KR102614818B1 - 첨가제 제형 및 이의 사용 방법 - Google Patents
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Abstract
연료 첨가제 제형, 상기 연료 첨가제 제형의 사용 방법 및 제조방법이 본 발명에 기술된다. 본 발명의 연료 첨가제는 니트로프로판 및 니트로메탄을 포함하는 니트로파라핀, 윤활제 및 방향족 탄화수소의 혼합물을 포함한다. 본 발명의 연료 첨가제 제형은 니트로에탄을 실질적으로 포함하지 않는다. 본 발명의 첨가제를 함유하는 연료의 내연 엔진에서의 연소는, 본 발명의 첨가제를 함유하지 않은 연료의 내연 엔진에서의 연소에 비해 감소된 배출물을 생성한다.
Description
관련 출원
본 출원은 2019년 5월 24일에 출원된 미국 가특허출원 제62/852,779호에 대해 우선권을 주장하며, 상기 가특허출원은 모든 목적을 위해 이의 전문이 인용에 의해 본원에 포함된다.
기술분야
본 발명은, 개선된 내연 엔진용 연료 첨가제 제형 및 이의 사용 방법에 관한 것이다. 본 발명의 연료 첨가제는 개선된 모터 연료를 제공한다. 본 발명의 제형은 가솔린 연료 엔진 또는 디젤 연료 엔진, 및 자동차, 트럭, 및 다양한 기타 엔진 적용에 유용하다. 바람직한 양태에서, 본 발명은, 배출물을 감소시키고, 성능 및 환경 건강 및 안전을 개선하고, 모터 연료와 관련된 독성 물질의 위험을 감소시키기 위한 첨가제 제형 및 상기 제형의 사용 방법이다.
한동안 사람들은 성능을 개선하고 내연 엔진의 불리한 환경 영향을 줄이기 위해 노력해왔다. 미국에서의 자동차 및 트럭의 사용 증가가 자동차 배출물의 감소를 상쇄함에 따라, 입법부, 규제 기관, 석유 및 자동차 산업체, 및 기타 다양한 그룹은 자동차 및 트럭으로 인한 대기 오염을 해결하기 위한 새로운 방법을 모색해왔다. 이러한 노력의 일환으로, 상기 그룹들은 연료 및 연료 첨가제의 개질에 점점 더 많이 중점을 두고 있다. 아마도 대기 오염 제어와 관련하여 가장 잘 알려진 연료 개질은 가솔린에서 노크 방지 화합물로서 사용되는 납을 제거하는 것이다.
청정대기법(Clean Air Act)에 대한 1990년 개정안은 새로운 연료 프로그램을 포함하며, 상기 프로그램은 여름 오존 오염을 유발하는 독성 대기 오염물 및 배출물의 배출을 감소시키기 위한 재구성된 가솔린 프로그램, 및 일산화탄소가 겨울에 문제인 지역의 일산화탄소 배출을 감소시키기 위한 산화 가솔린 프로그램을 포함한다. 미국 환경 보호국(EPA) 및 캘리포니아 대기 자원 위원회(CARB)와 같은 환경 기관들은 다수의 연료 개질 노력을 강요하는 다양한 규정을 공포해왔다.
산화 가솔린 프로그램과 관련하여, 가장 일반적으로 사용되는 산화제는 바이오매스(미국에서는 일반적으로 곡물 또는 옥수수)로 만들어진 에탄올, 및 일반적으로 천연 가스로부터 만들어진 메탄올로 만들어진 메틸 3급 부틸 에테르(MTBE)이다. 에탄올 및 MTBE와 같은 산화제는 엔진 노크에 대해 저항하는 경향의 척도인 연료의 옥탄가를 높인다. 또한, MTBE는 가솔린과 잘 혼합되어, 기존 가솔린 파이프라인 분배 네트워크를 통해 쉽게 운송된다.
에탄올(및 기타 알코올계 연료) 및 MTBE는 둘 다 상당한 결점을 갖는다. 에탄올계 연료 제형은 증가된 성능, 감소된 배출물 및 환경 안전의 원하는 조합을 제공하지 못했다. 에탄올 및 MTBE는 스트레이트-런(straight-run) 가솔린보다 실질적으로 우수한 성능을 발휘하지 못하고, 연료 비용도 증가시킨다.
가솔린에 에탄올 또는 MTBE를 첨가하면 연료의 에너지 함량이 희석된다. 에탄올은 MTBE보다 에너지 함량이 낮고, 즉 이는 스트레이트-런 가솔린보다 에너지 함량이 낮다. 에탄올은 동일한 용적의 가솔린의 에너지 함량의 약 67%의 에너지 함량만을 가지며, 동일한 용적의 MTBE의 에너지 함량의 약 81%의 에너지 함량만을 갖는다. 따라서, 동일한 거리를 이동하려면 더 많은 연료가 필요하므로, 연료 비용이 증가하고 연비가 낮아진다. 또한, 에탄올/가솔린 블렌드에 첨가되는 가솔린의 휘발성은, 상기 블렌드 중의 알코올의 증가된 휘발성을 상쇄하기 위해 추가로 감소되어야 한다.
또한 에탄올은 석유 제품보다 물에 대해 훨씬 더 큰 친화력을 갖는다. 에탄올은 잔여량의 물을 항상 함유하는 석유 파이프라인으로 운송될 수 없다. 대신, 에탄올은 일반적으로 트럭으로 운송되거나 가솔린이 제조되는 곳에서 제조된다. 에탄올도 부식성이다. 또한, 보다 더 높은 농도에서는 에탄올 블렌드를 사용하도록 엔진을 개질해야 한다.
에탄올은 다른 결점도 가지고 있다. 에탄올은 스트레이트-런 가솔린에 비해 증기압이 높다. 에탄올의 높은 증기압은 130℉ 초과의 온도에서 연료 증발을 증가시켜 휘발성 유기 화합물(VOC) 배출물을 증가시킨다.
마지막으로, 많은 연구들이 에탄올의 음료로서의 건강 효과에 초점을 맞추어 왔지만, 연료 첨가제로서의 에탄올 사용을 다룬 연구는 거의 없었다. 또한, 에탄올은 이의 환경적 운명 및 노출 가능성의 관점에서 완전히 평가되지 않았다.
MTBE도 결점을 공유한다. MTBE는 옥탄가를 높이기 위해 가솔린에 처음 추가되었다. 1990년 청정대기법 개정안에 따라, MTBE는 대기 오염을 감소시키기 위해 산화제로서 보다 더 많은 양으로 추가되었다. 불행하게도, MTBE는 현재, 방출의 결과로서 미국 전역의 지하수에서 오염물로서 나타나고 있다(즉, 지하 가솔린 저장 탱크 누출, 우발적 유출, 운송 중 누출, 자동차 사고로 인한 연료 방출 등).
MTBE는 수용성이기 때문에 지하수 오염물로서 특히 문제가 된다. MTBE는 매우 이동성이고, 토양 입자에 달라붙지 않으며, 쉽게 부패하지 않는다. MTBE는 약 20년 동안 옥탄가 향상제로서 사용되어 왔다. 따라서, MTBE로 인한 환경 및 건강 위험은 가솔린의 환경 및 건강 위험과 유사하다. 일부 자료는 전체 누출된 지하 연료 저장 탱크 부지 중 65%가 MTBE의 방출과 관련되어 있다고 추정한다. MTBE는 31개 주에서 최대 9,000개의 지역사회 상수도를 오염시킬 수 있는 것으로 추정된다. 캘리포니아 대학 연구에 따르면, MTBE는 캘리포니아 주에서만 적어도 10,000개의 지하수 부지에 영향을 미쳤다.
EPA도 적어도 흡입시 MTBE가 발암성인 것으로 결정했다. 다른 달갑지 않은 환경적 특성은 매우 낮은 농도(parts per billion)에서도 고약한 향 및 맛이 나는 것이다. MTBE의 환경적 위협은 동일한 용적의 스트레이트-런 가솔린보다 훨씬 더 클 수 있다. 가장 위험한 것으로 생각되는 가솔린의 성분은 방향족 탄화수소인 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 크실렌(총칭하여 BTEX)이다. BTEX 방향족 탄화수소는 가장 낮은 허용되는 음용수 오염 한계를 갖는다. 에탄올 및 MTBE는 둘 다 자체 독성과는 별도로 BTEX 화합물이 야기하는 환경적 위험을 증강시킨다. 에탄올 및 MTBE는 가솔린 중 BTEX 화합물에 대한 공용매로서 작용한다. 결과적으로, 에탄올 및/또는 MTBE를 함유하는 가솔린 오염원의 BTEX 플룸(plume)은, 산화제를 함유하지 않는 가솔린 오염원의 BTEX 플룸보다 더 멀리 더 빠르게 이동한다.
BTEX 방향족 화합물은 MTBE보다 물에 대한 용해도가 비교적 더 낮다. BTEX 화합물은 토양 및 지하수로 누출될 때 제자리에서(in situ) 생분해되는 경향이 있다. 이는 적어도 약간의 자연 감쇠를 제공한다. 그러나, MTBE는 적어도 1 오더(order) 규모로 또는 10배 더 느리게 BTEX 화합물에 비해 훨씬 더 느린 속도로 생분해된다. 일부 자료는 MTBE가 원래 오염 수준의 수 퍼센트 미만으로 저하되는 데 필요한 시간을 약 10년으로 추정한다.
다른 발의자들은 보다 더 깨끗한 연소 -- 재재형화된 -- 가솔린(RFG)을 제형화하려는 노력을 포함했다. 예를 들면, Union Oil Company of California(UNOCAL)는 제섭(Jessup) 등의 Gasoline Fuel에 대한 미국 특허 제5,288,393호(1994년 2월 22일); 제섭 등의 Gasoline Fuel에 대한 미국 특허 제5,593,567호(1997년 1월 14일); 제섭 등의 Gasoline Fuel에 대한 미국 특허 제5,653,866호(1997년 8월 5일); 제섭 등의 Gasoline Fuel에 대한 미국 특허 제5,837,126호(1998년 11월 17일); 제섭 등의 Gasoline Fuel에 대한 미국 특허 제6,030,521호(2000년 2월 29일)를 포함하여 다양한 RFG 제형을 포함하는 다수의 미국 특허를 확보했다. UNOCAL의 특허들은 가솔린 블렌딩의 다양한 종점들을 설명하며, 선택된 오염물인 일산화탄소(CO), 질소 산화물(NOx), 미연소 탄화수소(HC) 및 다른 배출물의 배출을 감소시키기 위한 목적을 설명한다.
이러한 다양한 문제들은 상기 다양한 대안들 각각의 효능 또는 비용 효율성을 손상시켰다. 알코올은 개선된 모터 연료에 대한 성능 및 배출 요구 사항을 해결하지 못했다. MTBE는 허용할 수 없는 환경(토양 및 지하수) 및 공중 보건 문제를 부과한다. 재재형화된 가솔린은 논란의 여지가 있고 값비싸다. 따라서, 성능을 향상시키는(또는 적어도 손상시키지 않는) 동시에 모터 연료로부터의 배출물, 및 환경 및 공중 보건 위험을 감소시키는 개선된 가솔린 제형에 대한 실질적이고 충족되지 않은 요구가 남아 있다. 본 발명의 일 양태에 따른 연료 첨가제는 이러한 요구를 만족시킨다.
본 출원인은 USPN 6,319,294 및 USPN 7,491,249의 주제인 연료 첨가제를 이전에 발견했으며, 상기 문헌들은 이들의 전문이 본원에 포함된다. "MAZ"로 알려진 상기 제형은 아래 표에 나타낸다.
니트로파라핀은 본 발명의 결과를 달성하지 못하면서 상이한 엔진 적용을 위한 이전의 연료 제형에서 사용되어 왔다. 예를 들면, 니트로파라핀은 모델 엔진, 터빈 엔진 및 기타 특수 엔진에서 연료 및/또는 연료 첨가제로서 오랫동안 사용되어 왔다. 니트로메탄 및 니트로에탄은 애호가들에 의해 사용되어 왔다. 또한 니트로파라핀은 극도로 높은 에너지 함량으로 인해, 드래그 레이싱 및 기타 레이싱 적용에서 광범위하게 사용되어 왔다.
그러나, 자동차 및 트럭의 모터 연료에 니트로파라핀을 사용하는 것은 몇 가지 뚜렷한 단점이 있다. 첫째, 몇몇 니트로파라핀은 폭발성이며, 상당한 위험을 초래한다. 둘째, 니트로파라핀은 가솔린보다 훨씬 더 값비싸며, 자동차 및 트럭 적용에서 사용할 수 없을 정도로 값비싸다. 셋째, 니트로파라핀은 일반적으로 가스 엔진 및 디젤 엔진과 매우 상이한 특수 엔진에서 사용되어 왔다. 넷째, 니트로파라핀의 높은 에너지 함량은 엔진의 개조를, 그리고 니트로파라핀 및 본 발명의 첨가제를 함유하지 않는 연료 둘 다의 운송, 저장 및 취급에 대한 추가의 주의를 필요로 한다. 또한, 일부 연료 적용에서, 니트로파라핀은 겔화되는 경향이 있다. 니트로파라핀의 높은 비용 및 극도로 높은 에너지 함량으로 인해 자동차 및/또는 트럭 연료로서 사용할 수 없었다. 또한, 니트로메탄의 극도의 휘발성 및 폭발 위험은 자동차 및/또는 트럭용 모터 연료로서의 사용을 멀어지게 한다.
본 발명의 이점
본 발명의 이점은, 공지된 첨가제의 일반적인 첨가제 농도에서 개선된 성능을 제공하고, 더 낮은 농도에서 배출물이 감소되는 동시에, 이전에 공지된 첨가제 및 자동차 연료와 관련된 많은 문제를 회피하는 모터 연료 첨가제를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 이점은, 이전에 공지된 모터 연료에 비해 개선된 성능을 나타내는 동시에 이전에 공지된 모터 연료와 관련된 많은 문제를 회피하는 모터 연료를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 이점은, 이전에 공지된 모터 연료에 비해 배출물을 감소시키는 동시에 이전에 공지된 모터 연료와 관련된 많은 문제를 회피하는 모터 연료를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 이점은 에탄올 및 MTBE와 같은 산화제에 대한 대체물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 이점은 배출물을 감소시키는, 에탄올 및 MTBE와 같은 산화제에 대한 대체물을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 이점은 총 탄화수소 배출물을 감소시키는 개선된 연료 제형을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 이점은 비-메탄 탄화수소 배출물을 감소시키는 개선된 제형을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 이점은 일산화탄소 배출물을 감소시키는 개선된 연료 제형을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 이점은 NOx 형성을 감소시키는 개선된 연료 제형을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 이점은 휘발성 유기 화합물(VOC)을 감소시키는 개선된 연료 제형을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 이점 및 이점은 부분적으로는 이하의 설명에 기재되어 있고, 부분적으로는 상기 설명으로부터 명백해지거나 본 발명의 실시에 의해 교시될 수 있다. 본 발명의 상기 이점 및 이점은 첨부된 청구범위에서 구체적으로 나타낸 수단 및 조합에 의해 상세하게 실현될 것이다.
[도면의 간단한 설명]
특허 또는 출원 파일은 적어도 하나의 컬러로 작성된 도면을 포함한다. 컬러 도면(들)이 포함된 본 특허 또는 특허출원 간행물의 사본은 요청 및 필요한 수수료의 지불시 특허청에서 제공된다.
도 1은 시험 벤치 시스템의 양태의 도식이다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 MAZ 1000 첨가제를 포함하는 또는 포함하지 않는 시험 연료의 동력 분석을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 따른 MAZ 1000 첨가제를 포함하는 또는 포함하지 않는 시험 연료의 연비 분석을 나타낸다.
도 4는 배출 특성, ESC 사이클, PM 배출을 나타낸다.
도 5는 배출 특성, ESC 사이클, 439 연기 배출을 나타낸다.
도 6은 배출 특성, ESC 사이클, 기타 오염물 배출을 나타낸다.
도 7은 배출 특성, ETC 사이클, PM 배출을 나타낸다.
도 8은 배출 특성, ETC 사이클, 439 연기 배출을 나타낸다.
도 9는 배출 특성, ETC 사이클, 기타 오염물 배출을 나타낸다.
도 10은 일반적인 작동 조건 하의 NOx의 배출 특성을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 F MAZ(MAZ Nitro) 양태의 사용 전 및 후의 실린더 헤드의 상태를 나타내는 사진을 도시한다.
본 발명은 개선된 연료 첨가제 제형 및 이의 사용 방법을 포함한다. 본원에서 구체화된 바와 같이, 본 발명은 니트로파라핀, 윤활제 및 방향족 탄화수소를 포함하는 연료용 첨가제 제형 및 첨가제를 함유하는 연료를 포함한다. 본 발명의 첨가제를 함유하는 연료는, 단지 예시로서, 보일러, 터빈 또는 내연 엔진에서 연소될 때, 본 발명의 첨가제를 함유하지 않는 연료에 비해 감소된 배출물을 생성한다.
일 양태는 니트로파라핀, 윤활제, 방향족 탄화수소를 포함하는 연료용 첨가제 제형을 포함하며, 본 발명의 첨가제를 함유하는 연료의 내연 엔진에서의 연소는, 본 발명의 첨가제를 함유하지 않는 연료의 내연 엔진에서의 연소에 비해 감소된 배출물을 생성한다.
일 양태에서, 니트로파라핀은 니트로프로판 및 니트로메탄 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 니트로파라핀을 포함한다. 일 양태에서, 본 발명의 제형은 니트로에탄을 실질적으로 포함하지 않는다. 일 양태에서, 니트로파라핀은 약 40 내지 약 65wt%의 니트로프로판 및 약 10 내지 약 30wt%의 니트로메탄을 포함한다.
일 양태는 약 0.5 내지 약 5wt%의 윤활제를 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 에스테르를 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 폴리에스테르를 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 C5-C10 지방산을 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 C5-C10 지방산 에스테르를 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 펜타에리트리톨 및 디펜타에리트리톨 중 적어도 하나를 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르를 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르이다. 일 양태에서, 윤활제는 디펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르이다. 일 양태에서, 윤활제는 펜타에리트리톨 및 디펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르이다. 일 양태에서, 윤활제는 펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르를 약 75 내지 약 80wt%, 바람직하게는 약 76 내지 약 79wt%, 보다 바람직하게는 약 77 내지 약 78wt% 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 디펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르를 약 19 내지 약 24wt%, 바람직하게는 약 20 내지 약 23wt%, 보다 바람직하게는 약 21 내지 약 22wt% 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르 및 디펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르를 포함한다. 일 양태에서, 펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르 대 디펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르의 비는 약 1:2.5 내지 약 1:4.5, 바람직하게는 약 1:3.0 내지 약 1.40, 보다 바람직하게는 약 1:3.5 내지 약 1:3.7이다.
일 양태는 약 10 내지 약 40wt%의 방향족 탄화수소를 포함한다. 일 양태에서, 방향족 탄화수소는 에틸 벤젠, 크실렌 및 톨루엔으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. 일 양태에서, 방향족 탄화수소는 톨루엔이다.
일 양태에서, 감소된 배출물은 총 탄화수소(THC), 비-메탄 탄화수소, 일산화탄소(CO) 및 아질소 산화물(NOx) 중 적어도 하나를 포함한다. 일 양태에서, 본 발명의 첨가제를 함유하는 연료의 내연 엔진에서의 연소는, 본 발명의 첨가제를 함유하지 않는 연료의 내연 엔진에서의 연소에 비해 감소된 미립자 물질(PM) 배출물을 생성한다.
일 양태에서, 본 발명의 첨가제를 함유하는 연료의 내연 엔진에서의 연소는, 본 발명의 첨가제를 함유하지 않는 연료의 내연 엔진에서의 연소에 비해 향상된 엔진 성능을 초래한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은, 총 50 내지 95wt%의 니트로프로판 및 니트로메탄을 포함하는 제1 성분; 방향족 탄화수소를 포함하는 제2 성분; 및 윤활제를 포함하는 제3 성분을 포함하는 연료용 첨가제 제형 또는 첨가제를 함유하는 연료를 포함하며, 상기 첨가제 제형은, 내연 엔진에서 연소될 때, 총 탄화수소, 비-메탄 탄화수소, 일산화탄소 및 NOx를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 배출물의 배출쿨을 감소시킨다. 방향족 탄화수소는 벤젠, 크실렌 또는 톨루엔의 지방족 유도체를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 첨가제 제형은 니트로에탄을 실질적으로 포함하지 않는다.
추가의 양태에서, 본 발명은 약 40 내지 약 65wt%의 니트로프로판, 약 10 내지 약 30wt%의 니트로메탄, 약 10 내지 약 40wt%의 방향족 탄화수소, 및 약 0.5 내지 약 5wt%의 윤활제를 포함하는 모터 연료용 첨가제 제형 또는 첨가제를 함유하는 연료를 포함하며, 상기 첨가제는 니트로에탄을 실질적으로 포함하지 않는다. 추가의 양태에서, 본 발명은 약 40 내지 약 65wt%의 니트로프로판, 약 10 내지 약 30wt%의 니트로메탄, 약 0.5 내지 약 5wt%의 C5-C10 지방산 에스테르, 약 10 약 40wt%의 방향족 탄화수소를 포함하는 연료용 첨가제 제형을 포함하며, 상기 첨가제는 니트로에탄을 실질적으로 포함하지 않는다. 추가의 양태에서, 본 발명은 약 40 내지 약 65wt%의 니트로프로판, 약 10 내지 약 30wt%의 니트로메탄, 약 0.5 내지 약 5wt%의, 펜타에리트리톨 및 디펜타에리트리톨 중 적어도 하나를 갖는 C5-C10 지방산 에스테르, 약 10 내지 약 40wt%의 톨루엔을 포함하는 연료용 첨가제 제형을 포함하며, 상기 첨가제는 니트로에탄을 실질적으로 포함하지 않는다. 일 양태에서, 본 발명의 첨가제를 함유하는 연료의 내연 엔진에서의 연소는, 본 발명의 첨가제를 함유하지 않는 연료의 내연 엔진에서의 연소에 비해, 미립자 물질 배출물을 포함하는 배출물의 감소 및 향상된 엔진 성능 중 적어도 하나를 초래한다. 본 발명의 또 다른 양태는 첨가제를 포함하는 연료이다.
본 발명은 첨가제 및 연료 생성물의 연료로서의 사용을 추가로 포함한다.
본 발명의 연료는 보일러, 터빈, 내연 엔진 또는 임의의 다른 유형의 적절한 적용을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 종류의 동력 유닛에 사용될 수 있다.
상기 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명 둘 다는 예시적이고 설명을 위한 것일 뿐이며, 청구된 바와 같은 본 발명을 제한하지 않는다. 인용에 의해 본원에 포함되고 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 특정 양태를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
본 발명의 목적을 위해, 용어 "F MAZ" 및 "MAZ Nitro"는 상호 교환적으로 사용된다. Maz 및 F Maz 제형은 각각 표 1 및 2에 나타낸다. Maz 600은 Maz:디-tert-부틸 퍼옥사이드(DTBP)의 중량비가 60:40이다. F Maz 600은 F Maz:DTBP의 중량비가 60:40이다. F Maz/X 70/30은 F Maz/X:2,4 디니트로톨루엔의 중량비가 70:30이다. F Maz/X 60/40은 F Maz/X: 2,4 디니트로톨루엔의 중량비가 60:40이다. F Maz/Y 60/40은 F Maz/Y:아조비스이소부티로니트릴의 중량비가 60:40이다. "X"는 제형에 대한 2,4-디니트로톨루엔의 첨가를 나타내고, "Y"는 제형에 대한 아조비스이소부티로니트릴의 첨가를 나타낸다. 사용되는 DTPB는 98% 용액이다. 모든 양은wt%이다.
첨부된 표 및 그래프의 데이터에 의해 예시되고, 첨부된 청구범위에 개시되는 바와 같이, 본 발명은 실질적으로 니트로에탄을 포함하지 않는 니트로파라핀, 윤활제 및 방향족 탄화수소를 포함하는 내연 엔진용 모터 연료용 연료 첨가제이다. 본 발명은 개선된 연료 첨가제 제형 및 상기 제형의 사용 방법을 포함한다.
본 발명은 니트로파라핀, 윤활제 및 방향족 탄화수소의 독특한 조합을 사용하여, 특히 자동차 및 트럭을 포함하는 내연 엔진의 성능을 향상시키고 이로부터의 배출물을 감소시킨다.
본 출원인은 신규하고 자명하지 않은 제형 및 이의 사용 방법을 발명하였다. 본 발명의 양태에 따른 첨가제는 이전에 공지된 제형, 및 알코올계(에탄올) 및 MTBE 연료 첨가제와 상당한 면에서 상이하고, 이전에 공지된 제형보다 더 우수한 성능을 발휘한다. 본 발명의 일 양태는 표 2에 나타낸다.
본 출원인은 본 발명의 양태에 따른 제형에서 특이적이고 자명하지 않은 다수의 개질들을 수행하였다. 본 출원인은 이러한 개질들이, 관찰되는 개선 사항을 생성시킨다고 생각한다.
상업적으로 입수 가능한 에스테르 오일을 사용하는 종래 공지된 제형과 달리, 본 출원인은 본 발명의 양태에 따른 첨가제에 사용하기 위한 윤활제를 포함하는 신규하고 자명하지 않은 제형을 개발하였다.
본 출원인은 바람직하게는 니트로에탄의 농도를 실질적으로 추적할 수 없는 양으로 낮춘다. 니트로에탄도 알려진 신경독이다. 니트로에탄은 피부염을 유발하며, 제어된 물질들의 합성을 위한 비밀 실험실에서 알려진 물질이다. 니트로에탄의 감소는 첨가제의 독성을 감소시키고 배출물을 감소시킨다.
본 발명은 바람직하게는 연료 중에서 이전에 공지된 제형보다 더 낮은 전체 농도로 사용된다. 이는 성능을 향상시키면서 배출물을 감소시키고 독성을 감소시킨다.
본 출원인은 이러한 개질이 더 낮은 농도의 첨가제를 사용하여 증가된 성능 및 감소된 배출물의 측면에서 첨가제의 개선된 성능을 제공하는 것으로 생각한다. 이는 또한 생성물을 더 안전하게 취급할 수 있게 한다.
본 발명의 양태에 따른 첨가제는, 이전의 제형이 시험되지 않았거나, 효과가 없었거나, 또는 본 발명의 개시된 제형의 이익들의 독특한 조합을 생성하기를 실패한 농도에서 성능을 개선하고, 재료 취급 요건을 감소시키고, 환경 및 공중 보건 및 안전 위험 및 배출물을 감소시킨다.
이전에 공지된 제형이 성능 또는 배출물에서 임의의 개선을 제공했다는 것은 확실하게 확립되지 않았다. 한편, 본 발명의 일 양태에 따른 첨가제는 낮은 농도의 첨가제에서도 이익을 달성한다. 따라서, 본 발명의 양태에 따른 첨가제는 보다 환경적으로 안전하고 개선된 연료 첨가제에 대한 오랫동안 느껴왔지만 아직 해결되지 않은 요구를 충족시킨다. 이전에 공지된 제형들 중 어느 것도 본 발명의 양태에 따른 첨가제를 제안하지 않았다.
본 출원인은 가솔린 및/또는 디젤 연료 중 니트로파라핀의 안정한 혼합물을 생성하는 신규한 방법, 즉 폴리에스테르 및 방향족 탄화수소와 같지만 이로 제한되지 않는 윤활제를 도입함에 의한 신규한 방법을 개발했다. 본 출원인은 낮은 농도의 본 발명의 양태에 따른 첨가제가 배출물을 감소시키고 성능을 증가시킨다는 것을 발견하였다. 연료 중의 첨가제 농도를 감소시키면서 배기가스를 감소시킴으로써 독성을 감소시켰다.
본원에서 사용되는 용어 "니트로파라핀"은 니트로 관능 그룹을 함유하는 임의의 부류의 지방족 유기 화합물을 나타낸다. 당업자는 용어 "지방족"이 탄소 원자가 개방 쇄로 배열된 유기 화합물의 부류를 나타낸다는 것을 이해한다. 또한, "방향족 탄화수소, 아릴 탄화수소"는 전자의 구성 및 화학적 거동에서 벤젠과 유사한 사이클릭 평면 화합물의 부류로서 본원에서 사용되며, 이들은 일반적으로 석유에서 유래한다. 석유 유래 방향족 탄화수소의 예는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 o-크실렌, m-크실렌 및 p-크실렌 이성질체를 포함하며, 집합적으로 BTEX로 명명된다. 방향족 탄화수소의 다른 예는 폴리사이클릭 방향족 탄화수소(PAH), 예를 들면, 나프탈렌, 페난트렌, 플루오렌, 크라이센 등을 포함한다.
배출물의 감소는 다양한 성분들의 제거, 도입, 개질 또는 감소에 의해 달성된다. 예를 들면, 니트로에탄이 기존의 제형으로부터 부재되고; 폴리에스테르 및 방향족 탄화수소를 포함하지만 이에 제한되지 않는 윤활제가 니트로에탄에 대해 대체되고; 윤활제 및 니트로메탄의 농도가 이전에 공지된 특정 제형에 비해 감소되었고; 니트로에탄이 본 발명의 제형에서 실질적으로 생략되고; 그리고/또는 연료 중 첨가제의 전체 농도가 이전에 공지된 개시에서 일반적으로 사용되거나, 개시되거나, 교시되거나 또는 제안된 것보다 낮은 수준으로 감소되었다. 본 출원인은 우수한 배출 감소 용량을 유지하면서 생성물을 보다 안전하게 만들기 위해, 제형의 다양한 성분들 사이의 신중한 균형이 필요하다는 것을 발견했다. 본 출원인은 배출 및 성능에 대한 본 발명의 유익한 효과에 기여한다고 생각되는 다수의 개선 사항을 개발했다.
그러나, 본 출원인은 각각의 이전에 공지된 제형과 대조적으로, 연료 첨가제에 사용하기 위한 것으로 알려지지 않은 적어도 하나의 윤활제를 사용하여 예상치 못한 유익한 성질을 생성했다. 본 발명의 다른 특징적인 구성과 관련하여, 본 출원인은 배출물을 감소시키는 성능 및 능력이 본 발명에 따른 첨가제에 의해 예상치 못한 정도로 개선되었음을 발견하였다.
당업계의 통상가는 본 발명이 이루어진 당시에 본 발명의 이익을 기대하지 않았을 것이다. 다른 통상가들은 마력 및 연료 효율성을 높이는 데 중점을 두었다.
첫째, 본 출원인은 바람직하게는 니트로파라핀에 대한 윤활제의 비를 감소시켰다. 즉, 이는 윤활제 연소로 인한 배출물을 감소시킨다. 니트로파라핀에 대한 윤활제의 비는 이전에 공지된 많은 제형에서 사용된 수준보다 훨씬 더 낮은 수준으로 감소되었다. 마이클스(Michaels)의 미국 특허 제3,900,297호는 첨가제 제형의 10 내지 90% 수준으로 에스테르 오일을 사용하는 것을 교시하고 있으며, 이는 본 발명의 양태에 따른 약 5% 미만, 보다 바람직하게는 약 2% 미만인 윤활제의 바람직한 범위와는 대조적이다. 마이클스는 상부 실린더 윤활을 제공하고 균질한 연료를 만들기 위해 더 높은 농도의 에스테르 오일 윤활제가 필요하다고 교시했다. 마이클스는 잠재적인 엔진 파울링을 방지하기 위해 최대 농도 25%의 에스테르 오일을 권장한다. 본 출원인은 마이클스의 범위의 하한보다 훨씬 더 낮은 윤활제 농도에서 유익한 효과를 만들었다.
둘째, 톨루엔을 포함하지만 이에 제한되지 않는 방향족 탄화수소가 엔진 연소를 향상시키고 배출물을 개선하기 위해 첨가되었다. 톨루엔은 연료의 성분이다. 톨루엔은 연료에서의 니트로파라핀의 용해도를 유화 및/또는 개선하여 필요한 윤활제의 양을 감소시킨다. 이 과정에서 니트로파라핀이 첨가제에, 궁극적으로는 연료에 적절하게 유화된다. 본 출원인은 톨루엔이 본 발명에서 윤활제의 효과를 향상시키고 증대시켜 연료에서의 니트로파라핀의 용해도를 향상시킨다는 것을 발견하였다.
셋째, 본 출원인은 본 발명의 제형에 니트로에탄을 첨가하지 않는다. 니트로에탄은 독성이 강하고 위험하다. 니트로에탄은 폭발의 상당한 위험 및 개인의 안전에 대한 위험을 나타낸다. 니트로에탄을 실질적으로 생략하면 첨가제의 위험이 감소되고 독성이 낮아지고, 즉 첨가제가 사용되는 연료의 위험이 감소되고 독성이 낮아진다.
본 출원인은 제형의 독성 성분에 의해 야기되는 건강 위험을 감소시키기 위해 본 발명의 제형에 여러 개질을 가하였다. 본 출원인은 또한 본 발명의 제형을 개질하여 본 발명의 양태에 따른 첨가제를 사용하는 엔진으로부터의 배출물을 감소시켰다. 본 발명의 연료 중 더 낮은 농도의 첨가제 패키지는 이러한 이점들을 달성한다. 이전에 공지된 제형에 사용되고 관련 선행기술에 개시된 더 높은 농도는 NOx, 미연소 니트로파라핀 및 총 탄화수소 및 비-메탄 탄화수소의 더 높은 배출을 초래할 것이다. 이들은 오존 형성을 증가시키는 경향도 있다. 이는 일반적으로 이전에 공지된 제형에서 발견되는 더 높은 농도의 윤활제 및 더 높은 농도의 니트로파라핀 둘 다로부터 기인할 것이다. 이전에 공지된 제형에 개시된 에스테르 오일 및 니트로메탄의 비교적 높은 농도에서, 연료는 실질적으로 보다 더 독성이고, 지하수에 더 큰 위험을 초래할 것이다. 일반적으로 특히 독성 물질의 배출물이 증가할 것이다.
본 발명은 니트로에탄을 실질적으로 포함하지 않는 니트로파라핀을 하나 이상 포함한다. 일 양태에서와 같이, 본 발명의 니트로파라핀은 니트로메탄 및 니트로프로판 중 적어도 하나로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. 각각은 다른 것과 조합하여 존재할 수 있다. 예를 들면, 니트로메탄 및 니트로프로판 각각은 본 발명의 니트로파라핀 성분의 1 내지 100%를 구성할 수 있다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 니트로메탄이 바람직한 니트로파라핀이다.
다양한 니트로파라핀들의 상대적인 양은 톨루엔 및 윤활제의 상대적인 양과 마찬가지로 서로를 보완하도록 조정된다. 한편으로는 니트로파라핀, 다른 한편으로는 윤활제 및 톨루엔의 상대적인 양 또한 서로를 보완하도록 조정된다. 본 발명의 성분들의 비율은 이전에 공지된 제형 중 이들 성분들의 범위 미만이다.
본원에서 구현되는 바와 같이, 본 발명은 니트로파라핀, 윤활제 및 방향족 탄화수소를 포함하는 연료용 첨가제 제형 및 첨가제를 함유하는 연료를 포함한다. 본 발명의 첨가제를 함유하는 연료는 단지 예시로서 보일러, 터빈 또는 내연 엔진에서 연소될 때, 본 발명의 첨가제를 함유하지 않는 연료에 비해 감소된 배출물을 생성한다.
일 양태는 니트로파라핀, 윤활제, 방향족 탄화수소를 포함하는 연료용 첨가제 제형을 포함하고, 본 발명의 첨가제를 함유하는 연료의 내연 엔진에서의 연소는, 본 발명의 첨가제를 함유하지 않는 연료의 내연 엔진에서의 연소에 비해 감소된 배출물을 생성한다.
일 양태에서, 니트로파라핀은 니트로프로판 및 니트로메탄 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 니트로파라핀을 포함한다. 일 양태에서, 본 발명의 제형은 니트로에탄을 실질적으로 포함하지 않는다. 일 양태에서, 니트로파라핀은 약 40 내지 약 65wt%의 니트로프로판 및 약 10 내지 약 30wt%의 니트로메탄을 포함한다.
일 양태에서, 니트로메탄은 첨가제의 니트로파라핀 분획의 0 내지 25%로 존재한다. 바람직하게는, 니트로메탄은 첨가제의 니트로파라핀 분획의 15 내지 25%, 보다 바람직하게는 첨가제 제형의 20%로 존재한다. 일 양태에서, 니트로프로판은 첨가제의 니트로파라핀 분획의 40 내지 65%로 존재한다.
일 양태는 약 0.5 내지 약 5wt%의 윤활제를 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 에스테르를 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 폴리에스테르를 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 C5-C10 지방산을 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 C5-C10 지방산 에스테르를 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 펜타에리트리톨(CAS #68424-31-7로 식별되고 상업적으로 입수 가능함)을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르 및 디펜타에리트리톨(CAS #70983-72-1로 식별되고 상업적으로 입수 가능함)을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르 중 적어도 하나를 포함하는 C5-C10 지방상 에스테르를 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르이다. 일 양태에서, 윤활제는 디펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르이다. 일 양태에서, 윤활제는 펜타에리트리톨 및 디펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르이다. 일 양태에서, 윤활제는 펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르를 약 75 내지 약 80wt%, 바람직하게는 약 76 내지 약 79wt%, 보다 바람직하게는 약 77 내지 약 78wt% 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 디펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르를 약 19 내지 약 24wt%, 바람직하게는 약 20 내지 약 23wt%, 보다 바람직하게는 약 21 내지 약 22wt% 포함한다. 일 양태에서, 윤활제는 펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르 및 디펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르를 포함한다. 일 양태에서, 펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르 대 디펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르의 비는 약 1:2.5 내지 약 1:4.5, 바람직하게는 약 1:3.0 내지 약 1.40, 보다 바람직하게는 약 1:3.5 내지 약 1:3.7이다.
일 양태는 약 10 내지 약 40wt%의 방향족 탄화수소를 포함한다. 일 양태에서, 방향족 탄화수소는 에틸 벤젠, 크실렌 및 톨루엔으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. 일 양태에서, 방향족 탄화수소는 톨루엔이다.
일 양태에서, 감소된 배출물은 총 탄화수소(THC), 비-메탄 탄화수소, 일산화탄소(CO) 및 아질소 산화물(NOx) 중 적어도 하나를 포함한다. 일 양태에서, 본 발명의 첨가제를 함유하는 연료의 내연 엔진에서의 연소는, 본 발명의 첨가제를 함유하지 않는 연료의 내연 엔진에서의 연소에 비해 감소된 미립자 물질(PM) 배출물을 생성한다.
일 양태에서, 본 발명의 첨가제를 함유하는 연료의 내연 엔진에서의 연소는, 본 발명의 첨가제를 함유하지 않는 연료의 내연 엔진에서의 연소에 비해 향상된 엔진 성능을 초래한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 총 50 내지 95wt%의 니트로프로판 및 니트로메탄을 포함하는 제1 성분; 방향족 탄화수소를 포함하는 제2 성분; 및 윤활제를 포함하는 제3 성분을 포함하는 연료용 첨가제 제형 또는 첨가제를 함유하는 연료를 포함하며; 상기 첨가제 제형은 내연 엔진에서 연소될 때, 총 탄화수소, 비-메탄 탄화수소, 일산화탄소 및 NOx를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 배출물인 배출물을 감소시킨다. 방향족 탄화수소는 벤젠, 크실렌 또는 톨루엔의 지방족 유도체를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 첨가제 제형은 니트로에탄을 실질적으로 포함하지 않는다.
추가의 양태에서, 본 발명은 약 40 내지 약 65wt%의 니트로프로판; 약 10 내지 약 30wt%의 니트로메탄; 약 10 내지 약 40wt%의 방향족 탄화수소; 및 약 0.5 내지 약 5wt%의 윤활제를 포함하는 모터 연료용 첨가제 제형 및 첨가제를 함유하는 연료를 포함하며, 상기 첨가제는 니트로에탄을 실질적으로 포함하지 않는다. 추가의 양태에서, 본 발명은 약 40 내지 약 65wt%의 니트로프로판, 약 10 내지 약 30wt%의 니트로메탄, 약 0.5 내지 약 5wt%의 C5-C10 지방산 에스테르, 약 10 약 40wt%의 방향족 탄화수소를 포함하는 연료용 첨가제 제형을 포함하며, 상기 첨가제는 니트로에탄을 실질적으로 포함하지 않는다. 추가의 양태에서, 본 발명은 약 40 내지 약 65wt%의 니트로프로판, 약 10 내지 약 30wt%의 니트로메탄, 약 0.5 내지 약 5wt%의, 펜타에리트리톨 및 디펜타에리트리톨 중 적어도 하나를 갖는 C5-C10 지방산 에스테르, 약 10 내지 약 40wt%의 톨루엔을 포함하는 연료용 첨가제 제형을 포함하며, 상기 첨가제는 니트로에탄을 실질적으로 포함하지 않는다. 일 양태에서, 본 발명의 첨가제를 함유하는 연료의 내연 엔진에서의 연소는, 본 발명의 첨가제를 함유하지 않는 연료의 내연 엔진에서의 연소에 비해, 미립자 물질 배출물을 포함하는 배출물의 감소 및 향상된 엔진 성능 중 적어도 하나를 초래한다. 본 발명의 또 다른 양태는 본 발명의 첨가제를 포함하는 연료이다.
본 발명은 본 발명의 첨가제 및 연료 생성물의 연료로서의 사용을 추가로 포함한다. 본 발명에 따른 양태는 이전에 공지된 제형에서보다 더 낮은 농도의 첨가제에서 개선된 성능 및 감소된 배출을 달성한다.
본 발명에 따른 양태에서 연료 갤런당 사용되는 첨가제의 양은 일반적으로 약 20% 미만의 양으로 사용된다. 보다 구체적으로는, 첨가제의 양은 일반적으로 10% 미만 또는 5% 미만이다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 첨가제의 양은 바람직하게는 약 0.1% 미만, 즉 약 0.08%(또는 연료 갤런당 0.1온스의 첨가제) 미만으로 유지된다.
본 발명에 따른 양태는 연료 첨가제 제형 및 이의 사용 방법을 포함한다. 본 발명의 연료 첨가제 제형은 니트로프로판 및 니트로메탄으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 니트로파라핀을 바람직하게 포함한다. 자동차, 트럭 등 및 기타 내연 엔진용 모터 연료로서 사용되는 경우, 본 발명은 바람직하게는 가솔린 중 0.01 내지 약 5wt% 미만의 첨가제를 포함한다. 본 발명의 연료 중 니트로파라핀의 양은 일반적으로 0.064 내지 7.6wt%, 바람직하게는 0.5wt% 미만이다.
본 발명의 연료는 보일러, 터빈, 내연 엔진 또는 임의의 다른 유형의 적절한 적용을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 종류의 동력 장치에 사용될 수 있다.
본 출원인은 다양한 공지된 제형에 대한 본 발명의 양태에 따른 첨가제의 성능을 시험하기 위해 일련의 실험을 수행하였다. 상기 제형들은 이하의 실시예에서 확인된다.
실시예
실시예 1
디젤 엔진 성능/배출.
본 발명의 양태로서, 본 출원인은 개선된 연비를 제공하면서 배출물을 감소시키거나 적어도 증가시키지 않는 신규한 #2 ULSD(초저황 #2 펌프 디젤) 연료 첨가제를 개발하였다. 시험은 Princeton Polymer Laboratories, Union, NJ에서 수행되었다. 본 출원인은 ULSD에 대한 배출물 및 연비에 대해 스크린 시험된 여러 프로토타입을 제형화했다. 제형 (F MAZ), (F MAZ/X) 및 (F MAZ/Y)를 시험하였으며, 여기서 "X"는 2,4-디니트로톨루엔을 함유하는 제형을 나타내고, "Y"는 아조비스이소부티로니트릴을 함유하는 제형을 나타낸다.
이들 프로토타입의 성능은, 제3자 독점 에스테르 제형(제형 L1699)(미국 특허 제6,319,294호 및 제7,491,249호에 개시되었으며, 이들 둘 다 본 출원인에게 양도되었으며, 이들의 전문이 인용에 의해 본원에 포함됨)을 포함하는 공지된 MAZ 제형, 및 제3자 독점 에스테르 제형(제형 L1699) 및 DTBP(600)를 60:40wt%의 비(60wt%의 MAZ 및 40wt%의 600ppm DTBP 용액)로 포함하는 60/40 MAZ 제형으로 처리된 Shell 펌프 ULSD(SULSD)의 기준선 및 SULSD의 기준선 아래에 대해 비교했다. F MAZ, F MAZ/600[60/40](60wt%의 F MAZ:40wt%의 600ppm DTBP 용액)인 다른 제형을 시험했다. 나머지 제형은 wt%로 F MAZ/X 70:30인 F MAZ/X: 2,4 디니트로톨루엔, wt%로 F MAZ/X 60:40인 F MAZ/X:2,4 디니트로톨루엔, 및 wt%로 F MAZ/Y 60:40인 F MAZ/Y: 아조비스이소부티로니트릴을 포함한다.
기준선 및 연료 첨가제 조합은 다음과 같았다:
A. Shell 초저황 #2 펌프 디젤(SULSD) 기준선
B. SULSD + MAZ(L1699) 기준선 아래
C. SULSD + MAZ(L1699)/600[60/40] 기준선 아래
D. SULSD + F MAZ
E. SULSD + F MAZ/600[60/40]
F. SULSD + F MAZ/X[70/30]
G. SULSD + F MAZ/X[60/40]
H. SULSD + F MAZ/Y[60/40]
i. SULSD 기준선은 시험된 2개 로트의 평균, 10회의 배출 및 10회의 연비 실행으로 구성되었으며, 2가지 시간 기간에 걸쳐 5회씩 2세트로 수행되었다. 이는 모든 시험 블렌드를 실행하고 상기 블렌드들에 대한 새로운 연료를 보장하는 데 필요한 상이한 베이스라인 로트의 수로 인해, 보다 정확한 전체 베이스라인 프로파일을 달성하도록 수행된다.
ii. 각각의 시험 블렌드는 850ppm, 1,050ppm, 1,250ppm 및 1,600ppm의 4가지 상이한 투입량으로 실행되었으며, 각각의 투입량에 대해 5회의 배출 및 연비 반복 세트를 제공한다.
시험 프로토콜은 01 Three Mode B-Type ISO 8178 시험 사이클였다. 이는 배출물 인증을 위해 사용되는 비-도로 적용 정속 국제 표준이다. Dl Three Mode B는 주어진 시간 기간 동안 100% 로드, 75% 로드 및 50% 로드의 시험 엔진을 각각의 로드 수준에서 실행하는 것으로 구성되며, 이 동안 각각의 로드 수준에서 배출물이 수집되고 기록된다. 연료 소비는 각각의 로드 전환 시 전자적으로 기록된다. 이는 가중 시험이다.
각각의 배출물에 대한 수치적 총 값은 100% 로드 판독값의 30%, 75% 로드 판독값의 50%, 및 50% 로드 판독값의 20%의 합이다. 본 출원인은 통합 연료 소비량을 g/분으로 표시했으므로, 보다 정밀한 분석을 위해 로드별로 기록을 표시하더라도 총 소비된 g을 총 실행 분으로 나눈 값이다.
시험 엔진은 Mode283 CSL 1506 마라톤 발전기가 장착된 Perkins 403D-07G 8kW 디젤 엔진으로 구성된 Tier 4i 인증 정속 엔진발전기(genset)였다. 질소 산화물(NOx)(ppm), 일산화탄소(CO)(ppm) 및 이산화탄소(CO2)(%)를 계측하기 위해 Enerac M700 Micro Emissions Monitoring System을 사용하였다. 총 탄화수소(THC)(ppm)를 계측하기 위해 FTIR을 사용하였다. 별도의 칭량 저울인 A&D GF3000(SHS) Toploader 디지털 저울은 각각의 엔진 로드 시간 분절에 대한 연료 소비량(g/분)을 계측하도록 전자적으로 구성되었다.
표 3은 미처리된 기준선 연료에 대해 최상의 전체 성능을 갖는 첨가제 조합을 보여준다. F MAZ/Y[60/40]는 NOx 및 CO에서는 부족하지만 우수한 연비 판독값으로 인해 포함되었다.
표 4는 ULSD Shell #2 펌프 디젤 기준선과 비교하여 첨가제 및 투입량에 따른 각각의 배출물 및 연비에 대한 가중 결과를 보여준다.
표 5는 각각의 설정에서의 보다 심층적인 분석을 위해 개별 엔진 로드별 순수 배출물 판독값 및 각각의 로드에서 소비된 총 연료를 보여준다. 상기 데이터는 특정 적용에 대한 첨가제를 선택하는 데 유용할 수 있다. 시험 사이클당 총 100분 동안 100% 로드가 30분 동안 실행되고, 75% 로드가 50분 동안 실행되고, 50% 로드가 20분 동안 실행되었다는 점에 유의하는 것이 중요하며 - 필요한 로드 가중 계산과 혼동하지 않아야 한다.
표 5에서 알 수 있는 바와 같이, F-MAZ/X 제형은 디젤 연료에서 주행 거리 성능과 배출물 감소의 우수한 조합을 제공한다. F-MAZ/Y 제형은 보다 더 우수한 주행 거리 성능을 제공했지만 배기물 감소는 F-MAZ/X만큼 좋지는 않았다.
실시예 2
디젤 배출 감소(미립자 물질 감소).
효율적인 가솔린 중 연료 첨가제의 엔진 벤치 시험에 대한 연구. "MAZ 1000" 첨가제는 1,000ppm의 최종 농도로 F MAZ를 포함한다. 가솔린에 F MAZ 제형을 사용하면 가솔린 배출물 중 미립자 물질(PM)이 감소하는 것으로 나타났다. 엔진 파라미터는 표 6에 나타낸다.
시험 장비는 다음을 포함한다: AVL 전기 동력계(출력 범위 500kW; AMA i60/SESAM i60(통상적/비통상적 방출 분석), AVL439(연기 감지), AVL SPC472/489(배출 감지 PM/PN), AVL ACS 흡기 컨디셔너 735 일시 연료 소비량 측정기 및 AVL 553 냉각수/냉각간 제어 장치.
참조 표준은 GB17691-2005 "차량(III, IV, V)의 압축 점화 및 가스 연료 포지티브 점화 엔진으로부터의 배기 오염물에 대한 제한 및 계측 방법"이며, 이는 이의 전문이 본원에 포함된다.
시험 연료는 표 7에 나타낸 바와 같이 제조하였다.
benchmark 디젤 및 첨가제를 포함하는 benchmark 디젤을 각각 비교한 후 결과를 분석하는 시험을 수행하였다. 시험 계획은 표 8에 나타낸다.
표 8에서, "ESC"는 유럽 고정 사이클이고 "ETC"는 유럽 일시 사이클이다. 439 연기 또는 439 연기 배출은, 흡수 불투명도 측정기로, 본 경우는 AVL 불투명도 측정기 439로 계측한 배기 가스 불투명도 계측값이다. 흡착 불투명도 측정기는 가스를 통과하는 가시 광선(광)의 흡수와 관련된 현상을 사용한다. 배기 가스 불투명도는 고체 입자(대부분 수트(soot) - 흑색 연기), 탄화수소(청색 연기) 및 수증기(백색 연기)의 존재의 결과이다. 100 내지 300mg/m3의 수트 함량에서는 배기 가스의 불투명도가 눈에 띈다. 흑색 연기는 약 500mg/m3의 농도에서 나타난다. 배기 가스 불투명도의 증가는 일반적으로 다른 유해한 배기 가스 성분(CO2, CO, HC, NOx)의 배출의 증가를 동반한다.
도 1은 사용되는 엔진 셋업의 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 MAZ 1000 첨가제를 포함하는 또는 포함하지 않는 시험 연료의 동력 분석을 나타낸다. MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 동일한 조건 하에 엔진 출력이 증가하고 토크가 증가함을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 따른 MAZ 1000 첨가제를 포함하는 또는 포함하지 않는 시험 연료의 연비 분석을 나타낸다. MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 엔진 연비 구역이 확장되는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 배출 특성, ESC 사이클 및 미립자 물질(PM) 배출을 나타낸다. 데이터는, ESC의 경우 MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 PM 배출이 0.0096g/kWh에서 0.0082g/kWh로 14.58% 감소되었음을 나타낸다.
도 5는 배출 특성, ESC, 439 연기 배출을 나타낸다. 데이터는, ESC의 경우 MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 대부분의 작동 조건 하에 439 연기가 평균 24.96%로 크게 감소되었음을 나타낸다.
도 6은 배출 특성, ESC 및 기타 오염물 배출을 나타낸다. 데이터는, ESC의 경우 MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 NOx(질소 산화물), CO2(이산화탄소), CO(일산화탄소), HC(탄화수소) 등이 효과적으로 제어됨을 보여준다.
도 7은 배출 특성, ETC, PM 배출을 나타낸다. 데이터는, ETC의 경우 MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 PM 배출이 0.0161g/kWh에서 0.0152g/kWh로 5.59% 감소되었음을 나타낸다.
도 8은 배출 특성, ETC, 439 배출을 나타낸다. 데이터는, ETC의 경우 MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 439 연기가 22.73% 감소되었음을 나타낸다.
도 9는 배출 특성, ETC 및 기타 오염물 배출을 나타낸다. 데이터는, ETC의 경우 MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 CO2, CO, THC(총 탄화수소) 및 NOx 배출량이 효과적으로 제어됨을 나타낸다.
도 10은 일반적인 작동 조건 하의 NOx의 배출 특성을 나타낸다. 데이터는, MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 대부분의 작동 조건 하에 NOx 배출이 크게 감소되었고 최대 감소 폭이 5.70%임을 나타낸다.
실시예 2에서 입증된 바와 같이,
MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 엔진 출력이 향상되고, 열효율이 증가하고, 연비가 개선된다.
ESC의 경우, MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 PM 배출이 0.0096g/kWh에서 0.0082g/kWh로 감소되어 14.58% 감소되고, 439 연기는 대부분의 작동 조건 하에 평균 24.96%로 상당히 감소된다.
ETC의 경우, MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 PM 배출이 0.0161g/kWh에서 0.0152g/kWh로 감소되어 5.59% 감소되고, 439 연기는 22.73% 강하된다.
ESC 및 ETC의 경우, MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후에 NOx, CO2, CO 및 HC가 효과적으로 제어된다.
본래 엔진의 일반적인 작동 조건의 경우, MAZ 1000 첨가제를 첨가한 후 대부분의 작동 조건 하에 NOx 배출이 상당히 감소되며, 최대 감소 폭은 5.70%이다.
PM 및 NOx 배출의 극적인 감소는 디젤 미립자 필터(DPF) 재생 압력 및 요소 주입 용적을 효과적으로 상당히 완화하고, 후처리 시스템 내구성을 연장시켜, 고객 사용 비용을 감소시킨다.
도 11은 본 발명의 F MAZ 양태의 사용 전 및 후의 엔진 실린더 헤드의 상태를 나타내는 사진을 도시한다. 첨가제로의 처리 전의 실린더 헤드에서 불완전 연소 및 수트질 화염, 클로깅된 주입기 포트 및 흡입 밸브 상의 탄소 축적으로 인해 배기 밸브가 더러워진 것을 볼 수 있다.
F MAZ 첨가제를 사용한 후처리에서 확인할 수 있는 바와 같이, 향상된 연소 및 수트질 화염의 감소로 인해 배기 밸브가 "보다 더 깨끗"해지고, 주입기 포트에서의 탄소 침착물 정도가 감소하고, 흡입 밸브에서 탄소 침착물 정도가 감소한다.
본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않으면서 다양한 개질 및 변형이 본 발명의 구조 및 구성에서 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 이의 균등물의 범위 내에 있는 한 본 발명의 개질 및 변형을 포함하도록 의도된다.
본 발명의 바람직한 양태는 니트로파라핀, 윤활제 및 방향족 탄화수소를 포함하는 내연 엔진용 모터 연료용 연료 첨가제이다. 본 출원인은 가솔린 및/또는 디젤 연료 중 니트로파라핀의 안정한 혼합물을 생성하는, 즉 신규한 윤활제의 도입에 의한 신규한 방법을 개발했다. 본 출원인은 연료 첨가제의 낮은 농도가 배출물을 감소시킨다는 것을 발견했다. 윤활제를 개질하고 연료 중 첨가제 농도를 감소시킴에 의해 배출물을 감소시키면서 독성을 감소시켰다.
본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않으면서 다양한 개질 및 변형이 본 발명의 구조 및 구성에서 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 이의 균등물의 범위 내에 있는 한 본 발명의 개질 및 변형을 포함하도록 의도된다.
Claims (29)
- 연료용 첨가제 제형으로서,
40 내지 65wt%의 니트로프로판;
10 내지 30wt%의 니트로메탄;
0.5 내지 5wt%의 윤활제 및
10 내지 40wt%의 톨루엔을 포함하고,
상기 윤활제가 펜타에리트리톨 및 디펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르이고,
상기 첨가제가 니트로에탄을 포함하지 않는, 제형. - 제1항에 기재된 첨가제를 포함하는 연료.
- 제1항에 있어서, 상기 윤활제가 펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르를 75 내지 80wt% 포함하는, 제형.
- 제1항에 있어서, 상기 윤활제가 디펜타에리트리톨을 포함하는 C5-C10 지방산 에스테르를 19 내지 24wt% 포함하는, 제형.
- 제1항에 있어서,
상기 첨가제를 함유하는 연료의 내연 엔진에서의 연소가, 상기 첨가제를 함유하지 않는 연료의 내연 엔진에서의 연소에 비해 감소된 배출물을 생성하고,
상기 감소된 배출물이 총 탄화수소, 비-메탄 탄화수소, 일산화탄소 및 NOx 중 적어도 하나를 포함하는, 제형. - 제1항에 있어서, 상기 첨가제를 함유하는 연료의 내연 엔진에서의 연소가, 상기 첨가제를 함유하지 않는 연료의 내연 엔진에서의 연소에 비해 미립자 물질 배출물의 감소를 초래하는, 제형.
- 제6항에 있어서, 상기 첨가제를 함유하는 연료의 내연 엔진에서의 연소가, 상기 첨가제를 함유하지 않는 연료의 내연 엔진에서의 연소에 비해 향상된 엔진 성능을 초래하는, 제형.
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