DE3804779C2

DE3804779C2 -

Info

Publication number: DE3804779C2
Application number: DE19883804779
Authority: DE
Inventors: Joerg Dr.-Ing. 7067 Pluederhausen De Abthoff; Hans-Dieter Dipl.-Ing. 7060 Schorndorf De Schuster; Hans-Joachim Dipl.-Ing. 7148 Remseck De Langer; Erwin Dipl.-Ing. 7061 Berglen De Strohmer; Rolf 7050 Waiblingen De Gabler; Roland Dipl.-Ing. 7054 Korb De Schulte
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1987-04-03
Filing date: 1988-02-16
Publication date: 1989-07-06
Also published as: DE3804779A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom einer Dieselbrennkraftma schine gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei einer gattungsgamäßen, in JP abstract 57-1 63 111 offen barten Vorrichtung besteht die Rußpartikelsammelstrecke aus einem Verbund von mehreren auf unterschiedlichem Po tential liegenden Leiterplatten, zwischen denen ein Gra nulat zum Auffangen der Rußpartikel vorgesehen ist. Da sich die Rußpartikelsammelstrecke jedoch über den gesamten Querschnitt der Abgasströmung erstrecken muß, stellt diese einen relativ großen Strömungswiderstand dar, der einen hohen Abgasgegendruck verursacht.

Aus der EP 01 52 623 A2 ist es ferner bekannt, die Ruß partikel eines Abgasstromes in einer an einen Fliehkraftabscheider angeschlossenen Rußpartikelkammer aufzufangen und den gereinigten Abgasstrom auf der entge gengesetzten Seite ins Freie zu führen.

Aus der DE-OS 30 19 991 ist es bekannt, die mit Partikeln beladenen Abgase einer Brennkraftmaschine über ein Spiral gehäuse in einen Ringraum einzuleiten, welcher durch eine Stab- und eine diese umgebende Ringelektrode gebildet ist. Dieser Ringraum ist einem elektrischen Spannungsfeld aus gesetzt, in welchem die Rußpartikel des rotierenden Abgas stromes ionisiert und in Richtung der Elektroden abgelenkt werden. Die dabei entstehenden, mit Rußpartikel angerei cherten Abgasteilströme werden anschließend zur Nachver brennung der Rußpartikel in den Brennraum der Brennkraft maschine rückgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Hauptanspruches beschriebenen Art zu schaffen, mit welcher eine Rußpartikelentfernung aus dem Abgasstrom auf einfache Art und Weise und ohne nen nenswerte Erhöhung der Abgasgegendruckes realisierbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 oder des An spruches 9 gelöst.

Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist gewährleistet, daß auf einfache Art und Weise ein maximaler Anteil an Rußpartikeln durch Kurzschließen zweier elektrischer Lei ter abgebrannt wird, dabei aber eine nennenswerte Strömungsbehinderung des die Rußpartikel führenden Abgas stromes nicht gegeben ist. So sind bei einer nach den An sprüchen 1 bis 8 gebildeten Vorrichtung die Elektroden in geringem Abstand zu einer an einem Fliehkraftabscheider bekannter Bauart (Zyklonabscheider) angeschlossenen Ruß partikelsammelkammer angeordnet und bilden damit kein un mittelbar im Abgasstrom liegendes Strömungshindernis. Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 hat dabei zusätzlich noch den Vorteil, daß auch noch Rußpartikel aufgefangen werden, die sich etwas weiter entfernt von der Mantelin nenfläche der Rußpartikelsammelkammer auf einer Kreisbahn bewegen. Eine Anordnung der Elektroden gemäß Anspruch 4 ermöglicht einen Abbrand einer größeren Anzahl zuvor ge sammelter Rußpartikel.

Bei einer nach den Ansprüchen 9 oder 10 gebildeten Vor richtung liegen einzelne Elektroden zwar im Abgasstrom, jedoch ist die wirksam der Strömung der Abgase entgegen stehende Stirnfläche der Elektroden im Vergleich zum ge samten Abgasleitungsquerschnitt sehr gering. Daß die ein zelnen Rußpartikel dennoch zwischen die deren Abbrand herbeiführenden Elektroden geführt werden, dafür sorgt ein entsprechend aufgebautes elektrisches Feld, welches die zuvor ioniesierten Rußpartikel in Richtung der am Abbrand beteiligten Elektroden ablenkt.

Selbst dann, wenn infolge einer Störung der Stromversor gung der Abbrennelektroden ein Abbrennen der Rußpartikel verhindert ist, können die Abgase samt Rußpartikel immer noch, ohne größere Strömungswiderstände überwinden zu müssen, ins Freie abfließen. Ein Verschluß der Abgaslei tung durch eine sich zusetzende Abgasleitung und damit zwangsläufig ein Stillstand der Brennkraftmaschine infolge eines zu hohen Abgasgegendruckes ist damit ausgeschlossen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

In der Zeichnung sind mit den Fig. 1 bis 5 vier vor teilhafte erfindungsgemäße Vorrichtungen in Form von Prinzipdarstellungen aufgezeigt.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine zylindrische Rußpartikelsammelkammer 7, der ein Fliehkraftabscheider üblicher Bauart (Zyklonabscheider) vorgeschaltet ist, und zwar derart, daß die Zylinderlängsachse 8 der Sammelkammer 7 und die Längsachse des Fliehkraftabscheiders koaxial zueinander liegen. Über den Innenumfang der Sammelkammer verteilt sind plattenförmige Elektroden 9 angeordnet, die eine der Mantelinnenfläche 10 entsprechende Form aufwei sen. Ihr Abstand zur Mantelinnenfläche 10 bzw. zum Innen umfang entspricht dem mittleren Durchmesser d _⌀ der Ruß partikel. Die Elektroden 9 sind mit dem Pluspol, die Sam melkammer 7 selbst mit dem Minuspol einer Gleichspan nungsquelle verbunden. Aus dem in der Fig. 1 nicht dar gestellten Fliehkraftabscheider treten nun die Rußparti kel, sich auf einer Kreisbahn bewegend, in die Rußparti kelsammelkammer 7 über, drängen dort infolge der auf sie wirkenden Fliehkräfte in Richtung der Mantelinnenfläche 10 der Sammelkammer (Pfeile 11) und werden damit in die Zwi schenräume 13 zwischen die Elektroden 9 und der Mantelin nenfläche 10 gefördert. Um möglichst viele Rußpartikel auffangen zu können, sind die Elektroden 9 auf ihrer der Strömung entgegenstehenden Seite 12 zum Innern der Sam melkammer 7 hin abgewinkelt, wodurch die Rußpartikel trichterartig aufgenommen werden können. Beim Hindurch wandern durch die Zwischenräume 13 verursachen die Ruß partikel einen Kurzschluß zwischen den Elektroden 9 und der Mantelinnenfläche 10, was schließlich zu ihrem Abbrand führt.

Als Elektroden können auch sich über die Breite der Sam melkammer, also senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1, erstreckende, in dichtem Abstand zueinander stehende Ein zeldrähte verwendet werden, deren Abstände zur Mantelflä che dann natürlich ebenso dem mittleren Durchmesser d _⌀ der Rußpartikel entsprechen. Es wird damit eine größere Ver weildauer der Rußpartikel zwischen den Elektroden und der Mantelfläche erreicht.

Auch bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung muß der Ab stand der Elektroden 9 zur Mantelinnenfläche 10 nicht zwingend dem mittleren Durchmesser der Rußpartikel ent sprechen, er kann auch größer gewählt werden.

Eine weitere Möglichkeit der Anordnung der Elektroden in einer Rußpartikelsammelkammer zeigt die Fig. 2. Hier ist der Einfachheit halber nur ein Ausschnitt einer ebenfalls zylindrischen Rußpartikelsammelkammer 7′ mit einer Elek trode 9′ aufgezeigt. Die Elektrode 9′ ist zum Inneren der Rußpartikelsammelkammer 7′ hin geneigt und auf ihrer der Strömungsrichtung der Rußpartikel abgewandten Seite über einen Isolator 26 mit der Mantelinnenfläche 10′ der Ruß partikelsammelkammer 7′ verbunden. Der Isolator 26 er streckt sich über die gesamte Breite der Rußpartikelsam melkammer 7′. Wie auch in Fig. 1 sind die Elektroden 9′ mit einem und ist die Sammelkammer 7′ mit dem anderen Pol einer Spannungsquelle verbunden.

Die durch die Fliehkraft zwischen die Elektroden 9′ und die Mantelinnenfläche 10′ geförderten Rußpartikel (Pfeil 11′) werden vor dem Isolator 26 aufgestaut, gesammelt und bei Kurzschließen der Elektroden 9′ und der Rußpartikel sammelkammer 7′ abgebrannt.

Fig. 3 zeigt ebenfalls einen Teil einer Abgasleitung 1′ einer Dieselbrennkraftmaschine, durch welche die Abgase in Richtung des Pfeiles 14 strömen. In der Abgasleitung 1′ ist eine Lichtquelle 15 angeordnet, die ultraviolettes Licht im Wellenlängenbereich um 200 nm ausstrahlt. Stromab dieser Lichtquelle 15 ist eine stabförmige Elek trode 16 angeordnet, die sich parallel zur Strömungsrich tung erstreckt und deren Längsachse mit der Längsmittel achse 17 der Abgasleitung 1′ zusammenfällt. Die Stab elektrode 16 ist in geringem Abstand von einer rohrförmigen Abbrennelektrode 18 umgeben, die zudem noch eine Gitterstruktur aufweist, also rußpartikeldurchlässig ist. Diese beiden Elektroden 16 und 18 werden von einer ebenfalls rohrförmigen Gegenelektrode 19 umgeben, deren Durchmesser jedoch derart bemessen ist, daß sie in unmit telbarer Nähe der Wandung der Abgasleitung 1′ angeordnet ist. Zwischen der Stabelektrode 16 und der Gegenelek trode 19 ist eine Hochspannung U _H angelegt, wobei die Stabelektrode 16 negativ und die Gegenelektrode 19 po sitiv geladen ist.

Im Gegensatz dazu liegt zwischen der Stabelektrode 16 und der Abbrennelektrode 18 eine Niederspannung U _N. Die im Abgas anströmenden Rußpartikel 20 werden nun in dem Bereich 21 durch die Bestrahlung mit dem UV-Licht ioni siert, und strömen somit als positive Ladungsträger auf die Elektroden 16, 18 und 19 zu.

Ein Teil der Rußpartikel 22 strömt direkt auf die Stab elektrode 16 zu (Pfeile 23) und wird aufgrund deren nega tiver Ladung von dieser angezogen. Die übrigen Rußpartikel 22, die zwischen die Abbrennelektrode 18 und die Gegen elektrode 19 strömen, werden von letzterer aufgrund gleichsinniger Ladung in Richtung Abbrennelektrode 18 ab gestoßen und da diese rußpartikeldurchlässig ist, lagern sie sich, angezogen durch die gegensinnige Ladung, an der Stabelektrode 16 an (Pfeile 24). An der Stabelektrode 16 kommt es damit zu Rußpartikelanhäufungen 25 (die Ruß partikel werden aufgrund des negativen Potentials der Stabelektrode 16 bei der Anlage an diese wieder entladen) und zwar solange bis diese die Abbrennelektrode 18 berühren, wodurch es zum Kurzschluß kommt, der die Ruß partikel 22 in zuvor schon beschriebener Weise auf die zu ihrer selbsttätigen Verbrennung erforderliche Reaktions temperatur bringt. Es ist genauso gut auch möglich, die Abbrennelektrode in geringem Abstand zur Gegenelektrode anzuordnen, die Niederspannung U _N zwischen die Gegen- und die Abbrennelektrode zu legen, und die angelegte Hochspan nung U zwischen der Gegen- und der Stabelektrode umzupolen. Damit werden die positiv geladenen Rußpartikel von der positiv geladenen Stabelektrode abgestoßen und häufen sich an der negativ geladenen Gegenelektrode an, wo sie nach Kurzschlußbildung schließlich abbrennen. Stab-, Abbrenn- und Gegenelektrode können in weiterer Aus gestaltung auch plattenförmig ausgebildet sein.

Für alle Vorrichtungen gilt, daß sie auch in Leitungen angeordnet sein können, die einen mit abgeschiedenen Ruß partikel angereicherten Teilabgasstrom führen, der zuvor vom Hauptabgasstrom abgezweigt wurde.

Ebenso ist es bei sämtlichen Vorrichtungen denkbar, deren elektrische Leiterelemente katalytisch zu beschichten, wodurch ein Rußpartikelabbrand schon auf einem relativ niederen Temperaturniveau realisierbar ist.

Fig. 4 zeigt eine an einem Fliehkraftabscheider üblicher Bauart (Zyklonabscheider) angeschlossene Rußpartikelsam melkammer 7′′, wie sie schon in Fig. 1 und Fig. 2 darge stellt ist, mit dem Unterschied, daß bei diesem Ausführungsbeispiel die Elektrode als von der Rußpartikel sammelkammer 7′′ konzentrisch umgebene und in geringem Ab stand nebeneinander angeordnete Ringelektroden 9′′ ausge bildet sind. In Fig. 5, die eine längs der Linie V-V geschnittene Darstellung der Fig. 4 zeigt, ist zu sehen, daß die Ringelektroden 9′′ selbst einen Kreisquerschnitt aufweisen. Sämtliche Ringelektroden 9′′ sind mit dem Plus pol und die Rußpartikelsammelkammer 7′′ selbst mit dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle verbunden. Der Ab brand der Rußpartikel erfolgt in diesem Ausführungsbei spiel damit zwischen den Ringelektroden 9′′ und der Man telinnenfläche 10′′ der Rußpartikelsammelkammer 7′′. Der Abstand zwischen den Ringelektroden 9′′ und der Man telinnenfläche 10′′ entspricht dem mittleren Durchmesser d _⌀ eines Rußpartikels. Es ist ebenso denkbar, diesen Abstand größer zu wählen, so daß es nicht zum Abbrand einzelner Rußpartikel, sondern zum Abbrand von Rußpartikelbrücken kommt, die dadurch entstehen, daß durch Adhäsion an den Ringelektroden 9′′ haftende Rußpartikel über weitere Ruß partikel mit denjenigen Rußpartikeln verbunden werden, die an der Mantelinnenfläche 10′′, ebenfalls infolge von Adhä sionskräften, anhaften.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es auch mög lich, immer eine von zwei nebeneinander angeordnete Ring elektroden 9′′ mit dem einen Pol und die andere mit dem entgegengesetzten Pol der Gleichspannungsquelle zu ver binden. Die Rußpartikelsammelkammer 7′′ selbst bleibt dabei neutral. Der Abbrand der Rußpartikel erfolgt in diesem Fall zwischen den Ringelektroden 9′′. Bezüglich des Abstan des zweier Ringelektroden 9′′ zueinander gilt hierbei eben so, daß er entweder dem mittleren Rußpartikeldurchmesser d _⌀ entsprechen oder auch größer sein kann.

Claims

1. Vorrichtung zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Ab gasstrom einer Dieselbrennkraftmaschine mit einer in der Abgasleitung angeordneten Rußpartikelsammelstrecke, in welcher auf unterschiedlichem elektrischem Potential be findliche Leiterelemente vorgesehen sind, zwischen denen die Rußpartikel abgefangen werden und einen Kurzschluß erzeugen, durch den die Rußpartikel auf die zu ihrer selbsttätigen Verbrennung erforderliche Reaktionstempera tur gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung ein Fliehkraftabscheider vorgese hen ist, daß die Rußpartikelsammelstrecke eine auf der Abscheideseite des Fliehkraftabscheiders mit diesem ver bundene und bezüglich dessen Längsachse (8, 8′′) rotationssymmetrisch ausgebildete Rußpartikelsammelkammer (7, 7′, 7′′) ist und
daß in geringem Abstand zu der Mantelinnenfläche (10, 10′, 10′′) der Rußpartikelsammelkammer mehrere Elektroden (9, 9′, 9′′) angeordnet sind, die untereinander oder gegenüber der Rußpartikelsammelkammer (7, 7′, 7′′) das unterschied liche Potential aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale

- die Elektroden (9) sind über den Innenumfang der Rußpartikelsammelkammer (7) verteilt angeordnet,
- der Abstand von den Elektroden (9) zu der Mantelinnenfläche (10) der Rußpartikelsammelkammer (7) ist so gewählt, daß die Elektroden (9) und die Mantelinnenfläche (10) von den Rußpartikeln kurzgeschlossen werden,
- die Elektroden (9) weisen eine der Mantelinnenfläche (10) der Rußpartikelsammelkammer (7) entsprechende Form auf und
- die Elektroden (9) sind mit dem einen Pol und die Rußpartikelsammelkammer (7) selbst ist mit dem entgegengesetzten Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9) auf ihrer der Strömung der Rußpar tikel entgegenstehenden Seite (12) zum Inneren der Ruß partikelsammelkammer (7) hin abgewinkelt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale

- die Elektroden (9) sind über den Innenumfang der Rußpartikelsammelkammer (7′) verteilt und zum Inneren der Rußpartikelsammelkammer (7) hin geneigt angeordnet, so daß deren Abstand zur Mantelinnenfläche (10′) der Rußpartikelsammelkammer (7′) auf ihrer der Strömung der Rußpartikel entgegenstehenden Seite größer ist als der auf der gegenüberliegenden Seite,
- auf der gegenüberliegenden Seite sind die Elektroden (9′) über je ein elektrisch nichtleitendes Bauteil (26) mit der Mantelinnenfläche (10′) verbunden und
- die Elektroden (9′) sind mit dem einen Pol und die Rußpartikelsammelkammer (7′) selbst ist mit dem entgegengesetzten Pol einer Spannungsquelle verbunden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden als in geringem Abstand nebeneinander angeordnete, von der Rußpartikelsammelkammer (7′′) konzen trisch umgebene Ringelektroden (9′′) ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektroden (9′′) einen Kreisquerschnitt auf weisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektroden (9′′) mit dem einen Pol und die Rußpartikelsammelkammer selbst mit dem entgegengesetzten Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß immer eine von zwei nebeneinander angeordneten Ring elektroden (9′′) mit dem einen Pol und die andere mit dem entgegengesetzten Pol einer Gleichspannungsquelle verbun den ist.

9. Vorrichtung zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Ab gasstrom einer Dieselbrennkraftmaschine mit einer in der Abgasleitung angeordneten Rußpartikelsammelstrecke, in welcher auf unterschiedlichem elektrischem Potential be findliche Leiterelemente vorgesehen sind, zwischen denen die Rußpartikel abgefangen werden und einen Kurzschluß erzeugen, durch den die Rußpartikel auf die zu ihrer selbsttätigen Verbrennung erforderliche Reaktionstempera tur gebracht werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale

- in der Abgasleitung (1′) ist stromauf der Rußpartikelsammelstrecke eine Einrichtung (15) zur Ionisierung von vorbeiströmenden Rußpartikeln vorgesehen,
- in der Rußpartikelsammelstrecke erstreckt sich im Bereich der Längsmittelachse (17) eine elektrostatisch geladene erste Elektrode (16),
- die erste Elektrode (16) wird von einer entgegengesetzt elektrostatisch geladenen Gegenelektrode (19) umgeben, die in unmittelbarer Nähe der Wandung der Abgasleitung (1′) sich längs erstreckt,
- der ersten Elektrode (16) oder der Gegenelektrode (19) ist in geringem Abstand eine rußpartikeldurchlässige Abbrennelektrode (18) vorgelagert,
- zwischen der Elektrode (16 oder 19), der die Abbrennelektrode (18) vorgelagert ist und der Abbrennelektrode (18) ist das unterschiedliche elektrische Potential angelegt und
- die ionisierten Rußpartikel (22) und die Elektrode (16 oder 19), welcher die Abbrennelektrode (18) vorgelagert ist, besitzen eine entgegengesetzte Ladung.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (16) stabförmig ausgebildet und von einer rohrförmigen Abbrenn- und eine rohrförmigen Ge genelektrode (19) umgeben ist.