DE102014102647A1

DE102014102647A1 - Gasreformierungsvorrichtung und Abgasreinigungssystem

Info

Publication number: DE102014102647A1
Application number: DE201410102647
Authority: DE
Inventors: Yuuki Tarusawa; Kouji Morita; Shigeto Yahata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2014-09-11
Also published as: JP5937986B2; JP2014171960A

Abstract

Eine Gasreformierungsvorrichtung (1d) weist Dielektrika (5) in runder Form, die aus einem dielektrischen Material mit hoher Dielektrizitätskonstante hergestellt sind, einen röhrenförmigen Bereich (3) und Dielektrika (4) auf, die aus einem dielektrischen Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante hergestellt sind. Die Dielektrika (5), der röhrenförmige Bereich (3) und die Dielektrika (4) sind zwischen einem Paar aus einer Innenelektrode (60) und einer Außenelektrode (61) so angeordnet, so dass jedes von ihnen nicht weniger als zwei Schichten einnimmt. Ein Gasdurchgang (7) ist zwischen den Dielektrika (5), dem röhrenförmigen Bereich (3) und den Dielektrika (4) ausgebildet. Wenn eine AC-Spannung zwischen der Innenelektrode (60) und der Außenelektrode (61) bereitgestellt wird, wird eine Plasmaentladung in einem weiten Bereich zwischen der Innenelektrode (60) und der Außenelektrode (61) erzeugt. Diese Struktur bietet eine ausgezeichnete Gasreformierungsleistung und eine ausgezeichnete Abgasreinigungsleistung.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasreformierungsvorrichtung und Abgasreinigungssysteme.
2. Stand der Technik
Wie im Allgemeinen bekannt, enthält Abgas, das von Verbrennungsmotoren wie Benzinmotoren und mager verbrennenden Benzinmotoren ausgestoßen wird, partikuläres Material (PM) und Stickoxide (NOx). Es wurden verschiedene Typen von Vorrichtungen vorgeschlagen, um das Abgas zu reinigen. Es gibt zum Beispiel typische Techniken, die einen Filter und einen Katalysator verwenden, die in der Lage sind, PM und NOx, die im Abgas enthalten sind, zu absorbieren, um das Abgas zu reinigen.
Es besteht neulich ein starker Bedarf, Kohlenstoffdioxid, das im Abgas enthalten ist, das von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, zu vermindern und eine Treibstoffeffizienz von Motorfahrzeugen stärker zu verbessern, da Jahr für Jahr angesichts des Umweltschutzes die Fahrzeugemissionsbeschränkungen des Reduzierens der Motorfahrzeugemission etc. strenger werden. Die Techniken zum Verbessern einer Treibstoffeffizienz von Motorfahrzeugen bewirken eine Treibstoffverbrauchseffizienz und eine Verkleinerung eines Verbrennungsmotors und verringern letztendlich eine Temperatur des Abgases, das vom Verbrennungsmotor ausgestoßen wird. Nebenbei bemerkt gibt es Filter und Katalysatoren, die zum Durchführen einer Nachbehandlung von Abgas verwendet werden, die erfordern, dass das Abgas eine hohe Abgastemperatur aufweist (zum Beispiel nicht weniger als 200°C), um einen Abgasreinigungsprozess angemessen durchzuführen.
Im Rahmen des jüngsten Trends des Verminderns einer Abgastemperatur, wie zuvor beschrieben, ist es erforderlich, Techniken und Verfahren zu entwickeln, die keine hohe Temperatur des Abgases erfordern. Es wurde eine Technik vorgeschlagen, die eine elektrische Entladung an einer stromaufwärtigen Seite eines Filters und eines Katalysators, die in der Abgasleitung angeordnet sind, in der Abgasleitung erzeugt, durch die das Abgas strömt, das von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird. Die elektrische Entladung in der Abgasleitung erzeugt ein Plasma und das erzeugte Plasma reformiert das Abgas, um ein Gasreformierungsmittel zu erzeugen, wie ein Reduktionsmittel und/oder ein Oxidationsmittel, um das Abgas bei einer niedrigen Temperatur zu reinigen.
Zum Beispiel das japanische Patent Nr. 3838611 offenbart einen Plasmareaktor als ein Reinigungsverfahren und eine Vorrichtung, die ein Verfahren vom Trockentyp und ein Verfahren vom Nasstyp durchführt. Bei dem Verfahren vom Trockentyp wird ein Ungleichgewichtsplasma von niedriger Temperatur unter Atmosphärendruck des Abgases erzeugt und das erzeugte Niedrigtemperaturungleichgewichtsplasma oxidiert NO, das im Abgas enthalten ist. Ferner wird eine angelegte Spannung dem Abgas zugeführt, welches das Niedrigtemperaturungleichgewichtsplasma enthält, wobei eine Referenzspannung auf der Basis einer Bedingung angepasst wird, bei der die maximale Menge von NO, das im Abgas enthalten ist, effektiv oxidiert wird. Bei dem Verfahren vom Trockentyp wird die Oxidation von Stickstoffmonoxid NO, das in dem Abgas enthalten ist, mit hoher Effizienz durchgeführt, um Kohlenstoffdioxid CO₂ zu erzeugen. Nach dem Verfahren von Trockentyp wird in einem Plasmareaktor des Nasstyps eine chemische Reaktion zwischen dem Abgas und einer Reduktionsmittellösung durchgeführt. Der Plasmareaktor ist an einer stromaufwärtigen Seite einer Katalysatorvorrichtung angeordnet, die einen Katalysator aufweist, um Stickoxide und Schwefeloxide zu entfernen, die im Abgas enthalten sind. Das Abgas, das vom Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, wird dadurch gereinigt und nach außen ausgestoßen.
Insbesondere der Plasmareaktor der im Patentdokument, japanisches Patent Nr. 3838311 offenbart ist, wird von einem Gehäuse, einer internen Elektrode und einer externen Elektrode gebildet. Das Gehäuse enthält Ferroelektrika in Pelletform, die aus Bariumtitanat hergestellt sind. Die interne Elektrode ist in einem Innenbereich des Gehäuses ausgebildet. Die externe Elektrode ist an einem äußeren peripheren Bereich des Gehäuses ausgebildet. Die interne Elektrode und die externe Elektrode sind elektrisch mit einer Wechselstrom (AC-Quelle) verbunden. Der Plasmareaktor mit der zuvor beschriebenen Struktur weist eine hohe Reinigungsfunktion auf.
Allerdings berücksichtigt die Technik, die im japanischen Patent Nr. 3838611 offenbart ist nur eine Dimension (oder einen Durchmesser) der internen Elektrode und widmet der Anordnung verschiedener Bestandteile einschließlich der Ferroelektrika in dem Reaktor keine Aufmerksamkeit. Um die Abgasreinigungsfunktion stärker zu steigern, ist es erforderlich, die gesamte Struktur des Reaktors detaillierter zu untersuchen, um sie zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist daher wünschenswert, eine Gasreformierungsvorrichtung und ein Abgasreinigungssystem bereitzustellen, die eine verbesserte Strukturanordnung der Dielektrika aufweisen, die in der Lage sind, ein Gasreformierungsmittel wie ein Reduktionsmittel oder ein Oxidationsmittel zu erzeugen, um Abgas, das von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, sogar wenn das Abgas eine niedrige Temperatur aufweist mit hoher Leistung zu reinigen.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Gasreformierungsvorrichtung bereitgestellt, die eine verbesserte Struktur aufweist. Die Gasreformierungsvorrichtung weist einen Einlassöffnungsbereich, einen Auslassöffnungsbereich, mindestens ein Paar von Elektroden, das eine ersten Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, erste Dielektrika, zweite Dielektrika und einen Gasdurchgang auf. Durch den Einlassöffnungsbereich wird Abgas ins Innere der Gasreformierungsvorrichtung eingebracht. Durch den Auslassöffnungsbereich wird das Abgas aus der Gasreformierungsvorrichtung nach außen ausgestoßen. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind zwischen dem Einlassöffnungsbereich und dem Auslassöffnungsbereich mit einem vorbestimmten Abstand angeordnet. Die ersten Dielektrika sind aus einem ersten dielektrischen Material hergestellt, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in einem Querschnitt parallel zu einer Richtung von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode angeordnet ist. Die zweiten Dielektrika sind aus einem zweiten dielektrischen Material hergestellt, das so angeordnet ist, dass die ersten Dielektrika und die zweiten Dielektrika abwechselnd zueinander angeordnet sind und jede von den ersten Dielektrika und den zweiten Dielektrika mindestens zwei Bereiche aufweist. Das erste dielektrische Material weist eine höhere Dielektrizitätskonstante auf als das zweite dielektrische Material. Der Gasdurchgang ist ein Bereich, in dem die ersten Dielektrika und die zweiten Dielektrika zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ausgenommen sind und durch den das Abgas passiert.
Die Struktur der Gasreformierungsvorrichtung, die zuvor beschrieben wurde und später im Detail erklärt wird, kann die Fläche der elektrischen Entladung zwischen den zwei Typen der Dielektrika ausdehnen, wenn eine AC-Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode bereitgestellt wird. Das Plasma wird in einem Bereich der elektrischen Entladung erzeugt und das erzeugte Plasma erzeugt ein Reduktionsmittel und ein Oxidationsmittel, die das Abgas mit hoher Effizienz reformieren. Die Gasreformierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung bietet eine ausgezeichnete Gasreformierungsfunktion. Dies ermöglicht es, eine ausgezeichnete Abgasreinigungsfunktion bereitzustellen, wenn die Gasreformierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung in dem Abgasreinigungssystem montiert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Eine bevorzugte nicht beschränkende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch ein Beispiel mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben, in denen
1 eine Ansicht ist, die eine Struktur eines Plasmareaktors als einer Gasreformierungsvorrichtung nach einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 eine Ansicht ist, die einen Querschnitt entlang der Linie A-A darstellt, die in 1 dargestellt ist;
3 eine Ansicht ist, die eine Struktur des Plasmareaktors als der Gasreformierungsvorrichtung nach einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 eine Ansicht ist, die eine Struktur des Plasmareaktors als der Gasreformierungsvorrichtung nach einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 eine Ansicht ist, die eine Struktur des Plasmareaktors als der Gasreformierungsvorrichtung nach einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 eine Ansicht ist, die eine Struktur des Plasmareaktors als der Gasreformierungsvorrichtung nach einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 eine Ansicht ist, die eine Struktur des Plasmareaktors als der Gasreformierungsvorrichtung nach einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 eine Ansicht ist, die eine Struktur des Plasmareaktors als der Gasreformierungsvorrichtung nach einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
9 eine Ansicht ist, die eine Struktur des Plasmareaktors als der Gasreformierungsvorrichtung nach einer achten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 eine Ansicht ist, die eine Struktur des Plasmareaktors als der Gasreformierungsvorrichtung nach einer neunten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 eine Ansicht ist, die ein Beispiel des Trägerns eines Katalysators auf Oberflächen von Dielektrika und den röhrenartigen Bereich im Plasmareaktor als der Gasreformierungsvorrichtung nach den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt;
12 eine Ansicht ist, die ein strukturelles Beispiel eines Abgasreinigungssystems darstellt, das mit dem Plasmareaktor als der Gasreformierungsvorrichtung nach jeder der ersten bis neunten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung versehen ist;
13 eine Ansicht ist, die ein Beispiel eines Entladungsbereichs eines Plasmareaktors nach dem Stand der Technik darstellt;
14 eine Ansicht ist, die ein Beispiel eines Entladungsbereichs des Plasmareaktors als der Gasreformierungsvorrichtung nach den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt;
15 eine Ansicht ist, die ein anderes Beispiel des Entladungsbereichs des Plasmareaktors als der Gasreformierungsvorrichtung nach den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt;
16 eine Ansicht ist, die ein erstes Vergleichsergebnis einer Effizienz einer elektrischen Reinigung und einer NOx-Reinigungsrate zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik darstellt;
17 eine Ansicht ist, die ein zweites Vergleichsergebnis einer Effizienz einer elektrischen Reinigung und einer NOx-Reinigungsrate zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik darstellt; und
18 eine Ansicht ist, die ein drittes Vergleichsergebnis einer Effizienz einer elektrischen Reinigung und einer NOx-Reinigungsrate zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben. In der folgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen bezeichnen durchgehend durch die mehreren Diagramme gleiche Referenzzeichen und Zahlen gleiche oder äquivalente Bestandteile.
Erste beispielhafte Ausführungsform
Es wird eine Beschreibung eines Plasmareaktors 1a als der Gasreformierungsvorrichtung nach einer ersten beispielhaften Ausführungsform mit Bezug auf 1 und 2 gegeben.
1 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Plasmareaktors 1a als der Gasreformierungsvorrichtung nach der ersten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
2 ist eine Ansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie A-A darstellt, die in 1 dargestellt ist. Das heißt, 1 stellt einen Querschnitt des Plasmareaktors 1a entlang einer Richtung dar, die parallel zu einer Strömungsrichtung des Abgases ist, das vom Verbrennungsmotor ausgestoßen wird (nicht dargestellt).
Der Plasmareaktor 1a ist im Inneren einer Abgasleitung 2 angeordnet, durch die das Abgas strömt. Der Plasmareaktor 1a umfasst einen röhrenartigen Bereich 3 mit einem Querschnitt von quadratähnlicher Form, eine Mehrzahl von Dielektrika 4 in Plattenform, eine Mehrzahl von Dielektrika 5 in runder Form, ein Paar von Elektroden 60 und 61 und eine Stromquelle 62. Der röhrenartige Bereich 3 weist zum Beispiel einen quadratähnlichen Querschnitt auf. Ein Einlassöffnungsbereich des röhrenartigen Bereichs 3 ist an einer stromaufwärtigen Seite der Abgasleitung 2 angeordnet. Ein Auslassöffnungsbereich 31 des röhrenartigen Bereichs 3 ist an einer stromabwärtigen Seite der Abgasleitung 2 angeordnet. Das heißt, der Einlassöffnungsbereich 30 ist an der stromaufwärtigen Seite angeordnet und der Auslassöffnungsbereich 31 ist an der stromabwärtigen Seite des Stroms des Abgases angeordnet. Eine Mehrzahl der Dielektrika 4 in Plattenform und der Dielektrika 5 in runder Form sind im Inneren des röhrenartigen Bereichs 3 enthalten. Der röhrenartige Bereich 3 ist auch aus einem Dielektrikum hergestellt.
Die Dielektrika 4 sind aus einem dielektrischen Material hergestellt und in Plattenform. Wie in 1 und 2 dargestellt, sind die Dielektrika 4 parallel zueinander im Inneren des röhrenartigen Bereichs 3 entlang einer Längsrichtung des Plasmareaktors 1a angeordnet. Dielektrika 5 sind aus einem Dielektrischen Material hergestellt und in Runder Form. Eine Mehrzahl der Dielektrika 5 ist zwischen den Dielektrika 4 in Plattenform und/oder zwischen den Dielektrika 4 in Plattenform und dem röhrenartigen Bereich mit der Quadratähnlichen Form angeordnet. Wie in 1 und 2 dargestellt, ist es für den Plasmareaktor 1a nach der ersten beispielhaften Ausführungsform ausreichend, eine Struktur aufzuweisen, in der die Dielektrika 4 in Plattenform und die Dielektrika 5 in runder Form mit einem Punktkontakt zueinander angeordnet sind und der Rörhenartige Bereich 3 und die Dielektrika 5 in Punktkontakt zueinander angeordnet sind. Ferner ist es ausreichend, dass die Dielektrika 5 im Wesentlichen eine runde Form, eine elliptische sphärische Form, eine Pelletform, etc. aufweisen.
Ein Paar von Elektroden 60 und 61 ist in dem Plasmareaktor 1a so angeordnet, dass der röhrenartige Bereich 3 mit der Quadratähnlichen Form, die Dielektrika 4 in Plattenform und die Dielektrika 5 in runder Form zwischen den Elektroden 60 und 61 in einem Querschnitt des Plasmareaktors 1a, der in 1 dargestellt ist, eingeschlossen sind. Die Stromquelle 62 ist so angeordnet, dass sie einen vorbestimmten AC-Strom, einem Paar der Elektroden 60 und 61 zuführt. Wie zuvor beschrieben, wird Abgas von dem Einlassöffnungsbereich 30 des röhrenartigen Bereichs 3 in den Plasmareaktor 1a befördert und durch den Auslassöffnungsbereich 31 aus dem Plasmareaktor 1a ausgestoßen. Der Plasmareaktor 1a reformiert das Abgas. Ein Gasdurchgang 7 ist im Inneren des röhrenartigen Bereichs 3 ausgebildet und spart die Dielektrika 4 in Plattenform und die Dielektrika 5 in runder Form aus.
Es ist möglich, dass der röhrenartige Bereich und die Dielektrika 4 in Plattenform aus dem gleichen dielektrischen Material hergestellt sind. Es ist ausreichend, dass ein erstes dielektrisches Material eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweist als ein zweites dielektrisches Material, wobei die Dielektrika 5 in runder Form aus dem ersten dielektrischen Material hergestellt sind. Ferner sind der röhrenartige Bereich 3 und die Dielektrika 4 in Plattenform aus dem zweiten dielektrischen Material hergestellt. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das erste dielektrische Material eine Dielektrizitätskonstante von nicht weniger als 50 aufweist und dass das zweite dielektrische Material eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die aus weniger als 50 und weniger als 20 ausgewählt ist.
Insbesondere ist es möglich, den obigen Zusammenhang zwischen dem ersten dielektrischen Material und dem zweiten dielektrischen Material zu erfüllen, wenn Bariumtitanat als das erste dielektrische Material verwendet wird und eines von Aluminiumoxid, Acryl, Quarzglas, etc. als das zweite dielektrische Material verwendet wird. Ferner ist es ausreichend, dass eine Reaktionskammer, die im Inneren des röhrenartigen Bereichs 3, 3' (ein röhrenartiger Bereich 3' wird später erklärt) gebildet ist, ein Volumen von 50 cc aufweist, der röhrenartige Bereich 3, 3' eine Dicke in einem Bereich von 1 bis 2 mm aufweist, die Dielektrika 5 in runder Form einen Durchmesser in einem Bereich von 2 bis 3 mm aufweisen und jedes der Dielektrika 4 in Plattenform und Dielektrika 4' in Röhrenform (die später erklärt werden) eine Dicke in einem Bereich von 1 bis 2 nun aufweist. Die Stromquelle 62 führt AC-Strom in einem Bereich von 1 bis kV pro Distanz von 1 mm zwischen den Elektroden 60 und 61 zu. Es ist auch möglich, die Werte dieser Parameter verschiedenen Bedingungen entsprechend zu verändern. Die vorliegende Erfindung beschränkt nicht die Dimension dieser Bauteile und einen Spannungswert der Stromquelle 62.
1 und 2 stellen ein Beispiel des Plasmareaktors 1a dar, da es möglich ist, verschiedene Formen zu verwenden, wie in 3 bis 10 dargestellt, was später erklärt wird. Die gleichen Bestandteile zwischen den Ausführungsformen, die in 1 bis 10 dargestellt sind, werden mit dem gleichen Referenzzahlen und -zeichen bezeichnet.
Zweite beispielhafte Ausführungsform
Eine Beschreibung eines Plasmareaktors 1b als der Gasreformierungsvorrichtung nach einer zweiten beispielhaften Ausführungsform wird mit Bezug auf 3 gegeben.
3 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Plasmareaktors 1b nach der dritten beispielhaften Ausführungsform darstellt. Wie in 3 dargestellt, verwendet der Plasmareaktor 1b nach der dritten beispielhaften Ausführungsform ein Dielektrikum 4 in Plattenform. Das heißt, das Konzept der vorliegenden Erfindung beschränkt nicht die Anzahl der Dielektrika 4 in Plattenform. Andere Bestandteile des Plasmareaktors 1b nach der zweiten beispielhaften Ausführungsform sind gleich wie die des Plasmareaktors 1a nach der ersten beispielhaften Ausführungsform und die Erklärung der gleichen Bestandteile wird hier ausgelassen.
Dritte beispielhafte Ausführungsform
Eine Beschreibung eines Plasmareaktors 1c als der Gasreformierungsvorrichtung nach einer dritten beispielhaften Ausführungsform wird mit Bezug auf 4 gegeben.
4 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Plasmareaktors 1c nach der dritten beispielhaften Ausführungsform darstellt. Wie in 4 dargestellt, weist der Plasmareaktor 1c nach der dritten beispielhaften Ausführungsform eine zylindrische Form oder eine Säulenform auf.
Insbesondere ist in der Struktur des Plasmareaktors 1c nach der dritten beispielhaften Ausführungsform, der in 4 dargestellt ist, eine Mehrzahl der Dielektrika 4' in Röhrenform in einem konzentrischen Muster mit vorbestimmten Abständen im Inneren des röhrenartigen Bereichs 3' in zylindrischer Form angeordnet. Ferner sind die Dielektrika 5 in runder Form zwischen den angrenzend angeordneten dielektrischen Bereichen 4' in Röhrenform angeordnet und auch zwischen dem röhrenartigen Bereich 3' und dem Dielektrikum 4' in Röhrenform. Insbesondere stehen die Dielektrika 5 in Kontakt miteinander.
Ferner ist, wie in 4 dargestellt eine Außenelektrode 60' in Zylinderform an der Außenseite des Plasmareaktors 1c angeordnet und eine Innenelektrode 61' in zylindrischer Stabform oder Stangenform ist in einem zentralen Teil des Plasmareaktors 1c angeordnet. Die AC-Stromquelle (nicht dargestellt) führt den Elektroden 60' und 61' AC-Strom zu.
Es ist auch möglich, das gleiche dielektrische Material zu verwenden, um den röhrenartigen Bereich 3' und die Dielektrika 4' in Röhrenform zu bilden. Es ist erforderlich, dass die Dielektrika 5 in runder Form aus dem ersten dielektrischen Material hergestellt sind und das der röhrenartige Bereich 3' und die Dielektrika 4' in Röhrenform aus dem zweiten dielektrischen Material hergestellt sind, wobei das erste dielektrische Material eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweist als das zweite dielektrische Material. Es ist bevorzugt, dass das erste dielektrische Material eine Dielektrizitätskonstante von nicht weniger als 50 aufweist und das zweite dielektrische Material eine Dielektrizitätskonstante von nicht weniger als 50 oder weniger als 20 aufweist.
Wie zuvor beschrieben, sind in der Struktur jedes der Plasmareaktoren 1a, 1b und 1c nach der ersten bis dritten beispielhaften Ausführungsform, dargestellt in 1 bis 4, zwei oder mehr Arten der Dielektrika mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante in dem Bereich angeordnet, der zwischen der Elektrode 60, 60' und der anderen Elektrode 61, 61' in einer Längsrichtung des Plasmareaktors ausgebildet ist. Ferner weisen die Dielektrika 4, 4' eine Plattenform oder eine Röhrenform auf, die aus dem ersten dielektrischen Material hergestellt ist, um eine Mehrzahl von Schichten in einem Querschnitt des Plasmareaktors zu bilden. Dielektrika 5, 5' in runder Form, die aus dem zweiten dielektrischen Material hergestellt sind, sind zwischen den Schichten der Dielektrika 4, 4' angeordnet. Der Bereich außerhalb der Dielektrika 4, 4' und der Dielektrika 5, 5' im Plasmareaktor bildet den Gasdurchgang 7. Insbesondere ist die Formgebung so, dass die Dielektrika 5, 5' in runder Form in Kontakt mit den Dielektrika 4, 4' in Plattenform oder Röhrenform stehen und das die benachbarten Dielektrika 5, 5' in runder Form miteinander in Kontakt stehen.
Mit Bezug auf 13 und 14 wird eine Beschreibung der Wirkungen der Plasmareaktoren 1a, 1b und 1c als die Gasreformierungsvorrichtungen nach den ersten bis dritten beispielhaften Ausführungsformen gegeben.
13 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Bereichs der elektrischen Entladung eines Plasmareaktors nach dem Stand der Technik darstellt. 14 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Bereichs der elektrischen Entladung des Plasmareaktors nach den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt. Das heißt, 13 und 14 stellen den Zustand der elektrischen Entladung des Plasmareaktors nach dem Stand der Technik und dem Zustand der Entladung der Plasmareaktoren 1a, 1b und 1c nach der ersten bis dritten beispielhaften Ausführungsform dar, die in 1 bis 4 dargestellt sind. 14 ist eine konzeptionelle Ansicht des Darstellen des Dielektrikums 4 in Plattenform mit nur einer Schicht.
Wenn die Stromquelle 62 (in 14 ausgelassen) den Elektroden 60 und 61 (600 und 610 im Stand der Technik) des Plasmareaktors eine AC-Spannung zuführt, wird entlang einer senkrechten Richtung des röhrenartigen Bereichs 3, 3' ein elektrisches Feld erzeugt. Auf ähnliche Weise wird, wenn eine Stromquelle (in 13 ausgelassen) den Elektroden 600 und 610 des Plasmareaktors nach dem Stand der Technik eine AC-Spannung zuführt, ein elektrisches Feld entlang einer senkrechten Richtung des Auslassöffnungsbereichs 31 erzeugt.
Wenn die Stromquelle eine angemessen hohe AC-Spannung zwischen diesen Elektroden zuführt, bricht die Isolation des Abgases im Inneren des röhrenförmigen Bereichs 3, 3' (dem Einlassöffnungsbereich 30 im Stand der Technik) zusammen und ein Strom fließt in dem röhrenförmigen Bereich 3, 3' (dem Einlassöffnungsbereich 30 im Stand der Technik) und eine elektrische Entladung wird in den Gasdurchgang erzeugt. Diese elektrische Entladung, die im Entladungsbereich erzeugt wird, wird eine dielektrische Barrierenentladung genannt.
Wenn das Abgas durch die dielektrische Barrierenentladung in dem Gasdurchgang strömt, der in dem röhrenförmigen Bereich 3, 3' (dem Einlassöffnungsbereich 30 im Stand der Technik) ausgebildet ist, werden Elektronen, verschiedene Arten von Ionen, Radikalen, etc. in dem Entladungsbereich erzeugt. Ferner tritt eine Kettenreaktion zwischen den erzeugten Elektronen, Ionen und Radikalen auf und die Kettenreaktion reformiert das Abgas, welches durch den Gasdurchgang in dem röhrenförmigen Bereich 3, 3' (dem Eingangsöffnungsbereich 30 im Stand der Technik) passiert. Das gereinigte Abgas wird nach außen aus dem Plasmareaktor ausgestoßen.
Nebenbei bemerkt sind, wenn der Plasmareaktor nach dem Stand der Technik, der in 13 dargestellt ist, mit dem Plasmareaktoren nach der beispielhaften Ausführungsformen, die in 14 dargestellt ist, verglichen wird, der Auslassöffnungsbereich 31 und die Dielektrika 50 in runder Form zwischen einem Paar von den Elektroden 600 und 610 in der Struktur des Plasmareaktors nach dem Stand der Technik, der in 13 dargestellt ist, angeordnet.
Andererseits sind in der Struktur des Plasmareaktors nach der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 14 dargestellt ist, die drei Schichten, die aus dem röhrenförmigen Bereich mit den zwei Lagen und dem Dielektrika 4 mit einer einzelnen Lage und in Dielektrikbereichen 5 in runder Form bestehen abwechselnd zwischen einem Paar der Elektroden 60 und 61 angeordnet.
Wenn die Stromquelle den Elektroden des Plasmareaktors mit der Struktur der Dielektrika, die in jeder von 13 und 14 dargestellt sind, zuführt, wurde beobachtet, dass die elektrische Entladung in einem Bereich der elektrischen Entladung Dn um Punkte erzeugt wird, an denen die Dielektrika in runder Form in dem Plasmareaktor nach dem Stand der Technik, der in 13 dargestellt ist in Punktkontakt zueinander stehen.
Andererseits wird in der Struktur der Dielektrika im Plasmareaktor nach der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 14 dargestellt ist, die elektrische Entladung in einem Bereich der elektrischen Entladung Dw erzeugt, der weiter ist, als der Bereich der elektrischen Entladung Dn im Stand der Technik, der in 13 dargestellt ist. Insbesondere, wie in 14 dargestellt, wird die elektrische Entladung im Bereich der elektrischen Entladung Dw erzeugt, der sich von den Dielektrika 5 in runder Form zu den Oberflächen (eine flache Ebene und eine gekurvte Ebene) der Dielektrika 3 und 4 (der Dielektrika 3' und 4', die in 4 dargestellt sind) erstreckt. Tatsächlich kann beobachtet werden, dass die Lichtemissionsfläche sich an den Oberflächen der Dielektrika 3, 4 (3', 4') in dem Plasmareaktor nach der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausdehnt. Wie deutlich dargelegt werden kann, ist der Bereich der elektrischen Entladung Dw nach der vorliegenden Erfindung weiter als der Bereich der elektrischen Entladung Wn des Standes der Technik.
Ferner weist der Plasmareaktor nach der vorliegenden Erfindung, der in 14 dargestellt ist, ein höheres Verhältnis des Bereichs der elektrischen Entladung zum Gasdurchgang 7 auf, als der Stand der Technik, der in 13 dargestellt ist.
Ein Teil des Abgases, das durch den Bereich der elektrischen Entladung Dn, Dw passiert, wird zu einem Plasmazustand reformiert. Der verbleibende Teil des Abgases, der durch den Bereich passiert, welcher den Bereich der elektrischen Entladung ausnimmt, wird andererseits nicht reformiert. Dementsprechend wird das Abgas umso mehr zu einem Plasmazustand reformiert, je mehr der Anteil des Bereichs der elektrischen Entladung gesteigert wird. Dies kann darauf hindeuten, dass der Plasmareaktor nach der vorliegenden Erfindung, der in 14 dargestellt ist, eine ausgezeichnete Leistung des Reformierens von Abgas im Vergleich mit der Leistung des Plasmareaktors nach dem Stand der Technik aufweist, der in 13 dargestellt ist.
16 ist eine Ansicht, die ein erstes Vergleichsergebnis einer Effizienz einer elektrischen Reinigung und einer NOx-Reinigungsrate zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik darstellt. In der 16 stellt eine senkrechte Achse die Effizienz der elektrischen Reinigung dar, d. h. gibt eine elektrische Leistung an, die erforderlich ist, um eine Einheit einer NOx-Reinigung zu erzielen, und eine waagerechte Achse gibt ein Verhältnis einer Menge gereinigten NOx zu einer Gesamtmenge von NOx an, das im Abgas enthalten ist.
Wie anhand des Vergleichsergebnisses, das in 16 dargestellt ist, offensichtlich, weist die vorliegende Erfindung eine Effizienz der elektrischen Reinigung auf, die größer ist, als die des Standes der Technik und eine NOx-Reinigungsrate, die höher ist, als die des Standes der Technik. Dies bedeutet, dass der Plasmareaktor nach der vorliegenden Erfindung eine ausgezeichnete Abgasreinigungsleistung im Vergleich mit der des Standes der Technik bietet.
Vierte beispielhafte Ausführungsform
Es wird eine Beschreibung eines Plasmareaktors 1a als der Gasreformierungsvorrichtung nach der vierten beispielhaften Ausführungsform mit Bezug auf 5 gegeben.
5 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Plasmareaktors 1d als der Gasreformierungsvorrichtung nach der vierten beispielhaften Ausführungsform darstellt. In der Struktur jedes der Plasmareaktoren 1a bis 1c nach der ersten bis dritten beispielhaften Ausführungsform, die in den zuvor beschriebenen 1 bis 4 dargestellt sind, ist der Gasdurchgang 7 der Bereich um die Dielektrika 4, 4', 5.
Andererseits weist der Plasmareaktor 1d nach der vierten beispielhaften Ausführungsform Gasdurchgänge 71 auf, die eine Schichtstruktur aufweisen, die in 5 dargestellt ist. Die Gegenwart der Gasdurchgänge 71 mit Schichtstruktur im Plasmareaktor 1d nach der vierten beispielhaften Ausführungsform kann einen Druckverlust reduzieren.
Insbesondere sind die Dielektrika 5 in runder Form in der Struktur des Plasmareaktors 1d, die in 5 dargestellt ist, so angeordnet, dass jedes der Dielektrika 5 in Kontakt mit einer Oberfläche des entsprechenden Dielektrikums 4 in Plattenform steht und keine Dielektrika 5 in runder Form sind an der anderen Oberfläche der Dielektrika 4 angeordnet. Ferner sind die Dieleketrika 5 in runder Form so angeordnet, dass jedes der Dielektrika 5 mit einer ersten Innenoberfläche 301 des röhrenförmigen Bereichs 3 in Kontakt steht und keines der Dielektrika 5 ist an einer zweiten Innenoberfläche 302 des röhrenförmigen Bereichs 3 angeordnet. Wie in 5 dargestellt, ist der Gasdurchgang 71 an den Oberflächen der Dielektrika 4 in Plattenform und des röhrenförmigen Bereichs 3 ausgebildet, mit denen kein Dielektrikum 5 in Kontakt steht.
Fünfte beispielhafte Ausführungsform
Eine Beschreibung eines Plasmareaktors 1e als der Gasreformierungsvorrichtung nach der sechsten beispielhaften Ausführungsform wird mit Bezug auf 6 gegeben.
6 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Plasmareaktors 1e als der Gasreformierungsvorrichtung nach der sechsten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
Ähnlich zu der Struktur des Plasmareaktors 1c nach der dritten beispielhaften Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, weist der Plasmareaktor 1e nach der fünften beispielhaften Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, eine zylindrische Form auf.
Insbesondere ist in der Struktur des Plasmareaktors 1e nach der sechsten beispielhaften Ausführungsform eine Mehrzahl der Dielektrika 4' in Röhrenform in einem konzentrischen Muster mit vorbestimmten Abständen im Inneren des röhrenförmigen Bereichs 3' in Zylinderform angeordnet. Die Dielektrika 5 in runder Form sind so angeordnet, dass die Dielektrika 5 in Kontakt mit einer Innenoberfläche jedes röhrenförmigen Bereichs 3' und der Dielektrika 4' in Röhrenform stehen, die in 6 dargestellt sind. Insbesondere ist kein Dielektrikum 5 an der Oberfläche des Dielektrikums 4' im zentralen Bereich angeordnet, an dem die Elektrode 61' angeordnet ist.
Wie in 6 dargestellt ist der Gasdurchgang 71 an der Oberfläche des Dielektrikums 4' in Röhrenform angeordnet, mit dem kein Dielektrikum 5 in Kontakt steht.
15 ist eine Ansicht, die ein anderes Beispiel des Entladungsbereichs des Plasmareaktors 1d, 1e als der Gasreformierungsvorrichtung nach den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wenn die Stromquelle 62 (in 6 ausgelassen) den Elektroden 60, 61 (60', 61') des Plasmareaktors 1d und 1e nach den vierten und fünften beispielhaften Ausführungsformen, die in 5 und 6 dargestellt sind, eine AC-Spannung zuführt, wird die elektrische Entladung im Bereich der elektrischen Entladung Dw erzeugt, der sich von den Dielektrika 5 in runder Form zu den Dielektrika 4 in Plattenform oder runder Form erstreckt. Der Bereich der elektrischen Entladung Dw, der in 15 dargestellt ist, ist viel größer als der Bereich der elektrischen Entladung Dw, der in 14 dargestellt ist. In anderen Worten wird die Lichtemission im Bereich der elektrischen Entladung Dw erzeugt, was ungefähr der gesamte Bereich des Gasdurchgangs 7 in der Struktur der Plasmareaktoren 1d und 1e nach den vierten und fünften beispielhaften Ausführungsformen ist.
17 ist eine Ansicht, die ein zweites Vergleichsergebnis einer Effizienz der elektrischen Reinigung und einer NOx-Reinigungsrate zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik darstellt.
17 stellt die Ergebnisse von Experimenten dar, die bezüglich der Effizienz der elektrischen Reinigung und der NOx-Reinigungsrate zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik mehrmals durchgeführt wurden. Insbesondere verwendeten die Experimente zwei Arten von Materialien (als das erste dielektrische Material), das die Dielektrika 5 in runder Form bildet, eines ist Aluminiumoxid (Al₂O₃) und das andere ist Bariumtitanat (BaTiO₃). Ferner sind der röhrenförmige Bereich 3 und das Dielektrikum 4 in Plattenform oder Röhrenform aus Acryl hergestellt (als das zweite dielektrische Material). Wie anhand der experimentellen Ergebnisse, die in 17 dargestellt sind, verständlich, weisen die Plasmareaktoren 1d und 1e nach den vierten und fünften beispielhaften Ausführungsformen, die in 5 und 6 dargestellt sind, die ausgezeichnete Effizienz der elektrischen Reinigung und die ausgezeichnete NOx-Reinigungsrate im Vergleich mit dem Plasmareaktor nach dem Stand der Technik auf.
Die Bildung des Gasdurchganges 71, der eine Schichtstruktur aufweist, in dem Plasmareaktoren 1d und 1e ermöglicht es, den Druckverlust zu reduzieren und die ausgezeichnete Abgasreinigungsleistung zu erzielen.
Darüber hinaus kann anhand der experimentellen Ergebnisse, die in 17 dargestellt sind, verstanden werden, dass die Dielektrika 5 in runder Form eine ausgezeichnete Effizienz der elektrischen Reinigung und eine ausgezeichnete NOx-Reinigungsrate aufweisen, wenn die Dielektrika 5 in runder Form aus Bariumtitanat (BaTiO₃) hergestellt sind und nicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃). Dieser Unterschied wird durch eine Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials verursacht. Wie gut bekannt ist, weist Bariumtitanat (BaTiO₃) eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 1200 auf und andererseits weist Aluminiumoxid (Al₂O₃) eine Dielektrizitätskonstante ungefähr in einem Bereich von 6 bis 10 auf. Bariumtitanat (BaTiO₃) weist eine Dielektrizitätskonstante auf, die größer ist als die von Aluminiumoxid (Al₂O₃). Es ist gut bekannt, dass ein Spannungsabfall des Dielektrikums umso mehr abnimmt, je mehr eine Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums zunimmt.
In der Struktur jedes der Plasmareaktoren 1d, 1e nach den vierten und fünften beispielhaften Ausführungsformen, die in 5 und 6 dargestellt sind, steigt die Spannung, die an den Gasdurchgängen 71 anliegt, umso mehr an, je mehr die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 5 in runder Form zunimmt, wenn die Stromquelle 62 eine konstante AC-Spannung den Elektroden 60, 61 (60', 61') des Plasmareaktors zuführt. Ferner kann die elektrische Entladung in dem Gasdurchgang 71 umso einfacher erzeugt werden, je mehr Abgas durch die elektrische Entladung reformiert wird, die im Gasdurchgang 71 erzeugt wird, je mehr die Spannung ansteigt, die am Gasdurchgang 71 anliegt. Als ein Ergebnis wird die Effizienz der elektrischen Reinigung umso höher, d. h. wird verbessert, je mehr die Dielektrizitätskonstante der Dielektrika 5 in runder Form zunimmt.
Sechste beispielhafte Ausführungsform
Eine Beschreibung eines Plasmareaktors 1f als der Gasreformierungsvorrichtung nach der sechsten beispielhaften Ausführungsform wird mit Bezug auf 7 gegeben.
7 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Plasmareaktors 1f als der Gasreformierungsvorrichtung nach der sechsten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
Wie in 7 dargestellt weist der Plasmareaktor 1f kleine Fragmente der Dielektrika 5 auf, die eine Größe aufweisen, die kleiner ist, als die jedes der Plasmareaktoren 1a bis 1e nach den ersten bis fünften beispielhaften Ausführungsformen, die in 1 bis 6 dargestellt sind. Der Plasmareaktor 1f weist zum Beispiel kleine Fragmente der Dielektrika 5 auf, die einen Durchmesser von ungeführ 1 mm aufweisen. Auch wenn 7 die Dielektrika 5 in Dreieckform darstellt, ist es für die Dielektrika 5 akzeptabel, eine abweichende Form und eine untereinander verschiedene Größe aufzuweisen.
Es ist möglich die Dielektrika 5 durch Platzieren einer Paste kleiner Fragmente dielektrischen Materials auf die Oberfläche des röhrenförmigen Bereichs 3 und der Dielektrika 4 zu bilden. Es ist auch möglich, dass die Dielektrika 5 in runder Form und kleine Fragmente der Dielektrika 5 als Partikel der Dielektrika genannt werden.
Siebte beispielhafte Ausführungsform
Eine Beschreibung eines Plasmareaktors 1g als der Gasreformierungsvorrichtung nach der siebten beispielhaften Ausführungsform wird mit Bezug auf 8 gegeben.
8 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Plasmareaktors 1g als der Gasreformierungsvorrichtung nach der siebten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
Wie in 8 dargestellt weist der Plasmareaktor 1g eine zylindrische Form auf, wie die Struktur des Plasmareaktors 1c, die in 4 dargestellt ist. Der Plasmareaktor 1g weist kleine Fragmente der Dielektrika 5' auf, die eine Größe aufweisen, die kleiner ist als die jedes der Plasmareaktoren 1a bis 1e nach den ersten bis sechsten beispielhaften Ausführungsformen, die in 1 bis 6 dargestellt sind. Der Plasmareaktor 1g weist zum Beispiel kleine Fragmente der Dielektrika 5' auf, die einen Durchmesser von ungefähr 1 mm aufweisen. Auch wenn 8 die Dielektrika 5' in Dreieckform darstellt ist es für die Dielektrika 5' akzeptabel, eine abweichende Form und untereinander verschiedene Größen aufzuweisen.
Es ist möglich, die Dielektrika 5' durch plattieren einer Paste kleiner Fragmente dielektrischen Materials auf die Oberflächen des röhrenförmigen Bereichs 3' und der Dielektrika 4' zu bilden. Es ist auch möglich, dass die Dielektrika 5 in runder Form und kleine Fragmente der Dielektrika 5' als Partikel der Dielektrika genannt werden.
18 ist eine Ansicht, die ein drittes Vergleichsergebnis der Effizienz der elektrischen Reinigung und der NOx-Reinigungsrate zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik darstellt. Die experimentellen Ergebnisse, die in 18 dargestellt sind, zeigen, dass die kleinen Fragmente mit einer Größe von 1 mm, die durch Pulverisieren der Dielektrika 5 in runder Form erhalten werden, es ermöglichen, die Effizienz der elektrischen Reinigung und die NOx-Reinigungsrate des Plasmareaktors 1g zu steigern, d. h. zu verbessern. Wenn jedes der kleinen Fragmente der Dielektrika 5 einen vorspringenden Teil aufweist wurde ermittelt, dass die elektrische Entladung zu der Oberfläche erzeugt wird, die dem vorspringenden Teil jedes der kleinen Fragmente der Dielektrika 5 gegenübersteht. Das Verwenden der kleinen Fragmente der Dielektrika 5 erzeugt eine Vielzahl vorspringender Teile und verbessert die Effizienz der elektrischen Reinigung und die NOx-Reinigungsrate.
Achte beispielhafte Ausführungsform
Eine Beschreibung eines Plasmareaktors 1h als der Gasreformierungsvorrichtung nach der achten beispielhaften Ausführungsform wird mit Bezug auf 9 gegeben.
9 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Plasmareaktors 1h als der Gasreformierungsvorrichtung nach der achten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
Wie in 9 dargestellt, wird der Plasmareaktor 1h von der Stromquelle 62, einem Paar der Elektroden 60, die elektrisch mit der Stromquelle 62 verbunden sind, einem Paar der Elektroden 61, die geerdet sind, in röhrenförmigen Bereichen 3, den Dielektrika 4 in Plattenform, den kleinen Fragmenten der Dielektrika 5' (oder die Dielektrika 5 in runder Form sind auch akzeptabel) und den Gasdurchgängen 71 gebildet. Insbesondere, wie im Querschnitt von 9 dargestellt, sind die Elektrode 60, die röhrenförmigen Bereiche 3, die Dielektrika 5' der Gasdurchgang 71, die Dielektrika 4, die Dielektrika 5', die Gasdurchgänge 71, die röhrenförmigen Bereiche 3, die Elektrode 61, die röhrenförmigen Bereiche 3, die Gasdurchgänge 71, die Dielektrika 5', die Dielektrika 4, die Gasdurchgänge 71, die Dielektrika 5', die röhrenförmigen Bereiche 3, die Elektrode 60, die röhrenförmigen Bereiche 3, die Dielektrika 5', die Gasdurchgänge 71, die Dielektrika 4, die Dielektrika 5', die Gasdurchgänge 71, die röhrenförmigen Bereiche 3 und die Elektrode 61 in Reihenfolge von der Oberseite zu der Unterseite in 9 ausgebildet. Ferner ist es für die Kammer des Durchführens der elektrischen Entladung im Gasdurchgang 71 möglich, die gleiche Struktur aufzuweisen, die in den ersten bis achten zuvor beschriebenen Ausführungsformen offenbart ist.
Neunte beispielhafte Ausführungsform
Eine Beschreibung eines Plasmareaktors 1i als der Gasreformierungsvorrichtung nach der neunten beispielhaften Ausführungsform wird mit Bezug auf 10 gegeben.
10 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Plasmareaktors 1i als der Gasreformierungsvorrichtung nach einer neunten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
Wie in 10 dargestellt weist der Plasmareaktor 1h eine zylindrische Form auf und wird von der Stromquelle 62 einem Paar der Elektroden 60', die elektrisch mit der Stromquelle 62 verbunden sind, der Elektroden 61', die geerdet ist, den röhrenförmigen Bereichen 3' in Zylinderform, den Dielektrika 4' in Zylinderform, den kleinen Fragmenten der Dielektrika 5' (oder die Dielektrika 5 in runder Form sind auch akzeptabel) und den Gasdurchgängen 71 gebildet. Insbesondere, wie in dem Querschnitt von 10 dargestellt, sind die Elektrode 60' in Zylinderform, die röhrenförmigen Bereiche 3' in Zylinderform, die Dielektrika 5' in Zylinderform, der Gasdurchgang 71, die Dielektrika 4' in Zylinderform, die Dielektrika 5' in Zylinderform, die Gasdurchgänge 71, die Dielektrika 4' in Zylinderform, die Elektrode 60' in Zylinderform, die Dielektrika 4' in Zylinderform, die Dielektrika 5' in Zylinderform, die Gasdurchgänge 71, die Dielektrika 4' in Zylinderform, die Dielektrika 5' in Zylinderform, die Gasdurchgänge 71, die Dielektrika 4' in Zylinderform, die Elektrode 61 konzentrisch in Reihenfolge von der Außenoberfläche zu der zentralen Seite des Plasmareaktors 1i ausgebildet. Es ist auch möglich, dass die Dielektrika 5' eine runde Form aufweisen. Ferner ist es für die Kammer des Durchführens der elektrischen Entladung im Gasdurchgang 71 möglich, die gleiche Struktur aufzuweisen, die in den ersten bis achten zuvor beschriebenen Ausführungsformen offenbart ist.
Wie zuvor beschrieben, ermöglicht es das Verwenden einer Mehrzahl von Kammern zum Durchführen der elektrischen Entladung, den Abstand zwischen einem Paar der Elektroden zu verringern, wenn die Gesamtgröße des Plasmareaktors nicht verändert wird. Dementsprechend ist es möglich, das elektrische Feld, das zwischen einem Paar der Elektroden gebildet wird zu steigern, wenn die zugeführte Spannung nicht verändert wird. Je mehr das elektrische Feld gesteigert wird, umso einfacher kann die elektrische Entladung erzeugt werden. In anderen Worten ist es möglich, die elektrische Entladung einfach durch eine geringe Spannung zu erzeugen und das Verwenden einer Mehrzahl der Kammern ermöglicht es, Abgas mit einer niedrigen elektrischen Leistung zu reformieren.
Als Nächstes wird eine Beschreibung der Struktur zum Trägern eines Katalysators gegeben, um die Effizienz der elektrischen Reinigung des Abgases d. h. die Abgasreinigungsleistung weiter zu verbessern.
11 ist eine Ansicht, die ein Beispiel des Trägerns eines Katalysators auf Oberflächen der Dielektrika 4 und des röhrenförmigen Bereichs 3 in dem Plasmareaktor als der Gasreformierungsvorrichtung nach den beispielhaften Ausführungsformen darstellt. Wie in 11 dargestellt ist es möglich, den Katalysator 8 auf den Oberflächen der Dielektrika 4, 5 (4', 5') und des röhrenförmigen Bereichs 3 (3') des Plasmareaktors zu Trägern. Ferner ist es ausreichend, den Katalysator 8 auf den Oberflächen mindestens eines einer Gruppe zu Trägern, die von dem röhrenförmigen Bereich 3 (3') und den Dielektrika 4 (4') und einer Gruppe der Dielektrika 5 (5') gebildet wird. Ferner ist es möglich, verschiedene Arten von Katalysatoren zu verwenden, solange sie in verfügbaren Reinigungssystemen zu verwenden sind. Zum Beispiel ermöglicht es das Verwenden von Platin als den Katalysator 8, eine Menge von Wasserstoff zu steigern, die durch den Plasmareaktor nach der vorliegenden Erfindung erzeugt wird. Dies kann die Leistung der Reduktion von NOx verbessern, das in dem Abgas enthalten ist, das von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird.
Als nächstes wird nun eine Beschreibung eines strukturellen Beispiels eines Abgasreinigungssystems, das mit dem Plasmareaktor nach dem ersten bis neunten zuvor beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen versehen ist, mit Bezug auf 12 gegeben.
12 ist eine Ansicht, die ein strukturelles Beispiel des Abgasreinigungssystems darstellt, das mit dem Plasmareaktor als der Gasreformierungsvorrichtung nach jeder der ersten bis neunten beispielhaften Ausführungsformen versehen ist. Wie in 12 dargestellt, ist einer der Plasmareaktoren 1a bis 1i nach den ersten bis neunten beispielhaften Ausführungsformen an dem Abgasreinigungssystem montiert.
In der Struktur des Abgasreinigungssystems, das in 12 dargestellt ist, ist eine LNT(mager NOx-Falle)Vorrichtung 10a (oder eine SCR(selektive katalytische Reduktions-)Vorrichtung 10b oder eine DPF(Dieselpartikelfilter)Vorrichtung 10c) an einer stromabwärtigen Seite des Plasmareaktors 1a (oder eines von 1b bis 1i) in der Abgasleitung 2 angeordnet. Ein Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) z. B. ein Dieselmotor, ein Magerverbrennungsmotor, etc. ist an einer stromaufwärtigen Seite des Plasmareaktors 1a angeordnet. Es ist auch akzeptabel, in der Reihenfolge Plasmareaktor 1a, DPF-Vorrichtung 10c, LNT 10a (oder SCR 10b) in der Abgasleitung 2 anzuordnen.
Wie gemeinhin bekannt, ist die LNT-Vorrichtung 10a eines von Abgasreinigungssystemen, die in der Lage sind, Abgas zu reinigen, d. h. NOx zu reduzieren, das im Abgas enthalten ist, das durch die Abgasleitung 2 strömt, das von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird. In der LNT-Vorrichtung 10a sind ein Katalysator und ein Adsorptionsmittel auf einem Basismaterial geträgert, unter einer reichen Atmosphäre adsorbiert das Adsorptionsmittel das NOx, das im Abgas enthalten ist und der Katalysator reduziert das NOx zu NO. Das gereinigte Abgas wird aus der LNT-Vorrichtung 10a in die stromabwärtige Seite der Abgasleitung 2 ausgestoßen.
Die SCR-Vorrichtung 10b ist eine Nachbehandlungsvorrichtung, um das Abgas zu reinigen, d. h. die Reduktion von NOx durchzuführen, das im Abgas enthalten ist. Der Struktur der SCR-Vorrichtung 10b ist der Metallkatalysator auf einem Basismaterial geträgert. Zum Beispiel Ammoniak wird als Harnstoff-SCR-Katalysator verwendet, um NOx zu reduzieren, das im Abgas enthalten ist. Insbesondere wird, wenn ein Harnstoff-Zufuhrventil dem Abgas an einer stromaufwärtigen Seite der Abgasleitung 2 Harnstoff zusetzt, der Harnstoff hydrolysiert, um Ammoniak zu erzeugen. Der SCR-Katalysator als ein Adsorptionsmittel adsorbiert das erzeugte Ammoniak und speichert es darin. Das absorbierte Ammoniak reduziert NOx das im Abgas enthalten ist, so dass Stickstoffgas und Wasser erzeugt werden. Eine Kohlenwasserstoff-SCR-Katalysatorvorrichtung verwendet zum Beispiel Kohlenwasserstoff als ein Reduktionsmittel um NOx zu reduzieren, das im Abgas enthalten ist. Das heißt, wenn ein Kohlenwasserstoffzufuhrventil Kohlenwasserstoff an einer stromaufwärtigen Seite der Abgasleitung 2 dem Abgas hinzufügt, reduziert der Kohlenwasserstoff NOx, das im Abgas enthalten ist, zu Stickstoff. Dies reinigt das Abgas.
Der DPF 10c fängt partikuläres Material (PM) auf, das im Abgas enthalten ist, um PM aus dem Abgas zu eliminieren. Dies reinigt das Abgas. Wenn ein Verbrennungsmotor betrieben wird, fängt der DPF 10c das PM ein, das im Abgas enthalten ist, das vom Verbrennungsmotor ausgestoßen wird. Wenn eine Menge von PM, die durch den DPF 10c aufgefangen wurde, eine vorbestimmte Menge überschreitet, wird ein DPF durch Freibrennen des DPF 10c, um die PM zu eliminieren, die sich im Inneren des DPF 10c angesammelt hat, regeneriert.
Wenn der Plasmareaktor 1a (und 1b bis 1i) nach dem zuvor beschriebenen ersten bis neunten beispielhaften Ausführungsformen und eine oder mehrere von der LNT-Vorrichtung 10a, der SCR-Katalysatorvorrichtung 10b und dem DPF 10c zusammen in der Abgasleitung 2 angeordnet sind, ist es möglich, eine Kettenreaktion der folgenden Reaktionen durchzuführen, um Abgas zu reformieren und zu reinigen.
Plasma wird im Plasmareaktor erzeugt und das Plasma erzeugt Sauerstoffradikale (siehe folgende Reaktionsformel E1), OH-Radikale (siehe folgende Reaktionsformel E2) aus Sauerstoffmolekülen (O₂) und Wassermolekülen (H₂O), die im Abgas enthalten sind. Ferner wird das erzeugte Sauerstoffradikal mit Sauerstoffmolekülen kombiniert, so dass Ozon erzeugt wird (O₃ siehe folgende Reaktionsformel E3). O₂ → O + O (E1), H₂O → H + OH (E2), und O₂ + O → O₃ (E3).
Eine Reaktion von Sauerstoffradikalen (O) und Stickstoffmonoxid (NO), die im Abgas enthalten sind, erzeugt Stickstoffdioxid (NO₂) (siehe folgende Reaktionsformel E4). Dieser Reduktionsprozess vermindert eine Menge von Stickstoffmonoxid (NO), die im Abgas enthalten ist, auch wenn es im Allgemeinen schwierig ist, die Menge von Stickstoffmonoxid (NO) zu vermindern.
Eine Reaktion von Sauerstoffradikalen (O) und Kohlenwasserstoff (HC) erzeugt Aldehyde (R-CHO) (siehe folgende Reaktionsformel E5) wobei R eines von CH₃, C₂H₅, C₃H₇, etc. und HC CmHn (m, n = 1, 2, ...) ist. NO + O → NO₂ (E4), und HC + O → R – CHO (E5)
Die erzeugten Sauerstoffradikale, OH-Radikale, Ozon und Stickstoffdioxid wirken als Oxidationsmittel im DPF 10c. Zum Beispiel stellt die folgende E6 eine Oxidationsreaktion durch Stickstoffdioxid (NO₂) dar. Dies ermöglicht es, PM (im Wesentlichen Kohlenstoff enthaltend) mit Effizienz zu oxidieren und zu eliminieren, sogar wenn eine Temperatur des Abgases gering ist. 2NO₂ + C → 2NO + CO₂ (E6)
Das erzeugte Aldehyd (R-CHO) wirkt als ein Reduktionsmittel in der LNT-Vorrichtung 10a und der SCR-Katalyastorvorrichtung 10b, wie in der folgenden Reaktionsformel E7 dargestellt. Wenn die SCR-Katalysatorvorrichtung 10b einen Kohlenwasserstoffkatalysator verwendet reduziert Kohlenwasserstoff als ein Reduktionsmittel NOx, das im Abgas enthalten ist (siehe folgende Reaktionsmittel E8). Der Plasmareaktor 1a (1b bis 1i) nach den ersten bis neunten beispielhaften Ausführungsformen aktiviert solchen Kohlenwasserstoff, um seine Reduktionskapazität zu steigern. R – CHO + NO₂ + H₂ → N₂ + H₂O + NH₃ (E7), und HC + NO₂ → N₂ + CO₂ + H₂O (E8)
Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen chemischen Reaktionen (Reduktion) aktiviert der Plasmareaktor Harnstoff oder Ammoniak als Reduktionsmittel wenn Harnstoff an einer strmoaufwärtigen Seite des Plasmareaktors in das Abgas hinzugefügt wird. Dies ermöglicht es, die Reduktionsfunktion der Harnstoff-SCR-Katalysatorvorrichtung zu verbessern.
Ferner erzeugt eine chemische Reaktion in dem Plasmareaktor auch Wasserstoffgas, was als ein Reduktionsmittel wirkt. Das erzeugte Wasserstoffgas kann eine NOx-Reduktionsreaktion in der LNT-Vorrichtung 10a und der SCR-Katalysatorvorrichtung 10b durchführen.
Zum Nutzen erzeugt der Plasmareaktor nach den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Effekt des Ausdehnens des zuvor beschriebenen Bereichs der elektrischen Entladung. Als ein Ergebnis können verschiedene chemische Reaktionen stärker aktiviert werden und dies verbessert die Effizienz der elektrischen Reinigung und die Abgasreinigungsrate. Ferner führt der Plasmareaktor nach den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die chemischen Reaktionen unter Verwendung einer elektrischen Entladung bei einer niedrigen Temperatur durch, was keine hohe Temperatur des Abgases erfordert. Es ist daher dem Abgasreinigungssystem, das mit dem Plasmareaktor nach der vorliegenden Erfindung versehen ist, möglich, ohne Schwierigkeiten verschiedene chemische Reaktionen durchzuführen, sogar wenn das Abgas eine niedrige Temperatur aufweist.
Das Konzept der vorliegenden Erfindung ist nicht durch die zuvor beschriebenen ersten bis neunten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt. Die ersten bis neunten beispielhaften Ausführungsformen offenbaren die Struktur, in welcher der röhrenförmige Bereich und die Dielektrika 4, 4' (die aus dem ersten dielektrischen Material hergestellt sind) und die Dielektrika 5, 5' (die aus dem zweiten dielektrischen Material hergestellt sind) eine Schichtstruktur aufweisen. Es ist auch akzeptabel, dass ein erster Dielektrikbereich und ein zweiter Dielektrikbereich nebeneinander mindestens zwei Bereiche im Plasmareaktor in einem Querschnitt des Plasmareaktors entlang einer Richtung parallel zu einer Richtung von einer Elektrode zu der anderen Elektrode einnehmen, wobei der erste Dielektrikbereich aus dem ersten dielektrischen Material hergestellt ist und der zweite Dielektrikbereich aus dem zweiten dielektrischen Material hergestellt ist, das eine erhebliche niedrigere dielektrische Konstante aufweist als das erste dielektrische Material.
Während bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, wird von Fachleuten erkannt werden, dass verschiedene Veränderungen und Alternativen dieser Details im Licht der gesamten Lehren der Offenbarung entwickelt werden könnten. Dementsprechend sind die speziellen offenbarten Anordnungen als nur verbildlichend und nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung beschränkend gedacht, dem die volle Breite der folgenden Ansprüche und aller Äquivalente davon beizumessen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3838611 [0005, 0007]
JP 3838311 [0006]

Claims

Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) aufweisend: einen Einlassöffnungsbereich (30), durch den Abgas ins Innere der Abgasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) eingebracht wird; einen Auslassöffnungsbereich (31), durch den das Abgas aus der Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) ausgestoßen wird; mindestens ein Paar von Elektroden, das eine erste Elektrode (60, 60') und eine zweite Elektrode (61, 61') umfasst, die zwischen dem Einlassöffnungsbereich (30) und dem Auslassöffnungsbereich (31) in einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind; erste Dielektrika (5, 5'), die aus einem ersten dielektrischen Material hergestellt sind, die zwischen der ersten Elektrode (60, 60') und der zweiten Elektrode (61, 61') in einem Querschnitt parallel zu einer Richtung von der ersten Elektrode (60, 60') zu der zweiten Elektrode (61, 61') angeordnet sind; zweite Dielektrika (3, 3', 4, 4'), die aus einem zweiten dielektrischen Material hergestellt sind, die so angeordnet sind, dass die ersten Dielektrika (5, 5') und die zweiten Dielektrika (3, 3', 4, 4') abwechselnd zueinander angeordnet sind und jedes von den ersten Dielektrika (5, 5') und den zweiten Dielektrika (3, 3', 4, 4') mindestens zwei Bereiche einnimmt, wobei das erste dielektrische Material eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweist als das zweite dielektrische Material; und einen Gasdurchgang (7, 71), der ein Bereich ist, der die ersten Dielektrika (5, 5') und die zweiten Dielektrika (3, 3', 4, 4') zwischen der ersten Elektrode (60, 60') und der zweiten Elektrode (61, 61') ausnimmt und durch den das Abgas passiert.
Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) nach Anspruch 1, wobei die ersten Dielektrika (5, 5') und die zweiten Dielektrika (3, 3', 4, 4') eine Schichtstruktur in dem Querschnitt parallel zu einer Richtung von der ersten Elektrode (60, 60') zu der zweiten Elektrode (61, 61') aufweisen.
Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gasdurchgang (7) eine Schichtstruktur in dem Querschnitt parallel zu einer Richtung von der ersten Elektrode (60, 60') zu der zweiten Elektrode (61, 61') aufweist.
Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes der ersten Dielektrika (5, 5') eine runde Form aufweist und jedes der zweiten Dielektrika (3, 3', 4, 4') eine Plattenform oder eine Röhrenform aufweist.
Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste dielektrische Material, das die ersten Dielektrika (5, 5') bildet, eine Dielektrizitätskonstante von nicht weniger als 50 aufweist und das zweite dielektrische Material, das die zweiten Dielektrika (3, 3', 4, 4') bildet, eine Dielektrizitätskonstante von weniger als 50 aufweist.
Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) nach Anspruch 5, wobei das erste dielektrische Material, das die ersten Dielektrika (5, 5') bildet, Bariumtitanat ist.
Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das zweite dielektrische Material, das die zweiten Dielektrika (3, 3', 4, 4') bildet, Aluminiumoxid ist.
Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste Elektrode (60, 60') und die zweite Elektrode (61, 61') mindestens zwei Paaren der ersten Elektrode (60, 60') und der zweiten Elektrode (61, 61') aufweisen und die ersten Dielektrika (5, 5') und die zweiten Dielektrika (3, 3', 4, 4') und der Gasdurchgang (7, 71) zwischen jedem Paar der ersten Elektrode (60, 60') und der zweiten Elektrode (61, 61') angeordnet sind.
Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Katalysator mindestens auf den ersten Dielektrika (5, 5') und den zweiten Dielektrika (3, 3', 4, 4') geträgert ist.
Abgasreinigungssystem aufweisend: die Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i), wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 beansprucht, die in einer Abgasleitung (2) angeordnet ist; und eine NOx-Katalysatorvorrichtung (10a, 10b), die einen NOx-Katalysator aufweist, die an einer stromabwärtigen Seite der Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) in der Abgasleitung (2) angeordnet ist, wobei die Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) das Abgas reformiert, so dass ein Reduktionsmittel erzeugt wird und das Abgas, welches das Reduktionsmittel enthält, der NOx-Katalysatorvorrichtung (10a, 10b) zugeführt wird und die NOx-Katalysatorvorrichtung (10a, 10b) das Abgas durch Verwenden des Reduktionsmittels reinigt.
Abgasreinigungssystem aufweisend: die Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i), wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 beansprucht, die in einer Abgasleitung (2) angeordnet ist; und einen Dieselpartikelfilter (10c), der an einer stromabwärtigen Seite der Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) und in der Abgasleitung (2) angeordnet ist, wobei die Gasreformierungsvorrichtung (1a bis 1i) das Abgas reformiert, so dass ein Oxidationsmittel erzeugt wird und das Abgas, welches das Oxidationsmittel enthält, dem Dieselpartikelfilter (10c) zugeführt wird und der Dieselpartikelfilter (10c) das Abgas durch Verwenden des Oxidationsmittels reinigt.