KR20220011622A - 내연기관 및 내연기관 작동 방법 - Google Patents

내연기관 및 내연기관 작동 방법 Download PDF

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KR20220011622A
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마르티네즈 프란시스코 호세 아르나우
칼보 호세 빈센트 베나제스
마르티네즈 데이비드 카타란
페르난데즈 호세 마리아 데산테스
곤잘레즈 루이스 미구엘 가르시아-쿠에바스
알파로 호세 마누엘 쎄라
크루즈 호세 라몬 쎄라노
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우니베르시타뜨 뽈리떼끄니까 데 발렌시아
콘세호 수페리오르 데 인베스티가시오네스 시엔티피카스
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Abstract

본 발명은, 흡입된 공기 흐름에 N2가 없도록 공기로부터 O2를 분리하는 혼합 이온-전자 전도(MIEC) 멤브레인을 포함하는 제1 브레이튼 사이클; 제1 브레이튼 사이클과 이진 방식으로 결합되고 산소-연소에 의해 수행되는 오토 사이클 및 디젤 사이클에서 선택된 사이클과 중첩된 제2 브레이튼 사이클을 포함하는 내연기관에 관한 것이다. 제2 브레이튼 사이클은, 배기 가스로부터 열 에너지 및 기계적 에너지를 제1 브레이튼 사이클로 전달한다. 제1 브레이튼 사이클은 압축된 O2를 MIEC 멤브레인으로부터 제2 브레이튼 사이클로 제공한다. 본 내연기관에 의해, MIEC 멤브레인에서 N2가 분리됨으로써, 대기 중으로 NOx가 배출되는 것이 방지된다.

Description

내연기관 및 내연기관 작동 방법
본 발명은 내연기관 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화수소를 연소시키고 건강에 유해한 가스를 배출하지 않는 내연기관에 관한 것이다.
MIEC 멤브레인
혼합 이온-전자 전도(Mixed Ion-Electronic Conducting: MIEC) 멤브레인은 멤브레인의 양면 사이에 있는 산소의 화학적 포텐셜 구배에 의해 결정 구조의 특성을 통해 산소 이온이 한쪽에서 다른 쪽으로 확산되는 고밀도 세라믹 멤브레인의 한 유형이다. 이 멤브레인의 산소 선택도는 100%이다. 이러한 멤브레인은 높은 온도(보통 700-1000℃범위)에서 작동하며, 유지 면에는 높은 공기 압력(1-2 MPa)이 공급되고 투과 면에는 진공이 공급되며, Air Products & Chemicals Inc.에 따르면, 순수한 산소 생산을 위한 MIEC 멤브레인 기술의 마케팅을 위한 중대한 돌파구를 마련했다.
산소 이온의 수송은 전자 또는 전자 또는 정공(전자 캐리어)의 수송과 동시에 일어나며, 재료는 멤브레인 작동 조건 하에서 충분한 전자 전도성을 가져야 한다. 멤브레인을 통한 산소 수송을 담당하는 구동력은 멤브레인 양쪽 사이의 부분 산소 압력의 차이이다. 멤브레인을 통한 산소 흐름은 멤브레인의 두께 외에 온도 및 부분 산소 압력의 차이에 의해 결정된다.
이온 수송 멤브레인에서 산소 분리 공정의 또 다른 중요한 단계는 가스 교환이다. 언급한 바와 같이, 선택적 분리 층을 통한 수송은 산소 이온과 전자 캐리어의 확산으로 구성된다. 따라서, 두 표면 반응이 필요한데, 즉 일반적으로 압축 공기인 공급 가스에 노출된 멤브레인의 표면에 가스 산소가 흡착되어 산소 이온으로 변환되는 제1 반응, 및 산소 이온이 분자 산소로 변환되고 탈착되는 제2 반응이 필요하다. 여러 가지 이유로, 이러한 수송 단계는 멤브레인을 통한 투과 흐름을 제한하고 감소시킬 수 있다. 다양한 가능한 이유 중에서 다음이 강조될 수 있다: (1) 선택적인 분리 층의 두께가 매우 작아서, 고체를 통한 확산이 가스 교환보다 훨씬 빠르다. 일반적으로 이 임계 치수를 "특성 길이"라고 하며, 멤브레인의 표면과 접촉하는 가스 조성 및 작동 조건 하에서 표면 가스 교환 반응의 운동 상수와 확산 계수 간의 비율이다. (2) 멤브레인의 표면은 산소 활성화 반응에 대한 어떠한 중요한 촉매 활성도 가지고 있지 않다. (3) 멤브레인의 표면 또는 표면들과 접촉하는 가스 대기는 분자 산소의 흡착/탈착 및 O2 + 2 e- -> O-2 반응을 통한 방출에 대해 작용한다. 산업적 관점에서 관련된 공정에서, 투과물과 공급물 모두 일반적으로 CO2 및 SO2와 같은 상당한 양의 산성 가스를 제공하는데, 이는 표면을 부동태화 또는 불활성화시키고 산소의 가스 교환 반응에 관여하는 흡착 및 반응 중심과 경쟁하기 때문에 상기 반응을 방해하기 때문이다. 이러한 유해한 영향은 공정 작동 온도가 떨어질 때 특히 850℃미만으로 떨어지고 SO2 및 CO2 농도가 증가할 때 더욱 두드러진다. 5ppm 이상의 농도는 멤브레인을 통한 산소 투과에 심각한 영향을 줄 수 있기 때문에, SO2 가스의 영향은 특히 부정적이다.
멤브레인 양면 사이의 부분 산소 압력 차이는 다음과 같이 두 가지 작업을 통해 도달할 수 있다: (a) 압축 단계를 통해 공기 압력을 증가시킴으로써 및/또는 (b) 투과물 내의 부분 산소 압력을 감소시킴으로써 가능하며, 이는 진공을 제공하고, 혼입 가스 흐름에 의해 투과물 내의 산소를 희석시키거나 또는 혼입 챔버 내의 산소를 소모함으로써 가능하다. 이 후자의 옵션은 일반적으로 연소 로 또는 보일러에서 배출되는 가스를 재순환시키는 동시에 작동 온도를 높이는 것으로 구성된다. 이와 마찬가지로, 두 번째 옵션에 따라, 완전 또는 부분 연소 생성물을 생성하고 멤브레인 세라믹과 직접 접촉하는 열을 방출하기 위해, 멤브레인을 관통하는 산소를 소비하는 환원 가스(일반적으로 메탄 또는 기타 탄화수소)를 통과시키는 것이 가능하다.
MIEC 멤브레인을 이해하기 위해, 일반적으로, 결정 구조, 상 조성, 화학 조성, 기하학적 형상 및 조밀 층 구성에 따른 5가지 분류 기준이 사용된다.
결정 구조를 고려하면, MIEC 멤브레인은 페로브스카이트, 고급 페로브스카이트에서 파생된 멤브레인 및 플루오라이트로서 분류할 수 있다. 대부분의 MIEC 멤브레인은 페로브스카이트-유형 결정 구조(ABO3)를 가지는데, 여기서 A는 큰 크기의 양이온이고 B는 작은 크기의 양이온이다. 페로브스카이트는 A 이온이 12개의 틈새 공간에 위치한 BO6 팔면체로 구성된 결정 격자이다. 일부 MIEC는 공식이 An+1BnO3n+1 (n=1, 2, 3, …인 Ruddlesden-Popper(R-P) 멤브레인과 같은 페로브스카이트와 같은 결정 구조를 갖는다. 이 상의 결정 구조는 다수의 페로브스카이트 블록(n)이 축 c를 따라 AO 층으로 변형된 BO6 팔면체와 공유되는 코너를 갖는 페로브스카이트의 결정 구조와 유사하다. 일부 MIEC는 플루오라이트 구조를 가지며, 표준 예는 CeO2 기반 재료이다.
멤브레인에 한 가지 유형의 결정 상만 있으면, 이는 단일-상 멤브레인이다. 대부분의 페로브스카이트 멤브레인은 단일-상 멤브레인, 예를 들어 La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ(0<x<1; 0<및<1)이다. 멤브레인에 두 개의 상이 있고 둘 다 산소 투과에 기여하면, 이들은 2중-상 멤브레인이다. 산소 이온을 수송하기 위한 플루오라이트 YSZ와 전자를 수송하기 위한 금속 상 Pd를 포함하는 YSZ-Pd 멤브레인이 그 예이다. 멤브레인이 2개 이상의 상을 갖고 그 중 하나만 산소 투과에 기여하는 경우, 이는 복합 재료로 구성된 멤브레인이다. 불활성 상은 재료의 일부 특성(예를 들어, 기계적 강도)을 개선하기 위해 추가된다. 예를 들어, 복합 재료 SrCo0.8Fe0.2O3-δ-SrSnO3는 2개의 페로브스카이트를 포함하며, 여기서 SrSnO3 상은 산소 투과에 대해 불활성이지만 멤브레인의 기계적 특성을 향상시킨다.
페로브스카이트-유형 멤브레인 개발 초기에는, Co를 기반으로 한 멤브레인이 높은 산소 전도도(예를 들어, Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ)를 갖기 때문에, 결정 위치 B의 부위에서 Co를 통합하는 연구에 집중되었다. 그럼에도 불구하고, 코발트 양이온은 Co-O 결합이 약하기 때문에 쉽게 더 낮은 원자가 상태로 환원될 수 있으며 환원 환경에서 불안정하다. 따라서 Co가 없는 페로브스카이트가 개발되었다. 예를 들어, BaCe0.05Fe0.95O3-δ는 Co 기반의 각각의 페로브스카이트에 비해 낮은 산소 전도도를 나타내지만 고온에서 H2에서도 더 높은 안정성을 나타낸다.
가장 일반적인 기하학적 형상은 평면, 튜브형 및 중공 섬유 멤브레인이다. 마지막으로, 조밀한 층 구성을 고려할 때, 멤브레인이 멤브레인의 무결성을 지지하기에 충분한 두께를 나타내는 단일 멤브레인 층으로 구성되는 경우, 이들은 자체-지지 멤브레인이고, 조밀한 멤브레인 층이 더 작은 두께가 사용될 수 있게 허용하는 다공성 층을 나타내는 경우 멤브레인의 무결성이 다공성 층에 의해 지지되기 때문에, 이들은 비대칭 멤브레인이다.
실제 사용을 위하여, 이온 수송을 통해 고온에서 산소를 분리하기 위한 멤브레인은 일반적으로 다음 구성 요소들로 형성된다:
i. 다공성 지지체로서, 일반적으로 분리 층이 만들어지는 것과 동일한 재료 또는 분리 층과 호환가능한 재료(세라믹 또는 금속 재료)로 제조된다. 호환가능한(compatible) 것은 온도에 따라 유사한 팽창 프로파일을 가지며 고온에서 두 상 사이에 반응이 일어나지 않아 일반적으로 멤브레인이 분해되고 찢어지는 제3 상이 발생하지 않는다는 것을 의미한다. 지지체의 다공성은 일반적으로 20~60%로 구성되며 두께는 가변적인데 일반적으로 2mm 미만이다.
ii. 바람직하게는 두께가 150 μm 미만의 비-다공성 층 또는 필름이 다공성 지지체 상에 위치된다. 이 층은 산화물 또는 산화물의 혼합물로 구성되며 이를 통해 산소 이온 및 전자 캐리어의 동시 수송을 허용한다.
iii. 혼합된 이온 및 전자 전도성을 갖는 재료로 이루어진, 바람직하게는 100 내지 10 μm 두께를 가진 다공성 층으로서, 산소의 흡착/탈착 및 이의 해리 및 이온화를 위한 촉매 활성이 비-다공성 층에 점착된다. 이 촉매층은 가스 산소를 통합하고 제거하는 공정을 개선할 수 있게 한다.
일부 경우에, 특히 다공성 지지체가 촉매 활성을 나타내지 않거나 산소 이온 또는 전자 캐리어의 수송을 허용하지 않거나 또는 산소 이온의 수송을 허용하지 않는 경우, 기체 교환 단계를 개선하는 기능을 갖는 비-다공성 분리 층 및 다공성 지지체 사이에 추가적인 다공성 촉매 층이 존재한다. 일반적으로, 다공성 지지체 및 추가 다공성 촉매 층의 특성은 대부분 유사하지만, 다공성 지지체의 비표면적은 일반적으로 더 크다.
선택적으로는, 또 다른 추가 비-다공성 층(v)이 필요할 수도 있다. 이 층은 비-다공성 층과 다공성 층 사이에 위치될 수 있으며, 다공성 층과 접촉하는 가스 또는 층(iii)과 접촉하는 가능한 분해 반응 또는 상호작용에 대해 분리 층을 보호하는 역할을 한다. 이 추가 층은 산소 이온 및 산소 캐리어의 수송을 허용해야 하는 동시에 인접한 층 및 접촉하는 가스와 열 및 화학적으로 호환 가능해야 한다.
산소-연소
산소-연소는 기존 연소 공정에서 수행되는 것처럼 공기 대신 산화제로 고순도 O2를 사용하여 더 낮은 연료 소비로 더 높은 화염 온도에 도달하여 연소를 개선하는 것으로 구성된다. 산소-농후 산화제를 사용하면 주로 CO2와 수증기로 구성된 조성의 연소 가스를 얻을 수 있다. 산소-연소 공정에서 배출 가스의 높은 농도의 CO2는 잠재적인 분리를 촉진한다(예를 들어, 문서 US20070175411A1, US20070175411A1, US9702300B2, CN102297025A 참조).
폴리설폰 또는 실리콘을 기반으로 하는 산소 멤브레인이 제공되어 공기를 풍부하게 할 수도 있으며, 21%의 산소 농도가 더 높은 값, 일반적으로 24% 이상으로 증가할 수 있다.
산소-연소는 CO2 포집을 위한 가장 비용-효율적인 기술 중 하나를 목표로 하며, 주요 단점은 O2에 대한 수요가 높고 이를 얻는 데 드는 비용이 크다는 점이다. 이 기술의 가장 큰 과제는 필요한 많은 양을 성공적으로 공급하기 위해 O2를 생산하는 것이다.
멤브레인 반응기에서, 멤브레인은 시약의 선택적 추출, 촉매의 보유, 시약의 투여, 촉매의 지지와 같은 목적을 위해 도입된다. 이는 열역학적 평형에 의해 제한되는 시스템에서 반응 효율의 증가, 제2 반응 방지, 촉매를 비활성화하는 가능한 화합물로부터 촉매 보호 등을 수반한다.
CO2 멤브레인
현재 CO2의 선택적 통과를 허용하는 다양한 재료가 있다. 이러한 재료는 고급 폴리머에서 다양한 유형의 무기 재료에 이르기까지 다양하다. 이러한 차별화에도 불구하고, 일반적으로 매트릭스에 분산된 무기 입자가 있는 폴리머 매트릭스로 구성된 소위 혼합 매트릭스 멤브레인에 이러한 재료의 조합이 있다. 이러한 유형의 기술은 CO2 포집에 유연성을 제공하여 연소 전후에 작용할 수 있다. 그러나, 이러한 유형의 재료는 일반적으로 더 많은 가스, 예를 들어, N2, O2, H2 등에 대해 투과성이 있다. 이를 위해, CO2 에 대해 주 투과성이 있어야 하며, 추가로 O2 및 N2에 대한 투과성은 무시할 수 있다. 나머지 가스들로부터 CO2를 분리하는 다양한 기술이 있다:
a. 폴리머 멤브레인에 의한 CO2 분리 기술
가스 흐름으로부터 CO2를 선택적으로 분리할 수 있는 다양한 폴리머가 있다. CO2 포집에 폴리머를 제공하는 것은, 폴리머의 저렴한 비용과 합성 및 가공의 용이성으로 인해 경제적인 측면에서 매력적이지만, 화학적, 기계적, 열적 안정성, 및 낮은 투과성으로 인해, 일반적으로 제한된 재료이다. CO2/N2 교차 선택도에 대한 표준 상한선이 50으로 설정되었다. 일반적으로, 이 유형의 재료는 저온 및 중간 압력(1-5bar)에서 작동한다.
사용 가능한 다양한 폴리머 중에서, 다음 상항들이 강조되어야 하는데, 이들은: (i)·35℃에서 18의 CO2/CH4 선택도 및 420 barrer의 투과도를 갖는 가교-결합 폴리에틸렌 옥사이드(XLPEO)(여기서 barrer = 10-10cm3(STP)·cm/(cm2·s·cmHg)), (ii) 25℃ 및 3 atm에서 약 6의 CO2/N2 선택도 및 132 barrer를 갖는 폴리아미드-기반 폴리머, 가령, Pebax, (iii) N2 및 CO2의 습식 혼합물을 사용하여, 25℃ 및 2 atm에서 100-197 범위의 CO2/N2 선택도를 가지며 투과율이 41-104인 GPU를 갖는 폴리아미드-기반 폴리머 (PVAm) (여기서, GPU = 10-6 cm3(STP)/(cm2·s·cmHg)이다. 그 중에서도, PolarisTM 및 Polyactive 제품이 이 기술의 상업적 예이다.
공기 중의 CO2 농도가 약 0.035%이고 N2 농도는 약 78%이기 때문에, 공기로부터 CO2를 분리하기 위해서는 높은 선택도가 필요하다는 것을 관찰해야 한다.
b. 무기멤브레인에 의한 CO2 분리 기술
용융 카보네이트를 기반으로 한 멤브레인을 별도로 고려해 보면, 가스 흐름으로부터 CO2를 분리하기 위한 무기 재료 기반의 멤브레인 그룹에는 금속 멤브레인(Pd 기반), 실리카 기반 멤브레인, 탄소 멤브레인 및 제올라이트 기반 멤브레인이 포함된다.
금속 멤브레인은 팔라듐과 그 합금에 따른다. 이러한 재료들은 높은 H2 투과성을 나타낸다. 따라서, 이들은 기본적으로 사전연소 시스템에서 H2를 분리하는 데 사용된다. 이러한 유형의 멤브레인은 사전연소에서 CO2 포집 시스템을 위한 성숙한 기술이다. 그러나, 이러한 재료의 안정성은 산업 시스템에서 구현하기 위해 개선되어야 한다.
다공성 무기 멤브레인(실리카 기반 멤브레인, 제올라이트, 금속-유기 프레임워크(MOF) 및 탄소 멤브레인)은 CO2 분리를 위해 제공될 수 있다.
제올라이트는 균질한 다공성 구조와 최소 채널 직경을 특징으로 하는 알루미노실리케이트이다. 이러한 재료의 분리는 표면 확산 또는 분자 체질(molecular sieving)에 의해 발생한다. 이러한 분리 방법은 다음과 같은 분리 방식이 구별되는데, 이들은 (i) 분자가 유사한 흡착력을 갖지만 다른 크기를 가질 때 더 작은 크기의 분자가 더 쉽게 침투할 수 있으며, (ii) 분자가 상이한 흡착력 및 유사한 크기를 가질 때 멤브레인이 더 높은 흡착력을 갖는 분자에 대해 선택적이며, (iii) 분자가 상이한 흡착력 및 크기를 가질 때, 이 메커니즘은 흡착력과 확산 간의 경쟁 사이의 조합이다. 따라서, CO2/N2 및/또는 CO2/CH4 선택도는 세 번째 방법을 통해 가스를 분리함으로써 저온에서 최대화 되거나, 또는 첫 번째 방법을 통해서는 고온에서 최대화될 수 있다. CO2/N2 선택도가 9.5 내지 303K(-263.65℃ 내지 29.85℃)이고 CO2 투과성이 3·10-7 mol/(m2·s·Pa)인 ZSM-5 및 CO2 투과성이 4 10-7 mol/(m2·s·Pa) 및 CO2/N2 및 CO2/CH4 선택도가 100 및 21인 Y-유형 제올라이트가, 각각, 303K(29.85℃)에서, 제올라이트 중에서 강조되어야 한다.
실리카 기반 멤브레인은, 다양한 대기 및 조건에서, 높은 화학적, 열적, 기계적 안정성으로 인해, CO2/N2 및 H2/CO2를 분리할 수 있는 엄청난 잠재력을 갖다. 이러한 유형의 멤브레인의 거동은, 다른 요인들 중에서, 그 합성 방법에 의해 크게 조절된다. 투과율은 3·10-10 - 5·10-7 mol/(m2·s·Pa) 범위에 있으며, 실리카의 유형, 합성 방법 및 조건에 따라, CO2/N2의 경우 60, CO2/CH4의 경우 325, 및 CO2/H2의 경우 670의 선택도에 도달한다.
탄소 함량이 높은 비정질 미세 다공성 재료로 구성된 탄소 멤브레인은, 폴리머 멤브레인에 비해, 내열성, 부식성 환경에서의 화학적 안정성, 높은 가스 투과성 및 우수한 선택도로 인해, 가스 분리 응용 분야의 유망한 재료로 부상했다. CO2의 분리를 고려할 때, 이 재료는 CO2 투과율이 2000-10000 barrer인 CO2/CH4에 대해 선택도 100에 도달하고, CO2 투과율이 5 barrer인 CO2/N2에 대해서는 선택도 10에 도달한다.
c. 용융 카보네이트를 기반으로 한 멤브레인에 의해 CO2를 분리하는 기술
이온(산소)-전자 전도성 세라믹과 유사한 재료를 사용하여, CO2의 선택적 통과를 허용하는 용융 카보네이트를 기반으로 하는 재료가 개발되었다. 그러나, 이러한 유형의 멤브레인은 현재까지 발표된 여러 논문에서 관찰된 낮은 CO2 흐름으로 인해 여전히 산업 응용 분야에서 멀리 떨어져 있다.
왕복 내연기관
왕복 내연기관은 대형 및 여객 운송을 위한 육상 및 해상 차량에 있어서 가장 중요한 기술이다. 이들의 설계와 보조 기계(터보기계, 연료 주입 시스템, 추가 펌프 및 열교환기)는 지난 세기에 여러 유형의 연료에 대해 크게 최적화되었다. 4-행정 왕복 엔진은, 높은 비출력, 오염 가스 및 음향 배출에 대한 다양한 규정을 준수할 수 있는 능력, 낮은 평균 비-소모량으로 인해, 육상 운송 분야를 이끌고 있다.
그럼에도 불구하고, CO2 배출을 제한하거나 대기 중 CO2를 제거해야 할 필요성과 인구 과잉 도시 환경에서 공기 품질을 개선해야 할 필요성은 현재의 연소 및 하중 갱신 개념으로 이러한 엔진의 기술적 한계에 압력을 가하고 있다.
엔진의 산소-연소
차량용 엔진에 산소-연소 시스템을 통합하면 제시된 이점(더 높은 효율 및 감소된 배기 가스)이 확대되지만 공간이 차량의 크기에 제한되기 때문에 산소 생성 방식이 복잡해진다. 산소를 산화제로 사용하는 엔진을 고려할 때 몇 가지 대안이 제안되었다:
(i) 차량 내부에 산소를 저장하는 방법. 이 시스템은 차량 외부에서 산소를 생성하는 문제를 해결하기 때문에 차량 내부에 산소 저장 시스템을 위한 공간을 필요로 한다. 여러 연구에서 공간을 줄이기 위해 차량에 액체 형태로 산소를 저장하는 것을 제안했다(특히, 문서 CN201835947U 및 DE3625451A1 참조). 그러나, 이것은 산소의 비용 및 산소를 액체 상태로 유지하기 위해 낮은 온도를 필요로 하는 저장 시스템의 비용을 증가시킨다. 다른 연구에서는 압축 산소를 차량 내부 탱크에 저장하는 아이디어를 제안했다(문서 US 3425402 참조). 그럼에도 불구하고, 이러한 유형의 해결책은 다른 곳에서 산소를 생성해야 하므로, 저장 시스템(액체 상태 및 가스 상태 모두)에 대한 비용 외에도 산소에 대한 작동 비용을 고려해야 한다. 이러한 모든 추가 비용을 고려할 때 이 대안은 선험적으로 실행 가능하지 않으며 산소 생성 및 저장에 관해 현재 기술의 개선을 필요할 것이다.
(ii) 공기에 관해 대안의 공급원에서 산소를 생성하는 방법. 문서 US 3709203은 알칼리 금속 과염소산염의 열분해로부터 산소를 생성하는 것을 기술하고 있는데; 문서 US 3961609A에 따르면, 산소는 물 전기분해에 의해 생성되며; 문서 US2775961A에 따르면 과산화수소로부터 생성된다. 그러나, 이러한 시스템에 필요한 높은 산소 요구량으로 인해, 이러한 해결책을 차량용 엔진에 통합하는 것은 현재 기술에 관해 실행 가능하고 경쟁력이 있을 것 같지 않다.
(i) 공기로부터 산소를 생성하는 방법:
a. 필터 시스템(문서 US 3961609A 참조) 또는 PSA 흡착(문서 WO 2005083243 참조)을 소개한다. 이러한 유형의 해결책은 산소 요구량을 충족하기 위해 매우 큰 시스템이 필요하다는 단점이 있다.
b. 실리콘 또는 폴리설폰 기반 멤브레인을 사용하는 방법이 있다(문서 US20030024513A1, US5636619A, US5678526, US5636619, US2006/0042466A1, CN101526035A 참조). 그러나, 이러한 유형의 시스템은 순수한 산소를 생성하는 것보다 공기 중 산소를 농후하게 하기 위해 제안되었지만, 공정에 허용되는 순도의 정도를 달성하는 데 필요한 멤브레인 영역이 공정을 실행 불가능하게 만들 수도 있다.
c. 세라믹 컨덕터를 기반으로 한 멤브레인을 사용하는 방법이다. (c1) 세라믹 산소 이온 전도성 전해질에 의한 전기화학 전지 사용 방법(문서 US 20090139497A1 참조)으로서; 그럼에도 불구하고, 이 시스템은 반드시 엔진에서 빼내야 하는 전기 에너지에 대한 수요를 필요로 하므로 시스템 효율성이 감소한다. (c2) 산소가 공기 흐름으로부터 선택적으로 분리되는, 혼합 산소 이온-전자 전도성 멤브레인 사용 방법이다(문서 US20130247886A1 참조). 이 공정은 온도를 약 700-1000℃ 정도로 유지하기 위해 많은 양의 열이 필요하다. 이를 위해 상기 시스템은 엔진 출구 가스의 열을 사용한다.
본 발명의 목적은 전술한 기술에 관해 이점을 제공하는 내연기관을 제공하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 하기 청구항 제1항에 기술된 바와 같이, 대기로의 NOx 방출을 감소시키거나 심지어 방지함으로써 오염을 감소시키는 내연기관을 개시한다.
종속항들은 종래 기술에 대해 추가 이점을 제공하는 본 발명의 엔진의 추가 실시예들을 개시한다.
보다 구체적으로는, 가장 넓은 양태에서, 본 발명은 산화제로서 대기를 흡입하고 탄화수소를 연료로 사용하는 유형의 내연기관을 개시하며, 상기 내연기관은:
- 질소의 일부를 혼합하여 재가열과 함께 질소 팽창 및 중간 냉각되는 공기 압축의 제1 재생 브레이튼 사이클을 포함하되, 압축 공기로부터 O2를 분리하는 MIEC 멤브레인을 포함하며, 흡입된 공기 흐름에는 N2가 없고 MIEC 멤브레인으로부터의 거부로 인해 고갈된 공기는 배기 가스 흐름으로 직접 보내져서, 후속 연소에 참여하는 것을 방지하고, 공기 압축의 일부는 내연기관의 적어도 하나의 제1 실린더에서 수행되며;
- 중간 냉각을 갖는 압축이 있는 제2 브레이튼 사이클을 포함하되, 내연기관의 적어도 하나의 제2 실린더에서 산소-연소에 의해 수행되는 디젤 사이클 및 오토 사이클로부터 선택된 사이클과 중첩되고 제1 브레이튼 사이클과 이진 방식으로 결합되며(열이 전달되고),
제2 브레이튼 사이클은, 크랭크샤프트를 통해 적어도 하나의 제2 실린더와 적어도 하나의 제1 실린더의 결합에 의해 기계적 에너지 및 배기 가스로부터 열 에너지를 제1 실린더로 전달하고;
제1 브레이튼 사이클은 압축된 O2를 MIEC 멤브레인으로부터 제2 브레이튼 사이클로 제공하며;
MIEC 멤브레인에서 N2가 분리됨으로써, 대기 중으로 NOx가 배출되는 것이 방지된다.
당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 엔진이 "제1 브레이튼 사이클을 포함한다" 및 이와 유사한 표현은, 엔진이 "제1 브레이튼 사이클을 수행하는 데 필요한 수단을 포함한다"는 의미로 해석되어야 한다. 이러한 경우에, 본 발명은 수단의 특정 조합으로 제한되는 것으로 의도되지 않으며, 상기 브레이튼 사이클(또는 이와 유사한 것)을 수행하기에 적합한 임의의 수단이 본 발명에 포함된다는 것을 이해해야 한다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 산화제로서 대기를 흡입하고 연료로서 탄화수소를 사용하는 유형의 내연 기관의 작동 방법을 개시하며, 상기 방법은:
- 질소의 일부를 혼합하여 재가열을 통한 질소 팽창 및 중간 냉각 및 질소 팽창을 포함하는 공기 압축의 제1 재생 브레이튼 사이클을 포함하되, 압축 공기로부터 O2를 분리하는 단계를 포함하며, 흡입된 공기 흐름에는 N2가 없고, 분리의 거부로 인해 고갈된 공기는 배기 가스 흐름으로 직접 보내져서, 후속 연소에 참여하는 것을 방지하며;
- 중간 냉각을 갖는 압축이 있는 제2 브레이튼 사이클을 포함하되, 산소-연소에 의해 수행되는 디젤 사이클 및 오토 사이클로부터 선택된 사이클과 중첩되고 제1 브레이튼 사이클과 이진 방식으로 결합되며(열이 전달되고),
제2 브레이튼 사이클은, 배기 가스로부터 열 에너지 및 기계적 에너지를 제1 브레이튼 사이클로 전달하고;
제1 브레이튼 사이클은 압축된 O2를 상기 분리 단계로부터 제2 브레이튼 사이클로 제공하며;
N2가 분리됨으로써, 대기 중으로 NOx가 배출되는 것이 방지된다.
아래에서 보다 상세한 방식으로 설명되는 바와 같이, 본 발명은 혼합 산소 이온-전자 전도성 세라믹 재료를 기반으로 하는 멤브레인을 통합하며, MIEC 멤브레인에 필요한 모든 에너지가 잔류 열의 주요 공급원(예를 들어, 실린더 출구에서의 배기 가스)가 회수되고, 산소-연소에 의해 제공되는 온도 상승은 열 낭비 없이 멤브레인에 필요한 온도를 공급하는 데 사용된다. 본 발명은 또한 적절한 압력 조건을 달성하기 위해 왕복 엔진 내의 실린더의 높은 압축 용량(25 MPa까지)을 이용한다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 적어도 일부에서 제공되는 다음의 공정을 위해 고압이 필요하며: 멤브레인의 O2 생산성을 최대화하기 위해 공기와 O2 사이의 부분 압력 차이를 최대화하고; 공기로부터 대기 CO2의 분리를 최대화하며; 마지막으로 액화될 때까지 CO2를 압축한다(임계 압력 7.5 MPa를 초과하는).
엔진 수퍼차징 시스템의 터보머신은, 본 발명에서는, 낮은 압축비(해수면에서 0.6 MPa 미만의 최대 압력)로 인해 CO2 조밀화 또는 분리 전에 공기를 압축하는 공정을 위해 사용되지 않는다(문서 US20130247886A1과 다름). 0.6 MPa보다 큰 압력에 대한 터보 조립체의 터보 차저는 개발되지 않았으며,해당 값 주위에서 매우 비효율적이다.
또한, 등온 압축 공정에 비해 등엔트로피 및 비가역 압축 공정의 효율이 훨씬 낮기 때문에, 터보차저에서 공기 압축에 관해 온도도 사용되지 않다(또한 문서 US20130247886A1과 다름). 그러나, 본 발명에서, 압축 공기는 공정이 가능한 가장 등온이 되도록(따라서 가장 효율적이 되도록) 그 다음 압축 단계를 통과하기 전에 항상 냉각된다. 이것은 공기 충전을 냉각하기 위해 물을 사용하는 열교환기(일반적으로 WCAC) 또는 열을 압력으로 변환하는 진공 브레이튼 사이클(VBC)을 사용하여 수행된다. VBC와 WCAC는 모두 유체로부터 열을 제거하고 그 다음 압축 전에 환경으로 전달하며, 이는 에너지 소비처럼 보이지만 실제로는 그 다음 압축 단계에서 사용되는 이득이다. 4-행정 엔진 실린더에서 기계적으로 가능한 가장 높은 압축비를 얻으려고 하며, 공기 압축 공정이 4-행정으로 수행되기 때문에, 공기가 실린더에 오래 머물고, 상기 체류 시간은 엔진의 냉각제에 대한 냉각 때문이다. 이러한 고압의 공기 냉각으로 인해, 공정이 등온에 가까워지고 더 효율적이 된다. 실린더에서 연소가 발생하지 않고, 엔진의 4-행정을 혁신적으로 사용하는 방법이 상기 문서에서 처음으로 설명된다.
모든 공정에서 최대 에너지 효율을 추구하는 마지막 이유는 다음 특성 중 하나 이상을 나타내는 산소-연소 엔진/구동 조립체를 달성하는 것으로서: 이들 특성은, 오염 가스를 배출하지 않거나 또는 단지 무시할 만한 양의 오염 가스 만을 배출하며; 연소 시에 생성된 CO2를 가두고 대기 CO2의 전체 또는 일부를 환경에서 제거하고; 자체-운송이 가능하도록 작고 가벼우며; 마지막으로 연료 소비 측면에서 현재 내연기관에 비해 경쟁력이 있는 특성이다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 바람직한 실시예 중 하나에서 엔진 충전을 조절하기 위한 완전히 새로운 시스템을 설명한다. 이 시스템은 균질하게 혼합된 산소-연소를 사용하는 스파크 점화(SI) 엔진에서 엔진 충전을 조절하기 위한 흐름 조절 버터플라이 밸브를 방지한다. 이것은, 터보 조립체를 사용함으로써, 연소 실린더를 과급하는(supercharging) 것이(문서 US20130247886A1에 제안된 대로) 아니라, 멤브레인 전에 먼저 공기를 압축하는 실린더를 과급하기 위해 수행되며, 충전을 조절하기 위해 MIEC로부터 O2 생성을 조절하도록 사용된다. 스로틀(throttle)의 사용을 피하면, 충전을 조절하는 동안, 사전혼합된 연소를 사용하는 SI 엔진의 펌핑 손실이 제거되는데, 이러한 펌핑 손실은 엔진의 첫 번째 비효율성이다. 사전혼합된 연소를 사용하는 SI 엔진에서 산소-연소가 피하는 두 번째 비효율성은 배기 가스 온도를 제어하기 위해 혼합물의 농축(화학량론적 공기/연료비: λ을 능가함)이다. 이러한 온도 제어는, 연료를 사용하는 대신 MIEC에서 O2 측을 세정하는(sweep) 데 사용되는 순수한 CO2로 O2-연료 혼합물을 희석함으로써 본 발명에서 수행된다. 터보 조립체 및 MIEC의 제안된 배열은, O2 생성 속도의 제어 및 CO2로 희석되는 속도의 제어 모두를 독립적으로 수행할 수 있다. 이러한 터보머신과 멤브레인의 배열은, 조절 밸브의 비효율적인 압력의 적층(lamination) 대신 터빈 내의 흐름을 팽창시킴으로써, 압력 제어가 수행되기 때문에, 현재까지 종래 기술에 설명된 것보다 더 효율적으로 두 제어를 모두 수행할 수 있다(예를 들어 문서 US20130247886A1에서 제안된 바와 같이).
또한, 바람직한 실시예 중 하나에서, 본 발명은 왕복 엔진의 연소 사이클 동안 액체 CO2를 사용하는 것을 제안한다. 이를 통해, O2 사이클과 동시에 그리고 함께 작동하는 이 유체를 사용하여 초임계 엔진 사이클에서 CO2를 액화하는 데 필요한 에너지의 상당 부분을 회수할 수 있다. 두 사이클 모두, 기본적으로 열 상태를 증가시키는 공정 및 유체를 팽창시키는 공정의 일부 공정을 공유한다. 이 경우에 설명된 초임계 CO2 사이클이나 그 공정의 일부를 공유하는 O2 사이클 모두 본 발명 이전에는 설명되지 않았다.
CO2 액화 공정 동안, 이를 저장하고 관련 처리 센터로 이송하기 위해, CO2로부터 분리해야 하는 일정 비율(전달되는 물질의 총 질량의 약 2%)의 액체 물이 생성된다. 본 발명과 문서 US20130247886A1 사이의 추가 차이점은, 고압 하에서 분리된 물로부터의 에너지가 이용되고 터빈 중 하나에서 증기 상태로 팽창된다는 점이다. 이러한 사용 방법은, 한편으로는, 액체가 분출하는 대신 증기 형태로 물을 방출하고, 다른 한편으로는, O2를 분리하기 위해 멤브레인에서 필요한 공기 압력을 달성하기 위해 에너지 소비를 줄이는 이점이 있다.
본 발명은 예시로서 제공되고 어떤 식으로든 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 다음 도면을 참조하여 더 잘 이해될 것이다:
도 1은, 균질하고 화학량론적 혼합물, 높은 비출력, 높은 효율, 공기로부터 O2를 분리하는 MIEC, 건강에 해롭지만 양의 순 CO2 배출량을 가진 가스 배출 없는, 본 발명의 제1 바람직한 실시예에 따른 사전혼합된 산소-연소 엔진의 다이어그램을 도시한다.
도 2a는, 균질하고 화학량론적 혼합물, 높은 비출력, 높은 효율, 건강에 해로운 가스 배출 없이, 공기로부터 O2를 분리하는 MIEC, CO2를 분리하는 폴리머 멤브레인, 음의 순 CO2 배출량을 갖는, 본 발명의 제2 바람직한 실시예에 따른 사전혼합된 산소-연소 엔진의 다이어그램을 도시한다.
도 2b는, 균질하고 화학량론적 혼합물, 높은 비출력, 높은 효율, 건강에 해로운 가스 배출 없이, 공기로부터 O2를 분리하는 MIEC, 공기로부터 CO2를 분리하는 용융 카보네이트 기반 멤브레인, 음의 순 CO2 배출량을 갖는, 도 2a에 도시된 엔진의 대안예에 따른 사전혼합된 산소-연소 엔진의 다이어그램을 도시한다.
도 3은, 층화 및 희박 혼합물, 높은 비출력, 높은 효율, 공기로부터 O2를 분리하는 MIEC, 건강에 해롭지만 양의 순 CO2 배출량을 가진 가스 배출 없는, 본 발명의 제3 바람직한 실시예에 따른 확산 산소-연소 엔진의 다이어그램을 도시한다.
도 4a는, 층화 및 희박 혼합물, 높은 비출력, 높은 효율, 건강에 해로운 가스 배출 없이, 공기로부터 O2를 분리하는 MIEC, 공기로부터 CO2를 분리하는 폴리머 멤브레인, 음의 순 CO2 배출량을 갖는, 본 발명의 제4 바람직한 실시예에 따른 확산 산소-연소 엔진의 다이어그램을 도시한다.
도 4b는, 층화 및 희박 혼합물, 높은 비출력, 높은 효율, 건강에 해로운 가스 배출 없이, 공기로부터 O2를 분리하는 MIEC, 공기로부터 CO2를 분리하는 용융 카보네이트 기반 멤브레인, 음의 순 CO2 배출량을 갖는, 도 4a의 엔진의 대안예에 따른 확산 산소-연소 엔진의 다이어그램을 도시한다.
도 5a는 진공 브레이튼 사이클(VBC)의 다이어그램을 도시한다.
도 5b는 특정 상황에 대해 이상화되고 계산된 진공 브레이튼 사이클(VBC)의 T-s다이어그램을 도시한다.
도 6은 도 4a 및 4b의 실시예 4에 상응하는 O2 디젤 사이클과 중첩된 초임계 CO2 사이클을 도시한다.
도 7은 도 4a 및 4b의 실시예 4에 상응하는 중간 냉각을 갖는 브레이튼 압축 사이클과 중첩된 O2 디젤 사이클을 도시한다.
도 8은, 도 1의 실시예에 따른 엔진에 대한, EGR 비율에 기초한 상이한 충전도에 대한 연소 온도의 조절 그래프를 도시한다.
도 9는, 도 1의 실시예에 따른 엔진에 대한, 상이한 충전도에 대한 연소 온도 조절 동안 MIEC의 효율 그래프를 도시한다.
도 10은, 도 1의 실시예에 따른 엔진에 대한, 완전 충전 및 부분 충전에서의 유효 토크의 그래프를 도시한다.
도 11은, 도 1의 실시예에 따른 엔진에 대한, 완전 충전 및 부분 충전에서의 비소비량의 그래프를 도시한다.
도 12는, 도 1의 실시예에 따른 엔진에 대한, 완전 충전 및 부분 충전에서의 유효 파워의 그래프를 도시한다.
도 13은, 도 1의 실시예에 따른 엔진에 대한, 연소 실린더 내부의 사이클의 결과를 나타내는 그래프이다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 산화제로서 대기를 흡입하고 연료로서 탄화수소를 사용하는 유형의 내연기관을 개시하며, 상기 내연기관은:
- 질소의 일부를 혼합하여 재가열과 함께 질소 팽창 및 중간 냉각되는 공기 압축의 제1 재생 브레이튼 사이클을 포함하되, 압축 공기로부터 O2를 분리하는 MIEC 멤브레인(6)을 포함하며, 흡입된 공기 흐름에는 N2가 없고 MIEC 멤브레인(6)으로부터의 거부로 인해 고갈된 공기는 배기 가스 흐름으로 직접 보내져서, 후속 연소에 참여하는 것을 방지하고, 공기 압축의 일부는 엔진의 적어도 하나의 제1 실린더(4), 바람직하게는 2개의 제1 실린더(4)에서 수행되며;
- 중간 냉각을 갖는 압축이 있는 제2 브레이튼 사이클을 포함하되, 엔진의 적어도 하나의 제2 실린더(14), 바람직하게는 2개의 제2 실린더(14)에서 산소-연소에 의해 수행되는 디젤 사이클 및 오토 사이클로부터 선택된 사이클과 중첩되고 제1 브레이튼 사이클과 이진 방식으로 결합되며,
제2 브레이튼 사이클은, 크랭크샤프트(25)를 통해 적어도 하나의 제2 실린더(14)와 적어도 하나의 제1 실린더(4)의 결합에 의해 기계적 에너지 및 배기 가스로부터 열 에너지를 제1 실린더로 전달하고;
제1 브레이튼 사이클은 압축된 O2를 MIEC 멤브레인(6)으로부터 제2 브레이튼 사이클로 제공하며;
MIEC 멤브레인(6)에서 N2가 분리됨으로써, 대기 중으로 NOx가 배출되는 것이 방지된다.
바람직한 실시예에 따르면, 제1 브레이튼 사이클에 의해 생성된 순 기계적 에너지는 압축기 C1(10)을 통해 제2 브레이튼 사이클을 과급하는데 사용된다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, MIEC 멤브레인(6)은 대기로부터 분리된 순수한 O2를 생성한다. "순수한"이라는 용어(예를 들어, "순수한 O2"와 같은 가스 흐름에 적용되는)는 본 명세서에서 엄격하고 제한적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 예를 들어, 이 경우, 생성된 O2 흐름은 100% 순수하지 않을 수 있지만, 예를 들어 CO2와 같은 소량을 포함할 수도 있다. 그러나, 이 순수한 O2(또는 실질적으로 순수한 O2) 흐름은 N2로부터 분리되며, 후속 산소 연소에서 NOx의 생성 및 따라서 상기 NOx가 대기로 방출되는 것이 방지된다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, MIEC 멤브레인(6)은 CO2로 희석된 O2를 생성한다. 이 경우, O2가 희석된 CO2는 대기로부터 얻을 수 있거나, 혹은 제2 브레이튼 사이클에서 탄화수소와 함께 연소함으로써 생성될 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 압축 단계 후에, 항상 냉각 단계가 있다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 냉각 전에 재생을 수행하는 제1 및 제2 브레이튼 사이클을 결합함으로써 모든 잔류 공급원(residual source)으로부터 열이 회수된다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 제2 브레이튼 사이클에 의해 생성된 기계적 에너지는 액화될 때까지 생성된 CO2를 압축하도록 추가로 사용된다. 상기 CO2는 예를 들어 적어도 7.5 MPa로 압축될 수 있다. 또한, 제2 브레이튼 사이클은 오토 사이클과 중첩될 수 있으며, 엔진은 적어도 하나의 추가 피스톤(22) 뿐만 아니라 엔진의 도관에 축적된 과잉 CO2를 흡입하고 압축하기 위해 체크 밸브들(추가 피스톤의 입구에 있는 제1 체크 밸브(33) 및 추가 피스톤의 하류에 있는 제2 체크 밸브(19))을 포함한다.
상기 바람직한 실시예의 또 다른 대안예에 따르면, 제2 브레이튼 사이클은 디젤 사이클과 중첩되고, 제2 실린더(14)의 배기 행정은 CO2를 압축하는 데 사용되며, 제1 및 제2 체크 밸브(33, 19)를 사용함으로써 CO2가 배출되고 실질적으로 순수한 O2가 흡입된다. 상기 실질적으로 순수한 O2는 CO2 선택적 분리 멤브레인에서 혼입 가스(entrainment gas)로서 사용된다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 엔진은 후속 압축 전에 실질적으로 순수한 O2 또는 CO2로 희석된 O2을 더욱 강력하게 냉각하기 위한 진공 브레이튼 사이클(VBC)을 추가로 포함한다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 엔진은 생성된 액화 CO2를 저장하기 위한 제1 탱크(20)를 포함한다. 제1 탱크(20)에 저장된 상기 CO2는 제2 탱크(27)로부터 엔진의 제2 실린더(14)로 연료를 펌핑하도록 사용될 수 있으며, 제1 및 제2 탱크(20, 27)는 가요성 멤브레인에 의해 분리된 하나의 동일한 탱크이거나(오늘날, 가장 널리 사용되는 압축 점화 엔진 유형인 커먼 레일 유형 주입 시스템에 사용되는 저압 펌프를 대체하는) 및/또는 외부 CO2 물류 네트워크의 펌프로 전달될 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, MIEC 멤브레인(6)은 혼합된 산소 이온-전자 캐리어 전도를 갖는 결정질 세라믹 재료를 기반으로 한다.
엔진이 스파크 점화(SI) 엔진인 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 터보 조립체는 제1 실린더(4)를 과급하는 데 사용되고, MIEC 멤브레인(6)의 O2 생성 조절은 엔진 충전을 조절하는 데 사용된다.
엔진이 압축 점화(CI) 엔진인 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 터보 조립체는 제1 실린더(4)를 과급하는 데 사용되고, MIEC 멤브레인(6)의 O2 생성 조절은 엔진의 사이클에서 작동 유체의 유효 압축비를 제공하는 데 사용된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 산화제로서 대기를 흡입하고 연료로서 탄화수소를 사용하는 유형의 내연 기관의 작동 방법을 개시하며, 상기 방법은:
- 질소의 일부를 혼합하여 재가열을 통한 질소 팽창 및 중간 냉각 및 질소 팽창을 포함하는 공기 압축의 제1 재생 브레이튼 사이클을 포함하되, 압축 공기로부터 O2를 분리하는 단계를 포함하며, 흡입된 공기 흐름에는 N2가 없고, 분리의 거부로 인해 고갈된 공기는 배기 가스 흐름으로 직접 보내져서, 후속 연소에 참여하는 것을 방지하며;
- 중간 냉각을 갖는 압축이 있는 제2 브레이튼 사이클을 포함하되, 산소-연소에 의해 수행되는 디젤 사이클 및 오토 사이클로부터 선택된 사이클과 중첩되고 제1 브레이튼 사이클과 이진 방식으로 결합되며,
제2 브레이튼 사이클은, 배기 가스로부터 열 에너지 및 기계적 에너지를 제1 브레이튼 사이클로 전달하고;
제1 브레이튼 사이클은 압축된 O2를 상기 분리 단계로부터 제2 브레이튼 사이클로 제공하며;
N2가 분리됨으로써, 대기 중으로 NOx가 배출되는 것이 방지된다.
상기 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 브레이튼 사이클에 의해 생성된 순 기계적 에너지는 제2 브레이튼 사이클을 과급하는데 사용된다.
상기 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 브레이튼 사이클은 대기로부터 분리된 순수한 O2를 생성한다. 대안으로, 제1 브레이튼 사이클은 CO2로 희석된 O2를 생성한다. 이 경우, O2가 희석된 CO2는 대기로부터 얻을 수 있거나, 혹은 제2 브레이튼 사이클에서 탄화수소와 함께 연소함으로써 생성될 수 있다.
상기 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 압축 단계 후에, 항상 냉각 단계가 있다.
상기 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 냉각 전에 재생을 수행하는 제1 및 제2 브레이튼 사이클을 결합함으로써 모든 잔류 공급원으로부터 열이 회수된다.
상기 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 제2 브레이튼 사이클에 의해 생성된 기계적 에너지는 액화될 때까지 생성된 CO2를 압축하도록 추가로 사용된다. 예를 들어, CO2는 적어도 7.5 MPa로 압축될 수 있다. 또한, 제2 브레이튼 사이클은 오토 사이클과 중첩될 수 있으며, 상기 방법은 엔진의 도관에 축적된 과잉 CO2를 흡입 및 압축하는 단계를 포함한다.
또 다른 대안예에 따르면, 제2 브레이튼 사이클은 디젤 사이클과 중첩되며, 상기 방법은 CO2를 압축하여 CO2를 배출하고 실질적으로 순수한 O2를 흡입하는 단계를 포함하며, 여기서, 순수한 O2는 CO2 선택적 분리 멤브레인에서 혼입 가스로서 사용된다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 방법은 후속 압축 전에 CO2로 희석된 O2, 또는 실질적으로 순수한 O2를 더욱 강력하게 냉각하기 위한 진공 브레이튼 사이클(VBC)을 추가로 포함한다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 방법은 생성된 액화 CO2를 저장하는 단계를 포함한다. 상기 액화 CO2는 연료를 엔진의 실린더에 펌핑하는데 사용될 수 있거나 및/또는 외부 CO2 물류 네트워크의 펌프로 전달될 수 있다.
본 발명에 의해 개시된 교시를 제한하지 않고 추가로 예시하기 위해 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 하기에 제공된다.
실시예 1: 오염 가스 배출이 없고, CO 2 포집이 없는, 사전 혼합 혼합물을 사용하는 스파크 점화(SI) 엔진
실시예 1은 CO2의 포집 없이, 사전혼합된 (균질한) 혼합물을 사용하는 스파크 점화(SI) 엔진에 대해 표시된다. 실시예 1은 순 기계적 동력의 생성을 위해 혼합물의 자체-점화 없이 아음속 속도로 폭연 연소 공정을 기반으로 한다.
엔진의 충전 정도(최대 토크의 백분율)는 MIEC 멤브레인(6)에서 O2 생성률에 의해 제어된다. 이것은 공기 흐름을 조절하기 위해 조절 버터플라이 밸브를 사용하지 않기 때문에 펌핑 손실을 줄인다.
연소 온도는 산화제(O2)와 연료(HxCyOz)의 혼합물을 실제 연소 및 사전-냉각으로부터 CO2 및 H2O로 희석하여 제어한다. 이것은 상기 작업에 연료를 사용하는 것을 방지한다(오늘날 SI 엔진의 표준 관행).
실시예 1은 엔진에 의해 배출된 CO2를 포집하는 것을 제안하지 않는다. 그러나, 현재 SI 엔진에 관해, 향상된 에너지 효율을 제공하고, MIEC 멤브레인(6) 및 공급원(연소 챔버)에서 오염 가스(CO, THC, PM 및 NOx) 배출을 제거하여, 배기 가스를 세정하기 위한 후처리 필요성을 최소화하여, 엔진의 생산 비용에서 상당한 절감을 나타낸다. 현재, 가스를 세정하기 위한 후처리는 파워 조립체의 총 비용의 30% 정도인 것으로 추산된다. 또한, 산소-연소는 냉간 시동 공정 동안 오염 가스 배출을 최소화한다. 이것은 배기 가스 세정에 필요한 대형 후처리 시스템을 가열(활성화)하는 데 필요한 시간을 고려할 때 오늘날의 엔진에서는 발생하지 않는다.
실시예 1은 도 1에 도시된다. 실시예 1에서, 대기는 압축기(C2)(2)에 의해 흡입된 필터(1)를 통해 엔진으로 들어간다. 압축기 C2(2)는 터보 조립체의 일부이며 가변 형상 터빈(VGT2)(8)에 기계적으로 결합된다. 압축기 C2(2)는 MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 N2, CO2 및 H2O로부터 터빈 VGT2(8)에 의해 회수된 에너지를 사용하여 공기를 전달하고, CO2 및 H2O는 엔진의 제2 실린더(14)로 재순환되지 않으며, 촉매 MIEC 멤브레인(15)으로부터 나오는 도관을 통해 순환되고, MIEC 멤브레인(6)의 거부에서 오는 도관과 수렴된다. 정격 조건에서, 압축기 C2(2)의 출구의 공기는 약 0.4 MPa의 압력과 473K(199.85℃)의 온도를 갖는다. 공기는 엔진의 공기 충전의 제1 수-냉각기(WCAC)(3)를 통과한다. 제1 WCAC 냉각기(3)의 출구에서, 온도는 약 323K(49.85℃)로 떨어지며, 엔진의 제1 실린더(4)에서 후속 압축이 더욱 등온된다(isothermal).
공기는 이후 엔진의 제1 실린더(4)의 절반으로 흡입된다. 실시예 1은 4-실린더, 4-행정 엔진을 나타내며, 따라서 공기를 흡입하는 2개의 실린더가 있다. 제1 실린더(4)는 공기를 약 0.9 MPa 및 473K(199.85℃)로 압축하는 펌프처럼 작동한다. 제1 실린더(4)는 바람직하게는 크랭크샤프트(25), 캠샤프트 및 밸브 타이밍 기어를 공유하고 내부에 연료가 주입되지 않는 독특한 특징을 갖는 엔진의 나머지 실린더와 동일하다. 4-행정 엔진이기 때문에, 공기가 4 행정 동안 제1 실린더(4) 내부에 남아 있으며, 그에 따라 엔진 냉각수(약 363K(89.85℃)로 압축 및 냉각되어 압축이 보다 등온적으로 된다. 상기 제1 실린더(4)는 터보기계 조립체가 사이클 공기흐름과 터빈을 시동하기 위한 시동 시스템으로 작동한다. 그들은 왕복 엔진에 사용되는 유형의 기존 시동 모터에 의해 시스템이 시동될 때까지 그 단부로 이동된다.
제1 실린더(4)의 출구에서, 공기는 제1 재생 열교환기(23)에서 가열되며, CO2, H2O 및 N2의 흐름으로부터의 열 에너지를 이용하여 압력을 약 0.87 MPa로 낮추고 온도를 약 573K(299.85℃)로 올린다. N2, CO2 및 H2O의 이러한 흐름은 터빈 VGT2(8)의 하류에 위치한 도관(30)을 통해 나온다. N2, CO2 및 H2O의 이러한 흐름은 엔진에 의해 전달되는 가스의 총 흐름 체적의 약 100%를 나타내며 대략 800K(526.85℃)의 온도와 0.1 MPa의 압력에 있다. 제1 재생 열교환기(23)의 출구에서, 공기는 제2 재생 열교환기(5)에서 가열되며, 혼입 챔버에서 O2의 부분 압력을 낮추고 MIEC 멤브레인(6)에서 교환된 O2를 혼입하는 데 사용되는 배기 가스 및 MIEC 멤브레인(6)에 의해 생성된 O2로부터 열 에너지를 사용하여, 압력을 약 0.85 MPa로 낮추고 온도를 약 673K(399.85℃)로 올린다.
제2 재생 열교환기(5)의 출구에서, 공기는 촉매 MIEC 멤브레인(15)(이 멤브레인은 CO 및 HC를 환경으로부터 O2와 함께 CO2 및 H2O로 완전히 산화시키는 촉매를 갖는다)에서 다시 가열되며, 제2 실린더(14)의 연소로 인한 배기 가스로부터의 열 에너지를 사용하여, 압력을 약 0.8 MPa로 낮추고 온도를 약 723K(449.85℃)로 올린다. 촉매 MIEC 멤브레인(15)에서, 배기 가스는 열을 공기에 전달하고(재생 열교환기처럼 작동되는) 전체 가스 흐름이 오직 CO2와 H2O로만 구성될 때까지, CO와 HC가 모두 산화된다. 이 배기 가스 흐름이 엔진에 의해 전달되는 배기 가스의 총 흐름 체적의 약 20%를 나타내기 때문에, 상기 엔진으로부터 가스를 세정하기 위한 후처리의 필요성은 20% 만큼 감소한다. 촉매 MIEC 멤브레인(15) 후에, 0.8 MPa 압력에서, 공기가 MIEC 멤브레인(6)으로 들어가 MIEC 멤브레인(6)의 작동 온도(약 1173K(899.85℃)에 도달하며, 제2 실린더(14)의 산소-연소 공정에서 나오는 배기 가스와 열 교환되고, MIEC 멤브레인(6)에서 교환된 O2를 세정하는 데 사용된다. 제2 실린더(14)의 산소-연소 공정에서 나오는 이 배기 가스 흐름은 배기 가스 흐름 체적의 약 80%를 나타낸다.
MIEC 멤브레인(6)으로부터의 거부는 기본적으로 0.8 MPa 및 1173K(899.85℃)에서의 N2이며, 이것은 시스템에 의해 전달되는 가스 질량의 약 80%를 나타내고 터빈 VGT1(71) 또는 제어 밸브(72)를 통과한다. 터빈 VGT1(71) 및 제어 밸브(72)는 터빈 VGT1(71)이 기계적으로 연결된 압축기 C1(10)과 함께 터보 조립체의 일부이다. 터빈 VGT1(71)은 MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 N2 흐름의 에너지를 이용하여, 에너지를 회수하여 압축기 C1(10)를 이동시킨다. 제어 밸브(72)는 압축기 C1(10)으로의 에너지 흐름을 조절한다. 압축기 C1(10)은 MIEC 멤브레인(6)으로부터 혼입 출구에서 나오는 CO2, H2O 및 O2의 혼합물을 전달한다. 압축기 C1(10)은 엔진에서 나오는 가스 흐름의 약 95%를 전달한다. 그 결과, 제어 밸브(72)는 O2를 희석하는 데 사용되는 CO2 및 H2O의 흐름을 조절하며, 따라서 연소 온도 및 배기 가스 연소 온도를 조절한다. 결론적으로, 제2 실린더(14) 출구에서 엔진의 배기 가스 온도는 제어 밸브(72)에 의해 조절되며, 정격 조건 하에서 대략 1273K(999.85℃)의 값에서 조절된다.
제어 밸브(72)는 일반적으로 압축기 C1(10)의 압력을 조절하기 위해 부분적으로 개방된 상태로 작동한다. MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 N2의 일부는 터빈 VGT1(71)을 순환하여, 팽창되고 냉각된다. 거부된 N2의 다른 부분은 냉각되지 않고 실제 제어 밸브(72)를 통해 순환한다. N2의 다른 부분은 터빈 VGT1(71)의 하류에서 차갑고 팽창된 N2와 혼합되어, 재가열되고 그에 따라 온도가 증가한다.
제어 밸브(72) 및/또는 터빈(71)을 통과한 후에, MIEC 멤브레인(6)으로부터 거부된 N2(공기 흐름의 약 80%)는 제2 체크 밸브(19)에서 나오는 CO2 및 H2O와 혼합되며, 이 두 흐름은 압축기 C2(2)를 이동하는 데 사용되는 가변 형상 터빈 VGT2(8)에서 이용된다. 터빈 VGT2(8)에 대한 대략적인 정격 입구 조건은 0.3 MPa 및 873K(599.85℃)이다. 터빈 VGT2(8)의 가변 형상은 연소 엔진의 충전 정도를 조절하는 데 사용된다. 터빈 VGT2(8)가 닫히면, MIEC 멤브레인(6)을 통한 공기 흐름과 MIEC 멤브레인(6)의 작동 압력은 증가한다. 따라서, 화학량론적 조건에서 주입할 수 있는 연료량 및 시간당 O2 생성량이 증가한다. 터빈 VGT2(8)가 개방되면, 반대 현상이 발생한다. 터빈 VGT2(8)의 최소 크기(최소 개방)는 왕복 엔진의 실린더 용량에 따라 선택되며 엔진의 각각의 회전 속도에서 시스템의 최대 파워를 설정한다. 터빈 VGT2(8)의 최대 개방은 각각의 회전 속도에서 왕복 엔진의 최소 충전(공전)을 결정한다. 터빈 VGT2(8)은 웨이스트게이트(또는 WG) 밸브를 포함할 수 있다. 터빈 VGT2(8) 또는 웨이스트게이트 밸브가 최대로 개방되면, 압축기 C2(2)의 에너지가 0으로 감소하여, MIEC 멤브레인의 작동 압력과 전달된 공기의 흐름 체적이 모두 감소한다.
엔진 충전이 감소되어 심지어 0으로 낮아질 때까지 감소하면, 제어 밸브(72)는 개방되고, 터빈 VGT1(71)을 피하면서, 압축기 C1(10)의 에너지가 0으로 감소한다. 이 경우, MIEC 멤브레인(6)으로 흐르는 배기 가스 흐름(CO2가 발견될 수 있는)이 억제된다. 이것은 MIEC 멤브레인(6)의 양쪽에 있는 O2의 부분 압력과 동일하고, O2의 흐름을 억제하여, 상기 실시예 1의 엔진 충전을 공전 상태로 둔다.
터빈 VGT2(8)의 출구에서, 약 0.1 MPa의 압력과 약 800K(526.85℃)의 온도에서 N2, CO2 및 H2O의 혼합물이 제1 재생 열교환기(23)를 통과하여, 가스 혼합물(건강에 해로운 가스가 없는)이 대기 중으로 배출되기 전에, 열을 공기에 전달한다.
MIEC 멤브레인(6)에 의해 교환된 O2와 O2의 부분 압력을 낮추고 O2를 세정하는 데 사용되는 CO2 및 H2O의 혼합물은 MIEC 멤브레인(6)의 상응하는 단부에서 압축기 C1(10)에 의해 흡입되는 제2 연소 실린더(14)로 배출된다. 상기 혼합물은 각각 약 0.3 MPa 및 1173K(899.85℃)의 정격 압력과 온도에서 배출되며, 엔진에 의해 전달되는 공기의 흐름 체적의 약 105%를 나타낸다. CO2, H2O 및 O2의 혼합물의 열은 제2 재생 열교환기(5)에서 먼저 회수되어 제1 재생 열교환기(23)의 출구에서 공기를 가열한다. 제2 재생 열교환기(5)의 출구에는, 약 0.25MPa 및 673K(399.85℃)의 정격 조건이 있다. 이 흐름은 또 다른 터보 조립체에 기계적으로 결합된 압축기(C3)(12)를 이동하는 데 사용되는 제2 재생 열교환기(5)의 출구에서 가변 형상 터빈(VGT3)(16)에 이용된다. 압축기 C3(12)은 터빈 VGT3(16)에 의해 회수된 에너지를 이용하여 사용 중인 터보 슈퍼차저와 같이 제2 실린더(14)를 과급하는 데 사용된다. 터빈 VGT3(16)은, 압축기 C3(12)의 출구에서, 압력을 엔진의 임의의 작동 조건 하에서 0.6 MPa의 정격 값으로 일정하게 유지하기 위해 닫힌다. 터빈 VGT3(16)의 출구에서, 흐름의 정격 조건은 약 0.1 MPa 및 473K(199.85℃)이다. 제2 실린더(14)로 이어지는 산화 혼합물은 제2 WCAC 냉각기(9)에서 323K(49.85℃)로 냉각된다. 그 다음에, 압축기 C1(10)에서 0.3 MPa 및 473K(199.85℃)로 압축되며, 압축기 C1(10)의 조건은 배기 가스의 온도를 약 1273K(999.85℃)로 유지하기 위해 제어 밸브(72)에 의해 부과되는 조건이다. 압축기 C1(10) 후에, CO2, H2O 및 O2의 혼합물은 제3 WCAC 냉각기(11)에서 다시 323K(49.85℃)로 냉각되고 압축기 C3(12)에서 0.6 MPa 및 473K(199.85℃)로 압축된다. 이를 위해, 이미 설명된 바와 같이, 압축기 C3(12)의 출구에서 압력을 0.6 MPa로 조절하는 터빈 VGT3(16)의 에너지가 사용된다. 마지막으로, 상기 혼합물은, 제2 실린더(14)에 의해 흡입되기 전에, 제4 WCAC 냉각기(13)에서 323K(49.85℃)로 다시 냉각되며, 상기 실시예의 설명의 시작 부분에서 확립된 바와 같이, 예로서 사용된 4-실린더, 4-행정 엔진의 절반인 2개이다.
제2 실린더(14)에서, 탄화수소 HxCyOz가 연료 펌프(26)로 O2와 화학량론적 비율로 CO2, H2O 및 O2의 혼합물에 주입된다. 상기 제2 실린더(14)에서, 스파크 점화 사전혼합된 연소 사이클 및 오토 사이클과 유사한 사이클이 수행된다. 제2 실린더(14)는 동일한 크랭크샤프트(25)에 결합될 때 MIEC 멤브레인(6)을 위해 공기를 전달하는 제1 실린더(4)를 이동시키는 에너지를 생성한다. 제2 실린더(14)는 엔진이 결합된 차량, 발전기 또는 샤프트를 통해 기계적 에너지 입력을 필요로 하는 임의의 애플리케이션을 움직이는 데 사용되는 순 기계적 에너지의 과잉(surplus)을 생성한다. 이 제2 실린더(14)는 공기 흐름, O2의 흐름 및 사이클의 터보기계를 시작하기 위한 터보기계 조립체를 위한 시동 시스템으로도 작동한다. 그들은 왕복 엔진에 사용되는 유형의 기존 시동 모터에 의해 시스템이 시동될 때까지 그 단부로 이동된다. 따라서, 제1 실린더(4)와 제2 실린더(14)는 둘 모두 시동 시스템으로 작동하며 기존 시동 모터에 의해 시스템이 시동될 때까지 이동된다.
제1 WCAC 냉각기(3), 제2 WCAC 냉각기(9), 제3 WCAC 냉각기(11) 및 제4 WCAC 냉각기(13)에서 물에 열을 전달하고, 재생에서 전달된 열(제1 재생 열교환기(23), 제2 재생 열교환기(5) 및 촉매 MIEC(15)에서 생성된)과, 촉매 MIEC(15)에서, 분기(29) 및 제2 체크 밸브(19)를 통해, 과잉 배기 가스(즉, 재순환되지 않는 배기 가스)의 대기로 배출되며, 제안된 열역학적 사이클이 열역학 제2법칙을 준수하여 실행 가능하도록 하는 데 필요한 저온 공급원으로의 완전한 열 전달을 나타낸다. 차례로, 제1 WCAC 냉각기(3), 제2 WCAC 냉각기(9), 제3 WCAC 냉각기(11) 및 제4 WCAC 냉각기(13) 및 재생(제1 재생 열교환기(23), 제2 재생 열교환기(5) 및 촉매 MIEC(15)에서 생성된)에서 열 전달은, 한편으로는, 작동 유체의 전체 압축 공정을 보다 등온적으로 만들기 때문에, 그리고, 다른 한편으로는, 공기로부터의 분리를 위해 배기 가스로부터 에너지를 회수하기 때문에, 열역학적 사이클의 엑서지(exergy) 파괴를 최소화시킨다. 등온 압축에 대한 근사와 시스템 가스에서 열을 추출하기 위한 재생 열교환기의 사용은 MIEC 멤브레인(6)에서 공기로부터 분리된 N2 사이클을 에릭슨 사이클로 알려진 카르노 사이클과 동일한 수율의 사이클에 근사한다. CO2+H2O+O2 혼합물의 사이클은 중간 압축 및 팽창을 가진 폐쇄 브레이튼 사이클에 동화될 수 있지만, 제2 실린더(14)에는 오토 사이클이 중첩되며, 이는 지금까지 문헌에서 설명되지 않았다. 본질적으로, 준-폐쇄형 브레이튼 사이클은 N2 사이클에 대해 이진이며(N2 사이클에 열을 보냄으로써, 에릭슨 사이클과 같이 최대 효율의 이상적인 사이클에 근사하기 위한 열역학적 원리를 따름) 오토 사이클로 중첩되며, 상기 준-폐쇄형 브레이튼 사이클은 최대 효율의 다른 이상적인 사이클인 카르노 사이클의 원리를 따르는 이진 사이클의 신규한 실시예이다.
마지막으로, 탄화수소(연료)와 산화 혼합물(CO2, H2O, O2)이 연소된 결과, CO2, H2O, 및, 소량이지만, 미연소 THC 및 CO의 혼합물이 제2 실린더(14)의 출구에서 생성된다.
배기 가스의 재순환되지 않은 부분은 분기(29)를 통해 발산되어 터빈 VGT2(8)의 입구에서 배출된다. 이 과잉은 CO2, H2O, CO 및 미연소 총 탄화수소(THC)의 혼합물인 배기 가스의 약 20%를 나타낸다. 분기(29)의 하류 및 제2 체크 밸브(19)의 상류에는 촉매 MIEC 멤브레인(15)이 있는데, 여기서 배기 가스는 대략 1273K(999.85℃)의 온도로 들어가며, 그 열을 엔진에 의해 전달되는 공기 흐름의 100%로 전달하고, 그 온도는 약 623K(349.85℃)로 현저하게 떨어진다. 그와 동시에, 촉매 MIEC 멤브레인(15)에서 생성되는 화학 반응으로 인해, CO 및 THC는 CO2 및 H2O 증기를 형성할 때까지, 연소로부터 남은 O2와 함께 산화된다. 다시 말하면, 산소-연소는 제2 실린더(14)에서 NOx의 생성을 방지하기 때문에, 촉매 멤브레인(15)에서 형성된 H2O와 CO2의 혼합물에는 유해 가스가 없다(CO 없음, THC 없음 및 NOx 없음). 따라서, 건강에 해로운 어떠한 가스도 없이 혼합물이 배출된다.
촉매 MIEC 멤브레인(15)의 하류에서, CO2와 H2O의 혼합물이 터빈 VGT2(8)의 입구에서 제2 체크 밸브(19)를 통해 배출된다. 제2 체크 밸브(19)는 대략 0.11 MPa의 압력에서 칭량되며(tared) 일시적인 공정 동안 공기 또는 N2가 산화 가스의 혼합물에 들어갈 수 있는 것을 방지하는 역할을 한다. 따라서, 제2 체크 밸브(19)의 상류에는, 대기로부터 분리되고 폐쇄된 체적이 형성된다. 이 체적은, 엔진이 정지된 후에, CO2+H2O+O2의 산화 혼합물을 축적하기 위한 시스템으로 작동하는 N2가 없는 도관의 회로에 의해 형성된다. 이 축적된 혼합물은 제2 실린더(14)에서 연소를 시작하는 데 사용할 수 있는 MIEC 멤브레인(6)에 의해 생성된 과잉 O2가 이미 있기 때문에 추후 엔진 시동을 용이하게 한다. 마지막으로, N2, CO2 및 H2O의 혼합물은 앞서 설명한 바와 같이 열을 추출하기 위해 미리 제1 재생 열교환기(23)를 통과하는 도관(30)을 통해 대기로 배출된다.
나머지 비-과잉 배기 가스(즉, 재순환 배기 가스)는 그 체적 흐름의 약 80%를 나타낸다. 상기 비-과잉 혼합물은 MIEC 멤브레인(6)을 통과하기 위해 압축기 C1(10), 압축기 C3(12) 및 실제 제2 실린더(14)에 의해 흡입된다. MIEC 멤브레인(6)에서, 재순환된 배기 가스는, 한편으로는, MIEC 멤브레인(6)의 생산성을 향상시키기 위해 멤브레인을 통과하는 O2의 부분 압력을 스위핑(sweeping)하고 낮추는 간접적인 기능을 수행하며, 다른 한편으로는, 산화 혼합물에서 O2의 비율을 감소시키는 직접적인 기능을 수행한다. 이에 따라, 제2 실린더(14)의 출구에서, 약 1273K(999.85℃)의 연소 가스의 온도가 제어된다. 따라서, 사이클은 MIEC 멤브레인(6)의 출구에서 닫히고, 혼합물은 공기로 열을 전달하기 위해 제2 재생 열교환기(5)의 입구로 되돌아간다.
설명된 공정에서, 엔진은, 멤브레인의 생산성 및 압축기 C2(2)에 의해 전달되는 공기를 조절하는 대신, 흐름을 조절하지 않고도 충전을 조절하고, 공기/연료비를 항상 화학량론적 비율에 가깝게 유지하기 위해 효율적인 방식으로 작동한다. O2의 생산성은, 제1 실린더(4)가 동일한 샤프트에서 제2 실린더(14)와 기계적으로 결합되기 때문에, 엔진 가속도에 즉각적으로 반응한다. 따라서, 엔진의 동적 응답은 터보과급 엔진의 일반적인 터보차저 지연(lag)을 경험하지 않는다. 마지막으로, 엔진은 제2 체크 밸브(19)로부터 나오는 CO2 및 H2O와 터빈 VGT2(8)의 출구로부터 나오는 N2, H2O 및 대기 CO2의 혼합물을 대기로 배출한다. 이는 즉, 사람과 동물의 호흡 과정에 유해하며 건강에 해로운 가스를 배출하지 않는다는 의미이다.
실시예 2: 오염 가스 배출이 없고, 생성된 CO 2 포집 및 대기 CO 2 제거가 있는, 사전혼합된 혼합물을 사용하는 스파크 점화(SI) 엔진
실시예 2는 생성된 CO2 및 대기를 포집하는 사전혼합된(균질한) 혼합물을 사용하는 스파크 점화(SI) 엔진에 대해 표시된다. 따라서, 대기로부터 CO2를 제거하는 엔진 범주에 속한다(배출률 < 0). 실시예 2는 순 기계적 동력을 생산하기 위해 혼합물의 자체-점화 없이 아음속의 폭연 연소 공정을 기반으로 한다.
엔진의 충전 정도(최대 토크의 백분율)는 MIEC 멤브레인(6)에서 O2 생성률에 의해 제어된다. 이것은 공기 흐름을 조절하기 위해 조절 버터플라이 밸브를 사용하지 않기 때문에 펌핑 손실을 줄인다.
연소 온도는 산화제(O2)와 연료(HxCyOz)의 혼합물을 실제 연소 및 사전-냉각으로부터 CO2 및 H2O로 희석하여 제어한다. 이것은 상기 작업에 연료를 사용하는 것을 방지한다(높은 회전 속도 및 최대 파워에 있는 오늘날 SI 엔진의 표준 관행).
실시예 2는 엔진에서 배출되는 CO2를 포집하여 가능한 최대한 효율적으로 대기 중 CO2 함량을 줄이는 것을 제안한다. 또한, 공급원(연소 챔버) 또는 MIEC 멤브레인에서 오염 가스(CO, THC, PM 및 NOx) 배출을 제거하여, 배기 가스를 세정하기 위한 후처리의 필요성을 최소화하고, 엔진의 생산 비용을 크게 절감한다. 현재, 가스를 세정하기 위한 후처리는 파워 조립체의 총 비용의 30% 정도인 것으로 추산된다. 또한 산소-연소는 냉간 시동 공정 동안 오염 가스가 배출되지 않도록 한다. 이것은 배기 가스 세정을 위한 후처리 시스템을 가열(활성화)하는 데 필요한 시간을 고려할 때 오늘날의 엔진에서는 발생하지 않는다.
실시예 2는 공기 흐름으로부터 CO2를 추출하기 위해 사용된 기술에 따라 도 2a 및 2b에 도시된다. 실시예 2에서, 대기는 압축기(C2)(2)에 의해 흡입된 필터(1)를 통해 엔진으로 들어간다. 압축기 C2(2)는 터보 조립체의 일부이며 가변 형상 터빈(VGT2)(8)에 기계적으로 결합된다. 압축기 C2(2)는, 도 2a의 경우 MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 N2+H2O 또는 도 2b의 경우 CO2 멤브레인(28)에서 거부된 N2+H2O로부터 터빈 VGT2(8)에 의해 회수된 에너지를 사용하여 공기를 전달한다. 정격 조건에서, 압축기 C2(2)의 출구의 공기는 약 0.4 MPa의 압력과 473K(199.85℃)의 온도를 갖는다. 공기는 엔진의 공기 충전의 제1 수-냉각기(WCAC)(3)를 통과한다. 제1 WCAC 냉각기(3)의 출구에서, 온도는 약 323K(49.85℃)로 떨어지며, 엔진의 제1 실린더(4)에서 후속 압축이 더욱 등온된다(isothermal).
도 2a의 실시예에서, 제1 WCAC 냉각기(3)의 출구에서의 작동 온도에서 약 2000의 전체 CO2/N2 선택도를 갖는 CO2 폴리머 멤브레인(28)에서 공기가 CO2로 세정된다. 이것은, 도 2a에서, 멤브레인을 통과하는 CO2가 CO2 멤브레인(28)에서 투과된 대기 CO2의 부분 압력을 낮추는 분리기(17)로부터 수증기에 의해 혼입된다는 사실의 결과로서 달성된다. 도 2a에서, 대기 중 CO2와 CO2 멤브레인(28)을 세정하는 데 사용되는 물은 진공 브레이튼 사이클(VBC)(21)을 수행하기 위한 수단에서 연소 생성물 및 O2의 흐름과 함께 모인다(pooled). 즉, 이것은, 도 5a에 도시된 바와 같이, 제5 WCAC 냉각기(31)의 출구에서 생성되고, VBC 사이클의 내부 세부 사항을 나타내며 아래에서 자세히 설명될 것이다.
도 2b에 도시된 또 다른 바람직한 실시예에서, 공기는 제1 WCAC 냉각기(3)의 출구에서 어떠한 CO2 멤브레인과도 만나지 않으며, 따라서 공기 중의 CO2 함량은 변하지 않는다. 이러한 또 다른 양태의 실시예 2의 경우, 상기 CO2는 하류에서 포집된다.
공기는 이후 엔진의 제1 실린더(4)에 의해 흡입된다. 실시예 2에서, 5-실린더, 4-행정 엔진을 나타내며, 따라서 공기를 흡입하는 2개의 실린더가 있다. 제1 실린더(4)는 공기를 약 0.9 MPa 및 473K(199.85℃)로 압축하는 펌프처럼 작동한다. 제1 실린더(4)는 바람직하게는 크랭크샤프트(25), 캠샤프트 및 밸브 타이밍 기어를 공유하고 내부에 연료가 주입되지 않는 독특한 특징을 갖는 엔진의 나머지 실린더와 동일하다. 4-행정 엔진이기 때문에, 공기가 4 행정 동안 제1 실린더(4) 내부에 남아 있으며, 그에 따라 엔진 냉각수(약 363K(89.85℃)로 압축 및 냉각되어 압축이 보다 등온적으로 된다. 상기 제1 실린더(4)는 터보기계 조립체가 사이클 공기흐름과 터빈을 시동하기 위한 시동 시스템으로 작동한다. 그들은 왕복 엔진에 사용되는 유형의 기존 시동 모터에 의해 시스템이 시동될 때까지 그 단부로 이동된다.
제1 실린더(4)의 출구에서, 공기는 제1 재생 열교환기(23)에서 가열되며, 추가 피스톤(22)의 출구에서 H2O 및 CO2의 흐름으로부터의 열 에너지를 이용하여 압력을 약 0.87 MPa로 낮추고 온도를 약 573K(299.85℃)로 올린다. 제1 재생 열교환기(23)의 출구에서, 공기는 제3 재생 열교환기(24)에서 가열되며, 터빈 VGT2(8)의 출구로부터 0.1 MPa의 압력 및 대략 800K(526.85℃)의 온도에서, N2의 흐름으로부터 열 에너지를 이용하여, 압력을 약 0.85 MPa로 낮추고 온도를 약 673K(399.85℃)로 올린다.
제3 재생 열교환기(24)의 출구에서, 공기는 촉매 MIEC 멤브레인(15)에서 다시 가열되며, 제2 실린더(14)의 연소로 인한 배기 가스로부터의 열 에너지를 사용하여, 압력을 약 0.8 MPa로 낮추고 온도를 약 723K(449.85℃)로 올린다. 촉매 MIEC 멤브레인(15)에서, 배기 가스는 열을 공기에 전달하고(재생 열교환기처럼 작동되는) 전체 가스 흐름이 오직 CO2와 H2O로만 구성될 때까지, CO와 HC가 모두 산화된다. 이 배기 가스 흐름이 엔진에 의해 전달되는 배기 가스의 총 흐름 체적의 약 20%를 나타내기 때문에, 상기 엔진의 가스를 세정하기 위한 후처리의 필요성은 20% 만큼 감소한다. 촉매 MIEC 멤브레인(15) 후에, 공기는 제2 재생 열교환기(5)에서 다시 가열되며, 혼입 챔버에서 O2의 부분 압력을 낮추고 MIEC 멤브레인(6)을 통과하는 O2를 혼입하는 데 사용되는 CO2 및 MIEC 멤브레인(6)에 의해 공기로부터 얻어진 O2로부터 열 에너지를 사용하여, 압력을 약 0.8 MPa로 낮추고 온도를 약 873K(599.85℃C)로 올린다.
제2 재생 열교환기(5) 후에, 0.8 MPa 압력 및 873 K(599.85℃)의 온도에서, 공기가 MIEC 멤브레인(6)으로 들어가 MIEC 멤브레인(6)의 작동 온도(약 1173K(899.85℃)에 도달하며, 산소-연소 공정에서 나오는 H2O 및 CO2와 열 교환되고, O2를 세정하는 데 사용된다.
도 2b의 실시예의 경우, O2 MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 O2-고갈된 공기는 약 1173K(899.85℃및 0.8 MPa에서 CO2 멤브레인(28)(작동 온도에서 전체 CO2/N2 선택도가 약 2500인 용융 카보네이트에 따라)으로 들어가며, 대기 CO2가 N2+H2O의 흐름으로부터 분리된다. 이는 CO2가 멤브레인에서 투과된 대기 CO2의 부분 압력을 낮추는 분리기(17)로부터 수증기에 의해 제거된다는 사실의 결과로서 달성된다. 도 2b에서, 투과된 대기 CO2는 MIEC 멤브레인(6)에 의해 생성된 O2와 제2 실린더(14)의 연소로부터 생성된 CO2 및 H2O의 혼합물과 함께 모아지며, O2의 부분 압력을 낮추고 MIEC 멤브레인(6)을 세정하는 데 사용된다.
도 2a에 도시된 바람직한 실시예의 다른 양태에서, O2 MIEC 멤브레인(6)으로부터의 거부는 하류에서 어떠한 CO2 멤브레인도 만나지 않는데, 그 이유는 공기가 이미 CO2 멤브레인(28)에서 CO2로 세정되었기 때문이다.
도 2a의 실시예의 경우에서 O2 MIEC 멤브레인(6)으로부터의 거부 및 도 2b의 실시예에서 CO2 멤브레인(28)으로부터의 거부는 둘 다 대기 CO2가 실질적으로 없고 0.75 MPa 및 1173K(899.85℃)에서 대기 N2+H2O이다. 상기 거부 각각은 시스템에 의해 전달된 공기 질량의 약 80%를 나타내며 터빈 VGT1(71) 및/또는 제어 밸브(72)를 통과한다.
터빈 VGT1(71) 및 제어 밸브(72)는 터빈 VGT1(71)이 기계적으로 연결된 압축기 C1(10)과 함께 터보 조립체의 일부이다. 터빈 VGT1(71)은 MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 N2 흐름의 에너지를 이용하여, 에너지를 회수하여 압축기 C1(10)를 이동시킨다. 제어 밸브(72)는 압축기 C1(10)으로의 에너지 흐름을 조절한다. 압축기 C1(10)은 MIEC 멤브레인(6)의 CO2를 전달하며, 따라서 CO2, H2O 및 O2의 혼합물을 전달한다. 압축기 C1(10)은 엔진의 가스 흐름의 약 95%를 전달한다. 그 결과, 제어 밸브(72)는 O2를 희석하는 데 사용되는 CO2 및 H2O의 흐름을 조절하며, 따라서 연소 온도 및 배기 가스 연소 온도를 조절한다. 결론적으로, 제2 실린더(14) 출구에서 엔진의 배기 가스 온도는 제어 밸브(72)에 의해 조절되며, 정격 조건 하에서 대략 1273K(999.85℃)의 값에서 조절된다.
제어 밸브(72)는 일반적으로 압축기 C1(10)의 압력을 조절하기 위해 부분적으로 개방된 상태로 작동한다. MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 N2의 일부는 터빈 VGT1(71)을 순환하여, 팽창되고 냉각된다. 거부된 N2의 다른 부분은 냉각되지 않고 실제 제어 밸브(72)를 통해 순환한다. N2의 다른 부분은 터빈 VGT1(71)의 하류에서 차갑고 팽창된 N2와 혼합되어, 재가열되고 그에 따라 온도가 증가한다.
제어 밸브(72) 및/또는 터빈(71)을 통과한 후에, MIEC 멤브레인(6)으로부터 거부된 N2+H2O(공기 흐름의 80%)는 압축기 C2(2)를 이동하는 데 사용되는 가변 형상 터빈 VGT2(8)에서 이용된다. 터빈 VGT2(8)에 대한 대략적인 정격 입구 조건은 0.3 MPa 및 823K(549.85℃)이다. 터빈 VGT2(8)의 가변 형상은 연소 엔진의 충전 정도를 조절하는 데 사용된다. 터빈 VGT2(8)가 닫히면, MIEC 멤브레인(6)을 통한 공기 흐름과 MIEC 멤브레인(6)의 작동 압력은 증가한다. 따라서, 화학량론적 조건 하에서 주입할 수 있는 연료량 및 시간당 O2 생성량이 증가한다. 터빈 VGT2(8)가 개방되면, 반대 현상이 발생한다. 터빈 VGT2(8)의 최소 크기(최소 개방)는 왕복 엔진의 실린더 용량에 따라 선택되며 엔진의 각각의 회전 속도에서 시스템의 최대 파워를 설정한다. 터빈 VGT2(8)의 최대 개방은 각각의 회전 속도에서 왕복 엔진의 최소 충전(공전)을 결정한다. 터빈 VGT2(8)은 웨이스트게이트(또는 WG) 밸브를 포함할 수 있다. 터빈 VGT2(8) 또는 웨이스트게이트 밸브가 최대로 개방되면, 압축기 C2(2)의 에너지가 0으로 감소하여, MIEC 멤브레인의 작동 압력과 전달된 공기의 흐름 체적 모두 현저하게 감소한다.
엔진 충전이 감소되어 심지어 0으로 낮아질 때까지 감소하면, 제어 밸브(72)는 개방되고, 터빈 VGT1(71)을 피하면서, 압축기 C1(10)의 에너지가 0으로 감소한다. 이 경우, MIEC 멤브레인(6)으로 흐르는 CO2 및 H2O의 흐름이 억제된다. 이것은 MIEC 멤브레인(6)의 양쪽에 있는 O2의 부분 압력과 동일하고, O2의 흐름을 억제하여, 상기 실시예 2의 엔진 충전을 공전 상태로 둔다.
터빈 VGT2(8)의 출구에서, 약 0.1 MPa의 압력과 약 800K(526.85℃)의 온도에서 N2 및 H2O의 혼합물이 제3 재생 열교환기(24)를 통과하여, 가스 혼합물(건강에 해로운 가스가 없는)이 대기 중으로 배출되기 전에, 열을 공기에 전달한다.
MIEC 멤브레인(6)을 통과하는 O2의 부분 압력을 낮추고 O2를 세정하는 데 사용되는 CO2과 H2O 및 MIEC 멤브레인(6)에 의해 교환된 O2의 혼합물은 MIEC 멤브레인(6)의 상응하는 단부에서 압축기 C1(10)에 의해 흡입되는 제2 연소 실린더(14)로 배출된다. 대기 CO2를 포집하기 위한 용융 카보네이트 멤브레인에 따른 실시예 2의 형태의 경우(도 2b), 상기 지점(MIEC 멤브레인(6)의 출구)에서, 상기 혼합물(멤브레인을 통과하는 O2의 부분 압력을 낮추고 O2를 세정하는 데 사용되는 CO2와 H2O, 및 MIEC 멤브레인(6)에 의해 교환되는 O2의 혼합물)은 차례로 대기 CO2 및 이를 세정하는 데 사용되는 수증기와 혼합된다. 상기 혼합물은 각각 약 0.1 MPa 및 1173K(899.85℃)의 정격 압력과 온도에서 배출되며, 엔진에 의해 전달되는 공기의 흐름 체적의 약 80%를 나타낸다. CO2, H2O 및 O2의 혼합물의 열은 제2 재생 열교환기(5)에서 회수되어 촉매 MIEC 멤브레인(15)의 출구에서 공기를 가열한다. 제2 재생 열교환기(5)의 출구에는, 약 0.08 MPa 및 723K(499.85℃)의 정격 조건이 있다.
다음으로, 혼합물은 진공 브레이튼 사이클(VBC)(21)을 수행하기 위한 수단을 통해 흐른다. 진공 브레이튼 사이클(VBC)(21)을 수행하기 위한 수단은 혼합물의 온도를 압력으로 변환하여 혼합물을 냉각시키고 제2 재생 열교환기(5)로 인한 압력 손실을 복구하는 기능을 갖는다. 진공 브레이튼 사이클(VBC)(21)을 수행하기 위한 수단은 터보 조립체를 형성하는 압축기 C3(12)와 기계적으로 결합된 터빈 VGT3(16)으로 구성된다. 터빈 VGT3(16)의 출구와 압축기 C3(12)의 입구 사이에는 제5 WCAC 냉각기(31)가 있다. 대기 CO2를 포집하기 위한 폴리머 멤브레인에 따른 실시예 2의 형태의 경우(도 2a), 제5 WCAC 냉각기(31)의 출구에서, 연소로부터 생성된 O2와 CO2가 대기 CO2 및 이 대기 CO2를 세정하기 위해 사용되는 물과 혼합된다. 도 2b에서, 대기 CO2는 이제 상기 지점에서 산화 혼합물의 일부이다. 진공 브레이튼 사이클(VBC)(21)을 수행하기 위한 수단의 내부 세부사항은 도 5a에서 볼 수 있으며 그 작동 사이클은 도 5b의 T-s 다이어그램에서 볼 수 있다. CO2, H2O 및 O2의 혼합물은 터빈 VGT3(16)에서 에너지를 이용하도록 팽창되고, 제5 WCAC 냉각기(31)에서 냉각되며, 약간의 충전 손실을 유지하고, 압축기 C3(12)에서 압축되며, 터빈 VGT3(16)과 기계적으로 결합된다. 압축기 C3(12)의 출구에서, 혼합물은 터빈 VGT3(16)의 입구보다 더 차갑고 더 높은 압력에 있다.
압축기 C3(12)의 출구에서 산화 혼합물의 정격 조건은 약 0.1 MPa 및 523K(249.85℃)이다. 경로가 제2 실린더(14)로 이어지는 산화 혼합물은 제2 WCAC 냉각기(9)에서 323K(49.85℃)로 냉각된다. 그 다음에, 압축기 C1(10)에서 0.3 MPa 및 473K(199.85℃)로 압축되며, 전술한 바와 같이, 압축기 C1(10)의 조건은 배기 가스의 온도를 약 1273K(999.85℃)로 유지하기 위해 제어 밸브(72)에 의해 부과되는 조건이다. 압축기 C1(10) 후에, CO2, H2O 및 O2의 혼합물은 제2 실린더(14)에 의해 흡입되기 전에 제3 WCAC 냉각기(11)에서 323K(49.85℃)로 다시 냉각된다. 이 실린더들은 실시예 2의 설명의 시작 부분에서 구현된 예로서 사용된 4-행정 엔진의 5개 실린더 중 2개이다.
제2 실린더(14)에서, 탄화수소 HxCyOz는 연료 펌프(26)로 O2와 화학량론적 비율로, CO2, H2O 및 O2의 산화 혼합물에 주입된다. 상기 제2 실린더(14)에서, 스파크 점화 사전혼합된 연소 사이클 및 오토 사이클과 유사한 사이클이 수행된다. 제2 실린더(14)는 MIEC 멤브레인(6)을 위한 공기를 전달하는 제1 실린더(4)와 잔류 CO2 및 H2O를 조밀화하기 위해 압축하는 추가 피스톤(22)을 이동시키는 에너지를 생성하며, 이들은 모두 동일한 크랭크샤프트(25)에 결합된다. 제2 실린더(14)는 또한 엔진이 결합된 차량, 발전기 또는 샤프트를 통해 기계적 에너지의 입력을 필요로 하는 임의의 애플리케이션을 움직이는 데 사용되는 순 기계적 에너지의 과잉을 생성한다. 이러한 제2 실린더(14)는 터보기계 조립체가 사이클 공기흐름과 터빈을 시동하기 위한 시동 시스템으로 작동한다. 그들은 왕복 엔진에 사용되는 유형의 기존 시동 모터에 의해 시스템이 시동될 때까지 그 단부로 이동된다.
제1 WCAC 냉각기(3), 제2 WCAC 냉각기(9), 제3 WCAC 냉각기(11) 및 제4 WCAC 냉각기(13), 제5 WCAC 냉각기(31), 및 제6 WCAC 냉각기(18)에서 물에 열을 전달하고, 재생에서 전달된 열(제1 재생 열교환기(23), 제2 재생 열교환기(5) 및 촉매 MIEC(15)에서 생성된)과, 과잉 CO2 및 H2O의 포집 및 조밀화는, 제안된 열역학적 사이클이 열역학 제2법칙을 준수하여 실행 가능하도록 하는 데 필요한 저온 공급원으로의 완전한 열 전달을 나타낸다. 차례로, 제1 WCAC 냉각기(3), 제2 WCAC 냉각기(9), 제3 WCAC 냉각기(11), 제4 WCAC 냉각기(13), 제5 WCAC 냉각기(31), 및 제6 WCAC 냉각기(18), 및 재생(제1 재생 열교환기(23), 제2 재생 열교환기(5), 제3 재생 열교환기(24) 및 촉매 MIEC(15)에서 생성된)에서 열 전달은, 한편으로는, 작동 유체의 전체 압축 공정을 보다 등온적으로 만들기 때문에, 그리고, 다른 한편으로는, 공기로부터의 분리를 위해 배기 가스로부터 에너지를 회수하기 때문에, 열역학적 사이클의 엑서지 파괴를 최소화시킨다. 등온 압축에 대한 근사와 CO2+H2O로부터 열을 추출하기 위한 재생 열교환기의 사용은 MIEC 멤브레인(6)에서 N2 사이클을 에릭슨 사이클로 알려진 카르노 사이클과 동일한 수율의 사이클에 근사한다. CO2+H2O+O2 혼합물의 사이클은 중간 압축 및 팽창을 가진 폐쇄 브레이튼 사이클에 동화될 수 있지만, 제2 실린더(14)에는 오토 사이클이 중첩되며, 이는 지금까지 문헌에서 설명되지 않았다. 본질적으로, 준-폐쇄형 브레이튼 사이클은 N2 사이클에 대해 이진이며(N2 사이클에 열을 보냄으로써, 에릭슨 사이클과 같이 최대 효율의 이상적인 사이클에 근사하기 위한 열역학적 원리를 따름) 오토 사이클로 중첩되며, 상기 준-폐쇄형 브레이튼 사이클은 최대 효율의 다른 이상적인 사이클인 카르노 사이클의 원리를 따르는 이진 사이클의 신규한 실시예이다.
탄화수소(연료)와 산화 혼합물(CO2, H2O, O2)이 연소된 결과, CO2, H2O, 및, 미연소 THC 및 CO의 혼합물이 제2 실린더(14)의 출구에서 생성된다. 한편으로는, 상기 배기 가스의 80%는 MIEC 멤브레인(6)을 통과하기 위해 압축기 C1(10) 및 제2 실린더(14) 자체에 의해 흡입된다. MIEC 멤브레인(6)에서, 한편으로는, MIEC 멤브레인(6)의 O2의 전달을 향상시키기 위해 O2의 부분 압력을 스위핑하고 낮추는 기능을 수행하며, 다른 한편으로는, CO2와의 혼합물은 연소 온도를 왕복 내연기관(RICE)의 재료가 견딜 수 있는 한계까지 감소시킨다. 따라서, MIEC 멤브레인(6)의 출구에서, 사이클은 닫히고, 혼합물은 공기로 열을 전달하기 위해 제2 재생 열교환기(5)의 입구로 되돌아간다. 설명된 공정에서, 엔진은 멤브레인의 O2의 생산성을 조절하는 대신, 흐름을 조절하지 않고도 충전을 조절하고, 공기/연료비를 항상 화학량론적 비율에 가깝게 유지함으로써 효율적인 방식으로 작동한다. 제1 실린더(4)가 제2 실린더(14)와 동일한 축에 기계적으로 결합되기 때문에, 멤브레인의 생산성은 엔진 가속도에 즉각적으로 반응한다. 따라서, 엔진의 동적 응답은 터보 조립체의 기계적 관성으로 인한 터보과급된 RICE 지연에 의해 조절되지 않는다.
다른 한편으로, CO2, H2O, 미연소 THC 및 CO의 혼합물인 배기 가스의 나머지 20%는 촉매 MIEC 멤브레인(15)에서 연소로부터 남은 O2와 함께 산화되며, 이들은 대략 1273K(999.85℃)의 온도에서 들어오고, 엔진에 의해 전달된 공기 흐름의 100%에 열을 전달하여, 온도가 약 703K(429.85℃)로 현저하게 떨어진다. 동시에, 그리고, 촉매 MIEC 멤브레인(15)에서 생성되는 화학 반응으로 인해, CO 및 THC는 연소로부터 남은 O2와 함께 CO2 및 H2O 증기로 산화되며, 그리고 다시 산소- 연소로 인해, 제2 실린더(14)에서 NOx의 생성이 방지된다. 따라서, 혼합물은 건강에 해로운 가스 없이(CO 없음, THC 없음, NOx 없음) 배출된다.
다음으로, 추가 피스톤(22)으로부터 역류(backflow)가 유출되는 것을 방지하기 위해 제1체크 밸브(33)가 설치된다. 추가 피스톤(22)은 크랭크샤프트(25)에 의해 이동되고, 상기 흐름 체적의 20%(앞서 언급한 배기 가스의 나머지 20%)를 7.5 MPa로 압축한다. 7.5 MPa의 압력은 제2 체크 밸브(19)와 설정 스프링에 의해 조절된다. 추가 피스톤(22)의 4 행정에서 준-등온 방식으로 압축이 수행되며, 배기 밸브가 개방되어 CO2 및 H2O 증기의 혼합물이 배출될 때까지, 흡기 밸브가 개방되어 혼합물을 흡입한다. 7.5 MPa로 압축된 혼합물은 약 673K(399.85℃)의 온도에서 배출되며, 상기 혼합물이 여전히 추가 피스톤(22) 내부에서 가스 상태로 있도록 하기 위하여 7.5 MPa에서 물의 포화 온도인 573K(299.85℃) 이상으로 유지되어야 한다.
혼합물은 먼저 제1 재생 열교환기(23)에서 냉각된 다음, 제4 WCAC 냉각기(13)에서 473K(199.85℃)로 냉각되어, H2O가 액체 상태로 변환된다. 7.5 MPa 및 473 K(199.85℃)에서 액체 물의 질량은 엔진에 의해 전달되는 질량의 총 흐름 체적의 약 2%를 나타낸다. 다음으로, 액체 물은 출구에 압력 적층 밸브가 있는 관성 분리기일 수 있는 분리기(17)에서 CO2 가스로부터 분리된다. 물이 가스 상태로 유지된다면, 분리기(17)로서 폴리머 멤브레인을 사용할 수도 있다. 약 0.1 MPa의 압력과 473K(199.85℃)의 온도에서 분리된 물로부터의 에너지는 CO2 멤브레인(28)에서 구동 유체로서 사용된다. 수증기는 CO2 면을 제거하며, 희석에 의해 부분 압력을 낮춘다. 연소로부터 나오는 H2O 회로를 대기와 연결하는 제3 체크 밸브(32)가 수증기의 압력을 조절하여 대기압(barometric pressure)과 동일하게 유지한다. 또한, 연속적인 엔진 연소에서 생성된 과잉 수증기가 대기로 퍼지(purge)되게 한다.
H2O가 분리된 후에, 이미 고순도인 과잉 CO2는 제6 WCAC 냉각기(18)에서 임계 온도인 303K(29.85℃) 이하로 냉각된다. 액체 CO2는 제2 체크 밸브(19)를 통과하고 온도가 303K(29.85℃) 이하로 제어되는 제1 탱크(20)에 7.5 MPa로 저장된다. 이 탱크가 충전되면, 엔진 자율성이 종료된다. 탱크는, 필요한 경우, 차량의 에어컨에 의해 생성되는 것과 같은 냉각 회로를 사용하여 CO2의 아임계 온도(< 303K(29.85℃)로 유지된다. 탱크는 주유소에서 방출되어 연료 탱크로 교체된다. 액체 CO2는 다시 탄화수소(e-디젤, 블루-크루드 등으로 지칭되는 합성 연료와 같은)로 변환되거나, 화학 산업에 제품으로서 공급되거나, 냉각 산업에 냉각제 유체로 공급되거나, 혹은 통제된 집수지(catch basin)에 저장된다. 그러나, 대기 중으로는 배출되지는 않는다. CO2가 대기 중으로 배출되지 않는다는 것은, 본 실시예 2가 대기 중 CO2를 제거하고 연소 공정에서 생성된 CO2를 배출하지 않았기 때문에 음의 순 배출량을 갖는 엔진이라고 결정할 수 있게 한다.
실시예 3: O 2 생성율에 의해 제어되는 유효 가변 압축비를 갖고, 오염 가스 배출 없으며, CO 2 포집 없는, 층화된 혼합물 및 확산 연소를 갖는 압축 점화(CI) 엔진
실시예 3은 오염 물질의 배출이 없고 CO2의 포집이 없는 층화된 혼합물(확산 연소)을 갖는 압축 점화(CI) 엔진에 대해 표시된다. 순 기계적 동력의 생산을 위해, 실시예 3은 연료 흐름의 이동량에 의해 제어되는 연소 속도 및 사전혼합물의 폭발에 의한 자체-점화가 있는 확산 연소 공정에 따른다.
수퍼차징의 정도는 사이클의 유효 압축비를 통해 각각의 영역에서 최대 토크의 백분율에 영향을 준다. 이 유효 압축비는 가변적이며 MIEC 멤브레인의 O2 생산율에 의해 제어된다. 이것은, 엔진의 실린더 용량을 줄일 수 있고 터보기계 및 실린더에서 공기의 유효 압축 공정이 등온 공정에 근사할 수 있는 크기 감소의 개념을 나타낸다.
연소 온도는 산화제(O2)와 연료(HxCyOz)의 사전-냉각된 혼합물을 연소 자체의 CO2 및 H2O로 희석하여 제어한다. 높은 배기 가스 재순환(EGR)율을 갖는 이러한 혼합물은 또한 부분 압력을 낮춤으로써 O2 MIEC 멤브레인(6)에서 O2 생성율을 높이는 데 도움이 된다.
실시예 3은 엔진에서 배출되는 CO2를 포집하는 것이 아니라 공급원(연소 챔버) 또는 MIEC 멤브레인에서 오염 가스(CO, THC, PM, 및 NOx) 배출을 제거하는 것을 제안하며, 배기 가스 세정을 위한 후처리가 필요하지 않아, 엔진 생산 비용에서 상당한 절감을 나타낸다. 현재, 가스를 세정하기 위한 후처리는 파워 조립체의 총 비용의 30% 정도인 것으로 추산된다. 또한, 산소-연소는 냉간 시동 공정 동안 오염 가스가 배출되지 않도록 한다. 이것은 배기 가스 세정을 위한 후처리 시스템을 가열(활성화)하는 데 필요한 시간을 고려할 때 오늘날의 엔진에서는 발생하지 않는다.
실시예 3은 도 3에 도시된다. 실시예 3에서, 대기는 압축기(C2)(2)에 의해 흡입된 필터(1)를 통해 엔진으로 들어간다. 압축기 C2(2)는 터보 조립체의 일부이며 가변 형상 터빈(VGT2)(8)에 기계적으로 결합된다. 압축기 C2(2)는 MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 N2로부터 터빈 VGT2(8)에 의해 회수된 에너지를 사용하여 공기를 전달한다. 정격 조건에서, 압축기 C2(2)의 출구의 공기는 약 0.4 MPa의 압력과 473K(199.85℃)의 온도를 갖는다. 공기는 엔진의 공기 충전의 제1 수-냉각기(WCAC)(3)를 통과한다. 제1 WCAC 냉각기(3)의 출구에서, 온도는 약 323K(49.85℃)로 떨어지며, 엔진의 제1 실린더(4)에서 후속 압축이 더욱 등온된다(isothermal).
공기는 이후 엔진의 제1 실린더(4)의 절반으로 흡입된다. 실시예 3은 4-실린더, 4-행정 엔진을 나타내며, 따라서 공기를 흡입하는 2개의 실린더가 있다. 제1 실린더(4)는 공기를 약 0.8 MPa 및 473K(199.85℃)로 압축하는 펌프처럼 작동한다. 제1 실린더(4)는 바람직하게는 크랭크샤프트(25), 캠샤프트 및 밸브 타이밍 기어를 공유하고 내부에 연료가 주입되지 않는 독특한 특징을 갖는 엔진의 나머지 실린더와 동일하다. 4-행정 엔진이기 때문에, 공기가 4 행정 동안 제1 실린더(4) 내부에 남아 있으며, 그에 따라 엔진 냉각수(약 363K(89.85℃)로 압축 및 냉각되어 압축이 보다 등온적으로 된다. 상기 제1 실린더(4)는 터보기계 조립체가 사이클 공기흐름과 터빈을 시동하기 위한 시동 시스템으로 작동한다. 그들은 왕복 엔진에 사용되는 유형의 기존 시동 모터에 의해 시스템이 시동될 때까지 그 단부로 이동된다.
제1 실린더(4)의 출구에서, 공기는 제1 재생 열교환기(23)에서 가열되며, CO2, H2O 및 N2의 흐름으로부터의 열 에너지를 이용하여 압력을 약 0.77 MPa로 낮추고 온도를 약 673K(399.85℃)로 올린다. N2, CO2 및 H2O의 이러한 흐름은 터빈 VGT2(8)의 하류에 위치한 도관(30)을 통해 대기로 배출된다. N2, CO2 및 H2O의 이러한 흐름은 엔진에 의해 전달되는 공기의 총 흐름 체적의 약 80%를 나타내며 대략 800K(526.85℃)의 온도와 0.1 MPa의 압력에 있다. 제1 재생 열교환기(23)의 출구에서, 공기는 제2 재생 열교환기(5)에서 가열되며, O2의 부분 압력을 낮추고 MIEC 멤브레인(6)를 세정하는 데 사용되는 CO2 및 MIEC 멤브레인(6)에 의해 생성된 O2로부터 열 에너지를 사용하여, 온도를 약 973K(699.85℃)로 올린다. 제2 재생 열교환기(5) 후에, 0.75 MPa 압력에서, 공기가 MIEC 멤브레인(6)으로 들어가 MIEC 멤브레인(6)의 작동 온도(약 1223K(949.85℃)에 도달하며, 산소-연소 공정에서 나오는 H2O 및 CO2와 열 교환되고, O2를 세정하는 데 사용된다.
MIEC 멤브레인(6)으로부터의 거부는 기본적으로 0.7 MPa 및 1173K(899.85℃)에서의 N2이며, 이것은 시스템에 의해 전달되는 공기 질량의 약 80%를 나타내고 터빈 VGT1(71) 및/또는 제어 밸브(72)를 통과한다. 터빈 VGT1(71) 및 제어 밸브(72)는 터빈 VGT1(71)이 기계적으로 연결된 압축기 C1(10)과 함께 터보 조립체의 일부이다. 터빈 VGT1(71)은 MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 N2 흐름의 에너지를 이용하여, 에너지를 회수하여 압축기 C1(10)를 이동시킨다. 제어 밸브(72)는 압축기 C1(10)으로의 에너지 흐름을 조절한다. 압축기 C1(10)은 MIEC 멤브레인(6)의 CO2+H2O를 전달하며, 따라서 CO2, H2O 및 O2의 혼합물을 전달한다. 압축기 C1(10)은 엔진의 가스 흐름의 약 95%를 전달한다. 그 결과, 제어 밸브(72)는 O2를 희석하는 데 사용되는 CO2 및 H2O의 흐름을 조절하며, 따라서 연소 온도 및 배기 가스 연소 온도를 조절한다. 결론적으로, 제2 실린더(14) 출구에서 엔진의 배기 가스 온도는 제어 밸브(72)에 의해 조절되며, 정격 조건 하에서 대략 1223K(949.85℃)의 값에서 조절된다.
제어 밸브(72)는 일반적으로 압축기 C1(10)의 압력을 조절하기 위해 부분적으로 개방된 상태로 작동한다. MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 N2의 일부는 터빈 VGT1(71)을 순환하여, 팽창되고 냉각된다. 거부된 N2의 다른 부분은 냉각되지 않고 실제 제어 밸브(72)를 통해 순환한다. N2의 다른 부분은 터빈 VGT1(71)의 하류에서 차갑고 팽창된 N2와 혼합되어, 재가열되고 그에 따라 온도가 증가한다.
제어 밸브(72) 및/또는 터빈(71)을 통과한 후에, MIEC 멤브레인(6)으로부터 거부된 N2(공기 흐름의 80%)는 압축기 C2(2)를 이동하는 데 사용되는 가변 형상 터빈 VGT2(8)에서 이용된다. 터빈 VGT2(8)에 대한 대략적인 정격 입구 조건은 0.3 MPa 및 823K(549.85℃)이다. 터빈 VGT2(8)의 가변 형상은 MIEC 멤브레인(6)에 의해 전달되는 공기의 흐름 체적, 따라서, 생성된 O2의 흐름 체적을 조절하는 데 사용된다. 터빈 VGT2(8)가 닫히면, MIEC 멤브레인(6)을 통한 공기 흐름과 MIEC 멤브레인(6)의 작동 압력은 증가한다. 따라서, 화학량론적 조건 하에서 주입할 수 있는 연료량 및 시간당 O2 생성량(속도는 동일함)이 증가한다. 터빈 VGT2(8)가 개방되면, 반대 현상이 발생한다. 터빈 VGT2(8)의 최소 크기(최소 개방)는 왕복 엔진의 실린더 용량에 따라 선택되며 엔진의 각각의 회전 속도에서 시스템의 최대 파워를 설정한다. 터빈 VGT2(8)의 최대 개방은 각각의 회전 속도에서 왕복 엔진의 O2의 최소 흐름 체적(공전)을 결정한다. 터빈 VGT2(8)은 웨이스트게이트(또는 WG) 밸브를 포함할 수 있다. 터빈 VGT2(8) 또는 웨이스트게이트 밸브가 최대로 개방되면, 압축기 C2(2)의 에너지가 0으로 감소하여, MIEC 멤브레인의 작동 압력과 전달된 공기의 흐름 체적 모두 현저하게 감소한다.
엔진의 O2의 흐름 체적이 감소되어 심지어 0으로 낮아질 때까지 감소하면, 제어 밸브(72)는 개방되고, 터빈 VGT1(71)을 피하면서, 압축기 C1(10)의 에너지가 0으로 감소한다. 이것은 MIEC 멤브레인(6)의 양쪽에 있는 O2의 부분 압력과 실질적으로 동일하고, O2의 생성율을 최소화하여, 상기 실시예 3의 엔진 충전을 공전 상태로 둔다.
제어 밸브(72)는 생산량에 작용하여 O2의 흐름을 정성적으로 조절하고 터빈 VGT2(8)는 공기의 전달된 흐름 체적에 작용하여 정량적 조절을 제공한다고 말할 수 있다. 두 제어 모두, 체적 압축비를 변경하지 않고도, 제2 실린더(14)의 상사점에서 실린더의 유효 압축비를 매우 광범위하면서도 매우 미세하게 조정한다. 이것은 왕복 엔진에서 일반적으로 가변 압축비로 알려져 있다.
터빈 VGT2(8)의 출구에서, 약 0.1 MPa의 압력과 약 800K(526.85℃)의 온도에서 N2, CO2 및 H2O의 혼합물이 제1 재생 열교환기(23)를 통과하여, 가스 혼합물(건강에 해로운 가스가 없는)이 대기 중으로 배출되기 전에, 열을 공기에 전달한다.
MIEC 멤브레인(6)에 의해 생성된 O2와 O2의 부분 압력을 낮추고 O2를 세정하는 데 사용되는 CO2 및 H2O의 혼합물은 MIEC 멤브레인(6)의 상응하는 단부에서 압축기 C1(10)에 의해 흡입되는 제2 연소 실린더(14)로 배출된다. 상기 혼합물은 각각 약 0.35 MPa 및 1223K(949.85℃)의 정격 압력과 온도에서 배출되며, 엔진에 의해 전달되는 공기의 흐름 체적의 약 115%를 나타낸다. CO2, H2O 및 O2의 혼합물의 열은 제2 재생 열교환기(5)에서 먼저 회수되어 제1 재생 열교환기(23)의 출구로부터 나오는 공기를 가열한다. 제2 재생 열교환기(5)의 출구에는, 약 0.3 MPa 및 700K(426.85℃)의 정격 조건이 있다. 이 압력 및 온도는 또 다른 터보 조립체에 기계적으로 결합된 압축기(C3)(12)를 이동하는 데 사용되는 가변 형상 터빈(VGT3)(16)에 이용된다. 압축기 C3(12)은 터빈 VGT3(16)에 의해 회수된 에너지를 이용하여 사용 중인 터보 슈퍼차저와 같이 제2 실린더(14)를 과급하는 데 사용된다. 터빈 VGT3(16)은, 압축기 C3(12)의 하류의 압력을 0.6 MPa으로 일정하게 유지하기 위해 조절된다.
터빈 VGT3(16)의 하류에서, 터빈 VGT3(16)의 출구에서의 정격 조건은 약 0.1 MPa 및 473K(199.85℃)이다. 터빈 VGT3(16)의 출구에는, CO2, H2O 증기 및 O2의 과잉 혼합물을 임의의 오염 가스 없이(CO 없이, THC 없이, 및 NOx 없이) 대기로 배출하는 분기가 있다. 이는, CO 및 THC를, NOx 생성을 방지하는 산소-연소 및 MIEC 멤브레인(6)에서 생성되는 CO2 및 H2O 증기로 촉매화하는 결과로 달성된다.
이러한 배출은 대략 0.11 MPa의 압력에서 칭량되는(tared) 제2 체크 밸브(19)를 통해 수행되며, 일시적인 공정 동안 공기 또는 N2가 산화 가스의 혼합물에 들어갈 수 있는 것을 방지하는 역할을 한다. 따라서, 제2 체크 밸브(19)의 상류에는, 대기로부터 분리되고 폐쇄된 회로가 형성된다. 이 체적은, 엔진이 정지된 후에, CO2+H2O+O2의 산화 혼합물을 축적하기 위한 시스템으로 작동하는 N2가 없는 도관의 회로에 의해 형성된다. 이 축적된 혼합물은 제2 실린더(14)에서 연소를 시작하는 데 사용할 수 있는 MIEC 멤브레인(6)에 의해 생성된 과잉 O2가 이미 있기 때문에 추후 엔진 시동을 용이하게 한다.
분기(29) 및 제2 체크 밸브(19)와 함께, 터빈 VGT3(16)의 출구에서, 정격 조건은 약 0.11 MPa 및 473K(199.85℃)이다. 제2 실린더(14)로 이어지는 비-과잉 혼합물은 제2 WCAC 냉각기(9)에서 323K(49.85℃)로 냉각된다. 그 다음에, 압축기 C1(10)에서 0.3 MPa 및 473K(199.85℃)로 압축되며, 압축기 C1(10)의 조건은 배기 가스의 온도를 약 1223K(949.85℃)로 유지하기 위해 제어 밸브(72)에 의해 부과되는 조건이다. 압축기 C1(10) 후에, CO2, H2O 및 O2의 혼합물은 제3 WCAC 냉각기(11)에서 다시 323K(49.85℃)로 냉각되고 압축기 C3(12)에서 0.6 MPa 및 473K(199.85℃)로 압축된다. 이를 위해, 이미 설명된 바와 같이, 압축기 C3(12)의 출구에서 압력을 0.6 MPa로 조절하는 터빈 VGT3(16)의 에너지가 사용된다. 마지막으로, 상기 혼합물은, 제2 실린더(14)에 의해 흡입되기 전에, 제4 WCAC 냉각기(13)에서 323K(49.85℃)로 다시 냉각되며, 상기 실시예 3의 설명의 시작 부분에서 확립된 바와 같이, 예로서 사용된 4-실린더, 4-행정 엔진의 절반인 2개이다.
제2 실린더(14)에서, 탄화수소 HxCyOz는 연료 펌프(26)로, 대기 CO2 및 O2의 산화 혼합물에 주입된다. 탄화수소는 확산 연소 엔진 충전을 조절하기 위해 원하는 방식과 양으로 그리고 O2와 화학량론적 비율보다 적은 비율로 주입된다. 제2 실린더(14)에서, 확산 연소 사이클, 압축 점화 사이클, 및 기본적으로 O2 및 연소 생성물 즉 엔진에 유입되는 공기량의 약 80%에 의해 수행되는 디젤 사이클과 유사한 사이클이 수행된다.
제2 실린더(14)는 동일한 크랭크샤프트(25)에 결합될 때 MIEC 멤브레인(6)을 위해 공기를 전달하는 제1 실린더(4)를 이동시키는 에너지를 생성한다. 제2 실린더(14)는 엔진이 결합된 차량, 발전기 또는 샤프트를 통해 기계적 에너지 입력을 필요로 하는 임의의 애플리케이션을 움직이는 데 사용되는 순 기계적 에너지의 과잉(surplus)을 생성한다. 이러한 제2 실린더(14)는 터보기계 조립체가 사이클 공기흐름과 터빈을 시동하기 위한 시동 시스템으로 작동한다. 그들은 왕복 엔진에 사용되는 유형의 기존 시동 모터에 의해 시스템이 시동될 때까지 그 단부로 이동된다.
제1 WCAC 냉각기(3), 제2 WCAC 냉각기(9), 제3 WCAC 냉각기(11) 및 제4 WCAC 냉각기(13)에서 물에 열을 전달하고, 이와 함께, 제1 재생 열교환기(23) 및 제2 재생 열교환기(5)에서 MIEC 멤브레인(6)에서의 열이 전달되며, 분기(29)를 통해, 과잉 산화 혼합물의 대기로 배출되며, 열역학적 사이클이 열역학 제2법칙을 준수하여 실행 가능하도록 하는 데 필요한 저온 공급원으로의 완전한 열 전달을 나타낸다. 차례로, 제1 WCAC 냉각기(3), 제2 WCAC 냉각기(9), 제3 WCAC 냉각기(11) 및 제4 WCAC 냉각기(13) 및 재생(제1 재생 열교환기(23) 및 제2 재생 열교환기(5)에서 생성된)에서 열 전달은, 한편으로는, 작동 유체의 전체 압축 공정을 보다 등온적으로 만들기 때문에, 그리고, 다른 한편으로는, 공기로부터의 분리를 위해 배기 가스로부터 에너지를 회수하기 때문에, 열역학적 사이클의 엑서지 파괴를 최소화시킨다. 등온 압축에 대한 근사와 CO2, N2, 및 H2O로부터 열을 추출하기 위한 재생 열교환기의 사용은 MIEC 멤브레인(6)에서 N2 사이클을 에릭슨 사이클로 알려진 카르노 사이클과 동일한 수율의 사이클에 근사한다. CO2, H2O 및 O2 혼합물의 사이클은 중간 압축 및 팽창을 가진 폐쇄 브레이튼 사이클에 동화될 수 있지만, 제2 실린더(14)에는 디젤 사이클이 중첩되며, 이는 지금까지 문헌에서 설명되지 않았다. 본질적으로, 준-폐쇄형 브레이튼 사이클은 N2 사이클에 대해 이진이며(N2 사이클에 열을 보냄으로써, 에릭슨 사이클과 같이 최대 효율의 이상적인 사이클에 근사하기 위한 열역학적 원리를 따름) 디젤 사이클로 중첩되며, 상기 준-폐쇄형 브레이튼 사이클은 최대 효율의 다른 이상적인 사이클인 카르노 사이클의 원리를 따르는 이진 사이클의 신규한 실시예이다.
마지막으로, 탄화수소(연료)와 산화 혼합물(CO2, H2O, O2)이 연소된 결과, CO2, H2O, 미연소 THC 및 배기 가스로 지칭되는 CO의 혼합물이 제2 실린더(14)의 출구에서 생성된다. 제2 실린더(14)의 출구에서, 배기 가스는 0.6 Mpa의 최대 압력 및 1223K(949.85℃)의 온도에 있다. 배기 가스의 혼합물은 압축기 C1(10), 압축기 C3(12)에 의해 흡입되고, 궁극적으로 제2 실린더(14) 자체에 의해 흡입된 MIEC 멤브레인(6)을 통과한다. MIEC 멤브레인(6)에서, 한편으로는, 배기 가스의 혼합물은 멤브레인을 세정하고, MIEC 멤브레인(6)의 생산성을 향상시키기 위해 O2의 부분 압력을 낮추며, 연소 온도가 현재 RICE의 재료 기술과 호환될 때까지, O2를 희석시키는 기능을 수행한다. 다른 한편으로, 배기 가스의 혼합물은 촉매화되고, O2와 반응하며, 연소 공정에서 발생하는 THC와 CO를 CO2와 H2O로 변환시킨다. 따라서, MIEC 멤브레인(6)의 출구에서, 사이클은 닫히고, 혼합물은 공기로 열을 전달하기 위해 제2 재생 열교환기(5)의 입구로 되돌아간다.
설명된 공정에서, 엔진은 엔진의 충전 정도와 회전 속도에 따라 터빈 VGT2(8)과의 유효 압축비를 가장 효율적인 비율로 조절하는 최적의 방식으로 작동한다. 제1 실린더(4)가 제2 실린더(14)와 동일한 축에 기계적으로 결합되기 때문에, 멤브레인의 생산성은 엔진 가속도에 즉각적으로 반응한다. 따라서, 엔진의 동적 응답은 터보차저의 기계적 관성으로 인한 터보차저 가속 지연에 의해 영향을 받지 않는다. 마지막으로, 엔진은, 분기 파이프(29)를 통해, 제2 체크 밸브(19)를 통해, CO2, H2O 및 O2 혼합물을 대기 중으로 배출하고, N2+대기 CO2는 터빈 VGT2(8)의 출구를 통해 대기 중으로 방출한다. 이는 즉 사람과 동물에게 해로운 영향을 미치는 어떠한 오염 가스를 방출하지 않는다는 의미이다. 두 배출물은 동일한 배기 도관(30)에서 혼합되고, 제2 체크 밸브(19)와 터빈 VGT2(8)의 하류에서 함께 모이며, 엔진으로부터의 모든 배출물을 공통 배출된다.
실시예 4: O 2 생성율에 의해 제어되는 유효 가변 압축비를 갖고, 오염 가스 배출 없으며, 대기 CO2의 제거 및 생성된 CO 2 포집 없는, 층화된 혼합물 및 확산 연소를 갖는 압축 점화(CI) 엔진
실시예 4는 엔진 자체에 의해 생성된 CO2 및 대기 CO2의 포집이 없는 층화된 혼합물(확산 연소)을 갖는 압축 점화(CI) 엔진에 대해 표시된다. 따라서, 대기로부터 CO2를 제거하는 엔진 범주에 속한다(배출률 < 0). 순 기계적 동력의 생산을 위해, 실시예 4는 주입된 연료 흐름(및 액체 CO2의 경우)의 이동량에 의해 제어되는 연소 속도 및 사전혼합물의 폭발에 의한 자체-점화가 있는 확산 연소 공정에 따른다.
수퍼차징의 정도는 사이클의 유효 압축비를 통해 각각의 영역에서 최대 토크의 백분율에 영향을 준다. 이 유효 압축비는 가변적이며 MIEC 멤브레인의 O2 생산율에 의해 제어된다. 이것은, 엔진의 실린더 용량을 줄일 수 있고 터보기계 및 실린더에서 공기의 유효 압축 공정이 등온 공정에 근사할 수 있는 크기 감소의 개념을 나타낸다.
연소 온도는 산화제(O2)와 연료(HxCyOz)의 혼합물을 연소 자체로부터의 액체 CO2로 희석하여 제어하고, 초임계 조건으로 조밀화한다. 많은 양의 CO2가 필요하기 때문에, 이는 추가적인 혁신을 나타내며, 그 이유는, 실린더에 두 개의 사이클 즉 (i) 한편으로는, 연소 온도를 제어하도록 사용되는 CO2에 의해 수행되는 초임계 CO2 열역학적 사이클, 및 그와 동시에 (ii) 다른 한편으로는, O2 산화제 및 그 생성물에 의해 수행되는 디젤 사이클이 공존하기 때문이다. 이것은 지금까지 공개된 문헌에서는 설명되지 않았다.
실시예 4는 엔진에서 배출되는 CO2를 포집하여, 가능한 최대한 효율적으로, 사용되는 공기 내에서 대기 중 CO2 함량을 줄이는 것을 제안한다. 또한, 공급원(연소 챔버)에서 오염 가스(CO, THC, PM 및 NOx) 배출을 제거하여, 배기 가스를 세정하기 위한 후처리의 필요성을 최소화하고, 엔진의 생산 비용을 크게 절감한다. 현재, 가스를 세정하기 위한 후처리는 파워 조립체의 총 비용의 30% 정도인 것으로 추산된다. 또한, 산소-연소는 냉간 시동 공정 동안 오염 가스가 배출되지 않도록 한다. 이것은 배기 가스 세정을 위한 후처리 시스템을 가열(활성화)하는 데 필요한 시간을 고려할 때 오늘날의 엔진에서는 발생하지 않는다.
실시예 4는 도 4a 및 4b에 도시된다. 실시예 4에서, 대기는 압축기(C2)(2)에 의해 흡입된 필터(1)를 통해 엔진으로 들어간다. 압축기 C2(2)는 터보 조립체의 일부이며 가변 형상 터빈(VGT2)(8)에 기계적으로 결합된다. 압축기 C2(2)는 MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 N2+H2O의 터빈 VGT2(8)에 의해 회수된 에너지를 사용하여 공기를 전달한다. 정격 조건에서, 압축기 C2(2)의 출구의 공기는 약 0.4 MPa의 압력과 473K(199.85℃)의 온도를 갖는다. 공기는 엔진의 공기 충전의 제1 수-냉각기(WCAC)(3)를 통과한다. 제1 WCAC 냉각기(3)의 출구에서, 온도는 약 323K(49.85℃)로 떨어지며, 엔진의 제1 실린더(4)에서 후속 압축이 더욱 등온된다(isothermal).
도 4a의 실시예에서, 제1 WCAC 냉각기(3)의 출구에서의 작동 온도에서 약 2000의 전체 CO2/N2 선택도를 갖는 CO2 폴리머 멤브레인(28)에서 공기 내의 CO2함량이 감소된다. 이것은 도 4a에서 제3 WCAC 냉각기(11)의 하류 및 O2 분리를 위한 MIEC 멤브레인(6)으로부터의 순수한 O2에 의해 CO2가 혼입된다는 사실의 결과로 달성된다. O2는 멤브레인 모듈의 혼입 챔버에서 투과된 대기 CO2의 부분 압력을 낮춘다. 도 4a에서, 멤브레인을 세정하는 데 사용되는 O2 및 포집된 대기 CO2는 제1 체크 밸브(33)로 보내져 제2 실린더(14)에 의해 흡입된다.
도 4b에 도시된 상기 실시예의 제2 형태에서, 대기 중의 CO2는 용융 카보네이트에 따른 CO2 멤브레인(28)에 의해 분리되며, 제1 WCAC 냉각기(3)의 출구에서 공기는 어떠한 CO2 멤브레인과도 만나지 않는다.
공기는 이후 엔진의 제1 실린더(4)의 절반으로 흡입된다. 실시예 4는 4-실린더, 4-행정 엔진을 나타내며, 따라서 공기를 흡입하는 2개의 실린더가 있다. 제1 실린더(4)는 공기를 약 1.5 MPa 및 473K(199.85℃)로 압축하는 펌프처럼 작동한다. 제1 실린더(4)는 바람직하게는 크랭크샤프트(25), 캠샤프트 및 밸브 타이밍 기어를 공유하고 내부에 연료가 주입되지 않는 독특한 특징을 갖는 엔진의 나머지 실린더와 동일하다. 4-행정 엔진이기 때문에, 공기가 4 행정 동안 제1 실린더(4) 내부에 남아 있으며, 그에 따라 엔진 냉각수(약 363K(89.85℃)로 압축 및 냉각되어 압축이 보다 등온적으로 된다. 상기 제1 실린더(4)는 터보기계 조립체가 사이클 공기흐름과 터빈을 시동하기 위한 시동 시스템으로 작동한다. 그들은 왕복 엔진에 사용되는 유형의 기존 시동 모터에 의해 시스템이 시동될 때까지 그 단부로 이동된다.
제1 실린더(4)의 출구에서, 공기는 제1 재생 열교환기(23)에서 가열되며, CO2, H2O 및 N2의 흐름으로부터의 열 에너지를 이용하여 압력을 약 1.47 MPa로 낮추고 온도를 약 673K(399.85℃)로 올린다. N2 및 H2O의 이러한 흐름은 터빈 VGT2(8)으로부터 나온다. N2, CO2 및 H2O의 이러한 흐름은 엔진에 의해 전달되는 가스의 총 흐름 체적의 약 90%를 나타내며 대략 800K(526.85℃)의 온도와 0.1 MPa의 압력에 있다. 제1 재생 열교환기(23)의 출구에서, 공기는 제2 재생 열교환기(5)에서 가열되며, 도 4a의 MIEC 멤브레인(6)에 의해 생성된 O2로부터 열 에너지를 사용하여, 압력을 1.45 Mpa로 낮추고 온도를 약 723K(449.85℃)로 올린다. MIEC 멤브레인(6)에 의해 생성된 O2 및 CO2 멤브레인(28)에서 생성된 CO2의 열 에너지는 도 4b에서 사용된다. O2는 공기의 흐름 체적의 약 20%를 나타내기 때문에 온도가 많이 상승하지 않는다.
제2 재생 열교환기(5)의 출구에서, 공기는 촉매 MIEC 멤브레인(15)에서 가열되며, 제2 실린더(14)의 연소로 인한 배기 가스로부터의 열 에너지를 사용하여, 압력을 약 1.4 MPa로 낮추고 온도를 약 1123K(849.85℃)로 올린다. 촉매 MIEC 멤브레인(15)에서, 배기 가스는 열을 공기로 전달하고(재생 열교환기처럼 작동) CO 및 HC(CO 및 HC는 배기 가스 조성의 1% 미만을 나타내며 그에 따라 도 4a 및 4b에 명시적으로 표시되지 않음)는 전체 가스 흐름이 오직 CO2와 H2O로만 구성될 때까지 산화된다. CO2 및 H2O의 이러한 흐름은 초고압(7.5 MPa)에서 엔진에 의해 전달되는 배기 가스의 전체 흐름 체적의 약 100%를 나타내며, 그에 따라 밀도가 크게 증가하고 엔진의 가스의 산화에 필요한 촉매 MIEC 멤브레인(15)의 크기는 감소된다.
촉매 MIEC 멤브레인(15) 후에, 1.4 MPa 및 1123K(849.85℃)의 공기가 O2 MIEC 멤브레인(6)으로 주입되어 O2가 분리된다.
도 4b에 도시된 용융 카보네이트에 따른 멤브레인에 의해 공기로부터 대기 CO2를 분리하는 것을 기반으로 하는 실시예의 경우, O2 MIEC 멤브레인(6)에서 거부를 나타내는 N2, H2O 및 대기 CO2는, 약 1123K(849.85℃및 1.35 MPa에서 CO2 멤브레인(28)으로 들어가며, 이 경우 용융 카보네이트 멤브레인이 작동 온도에서 전체 CO2/N2 선택도가 약 2500이고, 대기 CO2는 N2+H2O의 흐름으로부터 분리된다. 이를 위해, MIEC 멤브레인(6)에 의해 생성된 순수한 O2가 혼입 흐름으로 사용된다. 이 O2가 MIEC 멤브레인(6)으로부터 제2 연소 실린더(14)로 배출되어, 압축기 C1(10)에 의해 생성된 0.05 MPa 진공에 의해 흡입되면, 먼저 CO2 멤브레인(28)의 대기 CO2 측을 통과한다. 따라서, O2는 CO2 멤브레인(28)으로부터 CO2를 세정하고 CO2의 부분 압력을 낮추는 데 사용된다.
폴리머 멤브레인이 공기로부터 대기 CO2를 분리하는 데 사용되는(도 4a 참조) 상기 실시예의 제1 형태에서, O2 MIEC 멤브레인(6)으로부터의 거부는 하류에서 임의의 CO2 멤브레인과 만나지 않는데, 그 이유는 도 4a의 CO2 폴리머 멤브레인(28)에서 CO2 함량을 줄이기 위해 이미 처리되었기 때문이다. 도 4a의 상기 실시예에서 O2 MIEC 멤브레인(6)으로부터의 거부 및 도 4b의 실시예에서 CO2 멤브레인(28)으로부터의 거부는 둘 다 대기 CO2가 실질적으로 없고 대부분 1.35 MPa 및 1123K(849.85℃)에서 N2+H2O로 구성된다. 처리된 공기로부터 대기 CO2를 분리하기 위한 이러한 방법은 기술된 엔진이 대기로부터 CO2를 제거하도록 하고 상기 엔진은 음의 CO2 배출율을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 사실, 터빈 VGT2(8)의 출구에서 배출되는 N2+H2O 흐름의 CO2 함량은 최소(공기 유입 함량의 <1-5%)이며, 연소 시 생성된 CO2는 시스템에서 액화되고 포집된다.
멤브레인으로부터의 거부 각각은 시스템에 의해 전달된 공기 질량의 약 80%를 나타내며 터빈 VGT1(71) 및/또는 제어 밸브(72)를 통과한다. 터빈 VGT1(71) 및 제어 밸브(72)는 터빈 VGT1(71)이 기계적으로 연결된 압축기 C1(10)과 함께 터보 조립체의 일부이다. 터빈 VGT1(71)은 MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 N2 흐름의 에너지를 이용하여, 에너지를 회수하여 압축기 C1(10)를 이동시킨다. 제어 밸브(72)는 압축기 C1(10)으로의 에너지 흐름을 조절한다. 압축기 C1(10)은 도 4a의 경우 MIEC 멤브레인(6)에서 생성된 순수한 O2를 전달한다. 압축기 C1(10)은 도 4b의 경우 MIEC 멤브레인(6)에서 생성된 순수한 O2 + CO2를 전달한다. 따라서, 공기 흐름의 약 20%를 전달하고 MIEC 멤브레인(6)의 O2측에 진공이 발생하도록 제어하여, O2의 압력을 낮추고, 멤브레인의 생산성을 높이다. 그 결과, 제어 밸브(72)는 O2 생산 속도를 조절하고 따라서 사이클에 갇힌 O2의 질량과 제2 실린더(14)에 있는 사이클의 최대 압력을 조절한다.
제어 밸브(72)는 일반적으로 압축기 C1(10)의 압력을 조절하기 위해 부분적으로 개방된 상태로 작동한다. MIEC 멤브레인(6)에서 거부된 N2의 일부는 터빈 VGT1(71)을 순환하여, 팽창되고 냉각된다. 거부된 N2의 다른 부분은 냉각되지 않고 실제 제어 밸브(72)를 통해 순환한다. N2의 다른 부분은 터빈 VGT1(71)의 하류에서 차갑고 팽창된 N2와 혼합되어, 재가열되고 그에 따라 온도가 증가한다.
제어 밸브(72) 및/또는 터빈(71)을 통과한 후에, MIEC 멤브레인(6)으로부터 거부된 N2+H2O(공기 흐름의 80%)는 압축기 C2(2)를 이동하는 데 사용되는 가변 형상 터빈 VGT2(8)에서 이용된다. 터빈 VGT2(8)에 대한 대략적인 정격 입구 조건은 0.35 MPa 및 823K(549.85℃)이다. 터빈 VGT2(8)의 가변 형상은 MIEC 멤브레인(6)에 의해 전달되는 공기의 흐름 체적, 따라서, 생성된 O2의 흐름 체적을 조절하는 데 사용된다. 터빈 VGT2(8)가 닫히면, MIEC 멤브레인(6)을 통한 공기 흐름과 MIEC 멤브레인(6)의 작동 압력은 증가한다. 따라서, 화학량론적 조건 하에서 주입할 수 있는 연료량 및 시간당 O2 생성량(속도는 동일함)이 증가한다. 터빈 VGT2(8)가 개방되면, 반대 현상이 발생한다. 터빈 VGT2(8)의 최소 크기(최소 개방)는 왕복 엔진의 실린더 용량에 따라 선택되며 엔진의 각각의 회전 속도에서 시스템의 최대 파워를 설정한다. 터빈 VGT2(8)의 최대 개방은 각각의 회전 속도에서 왕복 엔진의 O2의 최소 흐름 체적(공전)을 결정한다. 터빈 VGT2(8)은 웨이스트게이트(또는 WG) 밸브를 포함할 수 있다. 터빈 VGT2(8) 또는 웨이스트게이트 밸브가 최대로 개방되면, 압축기 C2(2)의 에너지가 0으로 감소하여, MIEC 멤브레인의 작동 압력과 전달된 공기의 흐름 체적 모두 현저하게 감소한다.
엔진의 흐름 체적이 감소되어 심지어 0으로 낮아질 때까지 감소하면, 제어 밸브(72)는 개방되고, 터빈 VGT1(71)을 피하면서, 압축기 C1(10)의 에너지가 0으로 감소한다. 이것은 MIEC 멤브레인(6)의 양쪽에 있는 O2의 부분 압력과 실질적으로 동일하고, O2의 생성율을 삭제하여, 상기 실시예 4의 엔진 충전을 공전 상태로 둔다.
제어 밸브(72)는 생산량에 작용하여 O2의 흐름을 정성적으로 조절하고 터빈 VGT2(8)는 공기의 전달된 흐름 체적에 작용하여 정량적 조절을 제공한다. 두 제어 모두, 체적 압축비를 변경하지 않고도, 제2 실린더(14)의 상사점에서 실린더의 유효 압축비를 매우 광범위하면서도 매우 미세하게 조정한다. 이것은 왕복 엔진에서 일반적으로 가변 압축비로 알려져 있다.
터빈 VGT2(8)의 출구에서, 약 0.1 MPa의 압력과 약 800K(526.85℃)의 온도에서 N2 및 H2O의 혼합물이 제1 재생 열교환기(23)를 통과하여, 가스 혼합물(이제, 건강에 해로운 가스가 없는)이 대기 중으로 배출되기 전에, 열을 공기에 전달한다.
도 4a의 경우 순수한 O2 또는 도 4b의 경우 대기 CO2로 희석된 O2는 각각 약 0.05 MPa 및 1123K(849.85℃)의 정격 압력 및 온도에서 MIEC 멤브레인(6) 및 CO2 멤브레인(28)을 빠져 나온다. 이것은 엔진에 의해 전달되는 공기의 흐름 체적의 약 20%를 나타내는 산화 흐름이다.
상기 산화 흐름의 열은 제2 재생 열교환기(5)에서 먼저 회수되어 제1 재생 열교환기(23)의 출구로부터 나오는 공기를 가열한다. 제2 재생 열교환기(5)의 출구에는, O2는 약 0.048 MPa 및 700K(426.85℃)의 정격 조건을 갖는다.
다음으로, 혼합물은 진공 브레이튼 사이클(VBC)(21)을 수행하기 위한 수단을 통해 흐른다. 진공 브레이튼 사이클(VBC)(21)을 수행하기 위한 수단은 혼합물의 온도를 압력으로 변환하여 혼합물을 냉각시키고 제2 재생 열교환기(5)로 인한 압력 손실을 복구하는 기능을 갖는다. 진공 브레이튼 사이클(VBC)(21)을 수행하기 위한 수단은 터보 조립체를 형성하는 압축기 C3(12)와 기계적으로 결합된 터빈 VGT3(16)으로 구성된다. 터빈 VGT3(16)의 출구와 압축기 C3(12)의 입구 사이에는 제5 WCAC 냉각기(31)가 있다. 진공 브레이튼 사이클(VBC)(21)을 수행하기 위한 수단의 내부 세부사항은 도 5a에서 볼 수 있으며 그 작동 사이클은 도 5b의 T-s 다이어그램에서 볼 수 있다. CO2, H2O 및 O2의 혼합물은 터빈 VGT3(16)에서 에너지를 이용하도록 팽창되고, 제5 WCAC 냉각기(31)에서 일정한 압력으로 냉각되며, 압축기 C3(12)에서 압축되고, 터빈 VGT3(16)과 기계적으로 결합된다. 압축기 C3(12)의 출구에서, 혼합물은 터빈 VGT3(16)의 입구보다 더 차갑고 더 높은 압력에 있다.
압축기 C3(12)의 출구에서 산화 혼합물의 정격 조건은 약 0.08 MPa 및 473K(249.85℃)이다. 경로가 제2 실린더(14)로 이어지는 산화 혼합물은 제2 WCAC 냉각기(9)에서 323K(49.85℃)로 냉각된다. 그 다음에, 압축기 C1(10)에서 0.25 MPa 및 473K(199.85℃)로 압축되며, 압축기 C1(10)의 조건은 MIEC 멤브레인(6)의 생산률을 유지하기 위해 제어 밸브(72)에 의해 부과되는 조건이다. 압축기 C1(10) 후에, 유체 산화제는 제3 WCAC 냉각기(11)에서 323K(49.85℃)로 다시 냉각된다.
도 4a의 실시예에서, 유체 산화제는 순수한 O2이고 CO2 폴리머 멤브레인(28)에 CO2를 혼입하는 데 사용되며 이 측면에서 CO2의 부분 압력을 낮추기 위해 약 2000의 CO2/N2 선택도를 가지며, 공기 흐름에서 CO2를 제거하는 멤브레인의 효율성을 극대화한다. 도 4b의 실시예에서, 유체 산화제는 이제 제3 WCAC 냉각기(11)의 출구에서 대기 CO2로 희석된 O2이다.
다음으로, 유체 산화제는 제1 체크 밸브(33)를 통과하여 제2 실린더(14)로부터 역류의 유출을 방지한다. 제1 체크 밸브(33) 후에, 혼합물은 본 실시예 4의 설명의 시작 부분에서 설정한 바와 같이 예로 사용된 4-행정 엔진에서 4개 중 2개인 제2 실린더(14)에 의해 흡입된다.
제2 실린더(14)에서, 탄화수소 HxCyOz는 연료 펌프(26)로, O2(공기로부터의 CO2와 함께)의 산화 혼합물에 주입된다. 연료 펌프(26)는 후술하는 바와 같이 액체 CO2가 축적되는 제1 탱크(20)로부터 가요성 멤브레인을 분리하는 제2 탱크(27)로부터 연료를 흡입한다. 제2 탱크(27)에 축적된 탄화수소가 점차 소모됨에 따라, 멤브레인은 탄화수소 쪽의 체적을 줄이고 CO2 쪽의 체적을 증가시켜, 제1 탱크(20) 쪽에 CO2 축적을 허용한다. 연료 펌프(26)에 의해 흡입된 탄화수소는 확산 연소 엔진 충전을 조절하기 위해 원하는 방식과 양으로 그리고 O2에 대한 화학량론적 비율보다 작은 비율로 제2 실린더(14)에 주입된다. 제2 실린더(14)에서, 확산 연소 사이클, 압축 점화 사이클 및 기본적으로 O2 및 연소 생성물, 즉 엔진을 통해 순환하는 질량의 20%에 의해 수행되는 디젤 사이클과 유사한 사이클이 수행된다.
연소 온도를 왕복 엔진의 재료 및 냉각 기술과 호환되는 한계로 조절하기 위해서, 다량의 액체 CO2를 제2 실린더(14)에 주입해야 한다. 이 양은 제2 실린더(14)에 의해 전달된 질량의 약 80%이며, 실린더 내부에서 고압(약 80 MPa)에서, 그리고, 임계 온도(< 303K(29.85℃보다 낮은 온도에서, 액체 CO2 펌프(35)에 의해 주입된다. CO2는, 필요한 경우, 차량의 에어컨에 의해 생성되는 것과 같은 냉각 회로를 사용하여 펌프에서 아임계 온도(< 303K(29.85℃)로 유지된다. 주입된 CO2는 이전 연소 공정에서 포집되어 액화되었다. CO2는 제2 실린더 내부에서 증발하고 팽창하여, O2 및 그 생성물의 사이클과는 상이한 초임계 열역학적 사이클을 수행하며, 이에 대해서는 후술한다.
제2 실린더(14)는 제1 실린더(4)를 움직이기 위한 에너지를 생성하며, MIEC 멤브레인(6)을 위한 공기를 전달하고 배출 동안 CO2를 초임계 압력으로 압축하는데 이는 모두 동일한 크랭크샤프트(25)에 결합되어 있기 때문이다. 제1 실린더(4)가 제2 실린더(14)와 동일한 축에 기계적으로 결합되기 때문에, 멤브레인의 생산성은 엔진 가속도에 즉각적으로 반응한다. 따라서, 엔진의 동적 응답은 기존의 터보차저 엔진에서 발생하는 터보차저 지연(기계적 관성으로 인한)의 영향을 받지 않는다. 제2 실린더(14)는 또한 엔진이 결합된 차량, 발전기 또는 샤프트를 통해 기계적 에너지의 입력을 필요로 하는 임의의 애플리케이션을 움직이는 데 사용되는 순 기계적 에너지의 과잉을 생성한다. 이러한 제2 실린더(14)는 터보기계 조립체가 사이클 공기흐름과 터빈을 시동하기 위한 시동 시스템으로 작동한다. 그들은 왕복 엔진에 사용되는 유형의 기존 시동 모터에 의해 시스템이 시동될 때까지 그 단부로 이동된다.
제1 WCAC 냉각기(3), 제2 WCAC 냉각기(9), 제3 WCAC 냉각기(11), 제4 WCAC 냉각기(13), 제5 WCAC 냉각기(31), 및 제6 WCAC 냉각기(18)에서 물에 열을 전달하고, 제1 재생 열교환기(23), 제2 재생 열교환기(5)에서, MIEC 멤브레인(6) 및 촉매 MIEC(15)에서 열의 전달, 그리고, 과잉 CO2 및 H2O의 포집 및 조밀화는, 열역학적 사이클이 열역학 제2법칙을 준수하여 실행 가능하도록 하는 데 필요한 저온 공급원으로의 완전한 열 전달을 나타낸다. 차례로, 제1 WCAC 냉각기(3), 제2 WCAC 냉각기(9), 제3 WCAC 냉각기(11), 제4 WCAC 냉각기(13), 제5 WCAC 냉각기(31), 및 제6 WCAC 냉각기(18) 및 재생(제1 재생 열교환기(23) 및 제2 재생 열교환기(5)에서 생성된)에서, 열 전달은, 한편으로는, 작동 유체의 전체 압축 공정을 보다 등온적으로 만들기 때문에, 그리고, 다른 한편으로는, 공기로부터의 분리를 위해 배기 가스로부터 에너지를 회수하기 때문에, 열역학적 사이클의 엑서지 파괴를 최소화시킨다. 등온 압축에 대한 근사와 CO2+H2O 및 O2로부터 열을 추출하기 위한 제1 재생 열교환기(23) 및 제2 재생 열교환기(5)의 사용은 MIEC 멤브레인(6)에서 공기 및 N2 사이클을 에릭슨 사이클로 알려진 카르노 사이클과 동일한 수율의 사이클에 근사한다. O2의 혼합물의 사이클은 중간 압축 및 팽창을 가진 초임계 CO2 사이클에 동화될 수 있지만, 제2 실린더(14)에는 디젤 사이클이 중첩되며, 이는 지금까지 문헌에서 설명되지 않았다. 본질적으로, 초임계 CO2 사이클은 N2 사이클에 대해 이진이며(N2 사이클에 열을 보냄으로써, 에릭슨 사이클과 같이 최대 효율의 이상적인 사이클에 근사하기 위한 열역학적 원리를 따름) 디젤 사이클로 중첩되며, 상기 준-폐쇄형 브레이튼 사이클은 최대 효율의 다른 이상적인 사이클인 카르노 사이클의 원리를 따르는 이진 사이클의 신규한 실시예이다.
탄화수소(연료)와 산화 혼합물(대기 CO2+O2)이 연소된 결과, CO2, H2O, 및, 미연소 THC 및 CO의 혼합물이 제2 실린더(14)의 출구에서 생성된다. 이 혼합물은 약 1273K(999.85℃)의 온도와 7.5 MPa의 압력에서 유입되는 촉매 MIEC 멤브레인(15)에서 연소 후 남은 O2와 함께 산화된다. 가스는 열을 엔진에 의해 전달되는 공기 흐름의 100%로 전달하며, 그 온도는 약 753K(479.85℃)로 현저하게 떨어진다. 동시에, 그리고, 촉매 MIEC 멤브레인(15)에서 생성되는 화학 반응으로 인해, CO 및 THC는 연소로부터 남은 O2와 함께 CO2 및 H2O 증기로 산화되며, 그리고 다시 산소- 연소로 인해, 제2 실린더(14)에서 NOx의 생성이 방지된다. 흡입된 O2와 제2 실린더(14)에 있는 연료의 비율은 화학양론적이지 않고 오히려 그보다 더 높기 때문에, 충전을 조절하기 위한 옵션으로서, CO 및 THC를 산화시킨 후에도, O2가 남을 수 있다.
7.5 MPa의 압력은 제2 체크 밸브(19)와 설정 스프링에 의해 조절된다. 압축은 제2 실린더(14)의 배기 밸브를 개방하고 배기 가스의 혼합물을 배출하는 순간에 수행된다. 7.5 MPa로 압축된 가스는, 혼합물이 제2 실린더(14) 내부에서 가스 상태로 유지되도록 하기 위하여, 7.5 MPa에서 물의 포화 온도인 573K(299.85℃) 이상으로 유지되어야 한다.
혼합물은 H2O가 액체 상태로 변환되게 하기 위하여 제4 WCAC 냉각기(13)에서 523K(249.85℃)로 냉각된다. 다음으로, 액체 물은 출구에 압력 적층 밸브가 있는 관성 분리기일 수 있는 분리기(17)에서 CO2 가스로부터 분리된다. 물이 가스 상태로 유지된다면, 분리기(17)로서 폴리머 멤브레인을 사용할 수도 있다. 7.5 MPa 및 473 K(199.85℃)에서 물의 질량은 엔진에 의해 전달되는 질량의 총 흐름 체적의 약 10%를 나타낸다. 분리된 물은 터빈 VGT2(8)의 입구에서 N2+H2O와 혼합된다. 따라서, 분리기(17)의 하류에서의 압력은 터빈 VGT2(8)의 팽창에 의해 설정된다. 이것은, 추출된 물의 질량과 온도로부터 에너지를 이용하여, 터빈 VGT2(8)에서 에너지의 일부를 회수할 수 있게 한다.
마지막으로 CO2 + O2 잔류물은 제6 WCAC 냉각기(18)에서 임계 온도인 303K(29.85℃) 이하로 냉각된다. 액체 CO2는 제2 체크 밸브(19)를 통과하고 온도가 303K(29.85℃) 이하로 제어되는 제1 탱크(20)에 7.5 MPa로 저장된다. 탱크는, 필요한 경우, 차량의 에어컨에 의해 생성되는 것과 같은 냉각 회로를 사용하여 CO2의 아임계 온도(< 303K(29.85℃)로 유지된다. 탱크에 축적되었을 수 있는 O2 가스는, 탱크 내의 압력이 7.5 MPa를 초과하면, 제4 체크 밸브(34)를 통해 대기로 퍼지된다. 제2 탱크(27)의 연료가 비워지거나 혹은 제1 탱크(20)가 채워지면, 둘 중 먼저 발생하는 경우, 엔진 자율성이 종료된다. 두 탱크는 가요성 멤브레인으로 분리된다. CO2는 주유소에서 제1 탱크(20)로부터 배출되고, 제2 탱크(27)를 채우는 연료로 교환된다. 액체 CO2는 다시 탄화수소로 변환되거나 혹은 통제된 집수지에 저장될 수 있지만, 대기로 배출되지는 않는다. 산소-연소 공정에서 생성된 CO2 포집과 함께 흡기 공기에서, CO2 함량 감소는, 본 실시예 4가 대기 CO2를 제거하고 연소 공정에서 생성된 CO2를 배출하지 않았기 때문에 음의 순 배출량을 갖는 엔진임을 결정할 수 있게 한다.
액체 CO2는 CO2 펌프(35)를 사용하여 제2 실린더(14)에 다시 주입되고, 연소 온도를 제어된 상태로 유지하기 위해, 지금까지 설명되지 않은 새로운 열역학적 사이클이 도 6에서 p-h 그래프로 도시되며, T-s 및 p-v 다이어그램이 각각 수행된다. 이 사이클은 실린더에 포함된 질량의 약 80%를 나타내는 CO2로 인한 에너지 측면에서 관련이 있다. CO2 사이클에 대한 설명은 다음과 같다:
(1) 펌프의 입구에 해당하는 스테이션. CO2 펌프(35)의 입구에서, CO2는 약 7.5 MPa 및 298K(24.85℃)의 열역학적 조건에 있다.
(2) 펌프의 출구에 해당하는 스테이션. CO2 펌프(35)의 출구에서, CO2는 약 80 MPa 및 303K(29.85℃)의 열역학적 조건에 있다. 스테이션 (1)과 (2) 사이의 공정은 CO2 펌프에서 수행되며, 이러한 공정 동안, CO2는 액체 상태로 유지되어, 펌프에서 실질적으로 등온 방식으로 압축된다. CO2는, 필요한 경우, 차량의 에어컨에 의해 생성되는 것과 같은 냉각 회로를 사용하여, 압축 동안, 아임계 온도(< 303K(29.85℃)로 유지된다. 도 6의 스테이션(2')은 액체 CO2가 인젝터 노즐로부터 빠져나가는 순간에 해당하며, 약 20 MPa의 제2 실린더(14)의 압력으로 팽창된다.
(3) 탄화수소 연소 공정의 종료에 해당하는 스테이션. 스테이션(3)에서, 사이클 최대 온도 및 최대 압력에 도달한다. 조건은 약 1800K(1526.85℃및 20 MPa이다. 공정은 제2 실린더(14)에서 수행된다. CO2는 압축 행정이 끝날 때 탄화수소와 함께 주입된다. CO2는 인젝터 노즐 상류에서 80 MPa로부터 제2 실린더(14)의 20 MPa의 최대 압력으로 주입되자마자 팽창한다. 제2 실린더(14)의 압력은, 팽창 행정에도 불구하고 CO2의 지속적인 주입으로 인해, 스테이션(2')과 스테이션(3) 사이의 공정 동안 20 MPa로 실질적으로 일정하게 유지된다. 탄화수소 연소의 결과로 온도는 1800K(1526.85℃)로 증가한다.
(4) CO2 주입 공정의 종료에 해당하는 스테이션. 스테이션 (3)과 (4) 사이의 공정은 약간 감소하는 압력에서 온도 감소를 나타낸다. 스테이션 (4)의 조건은 1173K(899.85℃및 18 MPa이다. 주입된 CO2로 연소 생성물의 희석으로 인해, 온도가 떨어졌다. 스테이션 (3)과 (4) 사이의 공정 동안, 실린더의 체적 증가 및 연소의 부재로 인해, 압력이 떨어졌다.
(5) 실린더의 하사점에 해당하는 스테이션. 스테이션 (4)와 (5) 사이의 공정은 CO2 주입 없고 연소가 없는 실린더 내의 체적 증가가 계속되는 것을 나타낸다. 이것은 압력 강하 및 냉각을 나타낸다. 스테이션 (5)의 조건은 약 873K(599.85℃및 0.3 MPa이다. 스테이션 (4)와 (5) 사이의 공정은 밸브가 닫힌 실린더에서 계속 발생하며, 외부로부터 격리된 시스템이다. 스테이션 (5)에서, 실린더 내의 체적 팽창이 종료되고, 배기 밸브가 개방되며, 배기 가스 또는 배출 공정이 시작된다.
(6) 배기 공정의 종료에 해당하는 스테이션. 배기 밸브가 개방되면, 제2 체크 밸브(19)에 의해 배출 영역이 7.5 MPa에서 가압되기 때문에, 실린더 내의 가스가 순간적으로 재압축된다. 스테이션 (5)와 (6) 사이의 공정은 압력과 온도가 약 7.5 MPa 및 1273K(999.85℃)로 순간적으로 증가함을 나타낸다.
사이클은 냉각 공정에서 7.5 MPa의 일정한 압력에서 닫히며, CO2는 초임계 압력 라인을 따라 가스 상태로부터 액체 상태로 변환된다. 이 사이클이 닫히면, 298K(24.85℃및 7.5 MPa의 초기 조건 하에서, 스테이션(1)으로 다시 돌아간다. 이 냉각 공정은, 배기 밸브가 개방되어 있는 전체 시간 동안, 일정한 압력 조건 하에서, 배기 가스 배출 공정 동안, 실린더 내에서 부분적으로 발생한다. 나머지 냉각은 촉매 MIEC 멤브레인(15)과 제4 WCAC 냉각기(13) 및 제6 WCAC 냉각기(18)에서 생성된다. 액화된 CO2 질량의 일부는, 전술된 사이클을 다시 수행하기 위해 실린더에 재주입되고, 남은 CO2는 적절한 포집 및 처리 스테이션으로 전달될 때까지 제1 탱크(20)에 축적된다.
열역학적 상태 (4) 및 (5) 사이의 공정 라인이 열역학적 상태 (6) 및 (1) 사이의 공정 라인과 교차되는 열역학적 상태는, 도 6과 도시된 바와 같이, 지점 (7)이다. 지점 (7)의 열역학적 상태는 사이클의 특정 조건에 따라 다르며, 양의 순 기계적 일을 생성하는 사이클 부분(1.2.3.4.7.1)과 음의 순 기계적 일을 생성하는 사이클 부분(7.5.6.7) 즉 일을 소모하는 부분 사이에 분리 정점(separating vertex)을 설정한다.
CO2는 실린더에서 방출되는 질량의 약 80%를 나타내지만, 약 20%의 질량은 연료와 반응하는 O2이다. O2 및 그 연소 생성물 의해 수행되는 사이클은 제2 실린더(14) 내부에 CO2 사이클과 중첩된다. 지금까지 문헌에 제시되지 않은 사이클이기 때문에, 도 7에 자세히 설명되어 있다. 이 사이클의 단계는 다음과 같다:
(a) 제2 실린더(14)의 흡입구에서 열역학적 조건에 해당하는 스테이션. 이러한 조건은 제1 체크 밸브(33)의 하류에 위치된다. 열역학적 조건은 약 0.3 MPa 및 323K(49.85℃)이다. 이때, 제2 실린더(14)의 피스톤은 하사점에 위치한다. 제2 실린더(14)의 흡기 밸브는 닫히고 O2 압축 공정이 시작된다.
(b) 제2 실린더(14)의 압축 공정의 종료 시에 열역학적 조건에 해당하는 스테이션. 이러한 조건은 제2 실린더(14)의 피스톤의 상사점에서 발생한다. 열역학적 조건은 약 11 MPa 및 573K(299.85℃)이다. 상태 (a)와 (b) 사이의 공정에서, 실린더의 벽에 열을 전달하며, 상부에 갇힌 O2(사이클 질량의 약 20%)의 폴리트로픽 압축이 발생한다. 상태 (b)에서, 액체 상태의 CO2 및 가연성 탄화수소의 주입이 시작된다.
(c) 가연성 탄화수소 연소 공정의 종료에서 열역학적 조건에 해당하는 스테이션. 이러한 조건은 제2 실린더(14) 피스톤의 상사점 후에 발생한다. 열역학적 조건은 약 200 MPa 및 1800K(1526.85℃)이다. 상태 (b)와 (c) 사이의 공정은, 연료의 주입, 압축 자체-점화 및 확산 연소를 포함하며, 주입된 흐름의 이동량에 따라 연소 속도가 제어된다. 상태 (b)와 (c) 사이의 공정은 또한 연소 공정의 온도를 제어하며 압력을 일정하게 유지하고 약 200 MPa로 동일하게 유지하는 데 도움이 되는 액체 CO2 주입의 시작을 포함한다. 이러한 조건은 도 6의 CO2 사이클의 열역학적 상태(3)의 조건과 일치한다. 이러한 조건 하에서, (O2 및 CO2) 사이클 모두가 동시에 발생한다.
(d) CO2 주입 공정의 종료 시에, 열역학적 조건에 해당하는 스테이션. 이러한 조건은 제2 실린더(14)의 피스톤의 팽창 행정 동안 발생한다. 열역학적 조건은 약 1173K(899.85℃및 18 MPa이다. 이러한 조건은 도 6의 CO2 사이클의 열역학적 상태(4)의 조건과 일치한다. 이러한 조건 하에서, (O2 및 CO2) 사이클 모두가 동시에 발생한다. 도 7의 상태 (c)와 (d) 사이의 공정은 도 6에서 설명한 상태 (3)과 (4) 사이의 공정과 동일하다. 이 공정은 주입된 CO2의 양에 따라 다소 연장되며, 이는 차례로 연소 생성물의 원하는 최종 온도 및 연소의 안정성에 따라 달라진다. 도 7에서 지점 (d')로 표시된 이상적인 경우는, 이 공정을 팽창 행정의 하사점까지 연장하는 것이다. 이 경우는 O2 및 CO2 사이클에서 최대 일 생산량을 나타내기 때문에 이상적이다.
(e) 제2 실린더(14)의 피스톤의 행정의 하사점에서 열역학적 조건에 해당하는 스테이션. 이러한 조건은 제2 실린더(14)의 팽창 공정 종료 시에 발생한다. 열역학적 조건은 약 873K(599.85℃및 0.3 MPa이다. 이러한 조건은 도 6의 CO2 사이클의 열역학적 상태(5)와 일치한다. 이러한 조건 하에서, (O2 및 CO2) 사이클 모두가 동시에 발생한다. 도 7의 상태 (d)와 (e) 사이의 공정은 도 6에서 설명한 상태 (4)와 (5) 사이의 공정과 동일하다.
(f) 제2 실린더(14)의 피스톤 행정의 하사점에서 배기 밸브를 개방할 때 열역학적 조건에 해당하는 스테이션. 배기 밸브가 개방되면, 제2 체크 밸브(19)에 의해 배출 영역이 7.5 MPa에서 가압되기 때문에, 실린더 내의 가스가 순간적으로 재압축된다. 이러한 조건은 도 6의 CO2 사이클의 열역학적 상태(6)와 일치한다. 이러한 조건 하에서, (O2 및 CO2) 사이클 모두가 동시에 발생한다. 도 7의 상태 (e)와 (f) 사이의 공정은 도 6에서 설명한 상태 (5)와 (6) 사이의 공정과 동일하다. 상태 (e)와 (f) 사이의 공정은 압력과 온도가 약 7.5 MPa 및 1273K(999.85℃)까지 순간적으로 증가함을 나타낸다.
(g) 제2 실린더(14)의 피스톤의 배기 행정의 상사점에서, 연소 가스 배출이 완료되었을 때,열역학적 조건에 해당하는 스테이션. 스테이션 (f)와 (g) 사이의 공정에서, 가스는 일정한 압력 조건에서 실린더로부터 배출되며, 전체 시간 동안 배기 밸브가 닫힐 때까지 개방되어 있다. 열역학적 조건은 약 7.5 MPa 및 1173K(899.85℃)이다. 이러한 조건 하에서, (O2 및 CO2) 사이클 모두가 동시에 발생한다. 도 7의 상태 (f)와 (g) 사이의 공정은, 일정한 압력에서 일정 연장 동안, 상태 (6)과 (1) 사이에서 도 6에 설명된 공정과 일치한다. 이 스테이션에서, O2 및 CO2 사이클은 다시 분리된다.
(h) 제1 체크 밸브(33)의 하류에서 흡기 압력에 대한 제2 실린더(14) 내의 압력 강하 공정 종료에 해당하는 스테이션. 이 스테이션은 제2 실린더(14)의 흡기 행정의 일부 지점에서 발생한다. 상태 (g)와 (h) 사이의 공정에서, 연소 챔버의 사체적(dead volume)에 갇힌 CO2는 제1 체크 밸브(33)가 개방되는 조건으로 팽창된다. 이 공정은 제1 체크 밸브(33)가 닫힌 상태에서 발생한다. 이 공정은 도 7의 사이클로부터 독점적으로 O2의 연소로 인해 발생하는 CO2에 의해서만 수행되며 도 6에 설명된 CO2 사이클과 무관하다. 열역학적 조건은 약 0.3 MPa 및 773K(499.85℃)이다.
사이클은 도 7의 열역학적 조건(a) 하에서 다시 닫힌다. 상태 (h)와 (a) 사이의 공정은, 제1 체크 밸브(33)가 약 0.3 MPa 및 323 K(49.85℃)의 본질적으로 일정한 압력 및 온도에서 개방될 때 발생한다. 상태 (h)와 (a) 사이의 공정은 실린더의 흡기로부터 O2의 흡기로 구성되며 시스템 공기 질량의 약 20%의 유입을 나타낸다.
열역학적 상태 (d)와 (e) 사이의 공정 라인이 열역학적 상태 (f)와 (g) 사이의 공정 라인과 교차하는 열역학적 상태는, 도 7에 도시된 바와 같이, 지점 (i)이다. 지점 (i)는 도 6의 열역학적 상태(7)과 일치한다. 지점(i)의 열역학적 상태는 도 7의 사이클의 특정 조건에 따라 달라지며, 양의 순 기계적 일을 생성하는 사이클 부분(i,j, b,c,d,i) 및 음의 순 기계적 일 즉 도 6에 도시된 바와 같이 일을 소모하는 사이클 부분(i,e,f,i) 사이에 분리 정점을 설정한다. 위에서 설명한 대로, 도 7의 지점 (d')은 지점 (f)와 (i')가 일치하는 전술된 사이클의 이상적인 상황을 나타낸다. 이 경우, 면적(i',f,e,i')은 0이며, 양의 일 및 음의 일 사이의 절대차로 이해되는 순 일 생산량은 최대화된다.
도 7의 O2 사이클에는, 그 정점이 지점 (j)인 일을 소모하는 또 다른 영역이 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 지점 (j)은 열역학적 상태 (a)와 (b) 사이의 공정 라인이 열역학적 상태 (f)와 (g) 사이의 공정 라인과 교차하는 열역학적 상태이다. 지점 (j)의 열역학적 상태는 도 7의 사이클의 특정 조건에 따라 달라지며, 양의 순 기계적 일을 생성하는 사이클 부분(i,j,b,c,d,i)과 음의 순 기계적 일을 생성하는 사이클의 다른 부분, 즉 일을 소모하는 사이클 부분(j,g,h,a,j) 사이에 분리 정점을 설정한다.
이론적 사전설계 모델링이 수행되었고, 이를 기반으로 다수의 계산이 수행되었으며, 그 결과는 도 8 내지13의 그래프에 도시된다. 모델에 대해, 모든 작동 지점에서, 열교환기와 터보기계의 일정한 효율 및 요소들 간의 이상적인 연결을 가정하였다.
압축기 및 엔진의 실린더 내에 주입되는 가스 연료 주입의 가변 비율 및 일정한 갇힌 공기 질량, 그리고 ,화학양론적 공기/연료 비율도 가정하였다. 고려된 연료는 C8H18(PCI ~42 MG/kg)였다.
4:1로 고정된 터보차저의 최대 압축비, 90℃의 최대 냉각수 온도, 1055℃의 최대 배기 가스 온도를 부과하였다.
도 8 내지 13의 그래프 및 전술한 설명으로부터 관찰될 수 있는 바와 같이, 본 발명에서는 NOx 방출이 방지되고 CO2를 대기로 배출하는 대신 격리할 가능성이 제공된다. 또한, 흡기 라인에 버터플라이 밸브 없이도 충전량을 조절하여, 높은 효율 및 단위 실린더 용량당 비출력(specific power)을 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명이 제공되었지만, 당업자는 첨부된 청구범위에 의해 독점적으로 정의된 보호 범위를 벗어나지 않고 수정예 및 변형예가 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (37)

  1. 산화제로서 대기를 흡입하고 연료로서 탄화수소를 사용하는 유형의 내연기관으로서, 상기 내연기관은:
    질소의 일부를 혼합하여 재가열과 함께 질소 팽창 및 중간 냉각되는 공기 압축의 제1 재생 브레이튼 사이클을 포함하되, 압축 공기로부터 O2를 분리하는 MIEC 멤브레인(6)을 포함하며, 흡입된 공기 흐름에는 N2가 없고 MIEC 멤브레인(6)으로부터의 거부로 인해 고갈된 공기는 배기 가스 흐름으로 직접 보내져서, 후속 연소에 참여하는 것을 방지하고, 공기 압축의 일부는 내연기관의 적어도 하나의 제1 실린더(4)에서 수행되며;
    중간 냉각을 갖는 압축이 있는 제2 브레이튼 사이클을 포함하되, 내연기관의 적어도 하나의 제2 실린더(14)에서 산소-연소에 의해 수행되는 디젤 사이클 및 오토 사이클로부터 선택된 사이클과 중첩되고 제1 브레이튼 사이클과 이진 방식으로 결합되며,
    제2 브레이튼 사이클은, 크랭크샤프트(25)를 통해 적어도 하나의 제2 실린더(14)와 적어도 하나의 제1 실린더(4)의 결합에 의해 기계적 에너지 및 배기 가스로부터 열 에너지를 제1 실린더로 전달하고;
    제1 브레이튼 사이클은 압축된 O2를 MIEC 멤브레인(6)으로부터 제2 브레이튼 사이클로 제공하며;
    MIEC 멤브레인(6)에서 N2가 분리됨으로써, 대기 중으로 NOx가 배출되는 것이 방지되는, 내연기관.
  2. 제1항에 있어서, 2개의 제1 실린더(4)를 포함하는, 내연기관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2개의 제2 실린더(14)를 포함하는, 내연기관.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 브레이튼 사이클에 의해 생성된 순 기계적 에너지는 압축기 C1(10)을 통해 제2 브레이튼 사이클을 과급하는데 사용되는, 내연기관.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, MIEC 멤브레인(6)은 대기로부터 분리된 순수한 O2를 생성하는, 내연기관.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, MIEC 멤브레인(6)은 CO2로 희석된 O2를 생성하는, 내연기관.
  7. 제6항에 있어서, O2가 희석되는 CO2는 대기로부터 얻어지는, 내연기관.
  8. 제6항에 있어서, O2가 희석되는 CO2는 제2 브레이튼 사이클에서 탄화수소와의 연소에 의해 생성되는, 내연기관.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 압축 단계 후에, 항상 냉각 단계가 있는, 내연기관.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 냉각 전에, 재생을 수행하는 제1 및 제2 브레이튼 사이클을 결합함으로써 모든 잔류 공급원으로부터 열이 회수되는, 내연기관.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 브레이튼 사이클에 의해 생성된 기계적 에너지는, 생성된 CO2를 액화될 때까지 압축하기 위해 추가로 사용되는, 내연기관.
  12. 제11항에 있어서, CO2는 적어도 7.5 MPa로 압축되는, 내연기관.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 제2 브레이튼 사이클은 오토 사이클과 중첩되고, 상기 내연기관은 적어도 하나의 추가 피스톤(22) 뿐만 아니라 내연기관의 도관에 축적된 과잉 CO2를 흡입하고 압축하기 위해 추가 피스톤의 입구에 있는 제1 체크 밸브(33) 및 추가 피스톤의 하류에 있는 제2 체크 밸브(19)을 포함하는, 내연기관.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 제2 브레이튼 사이클은 디젤 사이클과 중첩되며, 제2 실린더(14)의 배기 행정은 CO2를 압축하는 데 사용되며, 제1 및 제2 체크 밸브(33, 19)를 사용함으로써 CO2의 배출과 실질적으로 순수한 O2의 흡입을 가능하게 하고, 순수한 O2는 CO2 선택적 분리 멤브레인에서 혼입 가스로서 사용되는, 내연기관.
  15. 제5항 또는 제6항에 있어서, 내연기관은 후속 압축 전에 실질적으로 순수한 O2 또는 CO2로 희석된 O2를 더욱 강력하게 냉각하기 위한 진공 브레이튼 사이클(VBC)을 추가로 포함하는, 내연기관.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 내연기관은 생성된 액화 CO2를 저장하기 위한 제1 탱크(20)를 포함하는, 내연기관.
  17. 제16항에 있어서, 제1 탱크(20)에 저장된 CO2는 연료를 제2 탱크(27)로부터 내연기관의 제2 실린더(14)로 펌핑하도록 사용되며, 제1 및 제2 탱크(20, 27)는 가요성 멤브레인에 의해 분리된 하나의 동일한 탱크에 있는, 내연기관.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 생성된 액화 CO2는 외부 CO2 물류 네트워크의 펌프로 전달되는, 내연기관.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, MIEC 멤브레인(6)은 혼합 산소 이온-전자 캐리어 전도를 갖는 결정질 세라믹 재료를 기반으로 하는, 내연기관.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 내연기관은 스파크 점화(SI) 엔진이며, 터보 조립체가 제1 실린더(4)를 과급하는 데 사용되고, MIEC 멤브레인(6)의 O2 생성 조절은 내연기관 충전을 조절하는 데 사용되는, 내연기관.
  21. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 내연기관은 압축 점화(CI) 엔진이며, 터보 조립체가 제1 실린더(4)를 과급하는 데 사용되고, MIEC 멤브레인(6)의 O2 생성 조절은 내연기관의 사이클에서 작동 유체의 유효 압축비를 조절하는 데 사용되는, 내연기관.
  22. 제1항의 내연기관의 작동 방법으로서, 상기 방법은:
    질소의 일부를 혼합하여 재가열을 통한 질소 팽창 및 중간 냉각 및 질소 팽창을 포함하는 공기 압축의 제1 재생 브레이튼 사이클을 포함하되, 압축 공기로부터 O2를 분리하는 단계를 포함하며, 흡입된 공기 흐름에는 N2가 없고, 분리의 거부로 인해 고갈된 공기는 배기 가스 흐름으로 직접 보내져서, 후속 연소에 참여하는 것을 방지하며;
    중간 냉각을 갖는 압축이 있는 제2 브레이튼 사이클을 포함하되, 산소-연소에 의해 수행되는 디젤 사이클 및 오토 사이클로부터 선택된 사이클과 중첩되고 제1 브레이튼 사이클과 이진 방식으로 결합되며,
    제2 브레이튼 사이클은, 배기 가스로부터 열 에너지 및 기계적 에너지를 제1 브레이튼 사이클로 전달하고;
    제1 브레이튼 사이클은 압축된 O2를 상기 분리 단계로부터 제2 브레이튼 사이클로 제공하며;
    N2가 분리됨으로써, 대기 중으로 NOx가 배출되는 것이 방지되는, 작동 방법.
  23. 제22항에 있어서, 제1 브레이튼 사이클에 의해 생성된 순 기계적 에너지는 제2 브레이튼 사이클을 과급하는데 사용되는, 작동 방법.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서, 제1 브레이튼 사이클은 대기로부터 분리된 순수한 O2를 생성하는, 작동 방법.
  25. 제22항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 브레이튼 사이클은 CO2로 희석된 O2를 생성하는, 작동 방법.
  26. 제25항에 있어서, O2가 희석되는 CO2는 대기로부터 얻어지는, 작동 방법.
  27. 제25항에 있어서, O2가 희석되는 CO2는 제2 브레이튼 사이클에서 탄화수소와의 연소에 의해 생성되는, 작동 방법.
  28. 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 압축 단계 후에, 항상 냉각 단계가 있는, 작동 방법.
  29. 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 냉각 전에, 재생을 수행하는 제1 및 제2 브레이튼 사이클을 결합함으로써 모든 잔류 공급원으로부터 열이 회수되는, 작동 방법.
  30. 제22항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 브레이튼 사이클에 의해 생성된 기계적 에너지는, 생성된 CO2를 액화될 때까지 압축하기 위해 추가로 사용되는, 작동 방법.
  31. 제30항에 있어서, CO2는 적어도 7.5 MPa로 압축되는, 작동 방법.
  32. 제30항 또는 제31항에 있어서, 제2 브레이튼 사이클은 오토 사이클과 중첩되고, 상기 작동 방법은 내연기관의 도관에 축적된 과잉 CO2를 흡입하고 압축하는 단계를 포함하는, 작동 방법.
  33. 제30항 또는 제31항에 있어서, 제2 브레이튼 사이클은 디젤 사이클과 중첩되며, 상기 방법은 CO2를 압축하여 CO2를 배출하고 실질적으로 순수한 O2를 흡입하는 단계를 포함하며, 순수한 O2는 CO2 선택적 분리 멤브레인에서 혼입 가스로서 사용되는, 작동 방법.
  34. 제24항 또는 제25항에 있어서, 작동 방법은 후속 압축 전에 실질적으로 순수한 O2 또는 CO2로 희석된 O2를 더욱 강력하게 냉각하기 위한 진공 브레이튼 사이클(VBC)을 추가로 포함하는, 작동 방법.
  35. 제30항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 방법은 생성된 액화 CO2를 저장하는 단계를 포함하는, 작동 방법.
  36. 제35항에 있어서, 작동 방법은 내연기관의 실린더에 연료를 펌핑하기 위해 저장된 CO2를 사용하는 단계를 포함하는, 작동 방법.
  37. 제30항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 방법은 생성된 액화 CO2를 외부 CO2 물류 네트워크의 펌프로 전달하는 단계를 포함하는, 작동 방법.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11512656B2 (en) * 2020-10-15 2022-11-29 Saudi Arabian Oil Company Oxycombustion engine systems including recirculation management features
ES2940295A1 (es) * 2021-12-29 2023-05-05 Univ Valencia Politecnica Sistema de generacion de energia
CN116165350B (zh) * 2023-03-13 2023-09-29 山东交通学院 基于遥感技术的柴油车污染物检测方法、系统及设备

Family Cites Families (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2775961A (en) 1954-10-22 1957-01-01 Fairchild Engine & Airplane Fuel supply system
DE1258183B (de) 1965-08-07 1968-01-04 Daimler Benz Ag Einrichtung zum Regeln einer im Kreislaufverfahren arbeitenden Brennkraftmaschine, insbesondere von Fahrzeugen, vornehmlich Unterwasserfahrzeugen
US3709203A (en) 1971-07-16 1973-01-09 Thermo Chem Syst Inc Anti-pollution system for internal combustion engines
US3961609A (en) 1973-07-12 1976-06-08 Gerry Martin E Pure oxygen supply to an internal combustion engine
DE3625451A1 (de) 1986-07-28 1988-02-18 Lammers Albert Sauerstoff-versorgung fuer treibstoffmotore
US8156726B1 (en) * 1992-08-07 2012-04-17 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Semiclosed Brayton cycle power system with direct combustion heat transfer
US5636619A (en) 1993-02-18 1997-06-10 The University Of Chicago Method and apparatus for reducing cold-phase emissions by utilizing oxygen-enriched intake air
US5678526A (en) 1996-08-09 1997-10-21 Ford Global Technologies, Inc. System and diagnostic method for providing internal combustion engine with oxygen enriched air
DE19710839A1 (de) * 1997-03-15 1998-09-17 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren
DE10003525A1 (de) 2000-01-27 2001-08-02 Mann & Hummel Filter Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine mit einer vornehmlich für Sauerstoffmoleküle durchlässigen Membran
US6247316B1 (en) * 2000-03-22 2001-06-19 Clean Energy Systems, Inc. Clean air engines for transportation and other power applications
CA2409700C (en) * 2000-05-12 2010-02-09 Clean Energy Systems, Inc. Semi-closed brayton cycle gas turbine power systems
US7128064B2 (en) 2004-02-20 2006-10-31 Heider James E Method and apparatus to provide oxygen enriched air to the intake manifold of an internal combustion engine
FR2866695B1 (fr) 2004-02-25 2006-05-05 Alstom Technology Ltd Chaudiere oxy-combustion avec production d'oxygene
DE102004041263A1 (de) 2004-08-26 2006-03-02 Daimlerchrysler Ag Brennkraftmaschine mit einer Lufttrenneinheit und Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine
US7491309B2 (en) * 2005-12-21 2009-02-17 General Electric Company System and method for the production of hydrogen
US20090139497A1 (en) 2007-11-30 2009-06-04 Bo Shi Engine having thin film oxygen separation system
CN102165158B (zh) * 2008-09-26 2013-09-25 雷诺卡车公司 尤其用于机动车辆的动力总成
CN101526035A (zh) 2009-03-11 2009-09-09 天津大学 车用纯氧燃烧发动机系统
CN201835947U (zh) 2010-04-27 2011-05-18 赵军政 过量纯液氧内燃机
WO2012100182A1 (en) * 2011-01-20 2012-07-26 Saudi Arabian Oil Company Membrane separation method and system utilizing waste heat for on-board recovery and storage of co2 from motor vehicle internal combustion engine exhaust gases
CN102297025B (zh) 2011-07-06 2013-09-18 江西惟思特科技发展有限公司 微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机
US9488100B2 (en) * 2012-03-22 2016-11-08 Saudi Arabian Oil Company Apparatus and method for oxy-combustion of fuels in internal combustion engines
US9702300B2 (en) 2014-02-12 2017-07-11 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Applications of oxy-fuel combustion technology into gas turbine combustors and ion transport membrane reactors
US10107268B1 (en) * 2014-09-05 2018-10-23 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Thermal energy storage and power generation systems and methods
GB2546723B (en) * 2015-12-11 2021-06-02 Hieta Tech Limited Inverted brayton cycle heat engine
ES2688588A1 (es) * 2017-04-17 2018-11-05 Juan Francisco VALLS GUIRADO Dispositivo para suministro de oxígeno y evacuación de residuos solidos a motor termofotovoltaico de combustible metálico
GB2563818A (en) * 2017-05-05 2019-01-02 Ceox Ltd Mechanical/electrical power generation system
US20190203633A1 (en) * 2017-12-19 2019-07-04 Peter Charles Cheeseman Split-cycle engine
CN108331625B (zh) * 2017-12-29 2019-10-25 华中科技大学 一种利用天然气电厂排烟汽化潜热的发电系统

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Publication number Publication date
EP3951159A4 (en) 2023-01-04
JP2022528864A (ja) 2022-06-16
ES2751129A1 (es) 2020-03-30
ES2751129B2 (es) 2021-03-29
EP3951159A1 (en) 2022-02-09
EP3951159C0 (en) 2023-10-18
EP3951159B1 (en) 2023-10-18
JP7431405B2 (ja) 2024-02-15
CN113874618B (zh) 2024-03-15
EP3951159B9 (en) 2023-12-06
WO2020193833A1 (es) 2020-10-01
US20220178333A1 (en) 2022-06-09
CN113874618A (zh) 2021-12-31
US11603810B2 (en) 2023-03-14

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