WO2012035035A1 - VORRICHTUNG ZUR BEHANDLUNG VON RUßPARTIKEL ENTHALTENDEM ABGAS - Google Patents

VORRICHTUNG ZUR BEHANDLUNG VON RUßPARTIKEL ENTHALTENDEM ABGAS Download PDF

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WO2012035035A1
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Rolf BRÜCK
Jan Hodgson
Christian Vorsmann
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Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for the treatment of soot particles containing exhaust gas, in particular with a so-called electrostatic filter or electrostatic precipitator.
  • the invention finds particular application in the treatment of exhaust gases of mobile internal combustion engines in the automotive sector, in particular in the treatment of exhaust gases resulting from diesel fuel.
  • soot particles contained in the exhaust gas of the internal combustion engine, which must not be discharged into the environment. This is predetermined by corresponding exhaust regulations that specify limit values for the number and mass of soot particles per exhaust gas weight or exhaust gas volume and in some cases also for an entire motor vehicle. Soot particles are in particular unburned carbons and hydrocarbons in the exhaust gas.
  • soot particles are usually much easier to separate in a filter system. Soot particle agglomerates are transported more carrier in an exhaust gas flow due to their greater inertia and thus store easier at deflection of an exhaust gas flow. Electronically charged soot particles are attracted to surfaces due to their charge, to which they attach and release their charge. This also facilitates the removal of soot particles from the exhaust stream in the operation of motor vehicles.
  • a plurality of spray electrodes and collector electrodes are regularly proposed, which are positioned in the exhaust pipe.
  • a central spray electrode which runs approximately centrally through the exhaust pipe, and a surrounding jacket surface of the exhaust pipe as a collector electrode used to form a capacitor.
  • the spray electrode and the collector electrode an electric field is formed transversely to the flow direction of the exhaust gas, wherein the spray electrode, for example, can be operated with a high voltage which is in the range of about 15 kV.
  • corona discharges can be formed by which the particles flowing with the exhaust gas through the electric field are charged in a unipolar manner.
  • the particles migrate to the collector electrode due to the electrostatic coulombic forces.
  • the collector electrode for example, is designed as a wire grid.
  • the attachment of particles takes place on the wire grid for the purpose of possibly combining the particles with other particles, so as to realize an agglomeration.
  • the exhaust gas flowing through the grid then rips the larger particles with them and leads them to classical filter systems.
  • the device according to the invention for treating exhaust gas containing soot particles comprises at least
  • At least one ionization element for the ionization of soot particles at least one filter element, wherein an electrical potential can be applied to at least one section of the filter element,
  • At least one flow guiding device which can influence a flow of the exhaust gas in such a way that deposition of the soot particles on at least the ionizing element or an electrical insulation of the filter element can be prevented or eliminated.
  • the device proposed here may in particular be part of an exhaust system of a motor vehicle which has a diesel engine and is arranged in particular in an exhaust pipe of the exhaust system.
  • the exhaust gas containing the soot particles flows through an ionization element comprising at least one electrode to which a high electric voltage between 3 kV [kilovolt] and 50 kV, preferably between 5 kV and 25 kV can be applied.
  • the tension is So set or regulated or controlled so that it comes to a corona discharge between the electrode and a counter electrode.
  • the ionization element can be formed as a simple spray electrode or rod electrode, but it is preferred that the ionization element comprises a honeycomb body with a plurality of channels through which at least one electrode is arranged at the inlet region or outlet region, which is oriented in or against the flow direction is.
  • the honeycomb body may in particular, at least partially, preferably be formed entirely of an electrically conductive material, so that an electrical potential can be applied to the honeycomb body and thus simultaneously to the electrodes.
  • the at least one ionization element may have an outer tube and an inner tube arranged concentrically therewith, which form a gap traversed by the exhaust gas, wherein at least one annular electrode having a plurality of electrode tips protruding radially into the intermediate space is arranged on the inner tube.
  • the at least one filter element is preferably designed as a surface separator having a plurality of channels, which are permeable to the exhaust gas and extending between an inlet region and an outlet region.
  • the at least one filter element is particularly preferably a so-called open bypass filter in which there are no completely closed flow channels. Rather, the filter element is formed with a metallic fleece and metallic corrugated layers in which openings, guide structures, etc. are provided.
  • the guide structures form flow bottlenecks in the flow passages, so that the residence time or impact probability for soot particles in the interior of the filter element is increased.
  • the at least one flow-guiding device is arranged in the flow direction of the exhaust gas in front of the at least one ionization element or in front of the at least one filter element.
  • the flow-guiding device comprises elements which deflect at least one (spatially limited) part of the exhaust gas, in particular in that a part of the exhaust gas flows around the flow-conducting device at least in sections, so that the deflection is influenced only by the shape of the flow-guiding device.
  • the diversion of the partial exhaust gas flow takes place in such a way that soot particles either do not reach the ionization element (and in particular an electrical insulation of the ionization element) or the electrical insulation of the filter element, or hit it in such a way that the exhaust gas flow acts there in that an accumulation of the soot particles is not possible.
  • the avoidance of a soot layer on the electrical insulation and / or the ionization element also causes the formation of a short circuit between the ionizing element and / or the filter element with the exhaust pipe prevented.
  • the flow guiding device comprises at least one element of the following group:
  • Under flow rectifier is a device to understand that at least partially reduces the turbulence in a flow or the exhaust flow laminarized and thus produces a more uniform velocity distribution of the exhaust gas over the cross section of the exhaust pipe. This can be done, for example, by a honeycomb body with a plurality of channels through which the exhaust gas can flow.
  • the flow-guiding device is adjustable.
  • the flow direction of a part of the exhaust gas leaving the flow-guiding device can be changed.
  • the flow-guiding device is adjusted such that alternating regions of the ionization element or the filter element are flowed through by the exhaust gas, whereby deposition of soot particles on the ionization element or the electrical insulation is prevented or entrained soot particles and thus entrained be eliminated.
  • the Strömungsleit In order to prevent deposition of the soot particles on the ionizing element or the electrical insulation of the filter element, the Strömungsleit adopted advantageously forms a flow-through diameter, which is smaller, preferably at least 10% smaller, more preferably at least 25% smaller than a permeable diameter of in Flow direction downstream ionizing element or filter element. In this way, the exhaust gas does not reach the ionizing element or the electrical element surrounding the filter element. see insulation. A deposition of the soot particles thus does not take place. In particular, in the case of a deflection of the soot particles by the electric field of the ionization element, the charged soot particles can not reach the ionization element and / or the electrical insulation of the filter element.
  • the at least one flow-guiding device contains a catalytic reactor. In this way, the exhaust gas flowing past the flow-guiding device can be catalytically converted.
  • the at least one flow guide is attached directly to an exhaust pipe, so that can be dispensed with further fastening elements for the flow guide.
  • a further development of the invention provides that the at least one flow guide forms a flow shadow in the region of the electrical insulation, which also prevents deposition of the soot particles at least on the ionization element or the electrical insulation of the filter element.
  • the flow guide is thus arranged in the exhaust gas flow, that the exhaust gas does not flow through the ionization element or the electrical insulation of the filter element.
  • the at least one flow guide device form a concentrated flow in the area of the electrical insulation with an increased exhaust gas velocity.
  • the exhaust gas velocity is thus increased in relation to the average exhaust gas velocity or the exhaust gas velocity over the cross section of the exhaust gas line without the flow guiding device.
  • This pulse increase of the exhaust gas ensures that already deposited particles at least from the ionizing element or the electrical insulation can be eliminated and located in the exhaust particles can not accumulate.
  • a device in which the flow guiding device is arranged upstream of the ionization element, and the flow guiding device has a flow-through region which is dimensioned so that ionized soot particles in the exhaust gas at least do not flow from an electric field generated by the ionizing element reach a surface of the ionization element or the electrical insulation of the filter element.
  • This embodiment is particularly preferably combined with an ionization element in which the outer tube and the inner tube arranged concentrically therewith form a gap through which the exhaust gas can pass, wherein at least one annular electrode with a plurality of electrode tips protruding radially into the intermediate space is arranged on the inner tube on the outer tube.
  • a flow obstacle is arranged radially starting from at least the outer tube or the inner tube, whose radial extent is selected as a function of a length of the electric field of the ionization element in the flow direction, the strength of the electric field and the exhaust gas velocity, that ionized soot particles at least do not reach the surface of the ionization element or the electrical insulation of the filter element during operation.
  • the main flow of the exhaust gas is therefore limited to a limited part of the gap, with the walls of the ionizing element forms only a small flow of exhaust gas.
  • Fig. 1 an embodiment of the device according to the invention
  • Fig. 2 a further embodiment of the device according to the invention
  • Fig. 3 yet another embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows schematically a cross section through an apparatus 1 according to the invention in an exhaust pipe 16.
  • an ionization element 3 and a filter device 4 are arranged behind a flow guiding device 8.
  • the flow guiding device 8 comprises a deflecting plate 11, which is fastened to the exhaust gas line 16 via fastening elements (not shown).
  • the ionization element 3 has an electrically conductive honeycomb body 17, which is connected to the exhaust gas line 16 via a first electrical insulation 9.1.
  • a plurality of electrodes 14 are arranged, which can be acted upon by a first electrical connection 13.1 with an electrical voltage.
  • the filter element 4 has a plurality of channels 5 through which the exhaust gas can flow and which extend between an inlet region 6 and an outlet region 7.
  • the filter element 4 is insulated from the exhaust pipe 16 with a second electrical insulation 9.2.
  • the filter element 4 can be impacted by a second electrical connection 13.2 with an electrical voltage.
  • the exhaust gas containing soot particles 2 flows toward the ionization element 3 and is at least partially deflected by the deflecting plate 11.
  • the baffle 11 a portion of the exhaust gas is accelerated and hits at an increased speed on the first electrical insulation 9.1, whereby the soot particles 2 can not settle on the first electrical insulation 9.1 or already released on the first electrical insulation 9.1 settled particles become.
  • the exhaust gas also flows through the honeycomb body 17 of the ionization element 3, wherein the flow is at least partially laminarized.
  • the soot particles 2 are ionized in a corona discharge between the electrodes 14 and the filter element 4.
  • the charged soot particles 2 are accelerated toward the filter element 4 and deposited therein due to their charge at a higher deposition rate.
  • the flow guide 8 is designed as a flow rectifier 10.
  • the flow rectifier 10 has a flow-through diameter 12 which is smaller than a flow-through diameter of the downstream ionization element 3.
  • the exhaust gas flow is at least partially laminarized and reduced to the diameter 12 of the flow rectifier 10 through which it can flow. With sufficient difference in the diameters 12 of the flow rectifier and the ionizing element 3 is thus achieved that the soot particles 2 in the exhaust gas not see the first electrical see 9.1 of the ionization element 3. A deposit on the electrical insulation 9.1 is thus avoided.
  • the flow guide device 8 has a honeycomb body 17, which holds a counterelectrode 22 of the ionization element 3.
  • the honeycomb body 17 has in an outer and an inner region closed channels 18, which with a radial extension 20 a Prevent flow through the honeycomb body 17 in these areas. Thus, a flow-through region 19 of the honeycomb body 17 is formed.
  • the ionization element 3 has an annular electrode 14 assigned to the exhaust gas line 16 with a multiplicity of electrode tips. Centrally in the exhaust pipe 16, a tubular counter electrode 22 is arranged, which is held by the honeycomb body and possibly isolated from this. Thus, over a length 21, an electric field may be formed between the annular electrode 14 and the tubular counter electrode 22.
  • the radial extent 20 of the closed channels 18 is selected so that ionized soot particles 2 can not be distracted so far from the electric field present between the annular electrode 14 and the counterelectrode 22 that they can reach a surface of the ionization element 3.
  • the size of the radial extent 20 thus depends essentially on the length 21, the electric field strength and the exhaust gas velocity.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Behandlung von Rußpartikel (2) enthaltendem Abgas, die zumindest mindestens ein Ionisierungselement (3) zur Ionisierung von Rußpartikel (2), mindestens ein Filterelement (4), wobei an mindestens einen Abschnitt des Filterelements (4) ein elektrisches Potential anlegbar ist, und mindestens eine Strömungsleiteinrichtung (8) umfasst. Die Strömungsleiteinrichtung kann eine Strömung des Abgases so beeinflussen, dass eine Ablagerung der Rußpartikel (2) an mindestens einer elektrischen Isolierung (9.1, 9.2) des Ionisierungselements (3) oder des Filterelements (4) verhindert oder beseitigt werden kann. Mit der vorliegenden Erfindung wird wirksam verhindert, dass sich Rußpartikel (2) auf einer elektrischen Isolierung (9.1, 9.2) von Abgasreinigungskomponenten ablagern, wodurch die Bildung eines Kurzschlusses verhindert wird. Ein sicherer Betrieb der Abgasanlage ist somit gewährleistet.

Description

Vorrichtung zur Behandlung von Rußpartikel enthaltendem Abgas Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Rußpartikel enthaltendem Abgas, insbesondere mit einem sogenannten elektrostatischen Filter bzw. Elektrofilter. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei der Behandlung von Abgasen mobiler Verbrennungskraftmaschinen im Kraftfahrzeugbereich, insbesondere bei der Be- handlung von Abgasen resultierend aus Diesel-Kraftstoff.
Bei Kraftfahrzeugen mit mobilen Verbrennungskraftmaschinen und insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit Dieselantrieb sind regelmäßig Mengen an Rußpartikeln in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthalten, welche nicht in die Umwelt abgegeben werden dürfen. Dies ist durch entsprechende Abgasverordnungen vorgegeben, die Grenzwerte für die Anzahl und die Masse an Rußpartikeln pro Abgasgewicht oder Abgasvolumen sowie teilweise auch für ein gesamtes Kraftfahrzeug vorgeben. Rußpartikel sind insbesondere nicht verbrannte Kohlenstoffe und Kohlen- Wasserstoffe im Abgas.
Es sind bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Konzepte zur Beseitigung von Rußpartikeln aus Abgasen mobiler Verbrennungskraftmaschinen diskutiert worden. Neben wechselseitig geschlossenen Wandstromfiltern, offenen Nebenstromfiltern, Schwerkraftabscheidern etc. sind auch bereits Systeme vorgeschlagen worden, bei denen die Partikel im Abgas elektrisch aufgeladen und dann mit Hilfe elektrostatischer Anziehungskräfte abgelagert werden. Diese Systeme sind insbesondere unter der Bezeichnung„elektrostatischer Filter" bzw.„Elektrofilter" bekannt.
Bei „Elektrofiltern" werden durch die Bereitstellung eines elektrischen Feldes und/oder eines Plasmas eine Agglomeration von kleinen Rußpartikeln zu größeren Rußpartikeln und/oder eine elektrische Ladung bei Rußpartikeln bewirkt. Elektrisch geladene Rußpartikel und/oder größere Rußpartikel sind regelmäßig in einem Filtersystem deutlich einfacher abzuscheiden. Rußpartikel- Agglomerate werden aufgrund ihrer größeren Massenträgheit in einer Abgasströmung träger transportiert und lagern sich an Umlenkstellen einer Abgasströmung somit einfacher ab. Elekt- risch geladene Rußpartikel werden aufgrund ihrer Ladung hin zu Oberflächen gezogen, an welchen sie anlagern und ihre Ladung abgeben. Auch dies erleichtert die Entfernung von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom im Betrieb von Kraftfahrzeugen.
So werden für solche Elektrofilter regelmäßig mehrere Sprühelektroden und Kollektorelektroden vorgeschlagen, die in der Abgasleitung positioniert werden. Dabei werden bspw. eine zentrale Sprühelektrode, welche etwa mittig durch die Abgasleitung verläuft, und eine umgebende Mantelfläche der Abgasleitung als Kollektorelektrode dazu genutzt, einen Kondensator auszubilden. Mit dieser Anordnung von Sprühelektrode und der Kollektorelektrode wird quer zur Strömungsrichtung des Abgases ein elektrisches Feld gebildet, wobei die Sprühelektrode bspw. mit einer Hochspannung betrieben werden kann, die im Bereich von ca. 15 kV liegt. Hierdurch können sich insbesondere Corona-Entladungen ausbilden, durch welche die mit dem Abgas durch das elektrische Feld strömenden Partikel unipolar aufgeladen werden. Aufgrund dieser Aufladung wandern die Partikel durch die elektrostatischen Coulombkräfte zur Kollektorelektrode. Neben Systemen, bei denen die Abgasleitung als Kollektorelektrode ausgeführt ist, sind auch Systeme bekannt, bei denen die Kollektorelektrode bspw. als Drahtgitter ausgebildet ist. Dabei erfolgt die Anlagerung von Partikeln an dem Drahtgitter zu dem Zweck, die Partikel ggf. mit weiteren Partikeln zusammenzuführen, um so eine Agglomeration zu realisieren. Das das Gitter durchströmende Abgas reißt dann die größeren Partikel wieder mit und führt sie klassischen Filter Systemen zu.
Bei der Regenerationen von Filtersystemen ist neben der intermittierenden Regeneration durch kurzzeitiges Aufheizen, das heißt Verbrennen des Rußes (katalytisch motivierte, oxidative Umsetzung), auch bekannt, Ruß mittels Stickstoffdioxid (NO ) umzuwandeln. Der Vorteil der kontinuierlichen Regeneration mit Stickstoffdioxid ist, dass die Umwandlung von Ruß hier bereits bei deutlich tieferen Temperaturen (insbesondere kleiner 250 °C) stattfinden kann. Aus diesem Grund ist die kontinuierliche Rege- neration in vielen Anwendungsfällen bevorzugt. Das führt jedoch zu dem Problem, dass sichergestellt sein muss, dass das Stickstoffdioxid im Abgas mit den angelagerten Rußpartikeln in ausreichendem Umfang in Kontakt kommt. Auch in diesem Zusammenhang ergeben sich technische Schwierigkeiten bei der Realisierung eines dauerhaften Betriebes solcher Abgasanlagen bei Kraftfahrzeugen, wobei die unterschiedlichen Belastungen der Verbrennungskraftmaschinen zu unterschiedlichen Abgasströmen, Abgaszusammensetzungen und/oder Temperaturen führen.
Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass bei der Bereitstellung solcher Komponenten für ein solches Ruß-Abscheide-System möglichst einfache Komponenten eingesetzt werden sollen, insbesondere auch solche, die sich im Rahmen einer Serienfertigung kostengünstig herstellen lassen. Außerdem ist gerade beim Design der Elektroden zu berücksichtigen, dass diese ggf. ausgerichtet in der Abgasleitung positioniert sein müssen, insbesondere so, dass ein unerwünscht hoher Staudruck bzw. eine unerwünschte Verwirbelung des Abgases im Bereich der Elektrode nicht eintritt.
Auch wenn sich die oben beschriebenen Systeme bislang zumindest in Versuchen geeignet für die Behandlung von Rußpartikeln herausgestellt haben, stellt doch die Umsetzung dieses Konzeptes für den Serienbetrieb bei Kraftfahrzeugen eine große Herausforderung dar. Insbesondere an der elektrischen Isolation der Elektrode und der Gegenelektrode zu der Abgasleitung setzen sich Rußpartikel ab, wobei eine Rußpartikelschicht zu einem Kurzschluss führen kann. Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Vorrichtung zur Behandlung von Rußpartikel enthaltendem Abgas angegeben werden, die das Ausbilden von Kurzschlüssen über elektrische Isolierungen hinweg verhindert.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den jeweils abhängig formulierten Patentansprüchen an- gegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und gibt zusätzliche Ausführungsbeispiele an.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Rußpartikel enthaltendem Abgas umfasst zumindest
- mindestens ein Ionisierungselement zur Ionisierung von Rußpartikeln, - mindestens ein Filterelement, wobei an mindestens einem Abschnitt des Filterelements ein elektrisches Potential anlegbar ist,
- mindestens eine Strömungsleiteinrichtung, die eine Strömung des Abgases so beeinflussen kann, dass eine Ablagerung der Rußpartikel an mindestens dem Ionisierungselement oder einer elektrischen Isolie- rung des Filterelements verhindert oder beseitigt werden kann.
Die hier vorgeschlagene Vorrichtung kann insbesondere Teil einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs sein, welches einen Diesel-Motor aufweist und ist insbesondere in einer Abgasleitung der Abgasanlage angeordnet.
Demgemäß durchströmt das Rußpartikel enthaltende Abgas ein Ionisierungselement, das zumindest eine Elektrode umfasst, an die eine elektrische Hochspannung zwischen 3 kV [Kilovolt] und 50 kV, bevorzugt zwischen 5 kV und 25 kV, angelegt werden kann. Die Spannung wird insbe- sondere so eingestellt bzw. geregelt oder gesteuert, dass es zu einer Co- rona-Entladung zwischen der Elektrode und einer Gegenelektrode kommt. Das Ionisierungselement kann als einfache Sprühelektrode oder Stabelektrode gebildet sein, es ist aber bevorzugt, dass das Ionisierungsele- ment einen Wabenkörper mit einer Mehrzahl von durchströmbaren Kanälen umfasst, an dessen Eintrittsbereich oder Austrittsbereich mindestens eine Elektrode angeordnet ist, die in bzw. gegen die Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Der Wabenkörper kann insbesondere, zumindest teilweise, bevorzugt vollständig aus einem elektrisch leitfähigem Material gebil- det sein, so dass ein elektrisches Potential an den Wabenkörper und damit gleichzeitig an die Elektroden angelegt werden kann.
Ebenfalls bevorzugt kann das mindestens eine Ionisierungselement ein Außenrohr und ein dazu konzentrisch angeordnetes Innenrohr aufwei- sen, die einen von dem Abgas durchströmbaren Zwischenraum bilden, wobei innen an dem Außenrohr mindestens eine ringförmige Elektrode mit einer Vielzahl von radial in den Zwischenraum ragenden Elektrodenspitzen angeordnet ist. Das mindestens eine Filterelement ist bevorzugt als ein Oberflächenabscheider ausgeführt, der eine Mehrzahl von Kanälen aufweist, die für das Abgas durchströmbar sind und sich zwischen einem Eintrittsbereich und einem Austrittsbereich erstrecken. Durch das zumindest an einem Abschnitt des Filterelements anlegbare elektrische Potential kann das Filter- element als eine Gegenelektrode zu der Elektrode der Ionisierungselemente eingesetzt werden und die in dem Filterelement abgelagerten Rußpartikel können neutralisiert werden.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem mindestens einen Filterele- ment um einen so genannten offenen Nebenstromfilter, bei dem keine vollständig verschlossenen Strömungskanäle vorliegen. Das Filterelement ist vielmehr mit einem metallischen Vlies und metallischen Welllagen geformt, in denen Öffnungen, Leitstrukturen etc. vorgesehen sind. Die Leitstrukturen bilden dabei Strömungsengpässe in den Strömungspassagen, so dass die Verweilzeit bzw. Auftreffwahrscheinlichkeit für Rußpartikel im Inneren des Filterelements vergrößert wird. In diesem Zusammenhang wird auf die bekannten Patentveröffentlichungen der Anmelderin verwiesen, die zur näheren Charakterisierung des Filterelements und/oder de- ren Regeneration herangezogen werden können; insbesondere wird hierzu vollumfänglich auf die Beschreibung aus den folgenden Dokumenten Bezug genommen: WO-A-01/80978; WO-A-02/00326; WO-A-2005/099867; WO-A-2005/066469; WO-A-2006/136431; WO-A-2007/140932. Die Regeneration eines solchen Filter elements erfolgt dabei bevorzugt kontinuierlich auf Basis der CRT-Methode. Hierzu kann der Vorrichtung z. B. ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet sein, in dem (auch) Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid aufoxidiert wird, der dann mit dem Ruß in dem Filterelement reagiert. Zudem ist auch möglich, dass eine solche oxidativ wirkende Beschichtung in dem Filterelement selbst realisiert ist, entweder in einer Zone davon oder aber in allen Bereichen des Filterelements.
Die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung ist in Strömungsrichtung des Abgases vor dem mindestens einen Ionisierungselement oder vor dem mindestens einen Filterelement angeordnet. Die Strömungsleiteinrichtung umfasst Elemente, die zumindest einen (räumlich begrenzten) Teil des Abgases umlenkt, insbesondere dadurch, dass ein Teil des Abgases die Strömungsleiteinrichtung zumindest abschnittsweise umströmt, so dass die Umlenkung nur durch die Form der Strömungsleiteinrichtung beeinflusst wird. Die Umlenkung des Teilabgasstroms erfolgt in einer solchen Weise, dass Rußpartikel entweder das Ionisierungselement (und insbesondere eine elektrische Isolierung des Ionisierungselements) oder die elektrische Isolierung des Filterelements erst gar nicht erreichen, oder in einer solchen Weise auf diese treffen, dass die Abgasströmung dort so wirkt, dass eine Anlagerung der Rußpartikel nicht möglich ist. Durch die Vermeidung einer Rußschicht auf der elektrischen Isolierung und/oder dem Ionisierungselement wird auch die Ausbildung eines Kurzschlusses zwischen dem Ionisierungselement und/oder dem Filterelement mit der Abgasleitung verhindert.
Vorzugsweise umfasst die Strömungsleiteinrichtung zumindest ein Ele- ment der folgenden Gruppe:
- mindestens einen Strömungsgleichrichter,
- mindestens ein Umlenkblech.
Unter Strömungsgleichrichter ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, die die Turbulenzen in einer Strömung zumindest teilweise mindert bzw. die Abgasströmung laminarisiert und somit eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung des Abgases über den Querschnitt der Abgasleitung erzeugt. Dies kann bspw. durch einen Wabenkörper mit einer Mehrzahl für das Abgas durchströmbarer Kanäle erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strömungsleiteinrichtung verstellbar ist. So kann durch das Verstellen der Strömungsleiteinrichtung die Strömungsrichtung eines Teils des die Strömungsleiteinrichtung verlassenden Abgases verändert werden. Insbesondere wird nach vorgebbaren Intervallen oder aufgrund von Fahrzeugparametern die Strömungsleiteinrichtung so verstellt, dass abwechselnd unterschiedliche Bereiche des Ionisierungselements oder des Filterelements von dem Abgas beströmt werden, wobei eine Ablagerung von Rußpartikeln auf dem Ionisierungselement oder den elektrischen Isolierungen verhindert wird oder schon abgelagerte Rußpartikel mitgerissen und somit beseitigt werden.
Um eine Ablagerung der Rußpartikel an dem Ionisierungselement oder der elektrischen Isolierung des Filter elementes zu verhindern, bildet die Strömungsleiteinrichtung vorteilhaft einen für Abgas durchströmbaren Durchmesser, der kleiner, bevorzugt mindestens 10 % kleiner, besonders bevorzugt mindestens 25 % kleiner ist als ein durchströmbarer Durchmesser des in Strömungsrichtung nachgelagerten Ionisierungselements oder Filterelements. Auf diese Weise erreicht das Abgas erst gar nicht die das Ionisierungselement oder die das Filterelement umgebende elektri- sehe Isolierung. Eine Ablagerung der Rußpartikel findet somit nicht statt. Insbesondere bei einer Ablenkung der Rußpartikel durch das elektrische Feld des Ionisierungselements können die geladenen Rußpartikel das Ionisierungselement und/oder die elektrische Isolierung des Filterelements nicht erreichen.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung einen katalytischen Reaktor enthält. Auf diese Weise kann das an der Strömungsleiteinrichtung vorbeiströmende Abgas katalytisch umgesetzt werden.
Bevorzugt ist die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung direkt an einer Abgasleitung befestigt, so dass auf weitere Befestigungselemente für die Strömungsleiteinrichtung verzichtet werden kann.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung einen Strömungsschatten im Bereich der elektrischen Isolierung bildet, wodurch ebenfalls eine Ablagerung der Rußpartikel zumindest auf dem Ionisierungselement oder der elektri- sehen Isolierung des Filterelements verhindert wird. Die Strömungsleiteinrichtung ist also so in der Abgasströmung angeordnet, dass das Abgas nicht das Ionisierungselement oder die elektrische Isolierung des Filterelements beströmt. Um eine Ablagerung von Rußpartikeln zumindest auf dem Ionisierungselement oder der elektrischen Isolierung zu verhindern und schon abgelagerte Rußpartikel zu beseitigen, wird ferner vorgeschlagen, dass die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung eine konzentrierte Anströ- mung im Bereich der elektrischen Isolierung mit einer vergrößerten Ab- gasgeschwindigkeit bildet. Die Abgasgeschwindigkeit ist somit gegenüber der über den Querschnitt der Abgasleitung durchschnittlichen Abgasgeschwindigkeit bzw. der Abgasgeschwindigkeit ohne die Strömungsleiteinrichtung erhöht. Diese Impulserhöhung des Abgases sorgt dafür, dass schon abgelagerte Partikel zumindest von dem Ionisierungselement oder der elektrischen Isolierung beseitigt werden und sich im Abgas befindliche Partikel nicht anlagern können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrich- tung vorgeschlagen, bei der die Strömungsleiteinrichtung dem Ionisierungselement vorgeordnet ist, und die Strömungsleiteinrichtung einen durchströmbaren Bereich aufweist, der so dimensioniert ist, dass ionisierte Rußpartikel im Abgas ström von einem durch das Ionisierungselement erzeugten elektrischen Feld zumindest nicht an eine Oberfläche des Ioni- sierungselement oder der elektrischen Isolierung des Filterelements gelangen. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt mit einem Ionisierungselement kombiniert, bei dem das Außenrohr und das dazu konzentrisch angeordnete Innenrohr einen von dem Abgas durchströmbaren Zwischenraum bilden, wobei innen an dem Außenrohr mindestens eine ringförmige Elektrode mit einer Vielzahl von radial in den Zwischenraum ragenden Elektrodenspitzen angeordnet ist. Dies bedeutet also insbesondere, dass ein Strömungshindernis radial von zumindest dem Außenrohr oder dem Innenrohr ausgehend angeordnet ist, dessen radiale Ausdehnung in Abhängigkeit von einer Länge des elektrischen Feldes des Ionisie- rungselements in Strömungsrichtung, der Stärke des elektrischen Feldes und der Abgasgeschwindigkeit so gewählt wird, dass ionisierte Rußpartikel im Betrieb zumindest nicht an die Oberfläche des Ionisierungselements oder der elektrischen Isolierungen des Filterelements gelangen. Der Hauptstrom des Abgases wird also auf einen begrenzten Teil des Zwischenraums begrenzt, wobei sich zu den Wänden des Ionisierungselements nur eine geringe Abgasströmung ausbildet.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Fi- guren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, diese Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
Fig. 1: eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und Fig. 2: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3: noch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in einer Abgasleitung 16. In Strömungsrichtung 15 des Rußpartikel 2 enthaltenden Abgases ist hinter einer Strömungsleiteinrichtung 8 ein Ionisierungselement 3 und eine Filtervorrichtung 4 angeordnet. Die Strömungsleiteinrichtung 8 umfasst ein Umlenkblech 11, das über nicht dargestellte Befestigungselemente an der Abgasleitung 16 befestigt ist. Das Ionisierungselement 3 weist einen elektrisch leitfähigen Waben- körper 17 auf, der mit der Abgasleitung 16 über eine erste elektrische Isolierung 9.1 verbunden ist. An der in Strömungsrichtung 15 Rückseite des Wabenkörpers 17 sind eine Vielzahl von Elektroden 14 angeordnet, die über einen ersten elektrischen Anschluss 13.1 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind. Das Filterelement 4 weist eine Mehrzahl von Kanälen 5 auf, die für das Abgas durchströmbar sind und sich zwischen einem Eintrittsbereich 6 und einem Austrittsbereich 7 erstrecken. Das Filter element 4 ist gegenüber der Abgasleitung 16 mit einer zweiten elektrischen Isolierung 9.2 isoliert. Das Filterelement 4 ist über einen zweiten elektrischen Anschluss 13.2 mit einer elektrischen Spannung be- auf schlagbar.
Im Betrieb strömt das Rußpartikel 2 enthaltende Abgas auf das Ionisierungselement 3 zu und wird dabei von dem Umlenkblech 11 zumindest teilweise umgelenkt. Durch das Umlenkblech 11 wird ein Teil des Abgases beschleunigt und trifft mit einer erhöhten Geschwindigkeit auf die erste elektrische Isolierung 9.1, wodurch sich die Rußpartikel 2 nicht auf der ersten elektrischen Isolierung 9.1 absetzen können bzw. schon auf der ersten elektrischen Isolierung 9.1 abgesetzte Partikel wieder gelöst werden. Das Abgas durchströmt weiter den Wabenkörper 17 des Ionisierungselements 3, wobei die Strömung zumindest teilweise laminarisiert wird. In dem Bereich zwischen den Elektroden 14 und dem Filterelement 4 wer- den zumindest ein Teil der Rußpartikel 2 in einer Corona-Entladung zwischen den Elektroden 14 und dem Filterelement 4 ionisiert. Die geladenen Rußpartikel 2 werden zu dem Filterelement 4 hin beschleunigt und in diesem aufgrund ihrer Ladung mit einer höheren Abscheiderate abgelagert.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Dieses Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist ähnlich aufgebaut wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, so dass hier nur auf die Unter- schiede eingegangen wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Strömungsleiteinrichtung 8 als ein Strömungsgleichrichter 10 ausgeführt. Der Strömungsgleichrichter 10 weist einen durchströmbaren Durchmesser 12 auf, der kleiner ist als ein durchströmbarer Durchmesser des nachgeordneten Ionisierungselements 3. In dem Strömungsgleichrichter 10 wird der Abgasstrom zumindest teilweise laminarisiert und auf den durchströmbaren Durchmesser 12 des Strömungsgleichrichters 10 in seinem Durchmesser reduziert. Bei ausreichendem Unterschied in den Durchmessern 12 des Strömungsgleichrichters und des Ionisierungselements 3 wird somit erreicht, dass die Rußpartikel 2 im Abgas nicht die ersten elektri- sehen Isolierungen 9.1 des Ionisierungselements 3 erreichen. Eine Ablagerung auf den elektrischen Isolierungen 9.1 wird somit vermieden.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Schnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, wobei im Folgenden nur auf die Unterschiede zu der Ausführungsform gemäß Fig. 2 eingegangen wird. Die Strömungsleiteinrichtung 8 weist einen Wabenkörper 17 auf, der eine Gegenelektrode 22 des Ionisierungselements 3 hält. Der Wabenkörper 17 weist in einem äußeren und einem inneren Bereich verschlossene Kanäle 18 auf, die mit einer radialen Ausdehnung 20 ein Durchströmen des Wabenkörpers 17 in diesen Bereichen verhindern. Es wird somit ein durchströmbarer Bereich 19 des Wabenkörpers 17 gebildet. Das Ionisierungselement 3 weist eine der Abgasleitung 16 zugeordnete ringförmige Elektrode 14 mit einer Vielzahl von Elektrodenspitzen auf. Zentral in der Abgasleitung 16 ist eine rohrförmige Gegenelektrode 22 angeordnet, die von dem Wabenkörper gehalten wird und ggf. gegenüber diesem isoliert ist. Somit kann auf einer Länge 21 ein elektrisches Feld zwischen der ringförmigen Elektrode 14 und der rohrförmigen Gegenelektrode 22 ausgebildet werden.
Die radiale Ausdehnung 20 der verschlossenen Kanäle 18 ist so gewählt, dass ionisierte Rußpartikel 2 von dem zwischen der ringförmigen Elektrode 14 und der Gegenelektrode 22 vorliegenden elektrischen Feld nicht so weit abgelenkt werden können, dass sie an eine Oberfläche des Ionisie- rungselements 3 gelangen können. Die Größe der radialen Ausdehnung 20 hängt somit im Wesentlichen von der Länge 21, der elektrischen Feldstärke und der Abgasgeschwindigkeit ab.
Mit der vorliegenden Erfindung wird wirksam verhindert, dass sich Ruß- partikel auf einer elektrischen Isolierung von Abgasreinigungskomponenten ablagern, wodurch die Bildung eines Kurzschlusses verhindert wird. Ein sicherer Betrieb der Abgasanlage ist somit gewährleistet.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Rußpartikel
3 Ionisierungselement
4 Filterelement
5 Kanal
6 Eintrittsbereich
7 Austrittsbereich
8 Strömungsleiteinrichtung
9.1 erste elektrische Isolierung
9.2 zweite elektrische Isolierung
10 Strömungsgleichrichter
11 Umlenkblech
12 Durchmesser
13.1 erster elektrischer Anschluss
13.2 zweiter elektrischer Anschluss
14 Elektrode
15 Strömungsrichtung
16 Abgasleitung
17 Wabenkörper
18 verschlossene Kanäle
19 durchströmbarer Bereich
20 radiale Ausdehnung
21 Länge
22 Gegenelektrode

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung (1) zur Behandlung von Rußpartikel (2) enthaltendem Abgas, umfassend zumindest
- mindestens ein Ionisierungselement (3) zur Ionisierung von Ruß Partikel (2),
- mindestens ein Filterelement (4), wobei an mindestens einen Abs chnitt des Filterelements (4) ein elektrisches Potential anlegbar ist,
- mindestens eine Strömungsleiteinrichtung (8), die eine Strömung des Abgases so beeinflussen kann, dass eine Ablagerung der Ruß Partikel (2) an zumindest dem Ionisierungselement (3) oder einer elektrischen Isolierung (9.2) des Filterelements (4) verhindert oder beseitigt werden kann.
Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, wobei die Strömungsleiteinrichtung (8) zumindest ein Element der folgenden Gruppe umfasst:
- mindestens einen Strömungsgleichrichter (10),
- mindestens ein Umlenkblech (11).
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Strömungsleiteinrichtung (8) verstellbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Strömungsleiteinrichtung (8) einen für Abgas durchströmbaren Durchmesser (12) bildet, der kleiner ist als ein durchströmbarer Durchmesser des in Strömungsrichtung (15) nachgelagerten Ionisierungselements (3) oder Filterelements (4).
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung (8) einen kata- lytischen Reaktor enthält.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung (8) an einer Ab- gasleitung (16) befestigt ist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung (8) einen Strömungsschatten im Bereich der elektrischen Isolierung (9.1, 9.2) bildet.
Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine Strömungsleiteinrichtung (8) eine konzentrierte An- strömung im Bereich zumindest einer Oberfläche des Ionisierungselements oder der elektrischen Isolierung (9.2) mit einer vergrößerten Abgasgeschwindigkeit bildet.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsleiteinrichtung (8) dem Ionisierungselement (3) vorgeordnet ist, und die Strömungsleiteinrichtung (8) einen durchströmbaren Bereich aufweist, der so dimensioniert ist, dass ionisierte Rußpartikel im Abgasstrom von einem durch das Ionisierungselement (3) erzeugten Feld nicht an eine Oberfläche des Ionisierungselement (3) oder der elektrischen Isolierung (9.2) des Filterelements (4) gelangen.
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