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 Behandlung 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 Kohlenwasserstoffe 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. Elektrisch 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 Filtersystemen 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 (NO2) 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 Regeneration 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.
Aus der nachveröffentlichten
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 angegeben. 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
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 insbesondere so eingestellt bzw. geregelt oder gesteuert, dass es zu einer Corona-Entladung zwischen der Elektrode und einer Gegenelektrode kommt. Das Ionisierungselement kann als einfache Sprühelektrode oder Stabelektrode gebildet sein, es ist aber bevorzugt, dass das Ionisierungselement 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 gebildet 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 aufweisen, 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 Filterelement 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 Filterelement 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 deren Regeneration herangezogen werden können; insbesondere wird hierzu vollumfänglich auf die Beschreibung aus den folgenden Dokumenten Bezug genommen:
Die Regeneration eines solchen Filterelements 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 oder 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 Element der folgenden Gruppe:
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 Filterelementes 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 elektrische 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 elektrischen 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 Anströmung im Bereich der elektrischen Isolierung mit einer vergrößerten Abgasgeschwindigkeit 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 Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die Strömungsleiteinrichtung dem Ionisierungselement vorgeordnet ist, und die Strömungsleiteinrichtung einen durchströmbaren Bereich aufweist, der so dimensioniert ist, dass ionisierte Rußpartikel im Abgasstrom von einem durch das Ionisierungselement erzeugten elektrischen Feld zumindest nicht an eine Oberfläche des lonisierungselement oder der elektrischen Isolierung des Filterelements gelangen. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt mit einem lonisierungselement 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 Ionisierungselements 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 Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, diese Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
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 werden 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.
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 Ionisierungselements 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 Rußpartikel auf einer elektrischen Isolierung von Abgasreinigungskomponenten ablagern, wodurch die Bildung eines Kurzschlusses verhindert wird. Ein sicherer Betrieb der Abgasanlage ist somit gewährleistet.
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.