DE102004048488A1

DE102004048488A1 - Abgassystem mit einer Aggregationseinrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004048488A1
Application number: DE200410048488
Authority: DE
Inventors: Miyao Kariya Arakawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2024-10-06
Also published as: CN1605724A; CN100432382C; JP4396440B2; DE102004048488B4; JP2005320955A

Abstract

Eine Aggregationseinrichtung (1, 1A, 1B, 1C) ist im Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angeordnet, wobei eine hohe Gleichspannung zwischen einer Entladungselektrode (2, 6, 6A) und einer ersten und einer zweiten Masseelektrode (3, 4, 7, 7A) zur Erzeugung einer Coronaentladung angelegt wird, sodass Abgaspartikel elektrisch aufgeladen und deren Aggregation herbeigeführt wird. Die Entladungselektrode ist im zentralen Bereich eines Abgaskanals angeordnet, wobei die Aggregation von Abgaspartikeln bei einer geringen Durchflussgeschwindigkeit im Wesentlichen an der ersten Masseelektrode stattfindet. Die erste Masseelektrode wird von der Innenwandung des Abgasrohrs gebildet, die um die Außenseite der Entladungselektrode herum verläuft. Die zweite Masseelektrode ist stromab der Entladungselektrode durch den Abgaskanal hindurchverlaufend angeordnet und wird von einem leitenden Gitternetz mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen gebildet. Die zweite Masseelektrode führt eine Aggregation von Partikeln herbei, die sich bei einer hohen Durchflussgeschwindigkeit nicht zu der ersten Masseelektrode bewegen können, wodurch mit Hilfe einer nur geringe Abmessungen aufweisenden Einheit eine hohe Aggregationswirkung erzielt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgassystem mit einer Aggregationseinrichtung, die mit Hilfe einer Coronaentladung eine Aggregation bzw. Anlagerung von Abgaspartikeln herbeiführt, die in dem von einer Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgas enthalten sind.

Die Behandlung (das Auffangen bzw. Festhalten) von Partikeln, die in dem von einer Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgas enthalten sind, ist nach wie vor problematisch. Aus der JP-A-2001-41 024 ist eine Auffangeinrichtung bekannt, bei der von einem Dieselmotor ausgestoßene Partikel zur Herbeiführung einer Aggregation auf ein in einem Abgasrohr angeordnetes Aufprall-Führungselement treffen und sodann durch einen Aufladungskörper negativ aufgeladen werden, sodass sie von einem positiv geladenen Körper angezogen und elektrisch festgehalten werden können. Die durch den positiv geladenen Körper hindurchgetretenen Partikel werden von einem stromab angeordneten Filter festgehalten und durch Hindurchführen eines Stroms durch den positiv geladenen Körper und Verwendung des positiv geladenen Körpers als Heizeinrichtung sodann abgebrannt und entfernt.

Diese Auffangeinrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass der komplexe Aufbau der Strömungswege zu einem Anstieg von Druckverlusten führt. Außerdem wird durch die allein durch Kollision erfolgende Aggregation keine ausreichende Aggregationswirkung erzielt, sodass die Gefahr besteht, dass Partikel durch die Auffangeinrichtung hindurchtreten und ohne Anlagerung ausgestoßen werden.

Außerdem ist aus der JP-A-2003-144 979 eine Vorrichtung bekannt, bei der Rauch und Abgaspartikel enthaltende Gase in einen zylinderförmigen Körper geführt werden und das einströmende Gas eine Wirbelströmung (Rotationsströmung) um die Achse dieses zylinderförmigen Körpers bildet, wobei in dem zylinderförmigen Körper eine Anzahl von gradlinig verlaufenden Entladungselektroden in der Axialrichtung des zylinderförmigen Körpers zur Erzeugung einer Coronaentladung angeordnet sind und die zylindrische Wand des zylinderförmigen Körpers eine Masseelektrode bildet. Durch die Coronaentladung werden Rauch und Abgaspartikel aufgeladen und treffen sodann gegen die zylindrische Wand. Die Elektroden sind in der Vorrichtung jeweils unter Verwendung von zwei plattenförmigen Elektrodenhalterungen angeordnet, die an beiden Enden des zylinderförmigen Körpers angebracht sind. Die Elektrodenhalterungen bestehen aus plattenförmigen Elementen, wobei die jeweilige Elektrode mit den beiden Elektrodenhalterungen in einer die beiden Elektrodenhalterungen überbrückenden Weise verbunden ist.

Bei der Auffangeinrichtung gemäß der JP-A-2001-41 024, bei der Bewegungen durch die Feldkräfte eines statischen elektrischen Feldes bewirkt werden, ergibt sich jedoch nur eine geringe Bewegungsgeschwindigkeit (von normalerweise einigen cm/s) in Richtung einer Staubsammelelektrode, sodass eine wirksame Aggregation und Staub- bzw. Partikelabscheidung mit Schwierigkeiten verbunden ist. Bei der Vorrichtung gemäß der JP-A-2003-144 973 verschwindet dagegen auf Grund der verwirbelten Gasströmung von Rauch und Abgaspartikeln deren elektrostatische Aufladung bis zum Erreichen der als Masseelektrode dienenden zylindrischen Wand. Eine ausreichende Verbesserung des Aggregationsverhaltens von Partikeln ist daher mit Schwierigkeiten verbunden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine anzugeben, durch das unter Verwendung einer Coronaentladung eine hohe Aggregationsleistung bei geringen Abmessungen erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem Abgasrohr (11) zur Bildung eines Abgaskanals, durch den das Abgas der Brennkraftmaschine in axialer Richtung des Abgasrohrs (11) hindurchströmt, und einer Aggregationseinrichtung (1, 1A, 1B, 1C) zur Herbeiführung einer Aggregation von im Abgas enthaltenen Abgaspartikeln, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Aggregationseinrichtung (1, 1A, 1B, 1C) eine erste und eine zweite Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) zur Abgabe und Aufnahme einer elektrischen Entladung aufweist, um die von einer durch eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) angelegte Hochspannung herbeigeführten Coronaentladung erzeugte elektrische Entladung aufzunehmen und abzugeben, die erste Elektrode (2, 6, 6A) einen elektrischen Ladungsabgabe/Aufnahmeabschnitt (21, 62, 62A) aufweist, der im wesentlichen zentral in diametraler Richtung des Abgaskanals angeordnet ist, und sowohl die erste als auch die zweite Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) in dem Abgaskanal derart angeordnet sind, dass eine Aufladung der Abgaspartikel durch die von der Coronaentladung erzeugte elektrische Ladung erfolgt und ihre Aggregation durch die die elektrische Ladung wiedergewinnende Elektrode (3, 4, 7, 7A) herbeigeführt wird.

Hierbei führt die durch die Coronaentladung bewirkte elektrische Aufladung zu einer Ionisierung (von z.B. Sauerstoff), wobei die Abgaspartikel durch die erzeugten Ionen aufgeladen und gegen die Elektrode gedrückt werden, die dann die elektrische Ladung durch eine Coulombkraft zurückgewinnt. Im allgemeinen wird die Coulombkraft zwischen dem elektrischen Ladungsabgabe- und Ladungsaufnahmebereich der ersten Elektrode (2, 6, 6A) und der zweiten Elektrode erzeugt. Da die erste Elektrode im wesentlichen zentral in diametraler Richtung des Abgaskanals angeordnet ist, kann eine gleichförmigere elektrische Entladung erzielt werden. Durch die Anordnung der Aggregationseinrichtung (1, 1A, 1B, 1C) in einem Abgaskanal, in dem das Abgas in der Axialrichtung des Abgasrohrs strömt, um eine Mitführung von Abgaspartikeln durch eine Wirbelströmung zu verhindern, wird ferner bewirkt, dass die meisten Abgaspartikel im aufgeladenen Zustand die zweite Elektrode (3, 4, 7, 7A) erreichen. Auf diese Weise kann mit Hilfe eines einfachen Aufbaus ohne große Abmessungen des Abgassystems eine effiziente Aggregation von Abgaspartikeln erzielt werden.

Vorzugsweise wird die zweite Elektrode von der Innenwand (3) des Abgasrohrs gebildet. Hierdurch kann eine gleichmäßigere elektrische Entladung erzielt werden. Alternativ stellt die zweite Elektrode eine Masseelektrode (3, 4, 7, 7A) dar, über die eine Wiedergewinnung der von der Coronaentladung erzeugten elektrischen Ladung erfolgt, und die von einer Elektrode (4, 7, 7A) gebildet wird, die aus einer stromab der ersten Elektrode (3) im Abgasstrom quer zum Abgaskanal angeordneten leitenden Struktur mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen (41) besteht. Hierdurch können die Abgaspartikel wirksam in der leitenden Struktur festgehalten werden. Hierbei ist im allgemeinen der elektrische Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (21, 62, 62A) der ersten Elektrode (2, 6, 6A) zu der leitenden Struktur (4, 7, 7A) in der Abgas-Strömungsrichtung in einem Abstand von 50 cm oder weniger angeordnet. Auf diese Weise lässt sich eine effektive Verbesserung der Aggregationswirkung erzielen.

Die zweite Elektrode kann eine Masseelektrode (3, 4) sein, über die eine Wiedergewinnung der von der Coronaentladung erzeugten elektrischen Ladung erfolgt. In diesem Falle umfasst die Masseelektrode z. B. ein erstes Masseelektrodenelement (3), das von der Innenwand (3) des Abgasrohrs gebildet wird, und ein zweites Masseelektrodenelement (4), das von einer in der Abgasströmungsrichtung stromab der ersten Elektrode quer zu dem Abgaskanal angeordneten leitenden Struktur gebildet wird, wobei die leitende Struktur eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen (41) aufweist. Hierdurch kann die Aggregationswirkung sowohl bei einer geringen Durchflussmenge (Durchflussgeschwindigkeit) als auch einer hohen Durchflussmenge (Durchflussgeschwindigkeit) des Abgases effektiv verbessert werden. Hierbei kann z.B. der Abstand zwischen dem elektrischen Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (21) der ersten Elektrode (2) und der leitenden Struktur des zweiten Masseelektrodenelements (4) in der Abgasströmungsrichtung gleich oder größer als der Radius des Abgaskanals eingestellt sein.

Bei dem erfindungsgemäßen Abgassystem kann z.B. die leitende Struktur mehrere leitende Gitternetze (42, 43) aufweisen, die in der Abgasströmungsrichtung parallel zueinander angeordnet sind. Alternativ umfasst die leitende Struktur ein im wesentlichen kugelförmiges leitendes Gitternetz (45), das in stromabwärtiger Richtung der Abgasströmung konvex abwärts gekrümmt ist, oder die Durchgangsöffnungen (41) der leitenden Struktur (46) in einem mittleren Bereich des Abgaskanals sind dichter als in dessen Randbereichen verteilt. Außerdem kann die leitende Struktur aus einem leitenden Gitter oder einem leitenden porösen Körper (44) bestehen.

Vorzugsweise umfasst die zweite Elektrode einen kugelförmigen Käfigkörper (7A), der um den elektrischen Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (62A) herum angeordnet ist und aneinandergelagerte Abgaspartikel ohne Behinderung hindurchtreten lässt. In diesem Falle kann eine gleichmäßigere elektrische Entladung herbeigeführt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Abgassystem kann die erste Elektrode derart ausgestaltet sein, dass sie einen leitenden Abschnitt (61, 61A) aufweist, der mit dem elektrischen Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (62, 62A) verbunden ist und durch die Rohrwand des Abgasrohrs hindurch in einer die Abgasströmung schneidenden Richtung verläuft. Hierbei ist eine Halteplatte (81) flanschartig an der Außenseite des leitenden Abschnitts (61, 61A) zur Halterung der ersten Elektrode (6, 6A) angeordnet, und das Abgasrohr mit einer von der Halteplatte (81) verschlossenen Öffnung versehen, über die bei der Anbringung der ersten Elektrode (6, 6A) in dem Abgasrohr ein über die Halteplatte hinausragender Spitzenendabschnitt (61, 61A) der ersten Elektrode (6, 6A) eingeführt wird. Weiterhin ist die einen größeren Durchmesser als die Öffnung aufweisende Halteplatte (81) mit dem Abgasrohr im Außenbereich der Öffnung unter Verwendung von Schraubenbolzen verbunden und weist Schraubenlöcher (8102) auf, über die die Schrauben eingeführt werden, wobei die Schraubenlöcher z. B. von Schlitzen (8102) gebildet werden, die in Umfangsrichtung um den leitenden Abschnitt (61) herum verlängert sind. Darüber hinaus kann der leitende Abschnitt (61) mittig in die Abgasströmungsrichtung abgebogen sein.

Vorzugsweise umfasst der elektrische Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (62) der ersten Elektrode (6) eine Vielzahl von radial ausgebildeten und sich im wesentlichen in alle Richtungen erstreckenden Vorsprüngen (621a, 622a, 623a). Weiterhin sind die Vorsprünge (621a, 622a, 623a) derart ausgebildet, dass ihre Spitzenenden auf der Oberfläche einer imaginären Kugel mit einem vorgegebenen Durchmesser liegen. Alternativ ist der elektrische Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (62A) der ersten Elektrode (6A) in einem Bereich eines imaginären Kreises um den diametralen Mittelpunkt des Abgasrohrs mit dem halben Innendurchmesser des Abgasrohrs angeordnet.

Erfindungsgemäß kann z.B. bei der Erzeugung der Coronaentladung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) anliegende Spannungsdifferenz auf einen zwischen 5 kV und 50 kV liegenden Bereich eingestellt sein. Vorzugsweise wird jedoch die bei der Erzeugung der Coronaentladung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) anliegende Spannungsdifferenz auf einen zwischen 10 kV und 30 kV liegenden Bereich eingestellt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1(a) eine schematische Darstellung eines Abgassystems für eine Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
1(b) eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A gemäß 1(a),
2 den Verlauf einer an eine Aggregationseinrichtung angelegten Spannung,
3 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht der Aggregationseinrichtung, die die erfindungsgemäße Wirkungsweise bei einer geringen Durchflussmenge bzw. Durchflussgeschwindigkeit veranschaulicht,
4 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht der Aggregationseinrichtung, die die erfindungsgemäße Wirkungsweise bei einer hohen Durchflussmenge bzw. hohen Durchflussgeschwindigkeit veranschaulicht,
5(a), 5(b) und 5(c) schematische Darstellungen von unterschiedlichen Anordnungen der Bauelemente, die die Aggregationseinrichtung in dem Abgassystem für eine Brennkraftmaschine bilden,
6 eine grafische Darstellung, die Änderungen der Betriebseigenschaften veranschaulicht, wenn Bauelemente der Aggregationseinrichtung des Abgassystems für eine Brennkraftmaschine unterschiedlich angeordnet werden,
7 eine schematische Darstellung des Gesamtaufbaus eines Abgassystems für eine Brennkraftmaschine, bei dem ein Filter stromab einer Aggregationseinrichtung angeordnet ist,
8 eine grafische Darstellung der durch die Aggregationseinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erzielten Rauch-Verringerungswirkung,
9(a) eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus einer zweiten Masseelektrode bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9(b) eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus einer zweiten Masseelektrode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9(c) eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus einer zweiten Masseelektrode gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9(d) eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus einer zweiten Masseelektrode gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9(e) eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus einer zweiten Masseelektrode gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
10 eine schematische Teilschnittansicht eines Abgassystems für eine Brennkraftmaschine gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 eine Ansicht, die sich bei Betrachtung in Richtung des Pfeils X gemäß 10 ergibt,
12 eine Darstellung einer Halteplatte, die einen Teil des Abgassystems gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel bildet,
13 eine schematische Teilschnittansicht eines Abgassystems für eine Brennkraftmaschine gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
14(a) eine vergrößerte Darstellung des Hauptteils einer Coronaentladungselektrode, die einen Teil des Abgassystems gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel bildet,
14(b) eine Ansicht, die sich bei Betrachtung in Richtung des Pfeils Y gemäß 14(a) ergibt, und
15 eine schematische Teilschnittansicht eines Abgassystems für eine Brennkraftmaschine gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Nachstehend wird zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Das in 1(a) dargestellte Abgassystem für eine Brennkraftmaschine umfasst eine Aggregationseinrichtung 1, die auf halbem Wege im Verlauf eines Abgasrohrs 11 der Brennkraftmaschine an diesem angeordnet ist. Hierbei ist ein Teil des Abgasrohrs 11 L-förmig abwärts gebogen und weist einen größeren Durchmesser auf, sodass sich die Achse A1 eines einen kleinen Durchmesser aufweisenden Abschnitts 111 des Abgasrohrs 11 und die Achse A2 eines einen großen Durchmesser aufweisenden Abschnitts 112 schneiden. In dem den großen Durchmesser aufweisenden Abschnitt 112 bildet sich eine Abgasströmung entlang der Achse A2, wobei um die Achse A2 herum keinerlei Wirbelströmung (Rotationsströmung) auftritt. In dem den großen Durchmesser aufweisenden Abschnitt 112 des Abgasrohrs 11 umfasst die Aggregationseinrichtung 1 eine (nachstehend als Entladungselektrode bezeichnete) Coronaentladungselektrode 2, die eine erfindungsgemäße Elektrode einer ersten Art (eine erste Elektrode) darstellt, eine erste Masseelektrode 3, die eine erfindungsgemäße Elektrode einer zweiten Art (eine zweite Elektrode) darstellt und von der Innenwand des um die Außenseite der Entladungselektrode 2 herum angeordneten Abgasrohrs 11 gebildet wird, sowie eine zweite Masseelektrode 4, die eine erfindungsgemäße Elektrode der zweiten Art (eine zweite Elektrode) darstellt und von einem stromab der Entladungselektrode 2 angeordneten leitenden Gitternetz oder Geflecht gebildet wird. Die Entladungselektrode 2 ist mit einer eine hohe Gleichspannung abgebenden (nicht dargestellten) elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden. Die erste Masseelektrode 3 und die zweite Masseelektrode 4 bestehen aus einem leitenden Material und liegen elektrisch an Masse. Erfindungsgemäß findet die Entladungselektrode 2 als negative Elektrode Verwendung, wobei in der in 2 veranschaulichten Weise eine hohe negative Gleichspannung an die Entladungselektrode 2 angelegt wird, sodass zwischen den Elektroden 2 sowie 3, 4 eine Coronaentladung herbeigeführt wird.
Im einzelnen ist die Entladungselektrode 2 stabförmig ausgebildet und verläuft in 1(a) in Längsrichtung von oben nach unten, wobei ihre Achse der Achse des den großen Durchmesser aufweisenden Abschnitts 112 des Abgasrohrs 11 entspricht. Die Entladungselektrode 2 ist hierbei an der Oberseite 112a des den großen Durchmesser aufweisenden Abschnitts 112 des Abgasrohrs 11 angebracht, wobei die Entladungselektrode 2 mit Ausnahme ihrer beiden Enden isoliert ist und von einem zylinderförmigen Isolator 22 gehalten wird. Die untere Hälfte der Entladungselektrode 2 ragt von der Mitte der Oberseite 112a des den großen Durchmesser aufweisenden Abschnitts 112 in das Abgasrohr 11 hinein, wobei ein aus dem zylinderförmigen Isolator 22 heraustretendes Spitzenende 21 der stromab in einem vorgegebenen Abstand angeordneten zweiten Masseelektrode 4 gegenüberliegt. Da die Achse der Entladungselektrode 2 mit der Achse des den großen Durchmesser aufweisenden Abschnitts 112 des Abgasrohrs 11 übereinstimmt, liegt das Spitzenende 21 der Entladungselektrode 2 in diametraler Richtung zentral in einem Abgaskanal, der von dem den großen Durchmesser aufweisenden Abschnitt 112 des Abgasrohrs 11 gebildet wird. Außerdem weist das Spitzenende 21 eine Formgebung auf, bei der sich eine Vielzahl von Vorsprüngen 21a sternförmig von einem Mittelpunkt aus in diametraler Richtung in den Abgaskanal in der in 1(b) veranschaulichten Weise hineinerstreckt. Das Spitzenende 21 kann hierbei derart dimensioniert sein, dass die radialen äußeren Enden der Vorsprünge 21a in einem imaginären Kreis mit einem Durchmesser von 10 mm angeordnet sind. Durch diese Konfiguration mit einer Vielzahl von spitzwinkligen Spitzenenden ist eine Vergrößerung der Entladungsstärke und eine gleichförmige Coronaentladung im Abgasrohr 11 zur Verstärkung der Aggregationswirkung erzielbar. Im übrigen ist die Ausgestaltung des Spitzenendes 21 nicht auf die sternförmige Ausgestaltung gemäß 1(b) beschränkt, sondern es kann eine beliebige Formgebung in Betracht gezogen werden, bei der eine Vielzahl von radial angeordneten Vorsprüngen 21a vorgesehen ist. Die Anzahl und Form der Vorsprünge 21a kann hierbei in geeigneter Weise vorgegeben und den Erfordernissen angepasst werden.
Da das Spitzenende 21 der Coronaentladungselektrode 2 zentral in diametraler Richtung des Abgaskanals angeordnet ist, lässt sich eine gleichförmigere elektrische Entladung erzielen. Außerdem ist die Aggregationseinrichtung 1 in einem Abgaskanal angeordnet, in dem das Abgas in Richtung der Achse A2 des den großen Durchmesser aufweisenden Abschnitts 112 des Abgasrohrs 11 fließt, um eine Verwirbelung der Abgaspartikel durch eine Wirbelströmung (Rotationsströmung) zu verhindern. Auf diese Weise können die meisten Abgaspartikel die Masseelektroden 3, 4 in einem aufgeladenen Zustand erreichen.
Die von dem leitenden Gitternetz bzw. Geflecht gebildete zweite Masseelektrode 4 ist scheibenförmig ausgestaltet und im Abgaskanal senkrecht zur Abgasströmung angeordnet, wobei der Außenrand der zweiten Masseelektrode 4 an der Innenwand des Abgasrohrs 11 befestigt ist. Eine Vielzahl von Durchgangs- oder Abzugsöffnungen 41, die von Maschen der zweiten Masseelektrode 4 gebildet wird, ist derart bemessen, dass das Hindurchtreten von aneinandergelagerten bzw. zusammengeballten Partikeln nicht behindert wird. Da Abgaspartikel normalerweise eine Partikelgröße in einem Bereich von 0,1 μm bis zu einigen μm aufweisen und aneinandergelagerte bzw. zusammengeballte Partikel üblicherweise grobe Partikel mit einer Partikelgröße in einem Bereich von 1 μm bis 10 μm bilden, reicht es aus, wenn die Durchgangs- oder Abzugsöffnungen 41 z.B. eine Größe von ungefähr 0,5 mm bis 1 mm oder mehr aufweisen. Im allgemeinen ist die Verringerung der Druckverluste umso höher, je größer die Durchgangs- oder Abzugsöffnungen 41 sind, während sich die durch die Coronaentladung herbeigeführte Aggregationswirkung verstärkt, wenn die Durchgangs- oder Abzugsöffnungen 41 klein und der Oberflächenbereich groß sind. Vorzugsweise wird daher die Größe der Durchgangs- oder Abzugsöffnungen 41 in geeigneter Weise derart eingestellt, dass eine gewünschte Aggregationswirkung in einem Bereich erzielt wird, in dem keine Verschlechterung der Druckverluste auftritt.
Die zweite Masseelektrode 4 ist vorzugsweise derart angeordnet, dass der (axiale) Abstand zwischen dem Spitzenende 21 der Entladungselektrode 2 und dem leitenden Gitternetz bzw. Geflecht der zweiten Masseelektrode 4 größer als der (diametrale) Abstand zwischen dem Spitzenende 21 und der die erste Masseelektrode 3 bildenden Innenwand des Abgasrohrs 11 ist. Bei einer geringen Durchflussmenge bzw. Durchflussgeschwindigkeit des Abgases findet somit eine Aggregation von Partikeln im wesentlichen an der ersten Masseelektrode 3 statt. Bei einer großen Durchflussmenge bzw. Durchflussgeschwindigkeit des Abgases kann dagegen eine ausreichende Aggregation von Partikeln, die von der Gasströmung nicht zu der ersten Masseelektrode 3 bewegt werden können, an der in der Gasströmungsrichtung angeordneten zweiten Masseelektrode 4 stattfinden, um grobe Partikel zu bilden, die leicht festgehalten werden können.
Die Wirkungsweise des in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebauten Abgassystems wird nachstehend nun einerseits für den Fall einer geringen Durchflussmenge bzw. Durchflussgeschwindigkeit des Abgases (3) und andererseits für den Fall einer hohen Durchflussmenge bzw. Durchflussgeschwindigkeit des Abgases (4) näher beschrieben. Wenn in der in 3 veranschaulichten Weise eine hohe negative Gleichspannung (von z.B. –20 kV) von einer (nicht dargestellten) elektrischen Gleich-Hochspannungsquelle an die Entladungselektrode 2 angelegt wird, wird in der Nähe der Vorsprünge 21a des Spitzenendes 21 eine Coronaentladung erzeugt, die eine Elektronenemission zur Folge hat (<1> in 3). Hierdurch wird Sauerstoff, der eine hohe Elektronenaffinität aufweist, negativ ionisiert (<2> in 3) und lagert sich an in der Nähe befindliche Partikel an, wodurch diese negativ aufgeladen werden (<3> in 3). Die Partikel werden hierbei durch eine Coulombkraft und die Gasströmung bewegt (<4> in 3), um eine Aggregation zur Bildung von Grobpartikeln herbeizuführen (<5> in 3
Hierbei lassen sich die Coulombkraft F und die von der Gasströmung ausgeübte Kraft Fm folgendermaßen ausdrücken: F = q·E(q: elektrische Ladung, E: elektrische Feststärke) Fm = 6πηaV(η: Viskositätskoeffizient, a: Partikelgröße, V: Abgas-Durchflussgeschwindigkeit bzw. Strömungsgeschwindigkeit des Abgases).
Da die von der Gasströmung ausgeübte Kraft Fm nur schwach ist, wenn eine niedrige Durchflussgeschwindigkeit (von z.B. 2 bis 3 m/s) des Abgases vorliegt, werden die Partikel im wesentlichen von der ersten Masseelektrode 3 durch die Coulombkraft F angezogen, wobei eine Aggregation stattfindet. Die Partikel, die durch die an der ersten Masseelektrode 3 stattgefundene Aggregation zu Grobpartikeln geworden sind, geben Elektronen ab (<6> in 3) und lösen sich sodann auf Grund ihres Eigengewichts oder der Gasströmung von der ersten Masseelektrode 3, woraufhin die auf diese Weise gebildeten aneinandergelagerten Partikel durch die Durchgangsöffnungen 41 der zweiten Masseelektrode 4 hindurchtreten und sich stromabwärts bewegen (<7> in 3).
4 veranschaulicht dagegen einen Fall, bei dem bei einer hohen Durchflussgeschwindigkeit des Abgases (von z.B. 10 bis einige 10 m/s) in ähnlicher Weise von einer (nicht dargestellten) elektrischen Gleich-Hochspannungsquelle eine hohe negative Gleichspannung (von z.B. –20 kV) an die Entladungselektrode 2 angelegt wird. Auch in diesem Falle wird in der Nähe der Vorsprünge 21a des Spitzenendes 21 eine Coronaentladung herbeigeführt. Hierdurch erfolgt eine Elektronenemission (<1> in 4), wodurch Sauerstoff, der eine hohe Elektronenaffinität aufweist, negativ ionisiert wird (<2> in 4) und sich an in der Nähe befindliche Partikel anlagert, wodurch diese negativ aufgeladen werden (<3> in 4). Die Partikel werden auch in diesem Fall durch eine Coulombkraft und den Gasdurchfluss bzw. die Gasströmung bewegt (<4> in 4), wobei jedoch die von der Gasströmung ausgeübte Kraft Fm größer ist, sodass sich die Partikel nicht zu der ersten Masseelektrode 3 bewegen können, sondern ihre Aggregation zu Grobpartikeln im wesentlichen an der zweiten Masseelektrode 4 stattfindet (<5> in 4).
Die zu Grobpartikeln gewordenen Partikel geben Elektronen ab (<6> in 4), woraufhin die auf diese Weise gebildeten aneinandergelagerten Partikel (Grobpartikel) auf Grund ihres Eigengewichtes oder der Gasströmung abfallen, durch die Durchgangsöffnungen 41 der zweiten Masseelektrode 4 hindurchtreten und sich stromabwärts bewegen (<7> in 4).
In den 5(a), 5(b) und 5(c) ist die Bewegung der durch die elektrische Entladung erzeugten Ionen bei unterschiedlichen Abständen zwischen dem Spitzenende 21 der Entladungselektrode 2 und der zweiten Masseelektrode 4 veranschaulicht. Im Rahmen der nachstehenden Beschreibung der 5(a), 5(b) und 5(c) ist mit L der (axiale) Abstand zwischen den Vorsprüngen 21a des Spitzenendes 21 der Entladungselektrode 2 und der zweiten Masseelektrode 4 bezeichnet, während mit R der (radiale) Abstand zwischen dem Spitzenende 21 und der ersten Masseelektrode 3 bezeichnet ist. Wenn gemäß 5(a) L = 0,5 R ist, besitzt das elektrische Feld in Richtung der Abgasströmung eine hohe Feldstärke, sodass der größte Teil des Ionenstroms von dem der zweiten Masseelektrode 4 gegenüberliegenden Spitzenende 21 in Richtung der Mitte der zweiten Masseelektrode 4 verläuft. In der Nähe der Innenwand des Abgasrohrs 11 liegt somit eine stark verringerte Ionendichte vor. Demzufolge ist die elektrische Aufladung von Partikeln, die sich in der Nähe der Innenwand des Abgasrohrs 11 und damit in einem Randbereich des Abgaskanals bewegen, mit Schwierigkeiten verbunden.
Wenn dagegen die zweite Masseelektrode 4 in der in den 5(b) und 5(c) veranschaulichten Weise von der Entladungselektrode 2 beabstandet ist, ergibt sich ein ausreichender Ionenstrom von den Vorsprüngen 21a der Entladungselektrode 2 in diametraler Richtung des Abgaskanals, sodass eine gleichförmige Ionenverteilung in diametraler Richtung des Abgaskanals erhalten wird und im Randbereich des Abgaskanals eine höhere Ionendichte vorliegt. In diesem Falle kann eine gleichförmige elektrische Aufladung der Partikel in radialer Richtung des Abgaskanals von dessen Mitte bis zu dessen Randbereich erfolgen. Bei Gewährleistung einer gleichförmigen Ionenverteilung in der Radialrichtung des Abgaskanals nimmt L einen Minimalwert an, wenn das von den Vorsprüngen 21a der Entladungselektrode 2 in der Radialrichtung des Abgaskanals zu der ersten Masseelektrode 3 gerichtete elektrische Feld und das von den Vorsprüngen 21a der Entladungselektrode 2 in der Axialrichtung (der Richtung der Abgasströmung bzw. des Abgasdurchflusses) des Abgaskanals zu der zweiten Masseelektrode 4 gerichtete elektrische Feld im wesentlichen gleich sind, d.h., bei L = R nimmt L den geringsten Wert an, während eine ausreichend gleichförmige Ionenverteilung in der Radialrichtung des Abgaskanals erhalten werden kann.
Wenn dagegen die zweite Masseelektrode 4 einen sehr großen Abstand zu der Entladungselektrode 2 aufweist, entsteht das Problem, dass das Verhältnis ansteigt, mit dem die Partikel die aufgenommene elektrische Ladung abgeben, sodass sich die Ladungsmenge der Partikel in dem durch den Abgaskanal strömenden Abgas verringert. Die Einstellung der Elektrodenanordnung erfolgt somit unter Berücksichtigung der Charakteristik der Ladungsmenge der Partikel (der Abnahmecharakteristik der aufgeladenen Partikel) in Relation zu dem Abstand L. 6 veranschaulicht diese Abnahmecharakteristik der aufgeladenen Partikel in Form einer Abnahmekennlinie. Der Abstand L, bei dem sich die Menge der aufgeladenen Partikel um 10% verringerte, betrug 50 cm in einem Fall, bei dem ein Dieselmotor mit einem Hubraum von 2000 cm³ bei einer Motordrehzahl von 3000 min^–1 und einem Lastmoment von 110 Nm betrieben wurde und die Spannung von 20 kV zwischen der Entladungselektrode 2 und den Masseelektroden 3, 4 anlag. Der Abstand L beträgt somit vorzugsweise 50 cm oder weniger.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die von der Innenwand des Abgasrohrs 11 gebildete erste Masseelektrode 3 um die Außenseite der Coronaentladungselektrode 2 herum angeordnet, während die aus einem leitenden Gitternetz oder Geflecht bestehende zweite Masseelektrode 4 stromab der Coronaentladungselektrode 2 angeordnet ist. Die zwischen den Elektroden 2, 3 und 4 erzeugte Coronaentladung ermöglicht somit auch bei veränderlichen Durchflussgeschwindigkeiten des Abgases von einer geringen Durchflussgeschwindigkeit bis zu einer hohen Durchflussgeschwindigkeit eine wirksame Aggregation von Abgaspartikeln. Die durch die Aggregationseinrichtung 1 hindurchgetretenen aneinandergelagerten Partikel sind auf diese Weise derart dimensioniert (normalerweise 1 μm oder größer), dass sie sich in der Gasatmosphäre in Form von schwebenden Partikeln kaum verteilen, sondern ihr Absinken auf Grund ihres Eigengewichtes erleichtert wird.
Auf Grund dieser Aggregation der Abgaspartikel durch die Aggregationseinrichtung 1 wird das Auffangen bzw. Festhalten der Abgaspartikel erleichtert. Vorzugsweise ist zu diesem Zweck in der in 7 veranschaulichten Weise ein bekannter Wabenkörper (Wabenkeramikkörper) bzw. ein Diesel-Partikelfilter 5 stromab der Aggregationseinrichtung 1 in dem Abgasrohr 11 zum Auffangen und Festhalten der aneinandergelagerten Partikel angeordnet, wodurch verhindert wird, dass Abgaspartikel in die Atmosphäre geleitet werden. 8 veranschaulicht die Auswirkung der Verbesserung des Rückhaltegrades in dem Wabenkörper bei Einsatz der Aggregationseinrichtung 1. Wenn sich die Aggregationseinrichtung 1 in Betrieb befindet (im Einschaltzustand "EIN" der Aggregationseinrichtung 1), ist der Rauchausstoß wesentlich geringer als im Falle einer nicht in Betrieb befindlichen Aggregationseinrichtung (im Abschaltzustand "AUS" der Aggregationseinrichtung 1), wobei insbesondere im Bereich niedriger Drehzahlen der Brennkraftmaschine bzw. des Dieselmotors eine stärkere Verringerung des Rauchausstoßes erzielt wird.
Weiterhin ist bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Aggregationseinrichtung 1 in dem abgebogenen Abschnitt des Abgasrohrs 11 angeordnet, sodass die gradlinig verlaufende Entladungselektrode 2 und das Abgasrohr 11 koaxial zueinander verlaufen und das Spitzenende 21 der Entladungselektrode 2 im wesentlichen zentral in der Radialrichtung des Abgaskanals angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein gleichförmiges elektrisches Feld erhalten werden. Das Ausführungsbeispiel ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt, sondern die Aggregationseinrichtung 1 kann auch im gradlinig verlaufenden Teil des Abgasrohrs 11 angeordnet sein. In diesem Falle wird die Entladungselektrode 2 vorzugsweise aus einer Seite des Abgasrohrs 11 herausgeführt und L-förmig abgebogen.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel besteht die zweite Masseelektrode 4 in der in 9(a) veranschaulichten Weise aus einem leitenden Gitternetz bzw. Geflecht mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen 41. Gemäß einem in 9(b) dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel können jedoch zur Bildung der zweiten Masseelektrode 4 auch mehrere leitende Gitternetze 42, 43 einander gegenüberliegend in der Richtung der Abgasströmung angeordnet werden. Durch die Anordnung gemäß 9(b) kann bei Abgaspartikeln, die ohne eine angemessene Aggregation durch das stromauf gelegene Gitternetz 42 hindurchgetreten sind, eine Aggregation an dem stromab gelegenen Gitternetz 43 stattfinden, sodass eine bessere Aggregationswirkung erzielt wird. Alternativ kann gemäß einem in 9(c) dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ein leitender poröser Körper 44 z.B. in Form eines Metallkörpers oder dergleichen zur Bildung der zweiten Masseelektrode 4 dienen. In diesem Fall ist in dem porösen Körper 44 eine Vielzahl von Durchgangslöchern ausgebildet, die in ausreichendem Maße derart dimensioniert sind, dass sie das Hindurchtreten von aneinandergelagerten Partikeln nicht behindern. Auf diese Weise lässt sich der Oberflächenbereich der Elektrode vergrößern und die Aggregationswirkung auf Grund der Kollisionseffekte weiter verstärken, wobei die aneinandergelagerten Partikel durch die in dem porösen Körper 44 ausgebildeten Durchgangsöffnungen hindurchtreten können.
Außerdem kann zur Bildung der zweiten Masseelektrode 4 gemäß einem in 9(d) veranschaulichten vierten Ausführungsbeispiel auch ein konvex abwärts gekrümmtes und im wesentlichen sphärisch ausgebildetes leitendes Gitternetz 45 verwendet werden. Durch den Aufbau des leitenden Gitternetzes 45 gemäß 9(d) wird ein gleichförmiges elektrisches Feld in Verbindung mit einem höheren Aggregationswirkungsgrad erhalten, da der Gesamtbereich des leitenden Gitternetzes 45 besser ausgenutzt wird.
Darüber hinaus können gemäß einem in 9(e) dargestellten fünften Ausführungsbeispiel die Durchgangslöcher 41 eines die zweite Masseelektrode 4 bildenden leitenden Gitternetzes 46 in einem zentral gelegenen Querschnittsbereich des Abgaskanals auf eine kleine Lochweite und in einem Randbereich des Abgaskanals auf eine große Lochweite eingestellt werden. Da nämlich im allgemeinen der Zentralbereich eines Abgaskanals im Vergleich zu den Wandbereichen eine größere Abgasdurchflussmenge und eine größere Durchtrittsmenge an Abgaspartikeln führt, lässt sich die Aggregationswirkung verstärken, indem die Durchgangsöffnungen 41 im Zentralbereich des Abgaskanals dichter als in seinen Randbereichen verteilt werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann somit mit Hilfe eines durch die Erfindung ermöglichten einfachen Aufbaus die Abgaspartikel-Aggregationskapazität mit Hilfe einer Coronaentladung verbessert werden. Auf diese Weise kann ein Abgassystem erhalten werden, das bessere Eigenschaften sowohl in Bezug auf die Montage an einem Kraftfahrzeug als auch die Aggregationswirkung aufweist.
10 zeigt ein Abgassystem gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, bei dem eine zur Bildung einer Aggregationseinrichtung L-förmig abgebogene Entladungselektrode in einem gradlinig verlaufenden Abschnitt eines Abgasrohrs in der vorstehend bereits dargelegten Weise angeordnet ist. Der Innenbereich des Abgasrohrs 5 bildet einen Abgaskanal mit einem kreisförmigen Durchgangsquerschnitt, wobei eine die Entladungselektrode bildende Coronaentladungselektrode 6 durch die Rohrwand hindurchgeführt ist. Die Coronaentladungselektrode 6 umfasst einen mit einer (nicht dargestellten) elektrischen Hoch-Gleichspannungsquelle verbundenen leitenden Abschnitt 61 sowie einen an einem Spitzenende des leitenden Abschnitts 61 befindlichen Entladungsabschnitt 62. Bei dieser Coronaentladungselektrode 6 wird somit dem Entladungsabschnitt 62 über den leitenden Abschnitt 61 eine Hochspannung zugeführt. Der leitende Abschnitt 61 ist hierbei durch die Rohrwand des Abgasrohrs 5 in einer senkrecht zur Abgasströmung in dem Abgasrohr 5 verlaufenden Richtung hindurchgeführt und in einer Position auf der Achse C des Abgasrohrs 5 L-förmig derart abgebogen, dass der Bereich des Spitzenendes des leitenden Abschnitts 61 in stromabwärtiger Richtung der Abgasströmung entlang der Achse C verläuft. Wie in 11 veranschaulicht ist, umfasst der Entladungsabschnitt 62 ein plattenförmiges Element mit einer Vielzahl von sternförmigen Vorsprüngen 62a, die in Relation zu der Achse C in radialer Richtung verlaufen. Außerdem ist ein leitendes Gitternetz zur Bildung einer Masseelektrode 7 stromab des Entladungsabschnitts 62 angeordnet.
Nachstehend wird auf die Anbringungsanordnung der Coronaentladungselektrode 6 in dem Abgasrohr 5 näher eingegangen. An der Außenseite des leitenden Abschnitts 61 der Coronaentladungselektrode 6 ist eine flanschartige Halteplatte 81 in Form einer kreisförmigen Platte vorgesehen. In der Mitte der Halteplatte 81 ist ein durch die Platte in Dickenrichtung hindurchverlaufendes Innengewinde 8101 vorgesehen, in das ein Außengewinde 611 des leitenden Abschnitts 61 der Coronaentladungselektrode 6 hineingeschraubt ist. Die Coronaentladungselektrode 6 wird somit in das Innengewinde 8101 der Halteplatte 61 eingeschraubt und auf diese Weise an der Halteplatte 81 befestigt.
In dem Abgasrohr 5 ist dagegen eine Öffnung 501 ausgebildet, die von der Halteplatte 81 verschlossen wird. Die Öffnung 501 wird von einem Loch gebildet, das in der Radialrichtung des Abgasrohrs 5 durch die Rohrwand hindurch verläuft. Die Coronaentladungselektrode 6 wird an dem Abgasrohr 5 angebracht, indem der an der Oberseite der Halteplatte 81 befindliche Teil der Coronaentladungselektrode 6 über das Loch in das Abgasrohr 5 eingeführt wird. Demzufolge werden die Abmessungen der Öffnung 501 unter Berücksichtigung der Formgebung der Coronaentladungselektrode 6 an der Oberseite der Halteplatte 81, und zwar insbesondere unter Berücksichtigung des Abstandes zwischen dem abgebogenen Teil des leitenden Abschnitts 61 und dem Entladungsabschnitt 62 festgelegt.
An der der Oberfläche des Abgasrohrs 5 gegenüberliegenden Seite der Halteplatte 81 ist ein ringförmiger Stufenabschnitt 81a vorgesehen, der im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Öffnung 501 des Abgasrohrs 5 aufweist und koaxial zu dem Innengewinde 8101 verläuft. Die Halteplatte 81 kann daher in einer geeigneten Stellung in Relation zu der Öffnung 501 des Abgasrohrs 5 eingepasst werden. An der Außenseite des ringförmigen Stufenabschnitts 81a der Halteplatte 81 ist eine gasdichte Halterungsdichtung 84 zwischen der Halteplatte 81 und dem Abgasrohr 5 angeordnet. Die Halteplatte 81 und das Abgasrohr 5 sind durch Schraubenbolzen 83 miteinander verbunden, die sich durch Schraubenlöcher 8102 der Halteplatte 81 hindurcherstrecken.
Wie in 12 veranschaulicht ist, sind mehrere Schraubenlöcher 8102 (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei Schraubenlöcher) um das Innengewinde 8101 herum angeordnet, d.h., die Schraubenlöcher 8102 sind in Umfangsrichtung in gleichen Intervallen um das Außengewinde 611 des leitenden Abschnitts 61 angeordnet, sodass die Schraubenbolzen 83 hindurchgeführt und in das Abgasrohr 5 eingeschraubt werden können. Die jeweiligen Schraubenbolzen 8102 werden hierbei von in Umfangsrichtung verlängerten Schlitzen gebildet, sodass die Winkelstellung der Halteplatte 81 in Relation zu dem Abgasrohr 5 vor dem Festziehen der Schraubenbolzen 83 einstellbar ist. Auf diese Weise kann der Entladungsabschnitt 62 der Coronaentladungselektrode 6 in Bezug auf Abweichungen in Relation zu der Achse C des Abgasrohrs 5 justiert werden.
In dem Zustand, bei dem die Anbringung und Fixierung der Coronaentladungselektrode 6 an der Halteplatte 81 durch eine Schraubenmutter 82 erfolgt, ist bei dem Abgassystem gemäß diesem sechsten Ausführungsbeispiel der Entladungsabschnitt 62 der Coronaentladungselektrode 6 auf die Öffnung 501 des Abgasrohrs 5 gerichtet und wird quer zur Richtung des Abgasstroms über die Öffnung 501 eingeführt. Sodann werden die Halteplatte 81 und das Abgasrohr 5 miteinander verbunden. Da die Schraubenlöcher 8102 aus länglichen Schlitzen bestehen, können hierbei die Schraubenbolzen 83 festgezogen werden, nachdem die Halteplatte 81 derart gedreht und eingestellt ist, dass der Entladungsabschnitt 62 direkt in die stromabwärtige Richtung des Abgasrohrs 5 weist. Wenn eine Abweichung des Entladungsabschnitts 62 in der Querrichtung der Abgasströmung vorliegt, liegt der Entladungsabschnitt 62 der Masseelektrode 7 nicht genau bzw. korrekt gegenüber, was individuelle Unterschiede in der Entladungscharakteristik zur Folge haben kann. Da jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel die Möglichkeit einer Drehung und Einstellung der Coronaentladungselektrode 6 in Relation zu dem Abgasrohr 5 vorgesehen ist, kann gewährleistet werden, dass der Entladungsabschnitt 62 der Coronaentladungselektrode 6 der Masseelektrode 7 korrekt gegenüberliegt, indem die Halteplatte 81 vor dem Festziehen der Schraubenbolzen 83 derart gedreht und eingestellt wird, dass der Entladungsabschnitt 62 direkt in die stromabwärtige Richtung des Abgasrohrs 5 weist. Auf diese Weise kann eine gleichförmigere elektrische Entladung erzielt werden. Darüber hinaus können strengere Genauigkeitsanforderungen ohne spezielle Fachkenntnisse erfüllt werden. Da außerdem beim Festziehen der Schraubenbolzen 83 nur ein geringes Drehmoment auf die Mitte der Halteplatte 81 einwirkt, tritt beim Festziehen der Schraubenbolzen 83 keine Drehbewegung der Halteplatte 81 in Relation zum Abgasrohr 5 auf.
13 zeigt ein Abgassystem gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Da der grundlegende Aufbau dieses Systems dem Aufbau des sechsten Ausführungsbeispiels gemäß 10 entspricht, wird nachstehend im wesentlichen nur auf die unterschiedlichen Merkmale näher eingegangen.
Eine Aggregationseinrichtung 1B umfasst eine Coronaentladungselektrode 6A, die direkt in ein Abgasrohr 5A eingefügt ist, d.h., ein durch eine Rohrwand des Abgasrohrs 5A hindurchgehendes und in Querrichtung zur Abgasströmung verlaufendes Loch bildet eine Öffnung 501A, durch die die Coronaentladungselektrode 6A eingeführt wird. Die Öffnung 501A ist mit einem Gewinde versehen, sodass ein Außengewinde 611 eines leitenden Abschnitts 61A der Coronaentladungselektrode 6A in die Öffnung 501A eingeschraubt werden kann. Die Anbringung und Fixierung der Coronaentladungselektrode 6A an dem Abgasrohr 5A erfolgt mit Hilfe einer Schraubenmutter 82. Bei diesem in 13 dargestellten Aufbau wird die Coronaentladungselektrode 6A über die Öffnung 501A in Querrichtung zur Abgasströmung in das Abgasrohr 5A eingeführt. Die Coronaentladungselektrode 6A kann daher zwar in Relation zu dem Abgasrohr 5A positioniert werden, jedoch muss im Vergleich zu der Anordnung gemäß 10 gegebenenfalls eine Verschiebung der Winkelstellung der Coronaentladungselektrode 6A in Relation zu dem Abgasrohr 5A akzeptiert werden. Dieses Abgassystem ist jedoch dahingehend ausgestaltet, dass Auswirkungen einer solchen Verschiebung der Winkelstellung in der nachstehend näher beschriebenen Weise unterdrückt werden.
Im einzelnen verläuft der leitende Abschnitt 61A der Coronaentladungselektrode 6A einfach gradlinig in der Querrichtung zur Abgasströmung, wobei am Spitzenende des leitenden Abschnitts 61A ein Entladungsabschnitt 62A derart ausgebildet ist, dass er in der in 13 veranschaulichten Weise auf der Achse C des Abgasrohrs 5A angeordnet ist.
Wie in den 14(a) und 14(b) veranschaulicht ist, umfasst der Entladungsabschnitt 62A drei plattenförmige Elemente 621, 622 und 623, die jeweils von einer leitenden ebenen Platte gebildet werden, sowie ein Stiftelement 624, das sich an den leitenden Abschnitt 61A anschließt. Der leitende Abschnitt 61A und das Stiftelement 624 sind in integrierter Bauweise bzw. einstückig ausgeführt und bestehen aus einem einzigen Rundstabelement. Die plattenförmigen Elemente 621 bis 623 sind punktsymmetrisch angeordnet und sternförmig derart ausgestaltet, dass sich Vorsprünge 621a, 622a und 623a in Querrichtungen erstrecken. Das Stiftelement 624 wird über ein Durchgangsloch eingefügt, das in der Mitte der plattenförmigen Elemente 621 bis 623 in einem Überdeckungszustand der plattenförmigen Elemente 621 bis 623 ausgebildet wird.
Bei den plattenförmigen Elementen 621 bis 623 sind die Vorsprünge 621a des plattenförmigen Elements 621 im unteren Bereich der Figur an ihrem Ansatz schräg abwärts gebogen, während die Vorsprünge 623a des plattenförmigen Elements 623 im oberen Bereich der Figur an ihrem Ansatz schräg aufwärts gebogen sind. Die Biegungswinkel sind derart eingestellt, dass die Spitzenenden der Vorsprünge 621a bis 623a den gleichen Abstand von der Mitte der plattenförmigen Elemente 621 bis 623 aufweisen und somit auf einer vorgegebenen imaginären Kugelfläche S liegen. Das Spitzenende des Stiftelementes 624 liegt ebenfalls auf dieser imaginären Kugelfläche S. Die Mitte der imaginären Kugel, die die imaginäre Kugelfläche S bestimmt, wird von einem Punkt auf der Mittellinie des Gewindegangs des Außengewindes 611, d.h., einem Punkt auf der Achse des leitenden Abschnitts 61A, gebildet.
Auch wenn sich beim Festziehen der Schraubenmutter 82 die Drehstellung der Coronaentladungselektrode 6A verschiebt, liegen bei diesem Ausführungsbeispiel des Abgassystems die Spitzenenden der Vorsprünge 621a bis 623a und des an dem Entladungsabschnitt 62a befindlichen Stiftelements 624 weiterhin auf der imaginären Kugelfläche S, deren Mittelpunkt auf der Mittellinie des Gewindegangs des Außengewindes 611 liegt. Auf diese Weise können auf einer Verschiebung der Drehstellung der Coronaentladungselektrode beruhende Auswirkungen auf die Entladungscharakteristik verringert werden.
15 zeigt ein Abgassystem gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem Aufbau des Ausführungsbeispiels gemäß 13 durch einen anderen Aufbau der Masseelektrode unterscheidet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 15 umfasst eine Aggregationseinrichtung 1C eine Masseelektrode 7A in Form eines kugelförmigen Käfigkörpers (Käfigelektrode) aus einem leitenden Material, durch den aneinandergelagerte Abgaspartikel ohne Behinderung hindurchtreten. Die Masseelektrode 7A ist um den Entladungsabschnitt 62A herum angeordnet. Im allgemeinen weist die Masseelektrode 7A eine Öffnung auf, durch die der Entladungsabschnitt 62A eingeführt wird. Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Masseelektrode 7A den Entladungsabschnitt 62A in gleichen Abständen umgibt, kann eine durch eine Verschiebung der Drehstellung der Coronaentladungselektrode hervorgerufene Streuung bzw. Verteilung in der Entladungscharakteristik verhindert werden.
In Verbindung mit der vorstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sei darauf hingewiesen, dass natürlich verschiedene Änderungen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung möglich sind.
So ist z.B. die Entladungselektrode bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen zwar in einem im wesentlichen zentralen Bereich des Abgaskanals angeordnet, um gleichförmig von der Masseelektrode beabstandet zu sein und auf diese Weise die Gleichmäßigkeit der elektrischen Entladung zu verbessern, jedoch ist eine Anordnung der Entladungselektrode im wesentlichen in der Mitte des Abgaskanals nicht zwangsläufig erforderlich. In der Praxis erfolgt die Anordnung der Entladungselektrode innerhalb des Abgasrohrs z.B. innerhalb des Bereiches eines imaginären Kreises um die Mitte des Abgasrohrs, der den halben Innendurchmesser des Abgasrohrs aufweist.
Außerdem kann die zwischen den beiden Elektroden anliegende Spannungsdifferenz für die zwischen den Elektroden erzeugte Coronaentladung im Bereich von 5 kV bis 50 kV eingestellt werden. Auf diese Weise lässt sich eine bevorzugte Aggregationswirkung bei den Abgaspartikeln erzielen, während gleichzeitig beim Anlegen der Spannung zwischen den Elektroden eine geeignete Spannungsfestigkeits-/Leckspannungscharakteristik erhalten wird. Vorzugsweise erfolgt die Einstellung der zwischen den beiden Elektroden anliegenden Spannungsdifferenz im Bereich von 10 kV bis 30 kV.
Darüber hinaus ist es in Bezug auf die bei den jeweiligen Ausführungsbeispielen von der Innenwand des Abgasrohrs und dem leitenden Gitternetz gebildeten Masseelektroden nicht zwangsläufig erforderlich, dass ihre elektrischen Potentiale dem elektrischen Massepotential entsprechen.
Wie vorstehend beschrieben, ist somit eine Aggregationseinrichtung (1, 1A, 1B, 1C) im Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angeordnet, wobei eine hohe Gleichspannung zwischen einer Entladungselektrode (2, 6, 6A) und einer ersten und einer zweiten Masseelektrode (3, 4, 7, 7A) zur Erzeugung einer Coronaentladung angelegt wird, sodass Abgaspartikel elektrisch aufgeladen und deren Aggregation herbeigeführt wird. Die Entladungselektrode ist im zentralen Bereich eines Abgaskanals angeordnet, wobei die Aggregation von Abgaspartikeln bei einer geringen Durchflussgeschwindigkeit im wesentlichen an der ersten Masseelektrode stattfindet. Die erste Masseelektrode wird von der Innenwandung des Abgasrohrs gebildet, die um die Außenseite der Entladungselektrode herum verläuft. Die zweite Masseelektrode ist stromab der Entladungselektrode durch den Abgaskanal hindurchverlaufend angeordnet und wird von einem leitenden Gitternetz mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen gebildet. Die zweite Masseelektrode führt eine Aggregation von Partikeln herbei, die sich bei einer hohen Durchflussgeschwindigkeit nicht zu der ersten Masseelektrode bewegen können, wodurch mit Hilfe einer nur geringe Abmessungen aufweisenden Einheit eine hohe Aggregationswirkung erzielt wird.

Claims

Abgassystem für eine Brennkraftmaschine, mit einem Abgasrohr (11) zur Bildung eines Abgaskanals, durch den das Abgas der Brennkraftmaschine in axialer Richtung des Abgasrohrs (11) hindurchströmt, und einer Aggregationseinrichtung (1, 1A, 1B, 1C) zur Herbeiführung einer Aggregation von im Abgas enthaltenen Abgaspartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Aggregationseinrichtung (1, 1A, 1B, 1C) eine erste und eine zweite Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) zur Abgabe und Aufnahme einer elektrischen Entladung aufweist, um die von einer durch eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) angelegte Hochspannung herbeigeführten Coronaentladung erzeugte elektrische Entladung aufzunehmen und abzugeben, die erste Elektrode (2, 6, 6A) einen elektrischen Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (21, 62, 62A) aufweist, der im wesentlichen zentral in diametraler Richtung des Abgaskanals angeordnet ist, und sowohl die erste als auch die zweite Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) in dem Abgaskanal derart angeordnet sind, dass eine Aufladung der Abgaspartikel durch die von der Coronaentladung erzeugte elektrische Ladung erfolgt und ihre Aggregation durch die die elektrische Ladung wiedergewinnende Elektrode (3, 4, 7, 7A) herbeigeführt wird.
Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode von der Innenwand (3) des Abgasrohrs gebildet wird.
Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode eine Masseelektrode (3, 4, 7, 7A) darstellt, über die eine Wiedergewinnung der von der Coronaentladung erzeugten elektrischen Ladung erfolgt, und von einer Elektrode (4, 7, 7A) gebildet wird, die aus einer stromab der ersten Elektrode (3) im Abgasstrom quer zum Abgaskanal angeordneten leitenden Struktur mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen (41) besteht.
Abgassystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (21, 62, 62A) der ersten Elektrode (2, 6, 6A) zu der leitenden Struktur (4, 7, 7A) in der Abgas-Strömungsrichtung in einem Abstand von 50 cm oder weniger angeordnet ist.
Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode eine Masseelektrode (3, 4) darstellt, über die eine Wiedergewinnung der von der Coronaentladung erzeugten elektrischen Ladung erfolgt, die Masseelektrode ein erstes Masseelektrodenelement (3), das von der Innenwand (3) des Abgasrohrs gebildet wird, und ein zweites Masseelektrodenelement (4) aufweist, das von einer in der Abgasströmungsrichtung stromab der ersten Elektrode quer zu dem Abgaskanal angeordneten leitenden Struktur gebildet wird, und die leitende Struktur eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen (41) aufweist.
Abgassystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem elektrischen Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (21) der ersten Elektrode (2) und der leitenden Struktur des zweiten Masseelektrodenelements (4) in der Abgasströmungsrichtung gleich dem oder größer als der Radius des Abgaskanals ist.
Abgassystem nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Struktur mehrere leitende Gitternetze (42, 43) aufweist, die in der Abgasströmungsrichtung parallel zueinander angeordnet sind.
Abgassystem nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Struktur ein im wesentlichen kugelförmiges leitendes Gitternetz (45) umfasst, das in stromabwärtiger Richtung der Abgasströmung konvex abwärts gekrümmt ist.
Abgassystem nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen (41) der leitenden Struktur (46) in einem mittleren Bereich des Abgaskanals dichter als in dessen Randbereichen verteilt sind.
Abgassystem nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Struktur aus einem leitenden Gitter oder einem leitenden porösen Körper (44) besteht.
Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode einen kugelförmigen Käfigkörper (7A) umfasst, der um den elektrischen Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (62A) herum angeordnet ist und aneinandergelagerte Abgaspartikel ohne Behinderung hindurchtreten lässt.
Abgassystem nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode einen leitenden Abschnitt (61, 61A) aufweist, der mit dem elektrischen Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (62, 62A) verbunden ist und durch die Rohrwand des Abgasrohrs hindurch in einer die Abgasströmung schneidenden Richtung verläuft.
Abgassystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halteplatte (81) flanschartig an der Außenseite des leitenden Abschnitts (61, 61A) zur Halterung der ersten Elektrode (6, 6A) angeordnet ist, und das Abgasrohr mit einer von der Halteplatte (81) verschlossenen Öffnung versehen ist, über die bei der Anbringung der ersten Elektrode (6, 6A) in dem Abgasrohr ein über die Halteplatte hinausragender Spitzenendabschnitt (61, 61A) der ersten Elektrode (6, 6A) eingeführt wird.
Abgassystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einen größeren Durchmesser als die Öffnung aufweisende Halteplatte (81) mit dem Abgasrohr im Außenbereich der Öffnung unter Verwendung von Schraubenbolzen verbunden wird und Schraubenlöcher (8102) aufweist, über die die Schrauben eingeführt werden, und die Schraubenlöcher von Schlitzen (8102) gebildet werden, die in Umfangsrichtung um den leitenden Abschnitt (61) herum verlängert sind.
Abgassystem nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der leitende Abschnitt (61) mittig in die Abgasströmungsrichtung abgebogen ist.
Abgassystem nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (62) der ersten Elektrode (6) eine Vielzahl von radial ausgebildeten und sich im wesentlichen in alle Richtungen erstreckenden Vorsprüngen (621a, 622a, 623a) aufweist.
Abgassystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (621a, 622a, 623a) derart ausgebildet sind, dass ihre Spitzenenden auf der Oberfläche einer imaginären Kugel mit einem vorgegebenen Durchmesser liegen.
Abgassystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Ladungsabgabe-/Aufnahmeabschnitt (62A) der ersten Elektrode (6A) in einem Bereich eines imaginären Kreises um den diametralen Mittelpunkt des Abgasrohrs mit dem halben Innendurchmesser des Abgasrohrs angeordnet ist.
Abgassystem nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung der Coronaentladung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) anliegende Spannungsdifferenz auf einen zwischen 5 kV und 50 kV liegenden Bereich eingestellt wird.
Abgassystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Erzeugung der Coronaentladung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (2, 3, 4, 6, 6A, 7, 7A) anliegende Spannungsdifferenz auf einen zwischen 10 kV und 30 kV liegenden Bereich eingestellt wird.