KR100245839B1 - 연소물질의 페로신 강화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 첨가제인 페로신의 공급을 증가시키기 위해서 연소엔진이나 연소장치의 연소실 내에 페로신으로 연소물질이나 연료를 강화시키는 방법에 관한 것이다.

상기의 목적을 위하여, 페로신의 승화특성이 이용된 것으로서, 이는 승화작용에 의하여 페로신을 연소가스 흐름이나 그 흐름의 일부에 도입시킴으로써 페로신과 고체상이나 액체상 또는 기체상으로 존재하는 연소물질의 연소에 의한 화학반응이 효율적으로 이루어지게 된다.

바람직한 적용분야로서, 디젤엔진의 연소실은 승화장치 내의 페로신 증기가 풍부한 수송가스 흐름과 디젤 탄소입자 여과장치가 설치된다.

Description

연소물질의 페로신 강화 방법

제1도는 본 발명에 의한 페로신 강화 방법을 나타낸 개략적인 도표.

제2도는 본 발명에 의한 페로신 강화 방법을 나타낸 또 다른 개략적인 도표.

제3도는 본 발명에 의한 페로신을 강화한 경우의 디젤엔진 탄소입자 여과장치에 대한 온도·압력 측정시험 도표.

제4도는 페로신을 강화하지 않은 경우의 디젤엔진 탄소입자 여과장치에 대한 온도·압력 측정시험 도표.

제5도는 페로신을 염료에 직접 강화한 경우와, 본 발명에 의한 흡입공기에 강화한 경우를 상호 대비한 옥탄가 증가도표이다.

본 발명은 공기 중의 산소 또는 산소를 함유한 기체를 이용한 연소효율을 향상시키기 위하여 연소물질이나 연료에 페로신(ferrocene)을 강화시키는 방법에 관한 것이다.

자동차 등의 엔진 작동 중 연소물질이나 연료의 소비량을 감소시키고, 탄소입자의 방출뿐만 아니라 연소물질의 방출량을 감소시키기 위하여, 액상의 탄화수소 연료에 첨가제를 혼합하는 방법이 출원 공개된 독일특허출원 DE-OS2502307호에 이미 제안되어 있다. 이들 탄화수소 연료 혼합물은 근본적으로 가솔린과 비스(n-씨클로펜타디에닐)철(이하, 페로신이라 함) 그룹의 유기-금속화합물 및 가솔린에 용해되는 페로신 유도체로 구성되어 있다.

또한, 배기가스를 배출하는 오토엔진에 있어서 배기가스의 방출과 더불어 연료소비량을 감소시키기 위하여, 촉매화 시키는 시스템 또는 가스를 연소시킨 후 배기시키는 방법이 이미 독일특허 DE 3801947호에 제안되어 있으며, 이는 1∼100ppm의 페로신을 첨가제로서 혼합한 액체연료를 사용하고 있다.

배기가스 흐름관 내에 입자여과장치가 장착된 디젤엔진의 작동 중에 허용될 수 없는 정도의 고 역압을 피하기 위하여, 촉매성 유효량인 5∼20,000ppm의 철화합물을 함유한 엔진용 강화 윤활유를 사용하는 방법이 역시 제안되어 있다. 독일특허 DE 3809307호에는 철 화합물로서 특히 페로신이 제안되어 있다.

선행 독일특허출원 P4129408호에는 액상연료에 페로신 고체를 직접 강화시키는 장치 및 방법이 제안되어 있는데, 상기 특허출원에서는 페로신을 가압하여 분쇄시킴으로써 페로신이 처방된 양 만큼 통제된 방법으로 액상연료에 첨가되어 진다.

상기의 방법은 사용된 첨가제(예컨데, 페로신 또는 페로신 유도체)의 용해성을 이용하여, 액상연료 또는 연소물질(예컨데, 연료)을 강화시키는 통상적인 방법이다.

이것은 직접 용해시켜 얻은 엔진용 윤활유의 강화방법이나, 엔진용 윤활유와 친화성이 있는 용매 내에서 농축용액을 얻은 후 상기 엔진용 윤활유에 첨가하여 강화시키는 방법에 있어서도 동일하다.

그러나, 상기의 농축용액의 제조는 필요한 첨가량과 혼합장치 및 그에 필요한 적절한 작동의 문제 때문에 번거롭고 가격이 비싸지게 된다. 또한, 페로신이나 그의 유도체가 첨가된 연료 또는 연소물질의 특성을 보장하기 위해서는 다른 추가적인 수단들이 요구된다. 또한, 이러한 방법은 엄격한 작동조건하에서만 강화 성능이 최적화 될 수 있다는 단점이 있다.

상기와 같은 단점을 극복하기 위하여, 본 발명의 목적은 페로신을 고체물질이나 용액으로서 연소물질, 연료 또는 윤활유에 사전 혼합시키지 않고, 엔진 또는 오일에 의한 가열장치의 연소실에 첨가제인 페로신을 투여시키는 개선된 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 수단은 다음과 같은 점에 특징이 있는데, 이는 페로신이 승화작용에 의해 유입 연소가스의 흐름이나 그 흐름의 일부로 이동되어, 고체상이나 액체상의 입자 또는 기체상으로 존재하는 연소물질에 합류되며, 연소되어 화학반응을 일으키게 된다. 따라서, 본 발명의 유용한 기술적 해결수단은 페로신의 승화성질을 이용하는 데 있는 것이다.

본 발명에 의한 방법은 적절한 페로신의 양이 제어수단에 의해 각종 엔진의 다른 작동조건에 대해서도 가장 바람직한 양으로 간단하게 조절될 수 있는 잇점이 있다.

페로신 결정으로 제조된 가압입자 또는 펠렛은 바람직하게 1∼10mm 정도의 크기를 갖고 있으며, 고체상과 연소가스의 수송가스흐름이나 수송가스의 일부에 의한 기체상이 존재하고 일정압력과 일정온도 하에 있는 승화장치 내에서 처리되어진다. 그 이후에, 페로신을 함유한 수송가스 흐름은 다시 연소실로 투입되어 진다.

페로신은 제조회사에 따라 황색-오렌지색을 띤 침봉(needles) 형상의 물질이다. 화학적·물리적 데이터는 다음과 같다.

문헌[Chemical Encyclopedia of Rompp, 제9판, 제2권, 제1330면]상으로는, 키이워드 '페로신'에 의할 때 페로신이 100℃ 이상에서 승화하는 것으로 기재되어 있다.

그러나, 100℃ 이하에서도 충분한 양의 페로신이 적절한 승화장치 내에서 수송가스의 흐름으로 빨려들어 흘러가는 사실이 놀라웁게도 발견되었다. 연소물질이나 연료를 공기중의 산소 또는 산소를 함유한 기체로 필요한 정도의 연소효율을 얻기 위하여, 페로신을 함유한 수송가스 흐름을 연소실로 주입시킬 때, 액상연료 자체에 강화시켜 얻은 효과와 동일하거나 그보다 더 나은 효과를 얻게된다.

기술적으로 제조된 1∼10mm 크기의 펠렛, 압착입자 또는 칩 형상의 페로신은 적절한 용기 형상의 승화장치에 투입될 수 있다. 페로신의 압착입자는 페로신 결정(순도 : 최소한 98.5 중량%)으로부터 다른 추가적인 결합제를 사용하지 않고 제조될 수 있는데, 이것은 에탄올과 같은 용매로 습윤화되어 결정 용액으로부터 수용되어지기 때문이다.

한편, 기술적으로 제조된 페로신은 사전에 압착시키지 않고서도 가열장치나 자동차 엔진의 연소공기용 여과 카트리지 또는 그와 유사한 여과기기와 같은 인입장치 내에서 사용될 수 있으며, 이때 상기의 인입장치에는 기체화 된 페로신이 통과하게 된다.

승화작용에 의해 수송가스 흐름으로 이동되는 페로신의 농도에 따라서, 수송가스 흐름의 기능을 수행하는 연소가스는 예열을 위하여 20∼175℃, 바람직하게는 50∼150℃의 온도로 제공되어 진다.

다른 추가적인 가열장치 없이, 상기의 승화장치는 엔진이나 가열장치의 버어너 근처의 공간에 설치될 수 있는데, 이 경우 외부온도가 -40℃ 내지 버어너 또는 엔진의 작동시에 열에 의한 150℃의 범위내이면 주위의 기계적 구조에 맞추어 설치 가능하다. 물론, 최초의 작동시에도 정상적인 작동조건에 일치할 정도의 조건을 유도하기 위하여 승화장치에 보조가열장치를 설치할 수도 있다.

수송가스 흐름의 압력에 의해 야기되는 승화장치내의 압력은 100mbar 내지 3bar 정도가 바람직하다.

수송가스의 양 뿐만 아니라, 승화장치의 구조적인 형상과 온도 및 압력조건은 페로신의 승화된 기체 양이 연소물질 또는 연료 1kg에 대해 0.1∼1000mg, 바람직하게는 1∼10mg이 되도록 선택될 수 있다.

작동 시의 바람직한 양태로서는, 수송가스 흐름을 20∼175℃, 바람직하게는 50∼150℃로 예열시키는 것이 좋다.

상기에 언급된 방법은 수송가스 흐름을 함유한 페로신을 디젤엔진의 연소실에 투입시키는 분야에 적용될 수 있다. 디젤엔진은 연소가스 내에 포함된 탄소입자를 제거하는 탄소입자 여과장치를 연소가스가 배출되는 곳에 설치할 수 있는 데, 이때 상기의 탄소입자는 이 기술분야의 통상 전문가에게는 매연으로 지칭되는 것으로서, 엔진 내에서 연소공기로 디젤연료를 불완전 연소시킴으로써 발생되는 것이다.

제1도는 본 발명에 의한 방법을 개략적으로 도시한 것으로서, 수송가스흐름이 흡입공기 라인으로부터 흘러 들어와서, 자동차 엔진에 결합되고 가압된 페로신 입자들이 충전되어 있는 승화장치로 직접 들어가도록 되어 있다.

이러한 배열방법에 있어서는, 승화장치가 디젤엔진에 흡입되는 연소공기의 여과장치 앞부분에 위치한다. 크랭크케이스 배출구(crank case venting)는 통상적으로 연소공기용 배출관으로 공기여과장치의 출구에 연결된다. 측정위치 1은 승화장치 내의 온도를 측정하는 위치를 나타내며, 측정위치 2는 탄소입자 여과장치 앞부분의 온도 및 압력을 측정하는 위치를 나타낸다.

페로신을 투입하는 또다른 실시양태는 제2도는 도시되어 있다.

제1도 및 제2도에 의하여 보다 상세하게 실시양태가 설명될 수 있는 바, 수송가스 흐름은 각각 흡입공기라인으로부터 직접 흘러 들어오거나 자동차 엔진에 설치된 크랭크 케이스 배출구로부터 흘러 들어온 후, 페로신 펠렛 등이 충전된 승화장치로 흘러 들어오며, 특정한 압력 및 온도 조건에서 페로신 기체가 상기의 수송가스 흐름으로 충분하게 이동되어지게 된다. 상기 승화장치로부터 수송가스 흐름을 함유한 페로신은 흡입공기 여과장치의 배출구 쪽에서 응축을 방지하는 흡입공기의 필요한 양과 함께 혼합되고, 그 후 엔진의 연소실로 들어가게 된다. 연료가 연소된 연소가스는 엔진의 출구쪽에서 탄소입자 여과장치와 소음기를 통과하여 외부로 배출되어 진다.

측정위치 1은 승화장치 내의 온도를 측정하는 위치를 나타내며, 측정위치 2는 연소가스가 탄소입자 여과장치에 들어가는 입구의 온도 및 압력을 측정하는 위치를 나타낸다.

상기와 같은 배열을 하여 얻은 결과, 즉 페로신 펠렛이 충전되어 있고 크랭크케이스 배출구가 결합되어 있는 승화장치를 사용하여 디젤엔진의 탄소입자 여과장치의 발화경향(burning off behaviour)에 관하여 20시간 이상의 장기간 시험한 결과를 다이아그램으로 도시하였다.

상기의 시험에 있어서, 디젤연료(청정)는 다음과 같은 독일공업규격(DIN)에 의한 것을 사용하였다.

시험기계는 크랭크케이스 배출구를 통한 연소공기로 작동시켰다. 사용된 윤활유는 자동차 기술협회의 SAE 15W40 등급에 속하는 것이었다.

시험기계(엔진)은 오펠사의 모델로서, 자유롭게 흡입되고 상기의 혼합연소방법에 의거 작동되는 공칭 54KW 출력의 2.3ltr 디젤엔진이었다.

상기의 엔진은 2000rmp에서, 그리고 28Nm 토오크의 부하(부분 부하) 조건에서 작동되었다. 상기 승화장치의 온도는 약 40℃이었다. 제3도는 다이아그램에서, 일점쇄선의 곡선은 디젤 탄소입자 여과장치 입구의 측정위치 2에서 측정된 온도 그래프이다. 톱니형상의 연속곡선은 디젤 탄소입자 여과장치 입구측의 압력조건을 나타낸다.

연소가스 중의 탄소입자가 상기의 여과장치에 부착되어 집적되기 때문에, 초기에는 작동시간이 약 7시간 될 때까지 압력이 약 80mbar에서 350mbar까지 증가하게 된다. 이때 디젤탄소입자 여과장치는 여과기 내에 직접된 매연입자를 재발화시키게 되고, 이로 인하여 압력은 약 50mbar로 낮아지게 된다. 그 후에는, 연소가스의 역압이 여과장치의 적용에 따라서 다시 한번 디젤엔진의 매연입자를 발화시키게 된다. 작동시간이 약 2∼3시간 지나 약 200mbar 내지 최대 350mbar의 압력이 얻어진 후, 동시적인 발화작용이 일어나서 전 작동시간을 통하여 일반적으로 허용될 수 있는 작동조건이 얻어지게 된다.

상기 제3도의 다이아그램과 비교하여, 제4도는 연소공기가 크랭크케이스 배출구를 통한 수송가스 흐름수단을 취하지 않은 단 하나의 차이점 이외에 동일한 조건하에서 실시한 디젤탄소입자 여과장치의 장시간 발화상태 측정시험 결과를 나타내고 있다. 이들 시험(배열)에서는 제2도의 승화장치를 사용하였으나, 페로신 펠렛은 사용하지 않았다.

상기 제4도에서, 일점쇄선의 곡선은 제2도와 일치하는 측정위치 2에서 측정한 온도를 나타낸다. 어 느누구나 온도가 약 190℃에서 약 280℃까지 비록 낮지만 연속적으로 증가한다는 사실을 알게 될 것이다. 연속된 실선은 제2도의 측정위치 2에서 측정한 연소가스의 역압이 거의 선형으로 증가함을 나타낸다. 약 18시간 시험한 후, 연소가스의 역압이 800mbar의 값에 도달하였으며, 이러한 상태에서 더 이상 정상적인 엔진작동이 불가능하여 시험은 중단되었다. 제2도에 의한 측정위치 2에서의 온도가 시험중단 시에 약 280℃에 도달했음에도 불구하고 디젤탄소입자 여과장치의 발화작용은 일어나지 않은 반면에, 본 발명의 페로신 강화방법에 의한 경우에는 제3도의 측정치와 같이 발화작용이 동일한 위치에서 약 220℃의 온도에서 일어났던 것이다.

상기와 같이 제안된 방법에 의하여, 본 발명의 목적은 유용한 방향으로 해결되었다. 왜냐하면 승화장치의 작동데이타에 따라 작동시킬 경우에, 페로신의 형상이 펠렛이든 다른 형상, 예컨대 가압입자 또는 결정분말이든 이것은 이 기술분야의 통상전문가에 의해 쉽게 선택될 수 있는 데, 페로신으로 액상 연소물질이나 연료의 연소효율을 강화시키는 효율은 보장되기 때문이다.

페로신이 혼합된 수송가스흐름을 연소실에 도입시키면 근본적으로 엔진내에서 연소특성을 향상시키게 되는데, 오토엔진이나 완켈엔진의 경우에는 배기가스의 후연소 (afterburning)용 후속촉매를 사용하거나 사용하지 않을 수 있으며, 이들 엔진은 시장에서 구입할 수 있는 연료로 작동되어진다. 특히, 엔진에서 노킹현상이 근본적으로 방지되어진다. 따라서, 발화점을 변경시킴으로써 엔진의 출력이 증가될 수 있으며, 동일한 출력으로 작동시키면 상기 물질의 영향으로 연료소비가 감소하게 된다.

본 발명에 의한 페로신의 강화방법으로 노킹현상을 제거하는 효율은 상기의 페로신이 연료에 용해된 상태에 비하여 보다 더 높다. 이와 관련된 데이터를 제5도에 비교하여 도시하였다.

본 발명의 방법에 의하여 엔진에 페로신을 주입시키면, 연소실 내의 잔류물을 감소시켜 연소실의 청정상태를 증가시키고, 실린더와 실린더헤드 내의 피스톤 및 피스톤 링 위에 피복되는 물질의 집적을 방지하게 된다. 후속촉매나 연소가스의 후연소를 시키지 않거나 마모 위험에 노출된 배기밸브 상의 유해한 물질을 감소시키지 않는 오토엔진의 경우에, 마모감소 물질로서 페로신을 첨가하면 배기밸브의 시이트에 효율성을 주게 된다.

디젤엔진의 경우에, 연소실 내의 연료의 연소시 첨가제로서 페로신을 첨가하게 되면, 탄소입자에 관련된 폴리씨클릭 방향족 탄화수소의 비율과 탄소입자의 방출을 감소시키는 효과가 있다.

본 발명의 방법에 의하여 페로신을 강화시킴으로써, 온도를 증가시키는 다른 기기 또는 상기 여과장치에 집적되는 탄소함유입자를 주기적으로 발화시키는 다른 기기를 추가적으로 설치하지 않고서도, 디젤엔진의 배기부분에 위치한 디젤 탄소입자 여과장치의 재생성능이 향상되어, 상기 여과장치의 뒷부분에서 바람직한 낮은 압력이 얻어질 수 있게 되는 것이다.

Claims (11)

1. 공기 중의 산소 또는 산소를 함유한 가스로 효율적인 연소성능을 얻기 위하여 연소물질 또는 연료를 페로신으로 강화시키는 방법에 있어서, 페로신 기체가 승화작용에 의해 온도가 20 내지 175℃ 범위인 연소가스의 흐름이나 그 흐름의 일부에 전달되어 흘러가고, 상기의 페로신 기체가 연소물질이나 연료와 함께 잘 분사되어 고체입자나 액체입자 또는 기체입자로 존재하며, 연소작용에 의해 화학반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 연소물질의 페로신 강화 방법.
2. 제1항에 있어서, 페로신 결정으로 제조된 가압입자 또는 펠렛이 승화장치 내에 충전되고, 상기 승화장치는 고체상과 온도가 20 내지 175℃ 범위인 연소가스의 수송가스 흐름이나 수송가스의 일부에 의한 기체상이 존재하고 일정압력 하에 있으며, 페로신 기체를 함유한 수송가스 흐름이 연소실로 주입되는 것을 특징으로 하는 연소물질의 페로신 강화 방법.
3. 제2항에 있어서, 페로신 기체를 함유한 수송가스 흐름이 디젤엔진의 연소실 안에 주입됨을 특징으로 하는 연소물질의 페로신 강화 방법.
4. 제2항에 있어서, 페로신 기체를 함유한 수소가스 흐름이 디젤 탄소입자 여과장치가 설치된 디젤엔진의 연소실 안에 주입됨을 특징으로 하는 연소물질의 페로신 강화 방법.
5. 제2항에 있어서, 페로신 기체를 함유한 수송가스 흐름이 완켈/오토 엔진의 연소실 안으로 주입됨을 특징으로 하는 연소물질의 페로신 강화 방법.
6. 제2항에 있어서, 페로신 기체를 함유한 수송가스 흐름이 연소 배기가스용 3가 촉매를 가진 완켈/오토엔진의 연소실 안으로 주입됨을 특징으로 하는 연소물질의 페로신 강화 방법.
7. 제2항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서, 수송가스 흐름이 크랭크케이스 배출라인을 통해 공급되며, 페로신의 가압입자로 충전되어 있고 자동차 엔진에 결합된 승화장치를 통해 주입됨을 특징으로 하는 연소물질의 페로신 강화 방법.
8. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서, 수송가스 흐름이 흡입공기라인으로부터 완전 또는 부분적으로 공급되며 페로신의 가압입자로 충전되고 자동차 엔진에 결합된 승화장치를 통해 주입됨을 특징으로하는 연소물질의 페로신 강화 방법.
9. 제2항에 있어서, 페로신의 가압입자가 용제로 적셔지고 결합제 또는 그 외의 것을 첨가하지 않은 최소한 순도 98.5 중량 퍼센트를 가진 페로신 결정으로부터 생성되며 상기 결정은 결정화 용액으로부터 생성됨을 특징으로 하는 연소물질의 페로신 강화 방법.
10. 제9항에 있어서, 페로신의 가압입자가 에탄올로 적신 페로신 결정으로부터 생성됨을 특징으로 하는 연소물질의 페로신 강화 방법.
11. 제2항에 있어서, 승화장치가 온도 -40℃에서 +150℃ 범위, 악력 100mbar에서 3bar 범위에서 작동되며, 연소물질 또는 연료 1kg당 0.1에서 1000mg 까지의 페로신의 증기량을 가짐을 특징으로 하는 연소물질의 페로신 강화 방법.