WO2020193833A1 - Motor de combustión interna y método de funcionamiento del mismo - Google Patents

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WO2020193833A1
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Francisco José ARNAU MARTÍNEZ
Jesús Vicente BENAJES CALVO
David CATALÁN MARTÍNEZ
José María DESANTES FERNÁNDEZ
Luis Miguel GARCÍA-CUEVAS GONZÁLEZ
José Manuel SERRA ALFARO
José Ramón SERRANO CRUZ
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Universitat Politècnica De València
Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic)
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Definitions

  • the present invention relates to the field of internal combustion engines, and more specifically to an internal combustion engine that burns hydrocarbons and does not emit gases harmful to health.
  • MIEC Mixed ionic-electronic conduction membranes
  • These membranes operate at elevated temperatures (typically in the range of 700-1000 ° C) with elevated air pressures (1-2 MPa) fed on the retention side and vacuum on the permeation side, according to Air Products & Chemicals Inc. , which has resulted in a great advance in the commercialization of MIEC membrane technology for pure oxygen productions.
  • the transport of the oxygen ion is simultaneous to the transport of electrons or electronic holes (electronic carriers), so the material must have sufficient electronic conductivity under the operating conditions of the membrane.
  • the driving force responsible for oxygen transport through the membrane is the partial pressure difference of oxygen between both sides of the membrane.
  • the flow of oxygen through a membrane is determined by the temperature and the partial pressure difference of oxygen as well as the thickness of the membrane.
  • Another crucial step in the oxygen separation process in ion transport membranes is gas exchange.
  • transport through the selective separation layer consists of the diffusion of oxygen ions and electronic carriers. Therefore, two surface reactions are necessary, a first in which the gaseous oxygen is adsorbed and transformed into oxygen ions on the surface of the membrane exposed to the feed gases, generally compressed air, and a second, in which the Oxygen ions are transformed into molecular oxygen and desorbed.
  • these transport stages can be limiting and cause a decrease in permeation flux through the membrane.
  • (1) the thickness of the selective separation layer is very small, so that the diffusion through the solid is much faster than the gas exchange.
  • this critical dimension is called “characteristic length” and is the quotient between the diffusion coefficient and the kinetic constant of the surface gas exchange reaction under the conditions of operation and composition of gases in contact with the membrane surface.
  • Characteristic length is the quotient between the diffusion coefficient and the kinetic constant of the surface gas exchange reaction under the conditions of operation and composition of gases in contact with the membrane surface.
  • the membrane surface has no appreciable catalytic activity for the oxygen activation reaction.
  • the gaseous atmospheres in contact with the surface or surfaces of the membrane discourage the adsorption / desorption of molecular oxygen and its evolution through the O2 + 2 e reaction Or 2 .
  • acid gases such as CO2 and SO2
  • the oxygen partial pressure difference between both sides of the membrane can be achieved through two actions: (a) increasing the air pressure through compression stages; and / or (b) lowering the partial pressure of oxygen in the permeate, which is possible by applying a vacuum, diluting the oxygen in the permeate by means of a gaseous entrainment stream or by consuming the oxygen in the entrainment chamber.
  • This last option usually consists of recirculating the flue gases from the combustion furnace or boiler, while increasing the operating temperature.
  • a reducing gas generally methane or other hydrocarbons
  • MIEC membranes 5 classification criteria based on crystalline structure, phase composition, chemical composition, geometry, and dense layer configuration are commonly used.
  • MIEC membranes can be classified into perovskites, membranes derived from advanced perovskites, and fluorites.
  • Most MIEC membranes have a perovskite-like (ABO 3 ) crystal structure, where A is a large cation and B is a smaller cation.
  • a perovskite is a crystal lattice made up of octahedra of BOb with A ions located in 12 interstices.
  • RP Ruddlesde-Popper
  • the crystal structure of this phase is similar to that of perovskite in that a number of perovskite blocks (n) have a shared corner with the octahedron BOb modified with the AO layer along the c axis.
  • Some MIEC have a fluorite structure, the typical example being materials based on CeC> 2.
  • the membranes only have one type of crystalline phase, we speak of monophasic membranes.
  • Most perovskite membranes are monophasic, for example, Lai. x Sr x Coi-yFe y 0 3-6 (0 ⁇ x ⁇ 1; 0 ⁇ y ⁇ 1).
  • the membrane has two phases and both contribute to oxygen permeation, it is called dual phase membranes.
  • An example is the YSZ-Pd membranes, which contain a fluorite, YSZ, for the transport of oxygen ions and a metallic phase, Pd, for the transport of electrons. If the membrane has two or more phases and only one contributes to oxygen permeation, it is called a composite material.
  • the inert phase is added to improve some property of the material (mechanical resistance, for example).
  • the composite material SrCoo . 8 ugly . 203-6-SrSnC> 3 comprises two perovskites where the SrSnC> 3 phase is inert with respect to oxygen permeation, but improves the mechanical properties of the membrane.
  • membranes for separating oxygen at high temperature through ion transport are generally made up of the following components: i.
  • a porous support generally made either of the same material from which the separation layer is made or of a material (ceramic or metallic) compatible with the separation layer. Compatible means that it has a similar expansion profile as a function of temperature and that a reaction between the two phases does not take place at high temperatures to give rise to third phases, which generally result in degradation and rupture of the membrane.
  • the support porosity is usually between 20 and 60%, and its thickness is variable, usually below 2 mm.
  • a non-porous layer or film is placed on the porous support, preferably with a thickness less than 150 ⁇ m.
  • This layer is made up of oxides or mixtures of oxides and allows the simultaneous transport of oxygen ions and electronic carriers through it. Neither.
  • a porous layer with a thickness preferably between 100 and 10 pm, made of a material that possesses mixed ionic and electronic conductivity as well as catalytic activity for the adsorption / desorption of oxygen and its dissociation and ionization. This catalytic layer improves the processes of incorporation and elimination of gaseous oxygen.
  • porous support there is an additional porous catalytic layer between the porous support and the non-porous separating layer that has the function of improving the gas exchange stages, especially when the porous support does not possess catalytic activity nor does it allow to carry out the transport of oxygen ions or electronic carriers.
  • additional porous catalytic layer between the porous support and the non-porous separating layer that has the function of improving the gas exchange stages, especially when the porous support does not possess catalytic activity nor does it allow to carry out the transport of oxygen ions or electronic carriers.
  • the properties of the porous support and the additional porous catalytic layer are quite similar, although the specific surface area of the porous support is generally higher.
  • an additional non-porous layer (v) may also be required.
  • This layer would be located between the non-porous layer and the porous layer, and would serve as protection for the separation layer against possible interactions or degradation reactions in contact with layer (iii) or with gases in contact with the porous layer.
  • This additional layer must allow the transport of oxygen ions and oxygen carriers while being thermochemically compatible with the adjacent layers and with the gases with which it is in contact.
  • Oxy-combustion consists of the use of a stream of high purity O2 as an oxidizer instead of air, as is done in conventional combustion processes, thus achieving higher flame temperatures with less fuel consumption and thus improving the combustion.
  • the use of oxygen-rich oxidizers makes it possible to obtain combustion gases with a composition consisting mainly of CO2 and water vapor.
  • the high CO2 concentration of the flue gases in the oxy-fuel process facilitates its potential separation (see, for example, documents US20070175411A1, US20070175411A1, US9702300B2,
  • Oxygen membranes based on silicones or polysulfones can also be applied in air enrichment, so that the oxygen concentration is increased from 21% to higher values, usually above 24%.
  • Oxy-fuel combustion aims to be one of the most economical technologies for capturing CO2, its main drawback being the high demand for O2 it presents and the cost that obtaining it entails.
  • the great challenge of this technology lies in the production of O2 in order to supply the high quantities required.
  • membranes are introduced for the following purposes: selective reagent extraction, catalyst retention, reagent dosing, catalyst support. All this entails increases in the efficiency of reactions in systems limited by thermodynamic equilibrium, avoiding secondary reactions, protecting the catalyst from possible compounds that deactivate it, etc.
  • membranes based on molten carbonates in the group of membranes based on inorganic materials for the separation of CO2 from gaseous streams are metallic membranes (based on Pd), membranes based on silica, carbon membranes and zeolite-based membranes.
  • the metallic membranes are based on palladium and its alloys. These materials have high permeabilities to H2. Therefore, they are used mainly for the separation of H2 in pre-combustion systems. This type of membrane is a mature technology for pre-combustion CO2 capture systems. However, the stability of these materials must be improved for their implementation in industrial systems.
  • Porous inorganic membranes can be applied to CO2 removal.
  • Zeolites are aluminosilicates characterized for a homogeneous porous structure and a minimum channel diameter. The separation in these materials occurs by surface diffusion or molecular sieving. Three separation regimes are distinguished: (i) when the molecules have similar adsorption forces but different sizes, where the smaller molecules penetrate more easily; (ii) when the molecules have different adsorption forces and similar sizes, where the membrane is selective to the molecule that exhibits higher adsorption forces; (iii) when the molecules have different sizes and adsorption forces, where the mechanism is a combination of competitiveness between adsorption forces and diffusivity.
  • Zeolites include ZSM-5 with selectivities CO 2 / N 2 from 9.5 to 303 K (from -263.65 ° C to 29.85 ° C) and a permeability to CO 2 of 3- 10 7 mol / (m 2 s Pa) and Y-type zeolites with permeabilities to CO 2 of 4-10 7 mol / (m 2 s Pa) and selectivities of 100 and 21 for CO 2 / N 2 and CO 2 / CH 4 , respectively at 303 K (29.85 ° C).
  • Silica-based membranes have great potential for CO 2 / N 2 and H 2 / CO 2 separation, due to their high chemical, thermal and mechanical stability in different atmospheres and conditions.
  • the behavior of this type of membranes is highly conditioned, among other factors, to its synthesis method.
  • the permeabilities are in the range of 3- 10 10 - 5- 10 7 mol / (m 2 s Pa), reaching selectivities of 60 for CO 2 / N 2 , 325 for CO 2 / CH 4 and 670 for CO 2 / H 2 depending on the type of silica, synthesis method and conditions.
  • Carbon membranes composed of high-carbon amorphous microporous materials, have emerged as promising materials for gas separation applications due to their thermal resistance, chemical stability in corrosive environments, high gas permeability, and excellent selectivity compared to polymeric membranes.
  • these materials reach selectivities of 100 for CO 2 / CH 4 with permeabilities to CO 2 of 2000 - 10000 barrers, and selectivities of 10 for CO 2 / N 2 with permeabilities of CO 2 of 5 barrers.
  • Reciprocating internal combustion engines represent the most important technology for both passenger and heavy-duty land and marine vehicles. Both its design and its auxiliary machinery (turbomachines, fuel injection systems, additional pumps and heat exchangers) have been deeply optimized during the past century for various types of fuel. 4-stroke reciprocating engines lead land transport due to their high specific power, their ability to comply with the various regulations on polluting gaseous and acoustic emissions and their low average specific consumption.
  • the present invention aims to provide an internal combustion engine that provides advantages over the state of the art described above. More particularly, the present invention provides an internal combustion engine as defined in appended claim 1, which reduces pollution by reducing, or even avoiding, the emission of NOx into the atmosphere.
  • the present invention discloses an internal combustion engine, of the type that sucks atmospheric air as oxidizer and uses hydrocarbons as fuel, comprising:
  • a first regenerative Brayton cycle of air compressions with intermediate cooling and nitrogen expansions with reheating by mixing part of the nitrogen, comprising a MIEC membrane that separates the O 2 from the compressed air, so that the air stream sucked in is free of N 2 , and a depleted air from the rejection of the MIEC membrane is sent directly to a stream of exhaust gases avoiding its participation in an after-combustion, in which part of the air compressions are carried out in at least a first cylinder of the engine;
  • the second Brayton cycle transmits mechanical energy to the first Brayton cycle by coupling the at least one first cylinder with the at least one second cylinder through a crankshaft, as well as thermal energy from exhaust gases;
  • first Brayton cycle provides the second Brayton cycle with compressed O 2 from the MIEC membrane
  • the present invention also discloses an internal combustion engine operating method, of the type that sucks atmospheric air as oxidizer and uses hydrocarbons as fuel, the method comprising:
  • the second Brayton cycle transmits mechanical energy as well as thermal energy from exhaust gases to the first Brayton cycle
  • first Brayton cycle provides the second Brayton cycle with compressed O2 from the separation
  • the present invention integrates membranes based on mixed electronic conductive ceramics and oxygen ions in such a way as to recover all the energy required for the MIEC membrane for separating O2 from the
  • the main source of residual heat (such as the exhaust gases leaving the cylinders) and takes advantage of the increases in temperature offered by oxy-fuel combustion to supply the membrane with the necessary temperature without wasting heat. It is also intended to take advantage of the high compression capacity of reciprocating engine cylinders (up to 25 MPa) to achieve the ideal pressure conditions.
  • High pressures are needed for the following processes, which are provided in at least some of the preferred embodiments according to the present invention: maximizing the partial pressure difference between air and O2 to maximize productivity of the O2 membrane; maximize the separation of atmospheric CO2 from the air; and finally, compress until the CO2 liquefies (surpass its critical pressure of 7.5 MPa).
  • turbomachines of the supercharging systems of the engines are not used in the present invention for the process of compression of the air before its separation or for the densification of the CO2 (unlike document US20130247886A1) due to the low compression ratios they provide (maximum pressure less than 0.6 MPa at sea level).
  • turbochargers in turbogroups for pressures above 0.6 MPa, and they are very inefficient in the vicinity of those values.
  • the temperature associated with air compression in turbochargers is not used either (also unlike document US20130247886A1) due to the much lower efficiency of isentropic and irreversible compression processes compared to isotherms.
  • the compressed air is always cooled before going to the next compression stage so that the process is as isothermal (and therefore more efficient) as possible. This is done either with heat exchangers that use water to cool the air charge (commonly WCAC), or with vacuum Brayton cycles that convert heat to pressure (CBV). Both CBV and WCAC remove heat from the fluid and transmit it to the environment before the next compression, which, although it seems like a waste of energy, is actually a gain that is profitable in said next compression stage.
  • the ultimate reason for the search for maximum energy efficiency in all processes is to achieve a propulsion unit / oxy-fuel engine that has at least some of the following characteristics: that it does not emit or emit minute amounts of polluting gases; that traps the CO2 produced in combustion and removes all or part of the atmospheric CO2 from the environment; that is compact and light to be able to transport itself and; lastly, that it is competitive with current internal combustion engines in terms of fuel consumption.
  • the present invention describes, in some of its preferred embodiments, a totally new engine load regulation system.
  • This bypasses the flow throttle valve to regulate engine load in spark-ignition (SI) engines with homogeneous mixture oxy-fuel.
  • SI spark-ignition
  • This is done by using the turbo-sets, not to supercharge the combustion cylinders (as proposed by document US20130247886A1), but to supercharge the cylinders that compress the air before the membranes and use the regulation of the O2 production of the MIEC to regulate the load. Avoiding the use of the butterfly eliminates the pumping losses of SI pre-mixed combustion engines during the regulation of their load, which is their main inefficiency.
  • the second inefficiency that is avoided, with oxy-fuel, in premixed combustion SIs is the enrichment of the mixture (beyond the stoichiometric dosage: l ⁇ 1) to control the temperature of the exhaust gases.
  • This temperature control is performed in the present invention by diluting the 02-fuel mixture with the pure CO2 used to sweep the O2 side in the MIEC instead of with the fuel.
  • the proposed arrangement of the turbogroups and the MIEC allows both the control of the O2 production rate and the control of its dilution rate with CO2 to be carried out independently.
  • turbomachines and membrane allows both controls to be made more efficiently than those described so far in the state of the art, since pressure control is carried out by expanding the flow in the turbines; instead of inefficient pressure lamination in regulating valves (the latter is what has been proposed, for example, in document US20130247886A1).
  • the present invention proposes in some of its preferred embodiments to use liquid CO2 during the combustion cycle of the reciprocating engine. This makes it possible to recover a large part of the energy required to liquefy CO2 in a supercritical motor cycle with this fluid that works simultaneously and in conjunction with the O2 cycle. Both cycles share some of their processes, fundamentally that of increasing the thermal state and that of fluid expansion. Neither the supercritical cycle of CO2 explained here, nor the conjugated cycle of O2, with which it shares some of its processes, have been described by sources prior to the present invention.
  • Figure 1 shows a diagram of a premixed oxy-fuel engine according to a first preferred embodiment of the present invention, with homogeneous and stoichiometric mixture, with high specific power, high efficiency, with MIEC to separate O2 from the air, without emission of harmful gases for health but with net positive CO2 emissions.
  • Figure 2a shows a diagram of a premixed oxy-fuel engine according to a second preferred embodiment of the present invention, with homogeneous and stoichiometric mixture, with high specific power, high efficiency, without emission of gases harmful to health, with MIEC to separate the O2 from the air, with a polymeric membrane to separate CO2 and with net negative CO2 emissions.
  • Figure 2b shows a diagram of a premixed oxy-fuel engine according to an alternative to the engine shown in figure 2a, with homogeneous and stoichiometric mixture, with high specific power, high efficiency, without emission of gases harmful to health, with MIEC to separate O2 from the air, with a membrane based on molten carbonates to separate CO2 from the air and with net negative CO2 emissions.
  • Figure 3 shows a diagram of a diffusion oxy-fuel engine according to a third preferred embodiment of the present invention, with stratified and lean mixture, high specific power, high efficiency, with MIEC to separate the O2 from the air, without emission of gases harmful to health but with positive net CO2 emissions.
  • Figure 4a shows a diagram of a diffusion oxy-fuel engine according to a fourth preferred embodiment of the present invention, with stratified and lean mixture, high specific power, high efficiency, without emission of gases harmful to health, with MIEC to separate O2 from the air, with a polymeric membrane to separate CO2 from the air and with net negative CO2 emissions.
  • Figure 4b shows a diagram of a diffusion oxy-fuel engine according to an alternative to the engine of Figure 4a, with stratified and lean mixture, with high specific power, high efficiency, without emission of gases harmful to health, with MIEC to separate O2 from the air and a membrane based on molten carbonates to separate CO2 from the air and with net negative CO2 emissions.
  • Figure 5a shows a diagram of the Brayton cycle under vacuum (CBV).
  • Figure 5b shows a T-s diagram of the idealized vacuum Brayton cycle (CBV) calculated for a specific situation.
  • Figure 6 shows a supercritical CO2 cycle nested with the Diesel O2 cycle, corresponding to embodiment 4 of Figures 4a and 4b.
  • Figure 7 shows a nested Diesel O2 cycle with the compression Brayton cycle with intercooling corresponding to Embodiment 4 of Figures 4a and 4b.
  • Figure 8 shows a graph of the regulation of the combustion temperature for different degrees of load and based on the EGR rate; this is for a motor according to the embodiment of figure 1.
  • Figure 9 shows a graph of the MIEC efficiency during the regulation of the combustion temperature for different degrees of load; this is for a motor according to the embodiment of figure 1.
  • Figure 10 shows a graph of the effective torque at full load and at partial loads for a motor according to the embodiment of Figure 1.
  • Figure 11 shows a graph of the specific consumption at full load and at partial loads for an engine according to the embodiment of figure 1.
  • Figure 12 shows a graph of the effective power at full load and at partial loads for a motor according to the embodiment of figure 1.
  • Figure 13 shows a graph of the cycle results within the combustion cylinder for an engine according to the embodiment of Figure 1.
  • the present invention provides an internal combustion engine, of the type that sucks atmospheric air as oxidizer and uses hydrocarbons as fuel, comprising:
  • a first regenerative Brayton cycle of air compressions with cooling intermediate and nitrogen expansions with reheating by mixing a part of the nitrogen, comprising a MIEC membrane (6) that separates the O2 from the compressed air, so that the suction air stream is free of N2, and a depleted air from of the rejection of the MIEC membrane (6) is sent directly to a stream of exhaust gases avoiding its participation in a subsequent combustion, in which part of the air compressions are carried out in at least one first cylinder (4), preferably two first cylinders (4), of the engine;
  • the second Brayton cycle transmits mechanical energy to the first Brayton cycle by coupling the at least one first cylinder (4) with the at least one second cylinder (14) through a crankshaft (25), as well as energy thermal from exhaust gases;
  • first Brayton cycle provides the second Brayton cycle with compressed O2 from the MIEC membrane (6);
  • the net mechanical energy produced by the first Brayton cycle is used to supercharge the second Brayton cycle through a C1 compressor (10).
  • the MIEC membrane (6) produces pure O2 separated from atmospheric air.
  • pure for example, applied to some gaseous stream, such as “pure O2”
  • the O2 stream produced may not be 100% pure, but may also contain some minor amount, eg, CO2.
  • this stream of pure O2 (or substantially pure O2) has been separated from N2, so that the production of NOx in a subsequent oxy-fuel combustion, and therefore the emission of said NOx into the atmosphere, is avoided.
  • the MIEC membrane (6) produces O2 diluted with CO2.
  • the CO2 with which the O2 is diluted in this case can either be obtained from atmospheric air, or it can be produced by combustion with hydrocarbon in the second Brayton cycle.
  • heat is recovered from all waste sources by combining the first and second Brayton cycles by performing regenerations before each cooling.
  • the mechanical energy produced by the second Brayton cycle is further used to compress produced CO2 until it is liquefied.
  • Said CO2 can be compressed, for example, to at least 7.5 MPa.
  • the second Brayton cycle can be nested with an Otto cycle, and the engine comprises at least one additional piston (22) as well as non-return valves (a first non-return valve (33) at the inlet and a second non-return valve (19 ) downstream of the same) to suck and compress excess CO2 accumulated in the engine ducts.
  • the second Brayton cycle is nested with a Diesel cycle, and the exhaust stroke of the second cylinders (14) is used to compress the CO2, through the use of first and second non-return valves ( 33, 19) that allow the discharge of CO2 and the admission of substantially pure O2.
  • This substantially pure O2 is used as a stripping gas in CO2 selective separation membranes.
  • the engine further comprises a Brayton vacuum cycle (CBV) to further cool the substantially pure O2, or CO2 diluted O2, prior to subsequent compression.
  • CBV Brayton vacuum cycle
  • the engine comprises a first storage tank (20) for the liquefied CO2 produced.
  • Said CO2 stored in the first tank (20) can be used to pump fuel from a second tank (27) to the second cylinders (14) of the engine, both first and second tanks (20, 27) being in the same tank separated by a flexible diaphragm (replacing the low pressure pump used in common rail injection systems, which are the most common of current compression ignition engines) and / or it can be transferred to a dispenser from a network external CO2 logistics.
  • the MIEC membrane (6) is based on crystalline ceramic materials that present mixed conduction of electronic carriers and oxygen ions.
  • turbogroups are used to supercharge the first cylinders (4) and the regulation of the O2 production of the MIEC membrane (6) is used to regulate engine load.
  • turbogroups are used to supercharge the first cylinders (4) and the regulation of the O2 production of the MIEC membrane (6) is used to regulate the effective compression ratio of the working fluid in the engine cycle.
  • the present invention discloses an internal combustion engine operating method, of the type that sucks atmospheric air as oxidizer and uses hydrocarbons as fuel, the method comprising:
  • first Brayton cycle provides the second Brayton cycle with compressed O 2 from the separation
  • the net mechanical energy produced by the first Brayton cycle is used to supercharge the second Brayton cycle.
  • the first Brayton cycle produces pure O 2 separated from atmospheric air.
  • the first Brayton cycle produces O 2 diluted with CO 2 .
  • the CO 2 with which the O 2 is diluted can be obtained from atmospheric air or it can be produced by combustion with hydrocarbon in the second Brayton cycle.
  • heat is recovered from all waste sources by combining the first and second Brayton cycles by performing regenerations before each cooling.
  • the mechanical energy produced by the second Brayton cycle is further used to compress the CO 2 produced until it is liquefied.
  • CO 2 can be compressed to at least 7.5 MPa.
  • the second Brayton cycle can be nested with an Otto cycle, and the method comprises sucking up and compressing excess CO 2 accumulated in engine ducts.
  • the second Brayton cycle is nested with a Diesel cycle, and the method comprises compressing the CO 2 , allowing the discharge of CO 2 and the admission of substantially pure O 2 , the latter being used as entraining gas in membranes of selective CO 2 removal.
  • the method further comprises a Brayton cycle under vacuum (CBV) to more intensively cool the substantially pure O 2 , or O 2 diluted with CO 2 , prior to subsequent compression.
  • CBV Brayton cycle under vacuum
  • the method comprises storing produced liquefied CO 2 .
  • Such liquefied CO 2 can be used to pump fuel into the cylinders of the engine and / or can be transferred to a pump in an external CO2 logistics network.
  • Realization 1 Pre-mixed mixture provoked ignition (SI) engine without polluting gas emissions and without CO2 capture
  • Embodiment 1 is indicated for pre-mixed (homogeneous) mixture provoked ignition (SI) engines without CO2 capture.
  • Embodiment 1 is based on a deflagration combustion process, with subsonic speed and without self-ignition of the mixture, for the production of net mechanical power.
  • the degree of load (percentage of maximum torque) of the motor is controlled by the rate of O2 production in the MIEC membrane (6). This reduces pumping losses by eliminating the use of butterfly valves to throttle airflow.
  • the combustion temperature is controlled by diluting the mixture of oxidizer (O2) and fuel (HxCyOz) with CO2 and H2O from the combustion itself and pre-cooled. This avoids the use of fuel for this task (standard practice in current SIs).
  • embodiment 1 it is not proposed to capture the CO2 emitted by the engine. But it provides an improvement in energy efficiency with respect to current SI engines and eliminates polluting gas emissions (CO, THC, PM and NOx) at source (combustion chamber) and in the MIEC membrane (6), minimizing the need after-treatment to clean the exhaust gases, which represents a considerable saving in the cost of production of the engine.
  • the post-treatment for cleaning gases is of the order of 30% of the total cost of the motor-propulsion group.
  • oxy-fuel combustion ensures that polluting gas emissions are minimized during the cold start process. This is not the case in today's engines, due to the time required to warm up (activate) the large aftertreatment systems required for exhaust gas cleaning.
  • Embodiment 1 is represented in figure 1.
  • the atmospheric air enters the engine through a filter (1) sucked in by a compressor (C2) (2).
  • the C2 compressor (2) is part of a turbo-group and is mechanically coupled to a variable geometry turbine (VGT2) (8).
  • VGT2 variable geometry turbine
  • the compressor C2 (2) transfers air using the energy that the VGT2 turbine (8) recovers from the N2, CO2 and H2O rejected in the MIEC membrane (6); and the CO2 and H2O not recirculated to the second cylinders (14) of the engine, which circulate through the conduit that leaves a catalytic MIEC membrane (15) and converges with the conduit coming from the rejection of the MIEC membrane (6).
  • the air at the outlet of the compressor C2 (2) has a pressure and a temperature of 0.4 MPa and 473 K (199.85 ° C) approximately.
  • the air passes by a first engine charge cooler with water (in English: “water-cooler of air charge", WCAC) (3).
  • WCAC water-cooler of air charge
  • the temperature drops to 323 K (49.85 ° C) approximately what makes the rear compression more isothermal in the first cylinders (4) of the engine.
  • a 4-cylinder, 4-stroke engine is represented, with which 2 cylinders suck the air.
  • the first cylinders (4) act as pumps compressing the air to approximately 0.9 MPa and 473 K (199.85 ° C).
  • the first cylinders (4) are preferably identical to the rest of the engine's cylinders, sharing the crankshaft (25), the camshaft and the timing, and having as the only singularity that no fuel is injected into them.
  • the air Being a 4-stroke engine, the air remains 4 strokes inside the first cylinders (4), which is compressed and cooled by the engine's cooling water (approximately 363 K (89.85 ° C)).
  • first cylinders (4) function as a starting system for the set of turbomachines, to start up the air flow and the turbines of the cycle. To do this, they move, until the system starts, by a conventional starter motor of those used in reciprocating engines.
  • the air is heated in a first regenerator (23) that lowers its pressure to 0.87 MPa and raises its temperature to approximately 573 K (299.85 ° C), using the thermal energy of a stream of CO2, H2O and N2.
  • This flow of N2, CO2 and H2O leaves through the conduit (30) located downstream of the VGT2 turbine (8).
  • This flow of N2, CO2 and H2O represents approximately 100% of the total flow of gases transferred by the engine and is at a temperature of approximately 800 K (526.85 ° C) and a pressure of 0.1 MPa.
  • the air is heated in a second regenerator (5) which lowers its pressure to 0.85 MPa and raises its temperature to approximately 673 K (399.85 ° C), using energy for this thermal O2 produced by the MIEC membrane (6) and the exhaust gases used to entrain the O2 exchanged in the MIEC membrane (6) and lower the partial pressure of O2 in the entrainment chamber.
  • the air is heated again in a catalytic MIEC membrane (15) (this membrane has a catalyst that favors the complete oxidation of CO and HC to CO2 and H2O with the O2 of the environment) that it lowers its pressure to 0.8 MPa and raises its temperature to approximately 723 K (449.85 ° C), using for this the thermal energy of the exhaust gases from the combustion of the second cylinders (14).
  • the catalytic MIEC membrane (15) the exhaust gases give up their heat to the air (it acts as a regenerator) and both CO and HC are oxidized until the entire gas flow is composed only of CO2 and H2O.
  • the rejection of the MIEC membrane (6) is fundamentally N2 at 0.8 MPa and 1173 K (899.85 ° C); It represents approximately 80% of the mass of gas transferred by the system and passes through a VGT1 turbine (71) or through a control valve (72).
  • the VGT1 turbine (71) and the control valve (72) are part of a turbo-group together with the C1 compressor (10), to which the VGT1 turbine (71) is mechanically connected.
  • the VGT1 turbine (71) energetically values the rejected N2 flux from the MIEC membrane (6), recovering its energy to drive the C1 compressor (10).
  • the control valve (72) regulates the flow of energy to the compressor C1 (10).
  • Compressor C1 transfers a mixture of CO2, H2O and O2 that comes from the outlet of the drag of the MIEC membrane (6).
  • the C1 compressor (10) transfers approximately 95% of the engine gas flow.
  • the control valve (72) regulates the flow of CO2 and H2O used to dilute the O2 and hence the temperature of combustion and combustion exhaust gases.
  • the temperature of the engine exhaust gases, at the exit of the second cylinders (14), is regulated by the control valve (72); and it is at an approximate value of 1273 K (999.85 ° C) under nominal conditions.
  • control valve (72) works partially open to regulate the pressure of the compressor C1 (10).
  • a part of the N2 rejected in the MIEC membrane (6) circulates through the VGT1 turbine (71), expanding and cooling.
  • the other part of the rejected N2 circulates through the control valve (72) itself, without cooling.
  • This other part of the N2 mixes downstream of the VGT1 turbine (71) with the cold and expanded N2, reheating it, and consequently increasing its temperature.
  • the rejection N2 of the MIEC membrane (6) (approximately 80% of the air flow) mixes with the CO2 and H2O that come from the second non-return valve (19) and both flows are valued in the variable geometry turbine VGT2 (8) that is used to move the compressor C2 (2).
  • the approximate nominal inlet conditions to the VGT2 turbine (8) are 0.3 MPa and 873 K (599.85 ° C).
  • the variable geometry of the VGT2 turbine (8) is used to regulate the degree of load of the combustion engine. When the VGT2 turbine (8) is closed, the air flow through the MIEC membrane (6) and the working pressure in the MIEC membrane (6) increases.
  • the minimum size (minimum opening) of the VGT2 turbine (8) is chosen according to the engine displacement alternative to set the maximum power of the system at each engine speed.
  • the maximum opening of the VGT2 turbine (8) determines the minimum load (no load) of the reciprocating engine at each speed of rotation.
  • the VGT2 turbine (8) can also comprise a relief valve (or WG). When the VGT2 turbine (8) or its relief valve is fully opened, the energy of the C2 compressor (2) is reduced to zero, thereby reducing both the working pressure of the MIEC membrane and the flow of air transferred.
  • control valve (72) is opened, bypassing the VGT1 turbine (71), thereby reducing the energy of the C1 compressor (10) to zero.
  • the flow of exhaust gases (in which CO2 is found) to the MIEC membrane (6) is stopped. This equalizes the partial pressure of the O2 on both sides of the MIEC membrane (6) and stops the flow of O2 production by leaving the load of the engine of this embodiment 1 empty.
  • the mixture of N2, CO2 and H2O at a pressure of 0.1 MPa and a temperature of 800 K (526.85 ° C), approximately, is passed through the first regenerator (23) to transfer its heat to the air before discharging this gas mixture (free of gases harmful to health) into the atmosphere.
  • This mixture comes out at a nominal pressure and temperature of approximately 0.3 MPa and 1173 K (899.85 ° C) respectively, and accounts for approximately 105% of the air flow transferred by the engine.
  • the heat of the mixture of CO2, H2O and O2 is first recovered in the second regenerator (5) to heat the air at the outlet of the first regenerator (23). At the outlet of the second regenerator (5) it has nominal conditions of 0.25 MPa and 673 K (399.85 ° C) approximately.
  • VGT3 variable geometry turbine
  • C3 compressor
  • C3 compressor
  • the VGT3 turbine (16) is closed to keep the pressure at the outlet of the C3 compressor (12) constant at a nominal value of 0.6 MPa in any engine operating condition.
  • the nominal flow conditions are approximately 0.1 MPa and 473 K (199.85 ° C).
  • the oxidizing mixture that continues to the second cylinders (14) is cooled in a second WCAC cooler (9) to 323 K (49.85 ° C).
  • it is compressed in compressor C1 (10) to 0.3 MPa and 473 K (199.85 ° C), the conditions of compressor C1 (10) being those imposed by the control valve (72) to maintain the temperature of the exhaust gases around 1273 K (999.85 ° C), as already described.
  • compressor C1 (10) the mixture of CO2, H2O and O2 is cooled again to 323 K (49.85 ° C) in a third WCAC cooler (11) and compresses in compressor C3 (12) to 0.6 MPa and 473 K (199.85 ° C).
  • the energy of the VGT3 turbine (16) is used, which regulates the pressure at the outlet of the C3 compressor (12) equal to 0.6 MPa, as already described.
  • the mixture is re-cooled in a fourth WCAC cooler (13) to 323 K (49.85 ° C) before being sucked into the second cylinders (14), which in this embodiment are 2 for being half of those of a 4-cylinder, four-stroke engine used as an example; as stated at the beginning of the description of the present embodiment.
  • a hydrocarbon HxCyOz is injected, with a fuel pump (26), to the mixture of CO2, H2O and O2 in stoichiometric proportion with O2.
  • a pre-mixed combustion cycle of provoked ignition and similar to the Otto cycle is carried out.
  • the second cylinders (14) produce energy to move the first cylinders (4) that transfer the air to the MIEC membrane (6) as they are coupled to the same crankshaft (25).
  • the second cylinders (14) produce a surplus of net mechanical energy that is used to move the vehicle to which the engine is coupled, or the electric generator or any application that requires an input of mechanical energy through an axle.
  • These second cylinders (14) also function as a starting system for the set of turbomachines, to start the air flow; of O2 and the turbomachines of the cycle. To do this, they move, until the system starts, by a conventional starter motor of those used in reciprocating engines. Thus, both the first cylinders (4) and the second cylinders (14) function as a starting system and are moved, until the system starts, by a conventional starter motor.
  • the heat transfers in the first (3), second (9), third (11) and fourth (13) WCAC coolers and in the regenerations (produced in the first (23), second (5) and in catalytic MIEC (15)) contribute to minimize the destruction of exergy of the thermodynamic cycle due, on the one hand, to making the global compression process of the working fluid more isothermal and, on the other, to recovering the energy of the exhaust gases for the air separation.
  • the approach to isothermal compression and the use of regenerators to extract the heat from the gases of the system bring the N2 cycle, separated from the air in the MIEC membrane (6), closer to a cycle with equal performance to the Carnot cycle known as the Ericsson cycle. .
  • the cycle of the CO2 + H2O + O2 mixture can be assimilated to a closed Brayton cycle with intermediate compressions and expansions, but nested with an Otto cycle in the second cylinders (14); thing not described so far in the bibliography.
  • the quasi-closed Brayton cycle nested with the Otto cycle and binary with the N2 cycle (by sending heat to the N2 cycle, it fulfills the thermodynamic precepts to approximate an ideal cycle of maximum efficiency, like the Ericsson cycle) is a novel realization of a binary cycle, which fulfills the precepts of the other ideal cycle of maximum efficiency, that of Carnot.
  • the non-recirculated part of the exhaust gases is diverted through the bifurcation (29) to discharge to the inlet of the VGT2 turbine (8).
  • This surplus accounts for approximately 20% of the exhaust gases, which are a mixture of CO2, H2O, CO and total hydrocarbons (THC) without burning.
  • Downstream of the bifurcation (29) and upstream of the second non-return valve (19) is the catalytic MIEC membrane (15) to which the exhaust gases enter at a temperature of approximately 1273 K (999.85 ° C) and they give up their heat to 100% of the air flow that flows through the motor, thus lowering their temperature a lot, down to approximately 623 K (349.85 ° C).
  • the mixture of CO2 and H2O is discharged through a second non-return valve (19) at the inlet of the VGT2 turbine (8).
  • the second non-return valve (19) is set at a pressure of approximately 0.11 MPa and serves to prevent air or N2 from entering the oxidizing gas mixture during transient processes. Upstream of the second non-return valve (19) therefore a closed volume separated from the atmosphere is formed. This volume is made up of a N2-free duct circuit that acts as an accumulation system for the oxidizing mixture of CO2 + H2O + O2 after the engine stops.
  • the remainder of the non-surplus exhaust gases (i.e. recirculated exhaust gases) accounts for approximately 80% of the exhaust flow.
  • This non-surplus mixture is sucked by the C1 compressor (10), the C3 compressor (12) and the second cylinders (14) themselves to pass through the MIEC membrane (6).
  • the recirculated exhaust gases fulfill the indirect function of sweeping and lowering the partial pressure of O2 through the membrane to improve the productivity of the MIEC membrane (6); on the other hand, it fulfills the direct function of reducing the proportion of O2 in the oxidizing mixture.
  • the temperature of the combustion gases is controlled, around 1273 K (999.85 ° C), at the outlet of the second cylinders (14). In this way, at the outlet of the MIEC membrane (6) the cycle is closed and the mixture returns to the inlet of the second regenerator (5) to transmit its heat to the air.
  • the motor works efficiently both by keeping the dosage always close to the stoichiometric and by regulating its load without throttling the flow, but by modulating the air transferred by the compressor C2 (2) and the productivity of the membrane.
  • O2 productivity responds instantly to engine accelerations as the first cylinders (4) are mechanically coupled on the same axis with the second cylinders (14). Therefore, the dynamic response of the engine does not suffer from the turbocharger lag typical of turbocharged engines.
  • the engine only emits into the atmosphere a mixture of: CO2 and H2O from the second non-return valve (19); and atmospheric N2, H2O and CO2 from the VGT2 turbine outlet (8). In other words, it does not emit any gas that is harmful to health that adversely affects the respiratory process of people and animals.
  • Realization 2 Induced ignition (SI) engine of premixed mixture without polluting gas emissions and with capture of produced CO2 and removal of atmospheric CO2
  • Embodiment 2 is indicated for pre-mixed (homogeneous) mixture provoked ignition (SI) engines with captured and produced atmospheric CO2. Therefore, it falls within the category of engines that remove CO2 from the atmosphere (emission rate ⁇ 0).
  • Embodiment 2 is based on a deflagration combustion process, with subsonic speed and without self-ignition of the mixture, for the production of net mechanical power.
  • the degree of load (percentage of maximum torque) of the motor is controlled by the rate of O2 production in the MIEC membrane (6). This reduces pumping losses by eliminating the use of butterfly valves to throttle airflow.
  • the combustion temperature is controlled by diluting the mixture of oxidizer (O2) and fuel (HxCyOz) with CO2 and H2O from the combustion itself and pre-cooled. This avoids the use of fuel for this task (standard practice in today's SIs at high speed and full power).
  • Embodiment 2 proposes to capture the CO2 emitted by the engine and reduce the atmospheric CO2 content in the most efficient way possible. In addition, it eliminates the emissions of polluting gases (CO, THC, PM and NOx) at source (combustion chamber) or in the MIEC membrane, minimizing the need for post-treatment to clean the exhaust gases, which represents a considerable cost saving engine production. At present it is It is estimated that the post-treatment for cleaning gases is of the order of 30% of the total cost of the motor-propulsion group. Furthermore, due to oxy-fuel combustion, it is guaranteed that no polluting gases are emitted during the cold start process. This does not happen in today's engines, due to the time required to warm up (activate) the aftertreatment systems for cleaning exhaust gases.
  • polluting gases CO, THC, PM and NOx
  • Embodiment 2 has been depicted in Figures 2a and 2b depending on the technology used to extract CO2 from the air stream.
  • the atmospheric air enters the engine through a filter (1) sucked in by a compressor (C2) (2).
  • the C2 compressor (2) is part of a turbo-group and is mechanically coupled to a variable geometry turbine (VGT2) (8).
  • VGT2 variable geometry turbine
  • the compressor C2 (2) transfers air using the energy recovered by the VGT2 turbine (8) from the N2 + H2O rejected in the MIEC membrane (6) in the case of figure 2a, or from the N2 + H2O rejected in a CO2 membrane (28) in the case of figure 2b.
  • the air at the outlet of the compressor C2 (2) has a pressure and a temperature of 0.4 MPa and 473 K (199.85 ° C) approximately.
  • the air passes through a first water engine charge cooler (WCAC) (3).
  • WCAC water engine charge cooler
  • the temperature drops to approximately 323 K (49.85 ° C), which makes the subsequent compression in the first cylinders (4) of the engine more isothermal.
  • the air is cleaned of CO2 in a polymeric CO2 membrane (28) with an overall CO2 / N2 selectivity of around 2000 at the working temperature at the outlet of the first WCAC cooler (3).
  • This is achieved in figure 2a thanks to the fact that the CO2 that passes through the membrane is dragged by the water vapor coming from a separator (17) that lowers the partial pressure of the atmospheric CO2 permeated in the CO2 membrane (28).
  • atmospheric CO2 and the water used to sweep the C02 membrane (28) join the stream of O2 and combustion products in a means to carry out a Brayton cycle under vacuum (CBV) ( twenty-one). Specifically, this occurs at the outlet of a fifth WCAC cooler (31) as shown in figure 5a, which represents the internal detail of the CBV cycle and which will be explained later.
  • CBV Brayton cycle under vacuum
  • the air does not meet any CO2 membrane at the outlet of the first WCAC cooler (3) and, therefore, the CO2 content of the air does not change.
  • this CO2 is collected downstream.
  • the air is sucked in by the first cylinders (4) of the engine.
  • a 5-cylinder 4-stroke engine is represented, and 2 cylinders suck the air.
  • the first cylinders (4) act as pumps compressing the air to approximately 0.9 MPa and 473 K (199.85 ° C).
  • the first cylinders (4) are preferably identical to the rest of the engine's cylinders, sharing the crankshaft (25), the camshaft and the timing, and having as the only singularity that no fuel is injected into them.
  • first cylinders (4) Being a 4-stroke engine, the air remains 4 strokes inside the first cylinders (4) with This is compressed and cooled by the engine's cooling water (approximately 363 K (89.85 ° C)) which contributes to making the compression more isothermal.
  • These first cylinders (4) function as a starting system for the set of turbomachines, to start up the air flow and the turbines of the cycle. To do this, they move, until the system starts, by a conventional starter motor of those used in reciprocating engines.
  • the air is heated in a first regenerator (23) that lowers its pressure to 0.87 MPa and raises its temperature to approximately 573 K (299.85 ° C), using the thermal energy of a flow of CO2 and H2O at the outlet of an additional piston (22).
  • a third regenerator (24) that lowers its pressure to 0.85 MPa and raises its temperature to approximately 673 K (399.85 ° C), using energy thermal flow of a flow of N2 at a temperature of approximately 800 K (526.85 ° C) and a pressure of 0.1 MPa from the outlet of the VGT2 turbine (8).
  • the air is heated again in a catalytic MIEC membrane (15) that lowers its pressure to 0.8 MPa and raises its temperature to approximately 723 K (449.85 ° C) using for this the thermal energy of the combustion exhaust gases of the second cylinders (14).
  • the catalytic MIEC membrane (15) the exhaust gases give up their heat to the air (it acts as a regenerator) and both CO and HC are oxidized until the entire gas flow is composed only of CO2 and H2O. In this way, the need for post-treatment for cleaning the gases of this engine is reduced to 20%; since this flow of exhaust gases represents approximately 20% of the total flow of exhaust gases transferred by the engine.
  • the air is heated again in a second regenerator (5) which lowers its pressure to 0.8 MPa and raises its temperature to approximately 873 K (599.85 ° C) using energy for this.
  • the air at 0.8 MPa and 873 K (599.85 ° C) is injected into the O2 MIEC membrane (6) where it reaches the working temperature of the MIEC membrane (6) ( approximately 1173 K (899.85 ° C)) thanks to the heat exchange with CO2 and H2O that comes from the oxy-fuel process and that is used to sweep the O2 side.
  • the O2-depleted air, rejected in the MIEC (6) membrane of O2 enters, at approximately 1173 K (899.85 ° C) and 0.8 MPa, in a membrane of CO2 (28) (based on molten carbonates with an overall CO2 / N2 selectivity of around 2500 at the operating temperature) where atmospheric CO2 is separated from the N2 + H2O stream.
  • This is achieved thanks to the CO2 being swept away by the water vapor coming from the separator (17) which lowers the partial pressure of the atmospheric CO2 permeated in the membrane.
  • permeated atmospheric CO2 joins the mixture of O2 produced by the MIEC membrane (6) and CO2 and H2O from the combustion of the second cylinders (14) and used to sweep the MIEC membrane (6) and lower the partial pressure of O2.
  • the MIEC membrane (6) rejection of O2 is not found downstream with any CO2 membrane, because the air has already been previously cleaned of CO2 in the membrane of CO2 (28), as previously explained.
  • rejection of the MIEC membrane (6) of O2 in the case of the embodiment of figure 2a, and the rejection of the CO2 membrane (28), in the embodiment of figure 2b, are both practically free of atmospheric CO2 and are atmospheric N2 + H2O at 0.75 MPa and 1173 K (899.85 ° C).
  • Each of said rejections represents approximately 80% of the air mass transferred by the system and is passed through the VGT1 turbine (71) and / or through the control valve (72).
  • the VGT1 turbine (71) and the control valve (72) are part of a turbo-group together with the C1 compressor (10), to which the VGT1 turbine (71) is mechanically connected.
  • the VGT1 turbine (71) energetically values the rejected N2 flux from the MIEC membrane (6), recovering its energy to drive the C1 compressor (10).
  • the control valve (72) regulates the flow of energy to the compressor C1 (10).
  • the C1 compressor (10) transfers the sweep CO2 from the MIEC membrane (6), therefore it transfers a mixture of CO2, H2O and O2.
  • the C1 compressor (10) transfers approximately 95% of the engine gas flow.
  • the control valve (72) regulates the flow of CO2 and H2O used to dilute the O2 and hence the temperature of combustion and combustion exhaust gases.
  • the temperature of the engine exhaust gases, at the exit of the second cylinders (14) is regulated by the control valve (72); and it is at an approximate value of 1273 K (999.85 ° C) under nominal conditions.
  • control valve (72) works partially open to regulate the pressure of the compressor C1 (10).
  • a part of the N2 rejected in the MIEC membrane (6) circulates through the VGT1 turbine (71), expanding and cooling.
  • the other part of the rejected N2 circulates through the control valve (72) itself, without cooling.
  • This other part of the N2 mixes downstream of the VGT1 turbine (71) with the cold and expanded N2, reheating it, and consequently increasing its temperature.
  • the N2 + H2O of rejection of the MIEC membranes (80% of the air flow) is valued in the variable geometry turbine VGT2 (8) used to drive compressor C2 (2).
  • the approximate nominal inlet conditions to the VGT2 turbine (8) are 0.3 MPa and 823 K (549.85 ° C).
  • the variable geometry of the VGT2 turbine (8) is used to regulate the degree of load of the combustion engine. When the VGT2 turbine (8) is closed, the air flow through the MIEC membrane (6) and the working pressure in the MIEC membrane (6) increases. Therefore, the hourly production of O2 increases and the amount of fuel that can be injected under stoichiometric conditions. It happens in reverse when the VGT2 turbine (8) opens.
  • the minimum size (minimum opening) of the VGT2 turbine (8) is chosen in line with the reciprocating engine displacement to set the maximum power of the system at each engine speed.
  • the maximum opening of the VGT2 turbine (8) determines the minimum load (no load) of the reciprocating engine at each speed of rotation.
  • the VGT2 turbine (8) can also comprise a relief valve (or WG). When the VGT2 turbine (8) or its relief valve is fully opened, the energy of the C2 compressor (2) is reduced to zero, which reduces both the MIEC membrane working pressure and the flow of air transferred considerably.
  • control valve (72) is opened, bypassing the VGT1 turbine (71) whereby the energy of the C1 compressor (10) is reduced to zero.
  • the flow of CO2 and H2O to the MIEC membrane (6) is stopped. This equalizes the partial pressure of O2 on both sides of the MIEC membrane (6) and stops the flow of O2 production by leaving the engine load of this embodiment 2 empty.
  • the mixture of N2 and H2O at a pressure of 0.1 MPa and a temperature of 800 K (526.85 ° C), approximately, is passed through the third regenerator (24) to yield its heat to the air before discharging this gas mixture (free of gases harmful to health) into the atmosphere.
  • This mixture comes out at a nominal pressure and temperature of approximately 0.1 MPa and 1173 K (899.85 ° C) respectively; and represents approximately 80% of the air flow transferred by the engine.
  • the heat of the mixture of CO2, H2O and O2 is recovered first in the second regenerator (5) to heat the air at the outlet of the catalytic MIEC membrane (15). At the outlet of the second regenerator (5) it has nominal conditions of approximately 0.08 MPa and 723 K (449.85 ° C).
  • the mixture then flows through means to carry out a Brayton cycle under vacuum (CBV) (21).
  • the means to carry out a Brayton cycle under vacuum (CBV) (21) have the function of cooling the mixture, transforming its temperature into pressure and recovering the pressure loss caused by the second regenerator (5).
  • the means to carry out a Brayton vacuum cycle (CBV) (21) are composed of a VGT3 turbine (16) mechanically coupled with a C3 compressor (12) with which it forms a turbo-group. Between the outlet of the VGT3 turbine (16) and the inlet of the C3 compressor (12) there is a fifth WCAC cooler (31).
  • the mixture of CO2, H2O and O2 is expanded to be energetically recovered in the VGT3 turbine (16); It is cooled in the fifth WCAC cooler (31), suffering a slight pressure drop, and is compressed in the C3 compressor (12), mechanically coupled with the VGT3 turbine (16). At the outlet of the compressor C3 (12) the mixture is colder and at a higher pressure than at the inlet of the turbine VGT3 (16).
  • the nominal conditions of the oxidizing mixture at the outlet of the compressor C3 (12) are approximately 0.1 MPa and 523 K (249.85 ° C).
  • the oxidizing mixture which continues on its way to the second cylinders (14), is cooled in the second WCAC cooler (9) to 323 K (49.85 ° C). It is then compressed in the compressor C1 (10) to 0.3 MPa and 473 K (199.85 ° C), the conditions of the compressor C1 (10) being those imposed by the control valve (72) to maintain the temperature of exhaust gases around 1273 K (999.85 ° C), as already described.
  • a hydrocarbon HxCyOz is injected, with a fuel pump (26), to the oxidizing mixture of CO2, H2O and O2 in stoichiometric proportion with O2.
  • a fuel pump (26) to the oxidizing mixture of CO2, H2O and O2 in stoichiometric proportion with O2.
  • a pre-mixed combustion cycle of provoked ignition and similar to the Otto cycle is carried out.
  • the second cylinders (14) produce energy to move the first cylinders (4) that transfer the air to the MIEC membrane (6) and the additional piston (22), which compresses to densify the residual CO2 and H2O, since they are all coupled in the same crankshaft (25).
  • the second cylinders (14) also produce a surplus of net mechanical energy that is used to move the vehicle to which the engine is coupled, or the electric generator or any application that requires an input of mechanical energy through a shaft.
  • These second cylinders (14) function as a starting system for the set of turbomachines, to start up the air flow and the turbines of the cycle. To do this, they are moved, until the system starts, by a conventional starter used in reciprocating engines.
  • the approach to isothermal compression and the use of regenerators to extract heat from CO2 + H2O bring the N2 cycle in the MIEC membrane (6) closer to a cycle with the same performance as the Carnot cycle known as the Ericsson cycle.
  • the cycle of the CO2 + H2O + O2 mixture can be assimilated to a closed Brayton cycle with intermediate compressions and expansions, but nested with an Otto cycle in the second cylinders (14); something not described so far in the bibliography.
  • the quasi-closed Brayton cycle nested with the Otto cycle and binary with the N2 cycle (by sending heat to the N2 cycle, it fulfills the thermodynamic precepts to approximate an ideal cycle of maximum efficiency, like the Ericsson cycle) is a novel realization of binary cycle; that fulfills the precepts of the other ideal cycle of maximum efficiency, that of Carnot.
  • the cycle is closed and the mixture returns to the inlet of the second regenerator (5) to transmit its heat to the air.
  • the motor works efficiently both by keeping the dosage always close to the stoichiometric and by regulating its load without throttling the flow, but by modulating the O2 production of the membrane.
  • the productivity of the membrane responds instantly to the accelerations of the engine since the first cylinders (4) are mechanically coupled on the same axis with the second cylinders (14). Therefore, the dynamic response of the engine is not conditioned by the lag of the turbocharged MCIA, due to the mechanical inertia of the turbo group.
  • the remaining 20% of the exhaust gases which are a mixture of: CO2, H2O, unburned THC and CO, is oxidized with the O2 left over from combustion in the catalytic MIEC membrane (15) to which They enter at a temperature of approximately 1273 K (999.85 ° C) and give up their heat to 100% of the air flow that flows through the motor, with which their temperature drops a lot, down to approximately 703 K (429.85 ° C ).
  • a first non-return valve (33) is installed to prevent backflow from the additional piston (22).
  • the additional piston (22) is driven by the crankshaft (25) and compresses this 20% of the flow (the mentioned remaining 20% of the exhaust gases) to 7.5 MPa.
  • the 7.5 MPa pressure is regulated by a second non-return valve (19) and its setting spring. The compression is carried out almost isothermally in the four strokes of the additional piston (22), from when the intake valve opens to suck in the mixture of CO2 and H2O vapor until the exhaust valve opens to discharge it.
  • the mixture compressed to 7.5 MPa is discharged at a temperature of approximately 673 K (399.85 ° C), it must be kept above 573 K (299.85 ° C) which is the saturation temperature of water at 7.5 MPa to ensure that it remains in the gas state inside the additional piston (22).
  • the mixture is cooled first in the first regenerator (23) and then in the fourth WCAC cooler (13) to 473 K (199.85 ° C) whereby the H2O becomes a liquid state.
  • the mass of liquid water at 7.5 MPa and 473 K (199.85 ° C) accounts for approximately 2% of the total mass flow transferred by the engine.
  • the liquid water is then separated from the CO2 gas in the separator (17), which can be an inertial separator with a pressure laminating valve at the outlet.
  • a polymeric membrane can also be used as separator (17), if the water remains in the gaseous state.
  • the water separated at a pressure of 0.1 MPa and 473 K (199.85 ° C) is energetically valorized by being used as a tractor fluid in the CO2 membrane (28).
  • the excess CO2 is cooled in a sixth WCAC cooler (18) below its critical temperature, 303 K (29.85 ° C).
  • Liquid CO2 passes through the second non-return valve (19) and is stored at 7.5 MPa in a first tank (20) with a controlled temperature below 303 K (29.85 ° C). When this tank is full the autonomy of the engine ends.
  • the tank is kept at subcritical CO2 temperatures ( ⁇ 303 K (29.85 ° C)) using, if necessary, a refrigeration circuit such as the one produced by the vehicle's air conditioning.
  • the tank is unloaded at the service station, being exchanged for a fuel tank.
  • Liquid CO2 can again be converted to a hydrocarbon (as in synthetic fuels called e-Diesel, Blue-crude, etc.); be supplied as a product to the chemical industry; be supplied as a refrigerant fluid to the refrigeration industry or stored in controlled sumps. But it is not broadcast to the atmosphere.
  • the non-emission of CO2 into the atmosphere makes it possible to determine that the present embodiment 2 is an engine with net negative emissions since it has removed atmospheric CO2 and has not emitted that produced in its combustion process.
  • Embodiment 3 Compression ignition engine (Cl); stratified mixture and diffusion combustion; with variable effective compression ratio controlled by the O2 production rate; no polluting gas emissions and no CO2 capture
  • Embodiment 3 is indicated for stratified mixture compression (Cl) ignition engines (diffusion combustion) without emission of pollutants and without CO2 capture.
  • Embodiment 3 is based on a diffusion combustion process, with auto-ignition by detonation of the premix and combustion speed controlled by the momentum of the fuel jets.
  • the degree of boost affects the percentage of maximum torque at each speed through the effective compression ratio of the cycle.
  • This effective compression ratio is variable and is controlled by the rate of O2 production in the MIEC membrane. This supposes a concept of size reduction, being able to decrease the engine displacement and bring the effective air compression process in turbomachines and cylinders closer to the isothermal process.
  • the combustion temperature is controlled by the dilution of the pre-cooled mixture of oxidizer (O2) and fuel (HxCyOz) with CO2 and H2O from the combustion itself.
  • This mixture with high rates of recirculated exhaust gases (EGR) also helps to increase the O2 production rate in the MIEC (6) O2 membrane by lowering the partial pressure of the membrane.
  • embodiment 3 it is not proposed to capture the CO2 emitted by the engine, but rather to eliminate the emissions of polluting gases (CO, THC, PM and NOx) at the source (combustion chamber) or in the MIEC membrane, without the need for post-treatment to clean the exhaust gases, which represents a considerable saving in the cost of production of the engine.
  • the post-treatment for cleaning gases is of the order of 30% of the total cost of the motor-propulsion group.
  • due to oxy-fuel combustion it is guaranteed that no polluting gases are emitted during the cold start process. This does not happen in today's engines, due to the time required to warm up (activate) the aftertreatment systems for cleaning exhaust gases.
  • Embodiment 3 is represented in figure 3.
  • the atmospheric air enters the engine through a filter (1) sucked in by a compressor (C2) (2).
  • the C2 compressor (2) is part of a turbo-group and is mechanically coupled to a variable geometry turbine (VGT2) (8).
  • VGT2 variable geometry turbine
  • the compressor C2 (2) transfers air using the energy that the turbine VGT2 (8) recovers from the N2 rejected in the MIEC membrane (6).
  • the air leaving the compressor C2 (2) has a pressure and a temperature of 0.4 MPa and 473 K (199.85 ° C) approximately.
  • Air passes through a first engine charge cooler with water (WCAC) (3). At the outlet of the first WCAC cooler (3) the temperature drops to approximately 323 K (49.85 ° C), which makes the subsequent compression in the first cylinders (4) of the engine more isothermal.
  • WCAC first engine charge cooler with water
  • a 4-cylinder, 4-stroke engine is represented, whereby 2 cylinders suck the air.
  • the first cylinders (4) act as pumps compressing the air to approximately 0.8 MPa and 473 K (199.85 ° C).
  • the first cylinders (4) are preferably identical to the rest of the engine's cylinders, sharing the crankshaft (25), the camshaft and the timing, and having as the only singularity that no fuel is injected into them.
  • the air Being a 4-stroke engine, the air remains 4 strokes inside the first cylinders (4), which is compressed and cooled by the engine's cooling water (approximately 363 K (89.85 ° C)).
  • first cylinders (4) function as a starting system for the set of turbomachines, to start up the air flow and the turbines of the cycle. To do this, they move, until the system starts, by a conventional starter motor of those used in reciprocating engines.
  • the air is heated in a first regenerator (23) which lowers its pressure to 0.77 MPa and raises its temperature to approximately 673 K (399.85 ° C); using the thermal energy of a flow of CO2, H2O and N2.
  • This flow of N2, CO2 and H2O goes out into the atmosphere through the conduit (30) located downstream of the VGT2 turbine (8).
  • This flow of N2, CO2 and H2O accounts for approximately 80% of the total air flow drawn by the engine and is at a temperature of approximately 800 K (526.85 ° C) and a pressure of 0.1 MPa.
  • the air is heated in a second regenerator (5) that raises its temperature to approximately 973 K (699.85 ° C) using the thermal energy of the O2 produced by the MIEC membrane (6 ) and the CO2 used to sweep the MIEC membrane (6) and lower the partial pressure of O2.
  • the air at 0.75 MPa pressure enters the MIEC membrane (6) where it reaches the working temperature of the MIEC membrane (6) (approximately 1223 K (949.85 ° C)) thanks to to the exchange of heat with CO2 and H2O that comes from the oxy-fuel process and that is used to scavenge the O2.
  • the rejection of the MIEC membrane (6) is fundamentally N2 at 0.7 MPa and 1173 K (899.85 ° C); It represents approximately 80% of the air mass transferred by the system and passes through the VGT1 turbine (71) and / or through the control valve (72).
  • the VGT1 turbine (71) and the control valve (72) are part of a turbo-group together with the C1 compressor (10), to which the VGT1 turbine (71) is mechanically connected.
  • the VGT1 turbine (71) energetically values the rejected N2 flux from the MIEC membrane (6), recovering its energy to drive the C1 compressor (10).
  • the control valve (72) regulates the flow of energy to the compressor C1 (10).
  • Compressor C1 transfers the CO2 + H2O scavenging from the membrane MIEC (6), therefore transfers a mixture of CO2, H2O and O2.
  • the C1 compressor (10) transfers approximately 95% of the engine gas flow.
  • the control valve (72) regulates the flow of CO2 and H2O used to dilute the O2 and hence the temperature of combustion and combustion exhaust gases.
  • the temperature of the engine exhaust gases, at the exit of the second cylinders (14) is regulated by the control valve (72); and it is at an approximate value of 1223 K (949.85 ° C) under nominal conditions.
  • control valve (72) works partially open to regulate the pressure of the compressor C1 (10).
  • a part of the N2 rejected in the MIEC membrane (6) circulates through the VGT1 turbine (71), expanding and cooling.
  • the other part of the rejected N2 circulates through the control valve (72) itself, without cooling.
  • This other part of the N2 mixes downstream of the VGT1 turbine (71) with the cold and expanded N2, reheating it, and consequently increasing its temperature.
  • the rejection N2 of the MIEC membrane (6) (80% of the air flow) is valued in the variable geometry turbine VGT2 (8 ) used to drive compressor C2 (2).
  • the approximate nominal inlet conditions to the VGT2 turbine (8) are 0.3 MPa and 823 K (549.85 ° C).
  • the variable geometry of the VGT2 turbine (8) is used to regulate the flow of air transferred by the MIEC membrane (6) and therefore the flow of O2 produced.
  • the minimum size (minimum opening) of the VGT2 turbine (8) is chosen in accordance with the displacement of the reciprocating engine to set the maximum power of the system at each engine speed.
  • the maximum opening of the VGT2 turbine (8) determines the minimum O2 flow (no load) of the reciprocating engine at each speed of rotation.
  • the VGT2 turbine (8) can also comprise a relief valve (or WG). When the VGT2 turbine (8) or its relief valve is fully opened, the energy of the C2 compressor (2) is reduced to zero, which reduces both the MIEC membrane working pressure and the flow of air transferred considerably.
  • control valve (72) is opened, bypassing the VGT1 turbine (71), thereby reducing the energy of the C1 compressor (10) to zero. This practically equalizes the partial pressure of O2 on both sides of the MIEC membrane (6) and minimizes the O2 production rate by leaving the engine load of this embodiment 3 empty.
  • control valve (72) provides a qualitative regulation of the flow of O2 by acting on the production rate and the turbine VGT2 (8) provides a quantitative regulation by acting on the transferred air flow.
  • Both controls provide very wide and very fine regulation of the effective compression ratio of the cylinder at the top dead center of the second cylinders (14) without changing their volumetric compression ratio. This is commonly known in reciprocating engines as a variable compression ratio.
  • the mixture of N2, CO2 and H2O at a pressure of 0.1 MPa and a temperature of 800 K (526.85 ° C), approximately, is passed through the first regenerator (23) to transfer its heat to the air before discharging this gas mixture (free of gases harmful to health) into the atmosphere.
  • This mixture comes out at a nominal pressure and temperature of approximately 0.35 MPa and 1223 K (949.85 ° C) respectively; and represents approximately 115% of the air flow transferred by the engine.
  • the heat of the mixture of CO2, H2O and O2 is recovered first in the second regenerator (5) to heat the air that comes from the outlet of the first regenerator (23). At the outlet of the second regenerator (5) the oxidizing mixture has nominal conditions of 0.3 MPa and 700 K (426.85 ° C) approximately.
  • VGT3 variable geometry turbine
  • C3 compressor
  • C3 compressor
  • the VGT3 turbine (16) is regulated to keep the pressure downstream of the C3 compressor (12) constant and equal to 0.6 MPa.
  • the nominal conditions at the outlet of the VGT3 turbine (16) are approximately 0.1 MPa and 473 K (199.85 ° C).
  • the outlet of the VGT3 turbine (16) there is a branch that discharges the excess mixture of CO2, H2O steam and O2 to the atmosphere without any polluting gas (without CO, without THC and without NOx). This is achieved thanks to the catalysis of CO and THC to H2O and CO2 vapor that is produced in the MIEC membrane (6) and to oxy-combustion that prevents the production of NOx.
  • the discharge is carried out through a second non-return valve (19) set at a pressure of 0.11 MPa to prevent air or N2 from entering the oxidizing gas mixture during transient processes.
  • a closed circuit is formed and separated from the atmosphere.
  • This volume is made up of a N2-free duct circuit that acts as an accumulation system for the oxidizing mixture of CO2 + H2O + O2 after the engine stops. This accumulated mixture facilitates the subsequent starting of the engine, since there is already a surplus of O2 produced by the MIEC membrane (6), which can be used to start the combustion in the second cylinders (14).
  • the nominal pressure conditions at the outlet of the VGT3 turbine (16) are 0.11 MPa and the temperature is about 473 K (199.85 ° C).
  • the non-surplus mixture that continues to the second cylinders (14) is cooled in a second WCAC cooler (9) to 323 K (49.85 ° C).
  • it is compressed in compressor C1 (10) to 0.3 MPa and 473 K (199.85 ° C), the conditions of compressor C1 (10) being those imposed by the control valve (72) to maintain the temperature of the exhaust gases around 1223 K (949.85 ° C), as already described.
  • a hydrocarbon HxCyOz is injected, with a fuel pump (26), to the oxidizing mixture of atmospheric CO2 and O2.
  • the hydrocarbon is injected in the desired mode and quantity to regulate the load of the combustion engine by diffusion and in a less than stoichiometric ratio with O2.
  • a diffusion combustion cycle is carried out; compression ignition and similar to the Diesel cycle that is mainly carried out by O2 and combustion products. That is, approximately 80% of the amount of air that enters the engine.
  • the second cylinders (14) produce energy to move the first cylinders (4) that transfer the air to the MIEC membrane (6) as they are coupled to the same crankshaft (25).
  • the second cylinders (14) produce a surplus of net mechanical energy that is used to move the vehicle to which the engine is coupled, or the electric generator or any application that requires an input of mechanical energy through an axle.
  • These second cylinders (14) function as a starting system for the set of turbomachines, to start up the air flow and the turbines of the cycle. To do this, they are moved, until the system starts, by a conventional starter used in reciprocating engines.
  • the heat transfers in the first (3), second (9), third (11) and fourth (13) WCAC coolers and in the regenerations (produced in the second (5) and first (23) regenerators) contribute to minimize the destruction of exergy of the thermodynamic cycle due, on the one hand, to making the global compression process of the working fluid more isothermal and, on the other, to recovering the energy of the exhaust gases to air separation.
  • the approach to isothermal compression and the use of regenerators to extract heat from CO2, N2 and H2O bring the N2 cycle in the MIEC membrane (6) closer to a cycle with equal performance to the Carnot cycle, known as the Ericsson cycle.
  • the cycle of the CO2, H2O and O2 mixture can be assimilated to a closed Brayton cycle with intermediate compressions and expansions, but nested with a Diesel cycle in the second cylinders (14); something not described so far in the bibliography.
  • the quasi-closed Brayton cycle nested with the Diesel cycle and binary with the N2 cycle (by sending heat to the N2 cycle, it complies with the thermodynamic precepts to approach an ideal cycle of maximum efficiency, such as the Ericsson cycle) is a novel realization of binary cycle; that fulfills the precepts of the other ideal cycle of maximum efficiency, that of Carnot.
  • the exhaust gas mixture fulfills the function of flushing it: lowering the partial pressure of O2 to improve the productivity of the MIEC membrane (6) and diluting the O2 until the combustion temperatures are compatible with current MCIA materials technology.
  • the exhaust gas mixture is catalyzed, reacting with the O2 to convert the THC and CO resulting from the combustion process into CO2 and H2O. In this way, at the outlet of the MIEC membrane (6) the cycle is closed and the mixture returns to the inlet of the second regenerator (5) to transmit its heat to the air.
  • the engine works optimally by regulating its effective compression ratio with the VGT2 turbine (8) to the most efficient according to the degree of load and the engine speed.
  • the productivity of the membrane responds instantly to the accelerations of the engine since the first cylinders (4) are mechanically coupled on the same axis with the second cylinders (14). Therefore, the dynamic response of the engine is not affected by the acceleration delay of the turbo-group, due to its mechanical inertia.
  • the engine only emits a mixture of: CO2, H2O and O2 into the atmosphere through the bifurcation tube (29), through the second non-return valve (19); and atmospheric N2 + CO2 from the outlet of the VGT2 turbine (8).
  • Embodiment 4 stratified mixture and combustion by diffusion; with variable effective compression ratio controlled by the O2 production rate; without emissions of polluting gases and with capture of CO2 produced and removal of
  • Embodiment 4 is indicated for stratified mixture compression ignition (Cl) engines (diffusion combustion) with capture of atmospheric CO2 and that produced by the engine itself. Therefore, it falls within the category of engines that remove CO2 from the atmosphere (emission rate ⁇ 0).
  • embodiment 4 is based on a diffusion combustion process, with auto-ignition by detonation of the premix and combustion speed controlled by the momentum of the fuel jets (and in this case liquid CO2) injected.
  • the degree of boost affects the percentage of maximum torque at each speed through the effective compression ratio of the cycle.
  • This effective compression ratio is variable and is controlled by the rate of O2 production in the MIEC membrane. This supposes a concept of size reduction, being able to decrease the engine displacement and bring the effective air compression process in turbomachines and cylinders closer to the isothermal process.
  • the combustion temperature is controlled by diluting the mixture of oxidizer (O2) and fuel (HxCyOz) with liquid CO2 from the combustion itself and densified to supercritical conditions. Due to the large amount of CO2 required, this represents an additional innovation, since two cycles coexist in cylinders: (i) on the one hand, a supercritical CO2 thermodynamic cycle carried out by the CO2 used to control the combustion temperature and, on the one hand at the same time, (ii) a Diesel cycle carried out by the oxidizing O2 and its products. This has not been described so far in the published literature.
  • Embodiment 4 proposes to capture the CO2 emitted by the engine and reduce the atmospheric CO2 content of the air used, both in the most efficient way possible. In addition, it eliminates the emissions of polluting gases (CO, THC, PM and NOx) at source (combustion chamber), minimizing the need for post-treatment to clean the exhaust gases, which represents a considerable saving in the cost of engine production . At present it is estimated that the post-treatment for cleaning gases is of the order of 30% of the total cost of the motor-propulsion group. Additionally, due to oxy-combustion, it is guaranteed that polluting gases are not emitted during the cold start process. This does not happen in today's engines, due to the time required to warm up (activate) the aftertreatment systems for cleaning exhaust gases.
  • polluting gases CO, THC, PM and NOx
  • Embodiment 4 is shown in Figures 4a and 4b.
  • the atmospheric air enters the engine through a filter (1) sucked in by a compressor (C2) (2).
  • the C2 compressor (2) is part of a turbo-group and is mechanically coupled to a variable geometry turbine (VGT2) (8).
  • VGT2 variable geometry turbine
  • Compressor C2 (2) transfers air using the energy that the VGT2 turbine (8) recovers from the N2 + H2O rejected in the MIEC membrane (6).
  • the air at the outlet of the compressor C2 (2) has a pressure and a temperature of 0.4 MPa and 473 K (199.85 ° C) approximately.
  • the air passes through a first water engine charge cooler (WCAC) (3). At the outlet of the first WCAC cooler (3) the temperature drops to approximately 323 K (49.85 ° C), which makes the subsequent compression in the first cylinders (4) of the engine more isothermal.
  • WCAC water engine charge cooler
  • the CO2 content of the air is reduced in a polymeric CO2 membrane (28) with an overall CO2 / N2 selectivity of around 2000 at the working temperature at the outlet of the first WCAC cooler (3) .
  • This is achieved in figure 4a thanks to the fact that CO2 is entrained by the pure O2 taken downstream of the third WCAC cooler (11) and coming from the O2 separation membrane (6) MIEC.
  • the O2 lowers the partial pressure of the atmospheric CO2 permeated in the entrainment chambers of the membrane module.
  • the collected atmospheric CO2 and O2 used to sweep the membrane are directed towards the first non-return valve (33) to be sucked into the second cylinders (14).
  • the CO2 from the atmospheric air is separated by a CO2 membrane (28) based on molten carbonates, so that at the outlet of the first WCAC cooler (3) the air does not meets no CO2 membrane.
  • the air is sucked through the middle of the first cylinders (4) of the engine.
  • a 4-cylinder, 4-stroke engine is represented, and 2 cylinders suck the air.
  • the first cylinders (4) act as pumps compressing the air to approximately 1.5 MPa and 473 K (199.85 ° C).
  • the first cylinders (4) are preferably identical to the rest of the engine's cylinders, sharing the crankshaft (25), the camshaft and the timing, and having as the only singularity that no fuel is injected into them.
  • the air Being a 4-stroke engine, the air remains 4 strokes inside the first cylinders (4), which is compressed and cooled by the engine's cooling water (approximately 363 K (89.85 ° C)).
  • first cylinders (4) function as a starting system for the set of turbomachines, to start up the air flow and the turbines of the cycle. To do this, they are moved, until the system starts, by a conventional starter used in reciprocating engines.
  • the air is heated in a first regenerator (23) which lowers its pressure to 1.47 MPa and raises its temperature to approximately 673 K (399.85 ° C); using for this the thermal energy of a flow of H2O and N2.
  • This flow of N2 and H2O comes from the VGT2 turbine (8).
  • This flow of N2 and H2O represents approximately 90% of the total flow of gases transferred by the engine and is at a temperature of approximately 800 K (526.85 ° C) and a pressure of 0.1 MPa.
  • the air is heated in a second regenerator (5) which lowers its pressure to 1.45 MPa and raises its temperature to approximately 723 K (449.85 ° C) using thermal energy.
  • the air is heated in a catalytic MIEC membrane (15) which lowers its pressure to 1.4 MPa and raises its temperature to approximately 1123 K (849.85 ° C); using for this the thermal energy of the exhaust gases of the combustion of the second cylinders (14).
  • the catalytic MIEC membrane (15) the exhaust gases give up their heat to the air (it acts as a regenerator) and both CO and HC (CO and HC account for less than 1% of the composition of the exhaust gases and therefore have not been explicitly reflected in Figures 4a and 4b) are oxidized until the entire gas flow is composed only of CO2 and H2O.
  • the N2, H2O and atmospheric CO2 which supposes the rejection in the MIEC (6) membrane of O2 enters approximately 1123 K (849.85 ° C) and 1.35 MPa in the CO2 membrane (28), in this case a molten carbonate membrane with an overall CO2 / N2 selectivity of around 2500 at the working temperature, where atmospheric CO2 is separated from the N2 + H2O stream.
  • the pure O2 produced by the MIEC membrane (6) is used as a entrainment current.
  • the rejection of the O2 MIEC membrane (6) is not found downstream with any CO2 membrane; since the air has already been previously treated to reduce the CO2 content in the polymeric CO2 membrane (28) of figure 4a.
  • the MIEC membrane (6) rejection of O2 in the case of the embodiment of figure 4a, or the rejection of the CO2 membrane (28), in the embodiment of figure 4b, are both practically free of atmospheric CO2 and, they are composed mainly of N2 + H2O at 1.35 MPa and 1123 K (849.85 ° C).
  • Each of the rejections of the membranes represents approximately 80% of the air mass transferred by the system and is passed through the VGT1 turbine (71) and / or through the control valve (72).
  • the VGT1 turbine (71) and the control valve (72) are part of a turbo-group together with the C1 compressor (10), to which the VGT1 turbine (71) is mechanically connected.
  • the VGT1 turbine (71) energetically values the rejected N2 flux from the MIEC membrane (6), recovering its energy to drive the C1 compressor (10).
  • the control valve (72) regulates the flow of energy to the compressor C1 (10).
  • the compressor C1 (10) transfers the pure O2 produced in the MIEC membrane (6) in the case of figure 4a.
  • the compressor C1 (10) transfers pure O2 produced in the MIEC membrane (6) + CO2. Therefore, it transfers approximately 20% of the air flow and controls the vacuum to be generated on the O2 side of the MIEC membrane (6) to lower the O2 pressure and increase the productivity of the membrane.
  • the control valve (72) regulates the O2 production rate and therefore the mass of O2 trapped in the cycle and the maximum pressure of the cycle in the second cylinders (14).
  • control valve (72) works partially open to regulate the pressure of the compressor C1 (10).
  • a part of the N2 rejected in the MIEC membrane (6) circulates through the VGT1 turbine (71), expanding and cooling.
  • the other part of the rejected N2 circulates through the control valve (72) itself, without cooling.
  • This other part of the N2 mixes downstream of the VGT1 turbine (71) with the cold and expanded N2, reheating it, and consequently increasing its temperature.
  • the N2 + H2O of rejection of the MIEC membrane (6) (80% of the air flow) is valued in the variable geometry turbine VGT2 (8) that is used to drive compressor C2 (2).
  • the approximate nominal inlet conditions to the VGT2 turbine (8) are 0.35 MPa and 823 K (549.85 ° C).
  • the variable geometry of the VGT2 turbine (8) is used to regulate the flow of air transferred by the MIEC membrane (6) and, therefore, the flow of O2 produced.
  • the VGT2 turbine (8) can also comprise a relief valve (or WG). When the VGT2 turbine (8) or its relief valve is fully open, the energy of the C2 compressor (2) is reduced to zero, thereby reducing both the MIEC membrane working pressure and the flow rate. of air drained considerably.
  • control valve (72) is opened, bypassing the VGT1 turbine (71) whereby the energy of the C1 compressor (10) is reduced to zero. This equalizes the partial pressure of O2 on both sides of the MIEC membrane (6) and cancels the O2 production rate by leaving the engine load of this embodiment 4 empty.
  • control valve (72) provides a qualitative regulation of the O2 flow by acting on the production rate and the VGT2 turbine (8) provides a quantitative regulation by acting on the transferred air flow.
  • Both controls provide a very wide and very fine regulation of the effective compression ratio of the cylinder at the top dead center of the second cylinders (14) without changing the volumetric compression ratio of the same. This is commonly known in reciprocating engines as a variable compression ratio.
  • the mixture of N2 and H2O at a pressure of 0.1 MPa and a temperature of 800 K (526.85 ° C), approximately, is passed through the first regenerator (23) to yield its heat into the air before discharging this gas mixture (already free of gases harmful to health) into the atmosphere.
  • the heat from this combustion flow is first recovered in the second regenerator (5) to heat the air coming from the outlet of the first regenerator (23).
  • the O2 has nominal conditions of approximately 0.048 MPa and 700 K (426.85 ° C).
  • the mixture then flows through means to carry out a Brayton cycle under vacuum (CBV) (21).
  • the means to carry out a Brayton cycle under vacuum (CBV) (21) have the function of cooling the mixture, transforming its temperature into pressure and recovering the pressure loss caused by the second regenerator (5).
  • the means to carry out a Brayton vacuum cycle (CBV) (21) are composed of a VGT3 turbine (16) mechanically coupled with a C3 compressor (12) with which it forms a turbo-group. Between the outlet of the VGT3 turbine (16) and the inlet of the C3 compressor (12) there is a fifth WCAC cooler (31).
  • the nominal conditions of the oxidizing mixture at the outlet of the compressor C3 (12) are approximately 0.08 MPa and 473 K (199.85 ° C).
  • the oxidizing mixture which continues on its way to the second cylinders (14), is cooled in the second WCAC cooler (9) to 323 K (49.85 ° C). It is then compressed in compressor C1 (10) to 0.25 MPa and 473 K (199.85 ° C), the conditions of compressor C1 (10) being those imposed by the control valve (72) to maintain the rate of productivity of the MIEC membrane (6), as already described.
  • the oxidizing fluid is cooled again in the third WCAC cooler (11) to 323 K (49.85 ° C).
  • the oxidizing fluid is pure O2 and is used to entrain the CO2 in the polymeric CO2 membrane (28) with a CO2 / N2 selectivity of around 2000 to lower the partial pressure of CO2 on this side and maximize the effectiveness of the membrane in removing CO2 from the air stream.
  • the oxidizing fluid is already O2 diluted with atmospheric CO2 at the outlet of the third WCAC cooler (11).
  • the oxidizing fluid passes through a first non-return valve (33) to prevent backflow from the second cylinders (14).
  • the mixture is sucked into the second cylinders (14), which are 2 of the 4 that the four-stroke engine used as an example has, as established at the beginning of the description of the present embodiment. .
  • a hydrocarbon HxCyOz is injected, with a fuel pump (26), to the oxidizing mixture O2 (together with the CO2 in the air).
  • the fuel pump (26) sucks the fuel from a second tank (27) which is separated with a flexible membrane from the first tank (20) where liquid CO2 accumulates, as will be explained later.
  • the membrane reduces the volume on the hydrocarbon side and increases the volume on the side of CO2 to allow the accumulation of the latter on its side of the first tank (20).
  • the hydrocarbon sucked by the fuel pump (26) is injected into the second cylinders (14) in the desired mode and quantity to regulate the load of the diffusion combustion engine and in a less than stoichiometric ratio with the O2.
  • a diffusion combustion cycle is carried out; compression ignition and similar to the Diesel cycle that is mainly carried out by O2 and its combustion products. That is, 20% of the mass that circulates through the engine.
  • the second cylinders (14) produce energy to move the first cylinders (4) that transfer the air to the MIEC membrane (6) and to compress the CO2 during discharge to supercritical pressure; as they are all coupled to the same crankshaft (25).
  • the productivity of the membrane responds instantly to the accelerations of the engine since the first cylinders (4) are mechanically coupled on the same axis with the second cylinders (14). Therefore, the dynamic response of the engine is not affected by turbo-group lag (due to its mechanical inertia) as is the case in conventional turbo-supercharged engines.
  • the second cylinders (14) also produce a surplus of net mechanical energy that is used to move the vehicle to which the engine is coupled, or the electric generator or any application that requires an input of mechanical energy through a shaft.
  • These second cylinders (14) function as a starting system for the set of turbomachines, to start up the air flow and the turbines of the cycle. To do this, they are moved, until the system starts, by a conventional starter used in reciprocating engines.
  • the heat transfers in the first (3), second (9), third (11), fourth (13), fifth (31) and sixth (18) WCAC coolers and in the regenerations (produced in the second regenerators (5) and first (23)) contribute to minimize the destruction of exergy of the thermodynamic cycle due, on the one hand, to making the overall compression process of the working fluid more isothermal and, on the other hand, to recovering the energy of the exhaust gases for air separation.
  • the approach to isothermal compression and the use of second (5) and first (23) regenerators to extract heat from O2 and CO2 + H2O bring the cycle of air and N2 in the MIEC membrane (6) closer to a cycle with equal to Carnot performance known as the Ericsson cycle.
  • the cycle of the O2 mixture can be assimilated to a supercritical CO2 cycle with intermediate compressions and expansions, but nested with a Diesel cycle in the second cylinders (14); something not described so far in the bibliography.
  • the supercritical CO2 cycle nested with the Diesel cycle and binary with the N2 cycle (by sending heat to the N2 cycle, it meets the thermodynamic precepts for approaching an ideal cycle of maximum efficiency, such as the Ericsson cycle) is a novel realization of a binary cycle; that fulfills the precepts of the other ideal cycle of maximum efficiency, that of Carnot.
  • the 7.5 MPa pressure is regulated by the second non-return valve (19) and its setting spring. Compression takes place instantly by opening the second cylinder exhaust valve (14) and discharging the exhaust gas mixture. Gases compressed up to 7.5 MPa must be kept above 573 K (299.85 ° C), which is the saturation temperature of water at 7.5 MPa to ensure that it remains in a gas state within the second cylinders. (14).
  • the mixture is cooled in the fourth WCAC cooler (13) to 523 K (249.85 ° C) so that the H2O becomes a liquid state.
  • the liquid water is then separated from the CO2 gas in a separator (17), which can be an inertial separator with a pressure laminating valve at the outlet.
  • a polymeric membrane can also be used as separator (17), if the water remains in the gaseous state.
  • the mass of water at 7.5 MPa and 473 K (199.85 ° C) represents approximately 10% of the total flow of mass transferred by the engine.
  • the separated water mixes with the N2 + H2O at the inlet of the VGT2 turbine (8). In this way the pressure downstream of the separator (17) is marked by the expansion in the VGT2 turbine (8). This makes it possible to energetically value the temperature and the mass of the extracted water, recovering part of its energy in the VGT2 turbine (8).
  • the CO2 + O2 remains is cooled in the sixth WCAC cooler (18) below 303 K (29.85 ° C), which is its critical temperature.
  • Liquid CO2 passes through the second non-return valve (19) and is stored at 7.5 MPa in a first tank (20) with a controlled temperature below 303 K (29.85 ° C).
  • the tank is kept at subcritical CO2 temperatures ( ⁇ 303 K (29.85 ° C)) using, if necessary, a refrigerant circuit like the one produced by the vehicle's air conditioning.
  • the O2 gas that may have accumulated in the tank is vented to atmosphere through a fourth non-return valve (34) when the pressure in the tank exceeds 7.5 MPa.
  • the autonomy of the engine ends. Both tanks are separated by a flexible membrane.
  • the first tank (20) is discharged with CO2 at the service station, exchanged for fuel that fills the second tank (27). Liquid CO2 can be converted back to a hydrocarbon or stored in controlled sinks, but it is not released into the atmosphere.
  • the reduction of the CO2 content of the intake air together with the capture of the CO2 generated in the fuel oxy-combustion processes makes it possible to determine that the present embodiment 4 is an engine with net negative emissions since it has removed atmospheric CO2 and has not emitted the one that is it produces in its combustion process.
  • (3) and (4) assume a slightly decreasing temperature reduction at pressure.
  • the conditions in (4) are about 1173 K (899.85 ° C) and about 18 MPa.
  • the temperature has dropped due to the dilution of the combustion products with the injected CO2.
  • the pressure has dropped due to the absence of combustion and the increase in volume in the cylinder during the process between
  • the cycle is closed in a cooling process at a constant pressure of 7.5 MPa in which the CO2 goes from a gas state to a liquid state following the supercritical pressure line. At this end of the cycle it returns again to station (1) in the initial conditions of 298 K (24.85 ° C) and 7.5 MPa.
  • This cooling process takes place in part in the cylinders during the exhaust gas discharge process, under constant pressure conditions, for the entire time the exhaust valve remains open. The remainder of the cooling occurs in the catalytic MIEC membrane (15) and in the fourth (13) and sixth WCAC coolers (18). Part of the liquefied CO2 mass is reinjected into the cylinders to perform the described cycle again and the excess CO2 accumulates in the first tank (20) until it is delivered to the appropriate collection and treatment stations.
  • thermodynamic state where the process line between the thermodynamic states (4) and (5) intersect with the process line between the thermodynamic states (6) and (1) is the point (7), as shown in the figure 6.
  • the thermodynamic state of point (7) depends on the particular conditions of the cycle and marks the vertex of separation between the part of the cycle that produces positive net mechanical work (1, 2, 3, 4, 7,1) and the part of the cycle that produces negative net mechanical work (7, 5, 6, 7); in other words, it consumes work.
  • thermodynamic conditions in the admission of the second cylinders (14). These conditions are located downstream of the first non-return valve (33). The thermodynamic conditions are approximately 0.3 MPa and 323 K (49.85 ° C). At this moment the pistons of the second cylinders (14) are at bottom dead center. The intake valve of the second cylinders (14) closes and the O2 compression process begins.
  • thermodynamic conditions at the end of the compression process of the second cylinders (14). These conditions occur at the top dead center of the piston of the second cylinders (14).
  • the thermodynamic conditions are approximately 11 MPa and 573 K (299.85 ° C).
  • a polytropic compression occurs, with heat transmission to the cylinder walls, of the O2 trapped in them (approximately 20% of the mass of the cycle).
  • thermodynamic conditions at the end of the combustion process of the fuel hydrocarbon. These conditions occur past the top dead center of the piston of the second cylinders (14). Thermodynamic conditions are approximately 200 MPa and 1800 K (1526.85 ° C).
  • the process between (b) and (c) involves the injection of the fuel, its self-ignition by compression and its combustion by diffusion, the combustion speed being controlled thanks to the amount of movement of the injected jets.
  • the process between (b) and (c) also involves the start of the injection of liquid CO2 that will control the temperature of the combustion process and helps to keep the pressure constant and equal to the 200 MPa set approximately. These conditions coincide with those of the thermodynamic state (3) of the CO2 cycle in figure 6. Under these conditions, both cycles (O2 and CO2) occur in unison.
  • thermodynamic conditions at the end of the CO2 injection process. These conditions occur during the piston expansion stroke of the second cylinders (14).
  • the thermodynamic conditions are about 1173 K (899.85 ° C) and about 18 MPa. These conditions coincide with those of the thermodynamic state (4) of the CO2 cycle in figure 6. Under these conditions both cycles (O2 and CO2) happen in unison.
  • the process between states (c) and (d) of Figure 7 is identical to that described in Figure 6 between states (3) and (4). The process takes longer or longer depending on the amount of CO2 injected, which in turn depends on the final temperature desired in the combustion products and the stability of the combustion.
  • thermodynamic conditions upon completion of the combustion gas discharge, at the top dead center of the piston exhaust stroke of the second cylinders (14).
  • the cylinders are also discharged, under constant pressure conditions, during the entire time that the exhaust valve remains open until its closure.
  • the thermodynamic conditions are approximately 7.5 MPa and 1173 K (899.85 ° C). Under these conditions, both cycles (O2 and CO2) happen in unison.
  • the process between states (f) and (g) of figure 7 coincides during a certain stretch at constant pressure with that described in figure 6 between states (6) and (1). At this station, the O2 and CO2 cycles separate again.
  • the cycle is closed again under the thermodynamic conditions (a) of figure 7.
  • the process between (h) and (a) occurs with the first non-return valve (33) open at essentially constant pressure and temperature and approximately 0.3 MPa and 323 K (49.85 ° C).
  • the process between (h) and (a) consists of the admission of O2 from the admission of the cylinders and supposes the entrance of approximately 20% of the mass of air of the system.
  • thermodynamic state where the process line between the thermodynamic states (d) and (e) intersect with the process line between the thermodynamic states (f) and (g) is the point (i), as shown in the figure 7.
  • Point (i) is coincident with the thermodynamic state (7) in figure 6.
  • the thermodynamic state of point (i) depends on the particular conditions of the cycle in figure 7 and marks the vertex of separation between the part of the cycle that produces positive net mechanical work (i, j, b, c, d, i) and a part of the cycle that produces negative net mechanical work (i, e, f, i); that is, it consumes work, as was already rewritten in figure 6.
  • point (d ') in figure 7 supposes an ideal situation of the described cycle in which points (f) and ( ⁇ ') they are coincident.
  • the area (i ’, f, e, i’) is zero and therefore the net work produced is maximized, understood as the absolute difference between positive and negative work.
  • point (j) is the thermodynamic state where the process line between thermodynamic states (a) and (b) intersect with the process line between thermodynamic states (f) and (g ).
  • the thermodynamic state of point (j) depends on the particular conditions of the cycle of figure 7 and marks the vertex of separation between the part of the cycle that produces positive net mechanical work (i, j, b, c, d, i) and the other part of the cycle that produces negative net mechanical work (j, g, h, a, j); in other words, it consumes work.
  • the present invention avoids NOx emissions and opens the possibility of sequestering CO2 instead of emitting it into the atmosphere.
  • the load is regulated without the need for a throttle valve in the intake line and a high efficiency and specific power per unit of displacement are obtained.

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Abstract

La invención se refiere a un motor de combustión interna que comprende un primer ciclo de Brayton que comprende una membrana MIEC que separa el O2 del aire de manera que la corriente de aire succionado está libre de N2; un segundo ciclo de Brayton combinado de forma binaria con el primer ciclo de Brayton y anidado con un ciclo seleccionado de un ciclo de Otto y un ciclo Diésel realizado mediante oxi combustión. El segundo ciclo de Brayton transmite al primer ciclo de Brayton energía mecánica así como energía térmica procedente de gases de escape. El primer ciclo de Brayton proporciona al segundo ciclo de Brayton O2 comprimido procedente de la membrana MIEC. Mediante el presente motor, se evita la emisión de NOx a la atmósfera por la separación de N2 en la membrana MIEC.

Description

MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Y MÉTODO DE FUNCIONAMIENTO DEL MISMO Campo de la invención
La presente invención se refiere al campo de los motores de combustión interna, y más específicamente a un motor de combustión interna que quema hidrocarburos y no emite gases nocivos para la salud.
Antecedentes de la invención
Membranas MIEC
Las membranas mixtas de conducción iónica-electrónica (MIEC) son un tipo de membranas cerámicas densas, en las cuales los iones de oxígeno difunden de un lado al otro por las propiedades de la estructura cristalina debido a un gradiente de potencial químico del oxígeno entre ambos lados de la membrana. La selectividad de estas membranas es del 100% para el oxígeno. Estas membranas funcionan a temperaturas elevadas (normalmente en el intervalo de 700-1000 °C) con presiones de aire elevadas (1-2 MPa) alimentadas en el lado de retención y vacío en el lado de permeación, según Air Products & Chemicals Inc., lo que ha dado como resultado un gran avance en la comercialización de la tecnología de membranas MIEC para producciones de oxígeno puro.
El transporte del ion oxígeno es simultáneo al transporte de electrones o huecos electrónicos (portadores electrónicos), por lo que el material debe poseer suficiente conductividad electrónica en las condiciones de funcionamiento de la membrana. La fuerza impulsora responsable del transporte de oxígeno a través de la membrana es la diferencia de presión parcial de oxígeno entre ambos lados de la membrana. De este modo, el flujo de oxígeno a través de una membrana viene determinado por la temperatura y la diferencia de presión parcial del oxígeno además del espesor de la membrana.
Otro paso crucial en el proceso de separación de oxígeno en membranas de transporte iónico es el intercambio gaseoso. Como se ha mencionado, el transporte a través de la capa selectiva de separación consiste en la difusión de iones oxígeno y portadores electrónicos. Por tanto, son necesarias dos reacciones superficiales, una primera en la que el oxígeno gaseoso se adsorbe y se transforma en iones oxígeno en la superficie de la membrana expuesta a los gases de alimentación, generalmente aire comprimido, y una segunda, en la que los iones oxígeno se transforman en oxígeno molecular y se desorbe. Por distintas razones, estas etapas de transporte pueden ser limitantes y producir una disminución del flujo de permeación a través de la membrana. Entre las distintas razones posibles, puede destacarse: (1) el espesor de la capa selectiva de separación es muy pequeño, de manera que la difusión a través del sólido es mucho más rápida que el intercambio gaseoso. Normalmente, está dimensión crítica se denomina“longitud característica” y es el cociente entre el coeficiente de difusión y la constante cinética de la reacción de intercambio gaseoso superficial en las condiciones de funcionamiento y composición de gases en contacto con la superficie de la membrana. (2) La superficie de la membrana no posee actividad catalítica apreciable para la reacción de activación de oxígeno. (3) Las atmósferas gaseosas en contacto con la superficie o superficies de la membrana desfavorecen la adsorción/desorción del oxígeno molecular y su desprendimiento a través de la reacción O2 + 2 e
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O 2. En procesos relevantes desde el punto vista industrial, tanto el permeado como la alimentación suelen presentar cantidades apreciables de gases ácidos como CO2 y SO2, que dificultan dicha reacción ya que pasivan o inactivan la superficie y compiten con los centros de adsorción y reacción implicados en la reacción de intercambio gaseoso de oxígeno. Este efecto pernicioso se acentúa conforme se disminuye la temperatura de funcionamiento del proceso, especialmente por debajo de 850 °C, y cuando se aumenta la concentración de SO2 y CO2. Especialmente negativo es el efecto del gas SO2, ya que concentraciones por encima de 5 ppm producen efectos graves en la permeación de oxígeno a través de la membrana.
La diferencia de presión parcial de oxígeno entre ambos lados de la membrana se puede alcanzar a través de dos acciones: (a) aumentando la presión del aire a través de etapas de compresión; y/o (b) disminuyendo la presión parcial de oxígeno en el permeado, lo cual es posible aplicando vacío, diluyendo el oxígeno en el permeado mediante una corriente gaseosa de arrastre o consumiendo el oxígeno en la cámara de arrastre. Esta última opción suele consistir en recircular los gases de salida del horno o caldera de combustión, aumentando al mismo tiempo la temperatura de funcionamiento. Asimismo, en línea con la segunda opción, es posible hacer pasar un gas reductor (generalmente metano u otros hidrocarburos) que consume el oxígeno que penetra a través de membrana para dar productos de combustión completa o parcial y liberar calor directamente en contacto con la membrana cerámica.
Para entender las membranas MIEC, se suelen utilizar 5 criterios de clasificación basados en la estructura cristalina, la composición de fases, la composición química, la geometría y la configuración de la capa densa.
Considerando su estructura cristalina, se pueden clasificar las membranas MIEC en perovskitas, membranas derivadas de perovskitas avanzadas y fluoritas. La mayoría de las membranas MIEC tienen una estructura cristalina de tipo perovskita (ABO3), donde A es un catión de gran tamaño y B es un catión más pequeño. Una perovskita es una red cristalina constituida por octaedros de BOb con iones A localizados en 12 intersticios. Algunas MIEC tienen una estructura cristalina similar a una perovskita, como las de Ruddlesde-Popper (R-P) con una fórmula de An+iBn03n+i (n=1 , 2, 3, ...). La estructura cristalina de esta fase es similar a la de la perovskita en la que un número de bloques perovskita (n) tienen una esquina compartida con el octaedro BOb modificado con la capa AO a lo largo del eje c. Algunas MIEC tienen una estructura de fluorita, siendo el ejemplo típico los materiales basados en CeC>2.
Si las membranas sólo tienen un tipo de fase cristalina se habla de membranas monofásicas. La mayoría de las membranas de perovskita son monofásicas, por ejemplo, Lai. xSrxCoi-yFey03-6 (0<x<1 ; 0<y<1). Si la membrana tiene dos fases y ambas contribuyen a la permeación de oxígeno se habla de membranas de fase dual. Un ejemplo son las membranas YSZ-Pd, que contienen una fluorita, YSZ, para el transporte de iones de oxígeno y una fase metálica, Pd, para el transporte de electrones. Si la membrana tiene dos o más fases y sólo una contribuye a la permeación de oxígeno se habla de material compuesto. La fase inerte se añade para mejorar alguna propiedad del material (la resistencia mecánica, por ejemplo). Por ejemplo, el material compuesto SrCoo.8Feo.203-6-SrSnC>3 comprende dos perovskitas donde la fase SrSnC>3 es inerte con respecto a la permeación de oxígeno, pero mejora las propiedades mecánicas de la membrana.
Al principio del desarrollo de las membranas de tipo perovskita, los estudios se centraban en las que incorporaban Co en el sitio de la posición cristalina B debido a que las membranas basadas en Co presentan una elevada conductividad de oxígeno (por ejemplo, en Bao.5Sro.5Coo.8Feo.2C>3-6). No obstante, los cationes de cobalto pueden reducirse fácilmente a un estado de valencia menor debido a los débiles enlaces de Co-0 que es inestable en entornos reductores. Por lo tanto, se han desarrollado perovskitas libres de Co. Por ejemplo, BaCeo.o5Feo.95C>3-6 presenta conductividades de oxígeno menores en comparación con la respectiva perovskita basada en Co, pero presenta elevadas estabilidades incluso en H2 a elevadas temperaturas.
Las geometrías más comunes son membranas planas, tubulares y fibras huecas. Finalmente, considerando la configuración de la capa densa se habla de autosoportadas cuando las membranas están compuestas por una única capa de membrana que presenta suficiente espesor para soportar la integridad de la membrana, y asimétricas cuando las capas de membrana densa tienen una capa porosa que permite utilizar espesores más pequeños ya que la integridad de la membrana esta soportada por la capa porosa.
Para su uso práctico, las membranas de separación de oxígeno a alta temperatura a través de transporte iónico están formadas, generalmente, por los siguientes componentes: i. Un soporte poroso, generalmente hecho o bien del mismo material del que está hecho la capa de separación o bien de un material (cerámico o metálico) compatible con la capa de separación. Compatible significa que tiene un perfil de expansión similar en función de la temperatura y que no tiene lugar una reacción entre ambas fases a altas temperaturas para dar lugar a terceras fases, que generalmente dan como resultado la degradación y rotura de la membrana. La porosidad de soporte suele estar comprendida entre el 20 y el 60%, y su espesor es variable, normalmente por debajo de 2 mm.
¡i. Sobre el soporte poroso se sitúa una capa o película no porosa, preferiblemente con un espesor inferior a 150 pm. Esta capa está constituida por óxidos o mezclas de óxidos y permite el transporte simultáneo de iones oxígeno y portadores electrónicos a su través. Ni. Sobre la capa no porosa existe adherida una capa porosa con un espesor preferiblemente entre 100 y 10 pm, hecha de un material que posee conductividad mixta iónica y electrónica a la vez que actividad catalítica para la adsorción/desorción de oxígeno y su disociación e ionización. Esta capa catalítica permite mejorar los procesos de incorporación y eliminación de oxígeno gaseoso.
En algunos casos, existe una capa catalítica porosa adicional entre el soporte poroso y la capa de separación no porosa que tiene la función de mejorar las etapas de intercambio gaseoso, en especial cuando el soporte poroso no posee ni actividad catalítica ni permite llevar a cabo el transporte de iones oxígeno ni portadores electrónicos. Generalmente, las propiedades del soporte poroso y la capa catalítica porosa adicional son bastante semejantes, si bien por lo general el área específica superficial del soporte poroso es superior.
Opcionalmente también puede ser necesaria otra capa no porosa adicional (v). Esta capa se situaría entre la capa no porosa y la capa porosa, y serviría de protección de la capa de separación frente a posibles interacciones o reacciones de degradación en contacto con la capa (iii) o con los gases en contacto con la capa porosa. Esta capa adicional debe permitir el transporte de iones oxígeno y portadores de oxígeno a la vez que ser compatible termo- químicamente con las capas adyacentes y con los gases con los que esté en contacto.
Oxicombustión
La oxicombustión consiste en la utilización de una corriente de O2 de elevada pureza como comburente en lugar de aire, como se realiza en los procesos de combustión convencionales, alcanzando de esta forma temperaturas de llama más elevadas con menor consumo de combustible y logrando así mejorar la combustión. El uso de comburentes ricos en oxígeno hace posible obtener gases de combustión con una composición que consiste principalmente en CO2 y vapor de agua. La elevada concentración de CO2 de los gases de salida en el proceso de oxicombustión facilita la potencial separación del mismo (véanse, por ejemplo, los documentos US20070175411A1 , US20070175411A1 , US9702300B2,
CN102297025A).
Las membranas de oxígeno basadas en siliconas o polisulfonas también pueden aplicarse en el enriquecimiento del aire, de manera que se aumenta la concentración de oxígeno del 21 % a valores superiores, normalmente por encima del 24%.
La oxicombustión apunta a ser una de las tecnologías más económicas para la captura de CO2, siendo su principal inconveniente la elevada demanda de O2 que presenta y el coste que la obtención de éste conlleva. El gran reto de esta tecnología se encuentra en la producción de O2 para lograr suministrar las elevadas cantidades que se requieren.
En los reactores de membrana, las membranas se introducen con los siguientes propósitos: extracción selectiva de reactivos, retención del catalizador, dosificación de un reactivo, soporte del catalizador. Todo ello conlleva aumentos de la eficiencia de las reacciones en sistemas limitados por el equilibrio termodinámico, evitando reacciones secundarias, protegiendo el catalizador de posibles compuestos que lo desactiven, etc.
Membranas de CO2
Actualmente existen gran variedad de materiales que permiten el paso selectivo del CO2. Estos materiales van desde polímeros avanzados hasta diferentes tipos de materiales inorgánicos. Pese a esta diferenciación, existen combinaciones de estos materiales en las llamadas membranas de matriz mixta que generalmente consisten en matrices poliméricas con partículas inorgánicas dispersadas en la matriz. Este tipo de tecnología aporta flexibilidad a la captura de CO2 permitiendo actuar antes o después de la combustión. Sin embargo, este tipo de materiales generalmente presenta permeabilidad a más gases, por ejemplo, N2, O2, H2, etc. Para esta aplicación es necesario que la permeabilidad mayoritaria sea a CO2, y, adicionalmente, que la permeabilidad a O2 y a N2 sea ínfima. Para la separación de CO2 del resto de los gases existen diversas tecnologías: a. Tecnología de separación de CO2 mediante membranas poliméricas
Existen diferentes polímeros que permiten la separación selectiva del CO2 de una corriente gaseosa. La aplicación de polímeros a la captura de CO2 es atractiva desde el punto de vista económico debido al bajo coste, facilidad de síntesis y procesado de los polímeros, pero son materiales generalmente limitados debido a su estabilidad química, mecánica y térmica y por su baja permeabilidad. Se ha establecido un límite superior estándar de 50 para la selectividad cruzada CO2/N2. Generalmente, este tipo de materiales trabaja a temperaturas bajas y presiones intermedias (1 - 5 bar):
Entre los diferentes polímeros disponibles hay que destacar: (i) óxidos de polietileno reticulado (XLPEO) con permeabilidades de 420 barrers y selectividad para CO2/CH4 de 18 a 35°C (barrer = 10 10 cm3(STP) cm/(cm2 s cmHg)), (ii) basadas en poliamidas, como Pebax, que presenta 132 barrers y selectividades CO2/N2 de aproximadamente 6 a 25°C y 3 atm, (iii) basadas en poliamidas (PVAm) con permeabilidades de 41-104 GPU con selectividad CO2/N2 en el rango 100-197 a 25°C y 2 atm usando mezclas húmedas de CO2 y N2 (GPU = 10 6 cm3(STP)/(cm2 s cmHg)). Entre otros, los productos Polaris™ and Polyactive son ejemplos comerciales de esta tecnología.
Debe observarse que para la separación de CO2 a partir de aire es necesaria una gran selectividad, ya que la concentración del CO2 en el aire es de aproximadamente el 0,035% y la del N2 es del 78%. b. Tecnología de separación de CO2 mediante membranas inorgánicas
Considerando aparte las membranas basadas en carbonatos fundidos, en el grupo de membranas basadas en materiales inorgánicos para la separación de CO2 de corrientes gaseosas se encuentran las membranas metálicas (basadas en Pd), membranas basadas en sílice, membranas de carbono y membranas basadas en zeolitas.
Las membranas metálicas están basadas en paladio y sus aleaciones. Estos materiales presentan elevadas permeabilidades a H2. Por tanto, se emplean fundamentalmente para la separación de H2 en sistemas de precombustión. Este tipo de membranas son una tecnología madura para sistemas de captura de CO2 en precombustión. Sin embargo, la estabilidad de estos materiales debe mejorarse para su implementación en sistemas industriales.
Las membranas inorgánicas porosas (membranas basadas en sílice, zeolitas, organometálicas (MOF) y membranas de carbono) pueden aplicarse a la separación de CO2.
Las zeolitas son aluminosilicatos caracterizados para una estructura porosa homogénea y un diámetro de canal mínimo. La separación en estos materiales se produce por difusión superficial o por tamizado molecular. Se distinguen tres regímenes de separación: (i) cuando las moléculas tienen fuerzas de adsorción similares pero diferente tamaño, donde las moléculas de menor tamaño penetran más fácilmente; (ii) cuando las moléculas tienen fuerzas de adsorción diferentes y tamaños similares, donde la membrana es selectiva a la molécula que presenta mayores fuerzas de adsorción; (iii) cuando las moléculas tienen fuerzas de adsorción y tamaños diferentes, donde el mecanismo es una combinación entre la competitividad entre las fuerzas de adsorción y la difusividad. De esta manera las selectividades CO2/N2 y/o CO2/CH4 pueden maximizarse a bajas temperaturas separando los gases por el tercer régimen, o a altas temperaturas mediante el primer régimen. Entre las zeolitas cabe destacar ZSM-5 con selectividades CO2/N2 de 9,5 a 303 K (de -263,65°C a 29,85°C) y una permeabilidad a CO2 de 3- 107 mol/(m2 s Pa) y zeolitas del tipo Y con permeabilidades a CO2 de 4- 107 mol/(m2 s Pa) y selectividades de 100 y 21 para CO2/N2 y CO2/CH4, respectivamente a 303 K (29,85°C).
Las membranas basadas en sílice presentan un gran potencial para la separación CO2/N2 y H2/CO2, debido a su elevada estabilidad química, térmica y mecánica en diferentes atmósferas y condiciones. El comportamiento de este tipo de membranas está muy condicionado, entre otros factores, a su método de síntesis. Las permeabilidades están en el rango de 3- 10 10 - 5- 107 mol/(m2 s Pa), alcanzando selectividades de 60 para CO2/N2, de 325 para CO2/CH4 y de 670 para CO2/H2 dependiendo del tipo de sílice, método de síntesis y condiciones.
Las membranas de carbono, compuestas por materiales microporosos amorfos de alto contenido en carbono, han surgido como prometedores materiales para aplicaciones de separación de gases debido a su resistencia térmica, estabilidad química en ambientes corrosivos, alta permeabilidad a los gases y excelente selectividad en comparación con las membranas poliméricas. Considerando la separación de CO2, estos materiales alcanzan selectividades de 100 para CO2/CH4 con permeabilidades a CO2 de 2000 - 10000 barrers, y selectividades de 10 para CO2/N2 con permeabilidades de CO2 de 5 barrers. c. Tecnología de separación de CO2 mediante membranas basadas en carbonatos fundidos
Utilizando materiales similares a las cerámicas de conducción iónica (oxígeno)- electrónica se han desarrollado materiales basados en carbonatos fundidos que permiten el paso selectivo de CO2. Sin embargo, este tipo de membranas aún están lejos de aplicaciones industriales debido a los bajos flujos de CO2 observados en los diferentes trabajos publicados hasta la fecha.
Motores de combustión interna alternativos
Los motores de combustión interna alternativos representan la tecnología más importante para vehículos terrestres y marinos tanto de transporte pesado como de pasajeros. Tanto su diseño como su maquinaria auxiliar (turbomáquinas; sistemas de inyección de combustible; bombas adicionales e intercambiadores de calor) se han optimizado profundamente durante el siglo pasado para varios tipos de combustible. Los motores alternativos de 4 tiempos lideran el transporte terrestre por su alta potencia específica, su capacidad para cumplir con las diversas normativas sobre emisiones gaseosas y acústicas contaminantes y su bajo consumo específico promedio.
No obstante, la necesidad de limitar las emisiones de CO2 o incluso retirar CO2 atmosférico y la necesidad de mejorar la calidad del aire en entornos urbanos superpoblados están presionando los límites tecnológicos de estos motores con los conceptos actuales de combustión y renovación de la carga de los mismos.
Oxicombustión en motores
Integrar un sistema de oxicombustión en un motor para vehículos magnifica las ventajas expuestas (mayores eficiencias y reducción de emisiones), pero complica la forma de producir el oxígeno ya que el espacio está limitado a las dimensiones del vehículo. Considerando motores que emplean oxígeno como oxidante, se han planteado varias alternativas:
(i) Almacenar oxígeno en el vehículo. Este sistema sitúa el problema de la generación de oxígeno fuera del vehículo, con lo que sólo se requiere disponer del espacio dentro del vehículo para el sistema de almacenamiento del oxígeno. Varios estudios han propuesto almacenar en el vehículo oxígeno en forma líquida para reducir espacio (véanse los documentos CN201835947U y DE3625451A1 , entre otros). Sin embargo, esto aumentaría el coste del oxígeno y de un sistema de almacenamiento que requeriría bajas temperaturas para mantener el oxígeno en fase líquida. Otros estudios han planteado la idea de almacenar el oxígeno comprimido en tanques dentro del vehículo (documento US 3425402). Pese a todo, este tipo de solución requeriría generar el oxígeno en otro lugar, con lo que además del gasto del sistema de almacenamiento (tanto en fase líquida como en fase gaseosa) habría que considerar el gasto de operación del oxígeno. Considerando todos estos sobrecostes, a priori esta alternativa no sería viable y sería necesaria una mejora de la tecnología actual con respecto a la generación de oxígeno y su almacenamiento.
(ii) Generar el oxígeno a partir de fuentes alternativas al aire. El documento US 3709203 describe la generación del oxígeno a partir de una descomposición térmica de un perclorato de metal alcalino, según el documento US 3961609A el oxígeno se genera mediante electrólisis de agua, y según el documento US2775961A a partir de peróxido de hidrógeno. Sin embargo, debido a las elevadas demandas de oxígeno que estos sistemas necesitan, no parece probable que integrar alguna de estas soluciones a un motor para un vehículo sea viable y competitivo con respecto a la tecnología actual.
(iii) Generar el oxígeno a partir del aire:
a. Introduciendo sistemas de filtrado (documento US 3961609A) o adsorción PSA (documento WO 2005083243). Este tipo de solución presenta el inconveniente de que para satisfacer la demanda de oxígeno se requerirían sistemas muy grandes. b. Utilizando membranas basadas en siliconas o polisulfonas (documentos
US20030024513A1 , US5636619A, US5678526, US5636619,
US2006/0042466A1 , CN101526035A). Sin embargo, este tipo de sistemas se han planteado en mayor medida para el enriquecimiento del oxígeno en el aire que para la generación de oxígeno puro, de manera que las áreas de membrana necesarias para conseguir un grado de pureza aceptable para el proceso harían inviable el proceso.
c. Utilizando membranas basadas en conductores cerámicos. (c1) Utilizando una celda electroquímica mediante un electrolito cerámico conductor de iones oxígeno (documento US 20090139497A1); no obstante, este sistema necesitaría de una demanda de energía eléctrica que se debería sacar necesariamente del motor disminuyendo de esta manera la eficiencia del sistema. (c2) Utilizando membranas de conducción mixta electrónica y de iones oxígeno (documento US20130247886A1) donde el oxígeno se separa selectivamente de la corriente de aire. Este proceso requiere grandes cantidades de calor para mantener la temperatura en torno a 700-1000 °C. Para ello este sistema usa el calor de los gases de salida del motor.
Sumario de la invención
La presente invención tiene como objetivo proporcionar un motor de combustión interna que aporte ventajas con respecto al estado de la técnica anteriormente descrito. Más particularmente, la presente invención da a conocer un motor de combustión interna tal como se define en la reivindicación 1 adjunta, que reduce la contaminación al reducir, o incluso evitar, la emisión de NOx a la atmósfera.
En las reivindicaciones dependientes se dan a conocer realizaciones adicionales del motor de la presente invención que aportan ventajas adicionales con respecto a la técnica anterior.
Más específicamente, en su aspecto más amplio, la presente invención da a conocer un motor de combustión interna, del tipo que succiona aire atmosférico como comburente y usa hidrocarburos como combustible, que comprende:
- un primer ciclo de Brayton regenerativo de compresiones de aire con enfriamiento intermedio y expansiones de nitrógeno con recalentamiento, por mezcla de una parte del nitrógeno, que comprende una membrana MIEC que separa el O2 del aire comprimido, de manera que la corriente de aire succionado está libre de N2, y un aire empobrecido procedente del rechazo de la membrana MIEC se envía directamente a una corriente de gases de escape evitando su participación en una combustión posterior, en el que parte de las compresiones de aire se realizan en al menos un primer cilindro del motor;
- un segundo ciclo de Brayton con compresión con enfriamiento intermedio, combinado de forma binaria con el primer ciclo de Brayton (cediéndole calor) y anidado con un ciclo seleccionado de un ciclo de Otto y un ciclo Diésel realizado mediante oxicombustión en al menos un segundo cilindro del motor,
en el que el segundo ciclo de Brayton transmite al primer ciclo de Brayton energía mecánica mediante el acoplamiento del al menos un primer cilindro con el al menos un segundo cilindro a través de un cigüeñal, así como energía térmica procedente de gases de escape;
en el que el primer ciclo de Brayton proporciona al segundo ciclo de Brayton O2 comprimido procedente de la membrana MIEC;
mediante lo cual se evita la emisión de NOx a la atmósfera por la separación de N2 en la membrana MIEC.
Tal como entenderá fácilmente un experto en la técnica, cuando se menciona en el presente documento que un motor“comprende un primer ciclo de Brayton”, y expresiones similares, esto debe interpretarse como que el motor“comprende medios necesarios para llevar a cabo un primer ciclo de Brayton”. En tales casos, no se pretende limitar la presente invención a ninguna combinación de medios específica, y debe entenderse que cualquier medio adecuado para llevar a cabo dicho ciclo de Brayton (o similar) queda abarcado por la presente invención.
Según otro aspecto, la presente invención también da a conocer un método de funcionamiento de motor de combustión interna, del tipo que succiona aire atmosférico como comburente y usa hidrocarburos como combustible, comprendiendo el método:
- un primer ciclo de Brayton regenerativo de compresiones de aire con enfriamiento intermedio y expansiones de nitrógeno con recalentamiento, por mezcla de una parte del nitrógeno, que comprende separar el O2 del aire comprimido, de manera que la corriente de aire succionado está libre de N2, y un aire empobrecido procedente del rechazo de la separación se envía directamente a una corriente de gases de escape evitando su participación en una combustión posterior;
- un segundo ciclo de Brayton con compresión con enfriamiento intermedio, combinado de forma binaria con el primer ciclo de Brayton (cediéndole calor) y anidado con un ciclo seleccionado de un ciclo de Otto y un ciclo Diésel realizado mediante oxicombustión,
en el que el segundo ciclo de Brayton transmite al primer ciclo de Brayton energía mecánica así como energía térmica procedente de gases de escape;
en el que el primer ciclo de Brayton proporciona al segundo ciclo de Brayton O2 comprimido procedente de la separación;
mediante lo cual se evita la emisión de NOx a la atmósfera por la separación de N2.
Tal como se describirá de manera más detallada a continuación en el presente documento, la presente invención integra membranas basadas en materiales cerámicos conductores mixtos electrónicos y de iones oxígeno de manera que se recupera toda la energía necesaria para la membrana MIEC de separación de O2 de la principal fuente de calor residual (como son los gases de escape a la salida de los cilindros) y aprovecha los aumentos de temperatura que ofrece la oxicombustión para suministrar a la membrana la temperatura necesaria sin desperdicio de calor. También se pretende aprovechar la alta capacidad de compresión de los cilindros de los motores alternativos (hasta 25 MPa) para conseguir las condiciones de presión idóneas. Se necesitan presiones altas para los siguientes procesos, que se proporcionan en al menos algunas de las realizaciones preferidas según la presente invención: maximizar la diferencia de presión parcial entre el aire y el O2 para maximizar la productividad de la membrana de O2; maximizar la separación del CO2 atmosférico del aire; y finalmente, comprimir hasta licuar el CO2 (superar su presión crítica de 7,5 MPa).
Las turbomáquinas de los sistemas de sobrealimentación de los motores no se usan en la presente invención para el proceso de compresión del aire antes de su separación ni para la densificación del CO2 (a diferencia del documento US20130247886A1) debido a las bajas relaciones de compresión que proporcionan (presión máxima inferior a 0,6 MPa a nivel del mar). No existen desarrollos de turbocompresores en turbogrupos para presiones superiores a los 0,6 MPa, y son muy ineficientes en las cercanías de esos valores.
Tampoco se aprovecha la temperatura asociada a la compresión del aire en los turbocompresores (también a diferencia del documento US20130247886A1) debido a la mucha menor eficiencia de los procesos de compresión isentrópicos e irreversibles frente a los isotermos. Ahora bien, en la presente invención el aire comprimido siempre se enfría antes de pasar a la siguiente etapa de compresión para que el proceso sea lo más isotermo (y por tanto más eficiente) posible. Esto se hace o bien con intercambiadores de calor que usan agua para enfriar la carga de aire (comúnmente WCAC), o bien con ciclos de Brayton a vacío que convierten calor en presión (CBV). Tanto CBV como WCAC retiran calor del fluido y lo transmiten al entorno antes de la siguiente compresión, lo cual, aunque parezca un gasto de energía, es en realidad una ganancia que se rentabiliza en dicha siguiente etapa de compresión. Incluso se busca conseguir la máxima relación de compresión, mecánicamente posible, dentro de los cilindros del motor de cuatro tiempos, ya que al realizarse el proceso de compresión del aire en cuatro carreras el aire permanece largo tiempo en los cilindros, contribuyendo esa residencia a su enfriamiento contra el refrigerante del motor. Este enfriamiento del aire a alta presión hace el proceso más cercano al isotermo y nuevamente más eficiente. Este uso innovador de las cuatro carreras del motor, sin que medie combustión en esos cilindros, se describe por primera vez en el presente documento.
La razón última de la búsqueda de la máxima eficiencia energética en todos los procesos es conseguir un grupo propulsor / motor de oxicombustión que presente al menos alguna de las siguientes características: que no emita o emita ínfimas cantidades de gases contaminantes; que atrape el CO2 producido en la combustión y retire del ambiente todo o parte del CO2 atmosférico; que sea compacto y liviano para poder auto-transportarse y; por último, que sea competitivo con los motores de combustión interna actuales en cuanto al consumo de combustible.
Para conseguir este último objetivo, la presente invención describe, en alguna de sus realizaciones preferidas, un sistema de regulación de la carga del motor totalmente novedoso. Éste evita la mariposa de estrangulación del flujo para regular la carga del motor en los motores de encendido provocado (SI) con oxicombustión de mezcla homogénea. Esto se hace usando los turbogrupos, no para sobrealimentar los cilindros de combustión (como propone el documento US20130247886A1), sino para sobrealimentar los cilindros que comprimen el aire antes de las membranas y usa la regulación de la producción de O2 de las MIEC para regular la carga. Evitar el uso de la mariposa elimina las pérdidas de bombeo de los motores SI de combustión premezclada durante la regulación de su carga, que es la principal ineficiencia de éstos. La segunda ineficiencia que se evita, con la oxicombustión, en los SI de combustión premezclada es el enriquecimiento de la mezcla (más allá del dosado estequiométrico: l<1) para controlar la temperatura de los gases de escape. Éste control de temperatura se realiza en la presente invención diluyendo la mezcla 02-combustible con el CO2 puro usado para barrer el lado del O2 en la MIEC en vez de con el combustible. La disposición propuesta de los turbogrupos y de la MIEC permite realizar de forma independiente tanto el control de la tasa de producción de O2 como el control de su tasa de dilución con CO2. Ésta disposición de turbomáquinas y membrana permite hacer ambos controles de manera más eficiente que las descritas hasta ahora en el estado de la técnica, pues se realiza el control de la presión expandiendo el flujo en las turbinas; en vez de la ineficiente laminación de la presión en válvulas de regulación (esto último es lo que se ha propuesto, por ejemplo, en el documento US20130247886A1). Además, la presente invención propone en alguna de sus realizaciones preferentes usar el CO2 líquido durante el ciclo de combustión del motor alternativo. Esto permite recuperar gran parte de la energía necesaria para licuar el CO2 en un ciclo motor supercrítico con este fluido que funciona de forma simultánea y conjugada con el ciclo de O2. Ambos ciclos comparten algunos de sus procesos, fundamentalmente el de aumento del estado térmico y el de expansión del fluido. Ni el ciclo supercrítico de CO2 aquí explicado, ni el ciclo conjugado de O2, con el que comparte algunos de sus procesos, han sido descritos por fuentes anteriores a la presente invención.
Durante el licuado del CO2, para posteriormente almacenarlo y transferirlo a los centros de procesado pertinentes, se produce un porcentaje (de alrededor del 2% de la masa total de sustancia trasegada) de agua líquida, que tiene que separarse necesariamente del CO2. Como diferencia adicional de la presente invención con respecto al documento US20130247886A1 , el agua separada a alta presión se valoriza energéticamente expandiéndose en estado vapor en una de las turbinas. Este uso tiene la virtud, por un lado, de emitir el agua en forma vapor frente a un chorreo líquido y; por otro lado, de reducir el consumo energético para conseguir la presión necesaria del aire en las membranas de separación del O2.
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La presente invención se entenderá mejor con referencia a los siguientes dibujos que ilustran realizaciones preferidas de la misma, proporcionadas a modo de ejemplo, y que no deben interpretarse como limitativas de la invención de ninguna manera:
La figura 1 muestra un diagrama de un motor de oxicombustión premezclada según una primera realización preferida de la presente invención, con mezcla homogénea y estequiométrica, de alta potencia específica, alta eficiencia, con MIEC para separar el O2 del aire, sin emisión de gases nocivos para la salud pero con emisiones netas positivas de CO2.
La figura 2a muestra un diagrama de un motor de oxicombustión premezclada según una segunda realización preferida de la presente invención, con mezcla homogénea y estequiométrica, de alta potencia específica, alta eficiencia, sin emisión de gases nocivos para la salud, con MIEC para separar el O2 del aire, con membrana polimérica para separar CO2 y con emisiones netas negativas de CO2.
La figura 2b muestra un diagrama de un motor de oxicombustión premezclada según una alternativa del motor mostrado en la figura 2a, con mezcla homogénea y estequiométrica, de alta potencia específica, alta eficiencia, sin emisión de gases nocivos para la salud, con MIEC para separar el O2 del aire, con membrana basada en carbonatos fundidos para separar CO2 del aire y con emisiones netas negativas de CO2.
La figura 3 muestra un diagrama de un motor de oxicombustión por difusión según una tercera realización preferida de la presente invención, con mezcla estratificada y pobre, de alta potencia específica, alta eficiencia, con MIEC para separar el O2 del aire, sin emisión de gases nocivos para la salud pero con emisiones netas positivas de CO2.
La figura 4a muestra un diagrama de un motor de oxicombustión por difusión según una cuarta realización preferida de la presente invención, con mezcla estratificada y pobre, de alta potencia específica, alta eficiencia, sin emisión de gases nocivos para la salud, con MIEC para separar el O2 del aire, con membrana polimérica para separar CO2 del aire y con emisiones netas negativas de CO2.
La figura 4b muestra un diagrama de un motor de oxicombustión por difusión según una alternativa del motor de la figura 4a, con mezcla estratificada y pobre, de alta potencia específica, alta eficiencia, sin emisión de gases nocivos para la salud, con MIEC para separar el O2 del aire y membrana basada en carbonatos fundidos para separar CO2 del aire y con emisiones netas negativas de CO2.
La figura 5a muestra un esquema del ciclo de Brayton a vacío (CBV).
La figura 5b muestra un diagrama T-s del ciclo de Brayton a vacío (CBV) idealizado y calculado para una situación concreta.
La figura 6 muestra un ciclo supercrítico del CO2 anidado con el ciclo Diésel del O2, correspondiente a la realización 4 de las figuras 4a y 4b.
La figura 7 muestra un ciclo Diésel del O2 anidado con el ciclo de Brayton de compresión con enfriamiento intermedio correspondiente a la realización 4 de las figuras 4a y 4b.
La figura 8 muestra una gráfica de la regulación de la temperatura de combustión para distintos grados de carga y en base a la tasa de EGR; esto es para un motor según la realización de la figura 1.
La figura 9 muestra una gráfica de la eficiencia de la MIEC durante la regulación de la temperatura de combustión para distintos grados de carga; esto es para un motor según la realización de la figura 1.
La figura 10 muestra una gráfica del par efectivo a plena carga y a cargas parciales para un motor según la realización de la figura 1.
La figura 11 muestra una gráfica del consumo específico a plena carga y a cargas parciales para un motor según la realización de la figura 1.
La figura 12 muestra una gráfica de la potencia efectiva a plena carga y a cargas parciales para un motor según la realización de la figura 1.
La figura 13 muestra una gráfica de los resultados del ciclo dentro del cilindro de combustión para un motor según la realización de la figura 1.
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Tal como se mencionó anteriormente, la presente invención da a conocer un motor de combustión interna, del tipo que succiona aire atmosférico como comburente y usa hidrocarburos como combustible, que comprende:
- un primer ciclo de Brayton regenerativo de compresiones de aire con enfriamiento intermedio y expansiones de nitrógeno con recalentamiento, por mezcla de una parte del nitrógeno, que comprende una membrana MIEC (6) que separa el O2 del aire comprimido, de manera que la corriente de aire succionado está libre de N2, y un aire empobrecido procedente del rechazo de la membrana MIEC (6) se envía directamente a una corriente de gases de escape evitando su participación en una combustión posterior, en el que parte de las compresiones de aire se realizan en al menos un primer cilindro (4), preferiblemente dos primeros cilindros (4), del motor;
- un segundo ciclo de Brayton con compresión con enfriamiento intermedio, combinado de forma binaria con el primer ciclo de Brayton y anidado con un ciclo seleccionado de un ciclo de Otto y un ciclo Diésel realizado mediante oxicombustión en al menos un segundo cilindro (14), preferiblemente dos segundos cilindros (14), del motor,
en el que el segundo ciclo de Brayton transmite al primer ciclo de Brayton energía mecánica mediante el acoplamiento del al menos un primer cilindro (4) con el al menos un segundo cilindro (14) a través de un cigüeñal (25), así como energía térmica procedente de gases de escape;
en el que el primer ciclo de Brayton proporciona al segundo ciclo de Brayton O2 comprimido procedente de la membrana MIEC (6);
mediante lo cual se evita la emisión de NOx a la atmósfera por la separación de N2 en la membrana MIEC (6).
Según una realización preferida, la energía mecánica neta producida por el primer ciclo de Brayton se usa para sobrealimentar el segundo ciclo de Brayton a través de un compresor C1 (10).
Según otra realización preferida, la membrana MIEC (6) produce O2 puro separado del aire atmosférico. El término“puro” (por ejemplo, aplicado a alguna corriente gaseosa, tal como “O2 puro”) no debe interpretarse en la presente memoria en un sentido estricto limitativo. Por ejemplo, en este caso, la corriente de O2 producida puede no ser pura al 100%, sino contener también alguna cantidad menor, por ejemplo, de CO2. Sin embargo, esta corriente de O2 puro (o de O2 sustancialmente puro) se ha separado del N2, de modo que se evita la producción de NOx en una oxicombustión posterior, y por tanto la emisión de dichos NOx a la atmósfera.
Según otra realización preferida, la membrana MIEC (6) produce O2 diluido con CO2. El CO2 con el que se diluye el O2 en este caso puede o bien obtenerse del aire atmosférico, o bien producirse por la combustión con hidrocarburo en el segundo ciclo de Brayton.
Según otra realización preferida, siempre hay una etapa de enfriamiento después de cada etapa de compresión.
Según otra realización preferida, se recupera calor de todas las fuentes residuales mediante combinación de los ciclos de Brayton primero y segundo realizando regeneraciones antes de cada enfriamiento. Según otra realización preferida, la energía mecánica producida por el segundo ciclo de Brayton se usa además para comprimir CO2 producido hasta licuarlo. Dicho CO2 puede comprimirse, por ejemplo, hasta al menos 7,5 MPa. Además, el segundo ciclo de Brayton puede estar anidado con un ciclo de Otto, y el motor comprende al menos un pistón adicional (22) así como válvulas antirretorno (una primera válvula antirretorno (33) a la entrada y una segunda válvula antirretorno (19) aguas abajo del mismo) para succionar y comprimir CO2 sobrante acumulado en conductos del motor.
Según otra alternativa de esta última realización preferida, el segundo ciclo de Brayton está anidado con un ciclo Diésel, y se usa la carrera de escape de los segundos cilindros (14) para comprimir el CO2, mediante el uso de válvulas antirretorno primera y segunda (33, 19) que permiten la descarga de CO2 y la admisión de O2 sustancialmente puro. Este O2 sustancialmente puro se emplea como gas de arrastre en membranas de separación selectivas de CO2.
Según otra realización preferida, el motor comprende además un ciclo de Brayton a vacío (CBV) para enfriar más intensamente el O2 sustancialmente puro, o el O2 diluido con CO2, antes de una compresión posterior.
Según otra realización preferida, el motor comprende un primer depósito (20) de almacenamiento de CO2 licuado producido. Dicho CO2 almacenado en el primer depósito (20) puede usarse para bombear combustible desde un segundo depósito (27) hacia los segundos cilindros (14) del motor, estando ambos depósitos primero y segundo (20, 27) en un mismo tanque separados por una membrana flexible (sustituyendo a la bomba de baja presión que se usa en los sistemas de inyección de tipo“common rail”; que son los más extendidos de los motores actuales de encendido por compresión) y/o puede transferirse a un surtidor de una red logística de CO2 externa.
Según otra realización preferida, la membrana MIEC (6) se basa en materiales cerámicos cristalinos que presentan conducción mixta de portadores electrónicos e iones oxígeno.
Según otra realización preferida, en la que el motor es de tipo de encendido provocado (SI), se emplean turbogrupos para sobrealimentar los primeros cilindros (4) y se emplea la regulación de la producción de O2 de la membrana MIEC (6) para regular la carga del motor.
Según otra realización preferida, en la que el motor es de tipo de encendido por compresión (Cl), se emplean turbogrupos para sobrealimentar los primeros cilindros (4) y se emplea la regulación de la producción de O2 de la membrana MIEC (6) para regular la relación de compresión efectiva del fluido de trabajo en el ciclo del motor.
En otro aspecto, la presente invención da a conocer un método de funcionamiento de motor de combustión interna, del tipo que succiona aire atmosférico como comburente y usa hidrocarburos como combustible, comprendiendo el método:
- un primer ciclo de Brayton regenerativo de compresiones de aire con enfriamiento intermedio y expansiones de nitrógeno con recalentamiento, por mezcla de una parte del nitrógeno, que comprende separar el O2 del aire comprimido, de manera que la corriente de aire succionado está libre de N2, y un aire empobrecido procedente del rechazo de la separación se envía directamente a una corriente de gases de escape evitando su participación en una combustión posterior;
- un segundo ciclo de Brayton con compresión con enfriamiento intermedio, combinado de forma binaria con el primer ciclo de Brayton y anidado con un ciclo seleccionado de un ciclo de Otto y un ciclo Diésel realizado mediante oxicombustión, en el que el segundo ciclo de Brayton transmite al primer ciclo de Brayton energía mecánica así como energía térmica procedente de gases de escape;
en el que el primer ciclo de Brayton proporciona al segundo ciclo de Brayton O2 comprimido procedente de la separación;
mediante lo cual se evita la emisión de NOx a la atmósfera por la separación de N2.
Según una realización preferida del método, la energía mecánica neta producida por el primer ciclo de Brayton se usa para sobrealimentar el segundo ciclo de Brayton.
Según una realización preferida del método, el primer ciclo de Brayton produce O2 puro separado del aire atmosférico. Alternativamente, el primer ciclo de Brayton produce O2 diluido con CO2. En este caso, el CO2 con el que se diluye el O2 puede obtenerse del aire atmosférico o puede producirse por la combustión con hidrocarburo en el segundo ciclo de Brayton.
Según una realización preferida del método, siempre hay una etapa de enfriamiento después de cada etapa de compresión.
Según una realización preferida del método, se recupera calor de todas las fuentes residuales mediante combinación de los ciclos de Brayton primero y segundo realizando regeneraciones antes de cada enfriamiento.
Según una realización preferida del método, la energía mecánica producida por el segundo ciclo de Brayton se usa además para comprimir CO2 producido hasta licuarlo. Por ejemplo, puede comprimirse el CO2 hasta al menos 7,5 MPa. Además, el segundo ciclo de Brayton puede estar anidado con un ciclo de Otto, y el método comprende succionar y comprimir CO2 sobrante acumulado en conductos del motor.
Según otra alternativa, el segundo ciclo de Brayton está anidado con un ciclo Diésel, y el método comprende comprimir el CO2, permitiendo la descarga de CO2 y la admisión de O2 sustancialmente puro, empleándose este último como gas de arrastre en membranas de separación selectivas de CO2.
Según una realización preferida, el método comprende además un ciclo de Brayton a vacío (CBV) para enfriar más intensamente el O2 sustancialmente puro, o el O2 diluido con CO2, antes de una compresión posterior.
Según una realización preferida, el método comprende almacenar CO2 licuado producido. Dicho CO2 licuado puede usarse para bombear combustible hacia los cilindros del motor y/o puede transferirse a un surtidor de una red logística de CO2 externa.
A continuación, se proporciona una descripción detallada de realizaciones preferidas de la presente invención, haciendo referencia a las figuras adjuntas, con el fin de ilustrar adicionalmente, y no de limitar, las enseñanzas divulgadas por la presente invención.
Realización 1 : Motor de encendido provocado (SI) de mezcla premezclada sin emisiones de gases contaminantes y sin captura de CO2
La realización 1 está indicada para motores de encendido provocado (SI) de mezcla premezclada (homogénea) sin captura de CO2. La realización 1 se basa en un proceso de combustión por deflagración, con velocidad subsónica y sin auto-encendido de la mezcla, para la producción de potencia mecánica neta.
El grado de carga (porcentaje del par máximo) del motor se controla por la tasa de producción de O2 en la membrana MIEC (6). Esto reduce las pérdidas de bombeo al eliminar el uso de válvulas de mariposa para estrangular el flujo de aire.
La temperatura de combustión se controla por la dilución de la mezcla de comburente (O2) y combustible (HxCyOz) con CO2 y H2O procedente de la propia combustión y pre enfriado. Esto evita el uso de combustible para esta tarea (práctica estándar en los SI actuales).
En la realización 1 no se propone capturar el CO2 emitido por el motor. Pero proporciona una mejora de la eficiencia energética con respecto a los motores SI actuales y elimina las emisiones de gases contaminantes (CO, THC, PM y NOx) en origen (cámara de combustión) y en la membrana MIEC (6), minimizando la necesidad de postratamiento para limpieza de los gases de escape, lo que supone un ahorro considerable del coste de producción del motor. En la actualidad se estima que el postratamiento para la limpieza de gases es del orden del 30% del coste total del grupo moto-propulsor. Además, debido a la oxicombustión se garantiza que se minimizan las emisiones de gases contaminantes durante el proceso de arranque en frío. Esto no sucede en los motores actuales, debido al tiempo necesario para calentar (activar) los grandes sistemas de postratamiento necesarios para la limpieza de gases de escape.
La realización 1 se ha representado en la figura 1. En la realización 1 el aire atmosférico entra al motor a través de un filtro (1) succionado por un compresor (C2) (2). El compresor C2 (2) forma parte de un turbogrupo y está acoplado mecánicamente a una turbina de geometría variable (VGT2) (8). El compresor C2 (2) trasiega aire usando la energía que recupera la turbina VGT2 (8) del N2, CO2 y H2O rechazados en la membrana MIEC (6); y el CO2 y H2O no recirculados a los segundos cilindros (14) del motor, que circulan por el conducto que sale de una membrana MIEC catalítica (15) y confluye con el conducto proveniente del rechazo de la membrana MIEC (6). En condiciones nominales el aire a la salida del compresor C2 (2) tiene una presión y una temperatura de 0,4 MPa y 473 K (199,85°C) aproximadamente. El aire pasa por un primer enfriador de carga del motor con agua (en inglés:“water-cooler of air charge", WCAC) (3). A la salida del primer enfriador WCAC (3) la temperatura desciende hasta 323 K (49,85°C) aproximadamente lo que hace más isoterma la compresión posterior en los primeros cilindros (4) del motor.
Posteriormente se succiona el aire por la mitad de los primeros cilindros (4) del motor. En la realización 1 se representa un motor de 4 cilindros y 4 tiempos, con lo que son 2 cilindros los que succionan el aire. Los primeros cilindros (4) actúan como bombas comprimiendo el aire hasta aproximadamente 0,9 MPa y 473 K (199,85°C). Los primeros cilindros (4) son preferiblemente idénticos al resto de cilindros del motor compartiendo el cigüeñal (25), el árbol de levas y la distribución, y teniendo como única singularidad que no se les inyecta combustible. Al ser un motor de 4 tiempos el aire permanece 4 carreras en el interior de los primeros cilindros (4) con lo que se comprime y se enfría con el agua de refrigeración del motor (aproximadamente a 363 K (89,85°C)) lo que contribuye a hacer más isoterma la compresión. Estos primeros cilindros (4) funcionan como sistema de arranque del conjunto de turbomáquinas, para poner en marcha el flujo de aire y las turbinas del ciclo. Para ello se mueven, hasta el arranque del sistema, por un motor de arranque convencional de los usados en los motores alternativos.
A la salida de los primeros cilindros (4) el aire se calienta en un primer regenerador (23) que baja su presión hasta 0,87 MPa y eleva su temperatura hasta aproximadamente 573 K (299,85°C), usando para ello la energía térmica de un flujo de CO2, H2O y N2. Este flujo de N2, CO2 y H2O sale por el conducto (30) situado aguas abajo de la turbina VGT2 (8). Este flujo de N2, CO2 y H2O supone aproximadamente el 100% del caudal total de gases trasegados por el motor y se encuentra a una temperatura aproximada de 800 K (526,85°C) y una presión de 0,1 MPa. A la salida del primer regenerador (23) el aire se calienta en un segundo regenerador (5) que baja su presión hasta 0,85 MPa y eleva su temperatura hasta aproximadamente 673 K (399,85°C), usando para ello la energía térmica del O2 producido por la membrana MIEC (6) y de los gases de escape usados para arrastrar el O2 intercambiado en la membrana MIEC (6) y bajar la presión parcial del O2 en la cámara de arrastre.
A la salida del segundo regenerador (5) el aire se calienta de nuevo en una membrana MIEC catalítica (15) (esta membrana presenta un catalizador que favorece la oxidación completa del CO y los HC a CO2 y H2O con el O2 del entorno) que baja su presión hasta 0,8 MPa y eleva su temperatura hasta aproximadamente 723 K (449,85°C), usando para ello la energía térmica de los gases de escape de la combustión de los segundos cilindros (14). En la membrana MIEC catalítica (15) los gases de escape ceden su calor al aire (actúa como regenerador) y tanto CO como HC se oxidan hasta que todo el flujo de gases está compuesto únicamente por CO2 y H2O. De este modo se reduce al 20% la necesidad de postratamiento para limpieza de gases de este motor, ya que este flujo de gases de escape supone aproximadamente el 20% del caudal total de gases de escape trasegados por el motor. Tras la membrana MIEC catalítica (15) el aire a 0,8 MPa de presión entra en la membrana MIEC (6) donde alcanza la temperatura de trabajo de la membrana MIEC (6) (aproximadamente 1173 K (899,85°C)) gracias al intercambio de calor con los gases de escape que provienen del proceso de oxicombustión de los segundos cilindros (14) y que se usan para barrer el O2 intercambiado en la membrana MIEC (6). Este flujo de gases de escape que provienen del proceso de oxicombustión de los segundos cilindros (14) supone aproximadamente el 80% del caudal de gases de escape.
El rechazo de la membrana MIEC (6) es fundamentalmente N2 a 0,8 MPa y 1173 K (899,85°C); supone aproximadamente el 80% de la masa de gas trasegada por el sistema y pasa por una turbina VGT1 (71) o por una válvula de control (72). La turbina VGT1 (71) y la válvula de control (72) forman parte de un turbogrupo junto con el compresor C1 (10), al cual está unida mecánicamente la turbina VGT1 (71). La turbina VGT1 (71) valoriza energéticamente el flujo de N2 rechazado de la membrana MIEC (6), recuperando su energía para mover el compresor C1 (10). La válvula de control (72) regula el flujo de energía al compresor C1 (10). El compresor C1 (10) trasiega una mezcla de CO2, H2O y O2 que proviene de la salida del arrastre de la membrana MIEC (6). El compresor C1 (10) trasiega aproximadamente el 95% del flujo de gases del motor. Como consecuencia, la válvula de control (72) regula el flujo de CO2 y H2O usado para diluir el O2 y, por ende, la temperatura de combustión y de los gases de escape de la combustión. En conclusión, la temperatura de los gases de escape del motor, a la salida de los segundos cilindros (14), se regula por la válvula de control (72); y lo es a un valor aproximado de 1273 K (999,85°C) en condiciones nominales.
Normalmente, la válvula de control (72) trabaja parcialmente abierta para regular la presión del compresor C1 (10). Una parte del N2 rechazado en la membrana MIEC (6) circula a través de la turbina VGT1 (71), expandiéndose y enfriándose. La otra parte del N2 rechazado circula a través de la propia válvula de control (72), sin enfriarse. Esta otra parte del N2 se mezcla aguas abajo de la turbina VGT1 (71) con el N2 frío y expandido, recalentándolo, y en consecuencia aumentando su temperatura.
Tras pasar por la válvula de control (72) y/o por la turbina (71) el N2 de rechazo de la membrana MIEC (6) (aproximadamente el 80% del flujo de aire) se mezcla con el CO2 y H2O que provienen de la segunda válvula antirretorno (19) y ambos flujos se valorizan en la turbina de geometría variable VGT2 (8) que se usa para mover el compresor C2 (2). Las condiciones nominales aproximadas de entrada a la turbina VGT2 (8) son 0,3 MPa y 873 K (599,85°C). La geometría variable de la turbina VGT2 (8) se utiliza para regular el grado de carga del motor de combustión. Cuando la turbina VGT2 (8) se cierra aumenta el flujo de aire a través de la membrana MIEC (6) y la presión de trabajo en la membrana MIEC (6). Por lo tanto, aumenta la producción horaria de O2 y la cantidad de combustible que se puede inyectar en condiciones estequiométricas. Sucede a la inversa cuando la turbina VGT2 (8) se abre. El tamaño mínimo (apertura mínima) de la turbina VGT2 (8) se elige en consonancia con la cilindrada del motor alternativo para fijar la potencia máxima del sistema a cada régimen de giro del motor. La apertura máxima de la turbina VGT2 (8) determina la carga mínima (en vacío) del motor alternativo a cada régimen de giro. La turbina VGT2 (8) también puede comprender una válvula de alivio (o WG). Cuando la turbina VGT2 (8) o su válvula de alivio se abren al máximo la energía del compresor C2 (2) se reduce a cero, con lo cual se reducen tanto la presión de trabajo de la membrana MIEC como el caudal de aire trasegado.
Si se desea reducir aún más la carga del motor, hasta bajarla a cero, entonces se abre la válvula de control (72) evitando la turbina VGT1 (71) con lo que la energía del compresor C1 (10) se reduce a cero. En este caso se detiene el flujo de gases de escape (en los que se encuentra el CO2) hacia la membrana MIEC (6). Esto iguala la presión parcial del O2 a ambos lados de la membrana MIEC (6) y detiene el flujo de producción de O2 dejando en vacío la carga del motor de esta realización 1.
A la salida de la turbina VGT2 (8) la mezcla de N2, CO2 y H2O a presión de 0,1 MPa y temperatura de 800 K (526,85°C), aproximadamente, se hace pasar por el primer regenerador (23) para ceder su calor al aire antes de descargar esta mezcla de gases (exenta de gases nocivos para la salud) a la atmósfera.
La mezcla del O2, intercambiado por la membrana MIEC (6), y del CO2 y H2O, usados para arrastrar y bajar la presión parcial del O2, salen por el extremo correspondiente de la membrana MIEC (6), hacia los segundos cilindros (14) de combustión, succionada por el compresor C1 (10). Esta mezcla sale a una presión y temperatura nominales aproximadamente de 0,3 MPa y 1173 K (899,85°C) respectivamente, y supone aproximadamente el 105% del caudal de aire trasegado por el motor. El calor de la mezcla de CO2, H2O y O2 se recupera primero en el segundo regenerador (5) para calentar el aire a la salida del primer regenerador (23). A la salida del segundo regenerador (5) tiene unas condiciones nominales de 0,25 MPa y 673 K (399,85°C) aproximadamente. Esta corriente se valoriza en una turbina de geometría variable (VGT3) (16) a la salida del segundo regenerador (5) que se usa para mover un compresor (C3) (12) acoplado mecánicamente en otro turbogrupo. El compresor C3 (12) se usa para sobrealimentar los segundos cilindros (14), como los turbo-sobrealimentadores al uso, usando la energía recuperada por la turbina VGT3 (16). La turbina VGT3 (16) se cierra para mantener constante la presión a la salida del compresor C3 (12) a un valor nominal de 0,6 MPa en cualquier condición de funcionamiento del motor. A la salida de la turbina VGT3 (16) las condiciones nominales del flujo son aproximadamente 0,1 MPa y 473 K (199,85°C). La mezcla comburente que continúa hacia los segundos cilindros (14) se enfría en un segundo enfriador WCAC (9) hasta 323 K (49,85°C). A continuación, se comprime en el compresor C1 (10) hasta 0,3 MPa y 473 K (199,85°C) siendo las condiciones del compresor C1 (10) las impuestas por la válvula de control (72) para mantener la temperatura de los gases de escape alrededor de los 1273 K (999,85°C), como ya se ha descrito. Después del compresor C1 (10), la mezcla de CO2, H2O y O2 se enfría de nuevo hasta 323 K (49,85°C) en un tercer enfriador WCAC (11) y se comprime en el compresor C3 (12) hasta 0,6 MPa y 473 K (199,85°C). Para ello se usa la energía de la turbina VGT3 (16) que regula la presión a la salida del compresor C3 (12) igual al 0,6 MPa, como ya se ha descrito. Finalmente, la mezcla se vuelve a enfriar en un cuarto enfriador WCAC (13) hasta 323 K (49,85°C) antes de succionarse por los segundos cilindros (14), que en esta realización son 2 por ser la mitad de los de un motor de 4 cilindros y cuatro tiempos que se ha usado como ejemplo; como se estableció al principio de la descripción de la presente realización.
En los segundos cilindros (14) se inyecta un hidrocarburo HxCyOz, con una bomba de combustible (26), a la mezcla de CO2, H2O y O2 en proporción estequiométrica con el O2. En dichos segundos cilindros (14) se realiza un ciclo de combustión premezclada de encendido provocado y similar al ciclo Otto. Los segundos cilindros (14) producen energía para mover los primeros cilindros (4) que trasiegan el aire para la membrana MIEC (6) pues están acoplados en el mismo cigüeñal (25). Los segundos cilindros (14) producen un excedente de energía mecánica neta que se usa para mover el vehículo al que se acopla el motor, o el generador eléctrico o cualquier aplicación que requiera un aporte de energía mecánica a través de un eje. Estos segundos cilindros (14) también funcionan como sistema de arranque del conjunto de turbomáquinas, para poner en marcha el flujo de aire; de O2 y las turbomáquinas del ciclo. Para ello se mueven, hasta el arranque del sistema, por un motor de arranque convencional de los usados en los motores alternativos. Así, tanto los primeros cilindros (4) como los segundos cilindros (14) funcionan como sistema de arranque y se mueven, hasta el arranque del sistema, por un motor de arranque convencional.
Las cesiones de calor al agua de los enfriadores WCAC primero (3), segundo (9), tercero (11) y cuarto (13) más el calor cedido en las regeneraciones (producidas en los regeneradores primero (23), segundo (5) y en la MIEC catalítica (15)) junto con la descarga a la atmosfera del excedente de gases de escape (es decir, los gases de escape no recirculados), a través de la bifurcación (29) y la segunda válvula antirretorno (19), suponen la cesión total de calor al foco frío necesaria para que el ciclo termodinámico propuesto cumpla el segundo principio de la termodinámica y sea, por tanto, viable. A su vez las cesiones de calor en los enfriadores WCAC primero (3), segundo (9), tercero (11) y cuarto (13) y en las regeneraciones (producidas en los regeneradores primero (23), segundo (5) y en la MIEC catalítica (15)) contribuyen a minimizar la destrucción de exergía del ciclo termodinámico debido, por una parte, a hacer el proceso de compresión global del fluido de trabajo más isotérmico y por otra a recuperar la energía de los gases de escape para la separación del aire. El acercamiento a la compresión isoterma y el uso de regeneradores para extraer el calor de los gases del sistema acercan el ciclo del N2, separado del aire en la membrana MIEC (6), a un ciclo con igual rendimiento al de Carnot conocido como ciclo Ericsson. El ciclo de la mezcla de CO2+H2O+O2 se puede asimilar a un ciclo de Brayton cerrado con compresiones y expansiones intermedias, pero anidado con un ciclo Otto en los segundos cilindros (14); cosa no descrita hasta ahora en la bibliografía. En esencia el ciclo de Brayton cuasi-cerrado anidado con el ciclo de Otto y binario con el de N2 (enviando calor al ciclo del N2 éste cumple los preceptos termodinámicos para aproximarse a un ciclo ideal de eficiencia máxima, como el ciclo Ericsson) es una novedosa realización de ciclo binario, que cumple los preceptos del otro ciclo ideal de eficiencia máxima, el de Carnot.
Finalmente, como resultado de la combustión del hidrocarburo (combustible) con la mezcla comburente (CO2, H2O, O2) se produce a la salida de los segundos cilindros (14) una mezcla de CO2, H2O, y, en menor medida, THC sin quemar y CO.
La parte no recirculada de gases de escape se deriva por la bifurcación (29) para descargarse a la entrada de la turbina VGT2 (8). Este excedente supone aproximadamente el 20% de los gases de escape, que son una mezcla de CO2, H2O, CO e hidrocarburos totales (THC) sin quemar. Aguas abajo de la bifurcación (29) y aguas arriba de la segunda válvula antirretorno (19) se encuentra la membrana MIEC catalítica (15) a la que los gases de escape entran a una temperatura aproximada de 1273 K (999,85°C) y ceden su calor al 100% del flujo de aire que trasiega el motor, con lo cual su temperatura baja mucho, hasta aproximadamente los 623 K (349,85°C). A la vez, y debido a las reacciones químicas que se producen en la membrana MIEC catalítica (15) se oxidan el CO y los THC con el O2 sobrante de la combustión hasta conformar vapor de H2O y CO2. Nuevamente, debido a que la oxicombustión evita la producción de NOx en los segundos cilindros (14), la mezcla de H2O y CO2 formada en la membrana catalítica (15) se encuentra libre de gases nocivos (sin CO, sin THC y sin NOx). Por lo tanto, la mezcla se descarga sin ningún gas nocivo para la salud.
Aguas abajo de la membrana MIEC catalítica (15) la mezcla de CO2 y H2O se descarga a través de una segunda válvula antirretorno (19) a la entrada de la turbina VGT2 (8). La segunda válvula antirretorno (19) está tarada a una presión aproximada de 0,11 MPa y sirve para evitar que durante los procesos transitorios pueda entrar aire o N2 a la mezcla de gases comburentes. Aguas arriba de la segunda válvula antirretorno (19) se forma por lo tanto un volumen cerrado y separado de la atmósfera. Este volumen está formado por un circuito de conductos libres de N2 que actúa como sistema de acumulación de mezcla comburente de CO2+H2O+O2 tras la parada del motor. Esta mezcla acumulada facilita el arranque posterior del motor, pues ya existe un excedente de O2 producido por la membrana MIEC (6), que puede usarse para arrancar la combustión en los segundos cilindros (14). La mezcla de N2, CO2 y H2O se descarga finalmente a la atmósfera a través del conducto (30) pasando previamente por el primer regenerador (23) para extraer su calor, como ya se ha descrito.
El resto de los gases de escape no excedente (es decir, los gases de escape recirculados) supone aproximadamente el 80% del caudal de los mismos. Esta mezcla no excedente se succiona por el compresor C1 (10), el compresor C3 (12) y los propios segundos cilindros (14) para pasar a través de la membrana MIEC (6). En la membrana MIEC (6) los gases de escape recirculados, por una parte, cumplen la función indirecta de barrer y bajar la presión parcial del O2 que atraviesa la membrana para mejorar la productividad de la membrana MIEC (6); por otra parte, cumple la función directa de reducir la proporción de O2 en la mezcla comburente. De este modo se controla la temperatura de los gases de combustión, alrededor de 1273 K (999,85°C), a la salida de los segundos cilindros (14). De esta forma, a la salida de la membrana MIEC (6) se cierra el ciclo y la mezcla vuelve a la entrada del segundo regenerador (5) para transmitir su calor al aire.
En el proceso descrito el motor funciona de manera eficiente tanto por mantener el dosado siempre cercano al estequiométrico como por regular su carga sin estrangular el flujo, sino modulando el aire trasegado por el compresor C2 (2) y la productividad de la membrana. La productividad de O2 responde instantáneamente a las aceleraciones del motor pues los primeros cilindros (4) están acoplados mecánicamente en el mismo eje con los segundos cilindros (14). Por tanto, la respuesta dinámica del motor no sufre el retraso de los turbogrupos (“ turbocharger-lag” en inglés) típico de los motores turbo-sobrealimentados. Finalmente, el motor sólo emite a la atmósfera una mezcla de: CO2 y H2O provenientes de la segunda válvula antirretorno (19); y N2, H2O y CO2 atmosféricos provenientes de la salida de la turbina VGT2 (8). Es decir no emite ningún gas nocivo para la salud que afecte perjudicialmente al proceso respiratorio de personas y animales.
Realización 2: Motor de encendido provocado (SI) de mezcla premezclada sin emisiones de gases contaminantes y con captura de CO2 producido y retirada de CO2 atmosférico
La realización 2 está indicada para motores de encendido provocado (SI) de mezcla premezclada (homogénea) con captura de CO2 atmosférico y producido. Por tanto, se encuentra dentro de la categoría de motores que retiran CO2 de la atmósfera (tasa de emisiones < 0). La realización 2 se basa en un proceso de combustión por deflagración, con velocidad subsónica y sin auto-encendido de la mezcla, para la producción de potencia mecánica neta.
El grado de carga (porcentaje del par máximo) del motor se controla por la tasa de producción de O2 en la membrana MIEC (6). Esto reduce las pérdidas de bombeo al eliminar el uso de válvulas de mariposa para estrangular el flujo de aire.
La temperatura de combustión se controla por la dilución de la mezcla de comburente (O2) y combustible (HxCyOz) con CO2 y H2O procedente de la propia combustión y pre enfriado. Esto evita el uso de combustible para esta tarea (práctica estándar en los SI actuales a alto régimen de giro y máxima potencia).
La realización 2 propone capturar el CO2 emitido por el motor y reducir el contenido en CO2 atmosférico de la forma más eficiente posible. Además, elimina las emisiones de gases contaminantes (CO, THC, PM y NOx) en origen (cámara de combustión) o en la membrana MIEC minimizando la necesidad de postratamiento para limpieza de los gases de escape, lo que supone un ahorro considerable del coste de producción del motor. En la actualidad se estima que el postratamiento para la limpieza de gases es del orden del 30% del coste total del grupo moto-propulsor. Además, debido a la oxicombustión se garantiza que tampoco se emiten gases contaminantes durante el proceso de arranque en frío. Esto no sucede en los motores actuales, debido al tiempo necesario para calentar (activar) los sistemas de postratamiento para la limpieza de gases de escape.
La realización 2 se ha representado en las figuras 2a y 2b dependiendo de la tecnología usada para extraer el CO2 de la corriente de aire. En la realización 2 el aire atmosférico entra al motor a través de un filtro (1) succionado por un compresor (C2) (2). El compresor C2 (2) forma parte de un turbogrupo y está acoplado mecánicamente a una turbina de geometría variable (VGT2) (8). El compresor C2 (2) trasiega aire usando la energía que recupera la turbina VGT2 (8) del N2+H2O rechazados en la membrana MIEC (6) en el caso de la figura 2a, o del N2+H2O rechazados en una membrana de CO2 (28) en el caso de la figura 2b. En condiciones nominales el aire a la salida del compresor C2 (2) tiene una presión y una temperatura de 0,4 MPa y 473 K (199,85°C) aproximadamente. El aire pasa por un primer enfriador de carga del motor con agua (WCAC) (3). A la salida del primer enfriador WCAC (3) la temperatura desciende hasta 323 K (49,85°C) aproximadamente, lo que hace más isoterma la compresión posterior en los primeros cilindros (4) del motor.
En la realización de la figura 2a el aire se limpia de CO2 en una membrana de CO2 (28) polimérica con una selectividad global CO2/N2 de alrededor de 2000 a la temperatura de trabajo a la salida del primer enfriador WCAC (3). Esto se consigue en la figura 2a gracias a que el CO2 que atraviesa la membrana se arrastra por el vapor de agua procedente de un separador (17) que baja la presión parcial del CO2 atmosférico permeado en la membrana de CO2 (28). En la figura 2a, el CO2 atmosférico y el agua usada para barrer la membrana de C02 (28) se unen a la corriente de O2 y productos de la combustión en unos medios para llevar a cabo un ciclo de Brayton a vacío (CBV) (21). Concretamente, esto se produce a la salida de un quinto enfriador WCAC (31) como se muestra en la figura 5a, que representa el detalle interno del ciclo CBV y que se explicará más adelante.
En otra realización preferente mostrada en la figura 2b el aire no se encuentra con ninguna membrana de CO2 a la salida del primer enfriador WCAC (3) y, por lo tanto, el contenido en CO2 del aire no cambia. Para esta otra versión de la realización 2 este CO2 se recoge aguas abajo.
Posteriormente se succiona el aire por los primeros cilindros (4) del motor. En la realización 2 se representa un motor de 5 cilindros y 4 tiempos, y son 2 cilindros los que succionan el aire. Los primeros cilindros (4) actúan como bombas comprimiendo el aire hasta aproximadamente 0,9 MPa y 473 K (199,85°C). Los primeros cilindros (4) son preferiblemente idénticos al resto de cilindros del motor compartiendo el cigüeñal (25), el árbol de levas y la distribución, y teniendo como única singularidad que no se les inyecta combustible. Al ser un motor de 4 tiempos el aire permanece 4 carreras en el interior de los primeros cilindros (4) con lo que se comprime y se enfría con el agua de refrigeración del motor (aproximadamente a 363 K (89,85°C)) lo que contribuye a hacer más isoterma la compresión. Estos primeros cilindros (4) funcionan como sistema de arranque del conjunto de turbomáquinas, para poner en marcha el flujo de aire y las turbinas del ciclo. Para ello se mueven, hasta el arranque del sistema, por un motor de arranque convencional de los usados en los motores alternativos.
A la salida de los primeros cilindros (4) el aire se calienta en un primer regenerador (23) que baja su presión hasta 0,87 MPa y eleva su temperatura hasta aproximadamente 573 K (299,85°C), usando para ello la energía térmica de un flujo de CO2 y de H2O a la salida de un pistón adicional (22). A la salida del primer regenerador (23) el aire se calienta en un tercer regenerador (24) que baja su presión hasta 0,85 MPa y eleva su temperatura hasta aproximadamente 673 K (399,85°C), usando para ello la energía térmica de un flujo de N2 a una temperatura aproximada de 800 K (526,85°C) y una presión de 0,1 MPa procedente de la salida de la turbina VGT2 (8).
A la salida del tercer regenerador (24) el aire se calienta de nuevo en una membrana MIEC catalítica (15) que baja su presión hasta 0,8 MPa y eleva su temperatura hasta aproximadamente 723 K (449,85°C) usando para ello la energía térmica de los gases de escape de la combustión de los segundos cilindros (14). En la membrana MIEC catalítica (15) los gases de escape ceden su calor al aire (actúa como regenerador) y tanto CO como HC se oxidan hasta que todo el flujo de gases está compuesto únicamente por CO2 y H2O. De este modo se reduce al 20% la necesidad de postratamiento para limpieza de gases de este motor; ya que este flujo de gases de escape supone aproximadamente el 20% del caudal total de gases de escape trasegados por el motor. Tras la membrana MIEC catalítica (15) el aire se calienta de nuevo en un segundo regenerador (5) que baja su presión hasta 0,8 MPa y eleva su temperatura hasta aproximadamente 873 K (599,85°C) usando para ello la energía térmica del O2 obtenido del aire por la membrana MIEC (6) y del CO2 usado para arrastrar el O2 que atraviesa la membrana MIEC (6) y bajar la presión parcial del O2 en la cámara de arrastre.
Tras el segundo regenerador (5), el aire a 0,8 MPa y 873 K (599,85°C) se inyecta en la membrana MIEC (6) de O2 donde alcanza la temperatura de trabajo de la membrana MIEC (6) (aproximadamente 1173 K (899,85°C)) gracias al intercambio de calor con el CO2 y el H2O que proviene del proceso de oxicombustión y que se usa para barrer el lado del O2.
En el caso de la realización de la figura 2b, el aire empobrecido en O2, rechazado en la membrana MIEC (6) de O2 entra, a aproximadamente 1173 K (899,85°C) y 0,8 MPa, en una membrana de CO2 (28) (basada en carbonatos fundidos con una selectividad global CO2/N2 de alrededor de 2500 a la temperatura de trabajo) donde se separa el CO2 atmosférico de la corriente de N2+H2O. Esto se consigue gracias a que el CO2 se barre por el vapor de agua procedente del separador (17) que baja la presión parcial del CO2 atmosférico permeado en la membrana. En la figura 2b, el CO2 atmosférico permeado se une a la mezcla del O2 producido por la membrana MIEC (6) y del CO2 y H2O procedentes de la combustión de los segundos cilindros (14) y usados para barrer la membrana MIEC (6) y bajar la presión parcial del O2.
En la otra versión de la realización preferente mostrada en la figura 2a, el rechazo de la membrana MIEC(6) de O2 no se encuentra aguas abajo con ninguna membrana de CO2, porque el aire ya se ha limpiado previamente de CO2 en la membrana de CO2 (28), tal y como se ha explicado previamente.
El rechazo de la membrana MIEC (6) de O2, en el caso de la realización de la figura 2a, y el rechazo de la membrana de CO2 (28), en la realización de la figura 2b, están ambos prácticamente libres de CO2 atmosférico y son N2+H2O atmosféricos a 0,75 MPa y 1173 K (899,85°C). Cada uno de dichos rechazos, supone aproximadamente el 80% de la masa de aire trasegada por el sistema y se hace pasar por la turbina VGT1 (71) y/o por la válvula de control (72).
La turbina VGT1 (71) y la válvula de control (72) forman parte de un turbogrupo junto con el compresor C1 (10), al cual está unida mecánicamente la turbina VGT1 (71). La turbina VGT1 (71) valoriza energéticamente el flujo de N2 rechazado de la membrana MIEC (6), recuperando su energía para mover el compresor C1 (10). La válvula de control (72) regula el flujo de energía al compresor C1 (10). El compresor C1 (10) trasiega el CO2 de barrido de la membrana MIEC (6), por lo tanto trasiega una mezcla de CO2, H2O y O2. El compresor C1 (10) trasiega aproximadamente el 95% del flujo de gases del motor. Como consecuencia, la válvula de control (72) regula el flujo de CO2 y H2O usado para diluir el O2 y, por ende, la temperatura de combustión y de los gases de escape de la combustión. En conclusión, la temperatura de los gases de escape del motor, a la salida de los segundos cilindros (14), se regula por la válvula de control (72); y lo es a un valor aproximado de 1273 K (999,85°C) en condiciones nominales.
Normalmente, la válvula de control (72) trabaja parcialmente abierta para regular la presión del compresor C1 (10). Una parte del N2 rechazado en la membrana MIEC (6) circula a través de la turbina VGT1 (71), expandiéndose y enfriándose. La otra parte del N2 rechazado circula a través de la propia válvula de control (72), sin enfriarse. Esta otra parte del N2 se mezcla aguas abajo de la turbina VGT1 (71) con el N2 frío y expandido, recalentándolo, y en consecuencia aumentando su temperatura.
Tras pasar por la válvula de control (72) y/o por la turbina (71) el N2+H2O de rechazo de las membranas MIEC (el 80% del flujo de aire) se valoriza en la turbina de geometría variable VGT2 (8) que se usa para mover el compresor C2 (2). Las condiciones nominales aproximadas de entrada a la turbina VGT2 (8) son 0,3 MPa y 823 K (549,85°C). La geometría variable de la turbina VGT2 (8) se utiliza para regular el grado de carga del motor de combustión. Cuando la turbina VGT2 (8) se cierra aumenta el flujo de aire a través de la membrana MIEC (6) y la presión de trabajo en la membrana MIEC (6). Por lo tanto aumenta la producción horaria de O2 y la cantidad de combustible que se puede inyectar en condiciones estequiométricas. Sucede a la inversa cuando la turbina VGT2 (8) se abre. El tamaño mínimo (apertura mínima) de la turbina VGT2 (8) se elige en consonancia con la cilindrada del motor alternativo para fijar la potencia máxima del sistema a cada régimen de giro del motor. La apertura máxima de la turbina VGT2 (8) determina la carga mínima (en vacío) del motor alternativo a cada régimen de giro. La turbina VGT2 (8) también puede comprender una válvula de alivio (o WG). Cuando la turbina VGT2 (8) o su válvula de alivio se abren al máximo la energía del compresor C2 (2) se reduce a cero con lo cual se reducen tanto la presión de trabajo de la membrana MIEC como el caudal de aire trasegado considerablemente.
Si se desea reducir aún más la carga del motor hasta bajarla a cero, entonces se abre la válvula de control (72) evitando la turbina VGT1 (71) con lo que la energía del compresor C1 (10) se reduce a cero. En este caso se detiene el flujo de CO2 y H2O hacia la membrana MIEC (6). Esto iguala la presión parcial del O2 a ambos lados de la membrana MIEC (6) y detiene el flujo de producción de O2 dejando en vacío la carga del motor de esta realización 2.
A la salida de la turbina VGT2 (8) la mezcla de N2 y H2O a presión de 0,1 MPa y temperatura de 800 K (526,85°C), aproximadamente, se hace pasar por el tercer regenerador (24) para ceder su calor al aire antes de descargar esta mezcla de gases (exenta de gases nocivos para la salud) a la atmósfera.
La mezcla del O2 intercambiado por la membrana MIEC (6) y del CO2 y H2O, usados para barrer y bajar la presión parcial del O2 que atraviesa la membrana, salen por el extremo correspondiente de la membrana MIEC (6), hacia los segundos cilindros (14) de combustión, succionada por el compresor C1 (10). Para la versión de la realización 2 basada en membranas de carbonatos fundidos para recoger el CO2 atmosférico (figura 2b), es en este punto (a la salida de la membrana MIEC (6)) donde dicha mezcla (mezcla del 02 intercambiado por la membrana MIEC (6) y del C02 y H20, usados para barrer y bajar la presión parcial del 02 que atraviesa la membrana) se mezcla a su vez con el CO2 atmosférico y el vapor de agua usado para barrerlo. Esta mezcla sale a una presión y temperatura nominales aproximadamente de 0,1 MPa y 1173 K (899,85°C) respectivamente; y supone aproximadamente el 80% del caudal de aire trasegado por el motor. El calor de la mezcla de CO2, H2O y O2 se recupera primero en el segundo regenerador (5) para calentar el aire a la salida de la membrana MIEC catalítica (15). A la salida del segundo regenerador (5) tiene unas condiciones nominales de 0,08 MPa y 723 K (449,85°C) aproximadamente.
Seguidamente la mezcla fluye a través de unos medios para llevar a cabo un ciclo de Brayton a vacío (CBV) (21). Los medios para llevar a cabo un ciclo de Brayton a vacío (CBV) (21) tienen la función de enfriar la mezcla transformando su temperatura en presión y recuperando la pérdida de presión causada por el segundo regenerador (5). Los medios para llevar a cabo un ciclo de Brayton a vacío (CBV) (21) están compuestos por una turbina VGT3 (16) acoplada mecánicamente con un compresor C3 (12) con el que forma un turbogrupo. Entre la salida de la turbina VGT3 (16) y la entrada del compresor C3 (12) hay un quinto enfriador WCAC (31). Para la versión de la realización 2 que se basa en membranas poliméricas para recoger el CO2 atmosférico (figura 2a), es a la salida del quinto enfriador WCAC (31) donde se mezcla el O2 y CO2 de la combustión con el CO2 atmosférico y el agua usado para barrerlo. En la figura 2b el CO2 atmosférico ya forma parte de la mezcla comburente en este punto. El detalle interno de los medios para llevar a cabo un ciclo de Brayton a vacío (CBV) (21) puede verse en la figura 5a y su ciclo de funcionamiento en el diagrama T-s de la figura 5b). La mezcla de CO2, H2O y O2 se expande para valorizarse energéticamente en la turbina VGT3 (16); se enfría en el quinto enfriador WCAC (31), sufriendo una ligera pérdida de carga, y se comprime en el compresor C3 (12), acoplado mecánicamente con la turbina VGT3 (16). A la salida del compresor C3 (12) la mezcla está más fría y a más presión que a la entrada de la turbina VGT3 (16).
Las condiciones nominales de la mezcla comburente a la salida del compresor C3 (12) son aproximadamente 0,1 MPa y 523 K (249,85°C). La mezcla comburente, que continúa su camino hacia los segundos cilindros (14), se enfría en el segundo enfriador WCAC (9) hasta 323 K (49,85°C). A continuación se comprime en el compresor C1 (10) hasta 0,3 MPa y 473 K (199,85°C) siendo las condiciones del compresor C1 (10) las impuestas por la válvula de control (72) para mantener la temperatura de los gases de escape alrededor de los 1273 K (999,85°C), como ya se ha descrito. Después del compresor C1 (10) la mezcla de CO2, H2O y O2 se vuelve a enfriar en el tercer enfriador WCAC (11) hasta 323 K (49,85°C) antes de succionarse por los segundos cilindros (14). Estos cilindros son 2 de los 5 que tiene el motor de cuatro tiempos usado como ejemplo; como se estableció al principio de la descripción de la realización 2.
En los segundos cilindros (14) se inyecta un hidrocarburo HxCyOz, con una bomba de combustible (26), a la mezcla comburente de CO2, H2O y O2 en proporción estequiométrica con el O2. En dichos segundos cilindros (14) se realiza un ciclo de combustión premezclada de encendido provocado y similar al ciclo Otto. Los segundos cilindros (14) producen energía para mover los primeros cilindros (4) que trasiegan el aire para la membrana MIEC (6) y el pistón adicional (22), que comprime para densificar el CO2 y H2O residuales, pues están todos acoplados en el mismo cigüeñal (25). Los segundos cilindros (14) producen además un excedente de energía mecánica neta que se usa para mover el vehículo al que se acopla el motor, o el generador eléctrico o cualquier aplicación que requiera un aporte de energía mecánica a través de un eje. Estos segundos cilindros (14) funcionan como sistema de arranque del conjunto de turbomáquinas, para poner en marcha el flujo de aire y las turbinas del ciclo. Para ello se mueven, hasta el arranque del sistema, por un motor de arranque convencional de los usados en los motores alternativos.
Las cesiones de calor al agua de los enfriadores WCAC primero (3), segundo (9), tercero (11), cuarto (13), quinto (31) y sexto (18) más el calor cedido en las regeneraciones (producidas en los regeneradores primero (23), segundo (5), tercero (24) y en la MIEC catalítica (15)) junto con la densificación y captura del excedente de CO2 y H2O, suponen la cesión total de calor al foco frío necesaria para que el ciclo termodinámico propuesto cumpla el segundo principio de la termodinámica y sea, por tanto, viable. A su vez las cesiones de calor en los enfriadores WCAC primero (3), segundo (9), tercero (11), cuarto (13), quinto (31) y sexto (18), y en las regeneraciones (producidas en los regeneradores primero (23), segundo (5), tercero (24) y en la MIEC catalítica (15)) contribuyen a minimizar la destrucción de exergía del ciclo termodinámico debido, por una parte, a hacer el proceso de compresión global del fluido de trabajo más isotérmico y por otra a recuperar la energía de los gases de escape para la separación del aire. El acercamiento a la compresión isoterma y el uso de regeneradores para extraer el calor del CO2+H2O acercan el ciclo del N2 en la membrana MIEC (6) a un ciclo con igual rendimiento al de Carnot conocido como ciclo Ericsson. El ciclo de la mezcla de CO2+H2O+O2 se puede asimilar a un ciclo de Brayton cerrado con compresiones y expansiones intermedias, pero anidado con un ciclo Otto en los segundos cilindros (14); cosa no descrita hasta ahora en la bibliografía. En esencia el ciclo de Brayton cuasi-cerrado anidado con el ciclo de Otto y binario con el de N2 (enviando calor al ciclo del N2 éste cumple los preceptos termodinámicos para aproximarse a un ciclo ideal de eficiencia máxima, como el ciclo Ericsson) es una novedosa realización de ciclo binario; que cumple los preceptos del otro ciclo ideal de eficiencia máxima, el de Carnot.
Como resultado de la combustión del hidrocarburo (combustible) con la mezcla comburente (CO2, H2O, O2) se produce a la salida de los segundos cilindros (14) una mezcla de CO2, H2O, THC sin quemar y CO. Por un lado, el 80% de estos gases de escape se succiona por el compresor C1 (10) y los propios segundos cilindros (14) para pasar a través de la membrana MIEC (6). En la membrana MIEC (6), por una parte cumple la función de barrer y bajar la presión parcial del O2 para mejorar el transporte de O2 de la membrana MIEC (6); por otra parte, la mezcla con CO2 rebaja la temperatura de la combustión a límites tolerables para los materiales de los motores de combustión interna alternativos (MCIA). De esta forma, a la salida de la membrana MIEC (6) se cierra el ciclo y la mezcla vuelve a la entrada del segundo regenerador (5) para transmitir su calor al aire. En el proceso descrito el motor funciona de manera eficiente tanto por mantener el dosado siempre cercano al estequiométrico como por regular su carga sin estrangular el flujo, sino modulando la producción de O2 de la membrana. La productividad de la membrana responde instantáneamente a las aceleraciones del motor pues los primeros cilindros (4) están acoplados mecánicamente en el mismo eje con los segundos cilindros (14). Por tanto, la respuesta dinámica del motor no está condicionada por el retraso de los MCIA turbo-sobrealimentados, debido a la inercia mecánica del turbogrupo.
Por otro lado, el 20% restante de los gases de escape, que son una mezcla de: CO2, H2O, THC sin quemar y CO, se oxida con el O2 sobrante de la combustión en la membrana MIEC catalítica (15) a la que entran a una temperatura aproximada de 1273 K (999,85°C) y ceden su calor al 100% del flujo de aire que trasiega el motor, con lo cual su temperatura baja mucho, hasta aproximadamente los 703 K (429,85°C). A la vez, y debido a las reacciones químicas que se producen en la membrana MIEC catalítica (15), se oxidan el CO y los THC con el O2 sobrante de la combustión hasta vapor de H2O y CO2, y, nuevamente, debido a la oxicombustión se evita la producción de NOx en los segundos cilindros (14). Por lo tanto, la mezcla se descarga sin ningún gas nocivo para la salud (sin CO, sin THC y sin NOx).
A continuación, se instala una primera válvula antirretorno (33) para evitar la salida de reflujos del pistón adicional (22). El pistón adicional (22) es movido por el cigüeñal (25) y comprime este 20% del caudal (el mencionado 20% restante de los gases de escape) hasta los 7,5 MPa. La presión de 7,5 MPa viene regulada por una segunda válvula antirretorno (19) y su muelle de tarado. La compresión se realiza de forma casi isoterma en las cuatro carreras del pistón adicional (22), desde que abre la válvula de admisión para succionar la mezcla de CO2 y vapor de H2O hasta que abre la de escape para descargarla. La mezcla comprimida hasta los 7,5 MPa se descarga a una temperatura de aproximadamente 673 K (399,85°C), debe mantenerse por encima de los 573 K (299,85°C) que es la temperatura de saturación del agua a 7,5 MPa para garantizar que ésta sigue en estado gas dentro del pistón adicional (22).
La mezcla se enfría primero en el primer regenerador (23) y luego en el cuarto enfriador WCAC (13) hasta los 473 K (199,85°C) con lo que el H2O pasa a estado líquido. La masa de agua líquida a 7,5 MPa y 473 K (199,85°C) supone aproximadamente el 2% del caudal total de masa trasegada por el motor. A continuación, el agua líquida se separa del CO2 gas en el separador (17), que puede ser un separador inercial con una válvula de laminación de presión a la salida. También puede usarse como separador (17) una membrana polimérica, si el agua se mantuviese en estado gaseoso. El agua separada a una presión de 0,1 MPa y 473 K (199,85°C) aproximadamente se valoriza energéticamente usándose como fluido tractor en la membrana de CO2 (28). El vapor de agua barre el lado del CO2, bajando su presión parcial por dilución. Una tercera válvula antirretorno (32), que conecta el circuito de H2O procedente de la combustión con la atmósfera, regula la presión del vapor de agua, manteniendo ésta igual a la presión barométrica. Además, permite la purga a la atmósfera del exceso de vapor de agua generado en las sucesivas combustiones del motor.
Tras separarse el H2O, el exceso de CO2, ya con alta pureza, se enfría en un sexto enfriador WCAC (18) por debajo de su temperatura crítica, 303 K (29,85°C). El CO2 líquido pasa a través de la segunda válvula antirretorno (19) y se almacena a 7,5 MPa en un primer depósito (20) con temperatura controlada por debajo de 303 K (29,85°C). Cuando este depósito se llena la autonomía del motor finaliza. El depósito se mantiene a temperaturas subcríticas del CO2 (< 303 K (29,85°C)) usando si es necesario un circuito frigorífico como el que produce el aire acondicionado del vehículo. El depósito se descarga en la estación de servicio, intercambiándose por un depósito de combustible. El CO2 líquido puede nuevamente convertirse en un hidrocarburo (como en los combustibles sintéticos llamados e-Diesel, Blue- crude, etc.); suministrarse como producto a la industria química; suministrarse como fluido refrigerante a la industria frigorífica o almacenarse en sumideros controlados. Pero no se emite a la atmósfera. La no emisión del CO2 a la atmosfera permite determinar que la presente realización 2 es un motor con emisiones netas negativas pues ha retirado CO2 atmosférico y no ha emitido el que se produce en su proceso de combustión.
Realización 3: Motor de encendido por compresión (Cl); de mezcla estratificada y combustión por difusión; con relación de compresión efectiva variable controlada por la tasa de producción de O2; sin emisiones de gases contaminantes y sin captura de CO2
La realización 3 está indicada para motores de encendido por compresión (Cl) de mezcla estratificada (combustión por difusión) sin emisión de contaminantes y sin captura de CO2. Para la producción de potencia mecánica neta, la realización 3 se basa en un proceso de combustión por difusión, con auto-encendido por detonación de la premezcla y velocidad de combustión controlada por la cantidad de movimiento de los chorros de combustible.
El grado de sobrealimentación afecta al porcentaje del par máximo a cada régimen a través de la relación de compresión efectiva del ciclo. Esta relación de compresión efectiva es variable y está controlada por la tasa de producción de O2 en la membrana MIEC. Esto supone un concepto de reducción de tamaño, pudiendo disminuirse la cilindrada del motor y acercar el proceso de compresión efectivo del aire en turbomáquinas y cilindros al proceso isotermo.
La temperatura de combustión se controla por la dilución de la mezcla pre-enfriada de comburente (O2) y combustible (HxCyOz) con CO2 y H2O procedente de la propia combustión. Esta mezcla con altas tasas de gases de escape recirculados (EGR en inglés) también ayuda a aumentar la tasa de producción de O2 en la membrana MIEC (6) de O2 por bajar la presión parcial de la misma.
En la realización 3 no se propone capturar el CO2 emitido por el motor sino eliminar las emisiones de gases contaminantes (CO, THC, PM y NOx) en origen (cámara de combustión) o en la membrana MIEC, sin necesidad de postratamiento para limpieza de los gases de escape, lo que supone un ahorro considerable del coste de producción del motor. En la actualidad se estima que el postratamiento para la limpieza de gases es del orden del 30% del coste total del grupo moto-propulsor. Además, debido a la oxicombustión se garantiza que tampoco se emiten gases contaminantes durante el proceso de arranque en frío. Esto no sucede en los motores actuales, debido al tiempo necesario para calentar (activar) los sistemas de postratamiento para la limpieza de gases de escape.
La realización 3 se ha representado en la figura 3. En la realización 3 el aire atmosférico entra al motor a través de un filtro (1) succionado por un compresor (C2) (2). El compresor C2 (2) forma parte de un turbogrupo y está acoplado mecánicamente a una turbina de geometría variable (VGT2) (8). El compresor C2 (2) trasiega aire usando la energía que recupera la turbina VGT2 (8) del N2 rechazado en la membrana MIEC (6). En condiciones nominales, el aire a la salida del compresor C2 (2) tiene una presión y una temperatura de 0,4 MPa y 473 K (199,85°C) aproximadamente. El aire pasa por un primer enfriador de carga del motor con agua (WCAC) (3). A la salida del primer enfriador WCAC (3) la temperatura desciende hasta 323 K (49,85°C) aproximadamente lo que hace más isoterma la compresión posterior en los primeros cilindros (4) del motor.
Posteriormente se succiona el aire por la mitad de los primeros cilindros (4) del motor. En la realización 3 se representa un motor de 4 cilindros y 4 tiempos, con lo que son 2 cilindros los que succionan el aire. Los primeros cilindros (4) actúan como bombas comprimiendo el aire hasta aproximadamente 0,8 MPa y 473 K (199,85°C). Los primeros cilindros (4) son preferiblemente idénticos al resto de cilindros del motor compartiendo el cigüeñal (25), el árbol de levas y la distribución, y teniendo como única singularidad que no se les inyecta combustible. Al ser un motor de 4 tiempos el aire permanece 4 carreras en el interior de los primeros cilindros (4) con lo que se comprime y se enfría con el agua de refrigeración del motor (aproximadamente a 363 K (89,85°C)) lo que contribuye a hacer más isoterma la compresión. Estos primeros cilindros (4) funcionan como sistema de arranque del conjunto de turbomáquinas, para poner en marcha el flujo de aire y las turbinas del ciclo. Para ello se mueven, hasta el arranque del sistema, por un motor de arranque convencional de los usados en los motores alternativos.
A la salida de los primeros cilindros (4) el aire se calienta en un primer regenerador (23) que baja su presión hasta 0,77 MPa y eleva su temperatura hasta aproximadamente 673 K (399,85°C); usando para ello la energía térmica de un flujo de CO2, H2O y N2. Este flujo de N2, CO2 y H2O sale a la atmósfera por el conducto (30) situado aguas abajo de la turbina VGT2 (8). Este flujo de N2, CO2 y H2O supone aproximadamente el 80% del caudal total de aire trasegado por el motor y se encuentra a una temperatura aproximada de 800 K (526,85°C) y una presión de 0,1 MPa. A la salida del primer regenerador (23) el aire se calienta en un segundo regenerador (5) que eleva su temperatura hasta aproximadamente 973 K (699,85°C) usando para ello la energía térmica del O2 producido por la membrana MIEC (6) y del CO2 usado para barrer la membrana MIEC (6) y bajar la presión parcial del O2. Tras el segundo regenerador (5) el aire a 0,75 MPa de presión entra en la membrana MIEC (6) donde alcanza la temperatura de trabajo de la membrana MIEC (6) (aproximadamente 1223 K (949,85°C)) gracias al intercambio de calor con el CO2 y el H2O que proviene del proceso de oxicombustión y que se usa para barrer el O2.
El rechazo de la membrana MIEC (6) es fundamentalmente N2 a 0,7 MPa y 1173 K (899,85°C); supone aproximadamente el 80% de la masa de aire trasegada por el sistema y pasa por la turbina VGT1 (71) y/o por la válvula de control (72). La turbina VGT1 (71) y la válvula de control (72) forman parte de un turbogrupo junto con el compresor C1 (10), al cual está unida mecánicamente la turbina VGT1 (71). La turbina VGT1 (71) valoriza energéticamente el flujo de N2 rechazado de la membrana MIEC (6), recuperando su energía para mover el compresor C1 (10). La válvula de control (72) regula el flujo de energía al compresor C1 (10). El compresor C1 (10) trasiega el CO2+H2O de barrido de la membrana MIEC (6), por lo tanto trasiega una mezcla de CO2, H2O y O2. El compresor C1 (10) trasiega aproximadamente el 95% del flujo de gases del motor. Como consecuencia, la válvula de control (72) regula el flujo de CO2 y H2O usado para diluir el O2 y por ende la temperatura de combustión y de los gases de escape de la combustión. En conclusión, la temperatura de los gases de escape del motor, a la salida de los segundos cilindros (14), se regula por la válvula de control (72); y lo es a un valor aproximado de 1223 K (949,85°C) en condiciones nominales.
Normalmente, la válvula de control (72) trabaja parcialmente abierta para regular la presión del compresor C1 (10). Una parte del N2 rechazado en la membrana MIEC (6) circula a través de la turbina VGT1 (71), expandiéndose y enfriándose. La otra parte del N2 rechazado circula a través de la propia válvula de control (72), sin enfriarse. Esta otra parte del N2 se mezcla aguas abajo de la turbina VGT1 (71) con el N2 frío y expandido, recalentándolo, y en consecuencia aumentando su temperatura.
Tras pasar por la válvula de control (72) y/o por la turbina (71) el N2 de rechazo de la membrana MIEC (6) (el 80% del flujo de aire) se valoriza en la turbina de geometría variable VGT2 (8) que se usa para mover el compresor C2 (2). Las condiciones nominales aproximadas de entrada a la turbina VGT2 (8) son 0,3 MPa y 823 K (549,85°C). La geometría variable de la turbina VGT2 (8) se utiliza para regular el caudal de aire trasegado por la membrana MIEC (6) y por tanto el caudal de O2 producido. Cuando la turbina VGT2 (8) se cierra aumenta el flujo de aire a través de la membrana MIEC (6) y la presión de trabajo en la membrana MIEC (6). Por lo tanto aumenta la producción horaria de O2 (a igualdad de tasa) y la cantidad de combustible que se podría inyectar en condiciones estequiométricas. Sucede a la inversa cuando la turbina VGT2 (8) se abre. El tamaño mínimo (apertura mínima) de la turbina VGT2 (8) se elige en consonancia con la cilindrada del motor alternativo para fijar la potencia máxima del sistema a cada régimen de giro del motor. La apertura máxima de la turbina VGT2 (8) determina el caudal mínimo de O2 (en vacío) del motor alternativo a cada régimen de giro. La turbina VGT2 (8) también puede comprender una válvula de alivio (o WG). Cuando la turbina VGT2 (8) o su válvula de alivio se abren al máximo la energía del compresor C2 (2) se reduce a cero con lo cual se reducen tanto la presión de trabajo de la membrana MIEC como el caudal de aire trasegado considerablemente.
Si se desea reducir aún más el caudal de O2 del motor hasta bajarlo a cero, entonces se abre la válvula de control (72) evitando la turbina VGT1 (71) con lo que la energía del compresor C1 (10) se reduce a cero. Esto prácticamente iguala la presión parcial del O2 a ambos lados de la membrana MIEC (6) y minimiza la tasa de producción de O2 dejando en vacío la carga del motor de esta realización 3.
Se puede decir que la válvula de control (72) proporciona una regulación cualitativa del flujo de O2 actuando sobre la tasa de producción y la turbina VGT2 (8) proporciona una regulación cuantitativa actuando sobre el caudal trasegado de aire. Ambos controles proporcionan una regulación muy amplia y muy fina de la relación de compresión efectiva del cilindro en el punto muerto superior de los segundos cilindros (14) sin que cambie la relación de compresión volumétrica de los mismos. Esto se conoce comúnmente en los motores alternativos como relación de compresión variable.
A la salida de la turbina VGT2 (8) la mezcla de N2, CO2 y H2O a presión de 0,1 MPa y temperatura de 800 K (526,85°C), aproximadamente, se hace pasar por el primer regenerador (23) para ceder su calor al aire antes de descargar esta mezcla de gases (exenta de gases nocivos para la salud) a la atmósfera.
La mezcla del O2 producido por la membrana MIEC (6) y del CO2 y H2O, usados para barrerla y bajar la presión parcial del O2, sale por el extremo correspondiente de la membrana MIEC (6), hacia los segundos cilindros (14) de combustión, succionada por el compresor C1 (10). Esta mezcla sale a una presión y temperatura nominales aproximadamente de 0,35 MPa y 1223 K (949,85°C) respectivamente; y supone aproximadamente el 115% del caudal de aire trasegado por el motor. El calor de la mezcla de CO2, H2O y O2 se recupera primero en el segundo regenerador (5) para calentar el aire que proviene de la salida del primer regenerador (23). A la salida del segundo regenerador (5) la mezcla comburente tiene unas condiciones nominales de 0,3 MPa y 700 K (426,85°C) aproximadamente. Esta presión y temperatura se valorizan en una turbina de geometría variable (VGT3) (16) que se usa para mover un compresor (C3) (12) con el cual está acoplada mecánicamente en otro turbogrupo. El compresor C3 (12) se usa para sobrealimentar los segundos cilindros (14), como los turbo- sobrealimentadores al uso, usando la energía recuperada por la turbina VGT3 (16). La turbina VGT3 (16) se regula para mantener constante e igual a 0,6 MPa la presión aguas abajo del compresor C3 (12).
Aguas abajo de la turbina VGT3 (16) las condiciones nominales a la salida de la turbina VGT3 (16) son aproximadamente 0,1 MPa y 473 K (199,85°C). A la salida de la turbina VGT3 (16) se encuentra una bifurcación que descarga la mezcla excedente de CO2, vapor de H2O y O2 a la atmósfera sin ningún gas contaminante (sin CO, sin THC y sin NOx). Esto se consigue gracias a la catálisis del CO y el THC hasta vapor de H2O y CO2 que se produce en la membrana MIEC (6) y a la oxicombustión que evita la producción de NOx.
La descarga se realiza a través de una segunda válvula antirretorno (19) tarada a una presión de 0,11 MPa para evitar que durante los procesos transitorios pueda entrar aire o N2 a la mezcla de gases comburentes. Aguas arriba de la segunda válvula antirretorno (19) se forma por lo tanto un circuito cerrado y separado de la atmósfera. Este volumen está formado por un circuito de conductos libres de N2 que actúa como sistema de acumulación de mezcla comburente de CO2+H2O+O2 tras la parada del motor. Esta mezcla acumulada facilita el arranque posterior del motor, pues ya existe un excedente de O2 producido por la membrana MIEC (6), que puede usarse para arrancar la combustión en los segundos cilindros (14).
Con la bifurcación (29) y la segunda válvula antirretorno (19), las condiciones nominales de presión a la salida de la turbina VGT3 (16) son de 0,11 MPa y la temperatura es de unos 473 K (199,85°C). La mezcla no excedente que continúa hacia los segundos cilindros (14) se enfría en un segundo enfriador WCAC (9) hasta 323 K (49,85°C). A continuación, se comprime en el compresor C1 (10) hasta 0,3 MPa y 473 K (199,85°C) siendo las condiciones del compresor C1 (10) las impuestas por la válvula de control (72) para mantener la temperatura de los gases de escape alrededor de los 1223 K (949,85°C), como ya se ha descrito. Después del compresor C1 (10) la mezcla de CO2, H2O y O2 se enfría de nuevo hasta 323 K (49,85°C) en el tercer enfriador WCAC (11) y se comprime en el compresor C3 (12) hasta 0,6 MPa y 473 K (199,85°C). Para ello se usa la energía de la turbina VGT3 (16) que regula la presión a la salida del compresor C3 (12) igual a 0,6 MPa, como ya se ha descrito. Finalmente, la mezcla se vuelve a enfriar en el cuarto enfriador WCAC (13) hasta 323 K (49,85°C) antes de succionarse por los segundos cilindros (14), que en esta realización son 2 por ser la mitad de los de un motor de 4 cilindros y cuatro tiempos que se ha usado como ejemplo; como se estableció al principio de la descripción de la presente realización 3.
En los segundos cilindros (14) se inyecta un hidrocarburo HxCyOz, con una bomba de combustible (26), a la mezcla comburente de CO2 atmosférico y O2. El hidrocarburo se inyecta en el modo y la cantidad deseados para regular la carga del motor de combustión por difusión y en proporción inferior a la estequiométrica con el O2. En dichos segundos cilindros (14) se realiza un ciclo de combustión por difusión; de encendido por compresión y similar al ciclo Diésel que fundamentalmente lo realiza el O2 y los productos de la combustión. Es decir, aproximadamente el 80% de la cantidad de aire que entra al motor.
Los segundos cilindros (14) producen energía para mover los primeros cilindros (4) que trasiegan el aire para la membrana MIEC (6) pues están acoplados en el mismo cigüeñal (25). Los segundos cilindros (14) producen un excedente de energía mecánica neta que se usa para mover el vehículo al que se acopla el motor, o el generador eléctrico o cualquier aplicación que requiera un aporte de energía mecánica a través de un eje. Estos segundos cilindros (14) funcionan como sistema de arranque del conjunto de turbomáquinas, para poner en marcha el flujo de aire y las turbinas del ciclo. Para ello se mueven, hasta el arranque del sistema, por un motor de arranque convencional de los usados en los motores alternativos.
Las cesiones de calor al agua de los enfriadores WCAC primero (3), segundo (9), tercero (11) y cuarto (13); junto con la cesión de calor en la membrana MIEC (6); en los regeneradores segundo (5) y primero (23) y finalmente la descarga a la atmosfera del excedente de mezcla comburente, a través de la bifurcación (29), suponen la cesión total de calor al foco frío necesaria para que el ciclo termodinámico cumpla el segundo principio de la termodinámica y sea por tanto viable. A su vez, las cesiones de calor en los enfriadores WCAC primero (3), segundo (9), tercero (11) y cuarto (13) y en las regeneraciones (producidas en los regeneradores segundo (5) y primero (23)) contribuyen a minimizar la destrucción de exergía del ciclo termodinámico debido, por una parte, a hacer el proceso de compresión global del fluido de trabajo más isotérmico y por otra a recuperar la energía de los gases de escape para la separación del aire. El acercamiento a la compresión isoterma y el uso de regeneradores para extraer el calor del CO2, N2 y H2O acercan el ciclo del N2 en la membrana MIEC (6) a un ciclo con igual rendimiento al de Carnot, conocido como ciclo Ericsson. El ciclo de la mezcla de CO2, H2O y O2 se puede asimilar a un ciclo de Brayton cerrado con compresiones y expansiones intermedias, pero anidado con un ciclo Diésel en los segundos cilindros (14); cosa no descrita hasta ahora en la bibliografía. En esencia el ciclo de Brayton cuasi-cerrado anidado con el ciclo Diésel y binario con el de N2 (enviando calor al ciclo del N2, éste cumple los preceptos termodinámicos para aproximarse a un ciclo ideal de eficiencia máxima, como el ciclo Ericsson) es una novedosa realización de ciclo binario; que cumple los preceptos del otro ciclo ideal de eficiencia máxima, el de Carnot.
Finalmente, como resultado de la combustión del hidrocarburo (combustible) con la mezcla comburente (CO2, H2O, O2) se produce a la salida de los segundos cilindros (14) una mezcla de CO2, H2O, THC sin quemar y CO que se denomina gas de escape. A la salida de los segundos cilindros (14) este gas de escape está a una presión y temperatura máximas de 0,6 MPa y 1223 K (949,85°C) respectivamente. La mezcla de gases de escape se hace pasar a través de la membrana MIEC (6) succionada por el compresor C1 (10), el compresor C3 (12) y en última estancia por los propios segundos cilindros (14). En la membrana MIEC (6), la mezcla de gases de escape por una parte cumple la función de barrerla: bajando la presión parcial del O2 para mejorar la productividad de la membrana MIEC (6) y diluyendo el O2 hasta que las temperaturas de combustión sean compatibles con la tecnología de materiales de los MCIA actuales. Por otra parte, la mezcla de gases de escape se cataliza, reaccionando con el O2 para convertir los THC y CO resultantes del proceso de combustión en CO2 y H2O. De esta forma, a la salida de la membrana MIEC (6) se cierra el ciclo y la mezcla vuelve a la entrada del segundo regenerador (5) para transmitir su calor al aire.
En el proceso descrito el motor funciona de manera óptima regulando la relación de compresión efectiva del mismo con la turbina VGT2 (8) a la más eficiente según el grado de carga y el régimen de giro del motor. La productividad de la membrana responde instantáneamente a las aceleraciones del motor pues los primeros cilindros (4) están acoplados mecánicamente en el mismo eje con los segundos cilindros (14). Por tanto, la respuesta dinámica del motor no se ve afectada por el retraso en la aceleración del turbogrupo, debido a su inercia mecánica. Finalmente, el motor sólo emite a la atmósfera una mezcla de: CO2, H2O y O2 por el tubo de bifurcación (29), a través de la segunda válvula antirretorno (19); y N2+CO2 atmosférico por la salida de la turbina VGT2 (8). Es decir, no emite ningún gas contaminante que afecte perjudicialmente a personas y animales. Ambas emisiones se mezclan en el mismo conducto (30) de escape, que une aguas abajo de la segunda válvula antirretorno (19) y de la turbina VGT2 (8) todas las emisiones del motor en un escape común.
Realización 4: ; de mezcla estratificada y combustión por difusión; con relación de compresión efectiva variable controlada por la tasa de producción de O2; sin emisiones de gases contaminantes y con captura de CO2 producido y retirada de
CO2 atmosférico
La realización 4 está indicada para motores de encendido por compresión (Cl) de mezcla estratificada (combustión por difusión) con captura del CO2 atmosférico y del producido por el propio motor. Por tanto, se encuentra dentro de la categoría de motores que retiran CO2 de la atmósfera (tasa de emisiones < 0). Para la producción de potencia mecánica neta, la realización 4 se basa en un proceso de combustión por difusión, con auto-encendido por detonación de la premezcla y velocidad de combustión controlada por la cantidad de movimiento de los chorros de combustible (y en este caso del CO2 líquido) inyectados.
El grado de sobrealimentación afecta al porcentaje del par máximo a cada régimen a través de la relación de compresión efectiva del ciclo. Esta relación de compresión efectiva es variable y está controlada por la tasa de producción de O2 en la membrana MIEC. Esto supone un concepto de reducción de tamaño, pudiendo disminuirse la cilindrada del motor y acercar el proceso de compresión efectivo del aire en turbomáquinas y cilindros al proceso isotermo.
La temperatura de combustión se controla por la dilución de la mezcla de comburente (O2) y combustible (HxCyOz) con CO2 líquido procedente de la propia combustión y densificado hasta condiciones supercríticas. Debido a la gran cantidad de CO2 necesaria esto supone una innovación adicional, ya que en los cilindros conviven dos ciclos: (i) por un lado, un ciclo termodinámico de CO2 supercrítico realizado por el CO2 usado para controlar la temperatura de combustión y, al mismo tiempo, (ii) un ciclo Diésel realizado por el O2 comburente y sus productos. Esto no se ha descrito hasta ahora en la bibliografía publicada.
La realización 4 propone capturar el CO2 emitido por el motor y reducir el contenido del CO2 atmosférico del aire empleado, ambos de la forma más eficiente posible. Además, elimina las emisiones de gases contaminantes (CO, THC, PM y NOx) en origen (cámara de combustión), minimizando la necesidad de postratamiento para limpieza de los gases de escape, lo que supone un ahorro considerable del coste de producción del motor. En la actualidad se estima que el postratamiento para la limpieza de gases es del orden del 30% del coste total del grupo moto-propulsor. Adicionalmente, debido a la oxicombustión se garantiza que tampoco se emiten gases contaminantes durante el proceso de arranque en frío. Esto no sucede en los motores actuales, debido al tiempo necesario para calentar (activar) los sistemas de postratamiento para la limpieza de gases de escape.
La realización 4 se ha representado en las figuras 4a y 4b. En la realización 4 el aire atmosférico entra al motor a través de un filtro (1) succionado por un compresor (C2) (2). El compresor C2 (2) forma parte de un turbogrupo y está acoplado mecánicamente a una turbina de geometría variable (VGT2) (8). El compresor C2 (2) trasiega aire usando la energía que recupera la turbina VGT2 (8) del N2+H2O rechazado en la membrana MIEC (6). En condiciones nominales el aire a la salida del compresor C2 (2) tiene una presión y una temperatura de 0,4 MPa y 473 K (199,85°C) aproximadamente. El aire pasa por un primer enfriador de carga del motor con agua (WCAC) (3). A la salida del primer enfriador WCAC (3) la temperatura desciende hasta 323 K (49,85°C) aproximadamente lo que hace más isoterma la compresión posterior en los primeros cilindros (4) del motor.
En la realización de la figura 4a el contenido en CO2 del aire se reduce en una membrana de CO2 (28) polimérica con una selectividad global CO2/N2 de alrededor de 2000 a la temperatura de trabajo a la salida del primer enfriador WCAC (3). Esto se consigue en la figura 4a gracias a que el CO2 se arrastra por el O2 puro tomado aguas abajo del tercer enfriador WCAC (11) y procedente de la membrana MIEC (6) de separación de O2. El O2 baja la presión parcial del CO2 atmosférico permeado en las cámaras de arrastre del módulo de membrana. En la figura 4a, el CO2 atmosférico recogido y el O2 usados para barrer la membrana se dirigen hacia la primera válvula antirretorno (33) para succionarse por los segundos cilindros (14).
En una segunda versión de esta realización, mostrada en la figura 4b, el CO2 del aire atmosférico se separa mediante una membrana de CO2 (28) basada en carbonatos fundidos, de manera que a la salida del primer enfriador WCAC (3) el aire no se encuentra con ninguna membrana de CO2.
Posteriormente se succiona el aire por la mitad de los primeros cilindros (4) del motor. En la realización 4 se representa un motor de 4 cilindros y 4 tiempos, y son 2 cilindros los que succionan el aire. Los primeros cilindros (4) actúan como bombas comprimiendo el aire hasta aproximadamente 1 ,5 MPa y 473 K (199,85°C). Los primeros cilindros (4) son preferiblemente idénticos al resto de cilindros del motor compartiendo el cigüeñal (25), el árbol de levas y la distribución, y teniendo como única singularidad que no se les inyecta combustible. Al ser un motor de 4 tiempos el aire permanece 4 carreras en el interior de los primeros cilindros (4) con lo que se comprime y se enfría con el agua de refrigeración del motor (aproximadamente a 363 K (89,85°C)) lo que contribuye a hacer más isoterma la compresión. Estos primeros cilindros (4) funcionan como sistema de arranque del conjunto de turbomáquinas, para poner en marcha el flujo de aire y las turbinas del ciclo. Para ello se mueven, hasta el arranque del sistema, por un motor de arranque convencional de los usados en los motores alternativos.
A la salida de los primeros cilindros (4) el aire se calienta en un primer regenerador (23) que baja su presión hasta 1 ,47 MPa y eleva su temperatura hasta aproximadamente 673 K (399,85°C); usando para ello la energía térmica de un flujo de H2O y N2. Este flujo de N2 y H2O proviene de la turbina VGT2 (8). Este flujo de N2 y H2O supone aproximadamente el 90% del caudal total de gases trasegados por el motor y se encuentra a una temperatura aproximada de 800 K (526,85°C) y una presión de 0,1 MPa. A la salida del primer regenerador (23) el aire se calienta en un segundo regenerador (5) que baja su presión hasta 1 ,45 MPa y eleva su temperatura hasta aproximadamente 723 K (449,85°C) usando para ello la energía térmica del O2 producido por la membrana MIEC (6) en la figura 4a. En la figura 4b se usa para ello la energía térmica del O2 producido por la membrana MIEC (6) y el CO2 producido en la membrana de CO2 (28). No sube mucho la temperatura pues el O2 supone el 20% del caudal del aire aproximadamente.
A la salida del segundo regenerador (5) el aire se calienta en una membrana MIEC catalítica (15) que baja su presión hasta 1 ,4 MPa y eleva su temperatura hasta aproximadamente 1123 K (849,85°C); usando para ello la energía térmica de los gases de escape de la combustión de los segundos cilindros (14). En la membrana MIEC catalítica (15) los gases de escape ceden su calor al aire (actúa como regenerador) y tanto CO como HC (CO y HC suponen menos del 1% de la composición de los gases de escape y por tanto no se han reflejado explícitamente en las figuras 4a y 4b) se oxidan hasta que todo el flujo de gases está compuesto únicamente por CO2 y H2O. Este flujo de CO2 y H2O supone aproximadamente el 100% del caudal total de gases de escape trasegados por el motor a presiones muy elevadas (7,5 MPa) con lo que se aumenta mucho su densidad y se reduce el tamaño de la membrana MIEC catalítica (15) necesaria para la oxidación de los gases de este motor.
Tras la membrana MIEC catalítica (15), el aire a 1 ,4 MPa y 1123 K (849,85°C) se inyecta en la membrana MIEC (6) de O2 donde se separa el O2.
En el caso de la realización basada en la separación del CO2 atmosférico del aire mediante membranas basadas en carbonatos fundidos mostrada en la figura 4b, el N2, H2O y CO2 atmosférico, que supone el rechazo en la membrana MIEC (6) de O2 entra a aproximadamente 1123 K (849,85°C) y 1 ,35 MPa en la membrana de CO2 (28), en este caso una membrana de carbonatos fundidos con una selectividad global CO2/N2 de alrededor de 2500 a la temperatura de trabajo, donde se separa el CO2 atmosférico de la corriente de N2+H2O. Para ello se utiliza como corriente de arrastre el O2 puro producido por la membrana MIEC (6). Cuando este O2 sale de la membrana MIEC (6) hacia los segundos cilindros (14) de combustión, succionado por el vacío de 0,05 MPa que genera el compresor C1 (10), se hace pasar antes por el lado del CO2 atmosférico de la membrana de CO2 (28). De esta forma el O2 se utiliza para barrer el CO2 de la membrana de CO2 (28) y bajar la presión parcial del CO2.
En la primera versión de esta realización, donde se emplean membranas poliméricas para la separación del CO2 atmosférico del aire (mostrada en la figura 4a) el rechazo de la membrana MIEC (6) de O2 no se encuentra aguas abajo con ninguna membrana de CO2; ya que el aire ya se ha tratado previamente para reducir el contenido en CO2 en la membrana de CO2 (28) polimérica de la figura 4a. El rechazo de la membrana MIEC (6) de O2, en el caso de la realización de la figura 4a, o el rechazo de la membrana de CO2 (28), en la realización de la figura 4b, están ambos prácticamente libres de CO2 atmosférico y, se componen mayoritariamente de N2+H2O a 1 ,35 MPa y 1123 K (849,85°C). Estos procedimientos de separación del CO2 atmosférico del aire tratado hacen que el motor descrito retire CO2 de la atmósfera y se puede considerar de tasa de emisión de CO2 negativa. Efectivamente, el contenido en CO2 de la corriente el N2+H2O que se emiten a la salida de la turbina VGT2 (8) es mínima (<1-5% del contenido de entrada en el aire) y el CO2 producido en la combustión se licúa y se captura en el sistema, como se explica más adelante.
Cada uno de los rechazos de las membranas, supone aproximadamente el 80% de la masa de aire trasegada por el sistema y se hace pasar por la turbina VGT1 (71) y/o por la válvula de control (72). La turbina VGT1 (71) y la válvula de control (72) forman parte de un turbogrupo junto con el compresor C1 (10), al cual está unida mecánicamente la turbina VGT1 (71). La turbina VGT1 (71) valoriza energéticamente el flujo de N2 rechazado de la membrana MIEC (6), recuperando su energía para mover el compresor C1 (10). La válvula de control (72) regula el flujo de energía al compresor C1 (10). El compresor C1 (10) trasiega el O2 puro producido en la membrana MIEC (6) en el caso de la figura 4a. En el caso de la figura 4b, el compresor C1 (10) trasiega O2 puro producido en la membrana MIEC (6) + CO2. Por lo tanto, trasiega aproximadamente el 20% del flujo de aire y controla el vacío a generar en el lado del O2 de la membrana MIEC (6) para bajar la presión de O2 y aumentar la productividad de la membrana. Como consecuencia, la válvula de control (72) regula la tasa de producción de O2 y por ende la masa de O2 atrapada en el ciclo y la presión máxima del ciclo en los segundos cilindros (14).
Normalmente, la válvula de control (72) trabaja parcialmente abierta para regular la presión del compresor C1 (10). Una parte del N2 rechazado en la membrana MIEC (6) circula a través de la turbina VGT1 (71), expandiéndose y enfriándose. La otra parte del N2 rechazado circula a través de la propia válvula de control (72), sin enfriarse. Esta otra parte del N2 se mezcla aguas abajo de la turbina VGT1 (71) con el N2 frío y expandido, recalentándolo, y en consecuencia aumentando su temperatura.
Tras pasar por la válvula de control (72) y/o por la turbina (71) el N2+H2O de rechazo de la membrana MIEC (6) (el 80% del flujo de aire) se valoriza en la turbina de geometría variable VGT2 (8) que se usa para mover el compresor C2 (2). Las condiciones nominales aproximadas de entrada a la turbina VGT2 (8) son 0,35 MPa y 823 K (549,85°C). La geometría variable de la turbina VGT2 (8) se utiliza para regular el caudal de aire trasegado por la membrana MIEC (6) y, por tanto, el caudal de O2 producido. Cuando la turbina VGT2 (8) se cierra aumenta el flujo de aire a través de la membrana MIEC (6) y la presión de trabajo en la membrana MIEC (6). Por lo tanto, aumenta la producción horaria de O2 (a igualdad de tasas) y la cantidad de combustible que se podría inyectar en condiciones estequiométricas. Sucede a la inversa cuando la turbina VGT2 (8) se abre. El tamaño mínimo (apertura mínima) de la turbina VGT2 (8) se elige en consonancia con la cilindrada del motor alternativo para fijar la potencia máxima del sistema a cada régimen de giro del motor. La apertura máxima de la turbina VGT2 (8) determina el caudal mínimo de O2 (en vacío) del motor alternativo a cada régimen de giro. La turbina VGT2 (8) también puede comprender una válvula de alivio (o WG). Cuando la turbina VGT2 (8) o su válvula de alivio se abren al máximo, la energía del compresor C2 (2) se reduce a cero, con lo cual se reducen tanto la presión de trabajo de la membrana MIEC como el caudal de aire trasegado considerablemente.
Si se desea reducir aún más el caudal del motor hasta bajarlo a cero, entonces se abre la válvula de control (72) evitando la turbina VGT1 (71) con lo que la energía del compresor C1 (10) se reduce a cero. Esto iguala la presión parcial del O2 a ambos lados de la membrana MIEC (6) y anula la tasa de producción de O2 dejando en vacío la carga del motor de esta realización 4.
De esta manera, la válvula de control (72) proporciona una regulación cualitativa del flujo de O2 actuando sobre la tasa de producción y la turbina VGT2 (8) proporciona una regulación cuantitativa actuando sobre el caudal trasegado de aire. Ambos controles proporcionan una regulación muy amplia y muy fina de la relación de compresión efectiva del cilindro en el punto muerto superior de los segundos cilindros (14) sin que cambie la relación de compresión volumétrica de los mismos. Esto se conoce comúnmente en los motores alternativos como relación de compresión variable.
A la salida de la turbina VGT2 (8) la mezcla de N2 y H2O a presión de 0,1 MPa y temperatura de 800 K (526,85°C), aproximadamente, se hace pasar por el primer regenerador (23) para ceder su calor al aire antes de descargar esta mezcla de gases (ya exenta de gases nocivos para la salud) a la atmósfera.
El O2 puro en el caso de la figura 4a o el O2 diluido con CO2 atmosférico en el caso de la figura 4b, salen de la membrana MIEC (6) y de la membrana de CO2 (28) respectivamente, a una presión y temperatura nominales aproximadamente de 0,05 MPa y 1123 K (849,85°C) respectivamente. Este es el flujo comburente, que supone aproximadamente el 20% del caudal de aire trasegado por el motor.
El calor de este flujo comburente se recupera primero en el segundo regenerador (5) para calentar el aire que proviene de la salida del primer regenerador (23). A la salida del segundo regenerador (5) el O2 tiene unas condiciones nominales de 0,048 MPa y 700 K (426,85°C) aproximadamente.
Seguidamente la mezcla fluye a través de unos medios para llevar a cabo un ciclo de Brayton a vacío (CBV) (21). Los medios para llevar a cabo un ciclo de Brayton a vacío (CBV) (21) tienen la función de enfriar la mezcla transformando su temperatura en presión y recuperando la pérdida de presión causada por el segundo regenerador (5). Los medios para llevar a cabo un ciclo de Brayton a vacío (CBV) (21) están compuestos por una turbina VGT3 (16) acoplada mecánicamente con un compresor C3 (12) con el que forma un turbogrupo. Entre la salida de la turbina VGT3 (16) y la entrada del compresor C3 (12) hay un quinto enfriador WCAC (31). El detalle interno de los medios para llevar a cabo un ciclo de Brayton a vacío (CBV) (21) puede verse en la figura 5a) y su ciclo de funcionamiento en el diagrama T-s de la figura 5b). La mezcla de CO2, H2O y O2 se expande para valorizarse energéticamente en la turbina VGT3 (16); se enfría a presión constante en el quinto enfriador WCAC (31) y se comprime en el compresor C3 (12), acoplado mecánicamente con la turbina VGT3 (16). A la salida del compresor C3 (12) la mezcla está más fría y a más presión que a la entrada de la turbina VGT3 (16).
Las condiciones nominales de la mezcla comburente a la salida del compresor C3 (12) son aproximadamente 0,08 MPa y 473 K (199,85°C). La mezcla comburente, que continúa su camino hacia los segundos cilindros (14), se enfría en el segundo enfriador WCAC (9) hasta 323 K (49,85°C). A continuación se comprime en el compresor C1 (10) hasta 0,25 MPa y 473 K (199,85°C) siendo las condiciones del compresor C1 (10) las impuestas por la válvula de control (72) para mantener la tasa de productividad de la membrana MIEC (6), como ya se ha descrito. Después del compresor C1 (10), el fluido comburente se vuelve a enfriar en el tercer enfriador WCAC (11) hasta 323 K (49,85°C).
En la realización de la figura 4a el fluido comburente es O2 puro y se usa para arrastrar el CO2 en la membrana de CO2 (28) polimérica con una selectividad CO2/N2 de alrededor de 2000 para bajar la presión parcial del CO2 en este lado y maximizar la eficacia de la membrana para retirar el CO2 de la corriente de aire. En la realización de la figura 4b el fluido comburente es ya el O2 diluido con CO2 atmosférico a la salida del tercer enfriador WCAC (11).
A continuación, el fluido comburente pasa a través una primera válvula antirretorno (33) para evitar la salida de reflujos de los segundos cilindros (14). Tras la primera válvula antirretorno (33) la mezcla se succiona por los segundos cilindros (14), que son 2 de los 4 que tiene el motor de cuatro tiempos usado como ejemplo, como se estableció al principio de la descripción de la presente realización 4.
En los segundos cilindros (14) se inyecta un hidrocarburo HxCyOz, con una bomba de combustible (26), a la mezcla comburente O2 (junto con el CO2 del aire). La bomba de combustible (26) succiona el combustible de un segundo depósito (27) que está separado con una membrana flexible del primer depósito (20) donde se acumula CO2 líquido, como se explicará más adelante. Conforme se va consumiendo el hidrocarburo acumulado en el segundo depósito (27) la membrana reduce el volumen en el lado del hidrocarburo y aumenta el volumen en el lado del CO2 para permitir la acumulación de este último en su lado del primer depósito (20). El hidrocarburo succionado por la bomba de combustible (26) se inyecta en los segundos cilindros (14) en el modo y la cantidad deseados para regular la carga del motor de combustión por difusión y en proporción inferior a la estequiométrica con el O2. En dichos segundos cilindros (14) se realiza un ciclo de combustión por difusión; de encendido por compresión y similar al ciclo Diésel que fundamentalmente lo realiza el O2 y sus productos de la combustión. Es decir, el 20% de la masa que circula por el motor.
Para regular la temperatura de combustión a límites compatibles con las tecnologías de materiales y de refrigeración de los motores alternativos es necesario inyectar grandes cantidades de CO2 líquido en los segundos cilindros (14). Aproximadamente, esta cantidad es del 80% de la masa trasegada por los segundos cilindros (14) y se inyecta por la bomba de CO2 (35) líquido a temperatura inferior a la crítica (< 303 K (29,85°C)) y alta presión (aproximadamente 80 MPa) dentro de los cilindros. El CO2 se mantiene a temperaturas subcríticas (< 303 K (29,85°C)) en la bomba usando si es necesario un circuito frigorífico como el que produce el aire acondicionado del vehículo. El CO2 inyectado se ha capturado y licuado previamente en los procesos de combustión anteriores. El CO2 se evapora dentro de los segundos cilindros y se expande realizando un ciclo termodinámico supercrítico distinto al del O2 y sus productos, que se describirá más adelante.
Los segundos cilindros (14) producen energía para mover los primeros cilindros (4) que trasiegan el aire para la membrana MIEC (6) y para comprimir el CO2 durante la descarga hasta la presión supercrítica; pues están todos acoplados en el mismo cigüeñal (25). La productividad de la membrana responde instantáneamente a las aceleraciones del motor pues los primeros cilindros (4) están acoplados mecánicamente en el mismo eje con los segundos cilindros (14). Por tanto, la respuesta dinámica del motor no se ve afectada por el retraso del turbogrupo (debido a la inercia mecánica del mismo) como ocurre en los motores turbo- sobrealimentados convencionales. Los segundos cilindros (14) producen además un excedente de energía mecánica neta que se usa para mover el vehículo al que se acopla el motor, o el generador eléctrico o cualquier aplicación que requiera un aporte de energía mecánica a través de un eje. Estos segundos cilindros (14) funcionan como sistema de arranque del conjunto de turbomáquinas, para poner en marcha el flujo de aire y las turbinas del ciclo. Para ello se mueven, hasta el arranque del sistema, por un motor de arranque convencional de los usados en los motores alternativos.
Las cesiones de calor al agua de los enfriadores WCAC primero (3), segundo (9), tercero (11), cuarto (13), quinto (31) y sexto (18); junto con la cesión de calor en la membrana MIEC (6) y en la membrana MIEC catalítica (15); en los regeneradores segundo (5) y primero (23) y finalmente el resto de la densificación y captura del excedente de CO2 y H2O, suponen la cesión total de calor al foco frío necesaria para que el ciclo termodinámico cumpla el segundo principio de la termodinámica y sea por tanto viable. A su vez las cesiones de calor en los enfriadores WCAC primero (3), segundo (9), tercero (11), cuarto (13), quinto (31) y sexto (18) y en las regeneraciones (producidas en los regeneradores segundo (5) y primero (23)) contribuyen a minimizar la destrucción de exergía del ciclo termodinámico debido, por una parte, a hacer el proceso de compresión global del fluido de trabajo más isotérmico y por otra a recuperar la energía de los gases de escape para la separación del aire. El acercamiento a la compresión isoterma y el uso de regeneradores segundo (5) y primero (23) para extraer el calor del O2 y del CO2+H2O acercan el ciclo del aire y el N2 en la membrana MIEC (6) a un ciclo con igual rendimiento al de Carnot conocido como ciclo Ericsson. El ciclo de la mezcla de O2 se puede asimilar a un ciclo de CO2 supercrítico con compresiones y expansiones intermedias, pero anidado con un ciclo Diésel en los segundos cilindros (14); cosa no descrita hasta ahora en la bibliografía. En esencia el ciclo de CO2 supercrítico anidado con el ciclo Diésel y binario con el de N2 (enviando calor al ciclo del N2 éste cumple los preceptos termodinámicos para aproximarse a un ciclo ideal de eficiencia máxima, como el ciclo Ericsson) es una novedosa realización de un ciclo binario; que cumple los preceptos del otro ciclo ideal de eficiencia máxima, el de Carnot.
Como resultado de la combustión del hidrocarburo (combustible) con la mezcla comburente (CO2 atmosférico + O2) se produce a la salida de los segundos cilindros (14) una mezcla de CO2, H2O, THC sin quemar, O2 y CO. Esta mezcla se oxida con el O2 sobrante de la combustión en la membrana MIEC catalítica (15) a la que entra a una temperatura aproximada de 1273 K (999,85°C) y una presión de 7,5 MPa. Los gases ceden su calor al 100% del flujo de aire que trasiega el motor, con lo cual su temperatura baja mucho, hasta aproximadamente los 753 K (479,85°C). A la vez, y debido a las reacciones químicas que se producen en la membrana MIEC catalítica (15) se oxidan el CO y los THC con el O2 sobrante de la combustión hasta vapor de H2O y CO2, y, nuevamente, debido a la oxicombustión se evita la producción de NOx en los segundos cilindros (14). Como la relación entre el O2 admitido y el combustible en los segundos cilindros (14) no es estequiométrica, sino superior como una opción para regular la carga, puede quedar O2 sobrante aún después de oxidar el CO y los THC.
La presión de 7,5 MPa viene regulada por la segunda válvula antirretorno (19) y su muelle de tarado. La compresión se realiza de forma instantánea al abrir la válvula de escape de los segundos cilindros (14) y descargar la mezcla de gases de escape. Los gases comprimidos hasta los 7,5 MPa se deben mantener por encima de los 573 K (299,85°C) que es la temperatura de saturación del agua a 7,5 MPa para garantizar que sigue en estado gas dentro de los segundos cilindros (14).
La mezcla se enfría en el cuarto enfriador WCAC (13) hasta los 523 K (249,85°C) para que el H2O pase a estado líquido. A continuación, el agua líquida se separa del CO2 gas en un separador (17), que puede ser un separador inercial con una válvula de laminación de presión a la salida. También puede usarse como separador (17) una membrana polimérica, si el agua se mantuviese en estado gaseoso. La masa de agua a 7,5 MPa y 473 K (199,85°C) supone aproximadamente el 10% del caudal total de masa trasegada por el motor. El agua separada se mezcla con el N2+H2O a la entrada de la turbina VGT2 (8). De esta forma la presión aguas abajo del separador (17) viene marcada por la expansión en la turbina VGT2 (8). Esto permite valorizar energéticamente la temperatura y la masa del agua extraída recuperando parte de su energía en la turbina VGT2 (8).
Finalmente, el CO2 + restos de O2 se enfría en el sexto enfriador WCAC (18) por debajo de los 303 K (29,85°C) que es su temperatura crítica. El CO2 líquido pasa a través de la segunda válvula antirretorno (19) y se almacena a 7,5 MPa en un primer depósito (20) con temperatura controlada por debajo de 303 K (29,85°C). El depósito se mantiene a temperaturas subcríticas del CO2 (< 303 K (29,85°C)) usando, si es necesario, un circuito frigorífico como el que produce el aire acondicionado del vehículo. El O2 gas que se pueda haber acumulado en el depósito se purga a la atmósfera a través de una cuarta válvula antirretorno (34) cuando la presión en el depósito supere los 7,5 MPa. Cuando el combustible del segundo depósito (27) se vacía o el primer depósito (20) se llena, lo que primero suceda, la autonomía del motor finaliza. Ambos depósitos están separados por una membrana flexible. El primer depósito (20) se descarga de CO2 en la estación de servicio, intercambiándose por combustible que rellena el segundo depósito (27). El CO2 líquido puede nuevamente convertirse en un hidrocarburo o almacenarse en sumideros controlados, pero no se emite a la atmósfera. La reducción del contenido en CO2 del aire de admisión junto con la captura del CO2 generado en los procesos de oxicombustión del combustible permite determinar que la presente realización 4 es un motor con emisiones netas negativas pues ha retirado CO2 atmosférico y no ha emitido el que se produce en su proceso de combustión.
Como el CO2 líquido se inyecta nuevamente en los segundos cilindros (14), con la bomba de CO2 (35) y para mantener controladas las temperaturas de combustión, éste realiza un ciclo termodinámico novedoso y no descrito hasta ahora que se ha representado en la figura 6 en los diagramas p-h; T-s y p-v respectivamente. Este ciclo es energéticamente relevante por el CO2, el cual supone aproximadamente el 80% de la masa contenida en los cilindros. La descripción del ciclo del CO2 es la siguiente:
(1).- Estación correspondiente a la entrada de la bomba. A la entrada de la bomba de CO2
(35) éste se encuentra en unas condiciones termodinámicas de aproximadamente 7,5 MPa y 298 K (24,85°C).
(2).- Estación correspondiente a la salida de la bomba. A la salida de la bomba de CO2
(35) éste se encuentra en unas condiciones termodinámicas de aproximadamente 80 MPa y 303 K (29,85°C). El proceso entre las estaciones (1) y (2) se realiza en la bomba de CO2 y durante el mismo el CO2 se mantiene en estado líquido, comprimiéndose en la bomba de manera prácticamente isoterma. El CO2 se mantiene a temperaturas subcríticas (< 303 K (29,85°C)) durante la compresión usando si es necesario un circuito frigorífico como el que produce el aire acondicionado del vehículo. La estación (2’) de la figura 6 corresponde al momento en que el CO2 líquido sale de la tobera de los inyectores y se expande hasta la presión que encuentra en los segundos cilindros (14) de aproximadamente 20 MPa.
(3).- Estación correspondiente al final del proceso de combustión del hidrocarburo. En la estación (3) se alcanza la temperatura máxima y la presión máxima del ciclo. Las condiciones son aproximadamente 1800 K (1526,85°C) y 20 MPa. El proceso se realiza en los segundos cilindros (14). El CO2 se inyecta junto con el hidrocarburo al final de la carrera de compresión. El CO2 se expande en cuanto se inyecta, desde los 80 MPa aguas arriba de la tobera de inyección, hasta los 20 MPa de presión máxima en los segundos cilindros (14). La presión en los segundos cilindros (14) se mantiene prácticamente constante a 20 MPa durante el proceso entre las estaciones (2’) y (3) gracias a la continuación en la inyección de CO2 y pese a la carrera de expansión. La temperatura aumenta hasta los 1800 K (1526,85°C) gracias a la combustión del hidrocarburo. (4).- Estación correspondiente al final del proceso de inyección del CO2. El proceso entre
(3) y (4) supone una reducción de temperatura a presión ligeramente decreciente. Las condiciones en (4) son de unos 1173 K (899,85°C) y unos 18 MPa. La temperatura ha bajado por la dilución de los productos de la combustión con el CO2 inyectado. La presión ha bajado por la ausencia de combustión y el aumento del volumen en el cilindro durante el proceso entre
(3) y (4).
(5).- Estación correspondiente al punto muerto inferior de los cilindros. El proceso entre
(4) y (5) supone una continuación del aumento de volumen en los cilindros sin combustión y sin inyección de CO2. Esto supone un enfriamiento y una bajada de presión. Las condiciones en
(5) son aproximadamente 873 K (599,85°C) y 0,3 MPa. El proceso entre (4) y (5) sigue sucediendo en los cilindros con válvulas cerradas con lo que es un sistema aislado del exterior. En (5) termina la expansión volumétrica en los cilindros, se abre la válvula de escape y comienza el proceso de escape o descarga de los gases de escape.
(6).- Estación correspondiente al final del proceso de escape. Al abrirse la válvula de escape se produce una re-compresión instantánea del gas en los cilindros debido a que la zona de descarga se encuentra presurizada a 7,5 MPa por la segunda válvula antirretorno (19). El proceso entre (5) y (6) supone un aumento instantáneo de presión y temperatura hasta aproximadamente 7,5 MPa y 1273 K (999,85°C).
El ciclo se cierra en un proceso de enfriamiento a la presión constante de 7,5 MPa en el que el CO2 pasa de estado gas a estado líquido siguiendo la línea de presión supercrítica. En este cierre del ciclo vuelve nuevamente a la estación (1) en las condiciones iniciales de 298 K (24,85°C) y 7,5 MPa. Este proceso de enfriamiento tiene lugar en parte en los cilindros durante el proceso de descarga de los gases de escape, en condiciones constantes de presión, durante todo el tiempo que sigue abierta la válvula de escape. El resto del enfriamiento se produce en la membrana MIEC catalítica (15) y en los enfriadores WCAC cuarto (13) y sexto (18). Parte de la masa de CO2 licuada se reinyecta en los cilindros para volver a realizar el ciclo descrito y el sobrante de CO2 se acumula en el primer depósito (20) hasta su entrega en las estaciones de recogida y tratamiento apropiadas.
El estado termodinámico donde se cruzan la línea del proceso entre los estados termodinámicos (4) y (5) con la línea del proceso entre los estados termodinámicos (6) y (1) es el punto (7), como aparece reflejado en la figura 6. El estado termodinámico del punto (7) depende de las condiciones particulares del ciclo y marca el vértice de separación entre la parte del ciclo que produce trabajo mecánico neto positivo (1 ,2, 3, 4, 7,1) y la parte del ciclo que produce trabajo mecánico neto negativo (7, 5, 6, 7); es decir que consume trabajo.
Si bien el CO2 supone aproximadamente el 80% de la masa que evoluciona por los cilindros, existe otro 20% de masa aproximadamente que es el O2 que reacciona con el combustible. El ciclo realizado por el O2 y sus productos de combustión está anidado con el ciclo de CO2 en el interior de los segundos cilindros (14). Por ser un ciclo no propuesto hasta ahora en la bibliografía también se describe con detalle en la figura 7. Las etapas de este ciclo son las siguientes:
(a).- Estación correspondiente a las condiciones termodinámicas en la admisión de los segundos cilindros (14). Estas condiciones están localizadas aguas abajo de la primera válvula antirretorno (33). Las condiciones termodinámicas son de 0,3 MPa y 323 K (49,85°C) aproximadamente. En este instante los pistones de los segundos cilindros (14) se encuentran en el punto muerto inferior. Se cierra la válvula de admisión de los segundos cilindros (14) y comienza el proceso de compresión del O2.
(b).- Estación correspondiente a las condiciones termodinámicas al final del proceso de compresión de los segundos cilindros (14). Estas condiciones suceden en el punto muerto superior del pistón de los segundos cilindros (14). Las condiciones termodinámicas son de 11 MPa y 573 K (299,85°C) aproximadamente. En el proceso entre los estados (a) y (b) se produce una compresión politrópica, con transmisión de calor a las paredes de los cilindros, del O2 atrapado en los mismos (aproximadamente el 20% de la masa del ciclo). En las condiciones
(b) se comienza a inyectar el hidrocarburo combustible y el CO2 en estado líquido.
(c).- Estación correspondiente a las condiciones termodinámicas al final del proceso de combustión del hidrocarburo combustible. Estas condiciones suceden pasado el punto muerto superior del pistón de los segundos cilindros (14). Las condiciones termodinámicas son de 200 MPa y 1800 K (1526, 85°C) aproximadamente. El proceso entre (b) y (c) conlleva la inyección del combustible, su auto-encendido por compresión y su combustión por difusión, controlándose la velocidad de combustión gracias a la cantidad de movimiento de los chorros inyectados. El proceso entre (b) y (c) conlleva también el inicio de la inyección del CO2 líquido que va a controlar la temperatura del proceso de combustión y ayuda a mantener la presión constante e igual a los 200 MPa establecidos aproximadamente. Estas condiciones coinciden con las del estado termodinámico (3) del ciclo de CO2 de la figura 6. En estas condiciones ambos ciclos (O2 y CO2) suceden al unísono.
(d).- Estación correspondiente a las condiciones termodinámicas al final del proceso de inyección del CO2. Estas condiciones suceden durante la carrera de expansión del pistón de los segundos cilindros (14). Las condiciones termodinámicas son de unos 1173 K (899,85°C) y unos 18 MPa aproximadamente. Estas condiciones coinciden con las del estado termodinámico (4) del ciclo de CO2 de la figura 6. En estas condiciones ambos ciclos (O2 y CO2) suceden al unísono. El proceso entre los estados (c) y (d) de la figura 7 es idéntico al descrito en la figura 6 entre los estados (3) y (4). El proceso se alarga más o menos en función de la cantidad de CO2 inyectado que a su vez depende de la temperatura final deseada en los productos de la combustión y de la estabilidad de la combustión. Un caso ideal, representado en la figura 7 por el punto (d’), sería alargar este proceso hasta el punto muerto inferior de la carrera de expansión. Este caso es ideal pues supondría la máxima producción de trabajo en el ciclo de O2 y en el de CO2. (e).- Estación correspondiente a las condiciones termodinámicas en el punto muerto inferior de la carrera del pistón de los segundos cilindros (14). Estas condiciones suceden al final del proceso de expansión en los segundos cilindros (14). Las condiciones termodinámicas son aproximadamente 873 K (599,85°C) y 0,3 MPa. Estas condiciones coinciden con las del estado termodinámico (5) del ciclo de CO2 de la figura 6. En estas condiciones ambos ciclos (O2 y CO2) suceden al unísono. El proceso entre los estados (d) y (e) de la figura 7 es idéntico al descrito en la figura 6 entre los estados (4) y (5).
(f).- Estación correspondiente a las condiciones termodinámicas al abrirse la válvula de escape en el punto muerto inferior de la carrera del pistón de los segundos cilindros (14). Al abrirse la válvula de escape se produce una re-compresión instantánea del gas en los cilindros debido a que la zona de descarga se encuentra presurizada a 7,5 MPa por la segunda válvula antirretorno (19). Estas condiciones coinciden con las del estado termodinámico (6) del ciclo de CO2 de la figura 6. En estas condiciones ambos ciclos (O2 y CO2) suceden al unísono. El proceso entre los estados (e) y (f) de la figura 7 es idéntico al descrito en la figura 6 entre los estados (5) y (6). El proceso entre (e) y (f) supone un aumento instantáneo de presión y temperatura hasta aproximadamente 7,5 MPa y 1273 K (999,85°C).
(g).- Estación correspondiente a las condiciones termodinámicas al completarse la descarga de gases de combustión, en el punto muerto superior de la carrera de escape del pistón de los segundos cilindros (14). En el proceso entre la estación (f) y (g) se realiza también la descarga de gases de los cilindros, en condiciones constantes de presión, durante todo el tiempo que sigue abierta la válvula de escape hasta su cierre. Las condiciones termodinámicas son aproximadamente 7,5 MPa y 1173 K (899,85°C). En estas condiciones ambos ciclos (O2 y CO2) suceden al unísono. El proceso entre los estados (f) y (g) de la figura 7 coincide durante un cierto tramo a presión constante con el descrito en la figura 6 entre los estados (6) y (1). En esta estación vuelven a separarse los ciclos de O2 y de CO2.
(h).- Estación correspondiente al final del proceso de caída de presión en los segundos cilindros (14), hasta la presión de admisión, aguas abajo de la primera válvula antirretorno (33). Esta estación sucede en algún punto de la carrera de admisión de los segundos cilindros (14). En el proceso entre (g) y (h) el CO2 atrapado en el volumen muerto de la cámara de combustión se ha expandido hasta las condiciones en que se abre la primera válvula antirretorno (33). Este proceso sucede con la primera válvula antirretorno (33) cerrada. Este proceso se realiza sólo por el CO2 proveniente de la combustión del O2 y exclusivo del ciclo de la figura 7 y es independiente del ciclo de CO2 descrito en la figura 6. Las condiciones termodinámicas son aproximadamente 0,3 MPa y 773 K (499,85°C).
El ciclo se cierra de nuevo en las condiciones termodinámicas (a) de la figura 7. El proceso entre (h) y (a) sucede con la primera válvula antirretorno (33) abierta a presión y temperatura esencialmente constantes y aproximadamente de 0,3 MPa y 323 K (49,85°C). El proceso entre (h) y (a) consiste en la admisión de O2 procedente de la admisión de los cilindros y supone la entrada de aproximadamente el 20% de la masa de aire del sistema.
El estado termodinámico donde se cruzan la línea del proceso entre los estados termodinámicos (d) y (e) con la línea del proceso entre los estados termodinámicos (f) y (g) es el punto (i), como aparece reflejado en la figura 7. El punto (i) es coincidente con el estado termodinámico (7) en la figura 6. El estado termodinámico del punto (i) depende de las condiciones particulares del ciclo de la figura 7 y marca el vértice de separación entre la parte del ciclo que produce trabajo mecánico neto positivo (i,j,b,c,d,i) y una parte del ciclo que produce trabajo mecánico neto negativo (i,e,f,i); es decir que consume trabajo, como ya se rescribió en la figura 6. Como ya se describió anteriormente, el punto (d’) de la figura 7 supone una situación ideal del ciclo descrito en que los puntos (f) e (¡’) son coincidentes. En este caso el área (i’,f,e,i’) es cero y por lo tanto se maximiza el trabajo neto producido, entendiéndose como la diferencia absoluta entre el trabajo positivo y el trabajo negativo.
En el ciclo de O2 de la figura 7 existe otra zona que consume trabajo cuyo vértice es el punto (j). Como aparece reflejado en la figura 7, el punto (j) es el estado termodinámico donde se cruzan la línea del proceso entre los estados termodinámicos (a) y (b) con la línea del proceso entre los estados termodinámicos (f) y (g). El estado termodinámico del punto (j) depende de las condiciones particulares del ciclo de la figura 7 y marca el vértice de separación entre la parte del ciclo que produce trabajo mecánico neto positivo (i,j,b,c,d,i) y la otra parte del ciclo que produce trabajo mecánico neto negativo (j,g,h,a,j); es decir que consume trabajo.
Se realizó un modelado teórico de prediseño y se realizaron diversos cálculos en base al mismo, cuyos resultados se muestran en las gráficas de las figuras 8 a 13 adjuntas. Para el modelo se supusieron conexiones ideales entre elementos y una eficiencia de la turbomaquinaria y de los intercambiadores de calor constante en todo punto de funcionamiento.
También se supuso una masa de aire atrapada constante y tasa de inyección variable de combustible gaseoso en los cilindros del motor y en el compresor, así como un dosado estequiométrico. El combustible considerado fue CsHis (PCI ~42 MG/kg).
Se impuso una relación de compresión máxima de los turbocompresores fijada a 4:1 , una temperatura máxima del refrigerante de 90 °C y una temperatura máxima de gases de escape de 1055 °C.
Tal como puede observarse a partir de las gráficas de las figuras 8 a 13, y a partir de la descripción anterior, con la presente invención se evitan las emisiones de NOx y se abre la posibilidad de secuestrar el CO2 en lugar de emitirlo a la atmósfera. Además, se regula la carga sin necesidad de una válvula de mariposa en la línea de admisión y se obtiene una alta eficiencia y potencia específica por unidad de cilindrada.
Aunque se ha proporcionado una descripción detallada de realizaciones preferidas de la presente invención, el experto en la técnica entenderá que pueden aplicarse modificaciones y variaciones a las mismas sin por ello apartarse del alcance de protección definido exclusivamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Motor de combustión interna, del tipo que succiona aire atmosférico como comburente y usa hidrocarburos como combustible, comprendiendo el motor:
- un primer ciclo de Brayton regenerativo de compresiones de aire con enfriamiento intermedio y expansiones de nitrógeno con recalentamiento, por mezcla de una parte del nitrógeno, que comprende una membrana MIEC (6) que separa el O2 del aire comprimido, de manera que la corriente de aire succionado está libre de N2, y un aire empobrecido procedente del rechazo de la membrana MIEC (6) se envía directamente a una corriente de gases de escape evitando su participación en una combustión posterior, en el que parte de las compresiones de aire se realizan en al menos un primer cilindro (4) del motor;
- un segundo ciclo de Brayton con compresión con enfriamiento intermedio, combinado de forma binaria con el primer ciclo de Brayton y anidado con un ciclo seleccionado de un ciclo de Otto y un ciclo Diésel realizado mediante oxicombustión en al menos un segundo cilindro (14) del motor,
en el que el segundo ciclo de Brayton transmite al primer ciclo de Brayton energía mecánica mediante el acoplamiento del al menos un primer cilindro (4) con el al menos un segundo cilindro (14) a través de un cigüeñal (25), así como energía térmica procedente de gases de escape;
en el que el primer ciclo de Brayton proporciona al segundo ciclo de Brayton O2 comprimido procedente de la membrana MIEC (6);
mediante lo cual se evita la emisión de NOx a la atmósfera por la separación de N2 en la membrana MIEC (6).
2. Motor según la reivindicación 1 , caracterizado por que comprende dos primeros cilindros (4).
3. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende dos segundos cilindros (14).
4. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la energía mecánica neta producida por el primer ciclo de Brayton se usa para sobrealimentar el segundo ciclo de Brayton a través de un compresor C1 (10).
5. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la membrana MIEC (6) produce O2 puro separado del aire atmosférico.
6. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la membrana MIEC (6) produce O2 diluido con CO2.
7. Motor según la reivindicación 6, caracterizado por que el CO2 con el que se diluye el O2 se obtiene del aire atmosférico.
8. Motor según la reivindicación 6, caracterizado por que el CO2 con el que se diluye el O2 se produce por la combustión con hidrocarburo en el segundo ciclo de Brayton.
9. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que siempre hay una etapa de enfriamiento después de cada etapa de compresión.
10. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que se recupera calor de todas las fuentes residuales mediante combinación de los ciclos de Brayton primero y segundo realizando regeneraciones antes de cada enfriamiento.
11. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la energía mecánica producida por el segundo ciclo de Brayton se usa además para comprimir CO2 producido hasta licuarlo.
12. Motor según la reivindicación 11 , caracterizado por que se comprime el CO2 hasta al menos 7,5 MPa.
13. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, en el que el segundo ciclo de Brayton está anidado con un ciclo de Otto, caracterizado por que el motor comprende al menos un pistón adicional (22) así como válvulas antirretorno primera y segunda (33, 19) a la entrada y aguas abajo del mismo para succionar y comprimir CO2 sobrante acumulado en conductos del motor.
14. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, en el que el segundo ciclo de Brayton está anidado con un ciclo Diésel, caracterizado por que se usa la carrera de escape de los segundos cilindros (14) para comprimir el CO2, mediante el uso de válvulas antirretorno primera y segunda (33, 19) que permiten la descarga de CO2 y la admisión de O2 sustancialmente puro, empleándose este último como gas de arrastre en membranas de separación selectivas de CO2.
15. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado por que comprende además un ciclo de Brayton a vacío (CBV) para enfriar más intensamente el O2 sustancialmente puro, o el O2 diluido con CO2, antes de una compresión posterior.
16. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado por que comprende un primer depósito (20) de almacenamiento de CO2 licuado producido.
17. Motor según la reivindicación 16, caracterizado por que el CO2 almacenado en el primer depósito (20) se usa para bombear combustible desde un segundo depósito (27) hacia los segundos cilindros (14) del motor y ambos depósitos primero y segundo (20, 27) están en un mismo tanque separados por una membrana flexible.
18. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, caracterizado por que el CO2 licuado producido se transfiere a un surtidor de una red logística de CO2 externa.
19. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la membrana MIEC (6) se basa en materiales cerámicos cristalinos que presentan conducción mixta de portadores electrónicos e iones oxígeno.
20. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, siendo el motor de tipo de encendido provocado (SI), caracterizado por que se emplean turbogrupos para sobrealimentar los primeros cilindros (4) y se emplea la regulación de la producción de O2 de la membrana MIEC (6) para regular la carga del motor.
21. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, siendo el motor de tipo de encendido por compresión (Cl), caracterizado por que se emplean turbogrupos para sobrealimentar los primeros cilindros (4) y se emplea la regulación de la producción de O2 de la membrana MIEC (6) para regular la relación de compresión efectiva del fluido de trabajo en el ciclo del motor.
22. Método de funcionamiento del motor de combustión interna de la reivindicación 1 , comprendiendo el método:
- un primer ciclo de Brayton regenerativo de compresiones de aire con enfriamiento intermedio y expansiones de nitrógeno con recalentamiento, por mezcla de una parte del nitrógeno, que comprende separar el O2 del aire comprimido, de manera que la corriente de aire succionado está libre de N2, y un aire empobrecido procedente del rechazo de la separación se envía directamente a una corriente de gases de escape evitando su participación en una combustión posterior;
- un segundo ciclo de Brayton con compresión con enfriamiento intermedio, combinado de forma binaria con el primer ciclo de Brayton y anidado con un ciclo seleccionado de un ciclo de Otto y un ciclo Diésel realizado mediante oxicombustión, en el que el segundo ciclo de Brayton transmite al primer ciclo de Brayton energía mecánica así como energía térmica procedente de gases de escape;
en el que el primer ciclo de Brayton proporciona al segundo ciclo de Brayton O2 comprimido procedente de la separación;
mediante lo cual se evita la emisión de NOx a la atmósfera por la separación de N2.
23. Método según la reivindicación 22, caracterizado por que la energía mecánica neta producida por el primer ciclo de Brayton se usa para sobrealimentar el segundo ciclo de Brayton.
24. Método según cualquiera de las reivindicaciones 22 o 23, caracterizado por que el primer ciclo de Brayton produce O2 puro separado del aire atmosférico.
25. Método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 23, caracterizado por que el primer ciclo de Brayton produce O2 diluido con CO2.
26. Método según la reivindicación 25, caracterizado por que el CO2 con el que se diluye el O2 se obtiene del aire atmosférico.
27. Método según la reivindicación 25, caracterizado por que el CO2 con el que se diluye el O2 se produce por la combustión con hidrocarburo en el segundo ciclo de Brayton.
28. Método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 27, caracterizado por que siempre hay una etapa de enfriamiento después de cada etapa de compresión.
29. Método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 28, caracterizado por que se recupera calor de todas las fuentes residuales mediante combinación de los ciclos de Brayton primero y segundo realizando regeneraciones antes de cada enfriamiento.
30. Método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 29, caracterizado por que la energía mecánica producida por el segundo ciclo de Brayton se usa además para comprimir CO2 producido hasta licuarlo.
31. Método según la reivindicación 30, caracterizado por que se comprime el CO2 hasta al menos 7,5 MPa.
32. Método según cualquiera de las reivindicaciones 30 o 31 , en el que el segundo ciclo de Brayton está anidado con un ciclo de Otto, caracterizado por que comprende succionar y comprimir CO2 sobrante acumulado en conductos del motor.
33. Método según cualquiera de las reivindicaciones 30 o 31 , en el que el segundo ciclo de Brayton está anidado con un ciclo Diésel, caracterizado por que comprende comprimir el CO2, permitiendo la descarga de CO2 y la admisión de O2 sustancialmente puro, empleándose este último como gas de arrastre en membranas de separación selectivas de CO2.
34. Método según cualquiera de las reivindicaciones 24 o 25, caracterizado por que comprende además un ciclo de Brayton a vacío (CBV) para enfriar más intensamente el O2 sustancialmente puro, o el O2 diluido con CO2, antes de una compresión posterior.
35. Método según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 34, caracterizado por que comprende almacenar CO2 licuado producido.
36. Método según la reivindicación 35, caracterizado por que comprende usar el CO2 almacenado para bombear combustible hacia los cilindros del motor.
37. Método según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 36, caracterizado por que comprende transferir el CO2 licuado producido a un surtidor de una red logística de CO2 externa.
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