-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Agglomeration von Partikeln in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeuges.
-
In
EP 0 564 914 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung offenbart, in welcher Rußpartikel aufweisendes Abgas mit vorgegebener Strömungsrichtung in einen Agglomerator einströmt, welcher schräg zu dieser Strömungsrichtung verlaufende Kanäle aufweist. In Abhängigkeit von Kanallänge und Kanalwinkel vergrößern sich dabei die Rußpartikel durch Agglomeration, das heißt, die aus vergleichsweise kurzen Kanälen austretenden, vergrößerten Rußpartikeln sind von geringerer Größe als die aus längeren Kanälen austretenden Rußpartikel.
-
Eine in der
DE 195 12 740 beschriebene Vorrichtung zum Reinigen von Rußpartikel aufweisendem Abgas weist einen in ein Gehäuse eingesetzten Agglomerator auf. Einströmendes Abgas wird teilweise durch schräg verlaufende Kanäle von der Strömungsrichtung abgelenkt, wobei die Rußpartikel entlang dieser Kanäle durch Agglomeration vergrößert werden. Der Austritt von zu kleinen Rußpartikeln wird dadurch verhindert, dass Austrittsquerschnitte von für eine gewünschte Partikelgröße zu kurzen Kanälen mittels einer Hülle verschlossen sind.
-
Eine Vorrichtung zur Erhöhung des Abscheidegrades eines Agglomerators in einem mit Partikeln versetzten Abgasstrom, weist gemäß der
DE 195 15 352 A1 stromauf des Agglomerators einen Anschluss auf, an welchem sowohl ein Fluidspeicher und/oder ein Sammelbereich eines Partikelabscheiders angeschlossen ist. Bei einer solchen Anordnung wird stromauf des Agglomerators ein Stoff, bestehend aus vergleichsweise klein dimensionierten Fluidtröpfchen oder Fluidtröpfchen kombiniert mit Partikeln zugeführt, wodurch sich der Abscheidegrad der im Abgasstrom enthaltenen Partikel erhöht. Bei Zugabe eines Fluids verdampft dieses und kondensiert anschließend an den Partikeln des Abgasstromes. Die Zugabe von Partikeln bewirkt ein Anlagern von kleineren Partikeln aus dem Abgasstrom, was einem ”Einfangen” dieser kleineren Partikel gleich kommt.
-
Aus der
DE 10 2005 034 033 A1 ist ein Verfahren zur Verminderung des Anteils an Partikeln im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, welches folgenden Schritte umfasst: Es erfolgt in einem ersten Schritt die Abscheidung von Partikeln, in einem zweiten Schritt die Agglomeration von Partikeln und in einem dritten Schritt die Umsetzung von Partikeln. Der erste und zweite Schritt werden durch mindestens ein erstes elektrisches Feld und der dritte Schritt durch mindestens ein zweites elektrisches Feld zumindest teilweise bewirkt. Durch den ersten Schritt werden Partikel aus dem Abgas entfernt, so dass die Emission von Partikeln insgesamt sinkt. Der zweite Schritt bewirkt die Vergrößerung der Durchmesser zumindest eines Teils der Partikel im Abgas, so dass insbesondere die Emission von Feinstaub verringert werden kann. Im dritten Schritt wird eine Umsetzung des Kohlenstoffs in den Partikeln zu Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid bewirkt. Die zugehörige Vorrichtung des bekannten Verfahrens zur Verminderung des Anteils an Partikeln im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, weist mindestens ein erstes Feldaufbaumittel zum Aufbau eines ersten elektrischen Feldes und mindestens ein zweites Feldaufbaumittel zum Aufbau mindestens eines zweiten elektrischen Feldes auf, wobei die Feldaufbaumittel so ausgebildet sind, dass das erste elektrische Feld zumindest einen Teil der Partikel im Abgas abscheiden und/oder agglomerieren kann und dass das mindestens eine zweite elektrische Feld eine Umsetzung zumindest eines Teils der Partikel bewirken kann.
-
Es ist somit in verschiedenen Zusammenhängen bekannt, dass sich Rußpartikel agglomerieren lassen. Derzeit befinden sich viele mit unterschiedlichen Systemkomponenten versehene Abgassysteme am Markt. Ferner sind Abgassysteme am Markt deren Systemkomponenten trotz der grundsätzlich gleichen Ausbildung insbesondere bedingt durch die Schwankungen im Herstellungsprozess im Detail unterschiedliche technische Parameter aufweisen. Zur gewünschten Abscheidung der Partikel im Abgas mit hohem Wirkungsgrad sind somit an diese unterschiedlichen Abgassysteme und an unterschiedliche technische Parameter gleicher Systemkomponenten Anpassungen notwendig, worin die Aufgabe dieser Erfindung besteht.
-
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine zur Abscheidung von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln mindestens eine, von dem Abgas durchströmte ein elektrisches Feld erzeugende Vorrichtung zur Agglomeration der Partikel umfasst. Dieser Vorrichtung ist zur Veränderung der elektrischen Feldstärke in einem von dem Abgas durchströmten Abgaskanal eine Steuereinheit zugeordnet, welche durch Veränderung der in der Vorrichtung wirkenden Feldstärke die Größe der zu agglomerierenden Partikel im Abgaskanal beeinflusst.
-
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung eine die Partikel agglomerierende Sprüheinheit, die aus mindestens zwei Elektroden ausgebildet ist. Weitere Details zum Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung sowie den verschiedenen möglichen Anordnungen der Vorrichtung zur Agglomeration in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeuges werden im Beschreibungsteil näher erläutert.
-
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Größe der durch die Vorrichtung zu agglomerierenden Partikel stets in Abhängigkeit ihrer Anordnung im Abgassystem an mindestens eine im Abgassystem vorgeschaltete und/oder nachgeschaltete Systemkomponente angepasst wird.
-
Die Vorrichtung zur Agglomeration wird abkürzend nachfolgend weiter als „Agglomerator” bezeichnet.
-
Für den Agglomerator werden in einem Abgassystem folgende neue Anordnungen vorgeschlagen:
- a) stromab eines im Abgassystem angeordneten (vorgeschalteten) Abgasturboladers und stromauf eines (nachgeschalteten) katalytisch beschichteten Partikelfilters;
- b) stromab eines (vorgeschalteten) motornahen Katalysators und stromauf eines (nachgeschalteten) Partikelfilters im Unterbodenbereich;
- c) stromauf (vorgeschaltet) halboffener Partikelfilter in sogenannten Partikelminderungssystemen;
- d) stromab (nachgeschaltet) von Katalysatoren;
- e) stromauf (vorgeschaltet) von Plasmaabscheidesektionen.
-
Je nach Anordnung des Agglomerators ist vorgesehen, dass die Größe der durch den Agglomerator zu agglomerierenden Partikel in Abhängigkeit ihrer Anordnung im Abgassystem an mindestens eine im Abgassystem vorgeschaltete und/oder nachgeschaltete Systemkomponente angepasst wird.
-
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen und darüber hinaus aus den in der Beschreibung genannten Merkmalen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Agglomeration vor einem Partikelfilter und
-
2 eine Kennlinie einer Partikelgröße über dem Strom in einem durch die Vorrichtung in einem Abgasstrom wirkenden elektrischen Feld.
-
1 zeigt schematisiert ein Teilstück 10 eines Abgaskanals mit angeordneten Elektroden 12, 14. Die Elektroden werden als Anoden 12 und Katoden 14 ausgebildet und sind hinsichtlich ihrer Wirkungsweise parallel zu der Wandung des Abgaskanals angeordnet. Gemäß einiger nachfolgender noch näher beschriebener Anordnungen ist stromab eines Agglomerators 10, 12, 14 ein Partikelfilter S angeordnet. In einigen Anordnungen ist stromab eines Agglomerators kein Partikelfilter S angeordnet, so dass 1 für diese Anordnungen nicht gilt.
-
Die zwischen den im Ausführungsbeispiel hintereinander mehrfach angeordneten Elektroden 12, 14 gebildete Spannungsdifferenz erzeugt im Teilstück 10 ein elektrisches Feld, welches quer zur Längsachse des im Abgaskanal angeordneten Teilstücks 10 orientiert ist. Durch die Mehrfachanordnung wird ein längeres Teilstück 10 des Abgaskanals gebildet, wodurch sich die Wirkung der gewünschten Agglomeration der Partikel erhöhen lässt. Die Agglomeration erfolgt in einer Ausführungsvariante durch das kontinuierlich anliegende elektrische Feld. Ein solches kontinuierlich anliegendes elektrisches Feld kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass zwischen den mindestens zwei beziehungsweise den mehrfach angeordneten Elektroden 12, 14 eine Gleichspannung angelegt wird. Durch diese Gleichspannung baut sich zwischen den Elektroden 12, 14 das elektrische Feld auf.
-
Grundsätzlich beruht die gewünschte Agglomeration der Partikel auf einem Effekt, der darin besteht, dass eine elektrische Ladung auf die Partikel übertragen werden. Dieser Ladungsübertrag kann beispielsweise von der negativ geladenen Elektrode 14 (Kathode) durch Stickstoffionen erfolgen.
-
Grundsätzlich erhalten die Partikel eine negative Ladung. Daraus folgend, übt die positiv geladene Elektrode 12 (Anode) eine Kraft auf die geladenen Teilchen aus und zieht diese an. Dies führt zur Abscheidung und gleichzeitig zur Agglomeration der Partikel an der Anode 12. Bei der Abscheidung der Partikel kommt es gleichzeitig zur Agglomeration der Partikel, indem mehrere Partikel aneinander haften. Es wurde festgestellt, dass diese Bindung zwischen den Partikeln relativ fest ist und selbst dann, wenn sich das vergrößerte Partikel von der Wand des Partikelabscheiders löst, ein Partikel mit einem wesentlich größeren Durchmesser den Agglomerator verlässt als die Partikel, aus denen das gelöste Partikel gebildet wurde. So kann insbesondere die Emission von Feinstaub mit Partikelgrößen von weniger als 10 μm, bevorzugt sogar weniger als 1 μm, verhindert werden.
-
Statt einem kontinuierlich anliegenden elektrischen Feld ist in einer anderen Ausführungsvariante auch ein niederfrequentes elektrischen Feldes ausbildbar. Hierzu wird eine niederfrequente Wechselspannung zum Aufbau des mindestens einen elektrischen Feldes eingesetzt. Die Frequenz dieser Wechselspannung wird so gewählt, dass noch eine ausreichende Menge Energie in das schwingende System eines Teilchens mit einem vorgebbaren mittleren Durchmesser eingebracht werden kann, so dass es noch zu einer wirkungsvollen Abscheidung und Agglomeration solcher Partikel kommen kann. Insbesondere bevorzugt sind hier Frequenzen von weniger als 120 Hz, bevorzugt sogar weniger als 100 Hz, besonders bevorzugt zwischen 70 und 90 Hz.
-
Für beide Ausführungsvarianten gilt, dass je nachdem wie groß die Spannungsdifferenz ist, die zwischen den Spannungspotentialen herrscht, fließt zwischen den Elektroden 12, 14 ein elektrischer Strom. Die Größe des elektrischen Stromflusses zwischen den Spannungspotentialen beeinflusst gemäß der in 2 gezeigten linearen Kennlinie 16 die Größe der Partikel. Durch einen immer größer werdenden Stromfluss zwischen den Elektroden 12, 14 werden somit immer größere Partikel erzeugt.
-
Es werden zwischen den Elektroden 12, 14 Spannungsdifferenzen von 10 bis 25 kV eingestellt, bei denen die Partikel gemäß der linearen Kennlinie 16 mit der ansteigenden Spannungsdifferenz immer größer werden, das heißt immer mehr zur großen Partikeln zusammen wachsen, so dass die Partikel beispielsweise bis zu eine Partikelgröße von 1 bis 10 μm agglomerieren. Dadurch werden Feinstaubbelastungen mit Partikeln unterhalb von 1 μm wirksam vermieden.
-
Dieser beschriebene Effekt wird erfindungsgemäß in den Abgassystemen folgendermaßen ausgenutzt. In einer ersten Ausführungsform gemäß 1 ist ein Agglomerator 10, 12, 14 stromab eines Abgasturboladers (nicht dargestellt) und stromauf eines katalytisch beschichteten Partikelfilters S, insbesondere eines katalytisch beschichteten Diesel-Partikelfilters S, angeordnet.
-
Ein solcher katalytisch beschichteter Diesel-Partikelfilter S erlaubt zusammen mit innermotorischen Maßnahmen eine nahezu vollständige Reduktion von Kohlenmonoxid CO, unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, von Stickoxiden NOX und Rußpartikeln und kann als so genannter Vier-Wege-Partikelfilter betrachtet werden.
-
Dabei tritt das Problem auf, dass die Porengröße des Trägers, trotz gleichen Herstellers und Herstellungsprozesses und/oder die Porengröße des Trägers eines Partikelfilters S beeinflusst von der katalytischen Beschichtung gegebenenfalls nicht exakt einheitlich ist.
-
Innerhalb der im Wesentlichen gleichen Systemkomponente – dem katalytisch beschichteten Partikelfilter S – sind bereits bei einem Wechsel der ausführenden Beschichtungsfirma unterschiedliche Porengrößen im Partikelfilter S zu erwarten. Um hier eine Anpassung der herauszufilternden Partikel im Abgassystem vorzunehmen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Agglomerator 10, 12, 14 zwischen dem vorgeschalteten Abgasturbolader und dem nachgeschalteten katalytisch beschichteten Partikelfilter S anzuordnen. Hierdurch kann über eine Steuereinheit im Motorsteuergerät in Zusammenarbeit mit den vom Partikelfilter S erhaltenen Messdaten und in Abhängigkeit der vom Trägerhersteller und/oder der beschichtenden Firma erhaltenen Porengröße die Partikelgröße der Partikel im Abgasstrom auf die ausgebildete Porengröße im beschichten Träger des Partikelfilters S genau angepasst werden. Durch diese Manipulation, das heißt der gezielten Agglomeration der Partikel kann der Rußeintrag – die verbleibenden Rußmenge – in den Poren des Partikelfilters S beeinflusst werden. Ferner kann hierdurch der Druckaufbau stromauf des Partikelfilters S und somit die Ergebnisse der derzeit verwendeten Druckberechnung zur Bestimmung der sich auf die Partikelfilter S ansammelnden Rußmasse beeinflusst werden. Dadurch ergibt sich für die Partikelfilter S ein höhere Qualität der Partikelrückhaltung und ferner eine verbesserte Regenerationsstrategie, die darin liegt, dass durch die bessere Anpassung der Partikelgröße an die Porengröße des Partikelfilters S mehr Partikel zurückgehalten werden, wodurch sich die notwendigen Regenerationszyklen verkürzen.
-
Da die Porosität – also die Porengröße – des katalytisch beschichteten Partikelfilters S erst nach seiner Herstellung eindeutig festliegt, kann durch jeweils zur Porosität passende gezielte Agglomeration erreicht werden, dass es zu keiner Verbrauchserhöhung durch zu enge Poren im Partikelfilter S oder zur Überschreitung von Abgasgrenzwerten durch eine zur große Anzahl von den Partikelfilter S verlassenden Partikeln kommt. Die durch die Agglomeration hervorgerufene Partikelgröße kann somit erfindungsgemäß an die Porosität des katalytisch beschichteten Partikelfilters S angepasst werden. Mit Hilfe der so genannten Sprüheinheit, also der Vorrichtung zur Agglomeration 10, 12, 14 – wie vorne beschrieben, ist durch variable Ströme, die auf den Elektroden unterschiedliche Spannungsdifferenzen bilden, die Partikelgröße direkt beeinflussbar. Der durch das Teilstück 10 des Abgaskanals strömende Partikelmassenstrom kann somit auf die notwendigen Wunschwerte voreingestellt und kann sogar noch während des Betriebes nachjustiert werden.
-
Die beschriebene Vorgehensweise ist einer zweiten Ausführungsform gemäß 1 für eine Anordnung nutzbar, bei der ein Partikelfilter S getrennt von einem Drei-Wege-Katalysator (CO, HC, NOX) dem Katalysator nachgeschaltet angeordnet ist. In einem solchen Fall ist der Agglomerator 10, 12, 14 dem Partikelfilter S vorgeschaltet, also vor dem Partikelfilter S, insbesondere im Unterbodenbereich, angeordnet.
-
In einer dritten Ausführungsform ist ebenfalls gemäß 1 der Agglomerator 10, 12, 14 stromauf eines halb offenen Partikelfilters S in so genannten Partikelminderungssystemen einsetzbar. Bei diesen so genannten Partikelminderungssystemen handelt es sich um Systeme in Kraftfahrzeugen, die in Ländern mit minderwertigen Kraftstoffen eingesetzt werden. Dabei besteht das Filtersystem im Wesentlichen aus metallischen Bauteilen mit so genannten Taschen, die eine bestimmte Lochgröße zum Zurückhalten von Partikeln aufweisen. Diese Partikelminderungssysteme weisen gegenüber den Ländern, in denen mit hochwertigeren Kraftstoffen gefahren wird, einen geringeren Abscheidegrad von Partikeln zwischen nur 30 und 50% auf. Für solche Systeme wird gemäß der dritten Ausführungsform eine besonders starke Vergrößerung, also eine Agglomeration der Partikel dazu führen, dass sich durch die Vorschaltung des Agglomerators 10, 12, 14 der Abscheidegrad in den Partikelminderungssystemen weit über den geringen Abscheidegrad von 30 bis 50% hinaus erhöhen lässt.
-
Ferner kann in einer vierten Ausführungsform stromab von Drei-Wege-Katalysatoren ohne nachgeschaltete Partikelfilter S, so dass 1 hier nicht zutrifft, ebenfalls ein Agglomerator 10, 12, 14 eingesetzt werden. Der Vorteil besteht hier darin, dass größere Partikel das
-
Abgassystem verlassen, wobei davon ausgegangen wird, dass Rußpartikel mit kleinen Durchmessern (Feinstaub) gesundheitlich größere Schäden hervorrufen, als Partikel mit größeren Durchmessern. Insofern wird hier erfindungsgemäß vorgeschlagen, über einen Agglomerator 10, 12, 14 möglichst große Partikel zu agglomerieren, so dass gesundheitliche Schädigungen reduziert werden können. Zudem wird durch die Agglomeration dafür gesorgt, dass insgesamt die absolute Anzahl von Partikeln reduziert wird, da in den künftigen Grenzwerten, insbesondere auch die Anzahl von Partikeln eine Rolle spielen wird. Durch die entsprechende Agglomeration der Rußpartikel ist die Anzahl der Partikel insgesamt verringerbar. Dieser Vorteil der Verringerung der absoluten Anzahl der Partikel gilt auch für die ersten drei beschriebenen Ausführungsformen und gleichermaßen für die nachfolgend beschriebene fünfte Ausführungsform.
-
Schließlich ist in der fünften Ausführungsform, für die 1 gilt vorgesehen, dass ein Agglomerator 10, 12, 14 stromauf einer Plasmaabscheidesektion angeordnet wird. Bei der Plasmaabscheidung handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Regeneration eines Partikelfilters S unter Verwendung einer in dem Partikelfilter S angeordneten Plasmaabscheidesektion realisierbar ist. Dabei werden die Partikel durch eine nicht-thermische, elektrische Oberflächengleitentladung umgesetzt, wobei die Oberflächengleitentladung an den mit Partikeln belegten Oberflächen ausgelöst wird. Unter einer nicht-thermischen Oberflächengleitentladung wird insbesondere eine in Kontakt mit einer im Allgemeinen elektrisch isolierenden oder nur schwach leitfähigen Oberfläche brennende elektrische Gasentladung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas unter weitgehender Vermeidung einer Gasaufheizung verstanden.
-
Bei einer solchen Oberflächengleitentladung kann der Plasmazustand thermodynamisch nicht durch eine Temperatur beschrieben werden. Die Oberflächengleitentladung kann beispielsweise durch in eine Beschichtung einer Partikelfilterwand oder in eine Partikelfilterwand eingebettete Elektroden und/oder durch Oberflächenelektroden induziert werden.
-
Hierzu werden in einer Ausführungsvariante der fünften Ausführungsforme ebenfalls – wie bei dem Agglomerator 10, 12, 14 – Elektroden an eine Spannungsquelle angeschlossen. Diese Spannungsquelle ist geeignet, eine zeitveränderliche Hochspannung zu erzeugen. Hierbei kann es sich um eine Wechselspannung oder um eine zeitlich repetierbare Impulsspannung handeln. Unter einer Impulsspannung wird in diesem Zusammenhang eine Spannung verstanden, bei der die Dauer des Spannungsimpulses klein gegenüber der durch die Pulswiederholfrequenz gegebenen Periode ist.
-
Diese an den Partikeln stattfindende nicht-thermische Oberflächengleitentladung wird in ihrer Wirkungsweise durch die im Partikelfilter S umzusetzenden Größe der Partikel beeinflusst.
-
Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die Regeneration eines Partikelfilters durch die nicht-thermische, elektrische Oberflächengleitentladung bei größeren Partikeln wirkungsvoller ist, als bei kleineren Partikeln. Außerdem verbessert die vorgeschaltete Agglomeration die Regenerationszyklen des Partikelfilters S derart, dass die Regeneration, weil die Ausscheidung durch die größeren Partikel wirkungsvoller ist, in einem kürzeren Zeitraum durchgeführt wird.
-
Insgesamt wird anhand der beschriebenen verschiedenen Anordnungen des Agglomerators 10, 12, 14 deutlich, dass es durch die im Zusammenhang mit den jeweiligen Anordnungen stehende beschriebene Vorgehensweise sehr leicht möglich ist, die Größe der zu agglomerierenden Partikel in einer Abgasanlage an die vor- und/oder nachgeschaltete Sytemkomponente anzupassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- S
- Partikelfilter
- 10
- Abgaskanal
- 11
- Abgasstrom
- 12
- Anode
- 14
- Katode
- 16
- Kennlinie
- 18
- Stromstärke
- 20
- Partikelgröße
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 0564914 A1 [0002]
- DE 19512740 [0003]
- DE 19515352 A1 [0004]
- DE 2005034033 A1 [0005]
