DE10018851B4 - Vorrichtung zur Abscheidung von Partikeln aus Abgas von Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Abscheidung von Partikeln aus Abgas von Verbrennungskraftmaschinen bestehend aus einem Gehäuse (1) mit einer Öffnung für den Eintritt, des Abgases und einer Öffnung für den Austritt des Abgases, in dem sich eine Vorrichtung bestehend aus einem Ionisator (2) zur elektrischen Aufladung von Partikeln im Abgas und einem oder mehreren Kollektoren (3) in Form von Platten zur Anlagerung der Partikel befinden, wobei die Platten parallel zur Richtung der Hauptströmung nebeneinander und mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet; daß die Platten aus einem metallischen warmfesten Werkstoff bestehen und daß zur Ablösung der Partikel von den Platten in dem Gehäuse Düsen (8) für den Austritt eines Reinigungsmediums angeordnet und über Leitungen an eine Erzeugungsvorrichtung oder einen Speicher des Reinigungsmediums angeschlossen sind.

Description

• Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abscheidung von Partikeln aus dem Abgas von Verbrennungskraftmaschinen.
• Die von Dieselmotoren in Kraftfahrzeugen, stationären Anlagen und Schiffen im Abgas emittierten Rußpartikel bilden ein hohes gesundheitliches Gefährdungspotenzial für Menschen und Tiere. Wissenschaftliche Untersuchungen in den letzten fünf Jahren haben festgestellt, daß insbesondere die kleinen Rußpartikel eine hohe schädliche Auswirkung besitzen (hierzu stellvertretend: F. Pearce, New Scientist, 25. Okt. 1997, „Devil in the Diesel"). Es wird deshalb seit längerer Zeit intensiv nach Wegen gesucht, die Emission von Rußpartikeln aus Dieselmotoren zu verringern. Das bisherige Entwicklungsziel einer Verbrauchsminderung durch Erhöhung des Motorwirkungsgrades hat aus physikalischen Gründen eine Erhöhung der Emission von Stickoxiden und Partikeln zur Folge (Dieseldilemma). Einer Verringerung der Partikelemission durch motorinterne Maßnahmen sind somit enge Grenzen gesetzt. Die Anstrengungen konzentrieren sich deshalb zunehmend auf motorexterne Maßnahmen, wie beispielsweise auf eine Entwicklung von Partikelfiltern, die im Abgassystem des Motors angeordnet werden.
• Umfangreiche Versuche wurden mit Keramikfiltern unternommen. Ein Keramikfilter besteht aus Filtertaschen mit einem porösen hitzefesten Keramikwerkstoff, die von dem Abgas durchströmt werden. Die im Abgas enthaltenen Rußpartikel lagern sich auf dem Filtermaterial an. Die Reinigung des Filters erfolgt durch Abbrennen. Nach umfangreichen mit Dieselfahrzeugen durchgeführten Feldversuchen konnte die Technik nur eine geringe Akzeptanz finden. Die hohen Druckverluste des Filters führten zu Beschädigungen am Motor. Ferner erwies sich die Technik in der Praxis als zu teuer und zu aufwendig.
• Ferner wurden Tiefenfilter aus Glasfaserwolle entwickelt. Durch eine Beimischung von Zusatzstoffen zum Kraftstoff können die Filteranlagerungen bei hohen Abgastemperaturen abgebrannt werden. Nachteile dieser Technik sind der hohe Druckverlust des Filters und die notwendige Beimischung von Zusatzstoffen zum Kraftstoff. Der Einsatz dieser Filter beschränkte sich deshalb bisher auf wenige Anwendungsgebiete, bei denen ein Einsatz von Filtern unerläßlich ist, wie beispielsweise mit Dieselmotoren ausgerüstete Baumaschinen im Untertagebetrieb.
• In der Druckschrift DE 37 24 511 A1 ist eine Vorrichtung für eine Abscheidung von Ruß aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors beschrieben, bei der die „Niederschlagselektroden als Bereiche von Blechplatten ausgeführt sind, deren aktive Flächen in der Hauptströmungsrichtung hintereinander sowie mit Abstand voneinander angeordnet sind,... "(Seite 1, Anspruch 6). Diesem Anspruch entspricht die in 4 dargestellte und in der Spalte 4 beschriebene Ausführungsform. Durch die Gestaltung der Niederschlagselektroden als Prallplatten besitzt die Vorrichtung einen hohen Druckverlust. Ferner ist zweifelhaft, ob bei dem von dem Abgas auf den Prallplatten erzeugten Aufpralldruck die Partikel an den Niederschlagselektroden haften bleiben.
• Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Dieselrußfilters mit einem geringen Druckverlust, der bei Abgastemperaturen bis 500 °C eingesetzt werden kann, der keine Zusatzstoffe zum Kraftstoff des Motors erfordert und mit einfachen technischen Mitteln abgereinigt werden kann. Die beanspruchte Erfindung löst die Aufgabe mit einer Vorrichtung bestehend aus einem Ionisator zur elektrischen Aufladung der Partikel und einem nachgeschalteten Kollektor, an dem die Partikel abgeschieden werden. Ionisator und Kollektor sind in einem Gehäuse eingebaut, das von dem Abgas des Motors durchströmt wird. Zur Verbesserung des lonisationsgrades kann vor dem Filter ein Vorionisator angeordnet werden, wie er in der Patentschrift DE 198 46 320 C1 beschrieben ist. Mit dem Vorionisator läßt sich der Abscheidegrad für die feinen Rußpartikel weiter verbessern.
• Eine Vorrichtung ähnlicher Art für eine Abscheidung von Partikeln ist in der Patentschrift DE 198 46 320 C1 als Teil einer Vorrichtung für eine Abscheidung von Stickoxiden und Partikeln aus der Abluft von Straßentunneln und anderen Bauwerken dargestellt. Die in der Patentschrift dargestellte Vorrichtung dient zur Abscheidung von Partikeln aus einem Abluftstrom mit Umgebungstemperatur und mit niedrigen Partikelkonzentrationen (0,1 – 3 mg/m^s). Ein Einsatz dieser Vorrichtung für die mit der beanspruchten Erfindung gestellte Aufgabe ist jedoch nicht naheliegend. Vielmehr sind erhebliche technische Schwierigkeiten zu überwinden. Das aus dem Dieselmotor austretende Abgas besitzt eine Temperatur von bis zu 500 °C. Die Rußkonzentrationen können mehr als das 1000fache der Partikelkonzentration in der Abluft von Straßentunneln betragen. Die hohen Temperaturen des Abgases führen zu thermischen Verformungen und gegenseitigen Berührungen der Kollektorplatten und damit zu einem Funktionsausfall des Filters. Ein weiteres zu überwindendes Problem verursacht die extrem hohe Partikelkonzentration im Abgas. Die Rußpartikel lagern sich nach sehr kurzer Zeit an den Isolatoren an und verursachen Kriechströme, die ebenfalls einen Funktionsausfall der Vorrichtung zur Folge haben. Ein weiteres Problem stellen die pulsierenden Schwingungen im Abgasstrom des Motors dar, die eine vorzeitige Ablösung der an gelagerten Partikel von der Kollektorfläche verursachen können. Bei steigender Temperatur des Gasmediums verringert sich bekanntlich das Dielektrikum zwischen den Kollektorplatten, so daß nur mit einer geringen Abscheiderate gerechnet werden kann. Ein Einsatz der in der Patentschrift dargestellten Vorrichtung für die Lösung der hier gestellten Aufgabe war deshalb nicht zu erwarten.
• Die Probleme konnten erst nach umfangreichen mit verschiedenen Maßnahmen durchgeführten Versuchen gelöst werden. Durch eine genau berechnete Konstruktion der Aufhängung und Wahl von geeigneten Texturen der Werkstoffe konnten die Verformungen der Kollektorplatten soweit verringert werden; daß eine Berührung nicht mehr auftritt. Eine Belegung der Isolatoren mit Partikeln kann dadurch verhindert werden, daß die Isolatoren mit Schutzhüllen umgeben werden, die zumindest in einem Bereich nicht auf der Oberfläche der Isolatoren aufliegen, so daß ein Zwischenraum zwischen Schutzhülle und Isolator entsteht; und die Schutzhülle für eine Reinigung des Isolators auf einer Seite eine Öffnung aufweist. Der Zwischenraum zwischen Schutzhülle und Isolator ist so gestaltet, daß während des Filterbetriebes nur wenige Partikel in diesen Zwischenraum eindringen können, andererseits jedoch bei der Abreinigung des Filters eine Abreinigung des Isolators über ein Reinigungsmedium erfolgt.
• Bei Stabisolatoren haben sich kappenförmige Schutzhüllen aus Glas oder Keramik als besonders geeignet erwiesen. Zweckmäßigerweise werden Isolator und Schutzhülle als ein Teil gefertigt. Die Schutzhülle kann jedoch auch ein separates Bauteil sein. Durch Schwingungen können agglomerierte Partikel von der Oberfläche. des Kollektors abgelöst werden. Um eine Austragung dieser Partikel nach außen zu verhindern,, kann nach dem Kollektor ein feinmaschiges Gitter oder ein Gewebefilter angeordnet werden; in dem die Partikel aufgefangen werden.
• Nach den ersten Versuchen wurden mit der beschriebenen Vorrichtung Abscfieideraten von 60 % erreicht. Der Druckverlust des Filters beträgt weniger als 100 Pa.
• Wie Versuche gezeigt haben, haften bei einigen Kraftstoffen die Filteranlagerungen nur Iose an der Oberfläche des Kollektors. Für eine Ablösung der Filteranlagerungen ist es in diesen Fällen ausreichend, die Filterplatten durch Klopfen in Schwingungen zu versetzen. Die Schwingungen können mit einer Klopfvorrichtung bekannter Bauart an der Außenwand des Gehäuses oder innerhalb des Gehäuses direkt am Kollektor erzeugt werden.
• Eine weitere Möglichkeit für eine Ablösung der Filteranlagerungen von den Kollektorplatten besteht mit Druckluft. Zu diesem Zweck sind im Gehäuse Druckluftdüsen angeordnet, die an eine Druckluftquelle angeschlossen sind.
• Wie umfangreiche Versuche gezeigt haben, lassen sich die Filteranlagerungen besonders vorteilhaft mit Dampf ablösen. An die Stellen der Druckluftdüsen werden Dampfdüsen angeordnet, die mit einer Dampfquelle, wie einem Dampferzeuger, verbunden sind. Diese Form der Ablösung der Filteranlagerungen ist bei Kraftstoffen notwendig, die klebrige Filteranlagerungen auf den Kollektorplatten bilden.
• Das Reinigungsmedium ist nicht auf Luft oder Dampf beschränkt.
• Nach ihrer Ablösung werden die Partikel über eine Absaugung aus dem Gehäuse entfernt. Hierfür sind in der Wand des Gehäuses eine oder mehrere Absaugöffnungen mit angeschlossenen Absaugrohren angebracht. Die Absaugrohre sind an die Saugseite eines Ventilators angeschlossen. Die abgesaugten Partikel werden mit einer an sich bekannten Vorrichtung, wie beispielsweise einem Zyklon oder einem Gewebefilter, separiert und in einem Behälter gesammelt.
• Die Ablösung und Absaugung der Partikel kann ohne eine Unterbrechung des Abgasstromes durch den Filter erfolgen, und ohne daß die Eintritts- und Austrittsöffnung für das Abgas am Gehäuse geschlossen werden, wenn an den Absaugöffnungen des Gehäuses kurzzeitig ein hoher Unterdruck erzeugt wird. Hierbei wird ein Teil des Abgasstromes kurzzeitig in das Absaugrohr umgelenkt.
• Bei Kraftstoffen, deren Partikel stärker an den Kollektorplatten haften, kann es für eine Abreinigung der Filterplatten notwendig sein, den Abgasstrom durch den Filter zu unterbrechen. Die Unterbrechung kann dadurch erfolgen, daß an der Eintrittsöffnung und an der Austrittsöffnung des Gehäuses Luftklappen bekannter Bauart angeordnet sind, die geschlossen werden. Der Abgasstrom wird während der Dauer der Abreinigung über eine Bypassleitung an dem Filter vorbeigeführt. Falls eine Abscheidung von Partikeln auch während der Abreinigung erfolgen muß, kann in der Bypassleitung ein zweiter Partikelfilter angeordnet werden.
• Die 1 und 2 zeigen beispielhaft eine mögliche Ausführungsform der Filtervorrichtung.
• Die 1 zeigt in perspektivischer Darstellung den Aufbau der Filtervorrichtung. In einem Gehäuse (1) befinden sich ein Ionisator (2) und ein Kollektor (3). Zur Verbesserung des Ionisationsgrades ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vor dem Ionisator noch ein Vorionisator (4) angeordnet. In Strömungsrichtung nach dem Kollektor (3) befindet sich ein feinmaschiges Gitter oder Gewebefilter (5), um Partikelagglomerationen, die sich evtl.
• während des Filterbetriebes lösen, aufzufangen. Am Eintritt und Austritt des Abgases in das Gehäuse (1) sind Luftklappen (6) angeordnet, die während der Abreinigung des Kollektors (3) geschlossen werden. Der Abgasstrom wird in dieser Zeit über eine Bypassleitung (7) geführt. Oberhalb des Kollektors (3) sind Düsen (8) angeordnet, die mit einem nicht dargestellten Druckluft- oder Dampferzeuger verbunden sind. Im Boden des Gehäuses (1) befinden sich Öffnungen (9) mit angeschlossenen Absaugrohren (10), die an die Saugseite eines ebenfalls nicht dargestellten Ventilators angeschlossen sind.
• Die 2 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform eines Isolators (11) mit einer Schutzhülle (12). Die Schutzhülle kann ein separates Bauteil sein, oder aber auch mit dem Isolator ein Bauteil bilden.

1

Gehäuse

2

Ionisator

3

Kollektor

4

Vorionisator

5

feinmaschiges Gitter oder Gewebefilter

6

Luftklappen

7

Bypassleitung

8

Düsen

9

Öffnungen

10

Absaugleitung

11

Isolator

12

Schutzhülle

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Abscheidung von Partikeln aus Abgas von Verbrennungskraftmaschinen bestehend aus einem Gehäuse (1) mit einer Öffnung für den Eintritt, des Abgases und einer Öffnung für den Austritt des Abgases, in dem sich eine Vorrichtung bestehend aus einem Ionisator (2) zur elektrischen Aufladung von Partikeln im Abgas und einem oder mehreren Kollektoren (3) in Form von Platten zur Anlagerung der Partikel befinden, wobei die Platten parallel zur Richtung der Hauptströmung nebeneinander und mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet; daß die Platten aus einem metallischen warmfesten Werkstoff bestehen und daß zur Ablösung der Partikel von den Platten in dem Gehäuse Düsen (8) für den Austritt eines Reinigungsmediums angeordnet und über Leitungen an eine Erzeugungsvorrichtung oder einen Speicher des Reinigungsmediums angeschlossen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinigungsmedium Dampf oder Luft ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten der Kollektoren (3) so angeordnet sind, daß die Walztexturen der Platten gleichgerichtet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse eine mechanische Klopfvorrichtung zur Erzeugung von stoßartigen Schwingungen der Vorrichtung angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Messung der Stärke der Partikelanlagerung auf den Platten vorhanden ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Isolatoren (11) Schutzhüllen (12) besitzen, die zumindest in Teilbereichen, nicht auf der Oberfläche der Isolatoren (11) aufliegen, und die Schutzhüllen (12) Öffnungen für eine Ablösung der Partikelanlagerungen von der Oberfläche der Isolatoren (11) mit dem Reinigungsmedium aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhüllen (12) der Isolatoren (11) aus Glas oder Keramik bestehen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Messung der Rauchdichte in der Abgasleitung vor dem Gehäuse (1) vorhanden ist und die Spannung an den Platten über einen an sich bekannten Steuerkreis abhängig von der Rauchdichte veränderbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Messung der Rauchdichte ein Extinktionsmeßgerät ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung nach dem Kollektor (3) ein feinmaschiges Gitter oder ein Gewebefilter (5) angeordnet ist.
11. Verfahren zur Abscheidung von Partikeln aus Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel elektrisch aufgeladen und an Platten, die parallel zur Richtung der Hauptströmung nebeneinander und mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, angelagert werden, und die angelagerten Partikel periodisch mit Hilfe eines Reinigungsmediums von den Platten gelöst und in einem Behälter gesammelt werden.
12. Verfahren zur Abscheidung von Partikeln aus Abgas von Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinigungsmedium Dampf oder Luft ist.