CN1271806A - 废气处理设备 - Google Patents

Abstract

在用于内燃机的废气处理设备中,通过短脉冲高重复性转换部件将电源提供给电晕放电管以产生电晕。用该电晕除掉内燃机废气中的有害物质。将MAGT(金属－氧化物－半导体辅助的由栅极触发的半导体闸流管)用作短脉冲高重复性的转换部件。因此,能提高该转换部件的寿命,并且,即便在开始运转时废气温度较低的情况下也能获得高净化率。

Description

废气处理设备

本发明涉及到一种废气处理设备，该设备用于净化内燃机产生的废气。

图1所示的电喷脱硝设备(日本专利申请书KOKAI文件第5-59934号)、图2所示电喷脱消/除尘设备(日本专利申请书KOKAI文件第7-139338号)以及电喷废气净化设备(日本专利申请书KOKAI文件第8-14028号)均周知为先有技术的实例，即使在内燃机开始运转时，所说的先有技术也可用于获得高净化率，在所述内燃机中，用电晕放电来提高废气中的电子的温度并且同时使用催化剂。

图1中的电喷脱硝设备1包括：一放电电极3，它由钨丝件2构成；以及，一柱形接收电极4。沿柱形接收电极4的中轴线设置放电电极3。放电电极3用作阴极，而接收电极4则用作阳极。在放电电极3与接收电极4之间加载高压直流电，在电极3与4之间的空间5内会形成一电场。

如果让要加以处理的废气进入接收电极4，废气中的氮氧化物、碳氢化合物等就会因负离子6而带电并被接收电极4吸收且分解。从而，能够净化废气。

在图2的电喷脱硝/除尘设备中，用于驱动发电机的柴油机所产生的废气7会通过被形成为一模块的排气管8，在这个过程中，雾化油9和外部电极10与中心电极11间的交流电源所产生的电晕放电13会净化废气7。对各个排气管模块来说，根据废气传感器的检测输出值来改变作用于排气管8的电压的大小和频率。

图3的电喷废气净化设备包括一接收电极14和一放电电极15。接收电极上14涂有催化剂。电喷所活化的有害成份会与所述催化剂相接触，因此，可提高用于除掉有害物质的反应速率。

在上述先有技术的设备中，所述电极之一设置成与废气流动方向相平行，或者，将所说的催化剂分隔开并在其间加电。

在以上结合使用电晕放电和催化剂的通常方法中，必需要形成一种非平衡状态，在这种非平衡状态中，电子的温度高于原子核的温度。为此，需要将电流的脉冲宽度减小至约100ns或更小并在被电场所加速的电子向原子核传递能量以进入平衡状态之前切断电流。此外，必须将脉冲的频率设置成1kHz或更高。

周知闸流管或真空管中的一种是一种能够进行这种高速转换的器件。尽管能够进行高速转换，但闸流管是不实用的，因为，作为一种高速转换的器件，闸流管的寿命至多约为一个月。IGBT(绝缘栅场双极晶体管)被广泛地用作长寿高速转换半导体器件。但是，这种器件的脉冲宽度仅约为数百ns，从而作为用于净化废气的器件是不能令人满意的。

在这种情况下，需要有这样一种废气处理设备，该设备使用了长寿、短脉冲、高重复性的转换器件，从而，即使在开始运转时废气温度较低的情况下也能获得高净化率。

一般地说，在结合使用电晕放电和催化剂的上述通常方法中，所述电极之一设置成与废气流动方向相平行，或者，将所说的催化剂分隔开并在其间加电。

在将所述电极设置成与废气流动方向相平行的情况下，一用作电极支承件的绝缘部件会阻碍气体流动。因此，处理效率会降低，或者，难以进行用于提高净化率的串联连接。另一方面，在将催化剂分隔开的情况下，喷射出的电子流不能穿过废气，从而，不能有效地将电子提供给废气。

所以，希望有一种具有提高了的废气净化率的废气处理设备，其中，所说的电极支承件不会阻碍废气的流动。

因此，本发明的一个目的是提供这样一种废气处理设备，它使用了长寿短脉冲高重复性的转换器件，从而，即使在开始运转时废气温度较低的情况下也能获得高净化率。

本发明的另一个目的是提供一种具有提高了的废气净化率的废气处理设备，其中，所说的电极支承件不会阻碍废气的流动。

依照本发明的一个方面，提供了一种废气处理设备，它用于除掉包含在内燃机废气中的预定成分，所述设备包括：一电晕放电管，可将内燃机的废气引进该电晕放电管；以及，由MAGT(金属—氧化物—半导体辅助的由栅极控制的半导体闸流管)构成的转换件，它用于向上述电晕放电管供电。

在上述废气处理设备中，所说的内燃机可以是柴油机。

在上述废气处理设备中，所说的内燃机可以是汽油机。

依照本发明的另一个方面，提供了一种废气处理设备，它用于除掉包含在内燃机废气中的预定成分，所述设备包括：一电晕放电管，它用于在一高压电极与一接地电极间进行电晕放电并化活所说的废气，所述高压电极是沿与废气流动方向相交叉的方向设置的；以及，一催化剂部分，它用于净化被上述电晕放电部分所活化的废气。

在上述废气处理设备中，所述高压电极可设置成与废气流动的方向相垂直。

在上述废气处理设备中，所述接地电极可沿上述高压电极的轴向方向设置在所述高压电极的四个侧面的每一侧面上。

在上述废气处理设备中，所述催化剂部分可沿废气的流动方向设置在前述电晕放电部分的下游处，并且，多个由电晕放电部分和催化剂部分构成的组合体相串联并且彼此紧密地连在一起。

在上述废气处理设备中，所述催化剂部分内的催化剂载体可由金属和导电陶瓷材料中的一种制成。

在上述废气处理设备中，可在上述高压电极和接地电极中的至少一个上形成有多个小凸缘。

在上述废气处理设备中，所述电晕放电部分和催化剂部分被一外罩所包围，所说的外罩可由电磁屏蔽部件构成，所述电磁屏蔽部件则是通过将磁屏蔽材料和有较高导电率的材料层叠起来制成的。

以下的说明中会说明本发明的其它目的和优点，并且，从以下的说明中可以部分地看出或者通过实施本发明而了解本发明的其它目的和优点。借助以下具体指出的方法和组合形式可以认识到并且达到本发明的上述目的和优点。

包括在本说明书中并构成了本发明书一部分的附图说明了本发明的当前最佳实施例，并且，这些附图连同以上给出的一般性说明以及以下给出的对本发明最佳实施例的详细说明用于说明本发明的原理，在附图中：

图1示出了先有技术第一个实例的废气处理设备的结构；

图2是显示先有技术第二个实例的废气处理设备的剖面透视图；

图3是显示先有技术第三个实例的废气处理设备的透视图；

图4是显示本发明第一个实施例的废气处理设备的电路图；

图5A和5B示出了MAGT(金属—氧化物—半导体辅助的由栅极触发的半导体闸流管)的基本结构和等价电路；

图6概略地示出一车辆，图4所示的废气处理设备的电源电路应用于该车辆。

图7是显示本发明第二实施例的废气处理设备的电路图；

图8是显示本发明第三实施例的废气处理设备的垂直剖面图；

图9是图8所示废气处理设备的横向剖面图；

图10是显示图8中电晕放电部分和催化剂部分的透视图；

图11是显示图8所示的废气出口/入口的剖面图；以及

图12是本发明第四实施例的废气处理设备中的电晕放电部分的放大图。

以下参照附图说明本发明的实施例。[第一实施例]

图4是显示本发明第一个实施例的废气处理设备的电路图。

如图4所示，本实施例的废气处现设备的电源电路带有一电池20。设置在发动机26上的发电器(交流发电器)(未示出)所产生的直流电积蓄在电池20内。

直流—直流转换器21、电容器22以及用作反应器件的电晕放电管23均并联于电池20。用作短脉冲高重复性转换器件的MAGT(金属—氧化物—半导体辅助的由栅极触发的半导体闸流管)24连在电晕放电管23与电容器22之间。MAGT24的栅极连接于栅极驱动器25。

电晕放电管23连接于发动机26的排气管27。一温度测量器28设置在排气管27位于电晕放电管23的入口附近的那部分上。将高灵敏度红外温度测量仪或热电偶用作温度测量器28。

图5A和图5B示出了MAGT24的基本结构和等价电路。如图5A和5B所示，MAGT24具有这样的结构即：一个n-通道MOSFET(金属—氧化物—半导体场效应晶体管)包括在一半导体闸流管结构的n-发射极En与n-基极Bn之间。MAGT24是一复合的功能性器件，它具有半导体闸流管的高效转换率以及MOSFET的高速接通率。

通过向栅极G施加正电压并接通MOSFET，可接通MAGT24。如果在导电之后向基极B施加与栅极G无关的负的偏流电压，那么，就会使得剩余的电荷在短时间内离开所说的器件，从而dv/dt的阻抗值会增加。

当接通MAGT24时，电子会通过MOSFET从阴极K直接喷进n-基极Bn。与通常的半导体闸流管相比，可以更快速地在n-基极上积蓄载体，从而能实现高速接通。而且，在MAGT24中，p-基极Bp的厚度是最佳的，以提高载体从n-发射极En喷至n-基极Bn的效率。从而，便于载体在n基极Bn上的积蓄并改善接通特性。在图5A和5B中，符号A表示阳极，BUn表示n-缓冲存储器，Ep表示一p-发射极。

因此，MAGT24是一半导体器件，它可产生高压、高压电流和短脉冲并具有MOSFET的高速效能以及半导体闸流管的高导电率。MAGT24是一高效器件，它能以100ns或更少的起动时间以及约5kHz的重复频率进行转换，其寿命是半永久性的。

以下参照图4说明本实施例的操作。

设置在发动机26上的发电机(交流发电机)(未示出)所产生的直流电积蓄在电池20中。来自电池20的直流电由直流—直流转换器21所升压并暂时存储在电容器22内。

栅极驱动器25配备有一微机，以便根据来自发动机26的输出信号和来自设置在排气管27上的温度测量器的信号去控制脉冲的数量(频率)。对所述微机进行编程以设定必要且足够的脉冲数(频率)，以便从废气中除掉预定量的氮氧化物。

MAGT24根据来自栅极驱动器25的输出进行转换操作并将电能从电容器22提供给电晕放电管23。如果使要加以处理的废气进入电晕放电管23，则会使废气处于非平衡状态，在这种状态中，电子的温度高于原子核的温度，从而，设置在后部位置处的催化剂(未示出)会净化所说的废气。

依照本发明，由于来自发动机26的输出和废气的温度可用于控制电源脉冲的数量(频率)，故可将除掉预定数量的诸如氮氧化物之类有害物质所必需且足够的电能提供给反应器件23。所以，可充分地进行废气净化。

由于把是甚短脉冲高重复性有较高效率的器件的MAGT24用作了短脉冲高重复性转换部分，故可以提高该转换部分的寿命。而且，由于所述电源电路全部由固态器件构成，故可形成小型高可靠性的装置。因此，所述电源电路可应用于仅有有限安装空间且有较大震动的车辆。

图6概略地示出了这样的车辆，图4所示的废气处理设备的电源电路应用于该车辆。在这一实例中，将卡车30选定为所说的车辆。在卡车30中，设置有图4所示的废气处理设备的电源电路，并且，安装有作为发动机26或内燃机的柴油机。

因此，在图4所示的废气处理设备的电源电路应用于带有柴油机的卡车的情况下，对防止空气污染是有帮助的。

在上述实例中，尽管将卡车选定为所说的车辆，但即使选定了公共汽车等，也能获得同样的优点。用于废气净化的电源31设置在用作反应器件的电晕放电管23附近，以减少放电电路的感应。

此外，在图6的实例中，所述第一实施例应用于安装在诸如卡车或公共汽车之类的车辆中的柴油机。但是，该第一实施例也适用于诸如小客车之类的车辆，所述小客车安装有作为内燃机的汽油发动机。在这种情况下，即使在开始运转废气温度较低时也能获得所需的净化率。[第二实施例]

图7是显示本发明第二实施例的废气处理设备的电路图。用相同的标号表示与第一实施例相同或相似的结构部件并略去了对它们的说明。

在第二实施侧中，如图7所示，将一交流电源用作电源。一变压器41与交流发电机40相连，整流二极管42连接于变压器41。因此，来自交流发电机40的交流电被变压器41所升压、被二极管42所整流并暂时积蓄在电容器22内。其它的结构与功能特征与第一实施例中的相同并略去了对它们的说明。

因此，除用于车辆的内燃机以外，第二实施例的设备可应用于诸如热电厂所使用的固定发电机之类的内燃机。在这种情况下，所说的内燃机可以是汽油机也可以是柴油机。

除上述实施例和应用实施以外，本发明还可应用于供化工厂和半导体工厂使用的低温废气处理设备，所说的化工厂和半导体工厂均未配备有发电机从而需要外部电源。

如前所述，依照基于上述第一和第二实施例的方面的本发明，所述MAGT可用于短脉冲高重复性的转换部件，其寿命较长。而且，所述电源电路全部由固态器件构成，从而提供了小型高可靠性的装置。因此，所述电源电路可应用于仅有有限安装空间且有较大震动的车辆。

在将本发明应用于热电厂、车辆或发电机的情况下，即使在开始运转废气温度较低时也能获得所需的净化率。[第三实施例]

图8是显示本发明第三实施例的废气处理设备的垂直剖面图，图9是图8所示废气处理设备的横向剖面图，图10是显示图8中电晕放电部分和催化剂部分的透视图，以及，图11是显示图8所示的废气出口和入口的剖面图。

如图8和9所示，这一实施例的废气处理设备主要包括电晕放电部分120和催化剂部分130，所述催化剂部分130沿废气流动方向F设置在电晕放电部分120的下游。电晕放电部分120具有高压电极121，它有着中空的柱形形状，高压电极121是高压侧放电电极。沿垂直于废气流动方向F的方向按预定间隔设置有数十个高压电极121。铅丝(未示出)连接于高压电极121的端部，通过上述铅丝提供直流高压。

如图10所示，在各个高压电极121的四个侧面上设置有接地电极122。接地电机122由三种电极构成。接地电机122a是沿垂直于废气流动方向F的方向设置在废气入口/出口处的接地电极。接地电机122b是设置在高压电极121之间的接地电极。由于没有废气经过接地电机122b，故该电极不带有开孔。接地电机122c是设置在催化剂部分130的表面上的接地电极。在催化剂部分130的催化剂载体131是由金属例如不锈钢或导电陶瓷制成的情况下，催化剂载体131本身可用作接地电极。因此，在电晕放电部分120中，可在高压电极121和接地电极122间产生电晕放电，以活化废气。

为了获得高压电极121与所有四边接地电极122间的均匀放电，最好将高压电极121与四边接地电极122的各个电极间设置成有相等的距离。因此，接地电机122在平面图上设置成一方形，并且，高压电极121位于该方形的中心。

如图11所示，催化剂部分130包括设置成栅格的催化剂载体131。电晕放电部分120产生的放电所激活的废气在催化剂部分130通过化学反应而得以净化。

用作电极支承件的由诸如陶瓷之类的耐热材料制成的绝缘体123装嵌在各高压电极121的两端部分附近的位置处，高压电极121固定于外罩140，绝缘体123置于两者之间。一入口部分141和一出口部分(未示出)形成在外罩140上。电晕放电部分120和催化剂部分130被外罩140所包围。

外罩140由电磁屏蔽部件制成，所述电磁屏蔽剖件是通过将诸如钢片、生铁片、硅钢片、坡莫合金片或非晶体合金片之类的磁屏蔽材料与诸如铜片或铝片之类的高导电性材料层叠起来而形成的。

在以下的说明中，电晕放电部分120与催化剂部分130构成的组合体称为“一个组件”，在本实施例中提供了多个这样的组件。

以下说明本实施例的操作。

在诸如废气净化反应之类的化学反应中，可在该反应中使用电子e。如果仅使电子的温度升高，那么，用较低的能量就可提高反应的效率。电晕放电部分120中的电晕放电所处理的废气会处于非平衡状态，在这种状态中，电子的温度高于原子核的温度，这种状态称为“活化状态”。

如果让活化状态下的废气进入催化剂部分130，就会获得高净化率。但是，电子e不断地与原子孩相冲突并将能量传递给原子核。结果，电子的温度会下降，从而，净化效率会下降。

因此，必需让处于高度活化状态下的电子e进入催化剂部分130。为了尽可能显著地活化电子e，应将高压电极121与催化剂部分130之间的距离减至最小。在本实施例中，将高压电极121与接地电极122之间的距离设置成1cm或更小。

在上述结构中，来自汽车发动机或来自热电厂锅炉的废气会经由接地电极122a从设置在外罩140上的入口部分141流进电晕放电部分120。通过高压电极121将高压作用于废气。被活化的废气会流进催化剂130内，并且，会在催化剂部分130内的催化剂的表面上发生净化反应。

如上所述，依照本实施例，高压电极121设置成与废气流动方向F相垂直。因此，与先有技术不同，可在废气流动不被电极支承件所阻碍的情况下提高废气净化效率。

如果催化剂载体131是由诸如不锈钢之类的金属或导电陶瓷制成的，那么，催化剂载体131本身就可用作接地电极。因此，可用一个部件来实现接地电极122c和催化剂载体131。

而且，外罩140是由电磁屏蔽部件构成的，而所述电磁屏蔽部件则是通过将诸如钢片、生铁片、硅钢片、坡莫合金片或非晶体合金片之类的磁屏蔽材料与诸如铜片或铝片之类的高导电性材料层叠起来而形成的。因此，可以降低电晕放电部分120所导致的电磁噪音，并且，可以保护其它电子设备和人体不受电磁噪音的影响。

在上述实施例中，高压电极121设置成与废气流动方向F相垂直。但是，即使将高压电极121设置成与与废气流动方向F相交叉，也能获得同样的优点。在这种情况下，需要以并联的方式设置高压电极121。[改进形式]

在本发明的上述第三实施例的改进形式中，参照图10所述的第三实施例中的多个由电晕放电部分和催化剂部分构成的组合体相串联并且彼此紧密地连在一起。

具体地说，催化剂部分130可以净化被电晕放电部分120所活化的废气，但是，每个组件的净化率会受到限制。为了获得特定的净化率，需将多个由电晕放电部分120和催化剂部分130构成的组合体相串联。

例如，如果每个组件的从废气中除掉有害物质的效率是10％，则可用下式获得90％的效率：

(1-0.1)ⁿ＜0.1    (其中，n.＞22)因此，至少要将22个组件串联在一起。

为了节约所述废气处理设备所占据的空间，最好将上述相串联的组件彼此紧密地连在一起。

在上述第三实施例中，高压电极121设置成与废气流动方向F相垂直，因此，可以减少电晕放电部分120的长度。所以，可将多个所说的组件串联起来。例如，当电晕放电部分120的长度为1cm且催化剂部分130的长度为2cm时，则一个组件的长度为3cm。如果所述反应器的整个长度为75cm，则可将25个组件串联起来。

可用于废气净化的空间随是安装在大型车辆还是小型车辆或者是否安装在固定电厂中而变。一般地说，就小型车辆而言，所说的空间为1m或更小，从而可将10至30个组件串联起来。

依照上述改进形式，多个由电晕放电部分120和催化剂部分130构成的组合体可串联到一起并且彼此紧密地连在一起。所以，可以减小用于安装的空间，并可极大地提高从废气中除掉有害物质的效率。[第四实施例]

图12是本发明第四实施例的废气处理设备中的电晕放电部分的放大图。用相同的标号来表示与第三实施例所共有的结构部件并略去了对它们的说明。

在第四实施例中，如图12所示，电晕放电部分120的高压电极121和接地电极122上沿轴向方向设置有多个小凸缘124。每个凸缘的高度均为3mm或更小。凸缘124设置在高压电极121朝向相应接地电极122的四个侧面上。另一方面，凸缘124设置在各个接地电极122朝向高压电极121的一侧上。

可通过例如冲压一中空的柱体来形成高压电极121上的小凸缘124，可通过例如冲压一平板来形成接地电极122上的小凸缘124。各个小凸缘124的梢端部分最好形成为半球形，以便减小放电所造成的磨损。

依照这一实施例，高压电极121和接地电极122上沿轴向方向设置有多个小凸缘124。因此，可在整个空间上均匀地产生并稳定地保持放电。

在这一实施例中，小凸缘124形成在高压电极121和接地电极122上。但是，即使小凸缘124形成在至少是高压电极121或者是接地电极122上，也能获得同样的优点。

如上所述，依照基于第三和第四实施例的方面的本发明，提供了这样的废气处理设备，该设备包括：电晕放电部分，它用于通过高压电极与接地电极之间的电晕放电来活化废气；以及，催化剂部分，它用于净化被电晕放电部分所活化的废气。由于所述高压电极设置成与废气流动方向相垂直，故即使废气的温度较低也能提高净化率。因此，可在催化剂温度低时提高热电厂或汽车的废气净化率，从而有助于保护环境。

具体地说，在上述废气处理设备中，所述高压电极设置成与废气流动方向相垂直。接地电极沿高压电极的轴线设置以朝向高压电极的四个侧面。

在上述废气处理设备中，所述催化剂部分沿废气的流动方向设置在前述电晕放电部分的下游处，并且，多个由电晕放电部分和催化剂构成的组合体相串联并且彼此紧密地连在一起。从而，可减小用于安装的空间并极大地提高从废气中除掉有害物质的效率。

在上述废气处理设备中，所述催化剂部分内的催化剂载体由金属或导电陶瓷材料制成。从而，所述催化剂载体还可用作接地电极。

在上述废气处理设备中，可在至少是上述高压电极或者是接地电极中上形成有小凸缘。从而，可在整个空间上均匀地产生并稳定地保持放电。

在上述废气处理设备中，所述电晕放电部分和催化剂部分被外罩所包围，所说的外罩可由电磁屏蔽部件构成，所述电磁屏蔽部件则是通过将磁屏蔽材料和有高导电率的材料层叠起来制成的。从而，可以降低电晕放电部分所导致的电磁噪音，并且，可以保护其它电子设备和人体不受电磁噪音的影响。

对本技术的专家来说可很容易地看出其它优点和改进形式。所以，从较广义的方面说，本发明并不局限于本文所示和所说明的具体细节和示意性实施例。因此，在不脱离如后附权利要求及其等价形式所限定的总体发明思想的精神和范围的情况下，可以形成多种改进形式。

Claims (10)

1  一种废气处理设备，它用于除掉包含在内燃机废气中的预定成分，所述设备包括：

一电晕放电管，可将内燃机的废气引进该电晕放电管；以及，

由MAGT(金属—氧化物—半导体辅助的由栅极控制的半导体闸流管)构成的转换件，它用于向上述电晕放电管供电。

2  如权利要求1的废气处理设备，其特征在于，所说的内燃机是柴油机。

3  如权利要求1的废气处理设备，其特征在于，所说的内燃机是汽油机。

4  一种废气处理设备，它用于除掉包含在内燃机废气中的预定成分，所述设备包括：

一电晕放电管，它用于在一高压电极与一接地电极间进行电晕放电并活化所说的废气，所述高压电极是沿与废气流动方向相交叉的方向设置的；以及，

一催化剂部分，它用于净化被上述电晕放电部分所活化的废气。

5  权利要求4的废气处理设备，其特征在于，所述高压电极设置成与废气流动的方向相垂直。

6  如权利要求4的废气处理设备，其特征在于，所述接地电极沿上述高压电极的轴向方向设置在所述高压电极的四个侧面的每一侧面上。

7  如权利要求4的废气处理设备，其特征在于，所述催化剂部分沿废气的流动方向设置在前述电晕放电部分的下游处，并且，多个由电晕放电部分和催化剂部分构成的组合体相串联并且彼此紧密地连在一起。

8  如权利要求4的废气处理设备，其特征在于，所述催化剂部分内的催化剂载体由金属和导电陶瓷材料中的一种制成。

9  如权利要求4的废气处理设备，其特征在于，在上述高压电极和接地电极中的至少一个上形成有多个小凸缘。

10  如权利要求4的废气处理设备，其特征在于，所述电晕放电部分和催化剂部分被一外罩所包围，所说的外罩可由电磁屏蔽部件构成，所述电磁屏蔽部件则是通过将磁屏蔽材料和有较高导电率的材料层叠起来制成的。

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