DE10058995C2

DE10058995C2 - Kompakte Gasfraktionierungsanlage zur Zerlegung eines partikelbeladenen Rohgases in eine partikelarme Reingas- und eine partikelreiche Schmutzgasfraktion, insbesondere geeignet zu einer hochgradigen Reinigung des Abgases von Diesel-Kfz

Info

Publication number: DE10058995C2
Application number: DE10058995A
Authority: DE
Inventors: Kurt Emrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: DE10058995A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasfraktionierungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dieselmotoren stoßen im Vergleich zu Ottomotoren, insbesondere solchen mit indirekter Einspritzung eine große Menge von Partikeln aus. Diese bestehen in erster Linie aus Ruß, in zweiter Linie aus Kraftstoff und Schmieröltröpfchen (Dieselmotorentechnik 98, S. 42, im folgenden mit Ref. 1 bezeichnet) und weisen eine Größe zwischen 0.01 und 1.0 µm auf, (Vol. A 3, S. 191 in Ullmann's Encyclopedia, im folgenden als Ref. 2 bezeichnet).

Speziell bei DI-Dieselmotoren kann die Partikelmasse durch motorinterne Maßnahmen wie höhere Einspritzdrücke und feinere Öffnungen der Einspritzdüsen so begrenzt werden, dass die vom Gesetzgeber vorgegebenen Erfordernisse erfüllt werden. Allerdings kann die Redu zierung der Partikelmasse nicht unabhängig von anderen Abgasaspekten gesehen werden. NO_x-Werte sind auf 0,5 g (zukünftig 0,25 g) pro Fahrkilometer allgemein zu begrenzen. Die einfachste innermotorische Maßnahme, die NO_x-Werte zu reduzieren, besteht in der Abgasrückführung (AGR). Die AGR führt jedoch zu einer Erhöhung des Rußausstoßes. Die Korrelation zwi schen NO_x und Partikel-Emission, der sogenannte NO_x-Partikel-Trade off (auch NO_x/PT- Trade off) enthüllt einen Zielkonflikt zwischen kleineren NO_x- und Partikelmasse (PT)- Werten im Abgas: Hohe AGR-Raten führen zu kleineren NO_x und großen PT-Werten; kleine Raten zu großen NO_X und kleinen PT-Werten (ref 1: Bild 5 u. 6, Seite 59; Bild 12, Seite 215; Bild 18, Seite 228). Dieser Zielkonflikt gilt auch für viele andere motorinterne Maßnahmen (ref 1, Bild 12, Seite 215).

Aus diesen Gründen wird der Einsatz von Partikel-Filtern in Diesel-PKW zur Einhaltung der (zukünftigen) europäischen Normen zumindest erwogen. Für PKW dürfte von der mittleren Mittelklasse an aufwärts eine Partikelreduzierung durch motorexterne Maßnahmen kaum zu umgehen sein.

Der Gesetzgeber verlangt wie oben ausgeführt eine Reduzierung der PT-Masse. Die Begren zung kann erreicht werden durch Verkleinerung der mittleren Masse der Abgaspartikel. Eine solche Verkleinerung ist eine Folge der Erhöhung der Einspritzdrücke und feineren Öffnun gen der Einspritzdüsen bei der Entwicklung modernster DI-Dieselmotoren. Die Abgasparti kel, die durch unvollständige Verbrennung der Kraftstofftröpfchen entstehen, werden durch diese Entwicklung zwar kleiner, ihre Zahl wird jedoch eher erhöht als reduziert, sie wird im günstigsten Fall nicht höher sein als bei IDI-Dieselmotoren.

Wenn man, dem Gesetzgeber folgend, die Gesamtmasse der Partikel reduziert, dann ist es hinreichend, mit einem mechanischen Filter (Sieb) die größten Teilchen herauszufiltern, da ein Teilchen von 1 µm Durchmesser tausendmal (eine Million mal) soviel wiegt wie ein Teil chen vom Durchmesser 0.1 µm (0.01 µm).

Eine einfaches Zahlenbeispiel möge das verdeutlichen: Angenommen ein Abgas enthalte aus schließlich Partikel der Größe 1, 0.5, 0.3, 0.1, 0.05, 0.03. 0.01 µm und die entsprechenden Teilchenzahlen seien N, 2N, 3N, 3N, 3N, 2N und N. Es werde weiterhin angenommen, es gebe einen Filter, welcher die Teilchen der Größe 1, 0.5 und 0.3 µm vollständig herausfiltert, während die restlichen Teilchen durch die Filterporen alle hindurch gehen. Dann werden über 99,7% der Masse herausgefiltert, aber nur 40% der Teilchen! Man könnte sich mit dieser Tat sache zufrieden geben, wenn die kleineren Teilchen gesundheitlich irrelevant wären, leider sind sie aber besonders bedenklich.

In einer Studie des Bundes-Umweltministeriums findet sich als wichtigstes Ergebnis folgende Formulierung: "Von den Rußpartikeln in den Abgasen der Dieselmotoren geht ein bedrohli ches Krebsrisiko aus" (s. Tagespresse im Aug. 1999, etwa Westfälische Rundschau vom 06. Aug. 1999, Seite 1). Weiterhin wird betont, dass "gerade die kleineren Partikel aus den neue ren Motoren wegen ihrer erhöhten Lungengängigkeit besonders gefährlich sind". Als Ge genmaßnahme empfiehlt das Umweltministerium Partikelfilter einzuführen. Ein solches Filter "könne (. . . . .) den Schadstoffausstoß auf 1,4% vermindern".

Dazu ist folgendes zu bemerken: Ein Partikelfilter, welches 98,6% der Teilchen herausfiltert, d. h. die Anzahl der Teilchen um 98,6% vermindert, wäre nicht nur hinreichend, sondern traumhaft! Ein solches Filter gibt es jedoch für Kraftfahrzeuge nicht und wird es auch in ab sehbarer Zukunft zumindest für einen PKW mit allerhöchster Wahrscheinlichkeit nicht geben! Was das Umweltministerium offensichtlich meint ist eine Reduktion der Gesamtmasse der Teilchen um 98,6%. Dies ist in der Tat möglich, wenn man die schwereren Teilchen heraus filtert und dabei bedenkt, dass ein Teilchen vom Durchmesser 1 µm tausend bis eine Million mal soviel wiegt wie ein Teilchen im Bereich zwischen 0.1 und 0.01 µm (man vergleiche auch das oben gemachte Zahlenbeispiel); jedoch gerade die letzteren Teilchen sind ja nach Ansicht des Umweltministeriums (und des Antragstellers) "erhöht lungengängig".

Die erhöhe Lungengängigkeit bedarf wohl einer Erläuterung. Die medizinische Fachliteratur (s. etwa Pschyrembel, Medizinisches Wörterbuch, Stichwort "Staub") spricht von Lungen gängigkeit bei einer Partikelgröße von weniger als 5 µm. "Erhöhte Lungengängigkeit" etwa von Partikeln der Größe 0.01 µm beispielsweise bedeutet lediglich, dass diese Teilchen eine besonders große Aufenthaltswahrscheinlichkeit in der Lunge haben. Dieser wichtige Punkt wird im folgenden erläutert.

Die wichtigste Abwehrfunktion der Lunge gegen ein eingedrungenes Partikel ist die mukozi liäre Clearence (s. Pschyrembel: "Clearence, mukoziliäre"), d. h. der Abtransport von inha lierten Partikeln durch (aktive) Schleimsekretion und koordinierten adoralen Zilienschlag des Flimmerepithels. Eine Verlangsamung der Geschwindigkeit der m. C. durch Krankheiten (Bronchitis, Asthma bronchiale) führt zu einer längeren Einwirkzeit der karzinogenen Sub stanzen (z. B. des Dieselabgases).

Ein bis in eine Alveole (Lungenbläschen) vorgedrungenes und an der Alveolarwand (vor übergehend) adsorbiertes Partikel wird durch aktive Sekretion aus der Alveole durch die Bronchioli respiratorii (s. Pschyrembel: "Bronchiolen" mit zugeh. Abbildung) bis zu den Bronchioli terminali befördert, von wo das in Sekret eingehüllte Teilchen durch das Flimmerepithel die ser Bronchiolen und das der Bronchien bis zur Mundhöhle transportiert wird. Die Zeit für diesen kompletten Transportvorgang ist vermutlich nicht sehr stark vom Partikeldurchmesser abhängig, ganz anders verhält es sich jedoch mit den mittleren Adsorbtionswahrscheinlich keiten und den damit verbundenen mittleren Aufenthaltsdauern.

Für den Kontakt der Partikel mit der Alveolarwand sind 2 Prozesse wichtig, nämlich das Ab sinken der Teilchen durch die Schwerkraft, beschrieben durch das Stokesche Gesetz (s. Lehr bücher d. Physik) und die Brownsche Molekularbewegung. Die Sinkgeschwindigkeit beträgt nach dem Stokeschen Gesetz 64 µm/sec für ein Teilchen der Größe 1.0 µm (Zähigkeit der Luft η = 1.7 × 10^-5 Newtonsec/m², Teilchendichte ρ = 2000 kg/m³), dagegen nur noch 0.64 µm/sec (0.0064 µm/sec) für ein Teilchen der Größe 0.1 µm (0.01 µm).

Für die Teilchen mit Durchm. ≦ 0.2 µm ist die Brownsche Molekularbewegung wichtiger als der Stokesche Sinkprozeß. Es gilt die berühmte Formel für nicht stationäre Diffusionsbewe gungen (kugelförmige Teilchen).

Das heißt für Teilchen mit D = 0.01 µm ist die in einer Sekunde zurückgelegte Diffusions strecke x annähernd (T = 300 K) 72 µm, für Teilchen der Größe 0.1 µm ist die entsprechende Diffusionsstrecke um den Faktor 3,16 kleiner.

In den Alveolen verbleibt die Luft recht lange, nämlich im Mittel sechs Atemzüge, entspre chend ca. 20 Sekunden, da das mittlere Lungenvolumen in der sog. Atemmittellage 3 l beträgt und das mittlere Atemzugvolumen 0.5 l (s. Pschyrembel unter "Lungenvolumina" mit zuge höriger Abbildung). In dieser Zeit ist die in einer Alveole zurückgelegte mittlere Diffusionsstrecke 322 µm für ein Teilchen der Größe 0.01 µm und 102 µm (32 µm) für ein Teilchen der Grö ße 0.1 µm (1.0 µm), man vergleiche hierzu den Alveolendurchmesser, der zwischen 100 µm und 300 µm liegt. Die vergleichsweise große Gesamtfläche der Alveolen (70-80 m²) spricht für eine Adsorption der kleinen Partikel an der Alveolarwand.

In 20 Sekunden sinkt infolge der Schwerkraft ein Teilchen der Größe 1 µm um ca. 1280 µm, ein Teilchen der Größe 0.1 µm dagegen nur um 12.8 µm und ein solches der Größe 0.01 µm sogar nur um 0.13 µm.

Es ergibt sich, dass wegen des Stokeschen Sinkprozesses die größten und wegen der instatio nären Diffusion die kleinsten Partikel mit besonders großer Wahrscheinlichkeit an der Al veolarwand landen und durch die mukoziliäre Clearance abtransportiert werden müssen.

Hinzu kommt, dass von den von Kraftfahrzeugen ausgestoßenen Abgaspartikeln sich die klei nen sowohl im Freien wie auch in Innenräumen länger in der Schwebe halten. Nach dem Sto keschen Gesetz beträgt die Sinkgeschwindigkeit annähernd kugelförmiger Teilchen ca. 5,5 m/Tag wenn D = 1 µm, dagegen nur 5,5 cm/Tag (0.55 mm/Tag) wenn D = 0.1 µm (0.01 µm). Das ist vor allem wichtig für Innenräume, während im Freien in unserem Klima Aus waschprozesse durch Regen für die mittlere "Lebensdauer" in der Atmosphäre wichtiger sind als das Absinken nach dem Stokeschen Gesetz.

Da der Gesetzgeber sich mit massenreduzierenden Maßnahmen zufrieden gibt, bewertet er implizit die Eliminierung eines Abgaspartikels der Größe 1 µm ebenso stark wie die Elimi nierung von 10⁶ Teilchen der Größe 0.01 µm. Ein solches Vorgehen wäre offensichtlich sinnvoll, wenn die kanzerogene Potenz eines Teilchens proportional zu seiner Masse wäre. Dafür fehlt nicht nur der Schatten eines Beweises, sondern es wurden oben Argumente ange führt, die ganz erheblich gegen eine solche Annahme sprechen. Solange über die kanzerogene Potenz eines vom Menschen (nicht von Ratten!) eingeatmeten Rußteilchens als Funktion des Durchmessers D praktisch nichts bekannt ist, muß die Zahl der Teilchen jeglicher Größe ("das ganze Größenspektrum") klein gehalten werden. Selbst eine sehr hohe Reduzierung der Ge samtmasse der Abgaspartikel pro Fahrkilometer besagt darüber nur wenig.

Es gibt zwei Prinzipien der mechanischen Filterung. Das erste besteht darin, das partikelbela dene Gas durch ein Filter mit (beispielsweise einheitlicher) Porengröße d strömen zu lassen. Dann werden Teilchen mit Durchmesser D < d zurückgehalten, während die mit D < d durchgelassen werden. Aus dem Gesetz von Hagen-Poiseuille folgt, dass man so Teilchen mit D = 1 µm recht gut ausfiltern kann, bei D = 0.1 µm ist das aber für einen PKW nur mit extre mem Aufwand (und/oder hohem Abgasgegendruck) zu erreichen, bei D = 0.01 µm ist eine solche Filterung ausgeschlossen, auch bei einem LKW, bei welchem relativ mehr Platz für ein Filter zur Verfügung steht als bei einem PKW. Ein solches Rückhaltefilter (R-Filter) oder mechanisches Sieb verstopft rasch und muß "freigebrannt" werden (s. unten).

Das zweite Filterungsprinzip besteht darin, dass man das partikelbeladene Gas durch enge Durchlaßkanäle (Durchmesser z. B. einige Zehntel mm) mit porösen Wänden strömen läßt, so daß die Partikel senkrecht zur Strömungsrichtung in die Wandporen diffundieren (Automo biltechnik der Zukunft, i. f. als Ref. 3 bezeichnet, Abb. 100, S. 116) und dort haften bleiben, vorausgesetzt sie sind nur etwas kleiner als die Wandporen (sonst würden sie wieder heraus diffundieren). Ein solches Filter (D-Filter) wird zwar durch starke Beladung nicht so schnell verstopfen wie ein R-Filter, aber es wird durch die Beladung immer unwirksamer, so daß es ebenfalls freigebrannt werden muß.

Der hier geschilderte Diffusionsprozeß wird durch die zuvor gegebene Gleichung für instatio näre Diffusion näher beschrieben. Die Diffusionsstrecke x beträgt in einer Sekunde in Abhän gigkeit von dem temperaturabhängigen Quotienten (T/η(T))^1/2 ca. 0.08 mm für ein Partikel mit D = 0.01 µm und ist um einen Faktor 3,16 (10) kleiner für ein Partikel mit D = 0.1 µm (1.0 µm). Die Abscheidung der leichtesten Teilchen ist zwar am einfachsten, aber keineswegs in dem Maße, dass durch geeignete Filtergestaltung (engere Durchlaßkanäle für das Gas etc.) nicht auch eine Abscheidung der Teilchen mit 0.1 µm und selbst 1 µm möglich wäre! Das Problem liegt woanders, nämlich bei der großen Spreizung der D-Werte über 2 Größenord nungen hinweg! Um all diese Partikel auszufiltern, müßte man eine ganze Reihe von D- Filtern (mit jeweils geeigneter Größe der Wandporen) hintereinander schalten. Man kann sehr leicht einsehen, dass man damit zu einer mehrere Meter langen Konstruktion käme, die für PKW ausgeschlossen ist und für LKW einen zu großen Abgasgegendruck aufwiese.

Man muß also anders vorgehen. Möglich sind zwei Strategien:
Die erste besteht darin, sich die Verteilungsfunktion n(D) der Partikel im ungefilterten Abgas ("Rohgas") anzusehen und den D-Filter an die Stelle des Maximums dieser Funktion zu le gen. Die an Meßwerten orientierte Definition von n(D_o) ist: gemessene Teilchenzahl in einem geeigneten kleinen D-Intervall um den Mittelpunkt D_o dividiert durch die Breite des D- Intervalls. (Zur formalen Definition von n(D) s. unten, Seite 9). Diese Strategie kann man als "optimierte Teilchenzahlreduktion" bezeichnen, da gerade die Partikel ausgefiltert werden, die besonders häufig sind. Mit einer solchen Strategie kann man die Zahl der Partikel um schätzungsweise 40-80% vermindern, je nachdem wie hoch, breit und steil das Maximum der Funktion n(D) ausfällt. Das Maximum von n(D) liegt zwischen 0.2 und 0.3 µm (ref 2, Vol. B7, p. 440).

Die andere Strategie besteht darin, möglichst viel von der Gesamtmasse der Partikel auszufil tern und kann entsprechend als "opimierte Reduktion der Gesamtmasse" bezeichnet werden. Dabei wird die Funktion n(D) durch n(D) × M(D) ersetzt (M(D) = Teilchenmasse = πD³/6). Wegen des Faktors D³ liegt dieses Maximum in der Nähe von D = 1 µm, ist relativ sehr hoch und fällt steil zu kleinen D-Werten hinab. Wegen dieses Verhaltens ist das Optimum durch "trial and error" sehr leicht zu finden und die prozentuale Massenreduktion sehr viel größer als die Teilchenzahlreduktion nach Strategie 1.

Filter nach der Strategie der "optimierten Reduktion der Gesamtmasse" sind auf dem Markt und die Reduktion beträgt z. T. über 98% (s. o.). Die Reduktion der Teilchenzahl ist für diese Filter vermutlich recht gering, sie beträgt vermutlich nur einen Bruchteil dessen was mit der Strategie der optimierten Teilchenzahlreduktion erreichbar ist. Die Reduzierung der schweren Teilchen ist zwar sinnvoll, aber nicht hinreichend.

Filter nach der Strategie der optimierten Reduktion der Teilchenzahl sind nicht auf dem Markt, und wären bezüglich der gesundheitlichen Relevanz nach dem oben Dargelegten auch nicht viel vorteilhafter, da zu erwarten ist, daß sowohl von den größten als auch von den kleinsten Partikeln erhebliche Teile nicht ausgefiltert würden.

Unvorteilhaft bei beiden Filterstrategien ist die Tatsache, dass auf jeden Fall eine immer noch zu große Anzahl von Teilchen die Filter passieren. Außerdem erhöhen sie den Abgasgegen druck und vermindern somit den Motorwirkungsgrad.

Das notwendige Freibrennen der Filter ist sehr aufwendig. Es gibt 2 Methoden (ref. 3, Seite 115-116). Die eine besteht im Einsatz von Brennern, die andere im Einsatz katalytisch oxidativer Additive (z. B. Metalloxide) zum Kraftstoff, welche den Zündpunkt des abgela gerten Rußes (von ca. 600°C) herabsetzen, und zwar um ca. 100-200°C.

Für PKW ist die Brennermethode wahrscheinlich weniger geeignet. Die Additiv-Methode ist wegen niedriger Abgastemperaturen für Fahrzeuge, die vor allem im Stadtverkehr verwendet werden, problematisch: es ist keineswegs garantiert, dass selbst die durch das Additiv herab gesetzten Zündpunkte oft genug erreicht werden, insbesondere bei Fahrzeugen, die von "klas sischen" Dieselfahrern des älteren Zuschnitts bewegt werden. Die Hersteller möchten natür lich Probleme mit diesem Kundenkreis vermeiden.

Bei LKW ist die Situation wesentlich günstiger. Seit Ende der Achtziger Jahre gibt es reali sierbare Vorschläge, z. B. von Klöckner-Humboldt-Deutz und MAN einerseits und von Mer cedes-Benz andererseits (ref. 2, A 16, p. 750-751). Die KHD-Methode benutzt einen Brenner im laufenden Betrieb, die Mercedes-Benz-Methode stellt eine kombinierte Brenner- Katalysator-Methode dar. Sie funktioniert bei stillstehendem Motor und kommt mit sehr nied rigen Zündtemperaturen, ca. 250°C, aus. Für PKW ist diese Methode wohl zu aufwendig.

Man kann mit Filtern auf Diffusionsbasis (D-Filter) und mechanischen Sieben im Prinzip alle Abgaspartikel, von den kleinsten über die mittleren bis zu den größten ausfiltern, aber kei neswegs alle zusammen; wenn das Filter hinreichend kompakt sein soll, um für einen PKW tauglich zu sein. Auch die Gesamtzahl der Partikel kann so nur begrenzt vermindert werden, weil die Verteilungskurve n(D) relativ flach ist und ein vergleichsweise nur mäßig hohes Maximum zwischen 0.2 und 0.3 µm aufweist (bei den modernsten Hochdruck-DI-Diesel motoren liegt es evtl. bei kleineren Werten). Eine starke Reduzierung der Gesamtmasse ist wegen des steilen Kurvenverlaufs und des sehr hohen Maximums der Kurve n(D) × M(D) zwar möglich, aber nach dem oben Gesagten nicht hinreichend, um Entwarnung zu geben. Die Situation würde sich noch erheblich verschärfen, falls sorgfältige elektronenmikroskopi sche Untersuchungen zeigen sollten, dass das Abgas modernster Hochdruck-DI- Dieselmotoren auch Teilchen < 0.01 µm enthielte. Ungünstig ist auch die Erhöhung des Ab gasgegendrucks.

Industrie und Kraftwerke benutzen elektrische Staubfilter in großem Maßstab. Benutzt wer den Koronaentladungen an der Emissionselektrode, auch Sprühelektrode SE genannt (meist negativ, zuweilen auch positiv). Die Gleichspannung wird so geregelt, dass einerseits Span nung und Stromstärke möglichst hoch sind, andererseits kein längerer Durchbruch erfolgt (Ullmanns Enzyklopädie, 4. Aufl., im folgenden als Ref. 2a bezeichnet, Band 2, S 242). Die durch die Koronaentladung entstehenden Ionen lagern sich an den Staubteilchen an, so dass diese sich an der Niederschlagselektrode NE sammeln, von wo sie durch Klopfen oder Spülen abgelöst werden und in einen Sammelbunker fallen (ref. 2, Vol. B2, p 13-29 bis 13-34; ref. 2a, Band 2, S. 240-245). Bei Stäuben mit großen Widerstand wird gepulster Strom (pulsed volt technique) benutzt, um die Stromstärke hoch zu halten. Auch Gleichstrom mit (zeitwei se) überlagerten Komponenten aus gepulstem Strom oder Wechselstrom ist möglich.

Diese Technik funktioniert in einem breiten Widerstandsbereich der Staubteilchen, nämlich von 10² bis 10⁹ Ωm und in einem weiten Temperaturbereich (ref. 2, Vol. B2, 13-31, Fig. 38). Bei höheren Widerständen ist neben der Puls-Strom-Technik auch Gaskonditionierung mög lich. Problematisch sind aber Metallstäube, Kohlenstäube (z. B. Rußstäube) und andere Stäube mit geringem elektrischen Widerstand, und zwar wegen der schnellen Entladung der Staubteilchen an der NE.

Nach den oben erwähnten Schwierigkeiten mit der Reduzierung der Teilchenverteilungsfunk tion n(D) über einen weiten Größenbereich durch ein einziges Filterelement ergibt sich die Frage, wie sich das mit einem elektrischen Filterelement verhält. Wir definieren jetzt die Teil chenverteilungsfunktion (Distributionsfunktion) n(D) formal, indem wir das oben erwähnte D-Intervall infinitesimalisieren, nämlich

Wobei N_D die Zahl aller Teilchen mit einem Durchmesser ≦ D ist.
Es gilt für die Gesamtzahl aller Teilchen

Wobei die untere Integrationsgrenze natürlich auch durch D_min ersetzt werden kann. Bei N_roh (N_rein) die Teilchenzahl im Rohgas (Reingas), dann gilt in evidenter Notation

und man kann den "durchmesserabhängigen Reinigungsgrad" R_D definieren durch

wobei n_abs(D) die Teilchenzahl-Verteilungsfunktion der absorbierten (in den Staubsammel bunker gebrachten) Teilchen darstellt.

Eine sehr ähnlich definierte Funktion stellt der "fraktionelle Entstaubungsgrad" (fractional collection efficiency) dar. Ein Beispiel ist in Fig. 41 (Ref. 2, Vol. B2, 13-33) gegeben und dort diskutiert. (Die Funktion T(x) ist numerisch identisch mit R_D, angegeben in %.) Es erge ben sich Reinigungsgrade zwischen 90 und mehr als 99,5% über einen D-Bereich von 2 Grö ßenordnungen. Werte für D < 0.07 µm sind in dem dortigen Beispiel nicht angegeben, ent weder weil es entsprechende Staubteilchen nicht gab oder weil die ziemlich aufwendigen elektronenmikroskopischen Untersuchungen an Roh- und Reingas nicht gemacht wurden. Da jedoch die Cunningham-Korretur (s. Diskussion in ref. 2) auch im Durchmesserbereich D < 0.07 µm gilt, sind auch für solche Teilchen hohe Reinigungsgrade zu erwarten. Das ist auch aus anderen Zusammenhängen bekannt.

Elektrische Filterelemente sind über einen weiten Bereich der Teilchenverteilungsfunktion n (D) wirksam. Dass trotzdem in vielen Fällen einige Filterelemente hintereinander geschaltet werden, ergibt sich aus der hohen Staubbeladung (z. B. 500 g/m³) in diesen Fällen, das Reingas wäre sonst noch zu hoch beladen. Schwierigkeiten ergeben sich bei Staubpartikeln mit geringem elektrischem Widerstand.

Die Idee, elektrische Filter in Kfz zu benutzen, ist älteren Datums und wurde schon in den 80iger Jahren untersucht (Ref. 3, S. 116-117).

Das Problem zerfällt in zwei Subprobleme: Erstens Aufladung, zweitens Abscheidung der geladenen Partikel.

Bei der Aufladung ist darauf zu achten, dass das Anwendungsprofil ein ganz anderes ist als bei Anlagen in Industrie- und Kraftwerken. Die Massenbeladung liegt dort typischerweise zwischen 5 und 500 g/m³. Bei moderneren Diesel-PKW liegt sie in der Größenordnung 50 mg/m³ (selbstverständlich stark abhängig von Druck und Temperatur des Gases in der Elektroschleuse), also um 2-4 Größenordnungen tiefer! Auf der anderen Seite ist die Abgas geschwindigkeit bei einem mit Vollgas im höchsten Drehzahlbereich laufenden Motor we sentlich höher als die Geschwindigkeiten der zu reinigenden Gase in stationären Elektrofil teranlagen.

Wichtig für Elektrofilter eines Diesel-PKW ist daher, dass die Aufladung der Partikel mit Ionen schnell vonstatten geht. Dies ist erfüllt, wenn die Zahl der Ionen wesentlich größer ist, und zwar mindestens um einen Faktor 100, besser aber 1000.

Zahlenbeispiel

Nehmen wir an, ein PKW fahre mit 120 km/h und stoße dabei 100 mg Parti kel pro Minute aus (entsprechend 50 mg/km). Diese Partikel seien kugelförmig, die Dichte betrage 2000 kg/m³, und der mittlere Durchmesser 0.25 µm (ref. 2, B7, p. 440). Es folgt, dass pro Sekunde ca. 10¹¹ Teilchen aufzuladen sind (genau 1.02 × 10¹¹ Teilchen, wenn alle Partikel exakt den Radius 0.25 µm hätten). Diese Zahl ist mit Z × e zu multiplizieren, wenn man den minimalen (absolut notwendigen) Ladestrom haben will, wobei e die Elementarladung (1,602 × 10^-19 Asec) ist und Z die mittlere Ladungszahl. Die Zahl Z beträgt 1 bei Partikeln der Größe zwischen 0.01 und 0.1 µm und steigt auf 60-70 an, für ein Partikel der Größe 1 µm, die gemittelte Größe dürfte bei 5 liegen, wir nehmen sicherheitshalber, um den minimalen Ladestrom nicht zu unterschätzen an, sie betrage 10. Der minimale Ladestrom ist daher 1,6 × 10^-7 A.

Wie oben ausgeführt soll aber der gesamte Ionenstrom um einen Faktor 10³ höher liegen. Ein hinreichend großer Strom (auch für Vollgasfahrt) liegt daher im Bereich

0.1 mA ≦ i ≦ 1 mA

Bei einer Spannung von 20 kV liegt die Leistung L im Bereich

2 W ≦ L ≦ 20 W

Für einen LKW müßte man wegen des größeren Abgasstromes entsprechend mehr verlangen, andererseits hat man dort i. A. hinreichend Platz für eine größere Filteranlage, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Elektrodenzwischenraum kleiner gehalten werden kann als beim PKW. Der Ionenüberschuß kann entsprechend kleiner ausfallen und der Lei stungsbedarf wird dann nur mäßig ansteigen.

Leider ist die Abscheidung der aufgeladenen Partikel das viel größere Problem. Ein "trocke nes" Elektrofilter, bei welchem die an der NE abgeschiedenen Partikel durch Klopfen und Ähnliches entfernt werden, kommt wegen der winzigen Entladungszeiten der gut leitenden Rußpartikel nicht in Frage. Man müßte daher ein "Naßfilter" verwenden, bei welchem die Teilchen durch eine geeignete hochsiedende Flüssigkeit kontinuierlich von der NE weg ge spült würden. Diese Flüssigkeit müßte leitend sein. Sie würde durch die bei der Fahrt auftre tenden Zentrifugalkräfte und insbesondere durch die bei Stößen auftretenden Trägheitskräfte z. T. in den Elektroden-Zwischenraum geschleudert werden, so dass das Filter z. B. bei jedem Stoß abgeschaltet werden müßte, um lang anhaltende starke elektrische Durchschläge zu ver meiden. Auch die Entsorgung der (je nach Lage des Elektrofilters im Abgasstrang) mehr oder weniger hoch siedenden Spülflüssigkeit wäre nicht unproblematisch.

Um solche Komplikationen zu vermeiden, wurde vorgeschlagen (ref. 3, S. 116), die elektrisch geladenen Teilchen nach Abscheidung am Außenrohr und einer gewissen Agglomerati onsphase durch ein nachgeschaltetes Zyklon vom Abgas zu trennen. Selbst wenn man die Entladungs- und damit die Agglomerationsphase verlängerte, indem man das Außenrohr z. B. aus einem halbleitenden Material fertigt, so wäre die Agglomeration insbesondere der kleinen und kleinsten Partikel zu kleinen Klümpchen zu langsam, als dass man eine befriedigende Teilchenzahlreduzierung erwarten könnte. Eine gewisse Massenreduzierung ist selbstver ständlich möglich, und zwar ohne den Abgasgegendruck nennenswert zu erhöhen.

Die elektrische Aufladung der Abgaspartikel stellt sowohl bezüglich der kleinen Dimensionen (bei PKW) als auch bezüglich der Leistungsaufnahme kein erhebliches Problem dar. Auch die Kosten wären bei einer Fertigung in Großserie durchaus tolerabel. Leider stellt die Abschei dung der Partikel wegen der großen Massenträgheitskräfte bei der Fahrt ein bis jetzt unüber windliches Hindernis dar, insbesondere wenn man eine erhebliche Teilchenzahlreduzierung verlangt.

Abgaspartikel von Dieselmotoren sind kanzerogen (Klassifizierung: MAK III A 2, unique risk 7 × 10^-5, s. etwa ref. 2 Vol. B 7, p 440). Diese Partikel haben Durchmesser zwischen 1.0 und 0.01 µm. Die letzteren Teilchen wiegen nur ein Millionstel(!) dessen, was die ersteren wie gen. Da sie also bei der Gesamtmasse praktisch nicht ins Gewicht fallen, andererseits die kleinsten Teilchen besonders lungengängig sind, ist selbst eine drastische Reduzierung der Gesamtmasse der Teilchen durch Ausfiltern der schwereren unzureichend und es muß ver langt werden, dass die Zahlen aller Teilchen mit Durchmessern von 0.01 bis 1.0 µm ganz erheblich vermindert werden (s. o.). Es gibt zwar voluminöse Filter, die das leisten, sie würden aber den Abgasgegendruck zu stark erhöhen und damit den Motorwirkungsgrad zu stark senken. Sie können daher in Kfz, vor allem aber in PKW, nicht eingesetzt werden. Man benötigt daher eine bessere Methode, all diese Teilchen mit hohem Reinigungsgrad R_D zu eliminieren.

Elektro-Trockenfilter stationärer Anlagen können elektrisch leitende Stäube (z. B. Metallstäube) nicht ausfiltern; bei Elektro-Naßfiltern muß die partikelbeladene Spülflüssigkeit weiterverarbeitet oder ent sorgt werden; mechanische Filter bedürfen eines sehr hohen Energieaufwandes, wenn große Gasmengen zu reinigen sind. Letztere können aber dann eingesetzt werden, wenn es vorher gelingt, die auszufilternden Partikel in einer relativ kleinen Fraktion des Gases stark anzurei chern.

Diesem in verschiedenen Anwendungsbereichen auftauchenden Problem widmen sich die Druckschriften DE 34 24 196 A1 und DE 30 19 991 A1. Eine diesbezügliche Lösung wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale angegeben.

Die Vorteile einer Anlage nach Anspruch 1 liegen bei einem Kfz darin, dass die Abgasparti kel im Schmutzgas angereichert und mittels AGR im Motor verbrannt werden. Bei einer sta tionären industriellen Fraktionierungsanlage nach Anspruch 1 bestehen sie darin, dass etwa durch Hintereinanderschaltung mehrerer solcher Anlagen eine hochgradige Anreicherung in einer relativ kleinen Schmutzgasfraktion möglich ist.

Durch Gestaltung nach Anspruch 1 wird vermieden, dass sich elektrisch leitende aufgeladene Partikel (z. B. Rußteilchen) schnell an der Niederschlagsabsaugelektrode (NAE) entladen und in den Strom des zu reinigenden Gases zurückgelangen.

Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird erreicht, dass die Partikel entweder direkt durch die Trichterkanäle abgesaugt werden oder aber mit großer Wahrscheinlichkeit auf eine schräge Fläche treffen (genau: schräg zu den Normalen der jeweiligen Trichterachse), wo sie durch das elektrische Feld in Richtung Trichtergrund gezogen werden (und zwar bei nahezu ellipsoidaler Gestalt in rollender, sonst in gleitender oder rollend-hüpfender Bewegung). Die Oberfläche der Trichter sollte daher möglichst glatt sein. Auch mehr oder minder elastische Stöße der von der SE herkommenden Partikel an der schrägen Trichterwand führen in der Regel in Richtung Trichtergrund. Der Einfluß des Schwerkraftfeldes ist übrigens vernachläs sigbar zu dem des el. Feldes. Die beschriebenen Vorgänge spielen sich in den Trichtern, je nach Dimensionierung der letzteren, typischerweise innerhalb einer Millisekunde ab.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 gewährleistet, dass praktisch keine isolierten Flächen auftreten, die parallel zu den Normalen der Achsen benachbarter Trichter sind (mathematisch betrachtet bilden die Trichterränder = Wabenkanten ein lineares Netz vom Flächenmaß null, physikalisch kann die Fläche der Kanten extrem klein gehalten werden). Dadurch wird der Vorteil, dei schon Anspruch 2 bietet, erheblich vergrößert.
Durch die so ausgestaltete Erfindung wird eine sehr große Effizienz der Anlage erreicht.

Die bei Elektro-Trockenfiltern, jedenfalls bei schlecht leitenden Partikeln erreichten hohen Reinigungsgrade R_D (s. o.) wären noch höher, würden nicht Rücksprüheffekte (reemissions) auftreten (s. etwa ref. 2a, Band 2, Seite 242 oder ref. 2, Vol. B2, 13-31).
Auch beim "Klopfen" geraten Teilchen in den Strom des zu reinigenden Gases zurück.

Diese beiden die Effizienz von Elektrofiltern mindernden Effekte tauchen bei der hier be schriebenen Gasfraktionierungsanlage nicht auf.
Zu erwarten sind Reinigungsgrade
R_D < 0.99 für alle (auftretenden) D
für einen LKW und, kurzfristig gesehen, etwas weniger für einen PKW, nämlich
R_D < 0.97 für alle (auftretenden) D,
weil die Forderung nach Kompaktheit bei einem PKW stringenter ist. Mittelfristig dürften auch hier R_D-Werte oberhalb von 0.98 möglich sein. Zu erwarten ist, dass mindestens so gute, wahrscheinlich aber bessere Abschätzungen von R_D für D < 0.01 µm gelten würden, falls solche Partikel bei einem Hochdruck-DI-Diesel auftreten sollten.
Der elektrische Energiebedarf für den Koronastrom wurde oben schon, abgeschätzt. Er liegt zwischen nur 2 und 20 W.

Es ergeben sich weitere erstaunliche Vorteile, wenn man die notwendige Reduzierung der NO_x-Werte in Betracht zieht. Der NO_x-Partikel-Trade off verbot es bisher, die AGR über den gesamten Kennfeldbereich eines Dieselmotors auszuweiten. Die AGR ist bis jetzt auf die Be reiche kleiner bis mittlerer Last und kleiner bis mittlerer Drehzahlen beschränkt. Mit der Er findung nach Anspruch 1-3 ist der NO_X/PT-Trade off ad absurdum geführt, es gibt ihn näm lich nicht mehr, da das Reinabgas praktisch arm an Partikeln ist (die Partikel im Rohabgas stören ja nicht). Allerdings gibt es einen weiteren Trade off, den sog. NO_X/be-Trade off zwi schen NO_X-Reduzierung und möglichst kleinen Verbrauchswerten be (s. etwa ref. 1, Bild 11, S. 215). Dieser besteht jedoch, streng gesehen, nur für hohe AGR-Raten, wie etwa das Bei spiel Bild 18, S. 228 von ref. 1 zeigt, aus dem u. a. hervorgeht, dass die Erhöhung der AGR- Rate von 0 auf ca. 15% so sowohl zu kleineren Verbrauchswerten be als auch zu einer NO_X- Reduzierung führen kann, jedenfalls in einem bestimmten Last-Drehzahlbereich. Das heißt, man kann jetzt die Betriebsstrategie eines Dieselmotors mit nachgeschalteter Abgasreinigung nach Anspruch 1-3 folgendermaßen abändern (man vgl. hierzu nochmals Bild 19, S. 429 von Ref. 4 (Technologie um das 3-Liter-Auto) und Bild 13, S. 243 von Ref. 1): In allen Be reichen von Drehzahl und Last (oder Drehzahl und eingespritzter Kraftstoffmenge pro Zeit), in welchen bis jetzt nur der NO_X/PT-Trade off große AGR-Raten verhindert hat, kann man diese Rate kräftig erhöhen (z. B. von 30 auf 55% oder von 0 auf 20%). In anderen Bereichen, in denen auch der NO_X/be-Trade off eine begrenzte Rolle spielt, kann man die AGR-Rate bescheiden erhöhen (z. B. von 10 auf 20% oder von 0 auf 10%). In den Bereichen, in welchen der NO_X/be-Trade off groß ist, sollte man die AGR-Rate auf einen möglichst kleinen Wert oberhalb von 0 anheben, z. B. von 0 auf 5%.

Es besteht eine sehr realistische und gut begründete Hoffnung, dass man so den gesetzlich geforderten Wert für NO_X erreichen kann, bei gleichzeitig sehr geringem Partikelausstoß gemäß den oben angegebenen R_D-Werten, und zwar ohne Einsatz eines Platin-Katalysators, ganz zu schweigen vom Einsatz eines Speicher- oder Adsorber-Katalysators zur Reduzierung der NO_X-Werte (ref. 1 S. 248-249 und S. 92 ff).

Eine solche Betriebsstrategie würde den durchschnittlichen be-Wert etwas erhöhen, d. h. den durchschnittlichen Motorwirkungsgrad etwas vermindern. Sie ist aber möglich, weil eine Anlage nach Anspruch 1-3 den Abgasgegendruck praktisch nicht messbar, geschweige denn nennenswert erhöht. Als Fazit bleiben, im Vergleich zu Filtern, die z. T. viel höheren Reini gungsgrade R_D und der geringere NO_X-Ausstoß. Mit mechanischen Filtern könnte man zwar ebenfalls die durchschnittliche AGR-Rate in ähnlicher Weise anheben, wie oben beschrieben, aber das würde den be-Wert doppelt negativ beeinflussen, nämlich über die AGR-Rate und den erhöhten Abgasgegendruck. Hinzu käme, wegen der zumindest zeitweise höheren Bela dung des Rohabgases mit Partikeln, dass das Freibrennen der Filter in kürzeren Abständen vorgenommen werden müßte.

Eine Anlage nach Anspruch 1-3 funktioniert oberhalb des Taupunktes in einem sehr großen Temperaturbereich. Es besteht daher eine große konstruktive Freiheit, sie im Abgasstrang zu plazieren.

Große Vorteile bietet der Einsatz einer Anlage nach Anspruch 1-3 auch bei DI-Ottomotoren (bei Kfz und anderen Anwendungen). Diese besitzen gegenüber Ottomotoren mit indirekter Einspritzung nur dann einen Verbrauchsvorteil, wenn sie (zeitweise) im Magerbetrieb (Schichtbetrieb) eingesetzt werden (s. ref. 1, Seite 234 ff). Dabei entstehen Rußpartikel im Abgas, die jetzt ähnlich wie bei Dieselmotoren eliminiert werden können. Die NO_X- Reduzierung durch eine geänderte Betriebsstrategie (höhere AGR-Raten) ist dann ebenfalls möglich, würde aber wahrscheinlich zur Erfüllung der gesetzlichen Werte nicht hinreichen, da diese bei Ottomotoren strenger sind.

Eine stationäre Anlage nach Anspruch 1-3 ist in der industriellen Anwendung vor allem dann nützlich, wenn man kleine Partikel eliminieren oder zurückgewinnen will, die sich in geringer Konzentration in großen Rohgasvolumina befinden, und zwar sei es, weil diese Partikel giftig und/oder allergen und/oder kanzerogen sind, sei es weil sie aus einem wertvollen Material bestehen. Nach relativ starker Konzentrierung in der Schmutzgasfraktion kann man die Parti kel mit chemischen Mitteln eliminieren (z. B. brennbare Partikel verbrennen) oder man kann sie aus dem stark verminderten Schmutzgasvolumen ausfiltern. Eine direkte Ausfilterung aus dem großen Rohgasvolumen wäre bei mechanischen Filtern energetisch sehr aufwendig, ein Elektro-Trockenfilter käme für el. leitende Partikel nicht in Betracht etc.. Bei der Hinterein anderschaltung zweier kompakter Anlagen nach Anspruch 1-3 kann man die Konzentration in der 2. Schmutzgasfraktion um einen Faktor 100-1000 gegenüber der Konzentration im Roh gas erhöhen. Mit einer einzigen, etwas weniger kompakten Anlage können bei geringerer Strömungsge schwindigkeit des zu reinigenden Gases Konzentrierungen um den Faktor 100 in einer Stufe erreicht werden. Als vorgeschaltete Anlagen kann man sich zahlreiche Anwendungen vor stellen, z. B. bei Abgasreinigungen oder bei der Rückgewinnung wertvoller metallischer Ka talysatoren (z. B. Platin) in der chemischen Industrie. Selbst die Abgase von Zentralheizungs kesseln könnten so von Rußpartikeln befreit werden (AGR ist möglich!).

Als Ausführungsbeispiel für ein Kfz kann insbesondere auch die AGR in Beispielen erläutert werden. Drei Strategien sind bezüglich der Schmutzgas-Rate und der AGR-Rate möglich:

a) Man variiert die Schmutzgas-Rate sehr stark, z. B. zwischen 5 und 60%. Eine AGR von Teilen des Rohabgases ist dann offensichtlich nicht notwendig. Man benötigt 1 elektronisch geregeltes AGR-Ventil und 1 Mischgehäuse für die Mischung des AGR- Gases (= Schmutzgases) mit der Verbrennungsluft.
b) Man variiert die Schmutzgasrate nur mäßig, z. B. zwischen 5 und 20%. In Last- Drehzahl-Bereichen, in welchen höhere AGR-Raten sinnvoll sind, wird zusätzlich ein Teil des Rohabgases wie üblich motornah entnommen und wiederum (relativ) motor nah der Verbrennungsluft zugeführt. Hierbei sind 2 elektronisch geregelte AGR- Ventile und 2 Mischgehäuse für die Mischung der beiden AGR-Fraktionen mit der Verbrennungsluft nötig.
c) Man hält die Schmutzgasrate konstant, z. B. bei 5%, oder hält das Schmutzgasvol. pro Zeit konstant. Höhere AGR-Raten werden wie bei ii) dem Rohabgas entnommen. Ge braucht werden 2 geregelte AGR-Ventile und 2 Mischgehäuse wie bei ii).

Typische, für ein Kfz geeignete Ausführungsbeispiele kann man den schematischen Darstel lungen von Fig. 1a und 1b entnehmen. Fig. 1a zeigt einen Schnitt durch eine röhrenförmige Anlage, und zwar senkrecht zur Strömungsrichtung des zu reinigenden Abgases, Fig. 1b zeigt einen Schnitt parallel zur Strömungsrichtung des zu reinigenden Abgases bei einer Anlage in Form eines flachen Kastens mit einer zweiteiligen NAE.

Da bei einem PKW die Rohrdurchmesser in Fig. 1a nicht viel größer als ca. 20 cm sein sollten, kann man mit einer geometrischen Ausführung gemäß Fig. 1b sicher größere Volumina und damit kleinere Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases im Elektrodenzwischenraum erzie len ohne die Abstände zwischen Sprühelektrode (SE) und Niederschlagsabsaugelektrode (NAE) zu groß zu machen. Typische Spannungen könnten bis zu 20 kV betragen, typische Leistungsaufnahmen zwischen 2 und 20 W liegen. Stromerhöhungen durch Überlagerung der Gleichstromspannung mit einer (nicht allzu großen) Wechselstromspannung oder mit gepul stem Gleichstrom sind im Prinzip möglich, auch der Betrieb mit letzterem allein. Die Strom regelung erfolgt elektronisch wie bei Elektrofiltern (zum Prinzip s. etwa ref. 2a, Band 2, S. 242, Abb. 5). Die SE ist wie bei Elektrofiltern isoliert aufzuhängen.

Ausführungen für stationäre Anlagen könnten beispielsweise aus zahlreichen gebündelten Röhren nach Fig. 1a bestehen. Höhere Spannungen und größere Dimensionen sind möglich. Ausführungsbeispiele für die NAE (Kfz-Anlagen oder stationäre Anlagen): Fig. 2 gibt das Prinzip an einem Ausführungsbeispiel wieder, und zwar ist der Trichterkanal TK ganz aus Metall, die komplette Trichteröffnung an ihrer Oberfläche ganz aus isolierendem Material gefertigt. Man kann die Grenze zwischen isolierendem und metallischem Material verschie ben, und zwar entweder in Richtung Elektrodenzwischenraum (EZR), indem man den engsten Teil der Trichteröffnung ("Trichtergrund") aus Metall fertigt, oder aber in Richtung Schmutz gasraum (SR), indem man das isolierende Material als Überzug des metallischen bis in einen Teil des Trichterkanals (TK) hinein verlängert. Für das isolierenden Material kann man Gläser verwenden, hochschmelzende bei hohen Betriebstemperaturen der Anlage, bzw. Keramiken bei extrem hohen Temperaturen. Man kann aber auch zwei (und mehr) Sorten isolierenden Materials verwenden, z. B. Glas in der Trichteröffnung und einen Halbleiter, das metallische Material überziehend, in einem anschließenden Teil des TK. Dadurch erstrecken sich die Entladungen der Partikel (und Ionen) über diesen Teil des TK. Um Material und Gewicht zu sparen, kann man das metallische Material zwischen den Wänden der TK zu einem erhebli chen Teil aussparen (wie in Fig. 2 angedeutet).

Die NAE kann auf das Potential Null gelegt werden (Erde bei stationären, "Masse" bei insta tionären Anlagen). Es ist aber auch möglich, die NAE isoliert aufzuhängen und auf ein Zwi schenpotential zu legen, so daß eine Restspannung zwischen der NAE und der geerdeten (oder auf Masse gelegten) Außenwand A des SR besteht. Das Schmutzgas wird dann nicht nur durch den Druckunterschied zwischen dem Elektrodenzwischenraum und dem SR durch die TK transportiert sondern zusätzlich durch den "elektrischen Wind", der durch die noch (teil-)geladenen Partikel und Ionen verursacht wird.

Ein Zahlenbeispiel für den Transport des Schmutzgases durch die Trichterkanäle auf Grund der Druckunterschiede (ohne "elektrischen Wind)" dürfte erhellend sein. (Die Dimensionen entsprechen einer PKW-tauglichen Anlage.)

Angenommen, das gewünschte Schmutzgasvolumen betrage zwischen 2 und 8 l/sec, der Ra dius r der TK betrage 25 µm, die Länge l = 1 cm, die Gesamtquerschnittsfläche aller TK zu sammen sei 1 dm². Dann kann man das Gesetz von Hagen-Poiseuille folgendermaßen schrei ben

wobei Δp = p₁ - p₂ (Fig. 1 und 2). Druckdifferenzen im EZR (insbesondere in der Trich teröffnung (TÖ)) werden vernachlässigt, für η wird im folgenden der Wert 2.5 × 10^-5 Newtonsec/m² angenommen (entsprechend der Zähigkeit von Stickstoff bei rund 200°C).

Es folgt, dass die Anzahl a gegeben ist durch

a = 5.09 × 10⁶

und die Druckdifferenz Δp liegt im Bereich

Das heißt die Druckdifferenz liegt zwischen 0.0064 und rund 0.026 bar. Wenn aus Rege lungsgründen etwas höhere Drücke erwünscht werden, kann man z. B. durch Halbierung von a und Verkleinerung des TK-Radius r um 19% eine Vervierfachung der (Δp)-Werte errei chen. Werden dagegen kleinere (Δp)-Werte erwünscht, kann man z. B. die Länge 1 der TK verkürzen. Ein Vergleich des bei der Diskussion der Elektrofilter gegebenen Zahlenbeispiels mit der oben angegebenen Zahl a zeigt, daß ca. 20 Partikel pro Millisekunde in jeden der 5 Millionen Trichter fallen.

Ausführungsbeispiele für Anspruch 3: In Fig. 1a bilden die Ränder der NAE-Trichter z. B. ein Netz von Sechseck-Waben. In Fig. 1b ist die NAE zweiteilig und die NAE-Trichter bil den z. B. für den oberen und den unteren Teil der NAE jeweils ein Netz aus Sechseck- oder Viereck-Waben. Die Trichter können dabei in Richtung zu den Trichterkanälen mehr und mehr abgerundet werden, so daß jeder Trichtergrund letztendlich glatt in einen runden Trichterkanal übergehen kann.

Tabelle

SE = Sprühelektrode
NAE = Niederschlagsabsaugelektrode
EZR = Elektrodenzwischenraum
SR = Schmutzgasraum
A = Außenwand des SR
Au = Aufhängung der NAE
AGRV = Abgasrückführungsventil
p₁

= Gasdruck im EZR
p₂

= Gasdruck im SR (p₁

< p₂

)
TÖ = Trichteröffnung
TG = Trichtergrund
TK = Trichterkanal
Tka = Trichterrand (Trichterkante)
I = isolierendes Material der NAE
M = metallisches Material der NAE

Mehrfach zitierte Referenzen

Ref. 1:
Dieselmotorentechnik 98
U. Essers (Hrsg.), expert-verlag, 7172 Renningen-Malmsheim, 1998
Ref. 2:
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry,
5. completely rev. ed., VCH-Verlagsgesellschaft, Weinheim, 1985-1996
Ref. 2a:
Ullmanns Enzyklopädie der techn. Chemie
4. Auflage, Verlag Chemie GmbH, Weinheim, 1972-1984
Ref. 3:
U. Seiffert, P. Walz, Automobiltechnik der Zukunft,
VDI-Verlag, Düsseldorf, 1989
Ref. 4:
Technologien um das 3-Liter-Auto
VDI-Bericht 1505, VDI-Verlag, Düsseldorf; 1999

Claims

1. Gasfraktionierungsanlage, bestehend aus einer Hochspannungsanlage zur Erzeugung eines Koronastroms, einer Sprühelektrode (SE) und einer mit einer Vielzahl kleiner Löcher versehenen Niederschlagsabsaugelektrode (NAE), wobei der an der Sprühelektrode (SE) erzeugte Koronastrom die im Rohgas enthaltenen Partikel auflädt, welche dann durch ein elektrisches Feld bis in die Nähe der Niederschlagsabsaugelektrode (NAE) transportiert werden, wo sie zu einem großen Teil durch die kleinen Löcher der NAE mit einem Teil des Rohgases, der sog. Schmutzgasfraktion, dadurch abgesaugt werden, dass die Löcher zu einem Schmutzgasraum (SR) führen, in welchem ein geringerer Druck herrscht als in einem Elektrodenzwischenraum (EZR) zwischen den Elektroden SE und NAE, und wobei bei Kfz-Abgasen die in den SR gelangte partikelbeladene Schmutzgasfraktion in den Motor zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet dass die Niederschlagsabsaugelektrode (NAE) auf der zum Schmutzgasraum (SR) hingewandten Seite aus Metall und auf der zum Elektrodenzwischenraum (EZR) hingerichteten Seite aus einem isolierenden Material besteht, und dass die Löcher durch das isolierende Material und das metallische Material hindurchgehen.

2. Gasfraktionierungsanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass sich die Löcher der NAE gegen die Seite des EZR trichterförmig erweitern, und wobei das Material im Trichter eine glatte Oberfläche hat.

3. Gasfraktionierungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zum EZR hin gerichteten Ränder benachbarter Trichter zusammenstoßen, und zwar so, dass sie ingesamt ein wabenförmiges Netz oder zwei oder mehr wabenförmige Netze bilden.