WO2004044105A1 - 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 Download PDF

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WO2004044105A1
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Definitions

  • the invention is part of the technical sector of the compositions useful for being used, as such, or as additives together with hydrocarbons, in energy donor combustion processes. Particularly it is a composition that is obtained from plant matter
  • the properties of its clean combustion are due to the oxygen supply that the biofuel compounds contribute to combustion, since said combustion is nothing more than the oxidation reaction of a fuel, which gives off an amount of heat that is used as a source of energy, and produces combustion gases, such as water vapor, nitrous oxides, carbon oxides and others ; Of these, the most toxic (and poisonous even in very small concentrations) is carbon monoxide (CO), which occurs when combustion is carried out with insufficient oxygen; the contribution of more oxygen from the components of the biofuel, causes the monoxide (CO) to become dioxide (C0 2 ) that is no longer poisonous.
  • CO carbon monoxide
  • the present invention deals with a biofuel which, for the purposes of the present description is a term equivalent to fuel from plant material, which can be used in the same burners and engines that, at present, and which can be used in conjunction with conventional hydrocarbons (diesel and gasoline). Said biofuel can be used by itself or mixed in different proportions with the hydrocarbons in use.
  • the biofuel object of the present invention consists of an intimate mixture of fatty acids of high number of carbon and oxygen atoms ([CH] n -COOH, where n> 14), coming from common vegetable oils (olive, sunflower, soybeans, rapeseed, seeds, palm hearts, etc.) with acetates and alcohols that can also be extracted from vegetables (such as beets, cane or grapes). It It implies the use of plant waste that implies an ecological nature of the biofuel used when integrating the fuel cycle into the nature's carbon cycle.
  • a prior esterification of the oil does not occur, as is generally done in other biofuels, but the oil is mixed with esters, such as acetates, to achieve a greater or lesser flash point of the oil, depending on the use ideal to which it is going to be destined, that is to say, to the type of motor for which it is going to be used.
  • esters such as acetates
  • another mixture of alcohol and ketones can be added for certain uses, for example, to make the biofuel more antidetonating.
  • Biofuel is characterized by the following composition:
  • the patented biofuel allows the energy to be renewable, that the performance in the combustion of hydrocarbons is guaranteed when mixed with said biofuel and to achieve a better internal lubrication of the mechanisms in contact with it.
  • biofuel production depends only on the planting of these plants and, therefore, is completely renewable by new crops.
  • the plant origin of a good part of the components of the biofuel mixture justifies its definition under the bio prefix, synonymous with biological.
  • Said lubricating effect is extremely important both for the moving parts of the engines, such as injection pumps and valves, and for the elements that are suffering heavy wear due to friction of a liquid driven at high pressures, as is the case of the injectors or flow regulating nozzles.
  • the said analyzer can make measurements of the following parameters:
  • the biofuel used as an additive had the following composition: 48% sunflower oil, 12% methyl acetate, 36% methoxypropyl acetate and 4% isopropyl alcohol.
  • the biofuel used as an additive had the following composition: 71% sunflower oil, 20% methoxypropyl acetate, 5% butyl acetate and 4% butyl alcohol.
  • Example 3 Measurement in Otto cycle engine, Petrol fuel 96 oct, without catalyst.
  • the biofuel used had the following composition: 1% sunflower oil, 45% dimethyl ketone, 20.5% methyl acetate, 25% isopropyl alcohol, 0.5% methoxypropyl acetate, 4% methyl alcohol and 4% of methyl isobutyl ketone.
  • this engine which corresponds to a 1,200-CE Rover vehicle, only carbon monoxide emissions were measured, first using its usual gasoline and then replacing it with pure biofuel.
  • ppm CO 20.048 (with 96 octane gasoline, 800 rpm)
  • ppm CO 0 (with pure biofuel, 800 rpm)
  • Example 4 Example 4:
  • Figure 1 shows the increased power curve when 1% biofuel (continuous line) is added to the diesel of a Ford Transit vehicle compared to the control without the addition of biofuel (line). Similarly, the torque curve is shown in one case or another (lines.-.-.-. And ... respectively).
  • the biofuel used as an additive had the following composition: 48% sunflower oil, 48% methoxypropyl acetate and 4% butyl alcohol.
  • Abcissa axis Motor speed (in revolutions per minute).
  • Line -.-.- Acceleration curve with normal diesel, without treatment
  • Line - Acceleration curve with diesel treated with Biofuel
  • Axis of ordinates Speed achieved (in Km. Per hour)
  • Axis of abscissa Time invested (in seconds) .

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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 de 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.
Ámbito de la invención
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
Estado de la Técnica
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 ó 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.
Figure imgf000004_0001
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 ó 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 (C02 ) 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 ó de esteres (-COO-) y éteres (-0-) 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.
Descripción de la invención
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 ó 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 ó 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 esteres, 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 esteres 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)
- Éter (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:
Figure imgf000007_0001
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 ó quemador, empleándose para ello, los mismos tipos de componentes químicos, pero con distintas concentraciones aplicables a cada caso en particular.
Descripción detallada de la invención
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 ó quemador. Quemadores de Fuel - Oil ó grandes motores marinos (del mismo combustible).
Figure imgf000008_0001
Quemadores de Gasóleo C.
Figure imgf000008_0002
Motores de ciclo Diesel (Gasóleos A y B).
Figure imgf000008_0003
Motores de ciclo Otto.
Figure imgf000009_0001
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 ó de remolacha, vid, caña de azúcar, etc., en el de los alcoholes ó sean fácilmente producidas por síntesis químicas (esteres ó 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 mezcladle 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 = S02 (en partes por millón = p.p.m.).
- Concentración de óxidos nitrosos = NO y NOx (en partes por millón = p.ρ.m.).
Igualmente, mediante cálculo, puede determinar la concentración del dióxido de carbono (C02) libre y el rendimiento térmico de la combustión (ambos en %).
Ejemplo 1:
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.
Figure imgf000011_0001
Se observa cómo a rendimientos de combustión similares, la emisión de ciertos contaminantes (S02 y CO) disminuye sustancialmente cuando se añade biocombustible.
Ejemplo 2:
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.
Figure imgf000012_0001
Igualmente que en el Ejemplo 1 a igualdad de rendimientos se obtienen emisiones contaminantes reducidas.
Ejemplo 3: 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 ce, 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.) Ejemplo 4:
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 continua) frente al control sin adición de biocombustible (raya ). De forma análoga se muestra la curva de par motor en uno u otro caso (líneas .-.-.-. y ... 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.
Ejemplo 5:
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 ), 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 .-.-.-.); el gráfico indica que, mientras en el caso de la línea 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 .-.-.-. , 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%.
Descripción figuras
Figura 1 : ENSAYO DE POTENCIA Y PAR MOTOR
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 ó en KW)
Eje de ordenadas derecho = Par motor (medido en New.m)
Eje de abcisas = Velocidad de giro del motor (en revoluciones por minuto).
Figura 2: ENSAYO DE ACELERACIÓN
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

REIVINDICACIONES
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:
Figure imgf000015_0001
7. Biocombustible de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por la siguiente composición: 12-60% Aceite vegetal.
4-20% Acetato de metilo ó etilo
10-40% Acetato de metoxi propilo
2-20% Alcohol isopropílico
8.- Biocombustible de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por la siguiente composición:
40-60% Aceite vegetal
40-60% Acetato de metoxi propilo
2-20% Alcohol butílico
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:
Figure imgf000017_0001
19.- Aditivo de acuerdo con las reivindicaciones 13 a 17 caracterizado por la siguiente composición:
Figure imgf000018_0001
20.- Aditivo de acuerdo con las reivindicaciones 13 a 17 caracterizado por la siguiente composición:
Figure imgf000018_0002
21.- Aditivo de acuerdo con las reivindicaciones 13 a 17 caracterizado por la siguiente composición:
Figure imgf000018_0003
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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