KR101201527B1 - 연소촉진 및 대기오염물질 저감용 디젤연료첨가제 조성물 - Google Patents

연소촉진 및 대기오염물질 저감용 디젤연료첨가제 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (A) 연료미립화조절제, (B) 탄화수소계 용매, (C) 연료세정제, 및 (D) 오일 첨가제를 포함하는 디젤 내연기관용 연료첨가제에 관한 것이다.

Description

연소촉진 및 대기오염물질 저감용 디젤연료첨가제 조성물{Composition of Diesel Fuel-additives for Improving Combustion and Reducing Air Pollutants}
본 발명은 연소촉진 및 대기오염물질 저감용 디젤연료첨가제 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게는 디젤연료를 효율적으로 연소시켜, 연료의 절약이 가능하며, 대기오염 방지 효과를 제공하는 디젤연료첨가제 조성물에 관한 것이다.
디젤연료(Disel fuel)는 가솔린보다 착화성이 나쁘고 불꽃 점화 방식이 아닌 압축 점화 방식에 의하여 착화되는 연료이다. 디젤엔진 내에서 착화성을 증가시키기 위해서 흡입되는 공기의 온도를 높이거나 압축압력을 높이는 방법이 사용되고 있으며, 고속 디젤기관에서의 연료의 착화성은 엔진의 효율에 미치는 영향이 크기 때문에 연료의 세탄가를 증가시키기 위한 노력들이 이루어지고 있다.
세탄가를 높여 연료 효율을 증가시키는 연료첨가제가 개발되어 공지된바 있으며(대한민국 등록특허 제0734202호, 미국 공개특허 2010/0293841호), 이외에도 세탄가 향상제로 지방족 과산화물, 알데하이드, 키톤, 에테르, 에스테르, 금속산화물, 지방족 탄화수소 등이 알려져 있다.
또한, 이외에도 밸브 및 엔진의 연소실 내부를 세정하여 연소 효율을 높이고, 불완전 연소를 줄이기 위해서 여러 다양한 질소함유 화합물들을 세정제로 사용하는 기술들이 공지되어 있다(대한민국 공개특허 제10-2001-0005606호).
최근에 휘발유나 디젤연료와 같은 탄화수소 연료의 연소촉진을 위해 많은 첨가제가 개발되어 공지된 바 있다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-1994-0700487호에는 제 1성분으로 유용성 폴리올레핀 아민과 제 2성분으로 C2-C6 모노-올레핀의 중합체를 가솔린 석유 연료용 첨가제로 사용하는 예가 개시되어 있고, 대한민국 공개특허 제10-1994-0701439호에는 약 1500 미만의 분자량을 갖는 C2-C6 모노-올레핀의 유용성 중합체(예를 들면, 폴리이소부틸렌) 및 질소함유 화합물이 개시되어 있다.
그러나 종래의 연료첨가제는 고가의 화합물을 사용하거나 그 제조방법이 복잡하고, 취급이 불편하여 실용성이 부족하거나 다량 사용할 경우 오히려 연료 절감 효과가 없어지거나 황산화물(SOx), 일산화탄소(CO)와 같은 매연물질이 다량 발생하는 등의 문제가 있다. 또한, 오염조절 측면에서 행해진 모든 노력에도 불구하고 연료 성능을 개선하면서 동시에 오염기준까지 만족시킬 수 있는 제품은 없었다. 이에 연료가 보다 완전하게 연소를 할 수 있도록 도와주고, 배기가스의 조성을 개선하여 오염물질을 발생을 최소화할 수 있는 연료첨가제가 요구되는 실정이다.
대한민국 등록특허 제0734202호 미국 공개특허 2010/0293841호 대한민국 공개특허 제10-2001-0005606호 대한민국 공개특허 제10-1994-0700487호 대한민국 공개특허 제10-1994-0701439호
본 발명의 목적은 디젤연료를 미립화하여 연소를 촉진시키고, 이로 인하여 연료의 절약이 가능하며, 대기오염 방지에도 효과가 있는 디젤기관용 연료첨가제를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (A) 연료미립화조절제, (B) 탄화수소계 용매, (C) 연료세정제, 및 (D) 오일 첨가제를 포함하는 디젤 내연기관용 연료첨가제를 제공한다.
본 발명의 연료첨가제는 디젤 연료유에 소량 첨가하여 사용하면, 디젤연료의 노즐분사시 안정적인 분사연료의 미립화를 도와 내연기관에서의 연소 효율을 개선시켜, 열효율이 향상되고 대기오염물질을 크게 감소시키는 효과를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 연료첨가제를 저급유와 함께 사용할 경우, 저급유의 성상을 개선시켜 황산화물로 인한 연료기관의 부식을 방지하고, 더 나아가 엔진의 수명 연장에도 큰 효과가 있다.
본 발명은 (A) 연료미립화조절제, (B) 탄화수소계 용매, (C) 연료세정제, 및 (D) 오일 첨가제를 포함하는 디젤 내연기관용 연료첨가제에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명은 디젤 엔진의 노즐에서 분사된 디젤 연료의 입자 크기와 균일성이 연료의 효율적인 연소에 영향을 미쳐, 연비, 환경 및 소음에 영향을 끼친다는 것을 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명의 연료첨가제의 각 성분에 대하여 구체적으로 설명한다.
상기 (A) 성분인 연료미립화조절제는 디젤 연료를 미립화시키는 역할을 수행하며, 구체적으로 디젤연료를 구성하는 탄화수소 분자들(친유성) 간의 반데르발스 인력을 방해함으로써 분사액의 표면장력을 감소시켜, 인젝션노즐 분사시 디젤 연료입자의 크기를 작고 균일하게 만드는 효과를 제공한다. 구체적으로, 상기 디젤기관용 연료첨가제가 포함된 디젤 연료는 분사시 연료 입자를 18 ~ 30 ㎛의 크기로, 65 ~ 86%의 분포율을 나타내도록 미립화시키는 것을 특징으로 한다.
디젤 연료는 그 입자가 미립화될수록, 연료의 총 표면적이 커지기 때문에, 기화가 잘되고, 산소와의 반응 또한 월등히 용이해져 완전 연소에 유리한 환경을 조성해 줄 수 있다. 이를 위해 성기 연료미립화 조절제는 극성용매인 것이 바람직하며, 상기 극성용매는 저분자인 것이 바람직하다. 상기 저분자 극성용매가 효과적인 이유는 연료분사 시, 디젤연료 입자와 입자 사이에 저분자 극성용매로 이루어진 미세한 입자가 디젤연료입자 표면과 표면사이에 존재하여, 디젤연료입자가 서로 뭉치는 것을 막아주기 때문인 것으로 생각된다. 즉, 저분자이므로, 디젤연료의 입자형성에 충분히 앞서 형성되어, 효과적으로 연료 입자를 미립화시키는 효과를 나타내는 것으로 생각된다. 또한, 극성을 가지고 있어서 연료입자와 입자사이의 계면에 분리효과를 부여한다.
상기 (A) 연료미립화조절제는 저분자 극성용매인 것이 바람직하며, 예를 들어 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸알콜, 에틸알콜, 니트로메탄, 에틸아세테이트 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상이 함께 사용될 수 있다.
상기 연료미립화조절제는 1 내지 25 중량부를 이용하는 것이 바람직하며, 10 내지 25 중량부를 이용하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 연료미립화조절제가 1 중량부 미만이 본 발명의 연료첨가제에 포함되는 경우 충분한 미립화 효과가 제공되지 않을 수 있으며, 25 중량부를 초과하여 포함되는 경우 연료첨가제의 상안정성 문제가 발생될 수 있다.
또한, 상기 저분자 극성용매를 포함하는 연료첨가제가 이상적인 미세입자를 형성하는 효과를 제공하기 위해서는, 저분자 극성입자간의 적절한 배합이 매우 중요하다. 바람직하게는 연료미립화조절제로서 아세톤, 메틸알콜 및 니트로메탄으로 이루어진 3종을 혼합하여 사용하는 것이다. 상기 아세톤: 메틸알콜: 니트로메탄의 성분 비율은 20 ~ 45 중량부: 22.5 ~ 75 중량부: 20 ~ 45 중량부로 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 (B) 탄화수소계 용매는 솔벤트나프타(중질방향족화합물), 솔벤트나프타(경질방향족화합물), 에틸벤젠, 자일렌 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상이 함께 사용될 수 있다.
상기 (C) 연료세정제는 내연기관의 오염을 방지하기 위해 첨가하는 것으로, 질소-함유 세정제인 폴리아민, 지방족 탄화수소-치환된 아민, 폴리알킬아민, 폴리에테르아민, 폴리알킬 숙신이미드, 폴리알킬 아미노페놀 등을 이용할 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상이 함께 사용될 수 있다.
상기 (C) 연료세정제는 5 내지 40 중량부, 바람직하게는 10 내지 30 중량부가 사용된다.
상기 (D) 오일첨가제는 탄화수소계 화합물에 산소나 질소가 첨가된 여러 유기 화합물을 지칭하는 것으로, 화학적 반응을 통해서 제조가 가능하며, 디젤유의 세탄가를 향상시키는 역할을 한다. 상기 (D) 오일첨가제로는 2-아밀 질산염, 3-아밀 질산염, tert-아밀 질산염, n-헥실 질산염, 2-에틸헥실 질산염, n-헵틸 질산염, sec-헵틸 질산염, n-옥틸 질산염 2-메틸-2-니트로-1-프로파놀질산염, 시클로헥실질산염, 메틸시클로헥실 질산염, 이소프로필시클로헥실 질산염 등을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상이 함께 사용될 수 있다. 상기 (D) 오일첨가제는 10 내지 35 중량부, 바람직하게는 15 내지 30 중량부가 사용된다.
본 발명의 연료첨가제는 디젤 연료에 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 디젤 연료: 연료첨가제의 혼합 부피비율이 2,000:1 ~ 500:1로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예를 이용하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명은 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되지 않고 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.
< 실시예 1 ~ 10> 디젤 내연기관용 연료첨가제의 제조
하기의 표 1에 나타낸 바와 같이, 1에서 4의 성분을 차례로 혼합기에 투입하고 25 ℃에서 1시간 이상 교반하여 완전 용해시킨 후, 나머지 성분을 성분번호 순서에 따라 서서히 첨가하여 혼합하였다. 상기의 혼합액을 상온에서 2시간 이상 숙성시켜 본 발명에 따른 디젤 내연기관용 연료첨가제를 제조하였으며, 상기 연료첨가제는 디젤 연료(GS 칼텍스)에 0.1%(v/v)의 비율로 첨가하여 하기 실험에 이용하였다.
성 분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7 실시예8 실시예9 실시예10
1 솔벤트나프타
(중질방향족화합물)		 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27
2 솔벤트나프타
(경질방향족화합물)		 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
3 폴리알킬숙신이미드 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18
4 2-에틸헥실질산염 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25
5 아세톤 20 7 10 5 5
6 메틸에틸케톤 20
7 메틸알콜 20 7 5 10 5
8 에틸알콜 20
9 니트로메탄 20 6 5 5 10
10 에틸아세테이트 20
각 성분의 단위: g
< 실험예 1> 본 발명에 따른 연료첨가제의 연료분사시 미립화 효과
미립화된 입자의 크기가 작을수록 총 표면적이 커지기 때문에, 기화가 잘되고 산소와의 반응도 월등히 쉬어지므로 완전연소에 유리한 환경을 조성하는 효과를 제공한다. 이에, 본 발명자들은 상기 <실시예 1 ~ 10>의 연료첨가제의 연료 분사시의 미립화 효과를 확인하기 위하여, 상기 연료첨가제를 0.1%(v/v) 포함하는 연료를 이용하여, 연료인젝션노즐을 통한 분사 연료의 입자 크기와 분포율을 측정하였다.
구체적으로 마이크로트렉사의 Aerotrac 7340모델을 사용하였으며, 이때 하기 표 2와 같은 조건으로 분사 연료의 입자 크기와 분포율을 측정하였다.
광원 1mW HE/NE Laser wavelength 632.8nm
검 출 기 32 section rind detecter (Auto-focus)
온 도 25 ℃
그 결과, 하기 표 3에 나타난 바와 같이, 상기 <실시예 1 ~ 10>의 연료첨가제를 첨가하여 제조된 연료는 연료인젝션노즐을 통한 분사시 연료의 분사입자 크기가 작아지고 균일하게 분사되는 것이 확인되었다. 구체적으로, 극성용매를 첨가한 연료에서 미립화 효과가 더 크게 나타났으며, 그 중에서도 메탄올, 아세톤, 니트로메탄을 각각 포함하는 실시예 1, 3, 또는 5 연료첨가제를 포함하는 연료가 상대적으로 미립화 효과가 더 우수하였다. 또한, 상기 메탄올, 아세톤, 니트로메탄 3종의 용매를 조합한 연료(실시예 7 내지 10)가 더욱 우수한 미립화 효과를 나타냈으며, 보다 구체적으로는 메탄올, 아세톤, 니트로메탄을 1:2:1의 중량비율로 포함하는 실시예 9를 포함하는 연료에서 가장 우수한 미립화 효과가 관찰되었다(표 3 참조).
< 실험예 2> 본 발명에 따른 연료첨가제의 유도세탄가 증가 효과
본 발명에 따른 실시예 1 ~ 10의 디젤 내연기관용 연료첨가제에 의한 연소기능 향상 효과를 확인하기 위하여, ASTM D 6890 방법에 준하여 상기 실시예 1 ~ 10의 연료첨가제를 포함하는 연료의 유도세탄가를 측정하였다.
구체적으로, SETA사의 IQT-LM 기기를 이용하였으며, ASTM D 6890 방법에 준하여 유도세탄가를 측정하였다. 580℃로 유지된 챔버에 일정량(0.0985 g/inj)의 연료를 분사한 뒤, 연료가 연소되는 시간을 측정하여 유추하는 방법으로, 연료를 15번 분사시킨 후, 연소시킴으로 연료라인과 챔버 내에 잔류하고 있는 불순물과 전시료를 제거시킴과 동시에 분석장비를 안정화시켰다. 그 후, 16번째부터 47번째(총 32번)까지 연료분사를 통해 측정된 유도세탄가의 평균을 구함으로 재현성과 반복성을 높였다.
유도세탄가는 연소챔버 내에 연료가 분사됨에 따라 발생되는 압력변화와 연료 발화에 의한 압력 변화 시간, 즉 연소지연시간(Ignition delay time; ID)을 측정한 뒤, 하기 수학식 1을 통해서 계산되었다. 하기 수학식 1은 ASTM D 6890에 표현된 식으로, 세탄가가 다른 표준연료들을 실제 엔진과 IQT를 이용해 비교 실험함으로써 유도된 경험식이다.
Figure 112011082737597-pat00001
그 결과, 하기 표 3에 나타난 바와 같이, 유도세탄가 측정 결과에 의하면 연료첨가제를 포함하고 있지 않은 대조군에 비하여, 실시예 1 ~ 10 연료첨가제가 첨가된 연료에서 높은 수치의 유도세탄가가 관찰되었다. 특히, 실시예 9의 연료첨가제를 포함하는 연료의 유도세탄가 증가효능이 더욱 우수하였다. 이러한 결과는 상기 실험예 1에서 확인된 실시예 1 ~ 10 연료첨가제의 연료의 미립화효과 결과와 부합된다.
즉, 본 발명에 따른 연료첨가제의 이러한 효능은 내연기관에서의 연소효율 개선, 열효율 향상의 효과를 제공할 수 있으며, 이에 따라 대기오염물질을 크게 줄일 수 있을 것으로 예측된다(표 3 참조).
<실시예 1 ~ 10>의 연료첨가제를 포함하는 연료의 연료분사시 미립화 효과 및 유도세탄가
시험항목 평균입자 크기() 분포율 (%)* 유도 세탄가(DCN)
대조군(무첨가) 36.8 56 52.1
실시예1 26.6 74 57.1
실시예2 29.5 67 56.2
실시예3 27.3 72 56.9
실시예4 28.9 66 56.3
실시예5 26.6 72 56.8
실시예6 28.8 65 56.4
실시예7 23.2 76 57.8
실시예8 22.5 77 57.7
실시예9 18.2 86 60.2
실시예10 24.7 74 58.4
* 평균입자 크기의 ± 30%이내의 입자크기분포율 (%)
< 실험예 3> 디젤자동차 주행연비 측정
본 발명에 따른 실시예 1 ~ 10의 연료첨가제의 실제 디젤자동차에서의 주행연비를 측정하기 위하여, 상기 연료첨가제가 0.1%(v/v) 포함된 연료를 실제 디젤자동차에 주유한 후, 일정거리를 정속주행하고 연료소비량을 측정하였다.
상기 주행연비 측정에 적용된 차량의 차종은 카니발(2007년도 생산)이었으며, 시험전 누적주행거리는 56,345 Km, 시험 후 누적주행거리는 60,445 Km이었다. 상기 시험차종의 연료에 첨가된 본 발명에 따른 연료첨가제의 양은 1.0 ㎖/ℓ(연료)이었다.
하기 표 4에서 나타난 바와 같이, 연료첨가제 첨가 후 연료 소비량이 크게 감소함을 알 수 있었다. 즉, 본 발명에 따른 연료첨가제를 첨가함으로써 연비가 크게 향상됨을 알 수 있었다(표 4 참조).
<실시예 1 ~ 10>의 연료첨가제를 포함하는 연료의 주행연비 측정결과
시험항목 주행거리(km) 경유소비량(L) 주행연비(km/L) 연비증가율(%)
대조군(무첨가) 560.2 66.7 8.40 -
실시예7 560.2 61.2 9.15 8.97% 증가
실시예8 560.3 61.5 9.11 8.46% 증가
실시예9 559.5 57.0 9.82 16.85% 증가
실시예10 560.2 60.9 9.20 9.51% 증가
EZ XWT* 560.0 64.4 8.70 3.52% 증가
*QFC,LLC사 디젤 연료첨가제 제품(미국)
< 실험예 4> 디젤자동차 주행시 배출가스 및 엔진소음 절감효과
본 발명에 따른 실시예 1 ~ 10의 연료첨가제가 0.1%(v/v) 포함된 연료를 실제 디젤자동차에 주유한 후, 자동차 수행시 배출되는 배출가스 및 엔진 소음을 측정하였다. 이때 사용되는 자동차는 상기 실험예 3에 이용한 자동차와 동일하며, 상기 시험차종의 연료에 첨가된 본 발명에 따른 연료첨가제의 양은 1.0 ㎖/ℓ(연료)이었다.
하기 표 5에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 연료첨가제 첨가 후 환경오염의 주원인이 되는 가스의 배출농도가 감소되는 것이 관찰되었다. 즉, 본 발명에 따른 연료첨가제를 첨가함으로써, 연료의 완전연소가 유도되어 일산화탄소, 미연소 HC 및 황산화물(SOX)의 발생량이 감소시키며, 대기오염의 원인이 되는 오염원을 줄여 공해를 방지하는 효과를 제공한다.
엔진소음의 경우 중립기어에서 3,000 rpm에 맞추고, 소음측정기를 운전석 핸들의 중앙에 위치시키고 측정하였다. 그 결과, 하기 표 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 연료첨가제를 첨가함으로써, 엔진소음이 매우 효과적으로 감소되어 소음공해 방지에도 기여할 수 있음을 확인할 수 있었다(표 5 참조).
<실시예 1 ~ 10>의 연료첨가제를 포함하는 연료의 배출가스 및 소음측정결과
시험항목 배출가스농도(CVS-75) 소음
CO(g/㎞) HC(g/㎞) SOX(g/㎞) (dB/3,000rpm)
대조군(무첨가) 0.44 0.08 0.15 23
실시예7 0.38 0.05 0.14 18
실시예8 0.36 0.06 0.13 17
실시예9 0.31 0.03 0.10 12
실시예10 0.39 0.05 0.13 19
EZ XWT* 0.44 0.07 0.15 21
*QFC,LLC사 디젤 연료첨가제 제품(미국)
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 내연기관용 연료첨가제는 연료분사 시 우수한 미립화 효과가 나타나며 이에 따라 디젤엔진의 연소 효율을 상승시키며, 연료의 완전연소를 유도함으로써 황산화물과 일산화탄소의 발생량을 감소시켜 매연 발생 및 소음을 억제하는 효과를 제공한다. 더불어, 상술한 바와 같이 우수한 연소 효율에 의하여 연소에 필요한 공기량을 감소시키는 효과를 가져와 대기오염의 원인이 되는 오염원을 근본적으로 줄일 수 있어 공해 방지에도 크게 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. (A) 아세톤 20 ~ 45 중량부, 메틸알콜 22.5 ~ 75 중량부, 및 니트로메탄 20 ~ 45 중량부를 포함하는 연료미립화조절제, (B) 탄화수소계 용매, (C) 연료세정제, 및 (D) 오일 첨가제를 포함하는 디젤 내연기관용 연료첨가제.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료첨가제는 (A) 연료미립화조절제 1~25 중량부, (B) 탄화수소계 용매 5~45 중량부, (C) 연료세정제 5~40 중량부, 및 (D) 오일 첨가제 10~35 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 내연기관용 연료첨가제.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연료첨가제는 상기 연료첨가제가 포함된 디젤 연료의 분사시, 연료 입자 크기를 18 ~ 30 ㎛로, 분포율을 65 ~ 86%를 나타내도록 미립화시키는 것을 특징으로 하는 디젤 내연기관용 연료첨가제.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 (B) 탄화수소계 용매는 솔벤트나프타(Solvent naphata)인 것을 특징으로 하는 디젤 내연기관용 연료첨가제.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 솔벤트나프타는 중질방향족화합물 또는 경질방향족화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 디젤 내연기관용 연료첨가제.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 (C) 연료세정제는 폴리아민, 지방족 탄화수소-치환된 아민, 폴리알킬아민, 폴리에테르아민, 폴리알킬 숙신이미드, 폴리알킬 아미노페놀로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 디젤 내연기관용 연료첨가제.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 (D) 오일 첨가제는 2-아밀 질산염, 3-아밀 질산염, tert-아밀 질산염, n-헥실 질산염, 2-에틸헥실 질산염, n-헵틸 질산염, sec-헵틸 질산염, n-옥틸 질산염 2-메틸-2-니트로-1-프로파놀질산염, 시클로헥실질산염, 메틸시클로헥실 질산염, 이소프로필시클로헥실 질산염으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 디젤 내연기관용 연료첨가제.
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