KR101201038B1

KR101201038B1 - 연소 효율을 개선하는 내연기관용 연료 첨가제

Info

Publication number: KR101201038B1
Application number: KR1020120073935A
Authority: KR
Inventors: 정영종
Original assignee: 정영종
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2012-11-14
Also published as: CN103525483A

Abstract

본 발명은 내연기관의 내부에 투입되어 연소효율을 개선하는 내연기관용 연료 첨가제에 관한 것으로, 상기 연료 첨가제는 기재와 첨가물로 이루어지되, 상기 기재는 유동 파라핀과 파라핀 왁스로 이루어지고; 상기 첨가물은 메틸 올레이트, 액상 칼슘 설포네이트 및 폴리알파올레핀으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 차량의 연비가 향상되는 동시에 유해물질 배출이 대폭 저감된다.

Description

연소 효율을 개선하는 내연기관용 연료 첨가제{Additive Agents for Fuel}

본 발명은 내연기관용 연료 첨가제에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차, 선박, 작업기기 등에 설치된 내연기관 내에 분사되는 연료에 첨가되어 연료와 함께 엔진에 분사되어 연소효율을 높이는 동시에 오염 물질의 발생을 감소시킬 수 있도록 하는 연료첨가제에 관한 것이다.

지구환경을 보호하고 자국민의 건강을 보호하기 위해 각국에서는 매연과 오염물질의 배출에 대한 규제를 점점 강화하고 있으며, 특히 자동차 배출가스에 대한 기준이 특히 강화되고 있으며, 이에 따라 완성차 제조업체에서는 이러한 기준을 충족시킬 수 있는 동시에 연료를 효율적으로 사용할 수 있는 엔진과 배기가스 배출장치의 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

그러나 자동차가 생산된 초기에는 이러한 배출가스 기준을 충족시킬 수 있으나, 자동차가 노후화되어 감에 따라 연료 공급장치와 엔진의 내부 등에 카본 등이 축적되게 되고, 그 결과 엔진의 연소효율이 저하되고 심한 경우 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 배출가스 기준을 충족하지 못하게 될 우려도 있다.

상기와 같은 이유로 자동차의 노후화에 따른 연소효율이 저하되는 것을 방지하기 위해 다양한 형태의 연료 첨가제가 개발되어 사용되고 있는데, 이들 연료 첨가제는 일반적으로 연료 공급배관이나 엔진의 내부 등을 세정하여 연소효율을 높이고자 하는 것으로 이러한 세정기능을 가지는 첨가제는 일시적으로는 연소효율이 제고되기는 하지만 계속 사용하는 경우 세정에 따른 윤활성능이 저하되고, 엔진 내벽과 피스톤 사이의 마찰계수가 올라가는 등 또 다른 문제를 발생시킬 수 있으며, 더구나 배출가스 중의 오염물질을 감소시키는 기능에는 한계가 있다.

한편, 보일러 등의 난방장치의 열효율을 향상시키기 위해 열촉매액 조성물 이 공개특허공보 제10-2010-35251호를 통해 제안된바 있는데, 이 문헌에 개시된 열촉매액은 파라핀계 기유, 파라핀 왁스, 붕사, 칼슘설포네이트, 마그네슘설포네이트, 칼슘포스페이트, 바륨포스페이트, 염화칼슘, 염화마그네슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종의 부식 방지제, 폴리이소부틸렌, 폴리메티아크릴레이트, 에틸렌프로필렌공중합체, 스티렌말레익에스테르공중합체, 부타디엔계공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종의 점도지수 향상제, 징크-디티오 포스페이트(Zinc-dithio phosphate) 산화 방지제, 폴리메타아크릴레이트, 알킬숙신이미드, 알킬숙신산에스테르 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종의 분산제, 디메틸 폴리실록산 소포제로 이루어져 열효율을 향상시키는 동시에 연료가 절감되도록 한 것이다.

그러나 이러한 열촉매액은 보일러 등의 난방장치에 사용되는 연료 첨가제로서는 적합하지만 내연기관에 분사되는 연료 첨가제로서는 적합하지 않을 뿐만 아니라, 첨가제에 붕사가 포함되어 있는데, 이러한 붕사는 엔진, 라디에이터 등을 이루는 알루미늄을 심하게 부식시키기 때문에 선진국에서는 붕사가 포함된 부동액, 연소 보조제 등의 사용이 금지되고 있다.

따라서 윤활성능이 우수하고, 차량의 구성 부품을 손상시키지 않으면서도 좀 더 친환경적인 연료 첨가제의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 연료 첨가제가 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 윤활성능이 우수하고, 연소효율이 향상되며, 배출가스 중의 유해물질의 생성이 최소화될 수 있도록 하는 내연기관용 연료 첨가제를 제공하고자 하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 연소 효율을 개선하는 내연기관용 연료 첨가제를, 내연기관의 내부에 투입되어 연소효율을 개선하는 내연기관용 연료 첨가제에 있어서, 상기 연료 첨가제는 기재와 첨가물로 이루어지되, 상기 기재는 유동 파라핀과 파라핀 왁스로 이루어지고; 상기 첨가물은 메틸 올레이트, 액상 칼슘 설포네이트 및 폴리알파올레핀로 이루어지도록 구성하여 달성된다.

이때 상기 기재와 첨가물의 성분비는 각각 유동 파라핀: 파라핀 왁스: 메틸 올레이트: 액상 칼슘 설포네이트: 폴리알파올레핀의 성분비가 각각 50: 30: 5: 5: 10 부피%를 이루는 것으로 실시될 수 있다.

또한 상기 기재는 제1혼합탱크에서 제조되며, 상기 첨가물은 제2혼합탱크에서 제조된 다음, 상기 제2혼합탱크의 첨가물이 상기 제1혼합탱크의 기재에 혼합됨으로써 최종적으로 상기 연료 첨가제가 제조되는 것으로 실시될 수 있다.

본 발명에 따른 연료 첨가제는 윤활성능이 우수하고, 연소효율이 향상되어 차량의 연비가 향상되는 동시에 유해물질의 배출이 대폭 저감되므로 배출가스로 인한 대기오염을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연소 효율을 개선하는 내연기관용 연료 첨가제를 제조하기 위한 혼합탱크의 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 연소 효율을 개선하는 내연기관용 연료 첨가제의 제조방법에 따른 순서도이다.

이하에서는 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성과 작용을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 연소 효율이 향상되며, 배출가스 중의 오염물질이 최소화될 수 있도록 하는 연료 첨가제를 제공하고자 하는 것으로, 본 발명의 연료 첨가제는 유동 파라핀 및 미네랄 오일로 이루어진 기재와 첨가물로 이루어진다.

본 발명의 연료 첨가제는 유동 파라핀과 미네랄 오일이 혼합된 것이 기재로서 사용되는데, 유동 파라핀(liquid paraffin)은 석유에서 추출한 파라핀계 고급 탄화수소 화합물로 본 발명에서 사용되는 유동 파라핀(liquid paraffin)은 비중이 0.85～0.94로서 파라핀 오일을 다시 정제하여 순도를 높인 것인데. 이를 통해 연소열(calorie)이 증가되고, 또한 순도가 높기 때문에 연소시에 다른 성분이 배출되지 않아 배기가스 성분 중 오염물질의 배출이 개선된다.

상기와 같은 유동 파라핀에는 미네랄 오일이 혼합됨으로써 본 발명의 연료 첨가제의 기재를 이루는데, 본 발명에서는 미네랄 오일로서 일반적으로 사용되는 파라핀 왁스가 사용되며, 이에 의해 세정기능이 강화된다.

그리고 본 발명의 연료 첨가제의 기재는 유동 파라핀과 파라핀 왁스가 50 : 30의 부피%로 서로 혼합되어 구성된다. 이때 20 부피%는 후술하는 첨가물의 혼합비이다.

이에 의해 기재가 후술하는 첨가물과 혼합되었을 때 연료의 밀도와 유사하게 되고, 그 결과 본 발명의 연료 첨가제가 연료와 혼합되었을 때 밀도차에 의해 연료 탱크의 하부에 가라앉거나 상부에 뜨지 않고 연료와 혼합이 잘 이루어져 엔진 내부에 균일하게 분사되게 된다.

유동 파라핀과 미네랄 오일로 이루어진 기재에는 연료 효율을 증가시키고 배기가스 중에 유해물질이 포함되어 방출되지 않도록 적정 성분과 함량의 첨가물이 추가되는데, 본 발명의 연료 첨가제에 사용되는 첨가물은 메틸 올레이트와, 액상 칼슘 설포네이트(calcium sulfonate) 및 합성지방유가 포함된다.

메틸 올레이트(Methyl Oleate)는 세정제로서 사용되는데, 이러한 메틸 올레이트는 대두유에서 추출되어 연소시 유해가스를 배출시키지 않는 환경 친화적 물질일 뿐만 아니라 세정성이 탁월하다.

본 발명은 이와 같이 세정제로서 친환경적이며 세정 성능이 우수한 메틸 올레이트를 사용함으로써 엔진 내부에 축적된 카본 슬러지와 유해물질을 쉽게 제거할 수 있으며, 또한 연소시 유해가스를 배출하지 않기 때문에 대기 오염을 방지할 수 있다.

그리고 액상 칼슘 설포네이트는 칼슘 설포네이트를 용제에 용해시켜 만든 에멀젼 형태로서 시중에 판매되고 있는 것이 사용되고, 이러한 액상 칼슘 설포네이트는 부식 방지제로서 기능한다. 이때 부식 방지제로서 액상 칼슘 설포네이트 대신 부식 방지제로서 통상 사용되는 마그네슘설포네이트, 칼슘포스페이트, 바륨포스페이트, 염화칼슘, 염화마그네슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 어느 하나 또는 이들을 조합하여 사용할 수 있다.

본 발명에서는 폴리알파올레핀(Poly Alpha Olefin, PAO)의 합성지방유가 사용되는데, 폴리알파올레핀은 윤활제로서 기능하며, 낮은 온도에서도 유동성이 우수하기 때문에 저온에서도 엔진의 시동이 쉽게 이루어질 수 있고, 또한 광범위한 온도범위에서도 안정되기 때문에 산화 안정을 달성하여 연소시에 카본의 생성이 대폭 억제된다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 첨가물로서 메틸 올레이트, 액상 칼슘 설포네이트와 합성지방유가 사용되며, 이때 기재와 첨가물의 성분비는 80: 20 부피%이고, 이중 첨가물 20부피%에는 메틸 올레이트: 액상 칼슘 설포네이트: 합성지방유이 5: 5: 10 부피%의 성분비로 혼합된다.

이러한 성분비는 첨가물이 상기 성분비로 구성될 때 연소효율과 배기가스 성분이 가장 우수한 것으로 나타난 실험결과에 따른 것이다.

이하에서는 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 연료 첨가제를 제조하는 방법에 대해 간략하게 설명한다.

본 발명의 연료 첨가제를 제조할 때에는 도 1에 도시된 바와 같은 제1혼합탱크(10)와 제2혼합탱크(20)로 이루어진 혼합장치가 사용되는데, 이때 이들 제1,2혼합탱크(10, 20) 각각의 내부에는 온도 제어가 가능한 전기히터(11, 21)와 교반기(12, 22)가 각각 내장되어 있으며, 이들 제1,2혼합탱크(10, 20)는 배관(30)으로 연결되며, 이들 배관(30)에는 이송펌프(31)가 설치되어 이에 의해 제2혼합탱크(20) 내부의 조성물이 제1혼합탱크(10)에 유입될 수 있다.

본 발명의 연료 첨가제를 제조할 때에는 도 2에 도시된 바와 같이 먼저 제1혼합탱크(10)에 유동 파라핀을 부피비로 주입한 다음, 제1혼합탱크(10)의 내부에 구비되는 복수의 전기히터(11)를 발열시켜 제1혼합탱크(10) 내부의 온도가 80℃로 유지되는 상태에서 제1혼합탱크(10) 내부에 투입된 유동 파라핀과 파라핀 왁스를 투입한 다음, 제1혼합탱크(10)에 설치된 교반기(12)로 이들을 균일하게 혼합함으로써 기재를 제조한다(S100).

이와 동시에 제2혼합탱크(20)에서는 첨가물이 혼합 제조되는데, 제2혼합탱크(20)에서 첨가물을 혼합 제조할 때에는 먼저 제2혼합탱크(20) 내부에 설치된 전기히터(21)를 발열시켜 제1혼합탱크(10)에서와 마찬가지로 제2혼합탱크(20) 내부의 온도가 80℃로 유지되는 상태에서 메틸 올레이트와 액상 칼슘 설포네이트를 먼저 투입한 다음, 폴리알파올레핀으로 이루어진 합성지방유를 투입하고 이들을 교반기(22)를 이용해 혼합 교반시켜 첨가물을 제조하는데(S200), 이와 같이 메틸 올레이트와 액상 칼슘 설포네이트를 먼저 투입한 다음, 폴리알파올레핀를 투입하는 것은 폴리알파올레핀의 비중이 메틸 올레이트와 액상 칼슘 설포네이트에 비해 상대적으로 높기 때문에 이와 같이 비중이 낮은 것부터 투입함으로써 혼합효율을 높이는 동시에 혼합 시간을 절약하고자 하는 데에 따른 것이다.

즉, 제1,2혼합탱크(10, 20)에서 각각 제조되는 본 발명의 기재와 첨가물의 성분비는 80: 20 부피%이고, 좀 더 상세하게는 유동 파라핀: 파라핀 왁스: 메틸 올레이트: 액상 칼슘 설포네이트: 폴리알파올레핀의 성분비가 각각 50: 30: 5: 5: 10 부피%가 된다.

위와 같이 제2혼합탱크(20)에서 첨가물이 제조되면, 제2혼합탱크(20) 내부의 첨가물을 배관(30)에 설치된 이송펌프(31)를 통해 제1혼합탱크(10)에 이송시킨 다음, 다시 제1혼합탱크(10)의 내부 온도가 80℃로 유지되는 상태에서 기재와 첨가물을 혼합 및 교반하여 최종적으로 연료 첨가제를 제조한다(S300).

본 발명자 등은 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 연료 첨가제의 성능을 확인하기 위하여 아래와 같이 디젤 엔진차량(표 1)과 가솔린 엔진차량(표 2)을 대상으로 각각 현장 테스트를 수행하였다.

구 분	디젤 연료 (㎞/ℓ)	디젤 연료 + 연료첨가제 (㎞/ℓ)	연비차 (㎞/ℓ)
대상 1	14	15.6	1.6
대상 2	14.5	16.4	1.9
대상 3	15.6	17.9	2.3
대상 4	16.1	18.5	2.4
대상 5	14.2	15.6	1.4
평 균	14.9	16.8	1.9

구 분	가솔린 연료 (㎞/ℓ)	가솔린 연료 + 연료첨가제 (㎞/ℓ)	연비차 (㎞/ℓ)
대상 1	19.3	20.1	0.8
대상 2	21.5	21.8	0.3
대상 3	19.9	20.5	0.6
대상 4	21.1	21.9	0.8
대상 5	22.3	23.2	0.9
평 균	20.8	21.5	0.7

테스트 결과, 위 표 1과 표 2에서 보는 바와 같이 디젤 또는 가솔린 연료만 사용하는 것에 비해 본 발명의 연료첨가제를 첨가하여 사용하는 경우 연비가 디젤 차량의 경우에는 1.4~2.4㎞/ℓ향상되고, 가솔린 차량의 경우에는 0.3~0.9㎞/ℓ향상되는 것으로 확인되었다.

또한 디젤 연료만을 사용한 차량과 디젤 연료와 연료첨가제를 함께 사용한 차량(버스)에서 배출되는 유해물질의 배출 농도와 소음도 등을 측정하였으며, 그 결과를 아래의 표 3에 나타내었다.

디젤 연료
구분	CO₂%	NOx(ppm)	CO%	소음(dB)
저속	2.56	432.5	0.07	82
중속	3.35	642	0.03	112
고속	3.47	547	0.03	125
디젤 연료 + 연료첨가제
구분	CO₂%	NOx(ppm)	CO%	소음(dB)
저속	2.44	322.8	0.8	91
중속	3.14	437	0.02	108.2
고속	3.22	455	0.02	113

위 표 3에서 보는 바와 같이 본 발명의 연료첨가제를 사용하는 경우 배기가스 중의 이산화탄소(CO₂), 질소산화물(NOx) 및 일산화탄소(CO) 등의 배출량과 차량의 소음도 다소 감소하였다.

상기와 같이 본 발명의 연료첨가제는 엔진 내부의 탄소 축적물을 배출하고, 완전 연소를 도와줌으로써 연소효율이 향상되고, 그 결과 엔진의 출력이 15~20% 정도 향상되는 것으로 확인되었다.

또한 본 발명자 등은 본 발명의 연료 첨가제의 사용승인을 득하기 위해 한국석유관리원에 위탁 시험한 결과 대기환경보전법 시행규칙에 따른 첨가제 검사에 합격한바 있으며, 이러한 사실로부터 본 발명의 연료 첨가제는 유해물질 방출이 저감된다는 것을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 첨가제는 특별한 장치를 엔진 등에 설치하지 않고도 연료 첨가제를 연료 탱크에 혼합하여 주입하는 것만으로도 차량의 연비가 향상되는 동시에 유해물질 배출이 대폭 저감되는 이점이 있다.

10: 제1혼합탱크 11: 전기히터
12: 교반기 20: 제2혼합탱크
21: 전기히터 22: 교반기
30: 배관 31: 이송펌프

Claims

내연기관의 내부에 투입되어 연소효율을 개선하는 내연기관용 연료 첨가제에 있어서,
상기 연료 첨가제는 기재와 첨가물로 이루어지되,
상기 기재는 유동 파라핀과 파라핀 왁스로 이루어지고;
상기 첨가물은 메틸 올레이트, 액상 칼슘 설포네이트 및 폴리알파올레핀으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연소효율을 개선하는 내연기관용 연료 첨가제.
청구항 1에 있어서,
상기 기재와 첨가물의 성분비는 각각 유동 파라핀: 파라핀 왁스: 메틸 올레이트: 액상 칼슘 설포네이트: 폴리알파올레핀의 성분비가 각각 50: 30: 5: 5: 10 부피%를 이루는 것을 특징으로 하는 연소효율을 개선하는 내연기관용 연료 첨가제.
청구항 2에 있어서,
상기 기재는 제1혼합탱크(10)에서 제조되며, 상기 첨가물은 제2혼합탱크(20)에서 제조된 다음, 상기 제2혼합탱크(20)의 첨가물이 상기 제1혼합탱크(10)의 기재에 혼합됨으로써 최종적으로 상기 연료 첨가제가 제조되는 것을 특징으로 하는 연소효율을 개선하는 내연기관용 연료 첨가제.