DE3638203A1 - Fremdregenerierbarer russfilter fuer die abgasanlage einer dieselbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rußfilter für die Abgasanlage einer Dieselbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Nach der inzwischen umgesetzten Abgasreinigung bei Otto-Motoren mittels Katalysator ist man bestrebt, den hohen Rußanteil im Abgas von Dieselbrennkraftmaschinen zu­ rückzuhalten, damit auch diese Motoren weniger Schadstoffe an die Umwelt abgeben.

Es ist bekannt, in die Abgasanlage von Dieselbrennkraft­ maschinen Filter, insbesondere Keramikfilter einzubauen, um die Rußpartikel im Abgas zurückzuhalten. Nach relativ kurzer Betriebsdauer der Brennkraftmaschine setzen die Rußpartikel den Filter zu, wodurch der Abgasgegendruck in der Abgasanlage beträchtlich ansteigt; hierdurch bedingt ist neben einer erhöhten Druckbelastung des Systems ein vollständiges Ausschieben der Abgase aus den Zylindern nicht mehr sichergestellt. Als Folge hiervon sinkt der Frischluftanteil pro Zylinderfüllung und die Leistung der Maschine, während sich die Abgasqualität und der Kraft­ stoffverbrauch aufgrund unvollständiger Verbrennung ver­ schlechtern.

Aus diesen Gründen ist es erforderlich, Rußfilter früh­ zeitig durch Abbrennen des angelagerten Rußes zu regene­ rieren. Die hierzu bisher vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahrensweisen sind schwierig, zeit- und material­ aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasruß­ filter für eine Dieselbrennkraftmaschine vorzuschlagen, das rasch und ohne großen zeitlichen wie materiellen Auf­ wand regeneriert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisendes Filter gelöst.

Der sich auf dem Filter absetzende Ruß bildet einen - im Vergleich zum Material des Filters - elektrisch leitenden Belag, wodurch sich zwischen der Hochspannungselektrode und der Masseelektrode Gleitfunken ausbilden können, und zwar am ehesten dort, wo sich der meiste Ruß niederge­ schlagen hat. Jeder Gleitfunke verbrennt entlang seiner Entladungsstrecke den Ruß. Während des Betriebs des Fil­ ters entstehen zwischen der Hochspannungselektrode und der Masseelektrode immer wieder neue Entladungsstrecken durch abgelagerten Ruß, die, sobald sie entstanden sind, durch den Funken zwischen Hochspannungselektrode und Masse­ elelektrode wieder freigebrannt werden. Es ergibt sich so­ mit eine kontinuierliche Regeneration des Abgasrußfilters, wodurch sichergestellt ist, daß sich kein erhöhter Abgas­ gegendruck aufbaut. Die Regeneration erfolgt ferner ohne Störung des Motorbetriebs. Da die Regeneration des Filters schon bei kleinen Rußmengen - die einen Funkenüberschlag ermöglichen - einsetzt und immer nur lokal wirkt, ist eine Überhitzung des Filters aufgrund des Freibrennens ausge­ schlossen.

Eine erhöhte Abgastemperatur zur Regeneration des Filters ist nicht erforderlich.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, im Zentrum des Rußfilters die Hochspannungselektrode anzuordnen und auf dem äußeren Umfang des Filters die Masseelektrode vor­ zusehen. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Rußfilter als Kegelschnittscheibe, insbesondere als Kreis­ scheibe vorzusehen. Die Anordnung der Elektroden muß der­ art erfolgen, daß diese zueinander immer gleiche Abstände aufweisen. Dadurch wird sichergestellt, daß die Entlade­ strecke zwischen den Elektroden in allen Punkten gleich ist, und nicht aufgrund räumlicher Abstandsschwankungen Be­ reiche mit geringem Abstand bevorzugt als Entladungs­ strecke auftreten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Filter in der Art eines Hohlzylinders ausgebildet, über dessen Länge abwechselnd eine Hochspannungs- und eine Masseelektrode vorgesehen ist. Der Hohlzylinder kann im Schnitt kreis­ zylindrischen oder auch quadratischen Querschnitt haben.

Es kann vorteilhaft sein, die bei einem Hohlzylinder anzu­ ordnenden Ringelektroden als Federelemente auszubilden, die auch bei temperaturbedingten Maßänderungen des aus Keramik gebildeten Hohlzylinders diesen immer spielfrei um­ schließen.

Vorzugsweise ist zumindest die Hochspannungselektrode im Material des Rußfilters eingebettet. Auf diese Weise ist ein enger Verbund der Hochspannungselektrode mit dem Ruß­ filter selbst bzw. dessen Material gewährleistet.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß an der Hochspannungs­ elektrode eine getaktete, hochgespannte Gleichspannung an­ liegt. Dies gewährleistet, daß sich zwischen Hochspan­ nungselektrode und Masseelektrode keine permanent brennenden Lichtbögen ausbilden können, die zu einer Schädigung des Filters führen könnten. Ferner ist durch die Taktung sichergestellt, daß sich mit jedem Takt je­ weils neue Gleitfunken ausbilden, wobei jeweils die Be­ reiche mit den größten Rußablagerungen aufgrund der höheren Leitfähigkeit als Funkenstrecke bevorzugt sind.

Es kann vorteilhaft sein, anstelle einer getakteten Gleichspannung eine hohe, insbesondere niederfrequente Wechselspannung an die Elektroden anzulegen, die aufgrund der wechselnden Polarität und der dabei auftretenden Null­ durchgänge einen Dauerfunken verhindert. Die Wechsel­ spannung ist mit geringem Aufwand transformierbar und läßt sich ohne zusätzliche Elemente wie Gleichrichter etc. leicht erzeugen.

Das erfindungsgemäße Rußfilter ist so aufgebaut, daß die Gleitfunken auf der Abgasanströmseite zur Ausbildung kom­ men und die Hochspannungszuführung zur Hochspannungs­ elektrode auf der Abströmseite der Abgase vorgesehen ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den wei­ teren Ansprüchen und der Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Gehäuse mit dem erfindungsgemäßen Rußfilter in Kreisform,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Rußfilter aus Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Gehäuse mit einem an seinen Enden abgerundeten rechteckigförmigen Rußfilter,

Fig. 4 eine Ansicht auf den abgerundeten rechteckigförmigen Rußfilter,

Fig. 5 einen Schnitt durch ein Gehäuse mit einem hohlzylindrischen Rußfilter,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Anordnung einer Vielzahl erfindungsgemäßer Rußfilter in einem Gehäuse,

Fig. 7 in schematischer Darstellung eine weitere Anordnung einer Vielzahl erfindungsgemäßer Rußfilter mit quadratischem Querschnitt in einem Gehäuse.

Ein aus Edelstahl gefertigtes Gehäuse 7 (Fig. 1) hat an seinen axialen Enden jeweils einen Flansch 8 bzw. 9, mit denen es im Abgasstrang einer Dieselbrennkraftmaschine an­ geordnet ist. Das Abgas strömt im Pfeilrichtung 12 in das Gehäuse 7 ein und verläßt es nach Durchströmen des Ruß­ filters 1 gereinigt in Pfeilrichtung 13.

Vom Anschlußflansch 8 ausgehend erweitert sich das Gehäuse 7 konisch bis auf einen zylindrischen Gehäuseabschnitt, in dem das als Filterscheibe 4 ausgebildete Rußfilter 1 ein­ gesetzt ist. Als Material für den Rußfilter 1 ist Keramik oder Glaskeramik vorteilhaft. Der Rußfilter ist so ausge­ bildet, daß sich der ausgefilterte Ruß auf der Oberfläche des Filters absetzt. Im Zentrum der Filterscheibe 4 ist eine Hochspannungselektrode 2 in dem Filtermaterial einge­ bettet; die Hochspannungselektrode 2 ist über eine Hoch­ spannungszuleitung 11 mit einer spannungszuführenden Kerze 10 verbunden, die im äußeren Mantel des zylindrischen Ab­ schnitts des Gehäuses 7 festliegt. Der zylindrische Ab­ schnitt des Gehäuses 7 hat einen im Durchmesser ver­ ringerten hohlzylindrischen Abschnitt zum Anschlußflansch 9 zum Austritt der rußgereinigten Abgase.

Die Masseelektrode 3 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel (Fig. 1, Fig. 2) durch das Edelstahlgehäuse 7, bzw. dessen zylindrischer Abschnitt größeren Durchmessers gebildet. Hierzu liegt der äußere Umfang 5 der Filterscheibe 4 im Gehäuse 7 fest an, so daß der den Umfang 5 der Filter­ scheibe 4 umgebende Gehäuseabschnitt eine Ringelektrode als Masselektrode bildet.

Das gegen das Rußfilter 1 anströmende Abgas muß im Filter derart enge Kanäle durchströmen, daß das Ruß an dem Filter abgelagert wird. Bei zunehmender Ablagerung im Filterring um die Hochspannungselektrode 2 steigt die Leitfähigkeit zwischen der Hochspannungselektrode 2 und der Masse­ elektrode 3, bis sich ein von der Hochspannungselektrode 2 ausgehender etwa radial nach außen zur Masseelektrode 3 verlaufender Gleitfunke 12 ausbilden kann, wobei der auf dem Entladungsweg angelagerte Ruß aufgrund der hohen Tem­ peratur des Funkens verbrennt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine getaktete Gleich­ spannung als Hochspannung an die Elektrode 2 anzulegen. Dies kann zum Beispiel durch eine an sich bekannte Summer­ zündung geschehen, die, durch einen Kondensator ergänzt, der Kerze 10 die Hochspannung zuführt. Aufgrund des ge­ takteten Gleichstroms ist eine Ausbildung eines Licht­ bogens an ein und derselben Stelle vermieden, so daß Schädigungen am Filter aufgrund einer dauernden Funken­ entladung an einem Punkt vermieden sind. Im Betrieb des erfindungsgemäßen Rußfilter werden sich - aufgrund der ge­ takteten Gleichspannung - immer wieder eine Vielzahl von Funken 12 (vergl. Fig. 2) neu ausbilden, wobei jeder Funke eine partielle Regeneration des Filters sicherstellt. Da ein dicker Rußbelag die Leitfähigkeit erhöht, wird sich bei jedem Takt bevorzugt an den Stellen mit der höchster Rußablagerung ein Funke ausbilden, wodurch bevorzugt die stark zugesetzten Zonen des Filters verstärkt regeneriert werden.

Die Summerzündung kann dauernd eingeschaltet bleiben, so daß der Filter kontinuierlich regeneriert wird und sich kein erhöhter Abgasgegendruck einstellen kann. Aufgrund der erfindungsgemäßen Funkenregeneration des Rußfilters ist das den Rußfilter enthaltende Gehäuse 7 auch hinter dem normalen Abgasschalldämpfer einer Abgasanlage ein­ setzbar, da keine erhöhte Abgastemperatur zur Regeneration des Filters notwendig ist. Da darüber hinaus bereits bei kleinen Rußmengen eine Regeneration einsetzt und diese Re­ generation immer nur lokal wirkt, ist eine Überhitzung des Rußfilters 1 ausgeschlossen.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann anstelle der Gleichspannung eine hohe, insbesondere niederfrequente Wechselspannung vorgesehen sein, die aufgrund des Polari­ tätswechsels und dem dadurch bedingten Nulldurchgang die Ausbildung ortsfester Funkenstrecken verhindert.

In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 ist eine in der äußeren Gestalt geänderte Ausführungsform des Fil­ ters gezeigt. Mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, 2 übereinstimmende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Rußfilter 1 ist eine Scheibe 4′ mit abgerundeter, rechteckförmiger Anströmfläche gezeigt, die eine sich in Längsrichtung der Scheibe 4′ erstreckende Hochspannungs­ elektrode 2 aufweist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist das aus Edelstahl hergestellte Gehäuse 7 als Ring­ elektrode 3 für die Masse vorgesehen, wobei die Abstände der Hochspannungselektrode 2 zur Ringelektrode 3 - wie auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, 2 - über die ge­ samte Länge der Hochspannungselektrode 2 gleich sind.

Das Gehäuse 7 ist im Schnitt etwa rautenförmig ausgebil­ det, wobei die Kerze 10 derart in einer Wand des Gehäuses 7 angeordnet ist, daß ihre Spitze unmittelbar mit der Hochspannungselektrode 2 in Verbindung steht. Eine geson­ derte Hochspannungszuleitung, wie sie nach dem Ausfüh­ rungsbeispiel in Fig. 1 erforderlich war, kann somit ent­ fallen.

ln einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Rußfilter in der Art eines Hohlzylinders 6 ausgebil­ det, der auswechselbar in einem zylindrischen Gehäuse 7 angeordnet ist. Das Rußfilter 1 ist als Hohlzylinder 6 ausgebildet und mit einem äußeren, zylindrischen Stahl­ gehäuse 15 zu einer Baueinheit zusammengefaßt. Das Stahl­ gehäuse 15 sitzt elektrisch leitend im Gehäuse 7. Von der Anströmseite her ist der nach Art eines Hohlzylinders aus­ gebildete Rußfilter 1 axial verschlossen und auf seiner Abströmseite offen, während der zwischen dem Rußfilter 1 und dem Stahlgehäuse 15 gebildete Ringraum von der An­ strömseite her offen ist und auf der Abströmseite ver­ schlossen ist.

Auf der Abströmseite der Abgase ist in die Wandung des Ge­ häuses 7 die Hochspannungskerze 10 eingeschraubt, die mit einer auf der Zylinderachse liegenden starren Hoch­ spannungszuleitung 11 verbunden ist. Die Hochspannungszu­ leitung 11 steht mit spannungsleitenden Querstiften 11 a in Verbindung, deren Enden in dem Filtermaterial des Ruß­ filters 1 eingebettet sind und spannungsführend mit einer auf dem Außenumfang des Rußfilters 1 angeordneten Ring­ elektrode als Hochspannungselektrode 2 verbunden sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind über die Länge des Hohlzylinders 6 zwei Hochspannungselektroden 2 vorgesehen. An den Enden des Zylinders sowie in dessen axialer Mitte sind Masselektroden 3 in Form von Ringelektroden vorge­ sehen, wobei die Masseelektroden 3 zu den Hochspannungs­ elektroden 2 jeweils gleiche Abstände aufweisen. Die mitt­ lere Masseelektrode 3 steht über leitfähige Streben 16 mit der Masse des Gehäuses 15 in Verbindung.

Das in Pfeilrichtung 12 einströmende Abgas tritt über die ganze Länge de Hohlzylinders radial in dessen lnnenraum ein. Rußpartikel werden im Filter zurückgehalten und durch sich ausbildende Funkenstrecken verbrannt. Das gereinigte Abgas tritt axial aus dem Hohlzylinder 6 in Pfeilrichtung 13 aus.

Zur Vergrößerung der Filterfläche können in einem Gehäuse 7 mehrere Hohlzylinder 6 vorzugsweise nebeneinander ange­ ordnet werden, deren Hochspannungselektroden gemeinsam über eine Hochspannungszuleitung 11 versorgt werden (Fig. 6). Es kann zweckmäßig sein, anstatt eines zylindrischen Hohlkörpers einen im Schnitt mehreckigen, vorzugsweise viereckigen, insbesondere quadratischen Hohlkörper 6′ vor­ zusehen, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist.

Claims (12)

1. Rußfilter für die Abgasanlage einer Dieselbrenn­ kraftmaschine, bestehend aus einem elektrisch nicht leitenden Material, insbesondere Keramik, dadurch gekennzeichnet, daß am Rußfilter (1) mindestens eine Hochspannungselektrode (2) anliegt, der mit Abstand mindestens eine am Rußfilter (1) anliegende Masseelektrode (3) zugeordnet ist.

2. Rußfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum des Rußfilters (1) die Hochspannungselektrode (2) und auf dem äußeren Umfang (5) des Rußfilters (1) die Masseelektrode (3) liegt.

3. Rußfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rußfilter (1) eine Kegel­ schnittscheibe, insbesondere eine Kreisscheibe ist.

4. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Struktur des Filtermaterials, insbesondere der Keramik, die eine Anlagerung des Rußes an der Filterfläche bewirkt.

5. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß das Filter (1) in der Art eines Hohlzylinders (6) ausgebildet ist, über dessen Länge abwechselnd eine Hochspannungselektrode (2) und eine Mas­ seelektrode (3) vorgesehen ist.

6. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2, 3) als Ring­ elektrode ausgebildet ist.

7. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Hochspannungs­ elektrode (2) im Material des Rußfilters (1) gasdicht ein­ gebettet ist.

8. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrode (3) und die Hochspannungselektrode (2) an allen Punkten gleiche Ab­ stände voneinander aufweisen.

9. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rußfilter (1) aus mehreren Filterelementen zusammengesetzt ist, die jeweils min­ destens eine Hochspannungselektrode (2) und mindestens eine Masseelektrode (3) aufweisen (Fig. 6, 7).

10. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Hochspannungselektrode (2) eine getaktete, hochgespannte Gleichspannung anliegt.

11. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Hochspannungselektrode (2) eine hochgespannte Wechselspannung anliegt.

12. Rußfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungszuführung (10) zur Hochspannungselektrode (2) auf der Abströmseite der Abgase angeordnet ist.