CN108697974B - 用于净化来自吸热发动机的废气的设备和方法 - Google Patents

Abstract

描述了内燃发动机的废气净化设备。该设备包括圆柱形容器和单元，在该圆柱形容器中，废气与水蒸气分离并从固体悬浮体净化，在该单元中，净化后的废气在通过用紫外线轰击而解离后转化为氧气。如此重新获得的氧气可以被重新引入大气中或重新用于燃烧过程。

Description

用于净化来自吸热发动机的废气的设备和方法

发明领域

本发明涉及用于净化由汽车发动机在诸如汽油或甲烷的燃料燃烧过程期间产生的废气的设备。

背景技术

由化石燃料在汽车发动机中的燃烧产生的废气会产生生态问题，因为它们被释放到居住环境的大气中且居民会呼吸它们，特别是在大城市、工业区、隧道、车库等等。主要的污染物之一是混合有二氧化碳的水蒸气，其与细小颗粒物一起可能引起烟雾。通常采用冷凝方法通过将废气冷却到水蒸气的露点来消除水蒸气。此外，所述废气在对流层中分层，因此导致温室效应的增加。由人类活动引起的温室气体浓度的增加正在导致地球的全球变暖，造成危险的气候变化。目前存在的用于减少大气排放物(atmospheric emissions)的各种系统：

-热分子解离，其是一个高能量密度的过程；

-化学分子解离，具有与废弃处置(disposal)相关的影响；

-气体放电解离，具有非常低的能量效率；

-水解反应，其需要频繁更换相关的废物反应物；

-机械过滤器、静电过滤器和紫外线过滤器，其对大型气体形式的质量具有低效率。

二氧化碳排放物不能通过在废气系统中运行的催化化学反应或过滤器来消除，同时二氧化碳排放量取决于燃料消耗量，即，具有双倍燃料消耗量的机动交通工具将释放双倍量，二氧化碳排放量通常按照每公里的克数来评估。例如，具有小排量发动机的汽车可能会释放大约100g/km，而具有排量高于1500cc的发动机的汽车会释放超过250g/km。最近的欧洲标准确定，在2015年之后生产的汽车必须释放不超过130g/km的二氧化碳量，对于在2020年之后生产的汽车，该二氧化碳量的值必须降低到95g/km。并非所有制造商都采用相似的技术解决方案；事实上，其他人建议在停放时自动停止发动机，或制造使用电动压缩机的小排量发动机，或通过发电机获得控制的制动，或者甚至混合动力发动机(即，与电动马达相结合)。包括将CO₂储存在地下的“碳封存(Carbon sequestration)”是在欧洲正在进行投资的主要技术。然而，就可能的地质失衡和随时间变化的稳定性而言，关于其环境可持续性存在很大疑问。显然需要具有可以消除或减少由于燃烧进入大气而产生的温室气体的新技术。

因此，意识到了对克服了现有技术的缺点的需求。

发明概述

本发明的目的是减少由内燃发动机释放的温室效应气体。

本发明提供了一种过滤方法，其用于减少由内燃发动机释放的温室效应气体，所述方法基于存在于燃烧过的气体中的复合分子的解离。

所述方法借助于根据权利要求1所述的用于净化内燃发动机的废气的设备来实现，该设备包括：

a)蒸气分离模块，在该蒸气分离模块中，水蒸气和固体颗粒从所述废气中被剥离，该蒸气分离模块包括：圆柱形容器，该圆柱形容器具有竖直旋转轴线并且具有下部部分和上部部分，所述模块具有用于引入废气的入口，入口位于所述下部部分中并且设置有流体密封的阀；盖子，其封闭所述圆柱形容器的上端部，用于在所述蒸气分离模块中被处理的废气的出口位于所述盖子上；

b)进气模块，其包括具有竖直旋转轴线的径向叶片风扇，该径向叶片风扇用于通过连接到所述圆柱形容器的所述出口的入口吸入废气，并且进气模块设置有用于排出所吸入的气体的出口；

c)由光解离单元(photodissociation cell)构成的模块，在该模块中，干燥的并且不含固体悬浮体的废气经受光解离过程，借助于该光解离过程，包含在所述气体中的二氧化碳被分解成其组成部分，所述光解离单元设置有连接到所述进气模块的出口的用于引入废气的开口和用于释放由光解离产生的气体的开口。

本发明的第二方面提供了一种用于净化由内燃发动机释放的废气的方法，所述内燃发动机设置有根据权利要求1所述的设备，该方法包括以下步骤：

a)将废气引入蒸气分离模块中，

b)借助于冷凝来分离被包含在废气中的水蒸气，

c)通过过滤消除存在于废气中的微粒残余物，

d)吸入没有微粒杂质的干燥废气，并将所述气体引入到气体分子解离单元中，以用紫外线处理所述气体。

根据本发明的设备允许净化内燃发动机的废气并将废气转换成可呼吸的空气。特别地，通过将分离模块联接到包含光解离单元的模块，获得本发明的有利效果。另一个有利的方面是本发明的设备的尺寸小。有利地，通过施加高强度的但不足以在废气中产生放电的单向脉冲电场，在光解离单元中产生紫外线。有利地，借助于所描述的设备净化的废气被重新引入到发动机中以在燃烧过程中再次使用，由此提高发动机效率。

从属权利要求描述了本发明的优选的实施方案。

附图简述

本发明的另外的特征和优点将根据参考附图借助于非限制性示例示出的废气净化系统的优选的但非排他的实施方案的详细描述变得明显，其中：

图1示出了本发明的气体处理系统实体的概况；

图2示出了本发明的蒸气分离模块的细节的截面；

图3示出了本发明的光解离单元模块的细节的截面图；

图4示出了与光解离单元模块相关的发射器阳极的前视图；

图5是本发明的进气模块的侧视图；

图6是本发明的脉冲发生器的框图。

图中相同的参考标记和字母表示相同的元件或部件。

发明的优选实施方案的详细描述

本发明总体上提供了一种内燃发动机的废气净化设备100，废气净化设备100包括：

a)蒸气分离模块，其包括：

圆柱形容器，其具有竖直旋转轴线并具有下部部分和上部部分，所述分离模块具有用于引入废气的入口4，入口4位于下部部分中并且设置有流体密封的阀，

盖子，其封闭所述圆柱形容器的上端部，用于在所述蒸气分离模块中被处理的废气的出口9位于所述盖子上；

分离装置，其用于从废气留下水蒸气和固体颗粒，

由此分离模块被配置成从所述废气中移除水蒸气和固体颗粒，从而获得干燥的且不含固体悬浮体的干燥气体，

b)进气模块2，其包括：

入口16，其连接到分离模块的出口9，

径向叶片风扇，其具有竖直旋转轴线，

出口19，

进气模块2配置成通过入口16吸入干燥气体并将该干燥气体通过出口19排出；

c)由光解离单元构成的模块3，

所述光解离单元设置有连接到所述进气模块2的出口19的用于引入干燥气体的开口10和用于释放由光解离产生的气体的开口15，

该光解离单元包括：

第一电极11，其充当阳极，由多个丝状天线形成，

第二电极，其由光解离单元的壁构成，

脉冲发生器，其连接到第一电极和第二电极，

所述光解离单元配置成通过借助所述脉冲发生器向第一电极和第二电极施加单向脉冲电场来产生紫外线，

由此干燥气体在解离模块3中经受光解离过程，借助于该光解过程，被包含在所述干燥气体中的二氧化碳被分解成其组成部分。

此外，本发明总体上提供了一种用于净化由内燃发动机释放的废气的方法，内燃发动机设置有根据前述权利要求所述的设备，该方法包括以下步骤：

a)将废气引入蒸气分离模块中，

b)通过冷凝来分离被包含在废气中的水蒸气，

c)通过使用所述分离装置消除存在于废气中的微粒残余物，

d)吸入没有微粒杂质的干燥废气，并将所述气体引入到气体分子解离单元中，以用紫外线处理气体。

在图1中示出了根据本发明的废气处理系统。所述系统包括模块1、模块2和模块3，模块1用于从废气中分离蒸气，模块2用于吸入在模块1中处理的气体并用于将所述气体引入模块3中，气体分子解离在模块3中发生。如图1所示，蒸气分离模块1包括圆柱形容器，圆柱形容器具有竖直轴线并布置在处理系统的下部部分。根据一个优选实施方案，参照图2更详细描述的蒸气分离模块1设置有位于圆柱形容器的基部的废气入口4。入口4连接到发动机出口气体输送部。模块1包括用于位于圆柱形容器的上部部分的处理过的气体的出口9；通过该出口9，模块1通过联接接头(优选地为ISO-KF或等同类型的联接接头)在区段16处连接到下一个进气模块2(图5)。进而模块2通过联接接头(优选地为ISO-KF或等同类型的联接接头)在区段19和10处连接到下一个模块3，光解离单元(图3)。含有二氧化碳和蒸气状态的水的废气从内燃发动机的排气部经由入口管4流入到分离模块1中，废气在分离模块1中经过冷却液体8。水蒸气在圆柱形容器中经历冷凝过程。一旦进入，气体就会通过冒泡穿越存在于圆柱形容器的下部部分中的液体8的体积，从而释放气体中悬浮存在的任何颗粒。

然后，气体依次穿越一系列分隔件5、6和7，以到达圆柱形容器的上部部分。

在该步骤期间，通过与分隔件5、6、7的表面接触，冷却的气体由于干扰而去除存在于其中的湿气式水滴，所述水滴沉积在分隔件本身的金属表面上。

因此，现在不含水蒸气或颗粒的主要由二氧化碳构成的气体到达圆柱形容器的顶部，最后在区段9处从模块1排出。在模块1内操作的蒸气分离处理确保了从区段9释放的废气处于完全的电绝缘条件下。

因此，处理过的气体在区段16处进入进气模块2(图5)中。这样的模块包括径向离心式吸气器，并且特别地包括自通风(self-ventilated，自冷式)电动马达17和蜗壳(cochlea)18，自通风电动马达17联接到叶片叶轮。这样的进气模块2用于补偿由蒸气分离模块1导致的负载的损失，以便保持气体在光解离单元3入口处均匀流动。

气体在切向区段19处从模块2完全排出。

因此气体在区段10处进入光解离单元3(图3)。在该模块3中，在阳极11和阴极之间施加单向脉冲电场，单元3的圆柱形壁是阴极。在上述单元中，二氧化碳借助于分子解离过程被消除，从而重新获得在燃烧时损失的氧气。不含液体或固体悬浮体的待处理的气体经受紫外线轰击，因此同时消除碳。待处理的气体通过入口10(图3)引入单元3中，在单元3中经受紫外线的流，以在处理之后穿过第二开口15出来。通过将脉冲发生器的相位连接到电源线12来施加电场，该电源线12通过穿越绝缘体14而又电连接到由多个丝状天线形成的阳极11(图4)。脉冲发生器的中性极(neutral)或阴极集成地连接到光解离单元的金属结构上。

单向脉冲电场使得电子在阳极11的尖端上振荡。在高强度的、但比在气体中形成放电所需的值低的值的均匀脉冲电场存在的情况下，由形成在丝状天线的尖端上的电子云的振荡产生紫外线辐射，该丝状电线形成单元的阳极11。紫外线辐射导致二氧化碳分子解离成两个带负电的氧离子和一个带正电的碳离子。由单元3的壁吸引的碳离子将形成弱电流，从而使电路闭合。氧离子被推出单元3，在该处它们将形成氧分子。

处理过的气体在区段15从模块3完全排出。

图6示出了提供给光解离单元的脉冲发生器的框图。脉冲发生器由七个不同的模块构成：

1)AC-DC转换器：

绝缘隔离的AC-DC电源(借助于变压器)，其中输出电压借助于微调电容器(trimmer)是调节的(范围～10-16Vdc)。可用输出功率～4.5W。

2)DC-DC转换器：

用于向多谐振荡器供电的8V输出电压调节器。

3)多谐振荡器：

用于产生频率为～15.8Khz的周期性低压方波信号来驱动功率MOSFET的装置。

4)功率MOSFET：

由多谐振荡器产生的信号驱动的电源开关。电源信号直接由AC-DC电源供应器供应。

5)回扫变压器(EAT)：

电压提升器(voltage elevator)，其将输出电压从功率MOSFET提升至8kV。

6)电压倍增器：

电压三倍器，其将来自回扫变压器的输出电压乘以三倍。来自电压倍增器的输出信号直接进入光解离单元的阳极11，而阴极接地。

AC-DC转换器转换非稳定的220V-50Hz市电交流电压，其发送到稳定电压的稳压器(DC-DC转换器)，并以公共电源配置发送到功率MOSFET的漏极。

稳定在8V的DC-DC转换器的直流电压输出用于为多谐振荡器(集成的NE555)供电，该多谐振荡器产生频率为15.8kHz的脉冲序列，脉冲序列驱动功率MOSFET栅极。

功率MOSFET输出0-12VDC电压电平(voltage levels)的脉冲序列，电压电平具有等于15.8kHz的相同的频率。

功率MOSFET连接到回扫变压器(EAT)的初级线圈(primary)，回扫变压器将8kV高电压电平提供给其次级线圈(secondary)。

因此，在回扫变压器(EAT)的下游，电压电平为频率为15.8kHz的0-8kV脉冲序列。

进而次级回扫变压器(EAT)的输出连接到电压倍增器输入，该输入将脉冲序列的高电压电平增至三倍，使其以15.8kHz的相同频率变为0-24kV。在0-24kV 15.8kHz的电压倍增器的输出供电到单元阳极。

为了检测为单元阳极供电的电流，在AC-DC转换器的12V输出和功率MOSFET漏极之间串联插入模拟电流表。

出于同样的目的，串联插入具有其电阻的LED，使两端中的一端连接到围绕回扫变压器(EAT)的铁氧体缠绕的导线。在这种电路配置中，LED由通过电磁感应产生的电流通过该电流流过并且穿越回扫变压器(EAT)的次级而供电，从而为流向单元的阳极的电流提供视觉反馈。

上面的电路图还允许线性调节单元阳极的脉冲电源电压的高值。通过作用于AC-DC转换器来使输出电压在10V到16V DC的范围内改变，这种调节被允许。

根据本发明的设备允许净化内燃发动机的废气并将废气转化成氧气，氧气可以再次用于燃烧或可以被重新引入到大气中。该设备实际上可用于基于化石燃料燃烧的所有热力系统类型。该系统的重要优点包括不形成残余物(例如，碳排放)，并重新获得氧气，氧气在燃烧过程期间被消耗并且通过光解离过程重新获得而进入大气中或被再次使用。

本申请提供了以下内容：

项1.一种内燃发动机的废气净化设备，包括：

a)蒸气分离模块，其包括

圆柱形容器，其具有竖直旋转轴线并且具有下部部分和上部部分，所述分离模块具有用于引入废气的入口，所述入口位于所述下部部分中并且设置有流体密封的阀，

盖子，其封闭所述圆柱形容器的上端部，用于在所述蒸气分离模块中被处理的所述废气的出口位于所述盖子上；

分离装置，其用于从所述废气留下水蒸气和固体颗粒，

由此所述分离模块配置成从所述废气中移除水蒸气和固体颗粒，从而获得干燥的且不含固体悬浮体的干燥气体，

b)进气模块，其包括：

入口，其连接到所述分离模块的出口，

径向叶片风扇，其具有竖直旋转轴线，

出口，

所述进气模块配置成通过所述进气模块的所述入口吸入所述干燥气体并且将所述干燥气体通过所述进气模块的所述出口排出；

c)解离模块，由光解离单元构成，

所述光解离单元设置有连接到所述进气模块的出口的用于引入所述干燥气体的开口以及用于释放由光解离产生的气体的开口，

所述光解离单元包括：

第一电极，其充当阳极，由多个丝状天线形成，

第二电极，其由所述光解离单元的壁构成，

脉冲发生器，其连接到所述第一电极和所述第二电极，

所述光解离单元配置成通过借助于所述脉冲发生器向所述第一电极和所述第二电极施加单向脉冲电场来产生紫外线，

由此所述干燥气体在所述解离模块中经受光解离过程，借助于所述光解离过程，包含在所述干燥气体中的二氧化碳被分解成其组成部分。

项2.根据项1所述的设备，其中所述光解离单元的所述出口连接到所述发动机，使得从所述模块离开的气体的所述至少一部分能够被重新引入到所述发动机中，以再次被用于燃烧过程。

项3.根据项1-2中任一项所述的设备，其中所述多个丝状天线布置在所述光解离单元的中部。

项4.根据项1-3中任一项所述的设备，其中所述脉冲发生器配置成产生单向脉冲高电压，所述单向脉冲高电压的值低于在所述气体中产生放电所需的值。

项5.根据项1-4中任一项所述的设备，其中所述分离装置包括一系列分隔件，在所述分隔件处，通过与所述分隔件的表面接触，所述废气通过冷凝去除存在于所述气体中的水蒸气。

项6.根据项1-5中任一项所述的设备，其中所述分离装置包括以被包含在所述分离模块的所述下部部分中的冷却液体的形式的过滤装置，所述冷却液体适于被所述废气穿越，使得所述冷却液体将悬浮地存在于所述气体中的任何颗粒冷却并且释放到所述下部部分中。

项7.一种用于净化由内燃发动机释放的废气的方法，所述内燃发动机设置有根据项1-6中任一项所述的设备，所述方法包括以下步骤：

a)将废气引入所述蒸气分离模块中，

b)借助于冷凝来分离被包含在所述废气中的水蒸气，

b)通过使用所述分离装置消除存在于所述废气中的微粒残余物，

c)吸入没有微粒杂质的干燥废气，并将所述气体引入气体分子解离单元中，以用紫外线处理所述气体。

项8.根据项7所述的方法，其中如此处理的所述废气被重新引入所述发动机中。

项9.根据项7或8的方法，其中所述紫外线通过施加单向脉冲电场而产生，所述单向脉冲电场具有大幅值但不足以在所述气体中产生放电。

Claims (8)

1.一种内燃发动机的废气净化设备(100)，包括：

a)蒸气分离模块，其包括

圆柱形容器，其具有竖直旋转轴线并且具有下部部分和上部部分，所述蒸汽分离模块具有用于引入废气的入口(4)，所述入口(4)位于所述下部部分中并且设置有流体密封的阀，

盖子，其封闭所述圆柱形容器的上端部，用于在所述蒸气分离模块中被处理的所述废气的出口(9)位于所述盖子上；

分离装置，其用于从所述废气留下水蒸气和固体颗粒，

其中所述分离装置包括：

以被包含在所述圆柱形容器的所述下部部分中的冷却液体的形式的过滤装置，所述冷却液体适于被所述废气穿越，使得所述冷却液体将悬浮地存在于所述废气中的任何颗粒冷却并且释放到所述下部部分中，和

一系列分隔件(5、6、7)，在所述分隔件处，通过与所述分隔件的表面接触，所述废气通过冷凝去除存在于所述废气中的水蒸气，

由此所述蒸汽分离模块配置成从所述废气中移除水蒸气和固体颗粒，从而获得干燥的且不含固体悬浮体的干燥气体，

b)进气模块(2)，其包括：

入口(16)，其连接到所述蒸汽分离模块的出口(9)，

径向叶片风扇，其具有竖直旋转轴线，

出口(19)，

所述进气模块(2)配置成通过所述进气模块(2)的所述入口(16)吸入所述干燥气体并且将所述干燥气体通过所述进气模块(2)的所述出口(19)排出；

c)解离模块(3)，由光解离单元构成，

所述光解离单元设置有连接到所述进气模块(2)的出口(19)的用于引入所述干燥气体的开口(10)以及用于释放由光解离产生的气体的开口(15)，

所述光解离单元包括：

第一电极(11)，其充当阳极，由多个丝状天线形成，

第二电极，其由所述光解离单元的壁构成，

脉冲发生器，其连接到所述第一电极和所述第二电极，

所述光解离单元配置成通过借助于所述脉冲发生器向所述第一电极和所述第二电极施加单向脉冲电场来产生紫外线，

由此所述干燥气体在所述解离模块(3)中经受光解离过程，借助于所述光解离过程，包含在所述干燥气体中的二氧化碳被分解成其组成部分。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光解离单元的用于释放由光解离产生的气体的所述开口(15)连接到所述内燃发动机，使得从所述解离模块(3)离开的气体的至少一部分能够被重新引入到所述内燃发动机中，以再次被用于燃烧过程。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的设备，其中所述多个丝状天线布置在所述光解离单元的中部。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的设备，其中所述脉冲发生器配置成产生单向脉冲高电压，所述单向脉冲高电压的值低于在所述干燥气体中产生放电所需的值。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所述脉冲发生器配置成产生单向脉冲高电压，所述单向脉冲高电压的值低于在所述干燥气体中产生放电所需的值。

6.一种用于净化由内燃发动机释放的废气的方法，所述内燃发动机设置有根据权利要求1-5中任一项所述的设备，所述方法包括以下步骤：

a)将废气引入所述蒸气分离模块中，

b)借助于冷凝来分离被包含在所述废气中的水蒸气，

c)通过使用所述分离装置消除存在于所述废气中的微粒残余物，

d)吸入没有微粒杂质的干燥废气，并将所述废气引入光解离单元中，以用紫外线处理所述废气。

7.根据权利要求6所述的方法，其中如此处理的所述废气被重新引入所述内燃发动机中。

8.根据权利要求6或7的方法，其中所述紫外线通过施加单向脉冲电场而产生，所述单向脉冲电场具有大幅值但不足以在所述废气中产生放电。

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