CH661563A5

CH661563A5 - Elektrostatische vorrichtung zum schutz eines in einen abgaskanal eingebauten und fuer ottomotoren bestimmten katalysators vor vergiftung durch schadstoffpartikel.

Info

Publication number: CH661563A5
Application number: CH468383A
Authority: CH
Inventors: Joerg Dr-Ing Abthoff; Hans-Dieter Dipl-Ing Schuster; Gunter Loose; Guenther Ebinger
Original assignee: Daimler Benz Ag
Priority date: 1982-09-09
Filing date: 1983-08-26
Publication date: 1987-07-31
Also published as: DE3233461A1; DE3233461C2

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Elektrostatische Vorrichtung zum Schutz eines in einen Abgaskanal eingebauten und für Ottomotoren bestimmten Katalysators vor Vergiftung durch Schadstoffpartikel, bei der in Strömungsrichtung der Abgase vor dem Katalysator eine aus Elektrode und Gegenelektrode gebildete Ionisierungsstrecke für die Schadstoffpartikel vorgesehen ist und der Katalysator gleichsinnig mit den Schadstoffpartikeln negativ aufgeladen und gegenüber dem Abgaskanal mit einer elektrischen Isolierung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskanal auch im Bereich der Ionisierungsstrecke (5) innenseitig mit einer elektrischen Isolierung versehen ist und die positiv geladene Gegenelektrode (6,6') vor dem Katalysator (4) strömungsdurchlässig flächenhaft ausgebildet, im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist und den Querschnitt des Abgaskanals im wesentlichen ausfüllt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode aus einem Drahtnetz (6') besteht.

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 Lambda-Sonden, zu regeln, die ebenfalls über eine katalytisch aktive Zone verfügen und auf den Gehalt an Sauerstoff und unverbrannten Kohlenwasserstoffen reagieren. Bei Verwendung bleihaltiger Kraftstoffe werden diese Katalysatoren jedoch durch die im Abgas befindlichen Schadstoffpartikel, insbesondere Blei, aber auch Schwefel-, Russ- oder Schwermetallpartikel, innerhalb kurzer Zeit inaktiviert. Auch die elektrostatische Abscheidung der Partikel vor dem Katalysator (DE-OS 21 39 775) ist unbefriedigend, da bei hohen Abgasgeschwindigkeiten und starker Filterbelegung Partikel von der Filteroberfläche abgerissen werden und dem Katalysator schaden.

Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Schadstoffpar-tikel und die Katalysatoroberfläche mit einer hochgespannten Gleichspannung gleichsinnig elektrostatisch aufzuladen, so dass sich die Schadstoffpartikel und die Katalysatoroberfläche gegenseitig abstossen und die Schadstoffpartikel so an dem Katalysator vorbeifliegen, ohne sich auf ihm abzuscheiden (Patentanmeldung P 31 42 481.3). Die Erzeugung des für die vorzugsweise negative Aufladung erforderlichen ionisierenden elektrischen Feldes erfolgt dabei zwischen einer konzentrisch im Auspuffrohr angebrachten Drahtelektrode und dem als Gegenelektrode wirkenden Auspuffrohr. Unmittelbar hinter der Ladungsstrecke ist der Katalysator angeordnet, der gegenüber dem Auspuffrohr elektrisch isoliert ist und an dem dieselbe Spannung wie an der Drahtelektrode anliegt. Bei der Ionisierung des Abgasstroms zwischen Drahtelektrode und Auspuffwandung vor dem Katalysator kann es jedoch vorkommen, dass einzelne ionisierte Partikel noch vor dem Katalysator an die Auspuffrohrwandung geraten und dort entladen werden. Diese Partikel werden dann selbstverständlich von dem Katalysator nicht mehr abgestossen und können sich auf ihm festsetzen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine elektrostatische Vorrichtung zum Schutz der Katalysatoren im Abgaskanal von Ottomotoren zu finden, bei der die Möglichkeit, dass sich aufgeladene Schadstoffpartikel noch vor dem Katalysator wieder entladen können, weitestgehend ausgeschalten ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebene elektrostatische Vorrichtung gelöst. Die Aufladung der Partikel erfolgt nicht mehr in radialer Richtung (von der minusgeladenen drahtförmigen Innenelektrode zur Auspuffwandung), sondern in axialer Richtung, d.h. von dem negativ geladenen Katalysator in Richtung gegen den Abgasstrom zu einer gasdurchlässigen flächenhaft ausgebildeten Gegenelektrode, die im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist und den Querschnitt des Abgaskanals im wesentlichen ausfüllt. Dabei ist der Abgaskanal im Bereich des Katalysators und der Ionisierungsstrecke innenseitig mit einer elektrischen Isolierung, im allgemeinen in Anbetracht der dort herrschenden Temperaturen einer Keramikschicht, versehen. Als Gegenelektrode geeignet sind Lochbleche, Drahtsiebe oder -netze, die so ausgebildet sind, dass sie den Auspuffgasen einen möglichst geringen Strömungswiderstand entgegensetzen, z.B. Siebe mit einer Maschenweite von 2 bis 4 mm. Die Gegenelektrode soll eine möglichst grosse Fläche aufweisen, d.h., sie soll im allgemeinen den Querschnitt des Abgaskanals im wesentlichen ausfüllen. Je kleiner die Fläche der Gegenelektrode im Verhältnis zum Querschnitt des Abgaskanals wird, desto schlechter wird auch die Ionisierung der Schadstoffpartikel. Durch die Aufladung der Schadstoffpartikel im entgegengesetzten Ionisierungsfeld zwischen Katalysator und Gegenelektrode werden die Schadstoffpartikel negativ aufgeladen und können sich nicht an einem positiven Potential entladen, bevor sie den Katalysator erreichen. Als positives Potential vor dem Katalysator ist nur die Gegenelektrode vorhanden. Hier können zwar negativ geladene Partikel, die entgegen dem Gasstrom zur Gegenelektrode gelangen, sich anlagern bzw. entladen, diese Partikel müssen jedoch, bevor sie zu dem Katalysator gelangen, das Ionisierungsfeld wieder durchqueren, d.h. dass nur negativ geladene Partikel den negativ geladenen Katalysator erreichen können. Nach Durchtritt durch den Katalysator lagern sich die negativ geladenen Partikel im weiteren Verlauf des Abgasstranges an und werden dort durch «Rütteln» im Fahrbetrieb nach Entladung an der Auspuffwandung wieder abgelöst und gelangen so ins Freie.

Die Länge der Ladungsstrecke zwischen dem als negative Elektrode dienenden Katalysator und der Gegenelektrode richtet sich nach der Gasgeschwindigkeit, dem angelegten Potential, dem Abstand der Elektroden und der Partikelbeweglichkeit der Schadstoffpartikel und kann unter Anwendung der für die Aufladung von Partikeln für die elektrostatische Partikelabscheidung mit Gleichstrom bekannten Formeln (z.B. Perry, Chemical Engineers Handbook, Mc Graw-Hill 1973, Seiten 20-103 bis 20-115) leicht errechnet werden. Im allgemeinen kommen Spannungen von etwa 10 bis 40 kV zur Anwendung, und die Ionisierungsstrecke ist 5 bis 15 cm lang.

Selbstverständlich können nur solche Katalysatoren zur Anwendung kommen, die auf einem elektrisch leitenden Träger niedergeschlagen sind, z.B. auf einem Stahlnetz oder insbesondere einem wabenförmigen Stahlgerüst oder Katalysatoren, die selbst eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzen, was gegebenenfalls auch durch Beifügung elektrisch leitender Stoffe wie Edelmetall, Kupfer, Aluminium usw. zur Katalysatormasse bewirkt werden kann.

Da die elektrostatische Aufladung der Schadstoffpartikel temperaturabhängig ist, wird die Vorrichtung zweckmässigerweise an einer Stelle im Auspuffstrang angeordnet, an der die Temperatur der Abgase 800 °C nicht übersteigt, die Abgase jedoch noch heiss genug sind, um an den Abgaskatalysator oder an der Lambda-Sonde zu reagieren.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird in der Zeichnung beispielsweise dargestellt. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine Darstellung der gesamten Vorrichtung im Prin-

zip,

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen

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für die Gegenelektrode.

Die Vorrichtung besteht aus dem Gehäuse 1, dem die Abgase durch das Rohr 2 zugeführt und aus dem die Abgase durch das Rohr 3 wieder abgeführt werden. Innerhalb des Gehäuses befindet sich der Katalysator 4, die Ionisierungsstrecke 5 sowie die als Lochblech ausgeführte Gegenelektrode 6. Katalysator, Ionisierungsstrecke und Gegenelektrode sind durch das Aluminiumoxidrohr 7 gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert. Zur Verringerung der Bruchgefahr des Isolierrohres 7 befindet sich zwischen dem Isolierrohr 7, dem Gehäusemantel 8 sowie dem Katalysator 4 noch je eine Schicht aus anorganischem Fasermaterial 9, die in der Lage ist, durch Temperaturänderungen verursachte Längenänderungen aufzunehmen. Dem Katalysator 4 wird die Hochspannung in Höhe von minus 10 bis minus 30 kV durch den Zuführungsdraht 10, der gegenüber dem Gehäuse durch das Isolierrohr 11 elektrisch isoliert ist, zugeführt. Die Gegenelektrode 6 ist über die in der Führung 13 gelagerte Metallstange 12 mit dem Gehäuse verbunden und liegt auf dem Potential 0. Durch Verschieben der Stange 12 in der Führung 13 lässt sich der Abstand der Gegenelektrode 6 zum Katalysator 4 und damit die Länge der Ionisierungsstrecke 5 verändern. Damit kann sich die Ionisierungsstrecke leicht den jeweils unterschiedlichen Bedingungen in Kraftfahrzeugen, z.B. hinsichtlich Temperatur der Abgase oder Höhe der erzeugten Hochspannung, anpassen. So wäre es z.B. möglich, unter Verwendung der z.B. aus Perry (I.e.) bekannten Schaltungen zur Ermittlung der Funkenüberschläge den Abstand der Gegenelektrode 6 zum Katalysator 4 mit Hilfe eines Servon.otors so zu steuern, dass stets eine optimale Ionisierung der Auspuff-5 gase erfolgt. Normalerweise wird man jedoch die Gegenelektrode 6 fest einbauen und keine Verschiebungsmöglichkeiten vorsehen.

Da zum Betrieb der Vorrichtung zwar hohe Gleichspannungen in Höhe von 10 bis 40000 Volt erforderlich sind, aber io nur sehr kleine Ströme von etwa 1 bis 10 mA, ist es möglich, die erforderliche Hochspannung aus der Zündspannung der Ottomotoren zu entnehmen, wie das z.B. in DE-AS 10 80 349 ausführlich beschrieben ist. Die Betriebsspannung für die Vorrichtung kann aber auch in einem von der Zündanlage i5 unabhängigen Stromversorgungsgerät erzeugt werden. Hierfür können aus einer Batterie gespeiste Zerhackergeräte, sogenannte Wechselrichter, bevorzugt jedoch elektronische Apparaturen bekannter Bauart benutzt werden, die angesichts des sehr niedrigen Stromverbrauchs ohne grossen technischen 20 Aufwand realisierbar sind.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen vor allem darin, dass die ionisierten Schadstoffpartikel keine Möglichkeit haben, sich auf ihrem Weg durch die Ionisierungsstrecke zu entladen und sich deshalb nicht an dem Kata-25 lysator festsetzen können.

1 Blatt Zeichnungen