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Die
Erfindung bezieht sich auf die Behandlung von in einem gasförmigen Medium
enthaltenen Schadstoff-Bestandteilen
und betrifft insbesondere das Gebiet der Abgas-Filtervorrichtungen.
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Genauer
bezieht sich die Erfindung auf einen Partikelfilter, der dazu bestimmt
ist, auf die Auspuffanlage eines Kraftfahrzeugs montiert zu werden.
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Bis
heute sind verschiedene Filtersysteme der Partikel der Abgase bekannt,
die von einem Verbrennungsmotor stammen. Aus der Patentanmeldung
WO 01/19525 ist zum Beispiel
eine Filtereinheit von mit Partikeln beladenen Gasen bekannt, die
einen elektrostatischen Filter mit Koronaeffekt aufweist, der einen
zylindrischen Käfig
besitzt, in dessen Inneres die Abgase für ihre Filterung eindringen.
Der Käfig
ist innen mit einer zentralen Elektrode versehen, die mit elektrischer
Energie versorgt wird und geeignet ist, eine Elektronenemission
zu bewirken. Im Betrieb werden die von den Abgasen beförderten Partikel
von den von der Elektrode emittierten Elektronen hauptsächlich negativ
geladen. Die so geladenen Partikel fixieren sich auf einem metallischen
Substrat. Die Bewegung der geladenen Partikel in dem zylindrischen
Käfig weist
aber eine im Wesentlichen Längskomponente
auf, während
die Beweglichkeit dieser Partikel in der Querrichtung relativ schwach ist.
Daher ist die Wahrscheinlichkeit der Fixierung der Partikel auf
dem Substrat relativ gering.
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Man
könnte
sich auch auf das Patent
US 4 478
613 beziehen, das eine in Abgasen enthaltene Partikelfiltereinheit
beschreibt, die einen elektrostatischen Filter und einen mechanischen
Partikelseparator aufweist. Der elektrostatische Filter weist ein
rohrförmiges
Element mit einem verschlossenen Ende auf, in dessen Innerem sich
eine Stapelung von bezüglich
der Achse des Rohrs konzentrischen Scheiben befindet. Das Rohr wird
auf einem Potential Null gehalten, während die Scheiben mit einem
negativen Potential verbunden sind. Die Abgase dringen durch eine Öffnung in
das Rohr ein und zirkulieren axial, um durch eine gegenüberliegende Öffnung auszutreten.
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Die
auf ein negatives Potential gebrachten Scheiben bilden eine emittierende
Struktur, die es ermöglicht,
zwischen der Innenfläche
des Rohrs und den Scheiben ein elektrisches Feld zu erzeugen. Die Abgase
durchqueren dieses Feld, wobei die in den Abgasen enthaltenen Partikel
elektrisch geladen werden. Die so geladenen Partikel bewegen sich
radial unter der Wirkung des erzeugten elektrischen Felds, um sich
auf der Innenseite des Rohrs abzulagern, wo sie Partikelhaufen bilden.
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Die
Partikelhaufen werden dann von der Innenseite des Rohrs gelöst und bis
zu einem Zentrifugalseparator gebracht.
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Wie
man versteht, bewegen sich wie bei der in der Patentanmeldung
WO 01/19525 beschriebenen
Gasfiltereinheit die geladenen Partikel im Wesentlichen axial, indem
sie von den Abgasen mitgerissen werden, während die radiale Komponente
der Bewegung der Partikel relativ gering ist. Es ist also notwendig,
eine sehr hohe Versorgungsenergie der Scheiben zu liefern, damit
die radiale Migration unter der Wirkung des erzeugten elektrischen
Felds schnell genug ist, damit die Partikel sich auf der Innenseite
des Rohrs ablagern. Außerdem
erfordert das Lösen
der auf der Innenwand des Rohrs angehäuften Partikel eine besondere
Vorrichtung.
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Die
Anmeldung US4871515 beschreibt einen Partikelfilter, der eine Wand,
die innen einen Durchgang für
die Abgase begrenzt, der mit dem Ausgang eines Auspuffkrümmers eines
Verbrennungsmotors verbunden ist, und eine axiale Elektrode aufweist,
die im Filter angeordnet ist, um die Partikel unter der Wirkung
eines querliegenden elektrischen Felds zu Einfangmitteln umzuleiten.
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Die
Anmeldung
FR834510 beschreibt
einen anderen Typ von Filtervorrichtung für Abgase eines Verbrennungsmotors.
Diese Vorrichtung weist eine Umhüllung
auf, die innen mit einer axialen Elektrode versehen ist, die mit
einer Einheit von scheibenförmigen
Platten ausgestattet ist, die regelmäßig entlang der Umhüllung verteilt
sind. Die innere Umfangsfläche
der Umhüllung
ist mit einer entsprechenden Einheit von ringförmigen Elementen versehen,
die mit den Platten Umleitbleche begrenzen. Diese ringförmigen Elemente
sind mit der Masse verbunden und bilden so Einfangmittel für die Partikel.
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In
Anbetracht der obigen Ausführungen
ist es das Ziel der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik
zu beheben und einen Partikelfilter für die Behandlung von Abgasen
eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs zu liefern, der es
ermöglicht,
die von den Abgasen beförderten
Partikel wirksam einzufangen.
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Die
Erfindung hat also einen Partikelfilter zur Behandlung der von einem
Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs stammenden Abgase zum Gegenstand,
der eine Umhüllung,
die eine Wand aufweist, die innen einen Kanal für die Abgase begrenzt, der
direkt am Eingang an den Auspuffkrümmer des Motors und am Ausgang
an eine Ableitung der gefilterten Abgase angeschlossen ist, eine
innere axiale Elektrode, die geeignet ist, um ein radiales elektrisches
Feld in dem Kanal zu bilden, und eine Einheit von ringförmigen Abschnitten
aufweist, die quer in dem Kanal angeordnet sind, um die agglomerierten Partikel
anzuhalten, die von dem elektrischen Feld umgeleitet werden.
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Aufgrund
des Vorhandenseins der ringförmigen
Abschnitte, die quer auf dem Weg der umgeleiteten Partikel vorgesehen
sind, werden so Hindernisse entlang der Innenwand der Umhüllung erzeugt,
um Anschläge
zu bilden, die die umgeleiteten Partikel anhalten.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung weist der Filter einen elektrischen
Heizwiderstand auf, um die zwischen den Abschnitten angehaltenen
Partikel zu verbrennen.
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Der
elektrische Widerstand kann aus einem drahtförmigen Widerstand bestehen,
der sich axial in der Umhüllung
erstreckt, indem er die ringförmigen Abschnitte
durchquert.
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Er
kann aber auch in Form eines ringförmigen Widerstands hergestellt
werden, der quer in der Umhüllung
in der Nähe
eines der Abschnitte angeordnet ist, wobei die Abschnitte dann je
mit einer axialen Öffnung
versehen sind, um die Verbrennung der Partikel auszubreiten, die
in der Umhüllung
zwischen den Platten vom Widerstand gestartet wird.
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Der
elektrische Widerstand kann ein ringförmiger Widerstand sein, der
in der Umhüllung
auf mindestens einer der Seiten mindestens eines der Abschnitte
angeordnet ist.
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In
einer Ausführungsform
sind die ringförmigen
Platten in einem gelochten Zylinder angeordnet, der mit der Wand
der Einfang- und Entfernungsvorrichtung einen Durchgang für die zwischen
den Abschnitten angehaltenen Partikel oder ein Speichervolumen für die Partikel
bildet.
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Der
gelochte Zylinder kann die Form eines Gitters haben.
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In
einer anderen Ausführungsform
weist die Wand an der Stelle der ringförmigen Abschnitte eine Zone
mit verbreitertem Innendurchmesser auf, um einen Durchgang für die agglomerierten
Partikel, die zwischen den Abschnitten angehalten werden, oder ein
Volumen zur Lagerung dieser Partikel zu bilden.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung sind die ringförmigen Abschnitte je mit einem zentralen
Durchgang koaxial zur Wand und mit Abmessungen versehen, die das
Auftreten von Druckverlusten im Abgasfluss vermeiden können.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform sind
die ringförmigen
Abschnitte in Form von angesetzten ringförmigen Platten ausgebildet.
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Diese
Abschnitte können
ebenfalls in einem bearbeiteten Rohr geformt sein, das in der Umhüllung angeordnet
ist.
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Die
Erfindung hat ebenfalls ein Verfahren zur Filterung der von einem
Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs stammenden Abgase mittels
eines wie oben definierten Partikelfilters zum Gegenstand, dadurch
gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte aufweist:
- – Zirkulieren
der Abgase in dem Kanal;
- – Umleiten
der Partikel zu den ringförmigen
Platten unter der Wirkung des elektrischen Felds, das von der inneren
axialen Elektrode erzeugt wird;
- – Einfangen
der Partikel zwischen den ringförmigen
Abschnitten; und
- – Ermöglichen
ihrer Zerstörung
vor Ort oder Ermöglichen
der Entnahme der angehaltenen Partikel zu einer Zerstörungsvorrichtung
durch Ansaugen eines kleinen Gasflusses.
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Weitere
Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, die nur als nicht einschränkendes Beispiel angegeben
ist und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht. Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Partikelfilters;
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2 ein
anderes Ausführungsbeispiel
des Partikelfilters der 1;
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3 eine
dritte Ausführungsform
des Partikelfilters der 1;
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4 eine
vierte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Partikelfilters;
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5 eine
fünfte
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Partikelfilters;
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6 eine
sechste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Partikelfilters;
und
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7 eine
Perspektivansicht, die den inneren Aufbau einer besonderen Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Partikelfilters
zeigt.
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Unter
Bezug auf 1 wird zunächst eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Partikelfilters
beschrieben, der das allgemeine Bezugszeichen 10 trägt.
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Dieser
Filter 10 weist hauptsächlich
eine von einer allgemein zylindrischen Wand begrenzte Umhüllung 12 auf,
die mit zwei offenen, einander gegenüberliegenden Enden 14 und 16 versehen
ist, die je mit einem Befestigungsflansch 18 und 20 zur
Befestigung des Partikelfilters 10 an einer Rohrleitung
ausgestattet sind, in der die zu behandelnden Abgase fließen.
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Genauer
ist das offene Ende 14 dazu bestimmt, direkt mit dem Ausgang
des Auspuffkrümmers
eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors verbunden zu werden, während das
Ende 16 dazu bestimmt ist, mit einer Ableitung der Abgase
verbunden zu werden.
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Die
Umhüllung 12 besitzt
eine axiale Symmetrieachse X-X'.
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Der
Filter 10 ist innen mit einer Einheit von ringförmigen Platten
wie 22 versehen, die gleichmäßig in Querrichtung entlang
der Achse X-X' in
der Umhüllung 12 angeordnet
sind.
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Insbesondere
ist jede Platte 22 mit einem zentralen Durchgang 24 versehen,
so dass sie zusammen einen Durchgang für die Abgase bilden. Sie besitzen
einen Außendurchmesser,
der im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Wand 12 entspricht.
Sie sind in der Wand 12 mittels Gewindestangen 26 befestigt,
die mit Abstandshaltern versehen sind, die zwischen zwei benachbarten
Platten 22 angeordnet sind. So bleiben die Platten, die
durch die Gewindestange gegen die Abstandshalter komprimiert gehalten
werden, entfernbar, und können
aus der Rohrleitung herausgezogen werden, in der sie befestigt sind.
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Man
sieht schließlich
in 1, dass der Filter mit einer zentralen inneren
Elektrode 28 versehen ist, die gemäß der Achse X-X' des Filters 10 angeordnet ist.
Diese Elektrode 28 besitzt einen mittleren linearen Abschnitt,
der an seinen beiden Enden durch zwei Querabschnitte 30 und 32 verlängert wird,
die die Wand 12 mit Zwischenfügung eines Isolators 34 und 36 durchqueren,
um mit einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden zu werden.
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Die
zentrale Elektrode 28 wird auf ein ausreichendes positives
oder negatives Potential gebracht, damit die in den Abgasen vorhandenen
Partikel ein ionisiertes Medium durchqueren. Wenn ein Partikel auf
ein ionisiertes Molekül
oder ein freies Elektron trifft, bewirkt die stattfindende Rekombination
die Erzeugung eines positiv oder negativ geladenen Partikels.
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Außerdem leitet
das elektrische Feld, das in der Umhüllung 12 praktisch
homogen ist, die geladenen Partikel um, die radial zu den ringförmigen Platten 22 wandern,
indem sie weiter axial im Filter 10 angetrieben werden.
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Sobald
ein Partikel eine Platte 22 erreicht, wird es angehalten
und bleibt in dem zwischen zwei aufeinanderfolgenden Platten gebildeten
Raum gefangen.
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Die
gefangenen Partikel werden so aus dem vom Verbrennungsmotor kommenden
Abgasfluss entfernt.
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Es
wurde außerdem
festgestellt, dass ein solcher Partikelfilter keine Wiedereinführung von Häufungen
von eingefangenen Partikeln in den Abgasfluss verursacht.
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Nun
werden unter Bezug auf die 2 bis 7,
in denen gleiche Elemente wie in 1 die gleichen
Bezugszeichen tragen, andere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Partikelfilters beschrieben.
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Zunächst unter
Bezug auf die 2 und 3 gemäß zwei vorteilhaften
Ausführungsformen ist
der Partikelfilter 10 außerdem mit einem Heizwiderstand
versehen, der die lokale Verbrennung der zwischen den Platten gefangenen
Partikel induziert.
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In
der in 2 dargestellten Ausführungsform hat der mit dem
Bezugszeichen 38 bezeichnete Heizwiderstand die Form eines
drahtförmigen
Widerstands, der sich parallel zur Achse X-X' des Filters erstreckt, indem er die
Platten durchquert. Dieser Widerstand durchquert die Wand 12 des
Filters 10, um mit einer Spannungsquelle verbunden zu werden.
Er ist hierzu mit Isolatoren wie 40 versehen, die eine
Isolierung zwischen der Heizelektrode 38 und der Wand 12 gewährleisten.
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In
der in 3 dargestellten Ausführungsform hat der Heizwiderstand 38 eine
Ringform und ist bezüglich
des Abgasflusses vorne im Filter gegen die zur Öffnung 14 weisende
Seite einer Endplatte 22 angeordnet. In diesem Fall, um
eine Ausbreitung der Verbrennung entlang des Filters von einer Platte
zur anderen zu erlauben, um alle Partikel zu verbrennen, die zwischen
den Platten gefangen sind, sind die Platten 22 je mit einer
oder mehreren axialen Öffnungen 42 versehen,
derart, dass die Öffnungen
der Platten zum Beispiel koaxial angeordnet sind. Gemäß einer
anderen Ausführungsform
kann mindestens eine Platte 22 mit einem ringförmigen Heizwiderstand
versehen sein, der gegen ihre Vorder- oder Rückseite oder gegen die beiden
positioniert ist.
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Gemäß einer
in 4 dargestellten vierten Ausführungsform weist der Filter 10 ein
Lagervolumen 44 für
die gefangenen Partikel auf. In diesem Fall weist die Wand 12 des
Filters 10 lokal an der Stelle der Platten 22 eine
Zone 48 mit verbreitertem Durchmesser auf, so dass der äußere Umfangsrand der
Platten einen Abstand zur Innenfläche der Wand 12 hat,
um den Lagerraum 44 der Partikel zu begrenzen. In diesem
Fall ist die Wand der Umhüllung vorteilhafterweise
mit einem Durchgang 46 versehen, um die Partikel oder Ruße, die
im Raum 44 gefangen sind, zu einer Vorrichtung zur Zerstörung der Ruße (nicht
dargestellt) abzuleiten.
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Wie
man in 4 gemäß dieser
Ausführungsform
sieht, sind die Platten vorzugsweise in einem gelochten Zylinder 50 angeordnet
und gehalten. Dieser Zylinder 50 hat zum Beispiel die Form
eines gelochten Gitters, dessen Lochungen ausreichend groß sind,
um die Partikelhaufen durchzulassen.
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Wie
in 5 zu sehen, ist der Zylinder 50 optional, wobei
die zwischen den Platten 22 zirkulierenden Partikel in
diesem Fall direkt in das Lagervolumen 44 transferiert
werden, um anschließend
zur Rußzerstörungsvorrichtung
abgeleitet zu werden, indem sie durch den Durchgang 46 gehen
(Pfeil F).
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Schließlich, wie
in 6 zu sehen, ist es möglich, den Filter mit Platten 22 zu
versehen, deren zentrale Öffnung
einen vergrößerten Durchmesser aufweist,
der bis zum Innendurchmesser der Wand 12 an der Stelle
der Enden 14 und 16 gehen kann, um die Platten
radial bezüglich
des Abgasflusses zu versetzen, um das Auftreten von Druckverlusten
zu vermeiden.
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Es
ist schließlich
anzumerken, dass in den verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen
die Platten 22 in Form von angesetzten Elementen hergestellt
werden, die in der Wand 12 mittels Gewindestangen 26 befestigt
werden.
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In
einer Variante ist es ebenfalls möglich, wie in 7 dargestellt,
die parallelen Platten durch Zylinderabschnitte 52, 54, 56, 58 und 60 zu
ersetzen, die koaxial in der Wand 12 angeordnet und durch Stege
wie 62 miteinander vereinigt sind. Die von den Abschnitten
und den Stegen gebildete Einheit kann durch Bearbeitung eines massiven
Rohrs erhalten werden. Wie man in dieser 7 sieht,
in der die Pfeile F den Abgasfluss und die Pfeile F' den Weg der Partikel
darstellen, sind die Zylinderabschnitte mit einem axialen Durchgang
für den
Durchgang der Abgase versehen. Der Raum zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Abschnitten bildet dagegen einen Durchgang für die Partikel, die durch Ansaugen
in das durch die Wand 12 und durch die Zylinderabschnitte
begrenzte ringförmige
Volumen aufgefangen werden, um am Ausgang abgeleitet zu werden,
um von einer Rußzerstörungsvorrichtung
behandelt zu werden.