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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Oberbegriff des Anspruches 1.
Die beiden wesentlichen Nachteile des Dieselmotors sind die Emission von Russ und verschiedenen Stickstoffoxiden, kurz NOx genannt. Gibt es für Russfilter bereits einige brauchbare Ansätze, so sind entsprechende Katalysatorsysteme zur Entstickung über erste Grundsatzarbeiten noch nicht gediehen. Der Grund dafür ist der hohe Sauerstoffgehalt der Abgase des modernen Dieselmotors, der je nach Fahrzustand zwischen 5% und 10% liegt. Da nun der Katalysator den Sauerstoff vom Stickstoffoxid nur auf ein anderes Molekül umlagern kann, versucht man z. B. Harnstoff oder durch Destillation von Dieseltreibstoff gewonnene Kohlenwasserstoffe in den Abgasstrang einzublasen. Kann das erstere bei dynamischen Fahrtzuständen zu sehr unschönen Gerüchen führen, so macht das zweitere den grössten Vorteil des Dieselmotors, seinen geringen spezifischen Energieverbrauch, zunichte.
Obwohl die Stickstoffoxide bei Temperaturen unter 300 C bis 400 C thermodynamsich instabil sind, zerfallen sie nicht, da sie dazu eine Aktivierungsenergie brauchen, die je nach Temperatur und Anregungszustand des Stickstoffoxides etwa zwischen 0, 1 eV und 0, 3 eV pro Molekül liegt.
Erfindungsgemäss wird nun vorgeschlagen, dass das Abgas durch einen Entladungsraum geleitet wird, wobei die Temperatur des Abgases bei seiner Einleitung nicht mehr als 400 C vorzugsweise nicht mehr als 300 C beträgt, dass in diesem Entladungsraum oder zumindest an einem Teil seiner Begrenzungen Elektronen erzeugt werden, dass im grössten Teil dieses Entladungsraumes nach Berücksichtigung der Raumladung, vorzugsweise pulsweise, eine Feldstärke zwischen 5 kV/cm und 20 kV/cm, vorzugsweise zwischen 10 kV/cm und 15 kV/cm, erzeugt wird und dass durch Einstellung des Feldes pro Kubikmeter durch den Entladungsraum geleitetem Abgas mindestens eine Amperesekunde, vorzugsweise mehr als drei Amperesekunden, Elektronen in diesem Entladungsraum erzeugt werden.
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Die Erfindungsidee beruht auf der Grundlage, dass dem Abgas eine gezielte Aktivierungsenergie in Form von Stössen mit Elektronen zugeführt wird. Bei der Erzeugung der Elektronen ist jedoch darauf Rücksicht zu nehmen, dass diese nicht eine Dissoziation und/oder Ionisation der Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle im Entladungsraum bewirken.
Führt man diese Energie durch Elektronenstösse zu, so ist Vorsicht geboten, um nicht die Dissoziationsenergie von Sauerstoff zu erreichen, die bei normalen Druck und Temperatur 5, 1 e V beträgt. Da das erste Ionisationspotential von Sauerstoff oder Stickstoff über 12 e V liegt, dürfen die zu den Elektronenstössen benötigten freien Elektronen durch das elektrische Feld nicht im Entladungsraum selbst sondern nur an seinem Rand erzeugt werden, da es sonst erneut zur Bildung von Stickstoffoxiden durch Anlagerung der dissozierten Sauerstoffatome an die reichlich vorhandenen Stickstoffmoleküle kommen würde.
Das Feld muss derart gesteuert werden, dass einerseits an den Begrenzungsflächen des Entladungsraumes hinreichend Elektronen gebildet und diese Elektronen im Entladungsraum beschleunigt werden. Es darf jedoch nicht zur Ausbildung von Funken kommen. Daher muss das Feld abgeschaltet werden, bevor die Elektronen die Gegenelektroden erreichen.
Dies wird vorzugsweise durch ein pulsierendes Gleichspannungsfeld im Entladungsraum erzeugt. Gemäss einer vorzugsweisen Ausführungsweise ist vorgesehen, dass die mit dem Gleichspannungsfeld gleichsinnige hochfrequente Feldamplitude während eines Impulses weniger als eine Mikrosekunde, vorzugsweise weniger als eine halbe Mikrosekunde, aufrecht gehalten wird. Zweckmässigerweise wird die mit dem Gleichspannungsfeld gleichsinnige hochfrequente Feldamplitude während eines Impulses mindestens 0,25 Mikrosekunden vorzugsweise mindestens 0, 5 Mikrosekunden aufrecht gehalten.
Dadurch wird erreicht, dass das pulsierende Gleichspannungsfeld neben einer entsprechenden Zuführung von Energie, die die Elektronen auf ihrer freien Weglänge zwischen zwei Stössen mit Gasmolekülen (die im Mittel etwa 1E-5 cm beträgt) aufnehmen, drei weitere Randbedingungen erfüllt : 1. die Gleichspannungskomponente stellt sicher, dass nur Elektronen, nicht aber positive Gasionen entstehen bzw. in den Entladungsraum gezogen werden.
2. der Impulsanteil, der den Elektronen hauptsächlich ihre Energie zuführt, wird etwa gleich lang aufrecht erhalten, wie ihre Lebensdauer bis zu einer Anlagerung an Moleküle beträgt, also etwa 3. 10 -7 bis 7. 10-7 Sekunden ;
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3. bevor es durch die hohe Feldstärke zu einer Auslösung von Funken kommt, muss der Impulsanteil des Feldes ausgeschaltet oder umgepolt werden ; die dazu zur Verfügung stehende Zeit entspricht höchstens der Laufzeit des Vorfünkens, der sich aus der Laufzeit der Elektronen zur Gegenelektrode und der Laufzeit der positiven Ionen (die sich an der Gegenelektrode bilden können) zurück zur Entladungselektrode zusammensetzt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Diese Vorrichtung ist im Kennzeichen des Anspruches 8 näher ausgeführt.
Vorzugsweise sollen die Elektroden in Feldrichtung gesehen weiter von einander entfernt sein als die Reichweite der freien Elektronen beträgt. Aus diesen Gründen soll auch darauf geachtet werden, dass die Entfernung von Entladungselektrode und Gegenelektrode deutlich grösser ist, als die mittlere Reichweite (etwa 10 mm bis 20 mm Untertrift im erfindungsgemäss applizierten Feld) der Elektronen vor ihrere Anlagerung. Der Grund liegt in der grossen Breite dieser Reichweitenverteilung, so dass eine hinreichende Absicherung sicher erst bei Abständen zu finden ist, die der doppelten mittleren Reichweite der Elektronen oder mehr entsprechen.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 3 eine schematische Darstellung der physikalischen Vorgänge bei einer erfindundungsgemässen Vorrichtung und Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsge- mässen Einrichtung.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 strömt das Abgas bei A mit einer Temperatur von unter 400 C, vorzugsweise unter 300 C, in den durch zwei Elektroden 3,6 begrenzten in einem Gehäuse 8 angeordneten Entladungsraum 1 und verlässt diesen bei B. Die Elektrode 3 ist als Entladungselektrode ausgebildet und besitzt etwa 2 bis 5 mm lange nadelförmige Spitzen 9.
An der Entladungselektrode 3 liegt eine negative Gleichspannung von-lOkV. Die Gegenelektrode 6 ist als Hochfrequenzelektrode ausgebildet und ist im Abstand von etwa 30 mm von der Entladungselektrode 3 angeordnet. An die Gegenelektrode 6 wird ein bipolarer Rechteckimpuls mit einer maximalen Spannungsamplitude von 30 kV angelegt, dessen positiver Impulsteil eine Dauer von 0, 4 Mikrosekunden mit einer Wiederholungsfrequenz von 500 kHz
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aufweist. Entsprechend temperaturresistente Isolatoren 7, 7' schirmen die Elektroden 3,6 gegen das Gehäuse 8 der Vorrichtung ab.
Nimmt man einen Spannungsabfall von 4 kV des stationären Feldes unmittelbar um die Entladungselektroden an, so addieren sich der verbleibende Teil des stationären Feldes von etwa - 2kV/cm und der positive Impulsanteil des Hochfrequenzfeldes von-10 kV/cm (gegenüberliegende Elektrode, daher Vorzeichenwechsel !) zu einer 0, 4 us dauernden Feldstärke von 12 kV/cm, die aus der Entladungselektrode 3 Elektronen zieht und in Richtung Gegenelektrode 6 beschleunigt.
Die sich um die Entladungselektrode 3 aufbauende Raumladung verringert das Feld an der Entladungselektrode 3 und die Elektronenemission geht zurück. Bevor die Elektronen in etwa 0, 5 us die Gegenelektrode 6 erreichen, stellt der negative Teil des bipolaren Impulses die gesamte Feldstärke mit dem oben angenommenen Tastverhältnis von 1 : 4 auf etwa + 0, 5 kV/cm.
In der Phase der hohen Feldstärke treten Elektronen aus der Entladungselektrode aus und werden zwischen ihren Stössen mit Molekülen der Abgasen von dem Feld beschleunigt, wobei ihre Energieaufnahme von ihrer freien Weglänge und der Orientierung der Bewegungsrichtung zum Feld abhängt. Nach etwa 200. 000 Stössen (Mittelwert) lagern sich die Elektronen an elektronegative Moleküle (hauptsächlich Sauerstoff, Wasserdampf, aber auch Kohlenwasserstoffe) im Abgas an und können dann entsprechend der grossen lonenmasse sehr viel weniger Energie aus dem Feld aufnehmen.
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unterteilt. Die Elektroden 13, 13'und 16 sind gitterförmig ausgebildet und zwischen temperaturesistenten Isolatoren 17 eingespannt. Die Entladungselektroden 13, 13'sind im Abstand von etwa 25 mm von der Gegenelektrode 6 angeordnet.
An den beiden Entladungselektroden 13, 13'liegen eine-10 kV Gleichspannung und an der Gegenelektrode 16 eine sinusförmige Wechselspannung mit 500 kHz und 30 kV Amplitudenspitze. Das Abgas strömt durch die gitterförmigen Elektroden 13,13', 16, wobei sich im ersten Entladungsraum 11 die Elek-
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tronen mit dem Abgas, im zweiten Entladungsraum 11'die Elektronen gegen das Abgas bewegen.
Da nun die Entladungselektronen 13, 13'von der Gegenelektrode 16 nur 25 mm voneinander entfernt sind, ergibt sich zwar eine höhere negative Feldspitze von mehr als -14 kV/cm, aber ein Mittelwert über die negative Amplitude von weniger als-lOkV/cm. Für die positive Amplitude ergeben sich entsprechende Werte von weniger als + lOkV/cm bzw. weniger als +7kV/cm.
Die Funktionsweise der Einrichtung nach Figur 2 ist ähnlich jener nach Figur 1. Die aus den Entladungselektroden 13, 13'austretenden Elektronen werden in Richtung der Gegenelektrode beschleunigt und brechen die im Abgas vorhandenen NOx Moleküle auf.
Figur 3 zeigt die physikalischen Vorgänge in einer erfindungsgemässen Vorrichtung in schematischer Form. Das Abgas durchströmt den Entladungsraum 21 in Richtung des Pfeiles A.
Im Entladungsraum 21 zwischen der Entladungselektrode 23 und der Gegenelektrode 26 sind neben den Abgasen Stickstoffmoleküle N2, Sauerstoffmoleküle O2 und NO-Moleküle vorhanden. An der Entladungselektrode 23 liegt eine Gleichspannung von -10kV und an der Gegenelektrode eine pulsierende Hochspannung in der Form von bipolaren Rechteckimpulsen, mit einer Amplitude von 30 kV.
Aus der Entladungselektrode 23 wird durch die kurzzeitig auftretende hohe Spannung von insgesamt 40 kV, die während des zur Gleichspannung gleichsinnigen Rechteckimpulses zwischen den Elektroden herrscht, ein Elektron gezogen und in Richtung der Gegenelektrode (Hochfrequenzelektrode) 26 beschleunigt. Dabei erreicht das Elektron zwischen zwei Stössen eine zur thermischen Energie zusätzliche kinetische Energie in eV, die der durchlaufenen Potentialdifferenz entspricht. Diese ergibt sich durch das Produkt seiner jeweiligen Wegkomponente in Feldrichtung zwischen zwei Stössen (Beschleunigungsstrecke) und der Feldstärke.
Bei einer angeommenen Feldstärke von 10 kV/cm und einer mittleren freien Weglänge von 2. 10-5 cm bei 330 C ergibt sich eine maximale Energieaufnahme von 0, 2 eV wenn das Elektron sich in Richtung Gegenelektrode 6 bewegt.
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In der Darstellung stösst das Elektron e- zuerst mit einem Stickstoffmolekül N2 und anschlie- ssend mit einem Sauerstoffmolekül O2 zusammen. Andere Komponenten des Abgases, wie etwa Wasser oder Kohlenwasserstoffe verhalten sich ebenso, wurden aber der einfacheren Darstellung wegen weggelassen. Da die Energie des Elektrons e während dieser Stossvorgänge erfindungsgemäss unter 5, 1 eV bleibt, kann es diese Gase nicht dissoziieren, trägt also nicht zur Ozon-oder NOx-Bildung bei. Bei seinem Zusammenstoss mit einem NO-Molekül aber reicht seine Energie zur Dissoziation des NO-Moleküls aus. Das hier dargestellte NO macht den überwiegenden Anteil aller Stickstoffoxide aus. Die Verbindung wird aufgelöst, wobei das Elektron e- vorzugsweise am elektronegativen Sauerstoff haften bleibt.
Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung des NOx Konverters mit zylinderförmigen Aufbau. In einem zylinderförmigen Topf 38 ist auf einem Stahlrohr 35, eine Entladungselektrode 33 in Form von zahnförmigen Elektrodenscheiben 39, welche durch Distanzringe 34 auf Abstand gehalten werden, angeordnet. Das Stahlrohr 35 ist durch zwei Isolatoren in Form von kreisringförmigen Scheiben 32, 32' eines keramischen Wabenkörpes gehalten, der feine Kanäle 30 für das Durchströmen des Abgases aufweist. Gegenüber der Entladungselektrode 33 ist an der Innenseite des Topfes 38 eine Gegenelektrode 36 angeordnet, die durch einen kreisringförmigen Isolator 37 aus keramischen Material isoliert ist.
An der Entladungselektrode 33 wird eine negative Hochspannung von 10 kV und an der Gegenelektrode 36 eine Hochfrequenzspannung angelegt. Zwischen der Entladeeletkrode 33 und der Gegenelektrode bildet sich ein kreisringförmiger Entladungsraum 31.
Das Abgas durchströmt von links nach rechts in Richtung der Pfeile A den Wabenkörper 32, dann den kreisringförmigen Entladungsraum 31 und verlässt den NOx Konverter durch den Wabenkörper 32', wobei im Entladungsraum 31 die NOx Bestandteile des Abgases erfindungsgemäss dissoziert werden.
Die Verwendung eines Wabenkörpers 32, 32'als Träger der Entladungselektrode 33 hat gro- sse Vorteile, da alle anderen Isolatoren sich in kurzer Zeit so dick mit Russ belegen, dass dieser leitend wird und die Elektrode kurzschliesst. Die Öffnungen des Wabenkörpers durchbrechen die Oberfläche und verhindern so die Ausbildung einer dicken, gleichmässigen Russoberfläche. Der Russ, der sich auf den dünnen Stegen zwischen den Eintrittsöffnungen ablagert, bricht von Zeit zu Zeit ab und verhindert so die Ausbildung eines Kurzschlusses. Ein Verstop-
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fen der Wabenkanäle findet nicht statt, da diese durch das hindurchströmende Abgas laufend gereinigt werden.
Die Zähne der Entladungselektroden 39 sind wesentlich kürzer, als es einer normalen Entladungselektrode entsprechen würde, da die Gasentladung an den Zähnen 39 nur dann stattfindet, wenn durch die Hochfrequenzelektrode 36 zusäzlich ein positiver Hochspannungsimpuls von etwa 0, 5 Mikrosekunden Dauer und etwa 20 kV bis 30 kV Amplitude angelegt wird. Innerhalb dieser 0, 5 Mikrosekunden erreichen die Elektronen die gegenüberliegende Hochfrequenzelektrode, wobei jedes Elektron unter dem hohen Feld etwa 2. 10 -s Stösse mit Gasmole-
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dämpfers installiert.
Spätestens dann, wenn die Elektronen die Hochfrequenzelektrode 36 erreichen, wird die Hochspannung in erfindungsgemässer Weise abgeschaltet, um die Ausbildung von Funken- überschlägen zu verhindern. Der Isolator 37 muss wegen der hochfrequenten Spannung ein Material mit kleiner Dielektrizitätskonstante und kleiner Permeabilität sein, vorzugsweise ein Wabenkörper aus dichtgebrannter Keramik, dessen Kanäle auf einer oder beiden Seiten verschlossen sind.
Vorzugsweise können die Wabenkörper 32, 32'als elektrostatische Russfilter gemäss der EP-A 0332689 ausgebildet werden. Dabei ist es zweckmässig, wenn vor dem ersten Wabenkörper 32 eine Ionisationsstrecke, welche mit der Elektrodenanordnung 33,36 ident sein kann, angeordnet ist.