KR20130086283A - 알콜 함유 1차 연료로 압축 점화 엔진을 작동하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

알콜 함유 1차 연료로 압축 점화 엔진을 작동하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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크리스토프 두위그
팔 엘. 가브리엘손
스벤드-에릭 미켈센
톤 브이. 더블유. 얀센스
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할도르 토프쉐 에이/에스
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Abstract

알콜 함유 1차 연료의 보드 상 전환에 의해 얻어진 에테르 함유 연료로 압축 점화 엔진의 작동 방법 및 그 방법에서 사용하기 위한 시스템.

Description

알콜 함유 1차 연료로 압축 점화 엔진을 작동하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR OPERATING A COMPRESSION IGNITION ENGINE ON ALCOHOL CONTAINING PRIMARY FUELS}
본 발명은 압축 점화 엔진의 작동 방법 및 특히 보드 상에서 제조되는 에테르 함유 연료로 이들 엔진의 작동에 관련된다.
더욱이 본 발명은 본 발명의 방법을 수행하기에 유용한 시스템을 제공한다.
압축 점화 엔진의 가장 전형적인 예는 높은 세탄가 디젤 연료로 작동하는 디젤 엔진이다. 디젤 연료의 연소로부터 유발되는 환경 오염을 감소시키기 위해서, 과거에 여러 번의 시도가 디젤 연료를 환경에서의 영향을 감소시키는 대안 연료로 교체하기 위해 행해졌다.
에테르, 특히 디메틸 및 디에틸에테르와 같은 저급 알콜의 탈수에 의해 제조되는 에테르는 환경에서의 영향에 관하여 우수한 디젤 연료인 것으로 나타났다.
디젤 연료로서 저급 에테르의 사용은 수많은 공보, 예를 들어 미국 특허 제4,892,561호, 제5,906,664호 및 제7,449,034호에서 기술되었다.
디젤 엔진에서 청정 연소 특징 및 높은 효율에도 불구하고, 에테르 기반 연료의 주요 약점은 차량의 보드 상에서 저장 및 취급이 어렵다는 것이다. 대기 조건에서, 디메틸 에테르는 가스상 형태이다. 디메틸 에테르 연료를 그것의 더 편리한 액체 형태로 변환시키기 위해서, 연료는 압력하에서 저장되고 취급되어야한다.
에탄올은 압축 점화 엔진에 적용될 때 좋지 못한 연료인 것이 문헌으로부터 알려져있다. 그러나, 에탄올/디에틸에테르(DEE) 혼합물은 이 제한을 극복하고, 효율적이며 매우 청정한 디젤 엔진 작동을 위한 길을 연다고 보고되었다. 그러나, 취급되는 실제 문제가 있다. DEE는 현재 어떤 분포 네트워크에서도 이용가능하지 않고, 가압된 연료 탱크의 사용을 포함하는 비교적 엄중한 안전 제한을 갖는다. 그것과 함께 차량의 보드 상에서 전환을 갖는 에탄올 또는 에탄올 함유 연료의 사용을 권한다.
DEE의 제조는 적합한 촉매 위에서 에탄올의 탈수에 의해 수행될 수 있다. 보드 상에서 이러한 시스템을 포함하는 것은, 에탄올 함유 연료를 증발하고, 전환을 수행하고, 생성물을 응축하고, 엔진에 주입하기 전에 혼합물을 또한 압축(600-2400 bar 이하)하는 것을 의미한다. 추가로, 공급 원료는 전환을 시작하기에 앞서 예열되어야 한다. 예열은 고온 배기가스와의 열 교환에 의해 또는 전기 히터에 의해 수행된다. 이와 같이, 어떤 여분의 가열 시스템이 약 200℃에서의 촉매 전환을 허용하기 위해 필요하며 시스템 효율에 대해서는 부정적 효과가 있다.
불안정한 작동은 또한 필요 장치의 복잡성을 부가하고, 제조의 추가 비용 및 차량의 추가 무게를 이끈다.
본 발명자들은 1차 알콜 연료의 에테르 함유 엔진 연료로의 전환을 위해 알려진 방법 및 시스템이 자열 방법으로, 바람직하게는 액체상에서 에테르로의 알콜 전환을 수행할 때 개선될 수 있다는 것을 발견하였다.
따라서, 본 발명의 일반적인 구체예는 알콜 함유 1차 연료의 보드 상 전환에 의해 얻어진 에테르 함유 연료로 압축 점화 엔진을 작동하는 방법이고,
(a) 연료 탱크로부터 알콜 함유 1차 연료를 회수하고, 1차 연료를 최종 엔진 주입 압력으로 가압하는 단계;
(b) 가압된 1차 연료를 촉매 탈수 반응기로 도입하는 단계;
(c) 반응기에서 알콜 탈수 촉매와의 접촉에 의해 가압된 1차 연료를 에테르 함유 연료로 촉매적으로 탈수하는 단계; 및
(d) 에테르 함유 연료를 반응기로부터 회수하고, 에테르 함유 연료를 엔진에 주입하는 단계를 포함하고,
여기서 가압된 1차 연료는 에테르 함유 연료와의 간접 열 교환에 의해 촉매 탈수에 앞서 반응기 내에서 반응 온도로 가열되고, 이로써 에테르 함유 연료를 반응기로부터 회수되기에 앞서 냉각한다.
본 발명에 따른 방법의 추가 구체예는 청구항 2 내지 9에서 및 하기 설명에서 기술된다.
더욱이 본 발명은 에테르 함유 연료로 압축 점화 엔진을 작동하는데 사용하기 위한 시스템을 제공하고,
압축 점화 엔진;
1차 알콜 함유 연료를 저장하도록 개조된 연료 탱크;
1차 연료를 가압하는 고압 펌프;
가압된 1차 연료를 간접적으로 가열하고 에테르 함유 연료를 냉각하도록 개조된 열 교환기 및 가열된 가압된 1차 연료의 에테르 함유 연료로의 전환을 위한 알콜 탈수 촉매가 있는 하류 촉매 베드를 공통의 압력 쉘 내에 포함하는, 가압된 1차 연료를 받도록 개조된 적어도 하나의 탈수 반응기; 및
에테르 함유 연료의 엔진으로의 주입을 위해 탈수 반응기의 출구를 하나 이상의 연료 주입기와 연결하는 적어도 하나의 연결 파이프를 포함한다.
본 발명에 따른 시스템의 추가 구체예는 청구항 10 내지 16에서 및 하기 설명에서 기술된다.
본 발명 방법의 작동 조건은 전형적으로 150℃ 내지 350℃의 촉매 입구 온도 및 80 내지 2400 bars의 주입 압력으로 조정될 것이다. 따라서, 알콜의 에테르, 물 및 알콜의 혼합물로의 전환은 탈수 촉매의 존재하에 적당한 반응 속도에서 액체상에서 단열 방법으로 진행한다.
본 발명에 따라서, 필요한 열은 1차 알콜 함유 연료의 에테르 함유 연료로의 발열 탈수 반응으로부터 회복된다. 1차 알콜 함유 연료는, 액체상에서 연료를 입구 온도에서 탈수 촉매로 유지하고, 형성된 에테르 함유 연료의 필요한 엔진 주입 압력을 제공하기 위해 고압 펌프에서 주입 압력으로 가압된다.
표준 열 교환기(즉, 상당히 가벼운 장치)는 연료 루프에서의 고압을 견딜 수 없다. 그러나, 열 교환기를 촉매 탈수 반응기의 내부에 통합시킴으로써, 이 제한은 극복된다. 1차 연료 및 촉매로부터의 유출물 사이의 차압, 즉 에테르 함유 연료는, 예를 들어 본 발명에서 사용하기에 바람직한 열 교환기인, 가벼운 소형의 효율적인 플레이트 열 교환기의 표준 범위에 놓인 최대 몇 bar이다.
본 발명에 따른 방법 및 시스템의 이점은, 모든 형성된 에테르 연료가 엔진에서의 연소를 위해 즉시 사용되고, 잉여 에테르 함유 연료의 저장이 회피된다는 것이다.
본 발명에 따른 방법 및 시스템의 추가 이점은, 1차 연료의 에테르 함유 연료로의 전환이 액체상에서 수행될 수 있고, 1차 연료를 증발하고, 이 경우에 에테르 함유 연료 생성물을 응축할 필요가 없다는 것이다. 복열(heat recuperation)은 자열 작동을 할 수 있다. 시동을 제외하고, 1차 연료를 예열할 필요가 없다.
엔진의 시동 동안, 탈수된 알콜 함유 1차 연료에 함유된 열은 알콜 함유 1차 연료를 예열하는데 필요한 온도를 공급하기에 불충분한 온도에 있을 수 있다.
그 조건에서는, 예를 들어 반응기 또는 반응기 입구의 상류의 엔진 히터 내에 장착된 전기 히터에 의해, 가압된 연료를 추가로 가열하는 상기 작동 방법에서의 추가 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
따라서 본 발명의 구체예에서, 가압된 액체 1차 연료는, 탈수 촉매로의 도입에 앞서, 시동-히터를 통한 통과에 의해 주기적으로 예열된다.
에테르 함유 연료의 형성은 하기 반응에 따라서 알콜의 그것의 대응하는 에테르로의 촉매 탈수에 의해 달성된다:
2CnH(2n+1)OH ↔ CnH(2n+1)-O-CnH(2n+1) + H2O
본 발명에서 사용하기에 적합한 탈수 촉매는 모든 고체산, 예를 들어 알루미나, 실리카 알루미나, 제올라이트, 텅스텐산화된 산화물, 황산화된 산화물, 알루미나 포스페이트, 술폰산 관능 기를 함유하는 재료, 예를 들어 술폰화된 폴리스티렌, 술폰화된 플루오로카본 중합체, 술폰산 관능화된 산화물 재료(알루미나, SBA-15, 실리카) 및 그것의 혼합물을 포함한다.
알콜 탈수 촉매는 바람직하게는, 가압된 1차 연료가 반응기의 입구로부터 열 교환기 및 이어서 촉매 베드를 통해 통과되도록, 반응기에서 고정된 베드 방법으로 배열된다.
본 발명의 한 구체예에서, 고정된 촉매 베드는 반응기의 외부 벽 및 촉매 베드 내에 중심에 배열된 동심 공간 사이에 배열된다.
추가 구체예에서, 촉매 베드는 반응기의 내부 벽과 동심으로 배열되고, 반응기의 내부 벽과 간격져 떨어진다.
알콜 탈수는 평형 반응이다. 따라서, 평형 제한은 알콜의 에테르 및 물로의 100% 전환을 방지한다.
예를 들어, 95 w%의 에탄올 및 5 w%의 물로 구성되는 1차 에탄올 연료를 위한 반응 온도에서, 150 내지 350℃의 탈수 온도에서의 액체상 평형 조성은 전형적으로 9-21 w%의 에탄올, 19-22 w%의 H2O 및 59-71 w%의 디에틸에테르이다.
유용한 점화 및 연소 특징이 있는 압축 점화 엔진에서 사용하기 위한 에테르 연료는, 예를 들어 디에틸에테르/에탄올/물 혼합물 및 20% 이하의 메탄올 함량 및 20% 이하의 물 함량을 갖는 디메틸 에테르/메탄올/물 혼합물이다.
미국 특허 제7,449,034호에서, 디메틸 에테르, 메탄올 및 48% 이하의 물을 함유하는 디젤 연료는 압축 점화 엔진에서 효율적인 연료인 것으로 나타났다.
메탄올 및 에탄올 이외에 또한 고급 알콜들의 혼합물은 본 발명에서 사용하기에 적합한 1차 연료이다.
다른 적합한 알콜 함유 1차 연료는 퐁가미아 오일 및 에탄올(60-40 vol%) 같은 바이오디젤 및 알콜과 같은 한가지 이상의 알콜과 탄화수소의 혼합물인데, 이것은 약 15-20 vol%의 DEE를 함유하는 바이오-디젤/DEE/물의 혼합물로 촉매적으로 전환될 것이다.
본 발명에서 사용하기에 더 적합한 1차 연료는 가솔린 및 알콜의 혼합물, 예를 들어 스웨덴 주유소에서 구매가능한 85%의 에탄올을 함유하는 가솔린이다.
알콜 함유 연료가 구입가능하지 않고, 엔진이, 예를 들어 종래의 디젤 연료로 가동되어야 할 때 시스템이 사용되도록 허용하기 위해서, 반응기는 고압 펌프 또는 커먼 레일로부터의 공급물 파이프 및 연료 주입기 파이프를 연결하는 바이패스 파이프에 장착된 바이패스 밸브에 의해 바이패스될 수 있다. 제어 밸브의 개방된 위치에서, 1차 연료, 예를 들어 디젤은 바이패스 파이프를 통해 엔진으로 직접적으로 통과될 수 있다.
본 발명의 상기 특징 및 양태를 도면으로 참고하여 하기 설명에서 더 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 방법 및 시스템에서 사용하기 위한 반응기의 단면도를 개략적으로 나타낸다.
촉매 탈수 반응기 시스템은 모든 실린더에 공통된 단일 반응기, 또는 보드 상에 이용할 수 있는 자유 부피에 따른 실린더당 하나인 반응기들의 집합으로 구성될 수 있다.
커먼-레일(나타내지 않음)은 고압 펌프 및 촉매 탈수 반응기 사이에 배열될 수 있다.
반응기를 작동할 때, 저온 알콜 함유 1차 연료는 고압 펌프(나타내지 않음)로부터 100 내지 2000 bar, 바람직하게는 200 내지 400 bar의 압력에서 반응기로 통과된다. 이들 압력에서, 알콜 함유 1차 연료 및 형성된 에테르 함유 연료 둘 다는 액체 또는 초임계이다. 알콜 함유 1차 연료는 반응기로 도입되고, 반응기의 압력 쉘 내에 배열된 열-교환기를 통해 통과된다. 저온 알콜 함유 1차 연료는 반응기의 입구부에서 열 교환기의 후속 촉매 베드로부터 에테르 함유 연료와의 간접 열 교환에 의해 탈수 반응 온도로 가열된다. 예를 들어, 50 bars에서의 작동으로, 알콜 함유 연료는 20℃에서 열 교환기에 들어가고, 220℃ 이하로 가열될 수 있다.
열-교환기 후 알콜 함유 1차 연료의 온도가 너무 낮은 경우, 반응기의 축 주위의 축 공간 내에 열 교환기 아래에 배열된 전기 히터는 유체를 충분한 온도로 예열한다. 예열된 알콜 함유 1차 연료는 축 공간을 통해 촉매 베드의 입구로 통과한다. 나타낸 구체예에서, 촉매 베드는 반응기의 외부 벽 및 축 공간 사이에 배열된다.
탈수 촉매를 포함하는 촉매 베드를 통한 통과에 의해, 1차 연료에서의 알콜은 에테르 및 물로 부분적으로 탈수된다. 전환율은 촉매 베드로의 알콜 함유 1차 연료의 입구 온도에 의해 제어된다. 탈수 반응은 발열이다. 1차 연료가 220℃에서 베드에 들어가는 95% 에탄올 및 5% 물로 구성된다면, 탈수 생성물은 에탄올의 디에틸에테르 및 물로의 80% 전환에서 약 240℃로 촉매를 나온다.
촉매 베드로부터의 결과된 유출물은 들어오는 알콜 함유 1차 연료와의 간접 열 교환하여 열-교환기를 통해 통과하는 고온 에테르 함유 연료를 함유한다. 이로써 에테르 함유 연료는 저온 알콜 함유 1차 연료를 예열하는 동안 냉각된다. 에테르 함유 연료는 240℃ 이상으로부터 약 40℃로 냉각되는데, 이것은 1차 연료측에서 200℃의 예열(먼저 언급된 20℃로부터 220℃로)에 해당한다.
유체 및 유출물 사이의 압력 차이는 촉매 베드 및 예열기 위에서의 압력 강하에 해당한다. 이와 같이 이것은 간단한 표준 열-교환기를 사용하는 것을 허용하도록 충분히 낮다.
연속적인 작동 동안, 발열 탈수 반응으로 인해 고온 에테르 함유 연료가 촉매 베드를 떠난다. 상기 예시된 바와 같이, 연료는 전형적으로, 반응기 입구에서의 알콜 함유 1차 연료보다 10-20℃(1차 연료의 알콜 함량 및 베드 위에서의 전환에 따름) 높다. 온도 차이는 알콜 함유 1차 연료를 탈수를 위해 적당히 예열하기에 충분하다. 이로써 고온 에테르 함유 연료는 냉각되고 엔진(나타내지 않음)의 주입기로 통과된다.
밸브를 구비한 커먼-레일 또는 고압 펌프 사이의 바이패스 파이프는 연료가 탈수 반응기를 바이패스하도록 허용한다. 엔진이 에테르 함유 연료 대신에 종래의 디젤 연료로 작동되는 경우, 바이패스 밸브는 개방되고, 연료 주입은 커먼-레일 또는 고압 펌프로부터 직접적으로 진행하여 전통적인 엔진 작동을 허용할 것이다.
게다가, 바이패스 밸브는 알콜 함유 1차 연료의 일부만이 반응기를 통해 통과하도록 작동될 수 있다. 이것은 에테르 함유 연료를 알콜 함유 1차 연료로 희석하는 선택을 부여하고, 이와 같이 최종 연료의 조성이 엔진 체계로 맞춰진다.
밸브 작동은, 예를 들어 주입을 처음에 에테르 함유 연료의 엔진 실린더로 보장하고, 연소가 실린더에서 시작하면, 알콜 함유 1차 연료 주입으로 전환할 수 있다.
상기 설명 및 도면은 순수히 개략적이고 축척이 아니며, 주입 시스템에서의 종래적인 부분 및 수단은 당업자에게 명백할 것이며, 도면에서 나타내지 않았다.

Claims (16)

  1. 알콜 함유 1차 연료의 보드 상 전환에 의해 얻어진 에테르 함유 연료로 압축 점화 엔진을 작동하는 방법으로서,
    (a) 연료 탱크로부터 알콜 함유 1차 연료를 회수하고, 1차 연료를 최종 엔진 주입 압력으로 가압하는 단계,
    (b) 가압된 1차 연료를 촉매 탈수 반응기로 도입하는 단계,
    (c) 반응기에서 알콜 탈수 촉매와의 접촉에 의해 가압된 1차 연료를 에테르 함유 연료로 촉매적으로 탈수하는 단계, 및
    (d) 에테르 함유 연료를 반응기로부터 회수하고, 에테르 함유 연료를 엔진에 주입하는 단계를 포함하고,
    여기서 가압된 1차 연료는 에테르 함유 연료와의 간접 열 교환에 의해 촉매 탈수에 앞서 반응기 내에서 반응 온도로 가열되고, 이로써 에테르 함유 연료를 반응기로부터 회수되기에 앞서 냉각하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 탈수 촉매는 탈수 반응기 내에 고정된 베드로서 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 간접 열 교환은 플레이트 열-교환기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 알콜 함유 1차 연료는 다른 알콜들의 혼합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 알콜 함유 1차 연료는 메탄올 및/또는 에탄올을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 알콜 함유 1차 연료는 탄화수소 및 한가지 이상의 알콜의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 가압된 1차 연료의 부분을 촉매 탈수로 바이패스하는 추가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 가압된 알콜 함유 연료는 액체상인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 열 간접 열 교환에 후속하고, 그리고 촉매 탈수에 앞서, 가압된 1차 연료를 추가로 가열하는 추가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 에테르 함유 연료로 압축 점화 엔진을 작동하는데 사용하기 위한 시스템으로서,
    압축 점화 엔진,
    1차 알콜 함유 연료를 저장하도록 개조된 연료 탱크,
    1차 연료를 가압하는 고압 펌프,
    가압된 1차 연료를 간접적으로 가열하고 에테르 함유 연료를 냉각하도록 개조된 열 교환기 및 가열된 가압된 1차 연료의 에테르 함유 연료로의 전환을 위한 알콜 탈수 촉매가 있는 하류 촉매 베드를 공통의 압력 쉘 내에 포함하는, 가압된 1차 연료를 받도록 개조된 적어도 하나의 탈수 반응기; 및
    에테르 함유 연료의 엔진으로의 주입을 위해 탈수 반응기의 출구를 하나 이상의 연료 주입기와 연결하는 적어도 하나의 연결 파이프를 포함하는 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 촉매 베드는 반응기의 외부 벽 및 촉매 베드 내에 중심으로 배열된 동심 공간 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 반응기는 열 교환기의 아래에 배열된 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 열 교환기는 플레이트 열 교환기인 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 고압 펌프 및 탈수 반응기의 입구 사이에 커먼 레일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 고압 펌프 및 적어도 하나의 연결 파이프 사이에 밸브-제어된 바이패스 파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서, 커먼 레일 및 적어도 하나의 연결 파이프 사이에 밸브-제어된 바이패스 파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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