CN104763572B - 等离子设备 - Google Patents

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Abstract

在诸如往复式发动机、旋转式发动机、喷气发动机和燃气涡轮机之类的热力发动机或等离子设备中，即使燃料－空气混合物的燃料比减小且实施贫混合物的燃烧/反应，也可通过实施稳定和高效的燃烧/反应，来实现点火稳定、提高火焰传播速度、提高输出、废气净化、稳定点燃非均匀混合物、改进燃耗率等。提供控制介电常数控制装置、微波辐射天线(1)和放电单元(2)，介电常数控制装置用于通过将水和/或废气引入燃烧/反应室(8)内来控制燃烧/反应室(8)内混合物的介电常数，微波辐射天线用于将微波辐射入燃烧/反应室(8)内，放电单元用于点火燃烧/反应室(8)内的混合物。在混合物实施燃烧/反应以使混合物的谐振频率对应于微波的频率之前，介电常数控制装置控制着混合物的介电常数。

Description

等离子设备
本申请是申请人为创想科学技术工程株式会社、国际申请日为2006年10月4日、申请号为200680050081.X(国际申请号为PCT/JP2006/319850)、发明名称为“点火装置、内燃机、点火塞、等离子设备、废气降解装置、臭氧发生/消毒/杀菌装置，以及除臭装置”的发明专利申请的分案申请(申请号为201210281441.4)的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于热力发动机或等离子设备中的点火装置，热力发动机诸如往复式发动机、旋转式发动机、喷气发动机和燃气涡轮机。
本发明涉及根据本发明的点火装置所适用的内燃机。
本发明涉及适用于根据本发明的点火装置的点火塞。
本发明涉及等离子设备，其用于环境(设备内的和设备外的)防范对策领域，诸如减少和降低有害排放物(CO2、NOx和未烧尽的碳氢化合物)、挥发性的有机化合物(VOC)、悬浮颗粒物质(PM)、烟尘等，或焦油、煤泥和排出物的处理和再使用，以及医学/卫生领域，诸如消毒、巴斯德杀菌和清洁技术等。
本发明涉及根据本发明的等离子设备所适用的废气降解装置。
本发明涉及根据本发明的等离子设备所适用的臭氧发生/消毒/杀菌装置和除臭装置。
背景技术
过去，在诸如往复式发动机和旋转式发动机之类的内燃机内，用点火塞实施火花放电来完成混合气体的点燃。然而，已有人提出使用几千兆赫(GHz)频率的电磁波来执行点火的点火装置，它是与火花放电无关的微波，由于火花放电发生的电磁噪音会造成安装在车辆上的电子装置误操作。
例如，专利文件1至4揭示了各种点火装置，其中，微波导构造成连接到燃烧/反应室(气缸内)，而使微波放电的放电电极设置在燃烧/反应室内。
在点火装置内，由微波发生单元(磁电管)产生的微波脉冲通过微波导传输到燃烧/反应室内，而放电电极产生微波电晕放电来点燃燃烧/反应室内的混合物。
例如，根据专利文件5，揭示了一种汽油内燃机，其中，高频电场发生器(磁电管)设置在燃烧/反应室(气缸内)内，于是，在发动机压缩冲程过程中，高频电场发生器在燃烧室内形成高频电场而实施介质加热、点火和燃烧起燃烧室内的混合物。
在环境防范对策技术中使用的传统等离子设备中，一般地，通过增加输入到由放电发生的等离子内的能量，产生高温的热平衡等离子，从而在低压力下将有害排放物、化学物质、悬浮颗粒物质、烟尘等加热到高温来氧化和降解它们。
近来，已经在研究一种微波放电产生大气的热非平衡等离子方法(同轴谐振型等离子发生器)。所发生的等离子是反应性等离子，其中，电子的温度是上万度，而气体温度在高达1000℃的正常温度范围之内。此外，使用由等离子发生的OH原子团、O3(臭氧)等的强化学反应，已经开发出在医疗/卫生领域用来消毒/杀菌/除臭的等离子设备(InnovationJapan(日本创新)2005；http：//ccr.ccr.tokushima-u.ac.jp/topic/050927-01.pdf)。
使用微波的等离子设备允许气体压力接近于大气压力，以便在微波激励下产生等离子气体。
例如，专利文件6和7揭示了一种微波等离子设备。在该微波等离子设备中，用作气体流动通道的非金属管沿中心导体的中心布置，在非金属管未被中心导体覆盖的间隙处，微波激励从管一端注入的气体，然后，诱发出等离子(同轴谐振型等离子发生器)并从另一端排出。
〔专利文件1〕JP-A-57－186067
〔专利文件2〕JP-A-3－31579
〔专利文件3〕JP-A-2000－230426
〔专利文件4〕JP-A-2001－73920
〔专利文件5〕JP-A-2000－274249
〔专利文件6〕JP-A-2001－035692
〔专利文件7〕JP-A-2004－172044
发明内容
然而，近年来，在诸如往复式发动机、旋转式发动机、喷气发动机和燃气涡轮机之类的热力发动机，或等离子设备中要求改进燃耗率。为了改进燃耗率，可以建议降低混合物的燃料比和实施贫混合物的燃烧/反应。然而，当传统内燃机的混合物燃料比降低时，也削弱了燃烧/反应的稳定性，例如，其循环发生波动。其结果，发生了诸如输出降低的问题。
因此，为了改进热力发动机或等离子设备中的燃耗率，即使在混合物的燃料比减小以及执行贫混合物的燃烧/反应时，也有必要实施稳定和高效的燃烧/反应。
与使用传统火花放电的点火方法相比，由于不能期望得到燃耗率改进和燃烧/反应的稳定性，所以，使用上述微波电晕放电的点火装置很难投入实际使用。
此外，在使用上述高频电场发生器的汽油内燃机中，磁电管直接安装在发动机上，于是，由于微波泄漏在以下诸方面出现了各种各样问题：耐用、抗振、安装空间的局限、周围温度(即，发动机温度上升)，以及控制系统的故障预防等。基于此原因，该种类型的汽油内燃机很难投入实际使用。
因此，鉴于上述诸多问题提出了本发明，其目的是提供一种点火装置，即使在混合物的燃料比减小以及在诸如往复式发动机、旋转式发动机、喷气发动机和燃气涡轮机之类的热力发动机或等离子设备中执行贫混合物的燃烧/反应时，所述点火装置通过实施稳定和高效的燃烧/反应也能够实现输出提高、废气清洁以及燃耗率的改进。
此外，本发明的一个目的是提供一种能解决如下各种问题的内燃机，当磁电管直接安装在汽油内燃机时，由于微波泄漏造成以下诸方面的问题：耐用、抗振、安装空间的局限、周围温度(即，发动机温度上升)，以及控制系统的故障等。
本发明的一个目的是提供上述根据本发明的点火装置所适用的内燃机。此外，本发明的一个目的是提供上述根据本发明的点火装置所适用的点火塞。
此外，在传统的等离子发生方法中，为了连续地发生高温的等离子，消耗了大量能量，装置本身非常昂贵(3,000,000日元或以上)，运行成本相当高，以及因装置本身体积大而运输困难。而且，使用大气的热非平衡等离子的研究和技术开发还刚起步。上述中心导体之间的放电用于等离子点火，但仍需要大输出(约几百瓦(W)至5kW的范围内)来连续地发生稳定的等离子。目前，在环境防范对策技术和使用等离子设备用于医学/卫生领域的应用技术领域内，对于如此防范对策技术的产品性能，要求其价格低廉。例如，对于每年处理不到1吨的小型VOC处理装置，每个价格为300,000日元或不到，电费每月约30,000日元(Ministryof Economy，2004；chemical material risk reduction technology objective(经济省，2004；化学材料危险减排技术目的))。
根据本发明的等离子是低温度/大气压力空气的微波等离子。在等离子中，危险的排放物、化学物质、悬浮颗粒物质、烟尘等不加热到高温，但被等离子(OH原子团和臭氧(O3))产生的产物氧化和进行化学反应，于是，危险有害的排放物等减少、还原和解毒。与传统的使用高温等离子的技术不同，该等离子总体上具有不同的新颖性和有效性。在过去，需要大量能量和大型装置来产生解毒有害排放物所需的等离子。此外，还没有能容易地在大气压力的空气中诱发出等离子和产生大量原子团的低价和小型的装置。
为此原因，鉴于上述情况提出了本发明，其目的是提供能容易地在大气压力的空气中诱发出等离子和产生大量原子团的低价和小型的等离子设备。
本发明的另一个目的是提供不仅能适用于设备外的防范对策技术而且适用于设备内的防范对策技术的等离子设备。此外，本发明的一个目的是提供合适的等离子设备，其能在各种燃烧器中执行稳定和高效的燃烧，以改进燃烧过程(通过体积点火和由于强OH原子团的化学氧化和反应扩大贫燃料燃烧极限来节约能量)，且通过分解和完全燃烧未烧尽燃料来减少和还原有害排放物而不降低功率的输出。
本发明的还有另一目的是通过产生大量成本低持续活性的OH原子团和O3来提供有效的废气降解装置、臭氧发生/消毒/杀菌装置，以及除臭装置。
为了解决上述问题和实现上述目的，根据本发明的点火装置包括以下结构中的任何一种。
〔结构1〕
根据本发明的一方面，提供一种点火装置，该点火装置包括介电常数控制装置，用于通过将水和/或从实施混合物的燃烧/反应或等离子反应的燃烧/反应域产生的废气引入到燃烧/反应域内，来控制燃烧/反应域内混合物的介电常数，反应气体和氧化气体的混合物存在于热力发动机或等离子设备中；微波辐射装置，用于将微波辐射到燃烧/反应域内以提高燃烧/反应域内混合物的温度，并在燃烧/反应域内实施等离子放电以提高原子团浓度，这样，火焰点火特性得到提高且火焰传播速度得到提高；点燃装置，用于通过放电使燃烧/反应域内混合物点燃；以及微波辐射装置，用于在燃烧/反应域内的混合物中放电以提高燃烧/反应或等离子气体中原子团的浓度，使得火焰点火特性得到提高且火焰传播速度得到提高，其中，在混合物的燃烧/反应在燃烧/反应域内实施之前，介电常数控制装置控制混合物的介电常数，以使燃烧/反应域内混合物的谐振频率随从微波辐射装置辐射出的微波频率发生谐振。
〔结构2〕
根据本发明的另一方面，提供一种点火装置，该点火装置包括介电常数控制装置，用于通过将水和/或从实施混合物的燃烧/反应或等离子反应的燃烧/反应域产生的废气引入到燃烧/反应域内，来控制燃烧/反应域内混合物的介电常数，反应气体和氧化气体混合物存在于热力发动机或等离子设备中；微波辐射装置，用于将微波辐射到燃烧/反应域内以提高燃烧/反应域内混合物的温度，并在燃烧/反应域内实施等离子放电以提高原子团浓度，这样，火焰点火特性得到提高且火焰传播速度得到提高；点燃装置，用于通过放电使燃烧/反应域内混合物点燃；微波辐射装置，用于在燃烧/反应域内实施等离子放电以提高燃烧/反应域中原子团的浓度，使得火焰点火特性得到提高且火焰传播速度得到提高；以及用于控制微波辐射装置和点火装置的控制装置；其中，微波辐射装置和点火装置受控制装置控制，以便重复循环，该循环是这样一过程，其中，微波辐射装置将微波辐射到燃烧/反应域内以提高燃烧/反应域内混合物的温度并在燃烧/反应域内放电以提高原子团的浓度，这样，火焰点火特性得到提高且火焰传播速度得到提高；点燃装置使用放电来点燃混合物；以及然后微波辐射装置通过将微波辐射到燃烧/反应域内而在燃烧/反应域内使等离子放电以提高原子团的浓度，使得火焰点火特性得到提高且火焰传播速度得到提高；以及在燃烧/反应域内促进混合物的燃烧/反应。
〔结构3〕
在根据结构1或2的点火装置中，还可提供用作为微波辐射装置的微波辐射天线和用作为点燃装置的点火/放电单元，其中，在一体形成的绝缘体内提供微波辐射天线和点火/放电单元。
〔结构4〕
在根据结构1至3中任何一种的点火装置中，从微波辐射装置辐射出的微波可以是一个或多个控制的间断波。
根据本发明的内燃机包括以下结构中的任何一种。
〔结构5〕
根据本发明的一方面，提供一种内燃机，该内燃机包括：燃烧/反应室，该燃烧/反应室包括气缸和活塞，燃烧/反应室内提供有反应气体和氧化气体的混合物，并实施混合物的燃烧/反应或等离子反应；以及微波辐射装置，用于将微波辐射到燃烧/反应室内以提高燃烧/反应室内混合物的温度，并用于在燃烧/反应室内实施等离子放电以提高原子团浓度，这样，火焰点火特性得到提高且火焰传播速度得到提高，其中，用于防止微波泄漏的凹陷单元形成在与气缸内壁接触的活塞的外周缘表面上。
〔结构6〕
根据本发明的另一方面，提供一种内燃机，该内燃机包括：燃烧/反应室，该燃烧/反应室包括气缸和活塞，燃烧/反应室内提供有反应气体和氧化气体的混合物，并实施混合物的燃烧/反应或等离子反应；用来打开和关闭入口端口和出口端口的阀，端口设置在燃烧/反应室上；以及微波辐射装置，用于将微波辐射到燃烧/反应室内以提高燃烧/反应室内混合物的温度，并在燃烧/反应室内实施等离子放电以提高原子团浓度，这样，火焰点火特性得到提高且火焰传播速度得到提高，其中，将微波聚焦在阀一个或多个底表面上的机构形成在阀面向燃烧/反应室的表面上。
〔结构7〕
根据本发明的还有另一方面，提供一种内燃机，该内燃机包括：燃烧/反应室，该燃烧/反应室包括气缸和活塞，燃烧/反应室内提供有反应气体和氧化气体的混合物，并实施混合物的燃烧/反应或等离子反应；点燃装置，用于通过放电使燃烧/反应室内混合物点燃；以及安装在点燃装置圆周上或气缸圆周上的磁体，其中，磁体产生的磁场使得燃烧/反应室内产生的离子或等离子的电场具有活塞的方向，以使火焰/反应区域或火焰/反应区域的后段内的燃烧/反应气体的离子或等离子被加速到气缸外周缘侧。
在该内燃机中，通过使用火焰表面和其后段内微波产生的等离子得到的点火特征以及火焰传播速度的加速都得到提高。
〔结构8〕
根据本发明的还有另一方面，提供一种内燃机，该内燃机包括：燃烧/反应室，该燃烧/反应室包括气缸和活塞，燃烧/反应室内提供有反应气体和氧化气体的混合物，并实施混合物的燃烧/反应或等离子反应；点燃装置，用于通过放电使燃烧/反应室内混合物点燃；以及调节施加到点燃装置的电压的电压调节装置，其中，控制施加到点火装置上电压的电压调节装置，对燃烧/反应室内的未燃烧/未反应的混合物在低于点火能量之下放电以在混合物中诱发等离子，和/或对燃烧/反应的混合物放电以在混合物中诱发等离子。
在该内燃机中，通过使用传统的火花塞不使用微波，在点火之前和之后能够产生等离子。即，在该内燃机中，当施加到点燃装置的电压是间断波且其幅值和时间长度受到控制时，在载荷、混合物浓度、转速、点火时间等的各种条件下，能够实现稳定火焰的发生和火焰传播速度的加速。
〔结构9〕
根据本发明的还有另一方面，提供一种内燃机，该内燃机包括：燃烧/反应室，该燃烧/反应室包括气缸和活塞，燃烧/反应室内提供有反应气体和氧化气体的混合物，并实施混合物的燃烧/反应或等离子反应；自点燃装置，用于在高压下注入反应气体和氧化气体的混合物，以压缩反应气体和氧化气体的混合物并提高温度，来自动地点火混合物；微波辐射装置，用于将微波辐射到燃烧/反应室内；以及控制自点燃装置和微波辐射装置的控制装置，其中微波辐射装置和点燃装置受控制装置的控制，以重复一种循环，该循环是这样一种过程：微波辐射装置将微波辐射到燃烧/反应室内，以从燃烧/反应室内混合物的潮气中产生大量氢氧基(OH)原子团和臭氧(O3)，然后进行氧化和化学反应；自点燃装置点燃混合物，大量的氢氧基(OH)原子团和臭氧(O3)促进燃烧/反应室内混合物的燃烧。
〔结构10〕
在根据结构5或9的内燃机中，还可提供多个测量传感器，用来测量从燃烧/反应室中排出气体中O2、NOx、CO和烟尘的密度，在燃烧/反应室内实施燃烧/反应或反应气体和氧化气体混合物的等离子反应。其结果，能够以实时测量燃烧状态的方式执行燃烧控制，以便减少排出的废气。
根据本发明的点火塞包括如下结构。
〔结构11〕
根据本发明的一方面，提供一种点火塞，该点火塞包括：微波辐射天线，该天线用来将微波辐射到实施混合物的燃烧/反应的燃烧/反应域内，反应气体和氧化气体的混合物存在于热力发动机或等离子设备中；以及用于点火燃烧/反应域内混合物的点火/放电单元，其中，微波辐射天线和点火/放电单元设置在一体形成的绝缘体内。
根据本发明的等离子设备包括如下结构。
〔结构12〕
根据本发明的一方面，提供一种等离子设备，该设备包括产生预定微波带的微波振荡器；使预定微波带谐振的微波谐振腔；以及将微波辐射到微波谐振腔内的微波辐射装置，其中，微波辐射装置是具有特定形状和大小的微波辐射天线，其在微波形成的等离子发生域内形成微波的强电场。
〔结构13〕
在根据结构12的等离子设备中，还可提供等离子点燃装置，其在微波谐振腔内的气体中局部放电，然后在气体中诱发出等离子。
〔结构14〕
在根据结构13的等离子设备中，还可提供用于控制微波辐射装置和等离子点燃装置的控制装置，以及测量等离子发生器发生的OH原子团和O3的发生量或排出强度的测量单元，其中，微波辐射装置和/或等离子点燃装置实时地处理测量单元的结果，以向控制装置提供合成结果。
〔结构15〕
在根据结构13或14的等离子设备中，微波辐射装置可包括用作为微波辐射装置和等离子点燃装置的点火/放电单元，微波辐射装置和点火/放电单元可设置在一体形成的绝缘体内。
〔结构16〕
在根据结构12至15中任何一种的等离子设备中，具有2.45GHz振荡频率的家用电器用的磁电管可用作为微波振荡器。
〔结构17〕
在根据结构13至15中任何一种的等离子设备中，等离子点燃装置可使用将诸如介电体的绝缘材料插入电极之间的势垒放电，形成非均匀电场的电晕放电，以及施加小于1μs的短脉冲电压的脉冲放电。
〔结构18〕
在根据结构12、13、15或16的等离子设备中，还可提供微波传输装置。
〔结构19〕
在根据结构18的等离子设备中，微波传输装置可以是同轴电缆。
〔结构20〕
在根据结构18的等离子设备中，微波传输装置可以是波导。
〔结构21〕
在根据结构15至17中任何一种的等离子设备中，还可提供用于传输微波的同轴电缆；用于分支、隔绝和偶联微波的定向偶联器；以及调节全部传输系统阻抗的调节器。
根据本发明的废气降解装置包括以下结构。
〔结构22〕
根据本发明的一方面，提供一种废气降解装置，包括：用来发生预定微波带的微波振荡器；使预定微波带发生谐振的微波谐波腔；以及将微波辐射到微波谐振腔内的微波辐射装置，其中，微波辐射装置是微波辐射天线，该天线沿废气的圆周方向设置在废气流动通道的外圆周上，天线具有的形状和尺寸能使由微波形成的等离子发生场均匀地在一部分流动通道上形成微波的强电场。
〔结构23〕
在根据结构22的废气降解装置中，还可提供中空或实心金属棒或板，其沿其中流过废气的流动通道的中心轴线形成微波的强电场。
〔结构24〕
在根据结构22或23的废气降解装置中，还可提供等离子点燃装置，其在微波谐振腔内的气体中作局部放电，然后，在气体中诱发等离子。
〔结构25〕
在根据结构24的废气降解装置中，通过沿其中流过废气的流动通道的圆周方向设置的且沿轴向方向彼此相对的电极之间的电弧放电，可实施该等离子点燃装置。
〔结构26〕
在根据结构22至25中任何一种的废气降解装置中，还可提供微波传输装置。
〔结构27〕
在根据结构26的废气降解装置中，微波传输装置可以是同轴电缆。
〔结构28〕
在根据结构26的废气降解装置中，微波传输装置可以是波导。
根据本发明的臭氧发生/消毒/杀菌装置包括以下结构。
〔结构29〕
根据本发明的一方面，提供一种臭氧发生/消毒/杀菌装置，其包括用来对臭氧发生域产生预定微波带的微波振荡器；设置在臭氧发生域内使预定微波带发生谐振的微波谐振腔；以及将微波辐射到微波谐振腔内的微波辐射装置，其中，微波辐射装置是微波辐射天线，天线具有的形状和尺寸能使由微波形成的臭氧发生域内形成微波的强电场。
〔结构30〕
在根据结构29的臭氧发生/消毒/杀菌装置中，还可提供等离子点燃装置，其在微波谐振腔内的气体中作局部放电，然后在气体中诱发等离子，其中，微波辐射装置是微波辐射天线，天线具有的形状和尺寸能在由等离子点燃装置形成的臭氧发生域内形成微波的强电场。
〔结构31〕
在根据结构29或30的臭氧发生/消毒/杀菌装置中，微波谐振腔内的气体可以是空气，其处于大气压或大气压以上。
〔结构32〕
在根据结构29或30的臭氧发生/消毒/杀菌装置中，微波谐振腔内的气体可以是蒸汽，其处于大气压或大气压以上。
根据本发明的除臭装置包括如下结构。
〔结构33〕
根据本发明的一方面，提供一种除臭装置，其包括用来产生预定微波带的微波振荡器；使预定微波带发生谐振的微波谐振腔；以及将微波辐射到微波谐振腔内的微波辐射装置，其中，微波辐射装置是微波辐射天线，天线具有的形状和尺寸能在由微波形成的微波谐振腔内的除臭空间中形成微波的强电场。
〔结构34〕
在根据结构33的除臭装置中，还可提供循环单元和循环系统，用来在微波谐振腔内循环除臭气体和液体。
在具有结构1的点火装置中，介电常数控制装置控制燃烧/反应域内混合物的介电常数，以使燃烧/反应域内混合物的谐振频率随从微波辐射装置辐射出的微波频率谐振。其结果，当微波从微波辐射装置辐射时，能够有效地提高混合物的温度。
在具有结构2的点火装置中，微波辐射装置将微波辐射到燃烧/反应域内，以提高燃烧/反应域内混合物的温度，然后在燃烧/反应域内实施等离子放电来提高原子团浓度，以提升火焰点火特性和火焰传播速度；点燃装置点燃混合物；以及微波辐射装置将微波辐射到燃烧/反应域内以促进混合物的燃烧/反应。其结果，即使混合物的燃料比降低且贫混合物或不均匀混合物实施燃烧/反应，也能够实施稳定和高度有效的燃烧/反应。
在具有结构3的点火装置中，用作为微波辐射装置的微波辐射天线和用作为点燃装置的点火/放电单元设置在一体形成的绝缘体内。其结果，微波辐射天线和点火/放电单元与传统火花塞兼容。
在具有结构4的点火装置中，从微波辐射装置辐射出的微波是一个或多个控制的间断波。其结果，能够多点地实施放电。此外，使用微波能够瞬时地产生等离子而不增加功率消耗。
在具有结构5的内燃机中，防止微波泄漏的凹陷部分形成在与气缸内壁接触的活塞的外周缘表面上。其结果，即使采用上述点火装置，也可防止微波泄漏。
在具有结构6的内燃机中，将微波聚焦在阀一个或多个底表面上的机构(具有用作为电气长度的波长的1/4长度的机构)形成在阀面向燃烧/反应室的表面上。其结果，能够实施能量辐射，诸如使用上述点火装置使供应到阀上的微波谐振而对燃烧/反应域放电。
在具有结构7的内燃机中，磁体产生的磁场使得燃烧/反应室内产生的离子或等离子的电场或具有活塞的方向，以使火焰反应区域或火焰/反应区域的后段内的燃烧/反应气体的离子或等离子被加速到气缸外周缘侧。其结果，使用火焰表面和其后段内的微波所产生的等离子，能够提高火焰点火特性和加速火焰传播速度。
在具有结构8的内燃机中，控制施加到点燃装置上电压的电压调节装置，对燃烧/反应室内的未燃烧/未反应的混合物在低于点火能量之下放电以在混合物中诱发等离子，和/或对燃烧/反应的混合物放电以在混合物中诱发等离子。其结果，通过应用传统的火花塞无需使用微波就能够在点火之前和之后产生等离子。
即，在内燃机中，当施加到点燃装置的电压是间断波且其幅值和时间长度受到控制时，在载荷、混合物浓度、转速、点火时间等的各种条件下，能够实现稳定火焰的发生和火焰传播速度的加速。
在具有结构9的内燃机中，当在高压下将反应气体和氧化气体的混合物注入到燃烧/反应域以压缩混合物并提高温度来自动地点火混合物时，预先将微波辐射到燃烧/反应域。其结果，使用自点燃装置能够产生低温等离子。然后，通过产生低温的等离子，可从混合物的潮气中连续地产生大量OH原子团和臭氧(O3)。其结果，能够促进燃烧/反应域内混合物的燃烧。
在具有结构10的内燃机中，提供多个测量传感器，用来测量从燃烧/反应室中排出气体中O2、NOx、CO和烟尘的密度，可监视燃烧/反应室内燃烧/反应的状况。其结果，能够使用微波反映燃烧改进/控制的结果。
在具有结构11的点火塞中，微波辐射天线和点火/放电单元设置在一体形成的绝缘体内。其结果，使用与诸如传统的火花塞、电热塞等的等离子源兼容的点火塞，能够构造成上述的点火装置。
在具有结构12的等离子设备中，提供产生预定微波带的微波振荡器；使预定微波带谐振的微波谐振腔；以及将微波辐射到微波谐振腔内的微波辐射装置(微波辐射天线)。其结果，通过提供具有特定形状和大小的微波辐射天线以在等离子发生域内形成微波的强电场，能够有效地产生低温的等离子。
在具有结构13的等离子设备中，提供等离子点燃装置，其在微波谐振腔内的气体中局部放电，然后在气体中诱发出等离子。其结果，通过提供具有特定形状和大小的微波辐射天线以在等离子发生域内形成微波的强电场，能够有效地产生低温的等离子。
在具有结构14的等离子设备中，提供用于控制微波辐射装置和等离子点燃装置的控制装置，以及用于测量等离子发生器发生的OH原子团和O3的发生量或排出强度的测量单元。其结果，通过测量单元实时地处理测量单元的结果以对微波辐射装置和/或等离子点燃装置的控制提供合成结果。
在具有结构15的等离子设备中，微波辐射装置和点火/放电单元设置在一体形成的绝缘体内。其结果，能够提供成本低且体积紧凑、容易操作和高度灵活性的等离子设备。
在具有结构16的等离子设备中，使用具有2.45GHz振荡频率的家用电器用的磁电管。其结果，能够提供成本低、容易获得、容易修理/更换以及使用中无法律限制的等离子设备。
在具有结构17的等离子设备中，当使用以下放电中任何一种时，等离子点燃装置可获得相同的效果：势垒放电，其将诸如介电体的绝缘材料插入电极之间；形成非均匀电场的电晕放电；或施加小于1μs的短脉冲电压的脉冲放电。其结果，不管应用条件如何，都能够提供灵活的等离子设备。
在具有结构18的等离子设备中，提供微波传输装置。其结果，能够给予发生器安装的灵活性同时保持相同的效果。
在具有结构19的等离子设备中，柔性的同轴电缆用于微波传输装置。其结果，微波振荡器的安装没有限制同时保持相同的效果，以便能够提供灵活的等离子设备。
在具有结构20的等离子设备中，微波传输装置是波导。其结果，能够实施比同轴电缆更加有效的传输。
在具有结构21的等离子设备中，提供用于传输微波的同轴电缆；用于分支、隔绝和偶联微波的定向偶联器；以及调节全部传输系统阻抗的调节器。其结果，在传输系统的微波传输效率提高的状态下，能够优化地实施调节。此外，微波振荡器和等离子发生位置可彼此分离。其结果，对于根据应用位置进行的系统设计，能够提供更大的裕度。
在具有结构22的废气降解装置中，提供用来发生预定微波带的微波振荡器；使预定微波带发生谐振的微波谐波腔；以及将微波辐射到微波谐振腔内的微波辐射装置(微波辐射天线)，其中，微波辐射装置沿废气的圆周方向设置在废气流动通道的外圆周上，天线具有的形状和尺寸能使由微波形成的等离子发生场均匀地在一部分流动通道上形成微波的强电场。其结果，能够处理高流量的废气。
在具有结构23的废气降解装置中，提供中空或实心金属棒或板，其沿其中流过废气的流动通道的中心轴线形成微波的强电场。其结果，能够产生其中流过废气的流动通道的全部截面内并沿流动方向是均匀和强的低温等离子。
在具有结构24的废气降解装置中，提供等离子点燃装置，其在微波谐振腔内的气体中作局部放电，然后，在气体中诱发等离子。其结果，通过腔内的微波能量有效地产生等离子，能够有效地执行废气的降解。
在具有结构25的废气降解装置中，通过沿其中流过废气的流动通道的圆周方向设置的且沿轴向方向彼此相对的电极之间的电弧放电，可实施该等离子点燃装置。其结果，能够产生轴向方向任意截面内的流动通道截面内均匀的等离子。
在具有结构26的废气降解装置中，提供微波传输装置。其结果，不管微波振荡器的安装位置如何，都能在线固定等离子设备，没有安装的限制。
在具有结构27的废气降解装置中，微波传输装置是同轴电缆。其结果，不管微波振荡器的安装位置如何，都能在线固定等离子设备，无需在中流处的传输空间，没有安装的结构限制。
在具有结构28的废气降解装置中，微波传输装置是波导。其结果，能够实施比同轴电缆更加高效的传输。
在具有结构29的臭氧发生/消毒/杀菌装置中，提供用来对臭氧发生域产生预定微波带的微波振荡器；设置在臭氧发生域内使预定微波带发生谐振的微波谐振腔；以及将微波辐射到微波谐振腔内的微波辐射装置(微波辐射天线)，其中，微波辐射天线具有的形状和尺寸能在臭氧发生域内形成微波的强电场。其结果，能够产生高流量的臭氧。
在具有结构30的臭氧发生/消毒/杀菌装置中，提供等离子点燃装置，其在微波谐振腔内的气体中作局部放电，然后在气体中诱发等离子，其中，微波辐射天线具有的形状和尺寸能在由等离子点燃装置形成的臭氧发生域内形成微波的强电场。其结果，通过腔内的微波能量有效地产生等离子，能够有效地发生高流量的臭氧。
在具有结构31的臭氧发生/消毒/杀菌装置中，微波谐振腔内的气体是空气，其处于大气压或大气压以上。其结果，能够在低成本无需特殊结构的情况下容易地大量产生臭氧。
在具有结构32的臭氧发生/消毒/杀菌装置中，微波谐振腔内的气体是蒸汽，其处于大气压或大气压以上。其结果，也能够在低成本无需任何特殊结构的情况下容易地大量产生臭氧。
在具有结构33的除臭装置中，提供用来产生预定微波带的微波振荡器；使预定微波带发生谐振的微波谐振腔；以及将微波辐射到微波谐振腔内的微波辐射装置(微波辐射天线)，其中，微波辐射天线具有的形状和尺寸能在由微波形成的微波谐振腔内的除臭空间中形成微波的强电场。其结果，通过产生大量臭氧，能够提高除臭效果。
在具有结构34的除臭装置中，在腔内提供循环单元和循环系统，用来循环除臭气体和液体。其结果，能够提供进一步提高除臭效果的除臭装置。
即，本发明提供一种点火装置，在诸如往复式发动机、旋转式发动机、喷气式发动机和燃气涡轮机之类的热力发动机或等离子设备中，即使在混合物的燃料比减小以及执行贫混合物的燃烧/反应时，通过实施稳定和高效的燃烧/反应，本发明的点火装置能够达到稳定点火，提高燃烧速度，促进非均匀混合物的燃烧，以及提高燃耗率。
此外，本发明提供根据本发明的点火装置所适用的内燃机。此外，本发明提供适用于根据本发明的点火装置的点火塞。点火塞可用作为内燃机中的点火装置以及燃烧/反应装置。因此，能够有利于火焰稳定，改进燃耗，以及提高燃烧/反应效率。
此外，本发明提供便宜和紧凑的装置，该装置包括容易在大气压下产生的等离子，并产生大量OH原子团和O3。该装置适于某种处理装置，其用来减少和还原有害排放物(CO2、NOx和未燃烧的碳氢化合物)、挥发性有机化合物(VOC)、悬浮颗粒物质(PM)、烟尘等。此外，该装置可适用于环境防范对策(设备内的和设备外的)领域内的等离子设备、废气降解装置、有害材料处理装置、臭氧发生/消毒/杀菌装置，以及除臭装置，例如，应用于电除尘器和焦油、煤泥和排放物的处理和再使用，以及诸如消毒、巴斯德杀菌和清洁技术等的医学/卫生领域。
此外，该装置不仅可应用于设备外的防范对策技术，而且可应用于设备内的防范对策技术。能够提供合适的等离子设备，其能在诸如燃气涡轮机、熔炉、焚化炉以及热解炉那样的各种燃烧器中实施稳定和高效的燃烧，以使燃烧过程得到改进(扩展贫瘠燃料的燃烧限制，来节约能量)，以及通过分解和完全烧尽未燃烧的燃料而不降低功率输出，以使有害排放物减少和还原。
能够提供以低成本、高效和节能的方式容易地产生大量O3的臭氧发生/消毒/杀菌装置和除臭装置。
附图说明
图1是显示根据本发明的点火装置所适用的内燃机中混合物温度和介电常数之间相关性的曲线。
图2是显示根据本发明点火装置中微波脉宽的曲线。
图3是显示内燃机中燃烧/反应室结构的侧视图。
图4是显示根据本发明的四阶段多点点火的微波脉宽和输出的曲线。
图5是显示根据本发明的点火塞结构的截面图。
图6是显示根据本发明的点火塞结构的侧视图。
图7是显示根据本发明第一实施例的内燃机的主要部分结构的侧视图和俯视图。
图8是显示根据本发明第二实施例的内燃机的主要部分结构的侧视图。
图9是显示根据本发明的内燃机的结构的另一实例的侧视图。
图10是显示根据本发明的内燃机的结构的另一实例的截面图。
图11是显示根据本发明第一实施例的等离子设备的主要部分结构的侧视图。
图12是显示根据本发明第二实施例的等离子设备的主要部分结构的侧视图。此外，图12是显示根据本发明第一实施例的废气降解装置的主要部分结构的侧视图。
图13是显示根据本发明第三实施例的等离子设备的主要部分结构的侧视图。
图14是显示根据本发明第四实施例的等离子设备的主要部分结构的侧视图。此外，图14是显示根据本发明第二实施例的废气降解装置的主要部分结构的侧视图。
附图标记的说明
1 微波辐射天线
2 点火/放电单元
3 同轴电缆
4 接地电极
5 阳极电极
6 气缸
7 活塞
8 燃烧/反应室
9 凹陷部分
10 入口端口
11 出口端口
12 阀
13 周期性机构
14 轴
15 磁体
16 绝缘材料
17 微波振荡器
18 微波谐振腔(腔)
19 微波辐射装置(微波辐射天线)
20 等离子点燃装置
21 等离子发生场
22 腔内流体
23 测量单元
24 控制装置
25 同轴电缆
具体实施方式
下面，参见附图来描述本发明的诸实施例。
[点火装置的第一实施例]
在热力发动机或等离子设备中，提供反应气体和氧化气体的混合物。在造成混合物燃烧/反应的燃烧/反应域中，例如，发动机的燃烧/反应室，当混合物的温度提高或由微波实施点燃时，为了提高温度或点燃，必须将所需的能量有效地传输到燃烧/反应室。为此原因，较佳地，根据燃烧/反应室形状、混合物介电常数(ε)等确定的谐振频率对应于微波频率。另一方面，作为用作产生微波的磁电管来说，已经制造出并用于家用电器中的许多磁电管，它们具有2.45GHz的振动频率并允许水分子发生谐振。此外，就用于鱼群探测器和雷达的磁电管而言，商业上采用的是频率更高的磁电管。
如果燃烧/反应室的谐振频率可对应于2.45GHz频率，那么，就可使用大量并低价出售的2.45GHz的磁电管。由于这使得装置的制造容易和成本低廉，所以是所希望的。
然而，由于燃烧/反应室形状取决于气缸内部形状和活塞形状，它们由谐振频率之外的各种因素所确定，所以，难于做出一种能使谐振频率固定在所有发动机的形状。
因此，在根据本发明的点火装置中，通过将水和/或废气引入燃烧/反应室内使燃烧/反应室内混合物的谐振频率对应于微波频率，就可控制混合物的介电常数(ε)。
这就是说，点火装置包括介电常数控制装置。通过将从燃烧/反应域排出的水和/或废气引入到燃烧/反应域(燃烧/反应室等)内，存在于热力发动机或等离子设备中的反应气体和氧化气体的混合物在该燃烧/反应域中实施燃烧/反应，由此该介电常数控制装置控制燃烧/反应域内混合物的介电常数。
燃烧/反应室内混合物的介电常数(ε)的变化取决于空气－燃料比(A/F值)的变化，通过改变注入到燃烧/反应室内的汽油量来变化该空气－燃料比。如图1所示，通过独立于混合物将水(蒸汽)引入燃烧/反应室内，也可使介电常数(ε)发生变化。因此，通过将水引入燃烧/反应室内，介电常数控制装置可控制燃烧/反应室内混合物的介电常数。将水引入燃烧/反应室内的过程可以如下方式进行，例如，用泵将储存在水箱中的水送到燃烧/反应室内。
此外，将从燃烧/反应室排出的废气再次引入燃烧/反应室内的过程被称之为“EGR”(废气返回)。由于“EGR”是按传统方式进行，所以，已知的机构可用作为将废气再次引入燃烧/反应室内的特定机构。
通过将水和/或废气引入燃烧/反应室内，以控制混合物的介电常数(ε)，由此介电常数控制装置控制着燃烧/反应室内的蒸汽量或温度。此外，介电常数控制装置控制着燃烧/反应室内混合物的谐振频率，使其对应于由下面所述微波辐射装置辐射的微波频率。
点火装置包括微波辐射装置，该装置将微波辐射到燃烧/反应域内，以提高燃烧/反应域内混合物的温度。振荡频率为2.45GHz的通用磁电管可用作为该微波辐射装置。振荡频率为2.45GHz的磁电管用于所谓的微波炉中，并大量制造和销售。另一方面，微波辐射装置不局限于磁电管，但也可使用用于移动电话之类中的高频带的发送器。在此情形中，能够提供较小和便携的装置。此外，微波辐射装置最好辐射毫秒脉冲或一个或多个间歇辐射的微波。当微波间歇发射时，使用具有瞬时大功率的微波能够产生等离子，而不增加功率消耗。
此外，对于本发明所适用的一个目的，通过构造脉冲、间歇辐射和连续辐射的最佳组合，可控制微波的振荡形式。
此外，间歇微波的连续时长(脉宽)可分别由热力发动机或等离子设备进行优化。例如，如图2所示，当采用带有变极器的微波炉机构时，就能在约16毫秒的时间段内辐射出脉宽为3μsec至18μsec的微波。此外，间歇微波的幅值和周期可以任意设定。
在如此的点火装置中，由微波辐射装置产生的微波构造成通过同轴电缆传输到燃烧/反应室内。
此外，点火装置包括对燃烧/反应室内混合物点火的点燃装置。该点燃装置包括诸如一般用于汽油发动机内的火花塞或一般用于柴油发动机内的电热塞那样的点火/放电单元，可采用如此的点燃装置。
在如这样的点燃装置的点火装置中，微波辐射装置也可采用作为如此的点燃装置而无需使用火花塞或电热塞。此外，正如容易地通过微波来产生等离子的如此点燃装置那样，磁电管可由诸如激光束、打火机或燃烧器的火焰等、加热器和高温金属片之类的装置对其供热。
在点火装置中，在燃烧/反应室内的混合物实施燃烧/反应而使燃烧/反应室内的混合物的谐振频率对应于微波辐射装置辐射的微波频率之前，介电常数控制装置控制着混合物的介电常数(ε)。在此状态中，当微波辐射装置辐射微波时，全部的燃烧/反应室谐振起来，因此，有效地提高燃烧/反应室内混合物的温度，于是容易地发生点火。
当燃烧/反应室内混合物的温度上升时，点燃装置执行点火，因此在混合物中满意地造成燃烧/反应。在点火中，利用微波的谐振，实施所谓的体积点火、局部区域内的点点火，或多级点火。即，点火装置是这样一种系统，该系统能够在点火前、点火时和点火后利用微波产生等离子。
此外，对于点火的定时，应考虑到点火的延迟。所以，实施点火的时间最好在活塞到达上止点而由此燃烧/反应室的体积最大压缩之前的预定时间。燃料浓度(空气－燃料比)和点火定时可分别根据热力发动机或等离子设备进行优化，由此，获得最大的功率输出。
在点火装置中，混合物的介电常数可通过优化引入到燃烧/反应室内的水、再循环的废气和燃料等的量进行精确控制。此外，考虑燃烧/反应室内氧浓度、混合物浓度、残余气体浓度等来合适地确定这种优化。
因此，与热力发动机或等离子设备中使用的传统点火装置相比，即使混合物中燃料比很低且混合物浓度不均匀时，该点火装置也可执行稳定的燃烧/反应。
此外，点火装置可适用于如燃烧/反应域那样没有闭合的燃烧/反应室的喷气发动机等。在喷气发动机之类的发动机中，吸气、混合、燃烧/反应和排气操作都在发动机的连续空间内依次进行。然而，如上所述，点火装置控制混合物介电常数，辐射微波并在执行燃烧/反应操作的域内连续地或间歇地执行点火。
此外，在点火装置中，微波辐射装置不局限于振荡频率为2.45GHz的磁电管，但可采用在燃料中的碳氢化合物分子、碳分子、氢分子等谐振频率下发生振荡的磁电管。在此情形中，不必将水引入燃烧/反应域内。
[点火装置的第二实施例]
与根据上述第一实施例的点火装置一样，根据第二实施例的点火装置包括微波辐射装置和点燃装置。此外，点火装置包括用来控制微波辐射装置和点燃装置的控制装置。
该控制装置控制微波辐射装置和点燃装置并重复地执行如下循环。循环包括：提高燃烧/反应室8内混合物的温度，或通过如图3所示的微波辐射装置将微波辐射到燃烧/反应室8内而产生原子团，然后，用点燃装置对混合物执行点火，接下来，用微波辐射装置将微波辐射到燃烧/反应室内促进燃烧/反应室内混合物进行燃烧/反应。
这就是说，在该点火装置中，控制微波的发生时间和功率输出(输入能量)，由此实现温度上升、原子团发生、混合物中点火和促进火焰传播的燃烧/反应循环。此时，可以与上述第一实施例相同的方式，在燃烧/反应之前将水和/或废气引入混合物中。
此外，在该点火装置中，例如，可实施四级多点式点火。在第一阶段，在点火之前辐射微波到混合物内，以提高混合物中水温。在第二阶段，在点火之前辐射微波到混合物内，以在燃烧/反应域内产生等离子放电，由此，提高原子团的浓度。在第一和第二阶段，提高了混合物的点火特性，由此能使点火容易地发生。在第三阶段，通过燃烧/反应域内混合物中的放电来执行点火。此时，可使用传统的火花塞来实施点火。在第四阶段，点火之后微波辐射到混合物，以在燃烧/反应域内产生等离子放电，由此，提高原子团浓度，或辐射微波以便使用微波来产生驻波，由此，促进火焰的传播。
此外，如图4所示，可在四级多点式点火中构造微波的脉宽和功率输出(输入能量)，通过热力发动机或等离子设备中对每一阶段优化输出和微波脉宽来获得最大的输出。此外，通过控制微波输出和间歇波的幅值和周期，用微波辐射方法来实施混合物温度的升高，诸如OH原子团那样原子团的产生，点火和促进火焰传播。
在该点火装置中，如上所述地，促进燃烧/反应的操作，这样，不可能用传统点火装置实施燃烧/反应的贫混合物现在也有效地进行燃烧/反应，由此，提高了燃料/反应剂消耗率，减小了燃烧/反应室的尺寸，提高输出，以及在稳定输出状态中清洁废气。此外，在该点火装置中，由于防止了不完善的燃烧/反应，实现了完全燃烧/反应，所以，可抑制空气污染物的出现，由此，有利于环境保护。
[点火塞的实施例]
如图5A所示，根据本发明的点火塞包括用作为微波辐射装置的微波辐射天线1以及用作为点燃装置的点火/放电单元2。微波辐射天线和点火/放电单元设置在一体形成的绝缘体内。点火塞与通常用于传统汽油发动机和传统柴油机中的火花塞和电热塞兼容，由此，构成上述根据本发明的点火装置。
在该点火塞中，微波通过同轴电缆3从磁电管(未示出)传输到微波辐射天线1。此外，该点火塞包括围绕微波辐射天线1的圆柱形的接地接线端4。该点火/放电单元2形成在电源(未示出)施加电压的阳极接线端5的一端和圆柱形接地接线端4的一端之间。
如图5B所示，点火塞可构造成使微波辐射天线1圆柱形形状可容纳阳极接线端5。在此情形中，接地接线端4应呈棒形并设置在微波辐射天线1外面。在此情形中，点火/放电单元2形成在阳极接线端5和接地接线端4的端部之间。
在该点火塞中，如图6所示，微波辐射天线1和点火/放电单元2构成一体，以与传统的和一般的火花塞兼容。此外，在该点火塞中，用作为点燃装置的火花(电气放电)和用作为微波辐射装置的微波辐射都是可能的，由此，可以容易地构造出上述的点火装置。此外，图5和6所示的点火塞具有这样的结构，其中，根据上述点火装置的第二实施例的四级多点式点火是可能的。
[内燃机的第一实施例]
如图7所示，根据本发明的内燃机由气缸6和活塞7构成。内燃机包括燃烧/反应室8，其中有燃料和空气混合物，混合物在其中实施燃烧/反应。此外，内燃机包括用作为根据上述实施例的点火装置的微波辐射天线。在内燃机中，防止微波泄漏的凹陷部分9形成在与气缸6内壁滑动接触的活塞外周缘表面上。
凹陷部分9是包围圆柱形活塞7外周缘表面的断续环形槽。当气缸6内壁和活塞之间的间距用D表示，微波波长用λ表示时，则凹陷部分9的宽度(槽宽)L的范围最好在不小于8D至不大于λ/8。此外，凹陷部分9的深度(槽深)设定为λ/4。
如图7A所示，凹陷部分9盖住活塞7外周缘表面的全部圆周(360度)的大约80％，由此，在微波波长不受扰动的情形中，可防止微波从气缸6泄漏出来。此外，如图7B所示，当微波波长受到扰动时，凹陷部分9允许微波通过，因此，有选择截住特定频率的微波，由此，使腔室内部稳定。
[内燃机的第二实施例]
如图8所示，根据本发明的内燃机包括气缸和活塞。内燃机包括燃烧/反应室8，其中有燃料和空气混合物，混合物在其中实施燃烧/反应；以及阀12，其用来打开和关闭设置在燃烧/反应室8上的入口端口10和出口端口11。此外，内燃机包括用作为根据上述实施例的点火装置的微波辐射装置。如上所述，微波辐射装置将微波辐射到燃烧/反应室8内，由此，至少提高燃烧/反应室8内混合物的温度。
然后，在内燃机中，周期性的机构13(例如，轮缘骨架、叶轮带和波纹)形成在阀12面向燃烧/反应室8的表面上。该周期性的机构13随微波谐振并对阀12的一个或多个底表面聚焦微波，即，对于发动机燃烧室一侧。周期性的机构13用氮化物等做成与磁电管内谐振器相同形状的突出物。此外，构成周期性的机构13的诸突出物之间的凹陷部分用绝缘材料填充，例如，陶瓷，阀12面向燃烧/反应室8的表面为平坦形状。
在内燃机中，微波通过阀12的轴14从磁电管发射到阀12面向燃烧/反应室8的表面。然后，微波在阀12的周期性的机构13内谐振，由此，转换为电流。因此，当微波发送到阀12的周期性的机构13上时，火花出现在周期性的机构13上。即，在内燃机中，可用火花实施混合物的点火无需使用火花塞。此外，较佳地是，阀12的轴14的直径为8mm或不到，以阻止微波泄漏。
在内燃机中，由于不必设置传统火花塞，所以变得有更多空间。因此，可使入口端口10和出口端口11的尺寸增大，由此提高燃烧/反应效率。此外，在内燃机中，可在每个阀12面向燃烧/反应室8的大致全部表面上实施多点式点火。由此，实现稳定的燃烧/反应。
此外，在内燃机中，并非微波所有的能量消耗在火花上。通过优化微波的输出、脉宽等，可以调节微波火花能耗和用作为微波辐射至燃烧/反应室8内的能量之间的比例。因此，能够构造成如上所述的点火装置。
此外，在内燃机中，如图9所示，通过将磁电管15设置在微波发射的阀12的轴14附近，可产生磁场和电场。因此，能够通过等离子发生和促进火焰传播来促进燃烧/反应。
此外，在内燃机中，如图10所示，较佳地是，随微波谐振的周期性的机构13(氮化物等的突出物，具有的形状与磁电管内谐振器形状相同)设置在燃烧/反应室8内壁上，通过对周期性的机构13提供电流，在周期性的机构13内产生微波。
[等离子设备的第一实施例]
如图11所示，根据本发明的等离子设备包括微波振荡器17、在预定微波带上谐振的微波谐振腔18、将微波辐射到腔内的微波辐射装置(微波辐射天线)19，以及等离子点燃装置20，其对腔中的气体实施局部的放电来诱发气体中的等离子。微波辐射天线19使用等离子点燃装置20在等离子发生域21内形成微波的强电场。
高压力场(大气压，或0.2MPa或以上)的热非平衡等离子发生在微波谐振腔内的流体22中，使用等离子产物材料(OH原子团和臭氧(O3))，来氧化、化学反应和解毒有害排放物、化学物质、悬浮颗粒物质、烟尘等。大气压的热非平衡等离子的例外的优点在于，由于避免了热化学平衡的限制，所以，基本上独立于温度和压力就可控制响应速度和材料转换比。因此，设计与产生的等离子反应的反应器具有很大的自由度。由此，反应器可构造成重量轻、紧凑和高度响应性。可使用大气压的热非平衡等离子，例如，从甲烷、改良天然气的蒸汽、乙炔成分、天然气液化等，直接合成甲醇。
此时，产生的等离子的压力设定为解毒的有害排放物、化学物质、悬浮颗粒物质、烟尘等处理流体的管路压力。此外，处理量由管路的流量来确定。
顺便提及的是，为了产生高压力场的等离子，发明人实施了各种基本研究。根据研究结果，业已表明，以某种方式点火等离子材料并对其施加能量，就有可能维持稳定的等离子。为此原因，等离子点燃装置4使用以下任何一种放电来点火热非平衡等离子：将诸如介电体的绝缘材料插入到电极之间的势垒放电；形成非均匀电场的电晕放电；以及施加小于1μs的短脉冲电压的脉冲放电。例如，使用汽油机车辆的火花塞或电热塞的放电来部分地点火等离子。为了使发生的等离子成长，使用从微波发射器1发出的微波，使强电场形成在等离子发生域21内，位于火花塞或电热塞放电位置附近。因此，微波能量被吸收到热非平衡等离子内，由此，等离子成长起来(体积点火)。在如此的过程中，使得化学活性反应发生的OH原子团以及具有强氧化性的O3几百倍的量级大量增加。添加作为OH原子团以及O3源的水可促进该反应。此外，为了促进反应，有效的办法是施加1GHz或以上的微波，其中水分子随其谐振。鉴于装置的制造要容易且廉价，作为产生微波的磁电管，理想地是采用全世界大量生产的为家用电器所制造的磁电管(例如，振荡频率为2.45GHz的微波炉中的磁电管)。
此外，根据所处理对象不同，诸如有害物质等，微波辐射装置不局限于振荡频率为2.45GHz的磁电管，但可使用按燃料中碳氢化合物分子、碳分子、氢分子等的谐振频率振荡的磁电管。在此情形中，不必将水引入到燃烧域内。
[等离子设备的第二实施例]
如图12所示，根据本发明的等离子设备包括微波振荡器17、在预定微波带上谐振的微波谐振腔18、将微波辐射到腔内的等离子发生域21的微波辐射装置(微波辐射天线)19，等离子点燃装置20，其对腔中的气体22实施局部的放电来诱发气体中的等离子，测量单元23，其测量等离子发生器所发生的OH原子团以及O3的发生量或排出强度，以及控制装置24，其控制微波辐射装置和等离子点燃装置的输入能量/型式。图12中箭头指示出被等离子处理或燃烧的流体25的流动方向。
如第一实施例中所述，设置在下游侧上的测量单元23的OH传感器和O3传感器实时地探测流体的OH原子团以及O3的发生量或排出强度，所述流体通过等离子发生进行解毒或氧化，并通过OH原子团进行化学反应。根据计算的探测结果，微波辐射装置19和等离子点燃装置20在一定的控制范围下受控到预定值，由此，控制流过等离子设备的有害物质等的处理量。
[等离子设备的第三实施例]
如图13所示，根据本发明的等离子设备做成如本发明第一或第二实施例所述的较小和较便宜的微波辐射装置19。这通过将天线19配装到传统的火花塞或电热塞来实现。在此情形中，天线19的一端分支开，以便包围点火/放电单元，由此，形成强电场。
[等离子设备的第四实施例]
如图14所示，根据本发明的等离子设备包括用于传输微波的同轴电缆26，用于分支、隔绝和偶联微波的定向偶联器27，以及用来调节如本发明第一至第三实施例所述的全部传输系统阻抗的调节器(调谐棒)28。例如，当本发明适用于车辆发动机时，微波振荡器17不是安装在发动机上面临强烈振动，而是安装在振动和温度不变的某一位置处，这样，可提高微波振荡器17的寿命和可靠性。此外，通过提供定向的偶联器，装置能够实现将能量从微波振荡器分支到燃烧室或在线反应器(等离子解毒有害物质等的位置)的多点上以实施均匀的处理。
[等离子设备的第五实施例]
如图13所示，根据本发明的等离子设备包括用于传输微波的同轴电缆26，用于分支、隔绝和偶联微波的定向偶联器27，以及用来调节如本发明第一至第三实施例所述的全部传输系统阻抗的调节器(调谐棒)28。例如，当本发明适用于车辆发动机时，微波振荡器17不是安装在发动机上面临强烈振动，而是安装在振动和温度不变的某一位置处，这样，可提高微波振荡器17的寿命和可靠性。此外，通过提供定向的偶联器，装置能够实现将能量从微波振荡器分支到燃烧室或在线反应器(等离子解毒有害物质等的位置)的多点上以实施均匀的处理。
[废气降解装置的第一实施例]
根据本发明的废气降解装置的基本结构与图12或14中的等离子设备结构相同。如图12或14所示，废气降解装置包括微波振荡器17、在预定微波带上谐振的微波谐振腔18、将微波辐射到腔内的等离子发生域的微波辐射装置(微波辐射天线)19，等离子点燃装置20，其对腔中的气体22实施局部的放电来诱发气体中的等离子，测量单元23，其测量等离子发生器所发生的OH原子团以及O3的发生量或排出强度，以及控制装置24，其控制微波辐射装置和等离子点燃装置的输入能量/型式。图中箭头指示出被等离子处理或燃烧的流体25的流动方向。
如上述第一实施例中所述，伴随着等离子发生和OH原子团的化学反应，用臭氧和OH原子团的强氧化性，裂解和氧化碳－碳链和碳－氢链，由此，燃烧/反应室内诸如未燃烧的气体、烟尘、NOx等的废气被解毒，变为诸如NO2和CO2那样稳定的和无害的氧化物和碳。设置在下游侧上的测量单元6的OH传感器和O3传感器实时地测量OH原子团以及O3的发生量或排出强度。根据计算的探测结果，微波辐射装置19和等离子点燃装置20在一定的控制范围下受控到预定值，由此，能够控制流过等离子设备的有害物质等的处理量。
[臭氧发生/消毒/杀菌装置和除臭装置的使用实例]
例如，当本发明应用于飞机的喷气发动机中时，该装置安装在喷气发动机排气锥的附近，因此，通过使用本装置中发生的热非平衡等离子，使含有湿气的高压气流可转换成大量OH原子团以及O3。飞机排出的废气污染大气，但使用大量具有强氧化性的OH原子团以及O3，能够降解废气将其变为无害的气体。此外，能够产生大量的O3，以便恢复已经被CFC等破坏的平流层内的臭氧层。
此外，通过在位于喷气发动机高压压缩机后级的燃烧室处安装本装置，能够利用原子团的强反应性来促进压缩的混合燃料的燃烧。因此，通过排出干净的废气而不是污染大气的废气，能够有利于环境保护。设置在下游侧上的测量单元6的OH传感器和O3传感器实时地探测OH原子团以及O3的发生量或排出强度。根据计算的探测结果，微波辐射装置和等离子点燃装置在一定的控制范围下受控到预定值，由此，通过控制燃烧室内的燃烧，能够控制有害物质等的处理量。
[根据本发明的内燃机和等离子设备使用实例]
即使使用沼气、非常贫瘠的甲烷气、非常低热值的气体等作为本发明内燃机和等离子设备的燃料，也可使用等离子发生器产生的OH原子团以及O3的强氧化性来促进化学反应。因此，现在能够在普通燃气发动机中燃烧这些气体而无需添加辅助气体。此外，能够提高输出、发电效率等。
[根据本发明的等离子设备使用实例]
使用大气压空气中的根据本发明的等离子设备可以从含有N2的空气中产生大量光谱光。当光谱聚焦然后通过光纤等衍生时，能够提供便宜和紧凑的N2光谱源和脉冲源，代替昂贵的传统激光源。
[根据本发明的臭氧发生/消毒/杀菌装置和除臭装置使用实例]
当根据本发明的装置安装在位于工地一建筑物内的角落里然后在建筑物关闭的状态下进行操作时，除去造成生病的屋内综合病症的物质，驱除各种油漆、粘结剂膏、防腐剂等的气味，并对细菌、病毒和过敏性物质进行消毒和杀菌。在此情形中，在位于工地简单排气装置的后级处，安装上根据本发明的装置，能够排出后处理的解毒过的空气。或者，将本发明的装置配装在普通家用电器的除尘器内，就能够在清洁过程中利用本发明装置中产生的OH原子团和O3对被清洁物体表面上的有害物质进行降解。尽管将建筑结构(公共设施、建筑物、体育馆、会堂、大型购物中心等)描述为一对象，但利用本发明来消毒、除臭和杀菌具有诸如车辆、列车、货物、飞机、船舶、潜水艇或箱子之类人为关闭起来的空间的物体，也可得到大部分相同的效果。此外，如果产生等离子之时添加有H2O(潮气)，那么可产生出更多的OH原子团等，由此可改进效果。
此外，本装置可应用于空气清洁，并在诸如公共设施、建筑物、体育馆、会堂、大型购物中心和隧道等的设施中发生火警的情形下，防止一氧化碳中毒，由此有利于实施解除毒害方式的救命，例如将一氧化碳转变为二氧化碳以及去除烟雾之类的救命。
[工业应用]
本发明可用作为诸如往复式发动机、旋转式发动机、喷气发动机和燃气涡轮机之类的热力发动机或等离子设备中使用的点火装置。
本发明可用于根据本发明点火装置所适用的内燃机。
本发明可用于环境(设备内和设备外)防范对策领域中使用的等离子设备，例如，减少和还原有害排放物(CO2、NOx和未燃烧的碳氢化合物)、挥发性有机化合物(VOC)、悬浮颗粒物质(PM)、烟尘等，或处理和再使用焦油、煤泥和排放物，以及用于诸如消毒、巴斯特消毒法和清洁技术的医学/卫生领域。
本发明可用于根据本发明的等离子设备所适用的废气降解装置。
本发明可用于根据本发明的等离子设备所适用的臭氧发生/消毒/杀菌装置和除臭装置。

Claims (2)

1.一种等离子设备，包括：
微波振荡器，用于产生预定微波带；
微波谐振腔，用于使所述预定微波带谐振；
微波辐射装置，该微波辐射装置在微波形成的等离子发生域内形成微波的强电场；以及
等离子点燃装置，所述等离子点燃装置诱发出等离子，
其特征在于，
所述微波辐射装置用于将微波辐射到所述微波谐振腔内，并具有特定形状和大小的微波辐射天线，
所述等离子点燃装置在所述微波谐振腔内的气体中局部放电，然后在所述气体中诱发出等离子，
所述等离子设备还包括用于控制所述微波辐射装置和所述等离子点燃装置的控制装置，以及用于测量等离子发生器发生的OH原子团和O3的发生量或排出强度的测量单元，
其中，所述控制装置实时地处理所述测量单元的结果并控制所述微波辐射装置和/或所述等离子点燃装置。
2.如权利要求1所述的等离子设备，其特征在于，
所述等离子点燃装置包括点火/放电单元，所述微波辐射装置和所述点火/放电单元设置在一体形成的绝缘体内。
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