CN113874618B - 内燃机及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机，其包括第一布雷顿循环，其具有从空气中分离O2的混合氧离子‑电子导体MIEC膜，使得吸入的气流不含N2；以二元方式与第一布雷顿循环相结合的第二布雷顿循环，其嵌套在一个循环中，该循环选自奥托循环和通过氧燃烧进行的狄赛尔循环。第二布雷顿循环向第一布雷顿循环传递机械能和来自废气的热能。第一布雷顿循环向第二布雷顿循环提供来自MIEC膜的压缩O2。通过本发动机，在MIEC膜中分离N2防止了NOx排放到大气中。

Description

内燃机及其运行方法
技术领域
本发明涉及内燃机领域，更具体地说，涉及一种燃烧碳氢化合物且不排放有害健康气体的内燃机。
背景技术
MIEC膜
混合离子-电子导体(MIEC)膜是一种致密陶瓷膜，由于膜两侧之间的氧化学势梯度，其氧离子通过其晶体结构的特性从一侧扩散到另一侧。这种膜的氧选择性为100％。AirProducts&Chemicals Inc.公司称这种膜可以在保留侧为高气压(1～2MPa)，渗透侧为真空的高温(通常在700～1000℃范围内)下工作，实现了市场化MIEC膜技术用于纯氧生产的重大突破。
因为氧离子的传输与电子或电子空穴(电子载体)的传输同时进行，所以在膜运行条件下，材料必须具有足够的电子传导性。负责氧传输通过膜的驱动力来自膜两侧之间的氧分压差。因此，除了膜的厚度之外，通过膜的氧流量还由温度和氧分压差决定。
离子传输膜中的氧分离过程的另一个关键步骤是气体交换。如上所述，传输通过选择性分离层，其包括氧离子和电子载体的扩散。因此，两个表面反应都是必要的。第一个反应为气态氧在暴露于原料气体(通常是压缩空气)的膜的表面上被吸附并转化为氧离子，第二个反应为氧离子转化为分子氧并被解吸。由于各种原因，这些传输步骤可能会受到限制并导致通过膜的渗透流量减少。各种可能的原因中可注意以下原因：(1)选择性分离层的厚度非常小，使得通过固体的扩散比气体交换快得多。通常，这个临界尺寸被称为“特征长度”，其为在运行条件和气体与膜表面接触的成分影响下，表面气体交换反应的扩散系数和动力学常数之间的比值。(2)膜表面对氧活化反应不具有任何显著的催化活性。(3)与膜的单个或多个表面接触的气态大气不利于分子氧的吸附/解吸及其通过反应O2+2e-→O-2的释放。在与工业角度有关的过程中，渗透物和原料通常都含有大量酸性气体，例如CO2和SO2。由于它们会使表面钝化或失去活性，并与氧的气体交换反应中涉及的吸附和反应竞争，其会阻碍所述反应。随着过程运行温度的下降，尤其是低于850℃以及SO2和CO2的浓度增加时，这种有害影响会变得更加突出。SO2气体的影响尤其不利，因为高于5ppm的浓度会对通过膜的氧渗透产生严重影响。
通过两种方式可实现膜两侧之间的氧分压差：(a)通过压缩步骤增加空气压力；和/或(b)降低渗透物中的氧分压，其可以通过应用真空，用夹带气流稀释渗透物中的氧，或消耗夹带室中的氧来实现。后者通常包括再循环来自燃烧炉或锅炉的出口气体，同时提高运行温度。同样地，根据第二种选择，可以通过消耗穿透膜的氧的还原气体(通常是甲烷或其他碳氢化合物)以生成完全或部分燃烧产物并释放与膜陶瓷直接接触的热量。
了解MIEC膜通常使用五个分类标准，其基于晶体结构、相位成分、化学成分、几何形状和致密层配置。
考虑到其晶体结构，MIEC膜可分为钙钛矿、源自高级钙钛矿的膜以及萤石。大多数MIEC膜都具有钙钛矿型晶体结构(ABO3)，其中A是大尺寸的阳离子，B是较小的阳离子。钙钛矿是由位于12个间隙空间的A离子和BO6八面体组成的晶格。有些MIECs具有类似钙钛矿的晶体结构，例如分子式为An+1BnO3n+1(n＝1,2,3,…)的Ruddlesden-Popper(R-P)膜。该相位的晶体结构与钙钛矿的晶体结构相似，其中一些钙钛矿块(n)与沿轴c的AO层改良的BO6八面体共享一个角。有些MIECs具有萤石结构，典型的例子为基于CeO2的材料。
如果膜只有一种晶体相位，其为单相位膜。大多数钙钛矿膜都是单相位膜，例如La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ(0<x<1；0<y<1)。如果膜有两个相位并且它们都有利于氧渗透，其为双相位膜。例如YSZ-Pd膜，其含有用于传输氧离子的萤石，YSZ，和用于传输电子的金属相位，Pd。如果膜有两个或两个以上相位，但是只有一个相位有利于氧渗透，其为复合材料制成的膜。添加惰性相位可以改善材料的某些特性(例如，机械强度)。例如，复合材料SrCo0.8Fe0.2O3-δ-SrSnO3包括两个钙钛矿，其中SrSnO3相位对于氧渗透呈惰性，但它提高了膜的机械特性。
在钙钛矿型膜的开发之初，研究主要集中于在晶体位置B处掺入Co的膜，因为基于Co的膜具有高氧传导性(例如，Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ)。然而，由于弱Co-O键在还原环境中不稳定，钴阳离子可以很容易地还原到较低的价态。因此，开发出了无钴钙钛矿。例如，与基于Co的相应钙钛矿相比，BaCe0.05Fe0.95O3-δ表现出较低的氧传导性，但即使在高温的H2中，其也表现出更高的稳定性。
最常见的几何形状是平面、管状和中空纤维膜。最后，考虑到致密层配置，当膜由厚度足够支撑膜的完整性的单个膜层组成时，其为自主支撑膜。而当致密膜层为多孔层时，由于膜的完整性受多孔层的支撑，其厚度更小，为不对称膜。
在实际应用中，通过离子传输在高温下分离氧的膜通常由以下部分组成：i.多孔载体，通常由与制成分离层相同的材料或者由与分离层相容的(陶瓷或金属)材料制成。相容意味着其取决于温度具有相似的膨胀曲线，并且在高温下两相位之间不会发生反应而生成第三相位，这通常会导致膜的降解和撕裂。载体的孔隙度通常在20～60％之间，其厚度是可变的，通常低于2mm。
ii.无孔层或薄膜，其优选厚度小于150μm，位于多孔载体上。该层由氧化物或氧化物混合物组成，并允许同时传输通过氧离子和电子载体。
iii.多孔层，其厚度优选为10～100μm，由具有混合离子和电子传导性的材料制成，同时可吸附/解吸及解离和电离氧的催化活性附着在无孔层上。该催化层允许改善掺入和消除气态氧的过程。
在某些情况下，多孔载体和无孔分离层之间还有一层附加的多孔催化层，其具有改善气体交换步骤的功能，特别是当多孔载体不呈现催化活性或不允许氧离子或电子载体的传输时。通常，尽管多孔载体的表面积通常更大，多孔载体和附加多孔催化层的特性非常相似。
任选地，可能还需要另一个附加的无孔层(v)。该层位于无孔层和多孔层之间，并用于保护分离层免受与层(iii)接触或气体与多孔层接触可能发生的降解反应或相互作用。该附加层必须允许氧离子和氧载体的传输，同时与相邻层以及与其接触的气体在热量和化学上相容。
氧燃烧
氧燃烧包括使用高纯O2流作为氧化剂，其替代在常规燃烧过程进行中的空气，从而以较低的燃料消耗达到更高的火焰温度，从而改善燃烧。使用富氧氧化剂可以获取主要由CO2和水蒸气组成其成分的燃烧气体。在氧燃烧过程中，出口气体中CO2的高浓度有利于其潜在的分离(例如，参见文件US20070175411A1、US20070175411A1、US9702300B2、CN102297025A)。
基于硅酮或聚砜的氧膜也可用于富集空气，使得氧浓度由21％增加到更高的值，通常在24％以上。
氧燃烧旨在成为获取CO2的最具成本效益的技术之一，其主要缺点是对O2的高需求及获取其的高成本。这项技术的巨大挑战在于O2的生产能否成功供应其高需求。
在膜反应器中导入膜，有以下目的：试剂的选择性提取、催化剂的保留、试剂的配量以及催化剂的支撑。所有这些都需要提高在受热力学平衡限制的系统中的反应效率，防止二次反应，保护催化剂免受可能使其失活的化合物的影响等。
CO2膜目前有许多种材料可以允许选择性地通过CO2。这些材料的范围涵盖高级聚合物至不同类型的无机材料。尽管存在差异，但这些材料可组合在被称为混合基质膜中，该膜通常包括无机颗粒分散在基质中的聚合物基质。该类技术为捕获CO2提供了灵活性，其允许在燃烧之前或之后反应。然而，此类材料通常可渗透更多的气体，例如N2、O2、H2等。在应用中，其主要渗透率必须与CO2相关，此外，可以忽略不计其对O2和N2的渗透率。有许多种技术可将CO2从其他气体中分离出来：
a.聚合物膜分离CO2技术
许多不同的聚合物都允许从气流中选择性分离CO2。由于聚合物成本低且易于合成和加工，从经济角度出发，应用聚合物捕获CO2十分具有吸引力，但由于其化学、机械、热稳定性以及其低渗透率，它们通常十分受限。CO2/N2交叉选择性的标准上限确定为50。通常，此类材料可在低温和中等压力(1～5bar)下工作：
在各种可利用的聚合物中，必须注意以下几种：(i)交联聚乙烯氧化物(XLPEO)，其渗透率为420barrer，在35℃对CO2/CH4的选择性为18(barrer＝10-10cm3(STP)cm/(cm2·s·cmHg))，(ii)基于聚酰胺的聚合物，例如Pebax，其具有132barrer和CO2/N2选择性约为6～25℃和3atm，(iii)基于聚酰胺的聚合物(PVAm)，其渗透率为41～104GPU，在25℃和2atm时使用CO2和N2的湿混合物，CO2/N2选择性在100～197(GPU＝10-6cm3(STP)/(cm2·s·cmHg))。另外，PolarisTM和Polyactive产品是该技术的商业示例。
可以观察到，因为空气中CO2的浓度约为0.035％，N2的浓度约为78％，所以从空气中分离CO2需要高选择性。
b.无机膜分离CO2技术
单独考虑基于熔融碳酸盐的膜，用于从气流中分离CO2的基于无机材料的膜组包括金属膜(基于Pd)、基于二氧化硅的膜、碳膜和基于沸石的膜。
金属膜基于钯及其合金。这些材料具有高H2渗透率。因此，它们基本上被用于分离预燃系统中的H2。此类膜是用于在预燃中捕获CO2的系统的成熟技术。然而，在工业系统中实施必须提高这些材料的稳定性。
多孔无机膜(基于二氧化硅、沸石、金属有机骨架(MOF)的膜和碳膜)可用于分离CO2。
沸石是特征为均匀的多孔结构和最小的通道直径的铝硅酸盐。这些材料中的分离是通过表面扩散或分子筛分产生的。区分三种分离方式：(i)当分子具有相似的吸附力但尺寸不同时，较小尺寸的分子更容易穿透；(ii)当分子具有不同的吸附力和相似的尺寸时，膜对具有较高吸附力的分子具有选择性；(iii)当分子具有不同的吸附力和尺寸时，其机制是吸附力和扩散力之间竞争力的结合。因此，CO2/N2和/或CO2/CH4的选择性可在低温下通过第三种方式分离气体而最大化或在高温下通过第一种方式最大化。ZSM-5的CO2/N2选择性为9.5～303K(-263℃～29.85℃)，CO2渗透率为3·10-7mol/(m2·s·Pa)，Y型沸石的CO2渗透率为4·10-7mol/(m2·s·Pa)，CO2/N2和CO2/CH4的选择性分别为100和21，在沸石中应注意303K(29.85℃)。
基于二氧化硅的膜在分离CO2/N2和H2/CO2方面具有巨大的潜力，因为它们在不同的大气和条件下具有很高的化学、热量和机械稳定性。此类膜的性能尤其受到其合成方法的高度影响。渗透率范围为3·10-10～5·10-7mol/(m2·s·Pa)，CO2/N2的选择性达到60，CO2/CH4达到325，CO2/H2达到670，其取决于二氧化硅的类型、合成方法和条件。
由具有高碳含量的无定形微孔材料组成的碳膜，由于其耐热性、腐蚀性环境中的化学稳定性、高气体渗透率和与聚合物膜相比优异的选择性而成为气体分离应用中具有前景的材料。考虑到CO2的分离，这些材料对CO2/CH4的选择性达到100，CO2渗透率为2000～10000barrer，对CO2/N2的选择性为10，CO2渗透率为5barrer。
c.基于熔融碳酸盐的膜分离CO2技术
通过使用与离子(氧)-电子导体陶瓷相似的材料，已经开发出允许CO2选择性通过的基于熔融碳酸盐的材料。然而，由于迄今为止发表的不同论文中观察到的低CO2流量，此类膜仍远未被应用于工业。
往复式内燃机
往复式内燃机是陆地和海上重型和客运交通工具中最重要的技术。在过去的一个世纪中，其设计和辅助机械(涡轮机；燃料喷射系统；附加泵和热量交换器)都针对多种类型的燃料进行了深入优化。四冲程往复式发动机因其高比功率、符合各种污染气体和声排放规定的性能以及低平均比消耗而在陆地运输中处于领先地位。
然而，限制CO2排放或甚至去除大气CO2以及在人口过多的城市环境中改善空气质量的需求正在对此类发动机的技术极限施加压力，当前迫切需要更新的燃烧和负载概念。
发动机中的氧燃烧
将氧燃烧系统集成到车辆发动机中可以扩大上述的优点(更高的效率和更低的排放)，但由于空间受限于车辆大小，生产氧的方式变得复杂化。考虑到使用氧作为氧化剂的发动机，已经提出了几种替代方案：
(i)在车辆中存储氧。由于该系统将生成氧的问题置于车辆外部，所以只需要在车辆内部留出用于氧存储系统的空间。多项研究建议在车辆中以液体形式存储氧以减少占有空间(参见文献CN201835947U和DE3625451A1等)。但是，这将增加氧的成本和需要低温以将氧保持在液相的存储系统的成本。其他研究提出了在车辆内的储罐中存储压缩氧的想法(文献US3425402)。尽管如此，这种解决方案需要在其他地方生成氧，因此除了存储系统(包括存储液相和气相)的费用外，还必须考虑到氧的运行费用。考虑到所有额外成本，推断出这种替代方案是不可行的，并且其还需要在氧的生成和存储方面对当前技术进行改进。
(ii)用相对于空气的替代来源生成氧。文献US3709203描述了从碱金属高氯酸盐的热分解中生成氧；根据文献US3961609A，通过水电解的方式生成氧；并且根据文献US2775961A，从过氧化氢生成氧。但是，由于这些系统对氧的高需求，将以上解决方案中的任何一个集成到车辆发动机中似乎不太可行，并且与当前技术相比不具有竞争力。
(iii)从空气中生成氧：
a.引入过滤系统(文献US3961609A)或PSA吸附(文献WO2005083243)。此类解决方案的缺点是其需要非常大的系统才能满足氧需求。
b.使用基于硅酮或聚砜的膜(文献US20030024513A1、US5636619A、US5678526、US5636619、US2006/0042466A1、CN101526035A)。然而，此类系统更多地被用于在空气中富集氧而不是生成纯氧，使得达到工艺可接受的纯度程度所需的膜面积在工艺中难以实现。
c.使用基于陶瓷导体的膜。(c1)通过陶瓷氧离子传导电解质使用电化学电池(文献US20090139497A1)；然而，该系统需要的电能需求必须从发动机中取出，从而降低了系统效率。(c2)使用混合氧离子-电子导体膜(文献US20130247886A1)，其中氧从气流中被选择性分离。这个过程需要大量的热量来保持温度在700～1000℃左右。为此，该系统使用了来自发动机出口气体的热量。
发明内容
本发明的目的是提供一种内燃发动机，其相对于上述现有技术更具有优势。更具体地，本发明公开了一种内燃机，其通过减少或甚至防止NOx排放到大气中而减少了污染。
本发明的发动机的附加实施例提供了相对于现有技术的附加优点。
更具体地，广义上来说，本发明公开了一种吸入大气空气作为氧化剂并使用碳氢化合物作为燃料的内燃机，包括：
-第一再生布雷顿循环，其具有中间冷却的空气压缩和通过混合部分氮气再加热的氮气膨胀，包括从压缩空气中分离O2的MIEC膜，使得吸入的气流不含N2，并且从MIEC膜截留(rejection)的废弃空气被直接送入废气流，防止其参与之后的燃烧，其中部分空气压缩在发动机的至少一个第一气缸中进行；
-具有中间冷却的压缩的第二布雷顿循环，其以二元方式与第一布雷顿循环相结合(将热量传送给第一布雷顿循环)并嵌套在一个循环中，该循环选自奥托循环和通过在发动机的至少一个第二气缸中进行氧燃烧的狄塞尔循环；
其中，第二布雷顿循环通过用曲轴耦合至少一个第一气缸和至少一个第二气缸向第一布雷顿循环传递机械能和来自废气的热能；
其中，第一布雷顿循环向第二布雷顿循环提供来自MIEC膜的压缩O2；
由此，通过在MIEC膜中分离N2防止NOx排放到大气中。
本领域技术人员容易理解，当本文提及发动机“包括第一布雷顿循环”以及类似表述时，其必须解释为发动机“包括执行第一布雷顿循环必需的手段”。在这种情况下，本发明不旨在受限于任何特定的手段组合，并且必须理解，本发明涵盖任何适合执行所述布雷顿循环(或类似)的手段。
根据另一方面，本发明还公开了一种吸入大气空气作为氧化剂并使用碳氢化合物作为燃料的内燃发动机的运行方法，该方法包括：
-第一再生布雷顿循环，其具有中间冷却的空气压缩和通过混合部分氮气再加热的氮气膨胀，包括从压缩空气中分离O2，使得吸入的气流不含N2，并且从分离中截留的废弃空气被直接送入废气流，防止其参与之后的燃烧；
-具有中间冷却的压缩的第二布雷顿循环，其以二元方式与第一布雷顿循环相结合(将热量传送给第一布雷顿循环)并嵌套在一个循环中，该循环选自奥托循环和通过氧燃烧进行的狄塞尔循环，
其中，第二布雷顿循环向第一布雷顿循环传递机械能和来自废气的热能；
其中，第一布雷顿循环向第二布雷顿循环提供来自分离的压缩O2；
由此，通过分离N2防止NOx排放到大气中。
如下文更详细的描述，本发明集成了基于混合氧离子-电子导体陶瓷材料的膜，使得MIEC膜分离O2所需的所有能量都从余热的主要来源(例如气缸出口处的废气)被回收，并且氧燃烧提供的温度上升被用于向膜供应必需的温度，而不会浪费热量。本发明还旨在利用往复式发动机中气缸的高压缩性能(至25MPa)以实现合适的压力条件。根据本发明的至少一些优选实施例，以下过程需要高压：最大化空气和O2之间的分压差以最大化膜的O2生产率；最大化地分离空气中的大气CO2；最后，压缩CO2直至其液化(超过其7.5MPa的临界压力)。
在本发明中，因为涡轮机提供的低压缩比(在海平面的最大压力小于0.6MPa)，发动机增压系统中的涡轮机不用于在分离空气之前压缩空气或CO2的致密化(不同于文献US20130247886A1)。压力大于0.6MPa的涡轮组件中的涡轮增压器没有得到进一步发展，并且它们在这些值附近时的效率非常低。
由于与等温压缩过程相比，等熵过程和不可逆压缩过程的效率非常低，因此本发明也没有使用与涡轮增压器中与空气压缩相关的温度(也不同于文献US20130247886A1)。但是，在本发明中，压缩空气在进入后续的压缩步骤之前一定会被冷却，以使得该过程尽可能等温(并因此最有效率)。这可以通过使用水冷却空气进气的热量交换器(通常为WCAC)或通过真空布雷顿循环将热量转化为压力(CBV)来实现。CBV和WCAC都从流体中去除热量并在后续的压缩前将其传递到环境中，这虽然看起来是一种能量消耗，但实际上可在所述后续压缩步骤中再次利用。本发明甚至试图在四冲程发动机气缸中获取机械上可能的最高压缩比，考虑到因为空气压缩过程在四冲程中执行，空气在气缸中停留时间很长，所述停留时间有助于发动机的冷却液对空气的冷却。空气的这种高压冷却使得该过程更接近于等温，并且更有效。本文件首次描述了这种对发动机的四冲程的创新使用，其气缸中没有任何燃烧。
在所有过程中最大化能源效率的最后一个原因是实现至少具有以下特征之一的氧燃烧发动机/驱动组件：其不排放污染气体或排放的量可忽略不计；其捕获燃烧中生成的CO2，并从环境中去除全部或部分大气CO2；其体积小、重量轻，使得其可以自行传输；最后，其在燃料消耗方面可与当前的内燃机竞争。
为了实现后一目标，本发明在其优选实施例之一中描述了一种用于调节发动机增压的全新系统。该系统避免使用用于在具有均匀混合氧燃烧的火花点火(SI)发动机中调节发动机增压的节流蝶形阀。通过使用涡轮组件，其不用于增压燃烧气缸(如文献US20130247886A1中提出的)，而用于在膜之前增压气缸和压缩空气，并且使用对来自MIEC的O2生产的调节来调节增压。避免使用节流阀消除了在增压调节期间预混燃烧的SI发动机内的泵气损失，这是此类发动机主要的低效率原因。氧燃烧在预混燃烧的SI发动机中避免的第二个低效率原因是富集混合物(超过理想配比的空气/燃料比：λ<1)以控制废气温度。在本发明中，这种温度控制是通过使用清除MIEC的O2侧的纯CO2稀释O2-燃料混合物进行的，而不是使用燃料。涡轮组件和MIEC的配置允许独立地执行控制O2生产速率和控制其用CO2稀释的速率。相比在现有技术中描述的，涡轮机和膜的配置允许更有效地进行这两种控制，因为压力的控制是通过扩大涡轮中的流量而不是调节阀中的低效率压力层压进行的(例如，文献US20130247886A1中提出)。
此外，在其优选实施例之一中，本发明提出在往复式发动机的燃烧循环期间使用液体CO2。这允许回收在超临界发动机循环中用流体液化CO2所需的大部分能量，其与O2循环以同时和共轭的方式工作。两个循环共享它们的一些过程，基本上为增加热量状态过程和膨胀流体过程。在本发明之前的现有技术并未描述这种情况下的超临界CO2循环或与它共享某些过程的共轭O2循环。
在CO2液化期间中，为了随后将其储存并传送到相关的处理中心，会产生一定比例(约占传送物质总质量的2％)的液体水，其必须从CO2中分离出来。本发明与文献US20130247886A1之间的进一步区别在于，来自水在高压下分离的能量在其中一个涡轮中以蒸汽状态被利用和扩大。这种用法的优点在于一方面以蒸汽形式放出水而不是喷出液体，另一方面减少了能量消耗以实现在膜中分离O2必需的空气压力。
附图说明
参考以下以举例方式提供的优选实施例的附图将更好地理解本发明，并且其不应解释为以任何方式对本发明的限制：
图1示出了根据本发明的第一优选实施例的预混氧燃烧发动机的示意图，其具有均匀和理想配比的混合物、高比功率、高效率，具有从空气中分离O2的MIEC，不排放有害健康的气体，但净CO2排放为正；
图2a示出了根据本发明第二优选实施例的预混氧燃烧发动机的示意图，其具有均匀和理想配比的混合物、高比功率、高效率，不排放有害健康的气体，具有从空气中分离O2的MIEC，具有分离CO2的聚合物膜，并且净CO2排放为负；
图2b示出了根据图2a所示的发动机替代方案的预混氧燃烧发动机的示意图，其具有均匀和理想配比的混合物、高比功率、高效率，不排放有害健康的气体，具有从空气中分离O2的MIEC，具有从空气中分离CO2的基于熔融碳酸盐的膜，并且净CO2排放为负；
图3示出了根据本发明第三优选实施例的扩散氧燃烧发动机的示意图，其具有分层稀薄混合物、高比功率、高效率，具有从空气中分离O2的MIEC，不排放有害健康的气体，但净CO2排放为正；
图4a示出了根据本发明第四优选实施例的扩散氧燃烧发动机的示意图，其具有分层稀薄混合物、高比功率、高效率，不排放有害健康的气体，具有从空气中分离O2的MIEC，具有从空气中分离CO2的聚合物膜，并且净CO2排放为负；
图4b示出了根据图4a所示的发动机替代方案的扩散氧燃烧发动机的示意图，其具有分层稀薄混合物、高比功率、高效率，不排放有害健康的气体，具有从空气中分离O2的MIEC，具有从空气中分离CO2的基于熔融碳酸盐的膜，并且净CO2排放为负；
图5a示出了真空布雷顿循环(CBV)的示意图；
图5b示出了理想化并适合于特定情况的真空布雷顿循环(CBV)的T-s图；
图6示出了对应于图4a和4b所示实施例4的与O2狄塞尔循环嵌套的超临界CO2循环；
图7示出了对应于图4a和4b所示实施例4的与具有中间冷却的布雷顿压缩循环嵌套的O2狄塞尔循环；
图8示出了不同增压程度下和基于EGR率的燃烧温度的调节的图，即，针对根据图1所示实施例的发动机；
图9示出了在不同增压程度下的燃烧温度调节期间MIEC的效率的图，即，针对根据图1所示实施例的发动机；
图10示出了根据图1所示实施例的发动机在完全增压和部分增压时的有效扭矩的图；
图11示出了根据图1所示实施例的发动机在完全增压和部分增压时的比消耗的图；
图12示出了根据图1所示实施例的发动机在完全增压和部分增压时的有效功率的图；
图13示出了根据图1所示实施例的发动机的燃烧气缸内循环结果的图。
具体实施方式
如上所述，本发明公开了一种吸入大气空气作为氧化剂并使用碳氢化合物作为燃料的内燃机，包括：
-第一再生布雷顿循环(Braytoncycle)，其具有中间冷却的空气压缩和通过混合部分氮气再加热的氮气膨胀，包括从压缩空气中分离O2的MIEC膜(6)，使得吸入的气流不含N2，并且从MIEC膜(6)截留(rejection)的废弃空气被直接送入废气流，防止其参与之后的燃烧，其中部分空气压缩在发动机的至少一个第一气缸(4)中进行，优选地，两个第一气缸(4)；
-具有中间冷却的压缩的第二布雷顿循环，其以二元方式与第一布雷顿循环相结合并嵌套在一个循环中，该循环选自通过在发动机的至少一个第二气缸(14)中进行氧燃烧的奥托循环(Otto cycle)和狄塞尔循环(Diesel cycle)，优选地，两个第二气缸(14)，
其中，第二布雷顿循环通过用曲轴耦合至少一个第一气缸(4)和至少一个第二气缸(14)向第一布雷顿循环传递机械能和来自废气的热能；
其中，第一布雷顿循环向第二布雷顿循环提供来自MIEC膜(6)的压缩O2；
由此，通过在MIEC膜(6)中分离N2防止NOx排放到大气中。
根据一个优选实施例，第一布雷顿循环生成的净机械能用于通过压缩机C1(10)对第二布雷顿循环增压(supercharge)。
根据另一个优选实施例，MIEC膜(6)生成从大气空气中分离的纯O2。术语“纯”(例如，应用于气流的“纯O2”)在本说明书中不应被解释为严格的、限制性的。例如，在这种情况下，生成的O2流可能不是100％纯的，而是可能也包含一些少量的气体，例如CO2。但是，这种纯O2(或大体上纯的O2)流已从N2分离，从而防止在随后的氧燃烧中生成NOx并因此将所述NOx排放到大气中。
根据另一个优选实施例，MIEC膜(6)生成用CO2稀释的O2。在这种情况下，稀释O2的CO2从大气空气中获得，或通过在第二布雷顿循环中与碳氢化合物燃烧生成。
根据另一个优选实施例，每个压缩步骤之后都有一个冷却步骤。
根据另一个优选实施例，通过在每次冷却之前结合进行再生的第一和第二布雷顿循环从所有剩余来源回收热量。
根据另一个优选实施例，由第二布雷顿循环生成的机械能进一步用于压缩生成的CO2直到其液化。所述CO2被压缩至，例如，至少7.5MPa。此外，第二布雷顿循环与奥托循环嵌套，并且发动机包括至少一个附加活塞(22)以及止回阀(入口处的第一止回阀(33)和其下游的第二止回阀(19))以吸入和压缩积聚在发动机的管道中的过量CO2。
根据该最后优选实施例的另一个替代方案，第二布雷顿循环与狄塞尔循环嵌套，并且第二气缸(14)的排气冲程通过使用第一和第二止回阀(33、19)压缩CO2，允许CO2的排放和大体上纯的O2的进入。该大体上纯的O2被用作CO2选择性分离膜中的夹带气体。
根据另一个优选实施例，发动机进一步包括真空布雷顿循环(CBV)以在随后的压缩之前更强烈地冷却大体上纯的O2或用CO2稀释的O2。
根据另一个优选实施例，发动机包括用于储存生成的液化CO2的第一储罐(20)。储存在第一储罐(20)中的所述CO2用于将燃料从发动机的第二储罐(27)泵送到第二气缸(14)和/或可将其传送到外部CO2物流网络的泵，第一和第二储罐(20、27)都在同一个储罐中，由柔性膜隔开(取代共轨式喷射系统中使用的低压泵，其为现在最普遍的压缩点火发动机)。
根据另一个优选实施例，MIEC膜(6)是基于具有混合氧离子-电子载体导体的晶体陶瓷材料。
根据发动机为火花点火(SI)发动机的另一个优选实施例，涡轮组件用于对第一气缸(4)增压，并且MIEC膜(6)的O2生成的调节用于调节发动机增压。
根据发动机为压缩点火(CI)发动机的另一个优选实施例，涡轮组件用于对第一气缸(4)增压，并且MIEC膜(6)的O2生成的调节用于调节发动机循环中工作流体的有效压缩比。
另一方面，本发明公开了一种吸入大气空气作为氧化剂并使用碳氢化合物作为燃料的内燃机的运行方法，该方法包括：
-第一再生布雷顿循环，其具有中间冷却的空气压缩和通过混合部分氮气再加热的氮气膨胀，包括从压缩空气中分离O2，使得吸入的气流不含N2，并且从分离中截留的废弃空气被直接送入废气流，防止其参与之后的燃烧；
-具有中间冷却的压缩的第二布雷顿循环，其以二元方式与第一布雷顿循环相结合并嵌套在一个循环中，该循环选自通过氧燃烧进行的奥托循环和狄塞尔循环，
其中，第二布雷顿循环向第一布雷顿循环传递机械能和来自废气的热能；
其中，第一布雷顿循环向第二布雷顿循环提供来自分离的压缩O2；
由此，通过N2的分离防止NOx排放到大气中。
根据该方法的优选实施例，第一布雷顿循环生成的净机械能用于对第二布雷顿循环增压。
根据该方法的优选实施例，第一布雷顿循环生成从大气空气中分离的纯O2。替代地，第一布雷顿循环生成用CO2稀释的O2。在这种情况下，稀释O2的CO2从大气空气中获得，或者通过在第二布雷顿循环中与碳氢化合物燃烧生成。
根据该方法的优选实施例，每个压缩步骤之后都有一个冷却步骤。
根据该方法的优选实施例，通过在每次冷却之前结合进行再生的第一和第二布雷顿循环从所有剩余来源回收热量。
根据该方法的优选实施例，由第二布雷顿循环生成的机械能进一步用于压缩生成的CO2直到其液化。例如，CO2被压缩至至少7.5MPa。此外，第二布雷顿循环与奥托循环嵌套，并且该方法包括吸入和压缩积聚在发动机的管道中的过量CO2。
根据另一个替代方案，第二布雷顿循环与狄塞尔循环嵌套，该方法包括压缩CO2，允许CO2的排放和大体上纯的O2的进入，后者被用作CO2选择性分离膜中的夹带气体。
根据优选实施例，该方法进一步包括真空布雷顿循环(CBV)以在随后的压缩之前更强烈地冷却大体上纯的O2或用CO2稀释的O2。
根据优选实施例，该方法包括储存生成的液化CO2。所述液化CO2用于将燃料泵送到发动机的气缸和/或可将其传送到外部CO2物流网络的泵。
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，以进一步说明而非限制本发明所公开的启示。
实施例1：具有预混混合物的火花点火(SI)发动机，其不排放污染气体，并且不捕 获CO2
实施例1用于具有预混(均质)混合物而不捕获CO2的火花点火(SI)发动机。实施例1基于爆燃燃烧过程，具有亚音速且混合物不能自燃，用于生成净机械功率。
发动机的增压(charge)程度(最大扭矩的百分比)由MIEC膜(6)中的O2生成率控制。这减少了泵送损失，因为它不需要使用节流蝶形阀来节流气流。
通过用来自实际燃烧和预冷的CO2和H2O稀释氧化剂(O2)和燃料(HxCyOz)的混合物控制燃烧温度。这可以防止为此任务使用燃料(目前SI发动机的标准做法)。
实施例1没有提出捕获发动机排出的CO2。然而，与目前的SI发动机相比，它确实提供了更高的能源效率，并在来源(燃烧室)和MIEC膜(6)中消除了污染气体(CO、THCs、PM和NOx)的排放，最小化了净化废气的后处理的需要，这表示大大节省了发动机的生产成本。目前，用于净化气体的后处理估计约为动力组件总成本的30％。此外，氧燃烧确保了在冷启动过程中将污染气体排放最小化。因为加热(激活)净化废气所需的大型后处理系统需要一定时间，目前的发动机不能做到这一点。
图1描绘了实施例1。在实施例1中，大气空气由压缩机(C2)(2)吸入通过过滤器(1)进入发动机。压缩机C2(2)是涡轮组件的一部分，并与可变几何涡轮(VGT2)(8)机械耦合。压缩机C2(2)使用涡轮VGT2(8)从MIEC膜(6)截留的N2、CO2和H2O中回收的能量传送空气，而且CO2和H2O并未再循环到发动机的第二气缸(14)，其通过从催化MIEC膜(15)出来的导管循环，并与来自MIEC膜(6)截留的导管汇集。在额定条件下，空气位于压缩机C2(2)出口处的压力和温度约为0.4MPa和473K(199.85℃)。空气通过发动机的空气增压器(WCAC)(3)的第一水冷却器。在第一WCAC冷却器(3)的出口处，温度下降到大约323K(49.85℃)，这使得发动机第一气缸(4)中的后续压缩更加等温。
空气随后被发动机的第一气缸(4)的一半吸入。实施例1描绘了四气缸四冲程发动机，因此有2个吸入空气的气缸。第一气缸(4)的作用类似于泵，其压缩空气至约0.9MPa和473K(199.85℃)。第一气缸(4)优选地与发动机的其余气缸相同，共享曲轴(25)、凸轮轴和气门正时齿轮(valve timing gear)，并且具有不在其中喷射燃料的特点。由于是四冲程发动机，空气在第一气缸(4)内停留4个冲程，因此它被发动机冷却水(约363K(89.85℃))压缩和冷却，这有助于使压缩更等温。这些第一气缸(4)被用作涡轮机组件的启动系统，以启动循环气流和涡轮。它们被移动到末端，直到系统通过往复式发动机中使用的传统启动马达启动。
在第一气缸(4)的出口处，空气在第一再生热量交换器(23)中被加热，其将压力降低至约0.87MPa，并将温度升高至约573K(299.85℃)，并为此使用了来自CO2、H2O和N2流的热能。该N2、CO2和H2O流通过位于涡轮VGT2(8)下游的管道(30)流出。该N2、CO2和H2O流约占发动机传送的气体总流量的100％，并且温度约为800K(526.85℃)，压力为0.1MPa。在第一再生热量交换器(23)的出口处，空气在第二再生热量交换器(5)中被加热，其将压力降低至约0.85MPa，并将温度升高至约673K(399.85℃)，并为此使用了热能，其来自MIEC膜(6)生成的O2和用于夹带在MIEC膜(6)中交换的O2和降低夹带室中O2分压的废气。
在第二再生热量交换器(5)的出口处，空气在催化MIEC膜(15)中被再次加热(该膜具有催化剂，有助于用环境中的O2将CO和HC完全氧化为CO2和H2O)，其将压力降低至约0.8MPa，并将温度升高至约723K(449.85℃)，并为此使用了来自第二气缸(14)燃烧的废气的热能。在催化MIEC膜(15)中，废气将其热量传送到空气中(类似再生热量交换器)，CO和HC都会被氧化，直到整个气流仅由CO2和H2O组成。因为该废气流量占发动机传送的废气总流量的大约20％，所以，用于净化发动机的气体的后处理的需要减少了20％。在催化MIEC膜(15)之后，压力为0.8MPa的空气进入MIEC膜(6)，因为与来自第二气缸(14)的氧燃烧过程的废气进行热量交换，在其中空气达到MIEC膜(6)的工作温度(约1173K(899.85℃))，并被用于清除MIEC膜(6)中交换的O2。来自第二气缸(14)的氧燃烧过程的废气流占废气流量的大约80％。
MIEC膜(6)的截留基本上是在0.8MPa和1173K(899.85℃)的N2；其约占系统传送气体质量的80％，并通过涡轮VGT1(71)或控制阀(72)。涡轮VGT1(71)和控制阀(72)与压缩机C1(10)一起作为涡轮组件的一部分，其中涡轮VGT1(71)与压缩机C1(10)机械连接。涡轮VGT1(71)利用从MIEC膜(6)截留的N2流中的能量，回收其能量以移动压缩机C1(10)。控制阀(72)调节流向压缩机C1(10)的能量流量。压缩机C1(10)传送来自MIEC膜(6)夹带出口的CO2、H2O和O2混合物。压缩机C1(10)传送来自发动机的约95％的气流。因此，控制阀(72)调节稀释O2的CO2和H2O的流量，从而调节燃烧温度和废气燃烧温度。综上所述，控制阀(72)调节在第二气缸(14)出口处的发动机的废气温度，并且在额定条件下将其调节为近似1273K(999.85℃)的值。
控制阀(72)通常在部分打开的状态下工作，以调节压缩机C1(10)的压力。被MIEC膜(6)截留的一部分N2循环通过涡轮VGT1(71)，进行膨胀和冷却。截留的N2的另一部分循环通过实际的控制阀(72)，而没有被冷却。该另一部分N2在涡轮VGT1(71)的下游与冷却和膨胀后的N2混合，重新加热，并相应地提高其温度。
在通过控制阀(72)和/或通过涡轮(71)后，来自MIEC膜(6)的截留N2(大约为气流的80％)与来自第二止回阀(19)的CO2和H2O混合，并且这两种气流都在可变几何涡轮VGT2(8)中被利用，用于移动压缩机C2(2)。有关涡轮VGT2(8)的近似额定入口条件为0.3MPa和873K(599.85℃)。涡轮VGT2(8)的可变几何形状用于调节内燃机的增压程度。当涡轮VGT2(8)关闭时，其会增加通过MIEC膜(6)的气流和MIEC膜(6)中的工作压力。因此，其增加了在理想配比条件下O2的每小时产量和可以喷射的燃料量。当涡轮VGT2(8)打开时会发生相反的情况。涡轮VGT2(8)的最小尺寸(最小开度)是根据往复式发动机的气缸容量选择的，以设定发动机各转速下系统的最大功率。涡轮VGT2(8)的最大开度决定了往复式发动机在每个转速下的最小增压量(怠速(idle))。涡轮VGT2(8)还可以包括废气门(或WG)阀。当涡轮VGT2(8)或其废气门阀开到最大时，压缩机C2(2)的能量降低至零，从而降低了MIEC膜的工作压力和传送的空气流量。
如果要进一步降低发动机增压，直至其降为零，则控制阀(72)被打开，避开涡轮VGT1(71)，从而将压缩机C1(10)的能量降低至零。在这种情况下，流向MIEC膜(6)的废气流(其中可以发现CO2)被阻止。这平衡了MIEC膜(6)两侧的O2分压并阻止了O2生成流，使得该实施例1的发动机增压怠速。
在涡轮VGT2(8)的出口处，压力约为0.1MPa、温度约为800K(526.85℃)的N2、CO2和H2O混合物通过第一再生热量交换器(23)，在将这种气体混合物(不含对健康有害的气体)排放到大气中之前，向空气传送其热量。
由MIEC膜(6)交换的O2以及CO2和H2O混合物，用于清除和降低O2的分压，其从MIEC膜(6)的相应端离开，进入第二燃烧气缸(14)，由压缩机C1(10)吸入。该混合物在分别约为0.3MPa和1173K(899.85℃)的额定压力和温度下离开，其约占发动机传送的空气流量的105％。CO2、H2O和O2混合物的热量首先在第二再生热量交换器(5)中回收，以加热第一再生热量交换器(23)出口处的空气。在第二再生热量交换器(5)的出口处，额定条件约为0.25MPa和673K(399.85℃)。该气流在第二再生热量交换器(5)出口处的可变几何涡轮(VGT3)(16)中被利用，用于移动与另一个涡轮组件机械耦合的压缩机(C3)(12)。压缩机C3(12)使用涡轮VGT3(16)回收的能量为第二气缸(14)增压，例如之前使用的涡轮增压器。涡轮VGT3(16)被关闭以在发动机的任何运行条件下将压缩机C3(12)出口处的压力恒定保持在0.6MPa的额定值。在涡轮VGT3(16)出口处，流量的额定条件约为0.1MPa和473K(199.85℃)。继续进入第二气缸(14)的氧化混合物在第二WCAC冷却器(9)中被冷却到323K(49.85℃)。接下来，如上所述，其在压缩机C1(10)中被压缩到0.3MPa和473K(199.85℃)，压缩机C1(10)的条件由控制阀(72)施加，以保持废气温度在1273K(999.85℃)左右。在压缩机C1(10)之后，CO2、H2O和O2混合物在第三WCAC冷却器(11)中被再次冷却至323K(49.85℃)，并在压缩机C3(12)中被压缩至0.6MPa和473K(199.85℃)。为此，使用了涡轮VGT3(16)的能量，其将压缩机C3(12)出口处的压力调节为等于0.6MPa，如上所述。最后，混合物在被第二气缸(14)吸入前，在第四WCAC冷却器(13)中被再次冷却至323K(49.85℃)，其中，在本实施例中的第二气缸有2个，因为它是已作为示例使用的四气缸、四冲程发动机中的一半，如本实施例的描述开头所述。
在第二气缸(14)中，碳氢化合物HxCyOz用燃料泵(26)以与O2理想配比的比例喷射到CO2、H2O和O2混合物中。在所述第二气缸(14)中，进行火花点火预混燃烧循环和类似于奥托循环的循环。第二气缸(14)生成能量以移动第一气缸(4)，当第一气缸(4)与MIEC膜(6)耦合在同一曲轴(25)上时，第一气缸(4)为MIEC膜(6)传送空气。第二气缸(14)生成多余的净机械能，用于移动与发动机耦合的车辆，或发电机，或任何需要通过轴输入机械能的应用。这些第二气缸(14)还用作涡轮机组件的启动系统，以启动循环的气流、O2流和涡轮机。它们被移动到末端，直到系统通过往复式发动机中使用的传统启动马达启动。因此，第一气缸(4)和第二气缸(14)均作为启动系统工作，并通过传统启动马达被移动直到系统启动。
在第一WCAC冷却器(3)、第二WCAC冷却器(9)、第三WCAC冷却器(11)和第四WCAC冷却器(13)中传送给水的热量加上再生中传送的热量(在第一再生热量交换器(23)、第二再生热量交换器(5)和催化MIEC(15)中生成)与排放到大气中的多余废气(即，非再循环废气)一起，通过分支(29)和第二止回阀(19)，表示热量完全传送到提出的热力循环必需的冷源，其符合热力学第二定律，并因此可行。相反地，在第一WCAC冷却器(3)、第二WCAC冷却器(9)、第三WCAC冷却器(11)和第四WCAC冷却器(13)中以及再生中(在第一再生热量交换器(23)、第二再生热量交换器(5)和催化MIEC(15)中生成)的热量传送有助于最小化热力循环的火用破坏(destruction of exergy)，因为其一方面使工作流体的整个压缩过程更加等温，并且另一方面，可以从废气中回收能量以从空气分离。近似等温压缩和使用再生热量交换器从系统气体中提取热量使得从MIEC膜(6)中的空气分离的N2循环近似于一个产量等于卡诺循环的循环(Carnot cycle)，其被称为爱立信循环(Ericsson cycle)。CO2+H2O+O2混合物的循环可以同化为具有中间压缩和膨胀的闭合布雷顿循环，但其在第二气缸(14)中嵌套有奥托循环，目前为止的文献中还没有描述这点。本质上，拟闭合布雷顿循环和奥托循环嵌套并二元相对于N2的循环(通过向N2循环发送热量，其符合热力学原理，用于接近具有最大效率的理想循环，例如爱立信循环)，其为二元循环的一个创新的实施例，符合另一个最大效率的理想循环(卡诺循环)的原则。
最后，由于碳氢化合物(燃料)与氧化混合物(CO2、H2O、O2)的燃烧，在第二气缸(14)的出口处会生成CO2、H2O以及较小程度上未燃烧的THCs和CO混合物。
废气的非再循环部分通过分支(29)转向，在涡轮VGT2(8)的入口处排放。这种多余气体约占废气的20％，其为CO2、H2O、CO和未燃烧的总碳氢化合物(THCs)混合物。分支(29)的下游和第二止回阀(19)的上游是催化MIEC膜(15)，其中废气以大约1273K(999.85℃)的温度进入其中并将其热量传送到发动机传送的气流的100％，因此其温度显着下降至约623K(349.85℃)。同时，由于在催化MIEC膜(15)中生成的化学反应，CO和THCs被燃烧剩余的O2氧化，直到形成CO2和H2O蒸汽。同样，由于氧燃烧防止了第二气缸(14)中NOx的生成，催化膜(15)中形成的H2O和CO2混合物不含有害气体(不含CO、THCs和NOx)。因此，排出的混合物不含任何有害健康的气体。
在催化MIEC膜(15)的下游，CO2和H2O混合物在涡轮VGT2(8)的入口处通过第二止回阀(19)排出。第二止回阀(19)在大约0.11MPa的压力下进行配衡(tared)，并用于防止空气或N2在瞬态过程中可以进入氧化气体的混合物。因此，在第二止回阀(19)的上游形成了一个封闭的并与大气隔离的容积。该容积由不含N2的管道回路形成，用作在发动机停止后积聚CO2+H2O+O2的氧化混合物的系统。由于MIEC膜(6)已经生成了多余的O2，该积聚的混合物有利于发动机之后的启动，可用于启动第二气缸(14)中的燃烧。最后，在通过第一再生热量交换器(23)以提取其热量后，N2、CO2和H2O混合物通过管道(30)排放到大气中，如上所述。
剩余的非多余废气(即，再循环废气)约占其流量的80％。该非多余混合物由压缩机C1(10)、压缩机C3(12)和实际的第二气缸(14)吸入，以通过MIEC膜(6)。在MIEC膜(6)中，再循环废气一方面进行清除和降低通过膜的O2分压的间接功能，以提高MIEC膜(6)的生成率，另一方面，其进行降低氧化混合物中O2比例的直接功能。由此，第二气缸(14)出口处的燃烧气体温度被控制为1273K(999.85℃)左右。由此，循环在MIEC膜(6)的出口处闭合，并且混合物返回到第二再生热量交换器(5)的入口处以将其热量传递给空气。
在所述过程中，发动机以高效的方式工作，始终保持空气/燃料比接近理想配比，并在不节流的情况下，通过调节由压缩机C2(2)传送的空气和膜的生产率调节其增压。由于第一气缸(4)与第二气缸(14)机械耦合在同一轴上，O2的生成率会立即响应发动机加速度。因此，发动机的动态响应不会经历涡轮增压发动机典型的涡轮增压器滞后。最后，发动机仅将来自第二止回阀(19)的CO2和H2O混合物以及来自涡轮VGT2(8)出口处的N2、H2O和大气CO2排放到大气中。也就是说，它不会排放任何对人和动物的呼吸过程有害的有害健康的气体。
实施例2：具有预混混合物的火花点火(SI)发动机，其不排放污染气体，并且可以 捕获生成的CO2和去除大气CO2
实施例2用于具有预混(均质)混合物的火花点火(SI)发动机，其可以捕获大气CO2和生成的CO2。因此，它属于从大气中去除CO2的发动机类型(排放率<0)。实施例2基于爆燃燃烧过程，具有亚音速且混合物不能自燃，用于生成净机械功率。
发动机的增压程度(最大扭矩的百分比)由MIEC膜(6)中的O2生成率控制。这减少了泵送损失，因为它不需要使用节流蝶形阀来节流气流。
通过用来自实际燃烧和预冷的CO2和H2O稀释氧化剂(O2)和燃料(HxCyOz)的混合物控制燃烧温度。这可以防止为此任务使用燃料(目前SI发动机在高转速和最大功率下的标准做法)。
实施例2提出捕获发动机排出的CO2并尽可能有效地降低大气CO2的含量。此外，它从来源(燃烧室)或MIEC膜中消除了污染气体(CO、THCs、PM和NOx)的排放，最小化了净化废气的后处理的需求，这表示大大节省了发动机的生产成本。目前，用于净化气体的后处理估计约为动力组件总成本的30％。此外，氧燃烧确保了在冷启动过程中也不排放污染气体。因为加热(激活)净化废气的后处理系统需要一定时间，目前的发动机不能做到这一点。
取决于从气流提取CO2使用的技术，在图2a和2b中描绘了实施例2。在实施例2中，大气空气由压缩机(C2)(2)吸入通过过滤器(1)进入发动机。压缩机C2(2)是涡轮组件的一部分，并与可变几何涡轮(VGT2)(8)机械耦合。压缩机C2(2)使用涡轮VGT2(8)从被MIEC膜(6)截留的N2+H2O中(如图2a)或从被CO2膜(28)截留的N2+H2O(如图2b)中回收的能量传送空气。在额定条件下，空气位于压缩机C2(2)出口处的压力和温度约为0.4MPa和473K(199.85℃)。空气通过发动机的空气增压器(WCAC)(3)的第一水冷却器。在第一WCAC冷却器(3)的出口处，温度下降到大约323K(49.85℃)，这使得发动机第一气缸(4)中的后续压缩更加等温。
在图2a的实施例中，在第一WCAC冷却器(3)的出口处的工作温度下，空气中的CO2在具有大约2000的总CO2/N2选择性的CO2聚合物膜(28)中被净化。这在图2a中实现，因为通过膜的CO2被夹带在来自分离器(17)的水蒸气中，其降低了CO2膜(28)中渗透的大气CO2的分压。在图2a中，大气CO2和用于清除CO2膜(28)的水与O2流和燃烧产物汇集在一起，用于进行真空布雷顿循环(CBV)(21)。也就是说，这是在第五WCAC冷却器(31)的出口处生成的，如图5a所示，该图描绘了CBV循环的内部细节，并将在下文详细解释。
在图2b所示的另一优选实施例中，空气在第一WCAC冷却器(3)的出口处没有遇到任何CO2膜，因此，空气中的CO2含量没有改变。对于实施例2的该种变形，该CO2在下游被收集。
空气随后被发动机的第一气缸(4)吸入。实施例2描绘了五气缸四冲程发动机，有2个吸入空气的气缸。第一气缸(4)的作用类似于泵，其压缩空气至约0.9MPa和473K(199.85℃)。第一气缸(4)优选地与发动机的其余气缸相同，共享曲轴(25)、凸轮轴和气门正时齿轮，并且具有不在其中喷射燃料的特点。由于是四冲程发动机，空气在第一气缸(4)内停留4个冲程，因此它被发动机冷却水(约363K(89.85℃))压缩和冷却，这有助于使压缩更等温。这些第一气缸(4)被用作涡轮机组件的启动系统，以启动循环气流和涡轮。它们被移动到末端，直到系统通过往复式发动机中使用的传统启动马达启动。
在第一气缸(4)的出口处，空气在第一再生热量交换器(23)中被加热，其将压力降低至约0.87MPa，并将温度升高至约573K(299.85℃)，并为此使用了来自附加活塞(22)出口处的CO2和H2O流的热能。在第一再生热量交换器(23)的出口处，空气在第三再生热量交换器(24)中被加热，其将压力降低至约0.85MPa，并将温度升高至约673K(399.85℃)，并为此使用了大约800K(526.85℃)的温度和0.1MPa的压力下来自涡轮VGT2(8)出口处的N2流的热能。
在第三再生热量交换器(24)的出口处，空气在催化MIEC膜(15)中被再次加热，其将压力降低至约0.8MPa，并将温度升高至约723K(449.85℃)，并为此使用了来自第二气缸(14)燃烧的废气的热能。在催化MIEC膜(15)中，废气将其热量传送到空气中(类似再生热量交换器)，CO和HC都会被氧化，直到整个气流仅由CO2和H2O组成。因为该废气流量占发动机传送的废气总流量的大约20％，所以，用于净化发动机的气体的后处理的需要减少了20％。在催化MIEC膜(15)之后，空气在第二再生热量交换器(5)中被再次加热，其将压力降低至约0.8MPa，并将温度升高至约873K(599.85℃)，并为此目的，使用来自MIEC膜(6)从空气中获取的O2热能和用于夹带O2通过MIEC膜(6)和降低夹带室中O2分压的CO2的热能。
在第二再生热量交换器(5)之后，在0.8MPa和873K(599.85℃)的空气被喷射至O2MIEC膜(6)，因为与CO2和来自氧燃烧过程的H2O进行热量交换，空气在其中达到MIEC膜(6)的工作温度(约1173K(899.85℃))，并被用于清除O2侧。
在图2b的实施例中，被O2MIEC膜(6)截留的O2-废弃空气进入大约1173K(899.85℃)和0.8MPa的CO2膜(28)(基于熔融碳酸盐，在工作温度时总CO2/N2选择性约为2500)，其中大气CO2从N2+H2O气流分离。这是通过CO2被来自分离器(17)的水蒸气清除而实现的，这降低了渗透到膜中的大气CO2的分压。在图2b中，渗透的大气CO2与MIEC膜(6)生成的O2混合物以及来自第二气缸(14)燃烧的CO2和H2O汇集在一起，用于清除MIEC膜(6)并降低O2的分压。
在图2a所示的另一优选实施例中，因为空气在CO2膜(28)中已经预先净化了CO2，O2MIEC膜(6)的截留不会在下游遇到任何CO2膜，如上所述。
在图2a的实施例中O2MIEC膜(6)的截留和图2b的实施例中CO2膜(28)的截留事实上都不含大气CO2，并且都是0.75MPa和1173K(899.85℃)的大气N2+H2O。每一所述截留约占系统传送的空气质量的80％，并通过涡轮VGT1(71)和/或通过控制阀(72)。
涡轮VGT1(71)和控制阀(72)与压缩机C1(10)一起作为涡轮组件的一部分，其中涡轮VGT1(71)与压缩机C1(10)机械连接。涡轮VGT1(71)利用从MIEC膜(6)截留的N2流中的能量，回收其能量以移动压缩机C1(10)。控制阀(72)调节流向压缩机C1(10)的能量流量。压缩机C1(10)传送MIEC膜(6)清除的CO2，因此传送CO2、H2O和O2混合物。压缩机C1(10)传送发动机的约95％的气流。因此，控制阀(72)调节稀释O2的CO2和H2O的流量，从而调节燃烧温度和废气燃烧温度。综上所述，控制阀(72)调节在第二气缸(14)出口处的发动机的废气温度，并且在额定条件下将其调节为近似值1273K(999.85℃)。
控制阀(72)通常在部分打开的状态下工作，以调节压缩机C1(10)的压力。从被MIEC膜(6)截留的一部分N2循环通过涡轮VGT1(71)，进行膨胀和冷却。截留的N2的另一部分循环通过实际的控制阀(72)，而没有被冷却。该另一部分N2在涡轮VGT1(71)的下游与冷却和膨胀后的N2混合，重新加热，并相应地提高其温度。
在通过控制阀(72)和/或通过涡轮(71)后，来自MIEC膜的截留N2+H2O(大约为气流的80％)在可变几何涡轮VGT2(8)中被利用，用于移动压缩机C2(2)。有关涡轮VGT2(8)的近似额定入口条件为0.3MPa和823K(549.85℃)。涡轮VGT2(8)的可变几何形状用于调节内燃机的增压程度。当涡轮VGT2(8)关闭时，其会增加通过MIEC膜(6)的气流和MIEC膜(6)中的工作压力。因此，其增加了在理想配比条件下O2的每小时产量和可以喷射的燃料量。当涡轮VGT2(8)打开时会发生相反的情况。涡轮VGT2(8)的最小尺寸(最小开度)是根据往复式发动机的气缸容量选择的，以设定发动机各转速下系统的最大功率。涡轮VGT2(8)的最大开度决定了往复式发动机在每个转速下的最小增压量(怠速)。涡轮VGT2(8)还可以包括废气门(或WG)阀。当涡轮VGT2(8)或其废气门阀开到最大时，压缩机C2(2)的能量降低至零，从而大大降低了MIEC膜的工作压力和传送的空气流量。
如果要进一步降低发动机增压，直至其降为零，则控制阀(72)被打开，避开涡轮VGT1(71)，从而将压缩机C1(10)的能量降低至零。在这种情况下，流向MIEC膜(6)的CO2和H2O流被阻止。这平衡了MIEC膜(6)两侧的O2分压并阻止了O2生成流，使得该实施例2的发动机增压怠速(idle)。
在涡轮VGT2(8)的出口处，压力约为0.1MPa、温度约为800K(526.85℃)的N2和H2O混合物通过第三再生热量交换器(24)，在将这种气体混合物(不含对健康有害的气体)排放到大气中之前，向空气传送其热量。
由MIEC膜(6)交换的O2以及CO2和H2O混合物，用于清除和降低通过膜的O2的分压，其从MIEC膜(6)的相应端离开，进入第二燃烧气缸(14)，由压缩机C1(10)吸入。对于用于收集大气CO2的基于熔融碳酸盐的膜的实施例2变形(图2b)，正是在这一点(MIEC膜(6)的出口处)，所述混合物(由MIEC膜(6)交换的O2以及CO2和H2O混合物，用于清除和降低通过膜的O2的分压)依次与大气CO2和用于清除大气CO2的水蒸气混合。该混合物在额定压力和温度分别约为0.1MPa和1173K(899.85℃)的条件下离开，其约占发动机传送的空气流量的80％。CO2、H2O和O2混合物的热量首先在第二再生热量交换器(5)中被回收，以加热催化MIEC膜(15)出口处的空气。第二再生热量交换器(5)出口处的额定条件约为0.08MPa和723K(449.85℃)。
接下来，混合物流过用于执行真空布雷顿循环(CBV)(21)的装置。用于执行真空布雷顿循环(CBV)(21)的装置具有通过将混合物的温度转化为压力并回收由第二再生热量交换器(5)导致的压力损失冷却混合物的功能。用于执行真空布雷顿循环(CBV)(21)的装置由与压缩机C3(12)机械耦合的涡轮VGT3(16)组成，二者形成涡轮组件。涡轮VGT3(16)的出口处和压缩机C3(12)的入口处之间有第五WCAC冷却器(31)。对于用于收集大气CO2的基于聚合物的膜的实施例2变形(图2a)，在第五WCAC冷却器(31)的出口处，来自燃烧的O2和CO2与大气CO2和用于清除大气CO2的水混合。在图2b中，大气CO2现在是氧化混合物的一部分。图5a示出用于执行真空布雷顿循环(CBV)(21)的装置的内部细节，其运行循环由图5b的T-s图示出。CO2、H2O和O2混合物在涡轮VGT3(16)中膨胀以利用其能量，在第五WCAC冷却器(31)中被冷却，维持轻微的增压损失，并在与涡轮VGT3(16)机械耦合的压缩机C3(12)中被压缩。在压缩机C3(12)的出口处，混合物比在涡轮VGT3(16)入口处更冷且压力更高。
压缩机C3(12)出口处的氧化混合物的额定条件约为0.1MPa和523K(249.85℃)。氧化混合物继续进入第二气缸(14)，在第二WCAC冷却器(9)中被冷却到323K(49.85℃)。接下来，如上所述，其在压缩机C1(10)中被压缩到0.3MPa和473K(199.85℃)，压缩机C1(10)的条件由控制阀(72)施加，以保持废气温度在1273K(999.85℃)左右。在压缩机C1(10)之后，在被第二气缸(14)吸入之前，CO2、H2O和O2混合物在第三WCAC冷却器(11)中被再次冷却至323K(49.85℃)。这些气缸是用作示例的四冲程发动机中5个气缸中的2个，如实施例2的描述开始时所确定。
在第二气缸(14)中，碳氢化合物HxCyOz用燃料泵(26)以与O2理想配比的比例喷射到CO2、H2O和O2的氧化混合物中。在所述第二气缸(14)中，进行火花点火预混燃烧循环和类似于奥托循环的循环。第二气缸(14)生成能量以移动第一气缸(4)，第一气缸(4)为MIEC膜(6)和附加活塞(22)传送空气，由于它们都和同一曲轴(25)耦合，活塞被压缩，从而致密化残余的CO2和H2O。第二气缸(14)进一步生成多余的净机械能，用于移动与发动机耦合的车辆，或发电机，或任何需要通过轴输入机械能的应用。这些第二气缸(14)被用作涡轮机组件的启动系统，以启动循环气流和涡轮。它们被移动到末端，直到系统通过往复式发动机中使用的传统启动马达启动。
在第一WCAC冷却器(3)、第二WCAC冷却器(9)、第三WCAC冷却器(11)、第四WCAC冷却器(13)、第五WCAC冷却器(31)和第六WCAC冷却器(18)中传送给水的热量加上再生中传送的热量(在第一再生热量交换器(23)、第二再生热量交换器(5)、第三再生热量交换器(24)和催化MIEC(15)中生成)与致密化和捕获的多余CO2和H2O一起，代表了热量完全传送到提出的热力循环必需的冷源，其符合热力学第二定律，并因此可行。相反地，在第一WCAC冷却器(3)、第二WCAC冷却器(9)、第三WCAC冷却器(11)、第四WCAC冷却器(13)、第五WCAC冷却器(31)和第六WCAC冷却器(18)中以及再生中(在第一再生热量交换器(23)、第二再生热量交换器(5)、第三再生热量交换器(24)和催化MIEC(15)中生成)的热量传送有助于最小化热力循环的火用破坏，因为其一方面使工作流体的整个压缩过程更加等温，并且另一方面，可以从废气中回收能量以从空气分离。近似等温压缩和使用再生热量交换器提取CO2+H2O中的热量使得MIEC膜(6)中的N2循环近似于一个产量等于卡诺循环的循环，其被称为爱立信循环。CO2+H2O+O2混合物的循环可以同化为具有中间压缩和膨胀的闭合布雷顿循环，但其在第二气缸(14)中嵌套有奥托循环，目前为止的文献中还没有描述这点。本质上，拟闭合布雷顿循环和奥托循环嵌套并二元相对于N2的循环(通过向N2循环发送热量，其符合热力学原理，用于接近具有最大效率的理想循环，例如爱立信循环)，其为二元循环的一个创新的实施例，符合另一个最大效率的理想循环(卡诺循环)的原则。
最后，由于碳氢化合物(燃料)与氧化混合物(CO2、H2O、O2)的燃烧，在第二气缸(14)的出口处会生成CO2、H2O、未燃烧的THCs和CO混合物。一方面，80％的废气由压缩机C1(10)和第二气缸(14)自行吸入，以通过MIEC膜(6)。在MIEC膜(6)中，一方面，其进行清除和降低O2分压的功能，以改善MIEC膜(6)对O2的传输；另一方面，含CO2的混合物将燃烧温度降低到往复式内燃机(RICE)的材料可容忍的极限。由此，循环在MIEC膜(6)的出口处闭合，并且混合物返回到第二再生热量交换器(5)的入口处以将其热量传递给空气。在所述过程中，发动机以高效的方式工作，始终保持空气/燃料比接近理想配比，并在不节流的情况下，通过调节膜的O2生成调节其增压。由于第一气缸(4)与第二气缸(14)机械耦合在同一轴上，因此膜的生成率会立即响应发动机加速度。因此，由于涡轮组件的机械惯性，发动机的动态响应不受涡轮增压RICE滞后的影响。
另一方面，剩余的20％的废气，为以下混合物：CO2、H2O、未燃烧的THCs和CO的混合物，其在催化MIEC膜(15)中被燃烧剩余的O2氧化，并以大约1273K(999.85℃)的温度进入其中并将其热量传送到发动机传送的气流的100％，因此其温度显着下降至约703K(429.85℃)。同时，由于在催化MIEC膜(15)中生成的化学反应，CO和THCs被燃烧剩余的O2氧化形成CO2和H2O蒸汽，并且由于氧燃烧防止了第二气缸(14)中NOx的生产，因此，排出的混合物不含任何有害健康的气体(不含CO、THCs和NOx)。
接下来，安装第一止回阀(33)以防止回流从附加活塞(22)流出。附加活塞(22)由曲轴(25)移动并将20％的流量(上述剩余的20％废气)压缩至7.5MPa。7.5MPa的压力由第二止回阀(19)及其设定弹簧调节。压缩在附加活塞(22)的四冲程中以准等温方式进行，从进气阀打开以吸入CO2和H2O蒸汽的混合物开始，直到排气阀打开以将其排出。压缩至7.5MPa的混合物在约673K(399.85℃)的温度下排出，并且必须保持在573K(299.85℃)以上，即7.5MPa时水的饱和温度，以确保该混合物在附加活塞(22)内仍处于气体状态。
混合物首先在第一再生热量交换器(23)中被冷却，然后在第四WCAC冷却器(13)中被冷却至473K(199.85℃)，因此H2O转化为液态。7.5MPa和473K(199.85℃)下液体水的质量约占发动机传送的质量总流量的2％。接下来，液体水在分离器(17)中从CO2气体分离，该分离器可以是在出口处带有压力层压阀的惯性分离器。如果水保持在气体状态，聚合物膜也可用作分离器(17)。在大约0.1MPa和473K(199.85℃)的压力下分离的水的能量被利用，用作CO2膜(28)中的驱动流体。水蒸气清除CO2侧，通过稀释降低其分压。第三止回阀(32)将来自燃烧的H2O回路与大气连接起来，调节水蒸气的压力，保持其等于大气压力。此外，它允许在连续发动机燃烧中生成的过量水蒸气被清除到大气中。
在分离H2O后，纯度已经很高的过量CO2在第六WCAC冷却器(18)中被冷却到其临界温度303K(29.85℃)以下。液体CO2通过第二止回阀(19)并以7.5MPa的压力储存在第一储罐(20)中，温度控制在303K(29.85℃)以下。当这个储罐储满时，发动机自主停止。如有必要，使用冷却回路(例如车辆空调生成的回路)将储罐保持在CO2的亚临界温度(<303K(29.85℃))。储罐在服务站中被排出，更换为燃料储罐。液体CO2可以再次转化为碳氢化合物(如在合成燃料中，例如合成柴油、蓝色原油等)，作为产品供应化学工业，作为冷却液供应给冷却工业，或储存在受管控的集水池中。但是，它不会被排放到大气中。不排放CO2到大气中可以确定本实施例2是净排放为负的发动机，因为其已经去除了大气CO2并且没有排放在其燃烧过程中生成的CO2。
实施例3：具有分层混合物和扩散燃烧的压缩点火(CI)发动机，其有效可变压缩比 由O2生成率控制；不排放污染气体和捕获CO2
实施例3用于具有分层混合物(扩散燃烧)而不排放污染物和捕获CO2的压缩点火(CI)发动机。对于净机械功率的生成，实施例3基于扩散燃烧过程，具有通过预混物的爆燃和由燃料流的移动量控制的燃烧速度的自燃。
增压程度通过循环的有效压缩比影响每个状态下最大扭矩的百分比。该有效压缩比是可变的，并由MIEC膜中的O2生成率控制。这体现了减小尺寸的理念，其发动机的气缸容量可以减小并且涡轮机和气缸中空气的有效压缩过程可以近似等温过程。
通过用来自燃烧自身的CO2和H2O稀释氧化剂(O2)和燃料(HxCyOz)的预冷混合物控制燃烧温度。这种具有高废气再循环(EGR)速率的混合物还有助于通过降低O2MIEC膜(6)的分压来提高其O2生成速率。
实施例3没有提出捕获发动机排放的CO2，而是在来源(燃烧室)或MIEC膜中消除了污染气体(CO、THCs、PM和NOx)的排放，无需后处理以净化废气，这代表大大节省了发动机的生产成本。目前，用于净化气体的后处理估计约为动力组件总成本的30％。此外，氧燃烧确保了在冷启动过程中不排放污染气体。因为加热(激活)净化废气的后处理系统需要一定时间，目前的发动机不能做到这一点。
图3描绘了实施例3。在实施例3中，大气空气由压缩机(C2)(2)吸入通过过滤器(1)进入发动机。压缩机C2(2)是涡轮组件的一部分，并与可变几何涡轮(VGT2)(8)机械耦合。压缩机C2(2)使用涡轮VGT2(8)从MIEC膜(6)中截留的N2中回收的能量传送空气。在额定条件下，空气位于压缩机C2(2)出口处的压力和温度约为0.4MPa和473K(199.85℃)。空气通过发动机的空气增压器(WCAC)(3)的第一水冷却器。在第一WCAC冷却器(3)的出口处，温度下降到大约323K(49.85℃)，这使得发动机第一气缸(4)中的后续压缩更加等温。
空气随后被发动机的第一气缸(4)的一半吸入。实施例3描绘了四气缸四冲程发动机，因此有2个吸入空气的气缸。第一气缸(4)的作用类似于泵，其压缩空气至约0.8MPa和473K(199.85℃)。第一气缸(4)优选地与发动机的其余气缸相同，共享曲轴(25)、凸轮轴和气门正时齿轮，并且具有不在其中喷射燃料的特点。由于是四冲程发动机，空气在第一气缸(4)内停留4个冲程，因此它被发动机冷却水(约363K(89.85℃))压缩和冷却，这有助于使压缩更等温。这些第一气缸(4)被用作涡轮机组件的启动系统，以启动循环气流和涡轮。它们被移动到末端，直到系统通过往复式发动机中使用的传统启动马达启动。
在第一气缸(4)的出口处，空气在第一再生热量交换器(23)中被加热，其将压力降低至0.77MPa，并将温度升高至约673K(399.85℃)，并为此使用了来自CO2、H2O和N2流的热能。该N2、CO2和H2O流通过位于涡轮VGT2(8)下游的管道(30)流向大气。该N2、CO2和H2O流约占发动机传送的空气总流量的80％，并且温度约为800K(526.85℃)，压力为0.1MPa。在第一再生热量交换器(23)的出口处，空气在第二再生热量交换器(5)中被加热，其将温度升高至约973K(699.85℃)，并为此目的使用来自MIEC膜(6)生成的O2和用于清除MIEC膜(6)的CO2的热能降低O2分压。在第二再生热量交换器(5)之后，压力为0.75MPa的空气进入MIEC膜(6)，因为与来自氧燃烧过程的CO2和H2O进行热量交换，空气在其中达到MIEC膜(6)的工作温度(约1223K(949.85℃))，并被用于清除O2。
MIEC膜(6)的截留基本上是在0.7MPa和1173K(899.85℃)的N2；其约占系统传送空气质量的80％，并通过涡轮VGT1(71)和/或控制阀(72)。涡轮VGT1(71)和控制阀(72)与压缩机C1(10)一起作为涡轮组件的一部分，涡轮VGT1(71)与压缩机C1(10)机械连接。涡轮VGT1(71)利用从MIEC膜(6)截留的N2流中的能量，回收其能量以移动压缩机C1(10)。控制阀(72)调节流向压缩机C1(10)的能量流量。压缩机C1(10)传送MIEC膜(6)的清除的CO2+H2O，因此传送CO2、H2O和O2混合物。压缩机C1(10)传送发动机的约95％的气流。因此，控制阀(72)调节稀释O2的CO2和H2O的流量，从而调节燃烧温度和废气燃烧温度。综上所述，控制阀(72)调节在第二气缸(14)出口处的发动机的废气温度，并且在额定条件下调节为近似值1223K(949.85℃)。
控制阀(72)通常在部分打开的状态下工作，以调节压缩机C1(10)的压力。从MIEC膜(6)中截留的一部分N2循环通过涡轮VGT1(71)，进行膨胀和冷却。截留的N2的另一部分循环通过实际的控制阀(72)，而没有被冷却。该另一部分N2在涡轮VGT1(71)的下游与冷却和膨胀后的N2混合，重新加热，并相应地提高其温度。
在通过控制阀(72)和/或通过涡轮(71)后，来自MIEC膜(6)的截留N2(气流的80％)在可变几何涡轮VGT2(8)中被利用，用于移动压缩机C2(2)。有关涡轮VGT2(8)的近似额定入口条件为0.3MPa和823K(549.85℃)。涡轮VGT2(8)的可变几何形状涡轮用于调节MIEC膜(6)传送的空气流量，从而调节生成的O2流量。当涡轮VGT2(8)关闭时，其会增加通过MIEC膜(6)的气流和MIEC膜(6)中的工作压力。因此，其增加了在理想配比条件下O2的每小时产量(速率相同)和可以喷射的燃料量。当涡轮VGT2(8)打开时会发生相反的情况。涡轮VGT2(8)的最小尺寸(最小开度)是根据往复式发动机的气缸容量选择的，以设定发动机各转速下系统的最大功率。涡轮VGT2(8)的最大开度决定了往复式发动机在每个转速下的最小O2流量(怠速)。涡轮VGT2(8)还可以包括废气门(或WG)阀。当涡轮VGT2(8)或其废气门阀开到最大时，压缩机C2(2)的能量降低至零，从而大大降低了MIEC膜的工作压力和传送的空气流量。
如果要进一步减少发动机的O2流量，直至其降为零，则控制阀(72)被打开，避开涡轮VGT1(71)，从而将压缩机C1(10)的能量降低至零。这事实上平衡了MIEC膜(6)两侧的O2分压并最小化O2生成率，使该实施例3的发动机怠速。
可以说，控制阀(72)通过作用于生成率来提供O2流量的定性调节，而涡轮VGT2(8)通过作用于传送的空气流量来提供定量调节。两种控制都对第二气缸(14)上止点处气缸的有效压缩比提供非常广泛和非常精细的调节，同时不会改变其体积压缩比。这在往复式发动机中通常被称为可变压缩比。
在涡轮VGT2(8)的出口处，压力约为0.1MPa、温度约为800K(526.85℃)的N2、CO2和H2O混合物通过第一再生热量交换器(23)，在将这种气体混合物(不含对健康有害的气体)排放到大气中之前，向空气传递其热量。
由MIEC膜(6)生成的O2以及CO2和H2O混合物，用于其清除和降低O2的分压，其从MIEC膜(6)的相应端离开，进入第二燃烧气缸(14)，由压缩机C1(10)吸入。该混合物在分别约为0.35MPa和1223K(949.85℃)的额定压力和温度下离开，其约占发动机传送的空气流量的115％。CO2、H2O和O2混合物的热量首先在第二再生热量交换器(5)中回收，以加热来自第一再生热量交换器(23)出口处的空气。在第二再生热量交换器(5)的出口处，氧化混合物的额定条件约为0.3MPa和700K(426.85℃)。该压力和温度在可变几何涡轮(VGT3)(16)中被利用，用于移动与另一个涡轮组件机械耦合的压缩机(C3)(12)。压缩机C3(12)使用涡轮VGT3(16)回收的能量为第二气缸(14)增压，例如之前使用的涡轮增压器。调节涡轮VGT3(16)以保持压缩机C3(12)下游的压力恒定且等于0.6MPa。
在涡轮VGT3(16)的下游，涡轮VGT3(16)出口处的额定条件约为0.1MPa和473K(199.85℃)。在涡轮VGT3(16)的出口处有一个分支，其将多余的CO2、H2O蒸汽和O2混合物排放到大气中，而没有排放任何污染气体(不含CO、THCs和NOx)。这是通过将CO和THCs催化成在MIEC膜(6)中生成的H2O蒸汽和CO2以及防止生成NOx的氧燃烧来实现的。
排放是通过在0.11MPa的压力下被配重的第二止回阀(19)进行的，以防止空气或N2在瞬态过程中可以进入氧化气体的混合物。因此，在第二止回阀(19)的上游形成了一个封闭的并与大气隔离的回路。该容积由不含N2的管道回路形成，用作在发动机停止后积聚CO2+H2O+O2的氧化混合物的系统。由于MIEC膜(6)已经生成了多余的O2，该积聚的混合物有利于发动机之后的启动，可用于启动第二气缸(14)中的燃烧。
具有分支(29)和第二止回阀(19)，涡轮VGT3(16)出口处压力的额定条件为0.11MPa，温度为473K(199.85℃)。继续进入第二气缸(14)的非多余混合物在第二WCAC冷却器(9)中被冷却到323K(49.85℃)。接下来，如上所述，其在压缩机C1(10)中被压缩到0.3MPa和473K(199.85℃)，压缩机C1(10)的条件由控制阀(72)施加，以保持废气温度在1223K(949.85℃)左右。在压缩机C1(10)之后，CO2、H2O和O2混合物在第三WCAC冷却器(11)中被再次冷却至323K(49.85℃)，并在压缩机C3(12)中被压缩至0.6MPa和473K(199.85℃)。为此，使用了涡轮VGT3(16)的能量，其将压缩机C3(12)出口处的压力调节为等于0.6MPa，如上所述。最后，混合物在被第二气缸(14)吸入前，在第四WCAC冷却器(13)中被再次冷却至323K(49.85℃)，其中，在本实施例中第二气缸有2个，因为它是已作为示例使用的四气缸、四冲程发动机中的一半，如本实施例3的描述开头所述。
在第二气缸(14)中，碳氢化合物HxCyOz被燃料泵(26)喷射到大气CO2和O2的氧化混合物中。碳氢化合物以其所需的方式和量喷射，以调节扩散燃烧发动机的增压，并且其比例小于O2的理想配比。在所述第二气缸(14)中，进行扩散燃烧循环、压缩点火循环以及与狄塞尔循环相似的循环，其基本由O2和燃烧产物进行，即，进入发动机的空气量约80％。
第二气缸(14)生成能量以移动第一气缸(4)，当第一气缸(4)与MIEC膜(6)和同一曲轴(25)耦合时，第一气缸(4)为MIEC膜(6)传送空气。第二气缸(14)生成多余的净机械能，用于移动与发动机耦合的车辆，或发电机，或任何需要通过轴输入机械能的应用。这些第二气缸(14)被用作涡轮机组件的启动系统，以启动循环气流和涡轮。它们被移动到末端，直到系统通过往复式发动机中使用的传统启动马达启动。
在第一WCAC冷却器(3)、第二WCAC冷却器(9)、第三WCAC冷却器(11)和第四WCAC冷却器(13)中传送给水的热量，与在第二再生热量交换器(5)中的MIEC膜(6)和第一再生热量交换器(23)中传送的热量一起，最后排放到大气中的多余氧化混合物，表示热量通过分支(29)完全传送到热力循环必需的冷源，其符合热力学第二定律，并因此可行。相反地，在第一WCAC冷却器(3)、第二WCAC冷却器(9)、第三WCAC冷却器(11)和第四WCAC冷却器(13)中以及再生中(在第二再生热量交换器(5)和第一再生热量交换器(23)中生成)的热量传送有助于最小化热力循环的火用破坏，因为其一方面使工作流体的整个压缩过程更加等温，并且另一方面，可以从废气中回收能量以与空气分离。近似等温压缩和使用再生热量交换器提取CO2、N2和H2O中的热量使得MIEC膜(6)中的N2循环近似于一个产量等于卡诺循环的循环，其被称为爱立信循环。CO2、H2O和O2混合物的循环可以同化为具有中间压缩和膨胀的闭合布雷顿循环，但其在第二气缸(14)中嵌套有狄塞尔循环，目前为止的文献中还没有描述这点。本质上，拟闭合布雷顿循环嵌套在狄塞尔循环和二元相对于N2的循环中(通过向N2循环发送热量，其符合热力学原理，用于接近具有最大效率的理想循环，例如爱立信循环)，是二元循环的一个创新的实施例，符合另一个最大效率的理想循环(卡诺循环)的原则。
最后，由于碳氢化合物(燃料)与氧化混合物(CO2、H2O、O2)的燃烧，在第二气缸(14)的出口处会生成CO2、H2O、未燃烧的THCs和CO混合物，其被称为废气。在第二气缸(14)的出口处，该废气的最大压力和温度分别为0.6MPa和1223K(949.85℃)。废气混合物通过MIEC膜(6)，其由压缩机C1(10)、压缩机C3(12)并最终由第二气缸(14)本身吸入。在MIEC膜(6)中，一方面，废气混合物进行以下功能：清除膜，降低O2的分压以提高MIEC膜(6)的生产率，并稀释O2直到燃烧温度与当前RICE的材料技术相容。另一方面，废气混合物被催化，与O2反应，将燃烧过程中生成的THCs和CO转化为CO2和H2O。由此，循环在MIEC膜(6)的出口处闭合，并且混合物返回到第二再生热量交换器(5)的入口处以将其热量传递给空气。
在上述过程中，发动机以最佳的方式工作，根据发动机的增压程度和转速，将其与涡轮VGT2(8)的有效压缩比调节到最有效的比率。由于第一气缸(4)与第二气缸(14)机械耦合在同一轴上，因此膜的生产率会立即响应发动机加速度。因此，发动机的动态响应不受涡轮增压器的机械惯性带来的加速滞后的影响。最后，发动机仅通过分支管(29)和第二止回阀(19)向大气排放CO2、H2O和O2混合物，以及通过涡轮VGT2(8)的出口向大气排放N2+大气CO2。也就是说，它不会排放任何对人和动物有害的污染气体。两种排放在同一排气管道(30)中混合，该排气管道将第二止回阀(19)和涡轮VGT2(8)下游的所有来自发动机的排放汇集到一共同的排气中。
实施例4：压缩点火(CI)发动机，具有分层混合物和扩散燃烧，其有效可变压缩比 由O2生成率控制；不排放污染气体并捕获生成的CO2并去除大气CO2
实施例4用于具有分层混合物(扩散燃烧)的压缩点火(CI)发动机，其捕获大气CO2和发动机自身生成的CO2。因此，它属于从大气中去除CO2的发动机类型(排放率<0)。对于净机械功率的生成，实施例4基于扩散燃烧过程，通过预混物的爆燃自燃，并且燃烧速度由喷射的燃料流(这种情况下为液体CO2)的移动量控制。
增压程度通过循环的有效压缩比影响每个状态下最大扭矩的百分比。该有效压缩比是可变的，并由MIEC膜中的O2生成率控制。这体现了减小尺寸的理念，其发动机的气缸容量可以减小并且涡轮机和气缸中空气的有效压缩过程可以近似等温过程。
通过将氧化剂(O2)和燃料(HxCyOz)的混合物与燃烧本身生成的液体CO2稀释并密化到超临界条件来控制燃烧温度。由于需要大量的CO2，这代表了一项附加的创新，因为两个循环在气缸中共存：(i)一方面，由用于控制燃烧温度的CO2进行的超临界CO2热力循环，同时，(ii)由O2氧化剂及其产物进行的狄塞尔循环。直到现在，在已发表的文献中还没有描述过这一点。
实施例4提出尽可能有效地捕获发动机排放的CO2并降低使用的空气中大气CO2的含量。此外，它从来源(燃烧室)消除了污染气体(CO、THCs、PM和NOx)的排放，最大限度地减少了净化废气的后处理的需求，从而显著节省了发动机的生产成本。目前，用于净化气体的后处理估计约为动力组件总成本的30％。此外，氧燃烧确保了在冷启动过程中不排放污染气体。因为加热(激活)净化废气的后处理系统所需的时间，目前的发动机不能确保这一点。
图4a和4b描绘了实施例4。在实施例4中，大气空气通过过滤器(1)由压缩机(C2)(2)吸入进入发动机。压缩机C2(2)是涡轮组件的一部分，并与可变几何涡轮(VGT2)(8)机械耦合。压缩机C2(2)使用涡轮VGT2(8)从MIEC膜(6)中排出的N2+H2O中回收的能量来传送空气。在额定条件下，空气位于压缩机C2(2)出口的压力和温度约为0.4MPa和473K(199.85℃)。空气通过发动机的第一水冷却空气增压器(WCAC)(3)。在第一WCAC冷却器(3)的出口处，温度下降到大约323K(49.85℃)，这使得发动机第一气缸(4)的后续压缩更加等温。
在图4a的实施例中，在第一WCAC冷却器(3)的出口处的工作温度下，在CO2聚合物膜(28)中以大约2000的总CO2/N2选择性将空气中的CO2减少。这是在图4a中实现的，因为CO2被纯O2夹带，其来自第三WCAC冷却器(11)下游和用于O2分离的MIEC膜(6)。O2降低了膜模块的夹带室中渗透的大气CO2的分压。在图4a中，收集到的大气CO2和用于清除膜的O2被引导至第一止回阀(33)以被第二气缸(14)吸入。
在图4b所示的该实施例的第二个版本中，通过基于熔融碳酸盐的CO2膜(28)将大气空气中的CO2分离，使得空气在第一WCAC冷却器(3)的出口处不会遇到任何CO2膜。
空气随后被发动机的第一气缸(4)的一半吸入。实施例4描绘了四缸四冲程发动机，其具有2个吸入空气的气缸。第一气缸(4)的作用类似于将空气压缩到约1.5MPa和473K(199.85℃)的泵。第一气缸(4)优选地与发动机的其余气缸相同，共享曲轴(25)、凸轮轴和气门正时齿轮，并且具有不在其中喷射燃料的特点。由于是四冲程发动机，空气在第一气缸(4)内停留4个冲程，因此它被发动机冷却水(约363K(89.85℃))压缩和冷却，这有助于使压缩更等温。这些第一气缸(4)被用作涡轮机组件的启动系统，以启动循环气流和涡轮。它们被移动到末端，直到系统通过往复式发动机中使用的传统启动马达启动。
在第一气缸(4)的出口处，空气在第一再生热量交换器(23)中被加热，其将压力降低至1.47MPa，并将温度升高至约673K(399.85℃)，并为此使用了来自H2O和N2流的热能。这种N2和H2O流来自涡轮VGT2(8)。该N2和H2O流约占发动机传送的气体总流量的90％，并且温度约为800K(526.85℃)，压力为0.1MPa。在第一再生热量交换器(23)的出口处，空气在第二再生热量交换器(5)中被加热，其将压力降低至1.45MPa，并将温度升高至约723K(449.85℃)，并为此使用了来自图4a中MIEC膜(6)生成的O2的热能。来自MIEC膜(6)生成的O2和CO2膜(28)中生成的CO2的热能在图4b中被用于该目的。温度不会升高太多，因为O2占空气流量的20％左右。
在第二再生热量交换器(5)的出口处，空气在催化MIEC膜(15)中被加热，其将压力降低至1.4MPa，并将温度升高至约1123K(849.85℃)，并为此使用了来自第二气缸(14)燃烧生成的废气的热能。在催化MIEC膜(15)中，废气将其热量传送到空气中(类似再生热量交换器)，并且CO和HC(CO和HC占废气成分的不到1％，因此在图4a和4b中并未明确示出)都会被氧化，直到整个气流仅由CO2和H2O组成。这种CO2和H2O的流量约占发动机在非常高的压力(7.5MPa)下传送的废气总流量的100％，因此其密度大大增加，并且该发动机气体氧化所需的催化MIEC膜(15)的尺寸减小了。
在催化MIEC膜(15)之后，将1.4MPa和1123K(849.85℃)的空气喷射进O2MIEC膜(6)，在其中分离O2。
在基于通过基于熔融碳酸盐的膜从空气中分离大气CO2的实施例中，如图4b所示，O2MIEC膜(6)中截留的N2、H2O和大气CO2，在大约1123K(849.85℃)和1.35MPa下进入CO2膜(28)，在这种情况下，其为在工作温度下CO2/N2的整体选择性约为2500的熔融碳酸盐膜，其中大气CO2从N2+H2O流中分离。为此，MIEC膜(6)生成的纯O2被用作夹带流。当该O2被压缩机C1(10)生成的0.05MPa真空吸入，离开MIEC膜(6)进入第二燃烧气缸(14)时，其首先通过CO2膜(28)的大气CO2侧。于是，该O2被用于从CO2膜(28)中清除CO2并降低CO2的分压。
在本实施例的第一个版本中，聚合物膜用于从空气中分离大气CO2(如图4a所示)，O2MIEC膜(6)的截留不会在下游遇到任何CO2膜，因为空气已经被预先处理过，以降低图4a的CO2聚合物膜(28)中的CO2含量。图4a的实施例中O2MIEC膜(6)的截留或图2b的实施例中CO2膜(28)的截留事实上都不含大气CO2，并且大多数由1.35MPa和1123K(849.85℃)的大气N2+H2O组成。这些用于从处理过的空气中分离大气CO2的方法会使得所述发动机从大气中去除CO2并且所述发动机可以被认为具有负的CO2排放率。事实上，在涡轮VGT2(8)出口处排放的N2+H2O流中的CO2含量极低(<空气入口含量的1～5％)，并且燃烧生成的CO2在系统中被液化和捕获，如下所述。
每一个来自膜的截留占有由系统传送的空气质量的约80％，并通过涡轮VGT1(71)和/或通过控制阀(72)。涡轮VGT1(71)和控制阀(72)与压缩机C1(10)一起作为涡轮组件的一部分，涡轮VGT1(71)与压缩机C1(10)机械连接。涡轮VGT1(71)利用从MIEC膜(6)排出的N2流中的能量，回收其能量以移动压缩机C1(10)。控制阀(72)调节流向压缩机C1(10)的能量流量。在图4a的情况下，压缩机C1(10)传送MIEC膜(6)中生成的纯O2。在图4b的情况下，压缩机C1(10)传送MIEC膜(6)中生成的纯O2+CO2。因此，其传送约20％的气流并控制在MIEC膜(6)的O2侧生成的真空，以降低O2的压力并提高膜的生产率。最后，控制阀(72)调节O2生成率，从而调节循环中捕获的O2质量和第二气缸(14)中循环的最大压力。
控制阀(72)通常在部分打开的状态下工作，以调节压缩机C1(10)的压力。在MIEC膜(6)中排出的一部分N2循环通过涡轮VGT1(71)，进行膨胀和冷却。排出的N2的另一部分循环通过实际的控制阀(72)，而没有被冷却。该另一部分N2在涡轮VGT1(71)的下游与冷却和膨胀后的N2混合，重新加热，并相应地提高其温度。
在通过控制阀(72)和/或通过涡轮(71)后，来自MIEC膜(6)的截留N2+H2O(大约为气流的80％)在可变几何涡轮VGT2(8)中被利用，用于移动压缩机C2(2)。相对于涡轮VGT2(8)的近似额定入口条件为0.35MPa和823K(549.85℃)。涡轮VGT2(8)的可变几何形状涡轮用于调节MIEC膜(6)传送的空气流量，从而调节生成的O2流量。当涡轮VGT2(8)关闭时，其会增加通过MIEC膜(6)的气流和MIEC膜(6)中的工作压力。因此，其增加了在理想配比条件下O2的每小时产量(速率相同)和可以喷射的燃料量。当涡轮VGT2(8)打开时会发生相反的情况。涡轮VGT2(8)的最小尺寸(最小开度)是根据往复式发动机的气缸容量选择的，以设定发动机各转速下系统的最大功率。涡轮VGT2(8)的最大开度决定了往复式发动机在每个转速下的最小O2流量(怠速)。涡轮VGT2(8)还可以包括废气门(或WG)阀。当涡轮VGT2(8)或其废气门阀开到最大时，压缩机C2(2)的能量降为零，从而大大降低了MIEC膜的工作压力和传送的空气流量。
如果要进一步减少发动机的流量，直至将其降至零，则打开控制阀(72)，避开涡轮VGT1(71)，从而将压缩机C1(10)的能量降至零。这等于MIEC膜(6)两侧的O2分压并抵消O2生成率，使该实施例4的发动机怠速。
因此，控制阀(72)通过作用于生成率来提供O2流量的质量调节，而涡轮VGT2(8)通过作用于传送的空气流量来提供质量调节。两种控制都对第二气缸(14)上止点处气缸的有效压缩比提供非常广泛和非常精细的调节，同时不会改变其体积压缩比。这在往复式发动机中通常称为可变压缩比。
在涡轮VGT2(8)的出口处，压力约为0.1MPa、温度约为800K(526.85℃)的N2和H2O混合物通过第一再生热量交换器(23)，在将这种气体混合物(此时不含对健康有害的气体)排放到大气中之前，向空气传送其热量。
图4a中的纯O2或图4b中用大气CO2稀释的O2分别在0.05MPa的额定压力和1123K(849.85℃)的额定温度下分别离开MIEC膜(6)和CO2膜(28)。这是氧化流，其约占发动机传送的空气流量的20％。
氧化流的热量首先在第二再生热量交换器(5)中回收，以加热来自第一再生热量交换器(23)出口的空气。在第二再生热量交换器(5)的出口处，O2的额定条件约为0.048MPa和700K(426.85℃)。
接下来，混合物流过用于执行真空布雷顿循环(CBV)(21)的装置。用于执行真空布雷顿循环(CBV)(21)的装置具有通过将混合物的温度转化为压力并回收由第二再生热量交换器(5)导致的压力损失来冷却混合物的功能。用于执行真空布雷顿循环(CBV)(21)的装置由与压缩机C3(12)机械耦合的涡轮VGT3(16)组成，二者形成涡轮组件。涡轮VGT3(16)的出口处和压缩机C3(12)的入口处之间有第五WCAC冷却器(31)。用于执行真空布雷顿循环(CBV)(21)的装置的内部细节由图5a所示，其运行循环由图5b的T-s图所示。CO2、H2O和O2混合物在涡轮VGT3(16)中膨胀以利用其能量，在第五WCAC冷却器(31)中以恒定压力被冷却，并在与涡轮VGT3(16)机械耦合的压缩机C3(12)中被压缩。在压缩机C3(12)的出口处，混合物比涡轮VGT3(16)的入口处更冷且压力更高。
压缩机C3(12)出口处的氧化混合物的额定条件约为0.08MPa和473K(199.85℃)。氧化混合物继续进入第二气缸(14)，在第二WCAC冷却器(9)中被冷却到323K(49.85℃)。接下来，如上所述，其在压缩机C1(10)中被压缩到0.25MPa和473K(199.85℃)，压缩机C1(10)的条件由控制阀(72)施加，以维持MIEC膜(6)的生成率。在压缩机C1(10)之后，流体氧化剂在第三WCAC冷却器(11)中被再次冷却至323K(49.85℃)。
在图4a的实施例中，流体氧化剂是纯O2并且用于以大约2000的CO2/N2选择性将CO2夹带在CO2聚合物膜(28)中，以降低该侧的CO2的分压并且最大化膜从气流中去除CO2的功效。在图4b的实施例中，流体氧化剂此时为在第三WCAC冷却器(11)出口处用大气CO2稀释过的O2。
接下来，流体氧化剂通过第一止回阀(33)以防止回流从第二气缸(14)流出。在第一止回阀(33)后，混合物被第二气缸(14)吸入，其为示例中四冲程发动机其中的2个气缸，如本实施例4的描述开始时所确定。
在第二气缸(14)中，碳氢化合物HxCyOz被燃料泵(26)喷射到O2的氧化混合物中(与来自空气的CO2一起)。燃料泵(26)从第二储罐(27)抽吸燃料，第二储罐(27)用柔性膜与第一储罐(20)分离，液体CO2积聚在第一储罐(20)中，如下文所述。随着积聚在第二储罐(27)中的碳氢化合物逐渐消耗，膜减小碳氢化合物侧的容积并增加CO2侧的容积，使得后者在第一储罐(20)的一侧积聚。由燃料泵(26)吸入的碳氢化合物以其所需的方式和量被喷射至第二气缸(14)，以调节扩散燃烧发动机的增压，并且其比例小于O2的理想配比。在所述第二气缸(14)中，进行扩散燃烧循环、压缩点火循环以及与狄塞尔循环相似的循环，其基本由O2和燃烧产物进行，即，20％的质量循环通过发动机。
为了将燃烧温度调节到与往复式发动机的材料和冷却技术相容的极限，必须将大量液体CO2喷射至第二气缸(14)。这个量约为由第二气缸(14)传送的质量的80％，并由液体CO2泵(35)在气缸内以低于临界温度(<303K(29.85℃))的温度和高压(约80MPa)喷射。如有必要，使用冷却回路(例如车辆空调生成的回路)将泵中的CO2保持在亚临界温度(<303K(29.85℃))。喷射的CO2已经在之前的燃烧过程中被捕获和液化。CO2在第二气缸内蒸发并膨胀，进行除O2及其产物之外的超临界热力循环，如下所述。
第二气缸(14)生成能量以移动第一气缸(4)，第一气缸(4)为MIEC膜(6)和传送空气，并在排放到超临界压力期间压缩CO2，因为它们都和同一曲轴(25)耦合。由于第一气缸(4)与第二气缸(14)机械耦合在同一轴上，因此膜的生产率会立即响应发动机加速度。因此，发动机的动态响应不受常规涡轮增压器发动机会出现的涡轮增压器滞后(由于其机械惯性)的影响。第二气缸(14)进一步生成多余的净机械能，用于移动与发动机耦合的车辆、或发电机或任何需要通过轴输入机械能的应用。这些第二气缸(14)被用作涡轮机组件的启动系统，以启动循环气流和涡轮。它们被移动到末端，直到系统通过往复式发动机中使用的传统启动马达启动。
在第一WCAC冷却器(3)、第二WCAC冷却器(9)、第三WCAC冷却器(11)、第四WCAC冷却器(13)、第五WCAC冷却器(31)和第六WCAC冷却器(18)中传送给水的热量；加上在MIEC膜(6)和催化MIEC膜(15)中传送的热量；在第二再生热量交换器(5)和第一再生热量交换器(23)连同致密化和捕获的多余CO2和H2O，代表了将热量完全传送到热力循环必需的冷源，其符合热力学第二定律，并因此可行。相反地，在第一WCAC冷却器(3)、第二WCAC冷却器(9)、第三WCAC冷却器(11)、第四WCAC冷却器(13)、第五WCAC冷却器(31)和第六WCAC冷却器(18)中以及再生中(在第二再生热量交换器(5)和第一再生热量交换器(23)中生成)的热量传送有助于最大限度地减少热力循环的火用破坏，因为其一方面，使工作流体的整个压缩过程更加等温，并且，另一方面，可以从废气中回收能量以与空气分离。等温压缩和使用第二再生热量交换器(5)和第一再生热量交换器(23)提取来自O2和来自CO2+H2O的热量近似于MIEC膜(6)中的空气和N2循环，该循环的产量相当于被称为爱立信循环的卡诺循环。O2混合物的循环可以同化为具有中间压缩和膨胀的超临界CO2循环，但其在第二气缸(14)中嵌套有狄塞尔循环，目前为止的文献中还没有描述这点。本质上，超临界CO2循环和狄塞尔循环嵌套并二元相对于N2的循环(通过向N2循环发送热量，其符合热力学原理，用于接近具有最大效率的理想循环，例如爱立信循环)，其为二元循环的一个创新的实施例，符合另一个最大效率的理想循环(卡诺循环)的原则。
由于碳氢化合物(燃料)与氧化混合物(大气CO2+O2)的燃烧，在第二气缸(14)的出口处会生成CO2、H2O、未燃烧的THCs、O2和CO混合物。该混合物在催化MIEC膜(15)中被燃烧剩余的O2氧化，其在大约1273K(999.85℃)的温度和7.5MPa的压力下进入膜。废气将其热量传送到由发动机传送的气流的100％，因此其温度显著下降至约753K(479.85°C)。同时，由于在催化MIEC膜(15)中生成的化学反应，并且由于氧燃烧防止了第二气缸(14)中NOx的生产，CO和THCs被燃烧剩余的O2氧化形成H2O蒸汽和CO2。由于吸进的O2与第二气缸(14)中的燃料的比率不是理想配比，而是更高，作为调节增压的一种选择，即使在氧化CO和THCs之后，仍可以有剩余的O2。
7.5MPa的压力由第二止回阀(19)及其设定弹簧调节。在打开第二气缸(14)的排气阀并排出废气混合物时立即进行压缩。压缩至7.5MPa的气体必须保持在573K(299.85℃)以上，即7.5MPa时水的饱和温度，以确保该混合物在第二气缸(14)内仍处于气体状态。
混合物在第四WCAC冷却器(13)中冷却至523K(249.85℃)，以使H2O转化为液态。接下来，液体水在分离器(17)中与CO2气体分离，该分离器可以是在出口处带有压力层压阀的惯性分离器。如果水保持在气体状态，聚合物膜也可用作分离器(17)。在7.5MPa和473K(199.85℃)下，水的质量约占发动机传送的质量总流量的10％。分离后的水与N2+H2O在涡轮VGT2(8)处混合。由此，分离器(17)下游的压力由涡轮VGT2(8)中的膨胀设定。这使得可以利用来自提取水的温度和质量的能量，在涡轮VGT2(8)中回收其部分能量。
最后，CO2+O2残余在第六WCAC冷却器(18)中被冷却至303K(29.85℃)以下，这是其临界温度。液体CO2通过第二止回阀(19)并以7.5MPa的压力储存在第一储罐(20)中，温度控制在303K(29.85℃)以下。如有必要，使用冷却回路(例如车辆空调生成的回路)将储罐保持在CO2的亚临界温度(<303K(29.85℃))。当储罐中的压力超过7.5MPa时，可能积聚在储罐中的O2气体通过第四止回阀(34)排入大气。当第二储罐(27)的燃料排空或第一储罐(20)充满时，不管哪个先发生，发动机自主结束。两个储罐由柔性膜分离。CO2从服务站的第一储罐(20)排出，被更换为填充第二储罐(27)的燃料。液体CO2可以再次转化为碳氢化合物或储存在受管控的集水池中，但不会被排放到大气中。通过空气在进气口CO2含量的减少以及捕获氧燃烧过程中生成的CO2，可以确定本实施例4是净排放为负的发动机，因为其已经去除了大气CO2并且没有排放在其燃烧过程中生成的CO2。
由于液体CO2通过CO2泵(35)再次被喷射进第二气缸(14)并保持燃烧温度受控，因此一种新的热力循环直到现在才被描述在p-h的图6中；分别进行T-s和p-v图。该循环由于CO2与能量相关，CO2约占气缸内质量的80％。CO2循环的描述如下：
(1).-对应于泵入口的站。在CO2泵(35)的入口处，CO2的热力条件约为7.5MPa和298K(24.85℃)。
(2).-对应于泵出口的站。在CO2泵(35)的出口处，CO2的热力条件约为80MPa和303K(29.85℃)。站(1)和(2)之间的过程在CO2泵中进行，在此过程中，CO2保持为液态，在泵中以事实上等温的方式被压缩。如有必要，使用冷却回路(例如车辆空调生成的回路)将压缩期间的CO2保持在亚临界温度(<303K(29.85℃))。图6的站(2’)对应于液体CO2离开喷射器喷嘴并膨胀到第二气缸(14)中约20MPa的压力的时刻。
(3).-对应于碳氢化合物燃烧过程结束的站。在站(3)中，循环达到最高温度和最高压力。条件约为1800K(1526.85℃)和20MPa。该过程在第二气缸(14)中进行。CO2在压缩冲程结束时与碳氢化合物一起喷射。一旦CO2从喷射喷嘴上游的80MPa喷射到第二气缸(14)中最大压力的20MPa，CO2就会膨胀。由于持续喷射CO2，尽管存在膨胀冲程，在站(2’)和(3)之间的过程中，第二气缸(14)中的压力事实上恒定保持在20MPa。由于碳氢化合物燃烧，温度升高到1800K(1526.85℃)。
(4).-对应于CO2喷射过程结束的站。(3)和(4)之间的过程表示在略微降低的压力下温度降低。(4)的条件为1173K(899.85℃)和18MPa。由于燃烧产物被喷射的CO2稀释，温度下降。由于在(3)和(4)之间的过程中没有燃烧和气缸内的容积的增加，压力下降。
(5).-对应于气缸下止点的站。(4)和(5)之间的过程代表在没有燃烧和没有喷射CO2的情况下气缸内容积的持续增加。这代表冷却和压力下降。(5)的条件约为873K(599.85℃)和0.3MPa。(4)和(5)之间的过程继续发生在阀关闭的气缸中，因此它是一个与外部隔绝的系统。在(5)中，气缸内的体积膨胀结束，排气阀打开，废气或排放过程开始。
(6).-对应于排气过程结束的站。当排气阀打开时，由于排气区域被第二止回阀(19)加压至7.5MPa，气缸中的气体会发生瞬时再压缩。(5)和(6)之间的过程表示压力和温度瞬时增加至约7.5MPa和1273K(999.85℃)。
该循环在恒定压力为7.5MPa的冷却过程中闭合，其中CO2沿着超临界压力线从气态转化为液态。在该循环闭合时，其在298K(24.85℃)和7.5MPa的初始条件下再次返回站(1)。在恒定压力条件下，在排气阀打开的整个期间，该冷却过程在废气排放过程中部分地发生在气缸内。剩余的冷却在催化MIEC膜(15)和第四WCAC冷却器(13)和第六WCAC冷却器(18)中生成。一部分液化CO2被再次喷射至气缸内，以再次进行上述循环，剩余的CO2积聚在第一储罐(20)中，直到被输送到合适的收集和处理站。
如图6所示，热力状态(4)和(5)之间的工艺线与热力状态(6)和(1)之间的工艺线相交的热力状态是点(7)。点(7)的热力状态取决于循环的特定条件，并在生成正净机械功的循环部分(1、2、3、4、7、1)和生成负净机械功的循环部分(7、5、6、7)之间建立分离顶点，即，其消耗功。
虽然CO2约占气缸释放的质量的80％，但还有其他大约20％的质量是与燃料反应的O2。由O2及其燃烧产物进行的循环与第二气缸(14)内的CO2循环嵌套。由于这是目前为止文献中没有提出过的循环，所以在图7中也进行了详细的描述。该循环的步骤如下：
(a).-对应于第二气缸(14)进气口处的热力条件的站。这些条件位于第一止回阀(33)的下游。热力条件约为0.3MPa和323K(49.85℃)。此时，第二气缸(14)的活塞位于下止点。第二气缸(14)的进气阀被关闭，O2压缩过程开始。
(b).-对应于第二气缸(14)压缩过程结束时的热力条件的站。这些条件发生在第二气缸(14)的活塞的上止点处。热力条件约为11MPa和573K(299.85℃)。在状态(a)和(b)之间的过程中，发生多变压缩，同时将热量传递到气缸的壁上，在其上面捕获O2(约占循环质量的20％)。在条件(b)下，开始喷射可燃碳氢化合物和液态CO2。
(c).-对应于可燃碳氢化合物燃烧过程结束时的热力条件的站。这些条件发生在第二气缸(14)的活塞的上止点之后。热力条件约为200Mpa和1800K(1526.85℃)。(b)和(c)之间的过程包括燃料的喷射、压缩自燃和其扩散燃烧，其燃烧速度由喷射流的运动量来控制。(b)和(c)之间的过程还包括液体CO2喷射的开始，这将控制燃烧过程的温度并有助于保持压力恒定且等于确定的约200MPa。这些条件与图6的CO2循环的热力状态(3)的条件一致。在这些条件下，两个(O2和CO2)循环一起发生。
(d).-对应于CO2喷射过程结束时的热力条件的站。这些条件发生在第二气缸(14)的活塞的膨胀冲程期间。热力条件约为1173K(899.85℃)和18MPa。这些条件与图6的CO2循环的热力状态(4)的条件一致。在这些条件下，两个(O2和CO2)循环一起发生。图7的状态(c)和(d)之间的过程与图6中描述的状态(3)和(4)之间的过程相同。取决于喷射的CO2量，该过程或多或少被延长，而喷射的CO2量又取决于燃烧产物中所需的最终温度和燃烧的稳定性。图7中的点(d’)描绘的理想情况是将该过程延长到膨胀冲程的下止点。这种情况是理想的，因为它代表了O2和CO2循环中的最大工作产量。
(e).-对应于第二气缸(14)的活塞冲程的下止点处的热力条件的站。这些条件发生在第二气缸(14)内膨胀过程结束时。热力条件约为873K(599.85℃)和0.3MPa。这些条件与图6的CO2循环的热力状态(5)的条件一致。在这些条件下，两个(O2和CO2)循环一起发生。图7的状态(d)和(e)之间的过程与图6中描述的状态(4)和(5)之间的过程相同。
(f).-对应于在第二气缸(14)的活塞冲程的下止点处打开排气阀时的热力条件的站。当排气阀打开时，由于排气区域被第二止回阀(19)加压至7.5MPa，气缸中的气体会发生瞬时再压缩。这些条件与图6的CO2循环的热力状态(6)的条件一致。在这些条件下，两个(O2和CO2)循环一起发生。图7的状态(e)和(f)之间的过程与图6中描述的状态(5)和(6)之间的过程相同。(e)和(f)之间的过程表示压力和温度瞬时增加至约7.5MPa和1273K(999.85℃)。
(g).-对应于在第二气缸(14)的活塞排气冲程的上止点处燃烧气体排放完成时的热力条件的站。在站(f)和(g)之间的过程中，在恒定压力条件下，在排气阀打开直到关闭的整个期间，气体也从气缸中排出。热力条件约为7.5Mpa和1173K(899.85℃)。在这些条件下，两个(O2和CO2)循环一起发生。图7的状态(f)和(g)之间的过程在恒定压力下的某个拉伸期间与图6中描述的状态(6)和(1)之间的过程一致。在该站中，O2和CO2循环被再次分离。
(h).-对应于第二气缸(14)中压力下降过程结束至第一止回阀(33)的下游的进气压力的站。该站发生在第二气缸(14)的进气冲程的某个点。在(g)和(h)之间的过程中，在燃烧室死容积中捕获的CO2已经膨胀到第一止回阀(33)打开的条件。该过程发生在第一止回阀(33)关闭期间。该过程仅由来自O2的燃烧的CO2进行并且仅来自图7的循环，其独立于图6中描述的CO2循环。热力条件约为0.3MPa和773K(499.85℃)。
循环在图7的热力条件(a)下再次闭合。(h)和(a)之间的过程发生在第一止回阀(33)以大约0.3MPa和323K(49.85℃)的实质恒定的压力和温度条件打开期间。(h)和(a)之间的过程包括从气缸的进气口进入O2，其代表系统约20％的空气质量的进入。
如图7所示，热力状态(d)和(e)之间的工艺线与热力状态(f)和(g)之间的工艺线相交的热力状态是点(i)。点(i)与图6中的热力状态(7)一致。点(j)的热力状态取决于图7的循环的特定条件，并在生成正净机械功的循环部分(i、j、b、c、d、i)和生成负净机械功的循环部分(i、e、f、i)之间建立分离顶点，即，其消耗功，如图6所示。如上所述，图7的点(d’)代表了所描述的循环的理想情况，其中点(f)和(i’)一致。在这种情况下，区域(i’、f、e、i’)为零，因此生成的净功(可理解为正功和负功之间的绝对差)最大化。
在图7的O2循环中，还有一个消耗功的区域，其顶点是点(j)。如图7所示，热力状态(a)和(b)之间的工艺线与热力状态(f)和(g)之间的工艺线相交的热力状态是点(i)。点(j)的热力状态取决于图7的循环的特定条件，并在生成正净机械功的循环部分(i、j、b、c、d、i)和生成负净机械功的其他循环部分(j、g、h、a、j)之间建立分离顶点，即，其消耗功。
理论上的预设计建模已经完成，并在此基础上进行了大量计算，其结果示于图8至13的图表中。该模型假设了在任何运行点下，元件之间的理想连接以及涡轮机械和热交换器的恒定效率。
还假设了恒定捕获的空气质量和气体燃料喷射到发动机气缸和压缩机内的可变速率，以及理想配比的空气/燃料比。所考虑的燃料是C8H18(PCI～42MG/kg)。
设定涡轮增压器的最大压缩比固定为4:1，最高冷却液温度为90℃，最高排气温度为1055℃。
从图8至13的曲线图和之前的描述中可以看出，本发明防止了NOx排放，并且提供了隔离CO2而不是将其排放到大气中的可能性。此外，不需要进气管路中的蝶阀即可调节增压，获得高效率和单位气缸容量的比功率(specific power)。
尽管已经提供了本发明的优选实施例的详细描述，但是本领域技术人员将理解，对其进行的修改和变化不脱离由所附权利要求专门限定的保护范围。

Claims (37)

1.一种吸入大气空气作为氧化剂并使用碳氢化合物作为燃料的内燃机，所述内燃机包括：
第一再生布雷顿循环，其具有中间冷却的空气压缩和通过混合部分氮气再加热的氮气膨胀，包括从压缩空气中分离O2的MIEC膜（6），使得吸入的气流不含N2，并且从MIEC膜（6）截留的废弃空气被直接送入废气流，防止其参与之后的燃烧，其中部分空气压缩在所述内燃机的至少一个第一气缸（4）中进行；
具有中间冷却的压缩的第二布雷顿循环，其以二元方式与所述第一再生布雷顿循环相结合并嵌套在一个循环中，该循环选自奥托循环和通过在所述内燃机的至少一个第二气缸（14）中进行氧燃烧的狄塞尔循环；
其中，所述第二布雷顿循环通过用曲轴（25）耦合所述至少一个第一气缸（4）和所述至少一个第二气缸（14）向所述第一再生布雷顿循环环传递机械能和来自废气的热能；
其中，所述第一再生布雷顿循环向所述第二布雷顿循环提供来自所述MIEC膜（6）的压缩O2；
由此，通过在所述MIEC膜（6）中分离N2防止NOx排放到大气中。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，其包括两个第一气缸（4）。
3.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，其包括两个第二气缸（14）。
4.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述第一再生布雷顿循环生成的净机械能用于通过压缩机C1（10）对所述第二布雷顿循环增压。
5.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述MIEC膜（6）生成从大气空气中分离的纯O2。
6.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述MIEC膜（6）生成用CO2稀释的O2。
7.根据权利要求6所述的内燃机，其特征在于，稀释所述O2的所述CO2从大气空气中获得。
8.根据权利要求6所述的内燃机，其特征在于，稀释所述O2的所述CO2通过在所述第二布雷顿循环中与碳氢化合物燃烧生成。
9.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，每个压缩步骤之后都有一个冷却步骤。
10.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，通过结合在每次冷却之前进行再生的所述第一再生布雷顿循环和第二布雷顿循环从所有剩余来源回收热量。
11.根据权利要求6所述的内燃机，其特征在于，由所述第二布雷顿循环生成的所述机械能进一步用于压缩生成的所述CO2直到其液化。
12. 根据权利要求11所述的内燃机，其特征在于，所述CO2被压缩至至少7.5 MPa。
13.根据权利要求11所述的内燃机，其特征在于，所述第二布雷顿循环与奥托循环嵌套，其中所述内燃机包括至少一个附加活塞（22）以及在入口处和其下游的第一和第二止回阀（33、19）以吸入和压缩积聚在所述内燃机的管道中的过量CO2。
14.根据权利要求11所述的内燃机，其特征在于，所述第二布雷顿循环与狄塞尔循环嵌套，其中所述第二气缸（14）的排气冲程通过使用第一和第二止回阀（33、19）压缩所述CO2，允许CO2的排放和大体上纯的O2的进入，后者被用作CO2选择性分离膜中的夹带气体。
15.根据权利要求5所述的内燃机，其特征在于，进一步包括真空布雷顿循环（CBV）以在随后的压缩之前更强烈地冷却所述大体上纯的O2。
16.根据权利要求6所述的内燃机，其特征在于，进一步包括真空布雷顿循环（CBV）以在随后的压缩之前更强烈地冷却所述用CO2稀释的O2。
17.根据权利要求11所述的内燃机，其特征在于，包括用于储存生成的液化CO2的第一储罐（20）。
18.根据权利要求17所述的内燃机，其特征在于，储存在所述第一储罐（20）中的所述CO2用于将燃料从所述内燃机的第二储罐（27）泵送到第二气缸（14），第一和第二储罐（20、27）都在同一个储罐中，由柔性膜隔开。
19.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述MIEC膜（6）基于具有混合氧离子-电子载体导体的晶体陶瓷材料。
20.根据权利要求1所述的内燃机，所述内燃机为火花点火（SI）发动机，其特征在于，涡轮组件用于对所述第一气缸（4）增压，并且所述MIEC膜（6）的所述O2生成的调节用于调节所述发动机增压。
21.根据权利要求1所述的内燃机，内燃机为压缩点火（CI）发动机，其特征在于，涡轮组件用于对所述第一气缸（4）增压，并且所述MIEC膜（6）的所述O2生成的调节用于调节所述发动机循环中工作流体的有效压缩比。
22.权利要求1所述内燃机的一种运行方法，所述方法包括：
第一再生布雷顿循环，其具有中间冷却的空气压缩和通过混合部分氮气再加热的氮气膨胀，包括从压缩空气中分离O2，使得吸入的气流不含N2，并且从分离中截留的废弃空气被直接送入废气流，防止其参与之后的燃烧；
具有中间冷却的压缩的第二布雷顿循环，其以二元方式与所述第一再生布雷顿循环相结合并嵌套在一个循环中，该循环选自奥托循环和通过氧燃烧进行的狄塞尔循环；
其中，所述第二布雷顿循环向所述第一再生布雷顿循环传递机械能和来自废气的热能；
其中，所述第一再生布雷顿循环向所述第二布雷顿循环提供来自分离的压缩O2；
由此，通过N2的分离防止NOx排放到大气中。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第一再生布雷顿循环生成的净机械能用于对所述第二布雷顿循环增压。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第一再生布雷顿循环生成从大气空气中分离的纯O2。
25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第一再生布雷顿循环生成用CO2稀释的O2。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，稀释所述O2的所述CO2从大气空气中获得。
27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，稀释所述O2的所述CO2通过在所述第二布雷顿循环中与碳氢化合物燃烧生成。
28.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，每个压缩步骤之后都有一个冷却步骤。
29.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，通过结合在每次冷却之前进行再生的所述第一再生布雷顿循环和第二布雷顿循环从所有剩余来源回收热量。
30.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，由所述第二布雷顿循环生成的所述机械能进一步用于压缩生成的所述CO2直到其液化。
31. 根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述CO2被压缩至至少7.5 MPa。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，所述第二布雷顿循环与奥托循环嵌套，其特征在于，其包括吸入和压缩积聚在所述内燃机的管道中的过量CO2。
33.根据权利要求30所述的方法，其中，所述第二布雷顿循环与狄塞尔循环嵌套，其特征在于，其包括压缩CO2，允许CO2的排放和大体上纯的O2的进入，后者被用作CO2选择性分离膜中的夹带气体。
34.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，进一步包括真空布雷顿循环（CBV）以在随后的压缩之前更强烈地冷却所述大体上纯的O2。
35.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括真空布雷顿循环（CBV）以在随后的压缩之前更强烈地冷却所述用CO2稀释的O2。
36.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，包括储存生成的液化CO2。
37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，包括使用所储存的CO2将燃料泵送到所述内燃机的所述气缸。
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