JP2005180289A - プラズマインジェクター、排ガス浄化システム、及び還元剤噴射方法 - Google Patents

プラズマインジェクター、排ガス浄化システム、及び還元剤噴射方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 噴射して供給される還元剤を気化させること及び／又は反応性が高い還元剤を提供することができるインジェクター、排ガス浄化システム、及び還元剤噴射方法を提供する。
【解決手段】 噴射ノズル先端部分１８の噴射口１９から噴射した還元剤を、プラズマ領域２０において少なくとも部分的にプラズマ化するインジェクター、排ガス浄化システム、及び還元剤噴射方法とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料を噴射するインジェクター、燃焼室内に直接に燃料を噴射する直憤式内燃機関、排ガス管内に設けた触媒の上流側において還元剤を噴射する排ガス浄化システム、及び燃料又は還元剤を液滴状態で噴射する燃料又は還元剤噴射方法に関する。
内燃機関の燃焼室に直接に燃料を噴射するための従来のインジェクターは、図１に示すようなものである。このインジェクター１０は、内部に中空空間１３を有するほぼ円筒状のノズル１２と、このノズル１２の中空空間１３内で摺動（移動）するほぼ円柱形のニードル弁１４とを具備している。このノズル１２とニードル弁１４とはこれらの軸線Ａが同軸になるように配置されている。またこのノズル１２には中空空間１３に通じる供給通路１５が設けられている。供給通路１５は燃料供給源（図示せず）に接続され、この供給通路１５を介して中空空間１３内に高圧の燃料が供給される。供給された燃料は、ニードル弁１４とノズル１２の内壁面との間の環状流路１６を介してノズル１２の先端部分１８へと流れ、ノズル１２の先端部分１８の噴射孔１９から噴射される。ここでは、ニードル弁１４を中空空間１３内で摺動させ、ニードル弁１４の先端をノズル先端部分１８の内壁面と接触させることによって、噴射孔１９の入口を開閉し、噴射口１９からの燃料の噴射を制御する。
このようなインジェクターは、内燃機関からの排ガスが流れる排気管内に燃料を噴射するためにも使用され、これについては特許文献１で開示されている。この特許文献１では、排気管内において触媒の上流側の放電装置で放電を発生させ、この放電装置の更に上流側で還元剤を噴射することを提案している。これによれば、ＨＣの存在によって放電装置におけるＮＯからＮＯ2への酸化を促進できるとしている。またこの特許文献１では、触媒上流で還元剤を噴射し、触媒上で放電プラズマを発生させることも提案している。これによれば、更に触媒表面での反応が促進され、浄化活性を上げることができるとしている。
尚、自動車の排ガスを浄化するための放電プラズマの使用については特許文献２でも示されている。この特許文献２は、ディーゼルエンジンからの排ガス中のパティキュレート（以下では「ＰＭ」とする）をＰＭトラップで捕集し、このＰＭトラップに新気を供給して再生するＰＭ除去装置に関する。ここではＰＭトラップに供給される新気に対して水を注入し、そしてコロナ放電を提供することによってＯＨラジカルを発生させ、このＯＨラジカルによってＰＭトラップに捕集されたＰＭの燃焼を促進することを提案している。
また自動車の排ガスを浄化するための放電プラズマの使用に関して、引用文献３では、水蒸気をプラズマ発生装置に供給し、そして得られた水蒸気プラズマガスを排ガス中に供給することによって、排ガス中の有害成分を酸化し、無害化することを提案している。ここでは水蒸気をプラズマ発生装置に供給することによって、Ｏ、ＯＨ、Ｈ、Ｈ2Ｏ、Ｏ3などの活性な化学種が得られることが開示されている。
特開２００１−１５９３０９ 特開平５−３２１６３４ 特開平６−３６３８２０
上述のように燃料又は還元剤を噴射するインジェクターは様々な用途で使用されている。しかしながらこれらいずれの用途においても、特に低温時において、燃料又は還元剤を噴射しただけでは充分に気化しないことがあるという問題がある。
直憤式内燃機関の燃焼室への燃料の噴射において燃料の気化が充分ではない場合、燃料と空気との混合が充分に行われず、燃料の不完全燃焼やＰＭの発生が起こりやすい。
内燃機関からの排ガスが流れる排ガス管内への還元剤の噴射において還元剤の気化が充分ではない場合、触媒への拡散、触媒との接触が不充分になり、充分な浄化を行うことができず、また燃料成分自身が未反応のまま大気中に放出されることがある。
また、上述のように、排ガス浄化のためのプラズマの使用も特許文献１で示されるように従来から知られている。しかしながら、特許文献１でのように、燃料を排ガスに噴射し、その後で排ガスの処理の際にプラズマを提供する場合、排ガス流れ全体をプラズマ状態にしているので、プラズマを発生させるために必要とされるエネルギーが比較的大きく、またプラズマ密度は低くなる。
よって、燃料若しくは還元剤を噴射しただけでは充分に気化しない条件であっても、噴射して供給される燃料若しくは還元剤を気化させること及び／又は比較的容易に反応性が高い燃料若しくは還元剤を提供することができる、インジェクター、直憤式内燃機関、排ガス浄化システム、及び燃料又は還元剤噴射方法が必要とされている。
本発明のプラズマインジェクターは、燃料又は還元剤を噴射するインジェクターであって、噴射した燃料又は還元剤を少なくとも部分的にプラズマ化することを特徴とする。
この本発明のプラズマインジェクターによれば、燃料又は還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させること、及び／又は燃料を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、燃料を瞬時に気化させることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、燃料又は還元剤を液滴状態で噴射し、そして噴射された液滴状態の燃料又は還元剤を、少なくとも部分的にプラズマ化して気化させるものでよい。
この態様によれば、特に比較的低温において高沸点の燃料又は還元剤を液滴状態で噴射する場合であっても、燃料又は還元剤を瞬時に気化させることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、噴射ノズルと、噴射ノズルの先端部分の噴射口近傍にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを有するものでよい。
この態様によれば、噴射ノズルの先端部分の噴射口近傍、すなわち燃料又は還元剤を噴射される空間の全体でではなく一部においてのみ、プラズマを発生させることができる。従ってプラズマ化される空間を比較的狭くすること、すなわち比較的少ない消費エネルギーで大きいプラズマ密度を得ることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、プラズマ発生手段が、噴射ノズルの先端部分に配置されているものでよい。
この態様によれば、噴射ノズルの先端部分の噴射口近傍にプラズマを発生させることが容易になる。
また本発明のプラズマインジェクターは、プラズマが結合誘導プラズマであり、噴射ノズルの先端部分に配置されたプラズマ発生手段が、噴射口を囲むカップ状部分とこのカップ状部分の周囲の誘導コイルとを有し、且つこのカップ状部分が電磁波を透過させる材料で作られているものでよい。
この態様によれば、誘導コイルに高周波電源から高周波電流を供給することによって、カップ状部分の内側に磁場を発生させ、渦電流を発生させて、カップ状部分の内側及びその付近で誘導的に結合誘導プラズマを発生させることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、プラズマが放電プラズマであり、噴射ノズルの先端部分に配置されたプラズマ発生手段が噴射口を囲むカップ状部分を有し、このカップ状部分が半導体性材料又は導電性材料で作られており、且つこのカップ状部分とノズル先端部分とが電気的に絶縁されてそれぞれが対電極となるようにされているものでよい。
この態様によれば、カップ状部分とノズル先端部分との間に電圧を印加することによって放電を発生させ、それによってカップ状部分の内側及びその付近で放電プラズマを発生させることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、プラズマが、放電プラズマ、マイクロ波プラズマ又は結合誘導プラズマであるものでよい。
結合誘導プラズマ又はマイクロ波プラズマを使用することは、電極（金属部分）を高温のプラズマに直接に露出させないことができるので、耐久性に関して好ましい。放電プラズマとしては、アーク放電プラズマ、コロナ放電プラプラズマ、例えばバリア放電プラズマを利用できる。アーク放電プラズマを使用することは、放電電流や放電電圧を増加することにより出力の増大が容易であり、安定な放電を長時間持続できる点、及びアーク放電を発生する装置及びアークを発生する技術が簡単であり、設備費が比較的廉価である点で好ましい。またバリア放電プラズマを使用することは、プラズマの安定性、電極の耐久性などに関して好ましい。
本発明の直憤式内燃機関は、燃焼室内に直接に燃料を噴射する直憤式内燃機関であって、本発明のプラズマインジェクターによって燃料を噴射することを特徴とする。
この本発明の直憤式内燃機関によれば、本発明のプラズマインジェクターでの、反応性の高い低分子量成分の生成及び／又は燃料の気化によって、燃焼室における燃料の燃焼性及び／又燃料と空気との混合を促進できる。これは、未燃焼燃料の排出やＰＭの生成を抑制する。
本発明の排ガス浄化システムは、排気管内に設けた触媒の上流側において還元剤を噴射する排ガス浄化システムであって、本発明のプラズマインジェクターによって還元剤を噴射することを特徴とする。
この本発明の排ガス浄化システムによれば、本発明のプラズマインジェクターでの、反応性の高い低分子量成分の生成及び／又は還元剤の気化によって、下流の触媒への還元剤の拡散、及び還元剤と触媒との接触を促進することができる。これは、触媒上での還元反応を促進し、従って還元剤自身が未反応のまま大気中に放出されることを抑制する。
この本発明の排ガス浄化システムで使用される触媒は、ＮＯx浄化触媒、特にＮＯx吸蔵還元触媒又はＮＯx選択還元触媒でよい。
この態様によれば、触媒でのＮＯx還元反応を促進することができる。
本発明の他の直憤式内燃機関は、インジェクターによって燃焼室内に直接に燃料を噴射する直憤式内燃機関であって、インジェクターの噴射口近傍においてプラズマを発生させることを特徴とする。
この本発明の直憤式内燃機関によれば、噴射口近傍の比較的狭いプラズマ領域において、燃料をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させること、及び／又は燃料を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、燃料を瞬時に気化させることができる。
反応性の高い低分子量成分の生成及び／又は燃料の気化は、燃焼室における燃料の燃焼性及び／又燃料と空気との混合を促進し、未燃焼燃料の排出やＰＭの生成を抑制することを可能にする。またインジェクターの噴射口近傍、すなわち燃焼室内全体でではなくその一部においてのみプラズマを発生させることは、プラズマ化される空間を比較的狭くすること、すなわち比較的少ない消費エネルギーで大きいプラズマ密度を得ることを可能にする。
本発明の他の排ガス浄化システムは、排ガス管内に設けた触媒の上流側において、インジェクターによって還元剤を噴射する排ガス浄化システムであって、インジェクターの噴射口近傍においてプラズマを発生させることを特徴とする。
この本発明の排ガス浄化システムによれば、噴射口近傍の比較的狭いプラズマ領域において、還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させること、及び／又は還元剤を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、還元剤を瞬時に気化させることができる。
反応性の高い低分子量成分の生成及び／又は還元剤の気化は、下流の触媒への還元剤の拡散及び還元剤と触媒との接触を促進することができる。これは触媒上での還元反応を促進し、還元剤自身が未反応のまま大気中に放出されることを抑制する。またインジェクターの噴射口近傍、すなわち排気管の全径にわたってではなく直径方向で一部においてのみプラズマを発生させることは、プラズマ化される空間を比較的狭くすること、すなわち比較的少ない消費エネルギーで大きいプラズマ密度を得ることを可能にする。
本発明の燃料噴射又は還元剤方法は、燃料又は還元剤を液滴状態で噴射し、そして噴射された液滴状態の燃料又は還元剤を、少なくとも部分的にプラズマ化することによって気化させることを特徴とする。
本発明の燃料又は還元剤噴射方法によれば、燃料又は還元剤の噴射、特に比較的低温における比較的高沸点の燃料又は還元剤の噴射において、燃料を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、燃料を瞬時に気化させ、空気等との混合を促進することができる。また場合によってはこの燃料又は還元剤のプラズマ化によって、燃料又は還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させることができる。
本発明のインジェクター、直憤式内燃機関、排ガス浄化システム、及び燃料又は還元剤噴射方法によれば、噴射して供給される燃料若しくは還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させること、及び／又は燃料若しくは還元剤を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、燃料若しくは還元剤を瞬時に気化させることができる。
以下では本発明を図に示した実施形態に基づいて具体的に説明するが、これらの図は本発明の概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
［本発明のプラズマインジェクター］
本発明のプラズマインジェクターの概略を図２に関して説明する。
本発明のプラズマインジェクターは、噴射した燃料又は還元剤を少なくとも部分的にプラズマ化できるものである。このプラズマ化は、図２で示すように、燃料噴射ノズルの先端部分１８に位置する噴射口１９から、燃料又は還元剤をプラズマ領域、特に噴射口１９近傍のプラズマ領域２０に噴射することによって行うことができる。
本発明のプラズマインジェクターで噴射される燃料又は還元剤は、用途に応じて選択することができるが、例えばガソリン、軽油等の炭化水素、又はエーテル、アルコール等であってよい。尚、用語「燃料」及び「還元剤」は、インジェクターを使用する用途によって使い分けられる用語である。一般的には、「燃料」は、インジェクターからの供給物を爆発的に燃焼させることを意図した用途において、この供給物を表すために使用される用語であり、また「還元剤」は、インジェクターからの供給物によって他の物質を還元させることを意図した用途において、この供給物を表すために使用される用語である。従ってこれらの用語は同じ対象を示すこともあり、相互に交換可能に用いることができる。すなわち、内燃機関の動力エネルギーを発生させるために「燃料」としてガソリンを燃焼室内に噴射し、同時にこの内燃機関から排出される排ガス中のＮＯxを還元するために「還元剤」としてガソリンを排気管内に噴射することもある。当然に、内燃機関の動力源としての「燃料」と排ガスの浄化のための「還元剤」とが異なっていてもよい。
本発明のプラズマインジェクターの噴射ノズル部分としては、任意のノズル部分を使用できる。また例えば本発明のインジェクターは、図１に示すような、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための従来のインジェクターの機構を有することができる。
図２で示すように、本発明のプラズマインジェクターによるプラズマ化を噴射口１９近傍の領域において行う場合、この噴射口１９近傍のプラズマ領域２０は、本発明のプラズマインジェクターによって燃料又は還元剤を噴射される排気管又は燃焼室のような空間の全体ではなく一部であり、噴射口１９から５ｃｍ以内、特に２ｃｍ以内、より特に１ｃｍ以内の領域とすることができる。
本発明のプラズマインジェクターは、ノズル先端部分１８に、プラズマを発生させる手段を有することができる。このノズル先端部分１８のプラズマ発生手段としては、図３及び４に示すようなプラズマ発生手段を考慮することができる。
図３に示すプラズマインジェクターは、結合誘導プラズマを発生させるものである。この図３に示す結合誘導プラズマ発生手段３０では、図１に示すようなインジェクターのノズル先端部分１８に円筒状のカップ３２が配置されている。このカップ３２は電磁波を透過させる材料、例えば石英のような絶縁性材料で作られており、このカップ３２の周囲には、誘導電場を発生するための誘導コイル３３が配置されている。誘導コイル３３の一端には、マッチングボックス３６を介して高周波電源３５が接続されており、他端は接地されている。
この結合誘導プラズマインジェクターの使用においては、マッチングボックス３６によってインピーダンスを調整して高周波電源３５から誘導コイル３３に高周波電流を流し、カップ３２の内側で磁場を発生させ、渦電流を発生させ、それによってカップ３２内及びその付近で誘導的にプラズマ２０を発生させる。ここで使用する高周波電流としては、例えば２〜５０ＭＨｚ、特に３〜４０ＭＨｚの周波数を用いることができる。
図４に示すプラズマインジェクターは、放電プラズマを発生させるものである。この図４に示す放電プラズマ発生手段４０では、図１で示すようなインジェクターのノズル先端部分１８に円筒状のカップ４２が配置されている。このカップ４２とノズル先端部分１８とは、絶縁材料４３によって電気的に絶縁されており、それぞれが対電極となるように、カップ４２が電源４５に接続され、ノズル先端部分１８が接地されている。カップ４２とノズル先端部分１８とはいずれをカソードとすることも、またアノードとすることもできる。また図４ではノズル先端部分１８は接地されているが、電源４５に接続してカップ４２と反対の電圧を印加されるようにしてもよい。
この放電プラズマインジェクターの使用においては、電源４５によってカップ４２とノズル先端部分１８との間に放電を発生させ、それによってカップ４２内及びその付近でプラズマ２０を発生させる。
カップ４２及びノズル先端部分１８は、これらの間に電圧を印加して、これらを放電電極として使用できる材料で製造することができる。そのような材料として、導電性材料や半導体性材料を用いることができるが、金属材料、例えば銅、タングステン、ステンレス、鉄、アルミニウム等が好ましい。しかしながら特にアーク放電では電極が高温になるので、タングステンのような高融点材料を使用することが好ましい。また、バリア放電を使用するために、これらの導電性又は半導体性材料上に絶縁性材料を配置することもできる。
アーク放電を用いてこの放電プラズマインジェクターでプラズマを発生させる場合、電源４５は、例えば１〜５０Ｖの電圧及び５〜５００Ａの電流を供給することができる。このアーク放電ではカソードから放出される電子によって放電が持続される。アーク放電を生じさせるための電流としては、直流のみでなく交流を用いることもできる。
またコロナ放電を用いてこの放電プラズマインジェクターでプラズマを発生させる場合、電源４５は、パルス状の直流又は交流電圧を供給するものでよい。カップ４２とノズル先端部分１８との間の印加電圧としては、一般的には１ｋＶ〜１００ｋＶ、例えば４０ｋＶ〜６０ｋＶの電圧を使用することができる。また印加電圧のパルス周期は、１０ｍｓ〜０．１μｓ、特に０．１〜１０μｓにすることができる。
［本発明の直憤式内燃機関］
本発明の直憤式内燃機関は、図６に示すようなものであってよい。
この図６では、インジェクター１０、シリンダブロック６１、シリンダヘッド６２、ピストン６３、燃焼室６４、吸気弁６５、吸気ポート６６、排気弁６７、排気ポート６８を有する本発明の直憤式内燃機関６０が示されている。ここでは、制御線１０ａを通じてインジェクター１０の燃料噴射を制御できるようにされている。またプラズマ２０がインジェクター１０の噴射口近傍に存在することが示されている。この本発明の直憤式内燃機関は、プラズマ２０を発生させる手段を有する以外は、従来の直憤式内燃機関と同様なものであってよい。
インジェクター１０の噴射口近傍のプラズマ２０では、このインジェクター１０によって噴射される燃料を反応性の高い低分子量成分に添加させること及び／又は気化させることができる。ここで、この噴射口近傍の領域は、インジェクターによって燃料を噴射される燃焼室の全体ではなく一部の領域であり、例えばインジェクター１０の噴射口から５ｃｍ以内、特に２ｃｍ以内、より特に１ｃｍ以内の領域とすることができる。
本発明の直憤式内燃機関６０では、直憤式内燃機関で一般に使用される燃料、例えばガソリン、軽油等を噴射することができる。また、ここで発生させるプラズマは、常に発生させておくこともできるが、燃料を噴射する瞬間のみ、特に内燃機関始動時のような低温時において燃料を噴射する瞬間のみプラズマを発生させると、消費エネルギーに関して好ましい。
［本発明の排ガス浄化システム］
本発明の排ガス浄化システムは、図７に示すようなものであってよい。
この図７では、インジェクター１０、排気管７６、触媒、特にＮＯx吸蔵還元触媒又はＮＯx選択還元触媒のようなＮＯx浄化触媒７２、ケーシング７４を有する本発明の排ガス浄化システム７０が示されている。矢印７９は排ガス流れ方向を示している。また制御線１０ａを通じてインジェクター１０の還元剤噴射を制御できるようにされている。またプラズマ２０がインジェクター１０の噴射口近傍に存在することが示されている。この本発明の排ガス浄化システム７０は、プラズマ２０を発生させる手段を有する以外は、従来の排ガス浄化システムと同様なものであってよい。
インジェクター１０の噴射口近傍のプラズマ２０では、このインジェクター１０によって噴射される還元剤を反応性の高い低分子量成分に添加させること及び／又は気化させることができる。ここでこの噴射口近傍の領域は、インジェクターによって還元剤を噴射される排気管の全径にわたる領域ではなく一部の領域であり、例えばインジェクター１０の噴射口から５ｃｍ以内、特に２ｃｍ以内、より特に１ｃｍ以内の領域とすることができる。
本発明の排ガス浄化システム７０では、ガソリン、軽油等の内燃機関の動力源に使用される燃料を還元剤として噴射できるだけでなく、別個の還元剤を噴射することもできる。また、本発明の排ガス浄化システム７０で使用できるＮＯx浄化触媒は、排ガス、特に内燃機関からの排ガス中のＮＯxの還元を促進する触媒である。
また、ここで発生させるプラズマは、常に発生させておくこともできるが、還元剤を噴射する瞬間のみ、特に暖機がまだ充分ではない条件において還元剤を噴射する瞬間のみ発生させると、消費エネルギーに関して好ましい。
［プラズマ］
一般に知られているようにプラズマとは、自由運動する正と負の電荷をもつ２種以上の荷電粒子が共存する物質状態を意味する。従ってプラズマ状態では、存在する物質は高いポテンシャルエネルギーを有し、燃料又は還元剤をプラズマ状態にし、ラジカル化、クラッキングを行って、反応性の高い低分子量成分に転化することができる。また燃料又は還元剤が液滴状態で供給された場合にも瞬時に気化し、ラジカル化、クラッキングして、反応性の高い低分子量成分に転化することができる。
本発明に関してプラズマを発生させるためには様々な様式を考慮することができる。本発明は、プラズマを発生させる手段に限定されないが、例えば放電プラズマ、マイクロ波プラズマ又は結合誘導プラズマを使用することができる。以下ではこれらのそれぞれについて説明する。
［結合誘導プラズマ］
結合誘導プラズマは、プラズマを発生させる空間の周囲に巻いた誘導コイルに高周波電流を流し、誘導コイル内に磁場を発生させ、渦電流を発生させ、それによって誘導的に発生させるプラズマをいう。ここで使用する高周波電流としては、例えば２〜５０ＭＨｚ、特に３〜４０ＭＨｚの周波数を用いることができる。
この結合誘導プラズマは、電極（金属部分）をプラズマに高温のプラズマに直接に露出させないことができるので、耐久性に関して好ましい。
［放電プラズマ］
放電プラズマは、電極間の放電によって生じる高エネルギーの電子を気体分子に衝突させ、それによって気体分子をプラスイオンとマイナスイオンとにすることによって発生させるプラズマをいう。この放電プラズマを発生させるためには、任意の放電形態を使用できるが、アーク放電、又はコロナ放電、例えばバリア放電を利用できる。
アーク放電を用いてプラズマを発生させる場合、例えば１〜５０Ｖの電圧及び５〜５００Ａの電流を電極間に供給することができる。このアーク放電ではカソードから放出される電子によって放電が持続されている。アーク放電を生じさせるための電流としては、直流のみでなく交流を用いることもできる。
アーク放電を用いると、放電電流や放電電圧を増加することにより出力の増大が容易であり、安定な放電を長時間持続することできる。またアーク放電を発生する装置及びアークを発生する技術が簡単であり、設備費が比較的廉価である。
またコロナ放電を用いてプラズマを発生させる場合、パルス状の直流又は交流電圧を電極間に印加することができる。コロナ放電を行う電極間の印加電圧としては、一般的には１ｋＶ〜１００ｋＶ、例えば４０ｋＶ〜６０ｋＶの電圧を使用することができる。また印加電圧のパルス周期は、０．１〜１０ｍｓ以下、特に０．１〜１ｍｓにすることができる。尚、電極上に絶縁性材料を配置してバリア放電を行うことは、放電の安定性に関して好ましい。
［マイクロ波プラズマ］
マイクロ波プラズマは、マグネトロンのようなマイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波、例えば周波数２．５４ＧＨｚ程度のマイクロ波を、導波管を経由させてアンテナから照射し、電場強度を強めて発生させるプラズマをいう。
特に大気圧又はそれよりも高い気体圧力においてマイクロ波プラズマを発生させる場合、プラズマ励起体を使用し、このプラズマ励起体にマイクロ波を照射することによって、このプラズマ励起体の周囲でプラズマを発生させることが有利である。ここで使用されるプラズマ励起体は、マイクロ波の照射を受けてその周囲でのプラズマの励起を促進する任意の材料で作ることができ、例えば導電性セラミック、特にＳｉＣ焼結体のような導電性セラミック焼結体でよい。
このプラズマ励起体を使用するマイクロ波プラズマの発生は、図５に示すようにして行うことができる。この図５では、プラズマ励起体としてのＳｉＣ焼結体５２、このプラズマ励起体５２に照射されるマイクロ波５４、ガス流れを示す矢印５６、及び発生するプラズマ２０が示されている。
［プラズマによる燃料又は還元剤のクラッキング］
燃料又は還元剤を少なくとも部分的にプラズマ化することによって瞬時に燃料又は還元剤の気化、ラジカル化、クラッキングを行えること自体は、プラズマの非常に高いエネルギー状態を考慮すれば充分に当業者に明らかである。しかしながら以下では、炭化水素（Ｃ13Ｈ28）のプラズマ化によってクラッキング等が行われることを実験によって確認した。
ここでは図８で示すような実験装置を用いた。実験においては、燃料供給部からの燃料（Ｃ13Ｈ28）とＮ2供給部からのキャリアガスとしてのＮ2とを混合し、ノズルを経由させてチャンバーに供給した。またノズル内での放電によって放電プラズマを発生させた。実験においては、この放電プラズマがノズルの先端から出ていることが観察された。Ｎ2供給部からのＮ2はチャンバーに直接的にも供給した。またチャンバーからの排気の一部にガスクロマトグラフ分析を行った。
ここでこの実験で使用してプラズマを発生させたノズルは、図９に示すようなものであった。ここでこの図９で示されるノズルは、中空円筒状電極９２とその中心線上に配置されたに棒状電極９４とからなり、これらの電極間にはガス流れ流路９６が形成されている。矢印９８はこのガス流れ流路９６を流通するガス流れを示している。またこのノズルは、中空円筒状電極９２とその中心線上に配置された棒状電極９４との間に、電源９３によって電圧を印加し、それによって中空円筒状電極９２の先端部９２ａと棒状電極９４の先端部９４ａとの間で放電を行えるようにされている。尚、ここでは円筒状電側の内側にガラス管を配置して、バリア放電が起こるようにされている。
この実験によれば、放電によってプラズマを発生させているときのみ、Ｃ1〜Ｃ3の成分がガスクロマトグラフ分析で測定された。これはプラズマが比較的大きい分子（Ｃ13Ｈ28）をクラッキングして、比較的小さい分子（Ｃ1〜Ｃ3）を作れることを示している。
従来のインジェクターの拡大断面図である。 本発明のプラズマインジェクターの概念を示す断面図である。 結合誘導プラズマを使用する本発明のプラズマインジェクターの１つの態様を示す概略断面図である。 放電プラズマを使用する本発明のプラズマインジェクターの他の態様を示す概略断面図である。 マイクロ波プラズマの発生機構を示す概略図である。 本発明の直憤式内燃機関を示す概略断面図である。 本発明の排ガス浄化システムを示す概略断面図である。 プラズマによる炭化水素分子のクラッキングを行う実験を示す概略図である。 図８で示す実験において使用したノズルを示す概略断面図である。
符号の説明
１０…インジェクター
１０ａ…インジェクターの制御線
１２…ノズル
１３…ノズル１２内部の中空空間
１４…ニードル弁
１５…燃料又は還元剤供給通路
１６…ノズル１２内の環状流路
１８…ノズル先端部分
１９…ノズル先端部分１８の噴射孔
２０…プラズマ
３０…結合誘導プラズマ発生手段
３２、４２…カップ
３３…誘導コイル
３５、４５…電源
３６…マッチングボックス
４０…放電プラズマ発生手段
４３…絶縁性材料
５４…マイクロ波
５２…プラズマ励起体
５６…ガス流れ方向を示す矢印
６０…本発明の直憤式内燃機関
６１…シリンダブロック
６２…シリンダヘッド
６３…ピストン
６４…燃焼室
６５…吸気弁
６６…吸気ポート
６７…排気弁
６８…排気ポート
７０…本発明の排ガス浄化システム
７６…排気管
７２…ＮＯx浄化触媒
７４…ケーシング
９２…中空円筒状電極
９２ａ…中空円筒状電極９２の先端部
９３…電源
９４…棒状電極
９４ａ…棒状電極９４の先端部
９６…ノズル内のガス流れ流路
９８…ノズル内のガス流れ方向を示す矢印
本発明は、燃料を噴射するインジェクター、燃焼室内に直接に燃料を噴射する直噴式内燃機関、排ガス管内に設けた触媒の上流側において還元剤を噴射する排ガス浄化システム、及び燃料又は還元剤を液滴状態で噴射する燃料又は還元剤噴射方法に関する。
内燃機関の燃焼室に直接に燃料を噴射するための従来のインジェクターは、図１に示すようなものである。このインジェクター１０は、内部に中空空間１３を有するほぼ円筒状のノズル１２と、このノズル１２の中空空間１３内で摺動（移動）するほぼ円柱形のニードル弁１４とを具備している。このノズル１２とニードル弁１４とはこれらの軸線Ａが同軸になるように配置されている。またこのノズル１２には中空空間１３に通じる供給通路１５が設けられている。供給通路１５は燃料供給源（図示せず）に接続され、この供給通路１５を介して中空空間１３内に高圧の燃料が供給される。供給された燃料は、ニードル弁１４とノズル１２の内壁面との間の環状流路１６を介してノズル１２の先端部分１８へと流れ、ノズル１２の先端部分１８の噴射孔１９から噴射される。ここでは、ニードル弁１４を中空空間１３内で摺動させ、ニードル弁１４の先端をノズル先端部分１８の内壁面と接触させることによって、噴射孔１９の入口を開閉し、噴射口１９からの燃料の噴射を制御する。
このようなインジェクターは、内燃機関からの排ガスが流れる排気管内に燃料を噴射するためにも使用され、これについては特許文献１で開示されている。この特許文献１では、排気管内において触媒の上流側の放電装置で放電を発生させ、この放電装置の更に上流側で還元剤を噴射することを提案している。これによれば、ＨＣの存在によって放電装置におけるＮＯからＮＯ2への酸化を促進できるとしている。またこの特許文献１では、触媒上流で還元剤を噴射し、触媒上で放電プラズマを発生させることも提案している。これによれば、更に触媒表面での反応が促進され、浄化活性を上げることができるとしている。
尚、自動車の排ガスを浄化するための放電プラズマの使用については特許文献２でも示されている。この特許文献２は、ディーゼルエンジンからの排ガス中のパティキュレート（以下では「ＰＭ」とする）をＰＭトラップで捕集し、このＰＭトラップに新気を供給して再生するＰＭ除去装置に関する。ここではＰＭトラップに供給される新気に対して水を注入し、そしてコロナ放電を提供することによってＯＨラジカルを発生させ、このＯＨラジカルによってＰＭトラップに捕集されたＰＭの燃焼を促進することを提案している。
また自動車の排ガスを浄化するための放電プラズマの使用に関して、引用文献３では、水蒸気をプラズマ発生装置に供給し、そして得られた水蒸気プラズマガスを排ガス中に供給することによって、排ガス中の有害成分を酸化し、無害化することを提案している。ここでは水蒸気をプラズマ発生装置に供給することによって、Ｏ、ＯＨ、Ｈ、Ｈ2Ｏ、Ｏ3などの活性な化学種が得られることが開示されている。
特開２００１−１５９３０９ 特開平５−３２１６３４ 特開平６−３６３８２０
上述のように燃料又は還元剤を噴射するインジェクターは様々な用途で使用されている。しかしながらこれらいずれの用途においても、特に低温時において、燃料又は還元剤を噴射しただけでは充分に気化しないことがあるという問題がある。
直噴式内燃機関の燃焼室への燃料の噴射において燃料の気化が充分ではない場合、燃料と空気との混合が充分に行われず、燃料の不完全燃焼やＰＭの発生が起こりやすい。
内燃機関からの排ガスが流れる排ガス管内への還元剤の噴射において還元剤の気化が充分ではない場合、触媒への拡散、触媒との接触が不充分になり、充分な浄化を行うことができず、また燃料成分自身が未反応のまま大気中に放出されることがある。
また、上述のように、排ガス浄化のためのプラズマの使用も特許文献１で示されるように従来から知られている。しかしながら、特許文献１でのように、燃料を排ガスに噴射し、その後で排ガスの処理の際にプラズマを提供する場合、排ガス流れ全体をプラズマ状態にしているので、プラズマを発生させるために必要とされるエネルギーが比較的大きく、またプラズマ密度は低くなる。
よって、燃料若しくは還元剤を噴射しただけでは充分に気化しない条件であっても、噴射して供給される燃料若しくは還元剤を気化させること及び／又は比較的容易に反応性が高い燃料若しくは還元剤を提供することができる、インジェクター、直噴式内燃機関、排ガス浄化システム、及び燃料又は還元剤噴射方法が必要とされている。
本発明のプラズマインジェクターは、燃料又は還元剤を噴射するインジェクターであって、噴射した燃料又は還元剤を少なくとも部分的にプラズマ化することを特徴とする。
この本発明のプラズマインジェクターによれば、燃料又は還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させること、及び／又は燃料を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、燃料を瞬時に気化させることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、燃料又は還元剤を液滴状態で噴射し、そして噴射された液滴状態の燃料又は還元剤を、少なくとも部分的にプラズマ化して気化させるものでよい。
この態様によれば、特に比較的低温において高沸点の燃料又は還元剤を液滴状態で噴射する場合であっても、燃料又は還元剤を瞬時に気化させることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、噴射ノズルと、噴射ノズルの先端部分の噴射口近傍にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを有するものでよい。
この態様によれば、噴射ノズルの先端部分の噴射口近傍、すなわち燃料又は還元剤を噴射される空間の全体でではなく一部においてのみ、プラズマを発生させることができる。従ってプラズマ化される空間を比較的狭くすること、すなわち比較的少ない消費エネルギーで大きいプラズマ密度を得ることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、プラズマ発生手段が、噴射ノズルの先端部分に配置されているものでよい。
この態様によれば、噴射ノズルの先端部分の噴射口近傍にプラズマを発生させることが容易になる。
また本発明のプラズマインジェクターは、プラズマが結合誘導プラズマであり、噴射ノズルの先端部分に配置されたプラズマ発生手段が、噴射口を囲むカップ状部分とこのカップ状部分の周囲の誘導コイルとを有し、且つこのカップ状部分が電磁波を透過させる材料で作られているものでよい。
この態様によれば、誘導コイルに高周波電源から高周波電流を供給することによって、カップ状部分の内側に磁場を発生させ、渦電流を発生させて、カップ状部分の内側及びその付近で誘導的に結合誘導プラズマを発生させることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、プラズマが放電プラズマであり、噴射ノズルの先端部分に配置されたプラズマ発生手段が噴射口を囲むカップ状部分を有し、このカップ状部分が半導体性材料又は導電性材料で作られており、且つこのカップ状部分とノズル先端部分とが電気的に絶縁されてそれぞれが対電極となるようにされているものでよい。
この態様によれば、カップ状部分とノズル先端部分との間に電圧を印加することによって放電を発生させ、それによってカップ状部分の内側及びその付近で放電プラズマを発生させることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、プラズマが、放電プラズマ、マイクロ波プラズマ又は結合誘導プラズマであるものでよい。
結合誘導プラズマ又はマイクロ波プラズマを使用することは、電極（金属部分）を高温のプラズマに直接に露出させないことができるので、耐久性に関して好ましい。放電プラズマとしては、アーク放電プラズマ、コロナ放電プラプラズマ、例えばバリア放電プラズマを利用できる。アーク放電プラズマを使用することは、放電電流や放電電圧を増加することにより出力の増大が容易であり、安定な放電を長時間持続できる点、及びアーク放電を発生する装置及びアークを発生する技術が簡単であり、設備費が比較的廉価である点で好ましい。またバリア放電プラズマを使用することは、プラズマの安定性、電極の耐久性などに関して好ましい。
本発明の直噴式内燃機関は、燃焼室内に直接に燃料を噴射する直噴式内燃機関であって、本発明のプラズマインジェクターによって燃料を噴射することを特徴とする。
この本発明の直噴式内燃機関によれば、本発明のプラズマインジェクターでの、反応性の高い低分子量成分の生成及び／又は燃料の気化によって、燃焼室における燃料の燃焼性及び／又燃料と空気との混合を促進できる。これは、未燃焼燃料の排出やＰＭの生成を抑制する。
本発明の排ガス浄化システムは、排気管内に設けた触媒の上流側において還元剤を噴射する排ガス浄化システムであって、本発明のプラズマインジェクターによって還元剤を噴射することを特徴とする。
この本発明の排ガス浄化システムによれば、本発明のプラズマインジェクターでの、反応性の高い低分子量成分の生成及び／又は還元剤の気化によって、下流の触媒への還元剤の拡散、及び還元剤と触媒との接触を促進することができる。これは、触媒上での還元反応を促進し、従って還元剤自身が未反応のまま大気中に放出されることを抑制する。
この本発明の排ガス浄化システムで使用される触媒は、ＮＯx浄化触媒、特にＮＯx吸蔵還元触媒又はＮＯx選択還元触媒でよい。
この態様によれば、触媒でのＮＯx還元反応を促進することができる。
本発明の他の直噴式内燃機関は、インジェクターによって燃焼室内に直接に燃料を噴射する直噴式内燃機関であって、インジェクターの噴射口近傍においてプラズマを発生させることを特徴とする。
この本発明の直噴式内燃機関によれば、噴射口近傍の比較的狭いプラズマ領域において、燃料をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させること、及び／又は燃料を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、燃料を瞬時に気化させることができる。
反応性の高い低分子量成分の生成及び／又は燃料の気化は、燃焼室における燃料の燃焼性及び／又燃料と空気との混合を促進し、未燃焼燃料の排出やＰＭの生成を抑制することを可能にする。またインジェクターの噴射口近傍、すなわち燃焼室内全体でではなくその一部においてのみプラズマを発生させることは、プラズマ化される空間を比較的狭くすること、すなわち比較的少ない消費エネルギーで大きいプラズマ密度を得ることを可能にする。
本発明の他の排ガス浄化システムは、排ガス管内に設けた触媒の上流側において、インジェクターによって還元剤を噴射する排ガス浄化システムであって、インジェクターの噴射口近傍においてプラズマを発生させることを特徴とする。
この本発明の排ガス浄化システムによれば、噴射口近傍の比較的狭いプラズマ領域において、還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させること、及び／又は還元剤を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、還元剤を瞬時に気化させることができる。
反応性の高い低分子量成分の生成及び／又は還元剤の気化は、下流の触媒への還元剤の拡散及び還元剤と触媒との接触を促進することができる。これは触媒上での還元反応を促進し、還元剤自身が未反応のまま大気中に放出されることを抑制する。またインジェクターの噴射口近傍、すなわち排気管の全径にわたってではなく直径方向で一部においてのみプラズマを発生させることは、プラズマ化される空間を比較的狭くすること、すなわち比較的少ない消費エネルギーで大きいプラズマ密度を得ることを可能にする。
本発明の燃料噴射又は還元剤方法は、燃料又は還元剤を液滴状態で噴射し、そして噴射された液滴状態の燃料又は還元剤を、少なくとも部分的にプラズマ化することによって気化させることを特徴とする。
本発明の燃料又は還元剤噴射方法によれば、燃料又は還元剤の噴射、特に比較的低温における比較的高沸点の燃料又は還元剤の噴射において、燃料を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、燃料を瞬時に気化させ、空気等との混合を促進することができる。また場合によってはこの燃料又は還元剤のプラズマ化によって、燃料又は還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させることができる。
本発明のインジェクター、直噴式内燃機関、排ガス浄化システム、及び燃料又は還元剤噴射方法によれば、噴射して供給される燃料若しくは還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させること、及び／又は燃料若しくは還元剤を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、燃料若しくは還元剤を瞬時に気化させることができる。
以下では本発明を図に示した実施形態に基づいて具体的に説明するが、これらの図は本発明の概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
［本発明のプラズマインジェクター］
本発明のプラズマインジェクターの概略を図２に関して説明する。
本発明のプラズマインジェクターは、噴射した燃料又は還元剤を少なくとも部分的にプラズマ化できるものである。このプラズマ化は、図２で示すように、燃料噴射ノズルの先端部分１８に位置する噴射口１９から、燃料又は還元剤をプラズマ領域、特に噴射口１９近傍のプラズマ領域２０に噴射することによって行うことができる。
本発明のプラズマインジェクターで噴射される燃料又は還元剤は、用途に応じて選択することができるが、例えばガソリン、軽油等の炭化水素、又はエーテル、アルコール等であってよい。尚、用語「燃料」及び「還元剤」は、インジェクターを使用する用途によって使い分けられる用語である。一般的には、「燃料」は、インジェクターからの供給物を爆発的に燃焼させることを意図した用途において、この供給物を表すために使用される用語であり、また「還元剤」は、インジェクターからの供給物によって他の物質を還元させることを意図した用途において、この供給物を表すために使用される用語である。従ってこれらの用語は同じ対象を示すこともあり、相互に交換可能に用いることができる。すなわち、内燃機関の動力エネルギーを発生させるために「燃料」としてガソリンを燃焼室内に噴射し、同時にこの内燃機関から排出される排ガス中のＮＯxを還元するために「還元剤」としてガソリンを排気管内に噴射することもある。当然に、内燃機関の動力源としての「燃料」と排ガスの浄化のための「還元剤」とが異なっていてもよい。
本発明のプラズマインジェクターの噴射ノズル部分としては、任意のノズル部分を使用できる。また例えば本発明のインジェクターは、図１に示すような、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための従来のインジェクターの機構を有することができる。
図２で示すように、本発明のプラズマインジェクターによるプラズマ化を噴射口１９近傍の領域において行う場合、この噴射口１９近傍のプラズマ領域２０は、本発明のプラズマインジェクターによって燃料又は還元剤を噴射される排気管又は燃焼室のような空間の全体ではなく一部であり、噴射口１９から５ｃｍ以内、特に２ｃｍ以内、より特に１ｃｍ以内の領域とすることができる。
本発明のプラズマインジェクターは、ノズル先端部分１８に、プラズマを発生させる手段を有することができる。このノズル先端部分１８のプラズマ発生手段としては、図３及び４に示すようなプラズマ発生手段を考慮することができる。
図３に示すプラズマインジェクターは、結合誘導プラズマを発生させるものである。この図３に示す結合誘導プラズマ発生手段３０では、図１に示すようなインジェクターのノズル先端部分１８に円筒状のカップ３２が配置されている。このカップ３２は電磁波を透過させる材料、例えば石英のような絶縁性材料で作られており、このカップ３２の周囲には、誘導電場を発生するための誘導コイル３３が配置されている。誘導コイル３３の一端には、マッチングボックス３６を介して高周波電源３５が接続されており、他端は接地されている。
この結合誘導プラズマインジェクターの使用においては、マッチングボックス３６によってインピーダンスを調整して高周波電源３５から誘導コイル３３に高周波電流を流し、カップ３２の内側で磁場を発生させ、渦電流を発生させ、それによってカップ３２内及びその付近で誘導的にプラズマ２０を発生させる。ここで使用する高周波電流としては、例えば２〜５０ＭＨｚ、特に３〜４０ＭＨｚの周波数を用いることができる。
図４に示すプラズマインジェクターは、放電プラズマを発生させるものである。この図４に示す放電プラズマ発生手段４０では、図１で示すようなインジェクターのノズル先端部分１８に円筒状のカップ４２が配置されている。このカップ４２とノズル先端部分１８とは、絶縁材料４３によって電気的に絶縁されており、それぞれが対電極となるように、カップ４２が電源４５に接続され、ノズル先端部分１８が接地されている。カップ４２とノズル先端部分１８とはいずれをカソードとすることも、またアノードとすることもできる。また図４ではノズル先端部分１８は接地されているが、電源４５に接続してカップ４２と反対の電圧を印加されるようにしてもよい。
この放電プラズマインジェクターの使用においては、電源４５によってカップ４２とノズル先端部分１８との間に放電を発生させ、それによってカップ４２内及びその付近でプラズマ２０を発生させる。
カップ４２及びノズル先端部分１８は、これらの間に電圧を印加して、これらを放電電極として使用できる材料で製造することができる。そのような材料として、導電性材料や半導体性材料を用いることができるが、金属材料、例えば銅、タングステン、ステンレス、鉄、アルミニウム等が好ましい。しかしながら特にアーク放電では電極が高温になるので、タングステンのような高融点材料を使用することが好ましい。また、バリア放電を使用するために、これらの導電性又は半導体性材料上に絶縁性材料を配置することもできる。
アーク放電を用いてこの放電プラズマインジェクターでプラズマを発生させる場合、電源４５は、例えば１〜５０Ｖの電圧及び５〜５００Ａの電流を供給することができる。このアーク放電ではカソードから放出される電子によって放電が持続される。アーク放電を生じさせるための電流としては、直流のみでなく交流を用いることもできる。
またコロナ放電を用いてこの放電プラズマインジェクターでプラズマを発生させる場合、電源４５は、パルス状の直流又は交流電圧を供給するものでよい。カップ４２とノズル先端部分１８との間の印加電圧としては、一般的には１ｋＶ〜１００ｋＶ、例えば４０ｋＶ〜６０ｋＶの電圧を使用することができる。また印加電圧のパルス周期は、１０ｍｓ〜０．１μｓ、特に０．１〜１０μｓにすることができる。
［本発明の直噴式内燃機関］
本発明の直噴式内燃機関は、図６に示すようなものであってよい。
この図６では、インジェクター１０、シリンダブロック６１、シリンダヘッド６２、ピストン６３、燃焼室６４、吸気弁６５、吸気ポート６６、排気弁６７、排気ポート６８を有する本発明の直噴式内燃機関６０が示されている。ここでは、制御線１０ａを通じてインジェクター１０の燃料噴射を制御できるようにされている。またプラズマ２０がインジェクター１０の噴射口近傍に存在することが示されている。この本発明の直噴式内燃機関は、プラズマ２０を発生させる手段を有する以外は、従来の直噴式内燃機関と同様なものであってよい。
インジェクター１０の噴射口近傍のプラズマ２０では、このインジェクター１０によって噴射される燃料を反応性の高い低分子量成分に添加させること及び／又は気化させることができる。ここで、この噴射口近傍の領域は、インジェクターによって燃料を噴射される燃焼室の全体ではなく一部の領域であり、例えばインジェクター１０の噴射口から５ｃｍ以内、特に２ｃｍ以内、より特に１ｃｍ以内の領域とすることができる。
本発明の直噴式内燃機関６０では、直噴式内燃機関で一般に使用される燃料、例えばガソリン、軽油等を噴射することができる。また、ここで発生させるプラズマは、常に発生させておくこともできるが、燃料を噴射する瞬間のみ、特に内燃機関始動時のような低温時において燃料を噴射する瞬間のみプラズマを発生させると、消費エネルギーに関して好ましい。
［本発明の排ガス浄化システム］
本発明の排ガス浄化システムは、図７に示すようなものであってよい。
この図７では、インジェクター１０、排気管７６、触媒、特にＮＯx吸蔵還元触媒又はＮＯx選択還元触媒のようなＮＯx浄化触媒７２、ケーシング７４を有する本発明の排ガス浄化システム７０が示されている。矢印７９は排ガス流れ方向を示している。また制御線１０ａを通じてインジェクター１０の還元剤噴射を制御できるようにされている。またプラズマ２０がインジェクター１０の噴射口近傍に存在することが示されている。この本発明の排ガス浄化システム７０は、プラズマ２０を発生させる手段を有する以外は、従来の排ガス浄化システムと同様なものであってよい。
インジェクター１０の噴射口近傍のプラズマ２０では、このインジェクター１０によって噴射される還元剤を反応性の高い低分子量成分に添加させること及び／又は気化させることができる。ここでこの噴射口近傍の領域は、インジェクターによって還元剤を噴射される排気管の全径にわたる領域ではなく一部の領域であり、例えばインジェクター１０の噴射口から５ｃｍ以内、特に２ｃｍ以内、より特に１ｃｍ以内の領域とすることができる。
本発明の排ガス浄化システム７０では、ガソリン、軽油等の内燃機関の動力源に使用される燃料を還元剤として噴射できるだけでなく、別個の還元剤を噴射することもできる。また、本発明の排ガス浄化システム７０で使用できるＮＯx浄化触媒は、排ガス、特に内燃機関からの排ガス中のＮＯxの還元を促進する触媒である。
また、ここで発生させるプラズマは、常に発生させておくこともできるが、還元剤を噴射する瞬間のみ、特に暖機がまだ充分ではない条件において還元剤を噴射する瞬間のみ発生させると、消費エネルギーに関して好ましい。
［プラズマ］
一般に知られているようにプラズマとは、自由運動する正と負の電荷をもつ２種以上の荷電粒子が共存する物質状態を意味する。従ってプラズマ状態では、存在する物質は高いポテンシャルエネルギーを有し、燃料又は還元剤をプラズマ状態にし、ラジカル化、クラッキングを行って、反応性の高い低分子量成分に転化することができる。また燃料又は還元剤が液滴状態で供給された場合にも瞬時に気化し、ラジカル化、クラッキングして、反応性の高い低分子量成分に転化することができる。
本発明に関してプラズマを発生させるためには様々な様式を考慮することができる。本発明は、プラズマを発生させる手段に限定されないが、例えば放電プラズマ、マイクロ波プラズマ又は結合誘導プラズマを使用することができる。以下ではこれらのそれぞれについて説明する。
［結合誘導プラズマ］
結合誘導プラズマは、プラズマを発生させる空間の周囲に巻いた誘導コイルに高周波電流を流し、誘導コイル内に磁場を発生させ、渦電流を発生させ、それによって誘導的に発生させるプラズマをいう。ここで使用する高周波電流としては、例えば２〜５０ＭＨｚ、特に３〜４０ＭＨｚの周波数を用いることができる。
この結合誘導プラズマは、電極（金属部分）をプラズマに高温のプラズマに直接に露出させないことができるので、耐久性に関して好ましい。
［放電プラズマ］
放電プラズマは、電極間の放電によって生じる高エネルギーの電子を気体分子に衝突させ、それによって気体分子をプラスイオンとマイナスイオンとにすることによって発生させるプラズマをいう。この放電プラズマを発生させるためには、任意の放電形態を使用できるが、アーク放電、又はコロナ放電、例えばバリア放電を利用できる。
アーク放電を用いてプラズマを発生させる場合、例えば１〜５０Ｖの電圧及び５〜５００Ａの電流を電極間に供給することができる。このアーク放電ではカソードから放出される電子によって放電が持続されている。アーク放電を生じさせるための電流としては、直流のみでなく交流を用いることもできる。
アーク放電を用いると、放電電流や放電電圧を増加することにより出力の増大が容易であり、安定な放電を長時間持続することできる。またアーク放電を発生する装置及びアークを発生する技術が簡単であり、設備費が比較的廉価である。
またコロナ放電を用いてプラズマを発生させる場合、パルス状の直流又は交流電圧を電極間に印加することができる。コロナ放電を行う電極間の印加電圧としては、一般的には１ｋＶ〜１００ｋＶ、例えば４０ｋＶ〜６０ｋＶの電圧を使用することができる。また印加電圧のパルス周期は、０．１〜１０ｍｓ以下、特に０．１〜１ｍｓにすることができる。尚、電極上に絶縁性材料を配置してバリア放電を行うことは、放電の安定性に関して好ましい。
［マイクロ波プラズマ］
マイクロ波プラズマは、マグネトロンのようなマイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波、例えば周波数２．５４ＧＨｚ程度のマイクロ波を、導波管を経由させてアンテナから照射し、電場強度を強めて発生させるプラズマをいう。
特に大気圧又はそれよりも高い気体圧力においてマイクロ波プラズマを発生させる場合、プラズマ励起体を使用し、このプラズマ励起体にマイクロ波を照射することによって、このプラズマ励起体の周囲でプラズマを発生させることが有利である。ここで使用されるプラズマ励起体は、マイクロ波の照射を受けてその周囲でのプラズマの励起を促進する任意の材料で作ることができ、例えば導電性セラミック、特にＳｉＣ焼結体のような導電性セラミック焼結体でよい。
このプラズマ励起体を使用するマイクロ波プラズマの発生は、図５に示すようにして行うことができる。この図５では、プラズマ励起体としてのＳｉＣ焼結体５２、このプラズマ励起体５２に照射されるマイクロ波５４、ガス流れを示す矢印５６、及び発生するプラズマ２０が示されている。
［プラズマによる燃料又は還元剤のクラッキング］
燃料又は還元剤を少なくとも部分的にプラズマ化することによって瞬時に燃料又は還元剤の気化、ラジカル化、クラッキングを行えること自体は、プラズマの非常に高いエネルギー状態を考慮すれば充分に当業者に明らかである。しかしながら以下では、炭化水素（Ｃ13Ｈ28）のプラズマ化によってクラッキング等が行われることを実験によって確認した。
ここでは図８で示すような実験装置を用いた。実験においては、燃料供給部からの燃料（Ｃ13Ｈ28）とＮ2供給部からのキャリアガスとしてのＮ2とを混合し、ノズルを経由させてチャンバーに供給した。またノズル内での放電によって放電プラズマを発生させた。実験においては、この放電プラズマがノズルの先端から出ていることが観察された。Ｎ2供給部からのＮ2はチャンバーに直接的にも供給した。またチャンバーからの排気の一部にガスクロマトグラフ分析を行った。
ここでこの実験で使用してプラズマを発生させたノズルは、図９に示すようなものであった。ここでこの図９で示されるノズルは、中空円筒状電極９２とその中心線上に配置されたに棒状電極９４とからなり、これらの電極間にはガス流れ流路９６が形成されている。矢印９８はこのガス流れ流路９６を流通するガス流れを示している。またこのノズルは、中空円筒状電極９２とその中心線上に配置された棒状電極９４との間に、電源９３によって電圧を印加し、それによって中空円筒状電極９２の先端部９２ａと棒状電極９４の先端部９４ａとの間で放電を行えるようにされている。尚、ここでは円筒状電側の内側にガラス管を配置して、バリア放電が起こるようにされている。
この実験によれば、放電によってプラズマを発生させているときのみ、Ｃ1〜Ｃ3の成分がガスクロマトグラフ分析で測定された。これはプラズマが比較的大きい分子（Ｃ13Ｈ28）をクラッキングして、比較的小さい分子（Ｃ1〜Ｃ3）を作れることを示している。
従来のインジェクターの拡大断面図である。 本発明のプラズマインジェクターの概念を示す断面図である。 結合誘導プラズマを使用する本発明のプラズマインジェクターの１つの態様を示す概略断面図である。 放電プラズマを使用する本発明のプラズマインジェクターの他の態様を示す概略断面図である。 マイクロ波プラズマの発生機構を示す概略図である。 本発明の直噴式内燃機関を示す概略断面図である。 本発明の排ガス浄化システムを示す概略断面図である。 プラズマによる炭化水素分子のクラッキングを行う実験を示す概略図である。 図８で示す実験において使用したノズルを示す概略断面図である。
符号の説明
１０…インジェクター
１０ａ…インジェクターの制御線
１２…ノズル
１３…ノズル１２内部の中空空間
１４…ニードル弁
１５…燃料又は還元剤供給通路
１６…ノズル１２内の環状流路
１８…ノズル先端部分
１９…ノズル先端部分１８の噴射孔
２０…プラズマ
３０…結合誘導プラズマ発生手段
３２、４２…カップ
３３…誘導コイル
３５、４５…電源
３６…マッチングボックス
４０…放電プラズマ発生手段
４３…絶縁性材料
５４…マイクロ波
５２…プラズマ励起体
５６…ガス流れ方向を示す矢印
６０…本発明の直噴式内燃機関
６１…シリンダブロック
６２…シリンダヘッド
６３…ピストン
６４…燃焼室
６５…吸気弁
６６…吸気ポート
６７…排気弁
６８…排気ポート
７０…本発明の排ガス浄化システム
７６…排気管
７２…ＮＯx浄化触媒
７４…ケーシング
９２…中空円筒状電極
９２ａ…中空円筒状電極９２の先端部
９３…電源
９４…棒状電極
９４ａ…棒状電極９４の先端部
９６…ノズル内のガス流れ流路
９８…ノズル内のガス流れ方向を示す矢印
本発明は、還元剤を噴射するインジェクター、排ガス管内に設けた触媒の上流側において還元剤を噴射する排ガス浄化システム、及び還元剤を液滴状態で噴射する還元剤噴射方法に関する。
内燃機関の燃焼室に直接に燃料を噴射するための従来のインジェクターは、図１に示すようなものである。このインジェクター１０は、内部に中空空間１３を有するほぼ円筒状のノズル１２と、このノズル１２の中空空間１３内で摺動（移動）するほぼ円柱形のニードル弁１４とを具備している。このノズル１２とニードル弁１４とはこれらの軸線Ａが同軸になるように配置されている。またこのノズル１２には中空空間１３に通じる供給通路１５が設けられている。供給通路１５は燃料供給源（図示せず）に接続され、この供給通路１５を介して中空空間１３内に高圧の燃料が供給される。供給された燃料は、ニードル弁１４とノズル１２の内壁面との間の環状流路１６を介してノズル１２の先端部分１８へと流れ、ノズル１２の先端部分１８の噴射孔１９から噴射される。ここでは、ニードル弁１４を中空空間１３内で摺動させ、ニードル弁１４の先端をノズル先端部分１８の内壁面と接触させることによって、噴射孔１９の入口を開閉し、噴射口１９からの燃料の噴射を制御する。
このようなインジェクターは、内燃機関からの排ガスが流れる排気管内に燃料を噴射するためにも使用され、これについては特許文献１で開示されている。この特許文献１では、排気管内において触媒の上流側の放電装置で放電を発生させ、この放電装置の更に上流側で還元剤を噴射することを提案している。これによれば、ＨＣの存在によって放電装置におけるＮＯからＮＯ2への酸化を促進できるとしている。またこの特許文献１では、触媒上流で還元剤を噴射し、触媒上で放電プラズマを発生させることも提案している。これによれば、更に触媒表面での反応が促進され、浄化活性を上げることができるとしている。
尚、自動車の排ガスを浄化するための放電プラズマの使用については特許文献２でも示されている。この特許文献２は、ディーゼルエンジンからの排ガス中のパティキュレート（以下では「ＰＭ」とする）をＰＭトラップで捕集し、このＰＭトラップに新気を供給して再生するＰＭ除去装置に関する。ここではＰＭトラップに供給される新気に対して水を注入し、そしてコロナ放電を提供することによってＯＨラジカルを発生させ、このＯＨラジカルによってＰＭトラップに捕集されたＰＭの燃焼を促進することを提案している。
また自動車の排ガスを浄化するための放電プラズマの使用に関して、特許文献３では、水蒸気をプラズマ発生装置に供給し、そして得られた水蒸気プラズマガスを排ガス中に供給することによって、排ガス中の有害成分を酸化し、無害化することを提案している。ここでは水蒸気をプラズマ発生装置に供給することによって、Ｏ、ＯＨ、Ｈ、Ｈ2Ｏ、Ｏ3などの活性な化学種が得られることが開示されている。
特開２００１−１５９３０９ 特開平５−３２１６３４ 特開平６−３６３８２０
上述のように還元剤を噴射するインジェクターは様々な用途で使用されている。しかしながらこれらいずれの用途においても、特に低温時において、還元剤を噴射しただけでは充分に気化しないことがあるという問題がある。
内燃機関からの排ガスが流れる排ガス管内への還元剤の噴射において還元剤の気化が充分ではない場合、触媒への拡散、触媒との接触が不充分になり、充分な浄化を行うことができず、また燃料成分自身が未反応のまま大気中に放出されることがある。
また、上述のように、排ガス浄化のためのプラズマの使用も特許文献１で示されるように従来から知られている。しかしながら、特許文献１でのように、燃料を排ガスに噴射し、その後で排ガスの処理の際にプラズマを提供する場合、排ガス流れ全体をプラズマ状態にしているので、プラズマを発生させるために必要とされるエネルギーが比較的大きく、またプラズマ密度は低くなる。
よって、還元剤を噴射しただけでは充分に気化しない条件であっても、噴射して供給される還元剤を気化させること及び／又は比較的容易に反応性が高い還元剤を提供することができる、インジェクター、排ガス浄化システム、及び還元剤噴射方法が必要とされている。
本発明のプラズマインジェクターは、還元剤を噴射するインジェクターであって、噴射ノズルと、この噴射ノズルの先端部分の噴射口近傍においてプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを有し、且つ還元剤を液滴状態で噴射し、そして噴射された液滴状態の還元剤を、少なくとも部分的にプラズマ化して気化させることを特徴とする。
この本発明のプラズマインジェクターによれば、噴射された液滴状態の還元剤を、少なくとも部分的にプラズマ化して気化させることによって、燃料を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、特に比較的低温において高沸点の還元剤を噴射する場合であっても、還元剤を瞬時に気化させること、及び随意に還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させることができる。
また本発明のプラズマインジェクターによれば、噴射ノズルの先端部分の噴射口近傍にプラズマを発生させるプラズマ発生手段を有することによって、噴射ノズルの先端部分の噴射口近傍、すなわち還元剤を噴射される空間の全体でではなく一部においてのみ、プラズマを発生させることができる。従ってプラズマ化される空間を比較的狭くすること、すなわち比較的少ない消費エネルギーで大きいプラズマ密度を得ることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、プラズマ発生手段が、噴射ノズルの先端部分に配置されているものでよい。
この態様によれば、噴射ノズルの先端部分の噴射口近傍にプラズマを発生させることが容易になる。
また本発明のプラズマインジェクターは、プラズマが結合誘導プラズマであり、噴射ノズルの先端部分に配置されたプラズマ発生手段が、噴射口を囲むカップ状部分とこのカップ状部分の周囲の誘導コイルとを有し、且つこのカップ状部分が電磁波を透過させる材料で作られているものでよい。
この態様によれば、誘導コイルに高周波電源から高周波電流を供給することによって、カップ状部分の内側に磁場を発生させ、渦電流を発生させて、カップ状部分の内側及びその付近で誘導的に結合誘導プラズマを発生させることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、プラズマが放電プラズマであり、噴射ノズルの先端部分に配置されたプラズマ発生手段が噴射口を囲むカップ状部分を有し、このカップ状部分が半導体性材料又は導電性材料で作られており、且つこのカップ状部分とノズル先端部分とが電気的に絶縁されてそれぞれが対電極となるようにされているものでよい。
この態様によれば、カップ状部分とノズル先端部分との間に電圧を印加することによって放電を発生させ、それによってカップ状部分の内側及びその付近で放電プラズマを発生させることができる。
また本発明のプラズマインジェクターは、プラズマが、放電プラズマ、マイクロ波プラズマ又は結合誘導プラズマであるものでよい。
結合誘導プラズマ又はマイクロ波プラズマを使用することは、電極（金属部分）を高温のプラズマに直接に露出させないことができるので、耐久性に関して好ましい。放電プラズマとしては、アーク放電プラズマ、コロナ放電プラプラズマ、例えばバリア放電プラズマを利用できる。アーク放電プラズマを使用することは、放電電流や放電電圧を増加することにより出力の増大が容易であり、安定な放電を長時間持続できる点、及びアーク放電を発生する装置及びアークを発生する技術が簡単であり、設備費が比較的廉価である点で好ましい。またバリア放電プラズマを使用することは、プラズマの安定性、電極の耐久性などに関して好ましい。
本発明の排ガス浄化システムは、排気管内に設けた触媒の上流側において還元剤を噴射する排ガス浄化システムであって、本発明のプラズマインジェクターによって還元剤を噴射することを特徴とする。
この本発明の排ガス浄化システムによれば、本発明のプラズマインジェクターでの、還元剤の気化、及び随意に反応性の高い低分子量成分の生成によって、下流の触媒への還元剤の拡散、及び還元剤と触媒との接触を促進することができる。これは、触媒上での還元反応を促進し、従って還元剤自身が未反応のまま大気中に放出されることを抑制する。
この本発明の排ガス浄化システムで使用される触媒は、ＮＯx浄化触媒、特にＮＯx吸蔵還元触媒又はＮＯx選択還元触媒でよい。
この態様によれば、触媒でのＮＯx還元反応を促進することができる。
本発明の他の排ガス浄化システムは、排ガス管内に設けた触媒の上流側において、インジェクターによって還元剤を噴射する排ガス浄化システムであって、インジェクターの噴射口近傍においてプラズマを発生させることを特徴とする。
この本発明の排ガス浄化システムによれば、噴射口近傍の比較的狭いプラズマ領域において、還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させること、及び／又は還元剤を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、還元剤を瞬時に気化させることができる。
反応性の高い低分子量成分の生成及び／又は還元剤の気化は、下流の触媒への還元剤の拡散及び還元剤と触媒との接触を促進することができる。これは触媒上での還元反応を促進し、還元剤自身が未反応のまま大気中に放出されることを抑制する。またインジェクターの噴射口近傍、すなわち排気管の全径にわたってではなく直径方向で一部においてのみプラズマを発生させることは、プラズマ化される空間を比較的狭くすること、すなわち比較的少ない消費エネルギーで大きいプラズマ密度を得ることを可能にする。
本発明の燃料噴射又は還元剤噴射方法は、還元剤を液滴状態で噴射し、そして噴射された液滴状態の還元剤を、少なくとも部分的にプラズマ化することによって気化させることを特徴とする。
本発明の還元剤噴射方法によれば、還元剤の噴射、特に比較的低温における比較的高沸点の還元剤の噴射において、還元剤を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、還元剤を瞬時に気化させ、空気等との混合を促進することができる。また場合によってはこの還元剤のプラズマ化によって、還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させることができる。
本発明のインジェクター、排ガス浄化システム、及び還元剤噴射方法によれば、噴射して供給される還元剤をラジカル化、クラッキングして反応性の高い低分子量成分に転化させること、及び／又は還元剤を噴射しただけでは充分に気化しない場合であっても、還元剤を瞬時に気化させることができる。
以下では本発明を図に示した実施形態に基づいて具体的に説明するが、これらの図は本発明の概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
［本発明のプラズマインジェクター］
本発明のプラズマインジェクターの概略を図２に関して説明する。
本発明のプラズマインジェクターは、噴射した還元剤を少なくとも部分的にプラズマ化できるものである。このプラズマ化は、図２で示すように、噴射ノズルの先端部分１８に位置する噴射口１９から、還元剤をプラズマ領域、特に噴射口１９近傍のプラズマ領域２０に噴射することによって行うことができる。
本発明のプラズマインジェクターで噴射される還元剤は、用途に応じて選択することができるが、例えばガソリン、軽油等の炭化水素、又はエーテル、アルコール等であってよい。尚、用語「還元剤」は、インジェクターからの供給物によって他の物質を還元させることを意図した用途において、この供給物を表すために使用される用語である。すなわち、内燃機関の動力エネルギーを発生させるための燃料としてガソリンを燃焼室内に噴射し、同時にこの内燃機関から排出される排ガス中のＮＯxを還元するために「還元剤」としてガソリンを排気管内に噴射することもある。当然に、内燃機関の動力源としての燃料と排ガスの浄化のための「還元剤」とが異なっていてもよい。
本発明のプラズマインジェクターの噴射ノズル部分としては、任意のノズル部分を使用できる。また例えば本発明のインジェクターは、図１に示すような、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための従来のインジェクターの機構を有することができる。
図２で示すように、本発明のプラズマインジェクターによるプラズマ化を噴射口１９近傍の領域において行う場合、この噴射口１９近傍のプラズマ領域２０は、本発明のプラズマインジェクターによって還元剤を噴射される排気管のような空間の全体ではなく一部であり、噴射口１９から５ｃｍ以内、特に２ｃｍ以内、より特に１ｃｍ以内の領域とすることができる。
本発明のプラズマインジェクターは、ノズル先端部分１８に、プラズマを発生させる手段を有することができる。このノズル先端部分１８のプラズマ発生手段としては、図３及び４に示すようなプラズマ発生手段を考慮することができる。
図３に示すプラズマインジェクターは、結合誘導プラズマを発生させるものである。この図３に示す結合誘導プラズマ発生手段３０では、図１に示すようなインジェクターのノズル先端部分１８に円筒状のカップ３２が配置されている。このカップ３２は電磁波を透過させる材料、例えば石英のような絶縁性材料で作られており、このカップ３２の周囲には、誘導電場を発生するための誘導コイル３３が配置されている。誘導コイル３３の一端には、マッチングボックス３６を介して高周波電源３５が接続されており、他端は接地されている。
この結合誘導プラズマインジェクターの使用においては、マッチングボックス３６によってインピーダンスを調整して高周波電源３５から誘導コイル３３に高周波電流を流し、カップ３２の内側で磁場を発生させ、渦電流を発生させ、それによってカップ３２内及びその付近で誘導的にプラズマ２０を発生させる。ここで使用する高周波電流としては、例えば２〜５０ＭＨｚ、特に３〜４０ＭＨｚの周波数を用いることができる。
図４に示すプラズマインジェクターは、放電プラズマを発生させるものである。この図４に示す放電プラズマ発生手段４０では、図１で示すようなインジェクターのノズル先端部分１８に円筒状のカップ４２が配置されている。このカップ４２とノズル先端部分１８とは、絶縁材料４３によって電気的に絶縁されており、それぞれが対電極となるように、カップ４２が電源４５に接続され、ノズル先端部分１８が接地されている。カップ４２とノズル先端部分１８とはいずれをカソードとすることも、またアノードとすることもできる。また図４ではノズル先端部分１８は接地されているが、電源４５に接続してカップ４２と反対の電圧を印加されるようにしてもよい。
この放電プラズマインジェクターの使用においては、電源４５によってカップ４２とノズル先端部分１８との間に放電を発生させ、それによってカップ４２内及びその付近でプラズマ２０を発生させる。
カップ４２及びノズル先端部分１８は、これらの間に電圧を印加して、これらを放電電極として使用できる材料で製造することができる。そのような材料として、導電性材料や半導体性材料を用いることができるが、金属材料、例えば銅、タングステン、ステンレス、鉄、アルミニウム等が好ましい。しかしながら特にアーク放電では電極が高温になるので、タングステンのような高融点材料を使用することが好ましい。また、バリア放電を使用するために、これらの導電性又は半導体性材料上に絶縁性材料を配置することもできる。
アーク放電を用いてこの放電プラズマインジェクターでプラズマを発生させる場合、電源４５は、例えば１〜５０Ｖの電圧及び５〜５００Ａの電流を供給することができる。このアーク放電ではカソードから放出される電子によって放電が持続される。アーク放電を生じさせるための電流としては、直流のみでなく交流を用いることもできる。
またコロナ放電を用いてこの放電プラズマインジェクターでプラズマを発生させる場合、電源４５は、パルス状の直流又は交流電圧を供給するものでよい。カップ４２とノズル先端部分１８との間の印加電圧としては、一般的には１ｋＶ〜１００ｋＶ、例えば４０ｋＶ〜６０ｋＶの電圧を使用することができる。また印加電圧のパルス周期は、１０ｍｓ〜０．１μｓ、特に０．１〜１０μｓにすることができる。
［本発明の排ガス浄化システム］
本発明の排ガス浄化システムは、図６に示すようなものであってよい。
この図６では、インジェクター１０、排気管７６、触媒、特にＮＯx吸蔵還元触媒又はＮＯx選択還元触媒のようなＮＯx浄化触媒７２、ケーシング７４を有する本発明の排ガス浄化システム７０が示されている。矢印７９は排ガス流れ方向を示している。また制御線１０ａを通じてインジェクター１０の還元剤噴射を制御できるようにされている。またプラズマ２０がインジェクター１０の噴射口近傍に存在することが示されている。この本発明の排ガス浄化システム７０は、プラズマ２０を発生させる手段を有する以外は、従来の排ガス浄化システムと同様なものであってよい。
インジェクター１０の噴射口近傍のプラズマ２０では、このインジェクター１０によって噴射される還元剤を反応性の高い低分子量成分に添加させること及び／又は気化させることができる。ここでこの噴射口近傍の領域は、インジェクターによって還元剤を噴射される排気管の全径にわたる領域ではなく一部の領域であり、例えばインジェクター１０の噴射口から５ｃｍ以内、特に２ｃｍ以内、より特に１ｃｍ以内の領域とすることができる。
本発明の排ガス浄化システム７０では、ガソリン、軽油等の内燃機関の動力源に使用される燃料を還元剤として噴射できるだけでなく、別個の還元剤を噴射することもできる。また、本発明の排ガス浄化システム７０で使用できるＮＯx浄化触媒は、排ガス、特に内燃機関からの排ガス中のＮＯxの還元を促進する触媒である。
また、ここで発生させるプラズマは、常に発生させておくこともできるが、還元剤を噴射する瞬間のみ、特に暖機がまだ充分ではない条件において還元剤を噴射する瞬間のみ発生させると、消費エネルギーに関して好ましい。
［プラズマ］
一般に知られているようにプラズマとは、自由運動する正と負の電荷をもつ２種以上の荷電粒子が共存する物質状態を意味する。従ってプラズマ状態では、存在する物質は高いポテンシャルエネルギーを有し、還元剤をプラズマ状態にし、ラジカル化、クラッキングを行って、反応性の高い低分子量成分に転化することができる。また還元剤が液滴状態で供給された場合にも瞬時に気化し、ラジカル化、クラッキングして、反応性の高い低分子量成分に転化することができる。
本発明に関してプラズマを発生させるためには様々な様式を考慮することができる。本発明は、プラズマを発生させる手段に限定されないが、例えば放電プラズマ、マイクロ波プラズマ又は結合誘導プラズマを使用することができる。以下ではこれらのそれぞれについて説明する。
［結合誘導プラズマ］
結合誘導プラズマは、プラズマを発生させる空間の周囲に巻いた誘導コイルに高周波電流を流し、誘導コイル内に磁場を発生させ、渦電流を発生させ、それによって誘導的に発生させるプラズマをいう。ここで使用する高周波電流としては、例えば２〜５０ＭＨｚ、特に３〜４０ＭＨｚの周波数を用いることができる。
この結合誘導プラズマは、電極（金属部分）をプラズマに高温のプラズマに直接に露出させないことができるので、耐久性に関して好ましい。
［放電プラズマ］
放電プラズマは、電極間の放電によって生じる高エネルギーの電子を気体分子に衝突させ、それによって気体分子をプラスイオンとマイナスイオンとにすることによって発生させるプラズマをいう。この放電プラズマを発生させるためには、任意の放電形態を使用できるが、アーク放電、又はコロナ放電、例えばバリア放電を利用できる。
アーク放電を用いてプラズマを発生させる場合、例えば１〜５０Ｖの電圧及び５〜５００Ａの電流を電極間に供給することができる。このアーク放電ではカソードから放出される電子によって放電が持続されている。アーク放電を生じさせるための電流としては、直流のみでなく交流を用いることもできる。
アーク放電を用いると、放電電流や放電電圧を増加することにより出力の増大が容易であり、安定な放電を長時間持続することできる。またアーク放電を発生する装置及びアークを発生する技術が簡単であり、設備費が比較的廉価である。
またコロナ放電を用いてプラズマを発生させる場合、パルス状の直流又は交流電圧を電極間に印加することができる。コロナ放電を行う電極間の印加電圧としては、一般的には１ｋＶ〜１００ｋＶ、例えば４０ｋＶ〜６０ｋＶの電圧を使用することができる。また印加電圧のパルス周期は、０．１〜１０ｍｓ以下、特に０．１〜１ｍｓにすることができる。尚、電極上に絶縁性材料を配置してバリア放電を行うことは、放電の安定性に関して好ましい。
［マイクロ波プラズマ］
マイクロ波プラズマは、マグネトロンのようなマイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波、例えば周波数２．５４ＧＨｚ程度のマイクロ波を、導波管を経由させてアンテナから照射し、電場強度を強めて発生させるプラズマをいう。
特に大気圧又はそれよりも高い気体圧力においてマイクロ波プラズマを発生させる場合、プラズマ励起体を使用し、このプラズマ励起体にマイクロ波を照射することによって、このプラズマ励起体の周囲でプラズマを発生させることが有利である。ここで使用されるプラズマ励起体は、マイクロ波の照射を受けてその周囲でのプラズマの励起を促進する任意の材料で作ることができ、例えば導電性セラミック、特にＳｉＣ焼結体のような導電性セラミック焼結体でよい。
このプラズマ励起体を使用するマイクロ波プラズマの発生は、図５に示すようにして行うことができる。この図５では、プラズマ励起体としてのＳｉＣ焼結体５２、このプラズマ励起体５２に照射されるマイクロ波５４、ガス流れを示す矢印５６、及び発生するプラズマ２０が示されている。
［プラズマによる還元剤のクラッキング］
還元剤を少なくとも部分的にプラズマ化することによって瞬時に還元剤の気化、ラジカル化、クラッキングを行えること自体は、プラズマの非常に高いエネルギー状態を考慮すれば充分に当業者に明らかである。しかしながら以下では、炭化水素（Ｃ13Ｈ28）のプラズマ化によってクラッキング等が行われることを実験によって確認した。
ここでは図７で示すような実験装置を用いた。実験においては、燃料供給部からの燃料（Ｃ13Ｈ28）とＮ2供給部からのキャリアガスとしてのＮ2とを混合し、ノズルを経由させてチャンバーに供給した。またノズル内での放電によって放電プラズマを発生させた。実験においては、この放電プラズマがノズルの先端から出ていることが観察された。Ｎ2供給部からのＮ2はチャンバーに直接的にも供給した。またチャンバーからの排気の一部にガスクロマトグラフ分析を行った。
ここでこの実験で使用してプラズマを発生させたノズルは、図８に示すようなものであった。ここでこの図８で示されるノズルは、中空円筒状電極９２とその中心線上に配置されたに棒状電極９４とからなり、これらの電極間にはガス流れ流路９６が形成されている。矢印９８はこのガス流れ流路９６を流通するガス流れを示している。またこのノズルは、中空円筒状電極９２とその中心線上に配置された棒状電極９４との間に、電源９３によって電圧を印加し、それによって中空円筒状電極９２の先端部９２ａと棒状電極９４の先端部９４ａとの間で放電を行えるようにされている。尚、ここでは円筒状電側の内側にガラス管を配置して、バリア放電が起こるようにされている。
この実験によれば、放電によってプラズマを発生させているときのみ、Ｃ1〜Ｃ3の成分がガスクロマトグラフ分析で測定された。これはプラズマが比較的大きい分子（Ｃ13Ｈ28）をクラッキングして、比較的小さい分子（Ｃ1〜Ｃ3）を作れることを示している。
従来のインジェクターの拡大断面図である。 本発明のプラズマインジェクターの概念を示す断面図である。 結合誘導プラズマを使用する本発明のプラズマインジェクターの１つの態様を示す概略断面図である。 放電プラズマを使用する本発明のプラズマインジェクターの他の態様を示す概略断面図である。 マイクロ波プラズマの発生機構を示す概略図である。 本発明の排ガス浄化システムを示す概略断面図である。 プラズマによる炭化水素分子のクラッキングを行う実験を示す概略図である。 図７で示す実験において使用したノズルを示す概略断面図である。
符号の説明
１０…インジェクター
１０ａ…インジェクターの制御線
１２…ノズル
１３…ノズル１２内部の中空空間
１４…ニードル弁
１５…還元剤供給通路
１６…ノズル１２内の環状流路
１８…ノズル先端部分
１９…ノズル先端部分１８の噴射孔
２０…プラズマ
３０…結合誘導プラズマ発生手段
３２、４２…カップ
３３…誘導コイル
３５、４５…電源
３６…マッチングボックス
４０…放電プラズマ発生手段
４３…絶縁性材料
５４…マイクロ波
５２…プラズマ励起体
５６…ガス流れ方向を示す矢印
７０…本発明の排ガス浄化システム
７６…排気管
７２…ＮＯx浄化触媒
７４…ケーシング
９２…中空円筒状電極
９２ａ…中空円筒状電極９２の先端部
９３…電源
９４…棒状電極
９４ａ…棒状電極９４の先端部
９６…ノズル内のガス流れ流路
９８…ノズル内のガス流れ方向を示す矢印

Claims (13)

  1. 燃料又は還元剤を噴射するインジェクターであって、噴射した燃料又は還元剤を少なくとも部分的にプラズマ化することを特徴とする、プラズマインジェクター。
  2. 燃料又は還元剤を液滴状態で噴射し、そして噴射された液滴状態の燃料又は還元剤を、少なくとも部分的にプラズマ化して気化させることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマインジェクター。
  3. 噴射ノズルと、前記噴射ノズルの先端部分の噴射口近傍においてプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のプラズマインジェクター。
  4. 前記プラズマ発生手段が、前記噴射ノズルの先端部分に配置されていることを特徴とする、請求項３に記載のプラズマインジェクター。
  5. 前記プラズマが結合誘導プラズマであり、噴射ノズルの先端部分に配置された前記プラズマ発生手段が、噴射口を囲むカップ状部分とこのカップ状部分の周囲の誘導コイルとを有し、且つ前記カップ状部分が電磁波を透過させる材料で作られている、請求項４に記載のプラズマインジェクター。
  6. 前記プラズマが放電プラズマであり、噴射ノズルの先端部分に配置された前記プラズマ発生手段が噴射口を囲むカップ状部分を有し、このカップ状部分が半導体性材料又は導電性材料で作られており、且つ前記カップ状部分とノズル先端部分とが電気的に絶縁されてそれぞれが対電極となるようにされている、請求項４に記載のプラズマインジェクター。
  7. 前記プラズマが、放電プラズマ、マイクロ波プラズマ又は結合誘導プラズマであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマインジェクター。
  8. 燃焼室内に直接に燃料を噴射する直憤式内燃機関であって、請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマインジェクターによって燃料を噴射することを特徴とする、直憤式内燃機関。
  9. 排気管内に設けた触媒の上流側において還元剤を噴射する排ガス浄化システムであって、請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマインジェクターによって前記還元剤を噴射することを特徴とする、排ガス浄化システム。
  10. 前記触媒がＮＯx浄化触媒である、請求項９に記載の排ガス浄化システム。
  11. インジェクターによって燃焼室内に直接に燃料を噴射する直憤式内燃機関であって、前記インジェクターの噴射口近傍においてプラズマを発生させることを特徴とする、直憤式内燃機関。
  12. 排ガス管内に設けた触媒の上流側において、インジェクターによって還元剤を噴射する排ガス浄化システムであって、前記インジェクターの噴射口近傍においてプラズマを発生させることを特徴とする、排ガス浄化システム。
  13. 燃料又は還元剤を液滴状態で噴射し、そして噴射された液滴状態の燃料又は還元剤を、少なくとも部分的にプラズマ化することによって気化させることを特徴とする、燃料又は還元剤噴射方法。
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