Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beseitigen von Ruß
aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer
Dieselbrennkraftmaschine, bei dem die Abgase durch das Filter
mittel eines Rußfilters zum Abscheiden des Rußes geleitet werden
und der abgeschiedene Ruß unter Verwendung einer elektrischen
Stromquelle während des Betriebs der Brennkraftmaschine zum Ver
brennen gebracht wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
eines solchen Verfahrens.
Zum Verbrennen der Rußteilchen zu Kohlendioxyd werden neben der
Anwesenheit von Sauerstoff (bei Dieselbrennkraftmaschinen liegt
im Abgas noch genügend Sauerstoff vor, da diese mit Sauerstoff
überschuß betrieben werden) Temperaturen benötigt, die die
Auspuffgase bei Leerlauf oder Teillast im allgemeinen nicht auf
weisen. Um trotzdem ein Zünden der Rußpartikel zu bewirken, ist
es bekannt, Fremdenergie zuzuführen, um das erforderliche Zünd
temperaturniveau zu erreichen.
So wird in der DE-OS 25 19 609 sowie in der DE-OS 27 56 570
vorgeschlagen, Zündquellen (elektrisch beheizte Glühkerzen
bzw. Heizwicklungen) stromaufwärts des Filters vorzusehen.
Da das solchermaßen aufgeheizte Abgas hierbei nicht nur Wärme
an das Rußdepot des Filters abgibt, sondern in unerwünschter
Weise auch an das Filtermaterial und an alle stromabwärts
liegenden Rohrwände - vom Speicherwärmebedarf der elektrischen
Heizelemente einmal ganz abgesehen - ist unschwer einzusehen,
daß hierbei die elektrische Hilfsenergie sehr unökonomisch
genutzt wird.
Von einer besseren Ausnutzung der Hilfsenergie ist in der
DE-PS 30 24 539 die Rede. Der in einem nicht-metallischen
Tiefenfilter abgeschiedene Ruß wird dort von der, über einen
Hohlleiter eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung eines
Mikrowellengenerators bei Bedarf bis zur Zündtemperatur auf
geheizt. Der anfallende Kostenaufwand für den Mikrowellen
generator ist allerdings nicht unbeträchtlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer hinsicht
lich Aufwand vergleichsweise anspruchslosen Vorrichtung eine
zur DE-PS 30 24 539 gleichwertig gute Hilfsenergieausnutzung
zu schaffen. Weiter soll ein sicheres und problemloses Ab
brennen der Rußablagerungen auf dem Filter erreicht werden,
ohne daß das Filter selbst bzw. Teile der elektrischen Zünd
energiezuführung beeinträchtigt werden. Dabei soll die Hilfs
energie ebenfalls nahezu ausschließlich in den jeweils abge
schiedenen Rußpartikeln selbst umgesetzt werden, d. h. , daß
nur der Ruß als solcher aufgeheizt wird und über die so er
zielte innere Wärme zum Verbrennen gebracht wird. Der Rest
sauerstoff des Abgases findet demzufolge eine bereits vorge
heizte Rußpartikeloberfläche vor, mit der er sofort exotherm
reagieren kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Zündung des auf dem
Filtermittel abgeschiedenen Rußes mittels elektrischem Strom
fluß (Stromwärmeerzeugung) durch die Rußpartikel selbst her
vorgerufen wird, in dem der abgeschiedene Ruß selbst als
elektrischer Leiter (Heizleiter) dient.
Der Grundgedanke dieser ortsselektiven Partikelaufheizung (wobei
die Rußpartikel selbst zum Sitz von Einzelwärmequellen gemacht
werden, die dann ihrerseits die betroffenen Partikel von innen
heraus bzw. von deren Berührungspunkten her aufheizen), ist
die elektrische Leitfähigkeit von Ruß, deren Nutzung die Ver
wendung eines Filtermittels aus elektrisch nicht-leitendem
Material (z. B. Strukturen aus Keramik oder SiO2) voraussetzt.
Wachsen während des Betriebes die abgeschiedenen Rußpartikel
auf vorgenanntem Filtermittel derart zu einer Mindestschicht
dicke zusammen, daß alle Partikel miteinander in elektrischem
Kontakt stehen, liegt ein elektrischer Leiter mit flächen
hafter Ausdehnung vor. Durch eine im Filtermittel bzw. Filter
verband sich befindende Elektrodenkonfiguration in geeigneter
flächendeckender Anordnung (Elektrodenwicklungen, Elektroden
gitter bzw. -Platten aus hochwarmfestem Material) stellt sich
bei Anlegen einer elektrischen Spannung ein Stromfluß ent
sprechend der örtlichen Verteilung des elektrischen Widerstandes
ein.
Begleitet wird die vorgenannte Stromverteilung von einer Wärme
quellenverteilung, deren örtliche Intensität proportional dem
Produkt aus den Ortsfunktionen von Stromdichtequadrat und
spezifischen elektrischen Widerstand ist.
Mit dieser Vorgehensweise ist eine nahezu ausschließliche Nutzung
der Hilfsenergie zur Temperaturanhebung der Rußpartikel sicherge
stellt, was bei den durchgeführten Versuchen durch den gemessenen
niedrigen Fremdenergiebedarf bestätigt wurde.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Abbrennverfahrens ist neben dem
geringen Aufwand seine Selbstregelungswirkung. Sobald an irgend
einer Stelle der Filterschichten die im Elektrodenzwischenraum
angesammelte Rußmenge einen kritischen Wert erreicht (Schließen
der Leitfähigkeitsbrücken zwischen den Rußpartikeln infolge Zu
sammenschluß der örtlichen "Mikro-Depots") setzt der Abbrand
vollautomatisch ein. Voraussetzung ist natürlich, daß die
Elektroden ständig unter elektrischer Spannung stehen. Parallel
geht dazu eine Homogenisierung der örtlichen Abgasdurchlässig
keit des Filters einher. Denn nur an dem Ort, wo zeitlich kurz
zuvor ein Abbrand stattfand, setzt infolge des daraufhin ver
minderten örtlichen Durchflußwiderstandes (für Abgas) eine
bevorzugte Durchströmung ein, die sich in schnellerer Ablagerung
von Ruß äußert. Es ergibt sich also nicht nur eine Vergleich
mäßigung des örtlichen Strömungswiderstandes, auch kann die
Rußablagerung nie zu makroskopischen Konzentrationsunterschieden
führen.
Es ist natürlich auch möglich, den Prozeß des vollautomatischen
Abbrennens zu ersetzen durch einen Brennstart, der aus der
Druckabfallsteigerung (über den Abscheidefilter) abgeleitet
wird. Die dann abzubrennende größere Rußmenge mit ihrer beacht
lichen positiven Wärmetönung verhilft in viel höherem Maße zur
Hilfsenergie-Einsparung und zwar insofern als die freiwerdende
Eigenenergie eine Verselbständigung der Verbrennung (ohne Zu
speisung elektrischer Energie) in die Wege leitet.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1
ist so aufgebaut, daß wie bereits erwähnt, ein Filtermittel aus
elektrisch nichtleitendem Material Verwendung findet. Dieses
Filtermittel (Filtereinsatz) liegt in einem entsprechenden
Filtergehäuse mit Zu- und Ableitungsstutzen vor. Das Filter
mittel selbst ist auf einem, mit Durchgangsöffnungen ver
sehenen Stützblech angeordnet, wobei der Filtereinsatz im
Filtergehäuse eine Rohgaskammer von einer Reingaskammer abtrennt
und eine spezifisch ausgebildete Zündenergiequelle Verwendung
findet. Zur Zündenergiezuführung dienen, wie bereits zum Ausdruck
gebracht, entsprechende mit dem Filtermittel verbundene Elektroden,
wobei die elektrische Leistung durch eine leistungseingeprägt
arbeitende Stromversorgung erfolgt, welche sicherstellt, daß der
zur Einleitung der Zündung entstehende hohe Zündstrom (aufgrund
der notwendigen hohen Zündspannung) begrenzt wird.
Vorteilhafte und förderliche Weiterbildungen der Erfindung lassen
sich den Unteransprüchen entnehmen.
Nachstehend wird anhand der Zeichnung die Erfindung näher er
läutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des
Rußfilters (Oberflächenfilters) nach der Erfindung
Fig. 2 einen teilweisen Schnitt gemäß der Linie II-II der
Fig. 1
Fig. 3 einen Schnitt wie in der Fig. 2 durch eine andere
Ausführung des im Rußfilter vorliegenden Filterein
satzes bzw. Elektrodensystems
Fig. 4 einen weiteren Filtereinsatz mit gleichzeitig abge
wandelter Elekrodenkonfiguration
Fig. 5 die Ausbildungsform der Drahtelektroden gemäß Fig. 4
Fig. 6 eine andere Ausführung eines Rußfilters (Schüttgut
filters) gemäß der Erfindung
Fig. 7 ein elektrisches Schaltbild des Steuerkreises (Auf
bringen der elektrischen Leistung) für die Zündein
leitung der erfindungsgemäßen Rußverbrennung mittels
leistungseingeprägt arbeitender Stromversorgung
Fig. 8 ein gegenüber Fig. 7 abgewandeltes Schaltbild für
bestimmte Elektrodengestaltungen.
Ein Rußfilter 1 hat ein Filtergehäuse 2, das einen zylindrischen
Gehäusemantel 3 und an seinen beiden Stirnseiten jeweils eine
kreisringförmige Scheibe 2 a aufweist. Der Gehäusemantel stützt
sich über die Scheiben 2 a auf einem perforierten (also durch
löcherten) Rohrkörper 4 ab. Letzterer ist an den beiden konisch
ausgebildeten Stirnseiten 4 a jeweils mit einem Anschlußstutzen 5
bzw. 6 versehen und wird durch eine im Innern vorliegende
Kreisscheibe 7 in eine Rohgaskammer 8 und in eine Reingas
kammer 9 unterteilt (im Bereich dieser Kreisscheibe liegt
eine Unterbrechung der Perforation im Rohrkörper 4 vor).
Der Rohrkörper 4 dient im Reingaskammerbereich als Stützrohr 4 a
für einen Filtereinsatz 11. Dieser besteht im vorliegenden Fall
aus den beiden zylindrischen Filterschichten 12 und 13. Das
Filtermittel besteht aus einem elektrisch nicht-leitendem
sowie hochtemperaturfestem Material (Quarzglas- oder Keramik
faser) und wird auf dem Rohrkörper 4 aufgewickelt.
Beim beschriebenen Rußfilter wird das über den Rohgaseintritts
stutzen 5 in die Rohgaskammer 8 strömende rußbeladene Abgas über
die Perforation des Rohrkörpers 4 zur Einströmung in eine
Kammer 10 gezwungen, welche zwischen Filtergehäuse 2 und Rohr
körper 4 vorliegt. Von dort aus durchströmt es radial die
beiden Filterschichten 12 und 13, um dann gereinigt, d. h.
rußfrei die Reingaskammer 9 über den Reingasaustrittsstutzen 6
zu verlassen (zur Strömung des Abgases vergleiche Pfeile 14).
Zur Gewährleistung eines hohen Rußabscheidevermögens muß der -
die Oberflächenfilterfunktion bereitstellende - Filterwickel 12
folgenden Einzelanforderungen genügen. Zum einen müssen die
gasdurchlässigen Poren und Kapillarspalte der Gewebestruktur
eng genug sein, um auch kleinste Rußpartikel an der Oberfläche
zurückhalten zu können. Zum anderen ist ein großes Aufkommen
vorgenannter Poren und Spalten pro Oberflächeneinheit anzu
streben, um neben einer erwünschten hohen, flächenspezifisch
abgeschiedenen Rußmenge zugleich auch eine Minimierung des
gewebebedingten Strömungswiderstandes sicherzustellen. Zu
bevorzugen ist ferner eine geringe Schichtdicke des Gewebes,
da diese in der Regel ebenfalls einen Beitrag zur Druckabfall
minimierung bedeuten kann.
Um ein Reißen des Filterwickels 12 in Umfangsrichtung (als
Folge des größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten
des perforierten Trägerrohres 4) sicher auszuschließen, muß
die aus Quarzglas- oder Keramikfaser bestehende Gewebebahn
des Wickels bestimmte Voraussetzungen erfüllen. So ist es
bei Verwendung von einem Gewebe, bei dem sich die Fäden
rechtwinkelig kreuzen (orthogonaler Fadenverband) wichtig,
die Gewebebahn so auf der Rohroberfläche auszurichten, daß
jede der beiden Fadenrichtungen einen Winkel von 45° zur
Rohrumfangsrichtung bildet. Diese Maßnahme stützt sich auf
die Tatsache, daß Gewebe mit orthogonalem Fadenverband immer
dann eine (maximale) Nachgiebigkeit entwickeln, wenn die
Beanspruchungsrichtung (Zug oder Druck) einen Winkel von 45°
zu den beiden Fadenrichtungen bildet. Das bedeutet aber zu
gleich, daß eine erhitzungsbedingte Durchmesservergrößerung
des metallischen Trägerrohres 4 bzw. 4 a auch eine Verkürzung des
Gewebefilters 12 in axialer Richtung zur Folge hat. Wird
jedoch dieser axialen Bewegungskomponente bereits bei der
Bemessung des Gewebewickels in geeigneter Weise Rechnung ge
tragen (Wickel besitzt größere axiale Länge als der perforierte
Teil des Trägerrohres), bleibt die sonst zu befürchtende
Beeinträchtigung des Filterabscheidegrades (als Folge axialer
Gewebekontraktion) sicher ausgeschlossen.
Der auf dem Filtereinsatz 11 (Filterwickel 12) abgeschiedene
Ruß wird durch Abbrennen in Kohlendioxyd umgewandelt. Die
Nachverbrennung wird direkt durch Stromwärmeerzeugung in den
einzelnen Rußpartikeln bewirkt, d. h. die Rußpartikel werden
aufgrund ihrer endlichen elektrischen Leitfähigkeit selbst
zum Heizleiter gemacht. Dabei dienen der Zündenergiezuführung,
also als Elektroden, zwei unter hoher Zugspannung auf den
Gewebeverband spiralig aufgewickelte Drähte 15 und 16. Diese
bedecken den Gewebeverband als zweigängige Wicklung konstanter
Steigung, wobei die Drahtwicklung 15 - am Massepotential der
Stromquelle liegend - an beiden Enden mit dem Blechkörper 4
bzw. 2 a des Rußfilters 1 verbunden ist. Die Wicklung 16 hingegen
- mit dem spannungsführenden Pol der Stromquelle verbunden -
ist an beiden Enden mit zugspannungsaufnehmenden Isolatoren
17 (innerhalb des Blechkörpers 4 bzw. 2 a des Rußfilters)
versehen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Drähten
wird zur Vermeidung einer zu hohen Speisespannung nicht
größer als 8 mm gewählt. Um die Wärmeentwicklung im
Elektrodensystem (ohm′sche Verluste) minimal zu halten, sind
der spezifische elektrische Widerstand des Drahtmaterials
sowie der Drahtdurchmesser bei vorgegebener Wicklungslänge
in bekannter Weise zu optimieren.
Um der Bildung isolierender Zunderschichten an der Drahtober
fläche vorzubeugen, sind hochwarmfeste nickellegierte Stähle
bei der Wahl des Drahtmaterials zu bevorzugen.
Zwecks Abstands- und Lagestabilisierung der Elektrodendrähte
befindet sich zwischen Gewebeschicht 12 und perforiertem
Trägerrohr 4 a eine vergleichsweise dicke elastische Filter
schicht 13 aus weitmaschigem Gewebe oder Vlies. Für diese
Schicht 13 ist eine solche Dichte zu wählen, daß der
volumenstrombedingte Druckabfall dieser Stützschicht nur
geringfügig ins Gewicht fällt, die Schicht andererseits aber
noch über genügend radiale Rückfederung verfügt. Die unter
Vorspannung gewickelten Elektrodendrähte sinken aufgrund der
radial federnden Nachgiebigkeit des Wickels 13 unter
Deformieren der Schicht 12 in die Schicht 13 ein, womit
die seitliche Verschieblichkeit der Drähte - die Gefahr
eines Kurzschlusses auslösend - sicher ausgeschlossen bleibt.
Eine alternative Ausbildung des Elektrodensystems zeigt die
Fig. 3, wobei Trägerstruktur und Abgasführung mit dem Filter
aufbau der Fig. 1 und 2 übereinstimmen und auch mit den
gleichen Bezugsziffern versehen sind.
Unmittelbar auf dem perforierten Trägerrohr 4 a befindet sich
wieder die radial federnde Schicht 13 aus weitmaschigem,
temperaturfestem Gewebe, auf die, wie auch bei der Ausführung
gemäß Fig. 1 und 2 eine sehr dicht gewebte, wiederum
temperaturfeste Gewebestruktur 12 zur Wahrnehmung der
Filterfunktion gelegt ist. Hierauf folgen zwei Lagen eng
maschigen Stahldrahtgewebes (Maschenweite 0,3 bis 1 mm)
18 und 20 als Elektrodenpaar. Zur Distanzhaltung sowie
zur elektrischen Isolation der Elektroden dient eine Zwischen
lage 19 aus sehr weitmaschigem Quarzglasgewebe (die gleiche
Funktion kann ebenso gut mit einer Lage aus Keramikpartikeln
oder einer spiralförmigen Wicklung aus Quarzglasroving
realisiert werden). Für die nötige radiale Druckkraft sorgt
im so erhaltenen Sandwich-Verband eine in Umfangsrichtung
verlegte Drahtbandage 21.
Bezüglich dieser Ausführung wird nachstehend kurz das zugrunde
liegende Wirkprinzip beschrieben. Auf der Oberfläche der
Quarzgewebeschicht 12 scheiden sich die Rußpartikel solange
ab, bis sich innerhalb der Maschen des distanzbildenden
Gewebes 19 kleine Rußdepots mit einer Schichtdicke, welche der
Dicke des Distanzbildners 19 entspricht, gebildet haben.
Sie stellen zugleich eine Leitfähigkeitsbrücke zwischen den
Elektrodengittern 18 und 20 dar. Stehen die Elektroden
ständig unter elektrischer Spannung erfolgt der Abbrandstart
der einzelnen Ruß-Mikro-Depots demnach automatisch immer dann,
wenn sich die oben genannte Leitfähigkeitsbrücke gerade
schließt.
Fig. 4 beschreibt eine weitere Ausführung eines Filterein
satzes mit elektrischer Zündeinleitung. Das hierbei
zugrundeliegende Konzept ist weitgehend identisch mit der in
der Fig. 1 und der Fig. 2 gezeigten Lösung. Unterschiede
bestehen aber in der rußabscheidenden Filterschicht 12 a, deren
Funktion hier von einem Hohlzylinder aus offenporiger
Schaumkeramik wahrgenommen wird. Aus Gründen einfacherer
Montage ist dabei der Einsatz von zwei Halbschalen (für den
Hohlzylinder 12 a) vorteilhaft. Für die Elektrodendrähte
15 und 16 sind am Umfang der Filterschicht 12 a Einlege
nuten 22 vorgesehen.
Damit Drahtlängungen als Folge von Temperaturerhöhungen des
Abgases nicht zu einem Abheben der Elektroden 15 und 16 vom
Grund der Einlegenuten führen (Unterbrechung des Kontaktes
zur abgeschiedenen Rußschicht!) sind den Drahtelektroden eine
Mäanderform entsprechend Fig. 5 einzuprägen. Hochkant unter
Vorspannung in die Führungsnuten 22 verlegt, entwickelt ein
derart geformter Draht eine so hohe Längselastizität, daß er
temperaturbedingte Änderungen nur mit einer dementsprechenden
Vorspannungsänderung beantwortet. Ein Verlassen des Nut
grundes mit seinen nachteiligen Folgen ist damit sicher
ausgeschlossen.
Bei den bis jetzt beschriebenen Filtermitteln handelt es sich
um sogenannte Oberflächenfilter, bei denen der Ruß mehr oder
weniger nur am Außenumfang abgeschieden wird. Natürlich ist die
erfindungsgemäße elektrisch eingeleitete Nachverbrennung von
Ruß auch anwendbar an sogenannten Tiefenfiltern, bei denen das
Filtermittel den Ruß deutlich über eine erhebliche radiale Tiefe
abscheidet. Insbesonders sind hier Schüttgutfilter geeignet.
Hierbei wird die übliche ortsfeste Gewebestruktur ersetzt durch
eine lose Schüttung, beispielsweise aus sehr feinem Oxyd
keramik-Granulat. Die Fig. 6 zeigt schematisch die Ausbildung
eines derartigen Filters. Dabei passieren die den Motor ver
lassenden Abgase (vergleiche Pfeil 14) zunächst eine stütz
funktion-ausübende Lochplatte 23 (vergleichbar mit der Bezugs
ziffer 4 bzw. 4 a beim Oberflächenfilter), durchströmen weiter ein
darüber befindliches Granulat-Sperrsieb 24 (aus warmfestem
Drahtmaterial) und treten dann in die Granulatschüttung 25
ein.
Durch in die Schüttung 25 eingelegte Elektrodengitter
bzw. -platten 26, 27, welche parallel und mit gleichem
(möglichst engen) Abstand zueinander angeordnet sind,
wird hier nach Spannungsanlegung an die Elektrodenpaare
26, 27 der Abbrand-Start in Gang gesetzt. Der fließende
Strom findet im Gegensatz zum Oberflächenfilter nunmehr
ein dreidimensional ausgebildetes leitfähiges Gebilde
vor, bestehend aus den in elektrischen Berührungskontakt
stehenden Rußschichten auf jedem Einzelkorn des
Granulats.
Besonderes Augenmerk ist bei der Erfindung der elektrischen
Zündenergiequelle zu widmen, deren Aufgabe darin besteht,
den vom Abscheidevorgang herrührenden flächenhaft ausgebil
deten Leiter aus Rußpartikeln solange mit elektrischem Strom
zu versorgen, bis dieser Zündtemperaturniveau erreicht. Zwei
Merkmale des von Dieselmotoren ausgestoßenen Rußes sind es, die
der Stromquelle besondere Eigenschaften abverlangen. Zum einen
ist es der - das Kohlenstoffpartikel umhüllende - Mantel aus
kondensierten Kohlenwasserstoffen. Zum anderen besitzt der
spezifische elektrische Widerstand von Kohlenstoff einen hohen
negativen Temperaturkoeffizienten. Um einen elektrischen Strom
fluß einzuleiten, bedarf es demnach zunächst einer ver
hältnismäßig hohen Anfangsspannung, um die isolierenden
Kohlenwasserstoffhüllen zu durchschlagen. Der verbleibende
nunmehr nur noch geringe elektrische Widerstand des Kohlen
stoffkörpers läßt unter dem Einfluß der hohen angelegten
Spannung den Stromfluß auf einen beträchtlich großen Wert
ansteigen, der aufgrund der umgesetzten Stromwärme und dem
negativen Temperaturkoeffizienten des spezifischen elektrischen
Widerstandes eine weitere lawinenhafte Vergrößerung erfährt.
Dies bedeutet, daß eine Stromquelle mit konstanter eingeprägter
Spannung für eine elektrisch eingeleitete Rußverbrennung völlig
ungeeignet ist, da der unkontrollierte hohe Strom einen örtlich
begrenzten Kurzschlußlichtbogen mit solchen Energieumsätzen er
zeugt, daß eine schnelle Zerstörung des betroffenen Elektroden
und Gewebestrukturabschnittes die Folge wäre. Eine Begrenzung
des Stromes mit einem geeignet dimensionierten Vorwiderstand
würde zwar Abhilfe schaffen, verstößt mit seinem hohen Energie
verlust jedoch gegen die Zielsetzung, den Energieaufwand zu
minimieren.
Die Fig. 7 zeigt eine Schaltung, die es mit vergleichsweise
geringen Aufwand an Mitteln erlaubt, die beiden geforderten
Eigenschaften, wie Bereitstellung einer hohen Zündspannung
und Begrenzung des nachfolgenden Heizstromes bwz. der Strom
wärmeerzeugung zu realisieren. Eine geeignet dimensionierte
Induktivität L mit einem entsprechenden Energiespeicherver
mögen wird mit Hilfe von zwei Schaltmitteln S (Transistoren)
solange an das Bordnetz Q des Fahrzeuges gelegt, bis der nach
einer e-Funktion über der Zeit wachsende Ladestrom I 1 den
magnetischen Sättigungswert erreicht. Die Identifizierung
des Sättigungswertes I sätt. erfolgt dabei mittels eines
Komparators K 1 der eine nachgeschaltete bistabile Kippstufe
K 3 immer dann zum Öffnen der Transistoren S veranlaßt, wenn
die an einem Shunt Sh abfallende stromproportionale Spannung
dem Sättigungsniveau entspricht.
Verhielt sich die Induktivität L für die Dauer des Stromflusses
von I1 bisher wie eine Energiesenke mit Speicherverhalten,
wechselt sie im Augenblick des Schalteröffnens (Schalter S)
ihre Funktion und wird zur Energiequelle mit einem Energie
inhalt entsprechend der Beziehung 0,5 LI 1² sätt . Der mit dem
magnetischen Fluß der Induktivität L verkettete Ladestrom I₁
wird im Augenblick des Schalteröffnens folglich zu einem
Entladestrom (deshalb nun mit I 2 bezeichnet), der einem Strom
pfad: Diode D 1 - Bordnetz Q - Ersatzwiderstand Rußschicht R -
Diode D 2 folgt. Typisch für diesen Entladestrom ist, daß
er seinen Wert (im Schaltaugenblick) aufrecht erhält,
gleich wie groß auch der Betrag des Ohm′schen Widerstandes
im Entladepfad ist. Das bedeutet für einen hochohmigen
Widerstand, wie ihn der Ruß mit seinen partikelgebundenen
isolierenden Kondensathüllen aus flüssigen Kohlenwasser
stoffen zunächst darstellt, eine Speisespannung gleich dem
Produkt aus Sättigungsstrom mal augenblicklichem Rußwider
stand. Man erkennt sofort, je höher der Widerstandswert der
Rußschicht ist, umso größer wird die bereitgestellte Spannung;
sie ist automatisch immer exakt gleich der Summe aus Durch
schlagsspannungsbedarf (alle Isolierschichten der am Strom
fluß beteiligten Partikel) und Spannungsabfall am eigent
lichen Rußpartikel. Zu erkennen ist ferner, daß die
höchste auftretende Strombelastung der Rußschicht gleich
der Sättigungsstromstärke I sätt. der Induktivität L ist.
Bei Bedarf kann diese Strombelastung auch mit einer ent
sprechenden Einstellung an einem Schwellwertpotentiometer
P 1 verringert werden. Wird kein Ruß am Filter abgeschieden,
d. h. der Rußersatz-Widerstand R besitzt den Wert unendlich,
sorgt ein spannungsgezündeter Entladewiderstand F mit strom
abhängiger negativer Widerstandscharakteristik (Edelgas
funkenstrecke, spannungsgesteuerter Thyristor) zur Be
grenzung der Speisespannung auf einen Wert, der kleiner
als die Luftüberschlagsspannung zwischen den Elektroden
des Zündsystems ist.
Ein weiterer Nutzen des spannungsabhängigen Entladewider
standes F ist die Rückführung magnetischer Energie (in die
Bordnetzbatterie Q), soweit sie nicht zur Rußaufheizung
benötigt wird (z. B. im vorerwähnten Fall, bei dem der
Motor keinen oder nur sehr wenig Ruß emittiert).
Hat der zeitlich abnehmende Entladestrom I 2 den Wert Null
erreicht, spricht ein Komparator K 2 an, der die nachge
schaltete bistabile Kippstufe K 3 in ihren zweiten Beharrungs
zustand steuert, der seinerseits zu einem Ausgangssignal
führt, mit dem sie die beiden Schaltmittel S in den Ein
schaltzustand versetzt und damit erneut den Ladevorgang
der Induktivität L einleitet. Beide Vorgänge, Laden und
Entladen wiederholen sich auf diese Weise endlos periodisch.
Ist f die Frequenz des sich einstellenden Endloszyklusses,
beträgt die im Elektrodensystem des Filters in Wärme
leistung umgesetzte elektrische Leistung P = 0,5 fLI 1² sätt .
Energetisch stellt die Schaltung nach Fig. 7 im Gegensatz
zu gängigen Stromquellen mit eingeprägter Spannung (Batterien,
Transformatoren, Generatoren) ein System eingeprägter Leistung
dar. Diese Tatsache macht sofort klar, weshalb auch bei einem
sehr kleinen Widerstandswert der Rußschicht der mittlere
Belastungsstrom der getakteten Stromquelle einen auslegungs
bedingt festgelegten Strom, wie erwünscht, nicht überschreiten
kann.
Ein Nachteil der Schaltung gemäß Fig. 7 ist ihr Unvermögen,
hohe Spitzenspannungen zu erzeugen, wie sie als Zündspannung
bei größeren Elektrodenabständen, z. B. des Konzeptes gemäß
Fig. 1 und 2 benötigt werden. Die Schaltung genügt aber
in solchen Fällen, bei denen aufgrund von kleineren Elektroden
abständen (siehe z. B. Filterkonzept gemäß Fig. 3) die
Spitzenspannung nicht groß zu sein braucht.
Um die hohen Spannungsspitzen für Filterkonzepte aufbringen
zu können, deren Elektroden sich durch große räumliche Ab
stände der spannungsführenden Leiter auszeichnen, ist eine
Energieversorgungseinheit entsprechend Fig. 8 einzusetzen.
Wesentlicher Bestandteil des Schaltkreises ist ein Übertrager
Ü, dessen Übersetzungsverhältnis (gleich Windungsverhältnis
Sekundärspule zu Primärspule) einen Wert sehr viel größer als
eins hat. Die Wirkungsweise ist folgende:
Mit Schließen eines Bereitschaftsschalters A erfolgt zeit
parallel ein kurzzeitiges Setzen der bistabilen Kippstufe K 3
derart, daß der Transistor S einen Schließvorgang erfährt.
Das hierzu in der Figur schaltungstechnisch nur angedeutete
Setzen der Kippstufe K 3 kann in bekannter Weise wie folgt
realisiert werden: Vom Zündschloßschalter des Fahrzeug-
Armaturenbrettes werden (in der Figur nicht gezeigt) mittels
Hilfskontakt zwei Hilfsrelais erregt, wovon eines - die
Kontaktfunktion A bereitstellend - leicht anzugsverzögert
ausgelegt ist, während das zweite Relais mit seinem Um
schaltkontakt nahezu unverzögert über eine Entprell-Logik
mit nachgeschaltetem Monoflop den Setzeingang der
bistabilen Kippstufe K 3 in gewünschter Weise beeinflußt.
Der dabei von der Stromquelle Q des Bordnetzes durch die
Primärinduktivität L 1 getriebene Primärstrom I 1 erzeugt ein
stromproportionales Spannungssignal über dem Shunt Sh. Er
reicht der zeitlich stetig ansteigende Wert von I1 annähernd
Sättigungsniveau, spricht der Komparator K 1 an, und versetzt
damit die Kippstufe K 3 in einen neuen Beharrungszustand,
bei dem das Ausgangssignal ein Öffnen des Transistors S ver
anlaßt. Der Primärstrom I 1 verschwindet augenblicklich. Da der
magnetische Fluß das Bestreben hat bestehen zu bleiben, springt
sofort der Sekundärstrom I 2 an, dessen Wert um den Kehrwert des
Übertrager-Übersetzungsverhältnisses kleiner ist als der Primär
strom I 1. Der von I 2 passierte Strompfad setzt sich entsprechend
der Stromflußrichtung (durch Pfeile gekennzeichnet, wie in der
Fig. 7) aus den Komponenten Rußwiderstand R - Diode D -
Induktivität L 2 zusammen. Steigt die Spannung am Rußwiderstand R
auf unzulässige Werte an (Erreichen der Luftüberschlagsspannung
zwischen den Elektroden), sorgt der spannungsgezündete Entlade
widerstand F vorher für eine automatische Begrenzung der Über
trager-Sekundärspannung. Im übrigen besitzt dieser Entlade
widerstand außer einer geringeren Nennstromauslegung dieselben
Eigenschaften wie der bereits in der Fig. 7 unter gleicher
Kurzbezeichnung beschriebene Entladewiderstand.
Parallel zum Ruß- und Entladewiderstand R bzw. F liegt ein -
den Entladestrom I 2 abbildender - Spannungsteiler ST, dessen
Ausgangsspannung vom Komparator K 2 überwacht wird. Geht der
Entladestrom I 2 gegen Null, spricht K 2 an und steuert die
bistabile Kippstufe K 3 um, so daß deren Ausgangssignal den
Transistor S wiederum zum Schließen veranlaßt und zwar für
eine solche Zeitdauer bis entsprechend dem Ansprechwert von
Komparator K 1 erneutes Öffnen des Transistors S über die
Kippstufe erfolgt.
Um den Energieverbrauch der Schaltung entsprechend dem Ziel
der Erfindung zu minimieren, ist vorgesehen, den Spitzenwert
der impulsförmigen Übertrager-Ausgangsspannung einen vorein
stellbaren Wert nicht überschreiten zu lassen.
Realisiert wird dies mittels einer automatisch geregelten
Einstellung der Schwellwertspannung des Komparators K 1
also letztlich mit einer Begrenzung der Stromflußdauer
von I 1. Der erforderliche Regelkreis zur Einstellung vorge
nannter Schwellwertspannung ist wie folgt aufgebaut. Die
am Schleifer des Spannungsteilers ST abgebildete Ausgangs
spannung der Übertrager - Sekundärspannung gelangt in
einen Spitzenwertspeicher SS, der hinsichtlich Freigabe
seines Einganges über einen Monoflop MF immer dann eine
neue Aktualisierung erfährt, wenn der Komparator K 1 den
Transistor S über die bistabile Kippstufe K 3 öffnet. Danach
über einen Tiefpaß TP dem Vergleicher V zugeführt und dort
mit dem fest vorgegebenen Sollwert für die Impulsspitzen
spannung an der Sekundär-Induktivität L 2 verglichen, ent
steht eine aufgepegelte Regelabweichung, die, den Begrenzer
B passierend, schließlich den Schwellwerteingang des
Komparators K 1 speist.
Zwei Begrenzungen erfährt die Regelabweichung im Begrenzer B.
Eine obere Schwelle entspricht annähernd dem magnetischen
Sättigungswert des Ladestromes I 1 und sorgt bei Regler
überschwingungen für ein Nichtüberschreiten vorgenannten
Wertes (schützt den Transistor S). Die untere Schwelle des
Begrenzers B dient dem Zweck, im Falle des Reglerunter
schwingens einen stabilen Oszillatorbetrieb des Über
tragers aufrecht zu erhalten und die Oszillatorfrequenz
nach oben hin zu limitieren. Hinsichtlich der Dimensionierung
des Sollwertes für die maximal zulässige Impulsausgangs
spannung U soll über der Sekundärinduktivität L₂ ist zu beachten,
daß dessen Wert unterhalb der Ansprechschwelle des spannungsgesteuerten
Schutzwiderstandes F liegt. (U soll < U ansprech.F ).
Dies wird über eine entsprechende Einstellung an einem
Sollwertvorgabe-Potentiometer P 2 erreicht.