CH656673A5 - Verfahren zum schutz von katalysatoren im abgasstrom von ottomotoren vor vergiftung durch abgelagerte schadstoffpartikel. - Google Patents
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Description
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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Schutz von Katalysatoren im Abgasstrom von Ottomotoren vor Vergiftung durch abgelagerte Schadstoffpartikel mittels elektrostatischer Abscheidung, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Abscheidung nur bei solchen Temperaturen des Abgasstromes vorgenommen wird, bei denen die Schadstoffpartikel eine schädigende Wirkung auf den Katalysator ausüben.
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb des schädlichen Temperatur-Bereichs die abgeschiedenen Schadstoffpartikel durch Systemumpolung von der Abscheideelektrode entfernt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb einer Temperatur von 200 °C keine elektrostatische Abscheidung vorgenommen wird.
Zur Reduzierung des Gehalts schädlicher Bestandteile im Abgas von Ottomotoren ist es bekannt, den Abgasstrom einer katalytischen Nachverbrennung an Abgaskatalysatoren zu unterwerfen oder die Zusammensetzung des dem Motor zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches mittels im Abgasstrom angebrachter Messfühler, sogenannter >.-Sonden, zu regeln, die ebenfalls über eine katalytisch aktive Zone verfügen und auf den Gehalt an Sauerstoff und unverbrannten Kohlenwasserstoffen reagieren.
Bei der Verwendung bleihaltiger Kraftstoffe werden diese Katalysatoren jedoch durch die im Abgas befindlichen Schadstoffpartikel, insbesondere Blei-, aber auch Schwefeloder Russpartikel innerhalb kurzer Zeit inaktiviert. Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, diese Partikel aus dem Auspuffgasstrom durch elektrostatische Abscheidung zu entfernen (DE-AS 10 17 147 oder DE-OS 21 39 775 und DE-OS 17 51 135).
Die Abscheidung der Bleipartikel aus dem Abgasstrom mittels elektrostatischer Filter hat noch nicht zu dem gewünschten Erfolg geführt. Auch bei an sich sehr wirksamen Filtern werden bei hohen Abgasgeschwindigkeiten und starker Filterbeladung bereits abgeschiedene Partikel wieder von der Filteroberfläche abgerissen, die dann den Katalysator schädigen. Ein regelmässiger Ausbau des Filters und seine Reinigung sind daher erforderlich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein mit einem elektrostatischen Filter arbeitendes Verfahren zu finden, mit dem die im Abgasstrom befindlichen Katalysatoren vor der Vergiftung durch Schadstoffpartikel geschützt werden können.
Diese Aufgabe wird durch das im unabhängigen Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst.
Es konnte gefunden werden, dass die Schadstoffpartikel den Katalysator nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs schädigen, ausserhalb dieses Temperaturbereichs findet keine oder nur eine ganz geringe Schädigung statt. Aufgrund dieser Temperaturabhängigkeit werden die Schadstoffpartikel nur innerhalb des schädlichen Temperaturbereichs abgeschieden. Ausserhalb des schädlichen Temperaturbereichs wird keine Abscheidung vorgenommen und die bereits abgeschiedenen Schadstoffpartikel werden durch den Auspuffgasstrom und die Rüttelbewegungen des Fahrzeugs von der Abscheideelektrode entfernt. Die Entfernung ist besonders gründlich, wenn das Abscheidesystem umgepolt wird und die abgeschiedenen Teilchen von der Abscheideelektrode abgestossen werden. Durch diese Massnahmen wird erreicht, dass die Filteroberfläche immer regeneriert wird, dass keine Überladung des Filters auftritt und dass bei der Abscheidung immer ein Filter mit frischer Oberfläche vorliegt.
Die Aufladung der Schadstoffpartikel erfolgt im elektrostatischen Feld einer Ladungsstrecke vor dem Katalysator mittels einer Hochspannungsquelle, wie sie bei der elektrostatischen Partikelabscheidung mit Gleichstrom üblich und z.B. in Perry. Chemical Engineers Handbook, McGraw-Hill 1973, Seiten 20-103 bis 20-115 eingehend beschrieben ist. Die Erzeugung des ionisierenden elektrischen Feldes erfolgt vorteilhaft zwischen einer konzentrisch im Auspuffrohr angebrachten Drahtelektrode und dem als Gegenelektrode (Abscheideelektrode) wirkenden Auspuffrohr. Die Drahtelektrode kann auch zur Erhöhung der Wirksamkeit mit Borsten, Stacheln und dergleichen versehen sein. Bei grösseren Auspuffrohrdurchmessern können auch mehrere Drahtelektroden zur Anwendung kommen. Die an die Drahtelektrode angelegte Hochspannung beträgt etwa 10 bis 40 kV. Unterhalb 10 kV ist die Wirkung zu gering, oberhalb 40 kV nimmt die Gefahr von Funkenbildung stark zu. Als Gegenelektrode, an der die Schadstoffpartikel abgeschieden werden, dient das Auspuffrohr. Die Länge der Abscheidungsstrecke richtet sich nach der Gasgeschwindigkeit, dem angelegten Potential, dem Auspuffrohrdurchmesser und der Partikelbeweglichkeit der Schadstoffpartikel und kann unter Anwendung der bekannten Formeln (z.B. Perry, loc. cit.) errechnet werden.
Da die elektrostatische Aufladung von Partikeln temperaturabhängig ist, wird die Aufladungsstrecke zweckmässigerweise an einer Stelle im Auspuffstrang angeordnet, an der die Temperatur der Abgase 800 °C nicht übersteigt und die Abgase auch noch heiss genug sind, um an dem Abgaskatalysator oder an der /„-Sonde zu reagieren. Vorzugsweise werden die Partikel negativ aufgeladen, da sich bei negativer Aufladung höhere Potentiale erreichen lassen. Eine dabei etwa auftretende Ozonbildung hat einen zusätzlichen positiven Ein-fluss auf den Geruch und die Zusammensetzung der Abgase.
Hinter der Abscheidungsstrecke ist im Verlauf des Abgasstranges der Katalysator angeordnet. Der Katalysator kann gegebenenfalls gleichsinnig mit den Schadstoffpartikeln elektrostatisch aufgeladen werden, um Schadstoffpartikel, die nicht abgeschieden worden sind, von seiner Oberfläche abzu-stossen.
Als Katalysatoren werden üblicherweise Katalysatoren auf Platin-, Rhodium- oder Palladium-Basis benutzt. Der Temperaturbereich, in dem die im Abgas enthaltenen Schadstoffpartikel schädlich auf den Katalysator einwirken, ist von der Natur des Katalysators abhängig und muss von Fall zu Fall durch Versuche ermittelt werden, was jedoch für einen Fachmann keine Schwierigkeiten bietet. Bei den üblichen Abgaskatalysatoren auf Platin-Basis findet unterhalb einer Abgastemperatur von etwa 200 °C praktisch keine Schädigung des Katalysators mehr statt. Oberhalb dieser Temperaturuntergrenze kann die Abscheidungsvorrichtung immer in Betrieb sein. Bei sehr hohen Temperaturen geht zwar die Abscheidungseffektivität stark zurück, es findet aber auch keine Schädigung des Katalysators mehr statt, so dass es zur Vermeidung von elektrischen Überschlägen vorteilhaft sein kann, die Abscheidungsvorrichtung ausser Betrieb zu setzen.
Beispiel
Durch ein Auspuffrohr von 9 cm Innendurchmesser wurde ein Abgasstrom aus einem Verbrennungsmotor geleitet, in dem Ottokraftstoff mit einem Bleigehalt von 0,4 g/1 verbraucht wurde. Der Abgasstrom hatte ein Volumen von 900 mVh, was einer Fahrgeschwindigkeit für einen Mittelklasse-PKW von etwa 60 km/h entsprach. In dem Auspuffrohr war ein aus einem 90 cm langen zum Auspuffrohr zentrisch gespannter Draht mit einem Durchmesser von 0,2 cm angebracht. An den Draht wurde eine Gleichspannung von - 13 kV angelegt, das Auspuffrohr hatte das Potential OV. Die Länge des Auspuffrohres vom Beginn der Ladungs5
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strecke bis zum Katalysator betrug 90 cm. Der Abgaskatalysator bestand aus einer katalytisch aktiven Schicht auf Platin-Basis und war auf einem wabenförmigen Stahlträger angebracht.
Die elektrostatische Abscheidung der Schadstoffpartikel wurde nur vorgenommen, wenn die Temperatur der Auspuffgase zwischen 300 und 600 °C lag. Ausserhalb dieser Abgastemperaturen, die durch einen Thermofühler unmittelbar vor dem Katalysator ermittelt wurden, wurde keine Abscheidung vorgenommen. Es wurde ein zyklischer Betrieb mit Stillstands-, Leerlauf-, Beschleunigungs- und Fahrphasen simuliert (gemäss DIN 70 030 Teil 1 zur Ermittlung des Stadtverbrauchs), wie er auch im praktischen Betrieb eines Kraftfahrzeugs üblich ist.
Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens konnte auch noch nach 50 Stunden praktisch keine Ver-5 schlechterung der Katalysatorwirkung festgestellt werden.
Ohne elektrostatische Abscheidung war der Katalysator bereits nach 10 Stunden stark geschädigt.
Bei dauernder Einschaltung des elektrostatischen Filters, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, Hess die Wirk-io samkeit des Filters wegen Überladung der Abscheideflächen nach etwa 15 Stunden stark nach, was sich durch eine deutliche Verschlechterung der Katalysatorleistung bemerkbar machte.
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