DE60304585T2

DE60304585T2 - System zur abgasbehandlung mit einem gasionisiersystem mit einspritzung von ionisierter luft

Info

Publication number: DE60304585T2
Application number: DE60304585T
Authority: DE
Inventors: Sabine Calvo; Sandrine Dupre; Stephane Eymerie; Alice Goldman; Max Goldman; Yvane Lendresse
Original assignee: Renault SAS; Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: Renault SAS; PSA Automobiles SA
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2023-08-30
Also published as: EP1540152B1; ATE323221T1; US20060005531A1; ES2263034T3; EP1540152A1; DE60304585D1; US7121079B2; FR2844000B1; WO2004020798A1; FR2844000A1; JP2005537419A

Description

Die Erfindung schlägt ein System zur Behandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Dieselmotors oder eines Magergemisch-Benzinmotors, mit einer Auslassleitung für Verbrennungsgase der Art vor, bei der die Auslassleitung ein System zur Ionisation der Verbrennungsgase umfasst.
Die Reglementierung hinsichtlich der Emissionen von Fahrzeugen betreffen im Wesentlichen vier Arten von Verschmutzungen: unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC, Kohlenmonoxid CO, Stickoxide NOx und Partikel.
Im Fall eines Motors, der mit einem Sauerstoffüberschuss funktioniert, d. h. eines Motors des Typs mit einem mageren Benzingemisch oder des Dieseltyps, wird die Verringerung der Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und von Kohlemonoxid CO durch einen Oxidationskatalysator erhalten, der sie in großen Verhältnissen in Kohlendioxid CO₂ umwandelt.
Diese Oxidationsreaktion ist umso wirksamer, je höher die Temperatur des Katalysators ist. Deshalb wird danach gestrebt, diesen Katalysator möglichst nah am Ausgang der Verbrennungskammer von jedem Zylinder des Motors anzuordnen.
Die Behandlung der Stickoxide NOx kann mittels einer Falle für Stickoxide NOx, die "NOx-Falle" genannt wird, in Betracht gezogen werden.
Im Fall eines Magergemischmotors ist die Verwendung der Falle für Stickoxide durch die Möglichkeit bestimmt, den Gehalt der Abgase, die die Falle durchqueren, punktuell zu steigern.
Heute werden jedoch diese Systeme zur Behandlung der Stickoxide NOx und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe HC noch sehr wenig verwendet, da ihre Wirksamkeit nicht unter allen Fahrbedingungen optimal ist. Außerdem sind ihre Kosten nicht vernachlässigbar und ihre Verwendung führt zu hohem Kraftstoffüberbrauch.
Um ihre mangelnde Wirksamkeit zu beseitigen, sind Arbeiten an der Kopplung dieser Systeme mit der Technologie der nicht thermischen Plasmen in Gang.
Das verfahren besteht aus dem Bilden von metastabilen Spezies, von freien Radikalen und von sehr reaktiven Ionen durch Zusammenstoß zwischen den Gasmolekülen und den energiereichen Elektronen, die durch eine Entladung erzeugt werden, und zwar ohne Erhöhung der Temperatur der Umgebung.
Diese Entladung wird erhalten, indem zwischen zwei Elektroden, deren geometrische Konfigurationen verschiedenartig sein können, Signale mit erhöhter Spannung und Frequenz angelegt werden. In den Abgasen der sogenannten Magergemischmotoren modifizieren derartige Entladungen die Zusammensetzung des Gasgemisches durch Fördern der Reaktionen wie der Oxidation von Stickstoffmonoxid NO in Stickstoffdioxid NO₂, der Bildung von teilweise oxidierten aus den unverbrannten Kohlenwasserstoffen und schließlich der Oxidationsreaktionen der Partikel, die zu ihrer Aktivierung führen.
In Kombination mit einem System zur katalytischen Nachbehandlung zur Verringerung der Stickoxide NOx ermöglichen es diese Entladungen zur Erzeugung von Plasma, die sich stromaufseitig des Katalysators oder im Katalysator befinden, Verringerungsverhältnisse zu erhalten, die größer sind als jene, die mit einem einzigen Katalysator erreicht werden, und zwar in einem Temperaturbereich, der viel größer ist.
In Kombination mit einem Partikelfilter erleichtern die Entladungen zur Erzeugung eines Plasmas die Verbrennungsreaktion des Rußes, die für die Regeneration der Filtermedien erforderlich ist. Die Bildung von oxidierenden aktivierten Spezies wie Ozon O₃ und Stickstoffdioxid NO₂ und von reduzierenden Spezies wie teilweise oxidierten Kohlenwasserstoffen und aktiviertem Ruß ist nämlich für einen Start der Oxidation der Partikel bei tieferer Temperatur günstig.
Um immer leistungsstärkere Reduktionswirksamkeiten zu gewährleisten, ist es erforderlich, zu einem ersten Zeitpunkt eine optimale Umwandlung des Stickstoffmonoxids NO in Stickstoffdioxid NO₂ zu erhalten.
In allgemeiner Weise führen zwei Hauptreaktionen zur Oxidation des Stickstoffmonoxids NO in Stickstoffdioxid NO₂: NO + O + M → NO₂ + M, wobei M = N₂ oder O₂ und NO + O₃ → NO₂ + O₂
Wenn die nicht thermischen Plasmen als "Ozonisator" über die Behandlung der Umgebungsluft verwendet werden, ist es möglich, bis zu 50 g Ozon O₃ pro verbrauchter kWh zu erzeugen. In diesem Fall steht der atomare Sauerstoff O, der in der Umgebungsluft gebildet wird, vollständig für die Bildung von Ozon O₃ zur Verfügung.
Die mit der Erzeugung von Ozon O₃ gleichzeitigen Reaktionen wie die Reaktionen zur Erzeugung von Stickstoffmonoxid NO treten bedeutenderweise erst dann auf, wenn die verwendeten Leistungen ausreichen, um eine Temperaturerhöhung einzuführen, die die Kinetik der Bildung von Stickstoffmonoxid NO fördert. Die Parameter, die die Erzeugung von Ozon begrenzen, sind die Temperatur (wobei das Ozon O₃ ab 600–650 K thermodynamisch instabil ist) und der Gehalt an Wasserdampf (Luftfeuchtigkeitsgrad).
In den Veröffentlichungen "NO Oxidation Process in Dielectric Barrier Discharge using Multipoint-to-plane Electrodes" und "NOx removal for diesel Engine exhaust by ozone injection method", die beim Kongress "Non thermal plasma technology for pollution control" im April 2001 in Südkorea präsentiert wurden, wurde vorgeschlagen, ionisierte Luft durch ein nicht thermisches Plasma einzuleiten, d. h. Luft, die eine hohe Konzentration an Ozon O₃ in den Abgasen enthält. Siehe auch die Dokumente FR2481945A und GB2284771A .
Obwohl es derartige Verfahren ermöglichen, die Menge an Stickoxiden NOx, die in den Abgasen vorhanden sind, merklich zu verringern, ist ihr Wirkungsgrad auf ungefähr 60 % begrenzt.
Die Erfindung zielt darauf ab, die Behandlung der Stickoxide durch die nicht thermischen Plasmen zu verbessern, wie im Dokument WO03/027452A beschrieben, das gemäß Artikel 54(3) EPÜ als Stand der Technik betrachtet wird.
Die Erfindung schlägt folglich ein System zur Behandlung des vorher beschriebenen Typs vor, in dem eine Abgasleistung ein System zur Einleitung von ionisierter Luft stromaufseitig und/oder stromabseitig des Systems zur
Ionisation der Verbrennungsgase;
Mittel zur Ionisation der Umgebungsluft, die einen Teil des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs in Ozon umwandeln, umfasst;
wobei die Mittel zur Ionisation der Luft und das System zur Ionisation der Verbrennungsgase jeweils aus mindestens einem Reaktor des Typs mit Entladungen zur Erzeugung eines nicht thermischen Plasmas bestehen;
– das System zur Ionisation der Verbrennungsgase mehrere Reaktoren umfasst, die in Reihe angeordnet sind und die die Verbrennungsgase nacheinander ionisieren.
Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung:

– sind die verschiedenen Reaktoren getrennte Abteile eines einzigen Gehäuses;
– umfasst die Auslassleitung einen Katalysator zur Behandlung der Stickoxide, der stromabseitig des Systems zur Einleitung von ionisierter Luft angeordnet ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zeigen sich beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung, für deren Verständnis auf die beigefügten Fig. Bezug genommen wird, unter denen:
1 eine schematische Darstellung einer Auslassleitung einer Brennkraftmaschine ist, die ein erfindungsgemäßes Behandlungssystem umfasst;
2 eine schematische Darstellung des in 1 dargestellten Behandlungssystems ist;
3 bis 5 Ansichten ähnlich zu jener von 2 sind, die Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.
In der Beschreibung, die folgt, sind identische, ähnliche oder analoge Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
In 1 wurde eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, die gemäß den Lehren der Erfindung ausgeführt ist.
Der Motor 10 ist hier vom Dieseltyp oder vom Magergemisch-Benzintyp, d. h. er funktioniert mit einem Sauerstoffüberschuss bezüglich der stöchiometrischen Bedingungen.
Der Motor 10 umfasst eine Einlassleitung 12 für Einlassgase und eine Auslassleitung 14 für Verbrennungsgase G.
Die Auslassleitung 14 umfasst eine Reinigungsvorrichtung 16, die die Verbrennungsgase G behandelt, um die Abgabe von Verschmutzungen in die Atmosphäre zu begrenzen.
Die Reinigungsvorrichtung 16 umfasst ein System 18 zur Behandlung der Verbrennungsgase G, das es ermöglicht, das Stickstoffmonoxid NO in Stickstoffdioxid NO₂ umzuwandeln. Stromabseitig des Behandlungssystems 18 umfasst die Reinigungsvorrichtung 16 einen Katalysator 20, der das Stickstoffdioxid NO₂ behandelt, um es in Stickstoff N₂ und in Sauerstoff O₂ umzuwandeln, die natürliche Bestandteile der Luft sind.
Wie in 2 dargestellt wurde, umfasst das Behandlungssystem 18 ein System 22 zur Ionisation der Verbrennungsgase G, das aus einem Reaktor 32 des Typs mit Entladungen zur Erzeugung eines nicht thermischen Plasmas besteht.
Dieser Reaktor ermöglicht es, das Stickstoffmonoxid NO in Stickstoffdioxid NO₂ zu oxidieren. Die Oxidation des Stickstoffmonoxids NO in Stickstoffdioxid NO₂ erfolgt direkt oder indirekt über atomaren Sauerstoff. Es erweist sich nun und die Gesamtheit der am Thema durchgeführten Studien bestätigen, dass diese Umwandlung des Stickstoffmonoxids NO in Stickstoffdioxid NO₂ nicht vollständig sein kann und tatsächlich zu einer asymptotischen Grenze tendiert, insbesondere deshalb, weil das Stickstoffdioxid NO₂ Konzentrationen erreicht, so dass die Reduktionsreaktion NO₂ + O → NO + O₂ die anfängliche Oxidationsreaktion neutralisiert. Dazu und gemäß der Erfindung umfasst das Behandlungssystem 18 ein System 24 zur Einleitung von ionisierter Luft, das hier stromabseitig des Systems 22 zur Ionisation der Verbrennungsgase G angeordnet ist, dennoch ist gemäß einer Variante (nicht dargestellt) der Erfindung das System 24 zur Einleitung von ionisierter Luft stromaufseitig des Systems 22 zur Ionisation der Verbrennungsgase G angeordnet.
Dieses System 24 zur Einleitung von ionisierter Luft umfasst ein System zur Ionisation von Luft 26, das aus einem Reaktor des Typs mit Entladungen zur Erzeugung eines nicht thermischen Plasmas besteht.
Die in diesen Reaktoren 22, 26, 32 erzeugten Plasmen sind sogenannte nicht thermische Plasmen, die durch Entladungen des Typs "Koronaentladung" erzeugt werden. Sie werden zwischen blanken oder mit dielektrischen Barrieren bedeckten Elektroden mit unterschiedlichen Konfigurationen erzeugt, die von parallelen Ebenen und in diesem Fall mit mindestens einer dielektrischen Barriere bis zu Geometrien mit stark heterogenem angelegten Feld (Mehrfachspitzen-Ebene, koplanarer Draht oder ebene Wendel, koaxialer Draht oder Zylinderwendel usw...) gehen können.
Die Abstände zwischen den Elektroden (als Abstände zwischen den Elektroden bei Abwesenheit eines Dielektrikums, zwischen der Elektrode und dem Dielektrikum bei Anwesenheit einer einzigen dielektrischen Barriere, zwischen Dielektrika bei Anwesenheit von zwei dielektrischen Barrieren definiert) können für jeden der Reaktoren identisch oder unterschiedlich und außerdem gemäß den Behandlungsbedingungen (beispielsweise der Menge an zu behandelndem Gas) variabel sein.
Die gasförmigen Ausströmungen, die mit Atmosphärendruck oder einem anderen Druck eingeleitet werden, können senkrecht oder parallel zum Plasma strömen. Gemäß der übernommenen Geometrie liefert schließlich die Speisung der Reaktoren 22, 26, 32, die für jeden Reaktor 22, 26, 32 gemeinsam oder unterschiedlich sein kann, eine variable Spannung, die eine Gleichspannung, Impulsspannung oder Wechselspannung sein kann.
Das System 24 zur Einleitung von ionisierter Luft umfasst eine Einlassleitung 28 für Umgebungsluft, die den Reaktor 26 mittels eines Luftfilters (nicht dargestellt) mit der Umgebungsluft verbindet.
Gemäß der Erfindung wandelt der Reaktor 26 den in der Luft enthaltenen Sauerstoff O in Ozon O₃ um, er kann ungefähr 50 g Ozon O₃ pro verbrauchter kWh erzeugen.
Die ionisierte Luft, die das erzeugte Ozon O₃ enthält, wird dann in die Auslassleitung 14 mittels eines Einleitungskanals 30 stromabseitig des Systems 22 zur Ionisation der Verbrennungsgase G eingleitet, so dass das erzeugte Ozon O₃ mit dem Stickstoffmonoxid NO, das anfänglich in den Verbrennungsgasen G enthalten ist, wenn das System 24 zur Einleitung von ionisierter Luft stromaufseitig des Systems zur Ionisation der Verbrennungsgase G angeordnet ist, oder auch mit dem restlichen Stickstoffmonoxid NO, das in den Verbrennungsgasen G enthalten ist, wenn das System 24 zur Einleitung von ionisierter Luft stromabseitig des Systems 22 zur Ionisation der Verbrennungsgase G angeordnet ist, reagiert.
Das Behandlungssystem 18 umfasst auch Mittel, die nicht dargestellt sind, zur Steuerung des Reaktors 26 zur Ionisation der Luft, um die Menge an Ozon O₃ zu erzeugen, die für die Umwandlung des gesamten Stickstoffmonoxids NO erforderlich ist.
Somit ist es möglich, das gesamte Stickstoffmonoxid NO, das in den Verbrennungsgasen G enthalten ist, umzuwandeln.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung, die in 3 dargestellt ist, umfasst das System 32 zur Ionisation von Gasen mehrere Reaktoren 32, hier in einer Anzahl von drei, die in Reihe angeordnet sind und die nacheinander die Verbrennungsgase G ionisieren.
Da die Verbrennungsgase G mehrere Male ionisiert werden, liegt die Menge an Stickstoffmonoxid NO, das in Stickstoffdioxid NO₂ umgewandelt wird, nahe dem vorstehend definierten asymptotischen Grenzwert, so dass das System zur Einleitung von ionisierter Luft nur eine verringerte Menge an Ozon O₃ erzeugen muss.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in 3 und 5 dargestellt ist, sind die verschiedenen Reaktoren 32 Abteile eines einzigen Gehäuses, die durch Wände 34 voneinander getrennt sind, welche dicht sein können oder nicht.
Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung, die in 4 und 5 dargestellt ist, sind die zwei Reaktoren, jener des Systems 22 zur Ionisation der Gase und jener des Systems 26 zur Ionisation von Luft, zwei Abteile eines einzigen Gehäuses, die durch eine Wand 34, die dicht ist, voneinander getrennt sind.
Gemäß dieser Variante kann das System 22 zur Ionisation der Gase nur einen einzigen Reaktor 32 umfassen, wie in 2 und 4 dargestellt, oder es kann auch mehrere Reaktoren 32 umfassen, die in Reihe angeordnet sind und die selbst Abteile eines einzigen Gehäuses sind.
Eine derartige Anordnung ermöglicht es, das Gesamtvolumen der Behandlungsvorrichtung 18 zu verringern, die folglich aus einem einzigen Gehäuse besteht.
Welches auch immer die Ausführungsvariante der Behandlungsvorrichtung 18 ist, die verschiedenen Reaktoren 26, 32 werden elektrisch durch eine einzige Versorgung oder auch durch Hochspannungsversorgungen gespeist, die gemäß der Funktion des Reaktors 26, 32, dem sie zugeordnet sind, identisch oder auch unterschiedlich sein können.

Claims

System (16) für die Behandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine (10) für Kraftfahrzeuge, insbesondere eines Dieselmotors oder eines Magergemisch-Benzinmotors, das eine Auslassleitung (14) für Verbrennungsgase (G) umfasst und von dem Typ ist, bei dem die Auslassleitung (14) ein System (22) zur Ionisierung der Verbrennungsgase und ein System (24) zum Einleiten ionisierter Luft stromaufseitig und/oder stromabseitig von dem System (22) zur Ionisierung der Verbrennungsgase (G) aufweist, wobei das System (24) zum Einleiten ionisierter Luft Mittel (26) zum Ionisieren der Umgebungsluft, die einen Teil des in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoffs in Ozon umwandeln, umfasst, und von dem Typ ist, bei dem die Luftionisierungsmittel (26) und das System (22) zur Ionisierung der Verbrennungsgase jeweils aus wenigstens einem Reaktor (26, 32) des Typs mit Entladungen zur Erzeugung eines nicht thermischen Plasmas bestehen, wobei das System (22) zur Ionisierung der Verbrennungsgase (G) mehrere Reaktoren (32) umfasst, die in Reihe angeordnet sind und die Verbrennungsgase (G) nacheinander ionisieren.
Behandlungssystem (16) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Reaktoren getrennte Abteile eines einzigen Gehäuses (18) sind.
Behandlungssystem (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskreis (14) einen Katalysator (20) für die Behandlung von Stickoxiden umfasst, der sich stromabseitig von dem System (24) zum Einleiten ionisierter Luft befindet.