KR20090126921A - 바이오부탄올을 함유하는 내연기관용 대체연료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관용 연료 조성물에 관한 것으로 전체 조성물에 대하여 0.01∼85 중량％의 바이오부탄올 또는 바이오부탄올과 부탄올, 바이오에탄올, 프로판올, 에탄올, 펜탄올, 메탄올에서 선택되는 하나 이상의 성분과의 혼합물과 1～75 중량％의 파라핀계 탄화수소, 파라핀계 탄화수소 용제 또는 이들의 혼합물을 가지는 대체연료에 관한 것이며, 또한 본 발명은 전체 조성물에 대하여 상분리 방지제로서 0.1～9 중량％의 뷰틸 셀로솔브(Butyl Cellosolve), 0.1～11 중량％의 에틸 셀로솔브(Ethyl Cellosolve), 0.001～6 중량％의 로진유도체 또는 로진산(Rosin Acid) 화합물0.1～5 중량％의 테레빈유, 0.1～3 중량％의 아세톤 중에서 선택되는 어느 한 성분 이상이 추가로 포함되는 연료 조성물을 제공한다. 또한 본 발명은 전체 조성물에 대하여 별도의 0.1～13중량％의 이소프로판올, 0.1～12 중량％의 이소부탄올을 더 추가할 수 있는 것을 포함한다,

본 발명의 내연기관용 연료는 기존의 연소 설비 개조 없이 사용 가능하며, 가솔린 보다 대기오염을 현저히 줄이면서도 연료로서의 동력성능을 제고하여 경제성을 지닌 대체연료로서 유용한 것이다.

알코올, 대체연료, 내연기관.

Description

바이오부탄올을 함유하는 내연기관용 대체연료 {Alternative Fuel Internal Combustion Engines Containing Biobutanol}

본 발명은 내연기관용 연료조성물에 관한 것으로 가솔린을 연료로 사용하는 엔진 뿐만 아니라 디젤 엔진에도 적용 가능한 대체연료로서의 내연기관용 연료 조성물을 제공하기 위한 것이다.

전 세계적으로 화석연료 고갈 및 환경오염 문제가 날로 심각해짐에 따라 세계는 지금 에너지 및 환경과 전쟁 중에 있다고 해도 과언이 아니다. 특히, 고유가 시대이고, 날로 강화되어 가는 국제적 환경규제(교토의정서)의 흐름에 보조를 맞추기 위해서도 이제는 대체연료의 개발의 필요성이 더욱 요구되고 있다.

이에 대하여 본 발명자는 바이오에탄올 등을 이용한 고연비의 대체연료의 개발은 지속적으로 진행하여 왔으나, 여전히 연비의 향상과 노킹이나 불완전 연소등의 문제점을 해결할 필요가 있으며, 또한 연료에 존재하는 미량의 물의 상분리현상을 방지할 수 있는 보다 더 고성능의 대체연료의 개발이 요구되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 발명된 것으로, 내연 기관용의 연료유가 장기 보관 시 발생될 수 있는 미량의 물이라도 상분리되는 현상을 발생시키지 않고 각 구성 성분이 충분히 섞여 노킹의 발생이나 연료의 연소 효율을 더욱 증가시킨 연료 조성물을 제공하는 것이다. 또한 본 발명은 바이오부탄올을 사용함으로써 옥탄가가 향상되고 유해 배출가스를 저감시켜 환경오염 물질이 감소된 새로운 연료 조성물을 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바이오부탄올을 함유하는 내연기관용 연료 조성물은 a) 0.01∼85 중량％의 바이오부탄올 또는 바이오부탄올과 부탄올, 바이오에탄올, 프로판올, 에탄올, 펜탄올, 메탄올에서 선택되는 하나 이상의 성분과의 혼합물 및 b) 1～75 중량％의 파라핀계 탄화수소 또는 파라핀계 탄화수소 용제 또는 이들의 혼합물을 함유하는 것을 특징으로 가진다.

여기서, 전체 연료조성물의 함량에 대하여 a) 0.01～20 중량％의 부탄유도체, b) 0.01～30 중량％의 펜탄유도체, c) 0.01～40 중량％의 헥산유도체, d)0.01～45 중량％의 벤젠유도체, 및 e) 0.01～20 중량％의 헵탄유도체 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 가진다.

이때, 상기 b)성분은 탄소수 4～28개를 가진 파라핀계 탄화수소 또는 파라핀계 탄화수소 용제를 주요 성분으로 함유하는 것을 특징으로 가진다.

또한, 탄소수 5～40개의 지방족알칸 및 지환족알칸 1～85 중량％, 바이오디젤 0.01 ～85중량％, 1～85중량％ BTL합성원유 케로센(Kerosens)1～43중량％,하이 신(Hi-Sene)1～32중량％,하이닌(Hi-nine) 1～36 중량％, 윤활기유 0.01～5 중량％ 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 더 포함 하는 것을 특징으로 가진다.

또한, 테레빈유 0.1～5 중량％ 또는 아세톤 0.1～3 중량％를 더 포함하는 것을 특징으로 가진다.

또한, 옥탄가 향상제인 메틸터셔리부틸에테르(MTBE), 에틸터셔리부틸에테르(ETBE) 또는 이들의 혼합물 1 ～ 17 중량％를 더 포함 하는 것을 특징으로 가진다.

또한, 아로마틱 탄화수소 혼합물 1～19 중량％를 더 포함하는 것을 특징으로 가진다.

또한, 뷰틸셀로솔브 0.1～9 중량％, 에틸셀로솔브 0.1～11 중량％, 로진, 로진유도체, 로진산 화합물 또는 이들의 혼합물 0.001～6 중량％, 이소프로판올 0.1～13 중량％, 이소부탄올 0.1～12 중량％ 중에서 선택된 어느 하나 이상의 성분을 상분리 방지제로 더 포함하는 것을 특징으로 가진다.

또한, 뷰틸셀로솔브 0.1～9 중량％, 에틸셀로솔브 0.1～11 중량％, 로진, 로진유도체, 로진산 화합물 또는 이들의 혼합물 0.001～6 중량％ 0.001～6 중량％, 0.1～13 중량％의 이소프로판올, 0.1～12 중량％의 이소부탄올 중에서 선택된 어느 하나 이상의 성분을 상분리 방지제로 더 포함하는 것을 특징으로 가진다.

또한, 아로마틱 탄화수소 혼합물 1～19 중량％를 더 포함하는 것을 특징으로 가진다.

또한, 옥탄가 향상제인 MTBE, ETBE 또는 이들의 혼합물 1 ～ 17 중량％를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 조성물

또한, 상기 연료조성물은 전체 조성물 중 0.05～5 중량％의 부식방지제를 더 포함하는 것을 특징으로 가진다.

또한, 테레빈유 0.1～5 중량％ 또는 아세톤 0.1～3 중량％를 더 포함하는 것을 특징으로 가진다.

한편, 본 발명의 내연 기관용 대체연료는 상기 연료 조성물을 단독 또는 공지의 내연기관 연료 및 알코올 연료에 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 가진다.

본 발명의 내연기관용 연료 조성물은 환경적인 측면에서 내연기관의 연료로 적용 시 기존의 가솔린 연료에 비하여 대기오염 물질의 생성 및 배출을 현저히 감소시키는 효과를 나타냈으며, 또한 에너지 효율 측면에서도 기존의 내연기관 연료에 비해 우수한 경제성 및 동력성능을 나타내고 또한 소음발생도 감소되었음을 알 수 있었다.

본 발명은 내연기관용 연료 조성물에 관한 것으로 전체 조성물에 대하여 0.01∼85 중량％의 바이오부탄올 또는 바이오부탄올과 부탄올, 프로판올, 에탄올, 바이오에탄올, 펜탄올, 메탄올에서 선택되는 하나 이상의 성분과의 혼합물 및 1～75 중량％의 파라핀계 탄화수소, 파라핀계 탄화수소 용제 또는 이들의 혼합물을 가지는 대체연료에 관한 것이다.

본 발명의 조성비는 특별히 지적하지 않은 이상 전체조성물에 대한 조성비이다.

또한 본 발명은 상기의 조성물에 대하여 상분리 방지제로서 0.1～9 중량％의 뷰틸 셀로솔브(Butyl Cellosolve), 0.1～11 중량％의 에틸 셀로솔브(Ethyl Cellosolve), 0.001～6 중량％의 로진, 로진유도체, 로진산 화합물 또는 이들이 혼합물, 0.1～5 중량％의 테레빈유, 0.1～3 중량％의 아세톤 중에서 선택되는 어느 한 성분 이상이 추가로 포함되는 연료 조성물을 제공한다. 또한 본 발명은 전체 조성물에 대하여 별도의 0.1～13중량％의 이소프로판올, 0.1～12 중량％의 이소부탄올을 더 추가할 수 있는 것을 포함한다.

본 발명의 또 다른 내연기관용 연료 조성물은 1～19 중량％의 아로마틱 탄화수소 혼합물과 필요에 의해 0.1～5 중량％의 테레빈유 또는 0.1～3중량％의 아세톤을 추가적으로 더 포함할 수 있다.

상기의 내연기관용 연료 조성물은 더욱 바람직하게는 a) 5～20 중량％의 바이오부탄올 또는 바이오부탄올과 프로판올, 에탄올, 바이오에탄올에서 선택되는 하나나 둘 이상의 성분과의 혼합물, b) 25～55중량％의 파라핀계 탄화수소, 파라핀계 탄화수소 용제 또는 이들의 혼합물, c) 2～5 중량％의 뷰틸셀로솔브(Butyl Cellosolve), 0.5～6 중량％의 에틸셀로솔브(Ethyl Cellosolve), 0.5～2 중량％의 로진, 로진유도체, 로진산 화합물 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상 성분의 상분리 방지제, d) 3～12 중량％의 아로마틱 탄화수소 혼합물, e) 0.5～3 중량％의 테레빈유 f) 0.3～1중량％아세톤을 포함하는 내연기관용 연료 조성물이다.

또한 본 발명의 필요할 경우 전체 조성물에 대하여 2～6 중량％의 이소프로 판올, 2～7 중량％의 이소부탄올에서 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 인위적 더 추가함으로써 상분리 효과를 극대화시킬 수도 있다.

또한 본 발명은 상기 발명들의 구성요소에 더하여 전체 조성물에 , 0.05～5 중량％의 부식 방지제를 필요에 의해 사용 할 수도 있다,

그리고 본 발명의 또 다른 방면에서는 0.01～85 중량％의 바이오디젤, 공지의 디젤 또는 이들의 혼합물, 1∼85중량％의 BTL(Bio-To-Liquid)합성 원유, 1～43 중량％의 케로센, 1～32 중량％의 하이신,1～36 중량％의 하이닌, 0.01～5 중량％의 윤활기유 중에서 선택되는 어느 한 종류 이상의 성분을 더 포함하는 내연 기관용 연료 조성물이다.

또한 본 발명은 상기의 각 발명의 양태 각각에 0.01～20중량％의 부탄유도체, 0.01～30 중량％의 펜탄유도체, 0.01～40 중량％의 헥산유도체, 0.01～45 중량％의 벤젠유도체, 및 0.01～20 중량％의 헵탄유도체 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 독립적으로 더 추가하는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 본 발명에서 상기 벤젠 유도체, 부탄유도체, 펜탄유도체, 헥산유도체, 헵탄유도체란 이들의 유도체 및/또는 이성질체를 총칭하는 것으로 본 발명의 당업자에게는 자명한 것이므로 더 이상의 상세한 설명은 하지 않지만, 이하는 본 발명의 각 구성 성분에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.

예를 들면, 벤젠유도체란 벤젠 및 벤젠의 수소기가 탄소수 1～3개의 알킬기 1～3개로 치환된 용매에서 선택되는 어느 하나 이상의 벤젠 유도체로서 톨루엔, 자일렌, 벤젠, 에틸벤젠, 1-메틸-3에틸벤젠, 1,3,5-트리메틸벤젠, 1,2,4-트리메틸벤 젠, 1,2,3-트리메틸벤젠, 1-에틸-2,4-디메틸벤젠, 인단, 1-메틸-3-프로필벤젠 등을 의미하며, 부탄, 펜탄, 헥산, 헵탄유도체는 그의 이성질체 및 유도체에 속하는 화합물을 총칭하는 것이다. 상기에서 벤젠을 사용할 수도 있지만 환경문제 방지를 위하여 가능한 사용하지 않는 것이 우선된다.

그리고 본 발명에서는 윤활기유를 사용 할 수 있다. 윤활기유는 파라핀계 기유(기유 함유량 : 45～70％), 나프텐계 기유 (기유 함유량 : 65～75％) , 방향족계 기유 (기유 함유량 : 20～25％) 등이 있으며, 구체적으로 엔진유, 일반산업유, 전기 절연유, 냉동기유, 프로세스유 등에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 윤활기유는 2개의 물체가 서로 접촉해서 운동 할 때 그 운동을 방해하는 저항이 마찰인데, 이 마찰의 힘을 감소시키거나 마찰에 의해 발생하는 열을 제거할 목적으로 윤활기유를 사용 할 수 있다. 그 함량은 0.01～5 중량％ 범위 내에서 사용하면 연비 향상과 마찰에 의한 열을 감소시키는데 도움이 된다.

본 발명의 a)성분인 바이오부탄올이나 바이오부탄올과 부탄올, 프로판올, 에탄올, 바이오에탄올, 메탄올, 펜탄올의 혼합물은 본 발명의 조성물에 따른 높은 옥탄가와 높은 압축비를 제공할 뿐만 아니라 상분리 방지하는 효과도 가지면서 높은 효율의 연비를 달성하도록 하는 것으로 그 사용함량은 전체 조성물에 대하여 0.01∼85 중량％, 바람직하게는 5～20 중량％의 범위로 사용하며, 상기 범위에 못미치는 경우에는 충분한 옥탄가 상승효과와 압축비를 얻을 수 없고, 상기 범위를 상회하는 경우에는 연료 소모량이 많아진다. 본 발명에서 바이오부탄올은 바이오매스로부터 생산되는 성분으로 상기의 알콜성분을 사용하는 경우 물과의 혼화성이 매우 좋아 연료의 상분리가 일어나지 않아 별도의 상분리제를 추가하지 않고도 좋은 연비 및 노킹방지 특성을 가지므로 매우 좋다. 본 발명에서 상기 부탄올이나 프로판올은 그의 이성질체 또는 그들의 혼합물을 포함하는 의미를 가진다.

본 발명에 사용하는 b)성분은 파라핀계 탄화수소, 파라핀계 탄화수소 용제 또는 이들의 혼합물이 함유되어 있는 것을 주요성분으로 사용할 수 있다.

더욱 구체적으로 설명하면 탄소수 4∼28개를 가진 파라핀계 탄화수소, 파라핀계 탄화수소 용제 또는 이들의 혼합물로서 소량의 cycloparaffin계 탄화수소 등이 혼합된 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 조성물을 제공한다.

예를 들면 벤진(Benzine), 고무휘발유, 솔벤트나프타, 미네랄스피릿트, 클리닝솔벤트, 스투다드 솔벤트 (stoddard Solvent), 및 aromatic solvent 포함하고 일반 관용 명칭으로 카나돌(Canadol), 이소파라핀 히드로 카본(Isoparaffin Hydro carbone), 리그로인(Ligroin), 나프타 리그로인(Naphtha Ligroin), 정제 솔벤트 나프타(Refined Solvent Naphtha), VM＆P 나프타, 바니쉬마커 나프타(Vanish marker's Naphtha), 나프타 스투다드 솔벤트(Naphtha Stoddard Solvent), 화이트 스피릿(White Spirits), 스투다드 솔벤트 나프타(Stoddard Solvet Naphtha), 스투다드 솔벤트 유기솔벤트(Stoddard Solvent Orangic Solvent), 에나멜 신너(Enamel Thinner),미네랄신너(MineralThinner), 고무솔벤트(Rubber Solvent(Naphtha)), 바솔(Vasol)Hydrotreated light straight run(petroleum). Naphtha(petroleum), hydrotreated light Naphtha, 등으로 불리며, 상품명으로는 ExxonMobil의 1520 Naphtha, Exxol Hexane Fluid, GS-Caltex의 Techsol-S, 킥솔, SK의 SBP1(Special Boiling Point), SBP4 (Special Boiling Point), Solvent-1호 Solvent-1호 등이 국제적으로 통용되고 있다.

사용 함량은 1～75중량％, 좋게는 25～55 중량％로 사용하는 것이 목적으로 하는 효과를 가장 적절히 얻을 수 있고, 또한 불순물에 의한 내연기관에 부착된 노즐의 막힘 현상 등을 방지할 뿐만 아니라 저온 시동성이 향상된다.

본 발명의 상기 탄화수소용제에서 엔진의 폭발력이나 연비의 추가 향상을 위하여 톨루엔을 이나 자일렌을 추가로 더 포함할 수 있는데, 그 사용량은 전체 조성물에 대하여 0.1～45 중량％, 바람직하게는 10～30 중량％의 범위로 사용하는 경우, 불완전 연소에 따른 매연발생 없이 충분한 엔진의 폭발력과 연비 향상을 올릴 수 있다. 상기 자일렌 성분은 통상적으로 자일렌 이성질체 단독 또는 혼합된 자일렌 성분을 의미한다.

본 발명의 상 분리 방지제는 연료를 장기 보관 시 수분이 발생하고 차량의 연료 주입 시 연료통에 응축되거나 또는 일부 투입되는 물이 다른 성분과 서로 분리되어 엔진에서 연료가 연소될 때 노킹을 발생시키거나 또는 연료의 효율을 떨어뜨리는 것을 방지하는 성분으로서, 본 발명에서는 0.1～9 중량％의 뷰틸 셀로솔브, 0.1～11 중량％의 에틸 셀로솔브, 0.001～6 중량％의 로진, 로진유도체 또는 로진산 화합물등에서 선택되는 한 성분 이상을 사용하며, 또 추가적으로 0.1～13중량％의 이소프로판올, 0.1～12 중량％의 이소부탄올 중에서 선택되는 어느 한 성분 이상을 추가하여 사용하는 것도 좋다. 상기 상분리방지제는 엔진의 수명 연장에 좋다. 더욱 좋게는 뷰틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 로진이나 로진유도체나 로진산 (Rosin Acid)화합물 혹은 그들의 혼합물 중에서 선택되는 어느 한 성분 이상을 사용하는 경우 더욱 우수한 상분리 방지제의 역할을 한다.

또한 로진, 로진유도체 또는 로진산 화합물을 사용 시 상분리 방지 목적 외에도 캬브레터, 연료주입, 흡입 벨브, 및 기타 내부 작동 부품 내의 침착물 제거 또는 방지효과가 있으며, 알코올에 잔존하는 수분 또는 미량의 초산 등에 의한 부식을 방지하는 우수한 기능도 보유하고 있어 엔진의 수명을 연장 할 수 있고, 소음 또한 감소됨을 장기 운전테스트에서 확인 할 수 있었다.

상기 로진, 로진유도체 또는 로진산 화합물은 알코올, 에테르, 벤젠, 아세톤 등의 유기용매에 잘 용해 되지만, 알코올 혼합연료에 있어서는 알코올을 용매로 사용하여도 좋으나 상분리 효과가 있는 아세톤을 용매로 사용 할 수도 있다.

이소프로판올은 본 발명의 주 연료원인 친수성 에탄올과 소수성 방향족 화합물과의 계면장력을 줄여 조성물 간 물리적 혼화성이 잘 되도록 하는 역할을 하는 성분으로 그 함량은 전체 조성물에 대하여 0.1～13중량％ 사용할 수 있다

부탄올은 노르말부탄올, 이소부탄올, 제2부탄올, 제3부탄올 등의 이성질체가 있으며 석유대체연료로서 바이오매스를 이용한 바이오부탄올은 전체 식물성 바이오 매스의 97％를 차지하는 목질계 원료를 사용함으로서 원료확보측면에서 경제적이고 바이오부탄올이 바이오에탄올 대비 가솔린 대체연료로서 특성이 뛰어나 수송연료로서 우수한 장점이 있다.

바이오부탄올은 1900년대 초부터 미생물 발효를 이용해 생산되기 시작했으나 1950년대 석유화학산업이 급속히 발달함에 따라 사양길로 접어 들었다가 최근 고유 가 시대가 고착화 되면서 석유를 일정부분 대체할 수 있는 연료로 다시 부각되고 있다.

부탄올은 기존의 에탄올을 이용한 바이오연료보다 저장과 운반이 용이 하면서도 열 효율성 또한 높다. 부탄올이 에탄올에 비해 장점이 많은 이유는 바로 화학 구조 때문이다. 에탄올은 저장이 어렵고 수송관을 부식시키는 치명적인 단점이 있다. 이와는 달리 부탄올은 원유수송관 같은 기존의 기반시설을 추가 장비설치 없이 그대로 활용할 수 있다.

특히 에탄올보다 증기압이 낮기 때문에 에탄올보다 더 높은 비율로 혼합이 가능하다. 또한 휘발성이 낮으면서 매연 배출량도 현저히 낮다.

부탄올은 에탄올의 단점인 저온 시동성 개선과 특히 알코올류의 단점인 과다한 연료 소모량을 줄이며 또한 열효율이 높아 연비 향상 및 배출가스 저감에 월등한 효과를 가지며, 특히 연료 속에 수분이 존재하여도 상분리를 방지하는 효과 또한 우수한 성분으로서 0.1∼85 중량％의 범주 내에서 사용하면 내연기관용 연료로서 특히 좋다.

또 바이오매스를 이용한 BTL(Bio-To-Liquid)합성원유는 고품질의 내연기관 연료로 활용이 가능하고 인체유해 물질인 황과 방향족성분을 포함하고 있지 않아 환경 친화적인 연료로 평가 받고 있다.

이소부탄올은 에탄올의 단점인 저온 시동성 개선과 특히 알코올류의 단점인 과다한 연료 소모량을 줄이며 연비 향상 및 배출가스 저감에 월등한 효과를 가지는 성분으로서 0.1～12중량％의 범주 내에서 사용하면 내연기관용 연료로서 특히 좋 다.

본 발명에 사용되는 로진산은 송진을 증류하여 얻을 수 있는 로진에 함유되어 있는 유기산을 총칭하는 것이다. 로진산은 송진을 증류하여 얻는 천연 수지산으로서 수지산은 수목 이외의 천연물에서는 거의 얻을 수 없는 귀중한 자원으로 예로부터 송진은 부식 방지제로 선박의 칠에도 사용 하였으며, 또한 현악기 현의 미끄럼 방지 등으로 쓰이기도 하지만, 대부분의 경우 변성 시켜 여러 용도에 쓰인다. 수지 산의 화학구조에는 화학적으로 활성인 이중 결합이 있다.

이중 결합은 수지산 상호간 또는 수지산과 다른 화합물(예를 들면 말레산)과의 반응을 일으키고 반응하여 생기는 것을 중합 로진 이라고 하는데, 이중 결합은 수지산이 공기 중에 놓였을 때 불안전성의 원인도 되므로 수소를 첨가하여 안정 시킨다. 이를 수소 첨가 로진 이라고 하며, 합성수지, 잉크 등에 쓰인다.

로진산은 송진을 증류하여 얻는 유기산의 총칭으로 아비에트산, 네오아비에틴산, 레보피마르산, 히드로아비에트산, 피마르산, 덱스톤산, 팔루스트린산 등을 함유 하고 있다.

다음으로 본 발명에서는 테레빈유를 사용할 수 있는데 상기 테레빈유는 천연에서 유래된 식물성 오일로서 적당량 사용하면 엔진의 윤활 작용을 원활히 하여 연비를 향상 시키는 성분으로서 테레빈유는 송진에 수증기를 쐬어 얻는 무색의 기름(oil)인 정유이다. 또한 테레빈유는 원유로부터 정제된 것이 아닌 천연 소나무 줄기에 상처를 내어 침출하여 얻는 생송진과, 또 소나무 가지를 직접 수증기로 증류해도 적은 량을 얻을 수 있고, 상기의 방법 외에도 송근유를 증류하여 유분을 정제 하고 다시 증류하여 얻는 방법이 있다. 그러나 생송진에 많이는 약 20％의 테레빈유가 함유되어 있는데 연고제, 도료용제, 구두약, 고무나 방수제의 용매 등으로 널리 쓰이는 물질이다. 상기 테레빈유는 냄새가 독특하며 연소시 일산화탄소가 발생하는 반면에 전 세계적으로 화석 연료가 고갈되어 가는 현 시점에 내연 기관용 연료로 충분히 사용 가치가 있는 물질이다.

연소 시 일산화탄소를 감소 시키려면 전체 연료조성물 중 바이오부탄올, 부탄올, 프로판올, 바이오 에탄올, 에탄올, 펜탄올, 메탄올 등 이들의 혼합물을 증량하여 사용하면 테레빈유에서 배출되는 일산화탄소를 감소시킬 수 있어 더욱 좋다. 상기 알코올류를 내연 기관용 연료로 사용 시 알코올 함량이 높으면 높을 수록 연료 소모량이 다소 증가하는데, 이때, 테레빈유를 5 중량％ 범주 내 에서 적당량 사용하면 연비를 향상 시킬 수 있어서 좋다. 특히 바이오부탄올이나 이를 함유하는 상기의 알콜혼합물들을 사용하는 경우에는 연비가 상승하고 또한 상분리방지효과가 매우 높아지는 효과 등 예상하지 못한 효과를 얻을 수 있었다.

또한 본 발명에서는 추가의 연비 향상을 위하여 첨가하는 아로마틱 탄화수소 혼합물을 더 사용할 수 있다.

상기의 예로는 아로마틱-100(ExxonMobil)은 에틸벤젠, 1-메틸-3에틸벤젠, 1,3,5-트리메틸벤젠, 1,2,4-트리메틸벤젠, 1,2,3-트리메틸벤젠, 이소프로필벤젠, 프로필벤젠, 큐멘(Cumene), 1-에틸-2-메틸벤젠, 인단, 1-에틸-2.4-디메틸벤젠, 1-메틸-3-에틸벤젠, 나프탈렌, 나프탈렌유도체, 인단, 인단유도체, 중에서 선택되는 2종 이상의 성분을 포함하는 방향족 탄화수소 혼합물을 예로 들 수 있다.

구체적으로 예를 들면, 엑슨모빌의 아로마틱-100(Aromatic-100), Ashland Inc 에서 생산하는 Hi-Sol 10, SK의 Kocosol-100 이나 코코졸-150(SK), 테크솔-100(GS-칼텍스), 폴리에틸벤진, 헤비 아로마틱 나프타(Heavy Aromatic Naphtha), 하이프래쉬 아로마틱(High flash Aromatic), 쉘솔 R(Shellsol R) 등의 일반명칭으로 판매되는 물질이다. 특히 아로마틱 탄화수소 혼합물은 착화성과 연비 향상을 시키기 위해 사용하는 것으로, 그 함량이 1 중량％ ~19 중량％를 사용하는 경우 연비의 향상효과에 대한 소기의 효과를 얻을 수 있고 또한 그을음 등의 분순물 발생을 최소화할 수 있다.

본 발명에서는 상기 발명의 내연기관용 연료 조성물에 내연기관의 부식을 방지하기 위해 통상적으로 첨가되는 부식방지제 성분을 추가로 사용할 수 있는데, 상기 부식방지제는 공개된 문헌에 여러 가지가 제시되어 있으므로 예를 들어 아미노 페놀, 알킬아민(Alkyl Amine), 소르브산 칼륨(Potassium Sorbate), 에틸렌글리콜 아세테이트(Ethylene Glycol Acetate) 등에서 적절하게 선택하여 단독 또는 병행하여 사용 가능하다. 다만, 첨가되는 부식방지제의 함량은 0.05～5 중량％가 바람직하며, 0.05 중량％ 이하이면 목적으로 하는 부식방지 효과를 충분히 달성할 수 없고, 5 중량％ 이상이면 부식방지제를 포함하는 대체연료로서의 경제성 및 효과에 문제가 생긴다.

본 발명에서는 바이오부탄올을 사용하는 경우에 이들 성분 자체가 옥탄가 향상제로 사용할 수 있어 기존의 공해물질로 분류되던 MTBE를 사용하지 않고도 높은 옥탄가를 얻을 수 있지만, 각 나라의 특수성을 고려하여 MTBE, ETBE 또는 이들의 혼합물을 일부 추가하여 사용할 수도 있다. 옥탄가 향상제를 사용하는 경우에는 전체 조성물에 대하여 1 내지 17중량％를 사용하며, 좋게는 여름철에는 4～8 중량％, 겨울철에는 8～12 중량％를 사용하는 것이 좋다,

상기 메탄올은 석유에서도 얻을 수 있지만 천연의 나무등 에서도 얻을 수 있어 석유 대체연료로서 사용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 내연기관용 연료 조성물은 대기오염 배출을 낮추고, 특히 바이오 부탄올을 함유하는 알콜성분은 상분리 방지효과, 옥탄가 향상효과, 불완전연소의 방지효과 등을 통한 연비를 향상시키는 것이며, 또한 배출가스 저감 및 환경오염 문제, 전 세계적으로 대두되고 있는 지하수, 토양오염을 해결할 수 있는 새로운 내연기관용 바이오 연료로서, 공해물질인 옥탄가 향상제(대표적으로 MTBE)를 대체하는 장점을 가지고 있다. 따라서 본 발명의 또 다른 방면은 내연기관의 폐기물 배출을 낮추는 방법과 새로운 옥탄가 향상제와 관계가 있다. 그 중 단독적으로 혹은 이미 알고 있는 내연기관 연료와 본 발명의 내연기관용 연료 조성물을 혼합하여 내연기관용 연료로 사용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 하나의 예로서는 상기 각각의 발명의 양태에서 바이오디젤을 전체 조성물 중에서 0.01～85 중량％ 추가하여 사용할 수 있다. 바이오 디젤은 통상적으로 디젤 엔진에 주로 사용 하지만 가솔린 엔진에 소량을 사용하면 윤활작용을 원활히 하여 연비 향상과 엔진의 수명을 연장하는 효과를 발휘하여 기존 가솔린만을 사용할 때보다 더욱 우수한 효과를 나타낸다. 그러나 바이오디젤 함량이 과다 함유되면 응고되어 차의 오일 필터가 막힐 가능성과 시동력이 떨어지고 엔진 동력이 저하될 수 있어 좋지 않다. 그렇지만 디젤 엔진은 압축 폭발로 인해 동력이 발생 되므로 상기 범주 내에서 사용해도 무방하다.

또한 본 연료 조성물은 필요에 의해 1～43 중량％의 케로센, 1～32 중량％의 하이신, (삼성토탈㈜에서 생산하는 부생연료유 1호), 1～36 중량％의 하이닌 (삼성토탈㈜에서 생산하는 부생연료유 2호)중에서 어느 한 종류 이상의 성분을 추가적으로 포함하는 연료 조성물이다. 상기 하이신은 석유화학 공장에서 나프타 및 콘센세이트(condensate)를 원료로 하여 제품을 생산하는 과정에서 생산되는 부산물로서 탄소수 9～18개 정도의 중질 성분으로 구성되어 있으며 한국 산업규격(KS) 석유 및 석유 대체연료 사업법상부생연료유 1호로 등록되어 있고, 업계에서는 하이신(Hi-Sene)으로 통용되고 있다.

상기 하이닌(Hi-nine)(C9+)도 석유 화학 공장에서 나프타를 원로로 하여 석유화학 제품을 생산 하는 과정에서 생산되는 제품으로서 부생 연료유 2호로 등록된 부산물이다. 상기 하이신과 하이닌은 부산물로서 내연기관용 대체연료로 활용하는 장점도 있지만 특히 하이닌의 경우 유동점이 -50℃로서 겨울철 등 온도의 변화 없이 사용 가능하며 또한 황 성분이 낮아 연소 후 배기가스 중에 황산화물(sox)이 적게 배출되는 장점이 있으며, 상기 하이신과 하이닌은 경유의 황 함유량에 비해 대폭 감소된 제품으로서 내연기관용 대체연료로 매우 좋다.

그리고 본 발명에서는 필요에 의해 탄소수 5～40개, 더욱 바람직하게는 6 ～ 26개의 지방족 알칸 및 지환족 알칸 성분을 1～85 중량％ 임의적으로 독립적으로 더 추가하는 것도 본 발명에 포함된다. 더욱 구체적으로 설명하면 탄소수 5～40개 를 갖는 알칸, 그 알칸에 탄소수 1～2개인 알칸이 곁사슬로 붙은 유도체, 탄소수가 5～6개인 환형태 물질(cyclic compound)의 수소에 탄소수 1～2개의 알칸이 치환된 유도체가 주를 이루고 있는 성분을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 조성물이다.

본 발명의 내연기관용 연료 조성물은 바로 내연기관 연료로 대체할 수 있다. 또한 내연기관용 연료는 휘발유 또는 디젤유에도 혼합하여 사용 가능하다. 이 구성은 본 발명에서의 또 다른 하나의 주제이다.

또한 본 발명의 연료 조성물은 가솔린 및 디젤연료의 대체연료 및 첨가제로도 사용 가능하다. 첨가제로 사용 할 경우 가솔린 전체 100중량％ 중에서 본 연료 조성물은 첨가량에 관계없이 사용해도 기존의 가솔린에 비해 연비 및 동력성능, 배출가스, 소음 등에서 오히려 기존의 가솔린을 사용할 때보다 더욱 우수한 효과를 나타낸다.

본 발명의 내연기관용 연료 조성물 평가는 한국특허 등록번호 10-0525362에 기재된 것과 동일한 방법인 유럽식 평가방법(ECE15+EUDC)으로 평가하였다. 비교대상 연료는 옥탄가 #93 무연 휘발유 연료를 사용하였다. 본 발명의 하기의 실시예 1 내지 6의 조성의 연료 조성물을 이용하였다. 이 때 차량은 ATK 엔진을 장착한 폭스바겐(VOLKSVAGEN)의 제타(JETTA FV7160Cix) 차량을 이용하여 측정법 GB18352.2-2001(주행시 배출가스 측정법), GB/T3845-93(시동시 배출가스 측정법), GB/T12543-90(자동차 동력성능 측정법), GB1495-2002(자동차 고속 주행시 차량외부 소음측정법)으로 평가, 분석하였다. 즉, 연료를 차량에 주입하고 200km를 주행한 후, 공회전중 배출가스 2차 측정, 주행시 배출가스 1차 측정, 연료 경제성 1차 측정, 동력 성능 1차 측정, 소음을 1차 측정하였다.

[표 1] 테스트용 차량규격

[표 2] 테스트용 실험기기 및 설비

휘발유 품질기준 대비 한국석유품질관리원의 휘발유 성분분석 결과 및 본 연료조성물을 이용한 평가결과는 다음과 같다.

특히, 본 발명에서는 별도의 옥탄가 향상제가 없음에도 불구하고 한국석유품질관리원에서 성분 분석한 결과, 높은 옥탄가(99.0)를 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 황 함량은 대폭 감소되었고, 인체에 치명적으로 유해한 벤젠은 미 검출되었다. 이 또한 본 발명의 우수한 장점이라 할 수 있다.

아래 조성에 따라 각 성분을 함께 혼합해서 본 발명의 내연기관용 연료 조성물을 제조하여 연료의 성능 테스트를 하였으며, 그 결과는 하기 표에 수록하였다.

[실시예 1]

1) 47 중량％의 파라핀계 탄화수소 용제 킥솔( GS 칼텍스 생산)

2) 17 중량％의 톨루엔

3) 2 중량％의 아로마틱 탄화수소 혼합물 테크솔-100(GS-칼텍스 생산)

4) 2 중량％의 뷰틸셀로솔브

5) 16 중량％의 바이오부탄올

6) 1 중량％의 에틸셀로솔브

7) 1 중량％의 이소프로판올

8) 3 중량％의 이소부탄올

9) 4중량％의 MTBE

10) 2 중량％의 케로센

11) 2 중량％의 하이신

12) 1 중량％의 하이닌

13) 2 중량％의 테레빈유

[실시예 2]

실시예 1의 연료조성물 10 중량％와 93# 무연휘발유 90 중량％를 혼합한 혼합연료를 제조하여 성능평가를 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 성능평가를 실시하였다. 그 결과를 하기의 표에 수록하였다,

[실시예 3]

실시예 1의 연료조성물 40 중량％와 93# 무연휘발유 60 중량％를 혼합한 혼 합연료를 제조하여 성능평가를 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 성능평가를 실시하였다. 그 결과를 하기의 표에 수록하였다.

[비교예 1]

실시예 1의 연료조성물 대신에 93# 무연휘발유를 대체하여 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 성능평가를 실시하였다. 그 결과를 하기의 표에 수록하였다.

[비교예 2]

실시예 1에서 바이오부탄올 대신에 메탄올을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였고 그 성능은 하기의 표에 수록하였다.

[실시예 4]

실시예 1에서 7 중량％의 톨루엔, 10 중량％의 자일렌 을 사용한 것을 제외하고는 동일 조성비로 구성한 연료 조성물을 성능평가 하였으며, 그 성능평가 결과를 하기의 표에 수록하였다.

[실시예 5]

실시예 1에서 MTBE 대신에 ETBE를, 하이닌 대신에 로진산 유도체를 각각 동일한 조성비로 구성된 것을 제외하고는 동일 조성비로 구성된 연료 조성물을 제조하여 성능평가 하였다. 그 결과 본 발명의 연료는 출력과 시동 면에서 매우 우수한 효과를 가지는 것임을 알 수 있었다.

[실시예 6]

실시예 1에서 46.5 중량％의 탄화수소용제, 0.5 중량％의 바이오디젤을 사용 한 것을 제외하고는 동일한 조성비로 구성된 연료 조성물을 사용하였다. 그 결과 배출가스 저감과 연비향상이 뚜렷하였다.

[표 3] JETTA(VOLKSVAGEN) 승용차 공회전중 배출가스 테스트 결과

GB18352.2-2001 방법에 따라 배출가스를 측정한 결과에 따르면 엔진 공회전 상태의 배출가스와 200Km 주행한 후 배출가스 증가율은 없어 모두 공회전시 배출가스에서의 오염은 없었다.

[표 4] JETTA(VOLKSVAGEN) 승용차 오염물질 배출 및 연료 경제성 테스트 결과

상기에서 보는 바와 같이 비교예 1(무연휘발유) 보다 실시예 1(바이오부탄올 함유)에서는 오염물질의 저감효과와 연료소모량의 감소효과가 매우 현저하였다.

또한 비교예 1(무연휘발유)보다 실시예 6(바이오디젤 및 바이오부탄올 함유)에서도 역시 거의 유사한 는 오염물질과 연료소모량도 감소효과가 뚜렷하게 나타났다.

[표 5] JETTA(VOLKSVAGEN) 승용차 동력성능 테스트 결과 (단위 : 초)

상기에서 보는 바와 같이 200km 주행한 후 기어를 4단 및 5단 가속 시 소요되는 시간은 일반 옥탄가 93의 무연휘발유(비교예 1)에 비하여 바이오에탄올 단독(실시 예 1)과 바이오에탄올 및 바이오디젤의 혼합물(실시예 6)이 가속력이 빠름을 보여주고 있다.

[표 6] JETTA(VOLKSVAGEN) 승용차 가속주행시 소음 측정

(1) 비교예 1의 주행 200km 이후 테스트 결과

(2) 실시예 1의 주행 200km 이후 테스트 결과

(3) 실시예 2의 주행 200km 이후 테스트 결과

(4) 실시예 3의 주행 200km 이후 테스트 결과

(5) 실시예 4의 주행 200km 이후 테스트 결과

(6) 실시예 5의 주행 200km 이후 테스트 결과

(7) 실시예 6의 주행 200km 이후 테스트 결과

상기의 소음측정 결과에서 보는 바와 같이 전체적으로 소음 감소 효과가 매우 우수함을 알 수 있다.

Claims (14)

1. a) 0.01∼85 중량％의 바이오부탄올 또는 바이오부탄올과 부탄올, 바이오에탄올, 프로판올, 에탄올, 펜탄올, 메탄올에서 선택되는 하나 이상의 성분과의 혼합물 및

   b) 1～75 중량％의 파라핀계 탄화수소 또는 파라핀계 탄화수소 용제 또는 이들의 혼합물을 함유하는 내연 기관용 연료 조성물.
2. 제 1항에 있어서,

   전체 연료조성물의 함량에 대하여 a) 0.01～20 중량％의 부탄유도체, b) 0.01～30 중량％의 펜탄유도체, c) 0.01～40 중량％의 헥산유도체, d)0.01～45 중량％의 벤젠유도체, 및 e) 0.01～20 중량％의 헵탄유도체 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 조성물.
3. 제1항에 있어서,

   상기 b)성분은 탄소수 4～28개를 가진 파라핀계 탄화수소 또는 파라핀계 탄화수소 용제를 주요 성분으로 함유하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 조성물.
4. 제 1항에 있어서,

   탄소수 5～40개의 지방족알칸 및 지환족알칸 1～85 중량％, 바이오디젤 0.01～85중량％, 1～85중량％ BTL합성원유 케로센(Kerosens)1～43중량％,하이신(Hi-Sene)1～32중량％,하이닌(Hi-nine) 1～36 중량％, 윤활기유 0.01～5 중량％ 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 성분을 더 포함 하는 내연 기관용 연료 조성물.
5. 제1항에 있어서,

   테레빈유 0.1～5 중량％ 또는 아세톤 0.1～3 중량％를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 조성물.
6. 제 1항에 있어서

   옥탄가 향상제인 메틸터셔리부틸에테르(MTBE), 에틸터셔리부틸에테르(ETBE) 또는 이들의 혼합물 1 ～ 17 중량％를 더 포함 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 조성물
7. 제 1항에 있어서,

   아로마틱 탄화수소 혼합물 1～19 중량％를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 조성물.
8. 제1항에 있어서,

   뷰틸셀로솔브 0.1～9 중량％, 에틸셀로솔브 0.1～11 중량％, 로진, 로진유도 체, 로진산 화합물 또는 이들의 혼합물 0.001～6 중량％, 이소프로판올 0.1～13 중량％, 이소부탄올 0.1～12 중량％ 중에서 선택된 어느 하나 이상의 성분을 상분리방지제로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 조성물.
9. 제 2항 내지 제 4항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서

   뷰틸셀로솔브 0.1～9 중량％, 에틸셀로솔브 0.1～11 중량％, 로진, 로진유도체, 로진산 화합물 또는 이들의 혼합물 0.001～6 중량％ 0.001～6 중량％, 0.1～13 중량％의 이소프로판올, 0.1～12 중량％의 이소부탄올 중에서 선택된 어느 하나 이상의 성분을 상분리 방지제로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 조성물.
10. 제2항 내지 제 4항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서

    아로마틱 탄화수소 혼합물 1～19 중량％를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 조성물
11. 제2항 내지 제4항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서

    옥탄가 향상제인 MTBE, ETBE 또는 이들의 혼합물 1 ～ 17 중량％를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 조성물
12. 제1항 내지 제 4항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,

    상기 연료조성물은 전체 조성물 중 0.05～5 중량％의 부식방지제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 연료 조성물.
13. 제 2항 내지 제 4항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서

    테레빈유 0.1～5 중량％ 또는 아세톤 0.1～3 중량％를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 연료 조성물.
14. 제1항 내지 제8항 중에서 선택되는 어느 한 항에 기재된 상기 연료 조성물을 단독 또는 공지의 내연기관 연료 및 알코올 연료에 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 대체연료.