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▶ ユニベルシダード ポリテクニカ デ バレンシアの特許一覧 ▶ コンセホ スペリオール デ インベスティガシオネス シエンティフィカス（シーエスアイシー）の特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-06
(45)【発行日】2024-02-15
(54)【発明の名称】内燃機関及びその作動方法
(51)【国際特許分類】
F02M 33/00 20060101AFI20240207BHJP
F02M 27/02 20060101ALI20240207BHJP
F02B 37/00 20060101ALI20240207BHJP
【ＦＩ】
F02M33/00 C
F02M27/02 V
F02B37/00 302E
【請求項の数】
35
(21)【出願番号】P 2021558514
(86)(22)【出願日】2020-03-21
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-06-16
(86)【国際出願番号】 ES2020070199
(87)【国際公開番号】W WO2020193833
(87)【国際公開日】2020-10-01
【審査請求日】2023-02-14
(31)【優先権主張番号】P201930285
(32)【優先日】2019-03-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】ES
(73)【特許権者】
【識別番号】521437024
【氏名又は名称】ユニベルシダード ポリテクニカ デ バレンシア
(73)【特許権者】
【識別番号】514325066
【氏名又は名称】コンセホ スペリオール デ インベスティガシオネス シエンティフィカス（シーエスアイシー）
(74)【代理人】
【識別番号】100092956
【弁理士】
【氏名又は名称】古谷 栄男
(74)【代理人】
【識別番号】100101018
【弁理士】
【氏名又は名称】松下 正
(72)【発明者】
【氏名】アルナウ マルティネス，フランシスコ ホセ
(72)【発明者】
【氏名】ベナへス カルボ，ヘスス ビセンテ
(72)【発明者】
【氏名】カタラン マルティネス，ディヴィッド
(72)【発明者】
【氏名】デサンテス フェルナンデス，ホセ マリア
(72)【発明者】
【氏名】ガルシア－クエヴァス ゴンサレス，ルイス ミゲル
(72)【発明者】
【氏名】セッラ アルファロ，ホセ マヌエル
(72)【発明者】
【氏名】セラーノ クルス，ホセ ラモン
【審査官】櫻田 正紀
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６２－１９５４２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２４７８８６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／２０３０２４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】独国特許出願公開第１９７１０８３９（ＤＥ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０８３３１６２５（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｍ ３３／００
Ｆ０２Ｍ ２７／０２
Ｆ０２Ｂ ３７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
大気を酸化剤として吸引し、炭化水素を燃料として用いるタイプの内燃機関としてのエンジンであって、前記エンジンは：中間冷却を伴う空気圧縮と、窒素の一部を混合することによって再加熱を伴う窒素膨張とを有する第１の再生ブレイトンサイクルであって、前記空気圧縮による圧縮空気からＯ２を分離するＭＩＥＣ膜を備え、吸引されて前記ＭＩＥＣ膜を通った後の大気にはＮ２が含まれず、前記ＭＩＥＣ膜からのＯ ２ が枯渇した空気が大気に放出され、前記空気圧縮の一部が前記エンジンの少なくとも１つの第１シリンダで実行される、後続の燃焼への関与を防ぐ、第１の再生ブレイトンサイクルと；
中間冷却を伴う圧縮を有する第２のブレイトンサイクルであって、前記第１の再生ブレイトンサイクルとバイナリ方式で組み合わされ、前記エンジンの少なくとも１つの第２のシリンダで酸素燃焼によって実行されるオットーサイクルとディーゼルサイクルとから選択されたサイクルと入れ子になる、第２のブレイトンサイクルと；を備え、
前記第２のブレイトンサイクルは、クランクシャフトを介して前記少なくとも１つの第１のシリンダと前記少なくとも１つの第２のシリンダとの結合による機械エネルギーと、排気ガスからの熱エネルギーとを前記第１の再生ブレイトンサイクルに伝達し；
前記第１の再生ブレイトンサイクルは、前記ＭＩＥＣ膜から前記第２のブレイトンサイクルに圧縮されたＯ２を供給し；
これにより、前記大気中へのＮＯｘの排出を、前記ＭＩＥＣ膜でのＮ２の分離によって防止する、内燃機関。
【請求項2】
２つの第１のシリンダを備えることを特徴とする、請求項１に記載のエンジン。
【請求項3】
２つの第２のシリンダを備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のエンジン。
【請求項4】
前記第１の再生ブレイトンサイクルによって生成された前記正味の機械エネルギーが、コンプレッサＣ１を介して前記第２のブレイトンサイクルを過給するために用いられることを特徴とする、請求項１～３のいずれかに記載のエンジン。
【請求項5】
前記ＭＩＥＣ膜が大気から分離された純粋なＯ２を生成することを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載のエンジン。
【請求項6】
前記ＭＩＥＣ膜がＣＯ２で希釈されたＯ２を生成することを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載のエンジン。
【請求項7】
前記Ｏ２を希釈する前記ＣＯ２が大気から得られることを特徴とする、請求項６に記載のエンジン。
【請求項8】
前記Ｏ２を希釈する前記ＣＯ２が、前記第２のブレイトンサイクルにおける炭化水素を用いた燃焼によって生成されることを特徴とする、請求項６に記載のエンジン。
【請求項9】
各圧縮ステップの後に常に冷却ステップが存在することを特徴とする、請求項１～８のいずれかに記載のエンジン。
【請求項10】
各冷却の前に再生を実行する前記第１の再生ブレイトンサイクル及び第２のブレイトンサイクルを組み合わせることによって、すべての残留源から熱が回収されることを特徴とする、請求項１～９のいずれかに記載のエンジン。
【請求項11】
前記第２のブレイトンサイクルによって生成された前記機械エネルギーが、生成された前記ＣＯ２を液化するまで圧縮するために更に使用することを特徴とする、請求項１～１０のいずれかに記載のエンジン。
【請求項12】
前記ＣＯ２が少なくとも７．５ＭＰａに圧縮されることを特徴とする、請求項１１に記載のエンジン。
【請求項13】
前記第２のブレイトンサイクルはオットーサイクルと入れ子になり、前記エンジンが少なくとも１つの追加のピストン、並びに前記エンジンの導管に蓄積された過剰なＣＯ２を吸引及び圧縮するために、前記追加のピストンの入口にある第１のチェックバルブ及び前記追加のピストンの下流にある第２のチェックバルブを備えることを特徴とする、請求項１１または請求項１２に記載のエンジン。
【請求項14】
前記第２のブレイトンサイクルはディーゼルサイクルと入れ子になり、前記第２のシリンダの排気行程を用いて前記ＣＯ２を圧縮するが、前記圧縮はＣＯ２の排出及び実質的に純粋なＯ２の吸入を可能にする前記第１及び第２のチェックバルブの使用によって行われ、前記Ｏ２はＣＯ２選択的分離膜の同伴ガスとして用いられることを特徴とする、請求項１１または１２に記載のエンジン。
【請求項15】
前記実質的に純粋なＯ２又は前記ＣＯ２で希釈されたＯ２を後続の圧縮の前に更に強く冷却するための真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）を更に備えることを特徴とする、請求項５または６に記載のエンジン。
【請求項16】
生成された前記液化ＣＯ２を貯蔵するための第１のタンクを備えることを特徴とする、請求項１１～１５のいずれかに記載のエンジン。
【請求項17】
前記第１のタンクに貯蔵された前記ＣＯ２は、第２のタンクから前記エンジンの前記第２のシリンダに燃料を送り込むために使用され、第１のタンクと第２のタンクの両方は可撓性膜によって分離された同一のタンク内にあることを特徴とする、請求項１６に記載のエンジン。
【請求項18】
前記ＭＩＥＣ膜が、混合酸素イオン－電子キャリア伝導を有する結晶性セラミック材料に基づくことを特徴とする、請求項１～１７のいずれかに記載のエンジン。
【請求項19】
前記ＭＩＥＣ膜が、混合酸素イオン－電子キャリア伝導を有する結晶性セラミック材料に基づくことを特徴とする、請求項１～１８のいずれかに記載のエンジン。
【請求項20】
前記エンジンは圧縮着火（ＣＩ）エンジンであり、ターボアセンブリは、前記第１のシリンダを過給するために使用され、前記ＭＩＥＣ膜の前記Ｏ２生成の調整は、前記エンジンの前記サイクルにおける作動流体の有効圧縮比を調整するために使用されることを特徴とする、請求項１～１２、１４～１８のいずれかに記載のエンジン。
【請求項21】
請求項１に記載の内燃機関の作動方法であって、前記方法は：中間冷却を伴う空気圧縮と、窒素の一部を混合することによって再加熱を伴う窒素膨張とを有する第１の再生ブレイトンサイクルであって、前記空気圧縮による圧縮空気からＯ２を分離するステップを備え、吸引されて前記ＭＩＥＣ膜を通った後の大気にはＮ２が含まれず、前記ＭＩＥＣ膜からのＯ ２ が枯渇した空気が大気に放出され、後続の燃焼への関与を防ぐ、第１の再生ブレイトンサイクルと；
中間冷却を伴う圧縮を有する第２のブレイトンサイクルであって、前記第１の再生ブレイトンサイクルとバイナリ方式で組み合わされ、酸素燃焼によって実行されるオットーサイクルとディーゼルサイクルとから選択されたサイクルと入れ子になる、第２のブレイトンサイクルと；を備え、
前記第２のブレイトンサイクルは、機械エネルギーと、排気ガスからの熱エネルギーとを前記第１の再生ブレイトンサイクルに伝達し；
前記第１の再生ブレイトンサイクルは、前記分離から前記第２のブレイトンサイクルに圧縮されたＯ２を供給し；
これにより、前記大気中への前記ＮＯｘの排出は、Ｎ２の分離によって防止される、内燃機関の作動方法。
【請求項22】
前記第１の再生ブレイトンサイクルによって生成された前記正味の機械エネルギーが、前記第２のブレイトンサイクルを過給するために使用されることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
前記第１の再生ブレイトンサイクルが大気から分離された純粋なＯ２を生成することを特徴とする、請求項２１または２２に記載の方法。
【請求項24】
前記第１の再生ブレイトンサイクルがＣＯ２で希釈されたＯ２を生成することを特徴とする、請求項２１または２２に記載の方法。
【請求項25】
前記Ｏ２を希釈する前記ＣＯ２が大気から得られることを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項26】
前記Ｏ２を希釈する前記ＣＯ２が、前記第２のブレイトンサイクルにおいて炭化水素との燃焼によって生成されることを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項27】
各圧縮ステップの後に常に冷却ステップが存在することを特徴とする、請求項２１～２６のいずれかに記載の方法。
【請求項28】
各冷却の前に再生を実行する前記第１の再生ブレイトンサイクル及び第２のブレイトンサイクルを組み合わせることによって、すべての残留源から熱が回収されることを特徴とする、請求項２１～２７のいずれかに記載の方法。
【請求項29】
前記第２のブレイトンサイクルによって生成された前記機械エネルギーが、生成された前記ＣＯ２を液化するまで圧縮するために更に使用されることを特徴とする、請求項２１～２８のいずれかに記載の方法。
【請求項30】
前記ＣＯ２が少なくとも７．５ＭＰａに圧縮されることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項31】
前記第２のブレイトンサイクルは、前記エンジンの導管に蓄積された過剰なＣＯ２を吸引及び圧縮するステップを備えることを特徴とする、オットーサイクルと入れ子になる、請求項２９または３０に記載の方法。
【請求項32】
前記第２のブレイトンサイクルはディーゼルサイクルと入れ子になり、ＣＯ２を圧縮するステップを備え、ＣＯ２の排出及び実質的に純粋なＯ２の吸入を可能にし、後者はＣＯ２選択的分離膜の同伴ガスとして用いられることを特徴とする、請求項２９または３０に記載のエンジン。
【請求項33】
前記実質的に純粋なＯ２、又は前記ＣＯ２で希釈されたＯ２を後続の圧縮の前に更に強く冷却するための真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）を更に備えることを特徴とする、請求項２３または２４に記載の方法。
【請求項34】
生成された液化ＣＯ２を貯蔵するステップを備えることを特徴とする、請求項２９～３３のいずれかに記載の方法。
【請求項35】
前記貯蔵されたＣＯ２を使用して、燃料を前記エンジンの前記シリンダに圧送することを備えることを特徴とする、請求項３４に記載の方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関の分野、より具体的には、炭化水素を燃焼し、健康に有害なガスを排出しない内燃機関に関する。
【背景技術】
【0002】
ＭＩＥＣ膜
混合イオン－電子伝導（ＭＩＥＣ）膜は、膜の両側の間にある酸素の化学ポテンシャル勾配により、結晶構造の特性を介して酸素イオンが一方の側からもう一方の側へ拡散する一種の高密度セラミック膜である。この膜の酸素選択性は１００％である。Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎc.によると、この膜は高温（通常、７００度から１０００度の範囲）で作動し、保持側に高い空気圧（１ＭＰａから２ＭＰａ）が供給され、透過側に真空が供給される。この結果、純酸素生成（製造）用のＭＩＥＣ膜技術のマーケティングに大きな進歩をもたらしてきた。
混合イオン－電子伝導（ＭＩＥＣ）膜は、膜の両側の間にある酸素の化学ポテンシャル勾配により、結晶構造の特性を介して酸素イオンが一方の側からもう一方の側へ拡散する一種の高密度セラミック膜である。この膜の酸素選択性は１００％である。Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｉｎc.によると、この膜は高温（通常、７００度から１０００度の範囲）で作動し、保持側に高い空気圧（１ＭＰａから２ＭＰａ）が供給され、透過側に真空が供給される。この結果、純酸素生成（製造）用のＭＩＥＣ膜技術のマーケティングに大きな進歩をもたらしてきた。
【0003】
酸素イオンの輸送は、電子又は電子正孔（電子キャリア）の輸送と同時に行われるため、材料は膜の作動条件下で十分な電子伝導性を備えていなければならない。膜を通る酸素輸送の原因となる駆動力は、膜の両側の酸素分圧の差である。それにより、膜を通る酸素の流れは、膜の厚さに加えて、温度及び酸素分圧の差によって決定される。
【0004】
イオン輸送膜の酸素分離プロセスにおけるもう１つの重要なステップは、ガス交換である。前述のように、選択的分離層を通る輸送は、酸素イオンと電子キャリアの拡散で構成される。したがって、以下の２つの表面反応、すなわち、ガス状酸素が吸着され、フィードガス、一般には圧縮空気、に曝される膜の表面で酸素イオンに変換される第１の反応と、酸素イオンが分子状酸素に変換されて脱着される第２の反応が必要である。様々な理由で、これらの輸送ステップは制限的であり、膜を通る透過流の減少をもたらす可能性がある。考えられる様々な理由の中で、以下を強調することができる：（１）選択的分離層の厚さが非常に薄いため、固体を通る拡散はガス交換よりもはるかに高速である。通常、この限界寸法は「特性長」と呼ばれ、拡散係数と、作動条件下での表面ガス交換反応の速度定数と、膜の表面と接触するガスの組成との間の比率である。（２）膜の表面は、酸素活性化反応に対して有意な触媒活性を持っていない。（３）膜の一つ又は複数の表面と接触しているガス状雰囲気は、分子状酸素の吸着／脱着及び反応Ｏ２＋２ｅ－→Ｏ－２による放出を妨げる。産業の観点から関連するプロセスでは、透過ガスとフィードガスとの両方が通常、ＣＯ２やＳＯ２などのかなりの量の酸性ガスを出し、その酸性ガスは表面を不動態化又は不活性化し、酸素のガス交換反応に関与する吸着及び反応中心と競い合うため、前述の反応を妨げる。この有害な影響は、プロセスの作動温度が特に８５０度を下回ると、またＳＯ２とＣＯ２の濃度が高くなると顕著になる。ＳＯ２ガスの濃度が５ｐｐｍを超えると、膜を通る酸素の透過に深刻な影響をもたらすため、ＳＯ２ガスの影響は特にマイナスである。
【0005】
膜の両側の酸素分圧の差は、以下の２つのアクションを介して、すなわち：（a）圧縮ステップを介して空気圧を上げることによって；及び／又は（ｂ）透過ガス中の酸素分圧を下げることによって、達成できる。この酸素分圧を下げることは、真空を適用すること、同伴ガス流によって透過ガス中の酸素を希釈すること、又は同伴チャンバー内で酸素を消費することによって可能である。この後者のオプションは、通常、燃焼炉又はボイラーからの出口ガスを再循環させると同時に、作動温度を上げることから構成される。同様に、第２のオプションに沿って、完全な又は部分的な燃焼生成物を生成しセラミック膜と接触して直接的に熱を放出するために膜を透過する酸素を消費する還元ガス（一般にはメタン又は他の炭化水素）を通すことが可能である。
【0006】
ＭＩＥＣ膜を理解するために、通常、結晶構造、相組成、化学組成、形状、及び緻密層構成に基づく５つの分類基準が使用される。
【0007】
ＭＩＥＣ膜は、その結晶構造を考慮すると、ペロブスカイト、高度なペロブスカイトに由来する膜、及び蛍石に分類できる。ほとんどのＭＩＥＣ膜は、ペロブスカイト型の結晶構造（ＡＢＯ３）を有している。ここで、Ａは大きなサイズの陽イオンで、Ｂは小さな陽イオンである。ペロブスカイトは、１２個の格子間空間にＡイオンが配置されたＢＯ６八面体で構成された結晶格子である。一部のＭＩＥＣは、Ａｎ＋１ＢｎＯ３ｎ＋１ （ｎ＝１，２，３，・・・）の式を持つルドルスデン・ポッパー（Ｒ－Ｐ）膜など、ペロブスカイトのような結晶構造を有している。この相の結晶構造は、いくつかのペロブスカイトブロック（ｎ）が軸ｃに沿ってＡＯ層で変更されたＢＯ６八面体と共有されるコーナーを有している、ペロブスカイトの結晶構造に類似している。一部のＭＩＥＣは蛍石構造を持ち、標準的な例はＣｅＯ２をベースにした材料である。
【0008】
膜が１種類の結晶相しかない場合、それらは単相膜である。大部分のペロブスカイト膜は単相膜であり、例えば、Ｌａ１－ｘＳｒｘＣｏ１－ｙＦｅｙＯ３－δ （０＜ｘ＜１； ０＜ｙ＜１）である。膜が２相であり、両方が酸素透過に寄与する場合、それらは２相膜である。例としては、酸素イオンを輸送するための蛍石ＹＳＺと、電子を輸送するための金属相Ｐｄを含むＹＳＺ－Ｐｄ膜がある。膜に２つ以上の相があり、そのうちの１つだけが酸素透過に寄与する場合、それらは複合材料で作られた膜である。不活性相は、材料のいくつかの特性（例えば機械的強度）を改善するために追加される。例えば、複合材料ＳｒＣｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３－δ－ＳｒＳｎＯ３は２つのペロブスカイトを含み、ＳｒＳｎＯ３相は酸素透過に対して不活性であるが、膜の機械的特性を改善する。
【0009】
ペロブスカイト型の膜の開発当初には、Ｃｏをベースにした膜は酸素伝導率が高いため（例えば、Ｂａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３－δ）、結晶位置ＢのサイトにＣｏを組み込んだものに焦点を当てた研究が行われた。それにもかかわらず、コバルト陽イオンは、Ｃｏ－Ｏ結合が弱いために、より低い原子価状態に容易に還元され、還元環境では不安定になる。したがって、Ｃｏのないペロブスカイトが開発されてきた。例えば、ＢａＣｅ０．０５Ｆｅ０．９５Ｏ３－δは、Ｃｏをベースとしたそれぞれのペロブスカイトと比較して低い酸素伝導率を示すが、高温のＨ２中でも高い安定性を示す。
【0010】
最も一般的な形状は、平面、管状、中空糸の膜である。最後に、高密度層の構成を考慮すると、膜が膜の完全性を支持するのに十分な厚さを示す単一の膜層で構成されている場合、それらは自己支持型膜である。高密度膜層が多孔質層を示す場合、膜の完全性が多孔質層によって支持されるため、より薄い厚さを使用することができ、それらは非対称膜である。
【0011】
実用上、イオン輸送を介して高温で酸素を分離するための膜は、一般に以下の成分で形成される：
ｉ．一般に、分離層が作られるのと同じ材料、或いは分離層と互換性のある（セラミック又は金属）材料のいずれかで作られた多孔質支持体。互換性があるということは、温度に応じて同様の膨張プロファイルを持ち、高温で両方の相の間で、一般に膜の劣化や破損が発生する結果となる第３相が生じるような反応が起こらないことを意味する。支持体の多孔度は通常２０％から６０％で構成され、その厚さは可変で、通常２ｍｍ未満である。
ｉ．一般に、分離層が作られるのと同じ材料、或いは分離層と互換性のある（セラミック又は金属）材料のいずれかで作られた多孔質支持体。互換性があるということは、温度に応じて同様の膨張プロファイルを持ち、高温で両方の相の間で、一般に膜の劣化や破損が発生する結果となる第３相が生じるような反応が起こらないことを意味する。支持体の多孔度は通常２０％から６０％で構成され、その厚さは可変で、通常２ｍｍ未満である。
【0012】
ｉｉ．非多孔質の層又はフィルムで、好ましくは１５０μｍ未満の厚さのものは、多孔質の支持体上に位置決めされる。この層は酸化物又は酸化物の混合物で構成され、酸素イオンと電子キャリアを同時に輸送することができる。
【0013】
ｉｉｉ．イオン伝導性と電子伝導性を併せ持つ材料でできた、好ましくは１００μｍと１０μｍとの間の厚さの多孔質層であり、同時に、酸素の吸着／脱着及びその解離とイオン化のための触媒活性が非多孔質層に付着している。この触媒層は、ガス状酸素を取り込んで除去するプロセスを改善することを可能にする。
【0014】
場合によっては、特に多孔質支持体が触媒活性を示さないか、又は酸素イオン若しくは電子キャリアの輸送を可能にしないときには、多孔質支持体と非多孔質分離層との間に、ガス交換ステップを改善する機能を有する追加の多孔質触媒層が存在する。一般に、多孔質支持体の比表面積は通常大きいが、多孔質支持体及び追加の多孔質触媒層の特性はかなり類似している。
【0015】
必要に応じて、別の追加の非多孔質層（ｖ）も必要になる場合がある。この層は、非多孔質層と多孔質層との間に位置決めされ、層（iii）、又は多孔質層と接触するガスと接触して起こりうる相互作用又は劣化反応に対する分離層の保護として機能する。この追加の層は、酸素イオン及び酸素キャリアの輸送を可能にすると同時に、隣接する層及び接触しているガスと熱的及び化学的に互換性がなければならない。
【0016】
酸素燃焼
酸素燃焼は、従来の燃焼プロセスで行われているように、酸化剤として高純度のＯ２の流れを空気の代わりに使用することで構成され、それによってより低い燃料消費量でより高い火炎温度に到達し、燃焼を改善する。酸素に富む酸化剤を使用することで、ＣＯ２と水蒸気とを主成分とする組成の燃焼ガスを得ることができる。酸素燃焼プロセスの出口ガス中の高濃度のＣＯ２は、その潜在的な分離を可能とする（例えば、文書ＵＳ２００７０１７５４１１Ａ１、ＵＳ２００７０１７５４１１Ａ１、ＵＳ９７０２３００Ｂ２、ＣＮ１０２２９７０２５Ａを参照のこと）。
酸素燃焼は、従来の燃焼プロセスで行われているように、酸化剤として高純度のＯ２の流れを空気の代わりに使用することで構成され、それによってより低い燃料消費量でより高い火炎温度に到達し、燃焼を改善する。酸素に富む酸化剤を使用することで、ＣＯ２と水蒸気とを主成分とする組成の燃焼ガスを得ることができる。酸素燃焼プロセスの出口ガス中の高濃度のＣＯ２は、その潜在的な分離を可能とする（例えば、文書ＵＳ２００７０１７５４１１Ａ１、ＵＳ２００７０１７５４１１Ａ１、ＵＳ９７０２３００Ｂ２、ＣＮ１０２２９７０２５Ａを参照のこと）。
【0017】
シリコーン又はポリスルホンをベースとした酸素膜は、空気を濃縮するために適用することもでき、２１％の酸素濃度をより高い値、通常は２４％以上に上げることができる。
【0018】
酸素燃焼は、ＣＯ２を回収するための最も費用対効果の高い技術の一つを目指しているが、その主な欠点は、Ｏ２の需要が高く、その取得に伴うコストがかかることである。この技術の大きな課題は、必要な大量の供給を成功させるためのＯ２の生成にある。
【0019】
膜反応器では、以下の目的、すなわち：試薬の選択的抽出、触媒の保持、試薬の投与、触媒の支持；のために膜が導入される。これはすべて、熱力学的平衡によって制限されたシステムでの反応効率の向上を必要とし、二次反応の防止、触媒を不活性化する可能性のある化合物からの触媒の保護などを行う。
【0020】
ＣＯ
２
膜
現在、ＣＯ２の選択的通過を可能にする多種多様な材料がある。これらの材料は、高度なポリマーから様々なタイプの無機材料にまで及ぶ。この区別化にもかかわらず、いわゆる混合マトリックス膜にはこれらの材料の組み合わせがあり、一般にポリマーマトリックスとマトリックス内に分散した無機粒子とで構成される。このタイプの技術は、ＣＯ２の回収に柔軟性を提供し、燃焼の前後に作用することを可能にする。ただし、このタイプの材料は一般に、Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２など、より多くのガスを透過するこの適用では、主な透過がＣＯ２に関連している必要があり、更に、Ｏ２とＮ２の透過率は無視してよい。ＣＯ２を残りのガスから分離するための様々な技術がある：
現在、ＣＯ２の選択的通過を可能にする多種多様な材料がある。これらの材料は、高度なポリマーから様々なタイプの無機材料にまで及ぶ。この区別化にもかかわらず、いわゆる混合マトリックス膜にはこれらの材料の組み合わせがあり、一般にポリマーマトリックスとマトリックス内に分散した無機粒子とで構成される。このタイプの技術は、ＣＯ２の回収に柔軟性を提供し、燃焼の前後に作用することを可能にする。ただし、このタイプの材料は一般に、Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２など、より多くのガスを透過するこの適用では、主な透過がＣＯ２に関連している必要があり、更に、Ｏ２とＮ２の透過率は無視してよい。ＣＯ２を残りのガスから分離するための様々な技術がある：
【0021】
ポリマー膜によるＣＯ
２
分離技術
ガス流からＣＯ２を選択的に分離できる様々なポリマーがある。ＣＯ２の回収のためのポリマーの適用は、ポリマーの低コスト並びに合成及び処理の容易さのために経済的観点から魅力的であるが、化学的、機械的、及び熱的安定性のために、並びに低い透過性のために一般に限られた材料となる。ＣＯ２／Ｎ２の相互選択性については、標準の上限である５０が設定されている。一般に、このタイプの材料は、低温及び中圧（１ｂａｒから５ｂａｒ）で機能する。
ガス流からＣＯ２を選択的に分離できる様々なポリマーがある。ＣＯ２の回収のためのポリマーの適用は、ポリマーの低コスト並びに合成及び処理の容易さのために経済的観点から魅力的であるが、化学的、機械的、及び熱的安定性のために、並びに低い透過性のために一般に限られた材料となる。ＣＯ２／Ｎ２の相互選択性については、標準の上限である５０が設定されている。一般に、このタイプの材料は、低温及び中圧（１ｂａｒから５ｂａｒ）で機能する。
【0022】
利用可能な様々なポリマーの中で、以下の点を強調する必要がある：（ｉ）４２０バーラーの透過性と３５度で１８のＣＯ２／ＣＨ４に対する選択性（selectivity）を備えた架橋ポリエチレン酸化物（ＸＬＰＥＯ）（ｂａｒｒｅｒ＝１０－１０ ｃｍ３（ＳＴＰ）・ｃｍ／（ｃｍ２・ｓ・ｃｍＨｇ））、（ii）Ｐｅｂａｘなどのポリアミドをベースにしたポリマーで、１３２バーラー及び約６度から２５度及び３気圧のＣＯ２／Ｎ２選択性を有する。（iii）４１ＧＰＵから１０４ＧＰＵの透過性を備えたポリアミド（ＰＶＡｍ）をベースとしたポリマーで、ＣＯ２とＮ２の湿潤混合物を使用した２５度及び２気圧で１００から１９７の範囲のＣＯ２／Ｎ２選択性を備える（ＧＰＵ＝１０－６ ｃｍ３（ＳＴＰ）／（ｃｍ２・ｓ・ｃｍＨｇ））。とりわけ、ＰｏｌａｒｉｓＴＭ及びＰｏｌｙａｃｔｉｖｅの製品は、この技術の商業的な例である。
【0023】
空気中のＣＯ２濃度は約０．０３５％、Ｎ２濃度は約７８％であるため、空気からＣＯ２を分離するには高い選択性が必要であることに注意する必要がある。
【0024】
ｂ. 無機膜によるＣＯ
２
分離技術
溶融炭酸塩をベースにした膜を個別に考えると、ガス流からＣＯ２を分離するための無機材料をベースとした膜のグループには、（Ｐｄをベースとした）金属膜、シリカをベースにした膜、炭素膜、及びゼオライトをベースにした膜が含まれる。
溶融炭酸塩をベースにした膜を個別に考えると、ガス流からＣＯ２を分離するための無機材料をベースとした膜のグループには、（Ｐｄをベースとした）金属膜、シリカをベースにした膜、炭素膜、及びゼオライトをベースにした膜が含まれる。
【0025】
金属膜は、パラジウムとその合金をベースにしている。これらの材料は高いＨ２の透過性を示す。したがって、それらは基本的に予燃焼システムでＨ２を分離するために使用される。このタイプの膜は、予燃焼時にＣＯ２を回収するシステムの成熟した技術である。ただし、これらの材料の安定性は、産業システムに実装するために改善しなければならない。
【0026】
ＣＯ２の分離には、多孔質無機膜（シリカ、ゼオライト、有機金属フレームワーク（ＭＯＦ）、炭素膜をベースにした膜）を適用できる。
【0027】
ゼオライトは、均質な多孔質構造と最小チャネル（通路）直径を特徴とするアルミノケイ酸塩である。これらの材料の分離は、表面拡散又はモレキュラーシーブ（分子ふるい操作）によって行われる。３つの分離形態が区別される：（i）分子の吸着力は似ているがサイズが異なる場合であって、サイズの小さい分子の方が透過しやすい場合；（ii）分子が異なる吸着力で同様のサイズを持ち、膜がより高い吸着力を持つ分子に対して選択的である場合；（iii）分子の吸着力とサイズの両方が異なる場合であって、メカニズムは、吸着力間の競争力と拡散係数との間の組み合わせである場合；これにより、ＣＯ２／Ｎ２、及び／又はＣＯ２／ＣＨ４の選択性は、第３の形態でガスを分離することによって低温で、又は第１の形態によって高温で最大化できる。ゼオライトの中では、９．５Ｋから３０３Ｋ（－２６３．６５度から２９．８５度）のＣＯ２／Ｎ２選択性、３・１０－７ ｍｏｌ／（ｍ２・ｓ・Ｐａ）のＣＯ２透過性を有するＺＳＭ－５と、４・１０－７ ｍｏｌ／（ｍ２・ｓ・Ｐａ）のＣＯ２透過性、３０３Ｋ（２９．８５度）でのＣＯ２／Ｎ２とＣＯ２／ＣＨ４の選択性が、それぞれ１００と２１を有するＹ型ゼオライトとを強調する必要がある。
【0028】
シリカをベースにした膜は、様々な雰囲気及び条件での化学的、熱的、及び機械的安定性が高いため、ＣＯ２／Ｎ２とＨ２／ＣＯ２とを分離する大きな可能性を有している。このタイプの膜の挙動は、他の要因の中でもとりわけ、その合成方法によって高度に調整される。シリカのタイプ、合成方法、条件にもよるが、透過性は３・１０－１０ から ５・１０－７ ｍｏｌ／（ｍ２・ｓ・Ｐａ）の範囲であり、選択性はＣＯ２／Ｎ２では６０、ＣＯ２／ＣＨ４では３２５、ＣＯ２／Ｈ２では６７０に達する。
【0029】
高炭素含有量のアモルファスミクロポーラス材料で構成された炭素膜は、その耐熱性、腐食環境での化学的安定性、高いガス透過性、及びポリマー膜と比較して優れた選択性により、ガス分離用途の有望な材料として浮上している。ＣＯ２の分離を考慮すると、これらの材料は、ＣＯ２透過性が２０００バーラーから１００００バーラーを有するＣＯ２／ＣＨ４に対して１００の選択性に達し、ＣＯ２透過性が５バーラーを有するＣＯ２／Ｎ２に対して１０の選択性に達する。
【0030】
ｃ. 溶融炭酸塩をベースにした膜によるＣＯ
２
分離技術
イオン性（酸素）―電子伝導性セラミックと同様の材料を使用して、ＣＯ２の選択的通過を可能にする溶融炭酸塩をベースにした材料が開発されてきた。ただし、このタイプの膜は、これまでに発表された様々な論文で観察されたＣＯ２の流量が少ないため、まだ工業用途にはほど遠い。
イオン性（酸素）―電子伝導性セラミックと同様の材料を使用して、ＣＯ２の選択的通過を可能にする溶融炭酸塩をベースにした材料が開発されてきた。ただし、このタイプの膜は、これまでに発表された様々な論文で観察されたＣＯ２の流量が少ないため、まだ工業用途にはほど遠い。
【0031】
レシプロ内燃機関
レシプロ内燃機関は、大型輸送と乗客輸送の両方の陸上及び海上の車両にとって最も重要な技術である。それらの設計と補助機械（ターボ機械、燃料噴射システム、追加のポンプと熱交換器）の両方が、過去１世紀に、いくつかのタイプの燃料用に大幅に最適化されてきた。４ストロークレシプロエンジンは、比出力が高く、汚染ガスやアコースティックエミッションに関する様々な規制に準拠する能力があり、平均比消費量が少ないため、陸上輸送をリードしている。
レシプロ内燃機関は、大型輸送と乗客輸送の両方の陸上及び海上の車両にとって最も重要な技術である。それらの設計と補助機械（ターボ機械、燃料噴射システム、追加のポンプと熱交換器）の両方が、過去１世紀に、いくつかのタイプの燃料用に大幅に最適化されてきた。４ストロークレシプロエンジンは、比出力が高く、汚染ガスやアコースティックエミッションに関する様々な規制に準拠する能力があり、平均比消費量が少ないため、陸上輸送をリードしている。
【0032】
それにもかかわらず、ＣＯ２排出量を制限する必要性、更には大気中のＣＯ２を除去する必要性、及び過密な都市環境での大気質を改善する必要性は、燃焼及び燃焼負荷更新の最新コンセプトを有するこれらのエンジンの技術的限界に圧力をかけている。
【0033】
エンジンの酸素燃焼
酸素燃焼システムを車両用エンジンに統合すると、前述の利点（効率の向上と排出量の減少）が拡大するが、スペースが車両の寸法に制限されるため、酸素の生成方法が複雑になる。酸化剤として酸素を使用するエンジンを考慮して、いくつかの代替案が提案されている：
(i)車両に酸素の貯蔵。このシステムは、車外で酸素を生成するという問題を提起しているため、車内には酸素貯蔵システム用のスペースがあれば十分である。いくつかの研究は、スペースを減らすために車両に液体の形で酸素を貯蔵することを提案している（とりわけ、文書ＣＮ２０１８３５９４７Ｕ及びＤＥ３６２５４５１Ａ１を参照のこと）。しかし、これは、酸素及び酸素を液相に保つために低温を必要とする貯蔵システムのコストを増加させるであろう。他の研究では、圧縮酸素を車内のタンクに貯蔵するというアイデアが提案されている（文書ＵＳ３４２５４０２）。それにもかかわらず、このタイプの解決策では、他の場所で酸素を生成する必要がある。そのため、貯蔵システム（液相と気相との両方）の費用に加えて、酸素の稼働費を考慮する必要がある。これらすべての追加コストを考慮すると、事前のこの代替案は実行可能ではなく、酸素の生成と貯蔵に関する現在の技術の改善が必要になるだろう。
酸素燃焼システムを車両用エンジンに統合すると、前述の利点（効率の向上と排出量の減少）が拡大するが、スペースが車両の寸法に制限されるため、酸素の生成方法が複雑になる。酸化剤として酸素を使用するエンジンを考慮して、いくつかの代替案が提案されている：
(i)車両に酸素の貯蔵。このシステムは、車外で酸素を生成するという問題を提起しているため、車内には酸素貯蔵システム用のスペースがあれば十分である。いくつかの研究は、スペースを減らすために車両に液体の形で酸素を貯蔵することを提案している（とりわけ、文書ＣＮ２０１８３５９４７Ｕ及びＤＥ３６２５４５１Ａ１を参照のこと）。しかし、これは、酸素及び酸素を液相に保つために低温を必要とする貯蔵システムのコストを増加させるであろう。他の研究では、圧縮酸素を車内のタンクに貯蔵するというアイデアが提案されている（文書ＵＳ３４２５４０２）。それにもかかわらず、このタイプの解決策では、他の場所で酸素を生成する必要がある。そのため、貯蔵システム（液相と気相との両方）の費用に加えて、酸素の稼働費を考慮する必要がある。これらすべての追加コストを考慮すると、事前のこの代替案は実行可能ではなく、酸素の生成と貯蔵に関する現在の技術の改善が必要になるだろう。
【0034】
(ii)空気と関連して代替源から酸素の生成。文書ＵＳ３７０９２０３は、アルカリ金属過塩素酸塩の熱分解から酸素を生成することを説明している： 文書ＵＳ３９６１６０９Ａによると、酸素は水の電気分解によって生成される：及び、文書ＵＳ２７７５９６１Ａによると、酸素は過酸化水素から生成される。ただし、これらのシステムには高い酸素需要が必要なため、これらの解決策を車両のエンジンに統合することは、現在の技術に関して実行可能で競争力があるとは考えられない。
【0035】
(iii)空気から酸素の生成：
フィルタリングシステム（文書ＵＳ３９６１６０９Ａ）又はＰＳＡ吸着（文書ＷＯ２００５０８３２４３）の導入。このタイプの解決策には、酸素需要を満たすために非常に大規模なシステムが必要になるという欠点がある。
フィルタリングシステム（文書ＵＳ３９６１６０９Ａ）又はＰＳＡ吸着（文書ＷＯ２００５０８３２４３）の導入。このタイプの解決策には、酸素需要を満たすために非常に大規模なシステムが必要になるという欠点がある。
【0036】
シリコーン又はポリスルホンをベースとした膜の使用（文書ＵＳ２００３００２４５１３Ａ１、ＵＳ５６３６６１９Ａ、ＵＳ５６７８５２６、ＵＳ５６３６６１９、ＵＳ２００６／００４２４６６Ａ１、ＣＮ１０１５２６０３５Ａ）。しかしながら、このタイプのシステムは、純粋な酸素を生成するためよりも空気中の酸素を濃縮するために提案されており、その結果、プロセスに許容できる程度の純度を達成するために必要な膜面積は（大きすぎて）、プロセスを実行不可能にするだろう。
【0037】
セラミック導体をベースにした膜の使用。（ｃ１）セラミック酸素イオン伝導性電解質による電気化学セルの使用（文書ＵＳ２００９０１３９４９７Ａ１）。それにもかかわらず、このシステムは電気エネルギーの需要を必要とし、それは必然的にエンジンから取り出されなければならず、それによってシステム効率が低下する。（ｃ２）酸素が空気流から選択的に分離される混合酸素イオン電子伝導膜の使用（文書ＵＳ２０１３０２４７８８６Ａ１）。このプロセスでは、温度を約７００度から１０００度に保つために大量の熱が必要である。そのために、このシステムはエンジン出口ガスからの熱を使用する。
【発明の概要】
【0038】
本発明の目的は、上記の最新技術に関して利点をもたらす内燃機関を提供することである。より具体的には、本発明は、添付の請求項１に定義される内燃機関を開示し、それが大気へのＮＯｘの排出を減少させるか、又は防止さえするので、汚染を減少する。
【0039】
従属請求項は、先行技術に関して追加の利点を提供する本発明のエンジンの追加の実施の形態を開示する。
【0040】
より具体的には、その最も広い態様において、本発明は、大気を酸化剤として吸引し、炭化水素を燃料として使用するタイプの内燃機関を開示し、以下：
中間冷却を伴う空気圧縮と、窒素の一部を混合することによって再加熱を伴う窒素膨張とを有する第１の再生ブレイトンサイクルであって、吸引した空気流がＮ２を含まないように、Ｏ２を圧縮空気から分離するＭＩＥＣ膜を備え、ＭＩＥＣ膜から除外された、（Ｏ２が）枯渇した空気（膜に受け入れられなかった、膜を透過した酸素が不足している残った空気）は、排気ガス流に直接送られ、空気圧縮の一部がエンジンの少なくとも１つの第１のシリンダで行われる後続の燃焼への関与を防ぐ、第１の再生ブレイトンサイクルと；
中間冷却を伴う圧縮を有する第２のブレイトンサイクルであって、第１のブレイトンサイクルとバイナリ方式で組み合わされ（同じものに熱を伝達する）、エンジンの少なくとも1つの第２のシリンダでの酸素燃焼によって実行されるオットーサイクルとディーゼルサイクルとから選択されたサイクルと入れ子になる（合成される）、第２のブレイトンサイクルと；を備える。
中間冷却を伴う空気圧縮と、窒素の一部を混合することによって再加熱を伴う窒素膨張とを有する第１の再生ブレイトンサイクルであって、吸引した空気流がＮ２を含まないように、Ｏ２を圧縮空気から分離するＭＩＥＣ膜を備え、ＭＩＥＣ膜から除外された、（Ｏ２が）枯渇した空気（膜に受け入れられなかった、膜を透過した酸素が不足している残った空気）は、排気ガス流に直接送られ、空気圧縮の一部がエンジンの少なくとも１つの第１のシリンダで行われる後続の燃焼への関与を防ぐ、第１の再生ブレイトンサイクルと；
中間冷却を伴う圧縮を有する第２のブレイトンサイクルであって、第１のブレイトンサイクルとバイナリ方式で組み合わされ（同じものに熱を伝達する）、エンジンの少なくとも1つの第２のシリンダでの酸素燃焼によって実行されるオットーサイクルとディーゼルサイクルとから選択されたサイクルと入れ子になる（合成される）、第２のブレイトンサイクルと；を備える。
【0041】
ここで、第２のブレイトンサイクルは、クランクシャフトを介して、少なくとも１つの第１のシリンダと少なくとも１つの第２のシリンダとを結合することによって機械エネルギーを伝達し、排気ガスから第１のブレイトンサイクルに熱エネルギーを伝達する。
【0042】
ここで、第１のブレイトンサイクルは、ＭＩＥＣ膜から第２のブレイトンサイクルへ圧縮されたＯ２を供給する。
【0043】
これにより、大気中へのＮＯｘの排出は、ＭＩＥＣ膜でのＮ２の分離によって防止される。
【0044】
当業者が容易に理解するように、本明細書でエンジンが「第１のブレイトンサイクルを備える」、及び同様の表現で言及される場合、エンジンが「第１のブレイトンサイクルを実行するために必要な手段を備える」ことを意味すると解釈されなければならない。そのような場合、本発明は、手段の特定の組み合わせに限定されることを意図せず、前述のブレイトンサイクル（又は同様のもの）を実行するのに適した任意の手段が本発明によってカバーされることを理解されなければならない。
【0045】
別の態様によると、本発明は、大気を酸化剤として吸引し、炭化水素を燃料として使用するタイプの内燃機関の作動方法も開示し、この方法は、以下：
中間冷却を伴う空気圧縮と、窒素の一部を混合することによって再加熱を伴う窒素膨張と、を有する第１の再生ブレイトンサイクルであって、Ｏ２を圧縮空気から分離するステップを備え、吸引した空気流がＮ２を含まないように、分離から除外された、（Ｏ２が）枯渇した空気は、排気ガス流へ直接送られ、後続の燃焼への関与を防ぐ、第１の再生ブレイトンサイクルと；
中間冷却を伴う圧縮を有する第２のブレイトンサイクルであって、第１のブレイトンサイクルとバイナリ方式で組み合わされ（熱を同じものに伝達する）、酸素燃焼によって実行されるオットーサイクルとディーゼルサイクルとから選択されたサイクルと入れ子になる、第２のブレイトンサイクルと；を備える。
中間冷却を伴う空気圧縮と、窒素の一部を混合することによって再加熱を伴う窒素膨張と、を有する第１の再生ブレイトンサイクルであって、Ｏ２を圧縮空気から分離するステップを備え、吸引した空気流がＮ２を含まないように、分離から除外された、（Ｏ２が）枯渇した空気は、排気ガス流へ直接送られ、後続の燃焼への関与を防ぐ、第１の再生ブレイトンサイクルと；
中間冷却を伴う圧縮を有する第２のブレイトンサイクルであって、第１のブレイトンサイクルとバイナリ方式で組み合わされ（熱を同じものに伝達する）、酸素燃焼によって実行されるオットーサイクルとディーゼルサイクルとから選択されたサイクルと入れ子になる、第２のブレイトンサイクルと；を備える。
【0046】
ここで、第２のブレイトンサイクルは、機械エネルギーと、排気ガスからの熱エネルギーを第１のブレイトンサイクルへ伝達する。
【0047】
ここで、第１のブレイトンサイクルは、分離から圧縮されたＯ２を第２のブレイトンサイクルへ供給する。
【0048】
これにより、大気中へのＮＯｘの排出は、Ｎ２の分離によって防止される。
【0049】
以下でより詳細に説明するように、本発明は、混合酸素イオン－電子伝導性セラミック材料をベースにした膜を統合し、その結果、Ｏ２を主な残留熱源（シリンダの出口の排気ガスなど）から分離するためにＭＩＥＣ膜に必要なすべてのエネルギーが回収され、酸素燃焼によって生じる温度の上昇は、熱を無駄にすることなく膜に必要な温度を供給するために利用される。本発明は、適切な圧力条件を達成するために、レシプロエンジンにおけるシリンダの高い圧縮能力（２５ＭＰａまで）を利用することも意図している。本発明による好ましい実施の形態の少なくともいくつかで提供される以下のプロセスには、高圧が必要である：膜のＯ２生産性を最大化するために、空気とＯ２との間の分圧の差を最大化する：大気中のＣＯ２の空気からの分離を最大化する； 最後に、ＣＯ２を液化するまで圧縮する（臨界圧力７．５ＭＰａを超える）。
【0050】
エンジン過給システムのターボ機械は、低い圧縮比（海面での最大圧力は０．６ＭＰａ未満）のため、空気を分離する前に圧縮するプロセスのためには、又は（文書ＵＳ２０１３０２４７８８６Ａ１とは異なり）ＣＯ２の高密度化のためには、本発明では、使用されない。０．６ＭＰａを超える圧力用のターボアセンブリのターボチャージャの開発はなく、この圧力値の付近では非常に非効率的である。
【0051】
また、等温圧縮プロセスと比較して等エントロピー及び不可逆圧縮プロセスの効率がはるかに低いため、ターボチャージャの空気圧縮に関連付けられた温度も利用されない（文書ＵＳ２０１３０２４７８８６Ａ１とも異なる）。しかし、本発明において、圧縮空気は、プロセスが可能な限り最も等温である（したがって最も効率的である）ために、次の圧縮ステップに進む前に常に冷却される。この冷却は、水を使用して給気を冷却する（一般にＷＣＡＣ）熱交換器を使用するか、熱を圧力に変換する真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）を使用して行われる。ＶＢＣとＷＣＡＣはどちらも、流体から熱を取り除き、次の圧縮の前に環境に熱を伝達する。これは、一見エネルギー消費のように見えるが、実際には、次の圧縮ステップの投資となる。そのことは、空気圧縮プロセスは４ストロークで行われるので空気がシリンダ内に長時間留まり、その滞留時間がエンジンの冷却液に対することで空気の冷却に寄与するならば、４ストロークエンジンシリンダで可能な限り最高の機械的圧縮比を得ようとさえする。この高圧での空気の冷却により、プロセスは等温に近くなり、また、より効率的になる。エンジンの４ストロークのこの革新的な使用法は、このようなシリンダでの燃焼が行われたことはないので、本文書で初めて説明される。
【0052】
すべてのプロセスで最大のエネルギー効率を追求する最後の理由は、以下の特性の少なくとも1つを示す酸素燃焼エンジン／ドライブアセンブリを実現することである：それは、汚染ガスを全く排出しない又はほとんどの汚染ガスを排出しない。燃焼で生成されたＣＯ２を閉じ込め、大気中のＣＯ２の全部又は一部を環境から除去する。コンパクトで軽量なので、自己輸送が可能である。そして最後に、それは燃料消費の点で現在の内燃機関と競争力がある。
【0053】
この後者の目的を達成するために、本発明は、その好ましい実施の形態の１つにおいて、エンジンの給気を調整するための完全に新規なシステムを説明する。このシステムは、均一に混合された酸素燃焼を有する火花点火（ＳＩ）エンジンにおいて、エンジンの給気を調整するためのフロースロットルバタフライバルブを回避する。これは、（文書ＵＳ２０１３０２４７８８６Ａ１で提案されているように）燃焼シリンダを過給するためではなく、膜の前で空気を圧縮するシリンダを過給するためにターボアセンブリを使用することによって行われ、ＭＩＥＣからのＯ２生成の調整を使用して給気を調整する。スロットルの使用を回避することで、給気の調整中に予混合燃焼を行うＳＩエンジンのポンプ損失がなくなる。ポンプ損失は、このエンジンの主な非効率の点である。予混合燃焼を有するＳＩエンジンで酸素燃焼が回避する第２の非効率の点は、排気ガス温度を制御するための混合気の濃縮（理論空燃比を超える：l<１）である。この温度制御は、本発明において、燃料を使用する代わりに、Ｏ２と燃料との混合気を、ＭＩＥＣにおいてＯ２側をスイープするために使用される純粋なＣＯ２で希釈することによって実行される。ターボアセンブリとＭＩＥＣとの提案された配置により、Ｏ２生成速度の制御とＣＯ２による希釈速度の制御との両方を独立して実行できる。このターボ機械と膜との配置により、圧力の制御は、調整弁内の圧力の非効率的な積層ではなく、タービン内の流れを拡大することによって実行されるため、これまで最先端で説明されてきたものよりも効率的に両方の制御を実行できる（これは、例えば文書ＵＳ２０１３０２４７８８６Ａ１で提案されているものである）。
【0054】
更に、その好ましい実施の形態の１つにおいて、本発明は、レシプロエンジンの燃焼サイクル中に液体ＣＯ２を使用することを提案する。これにより、超臨界エンジン（燃料を、その温度と圧力で臨界境界点を超えて超臨界状態で使用するエンジン）サイクルでＣＯ２を液化するために必要なエネルギーの大部分を、Ｏ２サイクルと同時に且つ共役に作用するこの流体で回収することができる。両方のサイクルは、基本的に熱状態を増加させるプロセスと流体を膨張させるプロセスのいくつかのプロセスを共有している。この場合に説明された超臨界ＣＯ２サイクルも、そのプロセスのいくつかを共有する共役Ｏ２サイクルも、本発明以前の情報源によって説明されてこなかった。
【0055】
ＣＯ２の液化の間、その後にＣＯ２を保管して関連する処理センターに移動するために、ＣＯ２から分離する必要のある一定の割合（移動する物質の総質量の約２％）の液体水が生成される。本発明と文書ＵＳ２０１３０２４７８８６Ａ１との間の更なる違いは、高圧下で分離された水からのエネルギーが、タービンの１つにおいて蒸気状態で利用及び膨張されることである。この使用には、一方では液体の噴出ではなく蒸気の形で水を放出するという利点があり、他方ではエネルギー消費を減らしてＯ２を分離するために膜内の必要な空気圧を達成するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【0056】
本発明は、例として提供されるその好ましい実施の形態を示す以下の図面を参照してよりよく理解され、いかなる方法でも本発明を限定するものとして解釈されるべきではない：
【図1】図１は、本発明の第１の好ましい実施の形態による、予混合酸素燃焼エンジンの図を示し、均質で理論混合気、高比出力、高効率を有し、空気からＯ２を分離するためのＭＩＥＣを備え、健康に有害なガスを排出しないが、プラスの正味ＣＯ２排出量を伴う。
【図2a】図２ａは、本発明の第２の好ましい実施の形態による、予混合酸素燃焼エンジンの図を示し、均質で理論混合気、高比出力、高効率を有し、健康に有害なガスを排出せず、空気からＯ２を分離するためのＭＩＥＣを備え、ＣＯ２を分離するためのポリマー膜、及びマイナスの正味ＣＯ２排出量を伴う。
【図2b】図２ｂは、図２ａに示したエンジンの代替案による、予混合酸素燃焼エンジンの図を示し、均質で理論混合気、高比出力、高効率を有し、健康に有害なガスを排出せず、空気からＯ２を分離するためのＭＩＥＣを備え、空気からＣＯ２を分離するための溶融炭酸塩をベースとした膜を備え、及びマイナスの正味ＣＯ２排出量を伴う。
【図3】図３は、本発明の第３の好ましい実施の形態による、拡散酸素燃焼エンジンの図を示し、層状且つ希薄混合気、高比出力、高効率を有し、空気からＯ２を分離するためのＭＩＥＣを備え、健康に有害なガスを排出しないが、プラスの正味ＣＯ２排出量を伴う。
【図4a】図４ａは、本発明の第４の好ましい実施の形態による、拡散酸素燃焼エンジンの図を示し、層状且つ希薄混合気、高比出力、高効率を有し、健康に有害なガスを排出せず、 空気からＯ２を分離するためのＭＩＥＣを備え、空気からＣＯ２を分離するためのポリマー膜を備え、及びマイナスの正味ＣＯ２排出量を伴う。
【発明を実施するための形態】
【0057】
上記のように、本発明は、酸化剤として大気を吸引し、燃料として炭化水素を使用するタイプの内燃機関を開示し、以下を備える：
中間冷却を伴う空気圧縮と、窒素の一部を混合することによる再加熱を伴う窒素膨張と、を有する第１の再生ブレイトンサイクルであって、圧縮空気からＯ２を分離するＭＩＥＣ膜（６）を備え、吸引された空気流にＮ２が含まれず、ＭＩＥＣ膜（６）から除外された、（Ｏ２が）枯渇した空気が排気ガス流に直接送られ、空気の圧縮の一部がエンジンの少なくとも１つの第１のシリンダ（４）、好ましくは２つの第１のシリンダ（４）で実行される、後続の燃焼への関与を防ぐ。
中間冷却を伴う空気圧縮と、窒素の一部を混合することによる再加熱を伴う窒素膨張と、を有する第１の再生ブレイトンサイクルであって、圧縮空気からＯ２を分離するＭＩＥＣ膜（６）を備え、吸引された空気流にＮ２が含まれず、ＭＩＥＣ膜（６）から除外された、（Ｏ２が）枯渇した空気が排気ガス流に直接送られ、空気の圧縮の一部がエンジンの少なくとも１つの第１のシリンダ（４）、好ましくは２つの第１のシリンダ（４）で実行される、後続の燃焼への関与を防ぐ。
【0058】
中間冷却を伴う圧縮を有する第２のブレイトンサイクルであって、第１のブレイトンサイクルとバイナリ方式で組み合わされ、エンジンの、少なくとも１つの第２のシリンダ（１４）、好ましくは２つの第２のシリンダ（１４）で酸素燃焼によって実行されるオットーサイクルとディーゼルサイクルとから選択されたサイクルと入れ子になる。
【0059】
ここで、第２のブレイトンサイクルは、クランクシャフト（２５）を介して少なくとも１つの第１のシリンダ（４）と少なくとも１つの第２のシリンダ（１４）との結合による機械エネルギーと排気ガスからの熱エネルギーとを第１のブレイトンサイクルに伝達する。
【0060】
ここで、第１のブレイトンサイクルは、ＭＩＥＣ膜（６）から第２のブレイトンサイクルに圧縮されたＯ２を供給する。
【0061】
これにより、大気中へのＮＯｘの排出は、ＭＩＥＣ膜（６）でのＮ２の分離によって防止される。
【0062】
好ましい実施の形態によると、第１のブレイトンサイクルによって生成された正味の機械エネルギーは、コンプレッサＣ１（１０）を介して第２のブレイトンサイクルを過給するために使用される。
【0063】
別の好ましい実施の形態によると、ＭＩＥＣ膜（６）は、大気から分離された純粋なＯ２を生成する。「純粋な」という用語（例えば、「純粋なＯ２」のようにガス流に適用される）は、本明細書においては厳密な限定的な意味で解釈されてはならない。例えば、この場合、生成されたＯ２の流れは１００％純粋ではない可能性があるが、むしろＣＯ２などの少量も含まれている可能性もある。しかし、この純粋なＯ２（又は実質的に純粋なＯ２）流はＮ２から分離されており、その結果、後続の酸素燃焼におけるＮＯｘの生成が防止され、更にはＮＯｘの大気への排出が防止される。
【0064】
別の好ましい実施の形態によると、ＭＩＥＣ膜（６）は、ＣＯ２で希釈されたＯ２を生成する。この場合、Ｏ２を希釈するＣＯ２は、大気から取得するか、第２のブレイトンサイクルで炭化水素と燃焼させることによって生成することができる。
【0065】
別の好ましい実施の形態によると、各圧縮ステップの後に常に冷却ステップが存在する。
【0066】
別の好ましい実施の形態によると、熱は、各冷却の前に再生を実行する第１及び第２のブレイトンサイクルを組み合わせることによって、すべての残留源から回収される。
【0067】
別の好ましい実施の形態によると、第２のブレイトンサイクルによって生成された機械エネルギーは、生成されたＣＯ２を液化するまで圧縮するために更に使用される。そのＣＯ２は、例えば、少なくとも７．５ＭＰａに圧縮することができる。更に、第２のブレイトンサイクルはオットーサイクルと入れ子になることができ、エンジンは少なくとも１つの追加のピストン（２２）並びにエンジンの導管に蓄積された過剰なＣＯ２を吸引及び圧縮するチェックバルブ（入口の第１のチェックバルブ（３３）及び下流の第２のチェックバルブ（１９））を備える。
【0068】
この最後の好ましい実施の形態の別の代替案によると、第２のブレイトンサイクルはディーゼルサイクルと入れ子になり、第２のシリンダ（１４）の排気行程は、ＣＯ２の排出と実質的に純粋なＯ２の吸入とを可能にする第１及び第２のチェックバルブ（３３、１９）の使用によってＣＯ２を圧縮するために使用される。この実質的に純粋なＯ２は、ＣＯ２選択的分離膜の同伴ガスとして使用される。
【0069】
別の好ましい実施の形態によると、エンジンは、後続の圧縮の前に、実質的に純粋なＯ２、又はＣＯ２で希釈されたＯ２をより強く冷却するための真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）を更に備える。
【0070】
別の好ましい実施の形態によると、エンジンは、生成された液化ＣＯ２を貯蔵するための第１のタンク（２０）を備える。第１のタンク（２０）に貯蔵されたＣＯ２は、第２のタンク（２７）からエンジンの第２のシリンダ（１４）に燃料を圧送するために使用でき、第１及び第２のタンク（２０、２７）の両方が１つで、且つフレキシブル膜で分離された同じタンク（今日の圧縮着火エンジンの最も普及しているタイプであるコモンレールタイプの噴射システムで使用されている低圧ポンプに代わるもの）及び／又は外部ＣＯ２ロジスティクスネットワークのポンプに移動することができる。
【0071】
別の好ましい実施の形態によると、ＭＩＥＣ膜（６）は、混合酸素イオン－電子キャリア伝導を有する結晶性セラミック材料をベースにしている。
【0072】
エンジンが火花点火（ＳＩ）エンジンである別の好ましい実施の形態によると、ターボアセンブリは、第１のシリンダ（４）を過給するために使用され、ＭＩＥＣ膜（６）のＯ２生成の調整は、エンジン給気を調整するために使用される。
【0073】
エンジンが圧縮着火（ＣＩ）エンジンである別の好ましい実施の形態によると、ターボアセンブリは、第１のシリンダ（４）を過給するために使用され、ＭＩＥＣ膜（６）のＯ２生成の調整は、エンジンのサイクルにおける作動流体（混合気）の有効圧縮比を調整するために使用される。
【0074】
別の態様では、本発明は、大気を酸化剤として吸引し、炭化水素を燃料として使用するタイプの内燃機関の作動方法を開示する。この方法は、以下を含む：
中間冷却を伴う空気圧縮と、窒素の一部を混合することによる再加熱を伴う窒素膨張と、を有する第１の再生ブレイトンサイクルは、吸引した気流がＮ２を含まないように、圧縮空気からＯ２を分離するステップを備え、分離から除外された、（Ｏ２が）枯渇した空気は排気ガス流に直接送られて、後続の燃焼への関与を防ぐ。
中間冷却を伴う空気圧縮と、窒素の一部を混合することによる再加熱を伴う窒素膨張と、を有する第１の再生ブレイトンサイクルは、吸引した気流がＮ２を含まないように、圧縮空気からＯ２を分離するステップを備え、分離から除外された、（Ｏ２が）枯渇した空気は排気ガス流に直接送られて、後続の燃焼への関与を防ぐ。
【0075】
中間冷却を伴う圧縮を有する第２のブレイトンサイクルは、第１のブレイトンサイクルとバイナリ方式で組み合わされ、酸素燃焼によって実行されるオットーサイクルとディーゼルサイクルとから選択されたサイクルと入れ子になる。
【0076】
ここで、第２のブレイトンサイクルは、機械エネルギー及び熱エネルギーを排気ガスから第１のブレイトンサイクルに伝達する。
【0077】
ここで、第１のブレイトンサイクルは、分離から第２のブレイトンサイクルまでの圧縮されたＯ２を供給する。
【0078】
これにより、大気中へのＮＯｘの排出は、Ｎ２の分離によって防止される。
【0079】
この方法の好ましい実施の形態によると、第１のブレイトンサイクルによって生成された正味の機械エネルギーは、第２のブレイトンサイクルを過給するために使用される。
【0080】
この方法の好ましい実施の形態によると、第１のブレイトンサイクルは、大気から分離された純粋なＯ２を生成する。或いは、第１のブレイトンサイクルではＣＯ２で希釈されたＯ２が生成される。この場合、Ｏ２が希釈されるＣＯ２は、大気から取得することも、第２のブレイトンサイクルで炭化水素と燃焼させることによって生成することもできる。
【0081】
この方法の好ましい実施の形態によると、各圧縮ステップの後に常に冷却ステップが存在する。
【0082】
この方法の好ましい実施の形態によると、熱は、各冷却の前に再生を実行する第１及び第２のブレイトンサイクルを組み合わせることによって、すべての残留源から回収される。
【0083】
この方法の好ましい実施の形態によると、第２のブレイトンサイクルによって生成された機械エネルギーは、生成されたＣＯ２を液化するまで圧縮するために更に使用される。例えば、ＣＯ２は少なくとも７．５ＭＰａに圧縮することができる。更に、第２のブレイトンサイクルはオットーサイクルと入れ子になることができ、この方法は、エンジンの導管に蓄積された過剰なＣＯ２を吸引及び圧縮するステップを備える。
【0084】
別の代替案によると、第２のブレイトンサイクルはディーゼルサイクルと入れ子になり、この方法は、ＣＯ２を圧縮するステップを備え、ＣＯ２の排出及び実質的に純粋なＯ２の吸入を可能にし、後者はＣＯ２選択的分離膜の同伴ガスとして使用される。
【0085】
好ましい実施の形態によると、この方法は、後続の圧縮の前に、実質的に純粋なＯ２、又はＣＯ２で希釈されたＯ２をより強く冷却するための真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）を更に備える。
【0086】
好ましい実施の形態によると、この方法は、生成された液化ＣＯ２を貯蔵するステップを備える。液化ＣＯ２は、燃料をエンジンのシリンダに圧送するために使用することができ、及び／又は外部ＣＯ２ロジスティクスネットワークのポンプに移動することができる。
【0087】
本発明によって開示される教示を更に説明し、限定しないために、添付図を参照して、本発明の好ましい実施の形態の詳細な説明を以下に提供する。
【0088】
実施の形態１：ガス排出を汚染せず、ＣＯ
２
の回収を伴わない、予混合気を有する火花点火（ＳＩ）エンジン
実施の形態１は、ＣＯ２を回収しない（均質な）予混合気を有する火花点火（ＳＩ）エンジンについて示す。実施の形態１は、正味の機械動力を生成するための、亜音速で、混合気の自己着火を伴わないデフラグレーション燃焼（爆燃）のプロセスに基づく。
実施の形態１は、ＣＯ２を回収しない（均質な）予混合気を有する火花点火（ＳＩ）エンジンについて示す。実施の形態１は、正味の機械動力を生成するための、亜音速で、混合気の自己着火を伴わないデフラグレーション燃焼（爆燃）のプロセスに基づく。
【0089】
エンジンの給気の程度（最大トルクのパーセンテージ）は、ＭＩＥＣ膜（６）のＯ２生成速度によって制御される。これにより、空気流を絞るためにバタフライバルブを絞る必要がなくなるため、ポンピング損失が減少する。
【0090】
燃焼温度は、酸化剤（Ｏ２）と燃料（ＨｘＣｙＯｚ）との混合気を実際の燃焼と予冷からのＣＯ２とＨ２Ｏとで希釈することによって制御される。これにより、このタスクのために（調整して）燃料を使用することはない（今日のＳＩエンジンでは標準的な方法である）。
【0091】
実施の形態１は、エンジンによって排出されたＣＯ２を回収することを提案していない。ただし、現在のＳＩエンジンに比べてエネルギー効率が向上し、発生源（燃焼室）及びＭＩＥＣ膜（６）での汚染ガス（ＣＯ、ＴＨＣ、ＰＭ、及びＮＯｘ）の排出が除去され、排気ガスを浄化するための後処理の必要性を最小限に抑える。これは、エンジンの製造コストを大幅に節約することを意味する。現在、ガスの浄化のための後処理は、パワーアセンブリの総コストの３０％程度と推定されている。更に、酸素燃焼により、確実に、コールドスタートプロセス中の汚染ガスの排出が最小限に抑えられる。これは、排気ガスの浄化に必要な大規模な後処理システムを加熱（アクティブ化）するために必要な時間を考えると、今日のエンジンでは実現しない。
【0092】
実施の形態１を、図１に示す。実施の形態１では、大気は、コンプレッサ（Ｃ２）（２）によって吸引され、フィルタ（１）を通ってエンジンに入る。コンプレッサＣ２（２）はターボアセンブリの一部であり、可変ジオメトリータービン（ＶＧＴ２）（８）に機械的に結合されている。コンプレッサＣ２（２）は、タービンＶＧＴ２（８）によってＭＩＥＣ膜（６）で除外されたＮ２、ＣＯ２、及びＨ２Ｏから回収されたエネルギーを使用して空気を移動し、ＣＯ２及びＨ２Ｏはエンジンの第２のシリンダ（１４）に再循環されない。これ（ＣＯ２及びＨ２Ｏ）は、触媒ＭＩＥＣ膜（１５）から出る導管を通って循環し、ＭＩＥＣ膜（６）の除外気体がくる導管と合流する。定格条件下では、コンプレッサＣ２（２）の出口の空気の圧力及び温度は、約０．４ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）である。空気は、エンジンの第１の給気のウォータークーラ（ＷＣＡＣ）（３）を通過する。第１のＷＣＡＣクーラ（３）の出口では、温度が約３２３Ｋ（４９．８５度）に低下する。これにより、エンジンの第１のシリンダ（４）での後続の圧縮がより等温になる。
【0093】
その後、空気はエンジンの第１のシリンダ（４）の半分によって吸引される。実施の形態１は、４シリンダ、４ストロークエンジンを示すので、空気を吸引する２つのシリンダがある。第１のシリンダ（４）は、空気を約０．９ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）に圧縮するポンプのように機能する。第１のシリンダ（４）は、好ましくは、エンジンの残りのシリンダと同一であり、クランクシャフト（２５）、カムシャフト、及びバルブタイミングギアを共有し、燃料がそのシリンダの中に噴射されないという独特の特異性を有する。４ストロークエンジンであるため、空気は第１のシリンダ（４）内で４ストロークの間留まり、エンジン冷却水（約３６３Ｋ（８９．８５度））で圧縮及び冷却される。これは、圧縮をより等温にすることに貢献する。この第１のシリンダ（４）は、ターボ機械アセンブリがサイクルエアフローとタービンとを始動するための始動システムとして機能する。そのために、そのシリンダは、レシプロエンジンで使用されるタイプの従来の始動モータによってシステムが始動するまで動く。
【0094】
第１のシリンダ（４）の出口で、空気は第１の再生熱交換器（２３）で加熱され、圧力が約０．８７ＭＰａに下がり、温度が約５７３Ｋ（２９９．８５度）に上がる。そのために、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＮ２の流れからの熱エネルギーを使用する。このＮ２、ＣＯ２、及びＨ２Ｏの流れは、タービンＶＧＴ２（８）の下流にある導管（３０）から排出される。このＮ２、ＣＯ２、及びＨ２Ｏの流れは、エンジンによって移動されるガスの総流量の約１００％に相当し、約８００Ｋ（５２６．８５度）の温度と０．１ＭＰａの圧力（の状態）である第１の再生熱交換器（２３）の出口で、空気は第２の再生熱交換器（５）で加熱され、圧力が約０．８５ＭＰａに下がり、温度が約６７３Ｋ（３９９．８５度）に上がる。そのために、ＭＩＥＣ膜（６）によって生成されたＯ２と、ＭＩＥＣ膜（６）で交換されたＯ２とを同伴し、同伴チャンバー内のＯ２の分圧を下げるために使用される排気ガスからの熱エネルギーを使用する。
【0095】
第２の再生熱交換器（５）の出口で、空気は触媒ＭＩＥＣ膜（１５）（この膜には、環境からのＯ２による、ＣＯとＨＣの、ＣＯ２とＨ２Ｏへの完全な酸化を促進する触媒がある）で再び加熱され、圧力が約０．８ＭＰａに下がり、温度が約７２３Ｋ（４４９．８５度）に上がる。そのために、第２のシリンダ（１４）の燃焼からの排気ガスからの熱エネルギーを使用する。触媒ＭＩＥＣ膜（１５）では、排気ガスが熱を空気に伝達し（再生熱交換器のように機能）、ガスフロー全体がＣＯ２とＨ２Ｏのみで構成されるまでＣＯとＨＣの両方が酸化する。このエンジンのガスを浄化するための後処理の必要性が２０％減少する。これは、この排気ガスの流れが、エンジンによって移動される排気ガスの総流量の約２０％に相当するためである。触媒ＭＩＥＣ膜（１５）の後、０．８ ＭＰａの圧力の空気がＭＩＥＣ膜（６）に入り、そこでＭＩＥＣ膜（６）の作動温度（約１１７３ Ｋ（８９９．８５度））に達するが、その温度は、第２のシリンダ（１４）の酸素燃焼プロセスから発生し、ＭＩＥＣ膜（６）で交換されたＯ２をスイープするために使用される排気ガスとの熱交換の結果である。第２のシリンダ（１４）の酸素燃焼プロセスから生じるこの排気ガスの流れは、排気ガスの流量の約８０％に相当する。
【0096】
ＭＩＥＣ膜（６）からの除外気体は、基本的に０．８ＭＰａ及び１１７３Ｋ（８９９．８５度）でのＮ２である：これは、システムによって移動されるガスの質量の約８０％に相当し、タービンＶＧＴ１（７１）又はコントロールバルブ（７２）を通過する。タービンＶＧＴ１（７１）及びコントロールバルブ（７２）は、タービンＶＧＴ１（７１）が機械的に連結されているコンプレッサＣ１（１０）と共にターボアセンブリの一部である。タービンＶＧＴ１（７１）は、ＭＩＥＣ膜（６）から除外されたＮ２の流れからのエネルギーを利用し、そのエネルギーを回収してコンプレッサＣ１（１０）を動かす。コントロールバルブ（７２）は、コンプレッサＣ１（１０）へのエネルギーの流れを調整する。コンプレッサＣ１（１０）は、ＭＩＥＣ膜（６）からの同伴ガスの出口から来るＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気を移動する。コンプレッサＣ１（１０）は、エンジンからのガス流量の約９５％を移動する。結果として、コントロールバルブ（７２）は、Ｏ２を希釈するために使用されるＣＯ２及びＨ２Ｏの流れを調整し、したがって、燃焼温度及び排気ガス燃焼温度を調整する。結論として、第２のシリンダ（１４）の出口でのエンジンの排気ガスの温度は、コントロールバルブ（７２）によって調整され、定格条件下で約１２７３Ｋ（９９９．８５度）の値に調整される。
【0097】
コントロールバルブ（７２）は通常、コンプレッサＣ１（１０）の圧力を調整するために部分的に開いて作動する。ＭＩＥＣ膜（６）で除外されたＮ２の一部は、タービンＶＧＴ１（７１）を循環し、膨張して冷却される。除外されたＮ２の他の部分は、冷却されることなく、実際のコントロールバルブ（７２）を通って循環する。Ｎ２のこの他の部分は、タービンＶＧＴ１（７１）の下流で、冷たい膨張したＮ２と混合し、再加熱し、よって温度を上昇させる。
【0098】
コントロールバルブ（７２）及び／又はタービン（７１）を通過した後、ＭＩＥＣ膜（６）から除外されたＮ２（空気流の約８０％）は、第２のチェックバルブ（１９）からのＣＯ２及びＨ２Ｏと混合され、及び両方の流れは、コンプレッサＣ２（２）を動かすために使用される可変ジオメトリータービンＶＧＴ２（８）で利用される。タービンＶＧＴ２（８）に対するおよその定格入口条件は、０．３ＭＰａ及び８７３Ｋ（５９９．８５度）である。タービンＶＧＴ２（８）の可変形状は、燃焼エンジンの給気の程度を調整するために使用される。タービンＶＧＴ２（８）が閉じると、ＭＩＥＣ膜（６）を通る空気流とＭＩＥＣ膜（６）の作動圧力とが増加する。したがって、１時間あたりのＯ２の生成量と、理論混合比の条件下で噴射できる燃料の量が増加する。タービンＶＧＴ２（８）が開くと、逆のことが起こる。タービンＶＧＴ２（８）の最小サイズ（最小開口部）は、レシプロエンジンのシリンダ容量に応じて選択され、エンジンの各回転速度でシステムの最大出力を設定する。タービンＶＧＴ２（８）の最大開口部は、各回転速度でのレシプロエンジンの最小給気（アイドル）を決定する。タービンＶＧＴ２（８）は、ウェイストゲート（又はＷＧ）バルブを構成することもできる。タービンＶＧＴ２（８）又はそのウェイストゲートバルブが最大に開かれると、コンプレッサＣ２（２）のエネルギーがゼロに減少し、それによってＭＩＥＣ膜の作動圧力と移動された空気の流量の両方が減少する。
【0099】
エンジン給気を更にゼロに下げるまで減少させるには、タービンＶＧＴ１（７１）を避けてコントロールバルブ（７２）を開くことで、コンプレッサＣ１（１０）のエネルギーがゼロに減少する。この場合、ＭＩＥＣ膜（６）への、（ＣＯ２を見られる）排気ガスの流れが抑制される。これは、ＭＩＥＣ膜（６）の両側のＯ２の分圧に等しくなり、Ｏ２生成の流れを抑制し、この実施の形態１のエンジン給気をアイドル状態のままにする（ことである）。
【0100】
タービンＶＧＴ２（８）の出口で、約０．１ＭＰａの圧力と約８００Ｋ（５２６．８５度）の温度のＮ２、ＣＯ２、及びＨ２Ｏの混合気が第１の再生熱交換器（２３）を通過して、この（健康に有害なガスを含まない）ガス状の混合気を大気中に排出する前に、その熱を空気に伝達する。
【0101】
ＭＩＥＣ膜（６）によって交換されたＯ２と、Ｏ２をスイープしてその分圧を下げるために使用されるＣＯ２とＨ２Ｏとの混合気は、ＭＩＥＣ膜（６）の対応する端から、コンプレッサＣ１（１０）によって吸引され、第２の燃焼シリンダ（１４）へ出る。この混合気は、それぞれ約０．３ＭＰａ及び1１７３Ｋ（８９９．８５度）の定格圧力及び温度で排出され、エンジンによって移動される空気の流量の約１０５％に相当する。ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気の熱は、最初に第２の再生熱交換器（５）で回収され、第１の再生熱交換器（２３）の出口で空気を加熱する。第２の再生熱交換器（５）の出口には、約０．２５ＭＰａ及び６７３Ｋ（３９９．８５度）の定格条件がある。この流れは、別のターボアセンブリに機械的に結合されたコンプレッサ（Ｃ３）（１２）を動かすために使用される第２の再生熱交換器（５）の出口にある可変ジオメトリータービン（ＶＧＴ３）（１６）で利用される。コンプレッサＣ３（１２）は、タービンＶＧＴ３（１６）によって回収されたエネルギーを用いて、使用中のターボ過給機などの第２のシリンダ（１４）を過給するために使用される。タービンＶＧＴ３（１６）は、コンプレッサＣ３（１２）の出口の圧力を、エンジンのどの作動条件下でも定格値０．６ＭＰａで一定に保つために閉じられる。タービンＶＧＴ３（１６）の出口では、流れの定格条件は約０．１ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）である。第２のシリンダ（１４）に（送り）続けられる酸化混合気は、第２のＷＣＡＣクーラ（９）で３２３Ｋ（４９．８５度）に冷却される。次に、コンプレッサＣ１（１０）で０．３ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）に圧縮されるが、すでに説明したように。このコンプレッサＣ１（１０）の条件は、排気ガスの温度を約１２７３Ｋ（９９９．８５度）に保つためにコントロールバルブ（７２）によって課される条件である。コンプレッサＣ１（１０）の後、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気は第３のＷＣＡＣクーラ（１１）で再び３２３Ｋ（４９．８５度）に冷却され、コンプレッサＣ３（１２）で０．６ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）に圧縮される。そのために、すでに説明したように、コンプレッサＣ３（１２）の出口の圧力を０．６ＭＰａと等しくなるように調整するタービンＶＧＴ３（１６）のエネルギーが使用される。最後に、混合気は、第２のシリンダ（１４）によって吸引される前に、第４のＷＣＡＣクーラ（１３）で３２３Ｋ（４９．８５度）に再び冷却される。この実施の形態で２が存在するのは、本実施の形態の説明の冒頭で確立されたように、例として使用された４シリンダ、４ストロークエンジンの半分であるためである。
【0102】
第２のシリンダ（１４）では、炭化水素ＨｘＣｙＯｚが燃料ポンプ（２６）を使用して、Ｏ２と理論混合比に釣り合うようにＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気に噴射される。その第２のシリンダ（１４）では、火花点火予混合燃焼サイクル、及びオットーサイクルと同様のサイクルが実行される。第２のシリンダ（１４）は、同じクランクシャフト（２５）に結合されているため、ＭＩＥＣ膜（６）に空気を移動する第１のシリンダ（４）を動かすエネルギーを生成する。第２のシリンダ（１４）は、エンジンが結合されている車両、又は発電機、又はシャフトを介した機械エネルギーの入力を必要とする任意の用途を動かすために使用される余剰の正味の機械エネルギーを生成する。これらの第２のシリンダ（１４）は、ターボ機械アセンブリが空気流、Ｏ２の流れ、及びサイクルのターボ機械を始動するための始動システムとしても機能する。そのために、第２のシリンダは、レシプロエンジンで使用されるタイプの従来の始動モータによってシステムが始動するまで動く。したがって、第1のシリンダ（４）と第２のシリンダ（１４）との両方が始動システムとして機能し、レシプロエンジンで使用される従来の始動モータによってシステムが始動するまで動く。
【0103】
第１のＷＣＡＣクーラ（３）、第２のＷＣＡＣクーラ（９）、第３のＷＣＡＣクーラ（１１）、及び第４のＷＣＡＣクーラ（１３）の水への熱の伝達に加えて、分岐（２９）と第２のチェックバルブ（１９）とを介した、余剰排気ガス（すなわち、非再循環排気ガス）の大気への排出とともに（第１の再生熱交換器（２３）、第２の再生熱交換器（５）、及び触媒ＭＩＥＣ（１５）で生成される）再生で伝達される熱は、提案された熱力学サイクルが熱力学の第二法則に準拠し、したがって実行可能であるために必要な低温源への熱の完全な伝達を表す。次に、第１のＷＣＡＣクーラ（３）、第２のＷＣＡＣクーラ（９）、第３のＷＣＡＣクーラ（１１）、第４のＷＣＡＣクーラ（１３）、及び（第１の再生熱交換器（２３）、第２の再生熱交換器（５）、及び触媒ＭＩＥＣ（１５）で生成される）再生での熱の伝達は、一方では、作動流体の全体的な圧縮プロセスをより等温にするために、他方では、空気から分離するために排気ガスからエネルギーを回収するために、熱力学サイクルのエクセルギーの破壊を最小限に抑えることに貢献する。等温圧縮の近似とシステムのガスから熱を抽出するための再生熱交換器の使用は、ＭＩＥＣ膜（６）で空気から分離されたＮ２サイクルを、エリクソンサイクルとして知られるカルノーサイクルに等しい成果を伴うサイクルに近似する。ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋Ｏ２の混合気のサイクルは、中間の圧縮と膨張とを伴う閉じたブレイトンサイクルに同質化できるが、第２のシリンダ（１４）ではオットーサイクルと入れ子になる。そのことは、これまで文献に記載されていなかった。本質的に、オットーサイクルと（Ｎ２サイクルに熱を送ることにより、エリクソンサイクルなどの最大効率の理想的なサイクルを近似するための熱力学的原理に準拠する）Ｎ２サイクルに関連するバイナリとで入れ子になる準クローズドブレイトンサイクルは、バイナリサイクルの新しい実施の形態であり、最大効率の他の理想的なサイクルであるカルノーサイクルの原則に準拠している。
【0104】
最後に、炭化水素（燃料）が酸化性混合気（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｏ２）と燃焼した結果、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及び程度は少ないが未燃のＴＨＣとＣＯとの混合気が第２のシリンダ（１４）の出口で生成される。
【0105】
排気ガスの非再循環部分のガスは、分岐（２９）を通って迂回し、タービンＶＧＴ２（８）の入口で排出される。この余剰分はＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、及び未燃の全炭化水素（ＴＨＣ）の混合気である排気ガスの約２０％に相当する。分岐（２９）の下流と第２のチェックバルブ（１９）の上流とは、触媒ＭＩＥＣ膜（１５）で、排気ガスは約１２７３Ｋ（９９９．８５度）の温度で流入し、エンジンによって移動される空気流の１００％まで熱を伝達する。これにより、その温度は約６２３ Ｋ（３４９．８５度）まで大幅に低下する。同時に、触媒ＭＩＥＣ膜（１５）で生成される化学反応により、ＣＯとＴＨＣは、燃焼から残ったＯ２で酸化されてＣＯ２とＨ２Ｏの蒸気を形成する。この場合も、酸素燃焼により第２のシリンダ（１４）でのＮＯｘの生成が防止されるため、触媒膜（１５）で形成されるＨ２ＯとＣＯ２の混合気には、有害ガスが含まれていない（ＣＯなし、ＴＨＣなし、ＮＯｘなし）。したがって、混合気は健康に有害なガスなしで排出される。
【0106】
触媒ＭＩＥＣ膜（１５）の下流では、ＣＯ２とＨ２Ｏとの混合気がタービンＶＧＴ２（８）の入口にある第２のチェックバルブ（１９）から排出される。第２のチェックバルブ（１９）は、約０．１１ＭＰａの圧力で設定され、過渡プロセス中に空気又はＮ２が酸化性ガスの混合気に入ることができるのを防ぐことに役立つ。したがって、第２のチェックバルブ（１９）の上流には、閉じられて大気から分離された容積が形成される。この容積は、エンジンが停止した後にＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋Ｏ２の酸化混合気を蓄積するためのシステムとして機能するＮ２を含まない導管の回路によって形成される。この蓄積された混合気は、ＭＩＥＣ膜（６）によって生成された余剰のＯ２がすでに存在するため、エンジンの遅い始動を可能とする。これは、第２のシリンダ（１４）で燃焼を開始するために使用できる。最後に、Ｎ２、ＣＯ２、及びＨ２Ｏの混合気は、すでに説明したように、導管（３０）を介して大気中に排出され、前もって第１の再生熱交換器（２３）を通過してその熱を抽出する。
【0107】
残りの非余剰排気ガス（すなわち、再循環排気ガス）は、その流量の約８０％を占める。この余剰でない混合気は、ＭＩＥＣ膜（６）を通過するために、コンプレッサＣ１（１０）、コンプレッサＣ３（１２）、及び実際の第２のシリンダ（１４）によって吸引される。ＭＩＥＣ膜（６）では、再循環された排気ガスが、一方では、ＭＩＥＣ膜（６）の生産性を向上させるために、膜を通過するＯ２をスイープしてその分圧を下げるという間接的な機能を実行して、他方では、酸化性混合気中のＯ２の割合を減らす直接的な機能を実行する。これにより、第２のシリンダ（１４）の出口で約１２７３Ｋ（９９９．８５度）の燃焼ガスの温度が制御される。これにより、サイクルはＭＩＥＣ膜（６）の出口で閉じられ、混合気は第２の再生熱交換器（５）の入口に戻り、その熱を空気に伝達する。
【0108】
説明したプロセスでは、エンジンは効率的な方法で作動し、空燃比を常に理論混合比に近づけ、流量を制限せずに給気を調整するが、コンプレッサＣ２（２）及び膜の生産性によって移動される空気をむしろ調整する。Ｏ２の生産性は、第１のシリンダ（４）が第２のシリンダ（１４）と同じシャフト上で機械的に結合されているため、エンジンの加速に瞬時に反応する。したがって、エンジンの動的応答は、ターボ過給エンジンに典型的なターボチャージャの遅れを経験しない。最後に、エンジンは、第２のチェックバルブ（１９）からのＣＯ２とＨ２Ｏとの混合気、及びタービンＶＧＴ２（８）の出口からのＮ２、Ｈ２Ｏ、及び大気中のＣＯ２の混合気のみを大気中に排出する。すなわち、人や動物の呼吸過程に有害な健康に有害なガスを排出しない。
【0109】
実施の形態２：ガス排出を汚染することなく、生成されたＣＯ
２
を回収し、大気中のＣＯ
２
を除去する、予混合気を有する火花点火（ＳＩ）エンジン
実施の形態２は、大気及び生成されたＣＯ２を回収する（均質な）予混合気を有する火花点火（ＳＩ）エンジンについて示す。したがって、大気からＣＯ２を除去するエンジンのカテゴリーに含まれる（排出率＜０）。実施の形態２は、正味の機械的動力を生成するための、亜音速で、混合気の自己着火を伴わないデフラグレーション燃焼のプロセスに基づく。
実施の形態２は、大気及び生成されたＣＯ２を回収する（均質な）予混合気を有する火花点火（ＳＩ）エンジンについて示す。したがって、大気からＣＯ２を除去するエンジンのカテゴリーに含まれる（排出率＜０）。実施の形態２は、正味の機械的動力を生成するための、亜音速で、混合気の自己着火を伴わないデフラグレーション燃焼のプロセスに基づく。
【0110】
エンジンの給気の程度（最大トルクのパーセンテージ）は、ＭＩＥＣ膜（６）のＯ２生成速度によって制御される。これにより、空気流を絞るためにバタフライバルブを絞る必要がなくなるため、ポンピング損失が減少する。
【0111】
燃焼温度は、酸化剤（Ｏ２）と燃料（ＨｘＣｙＯｚ）との混合気を実際の燃焼と予冷からのＣＯ２とＨ２Ｏとで希釈することによって制御される。これにより、このタスクに（調整して）燃料を使用することはない（今日のＳＩエンジンでは、高い回転速度と最大出力での標準的な方法である）。
【0112】
実施の形態２は、エンジンによって排出されたＣＯ２を回収し、大気中のＣＯ２の含有量を可能な限り効率的に減少させることを提案する。更に、発生源（燃焼室）又はＭＩＥＣ膜で汚染ガス（ＣＯ、ＴＨＣ、ＰＭ、及びＮＯｘ）の排出を除去し、排気ガスを浄化するための後処理の必要性を最小限に抑える。これは、エンジンの製造コストを大幅に節約できることを意味する。現在、ガスの浄化のための後処理は、パワーアセンブリの総コストの３０％程度と推定されている。更に、酸素燃焼により、コールドスタートプロセス中にも汚染ガスが排出されないことが保証される。これは、排気ガスを浄化するための後処理システムを加熱（アクティブ化）するのに必要な時間を考えると、今日のエンジンでは実現しない。
【0113】
実施の形態２は、空気流からＣＯ２を抽出するために使用される技術に応じて、図２ａ及び２ｂに示す。実施の形態２では、大気は、コンプレッサ（Ｃ２）（２）によって吸引され、フィルタ（１）を通ってエンジンに入る。コンプレッサＣ２（２）はターボアセンブリの一部であり、可変ジオメトリータービン（ＶＧＴ２）（８）に機械的に結合される。コンプレッサＣ２（２）は、タービンＶＧＴ２（８）によって回収されたエネルギーを使用して、図２ａの場合はＭＩＥＣ膜（６）で除外されたＮ２＋Ｈ２Ｏから、又は図２ｂの場合はＣＯ２膜（２８）で除外されたＮ２＋Ｈ２Ｏから空気を移動する。定格条件下では、コンプレッサＣ２（２）の出口の空気の圧力及び温度は、約０．４ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）である。空気は、エンジンの第１の給気ウォータークーラ（ＷＣＡＣ）（３）を通過する。第１のＷＣＡＣクーラ（３）の出口では、温度が約３２３Ｋ（４９．８５度）に低下する。これにより、エンジンの第１のシリンダ（４）での後続の圧縮がより等温になる。
【0114】
図２ａの実施の形態では、空気は、第１のＷＣＡＣクーラ（３）の出口での作動温度で約２０００の全体的なＣＯ２／Ｎ２の選択性を有するＣＯ２ポリマー膜（２８）内でＣＯ２が浄化される。これは、膜を通過するＣＯ２がセパレータ（１７）からの水蒸気によって同伴され、ＣＯ２膜（２８）を透過した大気ＣＯ２の分圧を下げるという事実の結果として図２ａで達成される。図２ａでは、大気中のＣＯ２とＣＯ２膜（２８）をスイープするために使用される水とが、真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）（２１）を実行するための手段でＯ２と燃焼生成物との流れとともにプールされる。すなわち、これは、ＶＢＣサイクルの内部の詳細を示し、以下で説明される図５ａに示されるように、第５のＷＣＡＣクーラ（３１）の出口で生成される。
【0115】
図２ｂに示す別の好ましい実施の形態では、空気は、第１のＷＣＡＣクーラ（３）の出口でいかなるＣＯ２膜にも遭遇せず、したがって、空気中のＣＯ２の含有量は変化しない。実施の形態２のこの他のバージョンの場合、このＣＯ２は下流で収集される。
【0116】
その後、空気はエンジンの第１のシリンダ（４）によって吸引される。実施の形態２では、５シリンダ、４ストロークエンジンが描かれており、空気を吸引する２つのシリンダが存在する。第１のシリンダ（４）は、空気を約０．９ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）に圧縮するポンプのように機能する。第１のシリンダ（４）は、好ましくは、エンジンの残りのシリンダと同一であり、クランクシャフト（２５）、カムシャフト、及びバルブタイミングギアを共有し、燃料がそのシリンダの中に噴射されないという独特の特異性を有する。４ストロークエンジンであるため、空気は第１のシリンダ（４）内で４ストロークの間留まり、エンジン冷却水（約３６３Ｋ（８９．８５度））で圧縮及び冷却される。これは、圧縮をより等温にすることに貢献する。これらの第１のシリンダ（４）は、ターボ機械アセンブリがサイクルエアフローとタービンとを始動するための始動システムとして機能する。そのために、第１のシリンダは、レシプロエンジンで使用されるタイプの従来の始動モータによってシステムが始動するまで動く。
【0117】
第１のシリンダ（４）の出口で、空気は第１の再生熱交換器（２３）で加熱され、圧力が約０．８７ＭＰａに下がり、温度が約５７３Ｋ（２９９．８５度）に上がる。 そのために追加のピストン（２２）の出口でのＣＯ２とＨ２Ｏとの流れからの熱エネルギーを使用する。 第１の再生熱交換器（２３）の出口で、空気は第３の再生熱交換器（２４）で加熱され、圧力が約０．８５ＭＰａに下がり、温度が約６７３Ｋ（３９９．８５度）に上がる。そのために、約８００Ｋ（５２６．８５度）の温度とタービンＶＧＴ２（８）の出口からの０．１ＭＰａの圧力でのＮ２の流れからの熱エネルギーを使用する。
【0118】
第３の再生熱交換器（２４）の出口で、空気は触媒ＭＩＥＣ膜（１５）で再び加熱され、圧力が約０．８ＭＰａに下がり、温度が約７２３ Ｋ（４４９．８５度）に上がる。そのために、第２のシリンダ（１４）の燃焼からの排気ガスからの熱エネルギーを使用する。触媒ＭＩＥＣ膜（１５）では、排気ガスが熱を空気に伝達し（再生熱交換器のように機能し）、ガスフロー全体がＣＯ２とＨ２Ｏのみで構成されるまでＣＯとＨＣとの両方が酸化する。これにより、このエンジンのガスを浄化するための後処理の必要性が２０％減少する。これは、この排気ガスの流れが、エンジンによって移動される排気ガスの総流量の約２０％に相当するためである。触媒ＭＩＥＣ膜（１５）の後、空気は第２の再生熱交換器（５）で再び加熱され、圧力は約０．８ＭＰａに下がり、温度は約８７３Ｋ（５９９．８５度）に上がる。そのために、ＭＩＥＣ膜（６）によって空気から得られたＯ２と、ＭＩＥＣ膜（６）を通過するＯ２とを同伴し、同伴チャンバー内のＯ２の分圧を下げるために使用されるＣＯ２からの熱エネルギーを使用する。
【0119】
第２の再生熱交換器（５）の後、０．８ＭＰａ及び８７３Ｋ（５９９．８５度）の空気は、Ｏ２ＭＩＥＣ膜（６）に噴射され、そこで酸素燃焼プロセスから発生しＯ２側をスイープするために使用されるＣＯ２及びＨ２Ｏとの熱交換の結果として、ＭＩＥＣ膜（６）の作動温度（約１１７３Ｋ（８９９．８５度））に到達する。
【0120】
図２ｂの実施の形態の場合、Ｏ２ＭＩＥＣ膜（６）で除外された、Ｏ２が枯渇した空気は、約１１７３Ｋ（８９９．８５度）及び０．８ＭＰａで（作動温度で約２５００の全体的なＣＯ２／Ｎ２の選択性を持つ溶融炭酸塩をベースとした）ＣＯ２膜（２８）に入る。ここで、大気中のＣＯ２はＮ２＋Ｈ２Ｏの流れから分離される。これは、ＣＯ２がセパレータ（１７）からの水蒸気によってスイープされ、膜を透過した大気中のＣＯ２の分圧を下げるという事実の結果として達成される。図２ｂでは、透過した大気中のＣＯ２は、ＭＩＥＣ膜（６）によって生成されたＯ２と、第２のシリンダ（１４）の燃焼から生成されたＣＯ２とＨ２Ｏとの混合気とプールされ、ＭＩＥＣ膜（６）をスイープし、Ｏ２の分圧を下げるために使用される。
【0121】
図２ａに示す好ましい実施の形態の他のバージョンでは、Ｏ２ＭＩＥＣ膜（６）からの除外気体は、下流のいかなるＣＯ２膜にも遭遇しない。というのは、上述したように、空気はすでにＣＯ２膜（２８）内でＣＯ２を浄化しているからである。
【0122】
図２ａの実施の形態の場合のＯ２ＭＩＥＣ膜（６）からの除外気体、及び図２ｂの実施の形態のＣＯ２膜（２８）からの除外気体は、両方とも実質的に大気中のＣＯ２を含まず、０．７５ＭＰａ及び１１７３Ｋ（８９９．８５度）の大気中のＮ２＋Ｈ２Ｏである。その除外気体のそれぞれは、システムによって移動され、タービンＶＧＴ１（７１）及び／又はコントロールバルブ（７２）を通過する空気の質量の約８０％を表す。
【0123】
タービンＶＧＴ１（７１）及びコントロールバルブ（７２）は、タービンＶＧＴ１（７１）が機械的に連結されているコンプレッサＣ１（１０）と共にターボアセンブリの一部である。タービンＶＧＴ１（７１）は、ＭＩＥＣ膜（６）から除外されたＮ２の流れからのエネルギーを利用し、そのエネルギーを回収してコンプレッサＣ１（１０）を動かす。コントロールバルブ（７２）は、コンプレッサＣ１（１０）へのエネルギーの流れを調整する。コンプレッサＣ１（１０）は、ＭＩＥＣ膜（６）のスイープするＣＯ２を移動するため、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気を移動する。コンプレッサＣ１（１０）は、エンジンのガス流量の約９５％を移動する。結果として、コントロールバルブ（７２）は、Ｏ２を希釈するために使用されるＣＯ２及びＨ２Ｏの流れを調整し、したがって、燃焼温度及び排気ガス燃焼温度を調整する。結論として、第２のシリンダ（１４）の出口でのエンジンの排気ガスの温度は、コントロールバルブ（７２）によって調整され、定格条件下で約１２７３Ｋ（９９９．８５度）の値に調整される。
【0124】
コントロールバルブ（７２）は通常、コンプレッサＣ１（１０）の圧力を調整するために部分的に開いて作動する。ＭＩＥＣ膜（６）で除外されたＮ２の一部は、タービンＶＧＴ１（７１）を循環し、膨張して冷却される。除外されたＮ２の他の部分は、冷却されることなく、実際のコントロールバルブ（７２）を通って循環する。Ｎ２のこの他の部分は、タービンＶＧＴ１（７１）の下流で、冷たい膨張したＮ２と混合し、再加熱し、よって温度を上昇させる。
【0125】
コントロールバルブ（７２）及び／又はタービン（７１）を通過した後、ＭＩＥＣ膜（空気流の８０％）からのＮ２＋Ｈ２Ｏの除外気体は、可変ジオメトリータービンＶＧＴ２（８）で利用され、そのタービンを使用してコンプレッサＣ２（２）を動かす。タービンＶＧＴ２（８）に対するおよその定格入口条件は、０．３ＭＰａ及び８２３Ｋ（５４９．８５度）である。タービンＶＧＴ２（８）の可変形状は、燃焼エンジンの給気の程度を調整するために使用される。タービンＶＧＴ２（８）が閉じると、ＭＩＥＣ膜（６）を通る空気流とＭＩＥＣ膜（６）の作動圧力が増加する。したがって、１時間あたりのＯ２の生成量と、理論混合比の条件下で噴射できる燃料の量が増加する。タービンＶＧＴ２（８）が開くと、逆のことが起こる。タービンＶＧＴ２（８）の最小サイズ（最小開口部）は、レシプロエンジンのシリンダ容量に応じて選択され、エンジンの各回転速度でのシステムの最大出力を設定する。タービンＶＧＴ２（８）の最大開口部は、各回転速度でのレシプロエンジンの最小給気（アイドル）を決定する。タービンＶＧＴ２（８）は、ウェイストゲート（又はＷＧ）バルブを構成することもできる。タービンＶＧＴ２（８）又はそのウェイストゲートバルブが最大に開かれると、コンプレッサＣ２（２）のエネルギーがゼロに減少し、それによってＭＩＥＣ膜の作動圧力と移動された空気の流量との両方が大幅に減少する。
【0126】
エンジン給気を更に、ゼロに下げるまで減少させる場合には、タービンＶＧＴ１（７１）を避けてコントロールバルブ（７２）を開き、コンプレッサＣ１（１０）のエネルギーをゼロに減少させる。この場合、ＭＩＥＣ膜（６）へのＣＯ２とＨ２Ｏの流れは抑制される。これは、ＭＩＥＣ膜（６）の両側のＯ２の分圧に等しくなり、Ｏ２生成の流れを抑制し、この実施の形態２のエンジン給気をアイドル状態のままにすることである。
【0127】
タービンＶＧＴ２（８）の出口で、圧力約０．１ＭＰａ、温度約８００Ｋ（５２６．８５度）のＮ２とＨ２Ｏとの混合気が第３の再生熱交換器（２４）を通過して、この（健康に有害なガスを含まない）ガスの混合気を大気中に排出する前に、その熱を空気に伝達する。
【0128】
ＭＩＥＣ膜（６）によって交換されたＯ２と、膜を通過するＯ２をスイープしてその分圧を下げるために使用されるＣＯ２とＨ２Ｏとの混合気は、ＭＩＥＣ膜（６）の対応する端から、 コンプレッサＣ１（１０）によって吸引され、第２の燃焼シリンダ（１４）へ出る。大気中のＣＯ２を収集するための溶融炭酸塩の膜に基づく実施の形態２のバージョン（図２ｂ）の場合、この時点で（ＭＩＥＣ膜（６）の出口において）、混合気（ＭＩＥＣ膜（６）によって交換されるＯ２と、膜を通過するＯ２をスイープしてその分圧を下げるために使用されるＣＯ２とＨ２Ｏの混合気）は、次に、大気中のＣＯ２及びそれをスイープするために使用される水蒸気と混合される。この混合気は、それぞれ約０．１ＭＰａ及び１１７３Ｋ（８９９．８５度）の定格圧力及び温度で排出され、エンジンによって移動される空気の流量の約８０％に相当する。ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気の熱は、最初に第２の再生熱交換器（５）で回収され、触媒ＭＩＥＣ膜（１５）の出口で空気を加熱する。第２の再生熱交換器（５）の出口には、約０．０８ＭＰａ及び７２３Ｋ（４４９．８５度）の定格条件がある。
【0129】
次に、混合気は、真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）（２１）を実行するための手段を通って流れる。真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）（２１）を実行するための手段は、混合気の温度を圧力に変換し、第２の再生熱交換器（５）によって引き起こされた圧力損失を回復することによって混合気を冷却する機能を有する。真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）（２１）を実行するための手段は、それがターボアセンブリを形成するコンプレッサＣ３（１２）と機械的に結合されたタービンＶＧＴ３（１６）からなる。タービンＶＧＴ３（１６）の出口とコンプレッサＣ３（１２）の入口との間には、第５のＷＣＡＣクーラ（３１）がある。大気中のＣＯ２を収集するためのポリマー膜に基づく実施の形態２のバージョン（図２ａ）の場合、それは、燃焼からのＯ２とＣＯ２が大気中のＣＯ２とそれをスイープするために使用される水と混合される、第５のＷＣＡＣクーラ（３１）の出口にある。図２ｂでは、この時点で大気中のＣＯ２が酸化性混合気の一部になっている。真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）（２１）を実行するための手段の内部の詳細は、図５ａで見ることができ、その作動サイクルは、図５ｂのＴ－ｓダイヤグラムで見ることができる。ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気は、タービンＶＧＴ３（１６）でそのエネルギーを利用するように膨張し、第５のＷＣＡＣクーラ（３１）で冷却され、わずかな給気損失を維持し、タービンＶＧＴ３（１６）と機械的に結合されているコンプレッサＣ３（１２）で圧縮される。コンプレッサＣ３（１２）の出口では、混合気はタービンＶＧＴ３（１６）の入口よりも低温で高圧になっている。
【0130】
コンプレッサＣ３（１２）の出口での酸化性混合気の定格条件は、約０．１ＭＰa及び５２３Ｋ（２４９．８５度）である。酸化性混合気は、第２のシリンダ（１４）へ通り抜け、第２のＷＣＡＣクーラ（９）で３２３Ｋ（４９．８５度）に冷却される。すでに説明したように、次に、コンプレッサＣ１（１０）で０．３ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）に圧縮される。コンプレッサＣ１（１０）の条件は、排気ガスの温度を約１２７３ Ｋ（９９９．８５度）に保つためにコントロールバルブ（７２）によって課される条件である。コンプレッサＣ１（１０）の後、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気は、第２のシリンダ（１４）によって吸引される前に、第３のＷＣＡＣクーラ（１１）で３２３Ｋ（４９．８５度）に再び冷却される。このシリンダは、実施の形態２の説明の冒頭で確立されたように、例として使用される４ストロークエンジンの５つのシリンダのうちの２つである。
【0131】
第２のシリンダ（１４）では、炭化水素ＨｘＣｙＯｚが燃料ポンプ（２６）を使用して、Ｏ２と理論混合比でＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の酸化混合気に噴射される。その第２のシリンダ（１４）では、火花点火予混合燃焼サイクル、及びオットーサイクルと同様のサイクルが実行される。第２のシリンダ（１４）は、ＭＩＥＣ膜（６）と追加のピストン（２２）に空気を移動する第１のシリンダ（４）を動かすエネルギーを生成する。これらのシリンダはすべて同じクランクシャフト（２５）に結合されているため、圧縮して残留ＣＯ２とＨ２Ｏを高密度化する。第２のシリンダ（１４）は、エンジンが結合されている車両、又は発電機又はシャフトを介した機械エネルギーの入力を必要とする任意の用途を動かすために使用される余剰の正味の機械エネルギーを更に生成する。この第２のシリンダ（１４）は、ターボ機械アセンブリがサイクルエアフローとタービンを始動するための始動システムとして機能する。そのために、第２のシリンダは、レシプロエンジンで使用されるタイプの従来の始動モータによってシステムが始動するまで動く。
【0132】
第１のＷＣＡＣクーラ（３）、第２のＷＣＡＣクーラ（９）、第３のＷＣＡＣクーラ（１１）、第４のＷＣＡＣクーラ（１３）、第５のＷＣＡＣクーラ（３１）、及び第６のＷＣＡＣクーラ（１８）の水への熱の伝達に加えて、余剰のＣＯ２とＨ２Ｏの高密度化と回収とともに（第１の再生熱交換器（２３）、第２の再生熱交換器（５）、第３の再生熱交換器（２４）、及び触媒ＭＩＥＣ（１５）で生成された）再生で伝達される熱は、提案された熱力学サイクルが熱力学の第二法則に準拠し、したがって実行可能であるために必要な低温源への熱の完全な伝達を表す。次に、第１のＷＣＡＣクーラ（３）、第２のＷＣＡＣクーラ（９）、第３のＷＣＡＣクーラ（１１）、第４のＷＣＡＣクーラ（１３）、第５のＷＣＡＣクーラ（３１）、及び第６のＷＣＡＣクーラ（１８）、並びに（第１の再生熱交換器（２３）、第２の再生熱交換器（５）、第３の再生熱交換器（２４）、及び触媒ＭＩＥＣ（１５）で生成された）再生における熱の伝達は、一方では作動流体の全体的な圧縮プロセスをより等温にすることにより、他方では空気からの分離のために排気ガスからエネルギーを回収することにより、熱力学的サイクルのエクセルギーの破壊を最小限に抑えることに貢献する。等温圧縮の近似とＣＯ２＋Ｈ２Ｏから熱を抽出するための再生熱交換器の使用は、ＭＩＥＣ膜（６）のＮ２サイクルを、エリクソンサイクルとして知られるカルノーサイクルに等しい成果を伴うサイクルに近似する。ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋Ｏ２の混合気のサイクルは、中間の圧縮と膨張を伴う閉じたブレイトンサイクルに同質化できるが、第２のシリンダ（１４）ではオットーサイクルと入れ子になる。これは、これまで文献に記載されていなかった。本質的に、オットーサイクルと（Ｎ２サイクルに熱を送ることにより、エリクソンサイクルなどの最大効率の理想的なサイクルを近似するための熱力学的原理に準拠する）Ｎ２サイクルに関連するバイナリと入れ子になる準クローズドブレイトンサイクルは、バイナリサイクルの新しい実施の形態であり、最大効率の他の理想的なサイクルであるカルノーサイクルの原理に準拠している。
【0133】
炭化水素（燃料）を酸化性混合気（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｏ２）で燃焼させた結果、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、未燃ＴＨＣ、及びＣＯの混合気が第２のシリンダ（１４）の出口で生成される。一方では、これらの排気ガスの８０％は、ＭＩＥＣ膜（６）を通過するために、コンプレッサＣ１（１０）と第２のシリンダ（１４）自体によって吸引される。ＭＩＥＣ膜（６）では、一方で、Ｏ２をスイープしてその分圧を下げる機能を実行して、ＭＩＥＣ膜（６）のＯ２の輸送を改善する；他方、ＣＯ２との混合気は、レシプロ内燃機関（ＲＩＣＥ）の材料で許容できる限界まで燃焼温度を下げる。したがって、ＭＩＥＣ膜（６）の出口でサイクルが閉じられ、混合気は、その熱を空気に伝達するために、第２の再生熱交換器（５）の入口に戻る。説明したプロセスでは、エンジンは、空燃比を常に理論混合比に近づけることと、流れを絞らずにその給気を調整することとの両方によって効率的に作動するが、むしろ膜のＯ２の生成を調整する。膜の生産性は、第１シリンダ（４）が第２のシリンダ（１４）と同じシャフト上で機械的に結合されているため、エンジンの加速に瞬時に反応する。したがって、エンジンの動的応答は、ターボアセンブリの機械的慣性によるターボ過給ＲＩＣＥラグによって調整されない。
【0134】
他方、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、未燃ＴＨＣ、ＣＯの混合気である排気ガスの残りの２０％は、触媒ＭＩＥＣ膜（１５）での燃焼から残ったＯ２によって酸化される。ここでは、約１２７３Ｋ（９９９．８５度）の温度で入り、エンジンによって移動される空気流の１００％に熱を伝達する。これにより、温度は約７０３Ｋ（４２９．８５度）に大幅に低下する。同時に、触媒ＭＩＥＣ膜（１５）で生成される化学反応により、ＣＯとＴＨＣは、燃焼から残ったＯ２によって酸化されてＣＯ２とＨ２Ｏ蒸気になる。また、この場合も、酸素燃焼により、第２のシリンダ（１４）でのＮＯｘの生成が防止される。したがって、混合気は健康に有害なガスなしで（ＣＯなし、ＴＨＣなし、及びＮＯｘなしで）排出される。
【0135】
次に、追加のピストン（２２）からの逆流の出口を防ぐために、第１のチェックバルブ（３３）が取り付けられる。追加のピストン（２２）はクランクシャフト（２５）によって動かされ、この２０％の流量（前述の残りの２０％の排気ガス）を７．５ＭＰａに圧縮する。７．５ＭＰａの圧力は、第２のチェックバルブ（１９）とその設定スプリングによって調整される。圧縮は、追加のピストン（２２）の４ストロークで、吸気バルブが開いてＣＯ２とＨ２Ｏ蒸気の混合気を吸引してから、排気バルブが開いて同じものを排出するまで、準等温方式で実行される。７．５ＭＰａに圧縮された混合気は、約６７３Ｋ（３９９．８５度）の温度で排出され、その混合気が追加のピストン（２２）内でまだガス状態にあることを保証するため、７．５ＭＰａでの水の飽和温度である５７３Ｋ（２９９．８５度）を超えて維持する必要がある。
【0136】
混合気は、最初に第１の再生熱交換器（２３）で冷却され、次に第４のＷＣＡＣクーラ（１３）で４７３Ｋ（１９９．８５度）に冷却されるため、Ｈ２Ｏは液体状態に移行する。７．５ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）での液体の水の質量は、エンジンによって移動する質量の総流量の約２％に相当する。次に、液体の水は、セパレータ（１７）内のＣＯ２ガスから分離され、セパレータ（１７）は、出口に圧力積層弁を備えた慣性セパレータとすることができる。水が気体状態に保たれている場合は、ポリマー膜をセパレータ（１７）として使用することもできる。約０．１ＭＰａの圧力、４７３Ｋ（１９９．８５度）で分離された水からのエネルギーが利用され、ＣＯ２膜（２８）の駆動流体として使用される。水蒸気は、ＣＯ２側をスイープし、希釈により分圧を下げる。燃焼から生じるＨ２Ｏの回路を大気と接続する第３のチェックバルブ（３２）は、水蒸気の圧力を調整し、気圧に等しく保つ。更に、連続するエンジンの燃焼で生成された過剰な水蒸気を大気中にパージすることができる。
【0137】
Ｈ２Ｏが分離された後、すでに高純度の過剰なＣＯ２は、第６のＷＣＡＣクーラ（１８）で、臨界温度である３０３Ｋ（２９．８５度）未満に冷却される。液体ＣＯ２は第２のチェックバルブ（１９）を通過し、温度が３０３Ｋ（２９．８５度）未満に制御された第１のタンク（２０）に７．５ＭＰａで貯蔵される。このタンクがいっぱいになると、エンジンの自律性は終了する。タンクは、必要に応じて、車両の空調によって作られるような冷却回路を使用して、ＣＯ２の臨界未満の温度（＜３０３Ｋ（２９．８５度））に保たれる。タンクはサービスステーションで排出され、燃料タンクと交換される。液体ＣＯ２は、（ｅ－Ｄｉｅｓｅｌ、Ｂｌｕｅ－ｃｒｕｄｅなどと呼ばれる合成燃料のように）再び炭化水素に変換され、製品として化学産業に供給され、冷却液として冷却産業に供給されるか、制御された溜め桝に貯蔵される。ただし、大気中には排出されない。大気中へのＣＯ２の非排出は、本実施の形態２が大気中のＣＯ２を除去し、その燃焼プロセスで生成されたＣＯ２を排出しなかったので、マイナスの正味排出を有するエンジンであると決定することを可能にする。
【0138】
実施の形態３：層状混合気及び拡散燃焼を有し、Ｏ
２
生成速度によって制御される有効可変圧縮比を有し、ガス排出物を汚染せず、ＣＯ
２
を回収しない、圧縮着火（ＣＩ）エンジン
実施の形態３は、汚染物質の排出がなく、ＣＯ２の回収がない層状混合気（拡散燃焼）を備えた圧縮着火（ＣＩ）エンジンについて示す。正味の機械動力を生成するために、実施の形態３は、拡散燃焼プロセスに基づき、予混合気のデトネーションによる自己着火及び燃料流の移動量によって制御される燃焼速度を伴う。
実施の形態３は、汚染物質の排出がなく、ＣＯ２の回収がない層状混合気（拡散燃焼）を備えた圧縮着火（ＣＩ）エンジンについて示す。正味の機械動力を生成するために、実施の形態３は、拡散燃焼プロセスに基づき、予混合気のデトネーションによる自己着火及び燃料流の移動量によって制御される燃焼速度を伴う。
【0139】
過給の程度は、サイクルの有効圧縮比を介して、各形態の最大トルクのパーセンテージに影響を与える。この有効圧縮比は可変であり、ＭＩＥＣ膜のＯ２生成速度によって制御される。これは、エンジンのシリンダ容量を減らすことができ、ターボ機械とシリンダ内との空気の効果的な圧縮プロセスが等温プロセスに近づくことができる、サイズ縮小のコンセプトを表している。
【0140】
燃焼温度は、酸化剤（Ｏ２）と燃料（ＨｘＣｙＯｚ）の予冷された混合気を燃焼自体からのＣＯ２とＨ２Ｏとで希釈することによって制御される。高率の排気ガス再循環（ＥＧＲ）を有するこの混合気は、分圧を下げることにより、Ｏ２ＭＩＥＣ膜（６）でのＯ２生成速度を高めるのにも役立つ。
【0141】
実施の形態３は、エンジンによって排出されたＣＯ２を回収することを提案せず、むしろ、排気ガスを浄化するための後処理を必要とせずに、発生源（燃焼室）又はＭＩＥＣ膜における汚染ガス（ＣＯ、ＴＨＣ、ＰＭ、及びＮＯｘ）排出を除去することを提案する。これは、エンジンの製造コストを大幅に節約できることを表している。現在、ガス浄化のための後処理は、パワーアセンブリの総コストの３０％程度と推定されている。更に、酸素燃焼により、確実に、コールドスタートプロセスでも汚染ガスが排出されない。これは、排気ガスを浄化するための後処理システムを加熱（アクティブ化）するのに必要な時間を考えると、今日のエンジンでは実現しない。
【0142】
実施の形態３を、図３に示す。実施の形態３では、大気は、コンプレッサ（Ｃ２）（２）によって吸引され、フィルタ（１）を通ってエンジンに入る。コンプレッサＣ２（２）はターボアセンブリの一部であり、可変ジオメトリータービン（ＶＧＴ２）（８）に機械的に結合される。コンプレッサＣ２（２）は、タービンＶＧＴ２（８）によってＭＩＥＣ膜（６）で除外されたＮ２から回収されたエネルギーを使用して空気を移動する。定格条件下では、コンプレッサＣ２（２）の出口の空気の圧力及び温度は、約０．４ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）である。空気は、エンジンの第１の給気のウォータークーラ（ＷＣＡＣ）（３）を通過する。第１のＷＣＡＣクーラ（３）の出口では、温度が約３２３Ｋ（４９．８５度）に低下する。これにより、エンジンの第１のシリンダ（４）での後続の圧縮がより等温になる。
【0143】
その後、空気はエンジンの第１のシリンダ（４）の半分によって吸引される。実施の形態３は、４シリンダ、４ストロークエンジンを示すので、空気を吸引する２つのシリンダがある。第１のシリンダ（４）は、空気を約０．８ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）に圧縮するポンプのように機能する。第１のシリンダ（４）は、好ましくは、エンジンの残りのシリンダと同一であり、クランクシャフト（２５）、カムシャフト、及びバルブタイミングギアを共有し、燃料がそのシリンダの中にに噴射されないという独特の特異性を有する。４ストロークエンジンであるため、空気は第１のシリンダ（４）内に４ストロークの間留まり、エンジン冷却水（約３６３Ｋ（８９．８５度））で圧縮及び冷却される。これは、圧縮をより等温にすることに貢献する。これらの第１のシリンダ（４）は、ターボ機械アセンブリがサイクルエアフローとタービンを始動するための始動システムとして機能する。そのために、第１のシリンダは、レシプロエンジンで使用されるタイプの従来の始動モータによってシステムが始動するまで動く。
【0144】
第１のシリンダ（４）の出口で、空気は第１の再生熱交換器（２３）で加熱され、圧力は０．７７ＭＰａに下がり、温度は約６７３Ｋ（３９９．８５度）に上がる。そのために、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２の流れからの熱エネルギーを使用する。このＮ２、ＣＯ２、及びＨ２Ｏの流れは、タービンＶＧＴ２（８）の下流にある導管（３０）を通って大気中に排出される。このＮ２、ＣＯ２、及びＨ２Ｏの流れは、エンジンによって移動される空気の総流量の約８０％に相当し、約８００Ｋ（５２６．８５度）の温度と０．１ＭＰａの圧力である。第１の再生熱交換器（２３）の出口で、空気は第２の再生熱交換器（５）で加熱され、温度が約９７３ Ｋ（６９９．８５度）に上がる。そのために、ＭＩＥＣ膜（６）によって生成されたＯ２、及びＭＩＥＣ膜（６）をスイープしＯ２の分圧を下げるために使用されるＣＯ２からの熱エネルギーを使用する。第２の再生熱交換器（５）の後、０．７５ＭＰａの圧力の空気は、ＭＩＥＣ膜（６）に入り、そこで、酸素燃焼プロセスから発生し、Ｏ２をスイープするために使用されるＣＯ２及びＨ２Ｏとの熱交換の結果として、ＭＩＥＣ膜（６）の作動温度（約１２２３Ｋ（９４９．８５度））に達する。
【0145】
ＭＩＥＣ膜（６）からの除外気体は、基本的に０．７ＭＰａ及び１１７３Ｋ（８９９．８５度）でＮ２である：これは、システムによって移動され、タービンＶＧＴ１（７１）及び／又はコントロールバルブ（７２）を通過する空気の質量の約８０％に相当する。タービンＶＧＴ１（７１）及びコントロールバルブ（７２）は、タービンＶＧＴ１（７１）が機械的に連結されているコンプレッサＣ１（１０）と共にターボアセンブリの一部である。タービンＶＧＴ１（７１）は、ＭＩＥＣ膜（６）から除外されたＮ２の流れからのエネルギーを利用し、そのエネルギーを回収してコンプレッサＣ１（１０）を動かす。コントロールバルブ（７２）は、コンプレッサＣ１（１０）へのエネルギーの流れを調整する。コンプレッサＣ１（１０）は、ＭＩＥＣ膜（６）のスイープするＣＯ２＋Ｈ２Ｏを移動するため、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気を移動する。コンプレッサＣ１（１０）は、エンジンのガス流量の約９５％を移動する。結果として、コントロールバルブ（７２）は、Ｏ２を希釈するために使用されるＣＯ２２及びＨ２Ｏの流れを調整し、したがって、燃焼温度及び排気ガス燃焼温度を調整する。結論として、第２のシリンダ（１４）の出口でのエンジンの排気ガスの温度はコントロールバルブ（７２）によって調整され、定格条件下で約１２２３Ｋ（９４９．８５度）の値に調整される。
【0146】
コントロールバルブ（７２）は通常、コンプレッサＣ１（１０）の圧力を調整するために部分的に開いて作動する。ＭＩＥＣ膜（６）で除外されたＮ２の一部は、タービンＶＧＴ１（７１）を循環し、膨張して冷却される。除外されたＮ２の他の部分は、冷却されることなく、実際のコントロールバルブ（７２）を通って循環する。Ｎ２のこの他の部分は、タービンＶＧＴ１（７１）の下流で、冷たい膨張したＮ２と混合し、再加熱し、よって温度を上昇させる。
【0147】
コントロールバルブ（７２）及び／又はタービン（７１）を通過した後、ＭＩＥＣ膜（６）からのＮ２の除外気体（空気流の８０％）は、可変ジオメトリータービンＶＧＴ２（８）で利用され、そのタービンを使用してコンプレッサＣ２（２）を動かす。タービンＶＧＴ２（８）に対するおよその定格入口条件は、０．３ＭＰａ及び８２３Ｋ（５４９．８５度）である。タービンＶＧＴ２（８）の可変形状は、ＭＩＥＣ膜（６）によって移動する空気の流量を調整するため、更には生成されるＯ２の流量を調整するために使用される。タービンＶＧＴ２（８）が閉じると、ＭＩＥＣ膜（６）を通る空気流とＭＩＥＣ膜（６）の作動圧力が増加する。したがって、１時間あたりのＯ２の生成量（生成速度は同じ）と、理論混合条件下で噴射される可能性のある燃料の量が増加する。タービンＶＧＴ２（８）が開くと、逆のことが起こる。タービンＶＧＴ２（８）の最小サイズ（最小開口部）は、レシプロエンジンのシリンダ容量に応じて選択され、エンジンの各回転速度でのシステムの最大出力を設定する。タービンＶＧＴ２（８）の最大開口部は、各回転速度でのレシプロエンジンの最小Ｏ２流量（アイドル）を決定する。タービンＶＧＴ２（８）は、ウェイストゲート（又はＷＧ）バルブを構成することもできる。タービンＶＧＴ２（８）又はそのウェイストゲートバルブが最大に開かれると、コンプレッサＣ２（２）のエネルギーがゼロに減少し、それによってＭＩＥＣ膜の作動圧力と移動された空気の流量との両方が大幅に減少する。
【0148】
エンジンのＯ２の流量を更に、ゼロに下げるまで減少させる場合には、コントロールバルブ（７２）を開き、タービンＶＧＴ１（７１）を避けて、コンプレッサＣ１（１０）のエネルギーをゼロに減少させる。これは、ＭＩＥＣ膜（６）の両側のＯ２の分圧に実質的に等しく、Ｏ２生成速度を最小化し、この実施の形態３のエンジンの給気をアイドル状態のままにする。
【0149】
コントロールバルブ（７２）は、生成速度に作用することでＯ２の流れの定性的調節を提供し、タービンＶＧＴ２（８）は、空気の移動流量に作用することで定量的調節を行うと言える。両方の制御は、その容積圧縮比を変更することなく、第２のシリンダ（１４）の上死点でのシリンダの有効圧縮比の非常に広く非常に微調整された調節を提供する。これは、レシプロエンジンでは可変圧縮比として一般に知られている。
【0150】
タービンＶＧＴ２（８）の出口で、約０．１ＭＰａの圧力と約８００Ｋ（５２６．８５度）の温度のＮ２、ＣＯ２、及びＨ２Ｏの混合気が第１の再生熱交換器（２３）を通過して、 この（健康に有害なガスを含まない）ガスの混合気を大気中に排出する前に、空気にその熱を伝達する。
【0151】
ＭＩＥＣ膜（６）によって生成されたＯ２と、その膜をスイープしてＯ２の分圧を下げるために使用されるＣＯ２及びＨ２Ｏの混合気とは、ＭＩＥＣ膜（６）の対応する端からコンプレッサＣ１（１０）によって吸引され、第２の燃焼シリンダ（１４）へ出る。この混合気は、それぞれ約０．３５ＭＰａ及び１２２３Ｋ（９４９．８５度）の定格圧力及び温度で排出され、エンジンによって移動される空気の流量の約１１５％に相当する。ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気の熱は、最初に第２の再生熱交換器（５）で回収され、第１の再生熱交換器（２３）の出口から来る空気を加熱する。第２の再生熱交換器（５）の出口では、酸化性混合気の定格条件は約０．３ＭＰａ及び７００Ｋ（４２６．８５度）である。この圧力と温度は、別のターボアセンブリで機械的に結合されているコンプレッサ（Ｃ３）（１２）を動かすために使用される可変ジオメトリータービン（ＶＧＴ３）（１６）で利用される。コンプレッサＣ３（１２）は、タービンＶＧＴ３（１６）によって回収されたエネルギーを使用して、使用中のターボ過給機などの第２のシリンダ（１４）を過給するために使用される。タービンＶＧＴ３（１６）は、コンプレッサＣ３（１２）の下流の圧力を一定且つ０．６ＭＰａに等しく保つように調整される。
【0152】
タービンＶＧＴ３（１６）の下流では、タービンＶＧＴ３（１６）の出口での定格条件は約０．１ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）である。タービンＶＧＴ３（１６）の出口には、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ蒸気、及びＯ２の余剰混合気を汚染ガスなしで（ＣＯなし、ＴＨＣなし、ＮＯｘなし）大気に排出する分岐がある。これは、ＣＯとＴＨＣを触媒してＨ２Ｏ蒸気とＭＩＥＣ膜（６）で生成されるＣＯ２に変換し、酸素燃焼によってＮＯｘの生成を防止することで実現される。
【0153】
排出は、０．１１ＭＰａの圧力で設定された第２のチェックバルブ（１９）を介して実行され、過渡プロセス中に空気又はＮ２が酸化性ガスの混合気に入るのを防ぐ。したがって、第２のチェックバルブ（１９）の上流には、閉じられて大気から分離された回路が形成されている。この容積は、エンジンが停止した後にＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋Ｏ２の酸化混合気を蓄積するためのシステムとして機能するＮ２を含まない導管の回路によって形成される。この蓄積された混合気は、ＭＩＥＣ膜（６）によって生成された余剰のＯ２がすでに存在するため、エンジンの後の始動を可能とする。これは、第２のシリンダ（１４）で燃焼を開始するために使用できる。
【0154】
分岐（２９）と第２のチェックバルブ（１９）とを使用すると、タービンＶＧＴ３（１６）の出口の定格圧力条件は０．１１ＭＰａで、温度は４７３Ｋ（１９９．８５度）である。第２のシリンダ（１４）へ進む非余剰混合気は、第２のＷＣＡＣクーラ（９）で３２３Ｋ（４９．８５度）に冷却される。次に、コンプレッサＣ１（１０）で０．３ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）に圧縮される。コンプレッサＣ１（１０）の条件は、すでに説明したように、排気ガスの温度を約１２２３Ｋ（９４９．８５度）に保つためにコントロールバルブ（７２）によって課される条件である。コンプレッサＣ１（１０）の後、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気は第３のＷＣＡＣクーラ（１１）で再び３２３Ｋ（４９．８５度）に冷却され、コンプレッサＣ３（１２）で０．６ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）に圧縮される。そのために、すでに説明したように、０．６ＭＰａに等しいコンプレッサＣ３（１２）の出口の圧力を調整するタービンＶＧＴ３（１６）のエネルギーが使用される。最後に、混合気は第４のＷＣＡＣクーラ（１３）で再び３２３Ｋ（４９．８５度）に冷却されてから、第２のシリンダ（１４）に吸引される。この実施の形態では２が存在するのは、本実施の形態３の説明の冒頭で確立されたように、例として使用された４シリンダ、４ストロークエンジンの半分であるためである。
【0155】
第２のシリンダ（１４）では、炭化水素ＨｘＣｙＯｚが燃料ポンプ（２６）を使用して大気中のＣＯ２とＯ２の酸化混合気に噴射される。炭化水素は、拡散燃焼エンジンの給気を調整するために、Ｏ２との理論混合よりも少ない割合で、望ましい方法と量とで噴射される。その第２のシリンダ（１４）において、拡散燃焼サイクル、圧縮着火サイクル、及び基本的にＯ２及び燃焼生成物、すなわちエンジンに入る空気の約８０％の量によって実行されるディーゼルサイクルと同様のサイクル、が実行される。
【0156】
第２のシリンダ（１４）は、同じクランクシャフト（２５）に結合されているため、ＭＩＥＣ膜（６）のために空気を移動する第１のシリンダ（４）を動かすエネルギーを生成する。第２のシリンダ（１４）は、エンジンが結合されている車両、又は発電機、又はシャフトを介した機械エネルギーの入力を必要とする任意の用途を動かすために使用される余剰の正味の機械エネルギーを生成する。この第２のシリンダ（１４）は、ターボ機械アセンブリがサイクルエアフローとタービンを始動するための始動システムとして機能する。第２のシリンダは、そのためにレシプロエンジンで使用されるタイプの従来の始動モータによってシステムが始動するまで動く。
【0157】
第１のＷＣＡＣクーラ（３）、第２のＷＣＡＣクーラ（９）、第３のＷＣＡＣクーラ（１１）、及び第４のＷＣＡＣクーラ（１３）の水への熱の伝達は、並びに第２の再生熱交換器（５）及び第1の再生熱交換器（２３）のＭＩＥＣ膜（６）での熱の伝達、最後に、分岐（２９）を介した余剰酸化混合器の大気への排出は、熱力学サイクルが熱力学の第二法則に準拠し、したがって実行可能であるために必要な低温源への熱の完全な伝達を表す。次に、第１のＷＣＡＣクーラ（３）、第２のＷＣＡＣクーラ（９）、第３のＷＣＡＣクーラ（１１）、第４のＷＣＡＣクーラ（１３）、及び（第２の再生熱交換器（５）及び第１の再生熱交換器（２３）で生成される）再生での熱の伝達は、一方では、作動流体の全体的な圧縮プロセスをより等温にするために、他方では、空気から分離するために排気ガスからエネルギーを回収するために、熱力学サイクルのエクセルギーの破壊を最小限に抑えることに貢献する。等温圧縮の近似とＣＯ２、Ｎ２、及びＨ２Ｏから熱を抽出するための再生熱交換器の使用は、ＭＩＥＣ膜（６）でのＮ２サイクルを、エリクソンサイクルとして知られるカルノーサイクルに等しい成果を伴うサイクルに近似する。ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気のサイクルは、中間の圧縮と膨張とを伴う閉じたブレイトンサイクルに同質化できるが、第２のシリンダ（１４）ではディーゼルサイクルと入れ子になる。これは、これまで文献に記載されていなかった。本質的に、ディーゼルサイクルと（Ｎ２サイクルに熱を送ることにより、エリクソンサイクルなどの最大効率の理想的なサイクルを近似するための熱力学的原理に準拠する）Ｎ２サイクルに関連するバイナリとで入れ子になる準クローズドブレイトンサイクルは、バイナリサイクルの新しい実施の形態であり、最大効率の他の理想的なサイクルであるカルノーサイクルの原則に準拠している。
【0158】
最後に、炭化水素（燃料）が酸化性混合気（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｏ２）と燃焼した結果、排気ガスと呼ばれるＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及び未燃のＴＨＣとＣＯの混合気が第２のシリンダ（１４）の出口で生成される。第２のシリンダ（１４）の出口では、この排気ガスの最大圧力及び温度はそれぞれ０．６ＭＰａ及び１２２３Ｋ（９４９．８５度）である。排気ガスの混合気は、ＭＩＥＣ膜（６）を通過し、コンプレッサＣ１（１０）、コンプレッサＣ３（１２）、そして最終的には第２のシリンダ（１４）自体によって吸引される。ＭＩＥＣ膜（６）では、一方で、排気ガスの混合気が膜をスイープする機能を果たし、Ｏ２の分圧を下げ、ＭＩＥＣ膜（６）の生産性を向上させ、燃焼温度が現在のＲＩＣＥの材料技術と互換性があるまでＯ２を希釈する。他方、排気ガスの混合気は触媒作用を受け、Ｏ２と反応して、燃焼プロセスから生じるＴＨＣとＣＯをＣＯ２とＨ２Ｏに変換する。したがって、ＭＩＥＣ膜（６）の出口で、サイクルが閉じられ、混合気は、その熱を空気に伝達するために、第２の再生熱交換器（５）の入口に戻る。
【0159】
説明したプロセスでは、エンジンは、タービンＶＧＴ２（８）での有効圧縮比を、給気の程度とエンジンの回転速度に応じて最も効率的な比率に調整する最適な方法で作動する。膜の生産性は、第１のシリンダ（４）が第２のシリンダ（１４）と同じシャフト上で機械的に結合されているため、エンジンの加速に瞬時に反応する。したがって、エンジンの動的応答は、その機械的慣性によるターボチャージャの加速遅れの影響を受けない。最後に、エンジンは、分岐管（２９）を通って、第２のチェックバルブ（１９）を介してＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気を大気中に排出し、タービンＶＧＴ２（８）の出口を介してＮ２＋大気ＣＯ２のみを排出する。すなわち、人や動物に悪影響を与える汚染ガスを排出しない。両方の排気ガスは同じ排気導管（３０）で混合され、第２のチェックバルブ（１９）とタービンＶＧＴ２（８）の下流で、エンジンからのすべての排気ガスが共通の排気部にプールされる。
【0160】
実施の形態４：層状混合気及び拡散燃焼を有し、Ｏ
２
生成速度によって制御される有効な可変圧縮比を有し；ガス排出を汚染せず、生成されたＣＯ
２
を回収し大気中のＣＯ
２
を除去する、圧縮着火（ＣＩ）エンジン
実施の形態４は、大気中のＣＯ２及びエンジン自体によって生成されたＣＯ２の回収を伴う、層状混合気（拡散燃焼）を有する圧縮着火（ＣＩ）エンジンについて示す。したがって、大気からＣＯ２を除去するエンジンのカテゴリーに含まれる（排出率＜０）。正味の機械的動力を生成するために、実施の形態４は、拡散燃焼プロセスに基づいており、予混合気のデトネーションによる自己着火及び噴射される燃料流（及びこの場合は液体ＣＯ２）の移動量によって制御される燃焼速度を伴う。
実施の形態４は、大気中のＣＯ２及びエンジン自体によって生成されたＣＯ２の回収を伴う、層状混合気（拡散燃焼）を有する圧縮着火（ＣＩ）エンジンについて示す。したがって、大気からＣＯ２を除去するエンジンのカテゴリーに含まれる（排出率＜０）。正味の機械的動力を生成するために、実施の形態４は、拡散燃焼プロセスに基づいており、予混合気のデトネーションによる自己着火及び噴射される燃料流（及びこの場合は液体ＣＯ２）の移動量によって制御される燃焼速度を伴う。
【0161】
過給の程度は、サイクルの有効圧縮比を介して、各形態の最大トルクのパーセンテージに影響を与える。この有効圧縮比は可変であり、ＭＩＥＣ膜のＯ２生成速度によって制御される。このことは、エンジンのシリンダ容量を減らすことができ、ターボ機械とシリンダ内の空気の効果的な圧縮プロセスが等温プロセスに近づくことができる、サイズ縮小のコンセプトを表している。
【0162】
燃焼温度は、酸化剤（Ｏ２）と燃料（ＨｘＣｙＯｚ）との混合気を燃焼自体からの液体ＣＯ２で希釈し、超臨界条件に高密度化することによって制御される。大量のＣＯ２が必要なため、これは追加の革新を意味する。というのは、シリンダ内で（以下の）２つのサイクルが共存するからである：（i）一方は、燃焼温度を制御するために使用されるＣＯ２によって実行される超臨界ＣＯ２熱力学サイクル、それと同時に、（ii）Ｏ２酸化剤及びその生成物によって実行されるディーゼルサイクル。このことは、これまで公開された文献には記載されていない。
【0163】
実施の形態４は、エンジンによって排出されたＣＯ２を回収し、使用される空気中の大気ＣＯ２の含有量を可能な限り効率的に低減することを提案する。更に、このことは、発生源（燃焼室）での汚染ガス（ＣＯ、ＴＨＣ、ＰＭ、ＮＯｘ）の排出を除去し、排気ガスを浄化するための後処理の必要性を最小限に抑え、エンジンの製造コストを大幅に節約することを意味する。現在、ガス浄化のための後処理は、パワーアセンブリの総コストの３０％程度と推定される。更に、酸素燃焼により、コールドスタートプロセス中にも汚染ガスが排出されないことが保証される。これは、排気ガスを浄化するための後処理システムを加熱（アクティブ化）するのに必要な時間を考えると、今日のエンジンでは実現しない。
【0164】
実施の形態４を、図４ａ及び４ｂに示す。実施の形態４では、大気は、コンプレッサ（Ｃ２）（２）によって吸引され、フィルタ（１）を通ってエンジンに入る。コンプレッサＣ２（２）はターボアセンブリの一部であり、可変ジオメトリータービン（ＶＧＴ２）（８）に機械的に結合されている。コンプレッサＣ２（２）は、ＭＩＥＣ膜（６）で除外されたＮ２＋Ｈ２ＯのタービンＶＧＴ２（８）によって回収されたエネルギーを使用して空気を移動する。定格条件下では、コンプレッサＣ２（２）の出口の空気の圧力及び温度は、約０．４ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）である。空気は、エンジンの第１の給気ウォータークーラ（ＷＣＡＣ）（３）を通過する。第１のＷＣＡＣクーラ（３）の出口では、温度が約３２３Ｋ（４９．８５度）に低下する。これにより、エンジンの第１のシリンダ（４）で後続の圧縮がより等温になる。
【0165】
図４ａの実施の形態では、空気中のＣＯ２の含有量は、ＣＯ２ポリマー膜（２８）において減少し、第１のＷＣＡＣクーラ（３）の出口での作動温度で約２０００の全体的なＣＯ２／Ｎ２の選択性を有する。これは、ＣＯ２が第３のＷＣＡＣクーラ（１１）の下流で及びＯ２分離のためにＭＩＥＣ膜（６）から取り出された純粋なＯ２によって同伴されるという事実の結果として、図４ａで達成される。Ｏ２は、膜モジュールの同伴チャンバー内の透過した大気ＣＯ２の分圧を下げる。図４ａでは、収集された大気ＣＯ２と、膜をスイープするために使用されたＯ２とは、第１のチェックバルブ（３３）に送られ、第２のシリンダ（１４）によって吸引される。
【0166】
図４ｂに示すこの実施の形態の第２のバージョンでは、大気中のＣＯ２は、溶融炭酸塩をベースにしたＣＯ２膜（２８）によって分離され、その結果、第１のＷＣＡＣクーラ（３）の出口で、空気は、ＣＯ２膜に遭遇しない。
【0167】
その後、空気はエンジンの第１のシリンダ（４）の半分によって吸引される。実施の形態４は、４シリンダ、４ストロークエンジンを示し、空気を吸引する２つのシリンダがある。第１のシリンダ（４）は、空気を約１．５ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）に圧縮するポンプのように機能する。第１のシリンダ（４）は、好ましくは、エンジンの残りのシリンダと同一であり、クランクシャフト（２５）、カムシャフト、及びバルブタイミングギアを共有し、燃料がそのシリンダの中に噴射されないという独特の特異性（unique singularity）を有する。４ストロークエンジンであるため、空気は第１のシリンダ（４）内に４ストロークの間留まり、エンジン冷却水（約３６３Ｋ（８９．８５度））で圧縮及び冷却される。このことは、圧縮をより等温にすることに貢献する。この第１のシリンダ（４）は、ターボ機械アセンブリがサイクルエアフローとタービンを始動するための始動システムとして機能する。そのために、第１のシリンダは、レシプロエンジンで使用されるタイプの従来の始動モータによってシステムが始動するまで動く。
【0168】
第１のシリンダ（４）の出口で、空気は第１の再生熱交換器（２３）で加熱され、圧力が１．４７ＭＰａに下がり、温度が約６７３Ｋ（３９９．８５度）に上がる。そのために、Ｈ２Ｏ、及びＮ２の流れからの熱エネルギーを使用する。このＮ２及びＨ２Ｏの流れは、タービンＶＧＴ２（８）から排出される。このＮ２及びＨ２Ｏの流れは、エンジンによって移動するガスの総流量の約９０％に相当し、約８００Ｋ（５２６．８５度）の温度と０．１ＭＰａの圧力（の状態で）ある。第１の再生熱交換器（２３）の出口で、空気は第２の再生熱交換器（５）で加熱され、圧力が１．４５ＭＰａに下がり、温度が約７２３Ｋ（４４９．８５度）に上がる。そのために、図４ａでは、ＭＩＥＣ膜（６）によって生成されたＯ２からの熱エネルギーを使用する。図４ｂでは、ＭＩＥＣ膜（６）によって生成されたＯ２と、ＣＯ２膜（２８）で生成されたＣＯ２とからの熱エネルギーがそのために使用される。Ｏ２は空気の流量の約２０％を占めるため、温度はあまり上昇しない。
【0169】
第２の再生熱交換器（５）の出口で、空気は触媒ＭＩＥＣ膜（１５）で加熱され、圧力が１．４ＭＰａに下がり、温度が約１１２３Ｋ（８４９．８５度）に上がる。そのために第２のシリンダ（１４）の燃焼からの排気ガスからの熱エネルギーを使用する。触媒ＭＩＥＣ膜（１５）では、排気ガスが熱を空気に伝達し（再生熱交換器のように機能）、ガスフロー全体がＣＯ２とＨ２Ｏのみで構成されるまでＣＯとＨＣの両方（ＣＯとＨＣは排気ガスの組成の１％未満であるため、図４ａと４ｂには明示的に示されていない）が酸化される。このＣＯ２とＨ２Ｏの流れは、非常に高い圧力（７．５ＭＰａ）でエンジンによって移動する排気ガスの総流量の約１００％に相当するため、その密度は大幅に増加するので、このエンジンのガスの酸化に必要な触媒ＭＩＥＣ膜（１５）のサイズが縮小される。
【0170】
触媒ＭＩＥＣ膜（１５）の後、１．４ＭＰａ及び１１２３Ｋ（８４９．８５度）の空気がＯ２ＭＩＥＣ膜（６）に噴射され、そこでＯ２が分離される。
【0171】
図４ｂに示される溶融炭酸塩をベースにした膜による空気からの大気ＣＯ２の分離に基づく実施の形態の場合、Ｏ２ＭＩＥＣ膜（６）での除外気体を代表するＮ２、Ｈ２Ｏ、及び大気中のＣＯ２は、約１１２３Ｋ（８４９．８５度）及び１．３５ＭＰａでＣＯ２膜（２８）に入る。この場合、大気ＣＯ２がＮ２＋Ｈ２Ｏの流れから分離される、作動温度で約２５００の全体的なＣＯ２／Ｎ２の選択性を持つ溶融炭酸塩膜である。そのために、ＭＩＥＣ膜（６）によって生成された純粋なＯ２が同伴流として使用される。このＯ２は、ＭＩＥＣ膜（６）から第２の燃焼シリンダ（１４）へ出ると、コンプレッサＣ１（１０）によって生成された０．０５ＭＰａの真空によって吸引され、最初にＣＯ２膜（２８）の大気ＣＯ２側を通過する。これにより、Ｏ２は、ＣＯ２膜（２８）からＣＯ２をスイープし、ＣＯ２の分圧を下げるために使用される。
【0172】
空気から大気中のＣＯ２を分離するためにポリマー膜が使用されるこの実施の形態の第１のバージョン（図４ａに示す）では、Ｏ２ＭＩＥＣ膜（６）からの除外気体は、下流のいかなるＣＯ２膜にも遭遇しない。というのは、図４ａのＣＯ２ポリマー膜（２８）のＣＯ２含有量を減らすために、空気がすでに処理されているからである。図４ａの実施の形態の場合のＯ２ＭＩＥＣ膜（６）からの除外気体、又は図４ｂの実施の形態のＣＯ２膜（２８）からの除外気体は、両方とも実質的に大気中のＣＯ２を含まず、ほとんどが１．３５ＭＰａ及び１１２３Ｋ（８４９．８５度）のＮ２＋Ｈ２Ｏで構成されている。処理された空気から大気中のＣＯ２を分離するためのこれらの方法は、記載されたエンジンに大気からＣＯ２を除去し、そのエンジンはマイナスのＣＯ２排出速度を有すると見なすことができる。実際、タービンＶＧＴ２（８）の出口で排出されるＮ２＋Ｈ２Ｏの流れのＣＯ２含有量は最小限（空気入口含有量の＜１－５％）であり、燃焼で生成されたＣＯ２は、以下に説明するように、液化されてシステムに回収される。
【0173】
膜からの各除外気体は、システムによって移動された空気の質量の約８０％に相当し、タービンＶＧＴ１（７１）及び又はコントロールバルブ（７２）を通過する。タービンＶＧＴ１（７１）及びコントロールバルブ（７２）は、タービンＶＧＴ１（７１）が機械的に連結されているコンプレッサＣ１（１０）と共にターボアセンブリの一部である。タービンＶＧＴ１（７１）は、ＭＩＥＣ膜（６）から除外されたＮ２の流れからのエネルギーを利用し、そのエネルギーを回収してコンプレッサＣ１（１０）を動かす。コントロールバルブ（７２）は、コンプレッサＣ１（１０）へのエネルギーの流れを調整する。コンプレッサＣ１（１０）は、図４ａの場合、ＭＩＥＣ膜（６）で生成された純粋なＯ２を移動する。コンプレッサＣ１（１０）は、図４ｂの場合、ＭＩＥＣ膜（６）＋ＣＯ２で生成された純粋なＯ２を移動する。そのため、空気流の約２０％を移動し、ＭＩＥＣ膜（６）のＯ２側で発生する真空を制御して、Ｏ２の圧力を下げ、膜の生産性を高める。結果として、コントロールバルブ（７２）は、Ｏ２生成速度を調整し、したがって、サイクルに閉じ込められたＯ２の質量及び第２のシリンダ（１４）におけるサイクルの最大圧力を調整する。
【0174】
コントロールバルブ（７２）は通常、コンプレッサＣ１（１０）の圧力を調整するために部分的に開いて作動する。ＭＩＥＣ膜（６）で除外されたＮ２の一部は、タービンＶＧＴ１（７１）を循環し、膨張して冷却される。除外されたＮ２の他の部分は、冷却されることなく、実際のコントロールバルブ（７２）を通って循環する。Ｎ２のこの他の部分は、タービンＶＧＴ１（７１）の下流で、冷たい膨張したＮ２と混合し、再加熱し、よって温度を上昇させる。
【0175】
コントロールバルブ（７２）及び／又はタービン（７１）を通過した後、ＭＩＥＣ膜（６）からのＮ２＋Ｈ２Ｏの除外気体（空気流の８０％）は、コンプレッサＣ２（２）を動かすために使用される可変ジオメトリータービンＶＧＴ２（８）で利用される。タービンＶＧＴ２（８）に対するおよその定格入口条件は、０．３５ＭＰａ及び８２３Ｋ（５４９．８５度）である。タービンＶＧＴ２（８）の可変形状は、ＭＩＥＣ膜（６）によって移動する空気の流量を調整するため、更には生成されるＯ２の流量を調整するために使用される。タービンＶＧＴ２（８）が閉じると、ＭＩＥＣ膜（６）を通る空気流とＭＩＥＣ膜（６）の作動圧力が増加する。したがって、１時間あたりのＯ２の生成量（生成速度と同じ）と、理論混合比の条件下で噴射できる燃料の量が増加する。タービンＶＧＴ２（８）が開くと、逆のことが起こる。タービンＶＧＴ２（８）の最小サイズ（最小開口部）は、レシプロエンジンのシリンダ容量に応じて選択され、エンジンの各回転速度でシステムの最大出力を設定する。タービンＶＧＴ２（８）の最大開口部は、各回転速度でのレシプロエンジンの最小Ｏ２流量（アイドル）を決定する。タービンＶＧＴ２（８）は、ウェイストゲート（又はＷＧ）バルブを構成することもできる。タービンＶＧＴ２（８）又はそのウェイストゲートバルブが最大に開かれると、コンプレッサＣ２（２）のエネルギーがゼロに減少し、それによってＭＩＥＣ膜の作動圧力と移動する空気の流量の両方が大幅に減少する。
【0176】
エンジンの流量を更に、ゼロに下げるまで減らす場合は、タービンＶＧＴ１（７１）を避けてコントロールバルブ（７２）を開き、コンプレッサＣ１（１０）のエネルギーをゼロに減少する。これは、ＭＩＥＣ膜（６）の両側のＯ２の分圧に等しくなり、Ｏ２生成速度をキャンセルし、この実施の形態４のエンジン給気をアイドル状態のままにする。
【0177】
これにより、コントロールバルブ（７２）は、生成速度に作用することによってＯ２の流れの定性的調節を提供し、タービンＶＧＴ２（８）は、空気の移動流量に作用することによって定量的調節を提供する。両方の制御は、その容積圧縮比を変更することなく、第２のシリンダ（１４）の上死点でのシリンダの有効圧縮比の非常に広く非常に微調整された調節を提供する。これは、レシプロエンジンでは可変圧縮比として一般に知られている。
【0178】
タービンＶＧＴ２（８）の出口で、圧力約０．１ＭＰａ、温度約８００Ｋ（５２６．８５度）のＮ２とＨ２Ｏとの混合気が第１の再生熱交換器（２３）を通過して、この（今は健康に有害なガスを含まない）ガスの混合気を大気中に排出する前に、その熱を空気に伝達する。
【0179】
図４ａの場合の純粋なＯ２又は図４ｂの場合の大気ＣＯ２で希釈されたＯ２は、約０．０５ＭＰａと１１２３Ｋ（８４９．８５度）のそれぞれ定格圧力と温度でＭＩＥＣ膜（６）とＣＯ２膜（２８）を出る。これは酸化流であり、エンジンによって移動される空気の流量の約２０％に相当する。
【0180】
この酸化流の熱は、最初に第２の再生熱交換器（５）で回収されて、第１の再生熱交換器（２３）の出口から来る空気を加熱する。第２の再生熱交換器（５）の出口では、Ｏ２の定格条件は約０．０４８ＭＰａ及び７００Ｋ（４２６．８５度）である。
【0181】
次に、混合気は、真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）（２１）を実行するための手段を通って流れる。真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）（２１）を実行するための手段は、混合気の温度を圧力に変換し、第２の再生熱交換器（５）によって引き起こされた圧力損失を回復することによって混合気を冷却する機能を有する。真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）（２１）を実行するための手段は、それがターボアセンブリを形成するコンプレッサＣ３（１２）と機械的に結合されたタービンＶＧＴ３（１６）からなる。タービンＶＧＴ３（１６）の出口とコンプレッサＣ３（１２）の入口との間には、第５のＷＣＡＣクーラー（３１）がある。真空ブレイトンサイクル（ＶＢＣ）（２１）を実行するための手段の内部の詳細は、図５ａ）に見ることができ、その動作サイクルは、図５ｂ）のＴ－ｓダイアグラムに見ることができる。ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及びＯ２の混合気は、タービンＶＧＴ３（１６）でそのエネルギーを利用するように膨張し、第５のＷＣＡＣクーラ（３１）を用いて一定圧力で冷却され、タービンＶＧＴ３（１６）と機械的に結合されたコンプレッサＣ３（１２）で圧縮される。コンプレッサＣ３（１２）の出口では、混合気はタービンＶＧＴ３（１６）の入口よりも低温で高圧になっている。
【0182】
コンプレッサＣ３（１２）の出口での酸化性混合気の定格条件は、約０．０８ＭＰa及び４７３Ｋ（１９９．８５度）である。酸化性混合気は、第２のシリンダ（１４）への経路を継続し、第２のＷＣＡＣクーラ（９）で３２３Ｋ（４９．８５度）に冷却される。すでに説明したように、次に、コンプレッサＣ１（１０）で０．２５ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）に圧縮される。コンプレッサＣ１（１０）の条件は、ＭＩＥＣ膜（６）の生産性を維持するためにコントロールバルブ（７２）によって課される条件である。コンプレッサＣ１（１０）の後、流体酸化剤は、第３のＷＣＡＣクーラ（１１）で３２３Ｋ（４９．８５度）に再び冷却される。
【0183】
図４ａの実施の形態では、流体酸化剤は純粋なＯ２であり、手前のＣＯ２の分圧を下げ、空気流からＣＯ２を除去する膜の効果を最大化するために約２０００のＣＯ２／Ｎ２の選択性を有するＣＯ２ポリマー膜（２８）でＣＯ２を同伴するために使用される。図４ｂの実施の形態では、流体酸化剤は、今回は、第３のＷＣＡＣクーラ（１１）の出口で大気圧ＣＯ２を用いてＯ２希釈される。
【0184】
次に、流体酸化剤は、第１のチェックバルブ（３３）を通過して、第２のシリンダ（１４）からの逆流の出口を防ぐ。第１のチェックバルブ（３３）の後、混合気は、本実施の形態４の説明の冒頭で確立されたように、例として使用される４ストロークエンジンの４つのうちの２つある第２のシリンダ（１４）によって吸引される。
【0185】
第２のシリンダ（１４）では、炭化水素ＨｘＣｙＯｚが燃料ポンプ（２６）を使用してＯ２の酸化混合気に（空気からのＣＯ２とともに）噴射される。燃料ポンプ（２６）は、以下に説明するように、液体ＣＯ２が蓄積される第１のタンク（２０）から可撓性膜で分離された第２のタンク（２７）から燃料を吸引する。第２のタンク（２７）に蓄積された炭化水素が徐々に消費されると、膜は炭化水素側の容積を減らし、ＣＯ２側の容積を増やして、第１のタンク（２０）の側に炭化水素を蓄積できるようにする。燃料ポンプ（２６）によって吸引された炭化水素は、拡散燃焼エンジンの給気を調整するために、Ｏ２に対して理論混合未満の割合で、望ましい方法及び量で第２のシリンダ（１４）に噴射される。第２のシリンダ（１４）では、拡散燃焼サイクル、圧縮着火サイクル、並びに基本的にＯ２及び燃焼生成物、すなわち、エンジンを循環する質量の２０％によって実行されるディーゼルサイクルと同様のサイクルが実行される。
【0186】
レシプロエンジンの材料及び冷却技術と互換性のある限界まで燃焼温度を調整するには、第２のシリンダ（１４）に大量の液体ＣＯ２を噴射する必要がある。この量は、第２のシリンダ（１４）によって移動される質量の約８０％であり、臨界温度（＜３０３Ｋ（２９．８５度））より低い温度及びシリンダ内の高圧（約８０ＭＰａ）で液体ＣＯ２ポンプ（３５）によって噴射される。ＣＯ２は、必要に応じて、車両の空調によって作られるような冷却回路を使用して、ポンプ内で臨界未満の温度（＜３０３Ｋ（２９．８５度））に保たれる。噴射されたＣＯ２は、以前の燃焼プロセスで以前に回収され、液化されている。ＣＯ２は、第２のシリンダ内で蒸発し、膨張して、Ｏ２とその生成物以外の超臨界熱力学サイクルを実行する。これについては以下で説明する。
【0187】
第２のシリンダ（１４）は、ＭＩＥＣ膜（６）のために空気を移動する第１のシリンダ（４）を動かし、排出中にＣＯ２を超臨界圧に圧縮するエネルギーを生成する。これらのシリンダはすべて同じクランクシャフト（２５）上で結合しているためである。膜の生成率は、第１のシリンダ（４）が第２のシリンダ（１４）と同じシャフト上で機械的に結合されているため、エンジンの加速に瞬時に反応する。したがって、エンジンの動的応答は、従来のターボ過給エンジンで発生するようなターボチャージャの遅れ（その機械的慣性による）の影響を受けない。第２のシリンダ（１４）は、エンジンが結合されている車両、又は発電機又はシャフトを介した機械エネルギーの入力を必要とする任意の用途を動かすために使用される余剰の正味の機械エネルギーを更に生成する。これらの第２のシリンダ（１４）は、ターボ機械アセンブリがサイクルエアフローとタービンを始動するための始動システムとして機能する。そのために、第２のシリンダは、レシプロエンジンで使用されるタイプの従来の始動モータによってシステムが始動するまで動く。
【0188】
第１のＷＣＡＣクーラ（３）、第２のＷＣＡＣクーラ（９）、第３のＷＣＡＣクーラ（１１）、及び第４のＷＣＡＣクーラ（１３）、第５のＷＣＡＣクーラ（３１）、及び第６のＷＣＡＣクーラ（１８）の水への熱の伝達は、ＭＩＥＣ膜（６）と触媒ＭＩＥＣ膜（１５）、及び第２の再生熱交換器（５）と第１の再生熱交換器（２３）での熱の伝達、及び最後に余剰のＣＯ２とＨ２Ｏの残りの緻密化と回収とともに、熱力学サイクルが熱力学の第二法則に準拠し、したがって実行可能であるために必要な低温源への熱の完全な伝達を表す。次に、第１のＷＣＡＣクーラ（３）、第２のＷＣＡＣクーラ（９）、第３のＷＣＡＣクーラ（１１）、第４のＷＣＡＣクーラ（１３）、第５のＷＣＡＣクーラ（３１）、及び第６のＷＣＡＣクーラ（１８）及び（第２の再生熱交換器（５）及び第１の再生熱交換器（２３）で生成される）再生での熱の伝達は、一方では、作動流体の全体的な圧縮プロセスをより等温にするために、他方では、空気から分離するために排気ガスからエネルギーを回収するために、熱力学サイクルのエクセルギーの破壊を最小限に抑えることに貢献する。等温圧縮の近似と、Ｏ２及びＣＯ２＋Ｈ２Ｏから熱を抽出するための第２の再生熱交換器（５）及び第１の再生熱交換器（２３）の使用は、ＭＩＥＣ膜（６）で空気及びＮ２のサイクルを、エリクソンサイクルとして知られるカルノーサイクルに等しい成果を伴うサイクルに近似する。Ｏ２の混合気のサイクルは、中間の圧縮と膨張を伴う閉じた超臨界ＣＯ２サイクルに同質化できるが、第２のシリンダ（１４）ではディーゼルサイクルと入れ子になる。これは、これまで文献に記載されていなかった。本質的に、ディーゼルサイクルと（Ｎ２サイクルに熱を送ることにより、エリクソンサイクルなどの最大効率の理想的なサイクルを近似するための熱力学的原理に準拠する）Ｎ２サイクルに関連するバイナリとで入れ子になる超臨界ＣＯ２サイクルは、バイナリサイクルの新しい実施の形態であり、最大効率の他の理想的なサイクルであるカルノーサイクルの原則に準拠している。
【0189】
炭化水素（燃料）と酸化性混合気（大気中のＣＯ２＋Ｏ２）との燃焼の結果、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、未燃ＴＨＣ、Ｏ２、及びＣＯの混合気が第２のシリンダ（１４）の出口で生成される。この混合気は、触媒ＭＩＥＣ膜（１５）での燃焼で残ったＯ２で酸化され、約１２７３Ｋ（９９９．８５度）の温度と７．５ＭＰａの圧力で入る。ガスは、エンジンによって移動される空気流の１００％に熱を伝達する。これにより、ガスの温度は約７５３Ｋ（４７９．８５度）まで大幅に低下する。同時に、触媒ＭＩＥＣ膜（１５）で生成される化学反応により、ＣＯとＴＨＣは、燃焼から残ったＯ２で酸化されてＨ２Ｏ蒸気とＣＯ２になる。また、酸素燃焼により、第２のシリンダ（１４）でのＮＯｘの生成が防止される。取り込まれたＯ２と第２のシリンダ（１４）の燃料の比率は理論混合比ではなく、かなり高いため、給気を調整するオプションとして、ＣＯとＴＨＣを酸化した後でもＯ２が残っている可能性がある。
【0190】
７．５ＭＰａの圧力は、第２のチェックバルブ（１９）とその設定スプリングによって調整される。第２のシリンダ（１４）の排気弁を開き、排気ガスの混合気を排出すると、圧縮が瞬時に行われる。７．５ＭＰａに圧縮されたガスは、混合気が第２のシリンダ（１４）内でまだガス状態にあることを保証するために、７．５ＭＰａでの水の飽和温度である５７３Ｋ（２９９．８５度）を超えて維持する必要がある。
【0191】
混合気は、Ｈ２Ｏが液体状態に移行するために、第４のＷＣＡＣクーラ（１３）で５２３Ｋ（２４９．８５度）に冷却される。次に、液体の水は、セパレータ（１７）でＣＯ２ガスから分離される。セパレータ（１７）は、出口に圧力積層弁を備えた慣性セパレータとすることができる。水が気体状態に保たれている場合は、ポリマー膜をセパレータ（１７）として使用することもできる。７．５ＭＰａ及び４７３Ｋ（１９９．８５度）での水の質量は、エンジンによって移動される質量の総流量の約１０％に相当する。分離された水は、タービンＶＧＴ２（８）の入口でＮ２＋Ｈ２Ｏと混合される。これにより、セパレータ（１７）の下流の圧力は、タービンＶＧＴ２（８）の膨張によって設定される。これにより、抽出された水の温度と質量とからのエネルギーを利用して、タービンＶＧＴ２（８）でそのエネルギーの一部を回収することができる。
【0192】
最後に、ＣＯ２＋Ｏ２残留物は、第６のＷＣＡＣクーラ（１８）で、その臨界温度である３０３Ｋ（２９．８５度）未満に冷却される。液体ＣＯ２は第２のチェックバルブ（１９）を通過し、温度が３０３Ｋ（２９．８５度）未満に制御された第１のタンク（２０）に７．５ＭＰａで貯蔵される。タンクは、必要に応じて、車両の空調によって作られるような冷却回路を使用して、ＣＯ２の臨界未満の温度（＜３０３Ｋ（２９．８５度））に保たれる。タンク内の圧力が７．５ＭＰａを超えると、タンク内に蓄積された可能性のあるＯ２ガスが第４のチェックバルブ（３４）を介して大気中にパージされる。第２のタンク（２７）の燃料が空になるか、第１のタンク（２０）が満たされると、どちらか早い方でエンジンの自律性が終了する。両方のタンクは、柔軟な膜によって分離されている。ＣＯ２は、サービスステーションの第１のタンク（２０）から排出され、第２のタンク（２７）を満たす燃料と交換される。液体ＣＯ２は再び炭化水素に変換されるか、制御された溜め桝に貯蔵されるが、大気中に排出されることはない。酸素燃焼プロセスで生成されたＣＯ２の回収とともに吸入空気でのＣＯ２の含有量の減少は、本実施の形態４が、大気のＣＯ２を除去し、燃焼過程で生成されたＣＯ２を排出しなかったのでマイナスの正味排出（物）を有するエンジンであると決定することを可能にする。
【0193】
液体ＣＯ２はＣＯ２ポンプ（３５）で第２のシリンダ（１４）に再び噴射され、燃焼温度を制御し続けるため、これまで説明されていないが、図６のｐ-ｈ、Ｔ-ｓ、ｐ-ｖダイアグラムにそれぞれ示されている新しい熱力学的サイクルが実行される。このサイクルは、シリンダに含まれる質量の約８０％に相当するＣＯ２によるエネルギーの観点に関連している。ＣＯ２サイクルの説明は以下のとおりである：
(1)ポンプの入口に対応するステーション。ＣＯ２ポンプ（３５）の入口では、ＣＯ２は約７．５ＭＰａ及び２９８Ｋ（２４．８５度）の熱力学的条件にある。
(1)ポンプの入口に対応するステーション。ＣＯ２ポンプ（３５）の入口では、ＣＯ２は約７．５ＭＰａ及び２９８Ｋ（２４．８５度）の熱力学的条件にある。
【0194】
(2)ポンプの出口に対応するステーション。ＣＯ２ポンプ（３５）の出口では、ＣＯ２は約８０ＭＰａ及び３０３Ｋ（２９．８５度）の熱力学的条件にある。ステーション（１）と（２）との間のプロセスは、ＣＯ２ポンプで実行され、そのようなプロセスの間、ＣＯ２は液体状態に保たれ、ポンプ内で実質的に等温的に圧縮される。ＣＯ２は、必要に応じて、車両の空調によって作られるような冷却回路を使用して、圧縮中に臨界未満の温度（＜３０３Ｋ（２９．８５度））に保たれる。図６のステーション（２‘）は、液体ＣＯ２がインジェクターノズルを出て、約２０ＭＰａの第２のシリンダ（１４）の圧力まで膨張する瞬間に対応する。
【0195】
(3)炭化水素燃焼プロセスの終了に対応するステーション。ステーション（３）で、サイクルの最大温度と最大圧力に到達する。条件は約１８００Ｋ（１５２６．８５度）及び２０ＭＰａである。このプロセスは、第２のシリンダ（１４）で実行される。ＣＯ２は、圧縮行程の最後に炭化水素と一緒に噴射される。ＣＯ２は、噴射ノズルの上流８０ＭＰａから第２のシリンダ（１４）の最大圧力２０ＭＰａまで噴射されるとすぐに膨張する。第２のシリンダ（１４）の圧力は、ステーション（２‘）と（３）との間のプロセス中、ＣＯ２の継続的な噴射の結果として、膨張ストロークにもかかわらず、２０ＭＰａでほぼ一定に保たれる。炭化水素の燃焼により、温度は１８００Ｋ（１５２６．８５度）に上昇する。
【0196】
(4)ＣＯ２噴射プロセスの終了に対応するステーション。（３）と（４）との間のプロセスは、わずかに減少する圧力での温度低下を表す。（４）の条件は１１７３Ｋ（８９９．８５度）及び１８ＭＰａである。噴射されたＣＯ２で燃焼生成物が希釈されたため、温度が下がった。（３）と（４）との間のプロセス中に、燃焼がなく、シリンダ内の容積が増加したため、圧力が低下した。
【0197】
(5)シリンダの下死点に対応するステーション。（４）と（５）との間のプロセスは、燃焼やＣＯ２の噴射なしでシリンダ内の容積の増加が続くことを表す。これは、冷却と圧力との低下を表す。（５）の条件は約８７３Ｋ（５９９．８５度）及び０．３ＭＰａである。（４）と（５）との間のプロセスは、バルブが閉じているシリンダで引き続き発生するため、外部から隔離されたシステムである。（５）では、シリンダの容積膨張が終了し、排気バルブが開き、排気ガス又は排出プロセスが開始される。
【0198】
(6)排気プロセスの終了に対応するステーション。排気バルブが開くと、第２のチェックバルブ（１９）によって排出領域が７．５ＭＰａに加圧されるため、シリンダ内のガスが瞬時に再圧縮される。（５）と（６）との間のプロセスは、圧力と温度が約７．５ＭＰａ及び１２７３Ｋ（９９９．８５度）に瞬間的に上昇することを表す。
【0199】
サイクルは、７．５ＭＰａの一定圧力での冷却プロセスで閉じられる。このプロセスでは、ＣＯ２は、超臨界圧力ラインに従って気体状態から液体状態に遷移する。このサイクルが終了すると、２９８Ｋ（２４．８５度）及び７．５ＭＰａの初期条件で再びステーション（１）に戻る。この冷却プロセスは、排気ガス排出プロセス中に、一定の圧力条件下で、排気バルブが開いている間中、シリンダ内で部分的に行われる。残りの冷却は、触媒ＭＩＥＣ膜（１５）と第４のＷＣＡＣクーラ（１３）及び第６のＷＣＡＣクーラ（１８）で生成される。液化ＣＯ２の塊の一部は、前述のサイクルを再度実行するためにシリンダ内に再噴射され、残りのＣＯ２は、適切な収集及び処理ステーションに送られるまで、第１のタンク（２０）に蓄積される。
【0200】
図６に示すように、熱力学的状態（４）と（５）との間のプロセスラインが熱力学的状態（６）と（１）との間のプロセスラインと交差する熱力学的状態は、ポイント（７）である。ポイント（７）の熱力学的状態は、サイクルの特定の条件に依存し、プラスの正味の機械的仕事を生成するサイクルの部分（１．２．３．４．７．１）とマイナスの正味の機械的仕事を生成する、すなわち仕事を消費するサイクルの部分（７．５．６．７）との間に分離頂点を確立する。
【0201】
ＣＯ２はシリンダから放出される質量の約８０％に相当するが、燃料と反応するＯ２である質量の約２０％がもう1つある。Ｏ２とその燃焼生成物によって実行されるサイクルは、第２のシリンダ（１４）内のＣＯ２サイクルと入れ子になる。これはこれまで文献で提案されていなかったサイクルであるため、図７でも詳細に説明されている。このサイクルのステップは以下のとおりである：
(a)第２のシリンダ（１４）の吸気口の熱力学的条件に対応するステーション。この条件は、第１のチェックバルブ（３３）の下流にある。熱力学的条件は、約０．３ＭＰａ及び３２３Ｋ（４９．８５度）である。この瞬間、第２のシリンダ（１４）のピストンは下死点にある。第２のシリンダ（１４）の吸気バルブが閉じられ、Ｏ２圧縮プロセスが開始される。
(a)第２のシリンダ（１４）の吸気口の熱力学的条件に対応するステーション。この条件は、第１のチェックバルブ（３３）の下流にある。熱力学的条件は、約０．３ＭＰａ及び３２３Ｋ（４９．８５度）である。この瞬間、第２のシリンダ（１４）のピストンは下死点にある。第２のシリンダ（１４）の吸気バルブが閉じられ、Ｏ２圧縮プロセスが開始される。
【0202】
(b)第２のシリンダ（１４）の圧縮プロセスの終了時の熱力学的条件に対応するステーション。この状態条件は、第２のシリンダ（１４）のピストンの上死点で発生する。熱力学的条件は、約１１ＭＰａ及び５７３Ｋ（２９９．８５度）である。状態（ａ）と（ｂ）との間のプロセスでは、シリンダの壁に熱が伝達され、その上に閉じ込められたＯ２（サイクルの質量の約２０％）のポリトロープ圧縮が発生する。条件（ｂ）では、可燃性炭化水素と液体状態のＣＯ２の噴射が開始される。
【0203】
(c)可燃性炭化水素燃焼プロセスの終了時の熱力学的条件に対応するステーション。この条件は、第２のシリンダ（１４）のピストンの上死点の後に発生する。熱力学的条件は、約２００ＭＰａ及び１８００Ｋ（１５２６．８５度）である。（ｂ）と（ｃ）との間のプロセスは、燃料の噴射、圧縮自己着火、及びそれらの拡散燃焼を含み、噴射された流れの移動量の結果として燃焼速度が制御される。（ｂ）と（ｃ）との間のプロセスには、燃焼プロセスの温度を制御し、圧力を一定に保ち、確立された約２００ＭＰａに等しくするのに役立つ液体ＣＯ２の噴射の開始も含まれる。これらの条件は、図６のＣＯ２サイクルの熱力学的状態（３）の条件と一致する。これらの条件では、両方の（Ｏ２及びＣＯ２）サイクルが同時に発生する。
【0204】
(d)ＣＯ２噴射プロセス終了時の熱力学的条件に対応するステーション。これらの状態は、第２のシリンダ（１４）のピストンの膨張行程中に発生する。熱力学的条件は約１１７３Ｋ（８９９．８５度）及び１８ＭＰａである。この条件は、図６のＣＯ２サイクルの熱力学的状態（４）の条件と一致する。この条件下では、両方の（Ｏ２及びＣＯ２）サイクルが同時に発生する。図７の状態（ｃ）と（ｄ）との間のプロセスは、図６で説明した状態（３）と（４）との間のプロセスと同じである。このプロセスは、噴射されるＣＯ２の量に応じて多かれ少なかれ延長される。これは、今度は燃焼生成物の望ましい最終温度と燃焼の安定性に依存する。図７にポイント（ｄ‘）で示されている理想的なケースは、このプロセスを拡張ストロークの下死点まで延長することである。このケースは、Ｏ２及びＣＯ２サイクルでの最大の仕事産出量を表すため理想的である。
【0205】
(e)第２のシリンダ（１４）のピストンのストロークの下死点での熱力学的条件に対応するステーション。これらの状態は第２のシリンダ（１４）の膨張プロセスの最後に発生する。熱力学的条件は約８７３Ｋ（５９９．８５度）及び０．３ＭＰａである。この条件は、図６のＣＯ２サイクルの熱力学的状態（５）の条件と一致する。この条件下では、両方の（Ｏ２とＣＯ２）サイクルが同時に発生する。図７の状態（ｄ）と（ｅ）との間のプロセスは、図６で説明した状態（４）と（５）との間のプロセスと同じである。
【0206】
(f)第２のシリンダ（１４）のピストンのストロークの下死点で排気バルブを開いたときの熱力学的条件に対応するステーション。排気バルブが開くと、第２のチェックバルブ（１９）によって排出領域が７．５ＭＰａに加圧されるため、シリンダ内のガスが瞬時に再圧縮される。これらの条件は、図６のＣＯ２サイクルの熱力学的状態（６）の条件と一致する。これらの条件下では、両方の（Ｏ２とＣＯ２）サイクルが同時に発生する。図７の状態（ｅ）と（ｆ）との間のプロセスは、図６で説明した状態（５）と（６）との間のプロセスと同じである。（ｅ）と（ｆ）との間のプロセスは、圧力及び温度が約７．５ＭＰａ及び１２７３Ｋ（９９９．８５度）に瞬間的に上昇することを表す。
【0207】
(g)第２のシリンダ（１４）のピストンが排気行程の上死点にあるときの燃焼ガスの排出が完了したときの熱力学的条件に対応するステーション。ステーション（ｆ）と（ｇ）の間のプロセスでは、ガスは、一定の圧力条件下で、排気バルブが開いている間、閉じられるまでシリンダから排出される。熱力学的条件は、約７．５ＭＰａ及び１１７３Ｋ（８９９．８５度）である。これらの条件下では、両方の（Ｏ２及びＣＯ２）サイクルが同時に発生する。図７の状態（ｆ）と（ｇ）との間のプロセスは、一定の圧力での特定のストレッチ中に、状態（６）と（１）との間の図６で説明されているプロセスと一致する。このステーションでは、Ｏ２サイクル及びＣＯ２サイクルが再び分離される。
【0208】
(h)第１のチェックバルブ（３３）の下流にある、第２のシリンダ（１４）の吸入圧力までの圧力降下プロセスの終了に対応するステーション。このステーションは、第２のシリンダ（１４）の吸気行程のある時点で発生する。（ｇ）と（ｈ）との間のプロセスで、燃焼室のデッドボリュームに閉じ込められたＣＯ２は、第１のチェックバルブ（３３）が開く状態まで膨張した。このプロセスは、第１のチェックバルブ（３３）が閉じた状態で発生する。このプロセスは、Ｏ２の燃焼から発生するＣＯ２によってのみ実行され、図７のサイクルからのみ実行され、図６で説明されているＣＯ２サイクルとは無関係である。熱力学的条件は、約０．３ＭＰａ及び７７３Ｋ（４９９．８５度）である。
【0209】
サイクルは、図７の熱力学的条件（ａ）で再び閉じられる。（ｈ）と（ａ）との間のプロセスは、第１のチェックバルブ（３３）が、約０．３ＭＰａ及び３２３Ｋ（４９．８５度）の本質的に一定の圧力及び温度条件で、開いた状態で発生する。（ｈ）と（ａ）との間のプロセスは、シリンダの吸気口からのＯ２の吸気で構成され、システムの空気の質量の約２０％の吸気口に相当する。
【0210】
図７に示すように、熱力学的状態（ｄ）と（ｅ）との間のプロセスラインが熱力学的状態（ｆ）と（ｇ）との間のプロセスラインと交差する熱力学的状態は。ポイント（ｉ）である。ポイント（ｉ）は図６の熱力学的状態（７）と一致する。ポイント（i）の熱力学的状態は、図７のサイクルの特定の条件に依存し、プラスの正味の機械的仕事を生成するサイクルの部分（ｉ、ｊ、ｂ、ｃ、ｄ、ｉ）と 図６で説明されているように、マイナスの正味の機械的仕事を生成する、すなわち仕事を消費するサイクルの一部（ｉ、ｅ、ｆ、ｉ）との間に分離頂点を確立する。上記のように、図７のポイント（ｄ‘）は、ポイント（ｆ）と（ｉ’）とが一致する記述されたサイクルの理想的な状況を表している。この場合、面積（ｉ‘、ｆ、ｅ、ｉ’）はゼロであり、プラスの仕事とマイナスの仕事の絶対差として理解されるので、生成される正味の仕事が最大化される。
【0211】
図７のＯ２サイクルには、頂点がポイント（ｊ）である仕事を消費する別の領域がない。図７に示すように、ポイント（ｊ）は、熱力学的状態（ａ）と（ｂ）との間のプロセスラインが熱力学的状態（ｆ）と（ｇ）との間のプロセスラインと交差する熱力学的状態である。ポイント（j）の熱力学的状態は、図7のサイクルの特定の条件に依存し、プラスの正味の機械的仕事を生成するサイクルの部分（i、j、b、c、d、i）と マイナスの正味の機械的仕事を生成する、すなわち仕事を消費するサイクルの他の部分（j、g、h、a、j）との間に分離頂点を確立する。
【0212】
理論的な事前設計モデリングが行われ、それに基づいていくつかの計算が実行された。その結果は、添付の図８から１３のグラフに示される。モデルには、要素間の理想的な接続と、任意の操作ポイントでのターボ機械と熱交換器の一定の効率が想定されていた。
【0213】
エンジンのシリンダ及びコンプレッサへの一定の閉じ込められた空気質量及び可変速度のガス燃料噴射、並びに理論空燃比も仮定された。検討した燃料はＣ８Ｈ１８（ＰＣＩから４２ＭＧ／ｋｇ）であった。
【0214】
ターボチャージャの最大圧縮比を４：１に固定し、最大冷却水温度を９０度、最大排気ガス温度を１０５５度に設定した。
【0215】
図８から１３のグラフ及び前述の説明から観察できるように、本発明では、ＮＯｘ排出が防止され、大気中に排出する代わりにＣＯ２を隔離する可能性が提供される。更に、吸気ラインにバタフライバルブを必要とせずに給気を調整し、シリンダ容量の単位あたりの高効率と比出力が得られる。
【0216】
本発明の好ましい実施の形態の詳細な説明が提供されているが、当業者は、添付の特許請求の範囲によってのみ定義される保護の範囲から逸脱することなく、修正及び変形がそれに適用できることを理解するであろう。
【図1】
【図2a】
【図2b】
【図3】
【図4a】
【図4b】
【図5a】
【図5b】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
