DE102012210205A1

DE102012210205A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen von Rußbestandteilen aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102012210205A1
Application number: DE201210210205
Authority: DE
Inventors: Oliver Heinold; Ronnie Stirn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2013-12-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Rußbestandteilen aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs durch Beeinflussung der Bewegung der Rußbestandteile durch elektrostatische Ladung (18). Die Rußbestandteile werden zumindest teilweise bereits im Bereich eines Auslassventils der Brennkraftmaschine abgeschieden. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens zum Entfernen von Rußbestandteilen aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Rußbestandteilen aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Durchführung eines Verfahrens zum Entfernen von Rußbestandteilen aus dem Abgas.
Stand der Technik
Es sind Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen die bei einer motorischen Verbrennung entstehenden und anschließend im Abgas enthaltenen Partikel, wie z.B. Rußteilchen, zum leichteren Abscheiden z.B. in Partikelfiltern, Wirbelkammern, Zentrifugen, etc. koaguliert werden, was durch ein elektrostatisches Beladen der Partikel oder durch Aufprägen einer Influenzladung auf die Partikel erfolgt. In beiden Fällen wird zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen einem Gehäuse und z.B. einer konzentrisch angeordneten metallischen Elektrode eine hohe elektrische Spannung angelegt. Elektrisch aufgeladene Partikel lagern sich dabei zu größeren Agglomeraten aneinander, die sich aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichtes in den Abscheidern aussondern lassen. Ein solches Verfahren mit der entsprechenden Vorrichtung zeigt bspw. die DE 31 41 156 A1 .
Dabei kann es durchaus passieren, dass kleinste Partikel als Rußbestandteil gar nicht oder nur teilweise koaguliert werden, so dass diese durch die Partikelfilter nicht herausgefiltert werden können und deshalb ungewollt mit dem Abgas ausgestoßen werden.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Brennkraftmaschine nach dem entsprechenden nebengeordneten Anspruch gelöst.
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, dass Rußbestandteile zumindest teilweise unmittelbar nach ihrer Entstehung im Brennraum, also bereits in einem sehr frühen Stadium aus dem Abgas entfernt werden. Dies geschieht in Strömungsrichtung des Abgases also vor der Anordnung der bekannten Filter, insbesondere des Partikelfilters, in einer Abgasnachbehandlungsanlage, beispielsweise im Bereich des Auslassventils der Brennkraftmaschine.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die relevanten, abscheidbaren Rußbestandteile eine Größe von weniger als 23 nm aufweisen und diese nach der Abscheidung regeneriert werden. Es handelt sich also um Nanopartikel im Abgas, die sehr früh aus dem Abgas entfernt werden und so nicht mehr weiter bei der Abgasnachbehandlung berücksichtigt werden müssen. Da die Rußbestandteile die Bausteine der größeren Rußpartikel sind, ist im erfindungsgemäßen Verfahren die Entstehung von Partikel, die größer als 10 nm beziehungsweise 23 nm sind, zumindest teilweise oder eventuell sogar gar nicht erst möglich.
Insbesondere im Hinblick auf die zukünftige Abgasgesetzgebung (z.B. EURO 6) werden die sehr kleinen Partikel wegen der angekündigten Partikelanzahlbegrenzung an Bedeutung gewinnen und der konventionelle Partikelfilter möglicherweise nicht mehr ausreichen. Die kleinsten Partikel aus der motorischen Verbrennung, deren Anzahl in der künftigen Abgasgesetzgebung begrenzt sein wird, werden durch das erfindungsgemäße Verfahren aus dem Abgas rechtzeitig entfernt. Deshalb kann das erfindungsgemäße Verfahren bei der Durchführung in der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine bei Bedarf den konventionellen Partikelfilter ergänzen oder sogar vollständig ersetzen, da die Nanopartikel zumindest teilweise der Vorläufer der Rußpartikel sind. Partikelemissionen, sowohl in Kraftfahrzeuganwendungen als auch in stationären Anwendungen können unter Umständen komplett vermieden werden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird sich zu Nutze gemacht, dass z.B. durch Massenspektroskopie-Messungen ermittelt worden ist, dass insbesondere die Nanopartikel im Abgas vollständig elektrisch geladen, d.h. ionisiert sind (sog. Flammenionen). In der Regel haben die Nanopartikel Elektronen abgegeben, d.h. die Nanopartikel weisen eine positive elektrische Ladung auf. Das bedeutet, dass im erfindungsgemäßen Verfahren der bekannte Verfahrensschritt zum elektrostatischen Beladen der Partikel oder durch Aufprägen einer Influenzladung auf die Partikel entfallen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht deshalb in einer ersten Ausführungsform vor, dass die Rußbestandteile an einer Fläche eines Brennraums der Brennkraftmaschine abgeschieden und anschließend durch eine motorische Verbrennung im Brennraum regeneriert werden. Dazu weist die Fläche eines Brennraums der Brennkraftmaschine eine elektrostatische Ladung auf. Die elektrostatische Ladung weist bevorzugt eine negative Ladung auf und kann bspw. auf der Kolbenoberfläche angeordnet sein. Die positiv geladenen Nanopartikel werden von der elektrostatischen Ladung angezogen und auf der Kolbenoberfläche abgeschieden. Anschließend werden die Nanopartikel bereits bei der nächsten Verbrennung im Brennraum oxidiert (interne Regeneration). Es müssen für diese Rußbestandteile keine weiteren Maßnahmen in der Abgasnachbehandlung durchgeführt werden.
In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Rußbestandteile an einer Fläche eines Auslassventils der Brennkraftmaschine abgeschieden und regeneriert werden. Dazu ist eine Fläche des Auslassventils der Brennkraftmaschine, z.B. der Ventilteller, elektrostatisch geladen. Die ionisierten Nanopartikel werden von der elektrostatischen Ladung angezogen und auf dem Auslassventil abgeschieden. Anschließend werden die abgeschiedenen Nanopartikel bereits bei der nächsten Verbrennung oxidiert (interne Regeneration). Auch für diese Rußbestandteile müssen dann keine weiteren Maßnahmen in der Abgasnachbehandlung durchgeführt werden.
In einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Rußbestandteile in einem Krümmer der Brennkraftmaschine abgeschieden und regeneriert werden. Dazu weist der Krümmer der Brennkraftmaschine, z.B. an einer Wandung, die elektrostatische Ladung auf. Die ionisierten Nanopartikel werden von der elektrostatischen Ladung angezogen und auf der Wandung des Krümmers abgeschieden. Anschließend können z.B. in vorgegebenen Zeitintervallen die abgeschiedenen Nanopartikel, z.B. durch Aufheizen des Abgases, regeneriert werden (externe Regeneration). Das Aufheizen des Abgases kann dabei z.B. durch eine exotherme Reaktion geschehen. Auch für diese Rußbestandteile müssen dann keine weiteren Maßnahmen in der Abgasnachbehandlung durchgeführt werden.
In einer Weiterbildung ist es möglich, dass der Krümmer ein quer zur Strömungsrichtung des Abgases angeordnetes Gitter mit einer elektrischen Ladung aufweist. In diesem Fall werden die Nanopartikel am Gitter abgeschieden. Die externe Regeneration erfolgt nach dem gleichen Verfahren wie oben beschrieben.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung. Es zeigen:
1 einen Kolben eines Brennraums einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
2 ein bewegbares Ventilelement eines Auslassventils der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
3 einen Krümmer der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; und
4 eine Weiterentwicklung des Krümmers aus 3.
Beispielsweise durch Massenspektroskopie-Messungen ist ermittelt worden, dass insbesondere Nanopartikel als Rußbestandteile im Abgas ionisiert sind (sog. Flammenionen). In der Regel haben die Nanopartikel Elektronen abgegeben, d.h. die Nanopartikel weisen eine positive elektrische Ladung auf. Dies wird erfindungsgemäß ausgenutzt; es ist deshalb keine Aufladung der Rußpartikel nötig, so wie es in den bekannten Verfahren durchgeführt wird.
1 zeigt einen Kolben 10 eines Brennraums 12 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Der Kolben 10 bewegt sich im Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Zylinder 14 auf und ab (vgl. Bezugszeichen 16). In einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist der Kolben 10 eine negative elektrische Ladung (vgl. Bezugszeichen 18) auf. Dadurch werden die positiv geladenen Nanopartikel 20 von dem Kolben 10 angezogen (vgl. Bezugszeichen 22) und werden an der Oberfläche 23 des Kolbens 10 abgeschieden. Bei der nächsten Verbrennung im Brennraum 12 werden die abgeschieden Nanopartikel im Zuge einer internen Regeneration oxidiert bzw. regeneriert. Für diese Rußbestandteile müssen anschließend keine weiteren Maßnahmen in einer Abgasnachbehandlung durchgeführt werden.
2 zeigt ein in der Regel durch eine Nockenwelle betätigtes Auslassventil 24 der Brennkraftmaschine. Durch das Auslassventil 24 verlässt das Abgas den Brennraum der Brennkraftmaschine (in 2 nicht dargestellt). In einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist das Auslassventil 24, insbesondere dessen Ventilteller 26, eine negative Ladung auf (vgl. Bezugszeichen 18). Dadurch werden die ionisierten, positiv geladenen Nanopartikel 20 des Abgases von dem Ventilelement 24 bzw. dem Ventilteller 26 angezogen, so dass sich die Nanopartikel 20 dort abscheiden. Bei der nächsten Verbrennung im Brennraum werden die abgeschieden Nanopartikel im Zuge einer internen Regeneration oxidiert bzw. regeneriert. Für diese Rußbestandteile müssen anschließend keine weiteren Maßnahmen in einer Abgasnachbehandlung durchgeführt werden.
3 zeigt einen (Abgas-)Krümmer 28 der Brennkraftmaschine. Der Krümmer 28 ist in Strömungsrichtung 30 des Abgases unmittelbar hinter dem Auslassventil 24 der Brennkraftmaschine angeordnet und führt sehr heißes Abgas. In einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist eine Wandung des Krümmers 28 eine negative Ladung auf (vgl. Bezugszeichen 18), wobei die ionisierten, positiv geladenen Nanopartikel 20 des Abgases von der Wandung des Krümmers 28 angezogen werden, so dass sich die Nanopartikel 20 dort abscheiden. Anschließend können z.B. in vorgegebenen Zeitintervallen die abgeschiedenen Nanopartikel 20, z.B. durch Aufheizen des Abgases im Krümmer 28, im Zuge einer externen Regeneration oxidiert bzw. regeneriert werden. Das Aufheizen des Abgases kann dabei z.B. durch eine exotherme Reaktion geschehen. Auch für diese Rußbestandteile müssen anschließend keine weiteren Maßnahmen in einer Abgasnachbehandlung durchgeführt werden.
Gemäß einer in 4 gezeigten Weiterbildung der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist es möglich, dass der Krümmer 28 ein quer zur Strömungsrichtung 30 des Abgases angeordnetes Gitter 32 mit einer negativen elektrostatischen Ladung 18 aufweist. In diesem Fall werden die Nanopartikel 20 am Gitter 32 abgeschieden. Die externe Regeneration erfolgt nach dem gleichen Verfahren wie oben beschrieben.
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

DE 3141156 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Entfernen von Rußbestandteilen aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs durch Beeinflussung der Bewegung der Rußbestandteile durch elektrostatische Ladung (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Rußbestandteile zumindest teilweise bereits an einer den Brennraum (12) einer Brennkraftmaschine begrenzenden Fläche (23) abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschiedenen Rußbestandteile eine Größe kleiner 23 nm, insbesondere kleiner 10 nm aufweisen und diese nach der Abscheidung regeneriert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußbestandteile an einem Kolbenboden (23) der Brennkraftmaschine abgeschieden und anschließend durch eine motorische Verbrennung im Brennraum (12) regeneriert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußbestandteile an einer Fläche (26) eines Auslassventils (24) der Brennkraftmaschine abgeschieden und regeneriert werden und anschließend durch eine motorische Verbrennung im Brennraum (12) regeneriert werden.
Verfahren zum Entfernen von Rußbestandteilen aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs durch Beeinflussung der Bewegung der Rußbestandteile durch elektrostatische Ladung (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Rußbestandteile zumindest teilweise bereits in einem Krümmer (28) der Brennkraftmaschine abgeschieden und regeneriert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußbestandteile im Krümmer (28) durch Aufheizen des Abgases regeneriert werden.
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche (23) eines Brennraums (12) der Brennkraftmaschine eine elektrostatische Ladung (18) aufweist.
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslassventil (24) der Brennkraftmaschine eine elektrostatische Ladung (18) aufweist.
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Krümmer (28) der Brennkraftmaschine eine elektrostatische Ladung (18) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmer (28) ein quer zur Strömungsrichtung des Abgases angeordnetes Gitter (32) mit der elektrostatischen Ladung (18) aufweist.