DE10245312A1

DE10245312A1 - Plasmareaktor, Verfahren zur Herstellung eines solchen und Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE10245312A1
Application number: DE10245312A
Authority: DE
Inventors: Yone-Seung Kim; Hyung-Jei Cho; Eun-Ki Hong; Chi-Young Jeong
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2022-09-28
Also published as: DE10245312B4; US7211227B2; JP3832654B2; FR2837660A1; JP2003286829A; KR20030075472A; US20030180199A1; FR2837660B1

Abstract

Ein Plasmareaktor wird durch das Zusammensetzen einer Vielzahl von Zellen erzeugt, wobei jede Zelle ein Paar dielektrischer Elemente aufweist, die einander unter Zwischenschaltung eines Abstandhalters gegenüberliegen. Elektroden sind an den dielektrischen Elementen gebildet und alle Elektroden in den Zellen sind mit einem Leitungselement verbunden, an das über einen Stecker eine Hochspannung übertragen wird, wobei die Hochspannung von einer Stromversorgungseinheit reguliert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmareaktor, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen und eine Emissions- Steuer- und Regelvorrichtung eines Fahrzeuges. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Plasmareaktor zur Reduktion schädlicher Gase durch Verwendung einer Plasmareaktion, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Plasmareaktors und eine Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung zur Reduktion schädlicher Gase im Abgas eines Fahrzeuges durch Verwendung eines solchen Plasmareaktors.

Dieselmotoren sind wegen ihrer hohen Wärmeausnutzung und ihrem geringen Kraftstoffverbrauch gegenüber Benzinmotoren weit verbreitet und folglich steigt die Nachfrage nach solchen Dieselmotoren schnell an.

Aber Dieselmotor-Emissionen sind streng reguliert und deshalb werden viele Pläne zum Reduzieren von Luftverunreinigungen durch Dieselmotore erforscht.

Ein Plan, der eine Plasmareaktion verwendet, wird erforscht und ist als eine wichtige neue Technologie erkannt worden, weil oxydierter Stickstoff (NOx) und Dieselfeststoffe (PM) gleichzeitig reduziert werden können.

Wenn eine Streamer-Koronareaktion abläuft, indem man eine Hochspannung anlegt, um ein Plasma zu erzeugen, wird leicht ein Funken an dem Streamer erzeugt, und deshalb ist ein Verfahren oder eine Vorrichtung zum Aufrechterhalten des erzeugten Streamers erforderlich.

Gleichzeitig ist die Verringerung von PM und NOx beim Stand der Technik, der eine Plasmareaktion verwendet, nicht befriedigend und deshalb werden Verbesserungen gebraucht.

Außerdem sind einige Arten von Korona-erzeugenden Vorrichtungen zur Bildung von Plasma in der Forschung, aber sie sind noch nicht reif für eine praktische Verwendung. Weiterhin verbrauchen solche Korona-erzeugenden Vorrichtungen des Standes der Technik zu viel Energie, um in ein Fahrzeug eingebaut zu werden, und die Wirkung der Koronaentladung scheitert, wenn eine Elektrode, z. B. durch Russ verunreinigt wird.

Der Anlass für die vorliegende Erfindung besteht darin, unbegrenzte Vorteile zur Reduktion schädlicher Stoffe wie PM und NOx gleichzeitig vorzusehen, den Energieverbrauch zu senken und den Funkenübergang eines Plasmareaktors zu verhindern und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Plasmareaktors anzugeben und eine Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung für solch einen Plasmareaktor bereitzustellen.

Ein beispielhafter Plasmareaktor zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung weist auf: ein erstes dielektrisches Element; ein zweites dielektrisches Element, das dem ersten dielektrischen Element gegenüberliegend angeordnet ist; ein Abstandhalter, der zwischen dem ersten und dem zweiten dielektrischen Element so angeordnet ist, dass ein Plasmabereich dazwischen gebildet ist; erste und zweite Elektroden, die jeweils an den ersten und zweiten dielektrischen Elementen angeordnet sind zur Erzeugung einer Koronaentladung; und erste und zweite Leitungselemente, die jeweils so mit den ersten und zweiten Elektroden verbunden sind, dass die ersten und zweiten Elektroden jeweils eine elektrische Spannung von den ersten und zweiten Leitungselementen übertragen.

Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors, das sinnvoll bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, weist die folgen Schritte auf: Bereitstellen erster und zweiter dielektrischer Elemente einer ebenen Form und einer Vielzahl von Abstandhaltern derart, dass das zweite dielektrische Element dem ersten dielektrischen Element gegenüberliegend angeordnet werden kann und der Abstandhalter das erste dielektrische Element vom zweiten isolieren kann; Bilden erster und zweiter Verbindungslöcher zur Aufnahme jeweils erster und zweiter Leitungselemente an zugehörigen Seiten der ersten und zweiten dielektrischen Elemente und im Abstandhalter, wobei die Leitungselemente elektrische Energie übertragen können; Bilden einer Elektrode an jedem der ersten und zweiten dielektrischen Elemente; Anordnen der ersten und zweiten dielektrischen Elemente einander gegenüberliegend mit dem Abstandhalter dazwischen derart, dass ein Plasmabereich, der ein Strömen schädlicher Gase ermöglicht, gebildet wird; und Herstellen einer Plasmareaktorzelle durch das Hineinstecken der ersten und zweiten Leitungselemente jeweils in die ersten und zweiten Verbindungslöcher derart, dass die Leitungselemente die zugehörigen Elektroden kontaktieren.

Eine beispielhafte Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung für einen Motor, die sinnvoll bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, weist auf: ein Gehäuse zur Aufnahme von Abgasen des Motors; einen in dem Gehäuse untergebrachten beispielhaften Plasmareaktor; eine Matte, die zwischen dem Plasmareaktor und dem Gehäuse angeordnet ist; eine Stromerzeugungseinheit, die eine Stromquelle für elektrischen Strom aufweist, ein Transformator zum Umwandeln des elektrischen Stroms der Stromquelle in einen Strom mit einer Wechselspannung von 100-1000 Hz und 1-100 kV und ein Elektrokabel zur Abgabe des umgewandelten elektrischen Stroms; und einen Stecker zur Aufnahme des umgewandelten elektrischen Stroms durch das Elektrokabel und zum Übertragen des erhaltenen umgewandelten elektrischen Stroms an den Plasmareaktor.

Die beigefügten Zeichnungen, die zur Beschreibung gehören und einen Teil davon bilden, zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung des Wesens der Erfindung:
Fig. 1a ist eine Querschnittsansicht eines Plasmareaktors nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1b ist eine Querschnittsansicht eines Plasmareaktors nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine perspektivische Querschnittsansicht einer Zelle eines Plasmareaktors nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Plasmareaktors nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer Stromversorgungseinheit einer Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 ist eine Detailansicht einer Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden im Detail unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Wie in den Fig. 1a, 1b und 2 gezeigt, wird ein Plasmareaktor 20 nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet, indem man eine Vielzahl von Plasmareaktorzellen (oder Schichten) vereinigt, wobei jede Plasmareaktorzelle aufweist: ein erstes dielektrisches Element 21; ein zweites dielektrisches Element 22, das dem ersten dielektrischen Element 21 gegenüberliegt; einen Abstandhalter 23, der zwischen den ersten und zweiten dielektrischen Elementen 21 und 22 derart angeordnet ist, dass ein Plasmabereich "(P)" dazwischen gebildet ist; erste und zweite Elektroden 24 und 25, die jeweils an den ersten und zweiten dielektrischen Elementen 21 und 22 angeordnet sind, um eine Koronaentladung zu erzeugen; und erste und zweite Leitungselemente 261 und 262, die jeweils mit den ersten und zweiten Elektroden 24 und 25 derart verbunden sind, dass die ersten und zweiten Elektroden 24 und 25 jeweils eine elektrische Spannung von den ersten und zweiten Leitungselementen 261 und 262 erhalten.
Erste und zweite Verbindungslöcher 271 und 272 sind an gegenüberliegenden Seiten der ersten und zweiten dielektrischen Elemente 21 und 22 und an dem Abstandhalter 23 derart vorgesehen, dass die ersten und zweiten Leitungselemente 261 und 262 jeweils in die ersten und zweiten Verbindungslöcher 271 und 272 einsetzbar sind.
Jede Kontaktoberfläche der ersten und zweiten dielektrischen Elemente 21 und 22 ist zum Kontakt mit schädlichem Gas (oder Abgas eines Motors) mit einer Zwischenschicht und wenigstens einem Oxydationskatalysator und/oder einem de-NOx-Katalysator beschichtet.
Auch die Kontaktoberfläche der ersten und zweiten dielektrischen Elemente 21 und 22 sind rau, zum Beispiel sind sie jeweils mit vielen Erhebungen 211 und 221 versehen, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des schädlichen Gases reduziert wird und folglich die Plasmareaktion leicht erreicht werden kann.
Die Dicke des Abstandhalters 23 liegt zwischen dem zwei- bis fünffachen der Dicke der ersten und zweiten dielektrischen Elemente 21 und 22, um Funken zwischen der ersten Elektrode 24 und dem zweiten Leitungselement 262 oder zwischen der zweiten Elektrode 25 und dem ersten Leitungselement 261 zu verhindern.
Folglich beträgt der Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden 24 und 25 mindestens viermal die Dicke des ersten bzw. des zweiten dielektrischen Elementes 21 und 22.
Die ersten und zweiten Elektroden 24 und 25 werden entweder durch Beschichtung der ersten und zweiten dielektrischen Elemente 21 und 22 mit Ag (argentum oder Silber), Cu (cuprum oder Kupfer) oder einer Ag-Cu-Legierung gebildet oder sie bestehen aus Cu-Platten einer bestimmten Dicke.
Der bevorzugte Dickenbereich des Abstandhalters 23 wird aufgrund von Versuchen ermittelt, bei denen der Energieverbrauch reduziert wird, während Funke dazwischen verhindert werden.
Genauer gesagt wird die Dicke des Abstandhalters 23 mit einer größeren Emphasis unter Beibehaltung einer bevorzugten Entfernung zwischen den ersten und zweiten Elektroden 24 und 25 bestimmt, wobei dann ein Funke zwischen den Leitungselementen 261 und 262 und den Elektroden 24 und 25 verhindert wird.
Die ersten und zweiten Elektroden 24 und 25 sind jeweils zweibis fünfmal soweit von den zweiten und ersten Leitungselementen 262 und 261 entfernt wie die Entfernung zwischen den Elektroden 24 und 25, so dass eine Funkenbildung dazwischen verhindert wird.
Die bevorzugte Entfernung der Elektroden 24 und 25 von den zugehörigen Leitungselementen 262 und 261 wird durch Versuche ermittelt.
Die ersten und zweiten Elektroden 24 und 25 bestehen aus einem Drahtnetz oder sind porös, so dass eine Plasmareaktion leichter durchgeführt werden kann, weil solche Arten von Elektroden die Zündspannung der Koronareaktion verringern und die Koronaentladung verstärken.
Die ersten und zweiten Leitungselemente 261 und 262 bestehen aus Ag, Cu oder einer Ag-Cu-Legierung. Die Leitungselemente 261 und 262 können als Auftragsleitung oder in Schraubenform ausgebildet sein, so dass sie jeweils durch die Verbindungslöcher 271 und 272 in die ersten und zweiten dielektrische Elemente 21 und 22 eingeschraubt werden können.
Ein Verbindungsraum 29 ist an einer der Verbindungsöffnungen 271 und 272 gebildet, welche die ersten und zweiten dielektrische Elemente 21 und 22 und den Abstandhalter 23 durchdringen.
Ein sphärisch geformtes Drahtnetz 281 ist in dem Verbindungsraum 29 angeordnet, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Leitungselement 261 und einem Spannungsstecker 40 verbessert werden kann.
Statt des Drahtnetzes 281 kann eine Feder 282 verwendet und an der Steckerelektrode 45 des Spannungssteckers 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform verwendet werden, wie in Fig. 1b gezeigt.
Folglich kann eine hohe Spannung an das erste Leitungselement 261 angelegt werden und das zweite Element 262 ist geerdet.
Entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird bei Anlegen einer hohen Spannung an das erste Leitungselement 261 eine Koronaentladung im Plasmabereich "(P)" erzeugt.
Elektronen in der gebildeten Korona haben eine hohe Energie, so dass sie Radikale beim Zusammenstoß mit Materialien wie Sauerstoff, Stickstoff und ähnlichen Gasen bilden und die so gebildeten Radikalen reagieren mit dem schädlichen Material, so dass sie in ein anderes Material umgewandelt werden und dadurch wird das schädliche Material entfernt.
Unter Hinweis auf die Fig. 1a, 1b, 2 und 3 wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Plasmareaktor im folgenden im Detail beschrieben.
Zuerst werden erste und zweite dielektrische Elemente 21 und 22 einer ebenen Form und eine Vielzahl von Abstandhaltern 23 in einem Schritt S110 so angeordnet, dass das zweite dielektrische Element 22 dem ersten dielektrischen Element 21 gegenüberliegt und der Abstandhalter 23 das erste dielektrische Element vom zweiten isolieren kann.
Anschließend werden im Schritt S120 erste und zweite Verbindungslöcher 271 und 272 zur Aufnahme erster und zweiter Leitungselemente 261 und 262 an korrespondierenden Seiten der ersten und zweiten dielektrischen Elemente 21 und 22 und in dem Abstandhalter 23 gebildet, so dass die Leitungselemente 261 und 262 elektrische Energie übertragen können.
Die Isolierung ist verbessert, da die Verbindungslöcher 271 und 272 durch die dielektrischen Elemente 21 und 22 und den Abstandhalter 23 hindurchgehen.
Im Schritt S130 werden erste und zweite Elektroden 24 und 25 jeweils an den ersten und zweiten dielektrischen Elementen 21 und 22 gebildet, und die ersten und zweiten dielektrische Elemente 21 und 22 liegen einander durch den Abstandhalter 23dazwischen gegenüber, so dass ein Plasmabereich "(P)" gebildet wird, der ein Strömen des schädlichen Gases ermöglicht.
Als nächstes wird in Schritt S140 die Herstellung einer Plasmareaktorzelle (oder Schicht) durch das Einsetzen der ersten und zweiten Leitungselemente 261 und 262 in die ersten und zweiten Verbindungslöcher 271 und 272 derart, dass die Leitungselemente 261 und 262 mit den zugehörigen Elektroden in Kontakt kommen, abgeschlossen.
Als nächstes wird in Schritt S150 der Plasmareaktor 20 dadurch gebildet, dass eine Vielzahl von so hergestellten Plasmareaktorzellen zusammengesetzt werden und leitfähiges Material in die ersten und zweiten Verbindungslöcher 271 und 272 derart eingespritzt wird, dass eine Spannung an die Elektroden 24 und 25 der Vielzahl von Plasmareaktorzellen angelegt werden kann.
Die Plasmareaktorzellen sind abwechselnd so zusammengesetzt, dass die erste Elektrode 24 der einen Zelle die einer anderen trifft und dass die zweite Elektrode 25 der einen Zelle die einer anderen Zelle trifft.
Ein so gebildeter Plasmareaktor mit einer Vielzahl von Zellen ist in einem Gehäuse 30 untergebracht, das später im einzelnen beschrieben wird.
Jede Kontaktoberfläche der ersten und zweiten dielektrischen Elemente 21 und 22 ist zum Kontakt mit schädlichem Gas (oder Abgas eines Motors) mit einer Zwischenschicht und wenigstens einem Oxydationskatalysator und/oder einem de-NOx-Katalysator beschichtet.
Auch die Kontaktoberfläche der ersten und zweiten dielektrischen Elemente 21 und 22 sind rau, zum Beispiel sind sie jeweils mit vielen Erhebungen 211 und 221 versehen, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des schädlichen Gases reduziert wird und folglich die Plasmareaktion leicht erreicht werden kann.
Die Dicke des Abstandhalters 23 liegt zwischen dem zwei- bis fünffachen der Dicke der ersten und zweiten dielektrischen Elemente 21 und 22, um Funken zwischen der ersten Elektrode 24 und dem zweiten Leitungselement 262 oder zwischen der zweiten Elektrode 25 und dem ersten Leitungselement 261 zu verhindern.
Die ersten und zweiten Elektroden 24 und 25 werden entweder durch Beschichtung der ersten und zweiten dielektrischen Elemente 21 und 22 mit Ag (argentum oder Silber), Cu (cuprum oder Kupfer) oder einer Ag-Cu-Legierung gebildet oder sie bestehen aus Cu-Platten einer bestimmten Dicke.
Die ersten und zweiten Elektroden 24 und 25 sind jeweils zweibis fünfmal soweit von den zweiten und ersten Leitungselementen 262 und 261 entfernt wie die Entfernung zwischen den Elektroden 24 und 25, so dass eine Funkenbildung dazwischen verhindert wird.
Die ersten und zweiten Elektroden 24 und 25 bestehen aus einem quadratischen Drahtnetz oder sind porös, so dass eine Plasmareaktion leichter durchgeführt werden kann, weil solche Arten von Elektroden die Zündspannung der Koronareaktion verringern und die Koronaentladung verstärken.
Warum und wie die numerische Einschränkung erreicht wird, ist schön in der Beschreibung der Ausführungsform des Plasmareaktors erläutert.
Die ersten und zweiten Leitungselemente 261 und 262 bestehen aus Ag, Cu oder einer Ag-Cu-Legierung. Die Leitungselemente 261 und 262 können als Auftragsleitung oder in Schraubenform ausgebildet sein, so dass sie jeweils durch die Verbindungslöcher 271 und 272 in die ersten und zweiten dielektrische Elemente 21 und 22 eingeschraubt werden können.
Zwischen den Zellen kann eine zusätzliche Isolierung oder eine klebendes Material an den ersten und zweiten Elementen 21 und 22 angebracht werden.
Eine Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung, die einen solchen Plasmareaktor 20 entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, ist im folgenden im Detail unter Hinweis auf die Fig. 4 und 5 beschrieben.
Eine Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung, die einen Plasmareaktor verwendet, der eine Koronaentladung verwendet, die von einer hohen Spannung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ausgelöst wird, und der in einem Abgas-System eines Benzin- oder Diesel-Motors anbringbar ist, reduziert Schadstoffe wie PM, NOx und HC (Kohlenwasserstoffe) im Abgas des Motors.
Eine Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung, die einen Plasmareaktor nach einer bevorzugten Ausführungsform verwendet weist auf: ein aus einem leitfähigen Material bestehendes Gehäuse 30 zur Ausnahme der Abgase eines Motors; einen Plasmareaktor 20 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Plasmareaktor 20 in dem Gehäuse 30 untergebracht ist; eine Matte 50, die zwischen dem Plasmareaktor 20 und dem Gehäuse 30 zum Schutz des Plasmareaktors 20 angebracht ist; eine Stromversorgungseinheit 10 zum Anlegen einer hoher Spannung an den Plasmareaktor 20, um eine Koronaentladung für eine Plasmareaktion zu bilden; und mindestens einen Hochspannungsstecker 40, der zwischen der Stromversorgungseinheit 10 und dem Plasmareaktor 20 zum Abgeben einer hohen Spannung von der Stromversorgungseinheit 10 an den Plasmareaktor 20 angeordnet ist.
Der Hochspannungsstecker 40 ist funkensicher gegenüber dem Gehäuse.
Ein detailliertes Blockdiagramm der Stromversorgungseinheit 10 ist in Fig. 5 gezeigt.
Wie in Fig. 5 gezeigt weist die Stromversorgungseinheit 10 auf: eine Stromquelle 11 für elektrischen Strom; einen mit der Stromquelle 11 verbundenen Transformator 120 zum umwandeln des elektrischen Stroms der Stromquelle 11 in einen Wechselstrom mit 100-1000 Hz und 1-100 kV; und ein Elektrokabel 13 zur Abgabe des umgewandelten elektrischen Stroms an den Plasmareaktor 20.
Die Stromquelle 11 kann von einer Batterie eines Fahrzeuges, normalerweise 12 V oder 24 V, oder von einem ersten oder zweiten Wechselstromgenerator zur Erzeugung von Wechselstrom gebildet sein, der normalerweise in einem Fahrzeug als zusätzlicher Teil eines Motors angeordnet ist.
Der Transformator 120 weist auf: einen Empfänger 121 zum Aufnehmen des elektrischen Stroms von der Stromquelle 11; ein Steuergerät 122 zum Erzeugen eines Frequenz- und Spannungs- Steuer- und Regelsignals zum Erzeugen einer Koronaentladung, das auf einem Eingabesignal basiert; einen Arbeitsgenerator 123 zum Umwandeln des elektrischen Stroms in einen Strom mit einer Sinuswelle der Frequenz 100-1000 Hz in Abhängigkeit des Steuer- und Regelsignals des Steuergerätes 122; ein Transformator 124 zum Transformieren der Spannung des elektrischen Stroms auf 1-100 kV in Abhängigkeit des Steuer- und Regelsignals des Steuergerätes 122; und ein Ausgabeteil 125 zur Abgabe des elektrischen Stroms, wobei der elektrische Strom im Arbeitsgenerator 123 transformiert und im Transformator 124 verstärkt wird.
Das Eingabesignal des Steuergerätes 122 kann das Ausgabesignal einer elektronischen Steuer- und Regeleinheit (ECU) 14 sein, die das Ausgabesignal basierend auf einer Vielzahl von Fahrzeugparametern, wie Motordrehzahl (RPM) und Drosselklappenstellung ausgibt.
Ein Filter (nicht gezeigt) kann an dem Empfänger 121 vorgesehen sein, damit der Empfänger 122 einen stabileren Wechselstrom empfangen kann.
Eine detailliertere Ansicht des Hochspannungssteckers 40 von Fig. 4 ist in Fig. 6 gezeigt.
Wie in Fig. 6 gezeigt, weist der Hochspannungsstecker 40 auf: einen äußeren Stecker 41 zur Verbindung mit dem Elektrokabel 13 der Stromversorgungseinheit 10; einen am unteren Ende des äußeren Steckers 41 ausgebildeten Verbindungsteil 42 zum festen Verbinden des Hochspannungssteckers 40 mit der Gehäuse 30 derart, dass Abgas nicht durch die Verbindung dringen kann; einen keramischen Isolator 43, der am unteren Ende des Verbindungsteils 42 zur Isolierung ausgebildet ist, um Funken zu verhindern; einen inneren Stecker 44, der auf einer unteren Seite des keramischen Isolators 43 angeordnet ist, um dauerhaft elektrischen Strom zum Plasmareaktor 20 zu liefern; und eine Steckerelektrode 45, welche vom äußeren Stecker 41 bis zum inneren Stecker 44 reicht derart, dass die Steckerelektrode 45 an dem einen Ende mit dem Elektrokabel 13 verbunden ist und an dem anderen Ende an der unteren Seite des inneren Steckers 44 befestigt ist.
Das Elektrokabel 13 kann in der gleichen Weise mit dem äußeren Stecker 41 des Hochspannungssteckers 20 verbunden sein wie üblicherweise eine Verbindung zwischen einer Zündkerze und einem Hochspannungskabel.
Das Verbindungsteil 42 kann als Außengewinde zum Eingriff mit einem Innengewinde an dem Gehäuse ausgebildet sein.
Der keramische Isolator 43 besteht aus einer Verbindung von Aluminiumoxid (Al₂O₃), so dass er mindestens das 1,5-fache der Ausgabespannung der Stromversorgungseinheit 10 aushalten kann. Eine übermäßige Isolierungsstärke von mehr als dem 3,5-fachen der Ausgabespannung der Stromversorgungseinheit 10 ist nicht notwendig.
Die Zahl 1,5 erhält man wie folgt. Die Momentanspannung von Wechselstrom ist sinusförmig und ihr momentanes Maximum ist ungefähr das √2-fache der mittleren Effektivspannung und die Größe der Wechselstromspannung wird auf der Basis der mittleren Effektivspannung festgesetzt. Deshalb ist die Ausgabespannung der Stromversorgungseinheit 10 momentan etwas mehr als das 1,4-fache des mittleren Effektivwertes. Eine Schwankung beim Betrieb der Stromquelle 11 ist ebenfalls in dem Faktor 1,5 berücksichtigt.
Der keramische Isolator 43 hat einen kreisförmigen Querschnitt um Funken zu verhindern und er ist innerhalb des Plasmareaktors 20 angeordnet.
Die isolierende keramische Verbindung von mehr als 90% Aluminiumoxid ist dort eingesetzt, wo der Hochspannungsstecker 40 angeordnet ist. Der Hochspannungsstecker 40, der einen ähnliche Aufbau wie die Zündkerze eines Motors hat, ist nicht geerdet und überträgt folglich eine Hochspannung an das erste Leitungselement 261.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 weist das Gehäuse 30 wie vorgesehen auf: konische Rohre 311 und 312, die jeweils am vorderen und hinteren Ende des Plasmareaktors 20 angeordnet sind, um Abgase eines Motors aufzunehmen und auszustoßen; und Behälterteile 321 und 322, die jeweils an der oberen und unteren Seite des Plasmareaktors 20 angeordnet sind, um den Plasmareaktor 20 einzuschließen. Ein Verbindungsloch 325 zum Einsetzen des Hochspannungssteckers 40 ist in dem Behälterteil 321 ausgebildet. Dieses Gehäuse 30 besteht aus rostfreiem Stahl, der korrosionsfrei und von hoher Festigkeit ist.
Die Matte 50 besteht aus einer Verbindung mit mehr als 90% Aluminiumoxid, so dass die Isolierung zwischen dem Plasmareaktor 20 und dem Gehäuse 30 verbessert wird. Die Dicke der Matte beträgt wegen einer besseren Anbringung des Plasmareaktors 20 in dem Gehäuse vorzugsweise 3-5 mm.
Die Dicke der Matte 50 wird auf einen Wert festgesetzt, der größer ist als zweimal der Abstand zwischen den Elektroden 24 und 25 im Plasmareaktor 20.
Außerdem sind eine Boden-Elektrode (nicht gezeigt) und ein keramischer Isolationsteller (nicht gezeigt) an den obersten und untersten Oberflächen des Plasmareaktors 20 derart angeordnet, dass eine Funkenbildung an dem Gehäuse 30 verhindert wird.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform wird im folgenden im Detail beschrieben.
Die Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung eines Fahrzeuges nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vermindert schädliches Material in einem aus einer Vielzahl von Zellen bestehenden Plasmareaktor 20 durch die Verwendung einer Koronaentladung.
Im Detail erhält die Stromversorgungseinheit 10 elektrischen Strom von der Stromquelle 11 und reguliert die Spannung zum Erzeugen einer Koronaentladung auf der Basis von Signalen die von der ECU 14 kommen, z. B. Drosselklappenstellung und Motordrehzahl (RPM).
Der Arbeitsgenerator 123 transformiert den erhaltenen elektrischen Strom in Abhängigkeit des Steuersignal des Steuergerätes 122 zu einem Strom mit einer Sinuswelle mit einer Frequenz von 100-1000 Hz, und der Transformator 124 verstärkt die Spannung des elektrischen Stroms in Abhängigkeit des Steuersignal des Steuergerätes 122 auf einen Wert von 1-100 kV.
Die ECU 14 erzeugt und überträgt ein Ausgabesignal, das auf einer Vielzahl von Fahrzeugparametern wie Motordrehzahl (RPM) und Drosselklappenstellung basiert, an das Steuergerät 122, und das Steuergerät 122 erzeugt und überträgt ein Frequenz- und-Spannungs-Steuer- und Regelsignal zum Arbeitsgenerator 123 und zum Transformator 124.
Der transformierte und verstärkte elektrische Strom wird zum Plasmareaktor 20 übertragen und bildet eine Koronaentladung zum Erzeugen einer Plasmareaktion. Das Hochspannungselektrokabel 13 wird verwendet, um die hohe Wechselstromspannung sicher an den Plasmareaktor 20 zu übertragen.
Die Leitungselemente 261 und 262 übersenden dauerhaft elektrischen Strom für die ersten und zweiten Elektroden 24 und 25.
Die ersten und zweiten Elektroden 24 und 25 bestehen aus einem Netzaufbau oder sind derart porös, dass Plasmareaktion leichter erzeugt werden kann, da solche Arten von Elektroden die Auslösespannung der Koronaentladung verringern und die Koronaentladung verstärken.
Der Abstandhalter 23, der den Raum bildet, welcher ein Strömen des Abgases ermöglicht, verhindert Funken zwischen den Leitungselementen 261 und 262 und den Elektroden 24 und 25.
Wenn die Kontaktflächen der ersten und zweiten dielektrische Elemente 21 und 22 mit einem Oxydations-Katalysator beschichtet sind, wird CO (Kohlenstoff-Monoxid) weiter reduziert und wenn sie weiterhin mit einem de-NOx-Katalysator beschichtet sind, wird NOx weiter reduziert.
Die Rauhigkeit der Kontaktflächen der ersten und zweiten dielektrischen Elemente 21 und 22 ermöglicht eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des schädlichen Gases und folglich kann die Plasmareaktion leichter erzeugt werden.
Das Gehäuse 30 dient zum Schutz des Plasmareaktors 20 vor seiner Umgebung, und die keramische Matte 50 schützt das Plasma vor Erschütterungen und verhindert Funkenbildung zwischen dem Gehäuse 30 und dem Plasmareaktor 20.
Wie oben beschrieben reduziert die Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung nach der bevorzugten Ausführungsform PM und schädliche Gase im Abgas, und deshalb kann sie in ein Auspuffsystem eines Fahrzeuges eingebaut werden, um die Emissions- Steuer- und Regeleffekte zu verbessern.
Zusätzlich wird nach den bevorzugten Ausführungsformen der Energieverbrauch reduziert und PM und schädliche Gase werden gleichzeitig durch die Verwendung der Koronaentladung reduziert.
Weiterhin wird eine Funkenbildung von der keramischen Matte verhindert, und die Haltbarkeit der Matte und des Plasmareaktors wird durch das Gehäuse verbessert.
Obwohl diese Erfindung im Zusammenhang mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als praktikabelste und bevorzugteste Ausführungsform angesehen wird, ist verständlich, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil auch verschiedene Modifikationen und gleichwertige Ausführungsformen umfassen soll, die innerhalb des Geistes und des Umfanges der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

1. Plasmareaktor mit:
einem ersten dielektrischen Element;
einem zweiten dielektrischen Element, das dem ersten dielektrischen Element gegenüberliegend angeordnet ist;
einem Abstandhalter, der zwischen dem ersten und dem zweiten dielektrischen Element so angeordnet ist, dass ein Plasmabereich dazwischen gebildet ist;
ersten und zweiten Elektroden, die jeweils an den ersten und zweiten dielektrischen Elementen angeordnet sind zur Erzeugung einer Koronaentladung; und
ersten und zweiten Leitungselemente die jeweils so mit den ersten und zweiten Elektroden verbunden sind, dass die ersten und zweiten Elektroden jeweils eine elektrische Spannung von den ersten und zweiten Leitungselementen übertragen.

2. Plasmareaktor nach Anspruch 1, wobei erste und zweite Verbindungslöcher in gegenüberliegenden Seiten der ersten und zweiten dielektrischen Elemente und dem Abstandhalter derart ausgebildet sind, dass die ersten und zweiten Leitungselemente jeweils in die ersten und zweiten Verbindungslöcher einsteckbar sind.

3. Plasmareaktor nach Anspruch 1, wobei jede Kontaktoberfläche der ersten und zweiten dielektrischen Elemente zum Kontakt mit schädlichem Gas mit einer Zwischenschicht und wenigstens einem Oxydations-Katalysator und/oder einem de-NOx-Katalysator beschichtet sind.

4. Plasmareaktor nach Anspruch 1, wobei jede Kontaktoberfläche der ersten und zweiten dielektrischen Elemente zum Kontakt mit schädlichem Gas derart rau ausgebildet ist, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des schädlichen Gases reduziert wird und folglich eine Plasmareaktion leicht erreicht werden kann.

5. Plasmareaktor nach Anspruch 1, wobei der Abstandhalter etwa zwei- bis fünfmal so dick ist wie die ersten und zweiten dielektrischen Elemente.

6. Plasmareaktor nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Elektroden durch Beschichtung der ersten und zweiten dielektrischen Elemente mit Ag, Cu oder einer Ag-Cu- Legierung gebildet sind.

7. Plasmareaktor nach Anspruch 1, wobei die erste und zweiten Elektroden Cu-Platten einer vorherbestimmten Dicke sind.

8. Plasmareaktor nach Anspruch 1, wobei die erste und zweiten Elektroden jeweils entfernt von den zweiten und ersten Leitungselementen über eine Entfernung angeordnet sind, die etwa zwei- bis fünfmal der Entfernung zwischen den Elektroden entspricht.

9. Plasmareaktor nach. Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Elektroden eine Maschenform aufweisen oder porös sind.

10. Plasmareaktor von nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Leitungselemente aus Ag, Cu oder einer Ag-Cu- Legierung bestehen.

11. Plasmareaktor nach Anspruch 1, wobei die Leitungselemente aus einer Auftragsleitung bestehen.

12. Plasmareaktor nach Anspruch 1, wobei die Leitungselemente mit den ersten und zweiten dielektrischen Elementen verschraubt sind.

13. Plasmareaktor nach Anspruch 1, weiterhin bestehend aus einem sphärisch geformten Drahtgeflecht und einer Feder, die in einem durch die ersten und zweiten dielektrischen Elemente und den Abstandhalter ausgebildeten Verbindungsloch so angeordnet sind, dass eine elektrische Verbindung mit dem Leitungselement verbessert wird.

14. Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors mit folgenden Schritten:
Bereitstellen erster und zweiter dielektrischer Elemente einer ebenen Form und einer Vielzahl von Abstandhaltern derart, dass das zweite dielektrische Element dem ersten dielektrischen Element gegenüberliegend angeordnet werden kann und der Abstandhalter das erste dielektrische Element vom zweiten isolieren kann;
Bilden erster und zweiter Verbindungslöcher zur Aufnahme jeweils erster und zweiter Leitungselemente an zugehörigen Seiten der ersten und zweiten dielektrischen Elemente und im Abstandhalter, wobei die Leitungselemente elektrische Energie übertragen können;
Bilden einer Elektrode an jedem der ersten und zweiten dielektrischen Elemente;
Anordnen der ersten und zweiten dielektrischen Elemente einander gegenüberliegend mit dem Abstandhalter dazwischen derart, dass ein Plasmabereich, der ein Strömen schädlicher Gase ermöglicht, gebildet wird; und
Herstellen einer Plasmareaktorzelle durch das Hineinstecken der ersten und zweiten Leitungselemente jeweils in die ersten und zweiten Verbindungslöcher derart, dass die Leitungselemente die zugehörigen Elektroden kontaktieren.

15. Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors nach Anspruch 14, weiterhin bestehend aus folgenden Schritten:
Anordnen einer Vielzahl der Plasmareaktorzellen; und
Einspritzen von leitfähigem Material in die ersten und zweiten Verbindungslöcher derart, dass eine Spannung an die Elektroden einer Vielzahl von Plasmareaktorzellen angelegt werden kann.

16. Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors nach Anspruch 14, wobei jede Kontaktoberfläche der ersten und zweiten dielektrischen Elemente zum Kontakt mit schädlichem Gas mit einer Zwischenschicht und wenigstens einem Oxydations-Katalysator und/oder einem de-NOx-Katalysator beschichtet ist.

17. Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors nach Anspruch 14, wobei jede Kontaktoberfläche der ersten und zweiten dielektrischen Elemente zum Kontakt mit schädlichem Gas derart rau ausgebildet ist, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des schädlichen Gases reduziert wird und folglich eine Plasmareaktion leicht erreicht werden kann.

18. Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors nach Anspruch 14, wobei der Abstandhalter etwa zwei- bis fünfmal so dick ist wie die ersten und zweiten dielektrischen Elemente.

19. Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors nach Anspruch 14, wobei die ersten und zweiten Elektroden durch Beschichtung der ersten und zweiten dielektrischen Elemente mit Ag, Cu oder einer Ag-Cu-Legierung gebildet sind.

20. Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors nach Anspruch 14, wobei die erste und zweiten Elektroden Cu- Platten einer vorherbestimmten Dicke sind.

21. Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors nach Anspruch 14, wobei die erste und zweiten Elektroden jeweils entfernt von den zweiten und ersten Leitungselementen über eine Entfernung angeordnet sind, die etwa zwei- bis fünfmal der Entfernung zwischen den Elektroden entspricht.

22. Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors nach Anspruch 14, wobei die ersten und zweiten Elektroden eine Maschenform aufweisen oder porös sind.

23. Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors nach Anspruch 14, wobei die ersten und zweiten Leitungselemente aus Ag, Cu oder einer Ag-Cu-Legierung bestehen.

24. Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors nach Anspruch 14, wobei die Leitungselemente aus Auftragsleitungen bestehen.

25. Verfahren zur Herstellung eines Plasmareaktors nach Anspruch 14, wobei die Leitungselemente mit den ersten und zweiten dielektrischen Elementen verschraubt sind.

26. Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung für einen Motor mit:
einem Gehäuse zur Aufnahme von Abgasen des Motors;
einem in dem Gehäuse untergebrachten Plasmareaktor, wobei der Plasmareaktor aufweist: ein erstes dielektrisches Element, ein zweites dielektrisches Element, das dem ersten dielektrischen Element gegenüberliegend angeordnet ist, ein Abstandhalter, der zwischen dem ersten und dem zweiten dielektrischen Element so angeordnet ist, dass ein Plasmabereich dazwischen gebildet ist, erste und zweite Elektroden, die jeweils an den ersten und zweiten dielektrischen Elementen angeordnet sind zur Erzeugung einer Koronaentladung, und erste und zweite Leitungselemente, die jeweils so mit den ersten und zweiten Elektroden verbunden sind, dass die ersten und zweiten Elektroden jeweils eine elektrische Spannung von den ersten und zweiten Leitungselementen übertragen;
eine Matte, die zwischen dem Plasmareaktor und dem Gehäuse angeordnet ist;
eine Stromerzeugungseinheit, die eine Stromquelle für elektrischen Strom aufweist, ein Transformator zum Umwandeln des elektrischen Stroms der Stromquelle in einen Strom mit einer Wechselspannung von 100-1000 Hz und 1-100 kV und ein Elektrokabel zur Abgabe des umgewandelten elektrischen Stroms; und
ein Stecker zur Aufnahme des umgewandelten elektrischen Stroms durch das Elektrokabel und zum Übertragen des erhaltenen umgewandelten elektrischen Stroms an den Plasmareaktor.

27. Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung für einen Motor nach Anspruch 26, wobei der Transformator aufweist:
einen Empfänger zur Aufnahme des elektrischen Stroms der Stromversorgungseinheit;
ein Steuergerät zum Erzeugen eines Frequenz-und- Spannungs-Steuer- und Regelsignals zur Erzeugung einer Koronaentladung;
ein Arbeitsgenerator zum Umformen des elektrischen Stroms in einen Strom mit einer Sinuswelle mit einer Frequenz von 100-1000 Hz in Abhängigkeit von dem Steuer- und Regelsignal des Steuergerätes;
ein Transformator zum Transformieren der Spannung des elektrischen Stroms in einen Bereich von 1-100 kV in Abhängigkeit von dem Steuer- und Regelsignal des Steuergerätes; und
ein Ausgabeteil zur Ausgabe des im Arbeitsgenerator transformierten und im Transformator verstärkten elektrischen Stroms.

28. Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung für einen Motor nach Anspruch 26, wobei der Stecker aufweist:
einen äußeren Stecker, der mit einem Elektrokabel verbunden ist;
einen Verbindungsteil, der an einer unteren Seite des äußeren Steckers angeordnet ist zur festen Verbindung des Steckers an dem Gehäuse, so dass Abgas nicht durch die Verbindung austreten kann;
einen keramischer Isolator, der an einer unteren Seite des Verbindungsteiles ausgebildet ist zur Verhinderung einer Funkenbildung;
einen inneren Stecker, der an einer unteren Seite des keramischen Isolators angeordnet ist zum Zuführen von elektrischem Strom zu dem Plasmareaktor; und
eine Steckerelektrode, die sich vom äußeren Stecker zum inneren Stecker derart erstreckt, dass die Steckerelektrode mit dem Elektrokabel verbunden ist und an einer unteren Seite des inneren Steckers freiliegt.

29. Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung für einen Motor nach Anspruch 28, wobei der keramische Isolator innerhalb einer vorbestimmten Frequenzauswahl wenigstens das 1,5- fache die Ausgabespannung der Stromversorgungseinheit aushält.

30. Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung für einen Motor nach Anspruch 28, wobei der keramische Isolator einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und innerhalb des Plasmareaktors angeordnet ist.

31. Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung für einen Motor nach Anspruch 28, weiterhin aufweisend ein elastisches Element, das derart an der Steckerelektrode angeordnet ist, dass eine elektrische Verbindung zum Leitungselement verbessert wird.

32. Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung für einen Motor nach Anspruch 26, wobei das Gehäuse aus rostfreiem Stahl besteht.

33. Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung für einen Motor nach Anspruch 26, wobei Isolierkeramik aus einer Verbindung aus Aluminiumoxid an einem Abschnitt angeordnet ist, an dem der Stecker abgebracht ist.

34. Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung für einen Motor nach Anspruch 26, wobei die Matte 3-5 mm dick ist und aus einer Verbindung mit mehr als 90% Aluminiumoxid besteht.

35. Emissions-Steuer- und Regelvorrichtung für einen Motor nach Anspruch 26, wobei die Dicke der Matte mehr als zweimal die Entfernung zwischen den ersten und zweiten Elektroden beträgt.