JP2014515798A - ディーゼル燃料の水蒸気改質を使用して生成された還元剤によってガスを処理するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

炭化水素を含んだ高温排気ガスを処理するためのシステムおよび方法を提供する。この方法は、気化したディーゼル燃料と水蒸気の混合気を含んだ第１のガスを提供するステップと、ストリーマーの組み合わせを含んだ少なくとも１回のコロナ放電を使用して前記第１のガスを処理することにより、部分酸化した揮発性の炭化水素（ＰＯ−ＨＣ）および水素ガス（Ｈ_２）を含んだ第２のガスへと前記第１のガスを変換するステップとを備え、前記ストリーマーの組み合わせは主に表面ストリーマーを含む。この方法はまた、気化したディーゼル燃料の少なくとも一部および水蒸気を前記第２のガスから抽出して第３のガスを形成するステップと、前記第３のガスおよび前記排気ガスの組み合わせを窒素酸化物（ＮＯｘ）還元反応器へと導くステップとを備える。

Description

（発明の分野）
本発明は、汚染物質を含んだガスを処理するシステムに関する。より詳細には、本発明は、コロナ放電プラズマ反応器を用いたディーゼル燃料の水蒸気改質により生成される還元剤を使用して、汚染物質を含んだガスを処理するシステムおよび方法に関する。

（背景）
ディーゼル排気は、ＣＯ、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、および煤粒子のような汚染物質を含んでおり、これらの汚染物質は、ディーゼル排気を安全に環境に放出する前に除去することが必要とされる。一般に、窒素酸化物の約９０パーセントが、通常は破壊が難しいとされる一酸化窒素（ＮＯ）として存在している。残りの窒素酸化物は通常は二酸化窒素（ＮＯ_２）で構成されており、二酸化窒素は、炭化水素選択的触媒還元（Ｈ−ＳＣＲ）、または尿素選択的触媒還元Ｕ−ＳＣＲによって破壊することができる。一般には、ＣＯ、ＨＣ、煤粒子を除去するための酸化触媒およびディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）に基づくいくつかの技術を利用することができる。しかしながら、ＮＯｘを破壊／除去するための技術は未だ開発途上にある。

（概要）
様々な実施形態は、ガスを処理するためのシステムおよび方法に関する。第１の実施形態では、炭化水素を含んだ高温排気ガスを処理するための方法を提供する。前記方法は、気化したディーゼル燃料と水蒸気の混合気を含んだ第１のガスを提供するステップと、ストリーマーの組み合わせを含んだ少なくとも１回のコロナ放電を使用して前記第１のガスを処理することにより、部分酸化した揮発性の炭化水素（ＰＯ−ＨＣ）および水素ガス（Ｈ_２）を含んだ第２のガスへと前記第１のガスを変換するステップとを含み、前記ストリーマーの組み合わせは主に表面ストリーマーを含んでいる。前記方法はまた、気化したディーゼル燃料の少なくとも一部および水蒸気を前記第２のガスから抽出して第３のガスを形成するステップと、前記第３のガスおよび前記排気ガスの組み合わせを窒素酸化物（ＮＯｘ）還元反応器へと導くステップとを含んでいる。前記方法はまた、前記高温排気ガスを使用して放電チャンバーを加熱するステップを含むことができる。

前記方法において、前記提供のステップは、液体ディーゼル燃料と水の混合液を熱交換器へと導くステップと、前記高温排気ガスを前記熱交換器に接触させることにより前記混合液を気化させて前記第１のガスを発生させるステップとを含むことができる。

前記処理のステップは、複数の誘電体部分によって画定された１つ以上の放電チャンバーを提供するステップを含むことができ、前記放電チャンバーのそれぞれは、放電チャンバー内に電界を発生させるための第１および第２の電極からなる１つ以上のセットを備えており、前記複数の誘電体部分ならびに前記第１および第２の電極のセットは、前記放電チャンバーのそれぞれの内部に空間を画定するように配置されていて、その空間によって容量ストリーマー（volume-streamers）の形成が妨げられており、前記放電チャンバーは、近接した複数の放電チャンバーで生成したパルス電界が実質的に相互に作用しないように構成されている。前記処理のステップは、前記第１のガスを前記放電チャンバーへと導くステップと、前記第１および第２の電極の各セットにより前記放電チャンバー内で生成したパルス電界を使用して前記放電チャンバー内でコロナ放電を生成するステップと、前記放電チャンバーから前記第２のガスを放出するステップとをさらに含むことができる。

前記抽出のステップは、前記第２のガスを熱交換器へと導くステップと、前記熱交換器内の前記第２のガスを冷却して前記第２のガスから水および液体ディーゼル燃料を凝縮させるステップとをさらに含むことができる。前記提供のステップは、凝縮した水および凝縮した液体ディーゼル燃料を使用して前記第１のガスの少なくとも一部を形成するステップをさらに含むことができる。

本発明の第２の実施形態では、排気システムが提供される。前記システムは、窒素酸化物（ＮＯｘ）除去反応器と、炭化水素を含んだ高温排気ガスを受け入れるように、かつ、前記高温排気ガスを触媒反応器へと導くように構成された吸入部と、前記高温排気ガスによって加熱される改質システムとを備えることができる。前記改質システムは、気化したディーゼル燃料と水蒸気の混合物を含んだ第１のガスを、ストリーマーの組み合わせを含んだ少なくとも１回のコロナ放電を使用して処理することにより、部分酸化した揮発性の炭化水素（ＰＯ−ＨＣ）および水素（Ｈ_２）を含んだ第２のガスへと前記第１のガスを変換するためのガス処理装置を備えることができ、前記ストリーマーの組み合わせは主に表面ストリーマーを含んでおり、前記改質システムは、気化したディーゼル燃料の少なくとも一部および水蒸気を前記第２のガスから抽出して第３のガスを形成し、前記第３のガスを前記吸入部へと導くための再利用システムをさらに備えることができる。いくつかの構成では、熱交換器が前記吸入部に配置されている。さらに、前記ＮＯｘ除去反応器は、炭化水素選択的触媒還元（Ｈ−ＳＣＲ）反応器およびＮＯｘ吸収剤のうちの少なくとも１つを備えている。

前記改質システムは、液体ディーゼル燃料と水の混合液を受け入れるとともに前記第１のガスを生成するための第１の熱交換器をさらに備えることができ、前記第１の熱交換器は、前記高温排気ガスを使用して前記混合液を気化させることにより前記第１のガスを生成するように構成されている。前記システムは、前記第１の熱交換器に水を提供するための水供給源と、前記第１の熱交換器に液体ディーゼル燃料を提供するための燃料供給源とをさらに備えることができる。

前記再利用システムは、プラズマ反応器の排出口に連結されて、かつ、前記第２のガスから水および液体ディーゼル燃料を凝縮させることによって第３のガスを生成するように構成された第２の熱交換器と、凝縮した水および凝縮した液体ディーゼル燃料を前記第２の熱交換器から前記第１の熱交換器へと導くための再利用供給ラインと、前記第３のガスを前記第２の熱交換器から前記吸入部へと導くための反応剤供給ラインとを備えることができる。

前記ガス処理装置は、複数の誘電体部分によって画定された１つ以上の放電チャンバーを備えることができ、前記放電チャンバーのそれぞれは、放電チャンバー内に電界を発生させるための第１および第２の電極からなる１つ以上のセットを備えており、前記複数の誘電体部分ならびに前記第１および第２の電極のセットは、前記放電チャンバーのそれぞれの内部に空間を画定するように配置されていて、その空間によって容量ストリーマーの形成が妨げられており、前記放電チャンバーは、近接した複数の放電チャンバーで生成したパルス電界が実質的に相互に作用しないように構成されている。いくつかの例では、前記高温排気ガスを使用して前記放電チャンバーを加熱することが提供されうる。さらに、前記放電チャンバーを前記吸入部に配置することができる。

本発明の第３の実施形態では、ディーゼル燃料駆動システムが提供される。前記システムは、排気ガスを放出するための排気口を有するディーゼル燃料エンジンと、炭化水素選択的触媒還元（Ｈ−ＳＣＲ）反応器と、前記排気ガスを前記排気口から前記Ｈ−ＳＣＲ反応器へと導くように構成された吸入部と、前記吸入部に少なくとも部分的に配置されたガス処理装置とを備えることができ、前記ガス処理装置は、気化したディーゼル燃料と水蒸気の混合物を含んだ第１のガスを、ストリーマーの組み合わせを含んだ少なくとも１回のコロナ放電を使用して処理することにより、部分酸化した揮発性の炭化水素（ＰＯ−ＨＣ）および水素（Ｈ_２）を含んだ第２のガスへと前記第１のガスを変換するように構成されており、前記ストリーマーの組み合わせは主に表面ストリーマーを含んでいる。前記システムはまた、前記吸入部に少なくとも部分的に配置されて、かつ、前記排気口の熱を使用して水および液体ディーゼル燃料から前記第１のガスを生成するように構成された第１の熱交換器と、プラズマ反応器に連結されて前記第２のガスを受け入れる再利用システムとを備えており、前記再利用システムは、前記第２のガスから液体ディーゼル燃料および水を抽出して第３のガスを形成し、前記第３のガスを前記吸入部へと導き、抽出された液体ディーゼル燃料および抽出された水を前記第１の熱交換器へと導くように構成されている。前記第１の熱交換器は前記吸入部に配置することができる。

前記システムはまた、前記第１の熱交換器に水を提供するための水供給源と、前記第１の熱交換器および前記ディーゼル燃料エンジンに液体ディーゼル燃料を提供するための燃料供給源とを備えることができる。

前記再利用システムは、前記プラズマ反応器の排出口に連結されて、かつ、前記第２のガスから水および液体ディーゼル燃料を凝縮させることによって前記第３のガスを生成するように構成された第２の熱交換器と、凝縮した水および凝縮した液体ディーゼル燃料を前記第２の熱交換器から前記第１の熱交換器へと導くための再利用供給ラインと、前記第３のガスを前記第２の熱交換器から前記吸入部へと導くための反応剤供給ラインとを備えることができる。

前記ガス処理装置は、複数の誘電体部分によって画定された１つ以上の放電チャンバーを備えることができ、前記放電チャンバーのそれぞれは、放電チャンバー内に電界を発生させるための第１および第２の電極からなる１つ以上のセットを備えており、前記複数の誘電体部分ならびに前記第１および第２の電極のセットは、前記放電チャンバーのそれぞれの内部に空間を画定するように配置されており、その空間によって容量ストリーマーの形成が妨げられており、前記放電チャンバーは、近接した複数の放電チャンバーで生成したパルス電界が実質的に相互に作用しないように構成されている。前記放電チャンバーは前記吸入部に配置することができる。

本発明の第４実施形態では、排気システムが提供される。前記システムは、窒素酸化物（ＮＯｘ）除去反応器と、炭化水素を含んだ高温排気ガスを受け入れるように、かつ、前記高温排気ガスを触媒反応器へと導くように構成された吸入部と、前記吸入部内の前記高温排気ガスによって加熱される改質システムとを含み、前記改質システムは、気化したディーゼル燃料と水蒸気の混合物を含んだ第１のガスを、容量ストリーマーおよび表面ストリーマーを含んだ少なくとも１回のコロナ放電を使用して処理することにより、部分酸化した揮発性の炭化水素（ＰＯ−ＨＣ）および水素（Ｈ_２）を含んだ第２のガスへと前記第１のガスを変換するためのプラズマ反応器と、気化したディーゼル燃料の少なくとも一部および水蒸気を前記第２のガスから抽出して第３のガスを形成し、前記第３のガスを前記吸入部へ導くための再利用システムとを備える。

前記システムにおいて、前記プラズマ反応器は、前記第１のガスを処理するための２つ以上の放電チャンバーを画定している複数の誘電体部分と、前記放電チャンバーのそれぞれに配置された第１および第２の電極と、近接した複数の放電チャンバーの間に設けられた導電性シールド部とを備える。さらに、前記複数の誘電体部分ならびに前記第１および第２の電極は、前記放電チャンバー内の全エネルギー密度の大部分が前記表面ストリーマーによるものとなるように設けられている。

本発明の様々な実施形態を説明するのに有用な表面ストリーマーをベースにしたプラズマ反応器の上面図。 本発明の様々な実施形態を説明するのに有用な表面ストリーマーをベースにしたプラズマ反応器の側面図。 本発明の一実施形態によるガス処理装置の第１の構成例の部分断面図。 本発明の一実施形態によるガス処理装置の構成例の部分展開図。 本発明の一実施形態によるガス処理装置の構成例の部分組立図。 本発明の一実施形態によるガス処理装置の別の構成例の部分断面図。 一実施形態に従って構成された例示的なディーゼル燃料駆動システムの概略図。 本発明の一実施形態に従って構成され、電気回路を支持するガス処理装置を含んだシステムを示す。 制御システムとして実行されうる計算装置の詳細なブロック図。

本発明は添付の図面を参照して説明されるが、全図面を通じて、類似または同等の要素は同様の参照符号を用いて示される。図面は縮尺通りには描かれておらず、また、これらは単に本発明を例示するために提供されている。本発明のいくつかの態様は、例証のために例示の出願を参照しながら以下に記載される。多数の特定の詳細、関係、および方法は、本発明を完全に理解するために述べられていることが理解されるべきである。しかし、関連する技術の当業者は、１つ以上の特定の詳細を省いても、あるいは別の方法を用いても本発明が実施できることを容易に認識するであろう。別の例では、本発明が不明瞭になるのを避ける目的で、周知の構造または動作についての詳細を示していない。本発明は、例示の順序の作用または事象によって制限されることはなく、ある作用が他の作用または事象と異なる順序および／または同時に起こる場合がある。さらに、本発明による方法を実施するために、全ての例証された作用または事象が必要であるわけではない。

上述したように、ディーゼルエンジン排気および他の化石燃料エンジン排気の処理における主要な懸念は、ＮＯｘの破壊または除去、特にＮＯの破壊である。ＮＯに対処する方法の１つは、酸化触媒を使用してＮＯを酸化させてＮＯ_２に変化させた後、Ｈ−ＳＣＲまたはＵ−ＳＣＲを使用してＮＯ_２を除去するものである。しかし、このようなアプローチでは一般に、還元剤、すなわち炭化水素、水素、または尿素を車載供給（on-board supply）する必要がある。ディーゼル燃料システムの例では、ディーゼル燃料自体が炭化水素を含んでいるが、これらの炭化水素は一般に長鎖炭化水素および芳香族化合物であり、Ｈ−ＳＣＲプロセスにおける有効な還元剤ではない。解決策は、ディーゼル燃料を改質して、水素（Ｈ_２）および部分酸化した炭化水素（ＰＯ−ＨＣ）を得るというものである。ＰＯ−ＨＣは、Ｈ−ＳＣＲプロセスのための有効な還元剤である。

燃料改質の１つの選択肢として、プラズマ処理の使用がある。プラズマ、つまり部分イオン化ガスは、高電圧放電によって形成することができる。プラズマは、イオンならびに中性粒子が熱平衡に近い熱プラズマであるか、または、電子が選択的に加熱される一方で、より重いイオンおよび中性粒子は室温のまま残る非熱プラズマでありうる。例えば、パルスコロナ放電において、上昇時間および持続時間の短い高電圧パルスが電極間に印加される。軽量な電子は高エネルギー状態まで加速するが、一方、これよりも重いイオンは、電圧パルス中に高エネルギー状態まで加速する十分な時間がない。高エネルギー電子は最終的に周囲ガス分子と衝突して、解離、励起、イオン化を引き起こす。これらのプロセスは、Ｎ、Ｏ、Ｏ_３などの化学活性種を生じさせる。高エネルギー電子および化学活性種は炭化水素分子と反応し、これを変換させる。しかし、従来の熱プラズマおよび非熱プラズマ反応器は通常、大量のエネルギーを消費する。さらに、大量のガスを効率的に処理するためには、非熱プラズマ反応器がかなり大きな体積を占有する。その結果、従来の非熱プラズマ反応器の構成を使用して、プラズマ反応器に基づく水蒸気改質を用いる、軽量でコンパクトな排気システムを組み立てることが通常は困難になる。

したがって、パルスコロナ放電を用いた高効率でコンパクトな表面プラズマ反応器を利用する様々な実施形態が新規の排気システムおよび方法を提供している。このような反応器は一般に、従来の容量プラズマ反応器と比較して、炭化水素の変換に要するエネルギー消費が著しく小さい。特に、並列動作が可能な複数の放電チャンバーの積層配置を含む排気システムには、プラズマ反応器の構成が設けられる。これらの表面プラズマ反応器のコンパクトなサイズは、特に車両における用途に有利である。このようなプラズマ反応器の動作および構成について、以降に示す図１〜図４に関連して記載する。

図１Ａおよび図１Ｂは、主に本発明について記載する上で有用な表面ストリーマーを促進するように構成されたプラズマ反応器１００の上面図および側面図をそれぞれ示す。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、反応器１００は、放電容量または放電チャンバー１０２を画定している筐体である。放電チャンバー１０２は、表面の集合体によって画定されている。例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、放電チャンバーは、対向する上方および下方の誘電体部分すなわち誘電面１０４と、対向する誘電端部１０６と、側方部すなわち側面部１０８とによって画定されている。

反応器１００は、ガスを放電チャンバー１０２の内外へそれぞれ導く吸入口ａ１１４、排出口１１６をさらに含むことができる。図１Ａ〜図１Ｂに示す構成において、反応器１００は、端部１０６に設置された１つの吸入口１１４および１つの排出口１１６を含むものとして示されている。しかし、吸入口および排出口の数と配置とは、反応器１００によって変更できる。

さらに、放電チャンバー１０２は、１、１０、または１００マイクロ秒よりも短いパルスのような、短い高電圧パルスを使用して、内部においてプラズマを発生させる電極１１０，１１２を含む。短パルスを使用することで、アークの発生を防ぐ。図１Ａに示すように、反応器１００は陽極電極１１０を含む。図１では、陽極電極１１０は放電チャンバー１０２を横断して挿入された形で示されている。電極１１０は、この分野において周知であり、また、用途に適しているであるように、ストリーマーを生成することができるネジロッド、シャープなエッジ、または任意の他の電極の局所構成であってもよい。

反応器１００は１つ以上の陰極電極１１２も含む。図１Ａおよび図１Ｂに示す構成では、第２の電極は、側方側面部１０８の内面に配置した固体電導体として示されている。しかし、側方側面部１０８と電極１１２とを一体形成することができる。さらに、陰極電極１１２もワイヤメッシュ、平板、ワイヤ、または、技術上周知の他の導電電極の形態であってよい。これに加え、側方側面部１０８および電極１１２は、ガスの流れが陰極１１２を介して放電チャンバー１０２に出入りできるように構成することができる。例えば、ガス吸入口１１４から反応器１００内までを側方側面部１０８に沿って設置することと、陰極電極１１２を、ガスが陰極電極１１２を介して放電チャンバー１０２内に流入できるようなサイズまたは構成にすることとによって達成される。処理済みのガスは、別の陰極電極１１２および側面部１０８を介してガス排出口１１６によって排出される。

図１Ａ〜図１Ｂに示すように、反応器１００は、電極１１０，１１２からなる実質的にワイヤ対平板配置（wire-to-plate arrangement）を示している。図１Ａに示すように、この場合にワイヤである陽極電極１１０は、２つの陰極電極１１２に対して等しい距離で配置されている。しかし、本発明の様々な実施形態は、反応器の構成例に限定されない。例えば陽極電極１１０の位置を変えることが可能であり、陰極電極１１２の間に正確に等距離で配置する必要はない。さらに、電極１１０を最初の誘電体部分１０４上またはその付近に配置できる。しかし、様々な実施形態はこれに限定されるものではなく、誘電体部分１０４に対する電極１１０の位置は変更できる。つまり、反応器１００内に主に表面ストリーマーが生成されるよう、両シートまでのワイヤの距離を十分に短くすることができさえすれば、電極１１０は、いずれかの誘電体部分１０４の上またはその付近に、または２つの表面１０４間で各表面までが等距離となる位置に、または該表面間の任意の位置に配置することができる。

さらに、様々な実施形態はワイヤ対平板構成に限定されるものではない。したがって、陽極および陰極電極は、いくつかの例を挙げると、平板対平板構成、ポイント対ワイヤ構成、またはポイント対平板構成にて配置することができる。さらに、様々な実施形態において電極の役割を反転させることができる。つまり、電極１１０と電極１１２とを入れ替えて、それぞれ陰極、陽極とすることが可能である。

反応器１００の１つの例示的な構成では、反応器１００を、ガラス、セラミック、またはその他の耐高温性誘電材料からなるシートまたは膜を使用して、誘電面１０４として、直径１５０マイクロメートルのステンレス鋼製ワイヤを陽極電極１１０として、厚さ６ｍｍのアルミニウム片を陰極電極１１２として構成できる。端部１０６も、ガラス、セラミック、またはその他の耐高温誘電材料を使用して形成できる。適切な耐高温誘電材料の一例は、コーニング社（Corning Incorporated、ニューヨーク州ニューヨーク市）のＭＡＣＯＲ（登録商標）である。しかし、様々な実施形態は、上述した例示の材料に限定されない。例えば、電極１１０、１１２は、任意の導電性または半導電性材料で製造することができる。しかし、ステンレス鋼、銅、銀、タングステン、またはこれらの合金といった金属は、優れた性能を提供する。

上記のような材料を使用した反応器の例示的な寸法と、達成できるエネルギー／パルス（energy per pulse）とを表１に挙げる。

表１で、反応器４は、放電ギャップがシリンダ直径により画定され、容量ストリーマーモードで動作する従来の同軸反応器（図示せず）である。反応器１，２，３は、図１Ａおよび図１Ｂに従って構成され、表面ストリーマーモードで動作する反応器である。比較の目的で、反応器４についての寸法および達成可能なパルスエネルギーを示している。

上述の構成に加えて、放電チャンバー１０２内において第１の電極１１０の両端を絶縁し、端部１０６の表面ストリーマーを除去することができる。例えば、電極１１０，１１２を絶縁して端部取付具において表面ストリーマーを除去するのに電極の各端部の長さ２．５ｃｍの部分を用いることができる。したがって、電極の有効長さは、上の表に挙げた長さよりも５ｃｍ短くなる。

当業者は、表面ストリーマーがエネルギー密度において主要な役割を果たせるように、ストリーマーの形成を有効に抑制するのに有効的な長さは、放電チャンバーの構成、ガス、電極によって変わることを認識するだろう。例えば、上述の電極構成を用いると、誘電面１０４間の空間を使用して、放電チャンバー１０２の寸法を縮小し、これにより容量ストリーマーの形成を抑制することができる。図１の実施形態では、誘電面１０４間の１０ｍｍの距離が、容量ストリーマーの形成を大幅に低減または除去するために有効であると示している。これよりも短い距離は、対応するエネルギー密度が増加するにつれて、その表面ストリーマーとしての役割が増すために好ましい。内部において表面ストリーマーが優勢である放電チャンバーを設けたプラズマ反応器の設計が、２００７年１１月２０日付けでＭａｌｉｋらに発行された米国特許第７，２９８，０９２号に記載されており、この米国特許第７，２９８，０９２号の全ての教示内容は本明細書に組み込まれる。

上述のプラズマ反応器は、有効な処理を提供するのに十分な大きさ（volume）の表面ストリーマーを生成することができるが、これらの反応器のいくつかを狭い空間内に組み合わせて設置することは難しい可能性がある。例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示す２つの反応器を直接重ねて配置したり、あるいは誘電体部分１０４のうちの共通の１つを使用して構成し、共通の電源を使用して並列動作する場合、通常、片方のチャンバ内のみにプラズマが観察される。これは、プラズマと接触した誘電面の表面のプラズマが逃げる正の表面電荷によるものと考えられている。誘電体の片面におけるこの電荷が、もう片面において反対の電荷を誘発し、これが、近接する放電チャンバーの電界分布の変化や、これとの相互作用をもたらすようである。その結果、この相互作用により、プラズマ形成に望ましくない電界分布が生じる。つまり、２つの表面プラズマ反応器を互いに近接させて動作すると、電気的に結合するようになる可能性がある。通常、これは、一方の反応器の電界が十分に強いために、対向する誘電面に電荷が堆積することで発生する。その結果、一方の反応器のみにおいてプラズマ形成が生じ、処理効率を低下させる。したがって、こうした反応器を狭い空間内に多数組み合わせた場合には、ガス処理の改善は得られない。

したがって、様々な実施形態において、排気システムは、近接し合った複数の表面プラズマ反応器を含んだ改質システムを含むように構成されており、これらの反応器は、近接するチャンバの内部での表面プラズマ放電によってもう一方の反応器の内部で反対電荷が誘発されることを妨げるためのシールド部を設けている。そのため、排気システムのための改質システムは、基準電圧に保ったシールド部で複数の反応器を隔離して相互に近接して設置し、並列または直列に動作させることで、表面プラズマ反応器を拡大することにより形成できる。

図２は、本発明の一実施形態によるガス処理装置２００の第１の例示的構成の部分断面図である。特に図２は、２つの反応器１００（反応器１００Ａ，１００Ｂ）を積層した配置であり、この図２の断面図は、反応器１００Ａ，１００Ｂの各々について、図１の切断線２−２に沿った断面の一部を示したものである。つまり、各反応器１００Ａ，１００Ｂは、図１の反応器と構成が実質的に類似している。

この装置２００の部分断面図は、各反応器１００Ａ，１００Ｂのための頂部誘電体部分１０４Ａ、底部誘電体部分１０４Ｂをそれぞれ示している。装置２００において、反応器１００Ａと１００Ｂとの分離は、これらの間に導電性シールド部２０２を挿入して行う。シールド部２０２は特に、接触している誘電体部分１０４Ａと１０４Ｂとの間に配置される。したがって、隣の反応器の一部分である誘電体上における電荷の誘発を妨げる導電媒体を提供することで、シールド部２０２によって２つの反応器１００Ａ，１００Ｂを分離させることが可能である。

動作時に遮蔽部２０２は、各反応器１００Ａ，１００Ｂにおける電極のものと同一またはこれよりも低い基準電圧に接続される。例えば、シールド部２０２を接地することができる。その結果、第１の放電チャンバー１０２Ａ内に発生した電界が第２の放電チャンバー１０２Ｂに侵入することが効果的に妨げられる。誘電面上に誘発された電荷は、導電性シールド部によって移動する。したがって、電荷を誘発させないことで、隣接した放電チャンバー１０２Ａ，１０２Ｂの両方においてプラズマの生成が可能になる。

本発明のいくつかの実施形態では、上述したように、シールド部２０２と反応器１００Ａ，１００Ｂ内の電極とに別々にバイアスをかけることができる。しかし、いくつかの構成では、シールド部２０２と反応器１００Ａ，１００Ｂ内の陰極電極とにバイアスをかけること、および／または電気的に接続することが可能である。このような構成により、動作装置２００に必要な回路を簡素化できる。つまり、シールド部２０２と反応器１００Ａ，１００Ｂ内の陰極電極とにバイアスをかけるための別々の回路を必要としない。さらに、これらの部分は相互に近接しているため、これらの部分をつなぐ配線をより単純化できる。

図２に示す構成には、シールド部で隔離された２つの別個の反応器チャンバが示されている。しかし、本発明の様々な実施形態はこれに関して限定されることはない。別の実施形態では、反応器は共通の誘電体部分を共有でき、この誘電体部分は、共通の誘電体部分内に埋め込まれた、あるいは一体形成されたシールド部を含む。

さらに、シールド部はいくつかの方法で形成することが可能である。例えば、本発明のいくつかの実施形態では、シールド部を、導電性材料のシートまたはホイルを使用して形成できる。例えば、シートまたはホイルは金属または金属合金から成ることができる。しかし、本発明の様々な実施形態は、金属製の導体から成るシールド部に限定されることはない。むしろ、非金属性の導体も限定なく使用することができる。さらに、様々な実施形態は、シートタイプまたはホイルタイプのシールド部のみに限定されることはない。いくつかの構成では、多孔性シートまたはホイルを使用してシールド部を提供することも可能である。また別の構成では、シールド部の導電性材料を、メッシュまたはスクリーンを形成するように配置することができる。さらに別の構成では、各々が基準電圧に結合された複数のシールド部を使用できる。

次に、図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、本発明の一実施形態に従って配置されたガス処理装置３００の一つの構成例を示している。図３Ａは、装置３００の部分展開図である。図３Ｂは、装置３００の組み立て図である。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、装置３００は、第１の反応器３０２と第２の反応器３０４を含む。各反応器３０２、３０４は、複数の層を積層して画定された放電チャンバー３０６を含む。特に、この積層は、第１の誘電層３０８と、第２の誘電層３１０と、さらにこの第１の誘電層３０８と第２の誘電層３１０の間に配置されたスペーサ層３１２とを含む。

図３Ａ、図３Ｂに示す構成において、層３０８〜３１２の積層は、図１に関連して上述したように、誘電材料の層またはシートを使用して形成することができる。しかし、本発明の様々な実施形態は、これについて限定されることはなく、任意の他の誘電材料を使用して層３０８〜３１２を形成することができる。放電チャンバー３０６を画定するために、層３０８〜３１２は筐体を提供するように構成されている。特に、誘電層３０８、３１０は、このような筐体の上方面と下方面を提供するために、実質的に中実に構成されている。筐体の側面はスペーサ層３１２によって提供されている。特に、スペーサ層３１２は、層３０８および層３１２の間に放電チャンバー３０６を画定するための開口部を含む。そのため、スペーサ層３１２の開口部のサイズと、スペーサ層３１２の厚さとを調節することで、放電チャンバー３０６の容積を変更することができる。したがって、上述したように、この開口部のサイズおよび厚さは、放電チャンバーの表面ストリーマーおよび容量ストリーマーの量を調節するように選択できる。

放電チャンバー３０６に入るガス流は、吸入口３１４および排出口３１６によって提供できる。図３Ａおよび図３Ｂにおいて、吸入口３１４および排出口３１６は、第１の誘電層３０８内に組み込まれたものとして示されている。しかし、本発明の様々な実施形態はこれについて限定されることはない。むしろ、吸入口３１４および排出口３１６は、層３０８〜３１２のいずれに形成することも可能である。さらに、各反応器３０２，３０４の吸入口３１４および排出口３１６を連結して、反応器３０２と反応器３０４との間にガスの直列連通または並列連通を提供することができる。このような連通は、導管または配管部分（図示せず）を使用して提供できる。

しかし、反応器３０２，３０４間のガス連通は、導管または配管部分の使用に限定されることはない。例えば、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、反応器３０２，３０４は積層構成されており、ここで、反応器３０２の第２の誘電層３１０は、反応器３０４の誘電層３１０と対向している。したがって、反応器３０２，３０４は、それぞれの誘電層３１０を介してガス連通を行えるように構成することができる。特に、反応器３０２，３０４の各々における誘電層３１０は、反応器３０２，３０４を上下に積み重ねた場合に、反応器３０２，３０４の放電チャンバー３０６がガス連通できる任意の開口部配置を含むことができる。したがって、導管の使用目的を、ガスを装置３００に出入りさせる目的に限定することが可能である。

反応器３０２，３０４において、対応する各々の放電チャンバー内に、陽極電極３１８および陰極電極３２０を介してプラズマストリーマーが形成される。電極３１８，３２０はそれぞれ陽極電極、陰極電極と言及されるが、これは例証のみを目的としたものである。本発明の様々な実施形態では、図１Ａおよび図１Ｂに関連して上述したように、これらの役割を逆転させることができる。図３Ａに示すように、陰極電極３２０は、放電チャンバー３０６の２つの対向した側部に導電面を設けることで形成される。特に、導電材料をスペーサ３１２の部分に配置することで、対向し、実質的に並列した２つの電極を放電チャンバー３０６内部に形成している。次に、図３Ａに示すように、スペーサ層３１２の開口部にわたって延びているワイヤを使用して陽極電極３１８が形成される。特に、陽極電極３１８の配線を放電チャンバー３０６内に配置することで、この配線が、実質的に並列し、スペーサ層３１２上に形成された陰極電極３２０間に位置することができる。さらに、配線が放電チャンバー３０６内に配置されることで、各陰極電極３２０から実質的に等距離で離れた電極となる。つまり、実質的にワイヤ対平板関係にある。しかし、図１Ａおよび図１Ｂに関連して上述したように、本発明の様々な実施形態ではこれ以外の関係を使用することができる。

図３は、陽極電極３１８を形成する配線を示しているが、図１に関連して上述したように、本発明の様々な実施形態はこれに関して限定されることはない。様々な実施形態において、陽極電極３１８の構造は変更することができる。むしろ、本発明の様々な実施形態では、陽極３１８またはその付近において、電界密度が陰極電極と比較してより高くなる任意の構成を使用することができる。したがって、１つ以上のピン状またはブレード状構造を提供することによっても、陽極電極３１８を形成できる。さらに、陽極電極３１８を形成している配線は、スペーサ層３１２の開口部の幅または長さの全長に沿って延びた状態で示されているが、様々な実施形態はこれに関して限定されることはない。その他の構成では、陽極電極３１８の配線またはブレードタイプの構造は、開口部の一部に沿ってしか延長させられない。さらに別の実施形態では、一連の配線、ピンタイプ構造、ブレードタイプ構造を、スペーサ層３１２の開口部の長さまたは幅の一部または全長にわたって使用することができる。

動作時に、スペーサ層３１２にかけて延びた陽極電極を形成している配線の一部を介して、陽極電極３１８に電圧を印加できる。しかし、このような配線部分の代替として、またはこれに加えて、スペーサ層３１２、あるいは反応器３０２，３０４のその他の部分を、陽極電極３１８に電圧を提供するための任意タイプのコネクタ構造を含むように構成することが可能である。そのため、このような構造を、任意の層３０８，３１０，３１２の１つ以上の部分上に配置するか、またはその部分にかけて延ばすことができる。同様に、スペーサ層３１２の外面へと延びている導電面の一部を介して、陰極電極３２０に電圧を印加することができる。そのため、このような部分の代替として、またはこれに加えて、スペーサ層３１２、あるいは反応器３０２，３０４のその他の部分を、陰極電極３２０に電圧を提供するための任意タイプのコネクタ構造を含むように構成できる。反応器３０２，３０４の陽極電極３１８の間に誘電層分離を設けられることが好ましい。例えば、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、誘電層３１０の一部を、放電チャンバー３０６の外部の陽極の長さに沿って延ばすことができる。そのため、このような構造を、任意の層３０８，３１０，３１２の１つ以上の部分上に配置したり、またはそれにかけて延ばすことが可能である。

反応器３０２，３０４の間を分離するには、上述したように、内部誘電層３１０の間に導電部を提供することで装置３００用のシールド部を形成し、次にこのシールド部を基準またはグラウンド電圧に接続する。しかし、各反応器３０２，３０４についてそれぞれ図３Ａおよび図３Ｂで示しているように、対応する各反応器の陰極電極３２０に電気的に接続したシールド部３２２が提供される。そのため、装置３００内の反応器３０２，３０４について、単一の電圧をシールド部３２２および陰極電極３２０に対し提供することができる。これにより、装置３００に給電する回路の必要性および複雑性が低減される。

これに加えて、装置３００の配線の必要性をさらに低減するために、シールド部３２２および陰極部分３２０を、装置３００を組み立てると反応器３０２，３０４内のこれらの部分を自動的に電気接続するように、反応器３０２，３０４内において構成できる。例えば、図３Ａに示すように、シールド部３２２は、各反応器３０２，３０４の第２の誘電層３１０の外面に配置されている。そのため、装置３１０を図３Ｂに示すように組み立てると、反応器３０２のシールド部３２２が、反応器３０４のシールド部３２２と物理的および電気的に接触した状態にて配置される。したがって、シールド部３２２、または、反応器３０４または３０４内のいずれかの陰極電極３２０にグラウンド電圧の基準が印加されると、反応器３０２，３０４の両方の内部におけるこれらの部分全てに同一の基準電圧がバイアスされる。本発明のいくつかの実施形態では、基準電圧はグラウンド電位であってよい。しかし、本発明はこれに関して限定されず、また、基準電圧は電極３２０に適した任意の電圧であってもよい。つまり、少なくとも電極３１８，３２０間にもたらされる電圧差が、電極３１８とシールド部３２２との間に提供されるべきである。

様々な実施形態において、シールド部３２２と陰極電極３２０との間の接続は、多様な方法にて提供することが可能である。いくつかの構成では、導電線、および／または任意のその他のタイプの導電性要素あるいは構造を使用して、接続を行うことができる。図３Ａおよび図３Ｂに示す構成では、この接続は、導電性ホイルまたはシートなどの連続した導電部分を使用してシールド部３２２および陰極電極３２０を形成することで提供される。このような構成では、ホイルまたはシートは以下のように構成できる。まず、第１および第２の端部を設けたホイルまたはシートを提供することができる。第１および第２の端部は、少なくとも放電チャンバー３０６に対応した第２の誘電層３１０の外面に沿って延びている。ホイルまたはシートの第１の端部をスペーサ層３１２の第１の側部の周囲に巻着させ、第２の端部を、スペーサ層３１２の、第１の側部と対向した第２の側部に巻着させることができる。その結果、反応器３０２、３０４の各々の外面に沿って延びた１つの導電部が、シールド部３２２と陰極電極３２０との両方を画定する。

いくつかの構成では、任意で、シールド部３２２を各反応器３０２，３０４の周囲に延ばすことができる。例えば、いくつかの構成では、外部誘電層３０８の外面に追加のシールド部３２４を形成することができる。動作時にはこの追加のシールド部３２４を陰極電極３２０およびシールド部３２２に連結することができる。別の構成では、反応器３０２、３０４のための追加のシールド部３２４は、組み立てたチャンバーの周囲、つまり、チャンバー側部の周囲ならびに層３０８の外側部に、別のホイルまたはシートを巻着させることで形成することができる。このような構成では、追加のシールド部３２４を画定するホイルを、チャンバー３０２，３０４の側部上で電極３２０と電気的に接触できるように巻着させることで、シールド部３２２がシールド部３２４と電気的に接続される。

このような構成により、図１Ａおよび図１Ｂにおいて述べたような単一の反応器システムと比べ、パフォーマンスの向上が得られる。特に、試験用の反応器を図３Ａおよび図３Ｂに従って構成し、また、反応器３０２，３０４のための追加のシールド部３２４を設けた場合、本発明の発明者は、このようなシステムでのプラズマにおける電力消費が０．３３Ｗであることを発見した。反対に、本発明の発明者は、図１Ａおよび図１Ｂに示した単一の反応器構成に従い、これと類似の寸法（〜１０ｘの増加あり）で構成された装置の例では、プラズマにおける電力消費が０．０２８Ｗであることを発見した。電力（Ｐ）を次の式：Ｐ＝（∫ＶＩ ｄｔ）ｆによって計算した。この２つの例において電圧パルスは変化なく、さらに、ピーク電圧〜３０ｋＶ、パルス周波数〜１０Ｈｚも変化はなかった。したがって、電力の増加は、シールド部を放電チャンバー周囲に延ばした場合に、パルス中に放電ギャップに流れる電流によって生じたものである。

第１の反応器と第２の反応器の間の結合は、間にシールド部を設けることによって減弱するか、または除去される。しかし、本発明の様々な実施形態はこれに関して限定されない。上述したように、２つの近接したチャンバー内でのプラズマ生成における主要な問題は、内部においてプラズマが生成されている反応器と近接した別の反応器の誘電面上で電荷が誘発されることである。そのため、本発明の別の実施形態には、隣の誘電層上に電荷を誘発させることができないシールド部を間に設けていない、近接し合ったチャンバー内でプラズマを形成することが関与する。したがって、本発明の別の態様は、互い違い式の放電アプローチを使用してプラズマ形成を提供する。つまり、近接し合った反応器は、第１の反応器内でプラズマ形成するための放電と、これに近接したチャンバー反応器である第２の反応器内でプラズマ形成するための放電とが、どの部分も重なることなく起こる。これを図４に関連して概念的に例証する。

図４は、本発明の一実施形態によるガス処理装置４００の別の構成例の部分断面図である。図４は、特に、２つの反応器１００（反応器１００Ａ，１００Ｂ）を積層した配置を示しており、この図４の断面図は、反応器１００Ａ，１００Ｂの各々について、図１の切断線２−２に沿った断面の一部を示したものである。各反応器１００Ａ，１００Ｂは、図１の反応器１００と実質的に類似に構成されている。そのため、装置４００の部分断面図は、各反応器１００Ａ，１００Ｂにそれぞれ対応した頂部誘電体部分１０４Ａおよび底部誘電体部分１０４Ｂを示している。これらの誘電体部分は、放電チャンバー１０２Ａ、１０２Ｂの各々を画定している。装置４００において、反応器１００間の分離は、放電対象である各放電チャンバー部分を装置４００内に互い違いに提供することで得られる。

この互い違いはいくつかの方法での提供が可能である。例えば、１つの構成では、各放電チャンバー１０２内の電極１１０、１１２を、装置２００を組み立てた際に、同時にバイアスがかかるこれらの電極が実質的に重なり合わないように構成することができる。例えば、図４に示すように、第１の反応器１００内の上方部分４０２と関連した電極、および第２の反応器１００内の下方部分４０４と関連した電極のみが、装置２００内の符号「Ａ」および「Ｂ」で示す部分においてプラズマを提供するように構成されている。そのため、近接する放電チャンバー内で誘発されたいずれの電荷も、プラズマ生成に関連した放電チャンバーの一部において誘発されたものではない。つまり、第２の反応器１００内のプラズマが部分「Ｂ」に限定されているので、第１の反応器１００の部分「Ａ」内のプラズマによって、第２の反応器１００の部分「Ｃ」内で誘発された電荷は取るに足らないものである。同様に、第１の反応器１００内のプラズマは部分「Ａ」に限定されているので、第１の反応器１００の部分「Ｄ」内で誘発された電荷は取るに足らないものである。しかし、このような構成では、各放電チャンバーの容積の一部しか使用されないため、効率性が低下することがある。

いくつかの構成では、装置４００内の放電のタイミングを制御することで重なり部分を提供できる。特に、これらの重なり部分の電極にバイアスをかけるタイミングを、重なっていない部分のみに同時にバイアスがかかるように制御できる。これにより、任意の時において、重なっていない部分に関連した１セットの電極のみに同時にバイアスがかかる。このような構成は、重なっていない電極部分のセットの間を切り替えることで、装置４００内の各放電チャンバー１０２の容積の大部分を使用できるようになるため、有利である。したがって、より優れた効率を達成できる。

図２〜図４において説明したガス処理装置は、以下で図５に関連して説明するように、排気ガス中の汚染物質を低減する水蒸気改質を提供するために、排気システムに組み込むことができる。図５は、一実施形態による例示的なディーゼル燃料駆動システム５００の略図である。図５が目的とする趣旨から、例証を容易化するために、いくつかの小さな構成部、例えば２、３例を挙げると、弁、ポンプ、電気配線、制御システムを省略している。

システム５００は、燃料リザーバからのディーゼル燃料を使用して駆動されるエンジン５０２を含む。システム５００は、エンジン５０２に空気を提供するエンジン吸気口５０６と、排気ガスをエンジン５０２から外部へと導くエンジン排気口５０８とを含む。エンジン排気口５０８を排気システム５１０に連結して、エンジン５０２からの排気ガスを処理することができる。

排気システム５１０は、吸入部５１２、排出部５１４、さらにこれらの間のＮＯｘ除去反応器５１６を備えることができる。ＮＯｘ除去反応器５１６は、例えば、炭化水素選択的触媒還元（Ｈ−ＳＣＲ）反応器、ＮＯｘ吸収剤、または両方の組み合わせである。いくつかの構成では、吸入部５１２は、微粒子およびＣＯを除去し、ＮＯをＮＯ_２に酸化させるために、ディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）５１８と、酸化触媒５２０とを含むことができる。これに加えて、排気システム５１０は改質システム５２２を備えることができる。

改質システム５２２は、水供給源５２４、ディーゼル燃料供給源５０４、第１の熱交換器５２６、ガス処理装置５２８、再利用システム５３０を備えることができる。再利用システム５３０は処理済ガス収集ライン５３２を備えることができる。この収集ライン５３２は第２の熱交換器５３４に供給を行い、次に、第２の熱交換器５３４が、吸入部５１２に連結された反応剤供給ライン５３６と、第１の熱交換器５２６に連結された再利用供給ライン５３８とに供給を行う。

システム５００は以下のように動作する。まず最初に、エンジン５０２が動作を開始する。つまり、燃料供給源５０４からの燃料と空気（吸気口５０６を介す）とがエンジン５０２に供給され、エンジン５０２が排出口５０８において排気ガスを発生させる。このようなエンジンの動作は当業者に周知であるので、ここでは説明を省く。次に、排気ガスが処理のために排気システム５１０を移動する。

第一に、上述したように、排気ガスがＤＰＦ５１８および酸化触媒５２０を通過することで、微粒子およびＣＯが除去され、ＮＯがＮＯ_２に酸化される。第二に、排気ガスは、反応器５１６に到達すると、改質システム５２２が発生した揮発性ＰＯ−ＨＣおよびＨ_２と組み合わされ、ＮＯｘ還元のためのＨ−ＳＣＲプロセスに利用できるようになる。さらに、ＮＯｘ吸収剤を使用する例では、ＰＯ−ＨＣおよびＨ_２を、吸収材料を再生するために使用することができる。

改質システム５２２は以下のように動作し、揮発性ＰＯ−ＨＣおよびＨ_２を発生する。まず、燃料供給源５０４からの液体ディーゼル燃料と水供給源５２４からの水が第１の熱交換器５２６へと送られる。いくつかの実施形態では、液体ディーゼル燃料と水は、それぞれ燃料ポンプ５４０、水ポンプ５４２を使用して送られる。しかし、様々な実施形態はこれに関して限定されず、また、重力に依存したシステムを使用することも可能である。

液体ディーゼル燃料および水は、第１の熱交換器５２６に到達すると気化し、ディーゼル燃料と水蒸気の混合物から成る第１のガスを発生する。様々な実施形態では、改質システム５２２の必要電力量を低減させるために、熱交換器５２６の少なくとも一部が吸入部５１２内部に配置される。このような構成では、液体ディーゼル燃料と水の気化を外部の熱源に頼るのではなく、排気ガス中に存在する熱（一般に１００℃より高温）を利用して、気化の発生に必要な熱を導入する。いくつかの実施形態では、第１の熱交換器５２６を吸入部５１２内に完全に収容することができる。

次に、第１のガスをガス処理装置５２８内へと導くことができる。ガス処理装置は、図１〜図４の構成のいずれかに従って構成することができる。しかし、図２〜図４の構成は概して、ガス処理装置５２８のより効率的かつコンパクトな配置を提供するガス処理装置５２８の動作により、ディーゼル燃料気化時に少なくともいくらかの炭化水素が揮発性ＰＯ−ＨＣおよびＨ_２に変換され、これにより、揮発性ＰＣ−ＨＣおよびＨ_２を含有した第２のガスと、任意の非反応性の気化ディーゼル燃料および水蒸気とが形成される。様々な実施形態において、改質システム５２２の必要電力量をさらに低減させるには、ガス処理システム５２８を吸入部５１２と接触させるか、または少なくとも部分的に吸入部５１２内部に配置することも可能である。このような構成では、排気ガス中の熱（一般に１００℃より高温）を利用して、気化を維持するために必要な熱を導入するので、液体ディーゼル燃料および水および水を気化状態に維持するための外部の熱源は不要である。いくつかの実施形態では、ガス処理システム５２８を吸入部５１２内に完全に収容することができる。

ガス処理装置５２８によって製造された第２のガスは、次に、ガス処理装置５２８から、ガス収集ライン５３２を介して再利用システム５３０内の第２の熱交換器５３４へ案内される。次に、第２のガスが、第２の熱交換器５３４内で、空気または任意のその他のガスを使用して冷却される。これにより、第２のガスの温度が１００℃未満に低下し、第２のガス中に残留したディーゼル燃料の少なくとも一部と水蒸気とが凝縮される。その結果、主に揮発性ＰＯ−ＨＣおよびＨ_２である第３のガスと、ディーゼル燃料および水の混合液とが製造される。混合液は、再利用供給ライン５３８を介して第１の熱交換器５２６に向け直され、そこで再度気化された後、ガス処理装置５２８を使用して再処理される。第３のガスを吸入部５１２内へと同時に導き、反応器５１６に流入する前に、排気ガスと組み合わせることができる。

上述したシステムおよび方法は、燃料タンク５０４を、エンジン５０２に燃料提供するために利用し、液体ディーゼル燃料および水を気化させるために排気ガスの余剰熱を利用し、さらに、ガス処理装置５２８に必要な電力を、システムに既に備わっている交流発電機または別の電力生成装置によって生成できるというように、既存のインフラストラクチャーを利用するため、特に有効である。

さらに、上述したシステムおよび方法は、従来の利用可能なシステムとは様々な点で異なる。例えば、従来タイプの触媒による燃料の水蒸気改質は一般に、図５のシステムに使用できる温度よりも高い温度にガスを加熱する必要がある。つまり、水蒸気改質には一般に３、０００〜１０，０００Ｋの範囲の温度が必要であるが、これは通常、熱損失や材料互換性の問題を引き起こす。これに対し、様々な実施形態による水蒸気改質は、車両エンジン排気ガスに関しては、一般に５００Ｋより低い極めて低温で実施できる。さらに、このようなシステムでは一般に、頻繁な触媒失活の問題が発生する。これに対し、図１〜図４のガス処理装置のためのプラズマプロセスは、触媒失活の原因である不純物に耐性がある。これに加えて、プラズマ反応器を使用してディーゼル燃料の部分的な酸化を実施するシステムにおいてさえも、いくつかの大きな欠点が報告されている。第一に、火災の危険が、許容される燃料凝縮を非常に低く制限してしまう。つまり、ガソリンおよび石油の爆発限界または可燃限界は、それぞれ１．４％、０．７％濃度である。そのため、これらの燃料の空気中濃度がこの値よりも高い場合には、爆発の可能性が高いということである。第二に、このようなプロセスによる製品ガス中の水素量は、次式の反応によって余剰酸素により消費される量が僅かであることから、比較的少ない。部分酸化Ｃ_ｎＨ_ｍ＋（ｎ／２）Ｏ_２→ｎＣＯ＋（ｍ／２）Ｈ_２、水組成物２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ。最終的に、電極上のコックまたはワックスの付着により、典型的にこれらのプロセスにおける問題が引き起こされる。

これに対し、様々な実施形態による構成は、火災の危険がなく、および電極上のコックまたはワックスの付着のない、より高濃度の炭化水素の処理が可能な水蒸気改質を提供する。例えば、水蒸気を含めることで、最大２０％までの凝縮度が可能になる。さらに、このような水蒸気改質は、次式の反応により炭化水素から得られる水素に加えて、水蒸気からもさらに多くの水素が生じる。ＣｎＨｍ＋ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋（ｍ／２））Ｈ_２、および、２Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ→Ｈ_２＋ＣＯ_２。

これに加えて、上述したシステムおよび方法はさらなる利点を提供する。例えば、軽量炭化水素、つまりメタン、プロパン、ヘキサンの水蒸気改質は、ディーゼルエンジンのセットアップに非熱プラズマを使用して実施できるが、しかし、追加の燃料タンクと、関連するインフラストラクチャーが必要となる。さらに、このようなプロセスは一般に、ガス燃料への適用に限定されるか、またはプロセスガスを何らかの不活性ガスで希釈する必要があるため、システムの全体の複雑性が増加する。また、軽量炭化水素の改質について一般に報告されている熱プラズマは概して、本実施形態の表面プラズマと比べて非効率である。

本構成は、さらに気相中にプラズマを発生させるが、これは液体燃料への直接アーク放電とは異なる。このような液体内のアーク放電は、熱損失としてのエネルギー浪費が問題となる熱プラズマに近い。さらに、このような放電は一般に、ディーゼル燃料の分解を生じ、これにより、水素とともに多くの固体炭素粒子および軽量炭化水素が発生する。固体炭素は、プラズマプロセスを妨害する導電性粒子であるため、連続的に燃料からフィルタ除去する必要がある。さらに、このプロセスでは、システム内に酸素源がないためＰＯ−ＨＣが発生しない。その結果、上述のシステムおよび方法と比較して、追加のフィルタリングとプロセスが必要である。

図６は、ガス処理装置６０２を含んだシステムを示し、このガス処理装置６０２は、本発明の一実施形態による構成を有し、電気回路を補助する。動作時に、装置６０２に高電圧パルスを印加することが可能である。様々な実施形態において、容量放電回路または誘導放電回路を使用してパルスを形成することができる。容量放電回路の例では、パルス形成素子は、１つまたは複数のコンデンサ６５６であることができ、そのうちの１つを、パルスの極性を変更するために使用できる。パルス形成素子を、パルス形成回路を形成するコンデンサおよび誘導子、またはケーブルおよびその他のパルス形成線の組み合わせとすることもできる。誘導放電回路の例では、パルス形成素子は、パルス形成回路を形成する、誘導子、または誘導子およびコンデンサの組み合わせ、あるいはこれらの組み合わせとすることができる。容量蓄積素子は、電源６５０により、抵抗器６５５を介して、または抵抗器を介したパルスモードで充電される。容量放電の例では、スイッチは閉スイッチでなければならず、これは例えばスパークギャップスイッチ６２５や任意の他のハイパワー閉スイッチである。スイッチは、例えばトリガ生成器６５１でトリガ可能というように、制御可能でなければならない。誘導蓄積システムの例では、スイッチは開スイッチである必要がある。回路は、負荷、つまり抵抗器６０２に対して並列６５５または直列配置された抵抗器をさらに含む。スイッチ６２５を閉鎖することで、あるいは、誘導回路の例では、スイッチを開放することでパルスが生成される。このパルスは高圧電極ノード６５７（つまり陽極電極）に印加され、一方、反対の電極ノード６５８（つまり、陰極電極および／またはシールド部）は接地された（つまり、グラウンドノード６５３に接続された）。制御システム６００をモニタに提供して、システム６００内の様々な要素を制御することができる。その他に、電圧測定のための分圧器を提供する抵抗器６５４のような構成部品を提供することもできる。パルス期間は、ストリーマーからアークへの遷移の発生を防止できるよう、十分短いことが好ましい。当業者は、様々な回路を使用でき、また、特性の異なる各種パルスを容易に達成することができる。

次に、図７を参照すると、制御システム６６０として実装できる計算装置７００の詳細なブロック図を提供している。図７には様々な構成部品が示されているが、計算装置７００の構成部品は図７に示すものよりも多くてもまたは少なくてもよい。しかし、図示にある構成部品で、本発明の例証的な実施形態を十分に開示することができる。図７のハードウェアアーキテクチャは、接続した機械装置を制御する代表的な計算装置の一実施形態のみを示している。

図７に示すように、計算装置７００は、システムインターフェース７２２と、中央処理ユニット（ＣＰＵ）７０６と、システムバス７１０と、システムバス７１０を介して計算装置７００の他の部分に接続され、これによりアクセスされることが可能なメモリー７１６と、システムバス７１０に接続されたハードウェア要素７１４とを含む。ハードウェア要素７１４のうちの少なくともいくつかは、メモリー７１６にアクセスしてこれを使用する動作を実行する。このメモリーは、任意タイプの揮発性または不揮発性メモリー装置であってよい。このようなメモリーは、例えば、磁気、光学、または半導体ベースのメモリー装置であってよい。しかし、本発明の様々な実施形態はこれに関して限定されない。

いくつかの実施形態では、計算システムはユーザインターフェース７０２を含むことができる。ユーザインターフェース７０２は、計算装置７００の内部または外部構成部品であってよい。ユーザインターフェース７０２は、入力装置と、出力装置と、さらに、ユーザが計算装置７００にインストールされたソフトウェアアプリケーションと対話し、これを制御できるように構成されたソフトウェアルーチンとを含むことができる。このような入力装置および出力装置は、ディスプレイ画面７０４、スピーカ（図示せず）、キーパッド（図示せず）、方向パッド（図示せず）、方向ノブ（図示せず）、マイクロホン（図示せず）を非限定的に含んでいる。そのため、ユーザインターフェース７０２は、計算装置７００にインストールされているソフトウェア開発アプリケーションおよびその他のタイプのアプリケーションを起動させるための、ユーザとソフトウェアの対話を促進することができる。

システムインターフェース７２２は、計算装置７００が、外部ユーザインターフェースまたはその他の計算装置などの他の装置と直接的または間接的に通信することを可能にする。これに加えて、計算装置はハードウェア要素７１４を含むことができ、これにはマイクロプロセッサ、アプリケーション専用集積回路（ＡＳＩＣ）、その他のハードウェアが含まれる。図７に示すように、ハードウェア要素７１４は、リムーバブルメモリーユニット７１６をさらに含むことができる。リムーバブルメモリーユニット７１６は、ここで記載している１つ以上の方法、手順、機能を実装するように構成された１つ以上の命令７２０のセット（例えばソフトウェアコード）を記憶する、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体７１８である。命令７２０は、計算装置７００によって実行されている間、メモリー７１６内、および／またはＣＰＵ７０６内に、完全に、あるいは部分的に常駐させることもできる。メモリー７１６およびＣＰＵ７０６は、マシン読み取り可能な媒体を構成することもできる。

コンピュータ読み取り可能な記憶媒体７１８は、例示的な実施形態において、１つの記憶媒体として示されているが、用語「コンピュータ読み取り可能記憶媒体」とは、前述の１つ以上の命令のセットを記憶する、１つの媒体または複数の媒体（例えば、集中または分散データベース、および／または、関連するキャッシュならびにサーバ）を含むように解釈されるべきである。用語「コンピュータ読み取り可能な記憶媒体」は、また、マシンによって実行され、マシンに本開示の方法の任意の１つ以上を実行させる１セットの命令を記憶、符号化、遂行できる任意の媒体を含むように解釈されるべきでもある。

したがって、用語「コンピュータ読み取り可能な記憶媒体」は、固体メモリー（１つ以上の読み取り専用（不揮発性）メモリー、ランダムアクセスメモリー、もしくはその他の上書き可能（揮発性）メモリーを収容する、メモリーカードまたはその他のパッケージなど）、光磁気または光学媒体（ディスクあるいはテープなど）を非限定的に含むように解釈される。したがって、本開示は、本明細書に挙げているコンピュータ読み取り可能な記憶媒体または配布媒体の任意の１つ以上を含むもの、さらに、本明細書中のソフトウェア実装を記憶するための、認識された同等物および後続媒体を含むものであると考慮される。

システムインターフェース７２２は、１つ以上の外部装置による通信ネットワーク上での通信を促進するように構成されたネットワークインターフェースユニットを含むことができる。したがって、ＩＰプロトコルを含む様々な通信プロトコルと共に使用する、ネットワークインターフェースユニットを提供することができる。ネットワークインターフェースユニットは、トランシーバ、送受信装置、ネットワークインターフェースカード（ＮＩＣ）を非限定的に含むことができる。

上述したように、当業者は、このようなプラズマ反応器は、従来のガス処理にだけでなく、汚染除去、臭気制御などにも使用してよいことを認識するだろう。上の記載は本発明の特定の実施形態に言及しているが、本発明の趣旨から逸脱することなく多くの修正を加えられることが理解されるだろう。添付の請求項は、このような修正を、本発明の真の範囲および趣旨に含まれるものとして網羅することを意図している。

出願人は、正確であると考えられ、また本発明の実施形態に関して実施された観察について説明していると思われる、特定の理論的態様を以下に提示している。しかし、本発明の実施形態は、提示されたこの理論的態様がなくとも実施できる。さらに、この理論的態様は、出願人が、提示された理論に束縛されることを求めていないという理解とともに提示されている。

本発明の様々な実施形態を上に記載したが、これらは例示の方法でのみ提示され、限定ではないことが理解されるべきである。開示された実施形態に対して、本発明の趣旨または範囲から逸脱せず、ここでの開示に従って、多数の変更を加えることが可能である。そのため、本発明の幅と範囲は、上述したいかなる実施形態によっても制限されるべきではない。むしろ、本発明の範囲は、以降の請求項およびその同等物によって定義されるべきである。

本発明を、１つ以上の実装に関して例証および説明したが、本明細書と付属の図面を読解し、理解すれば、他の当業者には同等の代替および修正が思い浮かぶだろう。これに加えて、本発明の特定の特徴を、いくつかある実装のうちの１つのみに関連して開示したが、任意の所与のまたは特定の用途に望ましくかつ有効となり得るので、このような特徴を、他の実装の１つ以上の他の特徴と組み合わせてもよい。

ここで使用される専門用語は、特定の実施形態の説明のみを目的として使用されており、本発明を限定することを意図したものではない。本明細書で用いられる単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、そうでないことを文脈が明確に示さない限り、複数形も含むことが意図される。さらに、用語「含んでいる」、「含む」、「有している」、「有する」、「〜と」、およびそれらの変形が詳細な説明および／または特許請求の範囲のいずれかで使用されている限り、これらの用語は、用語「備えている」と同様に包含されることが意図されている。

別に定義がない限り、本明細書で用いられるすべての用語は（技術用語および科学用語も含めて）、本発明が属する分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。さらに、一般に用いられる辞書類の中で定義されるような用語は、関連技術の文脈における意味と一致する意味を持つと解釈されるべきであり、本明細書の中でそのように明確に定義されない限り、理想化された、もしくは過剰に形式的な意味に解釈されないであろうということは、理解されるであろう。

Claims (22)

1. 炭化水素を含んだ高温排気ガスを処理する方法であって、
   気化したディーゼル燃料と水蒸気の混合気を含んだ第１のガスを提供するステップと、
   ストリーマーの組み合わせを含んだ少なくとも１回のコロナ放電を使用して前記第１のガスを処理することにより、部分酸化した揮発性の炭化水素（ＰＯ−ＨＣ）および水素ガス（Ｈ_２）を含んだ第２のガスへと前記第１のガスを変換するステップであって、前記ストリーマーの組み合わせは主に表面ストリーマーを含むことと、
   気化したディーゼル燃料の少なくとも一部および水蒸気を前記第２のガスから抽出して第３のガスを形成するステップと、
   前記第３のガスおよび前記排気ガスの組み合わせを窒素酸化物（ＮＯｘ）還元反応器へと導くステップと
   を含む方法。
2. 前記提供のステップは、
   液体ディーゼル燃料と水の混合液を熱交換器へと導くステップと、
   前記高温排気ガスを前記熱交換器に接触させることにより前記混合液を気化させて前記第１のガスを発生させるステップと
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記処理のステップは、
   複数の誘電体部分によって画定された１つ以上の放電チャンバーを提供するステップであって、前記放電チャンバーのそれぞれは、放電チャンバー内に電界を発生させるための第１および第２の電極からなる１つ以上のセットを備えており、前記複数の誘電体部分ならびに前記第１および第２の電極のセットは、前記放電チャンバーのそれぞれの内部に空間を画定するように配置されており、その空間によって容量ストリーマーの形成が妨げられており、前記放電チャンバーは、近接した複数の放電チャンバーで生成したパルス電界が実質的に相互に作用しないように構成されていることと、
   前記第１のガスを前記放電チャンバーへと導くステップと、
   前記第１および第２の電極の各セットにより前記放電チャンバー内で生成したパルス電界を使用して前記放電チャンバー内でコロナ放電を生成するステップと、
   前記放電チャンバーから前記第２のガスを放出するステップと
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記高温排気ガスを使用して前記放電チャンバーを加熱するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記抽出のステップは、
   前記第２のガスを熱交換器へと導くステップと、
   前記熱交換器内の前記第２のガスを冷却して前記第２のガスから水および液体ディーゼル燃料を凝縮させるステップと
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記提供のステップは、
   凝縮した水および凝縮した液体ディーゼル燃料を使用して前記第１のガスの少なくとも一部を形成するステップ
   をさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 窒素酸化物（ＮＯｘ）除去反応器と、
   炭化水素を含んだ高温排気ガスを受け入れるように、かつ、前記高温排気ガスを触媒反応器へと導くように構成された吸入部と、
   前記高温排気ガスによって加熱される改質システムと
   を備える排気システムであって、前記改質システムは、
   気化したディーゼル燃料と水蒸気の混合物を含んだ第１のガスを、ストリーマーの組み合わせを含んだ少なくとも１回のコロナ放電を使用して処理することにより、部分酸化した揮発性の炭化水素（ＰＯ−ＨＣ）および水素（Ｈ_２）を含んだ第２のガスへと前記第１のガスを変換するためのガス処理装置であって、前記ストリーマーの組み合わせは主に表面ストリーマーを含むことと、
   気化したディーゼル燃料の少なくとも一部および水蒸気を前記第２のガスから抽出して第３のガスを形成し、前記第３のガスを前記吸入部へと導くための再利用システム
   とを備える、排気システム。
8. 前記改質システムは、液体ディーゼル燃料と水の混合液を受け入れるとともに前記第１のガスを生成するための第１の熱交換器をさらに備えており、前記第１の熱交換器は、前記高温排気ガスを使用して前記混合液を気化させることにより前記第１のガスを生成するように構成されている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記熱交換器は前記吸入部に配置されている、請求項８に記載のシステム。
10. 前記再利用システムは、
    プラズマ反応器の排出口に連結されて、かつ、前記第２のガスから水および液体ディーゼル燃料を凝縮させることによって前記第３のガスを生成するように構成された第２の熱交換器と、
    凝縮した水および凝縮した液体ディーゼル燃料を前記第２の熱交換器から前記第１の熱交換器へと導くための再利用供給ラインと、
    前記第３のガスを前記第２の熱交換器から前記吸入部へと導くための反応剤供給ラインと
    を備える、請求項８に記載のシステム。
11. 前記第１の熱交換器に水を提供するための水供給源と、
    前記第１の熱交換器に液体ディーゼル燃料を提供するための燃料供給源と
    をさらに備える、請求項８に記載のシステム。
12. 前記ガス処理装置は、複数の誘電体部分によって画定された１つ以上の放電チャンバーを備えており、前記放電チャンバーのそれぞれは、放電チャンバー内に電界を発生させるための第１および第２の電極からなる１つ以上のセットを備えており、前記複数の誘電体部分ならびに前記第１および第２の電極のセットは、前記放電チャンバーのそれぞれの内部に空間を画定するように配置されており、その空間によって容量ストリーマーの形成が妨げられており、前記放電チャンバーは、近接した複数の放電チャンバーで生成したパルス電界が実質的に相互に作用しないように構成されている、請求項１に記載のシステム。
13. 前記高温排気ガスを使用して前記放電チャンバーを加熱することをさらに備える、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記放電チャンバーは前記吸入部に配置されている、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記ＮＯｘ除去反応器は、炭化水素選択的触媒還元（Ｈ−ＳＣＲ）反応器およびＮＯｘ吸収剤のうちの少なくとも１つを備える、請求項１２に記載のシステム。
16. 排気ガスを放出するための排気口を有するディーゼル燃料エンジンと、
    炭化水素選択的触媒還元（Ｈ−ＳＣＲ）反応器と、
    前記排気ガスを前記排気口から前記Ｈ−ＳＣＲ反応器へと導くように構成された吸入部と、
    前記吸入部に少なくとも部分的に配置されたガス処理装置であって、前記ガス処理装置は、気化したディーゼル燃料と水蒸気の混合物を含んだ第１のガスを、ストリーマーの組み合わせを含んだ少なくとも１回のコロナ放電を使用して処理することにより、部分酸化した揮発性の炭化水素（ＰＯ−ＨＣ）および水素（Ｈ_２）を含んだ第２のガスへと前記第１のガスを変換するように構成されており、前記ストリーマーの組み合わせは主に表面ストリーマーを含むことと、
    前記吸入部に少なくとも部分的に配置されて、かつ、前記排気口の熱を使用して水および液体ディーゼル燃料から前記第１のガスを生成するように構成された第１の熱交換器と、
    プラズマ反応器に連結されて前記第２のガスを受け入れる再利用システムであって、前記再利用システムは、前記第２のガスから液体ディーゼル燃料および水を抽出して第３のガスを形成し、前記第３のガスを前記吸入部へと導き、抽出された液体ディーゼル燃料および抽出された水を前記第１の熱交換器へと導くように構成されていることと
    を備えるディーゼル燃料駆動システム。
17. 前記再利用システムは、
    前記プラズマ反応器の排出口に連結されて、かつ、前記第２のガスから水および液体ディーゼル燃料を凝縮させることによって前記第３のガスを生成するように構成された第２の熱交換器と、
    凝縮した水および凝縮した液体ディーゼル燃料を前記第２の熱交換器から前記第１の熱交換器へと導くための再利用供給ラインと、
    前記第３のガスを前記第２の熱交換器から前記吸入部へと導くための反応剤供給ラインと
    を備える、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記第１の熱交換器に水を提供するための水供給源と、
    前記第１の熱交換器および前記ディーゼル燃料エンジンに液体ディーゼル燃料を提供するための燃料供給源と
    をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記ガス処理装置は、複数の誘電体部分によって画定された１つ以上の放電チャンバーを備えており、前記放電チャンバーのぞれぞれは、放電チャンバー内に電界を発生させるための第１および第２の電極からなる１つ以上のセットを備えており、前記複数の誘電体部分ならびに前記第１および第２の電極のセットは、前記放電チャンバーのそれぞれの内部に空間を画定するように配置されており、その空間によって容量ストリーマーの形成が妨げられており、前記放電チャンバーは、近接した複数の放電チャンバーで生成したパルス電界が実質的に相互に作用しないように構成されている、請求項１６に記載のシステム。
20. 前記放電チャンバーは前記吸入部に配置されている、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記第１の熱交換器は前記吸入部に配置されている、請求項１６に記載のシステム。
22. 窒素酸化物（ＮＯｘ）除去反応器と、
    炭化水素を含んだ高温排気ガスを受け入れるように、かつ、前記高温排気ガスを触媒反応器へと導くように構成された吸入部と、
    前記吸入部内の前記高温排気ガスによって加熱される改質システムと
    を備える排気システムであって、前記改質システムは、気化したディーゼル燃料と水蒸気の混合物を含んだ第１のガスを、容量ストリーマーおよび表面ストリーマーを含んだ少なくとも１回のコロナ放電を使用して処理することにより、部分酸化した揮発性の炭化水素（ＰＯ−ＨＣ）および水素（Ｈ_２）を含んだ第２のガスへと前記第１のガスを変換するためのプラズマ反応器と、気化したディーゼル燃料の少なくとも一部および水蒸気を前記第２のガスから抽出して第３のガスを形成し、前記第３のガスを前記吸入部へと導くための再利用システムとを備えており、
    前記プラズマ反応器は、前記第１のガスを処理するための２つ以上の放電チャンバーを画定している複数の誘電体部分と、前記放電チャンバーのそれぞれに配置された第１および第２の電極と、近接した複数の放電チャンバーの間に設けられた導電性シールド部とを備えており、
    前記複数の誘電体部分ならびに前記第１および第２の電極は、前記放電チャンバー内の全エネルギー密度の大部分が前記表面ストリーマーによるものとなるように設けられている、排気システム。