專利名稱：等離子體輔助發(fā)動機排氣處理的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機排氣處理的方法和裝置，尤其涉及激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持在發(fā)動機排氣中形成的等離子體的方法和裝置，在一些情況下使用等離子體催化劑。
背景技術：
運用等離子體來處理發(fā)動機排氣是公知的。例如，據(jù)報道通過使用等離子體和催化劑的結(jié)合能減少柴油機排氣中的氮和碳的化合物以及粒子。在此上下文中，催化劑用于催化還原過程，而不是等離子體本身。
通過引導電能產(chǎn)生自由電子從而形成非熱型等離子體，然后與汽態(tài)物質(zhì)發(fā)生反應。非熱型等離子體和催化劑的結(jié)合稱為“等離子體輔助催化作用”，并且通常是在NH3作為還原劑的情況下進行。在反應過程中，NO被氧化成HNO3然后轉(zhuǎn)化成為硝酸銨，再濃縮并去除。然而，由于一些原因，此過程不能處理流動的排氣，這些原因包括對氨的處理和需要實際執(zhí)行處理的大量裝置。
通常，熱型等離子體是通過加熱一個系統(tǒng)到高的溫度而形成的(例如，高于2000左右攝氏度)，然而這樣會導致效率較低同時需要大量的熱處理。因此，在運動物體上使用熱等離子體通常是不切實際的。
通過施加足夠量的電磁輻射到氣體上能激發(fā)等離子體，這也是公知的。然而，等離子體的激發(fā)通常更容易發(fā)生在氣體壓力大大小于空氣壓力的情況下，這樣就需要昂貴的，慢速的，耗能的真空裝置。并且，這種裝置的使用會限制排氣的等離子體輔助處理的靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明提供了等離子體輔助排氣處理的方法和裝置。
在一個實施例中，根據(jù)本發(fā)明提供了一種發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個管道，該管道包括(1)設置成與發(fā)動機氣缸相連并接收發(fā)動機排氣的入口部分，(2)用于排出氣體的出口部分，(3)將排氣從入口部分傳送到出口部分的中間部分，以及(4)至少一個位于入口部分附近的等離子體腔，用于處理排氣。該系統(tǒng)還包括與所述腔相連并將輻射提供到所述腔的電磁輻射源，其中輻射的頻率小于大約333GHz。
根據(jù)本發(fā)明提供了另一種發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個管道，該管道包括(1)設置成與發(fā)動機氣缸相連并接收發(fā)動機排氣的入口部分，(2)用于排出氣體的出口部分，(3)將排氣從入口部分傳送到出口部分的中間部分，該中間部分的內(nèi)部尺寸設置成能支持至少一種電磁輻射模，從而在等離子體催化劑存在的情況下在所述排氣中形成等離子體。該系統(tǒng)還包括將電磁輻射提供到所述中間部分的源，其中所述輻射的頻率小于大約333GHz。
根據(jù)本發(fā)明還提供了一種處理發(fā)動機排氣的方法。此方法包括可選地在至少一個腔中存在等離子體催化劑的情況下，通過對排氣施加頻率小于大約333GHz的電磁輻射，在發(fā)動機排氣中形成至少一種等離子體。
本發(fā)明還提供了用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的等離子催化劑。該等離子體催化劑可以是惰性的或是活性的。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑包括通過使局部電場(例如，電磁場)變形而誘發(fā)等離子體的任意物質(zhì)，而不需要施加附加的能量。另一方面，活性等離子體催化劑是在電磁輻射存在的情況下，能夠傳輸足夠的能量到氣體原子或分子上從而從氣體原子和分子中去除至少一個電子的任意粒子或者高能波包。在兩種情況下，等離子催化劑都能改善或者放寬要求激發(fā)等離子體的環(huán)境條件。
本發(fā)明還提供了根據(jù)本發(fā)明用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的其他等離子體催化劑、方法和裝置。


本發(fā)明的其它特征將通過下面結(jié)合附圖的詳細描述變得明顯，其中相通的標號表示相同的部件，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體系統(tǒng)的示意圖；圖1A表示根據(jù)本發(fā)明的部分等離子體系統(tǒng)的實施例，該系統(tǒng)通過向等離子體腔加入粉末等離子體催化劑來激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持在腔中的等離子體；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的至少一種成分沿其長度具有濃度梯度；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的多種成分沿其長度按比例變化；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的另一種等離子體催化劑纖維，該纖維包括內(nèi)層核芯和涂層；圖5表示根據(jù)本發(fā)明的圖4所示的等離子體催化劑纖維沿圖4的線5-5的截面圖；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體系統(tǒng)的另一個部分的實施例，該等離子體系統(tǒng)包括延伸通過激發(fā)口的伸長型等離子體催化劑；圖7表示根據(jù)本發(fā)明在圖6的系統(tǒng)中使用的伸長型等離子體催化劑的圖10表示根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)的一個簡化示意圖；圖11表示根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)的另一個簡化示意圖；圖12表示根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)的又一個簡化示意圖；圖13表示根據(jù)本發(fā)明的包括排氣處理系統(tǒng)的移動交通工具，在這里是指汽車的一個簡化示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及用于等離子體輔助發(fā)動機排氣處理，激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的方法和裝置。從而，本發(fā)明可以用于控制的等離子體輔助排氣處理以降低能耗并提高處理效率和靈活性。
在此引入下列共同擁有并同時申請的美國專利申請的全部內(nèi)容作為參考美國專利申請No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0008)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0009)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0010)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0011)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0012)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0013)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0015)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0016)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0017)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0018)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0020)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0023)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0024)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0025)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0026)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0027)，
No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0028)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0029)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0030)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0032)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0033)。
等離子體系統(tǒng)的說明圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個方面的等離子體系統(tǒng)10。在該實施例中，在位于輻射腔(即輻射器(applicator))14內(nèi)部的容器中形成腔12。在另一個實施例中(未示出)，容器12和輻射腔14是同一個，因此不需要兩個獨立的部件。在其中形成有腔12的容器包括一個或多個的輻射透射隔板，以改善其熱絕緣性能使腔12無需顯著地屏蔽輻射。
在一個實施例中，腔12在由陶瓷制成的容器內(nèi)形成。由于根據(jù)本發(fā)明的等離子體可以達到非常高的溫度，所用的陶瓷能夠承受大約3000華氏度。陶瓷材料可以包括重量百分比為29.8％的硅，68.2％的鋁，0.4％的氧化鐵，1％的鈦，0.1％的氧化鈣，0.1％的氧化鎂，0.4％的堿金屬，該陶瓷材料為Model No.LW-30，由Pennsylvania，New Castle的New CastleRefractories公司出售。然而本領域的普通技術人員可知，根據(jù)本發(fā)明也可以使用其它材料，例如石英以及那些與上述陶瓷材料不同的材料。
在一個成功的實驗中，等離子體形成在部分開口的腔中，該腔在第一磚狀物內(nèi)并以第二磚狀物封頂。腔的尺寸為約2英寸×約2英寸×約1.5英寸。在磚狀物中至少具有兩個與腔連通的孔一個用于觀察等離子體，并且至少一個用于供給氣體。腔的尺寸取決于需要進行的等離子體處理。此外，腔至少應該設置成能夠防止等離子體上升/漂移從而離開主要處理區(qū)。根據(jù)本發(fā)明應該理解不需要在等離子體自身附近放置電極就能夠形成等離子體。
腔12可以通過管線20和控制閥22與一個或者多個氣體源24(例如氬氣、氮氣、氫氣、氙氣、氪氣等氣體源)相連，由電源28提供能力。管線20可以是管狀(例如在大約1/16英寸和大約1/4英寸之間，如大約1/8英寸)。而且，如果需要，真空泵可以與腔相連來抽走在等離子體處理中產(chǎn)生的任何不需要的氣體。在排氣處理中，可以從氣缸中直接或間接提供氣體。這樣氣體管線和真空裝置可以任意選擇。
一個輻射泄漏探測器(未示出)安裝在源26和波導管30附近，并與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)相連，如果檢測到泄漏量超過預定安全值時，例如由FCC和/或OSHA(例如5mW/cm2)規(guī)定的值，就自動關閉幅射(如微波)電源。
由電源28提供能量的輻射源26通過一個或多個波導管30(參見，如圖11)將輻射能引入腔14。本領域的普通技術人員應該理解源26可以直接連到腔12，從而取消波導管30。進入腔12的輻射能可以用于激發(fā)腔中的等離子體。通過將附加的電磁輻射與催化劑相結(jié)合可以充分調(diào)節(jié)或維持該等離子體并將其限制在腔內(nèi)。
通過循環(huán)器32和調(diào)諧器34(例如，3通短線(3-stub)調(diào)諧器)提供輻射能。調(diào)諧器34用于使作為改變激發(fā)或處理條件的函數(shù)的反射能減至最少，特別是在等離子體形成之前，因為例如微波功率將被等離子體強烈吸收。
如下面更詳細的說明，如果腔14支持多個模，特別是當這些?？沙掷m(xù)或者周期性地混合時，腔14內(nèi)的輻射傳送腔12的位置將不是很關鍵。此外，當腔14是發(fā)動機的排氣岐管時，腔12僅僅是一個熱套筒，如果需要的話，可以完全去掉。并如下面更詳細的說明，馬達36可以與?；旌掀?8相連，使時間平均的輻射能量分布在腔14內(nèi)大致均勻。而且，窗口40(例如石英窗)可以設置在鄰近腔12的腔14的一個壁上，使能用溫度傳感器42(例如光學高溫計)來觀察腔12內(nèi)的處理。在一個實施例中，光學高溫計輸出值可以在溫度升高時從0伏增加到追蹤范圍值之內(nèi)。
傳感器42能夠產(chǎn)生作為腔12中相關工件(未示出)的溫度或者任意其它可監(jiān)測的條件的函數(shù)的輸出信號，并將該信號供給控制器44。也可采用雙重溫度感應和加熱，以及自動冷卻速度和氣流控制。該控制器44又用于控制電源28的運行，其具有一個與上述源26相連的輸出端和另一個與控制氣流進入腔12的閥22相連的輸出端。
盡管可以使用任何小于約333GHz頻率的輻射，本發(fā)明采用由通訊和能源工業(yè)(CPI)提供的915MHz和2.45GHz微波源取得了同樣的成功。2.45GHz系統(tǒng)持續(xù)提供從大約0.5千瓦到大約5.0千瓦的可變微波功率。3通短線調(diào)諧器使得阻抗與最大功率傳遞相匹配，并且采用了測量發(fā)射和反射功率的雙向連接器(未示出)。還采用了光學高溫計來遙感樣品溫度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明可以使用任何小于大約333GHz頻率的輻射。例如，可采用諸如功率線頻率(大約50Hz至60Hz)這樣的頻率，盡管形成等離子體的氣體壓力可能降低以便有助于等離子體激發(fā)。此外，根據(jù)本發(fā)明，任何無線電頻率或微波頻率可以使用包括大于約100kHz的頻率。在大多數(shù)情況下，用于這些相對高頻的氣體壓力不需要為了激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體而降低，因而在大氣壓和大氣壓之上能夠?qū)崿F(xiàn)多種等離子體處理。
該裝置是由采用LabView 6i軟件的計算機控制，它能提供實時溫度監(jiān)測和微波功率控制。通過利用適當數(shù)量數(shù)據(jù)點的平均值平滑處理來降低噪音。并且，為了提高速度和計算效率，在緩沖區(qū)陣列中儲存的數(shù)據(jù)點數(shù)目用移位寄存器和緩存區(qū)大小調(diào)整來限制。高溫計測量大約1cm2的敏感區(qū)域溫度，用于計算平均溫度。高溫計用于探測兩個波長的輻射強度，并利用普朗克定律擬合這些強度值以測定溫度。然而，應知道也存在并可使用符合本發(fā)明的用于監(jiān)測和控制溫度的其它裝置和方法。例如，在共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney Dorket No.1837.0033)中說明了根據(jù)本發(fā)明可以使用的控制軟件，在此引入其整個內(nèi)容作為參考。
腔14具有幾個具有輻射屏蔽的玻璃蓋觀察口和一個用于插入高溫計的石英窗。盡管不是必須使用，還具有幾個與真空泵和氣體源相連的口。
系統(tǒng)10還包括一個帶有用自來水冷卻的外部熱交換器的封閉循環(huán)去離子水冷卻系統(tǒng)(未示出)。在操作中，去離子水先冷卻磁電管，接著冷卻循環(huán)器(用于保護磁電管)中的裝卸處，最后流過焊接在腔的外表面上的水通道冷卻輻射腔。
等離子體催化劑根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑可包括一種或多種不同的物質(zhì)并且可以是惰性或者活性的。在氣體壓力低于、等于或大于大氣壓力的情況下，等離子體催化劑可以在其它物質(zhì)中激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持等離子體。
根據(jù)本發(fā)明的一種形成等離子體的方法可包括使腔內(nèi)排氣在惰性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑包括通過使根據(jù)本發(fā)明的局部電場(例如電磁場)變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無需對催化劑施加附加的能量，例如通過施加電壓引起瞬間放電。
本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以是納米顆?；蚣{米管。這里所使用的術語“納米顆?！卑ㄗ畲笪锢沓叽缧∮诩s100nm的至少是半導電的任何顆粒。并且，摻雜或不摻雜的、單層壁或多層壁的碳納米管由于它們異常的導電性和伸長形狀對本發(fā)明的激發(fā)等離子體尤其有效。該納米管可以有任意合適的長度并且能夠以粉末狀固定在基板上。如果固定的話，當?shù)入x子體激發(fā)或維持時，該納米管可以在基板的表面上任意取向或者固定到基板上(例如以一些預定方向)。
本發(fā)明的惰性等離子體也可以是粉末，而不必制成納米粒子或納米管。例如它可以形成為纖維、粉塵顆粒、薄片、薄板等。在粉末態(tài)時，催化劑可以至少暫時地懸浮于氣體中。如果需要的話，通過將粉末懸浮于氣體中，粉末就可以迅速分散到整個腔并且更容易被消耗。
在一個實施例中，粉末催化劑可以加載到腔內(nèi)并至少暫時地懸浮于載氣中。載氣可以與形成等離子體的排氣相同或者不同。而且，粉末可以在引入腔前加入氣體中。例如，如圖1A所示，輻射源52可以對設置有等離子體腔60的輻射腔55施加輻射。粉末源65將催化劑粉末70供給氣流75。在一個可選實施例中，粉末70可以先以大塊(例如一堆)方式加入腔60，然后以任意種方式分布在腔內(nèi)，包括氣體流動穿過或越過該塊狀粉末。此外，可以通過移動、搬運、撒下、噴灑、吹或以其它方式將粉末送入或分布于腔內(nèi)，將粉末加到氣體中用于激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體。
在一個實驗中，通過在伸入腔的銅管中設置一堆碳纖維粉末來使等離子體在腔內(nèi)激發(fā)。盡管有足夠的輻射被引入腔內(nèi)，銅管屏蔽粉末受到的輻射而不發(fā)生等離子體激發(fā)。然而，一旦載氣開始流入銅管，促使粉末流出銅管并進入腔內(nèi)，從而使粉末受到輻射，腔內(nèi)等離子體幾乎瞬間激發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明的粉末催化劑基本上是不燃的，這樣它就不需要包括氧或者不需要在存在氧的情況下燃燒。如上所述，該催化劑可以包括金屬、碳、碳基合金、碳基復合物、導電聚合物、導電硅橡膠彈性體、聚合物納米復合物、有機無機復合物和其任意組合。
而且，粉末催化劑可以在等離子體腔內(nèi)基本均勻的分布(例如懸浮于氣體中)，并且等離子體激發(fā)可以在腔內(nèi)精確地控制。均勻激發(fā)在一些應用中是很重要的，包括在要求等離子體暴露時間短暫的應用中，例如以一個或多個爆發(fā)的形式。還需要有一定的時間來使粉末催化劑本身均勻分布在整個腔內(nèi)，尤其在復雜的多腔的腔內(nèi)。因而，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，粉末等離子體可以通過多個激發(fā)口引入腔內(nèi)以便在其中更快地形成更均勻的催化劑分布(如下)。
除了粉末，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括，例如，一種或多種微觀或宏觀的纖維、薄片、針、線、繩、細絲、紗、麻線、刨花、裂片、碎片、編織布、帶子、須或其任意混合物。在這些情況下，等離子體催化劑可以至少具有一部分，該部分的一個物理尺寸基本上大于另一個物理尺寸。例如，在至少兩個垂直尺寸之間的比率至少為約1∶2，也可大于約1∶5或者甚至大于約1∶10。
因此，惰性等離子體催化劑可以包括至少一部分與其長度相比相對細的材料。也可以使用催化劑束(例如纖維)，其包括例如一段石墨帶。在一個實驗中，成功使用了一段具有大約三萬股石墨纖維的、每股直徑約為2-3微米的帶。內(nèi)部纖維數(shù)量和束長對激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體來說并不重要。例如，用大約1/4英寸長的一段石墨帶得到滿意的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明成功使用了一種碳纖維是由Anderson，South Carolina的Hexcel公司出售的商標為Magnamite的Model No.AS4C-GP3K。此外，還成功地使用了碳化硅纖維。
根據(jù)本發(fā)明另一個方面的惰性等離子體催化劑可以包括一個或多個如基本為球形、環(huán)形、錐形、立方體、平面體、圓柱形、矩形或伸長形的部分。
上述惰性等離子體催化劑包括至少一種至少是半導電的材料。在一個實施例中，該材料具有強導電性。例如，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基復合物、導電聚合體、導電硅橡膠彈性體、聚合納米復合物、有機無機復合物或其任意組合?？梢园ㄔ诘入x子體催化劑中的一些可能的無機材料包括碳、碳化硅、鉬、鉑、鉭、鎢、氮化碳和鋁，雖然相信也可以使用其它導電無機材料。
除了一種或多種導電材料以外，本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括一種或多種添加劑(不要求導電性)。如這里所用的，該添加劑可以包括使用者想要加入等離子體的任何材料。例如在半導體和其他材料的摻雜過程中，可通過催化劑將一種或多種摻雜劑加入等離子體。參見，例如，共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney DorketNo.1837.0026)，在此引入其整個內(nèi)容作為參考。催化劑可以包括摻雜劑本身或者，它可以包括分解后能產(chǎn)生摻雜劑的前體材料。因此，根據(jù)最終期望的等離子體復合物和使用等離子體處理，等離子體催化劑可以以任意期望的比率包括一種或者多種添加劑和一種或者多種導電材料。
惰性等離子體催化劑中的導電成分與添加劑的比率隨著其被消耗的時間變化。例如，在激發(fā)期間，等離子體催化劑可以要求包括較大百分比的導電成分來改善激發(fā)條件。另一方面，如果在維持等離子體時使用，催化劑可以包括較大百分比的添加劑。本領域普的通技術人員可知用于激發(fā)和維持等離子體的等離子體催化劑的成分比率可以是相同的。
預定的比率分布可以用于簡化許多等離子體處理。在許多常規(guī)的等離子體處理中，等離子體中的成分是根據(jù)需要來增加的，但是這樣的增加一般要求可編程裝置根據(jù)預定計劃來添加成分。然而，根據(jù)本發(fā)明，催化劑中的成分比率是可變的，因而等離子體本身的成分比率可以自動變化。這就是說，在任一特定時間等離子體的成分比率依賴于當前被等離子體消耗的催化劑部分。因此，在催化劑內(nèi)的不同位置的催化劑成分比率可以不同。并且，當前等離子體的成分比率依賴于當前和/或在消耗前的催化劑部分，尤其在流過等離子體腔內(nèi)的氣體流速較慢時。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以是均勻的、不均勻的或漸變的。而且，整個催化劑中等離子體催化劑成分比率可以連續(xù)或者不連續(xù)改變。例如在圖2中，比率可以平穩(wěn)改變形成沿催化劑100長度方向的梯度。催化劑100可包括一股在段105含有較低濃度成分并向段110連續(xù)增大濃度的材料。
可選擇地，如圖3所示，在催化劑120的每一部分比率可以不連續(xù)變化，例如包括濃度不同的交替段125和130。應該知道催化劑120可以具有多于兩段的形式。因此，被等離子體消耗的催化劑成分比率可以以任意預定的形式改變。在一個實施例中，當?shù)入x子體被監(jiān)測并且已檢測到特殊的添加劑時，可以自動開始或結(jié)束進一步的處理。
改變被調(diào)節(jié)或維持的等離子體中的成分比率的另一種方法是通過在不同時間以不同速率引入具有不同成分比率的多種催化劑。例如，可以在腔中以大致相同位置或者不同位置引入多種催化劑。在不同位置引入時，在腔內(nèi)形成的等離子體會有由不同催化劑位置決定的成分濃度梯度。因此，自動化系統(tǒng)可包括用于在等離子體激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持以前和/或期間機械插入可消耗等離子體催化劑的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以被涂覆。在一個實施例中，催化劑可以包括沉積在基本導電材料表面的基本不導電涂層?；蛘?，催化劑可包括沉積在基本不導電材料表面的基本導電涂層。例如圖4和5表示了包括內(nèi)層145和涂層150的纖維140。在一個實施例中，為了防止碳的氧化，等離子體催化劑包括涂覆鎳的碳芯。
一種等離子體催化劑也可以包括多層涂層。如果涂層在接觸等離子體期間被消耗，該涂層可以從外涂層到最里面的涂層連續(xù)引入等離子體，從而形成限時釋放(time-release)機制。因此，涂覆等離子體催化劑可以包括任意數(shù)量的材料，只要部分催化劑至少是半導電的。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，為了基本上減少或防止輻射能泄漏，等離子體催化劑可以完全位于輻射腔內(nèi)。這樣，等離子體催化劑不會電或磁連接于包括腔的容器、或腔外的任何導電物體。這防止了在激發(fā)口的瞬間放電，并防止在激發(fā)期間和如果等離子體被維持可能在隨后電磁輻射泄漏出腔。在一個實施例中，催化劑可以位于伸入激發(fā)口的基本不導電的延伸物末端。
例如，圖6表示在其中可以設置有等離子體腔165的輻射腔160。等離子體催化劑170被延長并伸入激發(fā)口175。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的催化劑170包括導電的末梢部分180(設置于腔160內(nèi))和不導電部分185(基本上設置于腔160外)。該結(jié)構(gòu)防止了末梢部分180和腔160之間的電氣連接(例如瞬間放電)。
在如圖8所示的另一個實施例中，催化劑由多個導電片段190形成，所述多個導電片段190被多個不導電片段195隔開并與之機械相連。在這個實施例中，催化劑能延伸通過在腔中的一個點和腔外的另一個點之間的激發(fā)口，但是其電氣不連續(xù)的分布有效地防止了產(chǎn)生瞬間放電和能量泄漏。
根據(jù)本發(fā)明的形成涂層等離子體的另一種方法包括使腔內(nèi)氣體在活性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射，產(chǎn)生或包括至少一個電離粒子。
根據(jù)本發(fā)明的活性等離子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能夠向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量來使氣態(tài)原子或分子失去至少一個電子的任何粒子或者高能波包。利用源，電離粒子可以以聚焦或準直射束的形式直接引入腔，或者它們可以被噴射、噴出、濺射或者其它方式引入。
例如，圖9表示輻射源200將輻射引入輻射腔205。等離子體腔210被設置于腔205內(nèi)并允許排氣流過口215和216。源220可以將電離粒子225引入腔210。源220可以用例如電離粒子可以穿過的金屬屏蔽來保護，但也屏蔽了對源220的輻射。如果需要，源220可以水冷。
根據(jù)本發(fā)明的電離粒子的實例可包括X射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子、質(zhì)子及其任意組合。因此，電離粒子催化劑可以是帶電荷(例如來自離子源的離子)或者不帶電荷并且可以是放射性裂變過程的產(chǎn)物。在一個實施例中，在其中形成有等離子體腔的容器可以全部或部分地透過電離粒子催化劑。因此，當放射性裂變源位于腔外時，該源可以引導裂變產(chǎn)物穿過容器來激發(fā)等離子體。為了基本防止裂變產(chǎn)物(如電離粒子催化劑)引起安全危害，放射性裂變源可以位于輻射腔內(nèi)。
在另一個實施例中，電離粒子可以是自由電子，但它不必是在放射性衰變過程中發(fā)射。例如，電子可以通過激發(fā)電子源(如金屬)來引入腔內(nèi)，這樣電子有足夠的能量從該源中逸出。電子源可以位于腔內(nèi)、鄰近腔或者甚至在腔壁上。本領域的普通技術人員可知可用任意組合的電子源。產(chǎn)生電子的常用方法是加熱金屬，并且這些電子通過施加電場能進一步加速。
除電子以外，自由能質(zhì)子也能用于催化等離子體。在一個實施例中，自由質(zhì)子可通過電離氫產(chǎn)生，并且選擇性地由電場加速。
多模輻射腔電磁輻射波導管、腔或腔可以被設置成支持或便于至少一種電磁輻射模的傳播。如這里所使用，術語“?！北硎緷M足Maxwell方程和可應用的邊界條件(如腔的)的任何停滯或傳播的電磁波的特殊形式。在波導管或腔內(nèi)，該?？梢允莻鞑セ蛲姶艌龅母鞣N可能形式中的任何一種。每種模由其電場和/或磁場矢量的頻率和極化表征。模的電磁場形式依賴于頻率、折射率或介電常數(shù)以及波導管或腔的幾何形狀。
橫電(TE)模是電場矢量垂直于傳播方向的模。類似地，橫磁(TM)模是磁場矢量垂直于傳播方向的模。橫電磁(TEM)模是電場和磁場矢量均垂直于傳播方向的模。中空金屬波導管一般不支持輻射傳播的標準TEM模。盡管輻射似乎沿著波導管的長度方向傳播，它之所以這樣只是通過波導管的內(nèi)壁以某一角度反射。因此，根據(jù)傳播模，輻射沿著波導管軸線(通常指z軸)具有一些電場成分或者一些磁場成分。
在腔或者波導管中的實際場分布是其中模的疊加。每種?？梢杂靡粋€或多個下標(如TE10(“Tee ee one zero”))表示。下標一般說明在x和y方向上含有多少在導管波長的“半波”。本領域的普通技術人員可知波導管波長與自由空間的波長不同，因為波導管內(nèi)的輻射傳播是通過波導管的內(nèi)壁以某一角度反射。在一些情況下，可以增加第三下標來定義沿著z軸在駐波形式中的半波數(shù)量。
對于給定的輻射頻率，波導管的尺寸可選擇得足夠小以便它能支持一種傳播模。在這種情況下，系統(tǒng)被稱為單模系統(tǒng)(如單模輻射器)。在矩形單模波導管中TE10模通常占主導。
隨著波導管(或波導管所連接的腔)的尺寸增加，波導管或輻射器有時能支持附加的高階模，形成多模系統(tǒng)。當能夠同時支持多個模時，系統(tǒng)往往表示為多模。
一個簡單的單模系統(tǒng)具有包括至少一個最大和/或最小的場分布。最大的量級很大程度上依賴于施加于系統(tǒng)的輻射的量。因此，單模系統(tǒng)的場分布是劇烈變化和基本上不均勻的。
與單模腔不同，多模腔可以同時支持幾個傳播模，在疊加時其形成混合場分布形式。在這種形式中，場在空間上變得模糊，并因此場分布通常不顯示出腔內(nèi)最小和最大場值的相同強度類型。此外，如下的詳細說明，可以用一個?；旌掀鱽怼盎旌稀被颉爸匦路植肌蹦?如利用輻射反射器的機械運動)。這種重新分布有望提供腔內(nèi)更均勻的時間平均場分布。
根據(jù)本發(fā)明的多模腔可以支持至少兩個模，并且可以支持多于兩個的多個模。每個模有最大電場矢量。雖然可以有兩個或多個模，但是只有一個模占主導并具有比其它模大的最大電場矢量量級。如這里所用的，多模腔可以是任意的腔，其中第一和第二模量級之間的比率小于約1∶10，或者小于約1∶5，或者甚至小于約1∶2。本領域的普通技術人員可知比率越小，模之間的電場能量越分散，從而使腔內(nèi)的輻射能越分散。
腔內(nèi)等離子體的分布非常依賴于所施加的輻射的分布。例如，在一個純單模系統(tǒng)中只可以有一個電場最大值的位置。因此，強等離子體只能在這一個位置產(chǎn)生。在許多應用中，這樣一個強局部化的等離子體會不合需要的引起不均勻等離子體處理或加熱(即局部過熱和加熱不足)。
根據(jù)本發(fā)明無論使用單或多模腔，本領域的普通技術人員可知在其中形成等離子體的腔可以完全封閉或者半封閉。例如，在特定的應用中，如在等離子體輔助熔爐中，腔可以全部密封。參見，例如，共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney Dorket No.1837.0020)，在此引入其整個內(nèi)容作為參考。然而在其它應用中，可能需要將氣體流過腔，從而腔必須一定程度地打開。這樣，流動氣體的流量、類型和壓力可以隨時間而改變。這是令人滿意的，因為某些氣體如氬氣，具有更低的電離電勢，更容易激發(fā)，但在隨后的等離子體處理中可能會有其它不希望的性質(zhì)。
模混合在許多應用中，需要腔內(nèi)包括均勻的等離子體。然而，由于微波輻射可以有較長波長(如幾十厘米)，很難獲得均勻分布。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，多模腔內(nèi)的輻射模在在一段時間內(nèi)可以混合或重新分布。因為腔內(nèi)的場分布必須滿足由腔的內(nèi)表面設定的所有邊界條件，可以通過改變內(nèi)表面的任一部分的位置來改變這些場分布。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，可移動的反射表面位于輻射腔內(nèi)。反射表面的形狀和移動在移動期間將聯(lián)合改變腔的內(nèi)表面。例如，一個“L”型金屬物體(即“模混合器”)在圍繞任意軸旋轉(zhuǎn)時將改變腔內(nèi)的反射表面的位置或方向，從而改變其中的輻射分布。任何其它不對稱形狀的物體也可使用(在旋轉(zhuǎn)時)，但是對稱形狀的物體也能工作，只要相對移動(如旋轉(zhuǎn)、平移或兩者結(jié)合)引起反射表面的位置和方向上的一些變化。在一個實施例中，?；旌掀骺梢允菄@非圓柱體縱軸的軸旋轉(zhuǎn)的圓柱體。
多模腔中的每個模都具有至少一個最大電場矢量，但是每個矢量會周期性出現(xiàn)在腔內(nèi)。通常，假設電磁輻射的頻率不變，該最大值是固定的。然而，通過移動模混合器使它與電磁輻射相作用，就可能移動最大值的位置。例如，模混合器38可用于優(yōu)化腔12內(nèi)的場分布以便于優(yōu)化等離子體激發(fā)條件和/或等離子體維持條件。因此，一旦激活等離子體，為了均勻的時間平均等離子體處理(如加熱)，可以改變?；旌掀鞯奈恢脕硪苿幼畲笾档奈恢谩?br> 因此根據(jù)本發(fā)明，在等離子體激發(fā)期間可以使用模混合。例如，當把導電纖維用作等離子體催化劑時，已經(jīng)知道纖維的方向能夠強烈影響最小等離子體激發(fā)條件。例如據(jù)報道說，當這樣的纖維取向于與電場成大于60°的角度時，催化劑很少能改善或放松這些條件。然而通過移動反射表面進入或接近腔，電場分布能顯著地改變。
通過例如安裝在輻射器腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)波導管接頭將輻射射入輻射器腔，也能實現(xiàn)?；旌?。為了在輻射腔內(nèi)在不同方向上有效地發(fā)射輻射，該旋轉(zhuǎn)接頭可以機械地運動(如旋轉(zhuǎn))。結(jié)果，在輻射器腔內(nèi)可產(chǎn)生變化的場形式。
通過柔性波導管將輻射射入輻射腔，也能實現(xiàn)?；旌?。在一個實施例中，波導管可固定在腔內(nèi)。在另一個實施例中，波導管可伸入腔中。為了在不同方向和/或位置將輻射(如微波輻射)射入腔，該柔性波導管末端的位置可以以任何合適的方式連續(xù)或周期性移動(如彎曲)。這種移動也能引起模混合并有助于在時間平均基礎上更均勻的等離子體處理(如加熱)。可選擇地，這種移動可用于優(yōu)化激發(fā)的等離子體的位置或者其它的等離子體輔助處理。
如果柔性波導管是矩形的，波導管的開口末端的簡單扭曲將使輻射器腔內(nèi)的輻射的電場和磁場矢量的方向旋轉(zhuǎn)。因而，波導管周期性的扭曲可引起模混合以及電場的旋轉(zhuǎn)，這可用于輔助激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體。
因此，即使催化劑的初始方向垂直于電場，電場矢量的重新定向能將無效方向變?yōu)楦行У姆较?。本領域的技術人員可知?；旌峡梢允沁B續(xù)的、周期性的或預編程的。
除了等離子體激發(fā)以外，在后面的等離子體處理期間?；旌峡捎糜跍p少或產(chǎn)生(如調(diào)整)腔內(nèi)的“熱點”。當微波腔只支持少數(shù)模時(如少于5)，一個或多個局部電場最大值可產(chǎn)生“熱點”(如在腔12內(nèi))。在一個實施例中，這些熱點可設置成與一個或多個分開但同時的等離子體激發(fā)或處理過程相一致。因此，等離子體催化劑可放在一個或多個這些激發(fā)或隨后處理的位置上。
多點激發(fā)可使用不同位置的多種等離子體催化劑來激發(fā)等離子體。在一個實施例中，可用多纖維在腔內(nèi)的不同點處激發(fā)等離子體。這種多點激發(fā)在要求均勻等離子體激發(fā)時尤其有益。例如，當?shù)入x子體在高頻(即數(shù)十赫茲或更高)下調(diào)節(jié)，或在較大空間中激發(fā)，或兩者都有時，可以改善等離子體的基本均勻的瞬態(tài)撞擊和再撞擊?？蛇x地，當在多個點使用等離子體催化劑時，可以通過將催化劑選擇性引入這些不同位置，使用等離子體催化劑在等離子體腔內(nèi)的不同位置連續(xù)激發(fā)等離子體。這樣，如果需要，在腔內(nèi)可以可控地形成等離子體激發(fā)梯度。
而且，在多模腔中，腔中多個位置的催化劑的隨機分布增加了如下可能性根據(jù)本發(fā)明的至少一種纖維或任何其它惰性等離子體催化劑優(yōu)化沿電力線取向。但是，即使催化劑沒有優(yōu)化取向(基本上沒有與電力線對準)，也改善了激發(fā)條件。
而且，由于催化劑粉末可以懸浮在氣體中，可認為具有每個粉末顆粒具有位于腔腔內(nèi)不同物理位置的效果，從而改善了腔內(nèi)的激發(fā)均勻性。
雙腔等離子體激發(fā)/維持根據(jù)本發(fā)明的雙腔排列可用于激發(fā)和維持等離子體。在一個實施例中，系統(tǒng)包括至少一個第一激發(fā)腔和一個與第一腔流體連通的第二腔。為了激發(fā)等離子體，第一激發(fā)腔中的氣體選擇性地在等離子體催化劑存在的情況下受到頻率小于大約333GHz的電磁輻射。這樣，接近的第一和第二腔可使第一腔中形成的等離子體激發(fā)第二腔中的等離子體，其可用附加的電磁輻射來維持。
在本發(fā)明的一個實施例中，第一腔可以非常小并主要或只設置用于等離子體激發(fā)。這樣，只需很少的電磁輻射能來激發(fā)等離子體，使激發(fā)更容易，尤其在使用根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑時。
在一個實施例中，第一腔基本上是單模腔，第二腔是多模腔。當?shù)谝磺恢恢С謫文r腔內(nèi)的電場分布會劇烈變化，形成一個或多個精確定位的電場最大值。該最大值一般是等離子體激發(fā)的第一位置，將其作為安放等離子體催化劑的理想點。然而應該知道，當?shù)入x子體催化劑用于激發(fā)等離子體時，催化劑不需要設置在電場最大值之處，而且在大多數(shù)情況下，不需要取向于特定的方向。
發(fā)動機排氣處理圖10表示根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)300的簡化示意圖。通常，發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)包括一個或者多個管道。在圖10所示的實施例中，系統(tǒng)300包括管道302、304和306。在運行過程中，一個或多個管道提供等離子體處理區(qū)域，在其中形成等離子體并用于處理發(fā)動機排氣。根據(jù)本發(fā)明的管道可設置成任意的通道、導管或流道，用于將排氣從入口部分傳送到出口部分。
每個管道302、304和306都分別包括至少一個入口部分312、314和316和至少一個出口部分322、324和326。每個入口部分設置成直接或間接與發(fā)動機氣缸(未示出)相連并從一個或更多的燃燒區(qū)域、地帶或者腔中接收發(fā)動機排氣。例如，管道的數(shù)量可與發(fā)動機中活塞的數(shù)量一致。在一個實施例中，單個管道可以用作單個燃燒區(qū)域。可選擇地，單個管道可以用作多個燃燒區(qū)域。然而在另一個實施例中，多個管道也可以用作單個燃燒區(qū)域。
發(fā)動機氣缸可以是任意靜止或者可動系統(tǒng)中使用的燃燒發(fā)動機，例如，包括二沖程發(fā)動機、四沖程發(fā)動機或者柴油機?？蓜酉到y(tǒng)包括交通工具，如小轎車、公交車、卡車、飛機、火車、摩托車、拖拉機、運動裝置或者含有燃燒發(fā)動機的任何可動裝置。每個管道302、304和306也可以分別包括用于將氣體從入口部分312、314和316傳送到出口部分322、324和326的至少一個中間部分332、334和336。
此外每個管道302、304和306包括至少一個位于與其相應的入口部分312、314和316附近的等離子體腔，用于處理排氣。在本文的排氣處理系統(tǒng)中，等離子體處理腔可以是任意的腔或者區(qū)域，其中可選地在存在輻射的情況下可以形成等離子體。因此，等離子體處理腔與管道中間部分可以是相同的或者不同的，同時可以和管道是一體的或者分離的。而且，等離子體處理腔可以是單模腔或者多模腔，這取決于排氣處理系統(tǒng)的特定設計的約束。此外，等離子體處理腔可具有任意合適的長度和任意合適的橫截面。也可以在入口處或附近設置一個或者多個空氣入口(未示出)，用于將氣體供到該系統(tǒng)中，以產(chǎn)生更完全的燃燒。類似的，如果需要的話，也可以將空氣入口設置在管道的出口部分處或附近，作為后燃燒器。
排氣處理系統(tǒng)300還包括電磁輻射源340，該電磁輻射源被設置成能直接將輻射施加到一個或多個等離子體腔342，344和346，以便將輻射供到相應的腔中。如前所述，輻射可以具有小于大約333GHz的任意頻率，盡管具有該范圍上限的頻率的輻射，如微波輻射和射頻輻射，也能在大氣壓力下用于激發(fā)等離子體。
如圖10所示的實施例，輻射源340能通過多路調(diào)制器348并采用同軸電纜352、354和356連接到腔342、344和346。由于根據(jù)本發(fā)明可以達到高的等離子體輔助排氣處理溫度，熱絕緣器(未示出)分別位于電纜352、354和356和管道302、304和306之間，從而能防止電纜過熱。
多路調(diào)制器348能將輻射源340產(chǎn)生的輻射有選擇性地引入腔342、344和346中的任意一個。在一個實施例中，可以按順序?qū)⑤椛湟肭恢?，特別是當這些腔中有排氣時。這樣，一個低能輻射源(例如，源340)可以由多個等離子體處理腔共用。根據(jù)本發(fā)明的順序多路調(diào)制，能與由例如與發(fā)動機燃燒或噴油時序相關的電路產(chǎn)生的定時信號同步。在另一個實施例中，輻射源340能同時將輻射引入所有的等離子體腔，雖然這種同時方法不是有效的。
在一個可選實施例中，電磁輻射源340被設置成通過一個或多個波導管(未示出)將輻射引入至一個或者多個等離子體腔342、344和346。波導管的形狀(例如，圓柱形，矩形，同軸形，橢圓形等)可用于選擇各自腔中進行的一個或者多個輻射模(例如，TEM，TE和/或TM)。
圖11表示另一個等離子體輔助排氣處理系統(tǒng)400，其中多個輻射源410、415和420直接與每個管道402、404和406相連，因而不需要采用同軸電纜或波導管。如圖11所示，每個源410、415和420都能被中央控制器425所控制(例如，觸發(fā)控制)，其與發(fā)動機氣缸的激發(fā)順序同步。
圖12表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助排氣處理系統(tǒng)450的另一個實施例，其中輻射源455通過輻射透射隔板465將輻射提供至管道460中。在這個實施例中，排氣能通過排氣歧管的分支470輸送到管道460中?？蛇x擇地，排氣也可以不需要分支470直接通過管道460輸送。無論如何，輻射都能通過至少一個同軸電纜475和波導管480傳送到管道460中。
在圖12所示的實施例中，波導管480包括導電(例如，金屬)短板。為優(yōu)化輻射耦合，同軸電纜475的連接口490設置成在離短板485至少大約λ/4處傳輸輻射，其中λ是輻射(例如，微波或射頻輻射)的波長。一旦輻射被引入波導管480，它能通過輻射透射隔板465傳播到管道460中，此隔板可由陶瓷、石英或基本上可透射輻射的任意材料構(gòu)成。
回到圖10，根據(jù)本發(fā)明的等離子體腔342、344和346分別位于入口部分312、314和316處或者附近。通過使腔接近入口部分，進入腔中的排氣的溫度就不會顯著的下降。由于進入等離子體腔中的排氣的溫度相對較高，用于從排氣激發(fā)等離子體的能量就相對較少。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，可以沿管道的中間部分在距入口部分比距出口部分近的任意位置布置一個或多個等離子體腔。
如圖10和圖11所示，根據(jù)本發(fā)明的排氣處理系統(tǒng)包括多個管道。在這些實施例中，每個管道都有不同的入口部分。此外，各出口部分可以接入一個相同的管道或者另一個出口部分。如圖10和圖11所示，盡管分隔開的等離子體能分別用于處理每個管道中的排氣，但單個等離子體也能用于處理所有管道結(jié)合后(未示出)提供的排氣。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，根據(jù)本發(fā)明的任意等離子體輔助排氣處理系統(tǒng)可以包括等離子體催化劑。如上所述，該催化劑可以是惰性或活性的。在一個實施例中，等離子體催化劑可以置于一盒中。該盒可以是可拆卸、可更換或一次性的。該盒也可以是可再填充或可重復使用的。例如，如圖12所示，盒495可以包括能從管道460中插入和移開的催化劑支撐結(jié)構(gòu)。在這個實施例中，盒495可以包括當不再有效時可被替換的、可消耗的等離子體催化劑(如碳纖維、輻射源等)。
管道460也可以包括能測定等離子體是否有效的排氣監(jiān)控器(未示出)。例如，當?shù)入x子體在排氣和足夠量的輻射存在的情況下迅速激發(fā)時，那么等離子體催化劑認為是有效的。例如，氧氣或者一氧化碳傳感器能用于檢測在管道的出口部分的排氣成分。如果檢測到的排氣成分不能接受時，將會產(chǎn)生一個信號并用于提醒使用者，例如機動車駕駛員，此車需要維修了。
因此，根據(jù)本發(fā)明的惰性和活性等離子體催化劑可以用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持在大氣壓力下輻射能數(shù)量減少的排氣等離子體。通常，使用這種催化劑的方法包括通過在至少一個腔中存在等離子體催化劑的情況下，對排氣施加頻率小于大約333GHz的電磁輻射，在發(fā)動機排氣中形成至少一種等離子體。
根據(jù)本發(fā)明使用等離子體催化劑的一個優(yōu)點是能迅速達到有效的運行溫度。也就是說，在足夠高的運行溫度下，在由等離子體形成時間測定的小于大約5秒，或小于大約1秒的時間段內(nèi)，形成等離子體。當然確切的時間值取決于所要求的運行溫度，氣體流速，電磁輻射能等。例如，不需要采用真空裝置就能夠迅速達到超過1000攝氏度或超過2500攝氏度的運行溫度。另一個優(yōu)點是用等離子體催化劑能使等離子體再激發(fā)的速度和容易性提高。在如圖10所示的使用順序多路調(diào)制器的輻射中，這個優(yōu)點特別有效。
在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，管道的整體或部分自身能作為等離子體腔。這樣，發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)可以包括至少一個管道，這些管道的至少一個包括設置成與發(fā)動機氣缸相連并能接收發(fā)動機排氣的入口部分，一個用于排出氣體的出口部分，以及一個將排氣從入口部分傳送到出口部分的中間部分，該中間部分的內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)設置成能支持至少一個電磁輻射模，以便在其中從排氣中形成等離子體。此系統(tǒng)也可以包括能將電磁輻射提供到中間部分的源，其中輻射的頻率小于大約333GHz。
在一個實施例中，等離子體腔或者管道的至少一個部分具有同軸的形狀。這樣，該腔能在內(nèi)管和外管之間形成，盡管其他的形狀和構(gòu)造也是可能的。應該理解的是這些管是能導電的(例如，金屬的)或者絕緣的(例如，陶瓷的)。當采用同軸結(jié)構(gòu)時，可以利用例如波導管或同軸電纜將電磁輻射引入等離子體腔。在采用同軸電纜的情況下，通過將電纜軸向連接來提供輻射。如果同軸電纜的內(nèi)部尺寸與同軸管道的內(nèi)部尺寸不同，則采用一個錐形連接器使兩內(nèi)表面基本上齊平，從而防止輻射的反射。
該系統(tǒng)也可以包括一個能將電磁輻射提供到中間部分的源，其中輻射的頻率小于大約333GHz。
因此，管道的內(nèi)部尺寸設置成可以充當輻射的優(yōu)化的波導管，并因此可以激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持根據(jù)本發(fā)明的排氣等離子體。
如上所述，包括燃燒發(fā)動機的任意類型的移動交通工具可以使用根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)。例如，移動交通工具或系統(tǒng)可以是小轎車，公交車，卡車，飛機，火車，摩托車，拖拉機，可動裝置或者任何由燃燒發(fā)動機提供能量的可動裝置。因此，如圖13所示，移動的交通工具，在這里是汽車500，可以包括至少某種類型的底盤505，燃燒發(fā)動機510，與發(fā)動機510相連并排出發(fā)動機510中的燃燒氣體的管道515，以及根據(jù)本發(fā)明的排氣處理系統(tǒng)520。該排氣處理系統(tǒng)520除其它東西外還包括，用于將輻射引入至管道的電磁輻射源525。系統(tǒng)520也可以包括根據(jù)本發(fā)明用于催化等離子體的等離子體催化劑(圖13中未示出)。
在前述的實施例中，為了簡化說明，各種特征被集合在單個實施例中。這種公開方法不意味著本發(fā)明權利要求書要求了比每個權利要求中明確敘述的特征更多的特征。而是，如下列權利要求所述，創(chuàng)造性方面要比前述公開的單個實施例的全部特征少。因此，下列權利要求被加入到該具體實施方式
中，每個權利要求本身作為本發(fā)明的一個單獨的優(yōu)選實施例。
權利要求
1.一種發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個管道，該管道包括入口部分，設置成與發(fā)動機氣缸相連并接收發(fā)動機排氣，出口部分，用于排出所述氣體，以及中間部分，將所述排氣從所述入口部分傳送到所述出口部分，其中該中間部分包括位于所述入口部分附近的等離子體腔，用于處理所述排氣；以及電磁輻射源，設置成將輻射引入所述腔，其中所述輻射的頻率小于大約333GHz。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述腔位于所述入口部分處。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述腔位于沿所述中間部分距所述入口部分比距所述出口部分近的位置處。
4.如權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括位于所述輻射中的惰性等離子體催化劑和活性等離子體催化劑中的至少一種。
5.如權利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑位于設置成可從所述腔中拆卸的盒中。
6.如權利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑包括至少一種惰性等離子體催化劑，該惰性等離子體催化劑包括至少是半導電的材料。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑涂有保護層以幫助防止催化劑被等離子體消耗。
8.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述材料包括金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基復合物、導電聚合物、導電硅橡膠彈性體、聚合物納米復合物和有機無機復合物中的至少一種。
9.如權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述材料的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細絲、紗、麻線、刨花、裂片、碎片、編織布、帶子和須中的至少一種。
10.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述催化劑包括碳纖維。
11.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述催化劑的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細絲、紗、麻線、刨花、裂片、碎片、編織布、帶子和須中的至少一種。
12.如權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑包括粉末。
13.如權利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑是包括至少一種電離粒子的活性等離子體催化劑。
14.如權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述至少一種電離粒子包括一束粒子。
15.如權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述粒子是x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子和質(zhì)子中的至少一種。
16.如權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述電離粒子包括放射性裂變的產(chǎn)物。
17.如權利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體在至少是大氣壓的壓力下在所述腔中形成。
18.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個管道包括多個管道。
19.如權利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述多個管道中的每一個具有不同的入口部分并共用一個相同的出口部分。
20.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述腔安排在這樣的位置，以使在使用中，進入所述腔的排氣的溫度近似等于入口部分處排氣的溫度。
21.一種處理發(fā)動機排氣的方法，該方法包括在至少一個腔中存在等離子體催化劑的情況下，通過對排氣施加頻率小于大約333GHz的電磁輻射，在發(fā)動機排氣中形成至少一種等離子體。
22.如權利要求21所述的方法，還包括在由等離子體形成時間測定的小于大約5秒的時間段內(nèi)獲得有效的運行溫度。
23.如權利要求22所述的方法，其中所述時間段小于大約1秒。
24.如權利要求21所述的方法，其中所述至少一個腔包括設置成單獨與相應的燃燒區(qū)域相連的多個腔，其中每個腔設置成相互之間流體連通從而在運行期間從每個腔流出的排氣能匯合。
25.如權利要求21所述的方法，其中所述排氣從燃燒區(qū)域排出時具有第一溫度，該方法還包括在溫度從第一溫度顯著下降之前將排氣引入所述腔。
26.如權利要求25所述的方法，其中所述等離子體的溫度大于大約1000攝氏度。
27.如權利要求24所述的方法，其中所述等離子體的溫度大于大約2500攝氏度。
28.如權利要求21所述的方法，其中所述至少一個腔位于沿至少一個管道，該管道包括設置成與發(fā)動機氣缸相連并接收發(fā)動機排氣的入口部分，用于排出所述氣體的出口部分，以及將所述排氣從所述入口部分傳送到所述出口部分的中間部分，其中每個腔位于與其對應的管道的入口部分附近。
29.如權利要求28所述的方法，其中每個管道具有不同的入口部分并共用一個相同的出口部分。
30.如權利要求22所述的方法，其中所述腔在所述入口部分中。
31.如權利要求22所述的方法，其中所述腔距所述入口部分比距所述出口部分近。
32.如權利要求21所述的方法，其中所述等離子體催化劑包括惰性等離子體催化劑和活性等離子體催化劑中的至少一種。
33.如權利要求32所述的方法，其中所述等離子體催化劑包括至少一種惰性等離子體催化劑，該惰性等離子體催化劑包括至少是半導電的材料。
34.如權利要求33所述的方法，其中所述材料包括金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基復合物、導電聚合物、導電硅橡膠彈性體、聚合物納米復合物和有機無機復合物中的至少一種。
35.如權利要求32所述的方法，其中所述材料的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細絲、紗、麻線、刨花、裂片、碎片、編織布、帶子和須中的至少一種。
36.如權利要求35所述的方法，其中所述等離子體催化劑包括粉末。
37.如權利要求32所述的方法，其中所述等離子體催化劑是包括至少一種電離粒子的活性等離子體催化劑。
38.如權利要求37所述的方法，其中所述至少一種電離粒子包括一束粒子。
39.如權利要求32所述的方法，其中所述粒子是x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子和質(zhì)子中的至少一種。
40.如權利要求21所述的方法，其中所述等離子體在至少是大氣壓的壓力下在所述腔中形成。
41.如權利要求21所述的方法，該方法包括按照預定的時序，第一燃燒區(qū)域和第二燃燒區(qū)域分別產(chǎn)生排氣的第一部分和第二部分，以與所述時序同步的方式將所述排氣的第一部分和第二部分暴露在輻射下。
42.一種發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個管道，該管道包括入口部分，設置成與發(fā)動機氣缸相連并接收發(fā)動機排氣，出口部分，用于排出所述氣體，以及中間部分，將所述排氣從所述入口部分傳送到所述出口部分，該中間部分的內(nèi)部尺寸設置成能支持至少一種電磁輻射模，從而在等離子體催化劑存在的情況下在所述排氣中形成等離子體；以及將電磁輻射提供到所述中間部分的源，其中所述輻射的頻率小于大約333GHz。
43.如權利要求42所述的系統(tǒng)，還包括在所述源和所述管道之間相連的同軸電纜。
44.如權利要求43所述的系統(tǒng)，還包括在所述源和所述管道之間的波導管。
45.如權利要求42所述的系統(tǒng)，還包括位于所述入口部分附近的至少一個輻射濾波器，以幫助防止所述輻射從所述管道中傳出。
46.如權利要求42所述的系統(tǒng)，還包括位于所述出口部分附近的至少一個輻射濾波器，以幫助防止所述輻射從所述管道中傳出。
47.如權利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述內(nèi)部尺寸設置成可以充當所述輻射的優(yōu)化的波導管。
48.如權利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個管道包括至少一個設置成與第一燃燒區(qū)域相連的第一管道和設置成與第二燃燒區(qū)域相連的第二管道，該系統(tǒng)還包括控制器，用于按照預定的時序，使在所述第一管道中的第一部分排氣暴露在輻射下，并使在所述第二管道中的第二部分排氣暴露在輻射下。
49.如權利要求48所述的系統(tǒng)，其中所述預定的時序使在任一時刻僅暴露一個所述排氣部分。
50.如權利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述管道具有同軸的形狀。
51.如權利要求50所述的系統(tǒng)，其中所述源通過同軸電纜與所述管道相連。
52.如權利要求51所述的系統(tǒng)，其中所述同軸電纜具有內(nèi)部橫截面尺寸，以及所述同軸管道具有與所述同軸電纜的內(nèi)部橫截面尺寸不同的內(nèi)部橫截面尺寸，該系統(tǒng)還包括采用一個錐形連接器使所述電纜和所述管道之間的連接基本上齊平。
53.如權利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述管道包括至少一個允許空氣進入所述管道并在將所述排氣傳送到所述出口之前進一步燃燒所述排氣的空氣口。
54.一種移動交通工具，該交通工具包括底盤；燃燒發(fā)動機，與所述底盤相連；發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)，設置成接收所述發(fā)動機的排氣，其中該系統(tǒng)包括至少一個管道，其中該管道包括設置成與發(fā)動機氣缸相連并接收發(fā)動機排氣的入口部分，用于排出所述氣體的出口部分，以及將所述排氣從所述入口部分傳送到所述出口部分的中間部分；至少一個等離子體腔，位于所述入口部分附近，用于處理所述排氣；以及電磁輻射源，設置成將輻射提供到所述腔中，其中輻射的頻率小于大約333GHz。
55.如權利要求54所述的交通工具，其中所述交通工具是汽車。
56.如權利要求54所述的交通工具，還包括在所述輻射中的等離子體催化劑。
57.如權利要求56所述的交通工具，其中所述等離子體催化劑包括惰性等離子體催化劑和活性等離子體催化劑中的至少一種。
58.如權利要求56所述的交通工具，其中所述等離子體催化劑包括碳纖維。
59.如權利要求54所述的交通工具，其中所述管道包括至少一個允許空氣進入所述管道并進一步燃燒所述排氣的空氣口。
全文摘要
本發(fā)明提供了等離子體輔助發(fā)動機排氣處理的方法和裝置。在一個實施例中，發(fā)動機排氣處理系統(tǒng)包括至少一個管道，該管道包括入口部分(215)、出口部分(216)、中間部分(205)和至少一個等離子體腔(210)。該入口部分設置成與發(fā)動機氣缸(510)相連并接收排氣。該出口部分在等離子體處理后排出所述氣體。該中間部分將排氣從入口部分傳送到出口部分。在一個實施例中，一個或多個等離子體腔(342，344，346)位于入口部分附近，用于處理排氣。該系統(tǒng)也包括與各腔相連的電磁輻射源(340)，用于將輻射提供到各腔，其中輻射的頻率小于大約333GHz。還提供了采用等離子體催化劑(70，170)的排氣處理。
文檔編號F01N3/30GK1653248SQ03810266
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月7日 優(yōu)先權日2002年5月8日
發(fā)明者K·A·謝里安, D·庫馬爾, S·庫馬爾 申請人:達納公司