KR100254815B1

KR100254815B1 - 내마모성 향상형 디젤 엔진용 연료유

Info

Publication number: KR100254815B1
Application number: KR1019970064819A
Authority: KR
Inventors: 유성춘
Original assignee: 정몽규; 현대자동차주식회사
Priority date: 1997-11-29
Filing date: 1997-11-29
Publication date: 2000-05-01
Also published as: KR19990043777A

Abstract

본 발명은 유황 성분이 적게 함유된 경유에 각종 첨가제를 첨가하여 제조되는 연료유 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료유의 저유황화 추세로 인해 경유 중의 황 함량이 감소함에 따라 종래에 디젤 엔진의 섭동 부위의 내마모성을 유지하는 역할을 하던 황 성분의 역할을 대신하기 위한 내마모성을 향상시키는 첨가제를 함유하는 디젤 엔진용 연료유 조성물에 관한 것이다. 내마모성을 향상시키는 역할을 하는 첨가제가 함유된 본 발명의 연료유 조성물은 연료 펌프의 내마모성을 향상시키는 역할 뿐 아니라 첨가제가 함유된 경유의 마찰계수를 낮추어 펌프의 효율을 향상시킬 수 있고, 첨가제에 함유된 산소성분의 영향으로 연소성이 좋아지는 등 디젤 엔젠용 연료유로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

내마모성 향상형 디젤 엔진용 연료유

본 발명은 유황 성분이 적게 함유된 경유에 각종 첨가제를 첨가하여 제조되는 연료유 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료유의 저유황화 추세로 인해 경유 중의 황 함량이 감소함에 따라 종래에 디젤 엔진의 섭동 부위의 내마모성을 유지하는 역할을 하던 황 성분의 역할을 대신하기 위한 내마모성을 향상시키는 첨가제를 함유하는 디젤 엔진용 연료유 조성물에 관한 것이다.

경유 (디젤; diesel)를 연료로 사용하는 디젤 차량의 연료공급 장치 중 하나인 연료 펌프 (injection pump)는 경유에 의해서 섭동 부위의 윤활이 유지되도록 구성되어 있으며, 연료 펌프의 윤활성능은 주로 경유 중에 함유된 황 화합물 (sulfur compound)에 의해 영항을 받는다.

황 성분은 연료 펌프 섭동 부위에서 금속의 표면과 반응을 하여 윤활막을 형성함으로써 내마모성을 유지하는 역할을 하는데, 기존의 경유는 0.1 % 이상의 황 성분을 함유하고 있어 자체적으로 연료 펌프의 섭동 부위의 마모 특성을 유지할 수 있었으므로 별도의 첨가제 등을 첨가하지 않아도 문제가 없었다.

그러나 배기 가스에 의한 대기환경 오염을 개선하기 위하여 디젤 엔진에 사용하는 연료유인 경유 중에 함유되어 있는 황 성분을 낮추려는 움직임이 전세계적으로 추진되고 있으며, 그 예로 유럽, 미국, 일본 등 선진국에서는 경유 중의 황 성분을 0.05 % 이하로 낮춘 저유황 경유를 사용하도록 법규화하였고, 우리나라에서도 현재에는 황 함량을 0.1 % 이하로 규정하여 생산하고 있으나, 대기환경 보전법의 개정에 의해 1998 년 4 월 1 일부터 황 성분이 0.05 % 이하인 경유만을 자동차용 연료유로 사용하도록 법규화하였다.

경유 중의 황성분은 전술한 바와 같이 연료 펌프 섭동 부위의 마모특성을 향상시키는 특성을 가지고 있으나, 경유가 저유황화되면서 이와 같은 특성이 없어짐에 따라 윤활성이 부족하여 연료 펌프의 섭동 부분이 심하게 마모되거나 융착되는 현상 등이 발생하여 펌프의 성능저하, 엔진의 출력저하 및 연료소비량 증가에 의한 연비저하 등의 문제점이 발생하게 되었다.

이에 본 발명자들은 디젤 엔진의 내마모성을 향상시킬 수 있는 저유황 경유를 개발하고자 노력하여 오던 중, 연료 펌프 섭동부의 구성요소인 금속 표면과 반응을 하여 윤활막을 형성할 수 있는 첨가제를 경유에 첨가하면 윤활성이 향상된 저유황 경유를 제조할 수 있음을 알아 내어 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 연료 펌프 섭동 부위의 내마모성을 향상시킬 수 있는 디젤 엔진용 연료유 조성물을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 연료 펌프 섭동부의 구성요소인 금속 표면과 반응을 하여 윤활막을 형성할 수 있는 첨가제를 첨가하여 내마모성 및 극압성 등의 윤활성능을 가진 디젤 엔진용 저유황 연료유 조성물을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 유황 함량이 낮은 경유 사용에 의한 마모 특성을 향상시키기 위해 연료 펌프 섭동부의 구성요소인 금속 표면과 반응을 하여 적절한 윤활막을 형성할 수 있고, 기타 연소시 연소 특성을 향상시키면서 엔진의 성능을 저하시키지 않는 첨가제를 첨가하여 내마모성 및 극압성 등의 윤활성능을 가진 연료유를 제공한다.

우선, 본 발명에 사용되는 경유는 자동차용 연료유로 사용하는 것으로서, 수소화처리에 의하여 황성분을 제거하여 황성분이 0.05 % 이하인 저유황 경유를 사용한다.

상기 경유에 첨가하는 첨가제의 종류 및 함량은 ISO 에 규정한 HFRR (High Frequence Reciprocationg Rig) 시험 방법인 ISO/DIS 12156-1,3a 에 따라 시험을 하여 마모량이 460 ㎛ 이하가 되도록 한다.

첨가제는 경유와 균일하게 혼합되어 석출되지 않아야 하므로 구성성분이 유사한 계통인 탄화수소계 화합물로 이루어진 것이어야 하며, 연료유의 연소시 첨가제에 의해 효율이 저하되지 않도록 하기 위하여 발열량이 첨가제를 첨가하지 않은 경유와 대비하여 동등하거나 그 이상이어야 하고, 10 % 잔류 탄소량이 현규격의 기준 이내가 되는 것이어야 한다.

또한 첨가제를 첨가한 경유의 세탄가 및 저온 특성 등 기타 성상은 현 적용 규정인 MS 541-04 (경유-충전용)에 규정한 기준 이내가 되어야 한다.

따라서 본 발명에서는 상기와 같은 조건을 만족하는 첨가제로 ⅰ) 정제된 지방산 또는 ⅱ) 지방산과 알코올 화합물을 반응시킨 에스테르 화합물을 사용하는데, 이들 첨가제는 연료 펌프 섭동 부위의 금속 표면과 반응을 하여 윤활막을 형성할 수 있는 말단기가 반응성을 갖는 탄소, 수소 및 산소로 이루어진 화합물로서 경유에 혼합하여 사용한다.

상기 내마모성을 향상시키기 위한 첨가제는 경유에 대한 용해성을 높이기 위해 상온 이상의 온도에서 경유에 점차적으로 희석하여 10 % 이하의 농도로 하여 사용한다.

상기 내마모성을 향상시키기 위한 첨가제 중 지방산은 R₁이 C₃∼C₁₂인 R₁COOH 화합물로서, 이 지방산을 고도로 정제하여 40∼60 ℃ 의 온도에서 50 % 의 농도가 되도록 교반하면서 경유와 혼합하고, 이를 상온에서 동일한 경유에 희석하여 10 % 의 농도가 되도록 한 것을 사용한다.

상기 내마모성을 향상시키기 위한 첨가제 중 에스테르 화합물은 하기 반응식 1과 같이 정제된 지방산과 알코올 화합물을 에스테르화 반응을 시킨 후 수분을 제거하고, 상온에서 경유에 점진적으로 희석하여 10 % 의 농도가 되도록 한 것을 사용한다.

R₂COOH + R₃OH → R₂COOR₃+ H₂O

상기 반응식 1에서 R₂는 C₂∼C₈이고, R₃는 C₃∼C₇이다.

상기 내마모성을 향상시키기 위한 첨가제인 지방산 및 에스테르 화합물은 단독으로 사용하거나 혼합하여 사용할 수 있으며, 내마모제를 200 ppm 이상 첨가되면 잔류탄소분이 증가하게 되므로 내마모제의 사용량은 200 ppm 이하가 바람직하다.

기타 상기 내마모성을 향상시키기 위한 첨가제 외에 유동성 향상제, 소포제, 청정 분산제 및 방청제 등의 기타 첨가제는 기존의 경유에 첨가된 첨가제들과 동일한 것을 사용하여 타물성의 변화를 최소화하였다.

본 발명의 연료유 조성물은 황의 함량이 0.05 % 이하인 경유를 80∼100 부피% 로, 내마모제인 지방산 및 에스테르 화합물을 각각 40∼150 ppm 으로 단독 또는 혼합하여 사용하고, 기타 첨가제인 유동성 향상제를 0∼0.5 중량%, 소포제를 0∼0.10 중량%, 청정 분산제 0∼0.6 중량%, 방청제를 0∼0.6 중량% 로 함유한다.

이하 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일뿐 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

〈실시예 1〉

황 성분이 0.04 % 로 함유된 경유를 100 부피%, 첨가제로서 내마모제인 지방산을 100 ppm, 기타 첨가제인 유동성 향상제를 0.2 중량%, 소포제를 0.001 중량%, 청정 분산제를 0.1 중량%, 방청제 0.1 중량% 를 혼합한 다음 상온에서 10분간 교반하여 본 발명의 연료유 조성물을 제조하였다 (표 1 참조). 이 연료유 조성물의 마모량, 마찰계수, 필름두께, 세탄지수, 잔류탄소, 유동점, 부식성, 동점도, CFPP (Cold Filter Plugging Point) 등을 측정하여 그 실험결과를 하기 표 2에 나타내었다.

〈실시예 2〉

황 성분이 0.04 % 로 함유된 경유를 100 부피%, 첨가제로서 내마모제인 에스테르 화합물을 100 ppm, 기타 첨가제인 유동성 향상제를 0.2 중량%, 소포제를 0.001 중량%, 청정 분산제를 0.1 중량%, 방청제 0.1 중량% 를 혼합한 다음 상온에서 10분간 교반하여 본 발명의 연료유 조성물을 제조하였다 (표 1 참조). 이 연료유 조성물의 마모량, 마찰계수, 필름두께, 세탄지수, 잔류탄소, 유동점, 부식성, 동점도, CFPP 등을 측정하여 그 실험결과를 하기 표 2에 나타내었다.

〈실시예 3〉

황 성분이 0.04 % 로 함유된 경유를 100 부피%, 첨가제로서 내마모제인 지방산을 50 ppm, 에스테르 화합물을 50 ppm, 기타 첨가제인 유동성 향상제를 0.2 중량%, 소포제를 0.001 중량%, 청정 분산제를 0.1 중량%, 방청제 0.1 중량% 를 혼합한 다음 상온에서 10분간 교반하여 본 발명의 연료유 조성물을 제조하였다 (표 1 참조). 이 연료유 조성물의 마모량, 마찰계수, 필름두께, 세탄지수, 잔류탄소, 유동점, 부식성, 동점도, CFPP 등을 측정하여 그 실험결과를 하기 표 2에 나타내었다.

〈실시예 4〉

황 성분이 0.04 % 로 함유된 경유를 100 부피%, 첨가제로서 내마모제인 지방산을 100 ppm, 에스테르 화합물을 100 ppm, 기타 첨가제인 유동성 향상제를 0.2 중량%, 소포제를 0.001 중량%, 청정 분산제를 0.1 중량%, 방청제 0.1 중량% 를 혼합한 다음 상온에서 10분간 교반하여 본 발명의 연료유 조성물을 제조하였다 (표 1 참조). 이 연료유 조성물의 마모량, 마찰계수, 필름두께, 세탄지수, 잔류탄소, 유동점, 부식성, 동점도, CFPP 등을 측정하여 그 실험결과를 하기 표 2에 나타내었다.

비교예 1.

황 성분이 0.1 % 로 함유된 경유를 100 부피%, 내마모제는 첨가하지 않았으며, 기타 첨가제인 유동성 향상제를 0.2 중량%, 소포제를 0.001 중량%, 청정 분산제를 0.1 중량%, 방청제 0.1 중량% 를 혼합한 다음 상온에서 10분간 교반하여 비교 연료유 조성물을 제조하였다 (표 1 참조). 이 연료유 조성물의 마모량, 마찰계수, 필름두께, 세탄지수, 잔류탄소, 유동점, 부식성, 동점도, CFPP 등을 측정하여 그 실험결과를 하기 표 2에 나타내었다.

비교예 2.

황 성분이 0.08 % 로 함유된 경유를 100 부피%, 내마모제는 첨가하지 않았으며, 기타 첨가제인 유동성 향상제를 0.2 중량%, 소포제를 0.001 중량%, 청정 분산제를 0.1 중량%, 방청제 0.1 중량% 를 혼합한 다음 상온에서 10분간 교반하여 비교 연료유 조성물을 제조하였다 (표 1 참조). 이 연료유 조성물의 마모량, 마찰계수, 필름두께, 세탄지수, 잔류탄소, 유동점, 부식성, 동점도, CFPP 등을 측정하여 그 실험결과를 하기 표 2에 나타내었다.

비교예 3.

황 성분이 0.04 % 로 함유된 경유를 100 부피%, 내마모제는 첨가하지 않았으며, 기타 첨가제인 유동성 향상제를 0.2 중량%, 소포제를 0.001 중량%, 청정 분산제를 0.1 중량%, 방청제 0.1 중량% 를 혼합한 다음 상온에서 10분간 교반하여 비교 연료유 조성물을 제조하였다 (표 1 참조). 이 연료유 조성물의 마모량, 마찰계수, 필름두께, 세탄지수, 잔류탄소, 유동점, 부식성, 동점도, CFPP 등을 측정하여 그 실험결과를 하기 표 2에 나타내었다.

구 분	비교예 1	비교예 2	비교예 3	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
경유	0.1 % S	100	-	-	-	-	-	-
	0.08 % S	-	100	-	-	-	-	-
	0.04 % S	-	-	100	100	100	100	100
첨가제	내마모제	지방산	-	-	-	100	-	50	100
	내마모제	에스테르	-	-	-	-	100	50	100
	유동성 향상제	0.2 %	0.2 %	0.2 %	0.2 %	0.2 %	0.2 %	0.2 %
	소포제	0.001 %	0.001 %	0.001 %	0.001 %	0.001 %	0.001 %	0.001 %
	청정 분산제	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %
	방청제	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %	0.1 %

항 목	비교예 1	비교예 2	비교예 3	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
마모량(㎛)	410	425	565	325	380	350	280
마찰계수	0.09	0.10	0.12	0.07	0.08	0.07	0.06
필름두께(%)	20	15	8	45	40	40	58
세탄지수	52	52	53	53	53	53	55
잔류탄소(%)	0.06	0.06	0.06	0.05	0.05	0.04	0.08
유동점(℃)	-21	-22	-20	-19	-19	-20	-19
부식성	없음	없음	없음	없음	없음	없음	없음
동점도(cSt)	3.2	3.1	3.2	3.1	3.2	3.3	3.3
CEPP(℃)	-29	-30	-30	-29	-29	-30	-28

상기 실험결과에서 볼 수 있듯이, CEC (Co-ordinating European Council)에서 규정한 마모시험 결과 첨가제로서 내마모제를 함유한 저유황 경유의 내마모성이 내마모제를 함유하지 않은 비교예의 경유에 비해 향상되었음을 알 수 있다.

또한 내마모제가 함유된 경유의 마찰계수가 낮아 연료 펌프의 효율이 향상될 수 있으며, 내마모제가 많이 함유될수록 생성된 윤활막의 두께가 두꺼워져 부식성이 향상된다.

한편 전술한 바와 같이 내마모제를 200 ppm 이상 사용할 때 잔류탄소분이 증가하게 되므로 내마모제의 사용량은 200 ppm 이하가 바람직하다.

또한 내마모제에 함유된 산소 성분의 영향으로 연소성이 우수해질 수 있으며, 기타 타성상은 일반적인 경유의 특성과 동등하므로 연료유로서 사용할 때 문제가 되지 않는다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 내마모성을 향상시키는 첨가제를 함유하는 본 발명의 연료유 조성물은 연료 펌프의 내마모성을 향상시키는 역할을 할뿐만 아니라 첨가제가 함유된 경유의 마찰계수를 낮추어 펌프의 효율을 향상시키고, 첨가제에 함유된 산소성분의 영향으로 연소성도 좋게 하므로 향후 저유황 경유를 사용하는 디젤 엔진의 연료유로 유용하게 사용될 수 있다.

Claims

황의 함량이 0.05% 이하인 경유 80~100 부피%; 첨가제인 내마모제들로 R₁이 C₃~C₁₂인 R₁COOH 화합물을 고도로 정제하여 40~60℃의 온도에서 50%의 농도가 되도록 교반하면서 경유와 혼합하고, 이를 상온에서 동일한 경유에 희석하여 10%의 농도가 되도록 한 지방산 40~150 ppm 또는 상기 지방산과 하기 반응식 1과 같이 정제된 지방산과 알코올 화합물을 에스테르화 반응을 시킨 후 수분을 제거하고, 상온에서 경유에 점진적으로 희석하여 10%의 농도가 되도록 한 에스테르 화합물을 각각 40-150ppm; 및 기타 첨가제인 유동성 향상제를 0~0.5 중량%; 소포제를 0~0.10 중량%; 청정분산제 0~0.6 중량%; 및 방청제를 0~0.6 중량%; 함유하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 연료유 조성물.

[반응식 1]

R₂COOH + R₃OH → R₂COOR₃+ H₂O

상기 반응식 1에서 R₂는 C₂~C₈이고, R₃는 C₃~C₇이다.