CN104411946A - 用于内燃机中燃料的富氧燃烧的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机(ICE)中燃料的富氧燃烧的方法和设备，所述内燃机用于驱动车辆，将来自发动机废气流和冷却系统的废热形式的车上可用的自由能转化成电能和/或机械能，所述能量用于从空气消除或显著减少进入ICE的燃烧室的氮的体积，并且由此减少释放到大气中的NOx污染物，并且使用集成的系统增大发动机废气流中CO2的浓度以用于捕集，压缩并且增大所捕集的CO2的密度用于临时车载存储，直到例如在车辆加燃料期间在回收站处将其排出为止。

Description

用于内燃机中燃料的富氧燃烧的设备和方法
技术领域
本发明涉及在内燃机中进气之后的氮的消除或减少。
背景技术
目前被接受的想法是全球变暖是由于温室气体排放，诸如二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)。目前全球二氧化碳排放的大约四分之一来自于汽车源。随着发展中国家汽车保有量猛增，这部分二氧化碳排放将快速增长。由于氮几乎占地球大气中气体的80％，因此其存在于内燃机的燃烧室中加重了通常称为NOx污染物的大量氧化物的产生。虽然催化转换器能转化许多这些不良化合物，但人们已经认识到非常希望从空气/燃料混合物减少或消除氮。来自汽车源的空气污染管理具有许多挑战，诸如空间和重量限制，该应用的规模经济性，以及汽车源的快速动态操作。
在USP6170264中提出了用于在固定发电厂或内燃机中使用的富氧燃烧过程，该过程包括用于在将空气用于碳氢燃料燃烧之前从空气分离氮的步骤，以便较少或消除作为燃烧副产物的氧化氮和其他污染物。已提出通过使用高精炼燃料来进一步减少诸如硫、硫化物和各种氮氧化物(NOx)，所述高精炼燃料诸如是氢、甲烷、丙烷、净化天然气和诸如乙醇和甲醇的轻馏分。
‘264专利中具体提出了使用基于膜的空气分离系统的空气分离装置，以通过使空气供给流在压力下穿过膜而将空气分离成其组成部分。横跨膜的压力梯度使得大多数可透过的成分比其他成分更快速地穿过膜，由此产生富含透过成分的产品流，同时该成分从原供给流去除。许多膜可以在环境温度下操作。说明了几种类型的膜及其特征。醋酸纤维素膜被认为具有用于氧和氮的良好分离系数，但具有较低的通量率。设置在微孔聚砜基板上的复合膜具有比醋酸纤维低的分离系数，但在下同压力差下具有较高通量率。提供串联的多层膜可以提高产品流中的氧浓度。
电陶瓷膜是允许离子运动的离子固体溶液，当从空气供给流分离氧时，其要求大约800℉的较高温度来使阳离子运动。在‘264专利的图12的示例中，称为“工作流体”的燃烧废气被引导到换热器，该换热器继而将电陶瓷膜加热到800℉的理想操作温度。该专利将氧化钇稳定的氧化锆作为用于电陶瓷膜的可能材料。
‘264专利还想到膜可以用于使氮穿过并且由此减少剩余空气供给流的氮含量。在该操作模式中，富氮流将在膜的出口侧并且富氧流将是保留物。由于通过膜的扩散速率由离子迁移率确定，而离子迁移率又是具体材料的特征并且取决于网格中的阳离子的尺寸、电荷和几何特征，因此电陶瓷膜的几何特征和位置将由操作模式确定。
USP5051113公开了用于汽车发动机的进气系统，其使用选择性可透膜以实现进入发动机进气系统的空气的氧富集，以便提高发动机效率。USP5051113的公开内容通过参考包含于此。该系统利用全氟间二氧杂环戊烯膜，其具有至少1.4:1的氧/氮选择性并且在最优条件下提供大约10％到最大66％的O2增大，或者进气中从大约10％到30％的O2增大。与富氧燃烧不同，由于膜氧/氮选择性的限制，‘113专利的氧富集过程没有消除大部分的NOx污染物。
在由内燃机驱动的机动车辆中使用富氧燃烧过程的主要问题是如何使用于通过例如‘264专利的现有技术实施该过程所必需的所公开的空气分离部件要求的额外重量和空间最小。例如，在关心每加仑行驶里程比率和车辆重量的汽车设计者看来，用于使废气循环通过换热器以便获得用于电陶瓷膜的800℉操作温度的步骤所需要的额外装置的尺寸和重量将是该过程的显著缺点。
实际上，从机动车辆减少排放污染物所面临的大多数问题在解决从固定发电厂减少相同污染物时都不存在，这是因为地板空间和/或头顶空间不受限制。发电厂中也已经有可用的电力和其他设施以允许辅助设备，诸如在空气分离步骤中使用的压缩机。
因而，要解决的一个问题是如何实现用于驱动机动车辆的ICE中富氧燃烧的已知优点，同时使对机动车辆的总体高效操作的不利影响最小，该不利影响是关于额外部件的重量增大和与空气分离步骤相关的动力需求。
发明内容
为了克服这些问题，本发明提供用于在驱动车辆的ICE中的富氧燃烧的方法和设备，所述方法使用废热形式的车上可用的自由能，以从空气分离氧，消除或显著减少进入燃烧室的氮的体积，并且由此相应地减少释放到大气中的NOx污染物。在优选实施例中，本发明与从发动机废气捕集CO2并且增大从CO2的密度用于临时存储的方法和设备相结合，所述发动机废气现在是低氮的并且含有非常低水平的NOx气体，所述临时存储直到例如在车辆加燃料期间在回收站处排出CO2为止。
氧从空气分离并且与燃料混合以产生纯的或几乎纯的CO2和水(H2O)的废物。在CO2被加浓并且临时存储在车辆上之前，H2O可以容易地冷凝和分离。使氧与燃料燃烧的方法被称为富氧燃烧，并且各种技术可用于从大气分离O2。
用于从空气分离氧的商业方法是基于离子传输膜(ITM)的使用，所述离子传输膜由固体陶瓷材料制成，所述固体陶瓷材料在升高的温度和环境压力下传导氧离子。ITM氧处理可从美国犹他州盐湖城的Ceramatec公司得到。ITM用于从大气分离高纯度氧。美国宾夕法尼亚州阿伦顿的Air Products and Chemicals公司也致力于ITM氧分离方法的商业化。
陶瓷氧发生器是便携式氧发生器，其使用位于两个多孔电极之间的固体陶瓷电解质来产生氧。为了便于氧离子的运动，陶瓷膜被加热到大约700℃。通过提高操作温度和所施加的电势，所述单元还能在高于其额定设计能力的情况下产生氧。
用于在具有改进的性能特征的固体电陶瓷膜氧分离单元中使用的电解质组件在授予Ceramatec公司的USP5021137中描述，其公开内容通过参考包含于此。电解质包括氧化铈或掺杂有氧化钙、氧化锶或氧化钇的二氧化铈，一对烧结的镧锶钴的电极覆盖有薄层的银。
该系统是基于在外部施加电势的影响下通过致密固体陶瓷电解质膜的氧离子迁移的无限选择性。固体电解质由氧化铈制成，其添加有掺杂物以增强离子传输和膜加工性。通过使用多孔钙钛矿电极促进氧化和还原反应，所述钙钛矿电极与平面陶瓷电解质膜元件一起形成电化学单元；多个单元相结合以形成堆。包括多个平面构型的单元的堆提供良好的电化学性能和稳定性、机械整体性和经数千小时的使用产生高纯度氧的能力。基于离子传输膜的氧发生器系统包括集成的热管理系统、空气增流器、电源和相关控制系统。
产生大量热能并且热管理包括将堆与局部环境隔离以保持单元的所需操作温度，以便使用于加热的电力最小。高效热回收装置用于从废空气的热和从氧回收能量值。通过回收热能，可以是电力消耗最小。
固体电解质陶瓷膜可以由镍超级合金基质支撑，以使氧发生器单元不易由于在ICE的起动和停机期间与堆的加热和冷却相关的膨胀和收缩的力引起破碎。
可以用于实施本发明的空气分离方法是基于利用固体吸附剂的氧捕集和存储方法的，该固体吸附剂从越过在起始温度下操作的固定或流化床的大气去除并保持O2。当吸附剂变得被O2饱和或已到达所保持的氧的预定水平时，扫气越过所述床以释放所吸附的氧。两个或更多个吸附剂床可以并行操作，其中一个或多个床吸附氧，而其余的一个或多个床进行与扫气混合的基本纯氧的回收。一个这种系统可以从Linde Group获得并且被称为Ceramic Autothermal Recovery(CAR)制氧方法。一种适当类型的吸附和存储材料是钙钛矿。扫气可以是主要是CO2和水蒸气的来自ICE的热废气的一部分。扫气可以来自废气流并且与燃料一起进入气缸。包括水蒸气的废气流的一部分可以根据现有技术已知的废气再循环(EGR)方法和装置与燃料混合物一起重复利用，以控制发动机温度。
用于从大气分离氧和氮的其他商用方法和装置可用于实施本发明。由Parker Hannifin公司的Parker Bolston分部销售的氮发生器使用膜将压缩空气分离成作为保留物的含95-99％纯氮的气流。半透膜由成束的独立中空纤维构成，所述纤维每个都具有圆形横截面和穿过其中心的均匀的孔。由于其较小的尺寸，大量纤维可以包装到较小空间中。效果是极大的膜表面面积可以产生较大量的产品流。引入到模块的一端的压缩空气穿过纤维孔而进入膜。氧、水蒸气和其他示踪气体容易地穿过膜过滤器并且通过穿透口而排出；氮被容纳在膜内并且通过膜模块的排出口而排出。一个或多个所述膜模块可以安装在ICE的进气歧管中并且供给有压缩空气，所述压缩空气来自由发动机驱动的机械增压器或由废气流驱动的涡轮增压器。从大气分离的氮可以通过歧管中的孔排放到大气中。在可替代实施例中，一个或多个模块可以用于将氧直接引入到气缸进气口以与燃料混合，而所分离的氮被排放到大气中。
富氧空气流也可以从变压吸附(PSA)氮发生器回收，该变压吸附氮发生器可以从Balston买到。PSA氮发生器使用过滤和变压吸附的组合。预过滤的压缩空气流穿过对于氧、二氧化碳和水蒸气具有较大亲和力的碳分子筛(CMS)的床，并且允许氮穿过所述床。所吸附的氧和其他气体在较低压力下释放。通过升高和降低CMS床上的压力，相应地捕集和释放氧和其他气体，保持CMS不更换。如在使用PSA方法的其他方法中那样，穿过床的氮被释放到大气中。为了提供连续的氧流，两个或更多个CMS床相继地操作。压缩空气优选地由涡轮增压器提供；更高度加压的空气可以由辅助空气压缩机提供，例如机械增压器、活塞泵、叶状鼓风机或由ICE的风扇皮带驱动的旋叶泵。
可以使用可买到的利用活性碳分子筛或吸附剂来从大气捕集氧的变真空吸附(VSA)系统和混合真空变压吸附(VPSA)系统。与捕获氮的沸石硅酸盐相结合的氧化铝能产生纯度为90-95％的氧，并且也可以在本发明的方法中使用。利用具有较强选择性和较高传质速率的锂基吸附剂的商业系统也可以在本发明中使用。除了传统的纵向穿过床，还可以采用径向床。这些系统的较低能量要求和紧凑的尺寸相比于用于从空气分离氧的其他已知方法和设备具有用于ICE驱动车辆的车载用途的优点。
用于从环境空气分离氧的另一种PSA方法利用颗粒状铝硅酸盐或沸石的床，其设置在一个、但优选至少两个罐中，加压空气流穿过所述罐。氮被吸附到沸石颗粒的结构中，并且氧和其他大气气体穿过所述床并且从罐排出，并且被回收用于在富氧燃烧过程中使用。当分离容器中的沸石到达所吸附的氮的预定水平时，压力减小并且氮从沸石释放，并且用纯氧反冲洗。为了提供不中断的氧流，当沸石清空所吸附的氮时，加压空气流被引入到至少一个其他的沸石罐中。或者，来自单个罐的加压氧可以存储在压力容器中，该压力容器具有足够的容积以至少在大多数工况下满足ICE的要求。
由于沸石对湿气敏感，因此空气可以穿过硅胶的防护床以去除湿气，从而当空气被加压到露点时不会形成水。
在可替代的真空辅助PSA过程中，施加真空以从沸石释放氮，由此使施加至环境空气的初始增大的压力能保持在环境空气中的湿气的露点以下。同样有效的压差在氮吸附和解吸循环期间施加至沸石。
在另一个可替代实施例中，可以通过在车辆上实施的传统低温空气分离方法获得氧，以用于燃料的富氧燃烧。氧液化是公知的，并且液氧的车载存储提供了所需空间较小的优点。车载液化方法的另一个优点在于其可以在最大系统速率下连续操作，以产生用于存储在车载低温罐中的液氧，而与ICE的瞬时燃料和氧需求无关。氧继而可以分配到发动机进气系统或其他位置，以与燃料和再循环至ICE用于控制温度的任何废气混合。在低温罐中没有足够的氧的情况下，发动机管理系统增大到ICE进气的大气的量，以确保令人满意的发动机性能。
在本发明的第一实施例中，ICE的进气歧管设有至少一个、优选多个串联的空气分离膜以产生所需要的纯氧流，同时将氮排放到大气中。为了应对穿过一个或多个膜的压力降低，可以设置较大的进气歧管和/或安装在膜的上游的涡轮增压器、鼓风机或其他装置，以增大进气的压力和流量，超过由两冲程或四冲程ICE的操作中的进气冲程产生的进气压力和流量。
每个膜都可以设置成横向于进气流的方向，以便在膜的保留物侧保持高压区，同时通过当进气门打开时ICE的下行冲程产生低压区。在可替代实施例中，进气歧管的侧壁可以设有与进气的运动路径平行取向的一个或多个空气分离膜，并且与将氧从发动机周围的大气输送到器官通道内的低压区中的空气连通。在该构造中，氮保留物仍是周围大气的一部分，由此简化了用于氧分离步骤所需的装置。
在本发明的另一方面中，进气歧管设有大气辅助进气阀，其可以被控制成在发动机对氧的需求无法通过穿过膜的氧的体积所满足的情况下打开并且引入大气。在该实施例中，传统的传感器将数据提供给车辆的车载计算和控制系统或发动机管理系统(EMS)，用于实时分析。计算机的处理器控制器控制辅助进气阀的操作以引入足够的补充空气，用于支持满足ICE的载荷、加速和/或其他条件所需的燃料燃烧。这种控制系统、传感器和分析学是已知的并且在汽车工业中处于商业应用中。
在本发明的另一方面中，进气门和/或相关气门杆包括氧分离膜。在四冲程ICE的下行进气冲程期间，气缸的低压内部产生横过膜的显著压力降低，有利于氧穿过。在压缩冲程期间，安装在气门杆上的壳体或其他盖遮住膜的表面以根据进气门的通常操作模式阻止或以其他方式避免燃料和氧/空气混合物的倒流。膜盖还防止在做功冲程和随后热的废气从气缸排出到排气歧管中的排气冲程期间气缸中燃料/氧混合物点火之后燃烧气体穿过。为了提高穿过膜的氧的体积流量以满足燃料完全燃烧的要求，气门/膜组合的表面面积可以做成比传统ICE中所使用的表面面积大，在传统ICE中空气被引入到气缸中而没有较大限制。涡轮增压器或其他压缩空气源可以用于增大穿过膜进入气缸的氧的体积流量。
在本发明的另一实施例中，一个或多个空气分离膜定位在ICE中的多个气缸中的一个或多个的壁中。所述膜提供用于氧分子的流体连通，所述氧分子从穿过空气通道的大气分离，所述空气通道在加压空气所穿过的膜的外侧或保留物侧上。在具有例如八个或是个气缸的多个气缸的ICE的实施例中，一些气缸基于对ICE的命令而选择性地开始或停止工作，间歇工作的气缸可以使用大气传统地操作以满足高负荷或高性能要求。连续工作的其余气缸装配有气缸壁膜，所述气缸膜操作以消除或显著减少穿过气缸并且形成废气中的有害NOx化合物的氮的体积。使用该构造操作的高性能发动机所产生的NOx远少于燃烧气体100％是大气的可比较的发动机。
本领域普通技术人员将理解，在气缸壁中的空气分离膜能在ICE的所有工况下提供所有可预见的氧需求的情况下，可以完全取消进气门和相关操作机构。该构造可以在具有较低性能特征的发动机中采用，即，其加速性能和总功率比其他高性能发动机低。
在其中膜形成气缸壁的一部分或定位成与空气通道流体连通的实施例中，通过将膜定位在气缸的下部中以便当氧-燃料或富氧燃料混合物点火时所述膜低于活塞环，可以减小做功冲程的冲击。在一实施例中，膜可以与气缸中的高压阶段隔离并且在下行冲程期间被滑动或遮蔽阀遮盖，所述阀的外表面邻接气缸壁的相邻内表面。隔离阀的关闭可以与用于该气缸的活塞和排气门的运动相配合。或者，气缸壁可以具有穿孔并且空气分离膜位于发动机体中气缸壁的表面后面并且与所述穿孔对准。可以采用内部滑动或遮蔽阀来遮盖或隔离膜并且在进气冲程期间打开。
在其中氧穿过空气分离膜并且氮留在原大气进气流中的实施例中，进气歧管和/或发动机体设有用于将大气传递到膜并且用于将留下的氮排出到大气中的通道。在设有辅助进气阀以在重载、加速或类似情况下引入补充大气的情况下，可以使用相同或额外的通道。大气穿过形成进气歧管和发动机体的整体部分的这种通道会导致空气的加热和膨胀，由此利用发动机废热来改善过程并且降低液体发动机冷却系统上的热负荷。形成气缸壁的发动机体和歧管中空气分离膜的定位还用于使膜到达操作温度，该操作温度对应于其所定位的金属发动机部件的温度，避免需要现有技术所述的独立换热器和相关管道。
吸入到气缸中的氮的体积的消除或减小将使得富氧燃烧气体温度升高。为了控制发动机中燃烧过程的温度，废气流的一部分可以再循环并且与富氧燃料混合物混合，或者代替已被去除的氮而在燃烧之前独立地重新引入到气缸中。用于控制废气再循环或EGR的车载计算机处理器控制方法多年来在汽车工业中是已知的。也可以通过将水或水蒸气添加到燃料混合物而降低发动机工作温度。除了消除或减少排放的NOx产物之外，还可以通过使用基本仅产生CO2和水蒸气的清洁燃烧燃料来消除或减少诸如SOx化合物的其他污染物。
为了优化当废气再循环导致废气中的CO2与大气混合时本发明的方法，优选的是将氮与氧和CO2分离。已报告有若干方法来从主要包括氮、氧、二氧化碳和水的混合气流分离氮气。这些方法利用膜和电化学过程，诸如熔融碳酸盐燃料电池和低温电化电池。
例如USP4781907公开了用于通过使用选择性透气聚合物膜从燃烧气体分离氮的方法。该方法产生的氮气的体积纯度超过97％。膜可以由纤维素酯；青贮、Sloane或硅脂聚合物；聚苯醚；聚酰胺；聚酰亚胺；聚砜树脂；聚碳酸酯；聚丙烯腈；聚四氟乙烯；聚酯烯烃；聚乙烯醇；聚(4-乙烯基嘧啶)，和聚亚安酯，以及这些材料的组合。
在熔融碳酸盐燃料电池中，通过下文第一反应方程式表达的由氧和二氧化碳的组合在阴极处形成的碳酸盐离子在外部电势下迁移到阳极，其如第二反应所表达的那样在此分解成氧和二氧化碳。该过程在升高的温度下对于碳酸盐离子的传输具有高度选择性，并且在阳极处可逆地产生高纯度二氧化碳和氧。
阴极：O2+2CO2+4e-→2CO3 2-
阳极：2CO3 2-→O2+2CO2+4e-            (2)
例如参见动力源期刊2003年118期第218-227页Sugiura等人的“使用MCFC的二氧化碳浓缩器”。
在低温电化电池中，阴离子交换膜夹在由碳纸上的镍基阳极电催化剂构成的气体扩散电极之间，参见燃料2010年第89期第1307-1314页Pennline等人的“使用电化电池从燃料气体分离CO2”。在该过程中，氧在阴极处被还原成氢氧离子，参见下面的第一反应，氢氧离子与二氧化碳反应以根据第二反应方程形成碳酸氢盐离子。碳酸氢盐离子穿过膜，在此发生逆反应，重新形成氧和二氧化碳气体。
O2+2H2O+4e-→4OH-             (3)
4OH-+4CO2→4HCO3 -              (4)
4HCO3 -→O2+4CO2+2H2O+4e-             (5)
在加速、重载爬坡或类似情况期间必须引入大气以满足ICE的非稳态操作要求的情况下，除了CO2和H2O之外，废气流还将包含氮和一定ppm水平的NOx。可以通过降低废气流的温度而分离H2O，以形成容易通过已知方法去除的冷凝水。水可以被排出或返回到ICE用于温度控制和提高燃料效率。可以使用包括吸附、吸收、膜分离、电化学分离器、通过压缩/冷却液化和这些方法的组合的方法从氮分离CO2。
用于ICE中燃料的富氧燃烧的本发明的方法和设备可应用于机动源的较宽范围，诸如乘用车、卡车、公共汽车、重型构造或其他专用车辆、火车、轮船和通过化石燃料的燃烧提供动力的其他类似物。本发明可以包含在用于新机动源和/或用于改进到现有机动源中的内燃机的设计和制造中。
另一方面，本发明涉及如上所述用于机动源的ICE中高效富氧燃烧的各部件的集成，继之以使用来自发动机、机动源、发动机的废气流和液体冷却系统的废热从废气捕集CO2并且临时车载存储。其包括以下步骤：(a)使用一个或多个部件或单元分离O2；(b)将废热中的一些转换成动力(功能量)；和(c)使用该动力增大所捕集的CO2的密度用于临时车载存储并且驱动O2分离单元。用于这些步骤的所需能量的全部或一部分来自发动机废热(参见示例1)。
由典型的发动机产生的废热主要由热的废气(～600-650℃)和热冷却剂(～100-120℃)构成，如图1所示。该热能总共占典型碳氢(HC)燃料提供的能力的大约60％。需要能量来将分离氧并且压缩/液化或冷冻全部或部分所产生的CO2以用于高效车载存储。该能量必须是功和热能的混合。能量的功部分使用一部分废热产生以产生该功。一些废热可以用于驱动车载O2分离单元。一部分废气可以再循环以控制发动机温度。
在CO2捕集循环的启动期间，或者对于特定需求，一部分发动机功率或存储在车载蓄电池中的电被使用。在正常操作期间，用于捕集和加浓的一部分能量将来自废热。
有不同装置用于从空气分离O2，包括膜分离、反应膜系统或小型低温系统。在机动源上可用的有限体积中的特定应用要求许多选项的详细分析。用于高效车载临时存储的浓缩CO2的形成是通过压缩、液化和/或冷冻(以形成干冰)实现的，最终密度在5-1600kg/m3的范围内。用于加浓所需要的部分或全部功能量是通过使用热到能量的转换而从废热获得的。
CO2浓缩部件可以是具有所需主动/被动冷却系统的单级或多级压缩，以确保在临时车载存储之前确保CO2的加压、液化或固化。CO2存储可以是机动源上的单个或多个罐的形式。通过在燃料侧和CO2侧之间设置活动分隔件，燃料罐也可以用于存储所捕集的CO2。所有部件可以与机动源控制系统或独立控制系统集成以优化性能。
附图说明
将参照附图详细说明本发明，其中相同或相似的部件用相同附图标记表示，其中：
图1是现有技术的典型碳氢燃料内燃机的能量平衡示意图；
图2是本发明的富氧燃烧过程的实施例的示意图，其与用于从ICE非气流捕集CO2及其浓缩用于车载存储的过程相结合；
图3是具有位于进气歧管中的本发明的实施例的直列或I型ICE的气缸的简化部分剖视图；
图4是与图3对应的ICE和实施例的简化示意图；
图5是与图3类似的简化部分剖视图，其包括与进气门结合的本发明的另一实施例；和
图6是已根据本发明的另一实施例修改的直列或I型发动机的气缸的简化部分剖视图。
具体实施方式
现在参照图3中的示意图，示出代表四冲程循环的ICE10的一部分的剖视图。发动机体20包括气流由进气门24控制的进气歧管22和由排气门28关闭的排气歧管26。气缸30容纳装配有一个或多个活塞环34的活塞32。
根据传统的四冲程发动机操作，在与活塞32的下行冲程相配合的排气门28关闭并且进气门24打开的情况下开始下行进气冲程，将空气和燃料的混合物从进气歧管22抽吸到气缸30的敞开部分中。在压缩冲程期间，气门24和28都关闭并且随着活塞32向气缸顶部运动而压缩燃料/空气混合物，火花塞或其他点火装置36点燃燃料/空气混合物并且发生受控燃烧，其在下行做功冲程中向气缸30的底部驱动活塞，使得曲轴38转动并且通过变速器和传动系(未示出)给车辆提供驱动力。在上行排气冲程期间，排气门28打开并且热排气通过排气歧管26排出，并且在排气门28关闭并且进气门24打开的情况下重复所述循环。
根据本发明的实施例，空气分离膜50位于进气歧管22中以在下行进气冲程期间将氧输送到气缸中。进气流中的氮保持在膜50的上游侧上作为保留气体并且从歧管排放到大气中。由于在燃烧期间没有氮暴露于高温高压富氧条件，因此没有产生NOx化合物并且没有随着废气排出。
为了维持横过膜50的压差并且允许保留的氮和没有穿过膜50的任何其他大气气体释放回大气，进气歧管包括在膜的下游处的孔，其尺寸设计成并且构造成保持背压，同时允许富氮保留物流释放到大气中。该布置在图4中示意性地示出，其中示出排放孔62，机械增压器、由废气流的质量驱动的涡轮增压器或提高供给至气缸的空气压力的其他加压装置60经由进气歧管入口68将加压大气引导到进气歧管22中，该进气歧管设有到四个气缸30的每个气缸进气口的出口。歧管22终止于位于最后气缸下游的孔62。在本发明的该实施例的该示意图中，燃料从燃料箱64经由燃料管线66输送到燃料泵67并且输送到气缸30中。
本领域普通技术人员将理解，需要来自现有技术的额外部件用于系统的操作，包括传感器、发动机控制程序和回路，其为了清楚和理解本发明的主要特征而被省略。例如，多个燃料喷射口或喷嘴可以用于在进气歧管22中更均匀地将燃料分配燃料并且确保响应于负荷变化、急加速或减速和ICE的工况中的其他变化而更均匀的混合。虽然本发明参照具有I形气缸体构造的发动机进行说明，但市场上大多数汽车发动机设有V形气缸体，其可以包括四个、六个、八个或甚至十个气缸。虽然在图中对应于附图标记22的进气歧管的构造比在I形气缸体发动机中使用的大致笔直的进气歧管更复杂，但上述空气分离膜的操作的总体原理是适用的。例如，每个气缸的进气歧管可以设有在膜50下游处的保留物孔(未示出)。
还应理解，燃料添加至膜50的下游的氧并且必须提供燃料/富氧空气混合物充分混合的机会。
在图5所示的本发明的实施例中，空气分离膜150包含在进气门124中。燃料经由燃料直喷系统160直接引入到气缸130中，这已知为汽油直喷或GDI。在所述燃料直喷系统中，燃料被高度加压并且在下行冲程期间直接引入到气缸中，并且与已穿过空气分离膜150的氧或富氧空气混合。燃料直喷或GDI系统允许分层的燃料供送燃烧或超稀薄燃烧，以提高燃料效率并且减少低ICE负荷下的排放水平。包含膜150的气门组件124在下行进气冲程期间保持关闭。在压缩冲程和当燃料燃烧时的做功冲程期间，安装在气门杆125上的燃料密封盖152降低以避免通过膜燃料和空气混合物以及下行冲程的压力的损失。本领域普通技术人员将理解，该布置将需要气门杆和相关操作机构的一些修改。采用本发明的该实施例的另一个优点在于，燃料直喷系统的结构和操作模式仅需要较少的修改。
在该实施例的替代方案中，包含空气分离膜150的气门组件124对于下行进气冲程的全部或一部分保持关闭，并且对一部分打开以便引入支持燃烧所需的大气体积。在另一个可替代实施例中，气缸盖设有至少一个额外的进气歧管口和直接引入大气氧的进气门以及第二口，该第二口引入如上文参照图5所述已穿过空气分离膜150或如上文参照图3所述已穿过膜50的氧。
现在参照图6，说明一实施例，其中使氧穿过的一个或多个空气分离膜250集成到修改的ICE210中的全部或选定数量的气缸230的壁中。如该剖视图所示，空气分离膜250位于气缸壁230中并且供给有穿过歧管或大气输送通道222的大气。大气输送通道可以围绕气缸的周边以便增大膜用于每个气缸的表面面积。设有足够数量的膜250以满足在ICE的操作规格范围内气缸中燃料完全燃烧的氧需求。结果，进气门组件和到气缸的进气歧管入口被取消，因而简化了发动机构造。如在先前的实施例中那样，保留的氮和其他大气气体经由一个或多个孔释放至大气，所述孔允许新鲜大气到膜的流动。
为了避免在压缩冲程期间燃料和气体的逆流以及在压缩冲程、做功冲程和排气冲程期间热燃烧气体的通过，可以设置膜盖以将氧穿过膜与气缸中的压缩气体隔离。本领域普通技术人员将理解，发动机体和气缸壁被修改以用于膜250的安装并且提供用于引入加压大气的连通的内部歧管或空气通道222。
为了禁止在压缩和做功冲程期间来自燃烧室的气体的逆流，使用限制或禁止氮、NOx和CO2的流动的膜材料。在固体陶瓷电解质的情况下，电流被中断以中断通过电解质的离子迁移。
在可替代实施例中，气缸盖中设有额外的阀以引入大气，以便满足急加速、负荷增大和类似情况的氧需求。在大气引入到气缸以支持燃料的完全燃烧的情况下，将产生一些NOx化合物并且在废气中排放。气缸盖中的相同阀或额外的阀可以用于再循环热废气，以便控制燃烧温度并因此控制传递至发动机体及其相关部件的热量。
O2分离单元或膜可以用于不同类型的内燃机和推进系统。例如本发明可以用于4冲程、2冲程、6冲程、阿特金森、斯特灵、尼奥母、汽轮机、喷气机、波盘和由任意类型的碳氢燃料的燃烧驱动的其他类型。
由于纯的或接近纯的O2与燃料燃烧，因此所产生的燃烧产物将主要由CO2和H2O构成。水可以容易地冷凝并且分离，以提供纯的或接近纯的CO2流，用于浓缩和存储。另外，氮氧产物(NOx)、未燃烧的烃、一氧化碳和其他副产物的消除或减少消除或减少了对催化转换器或其他车载废气流处理系统的需要。
虽然上述说明和附图描述了本发明的各种实施例和示例，氮本领域普通技术人员将容易做出额外实施例并且本发明的保护范围将由以下权利要求确定。

Claims (22)

1.一种内燃机(ICE)，其所产生的废气流具有来自于燃料与富氧大气流燃烧的减少的氮和NOx排放物，氮已从所述富氧大气流分离，
所述ICE具有发动机体，该发动机体具有多个气缸和一个或多个通道，所述气缸具有形成燃烧室的壁，所述通道与气缸流体连通以输送用于燃料燃烧的富氧空气，
其特征在于：
一个或多个空气分离装置与所述ICE的操作集成并且与内燃机的进气和燃烧室流体连通，所述一个或多个空气分离装置适配和构造成从大气分离氧分子以与燃料混合并且使氮分子返回至大气。
2.根据权利要求1所述的ICE，其特征在于，所述一个或多个空气分离装置是膜，并且所述膜位于所述多个气缸中的一个或多个的壁中，所述一个或多个膜提供用于氧分子从空气通道输送到燃烧室中的流体连通。
3.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，在所述多个气缸中的每个的壁中定位有至少一个膜。
4.根据权利要求2所述的ICE，其特征在于，所述一个或多个膜位移远离在所述一个或多个气缸中相应的压缩和膨胀冲程期间产生的最大压力的区域。
5.根据权利要求1所述的ICE，其特征在于，所述通道是歧管的形式，并且所述一个或多个氧分离装置位于所述歧管中。
6.根据权利要求5所述的ICE，其特征在于，多个氧分离装置串联定位并且气流的比例氧含量在串联的分离装置中的每个的下游较大。
7.根据权利要求2所述的ICE，其特征在于，所述氧分离装置是陶瓷膜。
8.根据权利要求7所述的ICE，其特征在于，所述膜使氮穿过并且保留物是富氧气体。
9.根据权利要求7所述的ICE，其特征在于，所述膜通过与来自内燃机的热废气进行热交换而保持在大约800℉的温度。
10.根据权利要求2所述的ICE，其特征在于，所述膜是具有能透过氧的多孔电极的固体陶瓷电解质，并且该固体陶瓷电解质在电势下使氧穿过。
11.根据权利要求1所述的ICE，其特征在于，来自所述ICE的废气流的一部分被再循环并且与进气混合。
12.根据权利要求2所述的ICE，包括涡轮增压器，该涡轮增压器由废气流驱动并且与大气流体连通以加压所述一个或多个分离装置上游的空气。
13.根据权利要求2所述的ICE，其特征在于，所述膜限制来自燃烧室的NOx、CO2和氮的通过。
14.根据权利要求7所述的ICE，其特征在于，吸附材料是钙钛矿式陶瓷并且响应于温度升高而释放所保留的氧。
15.根据权利要求5所述的ICE，其特征在于，所述一个或多个氧分离装置包括含有吸附材料的两个或更多个固定的床，所述吸附材料从空气可释放地吸附氧并且使未吸附的气体穿过以排放到大气中，所述床每个都具有用于接收氧耗尽清扫气体以释放吸附的氧的入口和与所述多个气缸中的一个或多个流体连通以输送富氧气流与燃料混合的出口。
16.根据权利要求15所述的ICE，其特征在于，所述清扫气体是来自所述ICE的热废气的一部分。
17.根据权利要求15所述的ICE，包括处理器/控制器和至少一个阀，所述处理器/控制器操作地连接至位于所述两个或更多个固定的床中的每个的氧耗尽气流出口中的至少一个氧传感器，所述至少一个阀与每个床的所述入口和出口相连并且响应于氧耗尽气流中的氧的量由所述处理器/控制器控制，以将空气从一个床转移到至少另一个床并且引入清扫气体以释放所吸附的氧，以作为富氧流而从床出口排出。
18.根据权利要求1所述的ICE，其特征在于，所述内燃机的进气歧管包括能响应于内燃机的性能要求而操作的阀，以当内燃机对氧的要求不能通过穿过所述一个或多个空气分离装置的氧所满足时打开并且引入大气。
19.根据权利要求1所述的ICE，其特征在于，所述一个或多个空气分离装置是变压吸附氮发生器。
20.根据权利要求1所述的ICE，其特征在于，所述一个或多个空气分离装置是变真空吸附系统。
21.根据权利要求1所述的ICE，其特征在于，所述一个或多个空气分离装置是混合真空变压吸附系统。
22.根据权利要求1所述的ICE，其特征在于，来自废气流的CO2被捕集并且经过浓缩处理以临时存储在由所述ICE驱动的车辆上。
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