DE60316163T2

DE60316163T2 - Abgasbehandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60316163T2
Application number: DE60316163T
Authority: DE
Inventors: Masaaki Sakai-shi OKUBO; Toshiaki Sakai-shi YAMAMOTO; Shinichi Nagoya-shi MIWA
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: EP1544425B1; JP4236884B2; US7442218B2; WO2004013469A1; JP2004068684A; EP1544425A4; DE60316163D1; EP1544425A1; US20050229564A1; AU2003252296A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Abgasbehandlungsvorrichtung, die zum hochpräzisen Sammeln von in einem Abgas enthaltenen Materialteilchen mit einem Wabenfilter in der Lage ist, wodurch die brennbaren Materialien in den gesammelten Materialteilchen einfach durch Oxidation bei geringem Energieaufwand entfernt und das Wabenfilter regeneriert wird. Darüber hinaus kann die Abgasbehandlungsvorrichtung im Vergleich zu bekannten Abgasbehandlungsvorrichtungen durch den Einsatz von nicht-thermischem Plasma miniaturisiert werden.
Stand der Technik
Mit zunehmend strikteren Abgasbestimmungen hinsichtlich der Emission von Verbrennungsgasen aus Wärmemaschinen, z.B. Verbrennungsmotoren oder Verbrennungsvorrichtungen, wie etwa Kochern, durch Abgassysteme kommt es zu Verbesserungen der Motorverbrennung, beispielsweise zur Verbesserung der Brennstoffzusammensetzung. Abgase, die aus den oben beschriebenen Verbrennungsmotoren und dergleichen ausgestoßen werden, werden hingegen unter Einsatz von Abgasbehandlungsvorrichtungen, die mit Filtern und dergleichen ausgestattet sind, gereinigt. Genauer gesagt werden in Bezug auf Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen Abgasbehandlungsvorrichtungen mit porösen Wabenfiltern verwendet, um Materialteilchen, wie z.B. in den Abgasen enthaltenen Ruß, zu sammeln und zu entfernen.
Wie aus 19 hervorgeht, weist das oben beschriebene Wabenfilter eine Wabenstruktur auf, worin eine Vielzahl an Zellen 82 angeordnet ist, die durch Trennwände 81 voneinander getrennt sind, um als Filterströmungswege eines Abgases zu dienen, wobei diese Zellen 82 abwechselnd an einer Abgaseinlassendoberfläche 83 und einer Abgasauslassendoberfläche 84 verschlossen sind. Abgas wird durch die Zellen 82, die an der Abgaseinlassendoberfläche 83 geöffnet sind, in das Wabenfilter 80 strömen gelassen und durch die Trennwände 81 in das Wabenfilter 80 gezwungen, sodass Materialteilchen im Abgas gesammelt und entfernt werden.
Wenn sich große Mengen an Materialteilchen auf der Oberfläche der Trennwände 81 eines solchen Filters 80 ablagern, erhöht sich der Druckabfall des Wabenfilters 80 und es kommt gegebenenfalls zu einer Verringerung der Motorleistung, da auf der Motorseite ein Staudruck auf das Abgassystem ausgeübt wird. Daher müssen auf der Oberfläche der Trennwände 81 abgelagerte Materialteilchen regelmäßig entfernt werden, um das oben beschriebene Wabenfilter 80 zu regenerieren.
Beispiele für Verfahren zur Regeneration des Wabenfilters 80 können ein Verfahren umfassen, bei dem die Materialteilchen unter Einsatz eines elektrischen Heizelements, eines Nachbrenners oder dergleichen verbrannt werden. In einem solchen Fall muss das Wabenfilter jedoch auf zumindest 60 °C erhitzt werden, und dadurch kommt es häufig zu einer nicht einheitlichen Temperaturverteilung im Inneren des Wabenfilters 80, der rasche Temperaturveränderungen oder lokale Wärmeerzeugung erfährt. Dadurch kommt es gegebenenfalls zur Beschädigung des Wabenfilters 80.
Als Folge wurde eine Abgasbehandlungsvorrichtung vorgeschlagen, bei der in einem Abgas enthaltenes NO, das in die Abgasbehandlungsvorrichtung strömt, zu NO₂ mit hohem Oxidationsvermögen oxidiert wird bevor das Abgas in das Wabenfilter 80 strömt und brennbare Materialien, wie z.B. Ruß in den Materialteilchen, die auf der Oberfläche der Trennwände 81 des Wabenfilters 80 abgelagert sind, durch Oxidation mittels des resultierenden NO₂ entfernt werden.
Spezifische Beispiele dafür können eine Abgasbehandlungsvorrichtung umfassen, bei der der Oxidationskatalysator stromaufwärts der Abgaseinlassendoberfläche 83 des Wabenfilters 80 angeordnet ist, das in einem Abgas eines Dieselmotors oder dergleichen enthaltene NO mittels des oben beschriebenen Oxidationskatalysators zu NO₂ oxidiert wird und das Wabenfilter 80 unter Einsatz des resultierenden NO₂ regeneriert werden kann. Als weiteres Beispiel kommt eine Abgasbehandlungsvorrichtung in Frage, die eine Anordnung aufweist, bei der eine Plasmaerzeugungsvorrichtung stromaufwärts der Abgaseinlassendoberfläche 83 des Wabenfilters 80 statt des oben beschriebenen Oxidationskatalysators angeordnet wird.
In Bezug auf die Abgasbehandlungsvorrichtung, bei der der Oxidationskatalysator stromaufwärts der Abgaseinlassendoberfläche 83 des Wabenfilters 80 angeordnet ist, ist jedoch die zur Aktivierung des Oxidationskatalysators erforderliche Temperatur hoch; sie beträgt etwa 400 °C bis 500 °C. Folglich kommt es zu dem Problem, dass wenn beispielsweise ein Dieselmotor bei geringer Geschwindigkeit und geringer Belastung betrieben wird, die Temperatur des Abgassystems niedrig ist. Aus diesem Grund wird der Oxidationskatalysators nicht aktiviert, und das Wabenfilter 80 kann nicht regeneriert werden. Wenn ein Dieselmotor, wie oben beschrieben, bei geringer Geschwindigkeit und geringer Belastung über einen langen Zeitraum betrieben wird und sich große Mengen an Materialteilchen auf der Oberfläche der Trennwände des Wabenfilters ablagern, wenn der Katalysator die Aktivierungstemperatur erreicht, werden die abgelagerten Materialteilchen oxidiert und gleichzeitig verbrannt. Als Folge ergibt sich das Problem, dass die Temperatur in der Abgasbehandlungsvorrichtung rasch ansteigt und das Wabenfilter im Inneren aufgrund der Wärmespannung beschädigt wird.
In Bezug auf die Abgasbehandlungsvorrichtung, bei der die Plasmaerzeugungsvorrichtung stromaufwärts der Abgaseinlassendoberfläche 83 des Wabenfilters 80 angeordnet ist, wird durch die oben beschriebene Plasmaerzeugungsvorrichtung nicht-thermisches Plasma erzeugt, und dadurch kann im Abgas enthaltenes NO bei einer niedrigen Temperatur von 300 °C oder weniger zu NO₂ oxidiert werden. Es besteht jedoch das Problem, dass die Abgasbehandlungsvorrichtung selbst zu groß ist, um in ein Kraftfahrzeug oder dergleichen problemlos eingebaut zu werden.
Bei der Regeneration des Wabenfilters können Materialteilchen darüber hinaus wirksam durch Oxidation entfernt werden, wenn sich das NO₂-hältige Abgas, das durch Oxidation mittels nicht-thermischen Plasmas erhalten wurde, in angeregtem Zustand befindet. In Bezug auf die oben beschriebene Abgasbehandlungsvorrichtung ergibt sich jedoch das Problem, dass der Anregungszustand gering ist und die Wirksamkeit der Wabenfilterregeneration verschlechtert wird, da ein gewisser Abstand zwischen dem nicht-thermischen Plasma und dem Wabenfilter besteht.
In der WO 00/21646 ist ein System zur Reinigung von Abgasen aus einem Dieselmotor oder dergleichen beschrieben, das ein Filter und einen Plasmagenerator umfasst. Der Plasmagenerator wandelt NO und/oder N₂ zu NO₂ und/oder bildet Ozon, das dafür geeignet ist, die Verbrennung von im Filter eingeschlossenem Ruß bei geringen Temperaturen zu bewirken. Das verwendete Filter kann ein Drahtgewebefilter oder ein Drahtgestrickfilter, eine gasdurchlässige Metall- oder Keramik-Schaummasse oder ein Wandstromfilter eines allgemein bekannten Typs sein.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Probleme entwickelt. Folglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Abgasbehandlungsvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, auf der Oberfläche von Trennwänden eines Wabenfilters abgelagerten Ruß problemlos und bei geringem Energieaufwand zu entfernen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine wie in Anspruch 1 dargelegte Abgasbehandlungsvorrichtung bereit.
Vorzugsweise umfasst die Abgasbehandlungsvorrichtung eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung an die erste Elektrode. Die Plasmaerzeugungs-Elektroden können auf Außenumfangsoberflächen des Wabenfilters mittels eines Druckverfahrens durch die Verwendung einer Metallpaste angeordnet sein.
Das Material für das Wabenfilter kann zumindest ein aus der aus Cordierit, Siliciumcarbid, SIALON und Siliciumnitrid bestehenden Gruppe ausgewähltes Material sein.
Vorzugsweise beträgt die Zelldichte des Wabenfilters 15 bis 60 Zellen/cm², die Dicke der Trennwände 0,2 bis 0,5 mm und die Zellen-Verschließungstiefe an den Endoberflächen des Wabenfilters 1 bis 20 mm.
Die Abgasbehandlungsvorrichtung umfasst ferner eine Dehydrierungsvorrichtung auf der stromaufwärtigen Seite des Gehäuses, um Wasser zu entfernen, das in zumindest einem Teil des in das Gehäuse strömenden Abgases enthalten ist.
Vorzugsweise wird ein Katalysator auf der Oberfläche und/oder im Inneren der Trennwände des Wabenfilters gehalten.
Die Abgasbehandlungsvorrichtung kann ferner eine NO_x-Behandlungsvorrichtung auf der stromabwärtigen Seite des Gehäuses umfassen.
Die Spannungsquelle kann ausgebildet sein, um einen Gleichstrom mit einer Spannung von zumindest 1 kV, einen Impulsstrom mit einer Maximalwertspannung von zumindest 1 kV, wobei die Anzahl der Impulse zumindest 1 pro Sekunde beträgt, einen Wechselstrom mit einer Maximalwertspannung von zumindest 1 kV und einer Frequenz von zumindest 1 oder einen Strom bereitzustellen, der durch Überlagerung beliebiger der angeführten erzeugt wird.
Die Erfindung stellt ferner eine in einem Abgassystem für Verbrennungsgas eines Dieselmotors angeordnete Abgasbehandlungsvorrichtung bereit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Abgasbehandlungsvorrichtung schematisch darstellt, um den Stand der Technik der Erfindung darzulegen.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Wabenfilter schematisch darstellt, um ebenfalls den Stand der Technik der Erfindung darzulegen.
3 ist eine erläuternde graphische Darstellung, die jenen Zustand schematisch darstellt, bei dem eine Ausführungsform der Abgasbehandlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ferner eine Dehydrierungsvorrichtung umfasst.
4 ist eine erläuternde graphische Darstellung, die jenen Zustand schematisch darstellt, bei dem eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung ferner eine NO_x-Behandlungsvorrichtung umfasst.
5 ist eine erläuternde graphische Darstellung, die jenen Zustand schematisch darstellt, bei dem eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung eine Umleitung (Bypass) umfasst.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung schematisch darstellt.
7 ist eine Draufsicht, die jenen Fall darstellt, bei dem eine Vielzahl an Wabenfiltern in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung verwendet wird.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung schematisch darstellt.
9 ist eine Draufsicht, die jenen Fall darstellt, bei dem eine Vielzahl an Wabenfiltern in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung verwendet wird.
10 ist eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung schematisch darstellt.
11 ist eine schematische graphische Darstellung der gesamten Anordnung zur Durchführung verschiedener Messungen für die Abgasbehandlungsvorrichtung in Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
12 ist ein Diagramm, dass die an die Plasmaerzeugungs-Elektroden in der Abgasbehandlungsvorrichtung angelegte Spannung und den durch diesen hindurchströmenden Strom in Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Konzentrationen von NO, NO₂, NO_x und N₂O und der Zeit in Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt, die verstreicht, wenn nicht-thermisches Plasma bei einer Bedingung erzeugt wird, bei der kein Ruß im Wabenfilter abgelagert ist.
14 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Druckabfall des Wabenfilters und der Zeit in Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt, die verstreicht, wenn nicht-thermisches Plasma bei einer Bedingung erzeugt wird, bei der Ruß im Wabenfilter abgelagert ist.
15 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Konzentrationen von NO, NO₂, NO_x, N₂O, CO, CO₂ und O₂ und der Zeit in Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt, die verstreicht, wenn nicht-thermisches Plasma bei einer Bedingung erzeugt wird, bei der Ruß im Wabenfilter abgelagert ist.
16 ist ein Diagramm, dass die an Plasmaerzeugungs-Elektroden in der Abgasbehandlungsvorrichtung angelegte Spannung und den durch diesen hindurchströmenden Strom in Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung darstellt.
17 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Druckabfall des Wabenfilters und der Zeit in Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung darstellt, die verstreicht, wenn nicht-thermisches Plasma bei einer Bedingung erzeugt wird, bei der Ruß im Wabenfilter abgelagert ist.
18 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Konzentrationen von NO, NO₂, NO_x, N₂O, CO, CO₂ und O₂ und der Zeit in Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung darstellt, die verstreicht, wenn nicht-thermisches Plasma bei einer Bedingung erzeugt wird, bei der Ruß im Wabenfilter abgelagert ist.
19 ist eine perspektivische Ansicht eines für eine bekannte Abgasbehandlungsvorrichtung verwendeten Wabenfilters.
Beste Art der Durchführung der Erfindung
Nachstehend sind die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung detailliert bezugnehmend auf die Zeichnungen beschrieben. Die Interpretation der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Verschiedene Veränderungen, Modifikationen und Verbesserungen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung können auf Grundlage des Wissens von Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung vorgenommen werden.
Zur Veranschaulichung des Stands der Technik wird bezugnehmend auf 1 eine Abgasbehandlungsvorrichtung beschrieben. Die Abgasbehandlungsvorrichtung 1 wird zum Reinigen eines aus einem Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs ausgestoßenen Abgases verwendet. Diese Abgasbehandlungsvorrichtung 1 wird in einem Abgassystem 8 eines Verbrennungsgases angeordnet und zum Sammeln und Entfernen von im Abgas enthaltenen Materialteilchen verwendet. Die Behandlungsvorrichtung 1 zeichnet sich dadurch aus, dass sie Folgendes umfasst: ein Gehäuse 2, das mit dem Abgassystem 8 verbunden ist, um als Hauptströmungsweg des Abgases zu dienen; ein Wabenfilter 3, das im Inneren des Gehäuses 2 so angeordnet ist, dass es den Hauptströmungsweg unterbricht, wobei das Wabenfilter 3 eine Vielzahl an Zellen aufweist, die durch Trennwände voneinander getrennt sind, um als Filterströmungswege des Abgases zum Sammeln der im Abgas enthaltenen Materialteilchen zu dienen; sowie Plasmaerzeugungs-Elektroden 6, die aus einer Impulselektrode 4 und einer Erdungselektrode 5 bestehen, die einander gegenüberliegend mit dem dazwischen liegenden Wabenfilter 3 angeordnet sind, wobei die Plasmaerzeugungs-Elektroden 6 geeignet sind, ein nicht-thermisches Plasma zwischen der Impulselektrode 4 und der Erdungselektrode 5 zu erzeugen, worin die Materialteilchen, welche im Abgas enthalten sind, das in das Gehäuse 2 strömt, durch das Wabenfilter 3 gesammelt werden, wobei das im Abgas enthaltene Stickstoffmonoxid mittels des nicht-thermischen Plasmas, das zwischen der Impulselektrode 4 und der Erdungselektrode 5, welche die Plasmaerzeugungs-Elektroden 6 bilden, erzeugt wird, zu Stickstoffdioxid oxidiert wird, brennbare Materialien, wie z.B. Ruß, die in den Materialteilchen gesammelt und auf der Oberfläche der Trennwände abgelagert werden, mittels Oxi dation durch das erzeugte Stickstoffdioxid entfernt werden, und dadurch das Wabenfilter 3 regeneriert wird. In dieser Anordnung wird die Impulselektrode 4 auf einer Abgaseinlassendoberfläche des Wabenfilters 3 und die Erdungselektrode 5 auf einer Abgasauslassendoberfläche angeordnet.
Indem eine solche Anordnung angewandt wird, werden im Abgas enthaltene Materialteilchen mit dem Wabenfilter auf hochpräzise Weise gesammelt, Ruß in den gesammelten Materialteilchen problemlos mittels Oxidation bei geringem Energieaufwand entfernt und das Wabenfilter regeneriert. Darüber hinaus kann die Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Abgasbehandlungsvorrichtungen durch den Einsatz von nicht-thermischem Plasma miniaturisiert werden. Da das nicht-thermische Plasma so erzeugt wird, dass es den gesamten Wabenfilter 3 bedeckt, kann das NO₂-hältige, mittels Oxidation hergestellte Abgas mit Ruß und dergleichen im Anregungszustand reagiert werden, und mithilfe des nicht-thermischen Plasmas werden Ruß und dergleichen, die auf den Trennwänden des Wabenfilters abgelagert sind, in einen Zustand gebracht, in welchem sie ohne weiteres reagiert werden können. Dadurch kommt es zu einer erhöhten Reaktionswirksamkeit. Da ferner die Radikale von Ozon (O₃) und dergleichen, die durch nicht-thermisches Plasma erzeugt werden, ebenfalls mit Ruß und dergleichen reagiert werden können bevor es zu einem Energieverlust kommt, kann die Reaktionswirksamkeit erhöht und die Regenerationszeit des Wabenfilters 3 reduziert werden.
Eine Spannungsquelle 7 zum Anlegen einer Spannung an eine Impulselektrode 4 liegt ebenfalls vor. Wenn die vorliegende Abgasbehandlungsvorrichtung 1 in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen angeordnet wird, kann die Verwendung einer Kraftfahrzeugsbatterie oder dergleichen anteilig verwendet werden. Bei der Anwendung der oben beschriebenen Anordnung kann jedoch ein stabiles nicht-thermisches Plasma erzeugt werden.
Ein aus der Spannungsquelle 7 gespeister Strom ist ein Gleichstrom mit einer Spannung von zumindest 1 kV, ein Impulsstrom mit einer Maximalwertspannung von zumindest 1 kV, wobei die Anzahl der Impulse zumindest 1 pro Sekunde beträgt, ein Wechselstrom mit einer Maximalwertspannung von zumindest 1 kV und einer Frequenz von zumindest 1 oder ein Strom, der durch Überlagerung beliebiger der angeführten erzeugt wird. Indem eine solche Anordnung angewandt wird, kann nicht-thermisches Plasma erzeugt werden, das in der Lage ist, NO noch wirksamer zu NO₂ zu oxidieren.
Das Material für das Gehäuse 2 unterliegt keinen besonderen Einschränkungen sofern nicht-thermisches Plasma wirksam darin erzeugt werden kann. Beispiele für geeignete Materialien können Aluminiumoxid umfassen. In der Anordnung kann ein Heizelement oder dergleichen auf Außenoberflächen und/oder im Inneren des Gehäuses 2 angeordnet werden, damit die Temperatur in der Abgasbehandlungsvorrichtung 1 gesteuert werden kann.
Wie aus 2 hervorgeht, weist das Wabenfilter 3 eine Wabenstruktur auf, worin eine Vielzahl an Zellen 22 vorliegt, die durch Trennwände 21 voneinander getrennt sind und als Filterströmungswege eines Abgases dienen, wobei diese Zellen 22 abwechselnd an einer Abgaseinlassendoberfläche 23a und einer Abgasauslassendoberfläche 23b verschlossen sind. Das Abgas wird durch die Zellen 22, die an der Abgaseinlassendoberfläche 23a geöffnet sind, eingebracht und durch die Trennwände 21 im Wabenfilter 3 gezwungen, um Materialteilchen im Abgas mithilfe des Wabenfilters 3 zu sammeln und zu entfernen.
Das Material für das oben beschriebene Wabenstrukturfilter 3 ist zumindest ein aus der aus Cordierit, Siliciumcarbid, SIALON und Siliciumnitrid bestehenden Gruppe ausgewähltes Material. Vorzugsweise beträgt die Zelldichte des Wabenfilters 3 15 bis 60 Zellen/cm², die Dicke der Trennwände 21 0,2 bis 0,5 mm und die Zellen-Verschließungstiefe an den Endoberflächen 23 des Wabenfilters 3 1 bis 20 mm. Wenn die Zelldichte weniger als 15 Zellen/cm² beträgt, kommt es gegebenenfalls zu einer reduzierten Sammelwirksamkeit von Materialteilchen im Abgas. Übersteigt die Zelldichte 60 Zellen/cm², erhöht sich der Staudruck des Wabenfilters 3 und es kann zur Ausübung einer Last auf den Dieselmotor kommen. Wenn die Dicke der Trennwände 21 weniger als 0,2 mm beträgt, wird die mechanische Festigkeit des Waben filters 3 reduziert und es kann beispielsweise zu einer Beschädigung des Wabenfilters 3 kommen. Wenn die Dicke der Trennwände 21 über 0,5 mm liegt, erhöht sich der Staudruck des Wabenfilters 3 und es kann zur Ausübung einer Last auf den Dieselmotor kommen. Wenn die Tiefe der Zellenverschließung an den Endoberflächen 23 weniger als 1 mm beträgt, können die Verschließungsabschnitte der Endoberflächen 23 während der Behandlung des Abgases beschädigt werden. Wenn die Tiefe der Zellenverschließung an den Endoberflächen 23 über 20 mm liegt, kann es zur Reduzierung der wirksamen Fläche eines Bereichs des Wabenfilters 3 zur hauptsächlichen Sammlung von Materialteilchen im Abgas kommen.
Das Wabenfilter ist in 1 und 2 als Zylinder dargestellt. Die Form ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann auch ein viereckiges Prisma oder eine andere Form sein. Darüber hinaus ist die Form des senkrecht zu einer Strömungsrichtung stehenden Querschnitts der Zelle 22 ebenfalls nicht auf ein Viereck beschränkt und kann ein Kreis, eine Ellipse, ein Dreieck, im Wesentlichen ein Dreieck oder ein anderes Vieleck sein.
Vorzugsweise ist das für die Impulselektrode 4 und die Erdungselektrode 5 verwendete Material ein Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit. Beispiele für geeignete Materialien umfassen ein Metall, das zumindest eine aus der aus Eisen, Gold, Silber, Kupfer, Titan, Aluminium, Nickel und Chrom bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente enthält. Die zur Verwendung geeigneten Elektroden werden in eine Form gebracht, die keine Ausübung eines Staudrucks auf das Abgassystem 8 bewirkt, beispielsweise in Form eines Netzes, Streifens oder dergleichen.
Die Impulselektrode 4 und die Spannungsquelle 7 werden angeordnet während sie elektrisch miteinander verbunden werden, und die Erdungselektrode 5 wird während der Erdung angeordnet. Wenn die Abgasbehandlungsvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen angeordnet wird, kann die Erdungselektrode 5 angeordnet sein, um mit der Erdung des Kraftfahrzeugs oder dergleichen elektrisch verbunden zu werden.
In der in 1 dargestellten Anordnung sind die Impulselektrode 4 und die Erdungselektrode 5 von der Endoberfläche des Wabenfilters 3 entfernt angeordnet. Wesentlich in der vorliegenden Ausführungsform ist nur, dass die zwei Elektroden einander gegenüberliegend mit dem Wabenfilter 3 zwischen ihnen angeordnet sind, wobei eine davon in Kontakt mit dem Wabenfilter 3 ist. Wenn als Material für das Wabenfilter 3 zumindest ein aus der aus Cordierit, SIALON, Siliciumnitrid und dergleichen bestehenden Gruppe ausgewähltes elektrisch isolierendes Material verwendet wird, können in der Anordnung sowohl die Impulselektrode 4 als auch die Erdungselektrode 5 in Kontakt mit den Endoberflächen des Wabenfilters 3 sein.
Wenn zumindest eines aus der Impulselektrode 4 und der Erdungselektrode 5 angeordnet ist, um mit der Endoberfläche des Wabenfilters 3 kontaktiert zu werden, wird die Anordnung vorzugsweise mittels eines Druckverfahrens durch die Verwendung einer Metallpaste durchgeführt. Insbesondere wird die Metallpaste auf den Querschnitt der Trennwände oder der Zellen-Verschließung auf der Endoberfläche des Wabenfilters 3 aufgebracht und danach getrocknet und gesintert, sodass die Elektrode auf der Endoberfläche des Wabenfilters 3 angeordnet ist.
Vorzugsweise wird ein Katalysator auf der Oberfläche und/oder im Inneren der Trennwände des in der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Wabenfilters 3 gehalten. Indem eine solche Anordnung angewandt wird, beispielsweise wenn der Dieselmotor bei niedriger Geschwindigkeit und geringer Belastung betrieben wird und die Temperatur des Abgassystems niedrig ist, wird NO durch die Erzeugung von nicht-thermischem Plasma mit den Plasmaerzeugungs-Elektroden 6 zu NO₂ oxidiert. Wenn der Dieselmotor im Normalbetrieb betrieben wird und die Temperatur des Abgassystems beispielsweise 400 °C bis 500 °C, die Katalysatoraktivierungstemperatur, erreicht, kann die Oxidationsreaktion mittels Einsatz des nicht-thermischen Plasmas und des Katalysators gleichzeitig oder durch den alleinigen Einsatz des Katalysators durchgeführt werden während die Erzeugung des nicht-thermischen Plasmas angehalten wird. Dadurch kann die Wirksamkeit der Oxidation von NO im Abgas zu NO₂ gesteigert werden und darüber hinaus der Energieverbrauch zur Erzeugung des nicht-thermischen Plasmas reduziert werden. Die Art des Katalysators unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Beispiele für bevorzugte Katalysatoren können solche umfassen, die zumindest aus der aus Pt, Pd, Rh, K, Ba, Li und Na bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
Wie in 3 gezeigt, umfasst die Abgasbehandlungsvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform ferner eine Dehydrierungsvorrichtung 30 auf der stromaufwärtigen Seite des Abgassystems 8 des Gehäuses 2, um Wasser zu entfernen, das in zumindest einem Teil des in das Gehäuse 2 strömenden Abgases enthalten ist. Die in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Dehydrierungsvorrichtung 30 kühlt das Abgas mit einem Wärmeaustauscher und lässt verflüssigtes Wasser durch einen Auslass 31 abfließen. Das nicht-thermische Plasma oxidiert und regt auch andere Moleküle neben dem im Abgas enthaltenen NO intrinsisch an, und dadurch reduziert das große Mengen Wasser enthaltende Abgas die Wirksamkeit der Oxidation von NO zu NO₂. Insbesondere ein durch Verbrennung entstandenes Abgas enthält häufig große Mengen Wasser. Daher kann durch Anwendung der Anordnung, bei der die Abgasbehandlungsvorrichtung 1 ferner die Dehydrierungsvorrichtung 30 umfasst, den Wirkungsgrad der Oxidation von NO zu NO₂ erhöhen und darüber hinaus der Energieverbrauch zur Erzeugung des nicht-thermischen Plasmas reduziert werden.
Die Dehydrierungsvorrichtung 30 zur Dehydrierung des Abgases durch Kühlen wurde in Bezug auf 3 beschrieben. Als Beispiele für Dehydrierungsvorrichtungen kommen eine Dehydrierungsvorrichtung, bei der ein Abgas komprimiert wird, um den Partialdruck von Wasser zu erhöhen, und anschließend eine Dehydrierung durchgeführt wird, sowie eine Dehydrierungsvorrichtung, bei der Wasser von einem Adsorptionsmittel adsorbiert wird, sofern die Dehydrierungsvorrichtung Wasser im Abgas entfernen kann, in Frage. Jede beliebige positionelle Beziehung zwischen dem Gehäuse 2 und der Dehydrierungsvorrichtung 30 ist annehmbar, sofern die Dehydrierungsvorrichtung 30 an der stromaufwärtigen Seite des Abgassystems 8 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 kann mit der Dehydrierungsvorrichtung 30 entweder in Kontakt oder davon getrennt sein.
Wie in 4 gezeigt, umfasst die Abgasbehandlungsvorrichtung 1 ferner eine NO_x-Behandlungsvorrichtung 32 auf der stromabwärtigen Seite des Abgassystems 8 des Gehäuses 2. Indem eine solche Anordnung angewandt wird, kann ein in der Abgasbehandlungsvorrichtung 1 behandeltes Gas, das die schädliche Substanz NO_x nicht enthält, nach außen abgelassen werden. Beispiele für bevorzugte NO_x-Behandlungsvorrichtungen 32 können eine Wabenstruktur umfassen, die einen NO_x-Absorptionsreduktionskatalysator und SCR-Harnstoff (selektive katalytische Reduktion) trägt. Jede beliebige positionelle Beziehung zwischen dem Gehäuse 2 und der NO_x-Behandlungsvorrichtung 32 ist annehmbar, sofern die NO_x-Behandlungsvorrichtung 32 an der stromabwärtigen Seite des Abgassystems 8 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 kann mit der NO_x-Behandlungsvorrichtung 32 entweder in Kontakt oder davon getrennt sein.
Wie in 5 gezeigt, kann die Abgasbehandlungsvorrichtung 1 eine Anordnung aufweisen, bei der eine Umleitung 33 angeordnet ist, um ein durch das Wabenfilter 3 geströmte Abgas zur stromaufwärtigen Seite des Abgassystems 8 zurückzuführen, wodurch das Abgas in der Behandlungsvorrichtung 1 zirkuliert. Da das mittels nicht-thermischem Plasma gebildete NO₂ durch die Reaktion mit Ruß, das auf den Trennwänden des Wabenfilters 3 abgelagert ist, zu NO reduziert wird, kann die Rußentfernung wirksam erhöht werden, indem das Abgas zurückgeführt wird, nachdem es durch das Wabenfilter zur stromaufwärtigen Seite des Abgassystems 8 geströmt ist, um erneut eine Zirkulation bereitzustellen.
Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung bezugnehmend auf 6 beschrieben. Wie in 6 gezeigt, ist eine Abgasbehandlungsvorrichtung 41 der vorliegenden Ausführungsform ähnlich wie die in 1 gezeigte Abgasbehandlungsvorrichtung 1 angeordnet, mit der Ausnahme, dass eine Impulselektrode 44 und eine Erdungselektrode 45 auf einander gegenüberliegenden Außenumfangsoberflächen des Wabenfilters 43 in Form eines viereckigen Prismas angeordnet sind. Jene Elemente, die mit den in 1 dargestellten Elementen übereinstimmen, sind durch die gleichen Bezugszahlen wie in 1 gekennzeichnet und nicht weiter erklärt.
Indem eine solche Anordnung angewandt wird, werden im Abgas enthaltene Materialteilchen mit dem Wabenfilter 43 auf hochpräzise Weise gesammelt, Ruß und dergleichen in den gesammelten Materialteilchen problemlos mittels Oxidation bei geringem Energieaufwand entfernt und das Wabenfilter 43 regeneriert. Darüber hinaus kann die Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Abgasbehandlungsvorrichtungen durch den Einsatz von nicht-thermischem Plasma miniaturisiert werden.
Vorzugsweise besteht das in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Wabenfilter 43 aus einem ähnlichen Material wie das Wabenfilter 3 in 1. Besonders bevorzugt wird, dass das Wabenfilter 43 aus zumindest einem aus der aus Cordierit, SIALON und Siliciumnitrid bestehenden Gruppe ausgewählten elektrisch isolierenden Material besteht. Das Wabenfilter 43, bei dem die Außenumfangsoberflächen des Wabenfilters 43 mit dem elektrisch isolierenden Material beschichtet ist, wird ebenfalls bevorzugt eingesetzt.
Das sich zur Verwendung als Material für die Impulselektrode 44 und die Erdungselektrode 45 eignende Material, das die Plasmaerzeugungs-Elektroden 46 bildet, kann ähnlich wie das in 1 für die Impulselektrode 4 und die Erdungselektrode 5 gezeigte sein. Die Impulselektrode 44 und die Erdungselektrode 45 können jede beliebige Form aufweisen, sofern sie auf den Außenumfangsoberflächen des Wabenfilters 43 einander gegenüberliegenden angeordnet sind und ihre Form sich zur Erzeugung von nicht-thermischem Plasma über dem gesamten Wabenfilter 43 eignet. Die Impulselektrode 44 und die Spannungsquelle 7 werden angeordnet während sie elektrisch miteinander verbunden werden, und die Erdungselektrode 45 wird während der Erdung angeordnet. Wenn die Abgasbehandlungsvorrichtung 41 der vorliegenden Ausführungsform in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen angeordnet wird, kann die Erdungselektrode 45 angeordnet sein, um mit der Erdung des Kraftfahrzeugs oder dergleichen elektrisch verbunden zu werden.
Wenn die Impulselektrode 44 und Erdungselektrode 45 angeordnet sind, um mit den sich einander gegenüberliegenden Außenumfangsoberflächen des Wabenfilters 43 kontaktiert zu werden, wird die Elektrode vorzugsweise mittels eines Druckverfahrens durch die Verwendung der oben beschriebenen Metallpaste hergestellt.
Die Abgasbehandlungsvorrichtung 41 der vorliegenden Ausführungsform umfasst ferner eine Dehydrierungsvorrichtung, die wie in der oben beschriebenen Dehydrierungsvorrichtung auf der stromaufwärtigen Seite des Abgassystems 8 des Gehäuses 2 angeordnet ist, um das zumindest in einem Teil des durch das Gehäuse 2 strömenden Abgases enthaltene Wasser zu entfernen. Eine wie in der oben beschriebenen NO_x-Behandlungsvorrichtung angeordnete NO_x-Behandlungsvorrichtung kann ferner auf der stromabwärtigen Seite des Abgassystems des Gehäuses 2 beinhaltet sein. Die Abgasbehandlungsvorrichtung 41 kann eine Anordnung umfassen, bei der eine wie in der oben beschriebenen Umleitung angeordnete Umleitung angeordnet ist und das Abgas zirkuliert wird.
In der wie in 7 gezeigten Anordnung der vorliegenden Ausführungsform kann eine Vielzahl an Wabenfiltern 43 (sechs Filter in 7) zusammen verwendet werden, und die Impulselektrode 44 und die Erdungselektrode 45 können auf einander gegenüberliegenden Außenumfangsoberflächen der einzelnen Wabenfilter 43 so angeordnet sein, dass nicht-thermisches Plasma über der gesamten Vielzahl an Wabenfiltern 43 gebildet wird. Indem eine solche Anordnung angewandt wird, kommt es sogar in einer Abgasbehandlungsvorrichtung mit großem Kapazitätsvermögen zur Behandlung von aus einem großen Verbrennungsmotor oder dergleichen ausgestoßenem Abgas zur Ausbildung von nicht-thermischem Plasma über sämtlichen Wabenfiltern 43, und dadurch können die Wabenfilter 43 wirksam und einheitlich regeneriert werden.
Nachstehend wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung bezugnehmend auf 8 beschrieben. Die Abgasbehandlungsvorrichtung 51 der vorliegenden Ausführungsform ist eine Abgasbehandlungsvorrichtung 51, die in einem Abgassystem 58 eines Verbrennungsgases angeordnet ist und zum Sammeln und Entfernen von im Abgas enthaltenen Materialteilchen verwendet wird. Die Behandlungsvorrichtung 51 zeichnet sich dadurch aus, dass sie Folgendes umfasst: ein Gehäuse 52, das mit dem Abgassystem 58 verbunden ist, um als Hauptströmungsweg des Abgases zu dienen; ein Wabenfilter 53, das im Inneren des Gehäuses 52 so angeordnet ist, dass es den Hauptströmungsweg unterbricht, wobei das Wabenfilter 53 eine Vielzahl an Zellen aufweist, die durch Trennwände voneinander getrennt sind, um als Filterströmungswege des Abgases zum Sammeln der im Abgas enthaltenen Materialteilchen zu dienen; sowie Plasmaerzeugungs-Elektroden 56, die aus einer Impulselektrode 54 und einer Erdungselektrode 55 bestehen, die so angeordnet sind, dass zumindest eine davon in Kontakt mit dem Wabenfilter 53 ist, wobei die Plasmaerzeugungs-Elektroden 56 in der Lage sind, nicht-thermisches Plasma zwischen der Impulselektrode 54 und der Erdungselektrode 55 zu erzeugen, worin die Materialteilchen, welche im Abgas enthalten sind, das in das Gehäuse 52 strömt, durch das Wabenfilter gesammelt werden, wobei das im Abgas enthaltene Stickstoffmonoxid mittels des nicht-thermischen Plasmas, das zwischen der Impulselektrode 54 und der Erdungselektrode 55, welche die Plasmaerzeugungs-Elektroden 56 bilden, erzeugt wird, zu Stickstoffdioxid oxidiert wird, brennbare Materialien, wie z.B. Ruß, die in den Materialteilchen gesammelt und auf der Oberfläche der Trennwände abgelagert werden, mittels Oxidation durch das erzeugte Stickstoffdioxid entfernt werden, und dadurch das Wabenfilter 53 regeneriert wird. In der Anordnung der vorliegenden Ausführungsform wird die stabförmige Impulselektrode 54 angeordnet, während sie in die Zellen des Wabenfilters 53 von einer Abgaseinlassendoberfläche aus nahe der Abgasauslassendoberfläche eingebracht wird, und die Erdungselektrode 55 wird auf der Außenumfangsoberfläche des Wabenfilters 53 angeordnet.
Indem eine solche Anordnung angewandt wird, werden im Abgas enthaltene Materialteilchen mit dem Wabenfilter 53 auf hochpräzise Weise gesammelt, Ruß in den gesammelten Materialteilchen problemlos mittels Oxidation bei geringem Energieaufwand entfernt und das Wabenfilter 53 regeneriert. Darüber hinaus kann die Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Abgasbehandlungsvorrichtungen durch den Einsatz von nicht-thermischem Plasma miniaturisiert werden. In der vorliegenden Ausführungsform kann das NO₂-hältige durch Oxidation hergestellte Abgas dadurch, dass das nicht-thermische Plasma im Inneren des Wabenfilters 53 erzeugt wird, mit Ruß und dergleichen im Anregungszustand reagiert werden, und mittels des nicht-thermischen Plasmas werden Ruß und dergleichen, die auf den Trennwänden des Wabenfilters abgelagert sind, in einen Zustand gebracht, in welchem sie ohne weiteres reagiert werden können. Dadurch kommt es zu einer erhöhten Reaktionswirksamkeit. Da ferner die Reste von Ozon (O₃) und dergleichen, die durch nicht-thermisches Plasma erzeugt werden, ebenfalls mit Ruß und dergleichen reagiert werden können bevor es zu einem Energieverlust kommt, kann die Reaktionswirksamkeit erhöht und die Regenerationszeit des Wabenfilters 53 reduziert werden.
In der vorliegenden Erfindung liegt ferner zum Anlegen einer Spannung an eine Impulselektrode 54 eine Spannungsquelle 57 vor. Wenn die vorliegende Abgasbehandlungsvorrichtung 51 in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen angeordnet ist, kann die Kraftfahrzeugsbatterie oder dergleichen anteilig verwendet werden. Bei der Anwendung der oben beschriebenen Anordnung kann jedoch ein stabiles nicht-thermisches Plasma erzeugt werden.
In der vorliegenden Erfindung ist ein aus der Spannungsquelle 57 gespeister Strom vorzugsweise wie in der in 1 gezeigten Spannungsquelle 7 angeordnet.
Das Material für das Gehäuse 52 unterliegt keinen besonderen Einschränkungen sofern nicht-thermisches Plasma wirksam darin erzeugt werden kann. Beispiele für geeignete Materialien können Aluminiumoxid umfassen.
Das Wabenfilter 53, welches ähnlich wie das Wabenfilter 3, welches in der in 1 dargestellten Abgasbehandlungsvorrichtung verwendet wurde, angeordnet ist, eignet sich zur Verwendung in der vorliegenden Ausführungsform. Die Form des Wabenfilters 53 ist nicht auf die wie oben beschriebene Zylinderform beschränkt.
Vorzugsweise ist das für die Impulselektrode 54 und die Erdungselektrode 55 verwendete Material ein Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit. Beispiele für geeignete Materialien umfassen ein Metall, das zumindest eine aus der aus Eisen, Gold, Silber, Kupfer, Titan, Aluminium, Nickel und Chrom bestehenden Gruppe ausgewähl te Komponente enthält. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Form der Impulselektrode 54 die Form eines Stabs mit im Wesentlichen der gleichen Länge wie die Länge des Wabenfilters 53, und die Form ist dafür geeignet, in die Zelle des Wabenfilters 53 eingebracht zu werden. Die Form der Erdungselektrode 55 ist eine Form, die sich dafür eignet, die gesamte Außenumfangsoberfläche des Wabenfilters 53 zu bedecken und ist so angeordnet, dass sie mit dem Wabenfilter 53 kontaktiert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Erdungselektrode 55 vorzugsweise durch die Verwendung einer Metallpaste mittels eines Druckverfahrens hergestellt.
Wesentlich in der Anordnung der vorliegenden Ausführungsform ist nur, dass zumindest eine aus der Impulselektrode 54 und der Erdungselektrode 55 in Kontakt mit dem Wabenfilter 53 ist, wobei die Formen der Impulselektrode 54 und der Erdungselektrode 55 nicht auf die in 8 gezeigten spezifischen Formen beschränkt sind. Die Impulselektrode 54 und die oben beschriebene Spannungsquelle 57 werden angeordnet, während sie elektrisch miteinander verbunden werden, und die Erdungselektrode 55 wird während der Erdung angeordnet. Wenn die Abgasbehandlungsvorrichtung 51 der vorliegenden Ausführungsform in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen angeordnet wird, kann die Erdungselektrode 55 angeordnet sein, um mit der Erdung des Kraftfahrzeugs oder dergleichen elektrisch verbunden zu werden.
Wie oben beschrieben, wird auf der Oberfläche und/oder im Inneren der Trennwände des in der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Wabenfilters 53 ein Katalysator gehalten. Indem eine solche Anordnung angewandt wird, können ähnliche Wirkungen erzielt werden, wie in der in 1 dargestellten Abgasbehandlungsvorrichtung 1.
Die Abgasbehandlungsvorrichtung 51 der vorliegenden Erfindung umfasst ferner gegebenenfalls eine Dehydrierungsvorrichtung, die wie die oben beschriebene Dehydrierungsvorrichtung auf der stromaufwärtigen Seite des Abgassystems 58 des Gehäuses 52 angeordnet ist, um Wasser zu entfernen, das in zumindest einem Teil des in das Gehäuse 52 strömenden Abgases enthalten ist. Eine wie in oben beschriebener NO_x-Behandlungsvorrichtung angeordnete NO_x-Behandlungsvorrichtung kann darüber hinaus auf der stromabwärtigen Seite des Abgassystems 58 des Gehäuses 52 vorliegen. Die Abgasbehandlungsvorrichtung 51 kann eine solche Anordnung aufweisen, bei der eine wie in der oben beschriebenen Umleitung angeordnete Umleitung angeordnet ist und das Abgas zirkuliert wird.
In der wie in 9 gezeigten Anordnung der vorliegenden Ausführungsform kann eine Vielzahl an Wabenfiltern 53 (sechs Filter in 9) zusammen verwendet werden, und die Impulselektrode 54 und die Erdungselektrode 55 können auf einander gegenüberliegenden Außenumfangsoberflächen der einzelnen Wabenfilter 53 so angeordnet sein, dass nicht-thermisches Plasma in der gesamten Vielzahl an Wabenfiltern 53 gebildet wird. Indem eine solche Anordnung angewandt wird, kommt es sogar in einer Abgasbehandlungsvorrichtung mit großem Kapazitätsvermögen zur Behandlung von aus einem großen Verbrennungsmotor oder dergleichen ausgestoßenem Abgas zur Ausbildung von nicht-thermischem Plasma über sämtlichen Wabenfiltern 53, und dadurch können die Wabenfilter 53 wirksam und einheitlich regeneriert werden.
Nachstehend ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung bezugnehmend auf 10 beschrieben. Wie in 10 gezeigt, ist eine Abgasbehandlungsvorrichtung 61 der vorliegenden Ausführungsform ähnlich wie die in 8 gezeigte Abgasbehandlungsvorrichtung 51 angeordnet, mit der Ausnahme, dass eine Impulselektrode 64 ausgebildet wird, indem eine Vielzahl an Metallnadeln 70 auf einer netzförmigen Isolierungsplatte 69 angeordnet wird. Die mit den in 8 gezeigten Elementen übereinstimmenden Elemente sind durch die gleichen Bezugszahlen wie in 8 gekennzeichnet und nicht weiter erklärt.
Indem eine solche Anordnung angewandt wird, kann das NO₂-hältige, mittels Oxidation hergestellte Abgas mit Ruß und dergleichen im Anregungszustand reagiert werden, da das nicht-thermische Plasma nahe der Abgaseinlassendoberfläche des Wabenfilters 53 erzeugt wird.
Folglich können ähnliche Wirkungen wie für die oben beschriebene Abgasbehandlungsvorrichtung erzielt werden.
Nachstehend ist die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen spezifisch beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Beispiel 1
Im vorliegenden Beispiel wurde, wie in 6 gezeigt, die Abgasbehandlungsvorrichtung 41 hergestellt, worin das mittels Cordierit mit hoher elektrischer Isoliereigenschaft gebildete Wabenfilter 43 in das Innere des Acrylharzgehäuses 2 angeordnet wurde, um so als Hauptströmungsweg des Abgases derart zu dienen, dass es den Hauptströmungsweg unterbricht, wobei die Edelstahl-Impulselektrode 44, die eine Maschengröße von 2,6 mm × 2,6 mm, und die mit Fluorharz beschichtete Edelstahl-Erdungselektrode 45, die eine Maschengröße von 2,6 mm × 2,6 mm aufwies, auf einander gegenüberliegenden Außenumfangsoberflächen des Wabenfilters 43 angeordnet wurden.
Hinsichtlich der Form des Wabenfilters 43 betrug die Länge in Strömungsrichtung des Abgases 152 mm, die Endoberflächen waren viereckige Prismen mit einer Breite von 48 mm und einer Höhe von 24 mm, die Zelldichte betrug 16 Zellen/cm² und die Dicke der Trennwände war 0,43 mm, während das Wabenfilter 43 durch Extrusion mit einer Metallbasis ausgebildet wurde.
Als Spannungsquelle wurde eine Hochspannungs-Impulsspannungsquelle (hergestellt von NGK INSULATORS, LTD.) einschließlich eines SI-Thyristors als Schaltelement verwendet. Diese Hochspannungs-Impulsspannungsquelle kann eine Maximalspannung von etwa 45 kV bei Nennlast anlegen, und die Frequenz kann innerhalb eines Bereichs von 80 bis 500 Hz verändert werden.
Wie in 11 gezeigt, wurde ein NO-Gasgemisch durch unabhängiges Einstellen von Trockenluft und NO-Gas bei vorbestimmten Konzentrationen und Durchflussge schwindigkeiten mithilfe eines Mengendurchflussreglers 74 hergestellt. Die Trockenluft wurde durch Komprimieren von Außenluft mit einem Kompressor 71, Beseitigung von Feinteilchen mit einem Filter 72 und Entfernung von Wasser mit einem Trocknungsmittel hergestellt. Das NO-Gas wurde aus einem mit einem 2%igen NO-Gasgemisch befüllten Gaszylinder bereitgestellt. Das resultierende NO-Gasgemisch wurde in die wie oben beschriebene Abgasbehandlungsvorrichtung 41 eingebracht. Die angelegte Spannung und der Strom wurden mit einem Oszilloskop (DL17401 GS/s; hergestellt von Yokogawa Electric Corporation) 75, einer Hochspannungssonde (P6015A; hergestellt vn Sony/Tektronix Corporation) und einer Stromsonde (P6021; hergestellt von Sony/Tektronix Corporation) gemessen. Die Messergebnisse sind in 12 angeführt. Die Entladeleistung wurde bestimmt, indem die positive Fläche der Wellenform des Produkts aus Wellenformen der Spannung und des Stroms, die mit dem Oszilloskop 75 überwacht wurden, mit der Impulsfrequenz multipliziert wurde.
Mit der Hochspannungs-Impulsspannungsquelle wurde eine Spannung angelegt, um eine Plasmabehandlung durchzuführen. Die Konzentrationen von NO, NO₂, NO_x und N₂O im behandelten Gas nach dem Durchströmen durch ein Heizelement 76 zur Ozonentfernung wurden mit einem Gasanalysegerät gemessen. Die Messergebnisse sind in 13 angeführt. Die Maximalmenge der NO-Reduktion betrug 197 ppm und daher konnten etwa 70 % des NO zu NO₂ oxidiert werden.
Anschließend wurden 2,1 g/l Ruß im Wabenfilter 43 der Abgasbehandlungsvorrichtung 41 abgelagert. Das auf eine NO-Konzentration von 310 ppm eingestellte NO-Gasgemisch wurde eingebracht während die Temperatur der Endoberfläche des Wabenfilters 43 bei 250 °C gehalten wurde. Zwischen der Impulselektrode und der Erdungselektrode wurde nicht-thermisches Plasma erzeugt und der Druckabfall des Wabenfilters 43 gemessen. Die Messergebnisse des Druckabfalls des Wabenfilters 43 über der verstrichenen Zeit sind in 14 angeführt. Gleichzeitig wurden die Konzentrationen von NO, NO₂, NO_x, N₂O, CO, CO₂ und O₂ im mit der Abgasbehandlungsvorrichtung 41 (siehe 1) behandelten Abgas mit einem Gasanalysegerät 77 (siehe 11) gemessen. Die Messergebnisse sind in 15 angeführt.
Wie aus dem in 14 dargestellten Diagramm hervorgeht, wird der Druckabfall des Wabenfilters 43 (siehe 11) während der Bildung von nicht-thermischem Plasma reduziert, sodass das Wabenfilter 43 (siehe 11) regeneriert wird.
Wie aus dem in 15 dargestellten Diagramm hervorgeht, kommt es im Gegensatz zur in 13 gezeigten NO₂-Erhöhung zu keiner Erhöhung der NO₂-Konzentration während der Bildung von nicht-thermischem Plasma, und die Konzentrationen von CO und CO werden erhöht, sodass die Hauptmenge an durch Oxidation mittels nicht-thermischem Plasma erzeugten NO₂ mit Ruß reagiert wird.
Nachdem die oben beschriebenen Messungen beendet wurden, wurde das Wabenfilter 43 (siehe 11) aus der Abgasbehandlungsvorrichtung 41 (siehe 11) genommen und die Innenoberfläche und Außenoberfläche des Wabenfilters 43 (siehe 11) überprüft. Dadurch ging hervor, dass der Ruß entfernt worden war.
Beispiel 2
Im vorliegenden Beispiel wurde eine ähnliche Abgasbehandlungsvorrichtung wie in 10 hergestellt, worin ein mittels Cordierit mit hoher elektrischer Isoliereigenschaft gebildetes Filter im Inneren eines Quarzglasgehäuses angeordnet wurde, um als Hauptströmungsweg eines Abgases so zu dienen, dass dieses den Hauptströmungsweg unterbricht, und eine Impulselektrode und Erdungselektrode wurden angeordnet, wobei die Impulselektrode eine Anordnung aufwies, worin eine Vielzahl an Edelstahlnadeln mit 7 mm Länge auf eine netzförmige Edelstahlplatte 8 mm von der Endoberfläche des Wabenfilters entfernt angeordnet wurde. Im vorliegenden Beispiel wurde 4,1 g/l Ruß im Wabenfilter abgelagert, und die Masse des Wabenfilters betrug 55,2525 g.
Es wurden eine ähnlich wie in 11 angeordnete Durchflussgeschwindigkeit und Messvorrichtung eingesetzt. Das auf eine NO-Konzentration von 320 ppm eingestellte NO-Gasgemisch wurde bei einer Durchflussgeschwindigkeit von 3 l/min in die wie oben beschriebene Gasbehandlungsvorrichtung eingebracht während die Tempera tur der Endoberfläche des Wabenfilters bei 200 °C gehalten wurde. Nicht-thermisches Plasma wurde bei einem Leistungsverbrauch von 1,36 W und angelegter Spannung und Strom erzeugt, wobei der Druckabfall des Wabenfilters während der Bildung des nicht-thermischen Plasmas und die Konzentrationen von NO, NO_x, N₂O, CO und CO₂ im mit der Abgasbehandlungsvorrichtung behandelten Abgas gemessen wurden. Die Messergebnisse sind jeweils in den 16 bis 18 angeführt.
Im vorliegenden Beispiel wird der Druckabfall des Wabenfilters ebenfalls während der Bildung des nicht-thermischen Plasmas reduziert und gleichzeitig die Konzentrationen von CO₂ und CO erhöht. Daraus geht klar hervor, dass das Wabenfilter ähnlich wie in Beispiel 1 regeneriert wird. Gemäß der Messung der Masse des Wabenfilters nach der Bildung von nicht-thermischem Plasma wurde die Masse auf 55,0044 g reduziert, womit die Abnahme 0,2481 g betrug. Es wurde folglich bestätigt, dass der im Wabenfilter abgelagerte Ruß mittels Oxidation entfernt worden war. Gemäß den in 18 angeführten Messergebnissen kann gesagt werden, dass andere Radikale, z.B. O, OH und O₃ Ruß mittels nicht-thermischem Plasma oxidieren und die Regeneration des Wabenfilters erhöhen, da die Konzentrationserhöhungen von CO₂ und CO größer sind als die Menge der NO₂-Reduktion.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Abgasbehandlungsvorrichtung bereitgestellt werden, wobei die Vorrichtung in der Lage ist, in Abgas enthaltene Materialteilchen mit einem Wabenfilter auf hochpräzise Weise zu sammeln, wodurch die brennbaren Materialien in den gesammelten Materialteilchen einfach durch Oxidation bei geringem Energieaufwand entfernt und das Wabenfilter regeneriert wird, und darüber hinaus kann die Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Abgasbehandlungsvorrichtungen durch den Einsatz von nicht-thermischem Plasma miniaturisiert werden.

Claims

Abgasbehandlungsvorrichtung (1, 41, 51, 61), das in einem Abgassystem (8, 58) eines Verbrennungsgases zum Sammeln und Entfernen von in einem Abgas enthaltenen Materialteilchen angeordnet ist, wobei die Behandlungsvorrichtung Folgendes umfasst: ein Gehäuse (2, 52), das mit dem Abgassystem verbunden ist, um als Hauptströmungsweg des Abgases zu dienen; ein Wabenfilter (3, 43, 53), das im Inneren des Gehäuses so angeordnet ist, dass es den Hauptströmungsweg unterbricht, wobei das Wabenfilter eine Vielzahl an Zellen (22) aufweist, die durch Trennwände voneinander getrennt sind, um als Filterströmungswege des Abgases zum Sammeln der im Abgas enthaltenen Materialteilchen zu dienen; sowie Plasmaerzeugungs-Elektroden (6, 46, 56), die aus einer ersten Elektrode (4, 44, 54) und einer Erdungselektrode (5, 45, 55) bestehen, wobei die Plasmaerzeugungs-Elektroden in der Lage sind, ein nicht-thermisches Plasma zwischen der ersten Elektrode und der Erdungselektrode zu erzeugen, worin bei Gebrauch die Materialteilchen, welche im Abgas enthalten sind, das in das Gehäuse strömt, durch das Wabenfilter gesammelt werden, wobei das im Abgas enthaltene Stickstoffmonoxid mittels des nicht-thermischen Plasmas, das zwischen der ersten Elektrode und der Erdungselektrode, welche die Plasmaerzeugungs-Elektroden bilden, erzeugt wird, zu Stickstoffdioxid oxidiert wird, brennbare Materialien, die in den Materialteilchen gesammelt und auf der Oberfläche der Trennwände abgeschieden werden, mittels Oxidation durch das erzeugte Stickstoffdioxid entfernt werden, und dadurch das Wabenfilter regeneriert wird, worin die Zellen des Wabenfilters abwechselnd am Gaseinlassende und am Gasauslassende des Wabenfilters verschlossen sind, sodass das Abgas durch die Trennwände hindurchtritt; und die erste Elektrode und die Erdungselektrode eine der nachstehenden Anordnungen aufweist: (i) die Elektroden (44, 45) sind auf einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Wabenfilters angeordnet, das einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei sich die Seitenflächen parallel zu den Zellen (22) erstrecken, (ii) die Erdungselektrode (55) ist auf der Außenumfangsoberfläche des Wabenfilters angeordnet und umgibt das Wabenfilter, wobei sie sich parallel zu den Zellen erstreckt, und die erste Elektrode (54) ist eine stabförmige Elektrode, die in eine Zelle (22) des Wabenfilters eingesetzt ist und sich vom Gaseinlassende in die Nähe des Gasauslassendes hin erstreckt, (iii) die Erdungselektrode (55) ist auf der Außenumfangsoberfläche des Wabenfilters angeordnet und umgibt das Wabenfilter, wobei sie sich parallel zu den Zellen erstreckt, und die erste Elektrode (64) ist als Vielzahl an Nadeln (70) auf einer netzförmigen Isolierplatte (69) ausgebildet, die vor dem Gaseinlassende des Wabenfilters angeordnet ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Spannungsquelle (7, 57) zum Anlegen einer Spannung an die erste Elektrode umfasst.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Plasmaerzeugungs-Elektroden (6, 46, 56) auf Außenumfangsoberflächen des Wabenfilters mittels eines Druckverfahrens durch die Verwendung einer Metallpaste angeordnet sind.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Material für das Wabenfilter, zumindest ein aus der aus Cordierit, Siliciumcarbid, SIALON und Siliciumnitrid bestehenden Gruppe ausgewähltes Material umfasst.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Zelldichte des Wabenfilters 15 bis 60 Zellen/cm², die Dicke der Trennwände (21) 0,2 bis 0,5 mm und die Zellen-Verschließungstiefe an den Endoberflächen des Wabenfilters 1 bis 20 mm beträgt.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner eine Dehydrierungsvorrichtung (30) auf der stromaufwärtigen Seite des Gehäuses (2, 52) aufweist, um Wasser zu entfernen, das in zumindest einem Teil des in das Gehäuse strömenden Abgases enthalten ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin ein Katalysator auf der Oberfläche und/oder im Inneren der Trennwände (21) des Wabenfilters gehalten ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner eine NO_x-Behandlungsvorrichtung (32) auf der stromabwärtigen Seite des Gehäuses umfasst.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Spannungsquelle ausgebildet ist, um einen Gleichstrom mit einer Spannung von zumindest 1 kV, einen Impulsstrom mit einer Maximalwertspannung von zumindest 1 kV, wobei die Anzahl der Impulse zumindest 1 pro Sekunde beträgt, einen Wechselstrom mit einer Maximalwertspannung von zumindest 1 kV und einer Frequenz von zumindest 1 oder einen Strom bereitzustellen, der durch Überlagerung beliebiger der angeführten erzeugt wird.
Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die in einem Abgassystem für Verbrennungsgas eines Dieselmotors angeordnet ist.