Numerische Untersuchung von N 2 -O 2 -Plasma-Freistrahlen als plasmatechnologische Methode zur NO x -Reduktion in synthetischen Abgasen

Mikulic, Ingo; Peters, Norbert

doi:19

Numerische Untersuchung von N 2 -O 2 -Plasma-Freistrahlen als plasmatechnologische Methode zur NO x -Reduktion in synthetischen Abgasen

Mikulic, Ingo (Author)

2000

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ingo Mikulic

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2000

Umfang103 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2000

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Peters, Norbert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2000-07-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-198
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/56114/files/Mikulic_Ingo.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Verbrennungsmotor (frei) ; Stickstoffoxidemission (frei) ; Emissionsverringerung (frei) ; Mikrowellenplasma (frei) ; Freistrahl (frei) ; Numerisches Verfahren (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Im Rahmen nachmotorischer Prozesse ist der Versuch, mit mikrowelleninduzierten N2-O2-Plasmen NOx-Emissionen direkteinspritzender Otto- und Dieselmotoren derart zu reduzieren, dass sie die Grenzwerte der kommenden Abgasvorschrift EURO 4 erfüllen, von besonderem Interesse. Die vorliegende Arbeit macht den Versuch, fundamentale Wirkketten der NOx-Kinetik in heissen, thermischen und kalten, nicht-thermischen Plasmen offenzulegen. Dazu wurde eine numerische Studie der wichtigsten physikalischen Parameter des Plasma-Jet-Reaktors durchgeführt, um theoretisch erzielbare NOx-Reduktionspotentiale zu berechnen. Die prinzipielle Analogie eines Plasma-Freistrahls mit einer turbulenten Freistrahlflamme legte es nahe, die Theorie laminarer Diffusionsflamelets für die nicht-vorgemischte, turbulente Verbrennung als Modell für die turbulente, reaktive Mischung zu wählen. Zur Modellierung der turbulenten Strömung wurde das k-epsilon-Modell des kommerziellen Lösers FLUENT benutzt. Der Mechanismus elementarer, chemischer Reaktionen besteht aus Reaktionen der Grundzustände und der elektrisch und vibrational angeregten Komponenten. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass thermische Plasmen mit einem Sauerstoffanteil von mehr als 5% nicht in der Lage sind, NOx-Emissionen zu reduzieren. Zwar werden für Temperaturen oberhalb von 6000-8000 K Reduktionspotentiale gefunden, doch ein realer Plasma-Freistrahl besteht aus einem heissen Kern und einer kühleren, umgebenden Zone, in der es zu erheblicher NOx-Bildung kommt. Die Ergebnisse für nicht-thermische, kalte Plasmen zeigen, dass bei Temperaturen von etwa 2000 K theoretische Reduktionsgrade von bis zu 80% erzielt werden können. Dies deckt sich mit jüngsten experimentellen Studien.

The attempt to use microwave induced N2-O2 plasmas to reduce NOx emissions of direct injecting gasoline and Diesel engines reaching the limits of the EURO 4 exhaust gas standards is of special interest. This work makes the attempt to explore the fundamental plasmachemical reaction paths of NOx kinetics in hot thermal and cold non-thermal plasmas. To reach this aim a numerical parameter study was done to determine theoretical possible NOx reduction potentials. The analogy of plasma jets and turbulent jet flames was the reason to choose the theory of laminar diffusion flamlets of non-premixed turbulent combustion processes for the turbulent reacting flow. The turbulent flow was modelled by a standard k-epsilon model of the commercial CFD solver FLUENT. The mechanism of chemical reactions consists reactions for all ground states and electric and vibrational excited states. The results of the studies show that thermal plasmas with an oxygen part greater than 5% are not able to reduce NOx emissions. On the one hand reduction potentials were found at temperatures greater than 6000-8000 K. On the other hand a real plasma jet always consists of a hot center and a cooler zone around the center where heavy NOx producing is taking place. The results for non-thermal plasmas show theoretical reduction potentials of about 80% at temperatures of about 2000 K. This shows a good agreement with latest experimental studies. But there are still numerical and experimental studies necessary to clear the question of NOx reducing facilities of cold non-thermal plasmas.

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