DE69605055T2

DE69605055T2 - Resonanzhohlraum mit einer betriebsart

Info

Publication number: DE69605055T2
Application number: DE69605055T
Authority: DE
Inventors: Francis Trumble
Original assignee: Central Research Laboratories Ltd; Zexel Corp
Current assignee: Central Research Laboratories Ltd; Bosch Corp
Priority date: 1995-12-14
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2016-12-12
Also published as: JP2000516314A; US6131386A; WO1997021911A1; EP0865567A1; DE69605055D1; EP0865567B1; GB9525543D0; CA2240399A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Resonanzhohlraum mit einer Betriebsart, insbesondere, jedoch nicht beschränkt auf, Hohlräume für Heizabluft-Katalysatoren. Die zunehmende Relevanz von Umweltbelangen in vielen Ländern hat in den letzten Jahren zur Entwicklung von Maßnahmen zur Verminderung der Verschmutzung durch Quellen wie etwa Fahrzeugabgase geführt. Dies ist zurückzuführen sowohl auf die Gesetzgebung als auch das Bedürfnis der beteiligten Firmen, sich als Unternehmen darzustellen, die sich der Verminderung schädlicher Umweltbelastungen annehmen. Eine wichtige Technologie, die sich entwickelt hat, ist die der Katalysatoren. In derartigen Systemen werden die Abgase über eine geheizte Katalysator-Matrix in einer Kammer in Anwesenheit anderer reaktiver Arten geleitet. Obgleich derartige Systeme allgemein recht gut arbeiten, arbeiten sie erst dann mit dem höchsten Wirkungsgrad, nachdem der Katalysator über eine kritische Temperatur, bekannt als seine "Licht-aus"-Temperatur, erhitzt wurde. Da der Katalysator in den meisten Systemen hauptsächlich durch das Abgas selbst angeheizt wird, gibt es einen anfänglichen Zeitraum, wo das Abgas unzureichend behandelt wird. Dieses Problem ist besonders schwerwiegend in Ländern kühleren Klimas, wie etwa Japan, den USA, Kanada, Rußland, Korea und Nordeuropa.
Eine Lösung dieses Problems besteht darin, den Katalysator mittels eines anderen Verfahrens aufzuheizen, welches nicht von der Temperatur anderer Teile des Motors abhängig ist. Eine bekannte Art des Heizens von katalytischen Mischungen in Katalysatoren mit Hilfe von Mikrowellen-Strahlung ist in der WO 90/14507 offenbart. Bei dieser Methode verwendet man Mikrowellenenergie zum Heizen eines Teils einer Matrix katalytischen Materials, das sich in einem Wellenleiter befindet, der nicht notwendig ein Resonanzhohlraum ist. Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß es bei Verwendung eines Resonanzhohlraums wahrscheinlich ist, daß dieser sich gemeinsam mit dem Katalysator aufheizt und sich ausdehnt. Diese Ausdehnung verändert die Resonanzfrequenz des Hohlraums, welche dann mit der Quelle für die Mikrowellenenergie elektrisch nicht übereinstimmt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Resonanzhohlraum mit einer Betriebsart - wie in Anspruch 1 beansprucht - vorgesehen. Dieser kann den Vorteil besitzen, daß mit Erwärmen und physischer Ausdehnung des Hohlraums die Kopplungseffizienz zwischen dem Hohlraum und einer schmalwellenbandigen Mikrowellen-Quelle hoch bleibt.
Einem zweiten Aspekt der Erfindung gemäß wird ein Katalysatorsystem für Abgase - wie in Anspruch 5 beansprucht - vorgesehen.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird vorgesehen:
ein Verfahren zur Energiekopplung über eine einzelne Erregungs- Betriebsart zu einem Resonanzhohlraum von einer Quelle elektromagnetischer Wechselstromenergie mit einer gegebenen Bandbreite, umfassend Anpassen des Hohlraums, so daß er Energie über die eine Erregungs-Betriebsart in einer Mehrzahl von Absorptionsbändern mit jeweils verschiedenen Resonanzfrequenzen Energie absorbiert. Der Hohlraum wird vorzugsweise entweder durch Anordnen eines elektrisch leitenden Elements innerhalb des Hohlraums an einer Wand und elektrisch mit dieser verbunden, oder durch Verformung, wodurch wenigstens ein Teil des Hohlraums einen elliptischen Querschnitt annimmt, angepaßt.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die anliegenden diagrammatischen Zeichnungen beschrieben:
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines Hohlraums,
Fig. 2 zeigt einen transversen Schnitt des Hohlraums nach Fig. 1 und eine Draufsicht auf die Kopplungsschlitze in der Hohlraumwand,
Fig. 3 zeigt einen Graphen der Absorption gegen die Frequenz für einen Hohlraum nach Fig. 1 und einen Hohlraum entsprechend dem Stand der Technik, sowie
Fig. 4 zeigt die radiale Energieverteilung für den Hohlraum nach Fig. 1 und einen Hohlraum entsprechend dem Stand der Technik.
Fig. 1 zeigt einen Resonanzhohlraum mit einer Betriebsart (2) zur Verwendung in einem Katalysatorsystem, adaptiert zum Absorbieren elektromagnetischer Energie über eine einzelne Erregungs-Betriebsart in einer Mehrzahl von Absorptions- Wellenbändern mit jeweils verschiedenen Resonanzfrequenzen. Elektromagnetische Energie in Form von Mikrowellen wird über ein Paar Kopplungsschlitze (3) von einem Wellenleiter (1) in den Hohlraum eingebracht. Der Hohlraum beinhaltet die Katalysator- Matrix (4), welche nahe einem Ende des Hohlraums angeordnet ist und gehalten wird durch eine Matte (5) niedrigverlustigen dielektrischen Materials (wie etwa "Interam", Hersteller: 3M), das um einen geringen Abstand beabstandet ist von einem Mikrowellen-Reflektor (6), der ein Ende des im wesentlichen zylindrischen Hohlraums umfaßt. Der Mikrowellen-Reflektor (6) wird durch ein metallenes, elektrisch leitendes Maschengitter gebildet. Hierdurch können Abgase praktisch ungehindert in den Hohlraum herein- oder aus diesem herausströmen. Das andere Ende des Hohlraums besteht aus einem kegelförmigen Teil (7), in dem vorliegenden Beispiel ein Kegelstumpf, verbunden mit einer zylindrischen Röhre (8) von geringerem Durchmesser als der Rest des Hohlraums. Der Durchmesser der Röhre ist so gewählt, daß der Kegel (7) und Röhre (8) als Hohlleiter-Teiler wirken, d. h. Mikrowellenenergie kann sich entlang der Röhre (8) nicht frei ausbreiten. Wie beschrieben, besitzt der Hohlraum einen Mikrowellen-Reflektor an einem Ende und einen Hohlleiter-Teiler am anderen. Alternativ können beide Enden Mikrowellen- Reflektoren oder Hohlleiter-Teiler umfassen. Im vorliegenden Beispiel wird ein kegelförmiger Abschnitt gewählt, da dieser einen aerodynamischen Vorteil bietet.
In dem vorliegenden Beispiel beträgt der Durchmesser des größten Teils des Hohlraums 80 mm, und die Mikrowellenenergie wird mit einer Frequenz von 2,45 GHz durch ein (nicht gezeigtes) 800 W Magnetron erzeugt, das an das andere Ende des Wellenleiters 1 gekoppelt ist. Diese Anordnung sorgt dafür, daß eine einzelne TE11p-Betriebsart in dem Hohlraum erregt wird. Der Q-Faktor eines derartigen, katalytisches Material enthaltenden Hohlraums liegt in der Größenordnung von 100, und es ist demzufolge schwierig, die Impedanz des Hohlraums und der Quelle in Übereinstimmung zu halten, wenn sich Katalysator und Hohlraum erwärmen und sich der Durchmesser des Hohlraums aufgrund thermischer Ausdehnung erhöht. Es ist daher erforderlich, den Hohlraum anzupassen, um seine Bandbreite zu erhöhen. In der vorliegenden Erfindung wird dies erreicht, indem die TE11p- Betriebsart (wobei p eine ganze Zahl ist) aufgesplittet wird. Dies wird in dem Hohlraum nach Fig. 1 dadurch erreicht, daß an der Wand des Hohlraums ein elektrisch leitendes Element 9 angebracht wird. In dem vorliegenden Beispiel hat dieses Element die Form eines gebogenen Metallblechs mit einer Dicke von 3,6 mm. Alternativ können andere Verfahren zum Aufsplitten der einzelnen Betriebsarten verwendet werden, wie etwa Verformen des im wesentlichen kreisförmigen Zylinders in eine elliptische Form. Es ist davon auszugehen, daß durch die Durchbrechung der Symmetrie des Hohlraums mit einer Betriebsart dieselbe einzelne Betriebsart bei etwas verschiedenen Resonanzfrequenzen in verschiedenen Richtungen erregt wird.
Die Dimensionen des Hohlraums und der Kopplungsschlitze müssen sorgfältig optimiert werden, um sicherzustellen, daß die Mikrowellenenergie von der katalytischen Matrix effizient absorbiert werden kann. Die im vorliegenden Beispiel verwendete Anordnung ist in dem transversen Schnittbild des in Fig. 2 gezeigten Hohlraums illustriert. Die Kopplungsschlitze haben die Form von rechteckigen Schlitzen, die aus der Hohlraumwand ausgeschnitten sind (10, 11). Diese Schlitze sind jeweils 38 mm lang und 10 mm breit und von einander um 20 mm beabstandet. Zusätzlich ist an dem Ende des Wellenleiters neben den Schlitzen in der Kammerwand eine niedrigverlustige dielektrische Matte (12) mit einer Dicke von 6,4 mm angeordnet. Zwei Schlitze sind erforderlich, um gleiche Mengen von Mikrowellenenergie in jede der Split-Betriebsart-Komponenten zu koppeln.
Diese Betriebsart-Aufsplittung wird erkennbar aus dem Graph Absorption gegen Frequenz für den Hohlraum, gezeigt in Fig. 3. Die Y-Achse bezeichnet Rücklauf-Verluste in Dezibel, während die X-Achse für die Frequenz steht. Der mit 14 bezeichnete Graph zeigt das Absorptions-Spektrum für einen Hohlraum, welcher das betriebsart-aufsplittende Element nicht aufweist, während der mit 15 bezeichnete Graph das Absorptions-Spektrum für einen Hohlraum gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, in welchem das betriebsart-aufsplittende Element (oder ein verformter zylindrischer Hohlraum) vorliegt. Ein Rücklauf-Verlust von -10 dB bedeutet, daß 10% der einfallenden Energie zurück zur Mikrowellen-Quelle reflektiert wird. Aus dieser Figur erkennt man, daß die Bandbreite von Graph 15 an dem Punkt -10 dB ungefähr das Doppelte derer von Graph 14 bei demselben Rücklauf- Verlust-Pegel beträgt. Die Bandbreite des Hohlraums, in welchen die einzelne Betriebsart aufgesplittet wird, ist also das Doppelte derer des Hohlraums, in welchem sie nicht aufgesplittet wird - der Q-Faktor des Hohlraums wurde effektiv halbiert. Da die Magnetron-Mikrowellen-Quelle innerhalb eines engen Frequenzbands (in der Größenordnung von 10 MHz) arbeitet, bedeutet dies, daß die Dimensionstoleranzen des Hohlraums weitaus weniger kritisch für eine effiziente Energiekopplung mit dem Hohlraum und der katalytischen Matrix sind.
Ein zusätzlicher Vorteil der Betriebsart-Aufsplittung liegt darin, daß die Gleichmäßigkeit des Aufheizens des Systems verbessert wird. Die radiale Energieverteilung in dem Hohlraum an der Position der Katalysator-Matrix ist in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4a ist die Energieverteilung für die Betriebsart TE&sub1;&sub1; ohne Aufsplittung gezeigt, während Fig. 4b die Energieverteilung am selben Ort im Hohlraum zeigt, wenn die einzelne Betriebsart in zwei überlappende Absorptionsbänder, wie in Graph 15 von Fig. 3 gezeigt, aufgesplittet wird. Im Falle von Fig. 4a sind die Felder entlang der Horizontalachse konzentriert und zeigen ein Maximum im Zentrum. Die Energie geht an den Hohlraumwänden entlang der Achse des Zylinders oben und unten gegen null. Im Falle der Fig. 4a beträgt das Verhältnis der gemessenen Maximal- und Minimalleistung 33. Im Falle der in Fig. 4b gezeigten aufgesplitteten Betriebsart ist die Energie weniger intensiv im Zentrum, und es wird mehr entlang dem Deckel und dem Boden der Achse des Zylinders verteilt. Auch wird Energie näher an die Hohlraumwände verschoben. Das Verhältnis zwischen der gemessenen Maximal- und Minimalenergie in diesem Fall beträgt 5. Die Gleichmäßigkeit der Energieverteilung in dem Hohlraum ist daher im Falle der aufgespaltenen einzelnen Betriebsart überlegen.
Obgleich in den oben beschriebenen Beispielen ein vom Ende zuführender WG8A rechteckiger Wellenleiter zur Kopplung der Mikrowellenenergie benutzt wurde, kann alternativ eine Kopplung über die schmale Wand eines WF9A rechteckigen Wellenleiters verwendet werden.
Damit sich der Katalysator aufheizen kann, muß er entweder selbst Mikrowellenenergie absorbieren oder in thermischen Kontakt mit einem Material stehen, das Mikrowellenenergie absorbiert. In dem vorliegenden Beispiel umfaßt der Katalysatorkörper ein Substrat von Cordierit (2MgO.2Al&sub2;O&sub3;.5SiO&sub2;) mit einer Zellularstruktur mit einer quadratischen Zelle mit einem Abstand von 1,3 mm und einer Wanddicke von 0,15 mm, wobei das Substrat eine Schicht eines durch Mikrowellen beheizbaren Materials, wie etwa LaCoO&sub3;, und darauf dispergiert eine Oberfläche-Tauchschicht von Aluminiumoxid und Ceroxid mit einer Mischung von Pt : Rh im Verhältnis 5 : 1 trägt. Die Menge dispergierten Pt/Rh beträgt typischerweise 0,9 g pro Liter Matrix-Volumen; und das Gewicht des Substrats zu heizbarem Material zu Tauchschicht ist üblicherweise im Verhältnis 72 : 8 : 20.
Die vorliegende Erfindung kann eine Reihe von Vorteilen gegenüber bekannten direkt beheizten Katalysator-Systemen bieten. Erstens muß das verwendete Katalysator-Material keine in die Matrix eingebetteten Heizelemente beinhalten. Zweitens kann das System aufgrund eines erhöhten Wirkungsgrades eine Energieeinsparung von bis zu 50% bieten. Drittens kann die verbesserte Gleichmäßigkeit der Energie in dem Hohlraum, erzeugt durch Aufsplitten der einzelnen Betriebsart, die Bildung von Hotspots in dem Katalysator-Material vermindern, wodurch die "Licht-aus"-Zeit vermindert wird.

Claims

1. Resonanzhohlraum mit einer Betriebsart zur Anwendung in einem Katalysator-System, wobei der Hohlraum durch Wände definiert ist, die derart konstruiert und angeordnet sind, daß der Hohlraum erlaubt, daß elektromagnetische Energie in einer Betriebsart in Resonanz gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände derart angepaßt sind, daß im Betrieb die eine Betriebsart über eine Mehrzahl von überlappenden Wellenbändern mit jeweils verschiedenen Resonanzfrequenzen erregt wird, wodurch die Resonanz- Bandbreite des Hohlraums erhöht wird.

2. Resonanzhohlraum mit einer Betriebsart nach Anspruch 1, wobei im Betrieb nur die TE&sub1;&sub1;-Betriebsart erregt wird.

3. Resonanzhohlraum mit einer Betriebsart nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Wände durch Anordnung eines elektrisch leitenden Elements angepaßt werden, das an diese Wände angrenzt und mit ihnen elektrisch verbunden ist.

4. Resonanzhohlraum mit einer Betriebsart nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hohlraum eine elektrisch leitende Wand besitzt, von der wenigstens ein Teil angepaßt ist, indem es einen elliptischen Querschnitt aufweist.

5. Katalysator-System für Abgas, umfassend einen Resonanzhohlraum mit einer Betriebsart nach einem der vorangehenden Ansprüche, enthaltend Katalysator-Material und eine Mikrowellenenergie-Quelle, die zum Aufheizen des Katalysator-Materials an den Hohlraum gekoppelt ist.

6. Verfahren zur Energiekopplung über eine einzelne Erregungs- Betriebsart zu einem Resonanzhohlraum von einer Quelle elektromagnetischer Energie mit einer gegebenen Bandbreite, umfassend Anpassen des Hohlraums, so daß Energie über die eine Erregungs-Betriebsart in einer Mehrzahl von Wellenbändern mit jeweils verschiedenen Resonanzfrequenzen zur Resonanz gebracht werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei wenigstens zwei der Mehrzahl von Wellenbändern überlappen, wodurch die Resonanz- Bandbreite des Hohlraums vergrößert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Hohlraum durch Anordnung eines innerhalb des Hohlraums angeordneten und mit einer Wand desselben elektrisch verbundenen elektrisch leitenden Elements angepaßt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Hohlraum durch Verformung angepaßt wird, wodurch wenigstens ein Teil des Hohlraums einen elliptischen Querschnitt annimmt.