KR100525363B1 - 식물유래 바이오 에탄올 및 바이오 디젤 함유 내연기관용알콜계 연료조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관용 알콜계 연료 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하기 성분의 조합으로 이루어진다.

1) 1∼12 중량％의 톨루엔 및 자일렌을 제외한 방향족 탄화수소

2) 5∼45 중량％의 톨루엔

3) 3∼24 중량％의 자일렌

4) 2∼39 중량％의 에탄올

5) 1∼13 중량％의 이소프로판올

6) 1-12 중량％의 이소부탄올

7) 20∼59 중량％의 희석제

또한, 본 발명은 필요에 따라 상기 내연기관용 알콜계 연료 조성물의 연소시 발열량을 극대화시키기 위해 이소펜탄을 추가로 함유할 수 있고, 또한 내연기관의 부식을 방지하기 위하여 액체 연료에 통상적으로 첨가되는 부식방지제를 첨가제로 포함할 수도 있다.

본 발명에 따라 조성되는 내연기관용 알콜계 연료는 기존의 가솔린보다 대기오염을 현저히 줄이면서도 연료로서의 동력성능을 제고하여 경제성을 지닌 대체연료로서 유용한 것이다.

Description

식물유래 바이오 에탄올 및 바이오 디젤 함유 내연기관용 알콜계 연료조성물{Alcoholic Fuel Composition Containing Bio-ethanol and Bio-diesel Derived from Plants for Internal Combustion Engine}

본 발명은 내연기관용 알콜계 연료 조성물에 관한 것으로, 가솔린을 연료로 사용하는 가솔린 엔진 뿐만 아니라, 경유를 연료로 사용하는 디젤 엔진에도 적용가능한 대체연료로서의 내연기관용 알콜계 연료 조성물을 제공하기 위한 것이다.

70년대 오일쇼크를 계기로 석유자원의 고갈 문제가 대두되고, 화석연료에 의한 환경오염 문제가 전 세계의 관심사로 떠오르면서 세계는 지금 에너지 및 환경과 전쟁 중에 있다고 해도 과언이 아닌 시대가 되었다. 특히, 우리나라와 같이 석유자원이 없는 나라는 신재생에너지의 개발에 관심을 두지않을 수 없으며, 날로 강화되어 가는 국제적 환경규제의 흐름에 보조를 맞추기 위해서도 이제는 대체연료의 개발을 서두르지 아니할 수 없게 되었다.

그럼에도 불구하고 실제로 내연기관용 연료로서 가솔린을 널리 사용하고 있는 바, 가솔린을 연료로 사용하면 연소시 탄소산화물(COx), 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx) 등이 발생, 대기 중으로 방출되어 대기오염의 주범이 되고 있다.

상기 문제점을 극복하기 위하여 알콜이 대체연료로 주목받고 있는 바, 대체연료의 후보군으로서 메탄올은 천연가스, 석탄, 나무 등으로부터 공업적으로 제조할 수 있는 것으로 옥탄가가 101.5 정도로 높아 고압축비 엔진에 적합하며, 디젤 엔진을 기본으로 할 때는 연소 중 그을음을 발생하지 않고, 연료 성분 중 유황분이 없으므로 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)을 대폭 줄일 수 있다. 그러나, 메탄올 100％ 단독으로 기존의 가솔린 엔진에 적용시 동일 체적당 발열량이 가솔린의 반 정도에 지나지 아니하여 동일 거리 주행시 두 배의 연료탱크 용량이 필요하며, 디젤 엔진에 적용시 세탄가가 낮기 때문에 착화장치가 별도로 필요하고, 입증된 바는 없으나 가솔린 엔진의 부식에 대한 우려 등 기존 내연기관의 구조변경 없이는 적용하기가 곤란하다.

따라서, 대안으로 메탄올과 가솔린을 임의의 비율로 혼합한 연료를 사용할 수 있는 자동차의 개발을 생각할 수 있으나, 이는 대중적인 보급에 한계가 있을 수밖에 없는 실정이다. 그럼에도 불구하고 2005년 6월 중국 인민일보 인터넷 보도에 의하면 중국 정주시는 환경문제를 극복하기 위하여 도시 중심구역내 통행 차량에 대하여 10％의 메탄올을 함유한 가솔린을 연료로 사용하기로 결정함으로써 대체연료로서 메탄올의 매력을 버리지 못하고 있다.

더욱이 미국 웨스트 버지니아 대학의 연구에 따르면 내연기관의 대체연료 후보물질로 메탄올, 에탄올 및 바이오디젤에 대한 분석결과 메탄올이 가장 적은 양의 질소산화물 배출량을 기록하여 환경오염을 방지하는 측면에서 가장 높은 평가를 받은 것으로 드러났다. 그 다음으로는 에탄올, 바이오디젤 순인 것으로 평가되었다. (출처: West Virginia University, Science News Articles : 1997년 11월 13일)

그러나, 메탄올의 경우 환경문제의 해결이라는 장점 이외에 상기에서 언급한 내연기관용 연료로서의 단점이 지적되면서 에탄올에 대한 관심이 부각되고 있다. 실제로 에탄올은 공업용 이외에 식물에서 추출가능한 알콜연료로 메탄올과 유사하나 유독성이 적고 취급이 용이하여 기존의 내연기관을 크게 바꾸지 않고 사용가능한 장점이 있다. 현재 미국과 브라질 등에서는 가소홀(gasohol) 이라는 명칭으로 가솔린과 혼합하여 연료로 사용하는 경우가 있으나, 그 자체로는 착화성이 좋지 아니하여 동절기 사용이 어렵고, 식물에서 추출한 소위 바이오 에탄올을 사용하고 있어서 식물자원이 충분하지 아니한 지역에서는 그 사용에 한계가 있는 것이 사실이다.

한편, 곡물, 식물 등을 포함한 생물자원으로서 바이오매스를 가공하면 메탄올, 에탄올, 바이오디젤유 등의 액체연료를 얻을 수 있는 것이 알려져 있다. 바이오 에탄올은 바이오매스에 함유되어 있는 탄수화물을 당으로 변환한 다음 이것을 알콜 발효시켜서 얻는다. 사탕수수나 사탕무의 경우에는 직접 당을 추출하여 알콜 발효를 시킴으로써 얻는다. 또한, 바이오디젤은 자연에 존재하는 식물(유채씨, 해바라기씨, 대두 등)에서 유기적으로 추출된 기름이 에틸에스테르나 메틸에스테르 형성 촉매제로 알콜과 화합되는 과정을 통해 생성되는 것으로 알려져 있다.

특히, 유채는 겨잣과의 두해살이 식물로 보통 4월에 노란색 꽃을 피우며, 그 씨로는 기름을 짜서 식용으로 이용한다. 우리나라의 경우 3월에 제주도 성산포를 시작으로 4∼5월에 전국 각지에서 유채꽃 축제가 펼쳐질 정도이다.

따라서, 유채유를 이용하여 바이오디젤을 개발하고 이를 디젤기관의 대체연료로 사용할 수 있다면 우리나라 제주도 지역에 풍부한 유채를 원료유로 확보할 수 있을 뿐만 아니라, WTO 체제로 인한 농산물 개방 등 국제적 조화를 고려할 때 늘어나는 농촌 지역의 휴경지에 유채를 재배함으로써 기존의 관광자원 이외에 새로운 농가소득원으로서도 가치가 있을 것이다.

다만, 바이오디젤의 경우도 친환경 측면에서 대체연료로 충분한 가능성을 나타내고 있으며, 실제 유럽을 비롯한 선진국에서 사용되고 있으나, 이것 역시 100％ 바이오디젤을 연료화 하는 것보다 20∼30％ 정도의 바이오디젤을 첨가제 형태로 사용하거나, 자동차에 적용시 바이오디젤과 경유를 2대 8의 비율로 혼합하여 사용함으로써 여전히 기존의 경유에 대한 디젤 기관의 연료 의존도는 높다고 할 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 가솔린을 연료로 사용하는 가솔린 엔진 뿐만 아니라, 경유를 연료로 사용하는 디젤 엔진에도 적용가능한 대체연료로서의 내연기관용 알콜계 연료 조성물을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다. 즉, 가솔린 엔진에 있어서 에탄올을 알콜계 연료 조성물의 베이스 물질로 사용할 경우, 에탄올, 톨루엔, 자일렌, 톨루엔 및 자일렌 이외의 탄화수소계 방향족 화합물, 이소프로판올, 이소부탄올 및 희석제를 포함하는 내연기관용 알콜계 연료 조성물을 제공한다. 또한, 본 발명은 필요에 따라 상기 내연기관용 알콜계 연료 조성물의 연소시 발열량을 극대화시키기 위해 이소펜탄을 추가로 함유할 수 있고, 또한 내연기관의 부식을 방지하기 위하여 액체 연료에 통상적으로 첨가되는 부식방지제를 첨가제로 포함하여 내연기관용 알콜계 연료 조성물을 제공한다. 또한, 본 발명의 또 다른 목적은 디젤 엔진에 적용가능한 바이오디젤을 포함하는 알콜계 연료 조성물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 일종의 내연기관용 알콜계 연료 조성물을 제공하는 것으로, 기본적으로 하기와 같은 성분으로 조성되어 있다.

1) 1∼12 중량％의 톨루엔 및 자일렌을 제외한 방향족 탄화수소

2) 5∼45 중량％의 톨루엔

3) 3∼24 중량％의 자일렌

4) 2∼39 중량％의 에탄올

5) 1∼13 중량％의 이소프로판올

6) 1∼12 중량％의 이소부탄올

7) 20∼59 중량％의 희석제

본 발명의 "방향족 탄화수소" 는 통상적인 알킬 치환된 방향족 탄화수소 화합물을 가리킨다. 또한, 희석제는 이 영역에서 통상적으로 사용되는 희석제를 의미하며 대한민국 SK 주식회사에서 생산하는 에나멜 신너가 그 예이다. 본 발명의 내연기관용 알콜계 연료 조성물에서 각 조성 성분은 시장에서 판매하는 원료로 사용할 수 있다. 아주 많은 생산 공장이 제공해 주고 있다.

각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다. 톨루엔 및 자일렌을 제외한 방향족 탄화수소는 착화성을 향상시키기 위한 것으로, 그 함량이 1 중량％ 이하이면 높은 착화력을 기대하기 어렵고 12 중량％를 초과하면 연소시 발열량이 제한된다. 또한, 톨루엔 및 자일렌은 폭발력을 증진시키는 것으로 상기 함량의 범주를 벗어나면 연료의 연소과정에서 상당한 정도의 폭발력을 유지하기 곤란하다. 또한, 에탄올의 함량이 2 중량％ 이하이면 높은 옥탄가와 내연기관의 높은 압축비를 얻을 수 없다. 한편, 이소프로판올(이소프로필 알콜)은 본 발명의 주 연료원인 친수성 에탄올과 소수성 방향족 화합물과의 계면장력을 줄이고 서로 물리적 혼화성이 생기도록 계면활성제 역할을 하는 것이다. 또한, 이소부탄올(이소부틸 알콜)은 에탄올의 단점인 저온 시동성을 개선하기 위하여 함유되는 것으로 상기 함량의 범주 내에서 가장 양호한 저온 시동성을 유지할 수 있어서 한대지방에서도 연료로 사용가능하다. 또한, 희석제는 상기 연료 성분들을 원활하게 혼화시켜 사용시 불순물에 의한 내연기관에 부착된 노즐의 막힘현상 등을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 내연기관용 알콜계 연료 조성물에는 내연기관에서 연료의 연소시 발열량을 극대화시키기 위해 필요에 따라 임의적으로 상기 조성물의 전체 중량 기준으로 이소펜탄을 0.5∼10 중량％ 포함할 수 있다. 또한, 아직까지 명확하게 입증된 바는 없지만 알콜을 연료로 사용할 때 발생할 수도 있는 내연기관의 부식을 방지하기 위해 액체 연료에 통상적으로 첨가되는 부식방지제를 첨가제로 포함할 수 있다. 부식방지제는 공개된 문헌에 여러가지가 제시되어 있으므로 (예를 들어, 아미노 페놀 등 아민계 화합물, 폴리(하이드록시카르복실산)아미드 또는 에스테르 유도체 등) 적절하게 선택하여 포함하면 된다. 다만, 첨가되는 부식방지제의 함량은 0.5∼2 중량％가 바람직하며, 0.5 중량％ 이하이면 부식방지 효과가 미약하고 2 중량％ 이상이면 부식방지제를 포함하는 대체연료로서의 경제성에 문제가 생긴다.

한편, 본 발명의 내연기관용 알콜계 연료 조성물에 포함되는 에탄올은 순도 95％ 공업용 에탄올을 사용할 수 있다. 물론 에탄올의 순도가 높을수록 불완전 연소 및 엔진부식 또는 연소 후 노폐물 발생과 같은 우려를 최소화 할 수 있으나, 고순도의 에탄올은 단가가 높아서 첨가량에 따라 연료로서의 경제성에 민감한 영향을 미치므로 이는 상기 언급한 것처럼 부식방지제와 같은 첨가제를 연료 조성물에 추가하여 문제를 해결할 수 있을 것이다. 또한, 공업용 에탄올의 단점을 극복하기 위해 천연에서 추출한 바이오 에탄올을 사용할 수도 있다. 즉, 바이오매스에 함유되어 있는 탄수화물(옥수수, 돼지감자 등)을 당으로 변환한 다음 이것을 알콜 발효시켜서 얻거나, 사탕수수나 사탕무로부터 직접 당을 추출하여 알콜 발효를 시킴으로써 얻게 되는 기존의 바이오 에탄올 수득 공정으로부터 생산된 바이오 에탄올을 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 내연기관용 알콜계 연료 조성물을 디젤 기관의 연료로 사용하기 위하여 환경친화적인 상기 연료 조성물에 바이오 디젤을 추가로 함유할 수 있다. 즉, 자연에 존재하는 식물(유채씨, 해바라기씨, 대두 등)에서 유기적으로 추출한 기름을 에틸에스테르나 메틸에스테르 형성 촉매제로 알콜과 화합되는 과정을 통해 얻게 되는 기존의 바이오 디젤 수득 공정으로부터 생산된 바이오 디젤을 사용할 수 있다. 다만, 상기 조성물에 추가로 함유되는 바이오 디젤의 함량은 전체 조성물 중량을 기준으로 10∼20 중량％로 조절하는 것이 바람직하다. 바이오 디젤 함량이 10 중량％ 이하이면 기존 디젤 기관의 단점인 불완전연소를 해결하여 대기오염물질 배출을 감소시키는 효과를 거두기 어렵고, 그 함량이 20 중량％를 초과하면 응고 온도가 높아져 차의 오일 필터가 막힘으로써 엔진 동력이 저하되거나 엔진동력이 정지될 가능성도 배제할 수 없게 된다.

본 발명의 내연기관용 알콜계 연료 조성물은 바로 내연기관용 연료로 대체 할 수 있다. 내연기관 엔진에 사용된다. 또한 현재 사용되고 있는 내연기관용 연료와 예를 들면 휘발유와 디젤유를 혼합해서 사용가능하다. 이 구성은 본 발명에서의 또 다른 하나의 주제이다.

본 발명의 내연기관용 알콜계 연료 조성물은 대기오염 배출을 낮추고 연료 소모량을 감소시키고 엔진동력 성능을 향상시키는 장점을 가지고 있다. 그리하여 본 발명의 또 다른 방면은 내연기관의 폐기물 배출을 낮추는 방법과 관계가 있다. 그 중 단독적으로 혹은 이미 알고 있는 내연기관 연료와 본 발명의 내연기관용 알콜계 연료 조성물을 혼합하여 내연기관 연료로 사용한다.

하기에 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 묘사하여 본 발명을 한층 더 설명한다. 하지만 실시예는 결코 본 발명의 한정을 뜻하는 것은 아니다.

실시예 1 내연기관용 알콜계 연료 조성물 1의 제조

아래 조성에 따라 각 성분을 함께 혼합해서 본 발명의 내연기관용 알콜계 연료 조성물 1을 얻는다.

1) 4 중량％의 톨루엔 및 자일렌을 제외한 방향족 탄화수소

(상품명: Kocosol-100, 출처:대한민국 SK 주식회사)

2) 16 중량％의 톨루엔

3) 10 중량％의 자일렌

4) 13 중량％의 에탄올

5) 4 중량％의 이소프로판올

6) 2 중량％의 이소부탄올

7) 51 중량％의 희석제 (통상의 희석제, 출처:대한민국 SK 주식회사)

실시예 2 내연기관용 알콜계 연료 조성물 2의 제조

아래 조성에 따라 각 성분을 함께 혼합해서 본 발명의 내연기관용 알콜계 연료 조성물 2를 얻는다.

1) 4 중량％의 톨루엔 및 자일렌을 제외한 방향족 탄화수소

(상품명: Kocosol-100, 출처:대한민국 SK 주식회사)

2) 16 중량％의 톨루엔

3) 16 중량％의 자일렌

4) 13 중량％의 에탄올

5) 4 중량％의 이소프로판올

6) 2 중량％의 이소부탄올

7) 45 중량％의 희석제 (통상의 희석제, 출처:대한민국 SK 주식회사)

상기 실시예 1 및 2에서 얻어진 연료 조성물을 "중국 환경과학연구원 차량 배출 검사측정실' 에 보내서 오염물 배출, 연소경제성, 동력성능, 차량과속 운행시 차량의 잡음 실험 등을 진행한 결과, 기존의 에탄올 휘발유보다도 더 뛰어난 성능을 나타내었다. 즉, 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)의 배출량이 현저히 감소되었고, 전반적인 동력성능 및 연료효율도 상승된 것으로 나타났다.(자세한 실험평가 방법 및 결과치는 본 출원의 우선권주장의 기초가 되는 중국 특허출원 CN 2005-10003932.2에 기재된 것과 동일하므로 생략함)

본 발명의 내연기관용 알콜계 연료 조성물은 환경적 측면에서 내연기관의 연료로 적용시 기존의 가솔린 연료 및 디젤 연료에 비해 대기오염 물질의 생성 및 배출을 현저히 감소시키는 효과를 나타냈으며, 또한 에너지 측면에서도 내연기관의 연료로서 기존의 가솔린 연료 및 디젤 연료에 비해 우수한 동력성능을 나타내므로 고유가 시대에 경제성을 충족시키는 대체연료로 적용가능한 것이다.

Claims (9)

1. 하기 물질을 포함하는 내연기관용 알콜계 연료 조성물

   1) 1∼12 중량％의 톨루엔 및 자일렌을 제외한 방향족 탄화수소

   2) 5∼45 중량％의 톨루엔

   3) 3∼24 중량％의 자일렌

   4) 2∼39 중량％의 바이오 에탄올

   5) 1∼13 중량％의 이소프로판올

   6) 1∼12 중량％의 이소부탄올

   7) 20∼59 중량％의 희석제

   8) 0.5∼10 중량%의 이소펜탄
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 조성물 전체 중량을 기준으로 부식방지제 0.5∼2 중량％를 추가로 포함하는 내연기관용 알콜계 연료 조성물
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 바이오 에탄올은 옥수수, 돼지감자, 사탕수수 또는 사탕무로부터 선택된 어느 하나의 것으로부터 유래된 것임을 특징으로 하는 내연기관용 알콜계 연료 조성물
6. 제 1항에 있어서, 상기 조성물 전체 중량을 기준으로 바이오 디젤 10∼20 중량％를 추가로 포함하는 내연기관용 알콜계 연료 조성물
7. 제 6항에 있어서, 바이오 디젤은 식물유로부터 에틸에스테르나 메틸에스테르 형성 촉매제로 알콜과 화합되는 과정을 통해 얻게 되는 것임을 특징으로 하는 내연기관용 알콜계 연료 조성물
8. 제 7항에 있어서, 식물유는 유채씨, 해바라기씨 또는 대두로부터 선택된 어느 하나의 것으로부터 유래된 것임을 특징으로 하는 내연기관용 알콜계 연료 조성물
9. 제 1항 또는 제 3항 또는 제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 기재된 상기 조성물을 단독으로 또는 공지의 내연기관 연료와 혼합한 것을 특징으로 하는 내연기관용 대체연료