DE19610137A1 - Vehicle exhaust cleaner using electrical discharge - Google Patents

Vehicle exhaust cleaner using electrical discharge

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Abstract

Installation for cleaning vehicle exhaust gases by means of electrical discharges across two electrodes with an intervening dielectric layer. To prevent deposition of a conductive layer, the dielectrically effective electrode is covered by a liquid film with insulating properties.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Abgas­ reinigung, insbesondere zur Verwendung bei Kraftfahrzeug-Motoren, mit einem Reaktor zur Zersetzung von Schadstoffen auf der Basis einer dielektrisch behinderten Entladung, wozu im Reaktor wenigstens zwei einander gegenüberliegende Elek­ troden, zwischen welchen eine zeitlich veränderliche Spannung anliegt, und wenigstens eine dielektrische Barriere in Form einer Beschichtung einer der Elektroden vorhanden sind.The invention relates to a device for exhaust gas cleaning, in particular for use in motor vehicle engines, with a reactor for the decomposition of pollutants on the basis of a dielectric barrier discharge, for what in the reactor at least two opposite elec tread between which a time-varying voltage is present, and at least one dielectric barrier in the form a coating of one of the electrodes is present.

In der DE 42 31 581 A wird ein Reaktor zur Abgasreinigung auf der Basis dielektrisch behinderter Entladung beschrieben, der aus wenigstens zwei gegenüberliegenden Elektroden, zwischen welchen eine zeitlich veränderliche Spannung anliegt, be­ steht. Dabei dient entweder der gesamte Bereich zwischen den Elektroden oder Teile davon als Entladungsstrecke. In der Entladungsstrecke befindet sich mindestens eine dielektrische Barriere, wobei wenigstens eine Oberfläche der dielektrischen Barriere der Entladungsstrecke zugewandt ist.DE 42 31 581 A discloses a reactor for exhaust gas purification the basis of dielectric barrier discharge, the of at least two opposite electrodes, between which is subject to a time-varying voltage, be stands. Either the entire area between the serves Electrodes or parts thereof as a discharge path. In the There is at least one dielectric discharge path Barrier, wherein at least one surface of the dielectric Barrier facing the discharge route.

Das vorbekannte Verfahren und die zugehörige Vorrichtung wer­ den in der nicht vorveröffentlichten DE 19 525 754 A mit zu­ gehörigen Grundlagenüberlegungen vervollständigt. Insbeson­ dere wird dort gezeigt, daß einzelne Entladungsfilamente ent­ stehen. Damit sich die Entladungsfilamente statistisch auf der Oberfläche der Entladungsstrecke ausbilden, muß die Ober­ fläche der der Entladungsstrecke zugewandten Seite der die­ lektrischen Barriere eine geringe elektrische Leitfähigkeit besitzen.The known method and the associated device who the in the unpublished DE 19 525 754 A with proper fundamental considerations completed. In particular which is shown there that individual discharge filaments ent stand. So that the discharge filaments statistically form the surface of the discharge gap, the upper area of the side facing the discharge gap electrical barrier has low electrical conductivity have.

Wenn mit den vorbeschriebenen Reaktoren Abgase gereinigt wer­ den, welche Kohlenwasserstoffe enthalten, so kann es durch die Entladung und die damit einhergehenden plasmachemischen Reaktionen auch zur teilweisen Zersetzung dieser Verbindungen kommen. Dadurch wird unter anderem elementarer Kohlenstoff freigesetzt. Dieser kann sich gegebenenfalls auf der Ober­ fläche der dielektrischen Barriere niederschlagen und erhöht daher deren Oberflächenleitfähigkeit. Somit kann es bei län­ geren Betriebszeiten zu Ausfällen des Entladungsreaktors kom­ men, da sich nur noch ein einziger Entladungsfilament pro Entladungsstrecke ausbildet, welches dann die gesamte der Entladungsstrecke zugewandte Oberfläche des Dielektrikums mit der Gegenelektrode kurzschließt. Speziell bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere mit Dieselmotoren, können die motorischen Abgase weiterhin Ruß enthalten, wodurch eben­ falls die Bildung von leitfähigen Schichten auf den Oberflä­ chen der dielektrischen Barrieren möglich ist.If exhaust gases are cleaned with the above-described reactors which contain hydrocarbons, it can by the discharge and the associated plasma chemical Reactions also for the partial decomposition of these compounds  come. This makes elemental carbon, among other things released. If necessary, this can be on the upper surface of the dielectric barrier and increased hence their surface conductivity. So it can shorter operating times to failures of the discharge reactor com men, since there is only one discharge filament per Discharge path forms, which then the entire Discharge path facing surface of the dielectric with the counter electrode shorts. Especially when using in motor vehicles, especially with diesel engines the engine exhaust continues to contain soot, which means if the formation of conductive layers on the surface Chen the dielectric barriers is possible.

In der Praxis können die vorstehend beschriebenen unter­ schiedlichen Effekte auch kombiniert auftreten. In IEEE Trans. Plasma Sci. 20, 1 (1992), Seiten 1 bis 12 wird daher vorgeschlagen, obige Probleme dadurch zu vermeiden, daß man die Elektroden und den Entladungsraum senkrecht aufstellt und in den Entladungsraum von oben Öltröpfchen einbringt, welche durch die Entladung in feinere Tröpfchen vernebelt werden. Dadurch sollen insbesondere die im Abgas bereits vorhandenen und auch die noch entstehenden Kohlenstoffpartikel gebunden und deren Ablagerung auf den Elektroden erschwert werden. Die Partikel werden dabei in einem am Boden des Reaktionsraumes befindlichen Ölsumpf gesammelt und sollen über einen Ölfilter eliminiert werden.In practice, those described above can be found under different effects also occur in combination. In IEEE Trans. Plasma Sci. 20, 1 (1992), pages 1 to 12 is therefore proposed to avoid the above problems by: sets up the electrodes and the discharge space vertically and brings oil droplets into the discharge space from above, which can be atomized into finer droplets by the discharge. As a result, those already present in the exhaust gas should in particular and also bind the carbon particles that are still formed and their deposition on the electrodes are difficult. The Particles become in one at the bottom of the reaction space located oil sump and are supposed to go through an oil filter be eliminated.

Ausgehend von vorstehendem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine weitere Möglichkeit anzugeben, mit der das Unwirksamwerden einer dielektrischen Oberflächenschicht verhindert werden kann.Starting from the above prior art, it is a task the invention to provide another way with the ineffectiveness of a dielectric surface layer can be prevented.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Ver­ hinderung der Ausbildung einer Schicht mit Oberflächenleit­ fähigkeit auf der dielektrisch beschichteten Elektrode ein Film aus einer isolierenden Flüssigkeit vorhanden ist. Dabei kann die Flüssigkeit - insbesondere bei vertikaler Ausrich­ tung der Elektrodenanordnung - ständig über die Oberfläche der dielektrisch wirksamen Elektrode strömen. Bei horizonta­ ler Ausrichtung der Elektrodenanordnung und rotierender di­ elektrisch wirksamer Elektrode wird dagegen die isolierende Flüssigkeit von der Elektrode mitgenommen und ist dann rela­ tiv zu dieser in Ruhe.The object is achieved in that for ver preventing the formation of a layer with surface conductance ability on the dielectric coated electrode Film of an insulating liquid is present. Here  can the liquid - especially with vertical alignment the electrode arrangement - constantly over the surface flow of the dielectric electrode. At horizonta ler alignment of the electrode arrangement and rotating di the electrically effective electrode, on the other hand, becomes the insulating one Liquid taken from the electrode and is then rela tiv to this at rest.

Mit der Erfindung ist erreicht, daß auch bei Langzeitverwen­ dung des Reaktors, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, keine Veränderungen der in der Barriereentladung und damit möglicher Verschlechterung der Abgasreinigung auftreten.With the invention it is achieved that even in long-term use the reactor, for example in a motor vehicle, no changes in the barrier discharge and thus possible deterioration of the exhaust gas cleaning occur.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei­ spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Pa­ tentansprüchen. Es zeigenFurther details and advantages of the invention emerge from the following description of the figures of the embodiment play with the drawing in connection with other pa claims. Show it

Fig. 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele mit vertikal ausge­ richteten Elektroden und Fig. 1 and 2 two embodiments with vertically aligned electrodes, and

Fig. 3 und 4 zwei Ausführungsbeispiele mit horizontal ausge­ richteten Elektroden. FIGS. 3 and 4 two embodiments with horizontally aligned electrodes.

Gleiche und gleichwirkende Teile haben in den Figuren sich entsprechende Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise ge­ meinsam beschrieben.The figures have the same and equivalent parts corresponding reference numerals. The figures are partially ge described together.

Die Fig. 1 und 2 unterscheiden sich im wesentlichen nur darin, daß Fig. 1 von einer ebenen Geometrie mit zwei Bandelektroden und Fig. 2 jeweils von einer Rotationsgeometrie mit zwei um eine gemeinsame Achse II konzentrisch verlaufenden Elektroden ausgeht. Bei allen Figuren ist die erste Elektrode mit 1 und die zweite Elektrode mit 2 bezeichnet. Auf einer der Elektro­ den, beispielsweise Elektrode 1, befindet sich ein Dielektri­ kum 3 zur Ausbildung einer dielektrischen Barriere, wobei zwischen der metallischen Elektrode und der dielektrisch be­ schichteten Elektrode jeweils ein Entladungsspalt 5 vorhanden ist. Figs. 1 and 2 differ essentially only in that FIG. 1, respectively about a common axis starting from a planar geometry with two strip electrodes, and FIG. 2 of a geometry of revolution with two concentrically extending II electrodes. In all figures, the first electrode is denoted by 1 and the second electrode by 2 . On one of the electrodes, for example electrode 1 , there is a dielectric 3 for forming a dielectric barrier, a discharge gap 5 being present between the metallic electrode and the dielectric-coated electrode.

An die Elektroden 1 und 2 wird eine für die stille Entladung geeignete Wechselspannung, beispielsweise im Bereich von ei­ nigen zehn kHz und einigen zehn kV gelegt. Die zugehörige Spannungsquelle ist in den Figuren nicht dargestellt ist, da derartige Anordnungen bekannt sind.An alternating voltage suitable for the silent discharge is applied to the electrodes 1 and 2 , for example in the range of a few ten kHz and a few tens of kV. The associated voltage source is not shown in the figures, since such arrangements are known.

In Fig. 1 und 2 kennzeichnet 10 einen Behälter als Reservoir für eine Isolierflüssigkeit 11. In die Isolierflüssigkeit 11 taucht eine Leitung 12 ein und befördert die Flüssigkeit an das obere Ende der Elektrodenanordnung 1, 2 und 3. Mit Hilfe einer Pumpe 15 wird die isolierende Flüssigkeit 11 aus dem Reservoir 10 nach oben gepumpt und strömt dann unter der Wir­ kung der Schwerkraft auf der Oberfläche des Dielektrikums 2 nach unten zurück in das Reservoir 10. Somit ist ein geeigne­ ter Kreislauf gegeben. Dabei braucht insbesondere das Dielek­ trikum 3 nicht unbedingt senkrecht zu stehen. Die Oberfläche des Dielektrikums 3 kann auch - zumindest teilweise - eine schräge Orientierung haben.In Figs. 1 and 2 denotes a tank 10 as a reservoir for insulating. 11 A line 12 dips into the insulating liquid 11 and conveys the liquid to the upper end of the electrode arrangement 1 , 2 and 3 . With the help of a pump 15 , the insulating liquid 11 is pumped up from the reservoir 10 and then flows down under the effect of gravity on the surface of the dielectric 2 back into the reservoir 10 . A suitable cycle is thus provided. In particular, the dielectric 3 does not necessarily have to be vertical. The surface of the dielectric 3 can also have - at least in part - an oblique orientation.

Bei einer solchen Anordnung bildet sich auf dem Dielektrikum 3 ein isolierender Film 4 aus, da eine Schicht der Flüssig­ keit 11 ständig über die Oberfläche strömt. Die Flüssigkeit ist also relativ zur Elektrode 1 in Bewegung.In such an arrangement, an insulating film 4 forms on the dielectric 3 , since a layer of the liquid 11 flows continuously over the surface. The liquid is therefore in motion relative to the electrode 1 .

Die isolierende Flüssigkeit kann insbesondere Mineralöl, Transformatoröl oder Silikonöl, aber auch destilliertes Was­ ser oder Tetrachlorkohlenstoff sein. Die Dicke der Flüssig­ keitsschicht kann durch geeignete Maßnahmen und/oder Auswahl der Flüssigkeit vorgegeben werden.The insulating liquid can in particular be mineral oil, Transformer oil or silicone oil, but also distilled water be water or carbon tetrachloride. The thickness of the liquid The appropriate layer and suitable selection and / or selection of the liquid.

Bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 oder 2 kann es vorteilhaft sein, die dielektrische Flüssigkeit beim Pumpen zu filtern, um die enthaltenen Kohlenstoffpartikel abzuscheiden. In an arrangement according to FIG. 1 or 2, it may be advantageous to filter the dielectric liquid during pumping in order to separate the carbon particles contained.

In den Anordnungen gemäß Fig. 3 und 4 haben die Elektroden 1 und 2 eine horizontale Ausrichtung und sind konzentrisch zu­ einander angeordnet. Speziell in Fig. 3 bildet die erste Elek­ trode 1 einen Zylinder mit dem Dielektrikum 3 auf der Zylin­ deroberfläche, die teilweise in das Reservoir 10 mit der Flüssigkeit 11 eintaucht, so daß die Längsachse III des Zy­ linders näherungsweise parallel zur Oberfläche der Flüssig­ keit 11 verläuft. Entsprechend ist in Fig. 4 der Elektrodenzy­ linder 1 mit seiner Längsachse IV in der Flüssigkeit 11 ange­ ordnet.In the arrangements of Figs. 3 and 4, the electrodes 1 and 2 have a horizontal orientation and are arranged concentrically to each other. Specifically in FIG. 3, the first electrode 1 forms a cylinder with the dielectric 3 on the surface of the cylinder, which is partially immersed in the reservoir 10 with the liquid 11 , so that the longitudinal axis III of the cylinder is approximately parallel to the surface of the liquid 11 runs. Correspondingly, in Fig. 4 the electrode cylinder 1 is arranged with its longitudinal axis IV in the liquid 11 .

Der die Elektrode 1 bildende Zylinder wird durch einen in Fig. 3 und Fig. 4 nicht dargestellten Antrieb in Rotation um die Langsachse III bzw. IV versetzt. In Abhängigkeit von der Ro­ tationsgeschwindigkeit des Zylinders und in Abhängigkeit von der Viskosität der Flüssigkeit 11 im Behälter 10 wird ein entsprechend dicker Flüssigkeitsfilm 4 oder 34 auf der Ober­ fläche der Elektrode mitgeführt. Damit ist der angestrebte Effekt der Benetzung der Oberfläche mit der isolierenden Flüssigkeit in optimaler Weise bewirkt, wobei die Flüssigkeit relativ zum Zylinder, d. h. zur dielektrisch wirksamen Elek­ trode 1, 3 in Ruhe ist.Of the electrode 1 forming cylinder is rotated by a not shown in Fig. 3 and Fig. 4 driving in rotation about the longitudinal axis III and IV, respectively. Depending on the rotational speed of the cylinder and depending on the viscosity of the liquid 11 in the container 10 , a correspondingly thick liquid film 4 or 34 is carried on the upper surface of the electrode. Thus, the desired effect of wetting the surface with the insulating liquid is effected in an optimal manner, the liquid being at rest relative to the cylinder, ie to the dielectric electrode 1 , 3 .

Speziell bei der Anordnung gemäß Fig. 4 bildet der Film 34 aus der isolierenden Flüssigkeit 11 selbst das Dielektrikum für die stille Entladung. Damit ist also eine besonders vorteil­ hafte Problemlösung realisiert.Specifically, in the arrangement of Fig. 4, the film 34 forms the insulating liquid 11 itself, the dielectric for the silent discharge. A particularly advantageous problem solution is thus realized.

Durch geeignete Wahl der Anordnung entsprechend einer der Fig. 1 bis 4 kann dafür Sorge getragen werden, daß die Filmdicke der isolierenden Flüssigkeitsschicht in der Größen­ ordnung von 0,5 bis 2 mm liegt. Geeignet haben sich bei­ spielsweise 1 mm erwiesen. Speziell mit Transformatoröl und/oder Silikonöl können Spannungsfestigkeiten von minde­ stens 10 kVeff bis 40 kVeff erreicht werden, was im bevorzugten Bereich für den Betrieb von Barriereentladungen liegt.By a suitable choice of the arrangement according to one of FIGS. 1 to 4, care can be taken to ensure that the film thickness of the insulating liquid layer is in the order of 0.5 to 2 mm. 1 mm have proven to be suitable, for example. With transformer oil and / or silicone oil in particular, dielectric strengths of at least 10 kV eff to 40 kV eff can be achieved, which is in the preferred range for the operation of barrier discharges.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Abgasreinigung, insbesondere zur Verwendung bei Kraftfahrzeug-Motoren, mit einem Reaktor zur Zersetzung von Schadstoffen auf der Basis einer dielektrisch behinderten Entladung, wozu im Reaktor wenigstens zwei einander gegenüberliegende Elektroden, zwischen welchen eine zeitlich veränderliche Spannung anliegt, und wenigstens eine dielektrische Barriere in Form einer Beschichtung einer der Elektroden vorhanden sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Verhinderung der Ausbildung einer Schicht mit Oberflächenleitfähigkeit auf der dielektrisch wirksamen Elektrode (1, 3) ein Film (4, 34) aus einer isolierenden Flüssigkeit (11) vorhanden ist.1. Device for exhaust gas purification, in particular for use in motor vehicle engines, with a reactor for the decomposition of pollutants on the basis of a dielectrically impeded discharge, for which purpose in the reactor at least two mutually opposite electrodes, between which a voltage which varies over time, and at least one dielectric Barrier in the form of a coating of one of the electrodes are present, characterized in that a film ( 4 , 34 ) made of an insulating liquid ( 11 ) is present to prevent the formation of a layer with surface conductivity on the dielectric electrode ( 1 , 3 ) . 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die isolierende Flüssigkeit (11) ständig über die Oberfläche der dielektrisch wirksamen Elektrode (1, 3) strömt.2. Device according to claim 1, characterized in that the insulating liquid ( 11 ) constantly flows over the surface of the dielectric electrode ( 1 , 3 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Reaktor eine im wesentlichen vertikale Anordnung mit zwei einander gegenüberstehenden Flächenelektroden oder zwei konzentrisch zueinanderstehenden Elektroden bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (11) im Film (4) in Verbindung mit einem Reservoir (10) für die Flüssigkeit (11) steht.3. Apparatus according to claim 2, wherein the reactor forms a substantially vertical arrangement with two mutually opposing surface electrodes or two electrodes concentric to one another, characterized in that the liquid ( 11 ) in the film ( 4 ) in connection with a reservoir ( 10 ) for the liquid ( 11 ) is. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Pumpe (15) vorhanden ist, mit der die Flüssigkeit (11) aus dem Reservoir (10) bis zum obersten Ende des Dielektrikums (3) gepumpt wird.4. The device according to claim 2, characterized in that a pump ( 15 ) is present, with which the liquid ( 11 ) from the reservoir ( 10 ) is pumped to the top end of the dielectric ( 3 ). 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor oder hinter der Pumpe (15) ein Filter zum Filtern der Flüssigkeit (11) vorhanden ist. 5. The device according to claim 4, characterized in that a filter for filtering the liquid ( 11 ) is present in front of or behind the pump ( 15 ). 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Reaktor eine horizontale Anordnung mit wenigstens einer ersten rund­ zylinderförmigen Elektrode, die das Dielektrikum trägt, bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrisch wirksame Elektrode (13) teilweise in das Reservoir (10) eintaucht, wobei die Längsachse (III, IV) der Elektrode (1, 3) näherungsweise parallel zur Oberfläche der Flüssigkeit (11) im Reservoir (10) verläuft.6. The device according to claim 1, wherein the reactor forms a horizontal arrangement with at least a first round cylindrical electrode which carries the dielectric, characterized in that the dielectric electrode ( 13 ) is partially immersed in the reservoir ( 10 ), the Longitudinal axis (III, IV) of the electrode ( 1 , 3 ) runs approximately parallel to the surface of the liquid ( 11 ) in the reservoir ( 10 ). 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Antrieb zur Rotation der Elektrode (1, 2) um die Längsachse (III, IV) vorhanden ist.7. The device according to claim 6, characterized in that a drive for rotating the electrode ( 1 , 2 ) about the longitudinal axis (III, IV) is present. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Film (34) aus isolierender Flüssigkeit (11) allein das Dielektrikum für die dielektrisch gehinderte Entladung bildet.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a film ( 34 ) of insulating liquid ( 11 ) alone forms the dielectric for the dielectrically hindered discharge. 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Filmes (4, 34) oder isolierenden Flüssigkeit (11) zwischen etwa 0,5 mm und 2 mm, vorzugsweise bei 1 mm, liegt.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the film ( 4 , 34 ) or insulating liquid ( 11 ) is between about 0.5 mm and 2 mm, preferably 1 mm. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Flüssigkeit (11) ein Öl, insbesondere Mineralöl, Transformatoröl, Silikonöl od. dgl., ist.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating liquid ( 11 ) is an oil, in particular mineral oil, transformer oil, silicone oil or the like. 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Flüssigkeit (11) destilliertes Wasser ist.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating liquid ( 11 ) is distilled water. 12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Flüssigkeit (11) eine synthetische organische Substanz, beispielsweise Tetrachlorkohlenstoff, ist.12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating liquid ( 11 ) is a synthetic organic substance, for example carbon tetrachloride.
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