一种用于内燃机(ICE)中燃料的富氧燃烧的方法和设备，所述内燃机用于驱动车辆，将来自发动机废气流和冷却系统的废热形式的车上可用的自由能转化成电能和/或机械能，所述能量用于从空气消除或显著减少进入ICE的燃烧室的氮的体积，并且由此减少释放到大气中的NOx污染物，并且使用集成的系统增大发动机废气流中CO2的浓度以用于捕集，压缩并且增大所捕集的CO2的密度用于临时车载存储，直到例如在车辆加燃料期间在回收站处将其排出为止。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在内燃机中进气之后的氮的消除或减少。
技术介绍
目前被接受的想法是全球变暖是由于温室气体排放，诸如二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4) ο目前全球二氧化碳排放的大约四分之一来自于汽车源。随着发展中国家汽车保有量猛增，这部分二氧化碳排放将快速增长。由于氮几乎占地球大气中气体的80%，因此其存在于内燃机的燃烧室中加重了通常称为NOx污染物的大量氧化物的产生。虽然催化转换器能转化许多这些不良化合物，但人们已经认识到非常希望从空气/燃料混合物减少或消除氮。来自汽车源的空气污染管理具有许多挑战，诸如空间和重量限制，该应用的规模经济性，以及汽车源的快速动态操作。 在USP6170264中提出了用于在固定发电厂或内燃机中使用的富氧燃烧过程，该过程包括用于在将空气用于碳氢燃料燃烧之前从空气分离氮的步骤，以便较少或消除作为燃烧副产物的氧化氮和其他污染物。已提出通过使用高精炼燃料来进一步减少诸如硫、硫化物和各种氮氧化物(NOx)，所述高精炼燃料诸如是氢、甲烷、丙烷、净化天然气和诸如乙醇和甲醇的轻馏分。 ‘264专利中具体提出了使用基于膜的空气分离系统的空气分离装置，以通过使空气供给流在压力下穿过膜而将空气分离成其组成部分。横跨膜的压力梯度使得大多数可透过的成分比其他成分更快速地穿过膜，由此产生富含透过成分的产品流，同时该成分从原供给流去除。许多膜可以在环境温度下操作。说明了几种类型的膜及其特征。醋酸纤维素膜被认为具有用于氧和氮的良好分离系数，但具有较低的通量率。设置在微孔聚砜基板上的复合膜具有比醋酸纤维低的分离系数，但在下同压力差下具有较高通量率。提供串联的多层膜可以提高产品流中的氧浓度。 电陶瓷膜是允许离子运动的离子固体溶液，当从空气供给流分离氧时，其要求大约800 °?的较高温度来使阳离子运动。在‘264专利的图12的示例中，称为“工作流体”的燃烧废气被引导到换热器，该换热器继而将电陶瓷膜加热到800 °F的理想操作温度。该专利将氧化钇稳定的氧化锆作为用于电陶瓷膜的可能材料。 ‘264专利还想到膜可以用于使氮穿过并且由此减少剩余空气供给流的氮含量。在该操作模式中，富氮流将在膜的出口侧并且富氧流将是保留物。由于通过膜的扩散速率由离子迁移率确定，而离子迁移率又是具体材料的特征并且取决于网格中的阳离子的尺寸、电荷和几何特征，因此电陶瓷膜的几何特征和位置将由操作模式确定。 USP5051113公开了用于汽车发动机的进气系统，其使用选择性可透膜以实现进入发动机进气系统的空气的氧富集，以便提高发动机效率。USP5051113的公开内容通过参考包含于此。该系统利用全氟间二氧杂环戊烯膜，其具有至少1.4:1的氧/氮选择性并且在最优条件下提供大约10%到最大66%的O2增大，或者进气中从大约10%到30%的O2增大。与富氧燃烧不同，由于膜氧/氮选择性的限制，‘113专利的氧富集过程没有消除大部分的NOxS染物。 在由内燃机驱动的机动车辆中使用富氧燃烧过程的主要问题是如何使用于通过例如‘264专利的现有技术实施该过程所必需的所公开的空气分离部件要求的额外重量和空间最小。例如，在关心每加仑行驶里程比率和车辆重量的汽车设计者看来，用于使废气循环通过换热器以便获得用于电陶瓷膜的800 °F操作温度的步骤所需要的额外装置的尺寸和重量将是该过程的显著缺点。 实际上，从机动车辆减少排放污染物所面临的大多数问题在解决从固定发电厂减少相同污染物时都不存在，这是因为地板空间和/或头顶空间不受限制。发电厂中也已经有可用的电力和其他设施以允许辅助设备，诸如在空气分离步骤中使用的压缩机。 因而，要解决的一个问题是如何实现用于驱动机动车辆的ICE中富氧燃烧的已知优点，同时使对机动车辆的总体高效操作的不利影响最小，该不利影响是关于额外部件的重量增大和与空气分离步骤相关的动力需求。
技术实现思路
为了克服这些问题，本专利技术提供用于在驱动车辆的ICE中的富氧燃烧的方法和设备，所述方法使用废热形式的车上可用的自由能，以从空气分离氧，消除或显著减少进入燃烧室的氮的体积，并且由此相应地减少释放到大气中的NOx污染物。在优选实施例中，本专利技术与从发动机废气捕集CO2并且增大从CO2的密度用于临时存储的方法和设备相结合，所述发动机废气现在是低氮的并且含有非常低水平的NOx气体，所述临时存储直到例如在车辆加燃料期间在回收站处排出CO2为止。 氧从空气分离并且与燃料混合以产生纯的或几乎纯的CO2和水(H2O)的废物。在CO2被加浓并且临时存储在车辆上之前，H2O可以容易地冷凝和分离。使氧与燃料燃烧的方法被称为富氧燃烧，并且各种技术可用于从大气分离02。 用于从空气分离氧的商业方法是基于离子传输膜(ITM)的使用，所述离子传输膜由固体陶瓷材料制成，所述固体陶瓷材料在升高的温度和环境压力下传导氧离子。ITM氧处理可从美国犹他州盐湖城的Ceramatec公司得到。ITM用于从大气分离高纯度氧。美国宾夕法尼亚州阿伦顿的Air Products and Chemicals公司也致力于ITM氧分离方法的商业化。 陶瓷氧发生器是便携式氧发生器，其使用位于两个多孔电极之间的固体陶瓷电解质来产生氧。为了便于氧离子的运动，陶瓷膜被加热到大约700°C。通过提高操作温度和所施加的电势，所述单元还能在高于其额定设计能力的情况下产生氧。 用于在具有改进的性能特征的固体电陶瓷膜氧分离单元中使用的电解质组件在授予Ceramatec公司的USP5021137中描述，其公开内容通过参考包含于此。电解质包括氧化铈或掺杂有氧化钙、氧化锶或氧化钇的二氧化铈，一对烧结的镧锶钴的电极覆盖有薄层的银。 该系统是基于在外部施加电势的影响下通过致密固体陶瓷电解质膜的氧离子迁移的无限选择性。固体电解质由氧化铈制成，其添加有掺杂物以增强离子传输和膜加工性。通过使用多孔钙钛矿电极促进氧化和还原反应，所述钙钛矿电极与平面陶瓷电解质膜元件一起形成电化学单元；多个单元相结合以形成堆。包括多个平面构型的单元的堆提供良好的电化学性能和稳定性、机械整体性和经数千小时的使用产生高纯度氧的能力。基于离子传输膜的氧发生器系统包括集成的热管理系统、空气增流器、电源和相关控制系统。 产生大量热能并且热管理包括将堆与局部环境隔离以保持单元的所需操作温度，以便使用于加热的电力最小。高效热回收装置用于从废空气的热和从氧回收能量值。通过回收热能，可以是电力消耗最小。 固体电解质陶瓷膜可以由镍超级合金基质支撑，以使氧发生器单元不易由于在ICE的起动和停机期间与堆的加热和冷却相关的膨胀和收缩的力引起破碎。 可以用于实施本专利技术的空气分离方法是基于利用固体吸附剂的氧捕集和存储方法的，该固体吸附剂从越过在起始温度下操作的固定或流化床的大气去除并保持02。当吸附剂变得被O2饱和或已到达所保持的氧的预定水平时，扫气越过所述床以释放所吸附的氧。两个或更多个吸附剂床可以并行操作，其中一个或多个床吸附氧，而其余的一个或多个床进行与扫气混合的基本纯氧的回收。一个这种系统可以从Linde Group获得并且被称为Ceramic Autothermal Recovery (CAR)制氧方法。一种适当类型的吸附本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种内燃机(ICE)，其所产生的废气流具有来自于燃料与富氧大气流燃烧的减少的氮和NOx排放物，氮已从所述富氧大气流分离，所述ICE具有发动机体，该发动机体具有多个气缸和一个或多个通道，所述气缸具有形成燃烧室的壁，所述通道与气缸流体连通以输送用于燃料燃烧的富氧空气，其特征在于：一个或多个空气分离装置与所述ICE的操作集成并且与内燃机的进气和燃烧室流体连通，所述一个或多个空气分离装置适配和构造成从大气分离氧分子以与燃料混合并且使氮分子返回至大气。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.22 US 61/614,0621.一种内燃机(ICE)，其所产生的废气流具有来自于燃料与富氧大气流燃烧的减少的氮和NOx排放物,氮已从所述富氧大气流分离， 所述ICE具有发动机体，该发动机体具有多个气缸和一个或多个通道，所述气缸具有形成燃烧室的壁，所述通道与气缸流体连通以输送用于燃料燃烧的富氧空气， 其特征在于: 一个或多个空气分离装置与所述ICE的操作集成并且与内燃机的进气和燃烧室流体连通，所述一个或多个空气分离装置适配和构造成从大气分离氧分子以与燃料混合并且使氮分子返回至大气。2.根据权利要求1所述的ICE，其特征在于，所述一个或多个空气分离装置是膜，并且所述膜位于所述多个气缸中的一个或多个的壁中，所述一个或多个膜提供用于氧分子从空气通道输送到燃烧室中的流体连通。3.根据权利要求2所述的内燃机，其特征在于，在所述多个气缸中的每个的壁中定位有至少一个膜。4.根据权利要求2所述的ICE，其特征在于，所述一个或多个膜位移远离在所述一个或多个气缸中相应的压缩和膨胀冲程期间产生的最大压力的区域。5.根据权利要求1所述的ICE，其特征在于，所述通道是歧管的形式，并且所述一个或多个氧分离装置位于所述歧管中。6.根据权利要求5所述的ICE，其特征在于，多个氧分离装置串联定位并且气流的比例氧含量在串联的分离装置中的每个的下游较大。7.根据权利要求2所述的ICE，其特征在于，所述氧分离装置是陶瓷膜。8.根据权利要求7所述的ICE，其特征在于，所述膜使氮穿过并且保留物是富氧气体。9.根据权利要求7所述的ICE，其特征在于，所述膜通过与来自内燃机的热废气进行热交换而保持在大约800 °?的温度。10.根据权利要求2所述的ICE，其特征在于，所述膜是具有能透过氧的多孔电极的固体陶瓷电解质，并且该固体陶瓷电解质在电势下使氧穿过。11.根据权利要求1所述的ICE，其特征在于，来自所述ICE的废气流的一部分被再循环并且与进气混...
【专利技术属性】
技术研发人员：E·Z·哈马德，W·I·阿尔萨达特，
申请(专利权)人：沙特阿拉伯石油公司，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯;SA
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