CZ20001262A3

CZ20001262A3 - Device for reducing content of polluting substances

Info

Publication number: CZ20001262A3
Application number: CZ20001262A
Authority: CZ
Inventors: Robert P. Caren; Leon Ekchian; Jack A. Ekchian
Original assignee: Litex, Inc.
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 1998-10-06
Publication date: 2000-12-13

Abstract

Zařízení je tvořeno katalytickým konventorem (13) se vstupem a výstupem, uloženým tak, že alespoň část proudu (18) výfukových plynů ze spalovacího motoru (11) tímto katalytickým konventorem (13) prochází a generátorem (23) koronového výboje pro tvorbu koronového výboje ve výfukovém plynu za tvorby radikálů z vody nebo jiného plynného media ve výfukovém plynu. Tyto radikály se přivádějí do proudu (18) výfukových plynů před jeho vstupem do katalytického konventoru (13).The device consists of a catalytic converter (13) with an inlet and an outlet mounted so that at least a portion of the current (18) exhaust gas from the internal combustion engine (11) the catalytic converter (13) passes through the generator (23) corona discharge for corona discharge in exhaust gas to form radicals from water or other gaseous medium in the exhaust gas. These radicals are supplied to the exhaust gas stream (18) before it enters to the catalytic converter (13).

Description

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká způsobu a zařízení pro snížení obsahu znečišťujících látek, zejména použitím volných radikálů k odstranění alespoň části znečišťujících látek z výfukových plynů spalovacích motorů. V zařízení podle vynálezu se sníženého množství znečišťujících látek dosahuje tak, že se vytvoří vysoce oxidující volné radikály, jako hydroxylové skupiny OH, hydroperoxylové radikály HO₂, atomový vodík H, a atomový kyslík O a příbuzné oxidační plyny, např. peroxid vodíku H2O2, oxid dusičitý NO₂ a ozon O3 koronovým výbojem z vodní páry a zbytkového kyslíku ve výfukových plynech a vzniklé radikály se přivádějí do proudu spalných plynů ze spalovacího motoru před přívodem do katalyzátoru.The invention relates to a method and apparatus for reducing the pollutant content, in particular by using free radicals to remove at least a portion of the pollutants from the exhaust gases of internal combustion engines. In the device according to the invention, the reduced amount of pollutants is achieved by forming highly oxidizing free radicals such as hydroxyl groups OH, hydroperoxyl radicals HO ₂ , atomic hydrogen H, and atomic oxygen O and related oxidizing gases such as hydrogen peroxide H2O2, oxide nitrogen dioxide NO ₂ and ozone O3 by corona discharge from water vapor and residual oxygen in the exhaust gases and the resulting radicals are fed to the combustion gas stream from the internal combustion engine before being fed to the catalyst.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Jak je v oboru dobře známo, nasává spalovací motor vzduch z okolí, mísí tento vzduch s palivem a pak se směs vzduchu a paliva přivádí do spalovací komory, kde se zažíhá a spaluje. Výsledné spalné plyny mohou být upravovány tak, aby došlo ke snížení znečišťujících látek a pak se odvádějí do atmosféry. Zažíhání směsi vzduchu a paliva ve válci se obvykle provádí zařízením pro tento účel, např. svíčkou nebo adiabatickým stlačením směsi vzduchu a paliva, při němž dojde k zahřátí směsi nad teplotu vzplanutí.As is well known in the art, an internal combustion engine sucks air from the environment, mixes this air with fuel, and then feeds the air / fuel mixture into the combustion chamber to ignite and burn. The resulting combustion gases can be treated to reduce pollutants and then vent to the atmosphere. Ignition of the air / fuel mixture in the cylinder is usually accomplished by a device for this purpose, for example by a candle or by adiabatic compression of the air / fuel mixture to heat the mixture above the flash point.

V případě běžných benzinových spalovacích motorů se vzduch přivádí do karburátoru nebo do vstřikovacího systému pro palivo, v němž se vzduch smísí s palivem na výslednou směs. V případě motorů se vstřikovacím systémem a motorů s karburátorem se pak směs vzduchu a paliva vede do spalovací komory nebo válce motoru. V případě motorů, v nichž se směs paliva a vzduchu stlačuje až do zahřátí nad teplotu vzplanutí se vzduch a palivo vedou do spalovací komory nebo válce motoru odděleně a až tam dochází k jejich smísení.In the case of conventional gasoline internal combustion engines, air is fed to a carburetor or fuel injection system in which air is mixed with the fuel to form a mixture. In the case of injection system engines and carburetor engines, the air / fuel mixture is then fed to the combustion chamber or cylinder of the engine. In the case of engines in which the fuel-air mixture is compressed until it is heated above the flash point, the air and fuel are led separately to the combustion chamber or cylinder of the engine and mixed there.

Po spálení směsi vzduchu a paliva jsou výsledně spalné plyny vypuzeny ze spalovací komory. U téměř všech moderních vozidel jsou pak spalné plyny odváděny do katalytického konvertoru, v němžAfter combustion of the air-fuel mixture, the resulting combustion gases are expelled from the combustion chamber. In almost all modern vehicles, the combustion gases are then discharged to the catalytic converter in which the combustion gases are removed

I dochází v podstatě k odstranění nečistot ze spalných plynů. Avšak v ; průběhu spalování zůstává určité množství nečistot i při použití katalyzátoru ve výfukových plynech a s nimi se dostává do ovzduší.Essentially, it also removes impurities from the combustion gases. However, in; During combustion, a certain amount of impurities remains even when the catalyst is used in the exhaust gases and enters the atmosphere with them.

Kromě úplně spálených produktů, jako jsou oxid uhličitý CO2 a voda H₂O produkuje spalovací motor také plyny s obsahem řady nečistot, jako je oxid uhelnatý CO, který je přímo jedovatý pro člověka a některé uhlovodíky HC, které jsou výsledkem neúplného spalování: paliva. Vzhledem k velmi vysokým teplotám, vznikajícím při spalování uhlovodíkového paliva a následným rychlým zchlazením, může dojít k tepelné fixaci dusíku ze vzduchu, což má za následek vznik oxidů dusíku NO_X, které rovněž vytváří další znečištění.In addition to fully burnt products such as carbon dioxide CO2 and H ₂ O, the internal combustion engine also produces a number of impurities such as carbon monoxide CO, which is directly toxic to humans and some HC hydrocarbons, resulting from incomplete combustion: fuel. Due to the very high temperatures resulting from the combustion of the hydrocarbon fuel and subsequent rapid cooling, thermal fixation of nitrogen from the air can occur, resulting in the formation of NO _x , which also creates further contamination.

Množství CO, HC, NO_X a dalších nečistot, produkovaných spalovacím motorem, se mění v závislosti na konstrukci a na provozních podmínkách motoru a také na použitém palivu a vzduchu. Zejména množství CO, HC a NO_xje určováno alespoň částečně poměrem vzduchu a paliva, takže podmínky, které vedou ke snížení množství oxidu uhelnatého a uhlovodíku, tzn. palivová směs s přibližně stechiometrickým množstvím složek, která má za následek vyšší spalovací teplotu, přímo vede ke zvýšené tvorbě NO_X a naopak podmínky, při nichž je možno snížit tvorbu NO_X, které vedou ke snížení spalovací teploty mají opět za následek zvýšení množství oxidu uhelnatého a uhlovodíků ve výfukových plynech motoru.The amount of CO, HC, NO _X and other impurities produced by the internal combustion engine varies depending on the design and operating conditions of the engine as well as the fuel and air used. In particular, the amount of CO, HC and NO _x is determined at least in part by the air to fuel ratio, so that the conditions that lead to a reduction in the amount of carbon monoxide and hydrocarbon, i.e. the amount of carbon monoxide and hydrocarbon, respectively. a fuel mixture with an approximately stoichiometric amount of components that results in a higher combustion temperature directly results in increased NO _X formation, and conversely conditions in which NO _X formation can be reduced, which leads to a decrease in combustion temperature again result in an increase in carbon monoxide and hydrocarbons in the engine exhaust.

Přestože přítomnost nečistot ve výfukových plynech byla poznána již v roce 1901, bylo požadováno snížení emisí ve spojených státech až zákonem z roku 1970. Výrobci vozidel pak vyvinuli širokou škálu technologií, s jejichž pomocí by bylo možno splnit požadavky uvedeného zákona včetně recirkulace výfukových plynů, elektronicky řízeného vstřikování paliva, při němž se toto vstřikování upravuje na základě údajů z různých čidel v proudu spalných plynů, čímž je možno přesně řídit poměr vzduchu a paliva, další možností je použití katalytických konvertorů. Katalyzátory se později prokázaly jako nejúčinnější pasivní systém pro odstranění nečistot z výfukových plynů spalovacích motorů.Although the presence of pollutants in the exhaust gas was recognized as early as 1901, it was not until the 1970 Act that the United States required emission reductions. Vehicle manufacturers then developed a wide range of technologies to meet the requirements of the Act including exhaust gas recirculation. controlled fuel injection, in which the injection is adjusted based on data from various sensors in the combustion gas stream to accurately control the air to fuel ratio, another option is the use of catalytic converters. The catalysts later proved to be the most efficient passive system for removing impurities from the exhaust gases of internal combustion engines.

Účelem použití katalytického konvertoru je oxidovat CO a HC na CO₂ a H₂O a v případě trojcestného katalyzátoru je účelem také oxidace NO/NO₂ na N₂. V případě moderních trojcestných katalyzátorů TWC, v nichž současně dochází ke snížení množství všech tří nečistot / je možno uskutečnit snížení NO_X nejúčinněji v nepřítomnosti kyslíku, kdežto ke snížení množství CO a HC je kyslík nezbytný. Tzn., že prevence vzniku těchto emisí, vyžaduje práci spalovacího motoru v co' možná největší blízkosti stechiometrického poměru vzduchu a paliva.The purpose of using a catalytic converter is to oxidize CO and HC to CO ₂ and H ₂ O, and in the case of a three-way catalyst, the purpose is also to oxidize NO / NO ₂ to N ₂ . In the case of modern TWC catalysts in which all three impurities are reduced at the same time (NO _x reduction is most effective in the absence of oxygen, while oxygen is necessary to reduce CO and HC). That is, preventing such emissions requires the operation of the internal combustion engine as close as possible to the stoichiometric air to fuel ratio.

V dnešní době se téměř ve všech vozidlech užívá katalytických konvertorů na bázi ušlechtilých kovů s monolitickou voštinovitou strukturou. V této formě je možno dosáhnout velmi dobré pevnosti a odolnosti proti tvorbě prasklin při tepelném namáhání. Voštinovitá konstrukce také zajistí poměrně nízký pokles tlaku a velký celkový povrch, který umožňuje s vysokou účinností odstranit nečistoty ze spalných plynů. Voštinovitá struktura je uložena v ocelovém krytu, a tak chráněna proti vibracím, mimo to je možno katalyzátor ještě uložit na pružnou podložku.Today, almost all vehicles use catalytic converters based on noble metals with a monolithic honeycomb structure. In this form it is possible to achieve very good strength and resistance to cracking under thermal stress. The honeycomb construction also ensures a relatively low pressure drop and a large overall surface which allows the removal of impurities from the combustion gases with high efficiency. The honeycomb structure is housed in a steel housing and thus protected against vibrations, and the catalyst can also be placed on a flexible support.

..............

Na stěnách voštinovité struktury může být uložen povlak, obvykle vytvořený ze stabilizovaného gamma-oxidu hlinitého, v němž je uložena katalytická složka. V katalyzátorech typu TWC, v nichž současně dochází k odstranění všech tří znečišťujících složek se typicky užívají ušlechtilé kovy platina Pt a rhodium Rh, přičemž rhodium zejména snižuje oxidy dusíku a přispívá k oxidaci CO, tato oxidace však účinněji probíhá při použití Pt. V poslední době se místo uvedené kombinace užívá také paladium Pd, které je méně nákladné. Účinný katalyzátor obvykle obsahuje 0,1 až 0,15 % těchto kovů.A coating, usually made of stabilized gamma-alumina, in which the catalytic component is deposited, may be deposited on the walls of the honeycomb structure. TWC catalysts in which all three contaminants are simultaneously removed typically use platinum Pt and rhodium Rh noble metals, with rhodium in particular reducing nitrogen oxides and contributing to CO oxidation, but this oxidation is more efficient when Pt is used. More recently, palladium Pd has been used in place of the combination, which is less expensive. The active catalyst typically contains 0.1 to 0.15% of these metals.

Vzhledem k tomu, že směs výfukových plynů osciluje mezi chudým a bohatším obsahem nespálených látek, přidává se do základního reaktivního nátěru prostředí pro adsorbci kyslíku na povrch tohoto nátěru při průchodu chudší směsi, kdežto při průchodu směsi s přebytkem oxidu uhelnatého a uhlovodíku, se naopak kyslík uvolní pro reakci s těmito složkami. K tomuto účelu se obvykle užívá oxid ceričitý CeO₂ vzhledem ke své výhodné redukčně-oxidační povaze.Since the exhaust mixture oscillates between lean and richer unburned content, an oxygen adsorption environment is added to the surface of the reactive coating to pass through the leaner, while passing through the mixture with excess carbon monoxide and hydrocarbon oxygen release for reaction with these components. CeO ₂ is usually used for this purpose because of its advantageous redox nature.

V současné době je požadováno další snížení znečištěnin ve výfukových plynech vozidel. Aby bylo možno splnit tyto nové požadavky, bylo dokonce navrhováno omezené užívání všech vozidel včetně nákladních automobilů a byla požadována zvětšená přeprava vozidel po dráze apod. Všechny tyto návrhy však způsobují velký vzestup nákladů na přepravu a mimo to je taková přeprava méně pohodlná.Further reduction of pollutants in vehicle exhaust is currently required. In order to meet these new requirements, the limited use of all vehicles, including lorries, has been proposed and increased carriage of vehicles by rail, etc. has been required. However, all these proposals cause a large increase in transport costs and, moreover, make transport less convenient.

Další možností je ještě dále snížit emise zvýšením účinnosti spalovacích motorů. Tento přístup bude mít omezený vliv vzhledem k tomu, že bylo prokázáno, že znečištění je z větší části vytvářeno malým podílem vozidel staršího data výroby, jejichž motory mají poměrně nižší účinnost a starší typy katalytických konvertorů.Another option is to further reduce emissions by increasing the efficiency of internal combustion engines. This approach will have a limited impact, since it has been shown that pollution is largely produced by a small proportion of older production vehicles whose engines have relatively lower efficiency and older types of catalytic converters.

.. *· .··..·* · ·· :.. * ·. ·· .. · * · ··:

• ··*··· : ::··..·· ‘·· · .· : · ’ ·♦·· ···· · :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: ::: ::..::::::

................

Jakékoliv zlepšení těchto starších vozidel bude velmi nákladné, přičemž dosažený účinek nebude nákladům odpovídat.Any improvement of these older vehicles will be very costly and the effect achieved will not be cost-effective.

Je zřejmé, že i když bylo v poslední době dosaženo velkého snížení množství nečistot ve výfukových plynech spalovacích motorů, další snižování těchto nečistot bude nákladné a představuje velký technologický problém vzhledem k tomu, že současná vozidla jsou vyráběna tak, že uvedené požadavky nejsou splněny.Obviously, even though a large reduction in the amount of pollutants in the exhaust gases of internal combustion engines has recently been achieved, further reduction of these pollutants will be costly and present a major technological problem, since current vehicles are manufactured in such a way that these requirements are not met.

Místo snížení emisí zvyšováním účinností spalování existuje ještě další možnost, totiž zvýšit účinnost katalytických konvertorů. Účinnost katalytického konvertoru se definuje jako množství odstraněných nečistot v poměru k průtoku celé hmoty proudu plynů, která vstupuje do katalytického konvertoru. Účinnost katalytického konvertoru je funkcí celé řady parametrů, jako jsou stáří konvertoru, « teplota, stechiometrie Složení spalovací směsi, přítomnost katalytických jedů, jako jsou olovo, síra, sloučeniny uhlíku a fosforu, typ katalyzátoru a délka pobytu výfukových plynů v katalytickém konvertoru.Instead of reducing emissions by increasing combustion efficiency, there is another possibility, namely to increase the efficiency of the catalytic converters. The efficiency of the catalytic converter is defined as the amount of impurities removed in proportion to the flow of the entire mass of the gas stream entering the catalytic converter. Catalytic converter efficiency is a function of a variety of parameters such as converter age, temperature, stoichiometry. Composition of the combustion mixture, presence of catalytic poisons such as lead, sulfur, carbon and phosphorus compounds, catalyst type and exhaust gas residence time in the catalytic converter.

Až dosud nebyly pokusy o zvýšení účinnosti katalytických konvertorů příliš úspěšné. Moderní katalytické konvertory typu TWC mají uspokojivou účinnost, jsou však nákladné a i u těchto katalyzátorů bude v budoucnosti obtížné splnit požadavky na emise. Katalyzátory tohoto typu mají také omezenou životnost. Mimo to trpí katalytické konvertory tohoto typu také tím nedostatkem, že jejich účinnost je nízká až do dosažení vhodné teploty.Until now, attempts to increase the efficiency of catalytic converters have not been very successful. Modern catalytic converters of the TWC type have satisfactory performance, but are expensive and will still find it difficult to meet emission requirements in the future. Catalysts of this type also have a limited lifetime. In addition, catalytic converters of this type also suffer from the drawback that their efficiency is low until a suitable temperature is reached.

Z toho, co bylo uvedeno je zřejmé, že by bylo zapotřebí navrhnout jednoduchý a nenákladný prostředek pro snížení množství nečistot, které jsou uvolňovány spalovacími motory v kombinaci s ··From the foregoing, it is clear that a simple and inexpensive means for reducing the amount of impurities released by internal combustion engines in combination with

Β ♦ ·♦ ♦ ·

0 katalyzátory, které jsou v současné době užívány. Vynález si klade za úkol takový prostředek navrhnout.Catalysts currently in use. The object of the invention is to propose such a means.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Předmětem vynálezu je způsob a zařízení pro snížení nečistot ve výfukových plynech spalovacích motorů bez větších modifikací motoru nebo katalytického konvertoru.It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for reducing impurities in the exhaust gases of internal combustion engines without major modifications to the engine or catalytic converter.

Zařízení je nenákladné při výrobě, jednoduché svou konstrukcí i svým provozem a zaručuje účinné snížení nečistot ve spalných plynech.The device is inexpensive to manufacture, simple in design and operation, and ensures effective reduction of dirt in the combustion gases.

Podstatu vynálezu tvoří zařízení pro snížení obsahu znečišťujících látek ve výfukových plynech motoru, toto zařízení je tvořeno katalytickým konvertorem, který vstup a výstup a generátorem koronového výboje pro tvorbu koronového výboje ve výfukovém plynu tak, aby byly vytvořeny z vody a dalších plynných složek výfukových plynů volné radikály. Katalytický konvertor je uložen tak, že alespoň část výfukových plynů ze spalovacího motoru prochází katalytickým konvertorem, přičemž volné radikály jsou přiváděny do proudu spalných plynů před katalytickým konvertorem. V jednom z možných provedení vynálezu jsou radikály vytvářeny ze spalovací směsi před jejím přívodem do spalovacího motoru.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a device for reducing the pollutant content of engine exhaust gases, comprising a catalytic converter having an inlet and an outlet and a corona discharge generator for generating a corona discharge in the exhaust gas so as to form free water and other gaseous exhaust gas components. radicals. The catalytic converter is arranged such that at least a portion of the exhaust gas from the internal combustion engine passes through the catalytic converter, the free radicals being fed into the combustion gas stream upstream of the catalytic converter. In one embodiment of the invention, the radicals are formed from the combustion mixture prior to feeding it to the internal combustion engine.

V jednom z možných provedení jsou volné radikály produkovány pomocí koronového výboje z vody ve výfukovém plynu a jsou přiváděny zpět do proudu výfukových plynů ještě před vstupem od katalytického konvertoru. Postupuje se tak, že se v typickém případě spojí výfuková trubka se vstupem do katalytického konvertoru tak, že alespoň část proudu výfukových plynů prochází touto výfukovou trubkou do katalytického konvertoru, přičemž tato výfuková trubkaIn one embodiment, the free radicals are produced by a corona discharge from the water in the exhaust gas and are fed back into the exhaust gas stream before entering the catalytic converter. The procedure is typically to connect the exhaust pipe to the catalytic converter inlet so that at least a portion of the exhaust stream passes through the exhaust pipe to the catalytic converter, the exhaust pipe

00

0 obsahuje otvor pro uložení generátoru koronového výboje, takže koronový výboj vzniká v proudu výfukových plynů před katalytickým konvertorem.0 includes an aperture for receiving the corona discharge generator such that the corona discharge is generated in the exhaust gas stream upstream of the catalytic converter.

Volné radikály mohou být vytvořeny ve výfukovém plynu také ve vzdáleném generátoru koronového výboje. V tomto provedení je ke vstupu katalytického konvertoru připojeno rozdělovači potrubí, které odvádí část výfukových plynů do odděleného generátoru volných radikálů. V tomto generátoru se koronovým výbojem vytvářejí volné radikály, např. hydroxylový radikál z vody a výfukové plyny, které tyto radikály obsahují se pak přivádějí zpět do proudu výfukových plynů stále ještě před jejich vstupem do katalytického konvertoru.Free radicals can also be generated in the exhaust gas in the remote corona discharge generator. In this embodiment, a manifold is connected to the catalytic converter inlet, which diverts a portion of the exhaust gas to a separate free radical generator. In this generator, free radicals are generated by the corona discharge, e.g., a hydroxyl radical from the water, and the exhaust gases they contain are then fed back into the exhaust stream before they enter the catalytic converter.

Ve svrchu uvedených provedeních se s výhodou uloží mezi vstup do katalytického konvertoru a místo, do nějž jsou přidávány výfukové plyny s obsahem radikálů, čidlo pro obsah kyslíku. Toto čidlo pro sledování obsahu kyslíku je uloženo před vstupem do katalytického konvertoru v podstatě u všech současně vyráběných vozidel a slouží k tomu, aby v systému pro přívod paliva do motoru byl udržován stechiometrický poměr vzduchu a spalovací směsi.In the above embodiments, an oxygen sensor is preferably positioned between the inlet of the catalytic converter and the location to which the radicals exhaust is added. This oxygen sensor is mounted prior to entering the catalytic converter on virtually all currently manufactured vehicles and serves to maintain a stoichiometric ratio of air to combustion mixture in the engine fuel supply system.

V dalším možném provedení se generátor koronového výboje vloží do odbočného potrubí, spojeného s výfukovou trubkou tak, že alespoň část proudu spalných plynů vstupuje z výfukové trubky do odbočného potrubí před vstupem do katalytického konvertoru a po průchodu generátorem koronového výboje se tyto výfukové plyny přivádějí do druhého bodu výfukové trubky stále ještě před vstupem do katalytického konvertoru. Aby bylo možno dosáhnout snížení pracovní teploty v generátoru koronového výboje, může být odbočné potrubí vybaveno zvětšenými povrchy, žebry nebo jinými chladicími prvky pro vyzařování nebo jiné odstraňování tepla a tím pro snížení teploty ·· odbočného potrubí a spalných plynů, které tímto odbočným potrubím procházejí.In another possible embodiment, the corona discharge generator is inserted into a branch pipe connected to the exhaust pipe such that at least a portion of the exhaust gas stream enters the branch pipe before entering the catalytic converter and after passing through the corona discharge generator these exhaust gases are fed to the second. the exhaust pipe point before entering the catalytic converter. In order to reduce the working temperature in the corona discharge generator, the branch pipe may be provided with enlarged surfaces, fins or other cooling elements to radiate or otherwise remove heat and thereby reduce the temperature of the branch pipe and the combustion gases passing through the branch pipe.

Typický generátor koronového výboje je tvořen obecně koncentrickými elektrodami, přičemž koronový výboj se tvoří ve vzduchové štěrbině mezi elektrodami při pracovním cyklu generátoru. Koncentrické elektrody jsou v typických případech tvořeny vnitřní elektrodou a zevní elektrodou, která může být vytvořena jako drátěná síť, mezi těmito elektrodami se nachází dielektrický materiál, který má s výhodou dielektrickou konstantu v rozmezí 2 až 10. Dielektrický materiál tvoří vrstvu na alespoň jedné straně vnitřní elektrody nebo na vnitřním povrchu vnější elektrody. Vnější elektroda může být opatřena uzavírací částí, takže vzduchová štěrbina mezi oběma elektrodami může být zcela uzavřena a vnější elektroda tak současně plní funkci' prvku pro přerušení plamene. Nejméně jeden další takový prvek může být uložen také ve výfukové trubce, aby nedošlo k šíření plamene do výfukové trubky směrem ke katalytickému konvertoru a aby tak nedošlo k vystavení katalytického konvertoru plameni ze spálení zbytků složek spalovací směsi. Generátor koronového výboje může být také upraven tak, že jeho výstupní trubice má funkci zemní elektrody pro generátor koronového výboje.A typical corona discharge generator is generally formed by concentric electrodes, wherein the corona discharge is formed in an air gap between the electrodes during the duty cycle of the generator. The concentric electrodes are typically formed by an inner electrode and an outer electrode, which may be formed as a wire net, between which there is a dielectric material which preferably has a dielectric constant in the range of 2 to 10. The dielectric material forms a layer on at least one side of the inner or on the inner surface of the outer electrode. The outer electrode may be provided with a closure portion such that the air gap between the two electrodes may be completely closed, and the outer electrode thus simultaneously functions as a flame breaker element. At least one other such element may also be accommodated in the exhaust pipe to prevent flame propagation into the exhaust pipe towards the catalytic converter and thereby to expose the catalytic converter to flame from the combustion of residual components of the combustion mixture. The corona discharge generator may also be configured such that its outlet tube acts as a ground electrode for the corona discharge generator.

Aby bylo možno zajistit, že generátorem koronového výboje prochází stále čerstvý proud spalných plynů, může být generátor koronového výboje uložen tak, že přirozeně se vyskytující kolísání tlaku v proudu výfukových plynů, vyvolává čerpací účinek, který tlačí spalné plyny do generátoru koronového výboje a odsává plyny s obsahem volných radikálů, vznikajících v generátoru koronového výboje z tohoto generátoru zpět do výfukového potrubí. Tento čerpací účinek je možno zvýšit použitím vhodně zvoleného přetlakového systému, spojeného s generátorem koronového výboje tak, aby spalný ·· » 9 9 <In order to ensure that a fresh stream of combustion gases continues to flow through the corona discharge generator, the corona discharge generator can be stored such that the naturally occurring pressure fluctuations in the exhaust gas flow produce a pumping effect that forces the combustion gases into the corona discharge generator and extracts the gases containing free radicals formed in the corona generator from the generator back to the exhaust pipe. This pumping effect can be increased by using a suitably selected positive pressure system coupled to the corona discharge generator so that it is combustible.

·· ·· » · · ^ • · ·· ·· • · · • 9 999· 999 9999

9 9 plyn procházel z výfukové trubky přes generátor koronového výboje do přetlakového systému a z tohoto systému pak zpět do výfukové trubky.The gas was passed from the exhaust pipe through the corona discharge generator to the pressurized system and then back to the exhaust pipe.

Zařízení podle vynálezu může dále obsahovat přístroj pro vstřikování vzduchu do proudu spalných plynů v průběhu počáteční fáze, při níž se spaluje bohatá směs při nižší teplotě tak, aby generátor koronového výboje vyvolal oxidaci paliva v proudu výfukových plynů.The apparatus according to the invention may further comprise an apparatus for injecting air into the combustion gas stream during the initial phase at which the rich mixture is combusted at a lower temperature so as to cause the corona discharge generator to oxidize the fuel in the exhaust gas stream.

Součást podstaty vynálezu tvoří také způsob snížení množství alespoň jedné nečistoty v proudu výfukových plynů ze spalovacích motorů, jejichž výfuková trubka je spojena se vstupem do katalytického konvertoru. Postup spočívá v tom, že se proud výfukových plynů nechá procházet výfukovou trubkou a katalytickým· konvertorem, alespoň v části výfukových plynů se vytvoří radikály při použití koronového výboje a tyto radikály se přivádějí do proudu výfukových plynů ještě před katalytickým konvertorem. Radikály se v typických případech vyrábějí z vody nebo ze zbytkového molekulového kyslíku ve výfukovém plynu. Vzniklé radikály pak mohou reagovat s plynnými složkami výfukových plynů za vzniku plynných oxidačních materiálů včetně dalších radikálů. Radikály a plynné oxidační materiály, produkované v generátoru koronového výboje a v průběhu sekundárních reakcí zahrnují OH, O, Η, HO2, H2O2, NO2 nebo O3. Radikály se vytvoří v alespoň části proudu výfukových plynů a přivádějí se do výfukové trubky před katalytickým konvertorem nebo je možno oddělit část proudu výfukových plynů z hlavního proudu a odvést jej od vzdáleného generátoru volných radikálů, v němž se tyto radikály vytvoří koronovým výbojem. Radikály se pak převedou do proudu výfukových plynů ve výfukové trubce před katalytickým konvertorem. V každém z těchto provedení se s výhodou uloží čidlo pro přítomnost kyslíku do výfukové trubky mezi katalytický konvertor a 'Ha*· »» ·· • 4 »· » 4 4 • 444 ► · · *·.The invention also provides a method for reducing the amount of at least one impurity in the exhaust stream of internal combustion engines, the exhaust pipe of which is connected to the inlet of the catalytic converter. The method consists in passing the exhaust stream through the exhaust pipe and the catalytic converter, at least in part of the exhaust gases forming radicals using a corona discharge, and these radicals are introduced into the exhaust stream before the catalytic converter. Radicals are typically produced from water or residual molecular oxygen in the exhaust gas. The resulting radicals can then react with the gaseous components of the exhaust gases to form gaseous oxidizing materials, including other radicals. Radicals and gaseous oxidation materials produced in the corona discharge generator and during secondary reactions include OH, O, Η, HO2, H2O2, NO2 or O3. The radicals are formed in at least a portion of the exhaust stream and fed into the exhaust pipe upstream of the catalytic converter, or it is possible to separate a portion of the exhaust stream from the main stream and divert it from a distant free radical generator in which the radicals are corona discharged. The radicals are then transferred to the exhaust stream in the exhaust pipe upstream of the catalytic converter. Preferably, in each of these embodiments, an oxygen sensor is placed in the exhaust pipe between the catalytic converter and the 444 444.

» 4 4 « » 4 · * • · ·»4 4« »4

4 · »444 ·· místo, v němž se před katalytickým konvertorem přivádějí do výfukové trubky radikály, vytvořené v generátoru koronového výboje.4 · »444 ·· the place where radicals formed in the corona discharge generator are fed into the exhaust pipe upstream of the catalytic converter.

Při přivádění radikálů do proudu výfukového plynu před katalytickým konvertorem bylo prokázáno, že dochází také k odstranění katalytických jedů z povrchu katalytického konvertoru reakcí těchto jedů s alespoň jedním z radikálů nebo plynných oxidačních látek, vytvořených reakcí radikálů a plynů v proudu výfukových plynů. Odstraněné katalytické jedy zahrnují např. sloučeniny síry, fosforu nebo uhlíku.The introduction of radicals into the exhaust stream upstream of the catalytic converter has also been shown to remove catalytic poisons from the surface of the catalytic converter by reacting these poisons with at least one of the radicals or gaseous oxidants produced by the reaction of the radicals and gases in the exhaust stream. The removed catalytic poisons include, for example, sulfur, phosphorus or carbon compounds.

Koronový výboj je také možno použít k zahájení oxidace zbývajících složek paliva nebo uhlovodíků v proudu výfukových plynů v průběhu studeného startu nebo při nedostatečném spalovánírěímž se snižuje množství nespálených složek a uhlovodíků ještě před jejich vstupem do katalytického konvertoru. V průběhu tzv. studeného startu má být do proudu výfukových plynů přiváděno řízené množství vzduchu tak, aby byl přiváděn kyslík, jehož je zapotřebí pro spálení zbytků paliva, které se v této fázi vyskytují navíc ve výfukových plynech.The corona discharge can also be used to initiate oxidation of the remaining fuel or hydrocarbon components in the exhaust stream during a cold start or under-combustion to reduce unburned components and hydrocarbons before entering the catalytic converter. During the so-called cold start, a controlled amount of air is to be supplied to the exhaust stream so as to supply the oxygen that is needed to burn off the fuel residues that are additionally present in the exhaust at this stage.

Podle dalšího provedení se vynález týká způsobu prodloužení životnosti a zlepšení výkonu čidla pro přítomnost kyslíku, které může být otráveno jedy, např. sloučeninami síry, fosforu a uhlíku v případě, že toto čidlo je uloženo v proudu výfukových plynů před katalytickým konvertorem. Stejně jako v případě katalytického konvertoru mohou vysoce reaktivní radikály vytvořené koronovým výbojem odstranit tyto jedy a tím zachovat správnou funkci čidla pro přítomnost kyslíku. Postup spočívá v tom, že se vytvoří radikály v proudu spalných plynů při použití koronového výboje a vzniklé radikály se přivádějí do proudu spalných plynů před čidlem pro přítomnost kyslíku. Radikály je také možno vytvořit ze směsi před jejím přívodem do spalovacího motoru, z ··· φAccording to another embodiment, the invention relates to a method of extending the service life and improving the performance of an oxygen sensor that can be poisoned by poisons, e.g., sulfur, phosphorus and carbon compounds, when the sensor is stored in the exhaust stream upstream of the catalytic converter. As with the catalytic converter, the highly reactive corona discharge radicals can remove these poisons and thus maintain the proper functioning of the oxygen sensor. The process consists in generating radicals in the combustion gas stream using a corona discharge and introducing the resulting radicals into the combustion gas stream upstream of the oxygen sensor. It is also possible to form radicals from the mixture before it is supplied to the internal combustion engine, z · ·

• · φ • · · vody nebo ze zbývajícího kyslíku ve spalných plynech. Jak již bylo svrchu popsáno, je možno odvádět část spalných plynů do vzdáleného generátoru volných radikálů, kde jsou radikály vytvořeny pomocí koronového výboje. Pak se tyto radikály přivádějí do proudu spalných plynů před čidlem pro přítomnost kyslíku.• water or from the remaining oxygen in the combustion gases. As described above, a portion of the combustion gases can be removed to a remote free radical generator where the radicals are generated by a corona discharge. Then, these radicals are fed into the combustion gas stream upstream of the oxygen sensor.

K provádění způsobu podle vynálezu se s výhodou užije generátoru koronového výboje, který je vybaven prvním koncem nebo baží pro spojení s výfukovým systémem tak, aby bylo možno do tohoto generátoru přivádět výfukové plyny a opět je z generátoru odvádět, mimo to má generátor druhý konec, s výhodou ve formě kovového víka a bránící úniku plynů z generátoru, dále je generátor tvořen válcovou vnější elektrodou, elektricky a mechanicky spojenou s prvním koncem a vnitřní elektrodou, která je uložena uvnitř vnější elektrody a je jí alespoň částečně obklopena a dielektrickým izolačním prostředím mezi vnitřní a vnější elektrodou, vytvářejícím vzduchovou štěrbinu . mezi oběma elektrodami s průměrem, který definuje průměr generátoru koronového výboje, vnitřní elektroda má větší délku než vnější elektroda k vytvoření oblasti koronového výboje ve vzduchové štěrbině v blízkosti prvního konce a mrtvého objemu v blízkosti druhého konce. S výhodou je každý rozměr generátoru koronového výboje pokud možno minimalizován tak, aby byly podstatně minimalizovány i ztráty, vyvolané odporem. Vnitřní elektroda má v typických případech nejméně dvojnásobnou s výhodou čtyřnásobnou délku ve srovnání s vnější elektrodou, přičemž tato délka je nejméně čtyřnásobkem, s výhodou šestinásobkem průměru generátoru koronového výboje, který je definován dielektrickým izolačním prostředím. Kompaktní generátor koronového výboje podle vynálezu může dále obsahovat prodlouženou část mezi základní částí a vnější elektrodou k zajištění nižší teploty generátoru. Aby bylo možno zvýšit tepelné ztráty generátoru koronového výboje, má uvedená prodloužená část alespoň jeden zvětšený povrch pro vyzařování tepla nebo pro odvádění tepla jiným způsobem a tím pro chlazení generátoru koronového výboje.In order to carry out the method of the invention, a corona discharge generator is provided which is equipped with a first end or a base for connection to the exhaust system so that exhaust gases can be fed to and removed from the generator, the generator having a second end. preferably in the form of a metal lid and preventing gas leakage from the generator, the generator further comprising a cylindrical outer electrode, electrically and mechanically coupled to the first end and an inner electrode that is at least partially enclosed within the outer electrode and a dielectric insulating environment between the inner and an external electrode forming an air gap. between the two electrodes with a diameter that defines the diameter of the corona discharge generator, the inner electrode has a greater length than the outer electrode to form a corona discharge region in the air gap near the first end and a dead volume near the second end. Preferably, each dimension of the corona discharge generator is minimized as much as possible to substantially minimize the resistance losses. The inner electrode is typically at least twice the length, preferably four times the length of the outer electrode, and is at least four times, preferably six times the diameter of the corona discharge generator defined by the dielectric insulating environment. The compact corona discharge generator of the invention may further comprise an elongated portion between the base portion and the outer electrode to provide a lower generator temperature. In order to increase the heat loss of the corona discharge generator, said elongated portion has at least one enlarged surface for radiating heat or dissipating heat in another way and thereby cooling the corona discharge generator.

Kompaktní zařízení pro tvorbu koronového výboje může dále obsahovat na druhém konci nebo uzávěru přívod pro řízené množství vzduchu za účelem chlazení. V tomto provedení se s výhodou z kompaktního generátoru pro koronový výboj pomocí Venturiho přístroje odsává vzduch.The compact corona discharge apparatus may further include a supply for controlled air flow at the other end or closure for cooling. In this embodiment, air is preferably extracted from the compact corona discharge generator by means of a Venturi apparatus.

Vynález bude podrobněji popsán v souvislosti s přiloženými výkresy.The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

Přehled obrázků na výkresechBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Na obr. 1 je znázorněn v perspektivním pohledu spalovací motor s katalytickým konvertorem.FIG. 1 shows a perspective view of an internal combustion engine with a catalytic converter.

Na obr. 2 je schematicky znázorněn výfukový systém se zařazeným vzdáleným generátorem koronového výboje.Figure 2 schematically illustrates an exhaust system with a remote corona discharge generator engaged.

Na obr. 3 je znázorněn generátor koronového výboje, upevněný na odbočném potrubí výfukové trubice.Fig. 3 shows a corona discharge generator mounted on the exhaust pipe branch pipe.

Na obr. 4 je znázorněn generátor koronového výboje s koncentrickými elektrodami a vnitřní elektrodou s povlakem dielektrického prostředí.Figure 4 shows a corona discharge generator with concentric electrodes and a dielectric coated internal electrode.

Na obr. 5 je znázorněn generátor koronového výboje s koncentrickými elektrodami a vnější elektrodou s povlakem dielektrického prostředí.Figure 5 shows a corona discharge generator with concentric electrodes and an external electrode coated with a dielectric medium.

Na obr. 6 je znázorněn vzdálený generátor koronového výboje.Fig. 6 shows a remote corona discharge generator.

···· ·· ·· ·· ·· ········································

Na obr. 7 je znázorněn generátor koronového výboje z obr. 5 s prvky pro zastavení plamene.Fig. 7 shows the corona discharge generator of Fig. 5 with flame arresting elements.

Na obr. 8 je znázorněn kompaktní generátor koronového výboje.Fig. 8 shows a compact corona discharge generator.

Na obr. 9 je znázorněn kompaktní generátor koronového výboje s prodlouženou částí.Fig. 9 shows a compact corona discharge generator with an elongated portion.

Na obr. 10 je znázorněn kompaktní generátor koronového výboje, opatřený vstupním otvorem pro přívod vzduchu.Fig. 10 shows a compact corona discharge generator provided with an air inlet opening.

Na obr. 11 je znázorněn generátor koronového výboje, upevněný tak, že při změnách tlaku v proudu výfukových plynů dochází k sacímu účinku.Fig. 11 shows a corona discharge generator mounted in such a way that a suction effect occurs as the pressure changes in the exhaust stream.

Na obr. 12 je znázorněn generátor koronového výboje, upevněný spolu s přetlakovým systémem, zvyšujícím sací účinek, vznikající při kolísání tlaku v proudu výfukových plynů.Fig. 12 shows a corona discharge generator mounted together with a pressurized system increasing the suction effect generated by pressure fluctuations in the exhaust stream.

V průběhu přihlášky se pod pojmem „proud plynů před spálením ve spalovacím motoru“ rozumí proud vzduchu nebo směs vzduchu a paliva před vstupem do spalovací komory. Pod pojmem „proud výfukových plynů se rozumí výsledný proud spalných plynů ze spalovací komory po spálení směsi vzduchu a paliva.During the application, the term "pre-combustion gas stream in an internal combustion engine" means an air stream or a mixture of air and fuel before entering the combustion chamber. "Exhaust gas stream" means the resultant combustion gas stream from a combustion chamber after combustion of an air-fuel mixture.

Pod pojmem „radikál“ nebo „volný radikál“ se rozumí jakýkoliv atom nebo skupina atomů s nejméně jedním nepárovým elektronem a bez elektrického náboje, tzn., že jde o elektricky neutrální látky se stejným počtem elektronů a protonů.The term "radical" or "free radical" means any atom or group of atoms with at least one unpaired electron and without electric charge, i.e. they are electrically neutral substances with the same number of electrons and protons.

Vynález se týká způsobu a zařízení pro snížení množství nečistot, např. oxidu uhelnatého CO, uhlovodíků HC a oxidů dusíku • · • ·The present invention relates to a method and apparatus for reducing the amount of impurities, such as carbon monoxide CO, HC hydrocarbons, and nitrogen oxides.

ΝΟχ ve výfukových plynech spalovacích motorů. Způsob a zařízení podle vynálezu je možno použít v případě motorů, opatřených ve výfukovém systému nejméně jedním katalytickým konvertorem. S výhodou se způsob a zařízení podle vynálezu užívá u spalovacích motorů, které mimo to obsahují nejméně jedno čidlo pro přítomnost kyslíku před vstupem do katalytického konvertoru pro udržování stechiometrického poměru vzduchu a paliva ve vstřikovacím systému motoru. Čidlo pro kyslík je upevněno před katalytickým konvertorem prakticky u všech moderních vozidel. Při provádění způsobu podle vynálezu se vytváří vysoce oxidační volné radikály, např. hydroxylové radikály OH, hydroperoxylové radikály HO₂, atomový vodík H, atomový kyslík O a podobné plynné oxidační látky, jako peroxid vodíku H₂O₂, oxid dusičitý NO₂ a ozon O₃, tyto radikály se vytvářejí přímo v proudu spalných plynů nebo jsou do nich přidávány před vstupem do katalytického konvertoru. Radikály a příbuzné plynné oxidační látky podporují oxidaci CO a HC na oxid uhličitý CO₂ a vodu H₂O a v menší míře také redukci NO_X na molekulový dusík N₂, takže po průchodu katalytickým konvertorem je proud výfukových plynů v podstatě prostý jakéhokoliv jiného materiálu než CO₂, H₂O, N₂ a popřípadě methanu CH₄.ΝΟχ in the exhaust gases of internal combustion engines. The method and apparatus of the present invention may be applied to engines having at least one catalytic converter in the exhaust system. Preferably, the method and apparatus of the present invention are used in internal combustion engines which additionally comprise at least one oxygen sensor prior to entering the catalytic converter to maintain a stoichiometric air to fuel ratio in the engine injection system. The oxygen sensor is mounted in front of the catalytic converter in virtually all modern vehicles. In the process of the invention, highly oxidative free radicals are formed, e.g., hydroxyl radicals OH, hydroperoxyl radicals HO ₂ , atomic hydrogen H, atomic oxygen O and similar gaseous oxidants such as hydrogen peroxide H ₂ O ₂ , nitrogen dioxide NO ₂ and ozone O ₃ , these radicals are formed directly in the combustion gas stream or are added thereto before entering the catalytic converter. Radicals and related gaseous oxidants promote the oxidation of CO and HC to carbon dioxide CO ₂ and water H ₂ O and, to a lesser extent, reduction of NO _X to molecular nitrogen N ₂ , so that after passing through the catalytic converter the exhaust stream is substantially free of any other material than CO ₂ , H ₂ O, N ₂ and optionally methane CH ₄ .

Podle vynálezu se volné radikály a příbuzné molekulové plynné látky s oxidačním účinkem přivádějí do proudu spalných plynů ze spalovacího motoru pro snížení množství nečistot a kontaminujících látek, např. CO a HC. Zejména bylo pozorováno, že hydroxylový radikál OH může rychle reagovat s CO za vzniku CO₂. Bylo rovněž pozorováno, že OH v přítomnosti kyslíku může rychle reagovat s uhlovodíky HC za vzniku formaldehydu nebo jiných podobných meziproduktů, které pak dále reaguji s OH za vzniku H₂O a CO₂, načež dochází k regeneraci OH. Z tohoto důvodu je pravděpodobné, že se při těchto reakcích OH nespotřebuje, nýbrž se regeneruje, takže skupiny OH působí jako homogenní katalyzátor.According to the invention, free radicals and related molecular gaseous substances having an oxidizing effect are fed into the combustion gas stream from the internal combustion engine to reduce the amount of impurities and contaminants such as CO and HC. In particular, it has been observed that OH hydroxyl radical can react rapidly with CO to form CO ₂ . It has also been observed that OH in the presence of oxygen can react rapidly with HC hydrocarbons to form formaldehyde or other similar intermediates, which in turn react with OH to form H ₂ O and CO ₂ , whereupon OH is recovered. For this reason, it is likely that in these reactions OH is not consumed but regenerated so that the OH groups act as a homogeneous catalyst.

····

V případě CO dochází následujícími reakcemi k přeměně CO na CO₂ a k regeneraci OH:In the case of CO, the following reactions convert CO to CO ₂ and regenerate OH:

CO + OH -> CO₂ + HCO + OH - > CO ₂ + H

H + O₂ —> HO2H + O ₂ -> HO 2

HO₂ -> OH + O, přičemž disociace hydroperoxylové skupiny na hydroxyl se uskuteční tepelným rozkladem ve výfukovém plynu.HO ₂ -> OH + O, wherein the dissociation of the hydroperoxyl group into hydroxyl is effected by thermal decomposition in the exhaust gas.

V případě HC je možno zjednodušenou reakci popsat v následujících stupních:In the case of HC, the simplified reaction can be described in the following steps:

HC + OH HCHOHC + OH HCHO

HCHO + OH -h> H₂O + HCOHCHO + OH - h> H ₂ O + HCO

HCO + O₂ —> CO₂ + OH.HCO + O ₂ -> CO ₂ + OH.

V závislosti na povaze HC může dojít i k jiným typům reakcí a mohou vznikat i jiné meziprodukty a oxidační látky, mohou např. vznikat sloučeniny typu O, Η, NO₂, ΗΟ₂, H2O2, které se mohou přímo účastnit reakce nebo se účastní spolu s produkty jiných reakcí, např.:Depending on the nature of HC, other types of reactions may occur and other intermediates and oxidants may also be formed, eg compounds of type O, Η, NO ₂ , ΗΟ ₂ , H2O2 may be formed which may be directly involved in the reaction or products of other reactions, eg:

O + O2 -> O_3j neboO + O2 -> O _3j or

H2O2 -+ 2OHH 2 O 2 - + 2OH

Je zvláště důležité uvést, že se skupina OH regeneruje podle vynálezu v průběhu uvedených reakcí, tzn., že OH působí jako katalyzátor a reakce probíhají velmi rychle vzhledem k povaze reakcí volných radikálů.It is particularly important to note that the OH group is regenerated according to the invention during said reactions, i.e., the OH acts as a catalyst and the reactions proceed very rapidly due to the nature of the free radical reactions.

Bylo zjištěno, že v případě přítomnosti OH a také jiných volných radikálů a plynných molekulových meziproduktů a oxidačních látek, jako jsou O, Η, NO₂, H2O2, HO₂ a O₃ ve spalných plynech spalovacích motorů a současně v přítomnosti kyslíku dochází k vysoce účinné katalytické přeměně CO a uhlovodíků na plynné látky, které se již nepovažují za nečistoty, tzn. na CO₂ a vodní páru. Skupiny OH a další příbuzné volné radikály a molekuly plynných oxidačních látek, vytvořené reakcí OH s plynnými součástmi výfukových plynů působí jako katalyzátory nezávisle na katalytické funkci katalytického konvertoru nebo spolu s touto funkcí.It has been found that in the presence of OH, as well as other free radicals and gaseous molecular intermediates and oxidants such as O, Η, NO ₂ , H2O2, HO ₂ and O ₃ in the combustion gases of internal combustion engines, efficient catalytic conversion of CO and hydrocarbons into gaseous substances which are no longer considered impurities, i. CO ₂ and water vapor. The OH groups and other related free radicals and gaseous oxidant molecules formed by the reaction of OH with the gaseous components of the exhaust gas act as catalysts independently of, or in conjunction with, the catalytic converter function.

Podle vynálezu se tedy užívají radikály, např. hydroxylový radikál a příbuzné reaktivní materiály, jako O, Η, NO2, H₂O₂, HO₂ a O3 k zajištění katalytického cyklu pro snížení množství CO a HC tak, aby bylo dosaženo požadovaného snížení nečistot ve výfukových plynech spalovacích motorů. Vzhledem k tomu, že skupiny OH a další příbuzné volné radikály a plynné molekuly oxidačních látek působí jako katalyzátory, je zapotřebí poměrně malého množství těchto radikálů pro převedení velkého množství CO a uhlovodíku na CO₂ a H₂O v přítomnosti kyslíku ve spalných plynech.Thus, according to the invention, radicals such as hydroxyl radical and related reactive materials such as O, Η, NO 2, H ₂ O ₂ , HO ₂ and O 3 are used to provide a catalytic cycle to reduce CO and HC so as to achieve the desired impurity reduction in the exhaust gases of internal combustion engines. Since OH groups and other related free radicals and gaseous molecules of oxidants act as catalysts, relatively small amounts of these radicals are required to convert large amounts of CO and hydrocarbon to CO ₂ and H ₂ O in the presence of oxygen in the combustion gases.

Při přivádění radikálů a příbuzných plynných oxidačních látek do proudu spalných plynů před katalytickým konvertorem dochází ke katalýze oxidace CO a HC v těchto spalných plynech a tím í k rychlému odstranění uvedených nečistot. Ke katalytické přeměně CO na CO₂ a uhlovodíku na CO₂ a H₂O těmito oxidačními látkami dochází v katalytickém konvertoru na velkém povrchu základního reaktivního nátěru a také v plynné fázi proudu výfukových plynů. Přeměna CO a HC na CO₂ a H₂O je v podstatě ukončena v malé oblasti v blízkosti vstupu do katalytického konvertoru. V důsledku toho je většina katalytického povrchu ušlechtilého kovu vystavena menšímu zatížení, protože se nemusí plně účastnit těchto reakcí. Katalyzátor na bázi ušlechtilého kovu již nehraje tak podstatnou úlohu při katalýze těchto méně reaktivních uhlovodíků, jako je methan, ethan, ethen, benzen a formaldehyd. V důsledku toho se katalytická účinnost ušlechtilého kovu více projeví v redukci oxidů dusíku na dusík a jiné látky, které se již nepovažují za nečistoty.The introduction of radicals and related gaseous oxidants into the flue gas stream upstream of the catalytic converter catalyses the oxidation of CO and HC in these flue gases, thereby rapidly removing said impurities. The catalytic conversion of CO to CO ₂ and hydrocarbon to CO ₂ and H ₂ O by these oxidants occurs in the catalytic converter on a large surface of the reactive primer and also in the gas phase of the exhaust stream. The conversion of CO and HC to CO ₂ and H ₂ O is substantially completed in a small area near the entrance to the catalytic converter. As a result, most of the catalytic surface of the noble metal is subjected to less stress because it may not fully participate in these reactions. The noble metal catalyst no longer plays such an essential role in the catalysis of these less reactive hydrocarbons such as methane, ethane, ethene, benzene and formaldehyde. As a result, the catalytic activity of the noble metal becomes more manifest in the reduction of nitrogen oxides to nitrogen and other substances which are no longer considered impurities.

• 0• 0

0 • · · · · · · 0000 0 0000 00 • 0000 0 0000 0

Vzhledem k tomu, že se katalytické působení radikálů a příbuzných plynných oxidačních látek, jako hydroxylových skupin projevuje v celém objemu spalných plynů a také na povrchu katalytického konvertoru, je způsob a zařízení podle vynálezu podstatně účinnější než katalytické konvertory známého typu. Při zavedení těchto radikálů a oxidačních plynných látek před katalytický konvertor také dochází k podstatnému snížení emisí oxidů dusíku, a to pod úroveň dosažitelnou běžnými postupy vzhledem k tomu, že na katalyzátoru na bázi ušlechtilých kovů již nemusí docházet k přeměně CO a HC, a může tedy dojít k většímu snížení množství oxidu dusíku. Mimo to je obvykle možno snížit množství ušlechtilého kovu v katalytickém konvertoru nebo je možno použít levnější kovy nebo jejich oxidy při dosažení stejného snížení množství oxidů dusíku.Since the catalytic action of radicals and related gaseous oxidants, such as hydroxyl groups, is present in the entire volume of the combustion gases and also on the surface of the catalytic converter, the process and apparatus according to the invention is substantially more effective than catalytic converters of known type. The introduction of these radicals and oxidizing gaseous substances in front of the catalytic converter also significantly reduces nitrogen oxide emissions below the level achievable by conventional procedures, since the noble metal catalyst may no longer convert CO and HC and may therefore a greater reduction in the amount of nitrogen oxide. In addition, it is usually possible to reduce the amount of noble metal in the catalytic converter or to use cheaper metals or their oxides while achieving the same reduction in the amount of nitrogen oxides.

Mimo to bylo prokázáno, že při vzniku volných radikálů a příbuzných plynných oxidačních látek koronovým výbojem v proudu spalných plynů a při jejich přivádění do proudu spalných plynů před katalytickým konvertorem dochází k čištění katalytického konvertoru reakcí těchto látek s jedy na povrchu katalytického konvertoru, čímž, dochází k odstranění těchto jedů. Katalytické jedy, které jsou odstraněny oxidačním působením těchto volných radikálů a příbuzných plynných oxidačních látek zahrnují např. sloučeniny síry, např. sírany a sirníky ušlechtilých kovů v katalyzátoru a také skupiny SO a elementární síru, tyto látky mohou být vázány na povrch a vytvářet na něm povlak, dále může jít o sloučeniny fosforu, jako fosfidy a fosfáty ušlechtilých kovů, o PO2, P2O3 a o elementární fosfor, tyto látky mohou rovněž být vázány na povrch katalyzátoru a vytvářet na něm povlak. Dále může ještě jít o sloučeniny uhlíku, jako oxid uhelnatý, který je adsorbován na povrch katalyzátoru a může disociovat na atomový kyslík a uhlík, čímž dochází ke karbonaci.In addition, it has been shown that the formation of free radicals and related gaseous oxidants by a corona discharge in the flue gas stream and their introduction into the flue gas stream before the catalytic converter purifies the catalytic converter by reacting these substances with poisons on the catalytic converter surface. to remove these poisons. Catalytic poisons which are removed by the oxidative action of these free radicals and related gaseous oxidants include, for example, sulfur compounds, such as noble metal sulphates and sulfides in the catalyst, as well as SO groups and elemental sulfur, which may be bound to and form on the surface a coating, furthermore phosphorus compounds, such as noble metal phosphides and phosphates, PO2, P2O3 and elemental phosphorus, can also be bound to the catalyst surface and form a coating thereon. Further, they can be carbon compounds, such as carbon monoxide, which is adsorbed to the catalyst surface and can dissociate into atomic oxygen and carbon, thereby carbonating.

to ··· • to « • to • toto ··· • to «to • to

Oxidací katalytických jedů na povrchu katalytického konvertoru dochází k odstranění těchto jedů z povrchů katalyzátoru, takže dochází ke zlepšení účinnosti katalyzátoru, je tedy možno použít menšího objemu katalyzátoru než za současných podmínek. Z tohoto důvodu má zařazení volných radikálů a příbuzných plynných oxidačních látek generátorem koronového výboje dva nezávislé účinky, jimiž dochází ke.snížení emisí nečistot. Katalytickým působením radikálů a příbuzných oxidačních látek se především přímo odstraní nečistoty z proudu spalných plynů. Mimo to dochází k odstranění veškerého množství jedů nebo alespoň jejich části z povrchu katalyzátoru, zvláště katalyzátoru na bázi ušlechtilých kovů, čímž sé zvyšuje účinnost odstranění nečistot, zvláště oxidů dusíku katalytickým konvertorem.Oxidation of the catalytic poisons on the surface of the catalytic converter removes these poisons from the surfaces of the catalyst, thus improving the efficiency of the catalyst, so that less catalyst volume can be used than under current conditions. For this reason, the inclusion of free radicals and related gaseous oxidants with a corona discharge generator has two independent effects that reduce impurities emissions. The catalytic action of radicals and related oxidizing substances primarily removes impurities directly from the combustion gas stream. In addition, all or at least a portion of the poisons is removed from the surface of the catalyst, especially the noble metal catalyst, thereby increasing the efficiency of the removal of impurities, especially nitrogen oxides, by the catalytic converter.

Praktické provedení vynálezu bude osvětleno následujícími příklady, které však nemají sloužit k omezení rozsahu vynálezu.The following examples are intended to illustrate the invention.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Na obr. 1 je znázorněno typické uspořádání moderního spalovacího motoru 11 s katalytickým konvertorem 13. Katalytický konvertor 13 je uložen na neznázorněném podvozku vozidla a to v proudu 18 výfukových plynů ze spalovacího motoru ve výfukové trubce za rozdělovacím úsekem 15 a před tlumičem 17. Přestože jde o uspořádání, které je dnes běžně užíváno, je nutno uvést, že se stále zvyšuje množství vozidel, u nichž je katalytický konvertor umístěn blíže k motoru 11, než je znázorněno na obr. 1, takže katalytický konvertor tvoří část rozdělovacího úseku 15 motoru 11 nebo je s ním přímo spojen. Ve většině vozidel, která jsou dnes vyráběna je ve výfukovém systému uloženo čidlo 14 pro kyslík těsně před katalytickým konvertorem 13. Údaje, získané z čidla 14 pro kyslík jsou užívány k elektronickému řízení systému pro vstřikování paliva tak, aby bylo • · · • · · '» '· • · ·· možno udržet stechiometrický poměr vzduchu a paliva. Často je těsně za katalytickým konvertorem 13 uloženo ještě druhé čidlo 16 pro kyslík k získání dalších údajů pro řízení vstřikovacího systému a další údaje o chodu motoru vozidla.FIG. 1 shows a typical arrangement of a modern internal combustion engine 11 with a catalytic converter 13. The catalytic converter 13 is mounted on a vehicle chassis (not shown) in an exhaust gas stream 18 of the internal combustion engine in the exhaust pipe downstream of the manifold section 15 and upstream of the silencer 17. With the arrangement currently in use, it should be noted that the number of vehicles in which the catalytic converter is located closer to the engine 11 than shown in FIG. 1 is steadily increasing, so that the catalytic converter forms part of the manifold section 15 of the engine 11, or is directly connected to it. In most vehicles now being manufactured, an oxygen sensor 14 is stored in the exhaust system just in front of the catalytic converter 13. The data obtained from the oxygen sensor 14 is used to electronically control the fuel injection system so that it is Stoichiometric air to fuel ratio can be maintained. Often, a second oxygen sensor 16 is located just downstream of the catalytic converter 13 to provide additional data for controlling the injection system and other vehicle engine operation data.

Katalytickým konvertorem 13 pro použití zařízení podle vynálezu může být jakýkoliv přístroj, určený pro zpracování výfukových plynů ze spalovacích motorů, využívajících různá paliva, jako jsou gasolin, různé směsi na bázi gasolinu, nafta, alkohol, přírodní plyn a jakékoliv jiné palivo, katalytický konvertor může být použit ke snížení nejméně jedné nečistoty, vznikající při spalování, jako je CO, HC, a/nebo NO_X. Může jít také o trojcestné katalyzátory, které jsou dnes typickými katalyzátory, užívanými pro moderní vozidla.The catalytic converter 13 for use in the apparatus of the invention may be any apparatus designed to treat exhaust gases from internal combustion engines using different fuels such as gasoline, various gasoline-based mixtures, diesel, alcohol, natural gas and any other fuel. be used to reduce at least one combustion impurity, such as CO, HC, and / or NO _X. They can also be three-way catalytic converters, which today are typical catalysts used for modern vehicles.

Katalytický konvertor 13 je tedy tvořen jakýmkoliv přístrojem, který katalyticky odstraní nebo částečně odstraní nejméně jednu nečistotu z proudu výfukových plynů ze spalovacího motoru. Může jít o katalytické konvertory s monolitickými nebo granulovanými keramickými substráty, kovovými substráty nebo jakýmikoliv jinými substráty a také zařízení na bázi ušlechtilých kovů nebo jiných typů? katalytických materiálů. Může rovněž jít o zařízení s katalyzátory na bázi polovodičů např. oxidů nebo sulfidů přechodných prvků a o katalyzátory na bázi oxidu hlinitého, hlinitokřemičitanu a zeolitů, jednotlivě nebo v kombinaci a o prostředí pro ukládání kyslíku, jako oxid ceričitý jako takový nebo v kombinaci s kovovými katalyzátory.Thus, the catalytic converter 13 is formed by any apparatus which catalytically removes or partially removes at least one impurity from the exhaust stream of an internal combustion engine. Can these be catalytic converters with monolithic or granular ceramic substrates, metal substrates or any other substrate, as well as noble metal or other types of equipment? catalytic materials. They may also be devices with semiconductor catalysts such as oxides or sulfides of transition elements and alumina, aluminosilicate and zeolite catalysts, singly or in combination, and an oxygen storage environment, such as cerium oxide as such or in combination with metal catalysts.

V jednom z provedení vynálezu se oxidační radikály a příbuzné plynné oxidační látky přivádějí do proudu výfukových plynů před katalytickým konvertorem a s výhodou před čidlem 14 pro kyslík, které je zařazováno v současné době do všech vozidel. Hydroxylové radikály OH a atomový vodík H vznikají z vodní páry ve výfukovém plynu elektrickým koronovým výbojem. Při tomto koronovém výboji můžeIn one embodiment of the invention, the oxidizing radicals and related gaseous oxidants are fed to the exhaust stream upstream of the catalytic converter and preferably upstream of the oxygen sensor 14, which is currently included in all vehicles. The hydroxyl radicals OH and the atomic hydrogen H are formed from water vapor in the exhaust gas by an electric corona discharge. With this corona discharge it can

00 » 0 0 » 0 0 0 0 » 0 0 0 0*000 »0 0» 0 0 0 0

0 00 » 0 0 4 » 0 0 4 vznikat také atomový kyslík O ze zbývajícího kyslíku O₂ ve výfukovém plynu. Tyto druhy radikálů pak reagují s ostatními plynnými složkami v proudu výfukových plynů za vzniku dalších oxidačních látek, jako jsou NO₂, H₂O_2i HO₂ a O3.0 00 »0 0 4» 0 0 4 also produce atomic oxygen O from the remaining oxygen O ₂ in the exhaust gas. These types of radicals then react with other gaseous components in the exhaust stream to form other oxidants such as NO ₂ , H ₂ O _2, HO ₂ and O 3.

Plyn, užitý k vytvoření volných radikálů může být odebírán z výstupního konce katalytického konvertoru tak, že se část výfukových plynů převede do generátoru koronového výboje a takto získaný plyn obohacený radikálem se přivádí před katalytický konvertor, jak je znázorněno na obr. 2. Koronovým výbojem ve výfukovém plynu, odebraném za katalytickým konvertorem 13 dochází k vyčištění výfukového plynu, který je již částečně vyčištěn průchodem katalytickým konvertorem a oxidační radikály a příbuzné plynné látky, vytvořené koronovým výbojem a přivedené před katalytický konvertor tomu postupu napomáhají. Tímto způsobem je také možno prodloužit životnost generátoru koronového výboje ve srovnání s jeho zařazením před katalytický konvertor.The gas used to generate the free radicals can be drawn from the outlet end of the catalytic converter by transferring a portion of the exhaust gas to the corona discharge generator and passing the radical-enriched gas thus obtained upstream of the catalytic converter as shown in FIG. The exhaust gas taken downstream of the catalytic converter 13 cleans the exhaust gas, which is already partially cleaned by passing through the catalytic converter, and the oxidation radicals and related gaseous substances formed by the corona discharge and fed in front of the catalytic converter assist in this process. In this way, it is also possible to extend the life of the corona discharge generator compared to its upstream of the catalytic converter.

Jak je zřejmé z obr. 2, část vyčištěného proudu 21 výfukového plynu, která již prošla katalytickým konvertorem 13 se odebere z výfukové trubice 22 a vede do vzdáleného generátoru 23 koronového výboje. Výstup 24 generátoru 23 koronového výboje je v důsledku toho výboje obohacen radikály a obohacený plyn se pak přivádí do výfukové trubky 12 před katalytický konvertor 13. Do proudu 18 výfukových plynů před katalytickým konvertorem 13 je zařazeno čidlo 14 pro kyslík běžného typu, tak jak je v současné době užíváno u většiny vozidel. Toto čidlo je však uloženo až za místem 25 přívodu oxidačních látek do proudu výfukových plynů. Vzhledem k vyššímu tlaku ve výfukovém systému je zapotřebí použít přímého vstřikovacího zařízení pro přívod do proudu výfukových plynů. Z uvedeného důvodu je výhodnější vytvářet volné radikály koronovým výbojem z vodní páry a zbytkového kyslíku přímo v proudu výfukových plynů.As shown in FIG. 2, the portion of the purified exhaust stream 21 that has already passed through the catalytic converter 13 is removed from the exhaust pipe 22 and fed to the distant corona discharge generator 23. The outlet 24 of the corona discharge generator 23 is consequently enriched with radicals and the enriched gas is then fed to the exhaust pipe 12 upstream of the catalytic converter 13. An exhaust gas stream 18 upstream of the catalytic converter 13 is provided with an oxygen sensor 14 of conventional type. currently used on most vehicles. However, this sensor is located downstream of the oxidant supply point 25 to the exhaust gas stream. Due to the higher pressure in the exhaust system, it is necessary to use a direct injection device to supply the exhaust stream. For this reason, it is preferable to generate free radicals by corona discharge from water vapor and residual oxygen directly in the exhaust stream.

• fe fefe fefe fe* fefefe fefefe fe fefefe fe · fefefe fe fefe «fefefe • fefefe ·* ·· fe· • fe fefe fe fefe · fe fefe · fe fefe fe fefe fefe• fe fefe fefe fe * fefefe fefefe fe fefefe fe · fefefe fe fefe «fefefe • fefefe · * ·· fe · • fe fefe fe fefe · fe fefe · fe fefe fe fefe fefe

S výhodou jsou radikály a příbuzné plynné oxidační látky vytvářeny přímo ve výfukovém plynu před katalytickým konvertorem koronovým výbojem v generátoru, uloženém v hlavním výfukovém potrubí nebo v odbočce, paralelní s hlavním potrubím, jak je znázorněno na obr. 3. Jak je z obr. 3 zřejmé, je generátor 30 koronového výboje upevněn v odbočce 31 na podložce 23. Odbočka 31 odvádí část proudu 18 výfukových plynů z výfukové trubky 12 v prvním bodu 35 před katalytickým konvertorem 13 a vrací tuto část proudu zpět ve druhém bodu 36, který je typicky také umístěn před katalytickým konvertorem 13. Odbočka 30 je s výhodou opatřena zúženým otvorem 33 k řízení průtoku části výfukového plynu. Odbočka tohoto typu je výhodná z toho důvodu, že dovoluje práci generátoru koronového výboje při nižší teplotě než při teplotě proudu výfukových plynů. Ztráty tepla při průchodu odbočkou 30 je možno ještě zlepšit zajištěním většího povrchu, např. použitím chladicích žeber 34 nebo podobných útvarů.Preferably, the radicals and related gaseous oxidants are formed directly in the exhaust gas upstream of the catalytic converter by a corona discharge in a generator located in the main exhaust pipe or branch, parallel to the main pipe, as shown in Fig. 3. Obviously, the corona discharge generator 30 is mounted in the branch 31 on the support 23. The branch 31 discharges a portion of the exhaust stream 18 from the exhaust pipe 12 at a first point 35 upstream of the catalytic converter 13 and returns that portion of the stream back at a second point 36 which is typically also The branch 30 is preferably provided with a tapered opening 33 for controlling the flow of part of the exhaust gas. A branch of this type is advantageous in that it allows the operation of the corona discharge generator at a lower temperature than at the temperature of the exhaust stream. Heat loss through the branch 30 can be further improved by providing a larger surface, for example by using cooling fins 34 or similar structures.

Prostředí s nižší teplotou zjednodušuje konstrukci i volbu materiálů pro generátor koronového výboje, zvláště s ohledem na elektrické vlastnosti přístroje při práci při vyšších teplotách. To je zvláště důležité vzhledem k tomu, že se různé parametry, jako odpor a dielektrická konstanta v generátoru koronového vývoje se mění se zvyšující se teplotou. Změna v těchto vlastnostech, k níž dochází při vysokých teplotách může závažně snížit účinnost generátoru a tím také tvorbu volných radikálů a v důsledku toho se zvyšují množství nečistot ve výfukových plynech. V případě, že generátor koronového výboje pracuje v prostředí s vysokou teplotou, je také omezen výběr materiálů na takové materiály, u nichž dochází k co nejmenším změnám elektrických vlastností při vyšších teplotách. V případě, že generátor koronového výboje pracuje v prostředí s nižší teplotou, např. v odbočném potrubí, je možno použít levnějších materiálů, které mají • 000The lower temperature environment simplifies the design and selection of materials for the corona discharge generator, especially with respect to the electrical properties of the apparatus when operating at higher temperatures. This is particularly important since various parameters, such as resistance and dielectric constant in the corona generator, vary with increasing temperature. The variation in these properties, which occurs at high temperatures, can seriously reduce the efficiency of the generator and thus the generation of free radicals, and as a result increase the amount of impurities in the exhaust gases. When the corona discharge generator is operated in a high temperature environment, the choice of materials is also limited to those materials that exhibit the least possible change in electrical properties at higher temperatures. If the corona discharge generator operates in a lower temperature environment, such as a branch pipe, cheaper materials can be used that have • 000

0000 000000 00

0 0 0 0 0 »0 0 0 0 0 »

0 000 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0

0 0 0 00 00 požadované elektrické vlastnosti i při nižší teplotě, avšak ztratily by tyto vlastnosti při vysokých teplotách.0 0 0 00 00 required electrical properties even at lower temperatures, but would lose those properties at high temperatures.

V případě, že se postup provádí při nižších teplotách, snižují se také problémy, které mohou vzniknout při různém koeficientu tepelné roztažnosti různých materiálů, které byly použity pro výrobu generátoru koronového výboje a výfukové trubice. Tím se snižuje nebezpečí netěsnosti a příliš rychlého opotřebování generátoru koronového výboje.If the process is carried out at lower temperatures, the problems that may arise at different coefficients of thermal expansion of the various materials used to produce the corona discharge generator and the exhaust pipe are also reduced. This reduces the risk of leakage and excessive wear of the corona discharge generator.

Volné radikály mohou být vytvořeny také v proudu plynu před spalováním koronovým výbojem před smísením vzduchu a paliva, např. před vstřikovacím systémem motorů, které jsou tímto systémem vybaveny. Nevýhodou tohoto postupu je skutečnost, že podstatný podíl chemicky vysoce účinných látek může být v průběhu spalování zničen a jen malý podíl těchto látek se dostane ven ze spalovací komory do proudu výfukových plynů a může být využit pro oxidaci oxidu uhelnatého a uhlovodíku. Na druhé straně generátory, z nichž.se přivádí volné radikály a plynné oxidační látky přímo do výfukových plynů mohou účinněji oxidovat oxid uhličitý a uhlovodíky. Tzn., že relativní množství radikálů, které je zapotřebí vytvořit v případě daného množství radikálů pro katalytický konvertor je podstatně nižší v tom případě, že oxidační látky jsou vytvářeny ve výfukových plynech nebo jsou do proudu výfukových plynů přiváděny. To se přímo odráží také v nižší spotřebě elektrické energie v generátoru koronového výboje.Free radicals may also be formed in the gas stream prior to corona discharge prior to mixing the air and fuel, e.g., before the injection system of the engines equipped with the system. A disadvantage of this process is that a substantial proportion of the chemically high active substances can be destroyed during combustion, and only a small proportion of these substances can escape from the combustion chamber into the exhaust gas stream and can be used to oxidize carbon monoxide and hydrocarbon. On the other hand, generators from which free radicals and gaseous oxidants are fed directly to the exhaust gas can more effectively oxidize carbon dioxide and hydrocarbons. That is, the relative amount of radicals to be produced for a given amount of radicals for the catalytic converter is substantially lower if the oxidants are formed in the exhaust gases or are introduced into the exhaust stream. This is also directly reflected in the lower power consumption of the corona discharge generator.

Generátor koronového výboje pro účely vynálezu by měl být schopný své funkce po dobu nejméně 3000 až 4000 hodin v prostředí s vysokou teplotou v proudu výfukových plynů spalovacího motoru před nutností nahrazení novým generátorem. Vzhledem k omezenému místu v moderních vozidlech je výhodné, aby rozměry generátoruThe corona discharge generator for the purpose of the invention should be capable of functioning for at least 3000 to 4000 hours in a high temperature environment in the exhaust stream of an internal combustion engine before the need to replace it with a new generator. Due to the limited space in modern vehicles it is advantageous to make the dimensions of the generator

44

444444

4 44 4

4 4444 444

4 4 4 4 44 4 4 4 4

44 4444 44

4 44 4

44 <44 · 4 koronového výboje byly malé, např. řádu zapalovací svíčky, tzn. 300 až 400 cm³. V některých provedeních musí kromě možnosti pracovat při teplotě přibližně 800 °C splnit generátor koronového výboje ještě podmínky elektromagnetické interference EMI, musí být snadno vyměnitelný a musí vydržet tepelné změny od chladného proudu spalných plynů v průběhu startování až do 800 °C a několik milionů malých tepelných výkyvů řádu přibližně 200 °C. Ve výhodném provedení se vyžaduje pro generátor koronového výboje příkon 20 až 50 W při vysokém napětí a vysoké frekvenci, tzn. 1000 až 1 000 000 Hz a 5000 až 20 000 V. V některých přechodných obdobích, např. v průběhu startování může být žádoucí tvorba většího množství radikálů. V tomto případě muší generátor koronového výboje pracovat s příkonem až 200 nebo 300 W. Tyto přechodné podmínky mohou být splněny při zvýšení produkce generátoru koronového výboje 5krát až.44 <44 · 4 corona discharges were small, eg the order of the spark plug, ie. 300 to 400 cm ³ . In some embodiments, in addition to being able to operate at about 800 ° C, the corona discharge generator must also meet EMI conditions, be easily replaceable, and withstand thermal changes from a cold combustion gas stream during start up to 800 ° C and several million small thermal fluctuations of the order of about 200 ° C. In a preferred embodiment, a power supply of 20 to 50 W at high voltage and high frequency is required for the corona discharge generator. 1000 to 1,000,000 Hz and 5,000 to 20,000 V. In some transition periods, eg during start-up, it may be desirable to generate more radicals. In this case, the corona discharge generator has to operate at a power input of up to 200 or 300 W. These transient conditions can be met by increasing the production of the corona discharge generator 5 times to.

10křát v průběhu 30 až 100 sekund. Toho je možno dosáhnout zvláště zvýšením napětí a využitím řídících signálů pro přítomnost kyslíku nebo pro teplotní hodnoty.10heat in 30 to 100 seconds. This can be achieved, in particular, by increasing the voltage and using control signals for the presence of oxygen or temperature values.

Generátory koronového výboje pro účely vynálezu mohou mít např. v podstatě válcový tvar a obvykle jsou tvořeny nejméně dvěma koncentrickými elektrodami. Existují přibližně tři základní typy těchto generátorů s obdobnou symetrií. Tyto typy jsou znázorněny na obr. 4, a 6. Na obr. 4 je znázorněn průřez válcovým generátorem 40 koronového výboje s vnitřní elektrodou 41 a vnější elektrodou 42. Generátor 40 v typických případech obsahuje na bázi 47 ochranný kroužek 44 pro utěsnění a závity 46 nebo obdobné prostředky pro upevnění generátoru 40 do výfukové trubky 12 nebo odbočky 31. Vnitřní elektroda 41 je obklopena dielektrickou vrstvou 43. která udržuje koronový výboj a probíjení. Je důležité pro celkovou účinnost generátoru, aby byla udržena vhodná velikost vzduchové štěrbiny 45, odpovídající použitému napětí. Vzhledem k tomu, že dielektrická vrstva 43 generátoru 40 z obr. 4 je uložena v oblasti silného • I» fefe • · · • fefefe • fe fefe fe fefe · • fefe¹' fe • fefefe fefe fe · elektrického pole, má se dielektrická konstanta vrstvy pohybovat v rozmezí 4 až 10 tak, aby byl omezen pokles napětí v dielektrické vrstvě. V důsledku tohoto opatření je možno udržet účinnost generátoru.For example, corona discharge generators may be substantially cylindrical in shape and typically comprise at least two concentric electrodes. There are approximately three basic types of these generators with similar symmetry. These types are shown in FIGS. 4 and 6. FIG. 4 shows a cross-section of a corona discharge cylindrical generator 40 with an internal electrode 41 and an external electrode 42. Typically, the generator 40 comprises a ferrule 44 for sealing and threads 46 or similar means for securing the generator 40 to the exhaust pipe 12 or the branch 31. The inner electrode 41 is surrounded by a dielectric layer 43 that maintains a corona discharge and puncture. It is important for the overall efficiency of the generator to maintain a suitable size of the air gap 45 corresponding to the applied voltage. Given that the dielectric layer 43 to the generator 40 of FIG. 4 is stored in a high • I »Fefe • · • fefefe • Fe Fefe Fe Fefe · • Fefe ¹ 'Fe • fefefe Fefe Fe · electric field has the dielectric the layer constant may be in the range of 4 to 10 so as to limit the voltage drop in the dielectric layer. As a result, the efficiency of the generator can be maintained.

IAND

V závislosti na konstrukci generátoru koronového výboje může dielektrická vrstva vzhledem ke své vodivosti působit jako bočník a snižovat proud, jehož je zapotřebí pro koronový výboj. Tyto ztráty se zejména v oblasti baze 47 zvyšují přímo úměrně se zvyšující se dielektrickou konstantou. V tomto případě je často zapotřebí v průběhu konstrukce generátoru koronového výboje tohoto typu upravovat jednotlivé parametry generátoru s ohledem na tyto ztráty. Pečlivě provedená konstrukce generátoru koronového výboje bude snižovat na co nejmenší rozměry velkost oblasti, v níž může k tomuto jevu dojít a;, zaručí nejnižší možnou hodnotu dielektrické konstanty.Depending on the design of the corona discharge generator, the dielectric layer, due to its conductivity, may act as a shunt and reduce the current required for the corona discharge. These losses, in particular in the region of the base 47, increase in proportion to the increasing dielectric constant. In this case, it is often necessary during the construction of the corona discharge generator of this type to adjust the individual parameters of the generator with respect to these losses. Carefully constructed corona discharge generator design will reduce the size of the area in which this phenomenon can occur and minimize the dielectric constant.

V dielektrických vrstvách dochází při vysokých teplotách také ke ztrátám v důsledku odporu. Z tohoto důvodu je nutno volit takový dielektrický materiál, v němž jsou ztráty tohoto typu přijatelně nízké nebo je možno zajistit, aby generátor koronového výboje pracoval v místě s nižší teplotou. Další ohled je zapotřebí brát na EMI, odolnost proti korozi v korozivním prostředí s vysokou teplotou, na kondenzaci vody v průběhu chladnutí motoru a na vibrace. V případě EMI musí mít generátor koronového výboje a přívod energie do tohoto generátoru dostatečné stínění pro splnění současných požadavků.Resistance losses also occur in dielectric layers at high temperatures. For this reason, it is necessary to select a dielectric material in which losses of this type are acceptably low or it is possible to ensure that the corona discharge generator operates at a lower temperature location. Further consideration should be given to EMI, corrosion resistance in high temperature corrosive environments, condensation of water during engine cooling and vibration. In the case of EMI, the corona discharge generator and power supply to the generator shall have sufficient shielding to meet current requirements.

Materiál pro výrobu generátoru je nutno volit s ohledem na vysokou pracovní teplotu a na korozivní prostředí, které může omezit životnost nebo výkonnost generátoru nebo snížit odpor dielektrika pod požadovanou hodnotu pro maximální účinnost, takže může dojít k částečnému nebo úplnému zkratu. Avšak na druhé straně by mělThe material to be used for generating the generator must be selected with regard to the high operating temperature and the corrosive environment, which may reduce the life or performance of the generator or reduce the resistance of the dielectric below the desired value for maximum efficiency so that a short or short circuit. However, he should

0 0 0 0 0 0 0 · · • ··« 0 · 000 0 · · 0 • · · · 0 0 0 0 0 0 0 · 0 • 0 0 · · · · 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 · 0 · 0 0 000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0000 00 00 00 00 00 koronový výboj jako takový přirozeně snižovat nebo zcela vyloučit kontaminaci generátoru.As such, the corona discharge naturally reduces or eliminates contamination of the generator.

Potřeba vysoké dielektrické konstanty může být snížena nebo omezena tím, že dielektrická vrstva 43 bude uložena na vnitřní povrch vnější elektrody 42. Takový generátor 50 je znázorněn na obr. 5. Vzhledem k tomu, že elektrické pole v oblasti mimo vnější elektrodu 42 je poměrně nízké ve srovnání s polem v oblasti vnitřní elektrody 41, je možno pro dielektrickou vrstvu 43 v tomto případě použít dielektrický materiál s nízkou dielektrickou konstantou, řádu 2 až 3. Tím se snižují ztráty a udržuje se omezený přijatelný pokles napětí v dielektrické vrstvě 43.The need for a high dielectric constant can be reduced or reduced by placing the dielectric layer 43 on the inner surface of the outer electrode 42. Such a generator 50 is shown in FIG. 5. Since the electric field in the area outside the outer electrode 42 is relatively low Compared to the field in the area of the inner electrode 41, a dielectric material having a low dielectric constant of the order of 2 to 3 can be used for the dielectric layer 43. This reduces losses and maintains a limited acceptable voltage drop across the dielectric layer 43.

Je také možné použít výfukovou trubku 12 nebo odbočku 3ýb jako zemní elektrodu pro generátoru koronového výboje, čímž se vyloučí potřeba použití další elektrody. Takový generátor 60 koronového výboje je znázorněn na obr. 6. Je tvořen vnitřní elektrodou 41, s výhodou s ostrým nebo malým hrotem, dielektrickou vrstvou 43 a baží 47, typicky opatřenou ochranným kroužkem 44 pro utěsnění. Vzhledem k tomu, že takto uzemněný generátor odvádí pouze ztráty z baze tohoto přístroje, je možno použít dielektrický materiál s nízkou dielektrickou konstantou.It is also possible to use the exhaust pipe 12 or the deflection tap 3 as a ground electrode for the corona discharge generator, thereby avoiding the need for an additional electrode. Such a corona discharge generator 60 is shown in Figure 6. It consists of an internal electrode 41, preferably with a sharp or small tip, a dielectric layer 43 and a base 47, typically provided with a protective ring 44 for sealing. Since the grounded generator only removes losses from the base of the apparatus, it is possible to use a dielectric material with a low dielectric constant.

Pro některé účely může být vhodné použít v generátoru koronového výboje prvky, které brání šíření jisker nebo plamene. Zařízení tohoto typu je znázorněno na obr. 7. Generátor 50 koronového výboje má v tomto případě vnější elektrodu 42 opatřenou dielektrickou vrstvou 43 a je překryt zařízením 48 pro omezení šíření jisker nebo plamene ve formě drátěné sítě. Takové zařízení 48 zabrání vzplanutí výfukových plynů, které ještě obsahují zbytky paliva a kyslíku v průběhu startování nebo špatného spalování.For some purposes, it may be appropriate to use elements in the corona discharge generator to prevent the spread of sparks or flame. An apparatus of this type is shown in FIG. 7. The corona discharge generator 50 in this case has an outer electrode 42 provided with a dielectric layer 43 and is covered by a device 48 for limiting the propagation of sparks or flame in the form of a wire mesh. Such a device 48 prevents ignition of exhaust gases that still contain fuel and oxygen residues during start-up or poor combustion.

• ·• ·

009 • 0 0 0 0 00009 • 0 0 0 0 00

000· ··000 · ··

V některých případech je však spálení zbytků paliva ve výfukovém plynu žádoucí ke snížení škodlivých emisí, např. v průběhu studeného startu nebo za podmínek, při nichž nedochází k dokonalému spalování. Takové spalování pomocí koronového výboje umožní spálení zbytků paliva a uhlovodíků bez produkce dalších oxidů dusíku vzhledem k nízké teplotě spalování v proudu výfukových plynů.In some cases, however, the combustion of fuel residues in the exhaust gas is desirable to reduce harmful emissions, for example during a cold start or under conditions where perfect combustion is not achieved. Such corona discharge combustion will allow the combustion of fuel and hydrocarbon residues without producing additional nitrogen oxides due to the low combustion temperature in the exhaust stream.

Za podmínek, při nichž dochází k nedokonalému spalování bude směs paliva a vzduchu v podstatě stechiometrická a nebude zapotřebí přivádět další vzduch k zahájení spalování výsledného výfukového plynu. Avšak k zahájení spalování zbytků paliva v proudu výfukových plynů při studeném startu je zapotřebí přivádět další vzduch před generátorem koronového výboje vzhledem k tomu, že výfukové plyny za těchto podmínek obsahují bohatou směs. Kyslík, jehož je zapotřebí ke spálení zbytků paliva je možno přivádět řízeným vstřikováním vzduchu pomocí čerpadla, např. z Venturiho úseku výfukové trubky nebo vzduchovým čerpadlem. V případě Venturiho trubky je možno použít rychle reagujícího, např. elektromechanického systému k ukončení přívodu vzduchu, jakmile je období studeného startu ukončeno. Rychlost vstřikování vzduchu je v případě Venturiho úseku omezeno a může tedy dojít pouze k částečnému spálení zbytků paliva. Při použití vzduchového čerpadla k tomuto omezení nedochází a je tedy možno přivádět dostatečné množství vzduchu pro úplné spálení jakéhokoliv zbytku paliva v proudu výfukových plynů.Under conditions where incomplete combustion occurs, the fuel-air mixture will be substantially stoichiometric and no additional air will be required to initiate combustion of the resulting exhaust gas. However, to start combustion of fuel residues in the cold start exhaust stream, additional air needs to be supplied upstream of the corona discharge generator, since the exhaust gases under these conditions contain a rich mixture. The oxygen required to burn fuel residues can be supplied by controlled air injection by means of a pump, for example from the venturi section of the exhaust pipe or an air pump. In the case of a Venturi tube, a fast-reacting, eg electromechanical, system can be used to shut off the air supply when the cold start period is complete. The rate of air injection is limited in the case of the Venturi section, and therefore only residual fuel may be burned. When using an air pump, this restriction does not occur and it is therefore possible to supply sufficient air to completely burn any residual fuel in the exhaust stream.

V případě, že je žádoucí zapálit výfukové plyny pomocí koronového výboje, může být rovněž žádoucí použít prostředky, bránící šíření jisker a plamene, např. drátěných sítí pro řízení nebo omezení úseků proudu výfukových plynů, v nichž může dojít ke spalování, které bylo vyvoláno koronovým výbojem, tyto prostředky mohou být uloženy před generátorem koronového výboje i za ním nebo kolem takového generátoru.If it is desired to ignite the exhaust gases by means of a corona discharge, it may also be desirable to use means to prevent the spread of sparks and flame, eg wire nets, to control or reduce the segments of the exhaust stream where combustion may be induced by corona These means may be located in front of or around the corona discharge generator or around such a generator.

• » 0• »0

0 000 • 0 00,000 • 0 0

0 0 • · · • 000 • 0 0 «· 000 0 · · · 000 • 0 0 «· 00

0 0 >0 000 0> 0 00

Generátor koronového výboje, tak jak je znázorněn na obr. 4 a 5 je v podstatě modifikovanou zapalovací svíčkou s malou vnitřní elektrodou 41, která má průměr 0,1 až 0,3 cm. Tato vnitřní elektroda je uložena do otvoru v dielektrické vrstvě 43 v bázi 47 a v tomto otvoru je udržována. V generátorech, v nichž je dieiektrická vrstva 43 uložena na vnitřním povrchu vnější elektrody 42 vytváří dieiektrická vrstva 43 konický kryt s otvorem ve své bázi pro uložení vnitřní elektrody. Vnější elektroda má vnitřní průměr přibližně 1 až 2 cm a délku přibližně 1,5 až 3 cm. Dieiektrická vrstva má tloušťku přibližně 1 až 3 mm pro dosažení dostatečné dielektrické pevnosti při pracovním napětí generátoru koronového výboje.The corona discharge generator as shown in FIGS. 4 and 5 is a substantially modified spark plug with a small internal electrode 41 having a diameter of 0.1 to 0.3 cm. The inner electrode is received in a hole in the dielectric layer 43 in the base 47 and is maintained in the hole. In generators in which the di-dielectric layer 43 is deposited on the inner surface of the outer electrode 42, the di-dietric layer 43 forms a conical cover with an opening in its base for receiving the inner electrode. The outer electrode has an inner diameter of about 1 to 2 cm and a length of about 1.5 to 3 cm. The diiektric layer has a thickness of about 1 to 3 mm to achieve sufficient dielectric strength at the operating voltage of the corona discharge generator.

Dieiektrická vrstva, přiléhající k vnitřní stěně vnější elektrody a vzduchová štěrbina mezi dielektrickou vrstvou a vnitřní elektrodou mají v podstatě dvojí kapacitu. Vzhledem k tomu, že tyto vrstvy jsou zařazeny za sebou, jsou proudy, procházející vzduchovou štěrbinou i' dielektrickou vrstvou stejné, takže okamžité rozdělení koronového výboje pro elektrody válcového tvaru je možno vyjádřit vztahemThe di-dielectric layer adjacent the inner wall of the outer electrode and the air gap between the dielectric layer and the inner electrode have substantially double capacity. Since these layers are sequentially connected, the currents passing through the air gap and the dielectric layer are the same, so that the instantaneous corona discharge distribution for cylindrical electrodes can be expressed by

Pí = Vjl_d = oCd . V_scos (cot).P1 = Vj1 _d = oCd. V _with cos (cot).

Průměrnou hodnotu je možno vyjádřit vztahemThe average value can be expressed in relation

P = < Pi > = 4 C_d‘ v₈f v,P = <Pi> = 4 C _d 'at ₈ fv,

OO

kde Cd je kapacitance pevného dielektrika, C_g je kapacitance vzduchové štěrbiny, V_s je rozpad napětí při tvorbě jiskry, V_o je použité napětí a f = ω/2π.where Cd is the capacitance of the fixed dielectric, C _g is the capacitance of the air gap, V _s is the decay voltage, V _o is the applied voltage af = ω / 2π.

To znamená, že při použití generátorů se stavbou, obdobnou konstrukci zapalovacích svíček, je možno vytvořit velmi kompaktní, snadno vyměnitelnou jednotku s požadovanými vlastnostmi.This means that by using generators with a construction similar to that of a spark plug, it is possible to create a very compact, easily replaceable unit with the desired properties.

toto to· *· • · to • ·»· • · · ···· ·· ·· • · to • · ··· • · · · ·* ·· • to ·· • ·· · • · to to • «to · • ·· · • to ··this to this to it to this to to • to · to · to

Zevní povrch vnější elektrody je obvykle využit k upevnění generátoru koronového výboje do výfukové trubky nebo do odbočky nebo do komory, vytvořené ve výfukové trubce, na upevňovací desku nebo na jakýkoliv jiný jednoduchý prostředek pro upevnění tohoto generátoru s dostatečným utěsněním. Jednoduché upevnění generátoru dovoluje snadnou výměnu tohoto generátoru ve výfukovém systému a při zařazení do odbočky nebo do výběžku výfukového systému nedochází přitom k žádnému ovlivnění hlavního proudu výfukových plynů. Ve všech případech je generátor koronového výboje umístěn ve výfukových plynech spalovacího motoru, takže požadované volné radikály se tvoří z vody a zbytku kyslíku přímo v těchto výfukových plynech.The outer surface of the outer electrode is typically used to secure the corona discharge generator to an exhaust pipe or a branch or chamber formed in the exhaust pipe to a mounting plate or any other simple means for securing the generator with sufficient sealing. The simple mounting of the generator permits easy replacement of the generator in the exhaust system, and does not affect the main stream of exhaust gas when it is connected to a branch or to a projection of the exhaust system. In all cases, the corona discharge generator is located in the exhaust gases of the internal combustion engine, so that the required free radicals are formed from water and the rest of the oxygen directly in these exhaust gases.

Kondenzace vody v průběhu chladnutí motoru by mohla vést ke zkratům v generátoru koronového výboje, takže se generátor s výhodou ukládá na horní část výfukové trubky tak, aby elektrody směřovaly dolů a byla minimalizována přítomnost vody v těch případech, kdy teplota je příliš nízká k jejímu odpaření. Mimo to je také možno odstranit problémy, vznikající v důsledku vibrací vhodnou konstrukcí generátoru a přívodu energie do generátoru. Tyto části je možno upravit tak, aby jejich přirozená rezonance odpovídala frekvencím vysoko nad vibracemi, které se vyskytují ve vozidlech.Condensation of water during engine cooling could lead to short circuits in the corona discharge generator, so that the generator is preferably placed on the top of the exhaust pipe with the electrodes facing downwards and the presence of water is minimized when the temperature is too low to evaporate . In addition, it is also possible to eliminate the problems arising from vibrations by suitable design of the generator and the power supply to the generator. These parts can be modified so that their natural resonance corresponds to frequencies far above the vibrations that occur in vehicles.

Jak již bylo svrchu uvedeno, hlavními součástmi, které padají v úvahu při konstrukci generátoru jsou ztráty v dielektrické vrstvě, způsobené odporem a kapacitou. Při jakémkoliv snížení kapacity může docházet k výboji při vyšší frekvenci při daných ztrátách a na základě konstrukce generátoru koronového výboje, v němž je výstup energie přímo úměrný frekvenci použitého napětí, je tak možno dosáhnout kompaktnější konstrukce. Kompaktnější konstrukce je výhodná z toho důvodu, že dovoluje použití menší vzduchové štěrbiny pro tvorbu koronového výboje, čímž na druhé straně dochází k nižšímu poklesu • · • ··· napětí v této štěrbině, takže je možno použít nižší pracovní napětí. Použití nižšího pracovního napětí opět vede k nižším ztrátám, způsobeným odporem a kapacitou a tím ke zvýšení účinnosti generátoru koronového výboje. Menší a účinnější generátor bude tedy vyžadovat menší množství energie, což je hlavní výhodou v moderních vozidlech.As mentioned above, the main components to be considered in the design of the generator are losses in the dielectric layer due to resistance and capacitance. Any reduction in capacity can cause a higher frequency discharge at given losses, and by designing a corona discharge generator in which the energy output is proportional to the frequency of the applied voltage, a more compact design can be achieved. A more compact design is advantageous in that it allows the use of a smaller air gap for corona discharge, which in turn results in a lower voltage drop in the gap, so that a lower working voltage can be used. The use of a lower operating voltage again leads to lower losses due to resistance and capacitance and thus to an increase in the efficiency of the corona discharge generator. A smaller and more efficient generator will therefore require less energy, which is a major advantage in modern vehicles.

Reprezentativní konstrukce takového kompaktního generátoru koronového výboje je znázorněna na obr. 8. Na obr. 8 je znázorněn generátor 80 koronového výboje, jehož rozměry budou dále uvedeny Je však zřejmé, že by bylo možno uskutečnit ještě řadu modifikací a variant, které by rovněž spadaly do rozsahu konstrukce, která je znázorněna na obr. 8.A representative construction of such a compact corona discharge generator is shown in FIG. 8. FIG. 8 shows a corona discharge generator 80, the dimensions of which will be discussed below. However, many modifications and variations could be made that would also come within the range of construction shown in FIG. 8.

Klíčovou vlastností provedení, které je znázorněno na obr. 8 je dlouhý elektrický izolátor 81 s tenkou stěnou, který tvoří dráhu s vysokým odporem mezi vnitřní elektrodou 82 a vnější elektrodou 83, které jsou uloženy v izolátoru 81. Generátor 80 je uzavřen tenkým kovovým uzávěrem 84, který je plynotěsný. Vnitřní elektroda 82 je typicky podstatně delší než vnější elektroda 83, obvykle nejméně 2krát delší a s výhodou tvoří její délka přibližně 4násobek délky vnější elektrody 83. Délka vnitřní elektrody 82 je typicky nejméně 4násobkem, s výhodou nejméně 6násobkem průměru generátoru 80 koronového výboje, vztaženo na průměr izolátoru 81. Vnější elektroda 83 je mechanicky a elektricky spojena s baží 85 generátoru 80 koronového výboje. Baze 85 je opatřena závitem 86 nebo jiným podobným prostředkem pro upevnění generátoru 80 tak, aby se výfukové plyny mohly dostávat do vzduchové štěrbiny 89. V důsledku rozdílu mezi délkou vnitřní elektrody 82 a vnější elektrody 83 je vzduchová štěrbina 89 rozdělena na oblast 87 koronového výboje, tzn. na tu část vzduchové štěrbiny 89, v níž vnitřní a vnější elektrody • · ·· překrývají a na mrtvý prostor 88. tzn. na tu část vzduchové štěrbinyA key feature of the embodiment shown in FIG. 8 is a long thin wall electrical insulator 81 that forms a high resistance path between the inner electrode 82 and the outer electrode 83 that are housed in the insulator 81. The generator 80 is closed by a thin metal closure 84 which is gas-tight. The inner electrode 82 is typically substantially longer than the outer electrode 83, typically at least 2 times longer, and preferably is about 4 times the length of the outer electrode 83. The length of the inner electrode 82 is typically at least 4 times, preferably at least 6 times the diameter of the corona discharge generator 80. The outer electrode 83 is mechanically and electrically coupled to the corona 85 of the corona discharge generator 80. The base 85 is provided with a thread 86 or other similar means for securing the generator 80 so that the exhaust gases can enter the air slot 89. Due to the difference between the length of the inner electrode 82 and the outer electrode 83, the air slot 89 is divided into a corona discharge region 87, ie. the portion of the air gap 89 in which the inner and outer electrodes overlap and the dead space 88, i. on that part of the air gap

89. která zasahuje od vnější elektrody 83 ke kovovému uzávěru 84.89. extending from the outer electrode 83 to the metal closure 84.

Typický kompaktní generátor 80 koronového výboje může mít vnější elektrodu 83 s délkou 1 až 2 cm, s výhodou 1,5 cm a vnitřní elektrodu 82 s délkou 4 až 8 cm, s výhodou 5 až 7 cm a zvláště 6 cm. Izolátor 81 může být vytvořen z keramického materiálu, jako je Fosterit a bude mít průměr přibližně 0,7 až 1,3, s výhodou 1 cm, délku přibližně 3 až 5, s výhodou 4 cm a tloušťku 0,1 až 0,2, s výhodou 0,15 cm a může být používán při teplotě až 900 °C se ztrátami odporem nižšími než 10 % při maximálním pracovním napětí nejméně 5000 V. Při poměrně nízké teplotě, např. při použití odbočky a vzhledem k teplotním změnám podél keramického izolátoru 81 ie možno izolátor 81 použít i při vyšším pracovním napětí při udržení přijatelných ztrát. Generátor koronového výboje této konstrukce bude; mít příkon 30 až 50 W při frekvenci 100 kHz. Avšak při některých přechodných období, např. při studeném nebo teplém startu může být požadováno větší množství radikálů. V tomto případě bude zapotřebí vyššího příkonu až 200 nebo 300 W. Tyto přechodné podmínky je možno splnit zvýšením napětí a frekvence v generátoru koronového výboje 5krát až 10křát v průběhu těchto období, která typicky trvají pouze 30 až 100 sekund. V takových případech je možno upravovat příslušným způsobem konstrukci generátoru koronového výboje a jeho přívod napětí, přičemž se využívají řídící signály pro chod motoru. Dlouhá dráha izolace a tenké stěny izolátoru 88 snižují na minimum ztráty v důsledku kapacity, obvykle na méně než 10 % i v případě izolátorů s dielektrickou konstantou vyšší než 10, pracujících při frekvencích řádu 100 kHz. Taková vysoká pracovní frekvence dovoluje použití velmi kompaktního přívodu vysokého napětí.A typical compact corona discharge generator 80 may have an outer electrode 83 having a length of 1-2 cm, preferably 1.5 cm, and an inner electrode 82 having a length of 4-8 cm, preferably 5-7 cm, and especially 6 cm. The insulator 81 may be formed of a ceramic material such as Fosterite and will have a diameter of about 0.7 to 1.3, preferably 1 cm, a length of about 3 to 5, preferably 4 cm, and a thickness of 0.1 to 0.2, preferably 0.15 cm and can be used at a temperature of up to 900 ° C with a resistance loss of less than 10% at a maximum operating voltage of at least 5000 V. At a relatively low temperature, eg using a tap and due to temperature changes along the ceramic insulator 81 Thus, the insulator 81 can also be used at a higher operating voltage while maintaining acceptable losses. The corona discharge generator of this construction will be; have a power input of 30 to 50 W at a frequency of 100 kHz. However, in some transition periods, eg cold or warm start, a greater amount of radicals may be required. In this case, a higher power input of up to 200 or 300 W will be required. These transient conditions can be met by increasing the voltage and frequency in the corona discharge generator 5 to 10 times during these periods, which typically last only 30 to 100 seconds. In such cases, the construction of the corona discharge generator and its voltage supply can be adapted accordingly, using control signals for engine operation. The long path of insulation and the thin walls of the insulator 88 minimize capacity losses, typically to less than 10%, even in insulators with a dielectric constant greater than 10 operating at frequencies of the order of 100 kHz. Such a high operating frequency allows the use of a very compact high-voltage supply.

Jak již bylo uvedeno svrchu, je možno pro rozpad koronového výboje použít vztahuAs mentioned above, a correlation can be used for the corona discharge

P = 4C_d . V_s . f {V_o - ((C_d + C_g)/C_d) . V_s}, kde C_d a C_g znamenají kapacitancí dielektrika a štěrbiny v oblasti koronového výboje, V_s a V_o znamenají napětí při koronovém výboji ve štěrbině a f znamená frekvenci napětí, přiváděného do generátoru. V případě, že uvedené hodnoty jsou V_o = 5000 V,P = 4C _d . In _p . f {V _o - ((C _d + C _g ) / C _d ). V _s }, where C _d and C _g represent the capacitance of the dielectric and the gap in the corona discharge region, V _s and V _o are the corona discharge voltage in the slot and f is the frequency of the voltage supplied to the generator. If the values given are V _o = 5000 V,

V_s = 3000 V, Cd = 6 χ 10'¹² F, C_g = 1 χ 10'¹² F, pak při frekvenci 3 χ 10⁵ Hz je příkon při koronovém výboji přibližně 27 W. Tyto hodnoty je možno ovlivnit frekvencí, použitým napětím nebo kapacitancí, v tomto případě primárně délkou oblasti koronového výboje. Výstupní hodnoty je možno řídit frekvencí a/nebo napětím zdroje pro generátor koronového výboje. _V = 3000 V, Cd = 6 χ 10 ^-12 F, C _g = 1 χ 10 ^'12 F, then at a frequency of 3 χ 10 ⁵ Hz at the input of a corona discharge approximately 27 W. These values may affect the frequency used voltage or capacitance, in this case primarily the length of the corona discharge region. The output values can be controlled by the frequency and / or voltage of the source for the corona discharge generator.

Pokles napětí při tvorbě koronového výboje je téměř přímo úměrný hustotě výfukových plynů v oblasti koronového výboje, který je opět přímo úměrný teplotě ve vzduchové štěrbině. Uvedený pokles napětí se bude měnit v závislosti na teplotě plynu v generátoru koronového výboje. Např. v případě, že teplota plynu v generátoru koronového výboje bude polovinou hodnoty pro teplotu ve výfukových plynech, mělo by napětí být zvýšeno na 6000 V.The voltage drop during corona discharge formation is almost proportional to the exhaust gas density in the corona discharge region, which is again directly proportional to the temperature in the air gap. The voltage drop will vary depending on the temperature of the gas in the corona generator. E.g. if the gas temperature in the corona discharge generator is half the value for the exhaust gas temperature, the voltage should be increased to 6000 V.

Na obr. 9 a 10 jsou znázorněny dvě varianty možné konstrukce. Na obr. 9 je znázorněna prodloužená část 91 a jsou předpokládána žebra 92 jako zvětšení povrchu ke zvýšení výměny tepla s okolním prostředím. Delší průchod vzduchu kolem takových prvků má chladicí účinek na izolátor 81, což dovoluje výběr ze širší škály materiálů nebo lepší účinnost generátoru při dosažení uspokojivého odporu a kapacity. Bylo také pozorováno, že při vstřikování malých množství vzduchu, menších než 10 ml/s před čidlo pro přítomnost kyslíku nedochází k žádnému nepříznivému vlivu na práci spalovacího motoru nebo katalyzátoru ani na velikost emisí. Na obr. 10 je dosahováno • · · · čerpacího účinku při nižším tlaku, který je vyvolán Venturiho úsekem 95 v odsávacím systému 96. Tento nižší tlak spolu s otvorem 97 v kovovém uzávěru 84 generátoru 80 koronového výboje zajistí průtok vzduchu nižší než 10 ml/s, což snižuje teplotu, chladí keramický úsek generátoru koronového výboje a napomáhá přívodu radikálů, vytvořených v generátoru koronového výboje.9 and 10 show two variants of a possible construction. In Fig. 9, the elongated portion 91 is shown and the fins 92 are envisaged as a surface enlargement to increase heat exchange with the environment. Longer passage of air around such elements has a cooling effect on the insulator 81, allowing a choice of a wider variety of materials or better generator efficiency while achieving satisfactory resistance and capacity. It has also been observed that when injecting small amounts of air less than 10 ml / s upstream of the oxygen sensor, there is no adverse effect on the operation of the internal combustion engine or catalyst, nor on the amount of emissions. In Fig. 10, a pumping effect is achieved at a lower pressure caused by the venturi section 95 in the exhaust system 96. This lower pressure, together with the orifice 97 in the metal cap 84 of the corona discharge generator 80, provides an air flow of less than 10 ml. s, which lowers the temperature, cools the ceramic section of the corona discharge generator and assists in the supply of radicals formed in the corona discharge generator.

Za normálních pracovních podmínek vytváří spalovací motor výfukové plyny, u nichž dochází k oscilacím tlaku s frekvencí přibližně 30 až 100 Hz a variacím 20 až 80 % v závislosti na místě výfukového systému. Tyto oscilace tlaku ve spojení s mrtvým prostorem 88 mohou zajistit kontinuální sací působení na radikály a další oxidační molekuly, produkované v generátoru koronového výboje a přivádění do proudu výfukových plynů. Tento sací účinek byl pro generátory koronového výboje již popsán svrchu. Pokud jde o konstrukci, je generátor 110 koronového výboje uložen v místě výfukové trubice 112, v němž dochází k oscilacím tak, jak je znázorněno na obr. 11. V tomto případě je generátor 110 upevněn na jednoduchém T-kusu 113. Sací účinek a celkový pohyb plynu je možno ještě zvýšit zařazením přetlakového systému 114 způsobem, který je znázorněn na obr. 12. Mimo to je možno použít ještě chladicí žebra 115 ke snížení pracovní teploty generátoru 110. Jak již bylo uvedeno, toto chlazení může zlepšit účinnost generátoru koronového výboje.Under normal operating conditions, the internal combustion engine produces exhaust gases that experience pressure oscillations at approximately 30 to 100 Hz and variations of 20 to 80% depending on the location of the exhaust system. These pressure oscillations in conjunction with dead space 88 can provide a continuous suction effect on the radicals and other oxidation molecules produced in the corona discharge generator and supply to the exhaust gas stream. This suction effect has already been described above for corona discharge generators. As far as the construction is concerned, the corona discharge generator 110 is located at the location of the exhaust pipe 112 where oscillations occur as shown in Figure 11. In this case, the generator 110 is mounted on a single T-piece 113. Suction effect and overall The movement of the gas can be further increased by engaging the pressurized system 114 in the manner illustrated in FIG.

Je třeba uvést, že jediným požadavkem všech provedení vynálezu je skutečnost, že do proudu spalných plynů se přivádějí volné radikály nebo plynné oxidační látky, zejména hydroxilové radikály v místě před vstupem do katalytického konvertoru, např. v místě přívodu vzduchu do karburátoru nebo do systému pro vstřikování paliva do spalovací komory, přímo do spalovací komory, do společného přívodu vzduchu a paliva do této komory, do výstupu výfukových plynů z této komory nebo do výfukové trubice.It should be noted that the only requirement of all embodiments of the invention is that free radicals or gaseous oxidants, in particular hydroxyl radicals, are introduced into the combustion gas stream at the point prior to entry into the catalytic converter, e.g. injecting fuel into the combustion chamber, directly into the combustion chamber, into a common air and fuel inlet into the chamber, into the exhaust gas outlet from the chamber or into the exhaust pipe.

Vynález byl mimo to popsán v souvislosti s katalytickým konvertorem. Je však zřejmé, že ke snížení nečistot ve výfukových plynech spalovacího motoru je zapotřebí pouze vysokého povrchu, který je součástí konvertoru, ve spojení s přívodem hydroxylových radikálů.The invention has also been described in connection with a catalytic converter. However, it is evident that only a high surface, which is part of the converter, in connection with the supply of hydroxyl radicals is required to reduce the pollutants in the exhaust gases of the internal combustion engine.

Praktické provedení vynálezu bylo popsáno v souvislosti s několika výhodnými provedeními. Je však zřejmé, že by bylo možno uskutečnit ještě celou řadu variací a modifikací, které by rovněž spadaly do rozsahu vynálezu, takže vynález nemůže být na znázorněná provedení omezen.The practice of the invention has been described in connection with several preferred embodiments. However, it is to be understood that a number of variations and modifications would be possible within the scope of the invention, so that the invention cannot be limited to the embodiments shown.

Claims

PATENT CLAIMS

An apparatus for reducing the pollutant content of an exhaust stream produced by combustion of a fuel in an internal combustion engine, characterized in that it comprises a catalytic converter with an inlet and an outlet arranged such that at least a part of the exhaust stream from the internal combustion engine by said catalytic converter. passing through the converter and a corona discharge generator for generating a corona discharge in the exhaust gas to form radicals from water or other gaseous material in the exhaust gas, these radicals being fed to the exhaust stream before it enters the catalytic converter.

Apparatus according to claim 1, characterized in that it is provided with an exhaust pipe connected to the inlet to the catalytic converter, wherein at least a portion of the exhaust gas passes through the exhaust pipe and the catalytic converter, the exhaust pipe being provided with means for receiving the corona discharge generator. an exhaust stream or part thereof to produce a corona discharge in the exhaust gases upstream of the catalytic converter.

3. The apparatus of claim 2, further comprising an oxygen sensor disposed between the corona discharge generator and an inlet to the catalytic converter.

The apparatus of claim 2, wherein the corona discharge generator is housed in an exhaust pipe branch into which at least a portion of the exhaust stream from the exhaust pipe enters at a first point and returns to the exhaust pipe at a second point prior to the catalytic converter.

• ·

5. The apparatus of claim 4, wherein the branch is provided with one or more enlarged surfaces for dissipating heat from the branch.

6. The apparatus of claim 1 wherein the corona discharge generator is generally concentric electrodes, wherein the corona discharge is formed in an air gap between the electrodes.

7. The apparatus of claim 6, wherein:. the concentric electrodes are an inner electrode, an outer electrode with an inner surface and an outer surface, and a dielectric material that forms a layer at least on the inner electrode or on the inner surface of the outer electrode.

8. The apparatus of claim 7, wherein the outer electrode is a wire or wire mesh.

The apparatus of claim 8, wherein the outer electrode is formed by a wire mesh or a portion of such a mesh such that the air gap is completely enclosed by the electrodes and the dielectric, and the wire mesh or a portion of such mesh forms simultaneously the means for interrupting the flame.

10. The apparatus of claim 2, further comprising at least one flame arresting means so as not to propagate in the exhaust pipe.

Device according to claim 10, characterized in that at least one flame arresting means is arranged downstream of the corona discharge generator and upstream of the catalytic converter.

Device according to claim 7, characterized in that the dielectric material used has a dielectric constant in the range of 2 to 10

10.

13. The apparatus of claim 2, wherein the corona discharge generator is mounted such that naturally occurring pressure fluctuations in the exhaust gas stream exert a suction effect and blow exhaust gases into the corona discharge generator while simultaneously evacuating radical-containing gases, created in this generator.

14. The apparatus of claim 13, further comprising an exhaust system disposed proximate the corona discharge generator such that exhaust gases pass from the exhaust pipe through the corona discharge generator to the exhaust system and then back into; exhaust pipe.

15. The apparatus of claim 2, wherein the exhaust pipe also functions as a distant earth electrode for the corona discharge generator.

16. The apparatus of claim 2, further comprising an apparatus for injecting air into the exhaust stream during the cold start with the rich mixture, such that the corona discharge generator causes combustion of the remaining fuel in the exhaust stream.

17. The apparatus of claim 1, further comprising an exhaust pipe connected to the catalytic converter inlet, a pipe connected to the catalytic converter outlet, and at least part of the exhaust stream to the distal gas.

0 0 · 0 00 corona discharge generator for radical formation in the exhaust section

The gases, a corona discharge generator for generating radicals, from which the radicals return to the exhaust stream at a point upstream of the catalytic converter, and the radical-containing exhaust gas is injected into the combustion gas stream.

18. The apparatus of claim 17, further comprising an oxygen sensor disposed prior to entry into the catalytic converter and a point at which the radical-containing exhaust gas is introduced into the exhaust stream prior to entry into the catalytic converter. catalytic converter.

19. An apparatus for reducing the pollutant content of an exhaust stream formed from fuel in an internal combustion engine having a fuel inlet and an exhaust outlet, comprising a catalytic converter with an inlet and an outlet, wherein at least a portion of the exhaust gas from the internal combustion engine passes through a catalytic converter and a corona discharge generator for the generation of radicals stored in the combustion gas stream, the radicals being fed to the combustion mixture stream or combustion gas stream prior to their entry into the catalytic converter.

20. The apparatus of claim 19, wherein the radicals are formed in the fuel feed line.

21. The apparatus of claim 19, wherein the radicals are injected into the fuel feed line.

Η

22. An apparatus for reducing the pollutant content of exhaust gases produced in an internal combustion engine, characterized in that it comprises a catalytic converter with an inlet and an outlet arranged such that at least part of the exhaust stream from the internal combustion engine passes through the catalytic converter, corona discharge generator. for generating a corona discharge in the exhaust gas to form radicals from water and other gaseous components of the exhaust gas, these radicals are supplied to the exhaust gas stream at a point prior to the catalytic converter inlet through an exhaust pipe connected to the catalytic converter inlet so that at least The exhaust pipe is provided with means for connecting the corona discharge generator to the tube so that the exhaust gas passes through the generator having the first ends of the exhaust gas and the catalytic converter. c, adapted for connection to the exhaust pipe and for supplying exhaust gases from the exhaust pipe to the corona discharge generator and exhausting the gases back to the exhaust pipe, the other end adapted to prevent leakage of exhaust gas from the corona discharge generator, generally a cylindrical external electrode, electrically and mechanically connected to a first end of the inner electrode, concentric to the outer electrode and partially surrounded by the outer electrode surrounded by a dielectric insulator disposed concentrically between the inner and outer electrodes and forming an air gap therebetween, the dielectric insulator having a diameter defining a corona discharge generator diameter; it has a greater length than the outer electrode to form a corona discharge region in the air gap near the first end and a dead space near the second end.

fe · ffe · f fe ·! U i · i i fefe · fe · fefe fefe

23. The apparatus of claim 22, wherein each dimension of the corona discharge generator is minimized so that losses due to resistance and capacity are also minimized.

24. The apparatus of claim 23, wherein the inner electrode is at least 2 times the length of the outer electrode, the length of which is at least 4 times the diameter of the corona discharge generator defined by the dielectric insulator to reduce resistance and capacitance losses.

25. The apparatus of claim 24, wherein the length of the inner electrode is at least 4 times the length of the outer electrode and at least 6 times the diameter of the corona discharge generator.

26. The apparatus of claim 22, further comprising an elongated section between the bladder and the outer electrode to reduce the temperature of the corona discharge generator.

27. The apparatus of claim 26, wherein the elongate portion is provided with at least one enlarged surface to increase heat loss from the corona discharge generator.

28. The apparatus of claim 22, further comprising an orifice in the metal shutter for supplying a controlled air flow to the corona discharge generator, the base of the generator being connected to a venturi section of the exhaust pipe to induce a low pressure that sucks air through the orifice. .

29. The apparatus of claim 22, wherein the corona discharge generator is disposed in such a way that the naturally occurring pressure fluctuations in the exhaust gas stream occur.

0 »«

0 »10

0 · »» 0 0

0 000 produces a suction effect which blows exhaust gas into the corona discharge generator and extracts the radical-containing gases formed in the generator.

30. A method for reducing the pollutant content of a stream of gases produced in an internal combustion engine, the exhaust pipe of which is connected to an inlet of the catalytic converter, characterized in that the exhaust stream is passed through the exhaust pipe and the catalytic converter. the corona discharge generates radicals and these radicals are fed into the exhaust stream before entering the catalytic converter.

The method of claim 30, wherein the radicals are formed from at least water or residual molecular oxygen in the exhaust gas.

32. The method of claim 30, wherein the radicals react with the gaseous components of the exhaust stream to form oxidizing gaseous molecules.

The method of claim 31, wherein the gaseous oxidizing components are OH, O, H, HO ₂ , H ₂ O ₂ ,

NO ₂ or O ₃ .

34. The method of claim 30, wherein the radicals are formed in the exhaust gas stream in the exhaust pipe at a point prior to entering the catalytic converter.

35. The method of claim 34, wherein an oxygen sensor is stored in the exhaust pipe at a location between the catalytic converter and a site upstream of the catalytic converter at which radicals are formed in the exhaust gas stream.

<00 i. 0 0

0 0 0 i> 0

0 00 »00 0 4 0 000

36. The method of claim 30, wherein at least a portion of the exhaust stream is diverted into a distant corona discharge generator, wherein radon corona discharges are formed in the deflected portion of the stream and the corona discharge radicals are formed. the radicals are injected back into the exhaust stream in the exhaust pipe upstream of the catalytic converter.

37. The method of claim 36, wherein an oxygen sensor is placed in the exhaust pipe between the catalytic converter and a location upstream of the catalytic converter, in which radicals are injected into the exhaust stream in the exhaust pipe.

38. The method according to claim 30, characterized mares s c s t s m to ^r. it further removes catalytic poisons from the surfaces of the catalytic converter by reacting the poisons with at least one radical or gaseous oxidant formed by reacting the radicals with the gaseous components of the exhaust gases.

39. The process of claim 31 wherein the catalyst poisons are sulfur, phosphorus or carbon compounds.

40. The method of claim 30 wherein corona discharge induces combustion of fuel or hydrocarbon residues during a cold start or in case of incomplete combustion in the exhaust stream.

41. The method of claim 40, wherein a controlled amount of air is injected into the exhaust gas stream during the cold start to supply the oxygen needed to burn off fuel residues.

fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe fe

42. A method of reducing the pollutant content of an exhaust stream from an internal combustion engine having an inlet of combustion mixture and an exhaust pipe for exhaust gases, characterized in that the exhaust stream is guided through the exhaust pipe and catalytic converter, radicals are formed in the gas stream. the use of a corona discharge and these radicals are fed into the gas stream upstream of the catalytic converter.

43. The method of claim 42, wherein the radicals are formed in the combustion gas supply to the engine.

44. A method of extending the service life and increasing the efficiency of an oxygen sensor in an engine with an inlet mixture and an exhaust exhaust pipe, wherein the oxygen sensor is stored in an exhaust stream upstream of a catalytic converter having an inlet and an outlet, This means that radicals are formed in the gas stream by corona discharge and these radicals are introduced in front of the oxygen sensor to remove the poisons or prevent the deposition of the poisons of the oxygen sensor.

45. The method of claim 44, wherein the radicals are formed in the fuel feed to the engine.

46. The method of claim 44, wherein the radicals are formed from water in at least a portion of the exhaust gas.

47. The method of claim 46, wherein the radicals form in the exhaust stream upstream of the oxygen sensor.

48. The method of claim 46, wherein at least a portion of the exhaust gas deviates from the exhaust gas stream; and

00 00 »» 0 • 0 »♦

0 »0

0 0 0 · # 00

0000 00 »0» 00 »

0 0 0 0 00

This deflected portion is discharged to a remote corona discharge generator, in which radicals are produced in the exhaust gases by the corona discharge, which are injected back into the exhaust stream upstream of the oxygen sensor.

49. A compact generator for generating a corona discharge in an exhaust gas in an exhaust system of an internal combustion engine for reducing impurities, wherein the generator has a first end adapted to communicate with the exhaust pipe and to supply exhaust gas from the exhaust pipe to the corona discharge generator; exhausting the gases back to the exhaust pipe, a second end adapted to prevent leakage of exhaust gases from the corona discharge generator, generally a cylindrical outer electrode, electrically and mechanically connected to a first end of the inner electrode, provided concentrically with the outer electrode and partially surrounded by a dielectric insulator, positioned concentrically between the inner and outer electrodes and forming an air gap between the electrodes, the dielectric insulator has a diameter defining a diameter of the corona discharge generator, wherein the inner electrode has a greater length than the external electrode for forming the area of corona discharge in the air gap adjacent the first end and the dead space close to the second end.