DE19534950C2 - Vorrichtung zur plasmachemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von Schadstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur plasma­ chemischen Zersetzung und/oder Vernichtung von Schadstoffen, insbesondere zur Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren oder anderer mit fossilem Treibstoff betriebenen Maschinen, wobei die Schadstoffe als Abgasstrom eine mit dielektrisch behin­ derten Entladungen beaufschlagte Strecke in einem Reaktor durchlaufen, mit einer Elektrodenanordnung aus wenigstens einer ersten dielektrisch beschichteten Elektrode und einer zweiten Elektrode als Gegenelektrode, zwischen denen bei vorgegebenem Abstand eine Hochspannung vorgebbarer Frequenz zur Aktivierung von Entladungen anlegbar ist.

Die direkte Abgasnachbehandlung in dielektrisch behinderten Gasentladungen, die auch als "stille" Entladungen oder Bar­ riereentladungen bezeichnet werden, ist ein vielversprechen­ der Weg zum Bau von Schadstoffminderungselementen, welche eine Verringerung der Emission gesundheitsschädlicher Abgase erlauben. Dabei können die Abgase sowohl von stationären Anlagen, wie beispielsweise Kraftwerken, als auch von mobil betriebenen Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise Otto­ motoren, Dieselmotoren, Zweitaktmotoren, emittiert werden. Ein solches Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung ist aus der DE 42 31 581 A1 vorbekannt.

Der Betrieb eines Abgasminderungselementes im Abgasstrang eines Fahrzeuges erfordert zusätzliche Leistung, welche von der Kraftmaschine aufgebracht werden muß. Die zusätzlich benötigte Leistung führt zu einem zusätzlichen Kraftstoff­ verbrauch.

Speziell Dieselmotoren haben gegenüber Ottomotoren den Vor­ teil eines um 10 bis 15% geringeren Kraftstoffverbrauches pro abgegebener mechanischer Kilowattstunde. Allerdings er­ lauben Dieselmotoren nicht den Einsatz geregelter Dreiwege­ katalysatoren wie beim Ottomotor, wodurch sie einen gegenüber Ottomotoren mit Katalysator deutlich höheren Ausstoß an NOX haben. Die Nachbehandlung dieses NOX-Anteils muß daher beim Dieselmotor energetisch so effizient vorgenommen werden, daß der Vorteil im Kraftstoffverbrauch möglichst wenig geschmä­ lert wird. Dies bedeutet, daß bei Verwendung von Abgasminde­ rungselementen nach dem Prinzip der Barriereentladung der Wirkungsgrad deutlich verbessert werden muß, wozu die ver­ fahrenstechnischen Parameter einerseits und die apparativen Parameter andererseits veränderbar sein müssen.

Aus der DE 43 17 964 A1 ist weiterhin eine Einrichtung zur plasmachemischen Bearbeitung von Schadstoffen bekannt, bei der bei Durchlaufen eines Schadstoffstromes durch die Bar­ riereentladung das Produkt p.d an die Aktivierungsenergie der gewünschten chemischen Reaktionen anpaßbar ist und räumlich und/oder zeitlich unterschiedliche Werte annimmt, wobei p der Gasdruck im Reaktorvolumen und d die sogenannte Schlagweite ist. Konkret bedeutet dies für eine diesbezügliche Vorrich­ tung, daß die Elektroden und/oder der dielektrische Körper ein Entladungsgefäß mit lokal unterschiedlichen Schlagweiten bilden.

Mit der älteren, nichtvorveröffentlichten DE 195 25 749 A1 wird schließlich eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorbeschrieben, mit einem Reaktor zum Betreiben der Entladung in einer solchen räumlichen Struktur, bei der das Gesamt­ reaktorvolumen sich wiederholend in Entladungszonen einer­ seits und in entladungsfreie Zonen andererseits unterteilt ist, und mit Mitteln zu sich in Flußrichtung des Abgasstromes wiederholenden Feldüberhöhungen im Bereich der Entladungs­ zonen. Damit soll der Wirkungsgrad der Entladung verbessert und insbesondere die Möglichkeit der Kombination mit chemi­ schen Reaktionen an der Oberfläche der Strukturen, beispiels­ weise katalytischer Art, eröffnet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zu schaffen, die mit einer einfachen Geometrie unter Anwen­ dung der bereits oben vorgeschlagenen Prinzipien einen pra­ xisgerechten Aufbau eines Abgasreinigungselementes ermög­ licht.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Reaktor aus wenigstens einem Modul mit einer Vielzahl paralleler, räum­ lich voneinander getrennter Kanäle in einem dielektrischen Körper besteht, wobei die Elektroden jeweils gruppenweise für mehrere Kanäle zusammengefaßt sind. Vorzugsweise ist der di­ elektrische Körper durch einen solchen Isolationskörper aus geeignetem Material gebildet, in dem die Elektroden fest ein­ gebracht sind.

Im Rahmen der Erfindung kann ein einzelnes Modul eine stan­ dardmäßig vorgegebene Dicke aufweisen. Dies hat den Vorteil, daß einzelne Module hintereinanderschaltbar sind. Sie können dabei unmittelbar aneinandergereiht oder mit Abstand hinter­ einander angeordnet sein, wobei beispielsweise zwischen die Module Filter anordenbar sind. Wesentlich ist aber, daß die Elektroden jeweils mechanisch fest in den Isolationskörper integriert sind.

Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung mit der Vielzahl paralleler, räumlich voneinander getrennten Kanäle im Dielek­ trikum, daß neben der dielektrisch behinderten Entladung eine große Oberfläche für katalytische und nichtkatalytische Reaktionen, bei denen der Materialverbrauch vernachlässigbar ist, zur Verfügung steht. Dabei ergibt sich jeweils ein ein­ facher Aufbau der Anordnung, wobei sich die Abmessungen sowie das Material des Dielektrikums, und weiterhin die Form, die Abmessungen und die Anzahl der einzelnen Entladungszellen an den jeweiligen Bedarf anpassen läßt.

Durch die Anordnung der Vorrichtung aus einzelnen Blöcken, die sich modulartig hintereinander schalten lassen, kann der jeweilige Zwischenraum je nach Erfordernis frei wählbar sein. Dadurch ergibt sich beispielsweise die Möglichkeit, zwischen einzelnen Stufen der Abgasbehandlung durch stille Entladungen zusätzliche Maßnahmen vorzunehmen, die den Reinigungsvorgang verbessern. Neben dem bereits erwähnten Einsatz von Filtern ist die Zugabe von Additiven, sowie chemische, mechanische, elektrische oder andere Maßnahmen zur Konzentrationserhöhung bzw. zur Trennung von bereits behandelten und noch nicht be­ handelten Molekülen des Abgases möglich. Daneben lassen sich die einzelnen Blöcke unabhängig voneinander betreiben, so daß beispielsweise in einem einzigen System Entladungen mit un­ terschiedlichen Charakteristiken hinsichtlich Frequenz und/oder Pulsformen der Entladungen simultan brennen können.

Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung, daß durch die Integration der Elektroden im Isolationskörper ein mechanisch robuster Reaktor mit langzeitstabilen Betriebsbedingungen entsteht, was insbesondere für den praktischen Einsatz in Kraftfahrzeugen von Bedeutung ist. Es ist weiterhin möglich, eine Heizmöglichkeit vorzusehen, mit der die optimale Be­ triebstemperatur des Abgasreinigungselementes bei Inbetrieb­ nahme des Fahrzeuges sofort erreicht werden kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei­ spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Un­ teransprüchen. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung

Fig. 1 die Vorderansicht eines in einer geschlossenen Kammer angeordneten Abgasreinigungsmoduls,

Fig. 2 einen Schnitt durch das Reinigungsmodul gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine alternative Anordnung zur Fig. 1,

Fig. 4 eine besondere Anordnung der Elektroden bei einer Anordnung gemäß Fig. 1, die

Fig. 5 bis 7 unterschiedliche Anordnungen von Elektroden in der Seitenansicht des Abgasmoduls gemäß Fig. 2,

Fig. 8 und 9 Anordnungen mit der Integration von Heiz­ elementen in die Elektroden und

Fig. 10 eine Zusammenschaltung einer Anzahl von Modulen nach einem der Fig. 1 bis 9 zu einem kompletten Reak­ tor.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In der Fig. 1 ist mit 1 die Umrandung einer Kammer bezeich­ net, die beispielhaft ein einzelnes Entladungsmodul 10 trägt. Die Kammer 1 ist innen mit einer Elektrodenabdeckung 2 ver­ sehen.

Das Entladungsmodul 10 besteht aus einem Grundkörper 15 aus dielektrischen Material, beispielsweise Teflon. In den Körper 15 aus dielektrischem Material sind im Abstand zeilen- bzw. spaltenförmig neben- und und übereinander Keramikrohre 11 eingebracht, beispielsweise fünf Zeilen mit je vier Keramik­ rohren 11, welche je einen Brennraum als Kanal umschließen.

Zur Aktivierung von dielektrisch behinderten Entladungen in den einzelnen Brennräumen der Keramikrohre 11 sind im Dielek­ trikum 15 zwischen den einzelnen Zeilen Elektroden fest ein­ gebracht und zwar jeweils alternierend eine Elektrode 12 für niedriges Potential ("low") und eine Elektrode 13 für hohes Potential ("high"). Die einzelnen Elektroden 12 bzw. 13 sind jeweils in den Körper 15 aus dem dielektrischen Material integriert und haben jeweils an ihren außenstehenden Enden Leitungsanschlüsse für gemeinsame Stromzuführungen 16 bzw. 17.

Aus der Schnittdarstellung der Fig. 2 ergibt sich, daß die einzelnen Kanäle der Rohre 11 mit anderen Materialien als dem des Isolationskörpers 15 ausgekleidet sind, beispielsweise mit katalytisch wirksamer Keramik oder mit Metalloxid­ beschichtungen. Die Elektroden 12 und 13 haben beispielsweise runden Querschnitt und sind jeweils für einen gewissen Be­ reich längs des Brennraumes wirksam. Dadurch, daß die Elek­ troden 12 und 13 jeweils alternierend senkrecht von der Seite in den Körper eingeführt sind, ist eine gute Trennung der Potentiale gewährleistet. Auch bei den verwendeten Wechsel­ spannungen von beispielsweise 10 bis 20 kV ergibt sich somit keine Gefahr von Überschlägen an den Elektrodenanschlüssen außerhalb des Isolationskörpers. Die Elektroden 12, 13 selbst liegen bei Fig. 1 und 2 voll im Isolationskörper 15, wobei in diesem Fall im Brennraum eine beidseitig behinderte dielek­ trische Entladung innerhalb der Rohre 11 entsteht.

In Fig. 3 ist ein Entladungsmodul 30 gegenüber Fig. 1 durch Formgebung dahingehend abgewandelt, daß der Querschnitt des Brennraumes eine Langlochgeometrie hat. Der Querschnitt kann bei weiteren Ausführungsformen auch recht eckig oder sternför­ mig sein. Speziell durch letztere Geometrie ergibt sich eine vergrößerte Oberfläche des Brennraumes.

In Fig. 4 ist ein Entladungsmodul 40 mit Entladungskanal gegenüber den Fig. 1 und 3 in der Weise abgewandelt, daß jeweils eine von zwei gegenüberliegenden Elektroden 42, 43 unterschiedlicher Polarität unmittelbar in den Kanal 41 her­ einragt. Damit liegt eine einseitig behinderte dielektrische Entladung vor. Dabei kann insbesondere die freie Elektrode schneidenförmig ausgeführt sein, wodurch sich eine beacht­ liche Feldstärkeüberhöhung in diesem Bereich des Brennraumes ergibt. Dadurch kommt es zu einer besseren Energieeffizienz bei der Zersetzung der Schadstoffe, was bei der bereits er­ wähnten älteren DE 195 25 749 A1 bereits vorgeschlagen wurde.

Die Anordnung der Elektroden in Relation zum Entladungsraum dann unterschiedlich sein. Neben der symmetrischen Anordnung der Elektroden 12, 13 in Fig. 2 ist in Fig. 5 in bezug auf die Tiefe eines Modules 50 eine unsymmetrische Anordnung gleich ausgebildeter Elektroden 12, 13 vorgeschlagen. Bei einer solchen Anordnung können sich durch entsprechende Be­ schichtung des nachfolgenden Reaktionsraumes Vorteile für die Reaktion des die dielektrische Entladung durchlaufenen Ab­ gases mit dem Wandmaterial ergeben.

In alternativer Ausbildung können gemäß Fig. 6 in Richtung der Tiefenausdehnung eines Moduls 60 jeweils mehrere Elektro­ den 12, 12', 12'' bzw. 13, 13', 13'' vorhanden sein. Bei ge­ eigneten Modulen ist es möglich, daß das Abgas nach Durch­ laufen einer ersten dielektrisch behinderten Entladung einer definierten chemische Reaktion unterzogen wird und daß an­ schließend eine zweite und gegebenenfalls auch dritte Ent­ ladung erfolgt. Entsprechendes ergibt sich aus Fig. 7, bei dem in einem Modul 70 unterschiedliche Elektroden 72 und 73 jeweils als größere strukturierte Einheit ausgeführt sind und in vorgegebenem Abstand beispielsweise einzelne Schneiden 72a, b, c bzw. 73a, b, c bilden.

Die Elektroden müssen nicht zwangsläufig aus massivem Mate­ rial bestehen. Sie können vielmehr auch als nach innen iso­ lierte Hohlkörper 82 bzw. 83 mit leitender Außenfläche gemäß Fig. 8 ausgebildet sein. In solche Hohlelektroden 82 und 83 lassen sich einzelne Heizelemente 84 einschieben, mit denen eine vorgegebene Betriebstemperatur des gesamten Abgasreini­ gungselementes eingestellbar ist.

In Fig. 9 ist eine Modulanordnung 90 mit Heizung derart aus­ gestaltet, daß die Elektroden 92 bzw. 93 gleichermaßen einer­ seits zur Speisung der Entladung und andererseits zur Heizung dienen. An die Elektroden 92 und 93 wird dazu von einem Wechselspannungsgenerator 95 die Entladungsspannung mit höherer Frequenz, beispielsweise 10 kHz, und zusätzlich eine Heizspannung mit davon abweichender Frequenz, beispielsweise Wechselspannung von 50 Hz oder insbesondere Gleichspannung von einem Gleichspannungsgenerator 96, angelegt. Eine uner­ wünschte Rückwirkung beider Spannungsquellen 95 und 96 auf­ einander kann dabei durch entsprechende Beschaltung mit Kondensatoren 97 und Drosseln 98 ausgeschlossen werden.

In Fig. 10 sind mehrere Module entsprechend den anhand der Fig. 1 bis 9 beschriebenen Modulen 10 bis 90 hinterein­ andergeschaltet. Beispielhaft sind rechteckige Module 10 in einem rechteckigen Strömungskanal aneinandergereiht und bilden einen kompletten Reaktor. Die Module lassen sich natürlich auch an andere Kanalgeometrien, insbesondere runde oder ovale Rohre, anpassen.

Außer dem Aneinanderreihen einzelner gleicher Module, bei­ spielsweise in Fig. 10 mehrerer Module 10 zu einer Gesamt­ anordnung, die elektrisch gemeinsam betrieben wird, lassen sich auch unterschiedliche Module, beispielsweise ein Modul 10 und ein Modul 40, miteinander kombinieren. In jedem Fall kann der jeweilige Zwischenraum nach dem vorliegenden Erfor­ dernis gewählt oder variiert werden. Insbesondere ergibt sich dabei die Möglichkeit, zwischen den einzelnen Modulen und diesbezüglichen einzelnen Stufen der Abgasbehandlung durch stille Entladungen zusätzliche Maßnahmen vorzusehen. In Fig. 10 ist beispielhaft zwischen zwei gleich aufgebauten Modulen 10 ein Filter 110 angeordnet.

Durch elektrisch unabhängiges Betreiben einzelner Module las­ sen sich in einem einzigen System Entladungen mit unter­ schiedlichen Charakteristiken, beispielsweise verschiedener Frequenzen oder Pulsformen, simultan miteinander kombinieren.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur plasmachemischen Zersetzung und/oder Ver­ nichtung von Schadstoffen, insbesondere zur Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren oder anderer mit fossilem Treibstoff betriebenen Maschinen, bei der die Schadstoffe als Abgasstrom eine mit dielektrisch behinderten Entladungen beaufschlagte Strecke in einem Reaktor durchlaufen, mit einer Elektroden­ anordnung aus wenigstens einer ersten dielektrisch beschich­ teten Elektrode und einer zweiten Elektrode als Gegenelek­ trode, zwischen denen bei vorgegebenem Abstand eine Hoch­ spannung vorgebbarer Frequenz zur Aktivierung der Entladungen anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor aus wenigstens einem Modul (10, . . ., 90) mit einer Vielzahl paralleler, räumlich voneinander getrennter Kanäle (11, 41) in einem dielektrischen Körper (15) besteht, wobei die Elektroden (12, 13; . . ., 92, 93) jeweils gruppen­ weise für mehrere Kanäle (11, 41) zusammengefaßt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der dielektrische Körper durch einen Isolationskörper (15) gebildet ist, in denen die Elektroden (12, 13, . . . 92, 93) fest eingebracht sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Module (10, . . ., 90) hintereinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß unterschiedlich aufgebaute Module (10, . . ., 90) hintereinander geschaltet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß einzelne Module (10, . . ., 90) mit Abstand zueinander angeordnet sind und daß zwischen einzelne Module (10, . . ., 90) Filter (110) geschaltet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Querschnitt der Kanäle (11, 41) rund, rechteckig oder sternförmig ist oder daß die Kanäle im Querschnitt ein Langloch bilden.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (11, 41) mit einem die Schadstoffzersetzung fördernden Material, mit einer katalytisch wirksamen Keramik oder mit einer Metalloxidbeschichtung ausgekleidet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens eine der Elek­ troden (42 ) eine schneidenförmige Struktur hat und in die Kanäle (41) hineinragt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (84; 96, 98) zur Beheizung der Isolationskörper vorhanden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektroden (92, 93) gleichermaßen die Heizung bilden.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Modul (60) vorgegebener Dicke mit einer bestimmten Anzahl von Kanälen, welche symmetrisch angeordnet sind, mehrere Elektro­ den (12, 12', 12'', 13, 13', 13'') im Abstand hintereinander angeordnet sind.