KR102244930B1 - 엔진 냉각수 첨가제 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

배기가스를 감소시키고 연료 효율성을 증가시키는 엔진 냉각수 첨가제 및 그 제조방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 조성물을 기준으로 0.1 내지 1 중량 퍼센트의 1000ppm 금나노입자콜로이드 수용액과, 99.9 내지 99 중량 퍼센트의 알코올계 동결방지용 용매를 포함하는 엔진 냉각수 첨가 조성물이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 냉각수 첨가제 제조 방법은, 금나노입자콜로이드-용매 혼합액 제조 단계, 안정화제 용해 단계, 교반 및 에이징 단계를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 특히 디젤 엔진에서 배기가스가 저감되고 연료 효율이 증가한다.

Description

엔진 냉각수 첨가제 및 그 제조방법 {Engine coolant additive and method for making the same}
본 발명은 엔진 냉각수 첨가제 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기가스를 감소시키고 연료 효율성을 증가시키는 냉각수 첨가제 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차 엔진은 가솔린, 디젤 등의 연료를 이용하여 연소 과정을 통하여, 예를 들면 연료 흡입, 압축, 폭발, 배기와 같은 반복 행정을 통한 연소 과정에서 주행에 필요한 에너지를 얻을 수 있다. 이러한 과정에서 실린더 내부의 연소열은 섭씨 수천도에 이르게 되며, 이 고온의 연소열이 실린더 벽, 실린더 헤드, 피스톤 및 밸브 등으로 전도된다. 이러한 부분의 온도가 너무 높아지게 되면, 부품재료의 강도가 저하되고 고장이 생기게 되거나, 수명이 단축되고, 연소상태도 나빠지게 되어 노킹 조기점화 등으로 인하여 엔진의 출력이 저하될 수 있다. 또한, 피스톤과 실린더 벽에 공간이 생겨 윤활유 등이 실린더 내부로 유입되면 불완전 연소로 인한 매연이 증가되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 차량 등의 내연 기관에는 엔진이 가동할 때 발생되는 열을 억제하기 위한 라디에이터(열 교환기)가 설치되어 있다. 라디에이터는 냉각수를 순환시켜서 엔진의 발열을 냉각한다. 냉각수로는 대부분 물을 사용하여 왔고, 냉각수에 부식 방지제 또는 동결 방지제를 함께 혼합하여 사용하고 있다. 그러나, 냉각수는 대부분 물로 이루어져 있기 때문에, 엔진이 과열하게 되면 라디에이터에서 충분한 냉각이 이루어지지 않아 결국 엔진이 과열하게 되고, 이로 인한 피스톤과 실린더의 마모가 더욱 심해지며 실린더 내부의 피스톤에 틈새가 생겨 윤활유 등이 실린더 내부로 유입되어 불완전 연소로 인한 매연이 증가하는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 대한민국 특허등록 제10-0911940호, 제10-1457657호, 제10-1610222호, 제10-1915766호 등에서와 같이 자동차 냉각수의 첨가제가 제안되고 있다. 그러나, 배기가스의 저감 및 연료 효율성의 증가 성능에 개선할 부분이 많이 있으며, 특히 디젤 엔진의 경우에 개선의 필요성이 높다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 배기가스의 저감 및 연료 효율 증가 성능이 높은 엔진 냉각수 첨가제 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 디젤 엔진에서 배기가스의 저감 성능 및 연료 효율 성능을 높일 수 있는 엔진 냉각수 첨가제 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 조성물을 기준으로 0.1 내지 1 중량 퍼센트의 1000ppm 금나노입자콜로이드 수용액과, 99.9 내지 99 중량 퍼센트의 알코올계 동결방지용 용매를 포함하는 엔진 냉각수 첨가 조성물이 제공된다. 추가적으로 안정화제를 더 포함할 수 있으며, 안정화제로는 규산염이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 냉각수 첨가제 제조 방법은, 금나노입자콜로이드-용매 혼합액 제조 단계, 안정화제 용해 단계, 교반 및 에이징 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 엔진 냉각수 첨가제 제조 방법은, 금나노입자콜로이드 수용액을 알코올계 동결방지용 용매에 희석교반하여 금나노입자콜로이드-용매 혼합액을 제조하는 단계와, 안정화제를 탈이온수에 용해시키는 단계와, 상기 용해된 안정화제를 상기 금나노입자콜로이드-용매 혼합액에 서서히 투입하면서 일정 시간 이상 교반하면서 에이징시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 금나노입자콜로이드-용매 혼합액 제조 단계는 0.1 내지 1 중량 퍼센트의 1000ppm의 금나노입자콜로이드 수용액을 99.9 내지 99 중량 퍼센트의 상기 알코올계 동결방지용 용매에 희석하여 제조하는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 금나노입자콜로이드-용매 혼합액 제조 단계는 1000ppm의 금나노입자콜로이드 수용액 7.5g을 상기 알코올계 동결방지용 용매 750g에 희석교반하는 것이며, 상기 안정화제를 탈이온수에 용해시키는 단계는 안정화제 2.5g을 탈이온수 250g에 용해시키는 것이며, 상기 에이징 단계는 상기 용해된 안정화제를 상기 금나노입자콜로이드-용매 혼합액에 서서히 투입하면서 4000rpm 이상으로 교반하며 6시간동안 에이징시키는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 배기가스의 저감 및 연료 효율 증가 성능이 높은 엔진 냉각수 첨가제 및 그 제조방법이 제공된다. 본 발명에 따르면 디젤 엔진에서 배기가스의 저감 성능 및 연료 효율 성능을 높일 수 있다.
도 1은 FTP 75 모드의 트랜지언트 드라이브 사이클을 보여주는 도면이다.
도 2는 KD147 모드 시험결과를 보여주는 그래프로서, (a)는 냉각수 첨가제 주입전의 1회차 시험 결과이며, (b)는 냉각수 첨가제 주입전의 2회차 시험 결과이며, (c)는 냉각수 첨가제 주입후의 1회차 시험 결과이며, (d)는 냉각수 첨가제 주입후의 2회차 시험 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다. 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
본 발명의 엔진 냉각수 첨가제는 액상의 냉각수 첨가 조성물이다. 일 실시예에서 조성물을 기준으로 0.1 내지 1 중량 퍼센트의 1000ppm 금나노입자콜로이드 수용액과, 99.9 내지 99 중량 퍼센트의 알코올계 동결방지용 용매를 포함할 수 있다. 추가적으로 안정화제를 더 포함할 수 있다. 안정화제로는 규산염이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 냉각수 첨가제 제조 방법은, 금나노입자콜로이드-용매 혼합액 제조 단계를 포함한다. 추가적으로, 안정화제 용해 단계, 교반및 에이징 단계를 포함할 수 있다.
금나노입자콜로이드-용매 혼합액 제조 단계는, 금나노입자콜로이드 수용액을 알코올계 동결방지용 용매에 희석교반하여 금나노입자콜로이드-용매 혼합액을 제조하는 단계이다. 금나노입자콜로이드 수용액은 1nm 이상 100nm 이하 지름의 입자 1000ppm이 수용된 수용액일 수 있다.
알코올계 동결방지용 용매로는 2개 이상의 하이드록실기가 존재하는 수용성 다가알코올이 사용될 수 있다. 구체적으로는, 글리세린(glycerine), 프로필렌글라이콜(propyleneglycol), 부틸렌 글리콜(butylene glycol) 중의 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 금나노입자콜로이드-용매 혼합액 제조 단계는 금나노입자콜로이드 수용액 1000ppm 1 내지 10g을 상기 알코올계 동결방지용 용매 999 내지 990g에 희석하여 총 질량을 1000g으로 제조하는 것일 수 있다. 즉, 금나노입자콜로이드-용매 혼합액은 조성물의 전체 중량비를 기준으로, 금나노입자콜로이드 수용액이 0.1 내지 1%, 알코올계 동결방지용 용매가 99.9 내지 99% 포함될 수 있다. 일실시예에서, 금나노입자콜로이드 수용액 1000ppm 7.5g을 상기 알코올계 동결방지용 용매 750g에 희석 교반하여 금나노입자콜로이드-용매 혼합액을 제조할 수 있다. 일 실시예에서 금나노입자콜로이드수용액(1000ppm/평균 100nm 이하의 지름의 입자) 7.5g을 프로필렌글라이콜 750g에 희석교반할 수 있다.
안정화제 용해 단계는 안정화제를 탈이온수에 용해시키는 단계이다. 안정화제로는 규산염이 사용될 수 있다. 구체적으로는, 안정화제로는 소듐실리케이트(Sodium Silicate), 포타슘실리케이트(potassium silicate), 세슘실리케이트(cesium silicate), 마그네슘실리케이트(magnesium silicate), 칼슘실리케이트(calcium silicate) 중의 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.
일 실시예에서 안정화제 용해 단계는 안정화제 2.5g을 탈이온수 250g에 용해시키는 것일 수 있다. 즉, 안정화제와 탈이온수를 중량비로 1:100의 비율로 용해시킬 수 있다.
교반 및 에이징 단계는 용해된 안정화제를 금나노입자콜로이드-용매 혼합액에 서서히 투입하면서 일정 시간 이상 교반하면서 에이징시키는 단계이다. 구체적으로는, 에이징 단계는 용해된 안정화제를 금나노입자콜로이드-용매 혼합액에 서서히 투입하면서 4000rpm 이상으로 교반하며 6시간동안 에이징시키는 것일 수 있다.
< 실험결과 >
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 냉각수 첨가제를 주입하여 디젤차량의 성능과 연료 사용량 및 배기가스를 측정하기 위해, 실제 섀시 동력계 시험 등을 통하여 측정 비교 하였다. 본 실험에서는 금나노입자콜로이드수용액(1000ppm/평균 100nm 이하의 지름의 입자) 7.5g을 프로필렌글라이콜 750g에 희석교반하고, 소듐메타실리케이트 2.5g을 탈이온수 250g에 용해시키고 이것을 금나노입자콜로이드수용액과 프로필렌글라이콜 혼합액에 서서히 투입하면서 4000rpm이상으로 교반하며 6시간동안 에이징 시켜서 제조한 냉각수 첨가제를 사용하였다.
표 1 내지 표 4와 같은 사양을 가진 시험대상 차량을 섀시동력계에 설치하여 각 시험차량에 냉각수 첨가제를 30mL 주입하여 엔진성능 및 배기가스를 측정하였다. 표 1은 시험차량 #1의 제원이고, 표 2는 시험차량 #1의 엔진 제원이며, 표 3은 시험차량 #2의 제원이고, 표 4는 시험차량 #2의 엔진 제원이다.
Figure 112019009820913-pat00001
Figure 112019009820913-pat00002
Figure 112019009820913-pat00003
Figure 112019009820913-pat00004
1. FTP75 모드 시험 결과
FTP75모드 운전은 자동차 연비 및 배출가스시험이다. 이 시험은 30분 이상의 시험을 통하여 연비 등을 측정할 수 있다. 차량시험의 조건에는 콜드 스타트(Cold Start) 조건과 웜 스타트(Warm Start) 조건이 있으며, 콜드 스타트 조건은 차량을 하루 이상 시동을 걸지 않은 상태에서 처음으로 시동 후 운전하는 조건이며, 웜 스타트 조건은 한번 모드운전 시험 후 재시험하는 조건이다. 본 시험에서는 콜드 스타트 조건에서 시험을 수행하였다.
FTP75 모드 운전을 하면서 측정한 시험결과는 표 5와 같다.
Figure 112019009820913-pat00005
표 5의 실험결과를 보면,
HC(미연탄화수소)는 첨가제 주입 전 평균값 0.070 g/km에서 냉각수 첨가제 주입 시 평균값 0.030 g/km로 약 57% 감소되었으며,
CO(일산화탄소)는 첨가제 주입 전 평균값 0.260 g/km에서 냉각수 첨가제 주입 시 평균값 0.160 g/km로 약 38% 감소되었으며,
NOX(질소산화물)은 첨가제 주입 전 평균값 0.140g/km에서 냉각수 첨가제 주입 시 평균값 0.060 g/km의 값을 보여 57.1% 감소하였으며,
CO2(이산화탄소)는 첨가제 주입 전 평균값 174.57 g/km(시험 2회 평균값)에 서 냉각수 첨가제 주입 시 평균값 149.7 g/km 으로 약 14.2% 감소되었으며 이는 곧 연비 사용량에도 증대된 효과로 나타남을 알 수 있다.
사용된 경유 연료 리터당 주행거리(km)로 측정한 연료사용량(km/L)은 첨가제 주입 전 평균값 15.36km/ℓ(시험 2회 평균값)에서 냉각수 첨가제 주입 시 17.96km/L 로 약 16.9% 향상되어, 연료사용량 측면에서 첨가제 주입 전에 비하여 매우 향상된 결과를 보였다.
상기 시험결과를 종합하면 냉각수 첨가제 주입 시 NOX(질소산화물)의 배출은 약 57% 이상 감소하며, CO(일산화탄소)의 배출도 감소하며, 특히 엔진 시동 초기에 많이 발생되는 HC(미연탄화수소)의 배출도 대폭 감소하였다. 원래 HC(미연탄화수소)가스가 연료의 기화가 잘 안 이루어지는 겨울철이나 초기 엔진 시동 시에 발생량이 많은 것으로 미루어 볼 때, 겨울철 디젤엔진의 초기 시동성에서도 본 냉각수 첨가제 주입 시에 유리할 것이다.
다음으로, FTP75 모드 시험결과의 Phase 별 분석 결과는 다음과 같다.
섀시동력계 시험 모드에 사용된 FTP 75 모드는 도 1과 같이 Cold Transient(냉간운전 과도조건) 505초, Cold Stabilized(냉간운전 안정운전조건) 869초, Hot Transient(열간운전 과도조건) 505초 등으로 구성되어 있다. 이들 각각의 운전을 Phase I, Phase II, Phase III 조건으로 명명한다.
이러한 각각의 Phase 조건별에서의 배출가스 특성은 표 6과 같다.
Figure 112019009820913-pat00006
HC 는 냉각수 첨가제 주입 시에 Phase I, II 에서는 대등한 효과를 나타내며 Phase III에서 약 70%의 저감효과를 보여 엔진이 충분히 워밍업된 이후 열간 운전과도조건(Hot Transient)에 효과적이다.
CO는 냉각수 첨가제 주입 시에 Phase I, II 에서 저감되고, Phase III에서 는 대등한 성능을 보인다. 이를 통하여 엔진이 워밍업되는 초기 구간에서 CO의 저감 효과가 더 나타나는 것으로 평가된다.
NOx는 냉각수 첨가제 주입 시에 Phase I에서 감소되며 Phase II 에서는 매우 감소하며, Phase III에서는 첨가제 주입 전에 비하여 증가하는 성능을 보이고 있는 것으로 보여 엔진이 Cold한 운전 상태에서 효과적임을 알 수 있다.
연료사용량은 Phase I의 냉간 과도(Cold Transient) 운전 조건에서는 첨가제 주입시의 효과가 향상되는 정도가 매우 크며 Phase II의 냉간 정상(Cold Stabilized) 운전 조건에서 12.6% 향상되고, Phase III의 열간 과도(Hot Transient) 운전 조건에서는 대등한 특징을 보이고 있다. 이로 미루어 볼 때 엔진이 Cold한 조건에서 연비 향상효과가 큼을 알 수 있으며, 단거리 운전 시 연비 측면에서 냉각수 첨가제의 더욱 큰 효과를 예상할 수 있다.
2. KD147 모드 시험 결과
액티온스포츠 차량(시험차량 #2)을 사용하여 KD 147 모드 시험을 수행하였다. KD147 모드 시험에서는, 디젤 차량이 규정된 속도로 147초 운전하는 동안 0.25초 간격으로 매연을 측정하고 이 측정값을 분석하여 검사 대상 디젤 차량의 매연 대표값을 결정한다. 현재의 법규에서는 KD147 모드로 기록된 매연 측정값 중 최대값과 최대값 전후 각각 2개의 측정값 총 5개의 매연 측정값을 산술 평균을 취하여 검사 대상 차량의 매연 대표 값으로 정한다. 본 시험에서는 냉각수 첨가제를 주입한 조건에서 KD147모드 운전을 수행하고 냉각수 첨가제 주입전의 결과와 비교하였다.
KD147 모드 시험결과는 표 7 및 도 2와 같다. 도 2에서 (a)는 냉각수 첨가제 주입전의 1회차 시험 결과이며, (b)는 냉각수 첨가제 주입전의 2회차 시험 결과이며, (c)는 냉각수 첨가제 주입후의 1회차 시험 결과이며, (d)는 냉각수 첨가제 주입후의 2회차 시험 결과이다.
Figure 112019009820913-pat00007
표 7 및 도 2에서 알 수 있는 것처럼, 냉각수 첨가제 주입시 주입 전에 비하여 KD147 매연모드 측정결과 매연대표값 평균이 50% 이상 저감되는 우수한 특성을 보이고 있다. 또한 시험 차량은 KD147 모드가 법규로 지정된 매연 기준 값인 15% 이하(2012년 1월 1일 이후)의 값을 만족하고 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 금나노입자콜로이드 수용액을 알코올계 동결방지용 용매에 희석교반하여 금나노입자콜로이드-용매 혼합액을 제조하는 단계;
    안정화제를 탈이온수에 용해시키는 단계;
    상기 용해된 안정화제를 상기 금나노입자콜로이드-용매 혼합액에 서서히 투입하면서 일정 시간 이상 교반하면서 에이징시키는 단계
    를 구비하며,
    상기 금나노입자콜로이드-용매 혼합액 제조 단계는 0.1 내지 1 중량 퍼센트의 1000ppm의 금나노입자콜로이드 수용액을 99.9 내지 99 중량 퍼센트의 상기 알코올계 동결방지용 용매에 희석하여 제조하는 것이며,
    상기 에이징 단계는 상기 용해된 안정화제를 상기 금나노입자콜로이드-용매 혼합액에 서서히 투입하면서 4000rpm 이상으로 교반하면서 에이징시키는 것인,
    엔진 냉각수 첨가제 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알코올계 동결방지용 용매는 글리세린(glycerine), 프로필렌글라이콜(propyleneglycol), 부틸렌 글리콜(butylene glycol) 중의 적어도 어느 하나이며,
    상기 안정화제는 소듐실리케이트(Sodium Silicate), 포타슘실리케이트(potassium silicate), 세슘실리케이트(cesium silicate), 마그네슘실리케이트(magnesium silicate), 칼슘실리케이트(calcium silicate) 중의 적어도 어느 하나인, 엔진 냉각수 첨가제 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금나노입자콜로이드-용매 혼합액 제조 단계는 1000ppm의 금나노입자콜로이드 수용액 7.5g을 상기 알코올계 동결방지용 용매 750g에 희석교반하는 것이며,
    상기 안정화제를 탈이온수에 용해시키는 단계는 안정화제 2.5g을 탈이온수 250g에 용해시키는 것이며,
    상기 일정 시간은 6시간인, 엔진 냉각수 첨가제 제조방법.
  5. 제1항, 제2항 또는 제4항 중 어느 하나의 항의 방법에 의하여 제조된 엔진 냉각수 첨가제.


  6. 삭제
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