KR20110005698A - 연소 방법 및 장치 - Google Patents

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존 맥네일
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아쿠아푸엘 리서치 리미티드
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Abstract

매우 낮은 세탄가(cetane number) 물질을 연소하는 방법은 상기 매우 낮은 세탄가 물질을 이종-차지(heterogeneous-charge) 압축-착화 엔진(compression-ignition engine)의 연소 실린더로 상기 매우 낮은 세탄가 물질을 주입하는 단계 및 실질적으로 엔진이 작동하는 전체 시간 동안 상온보다 실질적으로 높은 온도에서 챔버 연소 공기 또는 작동 유체를 상기 실린더 유입구(inlet) 포트로 공급하는 단계를 포함한다.

Description

연소 방법 및 장치{COMBUSTION METHOD AND APPARATUS}
본 발명은 연소 방법, 이종-차지(heterogeneous-charge) 압축-착화(compression-ignition) 유입구의 연소 엔진에서 잘 알려진 연소, 및 그 연소방법에 사용되는 엔진에 관한 것이다.
"디젤 엔진(diesel engine)"이라는 용어는 여기서 연료가 주입될 때 압축이 연소를 착화하는 압축 착화 내부 연소 엔진에 관한 것이다. 연료 및 공기의 이종 차지는 빠른 압축 공정에서 발생되는 열 때문에 연소 챔버에서 착화한다. 이는 오토-사이클(Otto-cycle) 엔진과 다르고, 여기서 연료 및 공기는 점화 플러그(spark plug)에 의해 착화되기 전에 함께 혼합된다.
디젤 엔진은 예혼합 압축 착화(Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI)) 엔진과 다른데, 이는 압축 착화를 사용하나 이종 차지를 생산하기 위한 연료 및 공기의 사전-혼합을 가진다. 연료/공기 혼합물이 충분히 압축될 때 그것은 동시에 착화된다. 예혼합 압축 착화(HCCI)는 린번(lean burn) 작동에 적절하고, 그러므로 일반적인 오토-사이클 엔진보다 훨씬 효율성이 있고, NOx 형성을 감소시키는 더 낮은 피크(peak) 온도를 가진다. 그러나, 예혼합 압축 착화(HCCI)는 일반적인 엔진에서의 연소보다 제어하기가 더욱 어렵고, 시기적인 문제를 야기할 수 있다. 디젤 엔진과는 반대로, 착화는 연료가 압축된 공기, 또는 오토-사이클 엔진으로 주입될 때 시간에 의해 제어되는데, 점화가 발생할 때 착화는 시간에 의해 제어된다. 예혼합 압축 착화(HCCI)에서는 직접적으로 제어될 수 있는 잘-정의된 연소 착화기가 없다. 더욱이, 다양한 작업 생산으로 동적인 작동을 얻기 위해, 제어 시스템은 복잡성과 비용을 증가시킬 수 있는 압축비, 유도된 가스 온도 및 압력, 및 연료-공기비와 같은 작동 조건을 변화시킬 수 있어야 한다. 착화를 유지하고 연료 방울 응축에 의한 실린더 벽의 습기를 피하기 위해 예혼합 압축 착화(HCCI)에서 수용되는 연료는 상대적으로 낮은 끓는점을 가져야 한다.
US 제5,117,800호는 연소 공기에서 증가된 산소 함량에 의해 야기되는 개선된 연소로 보상되기 위한 엔진의 연료 주입 또는 착화 시기를 동시에 조절하는 동안 산소를 가진 연소 공기 공급을 풍부하게 하는 것을 포함하는 디젤 또는 점화 착화 엔진을 작동하는 방법을 개시한다. 터보차저(turbocharger)는 산소-생산 막(membrane)을 통해 공기를 분리하기 위한 펌프로서 사용된다. 산소가 풍부한 공기는 보다 낮은 압력에서이고, 그러므로 일번적으로 터보차지된 연소 공기보다 더 잘 냉각되고, 그래서 인터쿨러(intercooler)를 위한 요구는 감소되거나 제거된다.
US 제3,794,007호는 콜드 스타트(cold start)를 위해 연소 공기를 가열하기 위해 엔진의 연료 공급으로부터 연료의 사용을 개시한다. 흡입관(suction line) 또는 흡기 매니폴드(intake manifold)에서의 공기는 가솔린과 같은 낮은-점화식 연료가 사용될 때 로드(load)하에서 엔진의 스타트업(startup) 작동 동안 화염-흡입-공기-가열기에서 연료를 태우는 것에 의해 가열된다. 엔진은 상대적으로 낮은 압축비를 가진다. 이 방법으로 연료를 태우는 것은 연료 효율성을 감소시키고, 흡기 공기 밀도에서의 감소는 전체적인 엔진 효율성을 낮춘다.
US 제4,333,424호는 최소 두 개의 실린더를 필요로 하는 연소 공정을 운영하는 등온 엔진을 개시한다. 엔진은 열교환기를 통해 팽창 실린더로 전달을 위해 공기를 압축시키는 압축 실린더를 가진다. 팽창 실린더는 연소가 파워 스트로크(power stroke) 동안 일어나는 동안 압축된 공기 및 연료를 받고, 팽창 실린더에서 공기 압력은 대기로 감소되고 팽창 실린더는 크랭크샤프트(crankshaft)를 구동한다. 공정은 단열이 아닌 등온이고, 따라서 팽창 실린더에서 내부 온도는 파워 스트로크의 팽창 상(phase) 동안 일정하게 유지되거나 단지 작은 양이 증가한다. 여분의 실린더들은 마찰 손실을 촉진시킨다.
디젤 엔진 연료의 연소 품질은 세탄가(Cetane Number (CN))로서 표현되고, 구체화된 시험 조건 하의 표준 엔진에서 연소될 때 시험 연료로서 동일한 착화 특성(착화 지연(ignition delay))을 가지는 평균 세탄의 혼합물 및 1-메틸 나프탈렌에서 평균 세탄(n-헥사데칸)의 부피에 의해 퍼센트로서 정의된다. 높은 세탄가(CN)를 가지는 연료는 낮은 착화 지연을 가지고 디젤 엔진에서 사용을 위해 적절하다. 상업적 디젤 엔진 연료는 일반적으로 40-55 범위의 세탄가(CN)를 가진다. 높은 세탄가(CN)를 가지는 연료는 일반적으로 오토-사이클 엔진에 적절하지 않고, 자동점화의 저항성이 바람직하다.
오토-사이클 엔진 연료의 연소 품질은 옥탄가(Octane Number (ON))로서 표현되고, 높은 옥탄가 (ON) 연료를 가지는 것이 바람직하다. 일반적으로, 높은 옥탄가 (ON) 연료는 낮은 옥탄가 (ON) 연료를 가지고 반대로; 그러므로 페트롤(petrol) 엔진 (또는 디젤 엔진에서의 페트롤)에서 디젤 엔진 연료를 넣는 것은 값비싼 실수가 될 수 있다.
낮거나 또는 0의 세탄가를 가지는 연료는 톨루엔과 같은 방향족 탄화수소, 및 글리세롤과 같은 알코올을 포함한다. 예를 들면, 에탄올은 약 8의 세탄가를 가지고 메탄올은 약 3의 세탄가를 가진다. (M. Murphy, J. Taylor, 및 R. McCormick. Compendium of Experimental Cetane Numbers Data, National Renewable Energy Laboratory, 2004, NREL/SR-540-36805). "매우 낮은 세탄가(CN) 물질(very low CN material)"이라는 용어는 여기서 0 및 30 사이의 세탄가를 가지는 물질을 언급하는 것으로 사용된다. 세탄가 대신에 이와 등가인 다른 착화 특성이 사용될 수도 있다. 낮은 세탄가 물질 하에서 우리는 표준 디젤 사이클 모드(Diesel cycle mode) 하에서 안정한 작동을 착화하거나 유지할 수 없는 연소가능한 물질을 이해한다. 매우 낮은 세탄가(CN) 물질은 만일 보다 높은 세탄가 연료로 혼합하는 것에 의하거나 또는 폴리니트레이트(polynitrate) 에스테르 및 아민과 같은 세탄 향상제의 추가에 의해 변경되지 않는다면 디젤 엔진에서 사용되기에 적절하지 않다고 여겨진다. 예를 들면, US 제4,746,326호 및 WO 제85/002194를 보시오. 세탄 향상제는 값비싸고, 폴리니트레이트 에스테르는 폭발할 수 있는 역류를 가진다.
글리세롤은 디젤 엔진의 바이오연료 제조에서 부산물로서 산업적으로 양을 증가시키는데 형성된다. 그것, 그리고 디젤 엔진을 위한 연료로서 다른 매우 낮은 세탄가(CN) 물질을 사용할 수 있다는 것이 유익한 것일 수 있다. 그러나, 디젤 엔진 연료로서 중알코올(heavier alcohol)의 사용은 문제가 있다. Mario Pagliaro, Rosaria Cihminna, Horoshi Kimura, Michele Rossi 및 Cristina Delia Pina에 의한 최근 검토에서: From Glycerol to Value-Added Products, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 4434-4440는 글리세롤이 "높은 온도에서 그것이 중합하고 - 거기서 엔진을 막고 - 부분적으로 유독성의 아크롤레인(acrolein)으로 산화되기 때문에 연료에 직접적으로 추가될 수 없다"는 것을 언급한다. Thomas Stenhede에 의한 최근 검토에서: Wartsila Green Solutions - Running Large Engines on Alternative Fuels, presented at International Seminar on Gasification, Malmo, Sweden, 10 October 2008, 작가는 이 분야의 상태를 요약한다: "글리세린은 매우 낮은 착화 및 연소 특성을 가지고, 디젤 엔진에서 착화하지 않는다." 글리세롤의 높은 점도는 일반적인 디젤 엔진 연료의 우수한 분사(atomisation)를 위한 점도로 맞추기 위해 약 130℃로 가열하는 것이 필요하다. 그러나, 이는 세탄- 또는 착화- 개질 첨가제의 사용을 불가능하게 하는데, 일반적으로 이 온도 이하에서 분해되거나 불안정하다. 예를 들면, 지배적인 세탄 향상제 2-에틸헥실 질산염(nitrate)은 120℃에서 분해되는데, 점도 조절 및 세탄 개질의 필요한 단계들을 혼합하는 것을 불가능하게 한다. 따라서, 디젤 엔진 연료로서 글리세롤을 사용하기 위한 날까지의 시도는 만족스럽지 않은 것으로 증명되었다.
본 발명의 측면들은 독립항에서 구체화된다. 바람직한 특성들은 종속항에서 구체화된다.
우리는 놀랍게도 매우 낮은 세탄가(CN) 물질이 상온보다 실질적으로 높은 온도에서 엔진으로 연소 공기를 공급하는 것에 의해 화학적 개질 또는 첨가제의 사용을 요하지 않고 압축 착화 엔진에서 효율적으로 연소될 수 있다는 것을 발견하였다. 가솔린 (페트롤)은 연소될 수 있고, 심지어 1 -메틸나프탈렌은 정의에 의해 0 세탄가를 가진다.
착화를 위해 필요한 최소 온도 및 안정한 작동을 위해 필요한 최소 온도는 물질의 본질 및 엔진의 구성에 따라 다양할 것이다. 다양함이 단열 효율성, 감마 팩터(gamma factor) (일정한 부피에서 가스의 특별한 가열 및 일정한 압력에서 특별한 가열 사이의 비) 및 압축비에 의존하는 것으로 적용된다. 압축비는 특히 엔진의 전체적 열동역학적 효율성에 관한 것으로 중요한 팩터이다; 그러나 실제 한계는 최대 압축비에 존재하는데 구조적 제한, 물질 패키징 및 마찰 손실 때문에 수용될 수 있다. 비압력 차지된 디젤 사이클 엔진은 ~ 22:1 및 압력 차지된 엔진은 ~ 16:1로 제한되는 경향이 있다. 차지 폭발(charge detonation) 때문에, 오토 사이클 엔진은 일반적으로 ~ 8:1 - 10:1의 범위에서 디젤 사이클 엔진을 위한 것보다 훨씬 낮은 압축비의 범위를 사용할 것이다. 보다 높은 압축비는 연소 공기의 단열 압축 후에 더 높은 온도 증가를 생산할 것이다. 그러나 단위 압축비 증가당 얻어지는 최종 가스 온도는 상대적으로 낮다; 예를 들면 주어진 시험 엔진의 압축비는 ~ 65℃에 의해 유입구 차지 온도를 증가시키는 것에 의해 생산되는 것처럼 동일한 최종 가스 온도를 달성하기 위해 22:1로부터 ~ 36:1로 증가되어야 할 것이다. 계산은 연소 공기 유입구 온도에서 1℃ 증가가 압축 후에 약 3℃ 또는 더 높은 온도 증가를 생산할 수 있다고 제안한다. 콜드 스타트업 시스템과 달리, 연소 공기는 실질적으로 전체 시간 동안 증가된 온도 및 바람직하게 보정된-압력에서 유지되는데, 엔진은 즉 실질적으로 전체 엔진 작동 범위 동안 구동한다.
비록 어느 높은 점도 물질이 적절한 점도를 얻기 위해 주입하여 엔진 실린더 내로 가열되는 것이 필요하다고 하더라도, 이는 물질이 연소되기 전에 오랫동안 증가된 온도에서 남아있지 않도록 주입 전에 즉시 행해진다. 글리세롤의 경우에, 우리는 본 발명의 방법을 사용하는 것이 엔진을 막는 제품들이 중합없이 깨끗하고 효율적인 연소가 가능하게 한다는 것을 발견하였다.
본 발명에서, 연소 공기는 바람직하게 엔진 실린더로 공급전에 압축된다. 이는 질량 흐름을 증가시키고 효율성을 향상시킨다. 질량 흐름을 증가시키는 것은 또한 감소하는 피크 온도 및 압력의 효과를 가지는데, NOx 가스의 생산을 감소시키는 경향을 가진다. 물론, 연소 공기는 실린더에서 더욱 압축되는데, 압축-착화 연소가 발생한다.
압축은 배가스에 의해 파워된 터보차저에 의해 빠르게 생산될 수도 있다. 배가스로부터의 폐열, 터보 압축기의 고유한 비효율성에 의해 발생된 열 또는 공기 가열의 어느 다른 방법 또는 열 원천의 조합은 연소 공기를 가열시키기 위해 사용될 수도 있다. 가열된 압축 연소 공기를 가진 이러한 접근은 일반적인 터보차지된 시스템에 반대인데, 여기서 터보-압축된 공기는 질량 흐름을 증가시키기 위해 냉각(내부-/ 후-냉각)된다.
한 구체예에서, 연소 공기의 산소 함량은 연소를 돕기 위해 풍부하게 될 수도 있다. 풍부한 산소는 선택적으로 연소 공기의 압축과의 조합에서 수행될 수도 있다.
넓은 의미에서, 본 발명은 연소 공기 또는 작동 유체를 이 분야에서 일반적으로 잘 알려진 연료 및 연소의 성질 및 조건의 균형 밖으로 연료의 연소를 가능 및/또는 최적화하는 온도로 가열하는 것을 포함한다. 본 발명은 압축 착화 엔진에서 매우 낮은 세탄가(CN) 물질의 연소를 가능하게 하는데, 이 물질들은 지금까지 압축 착화 엔진 연료로서 여겨지지 않아 왔다.
"작동 유체(working fluid)"라는 용어는 여기서 시스템의 한 부분으로부터 다른 부분으로 에너지의 전달을 위한 매개체로서 사용되는 유체(가스 또는 액체)를 나타내기 위해 사용된다. 작동 유체는 연소가능하거나 연소를 지지하는 가스 또는 증기로 혼합되는 공기를 포함할 수도 있다.
본 발명은 주로 고체, 액체 또는 가스 물질로 사용될 수도 있다; 그러나, 유체 물질은 주입의 용이성을 위해 바람직하다.
다양한 매우 낮은 세탄가(CN) 물질은 리스터-페터(Lister-Petter) 직접 주입 2-실린더 디젤 엔진 및 리스터-페터 4 실린더 직접 주입 터보차지 엔진을 포함하는 실험 장치에서 연소되었다. 엔진은 일정한 파워 및 속도에서 작동한다 (일반적 파워 발생 조건). 압축비는 평균적으로 흡입식 엔진을 위해 22:1 및 터보차지 엔진을 위해 16:1이었다.
연소는 연료로서 가스 오일을 사용하여 착화되었고, 일단 엔진이 예열되면, 시험 물질로 전환된다. 디메틸 에테르(DME)는 조사의(investigative) 상 동안 엔진을 세우는 것 없이 유입구 공기 온도의 다양화를 유독 허용하기 위해 초기에 시험 물질을 소개하는데 사용되었다; 디메틸 에테르(DME)의 흐름은 그때 단절되고 엔진은 단지 시험 물질 상에서 작동되었다. 유입구 (연소) 공기는 가열되었고 이 공기의 온도는 연소가 안정하게 되는 최소값 및 관찰가능한 낙하(falling) 유입구 온도를 가진 질량 흐름 증가의 효과를 결정하기 위해 다양해졌다. 이 시험은 평균적으로 흡입되는 두 개의 실린더 엔진을 사용하여 수행되었다. 연소는 불안정해지고 완전히 90℃ 이하로 실패했다. 글리세롤의 결과(Sigma Aldrich로부터 얻어진 98.0% 순수 퓨럼(purum) 품질)는 표 1에 주어진다.
표에서: Ex. T = 배기 온도; Th% = 연료 수용 (스로틀(throttle)) 세팅; KW = 발생된 전기적 배출구 파워; NOx = 질소산화물 (ppm); CO = 일산화탄소 (ppm); 연료에서 O2 = 배기 가스 용적 % 산소 수준; Inj. T = 주입기 '과열(superheat)' 온도; 공기 T = 유입구 포트 공기 온도.
Ex. T Th% RPM KW NOx CO 연료에서 O2 Inj. T 공기 T
가스 오일의 예열
426 26.3 2322 9.08 1383 212 88
정지 핏(fit) 유입기 가열
DME 상의 스타트-글리세롤에서의 피드
주입기 가열기 온 DME 오프
433 최대 2340 7.00 918 781 9.3 148 236
435 최대 2380 7.23 883 722 9.6 147 184
420 최대 2374 7.15 750 744 9.8 144 172
414 최대 2343 7.34 687 925 10.0 145 142
407 최대 2410 7.65 606 1193 10.4 144 101
406 최대 2344 7.62 515 1999 10.6 142 91
동일한 실험이 동일한 장치를 사용하여 다양하게 다른 매우 낮은 세탄가(CN) 물질에 대해 수행되었는데, 임계 착화 온도의 결과가 표 2에 나타난다.
시험물질 임계 온도/℃
글리세롤 90
메탄올 115
에탄올 150
부탄올 115
가솔린(페트롤) 98 옥탄, 무연 100
톨루엔 178
1-메틸나프탈렌 185
표 2에 주어진 임계 온도값은 연소가 실험적 엔진에서 중지한 대략 연소 공기 온도 이하이다. 1-메틸나프탈렌의 경우에, 임계 유입 공기 온도는 인용된 185℃보다 약간 낮을 수 있다. 엔진은 이 온도에서 안정적으로 작동하나 더 낮은 온도에서는 불안하게(불발(misfire)) 작동하기 시작한다.
인용된 임계 온도가 엔진 실린더로 그것의 주입 전에 즉시 연소 공기의 온도라는 것은 강조되어야 한다. 실린더에서, 착화 전에 압축 후에 연소 공기의 실제 온도는 상당히 높아질 것이다.
표 3은 본 발명의 구체예에 따라 가스 오일과 비교되는 글리세롤 (98.0% 순도)의 연소에 대한 결과를 준다. 실험들은 4 실린더 터보차지 엔진을 사용하여 매치된(matched) 엔진 스피드 및 배출 파워에서 수행되었다. 유입기 온도는 엔진 타입 버닝(burning) 글리세롤에 144℃ 주위에서 최적화되었다. 공기 질량 흐름의 보정은 배가스에서 산소의 용적 수준은 양 평가에서 동일한 그러한 방법으로 유입기 매니폴드에 전달된 압력을 조절하는 것에 의해 만들어졌다. 그것은 또한 엔진이 글리세롤 상에서 작동할 때 NOx 수준은 실질적으로 더 낮은 피크 연소 온도 때문에 평균 연소 하에서 가스 오일보다 더 낮다고 보여진다. 144℃ 주위의 포트 유입구 공기를 가지고 매치된 용적 연료 가스 산소에서 본 발명의 구체예에 따른 글리세롤의 연소는 이 엔진 타입을 위한 명세서에 가스 오일의 연소보다 더욱 효과적이라고 보여질 수 있다. 효율성은 정기의 질량 샘플을 사용하고 각 연료의 네트(net) 칼로리 값의 수단에 의한 에너지 전환을 계산하여 계산되었다.
Ex. T Th% RPM Kw NOx ppm CO ppm 연료에서 O2 공기 T
글리세롤로 전환
291 최대 2317 15.88 311 565 12.82 134.3
296 최대 2320 15.91 352 421 12.65 139.6
298 최대 2317 15.91 373 404 12.57 143.6
299 최대 2325 15.91 383 393 12.53 143.1
299 최대 2319 15.86 388 391 12.55 143.2
300 최대 2328 15.82 392 389 12.55 144.2
300 최대 2324 15.91 398 389 12.53 144.2
효율성 = 29.37%
가스 오일로 전환
341 26.7 2355 16.22 600 201 12.48 70.4
342 26.4 2357 16.16 592 205 12.51 69.9
341 26.4 2339 16.01 594 203 12.51 70.4
340 26.4 2352 16.08 588 200 12.55 70.5
339 28.7 2368 16.05 581 202 12.61 71.7
효율성 = 28.67%
표4는 사용된 타이어 증류액(sed tire distillate (UTD)), 다른 낮은 세탄가(CN) 물질에 대한 연소 결과를 준다. 기호는 표 1과 같다. Boost Barg = 바 게이지(Bar gauge)에서 측정된 유입구 매니폴드 압력. 엔진이 UTD 상에서 작동할 때, 유입구 공기 가열기의 스위칭 오프(switching off)가 엔진 스톨링(stalling)으로 귀결된다는 것이 보여진다. 본 발명에 따른 조건 하에서, 배기의 CO 수준은 대단히 떨어지고 연소는 유하게 작동한다. 착화는 약 86℃의 공기 온도에서 실패하였는데, 방출점은 대단히 높았다. 감소된 방출의 최적의 온도는 약 145℃이었다.
Ex. T Th% RPM KW NOx CO FT 연료에서 O2 Inj.T Boost Barg
가스 오일상 예열
256 20.3 2327 12.62 387 159 24.6 15.11 83.1 1.61
259 20.4 2318 12.61 390 158 25.7 15.04 84.7 1.61
261 20.4 2306 12.32 396 168 29.5 15.09 86.8 1.57
유입구 히터 온
320 21.5 2338 12.78 666 183 31.1 13.45 138.8 1.47
UTD로 전환
327 18.9 2325 12.53 1006 246 29.4 13.49 141.1 1.43
유입구 히터 스위치 오프 142.1
895 255 138.2
783 327 121.7
722 414 108.6
12.18 701 516 101.6
12.01 663 662 95.3
12.15 659 745 92.1
중단
유입구 히터 온 / 오프 / 온 - 중단점 약 86℃에서 다양한 시험
히터 온 웨이스트 게이트 평균 세팅 연료 = 10.35kg
320 20.3 2349 13.26 1001 238 33.1 13.08 145 1.46
341 20.4 2323 13.04 1038 245 33.3 12.94 151 1.45
340 20.4 2314 12.94 993 235 34.3 13.27 143 1.48
339 20.4 2310 12.82 956 253 34.9 13.31 142 1.47
336 20.4 2323 12.89 957 254 35.5 13.42 141 1.49
연료 = 8.082kg
본 발명은 다양한 연료의 연소에 해당될 수 있다. 그러한 연료는 탄화수소 연료, 예를 들면 무겁고(heavy) 남은 연료, 및 신재생(renewable) 식물성-계 연료 또는 부산물, 예를 들면, 톨 유(tall oil) 또는 동물성 지방을 포함한다.
가스 연료는 천연 가스와 같은 화석 연료, 및 정제 오프가스와 같은 발생로 가스(producer gas), 바이오-가스(매립장(landfill)) 또는 바이오다이제스터(biodigester)로부터, 열분해 가스, 광산 메탄, 및 수소를 포함한다.
그러한 넓은 범위의 물질들은 효율적으로 연소하기 때문에, 본 발명은 또한 적절한 폐용제(waste solvent), 예를 들면 알코올, 케톤, 디올, 에스테르 및 방향족 용매의 연소를 위해 사용될 수도 있다. 선택적으로 압력화(pressuhsation) 및/또는 증가된 산소의 부분적 압력을 가진 높은 온도 연소 공기의 사용은 확실하고 완전한 연소를 돕는다.
본 발명은 파워 발생 엔진, 선박 엔진, 항공 엔진 및 자동차 엔진, 가스 터빈과 같은 내부 연소 엔진, 외부 연소 엔진 및 또는 난방 보일러의 적용에 바람직하다. 본 발명은 특히 이중연료엔진에 적용될 수 있다고 예상되는데, 연소는 엔진과 연소 공기가 충분히 예열될 때까지 연료 공급이 매우 낮은 세탄가(CN) 물질로 전환된 후에 일반적인 디젤 엔진 연료를 사용하여 착화될 것이다. 본 발명은 또한 특히 흡입 차지 온도를 증가시키는데 익숙한 에너지의 다수가 엔진 배기를 통해 열 재생 시스템으로 다시 재생될 때 파워 발생 시스템으로 구동되는 엔진 및 열병합 발전 시스템(Combined Heat and Power system)으로 구동되는 엔진에 적합하다. 본 발명은 일반적인 열병합 발전(CHP) 기술에 이점을 제공한다. 예를 들면 착화를 가능하게 하는 세탄 향상제를 가진 글리세롤의 사용은 재생가능한 열의 양을 제한하고 열병합 발전(CHP) 효율성을 감소시키는 매우 낮은 배기 온도를 양산할 것이다. 유입구에 열을 추가하는 것에 의해 상기 물질은 높은 열병합 발전(CHP) 효율성을 유지하는 동안 효과적으로 연소될 수 있다.
엔진의 예열을 돕기 위해, 뜨거운 배가스는 연소 공기 매니폴드에 재순환될 수도 있다. 그러한 배가스 재순환(exhaust gas recirculation)(EGR)은 연소 공기의 산소양을 감소시키고 NOx 방출을 감소시키는 것으로 잘 알려져 있다. 그러나, 본 발명에서 이것을 하는 주요 목적은 엔진 흡입 차지를 가열시키는 것이다.
엔진의 작동자는 연소되는 특별한 연료를 위해서 공정 조건들을 최적화하기 위해 손으로 조절할 수도 있다. 그러나 바람직한 구체예에서, 엔진 시스템은 사용되는 연료의 타입을 인식할 것이고, 자동으로 연료의 타입에 대한 연소 조건을 조절할 것이다.
연소 공기를 위한 바람직한 최소 온도가 다른 엔진 타입 및 압축비뿐만 아니라 다른 연료와 달라질 동안, 최소값은 60℃보다 작지 않고, 실질적으로 많은 매우 낮은 세탄가(CN) 물질보다 높을 것임이 예상된다. 상한의 온도는 높은 온도일수록 달성하고 유지하기 위해 더욱 값비싸서 실제보다 더욱 이론적이다. 배기 밸브 및 터보 유입구와 같은 요소들은 단지 구체화된 온도까지 더욱 가속화될 수도 있고, 이 요소들을 위한 작동 범위 내의 온도 유지는 실제적 상한을 부과할 것이다. 그러나 자연적으로 사용될 수 있는 많은 연료 타입의 증발의 고유 잠열은 피크 연소 온도를 감소시키고 이 구성의 구체화된 범위 내에서 최대 속도의 파워 작동을 허용한다(글리세롤 연소 배기 온도를 보시오). 본 발명의 범위를 제한하지 않고, 250℃의 상한치가 실제적 목적을 위해 충분할 것으로 예상된다.
여기의 명세서 내에서 '하나(a)' 및 '하나(an)'는 문단상 다른 요구가 없다면 '적어도 하나'의 의미로 사용된다.
명확성을 위해 각각의 구체예 문단에서 개시되는 본 발명의 어떠한 특징들은 또한 단일 구체예의 조합으로 제공될 수도 있다고 여겨진다. 반대로 단일 구체예의 문단에서 개시되는 본 발명의 다양한 특징들은 또한 독립적으로, 또는 어느 적절한 조합으로 제공될 수도 있다.
설명의 목적을 위해, 본 발명이 특별한 실험들에 관해 개시되는 동안, 본 발명이 그러한 실험들에 의해 제한되는 것은 아니라고 이해될 것이다. 다양한 변형, 변화, 및/또는 추가는 본 발명의 청구항에서 출발하는 영역으로부터 벗어나지 않고 상기 기술된 구조 및 배치에 소개될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 매우 낮은 세탄가(cetane number) 물질을 착화 및 연소하는 방법으로서,
    상기 착화 및 연소방법은 이종-차지(heterogeneous-charge) 압축-착화 엔진(compression-ignition engine)의 연소 실린더로 상기 매우 낮은 세탄가 물질을 주입하는 단계 및 실질적으로 엔진이 작동하는 전체 시간 동안 상온보다 실질적으로 높은 온도에서 연소 공기 또는 작동 유체를 상기 실린더 유입구(inlet) 포트로 공급하는 단계를 포함하는데, 상기 작동 유체의 연소가능한 부분이 단지 낮은 세탄가 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 매우 낮은 세탄가 물질을 착화 및 연소하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 연소 공기 또는 작동 유체는 적어도 60℃, 바람직하게는 90-250℃의 온도에서 실린더 유입구 포트로 공급되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 매우 낮은 세탄가 물질을 착화 및 연소하는 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 매우 낮은 세탄가 물질은 알코올, 바람직하게는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 글리세롤 또는 이들의 둘 이상의 혼합물, 케톤, 에스테르, 방향족 화합물, 가솔린, 하나 이상의 탄화수소, 신재생 오일 (renewable oil), 폐용제(waste solvent), 또는 이들의 일부 또는 모두의 혼합물인 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 매우 낮은 세탄가 물질을 착화 및 연소하는 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 공기 또는 작동 유체는 유입구 포트를 통해 실린더로 들어가는 질량 흐름이 표준 운전 조건하에서 실린더로 들어가는 것과 실질적으로 동일하게 보정되는 압력에서 실린더 유입구 포트로 공급되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 매우 낮은 세탄가 물질을 착화 및 연소하는 방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물질을 상기 연소 챔버로 주입하기 전에 가열하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 매우 낮은 세탄가 물질을 착화 및 연소하는 방법.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 공기 또는 작동 유체의 적어도 일부는 상기 엔진으로부터 폐열을 사용하여 가열되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 매우 낮은 세탄가 물질을 착화 및 연소하는 방법.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 공기 또는 작동 유체는 상기 엔진으로부터 배가스(exhaust gas)의 흐름에 의해 구동되는 터보-차저(turbo-charger) 수단에 의해 압축되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 매우 낮은 세탄가 물질을 착화 및 연소하는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 연소 공기 또는 작동 유체의 적어도 일부는 상기 엔진으로부터 배가스의 흐름에 의해 구동되는 터보 차저의 고유 비효율성에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 매우 낮은 세탄가 물질을 착화 및 연소하는 방법.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 공기 또는 작동 유체는 풍부한 산소 함량을 가지는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 매우 낮은 세탄가 물질을 착화 및 연소하는 방법.
  10. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 매우 낮은 세탄가 물질은 글리세롤이고, 상기 글리세롤은 60-160℃의 온도 범위에서 가열되어 실린더로 주입되는 것을 특징으로 하는 적어도 하나의 매우 낮은 세탄가 물질을 착화 및 연소하는 방법.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 따른 매우 낮은 세탄가 물질을 연소하는 단계 및 회수용의 사용가능한 배가스 폐열 에너지를 유지하거나 증가시키기 위해 유입구 공기로부터 재순환된 열을 사용하는 단계를 포함하는 열병합(combined heat and power (CHP)) 발전 방법.
  12. 실린더 및 실질적으로 상온보다 높은 온도와 압력으로 실린더에 공급되는 연소 공기를 가열 및 압축하기 위한 가열 수단을 가지는 이종-차지 압축-착화 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 연소 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 가열 수단은 상기 엔진 배기 및/또는 냉각 시스템으로부터 연소 공기 또는 작동 유체로 열을 전달하기 위한 열 교환기(heat exchanger)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 연소 장치.
  14. 청구항 12 또는 13에 있어서, 상기 가열 수단은 연소 공기 또는 작동 유체를 적어도 60℃의 온도, 바람직하게는 90-250℃ 범위의 온도로 가열하도록 채택되는 것을 특징으로 하는 연료 연소 장치.
  15. 청구항 12 내지 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더에 공급되는 연소 공기 또는 작동 유체를 압축하기 위한 상기 가열 수단은 상기 엔진으로부터 배가스의 흐름에 의해 구동되기 위해 배치되고 채택되는 터보-차저인 것을 특징으로 하는 연료 연소 장치.

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