KR20140000184A - 깨끗한 고효율의 환경 친화적인 가솔린 제품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 C6-C11의 주요 분획이 낮은 옥탄가 및 비교적 낮은 자가-발화점을 갖는 깨끗한 고효율의 환경 친화적인 가솔린 제품에 관한 것이고, 이것은 내연 기관의 압축비가 16-19일 때 압축 연소될 수 있다. 소량의 에탄올 또는 디메틸 에테트가 가솔린 제품에 첨가될 수 있다.

Description

깨끗한 고효율의 환경 친화적인 가솔린 제품{CLEAR, HIGH EFFICIENT AND ENVIRONMENTALLY FRIENDLY GASOLINE PRODUCT}
본 발명은 정유 및 석유화학 엔지니어링의 분야에 속하며, 새로운 유형의 내연 기관용 연료유 (정제유) 제품에 관한 것이다.
1. 디젤 엔진과 가솔린 엔진의 비교
가솔린은 비교적 높은 자연 발화 온도를 갖는다. 가솔린 엔진은 일반적으로 불꽃 점화에 의해 작동하며, 보통 불꽃-점화 엔진으로 불린다. 디젤 연료는 비교적 낮은 자연 발화 온도를 갖는다. 디젤 엔진에서, 디젤 연료는 일반적으로 연료 분사 펌프 및 연료 노즐을 통해 직접 엔진 실린더내로 분사되며, 거기에서 압축 공기와 혼합된다. 혼합물은 고온 및 고압하에 자연 발화되어, 피스톤 작업을 구동시킨다. 디젤 엔진은 보통 압축-점화 엔진으로 불린다.
일반적으로 디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 30% 초과의 열효율, 45% 미만의 온실가스 방출, 및 CO 및 탄화수소의 낮은 방출은 갖는다. 따라서, 에너지를 절약하고 연료비를 낮추기 위해, 디젤 엔진의 이용을 장려하는 것이 중요하다.
디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 높은 열변환 효율을 갖는데, 이는 주로 디젤 엔진이 보다 큰 압축비(compression ratio)를 갖기 때문이다. 이론적으로, 압축비가 클수록 엔진의 효율도 높아진다. 가솔린 엔진에 대한 압축비는 일반적으로 7-11인 반면, 디젤 엔진에 대한 압축비는 일반적으로 14-22이다.
최근 몇 년 동안, 디젤 엔진은 터보차징, 인터쿨러, 직분사, 배기 가스의 촉매(catalytic) 전환 및 집진 등과 같은 일부 선진 기술에 이미 채용되어 왔다. 디젤 엔진을 이용한 자동차 배출량은 유로 III, 유로 IV 및 심지어 유로 V 배출 기준을 충족하였다.
디젤 엔진의 압축비는 엔진 재료의 기계적 강도에 의해 제한되는 한편, 가솔린 엔진의 압축비는 가솔린의 앤티노크(Antiknock) 특성에 의해 제한된다. 과도한 압축비를 갖는 경우, 공기-연료 혼합물의 연소 동안 폭굉(detonation) 현상이 나타날 것이다.
시판되는 정식 가솔린 유형은 무연 가솔린 90#, 93#, 95#, 97# 및 98#을 포함한다.
2. 표 1은 인터넷에서 얻은 탄화수소 화합물 일부의 옥탄값을 도시한다.
표 1: 탄화수소 구조와 옥탄가의 관계
Figure pct00001
3. 방향족 탄화수소 및 옥탄값
정식 가솔린은 일반적으로 높은 옥탄값을 갖고 중요한 화학 물질로서 이용되는 크실렌, 에틸벤젠, 톨루엔, 메틸-에틸 벤젠 또는 그 밖의 벤젠 유도체를 포함한다. 추출된 후에, 가솔린의 옥탄값은 급격히 감소할 것이며 시판되는 가솔린 품질의 요건을 충족시킬 수 없다. 이는 화학 제품과 가솔린 제품 간의 재료에 대한 충돌을 일으킨다.
방향족 탄화수소는 일반적으로 중간 독성을 갖는다. 방향족 탄화수소를 함유하지 않는 연료의 개념이 최근 세계적으로 제안되고 있다.
4. 앤티노크 첨가제
가솔린의 옥탄값을 개선시키기 위해, 가솔린 공급자는 때때로 가솔린 앤티노크 첨가제를 첨가한다. 정식 가솔린 앤티노크 첨가제는 알킬납, 메틸 시클로펜타디에닐 망간 트리카르보닐(MMT), 메틸 3차-부틸 에테르(MTBE), 3차-아밀 메틸 에테르, 3차-부틸 알코올 및 에탄올 등을 주로 포함한다.
MMT 및 MTBE의 이용은 종종 환경으로의 이차 오염을 야기한다. MTBE는 미국의 일부 주에서 법령으로 금지되어 있다.
저급 탄소 알코올, 예컨대 에탄올, 프로판올 및 3차-부틸 알코올, 또는 이들의 혼합물은 가솔린 첨가제로서 사용될 때 MTBE와 유사한 기능을 지닌다. 더욱이, 이들은 MTBE에 비해 비용에 있어서 유리하므로, 시장에서 가솔린 결합제로서 높은 잠재력을 갖는다. 10% 프로필 알코올을 가솔린에 첨가하는 것은 배합된 가솔린을 업그레이드시킬 수 있어서 (즉, 가솔린 옥탄값의 증가) 현저한 경제적 이익을 가져온다.
다-분지형 알칸은 이의 이성질체 선형-사슬 알칸보다 높은 옥탄값을 갖고, 정식 가솔린의 성분으로서 이용될 때 실린더에서 양호한 가연성을 갖고, 즉 적은 노킹 효과(knocking effect)을 갖는다. 선형-사슬 알칸이 낮은 옥탄값을 지니므로, 이들은 정유 산업에서 선형-사슬 알칸을 가능한 한 많이 고도 분지형 알칸으로 전환시키는 접촉 개질법(catalytic reforming process)을 통해 방향족으로 전환된다.
5. 가솔린, 디젤 및 케로센
일반적으로, 오일에 함유된 5-18개의 탄소 사슬 길이를 갖는 탄화수소 화합물은 실온에서 액체이다. 예를 들어, C5H12 내지 C18H38의 탄화수소는 실온에서 모두 액체이다. 그러나, 19개(C19) 초과의 탄소 사슬 길이를 갖는 탄화수소는 실온에서 고체이다.
가솔린은 일반적으로 5-11개의 탄소 사슬 길이를 갖는 탄화수소이고; 케로센은 일반적으로 12-14개 또는 12-15개의 탄소 사슬 길이를 갖는 탄화수소이며; 디젤은 일반적으로 15-18개 또는 14-18개의 탄소 사슬 길이를 갖는 탄화수소이다. 시장 요구에 따라, 가솔린, 디젤 및 케로센의 실제 분획은 양 방향으로 2개 탄소 원자까지 적절하게 확장될 수 있다.
상기 언급된 다양한 물질의 전부가 원유로부터 비롯되는 것은 아니며, 이의 소부분은 석탄 또는 식물성유로부터 얻을 수 있다. 가솔린, 디젤 및 케로센 간의 주요 차이는 탄소 사슬 길이에 있다.
6. 본 발명의 진보성
종래 가솔린에 대한 주요 연구 작업은 엔진의 압축비를 증가시키고 엔진 효율을 개선시킬 필요를 충족시키기 위해 가솔린의 옥탄값 및 이의 자연 발화 온도를 어떻게 개선시킬 지에 집중되었다. 대신, 가솔린의 옥탄값 및 이의 자연 발화 온도를 저하시킴에 의해, 가솔린은 압축 점화될 수 있다. 이러한 경우, 낮은 옥탄값을 갖는 이러한 유형의 가솔린을 이용하는 엔진의 압축비는 현저하게 개선될 수 있으므로, 엔진의 열변환 효율이 상당히 증가할 수 있다.
발명의 개요
본 발명은 새로운 유형의 깨끗한 고효율의 환경 친화적인 가솔린 제품을 제공한다. 이것은 마치 가솔린 제품이 50 미만의 옥탄값을 갖는 낮은 값 가솔린인 것처럼 보인다. 그러나, 이것은 상식적인 정식 오일이 아닌 실질적으로 새로운 유형의 내연 기관용 연료유이다. 이의 특징들 중 하나는 낮은 옥탄값을 갖는 이러한 새로운 가솔린 제품이 압축 점화에 이용될 수 있다는 것이다. 이러한 압축 점화는 스파크 플러그에 의해 점화될 때만 가솔린이 가솔린 엔진에서 순조롭게 연소될 수 있는 현행 조건과 상이하고, 예혼합 압축 점화(Homogeneous Charge Compression Ignition)(HCCI)의 연소 제어 방법과도 상이한 확산 압축 점화의 유형이다. 즉, 이러한 신규한 유형의 가솔린 제품을 이용하는 내연 기관은 현행 디젤 엔진에 필요한 스파크 플러그와 같은 전자 점화 시스템 없이도 높은 압축비 및 높은 공기-연료비의 기술을 채용할 수 있다. 가솔린 제품의 또 다른 특징은 이러한 새로운 가솔린 제품이 압축 점화에 있어서 디젤 제품과 상이한 현행 가솔린과 동일하거나 유사한 분획을 갖는다는 것이다. 디젤 제품이 압축 점화될 수 있고 디젤 엔진에 전자 점화 시스템이 제공된다고 해도, 디젤의 분획들은 약 C14-C18이다. 그러나, 본 발명의 새로운 가솔린 제품은 정식 가솔린과 유사한 약 C6-C11의 분획을 갖는다.
본 발명에 따른 낮은 옥탄값을 갖는 새로운 가솔린 제품은 주로 C6-C12의 오일 정류된 탄화수소 화합물, 및 소량의 탄소, 수소 및 산소의 화합물 및 탄소, 수소, 산소 및 질소의 화합물로 구성된다. 표 1에 도시된 대로, 선형-사슬 알칸은 낮은 옥탄값을 갖고 낮은 옥탄값을 갖는 가솔린에 바람직한 성분인 한편, 고도 분지형 알칸 (이성질체화 알칸) 및 방향족은 높은 옥탄값을 지니므로, 낮은 옥탄값을 갖는 가솔린에서 최대 한도로 제거되어야 한다.
추가의 발전으로서, 본 발명에 따른 낮은 옥탄값을 갖는 새로운 가솔린 제품은 이의 혼합물이 두 가지 선행조건, 즉 "압축 점화에 이용될 수 있고" "엔진 실린더내에서 충분히 연소될 수 있는" 두 가지 선행조건을 충족시킬 수 있는 한, 6-11개의 탄소 사슬 길이를 갖는 탄화수소 화합물에 기반하여 C5-C18까지 확장될 수 있다.
반면, 본 발명에 따른 새로운 가솔린 제품은 낮은 옥탄값 및 낮은 앤티노크 특성을 가지므로, 이것은 정식 가솔린 엔진에 직접 이용될 수 없다.
낮은 옥탄값을 갖는 새로운 가솔린 제품은 깨끗함, 효율 및 환경 친화성에 있어서 유리하다. 특히 아래와 같이 유리하다:
(1) 고효율: 낮은 옥탄값을 갖는 가솔린이 압축 점화에 이용될 수 있으므로, 이러한 가솔린을 이용하는 내연 기관은 높은 압축비 및 높은 공기-연료비를 채용할 수 있고, 이의 압축비는 14-22 이하일 수 있다. 따라서, 새로운 가솔린 제품을 이용하는 내연 기관의 열효율은 정식 가솔린 엔진의 열효율보다 높으므로, 우수한 연료 절약을 갖는다.
(2) 깨끗함: 낮은 옥탄값을 갖는 새로운 가솔린 제품이 50, 40, 30 또는 심지어 음의 값과 같은 낮은 옥탄값을 가지므로, 높은 옥탄값을 갖는 크실렌, 에틸벤젠, 톨루엔, 메틸-에틸 벤젠 및 그 밖의 벤젠 유도체와 같은 방향족의 함량이 매우 낮거나, 심지어 제로이다. 그리고, 가솔린의 옥탄값을 증가시키기 위해 MTBE 또는 MMT와 같은 앤티노크 첨가제를 첨가시킬 필요가 없다.
(3) 환경 친화적: 방향족 및 MTBE와 같은 앤티노크 첨가제의 연소로부터의 배기 가스는 선형-사슬 알칸 및 고도 분지형 알칸에 비해 환경 및 사람에게 유해한 산화질소 또는 탄소, 질소 및 산소의 혼합물, 및 폴리시클릭 방향족 탄화수소를 적은 양으로 함유한다. 더욱이, 옥탄값을 증가시키기 위해, 현행 가솔린 제품은 다수의 단계를 포함하는 복잡한 과정을 통해 생산되어야 하며 가솔린 제품 1 유닛당 에너지 및 재료 둘 모두의 소비가 낮은 옥탄값을 갖는 가솔린에 비해 높다. 따라서, 본 발명에 따른 낮은 옥탄값을 갖는 새로운 가솔린 제품은 더욱 환경 친화적이 된다.
본 발명에 따른 새로운 가솔린 제품은 정식 가솔린에 대한 분획의 범위에서 직류(straight-run) 가솔린의 옥탄값을 적절하게 저하시킴에 의해 수득될 수 있다.
이러한 유형의 새로운 가솔린 제품은 옥탄값에 대한 낮은 필요조건을 갖는다. 따라서, 서로 다른 계절과 관련하여, 낮은 옥탄값을 갖는 가솔린의 성분이 저온의 계절에 C5로 증가할 수 있거나, 고온의 계절에 C12-C18로 증가할 수 있다.
낮은 옥탄값을 갖는 가솔린은 디젤유의 성능을 개선시키기 위해 광범한 범위에서 선택된 비율로 디젤유와 혼합될 수 있다. 예를 들어, 디젤유의 무화(atomization) 성능 및 완전 연소 성능을 향상시키기 위해, 혼합 비율은, 예컨대 0-50% 또는 50-100%일 수 있고, 상이한 혼합 비율에 따라 상이한 배합 연료 값이 정해질 수 있다. 이것은 디젤유의 유동성 및 내한성(freezing resistant)을 개선시킬 수 있다.
옥탄값은 낮은 옥탄값을 갖는 가솔린 제품에 대한 품질 기준으로서 사용될 수 있을 뿐 아니라 가솔린 40#, 30#, 또는 50#과 같은 상이한 제품에 대한 인식 표지로서 이용될 수 있다.
배합된 연료를 형성하기 위해, 낮은 옥탄값을 갖는 가솔린에 소량의 에탄올 또는 디메틸 에테르를 첨가할 수 있다.
관련 청구범위는 다음과 같다:
1. 주로 원유에서 비롯되고, 낮은 옥탄값을 갖는 가솔린의 유형이며, 디젤유의 자연 발화 온도에 상응하는 낮은 자연 발화 온도를 갖고, 내연 기관에서 압축 점화될 수 있고, 엔진의 실린더내에서 충분히 연소되는 깨끗한 고효율의 환경 친화적인 가솔린 제품으로서, 낮은 옥탄값을 갖는 상기 가솔린을 이용하는 내연 기관의 압축비는 일반적으로 16-19이고, 그 압축비는 14-22로 확장될 수 있으며;
낮은 옥탄값을 갖는 상기 가솔린의 주요 분획은 C6-C11 알칸과 소량의 올레핀이고, 선형-사슬 알칸의 함량이 높을수록, 가솔린의 옥탄값은 낮아지며;
상기 가솔린의 분획은 C6-C11을 중심으로 하여 C5-C18로 확장되어 C5-C11 또는 C6-C18 또는 C5-C18을 형성할 수 있고, 다양한 탄소 사슬 길이를 갖는 성분들 (선형-사슬 알칸 및 이의 이성질체, 및 소량의 올레핀 포함)의 함량은 서로 다르며, 이의 특정 함량은 시장수요 및 사용자의 요구에 따라 임의로 조합될 수 있으나, 상기 가솔린이 압축 점화되는 조건을 충족시켜야 하는 가솔린 제품.
2. 제 1항에 있어서, 가솔린 제품이 압축비가 16-19인(디젤 엔진과 유사) 특수-설계되고 특수-생산된 내연 기관에서 이용되고;
상기 내연 기관에 경질 연료유에 필수적인 윤활 시스템, 연료유 저장소 및 전달 시스템 (가솔린 엔진과 유사)이 제공되며, 또한 상기 내연 기관이 상기 가솔린을 연소 동안 가압된 실린더에 분사시키기 위한 가압된 분사 시스템 (가압된 연료 분사 펌프 및 가압된 연료 노즐)을 지니거나;
과급 장치를 갖는 내연 기관과 같은 상기 내연 기관의 압축비가 8-16이거나;
상기 내연 기관의 압축비가 19-22인 가솔린 제품.
3. 제 1항에 있어서, 배합된 연료를 형성하기 위해 소량의 연료 에탄올 또는 디메틸에테르가 낮은 옥탄값을 갖는 상기 가솔린에 첨가될 수 있고, 상기 배합된 연료가 또한 압축 점화되고 충분히 연소되는 선행조건을 충족시킬 수 있는 가솔린 제품.
4. 제 1항에 있어서, 낮은 옥탄값을 갖는 상기 가솔린이 디젤유의 무화(atomization) 성능 및 완전 연소 성능을 향상시키기 위한 애주번트로서 디젤유에 첨가될 수 있는 가솔린 제품.
본 발명의 특수한 구체예
구체예 1
N-헵탄, n-헥산 및 가솔린 93#을 1:1:1의 비로 함께 혼합시켰다. 세 성분들 각각이 전체 부피의 3분의 1을 각각 차지했을 때 (혼합시키기 전에 이들은 같은 부피를 갖는다), 혼합된 연료의 옥탄값은 대략 39.3 (가솔린 39#에 상응함)이었다. 혼합된 연료는 보통의 온도 및 압력하에 압축비가 17.6인 엔진에 의해 압축 점화될 수 있다.
구체예 2
방향족 탄화수소로부터 추출된 후의 라피네이트유 (주요 성분들은 개질유에 의한 방향족 탄화수소의 제거 후에 C6-C11로 구성된다)는 약 58.7의 옥탄값을 갖는다. 오일은 보통의 온도 및 압력하에 압축비가 17인 295T 내연 기관에 의해 압축 점화될 수 있다.
구체예 3
C5 분획 (본원에서 "가솔린 분획"으로서 지칭됨)을 낮은 옥탄값을 갖는 가솔린의 분획에 첨가시켰고, 혼합된 오일은 40의 옥탄값을 지녔다. 이 경우에, 혼합된 오일은 2 kg/cm2의 가압 공기하에 압축비가 12인 엔진에 의해 압축 점화될 수 있다.
구체예 4
케로센 분획을 낮은 옥탄값을 갖는 가솔린의 분획에 첨가시켰고, 혼합된 오일은 30의 옥탄값을 지녔다. 이 경우에, 혼합된 오일은 보통의 온도 및 압력하에 압축비가 17인 내연 기관에 의해 압축 점화될 수 있다.
구체예 5
디젤 분획 (30%)을 낮은 옥탄값을 갖는 가솔린의 분획 (70%)에 첨가시켰고, 혼합된 오일은 30의 옥탄값을 지녔다. 이 경우에, 혼합된 오일은 보통의 온도 및 압력하에 압축비가 18인 493Q 내연 기관에 의해 압축 점화될 수 있다.
구체예 6
케로센 분획 (10%) 및 디젤 분획 (50%)을 낮은 옥탄값을 갖는 가솔린의 분획 (40%)에 첨가시켰고, 혼합된 오일은 40의 옥탄값을 지녔다. 이 경우에, 혼합된 오일은 보통의 온도 및 압력하에 압축비가 17인 내연 기관에 의해 압축 점화될 수 있다.
가압된 가솔린 분사 시스템 (가압된 연료 분사 펌프 및 가압된 연료 노즐)을 갖는 확산 압축 점화 내연 기관이 낮은 옥탄값을 값는 새로운 가솔린 제품의 광범한 이용에 특히 적합하다.

Claims (4)

  1. 낮은 옥탄값(octane rating)을 갖는 가솔린의 유형이고, 디젤유의 자연 발화 온도에 상응하는 낮은 자연 발화 온도를 지니며, 내연 기관에서 압축 점화될 수 있고, 엔진의 실린더내에서 충분히 연소되는 깨끗한 고효율의 환경 친화적인 가솔린 제품으로서, 낮은 옥탄값을 갖는 상기 가솔린을 이용하는 내연 기관의 압축비(compression ratio)는 일반적으로 16-19이고, 그 압축비는 14-22까지 확장될 수 있으며;
    낮은 옥탄값을 갖는 상기 가솔린의 주요 분획은 C6-C11 알칸이고, 선형-사슬 알칸의 함량이 높을수록, 가솔린의 옥탄값은 낮아지며;
    상기 가솔린의 분획은 C6-C11을 중심으로 하여 C5-C18까지 확장되어 C5-C11 또는 C6-C18 또는 C5-C18을 형성할 수 있고, 여기서 다양한 탄소 사슬 길이를 갖는 성분들 (선형-사슬 알칸 및 이의 이성질체, 및 소량의 올레핀 포함)의 함량은 서로 다르며, 이의 특정 함량은 시장수요 및 사용자의 요구에 따라 임의로 조합될 수 있으나, 상기 가솔린이 압축 점화되는 조건을 충족시켜야 하는 가솔린 제품.
  2. 제 1항에 있어서, 가솔린 제품이 압축비가 16-19인(디젤 엔진과 유사) 특수-설계되고 특수-생산된 내연 기관에서 이용되고;
    상기 내연 기관에 경질 연료유에 필수적인 윤활 시스템, 연료유 저장소 및 전달 시스템 (가솔린 엔진과 유사)이 제공되며, 또한 상기 내연 기관이 상기 가솔린을 연소 동안 가압된 실린더에 분사시키기 위한 가압된 분사 시스템 (가압된 연료 분사 펌프 및 가압된 연료 노즐)을 지니거나;
    과급 장치를 갖는 내연 기관과 같은 상기 내연 기관의 압축비가 8-16이거나;
    상기 내연 기관의 압축비가 19-22인 가솔린 제품.
  3. 제 1항에 있어서, 배합된 연료를 형성하기 위해 소량의 연료 에탄올 또는 디메틸에테르가 낮은 옥탄값을 갖는 상기 새로운 가솔린 제품에 첨가될 수 있고, 상기 배합된 연료가 또한 압축 점화되고 충분히 연소되는 조건을 충족시킬 수 있는 가솔린 제품.
  4. 제 1항에 있어서, 낮은 옥탄값을 갖는 상기 가솔린이 디젤유의 무화(atomization) 성능 및 완전 연소 성능을 향상시키기 위한 첨가제로서 디젤유에 첨가될 수 있는 가솔린 제품.
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