ES2207415B1 - Biocombustible versatil utilizable en cualquier tipo de motor de combustion interna o quemador convencional. - Google Patents
Biocombustible versatil utilizable en cualquier tipo de motor de combustion interna o quemador convencional.Info
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Abstract
Biocombustible versátil utilizable en cualquier tipo de motor de combustión interna o quemador convencional. Se describe una composición combustible obtenida a partir de material vegetal que comprende una mezcla de aceites vegetales con diversos acetatos, alcoholes y cetonas, que puede ser utilizada en motores de combustión tanto de ciclo Otto como de ciclo Diesel, así como en cualquier tipo de quemador convencional. Este tipo de biocombustible presenta como principal ventaja técnica con respecto a los hidrocarburos líquidos usados actualmente, que los gases emitidos por la combustión de esta composición son más limpios que los obtenidos a partir de la combustión hidrocarburos líquidos. Puede ser utilizado también como aditivo de combustibles convencionales a base de hidrocarburos.
Description
Biocombustible versátil utilizable en cualquier
tipo de motor de combustión interna o quemador convencional.
La invención se adscribe al sector técnico de las
composiciones útiles para ser empleadas, como tales, o como
aditivos junto a hidrocarburos, en procesos de combustión donadores
de energía. Particularmente se trata de una composición que se
obtiene a partir de materia vegetal
Con respecto a nuestra patente anterior
ES2128257, debemos señalar como diferencias fundamentales las
siguientes:
- 1)
- En el caso del aditivo reivindicado en dicha patente, formaban parte de su composición una cantidad importante de hidrocarburos, tanto alifáticos (heptano o tetradecano) como aromáticos (xileno), que en la presente invención no son estrictamente necesarios. Así mismo, dicha composición se componía de agua oxigenada mezclada en composición azeotrópica, que igualmente no existe en la patente actual.
- 2)
- En esta patente juegan un papel primordial los diversos acetatos (que no existían en la patente del aditivo potenciador reivindicado en ES2128257) como disolventes de los ácidos grasos, para evitar la formación de gomas y lacas bituminosas en las cámaras de combustión, muy perjudiciales para las válvulas del motor. La adición de los acetatos produce además una combustión completa, que evita la formación de carbonilla en la cámara de combustión y hollines en los escapes y que logra la ausencia prácticamente total de monóxido de carbono (CO) en dichos gases de escape.
- 3)
- Con la incorporación de cetonas y alcoholes ligeros, se logra una disminución de la densidad y viscosidad del biocombustible, apropiada para lograr su funcionamiento en motores de ciclo Otto que utilizan gasolinas de baja densidad. Además, estos compuestos confieren al biocombustible un gran poder antidetonante, fundamental para el buen funcionamiento de este tipo de motores. Ambas condiciones suponen una substancial diferencia entre el concepto de biocombustible y el concepto aditivo descrito en ES2128257 que, por propia definición, sólo es adecuado para mezclar con "hidrocarburos semipesados y pesados", no con hidrocarburos ligeros como gasolinas y naftas.
Es conveniente aquí destacar algunos de los
distintos valores en los que se mueven los combustibles
(hidrocarburos) convencionales que se utilizan actualmente.
Densidad (en Kg./l.) | Punto de inflamación | |
Gasolinas | Entre 0'71 y 0'76 | Menor de 15º |
Gasóleos A y B | Entre 0'82 y 0'86 | 60º |
Gasóleo C | Aprox. 0'88 | 65º |
Fuel - Oil | Entre 0'94 y 0'98 | Mayor de 90º |
Con respecto a otros aditivos o combustibles
similares existentes en el Estado de la Técnica (US 4451266 y EP
708808), conviene resaltar el hecho de que, en el nuestro caso, se
trata de un auténtico biocombustible, capaz de hacer funcionar los
motores por sí solo, sin necesitar la ayuda de ningún hidrocarburo,
como ocurre en los casos de los aditivos antes citados; este
hecho, sin embargo, no implica que el biocombustible no pueda ser
mezclado con los hidrocarburos que, actualmente, son usados como
combustibles convencionales, como gasolinas, gasóleos o
fuel-oils, para mejorar las emisiones
contaminantes de la combustión de dichos hidrocarburos.
Las propiedades de su combustión limpia, son
debidas al aporte de oxígeno que los compuestos del biocombustible
aportan a la combustión, ya que dicha combustión no es mas que la
reacción de oxidación de un combustible, que desprende una cantidad
de calor que se aprovecha como fuente de energía, y que produce
unos gases de combustión, como son el vapor de agua, óxidos
nitrosos, óxidos de carbono y otros; de todos ellos, el más tóxico
(y venenoso aún en muy pequeñas concentraciones) es el monóxido de
carbono (CO), que se produce cuando la combustión se realiza con
insuficiente cantidad de oxígeno; el aporte de más oxígeno de los
componentes del biocombustible, hace que el monóxido (CO) se
convierta en dióxido (CO_{2}) que ya no es venenoso. Este
favorable efecto anticontaminante, similar al que se consigue con
el uso de catalizadores en escapes de vehículos y chimeneas, está
muy favorecido con el uso del biocombustible, por su propia
estructura (ácidos grasos -COOH) y por el aporte de alcoholes
(-OH) y cetonas (-CO-) en los motores de ciclo Otto o de ésteres
(-COO-) y éteres (-O-) en los Diesel. Especialmente la existencia
de cetonas y éteres entre los componentes del biocombustible, no
descrita en el Estado de la Técnica citado, tiene que ver con el
mayor aporte de oxígeno que conlleva una combustión menos
contaminante.
La presente invención trata de un biocombustible
que, a los efectos de la presente descripción es un término
equivalente a combustible proveniente de material vegetal, que
puede ser empleado en los mismos quemadores y motores que, en la
actualidad, y que se pueden emplear conjuntamente con hidrocarburos
convencionales (gasóleos y gasolinas). Dicho biocombustible puede
ser empleado por sí solo o mezclado en distintas proporciones con
los hidrocarburos en uso.
El biocombustible objeto de la presente
invención, consiste en una mezcla íntima de ácidos grasos de
elevado número de átomos de carbono y oxígeno
([CH]_{n}-COOH, donde n > 14),
provenientes de los aceites vegetales comunes (oliva, girasol,
soja, colza, semillas, palmito, etc.) con acetatos y alcoholes que
también pueden ser extraídos de vegetales (como la remolacha, caña
o uva). Ello implica el aprovechamiento de residuos vegetales que
implica un carácter ecológico del biocombustible empleado al
integrar el ciclo combustible en el ciclo del carbono de la
naturaleza.
En la presente invención, no se produce una
esterificación previa del aceite, como generalmente se hace en
otros biocombustibles, sino que el aceite se mezcla con ésteres,
como los acetatos, para conseguir un punto de inflamabilidad del
aceite mayor o menor, según el uso idóneo al que vaya a ser
destinado, es decir, al tipo de motor para el que se vaya a usar.
Una vez se ha estabilizado dicha mezcla, se puede añadir, para
ciertos usos, otra mezcla de alcohol y cetonas, para, por ejemplo,
hacer más antidetonante el biocombustible.
Con la mezcla de ésteres se consiguen incrementar
las propiedades de combustión limpia de estos productos y su
capacidad de solubilización de ácidos grasos, evitándose además el
proceso, muy costoso y complicado, de la esterificación de estos
últimos.
De esta forma, se consigue cubrir, mediante una
mezcla de distintas concentraciones de los mismos elementos, las
diferentes exigencias energéticas que se precisan para motores de
ciclo Otto o de ciclo Diesel.
Así, para los de ciclo Otto, se usan
concentraciones elevadas de acetatos y cetonas, muy fácilmente
inflamables y mucha menor cantidad de aceites, con un punto de
inflamación muy superior; en cambio, en el caso de los motores de
ciclo Diesel, en los que la combustión se consigue por el aumento
de la temperatura producido por la gran presión dentro del pistón,
la concentración de aceites es máxima y se restringe muchísimo el
uso de los productos fácilmente inflamables, para evitar la
combustión anticipada del biocombustible.
El biocombustible se caracteriza por la siguiente
composición:
- Aceite vegetal.
- Acetatos (de metilo, etilo, butilo).
- Eter (metoxi propilo).
- Cetonas (dimetil cetona, metil isobutil
cetona).
- Alcoholes (metílico, butílico,
isopropílico).
Los rangos de densidad y punto de inflamación de
los componentes mencionados serían los siguientes:
Densidad ( en kg./l.) | Punto de inflamación | |
Aceites | 0'97 | Superior a 120º |
Acetato de metilo | 0'902 - 0'905 | -15º |
Acetato de etilo | 0'900 - 0'902 | -4º |
Acetato de butilo | 0'879 - 0'882 | 15º |
Acetato de metoxi propilo | 0'964 - 0'967 | 45º |
Dimetil cetona | 0'79 - 0'80 | -18º |
Metil isobutil cetona | 0'799 - 0'802 | 14º |
(Continuación)
Densidad ( en kg./l.) | Punto de inflamación | |
Alcohol metílico | 0'792 - 0'793 | 12º a 16º |
Alcohol butílico | 0'809 - 0'813 | 34º |
Alcohol isopropílico | 0'785 - 0'786 | 12º |
Con las mezclas apropiadas de estos elementos, se
logran cubrir los distintos rangos de actuación de los
hidrocarburos, consiguiéndose así, con esta patente, un
biocombustible apto para cualquier tipo de motor o quemador,
empleándose para ello, los mismos tipos de componentes químicos,
pero con distintas concentraciones aplicables a cada caso en
particular.
Con el fin de detallar más la utilización del
biocombustible objeto de la presente invención, pasaremos a
exponer los rangos de componentes de las mezclas más
características que se usarían en cada tipo de motor o quemador.
Quemadores de Fuel - Oil o
grandes motores marinos (del mismo
combustible)
30-80% | Aceite vegetal. |
15-30% | Acetato de metoxi propilo |
1-15% | Acetato de butilo |
1-5% | Alcohol butílico |
Quemadores de Gasóleo
C
12-60% | Aceite vegetal. |
4-20% | Acetato de metilo o etilo |
10-40% | Acetato de metoxi propilo |
2-20% | Alcohol isopropílico |
Motores de ciclo Diesel
(Gasóleos A y
B)
40-60% | Aceite vegetal |
40-60% | Acetato de metoxi propilo |
2-20% | Alcohol butílico |
Motores de ciclo
Otto
0'5% - 4% | Aceites vegetales |
24% - 50% | Dimetil cetona |
12% - 30% | Acetato de metilo |
17% - 35% | Alcohol isopropílico |
0'5% - 4% | Acetato de metoxi propilo |
0% - 4% | Alcohol metílico |
0% - 4% | Metil isobutil cetona |
En general el biocombustible patentado, permite
que la energía sea renovable, que se garantice el rendimiento en la
combustión de hidrocarburos cuando se mezclan con dicho
biocombustible y conseguir una mejor lubrificación interna de los
mecanismos en contacto con el mismo.
Como consecuencia de que sus componentes se
extraigan de plantas naturales, oleaginosas en el caso de los
ácidos grasos o de remolacha, vid, caña de azúcar, etc., en el de
los alcoholes o sean fácilmente producidas por síntesis químicas
(ésteres o cetonas), la producción del biocombustible depende
solamente de la siembra de dichas plantas y, por tanto, es
totalmente renovable por nuevas cosechas. El origen vegetal de
buena parte de los componentes de la mezcla del biocombustible
justifica su definición bajo el prefijo bio, sinónimo de
biológico.
Como consecuencia directa de que, en la propia
estructura del biocombustible, estén presentes aceites vegetales,
se produce un efecto de lubrificación interna, por todo el
recorrido del combustible desde el depósito hasta las cámaras de
combustión.
Dicho efecto lubrificante, es sumamente
importante tanto para las partes móviles de los motores, como
pueden ser las bombas inyectoras y válvulas, como para los
elementos que están sufriendo fuertes desgastes por rozamiento de un
líquido impulsado a grandes presiones, como es el caso de los
inyectores o boquillas reguladoras del caudal.
Se ha observado que el uso del biocombustible
produce un acusado descenso del sonido de funcionamiento de los
motores (en especial, el de los de ciclo Diesel), así como una
ausencia de vibraciones, que eran más pronunciadas cuanto más grande
era el motor.
El incremento en el rendimiento en la combustión
de hidrocarburos se pone de manifiesto (Figs. 1 y 2) por los
aumentos porcentuales observados en los siguientes parámetros:
Potencia, par motor y aceleración.
Con la ayuda de un analizador de gases de
combustión Testo mod. 350, se ha procedido al análisis de las
emisiones producidas en diversos mecanismos de combustión. El
citado analizador puede hacer mediciones de los siguientes
parámetros:
- Temperatura de los humos (en grados
centígrados).
- Concentración de Oxígeno libre en los humos (en
%).
- Concentración de monóxido de carbono = CO (en
partes por millón = p.p.m.).
- Concentración de dióxido de azufre = SO_{2}
(en partes por millón = p.p.m.).
- Concentración de óxidos nitrosos = NO y
NO_{x} (en partes por millón = p.p.m.).
Igualmente, mediante cálculo, puede determinar la
concentración del dióxido de carbono (CO_{2}) libre y el
rendimiento térmico de la combustión (ambos en %).
Medición en caldera de calefacción, con gasóleo C
como combustible. El biocombustible utilizado como aditivo tenía la
siguiente composición: 48% de aceite de girasol, 12% de acetato de
metilo, 36% de acetato de metoxipropilo y 4% de alcohol
isopropílico.
\newpage
Combustible: | Combustible: | |
Gasóleo C | Gasóleo C + | |
0'5% biocombustible | ||
Temp. ºC | 183'7 | 154'4 |
% CO_{2} | 14'6 | 13'7 |
% Rendimiento | 93'2 | 93'9 |
% O_{2} | 1'2 | 2'5 |
p.p.m. NO | 104 | 104 |
p.p.m. NO_{x} | 110 | 110 |
p.p.m. SO_{2} | 53 | 33 |
p.p.m. CO | 70 | 20 |
Se observa cómo a rendimientos de combustión
similares, la emisión de ciertos contaminantes (SO_{2} y CO)
disminuye sustancialmente cuando se añade biocombustible.
Medición en motor marino, con
Fuel-Oil como combustible. El biocombustible
empleado como aditivo tuvo la siguiente composición: 71% de aceite
de girasol, 20% de acetato de metoxipropilo, 5% de acetato de
butilo y 4% de alcohol butílico.
Combustible: | Combustible: | |
Fuel-Oil | Fuel-Oil + | |
1% biocombustible | ||
Temp. ºC | 210'9 | 215'8 |
% CO_{2} | 5'8 | 5'7 |
% Rendimiento | 80'3 | 81'5 |
% O_{2} | 13'3 | 13'3 |
p.p.m. NO | 1.139 | 1.158 |
p.p.m. NO_{x} | 1.196 | 1.216 |
p.p.m. SO_{2} | 277 | 207 |
p.p.m. CO | 1.001 | 527 |
Igualmente que en el Ejemplo 1 a igualdad de
rendimientos se obtienen emisiones contaminantes reducidas.
Medición en motor ciclo Otto, combustible
Gasolina 96 oct., sin catalizador. El biocombustible empleado tuvo
la siguiente composición: 1% de aceite de girasol, 45% de
dimetilcetona, 20,5% de acetato de metilo, 25% de alcohol
isopropílico, 0.5% de acetato de metoxipropilo, 4% de alcohol
metílico y 4% de metil isobutil cetona.
En este motor, que corresponde a un vehículo
marca Rover de 1.200 c.c., se midieron solamente las emisiones de
monóxido de carbono, primero usando su gasolina habitual y
sustituyéndola luego por el biocombustible puro.
p.p.m. CO = 20.048 (con gasolina 96 octanos, 800
r.p.m.)
p.p.m. CO = 0 (con biocombustible puro, 800
r.p.m.)
Mediante el empleo de un dinamómetro portátil,
marca Dynomet, conectado a un ordenador portátil, se ha constatado,
sobre vehículos en movimiento, el aumento de potencia que sufre el
motor como consecuencia de la más completa combustión que se
produce al añadir el biocombustible al hidrocarburo líquido
convencional que movía al vehículo.
En la Figura 1 se observa la curva de potencia
aumentada cuando se añade al gasóleo de un vehículo marca Ford
Transit un 1% de biocombustible (raya naranja) frente al control
sin adición de biocombustible (raya violeta). De forma análoga se
muestra la curva de par motor en uno u otro caso (líneas azul y
morada respectivamente). El biocombustible empleado como aditivo
tuvo la siguiente composición: 48% de aceite de girasol, 48% de
acetato de metoxipropilo y 4% de alcohol butílico.
Máxima potencia conseguida sin
biocombustible:
= 50CV (37 Kw) a 3.900 r.p.m. (67,5 Km./h.)
Máxima potencia conseguida con
biocombustible:
= 64 CV (47 Kw) a 3.468 r.p.m. (61 Km./h.)
Máximo par motor sin
biocombustible:
= 105 Nm a 1.894 r.p.m.
Máximo par motor con
biocombustible:
= 142 Nm a 2.645 r.p.m.
Como se puede comprobar en la Figura 2, la curva
de aceleración del vehículo (Ford Transit del Ejemplo 4) que usa el
gasóleo después de añadirle un 1% de biocombustible (línea roja),
con idéntica composición a la utilizada en el ejemplo anterior,
tiene una pendiente más pronunciada que la curva del mismo vehículo
que aún no ha sido tratado (línea azul); el gráfico indica que,
mientras en el caso de la línea roja tarda 20,2 segundos en
conseguir la velocidad máxima lograda (76,7 Km./h. en ambos casos,
en 3ª marcha), en el caso de la línea azul, el tiempo invertido en
alcanzar esa misma velocidad máxima, se elevó hasta los 23,2
segundos, aunque en el primer caso se parte de 16 Km./h. y en el
segundo lo hace a partir de 20 Km./h.
El resultado de comparar ambas curvas logradas,
indica, por tanto, una ganancia de mas de tres segundos en la
aceleración del mismo vehículo, después de añadir al gasóleo de
éste biocombustible al 1%.
Línea continua = Curva de potencia resultante SIN
tratamiento
Línea - - - = Curva de potencia resultante CON
Biocombustible
Línea .... = Curva de par motor resultante SIN
tratar
Línea -.-.- = Curva de par motor resultante CON
Biocombustible
Eje de ordenadas izquierdo = Potencia (medida en
CV o en KW)
Eje de ordenadas derecho = Par motor (medido en
New.m)
Eje de abcisas = Velocidad de giro del motor (en
revoluciones por minuto).
Línea -.-.- = Curva de aceleración con gasóleo
normal, sin tratamiento
Línea - - - = Curva de aceleración con gasóleo
tratado con Biocombustible
Eje de ordenadas = Velocidad conseguida (en Km.
por hora)
Eje de abcisas = Tiempo invertido (en
segundos).
Claims (24)
1. Biocombustible caracterizado por
consistir en una mezcla de al menos un ácido graso de origen
vegetal de fórmula (CH)_{n}-COOH, en que n
> 14, con al menos dos de los siguientes componentes:
- Al menos un acetato
- Al menos un éter
- Al menos una cetona
- Al menos un alcohol,
siendo al menos uno de dichos
componentes un éter o una
cetona.
2. Biocombustible de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque preferentemente el
acetato se selecciona entre acetato de metilo, acetato de etilo y
el acetato de butilo.
3. Biocombustible de acuerdo con las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la cetona se
selecciona entre dimetil cetona o metil isobutil cetona.
4. Biocombustible de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el alcohol se
selecciona entre el metílico, butílico o isopropílico.
5. Biocombustible de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque el éter es el
acetato de metoxipropilo
6. Biocombustible de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por la siguiente
composición:
7. Biocombustible de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por la siguiente
composición:
8. Biocombustible de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por la siguiente
composición:
9. Biocombustible de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por la siguiente
composición:
10. Uso del biocombustible de las
reivindicaciones 1 a 5 y 8, por sí solo como carburante en motores
de ciclo Diesel.
11. Uso del biocombustible de las
reivindicaciones 1 a 5 y 9, por sí solo como carburante en motores
de ciclo Otto.
12. Uso del biocombustible de las
reivindicaciones 1 a 7, por sí solo como carburante en quemadores
convencionales, preferentemente adaptados a la combustión de
fuel-oil o gasóleo C.
13. Aditivo para combustibles
caracterizado por consistir en una mezcla de al menos un
ácido graso de origen vegetal de fórmula (CH)_{n} COOH, en
que n > 14, con al menos dos de los siguientes componentes:
- Al menos un acetato
- Al menos un éter
- Al menos una cetona
- Al menos un alcohol.
14. Aditivo para combustibles según la
reivindicación 13, caracterizado porque preferentemente el
acetato se selecciona entre acetato de metilo, acetato de etilo o
acetato de butilo.
15. Aditivo para combustibles según las
reivindicaciones 13 ó 14, caracterizado porque la cetona se
selecciona entre dimetil cetona o metil isobutil cetona.
16. Aditivo para combustibles según las
reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque el alcohol se
selecciona entre el metílico, butílico o isopropílico.
17. Aditivo de acuerdo con las reivindicaciones
13 a 16 caracterizado porque el éter es el acetato de
metoxipropilo
18. Aditivo de acuerdo con las reivindicaciones
13 a 17 caracterizado por la siguiente composición:
19. Aditivo de acuerdo con las reivindicaciones
13 a 17 caracterizado por la siguiente composición:
20. Aditivo de acuerdo con las reivindicaciones
13 a 17 caracterizado por la siguiente composición:
21. Aditivo de acuerdo con las reivindicaciones
13 a 17 caracterizado por la siguiente composición:
22. Uso de los aditivos de las reivindicaciones
13 a 17 y 20, junto con cualquier hidrocarburo en motores de ciclo
Diesel.
23. Uso de los aditivos de las reivindicaciones
13 a 17 y 21, junto con cualquier hidrocarburo en motores de ciclo
Otto.
24. Uso de los aditivos de las reivindicaciones
13 a 19, junto con cualquier hidrocarburo en quemadores
convencionales, preferentemente adaptados a la combustión de
fuel-oil o gasóleo C.
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