DE10009731A1 - Verfahren zum Reinigen von Abgas - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Reinigen von Abgas, insbesondere Abgas von Verbrennungsmotoren, das einer elektrischen Gasentladung unterworfen wird und in Kontakt mit katalytischem Material gelangt, wobei ein die elektrische Gasentladung bewirkendes Plasmamodul einem das katalytische Material aufweisenden Katalysator in einem solchen Abstand strömungsmäßig vorgeordnet verwendet wird, daß instabil angeregte Gasmoleküle mit dem Abgas in den Katalysator strömen. DOLLAR A Um ein Verfahren zum Reinigen von Abgas weiter zu optimieren, wird vorgeschlagen, daß die elektrische Gasentladung im Sinne einer instabilen Anregung eines vorbestimmten Anteils von Kohlenwasserstoffmolekülen durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reini­ gen von Abgas, insbesondere Abgas von Verbrennungsmotoren, das einer elektrischen Gasentladung unterworfen wird und in Kontakt mit katalytischem Material gelangt, wobei ein die elektrische Gasentladung bewirkendes Plasmamodul einem das katalytische Material aufweisenden Katalysator in einem sol­ chen Abstand strömungsmäßig vorgeordnet verwendet wird, daß instabil angeregte Gasmoleküle mit dem Abgas in den Katalysa­ tor strömen, nach DE 100 09 730.8.

In der Hauptanmeldung wird mit den vorgenannten Verfah­ rensschritten erreicht, die Wirkung des Plasmamoduls und des Katalysators zu kombinieren. Es ergibt sich eine Steigerung der Wirksamkeit des Verfahrens in dem Sinne, daß die Zeit bis zum Einsetzen der katalytischen Wirkung, also die Anspring­ zeit, verringert wird, wie auch die Anspringtemperatur, also die Temperatur, bei der die katalytische Wirkung einsetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren im vorgenannten Sinne weiter zu optimieren.

Eine solche Optimierung wird dadurch erreicht, daß die elektrische Gasentladung im Sinne einer instabilen Anregung eines vorbestimmten Anteils von Kohlenwasserstoffmolekülen durchgeführt wird.

Dem vorgenannten Verfahren liegt die Erkenntnis zugrun­ de, daß insbesondere eine instabile Anregung von Kohlenwas­ serstoffmolekülen dazu führt, das Gesamtverfahren zum Reini­ gen von Abgas zu optimieren. Vor allem auf den Anteil der Kohlenwasserstoffmoleküle im Abgas nimmt die elektrische Gas­ entladung einen solchen Einfluß, daß bereits zum Zeitpunkt des Beginns der Barrierenentladung ein wesentlicher direkter Abbau stattfindet, z. B. etwa auf die Hälfte der Rohkonzentra­ tion. Wenn hierbei auf eine Konzentration von Kohlenwasser­ stoffen Bezug genommen wird, so ist das mit üblichen Verfah­ ren, wie z. B. der Flammenionisation, bestimmte C₃H₈-Äquivalent gemeint, bei dem die verschiedenen auftretenden Kohlenwas­ serstoffmoleküle in etwa nach der Zahl der enthaltenen Koh­ lenstoffatome gewichtet werden.

Um die Kombinationswirkung im Sinne einer Optimierung der Wirksamkeit des Reinigungsverfahrens zu optimieren, wird so verfahren, daß der vorbestimmte Anteil weniger als 70% der gesamten Kohlenwasserstoffe des Abgases ist. Es genügt also, mit der elektrischen Gasentladung weniger als 70% der gesam­ ten Kohlenwasserstoffe des Abgases abzubauen, um mit dem Ka­ talysator einen Restabbau auf praktisch Null zu erreichen. Wird nun bei einem plasmachemischen Abbau nur ein Teil der Kohlenwasserstoffe abgebaut, so können einerseits manche Mo­ leküle vollständig zu CO₂ und H₂O oxidiert worden sein und an­ dererseits auch Moleküle teilweise oxidiert, d. h. in andere Kohlenwasserstoffmoleküle umgewandelt worden sein. Aus gesät­ tigten Kohlenwasserstoffen (Paraffinen) werden so Olefine und Aromate mit einem höheren C/H-Verhältnis oder sauerstoffhal­ tige Aldehyde, Alkohole, Ether und Ketone.

Eine weitere Vervollkommung des Verfahrens wird dadurch erreicht, daß die elektrische Gasentladung im Sinne einer An­ regung von ungesättigten Kohlenwasserstoffmolekülen, d. h. mit mindestens einer Doppelbindung zweier Kohlenstoffatome (Olefine) gesteuert wird. Die beschriebene Doppelbindung wird z. B. durch Wasserstoffabstraktion gebildet. Die metastabil angeregten Kohlenwasserstoffmoleküle mit Doppelbindung zweier Kohlenstoffatome haben eine ausreichend lange Lebensdauer, um im Katalysator eine erhöhte Reaktivität zur Wirkung zu bringen, mit der die Anspringtemperatur des Katalysators gesenkt werden kann. Der Energiemehraufwand für dieses Ver­ fahren ist wegen der zusätzlichen Absenkung der Anspringtem­ peratur durch die metastabil angeregten Gasmoleküle geringer, als mit einem elektrisch beheizten Katalysator, bei dem nur die Aufheizzeit abgesenkt werden kann, nicht aber die An­ springtemperatur.

Das Verfahren kann vorteilhafter Weise so durchgeführt werden, daß die elektrische Gasentladung im Sinne eines Ab­ baus eines vorbestimmten Schadstoffanteils durchgeführt wird, wobei ein hoher Anteil instabiler Moleküle aus unvollständi­ ger Zersetzung gebildet wird. Infolgedessen ist es möglich, von allen Schadstoffen nur einen vorbestimmten Anteil abzubauen, und zwar derart, daß sich ein hoher Anteil instabiler Moleküle ergibt. Durch Vorbestimmung des Schadstoffanteils kann das Verfahren im Sinne der Optimierung gemäß obiger Aufgabenstellung durchgeführt werden.

Des weiteren kann es vorteilhaft sein, das Verfahren so durchzuführen, daß die elektrische Gasentladung einen hohen Anteil solcher Kohlenwasserstoffmoleküle und -radikale im Ab­ gas erzeugt, die eine niedrigere Anspringtemperatur für eine katalytische Umsetzung besitzen, als Kohlenmonoxid oder als der restliche Abgasanteil. Es findet eine Auswahl unter den Kohlenwasserstoffen statt, um die oben für Kohlenwasserstoffe allgemein beschriebene Optimierung weiter zu verfeinern.

Für Verfahren zum Reinigen von Abgas mit einem einem Ka­ talysator strömungsmäßig vorgeordneten Plasmamodul ist es zu bevorzugen, wenn ein Katalysator mit einer niedrigen An­ springtemperatur für ungesättigte oder teiloxidierte Kohlen­ wasserstoffe verwendet wird. Hierdurch wird auch eine katalysatorseitige Anpassung des Verfahrens im Sinne einer Optimie­ rung der Abgasreinigung erreicht.

Das Verfahren wird anhand zweier in der Zeichnung darge­ stellter Diagramme erläutert.

Fig. 1 zeigt eine zeitliche Abhängigkeit des Verlaufs der Konzentration von Kohlenwasserstoffen, und

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Konzentration von Kohlenmo­ noxid in zeitlicher Abhängigkeit.

In beiden Fig. 1, 2 ist die Zeit t über die X-Achse darge­ stellt. Die Y-Achse zeigt in Fig. 1 die Konzentration von Koh­ lenwasserstoffen HC und in Fig. 2 die Konzentration von Koh­ lenmonoxid CO. Bei beiden Schadstoffen ergibt sich nach dem Motorstart zunächst ein erster Berg, nach dem sich ein im we­ sentlichen zeitlich konstanter Wert 20 bzw. 30 einstellt, falls ohne Katalysator und ohne Plasma verfahren wird.

Wenn ein Katalysator verwendet wird, überschreitet die­ ser nach seinem Aufheizen durch das Abgas zu einem bestimmten Zeitpunkt 11 bzw. t₀ eine Anspringtemperatur T₀. Die dann einsetzende katalytische Wirkung führt dazu, daß die Konzen­ tration der Kohlenwasserstoffe HC und die Konzentration des Kohlenmonoxids CO entsprechend den dargestellten Verläufen 21 und 31 auf Null abgebaut wird.

Es ist nun festgestellt worden, daß die elektrische Gas­ entladung, sofern ein Verfahren unter Verwendung dieser elek­ trischen Gasentladungen, aber ohne Einsatz eines Katalysa­ tors durchgeführt wird, die Konzentration von Kohlenwasser­ stoffen um eine etwa konstante Differenz 22 zu mindern ver­ mag, wenn das Plasma während der Zeit t zugeschaltet bleibt.

Im Vergleich dazu bleibt die Konzentration von Kohlenmo­ noxid CO im Rahmen der Meßgenauigkeit unbeeinflußt, wie der Kurvenverlauf 32 zeigt. Aus dem Kurvenverlauf ist zu ersehen, daß ein vollständiger Abbau der Schadstoffe des Abgases ohne Katalysator zu keinem Zeitpunkt erreicht wird. Auch bei Ein­ satz eines Katalysators zusammen mit einer Gasentladung ist zu erwarten, daß ein vollständiger Abbau von Schadstoffen im Abgas nicht vor dem Zeitpunkt 11 bzw. t₀ herbeigeführt werden kann.

Es wurde angestrebt, mittels eines kombinierten Verfah­ rens, also einer instabilen Anregung eines vorbestimmten An­ teils von Kohlenwasserstoffmolekülen mittels elektrischer Gasentladung und katalytischer Reinigung, Einfluß auf den An­ springzeitpunkt eines Katalysators zum Abbau von Schadstoffen zu nehmen. Kohlenmonoxid CO nimmt bereits zum Zeitpunkt 13 gemäß Verlauf 33 den Wert Null an, während HC zu einem noch früheren Zeitpunkt 12 gemäß Verlauf 23 den Wert Null annimmt. Nach der Zeit 13 wird die Gasentladung nicht mehr benötigt, um die Schadstoffe vollständig abzubauen. Überraschenderweise führt die Anregung von Kohlenwasserstoffmolekülen zu einem früheren Anspringen der katalytischen Wirkung für Kohlen­ wasserstoffe. Der Katalysator hat jedoch noch nicht die ohne Plasma erforderliche Anspringtemperatur erreicht. Hinter dem Katalysator wird daher noch eine signifikante CO-Konzentra­ tion gemessen. Auch wäre der Katalysator im Falle eines Ab­ schaltens des Plasmas nicht aktiv, d. h. auch Kohlenwasser­ stoffe würden wieder emittiert. In dieser zweiten Phase kann die elektrische Leistung für die Gasentladung jedoch bereits heruntergeregelt werden. Denn die Aufheizung des Katalysators schreitet dennoch aufgrund der Wärmezufuhr des heißen Abgases vom Motor und aufgrund der Reaktionswärme beim Schadstoffab­ bau fort. Würde man die elektrische Gasentladung zwischen den Zeiten 12 und 13 abschalten, so käme es zu einem erneuten An­ stieg von Kohlenwasserstoff HC auf den Wert 20 der Rohkonzen­ tration, d. h. wie mit dem Katalysator alleine.

Bei den vorausgegangenen Darlegungen wurde vorausge­ setzt, daß ein Plasmamodul zur Erzeugung einer Barrierenentladung eingesetzt wird, wie auch ein Katalysator mit einem mit Edelmetall beschichteten wabenförmigen keramischen Trä­ ger. Das Plasmamodul ist dem Katalysator strömungsmäßig vor­ geordnet und beide haben eine solchen geringen Abstand von­ einander, daß instabil angeregte Gasmoleküle aus dem Plasma­ modul mit dem Abgas in den Katalysator strömen, dabei also ihren Anregungszustand nicht außerhalb des Katalysators ver­ lieren, sondern erst im Zusammenwirken mit Bauteilen des Ka­ talysators.

Mißt man die Schadstoffemission bei der vorbeschriebenen Anordnung, jedoch mit abgeschalteter Hochspannungsversorgung des Plasmamoduls, so findet man zu Beginn unmittelbar nach dem Kaltstart des Motors einen Schadstoffverlauf, der im we­ sentlichen mit der Rohemission des Motors übereinstimmt. Die Adsorption und die Desorption im Katalysator verursachen ge­ wisse zeitliche Verschiebungen in den Signalen vor dem Plas­ mamodul und hinter dem Katalysator. Es ergeben sich jedoch in den ersten Minuten im wesentlichen identische Schadstoffmas­ sen für Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasserstoffe HC. Erst nach einer von der Motorlast abhängigen Zeit t₀ beginnen die nach dem Katalysator gemessenen Konzentrationen der Schadstoffe gegenüber der Rohemission abzufallen. Nach der Zeit t₀ hat zumindest ein Teil des Katalysators die Anspringtemperatur überschritten und der Schadstoffabbau nimmt bei fortschrei­ tender Aufheizung des Katalysators durch die Abgase weiter zu.

Wird der vorbeschriebene Kaltstart des Motors mit der gleichen Motorlast durchgeführt, zusätzlich jedoch mit einer elektrischen Gasentladung, die als Barrierenentladung mit ei­ ner elektrischen Leistung von einigen hundert Watt und in der vorbeschriebenen räumlich nahen Zuordnung des Plasmamoduls und des Katalysators betrieben wird, so ergeben die hinter dem Katalysator erfolgenden Messungen geringere Schadstoff­ werte. Die CO-Konzentration beginnt gegenüber der Rohemission bereits nach einer Zeit t₁ bzw. 13 abzufallen, die bis zur Hälfte der Anspringzeit t₀ bei abgeschalteter Gasentladung beträgt. Ein ähnliches Verhalten könnte auch durch elektri­ sche Beheizung des Katalysators mit entsprechender Leistung von einigen hundert Watt erreicht werden.

Überraschend ist jedoch, daß die Konzentration der Koh­ lenwasserstoffe HC nach einer Zeit t₂ bzw. 12 auf Null gefal­ len ist, die deutlich kürzer ist, als es der Anspringzeit t₀ entspricht. Das ist deswegen überraschend, weil eine Messung der Kohlenwasserstoffkonzentration hinter der Gasentladung jedoch vor dem Katalysator ergibt, daß bei gleichen Beding­ ungen nur ein Abbau der Kohlenwasserstoffe auf etwa die Hälf­ te der Rohkonzentration stattgefunden hat. Es ist also ledig­ lich ein vorbestimmter Anteil von weniger als 70% der gesam­ ten Kohlenwasserstoffe des Abgases durch die elektrische Gas­ entladung direkt abgebaut worden.

Obwohl die Summe des Abbaus von Schadstoffen durch die Barrierenentladung und den Katalysator gemäß den einzelnen Messungen vor dem Anspringen des Katalysators wesentlich ge­ ringer ist, ergibt sich durch das vorbeschriebene Verfahren mit wirkungsmäßiger Kopplung des Plasmamoduls und des Kataly­ sators in Hintereinanderschaltung eine Wirkungsgradsteige­ rung. Das Verfahren beschleunigt nicht nur die Aufheizung des Katalysators durch thermische Energie im Plasmamodul, sondern es erfolgt auch eine Aktivierung insbesondere der Kohlenwas­ serstoffmoleküle, so daß eine katalytische Umsetzung von Ab­ gas bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen stattfin­ det. Die Anspringtemperatur des Katalysators wird überra­ schenderweise gesenkt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Reinigen von Abgas, insbesondere Abgas von Verbrennungsmotoren, das einer elektrischen Gasentladung unterworfen wird und in Kontakt mit katalytischem Mate­ rial gelangt, wobei ein die elektrische Gasentladung be­ wirkendes Plasmamodul einem das katalytische Material aufweisenden Katalysator (4) in einem solchen Abstand strömungsmäßig vorgeordnet verwendet wird, daß instabil angeregte Gasmoleküle mit dem Abgas in den Katalysa­ tor (4) strömen, nach DE 100 09 730.8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrische Gasentladung im Sinne ei­ ner instabilen Anregung eines vorbestimmten Anteils von Kohlenwasserstoffmolekülen durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Anteil weniger als 70% der gesamten Kohlenwasserstoffmoleküle des Abgases sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrische Gasentladung im Sinne ei­ ner Anregung von Kohlenwasserstoffmolekülen mit minde­ stens einer Doppelbindung zweier Kohlenstoffatome ge­ steuert wird.

4. Verfahren zum Reinigen von Abgas, insbesondere nach Anspruch 1, nach DE 100 09 730.8 dadurch gekennzeich­ net, daß die elektrische Gasentladung im Sinne eines Ab­ baus eines vorbestimmten Schadstoffanteils durchgeführt wird, wobei ein hoher Anteil instabiler Moleküle aus un­ vollständiger Zersetzung gebildet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Gas­ entladung einen holen Anteil solcher Kohlenwasserstoff­ moleküle und -radikale im Abgas erzeugt, die eine nie­ drigere Anspringtemperatur für eine katalytische Um­ setzung besitzen, als Kohlenmonoxid oder als der restli­ che Abgasanteil.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator mit einer niedrigen Anspringtemperatur für ungesättigte oder teiloxidierte Kohlenwasserstoffe verwendet wird.