DE10353313B4 - Device and method for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides contained in an exhaust gas of an internal combustion engine - Google Patents

Device and method for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides contained in an exhaust gas of an internal combustion engine Download PDF

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Abstract

Eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion der in einem Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide umfasst eine Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung, die einen Plasmagenerator (34) umfasst. Eine Ammoniak-Erzeugungseinrichtung verwendet das erzeugte Stickstoffmonoxid, und eine Abgas-Reduktionseinrichtung reduziert die im Abgas enthaltenen Stickoxide mittels des erzeugten Ammoniaks. Es wird vorgeschlagen, dass der Plasmagenerator (34) der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung einen Luft- oder Abgaskanal mit einem Reaktionsbereich (38) umfasst, der auf einer Schmalseite mindestens eine Elektrode (40) und auf einer gegenüberliegenden Schmalseite mindestens eine Gegenelektrode (42) aufweist, wobei die Elektroden (40, 42) so ausgebildet sind, dass bei Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung zwischen den Elektroden (40, 42) eine koronastabilisierte Funkenentladung stattfindet.A device for selective catalytic reduction of the nitrogen oxides contained in an exhaust gas of an internal combustion engine comprises a nitrogen monoxide production device comprising a plasma generator (34). An ammonia generating device uses the generated nitrogen monoxide, and an exhaust gas reducing device reduces the nitrogen oxides contained in the exhaust gas by means of the generated ammonia. It is proposed that the plasma generator (34) of the nitrogen monoxide generating device comprises an air or exhaust gas channel with a reaction region (38) having at least one electrode (40) on one narrow side and at least one counterelectrode (42) on an opposite narrow side, wherein the electrodes (40, 42) are formed so that upon application of a corresponding electrical voltage between the electrodes (40, 42) takes place a corona-stabilized spark discharge.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion der in einem Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide, mit einer Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung, die einen Plasmagenerator umfasst, mit einer Ammoniak-Erzeugungseinrichtung, die das erzeugte Stickstoffmonoxid verwendet, und mit einer Abgas-Reduktionseinrichtung, welche im Abgas enthaltene Stickoxide mittels des erzeugten Ammoniaks reduziert.The invention relates firstly to an apparatus for the selective catalytic reduction of the nitrogen oxides contained in an exhaust gas of an internal combustion engine, with a nitrogen monoxide production device comprising a plasma generator, with an ammonia generating device which uses the nitrogen monoxide produced, and with an exhaust gas reduction device which In the exhaust gas contained nitrogen oxides reduced by means of the generated ammonia.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 199 22 961 A1 bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung umfasst einen Stickoxid-Reduktionskatalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von im emittierten Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxiden. Dabei wird als Reduktionsmittel Ammoniak verwendet.A device of the type mentioned is from the DE 199 22 961 A1 known. The device described therein comprises a nitrogen oxide reduction catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides contained in the emitted exhaust gas of the internal combustion engine. In this case, ammonia is used as the reducing agent.

Die noch nicht veröffentlichte Druckschrift DE 102 58 185 A1 zeigt darüber hinaus ein Verfahren zur Erzeugung von Ammoniak an Bord eines Kraftfahrzeuges, das auf einem Plasmaverfahren zur Erzeugung von NOx basiert.The not yet published publication DE 102 58 185 A1 also shows a method of generating ammonia on board a motor vehicle based on a plasma process for producing NOx.

Um den Ammoniak oder ein Vorläuferprodukt, beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung, nicht beispielsweise in einem Tank bereithalten zu müssen, ist der Reduktionseinrichtung eine Ammoniak-Erzeugungseinrichtung vorgeschaltet, die den benötigten Ammoniak unter anderem aus Stickstoffmonoxid erzeugt, welches von einer Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung bereitgestellt wird. Die Erzeugung des Ammoniaks erfolgt durch eine Synthesereaktion von Wasserstoff und Stickstoffmonoxid. Um eine ausreichende Menge an Stickstoffmonoxid bereitstellen zu können, umfasst die Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung einen Plasmagenerator, welcher das Stickstoffmonoxid durch plasmatechnische Oxidation von Stickstoff erzeugt. Dieser ist in einem dem Plasmagenerator zugeführten Luftstrom enthalten.In order not to have to store the ammonia or a precursor product, for example a urea-water solution, in a tank, for example, the reduction device is preceded by an ammonia production device which generates the required ammonia, inter alia, from nitrogen monoxide, which is provided by a nitrogen monoxide production device becomes. The production of the ammonia takes place by a synthesis reaction of hydrogen and nitrogen monoxide. In order to be able to provide a sufficient amount of nitrogen monoxide, the nitrogen monoxide production device comprises a plasma generator which generates the nitrogen monoxide by plasma-technical oxidation of nitrogen. This is contained in an air stream supplied to the plasma generator.

Eine andere Art der Erzeugung des für die selektive katalytische Reduktion erforderlichen Ammoniaks ist in der DE 199 03 533 A1 beschrieben. Dort wird auf eine separate Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung verzichtet. Stattdessen umfasst die Ammoniak-Erzeugungseinrichtung selbst einen Plasmagenerator, der nach dem Koronaprinzip arbeitet. Dem Plasmagenerator wird ein fettes Abgasgemisch der Brennkraftmaschine zugeführt.Another way of producing the ammonia required for the selective catalytic reduction is in the DE 199 03 533 A1 described. There is no need for a separate nitric oxide generating device. Instead, the ammonia generator itself comprises a plasma generator operating on the corona principle. The plasma generator is fed to a rich exhaust gas mixture of the internal combustion engine.

Bekannt ist ferner der Artikel ”Design considerations for corona-stabilized repetitive switches”, Applied Physics 32 (1999), 790–797, J. A. Harrower, S. J. MacGregor; F. A. Tuema, in dem eine besondere Ausgestaltung eines nach dem Prinzip der koronastabilisierten Funkenentladung arbeitenden Schalters beschrieben wird.Also known is the article "Design considerations for corona-stabilized repetitive switches", Applied Physics 32 (1999), 790-797, J.A. Harrower, S.J. MacGregor; F. A. Tuema, in which a special embodiment of a working on the principle of coronasized spark discharge switch is described.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass das für die selektive katalytische Reduktion erforderliche Ammoniak mit möglichst hoher Effizienz, das heißt mit möglichst geringem Energiebedarf, erzeugt werden kann.The present invention has the object of developing a device of the type mentioned so that the required for the selective catalytic reduction of ammonia with the highest possible efficiency, that is, with the lowest possible energy consumption, can be generated.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Plasmagenerator der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung einen Luft- oder Abgaskanal mit einem Reaktionsbereich umfasst, der auf einer Schmalseite mindestens eine Elektrode und auf einer gegenüberliegenden Schmalseite mindestens eine Gegenelektrode aufweist, wobei die Elektroden so ausgebildet sind, dass bei Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung zwischen den Elektroden eine koronastabilisierte Funkenentladung stattfindet.This object is achieved in a device of the type mentioned above in that the plasma generator of the nitrogen monoxide generating means comprises an air or exhaust duct having a reaction region having on a narrow side at least one electrode and on an opposite narrow side at least one counter electrode, wherein the electrodes are formed so that when a corresponding electrical voltage between the electrodes a corona-stabilized spark discharge takes place.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Ein nach dem Prinzip der koronastabilisierten Funkenentladung arbeitender Plasmagenerator erzeugt auch aus Umgebungsluft das für die Synthesereaktion erforderliche Stickstoffmonoxid aufgrund der hohen möglichen Repetitionsraten mit sehr hoher Effizienz. Für die Effizienz der Stickstoffmonoxid-Erzeugung ist wesentlich, dass die Luft oder das Abgas sehr schnell aufgeheizt, insbesondere aber dass die aufgeheizte Luft beziehungsweise das aufgeheizte Abgas auch wieder äußerst schnell ”abgeschreckt” werden. Temperaturgradienten in der Größenordnung von 106 bis 108 K/s sind sehr günstig, da bei derartigen Gradienten der Stickstoffmonoxid-Zerfall kinetisch gehemmt wird.A plasma generator operating on the principle of corona-stabilized spark discharge also generates from ambient air the nitrogen monoxide required for the synthesis reaction because of the high possible repetition rates with very high efficiency. For the efficiency of nitrogen monoxide production is essential that the air or the exhaust gas heated very quickly, but in particular that the heated air or the heated exhaust gas are again very quickly "quenched". Temperature gradients in the order of 10 6 to 10 8 K / s are very favorable, since in such gradients of the nitrogen monoxide decomposition is kinetically inhibited.

Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen koronastabilisierten Funkenentladung wird ein elektrischer Energiespeicher innerhalb einiger Mikrosekunden entladen. Diese kurze Entladungsdauer ermöglicht vor allem die für die Stickstoffmonoxid-Bildung erforderlichen Temperaturgradienten (”Quenchraten”) im Bereich von 108 K/s. Bei koronastabilisierten Funkenentladungen kann darüber hinaus ein vergleichsweise großer Abstand zwischen den Elektroden (”Entladungsspaltabstand”) realisiert werden. Dies gestattet die Aufheizung und Abkühlung vergleichsweise großer Gasvolumina, was ebenfalls die Effizienz bei der Stickstoffmonoxid-Erzeugung erhöht.In the case of the corona-stabilized spark discharge provided according to the invention, an electrical energy store is discharged within a few microseconds. Above all, this short discharge duration makes it possible to achieve the temperature gradients ("quench rates") in the range of 10 8 K / s required for the formation of nitrogen monoxide. In the case of corona-stabilized spark discharges, moreover, a comparatively large distance between the electrodes ("discharge gap distance") can be realized. This allows the heating and cooling of comparatively large volumes of gas, which also increases the efficiency of nitric oxide production.

Die Zündung der Entladung erfolgt mit Hilfe scharfer Spitzen auf den Elektroden, die eine Feldüberhöhung hervorrufen. An diesen Spitzen startet die Funkenentladung mit Hilfe einer koronastabilisierten Entladung. Aufgrund der großen Entladungsspaltabstände erfolgt eine vergleichsweise rasche Wiederverfestigung des Entladungsspaltes. Dieser Effekt ermöglichst hohe Repetitionsfrequenzen und dabei, bei geringem Energieeintrag, eine hohe Umwandlungsrate hin zu Stickstoffmonoxid.The ignition of the discharge takes place by means of sharp points on the electrodes, which cause a field elevation. At these tips starts the spark discharge with the help of a corona-stabilized discharge. Due to the large discharge gap distances, a comparatively rapid reconsolidation of the discharge gap takes place. This effect allows high repetition frequencies and, with low energy input, a high conversion rate to nitric oxide.

Somit ergibt sich insgesamt als Vorteil gegenüber dem Stand der Technik vor allem eine Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Stickstoffmonoxid-Erzeugung und damit eine Wirkungsgradverbesserung der gesamten Prozesskette der Ammoniakerzeugung. In der Folge kann der Kraftstoffmehrverbrauch für die Ammoniakerzeugung und letztlich für die gesamte Abgasnachbehandlung insbesondere bei Magermotoren, welcher für die selektive katalytische Reduktion erforderlich ist, reduziert werden.Thus, an overall advantage over the prior art is, above all, an improvement in the efficiency of nitrogen monoxide production and thus an improvement in the efficiency of the entire ammonia production process chain. As a result, the additional fuel consumption for the production of ammonia and ultimately for the entire exhaust aftertreatment can be reduced, in particular for lean burn engines, which is required for the selective catalytic reduction.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are specified in subclaims.

Zunächst wird vorgeschlagen, dass der Reaktionsbereich einen Querschnitt aufweist, dessen Breite mindestens ungefähr das Fünffache seiner Höhe beträgt. Ein derartiger schmaler Spalt gestattet einen großen Volumenstrom bei gleichzeitiger Ausbildung eines Plasmas in einem großen Bereich des Querschnitts.First, it is proposed that the reaction area has a cross section whose width is at least about five times its height. Such a narrow gap allows a large volume flow while forming a plasma in a large area of the cross section.

Der Wirkungsgrad bzw. die Ausbeute wird verbessert, wenn der Plasmagenerator eine Mehrzahl von Reaktionsbereichen aufweist.The efficiency is improved when the plasma generator has a plurality of reaction areas.

Dabei baut der Plasmagenerator klein, wenn die Reaktionsbereiche sternförmig angeordnet sind.In this case, the plasma generator builds small when the reaction areas are arranged in a star shape.

Die Ausgestaltung des Plasmagenerators ist vergleichsweise einfach, wenn die radial innen liegenden Elektroden mit einem gemeinsamen Zentralleiter verbunden sind. Analog hierzu können auch die radial außen liegenden Elektroden mit einem gemeinsamen Ringleiter verbunden sein. Grundsätzlich denkbar ist aber auch, einzelne Reaktionsbereiche ab- beziehungsweise zuschaltbar zu machen, um so die Leistung des Plasmagenerators an die momentanen Erfordernisse anpassen zu können.The design of the plasma generator is comparatively simple if the radially inner electrodes are connected to a common central conductor. Analogously, the radially outer electrodes can also be connected to a common ring conductor. In principle, however, it is also conceivable to deactivate or switch on individual reaction areas so as to be able to adapt the power of the plasma generator to the current requirements.

Die Herstellung des Plasmagenerators wird vereinfacht, wenn der Reaktionsbereich durch eine Ausnehmung in einem Gehäuse gebildet ist, welches aus einem Isolator hergestellt ist.The manufacture of the plasma generator is simplified when the reaction region is formed by a recess in a housing made of an insulator.

Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nochmals deutlich verbessert, wenn der in dem stickstoffmonoxidhaltigen Produktgasgemisch, welches von der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung erzeugt wird, enthaltene Restsauerstoff reduziert wird. Daher wird vorgeschlagen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Reaktionseinrichtung umfasst, die zwischen der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung und der Ammoniak-Erzeugungseinrichtung angeordnet ist und in der der Restsauerstoff, der in jenem Gasstrom enthalten ist, der aus der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung austritt, zusammen mit Wasserstoff verbrannt wird.The efficiency of the device according to the invention is again significantly improved if the residual oxygen contained in the nitrogen monoxide-containing product gas mixture which is produced by the nitrogen monoxide generating device is reduced. Therefore, it is proposed that the apparatus of the present invention includes a reaction device disposed between the nitrogen monoxide production device and the ammonia production device, and in which the residual oxygen contained in the gas flow exiting the nitrogen monoxide generation device is burned together with hydrogen becomes.

Alternativ hierzu ist es aber auch möglich, dass der Auslass der Stickstzoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung mit dem Einlass eines Brennraums der Brennkraftmaschine verbunden ist, den zeitweise ein fettes Kraftstoff-Luftgemisch zugeführt wird. Diese Ausgestaltung ist insgesamt preiswerter.Alternatively, however, it is also possible for the outlet of the nitrogen oxide monoxide generating device to be connected to the inlet of a combustion chamber of the internal combustion engine to which a rich fuel-air mixture is temporarily supplied. This embodiment is cheaper overall.

Wie eingangs ausgeführt worden ist, ist für die Stickoxidreduktion durch den Ammoniak Wasserstoff erforderlich. Dieser kann in dem für einen hohen Wirkungsgrad der Stickoxidreduktion erforderlichen Umfange durch eine Wasserstoff-Erzeugungseinrichtung erzeugt werden, deren Einlass mit dem Auslass eines Brennraums der Brennkraftmaschine verbunden ist, dem zeitweise ein fettes Kraftstoff-Luftgemisch zugeführt wird. Alternativ kann der Wasserstoff auch mittels einer partiellen Oxidationsreformierung (POX) sowie über Kohlenstoffmonoxid mittels Shiftkatalysatoren hergestellt werden.As stated at the outset, hydrogen is required for the nitrogen oxide reduction by the ammonia. This can be generated in the required for a high efficiency of nitrogen oxide reduction scope by a hydrogen generating device whose inlet is connected to the outlet of a combustion chamber of the internal combustion engine to which a rich fuel-air mixture is temporarily supplied. Alternatively, the hydrogen can also be prepared by means of a partial oxidation reforming (POX) and via carbon monoxide by means of shift catalysts.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion der in einem Abgas eine Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide mittels einer Vorrichtung der oben genannten Art. Besonders hoch ist der Wirkungsgrad bzw. die Ausbeute dann, wenn die Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung mit einer Repetitionsfrequenz von mindestens 5 kHz betrieben wird. Dies ist nur bei einer koronastabilisierten Funkenentladung möglich.The invention also relates to a method for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides contained in an exhaust gas by means of a device of the type mentioned above. The efficiency or yield is particularly high when the nitrogen monoxide generating device is operated at a repetition frequency of at least 5 kHz becomes. This is only possible with a corona-stabilized spark discharge.

Noch weiter gesteigert werden kann der Wirkungsgrad bzw. die Ausbeute dann, wenn die Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung getriggert mit einer Repetitionsfrequenz von mindestens 10 kHz betrieben wird.The efficiency or the yield can be increased even further when the nitrogen monoxide generating device is triggered and operated at a repetition frequency of at least 10 kHz.

Ferner arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren dann mit besonders hohem Wirkungsgrad, wenn die Energiemenge eines Ladekondensator so eingestellt wird, dass die Temperatur des Gases im Reaktionsbereich im Bereich von ungefähr 3300 K bis 3700 K, vorzugsweise im Bereich von ungefähr 3450 K bis 3550 K, liegt.Furthermore, the method according to the invention operates with particularly high efficiency when the amount of energy of a charging capacitor is adjusted such that the temperature of the gas in the reaction region is in the range from about 3300 K to 3700 K, preferably in the range from about 3450 K to 3550 K.

Eine einfache Einstellung einer gewünschten Stickstoffmonoxid-Produktmenge ist durch eine Variation der Repetitionsfrequenz und/oder der Anzahl der Entladungsfunken möglich.A simple adjustment of a desired amount of nitrogen monoxide product is possible by varying the repetition frequency and / or the number of discharge sparks.

Zeichnung drawing

Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:Hereinafter, particularly preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. In the drawing show:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion der in einem Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxide; 1 a schematic representation of a device for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides contained in an exhaust gas of an internal combustion engine;

2 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung einer herkömmlichen Funkenentladung; 2 a schematic diagram of a device of a conventional spark discharge;

3 eine Prinzipdarstellung einer Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung, welche nach dem Prinzip der koronastabilisierten Funkenentladung arbeitet; 3 a schematic diagram of a nitrogen monoxide generating device, which operates on the principle of corona-stabilized spark discharge;

4 eine alternative Ausführungsform einer Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung; und 4 an alternative embodiment of a nitrogen monoxide production device; and

5 eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion. 5 an alternative embodiment of a device for selective catalytic reduction.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

In 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Zylinder mit entsprechenden Brennräumen 12a bis 12d. Verbrennungsluft wird den Brennräumen 12a bis 12d über ein Ansaugrohr 14 zugeführt. Kraftstoff gelangt in die Brennräume 12a bis 12d über den Brennräumen 12a bis 12d individuell zugeordnete Injektoren, welche in der Figur jedoch nicht dargestellt sind. Die Brennkraftmaschine 10 arbeitet also mit Kraftstoff-Direkteinspritzung.In 1 an internal combustion engine carries the reference numeral 10 , It comprises four cylinders with corresponding combustion chambers in the present embodiment 12a to 12d , Combustion air is the combustion chambers 12a to 12d via an intake pipe 14 fed. Fuel enters the combustion chambers 12a to 12d over the combustion chambers 12a to 12d individually assigned injectors, which are not shown in the figure. The internal combustion engine 10 works with direct fuel injection.

In 1 ist ferner ein Abgassystem 16 der Brennkraftmaschine 10 dargestellt. Es umfasst ein Abgasrohr 18, welches die bei der Verbrennung entstehenden Abgase aus den Brennräumen 12a bis 12c abführt. Das Abgasrohr 18 führt zu einer Abgas-Reduktionseinrichtung 20. Bei dieser handelt es sich vorliegend um einen Stickoxid-Reduktionskatalysator. Auf dessen Funktion wird weiter unten noch im Detail eingegangen werden.In 1 is also an exhaust system 16 the internal combustion engine 10 shown. It includes an exhaust pipe 18 , which releases the combustion gases from the combustion chambers 12a to 12c dissipates. The exhaust pipe 18 leads to an exhaust gas reduction device 20 , This is in the present case a nitrogen oxide reduction catalyst. Its function will be discussed in detail below.

Die Verbrennungsabgase, die im Brennraum 12d erzeugt werden, werden über ein separates Abgasrohr 22 abgeleitet. Dieses führt zu einer Wasserstoff-Erzeugungseinrichtung 24, bei der es sich beispielsweise um einen 3-Wege- oder einen Oxidationskatalysator handeln kann. Denkbar wäre auch, dass die Wasserstoff-Erzeugungseinrichtung 24 nach dem Prinzip der partiellen Oxidationsreformierung (POX) arbeitet oder Shiftkatalysatoren enthält. Auch die Funktion der Einrichtung 24 wird weiter unten näher erläutert.The combustion gases in the combustion chamber 12d be generated, via a separate exhaust pipe 22 derived. This leads to a hydrogen generating device 24 , which may be, for example, a 3-way or an oxidation catalyst. It would also be conceivable that the hydrogen generating device 24 works according to the principle of partial oxidation reforming (POX) or contains shift catalysts. Also the function of the device 24 will be explained in more detail below.

Der Auslass der Wasserstoff-Erzeugungseinrichtung 24 ist mit einer Reaktionseinrichtung 26 verbunden, welche mit dem Auslass einer Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung 28 verbunden ist. Dieser wird wiederum über eine Leitung 30 Frischluft aus dem Ansaugrohr 14 zugeführt. Der Auslass der Reaktionseinrichtung 26 führt zu einer Ammoniak-Erzeugungseinrichtung 32, bei dem es sich beispielsweise um einen gängigen 3-Wege-Katalysator mit einem geeigneten Platin- und/oder Rhodium-Katalysatormaterial auf einem Aluminiumoxidträger handelt. Die Ammoniak-Erzeugungseinrichtung 32 ist wiederum mit der Abgas-Reduktionseinrichtung 20 verbunden.The outlet of the hydrogen generator 24 is with a reaction device 26 connected to the outlet of a nitrogen monoxide generator 28 connected is. This is in turn via a line 30 Fresh air from the intake pipe 14 fed. The outlet of the reaction device 26 leads to an ammonia generating device 32 which is, for example, a common 3-way catalyst with a suitable platinum and / or rhodium catalyst material on an alumina support. The ammonia generator 32 is again with the exhaust gas reduction device 20 connected.

Die Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung 28 umfasst einen Plasmagenerator 34, von dem eine mögliche Ausführungsform in 3 und eine andere mögliche Ausführungsform in 4 schematisch dargestellt ist. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform umfasst der Plasmagenerator 34 ein Gehäuse 36 aus einem elektrischen Isolator. In dem Gehäuse 36 ist eine sich senkrecht zur Zeichnungsebene durch das Gehäuse 36 hindurch erstreckende Ausnehmung vorhanden, die am einen Ende mit der Leitung 30 verbunden ist und deren anderes Ende zur Reaktionseinrichtung 26 führt.The nitric oxide generator 28 includes a plasma generator 34 of which a possible embodiment in 3 and another possible embodiment in 4 is shown schematically. At the in 3 In the embodiment shown, the plasma generator comprises 34 a housing 36 from an electrical insulator. In the case 36 is a perpendicular to the plane of the drawing through the housing 36 Through extending recess present at one end to the line 30 is connected and the other end to the reaction device 26 leads.

Im Bereich der Zeichnungsebene ist die Ausnehmung als Reaktionsbereich 38 mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Dessen Breite beträgt bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ungefähr das Fünfzehnfache seiner Höhe. An einer Schmalseite des Reaktionsbereichs 38 ist eine spitz zulaufende Elektrode 40 vorhanden, der auf der gegenüberliegenden Schmalseite eine im vorliegenden Fall ebenfalls spitz zulaufende Gegenelektrode 42 gegenüberliegt. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann diese Elektrode auch flächig sein. Die beiden Elektroden 40 und 42 sind niederinduktiv an die beiden Pole eines Hochspannungskondensators 44 angeschlossen, der seinerseits an eine Spannungsquelle 46 angeschlossen ist. Zwischen der Elektrode 40 und dem Hochspannungskondensator 44 ist ein Schalter 48 vorhanden.In the area of the drawing plane, the recess is a reaction area 38 formed with a rectangular cross-section. Its width is at the in 3 embodiment shown approximately fifteen times its height. On a narrow side of the reaction area 38 is a tapered electrode 40 present, on the opposite narrow side in the present case also tapered counter electrode 42 opposite. In an embodiment not shown, this electrode may also be flat. The two electrodes 40 and 42 are low-inductance to the two poles of a high-voltage capacitor 44 connected in turn to a voltage source 46 connected. Between the electrode 40 and the high voltage capacitor 44 is a switch 48 available.

Wird der Schalter 48 geschlossen, kommt es zwischen den beiden Elektroden 40 und 42 zu einem vollständigen ”Funkendurchbruch”. Dabei entsteht zwischen den beiden Elektroden 40 und 42 ein leitfähiger Plasmakanal. Aufgrund der besonderen, nämlich spitz zulaufenden Gestaltung der beiden Elektroden 40 und 42 ergibt sich eine ”koronastabilisierte Funkenentladung”. Bei dieser handelt es sich um einen unvollständigen Funkendurchbruch in das stark inhomogene beziehungsweise divergente Feld in der Nähe der negativ geladenen Elektrode 40. Im Nahbereich lagern sich die Elektronen an Moleküle an, wobei eine negative Raumladung (Korona) entsteht, die das elektrische Feld so weit reduziert, dass sich die ”Streamer” (hierbei handelt es sich um einen Start-Plasmabereich mit hoher elektrischer Feldstärke) nicht mehr bis zur Gegenelektrode 42 fortsetzen können. Die negativen Ionen tragen zu einer Zustandsstabilisierung bei.Will the switch 48 closed, it comes between the two electrodes 40 and 42 to a complete "spark break". This results between the two electrodes 40 and 42 a conductive plasma channel. Due to the special, namely tapered design of the two electrodes 40 and 42 results in a "corona-stabilized spark discharge". This is an incomplete spark break in the highly inhomogeneous or divergent field near the negatively charged electrode 40 , in the At close range, the electrons attach themselves to molecules, creating a negative space charge (corona), which reduces the electric field so much that the "streamer" (this is a start plasma region with high electric field strength) no longer to the counter electrode 42 can continue. The negative ions contribute to a state stabilization.

Durch eine Drift der Ionen auf die Gegenelektrode 42 schließt sich der Stromkreis. Eine solche Entladung kann besonders gut mit Wechselstrom betrieben werden. Eine Anordnung, bei der keine derartige koronastabilisierte Funkenentladung, sondern ein normaler Funkendurchbruch beobachtet wird, ist zu Vergleichszwecken in 2 gezeigt.By a drift of the ions on the counter electrode 42 the circuit closes. Such a discharge can be operated particularly well with alternating current. An arrangement in which no such corona-stabilized spark discharge, but a normal spark break is observed, is for comparison purposes in 2 shown.

Die Brennkraftmaschine 10 und das Abgassystem 16 von 1 arbeiten, wenn die Stickstoffmonoxid-Erzeugseinrichtung 28 einen Plasmagenerator 34 entsprechend 3 umfasst, folgendermaßen:
Wenn Ammoniak erzeugt werden soll, wird dem Brennraum 12d eine erhöhte Kraftstoffmenge zugeführt, so dass in diesem ein vergleichsweise fettes Kraftstoff-Luftgemisch mit einer Luftzahl Lambda kleiner oder sogar deutlich kleiner 1 zugeführt wird. Das entsprechende fette Abgasgemisch wird über das Abgasrohr 22 der Wasserstoff-Erzeugungseinrichtung 24 zugeführt, in der Wasserstoff H2 erzeugt wird. Gleichzeitig wird über die Leitung 30 der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung 28 Ansaugluft zugeführt. Die frische Ansaugluft gelangt also in den Reaktionsbereich 38.
The internal combustion engine 10 and the exhaust system 16 from 1 work when the nitric oxide generator 28 a plasma generator 34 corresponding 3 includes, as follows:
If ammonia is to be generated, the combustion chamber 12d supplied an increased amount of fuel, so that in this a comparatively rich fuel-air mixture with an air ratio lambda less or even significantly less 1 is supplied. The corresponding rich exhaust gas mixture is via the exhaust pipe 22 the hydrogen generator 24 supplied, is generated in the hydrogen H 2 . At the same time, over the line 30 the nitric oxide generator 28 Intake air supplied. The fresh intake air thus enters the reaction area 38 ,

Der Schalter 48 wird über ein entsprechendes Triggersignal mit einer Frequenz von 5 bis 10 kHz angesteuert. Hierdurch ergeben sich zwischen den beiden Elektroden 40 und 42 koronastabilisierte Funkenentladungen mit Quenchraten von 106 bis 108 K/s. Der Hochspannungskondensator 44 ist so ausgelegt, dass das Plasma im Reaktionsbereich 38 eine Temperatur von ungefähr 3500 K aufweist. Diese Temperatur ist optimal, um mit hohem Wirkungsgrad aus der Umgebungsluft im Reaktionsbereich 38 Stickstoffmonoxid NO zu erzeugen.The desk 48 is controlled via a corresponding trigger signal with a frequency of 5 to 10 kHz. This results between the two electrodes 40 and 42 Corona-stabilized spark discharges with quench rates from 10 6 to 10 8 K / s. The high voltage capacitor 44 is designed so that the plasma in the reaction area 38 has a temperature of about 3500 K. This temperature is optimal to high efficiency from the ambient air in the reaction area 38 Nitric oxide NO to produce.

Das Stickstoffmonoxid NO und ein ebenfalls noch vorhandener Restsauerstoff O2 gelangen von der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung 28 zur Reaktionseinrichtung 26, in der der Restsauerstoff O2 mit in der Wasserstoff-Erzeugungseinrichtung 24 erzeugtem Wasserstoff H2 zu Wasser H2O verbrannt wird. Stickstoffmonoxid NO und Wasserstoff H2 gelangen von der Reaktionseinrichtung 26 zur Ammoniak-Erzeugungseinrichtung 32, in der diese beiden Stoffe zu Ammoniak NH3 reagieren. Der Ammoniak NH3 wird nun der Abgas-Reduktionseinrichtung 20 zugeführt, wo er die im Abgas enthaltenen Stickoxide NOx zu Stickstoff N2 und Wasser H2O reduziert.The nitrogen monoxide NO and also a residual oxygen O 2 still present arrive from the nitrogen monoxide generating device 28 to the reaction device 26 in which the residual oxygen O 2 is present in the hydrogen-producing device 24 produced hydrogen H 2 is burned to water H 2 O. Nitrogen monoxide NO and hydrogen H 2 pass from the reaction device 26 to the ammonia production facility 32 in which these two substances react to ammonia NH 3 . The ammonia NH 3 is now the exhaust gas reduction device 20 fed, where it reduces the nitrogen oxides NO x contained in the exhaust gas to nitrogen N 2 and water H 2 O.

In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Einrichtungen 20, 24, 26, 28, und 32 als jeweils voneinander separate Komponenten dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass diese Komponenten ohne weiteres auch in Baueinheiten zusammengefasst werden können. Auch ist denkbar, die Ammoniak-Erzeugungseinrichtung 32 nicht mit der Abgas-Reduktionseinrichtung 20, sondern einfach mit dem Abgasrohr 18 zu verbinden.In the in 1 embodiment shown are the facilities 20 . 24 . 26 . 28 , and 32 as each separate components shown. It is understood, however, that these components can be readily summarized in units. It is also conceivable, the ammonia generating device 32 not with the exhaust gas reduction device 20 but simply with the exhaust pipe 18 connect to.

Anstelle des in 3 gezeigten Plasmagenerators 34 kann in der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung auch der in 4 gezeigte Plasmagenerator 34 eingesetzt werden. Dabei sei darauf hingewiesen, dass in 4 solche Elemente und Bereiche, die äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen von 3 aufweisen, nicht nochmals im Detail erläutert sind und darüber hinaus die gleichen Bezugszeichen tragen.Instead of in 3 shown plasma generator 34 may also be in the nitrogen monoxide generating device in 4 shown plasma generator 34 be used. It should be noted that in 4 such elements and areas that have equivalent functions to elements and areas of 3 have, are not explained again in detail and also bear the same reference numerals.

Der in 4 gezeigte Plasmagenerator weist insgesamt zwölf Reaktionsbereiche 38 auf, von denen in 4 aus Darstellungsgründen nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Reaktionsbereiche 38 sind sternförmig um eine senkrecht zur Zeichnungsebene liegende Mittelachse angeordnet. Ihre radial innen liegenden Elektroden 40 sind mit einem gemeinsamen, koaxial zur Mittelachse verlaufenden Zentralleiter 50 verbunden. Die Gegenelektroden 42 von sechs Reaktionsbereichen 38 sind mit einem radial auswärts von den Reaktionsbereichen 38 angeordneten Ringleiter 52 verbunden. Die Gegenelektroden 42 der sechs anderen Reaktionsbereiche 38 sind mit einem weiteren, ebenfalls radial außerhalb der Rektionsbereiche 38 angeordneten Ringleiter 54 verbunden. Der eine Ringleiter 52 ist über einen Schalter 48a mit einem Hochspannungskondensator 44a, der andere Ringleiter 54 über einen Schalter 48b mit einem Hochspannungskondensator 44b verbindbar. Beide Hochspannungskondensatoren 44a und 44b sind mit der gleichen Spannungsquelle 46 verbunden. Die anderen beiden Pole der Hochspannungskondensatoren 44 sind mit dem Zentralleiter 50 verbunden.The in 4 shown plasma generator has a total of twelve reaction areas 38 on, of which in 4 for purposes of illustration only one is provided with a reference numeral. The reaction areas 38 are arranged in a star shape around a central axis perpendicular to the plane of the drawing. Your radially inner electrodes 40 are with a common, coaxial with the central axis extending central conductor 50 connected. The counter electrodes 42 of six reaction areas 38 are with a radially outward of the reaction areas 38 arranged ring conductor 52 connected. The counter electrodes 42 the six other reaction areas 38 are with another, also radially outside of the reaction areas 38 arranged ring conductor 54 connected. The one ring conductor 52 is over a switch 48a with a high voltage capacitor 44a , the other ring conductor 54 via a switch 48b with a high voltage capacitor 44b connectable. Both high voltage capacitors 44a and 44b are with the same voltage source 46 connected. The other two poles of high voltage capacitors 44 are with the central conductor 50 connected.

Um die Stickstoffmonoxid-Produktmenge, die von der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung 28 beziehungsweise dem Plasmagenerator 34 erzeugt wird, variieren zu können, können wahlweise 50% der Reaktionsbereiche 38 des Plasmagenerators 34 stillgelegt werden, indem im Betrieb der entsprechende Schalter 48a beziehungsweise 48b geöffnet bleibt. Darüber hinaus ist eine Variation der Stickstoffmonoxid-Produktmenge aber auch durch eine Änderung der Repetitionsfrequenz und/oder der Anzahl der Entladungsfunken möglich.To measure the amount of nitric oxide produced by the nitric oxide generator 28 or the plasma generator 34 can be varied, optionally 50% of the reaction areas 38 of the plasma generator 34 be shut down by the corresponding switch in operation 48a respectively 48b remains open. In addition, a variation of the amount of nitrogen monoxide product but also by a change in the repetition frequency and / or the number of discharge sparks is possible.

Eine Variante einer Brennkraftmaschine 10 und eines Abgassystems 16 ist in 5 gezeigt. Auch hier gilt, dass solche Elemente und Bereiche, die äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen von 1 aufweisen, die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht nochmals im Detail erläutert sind.A variant of an internal combustion engine 10 and an exhaust system 16 is in 5 shown. Again, such elements and areas that have equivalent functions to elements and areas of 1 have the same reference numerals and are not explained again in detail.

Bei dem in 5 gezeigten Abgassystem 16 wird auf eine Reaktionseinrichtung 26 verzichtet. Stattdessen wird das Produktgas, welches von der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung 28 erzeugt wird und welches noch einen unerwünscht hohen Anteil an Restsauerstoff O2 enthält, dem Brennraum 12d zugeführt, wo der Restsauerstoff O2 verbrannt wird.At the in 5 shown exhaust system 16 is on a reaction device 26 waived. Instead, the product gas that is produced by the nitric oxide generator 28 is generated and which still contains an undesirably high proportion of residual oxygen O 2 , the combustion chamber 12d fed, where the residual oxygen O 2 is burned.

Claims (14)

Vorrichtung (16) zur selektiven katalytischen Reduktion der in einem Abgas einer Brennkraftmaschine (10) enthaltenen Stickoxide, mit einer Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung (28), die einen Plasmagenerator (34) umfasst, mit einer Ammoniak-Erzeugungseinrichtung (32), die das erzeugte Stickstoffmonoxid verwendet, und mit einer Abgas-Reduktionseinrichtung (20), welche im Abgas enthaltene Stickoxide mittels des erzeugten Ammoniaks reduziert, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator (34) der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung (28) einen Luft- oder Abgaskanal mit einem Reaktionsbereich (38) mit rechteckigem Querschnitt umfasst, der auf einer Schmalseite mindestens eine Elektrode (40) und auf einer gegenüberliegenden Schmalseite mindestens eine Gegenelektrode (42) aufweist, wobei die Elektroden (40, 42) so ausgebildet sind, dass bei Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung zwischen den Elektroden (40, 42) eine koronastabilisierte Funkenentladung stattfindet.Contraption ( 16 ) for the selective catalytic reduction of in an exhaust gas of an internal combustion engine ( 10 ) containing nitrogen oxides, with a nitrogen monoxide generating device ( 28 ), which is a plasma generator ( 34 ), with an ammonia generating device ( 32 ) using the nitrogen monoxide produced, and with an exhaust gas reduction device ( 20 ), which reduces nitrogen oxides contained in the exhaust gas by means of the generated ammonia, characterized in that the plasma generator ( 34 ) of the nitrogen monoxide production device ( 28 ) an air or exhaust duct having a reaction area ( 38 ) having a rectangular cross-section, which has at least one electrode on a narrow side ( 40 ) and on an opposite narrow side at least one counter electrode ( 42 ), wherein the electrodes ( 40 . 42 ) are formed so that when applying a corresponding electrical voltage between the electrodes ( 40 . 42 ) a corona-stabilized spark discharge takes place. Vorrichtung (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbereich (38) einen Querschnitt aufweist, dessen Breite ungefähr das Fünffache seiner Höhe beträgt.Contraption ( 26 ) according to claim 1, characterized in that the reaction area ( 38 ) has a cross-section whose width is approximately five times its height. Vorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator (34) eine Mehrzahl von Reaktionsbereichen (38) aufweist.Contraption ( 16 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the plasma generator ( 34 ) a plurality of reaction areas ( 38 ) having. Vorrichtung (16) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsbereiche (38) sternförmig angeordnet sind.Contraption ( 16 ) according to claim 3, characterized in that the reaction areas ( 38 ) are arranged in a star shape. Vorrichtung (16) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innen liegenden Elektroden (40) mit einem gemeinsamen Zentralleiter (50) verbunden sind.Contraption ( 16 ) according to claim 4, characterized in that the radially inner electrodes ( 40 ) with a common central conductor ( 50 ) are connected. Vorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die radial außen liegenden Elektroden (42) mit einem gemeinsamen Ringleiter (52, 54) verbunden sind.Contraption ( 16 ) according to one of claims 4 to 5, characterized in that the radially outer electrodes ( 42 ) with a common ring conductor ( 52 . 54 ) are connected. Vorrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbereich durch eine Ausnehmung (38) in einem Gehäuse (36) gebildet ist, welches aus einem Isolator hergestellt ist.Contraption ( 16 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the reaction region through a recess ( 38 ) in a housing ( 36 ) is formed, which is made of an insulator. Vorrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Reaktionseinrichtung (26) umfasst, die zwischen der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung (28) und der Ammoniak-Erzeugungseinrichtung (32) angeordnet ist und in der Restsauerstoff, der in jenem Gasstrom enthalten ist, der aus der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung (28) austritt, zusammen mit Wasserstoff verbrannt wird.Contraption ( 16 ) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a reaction device ( 26 ) between the nitrogen monoxide production device ( 28 ) and the ammonia production facility ( 32 ) and in the residual oxygen contained in that gas stream coming from the nitrogen monoxide production device ( 28 ), is burned together with hydrogen. Vorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung (28) mit dem Einlass eines Brennraums (12d) der Brennkraftmaschine (10) verbunden ist, dem zeitweise ein fettes Kraftstoff-Luftgemisch zugeführt wird.Contraption ( 16 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the outlet of the nitrogen monoxide production device ( 28 ) with the inlet of a combustion chamber ( 12d ) of the internal combustion engine ( 10 ) is connected to the temporarily a rich fuel-air mixture is supplied. Vorrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Wasserstoff-Erzeugungseinrichtung (24) umfasst, deren Einlass mit dem Auslass eines Brennraums (12d) der Brennkraftmaschine (10) verbunden ist, dem zeitweise ein fettes Kraftstoff-Luftgemisch zugeführt wird.Contraption ( 16 ) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a hydrogen generating device ( 24 ) whose inlet communicates with the outlet of a combustion chamber ( 12d ) of the internal combustion engine ( 10 ) is connected to the temporarily a rich fuel-air mixture is supplied. Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion der in einem Abgas einer Brennkraftmaschine (10) enthaltenen Stickoxide mittels einer Vorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung (28) mit einer Repetitionsfrequenz von mindestens 5 kHz betrieben wird.Process for the selective catalytic reduction of an exhaust gas of an internal combustion engine ( 10 ) contained nitrogen oxides by means of a device ( 16 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the nitrogen monoxide production device ( 28 ) is operated at a repetition frequency of at least 5 kHz. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung (28) getriggert mit einer Repetitionsfrequenz von mindestens 10 kHz betrieben wird.Method according to claim 11, characterized in that the nitrogen monoxide production device ( 28 ) is triggered at a repetition frequency of at least 10 kHz. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiemenge eines Ladekondensators (44) so eingestellt wird, dass die Temperatur des Gases im Reaktionsbereich (38) im Bereich von ungefähr 3300 K bis 3700 K, vorzugsweise im Bereich von ungefähr 3450 K bis 3550 K, liegt.Method according to one of claims 11 to 12, characterized in that the amount of energy of a charging capacitor ( 44 ) is adjusted so that the temperature of the gas in the reaction region ( 38 ) in the range of about 3300 K to 3700 K, preferably in the range of about 3450 K to 3550 K. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung einer gewünschten Stickstoffmonoxid-Produktmenge die Repetitionsfrequenz und/oder die Anzahl der Entladungsfunken variiert werden/wird.Method according to one of claims 11 to 13, characterized in that for setting a desired amount of nitrogen monoxide product the repetition frequency and / or the number of discharge sparks is / will be varied.
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