DE102005019319A1

DE102005019319A1 - Verfahren zur Nachbehandlung von Abgas einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005019319A1
Application number: DE102005019319A
Authority: DE
Inventors: André HORN; Ulrich-Dieter Dr. Standt; Martina Dr. Gottschling
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2006-11-02

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst eine Nachbehandlung von Abgas einer Brennkraftmaschine mit einem Plasmareaktor, wobei im Plasmareaktor in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ein nicht-thermisches Plasma mittels dielektrisch behinderter Entladung durch Einkopplung einer elektrischen Leistung P¶M¶ erzeugt wird und vor der Einkopplung der elektrischen Leistung P¶M¶ und/oder bei einem vorgegebenen Betriebszustand des Plasmareaktors ein elektrischer Leistungsimpuls P¶I¶ mit P¶M¶ < P¶I¶ P¶max¶ zum Durchzünden des Plasmareaktors eingekoppelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung von Abgas einer Brennkraftmaschine mit einem Plasmareaktor, bei welchem in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ein nicht-thermisches Plasma mittels dielektrisch behinderter Entladung durch Einkopplung einer elektrischen Leistung P_M zum Zweck der Bildung oxidations- und/oder reduktionswirksamer Spezies im Abgas erzeugt wird.

Um zukünftige Schadstoffemissionsgrenzwerte für Verbrennungsmotoren zu erreichen, werden immer häufiger plasmachemische Methoden zur Abgasnachbehandlung in Betracht gezogen. Insbesondere kommen nichtthermische Atmosphärendruck-Gasentladungen wie die dielektrische Barrierenentladung, auch als dielektrisch behinderte Entladung bezeichnet, in Betracht, da diese die Temperaturgrenzen konventioneller aber auch innovativer katalytischer Methoden im Kaltstartbereich und für den Instationärbetrieb bei niedriger Teillast entscheidend erweitern können.

Kennzeichnend für eine dielektrische Barrierenentladung (BE) bzw. einen entsprechenden Reaktor ist das Vorhandensein mindestens einer Isolierstoffbarriere (Dielektrikum) im Gasraum zwischen zwei Elektroden. Das Dielektrikum erfüllt dabei im Wesentlichen den Zweck den Ladungsumsatz, die Entladungsdauer und die eingekoppelte Energiemenge pro Entladungsvorgang zu begrenzen. Somit wird das Auftreten von vielen statistisch verteilten Einzelentladungen bzw. Entladungsfilamente erzwungen. Aufgrund der kurzen Entladungszeit wird die eingebrachte elektrische Energie zum größten Teil von den Elektronen aufgenommen. Die Temperatur der schweren Teilchen und damit die Gastemperatur erhöht sich demgegenüber nur unwesentlich. Dieser Zustand wird in der Literatur als Nichtgleichgewichtsplasma oder auch als nicht-thermisches Plasma bezeichnet. Einzelentladungen entstehen, wenn beim Steigern der Spannung die Zündspannung der isolierten Elektrodenanordnung überschritten wird. Die dabei transportierten Ladungen sammeln sich auf dem Dielektrika an, so dass sich ein Feld aufbaut, dass dem ursprünglich erzeugten Feld entgegengerichtet ist und die Entladung nach wenigen Nanosekunden bis einigen 100 Nanosekunden wieder zum Erliegen kommt. Ein kontinuierlicher Reaktorbetrieb ist aus diesem Grund nur mit Wechselstrom oder gepulst möglich.

Ein solcher Reaktor kann dabei als Platten-, Koaxialrohr- oder als Festbettreaktor ausgeführt sein.

Die in den Entladungsfilamenten initiierten plasmachemischen Prozesse werden dadurch möglich, dass die Elektronen ihre Energie, die sie bei der Entladung erhalten, durch inelastische Stöße auf die Reaktanten übertragen. Dies geschieht umso effizienter, je genauer die mittlere Energie der Elektronen an den gewünschten Elektronenstoßprozess angepasst ist. Die gesamte plasmachemische Stoffwandlung basiert auf dem Zusammenspiel von drei grundlegenden Prozessen:

1. Elektronenstoßprozesse
2. Schwerteilchenreaktionen
3. photochemische Prozesse

In Barrierenentladungen können solche Prozesse genutzt werden um im motorischen Abgas direkt Schadstoffe umzusetzen oder oxidationsaktive (z.B. O₃, HO₂, NO₂) und reduzierende (z.B. NH_x) Radikale oder Verbindungen zu erzeugen, mit denen man anschließend weitere Schadstoffe konvertieren kann. Das Abgas einer Brennkraftmaschine besteht hauptsächlich aus Stickstoff, Sauerstoff (Otto-Magermotoren und Dieselmotoren), Kohlendioxid und Wasserdampf. Typischerweise enthält es aber auch Schadstoffe, wie z. B. unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickoxide und Ruß.

Für eine entsprechende plasmachemische Behandlung der Abgase werden diese durch den BE-Reaktor geführt. Synergieeffekte eines Plasmas im Abgasstrang zur Schadstoffreduzierung ergeben sich außerdem bei der Umsetzung von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden in Kombination mit Katalysator-Systemen und beim Abbau von Partikeln in Kombination mit einem Russfilter.

Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen zur Abgasnachbehandlung mit einem Plasmareaktor sind beispielsweise in der DE 101 42 800 A1 , DE 101 42 801 A1 , WO 03/026778, WO 00/21646 und US 5,746,984 beschrieben.

Die bekannten Plasmareaktoren weisen jedoch den Nachteil auf, dass diese nach Anlegen einer Spannung und bei Leistungsänderungen nicht gleichmäßig zünden. Zwischen dem Hochfahren und dem Herunterfahren der eingekoppelten Leistung gibt es eine Hysterese bezüglich der Homogenität der Plasmaverteilung im Plasmareaktor. Dieser Effekt verzögert eine schnelle Bereitstellung eines homogenen Plasmas und verringert damit die Effektivität der direkten Schadstoffkonvertierung im Plasmareaktor oder der Erzeugung von gewünschten reduktiven und oxidationsaktiven Verbindungen wie beispielsweise Stickstoffdioxid, Ozon und teiloxidierte Kohlenwasserstoffe für eine nachfolgende Abgasnachbehandlung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Abgasnachbehandlung mit einem Plasmareaktor zu verbessern.

Die Lösung gelingt mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst eine Nachbehandlung von Abgas einer Brennkraftmaschine mit einem Plasmareaktor. Das Abgas wird zumindest durch einen Plasmareaktors geführt, wobei im Plasmareaktor in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ein nicht-thermisches Plasma mittels dielektrisch behinderter Entladung durch Einkopplung einer elektrischen Leistung P_M zur Bildung von oxidations- und/oder reduktionswirksamen Spezies im Abgas erzeugt wird und vor der Einkopplung der elektrischen Leistung P_M und/oder bei einem vorgegebenen Betriebszustand des Plasmareaktors ein elektrischer Leistungsimpuls P_I mit P_M < P_I ≤ P_max (P_max = maximal in den Plasmareaktor einkoppelbare Leistung) in den Plasmareaktor eingekoppelt wird. Bei der Erzeugung des Leistungsimpulses P_I wird der Plasmareaktor „durchgezündet". Ein Durchzünden erfolgt vorzugsweise durch eine vollständige Bestromung des Plasmareaktors durch Anlegen einer maximaler Spannung U_I an die Elektroden des Plasmareaktors, für die vergleichbar zum Leistungsimpuls gilt U_I < U_max (U_max = maximal Betriebsspannung des Reaktors).

Bei der Bildung von oxidations- und/oder reduktionswirksamen Spezies im Abgas erfolgt eine direkte Schadstoffkonvertierung in unkritische Bestandteile, beispielsweise eine Reduktion von NO zu N₂: N + NO → N₂ + O und/oder eine Oxidation von CO, HC und Ruß: CO + O → CO₂ HC + O → CO₂ + H₂O C + 2O → CO₂ und/oder es entstehen reaktive Zwischenprodukte für eine anschließende Abgasnachbehandlung, beispielsweise: O₂ + O + M ↔ O₃ + M NO + O → NO₂.

Weiterhin können auch teiloxidierte Kohlenwasserstoffe wie Aldehyde als Zwischenprodukte entstehen.

Beim Einkoppeln des Leistungsimpuls P_I wird kurzzeitig, insbesondere für bis zu 10 Sekunden, eine relativ hohe elektrische Leistung, insbesondere eine Leistung in einem Bereich zwischen 30% bis 90% der maximalen Leistung des Plasmareaktors P_max in den Plasmareaktorraum, d.h. in den Bereich oder in die Spalten zwischen den Elektroden des Plasmareaktors eingekoppelt. Dabei ist die Dauer und Höhe des Leistungsimpulses P_I vorzugsweise so bemessen, dass ein vollständiges Bestromen und damit „Durchzünden" des gesamten Plasmareaktorraums oder aller Spalte des Reaktorbereichs erfolgt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt eine schnelle Bereitstellung eines homogenen Plasmas zur Abgasnachbehandlung mit einem Plasmareaktor durch ein einmaliges Durchzünden aller Reaktorbereiche vor dem eigentlichen Start des Reaktorbetriebs zur Abgasnachbehandlung oder nach einer längeren Betriebsphase des Plasmareaktors mit sehr geringer Leistung oder niedriger Temperatur. Beim Durchzünden sinkt die Zündspannung in allen Reaktorbereichen auf ein vergleichbares Niveau, so dass sich bei einem anschließenden Betrieb des Plasmareaktors eine gleichmäßige Verteilung der nichtthermischen Plasmen ergibt. Daraus resultiert eine Erhöhung des Anteils des behandelten Abgasvolumens und somit ein verbesserter Umsatz an Schadstoffen oder/und effektivere Bereitstellung aktiver Verbindungen wie z.B. Stickstoffdioxid oder Ozon.

Die Einkopplung des Leistungsimpuls P_I vor der Einkopplung der Leistung P_M erfolgt dabei vorzugsweise bei einer Inbetriebnahme des Plasmareaktors bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine und/oder bei einem Neustart des Plasmareaktors nach einer kurzen Betriebspause des Plasmareaktors während des Betriebs der Brennkraftmaschine. Eine Einkopplung des Leistungsimpuls P_I kann außerdem während des Reaktorbetriebes vorzugsweise nach einer längeren Phase des Betriebs des Plasmareaktors mit einer geringen Leistung unterhalb eines Schwellwertes P_S und/oder unterhalb eines Schwellwertes T_S der Abgastemperatur erfolgen.

Der Zeitpunkt für die Einkopplung der Leistung P_M sowie die Dauer und Höhe der einzukoppelnden elektrischen Leistung P_M für den Betrieb des Plasmareaktors werden vorzugsweise in Abhängigkeit von Abgasparametern, insbesondere aus der Temperatur und/oder dem Volumenstrom und/oder der Schadstoffkonzentration des Abgases ermittelt. Diese Abgasparameter können mittels entsprechender Messtechnik oder/und aus Abgaskennfeldern der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Eine nur von dem aktuellen Zustand der Brennkraftmaschine (Last und Drehzahl) abhängige Leistungseinkopplung ist ebenfalls denkbar.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens kann das Abgas zur besseren Konvertierung der Schadstoffe vor der Behandlung im Plasmareaktor in einen Oxidationskatalysator zur Oxidation von CO und/oder HC behandelt werden und/oder nach der Behandlung im Plasmareaktor in einem Katalysatorsystem zur weiteren Konvertierung von CO, HC und NO_x behandelt werden und/oder durch einen Partikelfilter geleitet werden zur Oxidation der Rußpartikel im Filter.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der folgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen dazu:
1 Verlauf der durch den Plasmareaktor in das Abgas eingekoppelten Leistung für Versuch 1 und Versuch 2
2 Umsatzverlauf für Stickoxide im Abgas während der Abgasbehandlung im Plasmareaktor für Versuch 1 und Versuch 2
3 Entladungsbilder des Plasmareaktors bei Versuch 1
4 Entladungsbilder des Plasmareaktors bei Versuch 2
5 Ausführungsformen eines Plasmareaktors
6 Verlauf der durch den Plasmareaktor in das Abgas eingekoppelten Leistung bei Inbetriebnahme, Teillast und Betriebspause des Plasmareaktors
In den in 1 bis 4 dargestellten Versuchen 1 und 2 wird ein erfindungsgemäßes Verfahren (Versuch 1) zur Abgasnachbehandlung mit einem Plasmareaktor einem Verfahren nach dem Stand der Technik (Versuch 2) gegenübergestellt. Die Brennkraftmaschine wurde bei beiden Versuchen über den gesamten Versuchszeitraum mit konstanter Drehzahl und Last betrieben, wobei das Abgas der Brennkraftmaschine während des gesamten Versuchszeitraum durch die Reaktorräume (Spalte) des Plasmareaktors geleitet wurden. Die maximal in den Plasmareaktor bzw. in den oder die Reaktorräume einkoppelbare Leistung P_max beträgt 1000 W.
Im Versuch 1 wird durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Elektroden des Plasmareaktors, wie in 1 gezeigt, als erstes ein Leistungsimpuls P_I von 700 W für 2 sec in die Reaktorräume eingekoppelt, wobei ein Durchzünden des Plasmareaktors erfolgt und anschließend eine Leistung P_M in einer ersten Stufe von 100 W, in einer zweiten Stufe von 125 W, in einer dritten Stufe von 175 W in einer vierten Stufe von 125 W und in einer fünften Stufe von 100 W über einen Zeitraum von 300 sec in die Reaktorräume eingekoppelt.
Im Versuch 2 wird, wie ebenfalls in 1 gezeigt, lediglich die Leistung P_M in analoger Weise zu Versuch 1 eingekoppelt.
Die während der Versuche 1 und 2 durchgeführten Messungen des Umsatzes an Stickoxiden im Abgas, dargestellt in 2, zeigen dass das erfindungsgemäße Verfahren nach Versuch 1 einen deutlich höheren Umsatz an Stickstoffmonoxid ermöglicht, als das Verfahren nach Versuch 2.
Eine Erklärung für den verbesserten Umsatz von Schadstoffen im Abgas im Versuch 1 geben die in den 3 und 4 gezeigten Entladungsbilder des Plasmareaktors gemäß des Leistungsverlaufs während der Versuchsdurchführung. Die in 3 gezeigten Entladungsbilder für den Versuch 1 zeigen, dass durch die vollständige Bestromung des Plasmareaktors beim Anfahren des Plasmareaktors eine homogenere Verteilung des Plasmas (in der dritten Stufe, P_M = 175 W) gegenüber Versuch 2, gezeigt in 4, über den gesamten Reaktorraum erreicht wird und die in Versuch 2 noch vorhandene Hysterese der Plasmaverteilung beim Hochfahren des Plasmareaktors (erste und zweite Stufe) und beim Herunterfahren des Plasmareaktors (vierte und fünfte Stufe) weitestgehend beseitigt ist, so dass eine reproduzierbare, weitestgehend homogene Zündung des Plasmareaktors in Versuch 1 realisiert wurde.
5 zeigt mögliche Ausführungsformen von Plasmareaktoren für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Plasmareaktoren sind mit mehreren Spalten (Reaktorräumen) ausgeführt. Bei der Einkopplung des Leistungsimpulses P_I werden vorzugsweise sämtliche Spalten eines Plasmareaktors durchgezündet. Vorzugsweise werden Koaxialreaktoren (a, b), Plattenreaktoren (c) oder Festbettreaktoren (d) verwendet.
6 zeigt beispielhafte Verläufe der durch den Plasmareaktor in das Abgas eingekoppelten Leistung bei einer Inbetriebnahme des Plasmareaktors, bei Betrieb des Plasmareaktors mit einer Teillast und bei einer Betriebspause des Plasmareaktors. Der Verlauf beim Betreiben des Plasmareaktors mit Teillast zeigt, dass beispielsweise bei Absinken der Leistung unterhalb des Schwellwertes P_S = 200 W für einen Zeitraum von 200 sec ein kurzzeitiger Leistungsimpuls P_I von 1000 W eingekoppelt wird, da nach einer längeren Betriebszeit des Plasmareaktors mit geringer Leistung ein „Durchzünden" des Plasmareaktors eine Verbesserung des Umsatzes bewirkt.

Claims

Verfahren zur Nachbehandlung von Abgas einer Brennkraftmaschine, bei welchem das Abgas zumindest einen Plasmareaktor durchläuft und bei welchem im Plasmareaktor in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ein nicht-thermisches Plasma mittels dielektrisch behinderter Entladung durch Einkopplung einer elektrischen Leistung P_M zur direkten Schadstoffkonvertierung und/oder Bildung von oxidations- und/oder reduktionswirksamen Spezies erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Einkopplung der elektrischen Leistung P_M und/oder bei einem vorgegebenen Betriebszustand des Plasmareaktors ein elektrischer Leistungsimpuls P_I mit P_M < P_I≤ der maximalen Leistung des Plasmareaktors P_max eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung des Leistungsimpuls P_I vor der Einkopplung der elektrischen Leistung P_M und bei dem Betriebszustand Inbetriebnahme des Plasmareaktors bei Kaltstart der Brennkraftmaschine erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung des Leistungsimpuls P_I vor der Einkopplung der elektrischen Leistung P_M und bei dem Betriebszustand Neustart des Plasmareaktors nach einer Betriebspause des Plasmareaktors während des Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung des Leistungsimpuls P_I bei dem Betriebszustand Betrieb des Plasmareaktors unterhalb eines Schwellwertes P_S der elektrischen Leistung für einen definierten Zeitraum t₁ und/oder Betrieb des Plasmareaktors unterhalb eines Schwellwertes T_S der Temperatur für einen definierten Zeitraum t₂ erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Plasmareaktor erforderliche einzukoppelnde elektrische Leistung P_M in Abhängigkeit von Abgasparametern ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgasparameter die Temperatur und/oder der Volumenstrom und/oder die Schadstoffkonzentration des Abgases erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasparameter aus Kennfeldern der Brennkraftmaschine ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Plasmareaktor erforderliche einzukoppelnde elektrische Leistung P_M in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand des Motors ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsimpuls P_I in einem Bereich zwischen 30% bis 90% der maximalen Leistung des Plasmareaktors P_max eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Plasmareaktor durch oxidationswirksame Spezies Stickstoffdioxid und/oder Ozon und/oder teiloxidierte Kohlenwasserstoffe erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Plasmareaktor durch reduktiv wirksame Spezies Ammoniak erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Plasmareaktor oxidationswirksame Spezies, insbesondere O, OH, HO₂, erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Plasmareaktor direkt verbrennungstypische Schadstoffe, insbesondere Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Partikel, behandelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Plasmareaktor reduktiv wirkende Spezies, insbesondere N, H, erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des im Plasmareaktor erzeugten Stickstoffdioxid und/oder Ozon und/oder teiloxidierte Kohlenwasserstoffe und/oder Ammoniak in einem nachgeschaltetem Schadstoffrückhaltesystem, insbesondere in einem Katalysatorsystem und/oder Partikelfilter, reaktiv umgesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ein Teil der im Abgas enthaltenen Schadstoffe vor dem Durchlaufen des Plasmareaktors in einem Oxidations-Katalysator oxidiert werden.