专利名称：用于处理含有颗粒的废气的装置和方法
技术领域：
本发明涉及具有颗粒聚集装置和颗粒分离器的用于处理含有颗粒的废气的装置和方法。具体而言，本发明可用于汽车内燃机、如柴油机的废气处理领域。
背景技术：
在汽油或柴油的燃烧过程中，不仅形成了例如一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物， 而且形成了所谓的煤烟颗粒。因为这样的颗粒对健康造成危害并考虑到现有法令的规定范围，人们谋求进一步降低机动车辆中的颗粒排放。为此，在过去往往使用通常被设计成挤出式陶瓷结构的所谓壁流式过滤器，其中多个通道的入口和出口在交替的侧部处被封闭。这样，废气能进入某些通道中，然后由于上述封闭的原因被迫完全穿过该多孔式通道壁。通过这种多孔式通道壁的相应构造，可以在颗粒的分离期间达到很高的效率。这里的问题是，如果太多颗粒聚集在一起且没有及时地启动再生，这种壁流式过滤器可被堵塞。此外，这种壁流式过滤器在排气系统产生相当大的背压，与其相关的问题是例如内燃机的功率损耗。为了抵消该背压问题且类似地允许法令规定范围内的颗粒分离，还已经开发了所谓的分流式过滤器。在所述过滤器中通道未被完全封闭，使得一部分流体总是可以穿过该通道向前流动。例如可在通道中提供导流件、导向叶片、孔口等，以便依靠相邻通道的压差来使(部分)流体流经滤料。在这里，通常在通道长度上提供多个这种导流结构，用以在周围滤料的适宜条件下实现颗粒或废气的偏转，并且在例如滤料已经完全满了的情况下实现分流。为了这种壁流式过滤器或分流式过滤器的再生，已知使用间歇式和/或连续式再生。在间歇式再生的情况下，煤烟是作为针对性地将热量引入颗粒分离器中的结果而燃烧。为此，例如可以将大量的未燃烧燃料分配到废气系统中的催化活性涂层上，在其中发生放热反应，该反应将废气或颗粒分离器加热至足以使煤烟氧化的温度。连续式工艺也称为 CRT(连续再生捕集)工艺，使用二氧化氮(NO2)来转化煤烟。为此，废气中的一氧化氮用具有氧化作用的催化剂并用空气或氧气来氧化，以形成二氧化氮，其随后被提供给烟煤。这里，煤烟的转化甚至在相当低的温度下发生，诸如例如高于250°C。此外，已经有人提议还可用由电极对所产生的电场来对废气流中的颗粒进行充电，并使其运往分离电极。然而，在某种程度上该已知的系统在其分离作用、再生和/或其对内燃机运行的影响方面并非始终令人满意。此外，所述观念在某种程度上非常复杂，并因此价格昂贵。
发明内容
以此出发，本发明的目的是至少部分地解决关于现有技术所说明的问题。具体而言，本发明谋求提出用于处理颗粒的装置和方法，使得排气系统甚至在低压力损耗的情况下也能获得很高的分离效果。
3
所述目的依靠根据权利要求1的特征的装置和根据权利要求7的特征的方法来实现。在从属权利要求中体现了其它的优选设计变体和使用领域。应该注意，在权利要求中单独说明的特征可以以任何工艺上想得到的所需方式相互结合，并且构成本发明的进一步的实施例。说明书尤其是与附图相结合，阐明了本发明并进一步详细说明了其它的示例性实施例。根据本发明的用于处理具有颗粒的废气的装置至少包括颗粒聚集装置和颗粒分离器，其中颗粒聚集装置具有至少一个用于产生电场的仪器，以及废气可从中流过且在废气流向上位于颗粒分离器上游的颗粒缓冲存储器。该装置尤其可处理汽车内燃机如柴油机的废气。颗粒具体而言主要是煤烟颗粒， 但是其他颗粒同样会在本文中被提及。颗粒聚集装置和颗粒分离器(优选直接地)在废气流向上串联式提供。例如，假如设有多个排气支管，这里也可以为每个所述排气支管提供一个相应装置。此外，也可以借助于相应的装置只处理一部分废气。颗粒聚集装置用于增大由内燃机产生并包含在废气中的颗粒的尺寸。为此，颗粒依靠电场有针对性地沉积在颗粒缓冲存储器上，其中颗粒停留在彼此之上，并因其趋于相互粘附而尺寸增加。当颗粒缓冲存储器上的颗粒到达所需的尺寸，它们再次被废气带走，并被提供给下游的颗粒分离器。由于多个颗粒的定向聚集，此时该颗粒分离器可设计成对于大的颗粒结块具有相应的分离效率。这尤其还具有如下效果，即下游的颗粒分离器可具有更“敞开”的设计，其中在过滤器变得趋于闭塞的情况下可以显著地减少与压力损失增大相关的问题。论及用于产生电场的仪器，这里还应该注意到，要聚集的颗粒在静电场中被充电， 并且由于其所带电荷，它们会更大力度地朝向颗粒缓冲存储器和/或朝向彼此移动。这里，极特别优选地将颗粒缓冲存储器连接至电极。这样，尤其是会有作用力施加在电离颗粒上，使得这些颗粒以更大的力度和集中的方式聚集在颗粒缓冲存储器上。所述颗粒的表面相对于其他颗粒具有非常好的粘附性能，使得颗粒结块甚至在去离子作用后依然也稳固地彼此粘附。为此，颗粒缓冲存储器连接至极性与颗粒相反的电极上。作为进一步的效果，可注意到缓冲存储器上的颗粒结块的保持力也以这种方式降低，从而确保了颗粒结块被废气流迅速地再次撕开。此时相对大的、电中性的颗粒结块被提供给颗粒分离器， 其中在这里基本上不再发生静电效应，并且确保了颗粒分离器的统一使用。在该装置的一个实施例中，提出了颗粒缓冲存储器具有至少一个带有多重通道的敞开结构。如上所述，废气可以流经颗粒缓冲存储器。这意味着不是简单的管道截面，而是与废气流向相对且废气本身可流动穿过其壁的装置。本文尤其提出了一种带有多重通道的敞开结构。这尤其表示，废气流被颗粒缓冲存储器或敞开结构分成成多股很小的废气分流， 它们被引导穿过敞开结构的多重通道。为此，颗粒缓冲存储器尤其设置成横向于或垂直于废气流的流向，并因此被流体尤其是冲击在较大的区域上。为此，通道一般在流向上只有很短的长度。该敞开结构因此尤其是盘形的、板形的设计。具体而言，管道的数量大于20，尤其大于100。“敞开”结构尤其是指不存在流动死端，而是流体可以(直线地和/或有多次转向地)流经通道。这里，具体而言，如果在该结构中的垂直于流向的横截面内或在每一横截面内能够自由穿过的部分比结构件更多，那么则设置“敞开”结构。这里以面积进行相互比较，具体而言当在横截面中或在每一横截面中流体可以自由穿过的区域所占的面积百分比大于50 %、尤其是大于80 %时，设置“敞开”结构。因此，对于至少一个敞开结构来说，极特别优选的是盘形设计，并且包括如下元件中的至少之一栅格、织物、无纺布、泡沫、蜂窝结构。具体而言，敞开结构的盘形设计意味着在废气流向的方向上“敞开”结构的长度比其垂直方向上的长度(显著地、具体而言是若干倍地)小。因此，敞开结构可设计成例如栅格。为此可将多根金属棒彼此连接。这里，栅格例如可由彼此焊接的金属丝以筛的形式构成。也可以用这种金属丝形成织物，其中金属丝不只是搁置于彼此之上，而且是围绕彼此部分地结成环。不言自明，也可以提供某种程度的湍流式布置的金属丝或丝线，例如在使用无纺布的情况下那样。虽然在用无纺布的情况下单个金属丝例如被彼此焊接在一起，相应的敞开结构也可由泡沫形成，其又类似地形成了湍流式通道系统。规则的通道系统也可由蜂窝结构形成，例如带有至少一个光滑金属箔和至少一个波纹状金属箔。盘形敞开结构同样优选地可由导电材料、尤其是金属构成。通常来说，也可将多个(相同或不同)的结构组合起来。在该装置的一个实施例中，提出了用于产生电场的仪器包括放电电极。不言自明， 也可以提供多个放电电极。放电电极可由相应形状的单独电极形成，然而此处也可以提供例如环状的、盘形或类似变体的放电电极。此外，电中性的和包括壁流式过滤器或分流式过滤器的颗粒分离器被认为是优选的。关于壁流式过滤器和/或分流式过滤器的可能结构，可以参考前文所述和下面更进一步的附图描述。颗粒分离器为电中性的事实具有如下效果在颗粒分离器的入口区域中不会出现颗粒结块的强化排列。结果是，获得了颗粒分离器或颗粒分离器中的滤料的更均勻载荷。设置壁流式过滤器和/或分流式过滤器使得可在小结构体积内容纳非常大的过滤表面积，使得这里获得的效果尤其是优于离心分离器。根据本发明的另一方面，提出了一种用于处理具有颗粒的废气的方法，该方法至少包括如下步骤a)在电场中对颗粒充电b)利用电吸引力将带电颗粒提供给废气可从中流过的颗粒缓冲存储器，c)将颗粒以位于彼此之上的方式沉积在颗粒缓冲存储器上，从而形成颗粒结块，d)从颗粒缓冲存储器中去除颗粒结块，e)将颗粒结块提供给颗粒分离器，f)在颗粒分离器中转化颗粒结块。该方法尤其可用根据本发明的装置来实现。因此，对根据本发明的装置所做的说明也适用于关于根据本发明的方法。因此，在步骤a)中进行颗粒、特别是煤烟的电离。基本上可以使颗粒带正电荷或负电荷，其中在每种情况下都必须产生相应的电场。如果适合，这里也可以交替的方式在颗粒中提供不同的电荷，例如通过在预定义的时间间隔之后改变电场。按照步骤b)，由此离子化的颗粒被提供给颗粒缓冲存储器，其中由于颗粒和颗粒缓冲存储器带有不同的电荷，来自废气流的颗粒绝大多数聚集在颗粒缓冲存储器上(在静电力的作用下)。结果，颗粒以位于彼此之上的方式沉积在颗粒缓冲存储器上并且彼此粘附。在这里，除粘附力以外范德华力也起作用。颗粒缓冲存储器设计或构造成使得颗粒或颗粒结块只是很短暂地粘附在那里，也就是说在那里不发生颗粒的(完全)转化。事实上，由于气流正面冲击在颗粒缓冲存储器上，废气再次带走颗粒结块，并将其引至下游的颗粒分离器，在那里颗粒结块聚集起来，直至颗粒分离器的再生，并且最后被转化。在这里，可以发生连续的和/或非连续的转化。在所述方法中，特别优选地为颗粒分离器提供电中性状态的颗粒结块。换句话说， 这意味着例如颗粒缓冲存储器连接至电极(电位)，使得当所述颗粒和所述颗粒缓冲存储器相接触时颗粒的电荷被中和。然后流向颗粒分离器的颗粒结块因此沿着废气的“正常”流动途径，使得尤其是在颗粒分离器中的颗粒结块的聚集过程中静电效应不再起(重要的) 作用。因此，可以利用传统的手段来构造或设计颗粒分离器。此外，如果步骤d)仅借助于废气流来发生是有利的。也就是说，不需要颗粒缓冲存储器的主动驱使或其他外部手段来使颗粒结块返回到废气流中。也就是说，仅由废气流就可再次去除颗粒结块。考虑到颗粒结块的理想尺寸，基本上可以相应地设计颗粒缓冲存储器，例如通过提供较大的流动冲击表面、适当(光滑)的表面，等等。该方法的一个实施例的极特别优选之处在于，在颗粒缓冲存储器的上游和下游处的废气中，废气中的颗粒的平均质量相同，但是颗粒缓冲存储器下游的颗粒的平均数量较少。这尤其意味着，事实上颗粒缓冲存储器实际只起形成颗粒结块的作用，也就是说，(按时间的平均值)供给颗粒缓冲存储器的颗粒的质量与最后离开颗粒缓冲存储器的颗粒的质量近似相同。作为颗粒以位于彼此之上的方式定向聚集以形成较大颗粒结块的结果，颗粒的数量减少，并且颗粒的尺寸增大。因此，颗粒缓冲存储器优选事实上只通过被电离且然后相结合的颗粒来聚集颗粒。本发明尤其可用于具有带排气系统的内燃机的机动车辆，在该排气系统中提供有根据本发明的装置，所述装置安装成可以实施根据本发明的方法。具体而言，该机动车辆为特别是具有柴油机的客运机动车辆或者是重型货运车辆。
下面将基于附图来更详细地说明本发明和技术领域。应当指出，附图示出了本发明的特别优选的实施例的变体，然而本发明并不限于此。在附图中示意地示出图1 示出了根据本发明的装置的一种设计变体。图2 示出了颗粒聚集装置入口的上游处的颗粒分布，图3 示出了颗粒聚集装置出口的下游处的颗粒分布，图4 示出了具有排气系统的机动车辆，图5 示出了根据本发明的装置的另一设计变体，图6 示出了颗粒缓冲存储器的一种设计变体的详图，图7 示出了颗粒缓冲存储器的另一设计变体，图8 示出了颗粒缓冲存储器的又一变体，图9 示出了分流式过滤器形式的颗粒分离器的详图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的装置以及根据本发明的方法的一种优选设计变体。这里，废气沿流向8流进根据本发明的装置1中。在那里，废气首先流进颗粒聚集装置3中。 这里，所述颗粒聚集装置3包括用于产生电场6的仪器5，所述仪器在这里以连接至电(负) 极9的放电电极12的形式示出。在所述电场6中，颗粒2被电离，也就是说被提供有电荷， 并且沿流向8向前流进颗粒缓冲存储器7，废气可穿过颗粒缓冲存储器7流动。颗粒缓冲存储器7类似地连接至电(正)极9，其中后者的极性与放电电极12的电极9相反。此时，电离的颗粒2沉积在颗粒缓冲存储器7的表面上，其中多个颗粒2彼此冲击且相互粘附。这里，颗粒缓冲存储器7被设计成具有多条通道11的敞开结构10，使得废气在其流经敞开结构10时带走已长成大尺寸的颗粒结块15。因此，废气流将此时明显更大的颗粒结块15引导至颗粒分离器，沿废气的流向8看去，颗粒分离器位于颗粒缓冲存储器7的下游。在颗粒分离器4中，颗粒结块15聚集起来，并例如通过二氧化氮(NO2)而被连续转化。图2和图3用于示意地阐明存在于颗粒聚集装置的上游和下游处的废气流中的颗粒分布。这里，横坐标为平均颗粒尺寸20，纵坐标为颗粒数量19。从图2中可以看到，平均颗粒分布位于横坐标上的更左侧，这里也就是说，大量的小颗粒2在废气流中被带走。在离开颗粒聚集装置之后，可以看到颗粒分布位于横坐标上的更右侧，也就是说，这里出现了更大的颗粒尺寸20。颗粒的数量也显著地降低了，这是因为已经由多个颗粒2的结合构成了颗粒结块15。在这里基本上可以普遍认识到，颗粒聚集装置的上游和下游处的颗粒总质量大致相同。图4示意地示出了具有例如为柴油机的内燃机17的机动车辆16，其中提供了用于除去废气中的不想要的污染物和颗粒的相应排气系统18。在排气系统18中沿废气的流向 8示出了催化转化器21、颗粒聚集装置3和颗粒分离器4。不言自明，这里也可以提供或增添其它的废气处理部件。示意性示出了颗粒聚集装置3同样由电场6和下游的颗粒缓冲存储器7构成。这里，如果催化转化器21能够将包含在废气中的氮氧化物转化成二氧化氮， 并且进而可以在颗粒分离器4中实现煤烟的相应转化，那么尤其是可以提供颗粒分离器4 的连续再生。图5以局部透视图示出了颗粒缓冲存储器7与形式为壁流式过滤器13的颗粒分离器4的组合的一种设计变体。这里，带有电离颗粒的废气沿流向8流动到颗粒缓冲存储器7。颗粒缓冲存储器7在这里以栅格32的形式设计，其中多个金属丝25彼此连接以形成多重通道11。这里，通道11大到使得煤烟颗粒不可能被过滤出去，也就是说，通道11比颗粒2和颗粒结块15大若干倍。现在，多个颗粒2在所述颗粒缓冲存储器7上彼此粘附，并且最终被废气流夹带，并一直被携带至形式为壁流式过滤器13的颗粒分离器4。壁流式过滤器13的特征在于具有多重通道22，其中所述通道在两个端侧处以交替的方式具有相应的封闭件23。这样进入一侧的废气被迫穿过多孔壁M而进入相邻通道，其中全部废气流被迫穿过多孔壁。既然此时只有相对较大的颗粒结块需要被过滤出去，壁流式过滤器13的壁M可具有相对大的气孔或很高的孔隙度，不会降低该装置的高过滤效率。然而，该结构还具有可以显著降低所述颗粒分离器4上的压力损失的效果。在图6至8中示出了颗粒缓冲存储器7的其他设计变体。在图6中示出了形式为织物30的颗粒缓冲存储器7，在图7中示出了(金属)泡沫31的形式，在图8中示出了具有至少部分波纹状金属箔的盘形蜂窝结构23的形式。所有的所述设计变体均形成敞开结
7构10。现在，图9示出了分流式过滤器14的运行模式的详图。这里，由波纹状金属箔沈和光滑的金属无纺布27形成了分流式过滤器14，其中这些材料以交替的方式布置，使得它们在各种情况下都限定了公用的通道。在金属箔沈中提供了导流件观，使得至少一部分废气流朝向无纺布27移动。然而在这里，导流件观没有大到可以阻塞整个通道横截面；事实上，通道中的一部分废气流即所谓的分流四可以流经导流件观。优选地沿在通道的长度上提供多个这种导流件观，使得废气流多次被转向，并且因而使经过无纺布27的流动的可能性很高。参考符号表1 装置2 颗粒3 颗粒聚集装置4 颗粒分离器5 仪器6 电场7 颗粒缓冲存储器8 流向9 电极10 敞开结构11 通道12 放电电极13 壁流式过滤器14 分流式过滤器15 颗粒结块16 机动车辆17 内燃机18 排气系统19 颗粒数量20 颗粒尺寸21 催化转化器22 通道23 封闭件24 壁25 金属丝26 金属箔27 无纺布28 导流件29 分流30 织物
31 泡沫32 栅格33 蜂窝结构
权利要求
1.一种用于处理具有颗粒O)的废气的装置(1)，至少包括颗粒聚集装置C3)和颗粒分离器G)，其中，所述颗粒聚集装置(3)具有至少一个用于产生电场(6)的仪器(5)，并具有颗粒缓冲存储器(7)，所述废气能从所述颗粒缓冲存储器(7)中流过，并且所述颗粒缓冲存储器(7)位于沿废气流向的颗粒分离器的上游(8)。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述颗粒缓冲存储器(7)与电极(9) 连接。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，所述颗粒缓冲存储器(7)具有至少一个带有多重通道(11)的敞开结构(10)。
4.根据权利要求3所述的装置(1)，其特征在于，所述至少一个敞开结构(10)为盘形设计，并且包括下列元件中的至少之一栅格(32)、织物(30)、无纺布(27)、泡沫(31)、蜂窝结构(33)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，用于产生电场(6)的所述仪器(5)包括放电电极(12)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述颗粒分离器(4)是电中性的，并且包括壁流式过滤器(1 或分流式过滤器(14)。
7.一种用于处理具有颗粒O)的废气的方法，至少包括如下步骤a)在电场(6)中对所述颗粒(2)充电，b)利用电吸引力将带电颗粒( 提供给废气能从中流过的颗粒缓冲存储器(7)，c)将所述颗粒O)以位于彼此之上的方式沉积在所述颗粒缓冲存储器(7)上，从而形成颗粒结块(15)，d)从所述颗粒缓冲存储器(7)上去除所述颗粒结块(15)，e)将所述颗粒结块(1 提供给所述颗粒分离器(4)，f)在所述颗粒分离器中转化所述颗粒结块(15)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述颗粒结块(15)以电中性的状态提供给所述颗粒分离器(4)。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤d)仅借助于废气流发生。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述颗粒缓冲存储器 (7)的上游和下游处的废气中，所述废气中的颗粒的平均质量相同，但所述颗粒缓冲存储器 (7)下游处的颗粒的平均数量更低。
11.一种具有带排气系统(18)的内燃机(17)的机动车辆(16)，其中设有根据权利要求1至6中任一项所述的装置(1)，所述装置设置成能实施现根据权利要求7至10中任一项所述的方法。
全文摘要
一种用于处理具有颗粒(2)的废气的装置(1)，至少包括颗粒聚集装置(3)和颗粒分离器(4)，其中所述颗粒聚集装置(3)具有至少一个用于产生电场(6)的仪器(5)，以及废气可从中流过且沿废气流向处于颗粒分离器(4)的上游(8)的颗粒缓冲存储器(7)。
文档编号F01N3/01GK102459831SQ201080027135
公开日2012年5月16日 申请日期2010年5月28日 优先权日2009年6月17日
发明者沃尔夫冈·毛斯 申请人:依米泰克排放技术有限公司