RS62010B1

RS62010B1 - Gorivo koje sadrži metanol i postupak za pokretanje motora sa kompresionim paljenjem sa ovim gorivom

Info

Publication number: RS62010B1
Application number: RS20210769A
Authority: RS
Inventors: Greg Morris; Michael John Brear; Ronald Andrew Slocombe
Original assignee: Gane Energy & Resources Pty Ltd
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2021-07-30
Also published as: EP3299442A1; PL2643437T3; HRP20180461T1; PL3299442T3; MX2013005902A; PL2643438T3; ZA201304741B; JP2020033999A; US20160369193A1; EP2643438B1; CN103415599A; SG10201402600PA; JP2014500925A; BR112013013034B1; JP2016180409A; WO2012068634A1; CN105838455B; SMT202100354T1; SG190380A1; CY1124395T1

Description

Opis pronalaska

[0001] Predmetni pronalazak se odnosi na novu kompoziciju goriva i na postupak za pokretanje motora sa kompresionim paljenjem.

[0002] Ovom prijavom je zatražen prioritet australijskih prijava patenata AU2010905226 i AU2010905225. Ova se prijava takođe odnosi na međunarodnu prijavu pod nazivom "Postupak za pokretanje motora sa kompresionim paljenjem i gorivo za njega" koju je podneo isti podnosilac na ovaj dan, sa zajedničkim zahtevom za prioritet.

Stanje tehnike

[0003] Potraga za alternativnim gorivima za konvencionalna fosilna goriva podstaknuta je pre svega potrebom za gorivom sa 'čistim' emisijama uz niske troškove proizvodnje i široku dostupnost. Mnogo pažnje se posvećuje uticaju emisije goriva na životnu sredinu. Istraživanje alternativnih goriva fokusirano je na goriva koja će smanjiti količinu čestica i oksida proizvedenih sagorevanjem goriva, kao i na goriva koja smanjuju količinu nesagorelog goriva i emisije CO2i drugih proizvoda sagorevanja.

[0004] Za ekološki prihvatljive kompozicije goriva za transportne primene fokus je usmeren na etanol. Bio-materijali, kao što su organske biljne materije, mogu se pretvoriti u etanol, a etanol proizveden takvim postupcima se koristi kao delimična zamena za goriva za motore sa paljenjem iskrom. Iako to smanjuje oslanjanje na neobnovljive resurse goriva, rezultati zaštite životne okoline koji proizlaze iz korišćenja tih goriva u motorima nisu bitno poboljšani u opštem smislu, a efekat čistijeg sagorevanja pri kontinualnom korišćenju takvih goriva je umanjen manjom efikasnošću motora sa paljenjem iskrom i negativnim uticajem na životnu sredinu koji je povezan sa iskorišćavanjem energije, obradivog zemljišta, đubriva i vode za navodnjavanje kako bi se to gorivo proizvelo.

[0005] Druga alternativna goriva za potpunu ili delimičnu zamenu tradicionalnih goriva nisu postala široko korišćena.

[0006] Jedan od glavnih nedostataka u potpunoj zameni tradicionalnih goriva, a posebno goriva za motore sa kompresionim paljenjem (dizel goriva) zamenskim gorivom iz obnovljivih izvora se odnosi na uočene probleme povezane sa niskim cetanskim brojem takvih goriva. Takva goriva predstavljaju problem za postizanje paljenja na način koji je neophodan za efikasan rad motora.

[0007] Aktuelni podnosioci prijave takođe su uočili da je na nekim udaljenim lokacijama ili okruženjima, voda slabo raspoloživ resurs i da na takvim mestima može doći do potražnje za proizvodnjom električne energije (kao što je proizvodnja električne energije pomoću dizel motora) istovremeno sa hvatanjem vodenih nusproizvoda radi ponovne upotrebe u lokalnoj zajednici. Osim toga, prenošenje velike količine energije putem cevovoda za tečnost je odavno poznata i ekonomična tehnika za prenošenje tako velikih količina energije na velike udaljenosti sa minimalnim vizuelnim uticajem u odnosu na nadzemne prenosne vodove.

[0008] Aktuelni podnosioci prijave su takođe prepoznali potrebu da se na nekim mestima toplota koja je generisana u takvim industrijskim procesima uhvati i ponovno upotrebi u lokalnoj zajednici. U nekim slučajevima ta potreba je povezana sa potrebom za hvatanjem vode za ponovnu upotrebu, koje je gore pomenuto.

[0009] Ukratko, postoji stalna potreba za alternativnim gorivima za upotrebu u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem. Od interesa su goriva koja mogu smanjiti emisije, a naročito ako se ostvari poboljšani profil emisija bez velikog negativnog uticaja na efikasnost goriva i/ili performanse motora. Takođe postoji potreba za postupcima za pokretanje motora sa kompresionim paljenjem koji omogućavaju da takvi motori rade na goriva koja predstavljaju zamene za dizel gorivo, a koja sadrže komponente za koje se tradicionalno ne smatra da su podesne za upotrebu u takvim primenama. Dodatno tome, postoji potreba za gorivima za dizel motore i postupke rada motora koji su podesni za upotrebu na udaljenim lokacijama ili u sredinama koje su ekološki osetljive (npr. u morskim okruženjima na velikim geografskim širinama, a naročito u lučkim područjima, u smislu emisija) ili na drugim područjima, kao što su daleka suva, ali hladna područja u unutrašnjosti kopna, u kojima se mogu maksimalno iskoristiti svi nusproizvodi rada motora, uključujući, na primer, toplotu i vodu kao nusproizvode. Ovi ciljevi su primarni, uz što je moguće manji negativan efekat na efikasnost goriva i performanse motora.

[0010] WO 2007/088564 A1 otkriva postupak za redukciju emisija dizel motora.

[0011] US 4,603,662 A otkriva goriva koja sadrže smešu najmanje jednog alkohola i najmanje jednog etra.

Suština pronalaska

[0012] Prema predmetnom pronalasku realizovana je primena kompozicije kao glavne kompozicije goriva i postupak upotrebe kompozicije goriva. Kompozicija je definisana u zahtevima 1 i 8.

[0013] Pronalazak može rezultovati pojednostavljenjem i nižim troškovima proizvodnje goriva i smanjenim uticajem na životnu sredinu eliminacijom potrebe za proizvodnjom komponenata visoke čistoće i komponenata nusproizvoda, prihvatanjem smeše takvih komponenata u gorivu prema ovde opisanim postupcima. Troškovna i ekološka korist takođe mogu proisteći iz korišćenja goriva u hladnim klimatskim uslovima, budući da tačka smrzavanja goriva može lako zadovoljiti sva okruženja sa niskim temperaturama koje se mogu susresti.

[0014] Izlazni, odn. izduvni gas usled sagorevanja goriva može sadržati male količine nečistoća, što ga čini idealnim za naknadnu preradu. Kao primer, CO2se može prevesti nazad u metanol radi direktnog smanjenja gasa staklene bašte CO2ili se CO2visoke čistoće može koristiti za organsku proizvodnju, kao što su alge, za višestruke krajnje potrebe, uključujući proizvodnju metanola, uz korišćenje izvora energije koji mogu obuhvatati obnovljive izvore energije, uključujući solarnu.

[0015] Prema jednom primeru izvođenja, aditiv sadrži etar, sa nivoom do 20 tež. % goriva. Etar može biti dimetil etar.

[0016] U nekim primerima izvođenja, voda koja nastaje tokom sagorevanja goriva može se rekuperisati, što je glavna prednost za udaljena područja gde vlada oskudica vode. U drugim slučajevima, toplota generisana pri radu dizel motora se može koristiti za zadovoljavanje zahteva za grejanjem na lokalnom nivou. Nekim primerima izvođenja u skladu sa time se realizuju sistemi za proizvodnju električne energije bazirani na radu dizel motora kojima se na podesan način iskorišćava ispuštena voda i/ili toplota iz motora.

[0017] Dalje je realizovan sistem za proizvodnju električne energije koji sadrži: pokretanje motora sa kompresionim paljenjem uz korišćenje goriva sa metanolom-vodom, radi generisanja električne energije;

predgrevanje struje usisnog vazduha motora sa kompresionim paljenjem, i/ili fumigacija struje usisnog vazduha sa poboljšavačem paljenja;

prerada izduvnih gasova motora da bi se rekupericala otpadna toplota i/ili voda iz motora i preusmeravanje toplote i/ili vode za dalju upotrebu.

[0018] U nekim aspektima izvođenja toplota i/ili voda se mogu reciklirati nazad u motoru radi ponovne upotrebe.

[0019] Alternativno ili dodatno tome, toplota i/ili voda se mogu lokalno preusmeriti za upotrebu negde drugde. U jednom primeru, toplota se može otpremiti u ciklus, odn. kolo sa toplom vodom do obližnje zajednice da bi se zajedica snabdevala energijom u obliku toplote, na primer, za zagrevanje domaćinstava ili poslovnih prostorija. Motor bi se u ovom primeru mogao koristiti za generisanje električne energije za zajednicu, što može biti posebno korisno za udaljene zajednice.

[0020] U drugim primerima izvođenja sistem može biti prilagođen za pogonjena vozila, uključujući šinska i pomorska vozila. U ovim primenama izduvni gasovi se prerađuju da bi se uklonile čestice i rekuperisale toplota i voda za ponovnu upotrebu u motoru, kao i za drugačiju upotrebu koja se zahteva od šinskog ili pomorskog vozila.

[0021] Prema predmetnom pronalasku dalje je realizovan postupak za transport dvokomponentne kompozicije predgoriva koja sadrži metanol i etar, uključujući predgorivo sa prve lokacije do druge lokacije koja je udaljena od prve lokacije, i razdvajanje etra od metanola da bi se dobila prva komponenta goriva koja sadrži metanol i druga komponenta goriva koja sadrži etar.

[0022] Dalje je još realizovana pred-kompozicija goriva koja sadrži metanol i do 10 tež. % etra.

[0023] Prema predmetnom pronalasku dalje je realizovana primena gore opisane kompozicije dizel goriva u postupku ili sistemu za proizvodnju električne energije koji su gore opisani.

Kratki opis slika nacrta

[0024] Primeri izvođenja ovog pronalaska će sada biti opisani na osnovu primera sa pozivom na priložene slike nacrta, gde:

Slika 1 je algoritam koji ilustruje postupak za pokretanje motora sa kompresionim paljenjem u skladu sa primerom izvođenja predmetnog pronalaska;

Slika 2 je grafički prikaz težinskog % dimetil etra (DME), kao poboljšavača paljenja, koji se fumiguje u motoru (u poređenju sa težinom glavnog goriva), prikazan prema promeni temperature komprimovane smeše glavnog goriva/fumiganta/vazduha za tri kompozicije glavnog goriva (100% metanol, 70% metanol: 30% voda i 40% metanol: 60% voda). Prikaz se odnosi na situaciju u odsutnosti drugih, dole opisanih tehnika poboljšanja paljenja;

Slika 3A je algoritam koji ilustruje postupak za pokretanje motora sa kompresionim paljenjem i preradu izduvnih gasova motora, sa otpadnom toplotom koja se koristi kao zasebni izvor grejanja preko kola sa toplom vodom;

Slika 3B je algoritam sličan slici 3A, ali sa isključenim korakom fumigovanja usisnog vazduha motora;

Slika 4A je detaljniji prikaz prerade izduvnih gasova motora sa algoritma na slikama 3A i 3B;

Slika 4B je sličan izgled kao na slici 4A, ali bez krajnjeg kondenzatora za izmenu sa izlaznim vazduhom;

Slika 5A je algoritam koji ilustruje postupak za pokretanje motora sa kompresionim paljenjem za pogon šinskih vozila i preradu izduvnih gasova motora;

Slika 5B je algoritam sličan slici 5A, ali sa isključenim korakom fumigovanja usisnog vazduha motora;

Slika 6A je algoritam koji ilustruje postupak za pokretanje motora sa kompresionim paljenjem za pogon pomorskog vozila i preradu izduvnih gasova motora;

Slika 6B je algoritam sličan slici 6A, ali sa isključenim korakom fumigovanja usisnog vazduha motora;

Slika 7 je grafikon koji ilustruje toplotnu efikasnost na kočnici motora sa kompresionim paljenjem sa fumigacijom DME koji koristi glavna goriva sa različitim količinama vode i količinama metanola, DME i DEE u tečnoj fazi;

Slika 8 je grafikon koji ilustruje toplotnu efikasnost na kočnici motora sa kompresionim paljenjem koji koristi glavna goriva koja sadrže različite količine etra kao poboljšavača paljenja, i koji koristi DME kao fumigant.

Slika 9 je grafikon koji prikazuje emisiju NO izduvnih gasova motora sa kompresionim paljenjem koji koristi glavna goriva sa različitim količinama vode i koristi DME kao fumigant.

Slika 10 je šematski dijagram postupka i instrumentacije ispitnog postrojenja upotrebljenih za dobijanje rezultata iz primera 1.

Slika 11 je grafikon koji ilustruje smanjenje emisije NO izduvnih gasova kod motora sa kompresionim paljenjem povećanjem količine vode u gorivu sa metanolom i vodom.

Detaljni opis pronalaska

[0025] Gorivo i ovde opisani postupak su podesni za pokretanje motora sa kompresionim paljenjem (engl. compression ignition, skr. CI). Pogotovo su gorivo i postupak najpodesniji, ali nisu ograničeni na CI motore koji rade pri malim brzinama, kao što su 1000 rpm (o/min, engl. revolution per minute) ili manje. Brzina motora može biti čak 800 rpm ili manja, na primer, 500 rpm ili manja. Brzina motora može biti čak 300 rpm ili manja, na primer, 150 rpm ili manja.

[0026] Gorivo je stoga pogodno za veće dizel motore, kao što su oni koji rade na brodovima i vozovima, te u termoelektranama za proizvodnju električne energije. Manje brzine u većim CI motorima omogućavaju dovoljno vremena za sagorevanje odabrane kompozicije goriva, kao i za isparavanje dovoljno visokog procenta goriva kako bi se postigao efikasan rad.

[0027] Međutim, razumljivo je da bi gorivo i ovde opisani postupak mogli raditi kod manjih CI motora koji rade pri većim brzinama. U stvari, preliminarni test je sproveden na malom CI motoru koji radi na 2000 rpm i 1000 rpm, što pokazuje da je gorivo takođe sposobno da pokreće takve motore sa većom brzinom. U nekim slučajevima, korišćenju goriva i postupka na CI motorima sa manjim (većim brojem obrtaja) mogu pomoći adaptacije, odn. prilagođavanja, a neka od njih su razrađena u nastavku.

Kompozicija goriva

[0028] Kompozicija goriva koja sačinjava glavno gorivo za postupak sadrži metanol i vodu. Gorivo je gorivo za motor sa kompresionim paljenjem, to jest gorivo za dizel motore.

[0029] Metanol do sada nije našao komercijalnu primenu kod motora sa kompresionim paljenjem. Nedostatak metanola kao motornog goriva, bilo da je čist ili pomešan, ogleda se u njegovom niskom cetanskom broju, koji je u rasponu od 3 do 5. Ovako nizak cetanski broj čini metanol teško zapaljivim u CI motoru. Mešanje vode sa metanolom dodatno smanjuje cetanski broj goriva, što čini sagorevanje smeše metanola/vode kao goriva još težim, te bi se stoga kombinovanje vode sa metanolom za upotrebu u CI motorima smatralo protivintuitivnim. Efekat vode nakon ubrizgavanja goriva je hlađenje kada se voda zagreje i isparava, što još više spušta efektivni cetanski broj.

[0030] Međutim, utvrđeno je da se kombinacija metanola i vode može koristiti u motoru sa kompresionim paljenjem na efikasan način i sa emisijama čistijih izduvnih gasova, pod uslovom da se motor fumiguje fumigantom koji sadrži poboljšavač paljenja. Drugi faktori koji su razmotreni u nastavku takođe doprinose maksimiziranju efektivnog rada CI motora sa ovim gorivom. Kao sekundarna mera, struja usisnog vazduha može biti dodatno fumigovana sa fumigantom koji sadrži poboljšavač paljenja.

[0031] Glavno gorivo može biti homogeno gorivo ili jednofazno gorivo. Gorivo obično nije emulziono gorivo koje sadrži odvojenu organsku i vodenu fazu koje su emulgovane zajedno. Gorivo stoga može biti bez emulgatora. Smeštaj aditivnih komponenti u gorivu je potpomognut dvostrukim solventnim svojstvima i metanola, i vode, što će omogućiti rastvaranje šireg raspona materijala uz različite odnose vode: metanola i koncentracije koje se mogu koristiti.

[0032] Kao iznenađujuće je otkriveno da posebna nova kompozicija goriva bazirana na metanolu i relativno visokom nivou vode može da se upotrebljava kao gorivo za motore sa kompresionim paljenjem. To gorivo se može nazvati dizel gorivom. Mada su neke kompozicije goriva na bazi metanola i vode bile ranije opisane, za goriva ovog tipa koja sadrže visoke nivoe vode nije bilo pokazano da mogu da pokreću motor sa kompresionim paljenjem. Naročito su metanolska goriva sa vodom kao komponentom bila opisana samo za upotrebu kao gorivo za grejanje ili kuvanje, gde gorivo sagoreva da bi se generisala toplota. Principi koji se primanjuju na goriva za dizel motore su veoma različiti, pošto gorivo mora da se zapali pri komprimovanju u motoru sa kompresionim paljenjem. Veoma malo, ako uopšte nešto može da se pronađe u referencama u vezi primene metanola i drugih komponenata u gorivima za kuvanje/grejanje. Međutim, ovde opisane tehnike omogućavaju da ovde opisana nova goriva pokreću motor sa kompresionim paljenjem.

[0033] Prema jednom primeru izvođenja, aditiv sadrži etar, sa nivoom do 20 tež. % goriva. Etar može biti dimetil etar ili dietil etar.

[0034] Nivo vode može biti iznad 20 tež. % kompozicije goriva u nekim primerima izvođenja. Minimalni nivo vode u nekim primerima izvođenja je opisan u nastavku. Na primer, minimalni nivo vode može biti veći od 25 tež. %, veći od 30 tež. %, veći od 35 tež.%, veći od 40 tež. %, veći od 45 tež. %, veći od 50 tež. %, veći od 55 tež. %, veći od 60 tež. %, veći od 65 tež. % ili čak veći od 70 tež. % goriva.

[0035] Za takav sadržaj vode u kompoziciji dizela sa metanolom-vodom, do sada nije bilo utvrđeno da može da pokreće motor sa kompresionim paljenjem. Međutim, ovde opisane kompozicije goriva sa metanolom-vodom, sa visokim sadržajem vode mogu da pokreću motor sa kompresionim paljenjem, a naročito kada se taj motor pokreće u skladu sa ovde opisanim postupkom. Ovo može obuhvatati predgrevanje usisnog vazduha, ili fumigovanje ulaznog vazduha sa fumigantom.

[0036] Sve količine navedene u ovom dokumentu se odnose na težinu, osim ako nije drugačije određeno. Tamo gde je opisana procentualna količina komponente u glavnoj kompoziciji goriva, to se odnosi na procenat te komponente prema težini celokupne kompozicije glavnog goriva. Kada se upotrebljava fumigant, onda se on ne smatra delom same kompozicije goriva, tako da se smatra da kompozicija goriva u ovom kontekstu ne sadrži fumigant.

[0037] U širem smislu, relativna količina vode prema metanolu u kompoziciji glavnog goriva može biti u rasponu od 0,2: 99,8 do 80:20 po težini. Prema nekim primerima izvođenja, minimalni nivo vode (u odnosu na metanol) je 1:99, kao što je minimalni odnos od 2:98, 3:97, 5:95, 7:93, 10:90, 15:95, 19:81; 21:79. Gornja granica vode (u odnosu na metanol) u kompoziciji prema nekim primerima izvođenja je 80:20, kao što je 75:25, 70:30, 60:40, 50:50 ili 40:60. Može se smatrati da je relativna količina vode u kompoziciji u rasponu "niskog do srednjeg" nivoa vode ili "srednjeg do visokog " nivoa vode. Raspon "od niskog do srednjog" nivoa vode pokriva raspon od bilo kog od gore navedenih minimalnih nivoa do maksimuma od 18:82, 20:80, 25:75, 30:70, 40:60, 50:50 ili 60:40. Raspon "od srednjeg do visokog" nivoa vode obuhvata raspon od 20:80, 21:79, 25:75, 30:70, 40:60, 50:50, 56:44 ili 60:40 do najviše jedne od gore navedenih gornjih granica. Tipični raspon niskog/srednjeg nivoa vode je od 2:98 do 50:50, a tipični raspon srednjeg/visokog nivoa vode je od 50:50 do 80:20. Tipični raspon niskog nivoa vode je od 5:95 do 35:65. Tipični opseg srednjeg nivoa vode je od 35:65 do 55:45. Tipični raspon visokog nivoa vode je od 55:45 do 80:20. Novo dizel gorivo sa većim sadržajem vode prema predmetnom pronalasku može sadržati gornje relativne količine vode i metanola, uz uslov da gorivo ima prethodno opisane karakteristike goriva (kao što je sadržaj vode od minimalno 20%).

[0038] Razmatrajući sa stanovišta procenta vode u celokupnoj kompoziciji glavnog goriva po težini, relativna količina vode u kompoziciji glavnog goriva može biti minimalno najmanje 6%, najmanje 7%, najmanje 8%, najmanje 9%, najmanje 10%, najmanje 11%, najmanje 12%, najmanje 13%, najmanje 14%, najmanje 15%, najmanje 16%, najmanje 17%, najmanje 18%, ili najmanje 19%, najmanje 20%, najmanje 22 tež. %, najmanje 25%, najmanje 30%, najmanje 35% vode po težini kompozicije goriva. Kako se težina vode u kompoziciji glavnog goriva povećava, sve je više iznenađujuće da fumigacija usisnog vazduha sa fumigantom prevladava nepoželjnost vode u gorivu u smislu paljenja, uz gladak rad u smislu COV IMEP-a i proizvodnju neto izlazne snage. Maksimalna količina vode u kompoziciji goriva može biti 35%, 32%, 30%, 25%, 23%, 20%, 15% ili 10 % po težini. Bilo koji od minimalnih

1

nivoa se može kombinovati sa maksimalnim nivoom bez ograničenja, uz uslov da minimalni nivo bude ispod maksimalnog nivoa vode.

[0039] Na osnovu rezultata ispitivanja prikazanih u primerima, za željenu toplotnu efikasnost na kočnici (brake thermal efficiency, skr. BTE), količina vode u kompoziciji goriva u nekim primerima izvođenja je između 0,2 i 32 tež. %. Optimalna zona za maksimum toplotne efikasnosti na kočnici za motor sa kompresionim paljenjem za gorivo na bazi metanola i vode iznosi između 12 i 23% vode u kompoziciji glavnog goriva po težini. Raspon može biti inkrementalno sužen od šireg ka užem od ova dva raspona. U nekim primerima izvođenja, ovo se kombinuje sa količinom poboljšavača paljenja u kompoziciji glavnog goriva koja nije veća od 15 tež. % kompozicije glavnog goriva. Detalji u vezi poboljšavača paljenja su navedeni u nastavku.

[0040] Na osnovu ostalih rezultata ispitivanja iskazanih u primerima, za maksimalno smanjenje emisije NOx, količina vode u kompoziciji goriva u nekim primerima izvođenja je između 22% i 68% po težini. Optimalna zona za maksimalno smanjenje emisije NOx je između 30 i 60% vode po težini kompozicije glavnog goriva. Raspon može biti inkrementalno sužen od šireg ka užem od ta dva raspona. Budući da je NO glavna komponenta emisije NOx, može se naglasiti da emisije NO predstavljaju veći udeo, ili da su indikativne za celokupni opseg emisija NOx.

[0041] U nekim primerima izvođenja, za poželjnu ravnotežu svojstava goriva i emisija, kompozicija glavnog goriva sadrži između 6% i 35% vode po težini kompozicije glavnog goriva, kao što je između 6% i 25% vode, između 6% i 22% vode. Ovi nivoi se baziraju na kombinaciji rezultata ispitivanja prikazanih u primerima.

[0042] U opštim gorivima za primenu u ovde opisanom postupku, količina metanola u celoj kompoziciji goriva je prvenstveno najmanje 20 tež. % kompozicije goriva. Prema nekim primerima izvođenja (kao što je primer izvođenja nove kompozicije dizel goriva sa metanolom-vodom, sa visokim sadržajem vode), količina metanola u kompoziciji goriva je najmanje 30%, najmanje 40%, najmanje 50%, najmanje 60% ili najmanje 70% kompozicije goriva. U opštim gorivima za primenu u ovde opisanom postupku, količina vode u celoj kompoziciji goriva može biti najmanje 0.2%, najmanje 0.5%, najmanje 1%, najmanje 2%, najmanje 3%, najmanje 4%, najmanje 5%, najmanje 6%, najmanje 7%, najmanje 8%, najmanje 9%, najmanje 10%, najmanje 11%, najmanje 12%, najmanje 13%, najmanje 14%, najmanje 15%, najmanje 16%, najmanje 17%, najmanje 18%, najmanje 19%, najmanje 20%, najmanje 25%, najmanje 30%, najmanje 35%, najmanje 40%, najmanje 45%, najmanje 50%, najmanje 55%, najmanje 60%, najmanje 65% i najmanje 70%. Kod primera izvođenja nove kompozicije dizel goriva sa metanolom-vodom, sa visokim sadržajem vode, nivo vode je najmanje 20 tež. % kompozicije goriva. Paljenje takvog goriva sa višim nivoima vode može se ostvariti povećanjem temperature vazduha koji ulazi u motor. Dalja poboljšanja svojstava paljenja se mogu ostvariti upotrebom fumiganta koji se može zapaliti pre ubrizgavanja goriva, čime dovodi do stvaranja podesnih uslova više temperature kada se gorivo ubrizgava, da bi došlo do paljenja. Kada se težina vode u kompoziciji glavnog goriva povećava, sve je više iznenađujuće da tehnike poboljšanja paljenja koje su gore navedene prevladavaju nepoželjnost vode u gorivu.

[0043] Kombinovana količina metanola i vode u ukupnoj kompoziciji glavnog goriva može biti najmanje 75%, kao što je najmanje 80%, najmanje 85%, ili najmanje 90% po težini kompozicije goriva. Kompozicija glavnog goriva može sadržati jedan ili više aditiva, u kombinovanoj količini do 25%, ili do 20% ili do 15% ili do 10 tež. % kompozicije glavnog goriva. U nekim primerima izvođenja, ukupni ili kombinovani nivo aditiva nije veći od 5% kompozicije glavnog goriva. U nekim primerima izvođenja, kao što je nova kompozicija dizel goriva sa visokim sadržajem vode, aditiv sačinjava najmanje 0.1 tež. % goriva. U novoj kompoziciji dizel goriva sa visokim sadržajem vode, ako je prisutan natrijum hlorid, onda je ovaj aditiv prisutan sa nivoom ne većim od 0.5 tež. % goriva, a ako je prisutna aroma, nivo arome nije veći od 1.5% kompozicije.

[0044] Metanol za upotrebu u proizvodnji kompozicije glavnog goriva može poticati iz bilo kojeg izvora. Kao jedan primer, metanol može biti proizvedeni ili otpadni metanol ili grubi ili polurafinisani metanol ili nerafinisani metanol. Grubi ili otpadni ili polurafinisani metanol obično uglavnom može sadržati metanol, pri čemu je ostatak voda, a količine viših alkohola, aldehida, ketona ili drugih ugljovodonika i molekula kiseonika nastaju tokom normalnog toka proizvodnje metanola. Metanolski otpad može ili ne mora biti pogodan, u zavisnosti od stepena i vrsta kontaminacije. U gornjim odeljcima navođenje odnosa metanola i vode ili količina metanola u kompoziciji goriva po težini se odnosi na količinu samog metanola u izvoru metanola. Shodno tome, ako je izvor metanola sirovi metanol koji sadrži 90% metanola i druge komponente, a količina ovog sirovog metanola u kompoziciji goriva je 50%, tada se smatra da je stvarna količina metanola 45% metanola. Sadržaj vode u izvoru metanola se uzima u obzir prilikom određivanja količine vode u kompoziciji goriva, dok se ostale nečistoće tretiraju kao aditivi prilikom procene relativnih količina komponenata u proizvodima, osim ako nije drugačije navedeno. Viši alkoholi, aldehidi i ketoni koji mogu biti prisutni u sirovom metanolu mogu delovati kao rastvorljivi aditivi punioci za gorivo.

[0045] Prema nekim primerima izvođenja, glavno gorivo sadrži sirovi metanol. Izraz "sirovi metanol" obuhvata izvore metanola niske čistoće, kao što su izvori metanola koji sadrže metanol, vodu i mogu biti do 35% nevodenih nečistoća. Sadržaj metanola u sirovom metanolu može biti 95% ili manji. Sirovi metanol se može koristiti direktno u gorivu bez dalje rafinacije. Tipične nevodene nečistoće obuhvataju više alkohole, aldehide, ketone. Pojam "sirovi metanol" obuhvata otpadni metanol, grubi metanol i polurafinisani metanol. Posebna prednost ovog primera izvođenja je što se sirovi metanol koji sadrži nečistoće sa višim nivoima može direktno koristiti u gorivu za CI motore bez skupe rafinicije. U ovom slučaju, aditiv (tj. nečistoće sirovog metanola i drugi aditivi kompozicije goriva, bez vode) može biti do 60% kompozicije glavnog goriva (uključujući nečistoće u sirovom metanolu). Za kompozicije glavnog goriva za koje se koristi metanol visoke čistoće (kao što je 98% ili više% čistog metanola) kao izvor, ukupni nivo aditiva može biti niži, kao što je ne više od 25%, ne više od 20%, ne više od 15 % ili ne više od 10%.

[0046] Bilo koja voda podesne kakvoće se može koristiti kao izvor vode za proizvodnju kompozicije glavnog goriva. Izvor vode može biti voda koja je sadržana kao deo neizdestilovanog grubog metanola ili reciklirana voda ili sirova ili zagađena voda (na primer, morska voda koja sadrži soli) prečišćena reverznom osmozom, prečišćena aktiviranim supstancama kao što su aktivni ugalj, ili daljom hemijskom preradom, dejonizacijom, destilacijom ili tehnikama isparavanja. Voda može poticati iz kombinacije ovih izvora. Kao jedan primer, izvor vode može biti voda koja se rekuperiše iz izduvnih gasova motora sa sagorevanjem usled paljenja bogatog vodom. Ova voda se može dobiti pomoću izmenjivača toplote i komora za raspršivanje ili drugih sličnih operacija. Ova tehnika rekuperacije i ponovne upotrebe omogućava prečišćavanje emisija izduvnih gasova. Voda se u ovom slučaju reciklira nazad u motoru sa ili bez hvatanja nesagorelog goriva, ugljovodonika ili čestica ili drugih proizvoda sagorevanja koji se vraćaju u motor i recikliraju sve do nestanka putem koraka sagorevanja u ciklusima ili se tretiraju pomoću poznatih sredstava za prečišćavanje. Voda u nekim primerima izvođenja može biti slana voda, kao što je morska voda, koja se prečišćava da bi se iz nje uklonila so. Ovaj primer izvođenja je

1

podesan za primenu na moru, kao što je kod brodskih CI motora, ili za rad CI motora na udaljenim ostrvskim lokacijama.

[0047] Kvalitet vode uticaće na koroziju u lancu snabdevanja sve do tačke ubrizgavanja u motor i karakteristika taloženja motora, a pod tim okolnostima može biti potrebna podesna prerada glavnog goriva sa antikorozivnim aditivima ili drugim metodama.

[0048] Za količinu aditiva uključenih u gorivo mogu biti uzeti u obzir svi nizvodni efekti razređivanja uzrokovani dodavanjem vode (na primer) gorivu.

[0049] Aditivi koji mogu biti prisutni u kompoziciji glavnog goriva mogu biti izabrani iz jedne ili više od sledećih kategorija, ali ne isključivo iz njih:

1. Aditivi za poboljšanje paljenja. Oni se takođe mogu nazivati i poboljšavačima paljenja. Poboljšavač paljenja je komponenta koja podstiče započinjanje sagorevanja. Molekuli ovog tipa su inherentno nestabilni, a ta nestabilnost dovodi do "samozapočinjuće" (odn. spontane) reakcije koja dovodi do sagorevanja kompozicije glavnog goriva (na primer, metanola). Poboljšavač paljenja može biti izabran između materijala poznatih u odgovarajućoj oblasti za koje je poznato da imaju svojstva za poboljšanje paljenja, kao što su etri (uključujući C1-C6 etre, kao što je dimetiletar), alkil nitrati, alkil peroksidi, isparljivi ugljovodonici, oksigenovani ugljovodonici i njihove smeše.

Pored tipičnih poboljšavača paljenja, fino raspršene čestice ugljenih hidrata koje su prisutne u zoni sagorevanja nakon isparavanja komponenti tečnih goriva pre paljenja mogu ili ne moraju imati ulogu kao poboljšavač paljenja, međutim, takve prisutne vrste mogu doprineti potpunijem i brzom sagorevanju celokupne smeše vazduha/goriva. Dok se u glavno gorivo mogu uključiti dodatna sredstva za poboljšanje paljenja, ovde opisane tehnike omogućavaju paljenje na celom radnom području motora bez takvih dodataka. Shodno tome, prema nekim primerima izvođenja glavno gorivo nema aditiva za poboljšanje paljenja. U drugim primerima izvođenja, glavno gorivo je bez DME (mada može sadržati i druge poboljšavače paljenja). U slučaju dimetil etra kao poboljšavača paljenja, prema nekim primerima izvođenja, manje od 20%, manje od 15%, manje od 10%, manje od 5%, manje od 3%, manje od 1% dimetil etra ili bez njega je prisutno u kompoziciji goriva. U nekim primerima izvođenja, količina etra (bilo kojeg tipa, kao što je dimetil ili dietil etar) u kompoziciji glavnog goriva je manja od 20%, manja od 15%, manja od 10%, manja od 5%.

U nekim primerima izvođenja, najmanje 80% poboljšavača paljenja prisutnog u kompoziciji glavnog goriva, obezbeđeno je sa jednom ili najviše dve specifične hemikalije, a primeri za to su dimetil etar i dietil etar. U jednom primeru izvođenja, u kompoziciji glavnog goriva prisutan je poboljšavač paljenja u vidu jednog hemijskog entiteta. U jednoj varijanti, najmanje 80% poboljšavača paljenja u glavnoj kompoziciji goriva se sastoji od poboljšavača paljenja kao jednog hemijskog entiteta. U svakom slučaju, samo jedan poboljšavač paljenja koji sačinjava poboljšavač paljenja, ili > 80% komponente za poboljšanje paljenja može biti dimetil etar. U drugim primerima izvođenja, poboljšavač paljenja sadrži smešu od tri ili više poboljšavača paljenja.

Količina poboljšavača paljenja u kompoziciji glavnog goriva u nekim primerima izvođenja nije veća od 20%, kao što nije veća od 10% ili nije veća od 5% kompozicije goriva.

2. Punilac za gorivo. Punilac (odn. ekstender) za gorivo je materijal koji daje toplotu za pogon motora. Materijali koji se koriste kao punioci za gorivo mogu imati ovu svrhu kao glavnu svrhu njihovog uključivanja u kompoziciju goriva, ili tu funkciju i drugu funkciju može obezbediti materijal aditiva.

Primeri takvih punilaca za gorivo su:

a) ugljeni hidrati. Ugljeni hidrati obuhvataju šećere i skrob. Ugljeni hidrat može biti uključen za svrhe punjenja goriva, mada može funkcionisati i kao poboljšavač paljenja i/ili poboljšavač sagorevanja. Ugljeni hidrat je pre svega rastvorljiv u vodi/metanolu, sa višim nivoima vode za postizanje većeg rastvaranja šećera, na primer, u glavnom gorivu. Vodom obogaćena (jednofazna) kompozicija glavnog goriva omogućava rastvaranje ugljenih hidrata, kao što je šećer, međutim, pošto tečni rastvarač (voda/metanol) u kompoziciji goriva isparava u motoru, onda rastvor ugljenih hidrata može formirati veliku mikrofinu površinu suspendovanih čestica sa niskom kompozicijom LEL (donja granica eksplozije, engl. lower explosive limit), koje će se raspasti/reagovati pod uslovima u motoru, poboljšavajući zapaljivost smeše glavnog goriva. Da bi se poboljšala sagorljivost smeše poželjna je

1

količina od najmanje 1 %, a prvenstveno od najmanje 1,5% i još poželjnije od najmanje 5% ovog ugljenohidratnog aditiva.

b) Rastvorljivi aditivi za punjenje goriva. Aditivi za punjenje goriva su zapaljivi materijali. Ovi aditivi se mogu dodati kao zasebne komponente ili mogu biti deo neizdestilovanog metanola koji se koristi za dobijanje kompozicije glavnog goriva. Takvi aditivi obuhvataju C2-C8 alkohole, etre, ketone, aldehide, estre masnih kiselina i njihove smeše. Estri masnih kiselina, kao što su metil esteri masnih kiselina, mogu poticati iz biogoriva. Oni mogu poticati iz bilo kog izvora biogoriva ili procesa za njegovo dobijanje. Tipični postupci za njihovu proizvodnju obuhvataju transesterifikaciju biljnih ulja, kao što su ulje od uljane repice, palmino ulje ili sojino ulje.

Može postojati mogućnost da se ekonomski poveća nivo punioca za goriva u kompoziciji glavnog goriva za pojedina tržišta gde se takav aditiv može proizvesti ili uzgajati i trošiti na lokalnom nivou, čime se smanjuje potreba za uvozom osnovnog goriva i/ili aditiva. U takvim uslovima poželjna je količina ili stepen tretiranja do 30% ili do 40% ili do 50% kompozicije glavnog goriva, mada se mogu razmatrati i koncentracije do 60% ukupnih aditiva, uključujući takve aditive za punjenje goriva, a naročito tamo gde je izvor metanola sirovi metanol.

3. Poboljšavači sagorevanja. Oni se takođe mogu nazivati pojačavačima sagorevanja. Primer poboljšavača sagorevanja je nitratno amonijumsko jedinjenje, na primer, amonijum nitrat. Na 200°C amonijum nitrat se razlaže na azotni oksid prema sledećoj reakciji:

NH4NO3= N2O 2H2O

Formirani azotni oksid reaguje sa gorivom u prisustvu vode na sličan način kao kiseonik, npr.

CH3OH H2O = 3H2+ CO2

H2+ N2O = H2O N2

1

CH3OH 3N2O = 3N2+ CO2+ 2H2O

Ostala nitratna amonijumska jedinjenja koja se mogu koristiti obuhvataju etilamonijum nitrat i trietilamonijum nitrat kao primere, mada se ovi nitrati mogu smatrati i poboljšavačima paljenja (cetanskim) pre nego poboljšavačima sagorevanja, budući da je njihova glavna funkcija u gorivu poboljšanje paljenja.

Ostali poboljšavači sagorevanja mogu obuhvatati metalne ili jonske vrste, koje se formiraju disocijacijom u okruženju pre ili posle sagorevanja.

4. Ulje za apsorpciju kiseonika. Ulje za apsorpciju kiseonika je pre svega ono koje je rastvorljivo u smešama metanola i vode. Ulja za apsorpciju kiseonika imaju nisku tačku paljenja i imaju sposobnost direktnog apsorbovanja kiseonika pre sagorevanja, u količinama od, na primer, 30 mas.% ulja. Ova brza kondenzacija kiseonika iz vrele gasovite faze u uljnu/čvrstu fazu posle isparavanja okolne vode će brže zagrejati česticu ulja koja uzrokuje paljenje okolnog isparenog i pregrejanog metanola. Ulje koje je idealno prilagođeno ovoj ulozi je laneno ulje, u koncentraciji od oko 1-5% u kompoziciji glavnog goriva. Ako se ovaj aditiv koristi u kompoziciji glavnog goriva, onda smeša goriva treba da bude uskladištena pod slojem inertnog gasa kako bi se smanjila razgradnja ulja kiseonikom. Laneno ulje je ulje koje sadrži masne kiseline. Umesto lanenog ulja ili pored njega se mogu koristiti ostala ulja koja sadrže masne kiseline. Poželjna ulja su ona koja se rastvaraju u metanolskoj fazi ili su mešljiva u metanolu, kako bi se proizvela homogena, jednofazna kompozicija. Međutim, u nekim primerima izvođenja mogu se koristiti ulja koja nisu mešljiva u vodi/metanu, a naročito ako je u kompoziciji goriva takođe prisutan aditiv za emulgaciju.

5. Aditivi za podmazivanje. Primeri aditiva za podmazivanje obuhvataju derivate dietanolamina, fluorosurfaktante i estre masnih kiselina, kao što su biogoriva koja su u određenoj meri rastvorljiva u smešama vode/metanola na kojima je bazirana kompozicija glavnog goriva.

6. Aditivi za bojenje proizvoda. Aditivi za bojenje pomažu obezbeđivanju toga da se kompozicija goriva ne može zameniti za neki tečni napitak, kao što je voda.

1

Može se koristiti bilo koja boja koja je rastvorljiva u vodi, poput žute, crvene, plave boje ili kombinacije ovih boja. Boja može biti standardno prihvaćena industrijska tečna boja.

7. Aditivi za boju plamena. Neograničavajući primeri obuhvataju karbonate ili acetate natrijuma, litijuma, kalcijuma ili stroncijuma. Aditivi za boju plamena mogu se izabrati da bi se postigla željena boja i stabilnost pH u finalnom proizvodu. Razmatranja taloženja u motoru, ako ih ima, mogu se uzeti u obzir pri izboru aditiva koji će se koristiti.

8. Aditivi za zaštitu od korozije. Neograničavajući primeri aditiva za zaštitu od korozije obuhvataju amine i amonijumske derivate.

9. Biocidi. Mada se mogu dodati biocidi, to obično nije potrebno, jer visoki sadržaj alkohola (metanola) u glavnom gorivu sprečava biološki rast ili biološku kontaminaciju. Shodno tome, prema nekim primerima izvođenja glavno gorivo nema biocide.

10. Sredstva za snižavanje tačke zamrzavanja. Mada sredstva za snižavanje tačke zamrzavanja mogu biti uključena u glavno gorivo, metanol (i dodatni aditivi, kao što je šećer, koji su dodati za druge svrhe) snižava tačku smrzavanja vode. Shodno tome, prema nekim primerima izvođenja glavno gorivo nema dodatno namensko sredstvo za snižavanje tačke zamrzavanja.

11. Sredstvo za smanjenje taloženja. Neograničavajući primeri obuhvataju polioletar i trietanolamin

12. Ako je potrebno, denaturant.

13. Sredstvo za podešavanje pH. Može se koristiti sredstvo koje podiže ili snižava pH do podesnog pH, koji je kompatibilan sa gorivom.

[0050] Aditivi, a naročito oni koji su identifikovani u tačkama 1 i 2, se mogu dodati u glavno gorivo bilo kao standardni industrijski komercijalni proizvod (tj. u rafinisanom

1

obliku) ili u vidu vodenog rastvora kao poluproizvod (tj. u neprečišćenom obliku, polurafinisanom obliku ili sirovom obliku). Zadnje pomenuta opcija potencijalno smanjuje troškove aditiva. Uslov za korišćenje takvih izvora sirovih aditiva je da nečistoće u sirovim oblicima takvih aditiva, kao što su rastvor sirovog šećera ili šećerni sirup, kao jedan primer, ne utiču nepovoljno na mlaznice za ubrizgavanje goriva ili na performanse motora.

[0051] Prema nekim primerima izvođenja, glavno gorivo sadrži najmanje jedan aditiv. Prema nekim primerima izvođenja, glavno gorivo sadrži najmanje dva različita aditiva.

[0052] Gorivo u nekim primerima izvođenja može sadržati od 20% do 80% vode i ne više od 20% dimetil etra po težini kompozicije goriva. Sadržaj dimetil etra u nekim primerima izvođenja može biti 15% ili manji, 10% ili manji ili 5% ili manji.

[0053] Etri su gore navedeni kao primeri poboljšavača paljenja i rastvorljivih aditiva za punjenje goriva. Bez obzira na namenjenu funkciju, u nekim primerima izvođenja etar može biti prisutan u ukupnom nivou manem od 20%, manjem od 15%, manjem od 10%, manjem od 5%, manjem od 3% ili manjem od 1% kompozicije goriva. Količina može biti veća od 0,2%, 0,5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 12%. Donja i gornja granica mogu se kombinovati bez ograničenja, pod uslovom da je donja granica ispod izabrane gornje granice.

[0054] U nekim primerima izvođenja, kompozicija glavnog goriva sadrži etar u količini između 0,2% i 10% težine kompozicije glavnog goriva. Etar je prvenstveno jedan etar ili kombinacija dva etra.

[0055] Korišćenjem etra kao poboljšavača paljenja i/ili rastvorljivog punioca za goriva, u gorivu na bazi metanola, razvijen je kompletan postupak za proizvodnju, transport i korišćenje kompozicije goriva. Gorivo na bazi metanola može biti gorivo bez vode ili gorivo na bazi metanola-vode u ovom slučaju. Ovo je detaljnije opisano u nastavku.

[0056] Aditivi u gorivu u nekim primerima izvođenja mogu sadržati:

- aditiv za bojenje proizvoda, do 1 tež. %, i

- aditiv za boju plamena, do 1 tež. % goriva.

Detalji rada motora za primere izvođenja za predgrevanjem usisnog vazduha

1

[0057] Slika 1 prikazuje algoritam koji prikazuje postupak korišćenja goriva 11 od smeše metanola/vode u CI motoru 10. Postupak sadrži fumigaciju struje usisnog vazduha 12 sa poboljšavačem paljenja 14, a zatim uvođenje fumigovanog vazduha, uz kontrolu paljenja 30, u komoru za sagorevanje motora 10, pre nego što se u komoru za sagorevanje uvede gorivo 11 i paljenje smeše glavnog goriva/fumigovanog vazduha kompresionim paljenjem da bi motor radio.

[0058] Usisni vazduh 12, koji se može predgrejati različitim tehnikama, se ubrizgava u komoru za sagorevanje pre ili tokom početne faze kompresionog hoda motora, tako da se vazduh komprimuje pre nego što se glavno gorivo ubrizga u komoru za sagorevanje. Kompresija vazduha povećava temperaturu u komori za sagorevanje kako bi se osigurali povoljni uslovi paljenja za gorivo kada se ono rasprši u komori tokom poslednje faze kompresije.

[0059] Predgrevanje usisnog vazduha 12 obezbeđuje višu temperatursku osnovu na početku kompresionog hoda, što rezultuje time da je temperatura u trenutku ubrizgavanja goriva viša nego kada se vazduh ne predgreva i zato je sagorljiviji. Potrebni nivo predgrevanja zavisi od potrebne temperature u komori za sagorevanje u trenutku ubrizgavanja goriva koja je potrebna za paljenje smeše vode/metanola kao goriva. Ovo, dalje, zavisi od relativnih odnosa vode i metanola u gorivu.

[0060] Primeri nivoa temperatura predgrejanog vazduha su prikazani u primerima koji slede, ali je generalno utvrđeno da su za goriva sa niskim do srednjim nivoom vode podesne temperature predgrevanja usisnog vazduha najmanje 50°C, ili najmanje 100°C, kao što je oko 100°C-150°C, na primer, oko 130°C. Za goriva sa srednjim do visokim nivoom vode temperature predgrevanja su u opsegu od najmanje oko 150°C, kao što je 150°C-300°C ili više.

[0061] Predgrevanje usisnog vazduha neutralizuje slabe cetanske karakteristike goriva sa metanolom/vodom, a naročito onih koja imaju srednje do visoke nivoe vode. Predgrevanje se može realizovati različitim sredstvima.

[0062] U primeru izvođenja prikazanom na slici 1, usisni vazduh 12 se predgreva hvatanjem vrelog izduvnog materijala 22, koji sadrži sagorele gasove i nesagorelo gorivo, kao i druge čestice, pa se izduvni materijal propušta kroz izmenjivač toplote 20 koji zagreva struju vazduha 15 koja ulazi u izmenjivač toplote i hladi izduvni materijal 22. U liniji sa usisnim vazduhom 12 može biti predviđen ventilator radi optimizacije profila pritiska usisnog vazduha u toku ciklusa rada motora.

2

[0063] Tehnike predgrevanja obuhvataju bilo koju ili kombinaciju sledećih metoda zagrevanja:

1. Predgrejač otpadne toplote - korišćenjem izmenjivača toplote kao što je razmotreno gore u vezi primera izvođenja sa slike 1.

3. Superpunjač/duvalica - ili drugo sredstvo za komprimovanje vazduha koje pokreće motor radi prisilnog uvođenja usisnog vazduha u komoru za sagorevanje i zagrevanje usisnog vazduha povećanjem pritiska vazduha.

4. Turbopunjač - ili drugi mehanizam za komprimovanje vazduha koji pokreću izduvni gasovi motora ili bilo koja druga otpadna toplota radi prisilnog uvođenja usisnog vazduha na usisu u komoru za sagorevanje i zagrevanje usisnog vazduha povećanjem pritiska vazduha.

5. Direktno zagrevanje - upotreba direktnih postupaka za zagrevanje vazduha, kao što je električno zagrevanje preko elemenata ili sagorevanje goriva za generisanje potrebnog povećanja temperature. Takvi postupci mogu biti korisni za vreme stavljanja motora u pogon i pri niskim opterećenjima motora.

6. Grejači (ili usijane glave) - usmeravaju toplotu u cilindre motora, pri čemu ova kategorija obuhvata spoljašnje grejače zajedno sa usisnim vazduhom za direktno zagrevanje usisnog vazduha.

[0064] Propuštanje toplote iz izduvnih gasova motora kroz izmenjivač toplote (opcija 1 gore, bez ventilatora) će rezultovati manjom izlaznom snagom iz motora zbog manjeg masenog protoka vazduha (u poređenju sa opcijama 3 do 4, gde se maseni protok ne smanjuje). Međutim, ovaj gubitak maksimalne snage može biti delimično neutralizovan većom efikasnosti sagorevanja u vrelijim uslovima u trenutku ubrizgavanja goriva i manjom potrebom za viškom vazduha u poređenju sa dizel gorivima na bazi nafte. Ventilator za kompenzaciju pritiska pogonjen izduvnim gasovima ili na neki drugi način može neutralizovati smanjeni maseni protok vazduha pod uslovima povećane temperature vazduha.

[0065] Alternativno tome, turbopunjač ili superpunjač bi se mogli upotrebiti sami ili u kombinaciji sa izmenjivačem za otpadnu toplotu motora da bi se dobila veća efikasnost sagorevanja, kao i veća snaga.

[0066] U sledećem primeru izvođenja zagrevanje goriva poznatim tehnikama može potpomoći proces paljenja.

[0067] Opcija predgrevanja u kombinaciji sa gorivom sa srednjim do visokim nivoom vode/niskim nivoom metanola menja ciklus motora od toga da ima "konstantnu" zapreminu tokom paljenja i sagorevanja i inicijalne ekspanzione faze u smeru ekspanzije pri konstantnoj temperaturi (gde je toplota iz metanola značajan deo za isparavanje vode) u vremenski okvir koji je najpodesniji za maksimizaciju performansi motora.

[0068] Postupak koji je prikazan na slici 1 sadrži preradu izduvnih gasova i komponentu za recikliranje namenjenu za sakupljanje i integraciju izduvnog materijala nazad u gorivo. Posebno prerada obuhvata rekuperaciju i integraciju vode, nesagorelog goriva, ugljovodonika, ugljendioksida i drugih malih količina emisija.

[0069] U gorivima koja imaju srednji do visoki nivo vode, ali ne isključujući niske nivoe vode, vodom bogati izduvni gasovi mogu biti izvor vode za gorivo, a mali nivoi izduvnih zagađivača se mogu uhvatiti i vratiti u motor. Rekuperacija vode iz izduvnog materijala obuhvata hlađenje i kondenzaciju izduvnog materijala i sakupljanje kondenzovane vode.

[0070] Slika 1 prikazuje da se posle hlađenja izduvnog materijala 22 putem izmene toplote sa usisnim vazduhom 12 u izmenjivaču toplote 20, ohlađeni izduvni gasovi onda propuštaju kroz kondenzator 25, pomoću koga će se voda sakupiti i vratiti kao reciklirano gorivo 32 u motor 10.

[0071] Drugi izmenjivač toplote 34 u finalnoj fazi postupka prerade potpomaže kondenzaciju i dodatno sadrži sklop komore za raspršivanje koji koristi vodu koja može biti prečišćena i može sadržati aditive da bi uhvatila i prečistila nesagoreli metanol ili druge ugljovodonike u gorivu, čađ i druge čestice. Ove čestice se vraćaju nazad u motor radi eliminacije putem postupka ’recikliranja do potpunog nestanka’ sa recikliranim gorivom 32, dok prečišćeni čisti izduvni gasovi 33 koji se mogu osloboditi u atmosferu skoro uopšte ne sadrže zagađivače. Voda koja se upotrebljava u komori za raspršivanje može biti iz niza alternativnih izvora i može biti prečišćena ili dejonizovana. Voda može sadržati opcione aditive. Opcioni aditivi bi trebali da budu konzistentni sa procesom sagorevanja.

[0072] Izmenjivač toplote 354 može biti izmenjivač toplote između slane vode/vode, kao što je prikazano na slici 1, koji usisava slanu vodu kroz ulaz 36 i ispušta slanu vodu kroz izlaz 37. Takav izmenjivač toplote je podesan za primenu u preradi izduvnih gasova, na primer, na brodovima, gde je raspoloživost slane vode obilna i lako dostupna.

[0073] Dodatni koraci prerade izduvnih gasova uz korišćenje kondenzacije ili drugih sredstava takođe mogu biti preduzeti da bi se u atmosferi na niske nivoe smanjili ciljni zagađivači u izduvnim gasovima. U drugom primeru izvođenja komponente, kao što je nesagorelo gorivo, mogu biti adsorbovane na aktivnoj površini, a kasnije mogu biti desorbovane uz korišćenje standardnih tehnika i potom uključene kao komponenta goriva ili fumiganta da bi se dalje smanjilo zagađenje. Alternativno tome, može se upotrebiti katalizator da bi reagovao sa bilo kojom od oksidujućih vrsta, kao što je nesagorelo gorivo, povećavajući temperaturu izduvnih gasova i obezbeđujući dodatni izvor toplote koji se može iskoristiti.

[0074] Dodatno tome, ako radi više motora, na primer, radi proizvodnje električne energije, svi izduvni gasovi se mogu prerađivati kao jedna jedina struja koja treba da bude prerađena/kondenzovana sa recikliranim gorivom iz izduvnih gasova koji se usmeravju u jedan ili više takvih motora.

[0075] Ispuštanje (38) može biti potrebno u slučaju recirkulacije vode nazad u motoru da bi se obezbedilo da se ne akumuliraju trajne vrste koje mogu biti prisutne. U tom slučaju odstranjena voda može biti nadoknađena dodatnom kondenzacijom iz izduvnih gasova, ako su na raspolaganju, ili, ako nisu na raspolaganju, nadoknađujućom vodom (39) podesnog kvaliteta. Namera je da se izborom odgovarajućih dovedenih struja i aditiva skoro potpuno može eliminisati ispuštanje, međutim, čvrste materije takođe mogu ući u sistem npr. sa prašinom u vazduhu, što može zahtevati prečišćavanje sa vremena na vreme.

[0076] Prednost upotrebe goriva sa srednjim do visokim nivoom vode je ta što rezultujući izduvni gasovi skoro uopšte ne sadrže nečistoće, zbog čega su idealni za preradu posle sagorevanja. Nečistoće koje su prisutne u izduvnom materijalu se mogu preraditi i reciklirati sve do potpunog nestanka.

[0077] Na primer, ugljendioksid kao izduvni proizvod sagorevanja goriva sa vodom/metanolom se apsorbuje u recikliranoj vodi u toku faza kondenzacije i prečišćavanja. Alternativno tome, ugljendioksid u izduvnom materijalu se može reciklirati u usisnom vazduhu motora, čime se optimizira nivo kiseonika koji ulazi u

2

motor i generišu se izduvni gasovi sa čistim ugljendioksidom i vodenom parom. Ugljendioksid koji je generisan na ovaj način je idealan za dalju preradu, na primer, konverzijom metanola i recikliranjem goriva.

[0078] Finalni izduvni gasovi 33 iz postupka prerade i recikliranja koji se ispuštaju u atmosferu skoro uopšte ne sadrže emisije goriva, ugljovodonika, čestica, sumpornih oksida i azotnih oksida.

[0079] Emisije bilo kakvih azotnih oksida ili sumpornih oksida nastalih u fazi sagorevanja i/ili pri apsorpciji ugljendioksida u vodi mogu rezultovati disbalansima pH vode koja se vraća radi mešanja sa gorivom. Da bi se sprečilo formiranje takvih komponenata gorivu može biti dodata hemijska prerada da bi se neutralizovali bilo kakvi disbalansi ili da bi se odstranili.

Detalji rada motora za primere izvođenja sa fumigacijom

[0080] U nekim primerima izvođenja koji su ovde opisani se koristi fumigacija usisnog vazduha sa fumigantom koji sadrži poboljšavač paljenja. U nekim primerima izvođenja ovo je povezano sa predgrevanjem usisnog vazduha, dok se u drugim primerima izvođenja ovo izvodi bez predgrevanja usisnog vazduha.

[0081] Opcija fumigacije usisnog vazduha sa fumigantom koji sadrži poboljšavač paljenja se prema nekim primerima izvođenja može upotrebiti kao dodatna tehnika predgrevanja usisnog vazduha u motoru. Fumigacija stimuliše dalje povećanje temperature vazduha koji se komprimuje u komori za sagorevanje čineći ga čak još sagorljivijim u trenutku ubrizgavanja goriva zbog prethodnog sagorevanja fumigujućeg materijala, i prisustva vrsta koje se razlažu, što potpomaže početak sagorevanja metanola.

[0082] Kao što je gore opisano, fumigacija omogućava da dođe do prethodnog sagorevanja u komori za sagorevanje pre ubrizgavanja goriva. Ovaj dvostepeni postupak paljenja, ili rad sa "paljenjem", se oslanja na kompresioni hod klipa motora radi podizanja temperature fumigovanog vazduha do tačke paljenja. Sa druge strane, ovo poboljšava uslove paljenja u komori za sagorevanje kako bi se omogućilo dovoljno vrelo okruženje za gorivo sa metanolom i vodom, kada se ono ubrizga pri kraju kompresionog hoda, da bi se podvrgnlo ubrzanom paljenju pri povišenim temperaturama, a metanol brzo isparava i voda u gorivu isparava i tako se ostvaruje visoka toplotna efikasnost.

[0083] Doprinos temperature fumiganta stabilnom radu motora pri niskim nivoima vode je od 50 do 100°C. Na mestu glavnog ubrizgavanja goriva za niske nivoe vode, ovaj doprinos rezultuje temperaturom u komori za sagorevanje koja se može uporediti sa temperaturom u poznatim motorima sa kompresionim paljenjem. Kada se povećavaju nivoi vode u gorivu, onda se količina fumiganta može podesiti tako da se izbegne rashladni efekat vode. Rezultujuće toplotne efikasnosti na kočnici su uporedive sa dizel gorivima, sa rezultatima neto efikasnosti koji zavise od različitih faktora, kao što su veličina motora i njegova konfiguracija.

[0084] Efikasno i potpuno sagorevanje metanola i vodenog goriva na ovaj način smanjuje količinu ugljenika i čestica koje ne izgore ili se izgube u izduvnim gasovima, što rezultuje čistijim emisijama. Ovo je naročito evidentno kod većih CI motora sa manjim brojem obrtaja gde je efikasnost procesa sagorevanja maksimizirana, jer je raspoloživo dovoljno vremena za početak i završetak dva koraka u radu sa paljenjem.

[0085] Pojam "fumigacija" u vezi usisnog vazduha se odnosi na uvođenje materijala ili smeše, u ovom slučaju fumiganta koji sadrži poboljšavač paljenja, u struju usisnog vazduha kako bi nastala para ili gas u kome je poboljšavač paljenja dobro raspoređen. U nekim primerima izvođenja materijal se uvodi u maloj količini, generalno raspršivanjem fine frakcije materijala u struju usisnog vazduha ili se ubrizgava kao gas.

[0086] Radnja paljenja ima za posledicu predgrevanje usisnog vazduha tokom kompresionog hoda.

[0087] Priroda smeše metanola i vode je takva da se u reakcionim proizvodima stvara manje osetljiva toplota posle sagorevanja, pri čemu je potrebna toplota kako bi prisutna voda isparila. Ovo znači da se, u poređenju sa dizel motorom koji radi na ugljovodonična goriva, mogu prihvatiti teži uslovi u motoru u tački ubrizgavanja, uz zadržavanje u okviru konstrukcijskih ograničenja motora. Ovi oštriji uslovi nastaju usled sagorevanja fumiganta ili povećane temperature vazduha (putem direktnog zagrevanja vazduha) i/ili povećanog pritiska i temperature zahvaljujući korišćenju modifikovanih konfiguracija motora, kao što su turbopunjenje ili superpunjenje.

[0088] Količina poboljšavača paljenja se može kontrolisati u odnosu na mešavinu metanola i vode koja se nalazi u glavnom gorivu kako bi se stvorili uslovi unutar komore za sagorevanje pod kojima se paljenje glavnog goriva pravovremeno ostvaruje, a time i najbolja moguća toplotna efikasnost motora. Kada se odnos

2

poboljšavača paljenja i mešavine goriva ne kontroliše, onda sagorevanje može početi znatno pre TDC-a, kao što je 25-30°pre TDC-a, i kao takva upotreba poboljšavača paljenja bi mogla imati neutralni efekat i minimalni ili nikakav doprinos toplotnoj efikasnosti motora.

[0089] Pri poželjnom radu motora paljenje smeše fumiganta/vazduha vremenski je podešeno tako da je sagorevanje ovog goriva što je moguće veće (kako bi se izbegao nepotreban rad nasuprot radnog takta motora) i da je konzistentno sa dobrim sagorevanjem glavnog goriva posle ubrizgavanja. To znači da bi sekundarno gorivo trebalo zapaliti pre početka ubrizgavanja glavnog goriva, ali ne toliko pre da energija koja se nalazi u sekundarnom gorivu ne da minimalni ili čak nulti doprinos toplotnoj efikasnosti motora.

[0090] Paljenje glavnog goriva se može kontrolisati pomoću upravljanja, odnosno kontrole paljenja što je moguće bliže idealnom vremenu korišćenjem jedne ili kombinacije sledećih upravljanja paljenjem:

a) Upravljanje temperaturom usisnog vazduha motora:

a. Upravljanjem izlaznom temperaturom predgrejača vazduha uz korišćenje toplote iz:

i. Električnog grejnog uređaja, što je korisno za start i zagrevanje motora.

ii. Grejača koji koristi gorivo, koje može biti motorno gorivo ili bilo koje drugo gorivo koje je podesno za takvu svrhu.

iii. Korišćenja otpadne toplote iz izduvnih gasova za neposredno zagrevanje usisnog vazduha u motoru pomoću izmenjivača toplote. iv. Korišćenja bilo kog drugog izvora toplote koji je podesan za tu svrhu.

b. Korišćenjem energije izduvnih gasova da bi se pokretao turbopunjač, koji ne mora da ima međuhladnjak koji bi smanjio temperaturu usisnog vazduha u motoru.

2

c. Toplote vazduha sa superpunjačem da bi se povećali temperatura i pritisak.

b) Korišćenjem fumiganta da bi se ostvarilo sagorevanje goriva u dva koraka uz rad za "paljenjem".

1. Kontrolisanjem količine fumiganta uvedenog u usis vazduha u odnosu na glavno gorivo.

2. Kontrolisanjem procenta poboljšavača paljenja u odnosu na druge komponente u fumigantu (uz uočavanje da voda i druge komponente, kao što je metanol, takođe mogu biti prisutne).

3. Kontrolisanjem 1 i 2 gore, zavisno od rada motora pri velikim opterećenjima (50% do 100%) ili malim opterećenjima (ispod 50%) obrtaja motora motora (rpm) u radnom području.

[0091] Mada relativne količine fumiganta prema glavnom gorivu uvedenim u motor (bilo preko usisa vazduha, ili u komoru za sagorevanje, respektivno), variraju zavisno od uslova rada motora koji se primenjuju, generalno je poželjno da količina poboljšavača paljenja u fumigantu tokom rada u stacionarnom stanju pri srednjem ili visokom opterećenju bude relativno mali procenat težine kompozicije glavnog goriva. Za fumigant koji sadrži 100% poboljšavača paljenja (kao što je DME), relativne količine fumiganta prema glavnom gorivu po težini su prvenstveno do 20% težine, do 18%, do 15%, do 13%, do 10%, do 8%, do 7%, do 6%, do 5%. Nivo fumiganta je prvenstveno najmanje 0,2%, najmanje 0,5%, najmanje 1% ili najmanje 2% po težini kompozicije glavnog goriva. Ove brojke su bazirane na težini, uz pretpostavku da fumigant sadrži 100% poboljšavača paljenja i da se može proporcionalno podesiti radi smanjenja sadržaja poboljšavača paljenja u fumigantu po težini. Ovo se može izmeriti na bazi količine uvedene u motor u gramima u sekundi, ili bilo koje druge podesne odgovarajuće mere za veličinu motora. Dodatno tome je poželjna gornja granica od oko 10% ili manje (kao što je 8% ili 7%), pošto se kompozicija pred-goriva koja sadrži potrebnu količinu etra kao poboljšavač paljenja (kao što je 10%, 8% ili 7% poboljšavača paljenja, respektivno) može isporučiti na lokaciju motora sa kompresionim paljenjem, a poboljšavač paljenja se može flešovati i rekuperisati u količini koja odgovara potrebama motora koji radi sa fumigacijom na istom ciljnom

2

nivou. U drugim primerima izvođenja, nivo fumiganta se može podići na viši nivo na lokaciji motora (na primer, dopunom iz posebnog skladišta poboljšavača paljenja, kao što je etar).

[0092] U odnosu na odeljak 2 gore, ciljni % ne-vodenih komponenata, osim poboljšavača paljenja, u celokupnom protoku fumiganta/vazduha, ne sme biti veći od 40%, kao što je između 5-40% ili 10-40% 20-40 % ili 30-40%, pri čemu je ostatak poboljšavač paljenja, na primer, DME (koji ima cetanski broj od 55-57). Moguće je prilagoditi ove procente na osnovu cetanskog broja drugih poboljšavača paljenja i specifične konfiguracije motora. Svi procenti su po težini. Voda može biti prisutna u bilo kojoj količini koja je konzistentna sa glatkim radom motora, a takva voda može nastati iz fumiganta, na primer, ako se ona napravi katalitički iz goriva, ili kao deo usisne struje okolnog vazduha u motoru, ili može biti dodata drugim sredstvima.

[0093] U postupku za pokretanje CI motora može biti predviđen katalitički reaktor u kome se ostvaruje katalitička dehidracija metanola (uzetog iz izdvojenog dela goriva) u DME. Proizvedeni DME se koristi kao poboljšavač paljenja u fumigantu za fumigaciju usisnog vazduha. U drugim ovde opisanim primerima izvođenja se upotrebljavaju druge tehnike za generisanje dimetil etra, kada se on koristi kao poboljšavač paljenja u fumigantu. U nekim takvim primerima izvođenja DME se može generisati na mestu generacije metanola i isporučiti kao deo kompozicije pred-goriva na mesto gde se nalazi motor.

[0094] Mogu biti potrebne izvesne adaptacije gore opisanog goriva i postupka kako bi se optimizovali rad i efikasnost kod manjih CI motora koji rade pri većim brzinama motora, na primer, na 1000 do 3000 rpm ili iznad toga. Pored fumigacije struje usisnog vazduha fumigantom koji sadrži poboljšavač paljenja, sledeći radni aspekti se mogu koristiti odvojeno ili u kombinaciji za motore koji rade pri većim brzinama:

• predgrevanje ulaza vazduha sa fumigantom koji sadrži poboljšavač paljenja.

• zagrevanje komore za sagorevanje, na primer, pomoću grejača.

• predgrevanje glavnog ulaza goriva.

• dodavanje aditiva koji poboljšavaju paljenje i sagorevanje goriva u glavno i/ili sekundarno gorivo. Neki od ovih aditiva su razmotreni gore.

• izbor odgovarajućeg nivoa vode u kompoziciji glavnog goriva, kao što je gore razmotreno, kao što je raspon od niskog do srednjeg nivoa vode.

2

• izbor nivoa vode u fumigantu na odgovarajućem nivou koji je konzistentan sa konfiguracijom motora.

[0095] Ove opcije se mogu dodatno koristiti ako je poželjno da veći CI motor radi pri nižim brojevima obrtaja motora, kao što je 1000 rpm ili manje.

Fumigant

[0096] Fumigant za primenu u primerima izvođenja koji su bazirani na fumigaciji sadrži poboljšavač paljenja. Fumigant može dalje sadržati druge komponente, kao što su jedan ili više od metanola, vode ili bilo koji od aditiva koji su navedeni gore u kontekstu goriva. Za dalje opisivanje upotrebe fumiganta, prethodno opisano gorivo se može nazivati "glavnim gorivom" za motor sa kompresionim paljenjem, dok se fumigant može nazivati "sekundarnim gorivom".

[0097] Kao što je gore opisano, poboljšavač paljenja je materijal koji povećava zapaljivost sagorljivog materijala. Jedan od izazova za korišćenje metanola kao osnovne komponente goriva u kompoziciji glavnog goriva za motor sa kompresionim paljenjem jeste činjenica da se metanol ne pali lako kao druga goriva. Poboljšavač paljenja je materijal koji ima dobra svojstva paljenja i koji se može upotrebiti za vršenje paljenja, posle čega će metanol u kompoziciji glavnog goriva (i drugih sagorljivih materijala) sagoreti. Karakteristike paljenja potencijalne komponente goriva su opisane cetanskim brojem (ili altenativno tome, cetanskim indeksom) te komponente. Cetanski broj je mera kašnjenja paljenja materijala, što je vremenski period između početka ubrizgavanja i početka sagorevanja, tj. paljenja goriva. Podesni poboljšavači paljenja mogu imati cetanski broj iznad 40 (kao što je DME, koji ima cetanski broj od 55-57). Cetanski broj, odnosno cetanske brojeve poboljšavača paljenja prisutnih u fumigantu treba uzeti u obzir pri određivanju relativnih količina poboljšavača paljenja prema drugim komponentama u fumigantu, kao i količine fumiganta u odnosu na kompoziciju glavnog goriva, opterećenja i brzine motora. Ukupni cetanski broj fumiganta će biti baziran na kombinaciji proporcionalnog doprinosa i cetanskog svojstva svake komponente, pri čemu taj odnos ne mora biti linearan.

[0098] Neki neograničavajući primeri poboljšavača paljenja koji mogu biti uključeni u fumigant obuhvataju:

2

- etre, poput nižeg alkila (koji su C1-C6 etri), a naročito dimetil etar i dietil etar, - alkil nitrate,

- alkil perokside,

i njihove smeše.

[0099] Dimetil etar je poželjan poboljšavač paljenja sa visokom karakteristikom paljenja koji je pogodan za upotrebu u fumigantu. Dietil etar je još jedan primer podesnog poboljšavača paljenja.

[0100] Metanol u glavnom gorivu se može katalitički pretvoriti u dimetil etar. Dimetil etar se stoga može katalitički generisati iz struje kompozicije glavnog goriva, koja se zatim fumiguje u motoru odvojeno od kompozicije glavnog goriva (sa usisnim vazduhom). Alternativno tome, isporučilac goriva može pribaviti vlasniku motora kompoziciju fumiganta koja sadrži dimetil etar kao gotovu kompoziciju fumiganta. U drugom primeru izvođenja, kompozicija pred-goriva koja sadrži metanol i do 15% tež. procenata etra (kao što je dimetil etar) kao poboljšavač paljenja se može proizvesti na jednom mestu i transportovati (na primer, kroz cevovod) na drugo mesto radi korišćenja kao goriva u motoru sa kompresionim paljenjem. U nekim primerima izvođenja, kompozicija pred-goriva dalje može sadržati vodu. Na kraju cevovoda, deo ili sve etarske komponente poboljšavača paljenja u kompoziciji pred-goriva se mogu odvojiti od ostalih komponenata kompozicije pred-goriva (naročito od metanola, ali i drugih komponenti koje imaju višu tačku ključanja od etra). Odvojena etarska komponenta se onda može fumigovati u motoru sa kompresionim paljenjem kao fumigant, odvojeno od preostalog dela kompozicije pred-goriva, koja se koristi kao kompozicija glavnog goriva, bilo direktno (naročito ako sadrži vodu) ili sa daljim prilagođavanjem kompozicije (na primer, na sadržaj vode) pre upotrebe. Količina etra kao poboljšavača paljenja u pred-gorivu može iznositi do 10% po težini ili do 9% po težini. Gornja granica zavisiće od izbora etra i temperaturskih uslova. Dalje pojedinosti su navedene u donjem odeljku koji opisuje sisteme CI motora za proizvodnju električne energije.

[0101] Poboljšavač paljenja, kao što je dimetil etar, prvenstveno sadrži najmanje 5% fumiganta ili najmanje 10% fumiganta, kao što je najmanje 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 82%, 84%, 86%, 88% ili 90% fumiganta. Generalno se daje prednost tome da sadržaj poboljšavača paljenja u fumigantu bude na gornjem kraju raspona, pa je u nekim primerima izvođenja sadržaj poboljšavača paljenja iznad 70% ili više. Poboljšavač paljenja može sadržati do 100% fumiganta, na primer, u slučaju uvođenja čiste komponente iz skladišta ili rekuperisanog poboljšavača paljenja izdvojenog iz kompozicije pred-goriva. Kada se pretvori iz glavnog goriva katalitičkom reakcijom glavnog goriva (koje pored metanol sadrži komponente iz kojih nastaje DME) ili ako se proizvede nečista komponenta sa visokom karakteristikom paljenja ili povuče iz skladišta, onda će se gornja granica takve komponente smanjiti u skladu sa tim.

[0102] Relativne količine svake komponente u fumigantu se mogu održavati tako da budu konstantne ili se mogu menjati tokom vremenskog perioda rada motora. Faktori koji utiču na relativne količine komponenata u fumigantu obuhvataju brzinu motora (rpm), nivo i promenljivost opterećenja, konfiguraciju motora i specifična svojstva pojedinačnih komponenti fumiganta. U drugim primerima izvođenja, kompozicija fumiganta se može održavati relativno konstantnom, a umesto toga se prilagođava relativna količina fumiganta (gram po sekundi fumigovan u motoru) u odnosu na kompoziciju glavnog goriva koje se ubrizgava u motor (gram u sekundi) tokom različitih faza rada motora.

[0103] Kada se želi upravljati CI motorom sa različitim kompozicijama fumiganta za različite uslove rada motora (brzina, opterećenje, konfiguracija), onda se kompozicija fumiganta može menjati kako bi odgovarala kompjuterskom upravljanju kompozicijom fumiganta ili bilo kom drugom obliku upravljanja. Podešavanja mogu biti klizna podešavanja bazirana na algoritmu koji izračunava željenu kompoziciju fumiganta koja odgovara preovladavajućim uslovima rada motora ili može biti korak po korak. Na primer, fumigant sa većim ukupnim cetanskim indeksom (kao što je 100% DME) bi se mogao fumigovati u motoru sa visokim % po težini u odnosu na gorivo za rad u nekim uslovima, a zatim bi se fumigant mogao prebaciti na drugu kompoziciju koja sadrži manji % DME i neke komponente sa manjim cetanskim indeksom. U drugom primeru izvođenja kompozicija može biti stabilna, dok odnos vazduha/fumiganta može varirati.

[0104] Podesno je da ciljni % ne-vodenih komponenti, osim poboljšavača paljenja ili poboljšavača u fumigantu, ne bude veći od 40%, kao što je između 5-40% ili 10-40% ili 20-40% 30-40%. Moguće je prilagoditi navedene procente na osnovu cetanskog broja ostalih poboljšavača paljenja i sagorljivih komponenata, kao i na osnovu specifične konfiguracije motora.

1

[0105] Dodatno tome, u nekim primerima izvođenja voda može biti prisutna u fumigantu, bilo kao proizvod reakcije pretvaranja (npr. metanola u DME) ili kao voda koju donosi napajanje reaktora koje sadrži vodu ili ona može biti dodata u posebnoj struji ili u kombinaciji sa aditivom.

[0106] Primeri komponenata koje mogu biti prisutne u fumigantu pored poboljšavača paljenja obuhvataju metanol, vodu, prethodno navedene dodatke i alkanske gasove (obično alkane sa pravolinijskim lancem, uključujući niže alkane, kao što su C1-C6 alkani, a naročito metan, etan, propan ili butan, i alkane sa dužim lancem (C6 i iznad).

[0107] U nekim primerima izvođenja fumigant sadrži najmanje 60% jedne komponente, a jedan primer je dimetil etar. Količina jedine glavne komponente fumiganta može biti iznad 62%, 65%, 68%, 70%, 72%, 75%, 78% ili 80%.

[0108] Fumigant ili sekundarno gorivo se može dobiti u čistom obliku direktno iz skladišta ili se može dopremiti motoru kao fumigant u čistom obliku posle prerade glavnog goriva (katalitičkom konverzijom metanola u DME, posle čega sledi prečišćavanje da bi se dobio fumigant koji se sastoji od DME). Alternativno tome, fumigant može sadržati poboljšavač paljenja i druge komponente (tj. fumigant nije u čistom obliku) posle prerade glavnog goriva ili iz skladišta. U ovom slučaju nečistoće su još uvek kompatibilne sa željenim ishodom fumigacije, tj. fumigant takođe može sadržati vodu i metanol, ili može sadržati druge materijale (kao što su C1-C8 alkoholi) koji su kompatibilni sa primenom.

[0109] Kompozicija glavnog goriva i fumigant se mogu isporučiti kao dvodelno gorivo, ili se mogu isporučiti kao "kit" od dva dela goriva. U ovom kontekstu, fumigant može biti opisan kao "sekundarna komponenta goriva" dvodelnog goriva, i shodno tome gornji opis fumiganta se takođe odnosi i na drugu komponentu goriva. Kompozicija glavnog goriva i sekundarna komponenta goriva se mogu pumpati u odvojene skladišne rezervoare povezane sa motorom sa kompresionim paljenjem.

[0110] Prema tome, u skladu sa jednim primerom izvođenja, realizovano je dvodelno gorivo za upotrebu u radu motora sa kompresionim paljenjem, pri čemu smeša goriva sadrži:

- kompoziciju glavnog goriva koja sadrži metanol i vodu, i

- sekundarnu komponentu goriva koja sadrži poboljšavač paljenja.

2

[0111] Glavno gorivo u ovom kontekstu može biti novo dizel gorivo sa metanolomvodom, sa visokim sadržajem vode ili drugačije.

[0112] Pri korišćenju ovog dvodelnog goriva, glavno gorivo se uvodi u komoru za sagorevanje motora sa kompresionim paljenjem, dok se sekundarno gorivo fumiguje u usisu vazduha motora sa kompresionim paljenjem.

[0113] Postupak za napajanje gorivom motora sa kompresionim paljenjem sadrži:

- dopremanje kompozicije glavnog goriva koja sadrži metanol i vodu u prvi rezervoar koji je u fluidnoj vezi sa komorom za sagorevanje motora sa kompresionim paljenjem, i

- dopremanje sekundarne komponente goriva koja sadrži poboljšavač paljenja u drugi rezervoar koji je u fluidnoj vezi sa usisom vazduha motora sa kompresionim paljenjem.

[0114] Kao što je gore opisano, sekundarno gorivo se može pripremiti u poboljšavač paljenja potpuno ili delimično in situ katalitičkom konverzijom dela glavnog goriva. Ovo je posebno podesno za situacije gde je poboljšavač paljenja dimetil etar.

[0115] U jednom primeru izvođenja je obezbeđena upotreba dvodelnog goriva za rad motora sa kompresionim paljenjem, pri čemu dvodelno gorivo sadrži:

- kompoziciju glavnog goriva koja sadrži metanol i vodu, i

- sekundarnu komponentu goriva koja sadrži poboljšavač paljenja.

[0116] Predmetnim pronalaskom je dalje realizovana kompozicija pred-goriva koja sadrži metanol i do 10 tež.% etra. Etar može biti dimetil etar. U nekim primerima izvođenja, pred-gorivo dalje može sadržati vodu. Kao što je gore navedeno, etarska komponenta se može odvojiti od preostalog dela kompozicije pred-goriva za upotrebu kao sekundarna komponenta goriva, a ostatak kompozicije pred-goriva se može koristiti kao kompozicija glavnog goriva. Ovaj ostatak se može koristiti direktno kao celokupna kompozicija glavnog goriva (naročito ako sadrži vodu), ili se kompozicija može podesiti tako da se dobije kompozicija glavnog goriva, na primer, dodavanjem vode. U ovom primeru izvođenja, pred-gorivo stoga ne može sadržati vodu, a voda se može dodati da bi se dobila kompozicija glavnog goriva posle uklanjanja etra. U nekim primerima izvođenja, voda ne mora biti neophodna za upotrebu u kompoziciji glavnog goriva, kada se gorivo koristi u jednom od sistema za proizvodnju električne energije koji su opisani dole u nastavku.

[0117] Predmetnim pronalaskom je takođe realizovan postupak transporta dvodelne kompozicije goriva koja sadrži metanol u prvom delu i etar u drugom delu, sa jedne lokacije na drugu lokaciju, koji sadrži transport kompozicije pred-goriva koja sadrži metanol i etar sa jedne lokacije na drugu lokaciju i odvajanje etra od metanola da bi se dobio prvi deo goriva koji sadrži metanol i drugi deo goriva koji sadrži etar. Transport može biti putem cevi kroz cevovod. Prva lokacija može biti lokacija postrojenja za proizvodnju metanola, a drugačija lokacija (druga lokacija) je lokacija udaljena od prve lokacije. Udaljena lokacija obično bi bila udaljena najmanje 1 km, a možda i mnogo kilometara dalje. Udaljena lokacija može biti lokacija motora sa kompresionim paljenjem za proizvodnju električne energije ili luka za brodove, ili sporedni kolosek ili bilo koja druga podesna lokacija gde je potrebno dvodelno gorivo.

Sistemi sa CI motorima za generisanje energije

[0118] Korišćenjem ovde opisanih goriva sa smešom metana/vode i srodnih sistema (koji se takođe nazivaju procesima) za pokretanje motora sa kompresionim paljenjem mogu se razviti sistemi i strukture za proizvodnju energije kako bi se efikasno generisala snaga uz smanjene nivoe emisija, a koji takođe mogu tretirati izduvne gasove motora radi hvatanja i ponovnog korišćenja ili ponovnog usmeravanja toplote i vode iz izduvnih gasova. Ponovno korišćenje ili recikliranje toplote i vode podstiče povećanje efikasnosti sistema i sveukupno smanjenje otpadnih proizvoda i emisija. Preusmeravanje toplote i vode može naći niz nepovezanih primena koje obuhvataju grejanje i hlađenje lokacija/stambenih prostora i regeneraciju vode radi korišćenja od strane zajednica ili kao deo drugih sistema.

[0119] Slike 3A do 6B ilustruju primere sistema za proizvodnju električne energije koji obuhvataju ovde opisane procese i goriva za pokretanje motora sa kompresionim paljenjem. Podrazumeva se da je gorivo predstavljeno u ovim procesima gorivo na bazi metanola koje može sadržati različite količine vode i može sadržati vodu u količini od 0% do 80%.

[0120] Slike 3A i 3B prikazuju postupak za proizvodnju i dopremanje goriva na bazi metanola CI motoru 111 (koji se takođe naziva i dizel motorom) da bi se proizvela

4

izlazna snaga, ali takođe obuhvata i postupak prerade izduvnih gasova motora kojim se smanjuju emisije izduvnih gasova, čime se iskorišćavaju izduvni gasovi kako bi se reciklirala voda i koji takođe obuhvata kolo sa toplom vodom (HWL) 113a, 113b (vidi slike 4A i 4B) kako bi se obezbedila toplota lokalnoj zajednici. Izlazna snaga proizvedena od strane motora takođe se može koristiti za opsluživanje mesta na kome se nalazi postrojenje za proizvodnju električne energije i može se koristiti, na primer, za generisanje električne energije za zajednicu. Slike 3A i 3B se razlikuju po tome što slika 3A prikazuje postupak koji koristi fumigaciju vazduha u motoru, dok je kod postupka prikazanog na slici 3B izostavljen korak fumigacije usisnog vazduha.

[0121] Slike 3A i 3B prikazuju postrojenje 101 za proizvodnju goriva i daljinsko dopremanje tog goriva kroz mrežu 103 za napajanje. Postrojenje za proizvodnju goriva može biti konvencionalni pogon za proizvodnju metanola koji koristi električnu energiju proizvedenu od pare proizvedene u konvencionalnim kotlovima u veoma udaljenoj termoelektrani 102. Takva elektrana stvara profil emisija ugljenika usled sagorevanja uglja. Alternativno tome, postrojenje 102 za proizvodnju električne energije bi moglo sadržati motor sa sagorevanjem koji koristi gorivo na bazi metanola koje je ovde opisano kako bi se proizvela električna energija potrebna za proizvodnju goriva na bazi metanola. Ovo bi obezbedilo čistiju alternativu sa manjim emisijama u odnosu na one koje proizvodi elektrana na ugalj.

[0122] Gorivo na bazi metanola je proizvedeno u postrojenju 101 i može uglavnom sadržati metanol, smešu metanol-voda ili smešu metanol-etar ili smešu metanolvoda-etar. U jednom primeru izvođenja gorivo sadrži smešu "celog goriva" od metanola i DME u 90-99,5% mešavini metanola i DME kao tečnosti koja ne ključa pod atmosferskim pritiskom, a koja se može koristiti direktno sa motorom 111. U smeši metanola i DME, DME se dobija u stabilnoj količini podesnoj za prenos u vidu tečnosti i za izbegavanje prelaska etra u gasovitu fazu. Količina će zavisiti od pritiska i temperature pod kojima se gorivo prenosi u cevovodima 103, ali će generalno biti manja od 10% ukupne količine goriva i u rasponu od 7%-8%.

[0123] Alternativno tome, može biti isporučeno gorivo koje ima veći udeo DME u uslovima pod pritiskom. U drugoj varijanti, gorivo koje sadrži visoki sadržaj metanola koji se približava 100% metanola (npr. hemijski stepen) se može preneti radi naknadnog delimičnog pretvaranja u DME u blizini centra potražnje (to jest postrojenja za proizvodnju energije). Ovaj oblik kompozicije pred-goriva, koji sadrži visoki procenat metanola, može sadržati vodenu komponentu od oko 0,2% ili više. U sledećoj varijanti, gorivo ili pred-gorivo koji se prenose u cevovodima mogu biti gorivo na bazi metanola-vode. Voda u gorivu na bazi metanola-vode može biti povezana sa metanolom, kao što je u sirovom metanolu ili može biti dobijena iz viška vode u proizvodnom području koji bi se u tu svrhu mogao troškovno efikasno iskoristiti. U transportovano gorivo mogu biti uključeni neki dodatni aditivi za podmazivanje i sprečavanje korozije u zavisnosti od konstrukcijskih materijala prenosne mreže, a i radi poboljšanja rada motora/postupka.

[0124] Prenos velikih količina energije u zapaljivim tečnostima na velikim udaljenostima u cevovodima u regionalnim mrežama je uspostavljena tehnologija. Takva infrastruktura, kao što su cevovodi 103, takođe se može koristiti za isporuku goriva na bazi metanola do udaljenih lokacija bezbedno i troškovno efikasno.

[0125] Posle transportovanja kroz cevovode 103, gorivo dolazi u postrojenje za proizvodnju električne energije, koje sadrži motor 111 sa kompresionim paljenjem, stepen 104 za prethodnu preradu i preradu 113, 115, 116, 118 izduvnih gasova. Gorivo se može odmah koristiti u motoru 111 ili se može obaviti prethodna prerada goriva kako bi se osigurao bezbedan i pouzdan rad u radnom rasponu postrojenja. Skladištenje goriva za pokretanje i zaustavljanje takođe se može razmotriti iz razloga integriteta sistema, na primer, može se uskladištiti etarska komponenta.

[0126] U stepenu 104 za prethodnu preradu gorivo se može raspodeliti flešovanjem na dve obogaćene faze, jedan deo 107 bogat metanolom i jedan deo 105 bogat etrom, kao što je DME. DME je posebno podesan za ovaj proces flešovanja zbog svoje niske tačke ključanja. Nizak nivo otpadne toplote iz izduvnih gasova motora od struje tople vode koja ima temperaturu od 50°C do 60°C se može koristiti za fleš izdvajanje DME sa niskom tačkom ključanja iz metanola. U nekim primerima izvođenja faza bogata metanolom može sadržati male količine DME, pri čemu se veći deo DME flešuje. U drugim primerima izvođenja visoki udeo DME se može zadržati u tečnoj fazi samo sa dovoljno DME da bi se obezbedilo dobro i potpuno sagorevanje zahvaljujući isparavanju i koristi se kao fumigant 105. Na primer, ako gorivo iz proizvodnog pogona sadrži 7% DME, onda se 5% od toga može se zadržati u tečnoj fazi, dok se 2% koristi kao fumigant 105 za dodavanje zagrejanom vazduhu 110 za sagorevanje koji ulazi u motor 111.

[0127] Prethodna prerada može obuhvatati opciju konverzije radi dopunskog snabdevanja sa DME ili drugim fumigantom. Alternativno tome, potrebna količina sredstava za poboljšanje paljenja, kao što je DME, može se dobiti iz skladišta. Druga takva sredstva su takođe moguća, kao što su DEE i drugi ovde opisani poboljšavači paljenja.

[0128] Faza prethodne prerade može obuhvatati i preradu dela prenesenog goriva ne samo da bi se izdvojio DME za korišćenje kao fumigant, već i da se proizvede višak DME za upotrebu kao sastojak tečnog goriva za druge procese. Na primer, višak DME bi mogle koristiti obližnje zajednice za obezbeđivanje viška toplote HWL-u. Alternativno ili dodatno tome, DME bi se mogao integrisati sa procesima u generatorskim postrojenjima. Gorivo na bazi metana, bilo pre ili posle prerade, takođe se može ukloniti iz sistema za generisanje energije i koristiti za lokalnu hemijsku proizvodnju.

[0129] Takođe je moguć prenos sirovog metanola u proizvodni pogon, čime se štedi na troškovima „capexa“ i „opexa“ u uzvodnom proizvodnom pogonu. Takvo dopremanje goriva u postrojenje za generisanje energije bi odgovaralo gore navedenom opsegu raspodele dela sirovog metanola za proizvodnju DME, dok se preostalo gorivo usmerava u motor. Što se tiče energije i „capexa“, ova opcija bi zamenila jedinicu za destilaciju u postrojenju 101 za proizvodnju, pri čemu je većina proizvoda destilovana, a "na vrhu" postrojenja za proizvodnju električne energije prolazi mnogo manja jedinica sa relativno malom količinom koja ide "na vrhu". Ovom opcijom bi lokalnim centrima potražnje u blizini, odnosno u blizini pogona za proizvodnju električne energije takođe mogao biti stavljen na raspolaganje DME.

[0130] Prethodna prerada goriva u stepenu 104 prethodne prerade takođe može zagrejati gorivo 107 na bazi metanola pre ulaska u motor, hladnom vodom, dobijenom iz povratne linije venturi skrabera 115 koja izlazi iz stepena 104 prethodne prerade kao voda 106 kvaliteta za navodnjavanje. Ohlađena voda 106 kvaliteta za navodnjavanje se može mešati sa kondenzatom iz kondenzatora 116, a po potrebi se može upotrebiti hladnjak kako bi se obezbedila prihvatljiva temperatura otpadnih voda.

[0131] U primeru koji je prikazan za proizvodnju električne energije sa HWL, dizel motor bi se koristio za proizvodnju snage od 1 MW i više. To ne isključuje snagu ispod 1 MW koja bi mogla poslužiti manjim korisnicima i koja ima niske emisije NOX, SOX i čestica. Dizel motor je posebno podesan za preradu posle sagorevanja, jer obezbeđuje pogonsku snagu pritiska vazduha potrebnu za potiskivanje izduvnih gasova kroz opremu za prečišćavanje i opremu za izmenu toplote uz samo malo smanjenje efikasnosti motora.

[0132] Priroda nekih ovde opisanih smeša goriva znači da klipovi velikog prečnika imaju prednost u odnosu na manje klipove zbog inherentnih toplotnih prednosti pri povećanju veličine motora. Veći klipovi takođe smanjuju rizik od uticaja ubrizgavanog goriva na zidove klipa, osiguravajući dobro sagorevanje goriva i ne remete film maziva.

[0133] Dok dole navedeni eksperimenti pokazuju da je gorivo testirano u motoru iznad 1000 rpm, kao što je prethodno sugerisano, gorivo se može uspešno koristiti i u motorima sa manjim brzinama, koji normalno rade na manje od 100 rpm do 1000 rpm, što je raspon koji je normalno opisan kao raspon niskih i srednjih brzina. Ovaj raspon brzina omogućava više vremena za to da isparljivi poboljšavači paljenja uđu u parni prostor kao para i da započnu svoje hemijske reakcije sa vrelim komprimovanim vazduhom tokom kompresionog hoda. Ovo veće raspoloživo vreme tokom faze sagorevanja omogućiće potpunije sagorevanje goriva i smanjiće nivo nesagorelog goriva i ostalih komponenti u izduvnim gasovima motora. Veće raspoloživo vreme će takođe omogućiti više vremena za potpuno sagorevanje goriva u cilindru zahvaljujući kontaktu vode i molekula kiseonika, omogućavajući upotrebu nižih lambda i povećavajući time koncentraciju vode u izduvnim gasovima motora.

[0134] Snaga u motoru 111 se stvara pomoću smeše metanola 107 i vode 108 koja ulazi u motor 111 zajedno sa vazduhom 100, koji može biti prethodno zagrejan, a u primeru prikazanom na slikama 3A i 3B se prethodno zagreva izduvnim gasovima motora preko kondenzatora 116. Podesna temperatura predgrevanja može biti između 40°C i 50°C. Voda u gorivu može poticati iz spremišta vode ili od vode reciklirane iz izduvnog gasa preko kondenzatora 116 (objašnjeno je detaljnije u nastavku).

[0135] Prerada izduvnog gasa obuhvata propuštanje izduvnih gasova motora kroz katalitički pretvarač 112 uz korišćenje katalizatora koji ciljaju na CO2 i oksigenovana jedinjenja. To će uzrokovati marginalno zagrevanje izduvnih gasova, pri čemu ta toplota može biti raspoloživa za HWL, ili za druge procese koji su opisani u nastavku u vezi slika 5A, 5B, 6A i 6B. Katalitički pretvarač 112 takođe smanjuje svo gorivo ili proizvode sagorevanja na odgovarajući nivo. Za prečišćavanje se po potrebi može upotrebiti završni stepen sa aktivnim ugljem ili slično. Dodatno tome, ovde opisana goriva na bazi metanola sagorevaju čisto, uz malo čađi, što poboljšava performanse katalizatora.

[0136] HWL doprema toplotu lokalnoj destinaciji, kao što je stambena zajednica, preko kola u kome se pumpa voda. Slike 4A i 4B prikazuju HWL dovodni vod 113a i HWL povratni vod 113b na izmenjivaču toplote 113. Akumulirani toplotni nusproizvod iz procesa proizvodnje energije se može koristiti za obezbeđivanje grejanja po niskoj ceni za stambene i poslovne prostore. Voda koja se pumpa kroz HWL se zagreva preko HWL izmenjivača toplote 113 nizvodno od katalitičkog pretvarača 12. Izmenjivač toplote 113 je standardna jedinica koja radi pri temperaturama na povratku iz HWL od 40°C sa projektovanom predajnom temperaturom HWL-u od 80°C. Relativno hladna povratna temperatura u HWL i efikasno konstrukcijsko rešenje izmenjivača u smislu potrebne površine obezbediće dovoljno hlađenje izduvnih gasova.

[0137] Aditivi za izduvne gasove se dodaju u kaustičnu brizgaljku 114, koja u izduvne gasove ubrizgava bilo koje kaustične hemikalije i druge pogodne agense za neutralizaciju kiselina radi željenog ishoda. Na primer, da bi se uklonila kisela jedinjenja iz finalnih izduvnih gasova, u struju izduvnih gasova se ubrizgava mala doza osnovne tečnosti (npr. 50% kaustične sode i vode), koja se koristi za neutralizaciju tragova kiselina i podešavanje pH vode za navodnjavanje koja izlazi iz postrojenja. Finalni pH će biti kontrolisan na nivou koji najbolje odgovara lokalnim uslovima.

[0138] Nizvodno od HWL izmenjivača 113 je prikazan venturi skraber 115, ili drugi podesni uređaj za mešanje. Ova jedinica ima nekoliko funkcija, od kojih je prva blisko mešanje izduvnih gasova sa strujom cirkulišuće vode, pri čemu struja vode treba da ohladi izduvne gasove sa 85-90°C na izlazu iz HWL izmenjivača na približno 55-60°C na izlazu iz venturi skrabera. Takvim hlađenjem se stvara kondenzovana voda iz izduvnog gasa i sakupljaju čestice koje se mogu tretirati poznatim postupcima ili konačno postaju deo finalne vode za navodnjavanje koja napušta postrojenje radi povratka u zemlju. Otkišeljeni i čisti izduvni gasovi koji napuštaju skraber 115 stvaraju izduvne gasove veće čistoće na izlazu iz finalnog kondenzatora.

[0139] Voda se pumpa između venturi skrabera 115 i izmenjivača toplote 100 pomoću lopatičnog ventilatora. Izmenjivač toplote sa lopatičnim ventilatorom, ili druga podesna oprema, je još jedna izmena gasa/tečnosti koja zagreva izduvni gas kroz venturi skraber i predaje toplotu vazduhu, koji se primorava da struji kroz izmenjivač toplote 100 pomoću jednog ili više ventilatora. Jedna od prednosti predaje toplote na ovaj način je da se ta toplota prebacuje pri niskoj temperaturi i stoga nema veliki uticaj na celokupnu efikasnost procesa.

[0140] Kao alternativa predaji toplote u atmosferu, zagrejani vazduh iz lopatičnog ventilatora se može koristiti direktno u motoru kao zagrejani vazduh 110 za sagorevanje, a u kom slučaju se može primeniti izvestan pritisak pomoću ventilatora kako bi se izbegao efekat zagrevanja na maseni protok vazduha. Druga alternativa predavanju toplote atmosferi je disipacija toplote preko rashladne vodene površine, odn. jezera ili drugog vodenog sistema u kome se može izvršiti disipacija velike količine toplote na odgovoran i ekološki prihvatljiv način.

[0141] Slika 4A prikazuje finalni veliki izmenjivač izduvnih gasova/vazduha za sagorevanje, odnosno kondenzator 116 koji rekuperiše vodu u velikim sistemima za rekuperaciju vode. U sisteme kod kojih nije potrebna velika rekuperacija vode nije uključen kondenzator 116. Slika 4B prikazuje srednji sistem za rekuperaciju vode sličan onome sa slike 4A, ali uz izostavljanje kondenzatora 116.

[0142] Finalni (opcioni) kondenzator 116 hladi izduvne gasove iz venturi skrabera 115 sa oko 50-60°C do oko 5-20°C temperature okoline. Pri snižavanju temperature za tu vrednost, značajno se povećava proizvodnja vode koja se rekuperiše iz postrojenja. Pored proizvodnje vode za navodnjavanje ili ponovnu upotrebu izvan postrojenja za proizvodnju energije, kondenzat iz kondenzatora 116 opciono može biti koristan u okviru procesa za proizvodnju energije.

[0143] Kondenzat se može ubrizgati sa prethodno prerađenim gorivom kako bi se smanjilo formiranje NOX i sa time povezani problemi sa kiselošću u nizvodno postavljenoj opremi, kao što je HWL izmenjivač. Kondenzat takođe može predstavljati izvor vode koji se koristi u sagorevanju određenih smeša goriva kao alternativa ili dodatak uskladištenoj vodi. Dalje, voda višeg stepena iz kondenzatora se može dalje preraditi u pijaću vodu ili može biti dodata vodi kvaliteta za navodnjavanje koju proizvodi venturi skraber i može recirkulisati između venturi skrabera 115 i lopatičnog ventilatora 100.

[0144] Toplota od hlađenja izduvnih gasova se ne gubi, već se može izmeniti sa usisnim vazduhom u motor 111. Osim koristi od recikliranja otpadne toplote i vode potrebne za gorivo i emisije proizvedene u procesu, rekuperacija vode i toplote takođe teži tome da stabilizuje rad motora. Hladniji usisni vazduh u motoru omogućava da se rekuperiše više toplote.

4

[0145] Slika 3B se razlikuje od slike 3A po tome što ilustruje postupak za proizvodnju i dopremanje goriva na bazi metanola do motora 111 bez fumigacije usisnog vazduha sa poboljšavačem paljenja. Gorivo na bazi metanola iz proizvodnog postrojenja 101 se transportuje kroz cevovodnu infrastrukturu 103 radi direktne upotrebe u motoru 11, pri čemu se predgreva usisni vazduh 110. Prethodna prerada radi fleš odvajanja etra od transportovanog goriva nije potrebna, jer fumigant nije potreban. Međutim, prethodna prerada se ipak može izvršiti radi pripreme goriva za sagorevanje i/ili odvajanje etra za odvojenu upotrebu izvan postrojenja za proizvodnju električne energije. Takođe se podrazumeva da u odnosu na sliku 3A korak predgrevanja usisnog vazduha sa toplotom izduvnih gasova nije neophodan i da se može izostaviti. Međutim, korisno je iskoristiti toplotu izduvnih gasova i reciklirati čestice iz izduvnih gasova radi poboljšanja efikasnosti motora i smanjenja emisija. Alternativno tome, voda iz venturi skrabera prema lopatičnom ventilatoru se u principu može koristiti u svrhu zagrevanja usisnog vazduha.

[0146] U procesu koji je prikazan na slici 3B, usisni vazduh se može prethodno zagrejati različitim sredstvima, uključujući upotrebu toplote koja se preuzima od izduvnih gasova, na primer, preko kondenzatora 116 ili toplotem koja je preuzeta od izduvnih gasova ranije u procesu sagorevanja, kao što je stepen katalitičke konverzije. Alternativno tome, usisni vazduh se prethodno zagreva drugim ovde opisanim tehnikama, uključujući direktno zagrevanje električnim grejanim elementima, grejačima i indirektnim zagrevanjem, kao što je pomoću superpunjača ili turbopunjača.

[0147] Slike 5A i 5B ilustruju kako se koncept proizvodnje energije pomoću tehnologije i goriva opisanog u ovom opisu može primeniti za pogon železničkog vozila. Pozivne oznake na slikama 5A i 5B odgovaraju istim pozivnim oznakama i delovima koji se koriste u vezi slika 3A i 3B. Bilo koja prethodna prerada 104 goriva i upotreba goriva za motor 111 su iste. Izduvni vazduh se hladi posle izlaska iz katalizatora 112 preko prvog izmenjivača toplote 120 koji koristi vazduh iz okoline za hlađenje izduvnih gasova i za zagrevanje vazduha 110 za sagorevanje.

[0148] Prerada izduvnih gasova na železničkom vozilu se razlikuje od one u HWL postupku po odvajanju vode od drugih izduvnih materijala. Izduvni gas koji izlazi iz katalizatora prolazi kroz kolo 121 za adsorpciju vode sa aktiviranim aluminijum oksidom i kolo 122 za razvijanje vode sa aktiviranim aluminijum oksidom kako bi se proizveli čisti vreli i suvi izduvni gasovi u atmosferi uz ponovno dobijanje vode iz izduvnih gasova pomoću kondenzatora 123 vode. Ponovno dobijena voda se može vratiti nazad u stepen pre procesa ili se kao nepijaća može koristiti za upotrebu u željezničkom vozilu. Suvi izduvni gasovi iz hladnjaka koji izlaze iz kola sa aktiviranim aluminijum oksidom se mogu iskoristiti pomoću drugog izmenjivača toplote 124 kako bi se omogućilo zagrevanje ili hlađenje na železničkom vozilu.

[0149] Proizvodnja goriva u postrojenju 101 za proizvodnju metana bi u jednom primeru izvođenja potencijalno dovela do dve komponente koje se skladište na železničkom vozilu: (1) smeše vode i metanola namenjene za postizanje tačnog NOX/performansi i (2) komponente fumiganta za odvojeno skladištenje pod pritiskom. Železnički transportni troškovi nisu veliki u poređenju sa brodskim transportnim troškovima.

[0150] Slika 5B, slično slici 3B, ilustruje proces proizvodnje električne energije na železničkom vozilu bez upotrebe fumiganta, koji se oslanja samo na predgrevanje. Isti komentari o efektima HWL procesa bez fumiganta važe i za postupak opisan u vezi slike 5B.

[0151] Slike 6A i 6B ilustruju koncept procesa za proizvodnju energije koji se koristi u pomorske svrhe, i na primer, na brodu. Slično primeru HWL procesa za proizvodnju energije, na brodu se može obezbediti postrojenje za proizvodnju metanola prilagođeno veličini broda kako bi se gorivo na bazi metanola moglo dopremiti jednom ili više motora 111 koji pokreću brod. Slično gore navedenim primerima, slika 6A ilustruje postupak u kome se u usisnom vazduhu koristi fumigant kao poboljšavač paljenja, dok slika 6B ilustruje postupak bez fumiganta. Umesto toga postupak ne bi morao sadržati predgrevanje ili predgrevanje usisnog vazduha.

[0152] Prvi izmenjivač toplote 120 na pomorskom vozilu hladi izlazni vazduh uz korišćenje hladnijeg vazduha iz okoline. Deo tog izlaznog vazduha se može recirkulisati tako da postane zagrejani vazduh 110 za sagorevanje. Preostali rashladni izlazni vazduh se potom prenosi na desalinator 125 i drugu opremu za izmenu toplote kako bi se maksimalizirala rekuperacija toplote iz izduvnih gasova za potrebe vozila, kao što je grejanje rezervoara i vozila. Desalinator koristi morsku vodu koja je lako dostupna na pomorskim vozilima.

[0153] Opšta prednost povezana sa ovde opisanim postupcima i gorivima, kada se koriste u gore opisanim primenama, je ta što je omogućeno istovremeno obezbeđivanje nekoliko prednosti za zajednice i lokacije koji raspolažu ograničenim količinama energije i resursa. Specifične prednosti obuhvataju:

Razvoj udaljenih izvora koji inače mogu ostati nerazvijeni zbog nepodesnosti (npr. visokog sadržaja sumpora).

Obezbeđivanje kontinualne mogućnosti za efikasnu ko-preradu biomase kako bi se smanjio CO2.

Najsavremenija ko-upotreba biomase produžiće životni vek postojećih resursa. Takođe je moguća integracija ostalih obnovljivih izvora, kao što su vetar i sunce. Obezbeđivanje električne energije centrima potražnje na bazi kombinovane toplote i snage (CHP) ili kombinovanog hlađenja, toplote i snage (CCHP).

Praktično eliminaciju svih ne-CO2 zagađivača koji se pojavljuju pri proizvodnji električne energije.

Hvatanje vodonika iz resursa u najvećoj mogućoj meri i pretvaranje ovih resursa u vodu za potrebe centara potražnje (1 deo vodonika se pretvara u reakciji sa kiseonikom u 9 delova vode po težini). U okviru takvih aranžmana, izvor fosilnih goriva se takođe može smatrati delom vodenih resursa sa potencijalnim efektom "bez premeštanja", jer će mehanizam isporuke goriva u svakom slučaju apsorbovati troškove sopstvene distribucije. Ova voda će biti tretirana aktiviranim aluminijum oksidom ili drugim podesnim adsorpcionim materijalom ili tehnologijom da bi se uklonile materije koje prolaze kroz katalitički pretvarač koji prerađuje vrele izduvne gasove iz motora.

Obezbeđivanje otpadne toplote lokalnim zajednicama pomoću kola sa toplom vodom (engl. hot water loop, skr. HWL) hlađenjem izduvnih gasova i izmenom ovog glavnog izvora toplotne energije sa lokalnim centrima potražnje za toplotom, za svrhe grejanja ili hlađenja. Čisti izduvni gasovi iz korišćenja ovde opisane tehnologije omogućavaju proizvodnju energije u blizini tržišta, što je karakteristika koja inače nije naročito dostupna pri proizvodnji električne energije na ugalj.

Efikasna rekuperacija vode i toplote. Može se upotrebiti i neki drugi pristup prenošenju toplote, sa povećanom rekuperacijom, iako po višoj ceni, dok se vazduh za sagorevanje može po želji zagrejati, na primer, vodom koja cirkuliše pre hladnjaka sa ventilatorom sa lopaticama (na primeru slika 3A i 3B).

Može se ostvariti velika rekuperacija, blizu 0,7 do 1 tone vode za navodnjavanje po toni konzumiranog metanola ili više, ako je opravdano sa ekonomskog i inženjerskog stanovišta.

4

• Obezbeđivanje pH neutralne vode za navodnjavanje lokalnim zajednicama za direktnu upotrebu

• Obezbeđivanje vodom ispranog izduvnog gasa, čime su neutralizirovane kiseline i uklonjene čestice do nižih nivoa. U izduvnim gasovima će takođe biti malo ostalih zagađivača, kao što su SOX i ugljovodonici.

[0154] Tehnologija koja je ovde opisana sa proizvodnjom vode, HWL integracijom toplote i rezultatima emisije se realizuje na račun efikasnosti motora, međutim, u mnogim slučajevima se očekuje da ovaj aspekt bude kompenzovan dobicima u lancu snabdevanja, kao i navedenim prednostima.

Primeri

Primer 1: Eksperimentalni program za ispitivanje kompozicija goriva na bazi metanola vode za motore sa kompresionim paljenjem

1.1 Rezime

[0155] Ovaj izveštaj rezimira rezultate dobijene u toku eksperimentalnog programa, koji je sproveo Univerzitet u Melburnu, o emisijama i sagorevanju različitih goriva na bazi metanola u motoru sa kompresionim paljenjem.

[0156] Ispitivana goriva su bila smeše metanola, vode, dimetil etra (DME) i dietil etra (DEE). Budući da metanol nije gorivo koje se normalno pali kompresijom, korišćena su dva sistema za započinjanje paljenja. Prvi se sastojao od predgrejača usisnog vazduha. Zagrevanjem usisnog vazduha motora do 150°C (nametnuta sigurnosna granica) postiže se viša temperatura u blizini kraja kompresionog hoda, kada se ubrizgava šarža glavnog goriva. U nekim slučajevima, te temperature su bile dovoljno visoke tako da je došlo do kompresionog paljenja ubrizganog goriva.

[0157] Drugi sistem za započinjanje paljenja obuhvatao je kontinualno ubrizgavanje (tj. fumigaciju) gasovitog dimetil etra (DME) u usisni port motora. Budući da DME ima relativno nisku temperaturu paljenja i visoki cetanski broj, DME se automatski pali kada se smeša vazduha/fumiganta komprimuje tokom kompresionog hoda, čime se oslobađa toplotna energija, koja zauzvrat može zapaliti šaržu glavnog goriva.

[0158] Ispitivanja su sprovedena na modifikovanom 1D81 Hatzovom dizel motoru sa jednim cilindrom, montiranom u motornom/apsorpcionom dinamometarskom objektu. U svom nemodifikovanom stanju, ovaj motor sa prirodnim usisavanjem proizvodi do 10kW snage na vratilu pomoću jednog cilindra sa zapreminom od približno 670cc. Vrlo je verovatno da će apsolutne performanse svih ispitivanih goriva biti bolje kod većih motora, pošto je u inženjerskoj zajednici za motore kao uobičajeno poznato da maksimalna efikasnost motora raste sa veličinom motora zbog osnovnih fizičkih zakona.

[0159] Kao takvo, smatralo se da bi performanse motora za ne-dizel goriva u aktuelnom ispitnom programu trebalo posmatrati u odnosu na rezultate za dizel goriva na istom motoru. Konkretno, ako bi se postigli uporedivi ili bolji rezultati sa datim alternativnim gorivom u odnosu na dizel gorivo na ovom motoru, onda je verovatno da se ta relativna efikasnost može postići i na većem motoru. Naravno, maksimiziranje apsolutnih performansi određenog goriva na određenom motoru zahteva dalju optimizaciju i trebalo bi da poboljša performanse motora.

[0160] Opšta zapažanja iz ovog eksperimentalnog programa su kao što sledi.

1. Testovi fumigovanih motora

[0161] Ovi rezultati pokazuju da je pri efikasnijim radnim stanjima fumigovani motor ostvarivao uporedivu efikasnost, manje emisije NO i znatno manje emisije čestica od dizel motora.

2. Testovi sa zagrejanim usisnim vazduhom

[0162] Ovi rezultati pokazuju da su emisije NO iz motora bile uporedive sa dizel motorom. Kao i pri radu fumigovanih motora, ponovno su uočene znatno manje emisije čestica nego kod dizel motora. Potreban je dalji rad radi poboljšanja efikasnosti motora u ovom režimu rada.

1.2 Eksperimentalne metode

[0163] Ispitivanja su sprovedena na modifikovanom 1D81 Hatzovom dizel motoru montiranom u motornom/apsorpcionom dinamometarskom objektu. Slika 10

4

prikazuje dijagram procesa i instrumentacije u objektu. Specifikacije nemodifikovanog motora su detaljno prikazane u Tabeli 1 u nastavku. Ove specifikacije se nisu menjale tokom ispitivanja motora.

[0164] Izmene napravljene na motoru se sastoje od sledećeg.

• Zamena mehaničke brizgaljke goriva i pumpe za gorivo sa solenoidnim pogonskim sistemom za ubrizgavanje i posebnom pumpom za gorivo i sistemom za ubrizgavanje.

Za napajanje sistema je korišćen elektronski upravljani „common rail“ injektor dizela. Ova brizgaljka (Bosch, model 0 445 110 054-RE) je obezbedila znatno veću vrednost protoka vazduha od brizgaljke na nemodifikovanom motoru, tako da su mogla biti dopremljena goriva sa najvećim sadržajem vode u Tabeli 2 uz postizanje istog odnosa vazduh/gorivo kao i za dizel, i za čisto metanolska goriva. Ova brizgaljka je bila prevelika za ovaj motor i to je trebalo rezultovati značajnim smanjenjem performansi motora čak i kada radi na isto dizel gorivo kao i nemodifikovani motor. Kao rezultat toga, odgovarajuća referenca za ispitivanje alternativnih goriva navedena u Tabeli 2 je ista, a to je modifikovani sistem koji radi na dizel, čiji rezultati su navedeni u Tabelama 3, 4 i 5. Predviđa se da će dalja ispitivanja, a naročito goriva sa manjim sadržajem vode, omogućiti korišćenje manje brizgaljke, a time i značajna poboljšanja performansi motora. Kao što prikazuje slika 10, goriva su bila pomešana u spremišnom sudu pod pritiskom tako da DME nije prešao u gasnu fazu pre ubrizgavanja u motor. Ovaj sud je tokom ispitivanja bio uvek na između 5 i 10 bar. Tečno gorivo koje napušta ovaj sud je onda stavljeno pod pritisak do 800 bara pomoću Haskel, vazdušne pogonske pumpe, pre ubrizgavanja u motor. Korišćen je akumulator visokog pritiska koji je bio upotrebljen za obezbeđivanje toga da pritisak u dovodnom vodu goriva ostane konstantan tokom ispitivanja.

Veličina protoka goriva je merena vešanjem rezervoara pod pritiskom na ćeliju za opterećenje i merenjem brzine promene mase posude tokom svakog ispitivanja.

• Produženje usisnog cevovoda.

To je učinjeno kako bi se povezali predgrejač usisnog vazduha i ulaz za fumigaciju DME. Oba sistema su bila korišćena kao promotori paljenja glavnog goriva.

4

• Produženje izduvnog cevovoda radi povezivanja svih sistema za analizu emisija. Kistlerov piezoelektrični pretvarač pritiska.

Instalira se na cilindarsku glavu motora kako bi se zabiležio pritisak u cilindru.

• Korišćenje Shell Helix Racing 10W60 ulja za sva ispitivanja.

Ovo je sintetičko ulje.

[0165] Emisije izduvnih gasova su analizirane pomoću više nezavisnih sistema.

• merač čestica MAHA.

Ovaj uređaj daje gravimetrijsku meru čestica u izduvnim gasovima motora.

• Bosch UEGO senzor.

Ovo je proizvodni uređaj koji meri odnos vazduha i goriva. Iako je razvijen za ugljovodonična goriva, poređenje sa izmerenim odnosom vazduha i goriva sa ADS9000 za merenje emisija je pokazalo da je dobro funkcionisao za sva ispitana goriva osim onih sa većim udelom vode od 50% (Slika 4).

• Probni sto ADS9000 za merenje emisija.

Ovaj je uređaj izmerio emisije NO. Pre uzorkovanja, uzorak izduvnog gasa prolazi kroz nezagrejane vodove i vodenu klopku, pa bi zato sadržaj vode u uzorcima gasa trebao da bude blizak zasićenom pri uslovima okoline. ADS9000 je kalibrisan pre i tokom ispitnog programa korišćenjem kalibracionih gasova za sve izmerene količine i razdelnik gasa.

• Gasmet FTIR analizator emisija.

Ovaj je uređaj bio kalibrisan korišćenjem odgovarajućih kalibracionih gasova i postavljen je na nulu sa azotom visoke čistoće prema uputstvima isporučioca.

[0166] Svako gorivo je ispitano pri stacionarnoj brzini od 2000 rpm i lambda vrednosti od 2 (tj. 100% viška vazduha). Nemodifikovani motor je radio sa lambda od približno 1,5. Izabrana je manja vrednost, jer su prvi testovi za lambda 1,5 sa čistim

4

metanolom doveli do zastoja motora usled prekomernog ubrizgavanja u jednom primeru. Za lambda 2 nije došlo do daljih zastoja motora.

[0167] Celokupni postupak ispitivanja motora bio je kao što sledi.

1. Rad sa zagrejanim napajanjem.

[0168] Temperatura usisnog vazduha je prvo povećana na 150°C.

[0169] Trajanje ubrizgavanja je bilo podešeno pomoću lambda vrednosti od 2, a početak vremena ubrizgavanja je bio podešen na centar mrtve tačke.

[0170] Regulator grejača je zatim smanjivao usisnu temperaturu, dok je motor radio, sve dok se pozitivni obrtni moment motora više nije održao. Regulator usisnog grejača je onda postavio usisnu temperaturu na stepen koji je bio veći nego kada je rad prestao.

[0171] Početak ubrizgavanja je zatim pomeren dinamometarskim regulatorom uz održavanje konstantne brzine motora sve dok obrtni moment motora nije dostigao takozvani "maksimalni obrtni moment na kočnici" (engl. maximum brake torque, skr. MBT). MBT je najefikasnije radno stanje pri konstantnoj brzini motora i odnosu vazduha/goriva.

[0172] U ovim radnim stanjima su zabeleženi rezultujuće vreme ubrizgavanja (početak i trajanje) i druge izmerene količine.

2. Rad sa fumigovanim napajanjem.

[0173] Motor je uspostavio gladak rad uz veliku veličinu protoka DME.

[0174] Trajanje ubrizgavanja glavnog goriva je bilo podešeno pomoću lambda vrednosti od 2, a početak vremena ubrizgavanja je bio podešen na centar mrtve tačke.

[0175] Veličina protoka DME je onda bila smanjena, dok je povećana veličina protoka glavnog goriva radi održavanja konstantnog lambda, sve dok obrtni moment na kočnici nije dostigao maksimum.

[0176] Vreme početka ubrizgavanja je zatim pomerano sve dok nije dostignuto vreme MBT, dok je nastavljeno sa podešavanjem veličine protoka glavnog goriva radi održavanja lambda, ako je potrebno.

4

[0177] U ovim radnim stanjima su zabeleženi rezultujuće vreme ubrizgavanja (početak i trajanje) i druge izmerene količine.

3. Rad dizel motora.

[0178] Vreme početka ubrizgavanja je pomerano prema MBT uz održavanje lambda na 2 tokom trajanja ubrizgavanja.

[0179] Specifikacije goriva su bile kao što sledi.

• metanol, 99,8% čistoća

• dejonizovana voda, 99,8% čistoća

• dimetil etar (DME), 98% čistoća

• dietil etar (DEE), 98% čistoća

1.3 Rezultati

[0180] Rezultati ispitnih radova su prikazani u donjim tabelama.

Tabela 1: Specifikacije nemodifikovanog motora

Tabela 2: Raspored ispitivanih goriva (oni koji su podebljani ne proizvode neto izlazni rad čak ni sa usisnim vazduhom od 150°C)

4

� Tabela 4: Podaci o emisiji dizela sa ADS9000

2

�

Tabela 7: Emisije MAHA i ADS 9000 (izračunate za mokro) sa DME fumigacijom

Tabela 8: Emisije MAHA i ADS 9000 (izračunate za mokro) sa zagrejanim usisnim vazduhom

Tabela 9: Podaci o analizama sagorevanja sa DME fumigacijom

Tabela 10: Podaci o analizi sagorevanja sa zagrejanim usisnim vazduhom

1.5 Dalji rad na testiranju

[0181] Dalji rad na testiranju je bio sproveden kako bi se istražile dodatne kombinacije goriva i fumiganta, a rezultati tih testova su sumirani u tabelama 11 i 12 u nastavku. Treba naglasiti sledeće:

• Generalno, efikasnosti motora na 1000 rpm su niže nego za ista ili slična goriva pri većim brzinama motora. To se bazira na činjenici da je nemodifikovani Hatzov motor imao maksimalnu efikasnost približno na 2000 rpm, što se moglo očekivati. Kada se koristi u većim motorima dizajniranim za maksimalnu efikasnost pri manjim rpm, onda će se efikasnost korišćenja goriva poboljšati.

• Emisije NO korišćenjem ADS9000 uređaja nisu prikazane zbog otkaza ovog senzora tokom ovog programa testiranja.

• Brizgaljka za gorivo je otkazala tokom testa broj 25. Podaci prikupljeni u ovom testu su još uvek izgledali prihvatljivo, jer je do otkaza u testu došlo kasno i zato su uključeni u ovaj Dodatak. Od značaja je uporedno izvođenje radova 25 i 27, koji imaju vrlo slične kompozicije glavnog goriva, osim aditiva.

Tabela 11 (nast.): Podaci o performansama sa fumigacijom DME

Tabela 12: Podaci o performansama sa zagrevanjem usisnog vazduha

Tabela 12 (nast.): Podaci o performansama sa zagrevanjem usisnog vazduha

1.5 Tabele za upoređivanje kompozicija goriva u % zapremine i % mase

[0182] Tabele sa rezultatima ispitivanja koje su navedene gore u tačkama od 1.1 do 1.4 bazirane su na relativnim količinama komponenata u kompoziciji glavnog goriva mereno zapreminski. Sledeće Tabele 13 i 14 omogućavaju konverziju između zapreminskih i težinskih % za kompozicije goriva.

Tabela 13: Tabele za upoređivanje % zapremine i % mase - fumigacija

Tabela 14: Tabele za upoređivanje % zapremine i % mase - sa predgrevanjem usisnog vazduha

1

1.6 Zapažanja u vezi rezultata testova opisanih u odeljcima 1.1 do 1.5

Voda i etar plus DME fumigant:

[0183] Gore opisani rad pokazuje da ta voda ima neka ključna svojstva koja je čine korisnim dodatkom gorivu na bazi metanola:

1. Ako se ubrizgava gorivo na bazi metanola, do tačke, efikasnost se ne smanjuje, već se povećava do optimalne tačke, a zatim se smanjuje dok udeo vode nastavlja da raste. Podnosioci pretpostavljaju da povećanje efikasnosti može biti rezultat kombinacije faktora, kao što su sledeći faktori:

a. spektralna svojstva vode, kao što su emisivnost i koeficijent apsorpcije, su superiornija od metanola na grejnom (npr. infracrvenom IR) području, što pomaže apsorpciju toplote zračenja u kapljicama pomešanog goriva i vode, jer metanol isparava iz kapljice većom brzinom, budući da bi metanol prvo delio ovu veću brzinu apsorpcije toplote i isparavanja. U literaturi se navodi da je emisivnost vode između 0,9 i 1,0, tj. skoro crno telo za infracrveno zračenje, dok je za metanol manja od polovine te vrednosti, približno 0,4,

b. Toplotna provodljivost vode je veća nego kod metanola

2

c. Toplotna difuzivnost vode je veća nego kod metanola.

d. Tačke b. i c. gore će dovesti do većeg prenosa toplote unutar kapljice sa prisutnom vodom, opet ubrzavajući pretvaranje tečne faze metanola u gas, jer se koncentracija metanola smanjuje dok se kapljice skupljaju:

uzeto iz Thermochimica Acta 492 (2009) str.95-100

2. Gore navedeni rad pruža dokaz o održivosti goriva na bazi vode i metanola na osnovu demonstracije njegovog glatkog rada koji se vrši čak i pri visokim nivoima vode sa odgovarajućom količinom poboljšavača paljenja u vidu fumiganta. Iz podataka prikazanih na slici 7, koji su izvedeni iz prethodno navedenog rada, pokazalo se da je tačka maksimuma termičke efikasnosti postignuta onda kada je sadržaj vode u rasponu od oko 12% do 23% težine kompozicije glavnog goriva. Zona poboljšanog BTE je za sadržaje vode između 2% i 32%, sa optimumom koji se postiže u području blizu 16-18% sa DME fumigantom. Ovo je bio iznenađujući rezultat. Bilo je neočekivano da bi ubrizgavanje takvih visokih nivoa vode u komoru za sagorevanje omogućilo da motor sa kompresionim paljenjem radi na prihvatljiv način sa stanovišta COV I MEP. (koeficijent varijacije naznačenog srednjeg efektivnog pritiska).

[0184] Iz gore navedenih eksperimentalnih podataka, niže rangirani BTE izvođač u većini slučajeva je bio nerazređeni metanol, sa dobrim performansama dobijenim smešama koje su sadržale DME u rasponu od 4 do 9 % po težini.

[0185] Budući da je sadržaj vode nadmašio približno 30% tež. u gorivima koja su sadržala prethodno spomenute količine DME, efikasnost se smanjila na nivoe koji su bili u skladu sa gorivima koja su sagorevala bez prisustva vode.

[0186] Bilo je uočeno da je gorivo sa oko 70% vode sagorevalo u motoru, iako sa polovinom efikasnosti, delimično zbog većeg sadržaja vode u izduvnim gasovima.

[0187] Slika 8 predstavlja grafički prikaz sadržaja etra u glavnom gorivu, u tež. %, i sledstvenom BTE gorivu. Zagrada (}) se koristi za označavanje tačaka koji se odnose na upotrebu dietil etra kao etarske komponente u kompoziciji goriva, dok je etar koji je korišćen u drugim označenim tačkama bio dimetil etar. Slika 8 prikazuje porast BTE od oko 1,5% usled uvođenja 4% DME u tečnu fazu pri približno 16% sadržaja vode, u poređenju sa slučajem nerazređenog metanola. Generalno, rezultati dobijeni upotrebom količine etra unutar okvira koji je prikazan isprekidanom linijom obezbeđuju prednosti kompoziciji glavnog goriva. Povećanje sadržaja etra iznad nivoa od 10% (tj. izvan okvira desno na slici) uvodi dodatne troškove, a bez odgovarajućeg poboljšanja ili prednosti procesa.

[0188] Pri niskim nivoima vode, koristi od 16% DME u poređenju sa 4% bile su male, dok je 4% DME nadmašilo 16% DME pri sadržajima vode većim od oko 6%.

[0189] Oko 8% DME po težini je imalo nešto veći BTE od 4% DME duž celog raspona sadržaja vode, a razlika je u proseku oko 0,3% do maksimalno oko 36% vode u gorivu.

[0190] Dietil etar (DEE, tačke između zagrada) u gorivu je ispoljio slabiji BTE u nižim područjima vode gde su performanse bile slične čistom metanolu, međutim, kada se sadržaj vode u gorivu povećao iznad 25%, DEE je poboljšao svoje performanse približno za 8%, tako da su se podudarile sa DME-om.

[0191] U smislu toplotne efikasnosti na kočnici, DEE možda ne bi bio izabran pre nego DME u gorivu na bazi metanola i vode, osim ako ne preovladaju drugi razlozi, kao što su isparljivost ili pritisak pare.

Efekat vode i fumiganta na NO:

[0192] U fumigovanom okruženju gde se primenjuje rashladno sredstvo kao što je voda, nije bilo moguće predvideti da će se ostvariti smanjenje NO i stepen smanjenja NO. Ispitni rad pokazuje da je smanjenje NO bilo prilično dramatično kako su povećavani nivoi vode, pokazujući raspon od 0,2 grama/kWh za 36% tež. vode, kao što je prikazano na slici 9.

[0193] Slika 10 daje još jednu ilustraciju efekta koji ima povećanje sadržaja vode na NOX u izduvnim gasovima. 4% i 8% DME linije su pokazale najbolju reakciju na

4

stvaranje NOX, čak i pri visokim temperaturama usisnog vazduha. Isti trend može se videti u slučaju fumigacije, slučaj smanjenja NOX sa porastom nivoa vode, za 16,5% DME i 8,8% DEE su se pojavili veći nivoi NO u poređenju sa slučajevima sa niskim DME. Svi slučajevi rada sa zagrevanjem, a bez vode su doveli do većeg NO nego dizel gorivo bez predgrevanja.

[0194] Iz gore navedenih podataka i priloženih slika je evidentno da jedna radna zona od značaja uključuje upotrebu kompozicije glavnog goriva koja sadrži metanol i 20 do 22 tež.% vode i 4-6% tež. DME u kompoziciji glavnog goriva, sa fumigacijom. Ovo gorivo bi postiglo dobru efikasnost i nizak NO. Poželjna radna zona goriva se može dodatno proširiti prihvatljivim radom Cl motora, kao što je detaljno opisano u drugim delovima ove prijave.

[0195] Dizel gorivo na istom motoru je za razliku od toga ostvarilo 4,9 grama/kWh za lambda 2 i 2000 rpm (lambda i brzina svih testova fumigacije na ovim grafikonima).

Fumigant:

[0196] Upotreba fumiganta (ili fumigacije) sa kompleksnim smešama goriva, naročito sa kompleksnim kompozicijama goriva koje sadrže vodu i metanol, i po potrebi druge aditive kao što je DME, nije bila prethodno razmatrana. Izvesno je da nije bilo izveštaja o komercijalnom prihvatanju takvih tehnika. Ovo može biti posledica činjenice da se moglo smatrati da takvo gorivo verovatno neće dobro funkcionisati, sa obzirom na nisku toplotnu vrednost metanola, što je dodatno pogoršano mešanjem sa razređivačem koji ima visoku latentnu toplotu, kao što je voda. Korišćenje goriva koje sadrži veliku vodenu komponentu takođe je protivintuitivno, jer se voda obično koristi za gašenje vatre, umesto da pomaže da se ona raspali.

[0197] Da bi se istražio ovaj prostor, korišćen je motor sa jednim cilindrom sa sličnim kapacitetom cilindra od 5 litara kao kod V8 motora, sa instaliranim većim brizgaljkama kako bi se prevazišla niska toplotna vrednost po litru nekih od goriva koja su ispitivana.

[0198] Ove veće brizgaljke su imale efekat smanjenja efikasnosti motora, međutim, pri upoređivanju goriva, pod uslovom da se primenjuju uslovi kao u ogledalu, validnost poređenja je bila priznata na osnovu testiranja motora od strane stručnjaka. Za specifične radne uslove ispitivanja su bili potrebni preveliki ubrizgavači, a motor zbog male veličine motora radio pri visokim brojevima obrtaja, ali dalji rad bi omogućio modifikaciju tih faktora sa posledičnim smanjenjem relativne količine fumiganta (poboljšavač paljenja) koji se ubrizgava u usisni vazduh motora. Eksperimentalni rad koji je sproveden da bi podržao ovu primenu je bio sproveden na 2000 rpm i 1000 rpm, što je najniža brzina rada Hatzovog motora koja se koristila za ovaj program.

Primer 2: 70% metanol: 30%:voda sa metodom zagrevanja usisnog vazduha i fumigacijom

[0199] Gorivo koje sadrži 70% metanola i 30% vode se doprema u motor sa kompresionim paljenjem šematski prikazan na slici 1.

[0200] Tokom različitih faza rada motora (start, stacionarno stanje pri niskom opterećenju, stacionarno stanje pri 50% do 100% od punog opterećenja, prazni hod itd.) motor može raditi u različitim radnim režimima i kombinacijama radnih režima.

[0201] Pri radu sa opterećenjem motora od 0-50%, usisni vazduh se predgreva do između 150-200°C, bez prisustva fumiganta. Gubitak usisnog vazduha u motoru pri povišenoj temperaturi se kompenzije time što motor ima malo opterećenje.

[0202] U slučaju rada sa 50% punog radnog opterećenja, nivo predgrejanog usisnog vazduha se može smanjiti, a pored toga se može upotrebiti fumigant koji sadrži 95% DME, 3% metanola i 2% vode. Fumigant se ubrizgava u usisni vazduh, u količini od 5 tež. % ukupnog usisnog goriva. Ovaj nivo fumigacije se može smanjiti pri dostizanju punog opteređenja.

[0203] Pri startu, usisni vazduh može biti predgrejan, a pored toga veći težinski % fumiganta u odnosu na glavno gorivo se fumiguje u usisni vazduh. Jedan podesni fumigant u ovoj fazi rada je 20%-50% fumiganta koji sadrži 100% DME.

[0204] Pri praznom hodu posle rada motora fumigacija se može prekinuti.

[0205] Predgrevanje usisnog vazduha, uz periodičnu pomoć fumigacijom (u zavisnosti od rpm i opterećenja) omogućava da rad motora prevaziđe prisustvo vode na 30%-tnom nivou u kompoziciji glavnog goriva.

Primer 3: gorivo sa 95% metanola:5% vode, sa zagrevanjem i bez fumigacije

[0206] Primer 2 je ponovljen, ali sa kompozicijom goriva od 95% metanola prema 5% vode. Usisni vazduh je predgrejan do između 150°C i 200°C. Takav uređaj može sadržati turbopunjač i izmenjivač toplote između izduvnih gasova/usisnog vazduha.

Primer 4: gorivo sa 26% metanola: 74% vode, sa fumigacijom i metodom zagrevanja

(Referentni primer)

[0207] Primer 3 je ponovljen, ali sa kompozicijom goriva od 26% metanola, 74% vode. Ova kompozicija goriva je podesna za upotrebu u pomorskim aplikacijama - za pogon brodskih Cl motora. U ovom slučaju, morska voda se može koristiti kao toplotni ponor, ako je to potrebno, kako bi se dobio potrebni nivo kondenzacije iz izduvnog gasa. U pomorskoj situaciji, kako bi se osigurala bezbednost u zatvorenim prostorima zahvaljujući prisustvu nezapaljive parne faze pri prolivanju, nivo vode u kompoziciji goriva je oko 74% (ili više), sa 26% (ili manje) metanola u gorivu. Zahvaljujući tako visokom sadržaju vode se izbegava rizik od paljenja koje bi izazvalo požar u mašinskom prostoru.

[0208] Gorivo u ovom primeru se može pumpati u skladišni rezervoar glavnog goriva u vidu kompozicije koja je spremna za upotrebu (tj. sa 74% vode u kompoziciji sa metanolom). Alternativno tome, premiks koji ima niži nivo vode (u poređenju sa korišćenom kompozicijom) se može pumpati u skladišni rezervoar, a nivo vode se povećava razređivanjem premiksa vodom u finalnu smešu između skladištenja i napajanja motora. Izvor vode može biti bilo koji izvor vode, a na primer, može biti reciklirana voda, ili desalinizovana voda. Ova opcija ima prednosti u pogledu težine kompozicije goriva koja se nosi u plovilu.

[0209] Paljenje ovog goriva zahteva metode zagrevanja koje su opisane gore. DME para ili sprej fumigovani u usisu vazduha predstavljaju dovoljno sredstvo za paljenje goriva.

[0210] Može se izračunati da će količina vode u izduvnom gasu biti između oko 30-50%. Ovo je bazirano na originalnoj vodi u gorivu i vodi koja potiče od sagorevanja metanola i DME, kao i vodi u usisnom vazduhu. Ovaj iznenađujuće visok rezultat proizlazi iz visokog sadržaja vodonika u metanolu (koji sadrži više vodonika bazirano na zapremini od kriogenog tečnog vodonika) u kombinaciji sa visokim sadržajem vode u gorivu, vodene pare u ulazu vazduha i vode kao proizvoda sagorevanja goriva (metanola i DME).

[0211] Ovom reakcijom sagorevanja će biti generisan višak vode i postoji mogućnost da se deo iste uhvati radi recikliranja i mešanja sa premiksom goriva sa nižim sadržajem vode koje se čuva u skladišnom rezervoaru. U nekim primerima izvođenja poželjno je smanjiti troškove logistike u lancu snabdevanja koji su povezani sa prisustvom vode u gorivu transportovanjem osnovnog goriva sa višim sadržajem metanola i ispunjavanjem ciljnog kvaliteta motora pri višim nivoima vode hvatanjem vode iz izduvnih gasova motora.

[0212] Izmena toplote i sklop komore za raspršivanje koja koristi čistu vodu sa opcionim aditivima za odstranjivanje izabranih vrsta u finalnoj fazi mogu biti konfigurisani tako da se obezbedi da ne-CO2 zagađenje usled sagorevanja metanola bude malo. Pored toga, finalno prečišćavanje izduvnih gasova se može se izvršiti adsorpcijom, na primer, nesagorelog metanola na aktiviranim površinama, radi kasnije desorpcije i recikliranja u motoru u okviru procesa, uz korišćenje poznatih tehnika ili za uključivanje kao dela fumiganta ili glavnog goriva.

[0213] U pogledu SOX-a, izduvni gas u ovom slučaju može imati sledeću analizu:

SOX <0,1 ppm.

[0214] Generalno, emisije drugih polutanata, kao što su NOX čestice, će biti znatno niže u poređenju sa dizel gorivima na bazi nafte.

[0215] Bilo koja mala količina NOX i SOX formirana u fazi sagorevanja i apsorpcija CO2u vodenoj fazi može rezultovati slabim zakišeljavanjem vode koja se vraća nazad radi mešanja sa gorivom. Smeša vode koja se vraća nazad može zahtevati hemijsku preradu ili mehaničko podešavanje kako bi se ovo slabo zakišeljavanje neutralizovalo.

[0216] Izduvni gas koji nastaje usled takvog prečišćavanja ima poboljšane emisije u poređenju sa dizel gorivom u pogledu emisija goriva, ugljovodonika, čestica, NOX i SOX, što je ekološki korisno.

Rekuperacija CO2

[0217] Izduvni gasovi koji nastaju od goriva sa visokom količinom vode ne sadrže gotovo nikakve nečistoće, što ih čini idealnim za naknadnu preradu. Naročito se CO2pretvara nazad u metanol da bi se direktno smanjio gas staklene bašte CO2ili se CO2visoke čistoće može koristiti za organsku proizvodnju, kao što su alge, za višestruke finalne namene, uključujući proizvodnju metanola, uz korišćenje izvora energije koji mogu obuhvatati obnovljive izvore, kao što su solarni i tako dalje.

[0218] Izdvajanjem ili prečišćavanjem nivoa kiseonika u vazduhu, azot se može smanjiti ili ukloniti iz motora uz rezultujuće smanjenje ili eliminaciju NOX potencijala iz oksidacije azota. Recikliranje CO2iz izduvnih gasova u usisni O2motora bi omogućilo optimizaciju nivoa kiseonika koji ulazi u motor i stvaranje izduvnih gasova uglavnom od čistog CO2i vodene pare. Ovaj CO2je idealan za dalju preradu u metanol ili za gore navedene aplikacije, po želji.

Primer 5: Gorivo sa 90% tež. metanola: 5% vode: 15% DME, sa zagrevanjem i bez fumigacije

[0219] Primer 2 je ponovljen, ali sa dodavanjem DME kompoziciji glavnog goriva sa metanolom i vodom. Usisni vazduh je prethodno zagrejan između 50°C i 150°C. Takav uređaj može sadržati turbopunjač i izmenjivač toplote između izduvnih gasova/usisnog vazduha. Stepen potrebnog predgrevanja može biti nizak ili jednak nuli u opsegu većih opterećenja, uz umereno predgrevanje pri manjem opterećenju i manjoj brzini motora.

Primer 6: Kompozicije goriva za primenu sa metodama zagrevanja, sa opcionim fumigantima

[0220] U sledećoj tabeli su prikazani primeri kompozicija metanola/vode za rad motora sa kompresionim paljenjem sa predgrevanjem usisnog vazduha. Ove kompozicije goriva sa metanolom/vodom mogu raditi sa predgrevanjem vazduha na nivou od najmanje 50°C ili najmanje 100°C ili najmanje 150°C ili najmanje 200°C ili najmanje 250°C ili najmanje 300°C ili više (u zavosnosti od preovladavajućih uslova). Kompozicije goriva se mogu upotrebljavati dodatno (ili alternativno sa predgrevanjem usisnog vazduha) u kombinaciji sa fumigantom, a primeri podesnih fumiganata za goriva su prezentovani u drugom delu tabele. Glavno gorivo iz svakog numerisanog reda se može upariti sa podesnim fumigantom u istom numerisanom redu, mada su moguća uparavanja između susednih goriva i fumiganata. Što se tiče identiteta razređivača goriva, maziva, poboljšavača paljenja i drugih aditiva, oni su odabrani iz primera navedenih u gore navedenom detaljnom opisu. % količine koja je navedena u tabeli za ove aditive se odnosi na količinu pojedinačnog aditiva iz ovog opisa, ili na sve aditive iz ovog opisa, kada se koristi kombinacija više od jednog takvog aditiva iz te klase. U specifičnim primerima se koriste šećer ili estar masnih kiselina kao punilac za gorivo, estar masnih kiselina ili derivat etanolamina kao aditiv za podmazivanje, etar kao poboljšavač paljenja i aditivi za bojenje proizvoda i aditivi za boju plamena kao dodatni aditivi.

[0221] U tabelama su naznačeni različiti fumiganti, neki sa nižim svojstvima paljenja od onih koji su klasifikovani kao komponente sa višim svojstvima paljenja. Navedene komponente nisu isključive, već se takođe mogu upotrebiti i druge podesne komponente navedene drugde u ovom dokumentu i poznate stručnjacima iz odgovarajuće oblasti.

1

2

4

�

Claims

Patentni zahtevi

1. Upotreba kompozicije kao glavne kompozicije goriva za motor sa kompresionim paljenjem, pri čemu kompozicija sadrži najmanje 20 tež. % metanola i 6-35 tež. % vode i jedan ili više aditiva izabranih iz grupe koja se sastoji od: aditiva za poboljšanje paljenja, punilaca za gorivo, poboljšavača sagorevanja, ulja za apsorpciju kiseonika, aditiva za podmazivanje, aditiva za bojenje proizvoda, aditiva za boju plamena, aditiva za zaštitu od korozije, biocida, sredstava za snižavanje tačke zamrzavanja, sredstva za smanjenje taloženja, denaturanata, sredstava za podešavanje pH i njihovih smeša, pri čemu kompozicija sadrži 0-20 tež. % dimetil etra.

2. Upotreba prema zahtevu 1, naznačena time što kompozicija sadrži od 8 tež.% do 35 tež. % vode.

3. Upotreba prema zahtevu 1, naznačena time što kompozicija sadrži od 9 tež.% do 35 tež. % vode.

4. Upotreba prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačena time što je kompozicija jednofazna kompozicija goriva.

5. Upotreba prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačena time što je ukupna količina vode i metanola najmanje 80 tež. % kompozicije.

6. Upotreba prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačena time što, metanol je sirovi metanol.

7. Upotreba prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačena time što je navedena kompozicija korišćena kao prvi deo dvodelnog goriva za motor sa kompresionim paljenjem, pri čemu upotreba dalje sadrži upotrebu sekundarne komponente goriva koja sadrži pojačivač paljenja kao drugi deo dvodelnog goriva.

8. Postupak za pokretanje motora sa kompresionim paljenjem koji obuhvata:

4

- predgrevanje struje usisnog vazduha, uvođenjem predgrejanog vazduha u komoru za sagorevanje motora i komprimovanje predgrejanog vazduha; i - uvođenje kompozicije goriva koje sadrži najmanje 20 tež. % metanola, 6-35 tež. % vode i 0-20 tež. % dimetil etra u komoru za sagorevanje i paljenje smeše goriva/vazduha da bi se motor pokretao,

pri čemu se kompozicija goriva uvodi u komoru za paljenje kao glavno gorivo za motor sa kompresionim paljenjem.

9. Postupak prema zahtevu 8, naznačen time što uvedena kompozicija goriva sadrži 8-35 tež. % vode.

10. Postupak prema patentnom zahtevu 8 ili 9, koji obuhvata predgrevanje usisnog vazduha do 150°C-300°C.

11. Postupak prema bilo kom od patentnih zahteva 8 do 10, koji obuhvata hlađenje izduvnog materijala preko izmenjivača toplote, sakupljanje vode iz ohlađenog izduvnog materijala i recikliranje bar jednog njenog dela nazad u gorivu.

12. Postupak prema zahtevu 8, koji obuhvata uvođenje sekundarne komponente goriva koja sadrži pojačivač paljenja u motor.

13. Postupak prema zahtevu 12, naznačena time što, pojačivač paljenja je etar.

14. Postupak prema zahtevu 13, naznačena time što, etar je dimetil etar.

15. Postupak prema bilo kom od patentnih zahteva 8 do 14, naznačena time što glavno gorivo ima kompoziciju korišćenu u bilo kom od zahteva 1 do 6.