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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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DE 38 04 779 beschreibt eine Vorrichtung zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, wobei die Rußpartikel in einem Bereich durch UV-Licht ionisiert werden und als positive Ladungsträger auf Elektroden zuströmen. Dort findet eine Verbrennung der Rußpartikel statt.
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DE 43 19 283 C1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung von Partikeln in den Abgasen einer Brennkraftmaschine, wobei die Abgase zur Energieankopplung und Verbrennung der Partikel durch ein Mikrowellenfeld in einem Resonator hindurchgeführt werden. Für eine bessere Energieankopplung an die Partikel werden diese vorher in einem Hochspannungsfeld eines Elektrofilters agglomeriert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasreinigungsvorrichtung für Brennstoffaggregate mit größerer Reinigungswirkung und einem vereinfachten Aufbau 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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Erfindungsgemäß 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. Erfindungsgemäß ist anstelle einer gesonderten Erhitzungseinrichtung das Anziehungselement als Teil der Erhitzungseinrichtung ausgebildet. Somit 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 trichter- 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.
