DE102010052003A1

DE102010052003A1 - Vorrichtung zur Behandlung von Rußpartikel enthaltendem Abgas

Info

Publication number: DE102010052003A1
Application number: DE102010052003A
Authority: DE
Inventors: Jan Hodgson; Christian Vorsmann
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-05-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Vorrichtung (1) zur Behandlung von Rußpartikel (2) enthaltendem Abgas gerichtet. Sie umfasst zumindest ein Rohr (3) mit einer Länge (12) zwischen einer ersten Stirnseite (13) und einer zweiten Stirnseite (14) und mit mindestens einer Aussparung (4) in einer Rohrwand (5). Weiter ist mindestens eine metallische Lage (6) vorgesehen, die außen an der Rohrwand (5) befestigt ist, sich über mindestens 20% der Länge (12) in Richtung einer Längsachse (7) des Rohrs (3) erstreckt und einen Umfangsabschnitt (8) der Rohrwand (5) radial überdeckt. Zudem umfasst die Vorrichtung (1) mindestens ein Ionisierungselement (9) zur Ionisierung der Rußpartikel (2). Mit der Vorrichtung (1) kann ein hoher Abscheidegrad von Rußpartikel (2) in einem Abgasstrom erreicht werden. Durch die Verwendung eines elektrischen Felds und Ionisieren der Rußpartikel (2) kann die Abscheiderate noch weiter erhöht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgas, das unter anderem Rußpartikel enthält. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei der Behandlung von Abgasen mobiler Verbrennungskraftmaschinen im Kraftfahrzeugbereich, insbesondere bei der Behandlung von Abgasen resultierend aus Diesel-Kraftstoff.
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 sind bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Konzepte zur Beseitigung von Rußpartikeln aus Abgasen mobiler Verbrennungskraftmaschinen diskutiert worden. Neben wechselseitig geschlossenen Wandstromfiltern, offenen Nebenstromfiltern, Schwerkraftabscheidern etc. sind auch bereits Systeme vorgeschlagen worden, bei denen die Partikel im Abgas elektrisch aufgeladen und dann mit Hilfe elektrostatischer Anziehungskräfte abgelagert werden. Diese Systeme sind insbesondere unter der Bezeichnung „elektrostatischer Filter” bzw. „Elektrofilter” bekannt.
Bei „Elektrofiltern” werden 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. Elektrisch geladene Rußpartikel und/oder größere Rußpartikel sind regelmäßig in einem Filtersystem deutlich einfacher 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.
So wurden für solche Elektrofilter bereits der Einsatz mehrerer Sprühelektroden und Kollektorelektroden vorgeschlagen, die in der Abgasleitung positioniert werden. Dabei werden bspw. eine zentrale Sprühelektrode, welche etwa mittig durch die Abgasleitung verläuft, und eine umgebende Mantelfläche der Abgasleitung als Kollektorelektrode dazu genutzt, einen Kondensator auszubilden. Mit dieser Anordnung von Sprühelektrode und der Kollektorelektrode wird quer zur Strömungsrichtung des Abgases ein elektrisches Feld gebildet, wobei die Sprühelektrode bspw. mit einer Hochspannung betrieben werden kann, die im Bereich von ca. 15 kV [15.000 Volt] liegt. Hierdurch können sich insbesondere Corona-Entladungen ausbilden, durch welche die mit dem Abgas durch das elektrische Feld strömenden Partikel unipolar aufgeladen werden. Aufgrund dieser Aufladung wandern die Partikel durch die elektrostatischen Coulombkräfte zur Kollektorelektrode.
Neben Systemen, bei denen die Abgasleitung als Kollektorelektrode ausgeführt ist, sind auch Systeme bekannt, bei denen die Kollektorelektrode bspw. als Drahtgitter ausgebildet ist, dabei erfolgt die Anlagerung von Partikeln an dem Drahtgitter zu dem Zweck, die Partikel ggf. mit weiteren Partikeln zusammenzuführen, um so eine Agglomeration zu realisieren. Das das Gitter durchströmende Abgas reißt dann die größeren Partikel wieder mit und führt sie klassischen Filtersystemen zu.
Bei der Regenerationen von Filtersystemen ist neben der intermittierenden Regeneration durch kurzzeitiges Aufheizen, das heißt Verbrennen des Rußes (katalytisch motivierte, oxidative Umsetzung), auch bekannt, Ruß mittels Stickstoffdioxid (NO₂) umzuwandeln. Der Vorteil der kontinuierlichen Regeneration mit Stickstoffdioxid ist, dass die Umwandlung von Ruß hier bereits bei deutlich tieferen Temperaturen (insbesondere kleiner 250°C) stattfinden kann. Aus diesem Grund ist die kontinuierliche Regeneration in vielen Anwendungsfällen bevorzugt. Das führt jedoch zu dem Problem, dass sichergestellt sein muss, dass das Stickstoffdioxid im Abgas mit den angelagerten Rußpartikeln in ausreichendem Umfang in Kontakt kommt.
Auch in diesem Zusammenhang ergeben sich technische Schwierigkeiten bei der Realisierung eines dauerhaften Betriebes solcher Abgasanlagen bei Kraftfahrzeugen, wobei die unterschiedlichen Belastungen der Verbrennungskraftmaschinen zu unterschiedlichen Abgasströmen, Abgaszusammensetzungen und/oder Temperaturen führen.
Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass bei der Bereitstellung solcher Komponenten für ein solches Ruß-Abscheide-System möglichst einfache Komponenten eingesetzt werden sollen, insbesondere auch solche, die sich im Rahmen einer Serienfertigung kostengünstig herstellen lassen.
Auch wenn sich die oben beschriebenen Systeme bislang zumindest in Versuchen geeignet für die Behandlung von Rußpartikeln herausgestellt haben, stellt doch die Umsetzung dieses Konzeptes für den Serienbetrieb bei Kraftfahrzeugen eine große Herausforderung dar. Insbesondere ist es wünschenswert, die Abscheiderate von Rußpartikeln noch weiter zu erhöhen.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Vorrichtung zur Behandlung von Rußpartikel enthaltendem Abgas angegeben werden, die eine hohe Abscheiderate der Rußpartikel ermöglicht.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den jeweils abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und gibt zusätzliche Ausführungsbeispiele an.
Die hier vorgeschlagene Vorrichtung zur Behandlung von Rußpartikel enthaltendem Abgas, umfasst zumindest:

– ein Rohr mit einer Länge zwischen einer ersten Stirnseite und einer zweiten Stirnseite und mit mindestes einer Aussparung in einer Rohrwand,
– mindestens eine metallische Lage, die außen an der Rohrwand befestigt ist, sich über mindestens 20%, bevorzugt über mindestens 80%, besonders bevorzugt über mindestens 95% der Länge in Richtung einer Längsachse des Rohrs erstreckt und einen Umfangsabschnitt der Rohrwand radial überdeckt.

Die hier vorgeschlagene Vorrichtung kann insbesondere Teil einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine sein, welche bevorzugt als Diesel-Motor ausgeführt ist. Die Vorrichtung ist somit insbesondere in einer Abgasleitung der Abgasanlage angeordnet.
Das Rohr der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist einen Einlass an der ersten Stirnseite und einen Auslass an der zweiten Stirnseite auf und ist bevorzugt so mit dem Einlass an die Abgasleitung der Abgasanlage angeschlossen, dass dieses vom Einlass hin Richtung zum Auslass von dem Abgas durchströmt wird. Bevorzugt ist dem Auslass ein Strömungshindernis zugeordnet, so dass sich im Betrieb ein Druckabfall über dem Rohr ausbildet und zumindest ein Teil des Abgases durch die mindestens eine Aussparung in der Rohrwand seitlich bzw. radial strömt. Das Strömungshindernis wird insbesondere durch eine dem Auslass zugeordnete Blende gebildet oder durch ein sich zum Auslass hin verjüngendes Rohr, gegebenenfalls kann der Auslass auch (zeitweise) geschlossen werden. Das Rohr ist hierbei bevorzugt aus Metall gebildet.
Die mindestens eine Aussparung ist bevorzugt als ein Langloch beziehungsweise Schlitz in Richtung der Längsachse des Rohrs ausgeführt, wobei mehrere Aussparungen nebeneinander in der Rohrwand ausgeführt sein können. Demnach sind insbesondere in Umfangsrichtung des Rohres in der Rohrwand voneinander (regelmäßig) beabstandete Aussparungen vorgesehen, die sich insbesondere über einen Großteil der Länge des Rohres erstrecken, z. B. über mindestens 50% oder sogar über mindestens 80% Länge, so dass noch ausreichend Abstand zueinander und zu den Stirnseiten gegeben ist. In diesem Fall ist bevorzugt jeder Aussparung jeweils eine metallische Lage zugeordnet. Demnach ist insbesondere gewünscht, dass die Anordnung der mindestens einen Aussparung (oder eine Reihe von Aussparungen) in etwa der Anordnung der am Rohr positionierten metallischen Lage folgt. Nur der Vollständigkeit halber sei hier auch darauf hingewiesen, dass dieses Ziel mit unterschiedlichen Ausgestaltungen der Aussparung erreicht werden kann (Rundlöcher, etc.), jedoch sollen die Aussparung selbst deutlich größer als die Rußpartikel sein, so dass diese selbst keinen Filtereffekt haben, sondern für die Rußpartikel durchströmbar sind.
Zudem ist eine der Rohrwand zugeordnete Kante der metallischen Lage im Wesentlichen parallel zur der Längsachse des Rohrs ausgerichtet. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Kante der metallischen Lage auch um einige Grad verdreht zu der Längsachse ausgerichtet sein kann. Bevorzugt ist die Kante der metallischen Lage nicht mehr als 10° [Grad], besonders bevorzugt nicht mehr als 3° zu der Längsachse des Rohrs verdreht angeordnet. Die der Rohrwand zugeordnete Kante der metallischen Lage ist in mindestens einem Punkt an der Rohrwand befestigt, wobei die Kante zudem abschnittsweise und/oder auf der gesamten Länge der Kante an der Rohrwand befestigt sein kann. Bevorzugt ist die Kante der metallischen Lage so an der Rohrwand befestigt, dass eine Kompensation von verschiedenen Wärmeausdehnungen von Rohr und metallischer Lage kompensiert werden kann. Die mindestens eine metallische Lage kann dazu auch geeignete Schlitze aufweisen.
Auch wenn es möglich ist, dem Rohr nur eine metallische Lage zuzuordnen, die in Umfangsrichtung des Rohres herum angeordnet ist (einlagig oder (teilweise) mehrlagig), so ist bevorzugt, dass eine Vielzahl solcher metallischen Lagen an dem Rohr befestigt sind. Als Eigenschaft für die metallische Lage ist hervorzuheben, dass diese bevorzugt mit einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist.
Dass die mindestens eine metallische Lage einen Umfangsabschnitt der Rohrwand radial überdeckt, ist so zu verstehen, dass die in einer Ebene orthogonal zu der Längsachse des Rohrs von außen in radialer Richtung auf die Rohrwand projizierte Linie der metallischen Lage zumindest länger ist als eine Dicke der mindestens einen metallischen Lage, bevorzugt aber auch mindestens 20° [Grad], besonders bevorzugt mindestens 90° des Umfanges des Rohres überdeckt. Bevorzugt ist auch, dass die von der Gesamtheit aller metallischen Lagen auf die Umfangsfläche projizierte Linie den gesamten Umfang des Rohres überdeckt, wobei besonders bevorzugt der Umfang mehrmals von der Gesamtheit aller metallischen Lagen überdeckt wird, insbesondere zweimal bis dreimal. Benachbarte metallische Lagen bilden somit Kanäle aus, wobei die mindestens eine metallische Lage Seitenwände der Kanäle zumindest in radialer Richtung darstellen. Das heißt mit anderen Worten auch, dass eine Abgasströmung mit den darin enthaltenen Rußpartikeln nicht radial aus den Aussparungen austreten kann, ohne dass diese auf eine metallische Lage trifft, die diese radiale Strömungsrichtung umlenkt. Hierzu kann die metallische Lage z. B. nach Art einer windschiefen Ebene und/oder als gebogene Ebene ausgestaltet sein.
Bevorzugt weist das Rohr eine Länge zwischen 60 mm [Millimeter] und 600 mm, bevorzugt zwischen 130 mm und 320 mm auf. Das Rohr weist zudem insbesondere einen Durchmesser zwischen 30 mm und 130 mm, bevorzugt zwischen 60 mm und 110 mm auf.
Im Betrieb gelangt Rußpartikel enthaltendes Abgas durch den Einlass in das Rohr. Zumindest ein Teilstrom des Abgases gelangt durch die Aussparungen in der Rohrwand in die von der mindestens einen metallischen Lage gebildeten Kanäle mit einer Geschwindigkeitskomponenten in radialer Richtung. Aufgrund der in radialer Richtung überdeckenden Anordnung der mindestens einen metallischen Lage wird das Abgas an einer Weiterströmung in radialer Richtung gehindert und von der mindestens einen metallischen Lage abgelenkt. Die Rußpartikel können aufgrund ihrer hohen Massenträgheit dieser Ablenkung nicht ummittelbar folgen und gelangen so an die mindestens eine metallische Lage, wo sie sich anlagern können. Die Oberfläche der mindestens einen metallischen Lage bildet somit eine Partikelabscheiderfläche aus. Die an der mindestens einen metallischen Lage angelagerten Rußpartikel können mit weiteren Rußpartikeln zu größeren Rußpartikeln agglomerieren und anschließend z. B. zurück in den Teilabgasstrom gelangen, wobei sie in einem nachgeordneten Filterelement ausgefiltert werden. Bevorzugt ist aber, dass die an der mindestens einen metallischen Lage abgelagerten Rußpartikel regeneriert, also insbesondere in gasförmige Bestandteile (teilweise) umgesetzt werden. Die Regeneration kann dabei bevorzugt kontinuierlich auf Basis der CRT-Methode erfolgen. Hierzu kann der Vorrichtung z. B. ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet sein, in dem (auch) Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid aufoxidiert wird, der dann mit dem Ruß in der Vorrichtung reagiert. Zudem ist auch möglich, dass eine solche oxidativ wirkende Beschichtung in der Vorrichtung selbst realisiert ist, entweder in einer Zone davon oder aber in allen Bereichen (z. B. der metallischen Lagen).
Das den Kanal durchströmende Abgas wird bevorzugt von der mindestens einen metallischen Lage weiter auf einer in Umfangsrichtung gekrümmten, ggf. spiralähnlichen Bahn nach außen geführt. Nach Verlassen des durch die mindestens eine metallische Lage gebildeten Kanals gelangt das Abgas zurück in die Abgasanlage in der der Teilabgasstrom mit der durch den Auslass des Rohres geführten Teilabgasstroms vereinigt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die durch die mindestens eine metallische Lage gebildeten Kanäle zumindest an der axialen Seite auf der Seite des Auslasses verschlossen. Alternativ können die Kanäle an der der an der Rohrwand befestigten Kante gegenüberliegenden Kante miteinander verschlossen sein (z. B. nach Art einer Falte bzw. Tasche) und an der Stirnseite auf der Seite des Auslasses geöffnet. Somit tritt der Teilabgasstrom nur auf der Seite der zweiten Stirnseite aus den durch die metallischen Lagen gebildeten Kanälen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine metallische Lage zumindest eines der folgenden Elemente umfasst:

– eine metallische Folie,
– ein gewelltes metallisches Blech,
– ein metallisches Vlies.

Die Folie hat insbesondere eine Foliendicke kleiner 180 μm [Mikrometer], insbesondere im Bereich von 40 μm bis 110 μm. Das gewellte metallische Blech kann eine ähnliche (gleiche) Blechdicke aufweisen, wobei eine Wellstruktur vorgesehen ist, die in Umfangsrichtung des Rohres verlaufende Wellenberge und Wellentäler aufweist. Das metallische Vlies ist bevorzugt mit metallischen Feinstdrähten gebildet, die miteinander verschweißt und/oder versintert sind. Bei der Verwendung von metallischem Vlies beträgt die Fläche des in der metallischen Lage verarbeiteten Vlieses zwischen 0,3 m² bis 1,2 m² [Quadratmeter] pro 1 l Hubraum der Verbrennungskraftmaschine, besonders bevorzugt zwischen 0,5 m² und 0,8 m² pro 1 l Hubraum. Selbstverständlich können auch verschiedene metallische Lagen zueinander benachbart vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, dass eine einzelne metallische Lage mehrere Abschnitte (in Längsrichtung und/oder in Umfangsrichtung) aufweist, die jeweils mit einer Folie und/oder einem Blech und/oder einem Vlies gebildet sind.
Bevorzugt ist zudem, dass die mindestens eine metallische Lage selbst Öffnungen und/oder Strukturen, wie z. B. in Form von Schaufeln, aufweist, so dass ein Austausch des Abgases durch die mindestens eine metallische Lage hindurch gewährleistet werden kann. Es ist insbesondere bevorzugt, dass ein gewelltes metallisches Blech mit Erhebungen und Vertiefungen (mehrfach) um das Rohr gewickelt ist, wobei die Vertiefungen (teilweise) an der Rohrwand befestigt sein können und somit Kanäle parallel zu der Längsachse des Rohrs ausgebildet werden. Die Aussparungen in der Rohrwand können sich in diesem Fall in dem durch das gewellte Blech und der Rohrwand gebildeten Kanälen befinden. Zudem weist ein solches gewelltes metallisches Blech bevorzugt Öffnungen bzw. Strukturen auf, so dass das Abgas aus den parallel zu der Längsachse des Rohrs angeordneten Kanälen entweichen kann und in andere Kanäle, die durch das gewellte metallische Blech gebildet werden, gelangen kann. Durch diese Anordnung wird eine Verwirbelung des Abgases erreicht, wodurch die massenträgen Rußpartikel sich vermehrt an den metallischen Lagen ablagern können.
Das Strömungshindernis am Auslass des Rohres, die Aussparungen in der Rohrwand und die Anordnung der mindestens einen metallischen Lage sind so aufeinander abgestimmt, dass durchschnittlich 10% bis 50% des Abgasmassenstroms des ursprünglich in das Rohr eintretenden Abgases im Betrieb durch die Aussparungen in der Rohrwand gelenkt wird und/oder dass im Betrieb der Teilstrom des Abgases, der durch die Aussparungen tritt, eine durchschnittliche Geschwindigkeit zwischen 10 m/s [Meter pro Sekunde] bis 20 m/s, bevorzugt insbesondere zwischen 14 m/s bis 16 m/s aufweist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung mindestens ein Ionisierungselement zur Ionisierung der Rußpartikel umfasst. Das Ionisierungselement umfasst zumindest eine Elektrode, an die eine elektrische Hochspannung zwischen 3 kV [Kilovolt] und 50 kV, bevorzugt zwischen 5 kV und 25 kV, angelegt werden kann. Die Spannung wird im Betrieb insbesondere so eingestellt bzw. geregelt, dass es zu einer Corona-Entladung zwischen der Elektrode und einer Gegenelektrode kommt. Das Ionisierungselement kann als einfache Sprühelektrode oder Stabelektrode gebildet sein. Um nun eine erhöhte Ablenkung der durch das Ionisierungselement ionisierten Rußpartikel zu erhalten, wird (zumindest teilweise) in dem Rohr ein elektrisches Feld erzeugt, das die ionisierten Partikel in Richtung Rohrwand und/oder der metallischen Lagen ablenkt. Das elektrische Feld wird bevorzugt durch eine zentral in dem Rohr angeordnete Elektrode und durch die Ausbildung der Rohrwand als Gegenelektrode erreicht. Die ionisierten Rußpartikel gelangen mit dem Abgasstrom in das Rohr und werden dort durch das erzeugte elektrische Feld radial in Richtung der Rohrwand abgelenkt und gelangen durch die Aussparungen in die durch die mindestens eine metallische Lage gebildeten Kanäle. Zudem kann sich die mindestens eine metallische Lage auf demselben elektrischen Potential wie die Rohrwand befinden, wodurch die ionisierten Rußpartikel zu der mindestens einen metallischen Lage abgelenkt werden. Ein Teil des Abgases, das nicht durch das Ionisierungselement ionisiert wurde, gelangt, wie oben beschrieben aufgrund des Druckunterschieds in die durch die mindestens metallische Lage gebildeten Kanäle. Mit dieser Anordnung wird auch erreicht, das der Teilabgasstrom, der ggf. die Vorrichtung über das Strömungshindernis am Auslass verlässt, im Wesentlichen partikelfrei ist bzw. nur noch einen sehr geringen Anteil von Partikeln aufweist, weil diese aufgrund der elektrischen Ablenkung zuvor hin zur Rohrwand (und durch die Aussparungen) gelenkt wurden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die zur Erzeugung des Felds im Rohr angeordnete Elektrode als das Ionisierungselement ausgebildet. Das Ionisierungselement ist somit zumindest teilweise in dem Rohr angeordnet. Besonders bevorzugt ist, dass das Ionisierungselement mit mindestens einem Viertel der Länge des Rohrs in das Rohr hineinragt. Ganz besonders bevorzugt ist, dass sich das Ionisierungselement zumindest über die Hälfte der Länge des Rohres erstreckt, insbesondere maximal bis hin zu 80% der Länge. In diesem Fall ist die zentral in dem Rohr angeordnete Elektrode insbesondere in Bezug auf ihren Krümmungsradius so dimensioniert, dass eine Ionisierung der Rußpartikel möglich ist. Es ist auch vorstellbar, dass an der Elektrode eine Vielzahl von Elektrodenspitzen angeordnet ist. Gleichzeitig dient die Elektrode zur Erzeugung des elektrischen Felds in dem Rohr.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform weist die mindestens eine metallische Lage eine Krümmung auf. Insbesondere ist eine Krümmung der mindestens einen metallischen Lage um eine Achse gemeint, die im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Rohrs ist. Durch eine solche Krümmung der mindestens einen metallischen Lage wird das in die durch die metallische Lage gebildeten Kanäle eintretende Abgas wiederholt abgelenkt. Die Rußpartikel können aufgrund ihrer größeren Massenträgheit dem durch die gekrümmten Kanalwände vorgegebenen Strömungsverlauf nicht folgen, so dass ein Anlagern der Rußpartikel an der mindestens einen metallischen Lage gefördert wird. Bei einem gewellten metallischen Blech ist nicht die Krümmung der einzelnen Wellenberge und Wellentäler gemeint, sondern die Krümmung der durch eine Mittelung der Erhebungen und Vertiefungen gebildeten Ebene.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine metallische Lage eine Krümmung mit mehreren Krümmungsradien, insbesondere sich (ggf. nur abschnittsweise) kontinuierlich ändernden Krümmungsradien, aufweist. Auch in diesem Fall bezieht sich die Krümmung auf eine Achse, die im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Rohrs angeordnet ist. Eine solche Krümmung der mindestens einen metallischen Lage wird insbesondere dadurch erreicht, dass die mindestens eine metallische Lage mit einer Kante an der Außenseite der Rohrwand befestigt wird und anschließend um die Rohrwand gewickelt wird. In Abhängigkeit von der Anzahl und der Geometrie der verwendeten metallischen Lagen kann eine nur teilweise aber auch eine mehrfache Umwicklung des Rohrs durch eine metallische Lage erfolgen. Die so gewickelten metallischen Lagen weisen mit einem wachsenden Abstand von der der Längsachse des Rohrs einen größeren Krümmungsradius auf. Die von zwei benachbarten metallischen Lagen gebildeten Kanäle weisen somit in einer Frontansicht in Richtung der Längsachse einen spiralähnlichen Verlauf auf.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Abstand benachbarter metallischer Lagen in einem Krümmungsbereich höchstens 20 mm [Millimeter] beträgt, bevorzugt höchstens 10 mm. Der Abstand von einer metallischen Lage zu einer benachbarten metallischen Lage wird dabei in radialer Richtung gemessen. Mit dem angegebenen Abstand ist somit nicht der Abstand der Befestigungspunkte zweier benachbarter metallischer Lagen gemeint. Der Abstand zweier benachbarter metallischer Lagen kann durch einen auf mindestens einer metallischen Lage angeordneten Abstandshalter variiert werden. Bevorzugt wird ein solcher Abstandshalter durch einen Draht oder eine andere Art einer metallischen Lage realisiert, der/die in einer Ebene orthogonal zu der Längsachse des Rohrs verläuft. Ein solcher Abstandshalter bildet somit eine weitere Seitenwand in axialer Richtung eines Kanals, der durch zwei benachbarte metallische Lagen in radialer Richtung begrenzt ist. Insbesondere Rußpartikel, die bei Eintritt in die Kanäle noch eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Längsachse des Rohrs aufweisen, werden somit an dem Abstandshalter abgelagert.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine metallische Lage in mindestens einem Befestigungspunkt außen an der Rohrwand befestigt ist und der mindestens eine Befestigungspunkt einer metallischen Lage gegenüber der Rohrwand elektrisch isoliert ist. Durch eine Isolierung der einen metallischen Lage gegenüber der Rohrwand kann die metallische Lage auf ein anderes elektrisches Potential als die Rohrwand gelegt werden. So können aber auch die metallischen Lagen auf (jeweils) unterschiedliche Potentiale gelegt werden, so dass die geladenen Rußpartikel durch ein zwischen benachbarten metallischen Lagen generiertes elektrisches Feld zusätzlich zu einer metallische Lage abgelenkt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nimmt die mindestens eine Aussparung eine Fläche ein, die höchstens 60% entspricht, bevorzugst höchstens 35% der Fläche der Rohrwand. Die mindestens eine Aussparung nimmt jedoch mindestens eine Fläche ein, die mindestens 10% der Fläche der Rohrwand entspricht. Die mindestens eine Aussparung wird insbesondere so gewählt, dass die mechanische Festigkeit des Rohres einen Grenzwert nicht unterschreitet, aber so groß, dass genügend Rußpartikel durch die Aussparungen in die Kanäle treten können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine metallische Lage elektrisch beheizbar ist. Eine solche elektrische Beheizbarkeit kann durch das Beaufschlagen der mindestens einen metallischen Lage mit einem Stromfluss geschehen. Durch das Aufheizen der mindestens einen metallischen Lage werden die auf der metallischen Lage abgelagerten Rußpartikel thermisch regeneriert. Ausgehend von der einen metallischen Lage, die elektrisch beheizbar ist, können auch die angrenzenden metallischen Lagen regeneriert werden, so dass es sinnvoll sein kann, dass nur eine metallische Lage elektrisch beheizbar ist. Nichtsdestotrotz können auch mehrere oder sogar alle metallische Lagen elektrisch beheizbar sein.
Die Erfindung findet insbesondere Anwendung im Automobilsektor. Daher wird auch ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgassystem hat, wobei das Abgassystem wenigstens eine Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art aufweist.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
1: einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
3: eine Übersicht hinsichtlich der Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ein Kraftfahrzeug.
1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Rohr 3, das eine Mehrzahl (hier nur angedeuteter) Aussparungen 4 in der Rohrwand 5 aufweist. Das Rohr 3 weist an einer ersten Stirnseite 13 einen Einlass auf und ist dort mit einer Abgasleitung 16 verbunden. An einer zweiten Stirnseite 14 weist das Rohr 3 einen Auslass auf, dem eine Blende 17 zugeordnet ist. Das Rohr 3 weist eine Längsachse 7 und eine Länge 12 von der ersten Stirnseite 13 bis zur zweiten Stirnseite 14 auf. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner metallische Lagen 6, die um das Rohr 3 gewickelt sind und so Kanäle 21 ausbildet. Zudem ist zentral in dem Rohr 3 ein Ionisierungselement 9 angeordnet, welches gegenüber der Abgasleitung 16 durch eine Isolierung 18 elektrisch isoliert ist.
Im Betrieb gelangt Rußpartikel 2 enthaltendes Abgas durch die Abgasleitung 16 in das Rohr 3. Durch das Ionisierungselement 9 werden die Rußpartikel ionisiert. Zudem bildet sich zwischen dem Ionisierungselement 9 und der Rohrwand 5 bzw. der metallischen Lagen 6 ein radial ausgerichtetes elektrisches Feld aus. Die ionisierten Rußpartikel 2 werden durch dieses elektrische Feld radial nach außen abgelenkt. Zudem wird durch die Blende 17 ein Druckabfall über dem Rohr 3 generiert, aufgrund dessen ein Teil des Abgasstroms ebenfalls durch die Aussparungen 4 in der Rohrwand 5 treten. Der so in die durch die metallischen Lagen 6 gebildeten Kanäle 21 eingetretene Teilabgasteilstrom mit Rußpartikel 2 wird durch die metallischen Lagen 6 erneut umgelenkt. Die Rußpartikel 2 können aufgrund ihrer Massenträgheit dieser Umlenkung nicht folgen und lagern sich an der metallischen Lage 6 ab. Der aus der Kanälen 21 austretende Teilabgasstrom und der aus dem Auslass des Rohrs 3 austretende Teilabgasstrom werden anschließend wieder vereint. Zumindest für einen Teil des Abgases ist damit durch die Vorrichtung folgende Strömungsrichtung 19 (weiße Pfeile) realisiert: zentrales Einströmen des Abgasstromes in das Rohr 3, radiales Ablenken zumindest eines Teilabgasstromes durch die Aussparungen 4 infolge des Druckanstieges hin zum Auslass, Durchströmen der Kanäle 21 teilweise (auch) in Umfangsrichtung um das Rohr 3, (stirnseitiges und/oder laterales) Verlassen der Kanäle 21, Zusammenführen des (gereinigten) Abgases (ggf. mit dem anderen Teilabgasstrom, der durch den Auslass abgeführt wurde) und gemeinsames Weiterbehandeln des gesamten Abgasstromes.
2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer solchen Vorrichtung 1 zur Abscheidung von Partikeln 2 aus dem Abgas. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Rohr 3 mit einer Rohrwand 5, in der Aussparungen 4 angeordnet sind. Außen an der Rohrwand 5 sind metallische Lagen 6 mit einer Kante 23 in mindestens einem Befestigungspunkt 11 (kann natürlich auch als Schweiß- oder Lot-Naht ausgeführt sein) angebracht. Die Kante 23 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Rohrs 3. Die metallischen Lagen 6 weisen zudem eine Krümmung 22 auf und bilden mit benachbarten metallischen Lagen 6 einen Kanal 21, wobei benachbarte metallische Lagen 6 einen Abstand 15 zueinander aufweisen, der durch Abstandshalter 10 festgelegt wird. Die metallischen Lagen 6 enden an einer gemeinsamen äußeren Umfangsfläche 20. Die metallischen Lagen 6 sind so um das Rohr 3 angeordnet, dass sie radial einen Umfangsabschnitt 8 der Rohrwand 5 überdecken. Zentral in dem Rohr 3 ist ein Ionisierungselement 9 angeordnet. Dabei sind hier zum Zwecke der Veranschaulichung die Dimensionen (insbesondere der Abstand der Lagen zueinander) deutlich überzogen dargestellt, regelmäßig wird die Anordnung deutlich kompakter ausgeführt sein, gerade wenn die Lagen nur mit Drähten oder dergleichen voneinander beabstandet sind.
Im Betrieb gelangt das Rußpartikel 2 enthaltende Abgas in das Rohr 3, wo die Rußpartikel 2 durch das Ionisierungselement 9 ionisiert werden. Durch das zwischen dem Ionisierungselement 9 und der Rohrwand 5 bzw. der metallischen Lagen 6 erzeugte elektrische Feld werden die ionisierten Rußpartikel 2 radial abgelenkt und gelangen. in die Kanäle 21.
Dort können die Rußpartikel der Ablenkung durch die metallischen Lagen 6 nicht folgen und lagern sich an den metallischen Lagen 6 an. Der Abgasteilstrom wird nach Überschreiten der äußeren Umfangsfläche 20 wieder mit dem durch das Rohr 3 geströmte Abgasteilstrom zusammengeführt. In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 1 können die Enden der metallischen Lagen 6 auf der äußeren Umfangsfläche 20 geschlossen sein, wobei das Abgas an der offenen zweiten Stirnseite 14 austreten kann.
3 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 24 mit einer Verbrennungskraftmaschine 29, die ein Abgassystem 25 aufweist. In der Abgasleitung 16 des Abgassystems 25 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 integriert, wobei zuvor ein Oxidationskatalysator 26 vorgesehen ist, der die kontinuierliche Regeneration der Partikel in der Vorrichtung 1 begünstigen soll. Die Vorrichtung 1 ist mit einem Ionisierungselement 9 ausgeführt, dass von einer Kontrolleinheit 27 geregelt mit einer Spannungsquelle 28 verbunden werden kann. Die Kontrolleinheit 27 kann Teil einer Motorsteuerung 30 sein und mit Sensoren 31 (z. B. für den Druck und/oder die Temperatur) des Abgassystems 25 zusammenwirken.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann ein hoher Abscheidegrad von Rußpartikeln in einem Abgasstrom erreicht werden. Durch die Verwendung eines elektrischen Felds und Ionisieren der Rußpartikel kann die Abscheiderate noch weiter erhöht werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Rußpartikel
3: Rohr
4: Aussparung
5: Rohrwand
6: metallische Lage
7: Längsachse
8: Umfangsabschnitt
9: Ionisierungselement
10: Abstandshalter
11: Befestigungspunkt
12: Länge
13: erste Stirnseite
14: zweite Stirnseite
15: Abstand
16: Abgasleitung
17: Blende
18: Isolierung
19: Strömungsrichtung
20: äußere Umfangsfläche
21: Kanal
22: Krümmung
23: Kante
24: Kraftfahrzeug
25: Abgassystem
26: Oxidationskatalysator
27: Kontrolleinheit
28: Spannungsquelle
29: Verbrennungskraftmaschine
30: Motorsteuerung
31: Sensor

Claims

Vorrichtung (1) zur Behandlung von Rußpartikel (2) enthaltendem Abgas, umfassend zumindest – ein Rohr (3) mit einer Länge (12) zwischen einer ersten Stirnseite (13) und einer zweiten Stirnseite (14) und mit mindestes einer Aussparung (4) in einer Rohrwand (5), – mindestens eine metallische Lage (6), die außen an der Rohrwand (5) befestigt ist, sich über mindestens 20% der Länge (12) in Richtung einer Längsachse (7) des Rohrs (3) erstreckt und einen Umfangsabschnitt (8) der Rohrwand (5) radial überdeckt.
Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, wobei die Vorrichtung mindestens ein Ionisierungselement (9) zur Ionisierung der Rußpartikel (2) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Ionisierungselement (9) mit mindestens einem Viertel der Länge (12) des Rohrs (3) in das Rohr (3) hineinragt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die mindestens eine metallische Lage (6) eine Krümmung (22) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die mindestens eine metallische Lage (6) eine Krümmung (22) mit mehreren Krümmungsradien aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Abstand (16) benachbarter metallischer Lagen (6) in einem Krümmungsbereich höchstens 20 mm beträgt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die mindestens eine metallische Lage (6) in mindestens einem Befestigungspunkt (11) außen an der Rohrwand (5) befestigt ist und der mindestens eine Befestigungspunkt (11) einer metallischen Lage (6) gegenüber der Rohrwand (5) elektrisch isoliert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die mindestens eine Aussparung eine Fläche einnimmt, die höchstens 60% der Fläche der Rohrwand entspricht.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die mindestens eine metallische Lage (6) elektrisch beheizbar ist.
Kraftfahrzeug (24) aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (29) mit einem Abgassystem (25), das wenigstens eine Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patenansprüche aufweist.