JP2006009703A - 燃料又は還元剤添加装置及び方法、並びにプラズマトーチ - Google Patents

Abstract

【課題】 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燃料又は還元剤添加装置及び方法、並びにこれらのために使用できるプラズマトーチを提供する。
【解決手段】 ガスをプラズマ化して供給するプラズマトーチ３０と、プラズマが供給される領域に燃料又は還元剤を噴射するインジェクター１８とを有する、燃料又は還元剤添加装置及びこの方法、並びにそれらのためのプラズマトーチとする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料又は還元剤添加装置及び方法、並びにこれらの装置及び方法のために使用できるプラズマトーチに関する。

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。これによれば炭化水素（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気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。

排ガス浄化のためのプラズマの使用は、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／又は反応性が高い燃料若しくは還元剤を、比較的容易に提供することができる、燃料又は還元剤添加装置及び方法が必要とされている。

本発明の燃料又は還元剤添加装置は、ガスをプラズマ化して供給するプラズマトーチと、プラズマが供給される領域に、燃料又は還元剤を噴射するインジェクターとを有する。

ここで、本明細書の記載において「プラズマトーチ」は、供給されるガスをプラズマ化して噴出させるプラズマ発生装置、特にその先端部から噴出させるプラズマ発生装置である。

本発明の燃料又は還元剤添加装置によれば、インジェクターから噴射される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、瞬時に気化させることを可能にする。

また本発明の燃料又は還元剤添加装置によれば、燃料又は還元剤を噴射するインジェクターの噴射口近傍において、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。

更に本発明の燃料又は還元剤添加装置によれば、燃料又は還元剤を単独でプラズマ化する場合と比較して、プラズマ中の燃料又は還元剤の濃度が低下するので、すすの発生を抑制することができる。

また更に本発明の燃料又は還元剤添加装置によれば、プラズマ化されるガスを、プラズマトーチの腐食が抑制されるように選択することが可能になる。

本発明の燃料又は還元剤添加装置の他の１つの態様では、プラズマ化されるガスが、窒素（Ｎ₂）、空気、アルゴン（Ａｒ）及び再循環排ガス（ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス）からなる群より選択される。

窒素、空気、アルゴン及び再循環排ガスをプラズマ化し、このプラズマに対してインジェクターから燃料又は還元剤を噴射することができるので、燃料又は還元剤のラジカル化、クラッキング、気化等を促進することができる。

特に空気及び／又はＥＧＲガスをプラズマトーチに供給してプラズマ化する場合、空気及び／又はＥＧＲガスに含有される水分は、プラズマ化されるとＯＨラジカル、Ｏラジカルを発生させることができる。これらのラジカルは、燃料又は還元剤のクラッキング、軽質化を促進し、またプラズマによって切断された燃料又は還元剤の分子鎖の末端に結合して、不飽和炭化水素の生成を防ぎ、すすの生成を抑制する。ここで軽質化又は低分子量化された燃料又は還元剤は、非常に活性な還元剤であり、多くの用途で好ましい。また、空気及び／又はＥＧＲガスをプラズマトーチに供給してプラズマ化する場合、空気及びＥＧＲガスはそれぞれ外気から及び排気流れから得られるので、プラズマトーチに供給するガスを貯蔵するタンク等が必要ない点で好ましい。

ＥＧＲガスをプラズマトーチに供給してプラズマ化する場合、ＥＧＲガスは比較的酸素濃度が低く、従って燃料又は還元剤を酸化によって消費する傾向が低い点、及びＥＧＲガスが、例えば約５％〜１０％といった比較的安定した濃度の水分を含有する点でも有利である。

本発明の燃料又は還元剤添加装置の他の態様では、プラズマが供給される領域に水を供給する水添加手段を有する。

ここでこの水添加手段は、水を添加する別個のインジェクターであることができるが、燃料又は還元剤を噴射するインジェクターが同時に水を添加する水添加手段として機能することもできる。

この態様によれば、燃料又は還元剤と共に水をプラズマ化してＯＨラジカル、Ｏラジカルを生成させ、燃料又は還元剤のクラッキング、軽質化を促進し、またすすの生成を抑制することができる。

本発明の燃料又は還元剤添加装置の１つの態様では、プラズマトーチと燃料又は還元剤を噴射するインジェクターとが分離されている。

この態様によれば、プラズマが供給される領域とインジェクターとを離して、プラズマによるインジェクターの劣化を防ぐことができる。

本発明の燃料又は還元剤添加装置の１つの態様では、インジェクターの噴射ノズルがプラズマトーチ内に配置されており、プラズマトーチの内壁とインジェクターの噴射ノズルとの間に、プラズマ化されるガスが流通するようにされている。

この態様によれば、プラズマとインジェクターから噴射される燃料又は還元剤との接触を改良することができる。

この態様では、インジェクターの噴射ノズルを放電電極として使用し、インジェクターの噴射ノズルと対になる電極との間に電圧を印加して放電を発生させて、インジェクターの噴射口近傍で放電プラズマを発生させることができる。

またこの態様では、インジェクターの噴射口の周囲に誘導コイルを配置し、噴射口の周囲の誘導コイルに高周波電源から高周波電流を供給して、噴射口近傍で磁場を発生させ、渦電流を発生させて、噴射口近傍で結合誘導プラズマを発生させることができる。

本発明の燃料又は還元剤添加装置の１つの態様では、プラズマが放電プラズマであり、且つプラズマ化されるガス、特にＥＧＲガスが、所定温度未満、特に１００℃未満、より特に１２０℃未満である場合には、プラズマトーチにおけるプラズマ化を行わない。

プラズマ化されるガスが冷却されて低温になると、このガス中に含有される水分が凝集して液体の水になることがある。特に、ＥＧＲガスは比較的水の含有率が比較的高いので、プラズマトーチへの供給の間に冷却されて液体水を生じることがある。本発明で用いるプラズマトーチが放電によってプラズマを発生させる場合、放電部分に液体水が存在すると、短絡及びそれによる装置の劣化の原因になることがある。従ってこの態様によれば、所定温度未満のときに放電を行わないことによって、装置の劣化等を避けることができる。

本発明の燃料又は還元剤添加装置の１つの態様では、燃料又は還元剤を添加する空間の酸素濃度が所定濃度超である場合には、プラズマトーチにおけるプラズマ化を行わない。

燃料又は還元剤を添加する空間の酸素濃度が高いと、燃料又は還元剤、特にガソリンのような比較的軽質の燃料又は還元剤をプラズマによってクラッキング、軽質化したときに、酸化又は燃焼反応によって比較的多くの燃料又は還元剤がその場で消費されることがある。従ってこの態様によれば、この空間の酸素濃度が所定濃度超、例えば１０％超、特に５％超のときに放電を行わないことによって、燃料又は還元剤を有効に利用することができる。これは、排ガス浄化のために排気管内に燃料又は還元剤を噴射する場合に、消費エネルギーに関して特に好ましいことがある。

本発明の燃料又は還元剤添加方法では、ガスをプラズマ化して供給し、このプラズマに対して燃料又は還元剤を噴射する。

本発明のプラズマトーチは、燃料又は還元剤を噴射するインジェクターの噴射口近傍に、ガスをプラズマ化して供給する。

本発明の燃料若しくは還元剤添加方法又はプラズマトーチによれば、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。

［本発明の燃料又は還元剤添加装置］
本発明の燃料又は還元剤添加装置の概略を図２に関して説明する。

本発明の燃料又は還元剤添加装置は、インジェクターから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。

ここでこのこのプラズマ領域は、燃料又は還元剤を噴射するインジェクターの噴射口近傍において、窒素、空気、アルゴン及び再循環排ガスのようなガスをプラズマトーチでプラズマ化して供給することによって形成される。

本発明の燃料又は還元剤添加装置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ＮＯ_x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。

本発明の燃料又は還元剤添加手段で使用できるインジェクターとしては、任意のインジェクターを使用できる。例えばこ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１０でよい。

図２で示すように、プラズマトーチによってインジェクターの噴射口１９近傍の領域にプラズマ領域２０を発生させる場合、この噴射口１９近傍のプラズマ領域２０は、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、例えば噴射口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。

本発明の燃料又は還元剤添加装置は任意の機構を有することができるが、例えば図３〜８に示すような機構を考慮することができる。

［放電プラズマを利用する本発明の燃料又は還元剤添加装置］
図３に示す燃料又は還元剤添加装置は、放電プラズマを利用するものである。この図３に示す燃料又は還元剤添加装置で使用されるプラズマトーチ３０では、窒素等のプラズマ化されるガスを流通させる導電性の円筒状導管３２の中心軸上に放電電極３６が配置されており、これらの導管３２と放電電極３６との間に絶縁材３４が配置されている。また、導管３２と放電電極３６とは、それぞれが対電極となるようにして、それぞれ接地及び電源３８に接続されている。導管３２と放電電極３６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。また導管３２と放電電極３６とは、いずれを接地することもできる。

この燃料又は還元剤添加装置の使用においては、電源３８によって導管３２と放電電極３６との間に放電を発生させ、それによってプラズマトーチ３０内の流路を通して供給されるガス３３をプラズマ化する。燃料又は還元剤は、インジェクター１０からこのプラズマ化された領域２０に噴射する。

尚、この図３においては、導管を一方の電極として使用しているが、放電電極３６と対になる別個の電極を用いることも当然に可能である。

また図４に示すように、燃料又は還元剤を噴射するインジェクター１０の噴射ノズルをプラズマトーチ３０’内に配置し、プラズマトーチ３０’の内壁とインジェクター１０の噴射ノズルとの間に、プラズマ化されるガス３３が流通するようにし、且つこのインジェクター１０の噴射ノズルを一方の電極として使用することもできる。

また更に、プラズマが発生する領域に更に水を供給する場合、図５に示すように、水を噴射する追加のインジェクター１０’を使用することができる。またこの場合、燃料又は還元剤を噴射するインジェクター１０の代わりに、図６に示すように同軸の２つの流路を有し、燃料又は還元剤と水とを共に噴射できるノズル部分１８’を使用することもできる。

プラズマトーチにおいて電極として使用する部分は、電極間に電圧を印加して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。

ここで発生させる放電プラズマは、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トーチでプラズマを発生させる場合、電源３８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。

アーク放電は、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することできる点で有利である。またアーク放電は、アーク放電を発生させる装置及び技術が簡単であり、設備費が比較的廉価である点で有利である。

またコロナ放電を用いてプラズマトーチでプラズマを発生させる場合、電源３８は、パルス状の直流又は交流電圧を供給するものでよい。電極間の印加電圧としては、一般的には１ｋＶ〜１００ｋＶ、例えば５ｋＶ〜２０ｋＶ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、０．１μｓ〜１０ｍｓ、特に０．１〜１０μｓ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、プラズマの安定性、電極の耐久性などに関して好ましい。

［結合誘導プラズマを利用する本発明の燃料又は還元剤添加装置］
図７に示す本発明の燃料又は還元剤添加装置は、結合誘導プラズマを利用するものである。この図７に示す燃料又は還元剤添加装置で使用されるプラズマトーチ４０では、窒素等のプラズマ化されるガスを流通させる導管４２の先端部分が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、この先端部分の周囲に、誘導電場を発生するための誘導コイル４４が配置されている。誘導コイル４４の一端には、マッチングボックス４９を介して高周波電源４８が接続されており、他端は接地されている。

この燃料又は還元剤添加装置の使用においては、マッチングボックス４９によってインピーダンスを調整して高周波電源４８から誘導コイル４４に高周波電流を流し、導管４２の先端部分の内側において磁場を発生させ、渦電流を発生させ、それによって導管４２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。

この結合誘導プラズマは、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。

結合誘導プラズマを使用する本発明の燃料又は還元剤添加装置では、放電プラズマを使用する本発明の燃料又は還元剤添加装置に関して説明したとの同様に、燃料又は還元剤を噴射するインジェクター１０の噴射ノズルをプラズマトーチ内に配置すること、及びプラズマが発生する領域に更に水を供給することができる。

［マイクロ波プラズマを利用する本発明の燃料又は還元剤添加装置］
図８に示すプラズマトーチ５０は、マイクロ波プラズマを発生させるものである。この図８に示すプラズマトーチ５０では、プラズマ化するガスを流通させる導管内に、マイクロ波５６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プラズマ励起体５５、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が配置されている。

このプラズマトーチ５０の使用においては、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プラズマ化するガスに対して照射し、電場強度を強めてプラズマを発生させる。

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５５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。

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。

マイクロ波プラズマを使用する本発明の燃料又は還元剤添加装置では、放電プラズマを使用する本発明の燃料又は還元剤添加装置に関して説明したとの同様に、燃料又は還元剤を噴射するインジェクター１０の噴射ノズルをプラズマトーチ内に配置すること、及びプラズマが発生する領域に更に水を供給することができる。

［プラズマトーチへのガスの供給機構］
プラズマ化するガスをプラズマトーチに供給するためには任意の機構を使用することができる。例えば、プラズマ化されるガス、特に窒素又はアルゴンは、これらのガスを保持するタンクから供給することができる。また、排気管への還元剤の添加において、プラズマ化されるガスが空気である場合、図９に示すように、随意にポンプを用いて、周囲から供給することができる。また更に、プラズマ化されるガスが再循環排ガスである場合、図１０（ａ）及び（ｂ）で示すように、ＮＯ_x吸蔵還元触媒又はＮＯ_x選択還元触媒のような排ガス浄化触媒の下流、又はプラズマトーチの下流であって排ガス浄化触媒の上流から、再循環させることができる。

プラズマ化されるガスの温度を測定する場合、図９、並びに図１０（ａ）及び（ｂ）で示すように、プラズマトーチへのガスの供給路に温度センサーを配置することができる。またプラズマトーチ自身に温度センサーを配置してガス温度を測定することもできる。

燃料又は還元剤を添加する空間の酸素濃度を測定する場合、その空間自体の酸素濃度を測定するだけでなく、図９、並びに図１０（ａ）及び（ｂ）で示すように、その空間の上流において酸素濃度を測定することもできる。

［本発明の燃料又は還元剤添加方法、及びプラズマトーチ］
本発明の燃料又は還元剤添加装置及びプラズマトーチは、上記燃料又は還元剤添加装置についての説明に関して説明されているようなものである。
［直噴式内燃機関］
本発明の燃料又は還元剤添加装置及び方法並びにプラズマトーチを使用できる直噴式内燃機関は、図１１に示すようなものである。

この図１１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。この直噴式内燃機関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。

このような直噴式内燃機関６０のために本発明の燃料若しくは還元剤添加装置又は方法、又はプラズマトーチを使用すると、インジェクター１０によって噴射される燃料を、プラズマ領域２０において反応性の高い低分子量成分に転化させること及び／又は気化させることができる。これは、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て、未燃焼燃料の排出やＰＭの生成を抑制する。

また、ここで発生させるプラズマ２０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。

［排ガス浄化システム］
本発明の燃料又は還元剤添加装置及び方法並びにプラズマトーチを使用できる排ガス浄化システムは、図１２に示すようなものである。

この図１２では、インジェクター１０、排気管７６、触媒、特にＮＯ_x吸蔵還元触媒又はＮＯ_x選択還元触媒のようなＮＯ_x浄化触媒７２、ケーシング７４を有する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。

こ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、この排ガス浄化システム７０で使用できるＮＯ_x浄化触媒は、排ガス、特に内燃機関からの排ガス中のＮＯ_xの還元を促進する触媒である。

このような排ガス浄化システムのために本発明の燃料若しくは還元剤添加装置又は方法、又はプラズマトーチを使用すると、インジェクター１０によって噴射される還元剤を、プラズマ領域２０において反応性の高い低分子量成分に転化させること及び／又は気化させることができる。これは、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して、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。またこの排ガス浄化システムで使用される触媒が、ＮＯ_x浄化触媒、特にＮＯ_x吸蔵還元触媒又はＮＯ_x選択還元触媒である場合、触媒でのＮＯ_x還元反応を促進することができる。

また、ここで発生させるプラズマ２０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。

［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１３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１４に示すようなものであった。この図１４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。 本発明の燃料又は還元剤添加装置の概念を示す断面図である。 放電プラズマを使用する本発明の燃料又は還元剤添加装置の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燃料又は還元剤添加装置の他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燃料又は還元剤添加装置の更に他の態様を示す概略断面図である。 本発明の燃料又は還元剤添加装置で使用できる燃料及び水噴射ノズルを示す概略断面図である。 結合誘導プラズマを使用する本発明の燃料又は還元剤添加装置の１つの態様を示す概略断面図である。 マイクロ波プラズマを使用する本発明の燃料又は還元剤添加装置の１つの態様を示す概略断面図である。 プラズマトーチに空気を供給する供給機構の１つの態様を示すブロック図である。 プラズマトーチにＥＧＲガスを供給する供給機構の１つの態様を示すブロック図である。 本発明の燃料又は還元剤添加装置を使用できる直噴式内燃機関を示す概略断面図である。 本発明の燃料又は還元剤添加装置を使用できる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１３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、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、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、３０’、３０”…放電プラズマトーチ
３２、４２…円筒状の導管
３３…プラズマ化されるガスの流れ
３４…絶縁体
３６…放電電極
３８…電源
４０…結合誘導プラズマトーチ
４４…誘導コイル
４８…高周波電源
４９…マッチングボックス
５０…マイクロ波プラズマトーチ
５５…プラズマ励起体
５６…マイクロ波
６０…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…排ガス浄化システム
７６…排気管
７２…ＮＯ_x浄化触媒
７４…ケーシング
７９…排ガス流れ
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 (9)

1. ガスをプラズマ化して供給するプラズマトーチと、
   前記プラズマが供給される領域に、燃料又は還元剤を噴射するインジェクターと、
   を有する、燃料又は還元剤添加装置。
2. プラズマ化される前記ガスが、窒素、空気、アルゴン及び再循環排ガスからなる群より選択される、請求項１に記載の燃料又は還元剤添加装置。
3. 前記プラズマが供給される領域に水を供給する水添加手段を有する、請求項１又は２に記載の燃料又は還元剤添加装置。
4. 前記プラズマトーチと前記インジェクターとが分離されている、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料又は還元剤添加装置。
5. 前記インジェクターの噴射ノズルが前記プラズマトーチ内に配置されており、前記プラズマトーチの内壁と前記インジェクターの噴射ノズルとの間に、プラズマ化される前記ガスが流通するようにされている、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料又は還元剤添加装置。
6. 前記プラズマが放電プラズマであり、且つプラズマ化される前記ガスが所定温度未満である場合には、前記プラズマトーチにおけるプラズマ化を行わない、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料又は還元剤添加装置。
7. 前記燃料又は還元剤を添加する空間の酸素濃度が所定濃度超である場合には、前記プラズマトーチにおけるプラズマ化を行わない、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料又は還元剤添加装置。
8. ガスをプラズマ化して供給し、このプラズマに対して燃料又は還元剤を噴射する、燃料又は還元剤添加方法。
9. 燃料又は還元剤を噴射するインジェクターの噴射口近傍に、ガスをプラズマ化して供給する、プラズマトーチ。

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