KR100558969B1 - 디젤엔진용 혼합식 ｄｍｅ 기상연료공급시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤엔진에 대한 대체연료로서 현재 활발히 연구개발이 추진되고 있는 DME(Dimethyl Ether)를 기존 디젤엔진에 적용하기 위하여, 기존 디젤엔진 연료인 경유를 대체하여 DME연료를 사용하는 경우에 두 연료의 물성 차이로 인하여 그 적용이 어렵기 때문에 DME연료를 디젤엔진에 용이하게 적용하기 위하여 연소용 공기와 저압의 DME기상연료(氣相燃料)를 혼합하여 사용하는 디젤엔진용 혼합식 DME 기상연료공급시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른 혼합식 DME 기상연료공급시스템은 디젤엔진의 연료공급시스템에 있어서, 경유 연료탱크(1)로부터 고압의 연료분사펌프(2)를 거쳐 인젝터(3)에서 분사되는 기존의 직접분사식 경유 연료공급시스템에 부가하여, DME 연료탱크(4)로부터 차단밸브(Shut-off valve, 5)를 거쳐 감압기구인 기화 및 압력조절기(Vaporizer/Regulator,6)에서 기화되어 연료의 공급압력이 대기압 정도의 낮은 압력으로 조절된 후에 DME믹서(7)로 기체상(氣體相)의 DME연료를 공급하고, 별도의 공기흡입관(A)으로 공기필터(8)를 거쳐 공기연료믹서(7)로 흡입공기를 도입하고, 공기연료믹서(7)는 흡입공기의 량에 비례하여 공급되는 DME 기체연료를 제어하면서 흡입공기와 기체상인 DME연료를 혼합하여 저압상태로 흡기포트를 통하여 디젤엔진의 실린더에 공급하도록 하거나, 본 발명은 기존 디젤엔진의 연료공급시스템{(1)∼(3)}을 제거하고 혼합식 DME 기상연료공급시스템{(4)∼(7)}만을 사용할 수 있도록 한 것이다.

Description

디젤엔진용 혼합식 ＤＭＥ 기상연료공급시스템 {Mixer Type DME(Dimethyl Ether) Fuel Supply System for Diesel Engine Operated with DME}

도 1 은 본 발명에 따른 혼합식 DME 기상연료공급시스템의 개략적 구성도

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

1 : 경유 연료탱크 2 : 연료분사펌프

3 : 인젝터 4 : DME 연료탱크

5 : 차단밸브 6 : 기화 및 압력조절기

7 : 연료공기믹서기 8 : 공기필터

I : 실린더의 흡기포트

본 발명은 디젤엔진에 대한 대체연료로서 현재 활발히 연구개발이 추진되고 있는 디메틸 에테르(Dimethyl Ether; 이하 DME라함.)를 기존 디젤엔진에 적용하기 위하여, 기존 디젤엔진 연료인 경유대신에 DME연료를 사용하는 경우에 일부 물성의 커다란 차이로 인하여 적용이 어렵기 때문에, DME연료를 보다 용이하게 적용하기 위하여 연소용 공기와 저압의 DME기상연료(氣相燃料)를 혼합하여 사용하는 디젤엔진용 혼합식 DME 기상연료공급시스템에 관한 것이다.

에너지의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라로서는 한정된 에너지 자원의 효율적이용은 매우 중요한 과제이고, 범지구적으로도 지구환경보전과도 직결되는 문제이다. 따라서 철강 석유화학공업 등 각종 산업체에서 발생되는 부생가스의 활용 및 폐플라스틱 등 도시폐기물로부터 합성가스 제조 등이 최근 활발하게 논의되고 있는 실정이다.

역사적으로 볼 때, 1970년대의 석유위기 이후 석유 의존도를 줄이기 위해서 석탄계 합성가스를 원료로 한 C1 화학기술이 크게 대두된 바 있으며, 최근에도 공정개선을 위한 노력이 꾸준히 이어져, 관련 논문이나 특허만 해도 아주 방대한 양에 이르고 있다.

합성가스는 중요한 C1 화학원료로서, 천연가스, 석탄뿐 아니라 바이오매스, 도시폐기물 등의 가연성 에너지원을 개질 또는 기화하여 얻을 수 있고, 각종 산업의 부생가스로도 만들 수 있다. 또한 이를 이용한 C1 화학의 주요 합성 대상물로서 디메틸에테르(dimethyl ether, 이하 DME라 함)는 메탄올과 함께 오래 전부터 연구되어 왔으나, 최근에는 휘발유나 경유를 대체할 수 있는 새로운 자동차용 연료로서, 그리고 LPG에 대신할 가정용 연료 또는 발전용 연료로서 주목을 받고 있다.

DME는 올레핀 생산, MTG(methanol to gasolin) 가솔린, 스프레이의 분사추진 체, 메틸아세테이트 합성 등의 용도가 지금까지의 주된 용도였다. 그러나, 현재 DME는 스프레이, 냉매용 뿐만 아니라, 디젤기관용 청정 연료나, 액화석유가스(LPG)를 대신한 가정용 연료, 발전용 연료로서 주목을 받고 있는 화합물로서 메틸에테르라고도 한다. DME는 메탄올과 황산을 가열하면 생기는데, 공업적으로는 촉매로 인산알루미늄 등을 사용하여 메탄올을 탈수하여 제조한다.

이러한 DME는 미개발 천연 가스나 석탄을 저장이 가능하고 운송이 간편한 환경 친화적인 에너지로 전환하는 기술로 일본의 NKK사 등에서 개발되어 있다(미국특허 제5,466,720호, 제5,389,689호, 제5,218,003호 등). DME는 저장 및 운송이 LPG 조건과 유사하여 LNG(Liquified Natural Gas) 대비 경제성이 있을 것으로 예상하여 미래의 에너지로 생산하는 각종 기술들이 개발되고 있다. DME는 세탄가가 55∼60 수준으로 일반 경유 보다도 높아 디젤 엔진의 연료로 사용하여 환경 오염도 줄이고 고갈되는 석유를 대체할 새로운 에너지로 이용하려는 노력이 진행되고 있다(미국특허 제6,147,125호).

DME 사용을 위해서 압축착화식 디젤 차량을 개조하는 여러 가지 노력이 진행되고 있으며 DME를 100% 사용하거나 경유와 병행하여 사용하려는 노력이 진행되고 있다(한국에너지기술연구소, 1998년). DME는 디젤엔진의 연료로서 ① 세탄가(약 60)가 높기 때문에 디젤사이클 운전이 가능하여, 디젤엔진과 같은 수준의 에너지소비효율과 이산화탄소 배출량을 얻을 수 있고, ② 함산소연료(약 34.8wt%)이기 때문에, PM(입자상물질)의 발생이 극히 적으며, ③ EGR을 적용하여 저NOx 및 저PM의 동시실현이 가능하고, ④ LPG와 마찬가지로 약 5기압정도에서 상온 액화가 가능하기 때문에, 유사한 취급이 가능하여 현행 LPG 차량의 연료용기나 연료공급인프라 등을 대부분 준용할 수 있는 여러 장점이 있으며, 최근에 낮은 가격으로 DME를 제조할 수 있는 직접 합성반응기술이 개발됨에 따라서 앞으로는 DME가 디젤엔진의 대체연료로서 각광을 받을 것을 전망된다.

한편, 디젤엔진은 가솔린엔진보다 에너지 소비효율이 우수하고, 지구 온난화 가스인 이산화탄소의 배출이 적은 장점이 있으나, PM(입자상 물질)과 NOx의 배출량이 많은 단점이 있다. 이에, 디젤엔진의 저공해 대체연료로서 천연가스의 적용이 활발히 추진되고 있으나, 천연가스 전소엔진은 세탄가가 낮아서 오토싸이클(Otto Cycle) 엔진으로 개조해야하기 때문에, 디젤엔진에 비해 에너지 소비효율이 감소하고, 연료자체의 에너지밀도가 낮아 운행거리가 크게 감소하며, 연료공급인프라를 새로이 구축해야 하는 등 많은 문제점이 있다.

DME를 디젤엔진에 그대로 적용하면, PM은 크게 저하하나, NOx는 거의 비슷한 수준으로 배출된다. 한편, DME엔진의 배출가스에는 다량의 산소가 포함되기 때문에 가솔린엔진에 사용되는 촉매는 사용이 어려우므로, DME 엔진에 적합한 촉매컨버터의 개발도 요망된다. 또한, DME는 연소시에 흑연을 발생하지 않아서 흡배기밸브의 마모증가가 예상되며, 연소생성물에 수분의 함량이 많기 때문에 배기계의 부식도 예상된다, 또한, 실린더라이너나 축베어링의 부식·마모 등 엔진의 신뢰성에 관한 문제가 예상되므로, 이를 향상시킬 수 있는 기술을 확보할 필요가 있다.

또한, DME를 자동차용 연료로서 사용하는 경우에는, 에어졸에서 사용하고 있는 순도 99.9% 보다는 DME의 제조과정에서 발생하는 불순물, 물, 메탄올 등을 정제 하지 않고 어느 정도까지 혼입하여 사용하는 방법도 고려할 수 있다. 그러나, 메탄올과 물이 혼입되면, 부식이나 배출가스의 측면에서 영향이 있을 것도 예상된다.

DME는 세탄가가 높기 때문에 압축착화에 의한 디젤사이클 운전이 가능하여 디젤기관과 동일한 수준의 열효율과 이산화탄소 배출량을 얻을 수 있고, 함산소연료이기 때문에 디젤엔진에서 문제시되고 있는 PM(입자상물질)을 거의 배출하지 않는 커다란 장점을 가지고 있다. 특히 최근에 천연가스나 석탄 등으로부터 직접합성법에 의한 저가 제조기술이 개발됨에 따라서 값싸게 제조가 가능할 것으로 평가되고 있는 연료로서, 앞으로 디젤기관의 저공해 대체연료로서 유망시되고있다. 또한 LPG와 유사하게 낮은 압력으로(약 5bar) 상온에서 액화가 가능하기 때문에 차량탑재가 용이하다.

그러나, DME는 경유에 비해 점도가 낮기 때문에 현행 디젤엔진의 분사시스템에 적용하는 경우에, 고압의 연료분사계 등에서 연료누수 발생가능성이 높고, 또한 경유에 비해 탄성계수가 아주 작고 압축성이 높기 때문에 압력 및 온도변화에 대해 적정한 연료분사량의 확보가 어려운 문제점이 있어서, 낮은 분사압력의 분사계 채택이 바람직하다.

디젤엔진에 대한 현재의 DME 적용방식은 고압 연료분사펌프를 사용하여 실린더헤드에 설치된 분사노즐로 고압의 연료를 실린더에 직접분사하는 기존의 연료공급시스템을 개조하여 실용화 하고자 하는 방식이나, DME 연료를 고압으로 분사(200bar 이상)하는데에 따른 연료누수, 높은 압축성에 따른 적정 연료분사량 확보, 리턴연료의 처리 문제 등의 어려움에 직면해있고, 이를 해결하기 위해서는 DME연료시스템이 복잡해지고 가격도 크게 상승하는 문제가 있다.

본 발명은 기존의 디젤엔진에서 사용하는 고압의 연료분사펌프에 의한 경유 연료공급시스템을 그대로 사용하면서, DME는 기화(氣化)시켜 공급하는 별도의 저압방식인 믹서방식에 의한 연료공급시스템을 사용하여 흡기관에 연결 배관되어 설치된 공기연료믹서기를 통해 공기와 기체상의 DME연료를 혼합한 저압연료를 공급하는 DME연료공급시스템인데, 경유연료와 병행하여 사용하거나, 또는 경유 연료공급시스템은 사용하지 않고 저압방식인 혼합방식에 의한 DME 기상연료공급시스템만을 사용하거나, 필요에 따라서는 경유만에 의해 운전이 가능케 하고자 한다.

이하 본 발명에 따른 디젤엔진용 혼합식 DME 기상연료공급시스템을 첨부도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 디젤엔진용 혼합식 DME 기상연료공급시스템의 구성도이다.

본 발명에 따른 디젤엔진적용 혼합식 DME 기상연료공급시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 기존의 디젤 연료공급시스템인 디젤연료탱크(1)와 연료펌프(2)와 인젝터(3)가 구비되고 상기 장치 사이를 연료가 유통되는 송유관이 배관되는데 상기 디젤연료탱크(1)와 연료펌프(2) 및 인젝터(3)를 연결하여 엔진에 연료를 공급하는 제1연료공급관(P1)과 상기 인젝터(3)와 디젤연료탱크(1)를 연결하여 과잉공급된 연료를 회수하는 연료회수관(R1)이 구비되고, 여기에 본 발명의 특징인 기체상(氣體相)의 DME연료를 공급하는 시스템이 실린더의 흡기포트(I)에 부가되어 구성된다. 즉 DME연료탱크(4)와 차단벨브(5)와 기화(氣化) 및 압력조절기(6)와 연료공기믹서기(7) 및 공기필터(8)가 구비되어 부가 배설되는데, 상기 DME 연료탱크(4)와 차단밸브(5)와 기화 및 압력조절기(6) 및 연료공기믹서기(7)는 제2연료공급관(P2)으로 상기 순서로 배관 연결되고, 공기필터(8)와 연료공기믹서기(7)는 별도의 배관인 공기흡입관(A)에 연결되며, 이렇게 제2연료공급관(P2)과 공기흡입관(A)이 배관된 연료공기믹서기(7)는 공급된 공기와 기화된 DME연료를 혼합하여 혼합기체상태로 디젤엔진(E)의 흡기구(I)를 통해 공급된다.

이와 같이 본 발명에 따른 혼합식 DME 연료공급시스템은 기존의 경유연료를 DME연료와 병행하여 사용할 수 있도록 하기 위하여, 경유 연료탱크(1)로부터 고압의 연료분사펌프(2)를 거쳐 인젝터(3)에서 분사되는 기존의 직접분사식 경유 연료공급시스템을 그대로 사용하고, DME연료는 DME 연료탱크(4)로부터 차단벨브(Shut-off valve)(5)를 거쳐, 감압기구인 기화 및 압력조절기(Vaporizer/Regulator}(6)를 거쳐 다이어프램과 스프링에 의하여 일정하게 압력이 제어되어 연료의 공급압력이 대기압 정도의 낮은 압력으로 조절된 후에, 공기연료믹서(7)로 유입되어 공기필터(8)를 거쳐 공급되는 흡입공기량에 비례하여 DME 연료가 제어되어 공급되는, 별도의 저압 믹서방식에 의한 연료공급시스템을 사용하는 것으로서, 경유연료와 병행하여 사용하거나, 경유는 사용하지 않고 저압의 믹서방식에 의해 DME만을 사용하거나, 또는 경유만을 사용할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 디젤엔진용 혼합식 DME 연료공급시스템은 DME연료가 연료탱크로부터 분출되어 감압기구인 기화 및 압력조절기(6)를 통과하여 저압으로 드로틀 밸브 전단에 설치된 공기연료믹서기(7)로 유입되어 흡입공기와 혼합되어 실린더로 공급되는 저압 연료공급 예혼합연소 시스템으로서, 최근에 연구개발이 추진되고 있는 예혼합 압축착화연소의 효과도 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 DME 연료공급시스템은 고압의 연료분사계 채택시 대기압에서 가스상으로 존재하는 DME연료의 특성에서 비롯되는 연료펌프, 인젝터, 연료라인에서의 누수 및 낮은 윤활성에 의한 구동부의 마모 문제 등을 해결하기 위하여 저압의 연료분사계를 채택하여 예혼합 압축착화의 효과도 동시에 얻을 수 있도록 한 것으로서, 제1도에 예시한 바와 같이 경유연료와 병행하여 사용하거나, 경유는 사용하지 않고 저압의 혼합방식에 의해 DME만을 사용하거나, 또는 경유만을 사용할 수 있도록 고안되었으며, 설치가 용이하고 제작비용이 저렴한 디젤엔진 적용 혼합식 DME 연료공급시스템이다.

Claims (1)

1. 디젤엔진의 DME 연료공급시스템에 있어서, 경유 연료탱크(1)로부터 고압의 연료분사펌프(2)를 거쳐 인젝터(3)에서 분사되는 기존의 직접분사식 경유 연료공급시스템에 부가하여 별도의 배관 라인을 통하여, DME 연료탱크(4)와 상기 연료탱크의 출구에 설치된 차단밸브(5)와 액상의 DME연료를 기화하고 다이어프램과 스프링에 의하여 일정하게 압력이 감압 제어되어 연료의 공급압력이 대기압 정도의 저압의 압력상태로 공급되는 기화 및 압력조절기(Vaporizer/Regulator}(6)가 순차적으로 배열되어 저압의 DME기체연료를 공급하는 배관을 형성하고, 외부의 공기를 흡입하여 필터링하는 공기필터(8)로 흡입공기 공급관로를 배설하여, 상기 저압 DME기체연료와 상기 필터링된 흡입공기를 혼합하되 흡입공기량에 비례하여 혼합되도록 DME연료량이 제어되는 연료공기믹서기(7)를 실린더의 흡기포트(I)에 배설한 것으로, 기존 디젤엔진의 연료공급시스템{(1)∼(3)}과 DME 기상연료공급시스템을 병행하여 사용하거나 DME 기상연료공급시스템{(4)∼(7)}만을 사용하도록 할 수 있는 디젤엔진용 혼합식 DME 기화연료공급시스템

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