CN108350838A - 在内燃机内氧化有机脂肪的方法和装置 - Google Patents

Abstract

人们普遍认为可再生能源是可取的。特别是近年来，为了找到内燃机中化石燃料的替代品，人们鼓励开发生物柴油。通常，这类生物柴油是基于植物源的三酰甘油。由于动物脂肪不同的化学成分和生产工艺，使得在试图将动物脂肪用作燃料时面临更多的挑战。大部分已知的方法需要对天然形成的脂肪进行深加工，以使其能用于传统发电机中。根据本发明，提供了一种通过将第一电荷施加到氧化剂(例如空气)和将与第一电荷极性相反的第二电荷施加到有机脂肪而在内燃机内氧化有机脂肪以产生动力的方法。通过这种方式，待氧化的有机脂肪的成分优先于燃烧室的内表面被吸引到氧化剂中。因此，由于导致碳化的材料被保留在废气中，燃烧室的内表面的碳化减少。

Description

在内燃机内氧化有机脂肪的方法和装置

本发明一般涉及在内燃机内氧化有机脂肪以产生动力的方法，还涉及一种用于实施所述方法的内燃机，并且在燃烧动物脂肪以作为柴油的替代物中发现了特定但非排他的用途。

人们普遍认为可再生能源是可取的。特别是近年来，为了找到内燃机中化石燃料的替代品，人们鼓励开发生物柴油。通常，为了生产生物柴油，植物油与醇(通常是甲醇)反应，但无论如何，对生物柴油的大部分研究都集中在植物源三酰甘油的燃烧上。

由于动物脂肪不同的化学成分和生产工艺，使得在试图将动物脂肪用作燃料时面临更多的挑战。

一种利用动物脂肪产生生物柴油的方法包括酯交换反应，酯交换反应导致脂肪酸脂的物理特性非常接近柴油的物理特性。此外，脂肪酸的甲酯或乙酯可以直接在未改性的柴油发动机中燃烧。

另一种利用动物脂肪产生可再生柴油的方法是通过在加压及升高的温度下使动物油脂与氢反应来氢化。

发动机可以依靠某种形成的替代燃料运转，而不会产生明显的问题；然而，必须修改燃料喷射器的维护计划，以便由于沉积物形成而更频繁地进行清洁工作和喷嘴更换。

上述每种方法都需要对天然形成的脂肪进行深加工，以使它们可用于传统的发动机。

目前已经针对在内燃机中使用纯的(即基本上未经化学变化的)脂肪展开了一些研究。例如，预热是改变动物脂肪等粘性燃料的性质的简单方法，然而，仍然可能出现过度碳化。

燃烧室过度碳化可能会增加压缩比，这可能会导致运转不平稳或爆震，甚至可能导致活塞卡住，活塞孔被烧坏，轴承损坏和曲柄可能损坏。活塞和活塞环上的过度碳化可能导致向气缸的热传递降低，导致过热和/或最终卡住。排气口周围和排气系统中的过度碳化可能会导致发动机阻塞。

根据本发明的第一方面，提供了一种在内燃机内氧化有机脂肪以产生动力的方法。所述方法包括：提供一种具有燃烧室的内燃机，一进入燃烧室的燃料入口及一进入燃烧室的氧化剂入口；提供要在内燃机内使用的氧化剂；向氧化剂施加第一电荷；通过氧化剂入口将带电的氧化剂引入燃烧室中；提供将在内燃机内进行氧化的有机脂肪；向有机脂肪施加第二电荷；通过燃料入口将带电的有机脂肪引入燃烧室中；氧化燃烧室中的带电的有机脂肪以产生动力；其中第一电荷的极性与第二电荷的极性基本相反。

通过这种方式，待氧化的有机脂肪的成分优先于燃烧室的内表面被吸引到氧化剂中。因此，由于导致碳化的材料被保留在废气中，燃烧室的内表面的碳化减少。

有机脂肪可以包含脂肪和油；即，常温下分别为固体或液体的脂类物质。有机脂肪可以包含动物脂肪和/或可以是植物脂肪。有机脂肪可以包含甘油三酯。有机脂肪可以通过提炼、净化、加热、分离(例如在离心机中)和/或过滤来获得。有机脂肪可以是纯的有机脂肪，也就是说，有机脂肪的形态可以是基本上未经化学改变，该形态存在于能够获取的动物/植物中。有机脂肪可以是流体，特别是液体或固体和液体的悬浮液。

有机脂肪可以完全和/或主要地(即大于50％，特别是60％，更特别是70％，例如80％或90％)包含：脂肪酸，其由以羧酸基团终止的烃链形成；甘油糖酯，包括单和双取代的甘油，包括至少一个高极性羟基；甘油磷脂，包括带负电的磷酸基团；鞘脂，其由鞘氨醇主链形成，鞘氨醇主链与带电头部基团(例如乙醇胺、丝氨酸或胆碱)O-连接，并与酰基如脂肪酸酰胺键连接；固醇脂质，如胆固醇，终止于高极性羟基；孕烯醇酮脂类，终止于高极性的羟基；糖脂类，其中单糖代替存在于甘油糖脂和甘油磷脂中的甘油主链；和/或聚酮化合物。

有机脂肪可以是基本上纯的有机脂肪；其包含少于10％，特别是5％，更特别是2％，例如1％或0.5％：汽油，烷烃(具有化学通式CnH2n+2)，环烷烃(具有化学通式CnH2(n+1-g)，其中g是分子中环的数目)，每分子具有4-12个碳原子的烯烃(具有化学通式CnH2n)，柴油，烷烃，环烷烃，烷基苯，每分子具有10-12个碳原子的萘，生物柴油，RCOOR'形式的脂肪酸酯，其中R是长链烷基，并且R'是甲基、乙基或丙基。

内燃机可以是任何已知形式的内燃机，例如往复式发动机(例如汽油发动机和/或柴油发动机)、旋转式发动机(例如汪克尔发动机)、燃气轮机等。

燃烧室可以是内部可移动活塞的气缸。活塞在气缸内的运动可以使曲轴旋转，曲轴的旋转可以通过连杆来实现。

氧化剂可以是空气、氧气、过氧化氢或任何其他合适的氧化剂、或其组合。氧化剂可以是流体，特别是液体(例如液体过氧化氢)。液体可在引入燃烧室之前被汽化。液体可在施加第一电荷之前被汽化。

或者，液体可以在施加第一电荷后被汽化。也就是说，例如，可以将第一电荷施加到至少一个氧化剂(例如空气)上，然后液体氧化剂可以被汽化到带电荷氧化剂中。类似地，可以设想，在将氧化剂的组合提供给燃烧室的情况下，在插入其中之前仅有一些氧化剂是带电的。

过氧化氢的浓度可以在1％-100％之间，特别是在10％-70％之间，更特别是在20％-50％之间，例如约30％，35％或40％，例如用水稀释。

作为氧化剂添加到空气中的汽化的过氧化氢的比例可以在0.025％至25％(质量百分比或体积百分比)的范围内，特别是在0.5％-10％之间，更特别是在1％-5％之间，例如2％。过氧化氢的质量或体积的测量可以包括测量稀释的过氧化氢(例如过氧化氢和稀释它的水)，或者可以包括测量不含稀释它的水的过氧化氢。

燃料入口可以包括氧化剂入口，和/或氧化剂入口可以包括燃料入口。特别地，燃烧室可以具有用于燃料和氧化剂的单个入口。或者，氧化剂入口可以是进气口，和/或燃料入口可以是燃料喷射器，例如类似于柴油发动机中使用的燃料喷射器。

该方法可以进一步包括在引入到燃烧室之前预热有机脂肪，例如将有机脂肪预热到足以使有机脂肪处于液态的温度，例如预热到至少40,50,60，70,80,90,100或110摄氏度。预热有机脂肪的步骤可以在对有机脂肪施加第二电荷的步骤之前或之后进行。

将第一电荷施加到氧化剂的步骤可以包括使氧化剂与至少一个第一带电电极相邻。

第一带电电极可以包括导线。导线可以是卷绕的。导线可以包含不锈钢。第一带电电极可以带正电；或者它可以带负电。第一带电电极可以保持在至少10kV，20kV，30kV或35kV等级的正或负电压。该至少一个第一带电电极可以包括例如串联或并联布置的单个第一带电电极或多个第一带电电极。所述至少一个第一带电电极可以设置在一个容器内，例如一部分管道、盒子或分立单元。容器可以与容器两侧的流体传输管道的相应部分(例如，相同的管道的一部分，减小或增大的横截面面积)基本相同；或者，容器可以是分立部件(例如盒子)。

将第二电荷施加到有机脂肪的步骤包括使有机脂肪与至少一个第二带电电极相邻。

第二带电电极可以包括导线。导线可以是盘绕的。导线可以包含不锈钢。第二带电电极可以带负电；或者它可以带正电。第二带电电极可以保持在至少10kV，20kV，30kV或35kV等级的负或正电压。该至少一个第二带电电极可以包括例如串联或并联布置的单个第二带电电极或多个第二带电电极。所述至少一个第二带电电极可以设置在一个容器内，例如一部分管道、盒子或分立单元。容器可以与容器两侧的流体传输管道的相应部分(例如，相同的管道的一部分，减小或增大的横截面面积)基本相同；或者，容器可以是分立部件(例如盒子)。

第一带电电极可以保持在与第二带电电极的电压基本相反的电压。也就是说，第一和第二带电电极可以保持在相反的极性，并且可以具有基本上相同的大小。

该方法可以进一步包括以下步骤：提供交流电压并分离正相和反相以将交流电压的正电压部分提供给第一带电电极和第二带电电极中的第一个，并且将交流电压的负电压部分提供给第一带电电极和第二带电电极中的第二个。

分离步骤可以包括交流电压的半波整流以供应到第一带电电极和第二带电电极中的每一个。

该方法可以进一步包括提供发电机以供应交流电压。该方法可以进一步包括通过一个变压器传递由发电机供应的交流电压，和/或分离的正电压和负电压，以升高电压。

内燃机，例如包括任何供应管道、燃烧室、活塞、排气口和/或可能与带电脂肪或氧化剂，和/或第一容器和/或第二容器接触的任何其他部分，可以包括一种不导电材料。例如，内燃机和/或第一容器和/或第二容器可以由本领域中所理解的陶瓷材料、氮化硼或任何其他合适的材料制成，可以是粉末涂层的，和/或可以是电气绝缘的和/或与发电机组等相邻部件绝缘和/或隔离。在这方面，内燃机的定义可以包括或可以不包括在正常使用中不会与带电脂肪或氧化剂接触的部分，例如曲轴。

该方法可以进一步包括将有机硅材料加入到有机脂肪中，例如用于润滑和/或消泡目的。如本领域已知的，其他添加剂可以以类似于柴油燃料常见的方式加入到有机脂肪中。

该方法可以进一步包括用泵将带电的有机脂肪泵入燃烧室。以这种方式，期望量的有机脂肪可以以期望的压力注入到燃烧室中。

该方法可以进一步包括例如通过使用催化剂系统、后燃室系统、微粒过滤器或任何其他合适的除灰系统从废气中去除烟尘。

上述方法可以应用于任何功率输出的发动机，特别是用于在2至3MW范围内，更特别是大约2.5MW的发动机。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于氧化内燃机中的有机脂肪的内燃机。该内燃机包括：燃烧室；进入燃烧室的有机脂肪入口；进入燃烧室的氧化剂入口；氧化剂充电装置，用于将第一电荷施加到待通过氧化剂入口引入到燃烧室中的氧化剂；以及有机脂肪充电装置，用于将第二电荷施加到待通过燃料入口引入到燃烧室的有机脂肪；其中第一电荷的极性与第二电荷的极性基本相反。

氧化剂充电装置可以包括第一带电电极，并且有机脂肪充电装置可以包括第二带电电极。氧化剂充电装置可以进一步包括第一容器，第一带电电极设置在该第一容器内。有机脂肪充电装置可以进一步包括第二容器，第二带电电极设置在该第二容器内。

内燃机可以进一步包括有机脂肪预加热器，用于在把有机脂肪引入到燃烧室和/或有机脂肪充电装置之前预热有机脂肪。

通过结合附图进行以下详细描述，本发明的上述和其它特性，特征和优点将变得显而易见，其中附图以举例的方式示出了本发明的原理。此描述仅为了示例而给出，而不限制本发明的范围。下面引用的附图标记是指附图。

图1是本发明实施例中的内燃机的示意图。

将参考某些附图描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求限定。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。每个附图可能不包括本发明的所有特征，因此不一定被认为是本发明的实施例。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被放大并且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸并不对应于实施本发明的实际减少量。

此外，说明书和权利要求中的术语第一，第二，第三等用于区分相似的元件，并且不一定用于按照等级或以任何其他方式描述时空序列。应该理解的是，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且该操作能够以不同于本文所描述或示出的其他顺序进行操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶部，底部，上面，下面等用于描述性目的，而不一定用于描述相对位置。应该理解的是，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且该操作能够在除了在此描述或示出的其他方向上进行操作。

应该注意的是，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限于其后列出的装置；它并不排除其他元件或步骤。因此将被解释为指定所提及的所述特征，整体，步骤或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征，整体，步骤或组件或其组合。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应限于仅由组件A和B组成的设备。这意味着关于本发明，设备的唯一相关组件是A和B。

类似地，应该注意的是，在说明书中使用的术语“连接”不应被解释为仅限于直接连接。因此，表述“连接到设备B的设备A”的范围不应该限于其中设备A的输出直接连接到设备B的输入的设备或系统。这意味着在设备A的输出和设备B的输出之间存在一路径，该路径可以是包括其他设备或装置的路径。“连接”可以表示两个或更多个元件直接物理接触或者电接触，或者两个或者更多个元件彼此不直接接触，但仍然彼此协作或相互作用。例如，设想无线连接。

在整个说明书中对“实施例”或“一个方面”的引用意味着结合该实施例或方面描述的特定特征，结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例或方面中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”，“在一实施例中”或“在一个方面”不一定都指相同的实施例或方面，而是可以指不同的实施例或方面。此外，在一个或多个实施例或方面中，本发明的任何实施例或方面的特定特征，结构或特性可以以任何合适的方式进行组合，正如对本领域普通技术人员来说显而易见的。

类似地，应该理解的是，在说明书中，为了简化发明并帮助理解各种创造性方面中的一个或多个方面，有时将本发明的各种特征组合在单个实施例，附图或其描述中。然而，本发明的方法不应被解释为反映所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。此外，任何单独的附图或方面的描述不一定被认为是本发明的实施例。而是，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，在详细描述之后的权利要求在此明确地并入本详细描述中，其中每个权利要求本身作为本发明的单独实施例。

此外，尽管本文描述的一些实施例包括包含在其他实施例中的一些特征，但是不同实施例的特征的组合意味着在本发明的范围内，并且形成本领域技术人员将理解的另外一些实施例。例如，在以下权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。

在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应该理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，公知的方法，结构和技术未被详细示出以免混淆对本说明的理解。

在本发明的讨论中，除非有相反的说明，否则公开了用于参数的允许范围的上限或下限的可选值以及所述值中的一个比另一个更优选的指示是被解释为隐含的陈述，即位于所述替代值的更优选和更不优选之间的所述参数的每个中间值本身优选于所述较不优选的值，并且也适用于位于所述较不优选值和所述中间值之间的每个值。

术语“至少一个”的使用在某些情况下可能仅指一个。

现在将通过与本发明的示例性特征有关的至少一个附图的详细描述来描述本发明的原理。显而易见的是，根据本领域技术人员的知识可以配置其它布置而不脱离本发明的基本概念或技术教导，本发明仅由所附权利要求的条款限制。

图1是本发明实施例中的一部分内燃机的示意图。内燃机包括气缸10，在气缸10内部布置有往复活塞12及密封活塞环14。一连接杆16，将活塞12连接至曲轴(未示出)，使得活塞12通过气缸10内的燃料的爆炸性燃烧所产生的运动导致曲轴旋转。

气缸10设置有进气口18，该进气口18可以通过进气阀20以传统方式选择性地密封。类似地，设置排气口22，排气口22类似地通过排气阀24选择性地密封。

在进气口18的上游设置有充气单元26，该充气单元26由容器28组成，在该容器28中布置有一系列四根卷绕的钢丝30，每根钢丝30以+35kV的电压充电。以这种方式，供应到气缸10的空气在其经过卷绕的钢丝时首先是带正电的。一空气供应管道32，输送到充气单元26，充气单元26本身，进气口18，进气阀20与气缸10，活塞12，活塞环14，排气阀24和排气基本上都是不导电的。这样可以保证空气的正电荷。

设置燃料喷射器34以与传统柴油发动机类似的方式将燃料喷射到气缸10中。提供泵36以将燃料供应到燃料喷射器34。在引入泵36之前，燃料(在这种情况下是有机脂肪)在预热器(未示出)中被预热到大约90摄氏度，然后通过一段管道38，在管道38中装有一个带-35kV电压的另一卷绕钢丝40。通过这种方式，供应到气缸10的有机脂肪在其经过卷绕的钢丝时首先是带负电的。

管道38，泵36和燃料喷射器34全部基本上是不导电的。这样可以保证有机脂肪的负电荷。

带正电的空气在不导电的气缸内在高温和高压下与带负电的有机脂肪结合，使得有机脂肪内的物质(即，脂肪、油或其他杂质)先于内燃机的气缸10或其他不导电的部件而优先被空气吸引。因此，有机脂肪和燃烧产物倾向于裹挟在空气流体流中，从而减少了包括碳化在内的发动机内的沉积。

Claims (5)

1.一种在内燃机内氧化有机脂肪以产生动力的方法，所述方法包括：

提供一种具有燃烧室的内燃机，一进入所述燃烧室的燃料入口及一进入所述燃烧室的氧化剂入口；

提供要在所述内燃机内使用的氧化剂；

向所述氧化剂施加第一电荷；

通过所述氧化剂入口将带电的氧化剂引入所述燃烧室中；

提供将在所述内燃机内进行氧化的有机脂肪；

向所述有机脂肪施加第二电荷；

通过所述燃料入口将带电的有机脂肪引入到所述燃烧室内；以及

氧化所述燃烧室中的带电的有机脂肪以产生动力；

其中所述第一电荷的极性与所述第二电荷的极性基本相反。

2.根据权利要求1所述的在内燃机内氧化有机脂肪以产生动力的方法，其特征在于，还包括以下步骤:在将有机脂肪引入到所述燃烧室之前预热所述有机脂肪。

3.根据权利要求1或2所述的在内燃机内氧化有机脂肪以产生动力的方法，其特征在于，将第一电荷施加到所述氧化剂的步骤包括使所述氧化剂与至少一个第一带电电极相邻。

4.根据前述权利要求中任一项所述的在内燃机内氧化有机脂肪以产生动力的方法，其特征在于，将第二电荷施加到所述有机脂肪的步骤包括使所述有机脂肪与至少一个第二带电电极相邻。

5.一种用于在其中氧化有机脂肪的内燃机，所述内燃机包括：

一燃烧室；

一进入所述燃烧室的有机脂肪入口；

一进入所述燃烧室的氧化剂入口；

一氧化剂充电装置，用于将第一电荷施加到待通过所述氧化剂入口引入到所述燃烧室中的氧化剂；以及

一有机脂肪充电装置，用于将第二电荷施加到待通过所述燃料入口引入到所述燃烧室的有机脂肪；

其中所述第一电荷的极性与所述第二电荷的极性基本相反。