CN1209190A - 一种用于减少发动机排气中的污染物和有害物的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于减少由内燃机产生的废气中的污染物的方法和设备。在它的一种实施方案中,将由波长为185nm的紫外辐射所产生的臭氧引入内燃机(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,以及减少污染。在一种不同的实施方案中,将臭氧引入燃烧气流中,其后用一台催化转化器(13)来处理它的废气,和单纯用催化转化器来处理废气相比能更进一步减少污染物。在又一种不同的实施方案中提供了一种用于减少由燃料燃烧所产生的废气中的污染物的方法和设备,它是通过将羟基引入催化转化器上游的内燃机排气中,并用催化转化器来处理废气实现的。

Description

一种用于减少发动机排气中的污染物和有害物的方法和设备
发明背景
1. 发明领域
一般地说，本发明涉及一种用于减少由燃料燃烧所产生的废气中的污染物的方法和设备。在一种实施方案中，本发明提供了一种方法和设备，其中污染物的降低是通过利用臭氧实现的。在另一种不同的实施方案中，污染物浓度的降低是通过将羟基“OH”和其它自由基中间体及氧化剂，例如O，H，HO2和H2O2引入燃料燃烧前或燃料燃烧后所产生的气体中实现的。
2. 技术背景
正如在本领域中大家所熟知的，一台内燃机吸入周围的空气，将空气和燃料混合，在一个燃烧室或气缸中进行燃烧，并将产生的废气排出。在气缸中空气/燃料混合物的点火一般是靠一种点火装置，例如火花塞或其它类似的设备，或者靠将其绝热压缩到高于燃料着火点的温度实现的。
在某些内燃机，例如今天普遍使用的汽油发动机中，周围的空气通过一个吸入管或吸入口被吸入到一个化油器或燃料喷射设备中，使空气与燃料混合，形成一种空气/燃料混合物，空气/燃料混合物然后经过一根进气管被送入发动机的燃烧室或气缸中。在柴油发动机和某些火花塞点火发动机，例如使用一种缸内燃料喷射装置的发动机中，空气和燃料是在发动机的燃烧室或气缸中混合的。
在空气/燃料混合物烧完以后，产生的废气从燃烧室被排到一根排气总管中，然后可以经过至少一根排气管将废气送到催化转化器中，将污染物去除。
在下文中将到任何燃烧室去的空气流，如果合适的话也包括空气/燃料混合物流称为燃前气流，而将从燃烧室得到的废气流称为燃后气流或废气流。正如在本文中所用的，在下文中将燃前和燃后气流统称为燃烧气流。
在燃料的受控燃烧下运行的内燃机产生废气，它包含完全燃烧产物二氧化碳(CO2)和水(H2O)，还含有不完全燃烧所形成的污染物，例如对人类生命有直接毒害作用的一氧化碳(CO)，以及未烧完的烃类(HC)。此外由于烃类燃料燃烧产生很高的温度，紧接着是快速冷却，引起有毒的氮氧化物NOx的形成，它是一种另外的污染物。
污染物的数量随发动机的许多操作条件而变化，但却受到燃烧气缸中空气-燃料比的决定性影响，以致有助于减少一氧化碳和未烧尽烃类的条件(略低于计量比的燃料混合物和高燃烧温度)会造成NOx生成的增加，而有助于降低NOx形成的条件(富燃料及贫燃料的混合物和低燃烧温度)将造成发动机废气中CO和未烧尽HC的增加。因为在现今的催化转化器中NOx的降低在缺氧条件下是最有效的，而CO和HC的减少则需要氧气，所以为避免这些排放物的产生就要求发动机在接近于空气-燃料计量比的条件下操作，因为在这些条件下有可能使用所谓的三用催化剂(TWC)，即所有这三种污染物被同时降低。但尽管如此，在内燃机运转过程中，从环境角度来说还是有大量的CO，HC和NOx被排入了大气。
虽然从1901年人们就已经知道了内燃机废气中污染物的存在，但是在美国随着1970年清洁空气法案的通过才开始要求控制内燃机的排放。发动机制造商已经考察过大量的工艺，来满足清洁空气法案的要求。催化作用被证明是最有效的被动***。
汽车制造商通常用催化转化器来实现催化作用。其目的是将CO和HC氧化成CO2和H2O，并将NO/NO2还原为N2。自动排放催化转化器一般被装在汽车的底板上，位于从发动机排出的废气流中，刚好在消音器前面，由于在行驶条件下所遇到的温度以及结构和振动负荷的极端情况，这是一种极其有害的环境。
几乎所有的自动排放催化转化器都被安装在蜂窝整体结构中，它通常由堇青石，一种在热冲击下有着优越的强度和抗裂性的，低热膨胀性陶瓷制成。所选择的蜂窝结构和几何形状提供了相当低的压降和高几何面积，从而强化了传质控制的反应过程。蜂窝体被安放在一个钢制容器中，由弹性垫保护它不受振动。
将一种通常由稳定化的γ-氧化铝构成的，其中掺有催化剂组分的粘附基面涂层沉积在蜂窝体的壁面上。用于同时转化所有三种污染物的TWC工艺包括使用贵金属Pt和Rh，其中Rh主要负责NOx的还原，尽管它和Pt一起也对CO的氧化有贡献。近来不太贵的Pd被用来代替，或与Pt和Rh一起混合使用。活性催化剂通常含有大约0.1-0.15％的贵金属，主要是铂(Pt)，钯(Pd)和铑(Rh)。
由于内燃机的废气从略富变化到略贫，故将一种储氧介质加入到基面涂层中，在循环的贫CO和HC阶段中它吸附(储存)氧，在富CO和HC阶段将氧放出，和过量的CO和HC反应。CeO2由于对还原和氧化作用有所需的响应，是最经常使用的储氧介质。
新近通过的对清洁空气法案的1990年修正案，要求更大幅度地降低由内燃机排入大气的污染物的数量。为了满足这些要求，已经建议对汽车和卡车的使用加以限制，例如强迫使用者共用小汽车，HOV车道，更多地使用公共交通和有轨交通工具，以及其它类似的将汽车和卡车的使用限制在很高的费用和不方便情况下的措施。
对减少汽车和卡车使用的一种替代的办法是通过提高内燃机的效率来降低排放量。这种办法只有有限的效果，因为许多研究表明源于汽车的污染的绝大部分仅仅是由在道路上行驶的车辆中的一小部分产生的，这些车辆一般是有着相当低效率的发动机和过时的催化转化器的老式车辆，它们必然产生大量污染。除非更高的效率可以由一种能以合理的费用改装的设备提供，看来这类改进不可能用于其它车辆，因而就无法恰当地解决问题。
此外，虽然近年来在减少如像汽车和卡车这类车辆的内燃机废气中污染物方面已经取得了很大成效，进一步减少内燃机废气中污染物的数量也是一个很大的技术挑战，并需要很大的花费，更不用说新近制造的汽车和卡车的废气排放还不能满足环境保护署所提出的标准。
作为一种提高内燃机效率的方法，美国专利1,333,836和1,725,661建议在汽化器的空气吸入管上安装臭氧发生设备。臭氧是一种很有效的氧化剂，它能提高发动机燃料燃烧的完全性，从而减少汽车废气中的污染物，并提高效率。上述这些已知的发生臭氧的设备不仅昂贵，而且还很复杂，在生产过程中不能很方便地安装在新发动机中，也不能很方便地改装到现有的发动机中。
在Jr.Wallis等人的美国专利4,195,606中，通过用波长为大约2537(253.7nm)的杀菌灯的紫外辐射来光化学活化氧，使氧分子被活化，从而在与燃料混合以前对内燃机的燃烧空气进行处理。但是在Jr.Wallis等人的专利中，如杀菌灯制造商所证实的，杀菌灯并不产生臭氧。对此Wallis等人强调优先选用的波长范围是2000-3000(200-300nm)，它不包括本发明某些实施方案的臭氧发生灯的100-200nm这一发生臭氧的波长。在200nm以上，臭氧发生光离解作用，因此尽管存在臭氧，在使用波长超过大约200nm的紫外光时，臭氧的浓度也将减小。
用于代替靠提高内燃机效率或限制汽车的使用来减少废气排放的方法，另一种替代方法是用例如催化转化器来提高催化作用的效率。一台催化转化器的转化效率是用某个感兴趣的特殊组分的质量去除速率和该组分进入催化转化器的质量流率的比值来衡量的。催化转化器的转化效率是许多参数的函数，包括老化，温度，计量比，任何催化毒物(例如铅，硫，碳和磷)的存在，催化剂的类型，以及废气在催化转化器中的停留时间。
提高催化转化器效率的努力还未取得很大成功。虽然最新的TWC催化转化器会有所帮助，但是它们价格很贵，所以仍有大量污染物被催化处理过的废气排入大气。这些转化器可能难以满足更高的排放要求，而且它们的使用期限也受到限制。催化转化器还受到另一个缺点的困扰，即在***达到操作温度以前他们的转化效率很低。
发明概述
本发明的一种实施方案的一个目的是提供一种减少在使用如像汽油，甲醇或柴油这类燃料的内燃机的废气中的污染物的方法和设备，其中使用辐射能来在发动机空气吸入阀的上游将空气中的氧转化为臭氧，以便在无需对内燃机或催化转化器做重大改造的情况下提供比较完全的燃料燃烧，并改善其效率。
本发明的另一个目的是提供一种减少在汽车或卡车废气中的污染物的方法和设备，它在使用和制造时价钱不贵，在结构和操作上很简单，而且容易被安装到新发动机中，或改装到现有的车辆发动机中。
本发明的一种实施方案的另一个目的是提供一种在无需对内燃机或催化转化器做重大改造的情况下，通过改善催化转化器的转化效率的方法来减少有催化转化器的内燃机的废气中的污染物的方法和设备。
本发明的一种实施方案的一个特殊优点是不仅得到了比较完全的燃料燃烧，从而降低了废气中的污染物含量，而且还能改善发动机的效率和消耗单位燃料的行驶里程。和位于废气管道上的催化转化器的作用不同，所增加的能量作为燃烧过程的一部分在发动机内被释放出来。
本发明的另一个特殊优点是用于降低内燃机废气中的污染物的设备利用紫外线辐射来发生臭氧，利用臭氧来强化内燃机的燃烧，并不产生额外的氮氧化物。
本发明的一个特殊优点是通过改造那些已经在道路上行驶，产生了大部分污染并完全可能无法通过排放检查的发动机和催化转化器的组合，以及在新发动机***中进行方便地安装而提供了一种相对讲价钱不贵的降低污染的方法。
本发明的一种实施方案的另一个特殊优点是无需在车上储存特殊的化学添加剂，仅通过加入臭氧来实时地调整进入催化转化器的气体组成就能实现对催化转化器效率的改善。
本发明一种不同的实施方案的一个特殊优点是无需在车上储存特殊的化学添加剂，仅通过加入羟基和其它诸如O，H，HO2和H2O2的自由基中间体和氧化剂来调节废气的组成就能实现减少排污。
本发明的另一个优点是它能被用于包括，但不限于燃气透平发动机以及往复发动机的各种不同类型的内燃机，它们包括使用各种不同燃料，例如汽油，以汽油为基础的燃料配方，柴油燃料，酒精，天然气和任何其它燃料，可以利用催化转化器来降低至少一种污染物浓度的汽车，卡车，固定的发电机，摩托艇，摩托车，机器脚踏车，剪草机，链条锯或叶片鼓风机。此外，本发明不仅能改造现有的发动机，还能被采用到新设计的发动机中。
根据本发明的一种实施方案，它的这些以及其它的目的，优点和特征是通过使用一种紫外线发射灯实现的，这种灯发射波长在大约185nm的光线，从而至少部分地将进入内燃机化油器或燃料供给区的空气转化为臭氧，因此提高了发动机的效率，并降低了汽车废气中的污染物。紫外灯最好被安装在内燃机空气过滤器的下游侧，靠近化油器的吸入口或发动机的燃料注入***的地方。
根据本发明的一种实施方案，它提供了一种设备，包括至少一个用于产生将吸入发动机的空气中的氧转化为臭氧的辐射能的光源，这至少一个光源是一种能产生波长为大约185nm光线的汞蒸汽弧光灯；一个用于激发这至少一个光源的变压器；一个将该变压器连接到发动机的电力***的接线器；一个用于检测发动机转速的转速计；以及一个用于根据转速计所检测的发动机的转速，通过变压器改变加到灯上的电压或电流来改变由灯所发生的臭氧的数量的控制器；其中臭氧提高了发动机的燃料燃烧效率，从而降低了废气中烃类和一氧化碳的数量。
根据本发明的一种不同的实施方案，它提供了一种设备，包括用于产生将吸入发动机的空气中的氧转化为臭氧的辐射能的第一和第二光源，第一和第二光源各自以低于发动机完全燃烧所要求数量的程度将空气转化为臭氧；一个用于驱动第一和第二光源的变压器；一个将变压器连接到发动机电力***的接线器；一个用于检测发动机转速或负荷的探测器；以及一个用于根据发动机转速或负荷选择性地操作第一光源和在发动机运转时连续地操作第二光源的控制器；其中该控制器在发动机的转速或负荷低于一个预定水平时关闭第一光源，而至少在发动机的转速或负荷处在该预定水平时就打开第一光源；其中臭氧提高了发动机的燃料燃烧效率，从而降低了废气中烃类和一氧化碳的数量。
根据本发明的一种不同的实施方案，它提供了一种设备，包括：1)一个燃烧室，它有一个到燃烧室来的包括空气的燃前气流和一个离开燃烧室的燃后废气流，2)一个催化转化器，用于处理废气以降低至少一种因燃料不完全燃烧而产生的污染物和/或氮氧化物的数量，和3)一个用于将臭氧加到燃前气流和燃后气流的至少一个中，以降低催化转化器处理过的废气中的至少一种污染物的数量的装置。
根据本发明的另一种实施方案，用于加入臭氧的装置包括一台发射波长大约为100-200nm的光线的紫外线发射灯，发射灯被***到燃前气流或燃后气流的至少一个中间，使吸入空气，空气/燃料混合物和/或废气中的氧暴露在紫外光中，产生出臭氧，以提高催化转化器的转化效率。由于波长高于200nm的紫外光会光离解臭氧，降低臭氧的浓度，因此在需要臭氧发生的地方应避免使用这样的波长。
根据本发明的另一种实施方案，用于加入臭氧的装置位于远离燃前或燃后气流的地方，将加入了臭氧的空气用管道送入燃烧气流。在此实施方案中，该装置独立于发动机的操作，例如用一套泵的机构，或是靠例如由发动机的真空产生的负压将周围的空气吸入。通过暴露于紫外光将周围空气转变为富臭氧的空气，并将其加入到燃前或燃后气流的任何一个中。这种实施方案的一个特殊优点是它提供了将臭氧发生器安装在发动机室的一个方便位置或车辆的其它部位的灵活性。此方案的另一个优点是可以将臭氧送至吸入气流或废气流的任何需要的地点。此方案的再一个优点是臭氧发生器产生的臭氧的流量可以独立于发动机的转速，即进入燃烧室的空气流量或离开燃烧室的废气流量。这样在发动机低转速下，臭氧的质量流量将不受经过燃烧室的低空气质量流量的影响。
本发明还提供了一种改善用于处理废气，以减少在有一个到燃烧室的至少是周围空气的燃前气流和一个离开燃烧室的燃后废气流的燃烧室中燃料燃烧所产生的至少一种污染物的催化转化器的转化效率的方法，该方法包括以下步骤：将臭氧加到用于处理由燃料燃烧产生的废气，以降低由燃烧产生的至少一种污染物的浓度的催化转化器上游至少一点的燃前气流和燃后气流的至少一个气流中，和用催化转化器来处理废气。
按照一种不同的实施方案，相信可以将羟离子和诸如O，H，HO2和H2O2的其它自由基和氧化剂加到内燃机的燃烧气流中，以降低像CO和HC这些污染物。已经注意到在有氧的情况下，OH能迅速地和CO反应，产生CO2。还注意到在有氧的情况下，OH能和烃类(HC)迅速反应，产生甲醛或其它类似的中间产物，后者随后能和OH进一步反应，生成HO2，CO2和OH。而且有证据说明这一系列反应并不消耗，而且会再生出OH。
对于CO，如下的反应步骤将CO转化为CO2，并再生出OH：
过氧氢基分解成羟基的后一个过程可以通过吸收紫外(“UV”)光子或热分解而发生。
对于HC，典型的反应系列可能包括以下步骤：
根据HC种类的不同，可能会有分支反应，而且可能产生诸如O，H，HO2和H2O2的其它自由基中间体和氧化剂，这两者中的任何一种会直接地或通过例如以下的其它反应的产物参加到反应中去：
，或
在本发明的羟基方案中，特别重要的是相信在反应过程中OH被再生，即它起一种催化剂的作用，而且由于有很强的自由基反应特性，序列反应进行得非常迅速。
相信在内燃机废气中OH和诸如O，H，H2O2和HO2的其它自由基中间体和氧化剂的存在，在有必需的氧存在的情况下能使CO和烃类被非常有效地催化分解为非污染气体CO2和水蒸汽。反应中产生的OH和其它相关的自由基及氧化剂可以单独地或是与催化转化器中的贵金属颗粒(Pt，Pd，Rh，以及它们的组合物)的正常催化功能相结合而起一种催化剂的作用。
相信将OH注入燃烧气流会使废气流中CO和HC的反应被迅速催化。相信OH的反应能力会引起与CO转化成CO2以及烃转化成CO2和H2O有关的更多的催化活性发生在气相中，以及发生在催化转化器的基面涂层很大的表面上。这样会使CO和HC转化成CO2和H2O的反应大部分发生在靠近催化转化器入口的有限区域内。由于CO和HC在气相和催化转化器的基面涂层中被氧化，在靠近催化转化器入口处CO和HC的氧化作用已基本完成，因此贵金属催化表面的大部分将不再参加这些竞争反应。例如转化器中贵金属的活性点将不再需要用来催化反应活性不强的烃类组分，如甲烷，乙烷，乙烯，苯和甲醛。因此贵金属表面更有效的催化活性可被用在使氮氧化物还原为氮和其它非污染的气体成分。
相信羟基的反应可以发生在废气空间中及催化转化器的整个表面上，即在基面涂层的整个大表面上。这使得按传统方式操作的催化转化器能更有效地降低污染物。在这种新的催化转化操作模式下，氮氧化物的减少能降到传统的基线以下。另一方面，可以用较低的贵金属含量，或者用不太贵的金属或它们的氧化物将氮氧化物降到可允许的排放限度以下。
可以用几种不同的操作模式和设备来实施本发明的羟基方案。在一种实施方案中，OH是在一个发生器中用汞(Hg)蒸汽灯辐照和被调节成有足够高的水蒸汽含量，最好是大约100％被水饱和的常压空气吸入产生的。相信在高水蒸汽含量的空气中有两种可能的产生OH的竞争反应分支。在第一种情况下，通过吸收185nm的光子将水直接光离解成OH和H。为了达到这样高的温度，水蒸汽可以从一个被加热的水源得到，或是由发动机的废气流来提供。另一种反应在较低的，但仍然是足够高的水蒸汽含量下更为有利，它是使紫外灯产生的185nm的紫外辐射作用于空气，产生原子氧(O)和臭氧(O3)的。臭氧是由一种包括原子氧分子氧和空气的任何其它的分子组分，例如氮气(N2)，氧气(O2)，水(H2O)或氩的三组元反应所产生的。253.7nm的紫外辐照会通过光离解作用将臭氧破坏成为分子氧(O2)和一种介稳的氧原子(O)。如果进入发生器的空气流有足够高的水蒸汽含量，相信介稳的原子氧(O)会与水分子结合，生成过氧化氢：
253.7nm的紫外辐照会进一步将过氧化氢光离解成两个羟基分子。
这样，臭氧发生器会通过例如吸入总管将臭氧，原子氧，过氧化氢和羟基注入发动机。相信在发动机的高温条件下，任何这样被注入的过氧化氢会分解成羟基。留在燃烧室裂缝中的羟基在发动机的燃烧过程中应该能保存下来，并根据前述的反应过程作用于废气流中余留的CO和HC，产生CO2和H2O。
发生羟基的另一种方案是将一种富水蒸汽的入口空气流进料到一个辉光放电发生器中(在这种发生器中主要地或仅仅在水蒸汽中发生辉光放电)。另一种方法是用一台超电压电解池来发生臭氧，以及氧和水蒸汽，接着借助200-300nm的紫外辐照，通过光分解作用产生原子氧，在有富水蒸汽的入口空气流的情况下，光分解作用引发了过氧化氢的生成反应，接着通过过氧化氢的紫外离解，产生羟基。使用汞蒸汽灯作为紫外光源时这后一种装置可以非常紧凑，这是由于这种灯在253.7nm的输出有很高的效率，而臭氧和过氧化氢对这种波长的紫外光有很强的吸收。
上述的各种实施方案大体上都包括了将其输出气流注入到发动机的吸入总管的羟基发生器。这些方法的一个固有的优点是在吸入总管区的低压条件提供了一种自然泵入机制。但是这些方法的一个缺点是在燃烧过程中大部分高化学活性的物质，包括例如羟基这些自由基都被破坏了，只有那些在燃烧室的裂缝区和壁面上的活性物质能有效地保存下来，并进入到废气流中，被用于CO和HC的氧化过程。相比之下，将羟离子直接注入废气流或在废(燃后)气流中产生羟基的发生器则能够更有效地将活性物质送入CO和HC需要被氧化的废气流中。这样，为得到相同的排放降低，就仅需要较低的化学活性物质源强度。这应直接表现为羟基发生器对电力输出的需求有成比例的降低。
然而由于废气流中的压力较高，因此需要泵才能将发生器的输出送入废气流。文丘里管的使用会有助于这一过程。另一方面由于在高于大约120℃的温度下水有较高的蒸汽压，在羟基发生器中使用一种水蒸汽放射源也能提供有效的注入。可以从废气流中通过冷凝或其它相当的办法来收集这些水蒸汽。
在废气流中产生羟基的一种方案是用在大约120-185nm波长范围中的紫外辐射来照射废气流，在有足够水蒸汽的情况下这种辐照通过直接的光离解作用产生有催化活性的OH。另一种方案是在一个外部发生器中利用120-185nm波长的紫外辐射，它采用常压空气吸入和从废气流中收集水蒸汽，在催化转化器前或在转化器中将水蒸汽OH和H注入废气流。
上述的产生这些自由基物质的装置包括基于紫外光的发生器，辉光放电发生器，和过电压电解池加紫外辐射。发生器的输入可能包括电，水，空气，氧气，水蒸汽，水蒸汽加空气，以及水蒸汽加氧气。
将以上物质通入发动机***的可能方式包括通入燃前气流，例如吸入总管，通入废气流，例如排气总管，以及通入催化转化器。发生器可以在这些区域的外部或内部。外置式发生器的一个特殊优点是提供了将发生器安装在发动机室内的一个适合地点，或者安装在车辆其它部位的灵活性。外置式发生器方案的另一个优点是可以将羟基通至发动机的吸入(燃烧前)或排出(燃烧后)气流中任何适合的部位。这种方案的又一个优点是羟基发生器产生的羟基流量与发动机的转速，即到燃烧室去的空气流量或离开燃烧室的废气流量无关。这样在低发动机转速下，羟基的质量流量将不会受到通过燃烧室的低空气质量流量的影响。对于外置发生源来说，泵送发动机气体产物的设施可能包括发动机的自然低压区，文丘里管引入，外置泵，或是如像用较高温度和水蒸汽源的发生器自然增压。
因此本发明的这种实施方案利用羟基和与之有关的反应物O，H，H2O2和HO2来提供在降低发动机的CO和HC排放中起核心作用的OH催化循环，以满足目前和未来的超低排放车辆“ULEV”和低排放车辆“LEV”标准。因为OH起一种催化剂的作用，所以在废气流中有氧的情况下仅需要注入相当少量的OH就可以将更大数量级的CO和烃类转变成CO2和H2O。
相信本发明的羟基方案的又一个优点是因为引入的是气相催化剂物质，它们的活性作用于催化转化器的整个表面，同时由于这些催化剂物质所固有的反应活性，所以在发动机发动后CO和未烧尽的HC的催化转化发生得更早。换言之，与使用标准的催化转化器相比，在发动机启动后的有效点火滞后时间可被缩短。
在有含挥发性有机化合物(VOCs)，但仅含最低数量或不含氮氧化物的废气流，例如从某些工业过程排出的废气流的燃烧及其它住宅，商业和工业***中，没有必要使用标准的催化转化器，当然也没有必要使用贵金属催化转化器。本发明将提供价格非常低的催化转化器***。在仅仅要求将CO或HC和其它VOCs氧化的场合，据估计不需要使用标准的催化转化器。但是为使CO、HC和VOCs的氧化反应得以发生，预计与标准的催化转化器的蜂窝结构所能提供的相类似的足够的时间和/或大的表面积仍然是必需的。
根据本发明的一种实施方案，它的这些和其它的目的，优点和特征是靠一种设备来实现的，它包括：1)一个发动机的燃烧气流，2)一台用于处理燃烧气流中的废气，以进一步降低至少一种因燃料的不完全燃烧产生的污染物和/或氮氧化物的数量的催化转化器，和3)一台将OH及相关的自由基和氧化剂加到催化转化器上游侧的燃烧气流中或催化转化器中，以进一步降低催化转化器所处理的废气中至少一种污染物浓度的装置。
本发明提供了一种用于处理废气，以降低在有一个到燃烧室去的至少是周围空气的燃前气流和一个从燃烧室排出的燃后废气流的场合，因燃料的不完全燃烧产生的至少一种污染物的浓度的方法，该方法包括以下步骤：将羟基及相关的自由基和氧化剂加到燃前和燃后气流的至少一个气流中，在燃后气流中提供足够的表面积，供羟基处理燃料燃烧所产生的废气，以降低燃烧所产生的至少一种污染物的浓度。
附图简述
图1是一台有催化转化器的内燃机的一种已知结构的侧透视图；
图2是本发明设备的一种实施方案的部分剖开的侧视图；
图3是说明本发明其它可能的实施方案的框图，其中许多臭氧发生灯在不同的和递增的发动机预定负荷或转速下依次接通；
图4是部分剖开的，说明图2设备更详细布置的正视图；
图5是说明设备的其它实施方案的框图，其中一台用于加入臭氧的设备位于远离燃前和燃后气流的地方，富臭氧空气经管道送入燃烧气流；
图6是说明本发明的一种实施方案的框图；
图7是部分剖开的，说明本发明设备的一种实施方案的侧视图，其中一台羟基发生设备被***到燃前气流中；
图8是说明本发明设备的另一种实施方案的框图，其中用于加入羟基的设备位于远离燃前和燃后气流的地方，富羟基空气经管道送入燃烧气流；
图9是说明符合本发明的一种实施方案的羟基发生***的示意图；
图10是说明符合本发明一种不同的实施方案的另一种可供选择的羟基发生***的示意图；
图11是符合本发明又一种实施方案的羟基发生器的示意图；
图12是说明本发明羟基方案的方法的框图，以及
图13是说明本发明的方法的框图。
优选方室的详细说明
图1说明了有催化转化器13的汽车发动机10的一种为大家所已知的结构。催化转化器13被安装在汽车的底盘(未示出)上，位于离开发动机的废气流(燃后气流)A中，在排气总管15的下游，刚好在消音器17前面。
预计将用在本发明中的催化转化器13包括在可以用催化转化器来降低由燃烧产生的至少一种污染物，例如CO，未烧尽的烃类(HC)，和/或NOx的场合，被提供来处理从燃烧一种燃料，例如汽油，以汽油为基础的配方，柴油燃料，酒精，天然气和任何其它燃料产生的废气的任何设备，包括，但不限于在当今新型汽车发动机中一般采用的三用催化剂。
因此催化转化器13包括能从燃烧燃料产生的废气中催化去除或参加去除至少一种污染物的任何设备，包括，但不限于有整体或粒状陶瓷基体，金属基体，或其它类型基体的那些设备，以及有贵金属或任何其它类型催化物质的设备。它还包括，但不限于有半导体催化剂，例如过渡元素的氧化物或硫化物的设备，以及有陶瓷类催化剂，例如单独的或相互结合的氧化铝，氧化硅-氧化铝，和沸石，及有储氧介质，例如氧化铈或它和金属催化剂的组合物的设备。
图2说明了本发明设备11的一种实施方案。设备11包括一台发生臭氧的设备，例如一台紫外光发射灯21，如一种发射波长大约为100-200nm的紫外光的汞蒸汽弧光灯。这种灯有一个能透过波长大约为100-200nm的紫外光的玻璃灯泡，因为这种波长的发射能够产生臭氧。透光灯泡可以是熔凝氧化硅，或与它相当的合成石英，超级硅，兰宝石，或任何其它能透过波长大约200nm或更低的紫外光的材料。熔凝氧化硅灯的一种来源是GTE Products Corporation，Sylvania Lighting Center，Danvers，Massachusetts 01923。可以使用其它紫外发生灯，例如那些包含氖，氩，以及这些气体和其它气体，如汞的混合物的灯。
灯21被连接到一台Bodine Model 12R25E/GS变压器23上，变压器将12V的电池电源转变成操作灯21所要求的电压和频率。如图2所示，可以通过例如插头19将变压器23连接到汽车的电力***中，将插头19***汽车的香烟点火器20。在将设备11改装到现有的最近型号的车辆中时，这种安排特别有吸引力。另一方面可以通过联入***的热线中(未示出)，例如作为在新车上的一种原始设备将变压器23直接连接到汽车的电力***上。
在图2所说明的设备11中，灯21位于发动机汽化器的上游，在图1中通常在31所表示的位置上，例如在空气过滤器27和空气吸入管29之间。但是本发明还计划将发生臭氧的装置安装在空气过滤器29的上游。
为了将设备11改装到现有的发动机10中，要打开空气滤清器的外壳24，将灯21安装在空气滤清器27和空气吸入管29之间，并固定灯21的引线，使它们在空气滤清器顶盖(未示出)下面通过，以便在外壳24和它的可去除的顶盖(未示出)之间将它们从外壳24中引出，和变压器23连接。
为了提高在被吸入到发动机10中的空气中氧的有效吸收系数，要为靠近灯21的壁面提供对在所要求的波长范围中的紫外光有很高反射能力的表面，例如用铝来制造，以便能增加185nm光子的平均自由程，这是由于铝对低到至少185nm的紫外光都能保持它的反射能力。
但是如果灯管太长，在这个空间里装不下，就要在将空气滤清器27固定在空气吸入管上的外壳24上钻至少一个孔22。最好位于空气滤清器27和吸入管29之间的孔22的直径事实上等于灯管21的直径。将灯管21经过孔22滑入到外壳24的内部，并定位在空气滤清器27和空气吸入管29之间。在***灯管21时将一种密封剂，例如密封带或填密物涂到孔22上，使得只有很少或没有空气能通过孔22渗入。为代替上述要求开孔22的做法，可以用许多如在下文图3所述的较短的灯管21a，21b。
然后用紧固件28，例如螺钉或类似的东西将变压器23固定到车辆的发动机箱的侧板26上。再将插头19***车辆的香烟点火器20中，或者也可以将变压器23直接连接到车辆的电力***上。
为了保证灯管的工作，在靠近灯管21的地方安装一个光探测器或光探测器/荧光物35，并将其连接到一个指示器37上，当光探测器35检测不到灯管21发出的光能时，指示器就发出指示。虽然探测器35和指示器37不是必不可少的，但尤其在用本发明来代替目前在汽车和卡车上所使用的，为大家所知道的催化转化器，而不是和这种催化转化器组合使用时，还是推荐这种选择。
表1比较了使用臭氧发生器设备11来发生痕量的臭氧，并将发生器安装在如图2所示的发动机的汽化器或燃料注入***上游侧的燃前气流中所得到的结果。基线检测结果是在没有臭氧发生设备11的情况下得到的。所检验的发动机是一台装有专用催化转化器的1990年Ford Taurus发动机。
                        表1
              基线      有臭氧      降低百分数(％)
一氧化碳(％)  0.28      0.02        92.8
烃类(ppm)     154       12          92.2此外，被检验的车辆的单位汽油消耗里程数有3-10％的增加，功率输出也有增加。至今所进行的所有排放检验都说明在废气中只有很低的残余烃含量，其范围在百万分之4到12(ppm)。
以上排放检验结果表明没有臭氧在未被用于燃料的氧化过程的情况下就通过了发动机。可以利用一种Oriel臭氧检测工具来证明没有臭氧。它由一个手动操作的泵和检测器管组成。活塞式泵将废气试样吸入，使其通过检测器管。检测器管由管中颜色变化的长度来表示臭氧的浓度。它的臭氧浓度测量范围为0.05-5ppm。
如果在废气中检测到痕量的臭氧，根据图3所示的另一种实施方案可以使用一种控制设备，其中安装有一个传感器16。在这种方案中，传感器16在排气管12中，适合于检测臭氧的存在。传感器16被连接到一台控制器18上，一旦在废气流中检测到臭氧时，控制器就将臭氧发生灯21关闭，而在没有臭氧时，又将其切换到接通。控制器18可以是一种简单的开关设备，例如受传感器输出控制的一个晶体管或一个电子***，或者是像一台发动机控制计算机一样复杂的设备，结合其它发动机参数，例如负荷，温度，风门位置，发动机转速(rpm)等一起分析传感器16的输出，以接通或关闭灯21，亦或控制器可以调制灯管的输出。按另一种方法，控制器18还可以根据从传感器16收到的输入信号，借电压转换器25改变加在灯管21上的电压或电流，进而改变灯管21所发生的臭氧的数量。
虽然有可能用如像FyriteII燃烧分析器(VWR Scientific Co.)的臭氧传感器来连续地监测废气排放，并连续调节流到紫外灯21的电流，但采用同样将参考图3介绍的本发明的另一种实施方案则是更为经济的，其中利用两个或更多的相对较小的臭氧发生灯21a，21b，它们的每一个将空气转化为臭氧的数量都低于为保证内燃机完全燃烧所需的臭氧量，同时一台灯连续工作，而另一台灯仅仅在发动机的转速或负荷达到一个预定的水平时才被接通。
在这种方案中，控制器18连接到一个发动机传感器16上，接受一个反映发动机运转状况的输入信号，例如温度，风门位置，发动机转速(rpm)，或发动机负荷。当控制器18检测到发动机的一种运转状况处在或超过一个预定的水平时，控制器18就接通灯管21b。除了双灯构型外，还可以采用多根灯管，使一台灯在需要时工作，而每台额外的灯则在控制器18检测到发动机转速或负荷达到不同的和递增的水平时被依次接通，这样当发动机的工况，例如发动机的转速或负荷处在最高的预定水平时，所有的灯管都投入使用，发生出足够的臭氧以保证良好的燃烧，使得没有过量的烃类或一氧化碳产生。
按另一种可供选择的方法，可以使用一台单独的灯21，电压转换器25根据从控制器18接受的输入信号改变加在灯管21上的电压或电流，这样控制器18就可以改变灯管21所发生的臭氧的数量。正如在图4中可以清楚地看到的，也有可能将灯管安装在发动机的汽化器或燃料注入***31的下游，燃烧室之前，例如装在吸入总管45上。
根据本发明的一种不同的实施方案，臭氧被引入燃前或燃后气流，随后用催化转化器来处理燃后气流，诸如CO，HC和NOx这些污染物的浓度会有实质性的降低，单靠催化转化器是不可能获得超过这种下降程度的。根据这种方案，可按如上所述的方法来安装如上所述的灯管21，并用催化转化器来处理燃后气流中的废气，以使排放能有极大的降低，其排放会低于不用催化转化器所能达到的程度。如在图4中可以清楚看到的，可以将灯管21安装在发动机燃烧室的下游，例如在排气总管15中。此外还可将灯管21同时安装在燃烧室的上游和下游。
图5说明了本发明的另一种实施方案，其中发生臭氧的装置位于远离燃前和燃后气流的地方，富臭氧空气被管道送入燃烧气流。在此方案中，一台用于从空气发生臭氧的辅助臭氧发生器50利用例如泵入机构55独立于发动机的运转吸入周围的空气。通过暴露于紫外光，例如在图2中所述的紫外灯，或借助静电放电设备将周围的空气转化成富臭氧空气，以降低至少一种由催化转化器处理的污染物。可利用混合器41来强化富臭氧空气和燃烧气流的混合。应该看到可以利用发动机10所产生的真空来吸入周围的空气，以代替泵入机构55。
按照图3的实施方案，用一台1996年Ford Taurus 3.0L发动机进行了进一步的检验，在发动机中紫外灯13位于吸入总管45中，在检验过程中在催化转化器的上游和下游测定了NOx，HC，CO和CO2的含量。应该注意这种类型的发动机有两个相同的催化转化器，一个连至右排气管，另一个连至左排气管。下面是这些检验的结果。
              装置离线(基准状况)
空转状态    ppm/百分  左转化器  左转化器   右转化器   右转化器
下的排放    浓度      入口      出口       入口       出口
NOx        ppm       131       2.5        116        1.2
HC          ppm       2593      278        2484       137
CO          ppm       5000      400        5000       10
CO2        ％        13.72     14.26      13.8       14.6
                         装置在线
空转状态    ppm/百分  左转化器  左转化器  右转化器   右转化器
下的排放    浓度      入口      出口      入口       出口
NOx        ppm       127       0.2       117        1.1
HC          ppm       3048      2         2731       2
CO          ppm       5000      0         5000       0
CO2        ％        13.87     13.9      13.99      14.27
应该注意以上所讨论的实施方案只是说明性的实例。在这方面虽然前文介绍了利用辐射能来产生臭氧，但是对于用催化转化器来处理废气的实施方案并未限定一定是那样的，同时在本领域中熟知的产生臭氧的其它设备也被认为是符合那种方案要求的为燃烧气流提供臭氧的来源。
此外应该看到这种方案的唯一要求是在催化转化器上游的至少一点或在催化转化器中，例如到汽化器或燃烧室的燃料注入***的空气吸入管道，到燃烧室的空气/燃料吸入总管，直接到燃烧室或燃烧室的排气总管，或如图1所示的在排气管A中加入臭氧。
图6说明了本发明一种实施方案的方法，它包括以下步骤：1)在催化转化器上游的至少一点处将臭氧加到燃烧气流中，用于处理燃料燃烧所产生的废气，以降低至少一种因不完全燃烧而产生的污染物和/或氮氧化物，和2)用催化转化器来处理废气。
在本发明的另一种不同的实施方案中，羟基被加到燃前和燃后气流的至少一个中，并在一个大表面积容器，例如一个典型的汽车催化转化器中处理废气流(燃后气流)。在图7中一般性地用位号60说明了本发明这种方案的设备。在此方案中，设备60是一台发生羟基的发生器，它有一个紫外发射灯，例如一个汞蒸汽弧光灯，发射大约185和254nm波长的紫外光。这个灯有一个能透过大约100-300nm波长紫外光的透光灯泡，因为这种发射在有足够水蒸汽的情况下能从空气中产生羟基。透光灯泡可以是熔凝的氧化硅，或和它相当的合成石英，超级硅，或任何其它能透过波长低到100nm，最好至少到185nm的紫外光的材料。也可以使用其它紫外发生灯，例如装有氩、氖和这些及其它气体，如汞蒸汽的混合物的灯。
灯管21被一个能在灯管内产生气体的初始电击穿，并进一步为灯管的辐射输出提供持续的电压的电源23所激发。将电源23拼接到例如作为一台新车的固有设备的电力***的热线(未示出)中，从而将其直接连接到汽车的电力***30中。另外还可以按参考图2所叙述的将电源用一个适合于***在车辆的乘客仓中的香烟点火器插座中的插头连接到电力***30中。
在用紫外灯21作为发生羟基的手段的羟基发生器60中有足够的水蒸汽，最好是大约100％饱和的空气，对于在本方案中有效地发生羟基是很重要的。可以通过水蒸汽入口通道65将水蒸汽送入发生器60。可以用任意多个交替使用或组合使用的方法，包括如参考图8所介绍和说明的通过加热由一个贮水瓶供给的水的方法，将水蒸汽供给水蒸汽入口通道65。另外还可以按图8中在废气分离器67处所示的将水蒸汽从废气流A中分离出来，或是不收集在一个贮水容器中而将其直接供至入口通道65，或是经过一个贮存容器。作为另一种可供选择的方法，可以从废气流中将水蒸汽冷凝下来，储存在一个容器中，然后将其加热形成水蒸汽。在另一种可选择的方案中，可以将废气流直接供入羟基发生器。作为另一种可选择的方案，可以如图8所介绍和说明的使送入羟基发生器的空气鼓泡通过水。这些水可以由一个外部水源供给，也可以通过冷凝废气流中的水蒸汽得到。
预计有足够高水蒸汽含量，最好是接近100％饱和的空气在通过图7的方案所提供的发生器60时，因吸收了大约100-185nm的光子会使水直接光离解成OH和H。另外灯管21产生的100-185nm的紫外辐射作用于空气，会产生臭氧和原子氧。253.7nm的紫外辐射通过光离解作用会将臭氧破坏，产生分子氧和一种介稳的氧原子。介稳的氧和气体中的水分子结合，形成过氧化氢，在有253.7nm紫外辐射的情况下，过氧化氢会发生光离解，形成两个羟基分子。
在图7所示的设备中60，灯管21被安装在发动机化油器或燃料注入***的上游处，正如在图1中一般性地在位号31处表示的例如在空气滤清器27和空气吸入管29之间。但是本发明还预计在沿着燃后气流的任何位置安装发生器60。
为了提高在被吸入到发动机10的空气中氧的有效吸收系数，为邻近灯管21的壁面提供一种在所要求的波长范围中对紫外光有很高反射能力的表面，例如用铝来制造，以便能增加紫外光的平均自由程，这是由于铝在低到至少185nm都保持它对紫外光的反射能力。
根据本发明的讲述，还可以将羟基发生器60安装在发动机化油器或燃料注入***31的下游，燃烧室之前的位置，例如像可在图4中清楚看到的在吸入总管45中。
图10说明了本发明的另一种实施方案，其中发生器60位于远离燃前和燃后气流的地方，富羟基空气和其它自由基中间体及氧化剂被管道送入燃烧气流。在这种方案中，从空气中发生羟基的羟基发生器60利用例如泵入机构55，独立于发动机操作之外将周围的空气吸入。周围的空气在发生器60中和水蒸汽混合，或者在进入发生器以前将水蒸汽加到周围空气中，通过暴露于紫外光，或借助一种电晕或辉光放电设备使水蒸汽含量很高，最好被水蒸汽100％饱和的空气转变成富羟基的空气，并根据本发明的讲述将其加到燃前或燃后气流的至少一个中。
水蒸汽贮槽57将水蒸汽送入发生器60，以保证周围空气有足够高的水蒸汽含量，最好是100％地被水蒸汽饱和。水蒸汽贮槽57可以是以任何物理状态，例如固体，液体，气体或蒸汽装有水的贮存钢瓶。可以从在燃烧时产生水蒸汽的发动机的废气中收集水，亦可从一个外部水源储存水。如果水蒸汽贮槽中是液体的水，可以用任何熟知的方法，例如在有一种气体，例如空气的情况下将其加热，使水转变成水蒸汽，亦或可使空气鼓泡通过水来产生水蒸汽。供给发生器60的水蒸汽和空气可以用单独一个到发生器的入口，其中水或水蒸汽被加到通至发生器的空气中，这种方案在图8中用虚线来表示。应该注意到贮水容器57并不是必需的，可以在水蒸汽分离器67中从废气流中分离出水蒸汽，并将其直接加到发生器或空气入口中。另外可以直接将废气加到发生器，或供给发生器的空气和/或气体中。
可以用一个混合设备41来强化富羟基空气与燃烧气流的混合。应该看到可以利用发动机10所产生的真空来吸入周围的空气，以代替泵入机构55。若是将富羟基空气注入废气流，可能需要一个文丘里管58。
图9说明了一个可被用在图8所示的***中的羟基发生器60。羟基发生器60′有一个联至电源61的汞蒸汽灯21。汞蒸汽灯21发射波长大约在100-300nm的紫外光，因为这种发射在有足够高的水蒸汽含量的情况下能从空气产生所需数量的羟基。
空气入口的金属容器有一个滤网和一个空气滤清器(未示出)，将空气供给羟基发生器60′。空气入口通道或入口管64从入口的金属容器将空气供给到羟基发生器60′。在空气入口通道中可以装一台泵(未示出)，以帮助将空气运送到羟基发生器60′。重要的是在用紫外灯21作为发生羟基手段的羟基发生器中要有含足够水蒸汽，最好是100％地被水蒸汽饱和的空气，以便有效地发生羟基。可以通过水蒸汽入口通道65′将水蒸汽送到发生器60′中。水蒸汽入口通道65′可以通过图8中所示的利用水分离器67的通道E从废气流中，或用任何本文中所介绍的可供选择的方法来收集水蒸汽。在图9中靠加热水源68来提供水蒸汽。被加热的水源68是一种外部水源，水通过循环管道69循环经过发动机，以便将水源加热。最好将水加热到或保持在一个等于或低于羟基发生器的温度下。从被加热的水源68吸入水蒸汽，通过水蒸汽水口通道65′将其送入羟基发生器60′。
另外还可以将水蒸汽入口管联至空气入口通道64，使空气和水蒸汽两者混合，然后送入羟基发生器60′。可以从废气流中收集水蒸汽，或是利用被加热的水源***68，69来为水蒸汽入口管65提供水蒸汽，亦可利用本文中所介绍的任何替代方法。
在图9中还表示了另一种可供选择的为羟基发生器60′提供足够水蒸汽的方案。在这种方案中通过入口水管65将水送到并收集在一个贮存容器63中。使来自空气入口罐62的空气鼓泡通过水，以得到足够高的水蒸汽含量或温度。在贮罐63中收集的水可以来自一个外部水源，也可以将废气流中的水蒸汽冷凝下来。
为羟基发生器20′的内表面提供了一种对于在所要求波长范围内的紫外光有很高反射能力的表面，例如铝，它对于低到至少185nm的紫外光都能保持其反光能力。
相信正如图9的实施方案所提供的有足够高水蒸汽含量的空气在通过发生器60时，由于吸收了185nm的光子会使水直接发生光离解，形成OH和H。另外灯管21所产生的185nm的紫外辐射作用于空气，会产生臭氧和原子氧。253.7nm的紫外辐射靠光离解作用会将臭氧破坏，成为分子氧和一种介稳的氧原子。介稳的氧原子与气体中的水分子结合，形成过氧化氢，后者在有253.7nm紫外辐射的情况下会发生光离解，成为羟基分子。
羟基发生器60′所发生的羟基，以及任何自由基和氧化剂，如H，O，HO2和H2O2经过发生器出口管70被送至燃烧气流。可以将发生器的输出加到燃前或燃后气流中。如果将发生器输出送至燃后气流，预计为达到同样水平的性能所需要的羟基输出要比将它加到燃前气流时少，这是由于大部分加到燃前气流中的羟基以及其它自由基和氧化剂在燃烧过程中不能被保存下来。能从燃烧过程保存下来的羟基，或送入燃后气流的羟基作用于废气流中的CO和HC，会产生无污染的CO2和H2O。
图10表示了另一种羟基发生器60″。有足够水蒸汽的空气被送至电晕或辉光放电发生器，这可以按同样的方式，同样根据交替或组合使用本文中所述的各种方案，特别是参考图7，8和9来实现。发生器60″有一个外电极81和一个内电极83。在外电极81和内电极83之间***一种介电材料或涂层82。将高压高频电源的一根引线联至内电极83，而将另一根引线联至外电极81。辉光放电发生器60″的羟基和其它产物经过出口管70被送至燃烧气流。
图11说明了羟基发生器60的一种不同的实施方案。羟基发生器60包括一个用于发生臭氧的臭氧发生器90和一个用于分解臭氧和产生羟基的紫外线容器95。臭氧发生器90有一个经过水入口管92接受水的电解池91。用于电解池91的水可以由一个储备的外部水源提供，或者从燃烧产生的废气流中的水蒸汽冷凝和收集得到。电解池91被联至一个过电压电源93。过电压电解池在比电解所需的电压阈值高几十分之一伏特的电压条件下操作。电解池91发生臭氧，氧和水蒸汽，它们被保持在容器94中。容器94有一个臭氧，氧和水蒸汽的出口管96，它提供了一个到紫外线容器95去的通道。
紫外线容器95有一根产生253.7nm辐射的紫外灯21′，以便按照前文和图8有关所叙述的反应顺序将臭氧分解成羟基。紫外灯21′被连接到电源60。和图9中的紫外灯21不同，灯管21′仅需要发生波长高于200nm，最好是大约254nm的紫外辐射。为紫外线容器95的内表面提供了一种对波长高于200nm，最好是大约254nm的紫外辐射有很高反射能力的表面。
按另一种替代方法，可以将灯管21(发生器20)安装在发动机燃烧室的下游，例如可以从图4中清楚看到的在排气集管15中。在有足够水蒸汽的情况下用在100-200nm波长范围中的紫外辐射来照射废气流，可以通过直接的光离解作用产生羟基。
另外，羟基发生器20，20′，20″和20可以将羟基不但注入燃烧室的上游，而且还注入到它的下游。
应该注意到以上讨论的实施方案是说明性的实例。在这方面虽然在前文中介绍了利用辐射能来产生羟基，但是并未对本发明加以限制，其它在本领域中为人们所熟知的产生羟基的设备也被认为是按照本发明的讲述将羟基加入燃烧气流的来源。
此外还应该看到本发明唯一的要求是在催化转化器上游的一个位置将羟基加到燃烧气流中，例如加到化油器或燃烧室的燃料注入***的空气吸入管，到燃烧室的空气/燃料吸入总管，直接加到燃烧室或燃烧室的排气总管，或者如图1所示的排气管12中。
而且尽管本发明是针对催化转化器来进行叙述的，据认为只有和引入羟基相结合的由转化器提供的高表面积是为降低内燃机废气中的污染物所必需的。
根据如图12所示的本发明的又一种实施方案，可以利用一种控制设备，其中在该***中装有一个发动机传感器16。将传感器联至控制器18，控制器可以是一个由发动机传感器16的输出控制的电子***，也可以和发动机的控制计算机一样复杂，它结合发动机的其它参数，例如负荷，温度，风门位置，rpm等一起分析传感器16的输出，并可以调节羟基发生器60的输出。另一方面控制器18可以根据从发动器传感器16得到的输入信号利用电压转换器25改变加到羟基发生器60上的电压或电流来改变由羟基发生器60所发生的羟基的数量。
在一种可供选择的实施方案中，一台单独的羟基发生器可装有多于一个紫外灯21a，21b，21c，它们中的每一个以低于为完全除去由燃料燃烧产生的污染物所需要的水平将经过条件处理的含有足够水蒸汽的空气转化羟基。在确定需要时，例如当发动机在运转时使一根灯管投入使用，而另一根灯管则根据由发动机传感器39所测量的操作参数被加以调节。
在这种方案中，将控制器18联至一个发动机传感器16，以接受一个表示当前发动机操作参数或工况的输入信号。当控制器18检测到一种发动机的工况或参数，例如温度，发动机转速或负荷处于或高于一个预定的水平时，控制器18就调节灯管21b和羟基发生器的输出。除了双发生器或双灯管的配置以外，还可以采用多台发生器或灯管，使得一台发生器或灯管在发动机运转时连续工作，而每台额外的发生器或灯管则在控制器18检测到不同的而且是递增的发动机操作工况或参数水平，例如发动机的转速或负荷时被依次接通，这样在发动机参数或工况，例如发动机转速或负荷达到最高的预定水平时，所有的发生器和灯管都投入运转，产生足够的羟基，以保证不产生过量的污染物。
在一种类似的配置中，可以使用多组内电极83和外电极81，或多台臭氧发生器90和紫外线容器95，或多根灯管21′来代替多根灯管21。
按另一种可供选择的方法，可以使用仅一根灯管21，由控制器18根据它所接受的输入信号用电压转换器25来改变加在灯管21上的电压或电流，从而改变灯管21所发生的羟基的数量。
图13说明了本发明的方法，它包括以下步骤：1)在一台高表面积的接受器上游的一个地点将羟基加到燃烧气流中，以及2)使废气通过一台高表面积的接受器，例如一台典型的车用催化转化器。
虽然特别参照优选的实施方案已经介绍了本发明的各种实施方案，应该看到对本领域的技术人员来说显然还可以做许多变更和修正，因此本发明的精神不应局限于本文中的特定的报道，而只应该由所附的权利要求来限定。

Claims (54)

1.一种用于降低发动机废气中污染物的设备，该设备包括：
一个用于产生能将吸入到发动机中的空气中的氧转变为臭氧的辐射能的光源；
一个用于激发至少一个光源的变压器；和
一个用于将该变压器连接到发动机的一个电力***的连接器；
其中臭氧提高了发动机的燃料燃烧效率，从而降低了废气中烃类和一氧化碳的数量。
2.一种根据权利要求1的设备，其中所说光源是一台紫外发射灯。
3.一种根据权利要求2的设备，其中所说紫外光发射灯是一台发射波长大约为185nm的光线的汞蒸汽弧光灯。
4.一种用于降低内燃机废气中污染物的设备，该设备包括：
至少一个用于产生波长低于大约200nm，能将吸入到发动机中的空气中的氧转变为臭氧的紫外光的光源；
一个用于激发至少一个光源的变压器；和
一个用于将该变压器连接到发动机的一个电力***的连接器；
其中臭氧提高了发动机的燃料燃烧效率，从而降低了废气中至少一种污染物的浓度。
5.一种根据权利要求4的设备，还包括：
一个用于检测发动机废气中的臭氧的臭氧传感器；和
一个用于在发动机废气中检测到预定数量的臭氧时将至少一个光源熄灭，而在被检测到的发动机废气中的臭氧低于该预定数量时将至少一个光源接通的控制器。
6.一种根据权利要求4的设备，还包括：
一个用于检测发动机的至少一个操作参数的传感器；和
一个通过和由该传感器检测到的发动机的参数成比例地变化由变压器加到灯上的电压和电流中的一个，来改变灯所发生的臭氧的数量的控制器。
7.一种根据权利要求6的设备，其中所说传感器检测至少一个选自发动机速度，发动机负荷，温度和风门位置的参数。
8.一种根据权利要求1的设备，其中所说发动机是一种内燃机，而所说的至少一个光源位于一个传统的汽车进气管的上游。
9.一种用于降低发动机废气中污染物的方法，该方法包括以下步骤：
发生用来将发动机空气吸入口的空气中的氧转变为臭氧的辐射能；
传送空气吸入口的已被辐射能将其中的氧转变成臭氧的空气，以达到更完全的燃料燃烧和效率的改善。
10.一种根据权利要求9的方法，其中所说辐射能由一个发射波长大约为185nm的光线的汞蒸汽弧光灯发生。
11.一种根据权利要求9的方法，包括：
检测发动机的操作条件；以及
和发动机的操作条件成比例地改变辐射能的强度。
12.一种根据权利要求11的方法，其中所说紫外光的强度是通过操作额外的紫外光源改变的。
13.一种用于降低发动机废气中的污染物和有害物的设备，包括：
许多个用于产生能将吸入到发动机中的空气中的氧转化为臭氧的光源，所说许多光源中的每一个以低于发动机完全燃烧所需要的程度将空气转化为臭氧；
一个用于检测发动机不同运行条件的发动机传感器；和
一个在发动机运行时连续操作第一个光源，并根据所说传感器所检测到发动机的运行条件有选择地操作其它光源的控制器；
其中所说控制器在发动机的状况低于某一预定的水平时关闭其它光源，而在发动机的状况至少是处在该预定水平时接通其它光源，并且其中臭氧提高了发动机的燃料燃烧效率，从而降低了废气中烃类和一氧化碳的数量。
14.权利要求13的设备，其中所说控制器在预定的不同发动机运行条件下接通每一个附加的光源。
15.一种用于降低由燃料燃烧产生的污染物的设备，该设备包括：
一个燃烧室，它有一个到燃烧室的燃前气流和一个从燃烧室排出的燃后气流；
一个用于处理废气，以降低燃料不完全燃烧所产生的至少一种污染物和氮氧化物的数量的催化转化器；和
一台用于将臭氧加到燃前气流和燃后气流的至少一个中，以进一步降低催化转化器处理过的废气中的至少一种污染物的数量的装置。
16.一种根据权利要求15的设备，其中所说加入臭氧的装置通过将氧转化为臭氧的方法发生臭氧。
17.一种根据权利要求15的设备，其中所说加入臭氧的装置包括一个波长在100-200nm的紫外灯。
18.一种根据权利要求17的设备，其中所说的灯是一台发射波长大约为185nm光线的汞蒸汽弧光灯。
19.一种根据权利要求17的设备，其中燃前气流包含空气，而所说紫外灯位于燃前气流中。
20.一种根据权利要求17的设备，其中邻近所说紫外灯的壁面能反射发生臭氧的紫外光。
21.一种根据权利要求20的设备，其中所说壁面包括铝。
22.一种根据权利要求15的设备，其中用于加入臭氧的装置位于远离燃前气流和燃后气流的地方，而臭氧被送入燃前气流和燃后气流的至少一个中。
23.一种根据权利要求15的设备，其中用于加入臭氧的装置包括一台静电放电臭氧发生器。
24.一种根据权利要求15的设备，其中所说燃烧室位于一台内燃机中。
25.一种改善用于处理废气的催化转化器的转化效率的方法，该催化转化器处理废气以降低在有一个燃烧室、有一个通到该燃烧室的燃前气流和一个从该燃烧室中排出的燃后气流的发动机内由燃料燃烧而产生的至少一种污染物的浓度，该方法包括以下步骤：
在所说催化转化器上游的至少一处，将臭氧加到燃前和燃后气流的至少一个中，以降低燃烧产生的至少一种污染物的浓度；和
用至少一台催化转化器处理废气流。
26.一种根据权利要求25的方法，其中加臭氧的步骤包括发生使氧转变为臭氧的辐射能。
27.一种根据权利要求26的方法，其中所说辐射能是由一台发射波长为大约185nm的光线的灯所发生的。
28.一种用于降低燃料燃烧所产生的污染物的设备，该设备包括：
一个燃烧室，它有一个到燃烧室去的燃前气流和一个从燃烧室排出的燃后气流；
一个位于燃后气流中的大表面积的接受器；和
一个用于在大表面积的接受器的终端之前将羟基加到燃前气流和燃后气流的至少一个中的装置。
29.权利要求28的设备，其中所说大表面积的接受器是一台催化转化器。
30.权利要求29的设备，其中用于加入羟基的装置是一台从空气中发生羟基的羟基发生器。
31.权利要求30的设备，其中用于加入羟基的装置包括：
一台产生波长在大约100-300nm之间的紫外光的紫外灯和一台辉光放电发生器的至少一种；
一个空气的入口通道；和
用于调节羟基发生器内的空气，以保证该空气有足够高的水蒸汽含量，从而促进羟基发生的装置。
32.权利要求31的设备，其中所说羟基发生器有对波长在大约100-300nm的紫外光有适当反射能力的内表面。
33.权利要求32的设备，其中用于调节所说空气的装置包括一个向羟基发生器供水的入口通道。
34.权利要求33的设备，其中所说供水入口通道和所说燃后气流相连通。
35.权利要求34的设备，还另外包括一个用于储存水的，和所说供水入口通道相连的贮水容器。
36.权利要求35的设备，其中从一个外部来源以液体形式将水供给到所说贮存容器。
37.权利要求35的设备，其中通过冷凝所说燃烧室产生的废气中的水蒸汽来供水。
38.权利要求35的设备，还另外包括用于将所说贮存容器中储存的水保持在一个高于在所说羟基发生器内温度的条件下，以便向所说羟基发生器提供水蒸汽的装置。
39.权利要求35的设备，其中所说空气入口通道和所说贮水容器相连通。
40.权利要求39的设备，其中所说空气入口通道被布置成使供至所说羟基发生器的空气鼓泡通过装在所说贮存容器中的水。
41.权利要求30的设备，其中所说羟基发生器包括：
一个过电压电解池；和
一台产生波长大约为254nm紫外光的紫外灯。
42.权利要求28的设备，其中用于加入羟基的装置位于远离燃前气流和燃后气流的地方，而羟基被供给到燃前和燃后气流的至少一个中。
43.一种用于处理废气以降低在燃烧室中燃料不完全燃烧所产生的至少一种污染物的方法，所说燃烧室有一个通入其中的至少有空气的燃前气流和一个从其中排出的燃后气流，所说方法包括：
将羟基加到燃前和燃后气流的至少一个中；和
在所说燃后腔室中提供足够大的表面积，以使羟基能和燃料燃烧所产生的废气反应。
44.权利要求43的方法，其中羟基在远离燃前和燃后气流的地方发生。
45.权利要求43的方法，还另外包括：
通过供给气体来发生羟基；通过加水到所说气体中形成有足够高水蒸汽含量的富水蒸汽气体；
发生波长在大约100-300nm之间的紫外光；和
使富水蒸汽气体暴露于紫外光以产生羟基。
46.权利要求45的方法，其中富水蒸汽气体的形成包括：
从废气中收集水蒸汽；和
将从废气得到的水蒸汽供给所说气体。
47.权利要求45的方法，其中富水蒸汽气体的形成包括：
加热一个水源来发生水蒸汽；和
将水蒸汽加到所说气体中。
48.权利要求45的方法，其中富水蒸汽气体的形成包括：
在一个容器中储存一个水源；和
将所说气体引入所说容器，以使其流经所说水源。
49.权利要求43的方法，还包括通过以下步骤来发生羟基：
将空气供给一个过电压电解池来发生臭氧，氧和水蒸汽；
发生波长在大约200-300nm之间的紫外光；和
使所发生的臭氧，氧和水蒸汽暴露于紫外光以发生羟基。
50.权利要求43的方法，还包括通过以下步骤来发生羟基：
供给空气；
形成有足够高水蒸汽含量的富水蒸汽空气；和
使富水蒸汽空气暴露于一个电晕放电发生器。
51.权利要求43的方法，其中所说有足够表面积的接受器是一台催化转化器。
52.一种用于降低在一台有燃前和燃后气流的内燃机的废气中的污染物的设备，包括：
一台位于远离燃前气流和燃后气流的至少一个的地方，用于发生羟基的装置，其中所说羟基发生器有一台产生波长在大约100-300nm的紫外光的紫外灯和一台辉光放电发生器中的至少一种，一个空气入口通道，用于调节所说空气以保证它有足够高的水蒸汽含量从而促进羟基发生的装置，和一个将所发生的羟基引入燃前气流和燃后气流的至少一个中的出口；以及
一台用于处理所说废气，以降低因不完全燃烧产生的至少一种污染物和氮氧化物的催化转化器。
53.权利要求28的设备，其中用于发生羟基的装置包括一台产生波长为大约100-300nm紫外光，位于有足够高水蒸汽含量的燃后废气流之中的紫外灯。
54.权利要求45的方法，其中富水蒸汽气体的形成包括：
将废气流加到羟基发生器中。
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