KR20160114216A - 경유와 ｌｐｇ를 함유한 혼합 연료 - Google Patents

Abstract

압축 점화 엔진의 실린더 연소실에 공급되는 연료로서, 경유와 LPG를 함유한 혼합 연료가 제공된다. 상기 혼합 연료는 내마모성 및 연료 분사 장치계의 내구성 저하를 방지하기 위한 극압제가 첨가제로 첨가된다.

Description

경유와 ＬＰＧ를 함유한 혼합 연료{MIXED FUEL FOR CONTAINING DIESEL AND LPG}

본 발명은 혼합 연료에 관한 것으로서, 특히, 액화석유가스(이하, LPG)와 경유를 함유한 혼합 연료에 관한 것이다.

최근, 기존에 널리 사용되고 있는 연료(이하, 기존 연료)의 연소 효율을 높이기 위해, 기존 연료와 제2 물질을 혼합하여, 기존 연료의 연소 효율을 높일 수 있는 혼합 연료에 대한 관심이 높아지고 있다.

이러한 관심의 일환으로, 기존 연료인 경유(diesel)에 물리적 및 화학적으로 상이한 특성을 갖는 LPG를 혼합하는 혼합 연료에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.

혼합 연료가 아닌 단일 경유만을 이용해 디젤 엔진이 작동하는 경우, 단일 경유를 실린더 연소실 내의 고온의 환경에서 미세한 입자 크기로 분사되어야 한다. 이때, 단일 경유가 미세한 입자 크기로 변화되는 과정을 무화(atomization) 과정이라 부른다.

무화 과정은 미세한 노즐 오리피스(nozzle orifice)를 통과한 단일 경유가 실린더 연소실 내의 주변 공기와 고속 마찰 및 고속 충돌하는 과정에서 이루어진다.

이러한 무화 과정을 통해 미세한 입자 크기로 변화된 단일 경유는 그 입자의 크기가 작을수록 실린더 연소실 내에서 연소 반응 면적이 넓어져 사이클당 수 밀리초(msec)의 짧은 시간 안에 완전 연소가 가능하게 된다.

따라서, 완전 연소를 위해서는 미제 입자의 생성이 매우 중요하다.

미세한 입자 생성(또는 미세한 분무 입경 생성)을 위해서는, 낮은 동점도(Kinematic Viscosity)를 갖도록 단일 경유의 표면 장력을 낮추는 기술과, 단일 경유의 온도를 높게 하여 분무하는 정밀한 임계 분사 기술이 요구된다.

한편, 단일 경유가 아닌 경유와 LPG를 혼합한 혼합 연료에서는, 경유를 구성하는 고비점 성분인 고분자 탄화수소가 LPG로 대체됨으로써, 혼합 연료의 전체의 동점도가 저하되어, 동일 조건 내에서 미세한 분무 입경으로 무화가 유리하다.

또한, LPG의 물성상 경유에 비하여 매우 낮은 온도와 압력에서 기체로 상 변태가 가능하다.

통상적으로 경유가 고압의 분사압으로 가압된 상태로 분사되면, 단열 압축 효과에 의해 경유 자체 온도가 상승하게 되며 고압으로 될수록 온도가 상승한다.

이러한 가열 효과는 경유에 혼합된 LPG의 온도도 함께 상승시키는데, 이 경우, LPG의 온도가 LPG의 증기압 상 변태 선도 상에서 과열 증기 영역(Super-heated Region) 상에 위치하게 된다.

이로 인해, 경유와 LPG가 혼합된 혼합 연료가 분사 노즐을 통과하는 즉시 연료유 제트의 분출 주변의 공기와의 무화 과정 없이도 LPG의 폭발적인 상 변태의 에너지가 점도가 높은 경유의 표면 장력의 균형을 파괴하기 때문에, 매우 짧은 시간에 매우 우수한 미립화가 가능하다.

특히 제트에 의한 분무에 비하여 분무 패턴 상, 광각의 분무 각도 및 짧은 분무거리의 무화 특성으로 분사 노즐의 분공경(injection hole) 확대 및 분공수(injection hole number)를 감소할 수 있기 때문에, 고가의 분사 노즐의 제작비를 감소할 수 있는 이점이 있다.

따라서 상대적으로 낮은 분사 압력으로도 이러한 미립자 생성이 가능하므로, 시간 및 공간적으로 연소 조건을 조성하기 위해서 필요한 매우 고가의 연료 분사 장치를 비교적 저가의 연료 분사 장치로도 동일한 연소 조건 조성이 가능하며, 특히 엔진의 고속 운전을 가능케 하여 비출력(specific power 또는 spezifischer leistung)이 높은 고성능 엔진 구현이 가능하다.

이러한 장점들이 있음에도, 경유와 LPG를 혼합한 혼합 연료는 다음과 같은 문제점이 있다.

잘 알려진 바와 같이, 경유는 점도에 기여하는 파라핀의 기계적인 특성으로 인해 자체적으로 윤활유의 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 단일 경유의 사용만으로 연료 분사 장치의 마모 발생을 자연스럽게 방지할 수 있다.

그러나 경유와 LPG가 혼합된 혼합 연료를 사용하는 경우, 경유와 LPG 간의 혼합 비율에 따라 경유의 마모 내구성에 관여하는 성분의 화학적 몰비(moral ratio)가 감소하고, 감소한 몰비 만큼 LPG와 혼합된 경유는 마모 내구성을 제공하지 못하기 때문에, 이러한 혼합 연료를 사용하는 경우, 고가의 연료 분사 장치에 치명적인 마모 고장 및 내구성 저하를 유발한다.

따라서, 본 발명의 목적은 연료 분사 장치의 마모 고장 및 내구성 저하를 유발하지 않는 경유와 ＬＰＧ를 함유한 혼합 연료를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 경유와 ＬＰＧ를 함유한 혼합 연료는 내마모성 및 연료 분사 장치계의 내구성 저하를 방지하는 극압제가 첨가제로 첨가된다.

본 발명에 따르면, 경유와 LPG를 함유한 혼합 연료에 마모 및 내구성을 향상시키는 첨가제를 혼합함으로써, 경유와 LPG 만으로 혼합된 혼합 연료 사용시, 고가의 연료 분사 장치의 마모 고장 및 내구성 저하 문제를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼합 연료 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.

본 발명에서는, 전술한 바와 같이 경유와 LPG를 혼합한 혼합 연료에 상기 윤활 성능 및 내마모 성능의 저하를 개선할 수 있는 첨가제를 첨가하여, 기존의 경유와 LPG를 혼합한 혼합 연료에서 발생하는 윤활 성능 및 내마모 성능의 저하를 해소한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 경유와 LPG를 혼합한 혼합 연료에 대해 상세 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼합 연료의 제조 과정을 개략적으로 보여주는 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 경유가 준비된다(S10). 준비된 경유는 그 종류에 특별한 제한이 없으며, 예를 들면, 석유계 원유정제 경유, 바이오 동식물유, 가스 개질유 등 기존의 디젤 엔진에서 압축점화 운전이 가능한 모든 종류를 포함한다.

그 다음으로, 준비된 경유를 베이스로 LPG와 적정 조성비로 혼합한다(S30). 여기서, 혼합되는 LPG 또한 그 종류에 특별한 제한이 없으며, 프로판과 부탄이 일정 비율로 섞여 판매되는 모든 종류를 포함한다.

경유와 LPG를 혼합은 저장성과 안정성을 고려하여 철제와 같은 재질로 제작된 연료 탱크 내에서 이루어질 수 있다. 예를 들면, 연료 탱크 내에 담겨있는 경유에 LPG를 적정한 온도와 압력 등의 작업 조건으로 가압하는 공정으로 혼합될 수 있다.

경유와 LPG가 혼합된 혼합 연료는 실제 운전시, 연료 피드계의 리턴되는 유량이 연료 탱크에 되돌아 올 때 리턴 유량의 역적에 따라 자체 교반이 이루어기 때문에, 균질한 혼합 상태를 유지할 수 있으므로, 이들의 혼합 상태에서 상 분리나 비중 차이에 의한 분리는 발생하지 않는다.

경유와 LPG가 적정 조성비로 혼합되면, LPG의 혼합에 따라 경유가 가지고 있는 고유의 윤활 성능, 내마모성 및 연료 분사 장치계의 내구성의 저하를 개선하기 위해, 첨가제가 첨가된다(S40).

첨가제는 극압제, 내마모제 및 이들을 조합한 조합물 중 하나일 수 있다.

극압제는 금속과 반응하여 표면에 극압막을 형성하여 마모되는 것을 방지하는 첨가제로서, Dark inactive sulphurized fat, Dark active sulphurized fat, Dark active sulphur hydrocarbon, Short and medium chain chlorinated alkanes (see chlorinated hydrocarbons and chlorinated paraffins), Esters of chlorendic acid, Polymer esters, Polysulfides, Molybdenum compounds, Aliphatic chlorinated hydrocarbons (chlorinated paraffins), 이들 중 적어도 2개를 조합한 조합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

유사하게, 내 마모제(AW 또는 Antiwear additives)는 금속 대 금속 접촉을 방지하기 위한 용도로 사용하며 대체로 면압이 비교적 저부하의 경우에 적용할 수 있다. 이러한 내마모제는 zinc dithiophosphate (ZDP), zinc dialkyl dithio phosphate(ZDDP, 내부식제 역할로도 기능함), Tricresyl phosphate(TCP, 고온 환경에서 사용), Halocarbons(chlorinated paraffins, 고부하 적용 조건에서 사용), Glycerol mono oleate, Stearic acid(경부하 조건에서 사용), 이들 중 적어도 2개를 조합한 조합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 내 마모제의 사용조건 보다 가혹 환경인 고면압 기어박스 또는 절삭유 경우 극압제(EP 또는 Extreme pressure Additives)가 사용될 수 있다.

위와 같은 내마모제 및/또는 극압제로 이루어진 첨가제는 적정의 조성비로 경유와 LPG가 혼합된 혼합 연료에 첨가되는데, 구체적으로, 상기 경유와 상기 LPG를 6.5:2.5 내지 7.5:3.5의 중량비로 혼합한 혼합물 100 중량부당 상기 첨가제가 1 내지 3 중량부로 첨가된다. 바람직하게는, 상기 경유와 상기 LPG를 7:3의 중량비로 혼합한 혼합물 100 중량부당 상기 첨가제가 2 중량부로 첨가된다.

경유와 LPG의 간의 중량비가 상기 범위(6.5:2.5 내지 7.5:3.5) 미만으로 혼합되는 경우, 상기 경유에 함유된 성분 중 내마모성에 기여하는 파라핀 성분도 줄어들기 때문에, 상기 첨가제가 첨가될지라도 내마모성에 큰 개선을 기대할 수 없다.

또한, 경유와 LPG 간의 중량비가 상기 범위(6.5:2.5 내지 7.5:3.5)를 초과한 상태에서 상기 첨가제를 첨가하는 경우, 전체 비율에서 LPG가 자지하는 비율이 증가하기 때문에, 상기 첨가제가 첨가될지라도, 내마모성의 큰 개선을 기대할 수 없다.

따라서, 첨가제의 못지않게 경유와 LPG 간의 혼합비율도 매우 중요하면, 본 발명의 일 실시 예에서는, 경유와 LPG가 6.5:2.5 내지 7.5:3.5의 중량비로 혼합된 상태에서 상기 첨가제를 첨가한 경우 최적의 성능 개선을 확인할 수 있었다. 이러한 조성비는 엔진 성능을 크게 위해 하지 않는 범위 내에서 다양하게 변경될 수 있음은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼합 연료는 압축점화가 가능 한 디젤 사이클용 경유와 LPG를 사용하므로 별도의 연료유 자체를 생산 할 필요가 없어 기존의 연료 생산 및 조달 운송 함에 있어서 보편화되어 있는 인프라를 그대로 적용 할 수 있어 별도의 수급상의 투자 필요 없이 사용가능 하므로 산업적으로 유리하다.

또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼합 연료는 안전과 관련하여서도 이미 안전 관련 규정 및 규제 교육이 사회 전반적으로 시행되고 있어 또한 안전 저해요소가 없다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 혼합 연료는 기술적인 관점에서 저가의 저압의 연료분사장치를 이용하여서도 기존의 연료 사용시와 비교하여 동일 한 동력 성능 및 동등 이상의 오히려 기존 디젤엔진의 고질적인 배출가스 오염원인 Nox 와 PM을 대폭 개선할 수 있는 환경 친화적인 기술로 그 역할이 가능 하다.

특히, 이미 운행 중에 있는 매우 오래된 엔진 모델에 탑재된 저가의 기계식 연료 분사 장치에 혼합 연료를 적용하는 경우, 현재 양산되고 있는 고가의 커먼레일 분사장치의 성능에 버금가는 성능을 발휘할 수 있으므로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼합 연료는 구형 모델의 엔진 개량에도 크게 기여할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

예컨대, 본 발명의 실시 예에서는, 첨가제를 이용하여 기존의 혼합 연료가 갖는 윤활 성능, 내마모 성능 및 연료 분사 장치의 내구성 저하 개선을 꾀하고 있으나, 첨가제를 사용하지 않고 경유 자체가 함유하고 있는 파라핀 성분의 조성비를 조정하여 기존의 혼합 연료가 갖는 윤활 성능, 내마모 성능 및 연료 분사 장치의 내구성 저하 개선을 꾀할 수도 있다.

파라핀 성분의 제조원료는 슬랙스 왁스(Slack wax)를 사용하는데, 슬랙스 왁스는 원유 정제 시 오일과 왁스가 혼합된 상태의 물질이다. 슬랙스 왁스를 원료로 하는 파라핀 성분은 원유를 정제하는 온도 영역에 따라 그 함량을 조절할 수 있으며 이러한 조절을 통해 감소되는 내 마모성을 첨가제 없이 개선할 수도 있다. 물론 파라핀 성분의 함량 조절 후에 첨가제를 첨가하는 경우, 더욱 큰 내마모 성능 향상을 기대할 수 있음은 당연하다.

따라서 본 발명에 기재된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 압축 점화 엔진의 실린더 연소실에 공급되는 연료로서, 경유와 ＬＰＧ를 함유한 혼합 연료에 있어서,
   상기 혼합 연료는,
   내마모성 및 연료 분사 장치계의 내구성 저하를 방지하는 극압제가 첨가제로 첨가되는 것을 특징으로 하는 경유와 ＬＰＧ를 함유한 혼합 연료.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 극압제는,
   Dark inactive sulphurized fat, Dark active sulphurized fat, Dark active sulphur hydrocarbon, Short and medium chain chlorinated alkanes (see chlorinated hydrocarbons and chlorinated paraffins), Esters of chlorendic acid, Polymer esters, Polysulfides, Molybdenum compounds, Aliphatic chlorinated hydrocarbons (chlorinated paraffins) 및 이들 중 적어도 2개를 조합한 조합물 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 경유와 ＬＰＧ를 함유한 혼합 연료.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 첨가제는,
   상기 내마모성 및 상기 연료 분사 장치계의 내구성 저하를 방지하기 위한 내마모제를 더 포함함을 특징으로 하는 경유와 ＬＰＧ를 함유한 혼합 연료.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 내마모제는,
   zinc dithiophosphate (ZDP), zinc dialkyl dithio phosphate(ZDDP, 내부식제 역할로도 기능함), Tricresyl phosphate(TCP, 고온 환경에서 사용), Halocarbons(chlorinated paraffins, 고부하 적용 조건에서 사용), Glycerol mono oleate, Stearic acid(경부하 조건에서 사용) 및 이들 중 적어도 2개를 조합한 조합물 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 경유와 ＬＰＧ를 함유한 혼합 연료.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 첨가제는,
   상기 경유와 상기 LPG를 6.5:2.5 내지 7.5:3.5의 중량비로 혼합한 혼합물 100 중량부당 1 내지 3 중량부로 첨가되는 것을 특징으로 하는 경유와 ＬＰＧ를 함유한 혼합 연료.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 첨가제는,
   상기 경유와 상기 LPG를 7:3의 중량비로 혼합한 혼합물 100 중량부당 2 중량부로 첨가되는 것을 특징으로 하는 경유와 ＬＰＧ를 함유한 혼합 연료.

Images