KR20020096675A - 연료 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 연료에 있어서, 종래의 차량의 내연기관에 그대로 사용할 수 있고, 또한 저공해이며 신규한 연료 조성물을 제공한다.
본 발명은, 실질적으로 분기지방족 에테르를 포함하는 에테르만으로 이루어지는 연료조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은, 실질적으로 에테르와 분기지방족 알콜만으로 이루어지고, 상기 에테르로서 분기지방족 에테르를 포함하는 연료 조성물을 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 에테르로서, 추가로 지방족 에테르를 포함하는 연료 조성물도 제공한다. 본 발명에 따른 연료조성물은, 이른바 가솔린 성분을 함유하지 않아도 종래의 차량에 적용하여 차량주행이 가능하고, 저공해성의 연료 조성물이다.

Description

연료 조성물{Fuel Composition}
본 발명은 신규의 연료 조성물에 관한 것으로, 특히 차량용의 연료 조성물에 관한 것이다.
근래에, 석유자원의 고갈과, 석유소비에 의한 지구환경의 악화에서, 연료 자원으로서의 석유로부터 탈피하는 것이 과제가 되고 있다. 특히, 가솔린이나 디젤 연료 등의 차량용 연료는 세계적으로도 석유의 가장 큰 소비 항목의 하나임과 동시에, 이들의 차량용 연료의 소비에 의하여 배출되는 배기가스는 대기 오염의 큰 요인이 되고 있다.
가솔린이나 디젤연료를 대체할 대체연료는 각종 검토되고 있다. 그러나, 현재 차량에 탑재되어 있는 엔진 및 연료공급계에는 그대로 사용할 수 없고, 신규의 엔진 계열을 필요로 하는 일이 많고, 또한, 차량주행에 있어서 연비 등의 점에서 문제도 있다. 이러한 이유에서 실용화되어 있는 대체연료는 거의 없는 것이 현상황이다.
본 발명은 이러한 차량용 연료에 있어서의 상황하에서, 종래의 차량의 내연기관에 그대로 사용할 수 있고, 또한 저공해인 신규의 연료 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 이하의 연료 조성물을 제공한다.
본 발명은, 실질적으로 분기지방족 에테르를 포함하는 에테르만으로 이루어지는 연료조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은, 실질적으로 에테르와 분기지방족 알콜만으로 이루어지고, 상기 에테르로서 분기지방족 에테르를 포함하는 연료 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 에테르로서, 추가로 지방족 에테르를 포함하는 상기 연료 조성물도 제공한다.
본 발명에 따른 연료조성물은, 이른바 가솔린 성분을 함유하지 않아도, 종래의 차량에 적용하여 차량주행이 가능하고, 또한 저공해성의 연료 조성물로 되어 있다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 연료 조성물은 실질적으로, 이하의 구성성분(a), 또는 (a) 및 (b)만으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
(a)분기지방족 에테르를 포함하는 에테르
(b)분기지방족 알콜을 포함하는 알콜
즉, 본 연료 조성물은 이른바 가솔린이나 디젤연료의 주성분인 탄화수소를함유하고 있지 않다. 이러한 연료 조성물에 의하면, 종래의 가솔린용 내연기관이나 디젤 내연기관에 그대로 적용할 수 있고, 더욱이, 내연기관에서의 배기가스 중의 일산환탄소, 하이드로카본, 질소산화물, 유황산화물을 감소할 수 있다.
그리고 본 연료조성물은 엔진, 특히 가솔린엔진에 적용하여 양호한 연소성능과 출력성능을 발휘할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 에테르란 R-O-R'(단, R 및 R'는 각각 탄화수소기이다.)의 일반식으로 나타나는 화합물이다.
여기에, 본 연료 조성물에 함유되는 분기지방족 에테르는 상기 R 및 R' 중 적어도 하나의 탄화수소기가 분기지방족 탄화수소기이면 좋다. 따라서, R 및 R'의 쌍방이 분기지방족 탄화수소기이어도 좋다. 이러한 분기지방족 탄화수소기로서는 알킬기, 알케닐기, 알키닐기 등을 이용하는 것도 가능하지만, 바람직하게는, 탄소수가 3이상의 알킬기이고, 보다 바람직하게는 탄소수가 4이상의 알킬기이다. 또한, 이러한 분기지방족 탄화수소기는 탄소수가 10이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 7이하이다.
더욱이, 당해 분기알킬기에 있어서 합계의 탄소수가 4이상 8이하인 것이 바람직하다.
이러한 분기지방족 탄화수소기로서는 이소프로필기, 이소부틸기, sec-부틸기, tert-부틸기, 네오펜틸기, tert-펜틸기, 이소헥실기 알콜 등이다.
또한, 바람직한 분기지방족 탄화수소기를 가지는 에테르로서는, 디이소프로필에테르, 메틸tert-부틸에테르, 에틸tert-부틸에테르, 이소프로필tert-부틸 에테르 등을 열거할 수 있다.
특히, 연료 조성물에 옥탄가를 부여할 수 있는 에테르로서 옥탄가(JIS K 2880의 리서치옥탄가를 말한다.)가 90이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 100이상이다. 이러한 옥탄가를 가지는 에테르로서는, 예를 들면, 메틸tert-부틸에테르, 에틸tert-부틸에테르, 이소프로필tert-부틸에테르이고, 특히 바람직하게는, 메틸tert-부틸에테르이다.
이들의 분기지방족 에테르는 1 종 또는 2 종이상을 조합하여 사용할 수 있다.
본 연료 조성물에 함유되는 에테르로서는 상기한 분기지방족 에테르 외에 산소원자에 결합하는 2개의 탄화수소기가 직쇄상 지방족탄화수소기, 지환(脂環)식 지방족탄화수소기 및 방향족탄화수소기 중의 어느 1 종이며, 그 외의 에테르를 포함할 수 있다. 이러한 탄화수소기는 바람직하게는, 직쇄상 지방족탄화수소기 및 지환식탄화수소기이고, 보다 바람직하게는 알킬기 및/또는 시클로알킬기이다.
또한, 연소성의 관점에서는 직쇄상 지방족탄화수소기는 탄소수가 3이하의 알킬기인 것이 바람직하고, 더욱이 탄소수가 2이하의 알킬기인 것이 바람직하다. 그 외의 에테르로서는 구체적으로는 디에틸에테르, 디프로필에테르 및 디부틸에테르를 열거할 수 있다.
본 연료 조성물에는 알콜을 함유하는 것이 바람직하다. 본 명세서에 있어서, 알콜이란 R-OH(단, R은 탄화수소기이다.)의 일반식으로 나타나는 알콜이다. 여기에, 본 연료 조성물에 특히 함유되는 분기지방족 알콜은, 상기 R이 분기를 가지는지방산 탄화수소기, 바람직하게는 분기를 가지는 알킬기이다. 이러한 분기 알킬기로서는, 탄소수가 3이상 8이하의 알킬기인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 탄소수가 4이상 6이하의 알킬기이다. 구체적으로는, 이소프로필알콜, 이소부틸알콜, 이소부틸알콜, sec-부틸알콜, tert-부틸알콜, 이소펜틸알콜, 네오펜틸알콜, tert-펜틸알콜, 이소헥실알콜, 2-에틸헥실알콜, 3-메틸-1-부틸알콜, 4-메틸-2-펜틸알콜 등이다. 바람직하게는, 이소프로필알콜, 이소부틸알콜, sec-부틸알콜, tert-부틸알콜, 네오펜틸알콜, 2-에틸헥실알콜 등이다. 특히 바람직하게는, tert-부틸알콜이다.
이들의 분기지방족알콜은, 1 종 또는 2 종이상을 조합하여 사용할 수 있다.
본 연료 조성물에 이용하는 분기지방산알콜로서는 상기 리서치옥탄가가 100이상인 알콜을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 분기지방산알콜 이 외의 알콜로서는 직쇄상 지방족알콜을 이용할 수 있다. 예를 들면, n-프로판올, n-부탄올, n-펜탄올, n-헥산올 등이다.
또한, 메탄올을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 메탄올을 함유하지 않음으로써, 고무류에 대한 팽윤성이 억제되고, 종래의 내연기관이나 차량에 의하여 양호하게 적용할 수 있다.
본 연료 조성물에 있어서는, 실질적으로, 에테르와 알콜만으로 이루어진다. 즉, 탄화수소류를 함유하지 않는다. 단, 「실질적으로, 에테르와 알콜만으로 이루어진다」란, 본 연료 조성물에 이용하는 에테르와 알콜 중에 불순물 등 또는 첨가물로서 함유될 수 있는 탄화수소류를 함유하는 것을 허용하는 것이다.
상기한 에테르 및 알콜에서 각각 1 종 또는 2종류이상을 조합함으로써 본 연료 조성물을 얻을 수 있다. 알콜 및 에테르성분을 JIS K2258에 기초한 증기압(37.8℃)이 30kPa 이상이 되도록 배합함으로써, 차량용의 내연기관에 연료로서 적용할 수 있는 연료 조성물이 제공된다. 본 연료 조성물의 증기압이 30kPa 이상이면 양호한 엔진 시동성을 얻을 수 있기 때문이다. 30kPa/101.3kPa (약 30%) 미만이면, 기상중에 포함되는 인화성 가스가 너무 적어서 엔진의 시동성에 영향을 미치기 때문이다. 바람직하게는, 당해 증기압의 상한은 100kPa 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 연료 조성물의 상기 리서치옥탄가를 100이상으로 함으로써, 보다 바람직한 차량용의 내연기관용 연료 조성물이 제공된다.
또한, 본 연료 조성물을 구성하는 에테르 및 알콜의 탄화수소기가, 탄소수가 1~6, 바람직하게는, 1~5의 범위 중, 3 종류이상의 탄소수의 탄화수소기를 함유하도록 에테르 및 알콜을 조합하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 탄소수 1~5(보다 바람직하게는 탄소수 1~4)의 탄화수소기를 각각 가지도록 에테르 및 알콜을 조합하도록 한다.
특히, 상기 에테르 성분 중, 분기 지방족 에테르로서, 메틸tert-부틸에테르(MTBE)를 단독으로, 또는, MTBE와 디이소프로필에테르를 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 분기지방족에테르에 그 외의 에테르로서 디에틸에테르를 조합하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, MTBE와 디에틸에테르 및 MTBE와 디이소프로필에테르와 디에틸에테르의 조합이 바람직하다.
더욱이, 이들의 에테르에 대하여, 분기지방족알콜로서는 노킹을 방지하기 위하여, 발화점이 높은(예를 들면, 400℃이상)의 알콜을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 알콜로서는 tert-부틸알콜, 이소부틸알콜 및 sec-부틸알콜이고, 보다 바람직하게는 tert-부틸알콜이다.
또한, 본 연료 조성물에 있어서 에테르와 알콜과의 비율(중량비)는 30:0:70~95:5의 범위인 것이 바람직하다. 에테르가 30중량% 미만에서는 증기압이 낮고, 또한, 에테르가 95중량%를 넘고, 알콜이 5중량% 미만이 되면, 바람직한 증류성상을 얻기 어렵기 때문이다. 보다 바람직하게는 40:60~80:20의 범위이다.
특히, 디이소프로필에테르와 MTBE를 에테르로서 이용하고, tert-부틸알콜을 알콜로서 이용하는 경우에는 에테르와 알콜과의 중량비율은 30:70~80:20인 것이 바람직하고, 이소프로필에테르 20~30중량%, MTBE 5~60중량%, tert-부틸알콜 10~75중량%로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 디에틸에테르와 MTBE를 에테르로서 이용하여, tert-부틸알콜을 알콜로서 이용하는 경우에는 에테르를 전체를 95중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 에테르가 95중량%를 넘고, 알콜이 5중량% 미만이 되면, 바람직한 증류성상을 얻기 어렵기 때문이다. 또한, 디에틸에테르를 전체의 15~30중량%, MTBE의 전체의 65~80중량%의 범위로 배합하는 것이 바람직하다.
또한, 디이소프로필에테르와 디에틸에테르와 MTBE를 에테르로서 이용하여 이소부틸알콜 및 sec-부틸알콜을 알콜로서 이용하는 경우에는 에테르를 전체의 95중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 에테르가 95중량%를 넘고, 알콜이 5중량% 미만이 되면, 바람직한 증류성상을 얻기 어렵기 때문이다. 또한, 디에틸에테르를 전체의 6~20중량%, MTBE의 전체의 20~90중량%의 범위로 배합하는 것이 바람직하다. 디이소프로필에테르는 전체의 20~90중량%의 범위로 배합하는 것이 바람직하다.
본 연료 조성물의 JIS K 2258에 기초하여 얻을 수 있는 증기압은 30kPa 이상 90kPa 이하인 것이 바람직하다. 90kPa를 넘어면 기상중의 산소농도가 상대적으로 낮아지므로 연소성이 저하하기 때문이다. 보다 바람직하게는(특히, 가솔린의 경우), 30kPa 이상 78kPa 이하이다.
더욱이, 본 연료 조성물은 종래의 가솔린과 다른 증류성상을 나타낸다. 특히, JIS K 2254.4에 기초한 증류성상에 있어서, 50% 유출온도가 60℃ 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 65℃이상이고, 더욱 바람직하게는 69℃이상이다. 또한, 상한은 바람직하게는 110℃이하이다.
또한, 90% 유출온도는 75℃이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80℃이상이다.
특히, 50% 유출온도가 65℃이상이고, 90% 유출온도가 75℃이상인 것이 바람직하다. 또한, 50% 유출온도가 75℃이하이고, 90% 유출온도가 83℃이하인 것이 바람직하다.
또한, JIS K 2265.4에 기초한 인화점은, -40℃이상 -15℃이하인 것이 바람직하다.
또한, 발화점은 250℃이상인 것이 바람직하다.
본 연료 조성물은 내연기관에 있어서 연료가스중의 일산화탄소, 하이드로카본, 질소산화물, 유황 산화물의 함유량을 현저하게 감소시킬 수 있다. 이것은 본 연료 조성물 중에 종래의 가솔린 유래성분을 함유하지 않는 것에 기초한 것이다.
더욱이, 본 연료 조성물에 대하여 배합하는 알콜과 에테르의 각 분자식을 구성하는 탄소수, 수소수 및 산소수에 배합 중량비를 곱하여 합계함으로써 평균분자식을 구한 경우, 당해 평균분자식은 이하의 식에 의하여 평균분자식을 구한 경우, C4~8H8~12O1~3인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, C4~6H9~12O1~2인 것이 바람직하다. 또한, 평균분자량의 범위는 70이상 95이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 75이상 90이하이다.
본 발명의 연료조성물에 의하면, 더욱이 종래의 가솔린과 혼합하여 신규의 연료 조성물을 제공할 수 있다. 가솔린과의 배합비는 특별히 한정하지 않지만, 바람직하게는 50중량% 이상이 본 연료 조성물을 이루도록 배합한다.
본 발명의 연료 조성물은 차량의 연료로서 바람직하게 사용할 수 있고, 특히 차량(가솔린 엔진 및 디젤 엔진)의 연료로서 바람직하게 사용할 수 있지만, 종래의 가솔린을 사용하는 각종 산업용의 차량에 보다 바람직하게 사용할 수 있다. 더욱이, 종래의 가솔린을 사용하는 선박, 항공기 등의 차량이외의 수송기에도 이용할 수 있다. 또한, 종래의 가솔린을 사용하는 발전기, 가열기 등의 각종 기기에도 사용할 수 있다.
(실시예)
이하, 본 발명을 구체화한 실시예에 관해 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
본 실시예에서는 본 연료 조성물에 대하여 차량의 주행성을 확인했다.
표 1에 나타내는 배합에 기초하여, 시험조성물1~7의 연료 조성물을 조제하고, 총배기량 1600cc, 가솔린 엔진을 가지는 차량의 연료로서 사용하고, 시속 60km까지 가속하고, 당해 속도로 일정시간의 주행시험을 실시하였다.
성분 조성물
1 2 3 4 5 6 7
메틸t-부틸에테르 20 10 5 65 70 75 80
t-부틸알콜 50 60 65 5 5 5 5
디이소프로필에테르 30 30 30 0 0 0 0
디에틸에테르 0 0 0 30 25 20 15
단위 : 중량%
주행시험의 결과는 어느 쪽의 시험 조성물1~7을 연료로 하여도, 발진에서 시속 60km까지의 가속시 및 시속60km에서의 주행시에 있어서도 노킹 등의 문제없이 양호하게 주행이 가능하였다.
(실시예 2)
실시예 1에 있어서 조제한 조성물 1(MTBE : 디이소프로필에테르 : tert-부틸알콜(20:30:50)에 대하여 증류성상(JIS K 2254.4), 증기압(JIS K 2258) 및 인화점(JIS K 2265.4)에 대하여 시험한 결과를 표 2에 나타낸다.
증류성상(감실량가산) 초류온도℃ 60.0
5%유출온도℃ 65.0
10%유출온도℃ 65.5
20%유출온도℃ 66.0
30%유출온도℃ 67.0
40%유출온도℃ 68.0
50%유출온도℃ 69.0
60%유출온도℃ 70.5
70%유출온도℃ 72.5
80%유출온도℃ 75.5
90%유출온도℃ 78.5
95%유출온도℃ 80.0
종점온도℃ 120.0
전유출량 용량% 99.0
잔유량 용량% 0.0
감실량 용적% 1.0
증기압 37.8℃ kPa 32.0
인화점 TAG℃ -18.0
표 2에 도시하는 바와 같이, 본 조성물 1의 10% 유출온도는 65.5℃이고, 50% 유출온도는 69.0℃이고, 90% 유출온도는 78.5℃이고, 종점은 120℃이었다. 초류에서 종점까지의 온도 범위(60℃~120℃)는 60℃이었다.
(실시예 3)
표 3에 나타내는 배합에 기초하여 조성물 8~12를 조제하여 총배기량 1590cc, 가솔린 엔진차(시빅 1600 si 5speed, ZC 엔진 : DOHC)에 연료로서 사용하여, 마력을 측정하였다. 측정은 측정기기로서, 샤시 다이너모터 (BOSCH사 제)를 이용하여, 시속 220km까지 가속하여, 얻어진 최대 마력을 본 실시예에 있어서의 마력으로 하였다. 대조물로서, 시판되는 레귤러 가솔린을 사용하여 동일한 조건에서 마력을 측정하였다.
또한, 어느 쪽의 조성물 8~12에 있어서도, 마력 측정을 위한 주행상태는 양호하였다. 결과를 표 3에 나타낸다.
성분 조성물(단위 : 중량%) 대조물
8 9 10 11 12 가솔린
메틸t-부틸에테르 20 10 30 10 0 -
t-부틸알콜 50 60 40 70 60 -
디이소프로필에테르 30 30 30 20 40 -
마력(ps) 121.04 108.8 100.64 97.92 92.48 116.96
표 3에 도시하는 바와 같이, 레귤러 가솔린의 116.96ps에 대하여, 92.48~121.04ps이고, 어느 쪽의 조성물에 있어서도 양호한 마력측정결과를 얻었다.
(실시예 4)
실시예 3에서 조제한 조성물 8 및 9에 대하여, 총배기량 1600cc, 가솔린 엔진차에 연료로서 사용하여, 그 배기가스를 채취하여, 배기가스분석을 행하였다. 또한, 배기가스의 채취는 각 조성물을 연료로서 연소시킨 아이들링 상태의 가스를 테드라 백으로 채집하였다. 또한, 배기가스는 촉매를 통과시키지 않고 채집하였다. 채취한 가스 N2, O2, CO, CO2에 대하여, 가스 크로마토그래피법((주)시마쯔제작소 제 GC-14B(검출기 : TCD))에 의하여 측정하였다. 하이드로카본에 대하여는 탄화수소계((주)시마쯔제작소 제 HCM-1B)로 측정하였다. 또한, SOX및 NOX에 대하여는 각각 JIS K 0103 및 JIS K 0104에 준하여 측정하였다. 대조물로서, 시판되는 가솔린을 이용하여 동일조건에서 배기가스를 채취하여 분석을 행하였다.
결과를 표 4에 나타낸다.
측정항목 단위 조성물8 가솔린에대한% 조성물9 가솔린에대한% 대조물(레귤러가솔린)
질소 N2 v/v% 76.90 101.5 78.20 103.3 75.70
산소 O2 v/v% 3.20 152.4 5.20 247.6 2.10
일산화탄소 CO v/v% 0.52 69.3 0.17 22.7 0.75
이산화탄소 C02 v/v% 11.60 90.6 10.40 81.3 12.80
하이드로카본 CH v/vppm 1400 63.6 2600 118.2 2200
질소산화물 NOX v/vppm 53 64.6 51 62.2 82
유황산화물 SOX v/vppm 0.60 20.7 0.54 17.2 2.90
표 4에 도시하는 바와 같이, 조성물 8의 배기가스에서는 일산화탄소, 하이드로카본, 질소산화물, 유황산화물이 시판의 가솔린의 배기가스에 비교하여 현저하게 저하하였다. 또한, 조성물 9의 배기가스에서는 일산화탄소, 이산화탄소, 질소산화물, 유황산화물의 감소가 특히 현저하였다.
본 발명에 의하면, 종래의 가솔린 차에 그대로 사용할 수 있고, 또한, 저공해의 신규한 연료조성물을 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 실질적으로, 분기지방족 에테르를 포함하는 에테르만으로 이루어지는 연료 조성물.
  2. 실질적으로, 분기지방족 에테르를 포함하는 에테르와, 분기지방족 알콜을 포함하는 알콜만으로 이루어지는 연료 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분기지방족 에테르는 메틸tert-부틸에테르를 포함하는 연료 조성물.
  4. 제 2 항 또는 3 항에 있어서,
    상기 분기지방족 알콜은 tert-부틸알콜을 포함하는 연료 조성물.
  5. 실질적으로, 디이소프로필에테르와, 메틸tert-부틸에테르와, tert-부틸알콜만으로 이루어지는 연료 조성물.
  6. 실질적으로, 디에틸에테르와, 메틸tert-부틸에테르와, tert-부틸알콜만으로 이루어지는 연료 조성물.
  7. 실질적으로, 이소부틸알콜 및/또는 sec-부틸알콜과, 이소프로필에테르와, 디에틸에테르와, 메틸tert-부틸에테르만으로 이루어지는 연료 조성물.
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