DE2136265A1

DE2136265A1 - Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Verbrennungsprozessen von Schadstoffen

Info

Publication number: DE2136265A1
Application number: DE19712136265
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: NEWBOLD R
Current assignee: NEWBOLD R
Priority date: 1970-07-23
Filing date: 1971-07-20
Publication date: 1972-01-27
Also published as: US3620008A

Description

Dipl.-lng. H. MITSCHERUCH 8 MÜNCHEN 22, Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN st.in,dorf,._fae. ίο

_ ... „--.-.,-.- Telefon: (0811) *2?ί«84

Dr. rer. nat. W. KORBER PATENTANWÄLTE

SOBER! MILLER HEWBOLD ^2o* ^{Juli 1}^ 71

64» Barbaree Way

Tiburon, California 94920, V.St.A.

Patentanmeldung

Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Verbrennungsprozesaen von Schadstoffen

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Entfernen unerwünschter Bestandteile aus den Abgaben von Verbrennungsvorrichtungen, z.B. von Verbrennungskraftmaschinen bzw. Motoren, von industriellen Anlagen und dergl.

Die Abgase von Verbrennungsmotoren, die mit Kohlenwasserstoff kraftstoff en betrieben werden, enthalten verschiedene G-ase, z.B. Kohlenmonoxid, Oxide von Stickstoff sowie unverbrannt gebliebene Kohlenwasserstoffe, und bekanntlich tragen diese Schadstoffe insbesondere in Großstädten in einem erheblichen Ausmaß zur Verschmutzung der Atmosphäre bei. Die Beseitigung dieser in Abgasen enthaltenen Schadstoffe hat sich in neuerer Zeit zu einer der wichtigsten Aufgaben der Technik entwickelt, und es sind bereits zahlreiche Versuche mit einem großen Aufwand an Zeit und Kosten durchgeführt worden, um diese Aufgabe einer Lösung zuzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, die unerwünschten Bestandteile von bei Verbrennungsprozessen entstehenden Abgasen dadurch zu beseitigen, daß sie ionisiert werden, bevor sie an die Atmosphäre abgegeben werden. Ferner soll gemäß der Erfin-

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dung eine Vorrichtung geschaffen werden, die es ermöglicht, Schadstoffe aus den Abgasen von Verbrennungsmotoren zu entfernen, und die insbesondere geeignet ist, in Kraftfahrzeuge bekannter Art eingebaut zu werden. Weiterhin schlägt die Erfindung eine Vorrichtung vor, die geeignet ist, die Abgase von Verbrennungsmotoren unschädlich zu machen, die zuverlässig und relativ gefahrlos arbeitet, und bei der es nicht erforderlich ist, in kurzen Zeitabständen Einstell- und Wartungsarbeiten durchzuführen. Schließlich sieht die Erfindung eine Vorrichtung zum Entfernen schädlicher Gase aus dem Abgasstrom eines Kraftfahrzeugmotors vor, die sich mit relativ geringen Kosten herstellen und einbauen läßt.

Zur Erfüllung der ihr zugrunde liegenden Aufgabe sieht die Erfindung eine langgestreckte Kammer vor, die an einem Ende mit einer Rohrleitung verbunden werden kann, welche an die Abgasquelle, z.B. den Abgaskrümmer eines Kraftfahrzeugmotors, angeschlossen werden kann. Diese Kammer ist auf ihrer Innenseite mit einem hitzebeständigen Werkstoff ausgekleidet und auf ihrer Außenseite von Windungen eines elektrischen Leiters umgeben, der z.B. als Rohr aus Kupfer ausgebildet ist. Diesem leiter wird eine hochfrequente elektrische Hochspannung zugeführt, die mit Hilfe einer Schaltung erzeugt wird, welohe durch die Batterie des Kraftfahrzeugs und die zugehörige Lichtmaschine gespeist wird. Beim Zuführen einer solchen hochfrequenten hohen Spannung wird ein starkes hochfrequentes elektrisches Feld erzeugt, durch das die Gase in der Kammer ionisiert werden, nachdem die Entstehung eines Plasmaeffektes in der Kammer durch eine darin angeordnete Zündvorrichtung eingeleitet worden ist. Die Abgase werden ionisiert, während sie in die Kammer einströmen, so daß in der Kammer ein Plasma aus ionisierten Gasen entsteht. Wenn sich dieses Plasma dem Auslaß der Kammer nähert, wird es abgekühlt, und hierbei vereinigen sich die Ionen wieder zu stabilen Verbindungen, bzw. es entstehen einzelne Elemente, und diese Verbindungen und Elemente sind unschädlich, so daß sie ohne weiteres an die Atmosphäre abgegeben werden können. Die durch das Plasma in

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der Kammer erzeugte Wärme, die auf das Kühlmittel übertragen wird, kann ausgenutzt werden, um Hilfsenergie zu erzeugen, die in dem !Fahrzeug an einer anderen Stelle verwertet wird.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem 'Ausführungsbeispiel näher erläutert.

lig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abgasumwandlungsvorrichtung mit einer im längsschnitt dargestellten Ionisierungskammer.

Pig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 in fig. 1.

In Pig. 1 ist teilweise schematisch eine insgesamt mit 10 bezeichnete erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die insbesondere zum Einbau in Kraftfahrzeuge bekannter Art geeignet ist. Die Vorrichtung umfaßt allgemein eine langgestreckte Kammer 12, die an eine Einlaßleitung 14 angeschlossen ist, welche mit dem Abgaskrümmer eines Kraftfahrzeugmotors 16 verbunden ist. Die Kammer 12 kann einen Durchmesser haben, der nur wenig größer ist als der Durchmesser einer normalen Auspuffleitung, und sie ist durch ein langgestrecktes zylindrisches Gehäuse gebildet, das auf seiner Innenseite mit einer Auskleidung 20 versehen ist, die aus einem hohen Temperaturen standhaltenden Werkstoff, z.B. Quarz, besteht. Die Auskleidung 20 ist an ihrem Umfang durch einen Abstand von der Innenwand des Gehäuses 18 getrennt, so daß sie zusammen mit dem Gehäuse einen Ringraum abgrenzt. In diesem Ringraum ist eine Spule untergebracht, die mehrere schraubenlinienförmige Windungen eines elektrischen Leiters 24 umfaßt, der z.B. aus kräftigem Kupferrohr besteht. Am Kopfende der Kammer ist eine ringförmige Stirnwand 26 befestigt, welche die Auspuffleitung 14 umschließt und mit einem Einlaß 28 zum Einleiten der Abgase in di.e Kammer 12 versehen ist. Der Einlaß 28 umfaßt vorzugsweise einen konvergierenden Eintrittsabschnitt und einen divergierenden Austrittsabschnitt, damit sich die Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten Abgase erhöht und sich die Abgase in der Kammer 12 verteilen. Der Ein-

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laß 28 ist von einem ringförmigen hülsenähnlichen Bauteil 30 * •umgeben, das einen größeren Durehmesser hat als der Einlaß · und sich längs der Achse der Kammer 12 über eine kurze Strekke erstreckt? dieses Bauteil begrenzt zwischen seiner Außenfläche und der Innenfläche der Kammer einen Hingraum 32. Die Stirnwand 26 ist mit einem Satz von kleinen Einlaßkanälen 34 versehen, die sich durch die Stirnwand'erstrecken und in dem Ringraum 32 münden. Diese Einlaßkanäle sind an einen kreisrunden Verteilerkanal in der Stirnwand 26 angeschlossen, dem ein Strom eines die Verbrennung unterstützenden Gases, z.B. Wasserstoff,· Sauerstoff oder der -Atmosphäre entnommene Lust, zugeführt werden kann. Bei der dargestellten Anordnung kann ein Einlaßrohr 36, das zu dem kreisrunden Verteilerkanal führt, dazu dienen, der Auspuffleitung vor dem Gehäuse 18 über eine Verbindungsleitung 38 einen Teil des Abgasstroms zu entnehmen. Zwischen den Leitungen 38 und 36 kann ein Ventil 40 zum Regeln des Abgasdurchsatzes vorgesehen sein. Das über die Einlasse 34 zugeführte Gas bildet einen den Haupteinlaß 28 umgebenden ringförmigen Mantel, der dazu beiträgt, das Plasma in der Kammer abzukühlen und es auf eine erwünschte Weise zu beeinflussen.

Am hinteren Ende des Gehäuses 18 ist eine ringförmige Rückwand 42 befestigt, über deren zentrale Öffnung das Plasma bzw. die ionisierten Gase entweichen können, wobei sie abgekühlt werden können, bevor sie an die Atmosphäre abgegeben werden. In das hintere Ende der Kammer 12 ist eine konvergierende Austrittsdüse 44 eingebaut, die im Inneren mit Kanälen versehen ist, durch die ein Kühlmittel zirkulieren kann. Die Vorderwand 26 und die Rückwand 42 können mit dem Gehäuse 18 durch Schrauben 48 oder auf andere Weise fest verbunden sein. Dem gewendelten Leiter 24 wird elektrische Energie mit einer relativ hohen Spannung von z.B. 10 000 V und einer hohen Frequenz von z.B. 4 MHz zugeführt. Die Einrichtung zum Erzeugen dieser Energie bei einem Kraftfahrzeug ist in Pig. 1 in Form eines Blockdiagramms dargestellt. Eine normale Batterie 50, die z.B. eine Spannung von 12 V liefert, ist an einen Wechselrichter 52 angeschlossen, der den Gleichstrom von 12 V in einen Wechselstrom

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von 12V verwandelt. Bei diesem Wechselrichter kann es sich um einen Wechselrichter "beliebiger handelsüblicher Art handeln, der vorzugsweise elektronisch arbeitet, kleine Abmessungen hat und als Festkörperschaltung ausgebildet ist. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters 52 wird einem Transformator 54 zugeführt, der die Wechselspannung von 12 7 auf eine erheblich höhere Spannung von z.B. 10 000 7 herauftransformiert. Die Ausgangsspannung des Transformators wird einem Gleichrichter 56, z.B. einem auf bekannte Weise ausgebildeten gesteuerten Siliziumgleichrichter, zugeführt, der die Wechselspannung von 10 000 V in eine pulsierende Gleichspannung von 10 000 Y verwandelt. Die pulsierende Gleichspannung wird dann einem Oszillator 58 zugeführt, der die pulsierende Gleichspannung von 10 000 V in eine hochfrequente Ausgangsspannung von z.B. 4 MHz verwandelt. Diese hochfrequente Hochspannung wird schließlich dem schraubenlinifcnförmigen Leiter 24 zugeführt.

Der die Windungen des Leiters 24 enthaltende ringförmige Hohlraum 22 kann mit einem Einlaß 60 und einem Auslaß 62 für ein Kühlmittel versehen sein. Die dem Kühlmittel zugeführte Wärme kann ausgenutzt werden, um Energie zu erzeugen, die dazu dient, Hilfseinrichtungen des Kraftfahrzeugs zu speisen. Gemäß Fig. 1 kann der Auslaß 62 des Ringraums 22 z.B. an einen Wärmeaustauscher 64 zum Erzeugen von Dampf angeschlossen sein. Im vorliegenden Fall dient dieser Dampf zum Antreiben eines Stromerzeugers 66 und einer Klimaanlage 68. Das Kühlmittel, das den Wärmeaustauscher 64 wieder verläßt, nachdem es Wärme abgegeben hat, wird durch eine Pumpe 70 wieder zu dem Ringraum 22 zurückgefördert. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die soeben beschriebene Anordnung, und es sei bemerkt, daß man im Rahmen der Erfindung auch andere Anordnungen zum Ausnutzen der in dem Kühlmittel enthaltenen Wärmeenergie vorsehen könnte.

Zusätzlich zu der sich längs der Kammer 12 erstreckenden Kühleinrichtung ist am Austrittsende der Kammer ein Kühlmantel 72 vorgesehen, und das Kühlmittel wird durch die Austrittsdüse 44 geleitet, wobei es einen Teil des Auetrittsrohrs 74 um-

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schließt, um zu der Entionisierung der Gase beizutragen, d.h. dazu, daß sich die Ionen wieder assoziieren und unschädliche Gase von relativ niedriger Temperatur bilden, die gefahrlos an die Atmosphäre abgegeben werden können. Der Kühlmantel 72 umfaßt einen gesonderten Einlaß 76 und einen gesonderten Auslaß 78, die mit der gleichen Pumpe 70 bzw. dem gleichen Wärmeaustauscher 64 verbunden sein können, welche für das andere Kühlmittel vorgesehen sind.

Beim Betrieb der beschriebenen Vorrichtung, die insbesondere zur "Verwendung bei Kraftfahrzeugen geeignet ist, strömen die Abgase von dem Abgaskrümmer aus direkt zu der Kammer 12, sobald der Motor angelassen wird. Gleichzeitig wird die elektrische Einrichtung nach Pig. 1 eingeschaltet, so daß sie in der Umgebung der Kammer 12 ein hochfrequentes elektrisches Feld erzeugt. Um den Ionisierungsvorgang einzuleiten, ist gemäß Pig. 1 ein Stab 80 aus Graphit nahe dem Einlaß 28 angeordnet, und auch diesem Stab wird elektrische Energie zugeführt, wenn der Motor angelassen wird, so daß die Ionisierung bzw. die Plasmareaktion eingeleitet wird. Somit werden die Abgase sofort bei ihrem Eintreten in die Kammer ionisiert, so daß sich in der Kammer eine Plasmawolke 82 bildet. Infolgedessen werden die unerwünschten Gase, z.B. Kohlenmonoxid und die verschiedenen Stickstoffverbindungen, entweder verbraucht oder ionisiert. Nahe dem Auslaß der Kammer 12 wird das aus Ionen bestehende Plasma abgekühlt, so daß seine Bestandteile erneut stabile Verbindungen bzw. Elemente bilden, die dann als unschädliche Stoffe an die Atmosphäre abgegeben werden können. Unter normalen Betriebsbedingungen verlassen die Abgase des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs den Abgaskrümmer mit einer Temperatur von etwa 65O⁰O. In der Kammer 12 kann jedoch das ionisierte Gas der Plasmawolke 82 eine Temperatur von etwa 560O⁰O erreichen. Man kann diese Temperatur des Plasmas dadurch regeln oder sie auf äinen für den Betrieb zweckmäßigeren Wert bringen, daß man der Kammer über die Einlasse 34, die zu dem Ringraum 32 auf der Außenseite des hülsenförmigen Bauteils 30 führen, ein Abschirmungsgas zuführt.

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Die Zuführung dieses Gases über die Einlasse 34 wird mit Hilfe des Ventils 40 geregelt. Da im wesentlichen alle in die Kammer 12 eintretenden Abgase in der Kammer ionisiert werden, um danach erneut stabile Verbindungen und/oder elementare Gase wie Stickstoff und Sauerstoff zu bilden, gibt die ärfindungsgemäße Vorrichtung keinerlei Stoffe ab, die zu einer Verschmutzung der Atmosphäre beitragen.

Gemäß der Erfindung werden nicht nur die zu einer luftverschmutzung Anlaß gebenden Schadstoffe beseitigt, sondern die in der Kammer erzeugte große Wärmemenge, die an das um die Kammer herum zirkulierende Kühlmittel.abgegeben wird, kann in der beschriebenen Weise bei dem betreffenden Kraftfahrzeug nutzbar gemacht werden.

Ansprüche:

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Claims

ASSPEllCHE

1. Vorrichtung zum Behandeln der gasförmigen und teilchenförmigen Bestandteile eines bei e.inem Verbrennungsprozeß entstehenden Abgasstroms., gekennzeichnet durch ein eine langgestreckte Ionisierungskammer (12) umschließendes Gehäuse (18) mit einer äußeren Wand, einer Stirnwand (26) mit einem Einlaß (28) zum Zuführen des Abgasstroms sowie einer zweiten Stirnwand (42) mit einem Auslaß, ein von der äußeren Wand des Gehäuses umgebenes und zusammen mit ihr einen Ringraum (22) abgrenzendes inneres rohrförmiges Bauteil (20), ψ eine in dem Ringraum angeordnete, das innere rohrförmige Bauteil umgebende Einrichtung (24) zum Erzeugen eines kontinuierlichen, eine hohe Intensität aufweisenden hochfrequenten elektrischen Feldes in der Kammer, um die darin befindlichen G-ase zu ionisieren, eine nahe dem Einlaß angeordnete Einrichtung (80), die zum Einleiten des Ionisierungsvorgangs beiträgt, sowie eine nahe dem Auslaß der Kammer angeordnete Einrichtung (46, 72) zum Abführen von Wärme aus dem in der Kammer entstehenden Ionenplasmas derart, daß der Ionisierungsvorgang unterbrochen wird, um zu bewirken, daß sich die Ionen wieder assoziieren und sich wieder zu unschädlichen Verbindungen vereinigen bzw. Elemente bilden, bevor sie an die Atmosphäre abgegeben werden.

2.■ Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das äußere Gehäuse (18) einen ringförmigen Hohlraum (22) abgrenzt, durch den ein Kühlmittel mit Hilfe einer Pumpe (70) hindurchgefördert werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kühlmantel (72) nahe dem Auslaß (44) der Kammer (12) sowie durch Pumpenmittel (70) zum Fördern eines flüssigen Kühlmittels durch den Kühlmantel, um die Temperatur des Plasmas beim Entweichen des Plasmas aus der Kammer zu sen-

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ken und zu bewirken, daß sich die Ionen wieder assoziieren und verbinden, damit unschädliche, die Atmosphäre nicht verschmutzende Verbindungen und Elemente entstehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein rohrförmiges Abschirmungsteil (30), das den Einlaß (28) der Kammer (12) umgibt und sich axial in die Kammer hinein erstreckt, einen Satz von Öffnungen (34), die zwischen dem Abschirmungsteil und dem inneren rohrförmigen Bauteil (20) in Umfangsabständen verteilt sind, sowie Zuführungsmittel (38, 40, 36) zum Zuführen von zusätzlichem Gas zu den Öffnungen derart, daß das Plasma in der Kammer in der gewünschten Weise beeinflußt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Öffnungen (34) durch eine Rohrleitung (38, 36) mit der Leitung (14) zum Aufnehmen des Abgasstroms verbunden und mit einem verstellbaren Ventil (40) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung, die zum Einleiten des Ionisierungsvorgangs beiträgt, einen Stab (80) aus Graphit umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Erzeugen eines eine hohe Intensität aufweisenden hochfrequenten elektrischen Feldes in der Kammer (12) einen elektrischen Leiter (24) in Form einer das innere rohrförmige Bauteil (20) umgebenden Spule umfaßt, die an einen Hoohfrequenzoszillator (58) angeschlossen ist.

8. Kraftfahrzeug mit einer Batterie, einem Verbrennungsmotor, einer sich an den Auspuffkrümmer des Motors anschließenden Abgasleitung und einer Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Schadstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung ein langgestrecktes Gehäuse (18) mit

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einer eine Kammer (12) umschließenden äußeren Wand, einer Stirnwand (26) mit einer an die Abgasleitung (14) des Motors angeschlossenen Öffnung und einer zweiten Stirnwand (42) mit einer an eine Austrittsleitung (74) angeschlossenen Öffnung umfaßt, ferner eine die Kammer umgebende, durch die Batterie (50) gespeiste Einrichtung (24), die in der Kammer ein hochfrequentes elektrisches PeId erzeugt, das genügt, um die in die Kammer eintretenden Abgase zu ionisieren, sowie nahe dem Auslaß der Kammer angeordnete Kühlmittel (46, 72) zum Kühlen des in der Kammer erzeugten, die Kammer verlassenden Ionenplasmas derart, daß sich die Ionen wieder assoziieren und verbinden, so daß Verbindungen und Elemente entstehen, durch wel- ^ ehe die Atmosphäre nicht verunreinigt wird.

9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Wärmeaustauscher (64) zum Aufnehmen des aus dem Gehäuse (18) austretenden erhitzten Kühlmittels und zum Erzeugen von Dampf sowie Einrichtungen (66, 68) zum Ausnutzen des durch den Wärmeaustauscher erzeugten Dampfes.

10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel einen die Austrittsleitung (74) teilweise umschließenden Kühlmantel (72) und eine Pumpe (70) zum Umwälzen des Kühlmittels durch den Kühlmantel umfassen.

* 11. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Stirnwand (42) des Gehäuses (18) eine konvergierende Austrittsdüse (44) umfaßt, die von Kanälen (46) umgeben ist, in denen das Kühlmittel zirkulieren kann.

12. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des hochfrequenten elektrischen Feldes einen an die Batterie (50) angeschlossenen Wechselrichter (52) umfaßt, ferner einen Transformator (54) zum Erhöhen der dem Wechselrichter entnommenen

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Spannung, einen mit dem Transformator verbundenen Gleichrichter (56) und einen zwischen dem Gleichrichter und der durch den Leiter (24) gebildeten Spule angeschlossenen Oszillator (58).

Der Patentanwalt!

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