JP6771550B2 - 吸熱エンジンからの排出ガスを浄化する装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガソリンまたはメタンなどの、燃料の燃焼プロセス中に、自動車エンジンによって生じる排出ガスを浄化する装置に関する。

車のエンジンで化石燃料の燃焼によって生じる排出ガスは、環境問題を引き起こす。それは、人口の多い環境の大気に放出され、特に主要都市で、工業地帯、トンネル、ガレージ等で、居住者がそれを吸い込むからである。主な汚染物質の１つは、二酸化炭素と混合された水蒸気であり、それは、微粒子物質と共にスモッグを引き起こすことがある。凝縮方法は、排出ガスを水蒸気の露点まで冷却することによって、水蒸気を取り除くのに通常利用される。さらに、対流圏の前記の排出ガス層は、従って温室効果の促進を引き起こす。人間の活動によって引き起こされる、温室ガス濃度の増加は、地球の温暖化につながり、危険な気候変動を引き起こす。大気放出を減らすための様々なシステムが、現在存在する。−高エネルギー強度処理である熱分子解離
−廃棄に関連する意義を含む化学分子解離
−超低エネルギー効率のガス放電解離
−関係している不要な反応物の頻繁な交換を必要とする加水分解反応
−大きな気体のまとまりについて効率が悪い、機械的、静電気およびＵＶフィルター。

二酸化炭素排出物は、触媒化学反応または排気システムで作用するフィルターで取り除かれることができず、一方、その量は、燃料消費に基づく（すなわち、２倍の燃料消費の自動車は、２倍の量を放出する、それは、通常グラム毎キロメートルを単位として評価される）。例えば、小排気量のエンジンを含む自動車は、約１００ｇ／ｋｍを放出することがあり、一方、１５００ｃｃよりも大きい排気量のエンジンを含む自動車は、２５０ｇ／ｋｍ以上を放出する。最近の欧州基準は、２０１５以降に製造された自動車は１３０ｇ／ｋｍよりも多くないＣＯ_２量を放出しなければならないことを、規定し、その値は、２０２０以降に製造された自動車については９５ｇ／ｋｍまで削減されなければならない。全ての製造業者が、同様の技術的解決法を採用しているとは限らない。実際、他社は、スタンディングしながら自動的にエンジンを停止すること、または、電動コンプレッサを用いて小排気量のエンジンを製造すること、または、発電機またはさらにハイブリッドエンジン（すなわち、電気モーターと組み合わせられる）によって制御されるブレーキを得ること、を提案する。ＣＯ２を地下に貯蔵することを含む「炭素隔離」は、ヨーロッパで投資が行われている主要な技術である。しかしながら、その環境持続可能性に関するかなりの疑念が、地質学的不均衡および経時的安定性の観点から、存在する。大気への燃焼に起因する温室ガスの導入を排除または削減することができる、新しい技術を有する必要が、明らかである。

従って、従来技術の不都合な点を克服する必要が感じられる。

本発明の目的は、内燃エンジンによって放出される温室効果ガスを削減することである。

本発明は、内燃エンジンによって放出される温室効果ガスの削減に作用する濾過方法を提供し、前記の方法は、燃焼済みガス中に存在する複合分子の解離に基づく。

前記の方法は、内燃エンジンの排出ガスを浄化する、請求項１に記載の装置によって実行され、それは以下を含む：
ａ）蒸気分離モジュールであって、蒸気分離モジュールでは、水蒸気および固体粒子が取り除かれ、円筒容器と、カバーと、を備え、円筒容器は、垂直回転軸を含み、下部および上部を有し、前記のモジュールは、下部に位置する排出ガスを導入する入口を有し、流体密封弁が備わっており、カバーは、前記の円筒容器の上端部を閉じ、出口が、前記の蒸気分離モジュールで処理される排出ガスのために前記のカバーに位置する、蒸気分離モジュール；
ｂ）吸気モジュールであって、垂直回転軸を含む径方向ブレードファンを備え、円筒容器の前記の出口に接続された入口を通じて排出ガスを吸引し、吸引されたガスを吐き出す出口が備わっている、吸気モジュール；、
ｃ）光解離セルから成るモジュールであって、乾燥したおよび固体浮遊がない排出ガスが、光解離プロセスを受け、それによって、前記の乾燥ガスに含まれる二酸化炭素は、その成分に分解され、前記の光解離セルは、前記の吸気モジュールの出口に接続される排出ガスを導入するための開口、および光解離に起因するガスを放出するための開口が、備わっている、モジュール。本発明の第２態様は、請求項１に記載の装置が備わっている内燃エンジンによって放出される排出ガスを浄化する方法を提供し、かかる方法は、以下のステップを含む：
ａ）排出ガスを蒸気分離モジュールに導入するステップ、
ｂ）凝縮によって排出ガス中に含まれる水蒸気を分離するステップ、
ｃ）濾過によって排出ガス中に存在する粒子残留物を除去するステップ、
ｄ）粒子不純物がない乾燥排出ガスを吸引する、および紫外線でそれを処理するためにガス分子解離セルに前記のガスを導入する、ステップ。

本発明による装置は、内燃エンジンの排出ガスを浄化すること、およびそれを呼吸可能な空気に変換すること、を可能にする。発明の有利な効果が、特に、光解離セルを備えるモジュールに対する分離モジュールの連結のおかげで、得られる。別の有利な態様は、発明の装置は寸法が小さいことである。有利には、紫外線は、高強度の、しかし放電を生成するには不十分である、一方向パルス状電界を印加することによって、光解離セルで生成される。有利には、記載される装置によって浄化される排出ガスは、燃焼プロセスで再び使用されるようにエンジンに再導入され、従って、エンジン効率を高める。

従属請求項は、発明の好ましい実施形態を記載する。

発明のさらなる特徴および利点は、添付図面を参照して、非限定的例として示される排出ガス浄化システムの、好ましいが、排他的でない実施形態の詳細な説明に照らして、より明らかになる。

発明のガス処理システム体の概観を示す。 発明の蒸気分離モジュールの詳細の断面を示す。 発明の光解離セルモジュールの詳細の断面を示す。 光解離セルモジュールに関連するエミッタアノードの前面図である。 発明の吸気モジュールの側面図である。 発明のパルス発生器のブロック図である。図中の同じ符号および文字は、同じ要素または部品に言及する。

発明は、内燃エンジンの排出ガス浄化装置１００を一般に提供し、それは以下を備える：
ａ）蒸気分離モジュールであって、
円筒容器１であって、垂直回転軸を含み、下部および上部を有し、前記の分離モジュールは、下部に位置する排出ガスを導入する入口４を有し、流体密封弁が備わっている、円筒容器１と、
前記の円筒容器１の上端部を閉じるカバーであって、出口９が、前記の蒸気分離モジュールで処理される排出ガスのために前記のカバーに位置する、カバーと、
排出ガスから水蒸気および固体粒子を留める分離手段と、
を備え、
分離モジュールは、前記の排出ガスから水蒸気および固体粒子を取り除くように構成され、従って、乾燥したおよび固体浮遊がない乾燥ガスを得る、蒸気分離モジュール、
ｂ）吸気モジュール２であって、
分離モジュールの出口９に接続された入口１６と、
垂直回転軸を含む径方向ブレードファンと、
出口１９と、
を備え、
吸気モジュール２は、入口１６を通じて乾燥ガスを吸引するように、および出口１９を通じてそれを吐き出すように、構成される、吸気モジュール２、
ｃ）光解離セルから成るモジュール３であって、
前記の光解離セルは、乾燥ガスを導入するための前記の吸気モジュール２の出口１９に接続される開口１０、および光解離に起因するガスを放出するための開口１５が、備わっており、
光解離セルは、複数の糸状アンテナによって形成される、アノードとして働く第１電極１１と、
光解離セルの壁から成る第２電極と、
第１電極におよび第２電極に接続されるパルス発生器と、
を備え、
光解離セルは、第１電極および第２電極にパルス発生器によって一方向パルス状電界を印加することによって紫外線を発生させるように構成され、
乾燥ガスは、解離モジュール３で光解離プロセスを受け、それによって、前記の乾燥ガスに含まれる二酸化炭素は、その成分に分解される、モジュール３。

さらに、発明は、先の請求項による装置が備わっている内燃エンジンによって放出される排出ガスを浄化する方法を一般に提供し、かかる方法は、以下のステップを含む：
ａ）排出ガスを蒸気分離モジュールに導入するステップ、
ｂ）凝縮によって排出ガス中に含まれる水蒸気を分離するステップ、
ｃ）前記の分離手段を使用することによって排出ガス中に存在している粒子残留物を除去するステップ、
ｄ）粒子不純物がない乾燥排出ガスを吸引する、および紫外線でそれを処理するためにガス分子解離セルに前記のガスを導入する、ステップ

本発明による排ガス処理システムが、図１に示される。前記のシステムは、排出ガスから蒸気を分離するモジュール１と、モジュール１で処理されたガスを吸引し、前記のガスを、ガス分子解離が起こるモジュール３に導入する、モジュール２を、備える。蒸気分離モジュール１は、円筒容器を備え、その円筒容器は、垂直軸を有し、図１に示されるように、処理システムの下部に配置される。好ましい実施形態によると、図２を参照して今まで以上に詳しく記載される蒸気分離モジュール１は、円筒容器の下部に位置する排出ガス入口４が備わっている。入口４は、エンジン出口ガス送出に接続される。モジュール１は、円筒容器の上部に位置する処理ガス用の出口９を備え、この出口９を通じて、モジュール１は、次の吸気モジュール２（図５）に、連結継手、好ましくはＩＳＯ−ＫＦまたは同等の種類によって、セクション１６で接続される。モジュール２は、順に、次のモジュール、光解離セル（図３）に、連結継手、好ましくはＩＳＯ−ＫＦまたは同等の種類によって、セクション１９および１５で接続される。二酸化炭素および蒸気状態の水を含む排出ガスは、内燃エンジンの排気から、入口管４を通じて分離モジュール１に流れ、分離モジュール１では、それは冷却流体８を通る。水蒸気は、円筒容器で凝縮プロセスを経る。一度入ると、ガスは、バブリングによって円筒容器の下部に存在する液体８の容積を越え、このようにして、ガスに浮遊状態で存在する粒子を放出する。

ガスは、その後、一連の仕切り５，６，および７を連続的に越え、円筒容器の上部に到達する。

このステップ中、仕切り５，６，７の表面と接触することによって、冷却されたガスは、干渉に起因してそこに存在している湿度の滴を引き渡し、その滴は、仕切り自体の金属表面に堆積する。

水蒸気または粒子がない、今や主に二酸化炭素から成るガスは、従って、円筒容器の上部に到達し、セクション９でモジュール１から確かに出る。モジュール１内で操作される蒸気分離処理は、セクション９から放出される排出ガスが完全な電気絶縁状態下にあることを、確実にする。

処理ガスは、従って、セクション１６で吸気モジュール２（図５）に入る。そのようなモジュールは、径方向遠心吸引器を備え、および特に、ブレードインペラに連結された自己通気型電気モーター、および渦巻管１８を備える。そのような吸気モジュール２は、光解離セル３でガス流を均一に保つために、蒸気分離モジュール１によって導入される負荷の損失を補償するのに使用される。

ガスは、タンジェンシャルセクション１９でモジュール２から確かに出る。

ガスは、従って、セクション１０で光解離セル３に入る（図３）。一方向パルス状電界は、このモジュール３でアノード１１とカソードとの間に印加され、セル３の円筒壁は、カソードである。前述のセルでは、二酸化炭素は、分子解離プロセスによって除去され、従って、燃焼で失われた酸素を取り戻す。液体または固体浮遊がない、処理されるガスは、紫外線で衝突を受け、従って、同時に炭素を除去する。処理されるガスは、入口１０（図３）を通じてセル６に導入され、それは、第２開口１５を通じて処理の後に現れるように紫外線の流れを受ける。電界は、パルス発生器のフェーズを電源配線１２に接続することによって印加され、それは、絶縁体１４を横断することによって、順に、複数の糸状アンテナによって形成されるアノード１１（図４）に電気的に接続される。パルス発生器の中性点、またはカソードは、光解離セルの金属構造体に一体的に接続される。

一方向パルス状電界は、電子をアノード１１の先端で振動させる。紫外線放射は、高強度の、しかし放電を形成するのに必要とされる値よりも低い値の、均一なパルス状電界の存在下で、セルのアノード１１を形成する糸状アンテナの先端で形成される電子の雲の振動によって生じる。紫外線放射は、２つの負酸素イオンへのおよび１つの正炭素イオンへの二酸化炭素分子の解離を引き起こす。セル６の壁によって引きつけられた炭素イオンは、微弱電流を形成し、従って、電気回路を閉じる。酸素イオンは、セル６から押し出され、セル６では、それらが酸素分子を形成する。

処理ガスは、セクション１５でモジュール３から確かに出る。

図６は、光解離セルを供給するパルス発生器のブロック図である。パルス発生器は、７つの異なるモジュールで構成される：
１）ＡＣ−ＤＣコンバーター：トリマー（範囲〜１０−１６Ｖｄｃ）によって調整可能な出力電圧の絶縁ＡＣ−ＤＣ電源（変圧器によって）。利用可能な出力〜４．５Ｗ。
２）ＤＣ−ＤＣコンバーター：マルチバイブレーターを供給する８Ｖ出力電圧調整器。
３）マルチバイブレーター：パワーＭＯＳＦＥＴを駆動する周波数〜１５．８ｋＨｚの周期的低電圧方形波信号を生成するのに使用されるブロック。
４）パワーＭＯＳＦＥＴ：マルチバイブレーターによって生成される信号によって駆動される電源スイッチ。電源信号は、ＡＣ−ＤＣ電源出力によって直接供給される。
５）フライバックトランス（ＥＡＴ）：パワーＭＯＳＦＥＴから８ｋＶに出力電圧を上げる電圧昇降器。
６）電圧乗算器：フライバックトランスからの出力電圧を３倍にする電圧３倍器。電圧乗算器からの出力信号は、光解離セルのアノード１１に直行し、一方、カソードは、接地される。

ＡＣ−ＤＣコンバーターは、非安定化２２０Ｖ−５０Ｈｚ主交流電圧を変圧し、それは、安定化電圧調整器（ＤＣ−ＤＣ変換器）に、および共通ソース構成におけるパワーＭＯＳＦＥＴのドレインに、送られる。

８Ｖで安定化したＤＣ−ＤＣコンバーターの直流電圧出力は、マルチバイブレーター（統合ＮＥ５５５）を供給するのに使用され、それは、パワーＭＯＳＦＥＴゲートを駆動する１５．８ｋＨｚの周波数のパルス列を生成する。

パワーＭＯＳＦＥＴは、１５．８ｋＨｚに等しい同じ周波数の０−１２ＶＤＣ電圧のパルス列を出力する。

パワーＭＯＳＦＥＴは、フライバックトランス（ＥＡＴ）の一次側に接続され、それは、その二次側に８ｋＶパルス列の高電圧レベルを供給する。それ故に、フライバックトランス（ＥＡＴ）の下流で、電圧レベルは、１５．８ｋＨｚの周波数の０−８ｋＶパルス列である。

順に、フライバックトランス（ＥＡＴ）の二次側の出力は、電圧乗算器入力に接続され、それは、パルス列の高電圧レベルを３倍にし、それを１５．８ｋＨｚの同じ周波数の０−２４ｋＶにする。０−２４ｋＶ１５．８ｋＨｚの電圧乗算器の出力は、セルアノードに供給される。

セルのアノードを供給する電流を検出するために、アナログ電流計が、ＡＣ−ＤＣコンバーターの１２Ｖ出力とＭＯＳＦＥＴドレインとの間に直列に插入される。

同じ目的で、ＬＥＤには、その抵抗が、フライバックトランス（ＥＡＴ）のフェライトに巻かれた導線に接続された２つの端部の１つを有して直列に組み込まれる。そのような回路構成では、ＬＥＤは、フライバックトランス（ＥＡＴ）の二次側を通過および横断する電流による電磁誘導によって生成する電流によって供給され、従って、セルのアノードに向けられる電流に視覚フィードバックを提供する。

上記の回路図は、セルアノードのパルス電源電圧の高値の線形調整も可能にする。調整は、１０Ｖ〜１６Ｖの範囲で出力電圧を変化させるようにＡＣ−ＤＣコンバーターに作用することによって、可能になる。

発明による装置は、内燃エンジンの排出ガスを浄化すること、およびそれを酸素に変換すること、を可能にし、その酸素は、燃焼に再び利用され得る、または大気中に再導入されることができる。装置は、化石燃料の燃焼に基づく全ての熱システムの種類で、実際に使用可能である。システムの重要な利点は、炭素排出物などの残留物を形成しないこと、および燃焼プロセス中に消費される酸素を再導入すること、および光解離プロセスによって大気中に戻されること、またはそれを再利用することを、含む。

Claims (7)

1. 内燃エンジンの排出ガス浄化装置（１００）であって、
   ａ）蒸気分離モジュールであって、
   円筒容器（１）であって、垂直回転軸を含み、下部および上部を有し、前記蒸気分離モジュールは、下部に位置する排出ガスを導入する入口（４）を有し、流体密封弁が備わっている、円筒容器（１）と、
   前記円筒容器（１）の上端部を閉じるカバーであって、出口（９）が、前記蒸気分離モジュールで処理される排出ガスのために前記カバーに位置する、カバーと、
   排出ガスから水蒸気および固体粒子を留める分離手段と、
   を備え、
   分離手段は、濾過手段と、一連の仕切り（５，６，７）と、を備え、
   前記濾過手段は、分離モジュール（１）の下部に含まれる冷却流体の形態であり、前記冷却流体は、排出ガスによって越えられやすく、それが、前記ガスに浮遊状態で存在する粒子を、冷却し、前記下部に放出するようになっており、
   前記一連の仕切り（５，６，７）では、排出ガスが、前記一連の仕切りの表面と接触することによる凝縮を通じて前記ガスに存在している水蒸気を引き渡し、
   蒸気分離モジュールは、前記の排出ガスから水蒸気および固体粒子を取り除くように構成され、従って、乾燥したおよび固体浮遊がない乾燥ガスを得る、蒸気分離モジュールと、
   ｂ）吸気モジュール（２）であって、
   蒸気分離モジュールの出口（９）に接続された入口（１６）と、
   垂直回転軸を含む径方向ブレードファンと、
   出口（１９）と、
   を備え、
   吸気モジュール（２）は、入口（１６）を通じて乾燥ガスを吸引するように、および出口（１９）を通じてそれを吐き出すように、構成される、吸気モジュール（２）と、
   ｃ）光解離セルから成る解離モジュール（３）であって、
   前記光解離セルは、乾燥ガスを導入するための前記吸気モジュール（２）の出口（１９）に接続される開口（１０）と、光解離に起因するガスを放出するための開口（１５）と、が備わっており、
   光解離セルは、
   複数の糸状アンテナによって形成される、アノードとして働く第１電極（１１）と、
   光解離セルの壁から成る第２電極と、
   第１電極におよび第２電極に接続されたパルス発生器と、
   を備え、
   光解離セルは、パルス発生器によって第１電極および第２電極に一方向パルス状電界を印加することによって紫外線を発生させるように構成され、
   乾燥ガスは、解離モジュール（３）で光解離プロセスを受け、それによって、前記乾燥ガスに含まれる二酸化炭素は、その成分に分解される、解離モジュール（３）と、
   を備える装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記光解離セルの出口（１５）は、エンジンに接続され、解離モジュール（３）から出る前記ガスの少なくとも一部が、燃焼プロセスで再利用されるようにエンジンに再導入されることができるようになっている、装置。
3. 請求項１または２に記載の装置であって、前記複数の糸状アンテナは、光解離セルの中央に配置される、装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置であって、前記パルス発生器は、ガス中で放電を発生させるのに必要とされる値よりも低い値の一方向パルス状高電圧を生じさせるように構成される、装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置が備わっている内燃エンジンによって放出される排出ガスを浄化する方法であって、前記方法は、
   ａ）排出ガスを蒸気分離モジュールに導入するステップと、
   ｂ）凝縮によって排出ガス中に含まれる水蒸気を分離するステップと、
   ｃ）前記分離手段を使用することによって排出ガス中に存在している粒子残留物を除去するステップと、
   ｄ）粒子不純物がない乾燥排出ガスを吸引する、および紫外線でそれを処理するために光解離セルに前記ガスを導入する、ステップと、
   を含む方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、このように処理される排出ガスは、エンジンに再導入される、方法。
7. 請求項５または６に記載の方法であって、紫外線は、大振幅の、しかし前記ガス中で放電を生成するには不十分である、一方向パルス状電界を印加することによって、生成される、方法。