EP0256325B1

EP0256325B1 - Filter zum Entfernen von Russpartikeln, insbesondere aus dem Abgasstrom eines Dieselmotors

Info

Publication number: EP0256325B1
Application number: EP87110439A
Authority: EP
Inventors: Christian Bergemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-08-01
Filing date: 1987-07-18
Publication date: 1991-10-30
Anticipated expiration: 2007-07-18
Also published as: DE3774205D1; NL8800208A; EP0256325A3; EP0256325A2; ATE69087T1

Description

Die Erfindung betrifft einen Rußkonverter für die Entfernung von Rußpartikeln aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit einer je an einem Ende eines rohrförmigen Gehäuses angeordneten Abgaszuführung bzw. Abgasabführung sowie mit einer bezüglich des mit Massepotential verbundenen Gehäuses elektrisch isolierten, in dessen Längsrichtung verlaufenden Sprühelektrode.
Zum Verringern der sehr schädlichen, umweltbelastenden Rußemission ist es bekannt, den Abgasstrom durch einen mechanischen Filter zu leiten. Die von dem Filter zurückgehaltenen Rußpartikel werden durch die Abgaswärme zu ungiftigem Kohlendioxid verbrannt. Die mechanischen Filter bewirken allerdings durch die Unterbrechung des Abgasstromes einen permanenten Druck- und Leistungsverlust. Außerdem lassen sich die für den Rußabbrand erforderlichen Temperaturen von 450 bis 600°C durch die Abgaswärme nur selten erreichen. Es treten deshalb Verstopfungen des Filters und ein Blockieren des Abgasstromes auf, was nicht nur Leistungsverluste mit sich bringt, sondern zum Motorstillstand führen kann. Um diese Nachteile zu kompensieren, wird die Abgastemperatur durch Zufuhr zusätzlichen Kraftstoffs erhöht (vgl. Emissionsminderung Automobilabgase - Dieselmotoren - VDI-Bericht 559, VDI Verlag Düsseldorf, Seiten 139 bis 156).
Zum Vermindern der Rußemission ist außerdem eine Schwerkraftabscheidung bekannt; diese setzt eine elektrostatische Kornvergrößerung der Rußpartikel voraus. Ein elektrostatisches Feld bewirkt dabei die Agglomeration der Rußpartikel; die zusammengeballten Rußpartikel lassen sich in einem Behälter sammeln. Der gesammelte Ruß wird anschließend dem Verbrennungsraum des Motors zugeführt und dort verbrannt. Das wirksame Verringern des Rußes im Abgasstrom erfordert in Anbetracht der anfallenden großen Rußmengen einen Sammelbehälter mit entsprechender Aufnahmekapazität; aus Mangel an Platz und freiem Raum läßt sich ein großvolumiger Sammelbehälter insbesondere für Diesel-Kraftfahrzeuge kaum, allenfalls nur sehr aufwendig verwirklichen.
Durch die DE-A-3 324 886 ist es bekanntgeworden, den Abgasstrom mit den darin enthaltenen Schadstoffen, wie insbesondere Rußpartikeln, durch ein als Masseelektrode ausgebildetes Gehäuse zu leiten, das koaxial einen eine zweite Elektrode darstellenden Hohlleiter mit Durchbrüchen aufnimmt. Eine Saugelektrode in Form eines Drahtes erstreckt sich durch den Hohlleiter; das an die Saugelektrode angelegte Spannungspotential ist höher als das des Hohlleiters. Die in dem Gasstrom enthaltenen, sehr kleinen, fein verteilten Rußpartikel ballen sich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes zwischen dem Gehäuse und dem Kohlleiter zu größeren Agglomeraten zusammen, die in Richtung des Kohlleiters wandern und über die Durchbrüche in den Kohlleiter eindringen. Das Wandern und Eindringen der Rußpartikel in den Hohlleiter wird durch die gegenüber dem Hohlleiter ein größeres Spannungspotential aufweisende Saugelektrode verstärkt. Es entsteht nämlich im Hohlleiter ein zweites, ebenfalls nach außen gerichtetes elektrisches Feld, wobei die höchste elektrische Feldstärke in der Mitte des Hohlleiters, d.h. an der Oberfläche der drahtförmigen Saugelektrode herrscht; die Saugelektrode zieht die geladenen Rußpartikel an. Ein dem Abgasstrom entgegengesetzter Gasstrom strömt durch den Hohlleiter, reißt die darin konzentrierten Agglomerate mit und transportiert sie zur Nachverbrennung in den Brennraum des Dieselmotors. Ein zusätzlicher Rußsammelbeälter ist bei dieser bekannten Abgas-Reinigungsvorrichtung zwar nicht erforderlich, jedoch besteht auch hier die große Gefahr, daß neben den Rußpartikeln auch die ebenfalls abgeschiedenen Rostpartikel aus der Auspuffanlage in den Verbrennungsraum des Motors gelangen; das hat eine verringerte Lebensdauer des Motors zur Folge und kann zu seiner Zerstörung führen.
Weiters ist es durch die dem Oberbegriff des Anspruches 1 entsprechende FR-A 701 007 bekanntgeworden, die Schadstoffemission einer Brennkraftmaschine dadurch zu verringern, daß der Abgasstrom einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird. Das elektrostatische Feld wird mittels einer längs durch ein rohrförmiges Gehäuse geführten, zwischen Isolatoren angeordneten Drahtelektrode erzeugt und der Ruß an der Wandung des Gehäuses abgesondert. Damit sich ein besserer Emissionsgrad erreichen läßt, wird den das elektrostatische Feld in dem Gehäuse durchströmenden Abgasen zusätzlich Frischluft beigemischt. Eine ähnliche Anordnung geht aus der JP-A 55-96597 als bekannt hervor.
Die DE-A 20 41 886 beschreibt lediglich die Verwendung eines Filtermaterials in Zusammenhang mit einem konventionellen Auspufftopf.
Aus der JP-A-58 132 295 geht ein schalldämmender und katalytisch wirkender Belag für Schalldämpfer in Automobilen hervor. Ebenso wie in dem vorhin genannten Dokument ist nicht an den Einsatz eines Hochspannungsfeldes gedacht.
Die US-A-3 683 624 zeigt einen sehr verwickelten Aufbau eines Abgasreinigers, bei welchem sowohl eine elektrostatische Rußabscheidung als auch eine Filterung des Abgases in mehreren hintereinanderliegenden Kammern stattfindet.
Ähnlich die Vorrichtung nach der US-A-4 406 119, bei welcher im Abgasstrang eines Dieselmotors eine Ionisierstufe, eine Filterstufe und eine Zyklon-Abscheidestufe hintereinandergeschaltet sind. Abgesehen von dem enormen Platzbedarf kommen solche Anordnungen auch wegen der entsprechend hohen Kosten für den praktischen Einsatz kaum in Frage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rußkonverter für die Entfernung von Rußpartikeln aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, ohne die vorstehenden Nachteile und mit einem wesentlich verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rußkonverter gelöst, bei dem zwischen dem Gehäuse und der Sprühelektrode ein Rohr mit durchlöcherter Mantelfläche angeordnet und an seiner Außenfläche von Filtermaterial umhüllt ist.
Aufgrund dieser Kombination eines elektrostatischen Feldes mit einer für einen völlig anderen Zweck, nämlich zur Schalldämpfung in einem Auspufftopf in der Abgasführung einer Brennkraftmaschine bekannten Filtermaterial-Ausfüllung (vgl. beispielsweise EP-A- 0 176 657), ergibt sich eine derartige, gegenseitig günstige Beieinflussung, d.h. ein solch überraschender synergistischer Effekt, der einen Wirkungsgrad des Rußkonverters bis 90% ermöglicht.
Die Erfindung basiert hierbei einerseits auf dem Gedanken, daß die aus dem Brennraum eines Dieselmotors abströmenden Abgase ionisierte Rußpartikel enthalten. Andererseits wird gleichzeitig die Erkenntnis ausgenutzt, daß sich aufgrund der Sprühelektrode nicht nur eine elektrostatische Abscheidung, sondern im Zusammenwirken mit dem elektrostatischen Feld außerdem eine Ionisierung der Rußpartikel einstellt, die radial beschleunigt in das an die Abgastromführung unmittelbar angrenzende Filtermaterial eintreten. Die kinetische Energie der Rußpartikel beim Auftreffen auf das Filtermaterial und die dort bereits oder gegebenenfalls noch vorhandenen Partikel unterstützen einen selbsttätigen Abbrand, der bereits nach kurzer Betriebsdauer der Brennkraftmaschine einsetzt und dann kontinuierlich anhält. Das Selbstregenerieren des Filters durch Abbrennen der Rußpartikel wird außerdem durch die vorhandene Wärme des Abgases begünstigt. Das Entfernen von Rußpartikel läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Konverter ohne Druckverluste erreichen, denn die Abgase durchströmen die Abgasführung im Gehäuse nahezu widerstandsfrei, d.h. ohne zwangsweises Durchströmen eines Filtermaterials.
Es ist weiters anzumerken, daß das im Hochspannungsfeld entstehende Ozon außerdem die chemische Reaktion der ionisierten Rußpartikel beeinflußt und damit den Abbrand des eingelagerten Rußes zu ungiftigem Kohlendioxid fördert, ohne daß die eingangs erwähnten hohen Temperaturen erforderlich wären.
Der selbsttätige Abbrand der Rußpartikel im Filtermaterial läßt sich vorteilhaft durch katalytisch beschichtetes Filtermaterial fördern, das die Abbrandtemperatur senkt. Als Filtermaterial sind verdichtete, poröse Stoffe geeignet, wie beispielsweise Stahlwolle, Keramik, Mineralstoffe.
Zur Abgasstromführung läßt sich im Gehäuse des Konverters ein Geweberohr anordnen. Dieses sollte eine nahezu völlig offene Mantelfläche besitzen, sodaß die radial nach außen beschleunigten Rußpartikel über den gesamten Umfangsbereich des Rohres ungehindert in das das Geweberohr unmittelbar umschließende, d.h. der Rohrmantelfläche anliegende Filtermaterial eindringen können.
Bei einer durch ein Rohr geführten Sprühelektrode, die vorteilhaft als ein zwischen rohrein- und auslaßseitig angeordneten Isolatoren gespannter Metalldraht ausgebildet ist, ergibt sich eine Optimierung des Reinigungsgrades, d.h. des Grades der Umwandlung der Schadstoffe durch Unterstützung der Abscheidung mittels des elektrostatischen Feldes. Denn durch die Energiezufuhr aus dem elektrostatischen Feld werden das Aufladen der Rußpartikel und ein Abbrand, der durch den verästelten Randbereich der Rußartikel begünstigt wird, bereits auf dem Weg der Rußpartikel von der Sprühelektrode zur Rohr-Mantelfläche bewirkt und an der Mantelelektrode vollendet. Das Konvertergehäuse eines instatio nären Motors läßt sich z.B. durch einen Masseanschluß erden. Beim Anlegen einer aus Sicherheitsgründen vorzugsweise pulsierenden Gleichspannung an die Sprühelektrode wird nämlich das Wandern der abzuscheidenden Rußpartikel in die Richtung der Mantelfläche des als Niederschlagselektrode dienenenden Geweberohres unterstützt. Hinsichtlich der pulsierenden Gleichspannung ist hierbei keine bestimmte Form des Spannungsverlaufes vorgegeben. Eine pulsierende Gleichspannung gewährleistet, daß sich ein elektrostatisches Feld ungestört immer wieder aufbauen kann.
Es empfiehlt sich,. daß die an die Sprühelektrode angelegte Spannung negativ ist. Die negative Spannung der gegebenenfalls aus mehreren Drähten bestehenden Sprühelektrode bewirkt eine im Vergleich zur positiven Spannung wesentlich größere Korona. Die pulsierende Gleichspannung läßt sich mittels eines Transformators bereitstellen, der von der Autobatterie mit elektrischem Strom versorgt wird. Da die benötigte Stromstärke sehr gering ist, ca. 4 bis 5 mA, wird die elektrische Anlage des Fahrzeugs nur geringfügig belastet; damit läßt sich die Hochspannung, die ca. 10kV nicht zu überschreiten braucht, problem- und gefahrlos realisieren.
Das Geweberohr läßt sich vorteilhaft mit einer radial nach außen vorstehenden, stegartigen Längsnaht ausbilden. Beim fertigungstechnisch günstigen Herstellen des Geweberohres aus handelsüblichen Gewebematten läßt sich durch die nach außen gerichtete Längsnaht im Bereich der Stoßkanten der zu einem Rohr geformten Matte im Rohrinneren eine glatte Innenmantelfläche erreichen; Spannungen und das Überspringen von Funken, wie bei einerander überlappenden Stoßkanten nicht auszuschließen, treten nicht auf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Rußkonverter mit kombinierter elektrostatischer Abscheidung;
Fig. 2: im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Rußkonverter mit gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 geänderter, horizontaler Anordnung von Isolatoren;
Fig. 3: eine Einzelheit des Filters gemäß Fig. 2; und
Fig. 4: in perspektivischer Ansicht als Einzelheit ein erfindungsgemäßes Geweberohr mit stegartiger Außennaht.

Die von einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine kommenden Abgase werden einem Rußkonverter 101 in Pfeilrichtung 102 über einen Einlaßstutzen 103 Zugeleitet. Der Rußkonverter 101 besteht aus einem Gehäuse 104, das ein Geweberohr 105 konzentrisch umschließt. Das Rohr 105 erstreckt sich durch das gesamte Gehäuse 104 und verbindet den Einlaßstutzen 103 mit einem gegenüberliegenden Auslaßstutzen 106. Das Rohr 105 wird von Filtermaterial 107 umhüllt, das den Raum zwischen der Mantelfläche des Rohres 105 und dem Gehäuse 104 völlig ausfüllt. Zum selbsttätigen Abbrennen der in den Konverter 101 eingeleiteten Rußpartikel wird ein elektrostatisches Feld erzeugt. Der Konverter 101 besitzt zu diesem Zweck ein geerdetes, z.B. an Masse angeschlossenes Gehäuse 9 mit Anschlüssen 10, 11 zum Anlegen einer pulsierenden Gleichspannung an eine Sprühelektrode in Form eines Metalldrahtes 12. Der Metalldraht 12 erstreckt sich in Längsrichtung durch das Geweberohr 105 und ist an ausgangsseitig des Ein- und Auslaßstutzens 103 bzw. 106 vertikal angeordneten Isolatoren 13 befestigt. Die Sprühelektrode 12 wird zwischen den mittels Sockeln 14 am Gehäuse 9 festgelegten Isolatoren 13 gespannt; etwaige vom heißen Abgasstrom verursachte Längungen der Sprühelektrode 12 gleicht eine Feder 15 aus, die bei der Ausführung gemäß Fig. 2 den im Bereich des Einlaßstutzens 103 angeordneten, nicht am Strom angeschlossenen Isolator 13 beaufschlagt. Der Isolator 13 lagert schwenkbeweglich in einem kalottenartigen Sitz des Sockels 14; bei Längungen der Sprühelektrode 12 drückt die sich innen an einer den Isolator 13 einkapselnden Kappe 18 abstützende Feder 15 den Isolator 13 in seinem Sitz bis in eine die Längung ausgleichende Lage. Bedingt durch die an die Sprühelektrode 12 angelegte Spannung baut sich ein elektrostatisches Feld auf und bewirkt, daß die mit dem Abgasstrom 102 über den Einlaßstutzen 103 in den Rußkonverter 101 eingeleiteten Rußpartikel verstärkt in Richtung der Maschen 108 des Rohres 105 wandern, durch die Maschen 108 hindurchtreten und sich im Filtermaterial 107 einlagern, bis sich der Filter durch Abbrand der eingelagerten Rußpartikel regeneriert; der eingelagerte Ruß verbrennt zu ungiftigem Kohlendioxid.
Der in Fig. 2 dargestellte selbstregenerierende Rußkonverter 101 mit elektrostatisch unterstützter Abscheidung unterscheidet sich von dem Konverter 101 gemäß Fig. 1 durch die horizontale Anordnung der die Sprühelektrode 12 einspannenden Isolatoren 113. Die Isolatoren 113 sind in Deckeln 16 angeordnet, die an jeder Stirnseite des Gehäuses 9 mittels Bolzen 17 angeflanscht sind. Die Deckel 16 sind mit den Ein- und Auslaßstutzen 103, 106 sowie gegenüber den Stutzen 103, 106 außermittig angeordneten Ein- und Auslaßrohren 19, 20 versehen. Das Geweberohr 105 wird, wie in Fig. 3 für den Einlaßstutzen 103 dargestellt, mit seinen Enden auf die Stutzen 103, 106 gesteckt. Zum selbsttätigen Längenausgleich der Sprühelektrode 12 stützt sich die Feder 15 am Isolator 113 ab und drückt gegen einen Teller 21 am Ende der durch den Isolator 113 hindurchgeführten Sprühelektrode 12.
Das in Fig. 4 dargestellte Geweberohr 105 besitzt eine radial nach außen vorstehende, stegartige Längsnaht 22 mit seitlich abgewinkelten Rastflächen 23; mit der Längsnaht 22 kann das Geweberohr 105 beispielsweise in Nuten der Einund Auslaßstutzen 103, 106 eingesetzt und über die Rastflächen 23 in seiner Lage gesichert werden.

Claims

Rußkonverter für die Entfernung von Rußpartikeln aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Diesel - motors, mit einer je an einem Ende eines rohrförmigen Gehäuses (9) angeordneten Abgaszuführung bzw. Abgasabführung sowie mit einer bezüglich des mit Massepotential verbundenen Gehäuses elektrisch isolierten Sprühelektrode (12), die im Inneren des Gehäuses (9) in dessen Längsrichtung verläuft,
dadurch gekennzeichnet, daß

zwischen dem Gehäuse (9) und der Sprühelektrode (12) ein Rohr (105) mit durchlöcherter Mantelfläche angeordnet und an seiner Außenfläche von Filtermaterial (107) umhüllt ist.
Rußkonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (105) als Geweberohr ausgebildet ist.
Rußkonverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Geweberohr (105) eine radial nach außen vorstehende, stegartige Längsnaht (22) aufweist.
Rußkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial (107) katalytisch beschichtet ist.
Rußkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus Filtermaterial (107) zumindest den dreifachen Durchmesser des Rohres (105) aufweist.
Rußkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühelektrode (12) von zumindest ei - nem, zwischen rohrein- und ausgangsseitig angeordneten Isolatoren (13, 113) gespannten Metalldraht gebildet ist.
Rußkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühelektrode (12) an eine pulsierende Gleichspannung gelegt ist.
Rußkonverter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Sprühelektrode gelegte Spannung negativ ist.