专利名称：用沼气驱动的发电机设备的制作方法
技术领域：
本发明的领域涉及用沼气作为燃料的内燃机，更具体一些，涉及诸如其中的发动机是间歇地运行的发电机设备的应用。
沼气是由碳氢化合物的厌氧消化而产生的。有机的废弃物如木材副产品(木屑、锯末、树皮等)、公共与私人的填埋垃圾、食品加工的副产品、废物处理厂与农场的废物所产生的沼气主要包含甲烷与二氧化碳。任何能通过厌氧消化器处理的有机废物将产生其浓度在50％至80％的范围内的甲烷。遗憾的是，碳氢化合物的厌氧消化还会产生其它组分，其中有些是惰性的，而其它一些能与产生的水蒸汽形成酸。例如，可能产生少量的硫化氢并形成硫酸，而且，是有一个OH基的醇的硫醇也可以形成硫酸。以相当数量形成的二氧化碳是碳酸的组成部分。
沼气在商业上有三种用途。首先，它可以直接燃烧，以产生热。这是最简单的用途，因为各种成份在燃烧过程中的作用不大。沼气也可以经过过滤并被泵送到天然气管线中，用于广泛的分配。最后，沼气可以经过过滤并用作内燃机的燃料。后一种应用特别有用，这是因为发动机可以带动一个产生电能的发电机。
当将沼气用作内燃机的燃料时，沼气中的组分能大大地缩短发动机的使用寿命。当发动机间歇地运行时，这是特别真实的。在停机时，发动机活塞的最后几个冲程吸入未燃烧的沼气，很快便形成上面所讨论的各种酸并腐蚀气缸壁、活塞环，阀座和火花塞的表面。这些酸通过被腐蚀的活塞环漏入油槽中，在该处，它们被泵送到整个发动机中。遭受污染的油对铜和铝合金元件特别有腐蚀性。当这种腐蚀过程发展时，发动机就会变得比较难以起动，直至它最后完全失效。
在
图1中示意地示出了作为一个典型的现有技术的用沼气驱动的系统，在该处，在一消化器10中产生沼气并将其贮存在容器12中。沼气的压力可以有相当大的变化，因此在汽化器18的入口16处采用了一个调节器14，以将气体压力保持在一个比较恒定的水平。使沼气在汽化器18中与燃烧空气混合并喷入发动机汽缸20中。这一基本系统也可以包括一个泵，它在压力低于4英寸水柱的地方将沼气在使用时增压，该系统也可以在腐蚀性成份成为一个已知的问题时包括气体过滤器。例如，可以用各种各样的液态吸收剂和/或固相氧化剂除去硫化氢，但是，这些化学溶液是昂贵的和需要大量的投入。也可以使用一些采用活性炭、分子筛或海锦铁的颗粒的干法工艺从沼气中去掉硫化物。这些方案也非常费钱。
本发明提供了一种用沼气作为内燃机的燃料的系统，其中，将经过中和的油喷入沼气进气口，以涂覆发动机零件并保护它们免受酸的腐蚀作用。更具体一些，本发明包括一具有用于接收沼气和空气的混合物的进气口的内燃机；一具有一空气入口、沼气入口和一用于将沼气与空气的混合物送到发动机进气口的汽化器；一酸中和油的贮罐；和用于将沼气流送至汽化器入口并将酸中和油从油罐喷入沼气流的装置。另一种方案为，也可以将酸中和油在发动机停机时喷入发动机进气口。
本发明的一个总的目的是减少发动机零件受到由沼气组份产生的酸的腐蚀。将高碱性润滑油喷入沼气流中，使燃料输送系统以及发动机汽缸壁和活塞的表面都被油所涂覆。
在发动机停机时将油喷入发动机进气口，使发动机汽缸壁和活塞涂覆以油。由沼气组份形成的任何酸都被油中的碱中和，因此减少了它们的腐蚀作用。
本发明的一个实施例为提供了一种用于内燃机的沼气燃料输送系统，它可以与压力和成分含量有很大变化的沼气源一起使用。用一压缩机泵使沼气燃料增压，并用一调节器控制提供给汽化器的沼气的压力。在通往泵的入口处将中和油喷入沼气流，以保护泵和所有其它的“下游”零件。在喷油处的“上游”也可以加上廉价的脱水器或沼气过滤器，以从沼气中去掉水或其它成份。
在另一个实施例中，每次在发动机停机时都要将发动机零件涂覆以酸中和油。每当操作人员停止发动机时，就使一定时电路工作。此定时电路维持发动机工作一预定的时间间隔并驱动一个泵，将保护性油喷入发动机中。预定的时间间隔要长到足以保证所有的发动机零件在后继的空转期都受到油的保护。
本发明的又一个实施例提供了一种价格低廉的沼气过滤器，它减少了会导致发动机腐蚀的沼气成份。采用普通的圆筒来盛装过滤介质，并使沼气在其通往发动机的路程中经过过滤介质。在经过过滤介质以后，在一凝结器中，从沼气中去掉水份，而水份则提高了过滤作用。通过一也起减压阀作用的双向阀将空气引入圆筒，可以延长介质的使用寿命。
本发明的上述和其它目的与优点将从下面的说明中显而易见。在说明中，要参考构成说明书一部分的附图，在其中用示例的方式示出了本发明的优选实施例。不过，这种实施例不一定代表本发明的整个范围，因此，为了解释本发明的范围，要参考权利要求书。
图1是典型的现有技术的沼气燃料输送系统的示意图；图2是按照本发明的沼气燃料输送系统的示意图；图3是用于图2所示输送系统的第一沼气源的示意图；图4是用于图2所示输送系统的第二沼气源的示意图；图5是采用了本发明的发电机设备的立面图；图6是形成图5所示发电机设备的一部分的压缩机和有关连的喷油系统的示意图；图7是按照本发明另一实施例的沼气燃料输送系统的示意图；图8是采用本发明又一实施例的发电机设备的立面图；图9是构成图7所示系统的一部分的沼气过滤器的一个优选实施例的立面图；以及图10是图9所示沼气过滤器的顶视图。
详细参看图2，一发动机汽缸20具有一进气口22，它接收来自一汽化器混合器24的沼气/空气混合物。汽化器混合器24有一空气入口26和一与发动机气体调节器30相连的沼气入口28。调节器30接收压力较高(例如5至15英寸水柱)的沼气并产生一作为其输出至汽化器24的沼气流，此时经过调节的压力为5英寸水柱。一旋转式沼气增压压缩机或泵32在进气口34接收来自现有的供应源的沼气并将其压力增大，然后通至调节器30。
本发明的技术特征为将中和润滑油喷入沼气流中，以保护上述燃料输送系统的所有零件。含有酸中和油的油罐36与装在泵的入口34上的阀38相连，并将中和油喷入沼气流中。油具有大于14的总碱值(TBN)，当它与由沼气组分形成的任何的酸混合时，酸被中和并成为没有多大腐蚀性的。通过从燃料输送系统的零件的上游喷射中和油，所有零件都被涂覆以中和油。当发动机停机而且未燃烧的沼气被喷入汽缸20中时，也引入中和油并用它涂覆汽缸壁，将任何的酸中和并防止腐蚀。在发动机的曲轴箱40中也采用同样的中和油，用于发动机的润滑，并用一浸渍式酸中和过滤器42清洁曲轴箱油。市场上可从威斯康星州的Wawkesha过滤系统公司得到的诸如G82308型过滤器可以用于此目的。
沼气可以根据其特性或是直接送入泵32的入口34或是首先经过过滤。参看图3，如果沼气含有异乎寻常地大的硫化氢比例，可以采用诸如市场上可以从威斯康星州的Wawkesha过滤系统公司得到的诸如G81016“GasMaster”。另一方面，如果沼气含有呈液体或蒸汽形式的富集的水，则可以如图4所示采用冷凝和脱水器52。虽然这些设备提高了成本，但是它们的成本大大地低于现有技术的系统中所要求的液态吸收剂、活性焦炭或海绵铁过滤器。
在本发明的优选实施例中，用内燃机驱动发电机。此发电机设备在有充足的沼气供应时运行，然后在补充沼气供应时停车一段时间。由于在每次停机后都有原有沼气留在发动机汽缸中并产生有高腐蚀性的酸性副产品，这种间断的发动机运行已经被证明是特别有挑战性的情况。例如，在一典型的应用中，发电机可以运行一为期四小时的时间段，然后停止二十小时。
特别地参看图5，发电机设备包括一由福特汽车公司制造的LSG-423型四缸透平增压发动机100。该发动机100装在一同时支承一散热器104、一发电机106和一用于有关的控制线路的箱子108的机架102上。发动机100转动发电机轴(未示出)，发电机106产生由位于箱子108内的电子仪器调节和分配的电流。
用于发动机100的燃烧空气通过空气过滤器110被接受并通过软管112接至在第一汽化器/混合器114上的空气入口。汽化器/混合器114同时在进气口116接受沼气燃料并通过软管118将空气/燃料混合物输出。由于沼气所含有的甲烷百分比比液化石油气低得多(例如60％)，用一第二汽化器/混合器120将空气/燃料混合物中的沼气量加大，由此补偿这一缺陷。软管118与第二汽化器/混合器120的空气入口相连，而沼气则在其燃料入口122处输入。来自汽化器/混合器120的空气/燃料混合物通过一透平增压器124送往每个发动机汽缸的燃料入口。第一汽化器/混合器114是在市场上可以从加利福尼亚州Cerritos的Impco技术公司得到的CA/25m型，而第二汽化器/混合器120也是在市场上可从Impco技术公司得到的100型。
沼气通过一与调节器130的输出端连接的供应管128供给汽化器/混合器114和120。调节器130是在商业上可从密执安州的Maxitrol公司得到的ES-307型，它可以用于将供应管128中的沼气压力调节至3至6英寸水柱。沼气通过一与压缩机泵134的出口相连的管路132供往调节器130。将调节器130安装在机架102上，以使其隔膜(在图中未示出)朝向一基本上垂直的平面。尽管隔膜不一定是垂直的，但是重要的是，调节器130的安装要使得流过它的沼气流中的中和油不会在隔膜上“汇集起来”并妨碍它的工作。
同时参看图5和6，压缩机泵134是在市场上可从纽约州谢丽尔的韦斯特穆尔有限公司得到的0L03 Conde’型回转叶片式机油蒸气泵。压缩机泵134通过一接合与发动机曲轴的前端连接的带轮(未示出)的皮带136由发动机100驱动。压缩机泵134的容量在1200转/分钟时为14cfm，它将在其入口142处的沼气压力增压，从小于4英寸水柱增至在其输出口132处的大于11英寸水柱。在泵的输出口132与其输入口142之间通过管路144连接一卸压阀140，将该阀设定成当压力差超过15英寸水柱时就打开。
将贮存在油罐146中的中和油喷入流经压缩机泵134的沼气流中。油罐146上的通气口通过管路148与压缩机泵的输出口132相连，以对油提供一比较恒定的压力。油通过油罐146上的一个排放口150流出并经过一计量阀152通往压缩机泵134的输入口142。对计量阀152进行调节，以允许每分钟有20滴左右的中和油滴入流入压缩机泵134的沼气流154中。这点油已足够润滑压缩机泵134并足以涂覆调节器130、汽化器/混合器114和120以及发动机汽缸的曝露于沼气中的表面。虽然具有较高的总碱值的任何润滑油也能减少腐蚀，但最好采用诸如像在商业上可从壳牌石油公司得到的Rimula 30的中和油。在油槽中要用同样的油去润滑发动机，因此，如果这两种油混合，则不会有问题。现在参考图7～10描述本发明的优选实施例。
详细地参看图7，发动机汽缸20a有一进气口22a，它接收来自汽化器24a的沼气/空气混合物。汽化器混合器24a有一空气入口26a和一与发动机气体调节器30a相连的沼气入口28a，调节器30a接收压力较高(例如5至15英寸水柱)的沼气并在其用于汽化器24的输出口以经过调节的5英寸水柱的压力产生沼气流。一含有酸中和油的贮罐36a与泵34a相连，当驱动泵34a时，将中和油喷入发动机入口22a。有一定时电路(未示出)与发动机点火系统相连，当停止点火时，定时电路驱动泵34，维持发动机20a运行三秒钟。这个时间已经足以将中和油喷入，以涂覆所有发动机汽缸的表面。油有一大于14的总碱值(TBN)，而且当它与由沼气组分形成的任何酸混合时，使酸被中和并成为没有多大腐蚀性的。在优选的实施例中采用在商业上可从纽约州的波特切斯特的奇迹石油公司得到并以“奇妙机油”为商标出售的油。在发动机的曲轴箱40a中也采用了中和油以用于发动机润滑，并采用了浸渍式酸中和过滤器42a，以清洁曲轴箱油。
为了从沼气中去掉水蒸汽，在发动机调节器30a的入口处连接有一聚结器44a。在聚结器44a中凝结的水蒸汽通过一排放口除去。将聚结器44a设计成流量足够大，以防止沼气燃料的流动受到抑制，使沼气压力降低到2英寸水柱。
为了从沼气中滤去硫化氢和硫醇，在聚结器44a的入口处连接一沼气过滤器50a。如同在下文中要更详细地说明的那样，此过滤器50a的优选实施例要包括两个55加仑的圆筒，其中装填以商业上可以从伊利诺斯州芝加哥的康尼利GPM公司得到的诸如“多孔石”或“海锦铁”的过滤介质。此过滤介质在潮湿的沼气流经过滤器50a时从其中去掉大部分硫化氢和硫醇。
在本发明的优选实施例中，用一内燃机100a驱动一发电机105a。此发电机设备在有足够的沼气供应时运行，然后在补充沼气供应时停机一段时间。由于在每次停机后都有原有沼气留在发动机汽缸中并产生有高的腐蚀性的酸性副产品，发动机的这种间歇运行已经被证明是特别有挑战性的情况。例如，在一个典型的应用中，发动机可以运行一段为期四个小时的时间，然后停止二十小时。
仔细参看图8，发电机设备包括一由福特汽车公司制造的LGS-423型四缸透平增压发动机100a。该发动机100a装在一同时支承散热器104a、发电机106a和一用于有关的控制线路的箱子108a的机架102a上。发动机100a转动发电机轴(未示出)，而发电机106a产生由位于箱子108a内的电子仪器调节和分配的电流。
用于发动机100a的燃烧空气通过一空气过滤器110a被接收并与在第一汽化器/混合器113a上的空气入口连接。汽化器/混合器113a通过进气软管116a接收沼气燃料。使汽化器/混合器113a的输出端与第二汽化器/混合器114a的空气入口相连。汽化器/混合器114a同时通过进气软管116a接收沼气燃料。将来自第二汽化器/混合器114a的空气/燃料混合物供给到每个发动机汽缸的燃料入口。第一汽化器/混合器113a是在市场上可以从加利福尼亚州塞瑞托斯的Impco技术公司得到的CA/25m型，而第二汽化器/混合器114a也是可从Impco技术公司得到的100型。
沼气通过截止阀127a和与一电磁阀129a相连的供应管路128a供往汽化器/混合器113a和114a。电磁阀129a是一种在市场上可从ASCO公司得到的截止阀No.821460，它在发动机停止时可用电力操作，以尽可能快地切断沼气燃料的供应。这样可将在发动机的空转期中沉积在发动机中的未燃烧沼气组分量减至最小。沼气通过一气体调节器130a送往电磁阀129a。调节器130a是在市场上可从密执安州的Maxitrol公司得到的ES-307型，它可用于将供应管路128a中的沼气压力调节至3至6英寸水柱。
调节器130a安装在机架102a上，由此使其隔膜(图中未示出)在一基本上垂直的平面中定向。尽管隔膜不一定是垂直的，但是重要的是，调节器要安装成使流过它的沼气流中的液体不会在隔膜上“汇集起来”并妨碍它的运行。
沼气通过一与聚结器134a的输出端相连的管路132a供往调节器130a。聚结器134a包括一在市场上可从纽约州的东山的帕尔方法过滤公司得到的过滤器。当潮湿的沼气经过此过滤器时，水蒸汽凝结并通过一位于聚结器134a底部的排放口流出。沼气燃料通过管线136a送至聚结器134a。
用于实现本发明的保护性中和油贮存在安装在散热器104a旁边的贮罐138a中。泵140a装在贮罐138a上并经过管线142接受来自贮罐的油。采用在商业上可从J.D.Whitney&Company得到的库存号为17BJ9165T的泵140a和组合的贮罐138a。泵140a的输出端通过油管144与装在发动机100a上的电磁阀146a相连。该电磁阀的输出端又通过油管148a与汽化器混合器114a的输出端相连。将油管148a连接成可将油直接送入发动机燃料入口总管。电磁阀146a是一可以电动地操作的阀，它可以以零件号2526从黑石公司得到，它在关闭时防止中和油在发动机运行时被吸入发动机中。
电磁阀146a和泵140a都通过一定时电路(在图中未示出)与发动机点火系统相连。当点火系统被操作人员切断以停止发电机设备时，定时电路立即打开电磁阀146a，并开动泵140a三秒钟的时间。在此预定的时期之后，使点火系统断电，关闭电磁阀146a，并切断油泵140a。在此三秒钟的时间间隔中，有足够的油被泵入发动机中，以润滑每个汽缸壁，活塞环与阀座。这样就保护这些发动机零件免受在发动机空转时形成的沼气组分的腐蚀作用。
特别地参看图9和10，与供应管线136a相连的沼气过滤器包括两个以其端部装在一装运垫木154a上的55加仑的圆筒150a和152a。圆筒150a和152a用钢带160a和162a紧固在垫木154a上，该钢带缠绕两个圆筒并将其夹住，靠在一中间的木制圆筒分隔器164a上。在圆筒150a和152a的基底上的木块155a也提供约束作用。
圆筒150a和152a都如上所述的装填有过滤介质，潮湿的沼气通过一两英寸的PVC进口管156a引入在每个圆筒顶部上的开口。截止阀157a使管子156a与沼气源连接。靠近每个圆筒150a和152a底部的出口通过一两英寸的PVC出口管158a与燃料管线136a相连。在优选的实施例中，由圆筒150a和152a形成的过滤器如图所示的并连，以提供一30KW的发电机设备所需的容量。应当认识到，当特殊的设备有需要时，也可以并连或串连附加的过滤器。
众所周知，在过滤介质中加入大约2％的氧或5％的空气可将其使用寿命延长至三倍。为了在正常的操作过程中将空气引入圆筒150a和152a，要在进气管156上连接一特殊的双向圆筒放气阀170a。该双向阀170a在商业上可从全球职业安全国家分配中心得到，其型号为L1802。当内筒压力超过5psi时，它起着卸压阀的作用。不过，除此之外，这一阀170a允许空气以每分钟4加仑的流量进入圆筒150a和152a。这一流量换算为每分钟0.5立方英尺的空气，它是所要求的每分钟10立方英尺的沼气燃料流量的5％。这是30KW发电机组所用的合适的燃料与空气流量，而且当要为较大的发电机组提供动力时，可使用附加的双向阀，以在相应的较高燃料流量时保持5％的空气水平。
权利要求
1.一种用于向内燃机的进气口提供燃料的沼气燃料供应系统，它包括一具有一空气入口和一沼气入口的汽化器，该汽化器可用于将空气与送往汽化器的沼气入口的沼气流混合并将混合物送至上述的发动机的进气口；一用于贮存酸中和油的贮罐；和一与贮罐相连的喷射器，用于接收酸中和油并在发动机停机时在一预定的时间段内将酸中和油喷入发动机的进气口。
2.如权利要求1所述的沼气燃料供应系统，其特征为，酸中和油有一大于14的总碱值。
3.如权利要求1所述的沼气燃料供应系统，其特征为，它连接有一调节器，用于接受沼气流并以一基本上恒定的压力将上述沼气流供给汽化器。
4.如权利要求1所述的沼气燃料供应系统，其特征为，喷射器包括一泵，它在预定的时间段内被驱动，将上述油送往发动机的进气口。
5.如权利要求4所述的沼气燃料供应系统，其特征为，喷射器包括一连接在泵和发动机进气口之间的电磁阀，它在预定的时间间隔中被通电，以允许上述油流动。
6.如权利要求1所述的沼气燃料供应系统，它包括一所连接的沼气过滤器，该过滤器将沼气供送至汽化器的沼气入口，该沼气过滤器包括一含有过滤材料并具有一位于其顶部的输入开口和一位于其底部的输出开口的圆筒；和一与圆筒连接的阀，用于在沼气流经圆筒时使空气能进入圆筒，以延长圆筒中的过滤材料的使用寿命。
7.如权利要求6所述的沼气燃料供应系统，其特征为，所述阀为一双向阀，它也可用于在压力超过一预定值时卸去圆筒中的压力。
8.一种用于向内燃机的进气口提供燃料的沼气燃料供应系统，它包括一具有一空气入口和一沼气入口的汽化器，该汽化器可用于将空气与送往汽化器的沼气入口的沼气流混合并将混合物送至上述发动机的进气口；一用于贮存酸中和油的贮罐；和一与贮罐相连的喷射器，用于接收酸中和油并将其喷入供往汽化器的沼气流中。
9.如权利要求8所述的沼气燃料供应系统，其特征为，酸中和油有一大于14的总碱值。
10.如权利要求8所述的沼气燃料供应系统，其特征为，它接有一调节器，用以接收喷有油的沼气流并以一基本上恒定的压力将上述喷有油的沼气流送往汽化器。
11.如权利要求10所述的沼气燃料供应系统，其特征为，它连接有一泵，该泵在其入口处接收喷有油的沼气流并以一基本上高于在泵的入口处的压力的压力将上述喷有油的沼气流送往发动机调节器。
12.如权利要求8所述的沼气燃料供应系统，其特征为，喷射器为一阀，它控制酸中和油流入沼气流中的流量。
13.如权利要求12所述的沼气燃料供应系统，其特征为，贮罐是一封闭的容器，它具有一与喷射器阀相连的排放口和一用于加压的通气口。
14.如权利要求13所述的沼气燃料供应系统，它包括一泵，用于将供给汽化器的沼气流的压力增大，并且使喷射器与泵的入口相连，贮罐的通气口与输出泵相连。
全文摘要
一由内燃机提供动力的发电机由沼气源供应燃料。一泵将沼气增压，一调节器控制供给发动机汽化器的燃料入口的沼气压力。在泵的入口处将酸中和油喷入沼气流中，以保护发动机不受由沼气中的酸性成分产生的腐蚀。在一优选实施例中，沼气流经一将硫化氢与硫醇去掉的过滤器和一将水蒸汽去掉的聚结器。调节器控制供给发动机的燃料入口、汽化器的沼气压力，每次在发动机停机时将酸中和油喷入发动机的进气口，以保护发动机不受沼气中的酸性成分的作用。
文档编号F02B43/00GK1168166SQ96191367
公开日1997年12月17日 申请日期1996年1月2日 优先权日1995年1月6日
发明者詹姆斯·L·金, 蒂莫西·J·明特纳 申请人:科勒公司