DE602005002388T2

DE602005002388T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Reinigung von Abgas

Info

Publication number: DE602005002388T2
Application number: DE602005002388T
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Nakanishi; Kenji Dosaka; Masanobu Miki; Keizo Iwama; Kazuhide Terada
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2025-04-01
Also published as: EP1582711B1; US20050217241A1; US7207169B2; DE602005002388D1; EP1582711A1; JP2005291071A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren, die in der Lage sind, Partikelmaterialien (nachfolgend als PM bezeichnet) und Stickoxide (nachfolgend als NO_x bezeichnet), die in von einem Verbrennungsmotor wie etwa einem an einem Automobil angebrachten Dieselmotor abgegebenen Abgas enthalten sind, mittels Plasma und eines Katalysators zu beseitigen.
Abgas, das von einem Verbrennungsmotor wie etwa einem Dieselmotor oder einem an einem Automobil angebrachten Magerverbrennungsmotor abgegeben wird, enthält Partikelmaterialien (PM). Es ist bekannt, dass ein Dieselpartikelfilter (nachfolgend als DPF bezeichnet) stromab eines Verbrennungsmotors installiert ist, um PM zu reduzieren. Ein DPF, der allgemein einen aus Keramik hergestellten porösen Filter enthält, verringert PM zur Reinigung von Abgas. Dies wird durchgeführt, indem das Abgas durch den DPF hindurchgeleitet wird, um PM abzutrennen und zu sammeln.
Wenn der DPF eine gewisse PM-Menge aufgefangen hat, wird seine Reaktivierung durchgeführt, indem das PM zum Beispiel mit erhitztem Abgas verbrannt wird, welches durch die Steuerung eines Motors erhalten wird.
Das Abgas enthält auch Stickoxide (NO_x). Ein erstes Verfahren zum Reduzieren von NO_x ist als kohlenwasserstoffselektive katalytische Reduktion (KW-SCR) bekannt, welche eine NO_x-Reinigung durch dessen Reaktion mit Kohlenwasserstoffen (nachfolgen als „KW" bezeichnet) durchführt, mittels eines Katalysators zur selektiven Reduktion von NO_x. Die Kohlenwasserstoffe enthalten unverbranntes KW, das in dem Abgas enthalten ist, oder KW, das in Leichtöl oder Benzin enthalten ist, das zu dem Abgas hinzukommt. Ein zweites Verfahren verwendet einen adsorptiven NO_x-Katalysator, der NO_x vorübergehend adsorbiert. Dieser Katalysator absorbiert NO_x unter Magerbedingungen (Sauerstoffüberschussumgebung) und gibt das absorbierte NO_x unter fetten Bedingungen, wobei KW hinzugefügt wird, frei (Sauerstoffmangelumgebung). Es ist ein drittes Verfahren bekannt, das eine selektive katalytische Harnstoffreduktion verwendet (auch als Urea-SCR bezeichnet). Bei diesem Verfahren wird Harnstoff dem Abgas hinzugefügt, um mit einem Katalysator Ammoniak (NH₃) zu erzeugen, was anschließend einer Reaktion mit NO_x unterliegt. Ein viertes Verfahren verwendet einen plasmaunterstützten Katalysator zur Reinigung von NO_x. Die japanische veröffentlichte Patentanmeldung 2002-210366 offenbart eine Technik, die sich auf das vierte Verfahren bezieht.
Jedoch hat es ein Problem gegeben, das die Verwendung eines aus einem porösen Filter hergestellten DPF, der aufgrund des größeren Widerstands (Druckverlust) einen schlechten Abgasfluss hervorruft, eine effiziente Nutzung der Motorleistung nicht erlaubt. Der DPF hat ein anderes Problem, dass seine Reaktivierungszeit die Ansteuerung eines Motors fordert, wie oben beschrieben, und seine Temperatur während der Reaktivierung möglicherweise 1000 Grad Celsius überschreitet, was zu einer Beschädigung des DPF (wie etwa Schmelzen und Bruch) führt.
Das oben beschriebene erste Verfahren hat ein Problem darin, dass es im Abgas nicht genügend unverbranntes KW gibt. Das zweite Verfahren hat ein Problem darin, dass es erforderlich ist, die Sauerstoffkonzentration im Abgas zu steuern, der Kraftstoffverbrauch signifikant schlechter wird, in Folge davon, dass zu viel KW relativ zur angesaugten Luftmenge hinzugefügt wird. Und das dritte Verfahren hat ein Problem darin, dass es eine Vorrichtung für Harnstoff erfordert, wie etwa einen Tank und eine Fördervorrichtung, und ferner eine Infrastruktur, um die Benutzung mit Harnstoff zu versorgen. Darüber hinaus hat das dritte Verfahren ein anderes Problem, dass Ammoniak unbeabsichtigt aus einem Automobil entweichen kann (Ammoniakverschiebung). Keine der ersten bis vierten Verfahren ist in der Lage gewesen, PM zu beseitigen.
Die WO 00/43102 A offenbart ein System gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System und ein Verfahren anzugeben, die in der Lage sind, im Abgas enthaltenes PM und NO_x sequenziell zu beseitigen und für ein besseres Leistungsmanagement für die zweite Plasmaeinheit zu sorgen.
Erfindungsgemäß wird ein System zum Reinigen von Abgas angegeben, umfassend eine Plasmaeinheit zum Erzeugen energetischer Plasmaarten, die mit im Abgas enthaltenen Partikelmaterialien und Stickoxiden reagieren; und eine Katalysatoreinheit, die einen Katalysator aufweist, der mit dem Abgas reagiert, worin die Plasmaeinheit in Strömungsrichtung des Abgases stromauf relativ zur Katalysatoreinheit angeordnet ist und das System für eine sequentielle Reinigung von den Partikelmaterialien und der Stickoxide sorgt, worin die Plasmaeinheit eine erste Plasmaeinheit zum Erzeugen einer ersten energetischen Plasmaart, die prizipiell mit den Partikelmaterialien reagiert, sowie eine zweite Plasmaeinheit zum Erzeugen einer zweiten energetischen Plasmaart, die prinzipiell mit den Stickoxiden reagiert, aufweist; worin die erste Plasmaeinheit stromauf relativ zur zweiten Plasmaeinheit angeordnet ist, worin der Katalysator einen Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden aufweist, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor, worin eine zentrale Steuereinheit des Systems die zweite Plasmaeinheit aktiviert, wenn eine von dem Temperatursensor erfasste Temperatur des Katalysators zur selektiven Reduktion von Stickoxiden nicht geringer als eine vorbestimmte Aktivtemperatur ist.
In dem oben beschriebenen System oxidieren die energetischen Plasmaarten die Partikelmaterialien, was zur Reinigung des Abgases führt. Die energetischen Plasmaarten reagieren mit NO_x zur Bildung von NO₂ und dergleichen. Dieses NO₂ unterliegt einer Reinigung durch die Reduktion am Katalysator. Auf diese Weise ist es möglich, die Partikel in Materialien (PM) und Stickoxide (NO_x) sequenziell zu entfernen.
In dem oben beschriebenen System ist es der ersten energetischen Plasmaart möglich, die Partikelmaterialien stromauf in der Plasmaeinheit effizienter zu beseitigen. Dies erhöht die Haltbarkeit der Plasmaeinheit, weil die Partikel im Material nicht die Tendenz haben, an Elektroden zum Erzeugen des Plasmas anzuhaften.
Andererseits reagieren die zweiten energetischen Plasmaarten mit NO_x zur Bildung von NO₂, das durch den Katalysator beseitigt wird.
Es gibt Verfahren zum Erzeugen von mehr der ersten energetischen Plasmaart stromauf und mehr der zweiten energetischen Plasmaart stromab in der Plasmaeinheit. Z.B. enthalten die Verfahren eine Anordnung, wo die Anzahl der Elektroden, der Abstand und die angelegte Spannung stufenweise von der stromaufwärtigen zur stromabwärtigen Richtung des Abgasflusses verändert werden, so dass die Energiedichte des Plasmaraums dementsprechend abnimmt.
Da die Plasmaeinheit die erste Plasmaeinheit zum Erzeugen der ersten energetischen Plasmaart und eine zweite Plasmaeinheit zum Erzeugen der zweiten energetischen Plasmaart aufweist, und die erste Plasmaeinheit stromauf relativ zur zweiten Plasmaeinheit angeordnet ist, ist die erste Plasmaeinheit in der Lage, die erste energetische Plasmaart zu erzeugen, und die zweite Plasmaeinheit die zweite energetische Plasmaart zu erzeugen.
Da der Katalysator einen Katalysator zur selektiven Reduktion von NO_x aufweist, kann der Katalysator das NO_x selektiv reduzieren, um NO_x wie etwa NO₂ effizient zu zersetzen, um das Abgas zu reinigen.
Da das System die zweite Plasmaeinheit aktiviert, wenn eine Temperatur des Katalysators zur selektiven Reduktion von Stickoxiden, die durch den Temperatursensor erfasst wird, nicht niedriger als eine vorbestimmte Aktivtemperatur ist, ist das System in der Lage, die zweite Plasmaeinheit selektiv zu aktivieren, wenn der Katalysator zur selektiven NO_x-Reduktion aktiv ist, was für ein besseres Leistungsmanagement der zweiten Plasmaeinheit sorgt.
Bevorzugt ist die Leistungsdichte des von der ersten Plasmaeinheit erzeugten Plasmaraums nicht größer als 0,8 W/cm³, und die Leistungsdichte des von der zweiten Plasmaeinheit erzeugten Plasmaraums von 0,4 bis 9,5 W/cm³.
In dem oben beschriebenen System ist es nicht nur möglich, PM mit der ersten energetischen Plasmaart effizient zu beseitigen, sondern auch, mit der zweiten energetischen Plasmaart NO_x in NO₂ und dergleichen effizient umzuwandeln.
Allgemein gesagt erfordert die Umwandlung von NO_x in NO₂ keine so hohe Leistungsdichte des Plasmaraums wie jene zur Reinigung von PM. Wenn die Leistungsdichte der zweiten Plasmaeinheit so gewählt wird, dass sie geringer ist als jene der ersten Plasmaeinheit, lässt sich ein übermäßiger Stromverbrauch verhindern.
Vorzugsweise wird eine Einheit für einen adsorptiven Stickoxidkatalysator angeben, der zwischen der zweiten Plasmaeinheit und der Katalysatoreinheit angeordnet ist.
Das oben beschriebene System ist in der Lage, mit dem adsorptiven NO_x-Katalysator vorübergehend NO_x zu adsorbieren, wenn es nicht möglich ist, aufgrund der geringen Aktivität des Katalysators zur selektiven NO_x- Reduktion das NO_x richtig zu zersetzen.
Bevorzugt wird eine Einheit zum Hinzufügen von Reduktionsmittel vorgesehen. Diese Einheit ist stromauf relativ zur Katalysatoreinheit in Richtung des Abgasflusses angeordnet. Die Einheit fügt ein Reduktionsmittel den Abgasen hinzu, wenn die Temperatur des Katalysators zur selektiven Reduktion von Stickoxiden nicht geringer als die vorbestimmte Aktivtemperatur ist.
Das oben beschriebene System ist in der Lage, das Reduktionsmittel ohne verschwenderischen Verbrauch hinzuzufügen.
Wenn die Einheit zum Hinzufügen von Reduktionsmittel so angeordnet ist, dass sie in der Lage ist, das Reduktionsmittel stromauf der zweiten Plasmaeinheit hinzuzufügen, und KW für das Reduktionsmittel ausgewählt wird, reagieren die zweiten energetischen Plasmaarten mit KW zur Bildung reaktiver Materialien wie etwa Aldehyd und Kohlenwasserstoff, die Stickoxide enthalten. Weil diese Materialen mit dem Katalysator zur selektiven NO_x-Reduktion NO_x effizient zersetzen, ist es möglich, für eine bessere Abgasreinigung zu sorgen.
Bevorzugt wird eine Oxidationskatalysatoreinheit stromab relativ zur Katalysatoreinheit in der Strömungsrichtung des Abgases vorgesehen.
Das oben beschriebene System ist in der Lage, durch Einbau des Oxidationskatalysators eine Reinigung mit der Hinzufügung von Oxidation zu entwickeln.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur sequenziellen Reinigung von Abgas angegeben, das Partikelmaterialien und Stickoxide enthält, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: 1) Erzeugen einer ersten energetischen Plasmaart, die prinzipiell mit den Partikelmaterialien reagiert, in einer ersten Plasmaeinheit, und, stromab der ersten Plasmaeinheit, Erzeugen einer zweiten energetischen Plasmaart, die prinzipiell mit den Stickoxiden reagiert, in einer zweiten Plasmaeinheit; 2) stromab der ersten und der zweiten Plasmaeinheit, Reinigen des Abgases mit einem Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden; und 3) Aktivieren der zweiten Plasmaeinheit, wenn eine Temperatur des Katalysators zur selektiven Reduktion von Stickoxiden nicht geringer als eine vorbestimmte Aktivtemperatur ist.
Das oben beschriebene Verfahren erlaubt, dass die energetische Plasmaart mit den Partikelmaterialien reagiert, so dass das Abgas gereinigt wird. Gleichzeitig reagieren auch die energetischen Plasmaarten mit NO_x zur Bildung von NO₂, das durch den Katalysator im Schritt (2) einer Reduktion unterliegt. Auf diese Weise sorgt das Verfahren zu einer sequenziellen Reinigung von Partikelmaterialien und NO_x.
Das oben beschriebene Verfahren, das Schritt (1) zum Erzeugen der ersten und zweiten energetischen Plasmaarten aufweist, ist in der Lage, für eine Reinigung von Partikelmaterialien und für die Herstellung von reaktiven Materialien, wie NO₂, zu sorgen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein System zur Reinigung von Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine Schnittansicht, die partiell eine Katalysatoranordnung zeigt, die in einer in 1 gezeigten NO_x-Adsorptionskatalysatoreinheit angeordnet ist.
3 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Beispiel eines Systems zur Reinigung von Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
4 ist eine Schnittansicht, die partiell eine erste Plasmaanordnung zeigt, die in einer in 3 gezeigten ersten Plasmaeinheit angeordnet ist.
5 ist ein Graph, der Testergebnis erster und zweiter Plasmaeinheiten zur Leistungsdichte des Plasmaraums zeigt.
6 ist ein Graph, der Reinigungsraten von PM und NO_x zeigt, die durch Systembeispiele zur Reinigung von Abgas erreicht werden.
7 ist eine Tabelle, die die Charakteristika eines für den Test verwendeten Dieselmotors zusammenfasst.
8 ist eine Tabelle, welche eine Gaskonzentration zeigt.
9 ist eine Tabelle, die Konditionen der ersten und zweiten Plasmaeinheiten für die Beispiel 1, 2 und 3 zusammenfasst.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
Nun wird eine Ausführung der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben.
a. System zur Reinigung von Abgas
Wie in 1 gezeigt sorgt, ein System S1 zur Reinigung von Abgas, das an einem einen Motor (Verbrennungsmotor) aufweisenden Automobil angebracht ist, für eine sequenzielle Reinigung von Partikelmaterialien (PM) und Stickoxiden (NO_x), die in von dem Motor abgegebenem Abgas enthalten sind.
Nachfolgend bedeutet stromauf eine Richtung, aus der Abgas kommt, und stromab die entgegengesetzte Richtung, zu der das Abgas fließt.
Das System S1 enthält, von stromaufwärts zu stromabwärts gesehen, eine erste Plasmaeinheit 10, eine zweite Plasmaeinheit 20, eine NO_x-Adsorptionskatalysatoreinheit 30, eine Katalysatoreinheit 40 zur selektiven Reduktion von NO_x sowie eine Oxidationskatalysatoreinheit 50. Ferner enthält das System S1 eine Einheit 60 zum Hinzufügen von Reduktionsmittel sowie eine elektronische Steuereinheit 70 (nachfolgend als „ECU" bezeichnet). Die Einheit 60 fügt Kohlenwasserstoffe (KW) als Reduktionsmittel zu einem Abgas zwischen der ersten und der zweiten Plasmaeinheit 10 und 20 hinzu.
Erste Plasmaeinheit
Die erste Plasmaeinheit 10 ist mit der stromabwärtigen Seite eines Rohrs 10a verbunden, durch das das Abgas hindurchströmt. Die Plasmaeinheit 10 ist mit der ECU 70 elektrisch verbunden, welche die Plasmaeinheit 10 ansteuert.
Die erste Plasmaeinheit 10, die Elektroden zur Erzeugung von Plasma aufweist, erzeugt eine erste energetische Plasmaart, wie etwa energetische Sauerstoff(O)-Arten, energetische Hydroxid(OH)-Arten und energetische Perhydroxid(OOH)-Arten. Die Erzeugung von energetischen Plasmaarten findet in der folgenden Weise statt. Wenn an mit Abstand angeordnete Elektroden eine Spannung angelegt wird, wird ein Plasma erzeugt. Im Ergebnis prallen die von den Elektroden abgegebenen Elektronen auf im Abgas enthaltene Moleküle, wobei die erste energetische Plasmaart erzeugt wird. Weil die erste energetische Plasmaart eine hohe Oxidationsfähigkeit hat, führt der Kontakt mit im Abgas enthaltenem PM zur Oxidation, was zur Reinigung von PM führt. In diesem Zusammenhang ist das Verfahren zur Plasmaerzeugung in der vorliegenden Ausführung nicht beschränkt, und es können auch solche Verfahren angewendet werden wie etwa Koronaentladung, Pulsentladung und Barriere-Entladung.
Sie wird so ausgewählt, dass die Leistungsdichte der ersten Plasmaeinheit 10 nicht kleiner als 0,8 W/cm³ ist. Der Grund zur Einstellung dieses Werts ist, dass ein später zu beschreibendes Beispiel aufgezeigt hat, dass mehr als 80% von PM erfolgreich gereinigt werden (siehe 5).
Die Leistungsdichte des Plasmaraums bedeutet einen Wert, der berechnet wird, indem die zum Erzeugen des Plasmas verbrauchte Leistung durch das Volumen des Raums, den das Plasma einnimmt, dividiert wird. Wenn die Elektroden 112 mit einem regelmäßigen Abstand dazwischen parallel zu einander angeordnet sind, wie in 4 gezeigt, was ein später zu beschreibendes Beispiel darstellt, entspricht ein Plasmaraum S einem Volumen, das durch ein paar benachbarte Elektroden 112 definiert ist. Je höher die Leistungsdichte des Plasmaraums ist, desto höher ist die Energie, die die im Plasma existierenden Elektronen besitzen, was bedeutet, dass es möglich ist, die erste energetische Plasmaart effizient zu erzeugen.
Zweite Plasmaeinheit
Die zweite Plasmaeinheit 20 ist der ersten Plasmaeinheit 10 über ein Rohr 10b nachgeschaltet. Die zweite Plasmaeinheit 20 ist mit der ECU 70 elektrisch verbunden, welche die zweite Plasmaeinheit 20 ansteuert.
Die zweite Plasmaeinheit 20 erzeugt eine zweite energetische Plasmaart, wie etwa energetische Sauerstoff(O)-Arten, energetische Hydroxid(OH)-Arten, energetische Perhydroxid(OOH)-Arten und energetische NO_x-Arten, die prinzipiell mit NO_x im Abgas und KW reagieren, welches durch die Einheit 60 zum Hinzufügen von Reduktionsmitteln hinzugefügt wird. Unter diesen zweiten energetischen Plasmaarten reagiert eine energetische O-Art mit Sauerstoff (O₂) zur Bildung von Ozon (O₃). Dieses O₂ reagiert sofort mit dem im Abgas enthaltenen NO_x, wobei ein O₂ erzeugt wird. Auch reagiert das Ozon mit KW, wobei eine Aldehydart etwa Azetaldehyd (CH₃CHO) erzeugt wird, und reagiert mit energetischen NO_x-Arten, die im Plasma enthalten sind, wobei stickoxidhaltiger Kohlenwasserstoff erzeugt wird.
Es wird so ausgewählt, dass die räumliche Leistungsdichte der zweiten Plasmaeinheit 20 0,4 bis 9,5 W/cm³ beträgt. Der Grund zur Einstellung dieses Werts ist, dass ein später zu beschreibendes Beispiel aufgezeigt hat, dass die Entstehung von NO₂ nicht weniger als 80% beträgt (siehe 5), was aus der Reaktion der zweiten energetischen Plasmaart mit NO_x resultiert.
Das System S1 zur Reinigung von Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung, das die ersten und zweiten Plasmaeinheiten 10 und 20 aufweist, ist in der Lage, diese Einheiten 10 und 20 unabhängig von einander anzusteuern. Auf diese Weise ist die erste Plasmaeinheit 10 zur Reinigung von PM verantwortlich und ist die zweite Plasmaeinheit 20 zur Erzeugung von hochreaktivem NO₂ und dergleichen verantwortlich.
NO_x-Adsorptionskatalysatoreinheit
Die NO_x-Adsorptionskatalysatoreinheit 30 ist über ein Rohr 20a der zweiten Plasmaeinheit 20 nachgeschaltet. Die NO_x-Adsortionskatalysatoreinheit 30 weist einen NO_x-Adsorptionskatalysator auf, der Charakteristiken hat, dass dann, wenn die Temperatur von Abgas nicht größer als eine bestimmte Temperatur ist (Aktivtemperatur des Katalysators zur selektiven Reduktion von NO_x), sie vorübergehend NO_x absorbiert und wenn die Temperatur des Abgases größer als die bestimmte Temperatur ist, sie das adsorbierte NO_x freigibt.
Wie in 2 gezeigt, weist die NO_x-Adsorptionskatalysatoreinheit 30 eine Katalysatoranordnung 31 auf, die einen Träger 32 enthält, der eine Vielzahl feiner Löcher 32a aufweist, durch die das Abgas hindurchtritt. Die Katalysatoranordnung 31 weist einen NO_x-Adsorptionskatalysator 33 mit geschichteter Struktur auf, der den Träger 32 überdeckt, sowie Innenoberflächen 32b, die die feinen Löcher 32a umgeben. Weil der NO_x-Adsorptionskatalysator 33 durch Imprägnieren des Trägers 32 mit einer NO_x-Adsorptionsschlämme hergestellt wird, wird er Schlämmbeschichtung (Lage) genannt.
Obwohl die Form des Trägers 32 nicht eingeschränkt ist, so lange sie für einen Zwischenraum sorgt, durch den Abgas hindurchtritt, verwendet die vorliegende Erfindung eine einer Bienenwabe ähnliche Form mit einer Vielzahl feiner Löcher 32a, unter Berücksichtigung einer Kontaktfläche mit Abgas und der mechanischen Festigkeit. Es ist bevorzugt, aber nicht notwendigerweise erforderlich, dass für einen Träger 32a ein wärmebeständiges Material verwendet wird. Z.B. ist es möglich, poröse Substrate (Keramik) wie etwa Cordierit, Mullit und Silizium-Karbid (SiC) zu nennen, oder ein Metall, wie etwa rostfreien Stahl.
Als ein Beispiel des Materials zur katalytischen Aktivität ist es möglich, ein poröses Substrat zu verwenden, das z.B. ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall trägt. Es ist möglich, Aluminiumoxid, Silica, Silica-Aluminiumoxid und Zeolith als Beispiele für poröses Substrat zu nennen.
Katalysatoreinheit zur selektiven Reduktion von NO_x
Die Katalysatoreinheit 40 zur selektiven Reduktion von NO_x, die über ein Rohr 30a der NO_x-Adsorptionskatalysatoreinheit 30 nachgeschaltet ist, weist einen Katalysator zur selektiven Reduktion von NO_x auf (Katalysator zur Reinigung von Abgas).
Die Einheit 40, die eine ähnliche Struktur wie jene der NO_x-Adsorptionskatalysatoreinheit 30 aufweist, enthält eine bienenwabenförmige Katalysatoranordnung. Diese Katalysatoranordnung weist einen Katalysator zur selektiven Reduktion von NO_x auf, anstelle des NO_x-Adsorptionskatalysators. Als ein Beispiel von Material zur katalytischen Aktivität ist es möglich, ein poröses Substrat zu verwenden, welches Silber (Ag) trägt. Als Beispiel des porösen Substrats ist es möglich, Aluminiumoxid, Silica, Silica-Aluminiumoxid und Zeolith zu nennen. In diesem Zusammenhang könnte es alternativ möglich sein, ein Substrat zu verwenden, welches anstelle von Silber ein Zeolith (z.B. Mordenit) trägt, das eine Azidität aufweist.
Die Einheit 40 weist den Temperatursensor 40b auf, der die Temperatur des Katalysators zur selektiven Reduktion von NO_x erfasst und mit der ECU 70 elektrische verbunden ist. Auf diese Weise überwacht die ECU diese Temperatur, um einen Aktivierungszustand des Katalysators zu beobachten.
Oxidationskatalysatoreinheit
Die Oxidationskatalysatoreinheit, die über ein Rohr 40a der Katalysatoreinheit 40 zur selektiven Reduktion von NO_x nachgeschaltet ist, weist einen Oxidationskatalysator auf, der für eine ergänzende Reinigung des Abgases durch Oxidation sorgt. Ein Rohr zur Abgabe des Abgases ist schon ab der Einheit 50 angeordnet.
Die Einheit 50, deren Struktur ähnlich jener der NO_x-adsorptiven Katalysatoreinheit 30 ist, enthält eine Katalysatoranordnung mit bienenwabenartiger Form. Diese Katalysatoranordnung weist anstelle des NO_x-Adsorptionskatalysators den Oxidationskatalysator auf. Als Beispiel des Materials zur katalytischen Aktivität ist es möglich ein Platin (Pt) tragendes Aluminiumoxid zu verwenden.
Einheit zum Hinzufügen von Reduktionsmittel
Die Einheit 60 zum Hinzufügen von Reduktionsmittel fügt Abgas KW als Reduktionsmittel unmittelbar stromauf der zweiten Plasmaeinheit 20 zu. In der vorliegenden Ausführung wird z.B. Kraftstoff verwendet, wie etwa Leichtöl und Benzin. Von der stromaufwärtigen zur stromabwärtigen Seite betrachtet, enthält die Einheit 60 einen Kraftstofftank 61, eine Kraftstoffpumpe 62, ein Regulierventil 63, einen Vergaser 64 und ein diese Komponenten verbindendes Rohr. Die Kraftstoffpumpe 62 und das Regulierventil 63 sind mit der ECU 70 verbunden, welche diese zwei Komponenten 62 und 63 ansteuert. Der Vergaser 64, der durch Abgas erhitzt wird, verdampft Kraftstoff. Die ECU 70 steuert die Kraftstoffpumpe 62 und die Ventilstellung der Kraftstoffpumpe 63, um ihr durch Abgas vorbestimmte KW-Mengen hinzuzufügen.
Elektronische Steuereinheit (ECU)
Die ECU 70, die als zentrale Steuereinheit für das System S1 zum Reinigen von Abgas dient, enthält eine CPU, ein ROM und Eingabe-/Ausgabeschnittstellen. Die ECU 70 ist mit der ersten Plasmaeinheit 10, der zweiten Plasmaeinheit 20, dem Temperatursensor 40b, der Kraftstoffpumpe 62 und dem Regulierventil 63 elektrisch verbunden. Eine detaillierte Beschreibung der ECU 70 folgt später bei der Diskussion des Betriebs des Systems S1.
b. Betrieb des Systems zur Reinigung von Abgas
Nun wird eine Beschreibung eines Verfahrens einhergehend mit dem Betrieb eines Systems S1 zur Reinigung von Abgas in Bezug auf 1 angegeben.
Von einem Motor (nicht gezeigt) abgegebenes Abgas wird von der stromaufwärtigen Seite über ein Rohr 10a in das System S1 geleitet. Wenn das Abgas in das System S1 eintritt, steuert/regelt die ECU 70 eine erste Plasmaeinheit 10 auf eine Leistungsdichte des Plasmaraums, die nicht kleiner als 0,8 W/cm³ ist. Im Ergebnis werden erste energetische Plasmaarten, wie etwa energetische Sauerstoffarten, energetische Hydroxidarten und energetische Perhydroxidarten in der ersten Plasmaeinheit 10 erzeugt. Diese energetischen Plasmaarten, insbesondere die energetischen Sauerstoffarten, reagieren mit dem im Abgas enthaltenen PM, um hierdurch PM durch Oxidation zu beseitigen.
Die ECU 70 steuert/regelt eine Kraftstoffpumpe 62 und ein Regulierventil 63, um eine vorbestimmte KW-Menge zu dem Abgas hinzuzufügen. Wenn die Temperatur eines Katalysators zur selektiven NO_x-Reduktion, die durch einen Temperatursensor 40b erfasst wird, kleiner als dessen Aktivtemperatur ist, erlaubt die ECU 70 die Hinzufügung von KW nicht. Dies bietet Schutz vor verschwenderischer Hinzufügung von KW, was eine Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs verhindert.
Die ECU 70 steuert/regelt eine zweite Plasmaeinheit 20 auf eine Leistungsdichte des Plasmaraums von 0,4 bis 9,5 W/cm³. In der zweiten Plasmaeinheit 20 werden zweite energetische Plasmaeinheiten erzeugt, wie etwa energetische Sauerstoffarten, energetische Hydroxidarten, energetischen Perhydroxidarten und energetische NO_x-Arten.
Unter diesen Arten reagieren die energetischen Sauerstoffarten Sauerstoff (O) zur Bildung von Ozon (O₃). Dieses Ozon reagiert sofort mit dem im Abgas enthaltenen NO_x, wobei NO₂ erzeugt wird. Auch reagiert dieses Ozon nicht nur mit hinzugefügtem KW, so dass Aldehydarten wie etwa Azetaldehyd (CH₃CHO) und dergleichen erzeugt werden, sondern auch mit energetischen NO_x-Arten, wobei kohlenwasserstoffhaltige Stickoxide erzeugt werden.
Wenn die vom Temperatursensor 40b erfasste Temperatur eines Katalysators zur selektiven NO_x-Reduktion beim Abgas mit niedriger Temperatur unterhalb seiner Aktivtemperatur liegt, wie etwa in einer Situation unmittelbar nach dem Start eines Motors, erlaubt die ECU 70 nicht, dass die zweite Plasmaeinheit 20 arbeitet. Dies führt zu einer Reduktion im Energieverbrauch.
Gleichzeitig absorbiert eine NO_x-Adsorptionskatalysatoreinheit 30 vorübergehend das im Abgas enthaltene NO_x.
Wenn diese Katalysatortemperatur ansteigt, wenn die Temperatur des Abgases ansteigt und der Katalysator zur selektiven NO_x-Reduktion die gewünschte katalytische Aktivität hat, gibt die Einheit 30 das adsorbierte NO_x frei.
In einer Katalysatoreinheit 40 zur selektiven NO_x-Reduktion findet eine reduktive Reaktion von NO₂ durch Aldehydarten und Kohlenwasserstoffe, welche Stickoxide enthalten, auf einem Katalysator zur selektiven NO_x-Reduktion statt. Mit der durch diese Reaktion erzeugten Wärme entstehen auch andere Reaktionen für NO- und andere KW-Arten, die im Abgas enthalten sind. Auf diese Weise wird es möglich, für eine effiziente Reinigung von NO_x zu sorgen, und zwar über einen Temperaturbereich, der die Niedrigtemperatur einschließt.
Anschließend sorgt eine Oxidationskatalysatoreinheit 50 für eine ergänzende Reinigung durch Oxidation am Abgas, das über ein Rohr 50a in die Außenumgebung abgegeben wird.
Das System S1 zur Reinigung von Abgas gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, im Abgas enthaltene PM und NO_x sequenziell zu beseitigen.
Während die Erfindung im Detail und im Bezug auf eine bestimmte Ausführung davon beschrieben worden ist, versteht es sich für einen Fachkundigen, dass darin verschiedene Änderungen oder Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang derselben abzuweichen. Es folgen Beispiele für die Modifikation.
In der oben beschriebenen Ausführung ist angenommen worden, dass ein System S1 zur Reinigung von Abgas für PM und NO_x verwendet wird, die als Beispiel von einem Automobil abgegeben werden. Die Anwendung des Systems S1 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sondern ist es auch möglich, es auf die Reinigung von PM und NO_x anzuwenden, die in Rauch und Ruß enthalten sind, welche von einer Fabrik abgegeben werden.
Obwohl das oben beschriebene System S1 unabhängige erste und zweite Plasmaeinheiten 10 und 20 aufweist, könnte es alternativ möglich sein, anstelle dieser zwei Einheiten eine kombinierte Einheit zu verwenden.
Es könnte auch möglich sein, in einer Plasmaeinheit eine solche Anordnung zu verwenden, dass erste energetische Plasmaarten stromaufwärts stärker erzeugt werden und zweite energetische Plasmaarten stromabwärts stärker erzeugt werden. Diese Anordnung wird implementiert, indem die Anzahl der plasmaerzeugenden Elektroden, ihr Abstand und die daran anliegende Spannung von der stromaufwärtigen zur stromabwärtigen Seite relativ zur Strömungsrichtung des Abgases graduell eingestellt wird.
c. Beispiel
Es wird eine detailliertere Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Bezug auf Beispiele angegeben.
(1) System zur Reinigung von Abgas
(1-1) Struktur
Es wird eine Beschreibung der Struktur eines Systems S2 zum Reinigen von Abgas in Bezug auf 3 angegeben.
Das System S2, das an einem Abgasabschnitt 200 erzeugtes Abgas reinigt, enthält von der stromaufwärtigen zur stromabwärtigen Seite, eine erste Plasmaeinheit 110, eine zweite Plasmaeinheit 120, eine NO_x-adsorptive Katalysatoreinheit 103, eine Katalysatoreinheit 140 zur selektiven Reduktion von NO_x, eine Oxidationskatalysatoreinheit 50 und einen Strömungsmesser 161, der in der äußerst stromabwärtigen Seite angeordnet ist, um die Abgasmenge zu messen. Zusätzlich weist das System S2 Rohre 110b, 120a, 130a, 140a und 150a auf, durch die die oben beschriebenen Komponenten in Fluidverbindung stehen. Eine Einheit zum Hinzufügen von Reduktionsmitteln (nicht gezeigt) versorgt Abgas mit dem (reduzierenden) Kohlenwasserstoff KW zwischen der ersten Plasmaeinheit 110 und der zweiten Plasmaeinheit 120. In diesem Beispiel wurde für KW ein normales Dekan (n-C₁₀H₂₂) verwendet. Es gibt ein Rohr 110d mit einem Ventil V6, welches die erste Plasmaeinheit 110 umgeht.
(1-2) Plasmaeinheit
Es wird eine Beschreibung der ersten und zweiten Plasmaeinheiten 110 und 120 angegeben.
Die erste Plasmaeinheit 110 weist im Inneren einen ersten Plasmagenerator 111 auf, wie in 4 gezeigt.
Der Plasmagenerator 111 weist eine Mehrzahl metallischer Elektroden 112 auf, von denen jede eine Oberfläche aufweist, die mit einer dielektrischen Substanz 113 bedeckt ist. Diese Elektroden 112 sind mit einem vorbestimmten Abstand d1 in einer bestimmten Richtung angeordnet, so dass eine metallische Oberfläche einer dielektrischen Oberfläche gegenüberliegt. Die Elektroden 112 sind abwechselnd mit einem Hochspannungsanschluss und Masse verbunden. Auf diese Weise sieht der Plasmagenerator 111 einen Plasmaraum S vor, wo Plasma erzeugt wird. Jede der Elektroden 112 ist eine Platte von 20 mm × 50 mm × 1 mm (Dicke), hergestellt aus SUS316. Die dielektrische Substanz ist aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einer Dicke von 0,5 mm hergestellt. Die Elektroden 112 sind so angeordnet, dass der oben beschriebene Abstand d1 0,5 mm beträgt und die Anzahl der Plasmaräume S 10 Schichten ergibt. Im Ergebnis des Volumens einer Schicht des Plasmaraums S 0,5 cm³, und insgesamt 5,0 cm³ (siehe 7).
Die zweite Plasmaeinheit 120, die eine ähnliche Struktur hat wie die erste Plasmaeinheit 110 hat drei Schichten des Raums S mit einem Abstand D1 von 1,5 mm. Im Ergebnis beträgt das Volumen einer Schicht des Raums S 1,5 cm³ und das Gesamtvolumen 4,5 cm³ (siehe 7).
(1-3) Abgasabschnitt
Zurück zu 3 wird eine Beschreibung des Abgasabschnitts 200 angegeben.
Der Abgasabschnitt 200 enthält einen Dieselmotor 201 mit den in 7 gezeigten Merkmalen, einen N₂-Tank 202, der Hochdruckstickstoff speichert, einen O₂-Tank 203, der Hochdrucksauerstoff speichert, sowie einen Heizer 204. Der Dieselmotor 201 ist mit der ersten Plasmaeinheit 110 über ein Rohr 201a verbunden, das ein Regulierventil 201b aufweist. Der N₂-Tank 202 und der O₂-Tank 203 sind mit dem Rohr 201a stromab des Regulierventils 201b verbunden, so dass Stickstoff- und Sauerstoffgase dem vom Dieselmotor 201 erzeugten Abgas hinzugefügt werden. Der Heizer 204 ist in der Nähe des Rohrs 201a angeordnet, so dass in das System S2 zu verbringendes Abgas auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird.
Im Beispiel wurden Stickstoff und Sauerstoff hinzugefügt, so dass das Abgas die in 8 gezeigte Gaszusammensetzung hatte. Die in 8 gezeigten Konzentrationen sind für Konditionen, dass die Temperatur von Abgas 25 Grad Celsius beträgt und dessen Druck 1013 hPa beträgt (Standardatmosphärendruck).
(1-4) Gasanalyseabschnitt
Ein Rohr 201c mit einem Ventil V1 zweigt von dem Rohr 201a stromab des Heizers 204 ab. Das Rohr 201c ist mit einem Gasanalysator 162 verbunden (HORIBA MEXA-4300FT). Auf diese Weise ist es möglich, die Zusammensetzung von Abgas zu analysieren, das in die erste Plasmaeinheit 110 eingeführt wird, durch Steuerung der Öffnung des Verschlusses des Ventils V1. In diesem Zusammenhang wurde die Konzentration von NO_x als Summe von NO und NO₂ berechnet.
Rohre 110c, 120c und 150c zweigen von den Rohren in der folgenden Weise ab. Das Rohr 101c mit einem Ventil V2 hat eine Verbindung mit dem Rohr 110b, das die ersten und zweiten Plasmaeinheiten 110 und 120 verbindet. Das Rohr 120c mit einem Ventil V3 hat eine Verbindung mit dem Rohr 120, das die zweite Plasmaeinheit 120 und die NO_x-Adsorptionskatalysatoreinheit 130 verbindet. Das Rohr 150c mit einem Ventil V4 hat eine Verbindung mit dem Rohr 150a, das die Oxidationskatalysatoreinheit 150 und den Strömungsmesser 161 verbindet. Diese Rohre 110c, 120c und 150c sind stromab mit dem Rohr 201c verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, die Abgaszusammensetzung durch den Gasanalysator 162 zu analysieren, welche an einem gewählten Ort abgenommen wurden, durch Steuerung des Öffnens und Schließens jedes der Ventile V2, V3 und V4.
Ferner zweigt ein Rohr 163a mit einem Ventil V5 von dem Rohr 201c ab. Stromab dieses Rohrs 163a sind ein Filter 163, ein Rohr 163b und eine Vakuumpumpe 164 in dieser Reihenfolge angeschlossen. Wenn das Ventil V5 geöffnet wird und die Vakuumpumpe 164 eingeschaltet wird, saugt sie das durch das Rohr 201c hindurchtretende Gas an, so dass der Filter 163 in diesem Gas enthaltene PM auffängt. Es ist möglich, die Masse der PM im Abgas durch eine Massenmethode zu messen, welche die Massendifferenz vor und nach dem Auffangen von PM verwendet. In diesem Zusammenhang wurde als Beispiel ein Filter mit einer 0,3 Mikrometer Gitterweite verwendet.
(1-5) Herstellung der Katalysatoreinheiten
Es wird eine Beschreibung der Herstellung von Katalysatoranordnungen angegeben, die in einer NO_x-Adsorptionskatalysatoreinheit 130, einer Katalysatoreinheit 140 zur selektiven Reduktion von NO_x bzw. einer Observationskatalysatoreinheit 150 enthalten sind.
(1-5-1) NO_x-Adsorptionskatalysatoranordnung
Es wurde ein Zeolithkatalysatorpulver vom Cs-USY-Typ für einen NO_x-Adsorptionskatalysator ausgewählt. Das Verfahren bei dessen Herstellung wird nachfolgend beschrieben.
100 g Na-USY-Zeolithpulver, 257 g Cäsiumnitrat und 1000 g Ionenaustauscherwasser, die sich in einem Trennkolben befanden, wurden unter Rühren auf 90 Grad Celsius für 14 Stunden erhitzt. Sie wurden gefiltert und anschließend mit reinem Wasser gewaschen. Sie wurden nicht nur in einem Trockenofen bei 150 Grad Celsius für zwei Stunden getrocknet, sondern auch in einem Muffelofen bei 400 Grad Celsius für 12 Stunden. Auf diese Weise erhielt man das Cs-Ionenaustausch-Zeolithkatalysatorpulver vom USY-Typ (NO_x-Adsorptionskatalysatorpulver).
Nachdem 90 g dieses Pulvers, 50 g Al₂O₃-Bindemittel (20 Gewichtsprozent Al₂O₃) und 150 g Ionenaustauscherwasser in einem Gefäß gemischt waren, wurden sie für 12 Stunden in einer Aluminiumoxidkugel nass geschliffen, um hierdurch eine Schlämme des Cs-Ionenaustausch-Zeolithkatalysators vom USY-Typ (NO_x-Adsorptionskatalysator-Schlämme) zu bilden.
Ein Bienenwabenträger mit einem Durchmesser von 25,4 mm und einer Länge von 60 mm aus Cordierit, der eine Porendichte von 62 Zellen/cm² (400 Zellen pro Quadratzoll) und einen Lochdurchmesser von 152,4 Mikrometer (60 Mils) aufwies, wurde in die oben beschriebene Schlämme eingetaucht.
Dann wurde der Bienenwabenträger aus der Schlämme herausgenommen, und daran anhaftende überschüssige Schlämme wurden durch Luftstrahlen beseitigt, wobei er bei 150 Grad Celsius für eine Stunde gebacken wurde. Die oben beschriebenen Schritte wurden wiederholt, bis der Bienenwabenträger eine bestimmte Menge der Schlämme trug. Anschließend wurde der Bienenwabenträger bei 500 Grad Celsius in einem Muffelofen für zwei Stunden gebacken.
Die Menge des durch das Schlämmbeschichtungsverfahren ausgebildeten NO_x-Adsorptionskatalysators betrug 100 g/L, was die Masse vom Katalysator pro Lochvolumeneinheit bedeutet.
(1-5-2) Katalysatoranordnung zur selektiven NO_x-Reduktion
Silber (Ag)-tragendes Aluminumoxid wurde für einen Katalysator zur selektiven NO_x-Reduktion ausgewählt. Das Verfahren für dessen Herstellung wird nachfolgend beschrieben.
Nachdem 4,72 g Silbernitrat (AgNO₃), 97 g von γ-Al₂O₃ und 1000 g von Ionenaustauscherwasser in einem Eierkolbenflasche gemischt waren, wurde überschüssiges Wasser durch einen Rotationsverdampfer beseitigt. Sie wurden bei 200 Grad Celsius in einem Trockenofen für zwei Stunden getrocknet, und weiter bei 600 Grad Celsius in einem Muffelofen für zwei Stunden, um hierdurch Ag-tragendes Aluminiumoxidpulver zu bilden.
Nachdem 90 g dieses Pulvers, 50 g γ-Al₂O₃ (20 Gewichtsprozent Al₂O₃) und 150 g Ionenaustauscherwasser in einem Gefäß vermischt waren, wurden sie in einer Aluminiumoxidkugel für 12 Stunden einem Nasschliff unterzogen, um hierdurch eine Schlämme aus Ag-tragendem Aluminiumoxidkatalysator zu bilden.
Ein Bienenwabenträger mit einem Durchmesser von 25,4 mm und einer Länge von 60 mm aus Cordierit, der eine Porendichte von 62 Zellen/cm² (400 Zellen pro Quadratzoll) und einen Lochdurchmesser von 152,4 Mikrometer (60 Mils) aufwies, wurde in die oben beschriebene Schlämme eingetaucht.
Dann wurde der Bienenwabenträger aus der Schlämme herausgenommen und daran anhaftende überschüssige Schlämme wurde durch Luftstrahlen beseitigt, wobei er bei 150 Grad Celsius für eine Stunde gebacken wurde. Die oben beschriebenen Schritte wurden wiederholt, bis der Bienenwabenträger eine gewünschte Menge der Schlämme trug. Anschließend wurde der Bienewabenträger bei 500 Grad Celsius in einem Muffelofen für zwei Stunden gebacken.
Eine Katalysatormenge zur selektiven Reduktion von NO_x, die durch das Schlämmbeschichtungsverfahren gebildet wurde, betrug 200 g/L, was die Masse von Katalysator pro Lochvolumeneinheit bedeutet. Die angebrachte Ag-Menge betrug 3 g/L.
(1-5-3) Oxidationskatalysatoranordnung
Es wurde ein Platin (Pt) tragendes Aluminiumoxid als Oxidationskatalysator ausgewählt. Das Verfahren zu dessen Herstellung wird nachfolgend beschrieben.
Nachdem 80 g einer Dinitroaminplatinnitratlösung (Pt(NH₃)₂(NO₂)-HNO₃), die fünf Gewichtsprozent Platin (Pt), 96 g von γ-Al₂O₃ und 1000 g Ionenaustauscherwasser enthält, in einem Eierkolbenflasche gemischt waren, wurde überschüssiges Wasser durch einen Rotationsverdampfer entfernt. Sie wurden bei 200 Grad Celsius in einem Trockenofen für zwei Stunden getrocknet, und ferner bei 600 Grad Celsius in einem Muffelofen für zwei Stunden, um hierdurch ein Pt tragendes Aluminiumoxidpulver zu bilden.
Nachdem 90 g dieses Pulvers, 50 g SiO₂-Bindemittel (20 Gewichtsprozent SiO₂) und 150 g Ionenaustauscherwasser in einem Gefäß vermischt waren, wurden sie in einer Aluminiumoxidkugel für 12 Stunden einem Nassschliff unterzogen, wobei eine Schlämme von Pt tragendem Aluminiumoxydkatalysator gebildet wurde.
Ein Bienenwabenträger ähnlich jenem, der für die oben beschriebene NO_x-Adsorptionskatalysatoranordnung verwendet wurde, wurde in die oben beschriebene Schlämme eingetaucht. Der Bienenwabenträger wurde dann aus der Schlämme herausgenommen, und daran anhaftende überschüssige Schlämme wurde durch Luftstrahlen entfernt, wobei er bei 150 Grad Celsius für eine Stunde gebacken wurde. Die oben beschriebenen Schritte wurden wiederholt, bis der Bienenwabenträger eine bestimmt Menge der Schlämme trug. Anschließend wurde der Bienenwabenträger bei 500 Grad Celsius in einem Muffelofen für zwei Stunden gebacken.
Eine durch das Aufschlämmungsverfahren gebildete Menge des Oxidationskatalysators betrug 100 g/L, was die Masse von Katalysator pro Lochvolumeneinheit bedeutet. Die Menge an angebrachtem Pt betrug 4 g/L.
(2) Leistungsdichte des Plasmaraums
Es wurde ein Test an den ersten und zweiten Plasmaeinheiten 110 und 120 des Systems S2 zur Reinigung von Abgas durchgeführt, um die Leistungsdichte des Plasmaraums zu verifizieren.
(2-1) Erste Plasmaeinheit
Ein Prozentsatz zur Reinigung von PM wurde mit einem Ausdruck (1) für die Leistungsdichte des Plasmaraums der ersten Plasmaeinheit 110 basierend auf Messdaten berechnet.
wobei α die Reinigungsrate von PM als Prozentsatz bezeichnet, m1 die Masse von PM bezeichnet, das in Gas enthalten ist, welches in ein System zur Reinigung von Abgas verbracht wird, und m2 die Masse von PM bezeichnet, das im Gas enthalten ist, welches von dem System abgegeben wird.
Die Messung wurde für ein Abgas durchgeführt, das in das System S2 eingeleitet wurde, wobei die erste Plasmaeinheit 110, die NO_x-Adsorptionskatalysatoreinheit 130 und die Katalysatoreinheit 140 zur selektiven Reduktion von NO_x und die Oxidationskatalysatoreinheit 150 in Betrieb waren. Während der Test durchgeführt wurde, wurden die Ventile V1, V4 und V5 nach Bedarf angesteuert. Die Messung wurde für verschiedene Leistungsdichten des Plasmaraums wiederholt. 5 fasst die Testergebnisse zusammen. In dieser Testkonfiguration wurde die zweite Plasmaeinheit 120 nicht in Betrieb genommen.
Wie aus 5 ersichtlich, wurde aufgezeigt, dass es möglich ist, für eine effiziente Reinigung von im Abgas enthaltenen PM zu sorgen, was eine Reinigungsrate von nicht weniger als 80% erreicht, wenn die Leistungsdichte des Plasmaraums nicht weniger als 0,8 (W/cm³) ist, was als bevorzugter Bereich bezeichnet wird.
(2-2) Zweite Plasmaeinheit
Als nächstes wurde ein Abgas in die zweite Plasmaeinheit 120 geleitet, indem durch Öffnen des Ventils V6 die erste Plasmaeinheit 110 umgangen wurde. Die Messung wurde für das Gas durchgeführt, während das Ventil V3 offen gelassen wurde. Eine Erzeugungsrate von NO₂ wurde mit einem Ausdruck 2 errechnet. Diese Rate bezeichnet den Prozentsatz von erzeugtem NO₂ relativ zum gesamten im Gas enthaltenen NO_x, das als Summe von NO und NO₂ angenommen wurde wie oben beschrieben. Die Testergebnisse sind in 5 gezeigt.
wobei β die Erzeugungsrate von NO₂ als Prozentsatz bezeichnet, m3 die NO_x-Menge bezeichnet, die in einem Gas enthalten ist, das von einer zweiten Plasmaeinheit abgegeben wurde, und m4 eine NO₂-Menge bezeichnet, die in demselben Gas enthalten ist.
Wie aus 5 ersichtlich, wurde aufgezeigt, dass es möglich ist, aufgrund des mit NO_x reagierenden Plasmas für eine gewünschte Erzeugung von reaktivem NO₂ in der zweiten Plasmaeinheit 120 sorgt, was eine Erzeugungsrate nicht weniger als 80% erreicht, wenn die Leistungsdichte des Plasmaraums von 0,4 bis 9,5 (W/cm³) beträgt, was als bevorzugter Bereich bezeichnet wird.
(3) Vergleich
(3-1) Beispiel 1
Wenn man die Leistungsdichte des oben beschriebenen Plasmaraums berücksichtigt, wurden im Beispiel 1 6,0 und 2,2 (W/cm³) bei der ersten bzw. zweiten Plasmaeinheit 110 und 120 ausgewählt. Beim Einstellen dieser Werte wird der ersten Plasmaeinheit 110 ein sinusartiger Wechselstrom von 600 Hertz bei einer Wechselspannung von 6,6 kV_pp angelegt, und der resultierende Strom von 1,5 mA_rms wurde beobachtet. Für die zweite Plasmaeinheit 120 wurde ein Wechselstrom von 800 Hertz bei 9,2 kV_pp angelegt, und es wurde ein Strom von 5,3 mA_rms beobachtet.
Abgas, das von einem Dieselmotor abgegeben wurde, dessen Charakteristiken in 7 gezeigt sind, wurde in das System S2 zum Reinigen von Abgas geleitet. Es wurde eine Messung zur Datenerfassung durchgeführt, welche Berechnung der Reinigungsraten von PM und NO_x basierenden auf den Ausdrücken (1) und (3) verwendet wurden, während das Öffnen und Schließen der Ventile V1, V4 und V5 selektiv gesteuert wurde.
wobei γ Reinigungsrate von NO_x als Prozentsatz bezeichnet, m5 die NO_x-Menge bezeichnet, die in Abgas enthalten ist, das in ein System zur Reinigung von Abgas geleitet wird, und m6 eine NO_x-Menge bezeichnet, die in Gas enthalten ist, das von diesem System abgegeben wird.
Abgas mit einer Temperatur von 300 Grad Celsius wurde mit einer Strömungsrate von 15 L/min eingeleitet. Die Additionsmenge von KW (n-C₁₀H₂₂) wurde auf 3000 ppmC gelegt. Wenn die Temperatur eines Katalysators zur selektiven NO_x-Reduktion in der Einheit 140 200 Grad Celsius überschritten hatte, wurde die Hinzufügung von KW durchgeführt, und die zweite Plasmaeinheit wurde in Betrieb gebracht. Die Ergebnisse der Messung sind in 6 gezeigt.
(3-2) Beispiel 2
Im Beispiel 2 wurden für die ersten und zweiten Plasmaeinheiten 110 und 120 Leistungsdichten des Plasmaraums von 8,0 bzw. 2,3 (W/cm³) ausgewählt. Bei der Einstellung dieser Werte wurde an die erste Plasmaeinheit 110 ein sinusförmiger Wechselstrom von 3000 Hertz mit einer Wechselspannung von 7,0 kV_pp angelegt, und es wurde ein resultierender Strom von 30 mA_rms beobachtet. Für die zweite Plasmaeinheit 120 wurden die gleichen Bedingungen wie jene von Beispiel 1 ausgewählt.
Es wurde eine Messung für Reinigungsraten von PM und NO_x in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt. Die Ergebnisse der Messung sind in 6 gezeigt.
(3-3) Beispiel 3
Ein Beispiel 3 sieht einen Fall vor, der mit den Beispielen 1 und 2 zu vergleichen ist, wobei die ersten und zweiten Plasmaeinheiten 110 und 120 nicht in Betrieb gebracht wurden und die Hinzufügung von KW in dem System S2 zur Reinigung von Abgasen nicht ausgeführt wurden. Die Ergebnisse der Messung sind in 6 gezeigt.
Die Konditionen der ersten und der zweiten Plasmaeinheit 110 und 120 für die Beispiele 1, 2 und 3 sind in 9 zusammengefasst.
(4) Ergebnisse
Wie aus 6 klar ersichtlich, sind die Beispiele 1 und 2 in der Lage, für eine bessere Abgasreinigung zu sorgen, wobei Reinigungsraten von PM und NO_x von nicht weniger als 80% erreicht werden. Im Gegensatz hierzu zeigt Beispiel 3 schlechtere Ergebnisse, eine merklich geringere PM-Reinigungsrate von 30% und eine NO_x-Reinigungsrate von 60%.
Ein System (S1) zum Reinigen von Abgas enthält eine Plasmaeinheit (10 und 20) wie eine Katalysatoreinheit (40). Die Plasmaeinheit (10 und 20) erzeugt energetische Plasmaarten, die mit Partikelmaterialien und Stickoxiden reagieren, welche in dem Abgas enthalten sind. Die Katalysatoreinheit (40) weist einen Katalysator auf, der mit dem Abgas reagiert. Die Plasmaeinheit (10 und 20) ist stromauf relativ zur Katalysatoreinheit (40) in Strömungsrichtung des Abgases angeordnet, und das System (S1) wirkt für eine sequenzielle Reinigung von dem Partikelmaterialien und Stickoxiden.

Claims

System (S1) zur Reinigung von Abgas, umfassend: eine Plasmaeinheit (10; 20) zum Erzeugen energetischer Plasmaarten, die mit im Abgas enthaltenen Partikelmaterialien und Stickoxiden reagieren; und eine Katalysatoreinheit (40), die einen Katalysator aufweist, der mit dem Abgas reagiert, worin die Plasmaeinheit (10; 20) in Strömungsrichtung des Abgases stromauf relativ zur Katalysatoreinheit (40) angeordnet ist und das System (S1) für eine sequentielle Reinigung von den Partikelmaterialien und der Stickoxide sorgt, worin die Plasmaeinheit (10; 20) eine erste Plasmaeinheit (10) zum Erzeugen einer ersten energetischen Plasmaart, die prizipiell mit den Partikelmaterialien reagiert, sowie eine zweite Plasmaeinheit (20) zum Erzeugen einer zweiten energetischen Plasmaart, die prinzipiell mit den Stickoxiden reagiert, aufweist; worin die erste Plasmaeinheit (10) stromauf relativ zur zweiten Plasmaeinheit (20) angeordnet ist, worin der Katalysator einen Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden aufweist, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor (40b), worin eine zentrale Steuereinheit (70) des Systems (S1) die zweite Plasmaeinheit (20) aktiviert, wenn eine von dem Temperatursensor (40b) erfasste Temperatur des Katalysators zur selektiven Reduktion von Stickoxiden nicht geringer als eine vorbestimmte Aktivtemperatur ist.
System (S1) nach Anspruch 1, worin eine Leistungsdichte eines von der ersten Plasmaeinheit (10) erzeugten Plasmaraums nicht geringer als 0,8 W/cm³ ist und eine Leistungsdichte eines von der zweiten Plasmaeinheit (20) erzeugten Plasmaraums von 0,4 bis 9,5 W/cm³ ist.
System (S1) nach Anspruch 1, das ferner eine Einheit (30) zur adsorptiven Stickoxidkatalyse aufweist, die zwischen der zweiten Plasmaeinheit (20) und der Katalysatoreinheit (40) angeordnet ist.
System (S1) nach Anspruch 1, das ferner eine Einheit (60) zum Hinzufügen von Reduktionsmittel aufweist, die in der Strömungsrichtung des Abgases stromauf relativ zur Katalysatoreinheit (40) angeordnet ist, worin die Einheit (60) dem Abgas ein Reduktionsmittel hinzufügt, wenn die Temperatur des Katalysators zur selektiven Reduktion von Stickoxiden nicht geringer als die vorbestimmte Aktivtemperatur ist.
System (S1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner eine Oxidationskatalysatoreinheit (50) aufweist, die in der Strömungsrichtung des Abgases stromab relativ zur Katalysatoreinheit (40) angeordnet ist.
Verfahren zur sequentiellen Reinigung von Abgas, das Partikelmaterialien und Stickoxide enthält, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (1) Erzeugen einer ersten energetischen Plasmaart, die prinzipiell mit den Partikelmaterialien reagiert, in einer ersten Plasmaeinheit (10), und, stromab der ersten Plasmaeinheit (10), Erzeugen einer zweiten energetischen Plasmaart, die prinzipiell mit den Stickoxiden reagiert, in einer zweiten Plasmaeinheit (20); (2) stromab der ersten und der zweiten Plasmaeinheit (10, 20), Reinigen des Abgases mit einem Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden; und (3) Aktivieren der zweiten Plasmaeinheit (20), wenn eine Temperatur des Katalysators zur selektiven Reduktion von Stickoxiden nicht geringer als eine vorbestimmte Aktivtemperatur ist.