DE4404681C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen nach dem Oberbegriff des Patentanpruchs 8.

Es ist bekannt, daß bei Verbrennungsprozessen der Sauerstoff der Luft genutzt wird. So wird beispielsweise bei Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt, das mit Hilfe eines Zündmittels gezündet wird, um mit der Verbrennungskraftmaschine die Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug zu gewinnen.

Während des Verbrennungsprozesses entstehen Verbrennungsabgase aus dem Kraftstoff und dem Gasgemisch der Luft. Störend ist insbesondere Stickstoff, woraus Stickoxide entstehen, die unerwünscht sind und Katalysatoren zur Verringerung der Umweltbelastung erfordern. Darüber hinaus wird durch Stickoxide eine optimierte Verbrennung magerer Gemische verhindert.

Zur Anreicherung des Sauerstoffgehaltes in Kraftstoff-Luft- Gemischen wird in der DE-OS 27 34 677 ein Druckwechsel-Adsorptionsverfahren vorgeschlagen. Als Adsorptionsmittel werden zeolithische Molekularsiebe angewandt. Für dieses Verfahren sind die aufwendige Verdichtung mit einem Kompressor und die Spülgasanwendung zur Regenerierung des Adsorptionsmittels notwendig, wodurch sich eine komplizierte Regelung der Prozeßführung ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Verbrennungsprozessen, die unter Luftzufuhr ablaufen, zur Vermeidung von Schadstoffen den Sauerstoffgehalt des Luft-Gemisches zu erhöhen und ein Verfahren anzugeben, das sich für den mobilen Einsatz eignet und keine zusätzlichen aufwendigen Geräte zur Prozeßführung erfordert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen bieten den Vorteil, daß bei Verbrennungsprozessen, die unter Luftzufuhr ablaufen, der Luftstickstoff der Verbrennung nicht zugeführt wird und hierdurch die Entstehung von Stickoxiden im Verbrennungsabgas vermieden wird. Dadurch, daß einem mit einer Verbrennungskammer verbundenen Abgaskanal wenigstens ein das Sauerstoff-Stickstoff- Luftgemisch führender Kanal zugeordnet ist, der mit einem Frischluftanschluß und einem Abluftanschluß versehen ist und dessen Mantel für den Sauerstoff des Sauerstoff-Stickstoff- Luftgemisches durchlässig ist, wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Verbrennung weiterhin unter Zufuhr von der Umgebungsluft entnommenem Luftsauerstoff durchgeführt werden kann, während der in der Umgebungsluft vorhandene Luftstickstoff nicht mit den der Verbrennungskammer zugeführten Verbrennungsgasen in Verbindung kommt.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Mantel aus einem sauerstoff­ ionenleitenden Material besteht, der vorzugsweise mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Die Sauer­ stoffionen des Luftsauerstoffs können dabei durch den Mantel des das Sauerstoff-Stickstoff-Luft­ gemisch führenden Kanals durchtreten, während der Mantel für den Luftstickstoff eine unüberwindbare Barriere darstellt. Durch das Anlegen einer ent­ sprechend gepolten Spannung kann der Transport der Sauerstoffionen durch den Mantel des Kanals sehr vorteilhaft verbessert werden, so daß gegebenen­ falls auf die Sauerstoffkonzentration in dem Ver­ brennungsprozeß über eine wählbare Spannung Einfluß genommen werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen bietet den Vorteil, daß die Verbren­ nungsprozesse, wie bekannt, unter Zufuhr von Luft­ sauerstoff durchgeführt werden können und der Schadstoffe hervorrufende Luftstickstoff von dem Verbrennungsprozeß ferngehalten werden kann, ohne daß komplizierte und damit teure Verfahrensschritte eingehalten werden müssen.

In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß das Sauerstoff-Stickstoff-Luftge­ misch durch ein sauerstoffspeicherndes Rohrsystem geführt wird und anschließend dieses Rohrsystem mit dem Verbrennungsabgas gespült wird. Hierbei wird vorteilhafterweise erreicht, daß während des Durchleitens des Sauerstoff-Stickstoff-Luftge­ misches Sauerstoff in dem Rohrsystem gespeichert werden kann, während der Luftstickstoff, ohne ir­ gendwelche Bindungen einzugehen, durch das Rohr­ system hindurchgeleitet wird. Bei dem anschließen­ den Spülen mit dem Verbrennungsabgas wird der gespeicherte Sauerstoff von diesem aufgenommen und somit dem Verbrennungsprozeß zugeführt, während der Stickstoff von diesem ferngehalten wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei­ spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch die Anordnung einer stickoxidfreien Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine und

Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung zum Abtrennen von Luftsauerstoff aus einem Sauerstoff- Stickstoff-Luftgemisch (Atmosphäre).

In Fig. 1 ist schematisch eine Verbrennungskraft­ maschine 10 gezeigt. Die Verbrennungskraftmaschine 10 besitzt wenigstens einen Zylinder 12, in dem ein Kolben 14 geführt ist, der über eine Pleuelstange 16 mit einer Kurbelwelle 18 verbunden ist. Der Zylinder 12 weist ein Einlaßventil 22 auf, das über eine erste Nockenwelle 24 betätigbar ist. Über eine zweite Nockenwelle 26 ist ein Auslaßventil 28 be­ tätigbar. Dem Zylinder 12 ist weiterhin eine Zünd­ quelle 30, beispielsweise eine Zündkerze, zuge­ ordnet. Der Verbrennungskraftmaschine 10 ist ein Saugkanal 32 und ein Abgaskanal 34 zugeordnet. Der Abgaskanal 34 mündet einerseits in einem Auslaß 36 und andererseits in einem mit dem Saugkanal 32 verbundenen Kanal 38. Innerhalb des Saugkanals 32 ist eine Drosselklappe 40 angeordnet. Dem Saugkanal 32 ist weiterhin ein Kraftstoff-Einspritzventil 54 zugeordnet. Der Kanal 38 besitzt eine Erweiterung 42, innerhalb der eine Zwischenwand 44 angeordnet ist, die die Erweiterung 42 in eine erste Kammer 46 und eine zweite Kammer 48 unterteilt. Die Kammer 46 mündet dabei in dem Saugkanal 32. Die Kammer 48 ist mit einem Frischluftanschluß 50 und einem Abluftan­ schluß 52 versehen. Sowohl der Frischluftanschluß 50 als auch der Abluftanschluß 52 besitzen keine Verbindung zu dem Abgaskanal 34 und sind gegebenen­ falls durch diesen abgedichtet hindurchgeführt. Die die Kammern 46 und 48 voneinander trennende Zwi­ schenwand 44 besteht beispielsweise aus Zirkonoxid ZrO₂ (Y₂O₃). Die Zwischenwand 44 ist mit einer hier mit U gekennzeichneten Spannungsquelle 56 ver­ bunden.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung übt folgende Funktionen aus:

Beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 wird innerhalb des Zylinders 12 ein Kraftstoff-Luft- Gemisch verdichtet und durch die Zündquelle 30 gezündet. Das Einspritzen des Kraftstoff-Luft- Gemisches sowie das Verdichten und Zünden dieses Gemisches geschieht in allgemein bekannter Weise und soll hier nicht näher erläutert werden. Durch das Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt eine explosionsartige Verbrennung, infolgedessen ein Abgas entsteht, das als wesentliche Bestand­ teile Kohlendioxid CO₂ und Wasser H₂O enthält. Dieses Abgas wird bei geöffnetem Auslaßventil 28 in den Abgaskanal 34 ausgestoßen. Von hier gelangt es zum einen Teil in den Auslaß 36 und zum anderen Teil in die Kammer 46 der Erweiterung 42. Von dort wird es entsprechend der Stellung der Drosselklappe 40 über den Saugkanal 32 wieder dem Zylinder 12 bei geöffnetem Einlaßventil 22 zugeführt. Zuvor wird diesem Abgas über das Einspritzventil 54 zur Her­ stellung einer explosiven Mischung der Kraftstoff zugemischt. Die Einzelheiten hierzu sind ebenfalls allgemein bekannt und sollen nicht erläutert wer­ den.

Da der Verbrennungsprozeß nur unter Anwesenheit von Sauerstoff O₂ stattfinden kann, wird üblicherweise für das Kraftstoff-Luft-Gemisch Umgebungsluft (Atmosphäre) verwendet. Hierbei wird der in der Atmosphäre vorhandene Luftsauerstoff für den Ver­ brennungsprozeß verwertet. Wie bereits im Stand der Technik erwähnt, entstehen jedoch zusätzlich durch den Luftstickstoff während des Verbrennungspro­ zesses Stickoxide, die zu einer zusätzlichen Um­ weltbelastung führen.

Erfindungsgemäß wird die Atmosphäre über den Frischluftanschluß 50 in die Kammer 48 der Erwei­ terung 42 geleitet. Die Zwischenwand 44 der Er­ weiterung ist aus einem Sauerstoffionen 2 O²- leitendem Material, so daß der Luftsauerstoff O₂ aus der Atmosphäre durch die Zwischenwand 44 in die Kammer 46 diffundieren kann. Die durch die Zwi­ schenwand 44 durchdiffundierten Sauerstoffionen bilden in der Kammer 46 mit dem Abgas ein Gemisch aus Abgas und Sauerstoff O₂. Dieses Gemisch wird über den Saugkanal 32, nach vorherigem Einspritzen von Kraftstoff über das Einspritzventil 54, dem Zylinder 12 zugeführt und kann dort verbrannt werden. Der Verbrennung steht durch die eindiffun­ dierten Sauerstoffionen genügend Sauerstoff zur Verfügung. Da aus der in der Kammer 48 verwendeten Atmosphäre lediglich der Luftsauerstoff entzogen wird, verbleibt der Luftstickstoff N₂ in der Atmosphäre und wird über den Abluftanschluß 52 ab­ geführt. Somit wird verhindert, daß der Luftstick­ stoff in die mit dem Luftsauerstoff vermischten Verbrennungsabgase gelangt, die im weiteren einem erneuten Verbrennungsprozeß zugeführt werden. Die Bildung von Stickoxiden NO_x im Verbrennungsprozeß wird somit sicher vermieden. Da nicht der gesamte Anteil an Luftsauerstoff durch die Zwischenwand 44 in die Kammer 46 diffundiert, kann der Anteil der Sauerstoffionen 2 O^2-, die durch die Zwischenwand 44 hindurchtreten, erhöht werden, indem die Zwischen­ wand 44 mit einer porösen Metallelektrode ver­ dichtet wird und über die Spannungsquelle 56 eine entsprechend gepolte Spannung angelegt wird. Da die Sauerstoffionen ein negatives Potential aufweisen, muß die Spannung so gepolt sein, daß deren Be­ schleunigung in Richtung der Kammer 46 erhöht wird und ein entsprechender Ladungsträgeraustausch, in der Fig. 1 mit A angedeutet, stattfindet.

In der Fig. 2 ist eine konkrete Ausgestaltungs­ möglichkeit der in Fig. 1 gezeigten Erweiterung 42 in einem möglichen Beispiel gezeigt. Innerhalb der Erweiterung 42, wobei diese ebenfalls beispielhaft ist und jede andere Gestaltung aufweisen kann, ist die Kammer 46 angedeutet. Durch die Kammer 46 ver­ läuft ein Bündel einer Vielzahl einzelner, zuein­ ander beabstandeter Rohre 58, deren Querschnitte in ihrer Gesamtheit die Kammer 48 ergeben. Die Rohre 58 sind, wie in Fig. 2 nicht dargestellt, einerseits mit dem Frischluftanschluß 50 und andererseits mit dem Abluftabschluß 52 verbunden. Ein Mantel 60 der Rohre 58 bildet dabei die Zwischenwand 44.

Durch das aus den Rohren 58 bestehende Rohrsystem wird Frischluft gepumpt, während durch das Raum­ volumen zwischen den einzelnen Rohren 58, also die Kammer 46, die Verbrennungsabgase vom Verbrennungs­ prozeß kommend, diesem wieder zugeführt werden. Aufgrund des Sauerstoffkonzentrationsunterschiedes zwischen der Atmosphärenluft im Innern der einzelnen Rohre 58 (Kammer 48) und der von den Verbrennungs­ abgasen durchfluteten Kammer 46 treten Sauerstoff­ ionen durch das sauerstoffionenleitende Material des Mantels 60 hindurch und reichern die Verbrennungs­ abgase mit Sauerstoff an. Da der Mantel 60 (Zwischenwand 44) für den Luftstickstoff undurchläs­ sig ist, wird der Luftstickstoff wieder über den Abluftanschluß 52 an die Umgebung abgegeben, ohne am Verbrennungsprozeß beteiligt zu sein. Hierdurch wird - wie bereits erwähnt - die Bildung von Stickoxiden NO_x bei Verbrennungsprozessen vermieden. Die einzel­ nen Rohre 58 des Rohrsystems können ebenfalls an einer entsprechend gepolten Spannungsquelle ange­ schlossen sein, so daß sich der Effekt des Sauer­ stofftransports mittels der Sauerstoffionen noch erhöht. Durch die Ausbildung der Kammer 48 und das Rohrsystem der Rohre 58 wird die zur Verfügung stehende Diffusionsfläche für die Sauerstoffionen wesentlich erhöht, so daß dem Abgas eine größere Menge an Sauerstoff zugeleitet werden kann.

Nach einem weiteren, nicht dargestellten Aus­ führungsbeispiel, kann eine Kammer oder ein System einzelner Rohre vorgesehen sein, dessen Mantel aus einem sauerstoffspeichernden Material, beispiels­ weise aus Bariumoxid BaO, besteht. Dieser Kanal oder dieses Rohrsystem sind über umschaltbare Schieber entweder mit dem Frischluftanschluß 50 und dem Ab­ luftanschluß 52 oder mit dem Abgaskanal 34 und dem Saugkanal 32 verbindbar. In einem ersten Verfahrens­ schritt wird hier durch den Kanal oder das Rohr­ system Frischluft gepumpt, die beispielsweise eine Temperatur von ca. 550°C und einen Druck von ca. ≈2 bar aufweist. Hierdurch wird der Luftsauerstoff der Frischluft in dem aus Bariumoxid bestehenden Mantel in Form von Bariumdioxid BaO₂ gespeichert.

Nachdem die Anschlüsse zu dem Kanal oder dem Rohr­ system umgeschaltet wurden, wird durch dieses in einem nächsten Verfahrensschritt das Abgas des Verbrennungsprozesses gespült. Es weist dabei bei­ spielsweise eine Temperatur von ca. 800°C und einen Druck von ca. ≈1 bar auf. Hierbei entsteht aus dem Bariumdioxid BaO₂ Bariumoxid BaO und gasförmiger Sauerstoff O₂. Der gasförmige Sauerstoff O₂ mischt sich mit dem Abgas und kann so erneut einem Verbrennungsprozeß zugeführt werden. Da der Luft­ stickstoff der Frischluft nicht in dem Bariumoxid gespeichert wird und aus dem Kanal oder dem Rohr­ system vor Eintritt des Abgases ausgeleitet wurde, wird eine Teilnahme des Luftstickstoffs an dem Ver­ brennungsprozeß vermieden und damit das Entstehen von Stickoxiden verhindert. Anstelle des kompletten Aufbaus des Kanals oder des Rohrsystems aus Barium­ oxid kann auch eine Innenbeschichtung aus Bariumoxid oder ein Einbringen von Strukturen, beispielsweise Gitterstrukturen aus Bariumoxid, vorgesehen sein.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen, insbesondere von Stickoxiden in Verbrennungs­ abgasen, bei einem mit einem Sauerstoff-Stickstoff- Luftgemisch (Atmosphäre) durchgeführten Verbren­ nungsprozeß, dadurch gekennzeichnet, daß einem mit einer Verbrennungskammer verbundenen Abgaskanal (34) wenigstens ein das Sauerstoff-Stickstoff-Luft­ gemisch führender Kanal (Kammer 48) zugeordnet ist und eine die Kammer (48) und den Abgaskanal (34) trennende Zwischenwand für den Sauerstoff (O₂) des Sauerstoff-Stickstoff-Luftgemisches durchlässig ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenwand (44) aus einem sauerstoffionenleitenden Material besteht.

3. Vorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (48) aus einem Bündel einzelner, zueinander beab­ standeter Rohre (58) gebildet wird.

4. Vorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischen­ wand (44) mit einer Spannungsquelle (56) verbindbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenwand (44) mit einer porösen Metallelektrode verdichtet wird.

6. Vorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskanal (34) und die Kammer (48) einen gemeinsamen Frisch­ luftanschluß (50), einen Abluftanschluß (52) und einen Saugkanal (32) aufweisen, die getrennt mit der Kammer (48) bzw. dem Abgaskanal (34) verbindbar sind, und die Kammer (48) bzw. der Abgaskanal (34) sauerstoffspeicherndes Material aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das sauerstoffspeichernde Material Bariumoxid (BaO) ist.

8. Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen, ins­ besondere von Stickoxiden in Verbrennungsabgasen, bei einem mit Sauerstoff-Stickstoff-Luftgemisch (Atmosphäre) durchgeführten Verbrennungsprozeß, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsabgase durch einen Kanal einer Verbrennungskammer zuge­ leitet werden, durch den getrennt von den Verbren­ nungsabgasen ein Sauerstoff-Stickstoff-Luftgemisch (Atmosphäre) geleitet wird und von dem Sauerstoff- Stickstoff-Luftgemisch ausschließlich der Sauer­ stoff dem Verbrennungsabgas zugeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sauerstoff durch eine Zwischenwand eines das Sauerstoff-Stickstoff-Luftgemisch führen­ den Kanals diffundiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Diffusion durch Anlegen einer ent­ sprechend gepolten Spannung beeinflußt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Sauerstoff-Stickstoff-Luftgemisch durch einen Kanal, insbesondere durch ein den Kanal bildendes sauerstoffspeicherndes Rohrsystem ge­ führt wird und anschließend das Rohrsystem mit dem Verbrennungsabgas gespült wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sauerstoff-Stickstoff-Luftgemisch mit einer Temperatur von 500°C bis 600°C, ins­ besondere ca. 550°C und einem Druck von ≈1,5 bar bis 2,5 bar, insbesondere ca. ≈2 bar, durch das Rohrsystem geleitet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbrennungsabgase mit einer Temperatur von 750°C bis 850°C, insbesondere ca. 800°C und einem Druck von ca. ≈1 bar durch das Rohrsystem geleitet werden.