专利名称：排气净化装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种排气净化装置及其控制方法，特别地，涉及一种用于净化内燃机排放废气的排气净化装置及其控制方法。
背景技术：
废气，例如从汽车、垃圾焚化厂等排放出的废气，一般是在主要利用催化剂的净化之后被排放到大气中的。但是，随着废气的相关法规越来越严格，仅利用催化剂难以满足所要求的净化等级。此外，利用催化剂的净化需要较高的废气温度，因此在净化处理开始阶段，利用催化剂的净化效率会比较低。
为了解决与使用催化剂相关的这些问题，提出了使用由放电产生的等离子体的各种系统。特别地，在汽车领域中，常见有结合使用放电和排气净化催化剂来净化NOx，CO(一氧化碳)，HC(碳氢化合物)以及PM(微粒物质)。
例如，日本未审查的专利公开(Kokai)NO.2001-159309提出了利用设在催化剂上游的放电装置在排气管内产生放电，并将作为还原剂的碳氢化物喷入到放电装置的上游。根据这种技术，由于碳氢化物的存在，能够加速在放电装置内从NO到NO2的氧化过程。另外，该公开提出了将还原剂喷入到催化剂的上游，并在该催化剂上产生放电等离子体。根据这种技术，加速了催化剂上的反应，因此净化过程得以改善。
对于放电等离子体在净化锅炉、加热炉等废气的使用，日本未经审查的专利公开(Kokai)No.6-343820提出了将水汽供应到等离子体发生装置内，并将获得的水汽等离子体供应到废气中，从而使废气中的有害成分被氧化而成为无害的。在该公开中，公开了通过将水汽加入到等离子体发生装置中可以获得诸如O、OH、H、H2O和O3等的活性化学物质。
如上所述，针对废气的净化已提出了等离子体的使用，特别是等离子体和催化剂的结合使用。但是，有关排气净化的限制近年来越来越严格，因此需要在排气净化装置中作进一步的改善。
因此，本发明提供一种新颖的排气净化装置及其控制方法。
发明内容
根据本发明的排气净化装置及其控制方法如下(1)一种排气净化装置，包含放置于排气管内的NOx净化催化剂，废气从中通过；等离子体发生器，用于将气体转化为等离子体并将等离子体供应到NOx净化催化剂上游的排气管内；切换装置，用于选择性地将循环废气和空气之一作为要转化为等离子体的气体供应到等离子体发生器中；以及喷射器，用于将还原剂加入到要转化为等离子体的气体中或通过等离子体发生器从气体转化成的等离子体中。
(2)如上(1)所述的排气净化装置，其中等离子体发生器是等离子体焰炬，喷射器将还原剂加入到通过等离子体焰炬从气体转化成的等离子体中。
(3)如上(1)或(2)所述的排气净化装置，其中该装置进一步包含供水装置，用于将水加入到要转化为等离子体的气体中或通过等离子体发生器从气体转化成的等离子体中。
(4)如上(1)至(3)中任一个所述的排气净化装置，其中该装置进一步包含微粒过滤器，它被放置在排气管一个区域的下游中，通过等离子体发生器从气体转化成的等离子体被供应到该区域中。
(5)一种用于控制如上(1)至(4)中任一个所述的排气净化装置的方法，其中该方法包含当满足预定的还原条件时，通过使用切换装置使循环废气供应到等离子体发生器中，在由喷射器加入的还原剂的作用下，该循环废气被等离子体发生器转化成等离子体；以及当满足预定的氧化条件时，通过使用切换装置使空气供应到等离子体发生器中，在没有由喷射器加入还原剂的情况下，该空气被等离子体发生器转化成等离子体。
(6)一种排气净化装置，包含放置于排气管内的NOx净化催化剂，废气从中通过；第一个等离子体发生器，用于将循环废气转化为等离子体并将等离子体供应到NOx净化催化剂上游的排气管内；喷射器，用于将还原剂加入到要转化为等离子体的循环废气中或通过第一等离子体发生器从循环废气转化成的等离子体中；以及第二个等离子体发生器，用于将空气转化为等离子体并将该等离子体供应到排气管内。
(7)如上(6)所述的排气净化装置，其中第一个等离子体发生器是等离子体焰炬，喷射器将还原剂加入到通过该等离子体焰炬从气体转化成的等离子体中。
(8)如上(6)或(7)所述的排气净化装置，其中第二个等离子体发生器是等离子体焰炬。
(9)如上(6)至(8)中任一个所述的排气净化装置，其中该装置进一步包含供水装置，用于将水加入到要转化为等离子体的气体中或通过第一和第二个等离子体发生器中的至少一个从气体转化成的等离子体中。
(10)如上(6)至(9)中任一个所述的排气净化装置，其中该装置进一步包含微粒过滤器，它被放置在排气管一个区域的下游中，通过第二个等离子体发生器从气体转化成的等离子体被供应进去。
(11)一种用于控制如上(6)至(10)中任一个所述的排气净化装置的方法，其中该方法包含当满足预定的还原条件时，循环废气在由喷射器加入的还原剂的作用下被第一个等离子体发生器转化成等离子体，特别地，第二个等离子体发生器没有工作；以及当满足预定的氧化条件时，空气被第二个等离子体发生器转化成等离子体，特别地，第一个等离子体发生器没有工作。
根据如上(1)或(6)所述的排气净化装置，可以选择性地将循环废气或空气转化为等离子体。此外，根据这些实施例的排气净化装置，还原剂是可选地被加入到要转化成等离子体的气体中或通过等离子体发生器从气体转化成的等离子体中，从而使还原剂能够通过自由基形成和裂化而被转化成具有高反应性的低分子量的成分，以及/或能够被汽化。
根据如上(2)、(7)或(8)所述的排气净化装置，等离子体可以在一个相对较小的区域内产生，即，在相对较小的能耗下可以获得较高的等离子体浓度。
在本发明中使用的术语“等离子体焰炬”表示一种等离子体发生装置，用于将供应进来的气体转化成等离子体并提供等离子体；特别是一种能够从其末端喷出所获得的等离子体的等离子体发生装置。
根据如上(3)或(9)所述的排气净化装置，水能够被供应到要转化为等离子体的循环废气和空气中的一个或两个，或者是从这些气体转化成的等离子体中，以产生OH基和O基等。
供水装置可以是一种用于将水作为水汽添加的装置，或者是一种用于通过喷射而添加水的喷水器。此外，若供水装置是喷水器，该喷水器可以是与还原剂喷射器分开的喷水器，但是用于喷射还原剂的喷射器可以与用于加水的供水装置同时工作。
根据如上(4)或(10)所述的排气净化装置，废气特别是柴油机废气中的PM(微粒物质)能够被捕集在放置于排气管内的微粒过滤器上。
根据如上(5)或(11)所述的控制方法，在满足还原条件时通过利用加入的还原剂而将循环废气转化为等离子体，使还原剂能够通过自由基形成和裂化而被有效地转化为具有高反应性的低分子量的成分，以及/或能够被汽化。这是因为循环废气具有较低的氧气浓度，由于与氧气的反应而消耗较少的还原剂；而还原剂被循环废气稀释，从而抑制积炭的产生。
“还原条件”可以被预定为这样的一个条件，其中优选地将活性还原气体供应到废气流中。例如，还原条件可以被预定为NOx的还原，特别是存储于NOx存储还原催化剂中的NOx的还原由于获得的活性还原剂的作用而被加速。具体来说，还原条件可以被预定为在预定间隔下进行一次还原反应。
当循环废气在加水的条件下被转化为等离子体的情况下，通过把水转化为等离子体而获得的OH(氢氧根)基、O(氧)基等会加速裂化和重组；并与由等离子体断开的还原剂分子链的末端结合，从而防止不饱和碳氢化合物的产生，或抑制积炭的产生。
此外，根据如上(5)或(11)所述的控制方法，当满足氧化条件，通过在没有由喷射器加入还原剂的情况下将空气转化为等离子体，可以有效地获得高氧化性物质，如氧基、臭氧等。这是因为空气比循环废气具有更高的氧气浓度。
“氧化条件”可以被预定为这样的一个条件，其中优选地将活性氧化气体供应到废气流中。因此，例如，氧化条件可以被预定为，当内燃机刚刚起动，活性氧化气体被供应到低温废气流中，以促进低温废气中的HC(所谓的冷HC)的氧化。
若被控制的排气净化装置进一步包含微粒过滤器，特别是所谓的柴油微粒过滤器，氧化条件就可以被预定为，当预定量的PM积聚在过滤器上时，活性氧化气体被供应到废气流中，以促进过滤器上积聚PM的氧化清除。在微粒过滤器上PM的积聚量可以从通过微粒过滤器的气流阻力、自上次氧化处理之后经过的时间等来确定。
在空气是在加水的条件下被转化为等离子体的情况下，氧基、臭氧和OH基的产量进一步被提高。这是因为水分子容易产生OH基，而OH基则发起各种反应。
图1是一张示意图，显示了根据本发明的排气净化装置的一个实施例。
图2是一张示意图，显示了根据本发明的排气净化装置的另一个图3是一张放大横断面图，显示了能够被应用于本发明中的喷射器。
图4a和4b分别是示意透视图和横断面图，显示了能够被应用于本发明中的一个等离子体发生器。
图5a和5b分别是示意透视图和横断面图，显示了能够被应用于本发明中的另一个等离子体发生器。
图6是一张示意横断面图，显示了一种还原剂通过等离子体焰炬的等离子体转化的概念。
图7是一张示意横断面图，显示了能够被应用于本发明中的电子放电等离子体焰炬和喷射器的一个实施例。
图8是一张示意横断面图，显示了能够被应用于本发明中的电子放电等离子体焰炬和喷射器的另一个实施例。
图9是一张示意横断面图，显示了能够被应用于本发明中的电子放电等离子体焰炬和喷射器的再一个实施例。
图10是一张示意横断面图，显示了能够被应用于本发明中的、用于喷射还原剂和水的一个喷嘴。
图11是一张示意横断面图，显示了感应耦合等离子体焰炬和喷射器的一个实施例。
图12是一张示意横断面图，显示了微波等离子体焰炬和喷射器的一个实施例。
图13是一张示意横断面图，显示了用于用等离子体进行烃分子裂化的实验装置。
图14是一张示意横断面图，显示了被应用于如图13所示的实验装置中的一个喷嘴。
具体实施例方式
在下面基于如附图所示的实施例对本发明进行了明确的说明。每张附图是用于显示本发明概念的一个视图，但是本发明并不受限于这些实施例。
<根据本发明的第一个排气净化装置>
图1原理地显示了本发明的排气净化装置的一个实施例。
如图1所示，本发明的排气净化装置10包含NOx净化催化剂1，它被放置于内燃机(ENG)的排气管11内；等离子体发生器2，它用于将气体(箭头14)转化成等离子体并将等离子体供应到NOx净化催化剂1上游的排气管11中；切换装置3，它用于选择性地将循环废气(箭头13)和空气(箭头12)之一供应到等离子体发生器2中；以及喷射器4，它用于将还原剂(箭头16)添加到要被供应给等离子体发生器2的气体(箭头14)或由等离子体发生器2产生的等离子体15中。等离子体发生器由电源5供电。利用泵6，空气(箭头12)通过切换装置3而被供应到等离子体发生器3中。从内燃机(ENG)排出的废气流经NOx净化催化剂1，然后如箭头17所示排出。
当使用如图1所示的排气净化装置10时，必要时，循环废气(箭头13)或空气(箭头12)被转化成等离子体，并且可选择地，还原剂(箭头16)被添加到要被供应给等离子体发生器2的空气(箭头12)中或由等离子体发生器2产生的等离子体15中。
也就是说，在使用如图1所示的排气净化装置10时，当预定还原条件满足，就可以在喷射器4添加还原剂的情况下由等离子体发生器将循环废气转化成等离子体，使得还原剂通过自由基形成和裂化而被转化成具有高反应性的低分子量的成分，并且/或被汽化。另外，当预定的氧化条件满足，就可以在喷射器4不添加还原剂的情况下由等离子体发生器2将空气转化成等离子体，从而有效地产生具有高氧化活性的氧基、臭氧等。
还原和氧化条件的判断、基于该判断而对循环废气和空气的开关控制、以及添加还原剂的控制等，可以利用多功能的电子装置如ECU(发动机控制单元)、单功能的电子装置等来实现。
<根据本发明的第二个排气净化装置>
图2示意性地显示了本发明的排气净化装置的另一个实施例。
如图2所示的本发明的排气净化装置包含两个等离子体发生器2a和2b，它们分别用于循环气体和空气，而如图1所示的本发明的排气净化装置10可以交替地将循环废气和空气供应到一个等离子体发生器中。对应这个修改，如图2所示的本发明的排气净化装置20包含控制阀3a和3b，而不是切换装置3，并分别通过电源5a和5b给等离子体发生器2a和2b供电。
在使用如图2所示排气净化装置20、并且预定还原条件满足时，可以在添加还原剂的情况下将循环废气转化成等离子体。另外，当预定氧化条件满足时，可以在不添加还原剂的情况下将空气转化成等离子体。
对于还原和氧化条件、控制装置等的细节，可以参考对如图1所示的本发明的排气净化装置10的说明。
下面更加详细地说明本发明的排气净化装置的每一个部件。
<NOx净化催化剂>
能够被用于本发明的排气净化装置中的NOx净化催化剂1可以是能够催化NOx到N2的还原的任何一种催化剂。NOx净化催化剂可以是所谓的NOx存储还原催化剂、NOx选择还原催化剂或三元催化剂。
NOx存储还原催化剂是这样的一种催化剂，当空燃比为贫油(稀)时，它存储NOx，而当空燃比为富油(浓)时，即当提供一个富油尖峰(当燃料被喷入到废气流中)，它将存储的NOx还原为N2。例如，NOx存储还原催化剂是这样一种催化剂，其中多孔金属氧化物如氧化铝携带着一个或多个贵金属如Pt、Rh、Pd、Ir和Ru，以及一个或多个NOx存储元件如碱金属、碱土金属和稀土金属。
NOx选择还原催化剂是这样一种催化剂，它在废气中选择性地还原或分解NOx。NOx选择还原催化剂被用于净化在稀空燃比下工作的内燃机排放的废气中的NOx。例如，NOx选择还原催化剂是与过渡金属元素如Cu交换的沸石，或者是携带一个或多个贵金属的沸石或氧化铝。
三元催化剂是这样的一种催化剂，它把在接近于理论空燃比下工作的内燃机排放的废气中的CO、HC和NOx转化为CO2、H2O和N2。例如，三元催化剂是携带Pt和Rh混合物或Pd和Rh混合物的氧化铝。
这些催化剂可以被携带在任何基片上，如通过冲蚀镀刻处理等的陶瓷蜂窝基片。
<用于供气的切换装置和控制阀>
能够被用于本发明的排气净化装置中的用于供气的切换装置3可以是任何类型的装置，如能够交替地供应循环废气和空气的切换阀。控制阀3a和3b可以是能够控制循环废气和空气供应的任何类型的阀。
<喷射器>
能够被用于本发明的排气净化装置中的喷射器4可以是任何类型的能够喷出还原剂的装置，如具有用于将燃料直接喷射到内燃机燃烧室内的喷射器的常见结构的装置。
例如，该喷射器如图3所示。如图3所示的喷射器4包含一个近乎圆柱形的喷嘴32，该喷嘴中具有一个空腔33，还包含一个近乎柱形的针阀34，该针阀在喷嘴32的空腔33中滑动(移动)。喷嘴32和针阀34被布置成它们的轴线A同轴。在喷嘴32中，有一个与空腔33相通的输送道35。输送道35被连接到燃料源(没有显示)上，高压燃料通过该输送道35而被供应到空腔33中。供应的燃料通过针阀34和喷嘴32的内壁面之间的环形通道36而流到喷嘴32的末端部分38，并在喷嘴32的末端部分38上从喷射孔39被喷射出去。在该喷射器中，通过在空腔33中滑动针阀34而使针阀34的末端与喷嘴末端部分38的内壁面接触，喷射孔39的入口被关闭或打开，从而控制燃料从喷射口39的喷射。
由喷射器喷射的还原剂可以任意选择，可以是碳氢化合物，如汽油、轻油、乙醚或酒精。也就是说，若本发明的排气净化装置被用于净化内燃机排放的废气，用于产生内燃机动力的燃料如汽油，或另一种还原剂都可以被用作为本发明的还原剂。
<等离子体发生器>
能够被用于本发明的排气净化装置中的等离子体发生器2、2a和2b可以有任何类型的结构，只要它能够将供应进来的气体转化成等离子体并将该等离子体供应到排气管中。等离子体发生器2、2a和2b可以是一种使用电子放电而产生等离子体的电子放电等离子体发生器，使用微波而产生等离子体的微波等离子体发生器，或者是使用感应耦合而产生等离子体的感应耦合等离子体发生器。另外，该等离子体发生器也可以是如日本未经审查的专利申请No.2001-159309和6-343820中所示的一种电子放电等离子体发生器。
能够被应用于本发明的排气净化装置中的等离子体发生器可以是这样一种类型，它能够在该等离子体发生器中形成一个等离子体发生空间。图4a和4b分别显示了该等离子体发生器的一个透视图和一个侧剖视图。
如图4a和4b所示的等离子体发生器40包含一个柱形外电极42和一个位于外电极42的中心轴上的中央电极。在柱形外电极42和中央电极44之间形成有一个气流通道43，要被转化成等离子体的气体从中流过。当使用该等离子体发生器40时，要被转化成等离子体的气体如箭头45和46所示通过气流通道43，电压被施加在柱形外电极42和中央电极44之间，从而在气流通道43内产生放电。
中央电极44可以由任何类型的材料组成，只要能够在中央电极44和柱形外电极42之间施加电压。这种材料可以是导电材料，半导体材料等，特别是金属，如铜、钨、不锈钢、铁、铂和铝，其中不锈钢由于它耐用、成本低最为合适。中央电极44可以是金属线，但它应该是空心杆。
柱形外电极42可以由上述用于中央电极44的任何材料组成。外电极42可以这样制成，通过在限定气流通道43的绝缘柱形体周围包围一层由这些金属材料制成的金属网或金属薄片，或通过在该限定气流通道43的绝缘柱形体的外围表面上应用一层导电性胶。
电源5可以是供应脉冲或恒定直流电(DC)，或交流电(AC)的电源。被施加在中央电极44和柱形外电极42之间的电压和该施加电压的脉冲周期可以是一般用于产生等离子体所使用的电压和脉冲周期。任何电压如直流电压、交流电压和周期性波形电压都能够被施加在这些电极之间。优选地施加直流脉冲电压，例如具有50kV脉冲电压和2000Hz脉冲循环的直流电压，这是因为它能够产生稳定的电晕放电。可以随意确定直流脉冲电压的施加电压、脉冲宽度和脉冲周期，只要能产生电晕放电就行。为了产生电晕放电，高电压和短脉冲循环是想要的，尽管这些参数可能受该装置的设计如经济值等所限。在直流电压被施加在中央电极44和柱形外电极42之间的情况下，中央电极44可以是阴极或阳极。此外，其中一个电极可以接地。
能够被应用本发明的排气净化装置中的等离子体发生器可以是如图5a和5b所示的等离子体发生器。图5a和5b分别显示了该等离子体发生器的一个透视图和一个侧剖视图。
如图5a和5b所示的等离子体发生器50包含一个上游和下游网状电极52和54，以及一个气流通道53，要被转化成等离子体的气体从中经过。当使用该等离子体发生器50时，要被转化成等离子体的气体如箭头55和56所示通过气流通道53，电源5在网状电极52和54之间施加电压，从而在气流通道53内产生电子放电。用于如图4a和4b所示的等离子体发生器的电极、电源等的材料的说明，可以适用于如图5a和5b所示的等离子体发生器50。
<等离子体发生器——等离子体焰炬>
能够被应用于本发明的排气净化装置中的等离子体发生器2、2a和2b可以是等离子体焰炬，它能够将气体转化成等离子体并将等离子体喷出。在这种情况下，可以将还原剂添加到供应给等离子体焰炬的气体中，以转化气体和还原剂的混合物，或者将还原剂添加到从等离子体焰炬喷出的等离子体中。
在还原剂被添加到从等离子体焰炬喷出的等离子体中的情况下，该还原剂可以从位于喷射器4的喷嘴32的末端部分38上的喷射口39中喷出到等离子体中，特别是接近喷射器的喷射口39的等离子体60中。在等离子体60被等离子体焰炬产生于接近喷射器的喷射口39的区域的情况下，在喷射口39附近的等离子体60并不是一个整体，而是空间如排气管的一部分，其中还原剂被喷射器喷射，也可以是，例如以喷射口39为中心5cm内、特别是2cm内、更特别地是1cm内的一个区域。
等离子体焰炬可以与用于喷射还原剂的喷射器分开。在这种情况下，供应等离子体的区域与喷射器分开，从而可以防止喷射器由于等离子体的存在而磨损。
喷射器的喷嘴可以被布置在等离子体焰炬内，这样，要被转化成等离子体的气体能够在等离子体焰炬的内壁和喷射器的喷嘴之间通过。在这种情况下，能够改善等离子体和从喷射器喷出的还原剂之间的接触。
在如上所述喷射器的喷嘴被布置在等离子体焰炬内的情况下，通过使喷射器的喷嘴作为一个放电电极，并在该喷嘴和与其耦合的一个电极之间施加电压而产生电子放电，可以在喷射器的喷射口附近产生放电等离子体。另外，在这种情况下，通过将感应线圈包围喷射器的喷射口，从高频电源供应高频电流到该感应线圈上，并在喷射口的附近产生磁场以及涡电流，可以在喷射口的附近产生感应耦合等离子体。
<等离子体发生器——等离子体焰炬>
能够被用于本发明中的等离子体焰炬可以有任何类型的结构，例如，可以具有如图7至12所示的结构。
<等离子体发生器——等离子体焰炬——电子放电等离子体焰炬>
如图7所示的等离子体焰炬70a使用电子放电等离子体。在如图7所示的电子放电等离子体焰炬中，放电电极76被放置在导电圆柱管72的中轴线上，要被转化成等离子体的气体从该导电圆柱管中通过，另外在导管72和放电电极76之间有绝缘材料74。导管72和放电电极76分别接地和电源5，从而作为反电极工作。导管72和放电电极76可以是阴极或阳极。另外，导管72或放电电极76可以接地。
在使用等离子体焰炬70a和70b时，通过使用电源5，在导管72和放电电极76之间产生放电，从而使通过气流通道而被供应到等离子体焰炬中的气体73被转化成等离子体。还原剂从喷射器4中被喷射到等离子体区域60中。
在图7中，导管被用作为电极，但当然也可以用一个独立的电极作为放电电极76的反电极。
另外可以使用如图8所示的一个机构，其中用于喷射还原剂的喷射器4的喷嘴被布置在等离子体焰炬内，要被转化成等离子体的气体73从等离子体焰炬的圆柱导管72内壁和喷射器4的喷嘴之间经过。喷射器4的喷嘴可以被用作为一个电极。
另外，在产生等离子体的区域中添加水的情况下，如图9所示，可以使用一个附加的用于喷水的喷射器4’。在这种情况下，如图10所示，可以用具有两个共轴通道并能喷射还原剂和水的喷嘴38’来取代用于喷射还原剂的喷射器4的喷嘴。
在使用电子放电的等离子体焰炬70a和70b中，用作为一个电极的部分可以由这样一种材料组成，在电极之间施加电压时它能够工作为一个放电电极。至于这样一种材料，可以使用导电材料或半导体材料，优选为金属材料如铜、钨、不锈钢、铁和铝。特别地，在弧光放电中，电极达到很高的温度，因此，优选地使用一种高熔点的材料，如钨。另外，可以在这种导电或半导体材料上放置绝缘材料，以产生势垒放电。
放电等离子体表示的是通过使在电极之间电子放电而产生的高能电子撞击气体分子，从而将该气体分子电离成正离子和负离子。为了产生这种放电等离子体，可以使用任何放电模式，也可以使用弧光放电或电晕放电，例如势垒放电。
在通过使用弧光放电而在等离子体焰炬中产生等离子体的情况下，电源5可以供应1至50V的电压和5至500A的电流。在弧光放电中，通过从阴极发射出的电子而维持电子放电。至于用于产生弧光放电的电流，不仅是直流电，也可以使用交流电。
弧光放电的优势在于，通过提高放电电流或放电电压，可以容易地增大输出，并且可以长时间地持续稳定的电子放电。另外，弧光放电的优势在于，用于产生弧光放电的装置和技术比较简单，设备的成本相对较低。
在通过使用电晕放电而在等离子体焰炬中产生等离子体的情况下，电源5可以供应脉冲直流电或脉冲交流电。至于在电极之间施加的电压，可以使用1至100kV的电压，例如一般为5至20kV。施加电压的脉冲周期可以从0.1μs至10ms，特别是从0.1至10μs。
附带说明一下，考虑到等离子体的稳定性和电极的耐用性，优选地通过在电极上放置一层绝缘材料而产生势垒放电。
<等离子体发生器——等离子体焰炬——感应耦合等离子体焰炬>
如图11所示的等离子体焰炬110使用了感应耦合等离子体。在如图11所示的等离子体焰炬110中，用于通过要被转化成等离子体的气体的导管112的末端部分由一种电磁波传递材料形成，例如，绝缘材料如石英，以及用于产生感应电场的感应线圈114被布置在该末端部分的周围。感应线圈的一端通过匹配盒119而连接到高频电源5’上，另一端接地。
当使用等离子体焰炬110时，高频电流从高频电源5’中被提供给感应线圈114，同时通过匹配盒119调整阻抗，使得在导管112的末端部分内产生电磁场和涡电流，从而在导管112内及其周围内感应地产生等离子体60。至于在这里使用的高频电流，例如，可以使用2至50MHz、特别是3至40MHz频率的电流。
在考虑到耐久性时，这种感应耦合等离子体为优选的，这是因为可以防止电极(金属部分)直接暴露在高温的等离子体中。
在使用感应耦合等离子体的等离子体焰炬110中，与放电等离子体焰炬70a、70b相似，用于喷射还原剂的喷射器4的喷嘴可以被布置在等离子体焰炬内，并且可以进一步将水供应到产生等离子体的区域中。
<等离子体发生器——等离子体焰炬——微波等离子体焰炬>
如图12所示的等离子体焰炬120产生微波等离子体。在如图12所示的等离子体焰炬120中，一种等离子体激励材料125被布置在用于传递要被转化成等离子体的气体的导管内。一旦接受微波的放射，这种等离子体激励材料125就在其周围加速等离子体的激励。这种等离子体激励材料例如可以是导电陶瓷，特别地，导电陶瓷烧结体如SiC烧结体。
当使用该等离子体焰炬120时，由微波发生装置如磁电管产生的微波，例如频率约为2.54GHz的微波，通过波导管并从天线上放射到要转化成等离子体的气体上，从而使电场强度加强并产生等离子体。
特别地，在大气压力或高于大气压力的气体压力下产生微波等离子体的情况下，有利地使用等离子体激励材料125，并通过照射微波在该等离子体激励材料上而在该等离子体激励材料的周围产生等离子体。
考虑到耐久性时，优选使用微波等离子体，这是因为可以防止电极(金属部分)直接暴露在高温的等离子体中。
在使用微波等离子体的等离子体焰炬中，与放电等离子体焰炬70a、70b相似，用于喷射还原剂的喷射器4的喷嘴可以被布置在等离子体焰炬内，并且可以进一步将水供应到产生等离子体的区域中。
<等离子体>
一般来说，“等离子体”表示在这样的一个状态下的一种物质，其中两个或多个自由运动的带正电和带负电的粒子同时存在。因此，在等离子体状态下的物质具有较高的势能，还原剂通过在等离子体中的自由基形成和裂化，可以被转化为具有高反应性的低分子量的成分。此外，即使还原剂以液滴的状态供应，它也可以立即被汽化，并且通过自由基形成和裂化被转化为具有高反应性的低分子量的成分。
<等离子体——通过等离子体的还原剂裂化>
考虑到等离子体的高能状态，通过将至少一部分的还原剂转化为等离子体，就可以立即进行还原剂的汽化、自由基形成和裂化，这对于本技术领域中的熟练人员来说是显而易见的。但是，在下面，通过将碳氢化物(C13H28)转化为等离子体而引起裂化等反应是经过了试验证实的。
使用了如图13所示的一个试验装置。在该实验中，来自燃料供应的燃料(C13H28)以及来自N2供应的作为气体载体的N2被混合并通过喷嘴而供应到腔室内。通过放电，在喷嘴内产生放电等离子体。在该实验中，可以观察到个放电等离子体从喷嘴的末端被喷出。N2也从N2供应中直接供应到该腔室内。从腔室排放出来的废气经过气体色谱仪的分析。
图14显示了在本实验中使用的用于产生等离子体的喷嘴。如图14所示的喷嘴包含空心圆柱形电极142和布置在圆柱形电极142的中轴线上的杆状电极144。在这两个电极之间形成了气流通道146。箭头148显示了通过气流通道146的气流。在该喷嘴中，通过电源143在空心圆柱形电极142和布置于其中轴线上的杆状电极144之间施加电压，从而在空心圆柱形电极142的末端部分142a和杆状电极144的末端部分144a之间产生电子放电。附带提一下，玻璃管被放置在圆柱形电极内，以产生势垒放电。
根据该实验，只有在通过电子放电而产生等离子体时，气体色谱仪才测量到C1至C3成分。这揭示了等离子体能够将相对较大的分子(C13H28)裂化成相对较小的分子(C1至C3)。
权利要求
1.一种排气净化装置，包含放置于排气管内的NOx净化催化剂，废气从中通过；等离子体发生器，用于将气体转化为等离子体并将等离子体供应到NOx净化催化剂上游的排气管内；切换装置，用于选择性地将循环废气和空气之一作为要转化为等离子体的气体供应到等离子体发生器中；以及喷射器，用于将还原剂加入到要转化为等离子体的气体中或通过等离子体发生器从气体转化成的等离子体中。
2.根据权利要求1的排气净化装置，其中等离子体发生器是等离子体焰炬，喷射器将还原剂添加到通过该等离子体焰炬从气体转化成的等离子体中。
3.根据权利要求1或2的排气净化装置，其中该装置进一步包含供水装置，用于将水添加到要转化为等离子体的气体中或通过等离子体发生器从气体转化成的等离子体中。
4.根据权利要求1至3中任一条的排气净化装置，其中该装置进一步包含微粒过滤器，它被放置在排气管一个区域的下游中，通过等离子体发生器从气体转化成的等离子体被供应到该区域中。
5.一种用于控制根据权利要求1至4中任一条的排气净化装置的方法，其中该方法包含当满足预定的还原条件时，通过使用切换装置将循环废气供应到等离子体发生器中，在由喷射器加入还原剂的情况下，该循环废气被等离子体发生器转化成等离子体；以及当满足预定的氧化条件时，通过使用切换装置将空气供应到等离子体发生器中，在没有由喷射器加入还原剂的情况下，该空气被等离子体发生器转化成等离子体。
6.一种排气净化装置，包含放置于排气管内的NOx净化催化剂，废气从中通过；第一个等离子体发生器，用于将循环废气转化为等离子体并将等离子体供应到NOx净化催化剂上游的排气管内；喷射器，用于将还原剂加入到要转化为等离子体的循环废气中或通过第一个等离子体发生器从循环废气转化成的等离子体中；以及第二个等离子体发生器，用于将空气转化为等离子体并将该等离子体供应到排气管内。
7.根据权利要求6的排气净化装置，其中第一个等离子体发生器是等离子体焰炬，喷射器将还原剂添加到通过该等离子体焰炬从循环废气转化成的等离子体中。
8.根据权利要求6或7的排气净化装置，其中第二个等离子体发生器是等离子体焰炬。
9.根据权利要求6至8中的任一条的排气净化装置，其中该装置进一步包含供水装置，用于将水添加到要转化为等离子体的气体中或通过第一个和/或第二个等离子体发生器从气体转化成的等离子体中。
10.根据权利要求6至9中的任一条的排气净化装置，其中该装置进一步包含微粒过滤器，它被放置在排气管一个区域的下游中，通过第二个等离子体发生器从气体转化成的等离子体被供应到该区域中。
11.一种用于控制根据权利要求6至10中的任一条的排气净化装置的方法，其中该方法包含当满足预定的还原条件时，在由喷射器加入还原剂的情况下，循环废气被第一个等离子体发生器转化成等离子体；以及当满足预定的氧化条件时，空气被第二个等离子体发生器转化成等离子体。
全文摘要
本发明提供了一种排气净化装置10，它通过利用等离子体而能够有效地净化废气。本发明的排气净化装置10包含NO
文档编号F01N3/24GK1788830SQ20051012696
公开日2006年6月21日 申请日期2005年11月29日 优先权日2004年11月29日
发明者平田裕人, 石桥一伸 申请人:丰田自动车株式会社