DE102009054175A1

DE102009054175A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von in einem Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen

Info

Publication number: DE102009054175A1
Application number: DE200910054175
Authority: DE
Inventors: Van-Khanh Tran
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2009-11-21
Filing date: 2009-11-21
Publication date: 2011-05-26

Abstract

Bei einem Verfahren zur Umwandlung von in einem von einer Brennkraftmaschine erzeugten Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen wird elektromagnetische Strahlung in den Abgasstrom eingebracht. Es wird eine derartige elektromagnetische Strahlung verwendet, dass die Entstehung eines Plasmas verhindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von in einem von einer Brennkraftmaschine erzeugten Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der US 5,782,085 oder der DE 199 10 553 C1 sind gattungsgemäße Verfahren und dafür angepasste Vorrichtungen bekannt. Hierbei wird ein reaktives, stickstoffhaltiges Plasma mit Hochdruck in den Abgasstrom eingespeist, um die beim Verbrennungsprozess in den Brennräumen entstehenden Schadstoffe zu beseitigen bzw. umzuwandeln. Die Erzeugung des Plasmas erfolgt durch elektromagnetische Hochfrequenzfelder bzw. durch gepulste Mikrowellenstrahlung. Diese bekannten Verfahren und die dafür eingesetzten Vorrichtungen erfordern jedoch einen sehr hohen Aufwand zur Erzeugung des Plasmas, was insbesondere bei in Kraftfahrzeugen eingesetzten Brennkraftmaschinen mit sehr hohen Kosten verbunden ist, die einen Einsatz dieser Technik in der Serienfertigung unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht möglich machen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von in einem von einer Brennkraftmaschine erzeugten Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen zu schaffen, welches mit einfachen Mitteln durchführbar ist und eine hohe Effizienz aufweist. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens soll einen möglichst einfachen Aufbau besitzen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß wird also eine elektromagnetische Strahlung verwendet, die kein Plasma erzeugt, wodurch ein erheblich geringerer Energieaufwand erforderlich ist, um die in dem Abgasstrom noch enthaltenen Kohlenwasserstoffketten aus nicht vollständiger Verbrennung zu cracken bzw. zu durchbrechen und damit eine Verbrennungsreaktion auszulösen, welche zu einer Zersetzung der in dem Abgasstrom enthaltenen Schadstoffe führt. Beispielsweise werden bei dem Verfahren CO, HC und NO_x in CO₂, H₂O und N₂ umgewandelt. Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ablaufende Vorgang erfordert eine im Vergleich zu bekannten Lösungen geringe Abgastemperatur und damit nur einen geringen Energieaufwand und führt zu einer vollständigen Nachverbrennung der durch die unvollständige Verbrennung im Brennraum der Brennkraftmaschine entstandenen Schadstoffe, sodass gegebenenfalls auf einen Katalysator verzichtet werden kann.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als elektromagnetische Strahlung Mikrowellenstrahlung verwendet wird. Die Verwendung einer Mikrowellenstrahlung hat sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich des erwünschten Aufbrechens der Kohlenwasserstoffketten erwiesen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 5. Diese Vorrichtung kann einen sehr einfachen Aufbau aufweisen und ist sehr gut zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
In einer konstruktiv sehr einfachen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung wenigstens einen Wellenleiter aufweist, der so an einer mit der Brennkraftmaschine verbundenen Abgasleitung angebracht ist, dass er in der Lage ist, die elektromagnetische Strahlung in die Abgasleitung einzuleiten.
Wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass der wenigstens eine Wellenleiter in einem Winkel von 20–85° gegenüber der Längsachse der Abgasleitung derart angeordnet ist, dass die elektromagnetische Strahlung in Gegenrichtung zu dem Abgasstrom in die Abgasleitung eingebracht wird, so gelangt die elektromagnetische Strahlung in den Bereich, in dem der Abgasstrom noch eine verhältnismäßig hohe Temperatur aufweist, so dass die beschriebenen Reaktionen besser ablaufen können. Des weiteren wird auf diese Weise eine Reflektion der elektromagnetischen Strahlung zurück zu dem Wellenleiter verhindert und es wird sichergestellt, dass sich die elektromagnetische Strahlung in dem Abgasstrom ausbreiten kann.
Wenn in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass wenigstens zwei um den Umfang der Abgasleitung versetzt angeordnete Wellenleiter vorgesehen sind, welche in Richtung der Längsachse der Abgasleitung hintereinander angeordnet sind, so wird die Verbreitung der elektromagnetischen Strahlung innerhalb des Abgasstroms noch weiter verbessert.
Um die Temperatur des Abgasstroms zu erhöhen und somit die Bedingungen zum Ablaufen der beschriebenen Reaktionen zu verbessern, kann außerdem vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung des Abgasstroms vor der Einrichtung zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung eine Einrichtung zum Erhöhen der Temperatur des Abgasstroms angeordnet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine detaillierte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1; und
3 einen Schnitt nach der Linie III-III aus 2.
1 zeigt in einer sehr schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine 1, welche im vorliegenden Fall vier Zylinder 2 aufweist. Selbstverständlich könnte die Brennkraftmaschine 1 auch jede andere Anzahl an Zylindern 2 aufweisen. Die Brennkraftmaschine 1 ist mit einem Luftansaugsystem 3 verbunden, welches jeweilige, zu jedem der Zylinder 2 führende Ansaugleitungen 4 aufweist. Die bei dem in den Zylindern 2 der Brennkraftmaschine 1 ablaufenden Verbrennungsprozess entstehenden Abgase werden durch ein Abgassystem 5 von derselben abgeführt, welches einen sehr schematisch dargestellten Abgaskrümmer 6 und eine die Abgase aus sämtlichen Abgaskrümmern 6 vereinigende Abgas führende Leitung bzw. Abgasleitung 7 aufweist.
Um die in den von der Brennkraftmaschine 1 erzeugten, über die Abgasleitung 7 abgeführten Abgasstrom enthaltenen Schadstoffe in weniger schädliche Stoffe umzuwandeln, ist eine Vorrichtung 8 vorgesehen, welche dazu dient, elektromagnetische Wellen bzw. elektromagnetische Strahlung in den Abgasstrom einzubringen. Die Vorrichtung 8 weist eine Einrichtung 9 zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung und eine Einrichtung 10 zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung in den Abgasstrom auf, die in 1 beide in einer sehr schematischen Darstellung zu erkennen sind. Die Einrichtung 9 zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung kann von an sich bekannter Bauart sein, weshalb nachfolgend nicht näher auf dieselbe eingegangen wird. Die Einrichtung 10 zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung in den Abgasstrom ist in 2 detaillierter dargestellt und weist gemäß dieser Ausführungsform zwei Wellenleiter 11 auf, die so an der Abgasleitung 7 angebracht sind, dass sie in der Lage sind, die elektromagnetische Strahlung in die Abgasleitung 7 einzuleiten und somit den Abgasstrom mit der elektromagnetischen Strahlung zu beaufschlagen. Im vorliegenden Fall sind beide Wellenleiter 11 in einem Winkel α von ca. 45° gegenüber der mit ”x” bezeichneten Längsachse der Abgasleitung 7 angeordnet, was jedoch als rein beispielhaft anzusehen ist. Beispielsweise könnten die beiden Wellenleiter 11 auch unterschiedliche Winkel aufweisen. Dabei ist die Ausrichtung der Wellenleiter 11 derart, dass die elektromagnetische Strahlung mittels der Wellenleiter 11 in Gegenrichtung zu der mit dem Pfeil ”A” bezeichneten Strömungsrichtung des Abgasstroms in die Abgasleitung 7 eingebracht wird, um den Abgasstrom in dem Bereich mit der elektromagnetischen Strahlung zu beaufschlagen, in dem derselbe eine hohe Temperatur aufweist. Wie des weiteren zu erkennen ist, sind die beiden Wellenleiter 11 um den Umfang der Abgasleitung 7 versetzt zueinander und in Richtung der Längsachse x bzw. in Strömungsrichtung A des Abgasstroms hintereinander angeordnet. Dadurch wird eine sehr gute Verteilung der durch die Wellenleiter 11 in den Abgasstrom eingeleiteten elektromagnetischen Strahlung erreicht. Wie in 3 erkennbar ist, sind die beiden Wellenleiter 11 im vorliegenden Fall um einen Winkel β von 180° zueinander versetzt angeordnet. Selbstverständlich könnten die Wellenleiter 11 auch um einen anderen Winkel zueinander versetzt angeordnet sein und es wäre auch möglich, eine andere Anzahl an Wellenleitern 11 vorzusehen und diese beispielsweise in gleichmäßigen Abständen voneinander um den Umfang der Abgasleitung 7 versetzt zueinander anzuordnen. In diesem Zusammenhang kann durch die Ausgestaltung einer nicht dargestellten, an der der Abgasleitung 7 zugewandten Seite des Wellenleiters 11 sich befindlichen Linse der Abstrahlwinkel der von dem Wellenleiter 11 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung verändert und damit die Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung in die Abgasleitung 7 beeinflusst werden.
In Strömungsrichtung A des Abgasstroms ist innerhalb der Abgasleitung 7 vor der Einrichtung 10 zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung, im vorliegenden Fall also vor den beiden Wellenleitern 11, eine Einrichtung 12 zum Erhöhen der Temperatur des Abgasstroms angeordnet, welche vorzugsweise als elektrisches Heizgitter 12a ausgebildet ist und insbesondere beim Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 erforderlich sein kann, um günstige Bedingungen für das nachfolgend beschriebene, mit der Vorrichtung 8 durchgeführte Verfahren zu schaffen. Statt als Heizgitter 12a könnte die Einrichtung 12 zum Erhöhen der Temperatur beispielsweise auch als mit Kraftstoff betriebener Brenner ausgebildet sein, wobei durch die Ausgestaltung als Heizgitter 12a eine sehr hohe Effizienz erreicht werden kann.
Mit der beschriebenen Vorrichtung 8 ist es möglich, die in dem Abgasstrom enthaltenen Schadstoffe in weniger schädliche Stoffe umzuwandeln, beispielsweise werden CO, HC und NO_x in CO₂, H₂O und N₂ umgewandelt. Hierbei ist die in den Abgasstrom eingeleitete elektromagnetische Strahlung in der Lage, die restlichen Kohlenwasserstoffe im Abgas zu durchbrechen bzw. zu cracken. Dabei wird eine derartige elektromagnetische Strahlung verwendet, dass die Entstehung eines Plasmas verhindert wird. Vorzugsweise handelt es sich um Mikrowellenstrahlung, die vorzugsweise in Form von mehreren Impulsen mit einer kurzen Zeitdauer in den Abgasstrom eingebracht wird. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Impulsen mit einer Impulsdauer von 1 ns bis 2 ms und einem Impulsabstand von 100 ns bis 2 ms erwiesen. Die zur Einbringung der Mikrowellenstrahlung in den Abgasstrom aufgenommene Leistung kann zwischen 1 kW bis 70 kW betragen. Das Durchbrechen der Kohlenwasserstoffketten führt dann zu einer Verbrennungsreaktion, die auch als ”kalte Zündung” bezeichnet werden kann und die eine vollständige Nachverbrennung der in den Brennräumen der Brennkraftmaschine 1 nicht vollständig abgeschlossenen Verbrennung mit sich bringt.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Wellenleiter 11 der Abgasleitung 7 zugeordnet, es wäre jedoch auch möglich, jedem einzelnen der Zylinder 2 eine Einrichtung 10 zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung in den Abgasstrom mit einem oder mehreren Wellenleitern 11 zuzuordnen, die dann beispielsweise an dem Abgaskrümmer 6 angebracht sein könnten. Bei einer solchen Anordnung der Wellenleiter 11 im Bereich des Abgaskrümmers 6, die aufgrund der höheren Temperatur der Abgase innerhalb des Abgaskrümmers 6 sogar effektiver sein könnte als die dargestellte Anordnung, sollte das Einbringen der elektromagnetischen Strahlung auf das Öffnen und Schließen der jedem einzelnen der Zylinder 2 zugeordneten Auslassventile abgestimmt sein, wohingegen bei der Anordnung der Wellenleiter 11 an der Abgasleitung 7 durch die unterschiedlichen Zündzeitpunkte der einzelnen Zylinder 2 stets ein Abgasstrom vorhanden ist. Auch die Schaffung einer Kammer in der Abgasleitung 7 und das Anbringen der Wellenleiter 11 an der Kammer derart, dass die elektromagnetische Strahlung zu dem die Kammer durchströmenden Abgasstrom gelangt, wäre denkbar.
Die Einrichtung 9 zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung kann gegebenenfalls auch für eine Zündung des in die Brennräume der Zylinder 2 eingeleiteten Kraftstoff-Luft-Gemischs eingesetzt werden, so dass im Falle einer sogenannten Mikrowellenzündung ein und dieselbe Einrichtung 9 sowohl für die Zündung als auch für die Abgasnachbehandlung verwendet werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5782085 [0002]
DE 19910553 C1 [0002]

Claims

Verfahren zur Umwandlung von in einem von einer Brennkraftmaschine erzeugten Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen, wobei elektromagnetische Strahlung in den Abgasstrom eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine derartige elektromagnetische Strahlung verwendet wird, dass die Entstehung eines Plasmas verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromagnetische Strahlung Mikrowellenstrahlung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstrahlung in Form von mehreren Impulsen mit einer kurzen Zeitdauer und einer Leistung von 1 kW bis 70 kW eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulse mit einer Impulsdauer von 1 ns bis 2 ms und einem Abstand der Impulse von 100 ns bis 2 ms eingebracht wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit wenigstens einer Einrichtung (9) zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung und mit wenigstens einer Einrichtung (10) zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung in den Abgasstrom.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einrichtung (10) zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung wenigstens einen Wellenleiter (11) aufweist, der so an einer mit der Brennkraftmaschine (1) verbundenen Abgasleitung (7) angebracht ist, dass er in der Lage ist, die elektromagnetische Strahlung in die Abgasleitung (7) einzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wellenleiter (11) in einem Winkel von 20–85° gegenüber der Längsachse (x) der Abgasleitung (7) derart angeordnet ist, dass die elektromagnetische Strahlung in Gegenrichtung zu dem Abgasstrom in die Abgasleitung (7) eingebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei um den Umfang der Abgasleitung (7) versetzt angeordnete Wellenleiter (11) vorgesehen sind, welche in Richtung der Längsachse (x) der Abgasleitung (7) hintereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (A) des Abgasstroms vor der Einrichtung (10) zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung eine Einrichtung (12) zum Erhöhen der Temperatur des Abgasstroms angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (12) zum Erhöhen der Temperatur des Abgasstroms als elektrisches Heizgitter (12a) ausgebildet ist.