CN1894490A - 等离子体喷射器、排气净化系统、及还原剂喷射方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种将从喷嘴前端部分(18)的喷射口(19)喷射出的还原剂在等离子体区域(20)中至少部分等离子体化的喷射器、排气净化系统、及还原剂喷射方法，根据本发明的喷射器、排气净化系统、及还原剂喷射方法，可使喷射供给的还原剂气化及/或提供一种反应性较高的还原剂。
Description
技术领域
本发明涉及到一种喷射还原剂的喷射器、在排气管内设置的催化剂的上游侧喷射还原剂的排气净化系统、及在液滴状态下喷射还原剂的还原剂喷射方法。
背景技术
用于向内燃机的燃烧室直接喷射燃料的现有的喷射器是如图1所示的装置。该喷射器10具有：在内部具有中空空间13的大致圆筒状的喷嘴12；和在该喷嘴12的中空空间13内滑动(移动)的大致圆柱形的针阀14。该喷嘴12和针阀14使它们的轴线A同轴地配置。并且在该喷嘴12中设有和中空空间13连通的供给通道15。供给通道15与燃料供给源(未图示)连接，通过该供给通道15将高压燃料提供到中空空间13内。供给的燃料通过针阀14和喷嘴12的内壁面之间的环形流路16向喷嘴12的前端部分18流动，从喷嘴12的前端部分18的喷射孔19喷出。其中，使针阀14在中空空间13内滑动，并使针阀14的前端与喷嘴前端部分18的内壁面接触，从而开闭喷射孔19的入口，控制燃料从喷射口19的喷射。
这种喷射器也用于将燃料喷射到有来自内燃机的排气流动的排气管内，对此在特开2001-159309中已经公开。在该特开2001-159309中提出了：在排气管内通过催化剂上游侧的放电装置产生放电，在该放电装置的更上游侧喷射还原剂。根据该方案，由于HC的存在，可促进放电装置中从NO向NO2的氧化。并且在该特开2001-159309中还提出：在催化剂上游喷射还原剂，在催化剂上产生放电等离子体。由此可进一步促进催化剂表面的反应，并提高净化活性。
此外，关于用于净化机动车排气的放电等离子的使用，在特开平5-321634中也有记载。该特开平5-321634涉及到一种对来自柴油机的排气中的微粒(以下称为“PM”)用PM收集器进行收集，向该PM收集器提供新的气体而再生的PM去除装置。其中提出：对提供到PM收集器中的新的气体注入水，并且通过提供电晕放电产生OH基，通过该OH基促进收集到PM收集器中的PM的燃料。
并且关于用于净化机动车的排气的放电等离子体的使用，在特开平6-363820中提出：通过将水蒸气供给到等离子体发生装置，并将获得的水蒸气等离子体供给到排气中，从而氧化排气中的有害成分，使之无害化。其中公开了：通过把水蒸气供给到等离子体发生装置，可获得O、OH、H、H2O、O3等活性的化学物种。
如上所述，喷射还原剂的喷射器用于各种用途。但是在这些用途中，特别在低温时均存在如下问题：仅喷射还原剂无法充分气化。
在还原剂喷射到有来自内燃机的排气流动的排气管内的喷射中，当还原剂的气化不充分时，向催化剂的扩散、与催化剂的接触会变得不充分，无法进行充分的净化，并且燃料成分本身也可能不经反应而直接排放到大气中。
并且，如上所述，用于排气净化的等离子体的使用如特开2001-159309所示，是现有技术。但是如特开2001-159309所示，在把燃料喷射到排气、之后在排气处理时提供等离子体的情况下，由于使排气气流整体为等离子体状态，因此用于产生等离子体所需的能量较大，并且等离子体密度较低。
因此需要一种喷射器、排气净化系统、及还原剂喷射方法，即使在仅喷射还原剂无法充分气化的条件下，也可使喷射供给的还原剂气化，及/或比较容易地提供反应性较高的还原剂。
发明内容
本发明的等离子体喷射器是喷射还原剂的喷射器，具有喷嘴、及在该喷嘴的前端部分的喷射口附近产生等离子体的等离子体发生单元，且在液滴状态下喷射还原剂，将喷射的液滴状态的还原剂至少部分地等离子体化而使之气化。
根据本发明的等离子体喷射器，通过将喷射的液滴状态的还原剂至少部分地等离子体化而使之气化，在仅喷射燃料无法充分气化时，特别是在相对低温下喷射高沸点的还原剂时，也可使还原剂瞬间气化，并且可随意地将还原剂自由基化、裂化，转化为反应性高的低分子量成分。
并且，根据本发明的等离子体喷射器，由于在喷嘴的前端部分的喷射口附近具有用于产生等离子体的等离子体发生单元，因而可在喷嘴的前端部分的喷射口附近，即，并非在喷射还原剂的空间整体而仅在一部分上产生等离子体。因此可使等离子体化的空间相对较小，即可用较少的消耗能量获得较大的等离子体密度。
并且，本发明的等离子体喷射器中，等离子体发生单元可以配置在喷嘴的前端部分。
根据这种方式，可在喷嘴的前端部分的喷射口附近容易地产生等离子体。
并且，本发明的等离子体喷射器中，等离子体可以是感应耦合等离子体，配置在喷嘴的前端部分的等离子体发生单元具有包围喷射口的杯状部分、及该杯状部分周围的感应线圈，并且该杯状部分由可透过电磁波的材料制成。
根据这种方式，通过从高频电源向感应线圈提供高频电流，可在杯状部分的内侧产生磁场，并产生涡电流，可在杯状部分的内侧及其附近感应产生感应耦合等离子体。
并且，本发明的等离子体喷射器中，等离子体可以是放电等离子体，配置在喷嘴的前端部分的等离子体发生单元具有包围喷射口的杯状部分，该杯状部分由半导体性材料或导电性材料制成，并且该杯状部分和喷嘴前端部分彼此电绝缘而形成电极对。
根据这种方式，通过在杯状部分和喷嘴前端部分之间施加电压而产生放电，从而可在杯状部分内侧及其附近产生放电等离子体。
并且本发明的等离子体放射器中，等离子体可以是放电等离子体、微波等离子体、或感应耦合等离子体。
使用感应耦合等离子体或微波等离子体时，可使电极(金属部分)不直接暴露到高温的等离子体中，因此在耐久性方面较为优选。作为放电等离子体，可以使用电弧放电等离子体、电晕放电等离子体，例如介质阻挡放电等离子体。使用电弧放电等离子体，通过增加放电电流、放电电压，可易于增大输出，在可长时间持续稳定地放电这一点上，并且在产生电弧放电的装置及产生电弧的技术较为简单、设备费用较为低廉这一点上是优选的。并且使用介质阻挡放电等离子体，在等离子体的稳定性、电极耐久性等方面较为优越。
本发明的排气净化系统是在排气管内设置的催化剂的上游侧喷射还原剂的排气净化系统，其通过本发明的等离子体喷射器喷射还原剂。
根据本发明的排气净化系统，由于本发明的等离子体喷射器下的还原剂的气化、及反应性高的低分子量成分的随意产生，可促进还原剂向下游的催化剂的扩散、及还原剂和催化剂的接触。这会促进催化剂上的还原反应，从而可抑制还原剂本身未反应而排放到大气中。
本发明的排气净化系统中使用的催化剂可以是NOx净化催化剂，特别是NOx吸附还原催化剂或NOx选择还原催化剂。
根据这种方式，可促进催化剂上的NOx还原反应。
本发明的其他排气净化系统是在排气管内设置的催化剂的上游侧通过喷射器喷射还原剂的排气净化系统，其中，在喷射器的喷射口附近产生等离子体。
根据本发明的排气净化系统，在喷射口附近的较狭小的等离子体区域中，可将还原剂自由基化、裂化从而转化为反应性高的低分子量成分，及/或可以在仅喷射还原剂无法充分气化时，也使还原剂在瞬间气化。
反应性高的低分子量成分的产生及/或还原剂的气化可促进还原剂向下游的催化剂的扩散，并促进还原剂和催化剂的接触。这会促进在催化剂上的还原反应，并抑制还原剂本身未反应而直接排放到大气中。并且仅在喷射器的喷射口附近、即不在排气管的整个直径范围内而仅在直径方向的一部分上产生等离子体，可使等离子体化的空间较为狭小，即，可用较少的消耗能源获得较大的等离子体密度。
本发明的还原剂喷射方法是，在液滴状态下喷射还原剂，并且通过使喷射的液滴状态的还原剂至少部分等离子体化而使之气化。
根据本发明的还原剂喷射方法，在还原剂的喷射、特别是在较低温下的较高沸点的还原剂的喷射中，即使在仅喷射还原剂无法充分气化时，也可使还原剂瞬间气化，促进与空气等的混合。并且根据情况，由于该还原剂的等离子体化，可将还原剂自由基化、裂化，转化为反应性高的低分子量成分。
根据本发明的喷射器、排气净化系统、及还原剂喷射方法，可将喷射供给的还原剂自由基化、裂化而转化为反应性高的低分子量成分，及/或可以在仅喷射还原剂无法充分气化时，也使还原剂瞬间气化。
附图说明
图1是现有的喷射器的扩大剖视图。
图2是表示本发明的等离子体喷射器的概况的剖视图。
图3是表示使用感应耦合等离子体的本发明的等离子体喷射器的一个方式的概要剖视图。
图4是表示使用放电等离子体的本发明的等离子体喷射器的其他方式的概要剖视图。
图5是表示微波等离子体的产生机构的概要图。
图6是表示本发明的排气净化系统的概要剖视图。
图7是表示利用等离子体进行碳氢化合物分子裂化的实验的概要图。
图8是表示在图7所示的实验中使用的喷嘴的概要剖视图。
具体实施方式
以下根据附图所示的实施方式对本发明进行详细说明，这些附图是表示本发明的概要的附图，本发明不限于这些实施方式。
(本发明的等离子体喷射器)
对本发明的等离子体喷射器的概要参照图2进行说明。
本发明的等离子体喷射器可将喷射的还原剂至少部分等离子体化。该等离子体化如图2所示，可通过从位于喷嘴的前端部分18的喷射口19将还原剂喷射到等离子体区域、特别是喷射到喷射口19附近的等离子体区域20来进行。
用本发明的等离子体喷射器喷射的还原剂可根据用途进行选择，例如可是汽油、轻油等碳氢化合物，或者也可是醚、醇等。此外“还原剂”一词是在利用来自喷射器的供给物而使其他物质还原的用途中，用于表达该供给物的词语。即，作为产生内燃机的动力能量的燃料，将汽油喷射到燃料室内，同时为了将从该内燃机排出的排气中的NOx还原，也可能将汽油作为“还原剂”喷射到排气管内。当然，作为内燃机的动力源的燃料和用于排气净化的“还原剂”也可以是不同的。
作为本发明的等离子体喷射器的喷嘴部分，可使用任意的喷嘴部分。并且例如本发明的喷射器可具有如图1所示的用于将燃料喷射到内燃机的燃料室的现有的喷射器机构。
如图2所示，当本发明的等离子体喷射器进行的等离子体化在喷射口19附近的区域进行时，该喷射口19附近的等离子体区域20不是通过本发明的等离子体喷射器喷射还原剂的排气管这样的空间的整体，而是一部分，可以是从喷射口19起5cm以内、优选2cm以内，更优选1cm以内的区域。
本发明的等离子体喷射器可在喷嘴前端部分18上具有产生等离子体的单元。作为该喷嘴前端部分18的等离子体发生单元，可以考虑如图3及图4所示的等离子体发生单元。
图3所示的等离子体喷射器用于产生感应耦合等离子体。在该图3所示的感应耦合等离子体发生单元30中，在图1所示的喷射器的喷嘴前端部分18上设有圆筒状的杯状物32。该杯状物32由可透过电磁波的材料、例如石英这样的绝缘性材料制成，在该杯状物32的周围配置有用于产生感应电场的感应线圈33。在感应线圈33的一端通过匹配盒36连接高频电源35，另一端接地。
在该感应耦合等离子体喷射器的使用中，通过匹配盒36调整阻抗，将高频电流从高频电源35引入到感应线圈33，在杯状物32的内侧产生磁场，并产生涡电流，从而在杯状物32内及其附近感应产生等离子体20。这里使用的高频电流例如使用2～50MHz，优选使用3～40MHz的频率。
图4所示的等离子体喷射器用于产生放电等离子体。在该图4所示的放电等离子体发生单元40中，在图1所示的喷射器的喷嘴前端部分18上配置有圆筒状的杯状物42。该杯状物42和喷嘴前端部分18通过绝缘材料43而电绝缘，形成电极对，杯状物42连接到电源45，喷嘴前端部分18接地。杯状物42和喷嘴前端部分18均可作为阴极，或作为阳极。并且在图4中，喷嘴前端部分18接地，但也可与电源45连接，施加和杯状物42相反的电压。
在该放电等离子体喷射器的使用中，通过电源45在杯状物42和喷嘴前端部分18之间产生放电，从而在杯状物42内及其附近产生等离子体20。
杯状物42及喷嘴前端部分18能够由可以向它们之间施加电压而将它们作为放电电极使用的材料来制造。这种材料可使用导电性材料、半导体性材料，但优选金属材料，例如铜、钨、不锈钢、铁、铝等。但是尤其在电弧放电时电极会变为高温，因此优选使用钨这样的高熔点材料。并且，为了使用介质阻挡放电，可在这些导电性或半导体性材料上配置绝缘性材料。
当利用电弧放电通过该放电等离子体喷射器产生等离子体时，电源45可提供例如1～50V的电压及5～500A的电流。在该电弧放电中，由阴极放出的电子使放电持续。作为用于产生电弧放电的电流，不仅可使用直流，也可使用交流。
并且，利用电晕放电通过该放电等离子体喷射器产生等离子体时，电源45可提供脉冲状的直流或交流电压。作为杯状物42和喷嘴前端部分18之间的施加电压，一般可使用1kV～100kV、例如40kV～60kV的电压。并且施加电压的脉冲周期可以为10ms～0.1μs，特别是0.1～10μs。
(本发明的排气净化系统)
本发明的排气净化系统是如图6所示的系统。
在图6中表示了本发明的排气净化系统70，其具有喷射器10、排气管76、催化剂、特别是NOx吸附还原催化剂或NOx选择还原催化剂这样的NOx净化催化剂72、和外壳74。箭头79表示排气流动方向。并且可通过控制线10a控制喷射器10的还原剂喷射。并且表示了等离子体20位于喷射器10的喷射口附近。本发明的排气净化系统70除了具有产生等离子体20的单元外，可以和现有的排气净化系统相同。
喷射器10的喷射口附近的等离子体20，可使通过该喷射器10喷射的还原剂添加及/或气化为反应性高的低分子量成分。这里，所述喷射口附近的区域并非通过喷射器喷射还原剂的排气管的整个直径上的区域，而是部分区域，例如可以是距喷射器10的喷射口5cm以内、优选2cm以内、更优选1cm以内的区域。
在本发明的排气净化系统70中，不仅可将汽油、轻油等用于内燃机的动力源的燃料作为还原剂来喷射，而且也可喷射其他还原剂。并且本发明的排气净化系统70中可使用的NOx净化催化剂是可促进排气、特别是来自内燃机的排气中的NOx还原的催化剂。
并且，这里产生的等离子体可以时常产生，但如果仅在喷射还原剂的瞬间，特别是在暖机尚不充分的条件下喷射还原剂的瞬间产生，则在消耗能源方面较为优选。
(等离子体)
众所周知，等离子体是指具有自由运动的正电荷和负电荷的二种以上的带电粒子共存的物质状态。因此在等离子体状态下，存在的物质具有较高的位能，可使还原剂为等离子体状态，进行自由基化、裂化，并转化为反应性高的低分子量成分。并且还原剂在液滴状态下供给时也可瞬间气化，并自由基化、裂化，转化为反应性高的低分子量成分。
本发明中，为了产生等离子体，可以考虑多种方式。本发明中对产生等离子体的手段没有限定，例如可使用放电等离子体、微波等离子体或感应耦合等离子体。以下分别对其进行说明。
(感应耦合等离子体)
感应耦合等离子体是指，向在产生等离子体的空间周围卷绕的感应线圈流入高频电流，在感应线圈内产生磁场，并产生涡电流，从而感应产生等离子体。这里所使用的高频电流例如可使用2～50MHz，优选使用3～40MHz的频率。
该感应耦合等离子体可以使电极(金属部分)不直接暴露到等离子体、高温的等离子体中，因此耐久性良好。
(放电等离子体)
放电等离子体是指，使通过电极间的放电产生的高能电子与气体分子冲撞，由此使气体分子成为正离子和负离子，从而产生的等离子体。为了产生放电等离子体，可使用任意的放电方式，可使用电弧放电或电晕放电、例如介质阻挡放电。
当利用电弧放电产生等离子体时，例如可将1～50V的电压及5～500A的电流提供到电极之间。在该电弧放电中，由阴极放出的电子使放电持续。作为产生电弧放电的电流，可使用直流，也可使用交流。
当使用电弧放电时，通过增加放电电流、放电电压，可易于增大输出，并可长时间持续稳定地放电。并且产生电弧放电的装置及产生电弧的技术较为简单，因此设备费用较为低廉。
当使用电晕放电产生等离子体时，可将脉冲状的直流或交流电压施加到电极之间。进行电晕放电的电极之间的施加电压一般可使用1kV～100kV、例如40kV～60kV的电压。并且施加电压的脉冲周期可以为0.1～10ms以下，特别是0.1～1ms。此外，在电极上配置绝缘性材料来进行介质阻挡放电，对于放电的稳定性是优选的。
(微波等离子体)
微波等离子体是指，使通过磁控管这样的微波产生装置产生的微波、例如频率2.54GHz左右的微波经由导波管从天线照射，增强电场强度而产生的等离子体。
特别是在大气压或比其高的气体压力下产生微波等离子体时，使用等离子体激励体，通过向该等离子体激励体照射微波，在该等离子体激励体的周围产生等离子体是有利的。这里使用的等离子体激励体可使用能够接收微波照射而促进其周围的等离子体的激励的任意材料制成，例如可使用导电性陶瓷，特别是SiC烧结体这样的导电性陶瓷烧结体。
使用该等离子体激励体的微波等离子体的产生可通过图5所示那样来进行。在图5中显示了作为等离子体激励体的SiC烧结体52、照射到该等离子体激励体52的微波54、表示气流的箭头56、及产生的等离子体20。
(基于等离子体的还原剂裂化)
通过至少部分地使还原剂等离子体化，可瞬间进行还原剂的气化、自由基化、裂化，对本领域技术人员而言，只要考虑到等离子体的非常高的能量状态就可明确。以下通过实验确认了利用碳氢化合物(C13H28)的等离子体化进行裂化等。
在此使用了图7所示的实验装置。在实验中，混合来自燃料供给部的燃料(C13H28)、及作为来自N2供给部的载气的N2，使其经由喷嘴提供到燃烧室。并且通过喷嘴内的放电产生放电等离子体。在实验中，观察到该放电等离子体从喷嘴的前端放出。来自N2供给部的N2也直接提供到燃烧室。并且对来自燃烧室的排气中的一部分进行了气相色谱分析。
其中，在该实验中使用并产生等离子体的喷嘴是如图8所示的结构。图8所示的喷嘴由中空圆筒状的电极92、及配置在其中心线上的棒状电极94构成，在这些电极之间形成气体流动路径96。箭头98表示在该气体流动路径96中流通的气流。并且该喷嘴通过电源93向中空圆筒状电极92和配置在其中心线的棒状电极94之间施加电压，从而可在中空圆筒状电极92的前端部92a、及棒状电极94的前端部94a之间进行放电。并且在圆筒状电极侧的内侧配置玻璃管，以产生介质阻挡放电。
根据该实验，仅在通过放电产生等离子体时，通过气相色谱分析测量到C1～C3成分。这表明等离子体可使较大的分子(C13H28)裂化，形成较小的分子(C1～C3)。
Claims (9)
1.一种等离子体喷射器，是喷射还原剂的喷射器，具有喷嘴、及在所述喷嘴的前端部分的喷射口附近产生等离子体的等离子体发生单元，且在液滴状态下喷射还原剂，将喷射的液滴状态的还原剂至少部分等离子体化而使之气化。
2.根据权利要求1所述的等离子体喷射器，其中，所述等离子体发生单元配置在所述喷嘴的前端部分。
3.根据权利要求2所述的等离子体喷射器，其中，所述等离子体是感应耦合等离子体，配置在喷嘴的前端部分的所述等离子体发生单元具有包围喷射口的杯状部分、及该杯状部分周围的感应线圈，并且所述杯状部分由可透过电磁波的材料制成。
4.根据权利要求2所述的等离子体喷射器，其中，所述等离子体是放电等离子体，配置在喷嘴的前端部分的所述等离子体发生单元具有包围喷射口的杯状部分，该杯状部分由半导体性材料或导电性材料制成，并且所述杯状部分和喷嘴前端部分电绝缘而形成电极对。
5.根据权利要求1或2所述的等离子体喷射器，其中，所述等离子体是放电等离子体、微波等离子体、或感应耦合等离子体。
6.一种排气净化系统，是在排气管内设置的催化剂的上游侧喷射还原剂的排气净化系统，其通过权利要求1～7中任意一项所述的等离子体喷射器喷射所述还原剂。
7.根据权利要求6所述的排气净化系统，其中，所述催化剂是NOx净化催化剂。
8.一种排气净化系统，是在排气管内设置的催化剂的上游侧通过喷射器喷射还原剂的排气净化系统，其中，在所述喷射器的喷射口附近产生等离子体。
9.一种还原剂喷射方法，在液滴状态下喷射还原剂，并且通过将喷射的液滴状态的还原剂至少部分等离子体化而使之气化。
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