DE60034350T2

DE60034350T2 - Vorrichtung zur behandlung von verbrennungsabgasen einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60034350T2
Application number: DE60034350T
Authority: DE
Inventors: Daniel Teboul
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2020-09-15
Also published as: CN1373689A; ATE359124T1; CA2384755A1; FR2798303A1; KR100760242B1; CA2384755C; RU2256506C2; US7198762B1; KR20020048935A; EP1212141B1; HK1048963B; BR0013978A; MXPA02002822A; CN1242849C; ZA200202074B; JP2003509615A; ES2284526T3; EP1212141A1; AU7526200A; HK1048963A1

Description

Die Erfindung betrifft die Behandlung eines gasförmigen Mediums, das mit Partikeln und insbesondere mit verschmutzenden Komponenten oder festen, flüssigen oder gasförmigen Verunreinigungen angereichert ist, die in einem gasförmigen Medium enthalten sind, wie beispielsweise Abgasen eines Verbrennungsmotors.
Eine besondere aber nicht ausschließliche Anwendung ist die Reinigung der Abgase eines Diesel-Motors.
Die aus den Auspuffen austretenden Schadstoffe umfassen:

– kohlenstoffhaltige Komponenten: CO, CO₂;
– stickstoffhaltige Komponenten: NO, NO₂ (im Allgemeinen Stickoxide NO_x genannt)...;
– organische Komponenten, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe (HC)...;
– schwefelhaltige Komponenten: SO₂, SO₃, ...;
– organische Partikel;
– usw.

Die organischen Partikelemissionen sind vor allem für die Diesel-Motoren charakteristisch und bestehen aus einem kohlenstoffhaltigen Material (Ruß), auf dem diverse organische Gattungen (SOF: Soluble Organic Fraction) adsorbiert sind.
Zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung der Abgase eines Verbrennungsmotors wurden in der Vergangenheit bereits vorgeschlagen.
Es ist insbesondere bekannt, Oxidationskatalysatoren mit Partikel- oder Monolithträger zu verwenden, um insbesondere das CO und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu oxidieren.
Für die Partikel der Diesel-Motoren gibt es auch regenerierbare Auffangsysteme.
Vorrichtungen zur Gasbehandlung, die Elektrofilter mit Kranzeffekt einsetzen, sind auch bekannt, insbesondere aus den Dokumenten EP-A-0299 197 (US-A-4 871 515) und US-A-4 478 613.
Die Vorrichtungen dieser beiden Dokumente funktionieren nach unterschiedlichen Prinzipien. Im Falle der Vorrichtung, die Gegenstand dieser beiden Dokumente ist, sind die Partikel nämlich dazu bestimmt, in einer Sammelstruktur eingefangen zu werden, während bei der in dem zweiten dieser Dokumente beschriebenen Vorrichtung die Partikel Agglomerate auf der Sammelstruktur bilden, die sich dann von dieser Sammelfläche lösen und durch den in der Vorrichtung zirkulierenden Gasstrom mitgenommen werden, bevor sie von diesem mit Hilfe einer mechanischen Zerlegungseinheit getrennt werden.
Der Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus EP-A-0 367 587, EP-A-0 256 325 und US-A-5 787 704 bekannt.
Die Erfindung soll die bekannten Behandlungsvorrichtungen verbessern, insbesondere im Hinblick auf ihre Wirksamkeit.
Sie soll auch eine Behandlungsvorrichtung vorschlagen, die kompakt, kostengünstig und einfach in der Herstellung ist.
Zu diesem Zweck schlägt sie eine Vorrichtung zur Behandlung eines gasförmigen Mediums, das mit Partikeln angereichert ist, vor, die mindestens einen Elektrofilter mit Kranzeffekt besitzt, umfassend:

– eine Längshülle;
– einen Längsdurchgang für die Gase, der sich in der Hülle erstreckt und dessen beiden gegenüberliegenden Enden an den Eingang bzw. den Ausgang der Gase des Elektrofilters angrenzen;
– eine Emissionsstruktur, die sich längs und im Wesentlichen in der Mitte des Durchgangs erstreckt; und
– eine Sammelstruktur, die sich längs zwischen dem Durchgang und der Hülle erstreckt und eine Vielzahl von Hohlräumen umfasst, die Lagerungen zur Aufnahme der in dem gasförmigen Medium enthaltenen Partikel bilden; dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsstruktur eine Vielzahl von gezahnten Platten umfasst, die quer zur Längsrichtung des Durchgangs angeordnet sind und Spitzen bilden, die zur Sammelstruktur gerichtet sind.

Dank einer solchen Behandlungsvorrichtung wird eine Antwort auf die soeben erwähnten Bedürfnisse gegeben. Diese Vorrichtung stellt sich insbesondere für das Sammeln der Partikel als wirksam heraus, wie nachstehend im Detail zu sehen ist.
Aus Gründen der Sammelwirksamkeit und der Durchführungsbequemlichkeit sind die gezahnten Platten von Sternen gebildet, die dazu bestimmt sind, mit einer Schaltung verbunden zu werden, die eine stabilisierte Hochspannung (mehrere kV) liefert.
Eine Scheibe mit einer zentralen Aussparung in Sternform könnte beispielsweise auch passend sein.
Weitere voll oder perforierte geometrische Formen, die vorzugsweise eine Vielzahl von zur Sammelstruktur gerichteten Spitzen aufweisen, können zwischen diesen Sternen angeordnet sein. Diese geometrischen Formen können beispielsweise von Scheiben oder Kränzen gebildet sein, die mit Löchern mit verschiedenen Durchmessern perforiert sind.
Eine mögliche Ausführungsart der Schaltung, die eine stabilisierte Hochspannung liefert, besteht darin, einen Umsetzer oder Transformator vorzusehen, der eine Spannung zwischen 0 und 15 kV mit einer Regelung durch einen Variator liefert.
Vorzugswiese ist die angelegte Spannung negativ und größer als ungefähr 6 kV.
Ebenfalls aus Gründen der Wirksamkeit umfasst die Sammelstruktur vorzugsweise einen Separator oder eine Ableitungsmatte, der/die aus einem Metallgewebe hergestellt ist.
Nach der bevorzugten Ausführungsart hat das Metallgewebe eine Zickzack-Struktur, die das Eindringen der Partikel in das Gewebe erleichtert.
Als Variante kann auch beispielsweise eine Sammelstruktur eingesetzt werden, die mit Nuten, Rinnen, Rillen ... versehen ist.
Nach der bevorzugten Ausführungsart hat der Separator zylindrische Form und umgibt die gezahnten Platten der Emissionsstruktur, die auf der Achse der zylindrischen Form der Sammelstruktur ausgerichtet sind.
Vorzugsweise sind in diesem Fall die Emissionsstruktur und die Sammelstruktur auf einer Stützstruktur montiert, mit der sie eine Filterpatrone bilden, die von der Behandlungsvorrichtung abnehmbar ist.
Im Falle einer Behandlungsvorrichtung, deren Gaseingang und -ausgang sich quer zum Längsdurchgang für diese Gase erstrecken, werden die gezahnten Platten vorzugsweise von einer Stange getragen, die mit der Schaltung, die eine Hochspannung liefert, verbunden ist und an jedem ihrer Enden von einem durch eine Glocke geschützten Isolator getragen wird.
Um die Sammelwirksamkeit zu erhöhen, kann die Behandlungsvorrichtung vorzugsweise einen zweiten Elektrofilter, der an sich original ist, umfassen, der metallische Sterne aufweist, die von einer Seite einer metallischen perforierten Scheibe getragen werden, die an die eine stabilisierte Hochspannung liefernde Schaltung angeschlossen und stromaufwärts zu einem Separator von zylindrischer Form montiert ist, der aus einem Metallgewebe hergestellt ist.
Um die gasförmigen Verschmutzungskomponenten zu behandeln, umfasst die Behandlungsvorrichtung vorzugsweise auch einen Oxidationskatalysator mit Monolithträger stromaufwärts zu dem oder den Elektrofiltern.
Diese Behandlungsvorrichtung kann auch einen mechanischen Filter stromaufwärts zu dem oder den Elektrofiltern und gegebenenfalls zum Oxidationskatalysator umfassen, um beispielsweise ölige Emulsionen durch Verwendung eines Filters gegen Blasenbildung, beispielsweise vom Typ umgekehrte V-artige Stöße, zurückzuhalten.
Nach einer an sich originalen Konfiguration umfasst der mechanische Filter einen Metallmaschenfilter, d.h. der aus einem Metalldrahtgewebe oder einem Metallgewebe hergestellt ist, und der einen Zwangsdurchgang für das gasförmige Medium, das in die Behandlungsvorrichtung eindringt, definiert und mit einem elektrischen Widerstand verbunden ist, der die Temperatur des gasförmigen Mediums erhöhen kann.
Eine solche Filterstruktur ermöglicht es, das gasförmige Medium auf die Betriebstemperatur des Oxidationskatalysators zu bringen. Aber vor allem ermöglicht sie es, eine besonders kompakte Behandlungsvorrichtung herzustellen, die die Verbrennung von im Filter zurückgehaltenen Partikeln hervorruft. Daraus ergibt sich eine geringere Menge an von dem oder den Elektrofiltern zu behandelnden Partikeln und dadurch eine mögliche Verringerung der Größe der Behandlungsvorrichtung.
Diese Behandlungsvorrichtung kann auch mit einem Oxidationslufteintritt und/oder einem Reinigungslufteintritt versehen sein.
Um gegen die Gegendruckphänomene zu kämpfen, die für den ordnungsgemäßen Betrieb eines Verbrennungsmotors schädlich und mit einer solchen Vorrichtung verbunden sind, kann diese letztgenannte auch mit Ansaugmitteln stromabwärts zu dem oder den Elektrofiltern versehen sein.
Bei der bevorzugten Ausführungsart umfasst die Behandlungsvorrichtung überdies mindestens eine zylindrische Hülle für die Lagerung des oder der Elektrofilter und gegebenenfalls des Oxidationsfilters und/oder des mechanischen Filters.
Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich ein Fahrzeug, das mit einer Behandlungsvorrichtung, wie oben definiert, ausgestattet ist.
Weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, wobei:
1 ein Prinzipschema einer Behandlungsvorrichtung für Abgase nach einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung ist,
2 ein Prinzipschema einer Behandlungsvorrichtung für Abgase in mehreren Stufen nach einer weiteren Ausführungsart der vorliegenden Erfindung ist, und
3 ein Schema ist, das ein Kraftfahrzeug darstellt, das mit der Vorrichtung aus 2 ausgestattet ist.
Bevor zur Beschreibung dieser Figuren übergegangen wird, wird kurz das Funktionsprinzip eines Elektrofilters mit Kranzeffekt erwähnt.
Ein solcher Elektrofilter basiert auf der Kombination des Aspekts der Partikelladung durch Erzeugung von Ionen und des Sammelns der Partikel unter der Wirkung eines lokalen elektrischen Feldes. Die Energie, die dieses Erregungs- und Ionisierungsphänomen ermöglicht, kann durch eine elektromagnetische Strahlung oder eine Weiterleitung von kinetischer Energie durch Stöße geliefert werden.
Der Kranzeffekt entspricht der Ionisierung des Gases, wenn das elektrische Feld einen Durchschlaggradienten erreicht.
Die Behandlungsvorrichtung 1 für die Abgase eines Verbrennungsmotors aus 1 umfasst mindestens eine zylindrische Längshülle 10, die an ihren Enden durch zwei Deckel 11 und 12 verschlossen ist und in der eine Patrone 20 angeordnet ist, die mit einem Elektrofilter mit Kranzeffekt versehen ist.
Diese Patrone 20 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 21 aus Lochblech, das die Hülle dieser Patrone bildet. Zwei Öffnungen 22 und 23, die einander diametral gegenüberliegen, sind in dieses Gehäuse 21 eingearbeitet, um den Eintritt und den Austritt der Gase in die Patrone 20 zu ermöglichen. Diese Öffnungen 22 und 23 stehen mit dem entsprechenden Eingangs- bzw. Ausgangsdurchgang der Gase der Hülle 10 in Verbindung. Jede dieser Öffnungen 22 und 23 ist überdies in Längsrichtung zur Patrone 20 zwischen einer Sammelstruktur 24 und einem Isolator 25, 26 angeordnet, der die Emissionsstruktur 27 des Elektrofilters mit Kranzeffekt trägt.
Die Sammelstruktur 24 ist aus einem Metallgewebe aus einem Stück hergestellt, das die Emissionsstruktur 27 zwischen den beiden Öffnungen 22 und 23 umgibt. Sie begrenzt somit einen zylindrischen Längsdurchgang 28 für die Gase, dessen beiden gegenüberliegenden Enden an die beiden Öffnungen 22 und 23 angrenzen. Das Metallgewebe dieser Sammelstruktur 24 umfasst überdies eine Vielzahl von Hohlräumen, die Lagerungen bilden, die die in dem durch diesen Durchgang 28 strömenden gasförmigen Medium enthaltenen Partikel aufnehmen können, wie nachstehend im Detail zu sehen ist.
Ferner ermöglicht es dieses Gewebe durch seine Zickzack-Struktur, das Eindringen der Partikel in die Dicke des Gewebes zu erleichtern.
Die Emissionsstruktur 27 umfasst eine zentrale Stange 29, die sich axial erstreckt und von den Isolatoren 25 und 26, die sie durchquert, getragen wird. Sie umfasst an einem ihrer Enden eine Anschlussklemme 30 an eine Schaltung, die eine stabilisierte Hochspannung liefert (in 1 nicht dargestellt), die einen Umsetzer umfasst, der eine Negativspannung zwischen 0 und 15 kV mit Regelung mittels eines Variators liefert. Dieser Umsetzer ist dazu bestimmt, mit der Batterie eines Fahrzeugs verbunden zu werden, das die Behandlungsvorrichtung 1 aufnimmt.
Eine im Deckel 11 vorgesehene Öffnung 31 ermöglicht den Durchgang eines Kabels zum Anschluss der Klemme 30 an diese Hochspannungsschaltung. Das Gehäuse 21 und daher die Sammelstruktur 24 sind ihrerseits an die Masse angeschlossen.
Im Falle der Ausführungsart der 1 sind die gezahnten Platten, die Emissionsteile bilden und auf der Stange 29 montiert sind, von mehreren metallischen Sternen 32 gebildet, d.h. einer vollen zentralen Stütze, die an ihrer Peripherie mit dreieckigen Abschnitten versehen ist, deren Spitzen zur Sammelstruktur 24 gerichtet sind. Diese Sterne 32 sind quer zur Längsrichtung des Durchgangs 28 angeordnet, und der ersten von ihnen befindet sich gegenüber der Gaseintrittsöffnung 22. Es sind hier acht Abschnitte vorhanden.
Überdies wechseln sich diese Sterne 32 mit metallischen Scheiben oder Kränzen 33 ab, die mit Löchern mit verschiedenen Durchmessern perforiert sind. Diese Scheiben oder Kränze 33 haben hier denselben Durchmesser wie die Sterne 32 und sind auf der Stange 29 montiert, um quer zur Längsrichtung des Durchgangs 28 angeordnet zu werden.
Die Isolatoren 25 und 26 sind aus Glaskeramik hergestellt und umfassen jeweils eine Endscheibe 34, 35, die die durch das Gehäuse 21 an seinen beiden Längsenden definierten Öffnungen verschließen. Ein röhrenförmiger Mittelteil 36, 37 umgibt die Stange 29 und verlängert die entsprechende Scheibe 34, 35 zum Inneren des Gehäuses 21. Der Außendurchmesser jedes der röhrenförmigen Teile 36, 37 ist geringer als jener der Scheiben 34, 35.
Ferner ist eine Glocke 38, 39 auf jedem dieser röhrenförmigen Teile 36, 37 auf der Seite jenes, der der Anschlussseite an die jeweilige Scheibe 34, 35 gegenüberliegt, befestigt.
Diese Glocken 38, 39 mit einem geringeren Durchmesser als die Scheiben 34, 35 grenzen an die Öffnungen 22 und 23 an und sollen die Isolatoren 25 und 26 des mit Partikeln angereicherten gasförmigen Mediums schützen.
Jeder der röhrenförmigen Teile 36, 37 der Isolatoren 25 und 26 ist überdies auch durch zwei konzentrische Ablenkbleche geschützt, die diese röhrenförmigen Teile 36, 37 umgeben.
Die an der Scheibe 34 bzw. der Glocke 38 befestigten Ablenkbleche tragen die Bezugszeichen 40 und 41, während die an der Scheibe 35 bzw. der Glocke 39 befestigten Ablenkbleche die Bezugszeichen 42 und 43 tragen. Jedes konzentrische Ablenkblechpaar bildet somit eine Schikane für den in der Patrone 20 vorhandenen Gasstrom.
Schließlich ermöglicht es ein an der Scheibe 35 befestigter Griff 44, die Patrone 20 einfach aus der Hülle 10 zu ziehen.
Während des Betriebs spielen die Sterne 32 nicht nur die Rolle von Emissionsstrukturen des Elektrofilters mit Kranzeffekt, sondern ermöglichen es auch, Turbulenzen und lokale Störungen zu erzeugen, die insbesondere bewirken, dass die Partikel zu der Sammelstruktur 24 abgelenkt werden, wobei sie einer Beschleunigung unterliegen, ohne dass allerdings ein neuerliches Wegschleudern der bereits in dieser Sammelstruktur 24 eingefangenen Partikel hervorgerufen wird.
Diese Turbulenzen und Störungen werden durch das Vorhandensein der perforierten Scheiben oder Kränze 33, die zwischen den Sternen 32 angeordnet sind, verstärkt.
Die Wirksamkeit eines solchen Systems wurde bei Vorhandensein und bei Nichtvorhandensein von Sternen gemessen. In beiden Fällen umfasste die Behandlungsvorrichtung keine Scheiben oder Kränze vom Typ jener, die das Bezugszeichen 33 in 1 tragen. Die den Tests unterzogene Behandlungsvorrichtung bestand aus einer metallischen Hülle, die zwei metallische Filterpatronen vom Typ jener, die das Bezugszeichen 20 in 1 tragen, umfasste. Die Elektrofilter dieser Patronen wurden mit stabilisierter Hochspannung von –10 kV gespeist.
Diese Vorrichtung wurde hinten an einem Fahrzeug der Marke Peugeot ^® 406 HDI montiert, das mit einem Katalysator ausgestattet ist, dessen Schalldämpfer allerdings weggelassen wurde.
Die Tests wurden auf Rollbänken nach dem Standardisierungszyklus für Fahrzeuge UDC (Urban Driving Cycle, d.h. Stadtfahrzyklus) und EUDC (Extra Urban Driving Cycle, d.h. Außerstadtfahrzyklus) durchgeführt. Die Messung der Sammelwirksamkeit der Behandlungsvorrichtung wurde durch den Wägeunterschied zwischen den Bruttoemissionen (ohne Behandlungsvorrichtung) und den Emissionen bei Vorhandensein der am Auspuffausgang angeordneten Behandlungsvorrichtungen durchgeführt.
Diese Tests wurden auf Basis der Norm NF EN ISO 8178-1 bis 8 durchgeführt.
Diese Tests zeigten unerwartete Resultate. Das Vorhandensein von Sternen ermöglichte es nämlich, die Sammelwirksamkeit zu verdoppeln und besonders hohe Durchschnittswerte von ungefähr 80 % zu erreichen.
Es wird auch geschätzt, dass die in dieser Behandlungsvorrichtung erzeugten Gegendruckwerte minimal sind und nicht im Zuge der Verlegung der Sammelstruktur 24 steigen.
Es ist in diesem Zusammenhang überdies anzumerken, dass die Reinigung dieser Sammelstruktur 24 relativ einfach durchzuführen ist. Es reicht nämlich aus, die Patrone aus der Hülle 10 zu ziehen, wobei sie in dieser gleitet, und sie dann beispielsweise in ein Ultraschallbad zu tauchen.
Als Variante kann diese Reinigung durch Eingliederung eines elektrischen Widerstandes in die Sammelstruktur 24 durchgeführt werden, um die Partikel zu verbrennen und diese Sammelstruktur 24 zu regenerieren, oder durch Lufteinspritzung und Ansaugung mit Hilfe eines Venturi-Systems.
Die Erhöhung der Dicke des Metallgewebes dieser Sammelstruktur 24 ermöglicht es überdies auch, den von den Gasen bei ihrem Übergang in die Behandlungsvorrichtung 1 erzeugten Lärm zu verringern.
Es wird auch geschätzt, dass es eine solche Behandlungsvorrichtung 1 ermöglicht, Ozon herzustellen, wobei insbesondere der Raum zwischen den Sternen 32 und der Sammelstruktur 24 in einem annehmbaren Maß verringert wird. Dieses Ozon bewirkt vorzugsweise, dass gewisse gasförmige Verbindungen, die in den Abgasen vorhanden sind, oxidiert werden.
Die Behandlungsvorrichtung 100 mit mehreren Stufen aus 2 umfasst stromaufwärts bis stromabwärts, d.h. zwischen einem Eingang 102 und einem Ausgang 103, einen mechanischen Filter 110, einen Oxidationskatalysator 120, einen ersten Elektrofilter 130, einen zweiten Elektrofilter 130' und Ansaugmittel 150.
Es handelt sich wie bei der Vorrichtung 1 aus 1 um eine Behandlungsvorrichtung für Abgase eines Diesel-Motors.
Die Gesamtheit dieser Elemente befindet sich in zwei zylindrischen Hüllen 160, 160', die mindestens an der Stelle des Filters 110 und des Oxidationskatalysators 120, die miteinander in Verbindung stehen, wärmeisoliert sind und im Falle des Kraftfahrzeugs aus 3 einen Teil der Auspuffleitung bilden, die sich zwischen dem Abgaskollektor und dem Schalldämpfer dieses Fahrzeugs befindet.
Der mechanische Filter 110 ist hier an einer abnehmbaren Abdeckung 161 montiert, die das stromaufwärtige Ende der zylindrischen Längshülle 160 verschließt und mit dem Eingang 102 versehen ist.
Dieser mechanische Filter 110 umfasst zwei konzentrische Zylinder aus Lochblech 111, 112, die die Form eines Korbes haben. Zwischen diesen beiden Zylindern 111, 112 sind ein elektrischer Heizwiderstand 113 und ein mehrschichtiges Metallgewebe 114 angeordnet.
Wie in 2 zu sehen ist, definiert dieser mechanische Filter 110 einen Zwangsdurchgang für die Abgase, die in die Behandlungsvorrichtung 100 durch den Eingang 102 eindringen.
Der elektrische Widerstand 113 ist ein an sich bekannter Widerstand vom Typ mit Temperaturregelung. In diesem Zusammenhang ist eine Temperaturfühlsonde 115 in der Zone des Filters 110 vorgesehen. Dieser Widerstand 113 ist überdies hier spiralförmig und umgibt den innen perforierten Zylinder 112.
Er ist ferner dazu bestimmt, von der Batterie des Fahrzeugs gespeist zu werden, um die Temperatur der den mechanischen Filter 110 durchströmenden Abgase zu erhöhen.
Ein solcher mechanischer Filter 110 ermöglicht es, gegebenenfalls die Abgase auf die Betriebstemperatur des Oxidationskatalysators 120 zu bringen, aber auch mindestens einen Teil der in den Abgasen enthaltenen Partikel einzufangen und deren Verbrennung hervorzurufen.
In diesem Zusammenhang ist das Metallgewebe 114 hier mit Kupferoxid bestrichen, um die Anfangsoxidationstemperatur der kohlenstoffhaltigen Partikel zu senken.
In der Praxis wird der elektrische Widerstand 113 somit derart gewählt, dass die Abgase auf eine Temperatur von mindestens 200-300 °C gebracht werden, wobei das Maximum zwischen 700 und 800 °C beträgt.
Die aus dem mechanischen Filter 110 mit kontinuierlicher Regeneration austretenden Abgase durchströmen dann den Oxidationskatalysator 120. Dieser letztgenannte umfasst einen Monolithträger, der aus Keramik oder Metall hergestellt und hauptsächlich dazu bestimmt ist, die Oxidation des Kohlenmonoxids (CO), des Stickstoffmonoxids (NO) und der Kohlenwasserstoffe (HC) zu gewährleisten.
In diesem Zusammenhang kann, wenn die Oxidation des CO und der Kohlenwasserstoffe zum Nachteil des NO begünstigt werden soll, ein Lufteintrittsventil stromaufwärts zum Oxidationskatalysator 120 eingebaut werden. Diese Luft dient in diesem Fall auch dazu, die Verbrennung im Bereich des Filters 110 zu begünstigen.
Die aus dem Oxidationskatalysator 120 austretenden Abgase werden nun vom ersten Elektrofilter 130 mit Kranzeffekt behandelt, der dazu bestimmt ist, mindestens einen Teil der in den Abgasen enthaltenen Partikel, die nicht vom mechanischen Filter 110 zurückgehalten wurden, aufzunehmen.
Dieser Elektrofilter 130 umfasst eine Emissionsstruktur 131 stromaufwärts zu einer Sammelstruktur 132. Genauer umfasst die Emissionsstruktur eine perforierte Scheibe 133 mit metallischen Sternen 134, die aus der Fläche der Scheibe 133 gegenüber dem Oxidationskatalysator 120 hinausragen.
Diese perforierte Scheibe 133 wird von einer Gewindestange 135 getragen, die sich axial erstreckt und von zwei Scheiben 136a, 136b aus Lochblech getragen wird, die die Sammelstruktur 132 einschließen. Diese Scheiben 136a, 136b haben einen größeren Durchmesser als die Scheibe 133 und sind mit sanfter Reibung im Inneren der Hülle 160 eingepasst.
Das stromabwärtige Ende der Gewindestange 135 durchquert eine abnehmbare Abdeckung 162, die das stromabwärtige Ende der Hülle 160 verschließt. Dieses Ende ist dazu bestimmt, mit einem Transformatorgehäuse 163 verbunden zu werden, das dazu bestimmt ist, mit der Batterie des Fahrzeugs verbunden zu werden und es zu ermöglichen, an den Elektrofilter 130 eine stabilisierte Hochspannung (in der Praxis ungefähr 110 kV) anzulegen.
In diesem Zusammenhang durchquert die Gewindestange 135, um die Emissionsstruktur 131 der Sammelstruktur 132 zu isolieren, die perforierten Scheiben 136a, 136b mit Hilfe von Isolatoren 137a-137c aus Keramik.
Muttern 138a-138d sind beiderseits der Isolatoren 137a-137c und der perforierten Scheibe 133 angeordnet, um die Scheiben 133, 136a und 136b und die Gewindestange 135 zu verbinden. Es ist überdies im Falle der vorliegenden Ausführungsart zu beobachten, dass sich diese Scheiben 133, 136a und 136b senkrecht auf die Gewindestange 135 erstrecken.
Die Sammelstruktur 132, die hier mit der Masse verbunden ist, umfasst ein Metallgewebe 140, das den Isolator 137b und die Stange 135 umgibt, das eine Vielzahl von Hohlräumen bildet und sich zwischen dem Isolator 137b und der Hülle 160 erstreckt. Wie das Metallgewebe 114 ist dieses letztgenannte Gewebe 140 hier mehrschichtig.
Wie auch in 2 zu sehen ist, erstrecken sich die Tragachsen der Sterne 134 axial. Überdies besitzen diese Sterne 134 hier acht dreieckige Abschnitte.
Ferner ist in der Zone des ersten Elektrofilters 130 auch ein Luftreinigungssystem vorgesehen, das es ermöglicht, ihn regelmäßig freizulegen, bevor er für eine umfassendere Reinigung abgenommen wird. Dieses System umfasst einerseits ein Rückschlagventil 141 zur Lufteinspritzung an einem der Enden der Aufnahmezone des ersten Elektrofilters 130 und einen auf der Abdeckung 162 montierten Anschluss 142, an den Ansaugmittel angeschlossen werden, wenn der Elektrofilter 130 gereinigt werden soll.
Dank des Elektrofilters 130 werden die Partikel, die den mechanischen Filter 110 durchqueren konnten, beaufschlagt und dann von der Sammelstruktur 132 angezogen, wo sie in dem vom Metallgewebe 140 gebildeten porösen Volumen eingefangen werden.
Dank des Einsatzes von Sternen 134 ermöglicht es die die Emissionselektrode bildende Struktur 131, die Partikel wirksam zu beaufschlagen, während es die Sammelstruktur 132 ermöglicht, mindestens einen Teil der den Elektrofilter 130 durchquerenden Partikel wirksam in den Hohlräumen des Gewebes 140 zu halten.
Überdies sichert die perforierte Scheibe 133 eine optimale Verteilung der Abgase vor dem Durchqueren der Sammelstruktur 132.
Die aus dem Elektrofilter austretenden Abgase kommen nun in einem Druckminderungskasten 164 an, der von der zwischen dem stromabwärtigen Ende des Elektrofilters 130 und der Abdeckung 162 befindlichen Zone gebildet ist. Dieser Kasten 164 steht über einen zylindrischen Anschluss 165 mit dem Inneren der zylindrischen Hülle 160' in Verbindung, um die Abgase zum zweiten Elektrofilter 130' zu bringen.
Dieser letztgenannte ist ähnlich jenem aus 1 in der Hinsicht, dass die Emissionsstruktur 131' von metallischen Sternen 134' gebildet ist, die auf einer Gewindestange 135' montiert sind.
Diese metallischen Sterne, die hier ebenfalls acht Abschnitte besitzen, sind somit auf der Achse der Hülle 160' ausgerichtet. Sie sind überdies im Winkel zueinander versetzt.
Was den Rest betritt, sind metallische perforierte Scheiben 136'a, 136'b, Isolatoren 137'a-137'd und Muttern 138'a-138'1 vorhanden.
Überdies ist die Sammelstruktur 132' von einem Zylinder aus Lochblech 139' gebildet, der sich axial erstreckt und die Sterne 134' umgibt und von einem Metallgewebe 140' umgeben ist, das eine Vielzahl von Hohlräumen bildet.
Die Emissionsstruktur 131' wird hier ebenfalls mit stabilisierter Hochspannung (5 kV) mit Hilfe des Transformatorgehäuses 163 gespeist.
Dank dieses zweiten Elektrofilters 130' mit Kranzeffekt ist es möglich, nach einmal die Abgase zu behandeln, um eine zusätzliche Partikelmenge zurückzuhalten, insbesondere jene, die aus dem Elektrofilter mit Kranzeffekt 130 hinausgeschleudert wurden.
Es ist auch anzumerken, dass diese Elektrofilter 130, 130' Patronen darstellen, die leicht in den Hüllen 160 bzw. 160', nachdem die Abdeckungen 162 bzw. 162' abgenommen wurden, zu installieren oder aus diesen zu entnehmen sind.
Um gegen die für den ordnungsgemäßen Betrieb des Motors schädlichen Gegendruckphänomene anzukämpfen, umfasst die Behandlungsvorrichtung 100 vorzugsweise Ansaugmittel 150 stromabwärts zum zweiten Elektrofilter 130' und vor dem Ausgang 103. Diese saugen die in den Hüllen 160 und 160' zirkulierenden Abgase an und umfassen zu diesem Zweck eine von einem Motor 152 gespeiste Ansaugturbine 151.
Wie in 3 dargestellt, ist die Behandlungsvorrichtung für die Abgase 100 auf der Auspuffleitung eines Kraftfahrzeugs 200 mit Diesel-Motor mit Hilfe von an sich bekannten Montagemitteln zwischen dem Abgaskollektor und dem Schalldämpfer 170 dieses Fahrzeugs angeordnet.
Die Steuerung des Betriebs des elektrischen Widerstandes 113 des Transformatorgehäuses 163 und der Ansaugmittel 150 kann durch die Steuersysteme des Motors, die bereits im Fahrzeug 200 vorhanden sind, durch eine Anpassung derselben oder auch durch ein zusätzliches autonomes oder an die bestehenden Systeme gekoppeltes Steuersystem gewährleistet werden.
Dank einer solchen Behandlungsvorrichtung 100 werden die Abgase des Fahrzeugs 200 auf besonders wirksame Weise behandelt, sowohl im Hinblick auf die gasförmigen Schadstoffe als auch auf die schädlichen Partikel. Überdies ist diese Vorrichtung leicht in dem Fahrzeug 200 zu installieren und leicht zu warten. Ferner sind ihre Selbstkosten relativ gemäßigt im Vergleich mit den Vorteilen, die sie mit sich bringt.
Es ist allgemeiner anzumerken, dass die Behandlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um alle Typen von Abgasen eines Verbrennungsmotors (Diesel, Benzin, Gas) eines beliebigen Fahrzeugs (Auto, Schiff, ...) zu behandeln. Sie kann auch auf einem Wagen zur Behandlung der Abgase eines zur Reparatur in der Garage befindlichen Fahrzeugs bzw. in unterirdischen Stollen installiert werden, deren gasförmiges Medium mit Schadstoffen angereichert ist.
Natürlich ist die vorliegende Anmeldung keineswegs auf die gewählte und dargestellte Ausführungsart beschränkt, sondern umfasst jede Variante in Reichweite des Fachmannes in dem durch die Ansprüche definierten Rahmen.
Insbesondere kann der Oxidationskatalysator mit Monolithträger durch einen Oxidationskatalysator mit Partikelträger oder jeden anderen Oxidationskatalysator, wie beispielsweise einen Dreiwegekatalysator, ersetzt werden oder einfach von einem bereits im Fahrzeug vorhandenen Oxidationskatalysator gebildet sein.
Überdies ist es möglich, mehrere Elektrofilter vom Typ jenes aus 1 nacheinander und, falls erforderlich, in mehreren zylindrischen Hüllen einzusetzen, wenn es der Hubraum des Verbrennungsmotors erfordert. Es ist auch möglich, den ersten Elektrofilter 130 ohne den zweiten Elektrofilter 130' und umgekehrt zu verwenden.
Die Zylinder aus Lochblech, die im Rahmen der Ausführungsart aus 1 verwendet werden, können auch durch Zylinder ersetzt werden, die aus einem Metallgitter oder einem Streckmetall gebildet sind.
Weitere mechanische Filter, wie beispielsweise Filter gegen Blasenbildung mit umgekehrten V-Stößen oder Endbehandlungsfilter, können die Behandlungsvorrichtung 100 aus 2 vervollständigen oder den Filter 110 oder einen der beiden Elektrofilter 130, 130' ersetzen. Die Verwendung solcher mechanischer Filter kann sich als interessant herausstellen, um die Verteilung der Gase zu optimieren und den durch die Vorrichtung am Ausgang derselben erzeugten Lärm zu verringern.
Der elektrische Widerstand 113 kann durch einen Widerstand mit einer anderen Ausführung ersetzt werden. Es kann auch vorgesehen werden, diesen diskontinuierlich arbeiten zu lassen.
Ein Luftreinigungssystem kann auch für eine Reinigung des zweiten Elektrofilters 130' vorgesehen werden.

Claims

Vorrichtung zur Behandlung eines gasförmigen Mediums, das mit Partikeln angereichert ist, die mindestens einen Elektrofilter (20; 130') mit Kranzeffekt besitzt, umfassend: – eine Längshülle; – einen Längsdurchgang (28) für die Gase, der sich in der Hülle erstreckt und dessen beide gegenüber liegenden Enden an den Eingang (22) bzw. den Ausgang (23) der Gase des Elektrofilters angrenzen; – eine Emissionsstruktur (32, 134'), die sich längs und im Wesentlichen in der Mitte des Durchgangs erstreckt; und – eine Sammelstruktur (24; 140'), die sich längs zwischen dem Durchgang und der Hülle erstreckt und eine Vielzahl von Hohlräumen umfasst, die Lagerungen zur Aufnahme der in dem gasförmigen Medium enthaltenen Partikel bilden; dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsstruktur eine Vielzahl von gezahnten Platten (32; 134') umfasst, die quer zur Längsrichtung des Durchgangs angeordnet sind und Spitzen bilden, die zur Sammelstruktur (24; 140') gerichtet sind.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gezahnten Platten von Sternen gebildet sind, die dazu bestimmt sind, mit einer Schaltung verbunden zu werden, die eine stabilisierte Hochspannung liefert.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelstruktur einen Separator umfasst, der aus einem Metallgewebe hergestellt ist.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator zylindrische Form hat und die gezahnten Platten der Emissionsstruktur umgibt, die auf der Achse der zylindrischen Form der Sammelstruktur ausgerichtet sind.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissions- Struktur und die Sammelstruktur auf einer Stützstruktur montiert sind, mit der sie eine Filterpatrone bilden, die von der Behandlungsvorrichtung abnehmbar ist.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die gezahnten Platten mit Scheiben oder Kränzen (33) abwechseln, die perforiert und quer zur Längsrichtung des Durchgangs angeordnet sind.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Eingang und einen Ausgang für Gase umfasst, die sich quer zum Längsdurchgang für diese Gase erstrecken, und dass die gezahnten Platten von einer Stange getragen werden, die mit einer Schaltung verbunden ist, die eine stabilisierte Hochspannung liefert, und die an jedem ihrer Enden von einem durch eine Glocke geschützten Isolator getragen wird.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten Elektrofilter umfasst, der metallische Sterne aufweist, die von einer Seite einer perforierten metallischen Scheibe (133) getragen werden, die mit der Schaltung, die eine stabilisierte Hochspannung liefert, verbunden und stromaufwärts zu einem Separator (132) mit zylindrischer Form montiert ist, der aus einem Metallgewebe hergestellt ist.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Oxidationskatalysator (120) mit Monolithträger stromaufwärts zu dem oder den Elektrofiltern umfasst.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen mechanischen Filter (110) stromaufwärts zu dem oder den Elektrofiltern und gegebenenfalls zum Oxidationskatalysator (120) umfasst.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Filter (110) einen Metallmaschenfilter (119) umfasst, der einen Zwangsdurchgang für das in die Behandlungsvorrichtung eindringende gasförmige Medium definiert und mit einem elektrischen Widerstand (113) verbunden ist, der dazu ausgeführt ist, die Temperatur des gasförmigen Mediums zu erhöhen.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Eingang für Oxidationsluft und/oder einen Eingang (141) für Reinigungsluft umfasst.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie Ansaugmittel (150) stromabwärts zu dem oder den Elektrofiltern (130, 130') umfasst.
Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine zylindrische Hülle zur Lagerung des oder der Elektrofilter und gegebenenfalls des Oxidationskatalysators (120) und/oder des mechanischen Filters (110) umfasst.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder einem der Ansprüche 9 bis 14 in Kombination mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Endbehandlungsfilter umfasst.
Verwendung einer Behandlungsvorrichtung, wie durch einen der Ansprüche 1 bis 15 definiert, für die Behandlung der Abgase eines Verbrennungsmotors.
Fahrzeug, das mit einer Behandlungsvorrichtung, wie durch einen der Ansprüche 1 bis 15 definiert, ausgestattet ist.