DE4426947C1 - Vorrichtung zur Entgiftung von Abgasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entgiftung von Ab­ gasen jedweder Art im Abgasstrom einer Verbrennungseinrichtung.

Vorrichtungen zur Entgiftung von Abgasen der in Rede stehenden Art sind seit langem aus der Praxis bekannt und werden insbe­ sondere zur Entgiftung der Abgase von Kraftfahrzeugen, Kraft­ werken und Industrieanlagen verwendet. Eine solche Abgasentgif­ tung bzw. die Verminderung der Schadstoffemission wird einer­ seits durch Schadstoffrückhaltung mittels Filter oder durch Umwandlung von giftigen Abgasanteilen in unschädliche Stoffe durch katalytische oder thermische Nachverbrennung erreicht. Die wirksamste Abgasentgiftung bzw. -reinigung für Verbren­ nungseinrichtungen beruht in der Praxis auf dem Prinzip der ka­ talytischen Nachverbrennung.

Die heutzutage wirksamste Abgasentgiftung bzw. -reinigung oder -entgiftung wird mittels eines sog. geregelten Katalysators er­ reicht. Zur optimalen Wirksamkeit des Katalysators wird die Verbrennungseinrichtung mit einem exakten Luftverhältnis von λ = 1 betrieben. Die genaue Einregelung erfolgt mit Hilfe einer im Abgasstrom vor dem Katalysator angeordneten Sonde, der sog. Lambda-Sonde. Der geregelte Katalysator verhindert den CO-, NO- und HC-Gehalt im Abgasstrom um bis zu 90%. Der Katalysator be­ steht meist aus einem Keramikkörper, der als Träger der kataly­ tischen Beschichtung dient. Die katalytische Schicht besteht meist aus Platin und Rhodium. Verbrennungseinrichtungen mit Ka­ talysatoren müssen mit bleifreiem Kraftstoff betrieben werden, da bei der Verbrennung entstehende Bleiverbindungen die kataly­ tische Schicht abdecken und damit unwirksam machen würden.

Bei den bekannten mit Katalysatoren arbeitenden Vorrichtungen zur Entgiftung von Abgasen ist problematisch, daß für eine wirksame Entgiftung, d. h. eine optimale Wirksamkeit der Kataly­ satoren eine zusätzliche Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Verbrennungseinrichtung erforderlich ist. Des weiteren ist ungünstig, daß Verbrennungseinrichtungen mit Katalysatoren zum Erhalt der Wirksamkeit des Katalysators mit bleifreiem Kraftstoff betrieben werden müssen. Weiterhin nimmt die Wirk­ samkeit der katalytischen Schicht nach einer bestimmten Be­ triebsdauer ab. Dies hat bei Eintreten einer nicht mehr ausrei­ chenden Entgiftungswirkung den Austausch des Katalysators zur Folge, so daß der Katalysator rezykliert oder gar entsorgt wer­ den muß. Bei Verwendung in einem Kraftfahrzeug ist dieser Zeit­ punkt schätzungsweise nach einer Laufleistung von 100 000 km erreicht.

Aus der DE 36 03 170 A1 ist für sich gesehen sowohl ein Verfah­ ren als auch eine Vorrichtung zur akustischen Gasreinigung be­ kannt, wobei dort dem Abluftstrom ein Schall mit zwei oder meh­ reren Frequenzen überlagert wird. Dabei wird der Schall magne­ tostriktiv durch Anregung einer Spule mittels Wechselstrom er­ zeugt.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Entgiftung von Abgasen der eingangs genannten Art anzugeben, bei der eine betriebsdauerunabhängige Wirksam­ keit ohne zusätzliche Regelungseinrichtungen bei Verwendung be­ liebiger Kraftstoffe realisiert ist.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merk­ male des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist die in Rede ste­ hende Vorrichtung zur Entgiftung von Abgasen durch mindestens einen mit seiner Wirkseite in den Abgasstrom hineinragenden Erreger zur Beaufschlagung der Abgasteilchen mit einer Schwin­ gung, deren Frequenz im Gigahertzbereich liegt, gekennzeichnet.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, daß eine Vor­ richtung zur Entgiftung von Abgasen mit einem mit seiner Wirk­ seite in den Abgasstrom hineinragenden Erreger zur Beaufschla­ gung der Abgasteilchen mit einer Schwingung keine zusätzliche Regelung des Verbrennungsvorgangs in einer Verbrennungseinrich­ tung erfordert. Aufgrund des Verzichts auf eine katalytische Abgasreinigung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung auch bei mit beliebigem Kraftstoff betriebenen Ver­ brennungseinrichtungen möglich. Eine betriebsdauerabhängige Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei nicht feststellbar. Die Frequenz der Schwingung liegt dabei im Giga­ hertzbereich.

Durch die Übertragung von Schwingungen auf die Abgasteilchen könnte beispielsweise die einem Molekül entsprechend seiner Zu­ sammensetzung zugehörige Eigenschwingung angeregt werden. Da­ durch könnte das Molekül in einen labilen Zustand versetzt wer­ den, wodurch eine Beeinflussung des elektronischen Aufbaus bzw. der Elektronenverteilung oder des Spins der Elektronen und/oder der Kernbausteine erreicht werden könnte. Eine Reduktion der toxischen Wirkung der Abgase und/oder der chemischen Reaktivi­ tät mit Sauerstoff könnte dann die Folge sein. Möglicherweise könnte auch ein Aufbrechen der Molekülbindung einzelner Abgas­ moleküle bewirkt werden, so daß bspw. ein CO-Molekül in ungif­ tige Kohlenstoff- sowie Sauerstoffanteile zerlegt werden könnte.

Hinsichtlich der Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind keine abgasspezifischen Einschränkungen feststellbar. Die im wesentlichen zu behandelnden Abgasbestandteile sind jedoch Kohlendioxid, Kohlenmonoxid sowie Kohlenwasserstoffe. Auch eine Behandlung von Formaldehyden ist denkbar.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entgiftung von Abga­ sen ist folglich eine Vorrichtung realisiert, die eine be­ triebsdauerunabhängige Wirksamkeit ohne zusätzliche Regelungs­ einrichtungen bei Verwendung beliebiger Kraftstoffe ermöglicht.

In besonders vorteilhafter Weise könnte der Erreger im Wandbe­ reich einer in dem Abgasstrom ausgebildeten und von Abgas durchströmten Reaktionskammer angeordnet sein. Durch eine sol­ che spezielle Reaktionskammer ließe sich die Entgiftung der Ab­ gase an einer vorbestimmten Stelle mittels eines in geeigneter Weise im Wandbereich der Reaktionskammer angeordneten Erregers durchführen. Hierbei könnte der Erreger in besonders stabiler Weise in den Wandbereich geschraubt oder mittels eines Preßsit­ zes in dem Wandbereich angeordnet sein.

Hinsichtlich einer hohen Wirksamkeit unter Beibehaltung einer guten Zugänglichkeit des Erregers an der Verwendungsstelle könnte der Erreger zumindest teilweise von außerhalb in die Re­ aktionskammer hineinragen.

Zur Erhöhung der Aufenthaltsdauer der Abgasteilchen im Wirkbe­ reich des Erregers könnte in der Reaktionskammer eine kerami­ sche Platte zur Umlenkung und somit zur Beeinflussung des Ab­ gasstroms angeordnet sein.

In weiter vorteilhafter Weise könnte der Erreger in etwa als Röhre ausgebildet sein, wobei eine einer Zündkerze ähnliche Ausgestaltung günstig wäre.

Hinsichtlich einer einfachen Erzeugung von zur Übertragung von Schwingungsenergie geeigneten Teilchen könnte eine derartige Röhre einen evakuierten Innenraum aufweisen. In diesem Innen­ raum könnte dann eine Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstroms bei einem Vakuum in der Größenordnung von vor­ zugsweise etwa 10^-8 Pa angeordnet sein.

Hinsichtlich einer kontrollierten Erzeugung der Elektronen könnte die Elektronenquelle eine vorzugsweise mehrelementige Glühkathode oder ein Feldemitter mit jeweils einem elektroni­ schen Bauteil zur Steuerung der Elektronenemission sein. Die elektrische Versorgung der Elektronenquelle bzw. des elektroni­ schen Bauteils könnte, bspw. bei einem Kraftfahrzeug, über eine mit der Verbrennungseinrichtung gekoppelte Batterie oder auch über eine separate Strom- bzw. Spannungsquelle erfolgen.

Zur Gewährleistung einer ausreichenden elektrischen Isolation und einer hohen Vakuumstabilität könnte der Innenraum von einem in Längsrichtung in der Röhre angeordneten Quarzrohr umgeben sein. Die Elektronenquelle könnte dann in vorteilhafter Weise an einem Ende des Quarzrohrs angeordnet sein, wobei das andere Ende des Quarzrohrs an der Wirkseite der Röhre angeordnet wäre. Das elektronische Bauteil zur Steuerung der Elektronenemission könnte dann zur Bildung eines einfachen Aufbaus der Vorrichtung an dem einen Ende außerhalb des Quarzrohrs angeordnet sein.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorlie­ genden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und wei­ terzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Er­ läuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläu­ terung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung an­ hand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausge­ staltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Seitenansicht einen Ausschnitt eines Abgasstrangs mit einem Ausführungsbeispiel ei­ ner erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entgiftung von Abgasen mit zwei Erregern,

Fig. 2 in einem Längsschnitt das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Erregers und

Fig. 3 in einem vergrößerten Längsschnitt das Keramikrohr des erfindungsgemäßen Erregers aus Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Abgasstrang einer Ver­ brennungseinrichtung mit einer Vorrichtung zur Entgiftung von Abgasen. Der Abgasstrom 1 verläuft dabei in der Figur in Pfeil­ richtung von links nach rechts. In dem Abgasstrang ist eine von Abgas durchströmte Reaktionskammer 4 ausgebildet. Zwei Erreger 2 einer Vorrichtung zur Entgiftung von Abgasen ragen mit ihrer Wirkseite 3 in den Abgasstrom 1 zur Beaufschlagung der Abgas­ teilchen mit einer Schwingung hinein. Die Erreger 2 sind in den Wandbereich 5 der Reaktionskammer 4 geschraubt oder mittels ei­ nes Preßsitzes in dem Wandbereich 5 angeordnet. Zur Verlänge­ rung der Einwirkung der Erreger 2 auf die Abgasteilchen ist in der Reaktionskammer 4 eine keramische Platte 6 zur Umlenkung und somit zur Beeinflussung des Fließverhaltens des Abgasstroms 1 angeordnet. Der Abgasstrom 1 kann durch dieses keramische Platte 6 in einen Wirbelzustand in etwa um die Erreger 2 ver­ setzt werden.

Durch diese Anordnung der Erreger 2 und der keramischen Platte 6 ist eine hohe Effizienz hinsichtlich der Entgiftung der Ab­ gasteilchen des Abgasstroms 1 erreicht. Zur Gewährleistung ei­ ner guten Zugänglichkeit zu den Erregern 2 und einer einfachen Austauschbarkeit der Erreger 2 im Falle eines Defektes ragen die Erreger 2 lediglich teilweise von außerhalb in die Reakti­ onskammer 4 hinein und stehen dabei gleichzeitig ausreichend weit von dem Wandbereich 5 der Reaktionskammer 4 ab, so daß sie bequem gegriffen werden können.

Wie noch besser in Fig. 2 dargestellt, welcher einen Längs­ schnitt durch einen erfindungsgemäßen Erreger 2 zeigt, ist der Erreger 2 in etwa röhrenförmig, d. h. ähnlich einer Zündkerze ausgebildet.

Ein solcher als Röhre 7 ausgebildeter Erreger 2 weist einen evakuierten Innenraum 8 auf. In diesem Innenraum 8 ist eine Elektronenquelle 9 zur Erzeugung eines Elektronenstroms 10 an­ geordnet. Der Vakuumwert in dem Innenraum 8 beträgt vorzugs­ weise etwa 10^-8 Pa. Die Elektronenquelle 9 ist bei diesem Aus­ führungsbeispiel eine mehrelementige Glühkathode, die mit einem elektronischen Bauteil 11 zur Steuerung der Elektronenemission gekoppelt ist. Alternativ zu der Glühkathode könnte die Elek­ tronenquelle 9 jedoch auch als Feldemitter ausgebildet sein. Der Innenraum 8 ist von einem in Längsrichtung in der Röhre 7 angeordneten Quarzrohr 12 umgeben, d. h., er wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch das Quarzrohr 12 gebildet. An dem Ende des Quarzrohrs 12, an dem die Elektronenquelle 9 angeord­ net ist, verlaufen elektrische Zuführungen aus dem Quarzrohr 12 zu dem außerhalb des Quarzrohrs 12 angeordneten elektronischen Bauteil 11 heraus. Das andere Ende des Quarzrohrs 12 ist an der Wirkseite 3 der Röhre 7 angeordnet und ist durch einen Schwin­ gungsüberträger 14 zum Übertragen von Schwingungen auf Abgas­ teilchen gebildet. Der Schwingungsüberträger 14 ist aus Sili­ zium hergestellt.

Das Quarzrohr 12 ist von der Elektronenquelle 9 bis zu der Wirkseite 3 beziehungsweise zu dem Schwingungsüberträger 14 von mehreren ringförmigen Magneten 13 umgeben. Die Magneten 13 die­ nen der Fokussierung des Elektronenstroms 10 im Sinne einer ma­ gnetischen Linse in Richtung des Schwingungsüberträgers 14.

Im Anschluß an das elektronische Bauteil 11 weist die Röhre 7 eine als Stecker ausgebildete Anschlußeinrichtung zur elektri­ schen Versorgung der Glühkathode auf.

In dem elektronischen Bauteil 11 integriert ist eine elektroni­ sche Schalteinheit vorgesehen. Gemeinsam mit den ringförmigen Magneten 13 ist die elektronische Schalteinheit zur Beaufschla­ gung der Elektronen in dem Quarzrohr 12 mit einer Schwingung ausgebildet. Die elektronische Schalteinheit könnte jedoch auch separat von dem elektronischen Bauteil angeordnet sein.

Die Frequenz der erzeugten Schwingung liegt im Gigahertzbereich und ist entweder fest vorgewählt oder läßt sich während des Be­ triebs verändern.

Die ringförmigen Magnete 13 sind von einem elektronenquellen­ seitig abgeschlossenen Keramikrohr 15 umgeben, welches das Quarzrohr 12 an der Wirkseite 3 von außen kontaktiert.

Das Keramikrohr 15 ist von einem im wesentlichen die Außenseite der Röhre 7 bildenden Gehäuse 16 umgeben. Das Gehäuse 16 weist an seiner Außenseite eine mit einem Kopplungsteil 17 in Ein­ griff bringbare Ausformung 18 auf. Die Ausformung 18 ermöglicht eine sichere Verbindung zwischen Gehäuse 16 und Kopplungsteil 17.

Um eine Anordnung des Erregers 2 bzw. der Röhre 7 gemäß dem er­ findungsgemäßen Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 zu ermöglichen, ist das Kopplungsteil 17 wirkseitig an dem Gehäuse 16 angeord­ net. Zum Einschrauben in bspw. den Wandbereich 5 einer Reakti­ onskammer 4 weist das Kopplungsteil 17 an seiner Außenseite ein Gewinde 19 auf.

An dem Kopplungsteil 17 sind weiterhin ringförmige Nuten ausge­ bildet, die ein Greifen per Hand oder mittels eines geeigneten Werkzeugs zum Herausschrauben der Röhre 7 ermöglichen.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Längsschnitt eines Teils der Röhre 7, nämlich das Keramikrohr 15 mit den bereits oben anhand der Fig. 2 beschriebenen, in dem Keramikrohr 15 angeordneten Bauteilen. Auf die Beschreibung der Fig. 2 sei hiermit aus­ drücklich verwiesen.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Entgiftung von Abgasen jedweder Art im Ab­ gasstrom einer Verbrennungseinrichtung, gekennzeichnet durch mindestens einen mit seiner Wirkseite (3) in den Abgasstrom (1) hineinragenden Erre­ ger (2) zur Beaufschlagung der Abgasteilchen mit einer Schwin­ gung, deren Frequenz im Gigahertzbereich liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erreger (2) im Wandbereich (5) einer in dem Abgasstrom (1) ausgebildeten und von Abgas durchströmten Reaktionskammer (4) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskammer (4) eine keramische Platte (6) zur Um­ lenkung und somit zur Beeinflussung des Abgasstroms (1) ange­ ordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Erreger (2) in Form einer Röhre (7) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (7) einen evakuierten Innenraum (8) aufweist und daß in diesem eine Elektronenquelle (9) zur Erzeugung eines Elek­ tronenstroms (10) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Innenraum (8) ein Vakuum in der Größenordnung von 10^-8 Pa herrscht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Elektronenquelle (9) eine vorzugsweise mehrelemen­ tige Glühkathode oder ein Feldemitter mit jeweils einem elek­ tronischen Bauteil (11) zur Steuerung der Elektronenemission ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Innenraum (8) von einem in Längsrichtung in der Röhre (7) angeordnetem Quarzrohr (12) umgeben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle (9) an einem Ende des Quarzrohrs (12) an­ geordnet ist und daß dessen anderes Ende an der Wirkseite (3) der Röhre (7) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauteil (11) an dem einen Ende außerhalb des Quarzrohrs (12) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Quarzrohr (12) von der Elektronenquelle (9) bis zu der Wirkseite (3) von mehreren ringförmigen Magneten (13) zur Fokussierung des Elektronenstroms (10) im Sinne einer ma­ gnetischen Linse in Richtung eines an der Wirkseite (3) ange­ ordneten Schwingungsüberträgers (14) umgeben ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsüberträger (14) aus Silizium hergestellt ist und einen Abschluß des Quarzrohrs (12) an der Wirkseite (3) bildet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die ringförmigen Magnete (13) von einem elektronen­ quellenseitig abgeschlossenen Keramikrohr (15) umgeben sind und daß dieses das Quarzrohr (12) an der Wirkseite (3) kontaktiert.