IT201700015175A1

IT201700015175A1 - Semi-closed first internal combustion engine and semi-closed thermodynamic process for power production

Info

Publication number: IT201700015175A1
Application number: IT102017000015175A
Authority: IT
Inventors: Claudio Spadacini
Original assignee: Spada S R L
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2018-08-10
Also published as: EP3580435A1; WO2018146624A1

Description

“Motore primo a combustione interna a ciclo semi-chiuso e processo termodinamico semi-chiuso per la produzione di potenza” "Semi-closed cycle internal combustion prime mover and semi-closed thermodynamic process for power generation"

Campo del trovato Field of the found

La presente invenzione ha per oggetto un motore primo a combustione interna a ciclo semi-chiuso ed un processo termodinamico semi-chiuso per la produzione di potenza. La presente invenzione si colloca nell’ambito della produzione di potenza ad esempio da combustibili fossili, idrogeno o altri combustibili derivati da combustibili fossili e/o organici. La presente invenzione può collocarsi nell’ambito della produzione di potenza meccanica e/o elettrica a bordo di navi, tipicamente con potenze dalle centinaia di kW fino a decine di MW per i grandi motori navali e/o della produzione di potenza meccanica e/o elettrica in applicazioni fisse, ad esempio per l’azionamento di macchine operatrici (pompe, compressori, etc.) e/o per la produzione di potenza elettrica per reti estese e/o isolate, anche con potenze da centinaia di kW fino a decine e centinaia di MW per singola unità. The present invention relates to a semi-closed cycle internal combustion prime mover and a semi-closed thermodynamic process for the production of power. The present invention is part of the production of power, for example from fossil fuels, hydrogen or other fuels derived from fossil and / or organic fuels. The present invention can be placed in the field of the production of mechanical and / or electrical power on board ships, typically with powers ranging from hundreds of kW up to tens of MW for large naval engines and / or the production of mechanical power and / or in fixed applications, for example for the operation of operating machines (pumps, compressors, etc.) and / or for the production of electrical power for extended and / or isolated networks, even with powers ranging from hundreds of kW up to tens and hundreds of MW per single unit.

Background del trovato Background of the finding

Oggi in ambito navale è noto l’impiego di motori a due o quattro tempi a ciclo Otto e/o Diesel, più in generale motori a ciclo Otto e Diesel, turbine a Gas, cicli Rankine a vapore alimentati a combustibili fossili e/o vegetali e/o idrogeno. Tali motori di primi noti possono poi trovare applicazione con azionamento diretto delle eliche o tramite generatore elettrico e motori elettrici di propulsione. Today in the naval sector the use of two or four stroke Otto and / or Diesel engines is known, more generally Otto and Diesel cycle engines, Gas turbines, Steam Rankine cycles fueled by fossil and / or vegetable fuels. and / or hydrogen. Such engines of the first known ones can then find application with direct drive of the propellers or by means of an electric generator and electric propulsion motors.

Nelle applicazioni fisse (power plant fissi) sono invece noti: In fixed applications (fixed power plants), on the other hand, the following are known:

- impianti Rankine a vapore, anche ultra-supercritici, alimentati a carbone, olio, gas, biomasse; - Rankine steam plants, including ultra-supercritical ones, fueled by coal, oil, gas, biomass;

- impianti a ciclo combinato alimentati a gas o a combustibile liquido raffinato (GTCC), e/o alimentati a carbone e/o olio combustibile mediante integrazione di processo di gassificazione (IGCC: Integrated Gasification CC); - combined cycle plants fueled by gas or refined liquid fuel (GTCC), and / or fueled by coal and / or fuel oil through the integration of the gasification process (IGCC: Integrated Gasification CC);

- turbine a gas in ciclo semplice; - simple cycle gas turbines;

- motori a combustione interna secondo ciclo Otto e/o Diesel, a olio, gasolio, gas e altri derivati del petrolio, o combustibili di derivazione vegetale quali olii di colza, di girasole, etc.. - internal combustion engines according to the Otto and / or Diesel cycle, with oil, diesel oil, gas and other petroleum derivatives, or vegetable-derived fuels such as rapeseed, sunflower oils, etc.

Recentemente, in ragione della sempre crescente richiesta di impianti che prevedano il contenimento di emissioni di CO2 ed altri inquinanti e di esigenze di stoccaggio dell’energia, sono stati introdotti sistemi che prevedono l’alimentazione ad idrogeno (motori e turbine a gas). Recently, due to the ever increasing demand for plants that provide for the containment of CO2 emissions and other pollutants and energy storage needs, systems that provide for hydrogen power (engines and gas turbines) have been introduced.

Sono poi stati proposti e noti e sono in fase di sviluppo sistemi, ancorché non ancora applicati commercialmente, a ciclo sub-critico e/o supercritico a CO2 con combustione ad ossigeno (oxy-combustion) (Maximizing the performance of semiclosed O2/CO2 gas turbine combined cycles for power generation, Thesis by Lorne G. Allaby – Master of Applied Science in Mechanical Engineering – Carleton University - April 2006; CO2 capture in power plant using oxy-combustion principle – Thesis by Ricardo Llorente Manso - Norvegian Univerity of Science and Technology – July 2013; Semi-closed cycle gas turbine with carbon dioxide-argon as working fluid - Uniza, Pilidis - The American Society of Mechanical Engineers -96-GT-345). Tra questi si ricordano anche i cicli S-Graz (Thermodinamic and Economic Investigation of an improved Graz Cycle Power Plant for CO2 Capture -Sanz et Alii – Institute for thermal turbomachinery and machine dynamics, Graz University of Technology - 2004), il ciclo Matiant (Zero emission Matiant cycle - The American Society of Mechanical Engineers - 98-GT-383 - 1998), il ciclo Allam (US7596075), e anche motori a combustione interna trasformati o di nuova concezione per funzionare con ciclo semi-chiuso (WO 2014/036256 - Enhanced Energy Group LLC). Sub-critical and / or supercritical CO2 systems with oxygen combustion (oxy-combustion) (Maximizing the performance of semiclosed O2 / CO2 gas turbine combined cycles for power generation, Thesis by Lorne G. Allaby - Master of Applied Science in Mechanical Engineering - Carleton University - April 2006; CO2 capture in power plant using oxy-combustion principle - Thesis by Ricardo Llorente Manso - Norwegian Univerity of Science and Technology - July 2013; Semi-closed cycle gas turbine with carbon dioxide-argon as working fluid - Uniza, Pilidis - The American Society of Mechanical Engineers -96-GT-345). These include the S-Graz cycles (Thermodinamic and Economic Investigation of an improved Graz Cycle Power Plant for CO2 Capture -Sanz et Alii - Institute for thermal turbomachinery and machine dynamics, Graz University of Technology - 2004), the Matiant cycle ( Zero emission Matiant cycle - The American Society of Mechanical Engineers - 98-GT-383 - 1998), the Allam cycle (US7596075), and also transformed or newly developed internal combustion engines to operate on a semi-closed cycle (WO 2014 / 036256 - Enhanced Energy Group LLC).

A tale riguardo sono di per sé noti i seguenti tre sistemi per la cattura ed il sequestro (e stoccaggio) del carbonio prodotto dalla combustione (Carbon Capture and Sequestration – CCS) (www.ccsassociation.org): pre-combustion capture, postcombustion capture, oxy-fuel combustion. In this regard, the following three systems are known per se for the capture and sequestration (and storage) of the carbon produced by combustion (Carbon Capture and Sequestration - CCS) (www.ccsassociation.org): pre-combustion capture, postcombustion capture , oxy-fuel combustion.

Sono altresì noti, anche se per applicazioni differenti, motori a combustione interna a ciclo chiuso con gas nobile funzionanti secondo cicli Otto ed eventualmente Diesel e varianti dei medesimi: US 4112875; WO2016/019357; Killingsworth, Rapp et al.: Increase efficiency in SI engine with air replaced by oxygen in argon mixture, 33rd International Symposium on Combustion, Beijing, China, 2010. Tali documenti noti si riferiscono ad una nuova tipologia di motori a combustione interna in ciclo semichiuso che utilizza un fluido di lavoro diverso dall’aria, preferibilmente monoatomico (come argon, neon, helio, xenon) sempre con un processo tipo Otto o Diesel o variazioni dei medesimi. Detti processi sono sempre realizzati, secondo l’arte nota di cui sopra, con fasi di aspirazione, compressione, combustione, espansione, scarico nella medesima macchina volumetrica, tipicamente a pistoni, e quindi in pratica nel medesimo cilindro. Also known, although for different applications, are closed-cycle internal combustion engines with noble gas operating according to Otto and possibly Diesel cycles and variants thereof: US 4112875; WO2016 / 019357; Killingsworth, Rapp et al .: Increase efficiency in SI engine with air replaced by oxygen in argon mixture, 33rd International Symposium on Combustion, Beijing, China, 2010. These known documents refer to a new type of internal combustion engines in semi-closed cycle which uses a working fluid other than air, preferably monoatomic (such as argon, neon, helio, xenon) always with an Otto or Diesel type process or variations thereof. Said processes are always carried out, according to the prior art referred to above, with phases of aspiration, compression, combustion, expansion, exhaust in the same volumetric machine, typically with pistons, and therefore in practice in the same cylinder.

Sono altresì noti cicli di turbina a gas con combustione a volume costante (Constant Volume Combustion Gas Turbine cycle) illustrati ad esempio nei seguenti documenti: Constant Volume Combustion: the ultimate gas turbine cycle - Gulen -Gas Turbine World – November December 2013; US2095984; US3525214; US4815294. Tali documenti noti si riferiscono a cicli/processi di turbina a gas con combustione a volume costante o comunque con incremento di pressione. Di fatto tutti documenti di arte nota di cui sopra si riferiscono a cicli di turbina a gas in ciclo aperto. Gas turbine cycles with constant volume combustion are also known (Constant Volume Combustion Gas Turbine cycle) illustrated for example in the following documents: Constant Volume Combustion: the ultimate gas turbine cycle - Gulen -Gas Turbine World - November December 2013; US2095984; US3525214; US4815294. These known documents refer to gas turbine cycles / processes with constant volume combustion or in any case with pressure increase. In fact, all prior art documents referred to above refer to open cycle gas turbine cycles.

Al fine di sorpassare i limiti di utilizzo di combustori a volume costante in cicli di turbina i gas, sono stati proposti e sono noti i cosiddetti “free-piston combustor” che, non essendo collegati ad un albero rotante, tramite meccanismi biella-manovella, possono raggiungere frequenze di pompaggio molto elevate e tali da consentire di elaborare portate volumetriche anche importanti. Tuttavia il “free- piston combustor” necessità di integrare al proprio interno anche la macchina operatrice, ossia la fase di compressione. In order to overcome the limits of use of combustors with constant volume in turbine cycles, the gases have been proposed and are known so-called "free-piston combustors" which, not being connected to a rotating shaft, by means of connecting rod-crank mechanisms, they can reach very high pumping frequencies and such as to allow processing even important volumetric flows. However, the “free-piston combustor” also needs to integrate the operating machine, ie the compression phase, inside.

Il documento pubblico WO2008/065036 descrive un ciclo semichiuso a CO2 con una turbina di espansione preceduta da un combustore e accenna al fatto che si può utilizzare un motore a pistoni come macchina di compressione ed espansione. In tale ambito è inoltre noto il documento pubblico WO2014/005229 che, in una forma realizzativa, illustra un sistema a ciclo aperto comprendente un compressore isotermico configurato per ricevere e comprimere aria, un motore a combustione interna, del tipo a due o quattro tempi, che riceve l’aria compressa e nel quale avviene un ciclo di compressione, combustione e scarico, ed uno scambiatore di calore configurato per recuperare calore dallo scarico e riscaldare l’aria compressa proveniente dal compressore prima che entri nel motore. Una diversa forma realizzativa illustrata sempre in WO2014/005229 mostra un sistema a ciclo chiuso in cui aria o altro gas, come ad esempio azoto, argon, elio, idrogeno, è compressa in un compressore isotermico, transita in uno scambiatore di calore, dov’è riscaldata, entra in un espansore adiabatico volumetrico ed è poi ricircolata nel compressore isotermico. Public document WO2008 / 065036 describes a semi-closed CO2 cycle with an expansion turbine preceded by a combustor and mentions that a piston engine can be used as a compression and expansion machine. In this context, the public document WO2014 / 005229 is also known which, in one embodiment, illustrates an open cycle system comprising an isothermal compressor configured to receive and compress air, an internal combustion engine, of the two or four stroke type, which receives the compressed air and in which a compression, combustion and exhaust cycle takes place, and a heat exchanger configured to recover heat from the exhaust and heat the compressed air coming from the compressor before it enters the engine. A different embodiment also illustrated in WO2014 / 005229 shows a closed cycle system in which air or other gas, such as nitrogen, argon, helium, hydrogen, is compressed in an isothermal compressor, passes through a heat exchanger, where it is heated, enters a volumetric adiabatic expander and is then recirculated in the isothermal compressor.

Sommario Summary

La Richiedente ha osservato che gli attuali motori navali hanno efficienze fino anche al 50%, i cicli combinati fino al 58-60%, gli impianti a olio e carbone fino al 45%, tuttavia non consentono di evitare le emissioni di CO2 in maniera economicamente poco impattante rispetto agli attuali costi di produzione dell’energia meccanica o elettrica. The Applicant observed that current marine engines have efficiencies up to 50%, combined cycles up to 58-60%, oil and coal plants up to 45%, however they do not allow to economically avoid CO2 emissions. with little impact compared to the current production costs of mechanical or electrical energy.

La Richiedente ha ulteriormente osservato che alcuni sistemi noti, fra cui in particolare quelli con cicli a CO2 supercritici, sono potenzialmente in grado di garantire rendimenti di conversione in linea con le attuali tecnologie ma, a causa delle temperature molto elevate combinate con pressioni di centinaia di bar (tipicamente fino a 1.200°C con 250-300bar), sono tecnologicamente impe gnativi. Inoltre, utilizzando turbomacchine, introducono problematiche molto complesse per poter accettare la combustione diretta di combustibili anche gravosi come gli olii combustibili, etc.. The Applicant has further observed that some known systems, including in particular those with supercritical CO2 cycles, are potentially able to guarantee conversion efficiencies in line with current technologies but, due to the very high temperatures combined with pressures of hundreds of bar (typically up to 1,200 ° C with 250-300bar), are technologically demanding. Furthermore, using turbomachinery, they introduce very complex problems in order to accept the direct combustion of even heavy fuels such as fuel oils, etc.

La Richiedente ha inoltre osservato che i cicli noti di turbina a gas con combustore a volume costante senza espansore integrato sono limitati nella temperatura massima a causa dei limiti nei materiali dell’espansore che vedrà in ogni caso la temperatura massima del ciclo. Ciò di fatto, per limiti sui materiali e sulle tecniche di raffreddamento, limita la massima temperatura del ciclo e quindi la massima efficienza. The Applicant has also observed that the known cycles of gas turbine with constant volume combustor without integrated expander are limited in the maximum temperature due to the limits in the materials of the expander which will in any case see the maximum temperature of the cycle. In fact, due to limits on materials and cooling techniques, it limits the maximum temperature of the cycle and therefore the maximum efficiency.

Inoltre, nelle normali turbine a gas le portate volumetriche sono molto importanti e non consentono normalmente l’uso di macchine volumetriche, come evidenziato anche nel documento pubblico sopra citato “Constant Volume Combustion: the ultimate gas turbine cycle - Gulen - Gas Turbine World - November December 2013”, a pagina 3, colonna a sinistra, primo paragrafo, dopo figura 3. Furthermore, in normal gas turbines the volumetric flow rates are very important and do not normally allow the use of volumetric machines, as also highlighted in the public document mentioned above "Constant Volume Combustion: the ultimate gas turbine cycle - Gulen - Gas Turbine World - November December 2013 ”, page 3, left column, first paragraph, after figure 3.

In tale ambito, la Richiedente ha percepito la necessità di introdurre nuovi motori primi in grado di sostituire i motori primi attualmente in uso e in grado di fornire efficienze di conversione uguali o superiori a quelle in uso. In this context, the Applicant has perceived the need to introduce new prime mover capable of replacing the prime mover currently in use and capable of providing conversion efficiencies equal to or higher than those in use.

La Richiedente ha percepito la necessità di proporre nuovi motori primi che consentano di effettuare il “carbon capture” e “sequestration” (CCS) senza deteriorare, ma addirittura incrementando, l'efficienza rispetto ai sistemi attuali. Più in generale, la Richiedente si è posta i seguenti obiettivi: The Applicant has perceived the need to propose new prime movers which allow the carbon capture and sequestration (CCS) to be carried out without deteriorating, but even increasing, efficiency with respect to current systems. More generally, the Applicant has set itself the following objectives:

ideare un ciclo/processo ed un motore/impianto per la produzione di energia meccanica o elettrica, da combustibili fossili e non, con efficienze di conversione uguali o superiori a quelle in uso; design a cycle / process and an engine / plant for the production of mechanical or electrical energy, from fossil and non-fossil fuels, with conversion efficiencies equal to or higher than those in use;

ideare un ciclo/processo/motore/impianto con la possibilità/capacità di sequestrare i prodotti di combustione (ad esempio CO2, H2O e inquinanti) e quindi che consentano di migliorare il contenimento delle emissioni inquinanti; devising a cycle / process / engine / plant with the possibility / capacity to sequester the combustion products (for example CO2, H2O and pollutants) and therefore that allow to improve the containment of polluting emissions;

ideare un ciclo/processo/motore/impianto caratterizzati da minori irreversibilità e maggiore efficienza rispetto ai cicli Brayton chiusi 0 aperti, tipici delle turbine a gas; design a cycle / process / engine / plant characterized by less irreversibility and greater efficiency compared to closed or open Brayton cycles, typical of gas turbines;

ideare un ciclo/processo/motore/impianto in grado di convertire combustibili anche con un elevato grado di impurezze ed inquinanti; devising a cycle / process / engine / plant capable of converting fuels even with a high degree of impurities and pollutants;

ideare un ciclo/processo/motore/impianto in grado di offrire quanto sopra indicato con costi di realizzazione contenuti e capaci di garantire un costo di produzione dell’energia elettrica, simultaneamente al “carbon capture and sequestration”, competitivo; devise a cycle / process / engine / plant capable of offering the above with low construction costs and capable of guaranteeing a competitive cost of producing electricity, simultaneously with the "carbon capture and sequestration";

ideare un ciclo/processo/motore/impianto in grado di offrire quanto sopra utilizzando come comburente in taluni casi ossigeno (oxy-combustion) e in latri casi anche aria; to devise a cycle / process / engine / plant capable of offering the above using oxygen as comburent in some cases (oxy-combustion) and in other cases also air;

ideare un ciclo/processo/motore/impianto che realizzino quanto sopra con parti e componenti noti e già in uso 0 simili a componenti già in uso; ideare un ciclo/processo/motore/impianto che realizzino quanto sopra senza la necessità di sviluppare nuovi materiali e senza dover sviluppare espansori e/o turbine adatte ad accoppiate di temperatura e pressione molte elevate. devising a cycle / process / engine / plant that accomplishes the above with parts and components that are known and already in use or similar to components already in use; to devise a cycle / process / engine / plant that achieve the above without the need to develop new materials and without having to develop expanders and / or turbines suitable for couplings of very high temperatures and pressures.

La Richiedente ha trovato che gli obiettivi sopra indicati e altri ancora possono essere raggiunti tramite un ciclo semi-chiuso a combustione interna (preferibilmente con oxy-combustion, ma in taluni casi anche con aria, in particolare quando il fluido di lavoro utilizzato è azoto, con piccole percentuali di argon ed altre impurezze) in cui un fluido di lavoro viene sottoposto ad una compressione inter-refrigerata o quasi isoterma in un compressore, ad un incremento di temperatura recuperativo in un recuperatore, ad una combustione con incremento di pressione in un espansore volumetrico distinto dal compressore, ad un recupero di calore nel citato recuperatore che è operativamente interposto tra il compressore e l’espansore volumetrico. The Applicant has found that the objectives indicated above and others can be achieved by means of a semi-closed internal combustion cycle (preferably with oxy-combustion, but in some cases also with air, in particular when the working fluid used is nitrogen, with small percentages of argon and other impurities) in which a working fluid is subjected to an inter-refrigerated or quasi-isothermal compression in a compressor, to a recovery temperature increase in a recuperator, to a combustion with pressure increase in an expander volumetric separate from the compressor, to a heat recovery in the aforementioned recuperator which is operationally interposed between the compressor and the volumetric expander.

In particolare, gli obiettivi indicati ed altri ancora sono sostanzialmente raggiunti da un motore a combustione interna a ciclo semi-chiuso, da un processo termodinamico semi-chiuso per la produzione di potenza e da un ciclo termodinamico a combustione interna del tipo rivendicati nelle annesse rivendicazioni e/o descritti nei seguenti aspetti. In particular, the indicated objectives and others are substantially achieved by a semi-closed cycle internal combustion engine, by a semi-closed thermodynamic process for the production of power and by an internal combustion thermodynamic cycle of the type claimed in the attached claims. and / or described in the following aspects.

In un aspetto indipendente, la presente invenzione riguarda un motore primo a combustione interna a ciclo semi-chiuso, comprendente: un dispositivo di compressione; un espansore volumetrico (al fine di permettere la combustione con incremento di pressione) distinto dal dispositivo di compressione e preferibilmente collegato ad un generatore; primi dispositivi di alimentazione collegati all’espansore volumetrico (direttamente o posti a monte dello stesso) e configurati per immettere un combustibile nell’espansore volumetrico e/o secondi dispositivi di alimentazione collegati all’espansore volumetrico (direttamente o posti a monte dello stesso) e configurati per immettere un comburente nell’espansore volumetrico, in cui l’espansore volumetrico è configurato per eseguire una combustione con un incremento di pressione ed un’espansione; un circuito chiuso in cui circola almeno un fluido di lavoro; in cui il dispositivo di compressione e l’espansore volumetrico sono fra loro in comunicazione di fluido tramite detto circuito chiuso; un recuperatore disposto nel circuito chiuso ed operativamente interposto tra il dispositivo di compressione e l’espansore volumetrico; in cui il recuperatore è configurato per cedere calore dal fluido di lavoro proveniente dall’espansore volumetrico, e diretto verso il dispositivo di compressione al fluido di lavoro proveniente dal dispositivo di compressione e diretto nell’espansore volumetrico. In an independent aspect, the present invention relates to a semi-closed cycle internal combustion prime mover, comprising: a compression device; a volumetric expander (in order to allow combustion with pressure increase) separate from the compression device and preferably connected to a generator; first feeding devices connected to the volumetric expander (directly or placed upstream of it) and configured to introduce a fuel into the volumetric expander and / or second feeding devices connected to the volumetric expander (directly or placed upstream of it) and configured to introduce a comburent into the volumetric expander, in which the volumetric expander is configured to perform combustion with a pressure increase and an expansion; a closed circuit in which at least one working fluid circulates; in which the compression device and the volumetric expander are in fluid communication with each other through said closed circuit; a recuperator arranged in the closed circuit and operationally interposed between the compression device and the volumetric expander; in which the recovery unit is configured to release heat from the working fluid coming from the volumetric expander, and directed towards the compression device to the working fluid coming from the compression device and directed into the volumetric expander.

Con la terminologia sopra utilizzata si intende significare che i dispositivi di alimentazione comburente e/o combustibile possono anche non essere collegati direttamente all’espansore volumetrico ma invece essere collegati al circuito chiuso per immettere il comburente e/o il combustibile nel circuito chiuso oppure in un circuito ausiliario collegato al circuito chiuso. The terminology used above means that the combustion and / or fuel supply devices can also not be connected directly to the volumetric expander but instead be connected to the closed circuit to introduce the comburent and / or fuel into the closed circuit or into a auxiliary circuit connected to the closed circuit.

In un aspetto indipendente, la presente invenzione riguarda un processo termodinamico semi-chiuso per la produzione di potenza, preferibilmente attuato con il motore secondo almeno uno degli aspetti elencati e/o almeno una delle rivendicazioni allegate. In an independent aspect, the present invention relates to a semi-closed thermodynamic process for the production of power, preferably carried out with the engine according to at least one of the listed aspects and / or at least one of the attached claims.

Il processo termodinamico comprende: comprimere un fluido di lavoro in un dispositivo di compressione;, immettere il fluido di lavoro già compresso proveniente dal dispositivo di compressione in un espansore volumetrico distinto dal dispositivo di compressione; eseguire nell’espansore volumetrico una combustione con incremento di pressione immettendo un comburente ed un combustibile nell’espansore volumetrico e senza eseguire una ulteriore compressione del fluido di lavoro in detto espansore volumetrico dopo l’immissione e prima della combustione; far espandere il fluido di lavoro nell’espansore volumetrico; espellere il fluido di lavoro dall’espansore volumetrico e reimmetterlo nel dispositivo di compressione; in cui si prevede di cedere calore, in un recuperatore, dal fluido di lavoro proveniente dall’espansore volumetrico e diretto verso il dispositivo di compressione al fluido di lavoro proveniente dal dispositivo di compressione e diretto nell’espansore volumetrico, in modo da riscaldare il fluido di lavoro prima della combustione. The thermodynamic process comprises: compressing a working fluid in a compression device; introducing the already compressed working fluid coming from the compression device into a volumetric expander separate from the compression device; perform combustion in the volumetric expander with increased pressure by introducing an oxidizer and a fuel into the volumetric expander and without performing a further compression of the working fluid in said volumetric expander after the introduction and before combustion; let the working fluid expand in the volumetric expander; expel the working fluid from the volumetric expander and re-enter it in the compression device; in which it is expected to transfer heat, in a recuperator, from the working fluid coming from the volumetric expander and directed towards the compression device to the working fluid coming from the compression device and directed into the volumetric expander, in order to heat the fluid before combustion.

In un aspetto indipendente, la presente invenzione riguarda un ciclo termodinamico a combustione interna, preferibilmente eseguito dal motore e/o nel processo secondo almeno uno degli aspetti elencati e/o almeno una delle rivendicazioni allegate. In an independent aspect, the present invention relates to an internal combustion thermodynamic cycle, preferably performed by the engine and / or in the process according to at least one of the listed aspects and / or at least one of the attached claims.

Il ciclo termodinamico comprende in successione: The thermodynamic cycle includes in succession:

una compressione di un fluido di lavoro a compression of a working fluid

un riscaldamento isobaro recuperativo; a recovery isobaric heating;

una combustione quasi isocora e con incremento di pressione; almost isochoric combustion with increased pressure;

un’espansione adiabatica; an adiabatic expansion;

un recupero isobaro corrispondente al riscaldamento isobaro recuperativo; un raffreddamento isobaro. an isobar recovery corresponding to the recovery isobaric heating; an isobaric cooling.

In un aspetto, l’espansore volumetrico è configurato per ricevere dal dispositivo di compressione il fluido di lavoro già compresso e non esegue alcuna ulteriore compressione prima della combustione ma in esso avvengono la combustione e la successiva espansione. Con la frase “non esegue alcuna compressione del fluido di lavoro” si intende che la compressione è assente oppure è inferiore al 15%, preferibilmente inferiore al 10%, più preferibilmente inferiore al 5%, del rapporto di compressione volumetrico effettivo che caratterizza l’espansore volumetrico. In one aspect, the volumetric expander is configured to receive the already compressed working fluid from the compression device and does not perform any further compression before combustion but combustion and subsequent expansion take place in it. The phrase "does not perform any compression of the working fluid" means that the compression is absent or is less than 15%, preferably less than 10%, more preferably less than 5%, of the actual volumetric compression ratio that characterizes the volumetric expander.

In un aspetto, l’espansore volumetrico presenta una almeno camera di lavoro ed è mobile tra una prima configurazione, in cui la camera di lavoro presenta un volume massimo, ed una seconda configurazione, in cui detta camera di lavoro presenta un volume minimo. In one aspect, the volumetric expander has at least one working chamber and is movable between a first configuration, in which the working chamber has a maximum volume, and a second configuration, in which said working chamber has a minimum volume.

In un aspetto, si prevede di immettere il fluido di lavoro già compresso quando l’espansore volumetrico si trova nella seconda configurazione o nei pressi della seconda configurazione. In one aspect, it is expected to introduce the already compressed working fluid when the volumetric expander is in the second configuration or near the second configuration.

In un aspetto, un’apertura di ingresso del fluido di lavoro è aperta quando la camera di lavoro si trova nella seconda configurazione o nei pressi della seconda configurazione, per permettere l’ingresso del fluido in pressione proveniente dal dispositivo di compressione appena prima della combustione senza eseguire una ulteriore compressione del fluido di lavoro compresso proveniente dal compressore prima di detta combustione. In one aspect, a working fluid inlet port is open when the working chamber is in or near the second configuration, to allow the pressurized fluid from the compression device to enter just prior to combustion. without carrying out a further compression of the compressed working fluid coming from the compressor before said combustion.

In un aspetto, si prevede di aprire e poi chiudere l’apertura di ingresso del fluido di lavoro quando la camera di lavoro si trova nei pressi della seconda configurazione. In un aspetto, l’espansore volumetrico è configurato per permettere l’espulsione del fluido di lavoro, dopo la combustione e l’espansione, senza eseguire alcuna compressione del fluido di lavoro. In one aspect, it is expected to open and then close the inlet opening of the working fluid when the working chamber is near the second configuration. In one aspect, the volumetric expander is configured to allow the expulsion of the working fluid, after combustion and expansion, without performing any compression of the working fluid.

In un aspetto, durante l’espansione, la camera di lavoro si porta dalla seconda configurazione verso la prima configurazione. In one aspect, during expansion, the work chamber moves from the second configuration to the first configuration.

In un aspetto, durante l’espulsione, la camera di lavoro si porta dalla prima configurazione verso la seconda configurazione. In one aspect, during the expulsion, the work chamber moves from the first configuration to the second configuration.

In un aspetto, durante l’espulsione, almeno un’apertura di scarico dell’espansore volumetrico è aperta per permettere la fuoriuscita del fluido di lavoro, dopo la combustione e l’espansione, e senza eseguire alcuna compressione prima della successiva combustione. In one aspect, during expulsion, at least one discharge opening of the volumetric expander is open to allow the working fluid to escape, after combustion and expansion, and without performing any compression before subsequent combustion.

In un aspetto, l’espansore volumetrico è del tipo a pistone ma potrebbe essere anche di altre tipologie come, ad esempio, Wankel, o comunque volumetrico in genere. In one aspect, the volumetric expander is of the piston type but it could also be of other types such as, for example, Wankel, or in any case volumetric in general.

In un aspetto, l’espansore volumetrico comprende più pistoni/cilindri. In one aspect, the volumetric expander comprises multiple pistons / cylinders.

In un aspetto, la prima configurazione corrisponde al punto morto inferiore (pmi). In un aspetto, la seconda configurazione corrisponde al punto morto superiore (pms). In one aspect, the first configuration corresponds to the bottom dead center (pmi). In one aspect, the second configuration corresponds to the top dead center (TDC).

In un aspetto, l’apertura di ingresso e di scarico sono provviste di valvole. In un aspetto, l’apertura di ingresso e di scarico sono definite da una sola apertura, preferibilmente provvista di una singola valvola. In one aspect, the inlet and outlet opening are provided with valves. In one aspect, the inlet and discharge opening are defined by a single opening, preferably provided with a single valve.

In un aspetto, si prevede di raffreddare almeno parte del fluido di lavoro transitante nel dispositivo di compressione. In one aspect, it is envisaged to cool at least part of the working fluid passing through the compression device.

In un aspetto, il motore comprende un dispositivo di refrigerazione operativamente associato al dispositivo di compressione e configurato per raffreddare almeno parte del fluido di lavoro transitante nel dispositivo di compressione. In one aspect, the engine comprises a cooling device operatively associated with the compression device and configured to cool at least part of the working fluid passing through the compression device.

In un aspetto, la compressione è inter-refrigerata. In one aspect, the compression is inter-refrigerated.

In un aspetto, il dispositivo di compressione comprende una pluralità di compressori posti in serie. In one aspect, the compression device comprises a plurality of compressors placed in series.

In un aspetto, il dispositivo di refrigerazione è operativo tra i compressori, per eseguire una compressione inter-refrigerata. In one aspect, the refrigeration device is operational between the compressors, to perform inter-refrigerated compression.

In un aspetto, la compressione è quasi isoterma, preferibilmente mediante waterspray. In one aspect, the compression is nearly isothermal, preferably by waterspray.

In un aspetto, il dispositivo di refrigerazione comprende un circuito di ricircolo in comunicazione di fluido con il circuito chiuso e provvisto di almeno un serbatoio e di uno scambiatore di calore. In one aspect, the refrigeration device comprises a recirculation circuit in fluid communication with the closed circuit and provided with at least one tank and a heat exchanger.

In un aspetto, il dispositivo di refrigerazione comprende ugelli disposti in detto almeno un serbatoio per spruzzare nel serbatoio una fase liquida (preferibilmente acqua) derivante dalla combustione e raffreddata nello scambiatore di calore. In one aspect, the refrigeration device comprises nozzles arranged in said at least one tank for spraying into the tank a liquid phase (preferably water) resulting from combustion and cooled in the heat exchanger.

In un aspetto, il circuito di ricircolo comprende una pluralità di serbatoi, ciascuno in comunicazione di fluido con un ingresso di un rispettivo compressore. In one aspect, the recirculation circuit comprises a plurality of reservoirs, each in fluid communication with an inlet of a respective compressor.

In un aspetto, il circuito di ricircolo comprende ugelli posti nel dispositivo di compressione per spruzzare in detto dispositivo di compressione una fase liquida (preferibilmente acqua) derivante dalla combustione e raffreddata nello scambiatore di calore (refrigerazione a spruzzamento). In one aspect, the recirculation circuit comprises nozzles placed in the compression device for spraying in said compression device a liquid phase (preferably water) resulting from combustion and cooled in the heat exchanger (spray refrigeration).

In un diverso aspetto, il dispositivo di refrigerazione comprende almeno uno scambiatore di calore configurato per scambiare calore tra il fluido di lavoro ed un fluido di raffreddamento (refrigerazione a superficie). In a different aspect, the refrigeration device comprises at least one heat exchanger configured to exchange heat between the working fluid and a cooling fluid (surface cooling).

In un aspetto, si prevede di estrarre prodotti della combustione, come ad esempio CO2, H2O e inquinanti. In one aspect, it is planned to extract combustion products, such as CO2, H2O and pollutants.

In un aspetto, il motore comprende almeno un apparato di estrazione di prodotti della combustione, ad esempio CO2, H2O e inquinanti derivanti dalla combustione e/o contenuti nel comburente e nel combustibile, operativamente associato al circuito chiuso e posto a valle e/o a monte del dispositivo di compressione. In one aspect, the engine comprises at least one apparatus for extracting combustion products, for example CO2, H2O and pollutants deriving from combustion and / or contained in the comburent and in the fuel, operatively associated with the closed circuit and located downstream and / or upstream. of the compression device.

In un aspetto, sono previsti sistemi di estrazione di H2O ed eventualmente di altri inquinanti minori formatisi in fase di combustione in forma liquida prima o dopo la fase di compressione. In one aspect, H2O extraction systems and possibly other minor pollutants formed during the combustion phase in liquid form are provided before or after the compression phase.

Preferibilmente, il sistema proposto comprendente la possibilità di estrazione di CO2 (carbon capture and sequestration – CCS) e si colloca nella categoria dell’oxy-fuel combustion. L’ossigeno richiesto è separato dall’aria prima della combustione ed il carburante è bruciato in ossigeno diluito con gas di scarico riciclato piuttosto che con aria. Preferably, the proposed system including the possibility of CO2 extraction (carbon capture and sequestration - CCS) and is placed in the oxy-fuel combustion category. The required oxygen is separated from the air before combustion and the fuel is burned in oxygen diluted with recycled exhaust gas rather than with air.

In un altro aspetto realizzativo, il ciclo prevede che il comburente sia aria e che la CO2 sia estratta unitamente ad azoto e argon. In tale circostanza il comburente è aria ambiente che viene compressa ed immessa nel ciclo, con la combustione viene consumato l’ossigeno mentre l’azoto e l’argon si miscelano con il fluido di lavoro e poi vengono espulsi insieme alla CO2, anch’essa in percentuale che dipenderà dal numero di concentrazioni. In another implementation aspect, the cycle provides that the comburent is air and that the CO2 is extracted together with nitrogen and argon. In this circumstance the comburent is ambient air which is compressed and introduced into the cycle, with combustion oxygen is consumed while nitrogen and argon mix with the working fluid and are then expelled together with CO2, which is also in percentage which will depend on the number of concentrations.

In un aspetto, i secondi dispositivi di alimentazione comburente comprendono un compressore dell’aria comburente operativamente collegato al circuito chiuso e configurato per immettere aria ambiente compressa in detto circuito chiuso. In one aspect, the second comburent supply devices comprise a comburent air compressor operatively connected to the closed circuit and configured to introduce compressed ambient air into said closed circuit.

In un aspetto, il motore primo comprende un espansore di estrazione presentante un ingresso operativamente collegato al circuito chiuso in almeno un punto a valle dell’espansore volumetrico e, preferibilmente, dell’espansore ausiliario, per ricevere l’azoto e l’argon in espansione in uscita dal circuito chiuso.In un aspetto, l’espansore di estrazione è meccanicamente accoppiato al compressore dell’aria comburente per azionare detto compressore tramite l’espansione dell’azoto e dell’argon in espansione. In one aspect, the prime mover comprises an extraction expander having an input operatively connected to the closed circuit at at least one point downstream of the volumetric expander and, preferably, of the auxiliary expander, to receive the nitrogen and the expanding argon. at the outlet from the closed circuit. In one aspect, the extraction expander is mechanically coupled to the combustion air compressor to drive said compressor through the expansion of nitrogen and expanding argon.

In un aspetto, sono previsti sistemi di separazione/estrazione della CO2 ed eventualmente di altri inquinanti con diversi possibili metodi (criogenici, setacci molecolari, Pressure Swing Adsorption, Temperature Swing Adsorption, semplice estrazione, etc.) a seconda del fluido di lavoro e delle condizioni di progetto. In one aspect, systems for separating / extracting CO2 and possibly other pollutants with different possible methods (cryogenic, molecular sieves, Pressure Swing Adsorption, Temperature Swing Adsorption, simple extraction, etc.) depending on the working fluid and the design conditions.

In un aspetto, un’uscita dell’espansore di estrazione è collegata ad un sistema di separazione/estrazione della CO2 in cui la CO2 è separata per poi espellere in atmosfera l’azoto e l’argon. In one aspect, an extraction expander outlet is connected to a CO2 separation / extraction system in which CO2 is separated and then expelled nitrogen and argon into the atmosphere.

In un aspetto, il dispositivo di compressione comprende almeno un turbocompressore. In one aspect, the compression device comprises at least one turbocharger.

In un aspetto, il dispositivo di compressione comprende almeno un compressore volumetrico. Preferibilmente, il compressore volumetrico è del tipo a pistone. In one aspect, the compression device comprises at least one volumetric compressor. Preferably, the volumetric compressor is of the piston type.

In un aspetto, si prevede un’espansione ausiliaria del fluido di lavoro in un espansore ausiliario, dopo l’espulsione dall’espansore volumetrico, prima della reimmissione nel dispositivo di compressione e preferibilmente prima del recuperatore. In one aspect, an auxiliary expansion of the working fluid is envisaged in an auxiliary expander, after expulsion from the volumetric expander, before being reintroduced into the compression device and preferably before the recuperator.

In un aspetto, si prevede un’espansione adiabatica ausiliaria dopo l’espansione adiabatica e prima del recupero isobaro. In one aspect, an auxiliary adiabatic expansion is expected after the adiabatic expansion and before the isobar recovery.

In un aspetto, il lavoro di espansione dell’espansione adiabatica è maggiore del lavoro di espansione dell’espansione adiabatica ausiliaria, il quale ultimo corrisponde al lavoro di compressione. In one aspect, the expansion work of the adiabatic expansion is greater than the expansion work of the auxiliary adiabatic expansion, which last corresponds to the compression work.

In un aspetto, il motore comprende un espansore ausiliario, preferibilmente posto a valle dell’espansore volumetrico e a monte del recuperatore. In one aspect, the motor comprises an auxiliary expander, preferably placed downstream of the volumetric expander and upstream of the recuperator.

In un aspetto, l’espansore ausiliario è un turbo-espansore ausiliario. In one aspect, the auxiliary expander is an auxiliary turbo-expander.

In un aspetto, il turbo-espansore ausiliario è meccanicamente collegato al dispositivo di compressione per ricevere da esso il moto. In one aspect, the auxiliary turbo-expander is mechanically connected to the compression device to receive motion therefrom.

In un aspetto, tale turbo-espansore è dotato di un sistema a geometria variabile (preferibilmente del tipo IGV), per la regolazione della pressione a monte del medesimo, e quindi a valle dell’espansore volumetrico, al fine di regolare la medesima al valore naturale di scarico dell’espansore volumetrico (imposta dal rapporto di espansione geometrico) in ciascuna condizione di carico. In one aspect, this turbo-expander is equipped with a variable geometry system (preferably of the IGV type), for adjusting the pressure upstream of the same, and therefore downstream of the volumetric expander, in order to adjust it to the value natural discharge of the volumetric expander (imposed by the geometric expansion ratio) in each load condition.

In un aspetto, il fluido di lavoro è un gas nobile. In one aspect, the working fluid is a noble gas.

In un aspetto, il fluido di lavoro è monoatomico, preferibilmente scelto dal gruppo comprendente: Ar, He, Xe, Ne. In one aspect, the working fluid is monoatomic, preferably selected from the group comprising: Ar, He, Xe, Ne.

In un aspetto, il fluido di lavoro è biatomico, preferibilmente scelto dal gruppo comprendente H2, O2, N2. Nel caso di utilizzo di ossigeno e idrogeno si avrà che rispettivamente il comburente (ossigeno) è il fluido di lavoro e quindi si avrà una agevole combustione grazio al grande eccesso di comburente, mentre nel secondo sarà il combustibile il fluido di lavoro e anche in questo caso la combustione potrà essere particolarmente agevolata. In one aspect, the working fluid is diatomic, preferably selected from the group comprising H2, O2, N2. In the case of using oxygen and hydrogen, the combustion agent (oxygen) is respectively the working fluid and therefore there will be an easy combustion thanks to the large excess of comburent, while in the second the fuel will be the working fluid and also in this if the combustion can be particularly facilitated.

In un ulteriore aspetto, il fluido di lavoro è triatomico, preferibilmente CO2. In a further aspect, the working fluid is triatomic, preferably CO2.

In un ulteriore aspetto il fluido di lavoro può essere una miscela dei fluidi sopra citati, in particolare, ma non solo, miscela argon/CO2, azoto/argon/CO2, etc, con percentuali ottimizzate non solo per l’ottimizzazione delle prestazioni del ciclo, ma anche per rendere più economici ed efficienti io sistemi di estrazione e cattura della CO2 e inquinanti. In a further aspect, the working fluid can be a mixture of the fluids mentioned above, in particular, but not limited to, argon / CO2, nitrogen / argon / CO2, etc, with optimized percentages not only for the optimization of the cycle performance. , but also to make CO2 and pollutant extraction and capture systems more economical and efficient.

I fluidi mono, bi o tri-atomici permettono elevate efficienze anche con bassi rapporti di compressione. Soprattutto i fluidi mono-atomici consentono elevati raffreddamenti/riscaldamenti del fluido anche con modesti rapporti di compressione. Ciò consente di avere nell’espansore volumetrico elevati incrementi di temperatura nella combustione isocora o con incremento di pressione ed elevato successivo raffreddamento anche con rapporti di compressione limitati. In pratica, fissato un valore massimo di temperatura di scarico dell’espansore volumetrico, pari ad esempio a circa 700 -1.100°C, con il gas monoatomico si possono avere temperature teoriche di combustione anche superiori a 2.200-2.500°C con conseguenti elevati rendimenti. Mono, bi or tri-atomic fluids allow high efficiencies even with low compression ratios. Above all, mono-atomic fluids allow high cooling / heating of the fluid even with modest compression ratios. This allows to have high temperature increases in isochoric combustion in the volumetric expander or with pressure increase and subsequent high cooling even with limited compression ratios. In practice, once a maximum discharge temperature value of the volumetric expander has been set, equal for example to about 700 -1,100 ° C, with the monoatomic gas it is possible to have theoretical combustion temperatures even higher than 2,200-2,500 ° C with consequent high efficiency .

In un aspetto, il fluido di lavoro è argon ed è previsto un sistema di produzione ossigeno per separazione aria. In one aspect, the working fluid is argon and an oxygen production system by air separation is provided.

Si evidenzia inoltre come il ciclo ad argon ha il vantaggio di non richiedere la separazione dell’argon dall’aria, presente normalmente allo 0,93% circa, per la produzione dell’ossigeno di oxy-combustion (o di richiedere solo una bassa separazione), e quindi questo comporta un minor costo (e/o autoconsumo) per la produzione dell’ossigeno. It is also highlighted that the argon cycle has the advantage of not requiring the separation of argon from the air, normally present at approximately 0.93%, for the production of oxy-combustion oxygen (or of requiring only a low separation ), and therefore this involves a lower cost (and / or self-consumption) for the production of oxygen.

Si evidenzia inoltre che al fine di rendere più agevole la rimozione di eventuali prodotti di combustione e inquinanti (i.e. CO2, CO, NOx, etc..) e di altri eventuali gas presenti nell’ossigeno o nel carburante, si ammette che una percentuale dei medesimi circoli nell’impianto e nel ciclo, così che nella realtà il ciclo lavora secondo una miscela di fluido di lavoro primario (gas nobile (Ar, Ne, Xe, Kr, o CO2, N2, H2) e prodotti di combustione e inquinanti, tipicamente anche fino al 10-20%. Ciò viene determinato al fine di bilanciare la perdita di prestazione del ciclo a causa della presenza di inquinanti con il vantaggio di contenere i costi Capex ed Opex per i sistemi di produzione ossigeno e separazione prodotti di combustione ed inquinanti. In un aspetto, il fluido di lavoro è utilizzato nella condizioni sub-critiche o transcritiche o poco super-critiche a fine compressione, per evitare pressioni troppo elevate. It should also be noted that in order to facilitate the removal of any combustion products and pollutants (i.e. CO2, CO, NOx, etc ..) and any other gases present in oxygen or fuel, it is accepted that a percentage of same circles in the plant and in the cycle, so that in reality the cycle works according to a mixture of primary working fluid (noble gas (Ar, Ne, Xe, Kr, or CO2, N2, H2) and combustion products and pollutants, typically even up to 10-20%. This is determined in order to balance the loss of cycle performance due to the presence of pollutants with the advantage of containing Capex and Opex costs for oxygen production and combustion products separation systems and In one aspect, the working fluid is used in the sub-critical or transcritical or slightly super-critical conditions at the end of compression, to avoid too high pressures.

In un aspetto, il combustibile è scelto dal gruppo comprendente: gas naturale, olio combustibile e derivati, combustibili e/o fanghi/liquami (slurry) derivati dal carbone, gas da gassificazione di carbone e/o biomasse, H2, CO. In one aspect, the fuel is selected from the group comprising: natural gas, fuel oil and derivatives, coal-derived fuels and / or slurries, coal and / or biomass gasification gas, H2, CO.

In un aspetto, il comburente è preferibilmente scelto dal gruppo comprendente: O2, aria o aria arricchita di ossigeno. L’aria arricchita di ossigeno è più semplice da ottenere d economicamente più conveniente. In one aspect, the comburent is preferably selected from the group comprising: O2, air or oxygen enriched air. Air enriched with oxygen is easier to obtain and more economically convenient.

In un aspetto, a fine compressione il fluido di lavoro presenta una temperatura compresa tra circa 50°C e circa 150°C. In one aspect, at the end of compression the working fluid has a temperature between about 50 ° C and about 150 ° C.

In un aspetto, a fine riscaldamento isobaro recuperativo il fluido di lavoro presenta una temperatura compresa tra circa 400°C e circa 800°C e una pressione compresa tra circa 20bar e circa 150-180bar. In one aspect, at the end of the recovery isobaric heating the working fluid has a temperature between about 400 ° C and about 800 ° C and a pressure between about 20bar and about 150-180bar.

In un aspetto, la temperatura di combustione è di qualche migliaio di gradi. In one aspect, the combustion temperature is a few thousand degrees.

In un aspetto, a fine espansione il fluido di lavoro presenta una temperatura compresa tra circa 400°C e circa 800°C. In one aspect, at the end of expansion the working fluid has a temperature between about 400 ° C and about 800 ° C.

In un aspetto, si prevede di regolare la pressione minima del ciclo e quindi le portate volumetriche in gioco. In one aspect, it is envisaged to regulate the minimum pressure of the cycle and therefore the volumetric flow rates involved.

Il motore/processo/ciclo della presente invenzione, a differenza dei cicli Brayton o di turbine a gas o dei cicli supercritici a CO2, prevede una combustione/riscaldamento con incremento di pressione o quasi isocoro; a differenza dei cicli Otto e Diesel e derivati, esso prevede il recuperatore che riscalda il fluido freddo in ingresso all’espansore volumetrico con il fluido di scarico dall’espansore volumetrico e/o dell’espansore ausiliario; a differenza dei cicli Otto e Diesel e similari può presentare una compressione inter-refrigerata. The engine / process / cycle of the present invention, unlike Brayton cycles or gas turbines or supercritical CO2 cycles, provides for combustion / heating with pressure increase or almost isochoric; Unlike the Otto and Diesel cycles and derivatives, it provides the recovery unit that heats the cold fluid entering the volumetric expander with the discharge fluid from the volumetric expander and / or the auxiliary expander; unlike the Otto and Diesel cycles and the like, it can have an inter-refrigerated compression.

La Richiedente ha verificato che la presente invenzione è in grado di offrire prestazioni uguali o superiori ai cicli/processi e impianti noti e di garantire un agevole recupero della gran parte dei prodotti di combustione, ossia tipicamente H2O e CO2 oltre ad eventuali altri inquinanti minori. Il motore, il processo ed il ciclo secondo la presente invenzione si adattano quindi bene alle moderne esigenze di riduzione delle emissioni di gas serra consentendo il “Carbon Capture and Sequestration” (CCS) ed il contenimento delle emissioni inquinanti, nonché il recupero del vapore d’acqua di combustione ed il conseguente possibile riciclo dell’acqua. The Applicant has verified that the present invention is able to offer performances equal to or superior to the known cycles / processes and plants and to guarantee an easy recovery of most of the combustion products, i.e. typically H2O and CO2 as well as any other minor pollutants. The engine, the process and the cycle according to the present invention are therefore well suited to the modern needs of reducing greenhouse gas emissions, allowing the "Carbon Capture and Sequestration" (CCS) and the containment of polluting emissions, as well as the recovery of steam. combustion water and the consequent possible recycling of water.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di forme d’esecuzione preferite, ma non esclusive, di un motore a combustione interna a ciclo semi-chiuso, di un processo termodinamico semichiuso per la produzione di potenza e di un ciclo termodinamico a combustione interna in accordo con la presente invenzione. Further features and advantages will become more apparent from the detailed description of preferred, but not exclusive, embodiments of a semi-closed cycle internal combustion engine, a semi-closed thermodynamic process for power generation and an internal combustion thermodynamic cycle. in accordance with the present invention.

Descrizione dei disegni Description of the drawings

Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali: This description will be set out below with reference to the accompanying drawings, provided for indicative purposes only and, therefore, not limitative, in which:

la figura 1 A illustra un diagramma T (temperatura) - S (entropia) di un ciclo termodinamico secondo la presente invenzione; Figure 1A illustrates a T (temperature) - S (entropy) diagram of a thermodynamic cycle according to the present invention;

la figura 1 B illustra un diagramma P (pressione) - V (volume) del ciclo termodinamico di figura 1 A; Figure 1 B illustrates a P (pressure) - V (volume) diagram of the thermodynamic cycle of Figure 1 A;

la figura 1 C illustra schematicamente un motore primo a combustione interna a ciclo semi-chiuso secondo la presente invenzione configurato per eseguire il ciclo termodinamico di cui alle figure 1A e 1C; Figure 1C schematically illustrates a semi-closed cycle internal combustion prime mover according to the present invention configured to perform the thermodynamic cycle of Figures 1A and 1C;

la figura 2A illustra un diagramma T (temperatura) - S (entropia) di una variante del ciclo termodinamico secondo la presente invenzione; Figure 2A illustrates a T (temperature) - S (entropy) diagram of a variant of the thermodynamic cycle according to the present invention;

la figura 2B illustra un diagramma P (pressione) - V (volume) del ciclo termodinamico di figura 2A; Figure 2B illustrates a P (pressure) - V (volume) diagram of the thermodynamic cycle of Figure 2A;

la figura 2C illustra schematicamente una variante del motore primo a combustione interna a ciclo semi-chiuso secondo la presente invenzione configurato per eseguire il ciclo termodinamico di cui alle figure 2A e 2C; le figure 3, 4 e 5 illustrano schematicamente alcuni elementi di ulteriori varianti del motore primo a combustione interna a ciclo semi-chiuso secondo la presente invenzione; Figure 2C schematically illustrates a variant of the first semi-closed cycle internal combustion engine according to the present invention configured to perform the thermodynamic cycle of Figures 2A and 2C; Figures 3, 4 and 5 schematically illustrate some elements of further variants of the first semi-closed cycle internal combustion engine according to the present invention;

le figure 6A, 6B, 6C illustrano rispettive fasi operative di un espansore volumetrico appartenente ai motori primi di cui alle figure precedenti; Figures 6A, 6B, 6C illustrate respective operating steps of a volumetric expander belonging to the prime movers of the preceding figures;

la figura 7 illustra una ulteriore variante del motore primo di figura 1 C. Figure 7 illustrates a further variant of the prime mover of Figure 1 C.

Descrizione dettagliata Detailed description

Con riferimento alla figura 1C, con il numero di riferimento 1 è stato complessivamente indicato un motore primo a combustione interna “oxycombustion” a ciclo semi-chiuso secondo un prima forma realizzativa dell'invenzione. With reference to Figure 1C, the reference number 1 generally indicates a semi-closed cycle “oxycombustion” internal combustion prime mover according to a first embodiment of the invention.

Il motore 1 comprende un primo, un secondo ed un terzo turbo-compressore 2, 3, 4 fra loro coassiali ed operativamente collegati ad un albero comune. Tali turbocompressori 2, 3, 4 sono preferibilmente centrifughi monostadio ma possono tuttavia essere anche multistadio in diverse configurazioni. In taluni casi, uno o più stadi di compressione, tipicamente quello di alta pressione (il terzo 4) può lavorare in condizioni supercritiche e con un fluido in aspirazione saturo. Tali turbocompressori 2, 3, 4 definiscono neN’assieme un dispositivo di compressione 5. II motore 1 comprende un espansore volumetrico 6 che, come illustrato, è distinto dal dispositivo di compressione 5 ed è del tipo a pistone. L’espansore volumetrico 6 comprende un cilindro 7 entro il quale scorre un pistone 8 collegato, tramite un meccanismo biella-manovella, ad un albero di potenza collegato poi ad una macchina condotta e/o a un generatore 9 di energia elettrica. Il pistone 8 e il cilindro delimitano una camera di lavoro 10. Come illustrato nelle figure 6A, 6B e 6C, il pistone 6 è mobile tra una prima configurazione (figura 6C), in cui la camera di lavoro 10 presenta un volume massimo e il pistone si trova nel punto morto inferiore (pmi), ed una seconda configurazione (figura 6B), in cui detta camera di lavoro presenta un volume minimo ed il pistone si trova nel punto morto superiore (pms). In altre forme di realizzazione, l’espansore volumetrico potrà essere anche a più pistoni/cilindri, in varie configurazioni, anche per minimizzare le pulsazioni di pressione a valle e a monte e consentire un funzionamento più stabile ed un miglior accoppiamento con le turbomacchine eventualmente presenti a monte e/o a valle. Un espansore ausiliario 11 definito da un turbo-espansore è meccanicamente collegato all’albero del dispositivo di compressione 5 a definire un compressoreespansore o “compander”. Preferibilmente, tutte le giranti del “compander” sono montate su un unico albero . The engine 1 comprises a first, a second and a third turbo-compressor 2, 3, 4 coaxial with each other and operatively connected to a common shaft. These turbochargers 2, 3, 4 are preferably single-stage centrifugal but can however also be multistage in different configurations. In some cases, one or more compression stages, typically the high pressure one (the third 4) can work in supercritical conditions and with a saturated suction fluid. Such turbochargers 2, 3, 4 define in the assembly a compression device 5. The engine 1 comprises a volumetric expander 6 which, as illustrated, is distinct from the compression device 5 and is of the piston type. The volumetric expander 6 comprises a cylinder 7 within which a piston 8 slides connected, through a connecting rod-crank mechanism, to a power shaft then connected to a driven machine and / or to an electrical energy generator 9. The piston 8 and the cylinder delimit a working chamber 10. As illustrated in Figures 6A, 6B and 6C, the piston 6 is movable between a first configuration (Figure 6C), in which the working chamber 10 has a maximum volume and the piston is located in the bottom dead center (pmi), and a second configuration (figure 6B), in which said working chamber has a minimum volume and the piston is located in the top dead center (pms). In other embodiments, the volumetric expander may also have multiple pistons / cylinders, in various configurations, also to minimize downstream and upstream pressure pulsations and allow more stable operation and better coupling with any turbomachines possibly present at upstream and / or downstream. An auxiliary expander 11 defined by a turbo-expander is mechanically connected to the shaft of the compression device 5 to define a compressor expander or "compander". Preferably, all the impellers of the compander are mounted on a single shaft.

Il dispositivo di compressione 5, l’espansore volumetrico 6 ed il turbo-espansore ausiliario 11 sono tra loro in comunicazione di fluido tramite un circuito chiuso 12, il quale comprende rispettive condutture e nel quale fluisce un fluido di lavoro. In particolare, un’apertura di scarico 13 dell’espansore volumetrico 6, dotata di una rispettiva valvola, comunica tramite una rispettiva conduttura con un ingresso 14 del turbo-espansore ausiliario 11; un’uscita 15 del turbo-espansore ausiliario 11 comunica tramite una rispettiva conduttura con un ingresso 16 del primo compressore 2; un’uscita 17 del primo compressore 2 comunica tramite una rispettiva conduttura con un ingresso 18 del secondo compressore 3; un’uscita 19 del secondo compressore 3 comunica tramite una rispettiva conduttura con un ingresso 20 del terzo compressore 4; un’uscita 21 del secondo compressore 3 comunica tramite una rispettiva conduttura con un’apertura di ingresso 22, dotata di una rispettiva valvola, dell’espansore volumetrico 6. The compression device 5, the volumetric expander 6 and the auxiliary turbo-expander 11 are in fluid communication with each other through a closed circuit 12, which includes respective ducts and in which a working fluid flows. In particular, a discharge opening 13 of the volumetric expander 6, equipped with a respective valve, communicates through a respective duct with an inlet 14 of the auxiliary turbo-expander 11; an output 15 of the auxiliary turbo-expander 11 communicates through a respective duct with an input 16 of the first compressor 2; an output 17 of the first compressor 2 communicates via a respective duct with an input 18 of the second compressor 3; an output 19 of the second compressor 3 communicates via a respective duct with an input 20 of the third compressor 4; an output 21 of the second compressor 3 communicates via a respective duct with an inlet opening 22, equipped with a respective valve, of the volumetric expander 6.

Il turbo-espansore ausiliario 11 può essere provvisto di un sistema a geometria variabile 11a con IGV (Inlet Guide Vanes) per ottimizzare le pressioni tra l’espansore volumetrico 6 e turbo-espansore ausiliario 11 ed evitare perdite al momento dell’apertura della valvola di scarico (figura 6C). The auxiliary turbo-expander 11 can be provided with a variable geometry system 11a with IGV (Inlet Guide Vanes) to optimize the pressures between the volumetric expander 6 and the auxiliary turbo-expander 11 and avoid leaks when opening the valve. exhaust (figure 6C).

Primi dispositivi di alimentazione 23 sono collegati all’espansore volumetrico 6 e sono configurati per immettere un combustibile (ad esempio gasolio o latri derivati del petrolio) in detto espansore volumetrico 6. Nella forma realizzativa illustrata in figura 1C, i primi dispositivi di alimentazione 23 sono collegati sia alla conduttura del circuito chiuso 12 posta immediatamente a monte dell’apertura di ingresso 22 che direttamente al cilindro 7. First feeding devices 23 are connected to the volumetric expander 6 and are configured to introduce a fuel (for example gas oil or other petroleum derivatives) into said volumetric expander 6. In the embodiment illustrated in Figure 1C, the first feeding devices 23 are connected both to the closed circuit duct 12 located immediately upstream of the inlet opening 22 and directly to the cylinder 7.

Secondi dispositivi di alimentazione 24 sono collegati all’espansore volumetrico 6 e sono configurati per immettere un comburente (ad esempio ossigeno) in detto espansore volumetrico 6. Nella forma realizzativa illustrata in figura 1C, i secondi dispositivi di alimentazione 24 sono collegati sia alla conduttura del circuito chiuso 12 posta a monte dell’apertura di ingresso 22 che direttamente al cilindro 7. Second feeding devices 24 are connected to the volumetric expander 6 and are configured to introduce a comburent (for example oxygen) into said volumetric expander 6. In the embodiment illustrated in Figure 1C, the second feeding devices 24 are connected both to the duct of the closed circuit 12 placed upstream of the inlet opening 22 which directly to the cylinder 7.

L’espansore volumetrico 6 è configurato per eseguire una combustione con un incremento di pressione ed un’espansione, come verrà meglio dettagliato nel prosieguo. The volumetric expander 6 is configured to perform a combustion with an increase in pressure and an expansion, as will be better detailed below.

Un recuperatore 25 è disposto nel circuito chiuso 12 ed operativamente interposto tra il dispositivo di compressione 5 e l’espansore volumetrico 6. Il recuperatore 25 è ad esempio del tipo a superficie oppure a tubi di calore. Possono anche essere previsti più recuperatori in serie. A recuperator 25 is arranged in the closed circuit 12 and operatively interposed between the compression device 5 and the volumetric expander 6. The recuperator 25 is for example of the surface type or with heat pipes. Several recuperators can also be provided in series.

La figura 1C illustra l’impiego di un recuperatore addizionale 25’ posto tipicamente sopra la testata dell’espansore volumetrico 5 che consente di avere temperature di scarico dall’espansore volumetrico 5 (tipicamente completamente raffreddato) anche superiori a 750°C, senza la necessità di condotti e tubazione e scambiatori con materiali particolarmente impegnativi e costosi. Figure 1C illustrates the use of an additional recuperator 25 'typically placed above the head of the volumetric expander 5 which allows to have discharge temperatures from the volumetric expander 5 (typically completely cooled) even higher than 750 ° C, without the need of ducts and pipes and exchangers with particularly demanding and expensive materials.

Nel recuperatore 25, la conduttura che si sviluppa tra l’uscita 15 del turbo-espansore ausiliario 11 e l’ingresso 16 nel primo compressore 2 è operativamente accoppiata alla conduttura che si sviluppa tra l’uscita 21 del terzo compressore 4 e l’apertura di ingresso dell’espansore volumetrico 6. Il recuperatore 25 è configurato per cedere calore dal fluido di lavoro proveniente dall’espansore volumetrico 6 e diretto verso il dispositivo di compressione 5 al fluido di lavoro proveniente dal dispositivo di compressione 5 e diretto nell’espansore volumetrico 6. In the recuperator 25, the duct that develops between the outlet 15 of the auxiliary turbo-expander 11 and the inlet 16 of the first compressor 2 is operatively coupled to the duct that extends between the outlet 21 of the third compressor 4 and the opening inlet of the volumetric expander 6. The recuperator 25 is configured to release heat from the working fluid coming from the volumetric expander 6 and directed towards the compression device 5 to the working fluid coming from the compression device 5 and directed into the volumetric expander 6.

Il motore 1 comprende un dispositivo di refrigerazione 26 operativamente associato al dispositivo di compressione 5 e configurato per raffreddare almeno parte del fluido di lavoro transitante nel dispositivo di compressione 5. The engine 1 comprises a cooling device 26 operatively associated with the compression device 5 and configured to cool at least part of the working fluid passing through the compression device 5.

Nella forma realizzativa di figura 1C, il dispositivo di refrigerazione 26 comprende un primo, un secondo ed un terzo scambiatore di calore 27, 28, 29 posti sulle condutture del circuito chiuso 12 che si sviluppano tra il recuperatore 25 ed il terzo compressore 4. Il primo, il secondo ed il terzo scambiatore di calore 27, 28, 29 sono rispettivamente collocati: tra il recuperatore 25 ed il primo compressore 2, tra il primo ed il secondo compressore 2, 3 e tra il secondo ed il terzo compressore 3, 4. Il dispositivo di refrigerazione 26 è operativo tra i compressori 2, 3, 4, per eseguire una compressione inter-refrigerata del fluido di lavoro. In ciascuno degli scambiatori di calore 27, 28, 29 il fluido di lavoro scambia calore con un fluido di raffreddamento (refrigerazione a superficie). In the embodiment of Figure 1C, the refrigeration device 26 comprises a first, a second and a third heat exchanger 27, 28, 29 located on the pipes of the closed circuit 12 which develop between the recuperator 25 and the third compressor 4. The first, second and third heat exchanger 27, 28, 29 are respectively located: between the recuperator 25 and the first compressor 2, between the first and second compressor 2, 3 and between the second and third compressor 3, 4 The refrigeration device 26 is operative between the compressors 2, 3, 4, to perform an inter-refrigerated compression of the working fluid. In each of the heat exchangers 27, 28, 29 the working fluid exchanges heat with a cooling fluid (surface refrigeration).

Il motore 1 comprende inoltre un sistema di estrazione e trattamento 30 di acqua (H2O) ed, eventualmente, di altri inquinanti minori formatisi in fase di combustione e precipitati e/o disciolti in forma liquida. In figura 1C, il sistema di estrazione e trattamento 30 è operativamente collegato alle condutture poste immediatamente a valle di ogni scambiatore 27, 28, 29. The engine 1 also comprises an extraction and treatment system 30 for water (H2O) and, optionally, for other minor pollutants formed during the combustion phase and precipitated and / or dissolved in liquid form. In Figure 1C, the extraction and treatment system 30 is operatively connected to the pipes located immediately downstream of each exchanger 27, 28, 29.

E’ anche previsto un sistema di separazione/estrazione 31 dell’anidride carbonica (CO2) ed eventualmente di altri inquinanti. In figura 1C, il sistema di separazione/estrazione 31 è operativamente collegato alle condutture poste a valle del terzo compressore 29 e a monte del recuperatore 25, ma potrebbe anche essere posto in collegamento con altri punti del ciclo. A separation / extraction system 31 of carbon dioxide (CO2) and possibly of other pollutants is also provided. In Figure 1C, the separation / extraction system 31 is operationally connected to the pipes located downstream of the third compressor 29 and upstream of the recuperator 25, but it could also be placed in connection with other points of the cycle.

Un serbatoio di stoccaggio 32 di fluido di lavoro è collegato, tramite rispettive condutture e valvole, al circuito chiuso 12 a monte e a valle del dispositivo di compressione 5 per permettere la regolazione della pressione in detto circuito chiuso 12. A working fluid storage tank 32 is connected, by means of respective pipes and valves, to the closed circuit 12 upstream and downstream of the compression device 5 to allow the regulation of the pressure in said closed circuit 12.

Le figure 1A e 1B illustrano in diagrammi T-S e P-V il ciclo termodinamico del motore 1. Figures 1A and 1B illustrate the thermodynamic cycle of engine 1 in T-S and P-V diagrams.

In accordo con il ciclo ed il processo secondo la presente invenzione, il fluido di lavoro (ad esempio Argon) entra nel primo compressore 2 (punto A) e segue le seguenti fasi di ciclo/processo. In accordance with the cycle and the process according to the present invention, the working fluid (for example Argon) enters the first compressor 2 (point A) and follows the following cycle / process phases.

- Compressione inter-refrigerata da A a B (nel dispositivo di compressione 5 e nel secondo e terzo scambiatore di calore 28, 29), con raffreddamento/espulsione del calore conseguente. Come rappresentato nelle figure 1A e 1B il processo di compressione è suddiviso in più fasi (nel caso rappresentato sono tre), con tre compressioni idealmente adiabatiche intervallate da più (nel caso di specie due) inter-refrigerazioni. Graficamente le tre linee tratteggiate verticali da A a B’, da A’ a B”, e da A” a B rappresentano le tre compressioni adiabatiche, mentre le linee da B’ a A’ e da B” a A” rappresentano le due fasi di inter-cooling. Ciò consente di minimizzare l’incremento di temperatura nel gas durante la compressione e di contenere di conseguenza il lavoro/potenza di compressione che, come noto, dipende dal volume specifico del gas che aumenta con la temperatura. A fine compressione il fluido di lavoro presenta una temperatura compresa tra circa 50°C e circa 150°C. Ciò è particolarmente utile nel caso in cui il fluido di lavoro sia CO2 con punto di compressione vicino al punto critico e con pressione di fine compressione ipercritica. - Inter-refrigerated compression from A to B (in the compression device 5 and in the second and third heat exchanger 28, 29), with consequent cooling / expulsion of the heat. As shown in Figures 1A and 1B, the compression process is divided into several phases (in the case represented there are three), with three ideally adiabatic compressions interspersed with several (in this case two) inter-refrigerations. Graphically the three vertical dashed lines from A to B ', from A' to B ", and from A" to B represent the three adiabatic compressions, while the lines from B 'to A' and from B "to A" represent the two inter-cooling phases. This allows to minimize the temperature increase in the gas during compression and consequently to contain the work / compression power which, as known, depends on the specific volume of the gas that increases with temperature. At the end of compression, the working fluid has a temperature between about 50 ° C and about 150 ° C. This is particularly useful if the working fluid is CO2 with a compression point close to the critical point and with a supercritical end-of-compression pressure.

- Riscaldamento isobaro recuperativo da B a C (nel recuperatore 25) mediante raffreddamento del flusso caldo di scarico dall’espansore da E a F. A fine riscaldamento isobaro recuperativo il fluido di lavoro presenta una temperatura compresa tra circa 400°C e circa 800°C e una pressione compresa tra circa 20bar e circa 150-180bar. - Recuperative isobaric heating from B to C (in the recovery unit 25) by cooling the hot exhaust flow from the expander from E to F. At the end of the recuperative isobaric heating the working fluid has a temperature between about 400 ° C and about 800 ° C and a pressure between about 20bar and about 150-180bar.

- Combustione da C a D (nell’espansore volumetrico 6). A seconda della velocità di combustione (velocità di fiamma) del combustibile utilizzato, della geometria della camera di lavoro, del numero di giri, del punto di accensione e di altri parametri secondari, la combustione sarà del tipo quasi-isocora, con un eventuale incremento di volume durante la combustione ma comunque sempre con un incremento di pressione da C a D. Il punto D nello schema di figura 1C è interno alla camera di lavoro 10 e non è stato rappresentato. In questo caso sul diagramma T-S la linea di processo è rappresentata da una linea compresa fra l’isobara corrispondente alla pressione C in basso e l’isocora ideale corrispondente al volume in C. La temperatura di combustione è anche superiore a 1.500°C nel caso di CO 2, ma anche fino a 2.000-2.500°C nel caso di gas nobile, ad esempio Argon. - Combustion from C to D (in the volumetric expander 6). According to the combustion speed (flame rate) of the fuel used, the geometry of the working chamber, the number of revolutions, the ignition point and other secondary parameters, the combustion will be of the quasi-isochoric type, with a possible increase of volume during combustion but in any case always with an increase in pressure from C to D. Point D in the diagram of figure 1C is inside the working chamber 10 and has not been shown. In this case, on the T-S diagram, the process line is represented by a line between the isobar corresponding to the pressure C below and the ideal isochore corresponding to the volume in C. The combustion temperature is also higher than 1,500 ° C in the case of CO 2, but also up to 2,000-2,500 ° C in the case of noble gas, for example Argon.

- Espansione adiabatica da D a E, divisa in una espansione primaria fra D e E’ (nell’espansore volumetrico 6) e una espansione secondaria fra E’ e E, (nell’espansore ausiliario 11) rappresentata nel caso ideale da una linea verticale e nel caso reale da una linea quasi-retta e quasi-verticale. Il ciclo è caratterizzato dal fatto che il lavoro di espansione fra D e E’ è maggiore del lavoro di espansione fra E’ ed E, il quale ultimo corrisponde al lavoro di compressione fra A e B. A fine espansione il fluido di lavoro presenta una temperatura compresa tra circa 500°C e circa 900°C. - Adiabatic expansion from D to E, divided into a primary expansion between D and E '(in the volumetric expander 6) and a secondary expansion between E' and E, (in the auxiliary expander 11) represented in the ideal case by a vertical line and in the real case by a quasi-straight and quasi-vertical line. The cycle is characterized by the fact that the work of expansion between D and E 'is greater than the work of expansion between E' and E, which last corresponds to the work of compression between A and B. At the end of expansion the working fluid has a temperature between about 500 ° C and about 900 ° C.

- Recupero isobaro da E a F (nel recuperatore 25) con riscaldamento del flusso pressurizzato freddo da B a C. - Isobaric recovery from E to F (in recovery unit 25) with heating of the cold pressurized flow from B to C.

- Raffreddamento (idealmente isobaro) da F a A (nel primo scambiatore di calore 27). - Cooling (ideally isobaric) from F to A (in the first heat exchanger 27).

Con riferimento alla parte di processo svolta dall’espansore volumetrico 6 (figure 6A - 6D), il fluido di lavoro, già compresso dal dispositivo di compressione 5 e proveniente dal recuperatore 25, è immesso nella camera di lavoro 10 dell’espansore volumetrico 6 (aspirazione) quando l’espansore volumetrico 6 si trova nella seconda configurazione o nei pressi della seconda configurazione (figura 6A). Ad esempio, l’apertura di ingresso 22 è aperta (mediante l’apertura di una valvola di aspirazione) quando il pistone 8 sta per raggiungere il punto morto superiore (pms) e viene successivamente richiusa (figura 6B) quando il pistone 8 è in corrispondenza del punto morto superiore (pms). In base alle specifiche tecniche, la fase di aspirazione del fluido di lavoro può comunque avvenire mediante l’apertura della valvola di aspirazione poco prima o poco dopo o in corrispondenza del punto morto superiore e con la chiusura della medesima in corrispondenza o poco prima o poco dopo il punto morto superiore. With reference to the part of the process carried out by the volumetric expander 6 (Figures 6A - 6D), the working fluid, already compressed by the compression device 5 and coming from the recovery unit 25, is introduced into the working chamber 10 of the volumetric expander 6 ( suction) when the volumetric expander 6 is in the second configuration or near the second configuration (Figure 6A). For example, the inlet opening 22 is open (by opening an intake valve) when the piston 8 is about to reach the top dead center (pms) and is subsequently closed (Figure 6B) when the piston 8 is in correspondence of the top dead center (pms). According to the technical specifications, the suction phase of the working fluid can in any case take place by opening the suction valve shortly before or shortly after or in correspondence with the top dead center and with its closing in correspondence with or shortly before or shortly after top dead center.

La fase di combustione (C - D) avviene quando l’espansore volumetrico 6 si trova nella seconda configurazione o nei pressi della seconda configurazione (figura 6B), con l’apertura di ingresso e quella di scarico chiuse (valvole di aspirazione e scarico chiuse) e, come già espresso, avviene con un incremento di pressione. A seconda dei combustibili utilizzati, la combustione può essere ad accensione comandata (candela o precamera o altro) oppure spontanea. Il combustibile può essere iniettato dai primi dispositivi di alimentazione 23 nel circuito chiuso 12 prima dell’ingresso nella camera di lavoro 10 oppure direttamente nella camera di lavoro 10 dell’espansore 6 (ad esempio tramite l’iniettore 100 illustrato in figure 6B), così come anche il comburente tramite i secondi dispositivi di alimentazione 24 (figura 1C). A tal proposito, i sistemi di combustione ed accensione possono essere i più vari in uso anche nei motori noti. In taluni casi, potrebbe essere utile miscelare il combustibile con acqua per favorire l’atomizzazione e, in tal caso, l’acqua può essere riciclata dal sistema di estrazione e trattamento 30. Si potranno in taluni casi utilizzare diversi sistemi di accensione, comandata o meno, anche con precamere, etc. The combustion phase (C - D) occurs when the volumetric expander 6 is in the second configuration or near the second configuration (figure 6B), with the inlet and exhaust opening closed (intake and exhaust valves closed ) and, as already expressed, occurs with an increase in pressure. Depending on the fuels used, combustion can be controlled ignition (spark plug or pre-chamber or other) or spontaneous. The fuel can be injected from the first feeding devices 23 into the closed circuit 12 before entering the working chamber 10 or directly into the working chamber 10 of the expander 6 (for example through the injector 100 illustrated in Figures 6B), thus as well as the comburent through the second feeding devices 24 (Figure 1C). In this regard, the combustion and ignition systems can be the most varied in use also in known engines. In some cases, it could be useful to mix the fuel with water to promote atomization and, in this case, the water can be recycled by the extraction and treatment system 30. In some cases, different ignition, controlled or ignition systems could be used. less, even with pre-chambers, etc.

Come si può notare, all’interno della camera di lavoro 10 e appena prima della combustione, l’espansore volumetrico 6 non esegue sostanzialmente alcuna compressione del fluido di lavoro. Con la frase “non esegue sostanzialmente alcuna compressione del fluido di lavoro” si intende che la compressione è assente oppure è inferiore al 15%, preferibilmente inferiore al 10%, più preferibilmente al 5%, del rapporto di compressione volumetrico effettivo che caratterizza l’espansore volumetrico 6. As can be seen, inside the working chamber 10 and just before combustion, the volumetric expander 6 does not substantially perform any compression of the working fluid. The phrase "substantially does not perform any compression of the working fluid" means that the compression is absent or is less than 15%, preferably less than 10%, more preferably 5%, of the actual volumetric compression ratio that characterizes the volumetric expander 6.

L’espansione primaria fra D e E’ avviene nell’espansore volumetrico 6 mentre l’apertura di ingresso 22 e quella di scarico 13 sono chiuse e la camera di lavoro 10 si porta dalla seconda configurazione (pms) verso la prima configurazione (pmi). Successivamente, l’apertura della valvola di scarico e lo spostamento del pistone 8 dal punto morto inferiore al punto morto superiore determinano l’espulsione del fluido di lavoro che viene quindi immesso nell’espansore ausiliario 11. Durante l’espulsione, il fluido di lavoro, dopo la combustione e l’espansione, viene espulso senza eseguire alcuna compressione prima della successiva combustione. The primary expansion between D and E 'occurs in the volumetric expander 6 while the inlet opening 22 and the discharge opening 13 are closed and the working chamber 10 moves from the second configuration (pms) towards the first configuration (pmi) . Subsequently, the opening of the discharge valve and the displacement of the piston 8 from the lower dead center to the upper dead center determine the expulsion of the working fluid which is then introduced into the auxiliary expander 11. During the expulsion, the working fluid , after combustion and expansion, it is expelled without performing any compression before the next combustion.

Nella variante del motore a combustione interna 1 di figura 2C, il dispositivo di compressione 5 comprende, al posto del tre turbo-compressori 2, 3, 4 di figura 1C, un compressore volumetrico del tipo a pistone ed è sprovvisto dell’espansore ausiliario 11. Gli elementi corrispondenti a quelli di figura 1C sono stati numerati con i medesimi numeri e non sono di nuovo descritti in dettaglio nel prosieguo. In the variant of the internal combustion engine 1 of figure 2C, the compression device 5 comprises, instead of the three turbo-compressors 2, 3, 4 of figure 1C, a volumetric compressor of the piston type and is not equipped with the auxiliary expander 11 The elements corresponding to those of figure 1C have been numbered with the same numbers and are not again described in detail below.

Sulla conduttura del circuito chiuso 12 che si sviluppa tra l’apertura di scarico 13 dell’espansore volumetrico 6 ed un’apertura di ingresso 33 del compressore volumetrico 5 e a valle del recuperatore 25 è collocato un serbatoio 34 di un dispositivo di refrigerazione 26. In questa forma realizzativa, il dispositivo di refrigerazione 26 comprende un circuito di ricircolo 35 in comunicazione di fluido con il circuito chiuso 12 e provvisto di detto serbatoio 34 e di uno scambiatore di calore 36. A tank 34 of a refrigeration device 26 is located on the closed circuit duct 12 which develops between the discharge opening 13 of the volumetric expander 6 and an inlet opening 33 of the volumetric compressor 5 and downstream of the recuperator 25. this embodiment, the refrigeration device 26 comprises a recirculation circuit 35 in fluid communication with the closed circuit 12 and provided with said tank 34 and a heat exchanger 36.

In dettaglio, il serbatoio 34 è posto in linea sulla conduttura del circuito chiuso 12 e presenta un ingresso 37 per il fluido di lavoro proveniente dal recuperatore 25 ed un’uscita 38 in comunicazione di fluido con l’apertura di ingresso 33 del compressore volumetrico 5. In detail, the tank 34 is placed in line on the duct of the closed circuit 12 and has an inlet 37 for the working fluid coming from the recuperator 25 and an outlet 38 in fluid communication with the inlet port 33 of the volumetric compressor 5 .

Il circuito di ricircolo 35 è collegato ad una uscita inferiore 39 del serbatoio 34 ed a una pluralità di ugelli 40 disposti dentro il serbatoio 34 presso una porzione superiore dello stesso. Sul circuito di ricircolo 35 è posto lo scambiatore di calore 36 e tra l’uscita inferiore 39 e detto scambiatore di calore 36 è operativamente collocata una prima pompa 41. Inoltre, il sistema di estrazione e trattamento 30 di acqua è operativamente collegato al circuito di ricircolo 35, ad esempio a valle e a monte della prima pompa 41. The recirculation circuit 35 is connected to a lower outlet 39 of the tank 34 and to a plurality of nozzles 40 arranged inside the tank 34 near an upper portion of the same. The heat exchanger 36 is placed on the recirculation circuit 35 and a first pump 41 is operatively located between the lower outlet 39 and said heat exchanger 36. Furthermore, the water extraction and treatment system 30 is operatively connected to the water circuit. recirculation 35, for example downstream and upstream of the first pump 41.

Nel serbatoio 34, fase liquida e fase gassosa del liquido di lavoro con prodotti della combustione provenienti dall’espansore volumetrico 6 si separano. La fase liquida è ricircolata nel circuito di ricircolo 35 e raffreddata nello scambiatore di calore 36 e poi spruzzata di nuovo nel serbatoio 34 tramite gli ugelli 40. L’acqua derivante dalla combustione e contenuta nella fase liquida può essere estratta tramite il sistema di estrazione e trattamento 30, trattata per estrarre gli inquinanti e almeno in parte reimmessa nel circuito di ricircolo 35. In the tank 34, the liquid phase and the gas phase of the working liquid with combustion products coming from the volumetric expander 6 separate. The liquid phase is recirculated in the recirculation circuit 35 and cooled in the heat exchanger 36 and then sprayed back into the tank 34 through the nozzles 40. The water deriving from combustion and contained in the liquid phase can be extracted through the extraction system and treatment 30, treated to extract the pollutants and at least partially reintroduced into the recirculation circuit 35.

Il circuito di ricircolo 35 comprende inoltre un ramo ausiliario 42 provvisto di una rispettiva seconda pompa 43. Il ramo ausiliario 42 si diparte da una porzione principale del circuito di ricircolo 35 a valle dello scambiatore di calore 36 e termina con ugelli 44 posti nel dispositivo di compressione 5, per spruzzare in detto dispositivo di compressione 5 la fase liquida (preferibilmente acqua) derivante dalla combustione e raffreddata nello scambiatore di calore 36 (refrigerazione a spruzzamento). In particolare, gli ugelli 44 del dispositivo di compressione 5 si aprono in una camera di compressione 45 delimitata da un cilindro 46 e da un pistone 47 di detto dispositivo di compressione 5 volumetrico. The recirculation circuit 35 also comprises an auxiliary branch 42 provided with a respective second pump 43. The auxiliary branch 42 starts from a main portion of the recirculation circuit 35 downstream of the heat exchanger 36 and ends with nozzles 44 located in the compression 5, to spray in said compression device 5 the liquid phase (preferably water) deriving from combustion and cooled in the heat exchanger 36 (spray refrigeration). In particular, the nozzles 44 of the compression device 5 open into a compression chamber 45 delimited by a cylinder 46 and by a piston 47 of said volumetric compression device 5.

Il motore a combustione interna 1 di figura 2C comprende anche un separatore/demister 48 posto in linea su un circuito ausiliario 49 che collega una conduttura del circuito chiuso 12, che si sviluppa tra un’apertura di uscita 50 del compressore volumetrico 5, con il serbatoio 34 del dispositivo di refrigerazione 26. Il serbatoio di stoccaggio 32 di fluido di lavoro del motore di figura 2C è collegato, tramite rispettive condutture e valvole, al circuito chiuso 12 a monte del dispositivo di compressione 5 e al circuito ausiliario 49. The internal combustion engine 1 of Figure 2C also comprises a separator / demister 48 placed in line on an auxiliary circuit 49 which connects a duct of the closed circuit 12, which extends between an outlet opening 50 of the volumetric compressor 5, with the tank 34 of the refrigeration device 26. The working fluid storage tank 32 of the engine of Figure 2C is connected, by means of respective pipes and valves, to the closed circuit 12 upstream of the compression device 5 and to the auxiliary circuit 49.

Il sistema di separazione/estrazione 31 del motore di figura 2C è anch’esso operativamente collegato al circuito ausiliario 49. The separation / extraction system 31 of the motor of Figure 2C is also operationally connected to the auxiliary circuit 49.

Le figure 2A e 2B illustrano in diagrammi T-S e P-V il ciclo termodinamico del motore 1 di figura 2C. Figures 2A and 2B illustrate in diagrams T-S and P-V the thermodynamic cycle of the engine 1 of Figure 2C.

In accordo con il ciclo ed il processo secondo la presente invenzione, il fluido di lavoro (ad esempio Argon) entra nel compressore volumetrico 5 (punto A) e segue le seguenti fasi di ciclo/processo, simili a quelle già sopra illustrate. In accordance with the cycle and process according to the present invention, the working fluid (for example Argon) enters the volumetric compressor 5 (point A) and follows the following cycle / process phases, similar to those already illustrated above.

- Compressione quasi isoterma da A a B (nel compressore volumetrico 5), con raffreddamento/espulsione del calore conseguente. - Quasi isothermal compression from A to B (in the volumetric compressor 5), with consequent cooling / expulsion of the heat.

- Riscaldamento isobaro recuperativo da B a C (nel recuperatore 25) mediante raffreddamento del flusso caldo di scarico dall’espansore da E a F. - Recovery isobaric heating from B to C (in recuperator 25) by cooling the hot exhaust flow from the expander from E to F.

- Combustione da C a D (nell’espansore volumetrico 6). - Combustion from C to D (in the volumetric expander 6).

- Espansione adiabatica da D a E realizzata tutta nell’espansore volumetrico 6. - Adiabatic expansion from D to E made entirely in the volumetric expander 6.

- Raffreddamento (idealmente isobaro) da F a A (nel dispositivo di refrigerazione 26). - Cooling (ideally isobaric) from F to A (in the refrigeration device 26).

La figura 3 illustra una variante del compressore-espansore o “compander” 5, 11 di figura 1C, in cui al posto del primo, secondo e terzo scambiatore di calore 27, 28, 29, sono presenti un primo, secondo e terzo serbatoio 51, 52, 53 di un dispositivo di refrigerazione 26 a spruzzamento. La struttura di tali serbatoi 51, 52, 53 è simile o identica a quella del serbatoio 34 di figura 2C. Figure 3 illustrates a variant of the compressor-expander or "compander" 5, 11 of figure 1C, in which instead of the first, second and third heat exchanger 27, 28, 29, there are a first, second and third tank 51 , 52, 53 of a spray cooler 26. The structure of these tanks 51, 52, 53 is similar or identical to that of the tank 34 of Figure 2C.

Il dispositivo di refrigerazione 26 comprende inoltre un circuito di ricircolo 35 provvisto di uno scambiatore di calore 36, di una pompa 41 e in comunicazione di fluido con ciascuno dei serbatoi 51, 52, 53. In particolare, il circuito di ricircolo 35 è collegato ad una uscita inferiore 39 di ciascun serbatoio 51, 52, 53 ed a una pluralità di ugelli 40 disposti dentro ogni serbatoio 34 presso una porzione superiore dello stesso. The refrigeration device 26 further comprises a recirculation circuit 35 provided with a heat exchanger 36, a pump 41 and in fluid communication with each of the tanks 51, 52, 53. In particular, the recirculation circuit 35 is connected to a lower outlet 39 of each tank 51, 52, 53 and to a plurality of nozzles 40 arranged inside each tank 34 near an upper portion thereof.

Il sistema di estrazione e trattamento 30 è operativamente collegato al circuito di ricircolo 35, ad esempio a valle e a monte dello scambiatore di calore 36. The extraction and treatment system 30 is operatively connected to the recirculation circuit 35, for example downstream and upstream of the heat exchanger 36.

La figura 4 illustra una ulteriore variante del compressore-espansore o “compander” 5, 11 di figura 1C, in cui il primo ed il secondo compressore 2, 3 presentano alberi allineati e coassiali, il terzo compressore 4 e il turbo-espansore ausiliario 11 presentano alberi allineati e coassiali. Gli alberi del primo e secondo compressore 2, 3 e del terzo compressore 4 e turbo-espansore ausiliario 11 sono paralleli e collegati da un gruppo ingranaggi 54. Figure 4 illustrates a further variant of the compressor-expander or "compander" 5, 11 of figure 1C, in which the first and second compressors 2, 3 have aligned and coaxial shafts, the third compressor 4 and the auxiliary turbo-expander 11 have aligned and coaxial shafts. The shafts of the first and second compressor 2, 3 and of the third compressor 4 and auxiliary turbo-expander 11 are parallel and connected by a gear group 54.

La figura 5 illustra una ulteriore variante del compressore-espansore o “compander” 5, 11 di figura 1C che comprende due alberi (multi-shaft). Il secondo ed il terzo compressore 3, 4 ed il turbo-espansore ausiliario 11 presentano alberi allineati e coassiali. E’ inoltre presente un ulteriore turbo-espansore ausiliario 11’ posto a valle del turbo-espansore ausiliario 11, per ricevere da esso il fluido di lavoro e farlo ulteriormente espandere, e con un albero in comune con il primo compressore 2. La figura 7 illustra una ulteriore variante del motore primo 1 di figura 1C, la quale differisce da tale motore di figura 1C per quanto riguarda i dispositivi di alimentazione del comburente 24. In tale variante realizzativa, il comburente è aria ambiente (ossia 20% ossigeno, 79% azoto e circa 1% argon) ed il fluido di lavoro è una miscela con prevalenza di azoto e con argon, CO2 e ossigeno e vapore acqueo in alcune aree del ciclo. In un ulteriore forma realizzativa, il comburente potrebbe essere costituito da aria arricchita in ossigeno, fino al 30-60%, e quindi la composizione potrebbe crescere nel contenuto di CO2, in ragione dell’arricchimento dell’aria, fino anche ad arrivare a percentuali di CO2 prevalenti rispetto agli altri componenti. Figure 5 illustrates a further variant of the compressor-expander or "compander" 5, 11 of Figure 1C which comprises two shafts (multi-shaft). The second and third compressors 3, 4 and the auxiliary turbo-expander 11 have aligned and coaxial shafts. There is also a further auxiliary turbo-expander 11 'located downstream of the auxiliary turbo-expander 11, to receive the working fluid from it and make it expand further, and with a shaft in common with the first compressor 2. Figure 7 illustrates a further variant of the prime mover 1 of figure 1C, which differs from this motor of figure 1C as regards the devices for feeding the comburent 24. In this embodiment variant, the comburent is ambient air (i.e. 20% oxygen, 79% nitrogen and about 1% argon) and the working fluid is a mixture with a prevalence of nitrogen and with argon, CO2 and oxygen and water vapor in some areas of the cycle. In a further embodiment, the comburent could be constituted by air enriched in oxygen, up to 30-60%, and therefore the composition could grow in the CO2 content, due to the enrichment of the air, even reaching percentages of CO2 prevalent with respect to the other components.

Al posto dei dispositivi di alimentazione del comburente 24 illustrati schematicamente in figura 1C, il motore primo 1 di figura 7 comprende un espansore di estrazione 55, un compressore dell’aria comburente 56 eventualmente collegato ad un motore elettrico 57. L’espansore di estrazione 55 ed il compressore dell’aria comburente 56 sono meccanicamente accoppiati ad un medesimo albero a formare un compressore-espansore. Il compressore 56 riceve in ingresso l’aria ambiente, la comprime e la immette, ad esempio, tramite una conduttura di immissione 58 in un punto del circuito chiuso 12 posto tra il recuperatore 25 ed il terzo scambiatore di calore 27. l compressore 56 e la conduttura di immissione 58 definiscono pertanto una forma realizzativa particolare di dispositivi di alimentazione del comburente 24. Il compressore 56 è azionato in rotazione tramite l’espansore 55 e l’eventuale motore elettrico 57. L’espansore di estrazione 55 è movimentato utilizzando l’azoto e l’argon in espansione in uscita dal circuito chiuso 12 primo o dopo l’estrazione della CO2. Nella forma realizzativa di figura 7, una conduttura di estrazione 59 si sviluppa da un punto del circuito chiuso 12, posto immediatamente a valle dell’espansore ausiliario 11 e prima del recuperatore 25, fino ad un ingresso dell’espansore di estrazione 55. Una volta transitata attraverso l’espansore di estrazione 55, la miscela è alimentata tramite una rispettiva conduttura 60 al sistema di separazione/estrazione 31 in cui la CO2 è separata, ad esempio per condensazione criogenica, e quindi azoto e argon sono liberati in atmosfera tramite una conduttura di uscita 61. Instead of the combustion agent supply devices 24 schematically illustrated in figure 1C, the prime mover 1 of figure 7 comprises an extraction expander 55, a combustion air compressor 56 possibly connected to an electric motor 57. The extraction expander 55 and the combustion air compressor 56 are mechanically coupled to the same shaft to form a compressor-expander. The compressor 56 receives the ambient air inlet, compresses it and introduces it, for example, through an intake duct 58 in a point of the closed circuit 12 located between the recuperator 25 and the third heat exchanger 27. The compressor 56 is the inlet duct 58 therefore define a particular embodiment of devices for feeding the comburent 24. The compressor 56 is driven in rotation by the expander 55 and the possible electric motor 57. The extraction expander 55 is moved using the nitrogen and the expanding argon leaving the closed circuit 12 before or after CO2 extraction. In the embodiment of Figure 7, an extraction duct 59 extends from a point of the closed circuit 12, located immediately downstream of the auxiliary expander 11 and before the recuperator 25, up to an inlet of the extraction expander 55. Once passed through the extraction expander 55, the mixture is fed through a respective duct 60 to the separation / extraction system 31 in which the CO2 is separated, for example by cryogenic condensation, and then nitrogen and argon are released into the atmosphere via a duct 61.

In ulteriori varianti non illustrate, i punti di inserimento dell’aria ambiente nel circuito chiuso 12 possono essere anche diversi da quello indicato e/o il sistema di estrazione CO2 può essere messo prima dell’espansore di estrazione 55. In further variants not illustrated, the insertion points of the ambient air in the closed circuit 12 may also be different from the one indicated and / or the CO2 extraction system can be placed before the extraction expander 55.

Inoltre, il compressore dell’aria comburente 56 potrebbe essere azionato elettricamente o con altra macchina motrice e l’espansore di estrazione 55 potrebbe essere disaccoppiato dal compressore 56 ed azionare un generatore o macchina condotta separata. In addition, the combustion air compressor 56 could be operated electrically or with another driving machine and the extraction expander 55 could be decoupled from the compressor 56 and drive a separate generator or driven machine.

La presente invenzione, in particolare nelle forme di realizzazione sopra illustrate, consente di ottenere i seguenti vantaggi: The present invention, in particular in the embodiments illustrated above, allows to obtain the following advantages:

- minori irreversibilità rispetto ad un normale ciclo Otto e/o Diesel grazie alla presenza del recuperatore e della eventuale compressione inter-refrigerata e quindi migliori efficienze/rendimenti di conversione; - less irreversibility compared to a normal Otto and / or Diesel cycle thanks to the presence of the recuperator and any inter-refrigerated compression and therefore better conversion efficiencies / yields;

- accettabilità di combustibili sporchi e gravosi (fra cui, il gas naturale, l’olio combustibile e derivati, combustibili e/o slurry derivati dal carbone, gas da gassificazione di carbone e/o biomasse, idrogeno, CO, etc.) simile a quella dei motori endotermici che sono molto più tolleranti delle turbine a gas; - acceptability of dirty and heavy fuels (including, natural gas, fuel oil and derivatives, fuels and / or slurry derived from coal, gas from coal and / or biomass gasification, hydrogen, CO, etc.) similar to that of endothermic engines which are much more tolerant than gas turbines;

- parti molto calde ed a alte pressioni confinate nel cilindro raffreddato, a differenza di cicli ed impianti a CO2 supercritici ove l’espansore deve sopportare pressioni di ingresso di centinaia di bar con temperature simultaneamente superiori ai 1000°C; - very hot parts and at high pressures confined in the cooled cylinder, unlike supercritical CO2 cycles and systems where the expander must withstand inlet pressures of hundreds of bars with temperatures above 1000 ° C simultaneously;

- minori irreversibilità rispetto ai cicli Brayton; in particolare grazie alla combustione con incremento di pressione e alle maggiori temperature massime del ciclo ottenibili; - less irreversibility compared to Brayton cycles; in particular thanks to the combustion with pressure increase and to the higher maximum temperatures of the cycle obtainable;

- maggior efficienza rispetto al “free piston combustor”; infatti nella presente invenzione la fase di compressione assorbe molta meno potenza di quella di espansione e, a pari temperatura massima di combustione con il “free-piston combustor” avremmo temperature di scarico nel punto E’ di figura 1A molto elevate; in altri termini, al fine del principio di funzionamento secondo la presente invenzione si può raggiungere una temperatura massima del ciclo (al punto D di figura 1A) molto elevata con contemporaneamente una temperatura al punto E’ accettabilmente bassa ( i.e. fra 700-1.100°C) sole se si estrae attraverso il piston combustor, per espansione, abbastanza lavoro e tale lavoro è maggiore del lavoro di compressione. - greater efficiency than the "free piston combustor"; in fact in the present invention the compression phase absorbs much less power than the expansion one and, at the same maximum combustion temperature with the "free-piston combustor", we would have very high exhaust temperatures at point E 'in figure 1A; in other words, for the purpose of the operating principle according to the present invention, a very high maximum cycle temperature (at point D of figure 1A) can be reached with at the same time an acceptably low temperature at point E (i.e. between 700-1.100 ° C ) sun if extracted through the piston combustor, by expansion, enough work and this work is greater than the compression work.

- grande scalabilità di taglia grazie: alla possibilità di regolare la pressione minima del ciclo e quindi le portate volumetriche in gioco (essendo un ciclo tipicamente a gas ideale o quasi ideale, esso consente di scegliere a piacere le pressioni del ciclo, mentre la scelta del fluido di lavoro e del suo peso molecolare consentono di ottimizzate il design delle turbomacchine); alla possibilità di combinare turbomacchine, tipicamente più adatte ad alte portate volumetriche nella parte a bassa/media pressione, e espansore volumetrico nella parte di alta pressione, ove le portate sono limitate e quindi la macchina volumetrica non costituisce un elemento di limitazione alla crescita di potenza, essendo il ciclo semichiuso e pressurizzato; - great size scalability thanks to: the possibility of adjusting the minimum cycle pressure and therefore the volumetric flow rates involved (being a typically ideal or almost ideal gas cycle, it allows you to choose the cycle pressures at will, while the choice of working fluid and its molecular weight allow to optimize the design of the turbomachinery); the possibility of combining turbomachines, typically more suitable for high volumetric flow rates in the low / medium pressure part, and volumetric expander in the high pressure part, where the flow rates are limited and therefore the volumetric machine does not constitute a limiting element to the growth of power , the cycle being semi-closed and pressurized;

- possibilità di costruire il motore con componenti in gran parte già in uso e già noti, senza l’esigenza di sviluppare nuovi materiali e nuovi espansori con parametri di pressione e temperatura molto spinti; - possibility of building the motor with components largely already in use and already known, without the need to develop new materials and new expanders with very high pressure and temperature parameters;

- possibilità di catturare agevolmente l’anidride carbonica e l’acqua di combustione; - possibility of easily capturing carbon dioxide and combustion water;

- contenimento delle emissioni inquinanti; - containment of polluting emissions;

- possibilità di costruire motori molto compatti e adatti anche a navi ove gli spazi sono limitati e la potenza specifica è un parametro importante, grazie alla compattezza delle parti clade e ad alta pressione ed alla compattezza dei sistemi di raffreddamento; - possibility of building very compact engines and also suitable for ships where spaces are limited and specific power is an important parameter, thanks to the compactness of the high pressure and clad parts and the compactness of the cooling systems;

- possibilità di scegliere fluidi di lavoro non infiammabili, con conseguente riduzione dei rischi di incendi ed esplosioni e minor investimento richiesto per impianti antincendio, etc.. - possibility to choose non-flammable working fluids, with consequent reduction of the risks of fires and explosions and less investment required for fire-fighting systems, etc.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Motore primo a combustione interna a ciclo semi-chiuso, comprendente: un dispositivo di compressione (5); un espansore volumetrico (6) distinto dal dispositivo di compressione (5); primi dispositivi di alimentazione (23) collegati all’espansore volumetrico (6) e configurati per immettere un combustibile nell’espansore volumetrico (6) e/o secondi dispositivi di alimentazione (24) collegati all’espansore volumetrico (6) e configurati per immettere un comburente nell’espansore volumetrico (6); in cui l’espansore volumetrico (6) è configurato per eseguire una combustione con un incremento di pressione ed un’espansione; un circuito chiuso (12) in cui circola almeno un fluido di lavoro; in cui il dispositivo di compressione (5) e l’espansore volumetrico (6) sono fra loro in comunicazione di fluido tramite detto circuito chiuso (12); un recuperatore (25) disposto nel circuito chiuso (12) ed operativamente interposto tra il dispositivo di compressione (5) e l’espansore volumetrico (6); in cui il recuperatore (25) è configurato per cedere calore dal fluido di lavoro proveniente dall’espansore volumetrico (6) e diretto verso il dispositivo di compressione (5) al fluido di lavoro proveniente dal dispositivo di compressione (5) e diretto nell’espansore volumetrico (6). CLAIMS 1. Semi-closed cycle internal combustion prime mover, comprising: a compression device (5); a volumetric expander (6) separate from the compression device (5); first feed devices (23) connected to the volumetric expander (6) and configured to feed a fuel into the volumetric expander (6) and / or second feed devices (24) connected to the volumetric expander (6) and configured to feed an oxidizer in the volumetric expander (6); in which the volumetric expander (6) is configured to perform a combustion with an increase in pressure and an expansion; a closed circuit (12) in which at least one working fluid circulates; in which the compression device (5) and the volumetric expander (6) are in fluid communication with each other through said closed circuit (12); a recuperator (25) arranged in the closed circuit (12) and operationally interposed between the compression device (5) and the volumetric expander (6); in which the recuperator (25) is configured to release heat from the working fluid coming from the volumetric expander (6) and directed towards the compression device (5) to the working fluid coming from the compression device (5) and directed in the volumetric expander (6).

2. Motore primo secondo la rivendicazione 1, in cui l’espansore volumetrico (6) presenta una almeno camera di lavoro (10) ed è mobile tra una prima configurazione, in cui la camera di lavoro (10) presenta un volume massimo, ed una seconda configurazione in cui detta camera di lavoro (10) presenta un volume minimo, in cui un’apertura di ingresso (22) del fluido di lavoro è aperta quando la camera di lavoro (10) si trova nella seconda configurazione o nei pressi della seconda configurazione, per permettere l’ingresso del fluido in pressione proveniente dal dispositivo di compressione (5) appena prima della combustione senza sostanzialmente eseguire una ulteriore compressione del fluido di lavoro compresso proveniente dal compressore (5) prima di detta combustione; in cui la camera di lavoro (10) si porta dalla prima configurazione verso la seconda configurazione mentre almeno un’apertura di scarico (13) dell’espansore volumetrico (6) è aperta per permettere la fuoriuscita del fluido di lavoro, dopo la combustione e l’espansione e senza eseguire alcuna compressione prima della successiva combustione. 2. Prime motor according to claim 1, wherein the volumetric expander (6) has at least one working chamber (10) and is movable between a first configuration, in which the working chamber (10) has a maximum volume, and a second configuration in which said working chamber (10) has a minimum volume, in which an inlet opening (22) of the working fluid is open when the working chamber (10) is in the second configuration or near the second configuration, to allow the entry of the pressurized fluid coming from the compression device (5) just before combustion without substantially carrying out a further compression of the compressed working fluid coming from the compressor (5) before said combustion; in which the working chamber (10) moves from the first configuration towards the second configuration while at least one discharge opening (13) of the volumetric expander (6) is open to allow the working fluid to escape, after combustion and expansion and without performing any compression before the next combustion.

3. Motore primo secondo la rivendicazione 2, in cui l’espansore volumetrico (6) è del tipo a pistone, in cui la prima configurazione corrisponde al punto morto inferiore (pmi) e la seconda configurazione corrisponde al punto morto superiore (pms); in cui il dispositivo di compressione (5) comprende almeno un turbocompressore () o almeno un compressore volumetrico, preferibilmente del tipo a pistone. 3. Prime motor according to claim 2, in which the volumetric expander (6) is of the piston type, in which the first configuration corresponds to the bottom dead center (pmi) and the second configuration corresponds to the top dead center (pms); wherein the compression device (5) comprises at least one turbocharger () or at least one volumetric compressor, preferably of the piston type.

4. Motore primo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, comprendente un dispositivo di refrigerazione (26) operativamente associato al dispositivo di compressione (5) e configurato per raffreddare almeno parte del fluido di lavoro transitante nel dispositivo di compressione (5). A prime mover according to one of claims 1 to 3, comprising a refrigeration device (26) operatively associated with the compression device (5) and configured to cool at least part of the working fluid passing through the compression device (5).

5. Motore primo secondo la rivendicazione 4, in cui il dispositivo di compressione (5) comprende una pluralità di compressori (2, 3, 4) posti in serie ed in cui il dispositivo di refrigerazione (26) è operativo tra i compressori (2, 3, 4), per eseguire una compressione inter-refrigerata. Prime mover according to claim 4, wherein the compression device (5) comprises a plurality of compressors (2, 3, 4) placed in series and in which the refrigeration device (26) is operative between the compressors (2 , 3, 4), to perform an inter-refrigerated compression.

6. Motore primo secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui il dispositivo di refrigerazione (26) comprende un circuito di ricircolo (35) in comunicazione di fluido con il circuito chiuso (12) e provvisto di almeno un serbatoio (34; 51, 52, 53) e di uno scambiatore di calore (36); in cui il dispositivo di refrigerazione (26) comprende ugelli (40) disposti in detto almeno un serbatoio (34; 51, 52, 53) per spruzzare nel serbatoio (34; 51, 52, 53) una fase liquida derivante dalla combustione e raffreddata nello scambiatore di calore (36); e/o in cui il circuito di ricircolo (35) comprende ugelli (44) posti nel dispositivo di compressione (5) per spruzzare in detto dispositivo di compressione (5) una fase liquida derivante dalla combustione e raffreddata nello scambiatore di calore (36). Prime mover according to claim 4 or 5, wherein the refrigeration device (26) comprises a recirculation circuit (35) in fluid communication with the closed circuit (12) and provided with at least one tank (34; 51, 52, 53) and a heat exchanger (36); wherein the refrigeration device (26) comprises nozzles (40) arranged in said at least one tank (34; 51, 52, 53) to spray into the tank (34; 51, 52, 53) a liquid phase deriving from combustion and cooled in the heat exchanger (36); and / or in which the recirculation circuit (35) comprises nozzles (44) placed in the compression device (5) to spray in said compression device (5) a liquid phase deriving from combustion and cooled in the heat exchanger (36) .

7. Motore primo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno un apparato di estrazione (30, 31) di prodotti della combustione ed inquinanti derivanti dalla combustione e/o contenuti nel comburente e nel combustibile, detto almeno un apparato di estrazione (30, 31) essendo operativamente associato al circuito chiuso (12) e posto a valle e/o a monte del dispositivo di compressione (5). 7. Prime engine according to one of the preceding claims, comprising at least one extraction apparatus (30, 31) of combustion products and pollutants deriving from combustion and / or contained in the comburent and fuel, said at least one extraction apparatus (30, 31 ) being operatively associated with the closed circuit (12) and placed downstream and / or upstream of the compression device (5).

8. Motore primo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui i secondi dispositivi di alimentazione comburente (24) comprendono un compressore dell’aria comburente (56) operativamente collegato al circuito chiuso (12) e configurato per immettere aria ambiente compressa in detto circuito chiuso (12); in cui il motore primo (1) comprende un espansore di estrazione (55) presentante un ingresso operativamente collegato al circuito chiuso (12) in almeno un punto a valle dell’espansore volumetrico (6), per ricevere azoto e argon in espansione in uscita dal circuito chiuso (12), in cui l’espansore di estrazione (55) è meccanicamente accoppiato al compressore dell’aria comburente (56) per azionare detto compressore (56) tramite l’espansione dell’azoto e dell’argon in espansione. 8. First engine according to one of the preceding claims, wherein the second combustion supply devices (24) comprise a combustion air compressor (56) operatively connected to the closed circuit (12) and configured to introduce compressed ambient air into said closed circuit (12); wherein the prime mover (1) comprises an extraction expander (55) having an input operatively connected to the closed circuit (12) in at least one point downstream of the volumetric expander (6), to receive expanding nitrogen and argon at the output from the closed circuit (12), in which the extraction expander (55) is mechanically coupled to the combustion air compressor (56) to drive said compressor (56) by expanding the nitrogen and expanding argon.

9. Processo termodinamico semi-chiuso per la produzione di potenza, preferibilmente attuato con il motore primo secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, comprendente: comprimere un fluido di lavoro in un dispositivo di compressione (5); immettere il fluido di lavoro già compresso proveniente dal dispositivo di compressione (5) in un espansore volumetrico (6) distinto dal dispositivo di compressione (5); eseguire nell’espansore volumetrico (6) una combustione con incremento di pressione immettendo un comburente ed un combustibile nell’espansore volumetrico (6) e senza sostanzialmente eseguire una ulteriore compressione del fluido di lavoro in detto espansore volumetrico (6) dopo l’immissione e prima della combustione; far espandere il fluido di lavoro nell’espansore volumetrico (6); espellere il fluido di lavoro dall’espansore volumetrico (6) e reimmetterlo nel dispositivo di compressione (5); in cui si prevede di cedere calore, in un recuperatore (25), dal fluido di lavoro proveniente dall’espansore volumetrico (6) e diretto verso il dispositivo di compressione (5) al fluido di lavoro proveniente dal dispositivo di compressione (5) e diretto nell’espansore volumetrico (6). 9. Semi-closed thermodynamic process for power generation, preferably carried out with the prime mover according to at least one of the preceding claims, comprising: compressing a working fluid in a compression device (5); introducing the already compressed working fluid coming from the compression device (5) into a volumetric expander (6) separate from the compression device (5); carry out combustion in the volumetric expander (6) with an increase in pressure by introducing a comburent and a fuel into the volumetric expander (6) and without substantially carrying out a further compression of the working fluid in said volumetric expander (6) after the introduction and before combustion; expand the working fluid in the volumetric expander (6); expel the working fluid from the volumetric expander (6) and re-enter it in the compression device (5); in which it is expected to transfer heat, in a recuperator (25), from the working fluid coming from the volumetric expander (6) and directed towards the compression device (5) to the working fluid coming from the compression device (5) and direct into the volumetric expander (6).

10. Processo secondo la rivendicazione precedente, in cui l’espansore volumetrico (6) presenta una almeno camera di lavoro (10) ed è mobile tra una prima configurazione, in cui la camera di lavoro (10) presenta un volume massimo, ed una seconda configurazione in cui detta camera di lavoro (10) presenta un volume minimo; in cui si il fluido di lavoro viene immesso già compresso quando l’espansore volumetrico (6) si trova nella seconda configurazione o nei pressi della seconda configurazione; in cui, durante l’espansione, la camera di lavoro (10) si porta dalla seconda configurazione verso la prima configurazione; in cui un’apertura di scarico (13) viene aperta mentre la camera di lavoro (10) si porta dalla prima configurazione verso la seconda configurazione per permettere la fuoriuscita del fluido di lavoro, dopo la combustione e l’espansione, e senza eseguire alcuna sostanziale compressione prima della successiva combustione, in modo da riscaldare il fluido di lavoro prima della combustione. 10. Process according to the preceding claim, in which the volumetric expander (6) has at least one working chamber (10) and is movable between a first configuration, in which the working chamber (10) has a maximum volume, and a second configuration in which said working chamber (10) has a minimum volume; in which the working fluid is introduced already compressed when the volumetric expander (6) is in the second configuration or near the second configuration; in which, during expansion, the work chamber (10) moves from the second configuration to the first configuration; in which a discharge opening (13) is opened while the working chamber (10) moves from the first configuration towards the second configuration to allow the working fluid to escape, after combustion and expansion, and without carrying out any substantial compression before the subsequent combustion, in order to heat the working fluid before combustion.

11. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti 9 e 10, comprendente: raffreddare almeno parte del fluido di lavoro transitante nel dispositivo di compressione (5). Process according to one of the preceding claims 9 and 10, comprising: cooling at least part of the working fluid passing through the compression device (5).

12. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti da 9 a 11, comprendente: estrarre prodotti della combustione. Process according to one of the preceding claims 9 to 11, comprising: extracting combustion products.

13. Processo secondo una delle rivendicazioni precedenti da 9 a 12, comprendente un’espansione ausiliaria del fluido di lavoro in un espansore ausiliario (11), dopo l’espulsione dall’espansore volumetrico (6) e prima della re-immissione nel dispositivo di compressione (5). 13. Process according to one of the preceding claims 9 to 12, comprising an auxiliary expansion of the working fluid in an auxiliary expander (11), after expulsion from the volumetric expander (6) and before re-introduction into the compression (5).

14. Ciclo termodinamico a combustione interna, preferibilmente eseguito dal motore primo secondo almeno una delle rivendicazioni da 1 a 8 e/o nel processo secondo le rivendicazioni da 9 a 13, comprendente in successione: una compressione di un fluido di lavoro; un riscaldamento isobaro recuperativo; una combustione quasi isocora e con incremento di pressione; un’espansione adiabatica; un recupero isobaro corrispondente al riscaldamento isobaro recuperativo; un raffreddamento isobaro. 14. Internal combustion thermodynamic cycle, preferably performed by the prime mover according to at least one of claims 1 to 8 and / or in the process according to claims 9 to 13, comprising in succession: a compression of a working fluid; a recovery isobaric heating; almost isochoric combustion with increased pressure; an adiabatic expansion; an isobar recovery corresponding to the recovery isobaric heating; an isobaric cooling.

15. Ciclo secondo la rivendicazione 14, in cui la compressione è quasi isoterma o inter-refrigerata. 15. A cycle according to claim 14, wherein the compression is quasi-isothermal or inter-refrigerated.

16. Ciclo secondo una delle rivendicazioni da 14 o 15, in cui il fluido di lavoro è monoatomico, preferibilmente Ar, He, Xe, o biatomico, preferibilmente H2, O2, N2, o triatomico, preferibilmente CO2.16. Cycle according to one of claims 14 or 15, wherein the working fluid is monoatomic, preferably Ar, He, Xe, or diatomic, preferably H2, O2, N2, or triatomic, preferably CO2.