CN109844273A - 用于排气净化的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于净化由内燃机产生的排气的方法，其中，将由内燃机产生的排气引导通过排气路径，在该排气路径中布置至少一个吸附元件(12a、12b)，使包含在排气中的有害物质至少部分地结合在该吸附元件上，其中，所述至少一个吸附元件(12a、12b)通过至少部分地解吸被结合的有害物质而再生，其中，将在解吸期间从至少一个吸附元件(12a、12b)中解吸出的有害物质存储在至少一个存储器中。

Description

用于排气净化的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于净化由内燃机产生的排气的方法和一种用于内燃机的排气系统。本发明还涉及一种具有被配置成用于实施所述方法的排气系统的车辆。
背景技术
在运行内燃机时产生排气，排气含有有害物质、例如二氧化碳。由于这种有害物质对环境有害，因此持续地对内燃机排气中这种有害物质的浓度确定更加严格的限值。迄今的用于降低由内燃机排放的有害物质的浓度的排气后处理的方法基于借助于催化净化器对有害物质的氧化或还原。
在欧洲公开文本EP 29 599 56 A1中公开了一种用于从包含二氧化碳的气体中吸收二氧化碳的方法。
美国公开文本US 2015 0033 711 A公开了一种具有二氧化碳分离系统的车辆，该二氧化碳分离系统被配置成用于，将被分离出的二氧化碳存储在存储器中。
在美国公开文本US 2015 012 53 68 A中公开了一种用于对被吸收的气体进行再生以及对陶瓷吸收材料进行再生的循环过程。
国际公开文本WO 2013 109 895 A1公开了一种方法，在该方法中在被吸附的二氧化碳与由内燃机产生的热排气流之间发生了热交换过程。
发明内容
在这个背景下，本发明的目的是，为内燃机的低有害物质运行提供一种可行方案。
为了实现上述目的，提出一种用于净化由内燃机产生的排气的方法，其中，将由内燃机产生的排气引导通过排气路径，在该排气路径中布置至少一个吸附元件，使包含在排气中的有害物质至少部分地结合/束缚在所述至少一个吸附元件上，其中，所述至少一个吸附元件通过至少部分地解吸被结合的有害物质而再生，其中，将在解吸期间从至少一个吸附元件中解吸出的有害物质存储在至少一个存储器中。
本发明的设计方案从说明书和从属权利要求中得到。
所提出的方法特别是用于净化由内燃机、例如柴油机、汽油机或燃气机产生的排气。对此根据本发明提出，借助于至少一个吸附元件至少部分地吸附包含在由内燃机产生的排气中的有害物质、特别是二氧化碳。就是说，包含在排气中的有害物质在吸附步骤中至少部分地积聚在至少一个吸附元件上，并至少暂时地、即在限定的时间段内被存储在吸附元件中。在该时间段之后，在解吸步骤中从或由至少一个吸附元件解吸有害物质，最后将有害物质转移到存储器中。在此，有害物质在至少一个吸附元件上存储的时间段例如根据所述至少一个吸附元件的吸附能力来选择。
吸附元件在本发明的上下文中被理解为一种下述的设备，该设备适合于从排气中提取物质、如有害物质并在该设备的表面上积聚该物质、如有害物质。通过使用吸附元件，与吸收元件相比实现了，更快地且在使用较少的能量的情况下、即更有效率地解吸积聚在吸附元件上的颗粒、例如有害物质。
根据本发明的方法特别是设计为三个阶段，从而在第一阶段中通过至少一个根据本发明提出的吸附元件吸附或积聚包含在相应排气中的有害物质，在第二阶段中解吸积聚在吸附元件上的有害物质。为了从至少一个吸附元件中解吸有害物质，就是说，为了从或由至少一个吸附元件释放或分离有害物质，可以例如加热吸附元件和/或使辅助气体通流过该吸附元件。一旦由至少一个吸附元件解吸的有害物质以自由的形式存在，就设置为，在第三阶段中将解吸的有害物质转移到存储器中并存储在其中。就是说，将包含在排气中的有害物质被转移到存储器中并积聚在存储器中。在存储器中积聚的有害物质可以作为原料用于在内燃机中运行的过程，或从存储器中被取出并例如转移到位于内燃机外部的存储器中，以便最终作为原料而被供应给其它应用。
在本方法的一个可能的设计方案中提出，至少一个吸附元件包括由以下材料列表中的一种材料或材料组合制成的至少一个吸附层：氧化铝/铝氧化物或硅酸铝/铝硅酸盐。
证明为有利的是，根据本发明提出的至少一个吸附元件配备有基于铝的吸附层，相应的有害物质被吸附在该吸附层上。由Al2O3或硅酸铝制成的吸附层被证明是特别有利的。
在所提出的方法的另一可能的设计方案中提出，至少一个吸附元件是具有无机或有机基质的固体吸附元件。在此还提出，使有害物质可再生地结合在所述至少一个吸附层上。
根据本发明提供的至少一个吸附元件可以例如在相应的内燃机的排气系统中设计为固体。在此，吸附元件可以具有载体基质，在该载体基质上施加吸附层。可以设想，吸附元件例如设计为蜂巢状或使吸附元件的表面最大化的其它形状。
为了实现对在根据本发明提供的至少一个吸附元件上积聚的有害物质的解吸，以及为了将积聚在吸附元件上的有害物质转移到存储器中，提出，吸附元件、或吸附元件的吸附层被配置成用于，以可再生的方式、即可分离地或可逆地结合相应的有害物质。为此可以特别提出，通过物理力、即以物理吸附的方式通过例如有害物质与吸附元件的静电的相互作用在吸附元件上积聚有害物质。
在所提出的方法的另一可能的设计方案中提出，借助于下面的解吸方法列表中的一种解吸方法或解吸方法组合解吸通过至少一个解吸元件结合的有害物质：提高至少一个吸附元件的温度、提高至少一个吸附元件的环境中的温度、减小至少一个吸附元件的环境中的大气压，利用辅助气体通流过至少一个吸附元件。
为了再生至少一个根据本发明提出的吸附元件，就是说，为了解吸在至少一个吸附元件上积聚的有害物质或使在至少一个吸附元件上积聚的有害物质与至少一个吸附元件分离，可以提出，使至少一个吸附元件承受温度变化和/或压力变化。特别是通过对至少一个吸附元件加热可以解除在相应的有害物质与至少一个吸附元件之间的相互作用，无论该相互作用是化学类型的还是物理类型的。对吸附元件的加热相应地有利于从或由吸附元件解吸有害物质，从而有害物质可以与至少一个吸附元件分离并转移到存储器中。
还可以设想，借助于辅助气体解吸至少一个根据本发明提供的吸附元件，该辅助气体例如是如下气体，该气体例如从辅助气体存储器或从相应的排气系统的环境中被导入至少一个吸附元件中或周围，并吸收积聚在至少一个吸收元件上的有害物质。
被证明为特别有利的是，将对至少一个吸附元件进行加热与借助于辅助气体通流的方法和/或减小至少一个吸附元件的环境中的压力进行组合。通过将对至少一个吸附元件进行加热与借助于辅助气体通流的方法进行组合，要与至少一个吸附元件分离的有害物质由于加热而可以被相应的辅助气体流容易地吸收并随着该辅助气体流被运走。纯的二氧化碳气体被证明是特别适合用于解吸二氧化碳的辅助气体，这是因为二氧化碳气体不再需要与从至少一个吸附元件中作为有害物质解吸的二氧化碳分离。另选地，使用空气作为辅助气体也被证明是适合的。
在所提出的方法的另一可能的设计方案中提出，在解吸期间借助于增压器将从所述至少一个吸附元件中释放的有害物质导入至少一个存储器中并在产生压力的情况下积聚在该至少一个存储器中。
在使用增压器、例如压缩机或风机的情况下可以产生如下体积流量，该体积流量围绕至少一个根据本发明提供的吸附元件流动并与相应解吸的有害物质一同流入存储器中。在此还可以在存储器处附加地布置另外的增压器，该另外的增压器在蓄压器的意义上对存储器中的体积流量进行压缩。
在所提出的方法的另一可能的设计方案中提出，使用多个吸附元件，在循环运行中，在第一时刻使包含在排气中的有害物质至少部分地结合在多个吸附元件中的第一部件中并使多个吸附元件中的第二部件再生。在此还提出，在第二时刻使包含在排气中的有害物质至少部分地结合在多个吸附元件中的第二部件中并使多个吸附元件中的第一部件再生。
为了能连续地实施所提出的方法，特别提出，使用多个吸附元件，特别是使用两个吸附元件。通过多个吸附元件实现了，在一系列的运行中首先使用多个吸附元件中的单个吸附元件来吸附有害物质，随后进行解吸过程。在此提出，如此使用相应的吸附元件，使得在第一吸附元件用于吸附有害物质期间，另外的吸附元件在时间上并行的过程中经受解吸过程，并且反之亦然。相应地，在任意时刻都提供至少一个吸附元件用于吸附或积聚有害物质，该至少一个吸附元件具有根据吸附和解吸序列的规定的时间顺序而变得自由的/被释放的容量。
在所提出的方法的另一可能的设计方案中提出，将由内燃机产生的排气中的微型颗粒存储在沿由内燃机产生的排气的流动方向布置在至少一个吸附元件上游和/或下游的至少一个过滤元件中。
为了如此净化由相应的内燃机产生的排气流，使得该排气流的有害物质排放量处于针对特别是微型颗粒、例如氮氧化物的相应限值内，在被设置为用于实施所提出的方法的排气路径中布置适合于吸纳微型颗粒的过滤元件。这种过滤元件可以例如在维修时进行更换并在内燃机外部被清空或被回收以再次使用。
在所提出的方法的另一可能的设计方案中提出，借助于至少一个冷却元件和/或至少一个加热元件将排气的温度调节至适合于吸附有害物质的温度。
为了能特别有效地在至少一个根据本发明提供的吸附元件上积聚有害物质，特别有利的是，调节吸附元件的温度或吸附元件的环境的温度，在该温度下吸附元件与有害物质强烈地相互作用。对此可以例如提出，流向吸附元件的排气被冷却到100℃与500℃之间的温度、特别是大约100℃。
在所提出的方法的另一可能的设计方案中提出，将存储在存储器中的有害物质从至少一个存储器转移至位于内燃机外部的存储器中。
为了使被配置成用于实施所提出的方法的排气系统的存储器再生，并相应地为吸收其它有害物质而做准备，可以提出，存储在存储器中的有害物质被转移到外部的存储器、例如蓄压器中。为此可以在排气系统的存储器上布置增压器或在外部的存储器上使用真空发生器，以便产生压力梯度，有害物质根据该压力梯度分配在不同的存储器上。
所提出的方法特别是用于从内燃机的排气中去除二氧化碳。所提出的方法当然也适用于吸附和解吸其它有害物质，例如一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮或其它氮氧化物。
本发明还涉及一种用于内燃机的排气系统，所述排气系统具有排气路径和至少一个布置在排气路径中的吸附元件，其中，该至少一个吸附元件被配置成用于，在吸附过程中至少部分地结合包含在排气中的有害物质，其中，至少一个吸附元件被配置成用于，通过至少部分地对被结合的有害物质进行解吸而再生。在此提出，排气系统包括至少一个存储器，在其中存储了在解吸期间从至少一个吸附元件中解吸的有害物质。
例如借助于根据本发明的排气系统实现了，通过两个每个具有10kg自重的二氧化碳吸附元件可以结合大约2kg二氧化碳。在此假设，1kg二氧化碳结合到10kg吸附质量上，这相当于二氧化碳吸附元件的结合容量为10％。相应在5个具有相应的吸附和解吸步骤的循环之后，在10升的二氧化碳瓶中可以获得大约10kg二氧化碳，这在由车辆内燃机每公里产生110g二氧化碳的情况下相当于内燃机的二氧化碳负荷减小了20％。
上述提供的排气系统特别是用于实施所提出的方法。
本发明还涉及一种被配置成用于实施所提出的方法的车辆。
所提供的排气系统特别是用于所提供的车辆的运行。
从说明书和附图中得到其它优点和设计方案。
当然，在不离开本发明的范围的情况下，上面所述和下面还要详述的特征不仅可以在相应表明的组合中、而且还可以在其它组合中或单独地使用。
附图说明
根据附图中的实施例示意性示出本发明并参照附图示意性详述本发明。
图1示出根据本发明的排气系统的一个可能的设计方案。
具体实施方式
在图1中示出内燃机的排气系统1。为了净化由内燃机产生的排气，首先通过冷却器3至少部分地对排气质量流(如通过箭头2表示)中的排气除湿，随后将排气分为两个排气流，如通过箭头6和7表示。第一排气流(如通过箭头6表示)被导入第一滤筒10中，该第一滤筒包括第一预过滤器11a和第一二氧化碳吸附元件12a。第二排气流(如通过箭头7表示)被导入第二滤筒13中，该第二滤筒包括预过滤器11b和第二二氧化碳吸附元件12b。
预过滤器11a和11b吸收例如氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳等成分，而通过二氧化碳吸附元件12a和12b至少部分地吸附包含在排气中的二氧化碳。相应地从滤筒10和13中漏出低二氧化碳的排气，如通过箭头4表示。
一旦第一滤筒10的用于吸收二氧化碳的容量耗尽——这例如是被吸附的有害物质质量相当于二氧化碳吸附元件12a的自重的大约10％的情况，那么原来的根据箭头2的排气流就被改道，如通过箭头14表示。同时，第一滤筒10被切换到解吸模式中，在该解吸模式中利用辅助气体、例如纯的二氧化碳从辅助气体存储器16中流向滤筒10的二氧化碳吸附元件12a。通过换热器17将该辅助气体转换到高温的状态，最后将辅助气体导入切换为解吸模式的滤筒10中。例如可以从一存储器中为换热器供应热的排气，以便加热辅助气体。
在滤筒10中，高温的辅助气体引起积聚在二氧化碳吸附元件12a上的有害物质的解吸，并与被解吸的有害物质共同经由压缩机19流动到存储器21中(如通过箭头18表示)。
在二氧化碳吸附元件12a解吸并且滤筒10相应再生后，根据箭头2的排气流被再次改道，如通过箭头15表示，从而可以再生滤筒13。

Claims (15)

1.一种用于净化由内燃机产生的排气的方法，其中，将由内燃机产生的排气引导通过排气路径，在该排气路径中布置至少一个吸附元件(12a、12b)，使包含在排气中的有害物质至少部分地结合在所述至少一个吸附元件上，其中，所述至少一个吸附元件(12a、12b)通过至少部分地解吸被结合的有害物质而再生，其中，将在解吸期间从至少一个吸附元件(12a、12b)中解吸出的有害物质存储在至少一个存储器中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个吸附元件(12a、12b)具有由以下材料列表中的一种材料或材料组合制成的至少一个吸附层：氧化铝或硅酸铝。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，至少一个吸附元件(12a、12b)是具有无机或有机基质的固体吸附元件(12a、12b)，其中，使有害物质以能再生的且/或物理吸附的方式结合在所述至少一个吸附层上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于以下解吸方法列表中的一种解吸方法或解吸方法组合使由至少一个吸附元件(12a、12b)结合的有害物质再生：提高至少一个吸附元件(12a、12b)的温度、提高至少一个吸附元件(12a、12b)的环境中的温度、减小至少一个吸附元件(12a、12b)的环境中的大气压、利用辅助气体通流过至少一个吸附元件(12a、12b)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用借助于辅助气体存储器(16)提供的纯二氧化碳和/或合成空气作为辅助气体。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，至少部分地从至少一个存储器(21)中提取辅助气体。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在解吸期间借助于增压器(19)将从所述至少一个吸附元件(12a、12b)中释放的有害物质导入至少一个存储器(21)中并在产生压力的情况下积聚在该至少一个存储器(21)中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用多个吸附元件(12a、12b)，其中，在循环运行中，在第一时刻使包含在排气中的有害物质至少部分地结合在多个吸附元件中的第一部件(12a)中并使多个吸附元件中的第二部件(12b)再生，在第二时刻使包含在排气中的有害物质至少部分地结合在多个吸附元件中的第二部件(12b)中并使多个吸附元件中的第一部件(12a)再生。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将由内燃机产生的排气中的微型颗粒存储在沿由内燃机产生的排气的流动方向布置在至少一个吸附元件(12a、12b)上游和/或下游的至少一个过滤元件(11a、11b)中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，从内燃机中拆卸并再生至少一个过滤元件(11a、11b)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于至少一个冷却元件(3)和/或至少一个加热元件(17)将排气的温度调节至适合于吸附有害物质的温度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将存储在存储器(21)中的有害物质从至少一个存储器(21)转移至位于内燃机外部的存储器中。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将二氧化碳选择为有害物质。
14.一种用于内燃机的排气系统，该排气系统具有排气路径和布置在排气路径中的至少一个吸附元件(12a、12b)，其中，该至少一个吸附元件(12a、12b)被配置成用于，在吸附过程中至少部分地结合包含在排气中的有害物质，其中，至少一个吸附元件(12a、12b)被配置成用于，通过至少部分地解吸被结合的有害物质而再生，其中，排气系统包括至少一个存储器，所述至少一个存储器被设计成用于，存储在解吸期间从至少一个吸附元件(12a、12b)中解吸的有害物质。
15.一种车辆，其具有被配置成用于实施根据权利要求1至13中任一项所述的方法的排气系统。
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