DE3233461A1

DE3233461A1 - Elektrostatische vorrichtung zum schutz von katalysatoren im abgaskanal von ottomotoren vor vergiftung durch schadstoffpartikel

Info

Publication number: DE3233461A1
Application number: DE19823233461
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. 7067 Plüderhausen Abthoff; Günther 7150 Backnang Ebinger; Gunter 7148 Remseck Loose; Hans-Dieter 7060 Schorndorf Schuster
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1982-09-09
Filing date: 1982-09-09
Publication date: 1984-03-15
Also published as: DE3233461C2; CH661563A5

Description

Elektrostatische Vorrichtung zum
Schutz von Katalysatoren im Abgaskanal von Ottomotoren vor Vergiftung durch Schadstoffpartikel Zur Reduzierung des Gehalts schädlicher Bestandteile im Abgas von Ottomotoren ist es bekannt, den Abgasstrom einer katalytischen Nachverbrennung an Abgaskatalysatoren zu unterwerfen oder die Zusammensetzung des dem Motor zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches mittels im Abgasstrom angebrachter Meßfühler, sogenannter Lambda-Sonden, zu regeln, die ebenfalls über eine katalytisch aktive Zone verfügen und auf den Gehalt an Sauerstoff und unverbrannten Kohlenwasserstoffen reagieren. Bei Verwendung bleihaltiger Kraftstoffe werden diese Katalysatoren jedoch durch die im Abgas befindlichen Schadstoffpartikel, insbesondere Blei, aber auch Schwefel-, Ruß- oder Schwermetallpartikel innerhalb kurzer Zeit inaktiviert.
Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Schadstoffpartikel und die Katalysatoroberfläche mit einer hochgespannten Gleichspannung gleichsinnig elektrostatisch aufzuladen, so daß sich die Schadstoffpartikel und die Katalysatoroberfläche gegenseitig abstoßen und die Schadstoffpartikel so an dem Katalysator vorbeifliegen, ohne sich auf ihm ab- zuscheiden (Patentanmeldung P 31 42 1181.3). Die Erzeugung des für die Aufladung erforderlichen ionisierenden elektrischen Feldes erfolgte dabei zwischeti einer konzentrisch im Auspuffrohr angebrachten Drahtelektrode und dem als Gegenelektrode wirkenden Auspuffrohr. Unmittelbar hinter der Ladungsstrecke war der Katalysator angeordnet, an den dieselbe Spannung wie an die Drahtelektrode angelegt war.
Bei der Ionisierung des Abgsstroms zwischen Drahtelektrode und Auspuffwandung vor dem Katalysator kann es jedoch vorkommen, daß einzelne ionisierte Partikel noch vor dem Katalysator an die Auspuffrohrwandung geraten und dort entladen werden. Diese Partikel werden dann selbstverständlich von dem Katalysator nicht mehr abgestoßen und können sich auf ihm festsetzen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine elektrostatische Vorrichtung zum Schutz der Katalysatoren im Abgaskanal von Ottomotoren zu finden, bei der die Möglichkeit, daß sich aufgeladene Schadstoffpartikel noch vor dem Katalysator wieder entladen können, weitestgehend ausgeschalten ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene elektrostatische Vorrichtung gelöst. Die Aufladung der Partikel erfolgt nicht mehr in radialer Richtung (von der minusgeladenen drahtförmigen Innenelektrode zur Auspuffwandung), sondern in axialer Richtung, d.h. von dem negativ geladenen Katalysator in Richtung gegen den Abgasstrom zu einer gasdurchlässigen flächenhaft ausgebildeten Gegenelektrode, die im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist und den Querschnitt des Abgaskanals im wesentlichen ausfüllt. Dabei ist der Abgas- kanal im Bereich des Katalysators und der Ionisierungsstrecke innenseitig mit einer elektrischen Isolierung, im allgemeinen in Anbetracht der dort herrschenden Temperaturen einer Keramikschicht, versehen. Als Gegenelek trode geeignet sind Lochbleche, Drahtsiebe oder -netze, die so ausgebildet sind, daß sie den Auspuffgasen einen möglichst geringen Strömungswiderstand entgegensetzen, z.B. Siebe mit einer Maschenweite von 2 bis 4 mm.
Die Gegenelektrode soll eine möglichst große Fläche aufweisen, d.h. sie soll im allgemeinen den Querschnitt des Abgaskanals im wesentlichen ausfüllen. Je kleiner die Fläche der Gegenelektrode im Verhältnis zum Querschnitt des Abgaskanals wird, desto schlechter wird auch die Ionisierung der Schadstoffpartikel. Durch die Aufladung der Schadstoffpartikel im entgegengesetzten Ionisierungsfeld zwischen Katalysator und Gegenelektrode werden die Schadstoffpartikel negativ aufgeladen und können sich nicht an einem positiven Potential entladen, bevor sie den Katalysator erreichen. Als positives Potential vor dem Katalysator ist nur die Gegenelektrode vorhanden.
Hier können zwar negativ geladene Partikel, die entgegen dem Gasstrom zur Gegenelektrode gelangen,sich anlagern bzw.
entladen, diese Partikel müssen jedoch,bevor sie zu dem Katalysator gelangen, das Ionisierungsfeld wieder durchqueren, d.h., daß nur negativ geladene Partikel den negativ geladenen Katalysator erreichen können. Nach Durchtritt durch den Katalysator lagern sich die negativ geladenen Partikel im weiteren Verlauf des Abgasstranges an, und werden dort durch "Rütteln" im Fahrbetrieb nach Entladung an der Auspuffwandung wieder abgelöst und gelangen so ins Freie.
Die Länge der Ladungsstrecke zwischen dem als negative Elektrode dienenden Katalysator und der Gegenelektrode richtet sich nach der Gasgeschwindigkeit, detn angelegten Potential, dem Abstand der Elektroden und der Partikelbeweglichkeit der Schadstoffpartikel und kann unter Anwendung der für die Aufladung von Partikeln für die elektrostatische Partikelabscheidung mit Gleichstrom bekannten Formeln(z.B. Perry, Chemical Engineers Handbook, Mc Graw-Hill 1973, Seiten 20 - 103 bis 20 - 115) leicht errechnet werden. Im allgemeinen kommen Spannungen von etwa 10 kV bis 40 kV zur Anwendung, und die Ionisierungsstrecke ist 5 bis 15 cm.lang.
Selbstverständlich können nur solche Katalysatoren zur Anwendung kommen, die auf einem elektrisch leitenden Träger niedergeschlagen sind, z.B. auf einem Stahlnetz oder insbesondere einem wabenförmigen Stahlgerüst, oder Katalysatoren, die selbst eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzen, was gegebenenfalls auch durch Beifügung elektrisch leitender Stoffe wie Edelmetall, Kupfer, Aluminium usw. zur Katalysatormasse bewirkt werden kann.
Da die elektrostatische Aufladung der Schadstoffpartikel temperaturabhängig ist, wird die Vorrichtung zweckmäßigerweise an einer Stelle im Auspuff strang angeordnet, an der die Temperatur der Abgase 8000C nicht übersteigt, die Abgase jedoch noch heiß genug sind, um an den Abgaskatalysator oder an der Lambda-Sonde zu reagieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in der Zeichnung beispielsweise dargestellt. Hierbei zeigt Kig. 1 eiJle l)arstellung der gesamten Vorrichtung im Prinzip, ig. 2 und i?ig. 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen für die Gegenelektrode.
Die Vorrichtung besteht aus dem Gehäuse 1, dem die Abgase durch das Rohr 2 zugeführt und aus dem die Abgase durch das Rohr 3 wieder abgeführt werden. Innerhalb des Gehäuses befindet sich der Katalysator 4, die Ionisierungsstrecke 5 sowie die als Lochblech ausgeführte Gegenelektrode 6. Katalysator, Ionisierungsstrecke und Gegenelektrode sind durch das Aluminiumoxidrohr 7 gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert. Zur Verringerung der Bruchgefahr des Isolierrohres 7 befindet sich zwischen dem Isolierrohr 7, dem Gehäusemantel 8 sowie dem Katalysator 4 noch je eine Schicht aus anorganischem Faser material 9, die in der Lage ist, durch Temperaturänderungen verursachte Längenänderungen aufzunehmen. Dem Katalysator 4 wird die Hochspannung in Höhe von minus 10 bis minus 30 kV durch den Zuführungsdraht 10, der gegenüber dem Gehäuse durch das Isolierrohr li elektrisch isoliert ist, zugeführt. Die Gegenelektrode 6 ist über die in der Führung 13 gelagerte Metallstange 12 mit dem Gehäuse verbunden und liegt auf dem Potential 0. Durch Verschieben der Stange 12 in der Führung 13 läßt sich der Abstand der Gegenelektrode 6 zum Katalysator 4 und damit die Länge der Ionisierungsstrecke 5 verändern. Damit kann die Ionisierungsstrecke leicht den jeweils unterschiedlichen Bedingungen in Kraftfahrzeugen z.B. hin- sichtlich Temperatur der Abgase oder Höhe der erzetlgi Hochspannung anpassen. So wäre es z.B. m;glicll, uiltelb Verwendung der z.B. aus I)erry (l c.) bekannten Schaltungen zur Ermittlung der lunkenüberschiäge den Abstand der Gegenelektrode 6 zum Katalysator II mit hilfe eines Servomotors so zu steuern, daß stets eine optimale Ionisierung der Auspuffgase erfolgt. Normalerweise wird man jedoch die Gegenelektrode 6 fest einbauen und keine Verschiebungsmöglichkeiten vorsehen.
Da zum Betrieb der Vorrichtung zwar hohe Gleichspannungen in Höhe von 10 bis 40 000 Volt erforderlich sind, aber nur sehr kleine Ströme von etwa 1 bis 10 mA, ist es möglich, die erforderliche Hochspannung aus der Zündspannung der Ottomotoren zu entnehmen, wie das z.B. in DE-AS 10 80 349 ausführlich beschrieben ist. Die Betriebsspannung für die Vorrichtung kann aber auch in einem von der Zündanlage unabhängigen Stromversorgungsgerät erzeugt werden. Hierfür können entweder aus einer Batterie gespeiste Zerhackergeräte, sogenannte Wechselrichter, bevorzugt jedoch elektronische Apparaturen bekannter Bauart benutzt werden, die angesichts des sehr niedrigen Stromverbrauchs ohne großen technischen Aufwand realisierbar sind.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen vor allem darin, daß die ionisierten Schadstoffpartikel keine Möglichkeit haben, sich auf ihrem Weg durch die Ionisierungsstrecke zu entladen und sich deshalb nicht an dem Katalysator festsetzen können.
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Claims

Patentansprüche rm Elektrostatische Vorrichtung zum Schutz von Katalysatoren im Abgaskanal von Ottomotoren vor Vergiftung durch Schadstoffpartikel, wobei in Strömungsrichtung der Abgase vor dem Katalysator eine aus Elektrode und Gegenelektrode gebildete Ionisierungsstrecke für die Schadstoffpartikel vorgesehen ist und der Katalysator gleichsinnig mit den Schadstoffpartikeln aufgeladen ist, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t daß der Abgaskanal im Bereich des Katalysators und der Ionisierungsstrecke innenseitig mit einer elektrischen Isolierung versehen ist, der Katalysator eine Elektrode bildet und negativ aufgeladen ist, und die Gegenelektrode vor dem Katalysator strömungsdurchlässig flächenhaft ausgebildet, im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist und den Querschnitt des Abgaskanals im wesentlichen ausfüllt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode aus einem Drahtnetz besteht.