k19 OFICINA ESPANOLA DEPATENTES Y MARCAS

ESPANA

k11 Numero de publicacion: 2 173 753k51 Int. Cl.7: F02B 43/10

F02M 25/10

A62D 3/00

k12 TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA T3

k86 Numero de solicitud europea: 99934955.8k86 Fecha de presentacion: 23.07.1999k87 Numero de publicacion de la solicitud: 1 105 632k87 Fecha de publicacion de la solicitud: 13.06.2001

k54 Tıtulo: Combustion de grasas y aceites.

k30 Prioridad: 24.07.1998 GB 981624421.04.1999 GB 9909199

k73 Titular/es: Finch LimitedTrade Winds Building, Bay StreetP.O.Box N-215Nassau, BS

k45 Fecha de la publicacion de la mencion BOPI:16.10.2002

k72 Inventor/es: McNeil, John

k45 Fecha de la publicacion del folleto de patente:16.10.2002

k74 Agente: Tavira Montes-Jovellar, Antonio

Aviso: En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicacion en el Boletın europeo de patentes,de la mencion de concesion de la patente europea, cualquier persona podra oponerse ante la OficinaEuropea de Patentes a la patente concedida. La oposicion debera formularse por escrito y estarmotivada; solo se considerara como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa deoposicion (art. 99.1 del Convenio sobre concesion de Patentes Europeas).

Venta de fascıculos: Oficina Espanola de Patentes y Marcas. C/Panama, 1 – 28036 Madrid

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DESCRIPCION

Combustion de grasas y aceites.

La presente invencion se refiere a un metodo para la combustion de sebo, especialmente el sebo quepuede estar contaminado con la proteına prion considerada responsable de la propagacion de la infeccionEncefalopatıa Espongiforme Bovina (BSE) en el ganado, en un motor estandar de encendido por com-presion de alta velocidad. La invencion se hace extensiva asimismo a la combustion de otras grasas yaceites de origen animal/vegetal que esten en peligro de contaminacion por sustancias quımicas toxicasque pueden entrar potencialmente en la cadena alimentaria. A continuacion, el calor y la energıa produ-cidos por el motor son preferiblemente utilizados para generar electricidad.

El sebo es una grasa animal clarificada elaborada mediante el tratamiento de los restos de animales.Como resultado del programa de desecho de ganado introducido en el Reino Unido a fin de erradicar laBSE de la poblacion pecuaria de la nacion, las existencias del Reino Unido de sebo segregado del desechoha alcanzado proporciones significativas. Puede haber, asimismo, un vınculo entre la BSE y una nuevavariante de la enfermedad de Creutzfeldt-Jacob (CJD) en humanos. Por lo tanto, la Union Europeaha establecido que las existencias britanicas de sebo y cualquier otro sebo potencialmente contaminadoalmacenado en Europa, debe ser eliminado por incineracion para evitar el riesgo potencial de infeccionbovina o humana.

La proteına prion que puede ser responsable de la propagacion de la infeccion de BSE es termorresis-tente y se cree que tiene capacidad para tolerar una temperatura de 800◦C. Por lo tanto, por razones deseguridad, el sebo debe ser destruido por un medio eficaz de incineracion a alta temperatura.

Tambien con el proposito de impedir la contaminacion de los cursos hıdricos, que se puede producirsi se vierte por los sumideros aceite de cocina usado, se esta alentando a restauradores y consumido-res a guardar el aceite de cocina desechado para su recoleccion y posterior reprocesamiento en pienso oproductos detergentes. Sin embargo, siempre existe el peligro de que el aceite de cocina obtenido de ins-talaciones de recoleccion publicas pueda haber sido contaminado inadvertidamente por otras sustanciasquımicas toxicas, especialmente los componentes quımicos que se encuentran en los aceites minerales dedesecho, tales como aceites para transformadores o lubricantes. Estos tipos de aceite mineral de desechopueden estar seriamente contaminados con compuestos organicos policıclicos toxicos, cancerıgenos, enespecial dioxinas, furanos y bifenilos policlorados (PCB). La contaminacion cruzada provoco una alarmaalimentaria en Belgica a principios de 1999, cuando se creyo que el aceite para transformadores desechadoque contenıa dioxinas y PCB se habıa mezclado con aceite de cocina usado en un recipiente publico dereciclaje. Las dioxinas y PCB son sustancias quımicas termoestables que se acumulan en la grasa. Unavez que el aceite reciclado fue procesado para obtener pienso, los contaminantes permanecieron en elpienso y, en consecuencia, fueron introducidos en la cadena alimentaria humana.

Las dioxinas, furanos, PCB y compuestos organicos policıclicos similares solo se pueden destruir demanera eficaz por incineracion a alta temperatura.

Un motor de encendido por compresion funciona inyectando combustible, a alta presion, en el aireque ha sido comprimido por un piston que asciende por un cilindro. La mezcla de combustible y airese sigue comprimiendo hasta que se calienta lo suficiente para encender el combustible. Esto da comoresultado un rapido aumento de la temperatura y presion en el interior del cilindro y el piston es forzado adescender por el cilindro. Las presiones pico de cilindro en el interior de la camara de combustion puedenser mayores que 0,14 MPa (140 bar) y la temperatura de combustion media puede superar 2000◦C.

La combustion del sebo o los aceites de cocina potencialmente contaminados en estas condiciones detemperatura elevada constituirıa una manera eficaz de garantizar la incineracion completa del sebo o elaceite, y cualquier contaminante contenido en el mismo serıa destruido con eficacia. Otro beneficio esque el combustible serıa inyectado en el motor en dosis pequenas discretas y en caso de averıa mecanicao mantenimiento de la maquina solo serıa necesario aislar una pequena cantidad del combustible poten-cialmente contaminado del tubo de entrada de combustible.

Sin embargo, los motores de encendido por compresion de alta velocidad tienden a ser para combus-tibles muy especıficos y solo funcionan con eficiencia con combustibles de tipo petroquımico que han sidodisenados para este tipo especıfico de motores.

Un fabricante de motores normalmente provee unos valores de especificaciones para el motor, in-cluyendo una potencia de salida recomendada y un ajuste de velocidad optimo para el funcionamiento

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continuo del motor. Esto se basa en un tipo especıfico de combustible, es decir, combustible diesel para elmotor de encendido por compresion. El motor no esta disenado para funcionar con otros tipos de combus-tible. Con frecuencia se especifica ademas una potencia de salida maxima (a la velocidad optima), y masalla de este nivel es de esperar que se produzca una combustion no eficiente y se origine un humo negroindeseable. El sebo, por ser una grasa animal, tiene una estructura quımica diferente de los combustiblespetroquımicos y sus propiedades, tales como su valor calorıfico, viscosidad, numero de cetano, punto deinflamacion y peso especıfico son diferentes de las de los aceites minerales. En consecuencia, el sebo yotros aceites o grasas con base animal/vegetal no arden con eficiencia en motores diesel de alta velocidadconvencionales estandar y se forman con rapidez depositos carbonosos en la camara de combustion, sobreel piston y alrededor de las valvulas y el inyector de combustible. La presencia de niveles elevados de con-taminantes en el gas de escape, tal como monoxido de carbono, hidrocarburos y productos en partıculasno quemados, constituyen otra confirmacion de una combustion incompleta e ineficiente.

La presente invencion pretende proporcionar un metodo por el cual se pueden quemar satisfactoria-mente el sebo y otras grasas y aceites con base animal/vegetal con peligro de contaminacion en un motorde encendido por compresion. En un primer aspecto amplio, por tanto, la presente invencion proporcionaun metodo de desechar sebo no refinado, y en particular potencialmente contaminado, comprendiendo talmetodo suministrar sebo filtrado y precalentado a la camara de combustion de un motor de encendido porcompresion y en el que se proporciona una atmosfera enriquecida en oxıgeno en la camara de combustiondel motor para quemar el sebo, y en el que el motor se hace funcionar a una potencia continua de salidaque es mayor que la potencia continua de salida normalmente recomendada por el fabricante del motorpara su funcionamiento con combustible diesel normal.

Ademas o en lugar del sebo, se pueden quemar mezclas de aceites y grasas de origen animal y vegetal,especialmente aceites de cocina, en un motor de encendido por compresion en el metodo de la invencion.Si bien se contempla que tales mezclas consistirıan fundamentalmente en grasas y aceites animales (porejemplo grasas/aceites con mas de 50 %, 60 % o 70 % de base animal), se apreciara que, en los casos enque resulte deseable, se pueden utilizar proporciones muy inferiores de grasas/aceites animales en combi-nacion con otros tipos de aceites tales como aceites vegetales, siempre que las propiedades de combustionde la mezcla sean adecuadas para la combustion enriquecida con oxıgeno.

En un segundo aspecto, por tanto, la invencion proporciona un metodo de desechar aceite de cocida dedesecho que consiste completa o parcialmente en grasas animales, y que esta potencialmente contaminadocon material peligroso, que comprende suministrar aceite de cocina de desecho filtrado a la camara decombustion de un motor de encendido por compresion, y en el que se proporciona una atmosfera enrique-cida en oxıgeno a la camara de combustion del motor para quemar el aceite de cocina de desecho, y en elque el motor se hace funcionar a una potencia continua de salida que es mayor que la potencia continuade salida normalmente recomendada por el fabricante del motor para su operacion con combustible dieselnormal.

Se ha encontrado inesperadamente que el aumento de los niveles de oxıgeno en la atmosfera de com-bustion permite la combustion satisfactoria del sebo y los aceites potencialmente contaminados, propor-cionando de esta manera un mecanismo por el cual estos se pueden eliminar con eficacia. Como el sebotiene un valor calorıfico inferior al del combustible diesel, para una potencia de salida dada se necesitamas sebo que combustible diesel. Sin embargo, la economıa de combustible constituye una preocupacionmenor que la destruccion segura de cualquier contaminante potencial en el sebo.

La destruccion efectiva de cualquier proteına prion que pueda estar presente en el sebo o de conta-minantes potenciales de otros aceites y grasas depende tanto de una temperatura media elevada en elinterior de la camara de combustion como de la duracion del perıodo de tiempo en que el proceso decombustion se mantiene a esa temperatura elevada.

En una realizacion preferida, se obtiene una temperatura de combustion media elevada inyectandomas combustible en el motor a fin de producir una potencia de salida mas alta que la normal, al tiempoque se hace funcionar el motor a su velocidad optima. Esta mayor concentracion de oxıgeno garantizaque el combustible complementario pueda arder con eficacia, generando ası una energıa termica superiora la normal en el interior de la camara de combustion. En este aspecto, como la invencion esta destinadaprincipalmente a la generacion de energıa electrica, el motor debera ser ajustado para funcionar a sumejor velocidad continua.

El aumento de oxıgeno trae aparejado, asimismo, un encendido mas rapido del combustible, por loque el combustible tiene mas tiempo para arder. En consecuencia, en la realizacion preferida no se realiza

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ningun ajuste a la temporizacion mecanica normal del motor para compensar este encendido tempranodel combustible. Esto garantiza una combustion del combustible mas duradera y completa, lo que es es-pecialmente beneficioso para la combustion eficaz del combustible extra necesario para producir mayorespotencias de salida. En este contexto, el termino “normal” representa las condiciones o ajustes del motorque se utilizarıan habitualmente para el funcionamiento con un combustible diesel estandar.

La potencia continua de salida es mayor que el maximo recomendado por el fabricante del motor parael combustible diesel comun. El funcionamiento del motor a potencias continuas superiores a las normaleseleva la temperatura media en la camara de combustion y tambien aumenta la temperatura del gas deescape.

Esta combinacion de calor de combustion aumentado y mayor temperatura de escape asegura la des-truccion eficaz de la proteına prion y de cualquier otro contaminante biologico potencial que pueda existiren el sebo o contaminantes en el aceite. El calor y la potencia aumentados producidos por la combustiondel sebo de esta manera se pueden utilizar para generar electricidad con eficiencia.

En un aspecto adicional, por tanto, se proporciona un metodo de generar energıa electrica que com-prende quemar sebo no refinado o aceite de cocina de desecho, potencialmente contaminado, que ha sidofiltrado y consiste total o parcialmente en grasas animales, y que esta potencialmente contaminado conmaterial peligroso, en un motor de encendido por compresion que tiene una atmosfera de combustionenriquecida en oxıgeno, haciendose funcionar el motor a una potencia continua de salida superior a la po-tencia de salida normal recomendada del motor, de modo que se aumenta la temperatura de combustion,y conectar dicho motor a un generador de energıa electrica.

Una ventaja del uso del sebo para la generacion de energıa electrica es que este es un combustibleno fosil renovable, sostenible. El sebo tiene una estructura quımica de cadena de carbonos limitada ycontiene muy bajos niveles de azufre, cloro y metales pesados. Por lo tanto, arde limpiamente en unaatmosfera enriquecida con oxıgeno sin producir cantidades significativas de algunos de los contaminantesasociados con los combustibles fosiles, tales como el dioxido de azufre y gases acidos de cloro.

Ademas, cuando se produce la combustion del sebo, el dioxido de carbono producido no contribuyede manera neta al efecto invernadero. El dioxido de carbono liberado durante la combustion reemplazameramente el dioxido de carbono secuestrado en un principio por las plantas que sirvieron de alimento alos animales durante el ciclo de crecimiento normal.

En un sistema tıpico de acuerdo con la invencion, se conectan uno o mas motores diesel a un sistemade suministro de aire enriquecido en oxıgeno y a un suministro de sebo que puede estar en estado puroo contaminado, o a otro suministro de aceite potencialmente contaminado. El arbol de transmision delos motores estarıa mecanicamente acoplado a uno o mas dispositivos generadores de energıa electrica.A causa de la eficiencia termica mejorada y la mayor densidad energetica, que se pueden obtener con elenriquecimiento en oxıgeno de la atmosfera de combustion, la corriente de gas de escape es mas calientede lo habitual en un motor de encendido por compresion. Por tanto, es preferible que este gas calientede escape se utilice para producir vapor para propulsar otro sistema generador de electricidad. Ademas,cualquier exceso de vapor se utiliza preferentemente para la calefaccion local.

Antes de entrar en una chimenea, se pueden disminuir los productos gaseosos indeseables de la com-bustion a alta temperatura de la corriente de gas de escape. Por ejemplo, se pueden eliminar los oxidosde nitrogeno (NOx) del gas de escape por medio de reduccion catalıtica con amonıaco. De esta manera,se puede hacer uso del sistema para generar electricidad limpiamente y, al mismo tiempo, destruir conseguridad cualquier contaminante potencial que pueda estar presente en el combustible.

A fin de conseguir la combustion del sebo o de los aceites potencialmente contaminados en el mo-tor, el nivel de enriquecimiento en oxıgeno necesario puede ser de tan solo 1 % por encima de lo normal(es decir, 22 % de oxıgeno). Sin embargo, para conseguir una combustion eficaz con una temperaturade combustion mas elevada y un mayor tiempo de combustion, el nivel de enriquecimiento en oxıgenoprovisto al motor sera, preferentemente, al menos 2 % (es decir, 23 % de oxıgeno), mas preferentementede 3 a 6 % por encima de lo normal (es decir, entre 24 % y 27 % de oxıgeno) y aun mas preferentementeentre 4 y 5 % por encima de lo normal (es decir, entre 25 % y 26 % de oxıgeno). Al nivel relativamentebajo preferido de aumento de la concentracion de oxıgeno (es decir, entre 25 % y 26 % de oxıgeno), el aireenriquecido en oxıgeno es seguro de manejar y no provocarıa danos por oxidacion a los componentes delmotor. Tambien es razonablemente economico suministrar el oxıgeno necesario para este bajo nivel deenriquecimiento en oxıgeno.

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El aire enriquecido en oxıgeno puede ser provisto por un cierto numero de medios disponibles en elcomercio, incluyendo membranas para separacion de gases, sistemas de adsorcion por presion oscilante,adsorcion oscilante al vacıo y sistemas criogenicos.

Un sensor que monitoriza la temperatura y composicion de la corriente de gas de escape puede contro-lar, en parte, el proceso de combustion. Ese sensor puede estar conectado, por ejemplo, a una valvula delsuministro de aire al motor y dicha valvula puede regular la concentracion de oxıgeno en el aire de entradapara garantizar las condiciones de combustion optimas deseadas. Otros aspectos del funcionamiento delmotor, tal como la velocidad (revoluciones del motor), potencia de salida, consumo de combustible ytemperaturas del motor, son monitorizadas y controladas por el sistema de gestion del motor habitual-mente provisto por el fabricante del motor. Sin embargo, generalmente es deseable determinar el nivelde monoxido de carbono (CO) deseado u optimo en la corriente de gas de escape, ya que este es un buenindicador de la eficiencia de la combustion, y controlar y mantener el nivel deseado de CO regulando,en consecuencia, la concentracion de entrada de oxıgeno. La concentracion total de oxıgeno debe man-tenerse constante, aunque se pueden realizar pequenos ajustes dentro de un intervalo limitado, digamospor ejemplo ± 0,5 %, para mantener los niveles de CO de salida aproximadamente constantes.

Si bien todos los contaminantes deben haber sido destruidos en la camara de combustion, es preferibleque, tras dejar el motor, los gases de escape se mantengan durante un perıodo de tiempo a una tempera-tura elevada para producir una esterilizacion adicional de la corriente del gas de escape. Preferiblemente,la temperatura es de hasta al menos 500◦C y puede ser de hasta 800◦C o aun mas elevada. Mas pre-feriblemente, sin embargo, la temperatura estara entre 500 y 800◦C. Esto se puede lograr mediante elaislamiento termico adecuado del escape.

A continuacion se describen algunas realizaciones preferidas de la presente invencion, a manera deejemplo solamente, con referencia a los siguientes ejemplos y los dibujos acompanantes, en los cuales:

La Figura 1 ilustra graficamente la concentracion determinada de monoxido de carbono en el gas deescape, a las potencias de salida mas elevadas, cuando se utiliza combustible diesel como combustible yen condiciones de combustion aspirada de manera natural (21 % de oxıgeno) y sebo en condiciones deenriquecimiento en oxıgeno (26 % de oxıgeno).

La Figura 2 es una ilustracion esquematica de un sistema generador de energıa que incorpora la in-vencion; y

La Figura 3 es una ilustracion esquematica de una culata de cilindro de un motor diesel.

El sebo esta constituido por grasas animales, en tanto que el combustible diesel, el combustible normalempleado en los motores de encendido por compresion, consiste en una mezcla mas combustible de alcanosy compuestos aromaticos. Las propiedades del sebo son muy diferentes de las del combustible diesel, comose ilustra en la Tabla 1:

TABLA 1

Propiedades Tıpicas del Combustible Diesel y el Sebo

Propiedades Combustible Diesel Sebo

Valor calorıfico, MJ/kg 43 39

Densidad, g/cm3 0,83 0,92

Viscosidad a 40◦C, cSt 2,1 48,9

Punto de inflamacion, ◦C 61 222

Punto de congelacion, ◦C -30 27

Composicion % en masa C = 86; H = 14 C = 77; H = 12; O = 11

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Con el proposito de confirmar que se podıa quemar con eficacia el sebo en un motor de encendidopor compresion, con la ayuda de una atmosfera enriquecida en oxıgeno en la camara de combustion, sellevaron a cabo ensayos practicos en el laboratorio. Se utilizo, como motor de ensayo, un motor dieselde cuatro tiempos Lister-Peter de dos cilindros con inyeccion directa de combustible y una capacidadnominal de un litro.

Se hizo funcionar el motor a su punto maximo de eficiencia termica, que es cuando se obtiene lamaxima Presion Media Efectiva de Frenado (BMEP) en todo el intervalo de revoluciones del motor. Seencontro que la mejor BMEP se produce a una velocidad de 2300 rpm y que esta correspondıa a lavelocidad optima recomendada por el fabricante del motor para el funcionamiento continuo utilizandocombustible diesel. El motor se hizo funcionar en un equipo de prueba especial, en el que la cargamecanica consistıa en un motor de corriente directa de alta potencia con una tension de campo variable.El motor se hizo funcionar a incrementos de carga de aproximadamente 1 kWe, en condiciones de fun-cionamiento continuo, desde la mınima carga estable a la maxima carga sostenible, sobre la base de latemperatura de escape y el nivel de emision de monoxido de carbono, y mientras se mantenıa dentro delas restricciones termicas recomendadas del motor. El fabricante del motor recomendaba que la potenciade salida mas favorable para funcionamiento continuo a 2300 rpm, utilizando combustible diesel, fuerade 9 kWe. Se recomendaba que la maxima potencia de salida limitada por el humo, funcionando a unavelocidad de 2300 rpm, fuera de 11 kWe.

Para establecer los parametros de funcionamiento normal del motor, se hizo funcionar el motor inicial-mente bajo aspiracion natural (21 % de oxıgeno, 79 % de nitrogeno) utilizando combustible diesel comuncomo combustible. A cada incremento de potencia diferente, se registro el consumo de combustible, lasemisiones de escape de monoxido de carbono y oxidos de nitrogeno, la temperatura de escape, la presionpico de cilindros y la opacidad del humo.

La presencia de monoxido de carbono en el gas de escape constituye un signo de combustion incom-pleta y el nivel de monoxido de carbono aporta una buena indicacion de la eficiencia operativa del motor.

La Figura 1 ilustra graficamente la concentracion medida de monoxido de carbono en el gas de es-cape, a las potencias de salida mas elevadas, cuando se utiliza combustible diesel como combustible y encondiciones de combustion aspirada de manera natural (21 % de oxıgeno).

El nivel mınimo de emisiones de monoxido de carbono se obtuvo a una potencia de salida de alrededorde 8 kWe. Se determino que la potencia de salida mınima estable era de aproximadamente 5 kWe. Entre5 kWe y 9 kWe, el nivel de monoxido de carbono en el escape era relativamente constante y dentro de unintervalo de 250 a 350 ppm. Sin embargo, superando los 9 kWe, el nivel de monoxido de carbono en elgas de escape comenzaba a aumentar, y mas alla de 10 kWe el nivel se incrementaba drasticamente. Auna potencia de salida continua de 11 kWe, la concentracion de monoxido de carbono era superior a 4000ppm y el gas de escape tenıa un perfil de humo negro indeseable, lo que sugerıa que el motor no era capazde quemar por completo el combustible. Los resultados obtenidos a una potencia de salida de 11 kWeestuvieron en lınea con las recomendaciones efectuadas por el fabricante del motor y confirmaron queeste era probablemente el valor maximo limitado por el humo para el motor funcionando con combustiblediesel.

A continuacion se utilizo sebo previamente filtrado, calentado a 50◦C, para alimentar el motor. Enprimer lugar se hizo funcionar el motor con un nivel de enriquecimiento en oxıgeno 20 % superior al nor-mal (41 % de oxıgeno, 59 % de nitrogeno), con cada incremento de potencia, y luego con concentracionesde oxıgeno decrecientes, que se redujeron inicialmente en escalones de 2 % y despues en escalones de 1 % alas concentraciones menores, hasta alcanzar las condiciones de aspiracion normal (21 % de oxıgeno, 79 %de nitrogeno). Una vez mas, se registro el consumo de combustible, los niveles de emisiones de escape,la temperatura de escape, la presion pico de cilindros y la opacidad del humo en cada etapa operativa eincremento de potencia.

Si bien fue posible dar comienzo al funcionamiento del motor utilizando sebo en condiciones de com-bustion aspirada de manera natural, los perfiles de emisiones fueron deficientes y era poco probable quese pudiera obtener una operacion continua y sostenida del motor.

Los resultados demostraron que se podıa conseguir la combustion eficiente del sebo a niveles de enri-quecimiento en oxıgeno de entre 3 y 6 % por encima de lo normal (es decir, entre 24 y 27 % de oxıgeno).Se determino que las condiciones de enriquecimiento en oxıgeno optimas preferidas para producir unacombustion eficiente, con un coste economico de oxıgeno, eran de 4 % a 5 % superiores a lo normal (es

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decir, entre 25 % y 26 % de oxıgeno).

La Figura 1 ilustra graficamente la concentracion de monoxido de carbono en el gas de escape, apotencias de salida elevadas, cuando se utiliza sebo como combustible y una atmosfera de combustionenriquecida en oxıgeno 5 % por encima de la normal (26 % de oxıgeno).

Entre 5 kWe y 9 kWe de potencia de salida, los niveles de monoxido de carbono con sebo enriquecido enoxıgeno fueron similares a los del combustible diesel aspirado de manera natural. Sin embargo, se encontrocon sorpresa que el aumento de la potencia de salida a mas de 9 kWe no aumentaba significativamente laconcentracion de monoxido de carbono en el gas de escape. Esta observacion esta ilustrada en la Tabla2, que compara los resultados del funcionamiento del motor con combustible diesel aspirado de maneranatural y sebo enriquecido en oxıgeno a una potencia de salida continua de 10,5 kWe, alrededor de 15 %por encima del nivel optimo recomendado para el motor. Para facilitar la comparacion, la mayorıa de losresultados de la Tabla 2 son cifras referidas a un motor que funciona con combustible diesel aspirado demanera natural.

TABLA 2

Pruebas de Motor Continuas utilizando Sebo y Combustible Diesel

Propiedades Combustible diesel Sebo21 % oxıgeno 26 % oxıgeno

Potencia de salida real 10,5 10,5kWe

Potencia de salida relativa 1,0 1,0

Emision relativa de 1,0 0,19monoxido de carbono

Emision relativa de oxidos 1,0 2,64de nitrogeno

Consumo de combustible 1,0 1,13relativo

Presion pico relativa de 1,0 0,53los cilindros

Temperatura de escape real 507 510◦C

A una potencia de 10,5 kWe, la concentracion de monoxido de carbono en el gas de escape, funcio-nando con sebo enriquecido en oxıgeno, fue solo alrededor de 20 % del nivel producido por el combustiblediesel aspirado de manera natural. El humo procedente del motor tambien era mucho mas limpio.

La presion pico de los cilindros, una indicacion del esfuerzo mecanico impuesto al motor, tambien sedividio por la mitad y se caracterizo fısicamente por un funcionamiento mas silencioso del motor, y conmenos vibracion. La caıda de la presion pico de cilindro con el sebo enriquecido en oxıgeno es atribuiblea que la combustion tenıa un perıodo de retardo mas corto, es decir, que el combustible arde antes de lonormal en la camara de combustion. De esa manera, el combustible tiene mas tiempo para arder, lo queda como resultado una presion pico en el cilindro reducida, pero presiones y temperaturas medias maselevadas.

El mayor consumo de combustible del sebo consignado en la Tabla 2 se relaciona totalmente con elmenor valor calorıfico del sebo en comparacion con el combustible diesel.

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Se encontro, aun mas sorprendentemente, que con el sebo y el enriquecimiento en oxıgeno, el motorpodıa funcionar con potencias de salida que superaban considerablemente el lımite maximo recomendadopor el fabricante del motor, manteniendo las emisiones de monoxido de carbono en niveles aceptables.Esto esta consignado en la Tabla 3, en la que se comparan los resultados del funcionamiento del motor consebo y enriquecimiento en oxıgeno a una potencia de salida de 13 kWe, con el funcionamiento normal concombustible diesel aspirado de manera natural a 10,5 kWe y a 12 kWe. Para facilitar la comparacion, lamayorıa de los resultados de la Tabla 3 se expresan con respecto a un motor que funciona con combustiblediesel a 10,5 kWe.

TABLA 3

Pruebas de Motor Continuas utilizando Sebo y Combustible Diesel

Propiedades Combustible diesel Combustible diesel Sebo21 % de oxıgeno 21 % de oxıgeno 26 % de oxıgeno

Potencia de salida 10,5 12,0 13,0real kWe

Potencia de salida 1,0 1,14 1,24relativa

Emision relativa de 1,0 >>3,30 1,27monoxido de carbono

Emision relativa de 1,0 1,04 3,67oxidos de nitrogeno

Temperatura de escape 507 625 690real ◦C

El aumento de la potencia a 12 kWe, con combustible diesel aspirado de manera natural aumentodrasticamente la concentracion de monoxido de carbono en la corriente del gas de escape muy por encimade 300 % en comparacion con el funcionamiento a una potencia de 10,5 kWe. El nivel de emisiones demonoxido de carbono realmente sobrepasaba el lımite que podıa ser registrado de manera fiable por elequipo de monitorizacion de gases de escape. El motor tambien emitıa humo negro.

El fabricante del motor recomendaba una potencia de salida maxima limitada por el humo de 11 kWecuando se utilizaba combustible diesel. Los resultados de la operacion del motor aspirado de maneranatural con combustible diesel a una potencia de 12 kWe confirmaron que el motor probablemente habıasuperado notablemente su nivel de potencia maxima sostenible.

Por el contrario, con sebo y enriquecimiento en oxıgeno, fue posible hacer funcionar el motor a unapotencia de salida aun mas elevada de 13 kWe, manteniendo aun el nivel de monoxido de carbono en elgas de escape en un nivel relativamente bajo. La concentracion de monoxido de carbono fue solo 27 %mayor que cuando el motor funcionaba con aspiracion natural con combustible diesel a una potencia de10,5 kWe.

Aun ası, el humo de escape estaba relativamente limpio y libre de niveles excesivos de materialeshidrocarburo y sustancias en partıculas. La potencia de salida de 13 kWe es aproximadamente 40 %superior a la potencia de salida continua optima recomendada para el combustible diesel y aproximada-mente 18 % superior a la especificacion de potencia maxima recomendada.

La alta temperatura de escape de 690◦C confirmo que el sebo se estaba quemando a una temperaturamedia aumentada en la camara de combustion del motor, en comparacion con las temperaturas asociadascon la combustion de los combustibles diesel convencionales. Por el contrario, la temperatura de escapeal funcionar con combustible diesel a la potencia de salida insostenible de 12 kWe era solo de 625◦C.

Las emisiones de oxidos de nitrogeno (NOx) tambien se incrementaron significativamente con la po-tencia de salida mas elevada. Sobre la base de los resultados de la investigacion, se reunieron modelos

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teoricos a fin de examinar los factores que afectaban la formacion de oxidos de nitrogeno (NOx) en elinterior de la camara de combustion. Estos modelos sugirieron lo siguiente:

- Se sabe que las moleculas de nitrogeno y oxıgeno comienzan a reaccionar entre sı para formar NOxa temperaturas superiores a 2000◦K.

- El aumento de la concentracion de oxıgeno produce un encendido mas temprano del combustible.

- El aumento de la concentracion de oxıgeno permite la combustion de una mayor cantidad de com-bustible, lo que a su vez eleva la temperatura media en la camara de combustion.

- El aumento de la concentracion de oxıgeno a una temperatura fija superior a 2000◦K aumenta laformacion de NOx en proporcion directa a la concentracion relativa de oxıgeno.

- A temperaturas superiores a 2000◦K, la produccion de NOx aumenta exponencialmente al aumentarla temperatura.

- A temperaturas superiores a 2000◦K, la produccion de NOx aumenta exponencialmente al aumentarel tiempo a la temperatura elevada.

Los oxidos de nitrogeno constituyen contaminantes de escape indeseables, puesto que son gases quecontribuyen indirectamente al efecto invernadero. Pueden contribuir al calentamiento global ayudandoa la formacion de otros gases de invernadero, tales como el ozono troposferico. Los oxidos de nitrogenopueden tener asimismo un impacto de lluvia acida en la atmosfera. Sin embargo, con respecto a la com-bustion del sebo, un alto nivel de oxidos de nitrogeno en el gas de escape constituye una indicacion deincineracion eficaz a alta temperatura. En el metodo de acuerdo con la presente invencion, el alto nivelde oxidos de nitrogeno en el gas de escape se puede disminuir por reduccion catalıtica con amonıaco yreducirlos hasta una concentracion asociada habitualmente con la generacion de potencia convencionalutilizando motores diesel.

A una potencia de salida de 13 kWe, el nivel de NOx en el gas de escape fue aproximadamente 40 %mayor que a una potencia de salida de 10,5 kWe, aunque la concentracion de oxıgeno en la camara de com-bustion era la misma (es decir, 26 % de oxıgeno). Este gran incremento de los NOx es una confirmacionde que, a la potencia de salida mas elevada, se ha incrementado la temperatura media de combustion, ola duracion del perıodo de combustion, o ambos.

La mayor temperatura media de combustion trae como consecuencia una mayor perdida de calor quese transfiere a los componentes metalicos del motor. Sin embargo, el calor transferido a los componentesdel motor se puede utilizar para otros fines mediante el paso del refrigerante, que circula alrededor delmotor, a traves de un intercambiador de calor.

El hecho de poder funcionar con eficiencia a una potencia de salida continua significativamente aumen-tada es de gran provecho cuando se emplea sebo como combustible. La temperatura media de combusti onaumenta, como lo ilustra la elevada temperatura de escape y los niveles de oxido de nitrogeno incremen-tados, y esto contribuye a garantizar que cualquier contaminante que pueda estar presente en el sebosera incinerado por completo. Ademas, el gas de escape caliente se puede mantener a alta temperaturadurante un perıodo de tiempo en un tubo de escape aislado para asegurar una esterilizacion adicional dela corriente de gas de escape.

La capacidad para funcionar en forma eficiente y continua a una potencia de salida mayor es especial-mente beneficiosa cuando la potencia producida se utiliza para generar electricidad. La mayor potenciaproducida por el motor se puede utilizar para generar directamente mas electricidad. El gas de escapemas caliente de lo normal tambien puede elevar el vapor con mas eficiencia en una caldera para propor-cionar vapor para propulsar una turbina de vapor, que a su vez impulsa un generador a producir maselectricidad. Esto sugiere que la eficiencia del sistema generador de energıa podrıa ser de entre 55 % y60 %, un nivel considerablemente superior a las operaciones de generacion de energıa convencionales queemplean motores diesel estandar.

Para demostrar que el motor podıa funcionar durante perıodos prolongados a una potencia de salidacontinua elevada utilizando sebo y enriquecimiento en oxıgeno, se hizo funcionar el motor durante 100horas. El rendimiento del motor se mantuvo constante durante todo ese lapso. Al final del experimento,los pistones, valvulas e inyectores de combustible del motor estaban en buen estado y no mostraban

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signos de acumulacion de depositos carbonosos.

Como se expresara anteriormente en la introduccion, la invencion es aplicable asimismo a la com-bustion de aceites de cocina de desecho.

La Tabla 4 compara los resultados de la combustion de sebo y un aceite de cocina usado filtrado tıpicoque habıa sido recogido de una instalacion de reciclaje a una potencia de salida de 10,5 kWe y 5 % deenriquecimiento en oxıgeno. El aceite de cocina de desecho era de origen mixto y contenıa tanto aceitesy grasas de origen animal como vegetal. Los resultados se comparan con relacion a los obtenidos de lacombustion de combustible diesel en condiciones de aspiracion natural.

TABLA 4

Pruebas del Motor Comparando Sebo, Aceite de Cocina Desechado y Combustible Diesel

Propiedades Combustible Diesel Sebo Aceite de cocina21 % de oxıgeno 26 % de oxıgeno desechado

26 % de oxıgeno

Potencia de 10,5 10,5 10,5salida real kWe

Potencia de 1,0 1,0 1,0salida relativa

Emision relativa 1,0 0,19 0,18de monoxido decarbono

Emision relativa 1,0 2,64 2,70de oxidos denitrogeno

Consumo de 1,0 1,13 1,15combustiblerelativo

Temperatura de 507 510 528escape real ◦C

Habiendo explicado el mecanismo del proceso de combustion anterior, se ilustra un sistema generadorde energıa que emplea la invencion con referencia a las figuras 2 y 3.

En la realizacion, el sebo prefiltrado 2 se encuentra en forma lıquida en un tanque de almacenamiento4 mantenido a una temperatura de aproximadamente 50◦C. Una bomba 6 bombea el sebo lıquido 2 desdeel tanque 4 a traves de una valvula de control 8 hacia una valvula de inyeccion de combustible 10 en laculata de cilindro 12 de un motor de encendido por compresion de alta velocidad 14.

Se bombea aire enriquecido en oxıgeno desde un modulo de separacion de gases (no mostrado) a unavalvula de control 16 que controla la concentracion de oxıgeno en el aire suministrado al motor 14 dejandoentrar, selectivamente, aire atmosferico en el aire enriquecido con oxıgeno. La valvula de control 16 regulala concentracion de oxıgeno en el abastecimiento de aire al motor para producir las condiciones operativasoptimas requeridas, en respuesta a un sensor 18 que analiza la corriente del gas de escape (preferente-mente los niveles de CO del escape) procedente del motor 14. El abastecimiento de aire enriquecido enoxıgeno puede ser por cualquier medio conocido conveniente, incluyendo membranas para separacion degases, sistemas de adsorcion a presion oscilante, adsorcion oscilante a vacıo y sistemas criogenicos.

La salida de la valvula de control 16 esta conectada al colector de entrada de aire del motor 14 y elaire enriquecido en oxıgeno (tıpicamente con una concentracion de oxıgeno de 25 % - 26 %) es introducido

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en la camara de combustion 20 de un cilindro 22 por la valvula de entrada de aire 21. En este momentose cierra la valvula de escape 24. Un piston 26 que asciende por el cilindro 22 comprime el aire y unapequena cantidad discreta de sebo se pulveriza en la camara de combustion 20 por medio de la valvulainyectora de combustible 10. Al aumentar la compresion, el sebo se enciende y el aire enriquecido enoxıgeno garantiza la combustion efectiva y completa del sebo. El aumento de la presion en el interior dela camara de combustion fuerza al piston 26 a volver a descender por el cilindro 22 y este movimiento setransmite a un arbol de transmision de potencia que impulsa a un generador 28 para producir electrici-dad.

Cuando el piston 26 vuelve a ascender por el cilindro 22 en su carrera de escape, el gas de escapecaliente es expulsado del motor a traves de la valvula de escape 30.

Para monitorizar la concentracion de monoxido de carbono se utiliza principalmente un sensor 18 en lacorriente del gas de escape, aunque tambien puede ser conveniente monitorizar la temperatura de gas deescape y los niveles de emision de otros contaminantes tales como oxidos de nitrogeno. El motor se hacefuncionar a una potencia de salida superior a la normal para producir una temperatura del gas de escapeelevada, preferentemente entre 500◦ y 800◦C. Una vez ajustado el sistema y puesto en funcionamiento elmotor a una potencia de salida continua, cualquier desviacion del nivel deseado predeterminado de COen la corriente de gas de escape se puede compensar modificando la concentracion de entrada de oxıgeno.Por lo tanto, el funcionamiento del motor se controla fundamentalmente dependiendo de la determinacionde CO del sensor 18. Se miden otros parametros operativos del motor mediante el sistema incorporadode control del motor y estos tambien pueden ser ajustados para garantizar el funcionamiento suave delmotor. Sin embargo, tıpicamente se hace funcionar el motor a su velocidad optima, es decir, a su puntode maxima eficiencia termica, que es cuando se alcanza la Presion Media Efectiva de Frenado en todoel intervalo de revoluciones del motor. El sensor 18 esta conectado a la valvula de control 16, que tienecapacidad para ajustar el nivel de enriquecimiento en oxıgeno segun sea necesario para dar lugar a unaoperacion optima del motor.

El gas de escape pasa a lo largo de un tubo bien aislado 32 para garantizar que este se mantenga a unatemperatura elevada a fin de esterilizar aun mas la corriente de gas de escape. El gas de escape penetraen una unidad de reduccion catalıtica 34 que utiliza amoniaco para reducir la concentracion elevada deoxidos de nitrogeno hasta un nivel ambientalmente aceptable. Las reacciones producidas en la unidad dereduccion catalıtica 34 tienden a elevar aun mas la temperatura del gas de escape ligeramente, hasta enaproximadamente 30◦C.

El gas de escape caliente se utiliza para producir vapor en una caldera 36 y el vapor se utiliza paraimpulsar una turbina de vapor 38 que, a su vez, impulsa un generador 40 para producir mas electricidad.El gas de escape pasa a traves de un intercambiador de calor 42 para enfriar el gas. El refrigeranteprocedente del sistema enfriador del motor tambien pasa a traves de un intercambiador de calor 44. Elcalor proveniente de los intercambiadores de calor 42, 44 se puede utilizar localmente, por ejemplo paracalentar el tanque de almacenamiento de sebo 2. El gas de escape frıo pasa a traves de un filtro 46 paraeliminar cualquier materia en partıculas y el gas de escape se diluye con aire en una soplante de aire 48antes de ser liberado a la atmosfera a traves de la chimenea 50.

De lo que antecede, se puede ver que la presente invencion permite una combustion eficiente, a tem-peratura elevada, del sebo que posiblemente puede estar infectado por contaminacion biologica. Se puedeproducir la combustion del sebo en un diseno estandar de motor de encendido por compresion de altavelocidad funcionando a su velocidad optima, introduciendo una atmosfera enriquecida en oxıgeno en lacamara de combustion y haciendo funcionar el motor a una potencia de salida continua superior a lanormalmente esperada. La potencia de salida puede incluso exceder la especificacion de potencia maximalimitada por el humo recomendada por el fabricante del motor. Al hacer funcionar el motor en estascondiciones se garantiza un aumento significativo de la temperatura media en la camara de combustion.El calor extra generado en el interior de la camara de combustion y en la corriente del gas de escapeasegurara la combustion efectiva del sebo y la destruccion total de cualquier contaminante biologico pre-sente en el sebo.

La invencion tambien proporciona una generacion eficiente de electricidad. El acoplamiento del arbolde transmision del motor con un generador electrico permite el uso de una potencia de salida superior ala normal a fin de generar electricidad con eficiencia. Los gases de escape mas calientes que lo normalse pueden utilizar para elevar eficientemente el vapor para impulsar una turbina de vapor, que a su vezimpulsa otro generador para producir mas electricidad.

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Si bien la investigacion se llevo a cabo en un motor de encendido por compresion de alta velocidad, elmetodo de la invencion tambien serıa aplicable a motores de encendido por compresion de baja velocidadque tambien se utilizan para aplicaciones de generacion de energıa. Estos tipos de motores habitualmentetienen calibres de cilindro mucho mas grandes que los motores de alta velocidad. Sin embargo, su metodode operacion es similar.

Como se menciono anteriormente, el metodo de la presente invencion se podrıa emplear asimismo paraquemar con eficiencia otros aceites y grasas de origen animal en estado virgen, de desecho o contaminado.Estos aceites y grasas podrıan derivarse de animales, especialmente rumiantes tales como ovejas, cabras,ciervos y bufalos, que tambien pueden ser susceptibles de infecciones de tipo BSE.

El metodo de la presente invencion proporciona tambien un metodo eficaz para la combustion delaceite de desecho, incluyendo aceite de cocina usado, a altas temperaturas, destruyendo de esa maneracualquier contaminante quımico organico termoestable que pueda estar presente en el aceite.

El aceite de cocina recolectado para el reciclaje podrıa ser de origen animal o vegetal o, mas proba-blemente, una mezcla de ambos. Los aceites vegetales tienen una composicion quımica muy diferente delcombustible diesel y, al igual que el sebo, normalmente tienen una combustion deficiente en motores deencendido por compresion y forman depositos carbonosos o gomosos en la camara de combustion. Noobstante, las pruebas realizadas utilizando el motor de ensayo indicaron que en una atmosfera enriquecidaen oxıgeno los aceites vegetales se queman limpiamente de manera similar al sebo.

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REIVINDICACIONES

1. Un metodo de desechar sebo no refinado, y en particular potencialmente contaminado, compren-diendo tal metodo suministrar sebo filtrado y precalentado a la camara de combustion de un motor deencendido por compresion, y en el que se proporciona una atmosfera enriquecida en oxıgeno a la camarade combustion del motor para quemar el sebo, y en el que el motor se hace funcionar a una potenciade salida continua que es mayor que la potencia de salida continua normalmente recomendada por elfabricante del motor para hacerlo funcionar con combustible diesel normal.

2. Un metodo de desechar aceite de cocina de desecho que consiste completa o parcialmente en grasasanimales, y que esta potencialmente contaminado con material peligroso, que comprende suministraraceite de cocina de desecho filtrado a la camara de combustion de un motor de encendido por compresiony en el que se proporciona una atmosfera enriquecida en oxıgeno a la camara de combustion del motorpara quemar el aceite de cocina de desecho, y en el que el motor se hace funcionar a una potencia de salidacontinua que es mayor que la potencia de salida continua normalmente recomendada por el fabricantedel motor para hacerlo funcionar con combustible diesel normal.

3. Un metodo de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que el motor es un motor de encendidopor compresion de alta velocidad.

4. Un metodo de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que el motor es un motor de encendidopor compresion de baja velocidad y calibre de cilindro ancho.

5. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que la atmosfera de com-bustion esta enriquecida con oxıgeno entre 3 y 6 % por encima de lo normal (24 % oxıgeno, 76 % nitrogenoy 27 % oxıgeno, 73 % nitrogeno).

6. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que la atmosfera de combustion esta enrique-cida en oxıgeno entre 4 y 5 % por encima de lo normal (25 % oxıgeno, 75 % nitrogeno y 26 % oxıgeno,74 % nitrogeno).

7. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que el nivel de enriquecimientoen oxıgeno se controla en dependencia de un analisis de los gases de escape.

8. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 7, en el que el nivel de enriquecimiento en oxıgeno secontrola en dependencia del nivel de monoxido de carbono en la corriente de gas de escape.

9. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 8, en el que dicho nivel de enriquecimiento en oxıgenose controla de manera que se mantenga la concentracion de monoxido de carbono en la corriente de gasde escape a un nivel predeterminado.

10. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que el motor se hace funcio-nar a una velocidad constante.

11. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 10, en el que el motor se hace funcionar a una velo-cidad optima correspondiente a la velocidad que proporciona una eficiencia termica maxima.

12. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que, tras abandonar el mo-tor, los gases de escape se mantienen durante un perıodo de tiempo a una temperatura elevada.

13. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que dicha temperatura de gas de escapeesta entre 500 y 800◦C.

14. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que el nivel de oxidos denitrogeno en los gases de escape se reduce por medio de reduccion catalıtica con amoniaco.

15. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que el motor se utiliza paragenerar electricidad, acoplando el motor a un generador electrico.

16. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en el que los gases de escapecalientes del motor se utilizan para elevar vapor en una caldera de vapor.

17. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 16, en el que el vapor de la caldera impulsa una

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turbina de vapor, que a su vez impulsa un generador electrico.

18. Un sistema de generacion de energıa electrica que comprende un suministro de sebo no refinadopotencialmente contaminado, o aceite de cocina de desecho potencialmente contaminado con materialpeligroso, y que consiste completamente o al menos parcialmente en grasa animal, al menos un motor deencendido por compresion, medios para admitir dicho sebo o aceite de cocina de desecho en la camarade combustion de dicho motor, medios para crear una atmosfera enriquecida en oxıgeno en la camarade combustion de dicho motor para la combustion de dicho sebo o aceite de cocina de desecho, estandodicho motor configurado y dispuesto para funcionar a una potencia de salida continua que es superior a lapotencia de salida continua normalmente recomendada por el fabricante del motor para hacerlo funcionarcon combustible diesel normal, y un generador conectado a dicho motor.

19. Un sistema para desechar sebo no refinado potencialmente contaminado, o aceite de cocina dedesecho potencialmente contaminado con material peligroso y que consiste completamente o al menosparcialmente en grasa animal, comprendiendo dicho sistema un suministro de dicho sebo o dicho aceitede cocina, un motor de encendido por compresion, medios para admitir dicho sebo o aceite de cocina dedesecho en la camara de combustion de dicho motor, medios para crear una atmosfera enriquecida enoxıgeno en la camara de combustion de dicho motor para la combustion de dicho sebo o dicho aceite decocina de desecho, estando dicho motor configurado y dispuesto para funcionar a una potencia de salidacontinua que es mayor que la potencia de salida continua normalmente recomendada por el fabricantedel motor para hacerlo funcionar con combustible diesel normal.

NOTA INFORMATIVA: Conforme a la reserva del art. 167.2 del Convenio de Patentes Europeas (CPE)y a la Disposicion Transitoria del RD 2424/1986, de 10 de octubre, relativo a laaplicacion del Convenio de Patente Europea, las patentes europeas que designen aEspana y solicitadas antes del 7-10-1992, no produciran ningun efecto en Espana enla medida en que confieran proteccion a productos quımicos y farmaceuticos comotales.

Esta informacion no prejuzga que la patente este o no incluıda en la mencionadareserva.

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