DE4003564C2 - Vorrichtung zur Verminderung kohlenstoffhaltiger partikelförmiger Materialien - Google Patents

Vorrichtung zur Verminderung kohlenstoffhaltiger partikelförmiger Materialien

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verminderung kohlenstoffhaltiger partikelförmiger Materialien in in einem Abgasrohr enthaltenen Abgasen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE-OS 20 64 018 ist eine Vorrichtung zum Verbrennen unverbrannter Bestandteile im Abgas einer Wärmemaschine bekannt. Diese Vorrichtung umfaßt einen zweipoligen Hochspannungsgenerator. Darüber hinaus weist diese Vorrichtung eine äußere und eine innere Elektrode auf, die aus einem zylindrischen Wandteil und einem Zylinderteil bestehen, miteinander einen Ringspalt bilden und mit dem einen bzw. dem anderen der Pole des Hochspannungsgenerators verbunden sind. Auf diese Weise soll das durch den Ringspalt geleitete Abgas, welchem gegebenenfalls Luft zugegeben ist, beim Einströmen in eine sich unmittelbar an den Ringspalt anschließende Brennkammer vollständig entflammt und sodann in der Brennkammer selbst verbrannt werden. Von gewissem Nachteil bei dieser Vorrichtung ist zum einen deren hoher konstruktiver Aufwand, der nicht zuletzt zum Erhalt einer hinreichenden Sicherheit notwendig ist. Als nachteilig bei dieser Vorrichtung hat sich darüber hinaus zum anderen das Fehlen von besonderen konstruktiven Vorkehrungen herausgestellt, die eine Steuerung bzw. Regelung einer an die Menge der unverbrannten Bestandteile im Abgas angepaßten Luftzufuhr ermöglichen.
Des weiteren ist in der JP 59-85416 (A) aus Patent Abstracts of Japan eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen beschrieben, die einen elektrischen Staubabscheider zum Sammeln von in den Abgasen enthaltenen kohlenstoffhaltigen partikelförmigen Materialien umfaßt. Der elektrische Staubabscheider selbst weist einen Hochspannungsgenerator auf, der mit einer Vielzahl von Staubsammelelektroden verbunden ist, welche zwischen Entladungselektroden angeordnet sind. Darüber hinaus ist diese Vorrichtung mit als Pumpen ausgebildeten Einrichtungen zum Einführen von Luft und Kraftstoff in den elektrischen Staubabscheider und einer Zündvorrichtung versehen, mittels derer sich eine Verbrennung der kohlenstoffhaltigen partikelförmigen Materialien vornehmen läßt, sobald eine größere Menge dieser Materialien auf dem elektrischen Staubabscheider aufgefangen ist.
Schließlich ist in der GB 1 525 500 noch eine Vorrichtung zur Reduzierung von in Abgasen einer Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxiden offenbart, bei der eine Nachverbrennung der Abgase erfolgt. Zur Unterstützung einer solchen Nachverbrennung der Abgase in sich an die eigentlichen Brennkammern der einzelnen Zylinder anschließenden Verbrennungsräumen ist diese Vorrichtung zusätzlich mit Einrichtungen zum Steuern von zuzuführender Luft versehen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verminderung kohlenstoffhaltiger partikelförmiger Materialien in in einem Abgasrohr enthaltenen Abgasen der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, die konstruktiv einfach, kompakt und kostgengünstig ausgestaltet ist sowie partikelförmige Emissionen in Gasen, die aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen resultieren, wirksam vermindert.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird das aus einer Verbrennung stammende Abgas durch das Abgasrohr an einem System von Leitern vorbeigeführt, zwischen denen ein Hochspannungspotential hergestellt ist. Solch eine hohe Potentialdifferenz wird dabei derart gewählt, daß ein elektrisches Feld geschaffen wird, das oberhalb der Coronaentladung und unterhalb des Wertes des elektrischen Feldes, bei welchem eine Entladung im Abgas stattfindet, liegt. Wenn also die im Abgas enthaltenen kohlenstoffhaltigen partikelförmigen Materialien, wie zum Beispiel Ruß, welche sich an diesen Leitern vorbeibewegen, die Dielektrizitätskonstante des Systems senken, entsteht ein Funke, der sich auf die Kohlenstoffpartikel entlädt, wodurch die Kohlenstoffpartikel letztendlich verbrannt werden. Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich daher besonders zum sogenannten Strippen von partikelförmigen Stoffen aus Abgasen wie Auspuff- und Rauchgasen. Insbesondere zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung so zur Eliminierung bzw. zur weitestgehenden Reduzierung der Emission von partikelförmigen Stoffen aus Abgasen von vor allem Dieselmotoren oder aus Rauchgasen jeglicher Art, die bei der Verbrennung von Gasöl, schwereren Ölen, Gemischen mit aromatischen Fraktionen (Heizanlagen, tragbare Verstromgeneratoren, große Stromerzeugungsanlagen etc.) oder auch von Kohle usw. entstehen.
Vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen der Erfindung sind weiter in den Ansprüchen 2 bis 5 beschrieben.
Die Mittel zum Einführen von Luft in dieses Abgasrohr bestehen aus einer mit Ventil und einer Pumpe ausgestatteten Leitung.
Die Einrichtungen zum Regeln der Mittel zum Einführen von Luft bestehen schließlich aus einer Sonde, die das Abgas analysiert und die Ergebnisse an einen Mikroprozessor überträgt, der die Pumpe und das Ventil regelt, um die gewünschte Menge von Luft in das Abgasrohr in Strömungsrichtung vor diesen Leitern einzuführen.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in
Fig. 1 eine allgemein schematische Auslegung der Vorrichtung;
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform, bei der die Leiter parallel zur allgemeinen Gasströmungsrichtung angeordnet sind; und
Fig. 3 einen perspektivischen Schnitt durch eine Ausführungsform, bei der die Leiter senkrecht zur allgemeinen Gasströmungsrichtung angeordnet sind.
Nach Fig. 1 ist eine Leitung 2 in ein abgasführendes Rohr 1 eingesetzt. Diese Leitung 2 ist komplett mit nicht dargestellten Leitern, die über Kabel 4 und 5 mit einem Hochspannungsgenerator 3 verbunden sind. Ein Mikroprozessor 9 verarbeitet die die Zusammensetzung des Gases bzw. Abgases betreffenden Signale, welche durch eine Sonde 6 analysiert wurden, und regelt ein Ventil 8 an einer Leitung 7, die mit der Leitung 2 verbunden ist, um in letztere die gewünschte Menge Luft, die über eine Pumpe 10 zugeführt wird, zuzugeben.
Im Betrieb analysiert die Sonde 6 das Gas, insbesondere hinsichtlich seines CO-, CO2- und O2-Gehaltes. Die Signale werden an einen Mikroprozessor 9 gesandt, der - auf der Basis vorher erstellter Programme und anderer den spezifischen Brennstoffverbrauch betreffende Informationen - die Menge nicht verbrannten Materials sowie von Ruß ermittelt und somit die für deren Verbrennung notwendige Luftmenge herleitet und die Pumpe 10 und das Ventil 8 somit regelt.
Gleichzeitig wird eine Hochspannung zwischen den Leitern über den Hochspannungsgenerator 3 hergestellt.
Strömt das Gas zwischen den Elektroden, so senkt der hierin enthaltene Ruß die Dielektrizitätskonstante des Systems und sorgt für einen starken Funken, der auf die Kohlenstoffpartikel entladen wird, sie zum Aufglühen, insbesondere zur Weißglut bringt, so daß sie verbrannt werden.
Eine Anreicherung des Gases mit Luft und die erreichte hohe Temperatur ermöglichten es, daß die meisten der Kohlenstoffpartikel verbrannt werden, während die Produktion im wesentlichen von Kohlendioxid sichergestellt wird. Hierdurch wird beispielsweise der sehr niedrige Kohlenmonoxidgehalt der Dieselmotorabgase aufrechterhalten und in manchen Fällen sogar vermindert.
Zwei Ausführungsformen der Erfindung sind in den Fig. 2 und 3 näher dargestellt.
Nach Fig. 2 sind die Leiter in Form flacher Platten 12, 12′ und 13 parallel zur von links nach rechts gehenden allgemeinen Strömungsrichtung des Gases angeordnet. Kabel 4 bzw. 5 beaufschlagen die Platten bzw. Lamellen 12, 12′ und 13, wobei das Kabel 5 durch die Wandung der Leitung 2 über einen isolierten Abschnitt 11 geführt ist. Die Platten 12, 12′ und 13 können vorstehende Spitzen 14 haben, um zur Bildung elektrischer Entladungen zwischen den Kohlenstoffpartikeln und den Platten 12, 12′ und 13 selbst beizutragen.
Nach Fig. 3 sind die Leiter in Form kreisförmiger Gitter 12,′′ 12′′′, 13′, 13′′ senkrecht zur allgemeinen Strömungsrichtung des Gases eingesetzt und werden über Kabel 4 und 5 gespeist, während sie durch isolierte Abschnitte 11 isoliert gehalten werden, die auch die Durchführung der Kabel 4 und 5 durch die Wandung der Leitung 2 ermöglichen.
Mit der Maßnahme nach der Erfindung wurden am Auspuffsystem einer dieselelektrischen Gruppe mit einem 3860 cm3 Motor und einem 40 kW bei 1500 U/min liefernden Hochspannungsgenerator durchgeführt (40 kW = Nennleistung). Der Motor wurde bei 1400 U/min während der Tests betrieben.
Die Leiter, in Form eines Gitters, wie in Fig. 3 gezeigt, wurden 3 cm voneinander entfernt angeordnet. Der Durchmesser der vier Paare von Leitern betrug 20% weniger als der Innendurchmesser des Abgasrohres. Die Spannung zwischen den Leitern eines Paares von Leitern lag zwischen 50 und 65 kV. Die Größe des quer von jedem Gitter der oben definierten Art eingenommene Raums betrug 22% der Querschnittsfläche des Rohres.
Während jedes Tests lief der Motor eine Stunde lang; die Vorrichtung zum Entfernen partikelförmiger Stoffe wurde über feste zeitliche Perioden betrieben. Gleichzeitig wurden Proben vom Abgas genommen und die Probe durch ein Wiegefilter (tariertes Filter) gegeben. Nach dem Durchgang von einem Kubikmeter Gas wurde das Filter mit der partikelförmigen Last erneut gewogen.
Die mittlere Menge von im Abgas enthaltenen Partikeln bzw. partikelförmigem Stoff, die erfindungsgemäß nicht behandelt wurde, lag bei 17,2 mg/m3, die Variabilität zwischen -3 und +4 mg/m3.
Wurden Paare von Gittern 1 nach dem anderen eingesetzt, so führte dies zu einer Abnahme im Partikelgehalt des behandelten Gases, der um etwa 15% variierte (im Falle eines Paares von Gittern mit einer Spannung von 52 kV) bis etwa 70% (mit vier Paaren von Gittern und einer Spannung von 60 kV) .

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Verminderung kohlenstoffhaltiger partikelförmiger Materialien in in einem Abgasrohr (1) geführten Abgasen, enthaltend:
  • - einen zweipoligen Hochspannungsgenerator (3),
  • - eine Vielzahl von Leitern, die abwechselnd mit dem einen oder anderen dieser Pole verbunden sind und
  • - Einrichtungen zum Einführen von Luft in dieses Abgasrohr (1) in Strömungsrichtung vor diesen Leitern,
dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Steuern dieser Lufteinführungsmittel vorgesehen sind, daß der Hochspannungsgenerator (3) ein elektrisches Feld zwischen 50 und 98% des Feldes erzeugt, das bei Absenkung der Dielektrizitätskonstanten des Systems durch die partikelförmigen Materialien für eine Funkenentladung zwischen den Leitern erforderlich ist, und daß senkrecht zur allgemeinen Strömungsrichtung der Abgase angeordnete leitfähige Metallgitter 10 bis 35% der Rohrquerschnittsfläche bzw. parallel zur allgemeinen Strömungsrichtung der Abgase angeordnete Gitter und/oder Platten und/oder Drähte 4 bis 35% der Rohrquerschnittsfläche einnehmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leiter parallel zur Achse dieses Abgasrohres (1) über eine Länge bis zum zehnfachen des Durchmessers des Abgasrohres (1) erstrecken.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter mit vorstehenden Spitzen (14) versehen sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einführen von Luft in das Abgasrohr (1) aus einer mit einem Ventil (8) und einer Pumpe (10) ausgestatteten Leitung (7) bestehen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Steuern dieser Lufteinführungsmittel aus einer Sonde (6) besteht, die das Abgas analysiert und die Ergebnisse an einen Mikroprozessor (9) überträgt, der die Pumpe (10) und das Ventil (8) zur Einführung einer bestimmten Menge an Luft regelt.
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