專利名稱：減少燃燒廢氣中的有害物質(zhì)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1所述的減少燃燒廢氣中有害物質(zhì)的裝置和一種如權(quán)利要求8所述的減少燃燒廢氣中有害物質(zhì)的方法。技術(shù)背景眾所周知，在燃燒過程中要利用空氣中的氧。例如在汽車的內(nèi)燃機(jī)中要形成一種燃料-空氣混合物，該混合物借助一種點(diǎn)火劑被點(diǎn)火，借助該內(nèi)燃機(jī)獲得對(duì)汽車的驅(qū)動(dòng)能量。在該燃燒過程中會(huì)形成一系列的燃燒廢氣，該燃燒廢氣由燃料和空氣燃燒后產(chǎn)生。該由燃料燃燒而產(chǎn)生的燃燒廢氣通常借一種催化劑而大部分被凈化，以便降低環(huán)境負(fù)荷。由于燃燒過程中用到了空氣，空氣中含有氮?dú)?，因而在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生一氧化氮。這些一氧化氮很難較經(jīng)濟(jì)地利用一種催化劑被去除并由此而帶來嚴(yán)重的環(huán)境負(fù)荷。此外，該一氧化氮的形成使得在內(nèi)燃機(jī)的一些細(xì)小區(qū)域難以實(shí)現(xiàn)最佳的燃燒。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的具有權(quán)利要求1所述特征的用于減少燃燒廢氣中有害物質(zhì)的裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)，即在輸入空氣條件下進(jìn)行的燃燒過程中，氮?dú)獠粎⑴c燃燒，由此可避免燃燒廢氣中產(chǎn)生一氧化氮。一個(gè)與燃燒室相通的排氣通道內(nèi)至少設(shè)置一輸送氧氣-氮?dú)饪諝饣旌衔锏妮斔屯ǖ?，該通道具有一個(gè)新鮮空氣進(jìn)氣口和一個(gè)空氣排出口，且該通道的外壁是氧氣-氮?dú)?空氣混合物中的氧氣可通過的，燃燒以具有優(yōu)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)，即燃燒在從外界空氣中獲取氧氣的條件下進(jìn)行，而外界空氣中所含的氮?dú)獠慌c輸送給燃燒室的燃燒廢氣連通。
在本發(fā)明具有優(yōu)點(diǎn)的布置為，其外壁由一種氧離子傳導(dǎo)材料組成，該外壁最好與一個(gè)電壓源相連。其中，氧氣中的氧離子可穿過輸送氧氣-氮?dú)?空氣混合物的通道的外壁，而該外壁對(duì)于氮?dú)鈩t呈現(xiàn)為一種不超越的壁壘。通過施加一相應(yīng)的極化了的電壓，氧離子沿通道外壁的傳導(dǎo)被有效地改善，因此可通過一個(gè)可選擇的電壓對(duì)燃燒過程中的氧氣濃度產(chǎn)生影響。
本發(fā)明提出的減少有害物質(zhì)的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)，燃燒過程在氧氣輸入的條件下進(jìn)行，而導(dǎo)致有害物質(zhì)產(chǎn)生的氮?dú)獠粎⑴c燃燒過程，因此不必采用復(fù)雜的和因此而昂貴的方法來減少有害物質(zhì)。
本方法的優(yōu)選布置為，氧氣-氮?dú)?空氣混合物被輸送通過一儲(chǔ)氧的管系統(tǒng)，然后，該管系統(tǒng)中通以燃燒廢氣。利用這種具有優(yōu)點(diǎn)的方式可實(shí)現(xiàn)，在氧氣-氮?dú)?空氣混合物通過該管系統(tǒng)時(shí)，氧氣儲(chǔ)存在該管系統(tǒng)中，而氮?dú)鉀]有發(fā)生任何反應(yīng)地從管系統(tǒng)通過。接下來，當(dāng)該管系統(tǒng)通以燃燒廢氣時(shí)，被存儲(chǔ)的氧氣由該燃燒廢氣帶走并輸送到燃燒過程，而氮?dú)鈩t不參與該燃燒過程。
本發(fā)明的其它具有優(yōu)點(diǎn)的布置由從屬權(quán)利要求中所述的特征給出。
本發(fā)明將在下面的實(shí)施例中依據(jù)附圖更加詳細(xì)地加以闡述。


圖1為在內(nèi)燃機(jī)中實(shí)現(xiàn)無一氧化氮燃燒的裝置示意圖；和圖2為從氧氣-氮?dú)?空氣混合物(大氣)中分離出氧氣的裝置示意圖。
實(shí)施例描述圖1中簡(jiǎn)略示出了一個(gè)內(nèi)燃機(jī)10。該內(nèi)燃機(jī)10具有至少一個(gè)汽缸12，在該汽缸12內(nèi)有一個(gè)活塞14被引導(dǎo)，該活塞14通過一個(gè)連桿16與一個(gè)曲軸18相連。該汽缸12具有一個(gè)進(jìn)氣閥22，該進(jìn)氣閥22由第一凸輪軸24控制。排氣閥28由第二凸輪26控制。該汽缸12具有一點(diǎn)火源30，該點(diǎn)火源30例如為一火花塞。該內(nèi)燃機(jī)10具有一進(jìn)氣通道32和一排氣通道34。該排氣通道34一方面與排氣口36相通另一方面與一個(gè)與進(jìn)氣通道32相連的通道38相通。在進(jìn)氣通道32內(nèi)設(shè)有一個(gè)節(jié)流閥40。在進(jìn)氣通道32內(nèi)還設(shè)有一個(gè)燃料噴油嘴54。通道38具有一擴(kuò)大部分42，在它內(nèi)部設(shè)有一個(gè)隔板44，該隔板44將擴(kuò)大部分42分隔成第一室46和第二室48。其中，室46與進(jìn)氣通道32相通。室48設(shè)有一個(gè)新鮮空氣進(jìn)氣口50和一個(gè)空氣排出口52。不論新鮮空氣進(jìn)氣口50還是空氣排出口52均不與排氣通道34連通，或密封地從該排氣通道34穿過。將室46和48相互分開的隔板44例如由氧化鋯ZrO2(Y2O3)制成。隔板44與一個(gè)在此處用U表示的電壓源56相連。
圖1所示的布置具有以下功能當(dāng)內(nèi)燃機(jī)10工作時(shí)，燃料-空氣混合物在汽缸12內(nèi)被壓縮并通過點(diǎn)火源30被點(diǎn)火。該燃料-空氣混合物的噴射及壓縮和點(diǎn)火按照通常熟知的方式進(jìn)行，在此處將不再詳細(xì)闡述。通過空氣-燃料混合物的點(diǎn)火，產(chǎn)生一種爆轟式燃燒，并產(chǎn)生一種廢氣，該廢氣的基本組成包含有二氧化碳CO2和水H2O。該廢氣在排氣閥28打開時(shí)噴入排氣通道34內(nèi)。從這里開始，廢氣一部分進(jìn)入排出口36，而另一部分進(jìn)入擴(kuò)大部分42的室46內(nèi)。廢氣在進(jìn)氣閥22打開時(shí)按照節(jié)流閥40的位置通過進(jìn)氣通道32重新被輸送到汽缸12。為產(chǎn)生一種爆轟用混合物，這些廢氣通過噴油嘴54與燃料混合。在此，其細(xì)節(jié)是通常所熟知的，因此不做進(jìn)一步解釋。
由于燃燒過程只有在氧氣O2存在條件下才能進(jìn)行，因此通常為形成燃料-空氣混合物需要利用外界空氣(大氣)。在此，大氣中存在的氧氣被用于該燃燒過程。如在技術(shù)背景中已經(jīng)提到的，由于氮?dú)獾拇嬖?，在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生一氧化氮，該一氧化氮會(huì)導(dǎo)致額外的環(huán)境負(fù)荷。
按照本發(fā)明，大氣通過新鮮空氣進(jìn)氣口50被送入擴(kuò)大部分42的室48。擴(kuò)大部分42的隔板44是由一種氧離子2O2-傳導(dǎo)材料制成的，因此，來自大氣中的氧氣O2可通過該隔板44擴(kuò)散到室46內(nèi)。擴(kuò)散過隔板44的氧離子在室46內(nèi)與廢氣形成一種由廢氣和氧氣O2組成的混合物。該混合物通過進(jìn)氣通道32，與從噴油嘴54噴射出的燃料一起，被輸送到汽缸12并在那里被燃燒。該擴(kuò)散的氧離子可提供足夠的氧氣供燃燒使用。由于在室48內(nèi)，大氣中只有氧氣被吸收，因此氮?dú)釴2仍保留在大氣中并通過空氣排出口52被排出。因此可避免氮?dú)膺M(jìn)入與氧氣混合的燃燒廢氣中，此外，該燃燒廢氣還要被重新利用于一重新開始的燃燒過程。因此，避免了在燃燒過程中氧化氮NOx的產(chǎn)生。由于不是所有的氧氣通過隔板44擴(kuò)散到室46內(nèi)，如果該隔板44由一個(gè)多孔金屬電極裝填，并通過電壓源56施加一個(gè)相應(yīng)的極化的電壓，則可提高穿過該隔板44的氧離子2O2-。由于該氧離子具有負(fù)電位，因此，其電壓必須這樣被極化，即，使氧離子朝向室46的方向被加速，并且發(fā)生一種圖1中用A表示的相應(yīng)的載流子交換。
圖2中示出了在圖1中所示的擴(kuò)大部分42的一個(gè)具體的可能性布置。在擴(kuò)大部分42內(nèi)部，室46被示范性地畫出，而該室46的每一部分都可具有其它的結(jié)構(gòu)。一束完全單獨(dú)的、相互隔開的管58穿過室46，它們的橫截面的集合構(gòu)成室48。管58，如圖2中未示出的，一方面與新鮮空氣進(jìn)氣口50相連通，而另一方面與空氣排出口52相連通。其中，管58的外壁60構(gòu)成隔板44。
新鮮空氣被抽入由管58組成的管系統(tǒng)，而來自燃燒過程中的燃燒廢氣則通過各管58之間的空間，也就是室46，被重新送回燃燒。由于在各管58內(nèi)部(室48)的大氣和流過室46的燃燒廢氣間存在氧氣濃度差，因此氧離子穿過外壁60的氧離子傳導(dǎo)材料并使燃燒廢氣中富含氧。由于外壁60(隔板44)是氮?dú)馑荒芡ㄟ^的，因此氮?dú)馔ㄟ^空氣排出口52被重新排出到外界中，而不參與燃燒過程。如已經(jīng)提到的，由此可避免在燃燒過程中氧化氮NOx的產(chǎn)生。管系統(tǒng)的各管58可同樣接在一個(gè)相應(yīng)的極化的電壓源上，由此，借助氧離子而使其氧氣傳導(dǎo)效果得到進(jìn)一步提高。通過室48和管58的管系統(tǒng)的這種結(jié)構(gòu)，供氧離子擴(kuò)散的面積被顯著地增加，因此，大量的氧氣可被輸送到廢氣中。
另一個(gè)未示出的實(shí)施例為由室和分立管組成的系統(tǒng)，其外壁由一種儲(chǔ)氧材料、如氧化鋇(BaO)制成。該通道或該管系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換閥與新鮮空氣進(jìn)氣口50和空氣排出口52連通；或與排氣通道34和進(jìn)氣通道32相連通。在第一步驟中，新鮮空氣被抽入所述通道或管系統(tǒng)，該新鮮空氣溫度約為500℃，壓力約為2個(gè)大氣壓。由此，新鮮空氣中的氧氣以二氧化鋇BaO2的形式儲(chǔ)存在由氧化鋇制成的外壁內(nèi)。
在該通道或管系統(tǒng)轉(zhuǎn)換接通后，在接下來的下一個(gè)步驟中，燃燒過程中產(chǎn)生的廢氣從該通道或管系統(tǒng)中通過。此時(shí)，通道(或管系統(tǒng))的溫度約為800℃、壓力約為1個(gè)大氣壓。在此，二氧化鋇BaO2分解為一氧化鋇BaO和氣態(tài)的氧氣O2。該氣態(tài)的氧氣O2與廢氣相混合并因此可重新輸送到燃燒過程。由于新鮮空氣中的氮?dú)獠荒鼙粌?chǔ)存于一氧化鋇中并在廢氣進(jìn)入之前被從通道或管系統(tǒng)排出，因此避免了氮?dú)鈪⑴c燃燒過程并由此防止一氧化氮的產(chǎn)生。取代該復(fù)雜的、由氧化鋇制成的通道或管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可另設(shè)一層由一氧化鋇制成的內(nèi)涂層或采用一種結(jié)構(gòu)，例如一種由一氧化鋇制成的柵極結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種減少有害物質(zhì)的裝置，尤其是一種減少有氧氣-氮?dú)?空氣混合物參與的燃燒過程中所產(chǎn)生的燃燒廢氣中一氧化氮的裝置，其特征在于，與燃燒室相連通的排氣通道(34)至少設(shè)有一輸送氧氣-氮?dú)?空氣混合物的通道(室48)，室(48)和廢氣通道(34)間的隔板可選擇性地使氧氣-氮?dú)?空氣混合物中的氧氣通過。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述隔板(44)由一種氧離子傳導(dǎo)材料制成。
3.按照上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述室(48)由一束單獨(dú)的、相互隔開一定間隔的管(58)組成。
4.按照上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述隔板(44)與一電源(56)相連通。
5.按照權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述隔板(44)裝填一多孔的金屬電極。
6.按照上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述排氣通道(34)和室(48)具有共用的一個(gè)新鮮空氣進(jìn)氣口(50)、一個(gè)空氣排出口(52)和一個(gè)進(jìn)氣通道(32)，該進(jìn)氣通道可分別與室(48)或排氣通道(34)相連通，而室(48)或排氣通道(34)具有儲(chǔ)氧材料。
7.按照權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)氧材料為氧化鋇(BaO)。
8.一種減少有害物質(zhì)的方法，尤其是一種減少燃燒廢氣中一氧化氮的方法，其特征在于，所述燃燒廢氣通過一個(gè)通道被輸送入一燃燒室，通過該通道，氧氣-氮?dú)?空氣混合物(大氣)與燃燒廢氣分開地被輸送入該燃燒室，氧氣-氮?dú)?空氣混合物中的氧氣被輸送到燃燒廢氣中。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述氧氣通過一個(gè)輸送氧氣-氮?dú)?空氣混合物的通道的隔板被擴(kuò)散。
10.按照權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，通過施加一個(gè)相應(yīng)的極化的電壓來影響擴(kuò)散。
11.按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述氧氣-氮?dú)?空氣混合物被輸送過一個(gè)通道，尤其一由儲(chǔ)氧的管系統(tǒng)組成的通道，隨之，該管系統(tǒng)通以燃燒廢氣。
12.按照權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述被輸送通過管系統(tǒng)的氧氣-氮?dú)?空氣混合物，其溫度為500℃-600℃，最好約為550℃，其壓力為1.5大氣壓-2.5大氣壓，最好約為2大氣壓。
13.按照權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述被輸送通過管系統(tǒng)的燃燒廢氣的溫度為750℃-850℃，尤其約為800℃，其壓力約為1大氣壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種減少有害物質(zhì)的裝置和方法，尤其涉及一種減少有氧氣-氮?dú)?空氣混合物參與的燃燒過程中所產(chǎn)生的燃燒廢氣中一氧化氮的裝置和方法。一個(gè)與一個(gè)燃燒室相連通的廢氣通道(34)至少設(shè)有一個(gè)輸送氧氣-氮?dú)?空氣混合物的通道(室48)，并設(shè)有一個(gè)氧氣可通過的、或?qū)⒀醮鎯?chǔ)起來的隔板(44)，氧氣-氮?dú)?空氣混合物中的氧氣被輸送到通向燃燒室的燃燒廢氣中。
文檔編號(hào)F02B47/10GK1138833SQ95191241
公開日1996年12月25日 申請(qǐng)日期1995年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月15日
發(fā)明者克勞斯·迪特里希, 沃爾夫?qū)げ继m肯霍恩 申請(qǐng)人:羅伯特·博施有限公司