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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Abscheidung und Verbrennung von Russpartikel in Dieselabgasen, bei der eine Leiteinrichtung zur Führung des Abgasstromes und Abscheideflächen für die Russpartikel sowie eine Polflächen aufweisende Einrichtung zur Erzeugung eines im wesentlichen quer zu den Abscheideflächen verlaufenden elektrischen oder magnetischen Feldes vorgesehen sind.
Die meisten Konzepte für die Verbrennung der in den Dieselabgasen enthaltenen Russpartikel arbeiten mit einer Abscheidung dieser Partikel an einem Filter und deren nachträglicher Verbrennung. Ein Konzept sieht herkömmliche Elektrofilter mit ringförmigen Elektroden vor, die im Durchbruchsbereich arbeiten und entsprechend grosse Russpartikel abgeben, die mit einem Zentrifugalabscheider abgeschieden und mit einem Teilstrom des Abgases in den Ansaugtrakt zurückgeführt werden. Es hat sich aber herausgestellt, dass diese Russpartikel einen erhöhten Abrieb von Kolben und Zylinderbüchse hervorrufen, der von den Autoherstellern nicht akzeptiert werden kann.
Ein anderes Konzept sieht Waben- oder Zellenfilter vor, die aus aneinanderliegenden langen Filterzellen bestehen, die vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt besitzen und abwechselnd an der Eintrittsseite und an der Ausstnttsseite durch einen Propfen verschlossen sind. Die zu filternden Abgase können durch die zwei solcher Filterzellen gemeinsame poröse Wand hindurchtreten, während die Aerosole durch die Poren nicht hindurchkönnen und in jener Zelle abgelagert werden, die eingangsseitig offen ist. Diese Filter sind aus hochtemperaturfestem Keramikmaterial hergestellt und vorzugsweise mit katalytischen Substanzen beschichtet oder gedopt, sodass es bei Sauerstoffüberschuss bereits unter 1000. C zu einer Verbrennung der abgeschiedenen Russpartikel kommt.
Da diese Temperaturen nur bei Vollgasbetrieb erreicht werden, kommt es in den Perioden dazwischen zu einem erheblichen Aufbau von Gegendruck, der die Motorleistung in unangenehmer Weise reduziert. Dazu kommt eine bleibende Verlegung der Poren durch nicht brennbare metallische Verunreinigungen der Russpartikel, sodass es langfristig zu einem irreversiblen Aufbau von Gegendruck am Abgasfilter kommt. Darüberhinaus ergibt sich eine strukturelle Erschöpfung der ausgangsseitigen Abschlussstopfen mit der Einsatzzeit, die zu einer wachsenden Undichtheit des Filters nach längeren Einsatzzeiten führt.
Eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art wurde z. B. aus der DE 34 24 196 A 1 bekannt. Bei dieser ist ein langgestrecktes, von den zu reinigende Abgasen durchströmtes Rohr mit einer in diesem koaxial verlaufenden Sprühscheiben-Elektrodenanordnung vorgesehen, wobei das Rohr selbst als zweite Elektrode wirkt und an eine die Sprühscheibenelektrodenanordnung versorgende Hochspannungsquelle angeschlossen ist. Dabei ist vorgesehen, dass eine Koronaentladung zur Wand des Rohres hin stattfindet. Durch diese elektrischen Entladungen kommt es zu einer Agglomeration der Russpartikel, die sich jedoch aufgrund der hohen Durchströmungsgeschwindikeit der Abgase Im Rohr selbst nicht ablagern und in einem dem Rohr nachgeschalteten Fliehkraftabscheider abgeschieden werden.
Ein stark mit Russpartikel angereicherter Teil des Abgases, kann einer Brennkraftmaschine zur Nachverbrennung zugeführt werden.
Bei dieser Lösung ergibt sich jedoch der Nachteil eines sehr hohen konstruktiven Aufwandes. Ausserdem ist auch die Nachverbrennung der Russpartikel in einer Brennkraftmaschine nicht unproblematisch, da dies zu einem erhöhten Verschleiss führen kann.
Weiters wurde durch die DE 35 28 445 A1 ein Russfilter bekannt, bei dem an einem Zwischenstück
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seinen beiden Abgasöffnungen mit einem Drahtgitter versehen ist, das zur Abschirmung des elektromagnetischen Feldes dienen.
Bei diesem Filter kommt es zu einer Verbrennung der Russpartikel im Bereich des Filters, wobei sich allerdings der Nachteil ergibt, dass dazu ein hoher Energieeinsatz erforderlich ist. Ausserdem führt das Filter zu einem sehr erheblichen Druckverlust der Abgase und damit zu einem erheblichen Rückstau derselben.
Ziel der Erfindung ist es. diese Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und bei der es nur zu geringen Druckverlusten der Abgase kommt.
Erfindungsgemäss wird dies bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, dass die Leiteinrichtung durch einen mit einer Heizung versehenen aus einem keramischen, elektrisch isolierenden Material hergestellten Wabenkörper gebildet ist, dessen eine die Kanäle trennenden, im wesentlichen ebenen Stege die Abscheideflächen tragen, wobei die Polflächen der Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen oder magnetischen Feldes parallel zu den Längsachsen der Kanäle des Wabenkörpers verlaufende Erzeugende aufweisen.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ist sichergestellt, dass sich die Russpartikel aufgrund des sich quer zur Strömungsrichtung der Abgase ausbildenden elektrischen oder magnetischen Felder an den Wänden der Kanäle abscheiden, wo sie aufgrund der Energiezufuhr aufgrund der Heizung verbrennen. Da es aufgrund der Felder auch zu einer Ionisation der im Abgas enthaltenen Sauerstoffmoleküle kommt,
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werden Radikale gebildet, die auf die Russpartikel auftreffen, wodurch diese schon bei relativ niedrigen Temperaturen verbrennen, sodass nur relativ wenig Energie durch die Heizung zugeführt werden muss.
Insbesondere werden die Russpartikel vor dem Eintritt in den Wabenfilter durch eine Gasentladung elektrisch aufgeladen und durch von aussen angelegte elektrische oder magnetische Felder, deren Feldlinien im wesentlichen normal auf die Strömungsrichtung des Gases durch die Filterzellen stehen, abgeschieden. Vorzugsweise kann die Abscheidung mit elektrischen oder magnetischen Gleichfeldern durchgeführt werden, während das Abbrennen des Russes durch induktives Heizen oder durch Heizen mit Mikrowellen eingeleitet werden kann. Es ist aber auch möglich, mit niederen Frequenzen induktiv die abgeschiedenen Russpartikel zu erhitzen und gleichzeitig die gasgetragenen Russpartikel abzuscheiden, sodass eine kontinuierliche Verbrennung der Russartikel durch ein elektromangnetisches Feld erzielt wird. Allerdings werden dann sehr hohe Anforderungen an die Feinheit der Filterzellen gestellt.
Die Heizfrequenz kann natürlich auch in einem Frequenzbereich zwischen der üblichen Induktionsheizung und der Mikrowellenheizung liegen, muss aber auf die Grösse der Russpartikel abgestimmt sein.
Bei diskontinuierlicher Verbrennung der im Filter abgelagerten Substanzen wird man aber stationäre elektrische oder magnetische Felder zur Abscheidung benützen, während die Heizphase durch elektromagnetische Felder in höheren Frequenzbereichen eingeleitet wird. Zu diesem Zweck soll das Keramikmaterial eine kleine Dielektrizitätskonstante und/oder eine kleine Permeabilität haben.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die elektrisch isolierende Keramik des Wabenkörpers eine Dielektrizitätskonstante von maximal 10 und/oder einer Permeabilität von maximal 1, 01 aufweist.
Eine Alternative ist die Verdichtung oder Abscheidung der Russpartikel in einem Teilstrom des Abgases nach bereits erwähnten Methoden, um dann mit wesentlich reduzierter Strömungsgeschwindigkeit durch ein elektromagnetisches Heizfeld geführt zu werden. Dem Nachteil der kleineren Oberfläche relativ zum Volumen steht hier eine bessere Heizbarkeit der grösseren Russpartikel gegenüber.
Eine kontinuierliche Verbrennung ergibt sich in der vorzugsweisen Kombination eines konstanten Magnetfeldes mit einer Induktionsheizung oder eines quasikonstanten oder konstanten elektrischen Feldes mit einer Mikrowellenheizung. Legt man auf eine sehr gute Sammlung der Russpartikel keinen Wert. so kann auf deren Aufladung durch eine elektrische Gasentladung verzichtet werden, da unmittelbar nach der Verbrennung die meisten Aerosole aufgeladen sind. Auch wird man Bedacht darauf nehmen, dass der keramische Werkstoff einen Widerstand hat, der ein Abfliessen der eingesammelten elektrischen Ladung erlaubt. Je nach Partikelkonzentration und Filtergrösse bzw. Gasvolumenstrom wird man sich mit spezifischen Widerständen von 10E8 Ohm. cm bis 10E11 Ohm. cm auskommen.
Erlaubt man eine Einlaufzeit bis zur optimalen Funktion, so können spezifische Widerstände von etwa 10E10 Ohm. cm bis 10E14 Ohm. cm zugelassen werden.
Verwendet man zur Abscheidung ein elektrisches Feld, so muss das keramische Material im allgemeinen aber einen entsprechend hohen spezifischen Widerstand haben. In diesem Fall muss darauf Bedacht genommen werden, dass das elektrische Feld im Inneren des Wabenfilters durch elektrische Polarisation des Dielektrikum erzielt wird. Es ergibt sich dann eine teilweise Kompensation der dielektrischen Oberflächenladung durch das abgeschiedene geladene Aerosol und das aussen angelegte Feld und/oder die Aufladung des Aerosols müssen umgepolt werden, damit es zu einer Aufrechterhaltung oder Wiederherstellung eines entsprechenden Feldes kommt und/oder die abgeschiedene Ladung kompensiert wird. Die notwendige Frequenz der Umpolung ergibt sich aus der Konzentration und der durchschnittlichen Ladungszahl der Russteilchen und den dielektrischen Eigenschaften des Werkstoffes.
Bei Sättigung der dielektrischen Oberflächenladung kann auch das äussere Feld ausgeschaltet werden.
Dadurch werden die abgeschiedenen Ladungen wieder wirksam und können für eine Zeit durch das von ihnen verursachte Feld eine weitere Abscheidung hervorrufen.
Noch besser arbeitet diese Methode, wenn innerhalb einer Polaritätsperiode an den Abscheideplatten die Polarität der Gasentladung und damit die Aerosolladung ihr Vorzeichen wechselt, wie das in Fig. 5 schematisch dargestellt ist. Dies ist durch Spannungsumkehr an der Entladungsstrecke leicht möglich, insbesondere wenn die Entladungsstrecke aus Entladungsdrähten und zylinderförmigen Gegenelektrode besteht. Besonders vorteilhaft ist dann die Anordnung der Gegenelektrode strömungsaufwärts von den Entladungselektroden, da dann die aufgeladenen Russteilchen durch ihre geringe Beweglichkeit im Gasstrom dem Filter zugeführt werden und nicht die Gegenelektrode erreichen können. Die Entladungsdrähte können zur Reinigung von Zeit zu Zeit abgebrannt werden, wenn sie auf Erdpotential und die Gegenelektroden auf der jeweiligen positiven oder negativen Hochspannung liegen.
Bei der Abscheidung durch ein Magnetfeld kommt es durch die Relativbewegung der geladenen Teilchen in dem Gas zwischen den Zusammenstössen mit den Gasmolekülen, also innerhalb ihrer freien Weglänge durch die Lorentz-Kraft zu einem kreisförmigen Bahnsegment. Nach dem Stoss erfolgt der Flug in eine andere Richtung, die Bahn hat aber wieder eine der Lorentz-Kraft entsprechende Krümmung.
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Makroskopisch bleibt als Resultierende all dieser Bahnstücke die Richtung des strömenden Gases übrig und die Resultierende aller kreisförmigen Abweichungen bewirkt ein Abdriften des geladenen Partikels entsprechend der Lorentz-Kraft als Vektorprodukt aus Strömungsvektor und magnetischem Feldvektor, also in eine Richtung normal zur Strömungsrichtung und normal zur Richtung der manessischen Feldlinien. Da der Effekt durch die grosse Masse der Russpartikel klein ist, bedarf es sehr feiner Filterzellen, zumindest in
Richtung der Querdrift. Die Stärke des Magnetfeldes ist aus dem Zellendurchmesser in Driftrichtung, dem
Polschuhdurchmesser und der Strömungsgeschwindigkeit experimentell zu bestimmen, da der Aufladegrad des Aerosols eine wesentliche Rolle spielt und von der Auslegung und dem Betriebsstrom der Gasentladungsstrecke bestimmt wird.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Kanäle des Wabenkörpers in jener Richtung eine möglichst geringe Ausdehnung aufweisen, die normal auf die Strömungsrichtung der Abgase und normal auf das Magnetfeld steht und die Ausdehnung des Querschnitts der Kanäle in dieser Richtung vorzugsweise weniger als 1 mm beträgt.
Um eine gleichmässige Durchströmung der Kanäle es Wabenkörpers zu erreichen, Ist es vorteilhaft, wenn der Wabenkörper im Querschnitt breite Kanäle aufweist, deren Höhe in Feldrichtung maximal 2mm beträgt.
Die Polflächen der Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes sind vorzugsweise an zwei im wesentlichen parallel zu den Kanälen des Wabenkörpers angeordneten Hochspannungselektroden angeordnet, wobei die Elektroden auch im Wabenkörper selbst eingebettet sein können. Dadurch ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau
Der Wabenkörper selbst ist vorzugsweise im Querschnitt zylinderförmig oder elliptoid ausgebildet und von entsprechend gebogenen Elektroden umgeben.
Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn die im wesentlichen senkrecht zur Feldrichtung verlaufenden Stege der Kanäle des Wabenkörpers zumindest an einer Seite mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen sind.
Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Kanäle des Wabenkörpers in mehreren zueinander parallelen Ebenen an ihrer Innenseite mit leitendem Material beschichtet und kontaktiert sind und die Rolle der Elektroden übernehmen.
Eine besonders günstige Wärmeeinkopplung ergibt sich, wenn der Wabenkörper von den Wicklungen einer Induktionsheizung umgeben ist.
Dabei ist es im Hinblick auf einen effektiven Energieeinsatz vorteilhaft, wenn die Heizung des Wabenkörpers durch einen Temperaturfühler regelbar ist, der in Strömungsrichtung nach dem Wabenkörper angeordnet ist.
Im folgenden werden zwei vorzugsweise erfindungsgemässe Ausführungen des Dieselabgasfilters beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Wabenfilter mit magnetischer Abscheidung und Induktionsheizung.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch diesen Wabenfilter.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Wabenfilter mit elektrischer Abscheidung und Mikrowellenheizung.
Fig. 4 zeigt den Querschnitt durch diesen Wabenfilter.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemässe Betriebsart der Abscheidung mit einem quasistationären gepulsten elektrischen Feld und Wechsel der Polarität der Gasentladung.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Wabenfilter 1, der sich in einer Keramikhülse 2 befindet und mit einem Distanzring 3 fixiert wird. Dieser Distanzring dient auch gleichzeitig als Aufnahme der Gasentla- dungsstrecke. die aus Entladungsdrähten 12 und zylinderförmigen Gegenelektrode 13 besteht. Die Keramikhülse 2 ist ihrerseits über geteilte Keramikmuffen 4 und Spannringe 5 an die Abgasanlage 6 bzw. die Abgaskrümmer 7 angeflanscht. Die Abgaskrümmer 7 sind vorzugsweise aus Keramik oder Teilkeramik, um den Wabenfilter auf möglichst hoher Temperatur zu halten und weniger Heizleistung aus der Induktionheizung zu beziehen, deren Wicklungen 8 ebenfalls in Keramik 9 eingebettet sind.
Darüber wird der Stationärmagnet 10 von der Abgasseite 6 her über die Keramikmuffen 4 und die Spannringe 5 auf die Keramikfassung 9 der Induktionswicklungen 8 aufgeschoben. Im Falle einer instationären Verbrennung des abgeschiedenen Russes wird die Leistung der Induktionsheizung durch einen Temperaturfühler 11 geregelt, der die Austrittstemperatur der Abgase aus dem Wabenfilter misst und den Wabenfilter bzw. den abgeschiedenen Russ auf einer konstanten Temperatur hält, bei der die katalytische Verbrennung ablaufen kann.
Bei einer kontinuierlichen Verbrennung braucht man nicht notwendigerweise eine Regelung, wenn man davon ausgeht, dass durch die Induktionsheizung nur elektrisch leitende Stoffe erhitzt werden, da dies in unserem Falle nur der Russ ist und nach seiner Verbrennung eben keine leitenden Substanzen mehr im Filter
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vorhanden sind.
Für hohe Abscheidegrade ist vor dem Wabenfilter 1 eine Gasentladungsstrecke vorgesehen, deren Entladungsdrähte 12 zueinander und zu den zylinderförmigen Gegenelektrode 13 parallel ausgerichtet sind. Ohne Gasentladungsstrecke beträgt der Abscheidegrad je nach Ausführung und Arbeitsweise des Filters etwa 50 % bis 70 %, mit einer Gasentladungsstrecke etwa 90 % bis 98 %.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt dieser Vorrichtung in Höhe des Wabenfilters 1, der Induktionsheizung 8, 9 und des Stationärmagneten 10, dessen Polschuhe der Krümmung des Keramikbettes 9 der Induktionwicklungen 8 angepasst sind.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Wabenfilter mit elektrischer Abscheidung und Mikrowellenheizung. Der Wabenfilter 1 ist an zwei zueinander und zur Zylinderachse parallelen Seiten abgeschnitten und an diesen Seiten sind zwei Elektroden 14 angeordnet. In dem Rest des abgeschnittenen Teiles wird die Strömung durch zwei keramische Formteile 15 unterbunden. Die Mikrowellenheizung wird seitlich von zwei Seiten aus eingekoppelt. Alle übrigen konstruktiven Details sind mit Fig. 1 identisch.
Fig. 4 zeigt den entsprechenden Querschnitt durch den Wabenfilter 1, wobei die seitliche Anordnung der Mikrowellenheizung 16 deutlich sichtbar ist.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemässe Betriebsart der elektrischen Abscheidung mit einem quasistationären gepulsten elektrischen Feld, das über die Zeit t1 eingeschaltet und dann über die Zeit t2 ausgeschaltet ist. Vorzugsweise wird die Entladungsstrecke mit der doppelten Schaltfrequenz umgepolt, etwa mit t1/2, natürlich gilt dann auch t1 = t2.