KR0161305B1 - 연료 첨가제 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 케로신과 같은 파라핀 담체 중에 특정 지방족 아민과 지방족 알코올을 포함하는 연료용 첨가제가 개시된다. 이 첨가제는 연소 효율 및 연료 경제를 개선시키고, 연소 과정중에 형성된 오염물 및 부식의 양을 감소시킨다.

Description

연료 첨가제

제1도 및 2도는 고온 및 저온 시동에 대하여 각각 첨가제 연료 대순연료의 연료 효율을 비교한 도면이다.

제3도, 4도 및 5도는 탄화수소의 감소에 미치는 첨가제의 효과를 나타낸 도면이다.

제6도, 7도 및 8도는 첨가제로 처리된 연료 사용시 발생한 미립자의 양의 감소를 나타낸 도면이다.

제9도는 질소 산화물에 미치는 첨가제의 효과를 나타낸 도면이다.

제10도는 연속 연소실에서 수행한 삼산화황 시험의 결과를 도시한 도면이다.

제11도는 및 제12도는 여러 부하/속도 사이클에서 수행한 연료 첨가제의 효과를 나타낸 도면이다.

제13도는 SO₃억제에 미치는 연료 첨가제의 효과를 나타내는 도면이다.

제14도는 가장 유해한 조건에서의 부식 속도를 나타내는 도면이다.

본 발명은 연료 첨가제 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연소 시스템, 즉, 연속 연소 시스템(보일러, 로 등)과 내부 연소 시스템(비히클 등)의 효율을 증가시킬 수 있고, 이로써 연료 절감을 증대시킬 수 있으며, 연소 공정에서 형성된 유해한 오염물질의 양을 감소시킬 수 있고, 연료의 부식효과를 감소시킬 수 있으며, 엔진 소음과 조도(roughness)를 감소시킬 수 있는 연료 첨가제 조성물에 관한 것이다.

최근에 와서 화석연료의 연소로부터 보다 큰 연료 효율과 최대 오염 억제에 대한 필요성에 대해 경각심이 늘고 있다. 연료 첨가제는 오랫동안 연소 시스템에 사용하고자 하는 연료의 다양한 기능을 제공하기 위해 사용되어 왔고, 효과적인 정도가 다양한 것으로 입증되었다. 예를 들어, 카스파울(Kaspaul)은 미국 특허 제4,244,703호에서, 주로 내부 연소 엔진의 연료 절감을 개선하기 위해 연료 첨가제로서 알코올과 함께 디아민, 특히 3차 디아민의 사용을 기재하고 있다. 유사하게, 메트칼프(Metcalf)는 GB0990797호에서 담체 또는 용매 중의 포름알데히드 또는 중합체 포름알데히드, 결합된 아크릴계 에스테르 및 아크릴계 수지 용액, 메틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 프로판디아민 및 부틸-파라페닐렌 디아민을 포함하는 혼합물을, 주로 내부 연소 엔진의 연료 절감을 개선시키고자 연료 첨가제로서 사용하는 것에 대해 설명하고 있다. 나이트(knight)에 의해 GB2085468호에 기재된, 지방족아민과 지방족 알코올을 포함하는 연료 첨가제는 항공연료용 안개-방지(anti-misting) 첨가제로서 작용하는 한편, GB0870 725호에는 빙결방지(antiicing)제로서 N-알킬 치환된 알킬렌 디아민이 사용되는 것이 기재되어 있다. 이들 조성물들 중 소수만이 특허청구되거나 또는 실제로 연소효율을 높일 뿐이고, 완전히 성공적인 것으로 입증된 것은 없었다. 또한, 연료에 첨가되는 경우 연료 효율을 보다 크게 하고, 오염 억제를 최대로 하고, 연소 시스템에 미치는 연료의 효과를 감소시키는 연료 첨가제에 대한 요구를 성공적으로 충족시키는 공지된 조성물은 없었다.

연소 공정에서 형성된 유해한 오염물질의 양을 감소시킬 필요성은 크다. 완전연소시에, 탄화수소는 이산화탄소와 수증기를 형성한다. 그러나, 대부분의 연소 시스템에서 반응은 불완전하여 건강을 해치는 불연소된 탄화수소와 일산화탄소 형성을 유발한다. 더욱이, 검댕의 형태로 불연소된 탄소로서 입자들이 방출될 수 있다. 주된 연료 불순물인 황(S)은 산화되어 이산화황(SO₂)을 형성하고, 이 중 일부는 더 산화되어 삼산화황(SO₃)을 형성한다. 나아가, 연소 시스템의 고온영역에서 대기와 연료 결합된 질소가 질소 산화물, 주로 산화질소(NO) 및 이산화질소(NO₂)로 산화된다. 이러한 모든 산화물들은 유독성이거나 부식성이다. 연소영역에서 산화되는 경우 질소와 황은 NO, NO₂, SO₂및 SO₃를 형성한다. NO₂와 SO₃는 이들 산화물 중에서 가장 유해하다.

오염물질은 또한 연료의 불완전 연소에 의해서도 일어나며, 이들은 미립자로서, 즉, 탄화수소 및 일부 일산화탄소이다. 2가지 군의 오염물질의 양을 감소시키고자 하는 바람직한 목표는, 오염물질 형성의 상호 모순적인 성질로 인하여 달성하기가 매우 어렵다. 질소와 황 산화물은 고급의 보다 유해한 산화물로 더 산화되는 것을 방지하기 위하여 산소 또는, 보다 구체적으로는 원자산소의 소모를 필요로 한다; 미립자는 불연소된 연료를 완전 산화시킬 수 있도록 풍부량의 산소를 필요로 한다.

원자산소를 제거(mop up)할 수 있는 것은 어느 것이나 질소 및 황의 고급(higher) 산화물의 형성을 감소시킬 것이라고 여겨진다. 원자산소가 반응영역 내에서 SO₂의 SO₃로의 조기산화에 기여한다는 것은 잘 알려져 있다. 그러므로, 원자산소의 감소는 어느 것이나 SO₃및 NO₂의 감소시킬 것이다.

연소 동안 형성된 산화물은 생물계에 유해 효과를 가지며, 일반적인 대기 오염에 크게 기여한다. 예를 들어 일산화탄소는 두통, 구역질, 현기증, 근육함요, 및 화학적 무산소혈증으로 인한 사망을 유발한다. 발암물질인 포름알데히드는 눈과 상부 호흡기도의 자극, 및 신장손상을 수반하는 위장의 불편을 초래한다. 질소산화물은 기관지 염증, 현기증 및 두통을 유발한다. 황 산화물은 눈과 인후의 점막에 염증을 초래하며, 폐에 심각한 염증을 초래한다.

대기오염의 원인이 되는 것 이외에 연소 부산물, 특히 황(S), 나트륨(Na), 및 바나듐(V)은 연속 연소 시스템에서 발생하는 대부분의 부식에 원인이 된다. 이들 원소들은 부식 민감한 표면의 위쪽에서 불꽃에 다양한 화학적 변화를 일으킨다.

연소 동안, 모든 황은 산화되어 SO₂또는 SO₃를 형성한다. SO₃는 설비 및 엔진 부식의 관점에서 특히 중요하다. SO₃는 H₂O와 결합하여 기류중에 황산(H₂SO₄)을 형성하고, 공기 히터와 에코노마이저(economizer)의 보다 차가운 표면(100℃-200℃)상에서 응축되어 이들 부품에 심각한 부식을 유발할 수 있다. SO₃의 형성은 또한 고온 부식을 유발한다.

SO₃형성은 SO₂와 원자산소와의 반응으로 일어날 것이다. 산소원자는 과잉산소의 열적분해에 의해서, 또는 불꽃에 존재하는 여기된 CO₂*분자와의 충돌에 의한 과잉산소분자의 분해에 의해 형성된다:

CO + O → CO₂*

CO₂* + O₂→ CO₂+ 20

연속 연소 시스템 내에서의 다량의 연소가스의 체류 시간은 일반적으로, 그것의 평형수준, 즉 불꽃에 기원하여 존재하는 대부분의 SO₃에 도달하기 위한 SO₃농도에는 불충분하다. 전체적인 결과는 연소가스 중의 정상 상태의 SO₃농도가, 불꽃 내에 형성된 것과, 약간 그것보다 작기는 하지만 정상적으로 동일한 치수의 것이라는 것이다. 그러므로, 불꽃 중의 SO₃농도를 감소시키는 것이 필수적이다. 이를 달성하기 위하여 과잉 산소 농도가 최소화되어야 한다. 그러나, 산소의 감소는 또는 불완전한 연소 및 미립자 및 스모크 형성을 유발한다. 이러한 균형을 이루는 것은 대규모의 연속 연소 시스템에서는 매우 어려우며, 따라서 매연의 증가와 미립자 증가라는 불리함없이 SO₃형성을 감소시키는 연소 반응을 조작할 수 있는 연료 첨가제가 매우 요망된다.

황과 비교하여, 나트륨과 바나듐의 방식은 보다 복잡하다. 오일 중의 나트륨은 주로 NaCl 형태이며 연소중에 기화된다. 연소중에 바나듐은 VO 및 VO₂를 형성하며, 기류 중의 산소 수준에 따라, 고급 산화물들을 형성하는데, 이들 중에서 가장 유해한 것은 오산화바나듐(V₂O₅)이다. V₂O₅는 NaCl 및 NaOH와 반응하여 바나드산나트륨을 형성한다. 나트륨은 SO₂또는 SO₃및 O₂와 반응하여 Na₂SO₄를 형성한다.

이러한 응축된 화합물들은 모두 심한 부식 연소 및 연소시스템의 오염을 유발한다. 오염 및 부식 정도는 많은 변수에 좌우되며 연소 시스템내의 상이한 위치에서 상이한 정도로 일어난다.

오일연소에 의해 형성된 가장 중요한 오염물질 중 하나는 오일-회분이며, 이것은 SO₃의 존재하에 복잡하고 저융점의 바나딜 바나데이트, 예컨대 Na₂O.V₂O₄.5V₂O₅를 형성하며, 드물게는 5-나트륨-바나딜 1,11-바나데이트(5Na₂.V₂O₅.11V₂O₅)를 형성한다. 따라서, 고온 부식은 대부분의 보호성 금속산화물이 용융된 바나듐 염에 가용성이기 때문에 이들 물질의 융점을 초과하는 경우에 일어날 수 있다.

이러한 관찰은 부식을 최소화하기 위하여 여러 제안을 유도하였다. 공지된 기법들은 장점과 단점을 갖지만 상업적으로 시판할 수 있고 바람직하지 않은 부작용없이 최소화하는 연료 첨가제에 대한 요구를 충족시킬 수 있는 것은 아니다. 그러나, SO₃형성이 억제될 수 있다면, V₂O₅및 다른 유해한 부산물들도 자연히 최소화된다.

매우 신속하고 복잡한 연소 공정의 특성으로 인해 연료의 연소를 증강시키는 것과 같은 특징을 달성하기는 매우 어렵다는 것이 인지될 것이다. 따라서 연소 공정에 대해 수많은 이론들이 제시되었고, 이들 중 일부가 서로 대립되는 것은 놀라운 일이 아니다.

연소 공정은 구별되는 세 개의 영역, 즉, 예열 영역, 진(true) 반응 영역 및 재결합 영역으로 나누는 것이 편리하다. 대부분의 탄화수소들은 예열 영역에서 분해되고 그 영역을 이탈하는 연료 분획들은 대개 주로 저급 탄화수소, 올레핀 및 수소를 포함할 것이다. 반응 영역의 개시단계에서 라디칼 농도는 매우 높을 것이며 산화반응은 주로 CO와 OH로 진행될 것이다. CO가 연소과정 동안에 CO₂로 전환되는 메카니즘은 오랫동안 논쟁의 대상이 되어왔다. 그러나, 진반응 영역에서 핵종의 성질은 산화에 결정적인 것이라 믿어진다. 이 영역에서, CO, OH, NO 및 SO₂를 포함하는 많은 종들이 유용한 원자 산소에 대해 경쟁한다. 불꽃의 개시 단계에 존재하는 많은 전이핵종과 비교하여 CO, NO 및 SO₂의 농도는 높다. CO와 OH는 산소 라디칼과 쉽게 반응하여 CO₂및 H₂O를 형성하고, 이들의 산화반응은 불꽃의 개시단계에서 종결될 수 있다. 반응이 반응 영역이 시작되는 곳 가까이에서 개시된다면, 이것은 OH와 CO 핵종이 더 오랜 시간 동안 유용한 산소 라디칼과 반응하는 것을 가능하게 할 것이다. 이것은 반응 영역내의 핵종에 의해 소비되는 기간이 증가되며, 이에 따라 연소 반응이 더욱 완전하게 일어나는 것을 보장할 것이다.

이 이론으로부터 점화 지연 시간을 단축시키고, 따라서 반응을 초기에 개시시키고, 그러므로 OH와 CO가 더 오랜 시간 동안 반응하는 것을 가능하게 하는 첨가제가 발견될 수 있을 것임이 인지될 것이다. 그렇게 하는 과정에서 OH와 CO는 진반응 영역에서 유용한 원자산소에 대하여 SO₂와 NO에 경쟁한다.

본 발명의 연료 첨가제는 연료의 점화 지연을 감소시키고, 이로써 제공되는 연료가 연소되는 시스템의 연소 특성을 개선시킴으로써 연소 시스템의 작동 효율을 증가시킨다. 본 발명의 첨가제는 점화 과정을 개시시키고 빠르게 함으로써 연소 과정을 개선시키고, 이 결과 유해한 오염물질의 방출을 감소시키고, 연료 절감을 증대시키며, 시스템에 대한 부식 효과를 감소시키고, 내부 연소 시스템의 경우 엔진 소음 및 조도를 감소시킨다.

본 발명은 연소 시스템에서 화석 연료의 연소 과정을 개선시키는 연료 첨가제를 제공한다. 이들 첨가제의 특정 용도는 연소 효율을 증가시키고 연소 시스템, 즉, 연속 연소 시스템(보일러, 로 등) 및 내부 연소 시스템(비히클 등)으로부터 방출되는 유해한 오염물질을 감소시키는 것이다.

또 다른 특정 용도는 연소 시스템에 미치는 연소 부산물의 부식효과를 감소시키는 데 있다. 본 발명의 연료 첨가제는 연료의 점화 지연 시간을 단축시키고, 원자 산소와 결합하여 연소 시스템의 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 유해한 오염물질의 방출을 감소시킨다.

본 발명에 따르면 비점이 약 300℃ 이하인 파라핀 또는 파라핀 혼합물 중의 지방족 아민 및 지방족 알코올의 용액을 포함하는 연료 첨가제가 제공된다. 아민과 알코올은 파라핀 또는 파라핀 혼합물의 비점보다 낮은 비점을 갖는 것들로부터 선택된다.

본 발명의 연료 효율을 증가시키고 연소 반응의 유해 화합물을 감소시키기 위한 작용을 2가지 방식을 제공한다. 첫 번째 작용방식은 반응에 대한 점화 지연 시간을 단축시키고, 이로써 CO종이 원자산소와 반응하여 CO₂를 형성하기 위한 반응 체류 시간을 보다 길게 하는 것이다. 2번째 작용방식은 원자산소와 결합함으로써 임계 반응 영역에서 NO, SO₂종에 대한 이용가능성과 이들의 고급 산화물의 형성을 감소시키는 것이다. 이들 작용방식은, 원자산소와 반응함으로써 고온 불꽃 영역에서 그의 농도를 감소시키는 라디칼을 제공하기 위하여 불꽃 영역에서 본 발명의 첨가제를 분해시킴으로써 일어나는 것으로 여겨진다. 이 결과 SO₃및 NO₂이 덜 형성된다. 이러한 원자산소 농도의 감소는 연소에는 불리하지만 이것은 연소 시작을 보다 일찍 개시시킴으로써 극복된다. 그 결과로서, 불완전 연소의 생성물은 반응하여 산화된 종을 만드는 가능성이 더 커지게 된다. 이들 산화반응이 SO₂또는 NO의 산화보다 빠르기 때문에 상기 산화반응들이 연소의 초기단계에서는 더 우선적이다.

이하, 발명의 바람직한 구체예를 설명하기로 한다.

본 발명에 사용되는 지방족 아민은 일반적으로 모노아민 또는 디아민이며, 이들은 일반적으로 1차이거나 2차이다. 이들은 일반적으로 3 내지 8, 특히 3 내지 6개의 탄소원자들을 갖는다. 질소원자의 수는 보통 2를 초과하지 않을 것이다. 바람직한 아민은 2차 모노아민 및 1차 디아민이다. 특히 바람직한 2차 모노아민은 디이소부틸아민이지만 사용될 수 있는 다른 적당한 2차 모노아민들로는 이소프로필아민 및 3차 부틸아민이다. 이들 아민은 일반적으로 비점이 25 내지 80℃, 보다 바람직하게는 40 내지 60℃이나 이는 대체로 비점이 200℃ 이하, 바람직하게는 160℃ 이하인 케로신에 어느 정도 좌우될 것이다. 특히 바람직한 디아민은 1,3-디아미노프로판이다. 본 발명에 유용한 모노아민 또는 디아민들은 단독으로 연료 첨가제로서 사용될 수 있지만, 지방족 알코올과 혼합된 모노아민 또는 디아민이 바람직하다. 사용된 지방족 알코올은 대체로 5 내지 10, 바람직하게는 5 내지 8개의 탄소원자를 가질 것이다. 바람직한 물질로는 이소옥틸알코올이 있지만 저급 동족체도 있다.

아민과 알코올의 존재는 초기단계에 존재하는 원자산소에 영향을 미칠 것이며, 이에 따라 SO₂의 SO₃로의 전환에도 영향을 미칠 것으로 여겨진다. 놀랍게도, 질소 함유 화합물들의 존재는 일반적으로 예상했던 것처럼 질소 산화물(NO_x)의 방출을 증가시키지 않는다. 또한, 아민의 존재는 부식 감소를 도와주는 것으로 여겨진다.

지방족 아민/지방족 알코올 혼합물은 추가로 지방족 케톤과 혼합될 수 있다. 이것은 필수적이지는 않지만, 지방족 케톤의 첨가는 CO 형성 증대를 도와주고, 이로써 형성된 NO_x의 양을 감소시킨다. 이 목적을 위한 대표적인 케톤으로는 에틸 아밀 케톤 및 메틸 이소부틸 케톤이 있다.

지방족 아민, 지방족 알코올, 지방족 케톤의 혼합물도 추가로 파라핀계 담체와 혼합될 수 있다. 예컨대 디이젤 또는 스핀들 오일도 사용될 수 있지만 파라핀은 일반적으로 나머지 성분들에 대한 담체로서 작용하는 케로신일 것이다. 특히 n-헥산과 2,2,4 -트리메틸 펜탄을 첨가함으로써 케로신의 성질이 증강되는 것으로 밝혀져 있다. n-헥산의 존재는 연소실의 세정 및 왁싱(waxing) 감소에서 케로신의 용매 성질을 개선시킬 것이다. 물론 n-헵탄 및 3- 및 4-메틸헵탄을 포함하는 다른 파라핀도 사용될 수 있다.

일반적으로, 파라핀 성분은 제형의 40부피% 이하, 바람직하게는 60 내지 95부피%를 차지할 것이다. 케로신과는 별도로, 다른 파라핀의 첨가는 일반적으로 제형의 2.5 내지 20부피%, 바람직하게는 7 내지 15부피%를 차지한다. 아민은 대체로 제형의 2.5 내지 20부피%, 바람직하게는 7 내지 15부피%의 양으로 존재하는 한편, 알코올의 양은 대개 제형의 2.5 내지 20부피%, 바람직하게는 5 내지 10부피%이다. 모노아민의 양은 총부피의 1 내지 5%, 바람직하게는 2 내지 3%일 것이다. 케톤은 대체로 제형의 0 내지 7.5부피%, 바람직하게는 1 내지 5부피%, 보다 구체적으로는 3부피%의 양으로 존재할 것이다. 바람직한 제형은 파라핀으로서 n-헥산, 2,2,4-트리메틸 펜탄 및 케로신의 혼합물, 및/또는 아민으로서 디이소부틸 아민과 1,3-디아미노프로판의 혼합물 및/또는 알코올로서 이소옥틸 알코올, 및 임의의 케톤으로서 에틸 아밀 케톤을 포함한다. 특히 바람직한 제형이 하기 표 1에 기재되어 있다:

첨가제 자체 외에, 본 발명의 한 면은 첨가제를 함유하는 연료이다. 따라서, 첨가제는 공급기에 의해 포함되거나, 추후 단계, 예컨대 소매가 이루어지는 장소에서 포함될 패키지로 공급될 수 있다. 일반적으로 첨가제는 연료의 성질 및 바람직한 조건, 예컨대 부식 억제 조건에 따라 1:100 내지 1:10,000 및 바람직하게는 1:500 내지 1:2,000 부피부의 처리비로 사용될 것이다. 물론 첨가제가 보다 농축되어 이루어지는 경우(파라핀을 적게 사용하는 경우) 더 작은 처리비가 사용될 수 있다.

[실시예 1]

이 실시예에서, 표 1에 기재된 바람직한 제형을 가지는 연료 첨가제와 시판중인 디젤 연료를 1:1,000 부피부의 처리비로 혼합하고, 디젤엔진의 보증을 위하여 미합중국에서 사용되는 과정에 따라(Code of Federal Regulations 40, Part 86의 Appen dix 1 (f) (2) 참조) 수행한 엔진시험으로 순(neat) 시판용 디젤 연료와 비교하였다. 이들 시험은 미합중국에서 관찰된 실구동 패턴(real driving patterns)을 기초로 한다. 일산화탄소, 이산화탄소, 휘발성 탄화수소 및 질소산화물의 방출 속도는 전시험을 통해 연속적으로 1초 간격으로 기록하였다. 또한, 입자 덩어리 방출을 연속적으로 모니터하였고, 연료 효율을 또한 측정하였다. 선택된 과정은 특별히 비교 연구에 적절하였는데, 그 이유는 엔진이 우수한 반복성을 제공하는 컴퓨터 제어하에 작동하기 때문이다.

연료 첨가제 사용 및 비사용시 저온 시동으로부터 작동되고, 이후 연료 첨가제 사용 및 비사용시 고온 시동으로부터 작동되는 엔진에 대해 4가지 시험을 수행하였다. 황 삼산화물 시험은 연속 연소실에서 수행하였다.

시험의 요구조건에 일치하게 측정을 수행하였다. 기체상 방출은 다음과 같이 측정하였다:

(1) 총 탄화수소(THC)에 대한 불꽃 이온화 검출기(FID).

(2) NO/NO에 대한 화학발광성 분석기.

(3) CO에 대한 비분산성 적외선(NDIR) 기체 분석기.

(4) CO에 대한 비분산성 적외선(NDIR) 기체 분석기.

(5) 삼산화황에 대한 습식 화학적 적정방법.

시험을

(1) 볼보 TD 71 FS 엔진.

(2) 단일 기통의 4 사이클, 압축점화방식의 무공기 연료분사식 가아드너(Gardner) 오일엔진, 및

(3) 연속 연소실에서 수행하였다. 이 연소실은 디젤 연소 동력 발생기에서 일반화된 조건에 대해 모델화된 것이다.

시험하는 동안, 배기 방출 속도의 작동 변수(총 13변수)의 범위를 1초마다 기록하여 결과를 연속적으로 기록하였다. 시험이 20분간 지속되기 때문에 각 시험으로 많은 수의 데이터가 나왔다. 결과의 명백한 특징을 제공하기 위하여 데이터를 다양한 부하-속도 조건에서 제시하였다. 이는 요구되는 조건에서 첨가제의 효과의 측정을 가능하게 한다.

1. 효율시험

제1도 및 제도는 고온 및 저온 시동에 대하여 각각 첨가제 연료 대순연료의 연료 효율을 비교한 것이다. 이들 연료 값은 연료 첨가제 사용으로 얻어진 CO와 CO수준의 증가 탄화수소와 미립자 수준의 감소를 계산함으로써 얻어졌다. 계산은 이들 화합물들의 형성 엔탈피를 측정하고, 이 에너지를 연소시 에너지의 동일량을 공급하기 위해 요구되는 디젤의 양에 비교하는 것을 포함한다. 비록 이것이 실제의 연료 효율을 정확하게 나타내지는 못하지만, 연료 절감이 이루어질 수 있는지에 대한 표시는 제공해준다. 이것은 탄화수소 방출 또는 미립자의 감소는 어느 것이라도 그 자체로서 연소된 연료의 양의 증가와 이로써 최고 효율을 나타내는 것이기 때문에 타당한 가정이다. 상당한 연료 효율의 증가가 연료 첨가제를 사용함에 따라 나타났다. 이 증가는 첨가제가 연료와 막 혼합된 때 일어났고, 첨가제의 효과가 누적식인 경우 연료 효율의 증가는 여전히 더 일어날 것으로 예상된다. 기술적인 이론은 덜하지만, 엔진의 성능은 더 원활하고 더 조용한 것으로 들렸고, 이것은 가능한 유지비를 적게 들게 하면서 더 큰 효율과 더 긴 수명을 나타낸다. 비록 연료 효율의 변동이 일어나긴 하였지만, 전 사이클에 대한 전체 증가는 고온 시동의 경우 8%를, 저온 시동의 경우 5%를 초과하였다. 첨가제의 효과는 작동 조건 및 엔진 상태에 좌우될 것임이 분명하다.

2. 탄화수소

제3도, 4도 및 5도는 탄화수소의 감소에 미치는 첨가제의 효과를 나타낸다. 고온 주기표는 낮은 매질 속도 대 부하 및 중간 높은 매질 속도 대보다 큰 정화용 부하로 표시된 것이다. 첨가제는 명백하게 불연소된 탄화수소를 감소시킨다. 이것은 앞에서 알 수 있는 바와 같이, 연료효율이 증가되는 경우에 예상된 것이다. 불연소된 탄화수소의 감소는 연료의 이용가능성을 보다 크게 하고, 이에 따라 연료 효율이 보다 큼을 의미한다. 이러한 감소의 다른 유익한 측면은 환경의 개선에 있다. 불연소된 탄화수소는 발암성인 것으로 알려져 있고, 따라서 감소는 무엇이든지 바람직한 것이다.

3. 미립자

첨가제로 처리된 연료 사용시 다량의 미립자 감소가 발생하였다. 제6도, 7도 및 8도는 이들 결과를 나타낸다. -172Nm 및 -57Nm의 부하에 대해 제6도에 도시된 예외적인 커다란 감소가 매우 두드러지지만, 이는 정상적인 작동을 나타내는 듯 하지는 않다. 정상적인 작동 조건하에서는 감소는 20~30% 정도였다. 이 감소는 그 자체로도 아주 상당한 것이며 대기오염 감소에 크게 기여한다. 미립자 방출의 문제는 심각한 환경적 정책적 상황에 도달하게 되었고 따라서 유럽공동체와 미합중국은 이 오염물질의 감소를 위한 입법을 조인하여 통과시킬 예정에 이르게 되었다.

4. 질소 산화물

질소 산화물에 미치는 첨가제의 효과가 제9도에 도시되어 있다. 첨가제는 가벼운 부하 조건에서 가장 큰 효과(50%를 초과하여 감소함)를 나타내지만, 가장 높은 부하조건에서도 질소 산화물의 감소는 10%를 넘는다. 부하에 따른 이러한 감소는 높은 부하에서 불완전 연소의 결과이며, 이것은 또한 감소를 보이는 효율 그래프에서 반영된다. 그러나, 연소 영역에서 공기 연료비가 최적의 상태로 유지되는 경우(즉, 양호하게 관리된 엔진인 경우) 질소 산화물은 더욱 많이 감소될 것이며, 첨가제 사용에 따라 연료 효율도 더욱 커질 것이다. 그러므로, 첨가제가 장기간 사용되는 경우 첨가제의 세정 및 축적 효과가 유리한 결과를 가져올 것으로 여겨진다.

5. 삼산화황

삼산화황 시험을 연속 연소실에서 수행하였다. 그 결과는 제10도에 나타낸다. 공기-연료 비의 변동은 첨가제에 따른 백분율 감소의 변동을 초래하였다. 최적 조건에서 삼산화황의 감소는 30% 보다 컸다. 이러한 감소는 불꽃 영역에서 발생하는 경합성 원자반응에 기인하는 것으로 여겨진다. 즉, 첨가제는 실제로 삼산화황의 감소가 발생하도록 연소동역학에 영향을 미친다. 이러한 감소는 산업적인 연소 시스템에 유익한데, 그 이유는 소량의 황산이 이러한 시스템에 항상 존재하는 수증기로 형성될 것이기 때문이다.

[실시예 2]

연료 효율의 일반적인 시험에서 본 발명에 따라 얻어질 수 있는 개선점인 압축 점화 엔진을 사용하였다. 상기 표 1에 열거한 바람직한 제형을 갖는 연료 첨가제를 트럭, 밴 및 자동차용의 시판중인 디젤 연료와 1:1,000부피비의 처리비로 혼합하였다.

시험은 다양한 부하/속도 사이클로 수행하였다. 첨가제를 함유한 연료가 제11도 및 12도에 나타난 것처럼 더 큰 효율을 나타냈다. 이들 시험은 또한 첨가제를 사용한 연료인 경우에 엔진 소음이 감소하였고 보다 원활하게 엔진이 작동하였음을 나타냈다.

[실시예 3]

두 대의 시내버스에 대한 시험에서, 표 1에 열거한 바람직한 제형을 가지는 연료 첨가제와 시판중인 디젤 연료를 1:500 부피부의 처리비로 혼합하여 순수한 시판중인 디젤 연료와 비교하였다. 하기 표 2의 값들은 두 대의 버스로부터 얻어진 직접적인 평균값이다. 디젤만의 값과 연료 첨가제가 포함된 값은 4주기간에 걸쳐 얻었다.

[실시예 4]

이 실시예에서는 11대의 통상적인 버스에 대해 연료 효율 시험을 수행하였다. 표 1에 열거한 바람직한 제형을 가지는 연료 첨가제와 시판중인 디젤 연료를 1:500 부피부의 처리비로 혼합한 후 순수한 시판 디젤 연료와 비교하였다. 하기 표 3의 값들은 연료 효율 시험의 결과를 나타낸다.

[실시예 5]

이 실시예에서는, 본 발명의 연료 첨가제에 대한 부식 시험을 수행하였다. 이 실시예에서 사용한 연료는 표 1에서 열거한 바람직한 제형을 갖는 연료 첨가제와 시판 디젤 연료를 1:1,000 부피부의 처리비로 혼합한 혼합물이었다. SO억제에 미치는 본 연료 첨가제의 효과가 제13도에 도시되어 있다. 제13도는 부식률에 미치는 SO농도의 감소의 유익한 효과를 나타낸다. 이들 시험을 수행하는 동안 부식률은 40%까지 감소하였다. 제13도는 또한 황이 아닌 나트륨과 바나듐이 연료에 존재하는 경우 본 연료 첨가제의 효과를 나타낸 것이다. 첨가제는 부식률을 감소시킬 수 있다. 본 연료 첨가제는 나트륨과 바나듐의 유해한 효과를 억제하며 가장 유해한 산화물인 오산화바나듐의 형성을 최소화한다.

가장 유해한 조건에 의한 부식률이 제14도에 도시되어 있다. 본 발명의 연료 첨가제는 훨씬 더 낮은 수준에서도 부식률을 감소시키고, 이를 유지하는 것으로 나타났다.

Claims (22)

1. 제형의 1 내지 20부피%의, 디아민 및 디아민과 모노아민의 조합물로부터 선택된 3 내지 8개의 탄소원자를 갖는 하나 이상의 지방족 아민, 제형의 2.5 내지 20부피%의 5 내지 8개의 탄소원자를 갖는 하나 이상의 지방족 알코올, 및 비점이 300℃ 이하인 하나 이상의 파라핀의 용액을 포함하며, 연료 첨가제 제형에 있어서, 파라핀이 제형의 40부피% 이상의 양으로 존재하고, 지방족 아민과 지방족 알코올의 비점이 파라핀의 비점보다 낮음을 특징으로 하는 내부 연소 엔진용 연료 첨가제 제형.
2. 제1항에 있어서, 지방족 아민이 모노아민임을 특징으로 하는 연료 첨가제.
3. 제1항에 있어서, 지방족 아민이 1차 디아민임을 특징으로 하는 연료 첨가제.
4. 제2항에 있어서, 모노아민이 2차 모노아민임을 특징으로 하는 연료 첨가제.
5. 제4항에 있어서, 2차 모노아민이 디이소부틸 아민임을 특징으로 하는 연료 첨가제.
6. 제4항에 있어서, 2차 모노아민이 이소프로필 아민임을 특징으로 하는 연료 첨가제.
7. 제4항에 있어서, 2차 모노아민이 3차 부틸아민임을 특징으로 하는 연료 첨가제.
8. 제3항에 있어서, 1차 디아민이 1,3-디아미노프로판임을 특징으로 하는 연료 첨가제.
9. 제1항에 있어서, 지방족 알코올이 이소옥틸 알코올임을 특징으로 하는 연료 첨가제.
10. 제1항에 있어서, 지방족 케톤을 추가로 포함함을 특징으로 하는 연료 첨가제.
11. 제10항에 있어서, 지방족 케톤이 에틸 아밀 케톤임을 특징으로 하는 연료 첨가제.
12. 제10항에 있어서, 지방족 케톤이 메틸 이소부틸 케톤임을 특징으로 하는 연료 첨가제.
13. 제1항에 있어서, n-헥산을 추가로 포함함을 특징으로 하는 연료 첨가제.
14. 제1항에 있어서, 2,2,4-트리메틸 펜탄을 추가로 포함함을 특징으로 하는 연료 첨가제.
15. 제1항에 있어서, 파라핀이 파라핀 혼합물을 포함함을 특징으로 하는 연료 첨가제.
16. 제1항에 있어서, 파라핀이 케로신임을 특징으로 하는 연료 첨가제.
17. 제1항에 있어서, 지방족 아민이 제형의 7 내지 15부피%로 존재하고, 지방족 알코올이 제형의 5 내지 50부피%로 존재하며, 파라핀이 제형의 60 내지 95부피%로 존재함을 특징으로 하는 연료 첨가제.
18. 제형의 6 내지 8부피%로 존재하는 n-헥산, 제형의 1.5 내지 4부피%로 존재하는 디이소부틸아민, 제형의 1 내지 3.5부피%로 존재하는 에틸 아밀 케톤, 제형의 2 내지 4부피%로 존재하는 2,2,4-트리메틸 펜탄, 제형의 6 내지 8부피%로 존재하는 이소옥틸 알코올, 제형의 6 내지 8부피%로 존재하는 1,3-디아미노프로판, 및 제형의 65 내지 75부피%로 존재하는 케로신의 용액을 포함하는 연료 첨가제.
19. 제1항 내지 18항 중 어느 한 항에 따른 소량의 연료 첨가제와 다량의 디젤 연료를 포함하는, 연소 시스템용 연료.
20. 제19항에 있어서, 연료 첨가제 대 디젤연료의 비가 제형이 1:500 내지 1:2,000 부피부임을 특징으로 하는 연료.
21. 모노아민, 지방족 알코올 및 파라핀의 용액을 포함하는 연료 첨가제를 포함하는 연료 조성물로 연소 시스템을 작동시키는 단계를 포함하여, 연소 효율 및 연료 절감을 개선시키고, 연소 시스템의 연소 과정에서 형성되는 유해한 오염물질의 양을 감소시키는 방법.
22. 제21항에 있어서, 모노아민이 디이소부틸아민, 이소프로필아민 및 3차 부틸아민으로 이루어지는 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.