DE4137002C2 - Teilrückgewinnung von Auspuffgasen bei Fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Teilrückgewinnung von Auspuffgasen oder in Gasen und Dämpfen suspendierten festen oder flüssigen Teilchen für Brennkraftmaschinen von mit einer Abkühlvorrichtung zur Aufnahme der über einen Auspuff abgebenen Auspuffgase, die auf eine Kühlgrenztemperatur abgekühlt und mit Wasserdampf aufgesättigt werden.

Für besondere Stoffe gibt es heute aber schon ein Zwei- Wege-System wie Altöl, Öl- und Luftfilter, Verschleißteile und Reinigungsendprodukte, wie z. B. Staub aus dem Staubsauger und Abwasser aus der Waschanlage fallen in größeren Zeitabständen an, d. h. in der Regel werden die Stoffe mit dem Fahrzeug zur Tankstelle gebracht und dort zurückgelassen und anschließend einem Verwertungssystem oder Beseitigungssystem zugeführt und die neuen Stoffe werden abgeholt.

Die Erfindung betrifft eine Erweiterung dieses Zwei- Wege-Systems. Mit Zunahme der Verkehrsdichte der mit Brennkraftmaschinen ausgerüsteten Fahrzeuge, die fast ausschließlich mit Kohlenwasserstoffen betrieben werden, zeigt sich insbesondere im innerstädtischen und stadtnahen Bereich trotz katalytisch wirkender Abgasreinigung eine zunehmende Luftbelastung durch die das Auspuffrohr des Fahrzeugs verlassende Stoffe. Diese sind z. B. Stoffe wie Rußpartikel und deren Vorprodukte, Ölnebel, Abrieb aus dem Antriebssystem, anorganische Gase wie CO, CO₂, SO₂, NO_X, H₂S, Ammoniak CS₂, Halogenwasserstoffe, organische Gase und Teilkondensate wie z. B. Aldehyde und Ketone, Phenole, Amine, polycyklische Kohlenwasserstoffe, Geruchsstoffe und andere, nicht oder nur zum Teil identifizierbare feste, flüssige und gasförmige Stoffe. Hierzu gehören auch Stoffe, die beim Start und bei bestimmungsgemäßem Betrieb aus katalytisch arbeitenden Abgasreinigungssystemen anfallen. Ein Teil der genannten Stoffe und weitere besitzen insbesondere bei hoher Verkehrsdichte und bestimmten klimatischen Bedingungen (austauscharme Wetterlage mit Sonnenschein) die Fähigkeit, neben ihrer eigenen spezifischen Schädlichkeit in ihrer Summe den sog. "Smog" hervorzurufen, der auf Mensch, Tier und Pflanze und Gegenstände stark belastend wirken kann. Darüber hinaus wirkt der abgegebene Wasserdampf, insbesondere in den kühleren Jahreszeiten feuchtigkeitserhöhend und nebelfördernd, was zu verstärkter Kondensation von sauren Abgasbestandteilen in Form von schwefel- und stickstoffhaltigen Säuren an kalten Oberflächen führt. Weiterhin kann eine über das natürliche Maß hinausgehende Feuchte u. U. lokal den sog. "Treibhauseffekt" verstärken, da Wasserdampf eine starke Absorptionsfähigkeit im relevanten infraroten Wellenbereich der von der Erdoberfläche reflektierten Sonnenstrahlung besitzt.

Bisher werden Auspuffgase bei Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen nicht zurückgewonnen, sondern nur im heißen Zustand behandelt, d. h. die Abscheidung und Rückgewinnung von bei tieferer Temperatur kondensierfähigen, organischen und anorganischen Stoffen wird nicht berücksichtigt.

Geregelte und ungeregelte Katalysatoren besitzen eine Arbeitstemperatur von etwa mindestens 400 bis 500°C bis höchstens etwa 900 bis 1000°C. Für stationäre Motorenanlagen (Diesel) beträgt die zur Entstickung nach dem SCR-Verfahren erforderliche Mindesttemperatur etwa 300°C, selten ausgeführte Entschwefelungen und Entstickungen, wiederum nur bei stationären Motorenanlagen, werden bei mindestens 80-100°C betrieben. Partikelfilter für mobile Dieselmotoren arbeiten bei der Temperatur des weitgehend ungekühlten Abgases, d. h. bei etwa 200 bis 400°C. Abgasrückführungen haben ähnliche Temperaturen. Obwohl die Katalysatortechnik heute beherrscht wird und bei Neufahrzeugen (insbesondere PKW) inzwischen fast ausschließlich eingesetzt wird, besteht bei der heutigen hohen Verkehrsdichte ein Bedarf für eine weitergehende Abgasreinigung. Insbesondere partikelförmige, saure und kondensierfähige organische Stoffe sollten am Fahrzeug zurückgewonnen werden. In der OS 29 13 580 wird ein Verfahren zur Entgiftung der Abgase eines Dieselmotors beschrieben. Das bereits gekühlte Abgas einer stationären Anlage wird durch mehrere hintereinandergeschaltete, mit einer neutralisierten Flüssigkeit gefüllte Behälter, die kühl gehalten werden, gesprudelt. Dieses Verfahren arbeitet insoweit noch unvollkommen, als der wesentliche, als Feinst-Aerosolteilchen vorliegende Schadstoffanteil nur zu einem geringen Teil abgeschieden werden kann. Die neutralisierte Waschflüssigkeit soll bei Überschreiten des Füllstandes in die Kanalisation abgegeben werden. Dies ist heute nicht mehr erlaubt. Bei beweglichen Fahrzeugen ist dies auch nicht so ohne weiteres möglich.

Die OS 24 09 000 beschreibt eine Vorrichtung zur Abgasreinigung, bei dem das Abgas u. a. durch adiabate Expansion gekühlt wird und die kondensierfähigen Dämpfe in einen Tank abgezogen werden. Grobstaub wird in einem Vorabscheider abgeschieden. Dieses Verfahren arbeitet insoweit noch unvollkommen, als der Vorabscheider trocken arbeitet und in Abständen gewechselt bzw. entleert werden muß. Die relativ engen Expansionsdüsen werden im Verlaufe der Zeit verstopfen, ebenso die faserförmige Filterfüllung der Abscheidekammern. Die kondensierten Dämpfe werden in einen Filtertank gegeben und neutralisiert. Der Verbleib der Flüssigkeit wird nicht genannt. Um einen wirksamen Expansionseffekt zu erzielen, muß ein relativ großer Differenzdruck im Abgas überwunden werden, was den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine herabsetzt.

Die Druckschrift DE GM 18 33 055 zeigt ebenfalls einen Verbrennungsmotor, der über eine Abgasleitung mit einer Auspuffanlage ausgestattet ist, wobei die Auspuffgase über einen Kühler und eine Filterpatrone nach außen geleitet werden. Die Auspuffanlage ist mit Luftdüsen versehen, so daß Kühlluft zugemischt werden kann. Durch den Zusatz von Frischluft kann eine Absenkung der Abgastemperatur auf höchstens 200 bis 300°C erreicht werden, da die zugeführte Luft im Vergleich zu Wasser eine sehr geringe Wärmekapazität aufweist. Außerdem wird bei einer derartigen Anordnung das Abgas stark verdünnt und getrocknet, so daß der Abscheider sehr schnell austrocknen kann und wieder regeneriert werden muß. Eine Rückgewinnung von Auspuffgasen ist mit einer derartigen Anordnung nicht möglich.

Die Druckschrift 4 (US 38 75 743) zeigt ebenfalls eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Auspuffleitung und einer Kühleinrichtung, über die die abgekühlten Auspuffgase geleitet und dann nach außen abgeführt werden. Nach dieser Vorrichtung werden jedoch die Abgase einem Wäscher zugeführt und die nicht abgeschreckten Gase direkt in das wassergekühlte Medium eingeleitet. Hierzu ist ein separater Kühlkreislauf mit den Leitungen sowie eine Pumpe und ein Kühler vorgesehen. Diese Anordnung ist wegen der zahlreichen einzelnen Leitungen aufwendig und teuer. Außerdem arbeitet eine derartige Anlage aufgrund des hohen Druckverlusts mit einem schlechten Wirkungsgrad und bewirkt eine Drosselung des Motors. Nach dem Wäscher werden die noch feuchten Abgase direkt in einen magnetischen Auspufftopf geleitet und dort nachgereinigt. Dieser hat keine Kühlwirkung wie der erfindungsgemäße Wärmetauscher. Elektromagnetische Felder bewirken jedoch allein keine Abscheidung von Gasen, Dämpfen und Partikeln.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Rückgewinnungseinrichtung derart auszubilden und anzuordnen, daß die aus der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgase aufbereitet und gereinigt werden, so daß die an die Atmosphäre abgegebenen Gase eine sehr gerine Belastung für die Umwelt darstellen, wobei ein Teil des aus den Abgasen abgeschiedenen flüssigen Mediums der Abkühlvorrichtung wieder zugeleitet werden, um auf diese Weise die Notwendigkeit einer Regenerierung der Abkühlvorrichtung zu vermeiden.

Ferner ist eine Vorrichtung der eingangs aufgeführten Art bekannt (JP 0-40 19), die eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kühler und einer hinter diesem angeordneten Ventilator sowie eine Abgasleitung zeigt, die die Abgase in einen Wasserverdampfer einleitet. Aus dem Wasserverdampfer werden die Abgase über einen getrennt angeordneten Hauptkühler und einen Filter an die Umgebungsluft abgegeben. Hauptkühler und der Abscheider sind getrennt angeordnet. Die in dem Wasserverdampfer vorgesehenen Kühlmittel werden verbraucht und müssen daher fortlaufend regeneriert werden.

Gelöst wird die Aufgabe durch die im neuen Anspruch 1 aufgeführten Merkmale. Durch die vorteilhafte Ausbildung der Teilrückgewinnungseinrichtung läßt sich also ein Teil der Auspuffgase eines Kraftfahrzeugs zurückgewinnen und die Abscheidung bzw. Rückgewinnung bei tieferen Temperaturen ohne weiteres vornehmen. Die in dem Medium enthaltenen Stoffe, Ammoniak, Halogen-Wasserstoffe, Gase oder Teilkondensate, werden vor Verlassen des Fahrzeugs abgeschreckt und gesättigt und etwa auf eine Atmosphärentemperatur abgekühlt, so daß ein Teil des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs dem Kühlkondensator in flüssiger Form wieder zugeführt wird, so daß die Schadstoffe auch in diesem als Sättiger ausgebildeten Kühler aufgefangen werden können. In dem Behälter sammelt sich Kühlmittel für eine lange Betriebszeit und braucht aufgrund der Rückgewinnung nicht erneuert werden. Erst wenn sich in der Flüssigkeit sehr viele Schadstoffe angesammelt haben sollten, kann die Flüssigkeit aus dem Behälter abgelassen werden. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 1 ergibt sich aus den Ansprüchen 2 bis 22.

Das erfindungsgemäße System zur Reinigung von Auspuffgasen ist für praktisch alle Motortypen und Verbrennungsverfahren geeignet. Bei Dieselmotoren, die heute im Sinne einer weiteren CO₂-Reduzierung spezifisch immer leistungsfähiger werden, kann der verbrennungstechnisch unvermeidliche Ruß- und Geruchsanteil wirksam ab- und adsorbiert werden, ebenso ein Teil des im Abgas vorhandenen SO₂ und NO_X. Bei Viertakt-Benzinmotoren ist das System insbesondere im innerstädtischen Kurzstreckenbetrieb mit stark wechselnden Betriebsphasen wirksam, da bei Kaltstart und Beschleunigungsvorgängen auch eine katalytische Abgasreinigung nicht optimal arbeitet und diese Motoren hierbei noch relativ große Emissionen aufweisen. Ebensogut ist das System für ältere und neuere Zweitaktmotoren verwendbar, da durch den nie perfekten Ladungswechsel diese Motoren eine generell höhere Kohlenwasserstoffemission aufweisen. Die bei älteren Motoren dieser Art auftretenden Ölnebel und Geruchsstoffe lassen sich mit dem erfindungsgemäßen System gut ab- und adsorbieren.

Nachfolgend wird die Erfindung "Teilrückgewinnung von Auspuffgasen bei Fahrzeugen" am Beispiel eines PKW in einer beispielhaften Ausführungsform nach Fig. 1 (Ansicht von hinten) beschrieben:

Das noch heiße Abgas wird auspuffseitig unter Umgehung des Nachschalldämpfers am Fahrzeugende zum verbreiterten und als Hohlkörper ausgeführten Stoßfänger (1), die als Abkühlvorrichtung arbeitet, eingeleitet. Die Abkühlvorrichtung (1) erfüllt mehrere Aufgaben: Das noch 100-500°C heiße Abgas wird durch die Kondensatfüllung (2), die vorwiegend aus der kondensierten Abgasfeuchte besteht und in die die Tauchrohre (3) des Sammelrohres (4) eintauchen, abgeschreckt, vorgereinigt und gesättigt. Das so vorbehandelte Abgas strömt über die Auslaßleitung (5) in den eigentlichen, hier auf dem Dach des Fahrzeugs befindlichen Wärmetauscher (20), der so bemessen ist, daß er sowohl bei stehendem als auch bei fahrendem Fahrzeug ausreichend Kühlwirkung besitzt, so daß das gekühlte und entfeuchtete Abgas je nach Jahreszeit zwischen 35 und etwa 5°C an der vorderen Dachoberkante des Fahrzeugs anfällt und dort nach unten geführt wird und im Gegenstrom und im Wärmestromkontakt mit dem heißen Auspuffrohr des ungereinigten Abgases nach vorne geleitet wird und dort an die Atmosphäre abgegeben werden kann. Da das Kondensat bezogen auf das Abgas ein etwa 1000fach geringeres Volumen besitzt, dort aber ein Großteil der partikel- und kondensierfähigen Substanzen angereichert sind, kann das an der Tankstelle gesammelte, von sehr vielen Fahrzeugen abgegebene Kondensat mit Tankwagen zu einer zentralen Abwasserreinigungsanlage gebracht werden, wo mit bekannten Verfahren die in hoher Konzentration vorliegenden Schadstoffe vom Wasser abgetrennt und zurückgewonnen werden können.

Das Kondensat, das im Wärmetauscher (20) anfällt, wird über die Kondensat-Rückflußleitung (7) in die Abkühlvorrichtung (1) zurückgeführt. Starke Wellenbewegungen des Kondensats (2) in der Abkühlvorrichtung (1) werden durch eingebaute, perforierte Wehre (8) gedämpft. Das heiße Auspuffgas wird über ein Einleitrohr (9) in die Abkühlvorrichtung (1) eingeleitet. Dort wird das Abgas über ein T-Stück (10) in das Sammelrohr (4) und zur anderen Seite in die U-Rohr-förmige Abblaseleitung (11), die über eine federbelastete Klappe (12) normalerweise verschlossen ist, geleitet. Bei Einfrieren der Kondensatfüllung (2) kann durch die Tauchrohre (3) zunächst kein Abgas strömen. Durch den dann höheren Staudruck des Auspuffgases öffnet sich die Klappe (12) und leitet das warme Abgas über die gefrorene Kondensatoberfläche und die gut wärmeleitfähigen Sammel- und Tauchrohre (3, 4), wodurch sich das gefrorene Kondensat wieder verflüssigt und das Abgas dann wieder durch die Tauchrohre (3) strömen kann und sich die Klappe (12) dann wieder selbsttätig schließt.

Durch das Abflußwehr (13) wird in der Abkühlvorrichtung (1) immer eine Mindestfüllhöhe (14) eingehalten, die höher ist als das untere Ende der Tauchrohre (3), so daß das Abgas immer durch Kondensatflüssigkeit sprudelt. Bei maximalem Füllstand (16) wird ein Schwimmer (15) angehoben, der über die Verbindungsstange (17) mit dem Verschlußstopfen (18) verbunden ist und das Abflußrohr (19) öffnet. In der Regel wird der Verschlußstopfen (18) nur dann z. B. von Hand über das aus dem Sättiger (1) nach oben herausstehende Ende (6) der Verbindungsstange geöffnet, wenn sich das gestrichelt angedeutete Fahrzeug (40) über einem Kondensat-Sumpf (50) z. B. an einer Tankstelle befindet. Selbstverständlich kann das Ablaßsystem (13, 15, 17, 18, 19) auch über eine nicht gezeichnete Füllstandsmessung automatisch z. B. elektromechanisch geöffnet und wieder verschlossen werden. Auch kann z. B. die Öffnung und Schließung des Verschlußstopfens (18) mit Kraftstoff-Tankvorgängen verriegelt sein, da der Sättiger (1) meist dann entleert werden muß, wenn der Kraftstofftank neu befüllt werden muß.

Es zeigt sich nämlich, daß durch den Kondensatrückfluß vom Wärmetauscher (20) zur Abkühlvorrichtung (1) sich das Kondensat (1) in kurzer Zeit stark mit den Schadstoffen anreichert (z. B. Öltröpfchen, Rußpartikel, kondensierte Organika), so daß sich aus dem Kondensat (2) eine Art wäßrige Emulsion bildet, die eine wesentlich niedrigere Oberflächenspannung und ein wesentlich höheres Benetzungsverhalten für die in der Regel hydrophoben Schadstoffe aufweist als reines Wasser. Es findet also bekanntermaßen eine Anreicherung der Schadstoffe in der Abkühlvorrichtung statt, so daß die bereits abgeschiedenen und in der Emulsion gespeicherten Schadstoffe die Grundlage und das Abscheidemedium für die nachfolgenden Schadstoffe bilden. Bei Abgasen mit geringerer Abgasfeuchte (z. B. Dieselabgase) und bei Betrieb der Abgasreinigung in den Sommermonaten könnte es bei alleiniger Verwendung des Kühlerkondensators (20) dazu kommen, daß die Taupunkt-Temperatur des Abgases nicht erreicht wird und der Kühlerkondensator (20) trocken bleibt und keine Abscheidewirkung zeigt. Durch die Vorschaltung des Sättigers (1) wird jedoch durch die intensive Durchmischung von dem noch heißen Abgas mit Kondensat in etwa die jeweilige Kühlgrenztemperatur erreicht, die infolge der hohen Abgas-Eintrittstemperatur eine entsprechend hohe Abgas-Aufsättigung und einen entsprechend hohen Abgas-Taupunkt bewirkt, der z. B. auch noch bei 35°C Atmosphärentemperatur eine ausreichende Kondensation im Wärmetauscher (20) ermöglicht. Der Sättiger bewirkt praktisch eine Abgas-Aufsättigung, die um so höher ist, je höher die Atmosphärentemperatur ist, weil die Abgas-Eintrittstemperatur neben der jeweiligen Motorbelastung auch noch von der Vorkühlwirkung der Auspuffanlage mit den Schalldämpfern und dem Katalysator abhängig ist. Falls in besonders warmen Witterungsperioden die Wasserbilanz bei Dieselmotoren zwischen verdampfter Kondensatmenge in der Abkühlvorrichtung (1) und zurückfließender Kondensatmenge aus dem Kühlerkondensator nicht ausgleichbar ist, wird über einen vom Fahrzeug mitgeführten Zusatz-Wassertank eine geringe Wassermenge zusätzlich in die Abkühlvorrichtung (1) eingegeben, damit sie nicht austrocknet.

Für das am Fahrzeug befindliche Kondensatabscheidesystem, bestehend aus Abkühlvorrichtung (1) und Wärmetauscher (20), hat sie den Vorteil, daß die Abgasleitung vom Motor bis zur Abkühlvorrichtung heiß betrieben wird und aus üblichen Materialien (Edelstahl) bestehen kann, während die Abkühlvorrichtung (1) selbst, die Rohrleitung (5) zum Wärmetauscher (20) und der Wärmetauscher (20) selbst nie eine höhere Temperatur als etwa 60 bis 80°C erreichen und somit aus recyklierbarem Kunststoff bestehen kann, z. B. aus PP, und somit sowohl völlig korrosionsfest als auch von geringem Gewicht als auch leicht form- und anpaßbar an die individuellen Formen der Fahrzeugkarosserien ist. Z. B. läßt sich die Abkühlvorrichtung (1) leicht in Form eines länglichen Behälters mit den Ausmaßen heute üblicher Kunststoff-Stoßfänger am unteren Heck des Fahrzeugs anbringen, so daß er gleichzeitig die Funktion des Stoßfängers übernehmen kann.

Wie Fig. 2 zeigt, kann der eigentliche Wärmetauscher (20) aus zur Längsrichtung des Fahrrzeugs querliegenden Wärmetauscher-Elemente (21) bestehen, die etwa die Länge der Fahrzeugdach-Breite besitzen und die in zusammengefaßten Rohrpaketen (22), bestehend aus 2 bis 20 Rohren (21) wechselweise von links nach rechts und rechts nach links durchströmt werden und die einen Großteil des Fahrzeugdachs bedecken. Bezogen auf die Richtung des Fahrtwindes bei Vorausfahrt bildet die so durchströmte Rohrreihe z. B. einen Gegenstrom-Kreuzstrom-Kühlerkondensator, mit dem leicht die für die notwendige Kühlwirkung erforderliche Wärmeaustauschfläche realisiert werden kann. Bei üblichen Rohrdurchmessern von z. B. 40 mm ergibt sich z. B. bei versetzter Doppelrohr-Anordnung eine Gesamthöhe des Kühlerkondensators von nicht mehr als etwa 100 mm. Werden z. B. 48 Rohre mit einem Durchmesser von etwa 4 cm in drei Paketen à 16 Rohre zusammengefaßt, so ergibt sich eine mittlere Wärmeaustauschfläche von ca. 10 m². Durch die resultierende, geringe Strömungsgeschwindigkeit von etwa 1,7 m/s bei einem maximalen Auspuffgas-Volumenstrom von 120 Betriebs-Kubikmeter pro Stunde ist der resultierende Druckverlust und damit eine negative Rückwirkung auf die Brennkraftmaschine durch die Wärmetauscher-Elemente (21) vernachlässigbar. Um einer zu starken Aufheizung der Rohrpakete (22) bei Sonnenschein entgegenzuwirken und um den Fahrtwind in Richtung der Rohrpakete zu lenken, kann oberhalb der Rohrpakete (22) eine jalousieartige Aluminiumblechabdeckung (23) angebracht sein, die einerseits die direkte Sonnenstrahlung von den Rohren fernhält und andererseits den Fahrtwind durch die Schrägstellung der Jalousielamellen (24) auf die Rohre (21) lenkt. Zur Begrenzung der vertikalen Bauhöhe des Rohrpaketes (22) können die Wärmetauscher-Elemente (21) statt des üblichen kreisförmigen Querschnitts auch rechteckigen, ovalen oder elliptischen Querschnitt aufweisen.

Insgesamt ergeben sich also viele Möglichkeiten, die mindestens erforderliche Wärme-Austauschfläche durch Kombination verschiedener Rohrquerschnitte und Rohranordnungen an die äußere Dachform des jeweiligen Fahrzeugs anzupassen. Bei Nutzfahrzeugen bietet es sich an, die Rohrpakete (22) zwischen Fahrgestell-Chassis und Ladefläche unterzubringen, ohne die Fahrzeughöhe oder die Nutzfläche zu reduzieren. Die Rohrpakete können auch vollständig im gut durchlüfteten Fahrwerkchassis integriert werden. Bei den vielen mittelgroßen Fahrzeugen, die heute unterwegs sind, lassen sich entsprechend dimensionierte Kühlerkondensatoren bequem auf der Dachfläche montieren, insbesondere bei Kombiwagen, Kleinbussen und Lieferwagen. Auch für Reisebusse und die Busse der Verkehrsbetriebe der Städte und Gemeinden gilt dies.

Zur weiteren Verbesserung des Ad- und Absorptionsvermögens des Kondensats (2) für die Schadstoffbestandteile des Abgases kann beispielsweise aus dem Waschwasserbehälter des Fahrzeugs oder aus einem separaten Behälter mit ähnlichem Volumen (ca. 2 l) eine Neutralisierungs- und Benetzungskonzentrat in kleinen Mengen und in Zeitabständen, die der abgeschiedenen Kondensatmenge proportional ist, dem Sättiger (1) über eine Dosiervorrichtung beigegeben werden. Wird auf diese Weise der pH-Wert des Kondensats, der infolge der absorbierten Säuren bei etwa 2-3 liegt, auf 6-7 gesteuert, so ist eine noch bessere Säureabsorption zu erwarten und eine oberflächenaktive Detergenzie erhöht die Benetzungsfähigkeit des Kondensats für die hydrophoben Schadstoffanteile. Das Neutralisierungs- und Benetzungskonzentrat, das auch Oxidationsmittel wie z. B. H₂O₂ oder Derivate hiervon enthalten kann, wird beispielsweise in einer Menge von 1 ml pro Liter Kondensat zugegeben - dies bedingt keinen Kondensatmehranfall und erleichtert u. U. die nachfolgende Behandlung in den zentralen Kondensatreinigungsanlagen.

Insgesamt kann mit den miteinander verbundenen Komponenten (9, 10, 11, 12, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 20, 21, 22) sowohl im Winter wie auch im Sommer eine intensive Abkühlung, Kondensation und Teilrückgewinnung des Motorabgases erfolgen. Insbesondere in den kalten Wintermonaten mit Temperaturen auch deutlich unter Null Grad Celsius wirkt das System besonders intensiv, da dann einerseits die Abgase des im Stadtverkehr noch längere Zeit kalten Motors besonders hoch mit Schadstoffen beladen sind, aber andererseits das erfindungsgemäße System durch die kalten Flächen und insbesondere den gefrorenen Anteil der Kondensatfüllung besonders wirksam ist. Da die Untertauchungen (3) bei gefrorener Kondensatfüllung (2) verschlossen sind, wird, solange das Eis die Öffnungen der Untertauchungen fest umschließt, die federdruckbelastete Rückschlagklappe (12) am bogenförmig umgelenkten Ende des in den Sättiger stirnseitig einragenden Auspuffrohres (11) durch den dann vorhandenen, geringfügig höheren Abgasdruck geöffnet. Im Zuge des sofort einsetzenden Schmelzvorganges des Eises (von oben nach unten) werden die Öffnungen der Untertauchungen freigegeben, so daß das Abgas dann wieder durch die Kondensatfüllung sprudeln kann, wobei die geringer werdenden Eisanteile infolge der Schmelzwärme die Kondensatfüllung noch längere Zeit bei 0°C halten und so eine hohe Absorptionsfähigkeit insbesondere auch für saure Gase aufrechterhalten. Auch bei Regenwetter arbeiten die o. g. Komponenten infolge des dann wesentlich verbesserten, äußeren Wärmeübergangs mit verstärkter Rückgewinnungswirkung.

Das Sättigungs- und Vorreinigungssystem, bestehend aus den Komponenten (9, 10, 11, 12, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 20, 21, 22) wird ergänzt durch das nachfolgend in Strömungsrichtung angeschlossene, im Kühlerkondensator (20) integrierte Elektrofiltersystem, das Fig. 3 zeigt. Da insbesondere, bezogen auf die Fahrtrichtung, in den vorderen Rohrreihen praktisch zu 100% gesättigtes Abgas vorliegt, können die im Abgas verbliebenen, feuchten Feinst-Aerosole mit einem hohen Massenanteil an Teilchen <1 µm, die einen wesentlichen Teil der toxischen Schadstoffe ausmachen, elektrostatisch zurückgewonnen werden. Überraschenderweise zeigt sich nämlich, daß dieses relativ kühle, zu 100% gesättigte und langsam strömende Auspuffgas für eine ein- oder mehrstufige Elektrofiltration ideal geeignet ist. Der übliche, für eine etwa 99%ige Zurückgewinnung erforderliche Energiebedarf beträgt etwa zwischen 0,2 bis 1,0 Watt pro Kubikmeter und Stunde, so daß z. B. bei einem Abgasstrom von ca. 120 m³/h nur ein Leistungsbedarf zwischen 20 bis 100 Watt entsteht. Dies liegt im Rahmen üblicher elektrischer Verbraucher eines PKWs oder NFZs und verursacht praktisch nur einen vernachlässigbaren Kraftstoff-Mehrverbrauch. Weiterhin wird durch die parallel stattfindende Kondensation eine selbsttätige Abreinigung der Feuchtaerosole durch Abschwemmung bewirkt. Insoweit kann das Elektrofiltersystem praktisch wartungsfrei ausgeführt werden. Das Elektrofiltersystem besteht nun, wie in Fig. 3 von oben (links) und im Detail (rechts) gezeigt, aus folgenden Komponenten: In die Kunststoffrohre (21) wird federnd eine kreisförmig vorgebogene, korrosionsfeste und elektrisch leitfähige dickere Folie oder ein dünneres Blech (31) als Abscheideelektrode eingezogen und mit der Karosserie (40) elektrisch verbunden (nicht dargestellt). Die Folie oder das Blech (31) kann auch ein leitfähiger Kunststoff oder ein eingelegtes Carbonfasergewebe oder ein entsprechend gewickeltes Carbon-Fasergeflecht sein. Die drahtförmige Mittelelektrode (32) wird durch Isolatoren (33), die in den zum Rohr (21) axial in der Trennwand sitzenden Bohrungen stecken, mit Spannfedern (34) federnd gespannt. Die drahtförmige Mittelelektrode (32) besteht aus einem leitfähigen und korrosionsfesten Werkstoff und kann zur Erhöhung der lokalen Ionendichte auf seiner Oberfläche zerklüftet sein oder kann kürzere, seitlich abstehende Äste aufweisen. Eine Verbindungsleitung (35) verbindet die Mittelelektroden (32) innerhalb des abgetrennten Hochspannungskastens (z. B. 26) miteinander, so, daß für ein Rohrpaket (z. B. 22, 37) eine gemeinsame Hochspannung an den Mittelelektroden anliegt. Die Hochspannungskästen (26), die den Rohrpaketen (22) zugeordnet sind, sind durch Separatoren (36) voneinander getrennt.

Die Elektrofiltration kann einstufig erfolgen, sollte aber vorteilhafterweise etwa 2- bis 4stufig ausgeführt werden, so daß das zuerst angeströmte Rohrpaket (37), das in Fahrtrichtung am weitesten hinten sitzt und zuerst vom Abgasstrom erreicht wird, etwa nur ein Zwanzigstel bis ein Zehntel der zugeführten Hochspannung erhält und hier zunächst eine verstärkte Agglomeration der äußerst feinen Teilchen erreicht wird. Das als nächstes angeströmte Rohrpaket (38) erhält ein Viertel bis eine Hälfte der zugeführten Spannung. Das dritte Rohrpaket (39) erhält dann die volle Hochspannung, um die voragglomerierten Teilchen mit hohem Wirkungsgrad zurückzugewinnen. Die Hochspannung wird über ein abgeschirmtes Hochspannungs-Kabel von einem Hochspannungserzeuger über Spannungsteiler den Rohrpaketen zugeführt. Der Hochspannungserzeuger kann beispielsweise aus einer oder aus mehrerer der üblichen PKW-Zündspulen bestehen, die über einen mit z. B. 10 bis 1000 Hz pulsierenden Kontaktgeber und einer elektronischen Zündsteuerung angesteuert werden. Es zeigt sich insbesondere, daß eine pulsierende Hochspannung eine effektivere Filterwirkung erzeugt als eine Gleichspannung. Auch zeigt sich, daß im Falle der Verwendung von Zündspulen für die Hochspannungsversorgung eine effiziente Teilchen-Rückgewinnung bei positiver Polung der Mittelelektrode (32) und negativer Polung der Abscheideelektrode (31) eintritt. Die Hochspannung für das erste Rohrpaket (37) kann auch aus einer Gleichspannung, die Hochspannung auf das zweite Rohrpaket (38) aus einer Gleichspannung mit einer darübergelegten Impulsspannung und das dritte Rohrpaket (39) nur mit einer Impulsspannung versorgt werden oder andersherum. Anstelle der möglicherweise stark im Radiofrequenzbereich störenden Zündspulen kann vorteilhaft auch eine normale, elektronisch geregelte Hochspannungserzeugung Verwendung finden. Bei einem lichten Rohrdurchmesser von 4 cm kann die Hochspannung relativ niedrig gehalten werden. Für Schwebeteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 1 µm bzw. 0,1 µm werden in der einschlägigen Literatur bei z. B. 3000 V/cm gemessene Wanderungsgeschwindigkeiten von etwa 3,4 bzw. 2,8 cm/s genannt. Bei der genannten, maximalen Strömungsgeschwindigkeit von 1,7 m/s und einer Rohrlänge von insgesamt gemäß Beispiel 3×1,5 m = 4,5 m ergibt sich eine geringste, mittlere Verweilzeit von 2,65 s, in der auch die 0,1 µm-Teilchen etwa 2,65 s×2,8 cm/s = 7,42 cm wandern können. Dies ist fast das Doppelte des lichten Rohrdurchmessers und, bei der symmetrischen Feldverteilung von Rohrmitte an, das etwa Vierfache der rechnerisch benötigten Wanderungsgeschwindigkeit. Mit dem vorbeschriebenen Elektrofiltersystem können also insbesondere auch die infolge ihres erhöhten Schadstoffgehaltes so wichtigen Submikron-Schwebeteilchen effektiv zurückgeholt werden. Weiterhin kann das vorbeschriebene Elektrofiltersystem infolge der sektorenweisen Anordnung der Rohrpakete speziell an die spezifische Zurückgewinnungsaufgabe für das der jeweiligen Brennkraftmaschine zugehörige Auspuffgas angepaßt werden.

Das zurückgewonnene Kondensat läuft durch die Rohre nach links und rechts in die Verteilerkästen (25) der Rohrpakete (37, 38, 39) und von dort über seitlich, innen angebrachte Abflußöffnungen in die äußeren, seitlich unten am Verteilerkasten anliegenden Abflußleitungen (30), die in Wärmekontakt mit der zur Mitte des Fahrzeugs weisenden Verteilerkasten-Seitenplatte verlegt sind, in die gemeinsame Kondensat-Rückflußleitung (7), die in die Auslaßleitung (5) mündet, wo das Kondensat im Gegenstrom zum aufsteigenden Auspuffgas in den Sättiger (1) zurückläuft. Die Verteilerkasten-Bodenplatten (29) verlaufen zur Mitte des Fahrzeugs leicht schräg nach unten.

Die Rohre (21) werden durch äußere Rohrhalterungen (44) über ihre gesamte Länge parallel und gerade gehalten.

Um die Hochspannungskästen (26) und die Isolatoren (33) trocken zu halten, kann insbesondere in die Hochspannungskästen (26) ein aufgewärmter Luftstrom von insgesamt etwa 0,1 bis 1 m³/h eingeleitet werden, der bei unvermeidlichen kleinen Leckagen zwischen den Hochspannungskästen (26) und den Verteilerkästen (25) eine gerichtete Strömung vom Hochspannungskasten (26) zum Verteilerkasten (25) ermöglicht. Um die Isolatoren (33) weitgehend trocken zu halten, können diese auch mit einer elektrischen Widerstandsheizung von 0,5 bis 2 Watt pro Isolator aus dem 12- oder 24-Volt-Bordnetz des Fahrzeugs betrieben werden. Dies würde einen noch zulässigen Leistungsmehrverbrauch von etwa insgesamt 25 bis 200 Watt verursachen.

Nach Verlassen des Kühlerkondensators (20) werden die Auspuffgase am vorderen Fahrzeugbereich mit einer Reingasleitung (41) nach unten geführt und zur Wiederaufwärmung in einem Doppelrohr-Wärmetauscher (42) im Gleich- oder Gegenstrom zu den heißen Auspuffgasen aufgewärmt und über den Auspuff (43) in die Atmosphäre entlassen.

Weitere Vorteile der vorbeschriebenen, erfindungsgemäßen Teilrückgewinnung von Auspuffgasen bei Fahrzeugen ergeben sich wie folgt:

• - das lange Rohrsystem (3, 4, 5, 20, 21, 41, 42) verursacht eine stärkere Dämpfung der Druckstoßpulsationen, so daß auf den im heißen Auspuffteil sitzenden Nachschalldämpfer verzichtet werden kann;
• - die aus Kunststoff bestehenden Hauptkomponenten (1, 5, 20, 21) sind an praktisch jede äußere Fahrzeugform anpaßbar, so daß auch insbesondere eine Nachrüstung von Altfahrzeugen möglich ist;
• - die Komponenten können durch kleinere Werkstätten montiert werden, was bei breitem Einsatz einen hohen Beschäftigungseffekt ergibt.

Claims (22)

1. Vorrichtung zur Teilrückgewinnung von Auspuffgasen oder in Gasen und Dämpfen suspendierten festen oder flüssigen Teilchen für Brennkraftmaschinen von (40) mit einer Abkühlvorrichtung (1) zur Aufnahme der über einen Auspuff (43) abgebenen Auspuffgase, die auf eine Kühlgrenztemperatur abgekühlt und mit Wasserdampf aufgesättigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Abkühlvorrichtung (1) austretenden Medien über mindestens eine Verbindungsleitung (5) an einen als Abscheider ausgebildeten im Kraftfahrzeug (40) vorgesehenen Wärmetauscher (20) abgegeben werden, der kondensierfähige Gase und Dämpfe sowie die suspendierten Partikel abscheidet und über eine Rückflußleitung (7) in die Abkühlvorrichtung (1) einleitet, während die nicht abgeschiedenen Medien über eine Leitung (45) an die Atmosphäre abgegeben werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die über den Abscheider (20) abgeschiedenen Partikel mit Schwerkraft über die Rückflußleitung (7) in die als Gegenstromeinrichtung ausgebildete Leitung (5) und dann in die als Sammelbehälter oder Sättiger ausgebildete Abkühlvorrichtung (1) geleitet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) der Abkühlvorrichtung zahlreiche Tauchrohre (3) aufweist, die einenends mittel- oder unmittelbar an den Auspuff (9, 10, 4) und anderenends in die im Behälter (1) aufgenommenen Medien (2) hineinreichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (20) am Fahrzeug angeordnet und vom Fahrtwind umströmt wird.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (20) aus rohrförmigen Wärmetauscherelementen (21) besteht, die mit einer elektrostatischen Abscheidevorrichtung (31, 32, 33, 35) zusammenwirken.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Wärmetauscher (20) integrierte Abscheidevorrichtung (31, 32, 33, 35) aus einem Gehäuse (21, 25, 29) mit einer Elektrodeneinrichtung (31, 32) besteht.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinrichtung (31, 32) als Rohrelektrofilter ausgebildet ist, der zumindest teilweise den Wärmetauscher umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrelektrofilter (31, 32) in dem Bereich angeordnet ist, in dem die tiefste Temperatur des Mediums erreicht wird.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Medien ausgeschiedenen Stoffe der Abkühlvorrichtung (1) zugeführt und für eine bestimmte Zeit gespeichert und dann einer Wiederaufbereitung zugeführt werden.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) in Form eines länglichen Hohlkörpers als vorderer und/oder rückseitiger Stoßfänger des Fahrzeugs Verwendung findet.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) ein ähnliches Fassungsvermögen wie der Kraftstofftank desselben Fahrzeugs aufweist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (9) zum Behälter (1) innerhalb des Behälters (1) in einem T-Stück (10) einmündet, an dessen einem Schenkel in Richtung der längeren Längsausdehnung des Behälters (1) das Sammelrohr (4) angeschlossen ist und an dessen anderem Schenkel in Richtung der kürzeren Längsausdehnung des Behälters (1) ein U-förmiges Rohrstück (11) angeschlossen ist, dessen Öffnung oberhalb des maximalen Flüssigkeitsspiegels (16) liegt und in Richtung der längeren Längsausdehnung des Behälters (1) weist und mit einer federbelasteten Klappe (12) verschlossen ist, wobei die Feder dann nachgibt, wenn die Abgas-Druckkraft auf die Klappe (12) gleich oder größer wird als die Kraft, die sich aus dem Abgasdruck bei verschlossenen Tauchrohren (3) ergibt.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuleitungsrohr (9), das T-Stück (10), der Sammler (4), das U-Rohr (11), die Rückschlagklappe (12) und die Tauchrohre (3) aus einem temperaturfesten, gut wärmeleitfähigen und korrosionsfesten Werkstoff bestehen, insbesondere aus Edelstahl und/oder aus Graphit.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1), die Auslaßleitung (5), der Kühlerkondensator (20) und die Rückflußleitung (7) und die Abflußleitung (30) aus einem recyclierbaren Kunststoff bestehen.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Dosiermittelbehälter kontinuierlich oder intervallweise eine dem Kondensatmassenstrom proportionaler Massenstrom einer Hilfsflüssigkeit dem Behälter (1) zugegeben wird, die als Hauptbestandteil ein alkalisch wirkendes Reagenz enthält sowie als Nebenbestandteil ein die Oberflächenspannung von wässerigen Flüssigkeiten verminderndes Reagenz sowie ein oxidierendes Reagenz, insbesondere H₂O₂ und/oder seine Derivate, enthält.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsflüssigkeit im Massenverhältnis von 1 : 10 bis 1 : 10 000 zum Kondensatmassenstrom zugegeben wird und daß die dem Kondensatmassenstrom massenproportionale Zudosierung über die Luftmassenmessung der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs gesteuert wird, so daß über eine regulierbare Verstärkung des Luftmassenstromsignals pro Kilogramm angesaugter Luft 1/500 ml bis 10 ml Hilfsflüssigkeit dem Behälter (1) zudosiert wird.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in Partikelform vorliegende Schwebekondensat im Kühlerkondensator (20) elektrostatisch zurückgewonnen wird, so daß in die Kunststoffrohre (21) ein elektrisch leitfähiges, korrosionsfestes und flexibles, dünnes Material (31) federnd an die Innenwand gelegt und elektrisch mit der am Minuspol der elektrischen Bordversorgung des Fahrzeugs angelegten Karosserie verbunden wird und daß eine drahtförmige, elektrisch leitfähige und korrosionsfeste Elektrode (32) in der Mitte jedes Rohres (21) des Kühlerkondensators (20) über im Abstand von den Stirnseiten der Rohre (21) befindliche Isolatoren (33), die mindestens auf einer Rohrseite eine Spannfeder (34) enthalten, gespannt wird und an diese Elektrode (32) eine Hochspannung angelegt wird.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (21) des Kühlerkondensators (29) stirnseitig in je einer vertikalen Wand zweier gegenüber­ liegender, länglicher, in Fahrtrichtung orientierter Verteilerkästen (25) sitzen, die in ihrer Längsausdehnung durch Umlenkwände (27, 28) unterbrochen sind und mehrere Rohre (21) zu einem Rohrpaket (22) oder zu mehreren Rohrpaketen (37, 38, 39) zusammenfassen.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegende, vertikale, in Fahrtrichtung des Fahrzeugs (40) orientierte Seitenwand des Verteilerkastens (25) die Isolatoren (33) an den Stellen enthält, wo die gedachte Fortsetzung der Mittellinie der Rohre (21) diese Seitenwand durchstößt und daß die der Stirnseite der Rohre (21) abgewendete Seite der Isolatoren (33) in einen Hochspannungskasten (26) hineinragen, in dem die durch die Isolatoren durchgeführten Mittelelektroden (32) elektrisch miteinander und mit der Hochspannung verbunden werden.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für je ein Rohrpaket (22, 37, 38, 39) die Höhe, Pulsation und Polarität der Hochspannung unterschiedlich eingestellt wird, insbesondere so, daß das in Fahrtrichtung des Fahrzeugs (40) am weitesten hinten liegende Rohrpaket (37) zwischen 1000 bis 6000 Volt enthält, das mittlere Rohrpaket (38) zwischen 2000 bis 10 000 Volt und das vordere (39) zwischen 3000 bis 30 000 Volt, wobei vorzugsweise die Mittelelektrode (32) mit dem negativen Pol der Hochspannung verbunden ist.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der an der Mittelelektrode (32) angelegten Hochspannung von einem Rohrpaket zum nächsten wechselt.

22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das am Auspuffgas-Ausgang (45) des Kühlerkondensators (20) anfallende Auspuffgas mit einer Reingasleitung (41) zum heißen Auspuffrohr der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird und dort, insbesondere mit einem Doppelrohr-Wärmetauscher (42), aufgewärmt und dem dort angeschlossenen Auspuff (43) zugeleitet wird.