KR0153231B1 - 과급기 장착 엔지의 라인의 청결 상태 유지 방법 및 이 엔진의 탄소질 배출물의 감소방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과급기 장착 내연기관에 1종 이상의 희토류 화합물 함유 연료를 제공하여 과급기 장착 디젤 엔진라인을 청결하게 하는 방법 및 과급기 라인을 청결하게 하기 위한 조성물의 용도에 관한 것이다.

Description

과급기 장착 엔진의 라인의 청결상태 유지 방법 및 이 엔진의 탄소질 배출물의 감소방법

제1도는 트랩 #3이 존재하는 상태의 테스트 사이클의 도식도이다.

제2도는 큐민(cummins) 엔진 성능을 나타내는 힘 출력 곡선이다.

제3도 및 제4도는 각각 엔진 A의 500시간 후 및 엔진 B의 250시간 후의 상태를 보여주는 사진이다.

본 발명의 과급기 엔진의 라인(line)을 청결하게 유지하는 방법 및 이러한 유형의 엔진의 탄소질 배출물을 감소시키는 방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로는 본 발명은 과급기가 장착된 내연 엔진의 작동성을 향상시키는 희토류 기재 시제(reagent)의 용도에 관한 것이다.

디젤 엔진에서 연료, 특히 경유의 연소중에 탄소질 생성물 또는 탄화수소류 생성물은 이들의 연소 생성물중에서 환경 및 고등동물의 건강에 유해한 생성물로서, 이후 명세서에서 그을음(soot)으로 칭하는 탄소질 입자를 형성하는 경향이 있다.

또한, 이러한 그을음은 과급기 라인을 오염시키고, 고장을 유발하며, 그을음의 축적은 엔진-과급기 유니트(unit)의 적절한 작동에 악영향을 미칠 수 있다.

그을음 배출물을 감소시킬 수 있는 기술에 대한 연구가 장기간 계속 되었다. 이러한 시도는 독성 및 돌연변이 유발성 기체, 예컨대 질소 산화물 및/또는 일산화 탄소의 배출이 증가되는 것을 막을 필요에서 기인한 것이다.

이러한 탄소질 배출물을 감소시키기 위한 수많은 해결책이 제시되어 왔다. 이른바 대기압(atmospheric) 엔진에서는, 형성된 입자를 포획하기 위하여 배기 가스를 여과시키는 경향이 있었다.

수 많은 예시가 있었으며, 프랑스 공화국 특허 제2 359 199호에서는, 새륨 아세틸아세테이트를 첨가하여 저속 디젤 엔진에서 배출되는 입자를 감소시키려는 제안이 있었으며, 그 효과는 감지 할 수는 있었으나, 제한된 정도에 불과하였다. 최근에, 유럽지역 특허출원 제 0 194 369호에서는 산화 화합물의 형태로 산소를 연료에 가하여 시스템을 향상시키려는 제안이 있었다. 그러나 이러한 것을 첨가하여도, 대기압 엔진에서의 그을음 배출물의 감소는 극히 미미하였고, 그 감소율은 14%에 불과하였다.

기술적, 경제적 및 법적인 변화가 문제를 보다 근본적으로 변화시켰다. 고속, 고성능 엔진에 대한 요구가 증가하고, 최대 출력의 50% 이상이 되는 출력에서 이들 엔진을 사용하며, 엔진에 사용되는 연료가 변화됨에 따라 문제를 해결하기는 더욱 더 어려워진 반면, 문제의 양상도 변화되었다. 실제로, 보다 높은 총 부배합도(mixture richness level)에서 엔진을 사용하면 그을음 발생이 증가하며, 동시에 상이한 고 정제 경유를 사용하면 그을음 정도를 높게하는 연소물을 발생시키는 방향족 물질과 같은 생성물을 사용하게 되는 결과를 가져온다.

따라서, 그을음 생성을 감지할 수 있을 정도로 감소시키기 위하여 배기 가스 처리용 입자 여과기를 장착하는 경향이 있다. 이러한 여과기는 그을음을 소각 제거시킴으로써 재생될 수 있다.

과급기 장착 엔진에서의 문제점은 생성된 그을음이 작동에 손상을 줄 정도로 배기 시스템을 오염시킬 수 있다는 사실로 인해 보다 복잡하다. 이러한 문제점은 그을음 배출물을 대략 10% 감소시키는 것으로 단순히 해결될 만한 것은 아니다.

더욱이, 과급기가 장착된 내연 엔진, 특히 디젤 엔진은 분리된 입자를 효과적으로 소각시키는 데에 충분한 시간 간격 및 온도에서 배기 가스를 발생시키지 않는다. 환언하면, 미립자 점화 온도는 도달되지 않는다.

과급기 부품에 부착된 입자는 대부분 온도가 다소 낮은데, 그 이유는 이들이 주위 공기와 접촉된 벽에 접촉되어 냉각되기 때문이다. 환원하면, 체류 시간이 길어지는 경우, 오히려 온도가 더욱 저하되어 미립자의 발화를 유인할 수 없게 되고, 이러한 사실은 당업계의 전문가들도 대기압 디젤 엔진에 대해 예견되는 어떠한 연소 기술도 과급기가 장착된 내연엔진, 특히 디젤 엔진에 적용될 수 없다고 믿게 되는 이유가 되었다.

이러한 강한 신뢰로 인하여 문제가 되는 발명에 앞서 아무런 시험도 수행되지 않았었다.

따라서, 본 발명의 목적은 과급기 라인에 있는 탄소 함유 입자의 생성을 방지할 수 있는 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 디젤엔진에 과급기를 장착한 경우에도 미립자를 제거할 수 있는 방법을 제시하는 데에 있다.

또한, 본 발명은 미립자를 산화시키는 방법을 제공하고, 시스템에 의해 방출된 불연소된 그을음의 양을 감소시키는 방법을 제공한다.

본 발명의 이러한 목적과 이후 언급될 또다른 목적은 1종 이상의 희토류를 함유하는 화합물을 과급기 장착 내연 엔진에 공급하는, 과급기 장착 내연 엔진의 처리방법에 의해 달성된다.

희토류의 첨가는 연소실에 직접 공급하거나, 1종 이상의 희토류 화합물을 함유하는 연료를 사용하거나, 이들 두 방법을 모두 사용하여 수행될 수 있다. 따라서, 한편으로는 희토류(들)를 함유하는 연료를 사용하고, 다른 한편으로는 희토류(들)를 운반하는 배기 가스 존재 또는 부재하에 희토류 함유 그을음을 재순환시킴으로써 희토류(들)를 첨가할 수 있다.

실제로, 세륨 또는 다른 희토류(들)를 첨가함으로써 과급기 부품 내부 및 외부에 있는 탄소질 침전물 및 이의 축적물을 대부분 제거하여 과급기의 작동 및 운용을 향상시킬 수 있다는 전혀 예기치 않은 사실이 발견하였다. 당 업계의 현 기술 수준에서 알려진 바와는 반대로, 과급기는 엔진이 큰 토오크 영역에서 작동되더라도 매우 청결한 상태를 유지한다. 최대 부하의 50% 이상, 바람직하게는, 2/3 이상의 영역에서 과급기 라인을 청결하게 유지한다.

본 발명은 1,000 이상, 유리하게는 1,250 이상, 바람직하게는 1,500rpm 이상의 속도로 회전하는 엔진에 특히 적당하다.

본 발명에 따르면, 출력 또는 회전수가 연속적으로 도달되는 것이 필수적인 것은 아니다. 그러나, 이중 하나가 간헐적으로 도달되는 것이 바람직하다. 예컨대, 이러한 수치 또는 수치들은 작동시간의 5% 이상, 바람직하게는 10% 이상, 보다 바람직하게는 20% 이상의 기간중에 도달되어야 한다.

따라서, 비예견적으로 보여진 바와 같이 희토류 기재의 화합물을 첨가한 연료를 과급기 장착 엔진에 공급하였을 때, 디젤 엔진의 과급기 상태는 탄소 함유 입자가 소각될 수 있는 상태가 된다. 이들은 이른바 과급기 장착 엔진의 배기 시스템을 오염시키는 입자이다.

내연 엔진이 과급기가 장착된 디젤 엔진인 경우, 결과는 보다 확실하며, 엔진 작동이 보다 향상된다.

현재까지, 본 출원인은 이러한 현상을 정확히 설명할 수는 없었다.

바람직한 희토류로는 세륨, 네오디뮴, 란타늄 및 이들의 혼합물이 있다.

그러나, 현재까지는 세륨을 이용하였을 때에 가장 우수한 결과를 얻었다.

엔진을 떠난 후의 이들의 촉매적인 작용면에서, 이들 금속을 산화물 상태, 즉 세륨이 사용된 경우 세륨 4가 형태, 다른 경우에는 3가 형태로 존재하는 것이 바람직하다.

희토류 화합물을 사용할 수도 있으나, 이 경우에는 세륨 및/또는 란타늄이 비율의 대부분을 차지하는 것이 바람직하다.

통상, 희토류는 염 및 그의 콜로이드 용액 등 하나 또는 수개의 유도체를 연료에 첨가함으로써 그을음에 혼입시킨다.

희토류가 연료에 가해진 형태는 그을음에서 발견된 결정체와 집합체의 크기에 영향을 미침이 강조되어야 한다. 크기는 그을음에서 희토류의 촉매 능력을 결정하는 역할을 하다(참조:프랑스공화국 특허출원 제92/14158호, 1992년 11월 25일 출원, 제목 세륨 함유 산화물 결정체와 집합체, 연소 잔류물을 감소시키기 위한 제조방법 및 그의 용도)

또한, 이 원소를 촉매로 선택할 때, 일부 화합물 특히 유기 매질에서 세륨(Ⅲ) 염의 수명은 짧으며, 촉매 효과에 있어서 좋지 못한 결과를 유도할 수 있다. 따라서 세륨의 사용을 목적으로 할 때, 유럽 특허출원 제93/304760.7호 및 공고공보 제0575189호의 목적을 이루는 염 또는 콜로이드 용액이 바람직하게 주어질 것이다. 문제점에 대한 해결책은 매우 불안정한 생성물의 일시적인 첨가 또는 상기 화합물의 안정화제 첨가에 있다.

엔진에 가해진 희토류의 양은 그을음에 있는 희토류 함량(포함된 금속 중량으로 표시)은 1000ppm과 30% 사이, 유리하게는 5000ppm 이상으로 바람직하게는 5% 이상이고, 유리하게는 최대 25%이며, 바람직하게는 10% 이하가 되도록 결정하는 것이 바람직하다.

평균 1회의 유럽 사이클을 하는 동안, 대략 5 내지 10%의 만족할 만한 값을 나타낸다.

효율적임을 입증하려면, 사용한 연료의 특성에 따라 희토류의 첨가량을 조정해야 하며, 따라서 상술한 백분율을 가진 희토류를 수득한다. 희토류(포함된 금속의 중량) 첨가량은 통상 탄소 함유연료(예:경유)에 대해 20ppm 이상으로, 바람직하게는 50ppm 이상, 보다 유리하게는 100ppm 이상이다. 첨가량이 연료에 의해 영향을 받을 때, 이들 값은 연료중 희토류의 비율에 해당한다.

비용 때문에, 연료중 희토류 비율은 500ppm을 초과하지 않는 것이 바람직하다.

형성된 세륨 산화물은 바람직하게는 d₂₀이 최대 10,000Å(1,000nm), 바람직하게는 5,000Å(500nm)로 측정한 과립 측정기를 소유한다.

또한, d₂₀은 바람직하게는 200Å(20nm), 보다 바람직하게는 500Å(50nm)을 초과해야 할 것이다.

따라서, 본 발명에 따라 희토류-기재 조성물의 신규 용도가 완전해졌다.

본 발명은 과급기의 하류 측상에 위치한 여과기를 가지고, 또한 여과기 없이 사용될 수 있다.

본 발명은 특히 고속 디젤 엔진(저속 엔진과는 반대)에 잘 맞는다. 이 엔진은 주로 무거운 운송수단(예:트럭,모터,마차 등)과 가벼운 운송수단 등 지상 운송수단에서 사용된다. 고속 디젤 엔젠이란 표현은 최대 출력이 1500rpm 이상의 회전 속도에 도달하는 엔진을 의미한다.

구성 요소중 95중량%가 대기압하에 160℃ 이상, 유리하게는 180℃ 이상의 온도에서 증류될 수 있고, 구속 요소중 95중량%가 대기압하에 400℃, 바람직하게는 360℃에서 휘발성인 경유를 사용하여 최적 결과를 수득한다.

상기의 특정한 증류의 제한사항이 고려되는 조건하에서 높은 비율의 지방족 화합물을 가지는 경유를 사용하는 것보다 높은 비율의 방향족 화합물을 가지는 경유를 사용할 때 우수한 결과를 가져온다. 조성물은 콜로이드 용액, 용해된 상태, 탄화수소 희석액, 특히 연료와 경유를 포함하는 사용 조건하(특히 엔진 부위에서 상온)에서 액체 형태인 희토류 화합물인 경우가 매우 빈번하다.

따라서, 본 발명은 특히 두가지 유형의 연료에 관하여 유리하며, 즉 방향족 함량이 매우 높은 경우(방향족 유도체의 비율이 1/5 이상, 유리하게는 1/3 이상임)로, 그 이유는 본 발명이 상기 연료의 용도, 즉 본 발명이 이루어지지 아니하였다면 지나치게 분열된 침전물을 생산하게 되었을 용도를 허용할 것이기 때문이다.

또한, 파라핀 함량이 30% 이상인 소유 파라핀계 연료(즉, 상기의 혼합물)상에서의 효과가 가장 가시적이다. 이들 연료는 신규의, 보다 제한적인 기준을 준수하는 것을 포함하고 있다. 이러한 유형의 조성물에서, 방향족 물질의 비율(중량)이 최대 1/5, 유리하게는 1/10, 바람직하게는 1/20인 것이 바람직하다.

하기의 비-제한 실시예를 통해 본 발명을 기재한다.

[실시예]

두개의 엔진을 시험하였다.

사용한 엔진:하기의 명세서를 가지는 큐민(cummins) 엔진.

1. 엔진의 명세서

최대 토오크/출력 곡선에 도달하였다.

양 경우에 사진에서 보여진 바와 같이, 침전물은 흑색이 아니라 백색이며, 이는 본 발명에 따라 어떠한 희토류도 사용하지 않았을 때 발생한다. 정상적으로 높은 조성을 가진 흑색 그을음과 비교할 때 명백하다.

[세륨 부가물을 가지고 작동하였을 때 배출계 조건상에서의 기록]

간단한 본 보고서는 세륨 연료 부가물을 가지고 진행한 후 엔진 배출계 외관에 관한 관찰을 요약한 것이다. 두장의 사진은 이 보고서를 수반하고 있다. 각장은 서로 다른 유형의 엔진 조작후 배출조건을 보여준다. 따라서, 사진들이 서로 다른 외관을 가지는 이유를 이해하기 위해서는 각 사진의 엔진 작동 조건과 배출계의 외관을 연결시키는 것이 중요하다.

[엔진 A]

하기 조건은 엔진 A를 가지고 실시한 것을 요약한 것이다.

1) 엔진은 총 1000시간동안 내구성을 시험하였다.

2) 내구성 시험 조건은 110×110인 엔진속도×엔진 부하로 구성된다.

3) 세륨 부가물은 100중량ppm 농도에서 DPX-4형태이다.

4) 엔진은 트랩없이 실시하였고, 따라서 형성된 대부분의 세륨 산화물은 배출기관을 통해 배출되어, 과급기를 거쳐 배출관으로 가는 것으로 생각된다.

엔진 A의 사건을 참조하라. 이들은 500시간 위치에서 찍었고, 백-황색 침전층이 상당함을 보여주고 있다. 이러한 침전층은 세륨 산화물이라고 생각된다.

[엔진 B]

하기 조건은 엔진 B를 가지고 실시한 것을 요약한 것이다.

1) 엔진은 다양한 작동 조건 및 세륨 부가물 농도에서 총 2000시간동안 작동한 것이다.

2) 초기 500시간은 동일한 110×110 엔진 조건 및 DPX-4 100중량ppm 농도와 트랩 상태에서 작동한 것이다.

3) 사진은 110×110으로 작동한 250시간 이후를 찍은 것이다.(엔진 B사진 참조)

4) 엔진 조작중 높은 세륨 농도 및 승온결과, 트랩 플러깅이 발생하였다. 검사하는 동안 트랩을 제거하였을 때의 사진을 찍었다.

5) 과급기 상의 백색 침전물은 엔진 A의 경우에는 두꺼운 것이 아님을 주목하라. 그러나, 백색 침전물은 여전히 관찰될 수 있다.

이것은 엔진이 상기의 부가물없이 작동할 때 동일한 위치에서 볼 수 있는 것으로 기대되는 두꺼운 흑색 그을음 침전물과는 대조가 잘 된다.

[연료 분석]

엔진 A 테스트하는 동안 사용된 두개의 연료시료를 가지고 기본적인 연료 분석을 행하였다. 시료 EM-1649F은 부가물없이 행하였고, 시료 EM-1649A-F는 부가물을 가지고 행하였다.

그 결과는 다음과 같다.

Claims (5)

1. 과급기 장착 내연기관에 1종 이상의 희토류 화합물을 포함하는 연료를 공급하는 것을 특징으로 하는, 과급 장착 디젤 엔진 라인을 청결하게 유지하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 희토류 함량이 탄소-함유 연료에 대해 20ppm 내지 500ppm(중량으로 표시)인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 디젤 엔진이 1500rpm 이상의 회전속도에서 최대출력을 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 희토류 함량이 탄소-함유 연료에 대해 50ppm 내지 500ppm인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 희토류 함량이 탄소-함유 연료에 대해 100ppm 내지 500ppm인 것을 특징으로 하는 방법.