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EP0658685B1 - Vorrichtung zum Abscheiden von Russpartikeln aus den Abgasen von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Vorrichtung zum Abscheiden von Russpartikeln aus den Abgasen von Brennkraftmaschinen Download PDF

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Publication number
EP0658685B1
EP0658685B1 EP19940890211 EP94890211A EP0658685B1 EP 0658685 B1 EP0658685 B1 EP 0658685B1 EP 19940890211 EP19940890211 EP 19940890211 EP 94890211 A EP94890211 A EP 94890211A EP 0658685 B1 EP0658685 B1 EP 0658685B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrically conductive
flow
layers
conductive layers
spacer blocks
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP19940890211
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP0658685A2 (de
EP0658685A3 (de
Inventor
Carl Maria Dr. Fleck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0658685A2 publication Critical patent/EP0658685A2/de
Publication of EP0658685A3 publication Critical patent/EP0658685A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0658685B1 publication Critical patent/EP0658685B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • 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
    • B03C3/40—Electrode constructions
    • B03C3/60—Use of special materials other than liquids
    • B03C3/62—Use of special materials other than liquids ceramics
    • 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
    • B03C3/02—Plant or installations having external electricity supply
    • B03C3/04—Plant or installations having external electricity supply dry type
    • B03C3/08—Plant or installations having external electricity supply dry type characterised by presence of stationary flat electrodes arranged with their flat surfaces parallel to the gas stream
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
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    • F01N3/01—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust by means of electric or electrostatic separators
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    • F01N3/0222—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters characterised by specially adapted filtering structure, e.g. honeycomb, mesh or fibrous the structure being monolithic, e.g. honeycombs
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    • F01N2330/00—Structure of catalyst support or particle filter
    • F01N2330/06—Ceramic, e.g. monoliths

Definitions

  • the invention relates to an electrostatic precipitator for separating soot particles from the exhaust gases of internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • a ceramic honeycomb body is provided on two opposite outer surfaces with electrodes, which are arranged essentially parallel to the flow direction of the exhaust gases determined by the channels of the honeycomb body, a high voltage of 10 kV to 20 kV being applied to these electrodes.
  • a high voltage of 10 kV to 20 kV being applied to these electrodes.
  • the electrostatic filter is operated with such a high voltage that electrons are emitted from the more negative of the channel surfaces, which accelerate to hit the deposited soot through the collecting field and initiate oxidation reactions.
  • This process is supported by the deposition of negatively charged oxygen ions on the substrate surface, which on the one hand are more reactive than oxygen radicals and on the other hand increase the oxygen partial pressure on the substrate surface.
  • an electrostatic filter of the type mentioned at the outset was known from WO-A1-91 / 16528, in which a ceramic honeycomb body is provided which has through-passages through which the exhaust gas can flow and which are arranged one above the other in the manner of a brick wall.
  • electrodes are arranged on the outside of the filter and in the interior of a bore passing through it, through which the exhaust gases are supplied, a plurality of rows of channels being arranged between these electrodes. With such a filter, the production of the ceramic body is difficult.
  • the aim of the invention is to avoid these disadvantages and to propose a device of the type mentioned at the outset which is simple to manufacture and operate.
  • the construction of the device serving as a filter by means of several layers of electrically conductive and ceramic materials can be produced very easily.
  • Steel foils can also be used, which are provided with one, but preferably two, thin ceramic coatings, and the ceramic material can be applied by plasma coating.
  • the relatively small height of the channels through which the exhaust gas can flow in the area of the filter ensures that an essentially laminar flow is formed and therefore the soot particles accumulate and are oxidized by the radicals caused by the electric field.
  • the voltage drop in the ceramic substrates themselves must of course also be taken into account. If this is limited to 100 volts to 400 volts per substrate, the required specific resistances of the ceramic material at the desired average working temperature at which the combustion process is to take place, depending on the filter size, are 10 6 ohm cm to 10 10 ohm cm, preferably 10 7 ohm cm to 10 9 ohm cm.
  • the ceramic starting material can also be doped with vanadium or strontium, preferably with strontium titanate.
  • Fig.1 An arrangement according to the invention of ceramic filter plates with series connection.
  • Fig. 2 An external series connection of the filter cells.
  • Fig.3 A parallel connection of the filter cells.
  • Fig. 4 An outline and plan view of an embodiment of filter cells connected in parallel according to the invention.
  • Fig. 5 A schematic representation of a winding electrostatic filter connected in series.
  • Fig. 6 Winding electrostatic precipitator in parallel.
  • Fig. 7 elevation and plan view of an embodiment of parallel connected filter cells.
  • FIG. 1 shows a stack, the layers of which are formed by ceramic plates 1 structured on one side, which together with the smooth rear sides of the same plates 1 form flow channels 2 through which the exhaust gas to be cleaned flows.
  • the spacers 3 formed on one side on the plates 1 can be formed by webs running in the direction of flow or interrupted knobs which only ensure the distance to the next plate.
  • This stack of plates 1 is contacted only on its first and last plate 1 with high-voltage electrodes 4, 5, between which there is high voltage.
  • the individual flow channels 2 lying one below the other are electrically connected in series internally, the flow channels 2 being arranged in a brick wall manner offset from one another.
  • FIG. 2 shows an external electrical series connection according to the invention of these flow channels through metal foils 4 'which are located between two structured plates 1 and are connected between the respective voltage sources 6, which can be stacked independently of the potential.
  • the spacers 3 shows an electrical parallel connection of the flow channels 2 according to the invention.
  • the plates 1 structured on one side are arranged alternately with the spacers 3 upwards and downwards.
  • the electrodes 4 are connected in parallel and connected to one pole + a DC voltage source and all electrodes 5 to the second pole - the DC voltage source, which only has to deliver a relatively low voltage, since this only requires the required field strength in a position of Flow channels 2 must be sufficient.
  • FIG. 4 shows sections from the elevation and plan view of a section of a filter according to FIG. 3.
  • the stack consists of layers of ceramic plates 1 with nubs on one side, with a spacer 3 designed as a steel foil between two of them with mutually directed knobs Electrode 4 is arranged.
  • This steel foil is stiff enough to offer resistance to the spacers 3 even at higher temperatures and forms with two ceramic plates 1 two opposing flow channels 2, which are in contact with electrodes 5 made of thinner foils, each of which also delimits plates on two flow channels 2 1 is present.
  • Ceramic plates 1 and electrodes 4 and 5 are held by corresponding steel pins 7 and contacted by means of spacer rings 8.
  • FIG. 5 shows a winding electrostatic filter according to the invention, which is wound in one layer from a ceramic substrate and is contacted on the inside and outside with high-voltage electrodes 4 and 5.
  • the spacers 3 are designed as webs and are approximately 4 mm high and determine the height of the flow channels 2.
  • FIG. 6 shows a winding electrostatic filter according to the invention consisting of two electrodes 4, 5, which are insulated from one another by steel foils, each with a ceramic plasma coating 1 ′ on both sides and corresponding spacers 3 formed as ceramic balls, which have a diameter of approx. 2 mm and which are only due to the voltage or .
  • Deformation of the steel foils forming the electrodes 4, 5 are fixed.
  • the filter is wound in two layers from mutually insulated foils and therefore consists of two large flow channels 2 which are connected in parallel.
  • the ceramic coated steel foils are about 2mm apart and the tension between the metal foils serving as electrodes 4, 5 is approximately 300V.
  • the stack. consists of electrodes 4 and 5, plasma-coated on both sides, made of thin, heat-resistant steel plates with sufficient flexural strength to be able to find 3 ceramic plates 40 mm to 50 mm wide and 2 mm to 4 mm high as spacers, on the sides of the coated electrodes 4 and 5 are arranged and thus limit the flow channels 2 on both sides.
  • These electrodes 4 and 5 are held by corresponding steel pins 7 and alternately contacted on both sides of the flow channels by electrically conductive spacer rings 8 so that steel pins with different potential are preferably opposite one another.
  • the ceramic coating 1 'ends before the spacer rings 8 but only within the ceramic spacer 3.
  • the plasma coating 1 has at working temperatures a volume resistivity of at least 10 5 ohms and cm 2, preferably between 10 6 ohms and cm 2 and 10 8 ohms and cm 2 .
  • Each of the two electrodes 4, 5 is clamped on both sides of the flow channel 2, so that it is possible to reduce the thickness of the electrodes to such an extent that they are stretched as thin foils through the steel pins 7 and must therefore maintain their intended mutual distances.
  • Flow channels 2 of this type can be stacked at any height and are particularly suitable for large-volume diesel internal combustion engines, but also for large machines with small plate spacings d, but at least compliance with the dimensional formula d [cm] 500 v [cm / sec] must be taken into account if v represents the average speed through the flow channels 2.
  • FIG. 8 shows an improvement of the device shown in FIG. 7 by the integration of the ionization part in the Separation part of the diesel electrostatic filter according to the invention.
  • the electrode edge leaned towards the gas flow is set back and at least one discharge wire 10 is welded on by spot welding 11 and the remaining lateral remnants of the electrode 4. This results in a concentration of the field on the wire surface and the associated stronger gas discharge leads to a higher charge of the soot particles flowing past.
  • the wire has a diameter between 50 microns and 300 microns and consists of a corrosion-resistant high-temperature alloy, a superalloy or tungsten and is preferably gold-plated or platinum-plated.
  • FIG. 9 shows a further improvement according to the invention of the device shown in FIG. 7 by separating the part of the negative electrode 4 'carrying the discharge wires 10 from the remaining part of this electrode 4.
  • This embodiment of the device according to the invention allows the discharge voltage to be supplied separately by at least one of the steel pins 7 'and thus a regulation of the discharge current.
  • the discharge on the wires can preferably be increased by superimposing the direct voltage with a high-frequency alternating voltage without the risk of a sparkover.
  • the second electrode 5 contacted by the steel pin 7 ′′ can also be separated from the remaining plates 5 in the area of the discharge wires, so that the filter unit is only held together by the ceramic spacers 3.
  • the entire filter unit is supplied by one type of its steel pins with approximately 300 volts to 500 volts, while the steel pins of the other type are grounded.
  • a separation of the grounded plate type in this area is also sufficient for the control of the discharge wires, by means of which the high frequency is then supplied and the discharge intensity is regulated.
  • the somewhat susceptible creep rupture strength of the discharge wires can also be avoided by replacing them again with plates, preferably in strips running transversely to the flow direction, with gaps, which are then mainly operated by a high-frequency-controlled glow discharge.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektrofilter zum Abscheiden von Rußpartikeln aus den Abgasen von Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Bei solchen Vorrichtungen ist ein keramischer Wabenkörper an zwei einander gegenüberliegenden Außenflächen mit Elektroden versehen, die im wesentlichen parallel zur durch die Kanäle des Wabenkörpers bestimmten Strömungsrichtung der Abgase angeordnet sind, wobei an diese Elektroden eine Hochspannug von 10kV bis 20kV angelegt ist. Dadurch ergibt sich eine Serienschaltung von 30 bis 50 Kanälen des Wabenkörpers, von denen jeder einzelne als kleiner Elektrofilter arbeitet und die negativ aufgeladenen Rußpartikel abscheidet.
  • Um das Abbrennen des abgeschiedenen Dieselrußes zu gewährleisten, wird das Elektrofilter mit so hoher Spannung betrieben, daß von der jeweils negativeren der Kanaloberflächen Elektronen emittiert werden, die durch das Sammelfeld beschleunigt auf den abgelagerten Ruß treffen und Oxidationsreaktionen einleiten. Dieser Vorgang wird durch die Abscheidung negativ aufgeladener Sauerstoffionen auf die Substratoberfläche unterstützt, die einerseits als Sauerstoffradikale eine höhere Reaktionsbereitschaft haben und andererseits den Sauerstoffpartialdruck auf der Substratoberfläche erhöhen.
  • Die Nachteile einer solchen Lösung liegen in der benötigten Hochspannung, deren Zuführung zu den Elektroden in Anwesenheit von Ruß zu großen Isolationsschwierigkeiten führt. Auch aus den Wabenkörpern selbst kann es zu Entladungen oder zu parasitären Strömen kommen, die die Aufrechterhaltung der Betriebsspannung nicht oder nur bei zu großem Energieverbrauch gewährleisten würde.
  • Auch muß man bei höheren Temperaturen viel elektrische Leistung zur Verfpändung stellen, um das Abscheidefeld in in Form von in Strömungsrichtung verlaufenden Stegen aus Keramik oder einem anderen guten Isolationsmaterial trägt, die im Querschnitt rechteckig, rund oder keilförmig sein können.
  • Weiters wurde ein Elektrofilter der eingangs erwähnten Art durch die WO-A1-91/16528 bekannt, bei dem ein keramischer Wabenkörper vorgesehen ist, der vom Abgas durchströmbare durchgehenden Kanäle aufweist, die ziegelmauerartig übereinander angeordnet sind. Bei diesem bekannten Filter sind Elektroden an der Außenseite des Filters und im Inneren einer dieses durchsetzenden Bohrung angeordnet, über die die Zufuhr der Abgase erfolgt, wobei zwischen diesen Elektroden mehrere Reihen von Kanälen angeordnet sind. Bei einem solchen Filter ist die Herstellung des keramischen Körpers schwierig.
  • Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die sich einfach herstellen und betreiben läßt.
  • Erfindungsgemäß wird dies bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
  • Der Aufbau der als Filter dienenden Vorrichtung durch mehrere Lagen aus elektrisch leitenden und keramischen Materialien läßt sich sehr einfach herstellen. Dabei können auch Stahlfolien verwendet werden, die mit einer, vorzugsweise jedoch zwei dünnen keramischen Beschichtungen versehen sind, wobei die Aufbringung des keramischen Materials durch Plasmabeschichtung erfolgen kann.
  • Durch die relativ geringe Höhe der vom Abgas im Bereich des Filters durchströmbaren Kanäle wird erreicht, daß es zur Ausbildung einer im wesentlichen laminaren Strömung kommt und daher das Anlagern der Rußpartikel und deren Oxidation durch die durch das elektrische Feld bedingten Radikalen erleichtert wird.
  • In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die im Anspruch 2 angegebenen Bedingungen eingehalten werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
  • Bei diesen erfindungsgemäßen Anordnungen ist natürlich der Spannungsabfall in den Keramiksubstraten selbst auch zu berücksichtigen. Beschränkt man diesen mit 100 Volt bis 400 Volt je Substrat, so ergeben sich notwendige spezifische Widerstände des Keramikmaterials bei der gewünschten mittleren Arbeitstemperatur, bei der der Verbrennungsvorgang stattfinden soll je nach Filtergröße 106Ohm cm bis 1010 Ohm cm vorzugsweise 107Ohm cm bis 109Ohm cm.
  • Will man die Abbrennfunktion des Filters über ein im Alltagsbetrieb notwendiges Temperaturintervall von mindestens 300°C (also etwa von 100°C bis 400°C) ausdehnen, so ist dies erfindungsgemäß durch einen hohen Anteil an offener Porosität im keramischen Material möglich. Erfindungsgemäß kann auch eine Dotierung des keramischen Ausgangstoffes mit Vanadium oder Strontium, vorzugsweise mit Strontiumtitanat durchgeführt werden.
  • In diesem Zusammenhang wird festgestellt, daß die Filterfunktion und die Speicherfähigkeit der Vorrichtung auch dann erhalten bleibt, wenn die Abgastemperatur dieses Arbeitsintervall verläßt. Bei Temperaturen unter 100°C nimmt das Abbrennen gleichzeitig mit der Abnahme des Zellenstroms ab, während die Filterfunktion voll erhalten bleibt, bei Temperaturen über 400°C kommt es nur auf die zur Verfügung gestellte elektrische Leistung an: der zunehmende Zellenstrom führt bei Erreichen der Leistungsgrenze der Netzversorgung zu einem langsamen Abregeln der Spannung und damit zu einer langsamen Reduktion des Filterwirkungsgrades. Die Abbrennfunktion bleibt durch die Nähe des Flammpunktes von Ruß (bei etwa 500°C , hängt von der Menge der Kohlenwasserstoffe ab) erhalten und geht bei etwa 500°C in das natürliche Abbrennen von Ruß über. Allerdings brennt auch dann nur jener Ruß ab, der im Filter abgeschieden wird, da dieser Prozeß mehr Zeit fordert, als bei dem Transport zum Ende des Abgasstranges vorhanden ist.
  • Im folgenden werden nun erfindungsgemäße Ausführungsformen beschrieben:
  • Fig.1: Eine erfindungsgemäße Anordnung von keramischen Filterplatten mit Serienschaltung.
  • Fig.2: Eine externe Serienschaltung der Filterzellen.
  • Fig.3: Eine Parallelschaltung der Filterzellen.
  • Fig.4: Auf- und Grundriß einer erfindungsgemäßen Ausführung parallelgeschalteter Filterzellen.
  • Fig.5: Eine schematische Darstellung eines Wickelelektrofilters in Serienschaltung.
  • Fig.6: Wickelelektrofilter in Parallelschaltung.
  • Fig.7: Auf- und Grundriß einer erfindungsgemäßen Ausführung parallelgeschalteter Filterzellen.
  • Fig.8a, 8b und 9a, 9b: Auf- und Grundrisse weiteren Ausführungsformen erfindungsgemäßer Filter.
  • Fig.1 zeigt einen Stapel, dessen Lagen durch einseitig strukturierten keramischen Platten 1 gebildet wird, die gemeinsam mit den glatten Rückseiten ebensolcher Platten 1 Strömungskanäle 2 bilden, die von dem zu reingigenden Abgas durchströmt werden. Die einseitigen an den Platten 1 angeformten Abstandshalter 3 können durch in Strömungsrichtung verlaufende Stege oder unterbrochene Noppen gebildet sein, die nur den Abstand zur nächsten Platte sicherstellen. Dieser Stapel von Platten 1 wird nur an seiner ersten und an seiner letzten Platte 1 mit Hochspannungselektroden 4, 5,kontaktiert, zwischen denen Hochspannung liegt. Dadurch sind die einzelnen untereinanderliegenden Strömungskanäle 2 intern elektrisch in Serie geschaltet, wobei die Strömungskanäle 2 ziegelmauerartig gegeneinander versetzt angeordnet sind.
  • Fig.2 zeigt eine erfindungsgemäße externe elektrische Serienschaltung dieser Strömungskanäle durch Metallfolien 4' die zwischen je zwei strukturierten Platten 1 liegen und zwischen die jeweils Spannungsquellen 6 geschaltet sind, die unabhängig vom Potential gestapelt werden können. Dies können erfindungsgemäß Dioden sein, die gemeinsam mit den Kapazitäten der Metallfolien 4' eine Kaskadenschaltung bilden gepolt sein, daß immer die der Metallfolie 4' gegenüberliegende Seite der keramischen Platte 1 negativer ist, als die Metallfolie 4'.
  • Fig.3 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Parallelschaltung der Strömungskanäle 2. Um die keramischen Platten 1 jeweils auf negativerem Potential zu haben, als die ihr gegenüberliegenden durch Metallfolien gebildete Elektrode 4, sind die einseitig strukturierten Platten 1 anwechselnd mit den Abstandhaltern 3 nach oben und nach unten angeordnet. Dabei sind die Elektroden 4 parallel geschaltet und mit einem Pol + einer Gleichspannungsquelle und alle Elektroden 5 mit dem zweiten Pol - der Gleichspannungsquelle verbunden, wobei diese nur eine relativ niedrige Spannung zu liefern braucht, da diese nur zur Erziehung der erforderlichen Feldstärke in einer Lage von Strömungskanälen 2 ausreichen muß.
  • Fig.4 stellt Ausschnitte aus Auf- und Grundriß eines Abschnittes eines Filters nach der Fig.3 dar. Der Stapel besteht aus Lagen aus einseitig genoppten Keramikplatten 1, wobei zwischen jeweils zwei von ihnen mit gegeneinander gerichteten als Noppen ausgebildeter Abstandhaltern 3 eine als Stahlfolie ausgebildete Elektrode 4 angeordnet ist. Diese Stahlfolie ist steif genug, um auch bei höheren Temperaturen den Abstandhaltern 3 Widerstand zu bieten und bildet mit beiden Keramikplatten 1 zwei gegensinnig liegende Strömungskanäle 2, die mit Elektroden 5 aus dünneren Folien kontaktiert sind, von denen jede ebenfalls an jeweils zwei Strömungskanäle 2 begrenzenden Platten 1 anliegt. Keramikplatten 1 und Elektroden 4 und 5 werden durch entsprechende Stahlstifte 7 gehalten und mit Hilfe von Distanzringen 8 kontaktiert.
  • Fig.5 zeigt ein erfindungsgemäßes Wickelelektrofilter, das einlagig aus einem Keramiksubstrat gewickelt ist und innen und außen mit Hochspannungselektroden 4 und 5 kontaktiert ist. Die Abstandhalter 3 sind als Stege ausgebildet und sind ca. 4mm hoch und bestimmen die Höhe der Strömungskanäle 2.
  • Fig.6 zeigt ein erfindungsgemäßes Wickelelektrofilter aus zwei gegeneinander isolierten durch Stahlfolien gebildeten Elektroden 4, 5, wobei jede mit beidseitiger keramischer Plasmabeschichtung 1' und entsprechenden als Keramikkugeln augebildeten Abstandhaltern 3 die einen Durchmesser von ca.2mm aufweisen und die nur durch die Spannung bzw-. Verformung der die Elektroden 4, 5 bildenden Stahlfolien fixiert sind. Das Filter ist zweilagig aus voneinander isolierten Folien gewickelt und besteht daher aus zwei großen Strömungskanälen 2, die parallelgeschaltet sind. Die keramikbeschichteten Stahlfolien sind etwa 2mm voneinander entfernt und die Spannung zwischen den als Elektroden 4, 5 dienenden Metallfolien beträgt ca. 300V.
  • Fig. 7a, 7b stellen Ausschnitte aus Auf- und Grundriß von zwei erfindungsgemäß übereinander angeordneten Strömungskanäle 2 dar. Der Stapel. besteht aus beidseitig plasmabeschichteten, aus dünnen hochwarmfesten Stahlplatten hergestellten Elektroden 4 und 5 mit hinreichender Biegefestigkeit, um als Abstandhalter 3 keramischen Platten von 40mm bis 50mm Breite und 2mm bis 4mm Höhe das Auslangen finden zu können, die an den Seiten der beschichteten Elektroden 4 und 5 angeordnet sind und so beiderseits die Strömungskanäle 2 begrenzen. Diese Elektroden 4 und 5 werden durch entsprechende Stahlstifte 7 gehalten und beiderseits der Strömungskanäle wechselweise durch elektrisch leitende Distanzringe 8 so kontaktiert, daß sich vorzugsweise Stahlstifte mit unterschiedlichem Potential gegenüberliegen. Zu diesem Zweck endet die keramische Beschichtung 1' bereits vor den Distanzringen 8 aber erst innerhalts des keramischen Abstandhalters 3. Um die Elektroden 4 und 5 von den gegenpoligen Distanzringen 8 hinreichend fernzuhalten, liegen um die metallischen Distanzringe 8 keramische Schutzringe 9. Die Plasmabeschichtung 1 hat bei Arbeitstemperaturen eine spezifischen Durchgangswiderstand von mindestens 105Ohm und cm2 vorzugsweise zwischen 106Ohm und cm2 und 108Ohm und cm2. Jede der beiden Elektroden 4, 5 ist zu beiden Seiten des Strömungskanals 2 eingespannt, sodaß es möglich ist, die Stärke der Elektroden soweit zu reduzieren, daß sie als dünne Folien durch die Stahlstifte 7 gespannt werden und so ihre vorgesehenen gegenseitigen Abstände einhalten müssen. Strömungskanäle 2 dieser Art lassen sich in beliebiger Höhe stapeln und sind besonders für großvolumige Dieselverbrennungskraftmaschinen geeignet, wobei allerdings auch für große Maschinen auf kleine Plattenabstände d zumindest aber auf die Einhaltung der Dimensionsformel d [cm] 500 v[cm/sec]
    Figure imgb0001
     geachtet werden muß, wenn v die mittlere Geschwindigkeit durch die Strömungskanäle 2 darstellt.
  • Fig. 8 zeigt eine Verbesserung der in Fig.7 gezeigten Vorrichtung, durch die Integration des Ionisastionsteiles in den Abscheideteil des erfindungsgemäßen Dieselelektrofilters. Zu diesem Zweck wird bei der negativeren der beiden Elektroden 4 die der Gasströmung zugelehnte Elektrodenkante zurückversetzt und mindestens ein Entladungsdraht 10 durch eine Punktschweißung 11 und die verbleibenden seitlichen Reste der Elektrode 4 angeschweißt. Dadurch tritt eine Konzentration des Feldes an der Drahtoberfläche ein und die damit verbundene stärkere Gasentladung führt zu einer höheren Aufladung der vorbeiströmenden Rußteilchen. Der Draht hat einen Durchmesser zwischen 50 µm und 300 µm und besteht aus einer korrosionsfesten hochwarmfesten Legierung, einer Superlegierung oder aus Wolfram und ist vorzugsweise vergoldet oder platiniert.
  • Fig.9 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Verbesserung der in Fig.7 gezeigten Vorrichtung durch eine Trennung des die Entladungsdrähte 10 tragenden Teiles der negativen Elektrode 4' von dem übrigen Teil dieser Elektrode 4. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung erlaubt eine getrennte Zuführung der Entladungsspannung durch mindestens einen der Stahlstifte 7' und damit eine Regelung des Entladestromes. Vorzugsweise kann die Entladung an den Drähten durch eine Überlagerung der Gleichspannung mit einer hochfrequenten Wechselspannung verstärkt werden, ohne daß die Gefahr eines Funkenüberschlages auftritt. Zu diesem Zweck kann auch die durch den Stahlstift 7'' kontaktierte zweite Elektrode 5 in dem Bereich der Entladungsdrähte von den Restplatten 5 getrennt werden, sodaß die Filtereinheit nur mehr von den keramischen Abstandhaltern 3 zusammengehalten wird. In einer anderen vorzugsweisen Ausgestaltung der gegenständlichen Erfindung wird die ganze Filtereinheit durch eine Sorte ihrer Stahlstifte mit etwa 300 Volt bis 500 Volt Spannung versorgt, während die Stahlstifte der anderen Sorte geerdet sind. In diesem Fall genügt für die Ansteuerung der Entladungsdrähte auch eine Abtrennung der geerdeten Plattensorte in diesem Bereich, durch die dann sowohl die Hochfrequenz zugeleitet als auch die Entladungsstärke geregelt wird. Letztendlich kann auch die etwas anfällige Zeitstandsfestigkeit der Entladungsdrähte vermieden werden, indem man sie wieder durch Platten vorzugsweise in quer zur Strömungsrichtung laufende Streifen mit Zwischenräumen ersetzt, die dann hauptsächlich durch eine hochfrequenzgesteuerte Glimmentladung betrieben werden.

Claims (20)

  1. Elektrofilter zum Abscheiden von Rußpartikeln aus den Abgasen von Brennkraftmaschinen, vorzugsweise Dieselmotoren, bei dem zwischen mindestens zwei elektrisch leitenden Lagen, die als Elektroden dienen und an verschiedenen elektrischen Potentialen liegen, mindestens eine elektrisch isolierende Lage angeordnet ist und zwischen mindestens zwei Lagen je einer von übereinanderliegenden Strömungskanälen für das Abgas frei gehalten ist, der an mindestens einer Seite von einer elektrisch isolierenden Lage begrenzt ist und das elektrische Feld senkrecht zur Strömungsrichtung der Abgase verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrofilter aus regelmäßig gestapelten oder gewickelten Lagen (1, 4, 5) leitender und keramischer Materialien besteht, die durch elektrisch isolierende Abstandshalter (3) voneinander distanziert sind und jeder Strömungskanal (2) zwischen zwei an unterschiedlichen Potentialen liegenden elektrisch leitenden Lagen (4, 5) vorgesehen ist, wobei die Potentialdifferenz der elektrischen Potentiale, an denen zwei einander benachbarte elektrisch leitende Lagen (4, 5) angeschlossen sind ausreicht, um im freien Strömungsquerschnitt eine Feldstärke von mindestens 100V/mm sicherzustellen und in jedem Strömungskanal (2) die negativere, vom elektrischen Feld durchsetzte Begrenzung eine keramische Oberfläche aufweist, die elektrisch leitenden Lagen (4, 5) einen konstanten Querschnitt aufweisen und die Erstreckung d des Strömungsquerschnittes des mindestens einen Strömungskanales (2) in Richtung des elektrischen Feldes der Beziehung: d [cm] ≤ 500 v [cmsec -1 ]
    Figure imgb0002
        entspricht, wobei v die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der zu reinigenden Abgase im betreffenden Strömungsquerschnitt des Elektrofilters bedeutet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke in jedem Strömungskanal mindestens 300V/mm und die die Erstreckung d des Strömungsquerschnittes des mindestens einen Strömungskanales (2) in Richtung des elektrischen Feldes der Beziehung: d [cm] ≤ 200 v [cmsec -1 ]
    Figure imgb0003
        entspricht, wobei v die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der zu reinigenden Abgase im betreffenden Strömungsquerschnitt des Elektrofilters bedeutet.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine isolierende Lage (1) auf zumindest einer Seite Abstandshalter (3) in Form von in Strömungsrichtung verlaufenden Stegen oder Noppen aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (3) von übereinanderliegenden isolierenden Lagen (1) gegeneinander versetzt angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand der parallel zueinander verlaufenden Abstandshalter (3) auf einer isolierenden Lage (1) mindestens 10 mm, vorzugsweise mindestens 20 mm beträgt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei an unterschiedlichen Potentialen liegende Gruppen von elektrisch leitenden Lagen (4, 5) vorgesehen sind, wobei jede zweite elektrisch leitende Lage (4, 5) auf dem gleichen elektrischen Potential liegt.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einseitig mit Abstandshaltern (3) in Form von Stegen oder Noppen versehene isolierende, z.B. keramische Lagen (1), vorgesehen sind, deren Abstandshalter (3) gegeneinander gerichtet sind, mit diesen erste elektrisch leitende Lagen (4) z.B. Metallfolien, einklemmen und diese Pakete ihrerseits wieder abwechselnd mit zweiten elektrisch leitenden Lagen (5), z.B. Metallfolien, mehrfach gestapelt und elektrisch parallel geschaltet sind, wobei diese zweiten elektrisch leitenden Lagen (5) miteinander verbunden sind und an dem negativeren Potential liegen und alle ersten elektrisch leitenden Lagen (4) miteinander verbunden sind und an dem positiveren Potential liegen.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrofilter unter Zwischenlage von Abstandshaltern (3) aus keramisch beschichteten Metallfolien aufgebaut ist, wobei jede zweite Metallfolie an dem selben Potential liegt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrofilter zweilagig aus zwei gegeneinander isolierten mindestens einseitig, vorzugsweise beidseitig, keramikbeschichteten Metallfolien gewickelt ist und diese beiden Folien mit den Polen einer Stromquelle verbunden sind, wobei zwischen den Metallfolien Abstandshalter (3) angeordnet sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Abstandshalter (3) zwischen den keramikbeschichteten Metallfolien Keramikkügelchen mitgewickelt sind, deren Position durch die Spannung und elastische Verformung der beiden gewickelten Metallfolien fixiert ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Keramik hergestellten isolierenden Lagen (1) dünner als 3 mm vorzugsweise dünner als 2 mm sind und zu ihrer Verstärkung Fasermaterial vorzugsweise aus Quarzglas enthalten.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische elektrische Widerstand der isolierenden Lagen (1) und der Abstandshalter (3) unterschiedlich ist, wobei der spezifische Widerstand der Abstandshalter (3) deutlich höher als der der isolierenden Lagen (1) ist, wobei besonders vorteilhafte Werte für den spezifischen Widerstand der isolierenden Lagen (1) zwischen 106 Ohm cm und 1010 Ohm cm liegen, während der spezifische Widerstand der Abstandshalter (3) vorzugsweise über 1011 Ohm cm liegt.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgang der Betriebsspannung jenem des Widerstandswertes der isolierenden Lagen (1) und der Abstandshalter (3) entspricht.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierenden Lagen aus einem Material mit positivem elektrischen Temperaturkoeffizient hergestellt sind.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der isolierenden Lagen (1) einen spezifischen Widerstand der zwischen 106 Ohm cm und 1010 Ohm cm, vorzugsweise zwischen 107 Ohm cm 109 Ohm cm liegt, aufweist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die für die isolierenden Lagen (1) verwendete Keramik eine Oberfläche mit mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 30 % offenen Poren aufweist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik mit Vanadium und/oder Strontium vorzugsweise mit Strontiumtitanat dotiert ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei der negativeren der beiden elektrisch leitenden Lagen eines jeden Strömungskanals (2) die dem Abgasstrom entgegenschauende Kante der elektrisch leitenden Lage (5) zurückversetzt und mindestens ein Entladungsdraht an den seitlichen Teilen dieser Lagen (4) befestigt ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens einen Entladungsdraht (10) tragenden elektrisch leitenden Lagen (4) normal zur Strömungsrichtung von dem übrigen Teil dieser elektrisch leitenden Lagen (4) mechanisch getrennt sind und elektrisch getrennt ansteuerbar sind.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß auch die positiveren der elektrisch leitenden Lagen (5) im Bereich der Entladungsdrähte (10) normal zur Strömungsrichtung von dem übrigen Teil dieser elektrisch leitenden Lagen (5) mechanisch und elektrisch getrennt sind und daß vorzugsweise eine Sorte der elektrisch leitenden Lagen (4, 5) mit einer hochfrequenten Spannung angesteuert ist.
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