KR20110015570A - 연료에서 산화된 화합물의 비율을 결정함으로써 열 엔진의 작동을 최적화하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자적 하우징 및 하나 이상의 엔진 맵핑에 의해 조절된 연소 파라미터를 가지는 열 엔진의 작동을 최적화하는 방법과 관련하여, 상기 방법은: 바이오 연료 내에 포함된 물 및 알코올 및/또는 에테르 종류 중 하나 이상의 다른 산화된 화합물의 비율을 결정하기 위해 알코올 및/또는 에테르 및/또는 물의 혼합물을 포함하는 바이오-연료의 근적외선 분광학적 분석을 수행하는 단계; 및 열 엔진 작동을 최적화하기 위해 분석 결과를 기초로 상기 맵핑을 선택 및/또는 수정하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 열 엔진의 작동을 최적화하는 방법과 관련한다.
보다 구체적으로 본 발명은 바이오-연료가 공급되는 엔진과 관련한다.
열적 내부 연소 엔진은 항상 CO2, NOX, HC 배출 기준을 고려하여 보다 엄격한 요구 사항을 충족해야만 하며, 이는 상업적 연료, 즉, 가솔린 및 가스-오일 중 탄소 원자를 위한 산소 원자의 대체를 가능하게 하는 다양한 소스로부터 제조된 바이오-에탄올 및 바이오-디젤과 같은 바이오-연료의 비율이 수십 년 동안 부각한 이유이다.
새로운 공급 네트워크는 카놀라 씨, 옥수수, 해바라기, 사탕수수, 콩, 셀룰로오스 및 조류를 예로 들 수 있으나 이에 제한되지 않는 농산물로부터 재생 가능한 자원을 사용한다.
이후, 수십 년 동안 주도된 반영은 총 배출, 즉 "유정(well)에서부터 바퀴까지"를 고려하는 경향이 있으며, 이는 엔진 및 연소의 영향뿐만 아니라 그들의 추출에서부터 생산 및 그들의 운송에 이르는 연료의 전반적인 영향 또한 포함한다. 이는 연소의 측면에서, 유로 Ⅳ 기준에 따르는 포지티브 점화 엔진(positive ignition engine)을 가지는 운송 수단은 비록 부피당 85%의 에탄올 및 15% 가솔린(E85)으로 구성된 혼합물을 사용함에도 불구하고, 이는 에탄올 없는 가솔린을 사용하는 경우보다 30 내지 40% 많은 연료를 사용하지만, 배기관의 CO2 배출에서 얻는 것은 평균보다 6%, 보다 구체적으로 전체 "유정에서부터 바퀴까지" 사이클을 고려한다면 38%까지 감소된다.
그러한 연료의 "깨끗함" 측면은 재생 가능한 에너지와 지속 가능한 개발의 관점 및 보다 가난한 사람들을 위한 물과 기본 식량 자원 제공에 대한 영향의 관점에 보다 부합한다.
80년대 이후 우세한 원칙에 따라, 그러한 바이오-연료는 다양한 비율로 종래 연료에 도입된다. 현재 트렌드 및 정부에 의해 고려되는 계획은 미가공 오일의 정제에서 야기한 연료 내 바이오-연료의 상대적 비율에서의 의미 있는 증가를 지지한다. 이는 미국의 새로 만든 가솔린이 10%의 바이오-에탄올 또는 E10을 가지며, 브라질에서는 E26(에탄올 퍼센트 = 26%) 또는 E100(에탄올 퍼센트 > 93%) 또는 유럽에서 E85가 발견될 수 있는 이유이다.
유사하게, 가스 오일 내 바이오-디젤의 통합은 유럽에서 평균 4%이고, 목표는 B10, 이후 B30, 잠재적으로 B100 판매 허가이다. 유럽에서와 같이, 1985년 이래 에테르 종류, 보다 명확하게 MTBE, ETBE 또는 TAME 분자의 보다 많거나 적은 상당한 양의 통합을 지지해 왔다. 그러나, 유럽에서는 E85 유형의 연료가 현재 서비스 제공지에서 판매된다.
2002년 이래 수행된 많은 연구는 또한 에탄올과 같은 알코올을 디젤에 도입하는 가능성을 또한 연구해 왔으며, 연소, 소비 및 오염 배출에 대한 영향을 연구하고 있다.
그러나, 가솔린 및 가스-오일에서 바이오-연료의 함량이 증가하는 것에 위험이 없는 것은 아니며, 특정 엔진 적응을 제공하고 바이오-연료의 높은 함량에 적응된 엔진 기술을 마련해야할 필요성에 따른 제약이 있으며, 연소는 저하될 것이고 이뿐 아니라 엔진 및 오염 배출 및 CO2 배출이 생성될 것이라는 점에서 실패이며, 이는 종래 연료보다 더 중요하게 될 것이다.
두 번째 위험성은 알코올의 친수성 성질 및 보다 구체적으로 분배 네트워크의 의도하지 않은 오염의 범위 이내에서, 보관 조작 동안 또는 보다 돈을 많이 벌 목적으로, 부피당 일부 퍼센트조차라도 물을 자발적으로 부가함에 의해 그들의 물을 저장하고 유지하는 능력과 직접적으로 관련된다.
부가적으로, 에탄올 생산 방법은 추출 증류 방법에 기초하고 95%의 에탄올 및 5%의 물을 포함하는 알려진 공비혼합물을 야기한다. 어떤 다른 분리 방법 없이는, 95% 이상의 에탄올의 알코올 및 5%의 물의 수득율을 얻는 것은 가능하지 않다.
바이오-연료 내 포함된 물은 보다 빠른 산화 및 연료 순환, 탱크, 펌프뿐만 아니라 주입 시스템의 기계적 요소의 부식을 야기한다. 연소는 또한 왜곡된 산소 센서의 결과에 영향을 받게 된다. 그러나 본 센서 시스템은 OBD 진단의 범위 이내에서 요구되며, 값 약 1의 공기/연료 비율의 닫힌 루프 조절을 가능하게 하므로, 3-웨이 후-처리 촉매의 작동 및 포지티브 점화 엔진의 CO, HC 및 NOX 배출의 조절을 최적화한다.
오늘날, 그러한 연료가 공급된 열 엔진의 작동을 최적화하기 위해, 고려되고 선택된 해결책은 전도도 및 전도율 유형의 물리적 센서에 기반한 접근 또는 소위 소프트-센서로 불리는 임의의 센서 없는 접근은 산소 센서에 의해 제공된 결과로부터 공기-연료 혼합물의 산소 함량의 보다 높은 또는 낮은 빠른 러닝(learning) 사이클에 기반한다.
그러나, 존재하는 모든 기술은 공기-연료 혼합물 내 포함된 산소의 기원을 구별하는 것이 가능하지 않다. 물이 존재하는 경우, 이는 러닝(learning) 루프, 소프트-센서의 경우 전도도 유형 또는 비 융합의 물리적 측정 센서로부터 에탄올의 퍼센트 및 산소의 퍼센트를 예측하는데 있어 극히 다양한 실수를 수반한다. 바이오-연료의 퍼센트 측정에서 실수의 영향은 물의 알칼리성 및 용해된 염의 양에 따라 보다 높아질 수 있다.
B. HAUET -SIA 13/03/2007에 의한 문헌에 언급된 정보 및 결론은 바이오-에탄올을 포함하는 혼합물이 사용된 경우 조절된 점화 엔진의 특정 적응 및 온도와 같은 외부 파라미터의 역할과 바이오-연료와 관련한 정확하게 알려진 데이터의 필요성으로서의 연소, 엔진의 스타트 및 오염 배출 전략에 대한 영향과 관련한 문제를 명확하게 설명한다.
캐나다 정부를 위해 1998년에 CHANDRA 박사에 의해 수행된 연구는(운송 시스템의 방향 - 캐나다 환경에서 오염 예방의 일반 부서) 더운 날씨 및 추운 날씨에서 시동을 거는 동안 엔진 효율성에 대한 바이오-연료 휘발성의 영향뿐만 아니라 공기/연료 비율의 약점, 보다 구체적으로 오픈 루프 및 엔진의 무거운(heavy) 부하 또는 완전한(full) 부하를 가지고 가속하는 경우 또한 탐지될 수 있으며 운송 수단의 운행성(driveability)을 의미있게 악화시키는 조깅(jogging) 현상의 약점에 의한 영향을 보여준다. 엔진 녹 리미트(knock limit) 관리의 영향은 연료의 민감도에 매우 중요하게 영향을 주는 바이오-연료의 부가에 의해 기본 가솔린의 옥탄에서 얻는 것과 달라서 엔진 녹 조절 전략의 수정을 필요하게 하는 효과에 대해 논의되어 왔다.
이후, 바이오 연료 조성물 양 및 질, 보다 구체적으로 산화된 화합물 내 조성물을 명확하게 결정할 필요성이 존재한다.
25년 동안 다량의 수많은 문헌 및 기사에서 연료 내 산소 함량의 결정과 관련한 해결책이 제공되어 온 것은 플렉스 연료(flex fuel)라고도 불리는 엔진의 스타팅, 연소 및 후-처리와 관련한 전략을 최적화하기 위한 관리의 필요성 및 중요성을 보여준다.
그리하여, 문헌 US 7 163 002는 연료의 휘발성의 역할로서 엔진의 콜드(cold) 작동을 위해 주입된 연료의 양을 조정하는 방법을 다룬다.
문헌 US 5 893 349는 콜드 엔진 스타트를 위한 공기/연료 혼합물 교정 표로부터 단계별 복고풍-조절 방법 및 러닝(learning) 루프 사용을 제공한다.
문헌 US 5 492 101은 엔진 주입 파라미터를 조정하기 위해 연료의 비율을 결정하는 것을 가능하게 하는 복수의 센서로부터 엔진의 파라미터를 조정하는 것을 제공한다.
그러나 센서 중 어느 것도 상세하게 설명되지 있지 않고 바이오-연료에 기반한 알코올의 존재 및 물과 온도의 상호 작용과 관련한 통제 중 어느 것도 언급하고 있지 않다.
문헌 US2003/00201494, US2004/0004487 및 US2005/0253599는 혼합물을 포함하는 바이오-연료의 전도도/용량(capacitance)의 측정에서 변동 원리 및 센서의 전극들 사이에 측정된 인덕턴스(inductance) 전류 사이의 연관성 및 산소의 퍼센트를 사용하여 연료 센서로부터 산소 함량 및 에탄올 퍼센트를 간접적으로 결정하는 것을 제공한다.
문헌 US 2004/0253599는 혼합물의 온도 및 임피던스(impedence)의 측정으로부터 연료/에탄올 혼합물 중 산소 함량을 결정하는 방법의 유사한 원리를 설명한다.
다른 접근 또한 제공되어 왔는데, 보다 구체적으로 문헌 US2005/0247299는 연료의 밀도 및 점도를 결정하는 것을 가능하게 하는 사운드 파장 센서에 기초하며, 문헌 EP0461156은 연료의 성질, 보다 구체적으로 산소 함량 및 따라서 그것의 에탄올 함량과 연관될 수 있는 이온화 신호의 연소 챔버 내의 측정으로부터 내부 연소 엔진의 공기/연료 비율의 조정을 제공한다.
문헌 US5435285는 연료 굴절 지수의 측정 및 에탄올을 포함하는 연료 및 에탄올을 포함하지 않는 연료 간의 각 변동성에 기초한 광학 센서의 사용을 제공한다.
현재, 상기 언급된 문헌 중 어느 것도 이미 시행된 방법 또는 시스템이 알코올-물 또는 알코올-물-에스터 혼합물의 효과 및 산소 함량 측정에 대한 그것의 효과 및 연료-바이오-연료 혼합물 중 알코올 함량의 관련성에 의한 것뿐만 아니라 O-H 결합과 연관된 탄소화된 알킬 라디칼에서 탄소 원자 숫자의 변동에 대한 영향을 설명하지 않는다.
그러나, 1983년 이래로, 문헌 US4391253에서 ITO 등은 알코올-연료 혼합물 중 산소 함량의 결정 및 예측에서, 보다 구체적으로 정확하고 명확한 에탄올 함량 값 내로 센서로부터 전류의 변화에 무작위적이고 의미 있게 영향을 미치는 물과 같은 불순함의 존재에 기한 전도성/인덕턴스 유형 센서의 제한을 지지한다. 그러나, 그 이후 어떠한 방법도 본 문제에 대한 신뢰할만한 해결책을 제공해 주지 못 했다.
게다가 그러한 문헌들은 빛과 물질 사이의 상호 작용을 보다 구체적으로 적외선 또는 근적외선 영역에서 측정하는 것을 가능하게 하는 분광학적 유형의 센서 사용에 대해 어느 것도 제공하지 않는다.
문헌 FR2542092는 알코올-연료 혼합물 중 알코올 함량을 결정하기 위한 700nm - 1,700nm 이내의 근적외선 센서의 사용을 설명한다. 상기 문헌은 하나는 참조 알코올, 메탄올로 채워지고, 다른 하나는 바이오-연료를 가지는, 보다 구체적으로 900-1,000nm 및 1,450-1,600nm 영역 내에서 측정되는 두 개의 측정 셀을 사용하는 것에 대한 가능성을 제공한다.
그러나, 본 문헌뿐만 아니라 Maggard 등에 의한 것들은 탄화수소-알코올 혼합물을 위해 선택된 파장에서 흡광도 측정의 왜곡에 대한 온도의 잘 알려진 효과를 수정하기 위한 해결책을 설명하거나 제공하지 않고, 보다 구체적으로 스펙트라 연관성 및 상호 작용, 보다 구체적으로 물의 존재 하에 에탄올-연료 또는 메탄올-연료 혼합물에 영향을 주는 것을 고려하지 않는다.
현재, 알코올의 친수성 특성은 바이오-연료의 경우 무시될 수 없으며, 따라서 실험실 내 문헌의 적용 범위 및 가능성이 제한되고 그들이 외부 응용 및 자동화된 시스템의 범위에 적용될 수 없도록 한다.
사실, 본 발명자들은 하모닉(harmonics) 결합 또는 약 동일한 파장 길이를 가지며, 물 분자 또는 코리올리(CORIOLIS) 상호 작용의 경우 동등한 에너지 진동 사이의 상호 작용으로부터 야기한 동일한 대칭기 또는 DARLING DENNISON 기에 속하는 조합 결합을 가지는 기초 진동의 상호 작용으로부터 야기한 FERMI 공명 때문에 첫 번째, 두 번째 및 세 번째 하모닉스(harmonics)에 대한 이론과 관련하여 O-H 결합의 파장 길이 특성에서 이동(drift)의 알려진 영향을 무시해 왔다.
저널 NIR 분광학 vol. 10 n°1 또는 ANALUSIS 매거진, 26 n°4, 1998은 첫 번째, 두 번째 및 세 번째 하모닉스(harmonics) 및 조합 영역에서, 보다 구체적으로 0% 내지 100%까지 변하는 물-메탄올, 물-에탄올 또는 물-프로판올 혼합물에 대해 O-H 결합 진동 값의 여러 파장 길이에서 이동에 대한 보다 정확한 설명을 준다. 25℃에서 이론적 값과 관련한 특징적인 파장 길이의 이동은, CH3 및 CH2 기 상 전자의 공유 전자쌍(doublet)의 알려진 이동 현상 때문에 O-H 결합과 연관된 알킬 라디칼에 의존한다. 예상되는 결합과 관련한 차이는, 특히 온도가 증가하는 경우 더욱 더, 5nm에 이를 수 있다.
게다가, 설명되거나 사용된 전류 시스템은 연료 내 알코올-물 혼합물의 경우, 탱크 내에서 2 상의 외관, 운송 수단의 운행성(순조로운 작동, 실속(stalling), 오염과 같은) 및 연소 과정의 최적화에 대한 중요한 효과를 야기하는 외부 온도의 역할로서 연료/바이오-연료 혼합물에서 분리하는 많거나 적은 조절되지 않는 현상을 막을 수 없다.
종래 연료에 베이스로서 알코올 종류의 바이오-연료의 도입은 5% 내지 20% 사이의 알코올 혼합물(E5와 E20)의 휘발성뿐만 아니라 첫 번째 50% 혼합물의 증류 값에 대해 매우 벌칙을 가하는 비-선형 현상의 출현을 또한 지지한다. 비-선형 현상의 범위는 또한 사용된 바이오-연료 종류에 달려 있고, 알코올 기에 관련된 알킬 라디칼이 작기 때문에(메탄올은 에탄올, 다음 프로판올 및 부탄올보다 더 효과적다) 모두 다 중요하다. 그러한 비-선형 현상은 증기 고정의 출현 또는 미출현을 야기할 수 있으며 콜드 엔진 스타트 또는 웜 엔진 스타트 과정에 실제 영향을 준다. 게다가, 설명된 센서 또는 해결책 중 어느 것도 디젤 유형의 자동-연소된 열 엔진의 경우에 기능적이지 않다.
따라서 종래 연료에 바이오-연료의 도입이 증가하는 오늘날, 제약들 중 하나는 모든 경우에서 산화된 화합물 함량을 엄격하고 정확하게 측정하기 위한 존재하는 해결책, 보다 구체적으로 바이오-연료 내 물의 존재를 탐지하는 능력 및 생산물의 온도의 역할로서 0% 내지 100% 사이의 바이오 연료 혼합물의 모든 가능한 값에 적응된 엔진의 조정을 제공할 수 있게 되는 것이 불가능하다는 결과를 낳는다.
도 1 내지 7은 에테르 및/또는 물 및/또는 알코올 종류의 산화된 화합물 및/또는 온도의 조합되거나 조합되지 않은 부가를 통해 850-980nm 영역에서 설정된 파장에 따른 스펙트라 측정의 강도에 대한 다양한 비-선형 효과를 보여준다.
·도 1은 80 포인트의 옥탄 요구 지수(Research octane index)에 의해 특정된 가솔린 유형 연료의 850-980nm에서 근적외선 스펙트럼 측정된 강도의 매우 우수한 스펙트라(spectra) 반복성을 보여준다.
도 2는 850-980nm 영역에서 근적외선 스펙트럼 측정된 옥탄의 75 포인트 내지 105 포인트 사이의 가솔린 유형 연료의 옥탄 요구치(research octane number)에서 변동성 및 변동의 비-선형 효과를 보여준다.
·도 3은 -45°내지 +50℃ 사이 연료의 850-980nm 영역에서 측정된 강도에서의 근적외선 스펙트럼 상 온도의 비-선형 효과에 대한 영향을 보여준다.
·도 4는 850-980nm 영역에서 측정된 강도에서 근적외선 스펙트럼의 0% 내지 100% 사이의 80 포인트의 옥탄 요구(research octane)를 가지는 생산물 내로 무수 에탄올을 부가하는 것의 비-선형 효과의 영향을 보여준다.
·도 5는 850-980nm 영역에서 측정된 강도에서 근적외선 스펙트럼 상 7% 및 10% 무수 에탄올 내로 물을 부가하는 것의 비-선형적 효과의 영향을 보여준다.
·도 6은 850-980nm 영역에서 측정된 강도에서 근적외선 스펙트럼 상의 85 포인트의 옥탄 요구치로 특정된 가솔린 유형 중 하나의 연료 내로 물 및 에탄올을 동시에 부가하는 것의 비-선형적 효과의 영향을 보여준다.
·도 7은 93의 옥탄 요구치를 가지는 가솔린 유형 연료의 850-980nm 영역에서 측정된 강도에서 근적외선 스펙트럼 상 ETBE 에스터 부가의 비-선형적 영향을 보여준다.
·도 8 내지 12는 옥탄 수, 증류 곡선 및 증기압과 같은 연료의 물리적 화학적 성질 위에 산화된 생산물의 부가의 비-선형적 영향 및 교차 상호 작용을 보여준다; 이들은 운송 수단의 콜드 엔진 스타트(cold engine start) 및 웜 엔진 스타트(warm engine start)의 최적화뿐만 아니라 연소, 엔진 녹 리미트(knock limit) 및 후-처리의 최적화에서 성질을 결정한다.
·도 8은 가솔린 유형 연료의 엔진 옥탄가 및 옥탄 요구치에서 부피당 퍼센트로 에탄올 부가한 것의 비-선형적 영향을 보여준다.
·도 9는 가솔린 유형 오일 생산물 상 ASTM D86 방법에 따른 섭씨 온도에서 증류 곡선상 부피당 10%의 에탄올, 부피당 10%의 메탄올 및 부피당 7%의 MTBE의 부가로부터 야기한 공비혼합물(azeotrope)을 보여준다.
·도 10은 KPa로 나타나는 오일 생산물 증기압 상 부피당 퍼센트로 에탄올의 부가에 의한 비-선형적 효과를 보여준다.
·도 11은 산화된 화합물의 기원(origin)에 따른 변동성 및 측정 Reid 증기압, PSI 상에서 MTBE, 에탄올 및 메탄올의 부가에 의한 비-선형 영향을 보여준다.
·도 12는 부피당 10%의 연료-에탄올 또는 연료-메탄올 혼합물의 최종 증기압의 수득 상에서 연료의 Reid 증기압, PSI의 시작 값의 영향을 보여준다.
·도 13은 물, 에탄올 및 ETBE 상 실제 데이터와 관련하여 계산된 퍼센트 상에서 데이터베이스에 속하지 않은 샘플 상 예측 모델의 결과에 대한 모식도를 보여준다.
·도 1은 80 포인트의 옥탄 요구 지수(Research octane index)에 의해 특정된 가솔린 유형 연료의 850-980nm에서 근적외선 스펙트럼 측정된 강도의 매우 우수한 스펙트라(spectra) 반복성을 보여준다.
도 2는 850-980nm 영역에서 근적외선 스펙트럼 측정된 옥탄의 75 포인트 내지 105 포인트 사이의 가솔린 유형 연료의 옥탄 요구치(research octane number)에서 변동성 및 변동의 비-선형 효과를 보여준다.
·도 3은 -45°내지 +50℃ 사이 연료의 850-980nm 영역에서 측정된 강도에서의 근적외선 스펙트럼 상 온도의 비-선형 효과에 대한 영향을 보여준다.
·도 4는 850-980nm 영역에서 측정된 강도에서 근적외선 스펙트럼의 0% 내지 100% 사이의 80 포인트의 옥탄 요구(research octane)를 가지는 생산물 내로 무수 에탄올을 부가하는 것의 비-선형 효과의 영향을 보여준다.
·도 5는 850-980nm 영역에서 측정된 강도에서 근적외선 스펙트럼 상 7% 및 10% 무수 에탄올 내로 물을 부가하는 것의 비-선형적 효과의 영향을 보여준다.
·도 6은 850-980nm 영역에서 측정된 강도에서 근적외선 스펙트럼 상의 85 포인트의 옥탄 요구치로 특정된 가솔린 유형 중 하나의 연료 내로 물 및 에탄올을 동시에 부가하는 것의 비-선형적 효과의 영향을 보여준다.
·도 7은 93의 옥탄 요구치를 가지는 가솔린 유형 연료의 850-980nm 영역에서 측정된 강도에서 근적외선 스펙트럼 상 ETBE 에스터 부가의 비-선형적 영향을 보여준다.
·도 8 내지 12는 옥탄 수, 증류 곡선 및 증기압과 같은 연료의 물리적 화학적 성질 위에 산화된 생산물의 부가의 비-선형적 영향 및 교차 상호 작용을 보여준다; 이들은 운송 수단의 콜드 엔진 스타트(cold engine start) 및 웜 엔진 스타트(warm engine start)의 최적화뿐만 아니라 연소, 엔진 녹 리미트(knock limit) 및 후-처리의 최적화에서 성질을 결정한다.
·도 8은 가솔린 유형 연료의 엔진 옥탄가 및 옥탄 요구치에서 부피당 퍼센트로 에탄올 부가한 것의 비-선형적 영향을 보여준다.
·도 9는 가솔린 유형 오일 생산물 상 ASTM D86 방법에 따른 섭씨 온도에서 증류 곡선상 부피당 10%의 에탄올, 부피당 10%의 메탄올 및 부피당 7%의 MTBE의 부가로부터 야기한 공비혼합물(azeotrope)을 보여준다.
·도 10은 KPa로 나타나는 오일 생산물 증기압 상 부피당 퍼센트로 에탄올의 부가에 의한 비-선형적 효과를 보여준다.
·도 11은 산화된 화합물의 기원(origin)에 따른 변동성 및 측정 Reid 증기압, PSI 상에서 MTBE, 에탄올 및 메탄올의 부가에 의한 비-선형 영향을 보여준다.
·도 12는 부피당 10%의 연료-에탄올 또는 연료-메탄올 혼합물의 최종 증기압의 수득 상에서 연료의 Reid 증기압, PSI의 시작 값의 영향을 보여준다.
·도 13은 물, 에탄올 및 ETBE 상 실제 데이터와 관련하여 계산된 퍼센트 상에서 데이터베이스에 속하지 않은 샘플 상 예측 모델의 결과에 대한 모식도를 보여준다.
발명의 목적
본 발명은 바이오-연료가 공급되는 열 엔진(thermal engine)의 작동을 최적화하는 방법을 제공함으로써 상기 언급한 문제를 치유하는 목적을 가지며, 상기에서 바이오-연료는 연료에 가장 적합한 엔진의 적응을 제공하기 위해 정확성을 가지고 분석된다.
본 목적을 위해, 본 발명은
- 바이오-연료에 포함된 물과 알코올 및 에테르 종류 중 하나 이상의 다른 산화된 화합물의 비율을 결정하기 위해 알코올, 에테르 및 물 중 하나 이상의 혼합물을 포함하는 바이오-연료의 근적외선 분광 분석을 수행하는 단계; 및
- 열 엔진의 작동을 최적화하기 위해 상기 분석 결과를 기초로 맵핑(mapping)을 선택 및 수정 중 하나 이상 하는 단계를 포함하는 전자적 하우징(electronic housing) 및 하나 이상의 엔진 맵핑에 의해 조절된 연소 파라미터를 가지는 열 엔진의 작동을 최적화하는 방법과 관련한다.
이후, 본 발명에 따라, 바이오-연료의 물 함량이 결정되고 열 엔진의 작동을 최적화하기 위해 엔진 맵핑(mapping)을 선택 및/또는 수정하기 위해 고려된다.
게다가, 알려진 물 함량은 엔진의 최상 적응을 만들기 위해 바이오-연료에 포함된 알코올과 에테르와 같은 다른 산화된 화합물의 비율을 보다 정확하게 결정하는 것을 가능하게 한다.
그러한 분석은 전자적 또는 디지털 시스템이 공기-연료 혼합물의 적응 및 후-처리의 관리뿐만 아니라 산소 센서의 산출의 유효성으로, 측정된 결과의 역할, 보다 구체적으로 주입과 관련한 파라미터로서 주입의, 연소의, 그리고 엔진의 후-처리의 최상이자 실제의 파라미터, 법칙 및 맵핑에 적응하는 것을 가능하게 한다.
그 다음으로, 본 발명은 바이오 연료의 정성적이고 정량적인 측정의 적절하고 정밀한 결정에 대한 필요성, 보다 구체적으로 기본 원료의 종류 및 바이오-연료의 온도의 역할로서 상기 분석의 조정 위에서 알코올-물 및/또는 에테르 혼합물 및 알코올 및/또는 에테르 및/또는 물의 종류와 양의 역할로서 베이스 연료로 구성된 그것의 산화된 성분의 비율을 분석하는 단계 및 상기 분석의 결과의 역할로서 상기 맵핑을 선택 또는 수정하는 단계를 수행하기 위한 필요성을 충족한다.
본 발명에 따른 방법은 바이오-연료 내 산소 함량을 직접 측정하는 것, 보다 구체적으로 분자 상호 작용 및 온도의 영향과 같은 여러 영향을 고려하고 조정함과 동시에 알코올의 함량 및 종류, 물 함량, 가솔린 및 디젤 바이오-연료 내 MTBE 및 ETBE와 같은 에테르 화합물을 결정하는 것으로 구성된 문제를 충족한다.
그러한 정보로부터 시작하여, 바이오-연료의 물리-화학적 성질, 보다 구체적으로 그것의 부피량, 엔진과 같은 그것의 연소 지수 또는 옥탄 요구 지수 또는 세탄 지수, 그것의 증류 곡선, 그것의 휘발성 및 그것의 증기압 또는 그것의 운행성(driveability) 지수 또는 V/L 비율 또는 그것의 냉각 특성을 조정하고 예측하는 것을 가능하게 한다.
유리하게, 맵핑은 연료의 소비를 최적화하고 엔진의 ISO 성능에서 가스 배출을 배출하는 것을 제한하거나 ISO 소비 및 배출에서 모터 성능을 증가시키기 위해 선택되고/되거나 수정된다.
유리하게, 바이오-연료의 근적외선 분석 단계는 바이오-연료에 존재하는 산소 원자의 결합과 연관된 특징적인 결합, 보다 구체적으로 1차 알코올에 존재하는 R-O-H 결합 및/또는 에스터에 존재하는 C-O-C 결합 및/또는 물 분자에 존재하는 H-O-H 결합의 복합 겹침의 역할로서 조정 단계를 포함한다.
유리하게, 근적외선 분석 단계는 하모닉스(harmonics)의 영역 또는 커플링 또는 상호 작용 공명의 인위 구조(artefacts)로부터 야기한 조합상 상호 작용의 역할로서 조정 단계를 포함한다.
유리하게, 근적외선 분석 단계는 분자 구조, 보다 구체적으로 미가공(crude) 오일 정제 과정에서 생성된 연료 베이스부터의 C-C 및 C-H 결합의 숫자 및 종류의 역할로서 조정 단계를 포함한다.
유리하게, 근적외선 분석 단계는 하나 이상의 온도 탐지기로부터 바이오-연료 온도 측정의 역할로서 상기 분석의 조정 단계를 포함한다.
바람직하게, 바이오-연료 조성물의 근적외선 분석은 상기 바이오 연료의 물리-화학적 성질 예측의 조정 과정을 수행하는 것을 가능하게 한다.
유리하게, 분광학적 근적외선 분석은 780 nm 내지 2,500 nm의 스펙트럼 영역, 바람직하게, 850 내지 980 nm의 실리콘 탐지 존(zone)에서 측정을 행하는 센서에 의해 수행된다.
본 발명의 다른 목적 및 장점은 첨부된 도면을 참조하면서 만들어진 하기 상세한 설명에서 나타날 것이다.
예시적인
실시예
본 발명은 전자적 또는 디지털 시스템에 의해 조절된 열 엔진 파라미터, 주입의 법칙 및 맵핑, 연소 및 후 처리를 최적화하기 위한 방법과 관련한다.
방법 중, 산화된 화합물 함량의 분석 및 인지 단계는 보다 구체적으로 연료-엔진 커플과 관련되는 바이오-연료의 물과 알코올 및/또는 에테르 종류의 구조 및 역할로 수행된다.
상기 분석은 충진 시스템, 탱크, 펌프, 연료 필터, 엔진 공급 회로 및 탱크로의 복귀 회로를 포함하는 엔진의 연료 회로에 위치된 하나 이상의 센서로부터 수행된다.
상기 방법은 상기 분석의 결과의 역할로서 파라미터, 법칙(laws) 또는 맵핑(mapping)을 선택 또는 수정하는 단계를 더 포함한다.
일실시예에 따르면, 바이오-연료의 관련 분석 단계는 그들의 최초 화학적 기, 보다 구체적으로 알코올 및/또는 물 및/또는 에테르 종류의 역할로서 탄소-산소 또는 탄소-수소 분자 결합 및 혼합물의 온도와 내부 분자의 상호관계의 역할로서 중량당 퍼센트 또는 부피당 퍼센트로의 그들의 상대적 양을 인지하기 위한 하나 이상의 서모커플(thermocouple) 유형의 온도 센서로부터 생산물의 온도를 측정하는 단계 및 연료를 구성하는 탄화수소의 분자 구조의 분광학적 분석 단계를 포함한다.
사실은, 제한된 범위의 온도에서 분광학적 분석 동안 바이오-연료의 온도를 가능한 안정화하는 것이 바람직할지라도, 필요한 경우, 분석의 결과를 수정하기 위해 그러한 온도를 체크하고, 이와 같이 측정하는 것이 필수적이다.
하나의 구체적인 실시예에 따라, 분광학적 분석은 연료의 근적외선 분석으로 이루어진다. 근적외선은 그것이 극히 민감한 방법이고, 근적외선 스펙트럼은 생산물 DNA로 여겨질 수 있기 때문에, 분자 구조의 분석을 위해 특히 매우 적절하다. 그러한 스펙트럼으로부터 추출된 분자 구조는 모터 조절을 위해 매우 풍부하다. 게다가 근적외선은 특히 반복 가능하다. 근적외선 유형의 분광학적 방법을 통한 예측이 여러 작용기와 R-OH(1차 알코올), C-O-C(에테르), H-O-H(물)기 사이의 최상의 모델과 연관 영역, 온도의 역할로서의 근적외선 스펙트럼을 결정하는 것을 가능하게 하는 충분하게 적절한 교정 데이터베이스의 사전 조직을 필요로 한다는 것은 널리 알려져 있다. 데이터베이스는 성분과 연관되거나 연관되지 않은 요소, 그들의 혼합물 중 퍼센트, 그들의 근적외선 스펙트럼, 측정 시간에서 샘플의 온도 및 혼합물 또는 순수 생산물의 물리적 화학적 데이터, 부피당 퍼센트, 중량당 퍼센트, 에너지, 엔탈피 또는 탄소, 수소 및 산소 원자 또는 C-H, C-O, O-H 결합의 원자 결합 수의 원자 결합 길이와 같은 다른 가능한 가중치(weighting)를 절대적 수치 또는 하나와 다른 것들과의 비율로 계산한 전부를 언급해야만 한다.
근적외선 스펙트럼으로 측정하고 온도를 안정화하거나 안정화하지 않은 실시예에서, 1차 알코올 종류, 물 및 ETBE와 MTBE 종류의 에스터의 통합과 관련한 산소 함량을 결정하는 것을 가능하게 하는 데이터베이스 준비의 프로토콜은 다음과 같다:
RON75 내지 RON105 범위의 엔진 옥탄 변화 및 25 내지 100 KPa 범위의 증기 압 및 시그마 또는 pi 유형의 C/H 비율 및 C-C 결합의 다양한 정도를 커버하는, 전체적 또는 프로토(proto)-원료부터의 산화되지 않는 연료 또는 C(i)(i는 1 내지 n까지 변화)로 언급되는 연료 베이스 약 20 흐름을 선택하는 단계.
Sc (i,t)로 언급된 그러한 생산물의 근적외선 스펙트럼의 흡광도 또는 강도는 -50℃ 내지 150℃에서 움직일 수 있는 온도 t의 범위에서 무작위로 선택함을 통한 명확한 순서로 측정된다.
이후, 무작위 선택이 수행되어 A(j)(j는 1 내지 m까지 변화)로 언급되는 알코올 혼합물, 바람직하게는 1 내지 4의 탄소 원자를 가지는 1차 알코올을 준비 및 순서를 명확히 한다. 혼합물은 혼합물 내 최소 5%의 비율, 바람직하게 20%를 가지는 1, 2, 3 또는 4 알코올을 사용할 수 있다. 베이스는 에탄올을 사용하는 여러 샘플을 선호한다. 다음으로, SA (j)로 언급된 알코올의 근적외선 스펙트럼이 이후 측정된다.
3번째 단계는 이후 무작위 선택으로 구성되고 수행되어 E(k)(k는 1 내지 p까지 변화)로 언급된 에테르 ETEB와 MTBE 혼합물의 준비 순서를 명확히 한다. 이후, SE (k)로 언급된 에테르의 근적외선 스펙트럼으로 측정된다.
이후, 4번째 단계에서 M(i,j,k)로 언급된 바이오-연료는 베이스 Ci와 알코올 AJ 및 에테르 E(k)의 특정 양으로부터 순서를 명확히 하기 위해 무작위 선택을 수행하여 제조된다. 알코올의 최종 양은 0 내지 100%(E0 내지 E100)의 범위 및 0% 내지 50%의 에테르 양을 커버하는 것을 가능하게 한다.
바이오-연료 M(i,j,k)의 스펙트럼은 무작위 선택을 수행함에 의해 측정되어 흡광도 또는 강도 SM (i,j,k,t)의 스펙트라를 수득하기 위해 정의된 전체 범위의 온도 상에서 샘플의 다양한 온도 t에 의한 순서를 명확히 한다.
4번째 단계에서, 무작위 선택이 수행되어 혼합물 중 알코올 함량의 역할 및 혼합되지 않은 현상을 막기 위해 정의된 범위에서 바이오-연료의 온도의 역할로서 다양한 퍼센트를 가지는 앞선 단계 동안 수행되는 MO(i,j,k,t)로 언급된 두 번째 수준의 바이오-연료 내로 물을 부가하는 순서를 명확히 한다. 최종 혼합물 내 물의 퍼센트는 0% 내지 10%로 다양할 수 있다. 이후 흡광도 또는 강도에서의 근적외선 스펙트라는 동일 범위의 온도 SMO (i,j,k,t) 변동에서 또한 측정된다.
모든 샘플은 3번 이상 제조되고 샘플의 근적외선 스펙트라는 3주 넘는 기간 동안 20번 측정된다. 생산물은 임의의 증발을 막기 위해 냉장고 또는 냉동고에서 보관된다. 생산물 C, A, M 및 MO의 물리적 화학적 분석 또한 3가지 다른 샘플에 대해 3번 측정된다.
도 1 내지 7에서 보이듯이, 상호관계 및 효과는 전체 스펙트럼에서 조합되고/되거나 겹쳐지고, 결과적으로 다른 것에서부터 독립적인 각각의 감안된 효과를 추출할 수 있을 필요가 있다. 그러므로, 보다 적절한 파장 영역은 그들의 교정의 역할로서 우선 순위 순서에 따라 수학적으로 결정되어야만 한다:
- 효과 없음, 강도의 변동 없는 값을 가지고 B-0로 언급되며, 지렛대 포인트 또는 포인트들 또는 기저 선으로 간주될 수 있는 파장 또는 파장들 또는 파장들의 최상 조합
- [온도], [알코올의 종류], [(H-O-H 결합)의 %], [(R-O-H 결합)의 %], [(C-O-C 결합)의 %]와 같은 하나 그리고 오직 하나의 효과
- [T°, (H-O-H 결합)의 %], [(H-O-H 결합)의 %], [(R-O-H 결합)의 %], [(R-O-H 결합)의 %, (C-O-C 결합)의 %], [(C-O-C 결합)의 %, 연료 베이스 종류], [연료 베이스 종류, T°]을 예로 들 수 있는 2 바이(by) 2 효과
- [(H-O-H 결합)의 %, (R-O-H 결합)의 %, 알코올 종류], [T°, 연료 베이스 종류, (C-O-C 결합)의 %]를 예로 들 수 있는 3 바이(by) 3 효과
이후, 데이터베이스의 구성 단계 동안, 데이터베이스의 크기 및 수행되는 측정 수를 감소시키고 첫 번째 및 두 번째 순서의 주요 상호 작용의 영향을 직접적으로 그리고 주로 측정하기 위해 실험적 디자인 및 디자인의 혼합물에 기초한 방법을 사용하는 것이 가능하다. 성분을 고려하는 것으로 구별하는 계승 분석의 복합-계수 방법 또한 사용될 수 있다. 주요 조언은 이론, 문서 관찰 및 실험에 의해 엄격히 입증된 것에 기초한 표준 알려진 모델을 적용하라는 것이다.
잘 정립된 데이터베이스로부터, 파장 및 온도 및 물 함량, 알코올 함량, 알코올 종류, 에스터 함량과 같은 파라미터의 역할로서 스펙트럼의 강도 및 흡광도 사이의 가장 중요한 연관성을 추출하는 것이 가능하다. 연관성 모델은 선형 또는 비-선형일 수 있다.
하나의 구체적인 실시예에서, 계산 방법은 [780-1100nm] 및 보다 정확하게 [850-980nm] 사이의 실리콘 탐지 영역 내에서 검색된 다양한 값을 결정하기 위해 설명된다.
첫 번째 단계에서, P_Ox로 언급된 혼합물 내 산화된 화합물의 총 함량이 측정된다. 생산물 온도의 역할로서 값의 수학적 보정을 적용하는 것이 가능하다. 산화된 화합물의 측정이 950 내지 980nm, 보다 정확하게 970nm 내지 962nm 주위에 집중된 또는 지렛대 포인트 B_0 값으로 따져진 가중된(weighted) 순조로운 역할(smoothing function)의 일부로 작용하는 [950-980nm]의 범위 내 파장의 최상으로 가능한 조합에서 스펙트럼성 강도 또는 최대 흡광도 값의 측정에 관해 수행된다.
두 번째 단계에서, P-H2O로 언급된 물 함량(H-O-H 결합)의 값이 900 내지 910nm, 보다 명확하게 약 905nm 값으로 집중된, 또는 지렛대 포인트 B_0의 값으로 따져진 생산물의 온도의 역할로서 값의 수학적 보정을 적용함에 의해 순조로운 역할의 일부로 작용하는 [900-910nm]의 범위에서 최상으로 가능한 파장의 조합에서 흡광도 값 신호 강도의 측정을 수행하는 동안 결정된다.
세 번째 단계에서, P-ETHER로 언급된 에테르 종류(C-O-C 결합)의 산화된 화합물 내 함량이 890 내지 910nm, 보다 명확하게 약 900nm 값으로 집중된 및/또는 910 내지 920nm, 보다 명확하게 915nm 값 주위로 집중되거나 지렛대 포인트 B_0의 값으로 따져진 생산물의 온도의 역할로서 값의 수학적 보정을 적용함에 의해 [890-910nm] 및 [910-920nm]의 범위 이내에서 파장의 순조로운 역할의 일부로 작용하는 최상으로 가능한 조합에서 신호의 강도 또는 흡광도 값의 측정을 수행함에 의해 결정된다.
3 단계의 순서는 중요하지 않고 이러한 단계는 임의의 순서로 수행될 수 있다.
온도를 각 하위 계산에서 고려하는 계산의 본 구체적인 모드에서, P_OL로 언급된 알코올의 퍼센트는 아래의 식을 사용하여 결정된다:
P_OL = rP_Ox - aP_H2O - bP_ETHER, (a, b, r)는 상수
- a와 b는 [950-980nm] 사이의 P_Ox 범위에서 상호 작용하는 H-O-H 및 C-O-C 결합의 수에 상대적인 흡광도 값 또는 스펙트라 강도 비율을 보정하기 위한 계수이다.
- r은 스펙트럼 [850nm - 980nm] 및 보다 구체적으로 [900-920nm] 사이의 범위, 보다 명확하게 약 910 nm 값으로 집중된 또는 지렛대(lever) 포인트 B_0 값에 대하여 [900-920nm] 범위에서 파장의 최상으로 가능한 조합의 역할로서 방향족, 이소-파라핀, 파라핀, 올레핀성, 나프탈렌성 종류의 결합 수를 사용하여 가솔린 베이스의 분자 구조에 대한 혼합물 내 산소 함량의 보정 계수이다.
고려된 각각의 영역 중 하나에서 다양한 소위 순조로운 역할은 FERMI, DARLING DENNISON 공명 또는 코리올리(CORIOLIS) 상호 작용으로부터 야기한 이동 효과를 최소화하는 것을 가능하게 한다.
동일한 그룹 또는 비율로 조합된 파장의 조합을 사용하거나 하나 또는 여러 선형 또는 비선형, 확률적, 위상적 또는 뉴런성 네트워크 방법을 사용하는 임의의 다른 계산 모드가 고려될 수 있다. 온도 계수의 보정은 온도의 역할로서 P_OL을 설명함에 의해 P_OL의 최종 계산에서 또한 사용될 수 있다. 이러한 계산 방법은 변수(PLS, PCR)의 수정 또는 제한된 개발 또는 Log, Log10, 사인, 코사인 또는 탄젠트 또는 연관된 arc 측정과 같은 삼각법 기초를 사용한 다양한 법칙 또는 공식의 파생물을 사용한 수학적 역할을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예로서 상기에서 설명된다. 당업계의 기술자가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 발명의 실시예에 대한 다양한 대안의 해결책을 제공할 수 있을 것이라는 것은 잘 이해된다.
Claims (8)
- 바이오-연료에 포함된 물 및 알코올과 에테르 종류 중 하나 이상의 다른 산화된 화합물의 비율을 결정하기 위해 알코올, 에테르 및 물 중 하나 이상의 혼합물을 포함하는 바이오-연료의 근적외선 분광 분석을 수행하는 단계; 및
열 엔진(thermal engine)의 작동을 최적화하기 위해 상기 단계의 분석 및 결정 결과를 기초로 맵핑(mapping)을 선택 및 수정 중 하나 이상 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
전자적 하우징(electronic housing) 및 하나 이상의 엔진 맵핑에 의해 조절된 연소 파라미터를 가지는 열 엔진의 작동을 최적화하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
연료의 소비를 최적화하고 엔진의 ISO 성능에서 배출되는 가스의 배출을 제한하거나, ISO 소비 및 배출에서 엔진의 성능을 증가시키기 위해 맵핑이 선택 및 수정 중 하나 이상 되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
바이오-연료의 근적외선 분석 단계는 바이오-연료에 존재하는 산소 원자의 결합과 연관된 특징적인 결합 및 보다 구체적으로 1차 알코올에 존재하는 R-O-H 결합, 에스터에 존재하는 C-O-C 결합 및 물 분자에 존재하는 H-O-H 결합 중 하나 이상의 복합 겹침(multiple overlapping)의 역할로서 조정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
근적외선 분석 단계는 하모닉스(harmonics)의 영역 또는 커플링 또는 상호 작용 공명의 인위 구조로부터 야기한 조합상에서 상호 작용의 역할로서 조정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
근적외선 분석 단계는 분자 구조 및 보다 구체적으로 미가공 오일 정제 과정에서 생성된 연료 베이스부터의 C-C 및 C-H 결합의 숫자 및 종류의 역할로서 조정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
근적외선 분석 단계는 하나 이상의 온도 탐지기로부터 바이오-연료 온도 측정의 역할로서 상기 분석의 조정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
바이오-연료 조성물의 근적외선 분석은 상기 바이오 연료의 물리-화학적 성질 예측의 조정 단계를 수행하는 것을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
근적외선 분광 분석은 780 nm 내지 2,500 nm의 스펙트럼 영역, 바람직하게, 850 내지 980 nm의 실리콘 탐지 존(zone)에서 측정을 행하는 센서에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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