DE102009041092A1

DE102009041092A1 - Abgasbehandlungsvorrichtung mit zwei Wabenkörpern zur Erzeugung eines elektrischen Potentials

Info

Publication number: DE102009041092A1
Application number: DE102009041092A
Authority: DE
Inventors: Jan Hodgson; Christian Vorsmann
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-03-24
Also published as: CN102498269A; US8628606B2; RU2496012C1; WO2011029728A1; US20120186447A1; JP6045346B2; IN2012DN01833A; KR20120053076A; KR101319139B1; CN102498269B; EP2478194B1; EP2478194A1; JP2013504412A

Abstract

Abgasbehandlungsvorrichtung (11), aufweisend wenigstens einen ersten zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Wabenkörper (12) mit einer ersten Vorderseite (3) und einer ersten Rückseite (26), einen zweiten zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Wabenkörper (13) mit einer zweiten Vorderseite (25) und einer zweiten Rückseite (27), einen Zwischenraum (15) und dem ersten Wabenkörper (12) und dem zweiten Wabenkörper (13), eine Spannungsversorgung (18) zur Ausbildung eines elektrischen Potentials zwischen dem ersten Wabenkörper (12) und dem zweiten Wabenkörper (13), sowie eine Vielzahl von Elektroden (6), die an dem ersten Wabenkörper (12) befestigt sind, sich über die erste Rückseite (26) hinaus mit einer ersten Länge (8) in den Zwischenraum (15) erstrecken und mit einem ersten Abstand (16) zur zweiten Vorderseite (25) des zweiten Wabenkörpers (13) positioniert sind. Weiterhin wird auch ein Verfahren zur Behandlung von Partikel aufweisendem Abgas von Kraftfahrzeugen angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Potentials bzw. eines elektrischen Feldes und/oder Plasmas. Mit diesem Plasma sollen Rußpartikel in einer Abgasströmung zumindest agglomeriert oder elektrisch aufgeladen werden, so dass eine Ablagerung der Partikel in einem Partikelfilter begünstigt wird. Eine derartige Abgasbehandlungsvorrichtung kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
Bei Kraftfahrzeugen mit mobilen Verbrennungskraftmaschinen und insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit Dieselantrieb sind regelmäßig Mengen an Rußpartikeln in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthalten, welche nicht in die Umwelt abgegeben werden dürfen. Dies ist durch entsprechende Abgasverordnungen vorgegeben, die Grenzwerte für die Anzahl und die Masse an Rußpartikeln pro Abgasgewicht oder Abgasvolumen sowie teilweise auch für ein gesamtes Kraftfahrzeug vorgeben. Rußpartikel sind insbesondere nicht verbrannte Kohlenstoffe und Kohlenwasserstoffe im Abgas.
Es ist bekannt, dass durch die Bereitstellung eines elektrischen Feldes und/oder eines Plasmas eine Agglomeration von kleinen Rußpartikeln zu größeren Rußpartikeln und/oder eine elektrische Ladung bei Rußpartikeln bewirkt werden. Elektrisch geladene Rußpartikel und/oder größere Rußpartikel sind regelmäßig in einem Filtersystem deutlich einfach abzuscheiden. Rußpartikel-Agglomerate werden aufgrund ihrer größeren Massenträgheit in einer Abgasströmung träger transportiert und lagern sich an Umlenkstellen einer Abgasströmung somit einfacher ab. Elektrisch geladene Rußpartikel werden aufgrund ihrer Ladung hin zu Oberflächen gezogen, an welchen sie anlagern und ihre Ladung abgeben. Auch dies erleichtert die Entfernung von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom im Betrieb von Kraftfahrzeugen.
Die bereits vorgeschlagenen Systeme zur Erzeugung bzw. (zeitweisen) Aufrechterhaltung eines elektrischen Feldes und/oder Plasmas sind meist technisch sehr komplex und/oder unzureichend hinsichtlich des Wirkungsgrades. Ebenso konnten Probleme bei der Ausbildung eines gleichmäßigen und/oder gezielt auf die Abgasströmung eingestelltes elektrisches Feld identifiziert werden. Jedenfalls erscheint bisher noch kein System reif für eine Serienfertigung im Automobilbau.
Der hier vorliegenden Erfindung liegen nunmehr die Aufgaben zugrunde, die mit dem Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes für ein mobiles Abgasbehandlungssystem zu offenbaren. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Behandlung eines Abgases angegeben werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den jeweils abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Abgasbehandlungsvorrichtung, aufweisend wenigstens:

– einen ersten zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Wabenkörper mit einer ersten Vorderseite und einer ersten Rückseite,
– einen zweiten zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Wabenkörper mit einer zweiten Vorderseite und einer zweiten Rückseite, einen Zwischenraum zwischen dem ersten Wabenkörper und dem zweiten Wabenkörper,
– eine Spannungsversorgung zur Ausbildung eines elektrischen Potentials zwischen dem ersten Wabenkörper und dem zweiten Wabenkörper, sowie
– eine Vielzahl von Elektroden, die an dem ersten Wabenkörper befestigt sind, sich über die erste Rückseite hinaus mit einer ersten Länge in den Zwischenraum erstrecken und mit einem ersten Abstand zur zweiten Vorderseite des zweiten Wabenkörpers positioniert sind.

Bei einer derartigen Abgasbehandlungsvorrichtung kann ein elektrisches Feld mit Hilfe der Spannungsquelle zwischen den Elektroden (erster Pol) am ersten Wabenkörper und dem zweiten Wabenkörper (zweiter Pol) erzeugt werden. Die Elektroden wirken dabei im Wesentlichen als punktförmige Elektroden gegenüber einer flächigen Elektrode, die mit der zweiten Vorderseite des zweiten Wabenkörpers gebildet ist. Eine derartige Anordnung ist zur Erzeugung eines elektrischen Feldes und/oder zur Ausbildung eines Plasmas besonders geeignet, weil an den punktförmig wirkenden Elektroden regelmäßig elektrische Ladungen aufgrund einer starken Konzentration des elektrischen Feldes in diesem Bereich austreten. Die Vielzahl der Elektroden verbessert wesentlich die Ausgestaltung eines gezielt vorgegebenen Feldes im Zwischenraum.
Der erste Wabenkörper und/oder der zweite Wabenkörper weisen bevorzugt metallische Komponenten auf, die elektrisch leitfähig sind. Neben extrudierten Wabenkörpern, die zumindest teilweise mit solchen Materialien aufgebaut sind, finden insbesondere Wabenkörper Anwendung, die mit zumindest einer wenigstens teilweise strukturierten Metallfolie aufgebaut sind (ggf. auch aus Stapeln mit abwechselnd glatten und gewellten Metallfolien). Der erste Wabenkörper und/oder der zweite Wabenkörper weist bevorzugt sich von der Vorderseite zur Rückseite erstreckende (gerade und/oder parallel verlaufende) Kanäle auf, die ggf. von durchbrochenen Kanalwänden gebildet sind. Der erste Wabenkörper und/oder der zweite Wabenkörper weisen bevorzugt eine Kanaldichte von zwischen 50 cpsi und 1000 cpsi, vorzugsweise ca. 600 cpsi [Kanäle pro Quadratzoll] auf. Damit werden über den Querschnitt ausreichend Anbindungspunkte für die Elektroden bereitgestellt, so dass die flächige bzw. räumliche Ausprägung des elektrischen Feldes sehr genau eingestellt werden kann. Wenigstens ein Teil der Elektroden, bevorzugt alle Elektroden, sind nach Art von (geradlinigen) metallischen Stiften mit einem Durchmesser von zwischen 0,5 mm und 3 mm, vorzugsweise 1 mm bis 2 mm [Millimeter], ausgebildet.
Ein signifikantes Bauteil dieser Abgasbehandlungsvorrichtung ist daher der erste Wabenkörper, der maßgeblich zur Bereitstellung der gesamten Anordnung zur Ausbildung des elektrischen Feldes ist. Dieser lässt sind demnach unabhängig von der Gesamtanordnung wie folgt beschreiben: Zumindest teilweise elektrisch leitfähiger Wabenkörper mit einer ersten Vorderseite und einer ersten Rückseite, wobei sich eine Vielzahl von Elektroden, die an dem ersten Wabenkörper befestigt sind, über die erste Rückseite hinaus mit einer ersten Länge erstrecken.
Die Elektroden sind bevorzugt mit dem Wabenkörper elektrisch leitend verbunden, z. B. verlötet oder verschweißt. Die Anzahl der Elektroden beträgt bevorzugt mindestens 10 oder sogar mindestens 30.
Bevorzugt ist im Hinblick auf die Bereitstellung der Elektroden, wenn die erste Länge, mit der die Elektroden über die erste Rückseite des ersten Wabenkörpers überstehen, mindestens 2 mm [Millimeter], vorzugsweise mindestens 3 nun beträgt. Die erste Länge sollte zudem maximal 20 mm, vorzugsweise maximal 15 mm und besonders bevorzugt maximal 10 mm betragen. Bevorzugt ist, dass alle Elektroden die obigen Anforderungen erfüllen, wobei gegebenenfalls zumindest für einen Teil der Elektroden gleichwohl unterschiedliche erste Längen vorgesehen sein können.
Durch diese Ausprägung der ersten Länge (bzw. des Überstandes) der Elektroden ist einerseits sichergestellt, dass sich das elektrische Feld nur zwischen den Elektroden und dem zweiten Wabenkörper und nicht zwischen dem zweiten Wabenkörper und dem ersten Wabenkörper ausbildet. Gleichzeitig ist eine ausreichende Kompaktheit und mechanische Stabilität der Abgasbehandlungsvorrichtung gewährleistet. Die erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung hat den Vorteil, dass die Position der Elektroden besonders präzise eingestellt werden kann und somit ein besonders genau definiertes elektrisches Feld bzw. Plasma im Zwischenraum betrieben werden kann. Somit kann die erste Länge (bzw. der Überstand) der Elektroden in Abhängigkeit der Spannungsversorgung, der zu behandelnden Abgasströmung und/oder den räumlichen Gegebenheiten, gezielt angepasst werden.
Weiterhin vorteilhaft ist die Abgasbehandlungsvorrichtung weitergebildet, wenn die erste Länge bei mindestens einer Elektrode von der ersten Länge der übrigen Elektroden verschieden ausgeführt ist. Auf diese Art kann im Bereich der mindestens einen längeren bzw. kürzeren Elektroden ein konzentriertes bzw. aufgeweitetes elektrisches Feld hin zur zweiten Vorderseite des zweiten Wabenkörpers erzeugt werden. Dies kann beispielsweise im zentralen Bereich der Wabenkörper sinnvoll sein, wo ein erhöhter Abgasstrom auftritt und somit auch mehr Partikel abgelagert werden müssen.
Neben der ersten Länge können sich der Elektroden (alternativ oder kumulativ) zumindest hinsichtlich einer der nachstehenden Eigenschaften voneinander unterscheiden:

– Material,
– Orientierung (zur Strömungsrichtung, zur Vorderseite und/oder Rückseite, etc.),
– Entfernung zur benachbarten Elektrode,
– Anbindung an den ersten Wabenkörper (Kontaktfläche, Kontaktlänge, Verbindungsmittel, etc.),
– Stromzufuhr (Spannungsquellen, elektrische Verbindungsleiter, etc.),
– Form (Stab, Mehrzack, Platte, etc.)

Auch vorteilhaft ist die Abgasbehandlungsvorrichtung, wenn zumindest die erste Rückseite des ersten Wabenkörpers oder zumindest die zweite Vorderseite des zweiten Wabenkörpers eine nicht-plane Form aufweist. Durch eine derartige Anordnung kann die Strömungsverteilung über den Querschnitt durch die Wabenkörper beeinflusst werden. Beispielsweise können die Kanäle der Wabenkörper durch eine nicht-plane Form eines Wabenkörpers unterschiedlich lang ausgebildet sein. Somit kann auch der Aufbau des Wabenkörpers bzw. die herrschende Abgasströmung an das erzeugbare elektrische Feld angepasst werden.
Zudem ist möglich, dass die erste Rückseite des ersten Wabenkörpers und/oder die zweite Vorderseite des zweiten Wabenkörpers eine von einer planen (mit anderen Worten ebenen bzw. in einer Ebene liegenden) Fläche abweichende Form aufweisen, wobei diese Formunterschiede (bzw. über den Querschnitt verschieden lang ausgeführten Zwischenraum) durch eine Variation der ersten Länge der Elektroden ausgeglichen werden. Im Ergebnis kann so gleichwohl der erste Abstand zwischen den Elektroden und dem zweiten Wabenkörper an jeder Stelle gleich eingestellt sein, obwohl die erste Rückseite des ersten Wabenkörpers von der zweiten Vorderseite des zweiten Wabenkörpers unterschiedlich weit entfernt angeordnet ist.
Bevorzugt ist weiter, dass die mindestens eine Elektrode eine kegelförmig zulaufende Spitze aufweist. Bevorzugt ist weiter, dass alle Elektroden eine solche Spitze aufweisen. Durch eine kegelförmig zulaufende Spitze kann eine größere Konzentration des elektrischen Feldes im Bereich dieser Spitze erreicht werden, wodurch die Bildung eines elektrischen Feldes bzw. Plasmas zwischen den Elektroden und dem zweiten Wabenkörper weiter begünstigt wird. Gleichzeitig können die Stifte, aus denen die Elektroden bestehen, eine gewisse Dicke aufweisen, die größer ist als der Querschnitt der Spitze, wodurch eine hohe mechanische Stabilität der Elektroden und eine gute Befestigung der Elektroden in dem ersten Wabenkörper erreicht wird.
Gerade im Hinblick auf die Anwendung im Kraftfahrzeug hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der erste Abstand zwischen 5 mm und 100 mm beträgt. Ganz besonders bevorzugt ist der Bereich von 25 mm bis 40 mm. Es wurde herausgefunden, dass derartige erste Abstände zur Ausbildung eines elektrischen Feldes bzw. Plasmas besonders vorteilhaft sind.
Weiter wird auch vorgeschlagen, dass eine den Zwischenraum umgebende Isolierung vorgesehen ist. Der erste Wabenkörper ist gegen den Rest des Abgassystems und insbesondere auch gegen eine umgebende Abgasleitung generell elektrisch zu isolieren, damit eine Spannung (nur) zwischen den Elektroden und dem zweiten Wabenkörper aufgebaut werden kann. Eine elektrische Isolierung, welche den Zwischenraum umgibt, ist auch deswegen vorteilhaft, damit ein elektrisches Feld sich nur zwischen den Elektroden und dem zweiten Wabenkörper und nicht zwischen den Elektroden und der Wandung der Abgasleitung ausbildet. Auch möglich ist ein elektrisches Feld zwischen der Wandung und den Elektroden dadurch zu vermeiden, dass der Abstand von den Elektroden zur Wandung jeweils größer ist als der Abstand von den Elektroden zum zweiten Wabenkörper. Besonders bevorzugt ist als elektrische Isolierung zwischen den beiden Wabenkörpern ein Ring aus Polymethylmethacrylat oder einem ähnlichen Material vorgesehen.
Auch möglich ist die elektrische Isolierung zumindest eines Wabenkörpers aus Glimmer auszuführen. Glimmer ist insbesondere ein klar durchsichtiges Material (Aluminosilikat) mit einem hohen dielektrischen Widerstand; es ist beständig gegen eine konstante Arbeitstemperatur von zumindest 550°C und hat einen Schmelzpunkt von ca. 1250°C. Darüber hinaus ist Glimmer beständig gegen fast alle Medien wie z. B. Alkalien, Chemikalien, Gasse, öle und Säuren. Die Glimmer-Isolierung kann beispielsweise als Lagermatte so ausgebildet sein, so dass sie gleichzeitig auch Ausdehnungsdifferenzen augrund von Temperaturdifferenzen zwischen erstem Wabenkörper und/oder zweitem Wabenkörper einerseits und der Abgasleitung andererseits kompensiert. Die elektrische Isolierung sollte eine Durchschlagsfestigkeit gegenüber elektrischen Spannungen von zumindest 20 kV [Kilovolt – 20.000 Volt], vorzugsweise von zumindest 30 kV [Kilovolt – 30.000 Volt] aufweisen.
Gemäß einer Weiterbildung der Abgasbehandlungsvorrichtung ist die Spannungsquelle zur Erzeugung einer elektrischen Spannung von maximal zwischen 5 kV [Kilovolt – 5.000 Volt] und 30 kV [Kilovolt – 30.000 Volt] zwischen dem ersten Wabenkörper und dem zweiten Wabenkörper eingerichtet ist. Die Versorgung der Elektroden mit Spannung erfolgt regelmäßig (einzeln, gemeinsam und/oder gruppiert) über den elektrisch leitfähigen ersten Wabenkörper. Damit wird hier insbesondere eine Hochspannungsversorgung vorgeschlagen. Bei einem Abstand zwischen 5 mm und 50 mm und einer Spannung von 5 kV [Kilovolt] können mittlere Feldstärken im Zwischenraum von oberhalb 1 Mio. V/m [Volt pro Meter] erreicht werden. Im Bereich der Elektroden erfolgt aufgrund der punktförmigen Form der Elektroden noch eine Konzentration des elektrischen Feldes, die deutlich über diesen Wert hinausgeht. Derartige elektrische Felder sind zur Ausbildung eines Plasmas besonders geeignet. Die hohe Feldkonzentration im Bereich der Elektroden begünstigt den Austritt von Elektronen aus den Elektroden.
Weiter wird als vorteilhaft angesehen, wenn der erste Wabenkörper zumindest eine wenigstens teilweise strukturierte Metallfolie und der zweite Wabenkörper zumindest ein Filtermaterial aufweist. Eine teilweise strukturierte Metallfolie kann auch im zweiten Wabenkörper vorgesehen sein. Eine zumindest teilweise strukturierte Metallfolie ist regelmäßig elektrisch leitfähig und kann somit die Spannungsversorgung der Elektroden gewährleisten. Die zumindest teilweise strukturierte Metallfolie kann zu dem Wabenkörper gewunden, gewickelt und/oder gestapelt sein. Das Filtermaterial des zweiten Wabenkörpers ermöglicht eine effektive Ablagerung der agglomerierten bzw. der elektrisch geladenen Rußpartikel im zweiten Wabenkörper. Als Filtermaterial kommt hier bevorzugt ein metallisches Gewebe und/oder Vlies in Betracht, das mit einer Vielzahl von (miteinander verschweißten bzw. verlöteten) Drahtfilamenten gebildet ist. Der zweite Wabenkörper kann dann insbesondere nach Art eines offenen Partikelabscheiders ausgeführt sein, bei dem die Kanäle teilweise mit einer Metallfolie mit Umlenkungen und Öffnungen einerseits und dem Filtermaterial andererseits begrenzt sind, wobei die Kanäle von der zweiten Vorderseite bis hin zur zweiten Rückseite keinen Verschluss aufweisen, dafür aber mehrere Umlenkungen bzw. Öffnungen, mit denen das Abgas mit den Partikeln hin zum Filtermaterial (oder in einen benachbarten Kanal) gelenkt werden.
Zudem wird auch ein Verfahren zur Behandlung von Rußpartikeln im Abgas mit einer erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung vorgeschlagen, wobei wenigstens zeitweise ein elektrisches Feld zwischen dem ersten Wabenkörper und dem zweiten Wabenkörper angelegt wird, so dass wenigstens ein Teil der die Abgasbehandlungsvorrichtung durchströmenden Rußpartikel zumindest ionisiert oder agglomeriert und auf dem zweiten Wabenkörper abgelagert wird.
Dabei ist bevorzugt, dass das Abgas zunächst den ersten Wabenkörper passiert und dabei ggf. mit einem ersten Katalysator in Kontakt gebracht wird, dann den Zwischenraum durchströmt, in dem das elektrische Feld ausgebildet ist, so dass dort eine Ionisierung bzw. Agglomerierung der Rußpartikel einsetzt, und schließlich auf den zweiten Wabenkörper trifft, wo bevorzugt die Rußpartikel abgeschieden werden. Das gereinigte Abgas verlässt dann die Abgasbehandlungsvorrichtung nach dem Austreten aus der zweiten Rückseite.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin vorteilhaft, wenn das elektrische Feld mit einer Wiederholrate von zwischen 2 und 30.000 Hz [1/Sekunde], vorzugsweise zwischen 2 und 2.000 Hz und besonders bevorzugt zwischen 50 und 2.000 Hz aktiviert und deaktiviert wird. Eine derartige Wiederholrate ermöglicht eine besonders effektive Erzeugung eines elektrischen Feldes, so dass Rußpartikel zumindest ionisiert werden oder agglomerieren.
Auch vorteilhaft ist das Verfahren, wenn die Wiederholrate in Abhängigkeit der Abgastemperatur geregelt wird. Liefert die Verbrennungskraftmaschine bereits Abgas mit einer Temperatur, welche beispielsweise für eine katalytische Umsetzung geeignet ist, kann die Wiederholrate und/oder der Betrag der Potentialdifferenz reduziert werden.
Zudem wird auch eine Ausführungsvariante des Verfahrens vorgeschlagen, bei der ein erster Teil der Elektroden von einem zweiten Teil der Elektroden verschieden betrieben wird. So können die Elektroden beispielsweise mit getrennten Stromkreisen betrieben werden, also mit anderen Spannungen und/oder Betriebszeiten aktiviert bzw. deaktiviert werden. Somit lässt sich das elektrische Feld in Abhängigkeit der tatsächlichen Abgasströmung anhand von vorgegebenen, berechneten und/oder gemessenen Parametern regeln.
Zur Verhinderung der Ablagerung von Rußpartikeln kann der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung auch ein zusätzlicher Wabenkörper vorgeschaltet sein, der eine durchströmende Abgasströmung vergleichmäßigt und/oder sogar laminarisiert, damit beim Durchströmen der nachgeordneten erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung keine Strömungswirbel mit Todzonen auftreten, die eine Ablagerung von Rußpartikeln begünstigen.
Auch erfindungsgemäß ist ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine sowie eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung zur Behandlung von Abgasen der Verbrennungskraftmaschine.
Die für die erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung geschilderten Vorteile und besonderen Ausgestaltungen sowie die für das erfindungsgemäße Verfahren erläuterten besonderen Verfahrensweisen und Vorteile sind in analoger und technologisch sinnvoller Weise im Rahmen der Erfindung aufeinander übertragbar.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
1: eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung,
2: eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung,
3: eine weitere Ausgestaltung eines ersten Wabenkörpers,
4: eine zusätzliche Ausgestaltung eines ersten Wabenkörpers,
5: eine Draufsicht auf einen ersten Wabenkörper, und
6: ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung.
In den 1 und 2 sind jeweils erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtungen 11 dargestellt. Die Abgasbehandlungsvorrichtungen 11 weisen einen ersten Wabenkörper 12 sowie einen zweiten Wabenkörper 13 auf. Der erste Wabenkörper 12 hat sich von einer ersten Vorderseite 3 zu einer ersten Rückseite 26 erstreckende Kanäle 5. Ebenso hat der zweite Wabenkörper 13 sich von einer zweiten Vorderseite 25 zu einer zweiten Rückseite 27 erstreckende Kanäle 5. Am ersten Wabenkörper 12 sind stiftförmige Elektroden 6 vorgesehen. Die Elektroden 6 stecken mit einer zweiten Länge 21 in Kanälen 5 des ersten Wabenkörpers 12, wobei diese bevorzugt (aber nicht zwingend) so bemessen ist, dass die (Enden 7 der) Elektroden nicht über die erste Vorderseite 3 überstehen. Die zweite Länge 21 kann zumindest für einen Teil der Elektroden 6 verschieden ausgeführt sein, so dass zum Beispiel unterschiedliche (elektrische) Kontaktierungen realisiert sind. Der erste Wabenkörper 12 ist vorzugsweise aus glatten und strukturierten Metallfolien 2 hergestellt. Die Elektroden 6 können an den Metallfolien 2 mittels Löten und/oder Schweißen befestigt sein. Vorzugsweise verschließen die Elektroden 6 diejenigen Kanäle 5, in welche sie stecken, nicht vollständig. Die Metallfolien 2 dienen hier zumindest teilweise als elektrische Leiter, mit denen der Strom (getrennt oder gemeinsam) hin zu den Elektroden geführt wird.
Der zweite Wabenkörper 13 ist in den Ausführungsvarianten aus den 1 und 2 ebenfalls teilweise mit strukturierten Metallfolien 2 aufgebaut, wobei diese hier Umlenkstrukturen 30 aufweisen. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der mehrere Umlenkstrukturen 30 in jedem Kanal 5 angeordnet sind. Zudem weist der zweite Wabenkörper 13 Filtermaterialien 29 auf, vorzugsweise (katalytisch beschichtete) metallische Vliese. In der Abgasströmung enthaltene Rußpartikel können in den Filtermaterialien 29 abgelagert werden. Eine Ablagerung erfolgt insbesondere deshalb (auch ohne wechselweise Verschlüsse der Kanäle), weil eine den zweiten Wabenkörper 13 durchströmende Abgasströmung durch die Umlenkstrukturen 30 wiederholt in Richtung des Filtermaterials 29 abgelenkt wird. Die Umlenkstrukturen 30 verschließen die Kanäle 5 des zweiten Wabenkörpers 13 nur teilweise.
Zwischen dem ersten Wabenkörper 12 und dem zweiten Wabenkörper 13 ist jeweils ein Zwischenraum 15 vorgesehen, in welchem im Betrieb ein elektrisches Feld bzw. Plasma erzeugt werden kann. Der erste Wabenkörper 12 und der zweite Wabenkörper 13 sind mit der ersten Rückseite 26 und der zweiten Vorderseite 25 zueinander (gegenüberliegend) mit einem zweiten Abstand 22 beabstandet. Die Elektroden 6 stehen mit einer ersten Länge 8 aus dem ersten Wabenkörper 12 hervor, so dass zwischen den Elektroden 6 und der zweiten Vorderseite 25 des zweiten Wabenkörpers ein erster Abstand 16 vorliegt. Die Elektroden 6 weisen zudem Spitzen 10 auf, die vorzugsweise kegelförmig sind, um eine verstärkte Konzentration eines elektrischen Feldes im Betrieb an den Spitzen 10 zu erreichen.
Der erste Wabenkörper 12 und der zweite Wabenkörper 13 sind gegeneinander mit einer elektrischen Isolierung 14 isoliert. Zudem existiert eine Spannungsversorgung 18, mittels welcher eine elektrische Spannung zwischen dem ersten Wabenkörper 12 (bzw. den vielen Elektroden) und dem zweiten Wabenkörper 13 (bzw. dessen zweite Vorderfläche) erzeugt werden kann.
Es gibt verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten, wie der erste Wabenkörper 12 und der zweite Wabenkörper 13 gegeneinander isoliert sein können. Der erste Wabenkörper 12 und der zweite Wabenkörper 13 können – wie in 1 gezeigt – mit einer Isolierung 14 versehen sein, welche die gesamte Abgasbehandlungsvorrichtung 11 elektrisch trennt. Gegebenenfalls sind dann ähnliche Isolierungen auch noch vor dem ersten Wabenkörper bzw. nach dem zweiten Wabenkörper ausgebildet, um die übrige Abgasanlage elektrisch zu entkoppeln, wenn z. B. der erste Wabenkörper über das Gehäuse mit elektrischer Energie versorgt wird.
Gemäß der Ausgestaltung in 2 kann der erste Wabenkörper 12 aber auch mit einer Isolierung 14 von der Abgasanlage getrennt sein, so dass die Stromversorgung durch das Gehäuse bzw. die Abgasleitung 20 hindurch mittels eines elektrisch isolierten Anschluss erfolgt. Zur Eingrenzung des elektrischen Feldes bzw. des Zwischenraumes 15 kann ebenfalls eine Isolierung 14 vorgesehen sein, z. B. nach Art eines umlaufenden Ringes, wie in 2 angedeutet. Durch eine derartige ringförmige Isolierung 14 kann verhindert werden, dass zwischen der Abgasleitung 20 und den Elektroden 6 ein elektrisches Feld erzeugt wird.
Gemäß der Ausgestaltung in 1 kann für die Isolierung 14 auch eine Abdeckung 17 vorgesehen sein, durch welche eine Anströmung der Isolierung 14 mit Abgas bzw. Rußpartikeln zumindest teilweise verhindert werden kann. So kann verhindert werden, dass sich Rußpartikel im Bereich der Isolierung 14 ablagern und einen Kurzschluss-Pfad ausbilden.
Eine elektrische Isolierung 14 kann im Betrieb der Abgasbehandlungsvorrichtung 11 regelmäßig von Ablagerungen befreit werden, indem ein kurzer und starker Stromimpuls auf die elektrische Isolierung 14 gegeben wird, der zu einer Erhitzung und schließlich einem Abbrand der Rußpartikel führt. Es können auch mehrere derartige Stromimpulse ausgelöst werden. Beispielweise ist es möglich, eine derartige Abfolge von Stromimpulsen regelmäßig vor Beginn oder zum Beginn der Inbetriebnahme einer erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung auszulösen.
Ein derartiger Stromimpuls kann durch einen kurzen Spannungspeak ausgelöst werden, der über die Isolierung 14 bzw. zwischen erstem Wabenkörper 12 und zweitem Wabenkörper 13 angelegt wird. Ein solcher Spannungspeak kann deutlich oberhalb der normalen Betriebsspannung liegen, also beispielsweise deutlich oberhalb von 30 kV [Kilovolt – 30.000 Volt] und insbesondere deutlich oberhalb von 50 kV [Kilovolt – 50.000 Volt]. Bei derartig hohen Spannungen wird eine elektrische Leitfähigkeit des abgelagerten Rußes auf der elektrischen Isolierung erzeugt, so dass sich ein Stromimpuls bildet. Wichtig ist, dass der Spannungspeak bzw. der Stromimpuls zeitlich sehr kurz sind, so dass nur Ablagerungen von Rußpartikeln abgebrannt werden, aber die Isolierung 14 nicht geschädigt wird.
Die 3 und 4 zeigen weitere Ausgestaltungen bzw. Details von ersten Wabenkörpern 12 einer Abgasbehandlungsvorrichtung. Auch diese ersten Wabenkörper 12 weisen Metallfolien 2 auf, die Kanäle 5 definieren, die sich von einer ersten Vorderseite 3 hin zu einer ersten Rückseite 26 erstrecken. Die Wabenkörper 12 weisen jeweils auch eine Umfangsfläche 4 auf, die die ersten Wabenkörper 12 zwischen der ersten Vorderseite 3 und der ersten Rückseite 26 umgibt. Die Vielzahl von Elektroden 6 ist jeweils in die Kanäle 5 des ersten Wabenkörpers 12 eingepasst und steht mit einer ersten Länge 8 über die erste Rückseite 26 hervor.
Gemäß der Ausgestaltung in 3 kann die erste Länge 8 bei einem Teil der Elektroden 6 verschieden sein (dargestellt sind hier zur Veranschaulichung nur 3 Elektroden, die sich alle unterscheiden (Orientierung, Form, Länge, etc.), das ist aber nicht erforderlich). Bei der Ausgestaltung gemäß der 4 ist die erste Länge 8 der Elektroden 6 gleich. Allerdings ist gemäß der 4 die erste Rückseite 26 konkav geformt. Auch die innen liegenden Enden 7 der Elektroden 6 bilden hier eine konkave Form. Es ist beispielsweise möglich, dass gegenüberliegend zu einem ersten Wabenkörper 12 gemäß 4 ein zweiter Wabenkörper angeordnet ist, der eine entsprechend konvexe Form aufweist, so dass der Zwischenraum zwischen dem ersten Wabenkörper 12 und dem zweiten Wabenkörper gebogen ist. Ebenso ist möglich, dass der erste Wabenkörper 12 konvex ist und der zweite Wabenkörper entsprechend konkav ausgebildet ist. Auch möglich ist, dass der zweite Abstand zwischen erstem Wabenkörper 12 und zweitem Wabenkörper im Bereich des Zwischenraumes variiert und/oder der erste Abstand zwischen den Elektroden 6 und dem zweiten Wabenkörper variiert. So können eine gewünschte Ausbildung des elektrischen Feldes bzw. Plasmas in bestimmten Bereichen des Zwischenraumes und gleichzeitig eine gezielte Beeinflussung der Strömungsverteilung des Abgases über die Wabenkörper erreicht werden.
Die Elektroden können verschiedenartig ausgestaltet sein. In 3 sind drei verschiedene Ausgestaltungen der Enden 7 der Elektroden 6 dargestellt. Die oberste Elektrode 6 weist eine Biegung bzw. einen Knick auf. Die mittlere Elektrode 6 hat eine kegelförmig zulaufende Spitze 10. Alternativ möglich ist, dass eine Elektrode 6 auch eine nach Art eines Schraubenziehers geformte Spitze aufweist, die in Form einer abgeflachten Linie endet. Die unterste Elektrode 6 ist mit einem geraden, platten, oder auch stumpfen Ende 7 ausgeführt. In weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsformen können die Elektroden 6 auch zackig ausgestaltete Enden 7 mit mehreren Spitzen oder abgerundete Enden 7 aufweisen. Die Elektroden 6 haben jeweils einen Durchmesser 9, wobei dieser bei den Elektroden verschieden ausgeführt sein kann.
5 zeigt eine Draufsicht auf die erste Rückseite 26 eines ersten Wabenkörpers 12. In diesem ersten Wabenkörper 12 sind in einzelne Kanäle 5 jeweils Elektroden 6 eingebracht. Der erste Wabenkörper 12 ist aus mehreren Stapeln, umfassend glatte und strukturierte Metallfolien 2, aufgebaut, die so gewunden sind, dass alle Metallfolien mit ihren gegenüberliegenden Kanten an dem Gehäuse des Wabenkörpers anliegen und dort verlötet bzw. verschweißt sind. Es ist möglich, dass der erste Wabenkörper 12 eine erste radiale Zone 23 und eine zweite radiale Zone 24 aufweist und die Dichte der Elektroden 6 sich in der ersten radialen Zone 23 von der Dichte der Elektroden in der zweiten radialen Zone 24 unterscheidet. Auch möglich ist, dass beispielsweise die erste Länge und/oder die Form der Enden bzw. Spitzen der Elektroden 6 in einer ersten radialen Zone 23 und einer zweiten radialen Zone 24 verschieden ausgeführt sind. Insbesondere können sich die Distanzen 28 der Elektroden 6 zueinander in der ersten radialen Zone 23 und in der zweiten radialen Zone 24 voneinander unterscheiden. Ebenso können für die Zonen unterschiedliche Spannungsversorgungen vorgesehen sein, so dass ein unabhängiger Betrieb der Elektroden in den Zonen durchgeführt werden kann. Durch diese Maßnahmen ist eine Variation des elektrischen Feldes über den Querschnitt der Wabenkörper möglich.
6 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 1, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine 19 und eine Abgasleitung 20, wobei an der Abgasleitung 20 eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung 11 vorgesehen ist.
Die Erfindung stellt eine Abgasbehandlungsvorrichtung bereit, die sehr kompakt und damit für den Einsatz im Automobilbau geeignet ist. Weiter ermöglicht sie die genaue Einstellung des elektrischen Feldes, um eine effiziente Reinigung der Abgase zu bewirken. Insbesondere werden die eingangs genannten Probleme hiermit überwunden.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Metallfolie
3: erste Vorderseite
4: Umfangsfläche
5: Kanal
6: Elektrode
7: Ende
8: erste Länge
9: Durchmesser
10: Spitze
11: Abgasbehandlungsvorrichtung
12: erster Wabenkörper
13: zweiter Wabenkörper
14: Isolierung
15: Zwischenraum
16: erster Abstand
17: Abdeckung
18: Spannungsversorgung
19: Verbrennungskraftmaschine
20: Abgasleitung
21: zweite Länge
22: zweiter Abstand
23: erste radiale Zone
24: zweite radiale Zone
25: zweite Vorderseite
26: erste Rückseite
27: zweite Rückseite
28: Distanz
29: Filtermaterial
30: Umlenkstruktur

Claims

Abgasbehandlungsvorrichtung (11) aufweisend wenigstens einen ersten zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Wabenkörper (12) mit einer ersten Vorderseite (3) und einer ersten Rückseite (26), einen zweiten zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Wabenkörper (13) mit einer zweiten Vorderseite (25) und einer zweiten Rückseite (27), einen Zwischenraum (15) zwischen dem ersten Wabenkörper (12) und dem zweiten Wabenkörper (13), eine Spannungsversorgung (18) zur Ausbildung eines elektrischen Potentials zwischen dem ersten Wabenkörper (12) und dem zweiten Wabenkörper (13), sowie eine Vielzahl von Elektroden (6), die an dem ersten Wabenkörper (12) befestigt sind, sich über die erste Rückseite (26) hinaus mit einer ersten Länge (8) in den Zwischenraum (15) erstrecken und mit einem ersten Abstand (16) zur zweiten Vorderseite (25) des zweiten Wabenkörpers (13) positioniert sind.
Abgasbehandlungsvorrichtung (11) nach Patentanspruch 1, wobei die erste Länge (8) bei mindestens einer Elektrode (6) von der ersten Länge (8) der übrigen Elektroden (6) verschieden ausgeführt ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung (11), nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zumindest die erste Rückseite (26) des ersten Wabenkörpers (12) oder zumindest die zweite Vorderseite (25) des zweiten Wabenkörpers (13) eine nicht-plane Form aufweisen.
Abgasbehandlungsvorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der erste Abstand (16) zwischen 5 mm und 50 mm beträgt.
Abgasbehandlungsvorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine den Zwischenraum (15) umgebende Isolierung (14) vorgesehen ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Spannungsversorgung (18) zur Erzeugung einer elektrischen Spannung von mehr als 5 kV zwischen dem ersten Wabenkörper (12) und dem zweiten Wabenkörper (13) eingerichtet ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der erste Wabenkörper (12) zumindest eine wenigstens teilweise strukturierte Metallfolie (2) und der zweite Wabenkörper (13) zumindest ein Filtermaterial (29) aufweist.
Verfahren zur Behandlung von Rußpartikeln aufweisendem Abgas mit einer Abgasbehandlungsvorrichtung (11) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei wenigstens zeitweise ein elektrisches Feld zwischen dem ersten Wabenkörper (12) und dem zweiten Wabenkörper (13) angelegt wird, so dass wenigstens ein Teil der die Abgasbehandlungsvorrichtung (11) durchströmenden Rußpartikel zumindest ionisiert oder agglomeriert wird und auf dem zweiten Wabenkörper (13) abgelagert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 8, wobei ein erster Teil der Elektroden von einem zweiten Teil der Elektroden (6) verschieden betrieben wird.
Kraftfahrzeug (1), aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (19) sowie eine Abgasbehandlungsvorrichtung (11) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 zur Behandlung von Abgasen der Verbrennungskraftmaschine (19).