KR102496061B1

KR102496061B1 - 내연기관의 매연 저감을 위한 연료첨가제 조성물

Info

Publication number: KR102496061B1
Application number: KR1020220098533A
Authority: KR
Inventors: 선석근; 김수헌
Original assignee: 오존층살리고 주식회사
Priority date: 2022-08-08
Filing date: 2022-08-08
Publication date: 2023-02-06

Abstract

본 발명은 내연기관의 매연 저감을 위한 연료첨가제 조성물에 관한 것으로, 내연기관에 연료 주입 시, 상기 연료첨가제 조성물을 함께 주입하여 사용 시, 내연기관의 성능 개선 효과, 엔진 세정, 부식 방지 및 매연 등의 배출가스 저감 효과를 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 첨가제를 연료와 함께 주입함에 따라, 내연 기관 내에서 연료가 폭발하는 시점을 조정하여, 불완전 연소를 억제하고, 노킹 현상을 방지하여, 매연 등과 같은 배출 가스의 저감 효과를 나타낼 수 있다.

Description

내연기관의 매연 저감을 위한 연료첨가제 조성물{FUEL ADDITIVE COMPOSITION FOR SMOKE REDUCTION OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관의 매연 저감을 위한 연료첨가제 조성물에 관한 것이다.

전세계가 지구 온난화 방지 및 지구 환경을 파괴하는 대기오염 물질을 저감 하기 위해 교토의정서를 비준 발효하는 등 향후 이산화탄소 배출권에 대한 금전적 거래를 시작하고 또한 내적으로는 탄소세를 부과하여 강제적으로라도 대기 환경 개선에 총력을 기울이고 있다.

우리나라도 환경 기준치를 매년 강화함으로써 각 기업은 이에 대한 비용이 날로 증가하는 추세에 있다. 따라서, 화석연료 사용에 따른 각종 대기 오염을 감소시키고 에너지 소비 효율을 높이기 위한 기술이 요구된다.

화석연료 사용량 증가는 이산화탄소 배출이 많아져 지구 온난화 현상이 가속화되고, 지구 생태계 파괴와 인류의 생활환경에 매우 나쁜 영항을 끼치며, 특히 배출되는 미세먼지(PM)의 증가는 인구가 밀집된 도시 주민의 건강을 위협하고, 평균수명을 단축시키는 등 큰 해악을 끼치고 있다.

특히, 석유 업계에서는 자동차 등 운송수단으로부터 배출되는 NOx나 PM(미세먼지)등에 의한 대기오염 문제가 심각함에 따라 대기오염물질의 배출저감을 위하여 가솔린의 무연화나 경유의 저황화 등 각종 연료의 품질개선에 노력하고 있다.

이에, 연료첨가제가 개발되었으나, 종래의 연료첨가제 성분과 조성물의 첨가 비율 등을 자동차 디젤엔진 및 가솔린엔진 등에 적합하도록 산정하고 이를 통해, 획기적인 배출가스 감소라는 결과를 얻는 것은 매우 어려운 일이다.

또한 기존의 연료첨가제들은 엔진내부 실린더와 피스톤의 가장자리 및 흡입밸브 세정에는 다소 효과가 있으나 이로 인한 배출가스의 일시적 증가도 문제였으며, 이에 따른 작용으로 일부의 배출가스 저감의 효과가 예상될 수 있으나, 연료의 나노화 시도 등에도 불구하고, 근본적인 연료 연소과정의 완전화(완전연소)에는 많이 미흡한 것이 현실이다.

디젤엔진에 사용하기 위한 연료첨가제는 내연기관 엔진에서 연소를 통하여 가장 우수한 연비와 출력을 발휘해야 함은 물론, 엔진세정, 부식방지, 배출가스 및 매연 등을 동시에 최소화할 수 있어야 하며, 이러한 연료첨가제의 개발이 필요하다.

KR

10-2003-0052783

A1

본 발명의 목적은 내연기관의 매연 저감을 위한 연료첨가제 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 내연기관에 연료 주입 시, 상기 연료첨가제 조성물을 함께 주입하여 사용 시, 내연기관의 성능 개선 효과, 엔진 세정, 부식 방지 및 매연 등의 배출가스 저감 효과를 나타낼 수 있는 연료 첨가제 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 연료 첨가제를 연료와 함께 주입함에 따라, 내연 기관 내에서 연료가 폭발하는 시점을 조정하여, 불완전 연소를 억제하고, 노킹 현상을 방지하여, 매연 등과 같은 배출 가스의 저감 효과를 나타낼 수 있는 연료 첨가제 조성물을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내연기관의 매연 저감을 위한 연료첨가제 조성물에 관한 것으로, 케로신(Kerosene); 수지산; 톨오일(Tall oil); 및 음이온계 계면활성제를 포함할 수 있다.

상기 수지산은 아비에트산, 탈수소 아비에트산(dehydroabietic acid), 네오아비에트산, 팔루스트르산(palustric acid), 레보파마르산(levopimaric acid) 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

상기 음이온계 계면활성제는 이소프로필알코올(isopropylalcohol), 부틸셀로솔브(butyl cellosolve), 알킬벤젠 술포네이트(alkylbenzene sulfonate), 알킬톨루엔(alkyltoluene), 알킬자일렌(alkylxylene), 알킬나프탈렌(alkylnaphtalene) 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

상기 음이온계 계면활성제는 이소프로필알코올(isopropylalcohol) 및 부틸셀로솔브(butyl cellosolve)일 수 있다.

상기 연료첨가제 조성물은 케로신 50 내지 68 중량%, 수지산 5 내지 11 중량%, 톨오일 5 내지 9 중량%, 이소프로필알코올 12 내지 20 중량% 및 부틸셀로솔브 3 내지 10 중량%로 포함할 수 있다.

상기 연료첨가제 조성물은 연료와 2500:1 내지 500:1의 중량 비율로 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 내연기관은 디젤 엔진일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 내연기관의 매연 저감을 위한 연료첨가제 조성물의 제조 방법은 케로신(Kerosene), 수지산, 톨오일(Tall oil) 및 음이온계 계면활성제를 압력 교반기에 투입하여 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 100 내지 140℃의 온도 조건, 3 내지 7 Bar의 압력 조건 및 200 내지 300rpm의 교반 속도 하에서 10 내지 30분 간 교반하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 내연기관에 연료 주입 시 함께 주입하여 사용하는 연료첨가제 조성물로, 내연기관의 성능 개선 효과, 엔진 세정, 부식 방지 및 매연 등의 배출가스 저감 효과를 나타낼 수 있다.

또한, 본 발명의 연료 첨가제를 연료와 함께 주입함에 따라, 내연 기관 내에서 연료가 폭발하는 시점을 조정하여, 불완전 연소를 억제하고, 노킹 현상을 방지하여, 매연 등과 같은 배출 가스의 저감 효과를 나타낼 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료첨가제를 이용한 시험 성적서이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

일반적으로, 휘발유를 연료로 사용하는 엔진의 경우 실린더 내부에서 연료를 압축한 후 적정폭발시점에 이르기 전에 연료가 점화되어 순간적인 폭발을 일으키는데, 이때 그 점화 시점은 최적점에 비하여 약 96%로 4%p 정도 빠르게 점화되어 폭발한다. 따라서 나머지 4%의 연료는 순차적으로 자연발화(knocking) 되거나 불완전 연소상태로 외부에 배출되어 에너지 효율을 저하시키고 미연소 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 몇 가지 형태의 질소산화물(NOx) 등, 산소비에 따라 차등비율로 유해물질을 생성, 대기 중으로 배출하게 되는 것이다.

엔진 내부의 노킹문제로 실린더의 직경이 제한된 가솔린엔진과는 달리 엔진의 직경에 제한이 없는 디젤엔진의 경우 압축비 약 20:1, 압축압력 38~40kg/cm²에서 자연 착화되어 폭발하게 되어 있으나, 그 폭발점은 적정 폭발점보다 약 3%정도 늦게 점화되는데, 그 원인은 자동차 제조사의 엔진설계 기준과 정유사별 연료제조 기준의 불일치와 디젤엔진의 특성에 따른 안전상 이유, 차량 내부엔진의 손상에 기인한다.

하기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 환경부 발표에 따르면 2019년 기준 부문별 대기오염물질 발생 현황 중 도로이동오염원(자동차 등)과 비도로 이동 오염원(선박 등)에서 발생하는 BC(블랙카본, 10,705톤)의 비율이 전체 배출량(14,211톤)의 75.3%에 이르고 있다.

본 발명의 연료첨가제는 연료의 연소효율 극대화를 통하여 매연, 배출가스 등 대기오염물질의 감소와 연료의 절감이라는 두 가지 목표를 동시에 달성하기 위하여 침엽수 등에서 축출한 여러가지 친환경적 석유계 미생물 효소를 혼합, 첨가함으로써 연료 자체를 개질, 개선하여 종래의 연료첨가제들이 가진 문제점을 완전히 해결하고자 하였다.

본 발명의 연료첨가제는 디젤엔진의 폭발시점을 개선하기 위하여 연료의 분자형태를 조정하고 미립화 하여 연료의 질을 개선할 수 있다.

탄화수소(HC)로부터 발생되는 에너지는 오랜 시간을 거쳐 유기물화 되어진 것이다. 자동차의 동력은 일시적인 폭발시점의 힘만 크랭크 축으로 전달되고 나머지 노킹(Knocking)에 따른 운동 에너지는 자연 상쇄하게 설계되어 에너지원으로써의 역할은 전혀 할 수 없는 것인 바, 폭발점의 적정성이 에너지 효율과 매연 및 배출가스 발생량에 큰 역할한다.

상기 설명한 바와 같이 본 발명의 연료첨가제는 친환경적 석유계 미생물 효소를 포함하며, 상기 미생물 효소는 톨오일일 수 있다.

상기 톨오일(TALL OIL)은 파라핀계와 나프틴계 석유의 분자 구조에 직접 작용해 분자의 불안정성이 서로 다른 몇 가지 종류의 화학물질의 작용으로 인하여 연료 중 발화성과 착화성이 불량한 사슬(Side chain)형 또는 반지(Ring)형의 탄화수소를 미립화할 수 있다.

즉, 본 발명의 연료첨가제는 원료의 분자구조 변화를 통해서 엔진내부 완전연소에 기여하게끔 설계되어, 단순히 엔진세정 기능만을 가진 종래의 첨가제와는 상당한 차이가 있는 것이다. 이는 탄화수소 간의 결합과 분리의 반복적 작용에 따른 가역반응의 일종으로 연료의 약 1% 정도를 개질 하게 되는 결과를 얻었다.

상기에서 언급한 바와 같이, 변화된 연료의 분자구조는 착화지연의 변화, 즉 디젤엔진에서 연소점을 약 3%정도 앞당기게 연료첨가제의 구성비율을 조정하여, 연료의 효율을 극대화하는 발명이라 할 수 있다.즉, 연료를 연소하기 쉬운 형태로 변화시켜 연소효율 향상과 배출가스 및 매연 감소의 효과를 얻는 것이다.

구체적으로 본 발명의 연료첨가제는 케로신(Kerosene); 수지산; 톨오일(Tall oil); 및 음이온계 계면활성제를 포함할 수 있다.

상기 수지산은 아비에트산, 탈수소 아비에트산(dehydroabietic acid), 네오아비에트산, 팔루스트르산(palustric acid), 레보파마르산(levopimaric acid) 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 바람직하게는 팔루스트르산이며, 상기 예시에 국한되 않고, 탄화수소 분자의 개질 및 연료 유연 등의 기능을 수행할 수 있는 수지산은 제한 없이 모두 사용 가능하다.

상기 음이온계 계면활성제는 이소프로필알코올(isopropylalcohol), 부틸셀로솔브(butyl cellosolve), 알킬벤젠 술포네이트(alkylbenzene sulfonate), 알킬톨루엔(alkyltoluene), 알킬자일렌(alkylxylene), 알킬나프탈렌(alkylnaphtalene) 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 이소프로필알코올(isopropylalcohol) 및 부틸셀로솔브(butyl cellosolve)이지만, 상기 예시에 국한되지 않고, 연료 라인 세정, 동결 방지, 연료 분산, 인젝터 세정 등의 효과를 나타낼 수 있는 음이온계 계면활성제는 모두 사용 가능하다.

상기 톨오일(TALL OIL FATTY ACID)는 침엽수의 알칼리 증해에서 흑액의 표면에 뜨는 크림상 물질을 분리 채취하여 이것을 산 분해하면 얻어지는 액상으로 탄화수소의 지속적 가역반응에 작용할 수 있다.

상기 팔루스트르산(PALUSTRIC ACID, C₂0H₃0O₂)은 소나무 및 적송의 생송진 중에 존재하는 것으로서 탄화수소 분자 개질, 연료유연 등의 기능을 수행할 수 있다.

상기 이소프로필알코올(IPA, Iso propylalcohol, C₃H₈O)은 음이온계 계면활성제이며, 연료라인세정, 합성중간체, 동결방지 기능을 담당한다.

상기 부틸셀로솔브(BC, Butyl cellosolve, C₆H₁₄O₂)은 음이온계 계면활성제이며, 연료분산, 인젝터 세정 등의 역할을 수행한다.

상기 케로신(KEROSENE)은 시중에서 등유, 혹은 석유라 불리는 물질로서, 점화속도를 조절하고, 첨가제의 베이스(Base)를 담당함과 더불어, 엔진 내부의 연소 Process 세정 기능을 담당함으로써 보다 원활한 엔진의 연소활동에 도움을 줄 수 있다.

상기 연료첨가제 조성물은 케로신 50 내지 68 중량%, 수지산 5 내지 11 중량%, 톨오일 5 내지 9 중량%, 이소프로필알코올 12 내지 20 중량% 및 부틸셀로솔브 3 내지 10 중량%로 포함하며, 바람직하게는 케로신 55 내지 65 중량%, 수지산 6 내지 10 중량%, 톨오일 6 내지 8 중량%, 이소프로필알코올 15 내지 19 중량% 및 부틸셀로솔브 5 내지 9 중량%로 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 케로신 61 중량%, 수지산 8 중량%, 톨오일 7 중량%, 이소프로필알코올 17 중량% 및 부틸셀로솔브 7 중량%로 포함할 수 있으며, 상기 중량 범위 내에서 연료첨가제로 포함하는 경우, 연료 공급 시 소량으로 함께 주입하는 것만으로 기존 연료만을 사용하는 것 보다 그 이상의 성능과 탁월한 매연 저감의 효과를 얻을 수 있음과 동시에 소량의 연비 향상에도 기여할 수 있고, 완전한 연소 작용을 통하여 매연과 배출가스 등을 최소화할 수 있다.

또한, 엔진의 완전연소를 달성하기 위하여 연료의 폭발점을 조정, 최적화하고 엔진 내부 세정 효과는 물론이고 노킹(Knocking)현상을 방지하고 불완전연소 및 미연소가스로 인한 매연과 배출가스, 대기오염물질을 최소화함으로 환경에 기여함과 동시에 부드러운 승차감을 얻을 수 있고, 최초 설계된 자동차의 성능과 동일 또는 그 이상의 출력을 나타낼 수 있다.

상기 연료첨가제 조성물은 연료와 2500:1 내지 500:1의 중량 비율로 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 2000:1의 비율로 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 범위 내에서 혼합하여 상요 시, 연료 저감, 배기가스 저감 효과가 가장 우수한 것으로 확인되었다.

상기 교반 조건은 보다 구체적으로, 압력교반기 내에서, 120±2의 온도 조건, 5Bar의 압력 조건 및 250RPM의 교반 조건으로, 약 20분간 교반할 수 있다.

상기 본 발명의 제조 방법에 포함되는 케로신, 수지산, 톨오일 및 음이온계 계면활성제에 대한 설명은 앞서 기재한 바, 생략하도록 한다.

제조예

연료첨가제 조성물의 제조

톨오일(TALL OIL FATTY ACID) 7 중량%, 팔루스트르산(PA, PALUSTRIC ACID) C20H30O2 8 중량%, 이소프로필알코올(IPA, ISO PROPYLALCOHOL) 17 중량%, 부틸셀로솔브(BC, BUTYL CELLOSOLVE) 7 중량% 및 케로신(KE, KEROSENE) 61 중량%을 압력 교반기에 넣고, 120±2℃, 5Bar 및 250RPM로, 약 20분간 교반하였다.

실험예

연료 소비량 및 매연 감소 평가

2022년 01월 22일 (재)한국조선해양기자재연구원 주관으로 경남 사천시 송포공단길 69, 대동마린테크에서 실시한 현장시험에서 실험을 진행하였다.

경유를 연료로 하여, 상기 제조예에서 제조한 연료 첨가제와 각 2,000: 1, 1,500:1, 1,000:1, 500: 1의 중량 비율로 혼합하고, 매연 감소, 연료 소비량을 평가하였다.

시험 엔진은 선박용 디젤엔진이며, 그 형식은 2021년 산 DD6CC이며. 4CYCLE, 500PS, 2,000RPM이며, 배기량은 12,344CC이다.

매연은 디젤 광투과식 매연측정기(OPA-102), 연료 소비량은 전기식 전자저울(FA-150분리형)을 사용하였다.

실험 결과는 하기 표 1 및 도 1과 같다:

구 분		매연(%)	감소량	연료소비량(Kg)	감소량(Kg)
혼합 전		1.1		20.55
혼합 후	2,000: 1	0.5	0.6(54.5%)	20.20	0.33(1.6%)
	1,500: 1	0.4	0.7(63.6%)	20.30	0.25(1.2%)
	1,000: 1	0.5	0.6(54.5%)	20.30	0.25(1.2%)
	500: 1	0.4	0.7(63.6%)	20.25	0.30(1.5%)

상기 실험 결과에 의하면, 매연 감소 효과는 혼합 비율에 특정되지 않고 모두 우수한 결과를 나타냈으나, 연료 소비량 부분에서는 2000:1의 비율로 혼합하는 경우 가장 우수한 실험 결과를 나타냄을 확인하였다.

구체적으로, NOx 및 매연을 측정한 결과는 하기 표 3과 같다.

	NOx(μmol/mol)	매연(%)
혼합 전	285.76	11
2000:1	297.41	0.5
1500:1	302.80	0.4
1000:1	301.66	0.5
500:1	299.00	0.4

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

케로신(Kerosene);
수지산;
톨오일(Tall oil); 및
음이온계 계면활성제를 포함하는 내연기관의 매연 저감을 위한 연료첨가제 조성물이고,
상기 내연기관의 매연 저감을 위한 연료첨가제 조성물은 케로신(Kerosene), 수지산, 톨오일(Tall oil) 및 음이온계 계면활성제를 압력 교반기에 투입하여 혼합물을 제조하는 단계 및
상기 압력 교반기 내에서 혼합물을 118 내지 122℃의 온도 조건, 5 Bar의 압력 조건 및 250rpm의 교반 속도 하에서 20분 간 교반하는 단계를 거쳐 제조되며,
상기 수지산은 팔루스트르산(palustric acid)을 사용하고,
상기 음이온계 계면활성제는 알킬벤젠 술포네이트, 알킬톨루엔, 알킬자일렌, 알킬나프탈렌 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
상기 연료첨가제 조성물은 연료와 2000:1의 중량 비율로 혼합하여 사용하고,
상기 내연기관은 디젤 엔진인 것을 특징으로 하는 내연기관의 매연 저감을 위한 연료첨가제 조성물.
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