CN1281528A

CN1281528A - 利用自由基减少燃料燃烧所产生的废气中污染物的方法和装置

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Publication number: CN1281528A
Application number: CN98809947A
Authority: CN
Inventors: R·P·卡伦; L·埃克希安; J·A·埃克希安
Original assignee: Litex Inc
Current assignee: Litex Inc
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1998-10-06
Publication date: 2001-01-24
Also published as: US6029442A; AU9603098A; EP1021643A4; CA2305238A1; EP1021643A1; WO1999018333A1; DE1021643T1; BR9813853A; US6330794B1; KR20010030981A; JP2001519497A; WO1999018333A8; IL135500A0; ZA989145B

Abstract

本发明涉及一种减少燃烧发动机(11)的废气流中污染物的装置和方法。利用一个电晕放电装置(30,40,50,60,80,110)产生电晕放电可在发动机(11)的至少一部分燃烧气流中,或者从燃烧前气流的气态物质或者从废气流(18)的气态物质中形成各个基。但各个基从该废气流(18)中产生时,利用一个直接放置在催化式排气净化器(13)处或其废气流上游的电晕放电装置(30,40,50,60,80,110)产生各个基,或者一部分废气流(21)被分流到一个远端电晕放电基生成器(23)中。在生成器中的电晕放电(23)在被分流的废气(21)中形成各个基,在催化式排气净化器(13)的上游一位置,将含有各个基(24)的废气输送到废气流(18)中。

Description

利用自由基减少燃料燃烧所产生的废气中污染物的方法和装置

本申请是1996年12月18日提交的，待审美国系列申请No.08／768,833的部分延续。

本发明的技术领域

本发明涉及一种减少燃料燃烧所产生废气中的污染物的方法和装置。尤其是，本发明涉及一种这样的方法和装置，即其中污染物的减少是通过废气中的水蒸气和剩余氧电晕放电产生高氧化自由基，例如羟基OH、过氧羟基HO2、原子氢H、原子氧O，和相关的气态氧化产物，例如过氧化氢H₂O₂、二氧化氮NO₂、臭氧O₃，及将这些基引入催化式排气净化器的燃烧发动机上升气流的燃烧气流中而实现的。

本发明的背景

众所周知，内燃机吸入周围空气，将空气和燃料混合，并将混合物导入燃烧室，在燃烧室中空气和燃料的混合物被点燃并燃烧。产生的废气排到大气中，废气可以被净化以除掉污染物。汽缸中空气/燃料混合物的点燃是通过一个点火装置，一般是火花塞或类似物，或者通过空气/燃料混合物的绝热压缩实现的，其将混合物加热到一个高于其着火点的温度。

在目前广泛使用的汽油机中，环境空气通过一个进气管或口进入化油器或燃料喷射系统，其用于使空气和燃料混合以便产生空气/燃料混合物。对于具有某些形式的燃料喷射系统的发动机及那些带有化油器的发动机，空气/燃料混合物通过一个进气歧管进入发动机的燃烧室或汽缸。在具有进气口汽油喷射型燃料喷射系统的汽油机中，在燃料与空气混合之前，空气通过进气歧管导入燃烧室的进气口。在柴油机和一些采用燃料喷射系统的汽油机中，空气和燃料分别被导入发动机的燃烧室或汽缸，在其中进行混合。

空气/燃料混合物燃烧后，产生的废气从燃烧室排出到排气歧管。在几乎所有现代装有汽油发动机的汽车中，废气通过排气管进入一个催化式排气净化器，在其中污染物基本被除掉了。但是，在内燃机的运行过程中，即使具有污染控制装置，例如催化式排气净化器，如下所述的一些污染物仍保留在废气中并被排入大气。

除了完全燃烧产物，例如二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)，内燃机还产生废气，废气含有大量污染物，即一氧化碳(CO)，直接毒害人体生命，和碳氢化合物(HC)，这是由不完全燃烧引起的。另外，由于碳氢燃料燃烧产生的极高温度再加上快速冷却，空气中氮的热稳定导致了有害的另外一种污染物，即氮氧化物(NOx)的形成。

内燃机产生的CO，HC，NOx及其他污染物的量随发动机的设计和运行条件及使用的燃料和空气而变化。特别是，CO，HC和NOx的量部分地由空燃比决定，为了减少一氧化碳和碳氢化合物而安排的这种条件，即燃料混合气恰少于导致较高燃烧温度的化学当量的量，会使NOx的形成量增加，为了降低NOx形成量而安排的这种条件，即导致较低燃烧温度的富油或贫油混合气，会使发动机废气中的一氧化碳和碳氢化合物增加。

尽管从1901年以来就意识到内燃机废气中污染物的存在，在美国，在1970年的《清洁空气法》中才要求对内燃机的排放进行控制。发动机制造商研究了许多方法以满足法规的要求，包括废气循环，电控燃料喷射系统，其从燃烧气流中的各个传感器接收数据，提供了空燃比的精确控制，以及催化式排气净化器。催化反应已经被证明是最有效的无源系统。

催化式排气净化器的作用是使CO和HC氧化为CO₂和H₂O，并且在一个三元催化剂中，将NO/NOx还原为N₂。在现代的所有这三种污染物同时减少的三元催化式排气净化器(TWC)中，缺氧时NOx的减少最有效，而CO和HC的消除需要氧。因此，抑制这些排放物的产生要求发动机在或接近理想配比的空燃比下运行。

目前，几乎所有的汽车催化式排气净化器都是固定在蜂窝整体式结构中的贵金属，它们在热冲击下具有良好的强度和抗裂性。选择蜂窝结构和几何形状可以提供一个相对低的压降和一个大的总面积，增强了质量交换可控制的反应，该反应将污染物从废气中除去。蜂窝结构设置在一个钢容器中，并通过一个弹性垫防振。

一个粘性涂层设置在蜂窝结构的壁面上，该涂层通常由掺有催化元素的γ铝制成。用于同时转化所有三种污染物的TWC工艺一般使用贵金属铂(Pt)和铑(Rh)，其中Rh主要负责NOx的还原，对主要由Pt完成的CO氧化也有作用。近来，不太昂贵的钯Pd也被代替使用或与Pt和Rh结合使用。有效的催化剂通常包括约0.1～0.15％的这些金属。

由于内燃机的废气从稍多到稍少波动，一种储氧介质被加到涂层上以在循环的任何少量期间将氧气吸附在涂层表面，并在循环的任何多量期间将氧气释放以便与过量的CO和HC反应。氧化铈(CeO₂)由于其合乎要求的还原氧化特性，经常被用于这种场合。

1990年的《清洁法规》修正案部分要求内燃机排放到大气中的污染物的含量进一步显著降低。为了满足这些要求，已经提议对汽车和卡车的使用实行限制，例如使用对汽车进行强制的集中控制，HOV车道，增加公共交通和铁路的使用，以及在适当成本和不便条件下限制汽车和卡车使用的类似措施。

减少汽车和卡车使用的一种替代方法是通过提高内燃机的效率来降低排放。这种方法将具有特别的效果，由于研究表明大多数汽车造成的污染只由一小部分在行进的车辆产生，这些车辆通常是旧型号，这些旧型号车具有相当低效的发动机和老化的催化式排气净化器，本来就会产生大量废气。对于整个燃烧过程的任何技术方面的改进都不会在这些老型号的车辆上进行，因为它们需要对发动机或车辆进行大范围或昂贵的改进。

另外，近年来在降低车辆，例如汽车和卡车的内燃机废气中污染物含量方面，已经进行了大量的努力，内燃机废气中污染物含量的进一步降低将是昂贵的，并提出了一个相当大的技术挑战，原因在于现在制造的汽车和卡车的排放不满足提出的《环境保护行为标准》。

另外一种代替通过提高内燃机效率或减少汽车使用而降低排放的方法是提高催化式排气净化器或催化剂的效率。催化式排气净化器的转化效率是通过相关特殊组分的总消除率和进入催化式排气净化器的总流率之间的比值来衡量的。催化式排气净化器的转化效率是许多参数的函数，这些参数包括老化，温度，化学当量，任何催化剂中毒剂的存在，例如铅，硫，碳和磷，催化剂的类型，废气停留在催化式排气净化器中的时间。

现有技术提高催化式排气净化器效率的努力没有获得完全成功。现代TWC催化式排气净化器的应用在满足未来排放要求方面可能有一定的困难，并在其运行寿命方面有一定的限制，但它们比较昂贵。催化式排气净化器也有缺点，即它们的转化效率直到系统达到工作温度前都较低。

因此，存在对一种简单、造价低的降低发动机和催化剂化合作用释放的废气中污染物含量的装置的需要，该装置可以装在现今使用和新制造的发动机上。本发明提供了这样的一种装置。

本发明的概述

本发明的一个目的是提供一种减少内燃机废气中污染物的力法和装置，不需要对内燃机或催化式排气净化器进行较大的改进。

本发明的另一个目的是提供一种减少内燃机废气中不完全燃烧污染物的方法和装置，其使用和制造的花费不多，结构和操作简单。

本发明涉及一种至少减少发动机废气流中一种污染物的装置，废气流包括由燃料燃烧所产生的废气，发动机具有一个燃烧气流，其包括一个燃烧前气流和一个废气流或后燃气流。本发明的装置包括一个催化式排气净化器，其具有一个进口和一个出口，及一个在废气中产生电晕放电的电晕放电装置，因此各个基从废气中的水或其它气态产物中产生。设置催化式排气净化器，使至少一部分发动机产生的废气经过催化式排气净化器，因此在催化式排气净化器进口上游的一处，各个基被引入燃烧气流，最好是废气流。但是，在一个实施例中，各个基是在燃烧前气流中产生的。

在另一个实施例中，各个基是通过电晕放电装置从废气流的废气中的水中产生的，并在催化式排气净化器进口上游的一点处，被导回废气流。一般，排气管与催化式排气净化器的进口相连，因此至少一部分废气流经过排气管进入并通过催化式排气净化器，排气管包括一个装配部件，用于将电晕放电装置设置在废气流中，因此在催化式排气净化器废气流的上游会产生电晕放电。

各个基也可以在一个远端的电晕放电基生成器中的废气中产生。在该实施例中，连接到催化式排气净化器进口或出口的排气管或歧管具有一个废气分路，用于将一部分废气输送到远端的基生成器。生成器中的电晕放电装置用于在输送到远端基生成器的废气流部分中产生各个基，例如从废气中的水中产生的羟基。从远端基生成器出来的含有基的废气，在催化式排气净化器的上游一处被导入废气流。

在上述每个实施例中，在催化式排气净化器的进口和上游位置之间最好设置一个氧传感器，在该上游位置将含有在原地产生或者通过添加而形成的各个基的废气被导入废气流中。实际上在所有的现代汽车中，这样的一种氧传感器被安装在催化式排气净化器的上游。

在另一个实施例中，电晕放电装置被设置在一个连接到排气管的支路中，因此至少一部分废气流在催化式排气净化器的第一个上游位置从排气管进入支路，并在催化式排气净化器的第二个上游位置再进入排气管。为了降低电晕放电装置的工作温度，支路也可以包括一个或多个延伸表面或其它冷却装置，其按辐射放热或用其它方法除去热量，降低了支路和通过支路的废气的温度。

一种典型的电晕放电装置通常包括同心电极，因此当装置运行时，在电极之间的气隙中形成电晕放电。同心电极通常包括一个内电极，一个外电极，其可以由一个金属丝网和一个绝缘材料形成，该材料的介电常数的范围最好是在2到10附近。在内电极或外电极的内表面中的至少一个上形成一层的绝缘材料。外电极可以包括一个顶部，因此气隙完全被电极和绝缘材料封闭，因此外电极起到一个灭火器的作用。在排气管中也可以设置至少一个灭火器，以防止火焰在排气管中传播；例如电晕放电装置的下游和催化式排气净化器的上游，以防止催化式排气净化器暴露给残余燃料燃烧所引起的火焰。也可以使用一个电晕放电装置，其中排气管作为该电晕放电装置的一个远端接地电极。

为了保证废气流中的新鲜废气总是受到电晕的作用，可以如此设置电晕放电装置以使废气中自然产生的压力波动起到一个泵的作用，强迫废气进入电晕放电装置，并含有从电晕放电装置的电晕放电中产生的基的气体清除。以一种允许废气从排气管，经过电晕放电，进入增压室，并返回排气管的方式，通过包括一个适当尺寸的并设置在电晕放电装置附近的增压室可以增强这种泵作用。

在富油冷起动运行工况中，本发明的装置还可以包括一个将空气喷入废气流的装置，因此电晕放电使废气中的燃料氧化。

本发明还涉及一种减少废气流中至少一种污染物的方法，废气流包括由发动机中燃料燃烧所产生的废气，发动机有一个排气管与催化式排气净化器的进口相连。这种方法包括使废气流通过排气管和催化式排气净化器；采用电晕放电在废气流的至少一部分废气中形成各个基；将各个基引入催化式排气净化器的废气流上游。各个基通常由废气中的水或残余氧气O₂两者中的至少一种产生。然后各个基可以与废气流中的气态氧化物反应以形成气态氧化产物，包括其它基。通过二次反应和在电晕放电中产生的基和气态产物包括OH、O、H、HO₂、H₂O₂、NO₂、或O₃。这些基在至少一部分废气流中产生，并在催化式排气净化器进口上游的一处被导入排气管，或者一部分废气从废气流中分出并被输送给一个远端基生成器，其中各基是在电晕放电中产生的。在每个实施例中，氧传感器，如果存在的话，最好设置在催化式排气净化器和催化式排气净化器上游一位置之间的排气管中，其中各基是在排气管的废气流中形成的。

已经发现将基引入催化式排气净化器的废气流上游可以将催化剂中毒剂从催化式排气净化器的表面除掉，这是由中毒剂与至少一种基或气态氧化产物的反应而实现的，气态氧化产物由基和废气流中气体的反应生成。除掉的催化剂中毒剂包括硫，磷和碳的化合物。

在冷起动或发动机不着火的情况下，电晕放电也可以激发废气中残余燃料和碳氢化合物的氧化，因此在废气到达催化式排气净化器之前，降低了残余燃料和碳氢化合物的含量。在冷起动情况中，应该将一定量的空气引入废气流中，以给废气中多余燃料的燃烧提供所需的氧气。

在又一个实施例中，本发明涉及一种提高易于被硫，磷和碳毒化的氧传感器的寿命和性能的方法，其中氧传感器设置在催化式排气净化器的废气流上游。如同催化式排气净化器的情况，由电晕装置产生的高效反应基能置换这些毒物，因此保证了氧传感器的正常功能。这种方法包括采用电晕放电在燃烧气流中产生各个基，将各个基引入氧传感器的燃烧气流上游。各个基也可以在燃烧前气流中形成，或由废气流的至少一部分废气中的水或残余氧形成。如上所述，废气流的一部分废气可以被分支到一个远端基生成器中，其中各个基利用电晕放电在废气中产生。然后各个基在氧传感器的上游一处被引入废气流。

本发明中有用的电晕放电装置还包括一种小型的电晕放电装置，其包括一个第一端或跟部，其结构适于连接到排气系统的一个装配元件上，以允许废气从排气系统进入并从电晕放电装置排出，一个第二端，其结构可以防止废气从电晕放电装置泄漏，最好是以一种金属罩的形式，一个普通的圆柱形外电极，与第一端保持电和机械连接，一个内电极，与外电极同心安装并部分地被外电极包围，一个不导电的绝缘体，同心安装在内、外电极之间，在电极间形成一个气隙，绝缘体有一个限定电晕放电装置直径的直径，其中内电极比外电极长，以便在靠近第一端的气隙中提供一个电晕区，在靠近第二端的气隙中提供一个上部气隙。

最好是，每个电晕放电装置的尺寸都减至最小，这样电晕放电的支路电阻和电容的损失基本被减至最小。一般内电极的长度至少约为外电极长度的2倍，最好是4倍，而且至少约为由不导电的绝缘体限定的小型电晕放电装置的直径的4倍，最好是6倍。根据本发明的一种小型电晕放电装置还可以包括一个延伸的裙部，其设置在跟部和外电极之间，以便给小型电晕放电装置提供一个低温环境。为了提高小型电晕放电装置的散热量，延伸裙部最好包括一个延伸的表面，以便辐射或用其它方法散去热量，并冷却电晕放电装置。

小型电晕放电装置还可以在第二端或罩中设置一个孔，其可以是音速的，以提供一定流量的空气通过小型电晕放电装置并对其进行冷却。在这个实施例中，小型电晕放电装置的跟部通常与排气系统中的缩喉管部分相连，以便在装置中提供一个低压而将空气通过音速孔吸入。

各附图的简要说明

图1表示一个具有一个催化式排气净化器的内燃机的侧视图：

图2是一个排气系统的示意图，包括一个远端电晕放电基生成器。

图3表示安装在排气支路中的一个电晕放电装置。

图4表示一个具有同心电极和有绝缘涂层的内电极的电晕放电装置。

图5表示一个具有同心电极和有绝缘涂层的外电极的电晕放电装置。

图6表示一个远端接地电晕放电装置。

图7表示图5所示类型的电晕放电装置，配有一个灭火器。

图8表示一个小型电晕放电装置。

图9表示一个具有一个延伸裙部的小型电晕放电装置。

图1O表示具有一个空气喷孔的小型电晕放电装置。

图11表示以一种方式安装的电晕放电装置，即利用废气流中压力波动的泵作用。

图12表示与一个增压室相连安装的电晕放电装置，增压室用来增强废气流中压力波动的泵作用。

优化实施例的详细说明

和此处用到的一样，术语“燃烧前气流”表示流入燃烧室的空气流或空气/燃料混合气流。和此处用到的一样，术语“后燃气流”和“废气流”表示从燃烧室流出的空气/燃料混合物燃烧后产生的废气流。燃烧前气流和后燃气流统指为“燃烧气流”。

另外，术语“基”或“各个基”及“自由基”或“各个自由基”表示具有至少一个不成对电子和没有净电荷的任何原子或原子团；即和此处用到的一样，这些术语表示具有相同数量的电子和质子的带电中性产物。

本发明涉及一种降低燃料燃烧所产生的废气流中污染物含量的方法和装置，例如一氧化碳(CO)，碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOX)。本发明的方法和装置可用于排气系统中配有至少一个催化式排气净化器的内燃机中。本发明的方法和装置最好用在一种内燃机中，该内燃机还包括至少一个催化式排气净化器上游的氧传感器，其使发动机的燃料喷射系统维持一个化学当量的空/燃比。实际在所有的现代汽车中，在催化式排气净化器上游都安装了这样的一种氧传感器。在本发明的方法中，高效氧化自由基，例如羟基OH、过氧羟基HO₂、原子氢H、原子氧O，和相关的气态氧化产物，例如过氧化氢H₂O₂、二氧化氮NO₂、臭氧O₃，在燃烧气流中产生或添加到燃烧气流，最好是催化式排气净化器上游的废气流中。这些基和相关的气态氧化产物增强了CO和HC氧化为二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)的氧化反应，并且较低程度地使NOx还原为分子氮(N₂)，因此，在通过催化式排气净化器后，废气流基本不含除CO₂，H₂O，N₂和可能产生的甲烷(CH₄)之外的任何物质。

根据本发明，自由基和相关的气态分子氧化剂被引入发动机的燃烧气流，以减少污染物和有害物，例如CO和HC。尤其是，已经发现羟基OH能与CO迅速反应生成CO₂。也已经注意到当存在氧气时，OH能与碳氢化合物(HC)迅速反应生成甲醛或其它类似的中间产物，然后其再与OH反应形成H₂O和CO₂，再生成OH。因此，似乎这些反应不消耗OH，反而能再生成OH，所以OH起到一种类似催化剂的作用。

就CO而论，下述反应步骤将CO转化为CO₂并再生成OH：

其中过氧羟基分解为羟基是由废气流中的热分解引起的。

就HC而论，下述步骤可以描述一个简化的系列反应：

。

取决于HC产物，可能会有支化反应，而且可能会产生其它的自由基中间产物和氧化剂，例如O，H，NO₂，HO₂和H₂O₂，或者直接进入反应或者通过其它反应的产物，例如：

或

另外，需要特别注意的是，在本发明的反应过程中会再生成OH，即OH起催化剂的作用，而且由于自由基反应的本性，系列反应迅速进行。

已经发现在必需有氧的情况下，在燃烧发动机的废气中，OH以及其它自由基和气态分子中间产物及氧化剂，例如O，H，NO₂，H₂O₂，HO₂和O₃的存在提供了非常有效的催化转化，即CO和碳氢化合物转化为无污染的气态产物，即CO₂和水蒸汽。由OH和废气中气态物质的反应所产生的OH及其它相关自由基和气态分子氧化剂独立于或与催化式排气净化器的规定催化功能元件一同起催化剂的作用。

因此，本发明利用各个基，例如羟基及其相关产物，O，H，NO₂，H₂O₂，HO₂和O₂形成一个催化循环，减少发动机的CO和HC的排出，以满足现在和未来的超低排放汽车“ULEV”和低排放汽车“LEV”标准。由于OH及其它相关自由基和气态分子氧化产物起催化剂的作用，在废气流中有氧的情况下，对于较多数量级的CO和碳氢化合物转换为CO₂和H₂O，只需引入相对少量的基。

将各个基和相关气态氧化产物引入催化式排气净化器的燃烧气流上游导致了废气流中CO和HC的催化氧化反应，并保证了那些污染物的快速除掉。由这些氧化产物引起的CO到CO₂和碳氢化合物到CO₂和H₂O的催化转化，都发生在催化式排气净化器的大涂层表面上和废气流的气相中。CO和HC到CO₂和H₂O的转化基本上是在催化式排气净化器进口附近的一小区域中完成的，结果，大部分昂贵金属的催化表面不参与这些完全反应。净化器的贵金属部位在催化较小活性的碳氢化合物，例如甲烷，乙烷，乙烯，苯和甲醛时不再起非常重要的作用，结果，贵金属部位的催化活动是针对氮氧化物到氮气和其它非污染气态产物的转化而进行的。

由于各个基和相关气态氧化产物，例如羟基的催化作用发生在整个废气容积中和催化式排气净化器表面上，本发明在降低污染物排放方面，比以传统方式操作的催化式排气净化器更有效。用于氧化催化式排气净化器上游气态产物的各个基的引入也将氮氧化物的排放大大降低在以传统方法所达到的水平下，这是因为贵金属部位不参与CO和HC的转化，并且因此也允许减少催化式排气净化器中的贵金属量或使用较低成本的金属及其氧化物，而保持NOx的减少量与采用现有技术的方法得到的相同。

另外，已经发现通过燃烧气流中的电晕放电产生各个基和相关气态氧化产物，以及将各个基引入催化式排气净化器的废气流上游，可以净化催化式排气净化器，这是通过与催化式排气净化器表面的中毒剂进行反应并除掉这些中毒剂而实现的。由这些基和相关气态氧化产物的氧化作用而除掉的催化剂中毒剂包括，但不限于，硫化物，例如催化剂中贵金属的硫酸盐和硫化物，以及SO和元素硫，它们可能粘到表面形成一个表层，磷化物，例如贵金属的磷化物和磷酸盐，以及PO₂，P₂O₃和元素磷，其也可能粘到表面形成一个表层，和碳化物，例如一氧化碳，其吸附在表面上，并可以分解为原子氧和碳，引起碳化。

催化式排气净化器表面的催化剂中毒剂的氧化从表面除掉了这些中毒剂，因此催化剂的效率提高，容许使用一个体积较小的催化剂床，与目前使用的一般催化式排气净化器中的相比。因此通过电晕发生器产生的自由基和相关气态氧化产物的引入具有两个降低污染物排放的独立效果。首先，各个基和相关气态氧化产物的氧化催化作用直接将污染物从废气流中除掉。另外，催化剂床表面上，尤其是贵金属表面上的全部或一些中毒剂的去除提高了通过催化式排气净化器除掉污染物，特别是NOx的效率。

参照图1，表示带有一个催化式排气净化器13的一种现代汽车发动机11的一种典型结构。催化式排气净化器13设置在汽车(未示出)的底部，并位于发动机排出的废气流18中，位于排气歧管15分出的排气管12的下游，消声器17之前。尽管这是目前常用的结构，应该注意大量正在生产的汽车具有小型的催化式排气净化器，其离发动机的位置比图1中所示的更近，因此催化式排气净化器接近发动机的排气歧管部分。在目前生产的大多数汽车中，在排气系统中，就在催化式排气净化器13的上游设置了一个氧传感器14。从氧传感器14出来的数据被燃料喷射系统的电控部分采用，以维持一个化学当量的空/燃比。通常，第二个氧传感器16设置在催化式排气净化器13的下游，为燃料喷射控制装置和汽车的车上诊断提供更多的数据。

催化式排气净化器13，和用在本发明中一样，包括用于处理燃料，例如汽油，以汽油为基础的成分，柴油燃料，酒精，天然气以及其它燃料燃烧所产生废气的任何装置，其中催化式排气净化器可用于减少至少一种燃烧产生的污染物，例如CO，HC和/或NOx，包括，但不限于现代汽车发动机中使用的三元催化剂。

因此催化式排气净化器13包括催化地除掉或参与除掉由燃料燃烧所产生废气流中的至少一种污染物的任何装置，包括，但不限于整体式的或粒状陶瓷基片，金属基片，或任何种类的基片，和具有贵金属或其它种类催化材料的装置。它也可以包括，但并不限于，具有半导体催化剂的装置，例如过渡元素的氧化或硫化物，和具有陶瓷型催化剂的装置，例如单独的矾土，硅石矾土，和沸石，彼此和与储氧介质，例如氧化铈结合或与金属催化剂结合。

在本发明的一个实施例中，氧化基和相关气态氧化产物被引入催化式排气净化器的废气流上游，最好是氧传感器14的上游，氧传感器几乎设置在所有的现代汽车和轻型卡车中。羟基OH和原子氢H通过一个电晕放电装置从发动机废气中的水蒸汽产生。同样地，电晕放电也可以从废气中的残余氧气O₂产生原子氧O。一般，这些基与废气流中的其它气态产物反应形成其它的氧化产物，例如NO₂，H₂O₂，HO₂和O₃。

用于产生自由基的废气也可以从催化式排气净化器的下游取得，通过将一部分废气分支到一个基生成器，并将基生成器的排出物引入催化式排气净化器的废气上游，如图2的示意图所示。通过在从催化式排气净化器下游端取得的废气启动电晕放电装置，电晕是在一个较清洁的环境中进行的，基本没有由催化式排气净化器和氧化基及相关气态氧化产物的作用除掉的污染物，氧化基及相关气态氧化产物由放电产生并被引入催化式排气净化器的上游。这导致放电装置的寿命提高，并当电晕放电装置位于催化式排气净化器上游时，基本上消除了可能出现的受污问题。但是，当用在上游时，电晕放电本身就会减少或消除其自身的潜在污染。

如图2所示，通过催化式排气净化器13的一部分净化的废气流21取自后排气管22，并被分流到远端电晕放电基生成器23。远端电晕放电基生成器23的输出物24富有大量基，这是电晕作用在废气21上的结果，输出物24被引入催化式排气净化器13的排气尾管12上游中的废气。一个氧传感器14，例如在大多数现代汽车和轻型卡车中有的，最好设置在催化式排气净化器13的废气流18上游，但在下游位置25氧化产物被引入废气流。但是，由于排气系统中的压力较高，例如对于一个缩喉管(未示出)，要求具有泵作用，以完成远端生成器的输出物到废气流的直接喷入。因此，直接的、在原处通过在废气流中的水蒸汽和残余氧气上的电晕放电作用产生自由基是最好的方法。

各个基和相关气态氧化产物最好是通过一个电晕放电装置在催化式排气净化器的废气流上游中产生，电晕放电装置或者设置在主排气管中，或者如图3所示设置在与主废气流平行的一个支路中。如图3所示，一个电晕放电装置30安装在固定件32的排气支路31中。排气支路31容许一部分废气流18旁通过排气管12的一部分，通过在第一位置35从排气管12分出，通常是催化式排气净化器13的上游，并在第二位置36再进入排气管，其通常也是催化式排气净化器13的上游。排气支路最好包括一个节流孔33或通入支路的其它装置，以调节或控制废气流率。这样的一条支路是有用的，因为它容许电晕放电装置在一个较低温度的环境下工作，与废气流中的相比。支路的热量散失最好是通过提供一个增大的表面面积来实现，例如设置冷却片34或类似装置。

较低温度的环境简化了用于电晕放电装置的材料的设计和选择，特别是关于高温操作中的装置的电特性及其热力计算。这特别重要，因为电晕放电装置中材料的电阻率，损耗系数及绝缘常数随温度的增加而变化。高温时出现的这些参数的变化会严重地降低电晕放电装置的效率，减少自由基的产生，因而增加了污染物的排放。当电晕放电装置在高温环境下工作时，材料的选择限制于哪些电特性随温度升高有一定限度变化的材料。但是，当电晕放电装置在低温环境下工作时，例如在支路中，就可以使用其它的、不太昂贵的材料，即在低温下具有所需要的电特性，而在高温下不具有所需要的电特性。

在低温下工作也减少或消除了电晕放电装置及其支座和排气管中的材料的热膨胀系数的不匹配问题。这也减少或消除了应变感应材料和密封的问题，以及在发动机寿命期间电晕放电装置将遇到的多次热循环引起的问题。

在空气和燃料混合处的燃烧前气流上游，例如在具有一个进气口汽油喷射系统的发动机的进气歧管中，通过电晕放电也可以产生自由基。进气歧管中氧化产物的产生和引入的缺点是：相当一部分的高化学活性物质在燃烧过程中可能被破坏，只有那些存在于缝隙和燃烧室壁面的活性物质会有效地继续存在，并进入废气流，其中在氧化CO和HC时它们是有用的。相反地，将自由基和气态分子氧化剂直接引入废气(后燃)流或在废气流中生成这些物质的生成器能更有效地将活性物质传递到废气流中，在废气流中CO和HC需要被氧化。因此，必须产生相当数量的各个基，以便在催化转化器中提供预定量的各个基，这些相当数量的基比氧化产物在废气流中产生或被引入废气流时，用它方法所需要的基的相应数量大大减少。这直接表现为成比例的、基生成器的较低输入电压要求。

本发明使用的一种电晕放电装置在需要替换前，在内燃机废气流的高温环境下最好能有效运行至少约3,000～4,000小时。由于现代汽车中空间的限制，电晕放电装置最好具有一个小的体积，即约为普通火花塞的尺寸，并需要一个不大于约300～400cm³的电源设备。在某一实施例中，除了在约800℃的温度下运行，电晕放电装置必须满足汽车的电磁干扰(EMI)要求，易于替换，并在发动机起动和冷却过程中能经得住数千次的800℃左右的热瞬态，以及数百万的较小的热瞬态，其中温度变化在200℃左右。在一种优选的电晕放电装置中，约需要20～50W的高频、高电压电源，即约为1,000～1,000,000Hz和5,000～20,000V。但是在一些瞬态运行条件下，例如发动机的冷或热起动，需要产生较多的基。这时电晕装置将需要在更高的、达到200～300瓦的功率下工作，对于这些时期，一般在30～100秒之间，可以通过给输入电晕装置的频率电压输出乘以一个5～10的因子而满足该瞬态情况。这可以通过适当的电晕装置，高电压电源系统的设计及发动机控制器的控制信号或当时的起动温度读数的应用而实现。

本发明使用的电晕放电装置包括，但不局限于那些基本上是圆柱形对称的，而且在大多数情况下，至少两个同心的电极。至少存在三种普通的用于电晕放电装置的替换形式，其基本上呈圆柱对称。三种普通的替换形式如图4，5和6所示。图4是圆柱形电晕放电装置40的剖面图，该装置具有同心的圆柱电极，内电极41和外电极42。装置40通常在跟部47包括一个金属包头44，其提供了一种气封，和螺纹46或将装置40安装在排气管12或支路31上的其它设置。内电极41由一个绝缘层43包围，其防止导电，并保证电晕放电。对于装置的总效率而言，让多数电量通过装置的“气”隙45非常重要。由于图4所示的电晕放电装置中的绝缘层43设置在一个会出现强电场的区域，该层的介电常数应该在约4～10的范围中，以限制通过绝缘层的电压降。结果，大部分电量通过电晕放电装置的“气”隙，而且保证了装置的效率。

但是，取决于电晕放电装置的设计，绝缘层，由于其导电率，可以作为一条接地的导电支路，其有效地降低了电晕放电的电流。其中电晕放电装置在跟部47处易于使电容损失分流，电容损失随介电常数的增加而成比例提高，在这种类型的电晕放电装置的设计过程中，经常需要作出决定，为了通过绝缘层的电压降和跟部中的分流电容漏失的相对重要性。

在高温下在绝缘层中也会出现电阻损失，因此必须选择一种绝缘材料，其中电阻损失可以接受地低，或电晕放电装置必须在一个室或排气系统的支路中工作，以保证在一较低的温度下工作。其它设计问题包括EMI，腐蚀性的、高温环境中的抗腐蚀性，发动机冷却过程的水凝结，及振动。对于EMI，电晕放电装置及其电源装置和导线必须有足够的屏蔽作用，以满足汽车系统的EMI要求。

材料的选择应该以高温下的运行情况和抗腐蚀环境的能力为基础，其可能限制装置的设计使用周期或性能，例如污染物高温扩散到绝缘层中可能会将绝缘层的电阻率降低到最大效率所需的值之下，并可能导致装置的部分或完全短路。但是，电晕放电本身应该能减少或消除装置的受污染。

通过将绝缘层43设置在外电极42的内表面可以降低或消除对高介电常数的需求。这种装置如图5所示。因为外电极42附近产生的电场较弱，与内电极41附近的相比，具有一个低介电常数的绝缘材料，即约在2～3之间，可以用作绝缘层。这降低了支路的电容损失，同时维持了一个通过绝缘层的有限的电压降。

也可以将排气管12或排气支路31用作电晕放电装置的一个远端接地端，消除对外电极的需要。这样的一种远端接地电晕放电装置60如图6所示，只需要一个内电极41，该内电极最好具有一个尖的或小直径的顶端以促进导电，一个绝缘层43和一个跟部47，该跟部一般包括一个金属包头44以提供需要的密封和应变消除。由于远端接地装置只经受基本损失，这样的一种装置也容许使用具有一个低介电常数的绝缘材料。

在一些应用中，在电晕放电装置的结构中最好也包括一个或多个灭火器。这样的一种装置如图7所示，一个电晕放电装置50被罩以一种金属丝网筛形式的灭火器48，装置50具有一个涂有一个绝缘层43的外电极42。这种灭火器可以防止在发动机起动和不着火情况下，含有燃料和氧气的废气着火。

但是，在一些应用中，需要废气着火以引起废气中残余燃料的部分或完全燃烧，因此降低了有害排放，例如在发动机运行的冷起动阶段或在发动机不着火的情况下，需要废气着火以引起废气中残余燃料的部分或完全燃烧，因此降低了有害排放。由于废气流中燃烧过程的温度较低，这种电晕可促使残余燃料和碳氢化合物产生燃烧，不产生多余的NOx。

在发动机不着火的情况下，燃料空气混合物基本是化学当量的，不需要多余的空气使产生的废气燃烧。但是，在冷起动情况下，为了使废气中的残余燃料燃烧，必须将更多的空气补充到电晕放电装置的废气流上游，因为在这些情况下，废气是富油的。燃烧所需的氧气可以通过可控的空气喷射提供，或者通过自身的泵作用，例如通过排气管中缩喉管部分的泵作用，或者通过一个上游气泵。对于一个缩喉管，在冷起动完成后，一个快速动作阀，例如一个机电阀或基于MEMS(微机械一电子系统)技术的一个阀将被用于中断空气喷射。空气喷射率受一个缩喉管的限制的，因此利用缩喉管的泵作用，残余燃料只可能部分燃烧。但是，一个气泵不受这种限制，且能够提供足够的空气以使废气流中的任何残余燃料完全燃烧。

在需要通过电晕放电使废气着火时，也可以使用灭火器，例如金属丝网筛将电晕促使的燃烧可能出现的废气流的范围控制或限制在任一地方，例如电晕放电装置的上游，装置的下游，或电晕放电装置中或周围的一个有限的容积内。

图4和图5所示的电晕放电装置基本上被改进为火花塞形，具有一个小的中心电极41，其直径约为0.1～0.3cm。内电极41插入跟部47的绝缘层43中的一个孔中并通过该孔定位。在绝缘层43设置在外电极42的内表面上的装置中，绝缘层43基本形成一个杯状物，在其跟部设有一个孔以设置内电极。外电极的内径约为1～2cm，长度约为1.5～3cm。绝缘层的跟部和壁厚约为1～3cm，选择这些参数以根据电晕放电装置的工作电压提供所需的绝缘强度。

靠近外电极内壁的绝缘层和绝缘层与内电极之间的“气隙”实际上是两个串联的电容。因为它们是串联的，通过气隙和绝缘层的电流相等，因此，圆柱形电极的瞬时电晕功率耗散可以表示为

P_i=V_iI_d=ωC_d·VsCOS(ωt)。

那么，平均功率耗散可以表示为

P=&$60P_i&#62=4C_dVsf[Vo-((C_d+C_g)/C_d)Vs]

其中C_d表示整个绝缘层的电容，C_g表示气隙电容，V_s表示发生火花放电的击穿电势，Vo表示所加的电压，f=ω/2π。

这意味着，利用“火花塞”技术，可以制造一种非常紧凑的，可替换的电晕放电装置，具有所需的功率。

外电极的外表面通常用于将电晕放电装置安装在排气管或歧管中，一条排气支路，通到排气管的前室中，任一个这些装置上或中的安装盘，或任何其它的安装电晕放电装置的设施，其提供了一个良好的废气密封。这种简单的安装装配结构使排气系统中的电晕放电装置易于拆卸和安装，排气系统中的支路或细长槽对于主废气流几乎没有或没有干扰。在所有情况下，电晕放电装置被设置在发动机的废气中，因此所需要的自由基直接从废气中的水和残余氧气中产生。

冷却过程中水的凝结可能导致电晕放电装置短路，因此该装置最好安装在排气管的上部，因此电极面朝下，在温度太低以致于镏出水的情况中，最大限度地减小了暴露在水中的部分。另外通过对该装置及其电源和导线进行设计，可使其自然的共振频率大大超过汽车的振动频率，从而可避免许多振动问题。

如上所述，绝缘层的电阻和电容分流损失是这种装置的设计中应主要考虑的问题，绝缘层用于在电晕放电装置的两个电极之间提供一个绝缘支承。支路电容中的任何减少容许在一定电容量损失下以更高的频率进行放电操作；并且根据电晕装置的基本设计原则，该装置的输出与所加电压的频率成比例，从而容许一个更紧凑的设计。一个更紧凑的设计是有益的，因为它容许使用较小的电晕间隙，其反过来在间隙两端形成了一个较低的击穿电压，因此容许使用较低的工作电压。较低的工作电压导致了较低的电阻和电容损失，提高了电晕放电装置的效率。因此较小的、效率更高的电晕放电装置将需要一个较小的电源装置，这在对空间进行最优先考虑的现代汽车中是一个主要优点。

这样的一种小型电晕放电装置的具有代表性的结构如图8所示。图8表示一种高效的小型电晕放电装置80的元件，以及重要的操作装置和装置设计范围。图示以及下面给出的尺寸仅代表一种一般结构，本领域的普通技术人员会认识到，在此处说明和讨论的基本设计原则范围内可以作许多变化。

图8所示实施例的主要特点包括一个长的、薄壁绝缘体81，其与材料的适当选择一起，在由绝缘体81支承的内、外电极82和83之间提供了一条高电阻的路径。一个薄金属帽84用作一个气封。内电极82一般基本上比外电极83长，其长度至少约为外电极83长度的两倍，最好至少约为外电极83长度的四倍。内电极82的长度一般至少约为电晕放电装置80直径的四倍，最好是六倍，电晕放电装置80的直径由不导电绝缘体81的直径决定。外电极83与小型电晕放电装置80的跟部85保持电和机械连接，其中跟部包括螺纹86或其余类似的安装装置80的安装结构，因此废气可以进入气隙89。作为内、外电极82和83长度差别的结果，气隙89被划分为一个电晕放电区97，即内、外电极重叠的那部分气隙89，和一个上部气隙88，即从外电极83延伸到金属帽84的那部分气隙89。

一种典型的小型电晕放电装置80具有一个外电极83，其长度约为1～2cm，最好约为1.5cm，和一个内电极82，其长度约为4～8cm，最好约为6cm。这种装置的不导电绝缘体81可以由一种诸如Fosterite的陶瓷材料构成，其直径约为0.7～1.3cm，最好约为1cm，长度约为3～5cm，最好约为4cm，厚度约为0.1～0.2cm，最好约为0.15cm，其可以用在高达900℃的温度下，电阻量的损失少于最大工作电压下的约10％，该电压至少约为5000V。在一个相对低的温度环境中，例如在排气支路中，由于沿陶瓷不导电绝缘体81的温度变化，可能使用一个同样的较高工作电压，同时保持一个可以接受的能量损失。在100Hz的频率下工作时，这种结构的电晕放电装置将提供约30～50W的功率。但是，在一些瞬态运行情况下，例如发动机的冷或热起动时，需要产生更多的基。在这种情况下，电晕装置将需要在更高的、达到200～300瓦的功率下工作。对于这些时期，一般在30～100秒之间，可以通过给输入电晕装置的频率电压乘以一个5～10的因子而满足该瞬态情况。这可以通过适当的电晕装置，高电压电源系统的设计及发动机控制器的控制信号或当时的起动温度读数的应用而实现。绝缘体81的长绝缘路径和薄壁，将电容的分流损失减小到10％以下，即使对于工作频率约为100KHz、介电常数超过10的绝缘体也是一样的。如此高的工作频率容许使用一种非常紧凑的、高电压的电源装置。

如上所述，电晕中功率耗散的表达式为

P=4C_d·Vs·f{Vo-((C_d+C_g)/C_d)Vs}

其中C_d和C_g表示绝缘层和电晕区中气隙的电容的电容，V_s和V_o分别表示气隙的发生火花放电的击穿电势和施加给电晕装置的电压，f表示施加给装置的电压的频率。假设这些参数的值为Vo=5,000V，Vs=3,000V，C_d=6×10^-12法，C_g=1×10^-12法；在3×10⁵Hz的频率下，则电晕中的功率约为27W。输出可以通过频率，所加电压或电容(本来是电晕放电区域的长度)估算。输出也可以由电晕装置的电源频率和/或电压控制。

发生火花放电的击穿电压几乎与电晕气隙区中的废气密度成正比例，其几乎与气隙区中的温度成正比例。这个击穿电压将与电晕装置中气体的温度，即工作温度成比例地变化。如果，例如如此设计，即使电晕装置中气体的温度为废气温度的一半，那么较低的击穿电压将增加到6,000V。

图9和图10表示上述结构的两中结构变型。在图9中裙部91被加长和延伸的表面92用于增加与大气的热交换。特别是，较长的导电路径以及热交换体提供了一个绝缘物质81的较冷运行环境，因此给具有最终运行温度下的令人满意的电阻和电容的这种应用提供了一个材料的更宽选择范围或更好的性能。实验中发现，发动机上游氧传感器侧的少量空气(＜10cc/sec)的喷射没有导致有害的发动机性能或发动机/催化剂排放性能。在图10中，表示由加到排气系统96中的缩喉管部分95中的低压所提供的泵作用。这种低压与小型电晕放电装置80的金属帽84中的孔97一起，提供了一个不超过10cc/sec的空气流，其限制了温度，冷却了电晕装置的陶瓷绝缘部分，并帮助将电晕放电中产生的各个基的引入。

在正常的工作条件下，取决于排气系统的位置，发动机产生废气的压力波动具有约为30～100Hz的频率，和一个约为20～80％的峰值到峰值的变化。这些压力波动与上部气隙88一起为电晕放电中产生的基和其它产物进入排气系统提供一个有效的、连续泵作用。对于上述描述的任一个电晕放电装置，废气的波动提供了泵吸效果，其中装置110设置在排气管112上的一个位置，排气管112中会发生波动，在图11所示的方式下，其中放电装置110安装在从排气管112分出的一个简单的“T”形部位113。通过一个图12所示的增压室12可以增大泵作用和总的气体运动。另外，可以增加冷却片116以降低放电装置110的工作温度。如上所述，较冷的工作环境可以提高电晕放电的效率。

应该注意，本发明的前述实施例的唯一要求是自由基或气态氧化产物，尤其是羟基是在下列位置引入废气流中的，即在催化式排气净化器处或其上游位置，例如在进气管到化油器或燃烧室的燃料喷射系统内，在空气/燃料进气歧管到燃烧室内，直接在燃烧室内或在燃烧室的排气歧管内，或在排气管内引入的。

而且，尽管本发明参照一个催化式排气净化器进行了描述，但应该注意只有净化器提供的大的表面面积再结合引入羟基才被要求用来降低燃烧发动机的废气中的污染物。

尽管参照最佳实施例对本发明进行了描述，但应该可以理解，对于本领域的普通技术人员而言，许多变化和变型是显而易见的，因此本发明的范围不应该局限于此处的具体描述，但只由所附的各权利要求限定

Claims

1．一种减少发动机废气流中至少一种污染物的装置，该废气流包括发动机中燃料燃烧所产生的废气，该装置包括：

一个催化式排气净化器，其具有一个进口和一个出口，其中所述的催化式排气净化器如此设置，以使至少一部分发动机产生的废气流过所述催化式排气净化器；

一个在废气中进行电晕放电的电晕放电装置，因此各个基从废气中的水或其它气态产物中产生，而且在所述催化式排气净化器进口上游的一点处，将所述基引入废气流中。

2．如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括一个与所述催化式排气净化器的进口相连的排气管，因此至少一部分废气流经过所述排气管进入并通过所述催化式排气净化器，所述排气管包括一个装配部件，用于将所述电晕放电装置设置在废气流或其一部分中，因此在所述催化式排气净化器废气流的上游会产生电晕放电。

3．如权利要求2所述的装置，其特征在于还包括一个氧传感器，其设置在所述电晕放电装置和所述催化式排气净化器的进口之间。

4．如权利要求2所述的装置，其特征在于所述电晕放电装置设置在一个连接到所述排气管的支路中，因此至少一部分废气流在所述催化式排气净化器的第一个上游位置从所述排气管进入所述支路，并在所述催化式排气净化器的第二个上游位置再次进入所述排气管。

5．如权利要求4所述的装置，其特征在于所述支路包括一个或多个延伸表面，以便从所述支路中散去热量。

6．如权利要求1所述的装置，其特征在于所述电晕放电装置通常包括同心电极，所述电晕放电装置在所述电极之间的气隙中形成电晕放电。

7．如权利要求6所述的装置，其特征在于所述同心电极通常包括一个内电极，一个具有一个内表面和一个外表面的外电极，和一种在所述内电极或外电极的内表面的至少一个上形成一层的绝缘物质。

8．如权利要求7所述的装置，其特征在于所述外电极包括一个金属丝网或网。

9．如权利要求8所述的装置，其特征在于所述外电极包括一个金属丝网筛或网状的顶部，因此气隙完全被所述电极和绝缘材料封闭，所述外电极的金属丝网筛或网状部分用作一个灭火器。

10．如权利要求2所述的装置，其特征在于还包括至少一个为了防止火焰在排气管中传播而设置的灭火器。

11．如权利要求10所述的装置，其特征在于至少一个灭火器设置在所述电晕放电装置的下游和所述催化式排气净化器的上游。

12．如权利要求7所述的装置，其特征在于所述绝缘材料的介电常数的范围约为2到10。

13．如权利要求2所述的装置，其特征在于所述电晕放电装置可以如此设置以便使废气中自然产生的压力波动提供一个泵的作用，强迫废气进入所述电晕放电装置，并清除含有各个基的气体，这些基是从所述电晕放电装置的电晕放电中产生的。

14．如权利要求13所述的装置，其特征在于还包括一个设置在所述电晕放电装置附近的增压室，因此废气从所述排气管，经过电晕放电，进入所述增压室，并返回所述排气管。

15．如权利要求2所述的装置，其特征在于对所述电晕放电装置，所述排气管起一个远端接地的作用。

16．如权利要求2所述的装置，其特征在于还包括一个在富油冷起动运行工况中，将空气喷入所述废气流的装置，因此电晕放电使所述废气中的残余燃料燃烧。

17．如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括：

一个连接到所述催化式排气净化器进口的排气管，

一个连接到所述催化式排气净化器出口的排气尾管，因此至少一部分废气流经过所述排气管进入并通过所述催化式排气净化器，并通过所述排气尾管，

所述排气尾管具有一个废气分路，用于将所述废气流的一部分废气输送到一个远端的基生成器中，该生成器包括所述的电晕放电装置，用于在输送到所述远端基生成器的废气流部分的废气中产生各个基，

一个远端基生成器输出设备，用于将从所述远端基生成器出来的含有各个基的废气，在所述催化式排气净化器的上游一处返回所述废气流。

18．如权利要求17所述的装置，其特征在于还包括一个氧传感器，其设置在所述催化式排气净化器的进口和所述催化式排气净化器的上游位置之间，在该位置含有各个基的废气被导入废气流。

19．一种减少废气流中至少一种污染物的装置，该废气流包括发动机中燃料燃烧所产生的废气，该发动机具有一个燃烧气流，该气流包括一个燃烧前气流和一个废气流，所述装置包括：

一个催化式排气净化器，其具有一个进口和一个出口，其中所述的催化式排气净化器如此设置，以使至少一部分发动机产生的废气经过所述催化式排气净化器；

一个产生各个基的电晕放电装置，其设置在发动机的燃烧气流中，其特征在于各个基在所述催化式排气净化器进口上游一处引入燃烧气流。

20．如权利要求19所述的装置，其特征在于各个基在所述燃烧前气流中产生。

21．如权利要求19所述的装置，其特征在于各个基被引入所述燃烧前气流。

22．一种减少废气流中至少一种污染物的装置，该废气流包括发动机中燃料燃烧所产生的废气，所述装置包括：

一个电晕放电装置，用于在废气中进行电晕放电，因此各个基从废气中的水或其它气态产物中产生，所述各个基在所述催化式排气净化器进口上游的一处被引入所述废气流；

一个连接到所述催化式排气净化器进口的排气管，因此至少一部分废气流经过所述排气管进入并通过所述催化式排气净化器，所述排气管包括一个装配部件，用于将所述电晕放电装置连接到所述排气管上，所述排气管容许废气进入并从所述电晕放电装置排出；

其中所述电晕放电装置包括：

一个第一端，其适于连接到所述装配元件上，以允许废气从所述排气管进入并从所述电晕放电装置排出；

一个第二端，其可以防止废气从所述电晕放电装置泄漏；

一个普通的圆柱形外电极，其与所述第一端保持电和机械连接；

一个内电极，其与所述外电极同心安装并部分地被所述外电极包围；

一个不导电的绝缘体，其同心安装在所述内、外电极之间，在所述电极间形成一个气隙，所述不导电绝缘体的直径限定了所述电晕放电装置的直径，

其特征在于所述内电极的长度大于所述外电极的长度，以在靠近所述第一端的气隙中提供一个电晕区，在靠近所述第二端的气隙中提供一个上部气隙。

23．如权利要求22所述的装置，其特征在于所述电晕放电装置的每个尺寸都被最小化，因此支路电阻和电容的损失基本被减至最小。

24．如权利要求23所述的装置，其特征在于所述内电极的长度至少约为所述外电极长度的2倍，最好是4倍，而且至少约为由所述不导电的绝缘体限定的所述紧凑的电晕放电装置的直径的4倍，最好是6倍，因此所述紧凑的电晕放电装置的支路电阻和电容的损失基本被减至最小。

25．如权利要求24所述的装置，其特征在于所述内电极的长度至少约为所述外电极长度的4倍，至少约为所述紧凑的电晕放电装置的直径的6倍。

26．如权利要求22所述的装置，其特征在于还包括一个延伸的裙部，其设置在所述跟部和所述外电极之间，以便给所述紧凑的电晕放电装置提供一个低温环境。

27．如权利要求26所述的装置，其特征在于所述延伸的裙部还包括至少一个延伸的表面以便提高所述紧凑的电晕放电装置的散热量。

28．如权利要求22所述的装置，其特征在于还包括一个开在罩中的孔，用于通过所述紧凑的电晕放电装置提供一定流量的空气，以便进行冷却，所述紧凑的电晕放电装置的跟部与废气中的缩喉管部分相连，以便在所述装置中提供一个低压而将空气通过所述孔吸入。

29．如权利要求22所述的装置，其特征在于所述电晕放电装置如此设置，以便使废气中自然产生的压力波动提供一个泵作用，其强迫废气进入所述电晕放电装置，并清除含有各个基的气体，这些基是从所述电晕放电装置的电晕放电中产生的。

30．一种减少废气流中至少一种污染物的方法，废气流包括由发动机中燃料燃烧所产生的废气，发动机有一个与一个催化式排气净化器的进口相连的排气管，所述方法包括：

使废气流通过所述排气管和所述催化式排气净化器；

采用电晕放电在所述废气流的至少一部分中形成各个基；

将所述各个基引入所述催化式排气净化器的废气流上游。

31．如权利要求30所述的方法，其特征在于所述各个基由废气中的水或残余氧气O₂两者中的至少一种产生。

32．如权利要求30所述的方法，其特征在于所述各个基与废气流中的气态物质反应形成气态氧化产物。

33．如权利要求32所述的方法，其特征在于所述各个基和气态氧化产物包括OH、O、H、HO₂、H₂O₂、NO₂、或O₃中的至少一种。

34．如权利要求30所述的方法，其特征在于还包括在所述催化式排气净化器上游一位置的所述排气管的废气流中形成所述各基。

35．如权利要求34所述的方法，其特征在于一个氧传感器设置在所述催化式排气净化器和所述催化式排气净化器上游一位置之间的排气管中，在此处所述各基是在所述排气管的废气流中形成的。

36．如权利要求30所述的方法，其特征在于还包括使至少一部分废气流分流，输送被分流的废气流到一个远端基生成器中，利用所述基生成器中的电晕放电在所述被分流的废气流中形成各个基，并在所述催化式排气净化器的一上游位置将各基引入所述排气管的废气流中。

37．如权利要求36所述的方法，其特征在于一个氧传感器设置在所述催化式排气净化器和所述催化式排气净化器上游一位置之间的排气管中，在此处所述各个基被引入所述排气管的废气流中。

38．如权利要求30所述的方法，其特征在于还包括从所述催化式排气净化器的表面除掉催化剂中毒剂，这是通过所述中毒剂与至少一种所述基或气态氧化产物反应而实现的，所述气态氧化产物由各基和废气流中气体的反应生成。

39．如权利要求38所述的方法，其特征在于所述催化剂中毒剂包括硫，磷和碳的化合物中的至少一种。

40．如权利要求30所述的方法，其特征在于还包括在冷起动或发动机不着火的情况下，用电晕放电激发废气中的燃料或碳氢化合物燃烧。

41．如权利要求40所述的方法，其特征在于还包括在冷起动情况中，将一定量的空气喷入废气流中，以提供燃烧所需的氧气。

42．一种减少废气流中至少一种污染物的方法，该废气流包括由发动机中燃料燃烧所产生的废气，发动机具有一个燃烧气流，该气流包括一个燃烧前气流和一个废气流，一个排气管与一个催化式排气净化器的进口相连，所述方法包括：

使废气流通过所述排气管和所述催化式排气净化器；

采用电晕放电在燃烧气流中形成各个基；

将所述各个基引入所述催化式排气净化器的燃烧气流上游。

43．如权利要求42所述的方法，其特征在于还包括在在燃烧前气流中形成各个基。

44．一种提高发动机的氧传感器的寿命和性能的方法，该发动机具有一个燃烧气流，该气流包括一个燃烧前气流和一个废气流，其中所述氧传感器被设置在具有一个进口和一个出口的催化式排气净化器的废气流上游，所述方法包括采用电晕放电在燃烧气流中产生各个基，将所述各个基引入所述氧传感器的燃烧气流上游，以避免或防止有毒物质分解到所述氧传感器上。

45．如权利要求44所述的方法，其特征在于还包括在在燃烧前气流中形成各个基。

46．如权利要求44所述的方法，其特征在于还包括从废气流的至少一部分废气中的水中形成各个基。

47．如权利要求46所述的方法，其特征在于还包括在所述氧传感器的上游一位置的废气流中形成各个基。

48．如权利要求46所述的方法，其特征在于还包括从废气流中分流至少一部分废气，输送被分流的废气流到一个远端基生成器中，利用所述基生成器中的电晕放电在所述被分流的废气中形成各个基，并在所述氧传感器的一上游位置将所述基引入所述废气流。

49．一种小型的电晕放电装置，用于在内燃机的排气系统中的废气中形成电晕放电，以减少至少一种污染物，所述的小型电晕放电装置包括：

一个第一端，其适于连接到所述排气系统中的一个装配元件上，以允许废气从所述排气系统流入并从所述电晕放电装置排出，

一个第二端，其可以防止废气从所述电晕放电装置泄漏，

一个普通的圆柱形外电极，其与所述第一端保持电和机械连接，

一个内电极，其与所述外电极同心安装并部分地被所述外电极包围，