專利名稱：排氣凈化裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種排氣凈化裝置及其控制方法，特別地，涉及一種用于凈化內(nèi)燃機(jī)排放廢氣的排氣凈化裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
廢氣，例如從汽車、垃圾焚化廠等排放出的廢氣，一般是在主要利用催化劑的凈化之后被排放到大氣中的。但是，隨著廢氣的相關(guān)法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，僅利用催化劑難以滿足所要求的凈化等級(jí)。此外，利用催化劑的凈化需要較高的廢氣溫度，因此在凈化處理開始階段，利用催化劑的凈化效率會(huì)比較低。
為了解決與使用催化劑相關(guān)的這些問題，提出了使用由放電產(chǎn)生的等離子體的各種系統(tǒng)。特別地，在汽車領(lǐng)域中，常見有結(jié)合使用放電和排氣凈化催化劑來(lái)凈化NOx，CO(一氧化碳)，HC(碳?xì)浠衔?以及PM(微粒物質(zhì))。
例如，日本未審查的專利公開(Kokai)NO.2001-159309提出了利用設(shè)在催化劑上游的放電裝置在排氣管內(nèi)產(chǎn)生放電，并將作為還原劑的碳?xì)浠飮娙氲椒烹娧b置的上游。根據(jù)這種技術(shù)，由于碳?xì)浠锏拇嬖?，能夠加速在放電裝置內(nèi)從NO到NO2的氧化過程。另外，該公開提出了將還原劑噴入到催化劑的上游，并在該催化劑上產(chǎn)生放電等離子體。根據(jù)這種技術(shù)，加速了催化劑上的反應(yīng)，因此凈化過程得以改善。
對(duì)于放電等離子體在凈化鍋爐、加熱爐等廢氣的使用，日本未經(jīng)審查的專利公開(Kokai)No.6-343820提出了將水汽供應(yīng)到等離子體發(fā)生裝置內(nèi)，并將獲得的水汽等離子體供應(yīng)到廢氣中，從而使廢氣中的有害成分被氧化而成為無(wú)害的。在該公開中，公開了通過將水汽加入到等離子體發(fā)生裝置中可以獲得諸如O、OH、H、H2O和O3等的活性化學(xué)物質(zhì)。
如上所述，針對(duì)廢氣的凈化已提出了等離子體的使用，特別是等離子體和催化劑的結(jié)合使用。但是，有關(guān)排氣凈化的限制近年來(lái)越來(lái)越嚴(yán)格，因此需要在排氣凈化裝置中作進(jìn)一步的改善。
因此，本發(fā)明提供一種新穎的排氣凈化裝置及其控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的排氣凈化裝置及其控制方法如下(1)一種排氣凈化裝置，包含放置于排氣管內(nèi)的NOx凈化催化劑，廢氣從中通過；等離子體發(fā)生器，用于將氣體轉(zhuǎn)化為等離子體并將等離子體供應(yīng)到NOx凈化催化劑上游的排氣管內(nèi)；切換裝置，用于選擇性地將循環(huán)廢氣和空氣之一作為要轉(zhuǎn)化為等離子體的氣體供應(yīng)到等離子體發(fā)生器中；以及噴射器，用于將還原劑加入到要轉(zhuǎn)化為等離子體的氣體中或通過等離子體發(fā)生器從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體中。
(2)如上(1)所述的排氣凈化裝置，其中等離子體發(fā)生器是等離子體焰炬，噴射器將還原劑加入到通過等離子體焰炬從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體中。
(3)如上(1)或(2)所述的排氣凈化裝置，其中該裝置進(jìn)一步包含供水裝置，用于將水加入到要轉(zhuǎn)化為等離子體的氣體中或通過等離子體發(fā)生器從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體中。
(4)如上(1)至(3)中任一個(gè)所述的排氣凈化裝置，其中該裝置進(jìn)一步包含微粒過濾器，它被放置在排氣管一個(gè)區(qū)域的下游中，通過等離子體發(fā)生器從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體被供應(yīng)到該區(qū)域中。
(5)一種用于控制如上(1)至(4)中任一個(gè)所述的排氣凈化裝置的方法，其中該方法包含當(dāng)滿足預(yù)定的還原條件時(shí)，通過使用切換裝置使循環(huán)廢氣供應(yīng)到等離子體發(fā)生器中，在由噴射器加入的還原劑的作用下，該循環(huán)廢氣被等離子體發(fā)生器轉(zhuǎn)化成等離子體；以及當(dāng)滿足預(yù)定的氧化條件時(shí)，通過使用切換裝置使空氣供應(yīng)到等離子體發(fā)生器中，在沒有由噴射器加入還原劑的情況下，該空氣被等離子體發(fā)生器轉(zhuǎn)化成等離子體。
(6)一種排氣凈化裝置，包含放置于排氣管內(nèi)的NOx凈化催化劑，廢氣從中通過；第一個(gè)等離子體發(fā)生器，用于將循環(huán)廢氣轉(zhuǎn)化為等離子體并將等離子體供應(yīng)到NOx凈化催化劑上游的排氣管內(nèi)；噴射器，用于將還原劑加入到要轉(zhuǎn)化為等離子體的循環(huán)廢氣中或通過第一等離子體發(fā)生器從循環(huán)廢氣轉(zhuǎn)化成的等離子體中；以及第二個(gè)等離子體發(fā)生器，用于將空氣轉(zhuǎn)化為等離子體并將該等離子體供應(yīng)到排氣管內(nèi)。
(7)如上(6)所述的排氣凈化裝置，其中第一個(gè)等離子體發(fā)生器是等離子體焰炬，噴射器將還原劑加入到通過該等離子體焰炬從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體中。
(8)如上(6)或(7)所述的排氣凈化裝置，其中第二個(gè)等離子體發(fā)生器是等離子體焰炬。
(9)如上(6)至(8)中任一個(gè)所述的排氣凈化裝置，其中該裝置進(jìn)一步包含供水裝置，用于將水加入到要轉(zhuǎn)化為等離子體的氣體中或通過第一和第二個(gè)等離子體發(fā)生器中的至少一個(gè)從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體中。
(10)如上(6)至(9)中任一個(gè)所述的排氣凈化裝置，其中該裝置進(jìn)一步包含微粒過濾器，它被放置在排氣管一個(gè)區(qū)域的下游中，通過第二個(gè)等離子體發(fā)生器從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體被供應(yīng)進(jìn)去。
(11)一種用于控制如上(6)至(10)中任一個(gè)所述的排氣凈化裝置的方法，其中該方法包含當(dāng)滿足預(yù)定的還原條件時(shí)，循環(huán)廢氣在由噴射器加入的還原劑的作用下被第一個(gè)等離子體發(fā)生器轉(zhuǎn)化成等離子體，特別地，第二個(gè)等離子體發(fā)生器沒有工作；以及當(dāng)滿足預(yù)定的氧化條件時(shí)，空氣被第二個(gè)等離子體發(fā)生器轉(zhuǎn)化成等離子體，特別地，第一個(gè)等離子體發(fā)生器沒有工作。
根據(jù)如上(1)或(6)所述的排氣凈化裝置，可以選擇性地將循環(huán)廢氣或空氣轉(zhuǎn)化為等離子體。此外，根據(jù)這些實(shí)施例的排氣凈化裝置，還原劑是可選地被加入到要轉(zhuǎn)化成等離子體的氣體中或通過等離子體發(fā)生器從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體中，從而使還原劑能夠通過自由基形成和裂化而被轉(zhuǎn)化成具有高反應(yīng)性的低分子量的成分，以及/或能夠被汽化。
根據(jù)如上(2)、(7)或(8)所述的排氣凈化裝置，等離子體可以在一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生，即，在相對(duì)較小的能耗下可以獲得較高的等離子體濃度。
在本發(fā)明中使用的術(shù)語(yǔ)“等離子體焰炬”表示一種等離子體發(fā)生裝置，用于將供應(yīng)進(jìn)來(lái)的氣體轉(zhuǎn)化成等離子體并提供等離子體；特別是一種能夠從其末端噴出所獲得的等離子體的等離子體發(fā)生裝置。
根據(jù)如上(3)或(9)所述的排氣凈化裝置，水能夠被供應(yīng)到要轉(zhuǎn)化為等離子體的循環(huán)廢氣和空氣中的一個(gè)或兩個(gè)，或者是從這些氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體中，以產(chǎn)生OH基和O基等。
供水裝置可以是一種用于將水作為水汽添加的裝置，或者是一種用于通過噴射而添加水的噴水器。此外，若供水裝置是噴水器，該噴水器可以是與還原劑噴射器分開的噴水器，但是用于噴射還原劑的噴射器可以與用于加水的供水裝置同時(shí)工作。
根據(jù)如上(4)或(10)所述的排氣凈化裝置，廢氣特別是柴油機(jī)廢氣中的PM(微粒物質(zhì))能夠被捕集在放置于排氣管內(nèi)的微粒過濾器上。
根據(jù)如上(5)或(11)所述的控制方法，在滿足還原條件時(shí)通過利用加入的還原劑而將循環(huán)廢氣轉(zhuǎn)化為等離子體，使還原劑能夠通過自由基形成和裂化而被有效地轉(zhuǎn)化為具有高反應(yīng)性的低分子量的成分，以及/或能夠被汽化。這是因?yàn)檠h(huán)廢氣具有較低的氧氣濃度，由于與氧氣的反應(yīng)而消耗較少的還原劑；而還原劑被循環(huán)廢氣稀釋，從而抑制積炭的產(chǎn)生。
“還原條件”可以被預(yù)定為這樣的一個(gè)條件，其中優(yōu)選地將活性還原氣體供應(yīng)到廢氣流中。例如，還原條件可以被預(yù)定為NOx的還原，特別是存儲(chǔ)于NOx存儲(chǔ)還原催化劑中的NOx的還原由于獲得的活性還原劑的作用而被加速。具體來(lái)說，還原條件可以被預(yù)定為在預(yù)定間隔下進(jìn)行一次還原反應(yīng)。
當(dāng)循環(huán)廢氣在加水的條件下被轉(zhuǎn)化為等離子體的情況下，通過把水轉(zhuǎn)化為等離子體而獲得的OH(氫氧根)基、O(氧)基等會(huì)加速裂化和重組；并與由等離子體斷開的還原劑分子鏈的末端結(jié)合，從而防止不飽和碳?xì)浠衔锏漠a(chǎn)生，或抑制積炭的產(chǎn)生。
此外，根據(jù)如上(5)或(11)所述的控制方法，當(dāng)滿足氧化條件，通過在沒有由噴射器加入還原劑的情況下將空氣轉(zhuǎn)化為等離子體，可以有效地獲得高氧化性物質(zhì)，如氧基、臭氧等。這是因?yàn)榭諝獗妊h(huán)廢氣具有更高的氧氣濃度。
“氧化條件”可以被預(yù)定為這樣的一個(gè)條件，其中優(yōu)選地將活性氧化氣體供應(yīng)到廢氣流中。因此，例如，氧化條件可以被預(yù)定為，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)剛剛起動(dòng)，活性氧化氣體被供應(yīng)到低溫廢氣流中，以促進(jìn)低溫廢氣中的HC(所謂的冷HC)的氧化。
若被控制的排氣凈化裝置進(jìn)一步包含微粒過濾器，特別是所謂的柴油微粒過濾器，氧化條件就可以被預(yù)定為，當(dāng)預(yù)定量的PM積聚在過濾器上時(shí)，活性氧化氣體被供應(yīng)到廢氣流中，以促進(jìn)過濾器上積聚PM的氧化清除。在微粒過濾器上PM的積聚量可以從通過微粒過濾器的氣流阻力、自上次氧化處理之后經(jīng)過的時(shí)間等來(lái)確定。
在空氣是在加水的條件下被轉(zhuǎn)化為等離子體的情況下，氧基、臭氧和OH基的產(chǎn)量進(jìn)一步被提高。這是因?yàn)樗肿尤菀桩a(chǎn)生OH基，而OH基則發(fā)起各種反應(yīng)。


圖1是一張示意圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的排氣凈化裝置的一個(gè)實(shí)施例。
圖2是一張示意圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的排氣凈化裝置的另一個(gè)圖3是一張放大橫斷面圖，顯示了能夠被應(yīng)用于本發(fā)明中的噴射器。
圖4a和4b分別是示意透視圖和橫斷面圖，顯示了能夠被應(yīng)用于本發(fā)明中的一個(gè)等離子體發(fā)生器。
圖5a和5b分別是示意透視圖和橫斷面圖，顯示了能夠被應(yīng)用于本發(fā)明中的另一個(gè)等離子體發(fā)生器。
圖6是一張示意橫斷面圖，顯示了一種還原劑通過等離子體焰炬的等離子體轉(zhuǎn)化的概念。
圖7是一張示意橫斷面圖，顯示了能夠被應(yīng)用于本發(fā)明中的電子放電等離子體焰炬和噴射器的一個(gè)實(shí)施例。
圖8是一張示意橫斷面圖，顯示了能夠被應(yīng)用于本發(fā)明中的電子放電等離子體焰炬和噴射器的另一個(gè)實(shí)施例。
圖9是一張示意橫斷面圖，顯示了能夠被應(yīng)用于本發(fā)明中的電子放電等離子體焰炬和噴射器的再一個(gè)實(shí)施例。
圖10是一張示意橫斷面圖，顯示了能夠被應(yīng)用于本發(fā)明中的、用于噴射還原劑和水的一個(gè)噴嘴。
圖11是一張示意橫斷面圖，顯示了感應(yīng)耦合等離子體焰炬和噴射器的一個(gè)實(shí)施例。
圖12是一張示意橫斷面圖，顯示了微波等離子體焰炬和噴射器的一個(gè)實(shí)施例。
圖13是一張示意橫斷面圖，顯示了用于用等離子體進(jìn)行烴分子裂化的實(shí)驗(yàn)裝置。
圖14是一張示意橫斷面圖，顯示了被應(yīng)用于如圖13所示的實(shí)驗(yàn)裝置中的一個(gè)噴嘴。
具體實(shí)施例方式
在下面基于如附圖所示的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了明確的說明。每張附圖是用于顯示本發(fā)明概念的一個(gè)視圖，但是本發(fā)明并不受限于這些實(shí)施例。
<根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)排氣凈化裝置>
圖1原理地顯示了本發(fā)明的排氣凈化裝置的一個(gè)實(shí)施例。
如圖1所示，本發(fā)明的排氣凈化裝置10包含NOx凈化催化劑1，它被放置于內(nèi)燃機(jī)(ENG)的排氣管11內(nèi)；等離子體發(fā)生器2，它用于將氣體(箭頭14)轉(zhuǎn)化成等離子體并將等離子體供應(yīng)到NOx凈化催化劑1上游的排氣管11中；切換裝置3，它用于選擇性地將循環(huán)廢氣(箭頭13)和空氣(箭頭12)之一供應(yīng)到等離子體發(fā)生器2中；以及噴射器4，它用于將還原劑(箭頭16)添加到要被供應(yīng)給等離子體發(fā)生器2的氣體(箭頭14)或由等離子體發(fā)生器2產(chǎn)生的等離子體15中。等離子體發(fā)生器由電源5供電。利用泵6，空氣(箭頭12)通過切換裝置3而被供應(yīng)到等離子體發(fā)生器3中。從內(nèi)燃機(jī)(ENG)排出的廢氣流經(jīng)NOx凈化催化劑1，然后如箭頭17所示排出。
當(dāng)使用如圖1所示的排氣凈化裝置10時(shí)，必要時(shí)，循環(huán)廢氣(箭頭13)或空氣(箭頭12)被轉(zhuǎn)化成等離子體，并且可選擇地，還原劑(箭頭16)被添加到要被供應(yīng)給等離子體發(fā)生器2的空氣(箭頭12)中或由等離子體發(fā)生器2產(chǎn)生的等離子體15中。
也就是說，在使用如圖1所示的排氣凈化裝置10時(shí)，當(dāng)預(yù)定還原條件滿足，就可以在噴射器4添加還原劑的情況下由等離子體發(fā)生器將循環(huán)廢氣轉(zhuǎn)化成等離子體，使得還原劑通過自由基形成和裂化而被轉(zhuǎn)化成具有高反應(yīng)性的低分子量的成分，并且/或被汽化。另外，當(dāng)預(yù)定的氧化條件滿足，就可以在噴射器4不添加還原劑的情況下由等離子體發(fā)生器2將空氣轉(zhuǎn)化成等離子體，從而有效地產(chǎn)生具有高氧化活性的氧基、臭氧等。
還原和氧化條件的判斷、基于該判斷而對(duì)循環(huán)廢氣和空氣的開關(guān)控制、以及添加還原劑的控制等，可以利用多功能的電子裝置如ECU(發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元)、單功能的電子裝置等來(lái)實(shí)現(xiàn)。
<根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)排氣凈化裝置>
圖2示意性地顯示了本發(fā)明的排氣凈化裝置的另一個(gè)實(shí)施例。
如圖2所示的本發(fā)明的排氣凈化裝置包含兩個(gè)等離子體發(fā)生器2a和2b，它們分別用于循環(huán)氣體和空氣，而如圖1所示的本發(fā)明的排氣凈化裝置10可以交替地將循環(huán)廢氣和空氣供應(yīng)到一個(gè)等離子體發(fā)生器中。對(duì)應(yīng)這個(gè)修改，如圖2所示的本發(fā)明的排氣凈化裝置20包含控制閥3a和3b，而不是切換裝置3，并分別通過電源5a和5b給等離子體發(fā)生器2a和2b供電。
在使用如圖2所示排氣凈化裝置20、并且預(yù)定還原條件滿足時(shí)，可以在添加還原劑的情況下將循環(huán)廢氣轉(zhuǎn)化成等離子體。另外，當(dāng)預(yù)定氧化條件滿足時(shí)，可以在不添加還原劑的情況下將空氣轉(zhuǎn)化成等離子體。
對(duì)于還原和氧化條件、控制裝置等的細(xì)節(jié)，可以參考對(duì)如圖1所示的本發(fā)明的排氣凈化裝置10的說明。
下面更加詳細(xì)地說明本發(fā)明的排氣凈化裝置的每一個(gè)部件。
<NOx凈化催化劑>
能夠被用于本發(fā)明的排氣凈化裝置中的NOx凈化催化劑1可以是能夠催化NOx到N2的還原的任何一種催化劑。NOx凈化催化劑可以是所謂的NOx存儲(chǔ)還原催化劑、NOx選擇還原催化劑或三元催化劑。
NOx存儲(chǔ)還原催化劑是這樣的一種催化劑，當(dāng)空燃比為貧油(稀)時(shí)，它存儲(chǔ)NOx，而當(dāng)空燃比為富油(濃)時(shí)，即當(dāng)提供一個(gè)富油尖峰(當(dāng)燃料被噴入到廢氣流中)，它將存儲(chǔ)的NOx還原為N2。例如，NOx存儲(chǔ)還原催化劑是這樣一種催化劑，其中多孔金屬氧化物如氧化鋁攜帶著一個(gè)或多個(gè)貴金屬如Pt、Rh、Pd、Ir和Ru，以及一個(gè)或多個(gè)NOx存儲(chǔ)元件如堿金屬、堿土金屬和稀土金屬。
NOx選擇還原催化劑是這樣一種催化劑，它在廢氣中選擇性地還原或分解NOx。NOx選擇還原催化劑被用于凈化在稀空燃比下工作的內(nèi)燃機(jī)排放的廢氣中的NOx。例如，NOx選擇還原催化劑是與過渡金屬元素如Cu交換的沸石，或者是攜帶一個(gè)或多個(gè)貴金屬的沸石或氧化鋁。
三元催化劑是這樣的一種催化劑，它把在接近于理論空燃比下工作的內(nèi)燃機(jī)排放的廢氣中的CO、HC和NOx轉(zhuǎn)化為CO2、H2O和N2。例如，三元催化劑是攜帶Pt和Rh混合物或Pd和Rh混合物的氧化鋁。
這些催化劑可以被攜帶在任何基片上，如通過沖蝕鍍刻處理等的陶瓷蜂窩基片。
<用于供氣的切換裝置和控制閥>
能夠被用于本發(fā)明的排氣凈化裝置中的用于供氣的切換裝置3可以是任何類型的裝置，如能夠交替地供應(yīng)循環(huán)廢氣和空氣的切換閥?？刂崎y3a和3b可以是能夠控制循環(huán)廢氣和空氣供應(yīng)的任何類型的閥。
<噴射器>
能夠被用于本發(fā)明的排氣凈化裝置中的噴射器4可以是任何類型的能夠噴出還原劑的裝置，如具有用于將燃料直接噴射到內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)的噴射器的常見結(jié)構(gòu)的裝置。
例如，該噴射器如圖3所示。如圖3所示的噴射器4包含一個(gè)近乎圓柱形的噴嘴32，該噴嘴中具有一個(gè)空腔33，還包含一個(gè)近乎柱形的針閥34，該針閥在噴嘴32的空腔33中滑動(dòng)(移動(dòng))。噴嘴32和針閥34被布置成它們的軸線A同軸。在噴嘴32中，有一個(gè)與空腔33相通的輸送道35。輸送道35被連接到燃料源(沒有顯示)上，高壓燃料通過該輸送道35而被供應(yīng)到空腔33中。供應(yīng)的燃料通過針閥34和噴嘴32的內(nèi)壁面之間的環(huán)形通道36而流到噴嘴32的末端部分38，并在噴嘴32的末端部分38上從噴射孔39被噴射出去。在該噴射器中，通過在空腔33中滑動(dòng)針閥34而使針閥34的末端與噴嘴末端部分38的內(nèi)壁面接觸，噴射孔39的入口被關(guān)閉或打開，從而控制燃料從噴射口39的噴射。
由噴射器噴射的還原劑可以任意選擇，可以是碳?xì)浠衔?，如汽油、輕油、乙醚或酒精。也就是說，若本發(fā)明的排氣凈化裝置被用于凈化內(nèi)燃機(jī)排放的廢氣，用于產(chǎn)生內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的燃料如汽油，或另一種還原劑都可以被用作為本發(fā)明的還原劑。
<等離子體發(fā)生器>
能夠被用于本發(fā)明的排氣凈化裝置中的等離子體發(fā)生器2、2a和2b可以有任何類型的結(jié)構(gòu)，只要它能夠?qū)⒐?yīng)進(jìn)來(lái)的氣體轉(zhuǎn)化成等離子體并將該等離子體供應(yīng)到排氣管中。等離子體發(fā)生器2、2a和2b可以是一種使用電子放電而產(chǎn)生等離子體的電子放電等離子體發(fā)生器，使用微波而產(chǎn)生等離子體的微波等離子體發(fā)生器，或者是使用感應(yīng)耦合而產(chǎn)生等離子體的感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生器。另外，該等離子體發(fā)生器也可以是如日本未經(jīng)審查的專利申請(qǐng)No.2001-159309和6-343820中所示的一種電子放電等離子體發(fā)生器。
能夠被應(yīng)用于本發(fā)明的排氣凈化裝置中的等離子體發(fā)生器可以是這樣一種類型，它能夠在該等離子體發(fā)生器中形成一個(gè)等離子體發(fā)生空間。圖4a和4b分別顯示了該等離子體發(fā)生器的一個(gè)透視圖和一個(gè)側(cè)剖視圖。
如圖4a和4b所示的等離子體發(fā)生器40包含一個(gè)柱形外電極42和一個(gè)位于外電極42的中心軸上的中央電極。在柱形外電極42和中央電極44之間形成有一個(gè)氣流通道43，要被轉(zhuǎn)化成等離子體的氣體從中流過。當(dāng)使用該等離子體發(fā)生器40時(shí)，要被轉(zhuǎn)化成等離子體的氣體如箭頭45和46所示通過氣流通道43，電壓被施加在柱形外電極42和中央電極44之間，從而在氣流通道43內(nèi)產(chǎn)生放電。
中央電極44可以由任何類型的材料組成，只要能夠在中央電極44和柱形外電極42之間施加電壓。這種材料可以是導(dǎo)電材料，半導(dǎo)體材料等，特別是金屬，如銅、鎢、不銹鋼、鐵、鉑和鋁，其中不銹鋼由于它耐用、成本低最為合適。中央電極44可以是金屬線，但它應(yīng)該是空心桿。
柱形外電極42可以由上述用于中央電極44的任何材料組成。外電極42可以這樣制成，通過在限定氣流通道43的絕緣柱形體周圍包圍一層由這些金屬材料制成的金屬網(wǎng)或金屬薄片，或通過在該限定氣流通道43的絕緣柱形體的外圍表面上應(yīng)用一層導(dǎo)電性膠。
電源5可以是供應(yīng)脈沖或恒定直流電(DC)，或交流電(AC)的電源。被施加在中央電極44和柱形外電極42之間的電壓和該施加電壓的脈沖周期可以是一般用于產(chǎn)生等離子體所使用的電壓和脈沖周期。任何電壓如直流電壓、交流電壓和周期性波形電壓都能夠被施加在這些電極之間。優(yōu)選地施加直流脈沖電壓，例如具有50kV脈沖電壓和2000Hz脈沖循環(huán)的直流電壓，這是因?yàn)樗軌虍a(chǎn)生穩(wěn)定的電暈放電?？梢噪S意確定直流脈沖電壓的施加電壓、脈沖寬度和脈沖周期，只要能產(chǎn)生電暈放電就行。為了產(chǎn)生電暈放電，高電壓和短脈沖循環(huán)是想要的，盡管這些參數(shù)可能受該裝置的設(shè)計(jì)如經(jīng)濟(jì)值等所限。在直流電壓被施加在中央電極44和柱形外電極42之間的情況下，中央電極44可以是陰極或陽(yáng)極。此外，其中一個(gè)電極可以接地。
能夠被應(yīng)用本發(fā)明的排氣凈化裝置中的等離子體發(fā)生器可以是如圖5a和5b所示的等離子體發(fā)生器。圖5a和5b分別顯示了該等離子體發(fā)生器的一個(gè)透視圖和一個(gè)側(cè)剖視圖。
如圖5a和5b所示的等離子體發(fā)生器50包含一個(gè)上游和下游網(wǎng)狀電極52和54，以及一個(gè)氣流通道53，要被轉(zhuǎn)化成等離子體的氣體從中經(jīng)過。當(dāng)使用該等離子體發(fā)生器50時(shí)，要被轉(zhuǎn)化成等離子體的氣體如箭頭55和56所示通過氣流通道53，電源5在網(wǎng)狀電極52和54之間施加電壓，從而在氣流通道53內(nèi)產(chǎn)生電子放電。用于如圖4a和4b所示的等離子體發(fā)生器的電極、電源等的材料的說明，可以適用于如圖5a和5b所示的等離子體發(fā)生器50。
<等離子體發(fā)生器——等離子體焰炬>
能夠被應(yīng)用于本發(fā)明的排氣凈化裝置中的等離子體發(fā)生器2、2a和2b可以是等離子體焰炬，它能夠?qū)怏w轉(zhuǎn)化成等離子體并將等離子體噴出。在這種情況下，可以將還原劑添加到供應(yīng)給等離子體焰炬的氣體中，以轉(zhuǎn)化氣體和還原劑的混合物，或者將還原劑添加到從等離子體焰炬噴出的等離子體中。
在還原劑被添加到從等離子體焰炬噴出的等離子體中的情況下，該還原劑可以從位于噴射器4的噴嘴32的末端部分38上的噴射口39中噴出到等離子體中，特別是接近噴射器的噴射口39的等離子體60中。在等離子體60被等離子體焰炬產(chǎn)生于接近噴射器的噴射口39的區(qū)域的情況下，在噴射口39附近的等離子體60并不是一個(gè)整體，而是空間如排氣管的一部分，其中還原劑被噴射器噴射，也可以是，例如以噴射口39為中心5cm內(nèi)、特別是2cm內(nèi)、更特別地是1cm內(nèi)的一個(gè)區(qū)域。
等離子體焰炬可以與用于噴射還原劑的噴射器分開。在這種情況下，供應(yīng)等離子體的區(qū)域與噴射器分開，從而可以防止噴射器由于等離子體的存在而磨損。
噴射器的噴嘴可以被布置在等離子體焰炬內(nèi)，這樣，要被轉(zhuǎn)化成等離子體的氣體能夠在等離子體焰炬的內(nèi)壁和噴射器的噴嘴之間通過。在這種情況下，能夠改善等離子體和從噴射器噴出的還原劑之間的接觸。
在如上所述噴射器的噴嘴被布置在等離子體焰炬內(nèi)的情況下，通過使噴射器的噴嘴作為一個(gè)放電電極，并在該噴嘴和與其耦合的一個(gè)電極之間施加電壓而產(chǎn)生電子放電，可以在噴射器的噴射口附近產(chǎn)生放電等離子體。另外，在這種情況下，通過將感應(yīng)線圈包圍噴射器的噴射口，從高頻電源供應(yīng)高頻電流到該感應(yīng)線圈上，并在噴射口的附近產(chǎn)生磁場(chǎng)以及渦電流，可以在噴射口的附近產(chǎn)生感應(yīng)耦合等離子體。
<等離子體發(fā)生器——等離子體焰炬>
能夠被用于本發(fā)明中的等離子體焰炬可以有任何類型的結(jié)構(gòu)，例如，可以具有如圖7至12所示的結(jié)構(gòu)。
<等離子體發(fā)生器——等離子體焰炬——電子放電等離子體焰炬>
如圖7所示的等離子體焰炬70a使用電子放電等離子體。在如圖7所示的電子放電等離子體焰炬中，放電電極76被放置在導(dǎo)電圓柱管72的中軸線上，要被轉(zhuǎn)化成等離子體的氣體從該導(dǎo)電圓柱管中通過，另外在導(dǎo)管72和放電電極76之間有絕緣材料74。導(dǎo)管72和放電電極76分別接地和電源5，從而作為反電極工作。導(dǎo)管72和放電電極76可以是陰極或陽(yáng)極。另外，導(dǎo)管72或放電電極76可以接地。
在使用等離子體焰炬70a和70b時(shí)，通過使用電源5，在導(dǎo)管72和放電電極76之間產(chǎn)生放電，從而使通過氣流通道而被供應(yīng)到等離子體焰炬中的氣體73被轉(zhuǎn)化成等離子體。還原劑從噴射器4中被噴射到等離子體區(qū)域60中。
在圖7中，導(dǎo)管被用作為電極，但當(dāng)然也可以用一個(gè)獨(dú)立的電極作為放電電極76的反電極。
另外可以使用如圖8所示的一個(gè)機(jī)構(gòu)，其中用于噴射還原劑的噴射器4的噴嘴被布置在等離子體焰炬內(nèi)，要被轉(zhuǎn)化成等離子體的氣體73從等離子體焰炬的圓柱導(dǎo)管72內(nèi)壁和噴射器4的噴嘴之間經(jīng)過。噴射器4的噴嘴可以被用作為一個(gè)電極。
另外，在產(chǎn)生等離子體的區(qū)域中添加水的情況下，如圖9所示，可以使用一個(gè)附加的用于噴水的噴射器4’。在這種情況下，如圖10所示，可以用具有兩個(gè)共軸通道并能噴射還原劑和水的噴嘴38’來(lái)取代用于噴射還原劑的噴射器4的噴嘴。
在使用電子放電的等離子體焰炬70a和70b中，用作為一個(gè)電極的部分可以由這樣一種材料組成，在電極之間施加電壓時(shí)它能夠工作為一個(gè)放電電極。至于這樣一種材料，可以使用導(dǎo)電材料或半導(dǎo)體材料，優(yōu)選為金屬材料如銅、鎢、不銹鋼、鐵和鋁。特別地，在弧光放電中，電極達(dá)到很高的溫度，因此，優(yōu)選地使用一種高熔點(diǎn)的材料，如鎢。另外，可以在這種導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料上放置絕緣材料，以產(chǎn)生勢(shì)壘放電。
放電等離子體表示的是通過使在電極之間電子放電而產(chǎn)生的高能電子撞擊氣體分子，從而將該氣體分子電離成正離子和負(fù)離子。為了產(chǎn)生這種放電等離子體，可以使用任何放電模式，也可以使用弧光放電或電暈放電，例如勢(shì)壘放電。
在通過使用弧光放電而在等離子體焰炬中產(chǎn)生等離子體的情況下，電源5可以供應(yīng)1至50V的電壓和5至500A的電流。在弧光放電中，通過從陰極發(fā)射出的電子而維持電子放電。至于用于產(chǎn)生弧光放電的電流，不僅是直流電，也可以使用交流電。
弧光放電的優(yōu)勢(shì)在于，通過提高放電電流或放電電壓，可以容易地增大輸出，并且可以長(zhǎng)時(shí)間地持續(xù)穩(wěn)定的電子放電。另外，弧光放電的優(yōu)勢(shì)在于，用于產(chǎn)生弧光放電的裝置和技術(shù)比較簡(jiǎn)單，設(shè)備的成本相對(duì)較低。
在通過使用電暈放電而在等離子體焰炬中產(chǎn)生等離子體的情況下，電源5可以供應(yīng)脈沖直流電或脈沖交流電。至于在電極之間施加的電壓，可以使用1至100kV的電壓，例如一般為5至20kV。施加電壓的脈沖周期可以從0.1μs至10ms，特別是從0.1至10μs。
附帶說明一下，考慮到等離子體的穩(wěn)定性和電極的耐用性，優(yōu)選地通過在電極上放置一層絕緣材料而產(chǎn)生勢(shì)壘放電。
<等離子體發(fā)生器——等離子體焰炬——感應(yīng)耦合等離子體焰炬>
如圖11所示的等離子體焰炬110使用了感應(yīng)耦合等離子體。在如圖11所示的等離子體焰炬110中，用于通過要被轉(zhuǎn)化成等離子體的氣體的導(dǎo)管112的末端部分由一種電磁波傳遞材料形成，例如，絕緣材料如石英，以及用于產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)的感應(yīng)線圈114被布置在該末端部分的周圍。感應(yīng)線圈的一端通過匹配盒119而連接到高頻電源5’上，另一端接地。
當(dāng)使用等離子體焰炬110時(shí)，高頻電流從高頻電源5’中被提供給感應(yīng)線圈114，同時(shí)通過匹配盒119調(diào)整阻抗，使得在導(dǎo)管112的末端部分內(nèi)產(chǎn)生電磁場(chǎng)和渦電流，從而在導(dǎo)管112內(nèi)及其周圍內(nèi)感應(yīng)地產(chǎn)生等離子體60。至于在這里使用的高頻電流，例如，可以使用2至50MHz、特別是3至40MHz頻率的電流。
在考慮到耐久性時(shí)，這種感應(yīng)耦合等離子體為優(yōu)選的，這是因?yàn)榭梢苑乐闺姌O(金屬部分)直接暴露在高溫的等離子體中。
在使用感應(yīng)耦合等離子體的等離子體焰炬110中，與放電等離子體焰炬70a、70b相似，用于噴射還原劑的噴射器4的噴嘴可以被布置在等離子體焰炬內(nèi)，并且可以進(jìn)一步將水供應(yīng)到產(chǎn)生等離子體的區(qū)域中。
<等離子體發(fā)生器——等離子體焰炬——微波等離子體焰炬>
如圖12所示的等離子體焰炬120產(chǎn)生微波等離子體。在如圖12所示的等離子體焰炬120中，一種等離子體激勵(lì)材料125被布置在用于傳遞要被轉(zhuǎn)化成等離子體的氣體的導(dǎo)管內(nèi)。一旦接受微波的放射，這種等離子體激勵(lì)材料125就在其周圍加速等離子體的激勵(lì)。這種等離子體激勵(lì)材料例如可以是導(dǎo)電陶瓷，特別地，導(dǎo)電陶瓷燒結(jié)體如SiC燒結(jié)體。
當(dāng)使用該等離子體焰炬120時(shí)，由微波發(fā)生裝置如磁電管產(chǎn)生的微波，例如頻率約為2.54GHz的微波，通過波導(dǎo)管并從天線上放射到要轉(zhuǎn)化成等離子體的氣體上，從而使電場(chǎng)強(qiáng)度加強(qiáng)并產(chǎn)生等離子體。
特別地，在大氣壓力或高于大氣壓力的氣體壓力下產(chǎn)生微波等離子體的情況下，有利地使用等離子體激勵(lì)材料125，并通過照射微波在該等離子體激勵(lì)材料上而在該等離子體激勵(lì)材料的周圍產(chǎn)生等離子體。
考慮到耐久性時(shí)，優(yōu)選使用微波等離子體，這是因?yàn)榭梢苑乐闺姌O(金屬部分)直接暴露在高溫的等離子體中。
在使用微波等離子體的等離子體焰炬中，與放電等離子體焰炬70a、70b相似，用于噴射還原劑的噴射器4的噴嘴可以被布置在等離子體焰炬內(nèi)，并且可以進(jìn)一步將水供應(yīng)到產(chǎn)生等離子體的區(qū)域中。
<等離子體>
一般來(lái)說，“等離子體”表示在這樣的一個(gè)狀態(tài)下的一種物質(zhì)，其中兩個(gè)或多個(gè)自由運(yùn)動(dòng)的帶正電和帶負(fù)電的粒子同時(shí)存在。因此，在等離子體狀態(tài)下的物質(zhì)具有較高的勢(shì)能，還原劑通過在等離子體中的自由基形成和裂化，可以被轉(zhuǎn)化為具有高反應(yīng)性的低分子量的成分。此外，即使還原劑以液滴的狀態(tài)供應(yīng)，它也可以立即被汽化，并且通過自由基形成和裂化被轉(zhuǎn)化為具有高反應(yīng)性的低分子量的成分。
<等離子體——通過等離子體的還原劑裂化>
考慮到等離子體的高能狀態(tài)，通過將至少一部分的還原劑轉(zhuǎn)化為等離子體，就可以立即進(jìn)行還原劑的汽化、自由基形成和裂化，這對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員來(lái)說是顯而易見的。但是，在下面，通過將碳?xì)浠?C13H28)轉(zhuǎn)化為等離子體而引起裂化等反應(yīng)是經(jīng)過了試驗(yàn)證實(shí)的。
使用了如圖13所示的一個(gè)試驗(yàn)裝置。在該實(shí)驗(yàn)中，來(lái)自燃料供應(yīng)的燃料(C13H28)以及來(lái)自N2供應(yīng)的作為氣體載體的N2被混合并通過噴嘴而供應(yīng)到腔室內(nèi)。通過放電，在噴嘴內(nèi)產(chǎn)生放電等離子體。在該實(shí)驗(yàn)中，可以觀察到個(gè)放電等離子體從噴嘴的末端被噴出。N2也從N2供應(yīng)中直接供應(yīng)到該腔室內(nèi)。從腔室排放出來(lái)的廢氣經(jīng)過氣體色譜儀的分析。
圖14顯示了在本實(shí)驗(yàn)中使用的用于產(chǎn)生等離子體的噴嘴。如圖14所示的噴嘴包含空心圓柱形電極142和布置在圓柱形電極142的中軸線上的桿狀電極144。在這兩個(gè)電極之間形成了氣流通道146。箭頭148顯示了通過氣流通道146的氣流。在該噴嘴中，通過電源143在空心圓柱形電極142和布置于其中軸線上的桿狀電極144之間施加電壓，從而在空心圓柱形電極142的末端部分142a和桿狀電極144的末端部分144a之間產(chǎn)生電子放電。附帶提一下，玻璃管被放置在圓柱形電極內(nèi)，以產(chǎn)生勢(shì)壘放電。
根據(jù)該實(shí)驗(yàn)，只有在通過電子放電而產(chǎn)生等離子體時(shí)，氣體色譜儀才測(cè)量到C1至C3成分。這揭示了等離子體能夠?qū)⑾鄬?duì)較大的分子(C13H28)裂化成相對(duì)較小的分子(C1至C3)。
權(quán)利要求
1.一種排氣凈化裝置，包含放置于排氣管內(nèi)的NOx凈化催化劑，廢氣從中通過；等離子體發(fā)生器，用于將氣體轉(zhuǎn)化為等離子體并將等離子體供應(yīng)到NOx凈化催化劑上游的排氣管內(nèi)；切換裝置，用于選擇性地將循環(huán)廢氣和空氣之一作為要轉(zhuǎn)化為等離子體的氣體供應(yīng)到等離子體發(fā)生器中；以及噴射器，用于將還原劑加入到要轉(zhuǎn)化為等離子體的氣體中或通過等離子體發(fā)生器從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的排氣凈化裝置，其中等離子體發(fā)生器是等離子體焰炬，噴射器將還原劑添加到通過該等離子體焰炬從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的排氣凈化裝置，其中該裝置進(jìn)一步包含供水裝置，用于將水添加到要轉(zhuǎn)化為等離子體的氣體中或通過等離子體發(fā)生器從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一條的排氣凈化裝置，其中該裝置進(jìn)一步包含微粒過濾器，它被放置在排氣管一個(gè)區(qū)域的下游中，通過等離子體發(fā)生器從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體被供應(yīng)到該區(qū)域中。
5.一種用于控制根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一條的排氣凈化裝置的方法，其中該方法包含當(dāng)滿足預(yù)定的還原條件時(shí)，通過使用切換裝置將循環(huán)廢氣供應(yīng)到等離子體發(fā)生器中，在由噴射器加入還原劑的情況下，該循環(huán)廢氣被等離子體發(fā)生器轉(zhuǎn)化成等離子體；以及當(dāng)滿足預(yù)定的氧化條件時(shí)，通過使用切換裝置將空氣供應(yīng)到等離子體發(fā)生器中，在沒有由噴射器加入還原劑的情況下，該空氣被等離子體發(fā)生器轉(zhuǎn)化成等離子體。
6.一種排氣凈化裝置，包含放置于排氣管內(nèi)的NOx凈化催化劑，廢氣從中通過；第一個(gè)等離子體發(fā)生器，用于將循環(huán)廢氣轉(zhuǎn)化為等離子體并將等離子體供應(yīng)到NOx凈化催化劑上游的排氣管內(nèi)；噴射器，用于將還原劑加入到要轉(zhuǎn)化為等離子體的循環(huán)廢氣中或通過第一個(gè)等離子體發(fā)生器從循環(huán)廢氣轉(zhuǎn)化成的等離子體中；以及第二個(gè)等離子體發(fā)生器，用于將空氣轉(zhuǎn)化為等離子體并將該等離子體供應(yīng)到排氣管內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的排氣凈化裝置，其中第一個(gè)等離子體發(fā)生器是等離子體焰炬，噴射器將還原劑添加到通過該等離子體焰炬從循環(huán)廢氣轉(zhuǎn)化成的等離子體中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的排氣凈化裝置，其中第二個(gè)等離子體發(fā)生器是等離子體焰炬。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中的任一條的排氣凈化裝置，其中該裝置進(jìn)一步包含供水裝置，用于將水添加到要轉(zhuǎn)化為等離子體的氣體中或通過第一個(gè)和/或第二個(gè)等離子體發(fā)生器從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體中。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中的任一條的排氣凈化裝置，其中該裝置進(jìn)一步包含微粒過濾器，它被放置在排氣管一個(gè)區(qū)域的下游中，通過第二個(gè)等離子體發(fā)生器從氣體轉(zhuǎn)化成的等離子體被供應(yīng)到該區(qū)域中。
11.一種用于控制根據(jù)權(quán)利要求6至10中的任一條的排氣凈化裝置的方法，其中該方法包含當(dāng)滿足預(yù)定的還原條件時(shí)，在由噴射器加入還原劑的情況下，循環(huán)廢氣被第一個(gè)等離子體發(fā)生器轉(zhuǎn)化成等離子體；以及當(dāng)滿足預(yù)定的氧化條件時(shí)，空氣被第二個(gè)等離子體發(fā)生器轉(zhuǎn)化成等離子體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種排氣凈化裝置10，它通過利用等離子體而能夠有效地凈化廢氣。本發(fā)明的排氣凈化裝置10包含NO
文檔編號(hào)F01N3/24GK1788830SQ20051012696
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月29日
發(fā)明者平田裕人, 石橋一伸 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社