KR102006030B1 - 압축 점화 엔진을 가동하는 방법 및 이를 위한 연료 - Google Patents

Abstract

디젤 엔진 연료 조성물이 연료의 적어도 20 중량 % 레벨의 메탄올; 상기 연료의 적어도 20 중량 % 레벨의 물; 20:80 내지 80:20 사이의 물 대 메탄올의 비율; 상기 연료 조성물의 적어도 60 중량 %의 물과 메탄올의 총량, 및 총량이 상기 연료의 적어도 0.1 중량 %인 하나 이상의 첨가제 - 첨가제로서 존재하는 경우의 염화 나트륨의 레벨은 상기 연료의 0 내지 5 중량 % 사이이고, 첨가제로서 존재하는 경우의 향미제의 레벨은 상기 조성물의 0 내지 1.5% 사이임 - 을 포함한다. 또한, 메탄올 및 물을 포함하는 연료 조성물을 이용하여 압축 점화 엔진을 가동하기 위한, 유입 공기 예열하는 단계를 포함 공정 및 관련 시스템 및 연료 조성물의 이용이 제공된다.

Description

압축 점화 엔진을 가동하는 방법 및 이를 위한 연료{PROCESS FOR POWERING A COMPRESSION IGNITION ENGINE AND FUEL THEREFOR}

본 발명은 압축 점화 타입의 내연 엔진을 가동하는 새로운 연료 조성 및 방법에 관한 것이다.

본 출원은 호주 특허 출원(제 AU2010905226호 및 제 2010905225호)로부터 우선권을 주장한다. 이 출원은 또한, 공동 우선권 주장 당일에 동일 출원인이 출원한 "Fuel and process for powering a compression ignition engine"이라는 명칭의 국제 출원에 관한 것이다. 관련 국제 출원의 명세서는 본 명세서에서 참조로서 병합된다.

종래의 화석 연료에 대한 연료 대안에 대한 모색은 낮은 생산비와 넓은 이용 가능성과 결합되는 "깨끗한" 방출 연료에 대한 필요에 의해 주로 추진되었다. 연료 방출의 환경 영향에 대해 많은 주목을 하고 있다. 대안 연료에 대한 연구는, 비-연소 연료 및 CO₂ 방출 및 기타 연소 산물을 감소시키는 연료뿐만 아니라 연료 연소에 의해 발생된 미립자 물질 및 산소의 양을 감소시킬 연료에 대해 집중된다.

운송 응용에 대한 환경 친화적인 연료 조성에 대한 추진은 에탄올에 집중되어왔다. 유기 식물성 물질과 같은 바이오-물질이 에탄올로 변환될 수 있고, 그러한 방법에 의해 발생된 에탄올이 불꽃 점화 엔진에 대한 연료의 부분적인 대체물로서 사용되어왔다. 이것이 연료에 대한 비-재생 가능 자원에 대한 의존을 감소시키는 반면, 엔진에서 이들 연료의 사용으로 인해 발생한 환경적 결과물이 전체적으로 상당히 개선되지 않아왔으며, 더 낮은 효율의 불꽃 점화 엔진에서의 그러한 연료의 지속적인 사용과, 연료를 생성하기 위한 에너지, 경작지, 비료 및 관개 용수의 사용과 관련된 부정적인 환경 영향에 의해 더 깨끗한 연소가 상쇄되고 있다.

전통적인 연료의 완전한 또는 부분적인 대체에 대한 다른 연료 대안이 널리 사용되지 않아왔다.

전통적인 연료 및 특히 압축 점화 엔진용 연료(디젤 연료)의 재생 가능한 대체 연료로의 완벽한 대체가 갖는 한 가지 주요한 단점은 그러한 연료의 저 세탄 지수(cetane index)와 관련하여 인지된 문제에 대한 것이다. 그러한 연료는 엔진의 효율적인 동작에 필요한 방식으로 점화를 달성하는데 문제를 야기한다.

본 출원인은 또한, 일부 외딴 지역이나 환경에서 물은 희소한 자원이며, 그러한 지역에서, 지역 집단에서 재사용하기 위해 물 부산물 포획과 결합된 (디젤 엔진 전기 생성을 통한 것과 같은) 전력 생성에 대한 수요가 있을 수 있음을 인식하였다. 게다가, 액체 파이프라인을 통한 대량의 에너지 운반은, 상공의 전송 라인에 비해, 많은 양의 에너지를 최소한의 시각적인 영향을 갖고 먼 거리에 걸쳐서 운반하는 오랫동안의 비용 효과적인 기술이다.

본 출원인은 또한, 지역 사회에서 포획되고 재사용될 그러한 산업적 방법으로 생성한 열에 대한 일부 지역에서의 필요를 인식하였다. 일부 경우에, 이러한 필요는 상술한, 재사용을 위한 물 포획에 대한 필요와 결합된다.

요약하면, 내연 엔진에 사용하기 위한 대안적인 연료에 대한 지속적인 필요가 있다. 방출을 감소시킬 수 있는 연료가 관심을 받고 있으며, 특히 여기서 연료 효율 및/또는 엔진 성능에 주요한 악영향 없이 개선된 방출 프로파일을 얻게 된다. 압축 점화 엔진이 전통적으로 그러한 응용에 사용하기에 적절할 수 있는 것으로 생각되지 않았던 성분을 함유한 디젤 대체 연료로 동작될 수 있게 하는, 그러한 엔진을 가동하는 방법에 대한 필요가 또한 있다. 외딴 지역이나, (특히 방출 면에서 항구 지역에 있는 고위도 해양 환경에서와 같은) 환경적으로 민감한 환경 또는 예컨대 열 및 물 부산물을 포함한 엔진 동작의 모든 부산물을 최대로 사용할 수 있는 외딴 건조 그러나 추운 내륙 지역과 같은 기타 지역에서 사용하기에 적합한 디젤 엔진 연료 및 엔진 동작 방법에 대한 필요가 또한 있다. 이들 목적은 바람직하게는 연료 효율 및 엔진 성능에 가능한 적은 불이익을 주면서 해결된다.

본 발명에 따르면, 디젤 엔진 연료 조성으로서:

- 연료 중 적어도 20중량% 레벨의 메탄올;

- 연료 중 적어도 20중량% 레벨의 물;

- 20:80과 80:20 사이의 물과 메탄올 비;

- 연료 조성의 적어도 60중량%의 물과 메탄올의 총 양; 및

- 연료 중 총 중량이 적어도 0.1중량%인 하나 이상의 첨가제를 포함하며, 염화나트륨의 레벨은, 첨가제로서 존재하는 경우, 연료 중 0중량%와 0.5중량% 사이이며, 향미제(flavourant) 레벨은, 첨가제로서 제공되는 경우, 조성의 0%와 1.5% 사이인, 디젤 엔진 연료 조성이 제공된다.

본 발명에 따르면, 메탄올과 물을 포함하는 연료를 사용하여 압축 점화 엔진을 가동하는 방법이 또한 제공되며, 이 방법은:

흡입 공기 스트림을 예열하여, 예열된 공기를 엔진의 연소실 내에 도입하며 예열된 공기를 압축하는 단계; 및

연료를 연소실 내에 도입하여 엔진을 구동하도록 연료/공기 혼합물을 점화하는 단계를 포함한다.

본 발명은, 고순도 성분의 혼합물을 본 명세서에 기재한 방법에 따라 연료에 수용함으로써, 그러한 성분 및 부산물 성분의 생성에 대한 필요를 제거하여, 간소하고 더 저가인 연료 제조 및 감소한 환경적 영향을 결과적으로 초래할 수 있다. 비용 및 환경적 이점은 또한 추운 기후에서의 연료 사용으로부터 발생할 수 있으며, 이는, 연료의 냉각점이 겪을 수 있는 임의의 저온 환경을 쉽게 충족할 수 있기 때문이다.

연료 연소로부터 발생하는 배기는 낮은 불순물을 함유할 수 있어서, 후속한 처리에 대해 이상적이게 될 수 있다. 일 예로서, CO2는 메탄올로 다시 변환될 수 있어서 온실 가스 C02를 직접 감소시킬 수 있거나, 고순도 CO2가, 태양열을 포함한 재생 가능한 자원을 포함할 수 있는 에너지 자원을 활용하여, 메탄올 제조를 포함한 다수의 최종 사용을 위한 조류(algae)와 같은 유기물 성장에 사용될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 첨가제는 연료 중 최대 20중량%의 레벨의 에테르를 포함한다. 에테르는 디메틸 에테르일 수 있다.

일 실시예에서, 연료 연소 도중 생성된 물은 회수될 수 있으며, 이점은 물이 희소한 외딴 지역에서 주요한 장점이 된다. 다른 예에서, 디젤 엔진의 동작 중 생성된 열은 지역 난방 요구사항에 활용될 수 있다. 후술된 실시예는 그에 따라, 엔진의 물 및/또는 열 출력을 적절하게 활용하는, 디젤 엔진의 동작을 통한 발전 시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면, 발전 시스템으로서:

메탄올-물 연료를 사용하여 압축 점화 엔진을 가동하여 동력을 생성하는 것;

압축 점화 엔진의 유입 공기 스트림을 예열하고 및/또는 유입 공기 스트림을 점화 증강제로 훈증(fumigating)하는 것;

엔진 배기 가스를 처리하여 배기 열 및/또는 물을 엔진으로부터 회수하고, 추가로 사용하기 위해 열 및/또는 물을 다시 보내는 것을 포함하는 발전 시스템이 더 제공된다.

일부 실시예에서, 열 및/또는 물은 재사용되기 위해 엔진으로 다시 재순환될 수 있다. 택일적으로 또는 추가로, 열 및/또는 물은 다른 곳에서 사용하기 위해 국지적으로 다시 보내질 수 있다. 일 예로, 열은 온수 루프를 통해 인근 집단에 공급될 수 있어서, 예컨대 열의 형태로 에너지를 이 집단에 제공할 수 있어서, 가정 또는 상업 부지를 데울 수 있다. 이 예에서 엔진은 집단을 위해 전기를 생성하는데 사용될 수 있으며, 이점은 특히 외딴 집단에 유리할 수 있다.

다른 실시예에서, 시스템은 철도 및 해양 운송수단을 포함한 운송수단을 가동하도록 적응될 수 있다. 이들 응용에서, 배기는, 미립자를 제거하고, 철도나 해양 운송수단에 필요한 바와 같은 다른 사용을 위해 그리고 엔진에서 재사용을 위해 열과 물을 회수하도록 처리된다.

본 발명에 따라, 메탄올과 에테르를 포함하는 2-부분 사전-연료 조성을 운반하는 방법이 더 제공되며, 이 방법은 사전-연료를 제1 지역으로부터 제1 지역으로부터 떨어진 제2 지역으로 운반하는 단계와, 메탄올로부터 에테르를 분리하여 메탄올을 포함하는 제1 연료 부분과 에테르를 포함하는 제2 연료 부분을 분리하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 메탄올과 최대 10중량%의 에테르를 포함하는 사전-연료 조성이 더 제공된다.

본 발명에 따르면, 전술한 방법이나 발전 시스템에서 전술한 디젤 연료 조성의 사용이 더 제공된다.

본 발명의 실시예는 이제 수반하는 도면을 참조하여 예를 들어 기술될 것이다.

도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 압축 점화 엔진을 가동하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 2는, 세 연료 조성(100% 메탄올, 70% 메탄올: 30% 물 및 40% 메탄올: 60% 물)에 대해서, (연료 중량에 비교하여) 엔진 내로 훈증되는, 점화 증강제로서의 디메틸 에테르(DME)의 중량%를 압축된 연료/훈증제/공기 혼합물의 온도 변화에 대해 도시한 그래프이며, 이러한 도시는 후술될 점화 개선 기술의 지원 하에서 활용될 수 있는 일 방법에 관한 것인, 그래프이다.
도 3a는, 온수 루프를 통해 분리 가열원으로서 사용된 폐열을 이용하여, 압축 점화 엔진을 가동하고 엔진 배기를 처리하는 방법을 예시한 흐름도이다.
도 3b는 도 3a와 유사하지만, 엔진 흡입 공기를 훈증하는 단계를 제외한 흐름도이다.
도 4a는 도 3a 및 도 3b의 흐름도에서 배기 처리에 대한 더 상세한 도면이다.
도 4b는 도 4a와 유사하지만, 최종 배기 공기 교환 콘덴서가 없는 도면이다.
도 5a는, 철도 운송수단을 구동하기 위해 압축 점화 엔진을 가동하고 엔진 배기를 처리하는 방법을 예시한 흐름도이다.
도 5b는 도 5a와 유사하지만, 엔진 흡입 공기를 훈증하는 단계를 제외한 흐름도이다.
도 6a는, 해양 운송수단을 구동하기 위해 압축 점화 엔진을 가동하고 엔진 배기를 처리하는 방법을 예시한 흐름도이다.
도 6b는 도 6a와 유사하지만, 엔진 흡입 공기를 훈증하는 단계를 제외한 흐름도이다.
도 7은, 가변적인 양의 물과 메탄올, 액상인 DME 및 DEE를 함유한 연료를 사용하여 DME를 훈증한 압축 점화 엔진의 브레이크 열 효율을 예시하는 그래프이다.
도 8은, 가변적인 양의 에테를 점화 증강제로서 함유한 연료를 사용하며, DME를 훈증으로서 활용한 압축 점화 엔진의 브레이크 열 효율을 예시하는 그래프이다.
도 9는, 가변적인 양의 물을 함유한 연료를 사용하며, DME를 훈증제로서 활용한 압축 점화 엔진의 NO 배기 출력을 예시하는 그래프이다.
도 10은 예 1의 결과를 얻는데 사용된 테스트 설비의 방법 및 장비의 개략도이다.
도 11은, 메탄올-물 연료 중의 물의 양을 증가시킴으로써, 압축 점화 엔진의 NO 배기 출력을 감소시키는 것을 예시하는 그래프이다.

본 명세서에 기재한 연료와 방법은 압축 점화(CI: Compression Ignition) 엔진을 가동하는데 적절하다. 특히, 이 연료 및 방법은, 1000rpm 이하와 같은 저속에서 동작하는 CI 엔진에 가장 적절하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 엔진의 속도는 심지어 300rpm이하, 예컨대 150rpm이하일 수 도 있다.

연료는 그러므로 선박 및 열차에서와, 발전소에서 동작하는 것과 같은 대형 디젤 엔진에 적절하다. 대형 CI 엔진의 더 느린 속도로 인해, 선택된 연료 조성의 연소가 완료되고 매우 높은 백분율의 연료가 증기화되기에 충분한 시간을 허용하여 효율적인 동작을 달성한다.

그러나 본 명세서에 기술한 연료 및 방법은 더 고속으로 동작하는 소형 CI 엔진과도 동작할 수 있음을 이해해야 한다. 사실, 예비 테스트 작업이 2000rpm 및 1000rpm에서 동작하는 소형 CI 엔진에 대해 진행되었으며, 연료가 또한 그러한 더 고속의 엔진을 가동할 수 있음이 입증되었다. 일부 예에서, 조정이, 소형(더 높은 rpm) CI 엔진에서의 연료 및 방법의 사용을 보조할 수 있다.

연료 조성

방법을 위한 연료 조성은 메탄올과 물을 포함한다. 연료는 압축 점화 엔진 연료, 즉 디젤 엔진 연료이다.

현재까지, 메탄올은 압축 점화 엔진에서 상업적으로 응용되지 않아왔다. 메탄올을 엔진 연료로서 순정이거나 혼합된 상태로 사용하는 것의 단점은 3 내지 5의 범위인 낮은 세탄 지수로 강조되고 있다. 이러한 낮은 세탄 지수로 인해 메탄올은 CI 엔진에서 점화하기 어렵게 된다. 물을 메탄올과 혼합하면, 메탄올/물 혼합 연료의 연소를 훨씬 더 어렵게 하는 연료의 세탄 지수를 더욱더 감소시키며, 따라서 물을 메탄올과 조합하여 CI 엔진에 사용하는 것은 직관에 반대되는 것으로 간주되어왔다. 연료 주입에 이은 물의 효과는, 물이 가열되어 증발됨에 따라 냉각시키며, 유효 세탄을 낮추는 것이다.

그러나 메탄올-물 연료 조합은, 엔진의 연소실 내로 도입된 흡입 공기 스트림이 충분히 예열된다면, 압축 점화 엔진에서 효율적으로 그리고 더 깨끗한 배기 방출로 사용될 수 있음을 알게 되었다. 더 상세하게 설명된 추가 인자가 또한 이 연료로 CI 엔진의 유효 동작을 최대화하는데 기여한다. 제2 조치로서, 흡입 공기 스트림은 점화 증강제를 포함하는 훈증제로 추가로 훈증될 수 있다.

연료는 균질의 연료 또는 단일 상 연료일 수 있다. 연료는 전형적으로 함께 유화된 분리된 유기 및 수상(aqueous phase)을 포함하는 유화 연료(emulsion fuel)는 아니다. 연료에서 추가 성분의 수용은 메탄올 및 물 모두의 이중 용해 성능의 보조를 받으며, 이로 인해, 활용될 수 있는 여러 가지 물: 메탄올 비율에 걸쳐서 넓은 범위의 물질을 용해시킬 것이다.

놀랍게도, 메탄올과 상대적으로 높은 물 레벨을 기초로 한 특정한 새로운 연료 조성이 압축 점화 엔진을 위한 연료로서 사용될 수 있음을 알게 되었다. 연료는 디젤 연료로서 지칭될 수 있다. 메탄올과 물을 원료로 한 일부 연료 조성이 상술되었을지라도, 높은 물 레벨을 함유한 이러한 타입의 연료는 압축 점화 엔진을 동작할 수 있는 것으로 알려져 있지 않다. 구체적으로 물 성분을 갖는 메탄올 연료는, 연료가 연소하여 열을 생성할 때, 가열된 또는 쿠킹 연료로서 사용하기 위해서만 기재되어왔다. 디젤 엔진 연료에 적용하는 원리는 매우 상이하며, 이는, 연료가 압축 점화 엔진에서 압축 하에서 점화해야 하기 때문이다. 쿠킹/가열 연료에서의 메탄올 및 다른 성분의 사용을 참조하여, 있더라도, 매우 적은 정보를 얻을 수 있다. 그러나 본 명세서에서 기재한 기술로 인해, 본 명세서에서 기재한 새로운 연료는 압축 점화 엔진을 동작시킬 수 있다.

하나의 새로운 디젤 연료 조성은:

- 연료 중 적어도 20중량% 레벨의 메탄올;

- 연료 중 적어도 20중량% 레벨의 물;

- 20:80과 80:20 사이의 물과 메탄올 비;

- 연료 조성 중의 적어도 70%, 적어도 80% 또는 적어도 85%와 같은 연료 조성의 적어도 60중량%의 물과 메탄올의 총 양; 및

- 연료 중 총 중량이 적어도 0.1중량%인 하나 이상의 첨가제를 포함하며, 염화나트륨의 레벨은, 첨가제로서 제공되는 경우, 연료 중 0중량%와 0.5중량% 사이이며, 향미제(flavourant) 레벨은, 첨가제로서 존재하는 경우, 조성의 0%와 1.5% 사이이다.

일 실시예에 따르면, 첨가제는 연료의 최대 20중량%의 레벨로 에테르를 포함한다. 에테르는 디메틸 에테르나 디에틸 에테르일 수 있다.

물 레벨은 일부 실시예에서 연료 조성의 20중량%를 초과할 수 있다. 일부 실시예의 최소 물 레벨은 후술될 것이다. 예컨대, 최소 물 레벨은 연료의 25중량%를 초과, 30중량%를 초과, 35중량%를 초과, 40중량%를 초과, 45중량%를 초과, 50중량%를 초과, 55중량%를 초과, 60중량%를 초과, 65중량%를 초과 또는 심지어 70중량%를 초과할 수 있다.

그러한 높은 함수 메탄올-물 디젤 연료 조성은 압축 점화 엔진을 동작할 수 있도록 이제까지 확립되지 않아왔다. 그러나 본 명세서에서 기술된 이들 높은 함수 메탄올-물 연료 조성은, 특히 이 엔진이 본 명세서에서 기술된 방법에 따라 동작할 때, 압축 점화 엔진을 동작할 수 있다. 이것은 유입 공기 예열, 또는 유입 공기의 훈증제로의 훈증을 수반할 수 있다.

일반적으로, 연료 조성에서 물과 에탄올의 상대적인 양은 0.2:99.8중량 내지 80:20중량의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예에 따르면, (에탄올에 대한) 최소 물 레벨은 2:98, 3:97, 5:95, 7:93, 10:90, 15:95, 19:81; 21:79의 최소비와 같은 1:99이다. 일부 시시예에 따른 조성에서 (메탄올에 대한) 물의 상한은 75:25, 70:30, 60:40, 50:50 또는 40:60과 같은 80:20이다. 이 조성에서 물의 상대적인 양은 "낮은 내지 중간 물" 레벨 범위나 "중간 내지 높은 물" 레벨 범위에 있는 것으로 간주될 수 있다. "낮은 내지 중간 물" 레벨 범위는 상기 기재한 최소 레벨 중 임의의 레벨로부터 18:82, 20:80, 25:75, 30:70, 40:60, 50:50 또는 60:40 중 어느 것의 최대치까지의 범위를 포함한다. "중간 내지 높은 물" 레벨 범위는 20:80, 21:79, 25:75, 30:70, 40:60, 50:50, 56:44 또는 60:40 중 어느 하나로부터 앞서 기재한 상한 중 하나의 최대치까지의 범위를 포함한다. 전형적인 낮은/중간 물 레벨 범위는 2:98 내지 50:50이며, 전형적인 중간/높은 물 레벨 범위는 50:50 내지 80:20이다. 전형적인 낮은 물 레벨 범위는 5:95 내지 35:65이다. 전형적인 중간 레벨 물 범위는 35:65 내지 55:45이다. 전형적인 높은 물 레벨 범위는 55:45 내지 80:20이다. 본 발명의 새로운 더 높은 함수 디젤 연료는, 연료가 (최소 20% 함수와 같이) 앞서 기재한 연료의 특성을 포함한다면, 물과 메탄올의 상기 상대적인 양을 포함할 수 있다.

전체(주된) 연료 조성에서 물의 중량%를 고려하면, 주된 연료 조성에서 물의 상대량은 연료 조성 중 적어도 0.2중량%, 적어도 0.5중량%, 적어도 1중량%, 적어도 2중량%, 적어도 3중량%, 적어도 4중량%, 적어도 5중량%, 적어도 6중량%, 적어도 7중량%, 적어도 8중량%, 적어도 9중량%, 적어도 10중량%, 적어도 11중량%, 적어도 12중량%, 적어도 13중량%, 적어도 14중량%, 적어도 15중량%, 적어도 16중량%, 적어도 17중량%, 적어도 18중량%, 또는 적어도 19중량%, 적어도 20중량%, 적어도 22중량%, 적어도 25중량%, 적어도 30중량%, 적어도 35중량%, 적어도 40중량%, 적어도 45중량%, 적어도 50중량%, 적어도 55중량%, 적어도 60중량%, 적어도 65중량% 또는 적어도 70중량% 물의 최소치일 수 있다. 주된 연료 조성에서 물의 중량이 증가함에 따라, 더욱더 놀랍게도, 유입 공기의 훈증제로의 훈증이, IMEP 중 COV 면에서 매끄러운 동작과 순 동력을 발생시킴으로써, 점화 면에서 연료 중 물의 불이익을 극복한다. 연료 조성 중의 물의 최대량은 68중량%, 60중량%, 55중량%, 50중량%, 40중량%, 35중량%, 32중량%, 30중량%, 25중량%, 23중량%, 20중량%, 15중량% 또는 10중량%일 수 있다. 최소 레벨 중 임의의 것이, 최소 레벨이 최대 물 레벨 미만이어야 한다는 요구사항을 제외하고, 제한 없이 최대 레벨과 결합될 수 있다.

바람직한 브레이크 열 효율(BTE)에 대해, 예에서 보고된 테스트 결과를 기초로 해서, 일부 실시예에서 연료 조성 중 물의 양은 0.2중량%와 32중량% 사이이다. 메탄올-물 압축 점화 엔진 연료에 대한 브레이크 열 효율에서 피크에 대한 최적 구역은 주된 연료 조성 중 12중량%와 23중량% 사이이다. 이 범위는 이들 두 범위 중 더 넓은 것으로부터 더 좁은 것으로 증분적으로 좁아질 수 있다. 일부 실시예에서, 이것은 주된 연료 조성의 최대 15중량%인, 연료 조성에서 점화 증강제의 양과 결합된다. 점화 증강제의 상세한 내용은 후술할 것이다.

NOx 방출의 최대 감소에 대해 예에서 보고된 다른 테스트 결과를 기초로, 일부 실시예에서 연료 조성 중 물의 양은 22중량%와 68중량% 사이이다. NOx 방출의 최대 감소에 대한 최적 구역은 주된 연료 조성의 30중량%와 60중량% 사이이다. 이 범위는 이들 두 범위 중 더 넓은 것으로부터 더 좁은 것으로 증분적으로 좁아질 수 있다. NO가 주된 NOx 방출 성분이므로, NOx 방출의 전체 범위의 더 큰 비율이거나 이것을 가리키는 것인 NO 방출을 참조할 수 있다.

일부 실시예에서, 연료 속성 및 방출에 대한 원하는 균형에 대해, 연료 조성은 5%와 25%의 물 사이, 5%와 22% 물 사이와 같이, 주된 연료 조성 중의 5중량%와 40중량% 사이의 물을 포함한다. 이들 레벨은 예에서 보고된 테스트 결과의 조합을 기초로 한다.

본 명세서에 기재한 방법에 사용하기 위한 일반 연료에서, 총 연료 조성 중 메탄올의 양은 바람직하게는 연로 조성의 적어도 20중량%이다. (새로운 높은 함수 메탄올-물 디젤 연료 조성 실시예와 같은) 일부 실시예에 따르면, 연료 조성 중 메탄올의 양은 연료 조성의 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60% 또는 적어도 70%이다. 본 명세서에 기재한 방법에서 사용하기 위한 일반 연료에서, 총 연료 조성 중 물의 양은 적어도 0.2%, 적어도 0.5%, 적어도 1%, 적어도 2%, 적어도 3%, 적어도 4%, 적어도 5%, 적어도 6%, 적어도 7%, 적어도 8%, 적어도 9%, 적어도 10%, 적어도 11%, 적어도 12%, 적어도 13%, 적어도 14%, 적어도 15%, 적어도 16%, 적어도 17%, 적어도 18%, 적어도 19%, 적어도 20%, 적어도 25%, 적어도 30%, 적어도 35%, 적어도 40%, 적어도 45%, 적어도 50%, 적어도 55%, 적어도 60%, 적어도 65% 및 적어도 70%일 수 있다. 새로운 높은 함수 메탄올-물 디젤 연료 조성 실시예에 대해, 물 레벨은 연료 조성의 적어도 20중량%이다. 더 높은 물 레벨에서의 그러한 연료의 점화는 엔진에 들어온 공기의 증가한 온도를 통해 달성할 수 있다. 점화 속성의 추가 증강은, 연료 주입에 앞서 점화할 수 있는 훈증제의 사용을 통해 달성될 수 있어서, 연료가 주입된 후 점화가 일어나기 위해 유리한 더 높은 온도 조건을 만들 수 있다. 연료 조성 중 물의 중량은 증가하므로, 더욱더 놀랍게도, 앞서 개괄적으로 기재한 점화 개선 기술은 연료 중 물의 불이익을 극복한다.

총 연료 조성 중 메탄올과 물의 결합된 양은 연료 조성 중 적어도 80%, 적어도 85%, 또는 적어도 90%와 같은 적어도 75%일 수 있다. 연료 조성은 연료 조성 중 결합된 양이 최대 25중량%, 또는 최대 20중량%, 또는 최대 15중량%, 또는 최대 10중량%인 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 총 또는 결합된 레벨의 첨가제는 연료 조성 중 최대 5%이다. 새로운 높은 함수 디젤 연료 조성과 같은 일부 실시예에서, 첨가제는 연료의 적어도 0.1중량%를 구성한다. 이 새로운 높은 함수 디젤 연료 조성에서, 염화나트륨이 존재한다면, 이 첨가제의 레벨은 연료의 최대 0.5중량%의 레벨로 존재하며, 향미제가 존재한다면, 향미제 레벨은 조성의 최대 1.5%이다.

연료 조성의 발생에 사용하기 위한 메탄올은 임의의 소스로부터 유래할 수 있다. 일 예로서, 메탄올은 제조되거나 폐 메탄올, 또는 거친 또는 반-정련된 메탄올, 또는 정련되지 않은 메탄올일 수 있다. 거친 또는 폐 또는 반-정련된 메탄올은 전형적으로 주로 메탄올을 함유할 수 있지만, 잔여물은 물과 다량의 더 높은 알코올, 알데히드, 케톤 또는 메탄올 제조의 정상 과정 중 발생한 다른 탄화수소 및 산소 분자이다. 폐 메탄올은 오염 정도나 타입에 따라 적적할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 앞선 절들에서 메탄올과 물의 비율, 연료 조성 중 메탄올 중량의 양에 대한 참조는 메탄올 소스에서 메탄올 자체의 양을 지칭한다. 따라서, 메탄올 소스가 90% 메탄올과 기타 성분을 함유한 크루드(crude) 메탄올이고, 연료 조성 중 이 크루드 메탄올의 양이 50%라면, 실제 메탄올 양은 45% 메탄올인 것으로 고려된다. 메탄올 소스 중 물 성분은, 연료 조성 중 물의 양을 결정할 때 고려되며, 다른 불순물은, 달리 명시되어 있지 않다면, 산물에서 성분의 상대적인 양을 평가할 때 첨가제로서 처리된다. 크루드 메탄올에 존재할 수 있는 더 높은 알코올, 알데히드 및 케톤은 용해 가능한 연료 증량제(extender) 첨가제로서 기능할 수 있다.

일부 실시예에 따라, 연료는 크루드 메탄올을 포함한다. 용어 "크루드 메탄올"은 메탄올, 물을 함유한 메탄올 소스와 같은 낮은 순도의 메탄올 소스를 포함하며, 최대 35% 비-수 불순물일 수 있다. 크루드 메탄올의 메탄올 함량은 95% 이하일 수 있다. 크루드 메탄올은 추가 정련 없이 연료에서 직접 사용될 수 있다. 전형적인 비-수 불순물은 더 높은 알코올, 알데히드, 케톤을 포함한다. 용어 "크루드 메탄올"은 폐 메탄올, 거친 메탄올 및 반-정련 메탄올을 포함한다. 이 실시예의 특정한 장점은, 더 높은 레벨로 불순물을 함유하는 크루드 메탄올이 값비싼 정련 없이도 CI 엔진에 대한 연료에서 바로 사용할 수 있다는 점이다. 이 경우, 첨가제 레벨(즉, 크루드 메탄올 불순물 및 물을 제외한 기타 연료 조성 첨가제)은 (크루드 메탄올 내의 불순물을 포함하여) 연료 조성의 최대 60%일 수 있다. 소스로서 (98중량% 이상의 순수한 메탄올과 같은) 매우 높은 순도의 메탄올을 사용하는 연료 조성에 대해서, 총 첨가제 레벨은 최대 25%, 최대 20%, 최대 15% 또는 최대 10%와 같이 낮게 될 수 있다.

적절한 품질의 임의의 물이 연료 조성의 생성을 위한 물의 소스로서 사용될 수 있다. 물의 소스는, 역삼투에 의해 정제되거나, 활성 탄소와 같은 활성 물질에 의해 또는 다른 화학 처리, 탈이온화, 증류 또는 증발 기술에 의해 정제된 정류되지 않은 거친 메탄올, 또는 재활용된 물, 또는 크루드 또는 오염된 물(예컨대, 소금을 함유한 바닷물)의 일부로서 포함된 물일 수 있다. 물은 이들 소스의 조합으로부터 발생할 수 있다. 일 예로서, 물의 소스는 연소 점화 엔진의 물 농축 배기로부터 회수된 물일 수 있다. 이러한 물은 열 교환기 및 분사실이나 기타 유사한 동작을 통해 회수될 수 있다. 이러한 회수 및 재사용 기술로 인해 배기 방출을 정화할 수 있다. 이 경우의 물은, 임의의 포획된 연소되지 않은 연료와 함께 또는 이것이 없이 엔진으로 다시 재순환된다. 탄화수소 또는 미립자 또는 기타 연소 산물은 엔진으로 복귀되어 루프 연소 단계를 통한 소멸까지 재순환되거나, 알려진 정제 수단에 의해 처리된다. 물은 일부 실시예에서 바닷물과 같은 염수일 수 있으며, 그로부터 소금을 제거하기 위해 정제되었다. 이 실시예는 해양 CI 엔진과 같은 해양 응용이나, 외딴 섬 지역에서 CI 엔진의 동작을 위해 적절하다.

물의 품질은, 공급 체인을 통해 엔진 내로의 주입 지점까지의 부식 및 엔진 퇴적 특징에 영향을 미칠 것이며, 부식 방지 첨가제가나 다른 방법을 통한 연료의 적절한 처리가 이들 환경에서 필요할 수 있다.

연료에 포함된 첨가제의 양은, (예컨대) 물의 연료로의 추가에 의해 초래된 임의의 하류 희석 효과를 고려할 수 있다.

연료 조성에 존재할 수 있는 첨가제는 다음의 카테고리 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있지만, 오로지 이것들로부터 선택되는 것은 아니다:

1. 점화 개선제 첨가제. 이들은 점화 증강제로서 지칭될 수 도 있다. 점화 개선제는 연소 시작을 촉진하는 성분이다. 이러한 타입의 분자는 본래 불안정하며, 이러한 불안정성은 다른 연료 성분(예컨대, 메탄올)의 연소를 초래하는 "자체 시작" 반응을 초래한다. 이러한 점화 개선제는, (디메틸 에테르와 같은 C1 내지 C6 에테르를 포함한) 에테르, 알킬 니트라이드, 알킬 페록사이드, 휘발성 탄화수소, 산화된 탄화수소(oxygenated hydrocarbon), 및 이들의 혼합물과 같은 점화 증강 속성을 갖도록 종래기술에서 알려진 물질로부터 선택될 수 있다.

전형적인 점화 증강제 외에도, 점화 전에 액체 연료 성분의 증기화에 따라 연소 구역에 존재하는 미세하게 분산된 탄화수소 입자는 연소 개시자로서 역할을 할 수도 그렇지 않을 수 도 있지만, 존재하는 그러한 종류는 총 공기/연료 혼합물의 더 완벽하고 신속한 연소에 기여할 수 있다.

추가 점화 개선제가 연료에 병합될 수 있지만, 본 명세서에 기재된 기술은 그러한 첨가제 없이도 엔진 동작 범위에 걸쳐서 점화를 용이하게 한다. 따라서, 일부 실시예에 따라, 연료는 점화 개선제 첨가제가 없다. 다른 실시예에서, 연료는 (비록 다른 점화 개선제를 함유할 수 있더라도), DME가 없다. 일부 실시예에 따라, 점화 개선제로서 디메틸 에테르인 경우에, 20%미만, 15%미만, 10%미만, 5%미만, 3%미만, 1%미만의 디메틸 에테르가 연료 조성에 존재하거나 존재하지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 주된 연료 조성 중의 (디메틸 또는 디에틸 에테르와 같은 임의의 타입의) 에테르 양은 20%미만, 15%미만, 10%미만, 5%미만이다.

일부 실시예에서, 연료 조성에 존재하는 점화 증강제 중 적어도 80%는 하나나 또는 적어도 2개의 특정 화학물질로 제공되며, 예로는 디메틸 에테르와 디에틸 에테르가 있다. 일 실시예에서, 단일 화학 아이덴터티의 점화 증강제는 주된 연료 조성에 존재한다. 일 실시예에서, 연료 조성 중 점화 증강제의 적어도 80%는 단일 화학 아이덴터티의 점화 증강제로 구성된다. 각 경우에, 점화 증강제를 구성하는 단일 점화 증강제나, 80%를 초과하는 점화 증강제 성분은 디메틸 에테르일 수 있다. 다른 실시예에서, 점화 증강제는 셋 이상의 점화 증강제의 혼합물을 포함한다.

일부 실시예에서 연료 조성 중의 점화 증강제의 양은 연료 조성의 최대 10%나 최대 5%와 같이 최대 20%이다.

2. 연료 증량제. 연료 증량제는 엔진을 구동하기 위한 열 에너지를 제공하는 물질이다. 연료 증량제로서 사용되는 물질은 연료 조성에 포함하기 위한 주된 목적으로서 이러한 목적을 가질 수 있거나, 첨가제는 이러한 기능 및 다른 기능을 제공할 수 있다.

그러한 연료 증량제의 예는 다음과 같다:

a) 탄화수소. 탄화수소는 당(sugar)과 탄수화물(starch)을 포함한다. 탄화수소는 연료 증량제 목적을 위해 포함될 수 있지만, 점화 개선제 및/또는 연소 개선제로서도 기능할 수 있다. 탄화수소는 바람직하게는 물/메탄올 용해성이 있으며, 더 높은 물 레벨이 연료 중에 더 많이 용해된 당을 수용한다. 농축된 물(단일 상) 연료 조성은 당과 같은 탄화수소의 용해를 가능케 하며, 그러나 연료 조성 중 액체 용매(물/메탄올)은 엔진에서 증발하므로, 탄화수소 용질이, 엔진 조건 하에서 분해/반응할 낮은 LEL(Lower Explosive Limit: 폭발하한계) 조성의 마이크로-미세 큰 표면적 부유 입자를 형성할 수 있어서, 연료 혼합물의 점화성을 개선할 수 있다. 혼합물의 연소성의 개선을 달성하기 위해, 이 탄화수소 첨가제 중 적어도 1%, 바람직하게는 적어도 1.5% 및 더 바람직하게는 적어도 5%의 양이 바람직하다. 연료 조성 중 최대 20%의 상한이 바람직하다.

b) 용해 가능한 연료 증량제 첨가제. 연료 증량제 첨가제는 연소 가능한 물질이다. 이들 첨가제는 별도의 성분으로서 첨가될 수 있거나, 연료 조성을 생성하는데 사용되는 증류 않된 메탄올의 일부일 수 있다. 그러한 첨가제는 C2-C8 알코올, 에테르, 케톤, 알데하이드, 지방산 에스테르 및 그 혼합물을 포함한다. 지방산 메틸 에스테르와 같은 지방산 에스테르는 바이오 연료 기원을 가질 수 있다. 이들은 바이오 연료 소스나 방법을 통해 공급될 수 있다. 이들의 생산을 위한 전형적인 방법은 특히 평지씨(rapeseed), 야자 또는 콩기름과 같은 식물-추출 오일의 에스테르 교환반응을 수반한다.

그러한 첨가제가 생산될 수 있거나 재배될 수 있고 지역적으로 소비될 수 있는 특정 시장에 대한 연료 조성 자체에서의 연료 증량제의 레벨을 경제적으로 증가시킬 수 있어서, 기본 연료 및/또는 첨가제의 중요성에 대한 필요를 감소시킬 수 있는 기회가 있을 수 있다. 그러한 조건 하에서, 그러한 연료 증량제 첨가제를 포함한 최대 60%의 총 첨가제의 농도를 특히 메탄올 소스가 크루드 메탄올인 경우에 고려될 수 있지만, 연료 조성의 최대 30%, 또는 최대 40%, 또는 최대 50%의 양이나 처리율이 바람직하다.

3. 연소 증강제. 이들은 연소 개선제로서도 지칭할 수 있다. 연소 증강제의 예는 예컨대 질산암모늄과 같은 질산 암모늄 화합물이다. 200℃에서, 질산암모늄은 다음의 반응에 따라 아산화질소로 분해된다:

NH₄NO₃=N₂0+2H₂0

형성된 아산화질소는 다음과 같이 산소와 유사한 방식으로 물의 존재 시에 연료와 반응한다:

CH₃0H+H₂0=3H₂+CO₂

H₂+N₂0=H₂0+N₂

CH₃OH+3N₂O=3N₂+CO₂+2H₂0

사용될 수 있는 다른 질산암모늄 화합물은 예컨대 에틸암모늄 질산염 및 트리에틸암모늄 질산염을 포함하지만, 이들 질산염은 또한, 연료에서의 그 주된 기능이 점화 증강이므로, 연소 증강제보다는 점화 증강제(세탄)로서 간주될 수 있다.

다른 연소 개선제는 금속 또는 이온 종류를 포함할 수 있으며, 이온 종류는 사전 또는 사후 연소 환경 하에서 해리(dissociation)에 의해 형성한다.

4. 산소 흡수 오일. 산호 흡수 오일은 바람직하게는 물 메탄올 혼합물에서 용해될 수 있는 것이다. 산소 흡수 오일은 낮은 자체-점화점을 가지며, 또한 예컨대 오일의 30중량%의 양에서 연소 전에 산소를 직접 흡수하는 성능을 갖는다. 주위 물의 증기화 이후 뜨거운 가스 상으로부터 오일/고체상으로의 산소의 이러한 신속한 응축은 오일 입자를 더 신속하게 가열하여, 주위 증기화되고 초가열된 메탄올의 점화를 초래할 것이다. 이러한 역할에 이상적으로 적합한 오일이, 연료 혼합물에서 대략 1-5%의 농도의 아마씨(linseed) 오일이다. 이 첨가제가 연료 조성에 활용되면, 연료 혼합물은, 산소에 의한 오일의 분해를 최소화하기 위해 불활성 가스 블랭킷(blanket) 밑에 저장되어야 한다. 아마씨 오일은 지방산 함유 오일이다. 다른 지방산 함유 오일이 아마씨 대신에 또는 이것에 추가하여 사용될 수 있다. 바람직한 오일은, 메탄올 상에서 용해되거나, 메탄올에 혼합될 수 있어, 균일한 단일 상 조성을 생성하는 오일이다. 그러나 일부 실시예에서, 특히 유화 첨가제가 또한 연료 조성에서 존재한다면, 물/메탄올에 혼합될 수 없는 오일이 사용될 수 있다.

5. 윤활 첨가제. 윤활 첨가제의 예는, 연료 조성의 원료가 되는 물/메탄올 혼합물에 일정 정도 용해될 수 있는 바이오 연료와 같은 다이에탄놀아민 유도체, 불소계면활성제(fluorosurfactant) 및 지방산 에스테르를 포함한다.

6. 제품 착색 첨가제. 착색 첨가제는, 연료 조성이 물과 같은 액체 음료로서 오용될 수 없음을 보장하는데 도움을 준다. 황색, 적색, 청색 착색제나 이들 착색제의 조합과 같은 어떤 물에 용해될 수 있는 착색제가 사용될 수 있다. 착색제는 표준의 용인된 산업 액체 착색제일 수 있다.

7. 불꽃색 첨가제. 비제한적인 예는 나트륨, 리튬, 칼슘 또는 스트론튬의 탄산염이나 아세트산염을 포함한다. 불꽃색 첨가제는 최종 산물 pH에서 바람직한 산물 색과 안정성을 달성하도록 선택될 수 있다. 사용될 첨가제를 선택할 경우, 엔진 퇴적물 고려사항도, 있는 경우, 고려될 수 있다.

8. 부식 방지 첨가제. 부식 방지 첨가제의 비제한적인 예는 아민 및 암모늄 유도체를 포함한다.

9. 바이오사이드(biocide). 바이오사이드가 첨가될 수 있지만, 이들은 일반적으로 필요치 않으며, 그 이유는 연료 중의 고 알코올(메탄올) 함량은 생물학적 성장이나 생물학적 오염을 방지하기 때문이다. 따라서 일부 실시예에 따라, 연료는 바이오사이드가 없다.

10. 어는점 억제제(depressant). 어는점 억제제가 연료에 포함될 수 있지만, 메탄올( 및 다른 용도로 첨가된 당과 같은 선택적 첨가제)은 물의 어는점을 억제한다. 따라서 일부 실시예에 따라, 연료는 첨가되는 전용 어는점 억제제가 없다.

11. 퇴적물 환원제(deposit reductant). 비제한적인 예는 폴리에테르 및 트리에탄올아민을 포함한다.

12. 필요한 경우 변성제(denaturant).

13. pH 조정제. pH를 적절한 pH로 높이거나 낮추는 조정제가 사용될 수 있으며, 이것은 연료와 호환 가능하다.

첨가제, 및 특히 상기 항목 1 및 2에서 식별된 첨가제는 표준 산업 거래 제품으로서(즉, 정제된 형태로)나 반쯤 처리된 수용액으로서(즉, 비-정련된 형태, 반-정련된 형태, 또는 크루드 형태로) 연료에 첨가될 수 있다. 후자의 옵션은 잠재적으로 첨가제 비용을 감소시킨다. 그러한 크루드 첨가제 소스의 사용의 조건은, 일 예로서 크루드 당액(sugar solution)이나 당 시럽과 같은 첨가제의 크루드 형태의 불순물이 연료 인젝터나 엔진 성능에 악영항을 끼치지 않는다는 것이다.

일부 실시예에 따라, 연료는 적어도 하나의 첨가제를 포함한다. 일부 실시예에 따라, 연료는 적어도 두 개의 다른 첨가제를 포함한다.

일부 실시예의 연료는 연료 조성 중 20중량% 내지 80중량%의 물과, 최대 20중량%의 디메틸 에테르를 포함할 수 있다. 일부 실시예의 디메틸 에테르 함량은 15%이하, 10%이하, 5%이하일 수 있다.

에테르는 점화 개선제 및 용해 가능한 연료 증량제 첨가제의 예인 것으로서 상기에서 언급되어 있다. 의도한 기능에 상관없이, 일부 실시예에서, 에테르는 연료 조성 중 20%미만, 15%미만, 10%미만, 5%미만, 3%미만, 또는 1%미만의 레벨로 총 존재할 수 있다. 이 양은 0.2%, 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 12%를 초과할 수 있다. 하한이 선택된 상한 미만이라면, 하한 및 하한은 제한 없이 결합될 수 있다.

일부 실시예에서, 연료 조성은 주된 연료 조성의 0.2중량%와 10중량% 사이의 양으로 에테르를 포함한다. 에테르는 바람직하게는 단일 에테르나 두 에테르의 조합이다.

메탄올-원료 연료에서, 점화 개선제 및/또는 용해 가능한 연료 증량제 중 어느 하나로서 에테르를 사용함으로써, 생산을 위한 완성된 공정, 연료 조성의 운반 및 사용이 개발되었다. 메탄올-원료 연료는 이 예에서 물이 없는 연료이거나 메탄올-물 연료일 수 있다. 이것은 더 상세하게 후술될 것이다.

일부 실시예의 연료에서의 첨가제는 연료의

- 최대 1중량%에서의 산물 착색 첨가제, 및

- 최대 1중량%에서의 불꽃색 첨가제를 포함할 수 있다.

유입 공기 예열 실시예에 대한 엔진 동작 상세한 설명

도 1은 CI 엔진(10)에서 메탄올/물 혼합물의 연료(11)를 사용하는 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도를 예시한다. 이 방법은 흡입 공기 스트림(12)을 예열하는 단계와, 그 후 연료(11)를 연소실 내에 도입하여 압축 점화에 의해 연료/예열된 공기 혼합물을 점화하여 엔진을 구동하기 전 예열된 공기를 엔진(10)의 연소실 내에 도입하는 단계를 포함한다.

흡입 공기(12)는, 다양한 기술에 의해 예열될 수 있고, 연료를 연소실 내에 주입하기 전 공기를 압축하기 위해, 엔진의 압축 스트로크의 초기 단계 이전 또는 동안 연소실 내에 주입된다. 공기 압축은 연소실의 온도를 상승시켜, 연료가 압축의 마지막 단계 동안 연소실 내에 분사될 때 연료의 유리한 점화 조건을 제공한다.

흡입 공기(12)를 예열하면, 압축 스트로크의 시작에서 더 높은 온도 베이스를 제공하여, 연료 주입 시점에서의 온도는 결국, 공기가 예열되지 않았던 경우보다 더 높게 되어 더 많이 연소한다. 필요한 예열의 레벨은, 물/메탄올 연료 혼합물을 점화하는데 필요한 연료 주입 시점에서의 연소실의 필요한 온도에 의존한다. 이것은, 이제, 연료에서 물과 메탄올의 상대비에 의존한다.

예열된 공기 온도 레벨의 예를 다음의 예에서 도시하지만, 일반적으로, 낮은 내지 중간 물 레벨의 연료의 경우, 적절히 예열된 흡입 공기 온도는 대략 100℃ 내지 150℃(예컨대 대략 130℃)와 같이 적어도 50℃, 또는 적어도 100℃이다. 중간 내지 높은 물 레벨의 연료의 경우, 예열 온도는 150℃ 내지 300℃ 또는 그 이상과 같은 적어도 대략 150℃의 범위이다.

흡입 공기의 예열은 메탄올/물 연료, 특히 중간 내지 높은 물 레벨을 갖는 연료의 열악한 세탄 특징을 상쇄한다. 예열은 여러 수단에 의해 달성할 수 있다.

도 1에 도시한 실시예에서, 흡입 공기(12)는, 연소된 가스 및 연소되지 않은 연료 그리고 다른 입자를 포함하는 고온의 배기물(22)을 포획하고, 배기물을, 열 교환기에 들어가는 공기 스팀(15)을 가열하고 배기물(22)을 냉각하는 열 교환기(20)를 통과시킴으로써 예열된다. 흡입 공기(12)가 있는 팬 인라인(inline)은 엔진 사이클을 통해 흡입 공기의 압력 프로파일을 최적화하기 위해 제공될 수 있다.

예열을 위한 기술은 다음의 가열 방법 중 어떤 하나나 이들의 조합을 포함한다.

1. 폐기물 열 프리 -히터( pre - heater )- 도 1의 실시예와 관련하여 앞서 논의한 바와 같은 열 교환기를 사용함.

2. 공기 흡기 훈증- 공기 흡기 스팀을 점화 향상제로 훈증하여 연소실의 온도 증가를 독려함-더 상세하게 후술됨.

3. 수퍼챠저 / 블로우어 ( supercharger / blower )-또는 엔진에 의해 구동되어 흡입 공기의 연소실로의 인도를 강제하고, 공기압 증가를 통해 흡입 공기를 가열하는 다른 공기 압축 수단.

4. 터보차져 - 또는 연소실내로의 흡입 공기의 강제 유도를 위해 엔진 배기나 다른 폐열에 의해 구동되는 다른 공기 압축 메커니즘, 그리고 공기압의 증대를 통해 흡입 공기를 가열함.

5. 직접 가열 - 요구되는 온도 증가를 발생시키기 위해 연료의 연소 또는 엘리먼트(element)를 통해 전기적으로 가열하는 것과 같이, 공기를 가열하기 위해 직접적인 방법들을 이용함, 그러한 방법들은 시동 동안에 그리고 낮은 엔진 부하에서 유용할 수 있다.

6. 글로우플러그(Glowplug)(또는 소구(hot bulb)) - 엔진 실린더로 열을 지향시킴, 이러한 범주는 흡입 공기를 직접적으로 가열하기 위해 흡입 공기와 합치하는 외부 가열기를 포함함.

폐열을 엔진 배기로부터 열 교환기(팬 없이, 상기한 옵션 1)를 통해 전달하는 것은, (공기의 질량류(mass flow)가 감소되지 않는 옵션 3 내지 4에 비해서) 공기의 더 낮은 질량류에 기인하여 엔진으로부터 더 낮은 출력을 초래할 것이다. 하지만, 이러한 최대 출력의 손실은 디젤 연료에 기초하는 석유에 비해서 과잉 공기의 더 낮은 요구와 연료 주입의 시점에서의 더 뜨거운 조건하의 연소에서의 더 높은 효율에 의해 부분적으로 오프셋될 수 있다. 배기 또는 그 외의 것에 의해 구동되는 압력 보상 팬은 증가되는 기온의 조건하에서 공기의 감소된 질량류를 오프셋시킬 수 있다.

대안적으로, 터보차져 또는 슈퍼 차져는 더 높은 연소 효율과 함께 더 많은 출력을 도출하기 위해 엔진 배기 열 교환기와의 조합으로 또는 단독으로 사용될 수 있다

다른 실시예에 있어서, 주지의 기술에 따른 연료의 가열은 점화 프로세스를 조력할 수 있다.

고수/저 메탄올 연료(high water/low methanol fuel)에 대한 매체와 조합한 예열 옵션은, 엔진 사이클을 시동 및 연소와 초기 팽창 국면 동안에 “일정한” 용적 사이클인 것으로부터 엔진 성능을 최대화하는데 가장 적절한 시간프레임에 지향적으로 더 많은 일정한 온도 팽창(여기서, 메탄올로부터의 열은 증발수의 상당한 부분이다)으로 변화시킨다.

도 1에 예시된 프로세스는 배기 물질을 수집하여 연료로 되돌려 통합시키기 위한 배기 처리 및 재순환 성분을 포함한다. 특히, 처리는 물, 불소성 연료(unburnt fuel), 탄화수소, 이산화탄소, 및 다른 소량의 배기물의 복구와 통합을 포함한다.

높은 물 레벨에 대한 매체를 갖지만 더 낮은 물 레벨을 배제하지 않는 연료에 있어서, 수분 풍부 배기(water rich exhaust)가 연료수의 소스일 수 있고, 작은 레벨의 배기 오염 물질이 캡쳐되어 엔진으로 되돌아갈 수 있다. 배기 물질로부터의 물 복구는 배기 물질을 냉각하고 응축하며 응축된 물을 수집하는 것을 수반한다.

도 1은, 배기 물질(22)이 열 교환기(20)내의 흡입 공기(12)와의 열 교환을 통해 냉각된 후에, 냉각된 배기는 그 다음에, 물이 엔진(10)으로 재순환된 연료(32)로서 수집되어 복귀될 수 있는, 콘덴서(25)를 통과한다.

처리 프로세스의 최종 국면에서의 제2 열 교환기(34)는 응축을 조력하고, 순수화되었을 수 있고, 연료, 매연 및 다른 미립자내의 다른 탄화수소 또는 임의의 불소성 메탄올을 캡쳐하고 순수화하기 위해 첨가제를 함유할 수 있는 물을 이용하는 분사실 장치(spray chamber arrangement)를 추가적으로 포함한다. 이러한 미립자들은, 재순환된 연료(32)와의 ‘사멸(extinction)로의 재순환’ 프로세스를 통해 제거를 위해 엔진으로 복귀되며, 순수화된 청정한 배기(33)가 오염물질을 거의 함유하지 않고 대기로 방출될 수 있다. 분사실내에서 사용되는 물은 대안적인 소스들의 범위로부터 일 수 있고, 순수화되거나 탈이온화될 수 있다. 물은 선택적인 첨가제를 함유할 수도 있다. 선택적인 첨가제는 연소 프로세스와 일치해야 한다.

열 교환기(354)는 입구(36)를 통해 염수를 끌어들이고 출구(37)를 통해 염수를 방출하는 도 1에 도시된 바와 같은 염수/물 열교환기일 수도 있다. 그러한 열교환기는, 예컨대, 가용한 바다의 염수가 풍부하고 용이하게 획득할 수 있는 배에 대한 배기의 처리에 있어서 사용하기 적절하다.

응축액 또는 다른 수단을 활용하는 추가적인 배기 처리가 또한, 대기로 배기되는 가스에 있어서 목표로 하는 오염물질을 낮은 레벨로 감소시키기 위해 취해질 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 임의의 불소성 연료와 같은 성분들이 활성 표면상으로 흡착되고 나중에 표준 기술을 이용하여 탈착(desorb)될 수 있다. 대안적으로, 촉매가, 불소성 연료와 같은 임의의 산화가능 종(oxidisable species)을 촉매 반응시키는데, 배기 온도를 증가시키는데 그리고 활용될 수 있는 추가적인 열원을 제공하는데 채용될 수 있다.

추가적으로, 예컨대 전기를 생성하기 위해 다수의 엔진들이 작동하는 경우에, 집단의 배기 가스가 그러한 하나 이상의 엔진들에 지향되는 배기로부터 재순환 연료와 처리/응축될 단일 스트림으로서 처리될 수 있다.

블로우다운(blowdown)(38)이, 엔진으로 되돌아가는 물 재순환의 경우에 있어서, 존재할 수 있는 임의의 영속 종(persistent species)이 축적되지 않는 것을 보장하는데 필요할 수 있다. 그 경우에 있어서, 가용하다면 배기로부터 추가적인 응축에 의해, 가용하지 않다면 적절한 양의 메이크-업(make-up) 물(39)에 의해 이루어질 수 있다. 적절한 공급 스트림과 첨가제의 선택을 통해서 블로우다운이 거의 제거될 수 있지만, 이따금 퍼지(purge)를 요구할 수 있는 예컨대, 공기중의 먼지를 통해 시스템내로 고체가 들어갈 수도 있다는 것이 의도된다.

높은 물 레벨에 대한 매체와 연료를 이용하는 장점은, 결과적인 배기가 연소 처리 후에 대해 이상적인, 거의 불순물을 함유하지 않는 것이다. 배기 물질에 존재하는 불순물이 사멸로 처리 및 재순환될 수 있다.

예를 들면, 물/메탄올 연료의 연소의 배기 생성물로서의 이산화탄소는 응축 및 순수화 단계 동안에 재순환되는 물에 흡수된다. 대안적으로, 배기 물질내의 이산화탄소는 엔진의 흡입 공기로 재순환되어서, 엔진으로 들어가는 산소 레벨을 최적화하고, 순수한 이산화탄소와 물 증발 배기를 생성할 수 있다. 이러한 방식으로 생성되는 이산화산소는, 예컨대, 메탄올로의 변환 및 연료로의 재순환에 의해, 추가적인 처리를 위해 이상적이다.

대기로 배기되는 처리 및 재순환 처리로부터의 최종적인 배기 가스(33)는, 연료, 탄화수소, 미립자, 산화황 및 산화질소 방출물을 거의 함유하지 않는다.

연소 국면에서 형성된 임의의 산화질소 및 산화황 방출물 및/또는 이산화탄소의 물내의 흡수는 연료와의 혼합으로 복귀하는 물의 pH 불균형을 초래할 수 있다.

훈증 실시예에 대한 엔진 동작 세부

여기서 설명되는 몇몇의 실시예들에 있어서, 점화 증강제(ignition enhancer)를 포함하여 인입 공기를 훈증제와 훈증하는 것이 활용된다. 몇몇 실시예들에 있어서, 이것은 인입 공기 예열과 결합되고, 다른 실시예들에 있어서, 이것은 인입 공기 예열없이 행해진다.

인입 공기를 훈증제와 훈증하는 것의 옵션은 몇몇의 실시예에 따라 엔진 공기를 예열하는 추가적인 기술로서 사용될 수 있는 점화 증강제를 포함한다. 훈증은, 훈증 물질의 사전-연소로 인해 연료 주입의 시점에서 더욱 더 연소될 수 있게 만드는 연소실내의 압축되는 공기의 온도에 있어서 추가적인 증가, 및 메탄올의 연소의 개시를 돕는 브레이크다운 종(breakdown species)의 존재를 고무시킨다.

훈증은 연료 주입 전에 엔진 연소실내에서 사전-연소가 발생하는 것을 가능케한다. 이러한 2단계의 점화 프로세스, 또는 ‘불을 붙이는(kindled)’ 동작은, 훈증된 공기의 온도를 점화점으로 상승시키도록 엔진 피스톤의 압축 행정에 좌우된다. 결국, 이것은, 압축 행정의 끝쪽으로 주입될 때, 메탄올과 물 연료에 대해 충분히 뜨거운 환경을 제공하도록 연소실내에서의 점화 조건을 증강시켜서, 증가되는 온도 조건하에서 가속화된 점화를 겪게 하고, 메탄올을 신속히 기화시키고 연료내의 물을 신속히 증발시키며, 높은 열효율을 만든다.

낮은 물 레벨에서 안정적인 엔진 동작을 위한 훈증제에 의한 온도 분담은 50 내지 100℃이다. 낮은 물 레벨 연료에 대한 연료 주입의 시점에, 이러한 분담은 주지의 연소 점화 엔진에서의 온도에 필적하는 연소실 온도를 초래한다. 물 레벨이 연료내에서 증가함에 따라, 물의 냉각 효과를 오프셋시키도록 훈증제의 양이 조정될 수 있다. 결과적인 열효율은, 엔진의 사이즈와 그 구성 등의 다양한 인자들에 좌우되는 네트(net) 효율 결과와 더불어, 디젤 연료의 열효율에 필적한다.

이러한 방식의 물 연료와 메탄올의 완전한 연소 및 효율은, 배기 방출물내의 불소성의 또는 변형된 탄화수소 및 미립자들을 최소화하여 “더 청정한” 방출물을 초래한다. 이것은, 불붙이는 동작에 있어서의 2 단계의 개시 및 완료에 대해 충분한 시간이 허용되기 때문에, 연소 프로세스의 효율이 최대화되는, 더 느린 스피드를 가진 더 큰 CI 엔진에 있어서 특히 입증된다.

흡입 공기에 관해서 “훈증”이라는 용어는 물질 또는 혼합물의 도입을 말하며, 본 경우에 있어서, 훈증제는, 점화 증강제가 그곳을 통해 잘 분산되는, 증기 또는 가스를 형성하기 위한 흡입 공기 스트림내의 점화 증강제를 포함한다. 몇몇의 실시예들에 있어서, 물질은, 일반적으로 물질의 미세한 비말을 흡입 공기 스트림내로 분무하는 것을 통해 소량으로 도입되거나, 가스로서 주입된다.

불붙이는 동작은 압축 행정 동안에 흡입 공기를 예열하는 효과를 갖는다.

물 메탄올 혼합물의 성질은 덜 민감한 열이 연소후의 반응 생성물 내에 생성된다는 것이고, 물을 증발시키는 데 필요한 열이 존재한다. 이것은, 탄화수소 연료에 대해 작용하는 디젤 엔진에 비해서, 더욱 가혹한 엔진 조건이, 엔진의 설계 한계 내를 유지하면서, 주입 시점에 수용될 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 더욱 가혹한 조건들은, 훈증제 연소 또는 (공기를 직접 가열하는 것을 통해) 증가된 기온 및/또는 터보챠징 또는 슈퍼챠징과 같은 변형된 엔진 구성의 이용을 통해 증가되는 압력과 온도를 통해 발생한다.

점화 증강제(들)의 양은, 연료의 점화가 시기적절한 방식으로 달성되고, 그에 의해 엔진으로부터 최적의 가능성 있는 열효율을 주는, 연소실내의 조건들을 생성하기 위해, 연료에 함유되는 메탄올 대 물의 혼합물에 관하여 제어될 수 있다. 점화 증강제 대 연료 혼합물의 비율이 제어되지 않는 경우에, 연소가, TDC 전의 25~30℃와 같이, TDC 전에 상당히 개시될 수 있고, 그와 같이 점화 증강제의 이용이 중립 효과를 가질 수 있고 엔진의 열효율에 대한 분담을 최소화하거나 분담을 주지 않는다.

엔진의 바람직한 동작에 있어서, 훈증제/공기 혼합물의 점화의 타이밍은, (엔진의 파워 행정에 대하여 불필요한 작업을 회피하기 위해) 가능한 늦게 이러한 연료의 연소를 지연시키도록 하는 것이고, 주입 후의 연료의 양호한 연소와 일치되게 하는 것이다. 이것은, 2차 연료로서 말해질 수도 있는 훈증제가 연료 주입 개시 전에 점화되어야 하지만, 훈증제에 포함된 에너지가 엔진의 열효율에 최소의 또는 영의 분담을 만들 정도로 전은 아니다.

연료의 점화는, 하기의 점화 제어들 중 하나 또는 그 조합을 이용하는 것에 의해 이상적인 타이밍으로 가능한 가깝게 제어될 점화 제어에 의해 제어될 수 있다:

a) 엔진 입구 기온 제어:

a.

i. 엔진을 시동 및 웜업(warmup)하기 위해 유용한, 전력이 공급된 가열 장치.

ii. 엔진 연료 또는 그러한 목적을 위해 임의의 적절한 연료일 수 있는 연료를 활용하는 가열기.

iii. 열 교환을 통해 엔진으로의 유입 공기를 직접적으로 가열하도록 배기로부터 폐열을 활용하는 것.

iv. 상기 목적을 위해 적절한 임의의 다른 열원을 활용하는 것.

으로부터 열을 활용하는 공기 예열기의 출구 온도를 제어하는 것.

b. 엔진 입구 기온을 감소시키는 인터쿨러(intercooler)를 갖지 않을 수 있는 터보차져에 동력을 주도록 엔진 배기 에너지를 활용하는 것.

c. 온도와 압력을 증가시키도록 슈퍼차져로 공기를 가열.

b) 연료의 2-스텝 “불붙이는” 연소를 생성하도록 훈증제를 활용하는 것.

1. 연료에 대해 흡기구내로 도입되는 훈증제의 양을 제어;

2. (메탄올과 같은 임의의 성분들과 물이 또한 존재할 수도 있다는 것을 인식하여) 훈증제내의 다른 성분들에 점화 증강제의 퍼센테이지를 제어하는 것.

3. 엔진의 rpm 작동 범위를 가로지르는 고부하(50% 내지 100%) 또는 저부하(50% 미만)에서의 엔진 동작에 따른, 상기 제어 1 및 2.

(흡기구를 통해서든 연소실내로든) 엔진내로 도입되는 훈증제 대 주 연료의 상대량이 적용되는 엔진 동작 조건에 따라 변화할지라도, 상대적으로 낮은 주 연료 성분의 무게 백분율이 될, 중간 또는 높은 부하에서 안정 상태 동작 동안에 훈증제내의 점화 증강제의 양이 소망된다. 100% 점화 증강제(DME와 같은)를 포함하는 증강제에 있어서, 주 연료에 대한 증강제의 상대량이 무게로, 이상적으로는 무게로 20%까지, 18%까지, 15%까지, 13%까지, 10%까지, 8%까지, 7%까지, 6%까지, 5%까지이다. 훈증제 레벨은 바람직하게, 주 연료 성분의 무게로 적어도 0.2%, 적어도 0.5%, 적어도 1% 또는 적어도 2%이다. 이러한 숫자들은 훈증제가 100% 점화 증강제를 포함한다고 가정하여 무게에 기초하며, 증강제내에 무게로서 감소된 점화 증강제 함유량에 대해 비례적으로 조정될 수 있다. 이것들은 초당 그램으로 엔진내로 도입되는 양들을 참조하는 것에 의해 또는 엔진 사이즈에 대하여 임의의 다른 적절한 대응 측정에 의해 측정될 수 있다. 점화 증강제(각각 10%, 8% 또는 7% 점화 증강제 등)가 압축 점화 엔진 위치로 배달될 수 있음에 따라, 요구되는 에테르의 양까지를 함유하는 사전-연료 성분으로서, 약 10%이하(8% 또는 7% 등)의 상한이 추가적으로 유리할 수 있고, 점화 증강제가 동일한 목표 레벨에서 훈증제와의 엔진 동작의 필요에 상응하는 양으로 플래시 오프되고(flashed off) 복구된다. 다른 실시예들에 있어서, (예컨대, 에테르등의 점화 증강제의 분리 저장소로부터의 탑-업(top-up)을 통해서) 엔진 위치에서의 더 높은 레벨로의 훈증제 레벨의 탑-업이 있을 수 있다.

상기 단락 2에 관하여, 총 훈증제/공기 흐름에서의 점화증강제 이외의 비수 성분의 목표 %는, 잔부가 점화 증강제, 예컨대, (55~57의 세탄을 갖는) DME인, 5~40% 또는 10~40%, 또는 20~40% 또는 30~40% 사이등의, 40% 이하일 수 있다. 특정 엔진 구성 및 다른 점화 증강제의 세탄가에 기초하여 이러한 퍼센테이지에 대한 조정이 이루어질 수도 있다. 모든 퍼센테이지들은 무게에 의한 것이다. 물은 엔진의 원활한 동작과 일치하는 임의의 양으로 존재할 수 있고, 그러한 물은 예컨대, 엔진으로의 대기 입구 흐름의 일부로서 또는 연료로부터 촉매적으로 만들어지는 경우에 훈증제로부터 발생할 수 있다.

DME에 대한 (연료의 전용된 부분으로부터 취해지는) 메탄올의 촉매 탈수가 유효한 CI 엔진에 동력을 주기 위한 프로세스에 촉매 반응기가 구비될 수 있다. 생성된 DME가 흡기를 훈증하기 위한 훈증제내에 점화 증강제로서 사용된다. 이 명세서에 기술된 다른 실시예들은, 훈증제의 점화 증강제로서 사용되는 경우에, 디메틸 에테르를 생성하기 위한 다른 기술들을 활용한다. 몇몇의 그러한 실시예들에 있어서, DME는 메탄올 생성의 위치에 생성될 수 있고, 엔진 사이트로 사전-연료 성분의 일부로서 배달된다.

상기한 연료 및 프로세스에 대한 일부 조정이, 더 높은 엔진 스피드에서, 예컨대 1000 내지 3000rpm 및 그 이상에서 동작하는 더 작은 CI엔진에서의 효율 및 동작을 최적화하는데 요구될 수 있다. 상기한 임의의 하나 이상의 기술을 이용하여 흡기구의 스트림을 예열하는 것에 더하여, 하기의 동작적 양태들이 더 높은 스피드에서 동작하는 엔진들에 대해서 조합하여 또는 따로따로 이용될 수 있다:

· 점화 증강제를 포함하는 훈증제로 흡기구를 훈증하는 것.

· 예컨대, 글로우플러그를 이용하여 연소실을 가열하는 것.

· 연료 입구를 예열.

· 연료의 연소 및 점화를 개선하는 훈증제 및/또는 연료에 첨가제를 첨가하는 것. 이러한 첨가제들 중 일부가 앞서 논의되었다.

· 낮은 물 레벨 내지 중간 물 레벨 범위와 같이, 앞서 논의 된 바와 같은 연료 성분에 있어서 적절한 물 레벨을 선택하는 것.

· 엔진 구성과 일치하는 적절한 레벨로 훈증제의 물 레벨을 선택하는 것.

이러한 옵션들은, 1000rpm 또는 그 미만과 같이, 더 낮은 엔진 스피드에서 더 큰 CI 엔진을 동작시킬 때 요구되는 경우에 추가적으로 활용될 수 있다.

훈증제

훈증에 의존하는 실시예들에 있어서 사용하기 위한 훈증제는 점화 증강제를 포함한다. 훈증제는, 메탄올, 물 및 연료의 전후 관계에 있어서 앞서 개괄된 임의의 첨가제 중 하나 이상과 같은, 다른 성분들을 더 포함할 수 있다. 훈증제의 사용의 하기의 설명에 있어서, 이미 설명된 연료는, 압축 점화 엔진에 대해 “주 연료”로서 칭해질 수 있고, 훈증제는 “2차 연료”로서 칭해질 수 있다.

점화 증강제는 연소성 물질의 점화를 증강시키는 물질이다. 압축 점화 엔진에 대해서 주 연료 합성물에 있어서의 핵심 연료 성분으로서 메탄올의 사용에 대한 도전들 중 하나는 메탄올이 다른 연료들만큼 즉시로 점화하지 않는다는 사실이다. 점화 증강제는, 양호한 점화 특성을 갖고 점화를 생성하는데 사용하는 물질이고, 그 다음에 주 연료 합성물(및 다른 연소성 물질)에 있어서의 메탄올이 연소할 것이다. 잠재적 연료 성분의 점화 특성은 그 성분의 세탄가(또는 대안적으로 세탄 지수)에 의해 설명된다. 세탄가는 주입의 시작과 연소의 시작, 즉, 연료의 점화 사이의 기간인 물질 점화 지연의 치수이다. 적절한 점화 증강제는 40이상의 세탄을 가질 수 있다(55~57의 세탄을 갖는 DME 등). 훈증제내에 존재하는 점화 증강제(들)의 세탄가(들)은, 훈증제내의 다른 성분들에 대한 점화 증강제들의 상대량들, 그리고 또한 주 연료 성분, 부하 및 엔진 스피드에 비교되는 훈증제의 양을 정할 때, 고려되어야 한다. 훈증제의 전반적인 세탄은 각각의 성분의 비례적 분담 및 세탄 특성의 조합에 기반할 것이고, 관계는 반드시 직선적이지는 않다.

훈증제에 포함될 수 있는 점화 증강제들의 몇몇의 한정적인 않은 예들은 다음을 포함한다:

- (C1~C6 에테르인) 더 하위의 알킬등의 에테르, 그 중에서도 특히 디메틸 에테르 및 디에틸 에테르,

- 알킬 질산염,

- 알킬 과산화물,

및 그것들의 혼합물.

디메틸 에테르는 훈증제내에 사용하기에 적절한 바람직함 높은 점화 특성 점화 증강제이다. 디에틸 에테르는 적절한 점화 증강제의 다른 예이다.

주 연료내의 메탄올은 디메틸 에테르로 촉매적으로 변환될 수 있다. 디에틸 에테르는 따라서, 주 연료 합성물 - 그 다음에 주 연료 합성물에 (유입 공기와 더불어) 분리적으로 엔진내로 훈증됨 - 의 스트림으로부터 촉매적으로 생성된다. 대안적으로, 디메틸 에테르를 포함하는 훈증제 합성물이, 기성품의 훈증제 합성물로서 엔진 소유자에게 연료 공급자에 의해 제공될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 메탄올 및 (디메틸 에테르 등의) 에테르 점화 증강제의 무게로 15%까지를 포함하는 사전-연료 합성물은 물을 더 포함할 수도 있다. 파이프라인의 끝에서, 사전-연료의 에테르 점화 증강제 구성 요소의 일부 또는 전부가 사전-연료 합성물의 다른 성분으로부터 분리될 수 있다(그 중에서도 특히, 메탄올, 하지만 또한, 에테르보다 더 높은 끓는점을 갖는 다른 성분들). 분리된 에테르 성분은 그 다음에, 사용 전에 추가적인 합성물내의 조정물(예컨대, 물 함유량을 조정하기 위한)과 더불어, 또는 어떤 방향으로든(그것이 약간의 물을 함유하는 경우에), 주 연료 합성물로서 사용되는 사전-연료 합성물의 잔여 부분으로, 분리적으로, 훈증제로서 압축 점화 엔진내로 훈증될 수 있다. 사전-연료내의 에테르 점화 증강제의 양은 무게로 10%까지 또는 무게로 9% 까지일 수 있다. 상한은 에테르 및 온도 조건의 선택에 좌우될 것이다. 추가적인 상세는 CI 엔진 구동 생성 시스템을 구체화하는 하기의 섹션에서 시작된다. 디메틸 에테르와 같은 점화 증강제는, 훈증제의 최소 15%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 82%, 84%, 86%, 88% 또는 90%와 같이, 훈증재의 최소 10% 또는 훈증제의 최소 5%를 적절히 포함한다. 범위의 상단이 될 훈증제의 점화 증강제 함량에 대한 일반적인 선호가 있고, 그래서 몇몇의 실시예들에서 점화 증강제 함량은 약 70% 이상이다. 점화 증강제는, 예컨대, 사전-연료 합성물이 근원이 되는 복구된 분리 점화 증강제로부터 또는 저장소로부터 순수 성분을 도입하는 경우에, 100%의 훈증제까지 포함할 수 있다. (DME가 형성되는, 메탄올에 추가되는 성분들을 포함하는) 주 연료의 촉매 반응을 통해 주 연료로부터 변환될 때, 또는 불순한 높은 점화 특성의 성분이 생성되거나 저장소로부터 끌어들여지는 경우에, 그러한 성분에 대한 상한이 상응하게 감소될 것이다.

훈증제내의 각각의 성분의 상대량은 일정하게 유지될 수 있고 또는 엔진의 동작의 기간에 걸쳐 변화될 수 있다. 훈증제내의 성분들의 상대량에 악영향을 미치는 인자는, 엔진 스피드(rpm), 부하의 레벨 및 가변성, 엔진 구성, 및 훈증제의 개별적인 성분들의 특정 성질이다. 다른 실시예들에 있어서, 훈증제 합성물은 상대적으로 일정하게 유지되고, 그 대신에 엔진내로 주입되는 주 연료 성분(초당 그램)에 비교되는 훈증제의 상대량(엔진내로 훈증되는 초당 그램)이 엔진의 동작의 상이한 스테이지들 동안에 조정된다.

상이한 엔진 동작 조건들(스피드, 부하, 구성)에 대한 상이한 훈증제 합성물로 CI 엔진을 동작시키는 것이 소망될 때, 훈증제 합성물은 훈증제 합성물의 컴퓨터 제어에 의해 또는 제어의 다른 형태에 의해 적절하게 변화될 수 있다. 조정들은, 우세한 엔진 동작 조건에 매치하도록 소망되는 훈증제 합성물을 계산하는 알고리즘에 기초하는 슬라이딩 조정(sliding adjustment)일 수 있고, 또는 단계적(step-wise) 조정일 수 있다. 예를 들면, 더 높은 전반적인 세탄 지수 훈증제(100% DME와 같은)는 동일 조건에 있어서의 동작에 대하여 연료에 관하여 높은 무게 %에서 엔진으로 훈증될 수 있고, 그 다음에 훈증제는 더 낮은 %의 DME와 일부 더 낮은 세탄 지수 성분들을 함유하는 2차 합성물로 전환될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 합성물은 안정적일 수 있고 공기/훈증제 비율이 변화된다.

점화 증강제 또는 증강제들 이외의 무수 성분의 목표 % 및 훈증제내의 물은, 5~40% 또는 10~40% 또는 20~40% 또는 30~40%사이와 같이, 적절하게 40% 이하이다. 특정 엔진 구성과, 연소성 성분들 및 다른 점화 증강제들의 세탄가에 기초하여 이러한 퍼센테이지들에 대해 조정이 이루어질 수 있다.

몇몇 실시예들에 더하여서, 변환 반응(예컨대, 메탄올에서 DME로)의 생성물로서 또는 물 함유 반응기 공급으로부터 들어오는 운반자로서 훈증제내에 존재할 수 있고, 또는 첨가제과 조합하거나 분리된 스트림으로서 첨가된다.

점화 증강제에 더하여 훈증제내에 존재할 수 있는 성분들의 예는, 메탄올, 물, (연료 성분의 전후 관계에 있어서) 앞서 개괄된 첨가제, 및 알칸 가스들(일반적으로, C1~C6 알칸과 같은 저급 알칸을 포함하는 직쇄 알칸, 특히 메탄, 에탄, 프로판 또는 부판, 및 장쇄 알칸(C6 및 그 이상))을 포함한다.

몇몇의 실시예들에 있어서, 훈증제는 적어도 60%의 단일 성분 - 일예가 디메틸 에테르 -을 포함한다. 훈증제의 단일 주성분의 양은 62%, 65%, 68%, 70%, 72%, 75%, 78% 또는 80% 이상일 수 있다.

훈증제, 또는 2차 연료는 저장소로부터 직접 획득될 수 있거나, 주 연료를 처리한 후에 순수 형태로 엔진에 훈증제로서 공급될 수 있다(메탄올에서 DME로의 촉매 변환일지라도, DME로 이루어지는 훈증제를 산출하기 위한 순수화가 뒤 따름). 대안적으로, 훈증제는 주 연료를 처리한 후에 또는 저장소로부터 다른 성분들 및 점화 증강제를 함유할 수 있다(즉, 훈증제는 순수 형태가 아니다). 이러한 경우에 있어서, 불순물들이 훈증제의 소망되는 성과와 여전히 조화될 수 있다, 즉, 훈증제는 물과 메탄올을 또한 포함할 수 있거나, 도포와 조화될 수 있는 다른 물질들(C1~C8 알콜과 같은)을 포함할 수 있다.

주 연료 합성물과 훈증제는 2 부분의 연료로서 공급될 수 있고, 또는 2 연료 부분들의 “키트(kit)”로서 배달될 수 있다. 이러한 전후 관계에 있어서, 훈증제는 2 부분의 연로의 “2차 연료 성분”으로서 설명될 수 있고, 따라서 앞서의 훈증제의 설명은 2차 연료 성분에 적용된다. 주 연료 혼합물 및 2차 연료 성분은 압축 점화 엔진과 관련되는 분리된 저장소 탱크들로 펌핑될 수 있다.

따라서, 압축 점화 엔진을 동작시키는데 사용하기 위한 2-부분 연료로, 연료 합성물은 다음을 포함한다:

- 메탄올과 물을 포함하는 주 연료 합성물 및

- 점화 증강제를 포함하는 2차 연료 성분

이러한 전후 관계에 있어서 주 연료는 새로운 높은 물 함량의 메탄올-물 디젤 연료 또는 그 외 일 수 있다.

이러한 2 부분의 연료의 사용시에, 주 연료는 압축 점화 엔진의 연소실내로 도입되고, 2차 연료는 압축 점화 엔진의 흡기구내로 훈증된다.

압축 점화 엔진에 연료를 공급하기 위한 방법은 다음을 포함한다:

- 메탄올과 물을 포함하는 주 연료 합성물을 압축 점화 엔진의 연소실로의 유체 연결내에 있는 제1 탱크내로 공급하는 것, 그리고

- 점화 증강제를 포함하는 2차 연료 성분을 압축 점화 엔진의 흡기구로 유체 연결내에 있는 제2 탱크로 공급하는 것.

상기한 바와 같이, 2차 연료는, 주 연료의 일부분의 점화 증강제로의 촉매 변환을 통해 제 자리에 부분적으로 또는 완전하게 준비될 수 있다. 이것은 디메틸 에테르가 점화 증강제인 상황에 부분적으로 적합하다.

일 실시예에 있어서, 연소 점화 엔진의 동작에 있어서 2 부분의 연료의 사용이 제공되며, 2 부분의 연료는:

- 메탄올과 물을 포함하는 주 연료 합성물, 및

- 점화 증강제를 포함하는 2차 연료 성분.

본 발명은 에테르를 무게로 10%까지 그리고 메탄올을 포함하는 사전0연료 성분을 더 제공한다. 에테르는 디메틸 에테르일 수 있다. 앞서 주목한 바와 같이, 에테르 성분은 2차 연료 성분으로서 사용하기 위한 사전-연료 합성물의 나머지로부터 분리될 수 있고 사전-연료 성분의 잔부가 주 연료 합성물로서 이용될 수 있다. 이러한 잔부는 전체의 주 연료 합성물로서 직접 사용될 수 있고, 또는 혼합물이 주 연료 성분을 산출하도록 조정될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 따라서, 사전-연료는 물을 함유하지 않을 수도 있고, 물이 에테르의 제거 후에 주 연료 합성물을 생성하기 위해 첨가될 수 있다. 몇몇의 실시예에 있어서, 연료가 하기에서 더 설명되는 발전 시스템 중 하나에서 사용되는 경우에, 물은 주 연료 합성물에 사용하기 위해 필요하지 않을 수도 있다.

본 발명은 또한, 제1 부분에 메탄올을 포함하고 제2 부분에 에테르를 포함하는 2 부분의 연료 합성물을 하나의 위치로부터 다른 위치로 운반하는 방법을 또한 제공하며, 상기 방법은 메탄올과 에테르를 함유하는 사전-연료 합성물을 하나의 위치로부터 제2 위치로 운반하는 것, 그리고 메탄올을 함유하는 제 1 연료 부분 및 에테르를 함유하는 제2 연료 부분을 산출하기 위해 메탄올로부터 에테르를 분리하는 것을 포함한다. 운반하는 것은 파이프라인을 통해 파이핑하는 방식에 의한 것일 수 있다. 제1 위치는 메탄올 생성 플랜트 위치일 수 있고, 다른 위치(제2 위치)는 제1 위치로부터 원거리의 위치이다. 원거리의 위치는 일반적으로 적어도 1 킬로미터 멀리에 있을 수 있고 아마도 수 킬로미터 멀리에 있을 수 있다. 원거리 위치는 전기 발생을 위한 압축 점화 엔진의 위치, 선적 부두, 또는 2 부분의 연료가 요구되는 트레인 슬라이딩(train siding) 또는 임의의 다른 적절한 위치일 수 있다.

CI 엔진 발전 시스템

이 명세서에 설명되는 메탄올/물 혼합 연료 및 압축 점화 엔진을 가동하기 위한 관련 시스템들(또한 프로세스로도 칭해짐)을 이용하여, 발전 시스템 및 구조는 감소된 방출 레벨에서 효율적으로 동력을 발전시키도록 개발될 수 있고, 그것은 배기 가스로부터 열과 물을 캡쳐하여 그 다음에 재사용 또는 재지향시키도록 엔진 배기를 또한 처리할 수 있다. 열과 물의 재사용 또는 재생하는 것은 증가된 시스템 효율과 전체적인 감소된 폐 생성물 및 방출물을 진전시킨다. 열 및 물의 재지향은 장소/구역을 가열 및 냉각하는 것을 수반하는 비관련 응용의 범위에 있어서의 사용 및 다른 시스템의 일부로서 또는 집단으로 사용하기 위한 물의 재생을 발견할 수 있다.

도 3a 내지 6b는 압축 점화 엔진을 가동하기 위해 여기에서 설명되는 연료들과 프로세스들을 통합하는 발전 시스템의 예를 예시한다. 이러한 프로세스들에서 나타내어지는 연료가, 가변적인 양의 물을 함유할 수 있고, 0% 내지 80%의 양으로 물을 함유할 수 있는 메탄올 기반의 연료라는 것이 이해되어진다.

도 3a 및 3b는, 출력을 생성하기 위해 하지만, 지역 집단에 열을 제공하기 위해 핫 워터 루프(Hot Water Loop; “HWL”)(113a, 113b)(도 4a 및 4b를 참조)를 또한 통합하는 그리고 물을 재순환시키도록 엔진 배기를 이용하는, 방출을 감소시키는 엔진 배기 처리를 또한 포함하는 IC 엔진(111)(디젤 엔진으로도 칭해짐)으로 메탄올 연료를 생성하여 공급하기 위한 프로세스를 나타낸다. 엔진에 의해 생성되는 출력은 또한, 발전 플랜트가 위치되는 장소에 서비스하는데 또한 사용될 수 있고, 그리고 예컨대 집단을 위해 전기를 발생하는데 사용될 수 있다. 도 3a 및 3b는, 엔진으로의 공기 훈증을 활용하는 프로세스를 나타내고, 도 3b에 나타내어진 프로세스는 훈증 유입 공기의 단계를 생략한다.

도 3a 및 3b는 연료 제조 플랜트(101) 및 공급 격자(103)를 통한 그 연료의 원거리 공급을 예시한다. 연료 제조 플랜트는 대형의 원거리 석탄 플랜트(102)내의 일반적인 보일러들로부터 생성되는 증기로부터 발생되는 전기를 이용하는 일반적인 메탄올 제조 플랜트일 수 있다. 그러한 플랜트는 석탄 화력 방출 프로파일(coal fired emissions profile)을 생성한다. 대안적으로, 전기 발생 플랜트(102)는 메탄올 연료를 생성하는데 요구되는 전기를 발생시키는데 여기에서 설명되는 바와 같인 메탄올 연료를 이용하는 연소 엔진을 통합할 수 있다. 이것은 석탄 플랜트에 의해 생성되는 것들에 대해 더 낮은 방출을 가진 더 청정한 대안을 제공할 것이다.

메탄올 기반 연료는 플랜트(101)내에서 제조되고, 메탄올, 메탄올-물 혼합 또는 메탄올-에테르 혼합 또는 메탄올-물-에테르 혼합을 상당히 함유할 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 연료는, 엔진(111)과 직접적으로 사용될 수 있는 대기압에서 비-끓는점 액체로서 DEM 및 메탄올의 90~99.5% 혼합의 DME 혼합물 및 “완전한 연료” 메탄올을 포함한다. 메탄올과 DME의 혼합에 있어서, DME는 가스 상으로의 에테르의 천이를 회피하기 위해 그리고 액체로서의 트랜스미션(transmission)을 위해 적절한 안정적인 양으로 제공된다. 양은, 연료가 파이프라인(103)에서 전송되는 온도 및 압력에 좌우될 것이지만, 일반적으로, 총 연료량의 10%미만 그리고 7%~8%의 범위내일 것이다.

대안적으로, 압력 조건하에서 더 높은 DME 비율을 갖는 연료가 공급될 수 있다. 다른 대안으로서, (예컨대, 화학용의) 100% 메탄올에 근접하는 높은 메탄올 함량을 함유하는 연료가 디멘드 센터(demand centre)(즉, 발전 플랜트) 근처의 DME에 후속하는 부분 변환을 위해 전송될 수 있다. 높은 %의 메탄올을 포함하는 이러한 사전-연료 혼합물의 형태는 약 0.2% 이상의 물 성분을 함유할 수 있다. 추가적인 대안으로서, 파이프라인내로 전송되는 사전-연료 또는 연료는 메탄올-물 연료일 수 있다. 가공하지 않은 메탄올과 같은, 메탄올과 어느 쪽이든 관련될 수 있고, 또는 비용 효율적일 수 있는 제조 영역내의 물의 나머지가 근원일 수 있는 메탄올-물 연료내의 물이 이러한 목적을 위해 이용된다. 약간의 윤활제의 추가적인 첨가 및 부식 개선제가 전송 격자내의 구성의 물질에 좌우되는 전송된 연료에 그리고 엔진/프로세스 동작을 증강시키기 위해 포함될 수 있다.

지역적 격자내의 파이프라인들내의 긴 거리에 걸쳐 가연성의 다량의 에너지의 전송은 확립된 기술이다. 그러한 파이프라인(103)과 같은 인프라스트럭처는 멀리 떨어진 위치들에 안전하고 비용 효율적으로 메탄올 연료를 배달하는데 또한 사용될 수 있다.

파이프라인(103)을 통해 전송된 후에, 발전 플랜트에 도달하는 연료는, 압축 점화 엔진(111), 사전-처리 스테이지(104)와 배기 처리(113, 115, 116 118)를 포함한다. 연료는 있는 그대로 즉시로 엔진(111)내에 사용될 수 있고, 또는 연료의 선택적 사전-처리가 플랜트 동작 범위를 통해 안전하고 신뢰성 있는 동작을 보장하기 위해 실행될 수 있다. 시동 및 중지 연료의 저장소는 또한, 예컨대, 시스템 보존 사유를 위해 숙고될 수도 있다, 예컨대, 에테르 성분이 저장될 수 있다.

사전-처리 스테이지(104)에서 연료는, DME와 같은, 하나가 에테르 풍부 부분(105)이고 하나가 메탄올 풍부 부분(107)인, 2개의 풍부 상으로 플래싱(flashing)하는 것에 의해 분할될 수 있다. DME는 그 자신의 낮은 끓는점으로 인해 이러란 플래싱 프로세스에 특히 적합하다. 50℃~60℃의 온도를 갖는 뜨거운 물 스트림으로부터의 엔진 배기로부터의 낮은 레벨의 폐열은 메탄올로부터 낮은 끓는점 DME를 플래시 분리하는데 사용될 수 있다. 몇몇의 실시예들에 있어서, 메탄올 풍부 상은, 대부분의 DME는 플래시 오프(flashed off)되고, 저량의 DME를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, DME의 높은 비율이, 훈증제(105)로서 기화되고 활용되는 양호하고 완전한 연소를 보장하기 위해 오로지 적절한 DME로 액상으로 유지될 수 있다. 예를 들면, 제조 플랜트로부터의 연료가 7% DME를 포함하는 경우에, 이것의 5%는 액상으로 유지될 수 있고, 2%는 엔진(111)으로 들어가는 가열된 연소 공기(110)에 첨가하기 위한 훈증제로서 사용된다.

사전-처리는 DME 또는 다른 훈증제의 공급을 공급하기 위한 변환 옵션을 포함할 수 있다. 대안적으로, DME와 같은 점화 개선제의 요구량은 저장소로부터 획득될 수 있다. DEE와 이 명세서에 설명된 다른 점화 개선제와 같은 다른 그러한 점화 개선제도 또한 가능하다.

사전-처리 스테이지는, 훈증제로서 사용될 DME를 분리하는 것만이 아니고 다른 프로세스를 위한 액체 연료 성분으로서 사용하기 위한 잉여의 DME를 또한 생성하기 위한 전송되는 연료의 처리 부분을 또한 포함할 수도 있다. 예를 들면, 잔여의 DME는 잔여의 열을 HWL에 제공하는 것에 의해 가까운 집단에 이로울 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, DME는 발전 플랜트 프로세스와 통합될 수 있다. 메탄올 연료는 또한, 처리 전이든 후든, 발전 시스템으로부터 제거되어 국지 화학 제조를 위해 사용될 수 있다.

상류의 제조 플랜트에서의 설비 투자 및 운영비용을 절감하는, 가공되지 않은 메탄올의 발전 플랜트로의 전송이 또한 가능하다. 그러한 발전 플랜트로의 연료의 공급은 DME 제조를 위한 가공되지 않은 메탄올의 부분을 분할하고, 나머지 연료는 엔진으로 향해지는 앞서의 옵션을 적합하게 할 것이다. 에너지와 설비 투자의 관점에서, 이러한 옵션은, 제조 플랜트(101)에서 증류 단위를, 상대적으로 적은 양이 “목표를 초과”하는 발전 플랜트에서 대부분의 생성물이 훨씬 더 적은 단위로 “목표를 초과”하고 증류되는 것으로 대체할 것이다. 이러한 옵션은 디멘드 센터 근처의 그리고 즉 발전 플랜트 근처의 가용한 국지 DME를 또한 이룰 것이다.

사전-처리 스테이지(104)에서의 연료의 사전-처리는 또한, 벤츄리 세척기(venturi scrubber)(115) 복귀 라인으로부터 유래하는, 뜨거운 물을 이용하여 엔진내로 들어가기 전에 메탄올 연료(107)를 또한 가열할 수 있다. 사전-처리 스테이지(104)를 나가는 물은 용수-품질의 물(106)로서 나간다. 냉각된 용수-품질의 물(106)은 콘덴서(116)로부터의 응축액과 혼합될 수 있고, 필요하다면 냉각기가 허용 가능한 유출 온도를 보장하는데 사용될 수 있다.

HWL과의 발전을 위해 나타낸 예에 있어서, 디젤 엔진은 1 MW 이상으로부터의 동력을 발전하는데 사용될 것이다. 이것은 더 작은 사용자들에게 공헌할 수 있고 낮은 NOX, SOX 및 미립자 결과물을 갖는 1 MW 미만의 파워를 배제하지 않는다. 디젤 엔진은 후 연소 처리에 특히 적합한데, 그 이유는 그것이 엔진 효율의 작은 비용만으로 정화 및 열 교환 설비를 통해 배기를 이동시키는데 필요한 기압의 구동력을 제공하기 때문이다.

이 명세서에 설명된 일부의 연료 혼합물의 본질은, 증가되는 엔진 사이즈에서의 고유한 열적 이익에 기인하여, 대직경의 피스톤이 더 작은 피스톤보다 선호된다는 것을 의미한다. 더 큰 피스톤은 또한 연료 연소를 적합하게 보장하면서 피스톤 벽에 대한 주입 연료의 악영향의 위험을 감소시키고 윤활제 막과 간섭하지 않는다.

하기에서 더 언급되는 시험들이 1000rpm 이상으로 구동하는 엔진에서 시험된 연료를 입증하지만, 사전에 제안된 바와 같이, 연료는, 저속 내지 중속 범위인 것으로 보통 설명되는 범위인 100rpm 바로 아래에서 1000rpm까지 보통 동작하는, 더 낮은 속도의 엔진에서 성공적으로 이용될 수 있다. 이러한 속도 범위는, 휘발성 점화 개선제들이 증기 공간내로 증기로서 들어가고 압축 행정 동안에 뜨거운 압축 공기와 그것들의 화학 반응을 시작하는데 더 많은 시간을 허용한다. 연소 국면 동안의 이러한 더 많은 시간의 허용은 연료의 더욱 완전한 연소를 가능케 하고 엔진 밖의 배기에서의 다른 성분들 및 불소성 연료의 레벨을 감소시킬 것이다. 더 많은 시간 허용은 또한, 더 낮은 람다가 사용되도록 허용하고 그렇게 하여 엔진 밖 배기내의 물의 농도를 증가시키면서, 물과 산소 분자의 접촉을 통해 실린더내의 연료를 완전하게 연소시키는데 더 많은 시간을 허용할 것이다.

파워는, 예열될 수 있고 콘덴서(116)를 통해 엔진 배기 가스에 의해 도 3a 및 3b에 나타낸 예에 있어서 예열되는 공기(100)와 함께 엔진(111)에 들어가는 물(108)과 메탄올(107)의 혼합물에 의해 엔진(111)에서 발생된다. 적절한 예열 온도는 40℃와 50℃의 사이일 수 있다. 연료내의 물은 물 저장소 또는 (하기에서 더욱 상세히 설명되는) 콘덴서(116)를 통해 배기 가스로부터 재순환되는 물이 근원일 수 있다.

배기 가스의 처리는 함산소 화합물과 CO2를 표적화하는 촉매를 이용하는 촉매 변환기(112)에 엔진 배기를 통과시키는 것을 포함한다. 이것은, 열이 HWL에 대해, 또는 도 5a, 5b, 6a 및 6b에 관하여 하기에서 더 설명되는 다른 프로세스들에 대하여 사용 가능할 수도 있는, 배기 가스의 이차적인 열을 유발할 것이다. 촉매 변환기(112)는 또한 임의의 연료 또는 연소 생성물을 적절한 레벨로 감소시킨다. 최종 스테이지에서 활성탄 또는 그와 유사한 것이 정화를 위해 선택적으로 채용될 수 있다. 추가적으로, 이 명세서에 설명된 메탄올 연료는 적은 검댕으로 청결하게 타는데, 그것은 촉맨 성능을 향상시킨다.

HWL은 펌핑된 물의 루프를 통해 주거 집단과 같은 국지 기반의 목적지로 열을 운반한다. 도 4a 및 4b는 HWL 열 교환기(113)에서의 복귀 라인(113b)과 HWL 공급 라인(113a)을 예시한다. 발전 프로세스로부터의 열 부산물을 이용하는 것은 주거의 그리고 상업적인 지역에 저가의 열을 제공하는데 사용될 수 있다. HWL을 통하여 펌핑되는 물은 촉매 변환기(112)로부터 하류의 HWL 열 교환기(113)를 통해 가열된다. 열 교환기(113)는, HWL로의 80℃의 설계 급송 온도를 가진 40℃의 HWL의 복귀에 대한 온도에서 동작하는 표준 장치이다. 요구되는 표면적의 관점에서의 효율적인 열교환기 설계 및 상대적으로 차가운 HWL 복귀 온도는 배기의 적절한 냉각을 보장할 것이다.

배기 처리 첨가제가, 임의의 부식성 화학제품을 주입하는 부식성 인젝터(114)에 첨가되고, 다른 적절한 산 중화제들이 소망되는 결과를 위해 배기 가스내로 첨가된다. 예를 들어, 최종 배기로부터 산성 화합물을 제거하기 위해, 산의 기운을 무효로 하고, 플랜트로부터 흐르는 용수의 pH를 제어하는데 사용되는, 낮은 도즈(dose)의 기본 액체(예컨대, ℃ 부식성 소다 및 물)가 배기 스트림으로 주입될 것이다. 최종 pH는 국지 조건에 최적으로 합치되는 레벨로 제어될 것이다.

벤츄리 세척기(115) 또는 다른 적절한 혼합 장치가 HWL 교환기(113)의 하류에 예시되어 있다. 이러한 장치는 몇몇의 기능을 갖는데, 첫째가 순환하는 물 흐름과 배기 가스를 친밀하게 혼합하는 것이고, 물 흐름의 효과는 배기를 HWL 교환기 밖의 85~90℃로부터 벤츄리 세척기 밖의 대략 55~60℃로 냉각시키는 것이다. 그러한 냉각은, 배기 가스로부터 응축된 물을 생성하고 주지의 방법을 이용하여 처리될 수 있는 미립자를 수집하거나, 궁극적으로 대지로 돌아가기 위해 플랜트를 떠나는 용수의 부분을 형성할 것이다. 세척기(115)를 떠나는 산이 제거되고 청정한 배기는 최종 콘덴서 밖의 더 고도로 순수한 배기를 생성한다.

물은 벤츄리 세척기(115)와 핀 팬 열 교환기(fin fan heat exchanger)(100) 사이에서 펌핑된다. 핀 팬 열교환기 또는 다른 적절한 설비는, 벤츄리 세척기를 통해 배기 가스로부터 열을 취하고 그 열을 하나 이상의 팬에 의해 열 교환기(100)를 통해 흐르도록 구동되는 공기로 방출하는, 다른 가스/액체 교환이다. 이러한 방식의 열 방출의 하나의 장점은, 열이 저온에서 방출되고, 따라서 프로세스의 전반적인 효율에 큰 악영향을 갖지 않는 다는 것이다.

대기로 열을 소비시키는 것에 대한 대안으로서, 핀 팬 교환으로부터 가열된 공기가 엔진내로 가열된 연소 공기(110)로서 직접 사용될 수 있으며, 그 경우에 약간의 압력이 팬으로부터 공기의 질량류에 대한 열 효과를 오프셋시키도록 적용될 수도 있다. 대기로 열을 소비시키는 것에 대한 다른 대안은, 열을 냉각 연못(cooling pond) 또는 신뢰성 있고 환경적으로 허용될 수 있는 방식으로 다량의 열을 방산시킬 수 있는 다른 물 시스템을 통해 열을 방산시키는 것이다.

도 4a는 높은 물 복구 시스템에서 물을 복구하는 최종의 대형 배기 가스/연소 공기 교환기, 즉 콘덴서(116)를 예시한다. 높은 물 복구가 필요하지 않은 시스템에 있어서는 콘덴서(116)가 포함되지 않는다. 도 4b는 도 4a의 그것과 유사한 중간 물 복구 시스템을 예시하지만 콘덴서(116)는 생략되었다.

최종의 (선택적) 콘덴서(116)는 벤츄리 세척제(115)로부터의 배기를 대략 50~60℃로부터 하강시켜 대기 온도인 약 5~20℃내로 냉각한다. 이러한 양만큼 온도를 저하시키는 것에 있어서, 플랜트로부터 복구되는 생성된 물은 현저히 증가된다. 발전 플랜트 외측의 용수 또는 재사용을 위한 물을 생성하는 것에 더하여, 콘덴서(116)로부터의 응축액이 발전 프로세스내에서 선택적으로 사용 가능할 수도 있다.

응축액은, HWL 교환기에서와 같이, 하류의 설비에서 유래하는 관련된 산도 및 NOX 형성을 감소시키기 위해 사전-처리된 연료와 주입될 수도 있다. 응축액은, 저장된 물에 대한 대안으로서 또는 저장된 물에 대해 추가하여 특정한 연료 혼합의 연소에서 사용될 물의 소스를 형성할 수도 있다. 또한, 콘덴서로부터의 더 상급의 물은, 음용수로 더 처리될 수도 있고, 또는 벤츄리 세척기에 의해 생성되는 용수 품질의 물에 그리고 벤츄리 세척기(115)와 핀 팬 열 교환기(100) 사이에 재순환을 위해 더해질 수도 있다.

배기를 냉각시키는 것으로부터의 열은 폐기되지 않고, 엔진(111)내로 유입 공기와 열교환될 수 있다. 재순환되는 폐열과 물이 프로세스 중에 생성되는 방출물과 요구되는 연료를 만드는 장점을 차치하고, 운와 열의 복구는 엔진 동작을 또한 안정화시키는 경향이 있다. 엔진으로의 더 차가운 공기는 더 많은 열이 복구될 수 있게 한다.

도 3b는, 점화 개선제와 더불어 유입 공기를 훈증하지 않고, 엔진(111)으로 메탄올 연료를 생성하여 공급하기 위한 프로세스를 예시한다는 점에서 도 3a와는 상이하다. 제조 플랜트(101)로부터의 메탄올 연료는, 흡입 공기(110)가 예열되는, 엔진(111)과 직접 이용하기 위한 파이프라인 인프라스트럭처(103)를 통해 운반된다. 이러한 메탄올 스트림은 적어도 0.2%의 물과 같은, 낮은 레벨의 물을 함유할 수도 있다. 운반된 연료로부터 에테르를 플래시 분리하는 사전 처리는, 훈증제가 요구되지 않으므로, 불필요하다. 하지만, 연소를 위한 연료를 준비하기 위해 그리고/또는 발전 플랜트 외측에서 분리 사용하기 위해 에테르를 분리하기 위해 여전히 사전 처리가 이루어질 수도 있다. 도 3a에 관하여, 흡입 공기를 배기 열로 예열하는 스텝은 필수는 아니고 생략될 수 있다는 것이 또한 이해되어진다. 하지만, 엔진 효율을 향상시키고 방출물을 감소시키기 위해 배기 열을 이용하여 배기 미립자를 재순환시키는 것이 유용하다. 대안적으로, 벤츄리 세척제로부터 핀 팬으로의 물은 특히 유입 공기를 가열하는 목적을 위해 사용될 수 있다.

도 3b에 예시된 프로세스에 있어서, 흡입 공기는, 예컨대, 촉매 변환 스테이지에서와 같이, 후 연소 처리의 초반의 배기로부터 취해진 열로부터 또는 콘덴서(116)를 통해, 배기 가스로부터 전송되는 열을 이용하는 것을 포함하는 다양한 수단에 의해 예열될 수 있다. 대안적으로, 흡입 공기는, 전기 가열 요소, 글로우플러그에 의한 직접 가열 및 슈퍼 차져 또는 터보 차져의 방식과 같은 간접 가열을 포함하는 이 명세서에 설명된 다른 기술을 이용하여 예열된다.

도 5a 및 5b는 이 명세서에서 설명된 기술 및 연료를 이용하는 발전의 개념이 철도 차량에 동력을 주는데 적용될 수 있는 방식을 예시한다. 도 5a 및 5b에서의 참조 번호들은 도 3a 및 3b에 관하여 사용된 동일 번호 및 항목에 상응한다. 엔진을 통한 연료의 사용 및 연료의 임의의 사전 처리(104)는 동일하다. 배기 공기는, 배기를 냉각시키고 연소 공기(110)를 가열시키는데 대기를 이용하는 제1 열 교환기(120)를 통해 촉매 변환기(112)를 나간 후에 냉각된다.

철도 차량에 대한 배기 처리는 다른 배기 물질로부터 물을 분리하는 것에 있어서 HWL 프로세스의 그것과는 상이하다. 촉매 변환기를 나가는 배기 가스는, 물 콘덴서(123)를 통해 배기 가스로부터의 물의 리캡쳐(recapture)와 더불어 대기로의 청정한 뜨겁고 건조한 배기를 생성하기 위해 활성 알루미나 수 흡착 사이클(121) 및 활성 알루미나 수 전개 사이클(122)을 통해 패스된다. 리캡쳐된 물은 사전 처리 스테이지로 되돌려 공급될 수 있고 또는 비음용의 철도 차량 용도를 위해 사용될 수 있다. 활성 알루미나 사이클들을 나가는 더 차가운 건조한 배기는 철도 차량에 대해 가열 또는 냉각을 제공하기 위해 제2 열 교환기(124)를 통해 사용될 수 있다.

메탄올 플랜트(101)에서의 연료의 제조는 결국 하나의 실시예에서 철도 차량에 잠재적으로 저장되는 2 성분들이 될 것이다: (1) 정확한 NOX/성능 결과를 제공하도록 설계된 물 메탄올 혼합물, 및 (2) 분리 가압된 저장소내의 훈증제 성분. 철도 무게의 불리한 조건은 선적 무게의 불리한 조건에 비해 크지 않다.

도 5b는, 도 3b와 유사하게, 훈증제를 사용하지 않고 예열에만 의존하는 철도 차량 발전 프로세스를 예시한다. 훈증제 없는 HWL 프로세스의 장점에 대한 동일한 언급이 도 5b에 관하여 기술되는 프로세스에 대하여 적용된다.

도 6a 및 6b는 해상의 목적을 위해 그리고 예컨대 선박상에서 사용되는 발전 프로세스의 개념을 예시한다. HWL 발전 프로세스의 예와 유사하게, 선박에 대해 적합한 크기를 가진 메탄올 제조 플랜트는, 선박에 동력을 주는 하나 이상의 엔진(111)에 메탄올 기반의 연료를 공급하기 위해 선박상에 구비될 수 있다. 앞서의 예들과 유사하게, 도 6a는 흡입 공기내의 훈증제 점화 증강제를 이용하는 프로세스를 예시하고 도 6b는 훈증제 없는 프로세스를 예시한다. 프로세스는 대신 흡입 공기의 예열을 포함하거나 예열을 포함하지 않을 수 있다.

해상 선박의 제1 열 교환기(120)는 더 차가운 대기를 이용하여 배기를 냉각한다. 그 배기의 일부는 가열 연소 공기(110)가 되도록 되돌려 재순환될 수 있다. 나머지 냉각된 배기는 그 다음에, 탱크와 선박 가열과 같은 선박의 필요를 위해 배기 열 복구를 최대화하기 위해서 탈염기(125) 및 다른 열 교환 설비로 패스된다. 탈염기는 해상 선박에 즉시 사용할 수 있는 염수의 용도를 만든다.

이 명세서에서 설명된 프로세스와 연료와 관련된 일반적 장점은, 상기 설명된 응용들에서 사용되는 경우에, 에너지 및 자원이 한정된 집단 및 지역에 몇몇 이익의 동시의 배달을 가능케한다는 것이다. 특정한 장점들은 다음을 포함한다:

부적합성(예컨대 고함량 황)으로 인해 발달되지 않은 상태로 남을 수 있는 원격 자원의 발달.

CO2를 줄이기 위하여 효율적인 바이오매스 공동처리를 위한 심리스 옵션(seamless option)을 제공한다

바이오메스의 이른 공동사용은 기존 자원의 수명을 연장한다.

바람과 태양과 같은 기타 재생가능한 자원의 통합 또한 가능하다.

열병합 발전(CHP) 또는 냉각 열병합 발전(CCHP) 기반에 대한 디멘드 센터(demand centre)에 전기를 공급한다.

전력의 생산 단계로부터 일어나는 모든 비CO2 오염 물질을 실질적으로 제거한다.

가능한 최대로 자원으로부터 수소를 포집하고 이러한 자원이 디멘드 센터에 의해 사용되기 위해 물로 전환한다(1 부분 수소는 산소와 반응하여 중량당 9 파트의 물로 변환한다). 이러한 장치에서, 연료 전달 메커니즘은 임의의 경우에 스스로 자체 수송 비용을 차지할 것이므로, 화석 연료 자원은 또한 잠재적인 "프리 캐리" 효과를 갖는 수자원으로서 부분적으로 여겨질 수도 있다. 이러한 수자원은 활성화 암모니아 또는 다른 적합한 흡수성 물질 또는 기술로 처리되어서 뜨거운 엔진 배기가스를 처리하는 촉매 변환기를 통과하는 브레이크스루(breakthrough)를 제거할 것이다.

가열과 냉각을 목적으로, 배기가스를 가열하고 열을 위한 로컬 디멘드 센터로 열 에너지의 주 공급원을 교환하는 온수 루프(HWL)에 의해 지역 집단에 폐열(waste heat)를 제공한다. 본 명세서에 기재된 기술을 활용한 것으로부터의 정화된 배기가스는 마켓에 대한 발전의 근접성, 즉 특히 석탄 화력 생성에 일반적으로 드물게 이용가능한 특성을 허용한다.

물과 열의 효과적으로 복구. 다른 열 전달 접근방법이 상승된 복구를 갖되 증가된 비용으로 사용될 수 있고, 연소 공기는 (도 3a 및 도 3b의 예시에서) 핀 팬 쿨러 이전에 예컨대 순환수에 의해 선택적으로 가열될 수 있다.

다량의 - 사용된 메탄올의 톤 당 0.7 내지 1 톤의 관개수 또는 경제적인 그리고 기술적인 배경에서 타당할 경우 더 많은 양의 - 물의 회수가 이뤄지고, .

지역 집단이 직접 사용하기 위한 pH 중성 관개용수를 제공한다.

산을 중화하고 미립자를 낮은 레벨로 제거하는 물세척 배기가스를 제공한다. 배기가스의 SOX 및 탄화수소와 같은 다른 오염물질 또한 줄어들 것이다.

물 생성 장치를 갖는 본 명세서에 기재된 기술, HWL 열 집적 및 방출 결과는 엔진 효율성의 면에서 대가를 치를 것이며, 그러나 이러한 측면은 공급 체인 이익 및 상기 언급된 이익에 의해 상쇄되는 것으로 다수의 경우 예측된다.

예시

예시 1: 압축 점화 엔진을 위한 메탄올 물 연료 조성물을 조사하기 위한 실험 프로그램

1.1 요약

이 보고서는 압축 점화 엔진의 상이한 메탄올 기반 연료의 성능 및 엔진 아웃 방출에 대하여 멜버른 대학교가 실험 프로그램에 착수한 동안 얻은 결과를 요약한 것이다.

테스트가 이뤄진 연료는 메탄올, 물, 디메틸에테르(DME) 및 디에틸에테르(DEE)의 혼합물이다. 메탄올이 평소에 압축 점화 연료가 아니므로, 2개의 점화 프로모터가 사용된다. 제 1 프로모터는 유입 공기 예열기로 구성된다. 엔진 유입 공기를 150도씨(부여된 안전 한계)까지 가열함으로써, 더 높은 온도는 압축 행정의 종료에 도달하고, 이 지점에서 주요 연료 충전물이 주입된다. 일부 경우에, 이러한 온도는 주입된 연료의 압축 점화가 일어날 정도로 높다.

점화를 촉진하기 위한 제 2 시스템은 가스상 디메틸에테르(DME)를 엔진의 유입 포트로 연속적으로 주입하는 것을 포함한다. DME는 상대적으로 낮은 점화 온도 및 높은 세탄가(cetane number)를 가지므로, 공기/훈증제 혼합물로서 DME 자동 점화가 압축 스트로크 동안 압축되어서 결국 주 연료 전하를 점화할 수 있는 열 에너지를 방출한다.

인하우스 빌트 모터링/흡수 동력계 설비에 장착된 변형된 1D81 Hatz, 단일 실린더 디젤 엔진이 테스트된다. 변형되지 않은 상태에서, 이러한 자연 유입 공기 엔진은 약 670cc 볼륨의 단일 실린더로부터의 10kW까지의 축 동력을 생성한다. 최고 엔진 효율성은 기본적 물리 법칙으로 인한 엔진 크기와 함께 상승하는 것이 엔진 집단에서 일반적으로 알려져 있으므로, 테스트된 모든 연료들의 절대적 성능은 더 큰 엔진에서 더욱 적합할 가능성이 크다.

이와 같이, 현재 테스트 프로그램에서 디젤이 아닌 연료의 엔진 성능은 이 엔진에 대한 디젤 연료식 결과에 관련하여 비춰지는 것으로 고려된다. 구체적으로, 이러한 엔진에서 디젤에 관련하여 주어진 대안적인 연료로 비슷하거나 더 나은 성능이 성취될 경우, 이러한 상대 능력은 더 큰 엔진에서 또한 성취될 수 있는 가능성이 있다. 물론 주어진 엔진에 주어진 연료의 절대적인 성능은 추가 최적화를 요하고 이것은 엔진 성능을 개선해야 한다.

이러한 실험 프로그램으로부터의 일반적인 관찰은 아래와 같다.

1. 훈증된 엔진 테스트

이 테스트 결과는 더욱 효율적인 동작 조건에서, 훈증된 엔진이 디젤 엔진과 비슷한 효율에, 그 보다 더 낮은 NO 방출 및 더 적은 미립자 방출을 생성하는 것을 보여준다.

2. 가열된 유입 공기 테스트

이 테스트 결과는 엔진 아웃 NO 방출이 디젤 엔진과 비교할 만하다는 것을 보여준다. 훈증된 엔진이 작동하면서 디젤 엔진보다 더 적은 미립자 방출이 다시 관찰된다. 추가 작업은 이러한 작동 모드에서 엔진의 효율성을 개선하기 위해 요구된다.

1.2 실험 방법

이러한 테스트는 인하우스 빌트 모터링/흡수 동력계 설비에 장착된 변형된 1D81 Hatz, 단일 실린더 디젤 엔진에 관하여 수행된다. 도 10은 설비를 위한 처리 계장도를 나타낸다. 변형되지 않은 엔진 규격은 아래의 표 1에서 상세히 기재된다. 이러한 규격은 엔진 테스트 동안 변경되지 않는다.

엔진의 변경사항은 이하와 같이 구성된다.

기계적인 연료 인젝터 및 연료 펌프를 솔레노이드 구동 주입 시스템 및 별도 연료 펌프 및 주입 시스템으로 교체.

전자적으로 명령된 공통 디젤 인젝터가 시스템에 연료를 공급하기 위해 사용된다. 이러한 인젝터(보쉬, 0 445 110 054-RE 모델)는 변형되지 않은 엔진의 인젝터보다 훨씬 큰 용적 유량을 전달하여, 표 2에서 연료를 포함하는 가장 많은 물이 디젤 및 순수 메탄올 연료 모두와 같이 동일한 공기/연료 비를 성취하는 동안 전달될 수 있다.

이러한 인젝터는 이러한 엔진을 위해 더 커지기 때문에, 변형되지 않은 엔진과 동일한 디젤 연료로 동작할 때 엔진 성능상의 상당한 감소를 야기한다. 결과적으로, 표 2에 리스팅된 대안적인 연료를 테스트하기 위한 적절한 참조는 디젤로 동작하는 동일하고 변형된 시스템이고, 이 결과는 표 3, 4 및 표 5에 리스팅된다. 추가 테스트에서, 구체적으로 저함수율을 갖는 연료는 더 작은 인젝터의 사용을 가능하게 하여 엔진 성능의 상당한 발전을 가능케 할 것이다.

도 10은 연료가 압축된 저장 용기내에 믹스되어서 DME가 엔진으로의 주입 이전에 가스 단계로 변이하지 않는 것을 도시한다. 이러한 용기는 테스트 동안 항상 5 bar 내지 10 bar 사이에 있다. 이러한 용기에서 나오는 액체 연료는 엔진으로 주입되기 전에 800 bar까지 공기 구동 펌프, Haskel에 의해 압축된다. 고압 어큐뮬레이터(accumulator)는 연료 라인 압력이 테스트 동안 일정하게 지속되는 것을 보장하기 위해 사용된다.

연료 유량은 압축된 저장 용기를 부하 셀에 서스펜드하고, 각각의 테스트 동안 용기의 질량의 변화의 비율을 측정함으로써 측정된다.

유입 매니폴드의 연장.

이것은 유입 공기 예열기와 DME 훈증제 유입을 연결하기 위해 수행된다.

양쪽 시스템은 주요 연료 차지의 점화 프로모터로서 사용된다.

모든 방출 분석 시스템을 연결하기 위한 배기 매니폴드의 연장.

키스틀러 압전 압력 측정기.

실린더내 압력을 기록하기 위한 엔진의 실린더 헤드에 설치됨.

모든 테스트를 위한 쉘 헬릭스 레이싱 10W60 오일을 사용.

이것은 합성유이다.

배기가스 방출은 다수의 독립 시스템을 사용하여 분석된다.

MAHA 미립자상 물질 미터.

이러한 장치는 엔진 베기가스의 미립자상 물질의 중량을 측정한다.

보쉬 UEGO 센서.

이것은 공기 연료 비율을 측정하는 생산 장치이다. 이것이 수소 연료를 위해 발달되는 동안, ADS9000 방출 벤치로부터의 측정된 공기-연료 비율과의 비교는, 이것이 60% 함수량보다 더 큰 함량을 갖는 다른 연료들보다 테스트된 모든 연료에 적합하게 기능하는 것을 증명한다(도 4).

ADS9000 방출 벤치.

이것은 공기-연료 비율을 측정하는 생산 장치이다. 이 장치가 수소 연료를 위해 발달되는 것에 반하여, ADS9000 방출 벤치로부터의 측정된 공기-연료 비율에 비해 이것은 50% 함수량보다 큰 함수량을 갖는 모든 테스트된 연료에 적합한 기능을 하는 것으로 나타난다(도 4).

ADS9000 방출 벤치

이 장치는 NO의 엔진 아웃 방출을 측정한다. 샘플링 이전에, 배기가스 샘플은 가열되지 않은 라인과 워터 트랩을 통과하여 샘플링된 가스의 함수량이 대기 조건에서 포화될 정도가 되어야 한다. ADS9000는 먼저 교정되고(calibrate) 테스트 프로그램을 사용하는 동안 모든 측정된 용량을 위한 교정 가스 및 가스 디바이더를 사용한다.

Gasmet FTIR 방출 분석기.

이 장치는 적절한 교정 가스를 이용하여 교정되고 서플라이어의 지시에 따라 고순도 질소로 0에 맞춰진다.

각각의 연료는 2000rpm의 정상 상태 속도 및 2의 람다값(즉, 100% 초과 공기)에서 테스트된다. 변형되지 않은 엔진은 대략 1.5의 람다에서 동작한다. 순수한 메탄올로 람다 1.5에서의 제 1 테스트는 어떤 경우에서든 오버 어드밴스드 주입으로 인한 엔진 고착을 야기하므로 리너 동작이 선택된다. 추가 엔진 고착이 람다 2에서 생긴다.

전체 테스트 엔진 절차는 이하와 같다.

1. 가열된 유입 동작(run)

유입 공기는 150도씨로 먼저 상승된다.

주입 기간은 2의 람다 값으로 설정되고 주입 시작은 상사점(top dead center)에 설정된다.

엔진이 동작하고 양의 엔진 토그가 더는 지속되지 않을 때 가지 가열기 제어기는 유입 온도로르 감소시킨다. 가열기 유입 컨트롤러는 이어서 동작이 중단될 때 더 높은 온도로 유입 온도를 설정한다.

주입의 시작은, 엔진 토크가 소위 '최대 제동 토크(MBT)'에 도달할 때 까지 일정 엔진 속도를 유지하는 동력계 컨트롤러에 의해 시작한다. MBT는 지속 엔진 속도 및 공기/연료 비율에서 가장 효율적인 동작 조건이다.

생성된 주입 타이밍(시작 및 기간) 및 다른 측정된 수량이 동작 조건에서 기록된다.

2. 훈증된 유입 동작

엔진이 높은 DME 유속을 갖는 스무스한 러닝 조건에서 설정된다.

주요 연료 주입 기간은 2의 람다 값으로 설정되고 주입 타이밍의 시작은 상사점에에서 설정된다.

DME 유속은 제동 토크가 최대에 도달할 때까지 일정 람다를 유지하기 위하여 주요 연료 유속이 상승하는 동안 감소된다.

주입 시작 타이밍은 필요시 람다를 유지하기 위하여 주요 연료 유속을 조정하기 위하여 지속되는 동안 MBT 타이밍이 성취될 때 까지 진행된다.

생성된 주입 타이밍(시작 및 기간) 및 다른 측정된 수량이 동작 조건에서 기록된다.

3. 디젤 엔진 동작

주입 시작 타이밍은 주입 기간을 통해 람다를 2로 유지하는 동안 MBT에 대해 진행된다.

연료의 규격은 이하와 같다.

메탄올 순도 99.8% +

탈이온수 순도 99.8% +

디메틸에테르(DME) 순도 99.8% +

디에틸에테르(DEE) 순도 99.8% +

1.3 결과

테스트 작업의 결과는 아래의 표에서 표시된다.

1.5 추가 테스트 작업

추가 테스트 작업은 추가 연료 및 훈증제 결합을 분석하기 위해 수행되고, 이 테스트의 결과는 아래의 표 11 및 표 12에 요약된다. 주목할 점은 이하와 같다:

전체적으로, 1000 rpm에서의 엔진 효율성은 더 높은 엔진 속도에서의 동일하거나 유사한 연료보다 낮다. 이것은, 변형되지 않은 Hatz 엔진이 약 2000 rpm에서 최대 효율을 가지고 이것이 기대되는 점을 기반으로 한다. 더 낮은 rpm에서의 최대 효율을 위해 고안된 더 큰 엔진이 사용되는 경우 연료를 사용하는 효율이 개선된다.

ADS9000 장치를 사용하는 NO 방출은 이러한 테스트 프로그램 동안 이러한 감지기의 실패로 인하여 존재하지 않는다.

연료 인젝터는 25회차 테스트를 실패한다. 실패가 테스트에서 늦었으므로 이러한 테스트에 기록된 데이터는 여전히 타당한 것으로 보이며, 따라서 이 부록에 포함되었다. 주목할 것은 25 회차 및 27회차의 비교 성능으로, 첨가제를 제외하고는 매우 유사한 주 연료 조성물을 가진다.

1.5 연료 조성물에서의 % 용적 및 % 질량간의 비교표

1.1 내지 1.4에서 간략하게 기재된 테스트 결과의 표는 용적로 측정된 주요 연료 조성물의 상대량을 기반으로 한다. 이하의 표 13 및 표 14는 연료 조성물에 대한 % 용적 및 % 무게 사이의 전환이 생성되는 것을 가능하게 한다.

1.6 섹션 1.1 내지 1.5에서 보고된 테스트 결과에 대한 관찰.

물 및 에테르에 DME 훈증제 추가:

상기 보고된 작업은 메탄올에 유용한 추가물질이 되는 일정 핵심 특성을 물이 가졌음을 증명한다:

1. 한 지점까지 연소가능한 메탄올 연료로 주입될 경우, 효율성이 하락하지는 않고 적정 포인트까지 되려 상승하며, 다음으로 물의 비율이 상승을 지속하는 동안 감소한다. 이것은 이하의 요소와 같은 연소 요소로 인한 효율성의 상승이 출원인에 의해 상정된다:

a. 방사율 및 흡수 계수와 같은 물의 스펙트럼 특성은 가열 (예를 들면, 적외선 IR) 밴드에 걸쳐 메탄올에 비해 우수하고, 이것은 방사열이 혼합된 연료 및 물의 액적으로 흡수되는 것을 돕는데, 이는 메탄올이 고속의 열 흡수를 공유하고 먼저 증발할 것이므로, 메탄올은 가속된 속도로 액적으로부터 증발하기 때문이다.

물의 방사율은 문헌에서 보고된 바와 같이 0.9 내지 1.0 이고, 이것은 거의 적외선 방사선에 대한 흑체이고, 메탄올은 거의 0.4에서 그의 절반 이하이다.

b. 물의 열적 전도성은 메탄올보다 크다.

c. 물의 열적 확산율은 메탄올보다 크다.

d. 상기 포인트 b 및 c는 물의 존재로 인한 액적 내의 열의 더 큰 전달을 야기하고, 액적이 줄어드는 만큼 메탄올 농도가 감소하므로 액상 메탄올을 가스로 전환하는 것을 다시 가속화한다.

2. 상기 보고된 작업은 훈증제에 의한 적절한 양의 점화 보조로 고레벨의 물에서도 동작할 때 이것의 스무스한 동작의 시연을 통해 물 메탄올 연료의 생존력의 증거를 제공한다. 상기 보고된 작업으로부터 얻어진, 도 7에서 표시된 데이터로부터, 함수량이 주요 연료 조성물의 약 12 중량% 내지 23 중량%의 범위일 때 성취된 단열 효율성의 정점이 존재하는 것을 보여준다. 개선된 BTE의 영역은 2% 내지 32%의 함수량에 대한 것이고, DME 훈증제로 약 16-18%에 가까운 영역에서 최적의 결과가 성취된다. 이것은 놀라운 결과이다. 연소실에 이러한 높은 레벨의 물을 주입하는 것이 압축 점화 엔진이 IMEP의 COV에 의한 수용가능한 동작으로 동작하는 것을 가능케 하는 것은 예상하지 못했다.(표시된 중간 유효 압력의 변화의 계수)

상기 보고된 실험 데이터로부터, 대부분의 경우의 더 낮은 랭킹 BTE 퍼포머는 희석되지 않은 메탄올이고, 4-9% 무게 범위의 DME를 포함한 혼합물에 의해 우수한 성능이 얻어진다.

함수량이 먼저 언급된 DME의 양을 포함하는 연료에서 약 30 중량% 이상을 초과하면, 효율성은 연료가 열이 존재하지 않음으로써 연소되어서 일정하게 유지되는 레벨로 다시 하락한다.

부분적으로 더 높은 배수 함량으로 인한 절반의 효율성에도 불구하고 배기 약 70%의 연료가 엔진에서 연소되는 것이 주목된다.

도 8은 무게 %의 에테르 함량 및 연료의 결과적인 BTE의 그래프를 나타낸다. 괄호(})는 연료 조성물의 에테르 구성요소로서 디에틸에테르의 사용과 관련한 포인트를 표시하기 위해 사용되는 반면에 다른 분할된 지점에서 사용된 에테르는 디메틸 에테르이다. 도 8은 희석되지 않은 메탄올 케이스에 비해 약 16% 함수량에서의 액체 상태로 4% DME를 도입함으로써 일부 1.5%의 BTE의 상승을 표시한다. 일반적으로, 파선에 의해 표시된 박스 내의 에테르의 양의 사용을 통해 제공되는 이 결과는 주요 연료 조성물에 대한 장점을 제공한다. 10% 레벨 이상의 에테르 함량을 증가하는 것은 상응하는 처리 개선 및 장점 없이 추가 비용을 생성한다.

낮은 수위에서, 4%에 비해 16% DME의 이익은 적으며, 4% DME는 약 6보다 높은 함수량에서 16% DME를 능가한다. 약 8 중량% DME는 함수량 범위 전체에서 4% DME보다 약간 더 높은 BTE을 갖고, 연료에서 0.3% 내지 최대 약 36% 물의 평균을 내는 것이 차이점이다.

저수 범위의 더 약한 BTE를 보이는 연료의 디에틸에테르(DEE, 괄호친 지점)는 니트(neat) 메탄올과 유사하지만, 약 25%의 DEE 이상으로 증가한 연료의 함수량은 DME의 함수량에 맞추기 위해 이것의 성능을 개선한다.

단열 효율성에 있어서, DEE는 휘발성이나 수증기압과 같은 다른 요인이 지배하지 않을 경우 메탄올 물 연료의 DME 이전에 선택될 수 없다.

NO에 대한 물과 훈증제의 효과:

물과 같은 냉각제가 적용되는 훈증된 환경에서, NO의 감소가 성취되는 것이 예측될 수 없으며 NO 감소의 정도도 예측될 수 없다. 테스트 작업은, 도 9에 도시된 바와 같이 36% wt 물에서 0.2 grams/kw-hr의 트로프(trough)를 보여주며, NO 감소는 수위가 증가함에 따라 매우 극적으로 증가하는 것을 나타낸다.

도 10은 함수량을 증가시키는 것이 배기 가스의 NOX를 갖는 효과의 또 다른 도시를 제공한다. 4% 및 8% DME 라인은 높은 유입 공기 온도에서도 NOX 형성에 우수한 반응을 보인다. 동일한 경향은 훈증의 경우에도 나타날 수 있고, NOX가 감소하는 경우, 수위는 낮은 DME 경우에 비해 더 높은 NO 레벨을 보이며 16.5 DME 및 8.8 DEE 증가한다. 물을 사용하지 않은 모든 가열된 동작은 예열을 사용하지 않는 디젤 연료보다 더 높은 NO를 생산한다.

상기 데이터와 동반하는 도면에서 하나의 동작 영역의 장점은 훈증에 의한 주 연료 조성물에서 메탄올 및 중량당 20 내지 22% 물 및 4 내지 6% wt DME를 포함하는 주 연료 조성물의 사용을 포함한다. 이러한 연료는 우수한 효율성 및 낮은 NO를 성취한다. 바람직한 연료 동작 영역은 본 출원의 다른 섹션에서 상세히 기재된 바와 같이 CI 엔진의 허용가능한 동작으로 더 확대될 수 있다.

동일 엔진 상의 디젤 연료는 대조적으로 람다 2와 2000 rpm(이러한 그래프의 모든 훈증 테스트의 람다 및 속도)에서 4.9 grams/kw-hr를 성취한다.

훈증제:

훈증제의 사용(또는 훈증)은 복잡한 연료 조성물, 특히 물과 메탄올을 포함한 연료 조성물 및 선택적으로 DME와 같은 다른 첨가제로 사전에 고려되지 않았다. 이러한 기술의 상업적인 활용은 확실히 보고된 바가 없다. 이것은, 이러한 연료가 물과 같은 높은 잠열 희석액으로 혼합됨으로써 추가로 손상될 수 있는 메탄올의 낮은 발열량을 고려했을 때 이러한 연료가 원활히 작동할 수 없을 가능성이 있는 것으로 고려된 사실로 인한 것이다. 다량의 물 성분을 포함하는 연료의 사용은, 또한, 물이 일반적으로 점화보다는 소화에 사용되므로, 예상 밖의 것이다.

이러한 공간을 조사하기 위하여, 5리터 V8 엔진의 실린더의 동일한 용량을 갖는 단일 실린더 엔진이 사용되고, 더 큰 인젝터는 테스트될 일부 연료의 리터 당 낮은 발열량을 극복하기 위해 설치된다.

이러한 더 큰 인젝터는 엔진 효율성을 감소시키는 효과를 갖되, 미러 조건이 적용된 것을 고려했을 때 연료들 간의 비교로서, 비교의 유효성은 엔진을 테스트하는 전문가들에 의해 인지된다. 대형 인젝터는 테스트의 특정 동작 조건에서 요구되고 이 엔진은 작은 엔진 크기로 인한 높은 rpm에서 동작되지만, 엔진의 유입 공기로 주입된 훈증제(점화 증강제)의 상대적 함량의 결과적인 감소로 인한 이러한 요소들의 변경을 가능하게 하는 추가 작업이 존재한다. 본 출원을 지원하기 위해 수행된 실험 작업은 2000rpm 및 1000rpm에서 수행되고, 후자는 프로그램을 위해 사용된 Hatz 엔진의 가장 낮게 동작가능한 속도이다.

예시 2: 유입 가열 방법 및 훈증 동작에 의한 70% 메탄올 : 30% 물

70% 메탄올 및 30% 물을 포함하는 연료는, 도 1에 개략적으로 도시된 연소 점화 엔진에 도입된다.

상이한 엔진 동작 단계 동안(시작, 낮은 부하에서의 지속 단계, 50% 내지 100%의 전부하에서의 지속 단계, 휴지기 등), 엔진은 상이한 모드 및 이들의 결합 모드에서 동작될 수 있다.

0 내지 50% 엔진부하에서의 동작 동안, 유입 공기는 훈증제 없이 150 내지 200℃에서 예열된다. 상승된 온도에서의 엔진에 대한 공기 흐름의 손실은 저부하가 되는 엔진에 의해 보상된다.

50% 내지 전부하 동작의 경우에, 유입 공기 예열 레벨이 감소될 수 있으며, 추가로, 95% DME, 3% 메탄올 및 2% 물을 포함하는 훈증제가 사용될 수 있다. 훈증제는 전체 연료 유입의 5% wt 양으로 흡입 공기내에 주입된다. 이러한 훈증 레벨은 전부하가 접근될 때 낮아질 수 있다.

시작 단계에서, 유입 공기가 예열되고, 추가로, 주연료에 관련하여 더 큰 중량 %의 훈증제가 유입 공기에 훈증된다. 이러한 동작 단계를 위한 적절한 훈증제는 100% DME를 포함하는 훈증제의 20% 내지 50%이다.

엔진이 동작한 뒤 휴지기에서, 훈증은 중단될 수 있다.

(엔진 rpm 및 부하에 대한) 훈증으로부터의 주기적인 지원에 의한 유입 공기 예열은 엔진의 동작이 주 연료 조성물의 30% 레벨에서의 물의 존재를 극복하는 것을 가능하게 한다.

예시 3: 훈증 없이 가열에 의한 95% 메탄올 : 5% 물 연료

예시 2가 반복되나, 연료 조성물이 95% 메탄올:5% 물이다. 유입 공기는 150℃ 내지 200℃에서 예열된다. 이러한 장치는 터보차저 및 배기/유입 공기 열 교환기를 포함할 수 있다.

예시 4: 유입 및 훈증에 의한 26% 메탄올 : 74% 물

예시 3이 반복되나, 연료 조성물이 26% 메탄올:74% 물 연료이다. 이러한 연료 조성물은 선박 CI 엔진을 동작하기 위한 해상 응용에서 사용하기에 적합할 수 있다. 이러한 경우에, 배기 가스로부터의 요구된 레벨의 응축을 얻기 위해 필요할 경우, 해수가 가열 싱크로서 사용될 수 있다. 해상 환경에서, 난연 증기상이 있을 때 밀폐된 공간의 유출에 대한 안전을 보장하기 위하여, 연료 조성물의 수위는 약 74%(또는 이상)이 되고, 연료의 26%(또는 이하)는 메탄올이 된다. 이러한 높은 함수량은 엔진실이 연소되게 하는 점화의 위험을 회피한다.

예시의 연료는 사용 준비가 된 조성물(즉, 메탄올 조성물이 74%의 물이 있는 조성물)의 주요 연료 저장 탱크로 펌핑될 수 있다. 대안으로, (엔진 사용 조성물에 비해) 저수위를 갖는 프리 믹스는 저장 탱크내에 펌핑될 수 있고, 수위는 저장과 이것의 엔진에 대한 충전간의 최종 프리 믹스의 물 희석을 통해 상승한다. 수원은 임의의 수원이 될 수 있고 예컨대 재활용수 또는 탈염수가 될 수 있다. 이러한 옵션은 용기에 담긴 연료 조성물의 무게에 대한 장점을 갖는다.

이러한 연료의 점화는 상기 기재된 바와 같이 가열 방법을 요한다. DME 수증기 또는 공기 유입내로 훈증된 스프레이는 연료를 점화하기 위한 충분한 수단을 제공한다.

배기가스의 물의 양은 약 30 내지 50%가 되는 것으로 계산될 수 있다. 이것은 유입 공기내의 물 뿐만이 아니라 연료내의 원래의 물과 메탄올 및 DME의 연소로 인한 물을 기반으로 한다. 이러한 놀라운 결과는 연료내의 고함수량, 공기 유입구에서의 수증기 및 연료로부터의 물 연소 생성물(메탄올 및 DME)과 결합한 메탄올의 고수소 함량(극저온 액체 수소보다 용적상 더 많은 수소를 포함함)으로 인한 것이다.

이러한 연소 반응으로, 다량의 물이 생성될 것이며, 이것의 일부를 재활용하고 저장 탱크에 저장된 저수 함량 프리 믹스 연료와 혼합할 가능성이 존재한다. 일부 실시예에서, 더 높은 메탄올 함량 기반 연료를 운반하고 엔진 배기가스로부터 물을 수집하는 것에 의하여 더 높은 수위에서의 목표 엔진을 충족시킴으로써 연료의 물의 존재와 관련된 공급망 물류 비용을 줄이는데 유리하다.

마지막 단계에서 선택된 종 제거를 위한 선택적인 첨가제를 갖는 순수를 사용하는 열 교환 및 스프레이 챔버 장치는 메탄올의 연소로 인한 비 CO2 오염이 적을 것을 보장하기 위해 구성될 수 있다. 추가로, 배기 가스의 최종 정화는, 알려진 기술을 사용하는 처리 내의 엔진에 대한 후기 탈착 및 재활용 또는 훈증제 또는 주연료의 부분으로서 통합하기 위하여 예컨대 활성화된 표면 상으로이 불소성 메탄올의 흡수에 의해 얻어질 수 있다.

SOX에 있어서, 이러한 경우의 배기 가스는 이하의 분석을 갖는다:

SOX＜0.1 ppm.

일반적으로, NOX 미립자와 같은 다른 오염물질의 방출은 오일 기반의 디젤 연료에 비해 더욱 적을 것이다.

연소 단계에서 형성된 적은 양의 NOX 및 SOX 및 수상 CO₂의 흡수는 연료와 혼합하기 위해 환수하는 물의 약한 산폐를 야기할 수 있다. 환수 혼합은 이러한 약한 산폐를 상쇄하기 위해 화학적 처리 또는 기계적 조절을 요할 수 있다.

이러한 정화로부터 생성된 배기 가스는 환경적으로 유리한, 연료, 탄화수소, 미립자 NOX 및 SOX 방출에 있어서 디젤 연료에 비해 개선된 방출을 갖는다.

CO₂ 복구

높은 수 연료로부터 생성된 배기가스는 불순물을 거의 포함하지 않고, 이것을 후속 처리에 이상적으로 만든다. 특히, CO₂는 직접적으로 온실 가스를 감소시키기 위하여 메탄올로 재변환되고, CO₂ 또는 고순도 CO₂는 메탄올 제조를 포함하는 다수의 최종 용도를 위한 조류와 같은 유기물 성장에 사용될 수 있고, 태양 등과 같은 재생 공급원을 포함할 수 있는 에너지원을 활용한다.

공기 중 산소 레벨을 분리하거나 정화함으로써, 질소의 산화로부터의 NOX 포텐셜의 결과적인 감소 또는 제거로 인하여 질소가 엔진으로부터 감소되거나 제거될 수 있다. 엔진 O₂ 흡기에 대한 배기가스 CO₂의 재활용은 엔진에 들어가는 산소 레벨의 최적화를 및 상당히 순수한 CO2 및 수증기 배기의 생성을 허용한다. 이러한 농축된 CO₂가 메탄올에 대한 추가 처리 또는 필요할 경우 상기 언급된 응용에 이상적이다.

예시 5: 훈증 없이 가열에 의한 90% 메탄올 : 5% 물 : 15% DME 연료

예시 2가 반복되되 주연료 메탄올 물 연료 조성물에 DME가 추가된다. 유입 공기는 50℃ 내지 150℃로 예열된다. 이러한 장치는 터보차져 및 배기/유입 공기 열 교환기를 포함할 수 있다. 요구된 예열 온도는 더 낮은 부하 및 더 낮은 엔진 속도에서 요구되는 약간의 예열로 더 높은 부하 범위에서 낮거나 0이 될 수 있다.

예시 6: 선택적인 훈증제를 갖는, 가열 방법에 의해 사용하기 위한 연료 조성물

이하의 표에서, 메탄올/물 연료 조성물의 예시가 유입 공기 예열로 연소 점화 엔진의 동작과 관련하여 간략하게 기재된다. 이러한 메탄올/물 연료 조성물은 적어도 50℃, 적어도 100℃, 적어도 150℃, 적어도 200℃, 적어도 300℃ 또는 이 이상(우세한 조건에 따름)의 레벨의 유입 공기 예열로 동작될 수 있다. 연료 조성물은 추가적으로 (또는 유입 공기 예열에 대한 대안으로) 훈증제와 결합하여 사용될 수 있고, 연료를 위한 적절한 훈증제의 예시가 표의 제 2 부분에 표시된다. 각각의 숫자가 지정된 라인의 주연료는 이웃하는 연료와 훈증제 간의 쌍이 가능함에도 불구하고 동일한 숫자 라인 상의 적합한 훈증제로 짝지어질 수 있다. 연료 연장제, 윤활제, 점화 향상제 및 다른 첨가제의 아이덴티티에 있어서, 이들은 상기 상세한 설명에 제공된 예시로부터 선택된다. 이러한 첨가제에 대하여 표에서 지칭된 % 양은 이러한 기재의 단일 첨가제의 양 또는 이 클래스의 이러한 하나 이상의 첨가제의 결합이 사용될 때 이러한 기재의 첨가제의 전체를 지칭한다. 특정 예시는 연료 연장제로서 설탕 또는 지방산 에스테르, 윤활 첨가제로서 지방산 에스테르 또는 에탄올아민 유도체, 점화 증강제로서 에스테르를 활용하고, 추가적인 첨가제로서 색상 및 플레임 색상을 생성한다.

다양한 훈증제가 표에 표시되고, 일부는 더 높은 점화 구성요소로서 분류된 특성보다 더 낮은 점화 특성으로 분류된다. 리스팅된 구성요소는 완전하지 않고, 본 명세서에서 리스팅되고 당업자에게 알려진 다른 적절한 구성요소가 또한 사용될 수 있다.

Claims (43)

1. 디젤 엔진 연료 조성물로서:
   - 상기 연료 조성물의 적어도 20 중량 % 레벨의 메탄올;
   - 상기 연료 조성물의 적어도 20 중량 % 레벨의 물;
   - 20:80 내지 80:20 사이의 물 대 메탄올의 비율
   - 상기 연료 조성물의 적어도 60 중량 %의 물과 메탄올의 총량, 및
   - 총량이 상기 연료 조성물의 적어도 0.1 중량 %인 하나 이상의 첨가제 ― 상기 첨가제로서 존재하는 경우의 염화 나트륨의 레벨은 상기 연료 조성물의 0 내지 0.5 중량 % 사이이고, 상기 첨가제로서 존재하는 경우의 향미제의 레벨은 상기 연료 조성물의 0 내지 1.5% 사이임 －
   을 포함하며,
   상기 연료 조성물은 0 ~ 20 중량 %의 디메틸 에테르를 포함하는, 디젤 엔진 연료 조성물.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 첨가제는 점화 개선제, 연료 연장제, 연소 증강제, 산소 흡수 오일, 윤활 첨가제, 제품 착색 첨가제, 불꽃색 첨가제, 내식성 첨가제, 살충제, 부동점 저하제, 착물 환원제, 변성제(denaturant), pH 제어 작용제, 및 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 디젤 엔진 연료 조성물.
3. 디젤 엔진 연료 조성물로서,
   적어도 20 중량 %의 메탄올 및 3 중량 %에서 40 중량 %의 물과, 점화 개선제, 연료 연장제, 연소 증강제, 산소 흡수 오일, 윤활 첨가제, 제품 착색 첨가제, 불꽃색 첨가제, 내식성 첨가제, 살충제, 부동점 저하제, 착물 환원제, 변성제(denaturant), pH 제어 작용제, 및 그 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제를 포함하며, 상기 연료 조성물은 0 ~ 20 중량 %의 디메틸 에테르를 포함하는, 디젤 엔진 연료 조성물.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 물의 함량은 상기 연료 조성물의 3 중량 %에서 33 중량 %까지이며, 상기 디메틸 에테르의 함량은 상기 연료 조성물의 0 ~ 20 중량 %인, 디젤 엔진 연료 조성물.
5. 청구항 3에 있어서, 상기 물의 함량은 상기 연료 조성물의 5 중량 %에서 40 중량 %까지인, 디젤 엔진 연료 조성물.
6. 청구항 3에 있어서, 상기 물의 함량은 상기 연료 조성물의 12 중량 %에서 23 중량 %까지인, 디젤 엔진 연료 조성물.
7. 청구항 3에 있어서, 상기 첨가제의 함량은 상기 연료 조성물의 20 중량 % 이하인, 디젤 엔진 연료 조성물.
8. 청구항 3에 있어서, 상기 물의 함량은 상기 연료 조성물의 20 중량 %와 22 중량 % 사이이며, 상기 디메틸 에테르의 함량은 상기 연료 조성물의 4 ~ 6 중량 %인, 디젤 엔진 연료 조성물.
9. 청구항 3 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디메틸 에테르의 함량은 상기 연료 조성물의 0 ~ 10 중량 %인, 디젤 엔진 연료 조성물.
10. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디젤 엔진 연료 조성물은 단상 연료 조성물인, 디젤 엔진 연료 조성물.
11. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물과 상기 메탄올의 총량은 상기 연료 조성물의 적어도 80 중량 %인, 디젤 엔진 연료 조성물.
12. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디젤 엔진 연료 조성물내의 상기 메탄올은 천연 메탄올인, 디젤 엔진 연료 조성물.
13. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 첨가제는:
    - 상기 연료 조성물의 1 중량 %까지의 제품 착색 첨가제, 및
    - 상기 연료 조성물의 1 중량 %까지의 불꽃색 첨가제
    를 포함하는, 디젤 엔진 연료 조성물.
14. 메탄올 및 물을 포함하는 연료를 이용하여 압축 점화 엔진을 가동하는 방법으로서:
    흡입 공기 스트림을 예열하고, 예열된 공기를 상기 압축 점화 엔진의 연소실로 도입하고, 예열된 공기를 압축하는 단계; 및
    적어도 20 중량 %의 메탄올 및 3 ~ 40 중량 %의 물과, 0 ~ 20 중량 %의 디메틸 에테르를 포함하는 상기 연료를 상기 연소실로 도입하고, 상기 압축 점화 엔진을 구동하기 위하여 연료/공기 혼합물을 점화하는 단계
    를 포함하는, 압축 점화 엔진을 가동하는 방법.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 흡입 공기를 적어도 50℃로 예열하는 단계를 포함하는, 압축 점화 엔진을 가동하는 방법.
16. 청구항 14에 있어서, 상기 흡입 공기를 150℃ ~ 300℃로 예열하는 단계를 포함하는, 압축 점화 엔진을 가동하는 방법.
17. 청구항 14에 있어서, 상기 압축 점화 엔진에 진입하는 흡입 공기 스트림을 예열하기 위하여 배기 물질을 상기 엔진으로부터 열교환기를 통과시키는 단계를 포함하는, 압축 점화 엔진을 가동하는 방법.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 열교환기를 통하여 배기 물질을 냉각하고, 냉각된 배기 물질로부터 물을 수집하고, 적어도 일부를 다시 상기 연료로 리사이클링하는 단계를 포함하는, 압축 점화 엔진을 가동하는 방법.
19. 청구항 14 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서, 배기 물질을 응축하고, 응축된 배기 물질로부터 물을 수집하고, 적어도 일부를 다시 상기 연료로 리사이클링하는 단계를 포함하는, 압축 점화 엔진을 가동하는 방법.
20. 청구항 14 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서, 점화 증강제를 함유하는 훈증제로 상기 흡입 공기 스트림을 훈증하는 단계를 포함하는, 압축 점화 엔진을 가동하는 방법.
21. 청구항 14 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 청구항 3에 기재된 상기 디젤 엔진 연료의 조성물을 갖는, 압축 점화 엔진을 가동하는 방법.
22. 발전 시스템으로서:
    압축 점화 엔진의 유입 공기 스트림을 예열하고 및/또는 점화 증강제로 상기 유입 공기 스트림을 훈증하는 단계;
    발전을 위하여 메탄올-물 연료를 이용하여 상기 압축 점화 엔진을 가동하는 단계 － 상기 메탄올-물 연료는 적어도 20 중량 %의 메탄올 및 3 ~ 40 중량 %의 물, 및 0 ~ 20 중량 % 의 디메틸 에테르를 포함함 － ;
    상기 압축 점화 엔진으로부터 배기 열 및/또는 물을 복구하기 위하여 엔진 배기 가스를 처리하는 단계; 및
    추가 사용을 위하여 상기 열 및/또는 물을 재지향하는 단계
    를 포함하는, 발전 시스템.
23. 청구항 22에 있어서, 상기 배기 열 및/또는 물을 다시 상기 압축 점화 엔진으로 리사이클링하는 단계를 포함하는, 발전 시스템.
24. 청구항 22에 있어서, 상기 배기 가스로부터의 열을 열 교환기를 통하여 온수 루프(hot water loop)내의 물에 대해 교환하고, 물내의 열을 상기 온수 루프를 통해 지역 집단으로 이송하는 단계를 포함하는, 발전 시스템.
25. 청구항 22에 있어서, 상기 시스템은 레일 차량에 동력을 공급하도록 되며, 상기 배기 가스로부터 미립자를 제거하고 열 및 물을 복구하여 상기 압축 점화 엔진으로 다시 리사이클하거나 및/또는 상기 레일 차량에 이용하기 위하여 배기 가스를 처리하는 단계를 포함하는, 발전 시스템.
26. 청구항 22에 있어서, 상기 발전 시스템은 해양 운송 수단에 동력을 공급하도록 되며, 열 및 물을 복구하여 상기 압축 점화 엔진으로 다시 리사이클하기 위하여 및/또는 상기 해양 운송 수단에서 이용하기 위하여 재지향하기 위하여 해수담수화장치(desalinator)내의 배기 가스를 처리하는 단계를 포함하는, 발전 시스템.
27. 청구항 22에 있어서, 상기 배기 가스를 냉각하고 배기 가스 응축액으로부터 물을 복구하기 위하여 혼합기 내에서 엔진 배기 가스와 물을 혼합하는 단계를 포함하는, 발전 시스템.
28. 청구항 27에 있어서, 상기 물을 더욱 냉각하기 위하여 상기 혼합기로부터 액체/가스 열 교환기로 물을 펌핑하는 단계를 포함하는, 발전 시스템.
29. 청구항 22 내지 청구항 28 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 청구항 3에 기재된 상기 디젤 엔진 연료의 조성물을 갖는, 발전 시스템.
30. 청구항 22 내지 청구항 28 중 어느 한 항에 있어서, 전처리기에서 메탄올 및 에테르 및 선택적으로는 물을 포함하는 사전-연료 조성물을 처리하는 단계를 포함하며, 상기 전처리기는 메탄올로부터 에테르를 분리하며, 유입 스트림을 훈증하는데 있어 상기 점화 증강제로서 에테르를 이용하는, 발전 시스템.
31. 청구항 30에 있어서, 상기 사전-연료 조성물은 7 ~ 10중량% 에테르를 포함하는, 발전 시스템.
32. 청구항 22 내지 청구항 28 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 공기 스트림을 적어도 50℃로 예열하는 단계를 포함하는, 발전 시스템.
33. 청구항 22 내지 청구항 28 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 공기 스트림을 150℃ ~ 300℃로 예열하는 단계를 포함하는, 발전 시스템.
34. 메탄올 및 에테르를 포함하는 사전-연료 조성물을 이송하는 방법으로서, 상기 사전-연료를 제1 위치로부터 상기 제1 위치에서 원격지인 제2 위치로 이송하는 단계, 및 메탄올 및 0 ~ 20 중량 %의 에테르를 포함하는 제1 연료 부분과 에테르를 포함하는 제2 연료 부분을 제조하기 위하여 메탄올로부터 에테르를 분리하는 단계를 포함하는, 방법.
35. 청구항 34에 있어서, 상기 에테르는 디메틸 에테르인, 방법.
36. 메탄올 및 10 중량 %까지의 에테르를 포함하는 사전-연료 조성물.
37. 청구항 36에 있어서, 상기 에테르는 디메틸 에테르인, 사전-연료 조성물.
38. 청구항 36에 있어서, 물을 더 포함하는, 사전-연료 조성물.
39. 청구항 3에 있어서, 상기 디젤 엔진 연료 조성물은 청구항 14의 방법 또는 청구항 22의 발전 시스템을 위한 것인 디젤 엔진 연료 조성물.
40. 일반적 디젤 엔진 연료에 대한 완벽한 대체물로서 디젤 엔진을 가동하는데 이용되는 경우 적어도 20 중량 %의 메탄올, 3 ~ 40 중량 %의 물 및 0 ~ 20 중량 %의 디메틸 에테르를 포함하는, 디젤 엔진 연료 조성물.
41. 삭제
42. 삭제
43. 삭제

Images