EP1285153B1

EP1285153B1 - Partikelfalle

Info

Publication number: EP1285153B1
Application number: EP01981922A
Authority: EP
Inventors: Rolf BRÜCK; Meike Reizig
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2021-05-29
Also published as: DE50113505D1; JP5199287B2; CN1432100A; US20030086837A1; CN1288330C; US7267805B2; ES2299522T3; AU2002211949A1; EP1285153A1; KR100759146B1; DE10026696A1; JP4913309B2; KR20030007795A; WO2001092692A1; JP2003535253A; JP2010169097A

Description

Die Erfindung betrifft eine Partikelfalle für ein mit Partikeln belastetes Fluid, insbesondere für das Abgas eines Dieselmotors, wobei die Partikelfalle durch Oxidation der Partikel regenerierbar ist und in ein Rohr, wie z.B. in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, einbaubar ist.
Ein Fluid, wie z.B. das Abgas eines Kraftfahrzeugs, enthält neben gasförmigen Bestandteilen auch Partikel. Diese werden mit dem Abgas ausgestoßen oder lagern sich unter Umständen im Abgasstrang und/oder in einem Katalysator eines Kraftfahrzeugs, an. Bei Laständerungen werden sie dann in Form einer Partikelwolke, wie z.B. einer Rußwolke, ausgestoßen. Zur Filterung dieser Partikel sind unterschiedliche Systeme bekannt.
Aus der DE 4206812 A1 ist ein Filter bekannt, der eine netzartige mit Löchern versehene Metallplatte umfasst. Der Filter ist aus mehreren glatten und gewellten Lagen aufgebaut. Die US 4,597,262 offenbart einen Katalysator für eine Dieselmaschine, der aus einem Stapel von glatten Lagen ausgebildet ist, die Ausprägungen aufweisen, die benachbarte Lagen voneinander beabstanden und die Strömung umlenken. DE 33 41 177 A1 offenbart einen Filter, der aus konzentrischen zylindrischen Lochsieben gebildet ist. EP 0 244 798 A1 offenbart den Aufbau eines Filters aus gefalteten Metalllagen, ähnlich DE 298 21 009 U1 .
WO 97/49905 offenbart einen Katalysator mit einem gewellten Wabenkörper mit einer Vielzahl von aus den Wellen vorstehenden Strukturen. WO 90/12950 offenbart eine Partikelfalle mit einem Wabenkörper, der aus spiralig uneinandergewickelten, abwechselnd glatten und gewellten Blechlagen aufgebaut ist und die Verwirbelung fördernde Nasen aufweist.
Herkömmlich werden Siebe (auch teilweise als Filter bezeichnet) eingesetzt, die die Partikel auffangen. Der Einsatz der Siebe birgt jedoch zwei erhebliche Nachteile, zum einen können sie verstopfen und zum anderen bewirken sie einen unerwünscht hohen Druckabfall. Zudem müssen gesetzlichen Werte für Kraftfahrzeugemissionen eingehalten werden, die ohne Partikelreduktion überschritten würden. Es besteht daher der Bedarf Auffangelemente für Abgaspartikel zu schaffen, die die Nachteile der Siebe, Filter oder anderer Systeme überwinden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Partikelfalle für einen Fluidstrom zu schaffen, die regenerierbar und offen ist.
Gegenstand der Erfindung ist eine Partikelfalle mit Strömungskanälen und Strukturen, um in einer Fluidströmung, die durch die Partikelfalle strömt, Verwirbelungs-, Beruhigungs-und/oder Totzonen zu erzeugen, wobei die Partikelfalle zumindest teilweise offen ist und zumindest ein Teil der Strömungskanäle mindestens einen Teilbereich mit einer erhöhten Wärmekapazität aufgrund einer dickeren Kanalwand aufweist, so daß bei dynamischen Lastwechseln mit schnell steigender Fluidtemperatur für in dem Fluid mitgeführte Partikel der Effekt der Thermophorese in diesen Bereichen verstärkt auftritt. Außerdem sind verschiedene Verwendungen der Partikelfalle in verschiedenen Kombinationen mit weiteren Modulen Gegenstand der Erfindung. Die erfindungs-gemäßen Partikel fallen haben kanalwände, die zumindest teilweise aus mindestens einer Welllage aufgebaut sind. Die kanalwände weiben Strukturen auf, die in der fluid strömung Nerwirbelungs-, Beruhigungs- und/oder Torzonen erzeugen.
Bei Versuchen mit Mischelementen aus Metallfolien, wie sie beispielsweise in der WO91/01807 oder der WO91/01178 beschrieben sind und die zur besseren Verteilung von, in Abgassystemen eingespritzten Additiven, getestet wurden, ist es überraschend gelungen, auf dem blankem das heißt unbeschichtetem Metall der Folien Partikel, wie den Ruß aus einem Dieselmotor, abzulagern und zur Oxidation zu bringen.
Die Partikel werden vermutlich durch Verwirbelungen an die Innenwände der Kanäle geschleudert und haften dort. Die Verwirbelungen werden durch Strukturen der Kanalinnenseiten erzeugt, wobei diese Strukturen nicht nur Verwirbelungen, sondern auch Beruhigungs- oder Totzonen im Strömungsschatten erzeugen. In den Beruhigungs- und/oder Totzonen werden die Partikel vermutlich quasi angespült (vergleichbar einer Schwerkraftabscheidung) und haften dann fest. Bei der Haftung der Partikel spielt eine mögliche Wechselwirkung Metall-Ruß und/oder auch der Temperaturgradient Fluid/Kanalwand eine Rolle. Es wird auch eine starke Agglomeration der Partikel im Gasstrom oder an den Wänden beobachtet.
Als Beruhigungszone wird eine Zone im Kanal mit geringer Strömungsgeschwindigkeit und als Totzone eine Zone ohne Fluidbewegung bezeichnet.
Als "offen" wird die Partikelfalle im Gegensatz zu geschlossenen Systemen bezeichnet, weil keine Strömungssackgassen vorgesehen sind. Diese Eigenschaft kann in dem Fall auch zur Charakterisierung der Partikelfalle dienen, wie z.B. eine Offenheit von 20% besagt, daß in einer Querschnittsbetrachtung ca. 20% der Fläche frei durchströmbar sind. Bei einem Träger mit 0,93 Zellen pro mm² (600, cpsi (cells per square inch)) mit einem hydraulischen Durchmesser der Kanäle von etwa 0,8mm entspräche das einer Fläche von etwa 0,01 mm².
Die Partikelfalle verstopft nicht, wie ein herkömmliches Filtersystem, wo sich Poren zusetzen können, weil zuvor die Strömung den Teil der agglomerierten Partikel mitreißen würde, der sich aufgrund seines erhöhten Luftwiderstandes abreißen läßt.
Zur Herstellung einer Partikelfalle werden zumindest teilweise strukturierte Lagen nach bekannten Methoden geschichtet oder gewickelt und fügetechnisch verbunden, insbesondere verlötet. Die Zelldichte der Partikelfalle hängt von der Wellung der Lagen ab. Die Wellung der Lagen ist nicht zwangsläufig über eine gesamte Lage hinweg einheitlich, sondern es können verschiedene Strömungen und/oder Druckverhältnisse innerhalb der durchströmten Partikelfalle durch geeignete Herstellung der Lagenstruktur hergestellt werden.
Die Partikelfalle kann monolithisch oder aus mehreren Scheiben sein, das heißt aus einem Element oder mehreren hintereinander geschalteten Einzelelementen aufgebaut sein.
Zur Abdeckung verschiedener (dynamischer) Lastfälle des Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs wird ein System mit konischen Kanälen oder ein Element in Konusform bevorzugt. Solche Systeme, wie z.B. in der WO93/20339 beschrieben, haben sich erweiternde oder verengende Kanäle, so dass bei jedem Massendurchsatz an irgendeiner Stelle der Kanäle, wenn sie mit entsprechenden Umlenkungs- oder Verwirbelungsstrukturen versehen werden, besonders günstige Verhältnisse für das Auffangen von Partikeln entstehen.
Konusförmig bezeichnet dabei sowohl die Ausführungen, die in Strömungsrichtung eine Durchmessererweiterung zeigen sowie auch die Ausführungen, die eine Durchmesserreduzierung haben. Auch zylindrische Wabenkörper mit Kanälen, von denen ein Teil sich verengt und ein Teil sich verbreitert haben geeignete Eigenschaften.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung aus mehreren zu einem Wabenkörper aufgewickelten Lagen hat eine zwischen zwei Wellagen liegende Glattlage Löcher, so daß ein Fluidaustausch zwischen den durch die Wicklung entstandenen Kanälen möglich ist. Dadurch ist eine radiale Durchströmung der Partikelfalle, die nicht an eine 90° Umlenkung gebunden ist, möglich. Bei der Ausführungsform der Glattlage mit Löchern kommen diese bevorzugt am Austritt von Strömungsleitschaufeln zu liegen, so daß die Strömung direkt in die Löcher geleitet wird. Anstelle der Glattlage mit Löchern kann auch ein anderes durchdringbares Material, wie z.B. ein Fasermaterial eingesetzt werden.
Das Material der Lagen ist bevorzugt Metall (Blech), es kann aber auch ein Stoff anorganischer (Keramik, Fasermaterial), organischer oder metallorganischer Natur und/oder ein gesintertes Material sein, solange es eine Oberfläche hat, an der ohne Beschichtung die Haftung der Partikel gelingt.
Die Partikelfalle unterliegt im Einsatz großen Temperaturschwankungen in teilweise oxidativer Atmosphäre (Luft), und es entstehen an der Oberfläche der Lagen, wenn diese aus Metall sind, verschiedene Oxide, möglicherweise sogar in Form nadelförmiger Kristalle, sogenannten Whiskern, die eine gewisse Oberflächenrauhigkeit bewirken. Die Partikel der Strömung, die sich grundsätzlich ähnlich wie Moleküle verhalten, werden durch unterschiedliche Mechanismen, insbesondere Impaktion oder Interception in turbulenter Strömung oder Thermophorese in laminarer Strömung an dieser rauhen Oberfläche angespült und dort gehalten, wobei die Haftung im wesentlichen durch Van der Waals-Kräfte verursacht wird.
Obwohl die Abscheidung der Partikel an der unbeschichteten Metallfolie stattfindet ist nicht ausgeschlossen, daß es auch beschichtete Bereiche der Partikelfalle gibt, weil die Partikelfalle beispielsweise auch in einem Teil als Katalysatorträger ausgebildet ist.
Die Folienstärke der Lagen liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0,02 und 0,2 mm, insbesondere bevorzugt zwischen 0,05 und 0,08 mm, bei Bereichen mit erhöhter Wärmekapazität bevorzugt zwischen 0,65 und 0,11 mm.
Bei der Partikelfalle mit mehreren gewickelten Lagen sind diese aus gleichem oder ungleichem Material bzw, haben diese gleiche oder ungleiche Folienstärke.
Die Partikel im Abgas eines Dieselmotors, die im wesentlichen aus Ruß bestehen, lassen sich durch Durchleiten durch ein elektrisches Feld aufladen und/oder polarisieren, so daß sie von ihrer bevorzugten Strömungsrichtung (z.B. axiale Richtung der Partikelfalle parallel zu den Strömungskanälen) abgelenkt werden. Somit wird die Wahrscheinlichkeit bezüglich des Aufreffens der Partikel auf die Wände der Strömungskanäle der Partikelfalle erhöht, da diese beim Durchströmen der Partikelfalle nun auch eine Geschwindigkeitskomponente in einer anderen Richtung, insbesondere senkrecht zur bevorzugten Strömungsrichtung, aufweisen. Dies lässt sich beispielsweise auch mit einem der Partikelfalle vorgeschalteten Plasmareaktor verwirklichen, der eine Polarisierung der Partikel gewährleistet. Es ist auch besonders vorteilhaft, das die Partikelfalle mindestens einen Pol der Polarisationsstrecke bildet, insbesondere wenn die Partikelfalle zumindest teilweise eine positive Ladung aufweist, und elektrisch negativ polarisierte Partikel somit aktiv angezogen werden. Derart werden die Mechanismen, durch die Partikel aus dem Strömungsinneren an die Wand gespült werden (z.B. Interception und der Impaktion), beschleunigt und verstärkt.
Für den Fall, daß die Partikelfalle aufgeladen wird, ist es vorteilhaft, daß auf den Lagen und/oder in der Struktur der die Lagen bildenden Folie Spitzen angeordnet sind, die den Aufladeeffekt verstärken. Die Partikel des Fluids können beispielsweise durch eine Polarisationsstrecke zum Aufladen durchgeleitet werden, dabei werden die Partikel dann polarisiert. Die Partikelfalle kann aber auch geerdet sein und ladungsneutral bleiben, insbesondere wenn geeignete Isolierungen hinsichtlich der Spitzen und/oder der Polarisationsstrecke vorgesehen sind.
Die Polarisation und/oder Aufladung erfolgt nach einer Ausführungsform auch über eine Photoionisation.
Nach einer Ausführungsform werden die Partikel über eine Coronaentladung geladen und/oder polarisiert.
Nach einer Ausführungsform der Partikelfalle macht man sich die Erkenntnis zu Nutze, daß eine Temperaturdifferenz zwischen der Kanalwand und der Strömung zur stärkeren Wanderung der Partikel an die Kanalwand dient (Thermophorese). Entsprechend wird eine dicke und damit mit hoher Wärmekapazität ausgestattete Kanalwand (etwa durch eine entsprechende Folienstärke der Lage an der Stelle bewirkt) mit gegenüberliegenden Strukturen (Leitstrukturen), die die Partikel an diese Wand (etwa durch Erzeugung von Verwirbelungen in der Strömung) hinlenken, kombiniert. Die dicke Kanalwand hat eine hohe Wärmekapazität und hält deshalb bei dynamischen Lastwechseln und ansteigender Abgastemperatur eine Temperaturdifferenz zwischen der Strömung und der Kanalwand länger aufrecht als eine dünne Kanalwand und erhält damit den die Abscheidung begünstigenden Effekt länger als eine dünne Kanalwand. Die Leitstrukturen sind Strukturen zur Erzeugung von Verwirbelungs-, Beruhigungs- und Totzonen und bewirken eine erzwungene Durchmischung der Strömung, so daß partikelreiche Zonen im Inneren der Strömung nach außen gebracht werden und umgekehrt. Damit ist mehr Partikeln die Kontaktierung der Wände durch Interception und Impaktion möglich, die dann auch haften bleiben.
Nach einer Ausführungsform nutzt man den Effekt der Thermophorese durch Hintereinanderschalten mehrerer Partikelfallen mit jeweils unterschiedlich dicken Kanalwänden.
Die Zelldichten der Partikelfalle liegen bevorzugt im Bereich zwischen 0,038 Bis 1,55 Zellen pro mm² (25 bis 1000 cpsi), bevorzugt zwischen 0,31 und 0,62 Zellen pro mm² (200 und 400 cpsi).
Eine typische Partikelfalle mit 0,31 Zellen pro mm² (200 cpsi) hat ein Volumen, bezogen auf einen Dieselmotor von etwa 0,2 bis 1 1 pro 100kW, bevorzugt 0,4-0,851/100kW. Für die geometrische Oberfläche ergibt sich beispielsweise 1,78m²/100kW. Verglichen mit den Volumina herkömmlicher Filter und Siebsysteme ist das ein sehr geringes Volumen bzw. eine sehr geringe geometrische Oberfläche gegenüber einer herkömmlichen Bauart mit etwa 4 m² Oberfläche pro 100 kW.
Die Partikelfalle ist regenerierbar, wobei im Fall der Rußabscheidung im Dieselmotor-Abgasstrang die Regeneration durch die Oxidation des Rußes entweder durch Stickstoffdioxid (NO₂) bei einer Temperatur oberhalb von etwa 200°C oder mit Luft bzw. Sauerstoff (O₂) thermisch bei z.B. Temperaturen oberhalb 500° C oder durch Einspritzung eines Additivs (z.B. Cer) erfolgt.
Die Rußoxidation mittels NO₂, beispielsweise über den Mechanismus der "continuous regeneration trap" (CRT) nach

C + 2NO₂ -> CO₂ + 2NO

erfordert, daß vor die Partikelfalle im Abgasstrang ein Oxidationskatalysator gesetzt wird, der NO zu NO₂ in ausreichender Menge oxidiert. Das Mengenverhältnis der Reaktionspartner hängt jedoch auch wesentlich von der Durchmischung der Fluide ab, so daß je nach Ausgestaltung der Kanäle der Partikelfalle auch unterschiedliche Mengenverhältnisse eingesetzt werden sollten.
Besonders vorteilhaft hat sich die Ausführungsform erwiesen, bei der ein Hilfsmittel zur thermischen Regeneration der Partikelfalle vorgesehen ist, so daß z.B. das Element zumindest zum Teil elektrisch beheizbar ist, oder dem Element ein elektrisch beheizbares Hilfsmittel, wie ein Heizkatalysator, vorgeschaltet ist.
Bei einer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß ein Hilfsmittel in Abhängigkeit von der Belegung/dem Füllgrad der Partikelfalle zur Regeneration ein- oder zugeschaltet wird, was im einfachsten Fall über den Druckverlust, den die Partikelfalle im Abgasstrang erzeugt, gemessen wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform hat ein der Partikelfalle vorgeschalteter Oxidationskatalysator eine geringere spezifische Wärmekapazität pro Volumeneinheit und Zellenzahl als die Partikelfalle selbst. So hat der Oxidationskatalysator beispielsweise bevorzugt ein Volumen von 0,5 Liter, eine Zellenzahl von 0,62 Zellen pro.mm² (400 cpsi) und eine Foliendicken von 0,05 mm, während die Partikelfalle bei gleichem Volumen und gleicher Zellenzahl eine Foliendicke von 0,08 mm aufweist und ein nachgeschalteter SCR-Katalysator wieder eine Foliendicke von 0,05 mm.
Auch die Kombination der Partikelfalle mit zumindest einem Katalysator und einem Turbolader oder die Kombination einer Partikelfalle mit einem Turbolader ist vorteilhaft. Dabei kann die dem Turbolader nachgeschaltete Partikelfalle motornah oder in Unterbodenposition angeordnet sein.
Die Partikelfalle wird auch in Kombination mit einem vor- oder nachgeschalteten Rußfilter verwendet, wobei der Rußfilter nachgeschaltet wesentlich kleiner als der herkömmliche Rußfilter sein kann, weil er lediglich einen zusätzlichen Schutz bieten soll, daß Partikelemission ausgeschlossen wird. Bevorzugt wird ein Filter der Größe 0,5m² pro 100kW Dieselmotor eingesetzt bis maximal zur Größe von 1m², (bei nachgeschalteter Filterfläche ist die Querschnittsfläche des Filters an die der Partikelfalle angepaßt, sowohl im Falle einer Querschnittsverengung als auch im Fall einer Querschnittserweiterung) wohingegen ohne Partikelfalle Filtergrößen von ca. 4m² pro 100kW erforderlich sind.
Der Rußfilter kann auch in Form von direkt vor oder nach dem Speicher/Oxidationselement installiertem Filtermaterial vorliegen, wobei das Filtermaterial dabei direkt, z.B. über eine Lötverbindung, mit dem Speicher/Oxidationselement verbunden sein kann.
Folgende Beispiele geben Anordnungen wieder, die die Vielzahl der möglichen Kombinationen der Partikelfalle mit Katalysatoren, Turboladern, Rußfilter und Additivzugabe entlang eines Abgasstranges eines Kraftfahrzeugs belegen:

A) Oxidationskatalysator - Turbolader - Partikelfalle, wobei die Partikelfalle motornah oder in Unterbodenposition angeordnet sein kann.
B) Vorkatalysator - Partikelfalle - Turbolader
C) Oxidationskatalysator - Turbolader - Oxidationskatalysator- Partikelfalle
D) Heizkatalysator - Partikelfalle 1 - Partikelfalle 2 (wobei Partikelfalle 1 und 2 gleich oder ungleich sein kann)
E) Partikelfalle 1- Konusöffnung des Abgasstranges - Partikelfalle 2
F) Additivzugabe - Partikelfalle - Hydrolysekatalysator - Reduktionskatalysator
G) Vorkatalysator - Oxidationskatalysator - Additivzugabe- (eventuell Rußfilter) - Partikelfalle z.B. in Konusform, ggf. mit Hydrolysebeschichtung - (eventuell Rußfilter) - (eventuell Konus zur Erhöhung des Rohrquerschnitts) Reduktionskatalysator

Nach einer Ausführungsform wird die Partikelfalle in Kombination mit zumindest einem Katalysator verwendet. Als Katalysatoren, Elektrokatalysatoren und/oder Vorkatalysatoren eignen sich dazu insbesondere: Oxidationskatalysator, Heizkatalysator mit vor- oder nachgeschalteter Heizscheibe, Hydrolysekatalysator und/oder Reduktionskatalysator. Als Oxidationskatalysator werden auch solche die NO_x (nitrose Gase) zu Stickstoffdioxid (NO₂) oxidieren, neben denjenigen, die Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidieren, eingesetzt. Die Katalysatoren sind beispielsweise rohr- oder konusförmig.
Bevorzugt wird vor der Partikelfalle ein Stickstoffdioxid (NO₂)-Speicher eingesetzt, der bei Bedarf NO₂ in ausreichender Menge für die Oxidation des Rußes in der Partikelfalle zur Verfügung stellt. Dieser Speicher kann z.B. ein Aktivkohlespeicher z.B. mit ausreichender Sauerstoffzufuhr sein.
Je nach Ausführungsform kann die Partikelfalle in Teilbereichen verschiedene Beschichtungen haben, die jeweils eine Funktionalität bedingen. Beispielsweise kann die Partikelfalle neben der Funktion als Falle für Partikel eine Speicher-, Vermischungs-, Oxidations-, Strömungsverteilungsfunktion und auch z.B. eine Funktion als Hydrolysekatalysator haben.
Durch die Verwendung einer Partikelfalle können Abscheidungsraten von bis zu 90% erzielt werden.
Es wurde festgestellt, daß die Ablagerung von Partikeln insbesondere an den Ein-und Austrittsflächen der Katalysatoren stattfindet. Deshalb wird nach einer Ausführungsform die Partikelfalle nicht in Form eines Elements, sondern in Form mehrerer hintereinandergeschalteter schmaler Elemente, als Mehrscheibenelement eingesetzt. Dabei können auch Partikelfallen, die Wellagen ohne Strukturen zur Erzeugung von Verwirbelungs- und Beruhigungszonen und mit Beschichtung (also z.B. herkömmliche Katalysatoren), zum Einsatz kommen. Es werden dabei bevorzugt bis zu 10 Elemente eingesetzt. Diese als "Scheibenanordnung" oder "Scheibenkatalysator" bezeichnete Konstruktion kann beispielsweise eingesetzt werden, wenn im Bereich von 10 bis 20% (beim Einsatz herkömmlicher Katalysatoren) Partikelabscheidung gewünscht wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Partikelfalle vorgeschlagen, die herkömmliche Filter- und Siebsysteme ersetzen kann und gravierende Vorteile gegenüber diesen Systemen bringt:
Zum einen kann sie nicht verstopfen, und der durch das System erzeugte Druckabfall nimmt mit der Betriebsdauer nicht so schnell zu wie bei Sieben, weil die Partikel außerhalb des Fluidstromes haften und zum anderen bewirkt sie vergleichsweise geringe Druckverluste, weil sie ein offenes System ist.
Weitere spezielle Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnung erläutert. Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen sind als spezielle, exemplarische und besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu verstehen, die die Erfindung in ihrer Bedeutung und ihrem Geist nicht einschränken sollen.
Es zeigen schematisch:

Fig. 1: eine erfindungsgemäße Partikelfalle in Form eines lagenweise aufgebauten Wabenkörpers in perspektivischer Ansicht,
Fig. 2: eine einzelne Lage mit Strukturen zur Erzeugung von Verwirbelungs-, Beruhigungs- und/oder Totzonen,
Fig. 3: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Partikelfalle mit einem Plasmareaktor,
Fig. 4: eine weitere Ausgestaltung der Strukturen zur Erzeugung von Verwirbelungs-, Beruhigungs- und/oder Totzonen,
Fig. 5: eine erfindungsgemäße Partikelfalle, die radial durchströmbar ist,
Fig. 6: eine Lage mit Strukturen zur Erzeugung von Verwirbelungs-, Beruhigungs- und/oder Totzonen nach Fig. 4, und
Fig. 7: eine Partikelfalle in Scheibenanordnung mit weiteren Abgasreinigungsmitteln.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Partikelfalle 11, welche aus metallischen Lagen 4, 6 aufgebaut ist, die für ein Fluid durchströmbare Strömungskanäle 2 aufweist. Die Lagen 4, 6 sind entweder als Welllage 4 oder als Glattlage 6 ausgebildet. Die Folienstärke der Lagen 4, 6 liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0,02 und 0,2 mm, insbesondere kleiner 0,05 mm.
Figur 2 zeigt schematisch eine Detailansicht der Welllage 4, welche Strukturen 3 zur Erzeugung von Verwirbelungs-, Beruhigungs- und/oder Totzonen 5 aufweist. Das Fluid strömt entlang der vom Pfeil 16 angezeigten bevorzugten Strömungsrichtung.
Figur 3 zeigt eine weiter Ausführungsform der erfindungsgemäßen Partikelfalle 11 mit einem vorgeschalteten Plasmareaktor 17. Das Fluid bzw. die darin enthaltenen Partikel wird/werden dabei mit dem Plasmareaktor 17 zumindest polarisiert, eventuell sogar ionisiert, wenn das Fluid in der bevorzugten Strömungsrichtung (Pfeil 16) durch den Plasmareaktor 17 strömt. Der Plasmareaktor 17 ist mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle 20 verbunden. Der positive Pol der Spannungsquelle 20 ist mit Spitzen 18 der Partikelfalle 11 verbunden, die möglichst nahe der Achse 19 angeordnet sind, sodass eine Ablenkung der Partikel aufgrund Van der Waalsscher Kräfte zum zentralen Bereich der Partikelfalle 11 erfolgt. Das gebildete elektrostatische Feld kann mit einer Spannung von 3 bis 9 kV betrieben werden. Die Spitzen 18 können dabei elektrisch leitend mit den metallischen Lagen der Partikelfalle 11 verbunden sein. Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Welllagen 4.
Figur 5 zeigt eine Partikelfalle, die radial (Radius 21) durchströmbar (Pfeil 16) ist. Die Strömungskanäle 2 erstrecken sich dabei von einem Zentralkanal 22, der im Bereich des Wabenkörpers 1 porös ausgeführt ist, radial nach außen hin zu einem den Wabenkörper 1 umgebenden, porösen Mantel 23. Der Wabenkörper 1 ist dabei aus segmentierten oder ringförmigen Glattlagen 6 und Wellagen 4 gebildet.
Figur 6 zeigt eine mögliche, segmentierte, Ausführungsform der Welllage 4 mit Strukturen 3 zur Erzeugung von Verwirbelungs-, Beruhigungs- und/oder Totzonen.
Figur 7 zeigt eine Partikelfalle, die konusförmige Kanäle aufweist und die mehrere, gegebenenfalls schmale, Elemente, die Partikelfallen und/oder Katalysatoren sind, umfasst. Hierzu werden mehrere Wabenkörper 1, die jeweils konusförmig sich verbreitern bzw. verjüngen hintereinander angeordnet. Vor den Wabenkörpern 1 ist eine Additivzugabe 7, ein Stickstoffspeicher 14 und ein Oxidationskatalysator 8, womit Nitrosegase (No_x) zu Stickstoffdioxid (NO₂) oxidiert werden, im Abgasstrang 12 vorgeschaltet. Ein Turbolader 9 sowie ein Rußfilter 10 sind nachgeschaltet. Vorteilhafterweise wird die Partikelfalle 11 in Kombination mit einem Hilfsmittel zur Rußoxidation 15 verwendet.

Bezugszeichenliste

1: Wabenkörper
2: Strömungskanal
3: Strukturen
4: Welllage
5: Totzonen
6: Glattlage
7: Additivzugabe
8: Oxidationskatalysator
9: Turbolader
10: Rußfilter
11: Partikelfalle
12: Abgasstrang
13: Kanalwand
14: Stickstoffspeicher
15: Hilfsmittel zur Rußoxidation
16: Pfeil
17: Plasmareaktor
18: Spitze
19: Achse
20: Spannungsquelle
21: Radius
22: Zentralkanal
23: Mantel

Claims

Partikelfalle (11) zur Agglomeration und Oxidation von Partikeln einer Fluidströmung, insbesondere einer Abgasströmung eines Kraftfahrzeuges, wobei die Partikelfalle (11) eine Vielzahl von im wesentlichen geradlinigen Strömungskanälen (2) mit Kanalwänden (13) hat und die Kanalwände (13) Strukturen (3) aufweisen, so dass die Strukturen (3) in der Fluidströmung Verwirbelungs-, Beruhigungs-und/oder Totzonen (5) erzeugen und dennoch eine Offenheit der Partikelfal le (11) gewährleisten,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Teil der Strömungskanäle (2) zumindest in einem Teilbereich der Kanalwände (13) eine hohe Wärmekapazität aufgrund einer dickeren Kanalwand (13) aufweist, so daß bei steigender Fluidtemperatur der Effekt der Thermophorese für in der Fluidströmung enthaltene Partikel in diesem Teilbereich verstärkt auftritt.
Partikelfalle (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese (11) in Form eines lagenweise aufgebauten Wabenkörpers (1) ausgebildet ist, wobei die Partikelfalle (11) bevorzugt aus nur einer Lage hergestellt ist.
Partikelfalle (11) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfalle (11) zumindest teilweise aus metallischen Lagen (4, 6) aufgebaut ist, wobei diese bevorzugt eine Folienstärke von 0,02 bis 0,2 mm aufweisen, insbesondere zwischen 0,05 und 0,08 mm.
Partikelfalle (11) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (4, 6) zumindest teilweise blank, dass heißt unbeschichtet, sind.
Partikelfalle (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfalle (11) eine Zelldichte von 0,038 bis 1,55 Zellen pro Quadratmillimeter (25 bis 1000 cpsi-cells per square inch) hat, bevorzugt zwischen 0,31 und 0,62 Zellen pro Quadratmillimeter (200 und 400 cpsi).
Partikelfalle (11) einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kanalwände (13) mittels Metallfolien mit einer Folienstärke gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienstärke in dem Teilbereich der Kanalwände (13) mit hoher Wärmekapazität eine Folienstärke zwischen 0,65 und 0,11 mm beträgt.
Partikelfalle (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die aus einer ersten Lage (6) und zumindest einer weiteren Folie, die eine Wellage (4) oder eine Glattlage (6) sein kann, hergestellt ist.
Partikelfalle (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die radial durchströmbar ist.
Partikelfalle (11) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die konusförmige Strömungskanäle (2) aufweist.
Partikelfalle (11), nach einem der vorstehenden Ansprüche, die mehrere, gegebenenfalls schmale, Elemente, die Partikelfallen (11) und/oder Katalysatoren (8) sind, umfaßt.
Partikelfalle (11) nach Anspruch 10, die zumindest zwei Elemente mit unterschiedlichen Wärmekapazitäten hat.
Partikelfalle (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Hydrolysebeschichtung umfasst.
Verwendung zumindest einer Partikelfalle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem Abgasstrang (12) eines Kraftfahrzeugs.
Verwendung zumindest einer Partikelfalle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in Kombination mit zumindest einer vor- oder nachgeschalteten Additivzugabe (7).
Verwendung zumindest einer Partikelfalle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in Kombination mit zumindest einem Katalysator (8).
Verwendung zumindest einer Partikelfalle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in Kombination mit zumindest einem vor- und/oder nachgeschalteten Oxidationskatalysator (8), wovon zumindest einer nitrose Gase NO_x zu Stickstoffdioxid NO₂ oxidiert.
Verwendung zumindest einer Partikelfalle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in Kombination mit zumindest einem vor- und/oder nachgeschalteten Turbolader (9), wobei die Partikelfalle (11) motornah und/oder in Unterbodenposition angebracht ist.
Verwendung zumindest einer Partikelfalle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem Dieselmotor-Abgasstrang kombiniert mit einem vor- oder nachgeschalteten Turbolader (9), dem wiederum mindestens ein Oxidationskatalysator (8) vorgeschaltet ist.
Verwendung zumindest einer Partikelfalle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Rußoxidation.
Verwendung nach Anspruch 19 unter Einsatz von Stickstoffdioxid als O-xidans.
Verwendung nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Partikelfalle (11) in Kombination mit einem Hilfsmittel zur Rußoxidation (15) verwendet wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, in Kombination mit einem vorgeschalteten Stickstoffdioxidspeicher (14).
Verwendung zumindest einer Partikelfalle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in Kombination mit einem vor- oder nachgeschalteten Rußfilter (10).
Verwendung zumindest eines Teils einer Partikelfalle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Träger für eine katalytisch aktive Beschichtung.
Verwendung zumindest einer Partikelfalle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder eines Katalysators in Scheibenanordnung.
Verwendung zumindest einer Partikelfalle (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in Kombination mit zumindest einer Vorrichtung zur Aufladung/Polarisation entweder der aufzufangenden und zu oxidierenden Partikel und/oder der Partikelfalle (11).
Verwendung nach Anspruch 26, wobei der mindestens einen Partikelfalle (11) ein Plasmareaktor (17) zur Polarisierung der Partikel vorgeschaltet ist, und die Partikelfalle (11) vorzugsweise einen elektrischen Pol darstellt.