Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Koagulator für Einrichtungen zum Reinigen von Abgasen fossiler Brennstoffe, insbesondere von Abgasen von Diesel-Brennkraf maschinen, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Bei solchen Koagulatoren, auch Agglomeratoren oder elektrostatische Rußabscheider genannt, werden die in den Abgasen enthaltenen Partikel, z.B. Rußteilchen, in den zwischen der Elektrode und dem als Gegenelektrode gepolten Gehäuse sich ausbildenden elektrostatischen Feld ionisiert. Hierbei heften sich den Partikeln elektrische Ladungen an,

so daß die Partikel koagulieren, d.h. sich gegenseitig anziehen und zu größeren Agglomeraten zusammenschließen, welche in nachgeschalteten Fliehkraftabscheidern, sog. Zyklonen, leichter abgeschieden werden können.

Ein Teil der so gebildeten Agglomerate schlägt sich bereits im Koagulator nieder. Mit der Zeit treten dabei auch auf dem die isolierte Durchführung der Elektrode durch das Gehäuse sicherstellenden Isolator Beläge aus elektrisch leitfähigen Agglomeraten auf, die zum Kurzschluß des Isolators und damit zum Ausfall des Koagulators führen würden, um dies zu vermeiden, ist es erforderlich, die Oberfläche des Isolators in einem Ringbereich mittels einer elektrischen Heizleiterbahn im Isolator ständig auf eine Temperatur von über 400° C aufzuheizen. Bei dieser Temperatur wird die Ablagerung von Agglomeraten auf dem Isolator unterbunden. Ein Agglomeratniederschlag, der sich nach Abschalten des Koagulators gebildet hat, kann durch Aufheizen des Isolators auf über 600° C abgebrannt, d.h. oxidiert werden.

Bei einem bekannten Koagulator der eingangs genannten Art (DE 33 05 601 AI) wird mittels der unter einer Deckschicht angeordneten Dickschichtheizleiterbahn auf der Oberfläche des Isolators eine ringförmige Glühzone erzeugt. Diese Glühzone liegt am Ende des Isolators unmittelbar an der Austrittsstelle der Elektrode aus dem Isolator. Dieser Ringabschnitt muß dabei ausreichend weit von der Elektrode entfernt sein, d.h. der Isolator muß einen genügend großen Durchmesser aufweisen, der bei einer Hochspannung von ca. 17 kV mindestens 60 mm betragen muß. Bei einer solchen Abmessung des Isolators wird wegen der relativ großen Oberfläche der Glühzone sehr viel Heizleistung benötigt. Außerdem führen bei einer solchen Abmessung des Isolators die WärmeSpannungen zu Rißbildungen und Zerstörungen. Außerdem ist es erforderlich, die Deckschicht für die

Heizleiterbahn hochspannungsfest auszulegen, wodurch diese etwa so dimensioniert werden muß wie der Isolator selbst. Dabei bildet sich zwischen dem Grundmaterial und der Deckschicht des Isolators eine unvermeidliche Trennfuge, die die Durchschlagfestigkeit des Grundmaterials nicht erreicht. Durchschläge seitlich zwischen Deckschicht und Grundmaterial sind daher unvermeidlich.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Koagulator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Isolator nur einen relativ kleinen Außendurchmesser benötigt und somit mit Thermospannungen verbundene Probleme nicht auftreten. Bei einer Hochspannung von ca. 17 kV benötigt der Isolator zur sicheren Vermeidung von Durchschlägen einen Außendurchmesser von nur 18 mm. Durch das aufgesintete Schutzrohr ist die Heizwicklung ausreichend weit von hochspannungsführenden Teilen entfernt. Das Schutzrohr selbst ist hochspannungsfest, die Trennfuge gasdicht, so daß auch hier keine Durchschläge auftreten können.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Koagulators möglich.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 jeweils ausschnittweise einen Längsschnitt eines bis 3 Koagulators für eine Abgasreinigungseinrichtung von Dieselmotoren gemäß einem ersten, zweiten

und dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 einen Längsschnitt eines Isolators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zur Verwendung in den Koagulatoren gemäß Fig. 1 - 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 im Längsschnitt ausschnittweise zu sehende Koagulator weist ein zylindrisches Gehäuse 10 und eine im Gehäuse 10 konzentrisch angeordnete Elektrode 11 auf. Die Elektrode 11 liegt an dem positiven Pol einer Hochspannungsquelle 12 von z.B. 17 kV, während das Gehäuse 10 geerdet ist und damit die Gegenelektrode bildet. Die Elektrode 11 ist mittels zweier Isolatoren 13 im Gehäuse 10 zentriert gehalten. In Fig. 1 ist nur der linke Teil des Koagulators dargestellt und damit nur ein Isolator 13 zu sehen. Der Koagulator ist aber spiegelsymmetrisch aufgebaut, so daß die Elektrode 11 an beiden Enden in gleicher Weise in jeweils einem Isolator 13 gehalten ist. Es ist jedoch auch möglich, die Elektrode 11 als Kragarmelektrode auszubilden, die dann einseitig von nur einem Isolator 13 gehalten wird. Der Isolator 13 nimmt die Elektrode 11 über einen bestimmten Längenabschnitt mittig auf und ist in einer Durchführung 15 in einer Gehäusewand 16 des Gehäuses 10 unter Verspannung an letzterer gehalten.

Der Isolator 13 ist zweiteilig ausgebildet und besteht aus einem die Elektrode 11 aufnehmenden Innenrohr 17 und aus einem dieses umschließenden Schutzrohr 18. Beide Rohre 17,18 sind aus temperaturfesten Isolationswerkstoffen, z.B. aus Aluminiumoxid- oder Glaskeramik, hergestellt. Auf dem Umfang des Innenrohrs ist eine elektrische Heizleiterbahn 19 aufgebracht, die als Dickschichtheizleiterbahn ausgebildet ist und aus Metallen der Wolfram- oder Platingruppe besteht.

Diese Heizleiterbahn 19 setzt sich zusammen aus der eigentlichen Heizwendel 20, die das Innenrohr 17 auf einem Längenabschnitt umgibt und zwei Zuleitungen 21,22, die axial auf der Oberfläche des Innenrohrs 17 verlegt sind. Wird als Werkstoff der Heizleiterbahn Platin verwendet, so ergibt sich infolge des PTC-Verhaltens von Platin ein selbsttätiger Regelungseffekt. Der Ohmsche Widerstand der Heizleiterbahn 19 steigt dann etwa linear mit der Temperatur, so daß die Heizleistung mit steigendem Widerstand zurückgeht. Bei Erhitzung des Isolators 13 durch heiße Abgase sinkt damit die Heizleistung. Das keramische Schutzrohr 18 ist auf das mit der Heizleiterbahn 19 versehene Innenrohr 17 aufgesintert, und zwar derart, daß die zwischen Innenrohr 17 und Schutzrohr 18 vorhandene Trennfuge 14 gasdicht ist. Zur Befestigung der Elektrode 11 im Isolator 13 trägt die

Elektrode 11 an ihrem freien Stirnende ein Außengewinde 23 und nimmt im Abstand vom freien Stirnende im Durchmesser zu, so daß hier eine Ringschulter 24 entsteht. Der Isolator 13 ist vom freien Stirnende der Elektrode 11 her auf diese aufgeschoben und stützt sich mit dem freien Stirnende des

Innenrohrs 17 unter Zwischenlage eines Zwischenstücks 25 an der Ringschulter 24 ab. Mittels einer auf das Außengewinde 23 aufgeschraubten Spannmutter 26 wird der Isolator 13 zwischen der Ringschulter 24 und einer auf die gegenüberliegende Stirnseite des Isolators 13 aufgelegten Spannscheibe 27 verspannt. Die Heizwendel 20 der Heizleiterbahn 19 hat dabei einen solchen Mindestabstand von dem der Ringschulter 24 zugekehrten freien Ende des Isolators 13, daß Durchschläge längs der Trennfuge 14 sicher verhindert werden. Bei einer Hochspannung von 17 kV beträgt dieser Mindestabstand ca. 25 mm.

Das Schutzrohr 18 kann sich nur über einen Teil der Länge des Innenrohrs 17 erstrecken und trägt an seinem von dem freien Ende des Isolators 13 abgekehrten Ende einen Stirnflansch 28. Mit diesem Stirnflansch 28 liegt das

Schutzrohr 18 an der die Durchführung 15 enthaltenden Gehäusewand 16 an, während das Innenrohr 17 durch die Durchführung 15 hindurch nach außen vorsteht. Von außen ist auf diesen vorstehenden Innenrohrabschnitt eine Isolierhülse 29 aufgeschoben, die hin bis zur Gehäusewand 16 reicht. Die Spannscheibe 27 ist im Durchmesser so groß ausgebildet, daß sie auch die Stirnringfläche der Isolierhülse 29 überdeckt, so daß von der Spannmutter 26 zugleich die Isolierhülse 29 gegen die Gehäusewand 16 verspannt wird. Dabei wird die Stirnfläche 28a des Stirnflansches 28 an die gegenüberliegende Seite der Gehäusewand 16 angelegt, so daß der Isolator 13 mit Elektrode 11 fest im Gehäuse gehalten ist. Zwischen der Stirnfläche 28a des Stirnflansches 28 und der Gehäusewand 16 einerseits und dem freien Stirnende des Schutzrohrs 18 und dem Zwischenstück 25 andererseits ist jeweils eine scheibenförmige Dichtung 30,31 angeordnet, die der gasdichten Durchführung der-Elektrode 11 durch die Gehäusewand 16 dienen. Zum Anschluß der Heizleiterbahn 19 an eine Stromquelle 32, die beispielsweise von der Kraftfahreugbatterie gebildet werden kann, werden beim

Verspannen der Isolierhülse 29 an der Gehäusewand 16 zwei Kontaktzungen 33,34 geklemmt, die gegen die Masse führende Gehäusewand 16 durch eine Isolierscheibe 35 isoliert sind. Jede Kontaktzunge 33,34 kontaktiert eine der beiden auf der Oberfläche des Innenrohrs 17 über den Stirnflansch 28 des Schutzrohrs 18 hinausgeführten Zuleitungen 21,22 der Heizleiterbahn 19 und ist an einem der Pole der Stromquelle 32 angeschlossen.

Das Gehäuse 10 weist noch zwei hier nicht dargestellte Öffnungen zur Zu- und Ableitung des Abgases auf. Das Abgas durchströmt das Innere des Gehäuses 10, wobei auf den Rußteilchen oder Rußtröpfchen infolge des zwischen der Elektrode 11 und dem als Gegenelektrode fungierenden Gehäuse 10 erzeugten homogenen elektrischen Feldes in bekannter

Weise eine Influenzladung aufgeprägt wird. Die beladenen Rußteilchen koagulieren zu größeren Agglomeraten. Ein kleiner Prozentsatz dieser Agglomerate schlägt sich bereits im Koagulator nieder, und zwar auch auf der Elektrode 11 und dem Isolator 13. Dies ist in Fig. 1 schematisch dargestellt, wobei der Agglomeratniederschlag mit 36 bezeichnet ist. Im Bereich der Heizleiterbahn 19 wird durch die dort herrschende Oberflächentemperatur die Ablagerung von Agglomeraten unterbunden, da Ruß bei der in dieser Zone herrschenden Temperatur sublimiert. Hat sich nach Abschaltung der Heizung auch in diesem Bereich Ruß abgelagert, so wird dieser Niederschlag nach Einschaltung der Heizung abgebrannt. Sobald über der Heizwendel 20 eine ringförmige Zone von Ruß freigebrannt ist, entzündet sich ein in Fig. 1 mit 37 symbolisch dargestellter Lichtbogen, der den weiteren Freibrand unterstützt und in Abhängigkeit von der Gesamtlänge des Isolators 13 eine rußfreie Zone erzeugt, die weit über die Breite der Heizwendel 20 hinausgeht und zur Isolation der anliegenden Hochspannung ausreicht.

In weiten Bereichen des Betriebes eines Dieselmotors reicht der Rußabtrag durch die brennenden Lichtbögen 37 aus, ohne daß die dafür verbrauchte Hochspannungsleistung zu groß wird. Der dargestellte beheizte Isolator 13 läßt sich daher auch im intermittierenden Betrieb einsetzen. Hierbei wird ein nicht dargestellter Schwellwertschalter mit Hysterese verwendet, der bei Absinken der Hochspannung unter ein kritisches Niveau die Heizung einschaltet, bei Anstieg der Hochspannung die Heizung wieder ausschaltet. Die Wandstärke des Schutzrohres 18 ist ausreichend stark bemessen, so daß Hochspannungsdurchschläge zwischen dem Agglomeratniederschlag 36 und der Heizwendel 20 mit Sicherheit ausgeschlossen sind.

t to to O tn O tn tn

a * ⁾ ö 0) 0J < tu ö yr 0 CΛ H tr 0 H ^ O ω 0) H cn cn tr cn O tu w a : < <! 3 ö

Φ P- d Φ 00 φ tr d 0 Φ rt 3 o Φ 00 O P» Φ rt Φ rt rt O O tr 3 0 d d o O d Φ

01 3 rt P- tu rt tQ rt 3 S P< 3 tr tr tu 0) N d: P' P- P- rt Ω tr Φ a 3 n ω rt 3 rt rt rt tQ o 3 P ¹ Φ Ω P- P- rt Φ P* tu: P- tQ d tr ^ rt O tr d rt Φ rt Ω Hi 01

0 Hl tr φ a tu: yr tr in 3 3 3 N d 3 d P- tQ Φ Φ 3 3 IQ rt Hi •1 pι 3- d: rt a tr P-

Φ P^ H 3 Φ d Φ Hl O a Hl a • ω H 3 01 rt et 3 Hi iQ Φ N Φ ?r tr Φ Φ P- 3

P« d: 0) Hi tr : tr Φ H d H φ a tu N Φ a H d N rt P>: et a rt tr n 3

P- Ω tr rt rt tr 0) (U n P- S Φ rt 1 φ P- Φ tu Φ o O Ω N rt P- d φ 0) >n

3 tr rt o 0 rt rt σ rt 3 Ω 3 tu rt O P- P- 3 Φ 3 3 H tQ tr tr d P- φ 3 3 TO P- P- a φ d 3 Φ Φ Φ d P- d 01 tr a 3 rt tQ Ω •» rt 0) H Φ rt φ P" 3 tQ a Φ Ω IQ

Φ 3 S 3 3 ω rt Ω 3 n a ö ω . 3" 3 Ω Φ 3 Φ φ tQ Ö P> 3" • oi to ⁽ Q M P- rt rt iQ IM tr Φ P' d Φ 01 P> tu tr • 01 a P- d a tr N rt rt 00 rt 3 01 d: tr φ Φ (0 01 P" n P- 00 3 0 3 rt to φ rt *>. rt Φ Φ iQ H to d σ P> a •O Ω P ¹ P- 3 0) 01 Ω σ» O ω Φ to to σ ω d P" Ω 01 ω d P- rt tn rt Φ rt r tn 3 01 φ tr tr rt a < a Tl rt oo P- 00 3 tr Ω Φ Ω P-

N a 3 to Φ « . to rt φ rt H tu Φ p) P- P- iQ Φ H tQ Φ Hl « tr H 3 ^* 3

Φ Φ tr Hi rt Ω tu: N 00 00 3 rt d: tr n rt t» tQ tu d Φ d 3 P- d: 0 rt P ¹

3 0 ⁾ P- H d tr rt O d 00 iQ tu: tr P- tQ 01 • P* 3 H 0 3 3 to 3 tr P> P- φ a t-ϊ

01 3 (U et Φ rt P- 3 a rt Φ tQ rt 3 φ φ IQ a Φ Φ a Φ t 01 rt tQ φ Φ tu: cn a 3 N 3 P- Φ < Φ 0: P- rt d 01 01 tr P- t iQ tr 3 - rt d d tr OJ »1 3

OJ et d 0) Φ a tQ tu: φ 01 DJ 3 3 P> rt Φ Φ N a rt tu: P- rt d: 3 P" Φ to tQ

00 P- rt Ω 3 φ < d rt Φ 01 Φ tQ Ω Φ 3 P- a • Φ • d 0) O a O ⁽ Q tu 3 N 01 rt Ω 3 ^* 01 a o D> cn rt rt P- 3" H Ω DJ CÜ rt 01 <τ tr Φ yr rt Φ P> d 01

Hl 3 tr Φ So 3 Φ d: Ω d: 3 P ¹ rt 01 tr rt • ö φ rt rt P- P ¹ O 3 3 Hi Ω o Hl tQ to > rt P- rt 3 tr P- Ω Φ tn P ¹ et P- Φ tQ 0 P- s P ⁾ φ tQ tn rt d: " rt H Φ 00 co 3 a Φ tQ d 01 " 3 P- φ 3 Φ « Φ φ tu d 0) TO Φ 01 « a 3" 3

3 tu 01 yr tQ Φ 3 rt rt et P- a Ω a w n d tr 3 Hl Φ 3 tr O P> rt P-

0) 3 rt u Φ o Hl rt tsi tQ 3 Φ tr a • tu et •ö P>: σ a P' P- P- P- tu φ d rt o n Φ σ σ 3 H » 01 rt tu Φ P- rt rt d Φ Hl d P- a N « 3 in tQ 3 rt tr Ω Ω tQ Φ P" PK Hl tu P- O P" 3 et a P- rt P< Φ 0) Ω P" Φ P" O a et d w IQ oo

P* tr Te¬ Φ 3 01 Ω rt 3 Ω tr 01 0 Φ rt Φ i-> rt Φ tr σi in tr Φ 3 d P- Φ a d: φ e yr Hl Ω 3" Φ a tr rt 0 a Φ rt rt P- et S e n P- P- rt rt 3 tu P- a tu

01 0) Φ Φ P ⁾ tr Φ P- φ a Φ φ tr φ P ¹ Φ O P> d P- φ ω rt P Ω d rt N Φ rt

01 tr φ Φ a a 01 φ * rt tu: to Φ a 3 3 01 3 Φ tr rt O P- rt tQ

P- to H rt H 3 M 3 Φ Φ rt P- d Φ t « Φ a tQ rt N rt et rt φ φ

IQ 00 01 rt 01 00 rt in P* 3 ö n Hi d 3 O »ι cn d tr N σ a P- Φ 01

O φ < tr cn 01 00 J» a d φ φ co P- tu P 0J tu rt 3 tu d P- P- 3 rt (-• rt tu tu 3 y Φ et N φ • d Φ n 3 01 Hl rt iQ 0 cn o 3 P- tr 3 01 Φ O Φ Φ φ

3 3 tu o rt a P- 3 DJ 01 Ω P> et d: d n - rt cn 3 tQ a rt yr H

P- rt n 3 Φ rt H &" Φ rt 3" 3 P- tr tQ H tu P- a 3 rt Φ N Φ P- tr rt H

P- a 0 3 P- d: (0 3 P- H 3 3 d Hi a tQ rt P> tu •σ 01 N Φ Hi P> (- ^■ d P- Hi tu rt et φ Φ rt a 01 3 Hi 3 3 a rt d: d d Φ rt tr rt £ 3 H rt to 00 3 P- tr P- Φ tQ 11 Φ Ω tQ cn P" a 3 0 d N tr P" 3 3 P- O P- P- PH 3 to a Φ N 3 ω rt P ¹ tr d rt tu: n Φ rt n Φ rt σι tQ tQ Ω rt et tu 01 s Ω Hi <! - Φ P- Ω «

• H to a 3 P- Ω P- 3 d o 3 d 01 tr d Ω tu tr H Φ rt to Φ P* 3" 0

3 d iQ rt • tr 0) S 3 tr 3 tu a tr φ 3 0) tr 01 Φ tu rt tQ d rt to Φ (u

H 3 di n 01 3 φ Ω tu a 3 to ⁽ Q σ φ Φ 3 P- H Φ 01 3 P ¹ Φ tr P ¹ rt 3 IQ

3 Φ σ Ω 0 a Hl tr 3 Φ φ oo tQ 0 ⁾ P- rt 3 Φ 3 φ to 01 tu: Hi P- φ _* iQ C

3 Φ tr φ H to φ a 01 •. Φ ω P* t) 00 Ω d d: Φ P- Φ TO P ¹ a S rt a rt P ⁾ 00 3 a 01 tn tu: H •σ a d: Φ a 0 tu tr Hi tr rt et W tQ Φ P ⁾

P- p ⁾ a t 3 tu 00 Φ Φ a 3 01 P- φ tr yr φ H rt rt d Φ φ P- rt

Φ 3 a P> DJ H 01 00 ω rt Φ yr a O Φ 3 rt rt 3 to et 3 3 P- 3 N O

01 a P- φ 3 Ω tu in O φ (- ^■ P ¹ P- rt a 00 tu • P- tQ d: M rt φ Φ a 3 tr a 01 tu rt P» P- tQ P- Φ d rt a U Φ rt t Φ Φ φ Φ φ X rt rt Φ 3 Φ 01 rt a Hi ö to P- Φ P- P-

00 rt 3 0) 01 3 P- • O P- 3 Ω Φ p. Φ φ rt in 0) f p ⁾ S ftl rt 3 ^ 3" 01 a Φ P- 01 er rt i 3 tu t P" o 01 Φ P- Φ 3 φ a d lO P- 3 00 φ P- 01 tQ rt Φ rt Φ 3 φ rt a 3 Φ • 3 3 tQ

wird der Isolator 13 mittels einer auf den Gewindestutzen 38 aufgeschraubten Überwurfmutter 39 im Innern des Gewindestutzens 38 verspannt. Zwischen der Überwurfmutter 39 und der Stirnfläche 28a des Stirnflansches 28 ist dabei noch eine Federscheibe 40 angeordnet, die zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmedehnungen erforderlich ist. Die Zuleitungen 21.und 22' für den Heizwendel 20 der Heizleiterbahn 19 sind identisch wie in Fig. 2 ausgebildet. Die Gehäusewand 16 ist wiederum an den Massepol der Stromquelle 32 gelegt. Der elektrische Kontakt zwischen der an der Stirnfläche 28a hochgezogenen Zuleitung 22* und der Gehäusewand 16 wird über den Gewindestutzen- 38, die Überwurfmutter 39 und die Federscheibe 40 hergestellt Die Kontaktzunge 33' für den Anschluß des positiven Pols der Stromquelle 32 sitzt wiederum einstückig an einem

Kontaktring 41, der unter Zwischenlage einer Isolierscheibe 35 an der Überwurfmutter 39 befestigt ist und nach Aufschrauben der Überwurfmutter 39 auf den Gewindestutzen 38 die Zuleitung 21 kontaktiert. Bei dieser Ausbildung des Koagulators kann eine Dichtung zwischen Stirnflansch 28 des Schutzrohrs 18 und der Gehäusewand 16, wie diese in Fig. 1 und 2 vorgesehen und mit 30 bz. 30* bezeichnet ist, entfallen. Alle übrigen Bauteile stimmen mit denen in Fig. 1 und 2 überein, so daß auch hier die gleichen Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Bei dem in Fig. 4 im Längsschnitt dargestellten Isolator 13', der anstelle der Isolatoren 13 in jedem der Koagulatoren gemäß Fig. 1, 2 oder 3 eingesetzt werden kann, enden Innenrohr 17' und Schutzrohr 18 ' im Innern des Gehäuses 10 nicht bündig, sondern es liegt das Ende des Schutzrohrs 18 ' mit Abstand vor dem Ende des über das Zwischenstück 25 sich an der Schulter 24 der Elektrode 11 abstützenden Innenrohrs 17'. Die Länge des Abstandes L richtet sich nach der anliegenden Hochspannung und muß ca. 1,5 mm pro 1 kV betragen. Diese Vergrößerung der Gesamtlänge

des Isolators 13 sorgt für eine verbesserte Verhinderung von Gleitfunkenüberschlägen und erhöht die durch das Zusammenwirken von Heizung und Lichtbögen freibrennbare Gesamtstrecke. Die Hochspannungsfestigkeit des Isolators 13 ' wird damit heraufgesetzt.