Способ питания двигателя с воспламенением от сжатия и топливо для него - RU2604535C2

Чертежи

Показать все 15 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к новой топливной композиции и к способу для питания двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.

Данная заявка испрашивает приоритет австралийских патентных заявок AU 2010905226 и AU 2010905225. Данная заявка также связана с международной заявкой, озаглавленной "Топливо и способ питания двигателя с воспламенением от сжатия", поданной тем же заявителем в этот день с общими притязаниями на приоритет. Описание соответствующей международной заявки включено в настоящий документ посредством ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Потребность в топливных альтернативах традиционным видам ископаемого топлива вызвана в основном необходимостью в топливе с "чистыми" выбросами при сгорании в сочетании с низкой себестоимостью производства и широкой доступностью. Большое внимание уделяется воздействию на окружающую среду выбросов топлива. Исследования в области альтернативных видов топлива фокусируются на таких топливах, которые приведут к сокращению количества твердых частиц и окислов, образуемых при сгорании топлива, а также на таких топливах, которые уменьшают выбросы несгоревшего топлива и двуокиси углерода и других продуктов горения.

Усилия по получению экологически чистых топливных композиций для транспортных применений были сосредоточены на этаноле. Биоматериалы, такие как органические вещества растений, могут быть преобразованы в этанол, и производимый с помощью таких процессов этанол был использован в качестве частичной замены топлива для двигателей с искровым зажиганием. В то время как это уменьшает зависимость от невозобновляемых ресурсов для топлива, экологические последствия, связанные с использованием этих видов топлива в двигателях, не были существенно улучшены в общем смысле, поскольку выгоды чистого сгорания сводятся на нет продолжением использования таких видов топлива в низкоэффективных двигателях с искровым зажиганием и отрицательным воздействия на окружающую среду, связанным с использованием энергии, пахотных земель, удобрений и воды для полива, чтобы создать топливо.

Другие топливные альтернативы для полной или частичной замены традиционных видов топлива не стали широко используемыми.

Один из основных недостатков полной замены традиционных видов топлива и, в частности, видов топлива для двигателей с воспламенением от сжатия (дизельных топлив), на возобновляемые альтернативные виды топлива связан с проблемами, проистекающими из низкого цетанового числа таких видов топлива. Такие виды топлива имеют серьезные проблемы с достижением воспламенения таким образом, который требуется для эффективной работы двигателя.

Авторы настоящей заявки также признали, что в некоторых отдаленных местах или средах вода является дефицитным ресурсом, и в таких местах может возникнуть потребность в генерации электроэнергии (например, с использованием дизель-генератора) в сочетании с улавливанием образующейся при сгорании топлива воды для ее использования населением. В дополнение к этому перемещение объемной энергии через жидкостные трубопроводы является давно используемым и экономически эффективным способом перемещения больших количеств энергии на большие расстояния с минимальным визуальным влиянием на окружающую среду, по сравнению с воздушными линиями электропередачи.

Авторы настоящей заявки также признали потребность в некоторых местах в том, чтобы тепло, образующееся в таких промышленных процессах, было уловлено и использовано повторно населением. В некоторых случаях эта потребность сочетается с потребностью в улавливании воды для ее повторного использования, что описано выше.

Таким образом, существует постоянная потребность в альтернативных видах топлива для использования в двигателях внутреннего сгорания. Особый интерес представляют виды топлива, которые могут уменьшить выбросы, особенно там, где улучшенный профиль выбросов получается без значительного отрицательного воздействия на эффективность топлива и/или характеристики двигателя. Существует также потребность в таких способах питания двигателей с воспламенением от сжатия, которые позволяли бы таким двигателям работать на альтернативном дизельном топливе, содержащем компоненты, которые традиционно не считаются подходящими для использования в таких применениях. Существует также потребность в таких дизельных моторных топливах и способах работы двигателя, которые подходят для использования в отдаленных местах или в экологически чувствительных средах (например, в высокоширотной морской среде, особенно в портовых районах с точки зрения выбросов), или в других районах, таких как удаленные сухие, но холодные внутренние районы, которые могут максимально использовать все побочные продукты работы двигателя, в том числе, например, образующиеся тепло и воду. Желательно также, чтобы эти цели достигались при минимально возможных потерях в топливной экономичности и мощности двигателя.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретением предлагается топливная композиция для дизельного двигателя, включающая в себя:

- метанол в количестве по меньшей мере 20% от массы топлива;

- воду в количестве по крайней мере 20% от массы топлива;

- соотношение воды и метанола в пределах от 20:80 до 80:20;

- общее количество воды и метанола по меньшей мере 60% от массы топливной композиции, и

- одну или более добавок, в общем количестве по меньшей мере 0,1% от массы топлива, при этом количество хлорида натрия, если он присутствует в качестве добавки, составляет от 0 до 0,5% от массы топлива, а количество ароматизатора, если он присутствует в качестве добавки, составляет от 0 до 1,5% от массы композиции.

В соответствии с настоящим изобретением также предлагается способ питания двигателя с воспламенением от сжатия, использующего топливо, содержащее метанол и воду, включающий в себя:

предварительный нагрев входящего потока воздуха, введение предварительно нагретого воздуха в камеру сгорания двигателя и сжатие предварительно нагретого воздуха, и

введение топлива в камеру сгорания и воспламенение смеси топлива/воздуха для приведения двигателя в действие.

Настоящее изобретение может привести к упрощению и снижению стоимости производства топлива и уменьшению воздействия на окружающую среду путем устранения необходимости в производстве компонентов высокой чистоты и побочных компонентов, путем включения смеси таких компонентов в топливо в соответствии со способами, описанными в данном документе. Стоимостные и экологические выгоды также могут быть получены в результате использования топлива в холодном климате, так как температура замерзания топлива может быть ниже любой вероятной низкой температуры окружающей среды.

Выхлопы, образующиеся в результате сжигания топлива, могут содержать мало загрязняющих веществ, что делает их идеальными для последующей обработки. В качестве одного примера двуокись углерода может быть преобразована обратно в метанол, чтобы непосредственно уменьшить выброс двуокиси углерода в качестве парникового газа, или двуокись углерода высокой чистоты может быть использована для органического роста, например, для выращивания водорослей для нескольких конечных применений, включая производство метанола, используя источники энергии, которые могут включать в себя возобновляемые источники, в том числе солнечную энергию.

В соответствии с одним вариантом осуществления добавка включает в себя эфир в количестве до 20% от массы топлива. Эфир может быть диметиловым эфиром.

В некоторых вариантах осуществления вода, образующаяся при сгорании топлива, может быть восстановлена, что является основным преимуществом для удаленных районов, где воды не хватает. В других случаях тепло, образующееся при работе дизельного двигателя, может быть использовано для нужд местного отопления. Некоторые варианты осуществления, как описано ниже, соответственно обеспечивают системы для выработки электроэнергии посредством работы дизельного двигателя, которые используют воду и/или тепло, образуемые при работе двигателя, подходящим образом.

В соответствии с настоящим изобретением дополнительно предложена система производства электроэнергии, включающая в себя:

питание двигателя с воспламенением от сжатия с использованием метанольно-водяного топлива для производства электроэнергии;

подогрев потока воздуха, входящего в двигатель с воспламенением от сжатия, и/или предварительный впрыск усилителя воспламенения во входной воздушный поток;

обработку выхлопных газов двигателя для получения тепла и/или воды из выхлопных газов двигателя, и

перенаправление тепла и/или воды для дальнейшего использования.

В некоторых вариантах осуществления тепло и/или вода могут быть возвращены обратно в двигатель для повторного использования. Альтернативно или дополнительно к этому, тепло и/или вода могут быть локально перенаправлены для использования в другом месте. В одном примере тепло может подаваться через контур рециркуляции горячей воды в близлежащий населенный пункт для его обеспечения энергией в виде тепла, например для обогрева жилых или коммерческих помещений. Двигатель в этом примере может быть использован для выработки электроэнергии для населенного пункта, что может быть особенно полезно для удаленных населенных пунктов.

В других вариантах осуществления система может быть приспособлена для транспортных средств, в том числе железнодорожных и морских транспортных средств. В этих применениях выхлопные газы обрабатываются для удаления частиц и рекуперации тепла и воды для повторного использования в двигателе и для других целей в соответствии с требованиями железнодорожных или морских транспортных средств.

В соответствии с настоящим изобретением дополнительно предлагается способ транспортировки предварительной топливной композиции из двух частей, включающей в себя метанол и эфир, включая транспортировку предварительной топливной композиции из первого местоположения во второе местоположение, удаленное от первого местоположения, и отделение эфира от метанола с получением первой части топлива, представляющей собой метанол, и второй части топлива, представляющей собой эфир.

В соответствии с настоящим изобретением дополнительно предлагается предварительная топливная композиция, включающая в себя метанол и до 10% по массе эфира.

В соответствии с настоящим изобретением дополнительно предлагается использование дизельной топливной композиции, описанной выше, в системе или процессе производства электроэнергии, описанных выше.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее посредством примеров будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ питания двигателя с воспламенением от сжатия в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 представляет собой график зависимости изменения температуры сжатой смеси топлива/фумиганта/воздуха от концентрации (% мас.) диметилового эфира (DME) как усилителя воспламенения, впрыскиваемого в двигатель (по сравнению с массой топлива), для трех топливных композиций (100% метанола, 70% метанола и 30% воды и 40% метанола и 60% воды). График относится к одному способу, который может быть использован для поддержки способов усиления воспламенения, описанных ниже;

Фиг.3A представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ питания двигателя с воспламенением от сжатия и обработки выхлопных газов двигателя, с использованием их тепла в качестве отдельного источника тепла через контур рециркуляции горячей воды;

Фиг.3B представляет собой блок-схему, похожую на фиг.3A, но исключая стадию предварительного впрыска фумиганта в воздух, поступающий в двигатель;

Фиг.4A представляет собой более подробный вид блок-схемы обработки выхлопных газов, изображенной на фиг.3А и фиг.3В;

Фиг.4B представляет собой вид, аналогичный фиг.4A, но без окончательного конденсатор выхлопного воздуха;

Фиг.5A представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ питания двигателя с воспламенением от сжатия для использования на железнодорожном транспортном средстве и обработки выхлопных газов двигателя;

Фиг.5B представляет собой блок-схему, похожую на фиг.5A, но исключая стадию предварительного впрыска фумиганта в воздух, поступающий в двигатель;

Фиг.6A представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ питания двигателя с воспламенением от сжатия для использования на морском транспортном средстве и обработки выхлопных газов двигателя;

Фиг.6B представляет собой блок-схему, похожую на фиг.6A, но исключая стадию предварительного впрыска фумиганта в воздух, поступающий в двигатель;

Фиг.7 представляет собой график, иллюстрирующий термический эффективный коэффициент полезного действия двигателя с воспламенением от сжатия с предварительным впрыском диметилового эфира с использованием топлива, содержащего различные количества воды и метанола, диметилового эфира и диэтилового эфира в жидкой фазе;

Фиг.8 представляет собой график, иллюстрирующий термический эффективный коэффициент полезного действия двигателя с воспламенением от сжатия с использованием топлив, содержащих различные количества эфира в качестве усилителя воспламенения, и с использованием диметилового эфира в качестве фумиганта;

Фиг.9 представляет собой график, иллюстрирующий содержание окиси азота в выхлопных газах двигателя с воспламенением от сжатия с использованием топлив, содержащих различные количества воды и с использованием диметилового эфира в качестве фумиганта;

Фиг.10 представляет собой схематическую диаграмму процесса и оборудования испытательной установки, использованной при получении результатов примера 1;

Фиг.11 представляет собой график, иллюстрирующий снижение содержания окиси азота в выхлопных газах двигателя с воспламенением от сжатия при увеличении количества воды в метанольно-водяном топливе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Топливо и способ, описанные в настоящем документе, подходят для питания двигателей с воспламенением от сжатия (CI). В частности, данные топливо и процесс являются наиболее подходящими для, не ограничиваясь этим, двигателей с воспламенением от сжатия, работающих на низких скоростях, таких как 1000 об/мин или меньше. Частота вращения двигателя может быть даже 800 об/мин или меньше, например 500 об/мин или меньше. Частота вращения двигателя может быть даже 300 об/мин или меньше, например 150 об/мин или меньше.

Данное топливо, следовательно, подходит для больших дизельных двигателей, таких как те, которые работают на судах и поездах, а также на электростанциях. Более медленные скорости в больших двигателях с воспламенением от сжатия дают достаточно времени для того, чтобы сгорание выбранной топливной композиции было завершено, и для того, чтобы достаточно большой процент топлива успел испариться для достижения эффективной работы.

Следует, однако, понимать, что топливо и процесс, описанные в настоящем документе, могут работать с меньшими двигателями с воспламенением от сжатия, работающими на более высоких скоростях. Фактически, предварительные испытания проводились на небольшом двигателе с воспламенением от сжатия, работающем на скоростях 2000 об/мин и 1000 об/мин, что свидетельствует о том, что данное топливо также способно питать такие двигатели с более высокой скоростью. В некоторых случаях использованию данного топлива и процесса на меньших (с более высокими скоростями вращения) двигателях с воспламенением от сжатия могут помочь корректировки, и некоторые из них рассматриваются ниже.

Топливная композиция

Топливная композиция для процесса включает в себя метанол и воду. Топливо является топливом для двигателя с воспламенением от сжатия, то есть топливом для дизельного двигателя.

На сегодняшний день метанол не нашел коммерческого применения в двигателях с воспламенением от сжатия. Недостатки использования метанола в качестве моторного топлива, в чистом виде либо в смеси, обусловлены его низким цетановым числом, которое находится в диапазоне от 3 до 5. Такое низкое цетановое число делает метанол трудновоспламенимым в двигателе с воспламенением от сжатия. Смешивание воды с метанолом дополнительно снижает цетановое число топлива, делая сгорание метанольно-водяной топливной смеси еще более трудным, и поэтому казалось бы нелогичным пытаться совместить воду с метанолом для использования в двигателях с воспламенением от сжатия. Одним из эффектов наличия воды в топливной композиции является охлаждение после впрыска топлива, поскольку вода нагревается и испаряется, что еще более снижает эффективное цетановое число.

Тем не менее, было обнаружено, что метанольно-водяная топливная комбинация может быть использована в двигателе с воспламенением от сжатия эффективным образом и с более чистым выхлопом, при условии, что поток воздуха, введенный в камеру сгорания двигателя, является достаточно предварительно нагретым. Дополнительные факторы, подробно рассматриваемые ниже, также способствуют максимизации эффективной работы двигателя с воспламенением от сжатия с этим топливом. В качестве дополнительной меры, в поток входящего воздуха может быть дополнительно впрыснут фумигант, содержащий усилитель воспламенения.

Топливо может быть гомогенным топливом или однофазным топливом. Топливо, как правило, не является эмульсионным топливом, включающим в себя отдельные органическую и водную фазы, эмульгированные вместе. Топливо, следовательно, может не содержать эмульгатор. Добавлению присадок к топливу способствует взаимная растворимость метанола и воды, что позволяет растворять более широкий диапазон материалов при различных соотношениях воды и метанола, которые могут быть использованы.

К удивлению было обнаружено, что конкретная новая топливная композиция на основе метанола и относительно высокого содержания воды может быть использована в качестве топлива для двигателей с воспламенением от сжатия. Топливо может упоминаться как дизельное топливо. Хотя некоторые топливные композиции на основе метанола и воды были описаны ранее, не было показано, что топлива этого типа с высоким содержанием воды способны работать в двигателе с воспламенением от сжатия. В частности, метанольные топлива с водным компонентом были описаны лишь для использования в качестве топлива для обогрева или для приготовления пищи, где топливо сгорает с выделением тепла. Принципы, применяемые к топливам для дизельного двигателя, очень разные, так как топливо должно воспламеняться при сжатии в двигателе с воспламенением от сжатия. Очень мало, если не совсем ничего, можно почерпнуть из ссылок на использование метанола и других компонентов в качестве топлива для обогрева или для приготовления пищи. Однако способы, описанные в настоящем документе, позволяют новым видам топлива, описанным в настоящем документе, работать в двигателе с воспламенением от сжатия.

Одна новая дизельная топливная композиция включает в себя:

- метанол в количестве по меньшей мере 20% от массы топлива;

- воду в количестве по меньшей мере 20% от массы топлива;

- соотношение воды и метанола в пределах от 20:80 до 80:20;

- общее количество воды и метанола по меньшей мере 60% от массы топливной композиции, например по меньшей мере 70%, по меньшей мере 80% или по меньшей мере 85% от массы топливной композиции, и

- одну или более добавок, в общем количестве по меньшей мере 0,1% от массы топлива, при этом количество хлорида натрия, если он присутствует в качестве добавки, составляет от 0 до 0,5% от массы топлива, а количество ароматизатора, если он присутствует в качестве добавки, составляет от 0 до 1,5% от массы композиции.

В соответствии с одним вариантом осуществления добавка включает в себя эфир в количестве до 20% от массы топлива. Эфир может быть диметиловым эфиром или диэтиловым эфиром.

Содержание воды в некоторых вариантах осуществления может быть более 20% от массы топливной композиции. Минимальное содержание воды некоторых вариантов осуществления описано ниже. Например, минимальное содержание воды может быть больше чем 25%, больше чем 30%, больше чем 35%, больше чем 40%, больше чем 45%, больше чем 50%, больше чем 55%, больше чем 60%, больше чем 65% или даже больше чем 70% от массы топлива.

До настоящего времени не было установлено, что метанольно-водяные дизельные топливные композиции с таким высоким содержанием воды способны работать в двигателе с воспламенением от сжатия. Однако эти метанольно-водяные топливные композиции с высоким содержанием воды, описанные в настоящем документе, могут работать в двигателе с воспламенением от сжатия, особенно когда этот двигатель работает в соответствии со способом, описанным в настоящем документе. Это может включать в себя предварительный нагрев входящего воздуха или предварительный впрыск фумиганта во входящий поток воздуха.

Все количества, упомянутые в настоящем документе, относятся к массе, если не указано иное. Если описано процентное содержание компонента в основной топливной композиции, оно выражено в процентах этого компонента от массы топливной композиции. Когда используется фумигант, он не рассматривается как часть топливной композиции, так что топливная композиция в данном контексте читается как не включающая фумигант.

Хотя данная конкретная новая дизельная топливная композиция образует один аспект настоящего изобретения и может быть использована в осуществлении способа по настоящему изобретению, метанольно-водяные топлива, содержащие более низкие количества воды также могут быть использованы в этом способе. Далее описаны особенности более общих метанольно-водяных топлив. Следует отметить, что особенности этих видов топлива могут присутствовать в новых дизельных топливах, описанных в данной заявке.

В целом, количество воды относительно метанола в топливной композиции может находиться в диапазоне от 0,2:99,8 до 80:20 по массе. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления минимальное содержание воды (относительно метанола) составляет 1:99, а также 2:98, 3:97, 5:95, 7:93, 10:90, 15:95, 19:81; 21:79. Верхний предел содержания воды (по отношению к метанолу) в композиции в соответствии с некоторыми вариантами осуществления составляет 80:20, а также 75:25, 70:30, 60:40, 50:50 или 40:60. Относительное количество воды в композиции может рассматриваться как диапазон уровней "от низкого до среднего", или как диапазон уровней "от среднего до высокого". Диапазон уровней "от низкого до среднего" охватывает диапазон от любого из минимальных уровней, указанных выше, до максимума, представляющего собой любой из следующих уровней - 18:82, 20:80, 25:75, 30:70, 40:60, 50:50 или 60:40. Диапазон уровней "от среднего до высокого" охватывает диапазон от любого из следующих уровней - 20:80, 21:79, 25:75, 30:70, 40:60, 50:50, 56:44 или 60:40 - до максимума, представляющего собой любой из верхних пределов, указанных выше. Типичный низкий/средний уровень содержания воды находится в диапазоне от 2:98 до 50:50, а типичный средний/высокий уровень содержания воды находится в диапазоне от 50:50 до 80:20. Типичный низкий уровень содержания воды составляет от 5:95 до 35:65. Типичный средний уровень содержания воды находится в диапазоне от 35:65 до 55:45. Типичный высокий уровень содержания воды находится в диапазоне от 55:45 до 80:20. Новое дизельное топливо с более высоким содержанием воды по настоящему изобретению может содержать вышеприведенные относительные количества воды и метанола при условии, что топливо содержит особенности топлива, описанные ранее (такие, как минимум 20% содержания воды).

Если рассматривать с точки зрения процентного содержания воды во всей (основной) топливной композиции по массе, относительное количество воды в основной топливной композиции может быть минимумом из по меньшей мере 0,2%, по меньшей мере 0,5%, по меньшей мере 1%, по меньшей мере 2%, по меньшей мере 3%, по меньшей мере 4%, по меньшей мере 5%, по меньшей мере 6%, по меньшей мере 7%, по меньшей мере 8%, по меньшей мере 9%, по меньшей мере 10%, по меньшей мере 11%, по меньшей мере 12%, по меньшей мере 13%, по меньшей мере 14%, по меньшей мере 15%, по меньшей мере 16%, по меньшей мере 17%, по меньшей мере 18%, или по меньшей мере 19%, по меньшей мере 20%, по меньшей мере 22% по массе, по меньшей мере 25%, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 35%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 45%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 55%, по меньшей мере 60%, по меньшей мере 65% или по меньшей мере 70% воды по массе топливной композиции. По мере увеличения массы воды в основной топливной композиции становится все более удивительно, что предварительный впрыск фумиганта во входящий воздух преодолевает негативное влияние воды в топливе на воспламенение, обеспечивая плавную работу с точки зрения коэффициента вариации (COV) индикаторного среднего эффективного давления (IMEP) и производимой полезной выходной мощности. Максимальное количество воды в топливной композиции может составлять 68%, 60%, 55%, 50%, 40%, 35%, 32%, 30%, 25%, 23%, 20%, 15% или 10% по массе. Любой из минимальных уровней может быть объединен с максимальным уровнем без ограничений при сохранении требования того, что минимальный уровень содержания воды меньше максимального уровня содержания воды.

На основании результатов испытаний, представленных в Примерах, для желаемого термического эффективного коэффициента полезного действия (brake thermal efficiency, BTE) количество воды в топливной композиции в некоторых вариантах осуществления составляет от 0,2% до 32% по массе. Оптимальная зона пика термического эффективного коэффициента полезного действия для метанольно-водяного топлива для двигателя с воспламенением от сжатия составляет от 12% до 23% воды в основной топливной композиции по массе. Диапазон может быть постепенно сужен от более широкого к более узкому из этих двух диапазонов. В некоторых вариантах осуществления это сочетается с некоторым количеством усилителя воспламенения в топливной композиции, которое составляет не более 15% по массе основной топливной композиции. Подробная информация об усилителях воспламенения изложена ниже.

На основе других результатов испытаний, представленных в примерах, для максимального снижения выбросов окислов азота количество воды в топливной композиции в некоторых вариантах осуществления составляет от 22% до 68% по массе. Оптимальная зона максимального снижения выбросов окислов азота составляет от 30% до 60% воды по массе основной топливной композиции. Диапазон может быть постепенно сужен от более широкого к более узкому из этих двух диапазонов. Так как окись азота NO является основным компонентом выбросов окислов азота, выбросы окиси азота могут упоминаться как основная часть выбросов окислов азота или указывать на общую степень выбросов окислов азота.

В некоторых вариантах осуществления для достижения желаемого баланса свойств топлива и величины выбросов топливная композиция включает в себя от 5% до 40% воды по массе основной топливной композиции, например, от 5% до 25% воды, или от 5% до 22% воды. Эти уровни основаны на комбинации результатов испытаний, представленных в примерах.

В общих топливах для использования в процессе, описанном в настоящем документе, количество метанола в общей топливной композиции предпочтительно составляет по меньшей мере 20% по массе топливной композиции. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления (такими, как вариант осуществления новой метанольно-водяной дизельной топливной композиции с высоким содержанием воды), количество метанола в топливной композиции составляет по меньшей мере 30%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 60% или по меньшей мере 70% топливной композиции. В общих топливах для использования в процессе, описанном в настоящем документе, количество воды в общей топливной композиции может составлять по меньшей мере 0,2%, по меньшей мере 0,5%, по меньшей мере 1%, по меньшей мере 2%, по меньшей мере 3%, по меньшей мере 4%, по меньшей мере 5%, по меньшей мере 6%, по меньшей мере 7%, по меньшей мере 8%, по меньшей мере 9%, по меньшей мере 10%, по меньшей мере 11%, по меньшей мере 12%, по меньшей мере 13%, по меньшей мере 14%, по меньшей мере 15%, по меньшей мере 16%, по меньшей мере 17%, по меньшей мере 18%, по меньшей мере 19%, по меньшей мере 20%, по меньшей мере 25%, по меньшей мере 30%, по меньшей мере 35%, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 45%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 55%, по меньшей мере 60%, по меньшей мере 65% и по меньшей мере 70%. Для варианта осуществления новой метанольно-водяной дизельной топливной композиции с высоким содержанием воды содержание воды составляет по меньшей мере 20% по массе топливной композиции. Воспламенение такого топлива при более высоком содержании воды может быть достигнуто путем увеличения температуры воздуха, поступающего в двигатель. Дальнейшее улучшение свойств воспламенения может быть получено с помощью фумиганта, который может воспламеняться перед впрыском топлива, создавая тем самым благоприятные условия повышенной температуры после того, как топливо впрыснуто, чтобы произошло воспламенение. По мере увеличения массы воды в основной топливной композиции становится все более удивительно, что описанные выше способы улучшения воспламенения преодолевают негативное влияние воды в топливе на воспламенение.

Суммарное количество метанола и воды в общей топливной композиции может составлять по меньшей мере 75%, например, по меньшей мере 80%, по меньшей мере 85%, или по меньшей мере 90% по массе топливной композиции. Топливная композиция может содержать одну или несколько добавок, в суммарном количестве до 25% или до 20% и до 15% или до 10% по массе топливной композиции. В некоторых вариантах осуществления общее или комбинированное содержание добавок составляет не более 5% топливной композиции. В некоторых вариантах осуществления, таких как новая дизельная топливная композиция с высоким содержанием воды, добавка составляет по меньшей мере 0,1% от массы топлива. В новой дизельной топливной композиции с высоким содержанием воды, если присутствует хлорид натрия, содержание этой добавки составляет не более 0,5% от массы топлива, а если присутствует ароматизатор, то содержание ароматизатора составляет не более 1,5% от массы композиции.

Метанол для использования в производстве данной топливной композиции может поступать из любого источника. В качестве одного примера, метанол может быть промышленным метанолом или метанольными отходами, или грубым или частично очищенным метанолом или неочищенным метанолом. Грубый метанол или метанольные отходы или частично очищенный метанол обычно может содержать главным образом метанол, причем оставшуюся часть составляет вода и некоторые количества высших спиртов, альдегидов, кетонов или других молекул, состоящих из водорода, углерода и кислорода, возникающих при нормальном ходе производства метанола. Метанольные отходы могут или не могут быть пригодны в зависимости от степени и типа загрязнения. Ссылки в предыдущих разделах на соотношение метанола и воды или количество метанола в топливной композиции по массе относятся к количеству собственно метанола в источнике метанола. Таким образом, если источником метанола является метанол-сырец, содержащий 90% метанола и другие компоненты, и количество этого метанола-сырца в топливной композиции составляет 50%, то фактическое количество метанола составляет 45%. Водный компонент в источнике метанола принимается во внимание при определении количества воды в топливной композиции, а другие примеси рассматриваются в качестве добавки при оценке относительных количеств компонентов в продуктах, если не указано иное. Высшие спирты, альдегиды и кетоны, которые могут присутствовать в метаноле-сырце, могут функционировать как растворимые добавки - наполнители топлива.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления топливо состоит из метанола-сырца. Термин "метанол-сырец" охватывает источники метанола низкой чистоты, такие как источники метанола, содержащие метанол, воду и возможно до 35% неводных примесей. Содержание метанола в метаноле-сырце может составлять 95% или менее. Метанол-сырец может быть использован непосредственно в топливе без дальнейшей очистки. Типичные неводные примеси включают в себя высшие спирты, альдегиды, кетоны. Термин "метанол-сырец" включает в себя метанольные отходы, грубый метанол и полуочищенный метанол. Особым преимуществом этого варианта осуществления является то, что метанол-сырец, содержащий примеси в высоких концентрациях, может быть использован непосредственно в топливе для двигателя с воспламенением от сжатия без дорогой очистки. В этом случае содержание добавок (т.е. примесей в метаноле-сырце и других добавок к топливной композиции за исключением воды) может составлять до 60% топливной композиции (включая примеси в метаноле-сырце). Для топливных композиций, использующих метанол высокой чистоты (такой как чистый метанол с концентрацией 98%мас. или выше) в качестве источника, общее содержание добавок может быть ниже, например, не более 25%, не более 20%, не более 15% или не более 10%.

Любая вода подходящего качества может быть использована в качестве источника воды для производства топливной композиции. Источником воды может быть вода, входящая составной частью в недистиллированный грубый метанол, или оборотная вода или сырая или загрязненная вода (например, морская вода, содержащая соли), очищенная с помощью обратного осмоса, очищенная с помощью активированного вещества, такого как активированный уголь, или с помощью дополнительной химической обработки, деионизации, дистилляции или испарительных способов. Вода может поступать из комбинации этих источников. В качестве одного примера, источником воды может быть вода, извлекаемая из богатого водой выхлопа двигателя внутреннего сгорания. Эта вода может быть извлечена посредством теплообменников и распылительных камер или других подобных операций. Этот способ восстановления и повторного использования обеспечивает очистку выхлопных газов. Вода в этом случае возвращается обратно в двигатель с или без захваченных частиц несгоревшего топлива. Углеводороды или частицы или другие продукты сгорания возвращаются в двигатель и циркулируют до их исчезновения посредством повторяющихся стадий сгорания, либо обрабатываются известными способами очистки. Вода может в некоторых вариантах осуществления быть соленой водой, такой как морская вода, которая была очищена, чтобы удалить из нее соль. Этот вариант осуществления подходит для морского применения, например, в корабельных двигателях с воспламенением от сжатия, или для работы двигателей с воспламенением от сжатия на отдаленных островах.

Качество воды влияет на коррозию по всей цепи ее подачи вплоть до точки впрыскивания в двигатель и на характеристики отложений в двигателе, и в этих обстоятельствах может потребоваться соответствующая обработка топлива антикоррозионными добавками или с помощью других способов.

Количество добавок, включенных в топливо, может учитывать любые последующие эффекты разбавления, вызванные добавлением воды (например) к топливу.

Добавки, которые могут присутствовать в топливной композиции, могут быть выбраны из одной или более из следующих категорий, но это не исключительно так:

1. Добавки улучшителей воспламенения. Они могут также упоминаться как усилители воспламенения. Улучшитель воспламенения является компонентом, который способствует началу горения. Молекулы этого типа нестабильны, и эта неустойчивость приводит к "самопроизвольно начинающейся" реакции, приводящей к сгоранию других компонентов топлива (например, метанола). Улучшитель воспламенения может быть выбран из материалов, которые известны в данной области техники как имеющие свойства улучшения воспламенения, таких как простые эфиры (в том числе эфиры C1-C6, такие как диметиловый эфир), алкилнитраты, алкилпероксиды, летучие углеводороды, кислородсодержащие углеводороды и их смеси.

В дополнение к типичным усилителям воспламенения мелкодисперсные частицы углеводов, присутствующие в зоне горения после испарения жидких компонентов топлива до воспламенения, могут играть или не играть роль инициаторов горения, однако присутствие таких частиц может способствовать более полному и быстрому сгоранию общей воздушно-топливной смеси.

В то время как дополнительные улучшители воспламенения могут быть включены в топливо, способы, описанные в настоящем документе, облегчают воспламенение во всем диапазоне работы двигателя без таких добавок. Таким образом, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления топливо не содержит добавок улучшителя воспламенения. В других вариантах осуществления топливо не содержит диметиловый эфир (хотя оно может содержать другие улучшители воспламенения). В случае использования диметилового эфира в качестве улучшителя воспламенения в соответствии с некоторыми вариантами осуществления в топливной композиции присутствует диметиловый эфир в количестве менее 20%, менее 15%, менее 10%, менее 5%, менее 3%, менее 1% или совсем не присутствует диметиловый эфир. В некоторых вариантах осуществления количество эфира (любого типа, такого как диметиловый эфир или диэтиловый эфир) в основной топливной композиции составляет менее 20%, менее 15%, менее 10%, менее 5%.

В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере 80% усилителя воспламенения, присутствующего в топливной композиции, обеспечивается одним или максимум двумя конкретными химическими веществами, примерами которых являются диметиловый эфир и диэтиловый эфир. В одном варианте осуществления усилитель воспламенения одной химической формулы присутствует в основной топливной композиции. В одном варианте осуществления по меньшей мере 80% усилителя воспламенения в топливной композиции составляет усилитель воспламенения одной химической формулы. В каждом случае одним усилителем воспламенения, который составляет весь усилитель воспламенения или более 80% усилителя воспламенения, может быть диметиловый эфир. В других вариантах осуществления усилитель воспламенения представляет собой смесь из трех или более усилителей воспламенения.

Количество усилителя воспламенения в топливной композиции в некоторых вариантах осуществления составляет не более чем 20%, например не более чем 10% или не более чем 5% топливной композиции.

2. Наполнитель топлива. Наполнитель топлива является материалом, который обеспечивает тепловую энергию для приведения двигателя в действие. Материалы, используемые как наполнители топлива, могут иметь эту цель в качестве основной цели для их включения в топливную композицию, либо добавочный материал может выполнять эту функцию и другую функцию.

Примерами таких наполнителей топлива являются:

а) Углеводы. Углеводы включают в себя сахар и крахмал. Углеводы могут быть включены в топливную композицию как наполнитель топлива, хотя они могут также функционировать как улучшитель воспламенения и/или улучшитель сгорания. Углевод предпочтительно является растворимым в воде/метаноле, причем более высокое содержание воды обеспечивает большее растворение сахара в топливе. Обогащенная водой (однофазная) топливная композиция обеспечивает растворение углеводов, таких как сахар, однако, по мере того, как жидкий растворитель (вода/метанол), в топливной композиции испаряется в двигателе, растворенный углевод может образовывать микроскопические частицы с большой площадью поверхности взвешенных в композиции частиц с низким значением показателя LEL (нижний предел взрываемости), которые будут разлагаться/реагировать в условиях двигателя, улучшая воспламеняемость горючей смеси. Для достижения улучшения воспламеняемости смеси предпочтительным является количество по меньшей мере 1%, предпочтительно по меньшей мере 1,5% и более предпочтительно по меньшей мере 5% этой углеводной добавки. Верхним предпочтительным уровнем является не более 20% топливной композиции.

b) Растворимые добавки - наполнители топлива. Добавки - наполнители топлива являются горючими материалами. Эти добавки могут быть введены в виде отдельных компонентов или могут быть составной частью недистиллированного метанола, используемого для получения топливной композиции. Такие добавки включают в себя спирты С2-С8, простые эфиры, кетоны, альдегиды, сложные эфиры жирных кислот и их смеси. Сложные эфиры жирных кислот, такие как метиловые эфиры жирных кислот, могут иметь биотопливное происхождение. Они могут быть получены с использованием любых источников или процессов производства биотоплива. Типичные способы их получения включают в себя переэтерификацию растительных масел, таких как, среди прочих, рапсовое масло, пальмовое масло или соевое масло.

Может существовать возможность экономичного повышения содержания наполнителя топлива в самой топливной композиции для конкретных рынков, где такая добавка может быть произведена или выращена и может потребляться на месте, уменьшая потребность в импорте основного топлива и/или добавок. В таких условиях количество или дозировка вплоть до 30% или вплоть до 40% или вплоть до 50% топливной композиции является предпочтительным, хотя могут рассматриваться концентрации вплоть до 60% суммарных добавок, включая такие добавки - наполнители топлива, особенно там, где источником метанола является метанол-сырец.

3. Усилители сгорания. Они могут также упоминаться как улучшители сгорания. Примером усилителя сгорания является нитрированное аммониевое соединение, например нитрат аммония. При 200°C нитрат аммония разлагается до закиси азота в соответствии со следующей реакцией:

NH₄NO₃=N₂O+2H₂O

Образующаяся закись азота реагирует с топливом в присутствии воды аналогично кислороду, например:

CH₃OH+H₂O=3H₂+CO_2,

H₂+N₂O=H₂O+N_2,

CH₃OH+3N₂O=3N₂+CO₂+2H₂O.

Другие нитрированные соединения аммония, которые могут быть использованы, включают в себя этиламмонийнитрат и триэтиламмонийнитрат в качестве примеров, хотя эти нитраты можно также рассматривать как усилители воспламенения (цетанового числа), а не усилители сгорания, поскольку их основной функцией в топливе является улучшение воспламенения.

Другие улучшители сгорания могут включать в себя металлические или ионные составляющие, причем последние образуются при диссоциации до или после сгорания.

4. Кислородпоглощающее масло. Кислородпоглощающее масло предпочтительно является таким маслом, которое растворимо в смесях воды и метанола. Кислородпоглощающие масла имеют низкую точку самовоспламенения, а также обладают способностью поглощать кислород непосредственно перед сжиганием, в количестве, например, 30% от массы самого масла. Эта быстрая конденсация кислорода из горячей газообразной фазы в масляную/твердую фазу после испарения окружающей воды будет более быстро нагревать частицы масла, вызывая воспламенение окружающего испаренного и перегретого метанола. Маслом, идеально подходящим для этой роли, является льняное масло в концентрации примерно 1-5% от массы топливной смеси. Если эта добавка используется в топливной композиции, топливную смесь следует хранить в атмосфере инертного газа, чтобы свести к минимуму разложение масла кислородом. Льняное масло является маслом, содержащим жирную кислоту. Другие масла, содержащие жирные кислоты, могут быть использованы вместо или в дополнение к льняному маслу. Предпочтительными маслами являются те, которые растворяются в метанольной фазе или могут смешиваться в метаноле с получением гомогенной, однофазной композиции. Однако в некоторых вариантах осуществления могут быть использованы масла, которые не смешиваются с водой/метанолом, в частности, если эмульгирующая добавка также присутствует в топливной композиции.

5. Смазывающие добавки. Примеры смазывающих добавок включают в себя производные диэтаноламина, фторсодержащие поверхностно-активные вещества и эфиры жирных кислот, такие как биотоплива, которые растворимы в некоторой степени в смеси вода/метанол, на которой основана топливная композиция.

6. Окрашивающие добавки. Окрашивающие добавки предназначены для того, чтобы топливная композиция не могла быть принята за жидкий напиток, такой как вода. В качестве окрашивающей добавки может быть использован любой водорастворимый краситель, например, желтый, красный, синий краситель или комбинации этих красителей. Краситель может быть стандартным промышленным жидким красителем.

7. Добавки цвета пламени. Неограничивающие примеры включают в себя карбонаты или ацетаты натрия, лития, кальция или стронция. Добавки цвета пламени могут быть выбраны для достижения предпочтительного цвета продукта и стабильности в рН конечного продукта. Соображения отложений в двигателе, если таковые имеются, могут быть приняты во внимание при выборе используемой добавки.

8. Антикоррозионные добавки. Неограничивающие примеры антикоррозионных добавок включают в себя амины и производные аммония.

9. Биоциды. В то время как биоциды могут быть добавлены, это, как правило, не требуется, поскольку высокое содержание спирта (метанола) в топливе предотвращает биологический рост или биологическое загрязнение. Таким образом, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления топливо не содержит биоцидов.

10. Депрессант замерзания. В то время как депрессанты замерзания могут быть включены в топливо, сам метанол (а также необязательные добавки, такие как сахар, добавленный для других целей) понижают температуру замерзания воды. Таким образом, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления топливо не содержит отдельных дополнительных депрессантов температуры замерзания.

11. Уменьшитель отложений. Неограничивающие примеры включают в себя полиоловые эфиры и триэтаноламин.

12. Денатурирующий агент при необходимости.

13. Агент, регулирующий рН. Может быть использован агент, который повышает или понижает рН до подходящего значения, и который совместим с топливом.

Добавки, и в частности те, которые определены в пунктах 1 и 2, могут быть добавлены к топливу либо как стандартный промышленный коммерческий продукт (то есть в очищенном виде) или как полуобработанный водный раствор (например, в неочищенном виде, полуочищенном виде или сыром виде). Последний вариант потенциально снижает стоимость добавки. Условием использования таких источников сырых добавок является то, что примеси в сырой форме таких добавок, таких как раствор неочищенного сахара или сахарный сироп в качестве одного примера, не должны оказывать отрицательного воздействия на топливные форсунки или характеристики двигателя.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления топливо включает в себя по меньшей мере одну добавку. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления топливо включает в себя по меньшей мере две различные добавки.

Топливо некоторых вариантов осуществления может включать в себя от 20% до 80% воды и не более 20% диметилового эфира по массе топливной композиции. Содержание диметилового эфира в некоторых вариантах осуществления может быть 15% или менее, 10% или менее, или 5% или менее.

Эфиры отмечены выше в качестве примеров улучшителей воспламенения и растворимых добавок - наполнителей топлива. Независимо от предполагаемой функции, в некоторых вариантах осуществления эфир может присутствовать в общей сложности на уровне менее 20%, менее 15%, менее 10%, менее 5%, менее 3%, или менее 1% по массе топливной композиции. Это количество может быть больше, чем 0,2%, 0,5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 12%. Нижний и верхний пределы могут быть объединены без ограничений при условии, что значение нижнего предела меньше, чем значение выбранного верхнего предела.

В некоторых вариантах осуществления топливная композиция включает в себя эфир в количестве от 0,2% до 10% по массе основной топливной композиции. Эфир представляет собой предпочтительно один эфир или комбинацию двух простых эфиров.

Благодаря использованию эфира в качестве улучшителя воспламенения и/или растворимого наполнителя топлива в топливе на основе метанола, был разработан полный процесс производства, транспортировки и использования топливной композиции. Топливо на основе метанола может быть безводным топливом или метанольно-водяным топливом в данном случае. Это описано более подробно ниже.

Добавки к топливу в некоторых вариантах осуществления могут включать в себя:

- окрашивающую добавку с концентрацией до 1% по массе, и

- добавку цвета пламени с концентрацией до 1% по массе топлива.

Детали работы двигателя для вариантов осуществления с подогревом входящего воздуха

Фиг.1 изображает блок-схему, отображающую способ использования топлива 11, представляющего собой метанольно-водяную смесь в двигателе с воспламенением от сжатия 10. Способ включает в себя предварительный нагрев входящего потока воздуха 12, а затем введение предварительно нагретого воздуха в камеру сгорания двигателя 10 перед введением топлива 11 в камеру сгорания и воспламенение смеси топлива/предварительно нагретого воздуха посредством воспламенения от сжатия для того, чтобы привести двигатель в действие.

Входящий воздух 12, который может быть предварительно нагрет с помощью различных методов, впрыскивается в камеру сгорания до или во время начальной стадии такта сжатия двигателя таким образом, чтобы сжать воздух до того, как топливо будет впрыснуто в камеру сгорания. Сжатие воздуха повышает температуру в камере сгорания для обеспечения благоприятных условий для воспламенения топлива, когда оно распыляется в камере во время последней стадии сжатия.

Предварительный нагрев воздуха 12 обеспечивает более высокую начальную температуру в начале такта сжатия, в результате чего температура в точке впрыска топлива будет выше, чем в том случае, если воздух не был предварительно нагрет и, следовательно, обеспечивает лучшие условия для воспламенения. Уровень предварительного нагрева зависит от конкретной требуемой температуры в камере сгорания в момент впрыска топлива, необходимой для воспламенения топливной смеси вода/метанол. Это, в свою очередь, зависит от относительных пропорций воды к метанола в топливе.

Примеры уровней температуры предварительно нагретого воздуха показаны в следующих примерах, но в целом было установлено, что для топлив с содержанием воды от низкого до среднего подходящими температурами предварительного нагрева всасываемого воздуха являются по меньшей мере 50°С, или по меньшей мере 100°С, например приблизительно 100°С-150°С, например приблизительно 130°С. Для топлив с содержанием воды от среднего до высокого температуры предварительного нагрева находятся в диапазоне по меньшей мере приблизительно 150°C, например, в диапазоне 150°C-300°C или выше.

Предварительный нагрев входящего воздуха сдвигает плохое значение цетанового числа топливной смеси метанол/вода, в частности тех топливных смесей, которые имеют содержание воды от среднего до высокого. Предварительный нагрев может быть осуществлен различными способами.

В варианте осуществления, показанном на фиг.1, входящий воздух 12 предварительно нагревается путем захвата горячего выхлопного материала 22, который состоит из газообразных продуктов сгорания и несгоревшего топлива и других частиц, и пропускания выхлопного материала через теплообменник 20, который нагревает воздушный поток 15, входящий в теплообменник, и охлаждает выхлопной материал 22. На пути входящего воздуха 12 может быть предусмотрен вентилятор для оптимизации профиля давления всасываемого воздуха на протяжении всего цикла работы двигателя.

Способы предварительного нагрева включают в себя любой один или комбинацию из следующих способов нагрева:

1. Утилизация тепла выхлопных газов - с помощью теплообменника, как обсуждалось выше в отношении варианта осуществления, изображенного на фиг.1.

2. Предварительный впрыск фумиганта во входящий воздух - предварительный впрыск усилителя воспламенения во входящий поток воздуха для увеличения температуры в камере сгорания - более подробно описано ниже.

3. Компрессор наддува/нагнетатель - или другие средства сжатия воздуха, приводимые в действие двигателем, чтобы вызвать сжатие воздуха, всасываемого в камеру сгорания, и его нагрев посредством увеличения давления воздуха.

4. Турбокомпрессор - или другой механизм сжатия воздуха, приводимый в действие выхлопными газами двигателя или другими тепловыми отходами, чтобы вызвать сжатие воздуха, всасываемого в камеру сгорания, и его нагрев посредством увеличения давления воздуха.

5. Прямой нагрев - с использованием прямых способов нагрева воздуха, например, электрический нагрев с помощью нагревательных элементов или сжигание топлива для получения требуемого увеличения температуры. Такие способы могут быть полезны во время запуска и при малых нагрузках на двигатель.

6. Свечи зажигания (или калильные свечи) - направляя тепло в цилиндры двигателя, эта категория включает в себя внешние нагреватели на пути входящего воздуха для его непосредственного нагрева.

Пропускание тепла от выхлопных газов двигателя через теплообменник (вышеуказанный вариант 1, без вентилятора) приведет к снижению выходной мощности двигателя благодаря более низкому массовому расходу воздуха (по сравнению с вариантами 3 и 4, где массовый расход воздуха не уменьшается). Однако эта потеря максимальной мощности может быть частично компенсирована более высокой эффективностью при горении в горячих условиях в момент впрыска топлива и более низкими требованиями к избытку воздуха по сравнению с дизельным топливом на нефтяной основе. Вентилятор компенсирующего давления, приводимый в действие выхлопными газами или иным образом, может компенсировать сокращение массового расхода воздуха в условиях повышенной температуры воздуха.

Альтернативно, турбокомпрессор или нагнетатель могут быть использованы отдельно или в комбинации с теплообменником выхлопных газов двигателя для получения высокой эффективности сгорания, а также для увеличения мощности.

В другом варианте осуществления нагрев топлива в соответствии с известными методиками может помочь процессу воспламенения.

Возможность подогрева в сочетании с топливом с низким содержанием метанола и с содержанием воды от среднего до высокого изменяет рабочий цикл двигателя с цикла с "постоянным" объемом во время воспламенения и горения и начальной фазы расширения, на цикл с более постоянным температурным расширением (где тепло от сгорания метанола в значительной степени расходуется на испарение воды) во временных рамках, наиболее подходящих для максимизации эффективности двигателя.

Способ, проиллюстрированный на фиг.1, включает в себя обработку выхлопа и повторно используемых компонентов для сбора и интеграции выхлопного материала обратно в топливо. В частности, обработка включает в себя восстановление и интеграцию воды, несгоревшего топлива, углеводородов, двуокиси углерода и других небольших количеств выбросов.

В топливах, имеющих содержание воды от среднего до высокого, но не исключая и более низкие содержания воды, обогащенные водой выхлопные газы могут быть источником топливной воды, и небольшие количества выхлопных загрязняющих веществ могут быть захвачены и возвращены в двигатель. Восстановление воды из выхлопных газов включает в себя охлаждение и конденсацию выхлопного материала и сбор сконденсировавшейся воды.

Фиг.1 показывает, что после того, как выпускной материал 22 охлажден посредством теплообмена с входящим воздухом 12 в теплообменнике 20, охлажденные выхлопные газы пропускаются через конденсатор 25, посредством чего вода может быть собрана и возвращена как восстановленное топливо 32 в двигатель 10.

Второй теплообменник 34 в конечной фазе процесса обработки способствует конденсации и дополнительно включает в себя распылительную камеру, использующую воду, которая могла быть очищена и может содержать добавки, чтобы захватить и очистить несгоревший метанол или другие углеводороды в топливе, сажу и другие твердые частицы. Эти частицы возвращаются в двигатель для их полного устранения посредством процесса «рециркуляции до полного исчезновения» вместе с восстановленным топливом 32, а очищенный чистый выхлоп 33, почти не содержащий загрязняющих веществ, может быть выпущен в атмосферу. Вода, используемая в распылительной камере, может поступать из различных альтернативных источников, и может быть очищенной или деионизированной. Вода может содержать необязательные добавки. Необязательные добавки должны быть совместимы с процессом сгорания.

Теплообменник 354 может быть теплообменником соленая вода/вода, как показано на фиг.1, который впускает соленую воду через впускное отверстие 36 и выпускает соленую воды через выпускное отверстие 37. Такой теплообменник подходит для использования в обработке выхлопных газов на, например, морских судах, где соленая вода в море наличествует в изобилии и легко доступна.

Дополнительные стадии обработки выхлопных газов, использующие конденсат или другие средства, также могут быть реализованы для снижения содержания целевых загрязняющих веществ в выхлопных газах, выбрасываемых в атмосферу, до низких уровней. В другом варианте осуществления компоненты, такие как любое несгоревшее топливо, могут быть адсорбированы на активной поверхности, а затем десорбированы с использованием стандартных способов, и включены в качестве топлива или фумиганта для дальнейшего снижения загрязнения окружающей среды. Альтернативно, катализатор может быть использован для каталитической реакции с любыми окисляемыми веществами, такими как несгоревшее топливо, повышая тем самым температуру выхлопных газов и обеспечивая дополнительный источник тепла, который может быть использован.

В дополнение к этому, если работают несколько двигателей, например, для производства электричества, агрегированные выхлопные газы могут обрабатываться как единый поток, подлежащий обработке/конденсации, с рециркуляцией восстановленного из выхлопных газов топлива в один или более таких двигателей.

В случае рециркуляции воды обратно в двигатель может потребоваться продувка (38), чтобы гарантировать, что любые устойчивые компоненты, которые могут присутствовать, не накапливаются. В этом случае удаленная вода может быть восполнена дополнительной конденсацией из выхлопных газов, если таковые доступны, а если они недоступны, то подпиточной водой (39) подходящего качества. Предполагается, что за счет выбора подходящих питающих потоков и добавок продувки могут быть практически устранены, однако твердые вещества также могут входить в систему, например, через пыль, имеющуюся в воздухе, что может потребовать продувки время от времени.

Преимуществом использования топлива со средним или высоким содержанием воды является то, что в результате выхлопные газы практически не содержат примесей, что идеально подходит для обработки после сгорания. Примеси, присутствующие в выхлопном материале, можно обрабатывать и рециркулировать до их исчезновения.

Например, двуокись углерода в качестве продукта сгорания топливной смеси вода/метанол абсорбируется в оборотной воде во время фаз конденсации и очистки. Альтернативно двуокись углерода в выхлопном материале может быть возвращена в воздух, поступающий в двигатель, оптимизируя таким образом содержание кислорода в воздухе, поступающем в двигатель, и генерируя выхлоп из чистой двуокиси углерода и водяного пара. Двуокись углерода, полученная таким образом, является идеальной для дальнейшей обработки, например, путем преобразования в метанол и возврата в топливо.

Окончательные выхлопные газы 33 после обработки и процесса рециркуляции, которые выбрасываются в атмосферу, практически не содержат топлива, углеводородов, твердых частиц, окислов серы и окислов азота.

Любые выбросы окислов азота или окислов серы, образующиеся в фазе сгорания и/или при поглощении двуокиси углерода водой, могут привести к дисбалансу рН возвратной воды для смешивания с топливом. Чтобы предотвратить накопление таких компонентов, к топливу могут быть добавлены химические реагенты для нейтрализации или удаления любых дисбалансов.

Детали работы двигателя для вариантов осуществления с предварительным впрыском фумиганта

В некоторых вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, используется предварительный впрыск фумиганта, содержащего усилитель воспламенения, во входящий в двигатель воздух. В некоторых вариантах осуществления это объединено с предварительным нагревом входящего воздуха, а в других вариантах осуществления предварительный впрыск фумиганта выполняется без подогрева входящего воздуха.

Вариант предварительного впрыска во всасываемый воздух фумиганта, содержащего усилитель воспламенения, может быть использован в соответствии с некоторыми вариантами осуществления в качестве дополнительного способа предварительного нагрева воздуха, поступающего в двигатель. Предварительный впрыск фумиганта способствует дополнительному увеличению температуры воздуха, сжимаемого в камере сгорания, что еще больше облегчает воспламенение в момент впрыска топлива за счет предварительного сгорания фумиганта и присутствия разложившихся примесей, которые помогают началу горения метанола.

Предварительный впрыск фумиганта обеспечивает предварительное сгорание в камере сгорания двигателя перед впрыском топлива. Этот двухстадийный процесс зажигания или «воспламененная» работа зависит от такта сжатия поршня двигателя для повышения температуры смеси воздуха и фумиганта до точки воспламенения. Это в свою очередь улучшает условия воспламенения в камере сгорания, чтобы обеспечить достаточно горячую среду для метанольно-водяного топлива при его впрыске в конце такта сжатия, произвести ускоренное воспламенение при повышенных температурах, быстро испаряя метанол и воду в топливе и получая высокий тепловой КПД.

Температурный вклад фумиганта для устойчивой работы двигателя при низких содержаниях воды составляет от 50°С до 100°С. В момент впрыска топлива для топлива с низким содержанием воды этот вклад приводит к тому, что температура в камере сгорания становится сравнима с температурой в известных двигателях внутреннего сгорания. По мере увеличения содержания воды в топливе количество фумиганта может быть скорректировано, чтобы компенсировать охлаждающий эффект воды. Полученные в результате тепловые эффективности сопоставимы с тепловыми эффективностями дизельных топлив, причем выходная эффективность будет зависеть от различных факторов, таких как размер двигателя и его конфигурация.

Эффективное и полное сгорание метанольно-водяного топлива таким образом сводит к минимуму содержание несгоревших или измененных углеводородов и твердых частиц в выхлопных газах, приводя в результате к "чистому" выхлопу. Это особенно очевидно в больших двигателях с воспламенением от сжатия, работающих с меньшей скоростью, где эффективность процесса сгорания максимальна, потому что для начала и завершения двух этапов «воспламененной» работы отводится достаточно много времени.

Термин "предварительный впрыск" по отношению к входящему воздуху относится к введению материала или смеси, в данном случае фумиганта, содержащего усилитель воспламенения, в поток входящего воздуха в форме пара или газа, за счет чего усилитель воспламенения хорошо распределяется. В некоторых вариантах осуществления материал вводится в небольшом количестве, как правило, посредством распыления тонкой струи материала в потоке воздуха, или вводится в виде газа.

«Воспламененная» работа имеет эффект предварительного нагрева всасываемого воздуха во время такта сжатия.

Природа смеси метанол-вода такова, что в продуктах реакции после сгорания генерируется меньше физического тепла, поскольку тепло расходуется на испарение присутствующей воды. Это означает, что по сравнению с дизельным двигателем, работающим на углеводородном топливе, в момент впрыска могут создаваться более тяжелые условия для двигателя, оставаясь при этом в рамках ограничений, налагаемых конструкцией двигателя. Эти более тяжелые условия являются результатом сгорания фумиганта или повышенной температуры воздуха (путем непосредственного нагрева воздуха) и/или повышенного давления и температуры при использовании модифицированных конфигураций двигателя, таких как конфигурации с турбонаддувом или с наддувом.

Количество усилителя (усилителей) воспламенения может регулироваться по отношению к смеси метанола и воды, содержащейся в топливе, с тем, чтобы создать такие условия в камере сгорания, при которых воспламенение топлива достигается своевременно, и тем самым добиться наилучшего термического КПД двигателя. В случае, если соотношение усилителя воспламенения и топливной смеси не контролируется, сгорание может начаться значительно до верхней мертвой точки (ВМТ), например, за 25-30° перед ВМТ, и таким образом использование усилителя воспламенения может иметь нейтральный эффект и внести минимальный вклад или вообще не внести вклад в тепловой КПД двигателя.

В предпочтительном режиме работы двигателя момент воспламенения смеси фумиганта и воздуха должен быть задержан для того, чтобы воспламенение такого топлива произошло как можно позже (чтобы избежать необходимости работать против рабочего хода двигателя), и чтобы он соответствовал хорошему сгоранию топлива после впрыска. Это означает, что фумигант, который может быть назван как вторичное топливо, должен воспламеняться перед началом впрыска топлива, но не настолько заранее, что энергия, содержащаяся в фумиганте, перестанет вносить свой вклад в тепловой КПД двигателя.

Воспламенением топлива можно управлять так, чтобы момент воспламенения был как можно ближе к идеальному, с помощью одного или комбинации из следующих элементов управления зажиганием:

a) Управление температурой входящего в двигатель воздуха:

a. Управление температурой на выходе из воздухоподогревателя, использующего тепло от:

I. Электрического нагревательного устройства, полезного для запуска и прогрева двигателя.

II. Нагревателя, использующего топливо, которое может быть моторным топливом или любым подходящим для этой цели топливом.

III. Выхлопных газов для непосредственного нагрева воздуха, поступающего в двигатель, посредством теплообмена.

IV. Любого другого источника тепла, подходящего для этой цели.

b. Использование энергии выхлопных газов двигателя для работы турбокомпрессора, который может не иметь промежуточного холодильника, который снижал бы температуру воздуха на входе двигателя.

c. Нагрев воздуха компрессором наддува для увеличения температуры и давления.

b) Использование фумиганта для создания двухстадийного "воспламененного" сгорания топлива.

1. Управление количеством фумиганта, вводимого во входящий воздух, по отношению к топливу;

2. Управление процентом усилителя воспламенения по отношению к другим компонентам в фумиганте (учитывая, что вода и другие компоненты, такие как метанол, также могут присутствовать);

3. Управление по вышеприведенным пунктам 1 и 2 в зависимости от режима работы двигателя при высоких нагрузках (от 50% до 100%) и при низких нагрузках (ниже 50%) в рабочем диапазоне скоростей вращения двигателя.

Хотя относительные количества фумиганта по отношению к основному топливу, вводимые в двигатель (либо во входящий воздух, либо в камеру сгорания, соответственно), будут варьироваться в зависимости от применяемых условий работы двигателя, обычно желательно, чтобы количество усилителя воспламенения в фумиганте при работе в установившемся режиме со средней или высокой нагрузкой составляло относительно небольшой процент по массе основной топливной композиции. Для фумиганта, представляющего собой 100% усилитель воспламенения (например, диметиловый эфир), желательно, чтобы количества фумиганта относительно основного топлива по массе составляли до 20%, до 18%, до 15%, до 13%, до 10%, до 8%, до 7%, до 6%, до 5%. Предпочтительно содержание фумиганта составляет по меньшей мере 0,2%, по меньшей мере 0,5%, по меньшей мере 1%, или по меньшей мере 2% по массе основной топливной композиции. Эти цифры указаны по массе в предположении, что фумигант представляет собой 100% усилитель воспламенения, и могут корректироваться пропорционально снижению массового содержания усилителя воспламенения в фумиганте. Они могут быть измерены путем ссылки на количество, вводимое в двигатель, в граммах в секунду, или любой другой подходящей для размера двигателя соответствующей меры. Верхний предел, равный приблизительно 10% или менее (например, 8% и 7%), является дополнительно выгодным, поскольку предварительная топливная композиция, содержащая эфир в качестве усилителя воспламенения вплоть до необходимого количества (например, 10%, 8% и 7% усилителя воспламенения, соответственно), может быть доставлена к месту установки двигателя с воспламенением от сжатия, и усилитель воспламенения может быть отогнан и собран в количестве, соответствующем потребностям двигателя, работающего с предварительный впрыском фумиганта на том же целевом уровне. В других вариантах осуществления может иметь место пополнение фумиганта до более высокого уровня в месте расположения двигателя (например, за счет пополнения из отдельного хранилища усилителя воспламенения, такого как эфир).

В связи с вышеописанным пунктом 2 целевое процентное содержание неводных компонентов, отличных от усилителя воспламенения, в общем потоке фумиганта и воздуха может быть не более 40%, например, от 5% до 40%, или от 10% до 40%, или от 20% до 40%, или от 30% до 40%, причем остальную часть составляет усилитель воспламенения, например, диметиловый эфир (который имеет цетановое число 55-57). Корректировки этих процентов могут быть сделаны на основе цетанового числа других усилителей воспламенения и конкретной конфигурации системы. Все проценты даны по массе. Вода может присутствовать в любом количестве, которое позволяет обеспечить плавную работу двигателя, такая вода может возникать, например, из фумиганта, если он каталитически получается из топлива, или как часть потока окружающего воздуха, поступающего в двигатель.

В способе питания двигателя с воспламенением от сжатия может быть предусмотрен каталитический реактор, в котором осуществляется каталитическая дегидратации метанола (из отведенной части топлива) в диметиловый эфир. Получаемый диметиловый эфир используется как усилитель воспламенения в фумиганте для впрыска во входящий в двигатель воздух. Другие варианты осуществления, описанные в настоящем документе, используют другие способы для получения диметилового эфира при его использовании в качестве усилителя воспламенения в фумиганте. В некоторых таких вариантах осуществления диметиловый эфир может быть получен в месте производства метанола и доставлен в составе предварительной топливной композиции в место расположения двигателя.

Некоторые корректировки топлива и процесса, описанные выше, могут оказаться необходимыми для оптимизации работы и эффективности меньших двигателей с воспламенением от сжатия, работающих на более высоких оборотах двигателя, например, при скоростях вращения от 1000 до 3000 об/мин и выше. В дополнение к предварительному нагреву входящего потока воздуха с использованием любого одного или более из методов, описанных выше, следующие операционные аспекты могут быть использованы отдельно или в комбинации для двигателей, работающих на более высоких скоростях:

• предварительный впрыск во входящий в двигатель воздух фумиганта, содержащего усилитель воспламенения.

• нагрев камеры сгорания с использованием, например, свечи зажигания.

• предварительный подогрев подаваемого в двигатель топлива.

• добавление таких присадок к топливу и/или фумиганту, которые улучшают воспламенение и сгорание топлива. Некоторые из этих добавок обсуждались выше.

• выбор соответствующего содержания воды в топливной композиции, как описано выше, например, в диапазоне содержания воды от низкого до среднего.

• выбор содержания воды в фумиганте на подходящем уровне в соответствии с конфигурацией двигателя.

Эти возможности могут быть дополнительно использованы по желанию при работе более крупного двигателя с воспламенением от сжатия при более низких оборотах двигателя, таких как 1000 об/мин или меньше.

Фумигант

Фумигантом для использования в вариантах осуществления, основанных на предварительном впрыске, включает в себя усилитель воспламенения. Фумигант может дополнительно включать в себя другие компоненты, такие как один или несколько из следующего: метанол, вода и любая из добавок, описанных выше в контексте данного топлива. В последующем описании использования фумиганта топливо, описанное выше, может упоминаться как "основное топливо" для двигателя с воспламенением от сжатия, а фумигант может упоминаться как "вторичное топливо".

Усилитель воспламенения представляет собой материал, который улучшает воспламенение горючих материалов. Одной из проблем использования метанола в качестве основного компонента топлива в основной топливной композиции для двигателя с воспламенением от сжатия является тот факт, что метанол не воспламеняется так же легко, как другие виды топлива. Усилитель воспламенения представляет собой материал, который обладает хорошими свойствами воспламенения и может быть использован для создания зажигания, после чего сгорает метанол в основной топливной композиции (и другие горючие материалы). Характеристики зажигания потенциального компонента топлива описываются цетановым числом (или, альтернативно, цетановым индексом) этого компонента. Цетановое число является мерой задержки воспламенения материалов и представляет собой период времени между началом впрыска и началом горения, т.е. зажигания в топливе. Подходящие усилители воспламенения могут иметь цетановое число выше 40 (например, диметиловый эфир, который имеет цетановое число 55-57). Цетановое число (числа) усилителя (усилителей) воспламенения, присутствующего в фумиганте, должно быть принято во внимание при определении количеств усилителей воспламенения относительно других компонентов фумиганта, а также количества фумиганта по сравнению с основной топливной композицией, нагрузкой и скоростью двигателя. Совокупное цетановое число фумиганта будет основано на комбинации пропорционального вклада и цетановом числе каждого компонента, причем соотношение не обязательно является линейным.

Некоторые неограничивающие примеры усилителей воспламенения, которые могут быть включены в фумигант, включают в себя:

- простые эфиры, такие как низший алкил (эфиры C1-C6), в частности, диметиловый эфир и диэтиловый эфир,

- алкилнитраты,

- алкилпероксиды,

и их смеси.

Диметиловый эфир является предпочтительным усилителем воспламенения с хорошей характеристикой зажигания, подходящей для использования в фумиганте. Диэтиловый эфир является еще одним примером подходящего усилителя воспламенения.

Метанол в основном топливе может быть каталитически превращен в диметиловый эфир. Диметиловый эфир, следовательно, может быть каталитически получен из потока основной топливной композиции, и затем впрыснут в двигатель отдельно от основной топливной композиции (с входящим воздухом). В качестве альтернативы, композиция фумиганта, содержащая диметиловый эфир, может быть предоставлена поставщиком топлива владельцу двигателя в качестве готовой композиции фумиганта. В другом варианте осуществления предварительная топливная композиция, содержащая метанол и до 15% по массе эфирного усилителя воспламенения (такого как диметиловый эфир), может быть произведена в одном месте и транспортирована (например, через трубопровод) в другое место для использования в двигателе с воспламенением от сжатия. В некоторых вариантах осуществления предварительная топливная композиция может дополнительно содержать воду. На конце трубопровода, часть или весь компонент эфирного усилителя воспламенения в предварительной топливной смеси может быть отделен от других компонентов предварительной топливной композиции (в частности, от метанола, но также и от других компонентов, имеющих более высокую температуру кипения, чем эфир). Отделенный эфирный компонент может быть затем впрыснут в двигатель с воспламенением от сжатия в качестве фумиганта, отдельно от остальной части предварительной топливной композиции, которая используется в качестве основной топливной композиции, либо непосредственно (если он содержит некоторое количество воды), либо с дополнительной корректировкой по составу (например, корректировкой содержания воды) перед использованием. Количество эфирного усилителя воспламенения в предварительном топливе может составлять до 10% по массе, или до 9% по массе. Верхний предел будет зависеть от выбора эфира и температурных условий. Дальнейшие подробности изложены ниже в разделе, подробно описывающем системы производства электроэнергии с использованием двигателя с воспламенением от сжатия.

Усилитель воспламенения, такой как диметиловый эфир, предпочтительно составляет минимум 5% фумиганта или, как минимум, 10% фумиганта, например, как минимум 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 82%, 84%, 86%, 88% или 90% фумиганта. Обычно предпочтительно, чтобы содержание усилителя воспламенения в фумиганте было ближе к верхнему концу диапазона, поэтому в некоторых вариантах осуществления содержание усилителя воспламенения составляет выше 70% или более. Усилитель воспламенения может составлять до 100% фумиганта, например, в случае введения чистого компонента из хранилища или в случае восстановленного усилителя воспламенения, полученного из предварительной топливной композиции. При преобразовании из основного топлива посредством каталитической реакции с основным топливом (которое содержит компоненты в дополнение к метанолу, из которого образуется диметиловый эфир), или если производимый или извлекаемый из хранилища компонент с хорошими характеристиками зажигания является недостаточно чистым, верхний предел для такого компонента будет уменьшен соответственно.

Относительное количество каждого компонента в фумиганте может быть постоянным или может изменяться во время работы двигателя. Факторы, влияющие на относительные количества компонентов в фумиганте, включают в себя частоту вращения двигателя (об/мин) и изменчивость уровня нагрузки, конфигурацию двигателя и специфические свойства отдельных компонентов фумиганта. В других вариантах осуществления состав фумиганта может быть относительно постоянным, и вместо состава на различных этапах работы двигателя регулируется относительное количество фумиганта (в граммах в секунду, впрыскиваемых в двигатель) по отношению к основной топливной композиции, поступающей в двигатель (в граммах в секунду).

Если желательно эксплуатировать двигатель с воспламенением от сжатия с различными композициями фумиганта для различных условий работы двигателя (скорость, нагрузка, конфигурация), состав фумиганта может быть изменен в нужную сторону с помощью компьютерного управления составом фумиганта или посредством любой другой формы управления. Корректировки могут быть плавными корректировками на основе алгоритма, который вычисляет нужный состав фумиганта в соответствии с преобладающими условиями работы двигателя, или могут быть ступенчатыми корректировками. Например, фумигант с высоким общим цетановым числом (например, 100% диметиловый эфир) может быть впрыснут в двигатель с высоким массовым процентом по отношению к топливу для работы в определенных условиях, а затем может произойти переключение на фумигант со вторым составом, содержащий более низкий процент диметилового эфира и некоторые компоненты с более низким цетановым числом. В другом варианте осуществления состав может быть стабильным, а меняться может соотношение воздух/фумигант.

Целевой процент неводных компонентов, отличных от усилителя воспламенения или усилителей и воды в фумиганте, предпочтительно составляет не более 40%, например, от 5% до 40% или от 10% до 40% или от 20% до 40% или от 30% до 40%. В этих процентах могут быть сделаны корректировки на основе цетанового числа других усилителей воспламенения и горючих компонентов, а также конкретной конфигурации системы.

В дополнение к этому, в некоторых вариантах осуществления вода может присутствовать в фумиганте как продукт реакции конверсии (например, метанола в диметиловый эфир), либо как вода, содержавшаяся во входящем в реактор потоке, либо добавленная в виде отдельного потока, либо в комбинации с добавкой.

Примеры компонентов, которые могут присутствовать в фумиганте в дополнение к усилителю воспламенения, включают в себя метанол, воду, добавки, описанные выше (в контексте топливной композиции), и газообразные алканы (как правило, линейные алканы, в том числе низшие алканы, такие как алканы C1-C6, в частности метан, этан, пропан или бутан, и алканы с более длинной цепью (C6 и выше).

В некоторых вариантах осуществления фумигант включает в себя по меньшей мере 60% одного компонента, одним из примеров которого является диметиловый эфир. Количество одного основного компонента в фумиганте может составлять более 62%, 65%, 68%, 70%, 72%, 75%, 78% или 80%.

Фумигант или вторичное топливо может быть получено непосредственно из хранилища, или может быть подано в двигатель в качестве фумиганта в чистом виде после обработки основного топлива (посредством каталитического преобразования метанола в диметиловый эфир с последующей очисткой с получением фумиганта, состоящего из диметилового эфира). Альтернативно, фумигант может в себя усилитель воспламенения и другие компоненты (т.е. фумигант находится не в чистом виде) после обработки основного топлива или из хранилища. В этом случае примеси остаются совместимыми с желаемым результатом предварительного впрыска, т.е. фумигант также может включать в себя воду и метанол или может включать в себя другие материалы (например, спирты C1-C8), которые совместимы с применением.

Основная топливная композиция и фумигант могут поставляться в виде топлива из двух частей, или могут поставляться в виде «набора» из двух частей топлива. В этом контексте фумигант может быть описан как "вторичный компонент топлива» для топлива, состоящего из двух частей и, следовательно, вышеприведенное описание фумиганта применимо также к вторичному компоненту топлива. Основную топливную композицию и вторичный компонент топлива можно закачивать в отдельные резервуары, связанные с двигателем с воспламенением от сжатия.

Таким образом, для топлива из двух частей для использования в двигателе с воспламенением от сжатия топливная композиция включает в себя:

- основную топливную композицию, включающую в себя метанол и воду, и

- вторичный компонент топлива, включающий в себя усилитель воспламенения.

Основное топливо в данном контексте может быть новым метанольно-водяным дизельным топливом с высоким содержанием воды, или иным топливом.

При использовании этого топлива из двух частей основное топливо вводится в камеру сгорания двигателя с воспламенением от сжатия, а вторичное топливо впрыскивается в воздухозаборник двигателя с воспламенением от сжатия.

Способ подачи топлива в двигатель с воспламенением от сжатия включает в себя:

- подачу основной топливной композиции, включающей в себя метанол и воду, в первый резервуар, который находится в соединении по текучей среде с камерой сгорания двигателя с воспламенением от сжатия, и

- подачу вторичного компонента топлива, включающего в себя усилитель воспламенения, во второй резервуар, который находится в соединении по текучей среде с воздухозаборником двигателя с воспламенением от сжатия.

Как описано выше, вторичное топливо может быть получено полностью или частично на месте путем каталитической конверсии части основного топлива в усилитель воспламенения. Это особенно подходит для тех ситуаций, в которых усилителем воспламенения является диметиловый эфир.

В одном варианте осуществления предлагается использование топлива из двух частей для работы двигателя внутреннего сгорания, где топливо из двух частей включает в себя:

- основную топливную композицию, включающую в себя метанол и воду, и

- вторичный компонент топлива, включающий в себя усилитель воспламенения.

Настоящее изобретение дополнительно предлагает предварительную топливную композицию, включающую в себя метанол и до 10% по массе эфира. Эфир может быть диметиловым эфиром. Как отмечалось выше, эфирный компонент может быть отделен от остальной части предварительной топливной композиции для использования в качестве вторичного компонента топлива, а остаток предварительной топливной композиции может быть использован в качестве основной топливной композиции. Этот остаток может быть использован напрямую как основная топливная композиция либо его состав может быть скорректирован с получением основной топливной композиции. В этом варианте осуществления, следовательно, предварительное топливо может не содержать воды, и вода может быть добавлена для образования основной топливной композиции после удаления эфира. В некоторых вариантах осуществления вода может не требоваться для использования в основной топливной композиции, когда топливо используется в одной из систем производства электроэнергии, описанных ниже.

Настоящее изобретение также предлагает способ транспортировки топливной композиции из двух частей, включающей в себя метанол в первой части и эфир во второй части, из одного места в другое место, представляющий собой транспортировку предварительной топливной композиции, содержащей метанол и эфир, из одного места в другое место и отделение полученного эфира от метанола с образованием первой части топлива, содержащей метанол, и второй части топлива, содержащей эфир. Транспортировка может осуществляться посредством перекачки через трубопровод. Первое место может быть местом расположения завода по производству метанола, а другое место (второе место) представляет собой место, удаленное от первого места. Удаленность второго места от первого места будет составлять, как правило, по меньшей мере 1 километр, и, возможно, много километров. Удаленное место (второе место) может являться местом расположения двигателя с воспламенением от сжатия для выработки электричества, либо портом, либо станционным путем, либо любым другим подходящим местом, где требуется топливо из двух частей.

Системы генерации электроэнергии с использованием двигателя с воспламенением от сжатия

Используя метанольно-водяные топливные смеси, описанные в настоящем документе, и связанные с ними системы (также называемые способами) питания двигателя с воспламенением от сжатия, могут быть разработаны системы и структуры генерации электроэнергии для эффективной выработки электроэнергии при пониженных уровнях выбросов, и которые также могут осуществлять обработку выхлопных газов двигателя, чтобы улавливать из выхлопных газов и затем повторно использовать или перенаправлять тепло и воду. Повторное использование или рециркуляция тепла и воды содействует повышению эффективности системы и общему снижению отходов и выбросов. Перенаправление тепла и воды может найти применение в различных не связанных между собой применениях, связанных с нагревом и охлаждением населенных пунктов/помещений и с регенерацией воды для использования населением, или в составе других систем.

Фиг.3А-6В иллюстрируют примеры систем генерации энергии, включающих в себя процессы и топлива, описанные в настоящем документе для питания двигателя с воспламенением от сжатия. Понятно, что топливо, представленное в этих процессах, является топливом на основе метанола, которое может содержать различные количества воды, и может содержать воду в количестве от 0% до 80%.

Фиг.3А и 3В показывают способ получения и подачи метанольного топлива в двигатель внутреннего сгорания 111 (также называемый дизельным двигателем) для получения выходной мощности, который также включает в себя обработку выхлопных газов двигателя, что снижает выбросы, который использует выхлопные газы двигателя для рециркуляции воды, и который также включает в себя контур рециркуляции горячей воды (hot water loop, HWL) 113a, 113b (см. фиг.4А и фиг.4В) для обеспечения населения теплом. Выходная мощность, вырабатываемая двигателем, может также использоваться для обслуживания той местности, где находится генерирующая электростанция, и, например, может быть использована для выработки электроэнергии для населения. Фиг.3А и 3В отличаются друг от друга тем, что фиг.3A показывает процесс, использующий предварительный впрыск фумиганта в воздухозаборник двигателя, в то время как процесс, изображенный на фиг.3B, не содержит стадии впрыска фумиганта.

Фиг.3А и 3В иллюстрируют завод по производству топлива 101 и удаленную поставку этого топлива через сеть поставки 103. Завод по производству топлива может быть обычным заводом по производству метанола, использующим электроэнергию, произведенную из пара, полученного от обычных котлов на большом удаленном угольном заводе 102. Такой завод производит выбросы при сжигании угля. Кроме того, электростанция 102 может включать в себя двигатель внутреннего сгорания, использующий метанольное топливо, как описано в настоящем документе, для генерации электроэнергии, необходимой для производства метанольного топлива. Это позволило бы обеспечить более экологически чистую альтернативу с уровнем выбросов ниже, чем уровень выбросов угольных электростанций.

Топливо на основе метанола производится на заводе 101 и может в значительной степени содержать метанол, смесь метанола и воды, или смесь метанола и эфира, или смесь метанола, воды и эфира. В одном варианте осуществления топливо представляет собой "готовое топливо" смесь метанола и диметилового эфира с содержанием метанола в диапазоне 90%-99,5%, которая представляет собой не кипящую при атмосферном давлении жидкость, которая может быть использована непосредственно в двигателе 111. В смеси метанола и диметилового эфира диметиловый эфир обеспечивается в стабильном количестве, подходящем для передачи в жидком виде, чтобы избежать перехода эфира в газовую фазу. Это количество будет зависеть от давления и температуры, при которой топливо передается по трубопроводам 103, но обычно будет меньше 10% от общего количества топлива, в диапазоне от 7% до 8%.

Альтернативно в условиях повышенного давления может подаваться топливо, имеющее большее количество диметилового эфира. В другом альтернативном варианте топливо, имеющее высокое содержание метанола, близкое к 100% (например, химически чистый метанол) может быть передано для последующего частичного преобразования к диметиловый эфир рядом с центром потребления (а именно на электростанции). Эта форма предварительной топливной композиции, содержащая высокий процент метанола, может содержать водный компонент в количестве приблизительно 0,2% или более. В другом альтернативном варианте топливо или предварительное топливо, передаваемое по трубопроводу, может быть метанольно-водяным топливом. Вода в метанольно-водяном топливе может быть либо связана с метанолом, как, например, в метаноле-сырце, или может быть получена на производственной площадке из избыточной воды, которая может быть экономически эффективно использована для этой цели. Некоторые количества смазывающих добавок и ингибиторов коррозии могут быть включены в перекачиваемое топливо в зависимости от конструкционных материалов передающей сети и для улучшения работы двигателя/процесса.

Передача больших количеств энергии в горючих жидкостях на большие расстояния по трубопроводам региональных сетей является хорошо известной технологией. Такая инфраструктура, как трубопроводы 103, также может использоваться для безопасной и экономически эффективной доставки метанольного топлива в отдаленные районы.

После того, как оно передано через трубопроводы 103, топливо поступает на электростанцию, включающую в себя двигатель с воспламенением от сжатия 111, стадию предварительной обработки 104 и обработку выхлопных газов 113, 115, 116 и 118. Топливо может быть использовано в двигателе 111 сразу же, в том виде, как оно есть, или может быть проведена дополнительная предварительная обработка топлива, чтобы обеспечить безопасную и надежную работу во всем диапазоне режимов работы установки. Из соображений целостности системы также может быть предусмотрено хранение топлива запуска и остановки, например, может храниться эфирный компонент.

На стадии предварительной обработки 104 топливо может быть разделено испарением на две фазы, одна из которых 107 обогащена метанолом, а другая 105 обогащена эфиром, таким как диметиловый эфир. Диметиловый эфир особенно подходит для этого процесса разделения испарением из-за его низкой температуры кипения. Небольшое тепло выхлопных газов двигателя, содержащееся в потоке горячей воды, имеющей температуру 50°С-60°С, может быть использовано для выделения испарением низкокипящего диметилового эфира из метанола. В некоторых вариантах осуществления обогащенная метанолом фаза может включать в себя небольшие количества диметилового эфира, при этом большая часть диметилового эфира выпаривается. В других вариантах осуществления в жидкой фазе может быть сохранена высокая доля диметилового эфира, достаточная для того, чтобы обеспечить хорошее и полное сгорание при испарении, а также использовать его в качестве фумиганта 105. Например, если топливо, поступающее с завода, включает в себя 7% диметилового эфира, 5% диметилового эфира могут быть сохранены в жидкой фазе, а 2% диметилового эфира могут использоваться в качестве фумиганта 105 для добавления к нагретому воздуху 110, поступающему в двигатель 111.

Предварительная обработка может включать в себя возможность конверсии в дополнение к поставке диметилового эфира или другого фумиганта. Альтернативно, требуемое количество агента, улучшающего зажигание, такого как диметиловый эфир, может быть получено из хранилища. Другие такие агенты также возможны, например, диэтиловый эфир и другие улучшители воспламенения, описанные в настоящем документе.

Стадия предварительной обработки может также включать в себя обработку части передаваемого топлива не только для выделения диметилового эфира, который будет использоваться в качестве фумиганта, но также и для производства избытка диметилового эфира для использования в качестве ингредиента жидкого топлива для других процессов. Например, избыток диметилового эфира может принести пользу соседнему населенному пункту, обеспечивая добавочное тепло в контуре рециркуляции горячей воды. Альтернативно или в дополнение к этому, диметиловый эфир может быть интегрирован в процессы генераторной установки. Метанольное топливо, будь то до или после обработки, также может быть удалено из генерирующей системы и использоваться для местного химического производства.

Передача на электростанцию метанола-сырца также возможна, причем она дает экономию капитальных и эксплуатационных затрат заводу по производству метанола. Такая подача топлива на электростанцию подходит для вышеописанной возможности выделения части метанола-сырца для производства диметилового эфира, с направлением остального топлива в двигатель. С точки зрения экономии энергии и капиталовложений этот вариант может заменить перегонную установку на заводе-изготовителе 101, которая затрачивает много энергии на ненужную высококачественную дистилляцию, на гораздо более меньшую установку на электростанции, затрачивающую энергию только на разделение необходимого качества. Эта возможность также позволяет получать диметиловый эфир локально, вблизи центров спроса, а именно рядом с электростанцией.

Предварительная обработка топлива на стадии предварительной обработки 104 может также нагреть метанольное топливо 107 до его подачи в двигатель при помощи горячей воды, полученной из обратной линии скруббера Вентури 115. Вода на выходе из стадии предварительной обработки 104 выходит как вода 106, пригодная для полива. Охлажденная вода 106, пригодная для полива, может смешиваться с конденсатом из конденсатора 116, а при необходимости для обеспечения приемлемой температуры стоков может быть использован охладитель.

В примере, показанном для выработки электроэнергии с контуром рециркуляции горячей воды, дизельный двигатель будет использоваться для выработки от 1 МВт электроэнергии и выше. Это не исключает мощностей менее 1 МВт, которые могут обслуживать мелких пользователей и имеют низкие выбросы окислов азота, окислов серы и твердых частиц. Дизельный двигатель особенно подходит для обработки выхлопных газов дожиганием, поскольку она обеспечивает движущую силу давления воздуха, необходимую для перемещения выхлопных газов через очистку и теплообменное оборудование и лишь незначительно снижает КПД двигателя.

Природа некоторых топливных смесей, описанных в настоящем документе, означает, что поршни с большим диаметром более предпочтительны, чем поршни с малым диаметром из-за увеличения тепловых преимуществ при увеличении объема двигателя. Поршни большего размера также уменьшают риск воздействия впрыскиваемого топлива на стенки поршня, гарантируя, что топливо сгорает должным образом и не оказывает негативного влияния на смазочную пленку.

В то время как упомянутые ниже эксперименты демонстрируют топливо, испытанное в двигателе с оборотами выше 1000 об/мин, в соответствии с ранее сделанным предложением топливо может быть успешно использовано в системах с меньшей скоростью, нормально работающих на скоростях, лежащих в диапазоне от чуть ниже 100 об/мин до 1000 об/мин, что обычно описывается как диапазон низких и средних скоростей. Этот диапазон скоростей дает больше времени, чтобы летучие улучшители воспламенения попали в паровое пространство в виде пара и начались их химические реакции с горячим сжатым воздухом во время такта сжатия. Это большее время фазы сгорания обеспечивает более полное сгорание топлива и снижает уровни несгоревшего топлива и других компонентов в выходящих из двигателя выхлопных газах. Большее время также дает больше времени для полного сжигания топлива в цилиндре посредством контакта молекул воды и кислорода, что позволяет снизить используемое значение лямбда и тем самым повысить концентрацию воды в выходящих из двигателя выхлопных газах.

Мощность генерируется двигателем 111 с помощью смеси метанола 107 и воды 108, поступающей в двигатель 111 вместе с воздухом 100, который может быть предварительно нагрет, и в примере, показанном на фиг.3А и фиг.3В, предварительно нагревается выхлопными газами двигателя через конденсатор 116. Подходящая температура предварительного нагрева может составлять от 40°C до 50°C. Вода в топливе может быть получена из хранилища воды или из выхлопных газов через конденсатор 116 (более подробно описано ниже).

Обработка выхлопных газов включает в себя пропускание выхлопных газов двигателя через каталитический нейтрализатор 112, использующий катализаторы, ориентированные на двуокись углерода и кислородсодержащие соединения. Это приведет к предельному нагреву выхлопных газов, и это тепло может быть доступным для контура рециркуляции горячей воды или для других процессов, описанных ниже со ссылкой на фиг.5A, фиг.5B, фиг.6A и фиг.6B. Каталитический нейтрализатор 112 также снижает содержание в выхлопных газах топлива или любых продуктов сгорания до соответствующего уровня. На заключительном этапе активированный уголь или подобные ему вещества по желанию могут быть использованы для очистки. В дополнение к этому, метанольное топливо, описанное в настоящем документе, горит чисто, с низким образованием сажи, что повышает эффективность катализатора.

Контур рециркуляции горячей воды переносит тепло к местной точке назначения, такой как комплекс жилых зданий, посредством перекачиваемой воды. Фиг.4А и фиг.4В иллюстрируют подающую линию 113а контура рециркуляции горячей воды и обратную линию 113b в контура рециркуляции горячей воды в теплообменнике 113 контура рециркуляции горячей воды. Побочное тепло, образующееся в процессе генерации мощности, может быть использовано, чтобы обеспечить низкую стоимость отопления для жилых и коммерческих помещений. Вода, прокачиваемая через контур рециркуляции горячей воды, нагревается через теплообменник 113 контура рециркуляции горячей воды потоком, выходящим из каталитического нейтрализатора 112. Теплообменник 113 является стандартным блоком, работающим при температуре на выходе из контура рециркуляции горячей воды 40°C с расчетной температурой входящего в контур рециркуляции горячей воды потока 80°C. Относительно низкая температура на выходе из контура рециркуляции горячей воды и эффективная конструкция теплообменника с точки зрения требуемой площади поверхности обеспечит достаточное охлаждение выхлопных газов.

Добавки для обработки выхлопных газов добавляются в инжекторе каустика 114, который впрыскивает едкие химические вещества и другие подходящие агенты нейтрализации кислоты в выхлопные газы для желаемого результата. Например, для устранения кислотных соединений из конечного выхлопа в поток выхлопных газов будет введена небольшая доза щелочной жидкости (например, 50%-ный раствор каустической соды в воде), используемой для нейтрализации следов кислоты и управления значением рН воды для полива, вытекающей из установки. Конечное значение рН будет доводиться до такого уровня, который наилучшим образом соответствует местным условиям.

Скруббер Вентури 115, или другой подходящий смеситель, показан за теплообменником 113 контура рециркуляции горячей воды. Это устройство имеет несколько функций, первой из которых является тщательное смешивание выхлопных газов с циркулирующим потоком воды, чтобы поток воды охладил выхлопные газы с 85-90°С на выходе из теплообменника контура рециркуляции горячей воды до приблизительно 55-60°C на выходе из скруббера Вентури. Такое охлаждение будет вызывать конденсацию воды из выхлопных газов и собирать твердые частицы, которые могут быть обработаны с использованием известных методов или в конечном счете могут образовывать часть окончательной воды для полива, покидающей установку для возвращения в землю. Раскисленные и чистые выхлопные газы, покидающие скруббер 115, дают выхлоп высокой чистоты на выходе из конечного конденсатора.

Вода перекачивается насосом, расположенным на линии между скруббером Вентури 115 и реберным вентиляторным теплообменником 100. Реберный вентиляторный теплообменник или другое подходящее оборудование, осуществляет еще один газожидкостный обмен, который забирает тепло у выхлопных газов, выходящих из скруббера Вентури, и передает это тепло воздуху, который пропускается через теплообменник 100 с помощью одного или нескольких вентиляторов. Одним из преимуществ отвода тепла таким образом является то, что тепло будет отводиться при низкой температуре, и, следовательно, это не окажет большого влияния на общую эффективность процесса.

Альтернативно выбросу тепла в атмосферу, нагретый воздух, выходящий из реберного вентиляторного теплообменника, может быть использован непосредственно в двигателе как нагретый воздух 110 для горения, и в этом случае некоторое давление может быть приложено вентилятором для компенсации теплового эффекта от массового расхода воздуха. Еще одной альтернативой выбросу тепла в атмосферу является отвод тепла через охлаждающий пруд или другую водную систему, способную рассеивать большое количество тепла ответственным и экологически приемлемым способом.

Фиг.4A иллюстрирует последний крупный теплообменник выхлопных газов/воздуха для горения, а именно конденсатор 116, который восстанавливает воду в системах с глубоким восстановлением воды. В системы, в которых глубокое восстановление воды не требуется, конденсатор 116 не входит. Фиг.4B иллюстрирует систему со средним восстановлением воды, похожую на ту, что изображена на фиг.4A, но без конденсатора 116.

Конечный (необязательный) конденсатор 116 охлаждает выхлопные газы, выходящие из скруббера Вентури 115, с приблизительно 50-60°С до приблизительно 5-20°С, т.е. до температуры окружающей среды. При снижении температуры на такую величину количество восстановленной воды значительно увеличивается. В дополнение к производству воды для полива или для повторного использования за пределами электростанции, конденсат из конденсатора 116 по желанию может быть использован в процессе производства электроэнергии.

Конденсат может быть добавлен в предварительно обработанное топливо, чтобы уменьшить образование окислов азота и связанных с ними проблем кислотности в последующем оборудовании, например, в теплообменнике контура рециркуляции горячей воды. Конденсат может также образовывать источник воды, которая будет использоваться при сжигании конкретных топливных смесей в качестве альтернативы или в дополнение к хранимой воде. Более того, вода высокого качества, выходящая из конденсатора, может быть дополнительно переработана в питьевую воду, или может быть добавлена в воду для полива, производимую скруббером Вентури, и может рециркулировать между скруббером Вентури 115 и реберным вентиляторным теплообменником 100.

Тепло от охлаждения выхлопных газов не теряется впустую, но может быть передано входящему в двигатель 111 воздуху. Кроме той выгоды, что переработка выделяемого установкой тепла и воды пополняет требуемое топливо и сокращает выбросы, производимые в процессе, рекуперация воды и тепла имеет тенденцию также стабилизировать работу двигателя. Более холодный воздух, поступающий в двигатель, позволяет рекуперировать больше тепла.

Фиг.3B отличается от фиг.3A тем, что оно иллюстрирует способ получения и подачи метанольного топлива в двигатель 111 без предварительного впрыска улучшителя воспламенения во входящий воздух. Метанольное топливо с завода-производителя 101 транспортируется по трубопроводной инфраструктуре 103 для непосредственного использования в двигателе 111, где входящий воздух 110 предварительно нагревается. Этот поток метанола может содержать небольшое количество воды, например, по меньшей мере 0,2% воды. Предварительная обработка испарением для выделения эфира из транспортируемого топлива не требуется, поскольку не требуется фумигант. Предварительная обработка, однако, может по-прежнему иметь место, однако для подготовки топлива к сжиганию и/или для выделения эфиров с целью отдельного использования за пределами электростанции. Понятно также, что по отношению к фиг.3A стадия предварительного нагрева всасываемого воздуха за счет тепла выхлопных газов не является существенной и может быть опущена. Тем не менее, использование тепла выхлопных газов и рециркуляция выхлопных частиц полезны для улучшения КПД двигателя и сокращения выбросов. Альтернативно вода, выходящая из скруббера Вентури и поступающая в реберный вентиляторный теплообменник, в принципе может быть использована в целях нагрева входящего воздуха.

В способе, показанном на фиг.3B, входящий воздух может быть предварительно нагрет с помощью различных средств, включая использование тепла, передаваемого от выхлопных газов, например, через конденсатор 116, или тепла, полученного ранее из выхлопных газов в процессе дожигания, например, на стадии каталитической нейтрализации. Альтернативно, всасываемый воздух предварительно нагревается с использованием других способов, описанных в настоящем документе, включая непосредственный нагрев электрическими нагревательными элементами или свечами и косвенный нагрев, например с помощью компрессора наддува или турбонагнетателя.

Фиг.5А и фиг.5В иллюстрируют то, каким образом концепция выработки энергии с использованием технологии и топлива, описанных в настоящем документе, может быть применена на железнодорожном транспортном средстве. Ссылочные номера на фиг.5А и фиг.5В соответствуют номерам и элементам, показанным на фиг.3А и фиг.3В. Любая предварительная обработка 104 топлива и использование топлива в двигателе 111 являются теми же самыми. Отработанный воздух охлаждается после выхода из каталитического нейтрализатора 112 посредством первого теплообменника 120, который использует окружающий воздух для охлаждения выхлопных газов и предварительного нагрева воздуха 110 для горения.

Обработка выхлопных газов на железнодорожном транспортном средстве отличается от обработки выхлопных газов в системе с контуром рециркуляции горячей воды процессом отделения воды от других материалов выхлопных газов. Отработанный газ, выходящий из каталитического нейтрализатора, пропускается через цикл водной адсорбции 121 на активированной окиси алюминия и через цикл водной десорбции 122 из активированной окиси алюминия для производства чистого и сухого горячего выхлопа в атмосферу с улавливанием воды из выхлопных газов посредством конденсатора 123. Уловленная вода может подаваться обратно на стадию предварительной обработки или использоваться как техническая вода на рельсовом транспортном средстве. Более холодный сухой выхлоп на выходе из циклов с активированной окисью алюминия может быть использован посредством второго теплообменника 124, чтобы обеспечить нагрев или охлаждение на железнодорожном транспортном средстве.

Производство топлива на заводе по производству метанола 101 приведет в одном варианте осуществления к тому, что на рельсовых транспортных средствах потенциально будут храниться два компонента: (1) смесь метанола с водой, предназначенная для обеспечения правильных результатов по окислам азота/производительности, и (2) компонент фумиганта в отдельном резервуаре под давлением. Отрицательное влияние на массу рельсового транспортного средства не очень велико по сравнению с корабельным использованием.

Фиг.5B, аналогично фиг.3B, иллюстрирует процесс выработки мощности на рельсовом транспортном средстве без использования фумигантов, полагаясь только на предварительный нагрев воздуха. Те же самые замечания о достоинствах процесса с контуром рециркуляции горячей воды без использования фумигантов применимы к процессу, описанному в связи с фиг.5B.

Фиг.6A и фиг.6B иллюстрируют использование концепции процесса производства энергии для морских целей, например, на судне. Аналогично примеру процесса генерации энергии с использованием контура рециркуляции горячей воды, завод по производству метанола подходящего для судна размера может быть предусмотрен на судне для того, чтобы обеспечивать топливом на основе метанола один или несколько двигателей 111, приводящих судно в движение. Как и в вышеприведенных примерах, фиг.6A иллюстрирует процесс, использующий предварительный впрыск усилителя воспламенения в воздухозаборник, в то время как Фиг.6B иллюстрирует процесс без использования фумиганта. Вместо этого процесс может включать или не включать в себя предварительный нагрев всасываемого воздуха.

Первый теплообменник 120 на морском транспортном средстве охлаждает отработанный воздух с использованием холодного окружающего воздуха. Часть отработанного воздуха может быть возвращена обратно, чтобы использоваться как нагретый воздух 110 для горения. Остальной охлажденный отработанный воздух затем передается в опреснитель 125 и в другое теплообменное оборудование в целях обеспечения максимальной утилизации тепла выхлопных газов для нужд транспортного средства, таких как обогрев цистерн и самого транспортного средства. Опреснитель использует морскую воду, легкодоступную на морских транспортных средствах.

Общим преимуществом, связанным с процессами и топливами, описанными в настоящем документе, при использовании в применениях, описанных выше, является то, что они обеспечивают одновременно несколько выгод для населенных пунктов и кварталов с ограниченными ресурсами и энергией. Конкретные преимущества включают в себя:

• Использование удаленных ресурсов, которые в противном случае могут остаться неиспользованными из-за их непригодности (например, из-за высокого содержания серы).

• Обеспечение удобной возможности эффективной совместной выработки биомассы, чтобы уменьшить выбросы двуокиси углерода.

• Раннее совместное использование биомассы могло бы продлить срок службы существующих ресурсов.

• Интеграция с другими возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер и солнце, также возможна.

• Обеспечение электричеством центров потребления на основе комбинированных поставок тепла и электроэнергии (ТЭЦ) или комбинированных поставок охлаждения и электрической энергии.

• Практически полное устранение всех иных, чем двуокись углерода, загрязняющих веществ, образующихся на стадии производства электроэнергии.

• Захват водорода из ресурсов в максимально возможной степени и преобразование этих ресурсов в воду для использования центрами потребления (1 часть водорода преобразуется в реакции с кислородом в 9 частей воды по массе). В этом случае ископаемые топливные ресурсы также можно рассматривать частично в качестве водных ресурсов с потенциальным эффектом "бесплатной доставки", так как механизм доставки топлива в любом случае поглощает свои собственные издержки на распределение. Эта вода будет обрабатываться активированной окисью алюминия или другим подходящим адсорбирующим материалом или технологиями, чтобы удалить возможные проскоки через каталитический нейтрализатор, обрабатывающий горячие выхлопы двигателя.

• Обеспечение местного населения побочным теплом с помощью контура рециркуляции горячей воды, охлаждая выхлопные газы и обмениваясь этим основным источником тепловой энергии с местными центрами потребления тепла, для целей охлаждения или обогрева. Чистый выхлоп благодаря использованию технологии, описанной в настоящем документе, позволяет размещать генерирующие мощности в непосредственной близости от рынка, что, как правило, недоступно, в частности, для электростанций, работающих на угле.

• Эффективная рекуперация воды и тепла. Другие подходы к теплопередаче, обеспечивающие повышенную рекуперацию при более высокой стоимости, также могут быть использованы, а воздух для горения при необходимости также может быть нагрет, например, циркулирующей водой перед тем, как она попадет в реберный вентиляторный охладитель (в примере, изображенном на фиг.3А и фиг.3В).

• Может быть получена высокая степень восстановления воды, в районе от 0,7 до 1 тонны оросительной воды на тонну потребляемого метанола, или даже больше, если это позволяют экономические и инженерные условия.

• Обеспечение воды для полива с нейтральным рН для непосредственного использования местным населением.

• Обеспечение промывки выхлопных газов водой, которая нейтрализует кислоты и удаляет твердые частицы до низких уровней. Содержание в выхлопных газах других загрязнителей, таких как окислы серы и углеводороды, также будет низким.

Технология, описанная в настоящем документе, включающая в себя производство воды и тепловую интеграцию контура рециркуляции горячей воды с выходящими из системы выбросами, будет дорого стоить с точки зрения КПД двигателя, однако этот аспект во многих случаях должен быть компенсирован выгодами цепочки поставок и преимуществами, упомянутыми выше.

ПРИМЕРЫ

Пример 1

Экспериментальная программа по изучению метанольно-водяных топливных композиций для двигателей с воспламенением от сжатия

1.1. Аннотация

Настоящий отчет обобщает результаты, полученные в ходе экспериментальной программы, предпринятой в университете Мельбурна для изучения производительности и выбросов на выходе из двигателя различных видов топлива на основе метанола в двигателе с воспламенением от сжатия.

В качестве топлив были протестированы смеси метанола, воды, диметилового эфира (DME) и диэтилового эфира (DEE). Поскольку метанол обычно не является топливом, воспламеняющимся от сжатия, были использованы две системы улучшения зажигания. Первая система состояла из предварительного нагревателя входящего воздуха. Посредством нагревания воздуха на входе в двигатель до 150°C (наложенное ограничение по безопасности) в конце такта сжатия достигаются более высокие температуры, и в этот момент впрыскивается основная порция топлива. В некоторых случаях эти температуры были достаточно высоки, чтобы произошло воспламенение подаваемого топлива от сжатия.

Вторая система улучшения зажигания включала в себя непрерывный впрыск (предварительный впрыск) газообразного диметилового эфира в воздухозаборник двигателя. Так как диметиловый эфир имеет относительно низкую температуру воспламенения и высокое цетановое число, диметиловый эфир самовоспламеняется по мере того, как смесь воздуха и фумиганта сжимается во время такта сжатия, высвобождая таким образом тепловую энергию, которая в свою очередь может вызвать воспламенение основной порции топлива.

Испытания проводились на модифицированном одноцилиндровом дизельном двигателе 1D81 Hatz, установленном в помещении, снабженном соответствующим поглощающим и динамометрическим оборудованием. В его немодифицированном виде этот атмосферный дизельный двигатель производит до 10 кВт мощности на валу от одного цилиндра, имеющего объем приблизительно 670 см³. Вполне вероятно, что абсолютная эффективность всех испытанных видов топлива будет лучше в более мощных двигателях, поскольку специалистам в данной области техники хорошо известно, что пиковая эффективность двигателя увеличивается с увеличением объема двигателя вследствие фундаментальных физических законов.

Таким образом, считается, что эффективность двигателя для недизельного топлива в данной экспериментальной программе следует рассматривать по отношению к результату использования дизельного топлива на этом же двигателе. В частности, если сопоставимая или лучшая эффективность достигается с данным альтернативным топливом относительно дизельного топлива в этом же двигателе, то вполне вероятно, что эти относительные показатели могут быть достигнуты и в двигателе большего размера. Конечно, максимизация абсолютной эффективности данного топлива на данном двигателе требует дальнейшей оптимизации, и это должно улучшить эффективность двигателя.

Общие наблюдения из этой экспериментальной программы заключаются в следующем.

1. Испытания двигателя с предварительным впрыском фумигатора

Эти результаты показывают, что при более эффективных условиях эксплуатации двигатель с предварительным впрыском фумиганта дает сопоставимую эффективность, более низкие выбросы окиси азота и значительно более низкие выбросы твердых частиц по сравнению с дизельным двигателем.

2. Испытания двигателя с подогревом входящего воздуха

Эти результаты показывают, что выбросы окиси азота из двигателя были сопоставимы с выбросами окиси азота из дизельного двигателям. Как и в случае прогонов с предварительным впрыском фумиганта, снова наблюдался значительно более низкий уровень выбросов твердых частиц, чем у дизельного двигателя. Для повышения эффективности работы двигателя в этом режиме работы требуются дополнительные работы.

1.2. Экспериментальные методы

Испытания проводились на модифицированном дизельном двигателе 1D81 Hatz, установленном в помещении, снабженном соответствующим поглощающим и динамометрическим оборудованием. Фиг.10 показывает схему процесса и инструментов для испытательной установки. Характеристики немодифицированного двигателя приведены в следующей таблице 1. Эти характеристики не изменялись во время испытания двигателя.

Изменения, внесенные в двигатель, заключались в следующем.

Замена механического топливного инжектора и топливного насоса системой впрыска с соленоидным приводом и отдельным топливным насосом и системой впрыска.

• Электронно управляемый дизельный инжектор системы питания с общей топливной магистралью был использован для питания системы. Этот инжектор (Bosch, модель 0445110054-RE) обеспечивал значительно больший объемный расход, чем инжектор на немодифицированном двигателе, так что топлива даже с самым высоким содержанием воды, показанные в таблице 2, могли быть доставлены в нужном объеме при достижении того же соотношения воздух/топливо, что и для дизельного топлива и чистого метанола.

Этот инжектор является слишком большим для этого двигателя, и поэтому должен был привести к значительному снижению эффективности двигателя даже при работе на том же дизельном топливе, что и немодифицированный двигатель. В результате соответствующей ссылкой для тестирования альтернативных видов топлива, перечисленных в таблице 2, является та же самая модифицированная система, работающая на дизельном топливе, результаты чего приведены в таблицах 3, 4 и 5. Предполагается, что дальнейшие испытания, в частности топлив с низким содержанием воды, позволит использовать меньший инжектор и, следовательно, даст значительное улучшение характеристик двигателя.

Как показывает фиг.10, топлива смешивались в герметичном резервуаре для хранения таким образом, что диметиловый эфир не переходил в газовую фазу перед впрыском в двигатель. Этот резервуар всегда находился под давлением в пределах от 5 до 10 бар во время тестирования. Жидкое топливо, выходящее из этого резервуара, затем сжималось насосом с воздушным приводом марки Haskel до 800 бар перед нагнетанием в двигатель. Пневмоаккумулятор использовался для гарантии того, что давление в топливной линии останется постоянным в ходе испытания.

Расход топлива измерялся путем подвески герметичного резервуара для хранения на датчик и измерения скорости изменения массы резервуара во время каждого испытания.

• Расширение впускного коллектора.

Это было сделано для того, чтобы соединить подогреватель входящего воздуха и предварительный впрыск диметилового эфира на входе. Обе системы были использованы для улучшения воспламенения основной порции топлива.

• Расширение выпускного коллектора для подсоединения всех систем анализа выбросов.

• Пьезоэлектрический датчик давления марки Kistler.

Установлен на головке блока цилиндров двигателя, чтобы записывать давление в цилиндре.

• Использование масла Shell Helix Racing 10W60 для всех испытаний.

Это синтетическое масло.

Выхлопные выбросы анализировались с помощью ряда независимых систем.

• Измеритель твердых частиц MAHA.

Это устройство дает гравиметрическую меру содержания твердых частиц в выхлопных газах двигателя.

• Датчик Bosch UEGO.

Это промышленное устройство, которое измеряет соотношение воздух-топливо. Хотя оно было разработано для углеводородного топлива, сравнение с измеренным на стенде измерения выбросов ADS9000 соотношением воздух-топливо показало, что оно функционировало хорошо для всех испытанных видов топлива, кроме тех, которые имели более чем 50% содержание воды (фиг.4).

• Стенд измерения выбросов ADS9000.

Это устройство измеряло содержание окиси азота в выбросах двигателя. Перед измерением образец выхлопных газов пропускался через необогреваемые линии и водоотделитель, и, следовательно, содержание воды в отобранных газах должно было быть близким к насыщению при условиях окружающей среды. Стенд ADS9000 калибровался до и во время программы испытаний с использованием калибровочных газов для всех измеряемых величин и газового разделителя.

• Инфракрасный спектроскоп с Фурье-преобразованием для анализа выбросов марки Gasmet.

Это устройство было откалибровано с использованием соответствующих калибровочных газов и обнулялось азотом высокой чистоты в соответствии с инструкцией поставщика.

Каждое топливо было испытано на постоянной скорости в 2000 об/мин и при значении лямбда, равном 2 (т.е. 100% избыток воздуха). Немодифицированный двигатель работал при значении лямбда, равном приблизительно 1,5. Более экономная работа была выбрана потому, что первые испытания со значением лямбда, равным 1,5, с чистым метанолом привели к заклиниванию двигателя из-за чрезмерно раннего впрыска в одном случае. При значении лямбда, равном 2, никаких дальнейших заклиниваний двигателя не наблюдалось.

Вся процедура испытания двигателя заключалась в следующем.

1. Прогоны с подогревом входящего воздуха.

Входящий воздух сначала нагревался до 150°C.

Длительность впрыска была установлена значением лямбда, равным 2, а начало впрыска было установлено на верхнюю мертвую точку.

Контроллер нагревателя затем снижал температуру на входе по мере работы двигателя до тех пор, пока положительный крутящий момент двигателя не становился неустойчивым. Контроллер входного нагревателя затем устанавливал температуру на входе на градус выше той температуры, при которой работа прекратилась.

Момент начала впрыска затем смещался контроллером динамометра при поддержании постоянной частоты вращения двигателя до тех пор, пока крутящий момент двигателя не достигал так называемого "максимального крутящего момента" (MBT). Максимальный крутящий момент обеспечивает наиболее эффективные условия работы при постоянных скорости двигателя и соотношении воздух/топливо.

Полученные временные характеристики впрыска (начало и продолжительность) и другие измеренные величины записывались при этих условиях работы.

2. Прогоны с предварительным впрыском фумигатора

Двигатель был выведен на устойчивый режим работы с высоким расходом диметилового эфира.

Основная продолжительность впрыска топлива была установлена значением лямбда, равным 2, а начало впрыска было установлено на верхнюю мертвую точку.

Расход диметилового эфира затем снижался при одновременном увеличении расхода основного топлива для поддержания постоянного значения лямбда до тех пор, пока крутящий момент не достигал максимума.

Момент начала впрыска затем смещался до тех пор, пока крутящий момент двигателя не достигал максимума, с одновременным продолжением регулирования расхода основного топлива для поддержания заданного значения лямбда при необходимости.

Полученные временные характеристики впрыска (начало и продолжительность) и другие измеренные величины записывались при этих условиях работы.

3. Прогоны дизельного двигателя

Момент начала впрыска был установлен на верхнюю мертвую точку при поддержании значения лямбда, равного 2, посредством изменения длительности впрыска.

Характеристики топлив были следующими:

• метанол с чистотой 99,8% и более,

• деионизированная вода с чистотой 99,8% и более,

• диметиловый эфир с чистотой 98% и более,

• диэтиловый эфир с чистотой 98% и более.

1.3. Результаты

Результаты испытаний представлены в следующих таблицах.

1.5 Дополнительные испытания

Дополнительные испытания были проведены для изучения дополнительных комбинаций топлива и фумиганта, и результаты этих испытаний приведены в следующих таблицах 11 и 12. Следует особо отметить следующее:

• В целом эффективности двигателя при 1000 об/мин были ниже, чем для таких же или аналогичных видов топлива на более высоких оборотах двигателя. Это основано на том факте, что немодифицированный двигатель Hatz имел максимальную эффективность при скорости вращения приблизительно 2000 об/мин, и было вполне ожидаемо. При использовании в двигателях большего размера, спроектированных для максимальной эффективности при более низких скоростях вращения, эффективность использования топлива можно было бы улучшить.

• Выбросы окиси азота, определенные с использованием стенда ADS9000, не представлены из-за его отказа во время данной программы испытаний.

• Топливный инжектор отказал во время испытания № 25. Тем не менее, данные, записанные для этого испытания, представляются пригодными, так как отказ произошел в конце испытания, и в таком виде они и входят в это Приложение. Следует отметить сравнительные эффективности прогонов 25 и 27, которые имеют очень похожую основную топливную композицию, за исключением добавок.

1.5 Сравнение таблиц между объемными процентами и массовыми процентами в топливных композициях

Таблицы в результатах испытаний, приведенные в предыдущих разделах с 1.1 по 1.4, основаны на относительных количествах компонентов в основной топливной композиции по объему. Следующие таблицы 13 и 14 позволяют произвести преобразование между объемными и массовыми процентами в топливных композициях.

1.6 Наблюдения по результатам испытаний, полученным в разделах с 1.1 по 1.5.

Вода и эфир плюс фумигант - диметиловый эфир:

Вышеописанная работа показывает, что вода имеет некоторые ключевые свойства, которые делают ее полезным дополнением к метанольному топливу:

1. При впрыскивании вместе с горючим метанольным топливом вплоть до определенного момента эффективность не снижается, а увеличивается до оптимальной точки, а затем уменьшается, так как количество воды продолжает расти. Заявителями было постулировано, что увеличение эффективности может быть связано с комбинацией факторов, таких как следующие факторы:

a. Спектральные свойства воды, такие как излучательная способность и коэффициент поглощения, превосходят аналогичные свойства метанола во всем диапазоне нагрева (например, в инфракрасном (ИК) диапазоне), что способствует поглощению теплового излучения капельками смеси топлива и воды, в результате чего метанол испаряется из капелек в ускоренном темпе, так как по причине высокого уровня поглощения тепла капельками метанол испаряется в первую очередь.

Приведенное в литературе значение коэффициента излучения воды находится между 0,9 и 1,0, т.е. близко к инфракрасному излучению абсолютно черного тела, а значение коэффициента излучения метанола составляет менее половины этого значения и составляет приблизительно 0,4.

b. Теплопроводность воды больше, чем теплопроводность метанола.

c. Температуропроводность воды больше, чем температуропроводность метанола.

d. Вышеперечисленные пункты b и с приводят к большей теплопередаче в капельках, содержащих воду, снова ускоряя преобразование жидкого метанола в газ, поскольку концентрация метанола уменьшается по мере сокращения капелек:

2. Вышеописанная работа свидетельствует о жизнеспособности водно-метанольного топлива посредством демонстрации его устойчивой работы даже при высоком содержании воды с подходящим количеством помощника воспламенения в виде фумиганта. Данные, представленные на фиг.7, которая является производной от вышеописанной работы, показывают, что существует пик термического эффективного коэффициента полезного действия, который достигается, когда содержание воды в топливе находится в диапазоне приблизительно от 12% до 23% по массе основной топливной композиции. Зона улучшенного термического эффективного коэффициента полезного действия находится в диапазоне содержаний воды от 2% до 32%, при этом с фумигантом в виде диметилового эфира оптимальное значение достигается в диапазоне содержаний воды, близких к 16-18%. Это было неожиданным результатом. Совершенно не предполагалось, что впрыск такого большого количества воды в камеру сгорания позволит двигателю с воспламенением от сжатия работать в приемлемом режиме с точки зрения коэффициента вариации индикаторного эффективного давления (коэффициента вариации индикаторного среднего эффективного давления).

Из экспериментальных данных, представленных выше, явствует, что топливом с более низким рейтингом по термическому эффективному коэффициенту полезного действия в большинстве случаев был неразбавленный метанол, а хорошая эффективность была получена для смесей, которые содержали диметиловый эфир в количестве 4-9%.

По мере того как содержание воды выходило за рамки примерно 30% по массе в топливе, которое содержало упомянутое ранее количество диметилового эфира, эффективность снижалась до уровней, аналогичных топливу, которое сгорает без присутствия воды.

Было отмечено, что топлива с содержанием воды около 70% сгорали в двигателе, хотя и при вдвое меньшей эффективности, отчасти из-за высокого содержания воды в выхлопных газах.

Фиг.8 представляет собой графическое представление содержания эфира в основном топливе, в процентах по массе, и соответствующего ему термического эффективного коэффициента полезного действия топлива. Фигурная скобка (}) использована для обозначения точек, связанных с использованием диэтилового эфира в качестве компонента топливной композиции, тогда как эфир, использованный в других точках на графике, был диметиловым эфиром. Фиг.8 показывает повышение термического эффективного коэффициента полезного действия примерно на 1,5% путем введения 4% диметилового эфира в жидкую фазу с примерно 16% содержанием воды, по сравнению со случаем неразбавленного метанола. В целом, результаты, полученные с помощью некоторого количества эфира в окне, показанном пунктирной линией, обеспечивают преимущества для основной топливной композиции. Увеличение содержания эфира выше 10% (т.е. справа от показанного окна) создает дополнительные затраты без соответствующего улучшения процесса или какого бы то ни было преимущества.

При низких уровнях содержания воды преимущества 16% диметилового эфира по сравнению с 4% были небольшими, и 4% диметилового эфира превосходили 16% диметилового эфира при содержаниях воды выше, чем примерно 6%.

Приблизительно 8% диметилового эфира по массе имели несколько более высокий термический эффективный коэффициент полезного действия, чем 4% диметилового эфира во всем диапазоне содержаний воды, причем разница составила в среднем около 0,3% вплоть до максимального содержания воды в топливе около 36%.

Диэтиловый эфир (DEE, точки, отмеченные фигурной скобкой) в топливе показал более слабый термический эффективный коэффициент полезного действия в диапазонах с более низким содержанием воды, где эффективность была похожа на эффективность чистого метанола, однако по мере того, как содержание воды в топливе поднималось выше примерно 25%, диэтиловый эфир в количестве приблизительно 8% улучшал свои показатели до уровня показателей диметилового эфира.

С точки зрения термического эффективного коэффициента полезного действия диэтиловому эфиру не может быть отдано предпочтение перед диметиловым эфиром в метанольно-водяном топливе, если не учитывать другие причины, такие как летучесть или давление паров.

Влияние воды и фумиганта на содержание окиси азота:

В случае предварительного впрыска фумиганта, когда применяется охлаждающая жидкость, такая как вода, невозможно было предсказать, что будет достигнуто снижение концентрации окиси азота, так же как невозможно было предсказать и степень такого снижения. Выполненная работа показывает, что снижение содержания окиси азота было довольно резким по мере того, как содержание воды увеличивалось, показывая минимальное значение, равное 0,2 г/кВт-час при содержании воды 36%мас, как показано на фиг.9.

На фиг.10 приведена другая иллюстрация влияния увеличения содержания воды на содержание окислов азота в выхлопных газах. Линии, соответствующие 4% и 8% диметилового эфира, показали наилучший отклик в плане образования окислов азота даже при высоких температурах входящего воздуха. Ту же самую тенденцию можно наблюдать и в случае предварительного впрыска фумиганта, т.е. выбросы окислов азота снижались при увеличении содержания воды, а 16,5% диметилового эфира и 8,8% диэтилового эфира показали более высокие уровни окиси азота по сравнению с вариантами с низким содержанием диметилового эфира. Все тестовые прогоны, выполнявшиеся с подогревом, но без воды, давали более высокие концентрации окиси азота, чем дизельное топливо без подогрева.

Из приведенных выше данных и прилагаемых чертежей становится очевидно, что одна выгодная рабочая зона предполагает использование основной топливной композиции, содержащей метанол и 20-22% мас. воды и 4-6%мас. диметилового эфира в основной топливной композиции, с предварительным впрыском фумиганта. Это топливо позволит достичь высокой эффективности и низких выбросов окиси азота. Желательная рабочая зона для топлива может быть в дальнейшем расширена при приемлемой работе двигателя с воспламенением от сжатия, как подробно описано в других разделах данной заявки.

В отличие от этого, дизельное топливо на том же самом двигателе достигало показателя 4,9 г/кВт-час при значении лямбда, равном 2, и скорости 2000 об/мин (значениях лямбда и скорости, которые использовались во всех испытаниях с предварительным впрыском фумиганта, изображенных на этих графиках).

Фумигант

Применение фумиганта (или предварительный впрыск фумиганта) ранее не рассматривалось со сложными топливными композициями, в частности, с топливными композициями, содержащими воду и метанол, и возможно с другими добавками, такими как диметиловый эфир. Соответственно, не было никаких сообщений о коммерческих использованиях таких способов. Возможно, это связано с тем фактом, что такое топливо вообще не рассматривалось как работоспособное, учитывая низкую теплотворную способность метанола, которая еще более снижается при смешивании его с разбавителем, имеющим высокое значение скрытой теплоты испарения, таким как вода. Использование топлива, содержащего большое количество водного компонента, также нелогично, поскольку вода, как правило, используется при тушении пожаров, а не для того, чтобы помочь им гореть.

Чтобы исследовать это пространство, был использован одноцилиндровый двигатель с мощностью, аналогичной цилиндру 5-литрового двигателя V8, с установленным инжектором большего размера, чтобы преодолеть низкую теплотворную способность на литр некоторых видов топлива, подлежавшего испытанию.

Эти более крупные инжекторы создавали эффект снижения КПД двигателя, однако в качестве сравнения топлив, при условии, что применяются зеркальные условия, законность сравнения была признана профессионалами в области испытания двигателей.

Крупногабаритные инжекторы были необходимы в конкретных рабочих условиях испытания, и двигатель работал при высоких скоростях вращения из-за малого размера двигателя, но дальнейшая работа позволит модифицировать эти факторы с последующим уменьшением относительного количества фумиганта (усилителя воспламенения), впрыскиваемого в воздухозаборник двигателя. Экспериментальная работа, выполненная в поддержку данной заявки, проводилась при скоростях вращения 2000 об/мин и 1000 об/мин, причем последняя являлась самой низкой рабочей скоростью вращения двигателя Hatz, использованного в программе.

Пример 2

Топливо из 70% метанола и 30% воды с нагревом входящего воздуха и предварительным впрыском фумиганта

Топливо, содержащее 70% метанола и 30% воды, вводится в двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, схематически представленный на фиг.1.

На разных этапах работы двигателя (запуск, устойчивая работа при низкой нагрузке, установившийся режим при 50%-100% от полной нагрузки, на холостом ходу, и так далее), двигатель может работать в различных режимах, а также в комбинации режимов.

Во время работы при нагрузке на двигатель, составляющей 0-50% от полной, входящий воздух предварительно нагревается до 150-200°С без присутствия фумиганта. Снижение расхода воздуха, поступающего в двигатель, при повышенных температурах компенсируется работой двигателя при низкой нагрузке.

В случае работы при нагрузке на двигатель, составляющей от 50% до полной нагрузки, уровень предварительного подогрева входящего воздуха может быть уменьшен, и в дополнение к этому может быть использован фумигант, содержащий 95% диметилового эфира, 3% метанола и 2% воды. Фумигант впрыскивается в воздухозаборник в количестве 5% по массе от общего потребления топлива. Этот уровень предварительного впрыска может быть снижен по мере достижения полной нагрузки.

При запуске двигателя входящий воздух может быть предварительно нагрет, и в дополнение к этому больший массовый процент фумиганта по отношению к основному топливу впрыскивается в воздухозаборник. Одним подходящим фумигантом для этого этапа работы является фумигант в количестве 20%-50%, на 100% состоящий из диметилового эфира.

На холостом ходу, после того, как двигатель заработал, предварительный впрыск фумиганта может быть прекращен.

Предварительный подогрев входящего воздуха с периодической помощью в виде предварительного впрыска фумиганта (в зависимости от оборотов двигателя и нагрузки) обеспечивает работу двигателя даже при содержании воды в основной топливной композиции на уровне 30%.

Пример 3

Топливо из 95% метанола и 5% воды с предварительным подогревом входящего воздуха и без предварительного впрыска фумиганта

Данный пример повторяет пример 2, но с топливной композицией, состоящей из 95% метанола и 5% воды. Входящий воздух предварительно нагревается до температуры от 150°C до 200°C. Такая система может включать в себя турбонагнетатель и теплообменник выхлопных газов/входящего воздуха.

Пример 4

Топливо из 26% метанола и 74% воды с предварительным подогревом входящего воздуха и предварительным впрыском фумиганта

Данный пример повторяет пример 3, но с топливной композицией, состоящей из 26% метанола и 74% воды. Эта топливная композиция может быть пригодной для использования в морских условиях - для работы корабельных двигателей с воспламенением от сжатия. В этом случае морская вода может быть использована в качестве теплоотвода, если требуется получить необходимый уровень конденсации из выхлопных газов. В морской ситуации для обеспечения безопасности в закрытых помещениях посредством наличия негорючей паровой фазы при разливе топлива уровень содержания воды в топливной композиции составляет около 74% (или более), а уровень содержания в топливе бытия метанола - 26% (или меньше). Такое высокое содержание воды позволяет избежать риска воспламенения, вызывающего пожары в машинном отделении.

Топливо в данном примере можно закачивать в основной резервуар для хранения топлива в композиции, готовой к использованию (т.е. с 74% воды в метаноле). Альтернативно в резервуар можно закачивать предварительную смесь, имеющую более низкий уровень содержания воды (по сравнению с композицией, используемой в двигателе), и уровень содержания воды может быть увеличен путем разбавления предварительной смеси водой непосредственно перед подачей в двигатель. Источником воды может быть любой источник воды, и, например, может быть оборотной водой или опресненной водой. Этот вариант имеет преимущества в плане веса топливной композиции, перевозимой на судне.

Воспламенение этого топлива требует способов нагрева, как описано выше. Пары или аэрозоль диметилового эфира, впрыскиваемые в воздухозаборник, обеспечивают достаточные средства для воспламенения топлива.

Количество воды в выхлопных газах может быть рассчитано так, чтобы оно находилось в диапазоне приблизительно 30-50%. Эта цифра должна учитывать исходную воду в топливе и воду, поступающую от сжигания метанола и диметилового эфира, а также воду, содержащуюся во входящем воздухе. Этот удивительно высокий результат возникает из-за высокого содержания водорода в метаноле (который содержит больше водорода в единице объема, чем криогенный жидкий водород) в сочетании с высоким содержанием воды в топливе, паров воды во входящем воздухе и воды, образующейся при сгорании топлива (метанол и диметиловый эфир).

При такой реакции горения будет образовываться избыток воды, и существует возможность уловить часть этой воды для повторного использования и смешивания с предварительной топливной смесью, хранящейся в резервуаре для хранения топлива и имеющей более низкое содержание воды. В некоторых вариантах осуществления целесообразно сократить расходы на логистику цепочки поставок, связанные с наличием воды в топливе, путем транспортировки топливной основы с более высоким содержанием метанола, обеспечивая целевое качество двигателя при более высоких уровнях содержания воды путем улавливания воды из выхлопных газов двигателя.

Конструкция из теплообменника и распылительной камеры с использованием чистой воды с необязательными добавками для удаления избранных примесей в заключительной фазе может быть сконфигурирована для обеспечения низкого содержания образующихся при сжигании метанола загрязнений, отличающихся от двуокиси углерода. В дополнение к этому, окончательная очистка выхлопных газов может быть осуществлена путем адсорбции, например, несгоревшего метанола на активированных поверхностях для последующей десорбции и рециркуляции в двигателе в процессе, использующем известные способы, или для включения в качестве части в фумигант или в основное топливо.

В плане содержания окислов серы выхлопные газы в данном случае могут иметь следующую характеристику:

Концентрация окислов серы <0,1 промилле.

В целом выбросы других загрязнителей, таких как частицы окислов азота, будут значительно ниже по сравнению с дизельными топливами на основе нефти.

Любые небольшие количества окислов азота и окислов серы, образующиеся в фазе сгорания, и поглощение двуокиси углерода водной фазой могут привести к слабому подкислению воды, возвращаемой для смешивания с топливом. Возвратная водная смесь может нуждаться в химической обработке или в механической регулировке, чтобы компенсировать это слабое подкисление.

Выхлопные газы в результате такой очистки имеют улучшенные показатели выбросов по сравнению с дизельным топливом в плане выбросов топлива, углеводородов, твердых частиц, окислов азота и окислов серы, что является экологически выгодным.

Восстановление двуокиси углерода

Выхлоп, получающийся в результате сжигания топлива с высоким содержанием воды, почти не содержит примесей, что делает его идеальным для последующей обработки. В частности, двуокись углерода преобразуется обратно в метанол для непосредственного уменьшения выброса парниковой двуокиси углерода, либо двуокись углерода высокой чистоты можно использовать для органического роста, например для выращивания водорослей для нескольких конечных применений, включающих в себя производство метанола, используя источники энергии, которые могут включать в себя возобновляемые источники, такие как солнечная энергия, и так далее.

Посредством разделения или очистки кислорода в воздухе, количество азота в двигателе может быть уменьшено или устранено вообще с получением сокращения или ликвидации потенциальных окислов азота в результате окисления азота. Рециркуляция отработанной двуокиси углерода во входящий в двигатель кислород позволила бы затем оптимизировать уровень кислорода, поступающего в двигатель, и генерировать выхлоп, состоящий в значительной степени из чистой двуокиси углерода и водяного пара. Такая обогащенная двуокись углерода идеально подходит для дальнейшей переработки в метанол или вышеупомянутых применений, если это необходимо.

Пример 5

Топливо из 90% метанола, 5% воды и 15% диметилового эфира с предварительным подогревом входящего воздуха и без предварительного впрыска фумиганта

Данный пример повторяет пример 2, но с диметиловым эфиром, добавленным к основной водно-метанольной топливной композиции. Входящий воздух предварительно нагревается до температуры от 50°С до 150°С. Такая конструкция может включать в себя турбонагнетатель и теплообменник выхлопных газов/входящего воздуха. Степень необходимого подогрева может быть низкой или нулевой в диапазоне более высоких нагрузок, и средней при более низкой нагрузке и более низких оборотах двигателя.

Пример 6

Топливные композиции для использования со способами предварительного подогрева воздуха, с возможностью впрыска фумигантов

В следующей таблице приведены примеры метанольно-водяных топливных композиций для работы двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия с предварительным подогревом входящего воздуха. Эти метанольно-водяные топливные композиции могут использоваться при предварительном подогреве входящего воздуха до уровня по меньшей мере 50°С, или по меньшей мере 100°С, или по меньшей мере 150°С, или по меньшей мере 200°С, или по меньшей мере 250°С, или по меньшей мере 300°С или выше (в зависимости от условий). Топливные композиции могут быть дополнительно (или альтернативно по отношению к предварительному подогреву входящего воздуха) использованы в комбинации с фумигантом, и примеры подходящих фумигантов для топлив представлены во второй части таблицы. Основное топливо в каждой пронумерованной строке таблицы может работать в паре с подходящим фумигантом в той же пронумерованной строке таблицы, хотя сочетания соседних пар топлива и фумиганта также возможно. Что касается конкретных наполнителей топлива, смазочных материалов, улучшителей воспламенения и других добавок, они выбираются из примеров, приведенных выше в подробном описании. Процентное количество, указанное в таблице для этих добавок, относится к количеству одной добавки с данным описанием, либо к общему количеству добавок с данным описанием, когда используется комбинация более одной такой добавки данного класса. Конкретные примеры используют сахар или сложный эфир жирной кислоты в качестве наполнителя топлива, эфир жирной кислоты или производное этаноламина в качестве смазывающей добавки, эфир в качестве усилителя воспламенения и окрашивающие добавки и добавки цвета пламени в качестве дополнительных добавок.

В таблице приведены различные фумиганты, причем некоторые по своим характеристикам воспламенения ниже, чем те, которые классифицированы как компоненты с более высокими характеристиками воспламенения. Приведенный список компонентов не является исчерпывающим, другие подходящие компоненты, перечисленные в настоящем документе и известные специалистам в данной области техники, также могут быть использованы.

Реферат

Изобретение описывает топливную композицию для дизельного двигателя, включающая в себя: метанол в количестве по меньшей мере 20% от массы топлива; воду в количестве по меньшей мере 20% от массы топлива; где соотношение воды и метанола в пределах от 20:80 до 80:20; общее количество воды и метанола по меньшей мере 60% по массе топливной композиции, и одну или более добавок, в общем количестве по меньшей мере 0,1% от веса топлива, при этом уровень хлорида натрия, если он присутствует в качестве добавки, находится в диапазоне от 0% до 0,5% от массы топлива, а уровень ароматизатора, если он присутствует в качестве добавки, составляет от 0% до 1,5% от массы композиции, при этом топливная композиция включает от 0% до 20% по массе диметилового эфира. Также раскрываются основная топливная композиция, способ питания двигателя, способ регенерации электроэнергии и способ получения топливной композиции, а также применение топливной композиции для дизельного двигателя. Технический результат заключается в снижении вредных выбросов двигателя и улучшении термического эффективного коэффициента полезного действия, при использовании раскрытой топливной композиции. 8 н и 29 з.п. ф-лы, 15 ил., 6 пр., 17 табл.

Формула