DE3019991A1

DE3019991A1 - Verfahren und vorrichtung zur entfernung von festen bestandteilen aus dem abgas von brennkraftmaschinen insbesondere von russbestandteilen

Info

Publication number: DE3019991A1
Application number: DE3019991A
Authority: DE
Inventors: Rudolf 7141 Kirchberg Babitzka; Johannes Dr. 7140 Ludwigsburg Brettschneider; Ernst Dipl.-Ing. 7130 Mühlacker Linder; Wilhelm Dipl.-Ing. Dr. 7141 Möglingen Polach; Gerhard Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Stumpp; Wolf 7141 Oberriexingen Wessel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-05-24
Filing date: 1980-05-24
Publication date: 1981-12-03
Also published as: US4380900A; JPS5718414A; GB2076313B; DE3019991C2; GB2076313A; JPS63603B2

Description

-S-

κ. 6335

5.5.1980 Bö/Ba

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von festen Bestandteilen aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen insbesondere von Rußbestandteilen

Stand der Technik ·

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bekannt, mit elektrostatischen Filtern, Ruß aus Gasströmen auszufiltern (DE-OS 1 557 157). Dabei wird ein guter Piltergrad auch bei kleinsten Verunreinigungsteilchen erreicht. Voraussetzung für einen hohen Reinigungsgrad mit Hilfe solcher Filter ist

eine geringe Strömungsgeschwindigkeit des zu reinigenden Mediums. Das ergibt für eine insbesondere bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen interessante Rußabscheidung sehr große

= Strömungsquerschnitte, die zur Folge haben, daß das elektrostatische Filter so groß wird, daß es nur noch schlecht in einem mit der Brennkraftmaschine betriebenen Fahrzeug unterzubringen ist. Insbesondere ergeben sich dafür nur relativ weit von der Abgasaustrittsstelle aus dem Brennraum entfernte Orte, a denen das ankommende Abgas bereits stärker abgekühlt ist, so daß Kondenswasser ausfällt. Dies führt zusammen mit dem

·. ausgeschiedenen Ruß zu Nebenschlüssen, welche die Wirksamkeit

des elektrostatischen Filters mindern. Ein weiteres Problem besteht bei den bekannten Einrichtungen darin, den ausgeschiedenen Ruß zu entfernen. Bei der obengenannten bekannten

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Einrichtung ist als Auffangfilter eine gasdurchlässige Filterpatrone vorgesehen, die in relativ kurzen Abständen ausgetauscht werden muß. Auch ein dort weiterhin vorgesehener vorgeschalteter Zyklonabschalter muß in regelmäßigen Abständen entleert werden. Das einwandfreie Funktionieren bedingt dabei eine aufwendige überwachungseinrichtung der Anlage.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die anfallenden Rußbestandteile im Abgas von insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschinen durch die Wirkung des elektrostatischen Feldes und von Fliehkräften aus dem Hauptstrom des Abgases abgelenkt werden und wieder den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Auf diese Weise entfällt eine aufwendige überwachungseinrichtung üblicher bekannter Filter und ein kostspieliger Service desselben.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch beanspruchten Lösung möglich. Insbesondere werden vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung des im Hauptanspruch beanspruchten Verfahrens gegeben.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispxele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem der im Abgas anfallende Ruß mit Hilfe rohrförmig ausgebildeter Elektroden in Abgasteilströmen angereichert wird, Fig. 2 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der der anfallende Ruß zuerst ί elektrostatisch ausgeschieden und dann in einem der Brennkraftmaschine zufließenden Frischluftstrom wieder abgelöst wird.

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Beschreibung der Erfindung

Das von einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine an das Abgassammeisystem abgegebene Abgas wird über eine 'Verbindungsleitung 1 der als Rußweiche zu'bezeichnenden erfindungsgemäßen Einrichtung zugeführt. Die Verbindungsleitung mündet in ein Spiralgehäuse 3, an das sich koaxial zur Achse der durch das Spiralgehäuse 3 gebildeten Spirale beidseitig ein rohrfÖrmiges Gehäuse 4 anschließt. An den Enden des rohrförmigen Gehäuses ist ein zweites und ein drittes Spiralgehäuse 5 und 6 in gleicher Weise wie das erste /-x Spiralgehäuse 3 angesetzt, wobei das zweite und dritte

Spiralgehäuse 5 und 6 sich als Ausströmspiralen im entgegen- ; gesetzten Sinne öffnen. Von den Spiralgehäusen 5 bzw. 6

führen eine erste Abströmleitung 7 bzw. eine zweite Abströmleitung 8 zum nicht weiter gezeigten Auslaß des Abgassystems.

Im Innern des rohrförmigen Gehäuses ist koaxial ein perforiertes, die erste Elektrode 10 bildendes Rohr angeordnet, das an seinem einen im Bereich des dritten Spiralgehäuses 6 liegenden Ende geschlossen ist und dort über eine stabförmige Elektrode 12 mit der Elektrode einer in die äußere axiale Begrenzungs- \ wand 14 des dritten Spiralgehäuses 6 eingesetzten Zündkerze 15 verbunden ist, der die Versorgungsspannung zugeführt wird. Am anderen Ende geht die erste Elektrode 10 in ein Keramikrohr 17 über, das durch die äußere axiale Begrenzungswand 18 des zweiten Spiralgehäuses 5 nach außen geführt wird und dort mit einer nicht weiter gezeigten Abgasrückführleitung verbunden ist, die zum Saugrohr der Brennkraftmaschine führt.

Weiterhin ist innerhalb des rohrförmigen Gehäuses 4 eine zweite (Masse-) Elektrode 20 angeordnet, die ebenfalls als koaxial zum rohrförmigen Gehäuse 4 bzw. zur ersten Elektrode 10 angeordnetes, perforiertes Rohr ausgebildet ist, das

die erste Elektrode 10 einschließt. Die zweite Elektrode 20 ι
ψ besteht dabei aus zwei Teilstücken 20' und 20''. Das erste

[ .Teilstück 20' liegt zwischen der inneren axialen Begrenzungs- I

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wand 21 des dritten Spiralgehäuses 6 und der gegenüberliegenden axialen Begrenzungswand 22 des ersten Spiralgehäuses 3-In analoger Weise liegt der zweite Teil der Masseelektrode 20'' zwischen der inneren axialen Begrenzungswand 23 des zweiten Spiralgehäuses 5 und der dieser gegenüberliegenden axialen Begrenzungswand 24 des ersten Spiralgehäuses 3. Die Teilrohre 20' und 20'' der zweiten Elektrode 20 sind mit den genannten Begrenzungswänden fest verbunden₃ wobei der Innendurchmesser der zweiten Elektrode den freien Durchtrittsquerschnitt zwischen erstem Spiralgehäuse 3 und zweitem bzw. drittem Spiralgehäuse 5 und 6 darstellt. Zwischen der zweiten Elektrode 20 und dem rohrförmigen Gehäuse ist ein erster Ringraum angeordnet, der sich entsprechend den Teilen der zweiten Elektrode 20 in einen ersten axial abgeschlossenen Teilraum 26 und einem zweiten axial abgeschlossenen Teilraum 2.7 aufteilt.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch das rohrförmige Gehäuse gemäß Linie I - I dargestellt. Hierbei ist der obengenannte zweite Teilraum 27 zwischen zweiter Elektrode 20'' und rohrförmigen Gehäuse 4 erkennbar. Von diesem rohrförmigen Gehäuse geht dabei jeweils am äußersten axialen _} dem zweiten bzw. dritten Spiralgehäuse 5 und 6 benachbarten Ende der Teilräume 26 und 27 eine zweite Abgasrückführleitung 29 und eine dritte Abgasrückfuhrleitung 30 ab, die in gleicher Weise wie die an das Keramikrohr 17 angeschlossene Abgasrückführleitung zur nicht weiter dargestellten Saugseite der Brennkraftmaschine führen.

Die Einrichtung arbeitet folgendermaßen:

Bei Betrieb wird an die Elektrode der Zündkerze 15 eine Spannung gegenüber Masse angelegt. Dadurch wird auf die Länge der ersten Elektrode 10 zur zweiten Elektrode 20 hin ein Hochspannungsfeld gebildet. Das vom Abgassammelsystem kommende Abgas wird durch die Verbindungsleitung 1 zugeführt und über das Spiralgehäuse 3 in Rotationsbewegung gebracht.

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Das einströmende Abgas· verteilt sich dann rotierend links und rechts im zwischen erster Elektrode 10 und zweiter " Elektrode 20 gebildeten zweiten Ringraum 3I₃ der dem Spannungsfeld ausgesetzt ist. über die Spiralgehäuse 5 und 6 kann das Abgas wieder zur Auslaßseite des Abgas-. systems abgeführt werden, wobei die spiralige Ausgestaltung der Ge'häuse 5 und 6 die Gasrotation im zweiten Ringraum und den Abtransport begünstigt. In dem elektrischen Feld werden Staub und Ruß ionisiert und in Richtung auf die positive erste Elektrode 10 bzw. negative zweite Elektrode 20 abgelenkt. Die Perforation der Elektroden erlaubt ein Durchtreten der mit den Ruß bzw. Staubteilchen beladenen Abgase, die nach Durchtritt durch die Elektroden in den Teilräumen 26 und 27 bzw. im- Innern der ersten Elektrode gesammelt werden. Durch die Drehbewegung ^ des Abgases um die Längsachse des Gehäuses 4 erhält das Abgas einen Drall, der während der Verweilzweit im zweiten Ringraum 31 eine Trennung des Rußes auch unter Einfluß der Fliehkräfte und unterstützt durch das elektrostatische Feld erlaubt. Eine Abscheidung an den Elektroden wird andererseits durch diesen Drall verhindert. Außerdem wird verhindert, daß der Ruß, der sich unter Einwirkung des Zentrifugalkräfte abscheidet, und an der zweiten Elektrode 20 praktisch wieder entlädt, zurück in den Gasstrom im Innern des zweiten Ringraums gelangt. Um eine möglichst hohe Verweilzeit des Abgases innerhalb des Gehäuses 20 zu erzielen, ist das Volumen so ausgelegt, ^:' · /""- daß es das Abgasvolumen wenigstens einer Zylinderfüllung

der zugehörigen Brennkraftmaschine erfaßt. Es entstehen dabei periodische Gaswechselvorgänge, wobei es zwischenzeitlich zur Aufhebung der axialen Bewegungskomponenten des Abgasstromes kommen kann. Diese Strömungsverhältnisse unterstützen die Trennung des Rußes vom Abgas unter Einwirkung

des elektrostatischen Feldes.
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' Die in den Teilräumen 26 und 27 gelangenden und stark

ι mit Rußanteilen beladenen Abgase werden über die Abgasrück-

führleitungen 29 und 30 wieder dem Saugsystem der Brennkraftmaschine zugeführt. In gleicher Weise geschieht dies mit , dem über das Innere der ersten Elektrode 10 abströmenden Abgas, das ebenfalls· mit festen Bestandteilen stark angereichert ist. Das aus dem zweiten Ringraum 31 in die Spiral-

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gehäuse 5 und 6 ausströmende Abgas ist demgegenüber

arm an Verschmutzung und wird dem Auslaß des Abgassystems

zugeführt.

Die Anordnung der Isolation der unter Hochspannung stehenden ersten Elektrode 10 ist in vorteilhafter Weise so getroffen, daß die Isalierkörper an den beiden Enden der Elektroden jeweils nur dem unter Einwirkung des elektrostatischen Feldes gereinigten Abgases ausgesetzt sind. Damit ist die Gefahr des Beschlagens mit Ruß und die damit verbundene Nebenschlußempfindlichkeit verringert. Im Vergleich zu Rußabscheidefiltern ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung bzw. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Gerät, das mit _w verhältnismäßig geringen Strömungsquerschnitten auskommt, so daß die Rußweiche unmittelbar hinter dem Motorauslaß angeordnet werden kann. Das Abgas gelangt mit relativ hohen Temperaturen in die Rußweiche, was die Nebenschlußempfindlichkeit durch Rußablagerungen bzw. Kondenswasserbildung ebenfalls reduziert. Der Strömungswiderstand in der Rußweiche ist im Vergleich zu üblichen Filtern sehr gering, der Aufbau ist einfach und wenig störanfällig und es entfällt die Notwendigkeit, abgeschiedene Rußanteile in einem WartungsZyklus zu entfernen.

In vorteilhafter und ergänzender Ausgestaltung können zur

Vorionisierung der Abgase im Bereich des Spiralgehäuses ^ und der Verbindungsleitung Elektroden angeordnet sein, wobei ι die Ionisation der Rußbestandteile durch Koronaentladung

erfolgt. Solche Ionisationselektroden 33 sind in der Figur ! gestrichelt eingezeichnet. Sie werden ebenfalls wie die

erste Elektrode 10 durch eine Hochspannungsquelle mit

Spannung versorgt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist eine abgasführende Leitung 4o dargestellt, die von einem nicht weiter gezeigten . Abgassammeisystem einer Brennkraftmaschine herführt und zum

«j . Abgasauslaß des Abgassystems weiterführt. In der Wand dieser

! abgasführenden Leitung ist eine öffnung m vorgesehen, an der

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ein um eine erste Rolle 4.2 und eine zweite Rolle 43 umlaufendes Förderband 44, das in geeigneter Weise angetrieben wird, vorbeiführt. Nach der Umlenkung an einer der Rollen läuft das Förderband an einer öffnung 45 einer zweiten 'Leitung 46 vorbei, wobei diese Leitung Frischluft heranführt und weiter zur Saugseite der Brennkraftmaschine führt. Auf dieser Seite des Förderbands sind im Bereich der öffnung Abstreifer 47 angeordnet, mit deren Hilfe es möglich ist, auf dem Förderband 4 4 angelagerte feste Bestandteile abzustreifen und dem Luftstrom in der Leitung 46 zuzuführen. Das Förderband ist isoliert gelagert und wird über einen Schleifer 48 mit Hochspannung beaufschlagt, so daß sich Abgasverunreinigungen, die evtl. mit Hilfe einer Vorionisationseinrichtung ionisiert worden sind, auf dem Förderband im Bereich der öffnung 41 ablagern. Im Bereich der öffnung 45 wird dieses umlaufende Band dann wiederum gesäubert, um neue Rußbestandteile aufnehmen zu können.

Anstelle des Förderbandes kann auch ein Band mit Stahlborsten verwendet werden, die dem Abgasstrom ausgesetzt werden und Rußbestandteile herausfiltern. Auf der luftführenden Seite wird dann der Ruß von den Filterborsten abgeschüttelt, was z. B. mit Hilfe eines Ultraschallerzeugers geschehen kann. Diese Verwendung hat zudem den Vorteil, daß die öffnungen 41 und 45 durch das Borstenband abgedichtet werden können.

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Claims

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Ansprüche

1.)Verfahren zur Entfernung von festen Bestandteilen 1·—«^

aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Rußbestandteilen beim Abgas von selbstzündenden Brennkraftmaschinen durch Beeinflussung der Bewegung der festen Bestandteile mittels elektrostatischer Felder, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Bestandteile unter Ein-"wirkung eines elektrostatischen Feldes einem der Ansaugseite der Brennkraftmaschine zuströmenden Frischluftstrom zugeführt werden und in den Brennräumen der Brennkraftmaschine nachverbrannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der. Brennkraftmaschine kommende Abgasstrom in einen ersten zur Ansaugseite der Brennkraftmaschine führenden Teilstrom und einen zweiten zur Umgebung abströmenden Teilstrom aufgeteilt wird und mit Hilfe des elektrostatischen . Feldes die festen Bestandteile in den Bereich des ersten

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Teilstromes gelenkt und von diesem aufgenommen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Bestandteile an einer Elektrode des elektrostatischen Feldes gebunden Werden, das diese Elektrode im Wechsel dem Abgas und der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Frischluft ausgesetzt wird und im letztgenannten Fall die festen Bestandteile wieder von der Elektrode gelöst und vom Frischluftstrom aufgenommen werden.

A. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des elektrostatischen Feldes in einem rohrförmigen, mit dem Abgassystem der Brennkraftmaschine verbundenen Gehäuse (4) eine gegenüber dem Gehäuse elektrisch isolierte, in der Gehäuselängsachse verlaufende erste Elektrode (10) angeordnet ist, die von einer rohrförmigen, perforierten zweiten (Masse-) -Elektrode (20; 20', 20") umgeben ist, -zwischen der und der · ' Gehäusewand ein erster Ringraum (26, 27) gebildet wird, von dem wenigstens eine Abgasrückführleitung (29, 30) zur Saugseite der Brennkraftmaschine abführt, während der zwischen der ersten Elektrode (10) und der zweiten Elektrode (20) gebildete zweite Ringraum (3D mit dem Auslaß des Abgassystems verbunden ist.

5. Einrichtung nach Anspruch ¹J, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindungsleitung-(1) vom Abgassystem zum rohrförmiger

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Gehäuse (*J) tangential in den zweiten Ringraum (3D mündet.

6. Einrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet,

daß eine Abströmleitung (7₃ 8) zwischen dem zweiten Ringraum (3D und dem Auslaß des Abgassystems als tangential vom zweiten Ringraum (3D abführende Leitung ausgebildet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (10) als perforiertes Rohr ausgebildet ist, welches an seinem einen Ende in ein aus Isoliermaterial gebildetes Rohr (17) übergeht, das über eine erste Abgasrückführleitung mit .der Ansaugseite der Brennkraftmaschine verbunden ist.

8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung ("I) in der Mitte der Länge des Gehäuses (*>) in dieses einmündet, "das ferner jeweils am äußeren'Ende des rohrförmigen Gehäuses (^) eine erste bzw. zweite Abströmleitung (7, 8) vom zweiten Ringraum abführen und daß der erste Ringraum (26, 27) durch die Einführstelle der Verbindungsleitung (7) in einen ersten Teilraum (26) und einen zweiten Teilraum (27) geteilt ist, wobei jeweils von dem äußersten Ende der Teilräume eine zweite Abgasrückführleitung (29) bzw. eine dritte Abgasrückführleitung (30) abführen.

9. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch

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gekennzeichnet j daß im Bereich der Einströmung der Abgase Ionisationselektroden (33) vorgesehen sind.

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrostatisch von einer Spannungsquelle aufgeladenes, um wenigstens zwei Rollen (42, geführtes Förderband (44) vorgesehen ist, daß auf dem einen Teil seiner Länge dem Abgas der Brennkraftmaschine ausgesetzt ist und auf einem anderen Teil seiner Länge einer der Brennkraftmaschine zuzuführenden Prischluftmenge ausgesetzt ist und dort eine Einrichtung (47) zum Lösen der auf dem Band unter elektrostatischen Kräften angelagerten festen Bestandteile aufweist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zum Lösen der festen Bestandteile ein mechanischer Abstreifer (47) vorgesehen ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zum Lösen der festen Bestandteile ein Ultraschallerzeuger vorgesehen ist.

13. Einrichtung insbesondere nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß als Förderband ein mit Stahlborsten versehenes Band vorgesehen ist.

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