DE3142482C2 - Elektrostatisches Verfahren zum Schutz von Katalysatoren im Abgasstrom von Ottomotoren vor Vergiftung durch abgelagerte Schadstoffpartikel - Google Patents
Elektrostatisches Verfahren zum Schutz von Katalysatoren im Abgasstrom von Ottomotoren vor Vergiftung durch abgelagerte SchadstoffpartikelInfo
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Abstract
Der Schutz von Katalysatoren im Abgasstrom von Ottomotoren durch elektrostatische Abscheidung der Schadstoffpartikel ist bekannt, jedoch lassen elektrostatische Filter während des Betriebs in ihrer Wirksamkeit stark nach, weil die Filterflächen bald vollständig belegt sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das elektrostatische Filter nur bei solchen Abgastemperaturen betrieben, bei denen die Schadstoffpartikel eine schädigende Wirkung auf den Katalysator ausüben. Bevorzugt unterhalb einer Temperatur von etwa 200 ° C wird keine Abscheidung vorgenommen. Dadurch wird erreicht, daß die Filterflächen immer wieder freigeblasen werden und das Filter stets wirksam bleibt. Das Freiblasen kann durch eine Systemumpolung unterstützt werden.
Description
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Zur Reduzierung des Gehalts schädlicher Bestandteile im Abgas von Ottomotoren ist es bekannt, den Abgasstrom
einer katalytischen Nachverbrennung an Abgaskatalysatoren zu unterwerfen oder die Zusammen-Setzung
des dem Motor zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches mittels im Abgasstrom angebrachter Meßfühler,
sogenannter /2-Sonden, zu regeln, die ebenfalls über eine katalytisch aktive Zone verfugen und auf den
Gehalt an Sauerstoff und unverbrannten Kohlenwasserstoffen reagieren.
Bei der Verwendung bleihaltiger Kraftstoffe werden diese Katalysatoren jedoch durch die im Abgas befindlichen
Schadstoffpartikel, insbesondere Blei-, aber auch Schwefel- oder Rußpartikel, innerhalb kurzer Zeit inaktiviert.
Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, diese Partikel aus dem Auspuffgasstrom aufwärts vom Katalysator
durch elektrostatische Abscheidung zu entfernen (DE-OS 21 39 775).
Die Abscheidung der Bleipartikel aus dem Abgasstrom mittels elektrostatischer Filter hat noch nicht zu
dem gewünschten Erfolg geführt. Auch bei an sich sehr wirksamen Filtern werden bei hohen Abgasgeschwindigkeiten
und starker Filterbehandlung bereits abgeschiedene Partikel wieder von der Filteroberfläche abgerissen,
die dann den Katalysator schädigen. Ein regelmäßiger Ausbau des Filters und seine Reinigung sind
daher erforderlich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein mit einem elektrostatischen Filter im Abgasstrom
vor dem Katalysator arbeitendes Verfahren derart wciterzuentwickeln, daß die im Abgasstrom befindlichen
Katalysatoren über einen langen Zeitraum vor der Vergiftung durch Schadstoffpartikel geschützt
werden können. 6n
Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch I beschriebene Verfahren gelöst.
Es konnte gefunden werden, daß die Schadstoffpartikel
den Katalysator nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs schädigen, außerhalb dieses Temperaturbereichs
findet keine oder nur eine ganz geringe Schädigung statt. Aufgrund dieser Temperaturabhängigkeit
sollen nun die Schadstoffpartikel nur innerhalb des schädlichen Temperaturbereichs abgeschieden werden.
Außerhalb des schädlichen Temperaturbereichs wird keine Abscheidung vorgenommen und die bereits
abgeschiedenen Schadstoffpartikel werden durch den Auspuffgasstrom und die Rüttelbewegungen des Fahrzeugs
von der Abscheideelektrode entfernt Die Entfernung ist besonders gründlich, wenn das Abscheidesystem
umgepolt wird und die abgeschiedenen Teilchen von der Abscheideelektrode abgestoßen werden. Durch
diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Filteroberfläche immer regeneriert wird, daß keine Oberladung des
Filters auftritt und daß bei der Abscheidung immer ein Filter mit frischer Oberfläche vorliegt.
Die Aufladung der Schadstoffpartikel erfolgt im elektrostatischen Feld einer Ladungsstrecke vor dem Katalysator
mittels einer Hochspannungsquelle, wie sie bei der elektrostatischen Partikelabscheidung mit Gleichstrom
üblich und z. B. in Perry, Chemical Engineers Handbook, McGraw-Hill 1973, Seiten 20-103 bis
20— 1 !5 eingehend beschrieben ist. Die Erzeugung des
ionisierenden elektrischen Feldes erfolgt vorteilhaft zwischen einer konzentrisch im Auspuffrohr angebrachten
Drahtelektrode und dem als Gegenelektrode (Abscheideelektrode) wirkenden Auspuffrohr. Die Drahtelektrode
kann auch zur Erhöhung der Wirksamkeit mit Borsten, Stacheln und dergleichen versehen sein. Bei
größeren Auspuffrohrdurchmessern können auch mehrere Drahtelektroden zur Anwendung kommen. Die an
die Drahtelektrode angelegte Hochspannung beträgt etwa 10 bis 40 kV. Unterhalb 10 kV ist die Wirkung zu
gering, oberhalb 40 kV nimmt die Gefahr von Funkenbildung stark zu. Als Gegenelektrode, an der die Schadstoffpartikel
abgeschieden werden, dient das Auspuffrohr. Die Länge der Abscheidungsstrecke richtet sich
nach der Gasgeschwindigkeit, dem angelegten Potential, dem Auspuffrohrdurchmesser und der Partikelbeweglichkeit
der Schadstoffpartikel und kann unter Anwendung der bekannten Formeln (z. B. Perry, a. a. Ο.)
errechnet werden.
Da die elektrostatische Aufladung von Partikeln temperaturabhängig
ist, wird die Aufladungsstrecke zweckmäßigerweise an einer Stelle im Auspuffstrang angeordnet,
an der die Temperatur der Abgase 800°C nicht übersteigt und die Abgase auch noch heiß genug sind,
um an dem Abgaskatalysator oder an der A-Sonde zu reagieren. Vorzugsweise werden die Partikel negativ
aufgeladen, da sich bei negativer Aufladung höhere Potentiale erreichen lassen. Eine dabei »:twa auftretende
Ozonbildung hat einen zusätzlichen positiven Einfluß auf den Geruch und die Zusammensetzung der Abgase.
Hinter der Abscheidungsstrecke ist im Verlauf des Abgasstranges der Katalysator angeordnet. Der Katalysator
kann gegebenenfalls gleichsinnig mit den Schadstoffpartikeln elektrostatisch aufgeladen werden, um
Schadstoffpartikel, die nicht abgeschieden worden sind, von seiner Oberfläche abzustoßen.
Als Katalysatoren werden üblicherweise Katalysatoren auf Platin-, Rhodium- oder Palladium-Basis benutzt.
Der Temperaturbereich, in dem die im Abgas enthaltenen Schadstoffpartikel schikllich auf den Katalysator
einwirken, ist von der Natur des Katalysators abhängig und muß von Fall zu Fall durch Versuche ermittelt werden,
was jedoch für einen Fachmann keine Schwierigkeiten bietet. Bei den üblichen Abgaskatalysatoren auf
Platin-Basis findet unterhalb einer Abgastemperatur von etwa 2000C praktisch keine Schädigung des Katalysators
mehr statt. Oberhalb dieser Tcmperauirgrenze kann die Abscheidungsvorrichtung immer in Betrieb
sein. Bei sehr hohen Temperaturen geht zwar die Abscheidungseffektivität
stark zarück, es findet aber auch keine Schädigung des Katalysators mehr statt, so daß es
zur Vermeidung von elektrischen Überschlagen vorteilhaft sein kann, die Abscheidungsvorrichtung außer Betrieb
zu setzen.
Durch ein Auspuffrohr von 9 cm Innendurchmesser
wurde ein Abgasstrom aus einem Verbrennungsmotor geleitet, in dem Ottokraftstoff mit einem Bleigehalt von
0,4 g/l verbraucht wurde. Der Abgasstrom hatte ein Volumen von 900 mVh, was einer Fahrgeschwindigkeit für
einen Mittelklasse-PKW von etwa 60 km/h entsprach. In dem Auspuffrohr war ein 90 cm langer zum Auspuffrohr
zentrisch gespannter Draht mit einem Durchmesser von 0,2 cm angebracht. An den Draht wurde eine
Gleichspannung von —13 kV angelegt, das Auspuffrohr hatte das Potential 0 V. Die Länge des Auspuffrohres
vom Beginn der Ladungsstrecke bis zum Katalysator betrug 90 cm. Der Abgaskatalysator bestand aus einer
katalytisch aktiven Schicht auf Platin-Basis und war auf einem wabenförmigen Stahlträger angebracht.
Die elektrostatische Abscheidung der Schadstoffpartikel
wurde nur vorgenommen, wenn die Temperatur der Auspuffgase zwischen 300 und 6000C lag. Außerhalb
dieser Abgastemperaturen, die durch einen Thermofühler unmittelbar vor dem Katalysator ermittelt
wurden, wurde I'.oine Abscheidung vorgenommen. Es wurde ein zyklischer Betrieb mit Stillstands-, Leerlauf-,
Beschleunigung- und Fahrphasen simuliert (gemäß DIN 70 030 Teil 1 zur Ermittlung de<
Stadtverbrauchs), wie er auch im praktischen Betrieb eines Kraftfahrzeugs üblich ist.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens konnte auch noch nach 50 Stunden praktisch keine Verschlechterung
der Katalysatorwirkung festgestellt werden.
Ohne elektrostatische Abscheidung war der Katalysator
bereits nach IO Stunden stark beschädigt.
Bei dauernder Einschaltung des elektrostatischen Filters, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, ließ
die Wirksamkeit des Filters wegen Überladung der Abscheideflächen nach ca. 15 Stunden stark nach, was sich
durch eine deutliche Verschlechterung der Katalysatorleistung bemerkbar machte.
50
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Claims (3)
1. Verfahren zum Schutz von Katalysatoren im Abgasstrom von Ottomotoren vor Vergiftung durch
abgelagerte Schadstoffpartikel, bei dem die Schadstoffpartikel im Abgasstrom aufwärts vom Katalysator
elektrostatisch abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische
Abscheidung nur bei solchen Temperaturen des Abgasstromes vorgenommen wird, bei denen die
Schadstoffpartikel eine schädigende Wirkung auf den Katalysator ausüben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß außerhalb des schädlichen Temperatur-Bereichs die abgeschiedenen Schadstoffpartikel
durch Systemumpolung von der Abscheideelektrode entfernt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb einer Temperatur von
etwa 2000C keine elektrostatische Abscheidung aus
dem Abgas vorgenommen wird.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
| 8330 | Complete renunciation |