JP6302911B2 - サイクルピストンエンジン動力システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年８月３０日に出願された米国特許出願第６１/６９４，８５８号を優先権として主張し、参照により、その全体が本明細書中に組み込まれる。
発明の背景

本発明は、一般にサイクルピストンエンジン動力システムに関し、特に、統合酸素発生、ＳＣ二酸化炭素熱回収、および二酸化炭素捕獲およびクリーンアップ・サブシステムを有する、半密閉サイクルピストンエンジン動力システムに関する。

従来の動力システムは、内部燃焼か外部燃焼かにかかわらず、空気で燃料を燃焼し、一般に燃焼生成物（排気/煙道ガス）を、そのまま（または、水中インターフェースを介して）空気中に放出する。これはまた、天然ガス、ガソリン、ディーゼルのピストンエンジンにおいても同様であり、ガスタービン、ジェットエンジンでも、あるいは蒸気ボイラー・ベースの発電プラントにおいてさえ、同様である。二酸化硫黄、窒素酸化物、一酸化炭素、ＨＣ（未燃ハイドロカーボン）などのガスおよび、より最近には、二酸化炭素が、汚染物質に指定され、規制されている。特殊用途アプリケーション、特に海底アプリケーションにおいては、システム排気圧を周囲圧力（背圧上昇）に関連付けるための要件が大幅にエンジンサイクル効率を低下させ得る。その他の特殊用途アプリケーションでは、特に、より高い高度で、システム圧力を周囲圧力（減少した吸入圧力）に関連付けるための要件が大幅に特定の電力を低減させ、また、効率性にも影響を与える可能性がある。

その結果、非排出になるようおよび/または局所的な周囲圧力から悪影響が少なくなるように望まれ、種々の密閉または半密閉発電システムで、先んじた取り組みがなされていた。歴史的には（１９００年代初め）、この取り組みは、主に特殊用途のアプリケーションに関連したものであった。より最近では、主として、より高い効率を提供するおよび/または効果的に排出ガスを抑制する、またはシステム排出ガス、特に二酸化炭素を捕獲までする能力に関するものである。

密閉または半密閉発電システムを開発しようとする早くからの非常に強い意欲が、海底での発電に結びつけられてきた。米国特許第２，８８４，９１２号において、液体酸素を使用し、それとともに気化液体の熱を用いて生成物を濃縮させる、ピストンエンジンの容易な動作方法が開示されている。これは海底アプリケーションであるため、生成物クリーンアップや酸素生成の議論は生じない。米国特許第３，１３４，２２８号において、タービンを用いた、別の明らかに海底半密閉型の発電システムが開示されている。ここでも、液体酸素（ＬＯＸ）が酸化剤として搭載されている。 凝縮水が送り込まれ、温度を制御するために燃焼希釈剤として用いられ、同様の方法で、水、酸素、及び炭化水素が、米国のＭk１６のような、「steamfish」水雷 （第二次大戦の終わりの頃に導入された）に組み合わされている。米国特許第３，５５９，４０２号には、二酸化炭素の液化および貯蔵が開示されている。再び、オンボード液体酸素の気化が、冷却を提供するために使用されている。重要なことは、通常の大気条件以外でエンジンを動作させるための試みは何も行われていないことである。実際、１４psiaは、二酸化炭素/Ｏ_２ストリームのための再循環圧力である。

米国特許第３，７３６，７４５号において、「超臨界」密閉サイクルタービンシステムが導入されている。この特許にはいくつかの技術的な問題があるが、十分深くまた高い背圧で動作して、低温酸素を使用せずに、二酸化炭素生成物と水生成物の両方が液体として一緒に凝縮されるように意図されている。

米国特許第３，９８０,０６４号において、日産自動車は、過酸化水素を酸化剤として使用した、ピストンエンジンまたはロータリーピストンエンジンの特許についての詳細を提供している。このシステムには、排気再循環が含まれているが、この特許は、主に、燃料噴射装置の設計と、複数の燃料を燃焼させる能力に関するものである。過酸化水素を直接使用するための燃料噴射装置の設計は、サイクルの望ましくないポイントで分解が生じる可能性があるとき、とても重要である。

米国特許第４，４３４，６１３号で、ゼネラル・エレクトリック社は、二酸化炭素も含め、「化学物質」の産出のための半密閉サイクルガスタービン（ブレイトンサイクル）を導入している。この特許は、明らかに海底用途ではないが、超低温空気分離ユニットを有するシステムの統合が含まれる。そのシステムは、高い背圧で動作せず、そして再循環排気ガス（Ｏ２、二酸化炭素、その他本明細書には言及されていない）で動作しない。このガス混合のポイントは、空気の熱力学的特性によく似ていることで、既存の、１４psia入口圧力分子量２９（エア）ガスタービン機械設計を使用することができる。また、ＧＥの典型でもある、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）が使用され、復熱装置は使用されない。しかし、米国特許第３，１３４，２２８号は、生成ガスの浄化に関連するいかなる詳細又は方法も開示していない。米国特許第４，６７４，４６３号において、コスワースエンジン社が、再び、海底用途のための半密閉サイクルピストンエンジンを導入している。その２１％よりも低い値に酸素濃度を変化させる能力が、直接海水濃縮工程における酸素の損失を制限するために使用されている。

ダンブレイトン特許である、米国特許第７，９２６，２７５号、第７，９２６，２７６号、第７，９３７，９３０号、第７，９５１，３３９号、および第８，１５６，７２６号において、密閉（金属燃料）および半密閉（ハイドロカーボン燃料）ブレイトン（ガスタービン）サイクルが導入されている。これらの特許は、大気圧に関するものではなく、高い密閉サイクル圧（亜臨界または超臨界）に関するものである。不活性ガス作動流体、不活性ガス作動流体と二酸化炭素との混合物、および二酸化炭素のみが述べられている。これらの特許のうち、二つの特許において、ガス浄化手法について述べられているが、それはガス生成物に関するものではなく、ガスから任意の金属蒸気（燃料）を取り除いて、タービンや復熱装置内部のメッキを回避するものである。これらの特許は、高圧ボトルまたは液体酸素との海底システムをターゲットにしたので、酸素発生については記述されていない。

米国特許第８，２０５，４５５号において、ＧＥは、化学量論的（空気ベース）燃焼排ガス再循環を備えるガスタービンの複雑な配置を提供している。このシステムでは、窒素と二酸化炭素が再循環され、十分な高圧の空気だけが燃焼をサポートするために使用され―過剰空気の減少が、煙道ガスが他のアプリケーションを浄化するのを容易にさせる。

本発明の目的および利点は、以下に記載されることから明らかであろう。本発明のさらなる利点は、特に明細書、特許請求の範囲で指摘さるデバイス、システムおよび方法により、また添付の図面から、実現され、達成される。

これら及び他の利点を達成するために、及び本発明の目的に従い、その一態様において具体化されているように、本発明は、改良されたピストンエンジン半密閉サイクル発電システムを包含する。本発明のさらなる態様は、システムがコンパクトで、周囲の排気圧力よりも高いところで動作が可能であることおよび、エンジンの運転、熱回収、酸素発生およびガス浄化が、効率を向上させ、資本コストを低下させる方法で統合されることである。その結果、エンジン単独の同じかまたはより良好な正味サイクル効率（燃料消費率）で、非排出の動力を生成することであり、また、圧力状態で販売可能な（パイプライン仕様）二酸化炭素を提供することにある。

独立して、過剰酸素の量、及びエンジン吸気マニホールド内の酸素の希釈剤に対する比率を制御する能力もまた望まれ、所望される設計の一部である。具体的には、エンジン内の良好な燃焼を達成しながら、２１％よりもはるかに高い酸素で動作する能力は、非常に低発熱量燃料または燃料の水スラリーの使用を可能にする。

本発明は、特に、ピストンエンジン、水分離及び冷却装置、混合圧力容器及び酸素発生器を含む、サイクルピストンエンジン動力システムに関する。ピストンエンジンは、動力及び排気ガスを生成する。水冷却および分離装置は、ピストンエンジンからの排気ガスを受け取り、冷却し、二酸化炭素ガスの供給を生み出す排気ガスから水を除去する。ピストンエンジンに提供される作動流体を作り出すため、少なくとも二酸化炭素ガス供給の一部が、二酸化炭素ガス供給と酸素を混合させる混合圧力容器に提供される。酸素発生器は、酸素を混合圧力容器に提供する。

特定の実施形態では、システムはさらに、混合圧力容器からの作動流体を受け取り、ピストンエンジンに作動流体を供給する送風機を含む。送風機からの作動流体を受け取り、それをピストンエンジンに提供する、ターボチャージャを備えることができる。

好ましくは、サイクルピストンエンジン動力システムはさらに、追加の動力を発生させる熱回収装置を含む。特定の構成では、熱回収装置は、超臨界ブレイトン二酸化炭素サイクルを介して追加の動力を発生する。

特定の構成において、酸素発生器は、第１及び第２の圧力スイング吸着床を含むことが想定される。酸素発生器は、ピストンエンジンとＰＳＡ床の機械的な統合によって酸素を生成することができる。

本発明の特定の構成では、酸素発生器は、統合モレキュラーシーブベース空気分離装置である。代替的には、酸素発生器は、膜ベース空気分離装置又は極低温ベースの空気分離装置である。

さらに、システムには、水冷及び分離装置から二酸化炭素ガス供給の一部を受け取り、所望の圧力に調節された二酸化炭素ガスを提供するガス浄化サブシステムを含むことができると想定される。本発明の実施形態では、ガス浄化サブシステムは、少なくとも二つの温度スイング吸着（ＴＳＡ）床を含む温度スイング吸着システムである。

またさらに、システムは、廃熱回収システム及び/又は吸着チラー冷却システムを含むことができると想定される。

好ましくは、システムは、半密閉系である。

本発明はさらに、他の要素のうち、ピストンエンジン、水冷却及び分離装置、混合圧力容器、酸素発生器、ガス浄化サブシステムを含むサイクルピストンエンジン動力システムを対象とする。

ピストンエンジンは、動力および、排気ガスを受け取り、排気ガスからの水を冷却し、除去し、二酸化炭素ガス供給を作り出す水冷却および分離装置に提供される排気ガスを、発生させる。 混合圧力容器は、水冷却および分離装置から二酸化炭素ガス供給の少なくとも一部を受け取り、二酸化炭素ガス供給を酸素と混合してピストンエンジンに提供される作動流体を作り出す。酸素発生器は、作動流体の作成に使用される酸素を、混合圧力容器に提供する。ガス浄化サブシステムは、水冷却及び分離装置から二酸化炭素ガス供給の一部を受け取り、他のプロセスまたはアプリケーションで使用することができる所望の圧力に調整された二酸化炭素ガスを提供する。

このシステムは、混合圧力容器からの作動流体を受け取り、ピストンエンジンに作動流体を供給する送風機を含むことができると想定される。

システムはまた、送風機からの作動流体を受け取り、それをピストンエンジンに提供するターボチャージャを含むことができる。熱回収装置もまた、追加の動力を発生させるためにシステムに備えることができる。

本発明の特定の実施形態では、ガス浄化サブシステムは、二段階の汚染物質の除去が必要である場合は、少なくとも二つの温度スイング吸着（ＴＳＡ）床、またはＴＳＡ及び圧力スイング吸着またはＶＰＳＡ床の組み合わせを含む温度スイング吸着システムである。

本発明は、さらに、要素の中でも特に、ピストンエンジン、水冷却及び分離装置、混合圧力容器、及び送風機を含む半密閉サイクルピストンエンジン動力システムを対象とする。ピストンエンジンは、動力、排気ガスを生み出す。水冷却及び分離装置は、排気ガスを受け取り、その排気ガスから水を冷却し除去し、二酸化炭素ガス供給を作り出す。混合圧力容器は、水冷却及び分離装置から二酸化炭素ガス供給の少なくとも一部を受け取り、その二酸化炭素ガス供給を酸素と混合し、ピストンエンジンに提供される作動流体を作り出し、酸素発生器は、酸素を混合圧力容器に提供する。送風機は、混合圧力容器からの作動流体を受け取り、その作動流体をピストンエンジンに提供する。

本発明の実施形態は、請求項、図面を参照して以下に詳細に説明するので、本発明が関係する当該技術分野の当業者には、本発明のシステムおよび方法の採用方法が容易に理解される。

本発明のサイクルピストンエンジン動力システムの一実施形態を図式的に示す。 図１のシステムで使用されるピストンエンジンサブシステムと主空気圧縮機を示している。 図１のシステムで使用可能な、熱回収装置及び水分離器を示す。 混合圧力容器取入れアセンブリ及び図１のシステムで使用可能な酸素発生器を示す。 図１のシステムで使用可能なガス浄化システムを示す。

本発明のこれらの実施形態および他の態様は、図面と併せて以下の発明の詳細な説明によって、当該分野の当業者に容易に明らかになる。
特定の実施例の詳細な説明

本発明の図示した実施例が示される添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。以下に述べる図示した実施例は、本発明の例示に過ぎず、本発明は図示した実施例にのみ限定されるものではなく、当業者に認識されるような多様な形態をとることが可能である。以下に説明する図示の実施例では、当業者によって理解されるように、様々な形態で具体化することができる本発明の単なる例示であるので、本発明を図示の実施例に何ら限定されるものではない。したがって、本明細書に開示される任意の構造および機能の詳細は、限定と解釈するものではなく、単に特許請求の範囲の基礎として、および本発明を様々に採用する当業者に教示するための代表的なものとして解釈されるべきであると理解すべきである。さらに、本明細書で使用される用語および語句は、限定することを意図するのではなく、本発明の理解可能な記述を提供するためである。

値の範囲が提供された場合、それは文脈から別なことが明らかでない限り、その範囲の上限値と下限値間で、それぞれ下限値の単位の１０分の１までの値を介在するものと理解され、任意の他の記載された値または記載された範囲に介在する値は、本発明の範囲内に包含される。独立してより小さい範囲に含まれてもよい、これらのより小さい範囲の上限値および下限値も、本発明の範囲内に包含され、記載された範囲で具体的に除外がされている場合はそれに従う。記載された範囲が、一方または両方の限界値を含む場合、これらの含まれる限界値のいずれかまたは両方を除外する範囲もまた、本発明に含まれる。

他に定義しない限り、本明細書で使用される全ての技術用語および科学用語は、一般的に、本発明が属する技術分野の当業者によって理解される意味と同じ意味を有する。本明細書に記載のものと類似または同等の任意の方法および材料も、本発明の実施または試験において使用することができるが、本明細書には、例示的な方法および材料が記載されている。本明細書で言及する全ての刊行物は、それらの刊行物が関連して引用されるその方法および/または材料を開示および説明するために、参照により本明細書に組み込まれる。

本明細書および添付の特許請求の範囲において使用されるように、文脈において明確に別な指示がない限り、単数形、「a」、「an」、および「the」は、複数の指示対象を含むことに留意しなければならない。したがって、例えば、「刺激」への言及は、複数のこのような刺激を含み、「信号」と言及した場合は、１つ若しくはそれ以上の信号および当業者に知られたその同等物などへの言及を含む。

本発明は、一般に、非排出の方法、かつ販売可能な生成物、特に圧力状態の二酸化炭素を生成する方法で、半密閉の圧縮点火または火花点火往復式サイクルピストンエンジンを運転するシステムに関する。その動力システムは、酸素を提供する統合モレキュラーシーブベースの空気分離装置で供給される。（あるいは、膜ベースの空気分離装置、又は極低温ベースの空気分離装置で供給が可能である。膜ベースのシステムは、酸素純度が低く窒素濃度を増加させ―エンジンの運転には良いが、ガス浄化システムには悪く、また極低温ベースのシステムは、非常に高純度の酸素を生成するが、一般に、ほとんどあるいは全くアルゴンを存在させず―ガス浄化には良いが、エンジンの運転には悪い―ので、モレキュラーシーブベースが望ましい）。

排気ガス（例えば、主に二酸化炭素）は、燃焼希釈剤と作動流体を提供するために再循環される。システム高品位廃熱は、排気（プロセスの一部）を冷却するため、及びサブ/超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクルを介して追加の動力を生成するために、使用される。生成物である二酸化炭素は、圧縮され、精製され、ユーザに圧力で提供され、かつ熱回収システムにおける作動流体としても提供される。熱回収システムは、ガス浄化熱スイング吸着モレキュラーシーブの再生において使用されるドライホット二酸化炭素も提供する。最後に、低品位廃熱は、吸着チラープロセスを介して使用され、二酸化炭素を液体化するための冷却を提供する。

本発明のこのシステムは、動力および圧力二酸化炭素の両方がプロセスに必要とされる特別な用途のものであることを理解すべきである。原油増進回収法は、そのようなプロセスの一例である。さらに本発明のシステムは、２ストローク、対向ピストンエンジン、また従来の２ストローク、４ストローク、回転ピストンエンジンにも適用可能であることを理解されたい。中速（燃焼プロセスのために長い時間がかかる）エンジン、および特に、高「過給」（吸気マニホールド）圧（中速対向ピストンエンジンやヘビーデューティ低〜中速４ストロークエンジン等）での動作に耐えるエンジンは、サイクルに適しているが、本発明は、このような中速エンジンに限定されると理解されるべきではない。

なお、以下に説明するシステムは、最高の効率を有する実施形態のための多くの構成要素を有するが、システムの一部、例えば廃熱回収システムや吸着チラー冷却システムは、任意に選択できることに留意されたい。上述の構成要素の様々な組み合わせを有するいくつかの代替の実施形態も、本願の請求範囲である。

さて、図面について説明すると、類似の参照文字は、いくつかの図で同様の要素を表し、図１は、参照号１００で示された本発明のサイクルピストンエンジン発電システムの一実施形態を示す。システム１００は、変更されていない送風機掃気ターボチャージの２ストロークピストンエンジン１を含む。ＦＭＥ ８―１ /８ ３８Ｄ対向ピストンエンジンは、そのような機械装置の一例である。最も大きい２ストロークピストンエンジンでは、掃気は送風機を介して提供され、中速の、ＦＭＥ ＯＰの連続的な設計では、送風機の空気流の量は、燃焼に必要な酸素をサポートするために必要とされるものの２乃至３倍であり、その追加の空気が、機械装置の希釈剤および作動流体としての機能を果たす。そのようなエンジンのうちターボチャージだけのバージョンが提供されているが、ほぼ全ての（大きい）自然吸気２ストロークエンジンは、送風機を含む。ターボ送風機のバージョンが示されており、このタイプのエンジンは、相対的に高過給圧で動作し、比較的高い正味平均有効圧で動作する２ストロークエンジンである。具体的には、１２気筒ターボ送風機ＯＰは、１２，４２２立方インチ（8.125”ボア、20”全ストローク）から４２００馬力を生み、これは１４９psiのＮＭＥＰになり、送風機電力を補正すると、実際のエンジンＮＭＥＰは１５６psiである。この議論のポイントは、９００rpmで各立方当たり１/２馬力に近づく達成数が高過給圧を必要とし―ターボチャージャ（と送風機）が組み合わされてこのエンジンに２５psig（４０psia）を超える吸気マニホールド圧力を与え―ターボチャージャの上流の排気圧は、同様である。これは連続デューティエンジンのための高過給圧である。

システム１００において、エンジン１は、排気ガスを冷却し、追加の動力を回収するために使用される熱回収ユニットサブシステム２と、半密閉サイクル構成で接続されている。サブシステム３は、付加的な冷却を提供し、凝縮および機械的相分離を介して、排気から水の一部を分離する ―これは、５０〜９０＋％の二酸化炭素になりうるものを混合圧力容器サブシステム４に戻す再循環を促進する。サブシステム４は、暖かい排気再循環流を受け取り、それをサブシステム５、空気分離ユニットからの中乃至高純度の酸素と結合させる。サブシステム５の圧力スイング吸着ベースの空気分離装置は、直接又は間接的にエンジンによって―理想的には、熱回収プロセスからの追加の動力によって相殺される以上の空気分離プロセスからの負荷によって―駆動される。ＰＳＡ動作の詳細は、例示的な実施形態において説明するが、重要な点は、酸素が有意な正圧でサブシステム５からサブシステム４へ供給できることである。システム１００は―潜在的に、高価なターボチャージャ要素を除外し、アフタクーラー要素を除外するかまたは著しくそのサイズとコストを削減し、かつガス分離要素のサイズと複雑さを大幅に低減して―、通常はエンジンのための過給圧であるものと類似またはわずかに上回る循環圧力で動作することが認められる。

サブシステム６は、ガス浄化システムの簡略図である。可変速駆動装置は、排気再循環ガス（主に二酸化炭素）の一部を除去し、温度スイング吸着プロセスを介して、それを乾燥させ、その後、二酸化炭素を液化し、ポンプで汲み上げ、最終的にドライパイプライン品質二酸化炭素を顧客に提供する、固定容量型圧縮機を動作させる。

サブシステム７は、水分分離を有する、フル機能の圧縮機で、サブシステム５のＰＳＡのために、比較的乾燥した冷たい空気を提供する。好ましい実施形態では、サブシステム７は、送風機/過給機と同様な方法で、直接エンジンによって駆動される。ＰＳＡプロセスに必要な空気の量は、対抗ピストン（ＯＰ）エンジンを介して通常送られる総空気量と有意に異ならない。

ここで、図を参照すると、図１は、システム１００の全体構成を示し、図２は、ピストンエンジンのサブシステム１および主空気圧縮機のサブシステム７に関連した詳細を示し、図３は、サブシステム２の熱回収ＳＣブレイトンジェネレータおよびサブシステム３の主水分離器に関連する詳細を示し、図４は、サブシステム４の吸気アセンブリおよびサブシステム５の酸素発生器に関連する詳細を示し、図５は、サブシステム６のガス浄化システムの詳細を示す。

送風機８は、エンジンシャフトに直接連結され、掃気（２ストロークエンジンにおいて）を提供する。通常、送風機/過給機は、かなりの圧力差を持つことができ、エンジン内の過給を支援する。システム１００では、エンジンは、吸気側と排気側の両方が１５および６０ psia（４０psia公称）間で流れ、すでに上昇された圧力にあるので、この送風機の負荷が軽く、掃気（１〜２psi）、再循環システム圧降下及び開始を助けるための十分な圧力差を提供する。代替的実施形態では、自己掃気（例えば４ストロークエンジン）のエンジンでは、送風機が必要とされない。

送風機８は、任意のターボチャージャ圧縮機９を介して、発電機１１または他の負荷に直接連結されているエンジン１０に、作動流体（Ｏ_２の混合物、二酸化炭素、および他のガス）を、提供する。代表的な例のように、ターボチャージャタービン１２は、直接ターボチャージャコンプレッサ９に連結されている。説明したように、このエンジンは、ターボチャージャなしでかなりの過給圧で動作可能であり、また要素９と１２は削除してもよい―本発明は、「自然吸気」２ストロークエンジンでも同様に良好に起動するだろう。ターボチャージャが存在するかどうかにかかわらず、ポイント１３における排気温度は、従来のターボ過給エンジンのものよりもこの設計では高く―ターボチャージャが削除されたかまたはほとんど圧力差なく動作しているので、タービン全体の温度差もほとんどない。同様に、圧縮機吐出温度（エンジン１０、吸気マニホールド温度）が低い。具体的には、８５％効率の圧縮機およびタービン段を使用する、公称１５psia空気の４０psiaエンジン運転（過給）圧力では、圧縮機からの空気は、２００°Ｆ超え、典型的には、１００°Ｆ〜３００°＋Ｆ（アフタークーリングなし）で、温度が増加する。同じエンジンの場合、排気温度が、下流よりターボチャージャコンプレッサの上流で、３００° Ｆを上回って高い―この過給レベルを有する典型的な中速エンジンにおいては、排気マニホールド温度が、ターボチャージャ出口温度およそ８００°Ｆで、最大荷重で１１００°Ｆとなる。システム１００は、アフタークーリングを使用せずに、エンジンの吸気マニホールド温度を低下させることができるので、価値があり、また出力密度を増加させる。このエンジンは、かなりの過給圧で動作することができるが、排気ポイント１３で、より高い温度を送るという事実は、より大きな価値をもつ。

サブシステム２の超/亜臨界二酸化炭素ブレイトンサイクル熱回収発電機は、ポイント１３から高温のエンジン排気を受け取り、高温側熱交換器１４を介してそれを冷却する。このことは、ポイント１５、サブシステム２のタービン入口で１０５０°Ｆ（排気温度よりも約５０°Ｆ低い）、および超臨界圧力、公称６０００psiaの状態をもたらす。サブシステム２は、純粋二酸化炭素を作動流体として使用する。その流体は、タービン１６を通って、（設計点で）１２００psiaに膨張し、発電機１７および圧縮機１８を駆動する。低温側熱交換器１９は、超臨界二酸化炭素を冷却し、ポイント２０で約１００°Ｆにする。作動流体（二酸化炭素）は、圧縮機１８において再び圧縮され、約６０００psia、２７５°Ｆで熱交換器１４に提供される。正味の結果として、ピストンエンジン１０の排気は、ポイント１３で１１００°Ｆからポイント２１で３００°Ｆに冷却されている。なお、すべてのこれらの圧力及び温度は、設計ポイントにおける予想値であり、負荷によって変化するであろう。また、密閉超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクル熱回収システムは、発電機１７での負荷の管理（一定速度、これにより、一定の圧力比で、動作する）を介して、かつサイクル内の総質量を変化させることにより、制御されていることに注意する。１２００psia入口、６０００psia出口は、フルパワーでの圧縮機設計ポイントであろうが、十分の一パワーでは、同じポイントで、公称１２０psiaおよび６００ psiaが期待される―またサイクル効率は理論的には変わらない（実際は、サイクルが超臨界圧力でより最適に近いので、わずかに低下する）。圧力比および熱交換機設計圧力における他の選択肢も、もちろん可能である。圧力比５は、ブレイトンサイクル単独には最適ではないが、合理的に低い圧縮機出口温度を与え、利用可能なエンジン排気廃熱の有効利用を可能にする。

ピストンエンジン１０が、高い全圧力および高い排気圧力で動作しているという事実は重要であり、このサイクルをより実用的にする（ＨＸサイズを減じる）という、システム１００の持つ進歩的側面の重要な一部である。８５％効率の機械構造を有し、圧力比約５で動作する、超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクルは、高温側温度１０５０°Ｆ（ポイント１３で１１００°Ｆの排気温度と５０°Ｆ熱交換器アプローチ温度）の、ほぼ２１％サイクル効率で動作する。復熱装置を有する超臨界二酸化炭素ブレイトンサイクルは、３０％かそれ以上までのさらに高い効率でも動作するであろうが、それほどは排気を冷却しない。サーマルオイルや冷却作動流体の熱破壊を防止するための他の技術を使用することなく、より従来の廃熱電力システム（通常はＲ１３４Ａベース）が、ボトミングサイクルとして使用できるであろうことは、十分に排気を冷却するであろう。予想される条件（ターボチャージャなし、高排気温度、復熱装置なし）の下では、サブシステム２は、システム全体の出力に１０％以上を追加、すなわち全負荷で３ＭＷ発電機から、追加の３００キロワットを生み出す。８００°Ｆ排気を有する従来のターボ荷電エンジンは、２ポイント以上低いサイクル効率をもたらし、より悪いことには、より少ない量の有効熱量をもたらし、４０％以上、サブシステム２が供給される電力を減らす。

依然として過熱水蒸気を有する部分的に冷却されたエンジン排気が、ポイント２１から（公称３００°Ｆで）サブシステム３（または従来のボトミングサイクル廃熱電力システムを介してサブシステム３）の水分離器へ流れる。追加の冷却が提供され、燃焼プロセス凝縮からの水の大部分になる。液体の水は、ポイント２２での液体レベル制御を介して制御された取水量で、かつサブシステム３の水分離器の熱管理（冷却）を経由して、サブシステム３の水分離器の底に収集される。この時点での冷却の量が、ポイント２４での再循環排気流中の水蒸気の飽和レベル（分圧）を決定する。１４０°Ｆで、水蒸気の分圧は、ポイント２４で約３psiaであろう。システム圧力が４０psiaである場合、再循環排気は、体積で７．５％（４０分の３）水蒸気になる。水蒸気濃度は、わずか１７０°Ｆに冷却することによって、その二倍に増やすことができ、あるいは１１０°Ｆに冷却することによって、その半分に増やすことができる。理想的には、再循環ライン２４、およびサブシステム４の混合容器は、水の凝縮を回避するために、これらの温度を超えて保持される（典型的には、エンジン１０からのジャケット水を用いるジャケット付きライン/容器で、１７０°Ｆを超えるであろう）。さもないと、これらのポイントでの水の凝縮は、腐食（二酸化炭素で炭酸の形成）につながる可能性がある。サブシステム３もまた、システム起動のための排気弁を有する。サブシステム４は、排気再循環ガス２４をサブシステム５の酸素とよく混合させて、エンジン１０のために「代理」の空気混合を提供するための、内部スクリーンを持つ、小さな水ジャケット付き圧力容器に過ぎない。サブシステム４はまた、システム起動用の空気を受け入れる弁/チェック弁を含む。

サブシステム５の酸素発生器または空気分離装置は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）プロセス（そのサブセットの１つは、真空圧力スイング吸着（ＶＰＳＡ）プロセスである）を介して、動作する。サブシステム７は、フル機能圧縮機で、それは、得られた空気が４５°Ｆ以下の露点を有する、冷却乾燥を含むことを意味する。空気が、圧力状態で、一組のソレノイド作動または空気作動三方弁２５，２６，２７に送られ、これらの弁は、容器/床２８又は容器/床２９に交互に空気を供給するポートに同時に働く。これらの容器は、モレキュラーシーブ、流れ分配プレート、フィルター媒体、およびスクリーンで満たされ、定数床圧力を維持するためにバネロードされる。これらの弁は、同時に作動して、床２８から床２９へ、またその逆に、空気の流れを切り換える。サイクルタイムは、装置の大きさに依存するが、通常は分単位で測定される。弁３０は、遷移中に床圧力を均等化するための手段を提供し、また、酸素生成物とともに使用されない床を浄化する能力も提供する。生成された酸素は、バッファタンクとコントロールバルブレギュレータ３１を介してサブシステム４に流れる。

９５％で動作し、ガスのバランスが主にアルゴン（４.５％）で、非常に少量の窒素（０.５％）を有しているとき、酸素は、ポイント３２において最大９５％の純度で生成されうる。典型的には、わずかに低い純度（Ｏ_２の生産が増加する）が好ましく、純度がより低いと、より多量の窒素が生じる。ポイント３２で生成された酸素とポイント２４からの再循環流との混合物は、ポイント３３でエンジン運転のための代理「空気」を生み出す。システム圧力（後に説明する）、吸気温度（非アフタークールピストンエンジンで達成できるよりも低い正味の吸気マニホールド温度）、ガス混合物（パーセントＯ_２）、および燃焼要件に対して利用可能なＯ_２比を変化させる能力は、より高いシステム効率およびシステム排出ガスの制御を提供する。

酸素は、圧力スイング吸着プロセスを介して、またはポイント３４における真空源との接続を介し、真空圧力スイング吸着プロセスを介して、生成することができる。後者は一般的に、より効率的であると考えられているが、ＰＳＡで起こりうるより高いシステム圧力での動作を考慮していない。これらのシステムの設計に精通している人々によく知られているように、使用される特定のモレキュラーシーブは、選択されるプロセスによって変化するであろう。あるいは、膜空気分離方法を使用することができ、これは確かに圧力状態で酸素の豊富な混合物を提供するであろうし、またよりコスト効果のあるより大規模なシステムでは、低温酸素生成手法を使用することができる。

５０％の空気流より良い酸素回収は、強力真空（１/２大気より小さい）と、ＵＯＰ ＶＳＡ-１０などのＬｉＸ吸着剤の使用によって、達成することができる。ポイント３２で、システム圧力は依然として正圧（大気圧以上）であるだろうが、追加の圧縮機を使用することなく、エンジン１０の完全なブースト（過給）圧力レベルには到達しない。ＰＳＡのアプローチは、Ｏ_２源として独立して考えたとき、おそらくより低い効率（４０％以下の回収）であるが、著しく高い動作圧力が提供され、他のすべてのサブシステムにおけるコンポーネントサイズ（および資本コスト）を減少させるので、システムにとっては好ましい。ポイント３２における４０psia以上の圧力は、ＵＯＰ ＰＳＡ Ｏ_２ＨＰまたはＯ_２ ＸＰ ＭＯＬＳＩＶ^ＴＭのいずれかを使用して、ＶＰＳＡシステムに類似した純度能力で、容易に達成される（６０psigの空気供給と、最大１００psigの空気供給を使用することができる）。

天然ガス燃料では、ポイント２４での二酸化炭素濃度は、酸素の導入が、１００％の燃焼要件であり、ポイント３２でＯ_２純度が９５％であるとき、約９１ .５％の高さまで（乾燥ガスの質量で、バランスは主にアルゴン）変化する。酸素純度が低いか、または酸素が意図的に燃焼要件（例えば、良好な燃焼を達成するための）より大きく供給されるとき、ポイント２４での混合物は変化する。ポイント３２で（体積で）９０％、及び燃焼要件の１１０％の酸素純度は、１１％のＯ_２、７％のアルゴン、７％の窒素、および７５％の二酸化炭素（全て質量で）を生じさせる。サブシステム６の浄化システムの複雑さを増加させるので好ましくないが、明らかに、より高い過剰でさえあるＯ_２レベルで、またはより低い純度で動作する能力が存在する。

サブシステム６は、過剰な再循環ガスを、容積式圧縮機３５及び変速モータ３６を介して、ライン２４から引き出す。モータ３６の速度は、再循環ラインにおいて所望の圧力を維持するために、またサブシステム４において間接的に、変化させられる。説明したように、引き出されるガスは主に二酸化炭素であるが、Ｏ_２、アルゴン、Ｎ_２の一部、およびＨＣやＣＯ等のいくらかの不完全燃焼生成物も含む。さらに、ガスは、体積でおそらく７％程度、水蒸気で飽和している。フル機能圧縮機３５が、圧縮、冷却、合体フィルター水分分離の組み合わせによって、水蒸気の大部分を除去するが、露点は、水の０.１〜０.２psiaの分圧であるので、４５〜５０°Ｆに留まることが予想される。

熱スイング吸着装置（ＴＳＡ）床３７または３８が、乾燥プロセスを完了するためおよび他の望ましくないガスの一部を吸着するために、三方弁３９及び４０を介して制御され、使用される。ＴＳＡは、機能的にＰＳＡに類似しており（ＴＳＡ/ＰＳＡ及びＶＰＳＡという組み合わせであるように、ＰＳＡまたはＶＰＳＡの使用が選択可能である）、特定の分子サイズ（主に水の除去に着目して３Ａ吸着剤またはアルミナを有し、および期待される汚染物質に基づいて調整される他の少量の吸着剤を有する）を吸着するモレキュラーシーブアプローチだが、再生成物は熱で―床を新しい状態にするためにポート/弁４１〜４４経由で使用される熱い乾燥ガスによるものである（方法論は後に述べる）。除去される物質（水）の量は、すでにかなり低く、これらの床のためのサイクル時間は、数分ではなく時間になるであろう。- ８０°Ｆ以下の露点にまで乾燥させることは、この技術で可能だが、この利用には必要がない。目標は、フロスティングがプロセスの後の半極低温部分に発生しないレベルまで、水蒸気および他の非二酸化炭素汚染物質の一部を除去することだけである。これは、-４０°Ｆまたはそれ以上（の露点がポイント４５で達成されるであろうが、いくつかの「非凝縮性」ガスが残っていると予期される。少量のＮ_２またはＡr）が存在する可能性があり、システムの運転状態によっては、かなりのＯ_２の量が存在する。後者は、パイプライン仕様二酸化炭素 （所望Ｏ_２レベルは１０ppm）にとって問題となる。Ｏ_２の除去は、（非凝縮）気体の汚染物質から液体二酸化炭素を物理的に分離することによるか、あるいは別のＰＳＡプロセスを介して、異なるモレキュラーシーブを使用してなされ、１３Ｘが最も使用されるであろう。酸素を排除する別の方法は、勿論、半密閉サイクル・エンジンを燃料リッチモードで動作させることであり、あるいはサブシステム２の廃熱電力/熱回収システムの前に、触媒または燃焼カンの排気の酸素を捕捉する。

酸素および他の非凝縮性ガスを除去するための半低温相分離工程では、向流型熱交換器４６が、ポイント４７で、前に液化された二酸化炭素の気化熱を使って、二酸化炭素に富む混合物の初期冷却を提供し、その後、混合物は低温冷却器４８に流入する。二酸化炭素液体は、セパレータ４９を介して他のガスから物理的に分離され、ポンプ５０を介して２０００＋psigまで液体として圧送され、気化されて熱交換器内でガス状態に戻る。ガスは、ポイント５１で抜かれるか、またはプロセスの他の部分に戻され、その部分には、プロセス内の総アルゴンレベル（集中する傾向がある）を管理しなければならないものの、例えばサブシステム５への空気供給を含むことができるであろう。ガス状の、乾燥した、比較的純粋な二酸化炭素生成物が、ポイント５２で提供される。

より詳細なレベルで、このＴＳＡ乾燥システム（サブシステム６）およびＳＣ二酸化炭素ブレイトンサイクル（サブシステム２）（図示せず）の追加の統合が本明細書に記載されている。説明したように、床は、定期的に、再生が必要になる。通常は、生成物（乾燥二酸化炭素）は、電気的に６００°Ｆ以上に加熱され、乾燥用床を通って逆流で吹き戻される。これは、生成物と電力を浪費し、また追加のコンポーネントを必要とする。本発明では、ポイント１５からのタービン入口ブリード二酸化炭素がポイント４１または４３に運ばれ、床を再生するために、弁４２または弁４４で抜かれる。また、定期的に、多量の追加の作動流体が、サブシステム２において必要になることがある。乾燥二酸化炭素がポイント５２から圧力状態で、圧縮機入口、ポイント２０に供給され、サブシステム２内の質量を増加させる。最終的に、定期的に、サブシステム２の質量は減少されなければならず、再生に関して同じラインが使用されるが、弁４２または弁４４を開くことはしない。

エンジンの排出制御経験者によく知られている他の付属品を、ローカルな排出要件を満たすために、このシステムに統合させることができる。明らかに、二酸化炭素の排出は、ほとんどが、このシステムで除去されるが、ＨＣや一酸化炭素がポイント１３に存在する、あるいは逆に高いレベルのＯ_２がポイント１３に存在する可能性があり―触媒または操縦反応器をポイント１３に挿入して、追加の酸素注入で炭化水素/ＣＯを焼き除くか、あるいは、燃料噴射を用いて消費するか/過剰な酸素を得る。いずれの技術も可能であり、またサブシステム２の温度を上昇させ、追加の動力生成を可能にする、望ましい効果を有する。特定の触媒で過剰のＯ_２を使用することは、ポイント１３に存在する温度でＳＯ_２をＳＯ_３に変換することもでき―この変換は、サブシステム３を介して（Ｈ₂ ＳＯ₄のような）硫黄の捕獲を可能にする。また、ポイント１３またはポイント５１での反応器の組み合わせは、この既に非排出サイクル達成可能なものよりもさらに低く排出量を制御するために使用することができる。ピストンエンジンの効率の低下（減少した燃焼温度、低い圧縮比等）を余儀なくする、特定の厄介な排出物であるＮＯxは、窒素自体がサブシステム５を介して本質的に除去することができるので、ほぼすべてこのシステムで除去されることが期待される。

本明細書に記載のものに加えて、業界の業者によく知られている追加の熱回収/熱利用技術を適用することができる。具体的には、作動流体としてＲ１３４Ａを使用するオーガニック・ランキン・サイクルは、特にアラスカやカナダなどの寒冷気候において、エンジンジャケット水の熱を利用することができる。１６５°Ｆの低温での廃熱は、冷却が５０°Ｆ以下で利用可能である、地熱発電プロジェクトで利用されている。吸着冷却器はまた、ジャケット水廃熱と統合され、電気低温冷却器４８の代わりに使用することができる。熱回収システムまたは発電機には、それが、Ｒ１３４ＡやＲ２４５ＦＡのような超臨界二酸化炭素システムあるいはランキン・サイクル・システムであれ、復熱装置を含むことができる。

本明細書で説明するすべての圧力は、本発明の柔軟性を介してかなり変化させることができることを理解されたい。例えば、６０psia以上の吸気圧でのエンジンの運転は、ＰＳＡ発生Ｏ_２で可能であろうし、二酸化炭素の三重点（７５psiaはおそらく下限値である）を十分超えて留まることを条件として、はるかに低い圧縮圧力３５psiaでの運転が、(ポイント４８でのより低いレベルの冷却で)可能であろう。このことは、ポイント３６での負荷をかなり低下させるので、効率を増すだけでなく、二酸化炭素中の溶存酸素レベルがポイント５０で増加する可能性があるので、より劣るガス品質をもたらすであろう。ここに説明したすべての圧力および他の状態変数は、現時点（出願時）での公称であり、来年には狭められるか完全なものになるであろう。

また本発明の任意の実施形態は、本明細書で参照または示される部品、要素及び特徴に、個々にまたは集合的に、二つ以上の任意のまたは全ての、部品、要素または特徴の組み合わせで、広く存在するということもできるだろう。特定の整数が本明細書で記載されている時、それらは本発明が関連する技術分野における既知の等価を有し、そのような既知の等価は、あたかも個々に記載されているように、本明細書に組み込まれるとみなされる。

上記は、本発明を実施するための最良の実施形態の記述であり、当業者がこれらの装置及び方法を作成及び使用できるようにするため、その実施形態を作成かつ使用する方法及びプロセスを、完全、明瞭、簡潔かつ正確な用語で、記述している。しかしながら、本発明は、上述したものからの変更及び代替方法ステップを生みやすく、それらは完全に同等である。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではない。それどころか、本発明は、本発明の精神および範囲内に見込まれる全ての修正及び代替の構成及び方法を含む。

上記説明および添付の図面は、例示のものであり、限定的な意味で解釈されるべきではない。本発明は、その好ましい実施形態または実施形態に関連して開示されてきたが、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲に含まれる、他の実施形態が存在し得ることが理解されるべきである。あるクレームが特定の機能を実行するための手段またはステップとして記載された場合、かかるクレームは、構造的同等物および同等の構造の両方、材料ベース同等物及び材料同等物、及び行為ベース同等物及び同等行為を含め、対応する明細書に記載された構造、材料、または行為及びそれらの同等物に範囲が広がると解釈されることが意図されている。

Claims (19)

1. サイクルピストンエンジン動力システムであって、
   ｉ）動力および排気ガスを発生させるためのピストンエンジンと、
   ｉｉ）前記排気ガスを受け取り、前記排気ガスから水を冷却して除去し、二酸化炭素ガス供給を形成する水冷却及び分離装置と、
   ｉｉｉ）前記水冷却及び分離装置から前記二酸化炭素ガス供給の少なくとも一部を受け取り、前記二酸化炭素ガス供給を酸素と混合し、前記ピストンエンジンに提供される作動流体を生成する混合圧力容器と、
   ｉｖ）前記混合圧力容器に酸素を提供するための酸素発生器と、
   を含む、サイクルピストンエンジン動力システム。
2. 前記混合圧力容器が、
   前記二酸化炭素ガス供給を前記酸素とよく混合させるための内部スクリーンを含む、
   請求項１に記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
3. 前記サイクルピストンエンジン動力システムが、さらに、
   前記混合圧力容器から前記作動流体を受け取り、前記作動流体を前記ピストンエンジンに提供する送風機を含む、
   請求項１又は２に記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
4. 前記送風機が、前記ピストンエンジンのエンジンシャフトに直接連結されている、
   請求項３に記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
5. 前記サイクルピストンエンジン動力システムが、さらに、
   前記送風機から前記作動流体を受け取り、それを前記ピストンエンジンに提供するターボチャージャを含む、
   請求項３又は４に記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
6. 前記サイクルピストンエンジン動力システムが、さらに、
   追加の動力を発生させる熱回収装置を含む、
   請求項１乃至５いずれかに記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
7. 前記熱回収装置が、超臨界ブレイトン二酸化炭素サイクルを経由して追加の動力を発生する、
   請求項６に記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
8. 前記酸素発生器が、第１および第２の圧力スイング吸着床または真空圧力スイング吸着床を含む、
   請求項１乃至７いずれかに記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
9. 前記酸素発生器が、前記ピストンエンジンと前記吸着床との機械的一体化によって酸素を発生させる、
   請求項８に記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
10. 前記酸素発生器が、一体化されたモレキュラーシーブベース空気分離装置である、
    請求項１乃至７いずれかに記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
11. 前記酸素発生器が、膜ベース空気分離装置または極低温ベース空気分離装置である、
    請求項１乃至７いずれかに記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
12. 前記サイクルピストンエンジン動力システムが、さらに、
    前記水冷却及び分離装置から前記二酸化炭素ガス供給の一部を受け取り、所望の圧力で調整された二酸化炭素ガスを提供するガス浄化サブシステムを含む、
    請求項１乃至１１いずれかに記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
13. 前記ガス浄化サブシステムが、少なくとも二個の温度スイング吸着（ＴＳＡ）床を含む温度スイング吸着システムを含む、
    請求項１２に記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
14. 前記ガス浄化サブシステムが、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムまたは少なくとも二個の吸着床を含む真空圧力スイング吸着（ＶＰＳＡ）システムを含む、
    請求項１２又は１３に記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
15. 前記サイクルピストンエンジン動力システムが、さらに、
    廃熱回収システムを含む
    請求項１乃至１４いずれかに記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
16. 前記サイクルピストンエンジン動力システムが、さらに、
    吸着チラー冷却システムを含む
    請求項１乃至１５いずれかに記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
17. 前記サイクルピストンエンジン動力システムが、半密閉システムである、
    請求項１乃至１６いずれかに記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
18. 前記サイクルピストンエンジン動力システムが、さらに、
    超臨界ブレイトン二酸化炭素サイクルを経由して追加の動力を発生させる熱回収装置を含み、
    前記超臨界ブレイトン二酸化炭素サイクルの作動流体である二酸化炭素を使用して、前記温度スイング吸着床を再生する、
    請求項１３に記載のサイクルピストンエンジン動力システム。
19. 前記サイクルピストンエンジン動力システムが、さらに、
    前記ピストンエンジンが発生させた前記排気ガスの少なくとも一部を受け取る熱回収装置を含み、
    前記熱回収装置は、超臨界ブレイトン二酸化炭素サイクルを経由して追加の動力を発生させ、及び／又は、前記ガス浄化サブシステムで使用される前記温度スイング吸着床を再生させるための乾燥二酸化炭素を生成するために使用できる、
    請求項１３に記載のサイクルピストンエンジン動力システム。

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