WO2006050546A1 - Verfahren und filteranordnung zum abscheiden von russpartikeln - Google Patents

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WO2006050546A1
WO2006050546A1 PCT/AT2005/000432 AT2005000432W WO2006050546A1 WO 2006050546 A1 WO2006050546 A1 WO 2006050546A1 AT 2005000432 W AT2005000432 W AT 2005000432W WO 2006050546 A1 WO2006050546 A1 WO 2006050546A1
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ceramic body
channels
voltage
soot particles
pulses
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PCT/AT2005/000432
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Inventor
Carl M. Fleck
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Fleck Carl M
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/66—Applications of electricity supply techniques
    • B03C3/68—Control systems therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for the operation of a filter arrangement for separating soot particles from an exhaust gas flow, in which the exhaust gas flow is passed through ceramic bodies extending in the longitudinal direction of a ceramic body, on both sides open channels of the ceramic body, and at parallel to the Channels extending electrodes a voltage to the ceramic body for generating an electric field in the channels of the ceramic body, which is oriented transversely to the axis of the channels, is applied, wherein prior to introducing the exhaust gas into the channels of the ceramic body, a charge of the soot particles by means of another Electrode arrangement takes place, according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a filter arrangement for separating soot particles from an exhaust gas flow with a ceramic body with exhaust gas flowing through and extending in the longitudinal direction of the ceramic body, both sides open channels, which are each separated by webs, wherein the ceramic body electrodes for generating an electric field in the channels of the ceramic body, which is respectively oriented transversely to the axis of the channels, are arranged, and seen in the flow direction of the exhaust gas in front of the ceramic body, a further electrode arrangement for charging the soot particles is provided, according to the preamble of claim. 8
  • EP 0 880 642 describes, for example, a method in which the soot is deposited by a DC electric field after charging in the channels open on both sides of a honeycomb body made of a dense ceramic and continuously oxidized electrochemically by a gas plasma to carbon dioxide, wherein the gas plasma is excited by the deposition field.
  • the DC field has on the one hand the task of ensuring the deposition of the soot particles, but on the other hand also causing the combustion of the separated particles.
  • a stationary, ie operating with DC electric field makes a strong limitation of the field strength on the honeycomb body necessary, since both at the inlet part and at the outlet part of the honeycomb body, which is usually a monolith, so-called “streamer” (Vorfunken ), which lead to the triggering of sparks and thus not only affect the desired function of the honeycomb body, but in consequence can also lead to its destruction.
  • streamer Vorfunken
  • charge carriers form a slowly growing ion channel (“streamer"), which "short-circuits" the electrodes in its final stage.
  • the electrode voltage is discharged via a very high-energy plasma, which can damage the thin webs between the channels of the honeycomb body and prevents the formation of the electric field for the deposition of soot particles.
  • the external contact of the honeycomb body, together with its supply and circuit capacities has been found because the spark before discharging all of these capacities can not be deleted and the amount of energy until then to damage the honeycomb body is sufficiently large.
  • Claim 1 relates to a method for operating a filter assembly for separating soot particles from an exhaust gas stream, wherein the exhaust gas stream is passed through extending in the longitudinal direction of a ceramic body, open on both sides channels of the ceramic body, and at parallel to the channels extending electrodes to a voltage the ceramic body for generating an electric field in the channels of the ceramic body, which is respectively oriented transversely to the axis of the channels, is applied, wherein before introducing the exhaust gas flow into the channels of the ceramic body, the soot particles are charged by means of a further electrode arrangement.
  • the voltage applied to the electrodes associated with the ceramic body is unipolar voltage pulses having a pulse duration of less than 20 ⁇ s each.
  • the pulses applied to the electrodes associated with the ceramic body have a pulse duration of less than 20 ⁇ s each, wherein the time interval between two pulses according to claim 2 is at least 50 ⁇ s each.
  • the pulse duration in particular between 6 ⁇ s and 15 ⁇ s and the time interval between two pulses each between ⁇ O ⁇ s and 140 ⁇ s. It is particularly advantageous for the method according to the invention if, in accordance with claim 4, the voltage applied to the electrodes for charging the soot particles is also unipolar voltage pulses. In the course of charging soot particles, a similar problem may arise as when depositing the soot particles.
  • Aerosols such as soot particles in an exhaust gas stream, can only be unipolar charged with a corresponding DC discharge, in which the discharge electrodes are designed differently, so that only at one of the electrodes (called discharge electrode below) builds up a high field that can initiate collision ionization ,
  • the second electrode (referred to below as the counter electrode) is generally at ground potential and is formed by larger parts of the discharge space.
  • the desired ionic polarity is obtained by gas multiplication at the discharge electrode of the desired polarity, and therefore the ions of the desired polarity must be repelled therefrom and traverse the discharge space to the opposite pole electrode, passing through the aerosol therethrough Charge attachment.
  • the aerosols are soot particles from diesel engines which are to be charged in a unipolar manner and deposited by means of a DC electric field, difficulties will be encountered in realizing this arrangement. Supported by condensing water during cold starts, the soot particles in the entire discharge space will deposit on the walls in the course of operation and, in particular, pollute the insulators of the voltage supply until they form a conductive coating which triggers spark discharges that paralyze the discharge path.
  • the applied voltage pulses may be shaped differently than in the electrodes of the ceramic body.
  • claim 4 provides a pulse duration of less than 20 ⁇ s, while the time interval between two pulses is at least 30 ⁇ s.
  • the pulse duration in particular between 2 ⁇ s and lO ⁇ s and the time interval between two pulses each between 40 ⁇ s and 140 ⁇ s.
  • control of the voltage pulses based on a signal which has a substantially the concentration of soot particles in the exhaust gas flow proportional size, and is derived from the control of the electrode assembly for charging the soot particles.
  • Claim 8 refers to a filter assembly for separating soot particles from an exhaust gas stream with a ceramic body with flowed through by the exhaust and extending in the longitudinal direction of the ceramic body, open on both sides channels, which are each separated by webs, wherein the ceramic body electrodes for generating an electric field in the channels of the ceramic body, which is respectively oriented transversely to the axis of the channels, are arranged, and in Flow direction of the exhaust gas seen before the ceramic body, a further electrode arrangement is provided for charging the soot particles.
  • Erfindungsgeraäß is provided that one of the ceramic body associated electrodes is connected to a voltage source for generating unipolar voltage pulses, and the capacitance C of the channels of the ceramic body, in this capacitance by the unipolar pulse peak U 0 induced DC voltage U, thereby triggered plasma currents i and the time interval ⁇ of the unipolar pulses satisfy the following relation
  • the ohmic resistance R of the webs of the ceramic body is selected such that the capacitance C of the channels of the ceramic body and the plasma current i triggered by the DC voltage U in the channels satisfy the following relation
  • the charge carriers in the semifinished ion channels can be distributed again uniformly by diffusion and turbulence, and furthermore be washed away by the exhaust gas flow from the corresponding inlet surface.
  • the total effective resistance of the ceramic body with respect to its associated electrodes is between 100 kOhm and 10 MOhm.
  • Claim 10 relates to the electrode assembly for charging the soot particles and provides that it comprises a discharge electrode and a counter electrode, wherein the discharge electrode is connected to a voltage source for generating unipolar voltage pulses, and the counter electrode of an insulator, preferably a ceramic, with a Volume resistance of 100 k ⁇ cm 2 to 500 k ⁇ cm 2 consists.
  • the side of the counterelectrode facing away from the discharge electrode is electrically contacted and connected to ground, and the side facing the discharge electrode has a surface resistance of 10 4 ⁇ cm to 10 8 ⁇ cm, preferably between 10 5 ⁇ cm to 10 7 ⁇ cm, having.
  • Claim 12 proposes that the counter electrode is provided on its side facing the discharge electrode with a coating of A 1 2O3, TiO, ZrO, CrO or mixtures thereof.
  • two independent circuits for different loading of the ceramic body associated electrodes and the electrodes for charging the soot particles are provided with voltage pulses. This makes it possible, in turn, to realize different duty cycles of the voltage pulses.
  • claim 14 proposes that a ceramic insulation is provided as a carrier for the discharge electrode, and the capacitance C of the discharge gap between the discharge electrode and the counter electrode, the direct current U induced by the unipolar pulse peak Uo in this capacitance, the discharge currents i and i thereby triggered the time interval ⁇ of the unipolar pulses satisfy the following relation
  • the ohmic resistance R of the ceramic insulation is selected so that the capacitance C of the discharge path and the discharge current i triggered by the DC voltage U at the discharge electrode satisfy the following relation
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a possible embodiment of a ceramic body with upstream device for charging soot particles in an exhaust gas stream
  • FIG. 2 is a circuit diagram for applying the electrodes associated with the ceramic body with unipolar voltage pulses
  • FIG. 3 is a circuit diagram for applying the discharge electrode with unipolar voltage pulses for charging the soot particles
  • 4a shows an illustration of the voltage conditions in the capacitors behaving like channels of the ceramic body when exposed to the ceramic body zugerodneten electrodes with voltage pulses
  • 4b is an illustration of the voltage relationships between the discharge electrode and the counterelectrode of the electrode arrangement for charging the soot particles when the discharge electrode is subjected to voltage pulses.
  • FIG. 1 for better illustration of the invention.
  • a ceramic body 1 of circular cross-section through press mats, wire mesh 3 or the like. Attached.
  • the hollow inner part 22 of the ceramic body 1 is closed on the inlet side with a nonconductive, preferably ceramic, plug 4.
  • an electrically conductive layer is arranged, which serves as a lying at high voltage inner electrode 5 and lying as outer electrode 6.
  • the hollow interior 22 of the ceramic body 1 is closed at the outlet side by a non-conductive, preferably ceramic, plug 4 '.
  • the plug 4 has a thin hole passing through the ⁇ a thin in diameter as possible metallic pipe 7 which performs the contacting of the internal electrode 5 by means of a contact spring 9 '.
  • the high voltage is the tube. 7 rule by a kerami ⁇ in a
  • the rear end of the tube 7 is tapered to a pin 12 which is electrically connected to the conductor 11 and engages in a recess 13 of the holder 10.
  • the discharge electrode 29 is arranged electrically and mechanically separated from the ceramic body 1 in the pipe 2 of the exhaust line.
  • the discharge electrode 29 has a ceramic insulation 25 as a support for electron-emitting spray teeth 24 and on both sides thin, preferably 2 to 4 mm thick, pins 18, 18 ', through which the discharge electrode 29 in recesses 19, 19' of ceramic mounts 15, 16 is supported.
  • the high voltage is the discharge electrode 29 through a guided in the holder 16 conductor 17 via the Pen 18 supplied.
  • the discharge electrode 29 surrounding the counter electrode 30 is formed by a attached to the tube 2 ceramic coating having a thickness of 0.1 to 0.5 mm, and has a related to the cm 2, elek ⁇ trical resistivity of 1 M ⁇ cm 2 to 1 G ⁇ cm 2 , preferably 10 M ⁇ cm 2 .
  • a PTC thermistor 27 is arranged, which increases its resistance as the temperature increases.
  • the PTC resistor 27 compensated by the increase in its resistance to the decreasing at higher temperatures resistance of the ceramic body.
  • the exhaust gas entering at A is built up during its Que tion 'of the discharge gap 26 between discharge electrode 29 and counter electrode 30 ionizes flows subsequently through the channels 20 of the ceramic body 1 and leaves the soot filter at B. Because of between the internal electrode 5 and external electrode 6 From the walls of the channels 20 occur due to the temperature caused by electrons, which are accelerated by the prevailing electric field in the direction of the soot deposits there, and upon impact initiate oxidation of the soot deposits.
  • honeycomb bodies 1 which has open channels 20, can be electrically contacted for this purpose on two diametrically opposite sides and parallel to the channels 20, specifically in the case of a honeycomb body 1, preferably in the form of a circular ring cylinder on the inner and outer circumferential surface.
  • the effective total resistance of the honeycomb body 1 with respect to its electrical contacting is preferably between 100 k ⁇ and 10 M ⁇ , so that the channels 20 of the honeycomb body 1 and optionally their soot coating with respect to the electrical contacting of the honeycomb body 1 are connected in series by the pulse charging capacity.
  • the unipolar RF pulses can be coupled with a pulse duration of less than 20 .mu.s, preferably between 6 .mu.s and 15 .mu.s, via this contacting in the ceramic 1, this pulse at the earliest after 50 .mu.s, preferably after 60 .mu.s to 140 .mu.s repeated becomes.
  • the unipolar RF pulses can be controlled in their height by a signal which has a size substantially proportional to the concentration of particulate matter and is preferably obtained from the control of the discharge path, which ensures the charging of soot particles.
  • FIG. 4a shows an illustration of the voltage relationships in the channels 20 of the ceramic body 1 following from a pulse charging of this type. Typical values are about 8 kV to 15 kV for the charging voltage peaks and 6 kV to 14 kV for the voltage minima. The voltage minima are low enough, to prevent sparking, but also takes place during the voltage minima Rußabbrand.
  • the individual channels 20 of the honeycomb body 1 with respect to the outer contact 5, 6 of the ceramic body 1 behave like a series circuit of capacitances (more precisely like a network of parallel and serially connected capacitances) charged by the unipolar impulse and release their charge only slowly by collecting the charged soot particles, the Richardson electrons and the high-impedance conduction through the ceramic structure of the honeycomb body 1.
  • the non-similar resistance R of the webs of the ceramic body 1 is selected such that the capacitance C of the channels 20 of the ceramic body 1 and the plasma current i triggered by the DC voltage U in the channels 20 satisfy the following relation
  • the parameter i 0 stands for the plasma currents generated by a voltage Uo.
  • Another advantage of the impulse charging is the greatly reduced susceptibility to leakage flows inside and outside the monolith, since the formation of current paths through the soot or discontinuities of the ceramic feedthroughs also require similar times for their formation, such as the "streamer" itself.
  • the unipolar RF pulses are controlled in their height by a signal which has a size substantially proportional to the concentration of soot particles, and which is preferably obtained from the control of the discharge path 26, the ensures the charging of soot particles.
  • the connection results from the shielding of the electric fields by a high concentration of electrical charges, which are due to soot particles bound to have a low mobility and generate a quasi-static space charge.
  • the voltage applied to the electrodes 29, 30 for charging the soot particles is also a pulsed, unipolar voltage.
  • a DC voltage applied to the electrodes 29, 30 can first cause a low insulation current in the soot lining, which leads to a heating of the conductive region in the soot, thereby reducing the electrical resistance and increasing the current until the temperature reached reaches powerful sparks triggers.
  • sparks from DC discharges by their associated capacitances cause these sparks to release relatively high energies until they are extinguished, leading to heating of the starting points of these sparks ( Spark base). If the DC voltage is switched on again after deletion, the residual heat present at the spark base will suffice for the immediate release of new sparks and the discharge gap must be switched off immediately.
  • there is a further disadvantage If these soot particles are to be deposited to reduce the emissions of diesel vehicles, the sparks prevent the application of this method in the automotive industry due to their strong release of nitrogen oxides.
  • the electrode arrangement for charging the soot particles can be carried out in an advantageous manner so that it comprises a discharge electrode 29 and a counter electrode 30, wherein the discharge electrode 29 is connected to a voltage source for generating unipolar voltage pulses, and the counter electrode 30 of an insulator, preferably one Ceramic, with a volume resistivity of 100 k ⁇ cm 2 to 500 k ⁇ cra 2 consists.
  • the side of the counterelectrode 30 facing away from the discharge electrode 29 is electrically contacted and connected to ground, and the side facing the discharge electrode 29 has a surface resistance of approximately 10 4 ⁇ cm to 10 8 ⁇ cm, preferably between 10 5 ⁇ cm and 10 7 ⁇ cm.
  • the counter electrode 30 may be provided on its side facing the discharge electrode 29 with a coating, for example of A 12 O 3 , TiO, ZrO, CrO or mixtures thereof.
  • the pulse voltage depending on the temperature of the exhaust gas can be measured with about 8 kV to 18 kV pulse peak per cm electrode spacing.
  • the distance between tip 24 and counter electrode 30 may be between 5 mm and 10 mm, so that a preferred pulse voltage between 4 kV and 18 kV results.
  • the discharge electrode 29 may have at least 200, preferably at least 300, electrode tips 24 whose minimum distance from each other is greater than the electrode spacing and about the length of the tips 24 corresponds. In this case, the arrangement of adjacent electrode tips 24 may be offset from each other in the flow direction, and preferably correspond approximately to an equilateral triangle.
  • the arrangement of the discharge electrode 29 with the tips 24, as well as its opposite, smooth counter-electrode 30 is preferably cylindrical and concentric, the smooth counter-electrode 30 as a concentric tube ur ⁇ understand the discharge electrode 29 and is electrically contacted on its outside.
  • the method according to the invention or the device according to the invention works optimally when the electronic parameters are chosen such that the discharge electrode 29 is replaced by very short unipolar pulses whose duration is less than 20 ⁇ s, preferably between 2 ⁇ s and 10 ⁇ s, and whose pulse interval to the next unipolar pulse is at least 30 ⁇ s, preferably between 40 ⁇ s and 140 ⁇ s.
  • These are negative voltage pulses, the choice of which depends on the temperature and the exhaust gas composition.
  • the duration and the distance of the voltage pulses can be controlled for example by a microprocessor whose operating program corrects both an overload of the electronics and flashovers.
  • FIG. 4b shows an illustration of the voltage relationships between the discharge electrode 29 and the counter electrode 30 of the electrode arrangement for charging the soot particles when the discharge electrode 29 is charged.
  • Voltage pulses Voltage minima in the range from 2 kV to 5 kV as well as voltage maxima in the range from 4 kV to 6 kV have proved to be advantageous.
  • the charging current can be limited to a predetermined value by the height (the voltage of the unipolar _ pulse reset. Further, the predetermined for the charging current, maximum value may be stepwise increased by the height of the associated voltage of the unipolar pulse is also gradually returned becomes.
  • the parameter i 0 again stands for the plasma currents generated by a voltage U 0 . This can be avoided very effectively the above-mentioned difficulties. In particular, the short charge peak and the subsequent, slow drop in the voltage between discharge electrode 29 and counter electrode 30, the formation of the heating current paths in the soot and thereby triggered isolation currents to avoid. Also, the energy density of the gas discharge at the discharge electrode 29 can be set significantly higher, without causing a malfunction of the discharge electrode 29. f
  • This charging of the carbon black not only has a very advantageous effect on regeneration by an electrical plasma, but according to the invention also significantly lowers the temperature then necessary for the initiation of the oxidation in the case of a thermally induced regeneration with the aid of a catalyst.
  • Fig. 2 shows an embodiment according to the invention of the electronic circuit, with which unipolar high-voltage pulses are generated and the electrode 5 associated with the ceramic body 1 can be supplied.
  • Fig. 3 shows a corresponding embodiment of an inventive embodiment of the electronic circuit, generated with the unipolar high voltage pulses and the discharge electrode 29 can be fed.
  • the control electronics generates in each case from the supply voltage of the motor vehicle and with the aid of the control signal for pulse voltage, which is removed via the resistor Rl, and the control signal for pulse current, which is removed via the resistor R2, a regulated supply voltage for the primary side 31 of the ferrite core.
  • the Transformer which supplies via a controlled by a processor 32 electronic switch 33, preferably a field effect transistor, the primary side 31 of the ferrite core transformer with correspondingly steep voltage pulses.
  • the outputs of the secondary side 34 of the ferrite core transformer are supplied on the one hand via the high voltage diode 35 of the discharge electrode 29, and on the other hand via the resistor R2 to earth.
  • the negative portion of the high voltage pulse may reach the discharge electrode 29 while the positive portion is being dissipated to ground or delivered to a corresponding control signal for the pulse current.
  • the high electrical resistance of the counter-electrode 30 is represented in the circuit by the resistor R3.
  • This method has been implemented by circuitry, that the unipolar RF pulses are achieved by a series circuit of a ferrite core transformer and a high voltage diode 35 and the plugged in the transformer energy of the second pulse component is fed back into a capacitor, and thus obtained for the primary control of the ferrite core transformer remains.
  • the ferrite core transformer with integrated high-voltage diode 3.5 can be placed approximately directly on the pulse feedthrough of the filter housing.
  • the charging of the ceramic body associated with electrodes 5, 6 and the electrodes 29, 30 for charging the soot particles with voltage pulses by means of independent control circuits, as shown in FIGS. 2 and 3 can be seen.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung für den Betrieb einer Filteranordnung zum Abscheiden von Rußpartikel aus einem Abgasstrom, bei dem der Abgasstrom durch in Längsrichtung eines Keramikkörpers (1) verlaufende, beidseitig offene Kanäle (20) des Keramikkörpers (1) hindurchgeleitet wird, und an parallel zu den Kanälen (20) verlaufenden Elektroden (5, 6) eine Spannung an den Keramikkörper (1) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in den Kanälen (20) des Keramikkörpers (1), das jeweils quer zur Achse der Kanäle (20) orientiert ist, angelegt wird, wobei vor dem Einleiten des Abgasstroms in die Kanäle (20) des Keramikkörpers (1) eine Aufladung der Rußpartikel mithilfe einer weiteren Elektrodenanordnung (29, 30) erfolgt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass es sich bei der an den dem Keramikkörper (1) zugeordneten Elektroden (5, 6) angelegten Spannung um unipolare Spannungsimpulse handelt, die eine Impulsdauer von jeweils unter 20µs aufweisen.

Description

Verfahren und Filteranordnung zum Abscheiden von Rußpartikeln: Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb einer Filteranordnung zum Abscheiden von Rußpartikel aus einem Abgasstrom, bei dem der Abgasstrom durch in Längsrichtung eines Keramikkörpers verlaufende, beidseitig offene Kanäle des Keramikkörpers hindurchgeleitet wird, und an parallel zu den Kanälen verlaufenden Elektroden eine Spannung an den Keramikkörper zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in den Kanälen des Keramikkörpers, das jeweils quer zur Achse der Kanäle orientiert ist, angelegt wird, wobei vor dem Einleiten des Abgasstroms in die Kanäle des Keramikkörpers eine Aufladung der Rußpartikel mithilfe einer weiteren Elektrodenanordnung erfolgt, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Erfindung betrifft des weiteren eine Filteranordnung zum Abscheiden von Rußpartikel aus einem Abgasstrom mit einem Keramikkörper mit vom Abgas durchströmbaren und in Längsrichtung des Keramikkörpers verlaufenden, beidseitig offenen Kanälen, die jeweils durch Stege voneinander getrennt sind, wobei am Keramikkörper Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in den Kanälen des Keramikkörpers, das jeweils quer zur Achse der Kanäle orientiert ist, angeordnet sind, und in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem Keramikkörper eine weitere Elektrodenanordnung zur Aufladung der Rußpartikel vorgesehen ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.
Verfahren bzw. Filteranordnungen dieser Art sind gemäß des Stands der Technik bekannt. In der EP 0 880 642 wird etwa ein Verfahren beschrieben, bei dem der Ruß nach einer Aufladung in den beidseitig offenen Kanälen eines aus einer dichten Keramik hergestellten Wabenkörpers durch ein elektrisches Gleichspannungsfeld abgeschieden und kontinuierlich elektrochemisch durch ein Gasplasma zu Kohlendioxid oxidiert wird, wobei das Gasplasma durch das Abscheidefeld erregt wird. Im Rahmen dieser Geometrie der beidseitig offenen Kanäle hat das Gleichspannungsfeld einerseits die Aufgabe, die Abscheidung der Rußpartikel zu gewährleisten, andererseits aber auch die Verbrennung der abgeschiedenen Partikel zu bewirken. Ist das Gleichspannungsfeld hinreichend stark, werden nämlich nicht nur die aufgeladenen Russteilchen abgeschieden, sondern die aus jeder Oberfläche und bei jeder Temperatur austretenden Richardson-Elektronen werden auf die abgeschiedenen Russteilchen hin beschleunigt. Da die Wahrscheinlichkeit, durch die auftreffenden Elektronen eine Oxidationsreaktion am Ruß zu zünden mit steigender kinetischer Energie zunimmt, versucht man, die Spannung an den äußeren Elektroden des Wabenkörpers möglichst hoch zu wählen.
Ein stationäres, also mit Gleichspannung arbeitendes elektrisches Feld macht eine starke Begrenzung der Feldstärke am Wabenkörper notwendig, da sich sowohl am Einlaufteil als auch am Auslaufteil des Wabenkörpers, bei dem es sich in der Regel um einen Monolithen handelt, so genannte "streamer" (Vorfunken) bilden, die zur Auslösung von Funken führen und damit die gewünschte Funktion des Wabenkörpers nicht nur beeinträchtigen, sondern in Folge auch zu seiner Zerstörung führen können. In diesen, jedem Funken vorausgehenden Transportvorgängen elektrischer Ladungen bilden Ladungsträger einen langsam wachsenden Ionenkanal ("streamer"), der in seinem Endstadium die Elektroden "kurzschließt". In dem darauf folgenden Funken wird die Elektrodenspannung über ein sehr energiereiches Plasma entladen, das die dünnen Stege zwischen den Kanälen des Wabenkörpers beschädigen kann und die Bildung des elektrischen Feldes zur Abscheidung der Russpartikel unterbindet.
Besonders schädlich hat sich in diesem Zusammenhang die äußere Kontaktierung des Wabenkörpers samt ihren Zuleitungs- und Schaltungskapazitäten herausgestellt, da der Funke vor der Entladung aller dieser Kapazitäten nicht gelöscht werden kann und die Energiemenge bis dahin zur Beschädigung des Wabenkörpers hinreichend groß ist.
Aus der EP 1 229 992 ist es bekannt, in den Kanälen eines Wabenfilters ein Impulsfeld zu erzeugen. Allerdings handelt es sich hierbei um einen unterschiedlichen Typus eines Wabenfilters, bei dem nämlich die Kanäle lediglich einseitig offen sind. Durchströmendes Abgas ist somit gezwungen, die porösen Zwischenwände zwischen benachbarten Kanälen zu passieren, wobei insbesondere Rußpartikel abgeschieden werden. Das Impulsfeld hat somit in erster Linie die Aufgabe, in den Kanälen des Wabenfilters eine massive Emission und Beschleunigung von Elektronen zu bewirken, die in weiterer Folge eine Oxidation und Umwandlung der abgeschiedenen Rußpartikel hervorrufen. Es ist jedoch nicht das primäre Ziel dieses Impulsfeldes, für eine Abscheidung der Rußpartikel zu sorgen. Die Anwendung sowie die Gestaltung des Impulsfeldes für die in den EP 1 229 992 beschriebenen Filtersystemen mit einseitig offenen Kanälen sind somit nicht auf den erfindungsgemäßen Anwendungsfall der beidseitig offenen Kanäle übertragbar.
Es ist daher das Ziel der Erfindung, über ein geeignetes Verfahren bzw. eine neue Filteranordnung die Bildung von Vorfunken ("streamer") zu unterbinden, um so Zerstörungen des Keramikkörpers zu vermeiden. Dieses Ziel wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 8 erreicht.
Anspruch 1 bezieht sich auf ein Verfahren für den Betrieb einer Filteranordnung zum Abscheiden von Rußpartikel aus einem Abgasstrom, bei dem der Abgasstrom durch in Längsrichtung eines Keramikkörpers verlaufende, beidseitig offene Kanäle des Keramikkörpers hindurchgeleitet wird, und an parallel zu den Kanälen verlaufenden Elektroden eine Spannung an den Keramikkörper zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in den Kanälen des Keramikkörpers, das jeweils quer zur Achse der Kanäle orientiert ist, angelegt wird, wobei vor dem Einleiten des Abgasstroms in die Kanäle des Keramikkörpers eine Aufladung der Rußpartikel mithilfe einer weiteren Elektrodenanordnung erfolgt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass es sich bei der an den dem Keramikkörper zugeordneten Elektroden angelegten Spannung um unipolare Spannungsimpulse handelt, die eine Impulsdauer von jeweils unter 20μs aufweisen. Durch die Wahl unipolarer Spannungsimpulse zur Erregung der Feldstärke in den Kanälen des Wabenkörpers wird erreicht, dass die Kanäle der Wabenstruktur sich wie eine Serienschaltung kleiner Kondensatoren verhalten, die von innen her gleichsinnig aufgeladen werden und ihre Ladung nur langsam durch das Sammeln der geladenen Russpartikel, der Richardson-Elektronen und durch die hochohmige Leitung durch die keramische Struktur des Wabenkörpers abgeben. Durch diese Aufladung der Kanäle bekommt man das gewünschte Abscheidungsfeld, ohne dass auf der Kontaktierung des Wabenkörpers oder der Zuleitung Hochspannung steht. Entladungen finden höchstens innerhalb der einzelnen Kanäle als Entladung der einzelnen Kondensatoren statt, ein Vorgang, der keine nennenswerten Energiebeträge freisetzen kann.
Des weiteren ergibt sich ein außerordentlich gutes Regelverhalten dieses erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Aufladung der Kanäle in Bezug auf das Abbrennen des Rußes. Da die in jedem Kanal abgelagerte Russschicht einen Leiter darstellt, der die Kapazität des Kanals erhöht, steht eine höhere Aufladung und damit ein länger andauernder Plasrαastrom zur Oxidation zur Verfügung.
Durch die Aufladung der Kanäle mittels einer erfindungsgemäßen, unipolar gepulsten Spannung ergibt sich außerdem der Vorteil, dass die Auswirkungen von Beeinträchtigungen der keramischen Struktur des Wabenkörpers, etwa Beschädigungen an den Stegen zwischen Kanälen, auf die ordnungsgemäße Funktion der Filteranordnung geringer sind, da das durch die gepulste Ausführung der Spannung bedingte Verhalten der Kanäle als Serienschaltung von Kondensatoren unempfindlicher gegenüber strukturellen Imperfektionen des Wabenkörpers ist.
Gemäß Anspruch 1 weisen außerdem die an den dem Keramikkörper zugeordneten Elektroden angelegten Impulse eine Impulsdauer von jeweils unter 20μs auf, wobei der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen gemäß Anspruch 2 jeweils mindestens 50μs beträgt. Gemäß Anspruch 3 beträgt die Impulsdauer insbesondere zwischen 6μs und 15μs und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen jeweils zwischen βOμs und 140μs. Besonders vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren ist es, wenn es sich gemäß Anspruch 4 auch bei der an den Elektroden zur Aufladung der Rußpartikel angelegten Spannung um unipolare SpannungsImpulse handelt. Im Zuge der Aufladung von Rußpartikel kann sich nämlich ein ähnliches Problem stellen wie beim Abscheiden der Rußpartikel. Aerosole, etwa Rußpartikel in einem Abgasstrom, können nur mit einer entsprechenden Gleichspannungsentladung unipolar aufgeladen werden, bei der also die Entladungselektroden unterschiedlich gestaltet sind, damit sich nur an einer der Elektroden (im folgenden Entladungselektrode genannt) ein hohes Feld aufbaut, das eine Stoßionisation einleiten kann. Die zweite Elektrode (im folgenden Gegenelektrode genannt) ist im Allgemeinen auf Erdpotential und wird durch größere Teile des Entladungsraumes gebildet. Die gewünschte Ionenpolarität erhält man dadurch, dass an der Entladungselektrode mit der gewünschten Polarität die Gasmultiplikation stattfindet, und daher die Ionen mit der gewünschten Polarität von ihr abgestoßen werden und den Entladungsraum zu der gegenpoligen Elektrode durchqueren müssen, wobei sie auf ihrem Weg dorthin das Aerosol durch Anlagerung aufladen. Handelt es sich bei den Aerosolen um Russpartikel aus Dieselmotoren, die unipolar aufgeladen und mit Hilfe eines elektrischen Gleichfeldes abgeschieden werden sollen, so wird man bei der Realisierung dieser Anordnung auf Schwierigkeiten stoßen. Unterstützt durch kondensierendes Wasser bei Kaltstarts werden sich im Laufe des Betriebes die Russpartikel im ganzen Entladungsraum an den Wänden abscheiden und insbesondere die Isolatoren der SpannungsZuführung so lange verschmutzen, bis sich an ihnen ein leitfähiger Belag ausbildet, der Funkenentladungen auslöst, die die Entladungsstrecke lahm legen. Dies geht so vor sich, dass die an den Elektroden liegende Gleichspannung zuerst im Russbelag einen geringen Isolationsstrom auslöst, der zu einer Erwärmung des leitenden Bereiches im Russ führt, damit den elektrischen Widerstand verringert und den Strom erhöht, bis die erreichte Temperatur einen kräftigen Funken auslöst. Gemäß Anspruch 4 werden diese Nachteile aber verhindert, indem die Kapazität der Entladungselektrode durch einen unipolaren Impuls aufgeladen wird, diese Entladungselektrode ihre Ladung und das durch diese Ladung gebildete Feld durch Bildung einer Gasentladung abbaut, und danach vom nächsten unipolaren Impuls wieder aufgeladen wird.
An den Elektroden zur Aufladung der Rußpartikel können die angelegten Spannungsimpulse anders geformt sein, als bei den Elektroden des Keramikkörpers . So sieht etwa Anspruch 4 eine Impulsdauer von jeweils unter 20μs vor, .wobei der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen jeweils mindestens 30μs beträgt. Gemäß Anspruch 5 beträgt die Impulsdauer insbesondere zwischen 2μs und lOμs und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen jeweils zwischen 40μs und 140μs.
Insbesondere haben sich die Merkmale von Anspruch 6 als vorteilhaft erwiesen, denen zu Folge die Beaufschlagung der dem Keramikkörper zugeordneten Elektroden und der Elektroden zur Aufladung der Rußpartikel mit Spannungsimpulsen mithilfe voneinander unabhängiger Steuerschaltungen erfolgt. Dadurch können etwa unterschiedliche Tastverhältnisse der Spannungsimpulse verwirklicht werden.
Gemäß Anspruch 7 erfolgt die Steuerung der Spannungsimpulse auf Basis eines Signals, das im wesentlichen eine der Konzentration der Russpartikel im Abgasstrom proportionale Größe hat, und aus der Regelung der Elektrodenanordnung zur Aufladung der Russpartikel abgeleitet wird.
Anspruch 8 bezieht sich auf eine Filteranordnung zum Abscheiden von Rußpartikel aus einem Abgasstrom mit einem Keramikkörper mit vom Abgas durchströmbaren und in Längsrichtung des Keramikkörpers verlaufenden, beidseitig offenen Kanälen, die jeweils durch Stege voneinander getrennt sind, wobei am Keramikkörper Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in den Kanälen des Keramikkörpers, das jeweils quer zur Achse der Kanäle orientiert ist, angeordnet sind, und in Strömungsriehtung des Abgases gesehen vor dem Keramikkörper eine weitere Elektrodenanordnung zur Aufladung der Rußpartikel vorgesehen ist. Erfindungsgeraäß ist vorgesehen, dass eine der dem Keramikkörper zugeordneten Elektroden mit einer Spannungsquelle zur Erzeugung unipolarer Spannungsimpulse verbunden ist, und die Kapazität C der Kanäle des Keramikkörpers, die in dieser Kapazität durch die unipolare Impulsspitze U0 induzierte Gleichspannung U, die dadurch ausgelösten Plasmaströme i und der zeitliche Abstand τ der unipolaren Impulse folgende Relation erfüllen
OC/i > τ
und der ohmsche Widerstand R der Stege des Keramikkörpers so gewählt ist, dass die Kapazität C der Kanäle des Keramikkörpers und der durch die Gleichspannung U in den Kanälen ausgelöste Plasmastrom i folgende Relation erfüllen
UC/io ≥ UC/i mit
Rio = U sodass
RC > UC/i bzw. iR ≥ U
ist. Durch eine derartige apparative Umsetzung eines Filters wird erreicht, dass sich die Ladungsträger in den halbfertigen Ionenkanälen durch Diffusion und Turbulenz wieder gleichmäßig verteilen können, und darüber hinaus durch die Abgasströmung von der entsprechenden Einlauffläche fortgespült werden.
Gemäß Anspruch 9 beträgt der effektive Gesamtwiderstand des Keramikkörpers in Bezug auf die ihm zugeordneten Elektroden zwischen 100 kOhm und 10 MOhm. Damit stellen die Kanäle des Wabenkörpers und gegebenenfalls ihre Belegung mit Ruß in Bezug auf die elektrische Kontaktierung des Wabenkörpers in besonders effektiver Weise eine Serienschaltung von sich durch den Spannungsimpuls aufladenden Kapazitäten dar. Anspruch 10 bezieht sich auf die Elektrodenanordnung zur Aufladung der Rußpartikel und sieht vor, dass sie eine Entladungselektrode und eine Gegenelektrode umfasst, wobei die Entladungselektrode mit einer Spannungsquelle zur Erzeugung unipolarer Spannungsimpulse verbunden ist, und die Gegenelektrode aus einem Isolator, vorzugsweise einer Keramik, mit einem Durchgangswiderstand von 100 kΩcm2 bis 500 kΩcm2 besteht. Gemäß Anspruch 11 ist hierbei vorgesehen, dass die der Entladungselektrode abgewandte Seite der Gegenelektrode elektrisch kontaktiert und mit Masse verbunden ist, und die der Entladungselektrode zugewandte Seite einen Oberflächenwiderstand von 104 Ωcm bis 108 Ωcm, vorzugsweise zwischen 105 Ωcm bis 107 Ωcm, aufweist. Anspruch 12 schlägt vor, dass die Gegenelektrode an ihrer der Entladungselektrode zugewandte Seite mit einer Beschichtung aus A12O3, TiO, ZrO, CrO oder Mischungen davon versehen ist.
Gemäß Anspruch 13 sind zwei voneinander unabhängige Schaltungen zur unterschiedlichen Beaufschlagung der dem Keramikkörper zugeordneten Elektroden sowie der Elektroden zur Aufladung der Russpartikel mit Spannungsimpulsen vorgesehen. Dadurch ist es wiederum möglich, etwa unterschiedliche Tastverhältnisse der Spannungsimpulse zu verwirklichen.
Anspruch 14 schlägt schließlich vor, dass eine keramische Isolation als Träger für die Entladungselektrode vorgesehen ist, und die Kapazität C der Entladungsstrecke zwischen der Entladungselektrode und der Gegenelektrode, die in dieser Kapazität durch die unipolare Impulsspitze Uo induzierte Gleichspannung U, die dadurch ausgelösten Entladungsströme i und der zeitliche Abstand τ der unipolaren Impulse folgende Relation erfüllen
UC/i > τ
wobei der ohmsche Widerstand R der keramischen Isolation so gewählt ist, dass die Kapazität C der Entladungsstrecke und der durch die Gleichspannung U an der Entladungselektrode ausgelöste Entladungsstrom i folgende Relation erfüllen
UC/io ≥ UC/i mit
Rio = U sodass
RC > UC/i bzw. iR > U
gilt. Bei einer Filteranordnung dieser Art werden sehr effektiv die oben geschilderten Schwierigkeiten vermieden. Insbesondere scheint die kurze Ladungsspitze und der darauf folgende langsame Abfall der Spannung in den Kanälen, die sich in ihren elektrischen Eigenschaften nun wie Kondensatoren verhalten, die Ausbildung der sich aufheizenden Strompfade im Russ und die dadurch ausgelösten Isolationsströme zu vermeiden. Auch die Energiedichte der Gasentladung an der Entladungselektrode kann deutlich höher eingestellt werden, ohne dass es zu einer Fehlfunktion der Entladungselektrode kommt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen die
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine mögliche Ausführungsform eines Keramikkörpers mit vorgeschalteter Vorrichtung zur Aufladung von Rußpartikel in einem Abgasstrom,
Fig. 2 ein Schaltbild zur Beaufschlagung der dem Keramikkörper zugeordneten Elektroden mit unipolaren Spannungsimpulsen,
Fig. 3 ein Schaltbild zur Beaufschlagung der Entladungselektrode mit unipolaren Spannungsimpulsen zur Aufladung der Rußpartikel,
Fig. 4a eine Darstellung der Spannungsverhältnisse in den sich wie Kondensatoren verhaltenden Kanälen des Keramikkörpers bei Beaufschlagung der dem Keramikkörper zugerodneten Elektroden mit Spannungsimpusen, und Fig. 4b eine Darstellung der Spannungsverhältnisse zwischen Entladungselektrode und Gegenelektrode der Elektrodenanordnung zur Aufladung der Russpartikel bei Beaufschlagung der Entladungselektrode mit Spannungsimpulsen.
Zunächst wird zur besseren Illustration der Erfindung eine mögliche Ausführungsform eines Keramikkörpers mit vorgeschalteter Vorrichtung zur Aufladung von Rußpartikel in einem Abgasstrom anhand der Fig. 1 erklärt. In einem zylinderförmigen Rohr 2 aus Metall ist ein Keramikkörper 1 von kreisringförmigem Querschnitt durch Preßmatten, Drahtgeflechte 3 oder dgl. befestigt. Der hohle Innenteil 22 des Keramikkörpers 1 ist einlaßseitig mit einem nichtleitenden, vorzugsweise keramischen, Stopfen 4 verschlossen. Am. inneren und äußeren Zylindermantel des Keramikkörpers 1 ist eine elektrisch leitende Schicht angeordnet, welche als eine an Hochspannung liegende Innenelektrode 5 bzw. als an Masse liegende Außenelektrode 6 dient. Der hohle Innenraum 22 des Keramikkörpers 1 ist an der Auslaßseite durch einen nichtleitenden, vorzugsweise keramischen, Stopfen 4' verschlossen. Der Stopfen 4" besitzt eine dünnen Bohrung, durch die ■ ein im Durchmesser möglichst dünnes metallisches Rohr 7 hindurchführt, das die Kontaktierung der Innenelektrode 5 mit Hilfe einer Kontaktfeder 9 'durchführt. Die Hochspannung wird dem Rohr. 7 durch einen in einem kerami¬ schen, zylinderförmigen Halter 10 angeordneten Leiter 11 zugeführt. Das rückseitige Ende des Rohres 7 ist zu einem Stift 12 verjüngt, der mit dem Leiter 11 elektrisch verbunden ist und in eine Ausnehmung 13 des Halters 10 eingreift.
Die Entladungselektrode 29 ist elektrisch und mechanisch getrennt vom Keramikkörper 1 im Rohr 2 des Abgasstranges angeordnet. Die Entladungselektrode 29 weist eine keramische Isolation 25 als Träger für Elektronen-emittierende Sprühzähne 24 und zu beiden Seiten dünne, vorzugsweise 2 bis 4 mm dicke, Stifte 18, 18' auf, durch welche die Entladungselektrode 29 in Ausnehmungen 19, 19' von keramischen Halterungen 15, 16 abgestützt ist. Die Hochspannung wird der Entladungselektrode 29 durch einen in der Halterung 16 geführten Leiter 17 über den Stift 18 zugeführt. Die die Entladungselektrode 29 umgebende Gegenelektrode 30 ist durch eine am Rohr 2 angebrachte keramische Beschichtung gebildet, welche eine Stärke von 0,1 bis 0,5 mm aufweist, und besitzt einen auf den cm2 bezogenen, elek¬ trischen Durchgangswiderstand von 1 MΩcm2 bis 1 GΩcm2 , vorzugsweise von 10 MΩcm2.
Zwischen der Innenelektrode 5 und der Innenwand 21 des Keramikkörpers 1 ist ein Kaltleiter 27 angeordnet, welcher bei Erhöhung der Temperatur seinen Widerstand erhöht. Der Kaltleiter 27 kompensiert durch den Anstieg seines Widerstandes den bei höheren Temperaturen abnehmenden Widerstand des Keramikkörpers 1.
Das bei A eintretende Abgas wird während seiner Que'rung der Entladungsstrecke 26 zwischen Entladungselektrode 29 und Gegenelektrode 30 ionisiert, strömt in weiterer Folge durch die Kanäle 20 des Keramikkörpers 1 und verläßt den Rußfilter bei B. Aufgrund des zwischen der Innenelektrode 5 und Außenelektrode 6 aufgebauten elektrischen Feldes kommt es zu einer Abscheidung der im Abgas enthaltenen Rußpartikel an den Seitenwänden der Kanäle 20. Aus den Wänden der Kanäle 20 treten durch die Temperatur bedingt Elektronen aus, welche durch das dort herrschende elektrische Feld in Richtung der Rußablagerungen beschleunigt werden, und bei Auftreffen eine Oxidation der Rußablagerungen einleiten.
Wie bereits erwähnt wurde, erfordert ein stationäres, also mit Gleichspannung arbeitendes elektrisches Feld eine starke Begrenzung der Feldstärke am Wabenkörper 1, da sich sowohl am Einlaufteil als auch am Auslaufteil des Monolithen so genannte "streamer" (Vorfunken) bilden, die zur Auslösung von Funken führen und damit die gewünschte Funktion des Wabenkörpers 1 nicht nur beeinträchtigen, sondern in Folge auch zu seiner Zerstörung führen können.
Messungen an verschiedenen Wabenkörpern 1 ergaben, dass für die Bildung von „streamer" an der stark berußten Einlauffläche des Monolithen mindestens 20 μs notwendig sind, damit genügend Ladungsträger in den Ionenkanal "einströmen" können, um den Funken zu zünden. Daher wurde erfindungsgemäß ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung entwickelt, bei dem unipolare HF-Impulse dem Wabenkörper 1 zugeführt werden. Der Wabenkörper 1, der über offene Kanäle 20 verfügt, kann hierzu an zwei diametral gegenüberliegenden Seiten und parallel zu den Kanälen 20 elektrisch kontaktiert werden, und zwar bei einem Wabenkörper 1 vorzugsweise in Form eines Kreisringzylinders an der inneren und äußeren Mantelfläche. Der effektive Gesamtwiderstand des Wabenkörpers 1 in Bezug auf seine elektrische Kontaktierung liegt vorzugsweise zwischen 100 kΩ und 10 MΩ, sodass die Kanäle 20 des Wabenkörpers 1 und gegebenenfalls ihre Belegung mit Ruß in Bezug auf die elektrische Kontaktierung des Wabenkörpers 1 eine Serienschaltung von sich durch den Impuls aufladenden Kapazitäten darstellen. Die unipolaren HF-Impulse können mit einer Impulsdauer von weniger als 20 μs, vorzugsweise zwischen 6 μs und 15 μs, über diese Kontaktierung in die Keramik 1 eingekoppelt werden, wobei dieser Impuls frühestens nach 50 μs, vorzugsweise nach 60 μs bis 140 μs, wiederholt wird. Daraus ergibt sich eine Wiederholungsfrequenz von 7 kHz bis 17 kHz, generell können die Wiederholungsfrequenzen im Bereich zwischen 1 kHz und 100 kHz liegen, wobei der Gleichspannungsanteil des elektrischen Feldes im Wabenkörper 1 durch Änderung der Wiederholfrequenz eingestellt werden kann. Die unipolaren HF-Impulse können dabei in ihrer Höhe durch ein Signal gesteuert werden, das im wesentlichen eine der Konzentration der Russpartikel proportionale Größe hat und vorzugsweise aus der Regelung der Entladungsstrecke gewonnen wird, die für die Aufladung der Rußpartikel sorgt. Dabei handelt es sich um negative Spannungsimpulse, die von der Rußbelegung, der Temperatur sowie des Abbrandes abhängig sind.
Die Fig. 4a zeigt eine Darstellung der aus einer Impulsaufladung dieser Art folgenden Spannungsverhältnisse in den Kanälen 20 des Keramikkörpers 1. Typische Werte sind etwa 8 kV bis 15 kV für die Spannungsspitzen der Aufladung und 6 kV bis 14 kV für die Spannungsminima. Die Spannungsminima sind dabei niedrig genug, um eine Funkenbildung zu unterbinden, wobei aber auch während der Spannungsminima Rußabbrand stattfindet.
Durch die oben genannten Maßnahmen wird erreicht, dass sich die einzelnen Kanäle 20 des Wabenkörpers 1 in Bezug auf die äußere Kontaktierung 5, 6 des Keramikkörpers 1 wie eine Serienschaltung von Kapazitäten (genauer wie ein Netz von parallel und seriell geschalteten Kapazitäten) verhalten, sich also durch den unipolaren Impuls aufladen und ihre Ladung nur langsam durch das Sammeln der geladenen Russpartikel, der Richardson-Elektronen und durch die hochohmige Leitung durch die keramische Struktur des Wabenkörpers 1 abgeben.
Des weiteren zeigt sich, dass mindestens 60 μs bis 80 μs gewartet werden muß, damit sich die Ladungsträger in den halbfertigen Ionenkanälen durch Diffusion und Turbulenz wieder gleichmäßig verteilen können und darüber hinaus durch die Gasströmung von der entsprechenden Einlauffläche fortgespült werden.
Weiters zeigte sich ein außerordentlich gutes Regelverhalten dieses erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Aufladung der Kanäle 20 in Bezug auf das Abbrennen des Rußes. Da die in jedem Kanal 20 abgelagerte Russschichte einen Leiter darstellt, der die Kapazität des Kanals 20 erhöht, steht eine höhere Aufladung und damit ein länger andauernder Plasmastrom zur Oxidation zur Verfügung.
Die quantitativen Zusammenhänge dieser erfindungsgemäßen Vorgangsweise zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Kapazität C der Kanäle 20 des Keramikkörpers 1, die in dieser Kapazität durch die unipolare Impulsspitze U0 induzierte Gleichspannung U, die dadurch ausgelösten Plasmaströme i und der zeitliche Abstand τ der unipolaren Impulse folgende Relation erfüllen
ÜC/i > τ und der ohnasche Widerstand R der Stege des Keramikkörpers 1 so gewählt ist, dass die Kapazität C der Kanäle 20 des Keramikkörpers 1 und der durch die Gleichspannung U in den Kanälen 20 ausgelöste Plasmastrom i folgende Relation erfüllen
Figure imgf000016_0001
mit
Rio = ü sodass
RC ≥ UC/i bzw. iR > U
gilt. Der Parameter i0 steht dabei für die von einer Spannung Uo erzeugten Plasmaströme. Eine unter diesen Randbedingungen betriebene Impulsaufladung besitzt gegenüber der stationären Aufladung noch weitere entscheidende Vorteile. Durch die verminderte Neigung zur Ausbildung von „streamer" lassen sich die einzelnen Kanäle 20 nicht nur höher aufladen, sondern lokale „streamer" können sich lokal entladen, ohne dass es zu einem ausgedehnten Durchzünden von größeren Bereichen kommt. Die in so einer Entladung freigesetzte Energie bleibt gering und tkann die keramischen Strukturen nicht beschädigen.
Ein weiterer Vorteil der Impulsaufladung liegt in der stark reduzierten Anfälligkeit gegenüber Leckageströmen innerhalb und außerhalb des Monolithen, da auch hier die Ausbildung von Strompfaden über den Ruß oder durch Diskontinuitäten der keramischen Durchführungen ähnliche Zeiten zu ihrer Ausbildung brauchen, wie die „streamer" selbst.
Weiters zeigten sich wesentliche Vorteile im dynamischen Fahrbetrieb, wenn erfindungsgemäß die unipolaren HF-Impulse in ihrer Höhe durch ein Signal gesteuert werden, das im wesentlichen eine der Konzentration an Russpartikel proportionale Größe hat, und das vorzugsweise aus der Regelung der Entladungsstrecke 26 gewonnen wird, die für die Aufladung der Russpartikel sorgt. Der Zusammenhang ergibt sich aus der Abschirmung der elektrischen Felder durch eine hohe Konzentration elektrischer Ladungen, die an Russpartikel gebunden eine nur geringe Beweglichkeit haben und eine quasi statische Raumladung erzeugen.
Besonders vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Filteranordnung ist es, wenn es sich auch bei der an die Elektroden 29, 30 zur Aufladung der Rußpartikel angelegten Spannung um eine gepulste, unipolare Spannung handelt.
Wie bereits erwähnt wurde, kann eine an den Elektroden 29, 30 liegende Gleichspannung zuerst im Russbelag einen - geringen Isolationsstrom bewirken, der zu einer Erwärmung des leitenden Bereiches im Russ führt, damit den elektrischen Widerstand verringert und den Strom erhöht, bis die erreichte Temperatur einen kräftigen Funken auslöst. Gemäß dem Stand der Technik gibt es Anordnungen und Methoden, diese Funkenentladungen zu löschen, allerdings führen Funken aus Gleichspannungsentladungen durch die mit ihnen verbundenen Kapazitäten dazu, dass diese Funken bis zu ihrer Löschung relativ hohe Energien freisetzen, die zu einer Erwärmung der Ausgangspunkte dieser Funken (Funkenbasis) führen. Wird die Gleichspannung nach erfolgter Löschung wieder eingeschaltet, genügt die an der Funkenbasis vorhandene Restwärme zur sofortigen Auslösung neuer Funken und die Entladungsstrecke muss sofort wieder abgeschaltet werden. Dazu kommt noch ein weiterer Nachteil: Sollen diese Russpartikel zur Emissionsminderung von Dieselkraftfahrzeugen abgeschieden werden, so verhindern die Funken durch ihre starke Freisetzung an Stickstoffoxiden die Anwendung dieser Methode in der Automobilindustrie.
Erfindungsgemäß können alle diese Nachteile durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung vermieden werden, bei dem die Kapazität der Entladungselektrode 29 durch einen unipolaren Impuls aufgeladen wird, diese Entladungselektrode 29 ihre Ladung und das durch diese Ladung gebildete Feld durch Bildung einer Gasentladung abbaut, und danach von dem nächsten unipolaren Impuls wieder aufgeladen wird. Die Elektrodenanordnung zur Aufladung der Rußpartikel kann dabei in vorteilhafter Weise so ausgeführt werden, dass sie eine Entladungselektrode 29 und eine Gegenelektrode 30 umfasst, wobei die Entladungselektrode 29 mit einer Spannungsquelle zur Erzeugung unipolarer Spannungsimpulse verbunden ist, und die Gegenelektrode 30 aus einem Isolator, vorzugsweise einer Keramik, mit einem Durchgangswiderstand von 100 kΩcm2 bis 500 kΩcra2 besteht. Die der Entladungselektrode 29 abgewandte Seite der Gegenelektrode 30 ist elektrisch kontaktiert und mit Masse verbunden, und die der Entladungselektrode 29 zugewandte Seite weist etwa einen' Oberflächenwiderstand von 104 Ωcm bis 108 Ωcm, vorzugsweise zwischen 105 Ωcm bis 107 Ωcm, auf. Des weiteren kann die Gegenelektrode 30 an ihrer der Entladungselektrode 29 zugewandten Seite mit einer Beschichtung, etwa aus A12O3, TiO, ZrO, CrO oder Mischungen davon, versehen sein.
Die Impulsspannung je nach Temperatur des Abgases kann mit etwa 8 kV bis 18 kV Impulsspitze pro cm Elektrodenabstand bemessen werden. Die Entfernung zwischen Spitze 24 und Gegenelektrode 30 kann zwischen 5 mm und 10 mm betragen, sodass sich eine bevorzugte ImpulsSpannung zwischen 4 kV und 18 kV ergibt. Die Entladungselektrode 29 kann mindestens 200, vorzugsweise mindestens 300, Elektrodenspitzen 24 aufweisen, deren Minimalabstand voneinander größer ist als der Elektrodenabstand und etwa der Länge der Spitzen 24 entspricht. Dabei kann die Anordnung benachbarter Elektrodenspitzen 24 in Strömungsrichtung gegeneinander versetzt sein, und vorzugsweise etwa einem gleichseitigen Dreieck entsprechen. Die Anordnung der Entladungselektrode 29 mit den Spitzen 24, sowie der ihr gegenüberliegenden, glatten Gegenelektrode 30 ist vorzugsweise zylinderförmig und konzentrisch, wobei die glatte Gegenelektrode 30 als konzentrisches Rohr die Entladungselektrode 29 urαgibt und an seiner Außenseite elektrisch kontaktiert ist.
Insbesondere arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung dann optimal, wenn die elektronischen Parameter so gewählt werden, dass die Entladungselektrode 29 durch sehr kurze unipolare Impulse aufgeladen wird, deren Dauer unter 20 μs, vorzugsweise zwischen 2 μs und 10 μs, liegt, und deren Impulsabstand zum nächsten unipolaren Impuls mindestens 30 μs, vorzugsweise zwischen 40 μs und 140 μs, beträgt. Es handelt sich hierbei um negative SpannungsImpulse, deren Wahl von der Temperatur und der Abgas- Zusammensetzung abhängig sind. Die Dauer und der Abstand der Spannungsimpulse kann etwa durch einen Mikroprozessor gesteuert werden, dessen Betriebsprogramm sowohl eine Überlastung der Elektronik als auch Überschläge ausregelt.
Die Fig. 4b zeigt eine Darstellung der Spannungsverhältnisse zwischen Entladungselektrode 29 und Gegenelektrode 30 der Elektrodenanordnung zur Aufladung der Russpartikel bei Beaufschlagung der Entladungselektrode 29 mit. Spannungsimpulsen. Als vorteilhaft haben sich Spannungsminima im Bereich von 2 kV bis 5 kV sowie Spannungsmaxima im Bereich von 4 kV bis 6 kV erwiesen.
Der Ladestrom kann mit einem vorgegebenen Wert begrenzt werden, indem die Höhe ( der Spannung des unipolaren _ Impulses zurückgestellt wird. Des weiteren kann der für den Ladestrom vorgegebene, maximale Wert stufenweise erhöht werden, indem die Höhe der zugehörigen Spannung des unipolaren Impulses ebenso stufenweise zurückgestellt wird.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Zusammenhänge zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Kapazität C der Entladungsstrecke 26 zwischen der Entladungselektrode 29 und der Gegenelektrode 30, die in dieser Kapazität durch die unipolare Impulsspitze Uo induzierte Gleichspannung U, die dadurch ausgelösten Entladungsströme i und der zeitliche Abstand τ der unipolaren Impulse folgende Relation erfüllen
UC/i ≥ τ
wobei der ohmsche Widerstand R der keramischen Isolation der Entladungselektrode 29 so gewählt ist, dass die Kapazität C der Entladungsstrecke 26 und der durch die Gleichspannung U an der Entladungselektrode 29 ausgelöste Entladungsstrom i folgende Relation erfüllen
UC/i0 ≥ UC/i mit
Rio = U sodass
RC > UC/i bzw. iR ≥ U
gilt. Der Parameter i0 steht wiederum für die von einer Spannung U0 erzeugten Plasmaströme. Dadurch können sehr effektiv die oben geschilderten Schwierigkeiten vermieden werden. Insbesondere scheint die kurze Ladungsspitze und der darauf folgende, langsame Abfall der Spannung zwischen Entladungselektrode 29 und Gegenelektrode 30 die Ausbildung der sich aufheizenden Strompfade im Russ und die dadurch ausgelösten Isolationsströme zu vermeiden. Auch die Energiedichte der Gasentladung an der Entladungselektrode 29 kann deutlich höher eingestellt werden, ohne dass es zu einer Fehlfunktion der Entladungselektrode 29 kommt. f
Als weitere Maßnahme zur Eindämmung der Funkenenergie hat sich als besonders wirksam herausgestellt wenn die Gegenelektrode 30, die der Entladungselektrode 29 gegenüberliegt, einen hohen elektrischen Durchgangswiderstand aufweist, aber unähnlich einer Barrierenentladung einen Stromdurchgang erlaubt, der je nach Temperatur und Stromstärke in der Gegenelektrode 30 einen Spannungsabfall von einigen 50 V bis einigen 500 V hervorruft.
Dadurch werden erfindungsgemäß an der vorzugsweise aus einer Keramik mit definiertem Widerstand bestehenden Gegenelektrode 30 einige 50 V bis einige 500 V abfallen, und die impulsförmig freigesetzte Wolke an Elektronen bewegt sich mit abnehmender Geschwindigkeit zu der sich aufladenden Gegenelektrode 30. Die Elektronen verweilen länger im Gasraum, lagern sich an mehr Sauerstoffmoleküle an, und führen dadurch auch zu einer höheren Aufladung der Russpartikel mit geladenem Sauerstoff. Dies wirkt sich insbesondere dann vorteilhaft aus, wenn eine immer stärkere Reduktion der Stickoxide (Nox) durch eine immer höher eingestellte Abgasrückführung ("Super-AGR") zu einer starken Abnahme des Restsauerstoffes führt, und der Russ nach seiner Abscheidung auf den angelagerten Sauerstoff angewiesen ist, um abbrennen zu können.
Diese Aufladung des Rußes wirkt sich nicht nur sehr vorteilhaft bei einer Regeneration durch ein elektrisches Plasma aus, sondern senkt erfindungsgemäß auch bei einer thermisch induzierten Regeneration mit Hilfe eines Katalysators die dann notwendige Temperatur für die Einleitung der Oxidation deutlich. Kann etwa ein katalytisch beschichteter Russfilter bei hohem Sauerstoffgehalt im Abgas (also ohne AGR) bereits bei 4000C den Ruß oxidieren, braucht er mit der heute üblichen AGR etwa 4500C, und bei den auf Prüfständen der automotiven Industrie laufenden Motoren mit "Super-AGR" bereits 5000C.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform der elektronischen Schaltung, mit der unipolare Hochspannungsimpulse erzeugt und der dem Keramikkörper 1 zugeordneten Elektrode 5 zugeleitet werden können. Fig. 3 zeigt in entsprechender Weise eine erfindungsgemäße Ausführungsform der elektronischen Schaltung, mit der unipolare Hochspannungsimpulse erzeugt und der Entladungselektrode 29 zugeleitet werden können. Die Steuerelektronik erzeugt dabei jeweils aus der Versorgungsspannung des Kraftfahrzeuges und mit Hilfe des Regelsignals für Impulsspannung, das über den Widerstand Rl abgenommen wird, und dem Regelsignal für Impulsstrom, das über den Widerstand R2 abgenommen wird, eine geregelte Versorgungsspannung für die Primärseite 31 des Ferritkern-Transformators, der über einen von einem Prozessor 32 angesteuerten elektronischen Schalter 33, vorzugsweise ein Feldeffekttransistor, die Primärseite 31 des Ferritkern-Transformators mit entsprechend steilen Spannungsimpulsen versorgt. Die Ausgänge der Sekundärseite 34 des Ferritkern-Transformators werden einerseits über die Hochspannungsdiode 35 der Entladungselektrode 29 zugeleitet, und liegen andererseits über den Widerstand R2 auf Erde. Dadurch kann der negative Teil des Hochspannungsimpulses die Entladungselektrode 29 erreichen, während der positive Teil an Erde abgeleitet bzw. an ein entsprechendes Regelsignal für den Impulsstrom abgegeben wird. Der hohe elektrische Widerstand der Gegenelektrode 30 ist in der Schaltung durch den Widerstand R3 wiedergegeben. Dieses Verfahren wurde schaltungstechnisch dadurch umgesetzt, dass die unipolaren HF-Impulse durch eine Serienschaltung aus einem Ferritkerntransformator und einer Hochspannungsdiode 35 erzielt werden und die im Transformator steckende Energie des zweiten Impulsanteiles in einen Kondensator zurück geführt wird, und so für die primäre Ansteuerung des Ferritkerntransformators erhalten bleibt. Der Ferritkerntransformator mit integrierter Hochspannungsdiode 3.5 kann dabei etwa direkt auf die Impulsdurchführung des Filtergehäuses aufgesetzt werden. Vorzugsweise erfolgt die Beaufschlagung der dem Keramikkörper zugeordneten Elektroden 5, 6 und der Elektroden 29, 30 zur Aufladung der Rußpartikel mit Spannungsimpulsen mithilfe voneinander unabhängiger Steuerschaltungen, wie sie etwa in den Fig. 2 und 3 ersichtlich sind.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Filteranordnung kann somit die Bildung von
Vorfunken ("streamer") unterbunden und somit Zerstörungen des Keramikkörpers 1 vermieden werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren für den Betrieb einer Filteranordnung zum
Abscheiden von Rußpartikel aus einem Abgasstrom, bei dem der Abgasstrom durch in Längsrichtung eines Keramikkörpers
(1) verlaufende, beidseitig offene Kanäle (20) des
Keramikkörpers (1) hindurchgeleitet wird, und an parallel zu den Kanälen (20) verlaufenden Elektroden (5, 6) eine Spannung an den Keramikkörper (1) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in den Kanälen (20) des Keramikkörpers (1) , das jeweils quer zur Achse der Kanäle (20) orientiert ist, angelegt wird, wobei vor dem Einleiten des Abgasstroms in die Kanäle (20) des Keramikkörpers (1) eine Aufladung der Rußpartikel mithilfe einer weiteren Elektrodenanordnung ' (29, 30) erfolgt, dadurch, gekennzeichnet, dass es sich bei der an den dem Keramikkörper (1) zugeordneten Elektroden (5, 6) angelegten Spannung um unipolare Spannungsimpulse handelt, die eine Impulsdauer von jeweils unter 20μs aufweisen.
2. verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen jeweils mindestens 50μs beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer zwischen 6μs und 15μs und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen jeweils zwischen 60μs und 140μs beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der an den Elektroden (29, 30) zur Aufladung der Rußpartikel angelegten Spannung um unipolare Spannungsimpulse handelt, die eine Impulsdauer von jeweils unter 20μs aufweisen, und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen jeweils mindestens 30μs beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer zwischen 2μs und lOμs und der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen jeweils zwischen 40μs und 140μs beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der dem Keramikkörper (1) zugeordneten Elektroden (5, 6) und der Elektroden (29, 30) zur Aufladung der Rußpartikel mit Spannungsimpulsen mithilfe voneinander unabhängiger Steuerschalturigen erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Spannungsimpulse auf Basis eines Signals erfolgt, das im wesentlichen eine der Konzentration der Russpartikel im Abgasstrom proportionale Größe hat, und aus der Regelung der Elektrodenanordnung zur Aufladung der Russpartikel abgeleitet wird.
8. Filteranordnung zum Abscheiden von Rußpartikel aus einem Abgasstrom mit einem Keramikkörper (1) mit vom Abgas durchströmbaren und in Längsrichtung des Keramikkörpers
(1) verlaufenden, beidseitig offenen Kanälen (20) , die jeweils durch Stege voneinander getrennt sind, wobei am Keramikkörper (1) Elektroden (5, 6) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in den Kanälen (20) des Keramikkörpers (1) , das jeweils quer zur Achse der Kanäle (20) orientiert ist, angeordnet sind, und in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem Keramikkörper (1) eine weitere Elektrodenanordnung (29, 30) zur Aufladung der Rußpartikel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine der dem Keramikkörper (1) zugeordneten Elektroden (5, 6) mit einer Spannungsquelle (37) zur Erzeugung unipolarer Spannungsimpulse verbunden ist, und die Kapazität C der Kanäle (20) des Keramikkörpers (1) , die in dieser Kapazität durch die unipolare Impulsspitze Uo induzierte Gleichspannung U, die dadurch ausgelösten Plasmaströme i und der zeitliche Abstand τ der unipolaren Impulse folgende Relation erfüllen UC/i > τ
und der ohmsche Widerstand R der Stege des Keramikkörpers (1) so gewählt ist, dass die Kapazität C der Kanäle (20) des Keramikkörpers (1) und der durch die Gleichspannung U in den Kanälen (20) ausgelöste Plasmastrom i folgende Relation erfüllen
UC/io ≥ UC/i mit
Rio = U sodass
RC- > UC/i bzw. iR ≥ U.
9. Filteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Gesamtwiderstand des Keramikkörpers (1) in Bezug auf die ihm zugeordneten Elektroden (5, 6) zwischen 100 kOhm und 10 MOhm beträgt.
10. Filteranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (29, 30) zur Aufladung der Rußpartikel eine Entladungselektrode (29) und eine Gegenelektrode (30) umfasst, wobei die Entladungselektrode (29) mit einer Spannungsquelle (36) zur Erzeugung unipolarer Spannungsimpulse verbunden ist, und die Gegenelektrode (30) aus einem Isolator, vorzugsweise einer Keramik, mit einem Durchgangswiderstand von 100 kΩcm2 bis 500 kΩcm2 besteht.
11. Filteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die der Entladungselektrode (29) abgewandte Seite der Gegenelektrode (30) elektrisch kontaktiert und mit Masse verbunden ist, und die der Entladungselektrode (29) zugewandte Seite einen Oberflächenwiderstand von 104 Qcm bis 108 Ωcm, vorzugsweise zwischen 105 Ωcm bis 107 Ωcm, aufweist.
12. Filteranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (30) an ihrer der Entladungselektrode (29) zugewandte Seite mit einer Beschichtung aus A12O3, TiO, ZrO, CrO oder Mischungen davon versehen ist.
13. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei voneinander unabhängige Schaltungen zur unterschiedlichen Beaufschlagung der dem Keramikkörper (1) zugeordneten Elektroden (5, 6) sowie der Elektroden (29, 30) zur Aufladung der Russpartikel mit Spannungsimpulsen vorgesehen sind.
14. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine keramische Isolation
(25) als Träger für die Entladungselektrode (29) vorgesehen ist, und die Kapazität C der Entladungsstrecke
(26) zwischen der Entladungselektrode (29) und der Gegenelektrode (30) , die in dieser Kapazität durch die
^unipolare Impulsspitze U0 induzierte (Gleichspannung U, die dadurch ausgelösten Entladungsströme i und der zeitliche Abstand τ der unipolaren Impulse folgende Relation erfüllen
UC/i ≥ τ
wobei der ohmsche Widerstand R der keramischen Isolation (25) so gewählt ist, dass die Kapazität C der Entladungsstrecke (26) und der durch die Gleichspannung U an der Entladungselektrode (29) ausgelöste Entladungsstrom i folgende Relation erfüllen
UCVi0 ≥ UC/i mit
Rio = U sodass
RC > UC/i bzw. iR ≥ U.
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