JP2002527666A - 内燃機関の排気ガス中の気体および／または固体の汚染物質のプラズマ化学的削減のための方法および装置 - Google Patents
内燃機関の排気ガス中の気体および／または固体の汚染物質のプラズマ化学的削減のための方法および装置Info
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Abstract
(57)【要約】
誘電体バリア放電を用いることによる内燃機関の排気ガス中の気体および／または固体の汚染物質のプラズマ化学的削減のための方法が提案され、誘電体バリア放電は内燃機関の燃焼空間（４）内で行なわれる。
Description
【０００１】
この発明は、誘電体バリア放電を用いることによる内燃機関の排気ガス中の気
体および／または固体の汚染物質のプラズマ化学的削減と、この目的のために意
図された装置とに関する。
体および／または固体の汚染物質のプラズマ化学的削減と、この目的のために意
図された装置とに関する。
【０００２】
特に自動車の内燃機関の動作の間の汚染物質の排出に対する規制の基準の強化
の範囲において、従来の方法、特に触媒法の改良に加えて、新たな技術も提案さ
れてきた。
の範囲において、従来の方法、特に触媒法の改良に加えて、新たな技術も提案さ
れてきた。
【０００３】 プラズマ中の誘電体バリア放電（以後ＤＢＤと省略する）は、その物理的原則
はかなり前から既知であるが、この点において非常に有望である。プラズマは、
２つの電極間に交流電圧またはパルス化電圧を印加することにより生成される。
しかしながら、誘電体が電極の間に配置されれば、定常状態の放電を形成するこ
とは不可能であり、短時間の後に再び消滅してしまう放電、いわゆる無音過渡放
電しか形成することができない。
はかなり前から既知であるが、この点において非常に有望である。プラズマは、
２つの電極間に交流電圧またはパルス化電圧を印加することにより生成される。
しかしながら、誘電体が電極の間に配置されれば、定常状態の放電を形成するこ
とは不可能であり、短時間の後に再び消滅してしまう放電、いわゆる無音過渡放
電しか形成することができない。
【０００４】 １９９２年９月１３−１５日のニューメキシコ州アルバカーキでの「環境に関
するニューメキシコ会議“New Mexico Conference on the Environment”」のル
イス・Ａ・ロソチャ（Louis A. Rosocha）らの「地下水および空気から有毒化合
物を取除くための新技術“Innovative Technologies for Removing Toxic Compo
unds from Groundwater and Air”」から、空気または質量比８０：２０のアル
ゴン／酸素混合物から炭化水素が除去され得ることは公知である。トリクロロエ
テン、トリクロロエタン、ＣＣｌ3ＣＦ3、ＣＣｌ4および脂肪族炭化水素の濃度
の減少が例として記載されている。アルゴン／酸素混合物（アルゴン／酸素の質
量比＝８０：２０）中の飽和水含有量では、（数十Ｊ／ｌに対応する）流量１０
ｌ／ｍで数ワットの電力しか用いなくても、たとえば、トリクロロエテンを６５
０ｐｐｍから１ｐｐｍよりも低い値に除去し、１ｋＪ／ｌの電力を用いると１ｐ
ｐｂよりも下に除去することが可能であった。数十ｋＷｈ／ｋｇの電力入力を用
いると、パーセントレンジの初期濃度のトリクロロエタンはｐｐｍレンジに減じ
ることができ、１０００ｐｐｍから３０００ｐｐｍの初期濃度の脂肪族炭化水素
および２００ｐｐｍの初期濃度のＣＣｌ3ＣＦ3は、８０％から９０％を減じるこ
とができた。
するニューメキシコ会議“New Mexico Conference on the Environment”」のル
イス・Ａ・ロソチャ（Louis A. Rosocha）らの「地下水および空気から有毒化合
物を取除くための新技術“Innovative Technologies for Removing Toxic Compo
unds from Groundwater and Air”」から、空気または質量比８０：２０のアル
ゴン／酸素混合物から炭化水素が除去され得ることは公知である。トリクロロエ
テン、トリクロロエタン、ＣＣｌ3ＣＦ3、ＣＣｌ4および脂肪族炭化水素の濃度
の減少が例として記載されている。アルゴン／酸素混合物（アルゴン／酸素の質
量比＝８０：２０）中の飽和水含有量では、（数十Ｊ／ｌに対応する）流量１０
ｌ／ｍで数ワットの電力しか用いなくても、たとえば、トリクロロエテンを６５
０ｐｐｍから１ｐｐｍよりも低い値に除去し、１ｋＪ／ｌの電力を用いると１ｐ
ｐｂよりも下に除去することが可能であった。数十ｋＷｈ／ｋｇの電力入力を用
いると、パーセントレンジの初期濃度のトリクロロエタンはｐｐｍレンジに減じ
ることができ、１０００ｐｐｍから３０００ｐｐｍの初期濃度の脂肪族炭化水素
および２００ｐｐｍの初期濃度のＣＣｌ3ＣＦ3は、８０％から９０％を減じるこ
とができた。
【０００５】 １９９２年５月１日のJ. Appl. Phys. 69 (9)のＳ．Ｋ．ダリ（S.K.Dhali）お
よびＩ．サルジャ（I. Sardja）の「ＳＯ2、ＮＯxの処理のための誘電体バリア
放電“Dielectric-barrier Discharge for Processing of SO2, NOx”」は、従
来の無機汚染物質、特に窒素酸化物および二酸化硫黄の処理の研究を記載してい
る。この論文によれば、一酸化窒素を完全に酸化することができかつ、用いられ
る条件に依存して、二酸化硫黄を４０％から７０％除去することができた。
よびＩ．サルジャ（I. Sardja）の「ＳＯ2、ＮＯxの処理のための誘電体バリア
放電“Dielectric-barrier Discharge for Processing of SO2, NOx”」は、従
来の無機汚染物質、特に窒素酸化物および二酸化硫黄の処理の研究を記載してい
る。この論文によれば、一酸化窒素を完全に酸化することができかつ、用いられ
る条件に依存して、二酸化硫黄を４０％から７０％除去することができた。
【０００６】 気体汚染物質という用語は、本明細書中では、不所望の物質、特に排気ガス基
準において規定されるもの、すなわち主に炭化水素、窒素酸化物および二酸化硫
黄を意味すると意図される。固体汚染物質の例は、特にディーゼルエンジンから
の排出においては、煤である。
準において規定されるもの、すなわち主に炭化水素、窒素酸化物および二酸化硫
黄を意味すると意図される。固体汚染物質の例は、特にディーゼルエンジンから
の排出においては、煤である。
【０００７】 ＤＥ−Ａ−４２ ３１ ５８１には、汚染物質がそこに送られる、ＤＢＤ電極
配置を用いる、汚染物質のプラズマ化学分解および／または除去のための装置お
よび方法が説明され、プラズマ化学反応のすべての動作パラメータ、たとえば温
度、不純物の性質および質量流量、電力ならびに誘電体の誘電率を、汚染物質の
所望の分解が最大化されるように制御することが意図される。しかしながら、前
記参考文献は、ＤＢＤによる排気ガスの後処理にしか関していない。
配置を用いる、汚染物質のプラズマ化学分解および／または除去のための装置お
よび方法が説明され、プラズマ化学反応のすべての動作パラメータ、たとえば温
度、不純物の性質および質量流量、電力ならびに誘電体の誘電率を、汚染物質の
所望の分解が最大化されるように制御することが意図される。しかしながら、前
記参考文献は、ＤＢＤによる排気ガスの後処理にしか関していない。
【０００８】
これに関連して、この発明の目的は、汚染物質は排気ガスの後処理によってだ
けでなく、第一に汚染物質の形成を防ぐことによって削減されるという意図で、
ＤＢＤによる汚染物質のさらなる削減を確実にすることである。また、内燃機関
の中の燃焼プロセスの均衡化および燃料消費の削減を確実にする方法および装置
を提供することも目的である。
けでなく、第一に汚染物質の形成を防ぐことによって削減されるという意図で、
ＤＢＤによる汚染物質のさらなる削減を確実にすることである。また、内燃機関
の中の燃焼プロセスの均衡化および燃料消費の削減を確実にする方法および装置
を提供することも目的である。
【０００９】 この発明は、誘電体バリア放電を用いることによる内燃機関の排気ガス中の気
体および／または固体の汚染物質のプラズマ化学的削減のための方法に基づいて
いる。
体および／または固体の汚染物質のプラズマ化学的削減のための方法に基づいて
いる。
【００１０】 この発明による方法に従う解決法は、誘電体バリア放電が内燃機関の燃焼空間
の中で実行されることを特徴とする。
の中で実行されることを特徴とする。
【００１１】 ＤＢＤは内燃機関の燃焼空間のまさにその中で経済的に行われ得ることがわか
っている。
っている。
【００１２】 その間に気体を有する電極に強い電界が与えられると自由電子が加速され、し
きい値電界強度を超えると、それらは重粒子（原子、分子）を励起しかつ電離す
ることができる。一次電子は、自然放射能および宇宙放射による、気体の自然バ
ックグラウンド電子密度から生じる。
きい値電界強度を超えると、それらは重粒子（原子、分子）を励起しかつ電離す
ることができる。一次電子は、自然放射能および宇宙放射による、気体の自然バ
ックグラウンド電子密度から生じる。
【００１３】 解放された電子は次に加速され、気体絶縁破壊（レザー絶縁破壊）（Raether
breakdown）とともに、電子密度のアバランシェ型増加が発生する。続いて起こ
る重なり合うアバランシェにより高導電性放電チャネル（ストリーマ）ができ、
これはスパークまたはアークの形成につながる。放電がこのように形成されると
、金属電極が存在すれば、気体は電流の流れが続くに従って強く加熱され、局所
的な熱平衡の中にプラズマが発生する。
breakdown）とともに、電子密度のアバランシェ型増加が発生する。続いて起こ
る重なり合うアバランシェにより高導電性放電チャネル（ストリーマ）ができ、
これはスパークまたはアークの形成につながる。放電がこのように形成されると
、金属電極が存在すれば、気体は電流の流れが続くに従って強く加熱され、局所
的な熱平衡の中にプラズマが発生する。
【００１４】 少なくとも１つの誘電体バリア（dielectric-barrier discharge、すなわちＤ
ＢＤ）が気体空間に存在すれば、誘電体の表面上の電荷の局所的な蓄積により、
内部電界は、放電が続くに従い、放電が再び消滅するような程度にまで減じられ
、すなわちそれは高温のスパークおよびアークを伴う熱緩和プラズマに変化しな
い。パルス化電圧を印加することにより、汚染ガスへのエネルギ入力は、電圧振
幅、周波数、圧力などにより外部から統制できる。
ＢＤ）が気体空間に存在すれば、誘電体の表面上の電荷の局所的な蓄積により、
内部電界は、放電が続くに従い、放電が再び消滅するような程度にまで減じられ
、すなわちそれは高温のスパークおよびアークを伴う熱緩和プラズマに変化しな
い。パルス化電圧を印加することにより、汚染ガスへのエネルギ入力は、電圧振
幅、周波数、圧力などにより外部から統制できる。
【００１５】 誘電体バリア放電または無音放電はしたがって、標準圧力においてすら動作さ
れ得る過渡グロー放電である。この場合、電極は好適な誘電体によって充填ガス
から分離され、多数の異なる反応チャンバ構造（プレート、管、同軸方向のおよ
びマルチチャンバの構造）が容易に実現されて、取付位置という点においてより
大きな柔軟性を許す。
れ得る過渡グロー放電である。この場合、電極は好適な誘電体によって充填ガス
から分離され、多数の異なる反応チャンバ構造（プレート、管、同軸方向のおよ
びマルチチャンバの構造）が容易に実現されて、取付位置という点においてより
大きな柔軟性を許す。
【００１６】 排気ガス中の汚染物質を減じるための使用には、ＤＢＤが自己終了することが
重要である、すなわち排気ガスプラズマへのエネルギ入力は有効電流パルスの期
間（＜１μｓ）の間に発生する。
重要である、すなわち排気ガスプラズマへのエネルギ入力は有効電流パルスの期
間（＜１μｓ）の間に発生する。
【００１７】 この場合、１０，０００Ｋから１００，０００Ｋの範囲の高い電子温度に達す
るものの、たとえば圧力、リアクタの構造、電圧および周波数に依存して、重粒
子温度は、低いイオン移動度および短いパルス時間のために実質的により低い値
に達する。
るものの、たとえば圧力、リアクタの構造、電圧および周波数に依存して、重粒
子温度は、低いイオン移動度および短いパルス時間のために実質的により低い値
に達する。
【００１８】 故に熱の非平衡が存在し、これは排気ガス中の汚染物質の処理に非常に重要で
ある。なぜなら（好適な冷却により）室温よりもごく僅かに上での処理が可能な
ためである。
ある。なぜなら（好適な冷却により）室温よりもごく僅かに上での処理が可能な
ためである。
【００１９】 したがって、汚染物質は熱的にではなく主に電子（平均の電子エネルギは１か
ら１０ｅＶ）との衝突によって分離される。この方法の有効性は、この場合にも
たらされ得る高い電子密度（１０18ｃｍ-3）に拠る。さらに、放電の間に放出さ
れる（真空ＵＶおよびＵＶ範囲の）高エネルギ光子は、副次的なプロセスによる
分離または励起にさらに寄与する。
ら１０ｅＶ）との衝突によって分離される。この方法の有効性は、この場合にも
たらされ得る高い電子密度（１０18ｃｍ-3）に拠る。さらに、放電の間に放出さ
れる（真空ＵＶおよびＵＶ範囲の）高エネルギ光子は、副次的なプロセスによる
分離または励起にさらに寄与する。
【００２０】 高電圧の印加により、気体の流れの中の汚染粒子が電離され、次に解放された
電子が電離または励起に寄与する。これは、励起された粒子のそれらの基底状態
への遷移による光子の放出と関連して、電子密度のアバランシェ型増加と気体の
絶縁破壊につながる。したがって、（第１に）電子と（第２に）光子の両者がＤ
ＢＤを用いた排気ガス処理に寄与する。この文脈では、光子の場合よりも、電子
との衝突の間により高いエネルギが原則的に転送され得ることおよび超励起中性
粒子または荷電粒子などの新種が発生され得ることに留意しなければならない。
電子が電離または励起に寄与する。これは、励起された粒子のそれらの基底状態
への遷移による光子の放出と関連して、電子密度のアバランシェ型増加と気体の
絶縁破壊につながる。したがって、（第１に）電子と（第２に）光子の両者がＤ
ＢＤを用いた排気ガス処理に寄与する。この文脈では、光子の場合よりも、電子
との衝突の間により高いエネルギが原則的に転送され得ることおよび超励起中性
粒子または荷電粒子などの新種が発生され得ることに留意しなければならない。
【００２１】 ＤＢＤによる有機化合物の絶縁破壊の正確なメカニズムは依然として実質的に
未知である。しかしながら、放電が反応性ラジカル（たとえばＯＨラジカル）の
発生を引き起こして、それらの高い酸化力のためにそれらが有機化合物に影響を
与えたと仮定しても差し支えないであろう。その程度までは、ＤＢＤ法は大気中
における自然な光化学絶縁破壊プロセスを再現する。しかしながら、最適化され
た理想的な場合ですら、汚染物質の１００％の絶縁破壊および完全な排除は見込
めない。なぜなら絶縁破壊反応を伝播するのは非特定的反応性ラジカルだからで
ある。規定されたメカニズムに従ってラジカル反応が起こるとしても、結果とし
て生じる産物を予測することは困難である。さらに、副産物の問題は、ＯＨラジ
カルを考慮しなければならないことだけでなく、条件が好適ならば窒素−酸素ラ
ジカルも発生し得るという事実により、さらに複雑である。後者は、仮定として
は、対応する有機分子と反応して、それらをたとえば窒素−芳香族構造に変換し
得る。
未知である。しかしながら、放電が反応性ラジカル（たとえばＯＨラジカル）の
発生を引き起こして、それらの高い酸化力のためにそれらが有機化合物に影響を
与えたと仮定しても差し支えないであろう。その程度までは、ＤＢＤ法は大気中
における自然な光化学絶縁破壊プロセスを再現する。しかしながら、最適化され
た理想的な場合ですら、汚染物質の１００％の絶縁破壊および完全な排除は見込
めない。なぜなら絶縁破壊反応を伝播するのは非特定的反応性ラジカルだからで
ある。規定されたメカニズムに従ってラジカル反応が起こるとしても、結果とし
て生じる産物を予測することは困難である。さらに、副産物の問題は、ＯＨラジ
カルを考慮しなければならないことだけでなく、条件が好適ならば窒素−酸素ラ
ジカルも発生し得るという事実により、さらに複雑である。後者は、仮定として
は、対応する有機分子と反応して、それらをたとえば窒素−芳香族構造に変換し
得る。
【００２２】 さらに、ＤＢＤは、まさに反応場所での真空ＵＶ光子、すなわちさらなるラジ
カルの形成および他の汚染物質の分離すら引き起こすことのできる、１７０ｎｍ
よりも小さな波長を有する光子の発生をもたらす。
カルの形成および他の汚染物質の分離すら引き起こすことのできる、１７０ｎｍ
よりも小さな波長を有する光子の発生をもたらす。
【００２３】 ＤＢＤは、誘電体、特に少なくとも１つのセラミック素子によって互いから分
離された、燃焼空間の２つの金属素子の間に印加されるパルス化電圧によっても
たらされるのが有利である。この発明による方法によれば、燃焼空間の既存の金
属素子を高い費用対効果でかつ経済的に用いてもよい。好適な例には、特に、ス
パークプラグもしくはその一部、ピストンボトムまたは燃焼チャンバの壁もしく
はその一部が含まれる。誘電体は２つの電極を電気的に絶縁しなければならない
。どの誘電体材料も基本的にこれに好適であり、誘電体の形状およびその配置の
され方に関する制限は存在しない。この目的のためにセラミック素子を用いるこ
とが特に好ましい。
離された、燃焼空間の２つの金属素子の間に印加されるパルス化電圧によっても
たらされるのが有利である。この発明による方法によれば、燃焼空間の既存の金
属素子を高い費用対効果でかつ経済的に用いてもよい。好適な例には、特に、ス
パークプラグもしくはその一部、ピストンボトムまたは燃焼チャンバの壁もしく
はその一部が含まれる。誘電体は２つの電極を電気的に絶縁しなければならない
。どの誘電体材料も基本的にこれに好適であり、誘電体の形状およびその配置の
され方に関する制限は存在しない。この目的のためにセラミック素子を用いるこ
とが特に好ましい。
【００２４】 好ましくは、印加されるパルス化電圧の周波数は、５０Ｈｚから５０ｋＨｚ、
好ましくは１−３０ｋＨｚである。
好ましくは１−３０ｋＨｚである。
【００２５】 方形波パルスを有する電圧を印加することが特に好ましい。 電圧は、有利には１−５００ｋＶ、好ましくは１０−３００ｋＶである。
【００２６】 この方法の特に有利な変形に従うと、ＤＢＤは、混合気点火時間におよび／ま
たは燃焼サイクルの後の時間にコントロールによって引き起こされ、コントロー
ルは、負荷および汚染物質の関数として電圧および／または周波数を用いて行な
われる。そのようなコントロールを点火コントロールと同等の態様で用いると、
ＤＢＤを最適な混合気点火時間に引き起こすことができ、したがってより低い量
の汚染物質しか伴なわない、より均一な燃焼をもたらすことができる。燃焼プロ
セスにおける汚染物質の主な発生はこれにより減じられる。この場合、非常に希
薄な混合気を用いてすら、電子アバランシェのインパルスのような絶縁破壊およ
び真空ＵＶ光子の雷のような発生により、燃焼空間にわたって実質的に同時にか
つ均一に燃焼が発生する。したがって燃焼プロセスの伝播が、比較的緩慢な火炎
面によって制限されることはもはやない。より均一な燃焼およびしたがってより
少ない量の汚染物質しか伴わない燃焼が、これらのエンジンの場合に同様に達成
される。
たは燃焼サイクルの後の時間にコントロールによって引き起こされ、コントロー
ルは、負荷および汚染物質の関数として電圧および／または周波数を用いて行な
われる。そのようなコントロールを点火コントロールと同等の態様で用いると、
ＤＢＤを最適な混合気点火時間に引き起こすことができ、したがってより低い量
の汚染物質しか伴なわない、より均一な燃焼をもたらすことができる。燃焼プロ
セスにおける汚染物質の主な発生はこれにより減じられる。この場合、非常に希
薄な混合気を用いてすら、電子アバランシェのインパルスのような絶縁破壊およ
び真空ＵＶ光子の雷のような発生により、燃焼空間にわたって実質的に同時にか
つ均一に燃焼が発生する。したがって燃焼プロセスの伝播が、比較的緩慢な火炎
面によって制限されることはもはやない。より均一な燃焼およびしたがってより
少ない量の汚染物質しか伴わない燃焼が、これらのエンジンの場合に同様に達成
される。
【００２７】 さらに、燃焼サイクルにおいて、たとえば排出プロセスの間に第２の放電を用
いると、発生した汚染物質を、それらが未だ燃焼空間に存在する間に削減するこ
とが可能である。
いると、発生した汚染物質を、それらが未だ燃焼空間に存在する間に削減するこ
とが可能である。
【００２８】 ＤＢＤがコールドスタート段階で主に引き起こされ、たとえば温度制御を用い
て、従来の触媒が働き始めた後にそれらが下がっていくようにＤＢＤを制御する
ことが特に有利である。標準化されたテストサイクルでは一般的には動作の初め
の２００秒のコールドスタート段階で、累積炭化水素排出の９０％よりも多くが
引き起こされることが知られている。連続動作における汚染物質、特にＮＯxの
削減には、負荷依存制御が有利である。これは電気エネルギの消費を最小化し、
したがって経済性を向上させる。
て、従来の触媒が働き始めた後にそれらが下がっていくようにＤＢＤを制御する
ことが特に有利である。標準化されたテストサイクルでは一般的には動作の初め
の２００秒のコールドスタート段階で、累積炭化水素排出の９０％よりも多くが
引き起こされることが知られている。連続動作における汚染物質、特にＮＯxの
削減には、負荷依存制御が有利である。これは電気エネルギの消費を最小化し、
したがって経済性を向上させる。
【００２９】 この方法の別の有利な変形に従うと、破壊電力は特定の波長のＵＶ放射の意図
的な発生によりさらに増加される。したがって、誘電体バリア放電が点火される
ときに、燃焼ガス中の汚染物質と特に意図されたように相互作用する特定の波長
のＵＶ光線を発する充填ガスは、特に合成石英からなる、ＵＶ光線を透過するチ
ャンバの中に、誘電体と近くの電極との間に導かれる。好適な充填ガスは、特に
エキシマガス、たとえば希ガスハロゲン化物を含む。この場合、ある充填ガスま
たは充填ガス混合物は、たとえばＸｅＣｌ：３０８ｎｍ、ＫｒＢｒ：２０７ｎｍ
、ＫｒＣｌ：２２２ｎｍなどの特別なＵＶ放射波長をもたらす。
的な発生によりさらに増加される。したがって、誘電体バリア放電が点火される
ときに、燃焼ガス中の汚染物質と特に意図されたように相互作用する特定の波長
のＵＶ光線を発する充填ガスは、特に合成石英からなる、ＵＶ光線を透過するチ
ャンバの中に、誘電体と近くの電極との間に導かれる。好適な充填ガスは、特に
エキシマガス、たとえば希ガスハロゲン化物を含む。この場合、ある充填ガスま
たは充填ガス混合物は、たとえばＸｅＣｌ：３０８ｎｍ、ＫｒＢｒ：２０７ｎｍ
、ＫｒＣｌ：２２２ｎｍなどの特別なＵＶ放射波長をもたらす。
【００３０】 ガス放電はガスの流れの方向から独立して点火される。この場合、電極の配置
のされ方およびオプションとして触媒活性を備えるそれらの材料、電極の表面の
状態、圧力および温度、周波数ならびに動作電圧などの多数のパラメータが用い
られて、反応の効率および反応速度に顕著な影響を与えることができる。
のされ方およびオプションとして触媒活性を備えるそれらの材料、電極の表面の
状態、圧力および温度、周波数ならびに動作電圧などの多数のパラメータが用い
られて、反応の効率および反応速度に顕著な影響を与えることができる。
【００３１】 この発明に従うと、以下のような装置が提供され、すなわち、内燃機関の燃焼
空間の２つの金属素子は、誘電体、特に少なくとも１つのセラミック素子によっ
て分離され、１から５００ｋＶ、好ましくは１０から３００ｋＶのパルス化電圧
および、方形波パルスを好ましくは備える５００Ｈｚから５０ｋＨｚ、好ましく
は１から３０ｋＨｚの周波数が、電極の機能を有する２つの金属素子に与えられ
る。この発明に従うと、燃焼空間の金属素子はしたがってそれ自体電極として働
く。この目的のためにピストンボトムもしくはその一部および／またはスパーク
プラグもしくはその一部を用いるのが好ましい。
空間の２つの金属素子は、誘電体、特に少なくとも１つのセラミック素子によっ
て分離され、１から５００ｋＶ、好ましくは１０から３００ｋＶのパルス化電圧
および、方形波パルスを好ましくは備える５００Ｈｚから５０ｋＨｚ、好ましく
は１から３０ｋＨｚの周波数が、電極の機能を有する２つの金属素子に与えられ
る。この発明に従うと、燃焼空間の金属素子はしたがってそれ自体電極として働
く。この目的のためにピストンボトムもしくはその一部および／またはスパーク
プラグもしくはその一部を用いるのが好ましい。
【００３２】 好ましい実施例に従うと、１つの電極はピストンボトムまたはピストンボトム
の一部であり、誘電体はピストンボトムの空間的な近傍、特にピストンボトム上
に直接配置される。
の一部であり、誘電体はピストンボトムの空間的な近傍、特にピストンボトム上
に直接配置される。
【００３３】 別の好ましい実施例に従うと、１つの電極はスパークプラグであり、誘電体は
スパークプラグの空間的な近傍、特にスパークプラグ上に直接配置される。
スパークプラグの空間的な近傍、特にスパークプラグ上に直接配置される。
【００３４】 別の実施例に従うと、ＵＶ光線を透過し、特に合成石英からなり、充填ガス、
特にエキシマガスを収容するチャンバが、電極と近くの誘電体との間の空間にさ
らに設けられてもよい。希ガスハロゲン化物、特に、たとえばＸｅＣｌ、ＫｒＢ
ｒ、ＫｒＣｌまたはその混合物がこの目的のために用いられてもよい。
特にエキシマガスを収容するチャンバが、電極と近くの誘電体との間の空間にさ
らに設けられてもよい。希ガスハロゲン化物、特に、たとえばＸｅＣｌ、ＫｒＢ
ｒ、ＫｒＣｌまたはその混合物がこの目的のために用いられてもよい。
【００３５】 排気ガスのＤＢＤ処理は内燃機関の出口すぐのところで与えられることも好ま
しい。排気ガス削減におけるさらなる改良は、この領域の高い排気ガス温度によ
り達成される。
しい。排気ガス削減におけるさらなる改良は、この領域の高い排気ガス温度によ
り達成される。
【００３６】 この発明は図面および例示により以下により詳細に説明される。 同一または同一の機能を有する構成要素は同じ参照番号で示される。
【００３７】
図１の概略的な表示には、シリンダ壁１、ピストンボトム３を備えるピストン
２および燃焼空間４を有する内燃機関の燃焼空間の縦方向の断面が示される。高
周波電圧７が点火素子５に印加されて、誘電体６の後ろに配置された電極（図示
せず）を介した放電により対向するピストンボトム３にプラズマ８がもたらされ
る。誘電体バリア放電は点火素子５のすぐ近傍に誘電体６を配置することにより
生じる。
２および燃焼空間４を有する内燃機関の燃焼空間の縦方向の断面が示される。高
周波電圧７が点火素子５に印加されて、誘電体６の後ろに配置された電極（図示
せず）を介した放電により対向するピストンボトム３にプラズマ８がもたらされ
る。誘電体バリア放電は点火素子５のすぐ近傍に誘電体６を配置することにより
生じる。
【００３８】 代替的な実施例に従うと、誘電体６は点火素子５から距離をあけて配置されて
もよく、この場合、たとえば合成石英などのＵＶ透過材料からなりかつ充填ガス
を収容するチャンバ（図示せず）は点火素子５と誘電体６との間の領域に配置さ
れてもよい。
もよく、この場合、たとえば合成石英などのＵＶ透過材料からなりかつ充填ガス
を収容するチャンバ（図示せず）は点火素子５と誘電体６との間の領域に配置さ
れてもよい。
【００３９】 図２は、シリンダ壁１、ピストンボトム３を備えるピストン２および燃焼空間
４を有する、この発明に従う装置の別の好ましい代替的な実施例の縦方向の断面
を示す。プラズマ８は、高周波電圧７を印加することにより、誘電体６の後ろに
配置された電極（図示せず）と燃焼空間４の対向する壁との間にもたらされ、誘
電体バリア放電は、ピストンボトム３のすぐ近傍に誘電体６を配置することによ
り生じる。
４を有する、この発明に従う装置の別の好ましい代替的な実施例の縦方向の断面
を示す。プラズマ８は、高周波電圧７を印加することにより、誘電体６の後ろに
配置された電極（図示せず）と燃焼空間４の対向する壁との間にもたらされ、誘
電体バリア放電は、ピストンボトム３のすぐ近傍に誘電体６を配置することによ
り生じる。
【００４０】 図１に従う特別な装置の変形と同様に、誘電体６はピストンボトム３から距離
を空けて配置されてもよく、ＵＶ光線を透過しかつ充填ガスを収容する任意の構
造のチャンバ（図示せず）は、ピストンボトム３と誘電体６との間の領域に配置
されてもよい。
を空けて配置されてもよく、ＵＶ光線を透過しかつ充填ガスを収容する任意の構
造のチャンバ（図示せず）は、ピストンボトム３と誘電体６との間の領域に配置
されてもよい。
【００４１】 図３は、混合物が誘電体バリア放電によって点火されるときの圧力プロファイ
ルを測定するための実験的な設定の概略的な表示を示す。可燃ガスとしてのエチ
レン（Ｃ2Ｈ4）および合成空気、すなわち体積比８０％の窒素対２０％の酸素の
窒素／酸素混合物は、調節されてバルブＶを通ってガス線に送られる。エチレン
／空気混合物は混合チャンバ９に入り、混合チャンバ９を通る気体の流量は第１
のバラトロンＰにより制御された。混合チャンバ９と点火セル１０との間のガス
線にさらに沿って、気体の量を制御するためのさらなる機器が設けられた。それ
らはすなわちスロットルバルブＤＶ、バルブＶおよび別のバラトロンＰである。
点火セルは円柱状のチャンバとして設計され、その寸法は内燃ピストンエンジン
の燃焼空間の寸法とほぼ対応した。
ルを測定するための実験的な設定の概略的な表示を示す。可燃ガスとしてのエチ
レン（Ｃ2Ｈ4）および合成空気、すなわち体積比８０％の窒素対２０％の酸素の
窒素／酸素混合物は、調節されてバルブＶを通ってガス線に送られる。エチレン
／空気混合物は混合チャンバ９に入り、混合チャンバ９を通る気体の流量は第１
のバラトロンＰにより制御された。混合チャンバ９と点火セル１０との間のガス
線にさらに沿って、気体の量を制御するためのさらなる機器が設けられた。それ
らはすなわちスロットルバルブＤＶ、バルブＶおよび別のバラトロンＰである。
点火セルは円柱状のチャンバとして設計され、その寸法は内燃ピストンエンジン
の燃焼空間の寸法とほぼ対応した。
【００４２】 真空ポンプ１１は、実験が行なわれる前および実験が終了した後の燃焼ガスの
抽出まで、実験システムを排気するのに用いられた。
抽出まで、実験システムを排気するのに用いられた。
【００４３】 点火セル１０は、図３ａに拡大された縮尺で縦方向の断面で示される。鉄の合
金からなりかつ燃料／空気混合物のための入口開口１３を有する固体金属下部構
造１２の上に、スペーサとしての絶縁ＰＴＦＥリング１４、透明石英ガラス誘電
体６、穴あきシート状の鉄の電極１６および石英ガラスブロック１７が連続した
層に配され、かつともにプレスされて円盤形の燃焼チャンバ４を形成した。燃焼
チャンバ４は燃焼ガス用の出口（図示せず）に接続された。燃焼空間４に突出す
るスパークプラグを収容可能にする、ねじ山（図示せず）は、金属下部構造１２
にドリルで作られた。最後に、燃焼チャンバ４は時間の関数として圧力プロファ
イルを記録するのに用いられた圧力ピックアップのためのコネクタ（図示せず）
を有した。
金からなりかつ燃料／空気混合物のための入口開口１３を有する固体金属下部構
造１２の上に、スペーサとしての絶縁ＰＴＦＥリング１４、透明石英ガラス誘電
体６、穴あきシート状の鉄の電極１６および石英ガラスブロック１７が連続した
層に配され、かつともにプレスされて円盤形の燃焼チャンバ４を形成した。燃焼
チャンバ４は燃焼ガス用の出口（図示せず）に接続された。燃焼空間４に突出す
るスパークプラグを収容可能にする、ねじ山（図示せず）は、金属下部構造１２
にドリルで作られた。最後に、燃焼チャンバ４は時間の関数として圧力プロファ
イルを記録するのに用いられた圧力ピックアップのためのコネクタ（図示せず）
を有した。
【００４４】 例として用いられた点火セル１０は１００ｍｍの直径および１０３ｍｍの高さ
を有し、個別の構成要素は以下の高さである。すなわち、 −金属下部構造（参照番号１２）−６０ｍｍ −絶縁リング（参照番号１４）−３ｍｍ −誘電体（参照番号６）−４ｍｍ −穴あきシート状金属電極（参照番号１６）−１ｍｍ −石英ガラス圧力体（参照番号１７）−３５ｍｍである。
を有し、個別の構成要素は以下の高さである。すなわち、 −金属下部構造（参照番号１２）−６０ｍｍ −絶縁リング（参照番号１４）−３ｍｍ −誘電体（参照番号６）−４ｍｍ −穴あきシート状金属電極（参照番号１６）−１ｍｍ −石英ガラス圧力体（参照番号１７）−３５ｍｍである。
【００４５】 自由燃焼空間４は高さ３ｍｍおよび内径８０ｍｍを有した。 金属下部構造１２および穴あきシート状金属電極１６は、約１０ｋＶの高電圧
および１−１０ｋＨｚの周波数で動作されるプラズマ発生器に接続された。
および１−１０ｋＨｚの周波数で動作されるプラズマ発生器に接続された。
【００４６】 図４は、ラムダ値０．８の燃焼チャンバ４内の圧力プロファイルのグラフ表示
を示す。公知のように、ラムダ値は燃焼反応の空気／燃料比を示し、λ＝１が化
学量論比に対応する。ｂａｒで表わされる圧力ｐが縦座標に示され、秒で表わさ
れる時間ｔが横座標に示される。曲線Ｉは、誘電体バリア放電による、この発明
に従う方法を用いた点火の場合の圧力プロファイルを示し、曲線ＩＩは、スパー
クプラグによる、従来の点火の場合の圧力プロファイルを示す。図４の表示は、
この発明に従う方法（曲線Ｉ）の場合の圧力の増加は従来の方法（曲線ＩＩ）よ
りも著しく急勾配にかつより大きな高さに生じることを示す。同一の測定条件下
で、従来の方法の場合における４．５ｂａｒ未満と比較して、この発明に従う方
法の場合、ほぼ５．０ｂａｒへの圧力の増加が得られた。したがって燃焼プロセ
スは、この発明に従う方法を用いると、より速くかつより完全である。
を示す。公知のように、ラムダ値は燃焼反応の空気／燃料比を示し、λ＝１が化
学量論比に対応する。ｂａｒで表わされる圧力ｐが縦座標に示され、秒で表わさ
れる時間ｔが横座標に示される。曲線Ｉは、誘電体バリア放電による、この発明
に従う方法を用いた点火の場合の圧力プロファイルを示し、曲線ＩＩは、スパー
クプラグによる、従来の点火の場合の圧力プロファイルを示す。図４の表示は、
この発明に従う方法（曲線Ｉ）の場合の圧力の増加は従来の方法（曲線ＩＩ）よ
りも著しく急勾配にかつより大きな高さに生じることを示す。同一の測定条件下
で、従来の方法の場合における４．５ｂａｒ未満と比較して、この発明に従う方
法の場合、ほぼ５．０ｂａｒへの圧力の増加が得られた。したがって燃焼プロセ
スは、この発明に従う方法を用いると、より速くかつより完全である。
【００４７】 この発明に従うと、内燃機関の排気ガス中の汚染物質が減じられ、燃焼空間の
汚染物質の主な発生が特に減じられる。
汚染物質の主な発生が特に減じられる。
【００４８】 この発明に従う装置および方法は、燃焼空間における燃焼プロセス自体を改良
しかつ特に均衡させるのに特に好適である。これにより、希薄混合気燃焼エンジ
ンとディーゼルエンジンの両者の場合にも、特に、燃料消費の削減が達成される
。
しかつ特に均衡させるのに特に好適である。これにより、希薄混合気燃焼エンジ
ンとディーゼルエンジンの両者の場合にも、特に、燃料消費の削減が達成される
。
【００４９】 燃費のよい混合気の場合ですら、より効果的な燃焼が確実となるのは特に有利
である。
である。
【００５０】 さらに、この発明に従うと、汚染物質の絶縁破壊は遅滞なく始まる。すなわち
この方法およびこの装置は、標準化されたテストサイクルにおいて累積炭化水素
排出の７０％を通常は引き起こす、一般的には最初の２００秒の、特に重要な動
作開始時のコールドスタート段階にすら特に好適である。
この方法およびこの装置は、標準化されたテストサイクルにおいて累積炭化水素
排出の７０％を通常は引き起こす、一般的には最初の２００秒の、特に重要な動
作開始時のコールドスタート段階にすら特に好適である。
【００５１】 この発明に従う方法は燃焼空間に直接的に介入するため、修正された点火挙動
によって燃焼プロセス自体が改良され、それにより燃料消費率が減少して、発生
した、減量された汚染物質が燃焼空間内ですぐに破壊される。
によって燃焼プロセス自体が改良され、それにより燃料消費率が減少して、発生
した、減量された汚染物質が燃焼空間内ですぐに破壊される。
【図１】 好ましい例示的な実施例の、この発明に従う装置の図である。
【図２】 別の好ましい例示的な実施例の、この発明に従う装置の図である
。
。
【図３】 点火セルの圧力プロファイルを測定するための実験的な配置の概
略図である。
略図である。
【図３ａ】 点火セルの断面図である。
【図４】 誘電体バリア放電による点火と比較した、スパークプラグによる
点火の、時間の関数としての圧力プロファイルを示す図である。
点火の、時間の関数としての圧力プロファイルを示す図である。
Claims (10)
- 【請求項１】 誘電体バリア放電を用いることによる内燃機関の排気ガス中
の気体および／または固体の汚染物質のプラズマ化学的削減のための方法であっ
て、誘電体バリア放電は内燃機関の燃焼空間（４）の中で行なわれることを特徴
とする、プラズマ化学的削減のための方法。 - 【請求項２】 誘電体バリア放電はパルス化電圧（７）によって発生し、パ
ルス化電圧は燃焼空間（４）の２つの金属素子の間に印加され、金属素子は、誘
電体（６）特に少なくとも１つのセラミック素子によって互いから分離されるこ
とを特徴とする、請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 パルス化電圧（７）の周波数は、５００Ｈｚから５０ｋＨｚ
、好ましくは１から３０ｋＨｚであることを特徴とする、請求項２に記載の方法
。 - 【請求項４】 方形波パルスを有する電圧（７）を特徴とする、請求項２ま
たは３に記載の方法。 - 【請求項５】 印加される電圧（７）は１から５００ｋＶ、好ましくは１０
から３００ｋＶであることを特徴とする、請求項２から４のいずれかに記載の方
法。 - 【請求項６】 誘電体バリア放電は混合気点火時間および／または燃焼サイ
クルの後の時間にコントロールによって引き起こされ、コントロールは負荷およ
び汚染物質の関数として電圧および／または周波数により行なわれることを特徴
とする、請求項１から５のいずれかに記載の方法。 - 【請求項７】 誘電体バリア放電が点火されるときに、燃焼ガス中の汚染物
質と特に意図的に相互作用する特定の波長のＵＶ光線を発する充填ガスが、ＵＶ
光線を透過するチャンバの中に、誘電体（６）と近くの電極との間に導かれるこ
とを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の方法。 - 【請求項８】 内燃機関の燃焼空間（４）の２つの金属素子は、誘電体（６
）、特に少なくとも１つのセラミック素子によって分離され、１から５００ｋＶ
、好ましくは１０から３００ｋＶのパルス化電圧および、好ましくは方形波パル
スを備える、５００Ｈｚから５０ｋＨｚ、好ましくは１から３０ｋＨｚの周波数
が電極の機能を有する２つの金属素子に与えられることを特徴とする、請求項１
から７のいずれかに記載の方法を実行するための装置。 - 【請求項９】 １つの電極はピストンボトム（３）またはピストンボトムの
一部であり、誘電体（６）は、ピストンボトム（３）の空間の近傍、特にピスト
ンボトム（３）上に直接配置されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。 - 【請求項１０】 １つの電極はスパークプラグ（５）であり、誘電体（６）
は、スパークプラグ（５）の空間の近傍、特にスパークプラグ（５）上に直接配
置されることを特徴とする、請求項８または９に記載の装置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19847096A DE19847096A1 (de) | 1998-10-13 | 1998-10-13 | Verfahren und Vorrichtung zur plasmachemischen Reduzierung von gasförmigen und/oder festen Schadstoffen in Abgasen von Verbrennungsmotoren |
| DE19847096.7 | 1998-10-13 | ||
| PCT/EP1999/007693 WO2000022292A1 (de) | 1998-10-13 | 1999-10-13 | Verfahren und vorrichtung zur plasmachemischen reduzierung von gasförmigen und/oder festen schadstoffen in abgasen von verbrennungsmotoren |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002527666A true JP2002527666A (ja) | 2002-08-27 |
Family
ID=7884277
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000576169A Pending JP2002527666A (ja) | 1998-10-13 | 1999-10-13 | 内燃機関の排気ガス中の気体および／または固体の汚染物質のプラズマ化学的削減のための方法および装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6467467B1 (ja) |
| EP (1) | EP1121522B1 (ja) |
| JP (1) | JP2002527666A (ja) |
| DE (2) | DE19847096A1 (ja) |
| WO (1) | WO2000022292A1 (ja) |
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| DE102008037898B4 (de) | 2008-02-13 | 2022-06-02 | The Coca-Cola Co. | Verfahren und Vorrichtung zur Sterilisation von Verpackungsmaterial und/oder Behältern, diesbezügliche Verwendung von Plasma sowie entsprechend behandeltes Material oder Behälter |
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1998
- 1998-10-13 DE DE19847096A patent/DE19847096A1/de not_active Withdrawn
-
1999
- 1999-10-13 DE DE59910021T patent/DE59910021D1/de not_active Expired - Fee Related
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