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DE19910553C1 - Method for continual removal of nitrogen dioxide in exhaust gases - Google Patents

Method for continual removal of nitrogen dioxide in exhaust gases

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DE19910553C1
DE19910553C1 DE19910553A DE19910553A DE19910553C1 DE 19910553 C1 DE19910553 C1 DE 19910553C1 DE 19910553 A DE19910553 A DE 19910553A DE 19910553 A DE19910553 A DE 19910553A DE 19910553 C1 DE19910553 C1 DE 19910553C1
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DE
Germany
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pulse
microwave
plasma
nitrogen
increase
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DE19910553A
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Juergen Steinwandel
Joerg Hoeschele
Werner Riegel
Juergen Uhlenbusch
Andres Georg Gerhard Pott
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Dornier GmbH
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Publication date
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Abstract

The method comprises production of a microwave induced high pressure plasma at above or equal to 1 bar. A nozzle is brought into the exhaust stream and microwave induced high pressure plasma is created through pulsed microwave radiation, which is guide via a reduced hollow conductor (HL) and saved in a hollow resonator (HR) via a hole coupling.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Entfernung von Stickoxiden in Abgasen von überstöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmaschinen, insbeson­ dere für die Anwendung in Kraftfahrzeugen.The invention relates to a process for the continuous removal of nitrogen oxides in Exhaust gases from over-stoichiometric combustion engines, in particular for use in motor vehicles.

Eine Vielzahl von technischen Verbrennungsprozessen wird mit überstöchiometri­ schem Sauerstoffgehalt betrieben (magere Verbrennung). Beispiele dafür sind Heizungsbrenner bzw. Turbinenbrennkammern. Darüber hinaus kommen überstöchiometrische Verbrennungen bei Kolbenmotoren mit innerer Gemischbildung zum Einsatz (Dieselmotoren, direkteinspritzende Ottomotoren). Bei diesen Prozessen kann die bei stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren bekannte nachgeschaltete Stickoxidminderung mittels geregelter Dreiwegkatalysatoren aus prinzipiellen Grün­ den nicht eingesetzt werden, da die Stickoxidkonversion bereits bei nur geringfügig über λ = 1 liegenden Abgasbedingungen drastisch abfällt und bei den Bedingungen der typisch überstöchiometrischen Verbrennung nicht mehr vorhanden ist.A large number of technical combustion processes are carried out with stoichiometry operated oxygen content (lean combustion). Examples of this are Heating burners or turbine combustion chambers. Beyond that Superstoichiometric burns in piston engines with internal mixture formation for use (diesel engines, direct-injection gasoline engines). In these processes can the downstream connected with stoichiometrically operated gasoline engines Nitrogen oxide reduction using regulated three-way catalysts made of green which are not used because the nitrogen oxide conversion is only minimal Exhaust gas conditions above λ = 1 drop drastically and under the conditions the typical superstoichiometric combustion is no longer present.

Stattdessen kann bei überstöchimetrischen Verbrennungen im Hinblick auf die nachgeschaltete Stickoxidminderung die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden eingesetzt werden (Selective Catalytic Reduction, SCR). Dabei werden die Stickoxide mittels zusätzlich erforderlicher Reduktionsmittel an geeigneten Katalysatoren umgesetzt. Ein besonders wirkungsvolles Reduktionsmittel ist dabei Ammoniak (NH3). Weniger effektiv wirken Kohlenwasserstoffe als selektive Redukti­ onsmittel.Instead, with overstoichiometric burns with regard to downstream nitrogen oxide reduction the selective catalytic reduction of Nitrogen oxides are used (Selective Catalytic Reduction, SCR). In doing so the nitrogen oxides using suitable reducing agents Catalysts implemented. A particularly effective reducing agent is included Ammonia (NH3). Hydrocarbons are less effective than selective reductants onsmittel.

Technisch etabliert ist bislang die NH3-SCR bei der Entstickung von Kraftwerksabga­ sen. Die stationären Betriebsbedingungen sind für die Anpassung des Verfahrens von wesentlichem Vorteil. Die Katalysatoren können am optimalen Betriebspunkt betrieben werden (Temperaturanpassung durch Wärmetauscher), und die NH3- Dosierung/Regelung gestaltet sich vergleichsweise einfach. Darüber hinaus beinhal­ tet die Bevorratung von NH3 (Kryo/Drucktanks oder auch NH3-Wasser) keine infrastrukturellen Probleme.The NH 3 -SCR has so far been technically established for the denitrification of power plant emissions. The stationary operating conditions are of major advantage for the adaptation of the procedure. The catalytic converters can be operated at the optimum operating point (temperature adjustment by means of a heat exchanger) and the NH 3 metering / control is comparatively simple. Furthermore, the storage of NH 3 (cryo / pressure tanks or NH 3 water) does not involve any infrastructural problems.

Der Einsatz der NH3-SCR-Technologie bei Strassenfahrzeugen mit Dieselmotoren erfordert erhebliche Verfahrensänderungen verglichen mit dem Kraftwerksbetrieb. Da eine Mitführung von NH3 mittels Kryo/Drucktank oder in Form von NH3-Wasser bereits aus Sicherheitsgründen nicht möglich ist, muß auf NH3-tragende unproble­ matische Verbindungen wie z. B. Harnstoff übergegangen werden, aus denen NH3 durch Hydrolyse in situ erzeugt wird. Da die Katalysatoren bei dieser Anwendung nicht stationär betrieben werden können (Instationärbetrieb), sind erhebliche Auf­ wendungen hinsichtlich Dosierung/Regelung erforderlich.The use of NH 3 -SCR technology in road vehicles with diesel engines requires considerable process changes compared to power plant operation. Since carrying NH 3 by means of a cryo / pressure tank or in the form of NH 3 water is not possible for safety reasons, NH 3 -bearing unproblematic connections such. B. urea, from which NH 3 is generated by hydrolysis in situ. Since the catalysts cannot be operated in a stationary manner in this application (transient operation), considerable expenditures with regard to metering / control are required.

Eine Alternative zu heterogen-katalytischen Verfahren können die seit mehreren Jahren mit zunehmender Intensität untersuchten plasmachemischen Verfahren sein, wobei sowohl Hochtemperatur als auch Niedertemperaturverfahren zum Einsatz kommen. Hinsichtlich einer effektiven Stickoxidminderung ist in beiden Fällen zu fordern, daß insbesondere Stickstoffmonoxid (NO) zu molekularem Stickstoff und Sauerstoff konvertiert wird (NO stellt bei Verbrennungsprozessen mit ca. 95% die überwiegende Menge der emittierte Stickoxide dar).An alternative to heterogeneous catalytic processes has been available for several Years with increasing intensity investigated plasma chemical processes, using both high temperature and low temperature processes come. With regard to an effective nitrogen oxide reduction, is too in both cases demand that in particular nitrogen monoxide (NO) to molecular nitrogen and Oxygen is converted (NO represents about 95% in combustion processes predominant amount of the emitted nitrogen oxides).

Es ist bekannt, daß aktivierter Stickstoff (ein Gemisch aus Stickstoff-Atomen N und vibronisch/elektronisch angeregten Stickstoff-Molekülen N2*) in einer höchst selekti­ ven und schnellen Gasreaktion NO zu den gewünschten Reaktionsprodukten konvertieren kann:
It is known that activated nitrogen (a mixture of nitrogen atoms N and vibronically / electronically excited nitrogen molecules N2 *) can convert NO to the desired reaction products in a highly selective and fast gas reaction:

NO + N ⇒ N2 + O (1)
NO + N ⇒ N 2 + O (1)

NO + O ⇒ O2 + N (2)NO + O ⇒ O 2 + N (2)

Die Bruttoreaktion folgt aus der Addition beider Reaktionsgleichungen zu: 2NO ⇒ N2 + O2, was der NO- Zerfallsreaktion entspricht.
The gross reaction follows from the addition of both reaction equations to: 2NO ⇒ N 2 + O 2 , which corresponds to the NO decay reaction.

NO + N2* ⇒ N2 + N + O (3)
NO + N 2 * ⇒ N 2 + N + O (3)

NO + N ⇒ N2 + O (1)
NO + N ⇒ N 2 + O (1)

NO + O ⇒ N2 + N (2)NO + O ⇒ N 2 + N (2)

Aus reaktionskinetischer Sicht ist festzustellen, daß die Reaktion mit N-Atomen zu einer bedingt selbsttragenden Kettenreaktion führt, die Reaktion mit N2* hingegen zu einer verzweigten Kettenreaktion. Daraus wird ersichtlich, daß hohe Anteile an N2* im aktivierten Stickstoff die NO-Konversion begünstigen. Ein weiterer Vorteil der NO- Reaktion mit N2* ist aus der molekularphysikalischen Gegenüberstellung des Potentialverlaufs von NO und N2* anhand der Fig. 1 ersichtlich, woraus auch die Natur der Spezies N2* hervorgeht.From a reaction kinetic point of view, it can be stated that the reaction with N atoms leads to a conditionally self-supporting chain reaction, while the reaction with N 2 * leads to a branched chain reaction. It can be seen from this that high proportions of N 2 * in the activated nitrogen favor the NO conversion. Another advantage of the NO reaction with N 2 * can be seen from the molecular-physical comparison of the potential course of NO and N 2 * with reference to FIG. 1, which also shows the nature of the species N 2 *.

Der reaktionseffektive Zustand des N2* ist der Grundzustand des Vegard-Kaplan- Systems innerhalb der elektronischen Anregungszustände des molekularen Stick­ stoffes. Dabei handelt es sich um den tiefstliegenden Triplettzustand des Stickstoffes mit einer Anregungsenergie von ca. 6 Elektronenvolt (eV). Dieser Zustand zeichnet sich durch eine extrem hohe Lebensdauer von ca. 3 sec bezüglich der Emission von elektrischer Dipolstrahlung in den Singulett-Grundzustand des Stickstoffs aus. Die hohe Lebensdauer ist eine Folge des Interkombinationsverbots (Spin-verbotener Übergang). Damit kann dieser Anregungszustand in erster Linie nur über strah­ lungslose Prozesse desaktiviert werden. The reaction-effective state of N 2 * is the basic state of the Vegard-Kaplan system within the electronic excitation states of the molecular nitrogen. This is the lowest triplet state of nitrogen with an excitation energy of approx. 6 electron volts (eV). This state is characterized by an extremely long life of approx. 3 seconds with regard to the emission of electrical dipole radiation into the singlet ground state of nitrogen. The long service life is a result of the inter-combination ban (spin-prohibited transition). This state of excitation can therefore only be deactivated via radiation-free processes.

Die Reaktion NO + N2* ⇒ N2 + O + N ist ein solcher Prozess. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die bei einem Stoßprozess zwischen einem NO-Molekül und einem N2*-Molekül übertragungsfähige Anregungsenergie des N2*-Zustands ziemlich genau der Bindungsenergie des NO-Moleküls entspricht. Es kann daher davon ausgegangen werden, daß der effektive Reaktionsquerschnitt zwischen NO und N2* infolge eines quantenmechanischen Resonanzeffektes deutlich grösser sein wird als der gaskinetische Stoßquerschnitt.The NO + N 2 * ⇒ N 2 + O + N reaction is such a process. It can be seen from FIG. 1 that the excitation energy of the N 2 * state which can be transmitted in a collision process between an NO molecule and an N 2 * molecule corresponds almost exactly to the binding energy of the NO molecule. It can therefore be assumed that the effective cross-section of the reaction between NO and N 2 * will be significantly larger than the gas-kinetic cross-section due to a quantum mechanical resonance effect.

Eine effiziente Erzeugung von aktiviertem Stickstoff erfordert den Einsatz von Plasmaverfahren. Sofern dazu thermische Plasmen verwendet werden, muß der Prozess derart geführt werden, daß die Erzeugung von aktiviertem Stickstoff in einem Plasma-Bypass realisiert wird und der derart erzeugte aktivierte Stickstoff in NO- haltiges Abgas in Form eines Hochtemperatur-Plasmajets eingebracht wird. Ein solches Verfahren unter Verwendung mikrowelleninduzierter thermischer Plasmen ist in der DE 195 13 250 A1 beschrieben. Dabei handelt es sich um ein Mikrowellen- Dauerstrichverfahren (cw-Verfahren). Das Verfahren arbeitet besonders effektiv, wenn als Plasmagas Reinstickstoff eingesetzt wird. Sofern das Plasmagas jedoch Sauerstoff enthält oder im Extremfall aus Luft besteht, müssen zusätzliche Maßnah­ men hinsichtlich der Vermeidung thermischer NO-Produktion im expandierenden Plasmajet ergriffen werden. Das ist nur in gewissen Grenzen z. B. durch eine geeig­ nete gasdynamische Ausgestaltung der Jeteinspeisung in das Abgas, möglich.The efficient generation of activated nitrogen requires the use of Plasma process. If thermal plasmas are used, the Process be carried out such that the production of activated nitrogen in one Plasma bypass is realized and the activated nitrogen generated in this way in NO containing exhaust gas is introduced in the form of a high-temperature plasma jet. On is such a method using microwave induced thermal plasmas described in DE 195 13 250 A1. It is a microwave Continuous wave method (cw method). The process works particularly effectively, if pure nitrogen is used as the plasma gas. Unless the plasma gas Contains oxygen or, in extreme cases, consists of air, additional measures must be taken in terms of avoiding thermal NO production in the expanding Plasmajet can be taken. That is only within certain limits. B. by a suitable nete gas-dynamic design of the jet feed into the exhaust gas, possible.

Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von thermischen Plasmen zur Erzeugung von aktiviertem Stickstoff besteht darin, daß infolge der spezifischen Anregungsbe­ dingungen (Anregung über thermische Stösse zwischen Molekülen/Atomen) zwar hohe N2-Dissoziationsraten (N-Atomproduktion) realisierbar sind, jedoch eine Erhöhung des N2*-Anteils nur bedingt möglich ist. Das ist darin begründet, daß in einem thermischen Plasma (abhängig von der jeweiligen Temperatur) zwar hohe Ionisationsgrade (und damit hohe Konzentrationen an freien Elektronen) gemäß der bei Plasmen im vollen oder lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (VTG/LTG) anwendbaren Saha-Gleichung realisierbar sind, jedoch die mittlere Elektronenener­ gie im Bereich unterhalb ca. 1 eV liegt. Wenn man von einer Maxwell-Boltzmann- Geschwindigkeitsverteilung (bzw. Energieverteilung) der freien Elektronen ausgeht, dann ist der Anteil an Elektronen mit Energien ab 6 eV im Maxwell-Ausläufer der Verteilungsfunktion vergleichsweise gering. Damit ist die Anregung des N2*-Zustan­ des bei ca. 6 eV Termenergie durch Elektronenstoß in einem thermischen Plasma ein nicht besonders effektiver Prozeß.Another disadvantage of using thermal plasmas to generate activated nitrogen is that, due to the specific excitation conditions (excitation via thermal collisions between molecules / atoms), high N 2 dissociation rates (N atom production) can be achieved, but an increase of the N 2 * portion is only possible to a limited extent. This is due to the fact that in a thermal plasma (depending on the respective temperature) high degrees of ionization (and thus high concentrations of free electrons) can be achieved according to the Saha equation applicable to plasmas in full or local thermodynamic equilibrium (VTG / LTG) , however, the mean electron energy is in the range below approx. 1 eV. If one assumes a Maxwell-Boltzmann velocity distribution (or energy distribution) of the free electrons, then the proportion of electrons with energies above 6 eV in the Maxwell spur of the distribution function is comparatively low. Thus, the excitation of the N 2 * state at about 6 eV thermal energy by electron impact in a thermal plasma is not a particularly effective process.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, das in der DE 195 13 250 A1 beschriebene Dauerstrichverfahren dahingehend zu verbessern, daß eine thermische NO- Produktion im expandierenden Plasmajet verhindert wird und gleichzeitig eine Elektronen-Energieverteilungsfunktion realisiert wird, deren Maximum näher an der 6 eV-Anregungsenergie des metastabilen N2*-Zustandes zu liegen kommt. Letztere Anforderung ist notwendig zur effektiven Anregung des metastabilen N2*-Zustandes durch Elektronen.It is therefore the object of the invention to improve the continuous wave process described in DE 195 13 250 A1 in such a way that thermal NO production in the expanding plasma jet is prevented and at the same time an electron energy distribution function is implemented, the maximum of which is closer to the 6 eV Excitation energy of the metastable N 2 * state comes to rest. The latter requirement is necessary for the effective excitation of the metastable N 2 * state by electrons.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprü­ chen.The object is achieved by the subject matter of patent claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent claims chen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Plasmaerzeugung unter Nichtgleich­ gewichtsbedingungen durchgeführt (Nichtgleichgewichtsplasma NGP). NG-Plasmen werden vielfach auch als Niedertemperatur-Plasmen bezeichnet, d. h., die gaskineti­ sche Temperatur (definiert durch die Freiheitsgrade der Translation) bleibt deutlich unterhalb derjenigen Temperatur, die sich anhand der verstärkt besetzten molekula­ ren Anregungszustände aus einer Boltzmann-Analyse ergibt. NG-Plasmen werden immer dann erhalten, wenn die Plasmaanregung überwiegend durch Elektronenstö­ ße kontrolliert wird und nicht durch gaskinetische Stöße mit Atomen oder Molekülen.With the method according to the invention, the plasma generation is not the same weight conditions performed (non-equilibrium plasma NGP). NG plasmas are often referred to as low-temperature plasmas, d. that is, the gas kineti temperature (defined by the degrees of freedom of translation) remains clear below that temperature, which is determined by the increased occupied molecules Ren excitation states from a Boltzmann analysis. NG plasmas are always obtained when the plasma excitation mainly due to electron interference is controlled and not by gas kinetic collisions with atoms or molecules.

Bei mikrowelleninduzierten Plasmen mit hoher Leistungsdichte bei Arbeitsdrücken von 1 bar und darüber, wie dies insbesondere für den Anwendungsfall in Kraftfahr­ zeugen erforderlich ist, kann ein NG-Plasma nur über eine gepulste Plasmaanregung realisiert werden. Dabei bleiben die gaskinetischen Temperaturen insbesondere dann unterhalb einer für eine mögliche NO-Bildung erforderlichen Temperatur (thermody­ namisch und kinetisch) von ca. 1500 K, wenn die Pulsbreiten unterhalb ca. 100 µsec bleiben. For microwave-induced plasmas with high power density at working pressures of 1 bar and above, as is particularly the case in motor vehicles is required, an NG plasma can only be generated by pulsed plasma excitation will be realized. The gas kinetic temperatures remain in this case in particular below a temperature required for possible NO formation (thermody namic and kinetic) of approx. 1500 K if the pulse widths are below approx. 100 µsec stay.  

In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens werden Mikrowellenfrequenzen zwischen 0,95 und 24 GHz, insbesonders 2,46 GHz verwen­ det. Hierbei werden die elektromagnetischen Wellen vorteilhaft über Hohlleiter geführt. Diese lassen aufgrund ihrer genau zu definierenden Geometrie nur ganz bestimmte Wellentypen zu. Die Erzeugung der Hochfrequenz erfolgt entweder durch Magnetron-Systeme oder durch Wanderfeldröhren.In an advantageous embodiment of the method according to the invention Use microwave frequencies between 0.95 and 24 GHz, especially 2.46 GHz det. Here the electromagnetic waves are advantageous via waveguides guided. Due to their precisely defined geometry, these only leave whole certain types of waves. The radio frequency is generated either by Magnetron systems or through traveling wave tubes.

Die Puls-Repetitionsfrequenz ist bevorzugt ≧ 0,5 kHz und ≦ 10 kHz.The pulse repetition frequency is preferably ≧ 0.5 kHz and ≦ 10 kHz.

Im Mikrowellen-Pulsplasmabetrieb ist eine sichere Plasmazündung bei jedem Puls von ganz entscheidender Bedeutung. Dadurch werden an ein Pulsplasmasystem in dieser Hinsicht weitaus höhere Anforderungen gestellt, als bei einem cw- Plasmasystem, das nur eine einmalige Zündung erfordert. cw-Plasmen können z. B. mittels elektrischer Ladungsträger aus Hilfsentladungen oder Flammen gezündet werden. Solche Zündhilfen müssten bei gepulsten Plasmen entweder ständig verfügbar sein (Hilfsflamme) oder entsprechend der Pulsfolgefrequenz getriggert werden (z. B. zündkerzenähnliche Systeme). Es ist zwar möglich, solche Hilfszün­ dungssysteme technisch zu realisieren, jedoch ist dieses mit einem erheblichen Zusatzaufwand verbunden, insbesondere dann, wenn eine möglichst geringe Störanfälligkeit realisiert werden soll. Vorteilhafter ist es, die Zündung der gepulsten Plasmen durch mikrowellentechnologische Maßnahmen zu realisieren. Diese werden im folgenden näher erläutert.In microwave pulse plasma operation there is a safe plasma ignition with every pulse of vital importance. Thereby in a pulse plasma system in this regard, the requirements are far higher than with a cw Plasma system that only requires one ignition. cw plasmas can e.g. B. ignited by means of electrical charge carriers from auxiliary discharges or flames become. Such ignition aids would either have to be constant with pulsed plasmas be available (auxiliary flame) or triggered according to the pulse repetition frequency systems (e.g. spark plug-like systems). It is possible to use such auxiliary ignition technically implement systems, but this is with a considerable Additional effort, especially when the lowest possible Susceptibility to failure should be realized. It is more advantageous to ignite the pulsed To realize plasmas through microwave technology measures. These will explained in more detail below.

Der physikalisch entscheidende Parameter für eine Plasmazündung in einem Gas ist die jeweilige elektrische Durchbruchsfeldstärke. In Luft betragen solche Durchbruch­ feldstärken zwischen 10-25 kV/cm, abhängig z. B. vom momentanen Wasserdampf­ gehalt, wobei ein hoher Wasserdampfgehalt eine niedrigere Durchbruchfeldstärke erfordert. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die zur sicheren Pulsplasmazündung erforderliche hohe elektrische Feldstärke durch Einsatz eines sich verjüngenden Hohlleiters, in dem die Mikrowellenenergie an einen Hohlraumre­ sonator geleitet wird. Die Einspeisung der Mikrowellenenergie in den Hohlraumreso­ nator erfolgt dabei insbesondere durch Lochkopplung. The physically crucial parameter for plasma ignition in a gas is the respective electrical breakdown field strength. Such breakthroughs occur in air field strengths between 10-25 kV / cm, depending on e.g. B. from the current water vapor content, with a high water vapor content a lower breakthrough field strength required. According to an advantageous embodiment of the invention, the is for safe Pulse plasma ignition required high electrical field strength by using a tapered waveguide in which the microwave energy is applied to a cavity sonator is conducted. The feeding of the microwave energy into the cavity nator takes place in particular by hole coupling.  

Neben dieser konstruktiven Maßnahme kann für eine sichere Pulsplasmazündung der Mikrowellenpuls bezüglich seiner Energieverteilung derart gestaltet werden, daß der Pulsanstieg im Nanosekundenbereich, insbesondere mit einer gewissen Ener­ gieüberhöhung bezüglich der mittleren Energie des Restimpulses liegt. Alternativ dazu ist jedoch auch eine Rechteck-Pulsform möglich, wobei die Anstiegsflanke ebenfalls im Nanosekundenbereich liegt.In addition to this constructive measure can be used for a safe pulse plasma ignition the microwave pulse in terms of its energy distribution are designed such that the pulse increase in the nanosecond range, especially with a certain energy excess energy with respect to the average energy of the residual pulse. Alternatively however, a rectangular pulse shape is also possible, the rising edge is also in the nanosecond range.

Die Pulsanstiegszeiten im Nanosekundenbereich sind für die Primärionisation infolge hoher lokaler elektrischer Feldgradienten erforderlich. Die zeitliche Limitierung des Gesamtpulses auf unterhalb 100 µsec führt dann nach erfolgter Plasmazündung zur Ausbildung eines primär elektronenstoßkontrollierten Nichtgleichgewichtsplasmas.The pulse rise times in the nanosecond range are due to primary ionization high local electrical field gradients required. The time limit of the Total pulse to below 100 µsec then leads to after plasma ignition Formation of a primarily electron impact controlled non-equilibrium plasma.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to drawings. Show it:

Fig. 1 den Potentialverlauf von NO und N2*, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert; Fig. 1 * as explained the potential curve of NO and N 2 in the introduction;

Fig. 2 eine für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders geeignete Mikrowellenpulsform; Fig. 2 is a particularly suitable for use in the inventive method, microwave pulse shape;

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 3 shows an apparatus for performing the method according to the invention.

Eine für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren besonders geeignete Mikro­ wellen-Pulsform ist in Fig. 2 dargestellt. Man erkennt die steile Anstiegsflanke mit einer Dauer im Bereich von wenigen Nanosekunden, im dargestellten Fall ca. 1 ns. Die Pulsbreite beträgt bevorzugt weniger als 10 µsec. Am Pulsanstieg ist eine gewisse Überhöhung relativ zur mittleren Energie des Restimpulses vorhanden.A particularly suitable micro wave pulse shape for use in the method according to the invention is shown in Fig. 2. One recognizes the steep rising edge with a duration in the range of a few nanoseconds, in the case shown about 1 ns. The pulse width is preferably less than 10 microseconds. At the pulse increase there is a certain increase relative to the average energy of the residual pulse.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das zu reinigende Abgas wird über die Öffnung A in das Abgasrohr AR eingespeist. Innerhalb eines Hohlraumresonators HR verläuft ein dielektrisches Rohr DR, z. B. aus Quarzglas. Darin befindet sich das stickstoffhaltige Plasmagas. Es wird in Form eines Plasmajets über die Düse D in den Abgasstrom eingebracht. In einer hier nicht gezeigten Ausführung können auch mehrere Düsen vorhanden sein. Die Mikrowellen werden mittels eines Hohlleiters HL, der sich in Richtung auf den Hohlraumresonator HR verjüngt, an diesen geführt und mittels Lochkopplung in diesen eingespeist. Fig. 3 shows an apparatus for performing the method according to the invention. The exhaust gas to be cleaned is fed into the exhaust pipe AR via the opening A. Within a cavity resonator HR, a dielectric tube DR, z. B. made of quartz glass. Inside is the nitrogenous plasma gas. It is introduced into the exhaust gas stream in the form of a plasma jet via the nozzle D. In an embodiment not shown here, several nozzles can also be present. The microwaves are guided thereon by means of a waveguide HL, which tapers in the direction of the cavity resonator HR, and are fed into the latter by means of hole coupling.

Claims (6)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Entfernung von Stickoxiden in Abgasen von überstöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmaschinen, wobei durch Erzeu­ gung eines mikrowelleninduzierten Hochdruckplasmas ≧ 1 bar aktiver Stickstoff erzeugt wird, der über eine Düse in den Abgasstrom eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das mikrowelleninduzierte Hochdruckplasma durch gepul­ ste Mikrowellenstrahlung erzeugt wird.1. A process for the continuous removal of nitrogen oxides in exhaust gases from over-stoichiometrically operated internal combustion engines, wherein by generating a microwave-induced high-pressure plasma ≧ 1 bar of active nitrogen is generated, which is introduced into the exhaust gas stream via a nozzle, characterized in that the microwave-induced high-pressure plasma is pulsed Microwave radiation is generated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gepulste Mikrowellenstrahlung über einen sich verjüngenden Hohlleiter (HL) geführt und über eine Lochkopplung in einen Hohlraumresonator (HR) eingespeist wird, wobei das Plasmagas mittels eines dielektrischen Rohrabschnitts (DR) durch den Hohl­ raumresonator (HR) geführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the pulsed Microwave radiation conducted over a tapered waveguide (HL) and is fed into a cavity resonator (HR) via a hole coupling, wherein the plasma gas by means of a dielectric tube section (DR) through the hollow room resonator (HR) is guided. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstiegs­ flanke der Mikrowellenpulse im Nanosekundenbereich liegt, insbesondere ≧ 1 nm und ≦ 10 nm ist.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the increase flank of the microwave pulses is in the nanosecond range, in particular ≧ 1 nm and ≦ is 10 nm. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Pulsanstieg mit einer Überhöhung bezüglich der mittleren Energie des Restimpulses erfolgt.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized net that the pulse increase with an increase in the mean energy of the residual pulse. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Pulsbreite ≦ 100 Microsekunden ist.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized net that the pulse width is ≦ 100 microseconds. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Puls-Repetitionsfrequenz ≧ 0,5 kHz und ≦ 10 kHz ist.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized net that the pulse repetition frequency is ≧ 0.5 kHz and ≦ 10 kHz.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2414742A (en) * 2004-06-01 2005-12-07 Daimler Chrysler Ag Method and device for remelting metal surfaces
DE102009054175A1 (en) 2009-11-21 2011-05-26 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Method for converting pollutants e.g. nitrogen oxide, contained in exhaust gas flow produced by internal-combustion engine of motor vehicle into carbon dioxide, water and nitrogen, involves bringing electromagnetic radiation into gas flow
US20140314649A1 (en) * 2011-12-30 2014-10-23 Xiangtan University Process for removing nitrogen oxides from gas using microwave catalytic reaction by microwave catalysis

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2700435A1 (en) * 1977-01-07 1978-07-13 Hoechst Ag PROCEDURE FOR REDUCING NO TIEF X
DE19513250A1 (en) * 1995-04-07 1996-10-10 Dornier Gmbh Method and device for the continuous removal of nitrogen oxides in exhaust gases from internal combustion engines
DE19534950A1 (en) * 1995-09-20 1997-03-27 Siemens Ag Appts. for plasma-chemical decomposition and/or destruction of harmful materials

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2700435A1 (en) * 1977-01-07 1978-07-13 Hoechst Ag PROCEDURE FOR REDUCING NO TIEF X
DE19513250A1 (en) * 1995-04-07 1996-10-10 Dornier Gmbh Method and device for the continuous removal of nitrogen oxides in exhaust gases from internal combustion engines
DE19534950A1 (en) * 1995-09-20 1997-03-27 Siemens Ag Appts. for plasma-chemical decomposition and/or destruction of harmful materials

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2414742A (en) * 2004-06-01 2005-12-07 Daimler Chrysler Ag Method and device for remelting metal surfaces
GB2414742B (en) * 2004-06-01 2006-08-02 Daimler Chrysler Ag Method and device for remelting metal surfaces
DE102009054175A1 (en) 2009-11-21 2011-05-26 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Method for converting pollutants e.g. nitrogen oxide, contained in exhaust gas flow produced by internal-combustion engine of motor vehicle into carbon dioxide, water and nitrogen, involves bringing electromagnetic radiation into gas flow
US20140314649A1 (en) * 2011-12-30 2014-10-23 Xiangtan University Process for removing nitrogen oxides from gas using microwave catalytic reaction by microwave catalysis
US9199196B2 (en) * 2011-12-30 2015-12-01 Xiangtan University Process for removing nitrogen oxides from gas using microwave catalytic reaction by microwave catalysis

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