CH661563A5 - Electrostatic device for protecting a built in an exhaust channel and for gasoline engines specific catalyst before poisoning by pollutant particle. - Google Patents
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Description
661563 661563
PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
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. 1.Electrostatic device for protecting a catalytic converter installed in an exhaust duct and intended for gasoline engines against poisoning by pollutant particles, in which an ionization path formed from an electrode and counterelectrode is provided for the pollutant particles in the direction of flow of the exhaust gases in front of the catalytic converter and the catalyst is negative in the same direction as the pollutant particles is charged and provided with electrical insulation relative to the exhaust gas duct, characterized in that the exhaust gas duct is also provided with electrical insulation on the inside in the region of the ionization path (5) and the positively charged counter electrode (6, 6 ') in front of the catalyst (4) designed to be permeable to flow, is oriented essentially transversely to the direction of flow and essentially fills the cross section of the exhaust gas duct.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode aus einem Drahtnetz (6') besteht. 2. Device according to claim 1, characterized in that the counter electrode consists of a wire mesh (6 ').
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. In order to reduce the content of harmful components in the exhaust gas from gasoline engines, it is known to subject the exhaust gas flow to catalytic afterburning on exhaust gas catalysts or to regulate the composition of the fuel-air mixture supplied to the engine by means of sensors, so-called lambda probes, installed in the exhaust gas flow also have a catalytically active zone and react to the content of oxygen and unburned hydrocarbons. If fuels containing lead are used, however, these catalysts are inactivated within a short time by the pollutant particles in the exhaust gas, in particular lead, but also sulfur, soot or heavy metal particles. The electrostatic separation of the particles upstream of the catalytic converter (DE-OS 21 39 775) is also unsatisfactory, since particles are torn off the filter surface at high exhaust gas velocities and heavy filter occupancy and damage the catalytic converter.
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. It has therefore already been proposed to charge the pollutant particles and the catalyst surface electrostatically in the same direction with a high-voltage DC voltage, so that the pollutant particles and the catalyst surface repel each other and the pollutant particles fly past the catalyst without being deposited on it (patent application P 31 42 481.3). The generation of the ionizing electric field required for the preferably negative charging takes place between a wire electrode mounted concentrically in the exhaust pipe and the exhaust pipe acting as a counter electrode. Immediately behind the charge path is the catalytic converter, which is electrically insulated from the exhaust pipe and to which the same voltage is applied as at the wire electrode. When the exhaust gas flow is ionized between the wire electrode and the exhaust wall in front of the catalytic converter, however, it can happen that individual ionized particles get to the exhaust pipe wall before the catalytic converter and are discharged there. These particles are of course no longer repelled by the catalyst and can settle on it.
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. The object of the present invention is therefore to find an electrostatic device for protecting the catalysts in the exhaust gas duct of gasoline engines, in which the possibility that charged pollutant particles can discharge before the catalyst is largely eliminated.
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. This object is achieved by the electrostatic device described in claim 1. The particles are no longer charged in the radial direction (from the minus charged wire-shaped inner electrode to the exhaust wall), but in the axial direction, i.e. from the negatively charged catalyst in the direction against the exhaust gas flow to a gas-permeable planar counterelectrode which is oriented essentially transversely to the flow direction and essentially fills the cross section of the exhaust gas duct. The exhaust duct in the area of the catalyst and the ionization path is provided on the inside with electrical insulation, generally in view of the temperatures of a ceramic layer prevailing there. Perforated plates, wire screens or nets are suitable as counterelectrodes, which are designed in such a way that they provide the lowest possible flow resistance to the exhaust gases, e.g. Sieves with a mesh size of 2 to 4 mm. The counterelectrode should have the largest possible area, i.e. it should generally essentially fill the cross section of the exhaust gas duct. The smaller the area of the counter electrode in relation to the cross section of the exhaust gas duct, the worse the ionization of the pollutant particles. By charging the pollutant particles in the opposite ionization field between the catalyst and counterelectrode, the pollutant particles are negatively charged and cannot discharge at a positive potential before they reach the catalyst. Only the counter electrode is present as a positive potential in front of the catalytic converter. Although negatively charged particles which reach the counterelectrode against the gas flow can accumulate or discharge here, these particles must cross the ionization field again before they reach the catalyst, i.e. that only negatively charged particles can reach the negatively charged catalyst. After passing through the catalytic converter, the negatively charged particles accumulate in the further course of the exhaust gas line and are then "shaken" while driving after discharge at the exhaust wall and released into the open.
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. The length of the charge path between the catalyst serving as the negative electrode and the counter electrode depends on the gas velocity, the applied potential, the distance between the electrodes and the particle mobility of the pollutant particles and can be used using those known for charging particles for electrostatic particle separation with direct current Formulas (e.g. Perry, Chemical Engineers Handbook, Mc Graw-Hill 1973, pages 20-103 to 20-115) can be easily calculated. Generally, voltages of about 10 to 40 kV are used and the ionization path is 5 to 15 cm long.
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. Of course, only those catalysts can be used that are deposited on an electrically conductive support, e.g. on a steel net or in particular a honeycomb-shaped steel frame or catalysts which themselves have sufficient electrical conductivity, which can optionally also be brought about by adding electrically conductive substances such as noble metal, copper, aluminum, etc. to the catalyst mass.
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. Since the electrostatic charge of the pollutant particles is temperature-dependent, the device is expediently arranged at a point in the exhaust line where the temperature of the exhaust gases does not exceed 800 ° C, but the exhaust gases are still hot enough to contact the exhaust gas catalytic converter or the lambda probe to react.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird in der Zeichnung beispielsweise dargestellt. Hierbei zeigt The device according to the invention is shown in the drawing, for example. Here shows
Fig. 1 eine Darstellung der gesamten Vorrichtung im Prin- 1 is a representation of the entire device in the prin
zip, zip,
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen 2 and 3 show different embodiments
2 2nd
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
3 3rd
661 563 661 563
für die Gegenelektrode. for the counter electrode.
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. The device consists of the housing 1, to which the exhaust gases are fed through the pipe 2 and from which the exhaust gases are discharged again through the pipe 3. The catalyst 4, the ionization path 5 and the counterelectrode 6, which is designed as a perforated plate, are located inside the housing. The catalyst, ionization path and counterelectrode are electrically insulated from the housing by the aluminum oxide tube 7. In order to reduce the risk of breakage of the insulating tube 7, there is still a layer of inorganic fiber material 9 between the insulating tube 7, the housing jacket 8 and the catalytic converter 4, which layer is able to absorb length changes caused by temperature changes. The high voltage of minus 10 to minus 30 kV is fed to the catalytic converter 4 through the feed wire 10, which is electrically insulated from the housing by the insulating tube 11. The counter electrode 6 is connected to the housing via the metal rod 12 mounted in the guide 13 and is at the potential 0. By moving the rod 12 in the guide 13, the distance between the counter electrode 6 and the catalytic converter 4 and thus the length of the ionization path 5 can be adjusted change. The ionization path can thus easily adapt to the different conditions in motor vehicles, e.g. with regard to the temperature of the exhaust gases or the level of high voltage generated. So it would be e.g. possible using e.g. circuits known from Perry (I.e.) to determine the sparkovers to control the distance between the counterelectrode 6 and the catalytic converter 4 with the aid of a Servon.otor so that the exhaust gases are always optimally ionized. Normally, however, the counterelectrode 6 will be permanently installed and no displacement options will be provided.
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. Since high DC voltages of 10 to 40,000 volts are required to operate the device, but only very small currents of about 1 to 10 mA, it is possible to derive the required high voltage from the ignition voltage of the gasoline engines, such as e.g. is described in detail in DE-AS 10 80 349. The operating voltage for the device can also be generated in a power supply device that is independent of the ignition system i5. Chopper devices powered by a battery, so-called inverters, but preferably electronic devices of known design, can be used for this purpose, which, given the very low power consumption, can be implemented without great technical effort.
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. The advantages that can be achieved with the invention lie primarily in the fact that the ionized pollutant particles have no possibility of being discharged on their way through the ionization section and therefore cannot attach themselves to the catalytic converter.
1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PL | Patent ceased |