Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Redu¬ zierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Ver¬ fahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Ver¬ brennungsabgasen nach dem Oberbegriff des An¬ spruches 8.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß bei Verbrennungsprozessen der Sauerstoff der Luft genutzt wird. So wird bei¬ spielsweise bei Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch er¬ zeugt, daß mit Hilfe eines Zündmittels gezündet wird, um mit der Verbrennungskraftmaschine die An¬ triebs energie für das Kraftfahrzeug zu gewinnen. Während dieses Verbrennungsprozesses entstehen eine Reihe von Verbrennungsabgasen, die sich aus dem Kraftstoff und der Luft ergeben. Die sich aus dem Kraftstoff ergebenden Verbrennungsabgase werden in der Regel mittels eines Katalysators zu großen

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Teilen abgeschieden, so daß eine Umweltbelastung vermindert wird. Durch die Verwendung von Luft ent¬ stehen auf Grund des Stickstoffanteils der Luft bei dem Verbrennungsprozeß Stickoxide. Diese lassen sich mit einem Katalysator wirtschaftlich nur schwer beseitigen und stellen somit eine erhebliche Umweltbelastung dar. Darüber hinaus läßt die Stick¬ oxidbildung keine Optimierung der Verbrennung im Maggerbereich der Verbrennungskraft aschine zu.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß bei Verbrennungsprozessen, die unter Luftzufuhr ablaufen, der Luftstickstoff der Verbrennung nicht zugeführt wird und hierdurch die Entstehung von Stickoxiden im Verbrennungsabgas vermieden wird. Dadurch, daß einem mit einer Ver¬ brennungskammer verbundenen Abgaskanal wenigstens ein das Sauerstoff-Stickstoff-Luftgemisch führender Kanal zugeordnet ist, der mit einem Frischluft¬ anschluß und einem Abluftanschluß versehen ist und dessen Mantel für den Sauerstoff des Sauerstoff- Stickstoff-Luftge isches durchlässig ist, wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Verbrennung weiterhin unter Zufuhr von der Umgebungsluft ent¬ nommenem Luftsauerstoff durchgeführt werden kann, während der in der Umgebungsluft vorhandene Luft- εtickstoff nicht mit den der Verbrennungskammer zu¬ geführten Verbrennungsabgasen in Verbindung kommt.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Mantel aus einem Sauerstoff-

ionenleitenden Material besteht, der vorzugsweise mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Die Sauer¬ stoffionen des Luftsauerstoffs können dabei durch den Mantel des das Sauerstoff-Stickstoff- Luft¬ gemisch führenden Kanals durchtreten, während der Mantel für den Luftstickεtoff eine unüberwindbare Barriere darstellt. Durch das Anlegen einer ent¬ sprechend gepolten Spannung kann der Transport der Sauerstoffionen durch den Mantel des Kanals sehr vorteilhaft verbessert werden, so daß gegebenen¬ falls auf die Sauerstoffkonzentration in dem Ver¬ brennungsprozeß über eine wählbare Spannung Einfluß genommen werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen bietet den Vorteil, daß die Verbren¬ nungsprozesse, wie bekannt, unter Zufuhr von Luft- εauerstoff durchgeführt werden können und der Schadstoffe hervorrufende Luftstickstoff von dem Verbrennungsprozeß ferngehalten werden kann, ohne daß komplizierte und damit teure Verfahrensschritte eingehalten werden müssen.

In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß das Sauerstoff-Stickstoff-Luftge- misch durch ein sauerstoffspeicherndes Rohrsystem geführt wird und anschließend dieses Rohrsystem mit dem Verbrennungsabgas gespült wird. Hierbei wird vorteilhafter Weise erreicht, daß während des Durchleitens des Sauerstoff-Stickstoff-Luftge¬ misches Sauerstoff in dem Rohrsystem gespeichert werden kann, während der Luftstickstoff, ohne ir¬ gendwelche Bindungen einzugehen, durch das Rohr¬ system hindurch geleitet wird. Bei dem anschließen¬ den Spülen mit dem Verbrennungsabgas wird der

gespeicherte Sauerstoff von diesem aufgenommen und somit dem Verbrennungsprozeß zugeführt, während der Stickstoff von diesem ferngehalten wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteranεprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungs-bei- spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 εchematisch die Anordnung einer stickoxidfreien Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine und

Figur 2 schematisch eine Vorrichtung zum Abtrennen von Luftsauerstoff aus einem Sauerstoff- Stickstoff-Luftgemisch (Atmoεphäre) .

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist schematisch eine Verbrennungskraft¬ maschine 10 gezeigt. Die Verbrennungskraftmaschine 10 besitzt wenigstens einen Zylinder 12, in dem ein Kolben 14 geführt ist, der über eine Pleuelstange 16 mit einer Kurbelwelle 18 verbunden ist. Der Zylinder 12 weist ein Einlaßventil 22 auf, das über eine erste Nockenwelle 24 betätigbar ist. Über eine zweite Nockenwelle 26 ist ein Auslaßventil 28 be¬ tätigbar. Dem Zylinder 12 ist weiterhin eine Zünd¬ quelle 30, beispielsweise eine Zündkerze, zuge¬ ordnet. Der Verbrennungskraftmaschine 10 ist ein

Saugkanal 32 und ein Abgaskanal 34 zugeordnet. Der Abgaskanal 34 mündet einerseits in einem Auslaß 36 und andererseits in einem mit dem Saugkanal 32 verbundenen Kanal 38. Innerhalb des Saugkanalε 32 ist eine Drosselklappe 40 angeordnet. Dem Saugkanal 32 ist weiterhin ein Kraftstoff-Einspritzventil 54 zugeordnet. Der Kanal 38 besitzt eine Erweiterung 42, innerhalb der eine Zwischenwand 44 angeordnet ist, die die Erweiterung 42 in eine erste Kammer 46 und eine zweite Kammer 48 unterteilt. Die Kammer 46 mündet dabei in dem Saugkanal 32. Die Kammer 48 ist mit einem Frischluftanschluß 50 und einem Abluftan¬ schluß 52 versehen. Sowohl der Frischluftanschluß 50 als auch der Abluftanschluß 52 besitzen keine Verbindung zu dem Abgaskanal 34 und sind gegebenen¬ falls durch diesen abgedichtet hindurchgeführt. Die die Kammern 46 und 48 voneinander trennende Zwi¬ schenwand 44 besteht beispielsweise aus Zirkonoxid Zrθ2 (Y2° ₃ ) • ^D ^ ^e Zwischenwand 44 ist mit einer hier mit U gekennzeichneten Spannungsquelle 56 ver¬ bunden.

Die in Figur 1 gezeigte Anordnung übt folgende Funktionen aus:

Beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 wird innerhalb des Zylinders 12 ein Kraftstoff-Luft- Gemisch verdichtet und durch die Zündquelle 30 gezündet. Das Einspritzen des Kraftstoff-Luft- Gemisches sowie das Verdichten und Zünden dieses Gemisches geschieht in allgemein bekannter Weise und soll hier nicht näher erläutert werden. Durch das Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemiεches erfolgt eine explosionsartige Verbrennung, infolgedessen ein Abgas entsteht, das als wesentliche Bestand-

teile Kohlendioxid C0 ₂ und Wasser H ₂ 0 enthält. Dieseε Abgas wird bei geöffnetem Auslaßventil 28 in den Abgaskanal 34 ausgestoßen. Von hier gelangt es zum einen Teil in den Auslaß 36 und zum anderen Teil in die Kammer 46 der Erweiterung 42. Von dort wird es entsprechend der Stellung der Drosselklappe 40 über den Saugkanal 32 wieder dem Zylinder 12 bei geöffnetem Einlaßventil 22 zugeführt. Zuvor wird diesem Abgas über das Einspritzventil 54 zur Her¬ stellung einer explosiven Mischung der Kraftstoff zugemischt. Die Einzelheiten hierzu sind ebenfalls allgemein bekannt und sollen nicht erläutert wer¬ den.

Da der Verbrennungsprozeß nur unter Anwesenheit von Sauerstoff 0 ₂ stattfinden kann, wird üblicherweise für das Kraftstoff-Luft-Gemisch Umgebungsluft (Atmosphäre) verwendet. Hierbei wird der in der Atmosphäre vorhandene Luftsauerstoff für den Ver¬ brennungsprozeß verwertet. Wie bereits im Stand der Technik erwähnt, entstehen jedoch zusätzlich durch den Luftstickstoff während des Verbrennungspro¬ zesses Stickoxide, die zu einer zusätzlichen Um¬ weltbelastung führen.

Erfindungsgemäß wird die Atmosphäre über den Frischluftanschluß 50 in die Kammer 48 der Erwei¬ terung 42 geleitet. Die Zwischenwand 44 der Er¬ weiterung ist aus einem Sauerstoffionen 20 ² ~ leitendem Material, so daß der Luftsauerstoff 0 ₂ aus der Atmosphäre durch die Zwischenwand 44 in die Kammer 46 diffundieren kann. Die durch die Zwi¬ schenwand 44 durchdiffundierten Sauerstoffionen bilden in der Kammer 46 mit dem Abgaε ein Gemiεch auε Abgas und Sauerstoff 0 ₂ • Dieses Gemisch wird

über den Saugkanal 32, nach vorherigem Einspritzen von Kraftstoff über das Einspritzventil 54, dem Zylinder 12 zugeführt und kann dort verbrannt werden. Der Verbrennung steht durch die eindiffun¬ dierten Sauerstoffionen genügend Sauerstoff zur Verfügung. Da aus der in der Kammer 48 verwendeten Atmosphäre lediglich der Luftsauerεtoff entzogen wird, verbleibt der Luftstickstoff N in der Atmosphäre und wird über den Abluftanschluß 52 ab¬ geführt. Somit wird verhindert, daß der Luftstick- stoff in die mit dem Luftsauerstoff vermischten Verbrennungεabgase gelangt, die im weiteren einem erneuten Verbrennungsprozeß zugeführt werden. Die Bildung von Stickoxiden N0 _X im Verbrennungsprozeß wird somit sicher vermieden. Da nicht der gesamte Anteil an Luftsauerstoff durch die Zwischenwand 44 in die Kammer 46 diffundiert, kann der Anteil der Sauerstoffionen 2 0 ~,die durch die Zwischenwand 44 hindurchtreten, erhöht werden, indem die Zwischen¬ wand 44 mit einer porösen Metallelektrode ver¬ dichtet wird und über die Spannungsquelle 56 eine entsprechend gepolte Spannung angelegt wird. Da die Sauerstoffionen ein negatives Potential aufweisen, muß die Spannung so gepolt sein, daß deren Be¬ schleunigung in Richtung der Kammer 46 erhöht wird und ein entεprechender Ladungsträgerauεtauεch, in der Figur 1 mit A angedeutet, stattfindet.

In der Figur 2 ist eine konkrete Ausgeεtaltungε- möglichkeit der in Figur 1 gezeigten Erweiterung 42 in einem möglichen Beiεpiel gezeigt. Innerhalb der Erweiterung 42, wobei diese ebenfalls beispielhaft ist und jede andere Gestaltung aufweisen kann, ist die Kammer 46 angedeutet. Durch die Kammer 46 ver¬ läuft ein Bündel einer Vielzahl einzelner, zuein-

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ander beabεtandeter Rohre 58, deren Querεchnitte in ihrer Gesamtheit die Kammer 48 ergeben. Die Rohre 58 sind, wie in Figur 2 nicht dargestellt, einerseitε mit dem Friεchluftanεchluß 50 und andererεeitε mit dem Abluftabεchluß 52 verbunden. Ein Mantel 60 der Rohre 58 bildet dabei die Zwischenwand 44.

Durch das aus den Rohren 58 bestehende Rohrsystem wird Frischluft gepumpt, während durch daε Raum¬ volumen zwischen den einzelnen Rohren 58, also die Kammer 46, die Verbrennungsabgaεe vom Verbrennungs¬ prozeß kommend, diesem wieder zugeführt werden. Aufgrund des Sauerstoffkonzentrationεunterschiedeε zwischen der Atmosphärenluft im Innern der einzelnen Rohre 58 (Kammer 48) und der von den Verbrennungs¬ abgasen durchfluteten Kammer 46 treten Sauerstoff- ionen durch das sauerεtoffionenleitende Material deε Mantelε 60 hindurch und reichern die Verbrennungs¬ abgase mit Sauerstoff an. Da der Mantel 60 (Zwischenwand 44) für den Luftstickεtoff undurchläε- εig ist, wird der Luftstickεtoff wieder über den Abluftanschluß 52 an die Umgebung abgegeben, ohne am Verbrennungsprozeß beteiligt zu sein. Hierdurch wird - wie bereits erwähnt - die Bildung von Stickoxiden N0 _X bei Verbrennungsprozessen vermieden. Die einzel¬ nen Rohre 58 des Rohrsystems können ebenfalls an einer entεprechend gepolten Spannungsquelle ange- schlosεen εein, εo daß εich der Effekt des Sauer¬ stofftransports mittels der Sauerεtoffionen noch erhöht. Durch die Ausbildung der Kammer 48 und das Rohrsystem der Rohre 58 wird die zur Verfügung stehende Diffusionsfläche für die Sauerstoffionen weεentlich erhöht, εo daß dem Abgas eine größere Menge an Sauerstoff zugeleitet werden kann.

Nach einem weiteren, nicht dargestellten Aus¬ führungsbeispiel, kann eine Kammer oder ein System einzelner Rohre vorgesehen sein, deεεen Mantel auε einem Sauerstoffspeichernden Material, beispiels¬ weise aus Bariumoxid BaO, besteht. Dieser Kanal oder dieseε Rohrsystem sind über umschaltbare Schieber entweder mit dem Friεchluftanεchluß 50 und dem Ab- luftanεchluß 52 oder mit dem Abgaεkanal 34 und dem Saugkanal 32 verbindbar. -In einem ersten Verfahrenε- schritt wird hier durch den Kanal oder das Rohr- εystem Frischluft gepumpt, die beiεpielεweise eine Temperatur von ca. 550 °C und einen Druck von ca. 2 atm aufweist. Hierdurch wird der Luftsauerεtoff der Frischluft in dem aus Bariumoxid bestehenden Mantel in Form von Bariumdioxid Ba0 ₂ gespeichert.

Nachdem die Anschlüεse zu dem Kanal oder dem Rohr¬ system umgeschaltet wurden, wird durch dieseε in einem nächsten Verfahrensschritt das Abgaε des Verbrennungsprozeεseε geεpült. Es weist dabei bei¬ εpielεweise eine Temperatur von ca. 800 °C und einen Druck von ca. 1 atm auf. Hierbei entsteht aus dem Bariumdioxid Ba0 ₂ Bariumoxid BaO und gasförmiger Sauerstoff 0 ₂ . Der gasförmige Sauerstoff 0 ₂ mischt sich mit dem Abgas und kann so erneut einem Verbrennungsprozeß zugeführt werden. Da der Luft¬ stickstoff der Frischluft nicht in dem Bariumoxid gespeichert wird und aus dem Kanal oder dem Rohr¬ system vor Eintritt des Abgaseε auεgeleitet wurde, wird eine Teilnahme des Luftstickεtoffs an dem Ver¬ brennungsprozeß vermieden und damit das Entstehen von Stickoxiden verhindert. Anstelle deε kompletten Aufbaus deε Kanals oder des Rohrsystems aus Barium¬ oxid kann auch eine Innenbeschichtung auε Bariumoxid

oder ein Einbringen von Strukturen, beiεpielsweise Gitterstrukturen auε Bariumoxid, vorgeεehen sein.