电的中间结构(8)和所述第二至少局部导电的结构(2)之间施加高电压时，它们能够产生尖端放电。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一至少局部导电的结构(1)和至少一个至少局部导电的所述中间结构(8)以电绝缘的方式布置在壳体(4)中，并且通过电绝缘的套管(6,9)连接到所述高压源(11)。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，设置了开关(20,21)，所述开关(20,21)使得能够将所述第一至少局部导电的结构(1)或所述至少一个至少局部导电的中间结构(8)与所述高压源(11)选择性地分离。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在所述中间空间(3)中设置有彼此相隔一定距离地布置的至少两个所述至少局部导电的中间结构(8)。
9.处理包含煤烟颗粒的废气的方法，其中，废气从第一至少局部导电的结构(1)流动到第二至少局部导电的结构(2)，并且在第一至少局部导电的结构(1)和第二至少局部导电的结构(2)之间至少暂时性地施加高电压，使得至少一些废气中的煤烟颗粒被电离或聚集，并且沉淀到所述第二至少局部导电的结构(2)上，其特征在于，对布置在所述第一至少局部导电的结构(1)和所述第二至少局部导电的结构(2)之间的中间空间(3)中的至少局部导电的中间结构(8)至少暂时性地施加高电压，所述高电压具有处于所述第一至少局部导电的结构(1)的电势和所述第二至少局部导电的结构(2)的电势之间的值。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使用根据权利要求1到8中任一项所述的装置。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，改变所述至少局部导电的中间结构(8)的电势。
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