KR101269838B1

KR101269838B1 - 직접분사식 내연 기관용 연료 조성물

Info

Publication number: KR101269838B1
Application number: KR1020100132655A
Authority: KR
Inventors: 오승묵; 이선엽; 이용규; 강건용
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2013-05-29
Also published as: KR20120071066A

Abstract

직접분사식 내연 기관용 연료 조성물에 관한 것으로서, 이 연료 조성물은 저점도 연료 91 내지 98 부피%; 및 바이오디젤 2 내지 9 부피%를 포함한다.
상기 연료 조성물은 내연 기관의 수명을 향상시킬 수 있고, 적절한 점도를 나타내므로, 유해가스를 외부에 노출시키지 않는다.

Description

직접분사식 내연 기관용 연료 조성물{FUEL COMPOSITION FOR DIRECT INJECTION TYPE INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 기재는 직접분사식 내연 기관용 연료 조성물에 관한 것이다.

내연 기관(예를 들어 자동차의 엔진)은 연료가 기관 내부에서 연소되어, 이때 발생되는 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기관을 말한다.

상기 내연 기관은 연료의 연소 방식에 따라, 연료를 원하는 기관 내부, 예를 들어 엔진의 실린더 내에 직접 분사하여 연소시키는 직접분사식과 별도의 부연소실을 설치하여, 연료를 부연소실에 분사하여 연소시키는 간접분사식으로 분류할 수 있다.

직접분사식 내연 기관에 사용되는 연료로는 휘발유, 경유 등을 주로 사용하였으나, 최근 액화석유가스(liquefied Petroleum Gas: LPG), 디메틸에테르(Dimethyl ether: DME)와 같은 저점도 연료를 사용하기 위한 시도가 이루어지고 있다.

그러나 이러한 저점도 연료는 연료의 기계적 특성이, 휘발유, 경유 등과 매우 달라 직접분사식 내연 기관에 적용하기 어렵고, 특히 윤활성이 떨어져 연료분사기, 연료펌프 계통에 마모로 인한 연료분사량 제어오류나 연료누설발생이 우려되므로 이를 방지하기 위한 기술이 요구되고 있다.

본 발명의 일 구현 예는, 내연 기관의 수명을 향상시킬 수 있고, 유해가스 배출이 적은 직접분사식 내연 기관용 연료 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 구현 예에 따르면, 저점도 연료 91 내지 98 부피%; 및 바이오디젤 2 내지 9 부피%를 포함하는 직접분사식 내연기관용 연료 조성물을 제공한다.

상기 저점도 연료는 0.01 내지 1 cSt의 점도를 갖는 것일 수 있다.

상기 저점도 연료는 액화석유가스 또는 디메틸에테르일 수 있고, 특히, 액화석유가스일 수 있다.

상기 바이오디젤은 지방산 메틸에스테르일 수 있다.

기타 본 발명의 구현 예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 직접분사식 내연 기관용 연료 조성물은 내연 기관의 수명을 향상시킬 수 있고, 적절한 점도를 나타내므로, 내연기관의 노화에 따른 유해가스를 외부에 노출시키지 않는다.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 일 구현예는 저점도 연료 91 내지 98 부피%; 및 바이오디젤 2 내지 9 부피%을 포함하는 직접분사식 내연 기관용 연료 조성물을 제공한다.

상기 바이오디젤의 함량이 2 내지 9 부피%인 경우, 연료 조성물의 동점도(kinematic viscosity)를 증가시킬 수 있어, 윤활기능을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 금속 마찰면에서 마모율이 작아져 부품의 내구수명을 향상시킬 수 있고, 또한 외부로 배출되는 유해가스량이 줄어들 수 있다. 또한, 상기 바이오디젤의 보다 적절한 함량은 2 내지 5 부피%일 수 있다. 바이오디젤의 함량이 9 부피%를 초과하는 경우에는, 내연 기관에서 공기와의 원활한 혼합을 방해하는 바이오디젤의 함량이 너무 많아, 오히려 저점도 가스 연료의 특징인 높은 증발성에 기인한 매연이나 질소산화물과 같은 유해 배출 가스 저감에 악영향을 미칠 수 있고, 또한 종래 연료 공급 시스템과 매칭에 어려움이 있어 경우에 따라서는 하드웨어적 개선이 필요하므로 바람직하지 않다. 아울러, 9 부피%를 초과하는 경우, 내연 기관에 심각한 이상 연소(엔진 노킹) 현상이 일어날 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 바이오디젤의 함량이 2 부피%보다 작은 경우에는 바이오디젤을 사용함에 따른 효과가 미미하여 적절하지 않다.

상기 바이오디젤이란 식물성 혹은 동물성 유지와 같은 생물학적 원료로부터 만들어지는 지방산 알킬에스테르를 포함하는 물질을 의미한다. 특히, 상기 바이오디젤은 식물성 유지, 즉 식물유로부터 만들어지는 지방산 모노알킬에스테르로 구성되는 물질을 의미한다. 상기 식물유는 대두유, 카놀라유, 팜유, 코코넛유, 유채유, 옥수수유, 해바라기유 또는 이들의 조합을 들 수 있다.

이러한 바이오디젤은 식물유 또는 동물성 유지를 전이에스테르화(transesterification), 열분해, 에멀젼화와 같은 화학적 변형을 실시하여 통상적으로 제조할 수 있다. 식물유를 이러한 화학적 변형을 실시하지 않는 경우에는, 식물유가 자유지방산(free fatty acid), 인지질, 스테롤 등 불순물을 많이 포함하고 있고, 점도가 매우 높아 내연 기관의 연료로 사용하기에는 적절하지 않다.

상기 바이오디젤은 분자 내에 산소를 포함하고 있는 함산소 물질로서, 경유에 비해 매연을 현저히 줄일 수 있으며 생물자원으로부터 생산되므로 전체 생태계 관점에서 볼 때 추가적 이산화탄소 발생이 없으므로 탄소중립적(Carbon neutral)인 에너지원이다.

상기 지방산 알킬에스테르는 지방산 메틸에스테르, 지방산 에틸에스테르 또는 이들의 조합일 수 있다. 또한, 지방산 알킬에스테르는 탄소수가 12 내지 22의 지방산 알킬에스테르로서, 구체적인 예로는 대두유 알킬에스테르, 카놀라유 알킬에스테르, 팜유 알킬에스테르, 코코넛유 알킬에스테르, 유채유 알킬에스테르, 옥수수유 알킬 에스테르, 해바라기유 알킬에스테르 등을 들 수 있다.

또한, 상기 바이오디젤은 40℃에서 동점도가 1.9 내지 5cSt(mm²/s)일 수 있다. 바이오디젤의 동점도가 상기 범위에 포함되는 경우, 기존에 사용되는 저점도 연료와 적절한 호환성을 가질 수 있다.

상기 저점도 연료는 40℃에서 0.01 내지 1 cSt의 점도를 갖는 것일 수 있다. 이러한 저점도 연료로는 액화석유가스(LPG) 또는 디메틸에테르(DME)일 수 있고, 현재 국내 수송용 저점도연료의 보급상황을 고려할 때 이 중에서 액화석유가스가 보다 적절할 수 있다.

바이오디젤을 석유액화가스 연료와 사용시, 연료의 옥탄가를 저하시킬 수 있는데, 액화석유가스의 옥탄가가 휘발유보다 다소 높으므로, 바이오디젤과 함께 사용하여도, 성능 저하 또는 연료 소비율 증가 등의 문제를 거의 발생시키지 않는다. 또한, 저점도 연료 중 액화석유가스의 경우 대체로 부탄이 주성분인데, 이 경우 연료의 동점도 계수가 약 0.25cSt(40℃에서)로서, 휘발유(0.46cSt) 등의 연료에 비하여, 동점도가 낮음에 따라 발생될 수 있는 문제를 바이오디젤을 사용함에 따라 효과적으로 억제할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 연료 조성물은 연소실내에 연료 분사기를 장착하여 연료를 직접분사하는 직접분사식 내연 기관에, 연료로 유용하게 사용할 수 있다. 즉, 종래 직접분사식 내연 기관의 구조를 다시 제작하거나 설계를 변경할 필요가 없이, 연료 조성물만 간단하게 변경할 수 있으므로, 매우 경제적으로, 연료 성능을 유지하면서, 부품의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

상기 내연 기관에서, 연료를 연소실내에 직접분사하면, 분사된 연료 조성물이 흡기밸브를 통하여 들어온 공기와 연소실 내에서 혼합되고, 압축되어 점화플러그에 의하여 불꽃점화되거나 압축착화되어, 에너지를 발생할 수 있다.

이하 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.

(실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 5)

하기 표 1 및 표 2에 국내연료품질규격을 만족하는 품질항목별 기준치를 나타내었다.

품질기준항목	일반 경유	바이오디젤 100%
조성	C10 내지 C21	C12 내지 C22
동점도계수(mm²/s, 40℃)	1.9 내지 5.5	1.9 내지 5.0
비중(mg/L, 15℃)	0.815 내지 0.835	0.86 내지 0.90
인화점(℃)	40 이상	120 이상
필터막힘점(℃)	-16 이하	0 이하
유동점(℃)	0.0 이하	-
황분(mg/kg)	10이하	10이하
회분(무게%)	0.02 이하	0.01이하
세탄가	52이상	-

품질기준항목		2호 여름용	2호 겨울용
조성(mol%)	C₃탄화수소	10 이하	15 이상 35 이하
	C₄탄화수소	85 이상	60 이상
	부타디엔	0.5 이하
황함량(wt ppm)		100 이하
증기압(40℃, MPa)		1.27 이하
밀도(15℃, kg/m³)		500 - 620
잔류물질(mL)		0.05 이하
동판부식(40℃, 1h)		1 이하

상기 표 1과 2에 나타낸 국내연료품질규격을 만족하는 바이오디젤(엠에너지사)과, 액화석유가스(SK가스사)를 하기 표 3에 나타낸 혼합 비율로 혼합하여, 연료 조성물을 제조하였다.

이 연료 조성물을 실제 직접분사식 내연기관에서와 동일한 분사압력인 120 기압으로 가압한 상태에서 직접분사식 내연기관에 사용되는 연료분사기에 공급한 상태로 가스(유해가스)누설량을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

	바이오디젤 함유량(부피%)	액화석유가스 함유량(부피%)	가스누설양(cc/시간)
비교예 1	0	100	8.1
비교예 2	1	99	6.4
실시예 1	2	98	2.3
실시예 2	3	97	1.8
실시예 3	4	96	1.5
실시예 4	5	95	1.0
실시예 5	6	94	0.76
실시예 6	7	93	0.55
실시예 7	8	92	0.50
실시예 8	9	91	0.22
비교예 3	10	90	0.15
비교예 4	15	85	0.05
비교예 5	20	80	0.02

상기 표 3에 나타낸 것과 같이, 바이오디젤을 포함하지 않는 연료 조성물인 비교예 1의 경우에 비하여, 실시예 1 내지 8의 연료 조성물을 사용한 경우가 가스누설량이 적음을 알 수 있다. 또한, 바이오디젤의 함량이 1 부피%인 비교예 2에 비하여, 바이오디젤의 함량이 2 부피%인 실시예 1의 가스누설양이 현저하게 저하됨을 알 수 있다. 이는 바이오디젤을 최적 함량(1 내지 9 부피%)으로 포함하는 연료 조성물을 사용하는 경우, 연료분사기의 기밀성이 증가되어, 가스누설양이 작아짐을 알 수 있다.

아울러, 비교예 3 내지 5의 경우는 가스누설양은 매우 작지만, 바이오디젤을 10 부피%, 15 부피% 및 20 부피%로 너무 과량을 사용하였기에, 옥탄가의 감소로 심각한 이상 연소 현상(엔진 노킹)이 발생하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims

저점도 연료 91 내지 98 부피%; 및
바이오디젤 2 내지 9 부피%
을 포함하는 직접분사식 내연 기관용 연료 조성물로서,
상기 저점도 연료는 액화석유가스인 직접분사식 내연 기관용 연료 조성물.
제1항에 있어서,
상기 저점도 연료는 0.01 내지 1cSt의 점도를 갖는 것인 직접분사식 내연 기관용 연료 조성물.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 바이오디젤은 지방산 알킬에스테르인 직접분사식 내연 기관용 연료 조성물.