用于排气后处理的排气后处理系统及方法与流程

本发明涉及一种排气后处理系统。此外，本发明涉及一种用于排气后处理的方法。

背景技术：

从实践中，已知内燃机的排气后处理系统，其作为排气后处理组件包括在排出气体的流动方向上看布置在颗粒过滤器上游的至少一个另外的排气后处理组件，和/或在排出气体的流动方向上看布置在颗粒过滤器下游的至少一个另外的排气后处理组件。在流动方向上看，定位在颗粒过滤器上游的排气后处理组件特别地为用于将一氧化氮(no)氧化成二氧化氮(no2)的氧化催化转化器。在流动方向上看，定位在颗粒过滤器下游的排气后处理组件可为消音器。特别是当在排出气体流的流动方向上看时，用于no成为no2的氧化的氧化催化转化器定位在颗粒过滤器上游，在氧化催化转化器中no成为no2的氧化在排出气体流中包含的残余氧气o2的帮助下根据以下反应式进行：

2no+o2→2no2

在一氧化氮成为二氧化氮的该氧化期间，氧化反应在高温下的平衡是在一氧化氮一侧。这具有以下结果：在高温下，可实现的二氧化氮比例受到很大限制。

在颗粒过滤器中，在氧化催化转化器中获得的二氧化氮利用在颗粒过滤器中积聚的含碳颗粒(所谓的烟灰)转化成一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)、氮气(n2)以及一氧化氮(no)。在该过程中，为了颗粒过滤器的被动再生的目的，进行积聚在颗粒过滤器中的含碳颗粒物质或烟灰的连续移除，其中该转化根据以下反应式进行：

2no2+c→2no+co2

no2+c→no+co

2c+2no2→n2+2co2

特别是在关于颗粒过滤器的此类被动再生不可进行积聚在颗粒过滤器中的含碳颗粒物质或烟灰的完全转化时，颗粒过滤器中的碳比例或烟灰比例增加，其中颗粒过滤器接着具有朝向堵塞的趋势，由此，最终在连接在排气后处理系统上游的内燃机上的所谓的排出气体背压增加。内燃机上增加的排出气体背压减少了内燃机的功率并且引起燃料消耗增加。

为了避免颗粒过滤器中含碳颗粒物质或烟灰的增加以及因此颗粒过滤器的堵塞，从实践中已知的是，提供具有催化涂层的颗粒过滤器。此处，优选地采用含铂涂层。然而，具有催化涂层的此类颗粒过滤器的使用可防止颗粒过滤器由含碳颗粒物质(即，由烟灰)的加载仅到不充分程度。

特别是在(如典型地船舶的柴油内燃机上的情况)内燃机(其中操作排气后处理系统)利用高含硫燃料操作、诸如例如利用重质燃料油操作时，存在另外的问题：由于灰分和烟灰的严重侵袭，排气后处理系统的颗粒过滤器的堵塞可同样发生。特别是在利用重质燃料油操作的内燃机的情况下，颗粒过滤器的维护间隔可由所发生的灰分和烟灰而如此显著地缩短，以致于排气后处理系统的实际操作不再可能。

出于以上的原因，因此，从实践中已知的是，由无过滤器的颗粒分离器代替排气后处理系统中的颗粒过滤器。在颗粒分离器的情况下，排出气体不流动穿过任何过滤介质，而是排出气体流沿着纹理表面传导和偏转，以便由此分离颗粒。

从ep1072765b2中已知一种用于颗粒从内燃机的排出气体的分离的方法。颗粒在流动的死区中经由扩散分离。根据从ep1072765b2中已知的方法，颗粒通过扩散从排出气体的分离容易为可能的，然而，存在以下问题：在内燃机操作不稳定的情况下，经常不可获得足够的no2以便氧化分离的碳。出于该原因，颗粒分离器必须储存颗粒，直到稍后用于碳的氧化的充分的no2为可获得的。然而，颗粒过滤器不得在过程中堵塞。

从de102008029520a1中已知另一种颗粒分离器。在该颗粒分离器中，排出气体也稳定地偏转，以便将颗粒与排出气体分离。

存在对具有颗粒分离器的排气后处理系统的需要，其中分离的颗粒(特别是碳颗粒)可中间储存以用于随后的氧化，并且可从其中排放烟灰和灰分以用于避免颗粒分离器的堵塞。由此出发，本发明基于产生用于排气后处理的新型排气后处理系统和新型方法的目的。

技术实现要素：

该目的通过根据权利要求1的排气后处理系统来解决。该排气后处理系统包括用于从排出气体移除烟灰和灰分颗粒的至少一个颗粒分离器模块，其中待清洁的排出气体可经由至少一个排出气体供给管线供给至颗粒分离器，其中在颗粒分离器中清洁的排出气体可经由至少一个排出气体排放管线从颗粒分离器排放，其中相应的颗粒分离器模块包括多个排出气体流动通路，排出气体可流动穿过该多个排出气体流动通路，出自排出气体供给管线的排出气体可经由该多个排出气体流动通路沿排出气体排放管线的方向传导，其中排出气体流动通路由相邻的流动控制元件界定，该流动控制元件在排出气体流动通路中界定宏观结构，诸如具有湍流排出气体流的流动偏转区和/或流动的死区和/或具有不同流速的流动区，其中相应的颗粒分离器模块包括多个清洁通路，排出气体和/或压缩空气可流动穿过该清洁通路，其横向于排出气体流动通路延伸并且同样由流动控制元件界定，并且其中至少在流动控制元件中将排出气体流动通路与清洁通路分离的此类区段中，引入用于流动穿过清洁通路的排出气体的经过和/或用于流动穿过清洁通路的压缩空气的经过的凹部，流动控制元件的面向排出气体流动通路的表面可经由该凹部清除烟灰和/或灰分。

在根据本发明的排气后处理系统的颗粒过滤器的情况下，碳颗粒可中间储存以用于氧化，此外，可排放灰分和烟灰以用于避免颗粒过滤器的阻塞。碳颗粒经由颗粒在排出气体流动通路的表面上的扩散和/或对流来分离。借助于清洁通路(压缩空气和/或排出气体可经由该清洁通路传导)，灰分和烟灰可有效地从颗粒过滤器移除。

根据另外的发展，面向排出气体流动通路的流动控制元件的表面形成微观结构。优选地，微观结构扩大宏观结构的有效表面区域，其中微观结构优选具有在0.05μm和50μm之间的粗糙度。在流动控制元件的面向排出气体流动通路的表面上的微观结构经由扩散和/或对流改进颗粒与排出气体的分离。此处，在0.05μm和50μm之间的微观结构的粗糙度为特别优选的，以便形成分离颗粒的薄的滞留边界膜，其中流速趋于零。因此，可避免颗粒再次由流剥离而无约束。

根据进一步发展，流动控制元件包括扁平的或二维轮廓的流动控制元件以及起伏的或三维轮廓的流动控制元件，它们交替地设计为夹层状或堆叠状，形成多层排出气体流动通路和清洁通路。优选地，作为宏观结构的三维轮廓的流动控制元件形成沿排出气体流动通路的方向延伸的导流轮廓、横向于排出气体流动通路的方向延伸的聚流轮廓以及导流开口。

形成或界定排出气体流动通路和清洁通路的、在彼此之上布置成夹层状或堆叠状的流动控制元件特别优选用于经由扩散和/或对流分离碳颗粒并且用于清洁灰分和烟灰的颗粒过滤器。

根据另外有利的进一步发展，流动控制元件具有在40μm和150μm之间、优选在40μm和100μm之间、特别优选在40μm和60μm之间的壁厚。流动控制元件的此类薄壁厚度允许有效的流动控制、碳颗粒的有效分离，以及颗粒分离器在每种情况下带有紧凑设计的有效清洁。

用于根据本发明的排气后处理的方法限定在权利要求14中。

附图说明

本发明的优选的另外的发展从从属权利要求和以下描述中获得。本发明的示例性实施例经由附图更详细地解释而不限于此。其中附图示出：

图1：排气后处理系统的框图；

图2：图1的细节；

图3：图2的细节。

参考标号列表

1内燃机

2排气后处理系统

3颗粒分离器

4待清洁的排出气体

5清洁的排出气体

6颗粒分离器模块

7压缩空气

8流动控制元件

9流动控制元件

10排出气体流动通路

11清洁通路

12导流轮廓

13聚流轮廓

14导流开口

15导流开口

16罐

17壳体。

具体实施方式

本发明在此处涉及用于内燃机、优选用于船舶上采用的内燃机的排气后处理系统，该内燃机利用高含硫燃料(诸如例如利用重质燃料油)操作。

图1示出定位在内燃机1下游的排气后处理系统2的示例性实施例。图1的排气后处理系统2包括定位在内燃机下游的颗粒分离器3。

在此处指出的是，在颗粒分离器3上游的排出气体的流动方向上看以及也在颗粒分离器3下游的排出气体的流动方向上看，可在每种情况下定位排气后处理系统的至少一个另外的排气后处理构件。在颗粒分离器3上游，例如可定位用于no成为no2的氧化的氧化催化转化器。在颗粒分离器3下游，例如可定位消音器。

待清洁的排出气体4可经由未详细示出的排出气体供给管线供给至颗粒分离器3。

在待清洁的排出气体流动穿过颗粒分离器3之后，清洁的排出气体5可优选经由同样未详细示出的至少一个排出气体排放管线从颗粒分离器3排放。

在图1的框图中，颗粒分离器3包括两个颗粒分离器模块6。图1中示出的这两个颗粒分离器模块6并联连接。

在此处指出的是，另外地或作为并联连接的此类颗粒分离器模块6的备选方案，颗粒分离器3还可包括串联连接的颗粒分离器模块6。

颗粒分离器3的各个颗粒分离器模块6包括多个排出气体流动通路10，排出气体可流动穿过排出气体流动通路10(参照图2,3)，从排出气体供给管线放出的排出气体可经由排出气体流动通路10沿排出气体排放管线的方向传导。流动通路10由相邻的流动控制元件8,9界定，流动控制元件8,9优选为金属和/或陶瓷和/或含石英和/或含玻璃和/或含硅和/或含硅酸盐的，其在排出气体流动通路10中形成或界定处于毫米(mm)大小范围或处于厘米(cm)大小范围的宏观结构，特别是具有湍流排出气体流的偏转区和/或流动的死区和/或具有不同流速的流动区。除了排出气体流动通路10之外，在特别是碳颗粒由扩散和/或对流分离的区域中，相应的颗粒分离器模块6在每种情况下包括多个清洁通路11，排出气体和/或压缩空气可流动穿过清洁通路11，清洁通路11横向于排出气体流动通路10延伸并且同样由流动控制元件8,9界定。

因此，流动控制元件8,9中的一些或其区段一方面在第一侧界定排出气体流动通路10中的一个，并且在第二侧界定清洁通路11中的一个。在此类流动元件8,9中或者至少在流动控制元件8,9的此类区段(其一方面分离排出气体流动通路10，并且另一方面将清洁通路11彼此分离)中，引入了用于使流动穿过清洁通路11的排出气体和/或流动穿过清洁通路11的压缩空气通过的凹部，流动控制元件8,9的面向排出气体流动通路10的表面或表面区段可经由该凹部清除烟灰和/或灰分，因为经由清洁通路11流动的排出气体和/或压缩空气经由这些凹部流动并且因此清洁流动控制元件8,9的面向烟灰/或灰分的排出气体流动通路10的表面或表面区段。

流动控制元件8,9一方面包括平的、板状的以及因此二维轮廓的流动控制元件8，并且另一方面包括起伏的以及因此三维地体现的流动控制元件9，其在彼此之上交替地布置成夹层状或堆叠状(如从图2和图3中明显的)，即，形成多层排出气体流动通路10和清洁通路11。

在该情况下，流动控制元件8,9优选具有在40μm和150μm之间、优选地在40μm和100μm之间、特别优选地在40μm和60μm之间的壁厚，以使流动控制元件8,9相应地形成膜状的。

流动控制元件8,9还可体现为扩展金属层或网格状。

在该情况下，三维轮廓的流动控制元件9形成为宏观结构，沿排出气体流动通路10的方向延伸的导流轮廓12和横向于排出气体流动通路10的方向延伸的聚流轮廓13就像导流开口14一样，其中典型地形成湍流。三维轮廓的流动控制元件9可为起伏的扩展金属层。

在每种情况下，二维轮廓的流动控制元件8将两个相邻的三维轮廓的流动控制元件9彼此分离，并且作为宏观结构形成导流开口15。二维轮廓的流动控制元件8可为平滑的扩展金属层。

流动穿过层的排出气体流动通路10并且积聚在该层的聚流轮廓13的区域中的排出气体被迫经由导流开口14流动到相邻层中的另一排出气体流动通路10中，或者流动到相同层的排出气体流动通路10中随后的清洁通路11和随后的导流轮廓12的开口14，其中该排出气体流动通路的区域中的该排出气体可到目前为止沿排出气体排放管线的方向接着再次流动，直到排出气体再次进入随后的聚流轮廓13的区域。

经由该随后的聚流轮廓13，排出气体再次被迫经由开口14流动到相邻层的导流通路10中，或者经由随后的清洁通路11和随后的导流轮廓12的开口14流动到相同层的排出气体流动通路10中。

因此，经由导流通路10流动的排出气体不流动穿过任何过滤介质，但是排出气体被迫多次经历流动偏转，其中在该过程中，颗粒可由扩散和/或对流分离，特别是在聚流轮廓13的区域中，在该区域上形成流动的死区。

为了促进颗粒通过扩散和/或对流与排出气体的分离，微观结构形成在流动控制元件8,9上，即，在面向导流通路10的流动控制元件8,9的表面或表面区段，即，处于微米(μm)范围的结构)上，以便在这些表面的区域中建立优选在0.05μm和50μm之间的粗糙度，并且经由这种方式扩大宏观结构的有效表面区域。

特别是在微观结构的粗糙度在0.05μm和50μm之间时，薄的滞留边界膜可形成于宏观结构的区域中，其中流速趋于零。经由这种方式，避免了在粗糙表面的区域中分离的颗粒可再次由排出气体流剥离。

特别是可在聚流宏观结构的区域中形成的微观结构可由机械加工和/或由相应表面的化学处理形成。

因此，可能的是，通过刷涂和/或研磨和/或刮擦和/或喷砂和/或压印和/或针刺形成微观结构来在宏观结构的表面上调节表面的粗糙度，以使微观结构接着形成为刷涂结构和/或研磨结构和/或刮擦结构和/或喷丸结构和/或压印结构和/或针结构。此外，可能的是，通过诸如蚀刻和/或电镀和/或阳极氧化的化学处理来形成微观结构，以使微观结构接着形成为蚀刻结构和/或电镀结构和/或阳极氧化结构。此外，可进行用于形成微观结构的表面的电晕处理。

此外，可调整流动控制元件8,9的优选金属材料的合金化，以使其表面结构在热的作用下和/或在ph值的变化的作用下改变。

对此的实例为铝在流动控制元件8,9的合金中的引入。在高温下，铝迁移至其形成铝簇的表面。可选择用于流动控制元件的合金材料，以使其表面可容易地腐蚀或氧化。

由此，可能的是，通过排出气体的氧化和腐蚀性气氛在内燃机的操作期间增加排出气体流动通路10的区域中的表面的粗糙度。这即使在短的磨合阶段之后也是成功的，以便可接着省去流动控制元件的表面的机械或化学处理。

施加金属粉末、随后粉末通过钎焊或烧结至流动控制元件的固定也为可能的，以便形成具有限定的粗糙度的限定的微观结构。

如已经解释的那样，流动控制元件9为三维轮廓的。除此之外，流动控制元件9可为起伏的和/或类似六角手风琴的轮廓。

为了有效地清洁面向排出气体流动通路10并且经由扩散和/或对流用于颗粒分离的流动控制元件8,9的表面(其特别地形成聚流结构13)，凹部引入到流动控制元件8,9的区段中，特别地经由穿孔或狭缝，流动穿过清洁通路11的排出气体和/或压缩空气通过该穿孔或狭缝引导到排出气体流动通路10中，并且因此从表面移除烟灰和/或灰分。

在这种情况下，清洁通路11横向于排出气体流动通路10延伸，特别地，清洁通路11包括关于排出气体流动通路10在20°和160°之间的角度、优选在50°和120°之间的角度、特别优选在80°和100°之间、特别地90°的角度。此处，清洁通路11优选在一个端部处闭合，以便将经由清洁通路11传导的排出气体或经由清洁通路11传导的压缩空气通过凹部或穿孔传导到流动控制元件8,9的相应区段中。

宏观结构的尺寸优选处于毫米范围或厘米范围，并且因此是待分离的最大颗粒的尺寸的许多倍。用于流的宏观开口优选布置成使得它们促进湍流的形成。此外，促进流动的死区的形成。形成具有不同流速的区域。

各个颗粒分离器模块6的流动控制元件8,9包封在罐中，以便以该方式提供相应的颗粒分离器模块6。多个颗粒分离器模块6可定位在共同的壳体17中，形成颗粒分离器模块6的并联连接和/或串联连接。图1高度示意性地示出用于多个颗粒分离器模块6的此类壳体17和用于相应颗粒分离器模块6的罐16。颗粒分离器模块6优选以如下方式布置在共同的壳体17中，使得颗粒分离器模块6可以以非破坏性的方式从壳体17移除。

经由罐16，相邻的颗粒分离器模块6可相对于彼此密封，例如，经由根据键锁原理而插入到彼此中的轮廓(例如罐16的渐缩部和圆锥形部)。

经由颗粒分离器3的壳体17，颗粒分离器模块6可供应有待清洁的排出气体，并且清洁的排出气体可经由壳体17排放。经由颗粒分离器模块6的清洁通路11传导的压缩空气也可经由颗粒分离器3的壳体17供应至其。此处，在壳体中可形成收集室，即，用于排出气体的收集室和用于压缩空气的收集室，以便将出自该收集室的排出气体和压缩空气沿排出气体流动通路10和清洁通路11的方向传导。经由清洁通路11传导的压缩空气优选从颗粒分离器模块6传递至颗粒分离器模块6。

对于排气后处理而言，排出气体流动通路10和清洁通路11优选不被同时流动穿过。特别地，如果在排气后处理系统包括两个或更多个颗粒分离器3时，并且特别是在第一颗粒分离器3用于排出气体清洁且在该过程中排出气体传导穿过其的排出气体流动通路10，第二颗粒分离器3被清洁，并且出于该目的，排出气体和/或压缩空气传导穿过其的清洁通路11，其中在第二颗粒分离器3的区域中，流动穿过其的排出气体流动通路10的排出气体接着优选完全停止或者备选地减少。

此外，方法可改进，因为在清洁阶段(其中烟灰和灰分涡旋上升)，进行了这些涡旋上升的固体从颗粒分离器3中的抽取以及随后在合适的容器中的收集。这可在将来的时间清空。

为了制造根据本发明的颗粒分离器，提供了流动控制元件8,9，其中流动控制元件8,9上的微观结构可在宏观结构的形成之前或之后形成。

微观结构的形成优选通过喷砂和/或研磨和/或压印和/或针刺和/或蚀刻和/或电镀和/或阳极氧化和/或刷涂和/或电晕辐射等实现。

为了制造颗粒分离器模块6，程序可使得流动控制元件8,9的基体最初通过颗粒喷砂和/或研磨和/或压印和/或针刺和/或蚀刻设有微观结构。在此之后，宏观结构通过成形或堆焊或焊接形成，其中以该方式形成三维轮廓的流动控制元件9。通过压印或冲孔，可产生开口14,15，其在完成安装状态下形成相邻排出气体流动通路10的连接。在此之后，流动控制元件8,9的叠堆通过使三维轮廓的流动控制元件9在彼此之上成层、优选地与二维轮廓的流动控制元件9交替而形成。特别地，此类叠堆可通过s形扭转、优选地垂直于排出气体流动通路的延伸方向扭转而形成为近似圆柱形本体。此类本体可布置在罐16中。布置在彼此之上的叠堆或圆柱形本体的流动控制元件8,9可例如通过焊接或钎焊永久地彼此连结。微观结构也可在宏观结构的完成之后形成。为了形成微观结构，通过堆积流动控制元件8,9形成的叠堆可通过浸入蚀刻溶液中并随后移除蚀刻溶液而在所有表面上设有微观结构。