KR101420081B1 - 연료의 미세분사를 통해 연료절감을 가져오는 연료분사노즐의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러 연료분사노즐의 내부 및 외부 표면에 금속물질을 코팅하여 연료의 입자를 미세하게 분산시켜 연소효율을 높이고 완전연소에 가깝게 유도하여 사용연료를 절약하는 연료분사노즐의 제조방법에 관한 것이며, 유해 배출가스를 줄여주며 연비를 개선하므로 CO₂ 저감으로 온실가스 감축효과를 동시에 얻을 수 있어, 에너지의 효율적 이용과 온실가스인 이산화탄소 배출을 감축하여 대기환경개선에 크게 기여할 수 있는 연료분사노즐 및 그 제조방법이 개시되어 있다.

Description

연료의 미세분사를 통해 연료절감을 가져오는 연료분사노즐의 제조방법{method of fabricating fuel injection nozzle making fine droplet}

본 발명은 연료의 미세분사를 통해 연료절감을 가져오는 연료분사노즐 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보일러 연료분사노즐의 내부 및 외부 표면에 촉매물질을 코팅하여 연료의 입자를 미세하게 분산시켜줌으로써 연료의 연소효율을 높이고 완전연소에 가까운 연소상태를 유도하여 연료의 절감이 가능하게 하는 연료분사노즐 및 그 연료분사노즐의 제조방법에 관한 것이다.

보일러는 가스나 유류 연료를 연소시켜서 발생하는 열을 이용하여 온수나 증기를 얻는 기기로서, 가정에서부터 생산공장이나 발전설비에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다. 보일러를 용도에 따라 대별하면 소형인 가정용보일러, 중소형인 산업용 및 난방용보일러, 대형의 발전용보일러로 구분할 수 있다. 일반적으로 가정용보일러는 가정의 난방을 위하여 온수를 생산하는 소형보일러로서 단독주택이나 공동주택의 개별난방에 사용되고 있다. 산업용 및 난방용보일러는 공동주택이나 건물의 중앙난방이나 산업체에서 제품생산을 위한 열원으로 사용되는 비교적 큰 용량의 보일러로서 증기 또는 온수를 발생한다. 발전용보일러는 전기를 발생하기 위해 비교적 고압의 과열증기를 만드는 보일러로서 그 규모가 매우 크다. 그리고 농업용 보일러의 경우 작물의 보온을 위해 사용되어지며, 일반적으로 작목반 별로 사용하는 온도가 상이하며, 대부분이 작물이 자라기 좋은 온도를 유지하기 위한 난방용으로 많이 사용되어진다.

국내외 연료분사노즐 기술을 살펴본 결과 일반적으로 연료 분사 연료분사노즐 개발을 통한 연료 사용량 감소와 연소효율 개선을 도모하는 기술의 개발에 대한 실적은 보고된 것이 없다. 연료분사노즐의 개발은 대부분이 공기 연료분사노즐의 개발 및 가스 연료의 연료분사노즐로 치우쳐 있으며, 액체 연료에 대한 분사 연료분사노즐의 개발은 적은편이다. 이는 연료분사노즐에서 연료의 분사 시 연료의 체적을 작게 하는 기술의 난해함과 같이 개발의 어려움 때문에 개발 실적이 적은 편이지만, 액체 연료 분사 연료분사노즐의 분산도, 분사각, 분무입경, 연료분사량, 분사매체량 등이 개선되어진다면, 연소 시 배출되는 연소가스의 조성 성분에 변화를 줄 수 있다.

한국특허출원 제10-2013-0030003호에서 분무 연료분사노즐장치에 대해 설명하고 있으며, 한국특허출원 제10-2013-7001328호에는 분사노즐시스템 및 분사노즐시스템을 작동시키기 위한 방법에 대해 설명하고 있고, 한국특허출원 제10-2009-0007456호에서는 보일러 버너 연료분사노즐을 설명하고 있고, 한국특허출원 제10-2008-0027167호에서는 탄화물 제거 연료분사노즐을 구비한 보일러 버너에 대해 설명하고 있다.

그러나 이러한 기술들은 연료분사노즐의 분사각도, 연료분사노즐 모양, 연료분사노즐 구멍 크기 조절에 의해서 분사량이나 분사 연료의 입자를 조절하는 시도를 해왔으나 이러한 기계적인 방법에 의한 시도만으로는 연료를 완전연소 시키거나 연소효율의 증가를 얻기가 어려웠다.

본 발명은 기존 연료분사노즐의 기계적인 개선만으로는 연료 입자를 미립화시키거나 분무 액적 크기를 감소시키는 것이 어렵고 따라서 미연탄화수소를 완전 연소시키는데에 도달하지 못하였던 기술적 단점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연료분사노즐의 표면을 촉매로 코팅하여 상기 단점을 극복할 수 있도록 하는 연료절감 및 미세분사를 위한 연료분사노즐 및 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.

상기 본 발명의 목적은 연료분사노즐 표면에 Pt, Pd, Ru, Ir, Co, Ni, W중 하나 이상의 금속이 코팅되게 하고, 코팅되는 두께는 3nm 이상 1㎛ 이하가 되게 코팅하며, 열처리를 하여 연료분사노즐 표면에 강한 코팅막을 형성하고, 전자기파에 연료분사노즐 표면을 노출시켜 표면이 안정화되도록 하는 연료분사노즐 제조방법에 의해 달성된다.

상기 본 발명의 목적은 Pt, Pd, Ru, Ir, Co, Ni, W중 하나 이상의 금속이 표면에 코팅된 코팅층을 구비한 것을 특징으로 하느 연료분사노즐에 의해 달성된다.

여기서, 상기 코팅층의 코팅물질로 Pt 금속으로 염화백금산이나 백금암모늄염을 사용하고 Pd 금속으로 팔라듐나이트레이트나 염화 팔라듐, Ru 금속으로 루테늄클로라이드, Ir 금속으로 이리듐클로라이드, Co 금속으로 코발트 나이트레이트, Ni 금속으로 니켈나이트레이트, W 금속으로 암모늄텅스테이트를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 코팅층의 두께는 3nm ~ 1㎛ 가 되는 것이 바람직하다.

또한 상기 본 발명의 목적은 노즐 표면에 Pt, Pd, Ru, Ir, Co, Ni, W중 하나 이상의 금속을 코팅하는 단계 및 상기 금속이 코팅된 상기 노즐 표면을 건조 및 열처리 하여 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 연료분사노즐의 제조방법에 의해서도 달성된다.

상기 제조방법은 상기 코팅층이 형성된 상기 노즐 표면을 180nm ~ 1,800nm 사이의 파장 범위를 갖는 전자기파에 노출시켜 상기 코팅층이 안정화되도록 하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 연료분사노즐을 통하여 연료가 미립자화하여 분사됨으로써 완전연소를 유도하여 출력증강과 연소효율을 높여주어 연료를 절감하고 연비를 향상시키며, 결과적으로 온실가스를 저감시키고 에너지의 효율적 사용을 가능하게 하여 대기환경개선에도 크게 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조된 연료분사노즐의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료분사노즐에 의해 연료가 연소되는 상태(a)를 종래의 연료분사노즐에 의한 연소상태(b)와 비교하여 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 공지된 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 혼동시키거나 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다. 본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조된 연료분사노즐의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료분사노즐은 연료분사노즐(1)의 내측면(3) 및 외측면에 Pt, Pd, Ru, Ir, Co, Ni, W중 하나 이상의 금속의 코팅물질로 코팅된 코팅층(10)이 형성된다.

코팅층(10)을 형성하는 코팅물질로 Pt 금속으로 염화백금산이나 백금암모늄염을 사용하고 Pd 금속으로 팔라듐나이트레이트나 염화 팔라듐, Ru 금속으로 루테늄클로라이드, Ir 금속으로 이리듐클로라이드, Co 금속으로 코발트 나이트레이트, Ni 금속으로 니켈나이트레이트, W 금속으로 암모늄텅스테이트를 사용하여 연료분사노즐(1) 표면에 코팅한 후, 섭씨 100℃ 이상에서 2시간 이상 건조를 하고, 이후 섭씨 300℃ 이상에서 2시간 이상 열처리를 한 다음에, 이후 180nm ~ 1,800nm 사이의 파장 범위를 갖는 전자기파에 10분 이상 연료분사노즐(1) 표면을 노출시켜 표면이 안정화 되도록 하여 연료분사노즐을 제조한다.

이 때 연료분사노즐(1) 표면의 금속의 코팅층(10)의 두께는 3nm ~ 1㎛ 의 범위에 있다. 코팅층(10)의 코팅 두께가 3nm 보다 작으면 연료를 미립자화 하는 성능이 떨어지고, 코팅 두께가 1㎛보다 크면 연료분사노즐(1)의 분사구(2)를 막아 연료의 분사가 어려워진다.

전자기파의 파장 범위를 180nm ~ 1,800nm로 한 것은, 180nm 이하 파장의 전자기파에 노출시키면 표면 코팅층의 코팅 물질인 촉매금속의 전자의 균형을 손상시키는 등의 영향을 주어 연료의 미립자화가 어려워지며, 반대로 1,800nm 이상 파장의 전자기파는 에너지 수준이 너무 낮아서 코팅된 금속을 안정화시키는 효과가 급격히 줄어들기 때문이다.

이하, 본 발명은 하기의 실시예 및 비교예에 의거하여 설명된다. 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 하기의 실시예 및 비교예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

염화백금산 1g을 증류수 100g과 혼합하고 여기에 연료분사노즐 규격 3.75갤런/60°H인 연료분사노즐을 장치(미도시)로부터 분해하여 함침시키고, 섭씨 100℃에서 5시간 건조를 한 이후 섭씨 400℃에서 2시간 열처리를 하고 이후 400nm~1,000nm 파장의 전자기파에 20분간 노출시킨 이후에 이 연료분사노즐을 180,000kcal 경유난방기에 장착하여 연료절감과 배출가스를 측정하였다. 연료절감은 일정량의 물을 상온에서 소정의 온도까지 상승시키는데 소모된 연료량을 측정하는 것에 의해 산출하였다.

실시예 2

염화팔라듐 1g을 증류수 50g과 혼합하고 여기에 연료분사노즐 규격 4.0갤런/60°H인 연료분사노즐을 함침시키고, 섭씨 120℃에서 2시간 건조를 한 다음에, 이후 섭씨 450℃에서 2시간 열처리를 하고, 이후 1,000nm~1,800nm 파장의 전자기파에 30분간 노출시킨 후 이 연료분사노즐을 250,000kcal 경유난방기에 장착하여 연료절감과 배출가스를 측정하였다.

실시예 3

루테늄클로라이드 0.5g과 이리듐클로라이드 0.5g을 증류수 30g과 혼합하고 여기에 연료분사노즐 규격 3.75갤런/60°H의 연료분사노즐을 분해하여 함침시키고, 섭씨 100℃에서 5시간 건조를 한 다음에, 이후 섭씨 400℃에서 2시간 열처리를 수행하고, 이후 180nm~400nm 파장의 전자기파에 10분간 노출시킨 다음에, 이 연료분사노즐을 180,000kcal 경유난방기에 장착하여 연료절감과 배출가스를 측정하였다.

실시예 4

코발트나이트레이트 0.5g과 니켈나이트레이트 0.5g을 증류수 10g과 혼합하고 여기에 연료분사노즐 규격 4.0갤런/60°H의 연료분사노즐을 분해하여 함침시키고, 섭씨 100℃에서 5시간 건조시킨 다음에, 이후 섭씨 400℃에서 2시간 열처리를 수행하고, 이후 400nm~1,000nm 파장의 전자기파에 30분간 노출시킨 다음에, 이 연료분사노즐을 250,000kcal 경유난방기에 장착하여 연료절감과 배출가스를 측정하였다.

실시예 5

암모늄텅스테이트 1g을 증류수 50g과 혼합하고 여기에 연료분사노즐 규격 3.75갤런/60°H인 연료분사노즐을 분해하여 함침시키고, 섭씨 120℃에서 5시간 건조를 한 다음에, 이후 섭씨 450℃에서 2시간 열처리를 수행하고, 이후 400nm~1,000nm 파장의 전자기파에 30분간 노출시킨 다음에, 이 연료분사노즐을 180,000kcal 경유난방기에 장착하여 연료절감과 배출가스를 측정하였다.

비교예 1

노즐 규격 3.75갤런/60°H인 연료분사노즐을 180,000kcal 경유난방기에 장착하여 연료절감과 배출가스를 측정하였다.

비교예 2

노즐 규격 4.0갤런/60°H인 연료분사노즐을 250,000kcal 경유난방기에 장착하여 연료절감과 배출가스를 측정하였다.

실시예들과 비교예들로부터 표면처리된 연료분사노즐의 종류 및 함량에 따른 연비향상(연료절감) 및 배출가스를 측정한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

실시예	배출가스			연비향상 (%)	코팅 두께
	CO 저감율(%)	탄화수소 저감율(%)	매연 저감율(%)
실시예 1	36	73	30	31	5nm
실시예 2	37	78	32	37	85nm
실시예 3	38	80	33	39	0.27㎛
실시예 4	31	67	26	28	0.83㎛
실시예 5	38	79	33	39	0.12㎛
비교예 1	0	0	0	0	-
비교예 2	0	0	0	0	-

표 1에 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료분사노즐은 연료분사노즐 표면에 금속을 코팅하고 열처리 및 전자기파에 노출시줌으로써, 일산화탄소, 탄화수소 등의 유해 가스의 배출이 감소되고, 특히 일산화탄소 저감율은 31 ~ 38%에 이르고, 매연저감율은 26 ~ 33%에 이르고, 탄화수소 저감율은 67 ~ 80%에 이르는 것이 확인된다. 또한 연비(연료저감율)가 28 ~ 39% 향상되어 연소효율이 좋아져서 연료를 적게 사용하게 되므로 CO2 저감으로 온실가스 감축효과를 동시에 얻을 수 있으며, 에너지의 효율적 이용과 온실가스인 이산화탄소 배출을 그만큼 감축하여 대기환경개선에 크게 기여할 수 있는 효과를 동시에 얻을 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 연료분사노즐의 연소효율의 향상은 연료분사노즐을 지나면서 분사되는 연료의 연료입자 클러스터들에 대하여 코팅물질인 금속의 촉매작용이 이루어지기 때문이다. 연료분사노즐에서 분사된 연료가 연소되면서 연료분사노즐의 온도가 상승하고 코팅층의 온도가 상승하면 촉매금속이 에너지를 얻어 촉매금속의 전자적 디퓨젼(diffusion)이 발생하여 연료입자 클러스터로 전자가 이동하여 연료입자 클러스터가 미세하게 분해되는 결과를 가져오며 따라서 연료입자 클러스터의 미세화가 이루어진다. 또한 고온의 코팅층의 촉매금속은 하이드로카본을 분해하는 성질이 있어서 연료가 연료분사노즐 내부의 코팅층을 지나면서 하이드로카본이 일부 분해되어 산화(연소)가 되기 쉬운 상태로 변화된다. 이러한 촉매금속에 의한 연료의 입자의 미세화 및 산화되기 쉬운 상태로의 변화를 촉매작용이라 한다.

따라서 이와 같은 연료분사노즐의 코팅층의 촉매금속의 촉매작용에 의해 연료입자가 미세화된 상태에서 연료분사노즐의 분사구(2)를 통해 연료가 분사되므로 연료는 완전연소에 가까운 연소를 하게 되어 연소효율이 향상되고 연료절감의 효과가 얻어진다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료분사노즐에 의해 연료가 연소되는 상태(b)를 종래의 연료분사노즐에 의한 연소상태(a)와 비교하여 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료분사노즐을 사용하여 연료를 분사하면 연료의 액적이 미세화된 상태에서 분사되기 때문에, 미세화된 액적은 분산의 효율이 좋아서 더 넓은 공간으로 분사되어 분사각(α2)과 화염의 폭(D2)이 크고 따라서 더 큰 공간에서 더 많은 공기와 접촉하여 연소되므로 연소효율이 향상되는 것이다. 이에 반해 종래의 연료분사노즐은 연료의 액적이 크기 때문에 연료의 분사각(α1)과 화염의 폭(D1)이 작고 그 결과 상대적으로 작은 양의 공기와 접촉하여 연소가 이루어지므로 연소효율이 상대적으로 낮다.

본 발명에 따른 연료분사노즐은 연료분사노즐에 코팅층을 형성하는 방법이 연료분사노즐을 코팅물질에 함침하는 방식에 의해 이루어지기 때문에 연료분사노즐의 분사구(2)의 내측의 내측면은 물론이고 연료분사노즐의 외측면에도 코팅층이 형성되는데, 주로 촉매작용의 역할을 하는 것은 연료와 접촉을 하는 연료분사노즐의 내측면 및 연료분사노즐의 분사구(2)에 바로 인접한 외측부분이다.

본 발명에 따른 연료분사노즐은 연료분사노즐의 내측면에 촉매금속의 코팅층이 형성되기 때문에 코팅층이 내구성을 향상시켜서, 장시간 연료분사노즐을 사용함에 따라 연료분사노즐의 분사구의 구경이 확대되어 연료분사량이 변하는 것도 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연료분사노즐은 촉매금속을 사용하여 연료분사노즐을 코팅하는 것이기 때문에 코팅층의 두께를 나노미터 수준으로 매우 얇게 형성할 수가 있어서, 연료분사노즐의 분사구의 구경을 거의 감소시키지 않는다. 따라서 코팅층을 형성하더라도 분사구의 구경의 감소가 거의 없기 때문에 별도의 연료분사노즐을 제작할 필요가 없고 기존의 치수의 연료분사노즐을 그대로 사용할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 구체예 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

1 연료분사노즐, 2 분사구, 3 내측면, 10 코팅층

Claims (7)

1. 노즐 표면에 Pt, Pd, Ru, Ir, Co, Ni, W중 하나 이상의 금속을 코팅하는 단계;
   상기 금속이 코팅된 상기 노즐 표면을 건조 및 열처리 하여 코팅층을 형성하는 단계; 및
   상기 코팅층이 형성된 상기 노즐 표면을 180nm ~ 1,800nm 사이의 파장 범위를 갖는 전자기파에 노출시켜 상기 코팅층이 안정화되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료분사노즐의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 코팅층의 코팅물질은 Pt 금속으로 염화백금산이나 백금암모늄염을 사용하고 Pd 금속으로 팔라듐나이트레이트나 염화 팔라듐, Ru 금속으로 루테늄클로라이드, Ir 금속으로 이리듐클로라이드, Co 금속으로 코발트 나이트레이트, Ni 금속으로 니켈나이트레이트, W 금속으로 암모늄텅스테이트를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료분사노즐의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 코팅층의 두께는 3nm ~ 1㎛ 가 되는 것을 특징으로 하는 연료분사노즐의 제조방법.
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