KR20040076955A - 대기환경 보존을 위한 가솔린 유해가스 저감용 첨가제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 현재 지구상에서 운행 되어지고 있는 가솔린차량 및 가솔린을 연료로 사용되고 있는 소형선박 및 경 항공기의 엔진에서 발생되는 각종 유해가스의 저감을 위한 대기환경 보존을 위한 가솔린 유해가스 저감용 첨가제에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 가솔린대체 및 소량의 첨가만으로서 소기의 환경보존의 목적을 달성할수있으며 기존의 엔진의 개조 및 기타 수반되는 노력이 전혀없는것이특징으로 하고 있으며 더욱더 발전된 공법이다 제조방법으로는

CH₃OH 8∼9중량부, C₃H₈O 5∼8중량부, (CH₃)2CHCH₂OH 3∼5중량부, C₆H₅CH₃5∼8중량부, C₆H₄(CH₃) 2∼3중량부, Light Straight Run aphtha,hsr(경나푸타) 35∼55중량부, Low sulfur raffinate 30∼40중량부로 고농도 혼합 제조함을 특징으로 하는 것이다.

Description

대기환경 보존을 위한 가솔린 유해가스 저감용 첨가제{a}

본 발명은 현재 지구상에서 운행 되어지고 있는 가솔린차량 및 가솔린을 연료로 사용되고 있는 소형선박 및 경 항공기의 엔진에서 발생되는 각종 유해가스의 저감을 위한 대기환경 보존을 위한 가솔린 유해가스 저감용 첨가제에 관한 것이다.

최근에, 자동차로부터 배출되는 NOx나 PM(입자상물질 : Soot와 연소가스가 주성분) 등에 의한 대기오염 문제나 CO₂배출에 의한 지구온난화 문제가 심각화됨에 따라서, 저공해 자동차연료의 사용을 확대하려는 움직임이 활발해지고 있다.

석유업계에서는, 대기오염물질의 배출저감을 위하여, 지금까지 가솔린의 무연화나 경유의 저황화 등 각종 연료품질의 개선을 추진하여 왔다.

그러나 자동차 1대당의 배출량이 억제되고 있음에도 불구하고, 자동차 보유대수의 증가나 교통량 증대로 인하여 억제효과가 상쇄되고 있어서, 배출량을 더욱 줄여야 할 필요성이 대두되고 있다.

가솔린 제조시에 含酸素 基材를 사용하는 것은, 1920년대에 옥탄가 향상제로서 알콜을 사용하는 것에서부터 시작되었다.

1970년대의 석유위기에는 대체연료용이었으나, 1990년대에는, 미국에서 함산소 기재를 혼합한 가솔린의 사용이 의무화되고, 일본에서도 일부 프리미엄가솔린에 MTBE(Methyl Tertiary Butyl Ether)가 혼합되는 등 배출가스 대책의 하나로서 이용되게 되었다.

현재 국내에서 판매되는 휘발유는 전부 무연(납 성분이 없거나 매우 낮은)이다.

1990년 이전에는 연료에 첨가제로 납의 성분을 함유하는 물질(보통tetramethyl lead나 tetraethyl lead)을 추가하여 옥탄가를 높이는 유연 휘발유가 사용되었으나 환경 문제로 인한 배기 가스 규제가 강화된 1990년 이후에는 이러한 첨가제의 사용이 금지되어 미량의 납 성분만이 존재하는 휘발유가 판매되고 있다.

이렇게 납이 사용 금지된 이유는 납 자체의 오염뿐만 아니라, 자동차 배기 가스를 줄이도록 설계된 촉매변환장치(catalytic converter, 머플러 바로 전 단계에 있음)가 부품 중 하나가 납에 노출되면 요구되는 성능이 급격히 저하하여 배기 가스가 급증하게 되기 때문이다.

가솔린은 파라핀계,나프틴계,오레핀계,방향족등 약 200여종류의 탄화수소화합물로서 그 중에서 옥탄(C₈H₁₈), 이소옥탄(C₈H₁₈, 2,2,4-trimethylpentane), n-헵탄(C₇H₁₆), 헥산(C₆H₁₄), 벤젠(C₆H₆) 등이 주요 성분이다. 이러한 각각의 화합물이 섞인 비율에 따라 휘발유 전체의 특성도 달라질 수 있다. 실제로 시중에서 판매되는 연료의 경우 겨울철과 여름철의 특성도 달라진다.

예를 들면 겨울철에는 저온에서의 시동이 용이하게 되도록 연료의 휘발성이 좋은 성분의 비율이 증가하고 여름철에는 고온으로 인한 vapor lock 등의 문제나 휘발성 성분이 환경 오염 등을 일으킬 수 있으므로 휘발성이 많은 성분의 비율이 감소하게 된다.

자동차 엔진 내에서의 연소 과정은 매우 복잡하다. 점화 플러그의 작은 부분에서 연소가 시작되어 실린더 내부로 연소과정이 부드럽게 발전한다.

이때 내부에서 연료가 너무 급속히 연소되거나 플러그가 아닌 다른 부분에서발화되면 폭발하는 듯이 빠르게 연소하며 엔진에서 금속성 소리를 낸다. 이를 노킹 현상이라고 한다. 노킹이 일어날 때의 엔진 내부의 온도는 부분적으로 매우 높으며 연료 소모가 증가하고 엔진의 힘이 떨어지는 것은 물론 심한 경우 엔진 자체에 손상을 일으킬 수도 있다.

가솔린의 성분 중 탄소가 일렬로 연결된 노말헵탄은 매우 빠르게 연소하여 엔진의 성능을 저하시카고, 이에 반해서 가지친 탄화수소인 이소옥탄은 부드럽게 연소하여 가솔린 엔진에 적합하다.

옥탄가는 파라핀계의 성분에서 노말헵탄과 이소옥탄의 혼합비율 중 이소옥탄의 비율을 말하는데 예를 들면, 노말헵탄이 20%, 이소옥탄이80% 함유되어있다면 옥탄가는 80이 되는 것이다.

위에서 언급한 바와 같이 가솔린은 노말헵탄과 이소옥탄뿐만 아니라 여러 혼합물로 되어 있으므로, 옥탄가는 실제 연료와 노말헵탄과 이소옥탄만으로 된 연료와 비교하여 정해진다.

옥탄가를 평가하는 방법에는 여러 가지가 있으나 우리나라의 경우 R(Research Method Octane Number)가 가장 널리 쓰인다. 우리나라의 경우 고급 휘발유는 95, 보통 휘발유는 91 정도의 값을 가지고 있다.

일반적으로R의 수치가 높은 연료를 사용할 수록 노킹이 일어나지 않게 되어 기술자가 엔진을 개발할 때 더 큰 성능 향상이 가능하여 같은 엔진에서의 기름 소모를 줄일 수 있는 효과를 가질 수 있다.

미국의 주유소에 표기된 연료의 옥탄가는 국내에서 적용되는 방법과 평가 방법이 다른 것이다.

이 경우는(R+M)/2(Reaearch and Motor Methods)으로 표시된 것으로 약 옥탄가 4~5 정도가 국내 보다 낮으면 국내 연료와 동일한 정도의 노킹 발생 정도를 가진 것으로 간주할 수 있다.

즉, 국내에서 옥탄가 95라면 미국에서는 91로 표기된다.고옥탄가를 경제적으로 만들기 위해 납화합물을 사용하여 옥탄가를 높인 [유연휘발유]가 이전에는 널리 사용되었어나, 80 후반에 들어서면서 납화합물 그 자체가 오염물질이며, 대기환경오염에 미치는 영향이 크기 때문에 이의 사용이 중지되고 대신 MTBE가 첨가한 [무연휘발유]의사용이 보편화되게 되었다.

보통 휘발유의 옥탄가는 86~88 정도이며, 고급휘발유는 92~98정도이다. 그러나 MTBE 또한 지금 와서 수질환경에 유해하다고 판정되어 미국에서는 이의 사용을 2000년 부터 금하고 있다.

이에 따라서 본 발명을 통하여 대기환경보존 및 친환경적인 제품을 발명하여 기존의 가솔린에 첨가 및 직접사용함으로써 유독성유해가스로부터의 국민의 건강은물론 환경보존에 역점을 두고있다

본발명은 가솔린대체 및 소량의 첨가만으로서 소기의 환경보존의 목적을 달성할수있으며 기존의 엔진의 개조 및 기타 수반되는 노력이 전혀없는것이특징으로 하고 있으며 더욱더 발전된 공법이다 제조방법으로는

CH₃OH 8∼9중량부, C₃H₈O 5∼8중량부, (CH₃)2CHCH₂OH 3∼5중량부, C₆H₅CH₃5∼8중량부, C₆H₄(CH₃) 2∼3중량부, Light Straight Run aphtha,hsr(경나푸타) 35∼55중량부, Low sulfur raffinate 30∼40중량부로 고농도 혼합 제조함을 특징으로 하는 것이다.

이는 일반의 가솔린을 사용시보다 현저한 공해저감을 확보할 수 있는 획기적인 발명이다.

위와 같은 혼합을 통하여 가솔린과 거의 비슷한 연비을 가지며 유해가스는 50%이상 감소효과가있으며 저온시동성또한 우수하다

도 1 은 본 발명의 전부하 운전조건에서 기관회전속도에 대하여 실린더내의 압력변화를 각 연료에 대하여 나타낸 그래프

도 2 는 본 발명의 각 운전조건에 대한 실린더 최고압력의 변화를 나타낸 그래프

도 3 은 본 발명의 각 경우에 있어서 MTB 점화시기를 표시한 그래프

도 4 는 본 발명의 기관회전속도에 따른 충전효율의 변화를 나타낸 그래프

도 5 는 본 발명의 여러 부하조건에서 기관 회전속도에 다른 제동토그와 제동마력의 변화를 나타낸 그래프

도 6 은 본 발명의 여러 운전조건에 대한 제동연료소비율의 변화를 나타낸 그래프

도 7 은 본 발명의 흡기관 압력-100mmHg인 운전조건에서 배기가스중 NOx, HC 및 CO의 농도 변화를 각 시료에 대하여 도시한 그래프

본 발명은 천연가스, 석탄, 나무 등으로부터 공업적으로 제조할 수 있는 연료로서 옥탄가가 101.5로 높아 가솔린 엔진에 적합하며, 현존하는가솔린엔진을 베이스로 할 때는 연소중 유해물질 를 발생치 않기 때문에 CO ,SO₂, HC, 배출이 거의 없고, 연소가스중 수분이 많아 연소온도가 낮고, 연료 성분중 유황분이 없으므로 EGR사용이 용이해서 NOx도 대폭 줄일 수 있다.

본 발명은 CH₃OH 8∼9중량부, C₃H₈O 5∼8중량부, (CH₃)2CHCH₂OH 3∼5중량부, C₆H₅CH₃5∼8중량부, C₆H₄(CH₃) 2∼3중량부, Light Straight Run aphtha,hsr(경나푸타) 35∼55중량부, Low sulfur raffinate 30∼40중량부로 고농도 혼합 제조함을 특징으로 하는 것이다.

도 1 은 전부하 운전조건에서 기관회전속도 2500rpm과 3500rpm에 대하여 실린더내의 압력변화를 각 연료에 대하여 나타내고 있다.

2500rpm의 경우 본 발명품 20% 혼합연료의 점화시기가 가솔린을 연료로 한 경우와 동일하며 가솔린만을 사용한 경우보다 연소 초기의 압력이 동일한 것으로 나타나고 있다.

3500rpm의 경우는 가솔린만을 사용한 경우의 점화시기가 다른 경우와 동일하거나 또는 더 빠름에도 불구하고 연소압력의 상승률은 본 첨가물을 혼합한 경우 가솔린만을 사용한 경우 보다 연소속도가 빠른 것을 알 수 있게 하는 것이다.

기화기식 기관을 사용한 일부 연구에서는 메탄올의 높은 증발잠열로 인하여 메탄올을 혼합한 경우가 가솔린만을 사용한 경우에 비하여 연소속도가 감소하는 것으로 보고하고 있다.

그러나 분사식기관을 사용하고 또 본첨가제 혼합비율이 30% 이하인 본발명에 있어서는 증발잠열에 의한 연소 둔화 효과보다는 본첨가제의 빠른 연소 특성이 보다 더 부각되어 본첨가제를 혼합한 경우가 보다 빠른 연소를 나타내고 있는 것으로 판단된다.

도 2 는 각 운전조건에 대한 실린더 최고압력의 변화를 나타내고 있으며 도 3 은 각 경우에 있어서 MBT 점화시기를 표시하고 있다.

도 3 에 나타난 바와 같이 각 조건에 따라 점화시기는 조금씩 다르나 실린더 최고입력은 본 첨가물을 혼합한 경우가 가솔린만을 사용한 경우보다 더 높은 수치를 보여주고 있다.

이에 앞서 특정 운전조건에서의 압력-크랭크 각 선도에서 보여준 바와 같이 본첨가물 혼합에 따른 연소 속도의 증가를 반영하는 것으로 판단된다.

도 3 에 나타난 점화시기의 변화를 보면 흡기관 압력과 기관회전속도의 변화에 따른 점화시기의 변화 경향은 각 연료에 대하여 거의 유사하게 나타나고 있다.

각 조건에서 본첨가물 혼합에 따라 MBT 점화시기가 약간씩 달라지기는 하나 그 차이는 매우 작게 나타나고 있으며 이는 메탄을 혼합연료를 대상으로 한 결과와 유사하다.

30% 이내의 범위에서본첨가물을 혼합할 경우 MBT 점화시기에 큰 차이를 나타내지 않는다는 사실은 기존 기관에 혼합연료를 사용할 경우 ECU의 점화시기 관련 자료를 사용할 경우 ECU의 점화시기 관련 자료를 수정하지 않아도 성능 상 큰 차이가 없을 것이라는 것을 암시한다.

도 4 는 기관회전속도에 따른 충전효율의 변화를 보여주고 있다.

각 연료의 변화가 같은 경향을 보이며 혼합연료가 가솔린보다 약간 높은 충전효율을 나타내고 있으나 그 차이는 미소하며 약 4%이내의 증가율을 보이고 있다.

Bolt는 에탄올 연료를 사용한 경우 높은 증발잠열로 인하여 흡기관 내의 온도가 내려가므로 공기의 밀도가 낮아져 충전효율이 높아지는 것으로 보고하였으나 Bolt가 시험한 기관은 기화기식 기관인데 반하여 본 연구에서 사용한 시험기관은 MPI방식이므로 연료를 흡기밸브 가까이에 분사하여 흡기관내의 온도 강하에 큰 영향을 비치지 못하고 따라서 본첨가물 혼합연료를 사용한 경우 충전효율이 증가하기는 하나 그 증가량은 그리 크게 나타나지 않고 있다.

도 4 와 도 5 는 여러 부하조건에서 기관 회전속도에 따른 제동토크와 제동마력의 변화를 각각 보여주고 있다.

기관회전속도에 따른 제동토크의 변화는 4가지 시료 모두 같은 경향으로 변화하고 있다.

즉 2000rpm에서 일단 극대점을 보이고 2000 ~3000rpm에서는 완만한 감소를 보이고 있으나, 3000rpm 이후에서 다시 증가하는 경향을 보이고 있다. 제동마력의 변화도 시료의 종류에 관계없이 동일한 변화경향을 보여주고 있다.

거의 대부분의 운전조건에서 가솔린만을 사용한 경우보다 본첨가물을 혼합한 경우에서 더 큰 출력성능을 나타내고 있음을 알 수 있음을 알 수 있다.

운전조건에 따라 다르지만 본첨가물10%를 혼합한 경우는 흡기관 압력에 따라 평균 1 ~8%정도, 20%를 혼합한 경우는 1~6%정도, 30%를 혼합한 경우는 0~8%정도의 성능 향상을 보이고 있다.

이는 본첨가물 혼합한 경우가 가솔린만을 사용한 경우보다 열효율이 높게 나오기 때문이다.

Chui는 브라질에서 시판되는 가솔린을 기유로 하고 여기에 에탄올을 20% 혼합한 혼합연료로 기관을 전부하 운전한 결과, 혼합연료의 열효율이 가솔린보다 높게 나타남을 보고하였고, Bernstein는 에탄올을 10% 혼합한 경우 열효율은 약 1.5% 정도 증가함을 보고하였는바 본 연구에서도 이와 유사한 경향을 나타내고 있다.

도 6 은 여러 운전조건에 대한 제동연료소비율의 변화를 나타내고 있다.

메탄올의 낮은 발열량 때문에 메탄올의 혼합비율이 높아질수록 제동연료소비율은 증가하는 것을 알 수 있다.

그러나 본첨가제혼합에 따른 제동연료소비율의 증가율은 메탄올 혼합비율과 반드시 일치하지는 않는다.

메탄올 혼합으로 제동열효율이 증가하였기 때문에 메탄올을 30% 혼합한 경우의 제동연료소비율의 증가는 최대 15% 정도에 그치고 있으며 20%를 혼합한 경우는 9% 이내의 증가를 보이고 있다.

열효율이 전반적으로 가장 크게 나오고 있는 메탄올 10% 혼합의 경우는 일부 조건에서 오히려 제동연료소비율이 감소하는 현상도 관찰할 수 있다.

출력성능에 관한 이상의 검토를 통하여 본첨가물을 혼합한 연료를 사용한 경우가 가솔린만을 사용한 경우보다 제동토크, 제동마력 및 열효율의 측면에서 보다 우수한 성능을 보여주고 있는 것을 알수 있으며 결과적으로 기존의 가솔린 기관에 큰 수정 없이 본첨가물혼합연료를 사용하여도 기존의 기관과 동일한 또는 그 이상의 출력 성능을 보여주고 있음을 알 수 있다.

그러나 본첨가물의 혼합율이 30%이하인 본 실험에서는 본첨가물 혼합에 따른 성능의 향상은 분명하나 본첨가물 혼합율에 따른 출력 증대율의 순서가 명확하게 나타나고 있지는 않다.

도 7 은 흡기관 압력 -100mmHg인 운전조건에서 배기가스중 NOx, HC 및 CO의 농도 변화를 각 시료에 대하여 도시한 것이다.

일반적으로 NOx의 농도는 연소회고온도와 산소의 이용성에 크게 의존하다.

이론공연비로서 공기과잉율이 일정한 본 실험의 경우는 앞서 도 1 과 도 2에 나타난 바와 같이 본첨가물 혼합연료의 경우가 연소가 빠르고 아룰러 실린더 최고압력이 크므로 배기가스 중의 NOx의 농도가 전반적으로 높게 나타나고 있다. 대표적인 불완전 연소 생성물인 HC의 경우 본첨가물의 함산소성과 혼합연료의 높은 연소압력 때문에 혼합연료의 경우 HC 배출농도가 낮게 나타나고 있다.

CO의 경우는 근소하나마 혼합연료의 경우가 오히려 높은 농도를 나타내고 있는 바 이는 CO의 농도에 민감한 영향을 주는경우가있다.

본 발명에서 분사식 가솔린 기관의 연료에 본첨가물을 혼합시킨 경우의 성능특성을 검토하기 위하여 기유인 가솔린과, 여기에 본첨가물을 10%, 20% 및 30%의 비율로 혼합한 혼합연료에 대하여 여러 가지 운전조건에서 기관성능 실험을 시행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

첫째, 대부분의 운전조건에서 본첨가물 혼합연료가 가솔린보다 연소진행속도가 빠르게 나타나기 때문에 연소 최고 압력이 높게 나타난다.

둘째, 본첨가물 혼합에 의하여 대부분의 운전조건에서 가솔린의 경우 보다 높은 제동토크와 제동출력을 나타내고 있다.

셋째, 본첨가물10%를 혼합한 경우는 흡기관 압력에 따라 평균 1~8% 정도, 20%를 혼합한 겨우는 1~6%정도, 30%를 혼합한 경우는 0~8%정도의 성능 향상을 보이고 있다.

넷째, 본첨가물 혼합에 의하여 전반적으로 제동열효율이 향상되고 있으며, 제동열효율이 향상되고 있고, 제동열효율 증가의 정도는 최대 1.7% 포인트 정도로나타나고 있다.

다섯째, 메탄올의 낮은 발열량으로 메탄올의 혼합에 따라 제동연료소비율은 증가되고 있으며, 본첨가물 혼합에 따라 제동열효율이 향상되므로 제동연료소비율의 증가율은 메탄올 혼합비율의 절반 정도의 수치를 나타내고 있다.

여섯째, 본첨가물 혼합에 의하여 NOx의 배출농도는 높게, HC의 배출농도는 낮게 나타나고 있으며, CO의 경우는 혼합연료의 경우가 높게 나타나고 있으나 그 차이는 근소하다.

Claims (1)

1. CH₃OH 8∼9중량부, C₃H₈O 5∼8중량부, (CH₃)2CHCH₂OH 3∼5중량부, C₆H₅CH₃5∼8중량부, C₆H₄(CH₃) 2∼3중량부, Light Straight Run aphtha,hsr(경나푸타) 35∼55중량부, Low sulfur raffinate 30∼40중량부로 고농도 혼합 제조함을 특징으로 하는 대기환경 보존을 위한 가솔린 유해가스 저감용 첨가제.