JP3798407B2 - 自動車のＮＯｘ排気制御のための超低パワープラズマ反応器システム - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ反応器及び内燃エンジン排気物のＮＯｘを還元させるため使用される触媒コンバータに係り、より詳しくは、プラズマ反応器及び触媒コンバータをベースとするＮＯｘ還元システムに関し、該システムは、触媒コンバータの上流で豊富な量のＮＯｘ還元アルデヒドを生成するため、主要排気システムに関して側流れ位置に配置された、超低パワーで作動するハイパープラズマ反応器を特徴としている。

内燃排気物からの窒素酸化物（ＮＯｘ）の除去は、例えば直接噴射式のガソリンエンジン及びディーゼルエンジン等のリーン燃焼エンジンにとって特に、益々関心を集める事項である。燃焼後にＮＯｘを除去する一つの方法は、排気ガスを非熱的プラズマプロセスにかけることである。このとき、排気ガスは、プラズマ処理装置を通過させられ、該装置では高電圧電場がプラズマの形成に関与する。プラズマは、エネルギーを持つ多数の電子を持ち、これらの電子は、排気ガスの分子と衝突して、原子、イオン及びラジカルを形成する。これらの原子、イオン及びラジカルは、ＮＯとも反応し、ＮＯ₂を形成し、又は、炭化水素と反応してアルデヒドを生成する。生成されたアルデヒドは、適切な触媒上に亘ってＮＯｘを実質的に還元させ、無害の窒素を形成する。このようにプラズマ反応器の主要な役割は、ＮＯからＮＯ₂を生成し、燃焼排気流れ中の炭化水素からアルデヒドを生成することである。プラズマ反応器中で生成されたアルデヒドのうち、アセトアルデヒド（ＣＨ₃ＣＨＯ）がアルカリベースの触媒上に亘るＮＯ₂還元にとって最も効果的であることが知られている。

図１Ａ乃至図１Ｃは、３つの従来技術のプラズマ反応器を表しており、ここで、外部高電圧源は、脈動直流電源又は交流電源のいずれかである。
図１は、一般に脈動コロナ放電プラズマ反応器として称される、第１の形態のプラズマ反応器１０を表しており、該反応器では、伝導金属管１２が、該反応器の壁１４を形成し、その内部で、排気ガスＧが通過する。管１２の同心で軸方向に沿っているものは、伝導高電圧電極ロッド１６である。中央電極ロッド１６は、管１２がグラウンド電極として機能している状態で、外部高電圧源により電化されている。ここで、排気ガスのプラズマ形成を誘起する火花放電無しに、コロナが、それらの間に形成される。

図２は、一般に誘電バリア放電プラズマ反応器として称される、第２の形態のプラズマ反応器１０’を表しており、該反応器では、伝導金属管２２と、該管の内側表面に同心に配置されている絶縁誘電層２４とが一緒になって反応器壁２６を形成する。第１の形態のプラズマ反応器１０におけるように、排気ガスＧは、反応器壁２６の内側に沿って通過し、伝導高電圧電極ロッド２８は、管２２の同心で中心に沿って軸方向に配置されている。中央電極ロッド２８は、管２２がグラウンド電極として機能している状態で、外部高電圧源により電化されており、誘電層２４が分極化するようになる。誘電層２４の分極化は、エネルギーを蓄積し、該エネルギーは、火花放電無しに排気ガスのプラズマ形成の誘導を目的として作用する。

図３は、一般に誘電性包装ベッド放電プラズマ反応器と称される、第３の形態のプラズマ反応器１０”を表しており、該反応器では、プラズマ反応器１０’の第２の形態におけるように、伝導金属管３２及び該管の内側表面に同心に配置された絶縁誘電層３４が、一緒に反応器壁３６を形成しており、排気ガスＧが反応器の壁３６の内部に沿って通過し、伝導高電圧電極ロッド３８が管３２の同心中心に軸方向に沿って配置されている。複数の小さい絶縁誘電ペレット４０は、排気ガスＧが、それらの間の空間を通って容易に移動することができるように、反応器壁３６の内部を解放された状態で充填する。中央電極ロッド３８は、管３２がグラウンド電極として機能している状態で、外部高電圧源により電化されており、誘電層３４は、分極化するようになり、ペレット４０の各々も同様に局所的に分極化するようになる。誘電層３４の分極及びペレット４０の局所的分極は、エネルギーを蓄積し、該エネルギーは、火花放電無しに、排気ガスのプラズマ形成の誘導を援助するように機能する。

従来技術では、プラズマ反応器の壁は、平坦又は円柱形態のいずれかを持ち得る。当該電極は、典型的には、連続的な電気コネクターから作られてもよく、均一な能動電場が、それらの間の空気ギャップ内に形成され、与えられた電圧に対して最大強度のプラズマを発生させるようになる。従来技術のプラズマ反応器は、プラズマ強度が基礎をなすプロセスの限定因子であるという明白な仮定に基づいて高い強度のプラズマの生成を強化している。従来技術のプラズマ反応器で利用されている連続的な電極は、高エネルギー電子の供給がプラズマ反応の率限定工程である作動条件に適切であり得る。しかし、率限定工程が電子供給とは異なる場合、連続的な電極を通した一定値を越える入力エネルギーの増大は、プラズマプロセスの全体的な性能をほとんど改善しない。

本発明の発明者らは、プラズマ援助式リーンＮＯｘ触媒を調査研究する間に、プラズマ反応プロセスの限定因子が、プラズマの強度ではなく、典型的な自動車エンジン排気ガスの流れの作動条件の下でプラズマに生成される中間生成物（例えば、原子、イオン及びラジカル）の拡散、質量輸送及び化学反応であることを発見した。かくして、エンジン排気物内のＮＯｘの還元プロセスの全体的な性能を改善するために、プラズマ反応器内の原子、イオン及びラジカルの拡散、質量輸送及び化学反応の各プロセスを促進することが重要となる。この点に関し、ＮＯｘ及び炭化水素に関する、原子、イオン及びラジカルの最大反応を促進するという観点で、プラズマエネルギーに関する効率的な支払い無しに、エネルギーは従来技術のプラズマ反応器の誘電層内に投資される。

図４が表しているように、プラズマ反応器技術を使用した、典型的なエンジン排気処理システム５０では、エンジン排気流れＧは、プラズマ反応器５２を最初に通過し、次に、触媒コンバータ５４のところで脱ＮＯｘ触媒を通過する。プラズマ反応器の主要な役割は、排気流れ中のＮＯ及び炭化水素を夫々ＮＯ₂及びアルデヒド等の部分酸化された炭化水素へと転換することである。このシステムでは、プラズマ反応器のための電気エネルギーの要求量は、約２０乃至３０Ｊ／Ｌであり、これは、３０Ｌ／ｓの排気流れ率に対して６００乃至９００Ｗのパワー要求量になる。プラズマ反応器のためのこの法外に大きなパワー要求量は、この技術の車両への実施を拡大するため最も厳しい技術的障壁の一つである。

従って、当該技術分野で必要とされているものは、超低出力で作動するプラズマ反応器を使用することによって、触媒コンバータの排気上流で豊富な量のアルデヒドを何とかして提供することである。

シミュレートされたエンジン排気ガスを使用したプラズマ援助式リーンNOｘ触媒の本願発明者らによる研究の間に、典型的な作動条件の下でプラズマプロセスの率限定工程として同定されたものは、様々な種類のイオン化された反応物（電子供給物ではない）の質量輸送／化学反応率であった。プラズマ反応器の軸方向長さに沿った離散的位置にグラウンド電極を配列し、これによりそれらの間に有効な質量輸送／化学反応領域として機能する受動領域を提供することにより、イオン化された反応物の質量輸送／化学反応率の増加を達成することができることが、本願発明者の発見である。

更にプラズマ援助式リーンNOｘ触媒調査研究の間、本願発明の発明者は、この特定のプロセスのキーとなる因子は、プラズマ反応器中の炭化水素からのアルデヒドの生成であることを学んだ。NOが存在しているときのプラズマ反応器によって、炭化水素からアルデヒドを生成することができることは知られていた（文献報告によれば、アルデヒドの生成は、プラズマ反応器中にNOが存在しないとき無視できる）。この周知されたプラズマ反応器中のアルデヒド生成の従来技術の運動機構とは異なり、本発明は、通過するガスの流れの中にNOが存在しないときでも炭化水素からアルデヒドを生成することができる、新規なハイパープラズマ反応器である。この発見は、本願発明者をして、プラズマ反応器中のアルデヒド生成のための新しい反応機構、即ち「炭化水素のためのオゾン分解」を提案させた。この新しい反応器機構の有効性は、ハイパープラズマ反応器中のオゾン濃度の独立した測定により確認された。NOの存在しないときアセトアルデヒドを生成する、本発明に係るハイパープラズマ反応器の独自の能力は、本願発明者に、ディーゼルエンジン排気物中のNOｘ還元の新規な方法を開発することを可能にした。本方法によれば、独自の側流れが配置されたハイパープラズマ反応器の使用により、従来のプラズマ反応器システムで典型的に必要とされたプラズマエネルギーのうち、ほんの僅かな部分（１％乃至２％）だけで済むことになる。

本発明に係るハイパープラズマ反応器は、高電圧（内側）電極が、誘電プラズマ壁に関して同心で中央位置に軸方向に沿って配置され、グラウンド（外側）電極が、軸方向に離散したパターン、例えば、能動及び受動電場が交互に変わる領域を提供する螺旋パターン等を有するように構成されている。誘電プラズマ壁は、加圧空気の源に対し上流端部でインターフェースが形成され、排気ガス流れに接続された管に他方の端部でインターフェースが形成されている。上流端部は、例えば、燃料蒸気等のように、炭化水素の源にも接続されている。この構成は、本願では、排気ガス流れに対するハイパープラズマ反応器の「側流れ」関係と称される。

作動中には、内側電極は、変動する高電圧の源に接続され、外側電極はグラウンドに接続され、これにより、ハイパープラズマ反応器に軸方向に沿って、連続的な能動領域及び受動領域を提供する。炭化水素と混合された流入空気は、各能動領域でのプラズマ反応器を経験し、これに引き続いて、次の受動領域で化学反応の緩和を経験する。この点に関し、各能動領域が軸方向にコンパクトであるので、エネルギー電子の強烈な発生がそのとき発生する。各受動領域が軸方向に延長されているので、その結果生じた酸化プロセスのために十分な時間が、次の能動領域と遭遇する前に、提供される。従って、アルデヒドの生成に関連したエネルギー消費は、きわめて好ましいものとなる。

この好ましい結果は次のように説明される。イオン及びラジカルの速度は、電場の強度に依存するので、径方向(軸方向に交差する方向)のこれらの速度は、受動領域よりも能動領域においてより速くなる。この径方向における速度勾配は、空間的に交互に変動する電場に助けられて、イオン化反応の中間生成物の軸方向の混合を促進し、その結果、炭化水素との反応性を向上させる。次に、この混合は、本発明に係るハイパープラズマ反応器が、作動で必要とされるエネルギーが従来技術のプラズマ反応器よりも遙かに少なくて済み、同じレベルの性能を達成するために遙かコンパクトで済むことを意味している。

本発明に係るハイパープラズマ反応器のNOｘ還元システムは、超低出力消費及びNOが存在しないときのアルデヒドの豊富な生成の観点で、非常な効果を有する。本発明は、アルデヒドを生成するため、空気及び炭化水素を含む側流れのガス流れにのみプラズマパワーを印加することにより、完全排気ガス流れに適用される不必要なパワー消費を無くす。従って、従来技術のプラズマ反応器が完全排気ガス流れを処理するためのパワーと比較して、プラズマパワーのうちほんの小さい割合（１％乃至２％）だけで済む。ハイパープラズマ反応器は、オゾンを生成し、該オゾンは、アルデヒドを生成するため炭化水素と連続的に反応する（オゾン分解）。ハイパープラズマ反応器の側流れ配置は、触媒コンバータ中の全体的なNOｘ転化性能に有意な影響を及ぼすこと無しに、完全排気流れが該側流れをバイパスすることを可能にする。更には、ハイパープラズマ反応器の側流れ配置は、触媒（脱NOｘ触媒）コンバータ及び主要排気流れから独立な条件でハイパープラズマ反応器が作動することを可能にする。

本発明の目的、特徴及び利点は、好ましい実施例の次の説明からより明らかとなろう。

ここで、図面を参照すると、図５乃至図１６は、本発明に係る、自動車の排気ガスハイパープラズマ反応器及び触媒コンバータシステム１０００の一例の様々な態様を表している。ここで、本発明のハイパープラズマ１００は、その軸方向長さに沿った能動及び受動の電場の連続的な交互変化領域を特徴としている。ハイパープラズマ反応器は、図５に示されるように、主要排気流れに対する側流れの関係で配置されている。

図６乃至図９で表されるように、本発明に係るハイパープラズマ反応器１００は、誘電障壁として機能し、反応器の空間を内部に形成する、絶縁誘電材料１０２’から形成されたプラズマ反応器壁１０２により形成された、細長い円柱形態を有する。プラズマ反応器壁１０２の構成は、例えば石英、ガラス、アルミナ等のような任意の適切な誘電材料であってもよい。単なる例示であって、これに限定されない例を用いると、誘電材料は、９．５ｍｍ（３／８インチ）の外径と、１ｍｍの壁厚を有する石英管であってもよい。入口１０６は、プラズマ反応器壁１０２の一段部に配置されており、出口１０８は、プラズマ反応器壁の他方の端部に配置されている。保護金属シェル１２２が、ハイパープラズマ反応器１００（明瞭に示すため破断されて示されている）を覆っている。

高電圧導電中央（内側）電極ロッド１１０は、プラズマ反応器壁１０２の同心中心に配置されている。中央電極ロッド１１０は、プラズマ壁と境界を共通して延在しており、該壁に固定されている。中央電極ロッド１１０は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、銅等のように、任意の導電材料から形成され得る。単なる例示であって、これに限定されない例では、中央電極ロッド１１０は、３．２ｍｍ（１／８インチ）の直径を有する、ステンレス鋼から構成されてもよい。中央電極ロッド１１０は、時間変動式高電圧源１１２（図８を参照せよ）の高電圧出力部に接続されている。例えば、腐食排気ガス環境から電極保護の目的のため、誘電材料が中央電極ロッドを覆っていてもよい。

導電グラウンド（外側）電極１１４は、軸方向に離散した間隔ｄを提供する、選択ピッチを有する、プラズマ反応器壁１０２の回りにきっちりと（接触した状態で）巻かれている、ワイヤ１１４’（「ワイヤ」という用語は、例えば幅の狭い薄い導電フィルムのように、その全ての均等物を含むことを意味している。）この点に関し、グラウンド電極は、一連の離散的に間隔を隔てた位置を含む連続的パターンで配列されており、該連続的パターンは、軸Ｆに関して配列され、該軸に沿って、炭化水素と混合された空気が流れる（以下を参照）。当該ピッチは、例えば、木目の粗い間隔（好ましい例）、緊密な間隔、一定間隔（好ましい例）又は可変の間隔を提供するように設けられている。グラウンド電極１１４は、高電圧源１１２のグラウンドに接続されている。単なる例示であって、これに限定されない例を用いると、グラウンド電極１１４は、プラズマ反応器壁１０２の回りにきっちりとコイル巻きされた、小さいゲージ銅／ニッケルワイヤから構成されていてもよい。

グラウンド電極１１４（のワイヤ１１４’）と局所的に接触している、プラズマ反応器壁１０２の外側表面領域は、電極ロッド１１０及びグラウンド電極の間の流電気の相互作用により形成された電場の能動領域１１６を形成しており、該電場は、プラズマ反応器壁１０２の誘電材料の分極により調整されている。プラズマ反応器壁１０２に軸方向に沿った能動領域１１６の間の空間は、電場の受動領域１１８を構成する。電場の能動領域１１６は、受動領域１１８より高い場の強度を有する。その結果生成された軸方向に変化する電場は、図９のプロット１２０により表されている。

図９では、グラウンド電極及びそれに伴う電場強度の能動領域の軸方向位置１２０ａは、矩形中実のラインバーにより示されている。非均一電場強度１２０ｂは、破線により示されている。能動領域１１６及び受動領域１１８の間の不均一電場強度の滑らかな遷移は、能動領域から受動領域への高エネルギー電子の自由なドリフトに起因している。このドリフトは、能動及び受動領域の間の自由な境界の物理的性質に由来している。

本発明に係るプラズマ反応器１００の電場の能動領域及び受動領域の最適化は、次の関係式により表すことができると決定された。

ここで、ｄ（例えば、図６に示されている）は、互いに連結する能動領域及び受動領域（即ち、受動領域の軸方向長さ）の間の距離であり、ｈ（例えば、図７に示されている）は、中央電極ロッドと、外側グラウンド電極との間の最短距離である。ｄの厳密な値は、プラズマ反応器で生じる化学反応の特有な動力学に依存している。

プラズマ反応器１００の好結果を実証する実験は、シミュレートされたエンジン排気ガス混合物を使用して実行された。観察されたものは、中央電極ロッドと、（石英管）誘電プラズマ反応器壁との間の輝度の高い環状領域であった。該領域の明るさは、排気ガスプラズマの存在を表していた。プラズマ反応器壁の外側表面において、観察されたものは、外側グラウンド電極の螺旋ワイヤに隣接した高輝度領域であり、該領域は電場の能動領域を表していた。プラズマ反応器壁の外側表面上で更に観察されたものは、高輝度領域の間の暗い領域であった。該領域は、電場の受動領域を表していた。プラズマ反応器壁の外側表面（誘電障壁）上に示されるように、電場の能動及び受動領域の間のこの明らかな違いにも拘わらず、環状領域内のプラズマ強度は、ほとんど均一であることが観察され、このことはプラズマ中に混合する良好なガス相の存在を示唆している。この結果は、次のように説明することができる。イオン速度は、電場の強度に依存しているので、それは、電場の能動領域において、電場の受動領域よりも速い。これは、空間的に交互に変化する電場を用いると、イオン化反応の中間生成物の軸方向混合を促進し、その結果、ＮＯｘの向上した反応性を生じさせる。

ここで、図５を参照すると、前述したハイパープラズマ反応器１００が、触媒コンバータ１２４の上流の位置で、主要排気流れＧに関する側流れ位置に配置されていることが見て取れよう。触媒コンバータ１２４は、例えばＮａＹ触媒を使用するとき、脱ＮＯｘ触媒を実行する上で適している。

入口１０６に入るものは、任意の適切な加圧空気源１２６から発する空気Ａｒであり、該空気源は、例えばブラウアーであってもよい。また、入口１０６に入るものは、任意の適切な源１２８から発する炭化水素分子ＨＣの流れである。この源は、例えば、燃料蒸気源に接続するチューブ又は触媒コンバータの上流の少量のエンジン排気ガスをタップにつなぐ接続部等である。この炭化水素担持空気Ａ_R＋ＨＣは、ハイパープラズマ反応器１００を通過する。

作動中には、内側電極１１０は可変高電圧源１１２に接続され、外側電極１１４はグラウンドに接続され、これにより、Ａ_R＋ＨＣ流れ軸Ｆの方向にハイパープラズマ反応器に沿って、連続的能動領域１１６及び受動領域１１８を提供する。炭化水素と混合された流入空気は、各能動領域でプラズマ反応を経験し、次の受動領域で化学反応緩和が引き続いて起こる。この点に関し、各能動領域が軸方向にコンパクトであるので、エネルギー電子の強烈な発生がそのとき発生する。各受動領域が軸方向に延長されているので、その結果生じた酸化プロセスのために十分な時間が、次の能動領域と遭遇する前に、提供される。その結果、豊富なアルデヒドが生成される。アルデヒドの生成に関連したエネルギー消費は、きわめて好ましい。空気Ａ_R＋Ａを載せたこのアルデヒドは、触媒コンバータ１２４へと移行し、該触媒コンバータで、アルデヒドは、ＮＯｘ還元触媒のための反応を提供する。

ここで、図１１乃至図１６を参照すると、触媒コンバータ１２４と組み合わされたハイパープラズマ反応器１００の作動特性の様々なテスト結果が示されている。この点に関し、図１０Ａ及び図１０Ｂは、これらのテスト結果に関するディーゼルエンジン動力計設備を表している。

図１０Ａは、ディーゼルエンジン動力計テスト設備１３０における概略流れ図であり、該設備では、従来のプラズマ反応器５６及び脱ＮＯｘ触媒の触媒コンバータ５８が、ディーゼルエンジン排気条件の下で性能テストのため排気の側流れの関係で設置された。詳細なテスト条件が表ＩＩにリストされている。

表ＩＩ
エンジン（１．３Ｌ、３サイクル いすゞ）：
速度＝２３００ｒｐｍ
トルク＝２５Ｎｍ
ＢＭＥＰ＝２５０ｋＰａ
ＥＧＲ＝０〜４５％
燃料＝ＦＴ
排気ガス温度：＝２１７Ｃ
排気ガス組成：
ＨＣ＝２１ｐｐｍ（Ｃ₃）
ＮＯｘ＝２６５ｐｐｍ
Ｏ₂＝１５％
ＣＯ₂＝３．８％
ＣＯ＝１４２ｐｐｍ
従来のプラズマ反応器：
円柱形状
ＳＶ＝６０Ｋ／ｈ
Ｅｐ＝３０Ｊ／Ｌ
Ｔ＝１５０Ｃ
触媒コンバータ：
触媒＝ＮａＹ， Ｂａ／ＮａＹ
反応器＝５．１ｃｍ（２インチ）直径のパイプ、充填ベッド
ＳＶ＝１０〜３０Ｋ／ｈ
Ｔ＝２００Ｃ
側流れ：
流れ速度＝１０〜３０Ｌ／分
還元剤の注入＝ＦＴ燃料、２−ブテン
図１０Ｂは、本発明に係る小円柱形状ハイパープラズマ反応器１００’が第２の側流れ内に設置されたことを除いて、同じ表Ｉを使用した、ディーゼルエンジンの動力計テスト設備１３０’における概略流れ図である。該第２の側流れには、炭化水素ＨＣ還元剤（２−ブテン）が注入され、空気が導入される。両者ともハイパープラズマ反応器の前段において注入される。なお、この第２の側流れ内のハイパープラズマ反応器１００”は、エンジン排気流れから独立に、炭化水素からアルデヒドを生成するため炭化水素改質器として使用されている。ハイパープラズマ反応器からの流出物は、脱ＮＯｘ触媒の触媒コンバータ１２４’の前段で主要な側流れ排気物に供給された。

図１１は、供給流れにＮＯが存在する場合としない場合とにおける、本発明に係るハイパープラズマ反応器によるプロピレンからのアルデヒドの生成を示している。供給流れは、６００ｐｐｍのプロピレン、１２％の酸素、２．５％の水蒸気、２２５ｐｐｍ(又は比較のため０ｐｐｍ)のＮＯ、及び、バランス窒素を含む、シミュレートされた排気ガス組成を維持した。本発明に係るハイパープラズマ反応器により、ＮＯが存在しない状態で、実際にアルデヒドを生成することができることが図１１により明瞭に実証されている。この発見は、従来技術のプラズマ反応器が、供給流れにおいてＮＯ無しでは有意な量のアルデヒドを生成することができないという十分に確立された文献レポートとは対照的である。

図１２は、本発明に係るハイパープラズマ反応器内のオゾン濃度を示している。供給流れは、６００ｐｐｍのプロピレン、１２％の酸素、２．５％の水蒸気、２２５ｐｐｍ(又は比較のため０ｐｐｍ)のＮＯ、及び、バランス窒素を含む、シミュレートされた排気ガス組成を維持した。ハイパープラズマ反応器は、ＳＶ＝２５Ｋ／ｈと、２０Ｊ／Ｌのエネルギー密度を持ち、Ｏ₃は約３０ｐｐｍを維持した。生成されたオゾンのほとんどは、プロピレンにより消費され、その残りをＮＯが消費した。完全流れ条件の下で、ハイパープラズマ反応器内でなおも有用となり得る実質的な量のオゾンが残っていることは、注目に値する。この高い濃度のオゾンは、「炭化水素のオゾン分解」を介してアルデヒドを生成することを可能にする重要な手段である。

図１３は、プロピレン及び２−ブテンによるアルデヒド生成を比較している。供給流れは、６００ｐｐｍのプロピレン（又は４５０ｐｐｍの２−ブテン）、１２％の酸素、２．５％の水蒸気、２２５ｐｐｍ(又は比較のため０ｐｐｍ)のＮＯ、及び、バランス窒素を含む、シミュレートされた排気ガス組成を維持した。ハイパープラズマ反応器は、ＳＶ＝２５Ｋ／ｈと、２０Ｊ／Ｌのエネルギー密度と、を持っていた。２−ブテンは、オゾン分解機構に従って、プロピレンと比較して、より多くのアセトアルデヒド（＋７０％）と、より少ないフォルムアルデヒド（−６０％）と、を生成する。

図１４は、２−ブテンがディーゼルエンジンの動力計実験で還元剤として注入された状態での、プラズマ／触媒システムのＮＯｘ転化性能を示している。ＮＯｘの転化率は、最初、９３％に到達したが、５時間以内で８７％の定常状態値へとゆっくりと減少した。

図１５は、２−ブテンと、還元剤として注入されたフィッシャートロプシュ（ＦＴ）ディーゼル燃料との効率を比較している。この場合で使用された脱ＮＯｘ触媒は、Ｂａ／ＮａＹであった。図１５に示されているように、２−ブテンは、プラズマ反応器内のＮＯ₂へのＮＯの転化と、プラズマ／触媒の結合システムに亘る全体的なＮＯｘ転化との両方に関して、ＦＴディーゼル燃料より優れている。

図１６は、従来のプラズマ反応器５６の性能を、図１０Ａ及び図１０Ｂに夫々概略表されたように脱ＮＯｘ触媒（この場合ではＮａＹ）を用いて使用されたときの本発明に係るハイパープラズマ反応器１００’の性能とＮＯｘ転化率及びプラズマエネルギー消費の観点で比較している。側流れの炭化水素改質器として使用されたハイパープラズマ反応器は、エンジン排気物を処理するため主要側流れで使用される従来技術のプラズマ反応器と比較したとき、作動する上で非常に低いパワーで済むということは注目に値する。従来のプラズマ反応器システム（図１０Ａ）と比較したハイパープラズマ反応器システム（図１０Ｂ）に関するＮＯｘ転化率（８７％から７７％）における僅かな減少は、取るに足らないものである。本発明は、このマイナーな望ましくない効果を、ハイパープラズマ反応器の設計変数の最適化により修正することができると考えられる。

要約すると、テスト結果は、次のことを示している。
１． ハイパープラズマ反応器（又は超活性プラズマ反応器）は、炭化水素の部分酸化に関して優れた活性化を提供する。特に、この新規なプラズマ反応器は、ガス流れ中にＮＯが存在しない場合でも炭化水素からアルデヒドを生成することができる。
２． ハイパープラズマ反応器は、該反応器を通して、空気の移動方向に軸方向に非均一電場を発生することができる。その電場の強度は、異なる炭化水素の種類に対して最も良好に適合するように、容易に調整することができる。
３． ハイパープラズマ反応器は、非常に低いプラズマパワーを使用することにより、エンジン排気ガス組成から大量のオゾンを生成することができる。
４． ＮａＹ触媒は、ディーゼルエンジン排気物中のＮＯｘ還元のため、本発明に係るハイパープラズマ反応器及び触媒コンバータシステムのための最良の触媒として同定された。
５． 炭化水素の中で、２−ブテンが、ディーゼルエンジン排気物中のＯｘ還元のため、本発明に係るハイパープラズマ反応器及び触媒コンバータシステムのための最良の還元剤として同定された。
６． エンジン排気物から独立した側流れ中でハイパープラズマ反応器を使用する（又はプラズマ再形成）、アルデヒド生成の新しい方法が判明した。側流れ中のこのプラズマ再形成は、脱ＮＯｘ触媒及びエンジン排気流れから独立してハイパープラズマ反応器を選択的に制御するこおを可能にする。
７． 本発明に係るアルデヒド生成の新しい方法は、より低いパワーの使用でも、超低レベル(例えば、従来システムの場合では６００から９００Ｗであるのに対し、本新システムでは１０から１５Ｗ、即ち６０倍の減少である)でハイパープラズマ反応器を作動することを可能にする。

本発明が属する分野の当業者にとって、上述した好ましい実施例は、変更又は修正の対象となり得る。例えば、プラズマ反応器壁は、任意の適切な形状を持つことができる。そのような変更又は修正は、添付された請求の範囲によってのみ制限され本発明の範囲から逸脱すること無く実行することができる。

図１は、従来技術のプラズマ反応器の部分的な側断面図である。 図２は、従来技術のプラズマ反応器の部分的な側断面図である。 図３は、従来技術のプラズマ反応器の部分的な側断面図である。 図４は、排気ガスＮＯｘ除去システムにおける従来技術のプラズマ反応器及び触媒コンバータの概略図である。 図５は、本発明に係る排気ガスＮＯｘ除去システムにおける、ハイパープラズマ反応器及び触媒コンバータの概略図である。 図６は、図５のハイパープラズマ反応器の部分的な側断面図である。 図７は、図６のライン７−７に沿って示された、断面端図である。 図８は、図５のハイパープラズマ反応器のための電気回路の概略図である。 図９は、図５のハイパープラズマ反応器における軸方向距離に対する電場強度のグラフ上でのプロットである。 図１０Ａは、動力計テスト設備の概略図である。 図１０Ｂは、動力計テスト設備の概略図である。 図１１は、ハイパープラズマ反応器及び図５のハイパープラズマ反応器／触媒コンバータシステムの様々な作動特性を表すプロット図である。 図１２は、ハイパープラズマ反応器及び図５のハイパープラズマ反応器／触媒コンバータシステムの様々な作動特性を表すプロット図である。 図１３は、ハイパープラズマ反応器及び図５のハイパープラズマ反応器／触媒コンバータシステムの様々な作動特性を表すプロット図である。 図１４は、ハイパープラズマ反応器及び図５のハイパープラズマ反応器／触媒コンバータシステムの様々な作動特性を表すプロット図である。 図１５は、ハイパープラズマ反応器及び図５のハイパープラズマ反応器／触媒コンバータシステムの様々な作動特性を表すプロット図である。 図１６は、ハイパープラズマ反応器及び図５のハイパープラズマ反応器／触媒コンバータシステムの様々な作動特性を表すプロット図である。

Claims (14)

1. 内燃エンジンのための排気ガス処理システムであって、
   排気ガス流れ配管と、
   入口及びその反対側の出口を有するハイパープラズマ反応器であって、該反応器の空間を形成する誘電プラズマ反応器壁と、該誘電プラズマ反応器壁に平行に前記反応器空間内に配置された内側電極と、前記誘電プラズマ反応器壁に隣接した出口電極であって、該出口電極は一連の離散的に間隔を隔てた配置の連続パターンで配列され、該連続パターンは軸線に対して配列されている、前記出口電極と、を備える、前記ハイパープラズマ反応器と、
   前記入口に接続されて空気を提供する第１の源と、
   前記入口に接続されて炭化水素を提供する第２の源と、
   前記配管に接続された触媒コンバータと、
   前記触媒コンバータに関して上流の位置で、前記出口及び前記配管の間に形成された接続部と、
   を備え、
   前記第１の源からの空気が前記第２の源からの炭化水素と混合し、該混合物が前記入口に流入し、前記反応器空間を通って、前記出口から流出する、排気ガス処理システム。
2. 前記外側電極は、導電ワイヤ及びその均等物から構成され、前記内側電極は、略中央で、前記誘電プラズマ反応器壁と共に延在する、請求項１に記載の排気ガス処理システム。
3. 前記誘電プラズマ反応器壁は、円柱形状を有し、前記ワイヤは前記誘電プラズマ反応器壁の回りで前記軸線に対して螺旋状に巻かれている、請求項２に記載の排気ガス処理システム。
4. 前記内側電極及び前記外側電極に接続された、時間的に変動する高電圧源を更に備え、前記電圧源は、前記内側及び外側電極と前記誘電プラズマ反応器壁とに対して、前記軸線に平行に前記誘電プラズマ反応器壁に沿った方向に能動及び受動電場の連続的に交互に変化する領域を提供する、請求項１に記載の排気ガス処理システム。
5. 前記電場の能動領域の各々は、前記電場の任意の受動領域の前記軸線に平行な受動距離より短い、前記軸線に平行な能動距離を有し、該受動距離は、実質的に次の関係式により定義され、
   

   

   ここで、ｄは、前記電場の受動領域の前記軸線に平行な長さであり、ｈは、前記内側電極ロッドと、前記外側電極との間の最短距離である、請求項４に記載の排気ガス処理システム。
6. 前記能動及び受動電場の前記連続的に交互に変化する領域は、前記プラズマ反応器に固有のキャパシタンスを超える、前記プラズマ反応器の有効キャパシタンスを提供する、請求項５に記載の排気ガス処理システム。
7. 前記外側電極は、導電ワイヤ及びその均等物から構成され、前記内側電極は、略中央で、前記誘電プラズマ反応器壁と共に延在する、請求項６に記載の排気ガス処理システム。
8. 前記誘電プラズマ反応器壁は、円柱形状を有し、前記ワイヤは前記誘電プラズマ反応器壁の回りで前記軸線に対して螺旋状に巻かれている、請求項７に記載の排気ガス処理システム。
9. アルデヒドを提供する方法であって、
   軸線に沿って空気の流れを提供し、
   前記空気の流れに炭化水素を混合して、炭化水素混合の空気流れを提供し、
   前記炭化水素混合の空気流れを、前記軸線に平行な短距離に亘って延在する高電圧の領域にさらし、
   その直後に、前記炭化水素混合の空気流れを、前記軸線に平行な長距離に亘って前記高電圧より低い電圧にさらし、
   前記第１及び第２の電圧さらし工程を、選択された回数、連続的に繰り返す、各工程を備え、炭化水素のオゾン分解プロセスは、実質的に前記第１の電圧さらし工程の間、前記炭化水素混合の空気流れ内で生じ、アルデヒドは、前記第１及び第２の電圧さらし工程の間、炭化水素の前記オゾン分解プロセスにより生成される、方法。
10. 炭化水素のオゾン分解のための前記第１の電圧さらし工程の各々の間にのみ、エネルギーが実質的に供給される、請求項９に記載の方法。
11. 前記炭化水素混合の空気流れは、実質的にＮＯが存在しない、請求項１０に記載の方法。
12. 内燃エンジンの排気ガスを処理するための方法であって、
    軸線に沿って空気の流れを提供し、
    前記空気の流れに炭化水素を混合して、炭化水素混合の空気流れを提供し、
    前記炭化水素混合の空気流れを、前記軸線に平行な短距離に亘って延在する高電圧の領域にさらし、
    その直後に、前記炭化水素混合の空気流れを、前記軸線に平行な長距離に亘って前記高電圧より低い電圧にさらし、
    前記第１及び第２の電圧さらし工程を、選択された回数、連続的に繰り返してアルデヒドが混合された空気流れを提供し、それにより、炭化水素のオゾン分解プロセスは、実質的に前記第１の電圧さらし工程の間、前記炭化水素混合の空気流れ内で生じ、アルデヒドは、前記第１及び第２の電圧さらし工程の間、炭化水素の前記オゾン分解プロセスにより生成され、
    前記アルデヒドが混合された空気流れを、内燃エンジンの排気ガス流れに混合して、アルデヒドが混合された排気ガス流れを提供し、
    前記アルデヒドが混合された排気ガス流れを触媒により処理する、各工程を備える、方法。
13. 炭化水素のオゾン分解のための前記第１の電圧さらし工程の各々の間にのみ、エネルギーが実質的に供給される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記炭化水素混合の空気流れは、実質的にＮＯが存在しない、請求項１３に記載の方法。

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