DE10353313B4 - Device and method for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides contained in an exhaust gas of an internal combustion engine - Google Patents
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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
Die noch nicht veröffentlichte Druckschrift
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
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:
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In
In
Die Verbrennungsabgase, die im Brennraum
Der Auslass der Wasserstoff-Erzeugungseinrichtung
Die Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung
Im Bereich der Zeichnungsebene ist die Ausnehmung als Reaktionsbereich
Wird der Schalter
Durch eine Drift der Ionen auf die Gegenelektrode
Die Brennkraftmaschine
Wenn Ammoniak erzeugt werden soll, wird dem Brennraum
If ammonia is to be generated, the
Der Schalter
Das Stickstoffmonoxid NO und ein ebenfalls noch vorhandener Restsauerstoff O2 gelangen von der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung
In dem in
Anstelle des in
Der in
Um die Stickstoffmonoxid-Produktmenge, die von der Stickstoffmonoxid-Erzeugungseinrichtung
Eine Variante einer Brennkraftmaschine
Bei dem in
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