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Die
Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für Brennstoffaggregate,
wie Verbrennungsmotoren für
Kraftfahrzeuge. Ferner ist die Abgasreinigungsvorrichtung auch für die Reinigung
von Abgasen in Industrieanlagen oder Feuerungsstätten geeignet.
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Aus
dem Automobilbau ist der Einsatz von Partikelfiltern zum Ausfiltern
von Rußpartikeln
bekannt. Hierzu wird in dem Abgasstrom ein feinporiger Filter angeordnet.
Diese Filter setzen sich durch ausgefilterte Partikel nach einiger
Zeit zu, so dass die Durchlässigkeit
sinkt. Zur Reinigung der Filter ist es bekannt, den Filter nahe
am Motor vorzusehen, da die Abgase in diesem Bereich noch sehr heiß sind und
hierdurch ein Verbrennen bzw. Vergasen der Rußpartikel erfolgen kann. Auf
Grund der Lage des Filter nahe des Motors ist ein Nachrüsten derartiger Partikelfilter
nicht möglich.
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Insbesondere
bei Filtern, die nicht in der Nähe
des Motors angeordnet sind, wie bei nachgerüsteten Filtern, besteht ferner
die Möglichkeit
ein Additiv in den Abgasstrom einzuspritzen. Es handelt sich hierbei
um ein leicht brennbares Additiv, durch das die Abgastemperatur
kurzfristig erhöht
wird, wodurch ein Verbrennen der Rußpartikel erfolgt. Derartige
Abgasreinigungsvorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass
ein zusätzlicher
Additivtank vorgesehen sein muss. Dieser muss regelmäßig mit Additiv
befüllt
werden. Ferner besteht der Nachteil, dass es sich bei dem Additiv
um eine leicht brennbare Flüssigkeit
handelt, so dass der Additivtank entsprechend gesichert sein muss.
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Ferner
ist aus
DE 101 43 377 ein
Mikrowellenreaktor zur thermolytischen Reinigung von Abgasströmen bekannt.
Hierbei wird der zu reinigende Abgasstrom, wie prinzipiell anhand
der
4 gezeigt, durch ein als Hohlleiter ausgeführtes Rohr
10 geleitet.
In dem Rohr
10 sind zwei Gitter
12,
14 angeordnet,
wobei der Abgasstrom in Richtung eines Pfeils
16 zuerst
durch das Gitter
12 und dann durch das Gitter
14 strömt. Mit
Hilfe eines Magnetrons
18 erfolgt zwischen den beiden Gittern
12,
14 ein
Einkoppeln hochfrequenter Energie. Die Energie liegt im Bereich von
0,5 bis einigen GHz. Um einen Hohlraumresonator auszubilden, weisen
die beiden Gitter
12,
14 einen Abstand auf, der
einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Hierdurch entsteht
zwischen den beiden Gittern
12,
14 eine stehende
Welle. Da die Absorption der Hochfrequenzenergie durch die im Abgas
vorhandenen Partikel sehr gering ist, kann aufgrund der stehenden
Welle eine sehr hohe Feldstärke
erzeugt werden. Die Feldstärke sowie
die Frequenz werden derart angepasst, dass die im Abgas vorhandenen
Partikel, insbesondere Rußpartikel,
oxidieren bzw. verbrennen. Da die Größe der im Abgas vorhandenen
Partikel relativ klein ist und deren Anteil bzw. Konzentration im
Abgas relativ gering ist, ist die durch diese Vorrichtung erzielte
Reinigungswirkung des Abgases nicht zufriedenstellend.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Abgasreinigungsvorrichtung für Brennstoffaggregate
mit größerer Reinigungswirkung
zu schaffen.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs
1.
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Die
erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung
weist einen Reinigungsraum auf, der insbesondere rohrförmig ausgebildet
sein kann. Das Abgas strömt
durch die Einlassöffnung
in den Reinigungsraum ein und durch die Ausgangsöffnung aus. Mit Hilfe einer
Ladeeinrichtung werden die in dem Abgas vorhandenen Partikel, insbesondere
Rußpartikel,
elektrisch aufgeladen. Die Ladeeinrichtung kann innerhalb des Reinigungsraums
vorzugsweise in Strömungsrichtung
unmittelbar hinter der Einlassöffnung
oder auch vor oder in der Einlassöffnung angeordnet sein. In
dem Reinigungsraum ist eine Konzentrationseinrichtung vorgesehen.
Die Konzentrationseinrichtung, die in Strömungsrichtung hinter der Ladeeinrichtung
angeordnet ist, dient zur Konzentration der elektrisch aufgeladenen
Partikel. Dies erfolgt aufgrund einer durch die Konzentrationseinrichtung hervorgerufenen
elektrostatischen Anziehung der Partikel. Hierdurch erfolgt eine
Konzentration der elektrisch geladenen Partikel. Mit Hilfe einer
vorzugsweise ebenfalls innerhalb des Reinigungsraums angeordneten
Erhitzungseinrichtung erfolgt ein Erwärmen der durch die Konzentrationseinrichtung
konzentrierten bzw. gesammelten Partikel. Hierbei erfolgt ein Erwärmen der
Partikel auf Zersetzungstemperatur, so dass insbesondere ein Oxidieren
der Partikel erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Konzentration der im Abgas
vorhandenen Partikel ist das Erhitzen und das damit verbundene Zersetzen
der Partikel erheblich verbessert. Die Reinigungswirkung der Abgasreinigungsvorrichtung
ist somit deutlich verbessert. Insbesondere kann der Prozentsatz
der zersetzten bzw. verbrannten Partikel deutlich erhöht werden.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung
besteht darin, dass ein Partikelfilter zum Ausfiltern der Partikel
nicht erforderlich ist. Somit kann auch ein Zusetzen oder Verstopfen
des Partikelfilters nicht auftreten. Auch ein Einspritzen bzw. Zuführen eines
leicht brennbaren Additivs ist nicht erforderlich.
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Bei
der Ladeeinrichtung handelt es sich vorzugsweise um ein von dem
Abgas durchströmtes
Gitterelement. Bei dem Gitterelement kann es sich um ein aus elektrisch
leitfähigem
Material hergestelltes Gitter- oder Drahtnetz handeln. An dem Gitterelement
liegt eine elektrische Spannung an. Hierdurch werden die in dem
Abgas befindlichen Partikel beim Durchströmen des Gitterelements elektrisch
aufgeladen. Um ein Verschmutzen oder Verstopfen des Gitterelementes
durch die Partikel zu vermeiden, kann das Gitter beispielsweise
in regelmäßigem Abstand erwärmt werden,
um ein Zersetzen oder Verbrennen der Partikel hervorzurufen. Die
Erwärmung
kann durch Zuführung
eines entsprechenden Stroms erfolgen.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist die Konzentrationseinrichtung ein Anziehungselement aus elektrisch
leitendem Material auf. Das Anziehungselement ist insbesondere stabförmig ausgebildet
und in Längsrichtung
innerhalb des vorzugsweise rohrförmigen
Reinigungsraums angeordnet. Bei einem Reinigungsraum mit kreisringförmigem Querschnitt
ist das insbesondere stabförmige
Anziehungselement vorzugsweise im Bereich der Mittellinie angeordnet.
An dem Anziehungselement liegt ein elektrisches Potential an. Hierbei
wird ein Potential erzeugt, durch das vorzugsweise ein Anziehen
der elektrisch geladenen Partikel erfolgt. Dies erfolgt vorzugsweise
durch Anlegen einer hohen elektrischen Spannung zwischen dem Anziehungselement
und der Hohlwand des Reinigungsraums.
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Ebenso
können
in einem insbesondere rohrförmigen
Reinigungsraum mehrere insbesondere stabförmige Anziehungselemente angeordnet
sein. Ferner ist es möglich,
mehrere Anziehungselemente vorzusehen, die jeweils von einem Rohrelement
umgeben sind, so dass die Abgase zur Reinigung durch ein Rohrbündel strömen. Der
Reinigungsraum ist somit durch das Rohrbündel definiert. Bei einer bevorzugten
Weiterbildung ist anstelle einer gesonderten Erhitzungseinrichtung
das Anziehungselement als Teil der Erhitzungseinrichtung ausgebildet.
Bei dieser Ausführungsform
ist das insbesondere stabförmige Anziehungselement
zusätzlich
mit einer Energiequelle verbunden, um einen hohen elektrischen Strom durch
das Anziehungselement zu leiten. Hierdurch erfolgt ein Erhitzen
des Anziehungselements auf Zersetzungstemperatur. Die erforderliche
Stromstärke ist
hierbei insbesondere von dem Material und dem Aufbau des Anziehungselements
abhängig.
An dem Anziehungselement liegt somit eine hohe Spannung zum Erzeugen
eines entsprechenden Potentials zum Anziehen der elektrisch geladenen
Partikel an. Ferner wird ein geeigneter elektrischer Strom zur Erhitzung
des Anziehungselements durch dieses geleitet, so dass das Anziehungselement
zusätzlich
die Funktion der Erhitzungseinrichtung übernimmt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann das Erhitzen der Partikel auf Zersetzungstemperatur durch Ausgestalten
der Abgasreinigungsvorrichtung als Leitungsresonator bzw. durch zusätzliches
Vorsehen eines Leitungsresonators erfolgen. Hierzu kann, wie beispielsweise
anhand des Standes der Technik beschrieben (4), zwischen zwei
Gitterelementen eine stehende Welle ausgebildet werden. Hierdurch
wird ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld in einer der möglichen
Resonanzfrequenzen erzeugt. Hierbei kann zur Einspeisung der Energie
wiederum das insbesondere stabförmige
Anziehungselement genutzt werden.
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Ferner
ist eine Kombination der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
einer Erhitzungseinrichtung möglich.
Beispielsweise ist ein Erhitzen des Anziehungselements und das Vorsehen
eines Leitungsresonators zweckmäßig, um
Ablagerungen von Partikeln an dem Anziehungselement abzubrennen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Konzentrationseinrichtung als Partikelabscheider,
insbesondere Zyklonabscheider, ausgebildet. Hierbei werden die in
dem Gasstrom vorhandenen Partikel, insbesondere aufgrund auftretender
Zentrifugalkräfte,
konzentriert. Die konzentrierten Partikel werden sodann vorzugsweise
wiederum mit Hilfe einer Erhitzungseinrichtung auf Zersetzungstemperatur
erwärmt.
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Der
Partikelabscheider weist vorzugsweise einen sich in Hauptströmungsrichtung
verjüngenden Hohlraum
auf. Der Hohlraum ist somit vorzugsweise tichter- oder kegelstumpfförmig ausgebildet.
In den Trichter strömt
das Abgas vorzugsweise über
eine zwischengeschaltete Düse
ein und bewegt sich in dem Hohlraum beispielsweise auf einer im
Wesentlichen spiralförmigen
Bahn. Vorzugsweise ist insbesondere zentrisch in dem Hohlraum ein
sich in Längsrichtung
des Hohlraum, d.h. in Hauptströmungsrichtung,
erstreckendes Abführrohr
vorgesehen. Das Abführrohr
weist mindestens eine, vorzugsweise mehrere Öffnungen auf. Durch die Öffnungen strömt das von
Partikeln gereinigte Gas. Da die Partikel aufgrund der Zentrifugalkraft
nach außen
geschleudert werden, ist im Innern des Zyklonabscheiders im Wesentlichen
ein partikelfreies Abgas vorhanden.
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Die
mittels des Partikelabscheiders konzentrierten Partikel können durch
eine Erwärmung
auf Zersetzungstemperaturen gebracht werden. Wie vorstehend anhand
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschrieben, kann diese Erwärmung
durch Anlegen eines Stroms oder durch Vorsehen eines Leitungsresonators
erfolgen.
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Bei
dieser bevorzugten Ausführungsform
ist eine Ladeeinrichtung zum elektrischen Aufladen von in dem Abgas
vorhandenen Partikeln nicht erforderlich. Auch erfolgt die Konzentration
nicht aufgrund elektrostatischer Anziehungskräfte, sondern aufgrund der auftretenden
Zentrifugalkräfte.
Diese Ausführungsform
stellt insofern eine selbständige
Erfindung dar.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf
die anliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung,
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2 eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung,
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3 eine
schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung
und
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4 eine
schematische Ansicht einer Abgasreinigungsvorrichtung nach dem Stand
der Technik.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
(1) ist ein Reinigungsraum 20 durch zwei
Gitterelemente 12, 14 sowie durch ein im Querschnitt
kreisförmiges,
zylindrisches Rohr 22 begrenzt. Bei dem Reinigungsraum handelt
es sich somit um einen Abschnitt eines Abgasrohrs 24 mit
einem Einlass 26 und einem Auslass 28. In Strömungsrichtung 16 unmittelbar
vor dem ersten Gitterelement 12 kann ein zusätzlicher
Lufteinlass 30 vorgesehen sein, durch den zum besseren Verbrennen
der Rußpartikel
beispielsweise Sauerstoff zugeführt
werden kann.
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Das
erste Gitterelement 12 dient im dargestellten Ausführungsbeispiel
als Ladeeinrichtung. Hierzu ist das Gitterelement 12 aus
elektrisch leitfähigem
Material hergestellt und mit einer Hochspannungsquelle 32 verbunden.
Die durch das Gitterelement 12 strömenden Partikel werden somit
beim Durchströmen
durch das Gitterelement 12 elektrisch aufgeladen. Die Hochspannungsquelle 32 ist
unter Zwischenschaltung einer Hochfrequenz-Sperre 34 ferner mit einem
stabförmigen
Anziehungselement 36, das innerhalb des Reinigungsraums 20 angeordnet
ist, verbunden. An das stabförmige
Anziehungselement 36 wird über die Hochspannungsquelle 32 eine
Spannung angelegt, so dass das Anziehungselement 36 ein
elektrisches Potential aufweist. Hierdurch werden die elektrisch
aufgeladenen Partikel von dem stabförmigen Anziehungselement angezogen,
so dass eine Konzentration der Partikel in der Umgebung des Anziehungselements
erfolgt.
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Das
stabförmige
Anziehungselement 36 dient im dargestellten Ausführungsbeispiel
nicht nur als Konzentrationseinrichtung zur Konzentration der elektrisch
aufgeladenen Partikel, sondern auch als Teil einer Erhitzungseinrichtung
zum Erwärmen
der konzentrierten Partikel auf Zersetzungstemperatur.
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Um
ein Zersetzen möglichst
aller Partikel, zumindest eines sehr großen Anteils an Partikeln zu gewährleisten,
weist die Erhitzungseinrichtung zusätzlich einen Leitungsresonator
auf. Hierzu ist das stabförmige
Anziehungselement 36 über
eine Niederfrequenzsperre 38 bzw. Gleichstromsperre mit
einem Hochfrequenzoszillator 40 verbunden. Ferner ist das
Anziehungselement 36 elektrisch mit dem zweiten Gitterelement 14 verbunden.
Hierdurch kann zwischen den beiden Gitterelementen 12, 14 ein
hohes elektromagnetisches Feld erzeugt werden.
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Bei
der zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung (2) sind dieselben oder ähnliche
Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Der
wesentliche Unterschied der zweiten Ausführungsform (2)
gegenüber
der ersten Ausführungsform
(1) besteht in der Ausgestaltung des Anziehungselements.
Dieses ist in der zweiten Ausführungsform
als U-förmig
gebogenes Drahtelement 42 ausgebildet, in dem eine Niederfrequenzsperre 44 bzw.
eine Gleichstromsperre angeordnet ist. In das Drahtelement 42 kann über die
Hochspannungsquelle 32 und zwischengeschaltete Hochfrequenzsperren 34 eine
hohe Gleichspannung eingekoppelt werden.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird ein elektrisches Feld zwischen den Drahtelementen im Inneren aufgebaut,
so dass eine Konzentration der Partikel an den Drahtelementen stattfindet.
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Der
Hochfrequenz-Oszillator 40 ist mit der Wandung 22 des
Reinigungsraums 20 verbunden, wobei entsprechend dem Stand
der Technik (4) das Ausbilden eines elektromagnetischen
Feldes zwischen den beiden Gitterelementen 12 und 14 erfolgt.
Ebenso kann die Hochfrequenzenergie in das Drahtelement 42 eingekoppelt
werden. Dadurch entsteht nicht nur ein Gleichspannungspotenzial,
sondern auch ein Wechselspannungspotenzial zwischen den nebeneinander
laufenden Drahtstücken.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
(3) der Erfindung sind dieselben oder ähnliche
Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Der
Gasstrom strömt
durch den Einlass 26 und sodann durch das Gitter 12.
Bringt man das Gitter 12 auf ein anderes Potenzial als
die Wandung, so kann hierdurch eine zusätzliche Aufladung der Partikel
erreicht werden.
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Das
Abgas strömt
sodann durch eine Düse 48 in
den Reinigungsraum 20. Im dargestellten Ausführungsbeispiel,
das eine selbständige
Erfindung darstellt, ist der Reinigungsraum 20 Teil eines
Zyklonfilters und im Wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei sich
der Reinigungsraum 20 in Richtung einer Hauptströmungsrichtung 50 verjüngt. Das durch
die Düse 48 einströmende Abgas
bewegt sich auf einer spiralförmigen
Bahn um ein zentrisch angeordnetes Abführrohr 52 in Richtung
der Hauptströmungsrichtung 50 in 3 nach
unten. Aufgrund der auf die in dem Gas vorhandenen Partikel wirkenden Zentrifugalkräfte werden
die Partikel in Richtung der Innenwand des Reinigungsraums 20 bewegt.
Im Inneren des Reinigungsraums 20 ist im Bereich des Abführrohrs 52 das
Gas somit im Wesentlichen partikelfrei. Zum Abführen des gereinigten Gases
weist das Abführrohr 52 Löcher 54 auf,
durch die das gereinigte Gas in das Abführrohr 52 einströmt und sodann in
Richtung der Auslassöffnung 28 geleitet
wird. Vorzugsweise weisen die Löcher 54 unterschiedliche Querschnittsflächen auf, wobei
die Querschnittsflächen
kontinuierlich oder diskontinuierlich entgegen der Hauptströmungsrichtung 50 zunehmen.
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Zur
Erwärmung
der sich im Wesentlichen in dem unteren Bereich 56 des
Reinigungsraums 20 sammelnden Partikel ist im dargestellten
Ausführungsbeispiel
ein Hochfrequenz-Oszillator 40 vorgesehen. Durch ein entsprechendes
Auslegen des Zyklonabscheiders als Leitungsresonators kann in dem unteren
Bereich 56 des Reinigungsraums 20 der Bereich
einer sehr hohen maximalen Feldstärke erzielt werden. Hierdurch
kann eine gute Ausnutzung der Hochfrequenzenergie erreicht werden.
Wie anhand der vorstehenden Ausführungsbeispiele
beschrieben, kann das Erwärmen
der Partikel auch durch Anlegen eines entsprechend hohen Stroms
erfolgen.