DE4231581A1

DE4231581A1 - Verfahren zur plasmachemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von Schadstoffen, insbesondere zur Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren oder anderer mit fossilem Treibstoff betriebenen Maschinen, sowie zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE4231581A1
Application number: DE19924231581
Authority: DE
Inventors: Joerg Dr Kieser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1994-03-24
Also published as: WO1994006543A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur plasma chemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von Schadstof fen, insbesondere zur Abgasreinigung von Verbrennungsmoto ren oder anderer mit fossilem Treibstoff betriebenen Ma schinen, bei dem der Schadstoff zusammen mit Beimengun gen, die eine plasmachemische Reaktion beeinflussen, eine Strecke durchläuft, die mit dielektrisch behinderten ("stillen") Entladungen beaufschlagt wird. Unter Schad stoffen werden in diesem Zusammenhang unerwünschte gas förmige oder in Form kleiner Partikel vorliegende Stoffe verstanden. Daneben bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des angegebenen Verfahrens mit einer Elektrodenanordnung für eine dielektrisch be hinderte Entladung. Insbesondere ist eine solche Vorrich tung zur Abgasreinigung mit einer rohrförmigen Anordnung aus konzentrischen Elektroden oder einer ebenen Elektro denanordnung ausgebildet.

Bei allen Diskussionen zur Umweltverschmutzung steht neben den Emissionen durch die Industrie, für die die bislang schon weitreichenden Bestimmungen ständig verschärft wer den, insbesondere für den Kraftverkehr zunehmend der Ruß anteil im Abgas von Dieselmotoren im Zentrum des öffentli chen Interesses. Speziell Ruß ist zwar nach dem gegenwär tigen Stand des Wissens nicht gesundheitsschädlich. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Ruß in Dieselabgasen Träger einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffen ist, die teilweise als eindeutig krebserregend bekannt sind. Davon abgesehen wird auch eine Verschärfung der Abgasvorschriften für Ot tomotoren diskutiert, die über den Stand der Technik der geregelten Drei-Wege-Katalysatoren deutlich hinausgeht.

Mit der JP-OS 55-114328 wurde bereits eine Vorrichtung zum Beseitigen giftiger Gase; insbesondere zur Reinigung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren oder Fabrikanlagen, vorge schlagen, bei der das Gas durch eine mit Hochspannung be triebene sogenannte "Stille Entladung" geleitet wird.

Das Phänomen der "stillen" oder "dielektrisch behinderten" Entladung ist seit langer Zeit bekannt. Bei diesem Entla dungstyp brennt üblicherweise zwischen zwei planen Elek troden oder im Raum zwischen zwei konzentrisch angeordne ten, als Elektroden dienenden Rohren die Entladung, die mit Wechselstrom typischerweise im Kilohertz-Bereich ge speist wird. In Abweichung zu derartigen, auch für andere Entladungen gebräuchlichen Elektrodenanordnungen weist speziell die stille Entladung eine dielektrische Schicht auf mindestens einer der beiden Ausgangselektroden auf. Dadurch wird der Transport und der Verbrauch der zugeführ ten elektrischen Leistung im Plasma durch den bei den ver wendeten Frequenzen recht hohen Wechselstromwiderstand des Dielektrikums begrenzt. Beim praktischen Betrieb lädt sich das Dielektrikum in einer Halbwelle zunächst statisch auf. Das hieraus resultierende elektrische Feld im Plasmaraum führt anschließend zur spontanen Zündung eines Plasmas, das sich aus der Oberflächenladung des Dielektrikums im Bereich einiger mm² Oberfläche speist.

Bei letzterem streng lokalisierten Effekt hat die Plasma entladung die Form eines dünnen Fadens, der nach Verbrauch der Oberflächenladung nach einigen ms wieder verlöscht. Makroskopisch stellt sich eine stille Entladung als Viel zahl solcher Plasmafäden dar, die in jeder Halbwelle der anregenden Spannung neu erzeugt werden. Dieses Plasma zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß es praktisch druckunabhängig, also auch bei Normal- und Überdruck in der beschriebenen Weise brennt. Dabei liegt die Plasma dichte in den Fäden üblicherweise bei etwa 10¹⁵ Elektro nen pro cm³, so daß es sich um ein recht dichtes Plasma handelt. Eine progressive Zerstörung der das Plasma be grenzenden Oberflächen wird aber durch extrem kurze Brenn dauer der individuellen Plasmafäden vermieden.

Derzeit werden stille Entladungen zur großtechnischen Er zeugung von Ozon für den Zweck der Wasseraufbereitung ver wendet. Hierbei wird ausgenutzt, daß die gegenüber der üb lichen chemischen Bindungsenergie vergleichsweise hoch energetischen Plasma-Elektronen solche plasmachemische Reaktionen initiieren, die unter normalen Umständen nicht oder nur unter erheblicher Zuführung von thermischer Energie ablaufen können. Speziell für die Abgasreinigung bei Motoren ergibt sich bei solchen plasmachemischen Pro zessen aber der Nachteil, daß beispielsweise bei der Zer setzung von NO_x auch Ozon entstehen und in die Umgebung entweichen kann. Speziell bei der JP-OS 55-114328 ist deswegen für die Abgasreinigung von Motoren der Reini gungsstrecke ein Ozon-Vernichter nachzuschalten.

Daneben wird mit der DE-OS 24 35 481 ein Verfahren zur Ab gasentgiftung und energiesparenden Verbrennung der Treib gase von Verbrennungskraftmaschinen vorgeschlagen, bei dem speziell die Zuluft zu den Brennstoffaufbereitungsvorrich tungen durch eine Strecke mit stillen Entladungen geleitet wird und dann dem zwischenzeitlich vergasten Brennstoff zugeführt wird. Dadurch soll die Verbrennung an sich so verbessert werden, daß die giftigen Abgasanteile - vor allem der Kohlenmonoxidgehalt - geringer werden.

Weiterhin wurde in "Journal of Chem. Eng. of Japan", Vol. 24, No. 1 (1991), P 100-105 vorgeschlagen, eine Oxidation von Ruß in einer stillen Entladung herbeizuführen, wobei der Ruß in Argon als Trägergas transportiert und der Ent ladung weiterhin Luft beigemischt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren anzugeben und die zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit denen gasförmige und/oder feste Schadstoffanteile, insbe sondere auch bei Verbrennungsvorgängen, entstehende Abgase unschädlich gemacht werden können. Dabei sollen dieses Verfahren und die Vorrichtung unter den Gesichtspunkten der Wirtschaftlichkeit und der Praktikabilität unter üb lichen Einsatzbedingungen einsetzbar sein.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß alle Betriebsgrößen der plasma chemischen Reaktionen in der Weise geregelt werden, daß die erwünschte Zersetzung von Schadstoffen maximal und das Auftreten unerwünschter Reaktionen, insbesondere die Ent stehung von Ozon, minimiert werden. Die zu regelnden Be triebsgrößen sind insbesondere die Temperatur im Reak tionsraum und die elektrische Leistung für die Entladung. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die plasmachemi schen Reaktionen bei definierter Temperatur, insbesondere geregelter Temperatur, ablaufen. Die Beimengungen können dabei nach Art und Rate (Menge/Zeit) so gewählt werden, daß die erwünschten plasmachemischen Reaktionen optimiert sind.

Bei der zugehörigen Vorrichtung der eingangs genannten Art ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor gesehen, daß der Elektrodenanordnung eine Führung für die Schadstoffe einschließlich von Zuführungen für die Beimi schungen zugeordnet ist und daß Mittel zur Regelung der Leistung eines Frequenz/Spannungs-Wandlers zur elektri schen Versorgung der Elektrodenanordnung einerseits und zur Gewährleistung einer definierten Temperatur der zu behandelnden Stoffe andererseits vorhanden sind. Letztere Mittel werden vorzugsweise durch eine Prozeßsteuereinheit realisiert.

Mit der Erfindung ist ein in der Praxis einsetzbares Ver fahren geschaffen: Im Zusammenhang mit immer schärferen Vorschriften bezüglich der industriellen Emissionen so wie speziell der Emission von Kraftfahrzeugen ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, daß die Beseiti gung der Schadstoffe, insbesondere die Reinigung von Ab gasen, in einer von der Schadstoffquelle unabhängigen, aber von deren Betriebszustand gesteuerten Vorrichtung er folgt. Speziell die Leistungsregelung kann damit mit dem Abgaszustand korreliert werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausfüh rungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen. Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Ver nichtung von Schadstoffen,

Fig. 2 die zugehörige Steuereinheit zur Regelung der Pro zeßgrößen,

Fig. 3 eine spezifische Ausführung zur Reinigung von Ab gasen auf der Basis einer Entladung zwischen zwei konzentrischen Rohren.

Gleiche bzw. gleich wirkende Teile haben identische Be zugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam be schrieben.

In Fig. 1 bedeutet 1 einen Wechselstromgenerator, der bei spielsweise 12 V liefert. Dieser Generator steuert einen Frequenz/Spannungs-Wandler 2 an, der Wechselstromfrequen zen beispielsweise im Kilohertzbereich erzeugt. Der Fre quenz/Spannungs-Wandler 2 ist über eine Ansteuerung 3 leistungsgeregelt, was weiter unten im einzelnen anhand Fig. 2 verdeutlich wird.

Mit dem Frequenz/Spannungs-Wandler 2 wird eine Entladungs einheit 4 betrieben. Die Entladungseinheit 4 ist in eine Führung 5 für Schadstoffe, die Abgase der Verbrennungs kraftmaschine, integriert. Der Abgasführung 5 sind Füh rungen 6 und 7 für gas förmige und/oder flüssige Beimen gungen zugeordnet. Derartige Beimengungen sind insbeson dere Stoffe mit definiertem pH-Wert, mit deren Hilfe die plasmachemischen Reaktionen im erwünschten Sinn beeinflußt werden.

In Fig. 2 bedeutet 30 eine Einheit zur Prozeßsteuerung, der als Eingangsgrößen 31 und 32 die Informationen über die Zusammensetzung des Schadstoffes einerseits und über den Betriebszustand der die Schadstoffe erzeugenden Anlage andererseits zugeführt werden, und die als Ausgangsgröße die Information zur Leistungsregelung der stillen Entla dung andererseits gibt. Weiterhin werden über eine Aus gangssteuerleitung 34 ein Gasventil 36, beispielsweise zur Luftzuführung, und über eine Steuerleitung 35 ein Flüssig keitsventil 37, beispielsweise zur Wasserzuführung, ange steuert, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Die Prozeßsteuereinheit 30 kann auf motorische Kennli nienfelder zurückgreifen, wie sie im elektronischen Motor management heutzutage üblich sind. Speziell zur Abgasrei nigung bei Verbrennungskraftmaschinen ist die Prozeß steuereinheit 30 so ausgelegt, daß die der Entladung zu geführte elektrische Leistung in Abhängigkeit vom Betriebs zustand des Motors, wie z. B. Last, Temperatur und Drehzahl geregelt wird. Insbesondere zur Gewährleistung einer opti malen Betriebstemperatur wird die Entladungseinheit ent weder an geeigneter Stelle im System eingebaut oder auch zusätzlich mit einer separaten Heizung versehen. Zur ge regelten Beimischung von atmosphärischer Luft zum Abgas, die ebenfalls in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors erfolgt, kann der dynamische Unterdruck im Abgas strang ausgenutzt werden. Eine geregelte Beimischung von Wasser zum Abgas erfolgt in Form von Tröpfchen oder Dampf, wofür beispielsweise eine nicht im einzelnen dargestellte Dosierpumpe vorhanden ist.

In Fig. 3 ist die Entladungseinheit 4 mit konkreten Ein zelheiten dargestellt: Sie besteht aus einer Abgasführung 41, einer Spannungszuführung 42, zwei Elektrodenhaltern 43, einem keramischen Rohr 44, einer inneren Elektrode 45 und einer äußeren Elektrode 46. Dabei ist die innere Elek trode 45 als metallische Beschichtung auf der Innenwan dung des keramischen Rohres 44 unausgebildet und wird über die Spannungszuführung 42 elektrisch versorgt, während die äußere Elektrode 46 als metallisches Rohr zusammen mit der Abgasführung 41 auf Massepotential liegt. Die dielektrisch behinderte Entladung brennt somit im Ringraum zwischen der inneren Elektrode 45 und der äußeren Rohrelektrode 46.

Es sind weitere Ausführungsformen realisierbar, bei denen eine Isolierung auf der anderen Elektrode oder auch auf beiden Elektroden vorhanden sind. Derartige Variationen einer dielektrisch behindert Entladung entsprechend dem Stand der Technik.

Letztere Anordnung eignet sich besonders zum Einbau in den Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine. Dabei wird mit einfachsten Mitteln der Schutz der inneren Elek trode 46 vor Kurzschluß mit Masse durch leitende Beläge gewährleistet. Die Vorrichtung kann derart hinter dem Verbrennungsraum angeordnet sein, daß die Motorbetriebs temperatur gleichermaßen zur Gewährleistung zur definier ten Arbeitstemperatur ausgenutzt wird.

Claims

1. Verfahren zur plasmachemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von Schadstoffen, insbesondere zur Abgas reinigung von Verbrennungsmotoren oder anderer mit fos silem Treibstoff betriebenen Maschinen, wobei die Schad stoffe zusammen mit Beimischungen, die plasmachemische Reaktionen beeinflussen, eine Strecke durchlaufen, die mit dielektrisch behinderten ("stillen") Entladungen be aufschlagt wird, dadurch gekennzeich net, daß alle Betriebsgrößen der plasmachemischen Reaktionen in der Weise geregelt werden, daß die erwünsch te Zersetzung der Schadstoffe maximiert und das Auftreten unerwünschter Reaktionen, insbes. die Entstehung von Ozon, minimiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die plasmachemischen Reak tionen bei definierter Temperatur, insbesondere geregelter Temperatur, erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Beimischungen nach Art und Rate (Masse/Zeit) so gewählt werden, daß die erwünschten plasmachemischen Reaktionen optimiert sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Beimischungen at mosphärische Luft als Trägergas einerseits und Wasser in Form von Tröpfchen und/oder Dampf andererseits sind, deren Mengen in Abhängigkeit von der Art der zu vernichtenden Schadstoffe zugemischt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die zum Zwecke der dielek trisch behinderten Entladung dem Schadstoffgemisch zuge führte elektrische Leistung in Abhängigkeit von den Be triebsgrößen der plasmachemischen Reaktionen geregelt wird, insbesondere von der Schadstoffrate.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die der Entladung zuge führte elektrische Leistung im Frequenzbereich von 100 Hz bis 500 kHz liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß für den Betrieb der Entla dung eine Frequenz oberhalb von etwa 100 kHz gewählt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß für die dielektrisch be hinderte Entladung zwecks Maximierung der Flächenlei stungsdichte der Entladung ein Dielektrikum mit einer möglichst hohen Dielektrizitätskonstante gewählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß in Kennlinienfeldern abge speicherte Daten zur Regelung verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9 zur Anwendung bei der Abgas reinigung von Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß als Daten zur Regelung der der dielektrisch behinderten Entladung zugeführten elektrischen Leistung die Last und/oder die Temperatur und/ oder die Drehzahl des Motors herangezogen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Abgas atmosphärische Luft unter Ausnutzung des dynamischen Unterdruckes zuge führt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Abgas Wasser über mechanische Mittel zugeführt und beigemischt wird.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 9 mit einer Elektrodenanordnung für eine dielektrisch behinderte Entladung, dadurch gekennzeich net, daß der Elektrodenanordnung (4) eine Führung (5) für die Schadstoffe einschließlich von Zuführungen (6, 7) für die Beimischungen zugeordnet ist und daß Mittel (3, 30 bis 35) zur Leistungsregelung einerseits und zur Gewährleistung einer definierten Temperatur des zu behandelnden Stoffes vorhanden sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel zur Leistungs regelung ein steuerbarer Frequenz-/Spannungswandler (2) zur elektrischen Versorgung der Elektrodenanordnung (4) sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, daß als Mittel zur Gewähr leistung einer definierten Temperatur eine Heizung vorhan den ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß der Einheit zur Leistungs regelung (3) ein Prozessor (30) zur Auswertung der Abgas zusammensetzung einerseits und des Betriebszustandes der Verbrennungsmaschine andererseits und zur Generierung von Steuer- bzw. Regelsignalen zugeordnet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, daß der Prozessoreinheit (30) Sensoren zur Erfassung der Abgaszusammensetzung und des Betriebszustandes der Verbrennungsmaschine zugeordnet sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 13, insbesondere zur Abgas reinigung von Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, mit einer rohrförmigen Anordnung aus konzentri schen Elektroden oder einer ebenen Elektrodenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung (5) für die Schadstoffe eine rohrförmige Abgas führung (41) mit integrierten Zuführungen für Luft und Wasser ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung aus einem äußeren metallischen Rohr (46) als erste Elek trode besteht, in dem konzentrisch ein keramisches Rohr (44) angeordnet ist, dessen Innenwandung mit einer zwei ten Elektrode (45) versehen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch ge kennzeichnet, daß die zweite Elektrode (45) eine metallische Beschichtung auf der Innenwandung des keramischen Rohres (44) ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch ge kennzeichnet, daß das äußere metallische Rohr (4) einschließlich zugehöriger Elektrodenhalter (43) auf Erdpotential liegt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Beimischung des Was serzusatzes eine Dosierpumpe vorgesehen ist.