專利名稱：一種用于減少發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的污染物和有害物的方法和設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域一般地說，本發(fā)明涉及一種用于減少由燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣中的污染物的方法和設(shè)備。在一種實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種方法和設(shè)備，其中污染物的降低是通過利用臭氧實(shí)現(xiàn)的。在另一種不同的實(shí)施方案中，污染物濃度的降低是通過將羥基“OH”和其它自由基中間體及氧化劑，例如O，H，HO2和H2O2引入燃料燃燒前或燃料燃燒后所產(chǎn)生的氣體中實(shí)現(xiàn)的。
2.技術(shù)背景正如在本領(lǐng)域中大家所熟知的，一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)吸入周圍的空氣，將空氣和燃料混合，在一個(gè)燃燒室或氣缸中進(jìn)行燃燒，并將產(chǎn)生的廢氣排出。在氣缸中空氣/燃料混合物的點(diǎn)火一般是靠一種點(diǎn)火裝置，例如火花塞或其它類似的設(shè)備，或者靠將其絕熱壓縮到高于燃料著火點(diǎn)的溫度實(shí)現(xiàn)的。
在某些內(nèi)燃機(jī)，例如今天普遍使用的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，周圍的空氣通過一個(gè)吸入管或吸入口被吸入到一個(gè)化油器或燃料噴射設(shè)備中，使空氣與燃料混合，形成一種空氣/燃料混合物，空氣/燃料混合物然后經(jīng)過一根進(jìn)氣管被送入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室或氣缸中。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和某些火花塞點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，例如使用一種缸內(nèi)燃料噴射裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)中，空氣和燃料是在發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室或氣缸中混合的。
在空氣/燃料混合物燒完以后，產(chǎn)生的廢氣從燃燒室被排到一根排氣總管中，然后可以經(jīng)過至少一根排氣管將廢氣送到催化轉(zhuǎn)化器中，將污染物去除。
在下文中將到任何燃燒室去的空氣流，如果合適的話也包括空氣/燃料混合物流稱為燃前氣流，而將從燃燒室得到的廢氣流稱為燃后氣流或廢氣流。正如在本文中所用的，在下文中將燃前和燃后氣流統(tǒng)稱為燃燒氣流。
在燃料的受控燃燒下運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生廢氣，它包含完全燃燒產(chǎn)物二氧化碳(CO2)和水(H2O)，還含有不完全燃燒所形成的污染物，例如對(duì)人類生命有直接毒害作用的一氧化碳(CO)，以及未燒完的烴類(HC)。此外由于烴類燃料燃燒產(chǎn)生很高的溫度，緊接著是快速冷卻，引起有毒的氮氧化物NOx的形成，它是一種另外的污染物。
污染物的數(shù)量隨發(fā)動(dòng)機(jī)的許多操作條件而變化，但卻受到燃燒氣缸中空氣-燃料比的決定性影響，以致有助于減少一氧化碳和未燒盡烴類的條件(略低于計(jì)量比的燃料混合物和高燃燒溫度)會(huì)造成NOx生成的增加，而有助于降低NOx形成的條件(富燃料及貧燃料的混合物和低燃燒溫度)將造成發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中CO和未燒盡HC的增加。因?yàn)樵诂F(xiàn)今的催化轉(zhuǎn)化器中NOx的降低在缺氧條件下是最有效的，而CO和HC的減少則需要氧氣，所以為避免這些排放物的產(chǎn)生就要求發(fā)動(dòng)機(jī)在接近于空氣-燃料計(jì)量比的條件下操作，因?yàn)樵谶@些條件下有可能使用所謂的三用催化劑(TWC)，即所有這三種污染物被同時(shí)降低。但盡管如此，在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，從環(huán)境角度來說還是有大量的CO，HC和NOx被排入了大氣。
雖然從1901年人們就已經(jīng)知道了內(nèi)燃機(jī)廢氣中污染物的存在，但是在美國隨著1970年清潔空氣法案的通過才開始要求控制內(nèi)燃機(jī)的排放。發(fā)動(dòng)機(jī)制造商已經(jīng)考察過大量的工藝，來滿足清潔空氣法案的要求。催化作用被證明是最有效的被動(dòng)系統(tǒng)。
汽車制造商通常用催化轉(zhuǎn)化器來實(shí)現(xiàn)催化作用。其目的是將CO和HC氧化成CO2和H2O，并將NO/NO2還原為N2。自動(dòng)排放催化轉(zhuǎn)化器一般被裝在汽車的底板上，位于從發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣流中，剛好在消音器前面，由于在行駛條件下所遇到的溫度以及結(jié)構(gòu)和振動(dòng)負(fù)荷的極端情況，這是一種極其有害的環(huán)境。
幾乎所有的自動(dòng)排放催化轉(zhuǎn)化器都被安裝在蜂窩整體結(jié)構(gòu)中，它通常由堇青石，一種在熱沖擊下有著優(yōu)越的強(qiáng)度和抗裂性的，低熱膨脹性陶瓷制成。所選擇的蜂窩結(jié)構(gòu)和幾何形狀提供了相當(dāng)?shù)偷膲航岛透邘缀蚊娣e，從而強(qiáng)化了傳質(zhì)控制的反應(yīng)過程。蜂窩體被安放在一個(gè)鋼制容器中，由彈性墊保護(hù)它不受振動(dòng)。
將一種通常由穩(wěn)定化的γ-氧化鋁構(gòu)成的，其中摻有催化劑組分的粘附基面涂層沉積在蜂窩體的壁面上。用于同時(shí)轉(zhuǎn)化所有三種污染物的TWC工藝包括使用貴金屬Pt和Rh，其中Rh主要負(fù)責(zé)NOx的還原，盡管它和Pt一起也對(duì)CO的氧化有貢獻(xiàn)。近來不太貴的Pd被用來代替，或與Pt和Rh一起混合使用。活性催化劑通常含有大約0.1-0.15％的貴金屬，主要是鉑(Pt)，鈀(Pd)和銠(Rh)。
由于內(nèi)燃機(jī)的廢氣從略富變化到略貧，故將一種儲(chǔ)氧介質(zhì)加入到基面涂層中，在循環(huán)的貧CO和HC階段中它吸附(儲(chǔ)存)氧，在富CO和HC階段將氧放出，和過量的CO和HC反應(yīng)。CeO2由于對(duì)還原和氧化作用有所需的響應(yīng)，是最經(jīng)常使用的儲(chǔ)氧介質(zhì)。
新近通過的對(duì)清潔空氣法案的1990年修正案，要求更大幅度地降低由內(nèi)燃機(jī)排入大氣的污染物的數(shù)量。為了滿足這些要求，已經(jīng)建議對(duì)汽車和卡車的使用加以限制，例如強(qiáng)迫使用者共用小汽車，HOV車道，更多地使用公共交通和有軌交通工具，以及其它類似的將汽車和卡車的使用限制在很高的費(fèi)用和不方便情況下的措施。
對(duì)減少汽車和卡車使用的一種替代的辦法是通過提高內(nèi)燃機(jī)的效率來降低排放量。這種辦法只有有限的效果，因?yàn)樵S多研究表明源于汽車的污染的絕大部分僅僅是由在道路上行駛的車輛中的一小部分產(chǎn)生的，這些車輛一般是有著相當(dāng)?shù)托实陌l(fā)動(dòng)機(jī)和過時(shí)的催化轉(zhuǎn)化器的老式車輛，它們必然產(chǎn)生大量污染。除非更高的效率可以由一種能以合理的費(fèi)用改裝的設(shè)備提供，看來這類改進(jìn)不可能用于其它車輛，因而就無法恰當(dāng)?shù)亟鉀Q問題。
此外，雖然近年來在減少如像汽車和卡車這類車輛的內(nèi)燃機(jī)廢氣中污染物方面已經(jīng)取得了很大成效，進(jìn)一步減少內(nèi)燃機(jī)廢氣中污染物的數(shù)量也是一個(gè)很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，并需要很大的花費(fèi)，更不用說新近制造的汽車和卡車的廢氣排放還不能滿足環(huán)境保護(hù)署所提出的標(biāo)準(zhǔn)。
作為一種提高內(nèi)燃機(jī)效率的方法，美國專利1,333,836和1,725,661建議在汽化器的空氣吸入管上安裝臭氧發(fā)生設(shè)備。臭氧是一種很有效的氧化劑，它能提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒的完全性，從而減少汽車廢氣中的污染物，并提高效率。上述這些已知的發(fā)生臭氧的設(shè)備不僅昂貴，而且還很復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中不能很方便地安裝在新發(fā)動(dòng)機(jī)中，也不能很方便地改裝到現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)中。
在Jr.Wallis等人的美國專利4,195,606中，通過用波長為大約2537(253.7nm)的殺菌燈的紫外輻射來光化學(xué)活化氧，使氧分子被活化，從而在與燃料混合以前對(duì)內(nèi)燃機(jī)的燃燒空氣進(jìn)行處理。但是在Jr.Wallis等人的專利中，如殺菌燈制造商所證實(shí)的，殺菌燈并不產(chǎn)生臭氧。對(duì)此Wallis等人強(qiáng)調(diào)優(yōu)先選用的波長范圍是2000-3000(200-300nm)，它不包括本發(fā)明某些實(shí)施方案的臭氧發(fā)生燈的100-200nm這一發(fā)生臭氧的波長。在200nm以上，臭氧發(fā)生光離解作用，因此盡管存在臭氧，在使用波長超過大約200nm的紫外光時(shí)，臭氧的濃度也將減小。
用于代替靠提高內(nèi)燃機(jī)效率或限制汽車的使用來減少廢氣排放的方法，另一種替代方法是用例如催化轉(zhuǎn)化器來提高催化作用的效率。一臺(tái)催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率是用某個(gè)感興趣的特殊組分的質(zhì)量去除速率和該組分進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化器的質(zhì)量流率的比值來衡量的。催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率是許多參數(shù)的函數(shù)，包括老化，溫度，計(jì)量比，任何催化毒物(例如鉛，硫，碳和磷)的存在，催化劑的類型，以及廢氣在催化轉(zhuǎn)化器中的停留時(shí)間。
提高催化轉(zhuǎn)化器效率的努力還未取得很大成功。雖然最新的TWC催化轉(zhuǎn)化器會(huì)有所幫助，但是它們價(jià)格很貴，所以仍有大量污染物被催化處理過的廢氣排入大氣。這些轉(zhuǎn)化器可能難以滿足更高的排放要求，而且它們的使用期限也受到限制。催化轉(zhuǎn)化器還受到另一個(gè)缺點(diǎn)的困擾，即在系統(tǒng)達(dá)到操作溫度以前他們的轉(zhuǎn)化效率很低。
發(fā)明概述本發(fā)明的一種實(shí)施方案的一個(gè)目的是提供一種減少在使用如像汽油，甲醇或柴油這類燃料的內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的污染物的方法和設(shè)備，其中使用輻射能來在發(fā)動(dòng)機(jī)空氣吸入閥的上游將空氣中的氧轉(zhuǎn)化為臭氧，以便在無需對(duì)內(nèi)燃機(jī)或催化轉(zhuǎn)化器做重大改造的情況下提供比較完全的燃料燃燒，并改善其效率。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種減少在汽車或卡車廢氣中的污染物的方法和設(shè)備，它在使用和制造時(shí)價(jià)錢不貴，在結(jié)構(gòu)和操作上很簡單，而且容易被安裝到新發(fā)動(dòng)機(jī)中，或改裝到現(xiàn)有的車輛發(fā)動(dòng)機(jī)中。
本發(fā)明的一種實(shí)施方案的另一個(gè)目的是提供一種在無需對(duì)內(nèi)燃機(jī)或催化轉(zhuǎn)化器做重大改造的情況下，通過改善催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率的方法來減少有催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的污染物的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的一種實(shí)施方案的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)是不僅得到了比較完全的燃料燃燒，從而降低了廢氣中的污染物含量，而且還能改善發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和消耗單位燃料的行駛里程。和位于廢氣管道上的催化轉(zhuǎn)化器的作用不同，所增加的能量作為燃燒過程的一部分在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)被釋放出來。
本發(fā)明的另一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)是用于降低內(nèi)燃機(jī)廢氣中的污染物的設(shè)備利用紫外線輻射來發(fā)生臭氧，利用臭氧來強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)的燃燒，并不產(chǎn)生額外的氮氧化物。
本發(fā)明的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)是通過改造那些已經(jīng)在道路上行駛，產(chǎn)生了大部分污染并完全可能無法通過排放檢查的發(fā)動(dòng)機(jī)和催化轉(zhuǎn)化器的組合，以及在新發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行方便地安裝而提供了一種相對(duì)講價(jià)錢不貴的降低污染的方法。
本發(fā)明的一種實(shí)施方案的另一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)是無需在車上儲(chǔ)存特殊的化學(xué)添加劑，僅通過加入臭氧來實(shí)時(shí)地調(diào)整進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化器的氣體組成就能實(shí)現(xiàn)對(duì)催化轉(zhuǎn)化器效率的改善。
本發(fā)明一種不同的實(shí)施方案的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)是無需在車上儲(chǔ)存特殊的化學(xué)添加劑，僅通過加入羥基和其它諸如O，H，HO2和H2O2的自由基中間體和氧化劑來調(diào)節(jié)廢氣的組成就能實(shí)現(xiàn)減少排污。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能被用于包括，但不限于燃?xì)馔钙桨l(fā)動(dòng)機(jī)以及往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種不同類型的內(nèi)燃機(jī)，它們包括使用各種不同燃料，例如汽油，以汽油為基礎(chǔ)的燃料配方，柴油燃料，酒精，天然氣和任何其它燃料，可以利用催化轉(zhuǎn)化器來降低至少一種污染物濃度的汽車，卡車，固定的發(fā)電機(jī)，摩托艇，摩托車，機(jī)器腳踏車，剪草機(jī)，鏈條鋸或葉片鼓風(fēng)機(jī)。此外，本發(fā)明不僅能改造現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)，還能被采用到新設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)中。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，它的這些以及其它的目的，優(yōu)點(diǎn)和特征是通過使用一種紫外線發(fā)射燈實(shí)現(xiàn)的，這種燈發(fā)射波長在大約185nm的光線，從而至少部分地將進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)化油器或燃料供給區(qū)的空氣轉(zhuǎn)化為臭氧，因此提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，并降低了汽車廢氣中的污染物。紫外燈最好被安裝在內(nèi)燃機(jī)空氣過濾器的下游側(cè)，靠近化油器的吸入口或發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料注入系統(tǒng)的地方。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，它提供了一種設(shè)備，包括至少一個(gè)用于產(chǎn)生將吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣中的氧轉(zhuǎn)化為臭氧的輻射能的光源，這至少一個(gè)光源是一種能產(chǎn)生波長為大約185nm光線的汞蒸汽弧光燈；一個(gè)用于激發(fā)這至少一個(gè)光源的變壓器；一個(gè)將該變壓器連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的電力系統(tǒng)的接線器；一個(gè)用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速計(jì)；以及一個(gè)用于根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)所檢測的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過變壓器改變加到燈上的電壓或電流來改變由燈所發(fā)生的臭氧的數(shù)量的控制器；其中臭氧提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料燃燒效率，從而降低了廢氣中烴類和一氧化碳的數(shù)量。
根據(jù)本發(fā)明的一種不同的實(shí)施方案，它提供了一種設(shè)備，包括用于產(chǎn)生將吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣中的氧轉(zhuǎn)化為臭氧的輻射能的第一和第二光源，第一和第二光源各自以低于發(fā)動(dòng)機(jī)完全燃燒所要求數(shù)量的程度將空氣轉(zhuǎn)化為臭氧；一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)第一和第二光源的變壓器；一個(gè)將變壓器連接到發(fā)動(dòng)機(jī)電力系統(tǒng)的接線器；一個(gè)用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷的探測器；以及一個(gè)用于根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷選擇性地操作第一光源和在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)連續(xù)地操作第二光源的控制器；其中該控制器在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷低于一個(gè)預(yù)定水平時(shí)關(guān)閉第一光源，而至少在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷處在該預(yù)定水平時(shí)就打開第一光源；其中臭氧提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料燃燒效率，從而降低了廢氣中烴類和一氧化碳的數(shù)量。
根據(jù)本發(fā)明的一種不同的實(shí)施方案，它提供了一種設(shè)備，包括1)一個(gè)燃燒室，它有一個(gè)到燃燒室來的包括空氣的燃前氣流和一個(gè)離開燃燒室的燃后廢氣流，2)一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器，用于處理廢氣以降低至少一種因燃料不完全燃燒而產(chǎn)生的污染物和/或氮氧化物的數(shù)量，和3)一個(gè)用于將臭氧加到燃前氣流和燃后氣流的至少一個(gè)中，以降低催化轉(zhuǎn)化器處理過的廢氣中的至少一種污染物的數(shù)量的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，用于加入臭氧的裝置包括一臺(tái)發(fā)射波長大約為100-200nm的光線的紫外線發(fā)射燈，發(fā)射燈被插入到燃前氣流或燃后氣流的至少一個(gè)中間，使吸入空氣，空氣/燃料混合物和/或廢氣中的氧暴露在紫外光中，產(chǎn)生出臭氧，以提高催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率。由于波長高于200nm的紫外光會(huì)光離解臭氧，降低臭氧的濃度，因此在需要臭氧發(fā)生的地方應(yīng)避免使用這樣的波長。
根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，用于加入臭氧的裝置位于遠(yuǎn)離燃前或燃后氣流的地方，將加入了臭氧的空氣用管道送入燃燒氣流。在此實(shí)施方案中，該裝置獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)的操作，例如用一套泵的機(jī)構(gòu)，或是靠例如由發(fā)動(dòng)機(jī)的真空產(chǎn)生的負(fù)壓將周圍的空氣吸入。通過暴露于紫外光將周圍空氣轉(zhuǎn)變?yōu)楦怀粞醯目諝猓⑵浼尤氲饺记盎蛉己髿饬鞯娜魏我粋€(gè)中。這種實(shí)施方案的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)是它提供了將臭氧發(fā)生器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)室的一個(gè)方便位置或車輛的其它部位的靈活性。此方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以將臭氧送至吸入氣流或廢氣流的任何需要的地點(diǎn)。此方案的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧的流量可以獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即進(jìn)入燃燒室的空氣流量或離開燃燒室的廢氣流量。這樣在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下，臭氧的質(zhì)量流量將不受經(jīng)過燃燒室的低空氣質(zhì)量流量的影響。
本發(fā)明還提供了一種改善用于處理廢氣，以減少在有一個(gè)到燃燒室的至少是周圍空氣的燃前氣流和一個(gè)離開燃燒室的燃后廢氣流的燃燒室中燃料燃燒所產(chǎn)生的至少一種污染物的催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率的方法，該方法包括以下步驟將臭氧加到用于處理由燃料燃燒產(chǎn)生的廢氣，以降低由燃燒產(chǎn)生的至少一種污染物的濃度的催化轉(zhuǎn)化器上游至少一點(diǎn)的燃前氣流和燃后氣流的至少一個(gè)氣流中，和用催化轉(zhuǎn)化器來處理廢氣。
按照一種不同的實(shí)施方案，相信可以將羥離子和諸如O，H，HO2和H2O2的其它自由基和氧化劑加到內(nèi)燃機(jī)的燃燒氣流中，以降低像CO和HC這些污染物。已經(jīng)注意到在有氧的情況下，OH能迅速地和CO反應(yīng)，產(chǎn)生CO2。還注意到在有氧的情況下，OH能和烴類(HC)迅速反應(yīng)，產(chǎn)生甲醛或其它類似的中間產(chǎn)物，后者隨后能和OH進(jìn)一步反應(yīng)，生成HO2，CO2和OH。而且有證據(jù)說明這一系列反應(yīng)并不消耗，而且會(huì)再生出OH。
對(duì)于CO，如下的反應(yīng)步驟將CO轉(zhuǎn)化為CO2，并再生出OH
過氧氫基分解成羥基的后一個(gè)過程可以通過吸收紫外(“UV”)光子或熱分解而發(fā)生。
對(duì)于HC，典型的反應(yīng)系列可能包括以下步驟
根據(jù)HC種類的不同，可能會(huì)有分支反應(yīng)，而且可能產(chǎn)生諸如O，H，HO2和H2O2的其它自由基中間體和氧化劑，這兩者中的任何一種會(huì)直接地或通過例如以下的其它反應(yīng)的產(chǎn)物參加到反應(yīng)中去，或在本發(fā)明的羥基方案中，特別重要的是相信在反應(yīng)過程中OH被再生，即它起一種催化劑的作用，而且由于有很強(qiáng)的自由基反應(yīng)特性，序列反應(yīng)進(jìn)行得非常迅速。
相信在內(nèi)燃機(jī)廢氣中OH和諸如O，H，H2O2和HO2的其它自由基中間體和氧化劑的存在，在有必需的氧存在的情況下能使CO和烴類被非常有效地催化分解為非污染氣體CO2和水蒸汽。反應(yīng)中產(chǎn)生的OH和其它相關(guān)的自由基及氧化劑可以單獨(dú)地或是與催化轉(zhuǎn)化器中的貴金屬顆粒(Pt，Pd，Rh，以及它們的組合物)的正常催化功能相結(jié)合而起一種催化劑的作用。
相信將OH注入燃燒氣流會(huì)使廢氣流中CO和HC的反應(yīng)被迅速催化。相信OH的反應(yīng)能力會(huì)引起與CO轉(zhuǎn)化成CO2以及烴轉(zhuǎn)化成CO2和H2O有關(guān)的更多的催化活性發(fā)生在氣相中，以及發(fā)生在催化轉(zhuǎn)化器的基面涂層很大的表面上。這樣會(huì)使CO和HC轉(zhuǎn)化成CO2和H2O的反應(yīng)大部分發(fā)生在靠近催化轉(zhuǎn)化器入口的有限區(qū)域內(nèi)。由于CO和HC在氣相和催化轉(zhuǎn)化器的基面涂層中被氧化，在靠近催化轉(zhuǎn)化器入口處CO和HC的氧化作用已基本完成，因此貴金屬催化表面的大部分將不再參加這些競爭反應(yīng)。例如轉(zhuǎn)化器中貴金屬的活性點(diǎn)將不再需要用來催化反應(yīng)活性不強(qiáng)的烴類組分，如甲烷，乙烷，乙烯，苯和甲醛。因此貴金屬表面更有效的催化活性可被用在使氮氧化物還原為氮和其它非污染的氣體成分。
相信羥基的反應(yīng)可以發(fā)生在廢氣空間中及催化轉(zhuǎn)化器的整個(gè)表面上，即在基面涂層的整個(gè)大表面上。這使得按傳統(tǒng)方式操作的催化轉(zhuǎn)化器能更有效地降低污染物。在這種新的催化轉(zhuǎn)化操作模式下，氮氧化物的減少能降到傳統(tǒng)的基線以下。另一方面，可以用較低的貴金屬含量，或者用不太貴的金屬或它們的氧化物將氮氧化物降到可允許的排放限度以下。
可以用幾種不同的操作模式和設(shè)備來實(shí)施本發(fā)明的羥基方案。在一種實(shí)施方案中，OH是在一個(gè)發(fā)生器中用汞(Hg)蒸汽燈輻照和被調(diào)節(jié)成有足夠高的水蒸汽含量，最好是大約100％被水飽和的常壓空氣吸入產(chǎn)生的。相信在高水蒸汽含量的空氣中有兩種可能的產(chǎn)生OH的競爭反應(yīng)分支。在第一種情況下，通過吸收185nm的光子將水直接光離解成OH和H。為了達(dá)到這樣高的溫度，水蒸汽可以從一個(gè)被加熱的水源得到，或是由發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流來提供。另一種反應(yīng)在較低的，但仍然是足夠高的水蒸汽含量下更為有利，它是使紫外燈產(chǎn)生的185nm的紫外輻射作用于空氣，產(chǎn)生原子氧(O)和臭氧(O3)的。臭氧是由一種包括原子氧分子氧和空氣的任何其它的分子組分，例如氮?dú)?N2)，氧氣(O2)，水(H2O)或氬的三組元反應(yīng)所產(chǎn)生的。253.7nm的紫外輻照會(huì)通過光離解作用將臭氧破壞成為分子氧(O2)和一種介穩(wěn)的氧原子(O)。如果進(jìn)入發(fā)生器的空氣流有足夠高的水蒸汽含量，相信介穩(wěn)的原子氧(O)會(huì)與水分子結(jié)合，生成過氧化氫253.7nm的紫外輻照會(huì)進(jìn)一步將過氧化氫光離解成兩個(gè)羥基分子。
這樣，臭氧發(fā)生器會(huì)通過例如吸入總管將臭氧，原子氧，過氧化氫和羥基注入發(fā)動(dòng)機(jī)。相信在發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫條件下，任何這樣被注入的過氧化氫會(huì)分解成羥基。留在燃燒室裂縫中的羥基在發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程中應(yīng)該能保存下來，并根據(jù)前述的反應(yīng)過程作用于廢氣流中余留的CO和HC，產(chǎn)生CO2和H2O。
發(fā)生羥基的另一種方案是將一種富水蒸汽的入口空氣流進(jìn)料到一個(gè)輝光放電發(fā)生器中(在這種發(fā)生器中主要地或僅僅在水蒸汽中發(fā)生輝光放電)。另一種方法是用一臺(tái)超電壓電解池來發(fā)生臭氧，以及氧和水蒸汽，接著借助200-300nm的紫外輻照，通過光分解作用產(chǎn)生原子氧，在有富水蒸汽的入口空氣流的情況下，光分解作用引發(fā)了過氧化氫的生成反應(yīng)，接著通過過氧化氫的紫外離解，產(chǎn)生羥基。使用汞蒸汽燈作為紫外光源時(shí)這后一種裝置可以非常緊湊，這是由于這種燈在253.7nm的輸出有很高的效率，而臭氧和過氧化氫對(duì)這種波長的紫外光有很強(qiáng)的吸收。
上述的各種實(shí)施方案大體上都包括了將其輸出氣流注入到發(fā)動(dòng)機(jī)的吸入總管的羥基發(fā)生器。這些方法的一個(gè)固有的優(yōu)點(diǎn)是在吸入總管區(qū)的低壓條件提供了一種自然泵入機(jī)制。但是這些方法的一個(gè)缺點(diǎn)是在燃燒過程中大部分高化學(xué)活性的物質(zhì)，包括例如羥基這些自由基都被破壞了，只有那些在燃燒室的裂縫區(qū)和壁面上的活性物質(zhì)能有效地保存下來，并進(jìn)入到廢氣流中，被用于CO和HC的氧化過程。相比之下，將羥離子直接注入廢氣流或在廢(燃后)氣流中產(chǎn)生羥基的發(fā)生器則能夠更有效地將活性物質(zhì)送入CO和HC需要被氧化的廢氣流中。這樣，為得到相同的排放降低，就僅需要較低的化學(xué)活性物質(zhì)源強(qiáng)度。這應(yīng)直接表現(xiàn)為羥基發(fā)生器對(duì)電力輸出的需求有成比例的降低。
然而由于廢氣流中的壓力較高，因此需要泵才能將發(fā)生器的輸出送入廢氣流。文丘里管的使用會(huì)有助于這一過程。另一方面由于在高于大約120℃的溫度下水有較高的蒸汽壓，在羥基發(fā)生器中使用一種水蒸汽放射源也能提供有效的注入?？梢詮膹U氣流中通過冷凝或其它相當(dāng)?shù)霓k法來收集這些水蒸汽。
在廢氣流中產(chǎn)生羥基的一種方案是用在大約120-185nm波長范圍中的紫外輻射來照射廢氣流，在有足夠水蒸汽的情況下這種輻照通過直接的光離解作用產(chǎn)生有催化活性的OH。另一種方案是在一個(gè)外部發(fā)生器中利用120-185nm波長的紫外輻射，它采用常壓空氣吸入和從廢氣流中收集水蒸汽，在催化轉(zhuǎn)化器前或在轉(zhuǎn)化器中將水蒸汽OH和H注入廢氣流。
上述的產(chǎn)生這些自由基物質(zhì)的裝置包括基于紫外光的發(fā)生器，輝光放電發(fā)生器，和過電壓電解池加紫外輻射。發(fā)生器的輸入可能包括電，水，空氣，氧氣，水蒸汽，水蒸汽加空氣，以及水蒸汽加氧氣。
將以上物質(zhì)通入發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的可能方式包括通入燃前氣流，例如吸入總管，通入廢氣流，例如排氣總管，以及通入催化轉(zhuǎn)化器。發(fā)生器可以在這些區(qū)域的外部或內(nèi)部。外置式發(fā)生器的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)是提供了將發(fā)生器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)的一個(gè)適合地點(diǎn)，或者安裝在車輛其它部位的靈活性。外置式發(fā)生器方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以將羥基通至發(fā)動(dòng)機(jī)的吸入(燃燒前)或排出(燃燒后)氣流中任何適合的部位。這種方案的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是羥基發(fā)生器產(chǎn)生的羥基流量與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即到燃燒室去的空氣流量或離開燃燒室的廢氣流量無關(guān)。這樣在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，羥基的質(zhì)量流量將不會(huì)受到通過燃燒室的低空氣質(zhì)量流量的影響。對(duì)于外置發(fā)生源來說，泵送發(fā)動(dòng)機(jī)氣體產(chǎn)物的設(shè)施可能包括發(fā)動(dòng)機(jī)的自然低壓區(qū)，文丘里管引入，外置泵，或是如像用較高溫度和水蒸汽源的發(fā)生器自然增壓。
因此本發(fā)明的這種實(shí)施方案利用羥基和與之有關(guān)的反應(yīng)物O，H，H2O2和HO2來提供在降低發(fā)動(dòng)機(jī)的CO和HC排放中起核心作用的OH催化循環(huán)，以滿足目前和未來的超低排放車輛“ULEV”和低排放車輛“LEV”標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)镺H起一種催化劑的作用，所以在廢氣流中有氧的情況下僅需要注入相當(dāng)少量的OH就可以將更大數(shù)量級(jí)的CO和烴類轉(zhuǎn)變成CO2和H2O。
相信本發(fā)明的羥基方案的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)橐氲氖菤庀啻呋瘎┪镔|(zhì)，它們的活性作用于催化轉(zhuǎn)化器的整個(gè)表面，同時(shí)由于這些催化劑物質(zhì)所固有的反應(yīng)活性，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)后CO和未燒盡的HC的催化轉(zhuǎn)化發(fā)生得更早。換言之，與使用標(biāo)準(zhǔn)的催化轉(zhuǎn)化器相比，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后的有效點(diǎn)火滯后時(shí)間可被縮短。
在有含揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)，但僅含最低數(shù)量或不含氮氧化物的廢氣流，例如從某些工業(yè)過程排出的廢氣流的燃燒及其它住宅，商業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)中，沒有必要使用標(biāo)準(zhǔn)的催化轉(zhuǎn)化器，當(dāng)然也沒有必要使用貴金屬催化轉(zhuǎn)化器。本發(fā)明將提供價(jià)格非常低的催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)。在僅僅要求將CO或HC和其它VOCs氧化的場合，據(jù)估計(jì)不需要使用標(biāo)準(zhǔn)的催化轉(zhuǎn)化器。但是為使CO、HC和VOCs的氧化反應(yīng)得以發(fā)生，預(yù)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)的催化轉(zhuǎn)化器的蜂窩結(jié)構(gòu)所能提供的相類似的足夠的時(shí)間和/或大的表面積仍然是必需的。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，它的這些和其它的目的，優(yōu)點(diǎn)和特征是靠一種設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的，它包括1)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒氣流，2)一臺(tái)用于處理燃燒氣流中的廢氣，以進(jìn)一步降低至少一種因燃料的不完全燃燒產(chǎn)生的污染物和/或氮氧化物的數(shù)量的催化轉(zhuǎn)化器，和3)一臺(tái)將OH及相關(guān)的自由基和氧化劑加到催化轉(zhuǎn)化器上游側(cè)的燃燒氣流中或催化轉(zhuǎn)化器中，以進(jìn)一步降低催化轉(zhuǎn)化器所處理的廢氣中至少一種污染物濃度的裝置。
本發(fā)明提供了一種用于處理廢氣，以降低在有一個(gè)到燃燒室去的至少是周圍空氣的燃前氣流和一個(gè)從燃燒室排出的燃后廢氣流的場合，因燃料的不完全燃燒產(chǎn)生的至少一種污染物的濃度的方法，該方法包括以下步驟將羥基及相關(guān)的自由基和氧化劑加到燃前和燃后氣流的至少一個(gè)氣流中，在燃后氣流中提供足夠的表面積，供羥基處理燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣，以降低燃燒所產(chǎn)生的至少一種污染物的濃度。
附圖簡述

圖1是一臺(tái)有催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)燃機(jī)的一種已知結(jié)構(gòu)的側(cè)透視圖；圖2是本發(fā)明設(shè)備的一種實(shí)施方案的部分剖開的側(cè)視圖；圖3是說明本發(fā)明其它可能的實(shí)施方案的框圖，其中許多臭氧發(fā)生燈在不同的和遞增的發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)定負(fù)荷或轉(zhuǎn)速下依次接通；圖4是部分剖開的，說明圖2設(shè)備更詳細(xì)布置的正視圖；圖5是說明設(shè)備的其它實(shí)施方案的框圖，其中一臺(tái)用于加入臭氧的設(shè)備位于遠(yuǎn)離燃前和燃后氣流的地方，富臭氧空氣經(jīng)管道送入燃燒氣流；圖6是說明本發(fā)明的一種實(shí)施方案的框圖；圖7是部分剖開的，說明本發(fā)明設(shè)備的一種實(shí)施方案的側(cè)視圖，其中一臺(tái)羥基發(fā)生設(shè)備被插入到燃前氣流中；
圖8是說明本發(fā)明設(shè)備的另一種實(shí)施方案的框圖，其中用于加入羥基的設(shè)備位于遠(yuǎn)離燃前和燃后氣流的地方，富羥基空氣經(jīng)管道送入燃燒氣流；圖9是說明符合本發(fā)明的一種實(shí)施方案的羥基發(fā)生系統(tǒng)的示意圖；圖10是說明符合本發(fā)明一種不同的實(shí)施方案的另一種可供選擇的羥基發(fā)生系統(tǒng)的示意圖；圖11是符合本發(fā)明又一種實(shí)施方案的羥基發(fā)生器的示意圖；圖12是說明本發(fā)明羥基方案的方法的框圖，以及圖13是說明本發(fā)明的方法的框圖。
優(yōu)選方室的詳細(xì)說明圖1說明了有催化轉(zhuǎn)化器13的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)10的一種為大家所已知的結(jié)構(gòu)。催化轉(zhuǎn)化器13被安裝在汽車的底盤(未示出)上，位于離開發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流(燃后氣流)A中，在排氣總管15的下游，剛好在消音器17前面。
預(yù)計(jì)將用在本發(fā)明中的催化轉(zhuǎn)化器13包括在可以用催化轉(zhuǎn)化器來降低由燃燒產(chǎn)生的至少一種污染物，例如CO，未燒盡的烴類(HC)，和/或NOx的場合，被提供來處理從燃燒一種燃料，例如汽油，以汽油為基礎(chǔ)的配方，柴油燃料，酒精，天然氣和任何其它燃料產(chǎn)生的廢氣的任何設(shè)備，包括，但不限于在當(dāng)今新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中一般采用的三用催化劑。
因此催化轉(zhuǎn)化器13包括能從燃燒燃料產(chǎn)生的廢氣中催化去除或參加去除至少一種污染物的任何設(shè)備，包括，但不限于有整體或粒狀陶瓷基體，金屬基體，或其它類型基體的那些設(shè)備，以及有貴金屬或任何其它類型催化物質(zhì)的設(shè)備。它還包括，但不限于有半導(dǎo)體催化劑，例如過渡元素的氧化物或硫化物的設(shè)備，以及有陶瓷類催化劑，例如單獨(dú)的或相互結(jié)合的氧化鋁，氧化硅-氧化鋁，和沸石，及有儲(chǔ)氧介質(zhì)，例如氧化鈰或它和金屬催化劑的組合物的設(shè)備。
圖2說明了本發(fā)明設(shè)備11的一種實(shí)施方案。設(shè)備11包括一臺(tái)發(fā)生臭氧的設(shè)備，例如一臺(tái)紫外光發(fā)射燈21，如一種發(fā)射波長大約為100-200nm的紫外光的汞蒸汽弧光燈。這種燈有一個(gè)能透過波長大約為100-200nm的紫外光的玻璃燈泡，因?yàn)檫@種波長的發(fā)射能夠產(chǎn)生臭氧。透光燈泡可以是熔凝氧化硅，或與它相當(dāng)?shù)暮铣墒?，超?jí)硅，蘭寶石，或任何其它能透過波長大約200nm或更低的紫外光的材料。熔凝氧化硅燈的一種來源是GTE Products Corporation，Sylvania Lighting Center，Danvers，Massachusetts 01923?？梢允褂闷渌贤獍l(fā)生燈，例如那些包含氖，氬，以及這些氣體和其它氣體，如汞的混合物的燈。
燈21被連接到一臺(tái)Bodine Model 12R25E/GS變壓器23上，變壓器將12V的電池電源轉(zhuǎn)變成操作燈21所要求的電壓和頻率。如圖2所示，可以通過例如插頭19將變壓器23連接到汽車的電力系統(tǒng)中，將插頭19插入汽車的香煙點(diǎn)火器20。在將設(shè)備11改裝到現(xiàn)有的最近型號(hào)的車輛中時(shí)，這種安排特別有吸引力。另一方面可以通過聯(lián)入系統(tǒng)的熱線中(未示出)，例如作為在新車上的一種原始設(shè)備將變壓器23直接連接到汽車的電力系統(tǒng)上。
在圖2所說明的設(shè)備11中，燈21位于發(fā)動(dòng)機(jī)汽化器的上游，在圖1中通常在31所表示的位置上，例如在空氣過濾器27和空氣吸入管29之間。但是本發(fā)明還計(jì)劃將發(fā)生臭氧的裝置安裝在空氣過濾器29的上游。
為了將設(shè)備11改裝到現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)10中，要打開空氣濾清器的外殼24，將燈21安裝在空氣濾清器27和空氣吸入管29之間，并固定燈21的引線，使它們?cè)诳諝鉃V清器頂蓋(未示出)下面通過，以便在外殼24和它的可去除的頂蓋(未示出)之間將它們從外殼24中引出，和變壓器23連接。
為了提高在被吸入到發(fā)動(dòng)機(jī)10中的空氣中氧的有效吸收系數(shù)，要為靠近燈21的壁面提供對(duì)在所要求的波長范圍中的紫外光有很高反射能力的表面，例如用鋁來制造，以便能增加185nm光子的平均自由程，這是由于鋁對(duì)低到至少185nm的紫外光都能保持它的反射能力。
但是如果燈管太長，在這個(gè)空間里裝不下，就要在將空氣濾清器27固定在空氣吸入管上的外殼24上鉆至少一個(gè)孔22。最好位于空氣濾清器27和吸入管29之間的孔22的直徑事實(shí)上等于燈管21的直徑。將燈管21經(jīng)過孔22滑入到外殼24的內(nèi)部，并定位在空氣濾清器27和空氣吸入管29之間。在插入燈管21時(shí)將一種密封劑，例如密封帶或填密物涂到孔22上，使得只有很少或沒有空氣能通過孔22滲入。為代替上述要求開孔22的做法，可以用許多如在下文圖3所述的較短的燈管21a，21b。
然后用緊固件28，例如螺釘或類似的東西將變壓器23固定到車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)箱的側(cè)板26上。再將插頭19插入車輛的香煙點(diǎn)火器20中，或者也可以將變壓器23直接連接到車輛的電力系統(tǒng)上。
為了保證燈管的工作，在靠近燈管21的地方安裝一個(gè)光探測器或光探測器/熒光物35，并將其連接到一個(gè)指示器37上，當(dāng)光探測器35檢測不到燈管21發(fā)出的光能時(shí)，指示器就發(fā)出指示。雖然探測器35和指示器37不是必不可少的，但尤其在用本發(fā)明來代替目前在汽車和卡車上所使用的，為大家所知道的催化轉(zhuǎn)化器，而不是和這種催化轉(zhuǎn)化器組合使用時(shí)，還是推薦這種選擇。
表1比較了使用臭氧發(fā)生器設(shè)備11來發(fā)生痕量的臭氧，并將發(fā)生器安裝在如圖2所示的發(fā)動(dòng)機(jī)的汽化器或燃料注入系統(tǒng)上游側(cè)的燃前氣流中所得到的結(jié)果?；€檢測結(jié)果是在沒有臭氧發(fā)生設(shè)備11的情況下得到的。所檢驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)裝有專用催化轉(zhuǎn)化器的1990年Ford Taurus發(fā)動(dòng)機(jī)。
表1基線 有臭氧 降低百分?jǐn)?shù)(％)一氧化碳(％) 0.28 0.0292.8烴類(ppm) 154 12 92.2此外，被檢驗(yàn)的車輛的單位汽油消耗里程數(shù)有3-10％的增加，功率輸出也有增加。至今所進(jìn)行的所有排放檢驗(yàn)都說明在廢氣中只有很低的殘余烴含量，其范圍在百萬分之4到12(ppm)。
以上排放檢驗(yàn)結(jié)果表明沒有臭氧在未被用于燃料的氧化過程的情況下就通過了發(fā)動(dòng)機(jī)?？梢岳靡环NOriel臭氧檢測工具來證明沒有臭氧。它由一個(gè)手動(dòng)操作的泵和檢測器管組成?；钊奖脤U氣試樣吸入，使其通過檢測器管。檢測器管由管中顏色變化的長度來表示臭氧的濃度。它的臭氧濃度測量范圍為0.05-5ppm。
如果在廢氣中檢測到痕量的臭氧，根據(jù)圖3所示的另一種實(shí)施方案可以使用一種控制設(shè)備，其中安裝有一個(gè)傳感器16。在這種方案中，傳感器16在排氣管12中，適合于檢測臭氧的存在。傳感器16被連接到一臺(tái)控制器18上，一旦在廢氣流中檢測到臭氧時(shí)，控制器就將臭氧發(fā)生燈21關(guān)閉，而在沒有臭氧時(shí)，又將其切換到接通?？刂破?8可以是一種簡單的開關(guān)設(shè)備，例如受傳感器輸出控制的一個(gè)晶體管或一個(gè)電子系統(tǒng)，或者是像一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)算機(jī)一樣復(fù)雜的設(shè)備，結(jié)合其它發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，例如負(fù)荷，溫度，風(fēng)門位置，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)等一起分析傳感器16的輸出，以接通或關(guān)閉燈21，亦或控制器可以調(diào)制燈管的輸出。按另一種方法，控制器18還可以根據(jù)從傳感器16收到的輸入信號(hào)，借電壓轉(zhuǎn)換器25改變加在燈管21上的電壓或電流，進(jìn)而改變燈管21所發(fā)生的臭氧的數(shù)量。
雖然有可能用如像FyriteII燃燒分析器(VWR Scientific Co.)的臭氧傳感器來連續(xù)地監(jiān)測廢氣排放，并連續(xù)調(diào)節(jié)流到紫外燈21的電流，但采用同樣將參考圖3介紹的本發(fā)明的另一種實(shí)施方案則是更為經(jīng)濟(jì)的，其中利用兩個(gè)或更多的相對(duì)較小的臭氧發(fā)生燈21a，21b，它們的每一個(gè)將空氣轉(zhuǎn)化為臭氧的數(shù)量都低于為保證內(nèi)燃機(jī)完全燃燒所需的臭氧量，同時(shí)一臺(tái)燈連續(xù)工作，而另一臺(tái)燈僅僅在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷達(dá)到一個(gè)預(yù)定的水平時(shí)才被接通。
在這種方案中，控制器18連接到一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器16上，接受一個(gè)反映發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的輸入信號(hào)，例如溫度，風(fēng)門位置，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)，或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。當(dāng)控制器18檢測到發(fā)動(dòng)機(jī)的一種運(yùn)轉(zhuǎn)狀況處在或超過一個(gè)預(yù)定的水平時(shí)，控制器18就接通燈管21b。除了雙燈構(gòu)型外，還可以采用多根燈管，使一臺(tái)燈在需要時(shí)工作，而每臺(tái)額外的燈則在控制器18檢測到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷達(dá)到不同的和遞增的水平時(shí)被依次接通，這樣當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷處在最高的預(yù)定水平時(shí)，所有的燈管都投入使用，發(fā)生出足夠的臭氧以保證良好的燃燒，使得沒有過量的烴類或一氧化碳產(chǎn)生。
按另一種可供選擇的方法，可以使用一臺(tái)單獨(dú)的燈21，電壓轉(zhuǎn)換器25根據(jù)從控制器18接受的輸入信號(hào)改變加在燈管21上的電壓或電流，這樣控制器18就可以改變燈管21所發(fā)生的臭氧的數(shù)量。正如在圖4中可以清楚地看到的，也有可能將燈管安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的汽化器或燃料注入系統(tǒng)31的下游，燃燒室之前，例如裝在吸入總管45上。
根據(jù)本發(fā)明的一種不同的實(shí)施方案，臭氧被引入燃前或燃后氣流，隨后用催化轉(zhuǎn)化器來處理燃后氣流，諸如CO，HC和NOx這些污染物的濃度會(huì)有實(shí)質(zhì)性的降低，單靠催化轉(zhuǎn)化器是不可能獲得超過這種下降程度的。根據(jù)這種方案，可按如上所述的方法來安裝如上所述的燈管21，并用催化轉(zhuǎn)化器來處理燃后氣流中的廢氣，以使排放能有極大的降低，其排放會(huì)低于不用催化轉(zhuǎn)化器所能達(dá)到的程度。如在圖4中可以清楚看到的，可以將燈管21安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的下游，例如在排氣總管15中。此外還可將燈管21同時(shí)安裝在燃燒室的上游和下游。
圖5說明了本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，其中發(fā)生臭氧的裝置位于遠(yuǎn)離燃前和燃后氣流的地方，富臭氧空氣被管道送入燃燒氣流。在此方案中，一臺(tái)用于從空氣發(fā)生臭氧的輔助臭氧發(fā)生器50利用例如泵入機(jī)構(gòu)55獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)吸入周圍的空氣。通過暴露于紫外光，例如在圖2中所述的紫外燈，或借助靜電放電設(shè)備將周圍的空氣轉(zhuǎn)化成富臭氧空氣，以降低至少一種由催化轉(zhuǎn)化器處理的污染物?？衫没旌掀?1來強(qiáng)化富臭氧空氣和燃燒氣流的混合。應(yīng)該看到可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)10所產(chǎn)生的真空來吸入周圍的空氣，以代替泵入機(jī)構(gòu)55。
按照?qǐng)D3的實(shí)施方案，用一臺(tái)1996年Ford Taurus 3.0L發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了進(jìn)一步的檢驗(yàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)中紫外燈13位于吸入總管45中，在檢驗(yàn)過程中在催化轉(zhuǎn)化器的上游和下游測定了NOx，HC，CO和CO2的含量。應(yīng)該注意這種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)相同的催化轉(zhuǎn)化器，一個(gè)連至右排氣管，另一個(gè)連至左排氣管。下面是這些檢驗(yàn)的結(jié)果。
裝置離線(基準(zhǔn)狀況)空轉(zhuǎn)狀態(tài)ppm/百分 左轉(zhuǎn)化器 左轉(zhuǎn)化器 右轉(zhuǎn)化器 右轉(zhuǎn)化器下的排放濃度 入口 出口 入口 出口NOxppm 131 2.51161.2HC ppm 2593 2782484 137CO ppm 5000 4005000 10CO2％13.72 14.26 13.8 14.6裝置在線空轉(zhuǎn)狀態(tài)ppm/百分 左轉(zhuǎn)化器 左轉(zhuǎn)化器 右轉(zhuǎn)化器 右轉(zhuǎn)化器下的排放濃度 入口 出口 入口 出口NOxppm 127 0.2 1171.1HC ppm 3048 2 2731 2CO ppm 5000 0 5000 0CO2％13.87 13.9 13.99 14.27應(yīng)該注意以上所討論的實(shí)施方案只是說明性的實(shí)例。在這方面雖然前文介紹了利用輻射能來產(chǎn)生臭氧，但是對(duì)于用催化轉(zhuǎn)化器來處理廢氣的實(shí)施方案并未限定一定是那樣的，同時(shí)在本領(lǐng)域中熟知的產(chǎn)生臭氧的其它設(shè)備也被認(rèn)為是符合那種方案要求的為燃燒氣流提供臭氧的來源。
此外應(yīng)該看到這種方案的唯一要求是在催化轉(zhuǎn)化器上游的至少一點(diǎn)或在催化轉(zhuǎn)化器中，例如到汽化器或燃燒室的燃料注入系統(tǒng)的空氣吸入管道，到燃燒室的空氣/燃料吸入總管，直接到燃燒室或燃燒室的排氣總管，或如圖1所示的在排氣管A中加入臭氧。
圖6說明了本發(fā)明一種實(shí)施方案的方法，它包括以下步驟1)在催化轉(zhuǎn)化器上游的至少一點(diǎn)處將臭氧加到燃燒氣流中，用于處理燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣，以降低至少一種因不完全燃燒而產(chǎn)生的污染物和/或氮氧化物，和2)用催化轉(zhuǎn)化器來處理廢氣。
在本發(fā)明的另一種不同的實(shí)施方案中，羥基被加到燃前和燃后氣流的至少一個(gè)中，并在一個(gè)大表面積容器，例如一個(gè)典型的汽車催化轉(zhuǎn)化器中處理廢氣流(燃后氣流)。在圖7中一般性地用位號(hào)60說明了本發(fā)明這種方案的設(shè)備。在此方案中，設(shè)備60是一臺(tái)發(fā)生羥基的發(fā)生器，它有一個(gè)紫外發(fā)射燈，例如一個(gè)汞蒸汽弧光燈，發(fā)射大約185和254nm波長的紫外光。這個(gè)燈有一個(gè)能透過大約100-300nm波長紫外光的透光燈泡，因?yàn)檫@種發(fā)射在有足夠水蒸汽的情況下能從空氣中產(chǎn)生羥基。透光燈泡可以是熔凝的氧化硅，或和它相當(dāng)?shù)暮铣墒ⅲ?jí)硅，或任何其它能透過波長低到100nm，最好至少到185nm的紫外光的材料。也可以使用其它紫外發(fā)生燈，例如裝有氬、氖和這些及其它氣體，如汞蒸汽的混合物的燈。
燈管21被一個(gè)能在燈管內(nèi)產(chǎn)生氣體的初始電擊穿，并進(jìn)一步為燈管的輻射輸出提供持續(xù)的電壓的電源23所激發(fā)。將電源23拼接到例如作為一臺(tái)新車的固有設(shè)備的電力系統(tǒng)的熱線(未示出)中，從而將其直接連接到汽車的電力系統(tǒng)30中。另外還可以按參考圖2所敘述的將電源用一個(gè)適合于插入在車輛的乘客倉中的香煙點(diǎn)火器插座中的插頭連接到電力系統(tǒng)30中。
在用紫外燈21作為發(fā)生羥基的手段的羥基發(fā)生器60中有足夠的水蒸汽，最好是大約100％飽和的空氣，對(duì)于在本方案中有效地發(fā)生羥基是很重要的?？梢酝ㄟ^水蒸汽入口通道65將水蒸汽送入發(fā)生器60?？梢杂萌我舛鄠€(gè)交替使用或組合使用的方法，包括如參考圖8所介紹和說明的通過加熱由一個(gè)貯水瓶供給的水的方法，將水蒸汽供給水蒸汽入口通道65。另外還可以按圖8中在廢氣分離器67處所示的將水蒸汽從廢氣流A中分離出來，或是不收集在一個(gè)貯水容器中而將其直接供至入口通道65，或是經(jīng)過一個(gè)貯存容器。作為另一種可供選擇的方法，可以從廢氣流中將水蒸汽冷凝下來，儲(chǔ)存在一個(gè)容器中，然后將其加熱形成水蒸汽。在另一種可選擇的方案中，可以將廢氣流直接供入羥基發(fā)生器。作為另一種可選擇的方案，可以如圖8所介紹和說明的使送入羥基發(fā)生器的空氣鼓泡通過水。這些水可以由一個(gè)外部水源供給，也可以通過冷凝廢氣流中的水蒸汽得到。
預(yù)計(jì)有足夠高水蒸汽含量，最好是接近100％飽和的空氣在通過圖7的方案所提供的發(fā)生器60時(shí)，因吸收了大約100-185nm的光子會(huì)使水直接光離解成OH和H。另外燈管21產(chǎn)生的100-185nm的紫外輻射作用于空氣，會(huì)產(chǎn)生臭氧和原子氧。253.7nm的紫外輻射通過光離解作用會(huì)將臭氧破壞，產(chǎn)生分子氧和一種介穩(wěn)的氧原子。介穩(wěn)的氧和氣體中的水分子結(jié)合，形成過氧化氫，在有253.7nm紫外輻射的情況下，過氧化氫會(huì)發(fā)生光離解，形成兩個(gè)羥基分子。
在圖7所示的設(shè)備中60，燈管21被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)化油器或燃料注入系統(tǒng)的上游處，正如在圖1中一般性地在位號(hào)31處表示的例如在空氣濾清器27和空氣吸入管29之間。但是本發(fā)明還預(yù)計(jì)在沿著燃后氣流的任何位置安裝發(fā)生器60。
為了提高在被吸入到發(fā)動(dòng)機(jī)10的空氣中氧的有效吸收系數(shù)，為鄰近燈管21的壁面提供一種在所要求的波長范圍中對(duì)紫外光有很高反射能力的表面，例如用鋁來制造，以便能增加紫外光的平均自由程，這是由于鋁在低到至少185nm都保持它對(duì)紫外光的反射能力。
根據(jù)本發(fā)明的講述，還可以將羥基發(fā)生器60安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)化油器或燃料注入系統(tǒng)31的下游，燃燒室之前的位置，例如像可在圖4中清楚看到的在吸入總管45中。
圖10說明了本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，其中發(fā)生器60位于遠(yuǎn)離燃前和燃后氣流的地方，富羥基空氣和其它自由基中間體及氧化劑被管道送入燃燒氣流。在這種方案中，從空氣中發(fā)生羥基的羥基發(fā)生器60利用例如泵入機(jī)構(gòu)55，獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)操作之外將周圍的空氣吸入。周圍的空氣在發(fā)生器60中和水蒸汽混合，或者在進(jìn)入發(fā)生器以前將水蒸汽加到周圍空氣中，通過暴露于紫外光，或借助一種電暈或輝光放電設(shè)備使水蒸汽含量很高，最好被水蒸汽100％飽和的空氣轉(zhuǎn)變成富羥基的空氣，并根據(jù)本發(fā)明的講述將其加到燃前或燃后氣流的至少一個(gè)中。
水蒸汽貯槽57將水蒸汽送入發(fā)生器60，以保證周圍空氣有足夠高的水蒸汽含量，最好是100％地被水蒸汽飽和。水蒸汽貯槽57可以是以任何物理狀態(tài)，例如固體，液體，氣體或蒸汽裝有水的貯存鋼瓶?？梢詮脑谌紵龝r(shí)產(chǎn)生水蒸汽的發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中收集水，亦可從一個(gè)外部水源儲(chǔ)存水。如果水蒸汽貯槽中是液體的水，可以用任何熟知的方法，例如在有一種氣體，例如空氣的情況下將其加熱，使水轉(zhuǎn)變成水蒸汽，亦或可使空氣鼓泡通過水來產(chǎn)生水蒸汽。供給發(fā)生器60的水蒸汽和空氣可以用單獨(dú)一個(gè)到發(fā)生器的入口，其中水或水蒸汽被加到通至發(fā)生器的空氣中，這種方案在圖8中用虛線來表示。應(yīng)該注意到貯水容器57并不是必需的，可以在水蒸汽分離器67中從廢氣流中分離出水蒸汽，并將其直接加到發(fā)生器或空氣入口中。另外可以直接將廢氣加到發(fā)生器，或供給發(fā)生器的空氣和/或氣體中。
可以用一個(gè)混合設(shè)備41來強(qiáng)化富羥基空氣與燃燒氣流的混合。應(yīng)該看到可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)10所產(chǎn)生的真空來吸入周圍的空氣，以代替泵入機(jī)構(gòu)55。若是將富羥基空氣注入廢氣流，可能需要一個(gè)文丘里管58。
圖9說明了一個(gè)可被用在圖8所示的系統(tǒng)中的羥基發(fā)生器60。羥基發(fā)生器60′有一個(gè)聯(lián)至電源61的汞蒸汽燈21。汞蒸汽燈21發(fā)射波長大約在100-300nm的紫外光，因?yàn)檫@種發(fā)射在有足夠高的水蒸汽含量的情況下能從空氣產(chǎn)生所需數(shù)量的羥基。
空氣入口的金屬容器有一個(gè)濾網(wǎng)和一個(gè)空氣濾清器(未示出)，將空氣供給羥基發(fā)生器60′?？諝馊肟谕ǖ阑蛉肟诠?4從入口的金屬容器將空氣供給到羥基發(fā)生器60′。在空氣入口通道中可以裝一臺(tái)泵(未示出)，以幫助將空氣運(yùn)送到羥基發(fā)生器60′。重要的是在用紫外燈21作為發(fā)生羥基手段的羥基發(fā)生器中要有含足夠水蒸汽，最好是100％地被水蒸汽飽和的空氣，以便有效地發(fā)生羥基?？梢酝ㄟ^水蒸汽入口通道65′將水蒸汽送到發(fā)生器60′中。水蒸汽入口通道65′可以通過圖8中所示的利用水分離器67的通道E從廢氣流中，或用任何本文中所介紹的可供選擇的方法來收集水蒸汽。在圖9中靠加熱水源68來提供水蒸汽。被加熱的水源68是一種外部水源，水通過循環(huán)管道69循環(huán)經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)，以便將水源加熱。最好將水加熱到或保持在一個(gè)等于或低于羥基發(fā)生器的溫度下。從被加熱的水源68吸入水蒸汽，通過水蒸汽水口通道65′將其送入羥基發(fā)生器60′。
另外還可以將水蒸汽入口管聯(lián)至空氣入口通道64，使空氣和水蒸汽兩者混合，然后送入羥基發(fā)生器60′?？梢詮膹U氣流中收集水蒸汽，或是利用被加熱的水源系統(tǒng)68，69來為水蒸汽入口管65提供水蒸汽，亦可利用本文中所介紹的任何替代方法。
在圖9中還表示了另一種可供選擇的為羥基發(fā)生器60′提供足夠水蒸汽的方案。在這種方案中通過入口水管65將水送到并收集在一個(gè)貯存容器63中。使來自空氣入口罐62的空氣鼓泡通過水，以得到足夠高的水蒸汽含量或溫度。在貯罐63中收集的水可以來自一個(gè)外部水源，也可以將廢氣流中的水蒸汽冷凝下來。
為羥基發(fā)生器20′的內(nèi)表面提供了一種對(duì)于在所要求波長范圍內(nèi)的紫外光有很高反射能力的表面，例如鋁，它對(duì)于低到至少185nm的紫外光都能保持其反光能力。
相信正如圖9的實(shí)施方案所提供的有足夠高水蒸汽含量的空氣在通過發(fā)生器60時(shí)，由于吸收了185nm的光子會(huì)使水直接發(fā)生光離解，形成OH和H。另外燈管21所產(chǎn)生的185nm的紫外輻射作用于空氣，會(huì)產(chǎn)生臭氧和原子氧。253.7nm的紫外輻射靠光離解作用會(huì)將臭氧破壞，成為分子氧和一種介穩(wěn)的氧原子。介穩(wěn)的氧原子與氣體中的水分子結(jié)合，形成過氧化氫，后者在有253.7nm紫外輻射的情況下會(huì)發(fā)生光離解，成為羥基分子。
羥基發(fā)生器60′所發(fā)生的羥基，以及任何自由基和氧化劑，如H，O，HO2和H2O2經(jīng)過發(fā)生器出口管70被送至燃燒氣流?？梢詫l(fā)生器的輸出加到燃前或燃后氣流中。如果將發(fā)生器輸出送至燃后氣流，預(yù)計(jì)為達(dá)到同樣水平的性能所需要的羥基輸出要比將它加到燃前氣流時(shí)少，這是由于大部分加到燃前氣流中的羥基以及其它自由基和氧化劑在燃燒過程中不能被保存下來。能從燃燒過程保存下來的羥基，或送入燃后氣流的羥基作用于廢氣流中的CO和HC，會(huì)產(chǎn)生無污染的CO2和H2O。
圖10表示了另一種羥基發(fā)生器60″。有足夠水蒸汽的空氣被送至電暈或輝光放電發(fā)生器，這可以按同樣的方式，同樣根據(jù)交替或組合使用本文中所述的各種方案，特別是參考圖7，8和9來實(shí)現(xiàn)。發(fā)生器60″有一個(gè)外電極81和一個(gè)內(nèi)電極83。在外電極81和內(nèi)電極83之間插入一種介電材料或涂層82。將高壓高頻電源的一根引線聯(lián)至內(nèi)電極83，而將另一根引線聯(lián)至外電極81。輝光放電發(fā)生器60″的羥基和其它產(chǎn)物經(jīng)過出口管70被送至燃燒氣流。
圖11說明了羥基發(fā)生器60的一種不同的實(shí)施方案。羥基發(fā)生器60包括一個(gè)用于發(fā)生臭氧的臭氧發(fā)生器90和一個(gè)用于分解臭氧和產(chǎn)生羥基的紫外線容器95。臭氧發(fā)生器90有一個(gè)經(jīng)過水入口管92接受水的電解池91。用于電解池91的水可以由一個(gè)儲(chǔ)備的外部水源提供，或者從燃燒產(chǎn)生的廢氣流中的水蒸汽冷凝和收集得到。電解池91被聯(lián)至一個(gè)過電壓電源93。過電壓電解池在比電解所需的電壓閾值高幾十分之一伏特的電壓條件下操作。電解池91發(fā)生臭氧，氧和水蒸汽，它們被保持在容器94中。容器94有一個(gè)臭氧，氧和水蒸汽的出口管96，它提供了一個(gè)到紫外線容器95去的通道。
紫外線容器95有一根產(chǎn)生253.7nm輻射的紫外燈21′，以便按照前文和圖8有關(guān)所敘述的反應(yīng)順序?qū)⒊粞醴纸獬闪u基。紫外燈21′被連接到電源60。和圖9中的紫外燈21不同，燈管21′僅需要發(fā)生波長高于200nm，最好是大約254nm的紫外輻射。為紫外線容器95的內(nèi)表面提供了一種對(duì)波長高于200nm，最好是大約254nm的紫外輻射有很高反射能力的表面。
按另一種替代方法，可以將燈管21(發(fā)生器20)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的下游，例如可以從圖4中清楚看到的在排氣集管15中。在有足夠水蒸汽的情況下用在100-200nm波長范圍中的紫外輻射來照射廢氣流，可以通過直接的光離解作用產(chǎn)生羥基。
另外，羥基發(fā)生器20，20′，20″和20可以將羥基不但注入燃燒室的上游，而且還注入到它的下游。
應(yīng)該注意到以上討論的實(shí)施方案是說明性的實(shí)例。在這方面雖然在前文中介紹了利用輻射能來產(chǎn)生羥基，但是并未對(duì)本發(fā)明加以限制，其它在本領(lǐng)域中為人們所熟知的產(chǎn)生羥基的設(shè)備也被認(rèn)為是按照本發(fā)明的講述將羥基加入燃燒氣流的來源。
此外還應(yīng)該看到本發(fā)明唯一的要求是在催化轉(zhuǎn)化器上游的一個(gè)位置將羥基加到燃燒氣流中，例如加到化油器或燃燒室的燃料注入系統(tǒng)的空氣吸入管，到燃燒室的空氣/燃料吸入總管，直接加到燃燒室或燃燒室的排氣總管，或者如圖1所示的排氣管12中。
而且盡管本發(fā)明是針對(duì)催化轉(zhuǎn)化器來進(jìn)行敘述的，據(jù)認(rèn)為只有和引入羥基相結(jié)合的由轉(zhuǎn)化器提供的高表面積是為降低內(nèi)燃機(jī)廢氣中的污染物所必需的。
根據(jù)如圖12所示的本發(fā)明的又一種實(shí)施方案，可以利用一種控制設(shè)備，其中在該系統(tǒng)中裝有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器16。將傳感器聯(lián)至控制器18，控制器可以是一個(gè)由發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器16的輸出控制的電子系統(tǒng)，也可以和發(fā)動(dòng)機(jī)的控制計(jì)算機(jī)一樣復(fù)雜，它結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的其它參數(shù)，例如負(fù)荷，溫度，風(fēng)門位置，rpm等一起分析傳感器16的輸出，并可以調(diào)節(jié)羥基發(fā)生器60的輸出。另一方面控制器18可以根據(jù)從發(fā)動(dòng)器傳感器16得到的輸入信號(hào)利用電壓轉(zhuǎn)換器25改變加到羥基發(fā)生器60上的電壓或電流來改變由羥基發(fā)生器60所發(fā)生的羥基的數(shù)量。
在一種可供選擇的實(shí)施方案中，一臺(tái)單獨(dú)的羥基發(fā)生器可裝有多于一個(gè)紫外燈21a，21b，21c，它們中的每一個(gè)以低于為完全除去由燃料燃燒產(chǎn)生的污染物所需要的水平將經(jīng)過條件處理的含有足夠水蒸汽的空氣轉(zhuǎn)化羥基。在確定需要時(shí)，例如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使一根燈管投入使用，而另一根燈管則根據(jù)由發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器39所測量的操作參數(shù)被加以調(diào)節(jié)。
在這種方案中，將控制器18聯(lián)至一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器16，以接受一個(gè)表示當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)操作參數(shù)或工況的輸入信號(hào)。當(dāng)控制器18檢測到一種發(fā)動(dòng)機(jī)的工況或參數(shù)，例如溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷處于或高于一個(gè)預(yù)定的水平時(shí)，控制器18就調(diào)節(jié)燈管21b和羥基發(fā)生器的輸出。除了雙發(fā)生器或雙燈管的配置以外，還可以采用多臺(tái)發(fā)生器或燈管，使得一臺(tái)發(fā)生器或燈管在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)連續(xù)工作，而每臺(tái)額外的發(fā)生器或燈管則在控制器18檢測到不同的而且是遞增的發(fā)動(dòng)機(jī)操作工況或參數(shù)水平，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷時(shí)被依次接通，這樣在發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)或工況，例如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷達(dá)到最高的預(yù)定水平時(shí)，所有的發(fā)生器和燈管都投入運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生足夠的羥基，以保證不產(chǎn)生過量的污染物。
在一種類似的配置中，可以使用多組內(nèi)電極83和外電極81，或多臺(tái)臭氧發(fā)生器90和紫外線容器95，或多根燈管21′來代替多根燈管21。
按另一種可供選擇的方法，可以使用僅一根燈管21，由控制器18根據(jù)它所接受的輸入信號(hào)用電壓轉(zhuǎn)換器25來改變加在燈管21上的電壓或電流，從而改變燈管21所發(fā)生的羥基的數(shù)量。
圖13說明了本發(fā)明的方法，它包括以下步驟1)在一臺(tái)高表面積的接受器上游的一個(gè)地點(diǎn)將羥基加到燃燒氣流中，以及2)使廢氣通過一臺(tái)高表面積的接受器，例如一臺(tái)典型的車用催化轉(zhuǎn)化器。
雖然特別參照優(yōu)選的實(shí)施方案已經(jīng)介紹了本發(fā)明的各種實(shí)施方案，應(yīng)該看到對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯然還可以做許多變更和修正，因此本發(fā)明的精神不應(yīng)局限于本文中的特定的報(bào)道，而只應(yīng)該由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于降低發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中污染物的設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)用于產(chǎn)生能將吸入到發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣中的氧轉(zhuǎn)變?yōu)槌粞醯妮椛淠艿墓庠?；一個(gè)用于激發(fā)至少一個(gè)光源的變壓器；和一個(gè)用于將該變壓器連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)電力系統(tǒng)的連接器；其中臭氧提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料燃燒效率，從而降低了廢氣中烴類和一氧化碳的數(shù)量。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所說光源是一臺(tái)紫外發(fā)射燈。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所說紫外光發(fā)射燈是一臺(tái)發(fā)射波長大約為185nm的光線的汞蒸汽弧光燈。
4.一種用于降低內(nèi)燃機(jī)廢氣中污染物的設(shè)備，該設(shè)備包括至少一個(gè)用于產(chǎn)生波長低于大約200nm，能將吸入到發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣中的氧轉(zhuǎn)變?yōu)槌粞醯淖贤夤獾墓庠?；一個(gè)用于激發(fā)至少一個(gè)光源的變壓器；和一個(gè)用于將該變壓器連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)電力系統(tǒng)的連接器；其中臭氧提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料燃燒效率，從而降低了廢氣中至少一種污染物的濃度。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，還包括一個(gè)用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的臭氧的臭氧傳感器；和一個(gè)用于在發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中檢測到預(yù)定數(shù)量的臭氧時(shí)將至少一個(gè)光源熄滅，而在被檢測到的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的臭氧低于該預(yù)定數(shù)量時(shí)將至少一個(gè)光源接通的控制器。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，還包括一個(gè)用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一個(gè)操作參數(shù)的傳感器；和一個(gè)通過和由該傳感器檢測到的發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)成比例地變化由變壓器加到燈上的電壓和電流中的一個(gè)，來改變燈所發(fā)生的臭氧的數(shù)量的控制器。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中所說傳感器檢測至少一個(gè)選自發(fā)動(dòng)機(jī)速度，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，溫度和風(fēng)門位置的參數(shù)。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所說發(fā)動(dòng)機(jī)是一種內(nèi)燃機(jī)，而所說的至少一個(gè)光源位于一個(gè)傳統(tǒng)的汽車進(jìn)氣管的上游。
9.一種用于降低發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中污染物的方法，該方法包括以下步驟發(fā)生用來將發(fā)動(dòng)機(jī)空氣吸入口的空氣中的氧轉(zhuǎn)變?yōu)槌粞醯妮椛淠?；傳送空氣吸入口的已被輻射能將其中的氧轉(zhuǎn)變成臭氧的空氣，以達(dá)到更完全的燃料燃燒和效率的改善。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所說輻射能由一個(gè)發(fā)射波長大約為185nm的光線的汞蒸汽弧光燈發(fā)生。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求9的方法，包括檢測發(fā)動(dòng)機(jī)的操作條件；以及和發(fā)動(dòng)機(jī)的操作條件成比例地改變輻射能的強(qiáng)度。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所說紫外光的強(qiáng)度是通過操作額外的紫外光源改變的。
13.一種用于降低發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的污染物和有害物的設(shè)備，包括許多個(gè)用于產(chǎn)生能將吸入到發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣中的氧轉(zhuǎn)化為臭氧的光源，所說許多光源中的每一個(gè)以低于發(fā)動(dòng)機(jī)完全燃燒所需要的程度將空氣轉(zhuǎn)化為臭氧；一個(gè)用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)不同運(yùn)行條件的發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器；和一個(gè)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)連續(xù)操作第一個(gè)光源，并根據(jù)所說傳感器所檢測到發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件有選擇地操作其它光源的控制器；其中所說控制器在發(fā)動(dòng)機(jī)的狀況低于某一預(yù)定的水平時(shí)關(guān)閉其它光源，而在發(fā)動(dòng)機(jī)的狀況至少是處在該預(yù)定水平時(shí)接通其它光源，并且其中臭氧提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料燃燒效率，從而降低了廢氣中烴類和一氧化碳的數(shù)量。
14.權(quán)利要求13的設(shè)備，其中所說控制器在預(yù)定的不同發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下接通每一個(gè)附加的光源。
15.一種用于降低由燃料燃燒產(chǎn)生的污染物的設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)燃燒室，它有一個(gè)到燃燒室的燃前氣流和一個(gè)從燃燒室排出的燃后氣流；一個(gè)用于處理廢氣，以降低燃料不完全燃燒所產(chǎn)生的至少一種污染物和氮氧化物的數(shù)量的催化轉(zhuǎn)化器；和一臺(tái)用于將臭氧加到燃前氣流和燃后氣流的至少一個(gè)中，以進(jìn)一步降低催化轉(zhuǎn)化器處理過的廢氣中的至少一種污染物的數(shù)量的裝置。
16.一種根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中所說加入臭氧的裝置通過將氧轉(zhuǎn)化為臭氧的方法發(fā)生臭氧。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中所說加入臭氧的裝置包括一個(gè)波長在100-200nm的紫外燈。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其中所說的燈是一臺(tái)發(fā)射波長大約為185nm光線的汞蒸汽弧光燈。
19.一種根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其中燃前氣流包含空氣，而所說紫外燈位于燃前氣流中。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其中鄰近所說紫外燈的壁面能反射發(fā)生臭氧的紫外光。
21.一種根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其中所說壁面包括鋁。
22.一種根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中用于加入臭氧的裝置位于遠(yuǎn)離燃前氣流和燃后氣流的地方，而臭氧被送入燃前氣流和燃后氣流的至少一個(gè)中。
23.一種根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中用于加入臭氧的裝置包括一臺(tái)靜電放電臭氧發(fā)生器。
24.一種根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中所說燃燒室位于一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)中。
25.一種改善用于處理廢氣的催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率的方法，該催化轉(zhuǎn)化器處理廢氣以降低在有一個(gè)燃燒室、有一個(gè)通到該燃燒室的燃前氣流和一個(gè)從該燃燒室中排出的燃后氣流的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)由燃料燃燒而產(chǎn)生的至少一種污染物的濃度，該方法包括以下步驟在所說催化轉(zhuǎn)化器上游的至少一處，將臭氧加到燃前和燃后氣流的至少一個(gè)中，以降低燃燒產(chǎn)生的至少一種污染物的濃度；和用至少一臺(tái)催化轉(zhuǎn)化器處理廢氣流。
26.一種根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中加臭氧的步驟包括發(fā)生使氧轉(zhuǎn)變?yōu)槌粞醯妮椛淠堋?br> 27.一種根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中所說輻射能是由一臺(tái)發(fā)射波長為大約185nm的光線的燈所發(fā)生的。
28.一種用于降低燃料燃燒所產(chǎn)生的污染物的設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)燃燒室，它有一個(gè)到燃燒室去的燃前氣流和一個(gè)從燃燒室排出的燃后氣流；一個(gè)位于燃后氣流中的大表面積的接受器；和一個(gè)用于在大表面積的接受器的終端之前將羥基加到燃前氣流和燃后氣流的至少一個(gè)中的裝置。
29.權(quán)利要求28的設(shè)備，其中所說大表面積的接受器是一臺(tái)催化轉(zhuǎn)化器。
30.權(quán)利要求29的設(shè)備，其中用于加入羥基的裝置是一臺(tái)從空氣中發(fā)生羥基的羥基發(fā)生器。
31.權(quán)利要求30的設(shè)備，其中用于加入羥基的裝置包括一臺(tái)產(chǎn)生波長在大約100-300nm之間的紫外光的紫外燈和一臺(tái)輝光放電發(fā)生器的至少一種；一個(gè)空氣的入口通道；和用于調(diào)節(jié)羥基發(fā)生器內(nèi)的空氣，以保證該空氣有足夠高的水蒸汽含量，從而促進(jìn)羥基發(fā)生的裝置。
32.權(quán)利要求31的設(shè)備，其中所說羥基發(fā)生器有對(duì)波長在大約100-300nm的紫外光有適當(dāng)反射能力的內(nèi)表面。
33.權(quán)利要求32的設(shè)備，其中用于調(diào)節(jié)所說空氣的裝置包括一個(gè)向羥基發(fā)生器供水的入口通道。
34.權(quán)利要求33的設(shè)備，其中所說供水入口通道和所說燃后氣流相連通。
35.權(quán)利要求34的設(shè)備，還另外包括一個(gè)用于儲(chǔ)存水的，和所說供水入口通道相連的貯水容器。
36.權(quán)利要求35的設(shè)備，其中從一個(gè)外部來源以液體形式將水供給到所說貯存容器。
37.權(quán)利要求35的設(shè)備，其中通過冷凝所說燃燒室產(chǎn)生的廢氣中的水蒸汽來供水。
38.權(quán)利要求35的設(shè)備，還另外包括用于將所說貯存容器中儲(chǔ)存的水保持在一個(gè)高于在所說羥基發(fā)生器內(nèi)溫度的條件下，以便向所說羥基發(fā)生器提供水蒸汽的裝置。
39.權(quán)利要求35的設(shè)備，其中所說空氣入口通道和所說貯水容器相連通。
40.權(quán)利要求39的設(shè)備，其中所說空氣入口通道被布置成使供至所說羥基發(fā)生器的空氣鼓泡通過裝在所說貯存容器中的水。
41.權(quán)利要求30的設(shè)備，其中所說羥基發(fā)生器包括一個(gè)過電壓電解池；和一臺(tái)產(chǎn)生波長大約為254nm紫外光的紫外燈。
42.權(quán)利要求28的設(shè)備，其中用于加入羥基的裝置位于遠(yuǎn)離燃前氣流和燃后氣流的地方，而羥基被供給到燃前和燃后氣流的至少一個(gè)中。
43.一種用于處理廢氣以降低在燃燒室中燃料不完全燃燒所產(chǎn)生的至少一種污染物的方法，所說燃燒室有一個(gè)通入其中的至少有空氣的燃前氣流和一個(gè)從其中排出的燃后氣流，所說方法包括將羥基加到燃前和燃后氣流的至少一個(gè)中；和在所說燃后腔室中提供足夠大的表面積，以使羥基能和燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣反應(yīng)。
44.權(quán)利要求43的方法，其中羥基在遠(yuǎn)離燃前和燃后氣流的地方發(fā)生。
45.權(quán)利要求43的方法，還另外包括通過供給氣體來發(fā)生羥基；通過加水到所說氣體中形成有足夠高水蒸汽含量的富水蒸汽氣體；發(fā)生波長在大約100-300nm之間的紫外光；和使富水蒸汽氣體暴露于紫外光以產(chǎn)生羥基。
46.權(quán)利要求45的方法，其中富水蒸汽氣體的形成包括從廢氣中收集水蒸汽；和將從廢氣得到的水蒸汽供給所說氣體。
47.權(quán)利要求45的方法，其中富水蒸汽氣體的形成包括加熱一個(gè)水源來發(fā)生水蒸汽；和將水蒸汽加到所說氣體中。
48.權(quán)利要求45的方法，其中富水蒸汽氣體的形成包括在一個(gè)容器中儲(chǔ)存一個(gè)水源；和將所說氣體引入所說容器，以使其流經(jīng)所說水源。
49.權(quán)利要求43的方法，還包括通過以下步驟來發(fā)生羥基將空氣供給一個(gè)過電壓電解池來發(fā)生臭氧，氧和水蒸汽；發(fā)生波長在大約200-300nm之間的紫外光；和使所發(fā)生的臭氧，氧和水蒸汽暴露于紫外光以發(fā)生羥基。
50.權(quán)利要求43的方法，還包括通過以下步驟來發(fā)生羥基供給空氣；形成有足夠高水蒸汽含量的富水蒸汽空氣；和使富水蒸汽空氣暴露于一個(gè)電暈放電發(fā)生器。
51.權(quán)利要求43的方法，其中所說有足夠表面積的接受器是一臺(tái)催化轉(zhuǎn)化器。
52.一種用于降低在一臺(tái)有燃前和燃后氣流的內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的污染物的設(shè)備，包括一臺(tái)位于遠(yuǎn)離燃前氣流和燃后氣流的至少一個(gè)的地方，用于發(fā)生羥基的裝置，其中所說羥基發(fā)生器有一臺(tái)產(chǎn)生波長在大約100-300nm的紫外光的紫外燈和一臺(tái)輝光放電發(fā)生器中的至少一種，一個(gè)空氣入口通道，用于調(diào)節(jié)所說空氣以保證它有足夠高的水蒸汽含量從而促進(jìn)羥基發(fā)生的裝置，和一個(gè)將所發(fā)生的羥基引入燃前氣流和燃后氣流的至少一個(gè)中的出口；以及一臺(tái)用于處理所說廢氣，以降低因不完全燃燒產(chǎn)生的至少一種污染物和氮氧化物的催化轉(zhuǎn)化器。
53.權(quán)利要求28的設(shè)備，其中用于發(fā)生羥基的裝置包括一臺(tái)產(chǎn)生波長為大約100-300nm紫外光，位于有足夠高水蒸汽含量的燃后廢氣流之中的紫外燈。
54.權(quán)利要求45的方法，其中富水蒸汽氣體的形成包括將廢氣流加到羥基發(fā)生器中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于減少由內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的廢氣中的污染物的方法和設(shè)備。在它的一種實(shí)施方案中,將由波長為185nm的紫外輻射所產(chǎn)生的臭氧引入內(nèi)燃機(jī)(11)的吸入口(41)中,以便能更有效地降低燃料的消耗,改善其效率,以及減少污染。在一種不同的實(shí)施方案中,將臭氧引入燃燒氣流中,其后用一臺(tái)催化轉(zhuǎn)化器(13)來處理它的廢氣,和單純用催化轉(zhuǎn)化器來處理廢氣相比能更進(jìn)一步減少污染物。在又一種不同的實(shí)施方案中提供了一種用于減少由燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣中的污染物的方法和設(shè)備,它是通過將羥基引入催化轉(zhuǎn)化器上游的內(nèi)燃機(jī)排氣中,并用催化轉(zhuǎn)化器來處理廢氣實(shí)現(xiàn)的。
文檔編號(hào)C10L1/12GK1209190SQ96199911
公開日1999年2月24日 申請(qǐng)日期1996年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月19日
發(fā)明者R·N·米勒, R·P·卡倫, J·A·?？顺喟?申請(qǐng)人:洛克希德馬丁公司, 萊特克斯公司