RU2554396C2

RU2554396C2 - Держатель для крепления нескольких электродов в выпускном трубопроводе

Info

Publication number: RU2554396C2
Application number: RU2013110783/06A
Authority: RU
Inventors: Ян ХОДГЗОН; Кристиан ФОРСМАНН; Рольф БРЮК
Original assignee: Эмитек Гезельшафт Фюр Эмиссионстехнологи Мбх
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2015-06-27
Also published as: US20130153059A1; DE102010034250A1; KR101492749B1; JP6006208B2; EP2603677A1; CN103069117A; WO2012020111A1; RU2013110783A; CN103069117B; JP2013538678A; EP2603677B1; KR20130034665A

Abstract

Изобретение относится к держателю для крепления нескольких электродов. Держатель (1) для крепления нескольких электродов (2), а именно коронирующих электродов, пригодных для формирования коронного разряда, в выпускном трубопроводе (3), содержит проходимое для потока отработавших газов (ОГ) тело (4), имеющее каналы и удерживающее электроды (2), и по меньшей мере один интегрированный в тело (4) электрический контакт (7) для электродов (2). Проходимое для потока тело (4) и по меньшей мере один электрический контакт (7) электрически сегментированы. Соответствующие сегменты электрически изолированы друг от друга с обеспечением возможности отдельного и независимого подвода тока на несколько электродов (2). Техническим результатом изобретения является обеспечение варьирования электрического поля. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к держателю для крепления нескольких электродов, а именно коронирующих электродов, пригодных для формирования коронного разряда, в выпускном трубопроводе выпускном трубопроводе (трубопроводе отработавших газов), прежде всего для обеспечения электрического поля, с помощью которого содержащиеся в отработавших газах (ОГ) частицы сажи могут заряжаться, агломерироваться и/или отделяться.

Уже обсуждалось множество различных концепций устранения частиц сажи из ОГ мобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Наряду с попеременно закрытыми фильтрами пристеночного потока, открытыми неполнопоточными фильтрами, гравитационными сепараторами и т.д. уже также предложены системы, в которых частицы сажи в ОГ электрически заряжаются, а затем с помощью сил электростатического притяжения осаживаются. 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 охватывающая боковая поверхность выпускного трубопровода используются в качестве коллекторного электрода для образования конденсатора. 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 ввиду 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 в этой связи возникают технические трудности при реализации длительной эксплуатации таких систем выпуска ОГ в автомобилях, причем 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.

В публикации DE 20122703 U1 (ближайший аналог изобретения) описан улавливатель твердых частиц, выполненный в виде сотового элемента со слоистой структурой. Перед улавливателем твердых частиц по потоку ОГ может быть расположен плазменный реактор. В слоях улавливателя твердых частиц расположены электроды с остриями, выступающими из улавливателя в плазменный реактор и образующие коронирующие электроды.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы по необходимости варьировать электрическое поле, создаваемого коронирующими электродами, и непосредственно контактировать коронирующие электроды.

Эти задачи решены посредством держателя с признаками п. 1 формулы изобретения. Другие благоприятные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует указать на то, что приведенные в формуле изобретения по отдельности признаки могут быть комбинированы между собой любым, технологически рациональным, образом и показывают дополнительные варианты осуществления изобретения. Описание, прежде всего, в связи с фигурами наглядно объясняет изобретение и приводит дополнительные примеры его осуществления.

Предлагаемый в изобретении держатель для крепления нескольких электродов, а именно коронирующих электродов, пригодных для формирования коронного разряда, в выпускном трубопроводе, содержащий проходимое для потока ОГ, т.е. проточное, тело, имеющее каналы и удерживающее электроды, и по меньшей мере один интегрированный в тело электрический контакт для электродов.

Для решения поставленной задачи проходимое для потока тело и по меньшей мере один электрический контакт электрически сегментированы, причем соответствующие сегменты электрически изолированы друг от друга с обеспечением возможности отдельного и независимого подвода тока на несколько электродов.

Когда в последующем упоминается электрод, имеется в виду, прежде всего, подходящий для формирования коронного разряда коронирующий электрод.

Предлагаемый в изобретении держатель служит для закрепления или же прикрепления множества (или даже большого множества) электродов в выпускном трубопроводе. Для этого предусмотрено проходимое для потока тело, на котором расположен по меньшей мере один электрод. Проходимое для потока тело при этом выполнено так, что ОГ может проходить через тело без большой потери давления. Для этого предусмотрены соответствующие отверстия, каналы или тому подобное, через которые могут направляться ОГ. Прежде всего, являются предпочтительными каналы с плотностью каналов не менее 150 каналов на квадратный дюйм (к/квд) или даже 300 к/квд. В этой связи под каналом подразумевается проходимое для потока отверстие, длина которого в направлении потока больше, чем его поперечное сечение.

Преимущества изобретения раскрываются в случае, если желательно создавать электрическое поле с меняющимися свойствами, когда, например, подобласти в выпускном трубопроводе (время от времени) должны быть выполнены с изменчивым электрическим полем. Таким образом, технические результаты, достигаемые при осуществлении изобретения, заключаются в том, что подвод тока на несколько электродов может осуществляться отдельно и независимо друг от друга, количество создающих электрическое поле электродов может варьироваться по необходимости, а ток можно подводить одновременно на разные электроды с разными параметрами. При этом взаимное влияние отдельных электродов друг на друга исключается тем, что токопроводящие структуры, или же электрический контакт, или же распределитель выполнены сегментированными и электрически изолированными друг от друга. Отдельные сегменты могут быть выполнены с отдельным электропитанием и/или управлением.

При этом электроды, предпочтительно, простираются в направлении потока ОГ через проходимое для потока тело и/или, особо предпочтительно, выступая с одной стороны над проходимым для потока телом. Электрод выполнен, прежде всего, в виде стержневого электрода, конец которого имеет острие с радиусом кривизны, которое пригодно для формирования коронного разряда при приложении соответствующего напряжения. Кроме того, при этом является предпочтительным то, что проходимое для потока тело по существу может пропускать поток ламинарно, так что, прежде всего, достигается целенаправленное течение ОГ вдоль электрода. Для этого электроды могут выступать перпендикулярно исходя из торцевой поверхности проходимого для потока тела, которая предпочтительно расположена поперек направления потока ОГ. Наряду с оказанием влияния на поток или же пропусканием потока держатель также имеет функцию электрического контактирования с электродами. Для этого в или же на проходимом для потока теле образованы электрические проводники, так что реализуется электрический контакт исходя из выпускного трубопровода по меньшей мере к одному электроду. Электрический контакт может быть образован проводящими полосками, электропроводными материалами, кабелями и т.п. Для этого электрический контакт по меньшей мере частично интегрирован или же заделан в держатель. Для этого также могут быть предусмотрены электрические изоляторы, чтобы обеспечить целенаправленный подвод электрического тока к электроду. Прежде всего, электрический контакт выполнен так, что является реализуемым высокое напряжение (например, 1000 вольт) при одновременно низком токе (например, ниже 0,1 ампера).

Прежде всего, электрический контакт образован материалом тела. Это означает, что электрический потенциал, который имеется на теле, также имеется и на коронирующем электроде. Это может быть достигнуто за счет того, что тело изготовлено из электропроводного материала, прежде всего, металла.

Благодаря этому электропроводное тело электрически сегментировано изоляторами, электрический потенциал могут иметь отграниченные (обособленные) области или участки тела. Кроме того, является предпочтительным то, что стенка канала служит в качестве электрического контакта и, таким образом, электрически изолирована от остальной части тела, причем существует электропроводное соединение к выводу вне выпускного трубопровода.

К тому же, может быть предусмотрено, что электрический контакт является отдельной деталью, которая интегрируется в тело при его изготовлении. Так, например, в тело может быть интегрирован по меньшей мере один кабель.

В соответствии с одним предпочтительным усовершенствованием держателя проходимое для потока тело имеет по меньшей мере один корпус и по меньшей мере одну металлическую сотовую структуру, причем по меньшей мере один электрический контакт выполнен сквозь по меньшей мере один корпус. Корпус выполнен, например, по типу цилиндрической трубы-оболочки. Внутри этого корпуса может быть предусмотрена металлическая сотовая структура, которая реализована, например, множеством, по меньшей мере, частично структурированных металлических слоев. При этом сотовая структура образует проходящие по существу параллельно друг другу каналы, которые являются проходимыми для ОГ с незначительной потерей давления. Для случая, если предусмотрено несколько электродов, которые, при необходимости, выполнены отдельно с электрическим контактом, может быть также предусмотрено несколько частей корпуса для соответственно отличного электрического контакта. Тогда эти части корпуса, при необходимости, электрически изолированы друг от друга. Изготовление таких проходимых для потока тел уже стало успешным именно в автомобилестроении, так что здесь с помощью технологически простых средств изготавливаются такие сотовые структуры для закрепления по меньшей мере одного электрода. Кроме того, таким образом может быть достигнуто, что устанавливается по существу ламинарный поток. Электрический контакт, который, с одной стороны, контактирует с источником тока или же источником напряжения, причем (изолированно) направляется через выпускной трубопровод и по меньшей мере один корпус.

Кроме того, предлагается, что проходимое для потока тело имеет несколько электродов и по меньшей мере один распределитель, причем по меньшей мере один распределитель электрически контактирует с множеством электродов. В этом случае реализуется то, что электрический контакт соединен с электропроводным распределителем, который является неотъемлемой составной частью проходимого для потока тела. При этом распределитель может быть выполнен в виде отдельной детали, например по типу жгута проводов, напечатанной структуры проводящих полосок или тому подобного. Распределитель служит для того, чтобы предоставленный электрическим контактом ток (равномерно) распределять на множество электродов. Таким образом, за счет соответствующего выполнения распределителя посредством множества электродов без проблем может быть установлено заданное электрическое поле. Прежде всего, тем самым упрощается подача тока на проходимое для потока тело или же на несколько электродов.

При этом электрический контакт или же распределитель может быть зафиксирован в проходимом для потока теле, например, пайкой или же сваркой.

В соответствии с одним усовершенствованием держателя также предусмотрено, что проходимое для потока тело имеет по меньшей мере один первый канал с поперечным сечением канала и по меньшей мере один второй канал с поперечным сечением электрода. При этом варианте является предпочтительным то, что проходимое для потока тело выполнено по типу сотовой структуры, причем каналы изготовлены с разным поперечным сечением канала. Тогда как первые каналы предусмотрены только для сквозного направления ОГ, вторые каналы предусмотрены для того, чтобы размещать по меньшей мере один электрод. В этом случае вторые каналы имеют поперечное сечение канала, которое по существу соответствует поперечному сечению электрода, так что электрод, по меньшей мере, частично может быть расположен внутри вторых каналов и по существу закрывает их поперечное сечение. Таким образом является возможным выполнить по контуру электрода электрический контакт, а также постоянное соединение, например, посредством пайки и/или сварки.

Кроме того, предлагается устройство для закрепления по меньшей мере одного электрического электрода в выпускном трубопроводе, имеющее по меньшей мере один описанный выше держатель, после которого в направлении потока ОГ расположен сепаратор частиц. Тем самым, прежде всего, в направлении потока между по меньшей мере одним электрическим электродом и последующим сепаратором частиц создается электрическое поле. Следовательно, является возможным с помощью электрического электрода снабжать содержащиеся в ОГ частицы сажи электрическим зарядом, в результате чего увеличивается их склонность к сепарации в направлении сепаратора частиц. К тому же, является возможным, что вследствие наличия электрического поля частицы агломерируются и поэтому также и самые мелкие частицы осаждаются в последующем сепараторе частиц и, наконец, преобразуются.

В случае с ловушкой для частиц речь идет, прежде всего, о так называемом открытом неполнопоточном фильтре (или фильтре с перепуском части потока, нем. "Nebenstromfilter"), в котором нет полностью закрытых проточных каналов. Напротив, ловушка для частиц образована металлическим нетканым материалом и металлическими волнистыми слоями, в которых предусмотрены отверстия, проводящие 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 ловушки для частиц увеличивается. В этой связи указывается на известные патентные публикации заявителя, которые могут быть привлечены для более детальной характеризации ловушки для 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 такой ловушки для частиц происходит, предпочтительно, непрерывно на основе CRT-метода (метода уловителя 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 ловушке для частиц. Кроме того, также является возможным, что такое окислительно действующее покрытие реализовано в самой ловушке для частиц, либо в какой-либо ее зоне, либо во всех областях ловушки для частиц.

К тому же, может быть рациональным, предусмотреть несколько держателей. Предпочтительно они расположены в направлении потока ОГ друг за другом. При этом несколько держателей могут оказывать влияние друг на друга в отношении их действия на поведение потока ОГ и/или образования электрического поля. При этом, при необходимости, также является возможным, что электроды первого держателя, по меньшей мере, частично пронизывают последующий второй держатель.

Во многих случаях применения предусмотрено, что тело полностью перекрывает поперечное сечение выпускного трубопровода. Другими словами, это, прежде всего, значит, что ОГ не может течь мимо тела снаружи, а протекает через внутреннюю область тела.

Однако, в соответствии с одним усовершенствованием, также может быть предусмотрено, что по меньшей мере один держатель перекрывает поперечное сечение выпускного трубопровода лишь частично. Так, держатель может быть выполнен, например, с кольцевым зазором в сторону выпускного трубопровода. Именно при установке нескольких держателей друг за другом является возможным в сумме снова перекрыть все поперечное сечение выпускного трубопровода. Это может выглядеть, например, так, что сначала держателем заполнен только центральный круговой участок поперечного сечения трубопровода, а последующие области заполнены концентричными кольцеобразными держателями.

Наконец, также предлагается, что по меньшей мере один держатель выполнен виброчувствительным относительно пульсаций ОГ. Под этим, прежде всего, имеется в виду, что держатель установлен в выпускном трубопроводе так, что в связи с пульсацией ОГ, которая возникает в результате процессов сгорания в двигателе автомобиля, он возбуждается к вибрации. При этом является возможным выполнять держатель так, что становится возможной аксиальная и/или радиальная вибрация держателя и/или коронирующего электрода. Поэтому здесь должны быть предусмотрены соответственно гибкие или же «мягкие» опоры. Таким образом отложения, например, сажи на держателе и/или коронирующих электродах в процессе эксплуатации постоянно отделяются, так что здесь опасность электрических коротких замыканий в области держателя может быть значительно уменьшена.

Далее изобретение и технический контекст более детально поясняются на чертежах. Следует указать на то, что чертежи показывают особо предпочтительные варианты осуществления изобретения, но оно ими не ограничено.

Схематически показано:

Фиг.1 - первый конструктивный пример устройства с держателем электродов и последующим сепаратором частиц

Фиг.2 - конструктивный пример держателя в поперечном разрезе.

На фиг.1 показан продольный разрез устройства 15 для закрепления множества электрических электродов 2 в выпускном трубопроводе 3. При этом в направлении 16 потока ОГ сначала предусмотрен держатель с проходимым для потока ОГ телом 4. При этом проходимое для потока тело 4 имеет множество проходящих параллельно друг другу каналов. На задней стороне этого проходимого для потока тела 4 с распределением по поперечному сечению расположено несколько электродов 2. Кроме того, устройство 15 имеет источник 22 электропитания, который через электрический контакт 7 и распределитель 8 реализует течение тока к электродам 2. Исходя из этих электродов 2 в направлении 16 потока за проходимым для потока телом 4 образовано электрическое поле 21. При этом образован потенциал между проходимым для потока телом 4 и расположенным за ним сепаратором 23 частиц, который также расположен в выпускном трубопроводе 3. Сепаратор 23 частиц, прежде всего, выполнен по типу металлического, открытого неполнопоточного фильтра.

На фиг.2, также схематически, показано поперечное сечение подходящего держателя электродов. Показан по существу трубчатый выпускной трубопровод 3, который имеет по существу круглое поперечное сечение 17. При этом на расстоянии от выпускного трубопровода 5 образовано проходимое для потока тело с корпусом 5 и металлической структурой 6. При этом проходимое для потока тело образует здесь три сегмента, которые также имеют электрический контакт 7, который реализует подачу тока на обозначенные центрально три электрода 2. Отдельные сегменты образованы гладкой и структурированной металлической фольгой, так что образованы проходимые для ОГ каналы. Кроме того, сегменты 13 разнесены между собой с помощью электрической изоляции. Следует указать на то, что, как правило, доля проходимых для потока каналов по сравнению с электрически изолированными подобластями проходимого для потока тела явно больше, чем показано здесь.

Следовательно, при этом реализовано множество первых каналов 9, которые имеют заданное поперечное сечение 10. Кроме того, здесь предусмотрено (три) вторых канала, которые служат для размещения трех электродов 2, причем эти вторые каналы 11 образуют по существу поперечное сечение 12 электрода.

Кроме того, на фиг.2 показано, что корпус 5 с сотовой структурой 6 выполнены с опорами 24, так что держатель является виброчувствительным к пульсации ОГ. Таким образом, становится возможным относительное движение держателя относительно выпускного трубопровода 3 в направлении радиуса 20 или же оси 19.

Таким образом, изобретение, по меньшей мере, частично решает указанные со ссылкой на уровень техники проблемы. Прежде всего, был разработан держатель по меньшей мере для одного электрода (коронирующего электрода для формирования коронного разряда), который обеспечивает возможность точного направления электрода в потоке ОГ. Кроме того, этот держатель может быть изготовлен технически простыми средствами и длительно выдерживать изменчивые условия в системе выпуска ОГ автомобиля.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1	Держатель
2	Электрод
3	Выпускной трубопровод
4	Проходимое для потока тело
5	Корпус
6	Сотовая структура
7	Электрический контакт
8	Распределитель
9	Первый канал
10	Поперечное сечение канала
11	Второй канал
12	Поперечное сечение электрода
13	Сегмент
14	Изоляция
15	Устройство
16	Направление потока
17	Поперечное сечение трубопровода
18	Опора
19	Ось
20	Радиус
21	Электрическое поле
22	Источник электропитания
23	Сепаратор частиц
24	Опора

Claims

1. Держатель (1) для крепления нескольких электродов (2), а именно коронирующих электродов, пригодных для формирования коронного разряда, в выпускном трубопроводе (3), содержащий проходимое для потока отработавших газов (ОГ) тело (4), имеющее каналы и удерживающее электроды (2), и по меньшей мере один интегрированный в тело (4) электрический контакт (7) для электродов (2), отличающийся тем, что проходимое для потока тело (4) и по меньшей мере один электрический контакт (7) электрически сегментированы, причем соответствующие сегменты электрически изолированы друг от друга с обеспечением возможности отдельного и независимого подвода тока на несколько электродов (2).

2. Держатель (1) по п. 1, отличающийся тем, что проходимое для потока тело (4) имеет по меньшей мере один корпус (5) и по меньшей мере одну металлическую сотовую структуру (6), а по меньшей мере один электрический контакт (7) выполнен сквозь по меньшей мере один корпус (5).

3. Держатель (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что проходимое для потока тело (4) имеет по меньшей мере один распределитель (8), причем по меньшей мере один распределитель (8) электрически контактирует с множеством электродов (2).

4. Держатель (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что проходимое для потока тело (4) имеет по меньшей мере один первый канал (9) с поперечным сечением (10) канала и по меньшей мере один второй канал (11) с поперечным сечением (12) электрода.

5. Устройство (15) для закрепления по меньшей мере одного электрического электрода (2) в выпускном трубопроводе (3), имеющее по меньшей мере один держатель (1) по одному из предшествующих пунктов, после которого в направлении (16) потока отработавших газов (ОГ) расположен сепаратор (23) частиц.

6. Устройство (15) по п. 5, в котором предусмотрено несколько держателей (1).

7. Устройство (15) по п. 5 или 6, в котором по меньшей мере один держатель (1) лишь частично перекрывает поперечное сечение (17) выпускного трубопровода (3).

8. Устройство (15) по п. 5 или 6, в котором по меньшей мере один держатель (1) выполнен виброчувствительным к пульсациям ОГ.