專利名稱：利用自由基減少燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣中污染物的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種減少燃料燃燒所產(chǎn)生廢氣中的污染物的方法和裝置。尤其是，本發(fā)明涉及一種這樣的方法和裝置，即其中污染物的減少是通過廢氣中的水蒸氣和剩余氧電暈放電產(chǎn)生高氧化自由基，例如羥基OH、過氧羥基HO2、原子氫H、原子氧O，和相關的氣態(tài)氧化產(chǎn)物，例如過氧化氫H2O2、二氧化氮NO2、臭氧O3，及將這些基引入催化式排氣凈化器的燃燒發(fā)動機上升氣流的燃燒氣流中而實現(xiàn)的。
本發(fā)明的背景眾所周知，內(nèi)燃機吸入周圍空氣，將空氣和燃料混合，并將混合物導入燃燒室，在燃燒室中空氣和燃料的混合物被點燃并燃燒。產(chǎn)生的廢氣排到大氣中，廢氣可以被凈化以除掉污染物。汽缸中空氣/燃料混合物的點燃是通過一個點火裝置，一般是火花塞或類似物，或者通過空氣/燃料混合物的絕熱壓縮實現(xiàn)的，其將混合物加熱到一個高于其著火點的溫度。
在目前廣泛使用的汽油機中，環(huán)境空氣通過一個進氣管或口進入化油器或燃料噴射系統(tǒng)，其用于使空氣和燃料混合以便產(chǎn)生空氣/燃料混合物。對于具有某些形式的燃料噴射系統(tǒng)的發(fā)動機及那些帶有化油器的發(fā)動機，空氣/燃料混合物通過一個進氣歧管進入發(fā)動機的燃燒室或汽缸。在具有進氣口汽油噴射型燃料噴射系統(tǒng)的汽油機中，在燃料與空氣混合之前，空氣通過進氣歧管導入燃燒室的進氣口。在柴油機和一些采用燃料噴射系統(tǒng)的汽油機中，空氣和燃料分別被導入發(fā)動機的燃燒室或汽缸，在其中進行混合。
空氣/燃料混合物燃燒后，產(chǎn)生的廢氣從燃燒室排出到排氣歧管。在幾乎所有現(xiàn)代裝有汽油發(fā)動機的汽車中，廢氣通過排氣管進入一個催化式排氣凈化器，在其中污染物基本被除掉了。但是，在內(nèi)燃機的運行過程中，即使具有污染控制裝置，例如催化式排氣凈化器，如下所述的一些污染物仍保留在廢氣中并被排入大氣。
除了完全燃燒產(chǎn)物，例如二氧化碳(CO2)和水(H2O)，內(nèi)燃機還產(chǎn)生廢氣，廢氣含有大量污染物，即一氧化碳(CO)，直接毒害人體生命，和碳氫化合物(HC)，這是由不完全燃燒引起的。另外，由于碳氫燃料燃燒產(chǎn)生的極高溫度再加上快速冷卻，空氣中氮的熱穩(wěn)定導致了有害的另外一種污染物，即氮氧化物(NOx)的形成。
內(nèi)燃機產(chǎn)生的CO，HC，NOx及其他污染物的量隨發(fā)動機的設計和運行條件及使用的燃料和空氣而變化。特別是，CO，HC和NOx的量部分地由空燃比決定，為了減少一氧化碳和碳氫化合物而安排的這種條件，即燃料混合氣恰少于導致較高燃燒溫度的化學當量的量，會使NOx的形成量增加，為了降低NOx形成量而安排的這種條件，即導致較低燃燒溫度的富油或貧油混合氣，會使發(fā)動機廢氣中的一氧化碳和碳氫化合物增加。
盡管從1901年以來就意識到內(nèi)燃機廢氣中污染物的存在，在美國，在1970年的《清潔空氣法》中才要求對內(nèi)燃機的排放進行控制。發(fā)動機制造商研究了許多方法以滿足法規(guī)的要求，包括廢氣循環(huán)，電控燃料噴射系統(tǒng)，其從燃燒氣流中的各個傳感器接收數(shù)據(jù)，提供了空燃比的精確控制，以及催化式排氣凈化器。催化反應已經(jīng)被證明是最有效的無源系統(tǒng)。
催化式排氣凈化器的作用是使CO和HC氧化為CO2和H2O，并且在一個三元催化劑中，將NO/NOx還原為N2。在現(xiàn)代的所有這三種污染物同時減少的三元催化式排氣凈化器(TWC)中，缺氧時NOx的減少最有效，而CO和HC的消除需要氧。因此，抑制這些排放物的產(chǎn)生要求發(fā)動機在或接近理想配比的空燃比下運行。
目前，幾乎所有的汽車催化式排氣凈化器都是固定在蜂窩整體式結(jié)構中的貴金屬，它們在熱沖擊下具有良好的強度和抗裂性。選擇蜂窩結(jié)構和幾何形狀可以提供一個相對低的壓降和一個大的總面積，增強了質(zhì)量交換可控制的反應，該反應將污染物從廢氣中除去。蜂窩結(jié)構設置在一個鋼容器中，并通過一個彈性墊防振。
一個粘性涂層設置在蜂窩結(jié)構的壁面上，該涂層通常由摻有催化元素的γ鋁制成。用于同時轉(zhuǎn)化所有三種污染物的TWC工藝一般使用貴金屬鉑(Pt)和銠(Rh)，其中Rh主要負責NOx的還原，對主要由Pt完成的CO氧化也有作用。近來，不太昂貴的鈀Pd也被代替使用或與Pt和Rh結(jié)合使用。有效的催化劑通常包括約0.1～0.15％的這些金屬。
由于內(nèi)燃機的廢氣從稍多到稍少波動，一種儲氧介質(zhì)被加到涂層上以在循環(huán)的任何少量期間將氧氣吸附在涂層表面，并在循環(huán)的任何多量期間將氧氣釋放以便與過量的CO和HC反應。氧化鈰(CeO2)由于其合乎要求的還原氧化特性，經(jīng)常被用于這種場合。
1990年的《清潔法規(guī)》修正案部分要求內(nèi)燃機排放到大氣中的污染物的含量進一步顯著降低。為了滿足這些要求，已經(jīng)提議對汽車和卡車的使用實行限制，例如使用對汽車進行強制的集中控制，HOV車道，增加公共交通和鐵路的使用，以及在適當成本和不便條件下限制汽車和卡車使用的類似措施。
減少汽車和卡車使用的一種替代方法是通過提高內(nèi)燃機的效率來降低排放。這種方法將具有特別的效果，由于研究表明大多數(shù)汽車造成的污染只由一小部分在行進的車輛產(chǎn)生，這些車輛通常是舊型號，這些舊型號車具有相當?shù)托У陌l(fā)動機和老化的催化式排氣凈化器，本來就會產(chǎn)生大量廢氣。對于整個燃燒過程的任何技術方面的改進都不會在這些老型號的車輛上進行，因為它們需要對發(fā)動機或車輛進行大范圍或昂貴的改進。
另外，近年來在降低車輛，例如汽車和卡車的內(nèi)燃機廢氣中污染物含量方面，已經(jīng)進行了大量的努力，內(nèi)燃機廢氣中污染物含量的進一步降低將是昂貴的，并提出了一個相當大的技術挑戰(zhàn)，原因在于現(xiàn)在制造的汽車和卡車的排放不滿足提出的《環(huán)境保護行為標準》。
另外一種代替通過提高內(nèi)燃機效率或減少汽車使用而降低排放的方法是提高催化式排氣凈化器或催化劑的效率。催化式排氣凈化器的轉(zhuǎn)化效率是通過相關特殊組分的總消除率和進入催化式排氣凈化器的總流率之間的比值來衡量的。催化式排氣凈化器的轉(zhuǎn)化效率是許多參數(shù)的函數(shù)，這些參數(shù)包括老化，溫度，化學當量，任何催化劑中毒劑的存在，例如鉛，硫，碳和磷，催化劑的類型，廢氣停留在催化式排氣凈化器中的時間。
現(xiàn)有技術提高催化式排氣凈化器效率的努力沒有獲得完全成功?，F(xiàn)代TWC催化式排氣凈化器的應用在滿足未來排放要求方面可能有一定的困難，并在其運行壽命方面有一定的限制，但它們比較昂貴。催化式排氣凈化器也有缺點，即它們的轉(zhuǎn)化效率直到系統(tǒng)達到工作溫度前都較低。
因此，存在對一種簡單、造價低的降低發(fā)動機和催化劑化合作用釋放的廢氣中污染物含量的裝置的需要，該裝置可以裝在現(xiàn)今使用和新制造的發(fā)動機上。本發(fā)明提供了這樣的一種裝置。
本發(fā)明的概述本發(fā)明的一個目的是提供一種減少內(nèi)燃機廢氣中污染物的力法和裝置，不需要對內(nèi)燃機或催化式排氣凈化器進行較大的改進。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種減少內(nèi)燃機廢氣中不完全燃燒污染物的方法和裝置，其使用和制造的花費不多，結(jié)構和操作簡單。
本發(fā)明涉及一種至少減少發(fā)動機廢氣流中一種污染物的裝置，廢氣流包括由燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣，發(fā)動機具有一個燃燒氣流，其包括一個燃燒前氣流和一個廢氣流或后燃氣流。本發(fā)明的裝置包括一個催化式排氣凈化器，其具有一個進口和一個出口，及一個在廢氣中產(chǎn)生電暈放電的電暈放電裝置，因此各個基從廢氣中的水或其它氣態(tài)產(chǎn)物中產(chǎn)生。設置催化式排氣凈化器，使至少一部分發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過催化式排氣凈化器，因此在催化式排氣凈化器進口上游的一處，各個基被引入燃燒氣流，最好是廢氣流。但是，在一個實施例中，各個基是在燃燒前氣流中產(chǎn)生的。
在另一個實施例中，各個基是通過電暈放電裝置從廢氣流的廢氣中的水中產(chǎn)生的，并在催化式排氣凈化器進口上游的一點處，被導回廢氣流。一般，排氣管與催化式排氣凈化器的進口相連，因此至少一部分廢氣流經(jīng)過排氣管進入并通過催化式排氣凈化器，排氣管包括一個裝配部件，用于將電暈放電裝置設置在廢氣流中，因此在催化式排氣凈化器廢氣流的上游會產(chǎn)生電暈放電。
各個基也可以在一個遠端的電暈放電基生成器中的廢氣中產(chǎn)生。在該實施例中，連接到催化式排氣凈化器進口或出口的排氣管或歧管具有一個廢氣分路，用于將一部分廢氣輸送到遠端的基生成器。生成器中的電暈放電裝置用于在輸送到遠端基生成器的廢氣流部分中產(chǎn)生各個基，例如從廢氣中的水中產(chǎn)生的羥基。從遠端基生成器出來的含有基的廢氣，在催化式排氣凈化器的上游一處被導入廢氣流。
在上述每個實施例中，在催化式排氣凈化器的進口和上游位置之間最好設置一個氧傳感器，在該上游位置將含有在原地產(chǎn)生或者通過添加而形成的各個基的廢氣被導入廢氣流中。實際上在所有的現(xiàn)代汽車中，這樣的一種氧傳感器被安裝在催化式排氣凈化器的上游。
在另一個實施例中，電暈放電裝置被設置在一個連接到排氣管的支路中，因此至少一部分廢氣流在催化式排氣凈化器的第一個上游位置從排氣管進入支路，并在催化式排氣凈化器的第二個上游位置再進入排氣管。為了降低電暈放電裝置的工作溫度，支路也可以包括一個或多個延伸表面或其它冷卻裝置，其按輻射放熱或用其它方法除去熱量，降低了支路和通過支路的廢氣的溫度。
一種典型的電暈放電裝置通常包括同心電極，因此當裝置運行時，在電極之間的氣隙中形成電暈放電。同心電極通常包括一個內(nèi)電極，一個外電極，其可以由一個金屬絲網(wǎng)和一個絕緣材料形成，該材料的介電常數(shù)的范圍最好是在2到10附近。在內(nèi)電極或外電極的內(nèi)表面中的至少一個上形成一層的絕緣材料。外電極可以包括一個頂部，因此氣隙完全被電極和絕緣材料封閉，因此外電極起到一個滅火器的作用。在排氣管中也可以設置至少一個滅火器，以防止火焰在排氣管中傳播；例如電暈放電裝置的下游和催化式排氣凈化器的上游，以防止催化式排氣凈化器暴露給殘余燃料燃燒所引起的火焰。也可以使用一個電暈放電裝置，其中排氣管作為該電暈放電裝置的一個遠端接地電極。
為了保證廢氣流中的新鮮廢氣總是受到電暈的作用，可以如此設置電暈放電裝置以使廢氣中自然產(chǎn)生的壓力波動起到一個泵的作用，強迫廢氣進入電暈放電裝置，并含有從電暈放電裝置的電暈放電中產(chǎn)生的基的氣體清除。以一種允許廢氣從排氣管，經(jīng)過電暈放電，進入增壓室，并返回排氣管的方式，通過包括一個適當尺寸的并設置在電暈放電裝置附近的增壓室可以增強這種泵作用。
在富油冷起動運行工況中，本發(fā)明的裝置還可以包括一個將空氣噴入廢氣流的裝置，因此電暈放電使廢氣中的燃料氧化。
本發(fā)明還涉及一種減少廢氣流中至少一種污染物的方法，廢氣流包括由發(fā)動機中燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣，發(fā)動機有一個排氣管與催化式排氣凈化器的進口相連。這種方法包括使廢氣流通過排氣管和催化式排氣凈化器；采用電暈放電在廢氣流的至少一部分廢氣中形成各個基；將各個基引入催化式排氣凈化器的廢氣流上游。各個基通常由廢氣中的水或殘余氧氣O2兩者中的至少一種產(chǎn)生。然后各個基可以與廢氣流中的氣態(tài)氧化物反應以形成氣態(tài)氧化產(chǎn)物，包括其它基。通過二次反應和在電暈放電中產(chǎn)生的基和氣態(tài)產(chǎn)物包括OH、O、H、HO2、H2O2、NO2、或O3。這些基在至少一部分廢氣流中產(chǎn)生，并在催化式排氣凈化器進口上游的一處被導入排氣管，或者一部分廢氣從廢氣流中分出并被輸送給一個遠端基生成器，其中各基是在電暈放電中產(chǎn)生的。在每個實施例中，氧傳感器，如果存在的話，最好設置在催化式排氣凈化器和催化式排氣凈化器上游一位置之間的排氣管中，其中各基是在排氣管的廢氣流中形成的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將基引入催化式排氣凈化器的廢氣流上游可以將催化劑中毒劑從催化式排氣凈化器的表面除掉，這是由中毒劑與至少一種基或氣態(tài)氧化產(chǎn)物的反應而實現(xiàn)的，氣態(tài)氧化產(chǎn)物由基和廢氣流中氣體的反應生成。除掉的催化劑中毒劑包括硫，磷和碳的化合物。
在冷起動或發(fā)動機不著火的情況下，電暈放電也可以激發(fā)廢氣中殘余燃料和碳氫化合物的氧化，因此在廢氣到達催化式排氣凈化器之前，降低了殘余燃料和碳氫化合物的含量。在冷起動情況中，應該將一定量的空氣引入廢氣流中，以給廢氣中多余燃料的燃燒提供所需的氧氣。
在又一個實施例中，本發(fā)明涉及一種提高易于被硫，磷和碳毒化的氧傳感器的壽命和性能的方法，其中氧傳感器設置在催化式排氣凈化器的廢氣流上游。如同催化式排氣凈化器的情況，由電暈裝置產(chǎn)生的高效反應基能置換這些毒物，因此保證了氧傳感器的正常功能。這種方法包括采用電暈放電在燃燒氣流中產(chǎn)生各個基，將各個基引入氧傳感器的燃燒氣流上游。各個基也可以在燃燒前氣流中形成，或由廢氣流的至少一部分廢氣中的水或殘余氧形成。如上所述，廢氣流的一部分廢氣可以被分支到一個遠端基生成器中，其中各個基利用電暈放電在廢氣中產(chǎn)生。然后各個基在氧傳感器的上游一處被引入廢氣流。
本發(fā)明中有用的電暈放電裝置還包括一種小型的電暈放電裝置，其包括一個第一端或跟部，其結(jié)構適于連接到排氣系統(tǒng)的一個裝配元件上，以允許廢氣從排氣系統(tǒng)進入并從電暈放電裝置排出，一個第二端，其結(jié)構可以防止廢氣從電暈放電裝置泄漏，最好是以一種金屬罩的形式，一個普通的圓柱形外電極，與第一端保持電和機械連接，一個內(nèi)電極，與外電極同心安裝并部分地被外電極包圍，一個不導電的絕緣體，同心安裝在內(nèi)、外電極之間，在電極間形成一個氣隙，絕緣體有一個限定電暈放電裝置直徑的直徑，其中內(nèi)電極比外電極長，以便在靠近第一端的氣隙中提供一個電暈區(qū)，在靠近第二端的氣隙中提供一個上部氣隙。
最好是，每個電暈放電裝置的尺寸都減至最小，這樣電暈放電的支路電阻和電容的損失基本被減至最小。一般內(nèi)電極的長度至少約為外電極長度的2倍，最好是4倍，而且至少約為由不導電的絕緣體限定的小型電暈放電裝置的直徑的4倍，最好是6倍。根據(jù)本發(fā)明的一種小型電暈放電裝置還可以包括一個延伸的裙部，其設置在跟部和外電極之間，以便給小型電暈放電裝置提供一個低溫環(huán)境。為了提高小型電暈放電裝置的散熱量，延伸裙部最好包括一個延伸的表面，以便輻射或用其它方法散去熱量，并冷卻電暈放電裝置。
小型電暈放電裝置還可以在第二端或罩中設置一個孔，其可以是音速的，以提供一定流量的空氣通過小型電暈放電裝置并對其進行冷卻。在這個實施例中，小型電暈放電裝置的跟部通常與排氣系統(tǒng)中的縮喉管部分相連，以便在裝置中提供一個低壓而將空氣通過音速孔吸入。
各附圖的簡要說明

圖1表示一個具有一個催化式排氣凈化器的內(nèi)燃機的側(cè)視圖圖2是一個排氣系統(tǒng)的示意圖，包括一個遠端電暈放電基生成器。
圖3表示安裝在排氣支路中的一個電暈放電裝置。
圖4表示一個具有同心電極和有絕緣涂層的內(nèi)電極的電暈放電裝置。
圖5表示一個具有同心電極和有絕緣涂層的外電極的電暈放電裝置。
圖6表示一個遠端接地電暈放電裝置。
圖7表示圖5所示類型的電暈放電裝置，配有一個滅火器。
圖8表示一個小型電暈放電裝置。
圖9表示一個具有一個延伸裙部的小型電暈放電裝置。
圖1O表示具有一個空氣噴孔的小型電暈放電裝置。
圖11表示以一種方式安裝的電暈放電裝置，即利用廢氣流中壓力波動的泵作用。
圖12表示與一個增壓室相連安裝的電暈放電裝置，增壓室用來增強廢氣流中壓力波動的泵作用。
優(yōu)化實施例的詳細說明和此處用到的一樣，術語“燃燒前氣流”表示流入燃燒室的空氣流或空氣/燃料混合氣流。和此處用到的一樣，術語“后燃氣流”和“廢氣流”表示從燃燒室流出的空氣/燃料混合物燃燒后產(chǎn)生的廢氣流。燃燒前氣流和后燃氣流統(tǒng)指為“燃燒氣流”。
另外，術語“基”或“各個基”及“自由基”或“各個自由基”表示具有至少一個不成對電子和沒有凈電荷的任何原子或原子團；即和此處用到的一樣，這些術語表示具有相同數(shù)量的電子和質(zhì)子的帶電中性產(chǎn)物。
本發(fā)明涉及一種降低燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣流中污染物含量的方法和裝置，例如一氧化碳(CO)，碳氫化合物(HC)和氮氧化物(NOX)。本發(fā)明的方法和裝置可用于排氣系統(tǒng)中配有至少一個催化式排氣凈化器的內(nèi)燃機中。本發(fā)明的方法和裝置最好用在一種內(nèi)燃機中，該內(nèi)燃機還包括至少一個催化式排氣凈化器上游的氧傳感器，其使發(fā)動機的燃料噴射系統(tǒng)維持一個化學當量的空/燃比。實際在所有的現(xiàn)代汽車中，在催化式排氣凈化器上游都安裝了這樣的一種氧傳感器。在本發(fā)明的方法中，高效氧化自由基，例如羥基OH、過氧羥基HO2、原子氫H、原子氧O，和相關的氣態(tài)氧化產(chǎn)物，例如過氧化氫H2O2、二氧化氮NO2、臭氧O3，在燃燒氣流中產(chǎn)生或添加到燃燒氣流，最好是催化式排氣凈化器上游的廢氣流中。這些基和相關的氣態(tài)氧化產(chǎn)物增強了CO和HC氧化為二氧化碳(CO2)和水(H2O)的氧化反應，并且較低程度地使NOx還原為分子氮(N2)，因此，在通過催化式排氣凈化器后，廢氣流基本不含除CO2，H2O，N2和可能產(chǎn)生的甲烷(CH4)之外的任何物質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明，自由基和相關的氣態(tài)分子氧化劑被引入發(fā)動機的燃燒氣流，以減少污染物和有害物，例如CO和HC。尤其是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)羥基OH能與CO迅速反應生成CO2。也已經(jīng)注意到當存在氧氣時，OH能與碳氫化合物(HC)迅速反應生成甲醛或其它類似的中間產(chǎn)物，然后其再與OH反應形成H2O和CO2，再生成OH。因此，似乎這些反應不消耗OH，反而能再生成OH，所以OH起到一種類似催化劑的作用。
就CO而論，下述反應步驟將CO轉(zhuǎn)化為CO2并再生成OH
其中過氧羥基分解為羥基是由廢氣流中的熱分解引起的。
就HC而論，下述步驟可以描述一個簡化的系列反應
。
取決于HC產(chǎn)物，可能會有支化反應，而且可能會產(chǎn)生其它的自由基中間產(chǎn)物和氧化劑，例如O，H，NO2，HO2和H2O2，或者直接進入反應或者通過其它反應的產(chǎn)物，例如或另外，需要特別注意的是，在本發(fā)明的反應過程中會再生成OH，即OH起催化劑的作用，而且由于自由基反應的本性，系列反應迅速進行。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在必需有氧的情況下，在燃燒發(fā)動機的廢氣中，OH以及其它自由基和氣態(tài)分子中間產(chǎn)物及氧化劑，例如O，H，NO2，H2O2，HO2和O3的存在提供了非常有效的催化轉(zhuǎn)化，即CO和碳氫化合物轉(zhuǎn)化為無污染的氣態(tài)產(chǎn)物，即CO2和水蒸汽。由OH和廢氣中氣態(tài)物質(zhì)的反應所產(chǎn)生的OH及其它相關自由基和氣態(tài)分子氧化劑獨立于或與催化式排氣凈化器的規(guī)定催化功能元件一同起催化劑的作用。
因此，本發(fā)明利用各個基，例如羥基及其相關產(chǎn)物，O，H，NO2，H2O2，HO2和O2形成一個催化循環(huán)，減少發(fā)動機的CO和HC的排出，以滿足現(xiàn)在和未來的超低排放汽車“ULEV”和低排放汽車“LEV”標準。由于OH及其它相關自由基和氣態(tài)分子氧化產(chǎn)物起催化劑的作用，在廢氣流中有氧的情況下，對于較多數(shù)量級的CO和碳氫化合物轉(zhuǎn)換為CO2和H2O，只需引入相對少量的基。
將各個基和相關氣態(tài)氧化產(chǎn)物引入催化式排氣凈化器的燃燒氣流上游導致了廢氣流中CO和HC的催化氧化反應，并保證了那些污染物的快速除掉。由這些氧化產(chǎn)物引起的CO到CO2和碳氫化合物到CO2和H2O的催化轉(zhuǎn)化，都發(fā)生在催化式排氣凈化器的大涂層表面上和廢氣流的氣相中。CO和HC到CO2和H2O的轉(zhuǎn)化基本上是在催化式排氣凈化器進口附近的一小區(qū)域中完成的，結(jié)果，大部分昂貴金屬的催化表面不參與這些完全反應。凈化器的貴金屬部位在催化較小活性的碳氫化合物，例如甲烷，乙烷，乙烯，苯和甲醛時不再起非常重要的作用，結(jié)果，貴金屬部位的催化活動是針對氮氧化物到氮氣和其它非污染氣態(tài)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化而進行的。
由于各個基和相關氣態(tài)氧化產(chǎn)物，例如羥基的催化作用發(fā)生在整個廢氣容積中和催化式排氣凈化器表面上，本發(fā)明在降低污染物排放方面，比以傳統(tǒng)方式操作的催化式排氣凈化器更有效。用于氧化催化式排氣凈化器上游氣態(tài)產(chǎn)物的各個基的引入也將氮氧化物的排放大大降低在以傳統(tǒng)方法所達到的水平下，這是因為貴金屬部位不參與CO和HC的轉(zhuǎn)化，并且因此也允許減少催化式排氣凈化器中的貴金屬量或使用較低成本的金屬及其氧化物，而保持NOx的減少量與采用現(xiàn)有技術的方法得到的相同。
另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過燃燒氣流中的電暈放電產(chǎn)生各個基和相關氣態(tài)氧化產(chǎn)物，以及將各個基引入催化式排氣凈化器的廢氣流上游，可以凈化催化式排氣凈化器，這是通過與催化式排氣凈化器表面的中毒劑進行反應并除掉這些中毒劑而實現(xiàn)的。由這些基和相關氣態(tài)氧化產(chǎn)物的氧化作用而除掉的催化劑中毒劑包括，但不限于，硫化物，例如催化劑中貴金屬的硫酸鹽和硫化物，以及SO和元素硫，它們可能粘到表面形成一個表層，磷化物，例如貴金屬的磷化物和磷酸鹽，以及PO2，P2O3和元素磷，其也可能粘到表面形成一個表層，和碳化物，例如一氧化碳，其吸附在表面上，并可以分解為原子氧和碳，引起碳化。
催化式排氣凈化器表面的催化劑中毒劑的氧化從表面除掉了這些中毒劑，因此催化劑的效率提高，容許使用一個體積較小的催化劑床，與目前使用的一般催化式排氣凈化器中的相比。因此通過電暈發(fā)生器產(chǎn)生的自由基和相關氣態(tài)氧化產(chǎn)物的引入具有兩個降低污染物排放的獨立效果。首先，各個基和相關氣態(tài)氧化產(chǎn)物的氧化催化作用直接將污染物從廢氣流中除掉。另外，催化劑床表面上，尤其是貴金屬表面上的全部或一些中毒劑的去除提高了通過催化式排氣凈化器除掉污染物，特別是NOx的效率。
參照圖1，表示帶有一個催化式排氣凈化器13的一種現(xiàn)代汽車發(fā)動機11的一種典型結(jié)構。催化式排氣凈化器13設置在汽車(未示出)的底部，并位于發(fā)動機排出的廢氣流18中，位于排氣歧管15分出的排氣管12的下游，消聲器17之前。盡管這是目前常用的結(jié)構，應該注意大量正在生產(chǎn)的汽車具有小型的催化式排氣凈化器，其離發(fā)動機的位置比圖1中所示的更近，因此催化式排氣凈化器接近發(fā)動機的排氣歧管部分。在目前生產(chǎn)的大多數(shù)汽車中，在排氣系統(tǒng)中，就在催化式排氣凈化器13的上游設置了一個氧傳感器14。從氧傳感器14出來的數(shù)據(jù)被燃料噴射系統(tǒng)的電控部分采用，以維持一個化學當量的空/燃比。通常，第二個氧傳感器16設置在催化式排氣凈化器13的下游，為燃料噴射控制裝置和汽車的車上診斷提供更多的數(shù)據(jù)。
催化式排氣凈化器13，和用在本發(fā)明中一樣，包括用于處理燃料，例如汽油，以汽油為基礎的成分，柴油燃料，酒精，天然氣以及其它燃料燃燒所產(chǎn)生廢氣的任何裝置，其中催化式排氣凈化器可用于減少至少一種燃燒產(chǎn)生的污染物，例如CO，HC和/或NOx，包括，但不限于現(xiàn)代汽車發(fā)動機中使用的三元催化劑。
因此催化式排氣凈化器13包括催化地除掉或參與除掉由燃料燃燒所產(chǎn)生廢氣流中的至少一種污染物的任何裝置，包括，但不限于整體式的或粒狀陶瓷基片，金屬基片，或任何種類的基片，和具有貴金屬或其它種類催化材料的裝置。它也可以包括，但并不限于，具有半導體催化劑的裝置，例如過渡元素的氧化或硫化物，和具有陶瓷型催化劑的裝置，例如單獨的礬土，硅石礬土，和沸石，彼此和與儲氧介質(zhì)，例如氧化鈰結(jié)合或與金屬催化劑結(jié)合。
在本發(fā)明的一個實施例中，氧化基和相關氣態(tài)氧化產(chǎn)物被引入催化式排氣凈化器的廢氣流上游，最好是氧傳感器14的上游，氧傳感器幾乎設置在所有的現(xiàn)代汽車和輕型卡車中。羥基OH和原子氫H通過一個電暈放電裝置從發(fā)動機廢氣中的水蒸汽產(chǎn)生。同樣地，電暈放電也可以從廢氣中的殘余氧氣O2產(chǎn)生原子氧O。一般，這些基與廢氣流中的其它氣態(tài)產(chǎn)物反應形成其它的氧化產(chǎn)物，例如NO2，H2O2，HO2和O3。
用于產(chǎn)生自由基的廢氣也可以從催化式排氣凈化器的下游取得，通過將一部分廢氣分支到一個基生成器，并將基生成器的排出物引入催化式排氣凈化器的廢氣上游，如圖2的示意圖所示。通過在從催化式排氣凈化器下游端取得的廢氣啟動電暈放電裝置，電暈是在一個較清潔的環(huán)境中進行的，基本沒有由催化式排氣凈化器和氧化基及相關氣態(tài)氧化產(chǎn)物的作用除掉的污染物，氧化基及相關氣態(tài)氧化產(chǎn)物由放電產(chǎn)生并被引入催化式排氣凈化器的上游。這導致放電裝置的壽命提高，并當電暈放電裝置位于催化式排氣凈化器上游時，基本上消除了可能出現(xiàn)的受污問題。但是，當用在上游時，電暈放電本身就會減少或消除其自身的潛在污染。
如圖2所示，通過催化式排氣凈化器13的一部分凈化的廢氣流21取自后排氣管22，并被分流到遠端電暈放電基生成器23。遠端電暈放電基生成器23的輸出物24富有大量基，這是電暈作用在廢氣21上的結(jié)果，輸出物24被引入催化式排氣凈化器13的排氣尾管12上游中的廢氣。一個氧傳感器14，例如在大多數(shù)現(xiàn)代汽車和輕型卡車中有的，最好設置在催化式排氣凈化器13的廢氣流18上游，但在下游位置25氧化產(chǎn)物被引入廢氣流。但是，由于排氣系統(tǒng)中的壓力較高，例如對于一個縮喉管(未示出)，要求具有泵作用，以完成遠端生成器的輸出物到廢氣流的直接噴入。因此，直接的、在原處通過在廢氣流中的水蒸汽和殘余氧氣上的電暈放電作用產(chǎn)生自由基是最好的方法。
各個基和相關氣態(tài)氧化產(chǎn)物最好是通過一個電暈放電裝置在催化式排氣凈化器的廢氣流上游中產(chǎn)生，電暈放電裝置或者設置在主排氣管中，或者如圖3所示設置在與主廢氣流平行的一個支路中。如圖3所示，一個電暈放電裝置30安裝在固定件32的排氣支路31中。排氣支路31容許一部分廢氣流18旁通過排氣管12的一部分，通過在第一位置35從排氣管12分出，通常是催化式排氣凈化器13的上游，并在第二位置36再進入排氣管，其通常也是催化式排氣凈化器13的上游。排氣支路最好包括一個節(jié)流孔33或通入支路的其它裝置，以調(diào)節(jié)或控制廢氣流率。這樣的一條支路是有用的，因為它容許電暈放電裝置在一個較低溫度的環(huán)境下工作，與廢氣流中的相比。支路的熱量散失最好是通過提供一個增大的表面面積來實現(xiàn)，例如設置冷卻片34或類似裝置。
較低溫度的環(huán)境簡化了用于電暈放電裝置的材料的設計和選擇，特別是關于高溫操作中的裝置的電特性及其熱力計算。這特別重要，因為電暈放電裝置中材料的電阻率，損耗系數(shù)及絕緣常數(shù)隨溫度的增加而變化。高溫時出現(xiàn)的這些參數(shù)的變化會嚴重地降低電暈放電裝置的效率，減少自由基的產(chǎn)生，因而增加了污染物的排放。當電暈放電裝置在高溫環(huán)境下工作時，材料的選擇限制于哪些電特性隨溫度升高有一定限度變化的材料。但是，當電暈放電裝置在低溫環(huán)境下工作時，例如在支路中，就可以使用其它的、不太昂貴的材料，即在低溫下具有所需要的電特性，而在高溫下不具有所需要的電特性。
在低溫下工作也減少或消除了電暈放電裝置及其支座和排氣管中的材料的熱膨脹系數(shù)的不匹配問題。這也減少或消除了應變感應材料和密封的問題，以及在發(fā)動機壽命期間電暈放電裝置將遇到的多次熱循環(huán)引起的問題。
在空氣和燃料混合處的燃燒前氣流上游，例如在具有一個進氣口汽油噴射系統(tǒng)的發(fā)動機的進氣歧管中，通過電暈放電也可以產(chǎn)生自由基。進氣歧管中氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生和引入的缺點是相當一部分的高化學活性物質(zhì)在燃燒過程中可能被破壞，只有那些存在于縫隙和燃燒室壁面的活性物質(zhì)會有效地繼續(xù)存在，并進入廢氣流，其中在氧化CO和HC時它們是有用的。相反地，將自由基和氣態(tài)分子氧化劑直接引入廢氣(后燃)流或在廢氣流中生成這些物質(zhì)的生成器能更有效地將活性物質(zhì)傳遞到廢氣流中，在廢氣流中CO和HC需要被氧化。因此，必須產(chǎn)生相當數(shù)量的各個基，以便在催化轉(zhuǎn)化器中提供預定量的各個基，這些相當數(shù)量的基比氧化產(chǎn)物在廢氣流中產(chǎn)生或被引入廢氣流時，用它方法所需要的基的相應數(shù)量大大減少。這直接表現(xiàn)為成比例的、基生成器的較低輸入電壓要求。
本發(fā)明使用的一種電暈放電裝置在需要替換前，在內(nèi)燃機廢氣流的高溫環(huán)境下最好能有效運行至少約3,000～4,000小時。由于現(xiàn)代汽車中空間的限制，電暈放電裝置最好具有一個小的體積，即約為普通火花塞的尺寸，并需要一個不大于約300～400cm3的電源設備。在某一實施例中，除了在約800℃的溫度下運行，電暈放電裝置必須滿足汽車的電磁干擾(EMI)要求，易于替換，并在發(fā)動機起動和冷卻過程中能經(jīng)得住數(shù)千次的800℃左右的熱瞬態(tài)，以及數(shù)百萬的較小的熱瞬態(tài)，其中溫度變化在200℃左右。在一種優(yōu)選的電暈放電裝置中，約需要20～50W的高頻、高電壓電源，即約為1,000～1,000,000Hz和5,000～20,000V。但是在一些瞬態(tài)運行條件下，例如發(fā)動機的冷或熱起動，需要產(chǎn)生較多的基。這時電暈裝置將需要在更高的、達到200～300瓦的功率下工作，對于這些時期，一般在30～100秒之間，可以通過給輸入電暈裝置的頻率電壓輸出乘以一個5～10的因子而滿足該瞬態(tài)情況。這可以通過適當?shù)碾姇炑b置，高電壓電源系統(tǒng)的設計及發(fā)動機控制器的控制信號或當時的起動溫度讀數(shù)的應用而實現(xiàn)。
本發(fā)明使用的電暈放電裝置包括，但不局限于那些基本上是圓柱形對稱的，而且在大多數(shù)情況下，至少兩個同心的電極。至少存在三種普通的用于電暈放電裝置的替換形式，其基本上呈圓柱對稱。三種普通的替換形式如圖4，5和6所示。圖4是圓柱形電暈放電裝置40的剖面圖，該裝置具有同心的圓柱電極，內(nèi)電極41和外電極42。裝置40通常在跟部47包括一個金屬包頭44，其提供了一種氣封，和螺紋46或?qū)⒀b置40安裝在排氣管12或支路31上的其它設置。內(nèi)電極41由一個絕緣層43包圍，其防止導電，并保證電暈放電。對于裝置的總效率而言，讓多數(shù)電量通過裝置的“氣”隙45非常重要。由于圖4所示的電暈放電裝置中的絕緣層43設置在一個會出現(xiàn)強電場的區(qū)域，該層的介電常數(shù)應該在約4～10的范圍中，以限制通過絕緣層的電壓降。結(jié)果，大部分電量通過電暈放電裝置的“氣”隙，而且保證了裝置的效率。
但是，取決于電暈放電裝置的設計，絕緣層，由于其導電率，可以作為一條接地的導電支路，其有效地降低了電暈放電的電流。其中電暈放電裝置在跟部47處易于使電容損失分流，電容損失隨介電常數(shù)的增加而成比例提高，在這種類型的電暈放電裝置的設計過程中，經(jīng)常需要作出決定，為了通過絕緣層的電壓降和跟部中的分流電容漏失的相對重要性。
在高溫下在絕緣層中也會出現(xiàn)電阻損失，因此必須選擇一種絕緣材料，其中電阻損失可以接受地低，或電暈放電裝置必須在一個室或排氣系統(tǒng)的支路中工作，以保證在一較低的溫度下工作。其它設計問題包括EMI，腐蝕性的、高溫環(huán)境中的抗腐蝕性，發(fā)動機冷卻過程的水凝結(jié)，及振動。對于EMI，電暈放電裝置及其電源裝置和導線必須有足夠的屏蔽作用，以滿足汽車系統(tǒng)的EMI要求。
材料的選擇應該以高溫下的運行情況和抗腐蝕環(huán)境的能力為基礎，其可能限制裝置的設計使用周期或性能，例如污染物高溫擴散到絕緣層中可能會將絕緣層的電阻率降低到最大效率所需的值之下，并可能導致裝置的部分或完全短路。但是，電暈放電本身應該能減少或消除裝置的受污染。
通過將絕緣層43設置在外電極42的內(nèi)表面可以降低或消除對高介電常數(shù)的需求。這種裝置如圖5所示。因為外電極42附近產(chǎn)生的電場較弱，與內(nèi)電極41附近的相比，具有一個低介電常數(shù)的絕緣材料，即約在2～3之間，可以用作絕緣層。這降低了支路的電容損失，同時維持了一個通過絕緣層的有限的電壓降。
也可以將排氣管12或排氣支路31用作電暈放電裝置的一個遠端接地端，消除對外電極的需要。這樣的一種遠端接地電暈放電裝置60如圖6所示，只需要一個內(nèi)電極41，該內(nèi)電極最好具有一個尖的或小直徑的頂端以促進導電，一個絕緣層43和一個跟部47，該跟部一般包括一個金屬包頭44以提供需要的密封和應變消除。由于遠端接地裝置只經(jīng)受基本損失，這樣的一種裝置也容許使用具有一個低介電常數(shù)的絕緣材料。
在一些應用中，在電暈放電裝置的結(jié)構中最好也包括一個或多個滅火器。這樣的一種裝置如圖7所示，一個電暈放電裝置50被罩以一種金屬絲網(wǎng)篩形式的滅火器48，裝置50具有一個涂有一個絕緣層43的外電極42。這種滅火器可以防止在發(fā)動機起動和不著火情況下，含有燃料和氧氣的廢氣著火。
但是，在一些應用中，需要廢氣著火以引起廢氣中殘余燃料的部分或完全燃燒，因此降低了有害排放，例如在發(fā)動機運行的冷起動階段或在發(fā)動機不著火的情況下，需要廢氣著火以引起廢氣中殘余燃料的部分或完全燃燒，因此降低了有害排放。由于廢氣流中燃燒過程的溫度較低，這種電暈可促使殘余燃料和碳氫化合物產(chǎn)生燃燒，不產(chǎn)生多余的NOx。
在發(fā)動機不著火的情況下，燃料空氣混合物基本是化學當量的，不需要多余的空氣使產(chǎn)生的廢氣燃燒。但是，在冷起動情況下，為了使廢氣中的殘余燃料燃燒，必須將更多的空氣補充到電暈放電裝置的廢氣流上游，因為在這些情況下，廢氣是富油的。燃燒所需的氧氣可以通過可控的空氣噴射提供，或者通過自身的泵作用，例如通過排氣管中縮喉管部分的泵作用，或者通過一個上游氣泵。對于一個縮喉管，在冷起動完成后，一個快速動作閥，例如一個機電閥或基于MEMS(微機械一電子系統(tǒng))技術的一個閥將被用于中斷空氣噴射?？諝鈬娚渎适芤粋€縮喉管的限制的，因此利用縮喉管的泵作用，殘余燃料只可能部分燃燒。但是，一個氣泵不受這種限制，且能夠提供足夠的空氣以使廢氣流中的任何殘余燃料完全燃燒。
在需要通過電暈放電使廢氣著火時，也可以使用滅火器，例如金屬絲網(wǎng)篩將電暈促使的燃燒可能出現(xiàn)的廢氣流的范圍控制或限制在任一地方，例如電暈放電裝置的上游，裝置的下游，或電暈放電裝置中或周圍的一個有限的容積內(nèi)。
圖4和圖5所示的電暈放電裝置基本上被改進為火花塞形，具有一個小的中心電極41，其直徑約為0.1～0.3cm。內(nèi)電極41插入跟部47的絕緣層43中的一個孔中并通過該孔定位。在絕緣層43設置在外電極42的內(nèi)表面上的裝置中，絕緣層43基本形成一個杯狀物，在其跟部設有一個孔以設置內(nèi)電極。外電極的內(nèi)徑約為1～2cm，長度約為1.5～3cm。絕緣層的跟部和壁厚約為1～3cm，選擇這些參數(shù)以根據(jù)電暈放電裝置的工作電壓提供所需的絕緣強度。
靠近外電極內(nèi)壁的絕緣層和絕緣層與內(nèi)電極之間的“氣隙”實際上是兩個串聯(lián)的電容。因為它們是串聯(lián)的，通過氣隙和絕緣層的電流相等，因此，圓柱形電極的瞬時電暈功率耗散可以表示為
Pi=ViId=ωCd·VsCOS(ωt)。
那么，平均功率耗散可以表示為P=&$60Pi&#62=4CdVsf[Vo-((Cd+Cg)/Cd)Vs]其中Cd表示整個絕緣層的電容，Cg表示氣隙電容，Vs表示發(fā)生火花放電的擊穿電勢，Vo表示所加的電壓，f=ω/2π。
這意味著，利用“火花塞”技術，可以制造一種非常緊湊的，可替換的電暈放電裝置，具有所需的功率。
外電極的外表面通常用于將電暈放電裝置安裝在排氣管或歧管中，一條排氣支路，通到排氣管的前室中，任一個這些裝置上或中的安裝盤，或任何其它的安裝電暈放電裝置的設施，其提供了一個良好的廢氣密封。這種簡單的安裝裝配結(jié)構使排氣系統(tǒng)中的電暈放電裝置易于拆卸和安裝，排氣系統(tǒng)中的支路或細長槽對于主廢氣流幾乎沒有或沒有干擾。在所有情況下，電暈放電裝置被設置在發(fā)動機的廢氣中，因此所需要的自由基直接從廢氣中的水和殘余氧氣中產(chǎn)生。
冷卻過程中水的凝結(jié)可能導致電暈放電裝置短路，因此該裝置最好安裝在排氣管的上部，因此電極面朝下，在溫度太低以致于鎦出水的情況中，最大限度地減小了暴露在水中的部分。另外通過對該裝置及其電源和導線進行設計，可使其自然的共振頻率大大超過汽車的振動頻率，從而可避免許多振動問題。
如上所述，絕緣層的電阻和電容分流損失是這種裝置的設計中應主要考慮的問題，絕緣層用于在電暈放電裝置的兩個電極之間提供一個絕緣支承。支路電容中的任何減少容許在一定電容量損失下以更高的頻率進行放電操作；并且根據(jù)電暈裝置的基本設計原則，該裝置的輸出與所加電壓的頻率成比例，從而容許一個更緊湊的設計。一個更緊湊的設計是有益的，因為它容許使用較小的電暈間隙，其反過來在間隙兩端形成了一個較低的擊穿電壓，因此容許使用較低的工作電壓。較低的工作電壓導致了較低的電阻和電容損失，提高了電暈放電裝置的效率。因此較小的、效率更高的電暈放電裝置將需要一個較小的電源裝置，這在對空間進行最優(yōu)先考慮的現(xiàn)代汽車中是一個主要優(yōu)點。
這樣的一種小型電暈放電裝置的具有代表性的結(jié)構如圖8所示。圖8表示一種高效的小型電暈放電裝置80的元件，以及重要的操作裝置和裝置設計范圍。圖示以及下面給出的尺寸僅代表一種一般結(jié)構，本領域的普通技術人員會認識到，在此處說明和討論的基本設計原則范圍內(nèi)可以作許多變化。
圖8所示實施例的主要特點包括一個長的、薄壁絕緣體81，其與材料的適當選擇一起，在由絕緣體81支承的內(nèi)、外電極82和83之間提供了一條高電阻的路徑。一個薄金屬帽84用作一個氣封。內(nèi)電極82一般基本上比外電極83長，其長度至少約為外電極83長度的兩倍，最好至少約為外電極83長度的四倍。內(nèi)電極82的長度一般至少約為電暈放電裝置80直徑的四倍，最好是六倍，電暈放電裝置80的直徑由不導電絕緣體81的直徑?jīng)Q定。外電極83與小型電暈放電裝置80的跟部85保持電和機械連接，其中跟部包括螺紋86或其余類似的安裝裝置80的安裝結(jié)構，因此廢氣可以進入氣隙89。作為內(nèi)、外電極82和83長度差別的結(jié)果，氣隙89被劃分為一個電暈放電區(qū)97，即內(nèi)、外電極重疊的那部分氣隙89，和一個上部氣隙88，即從外電極83延伸到金屬帽84的那部分氣隙89。
一種典型的小型電暈放電裝置80具有一個外電極83，其長度約為1～2cm，最好約為1.5cm，和一個內(nèi)電極82，其長度約為4～8cm，最好約為6cm。這種裝置的不導電絕緣體81可以由一種諸如Fosterite的陶瓷材料構成，其直徑約為0.7～1.3cm，最好約為1cm，長度約為3～5cm，最好約為4cm，厚度約為0.1～0.2cm，最好約為0.15cm，其可以用在高達900℃的溫度下，電阻量的損失少于最大工作電壓下的約10％，該電壓至少約為5000V。在一個相對低的溫度環(huán)境中，例如在排氣支路中，由于沿陶瓷不導電絕緣體81的溫度變化，可能使用一個同樣的較高工作電壓，同時保持一個可以接受的能量損失。在100Hz的頻率下工作時，這種結(jié)構的電暈放電裝置將提供約30～50W的功率。但是，在一些瞬態(tài)運行情況下，例如發(fā)動機的冷或熱起動時，需要產(chǎn)生更多的基。在這種情況下，電暈裝置將需要在更高的、達到200～300瓦的功率下工作。對于這些時期，一般在30～100秒之間，可以通過給輸入電暈裝置的頻率電壓乘以一個5～10的因子而滿足該瞬態(tài)情況。這可以通過適當?shù)碾姇炑b置，高電壓電源系統(tǒng)的設計及發(fā)動機控制器的控制信號或當時的起動溫度讀數(shù)的應用而實現(xiàn)。絕緣體81的長絕緣路徑和薄壁，將電容的分流損失減小到10％以下，即使對于工作頻率約為100KHz、介電常數(shù)超過10的絕緣體也是一樣的。如此高的工作頻率容許使用一種非常緊湊的、高電壓的電源裝置。
如上所述，電暈中功率耗散的表達式為P=4Cd·Vs·f{Vo-((Cd+Cg)/Cd)Vs}
其中Cd和Cg表示絕緣層和電暈區(qū)中氣隙的電容的電容，Vs和Vo分別表示氣隙的發(fā)生火花放電的擊穿電勢和施加給電暈裝置的電壓，f表示施加給裝置的電壓的頻率。假設這些參數(shù)的值為Vo=5,000V，Vs=3,000V，Cd=6×10-12法，Cg=1×10-12法；在3×105Hz的頻率下，則電暈中的功率約為27W。輸出可以通過頻率，所加電壓或電容(本來是電暈放電區(qū)域的長度)估算。輸出也可以由電暈裝置的電源頻率和/或電壓控制。
發(fā)生火花放電的擊穿電壓幾乎與電暈氣隙區(qū)中的廢氣密度成正比例，其幾乎與氣隙區(qū)中的溫度成正比例。這個擊穿電壓將與電暈裝置中氣體的溫度，即工作溫度成比例地變化。如果，例如如此設計，即使電暈裝置中氣體的溫度為廢氣溫度的一半，那么較低的擊穿電壓將增加到6,000V。
圖9和圖10表示上述結(jié)構的兩中結(jié)構變型。在圖9中裙部91被加長和延伸的表面92用于增加與大氣的熱交換。特別是，較長的導電路徑以及熱交換體提供了一個絕緣物質(zhì)81的較冷運行環(huán)境，因此給具有最終運行溫度下的令人滿意的電阻和電容的這種應用提供了一個材料的更寬選擇范圍或更好的性能。實驗中發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機上游氧傳感器側(cè)的少量空氣(＜10cc/sec)的噴射沒有導致有害的發(fā)動機性能或發(fā)動機/催化劑排放性能。在圖10中，表示由加到排氣系統(tǒng)96中的縮喉管部分95中的低壓所提供的泵作用。這種低壓與小型電暈放電裝置80的金屬帽84中的孔97一起，提供了一個不超過10cc/sec的空氣流，其限制了溫度，冷卻了電暈裝置的陶瓷絕緣部分，并幫助將電暈放電中產(chǎn)生的各個基的引入。
在正常的工作條件下，取決于排氣系統(tǒng)的位置，發(fā)動機產(chǎn)生廢氣的壓力波動具有約為30～100Hz的頻率，和一個約為20～80％的峰值到峰值的變化。這些壓力波動與上部氣隙88一起為電暈放電中產(chǎn)生的基和其它產(chǎn)物進入排氣系統(tǒng)提供一個有效的、連續(xù)泵作用。對于上述描述的任一個電暈放電裝置，廢氣的波動提供了泵吸效果，其中裝置110設置在排氣管112上的一個位置，排氣管112中會發(fā)生波動，在圖11所示的方式下，其中放電裝置110安裝在從排氣管112分出的一個簡單的“T”形部位113。通過一個圖12所示的增壓室12可以增大泵作用和總的氣體運動。另外，可以增加冷卻片116以降低放電裝置110的工作溫度。如上所述，較冷的工作環(huán)境可以提高電暈放電的效率。
應該注意，本發(fā)明的前述實施例的唯一要求是自由基或氣態(tài)氧化產(chǎn)物，尤其是羥基是在下列位置引入廢氣流中的，即在催化式排氣凈化器處或其上游位置，例如在進氣管到化油器或燃燒室的燃料噴射系統(tǒng)內(nèi)，在空氣/燃料進氣歧管到燃燒室內(nèi)，直接在燃燒室內(nèi)或在燃燒室的排氣歧管內(nèi)，或在排氣管內(nèi)引入的。
而且，盡管本發(fā)明參照一個催化式排氣凈化器進行了描述，但應該注意只有凈化器提供的大的表面面積再結(jié)合引入羥基才被要求用來降低燃燒發(fā)動機的廢氣中的污染物。
盡管參照最佳實施例對本發(fā)明進行了描述，但應該可以理解，對于本領域的普通技術人員而言，許多變化和變型是顯而易見的，因此本發(fā)明的范圍不應該局限于此處的具體描述，但只由所附的各權利要求限定
權利要求
1．一種減少發(fā)動機廢氣流中至少一種污染物的裝置，該廢氣流包括發(fā)動機中燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣，該裝置包括一個催化式排氣凈化器，其具有一個進口和一個出口，其中所述的催化式排氣凈化器如此設置，以使至少一部分發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣流過所述催化式排氣凈化器；一個在廢氣中進行電暈放電的電暈放電裝置，因此各個基從廢氣中的水或其它氣態(tài)產(chǎn)物中產(chǎn)生，而且在所述催化式排氣凈化器進口上游的一點處，將所述基引入廢氣流中。
2．如權利要求1所述的裝置，其特征在于還包括一個與所述催化式排氣凈化器的進口相連的排氣管，因此至少一部分廢氣流經(jīng)過所述排氣管進入并通過所述催化式排氣凈化器，所述排氣管包括一個裝配部件，用于將所述電暈放電裝置設置在廢氣流或其一部分中，因此在所述催化式排氣凈化器廢氣流的上游會產(chǎn)生電暈放電。
3．如權利要求2所述的裝置，其特征在于還包括一個氧傳感器，其設置在所述電暈放電裝置和所述催化式排氣凈化器的進口之間。
4．如權利要求2所述的裝置，其特征在于所述電暈放電裝置設置在一個連接到所述排氣管的支路中，因此至少一部分廢氣流在所述催化式排氣凈化器的第一個上游位置從所述排氣管進入所述支路，并在所述催化式排氣凈化器的第二個上游位置再次進入所述排氣管。
5．如權利要求4所述的裝置，其特征在于所述支路包括一個或多個延伸表面，以便從所述支路中散去熱量。
6．如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述電暈放電裝置通常包括同心電極，所述電暈放電裝置在所述電極之間的氣隙中形成電暈放電。
7．如權利要求6所述的裝置，其特征在于所述同心電極通常包括一個內(nèi)電極，一個具有一個內(nèi)表面和一個外表面的外電極，和一種在所述內(nèi)電極或外電極的內(nèi)表面的至少一個上形成一層的絕緣物質(zhì)。
8．如權利要求7所述的裝置，其特征在于所述外電極包括一個金屬絲網(wǎng)或網(wǎng)。
9．如權利要求8所述的裝置，其特征在于所述外電極包括一個金屬絲網(wǎng)篩或網(wǎng)狀的頂部，因此氣隙完全被所述電極和絕緣材料封閉，所述外電極的金屬絲網(wǎng)篩或網(wǎng)狀部分用作一個滅火器。
10．如權利要求2所述的裝置，其特征在于還包括至少一個為了防止火焰在排氣管中傳播而設置的滅火器。
11．如權利要求10所述的裝置，其特征在于至少一個滅火器設置在所述電暈放電裝置的下游和所述催化式排氣凈化器的上游。
12．如權利要求7所述的裝置，其特征在于所述絕緣材料的介電常數(shù)的范圍約為2到10。
13．如權利要求2所述的裝置，其特征在于所述電暈放電裝置可以如此設置以便使廢氣中自然產(chǎn)生的壓力波動提供一個泵的作用，強迫廢氣進入所述電暈放電裝置，并清除含有各個基的氣體，這些基是從所述電暈放電裝置的電暈放電中產(chǎn)生的。
14．如權利要求13所述的裝置，其特征在于還包括一個設置在所述電暈放電裝置附近的增壓室，因此廢氣從所述排氣管，經(jīng)過電暈放電，進入所述增壓室，并返回所述排氣管。
15．如權利要求2所述的裝置，其特征在于對所述電暈放電裝置，所述排氣管起一個遠端接地的作用。
16．如權利要求2所述的裝置，其特征在于還包括一個在富油冷起動運行工況中，將空氣噴入所述廢氣流的裝置，因此電暈放電使所述廢氣中的殘余燃料燃燒。
17．如權利要求1所述的裝置，其特征在于還包括一個連接到所述催化式排氣凈化器進口的排氣管，一個連接到所述催化式排氣凈化器出口的排氣尾管，因此至少一部分廢氣流經(jīng)過所述排氣管進入并通過所述催化式排氣凈化器，并通過所述排氣尾管，所述排氣尾管具有一個廢氣分路，用于將所述廢氣流的一部分廢氣輸送到一個遠端的基生成器中，該生成器包括所述的電暈放電裝置，用于在輸送到所述遠端基生成器的廢氣流部分的廢氣中產(chǎn)生各個基，一個遠端基生成器輸出設備，用于將從所述遠端基生成器出來的含有各個基的廢氣，在所述催化式排氣凈化器的上游一處返回所述廢氣流。
18．如權利要求17所述的裝置，其特征在于還包括一個氧傳感器，其設置在所述催化式排氣凈化器的進口和所述催化式排氣凈化器的上游位置之間，在該位置含有各個基的廢氣被導入廢氣流。
19．一種減少廢氣流中至少一種污染物的裝置，該廢氣流包括發(fā)動機中燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣，該發(fā)動機具有一個燃燒氣流，該氣流包括一個燃燒前氣流和一個廢氣流，所述裝置包括一個催化式排氣凈化器，其具有一個進口和一個出口，其中所述的催化式排氣凈化器如此設置，以使至少一部分發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過所述催化式排氣凈化器；一個產(chǎn)生各個基的電暈放電裝置，其設置在發(fā)動機的燃燒氣流中，其特征在于各個基在所述催化式排氣凈化器進口上游一處引入燃燒氣流。
20．如權利要求19所述的裝置，其特征在于各個基在所述燃燒前氣流中產(chǎn)生。
21．如權利要求19所述的裝置，其特征在于各個基被引入所述燃燒前氣流。
22．一種減少廢氣流中至少一種污染物的裝置，該廢氣流包括發(fā)動機中燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣，所述裝置包括一個催化式排氣凈化器，其具有一個進口和一個出口，其中所述的催化式排氣凈化器如此設置，以使至少一部分發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過所述催化式排氣凈化器；一個電暈放電裝置，用于在廢氣中進行電暈放電，因此各個基從廢氣中的水或其它氣態(tài)產(chǎn)物中產(chǎn)生，所述各個基在所述催化式排氣凈化器進口上游的一處被引入所述廢氣流；一個連接到所述催化式排氣凈化器進口的排氣管，因此至少一部分廢氣流經(jīng)過所述排氣管進入并通過所述催化式排氣凈化器，所述排氣管包括一個裝配部件，用于將所述電暈放電裝置連接到所述排氣管上，所述排氣管容許廢氣進入并從所述電暈放電裝置排出；其中所述電暈放電裝置包括一個第一端，其適于連接到所述裝配元件上，以允許廢氣從所述排氣管進入并從所述電暈放電裝置排出；一個第二端，其可以防止廢氣從所述電暈放電裝置泄漏；一個普通的圓柱形外電極，其與所述第一端保持電和機械連接；一個內(nèi)電極，其與所述外電極同心安裝并部分地被所述外電極包圍；一個不導電的絕緣體，其同心安裝在所述內(nèi)、外電極之間，在所述電極間形成一個氣隙，所述不導電絕緣體的直徑限定了所述電暈放電裝置的直徑，其特征在于所述內(nèi)電極的長度大于所述外電極的長度，以在靠近所述第一端的氣隙中提供一個電暈區(qū)，在靠近所述第二端的氣隙中提供一個上部氣隙。
23．如權利要求22所述的裝置，其特征在于所述電暈放電裝置的每個尺寸都被最小化，因此支路電阻和電容的損失基本被減至最小。
24．如權利要求23所述的裝置，其特征在于所述內(nèi)電極的長度至少約為所述外電極長度的2倍，最好是4倍，而且至少約為由所述不導電的絕緣體限定的所述緊湊的電暈放電裝置的直徑的4倍，最好是6倍，因此所述緊湊的電暈放電裝置的支路電阻和電容的損失基本被減至最小。
25．如權利要求24所述的裝置，其特征在于所述內(nèi)電極的長度至少約為所述外電極長度的4倍，至少約為所述緊湊的電暈放電裝置的直徑的6倍。
26．如權利要求22所述的裝置，其特征在于還包括一個延伸的裙部，其設置在所述跟部和所述外電極之間，以便給所述緊湊的電暈放電裝置提供一個低溫環(huán)境。
27．如權利要求26所述的裝置，其特征在于所述延伸的裙部還包括至少一個延伸的表面以便提高所述緊湊的電暈放電裝置的散熱量。
28．如權利要求22所述的裝置，其特征在于還包括一個開在罩中的孔，用于通過所述緊湊的電暈放電裝置提供一定流量的空氣，以便進行冷卻，所述緊湊的電暈放電裝置的跟部與廢氣中的縮喉管部分相連，以便在所述裝置中提供一個低壓而將空氣通過所述孔吸入。
29．如權利要求22所述的裝置，其特征在于所述電暈放電裝置如此設置，以便使廢氣中自然產(chǎn)生的壓力波動提供一個泵作用，其強迫廢氣進入所述電暈放電裝置，并清除含有各個基的氣體，這些基是從所述電暈放電裝置的電暈放電中產(chǎn)生的。
30．一種減少廢氣流中至少一種污染物的方法，廢氣流包括由發(fā)動機中燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣，發(fā)動機有一個與一個催化式排氣凈化器的進口相連的排氣管，所述方法包括使廢氣流通過所述排氣管和所述催化式排氣凈化器；采用電暈放電在所述廢氣流的至少一部分中形成各個基；將所述各個基引入所述催化式排氣凈化器的廢氣流上游。
31．如權利要求30所述的方法，其特征在于所述各個基由廢氣中的水或殘余氧氣O2兩者中的至少一種產(chǎn)生。
32．如權利要求30所述的方法，其特征在于所述各個基與廢氣流中的氣態(tài)物質(zhì)反應形成氣態(tài)氧化產(chǎn)物。
33．如權利要求32所述的方法，其特征在于所述各個基和氣態(tài)氧化產(chǎn)物包括OH、O、H、HO2、H2O2、NO2、或O3中的至少一種。
34．如權利要求30所述的方法，其特征在于還包括在所述催化式排氣凈化器上游一位置的所述排氣管的廢氣流中形成所述各基。
35．如權利要求34所述的方法，其特征在于一個氧傳感器設置在所述催化式排氣凈化器和所述催化式排氣凈化器上游一位置之間的排氣管中，在此處所述各基是在所述排氣管的廢氣流中形成的。
36．如權利要求30所述的方法，其特征在于還包括使至少一部分廢氣流分流，輸送被分流的廢氣流到一個遠端基生成器中，利用所述基生成器中的電暈放電在所述被分流的廢氣流中形成各個基，并在所述催化式排氣凈化器的一上游位置將各基引入所述排氣管的廢氣流中。
37．如權利要求36所述的方法，其特征在于一個氧傳感器設置在所述催化式排氣凈化器和所述催化式排氣凈化器上游一位置之間的排氣管中，在此處所述各個基被引入所述排氣管的廢氣流中。
38．如權利要求30所述的方法，其特征在于還包括從所述催化式排氣凈化器的表面除掉催化劑中毒劑，這是通過所述中毒劑與至少一種所述基或氣態(tài)氧化產(chǎn)物反應而實現(xiàn)的，所述氣態(tài)氧化產(chǎn)物由各基和廢氣流中氣體的反應生成。
39．如權利要求38所述的方法，其特征在于所述催化劑中毒劑包括硫，磷和碳的化合物中的至少一種。
40．如權利要求30所述的方法，其特征在于還包括在冷起動或發(fā)動機不著火的情況下，用電暈放電激發(fā)廢氣中的燃料或碳氫化合物燃燒。
41．如權利要求40所述的方法，其特征在于還包括在冷起動情況中，將一定量的空氣噴入廢氣流中，以提供燃燒所需的氧氣。
42．一種減少廢氣流中至少一種污染物的方法，該廢氣流包括由發(fā)動機中燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣，發(fā)動機具有一個燃燒氣流，該氣流包括一個燃燒前氣流和一個廢氣流，一個排氣管與一個催化式排氣凈化器的進口相連，所述方法包括使廢氣流通過所述排氣管和所述催化式排氣凈化器；采用電暈放電在燃燒氣流中形成各個基；將所述各個基引入所述催化式排氣凈化器的燃燒氣流上游。
43．如權利要求42所述的方法，其特征在于還包括在在燃燒前氣流中形成各個基。
44．一種提高發(fā)動機的氧傳感器的壽命和性能的方法，該發(fā)動機具有一個燃燒氣流，該氣流包括一個燃燒前氣流和一個廢氣流，其中所述氧傳感器被設置在具有一個進口和一個出口的催化式排氣凈化器的廢氣流上游，所述方法包括采用電暈放電在燃燒氣流中產(chǎn)生各個基，將所述各個基引入所述氧傳感器的燃燒氣流上游，以避免或防止有毒物質(zhì)分解到所述氧傳感器上。
45．如權利要求44所述的方法，其特征在于還包括在在燃燒前氣流中形成各個基。
46．如權利要求44所述的方法，其特征在于還包括從廢氣流的至少一部分廢氣中的水中形成各個基。
47．如權利要求46所述的方法，其特征在于還包括在所述氧傳感器的上游一位置的廢氣流中形成各個基。
48．如權利要求46所述的方法，其特征在于還包括從廢氣流中分流至少一部分廢氣，輸送被分流的廢氣流到一個遠端基生成器中，利用所述基生成器中的電暈放電在所述被分流的廢氣中形成各個基，并在所述氧傳感器的一上游位置將所述基引入所述廢氣流。
49．一種小型的電暈放電裝置，用于在內(nèi)燃機的排氣系統(tǒng)中的廢氣中形成電暈放電，以減少至少一種污染物，所述的小型電暈放電裝置包括一個第一端，其適于連接到所述排氣系統(tǒng)中的一個裝配元件上，以允許廢氣從所述排氣系統(tǒng)流入并從所述電暈放電裝置排出，一個第二端，其可以防止廢氣從所述電暈放電裝置泄漏，一個普通的圓柱形外電極，其與所述第一端保持電和機械連接，一個內(nèi)電極，其與所述外電極同心安裝并部分地被所述外電極包圍，一個不導電的絕緣體，其同心安裝在所述內(nèi)、外電極之間，在所述電極間形成一個氣隙，所述不導電絕緣體的直徑限定了所述電暈放電裝置的直徑，其特征在于所述內(nèi)電極的長度大于所述外電極的長度，以在靠近所述第一端的氣隙中提供一個電暈區(qū)，在靠近所述第二端的氣隙中提供一個上部氣隙。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種減少燃燒發(fā)動機(11)的廢氣流中污染物的裝置和方法。利用一個電暈放電裝置(30,40,50,60,80,110)產(chǎn)生電暈放電可在發(fā)動機(11)的至少一部分燃燒氣流中,或者從燃燒前氣流的氣態(tài)物質(zhì)或者從廢氣流(18)的氣態(tài)物質(zhì)中形成各個基。但各個基從該廢氣流(18)中產(chǎn)生時,利用一個直接放置在催化式排氣凈化器(13)處或其廢氣流上游的電暈放電裝置(30,40,50,60,80,110)產(chǎn)生各個基,或者一部分廢氣流(21)被分流到一個遠端電暈放電基生成器(23)中。在生成器中的電暈放電(23)在被分流的廢氣(21)中形成各個基,在催化式排氣凈化器(13)的上游一位置,將含有各個基(24)的廢氣輸送到廢氣流(18)中。
文檔編號B01J19/08GK1281528SQ98809947
公開日2001年1月24日 申請日期1998年10月6日 優(yōu)先權日1997年10月7日
發(fā)明者R·P·卡倫, L·埃克希安, J·A·?？讼０?申請人:萊特克斯公司