KR20180012395A - 엔진 연비향상을 위한 적정 혼소 비율의 화석연료와 물전기분해가스 혼합연료 - Google Patents

Abstract

본 발명의 핵심 내용은 액상과 기체 상태의 다양한 화석연료(가솔린, 디젤 바이오 연료, LPG, LNG, 천연가스, 기타 석탄가스화 가스, 코크스 부생가스 등)와 물전기분해가스(H2 + 1/2 O2, 산수소당량혼합기체 또는 "HHO"라 부름)를 혼합하여 연소시킴으로써 엔진이나 발전기에서 발생하는 동력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명은 상기한 문제점 및 요구를 해결하기 위하여,
엔진 등의 동력발생장치에 사용되는 연료에 있어서,
기체상의 화석연료(A)와 물전기분해가스(B)를 혼합한 혼합 연료(C)를 제공한다.
또한 본 발명은 (1-x)몰의 화석연료(A)와 (x/n)몰의 물전기분해가스를 혼합하되,
n = (화석연료 1몰의 열량/수소 1몰의 열량) Χ (1/SPF)인 것을 특징으로 하는 혼합 연료(C)를 제공한다.
(여기서 몰분율 x 는 0 ＜x ＜ 1)
또한 본 발명은 상기 SPF는 15~30인 것을 특징으로 하는 혼합 연료(C)를 제공한다.

Description

엔진 연비향상을 위한 적정 혼소 비율의 화석연료와 물전기분해가스 혼합연료{an appropriate rate mixed fuel of fossil fuel and water electrolysis gas to enhance the fuel efficiency}

본 발명의 핵심 내용은 액상과 기체 상태의 다양한 화석연료(가솔린, 디젤 바이오 연료, LPG, LNG, 천연가스, 기타 석탄가스화 가스, 코크스 부생가스 등)와 물전기분해가스(H2 + 1/2 O2, 산수소당량혼합기체 또는 "HHO"라 부름)를 혼합하여 연소시킴으로써 엔진이나 발전기에서 발생하는 동력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.

종래의 엔진은 화석연료를 정제하여 수득한 가솔린, 디젤, 합성가스나 바이오 디젤 등을 연료로 이용하여 사용하고 있다.

이와 같은 가솔린이나 디젤 엔진 작동의 근본적인 문제점 중의 하나는 분무 연소 과정에서 나타나는데 그 이유는 분무시에 무화와 기화 그리고 산소와의 난류혼합과정에 시간상의 현격한 지연이 존재하며 이것이 엔진 효율에 결정적인 영향을 미친다. 이는 아래와 같이 무화속도, 혼합속도, 화학반응속도를 포함하는 현상학적인 난류반응속도의 경험식(1)로 주어진다.

구체적으로 언급하면 이 식에서 나타난 바와같이 무화속도 항이 작아지면 이에 비례하여 (1/무화속도) 값이 커져서 전체적인 난류반응속도는 크게 지연된다.

이는 가솔린 또는 디젤과 같은 엔진에서 연료가 짧은 엔진 작동 시간 안에 효율적으로 동력으로 전환되지 못하는 구조적인 결함을 야기하게 된다.

난류반응속도 = 1 / ( 1/ 무화속도 + 1 / 난류혼합속도 + 1 / 화학반응속도 )-------( 식 1)

엔진 효율의 관점에서는 액상 연료의 작은 액적으로 붕괴되는 무화와 무화 이후 기체상태로 바뀌는 기화의 문제뿐만 아니라 산화제 공기에 포함된 79%에 해당하는 비반응 질소 분자의 존재도 문제가 된다. 즉 산화제에 포함된 질소분자는 발열반응에 참가하지 않을 뿐 만 아니라 질소분자의 존재 자체로 인해 산소와 연료의 직접적인 충돌확률을 감소시켜 반응속도를 크게 감소시킨다. 이러한 질소분자의 존재는 짧은 시간에 완전연소를 목표로 작동하는 엔진의 온도상승과 동력발생에도 부정적인 인자로 작용하게 된다. 이러한 질소의 문제는 본 특허에서 질소가 포함되지 않는 수소와 산소가 당량조건으로 혼합된 물을 전기분해한 산수소기체가 높은 폭발력으로 나타내는 기전이된다. 이는 후에 다시 산수소기체의 혼합에 따른 엔진의 효울상승을 설명할 때 다시 언급된다.

연료의 무화와 기화 그리고 난류혼합에 따른 시간상의 지연문제를 보다 구체적으로 언급하면 사행정 엔진의 흡입 압축 폭발 및 팽창 그리고 마지막 배기의 과정에서 폭발후 팽창의 일정 단계까지 연료의 연소반응이 지연되어 이루어지고 있는 점이 비효율적인 가장 큰 원인 중의 하나로 지적되고 있다. 이것이 사행정기관의 엔진이 1876 년 오토에 의하여 발명된지 140년이라는 세월이 경과하였음에도 불구하고 현대의 자동차 엔진의 에너지 효율이 20~30% 정도에 머무르는 중요한 이유 중 하나인데 가솔린이나 디젤 연료가 가진 열량의 1/3 정도만이 동력으로 전달되고 나머지 열량은 연료의 연소속도의 지연으로 뒤늦게 발생한 열량은 동력으로 전환되지 못하고 엔진 냉각수나 배기가스로 배출되기에 에너지 효율의 저하를 초래하게 된다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자(또는 출원인)는 선행 특허로 제출하여 공개중인 서류(출원번호 1020140009690, 휘발화한 증기상태의 화석연료와 물 전기분해가스를 혼합한 조성연료 및 이를 이용한 연소방법 및 이를 이용한 내연기관, 출원인; 주식회사 케이피에너지, (출원일자 2014 01 27))를 제시한 바 있다.위의 선행특허에서는 연소 반응 지연에 의한 엔진 효율의 감소에 대한 대책으로 가솔린과 같은 연료를 휘발화하여 기체상태로 상변화를 일으키고 또한 폭발력과 화염전파속도가 탁월한 수소기체를 산화제로 오직 산소만을 포함시킨 산수소기체를 혼소하여 사용함으로써 엔진의 효율을 제고하는 내용을 제시하였다. 그러나 본 특허에서는 보다 구체적으로 연료와 산수소기체의 발열량과 화염전파속도에 따른 물리적인 기전에 기초하여 연료의 혼합비를 정량적으로 제시하고자한다.

상기한 종래의 화석연료와 물전기분해가스를 혼합한 조성연료는 동력 발생 효율을 최대화하는 구체적인 구성을 제시하지 못하였는바 본 발명은 이를 해결한 최적의 혼합비를 가진 기체상의 화석연료와 물전기분해가스를 혼합한 혼합 연료를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 종래의 엔진 등과 같은 동력 발생을 위한 연료인 가솔린, 디젤 등의 화석연료와 동등한 동력발생효능을 가지지만 연료의 양과 에너지 소모를 현저히 줄일 수 있는 최적의 혼합 비율인 기체상태의 화석연료와 물전기분해가스의 혼합연료를 제공하고자 한다.

이러한 효율 제고 효과는 연료의 양이 감소하는 것과 비례하여 이산화탄소와 같은 온실가스를 저감하는 효과를 나타내게된다.

본 발명은 상기한 문제점 및 요구를 해결하기 위하여,

엔진 등의 동력발생장치에 사용되는 연료에 있어서,

기체상의 화석연료나 액상의 화석연료를 기화시킨 기상화석연료(A)와 전기분해가스(B)를 혼합한 혼합 연료(C)를 제공한다.

구체적으로 1몰의 화석연료에 대하여 x 몰분율만큼의 화석연료를 감소시킬 때 투입되는 화석연료의 양은 (1-x)가 된다. 이 때 제거되는 x 몰의 화석연료를 산수소기체가 대체하여야 한다. 만일 기존의 화석연료의 단위몰당 발열량이 Hfu 라면 감소되는 열량은 x Hfu 가된다. 이러한 열량을 산수소기체에 단위몰당 발열량 Hhho 의하여 100% 대체한다면 필요한 산수소 기체의 양은 ( x H fu)/ Hhho 가 된다.

구체적으로 가솔린을 옥탄으로 정의할 경우 발열량이 5,000,000J/mole 이고 수소 기체 1 몰당 발열량이 240,000 J/mole 인 경우 기존의 가솔린 연료를 60%를 사용하지 않고 오직 40%의 연료만 사용한다면 산수소 기체로 대체하여야 가솔린의 열량은 5,000,000J x 0.6(60% 절약 되는 양) = 3,000,000J 이다. 이 열량은 모두 산수소 기체로 대체한다면 수소 1몰당 발열량이 240,000 J 이므로 3,000,000J/240,000 J = 12.5 몰의 수소(H2) 분자기 요구된다.

그러나 물을 전기분해하거나 연료를 개질하여 얻어지는 수소와 산소가 당량비로 혼합된 산수소 기체는 산화제로 질소가 존재하지 않는 연료이므로 연소시 가열능력이 3배 이상 높으며 화염의 전파속도가 기존의 화석연료 5-10 배 이상 빠르다. 그러므로 시너지 동력생성인자(synergy power factor,SPF)가 15-30 배 이상 높게 나타난다. 만일 SPF = 20 으로 가정하여 동력생성인자를 고려하면 화석연료를 1몰에서 대체되는 산수소기체의 몰수는 양(n)은 n = x Hfu/Hhho/SPF = 0.6 x 5,000,000 / 240,000 / 20 = 12.5 /20 = 0.625 몰이 된다. 이 것을 정리하면 아래와 같다.

n = (화석연료 1몰의 열량/수소 1몰의 열량) x (1/SPF)인 것을 특징으로 하는 혼합 연료(C)를 제공한다. (여기서 몰분율 x 는 0 ＜x ＜ 1 이고 n은 몰분율 x 를 대체하는 산수소 기체에서 수소의 몰수가 된다).

또한 본 발명은 상기 SPF는 일반적으로 15 - 30인 것을 특징으로 하는 혼합 연료(C)를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 기체상의 화석연료는 LPG(부탄), 가솔린(옥탄), 메탄, 혐기성 소화 바이오가스(메탄 및 이산화탄소 조성) 또는 디젤 인 것을 특징으로 하는 혼합 연료(C)를 제공한다.

본 발명에 따른 기체상태의 화석연료와 물전기분해가스의 혼합연료의 사용열량은 엔진 등과 같은 동력발생장치에 있어 가솔린, 디젤 등의 화석연료의 열량에 대한 30~50% 정도의 열량의 연료만 투입하게 하여도 동등한 동력 발생을 하게 하는 효과가 창출되어 연료 절감의 효과가 현저히 나타난다.

또한 본 발명에 따른 기체상의 화석연료나 액상의 화석연료를 기화시킨 기상화석연료와 물전기분해가스의 혼합연료의 사용열량은 엔진 등과 같은 동력발생장치에 있어 동일한 동력 발생을 하게 하는 가솔린, 디젤 등의 화석연료에 사용열량의 30 - 50% 정도의 연료만 투입하게 하여 대표적인 온실가스인 CO2 가 화석연료가 저감된 양만큼 감소하며 기타 대기오염 물질인 분진, NOx, SOx 등의 발생 등도 줄어드는 효과가 기대된다.

도 1은 반응속도와 엔진 동력발생 관계도.
도 2는 크랭크 앵글 대 엔진에서의 연료의 연소 분율에 대한 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 하나의 실린더 엔진의 연소시스템 및 기체화된 가솔린과 물전기분해가스의 혼합연료 발생에 대한 실험도.
도 4는 본 발명의 실험에 사용한 엔진.
도 4b는 본 발명의 실험에 사용한 다른 엔진.

이하 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 동력 발생 장치에 사용하는 화석연료(A)와 물전기분해가스(B)를 혼합한 혼합 연료(C)를 제공한다.

본 발명의 동력 발생 장치는 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 엔진, 터빈 등과 같은 장치를 의미하며 주로 엔진을 의미한다.

본 발명의 상기한 동력 발생에 사용하는 화석연료(A)는 일반적으로 동력발생을 일으키는 수단인 엔진에 사용되는 연료를 의미한다.

따라서 상기한 동력 발생에 사용하는 화석연료(A)는 LPG(부탄), 가솔린(옥탄), 메탄, 혐기성 소화 바이오가스(메탄 및 이산화탄소 조성으로 바람직하게는 메탄 65% 이산화탄소 35% 조성됨), 디젤 등을 의미한다.

본 발명의 상기한 혼합연료의 화석연료(A)는 기체상으로 혼합되는 것이 바람직하며 따라서 본 발명은 기체상의 화석연료나 액상의 화석연료를 기화시킨 기상화석연료(A)와 물전기분해가스(B)를 혼합한 혼합 연료(C)인 점이 기술적 특징이다.

본 발명의 기술적 특징은 상기한 동력 발생에 사용하는 화석연료(A)의 1몰(mole)에서 x 몰분율 만큼 화석연료(A)를 줄이고, 줄어든 x 몰분율 만큼 화석연료(A)에 대응하는 물전기분해가스(WEG, water electrolysis gas)를 (x/n)몰만큼 혼합하는 점이다.

즉, 본 발명은 (1-x)몰의 화석연료(A)와 (x/n)몰의 물전기분해가스를 혼합한 혼합 연료(C)를 제공한다.

(여기서 몰분율 x 는 0 ＜x ＜ 1의 값을 갖는다)

상기한 화석연료(A)는 기체상의 화석연료나 액상의 화석연료를 기화시킨 기상화석연료(A)를 의미한다.

아래에서 자세히 살펴 보겠지만 상기한 몰분율 x는 0.1~0.9 가 적정하며 0.4~0.6 정도가 더욱 적정하며, 더욱 바람직하게는 0.5가 최적의 동력을 발생하는 데 매우 효과적이다.

본 발명의 상기한 n은 연료대체절감계수(Reduction Coefficient of Replaced Fuel)을 의미한다.

상기한 물전기분해가스 1몰은 H2+(1/2)O₂ 로 이루어져 있다.

본 발명의 상기한 연료대체절감계수 n은 아래의 식으로 정의되며 구하여 지게 된다.

n = (화석연료 1몰의 열량/수소 1몰의 열량) Χ (1/SPF)이다.

상기한 SPF는 대체하는 전기분해기체의 양은 가열능력과 화염전파속도의 상승효과 SPF(synergetic power factor)를 의미한다.

일반적으로 SPF는 물전기분해가스(WEG)의 가열능력과 화염전파속도가 결합한 효과로 얻어지는 값으로 15~30 정도의 값을 가진다.

본 발명에서 물전기분해가스는 산수소기체, WEG(water electrolysis gas), H₂ + 1/2 O₂ , HHO 기체 등으로 지칭되며 모두 동일한 의미이다.

본 발명의 상기와 같은 구성에 대한 이론적인 배경은 본 발명자들의 논문인 "Bahng et al. 2016, Bahng G., D. Jang,Y. Kim, M. Shin, “A new technology to overcome the limits of HCCI engine through fuel modification”Applied Thermal Engineering Vol 98 pp.810-815(2016)"에 제시된 바와 같다.

그 내용은 아래와 같이 압축되어 설명된다.

1876년 Nicolaus Otto 에 의하여 4행정 엔진에 대한 발명이 이루어진 후 130년 이상의 긴 시간이 경과하였음에도 불구하고 자동차 엔진의 전반적인 효율은 가솔린이나 디젤 엔진을 포함하여 25-40%의 낮은 수준에 머무르고 있다. 그 주요 이유는 50% 이상의 에너지가 연소의 지연으로 인하여 동력으로 전환되지 못하고 냉각수나 배기가스의 폐열로 배출되기 때문이다. 현재 엔진의 효율 개선을 위하여 국내외적으로 학연산 모든 분야에서 필사적인 노력을 경주하고 있으며 특히 지난 10~20 년 동안 꿈의 엔진이라고 불리는 HCCI (Homogeneous Charged Compression Ignition) 엔진 개발에 따른 상용화가 시도되고 있으나 성공을 거두지 못하고 있는 실정이다.

언급한 바와 같이 국내외적으로 자동차 효율 향상에 대한 총체적인 연구가 수행되고 있음에도 불구하고 엔진 연소가 비교적 낮은 효율에 머무르고 있는 것은 엔진에서 발생하는 이상(two-phase) 난류 반응의 복잡다단한 현상에 대한 적절한 대처가 이루어지지 못하고 있기 때문으로 사료된다. 구체적으로 가솔린이나 디젤과 같은 액상의 연료가 공기와 혼합하여 효과적으로 연소하기 위해서는 이상-난류반응(two-phase turbulent reaction) 과정에서 발생하는 3단계 과정을 거쳐야 한다. 즉 첫째로 연료의 분산에 따른 미립화와 증기화(droplet atomization and vaporization) 과정이고 두 번째는 기화한 연료가 난류 혼합에 의하여 공기와 같은 산화제와 섞이는 과정이다. 셋째로 혼합한 연료가 공기 중의 산소와 반응하는 화학적 반응속도(chemical kinetic rate)에 의존하는 과정이라 할 수 있다. 이러한 일련의 과정에서 전체 반응속도는 각각 과정의 조화평균형태의 현상학적인 경험식으로 주어진다.

Overall reaction rate =

(1)

위식에서 RR1, RR2, RR3 는 각각 앞에서 언급한 3개의 세부과정의 진행속도를 표시하는 것으로서 RR1 연료의 무화와 기화과정이 일어나는 속도, RR2는 연료와 공기의 난류에 의한 혼합속도 그리고 마지막으로 RR3는 기체 상태로 잘 혼합된 상태(well-premixed state)에서 연료와 공기가 화학적으로 반응하는 속도를 각각 의미한다. 일반적으로 가솔린이나 디젤과 같은 액상 연료의 난류연소에서 화학적 반응속도(RR3)는 무화와 기화속도(RR1)이나 난류혼합속도(RR2)에 비하여 매우 빠르다. 그렇기 때문에 전체 반응에서 RR3의 과정은 그 속도가 빠르기(RR3 ~ ∞) 1/RR3 항은 일반적으로 무시되며 전체 연소의 진행속도는 아래와 같이 표시된다.

(2)

따라서 엔진의 효율 향상을 위해서는 RR1 과 RR2의 과정의 속도를 크게 하여 그 항의 값을 최소화 하는 것이 필요하며 이러한 방법이 엔진의 효율향상을 위한 방법으로 사용되어 왔다. 구체적으로 엔진 내부에 연료와 산화제를 효과적으로 균일하게 충진 할 수 있다면 RR1 과 RR2 의 과정을 촉진하여 전반적인 반응속도를 크게 향상시킬 수 있다. 실제로 이를 위하여 다양한 직간점적인 연료 분사 기술이 개발되어왔으며 이러한 연구의 일환으로 균일충진(Homogeneous Charging)에 의한 HCCI 엔진이 효율의 실질적인 상승을 위한 꿈의 엔진으로 부각되고 있다. 주지하다시피 이는 RR1 과 RR2의 과정의 시간적 단축이 필요함을 인식한 결과로 판단된다. 만일 효과적으로 균일 충진이 이루어진다면 식(1)에 나타낸 바와 같이 전반적인 반응속도는 오직 화학적 반응속도(combustion chemistry rate) 즉 RR3에 만 영향을 받게 되며 실제로 HCCI 엔진도 이러한 특징을 보여주고 있다.

이러한 균일 충진 개념을 활용하기 위해 HCCI 엔진에서는 연료 주입량을 1/2~1/3로 크게 줄이는 반면에 엔진 실린더에 투입되는 공기량은 기존의 공기량을 그대로 사용한다. 따라서 연료량은 크게 감소한 상태에서 다량의 공기에 의하여 공기와 연료 혼합이 효율적으로 이루질수 있다. 따라서 액상연료의 기화나 난류혼합의 과정을 최소화한 오직 화학반응에만 의존( RR3 )하는 빠른 연소반응에 의하여 엔진 효율 향상의 목적을 달성하고자 하였다. 사실 기존의 엔진 연소에서 50% 이상의 에너지가 폐열 에너지로 낭비된다는 점을 고려할 때 연료 주입량을 크게 줄이고 공기량을 증가시킬 경우 연료를 절약하면서 반응시간을 단축하여 효율을 증가시킨다는 HCCI 엔진 운전 개념은 매우 합리적으로 보인다. 또한 연료가 희박한 상태에서 균일 혼합이 이루어질 경우 ‘knocking’ 현상이 억제되고 디젤엔진과 같이 높은 압축비가 가능할 뿐만 아니라 엔진 내부에서 동시 다발적인 점화가 가능하여 화염전파나 난류 혼합에 소요되는 시간을 절약할 수 있다. 이러한 연소 현상이 이루어질 경우 디젤 엔진 연소에서 발생하는 난류혼합 과정이나 가솔린 엔진의 스파크 점화에 따른 화염전파에서 발생하는 시간 지연 현상을 줄일 수가 있다. 따라서 빠른 연소 속도에 의한 효과적인 온도상승과 생성가스의 몰수의 증가는 효과적으로 동력을 증가시켜 연비를 크게 향상시킬 수 있다는 것이 HCCI 엔진의 핵심개념으로 판단된다. 그러나 이러한 개념에 기초한 HCCI 엔진의 상용화는 1979년 Onishi 가 HCCI 엔진에 대한 개념을 제시 한 이후로 전 세계적인 관심사로 자리 잡고 있지만 불행하게도

2015년 현재 이에 대한 상용화 모델에 대한 성공 사례는 보고되지 않고 있다.

HCCI 엔진이 상용화되고 있지 못하는 결정적인 문제점 중의 하나는 특히 높은 rpm (3,500 rpm 이상)에서의 동력 부족으로 보고되고 있다. 구체적으로 언급하면 100~200 % 이상의 잉여 공기에 의한 희박연소 운전의 경우, 잘 혼합된 상태에서 압축에 의하여 동시다발적으로 빠른 화학반응을 일으켜 빠른 반응을 일으킨다는 점에서는 HCCI 엔진의 작동기전은 결함이 없는 방법으로 보인다. 그러나 여기서 HCCI 엔진 연구에서 간과하였을 수도 있는 결정적인 물리적 기전 중의 하나는 비록 HCCI 엔진의 연소현상, 즉 화학반응속도는 빠르나 동력의 발생은 충분하지 못할 가능성이 있다는 점이다.

(3)

이를 보다 구체적으로 살펴보자. 식 (3)은 연소 시 동력발생과정에서 발생하는 ‘PV-work’의 변화를 반응기체의 온도와 몰수 변화로 표시한 것이다. 즉 주지하다시피 시간에 따른 동력의 증가( PV) 를 위해서는 온도나 반응가스의 증가( nRT )가 필수적이라 할 수 있다.

즉 효과적인 동력의 발생은 온도의 상승이나 몰수의 증가로 나타나야 하는데 화학반응이 빠르게 엔진내부에서 동시다발적으로 발생한다고 하여도 희박연소의 경우, 특히 고부하와 높은 rpm에서 반응몰수나 온도상승이 충분하지 않을 경우 HCCI 엔진의 구동력은 실질적인 제약을 받을 수밖에 없을 것으로 보인다. 가솔린 연료에서 희박연소의 경우 반응몰수의 증가나 온도의 상승에 문제가 있을 가능성을 구체적으로 살펴보기로 하자. 가솔린 연료를 옥탄으로 가정할 경우 가솔린 1몰 당 발생하는 열량은 공연비가 당량조건일 경우 아래와 같이 표시된다.

(4)

이 경우 반응 생성물의 몰수가 64 몰이므로 1몰의 연소 생성물 당 열량은 79,940 J 에 해당한다. 만일 희박연소에 의하여 100 % 의 잉여공기를 사용한다면 질소와 산소가 그만큼 늘어남으로 인하여 1몰 당 가열에 소요되는 열량은 41,426 J 로 크게 감소한다. 또한 식 (4)에 나타낸 바와 같이 산화제로 공기가 사용되는 경우 공기 중에 함유된 79 %의 다량의 질소의 존재는 연소 반응전후의 몰수의 변화가 실질적으로 거의 없게 만든다. 예를 들어 식(4)에서 반응 전의 반응 몰의 총 몰수는 59.5몰이고 반응 후의 몰수는 64몰이 된다. 그러므로 반응전후의 몰수의 증가율은 (64-59.5)/59.5 ~ 0.08 정도로 8 % 증가에 불과하다. 만일 잉여공기를 사용할 경우 공기에 존재하는 다량의 질소분자의 영향에 의하여 이러한 현상은 보다 심화된다. 그러므로 식 (3)에서 PV-work 에 의한 동력 발생식은 반응에 의한 몰수의 변화가 작은 경우 아래와 같이 오직 온도 변화만의 식으로 나타내어질 수 있다.

(5)

이러한 관점에서 추론 할수 있는 것은 HCCI 엔진은 균일 충진과 희박연소에 의하여 동시 점화에 의한 빠른 반응을 일으키는 데는 성공하였으나 절대적인 열량이 부족하다면 온도상승에 따른 충분한 동력을 발생시키는 데에는 효과적이지 못하다.

이에 대해서는 뒤에 보다 정량적인 차원에서 검토하기로 하나 여기에 덧붙여서 지적할 사항은 낮은 온도에서의 화학반응속도의 지연현상이다. 즉 예혼합이 매우 잘되어 난류혼합 효과를 고려할 필요가 없는 상태에서는 전반적인 반응속도는 오직 RR3 의 화학적인 반응속도에만 좌우된다.

이 경우라 하더라도 다량의 잉여공기에 의하여 온도가 낮은 경우에는 충분한 활성화 에너지를 공급하지 못하기에 화학반응속도가 실질적으로 낮아지는 효과가 나타난다. 다른 차원에서의 언급이지마는 연소반응에서 잉여공기의 사용은 항상 “최대 사용 가능한 일의 양” 즉 엑서지(exergy)를 크게 감소시킨다. 즉 다량의 공기에 의한 희박연소는 엔트로피를 증가시키는 태생적인 약점을 감수하여야하는 방법이라는 것이다. 이러한 여러 사항을 감안할 때 HCCI 엔진이 특히 높은 rpm 에서 효과적으로 작동하지 못한다면 이는 효과적인 가열 능력의 부족이 중요한 이유라고 사료된다. 이러한 이론적인 추론은 지난 몇 십년동안의 HCCI 엔진의 개발사에서 나타나고 있는 문제점이라 할 수 있다. HCCI 엔진에서도 이러한 문제점을 해결하기 위하여 다양한 연료의 조합에 의한 혼소 등이 연소의 안정성과 동력 증대의 차원에서 시도되고 있다.

이와 같은 HCCI 엔진의 문제점을 고려할 때 고 효율 엔진을 위해서는 균일충전의 장점을 살리면서도 열량 공급이 충분하여야한다는 잠정적 결론에 이르게 된다. 이에 대한 해결책으로 본고에서는 고효율 엔진 작동 방법으로서 혼소를 이용한 연소 방법에 대하여 구체적으로 검토하여 보기로 한다. 앞에서 토론한 바와 같이 HCCI 엔진의 핵심 개념은 잉여공기를 이용한 난류혼합의 제고에 따른 균일 혼합에 따른 빠른 반응이었다. 그러나 문제는 이러한 소기의 목적을 달성하였음에도 불구하고 충분한 온도상승에 실패함으로써 원하는 동력을 얻지 못한 것으로 판단되었다. 빠른 온도 상승을 효과적으로 달성하지 못한 이유 중의 하나는 다량의 연소공기 중에 존재하는 반응에 참가하지 않는 질소분자의 존재라 할 수 있다. 그러나 균일 충진과 연료절감을 위해서는 잉여공기 사용에 따른 희박 연소가 불가피 하여 보인다. 그러므로 희박연소에 나타난 문제점을 보완하기 위하여 반응 후 연소가스의 가열능력을 높이는 연료를 혼소물질로 선택하는 것이 합리적이라고 판단된다. 그러나 기존의 탄화수소를 혼소를 위한 연료로 사용할 경우 산화제로서 사용되는 공기에는 79%에 해당하는 질소의 존재가 효과적인 가열을 방해하는 인자로 작용한다.

따라서 연소시 질소가스가 배제된 효과적인 연료로 물을 전기분해한 물전기분해가스(WEG, water electrolysis gas, H₂ + 1/2 O₂)가 보조 연료로 하는 것이 타당한 것이다.

(6)

식 (6)에 나타낸 바와 같이 물 1.5몰의 WEG에는 1몰의 수소분자가 존재함으로 저위발열량으로 240,000 J 정도의 열량을 발생하나 연소 후 발생하는 기체의 몰수는 오직 1몰로서 단위 생성몰 당 가열능력이 현저히 상승한다. 부연하면 산화제로 공기를 사용하는 경우와 같이 79 %의 비반응 질소가 존재하지 않는다. 그러므로 물 1몰에서 발생하는 물 전기분해 가스는 100 % 이론공기를 사용한 가솔린 연소의 경우와 비교하더라도 241,827/79,940 = 3.03 으로서 3배 이상의 가열능력을 가진다. 만일 100 % 잉여공기를 가솔린 연소와 비교한다면 가열능력은 5.8 배로 크게 증가한다. 이러한 단위 생성 몰 당 가열능력의 증가는 잉여공기를 사용하여 균일충진에 의한 희박연소를 사용하는 HCCI 엔진의 경우는 매우 긍정적인 인자라고 할 수 있다. 또한 수소 기체의 화염전파 속도는 공기 중에서 옥탄의 화염전파속도에 비하여 5배 이상이 빠르고 이 경우와 같이 산화제가 순수한 산소의 경우는 효과가 크게 증대한다. 그러므로 가열능력과 화염속도라는 두 긍정적인 인자가 결합된 동력 발생에서의 상승효과는 최소 3X5 ~ 15 배 이상으로 판단된다. 가솔린과 같은 기존의 화석연료와 WEG 를 엔진의 효율 향상을 위해서 가솔린 양을 줄이고 가열능력이 높은 WEG를 혼소할 경우 아래와 같은 경험식이 만들어질 수 있다.

(7)

식(7)에서 x 는 혼소를 위해 1몰의 가솔린에서 감소한 가솔린의 몰분율이며 n은 가솔린을 대체하는 보조 연료의 “연료대체절감계수(Reduction Coefficient of Replaced Fuel)” 이다. 식(7)의 연소방정식의 의미는 균일 충진을 위해서 희박연소를 사용하였다는 점에서는 HCCI 엔진의 개념과 일치하나 가솔린 연소에서 가솔린 1몰 중에서 x 몰의 가솔린을 제거한 후 이 제거한 가솔린 발열량의 일부를 물을 전기분해한 가열능력이 높은 연료로 대체하였다는 점이 다르다. 이 경우 대체하는 전기분해기체의 양은 당연히 앞에서 언급한 가열능력과 화염전파속도의 상승효과 SPF(synergetic power factor)를 고려하여야 한다. 여기서 SPF의 값은 WEG의 가열능력과 화염전파속도가 결합한 효과로 얻어지는 값으로 15~30 정도의 값을 가지는 것으로 판단된다. 이 값은 추후 실험에 의하여 이 영역에 있음을 확인하였다. 식 (7)에서 연료대체절감계수 n 은 아래와 같이 주어진다.

(8)

즉 HCCI 엔진 운전에서 연료량을 60 % 정도 줄일 경우 x = 0.6 이 되며 60 % 가솔린이 가지는 열량의 일부분 즉 1/SPF (1/15~1/30) 정도는 되는 열량을 물을 전기분해하여 얻어지는 WEG로 대체한다는 것이다. 보다 쉬운 예를 들면 가솔린 1몰을 절약하여 물을 전기 분해한 기체로 대체하여 엔진을 가동한다면 가솔린 1몰의 발열량을 대략 5,000,000 J 로 가정한다면 물 1몰을 전기분해 할 경우 발생하는 열량을 250,000 J 정도이므로 같은 열량을 대체하기 위해서는 대충 20 몰의 물을 분해하여 연료로 사용하여야 한다. 그러나 물을 전기분해한 기체의 가열능력과 화염전파속도를 고려한 SPF 값을 20 정도로 추정한다면 사용하는 물 전기 분해가스는 1/SPF 로서 1/20 이 되므로 단지 1몰의 가솔린의 대체 연료로서 1몰의 물을 전기분해하여 사용한다면 동일한 동력을 발생할 수 있다는 것이 본고의 논리이다.

물론 이 경우 사용되는 가솔린의 양과 혼소하는 물 전기분해기체의 상대적인 양과 공연비 등이 중요한 변수로 작용한다. 그러나 여기서 특히 언급하여야 할 사항은 이와 같은 혼소에 의한 연소방법은 가솔린이 오직 증기일 경우에 효과적이라는 사실이다.

앞의 식(1)에서 언급한 바와 같이 만일 가솔린이 액체 상태인 액적으로 주입된다면 이것이 미립화하고 증기화(RR1)하면서 난류혼합(RR2)을 거쳐야 하는데 이 경우 WEG 의 가열능력과 화염전파속도가 결합된 장점이 RR1 과 RR2 에 의한 실질적인 지연 현상에 의하여 가시적인 영향을 나타내게 될 것이기 때문이다. 실제로 문헌에 나타난 물을 전기분해한 기체나 수소와 산소의 혼합기체를 이용한 엔진 연구가 엔진 효율 향상에 실질적인 기여를 하지 못한 것은 액상 연료와 혼소가 주된 이유라고 사료된다. 이러한 HCCI 연소 방법을 개선한 HCFVSI (Homogeneous Charged Fuel Vaporized Spark Ignition) 방법에 의하여 지난 6-7년 동안 디젤과 가솔린을 비롯한 다양한 액기상 연료와 WEG 와 혼소를 10 kW 이내의 발동기에 성공적으로 작동시켰다. 그 결과 전반적인 연료의 사용량은 일반적으로 1/2 이하로 나타났으며 그 시스템에 대한 장치 배치도를 [도 3]에 제시하였다

더불어 본 발명에 대한 이해를 더욱 쉽게 이해하기 위하여 화석연료로 예를 들어 개괄적인 설명을 한다.

화석연료로 LPG를 HHO 기체(물전기분해가스 WEG를 의미한다)와 혼소하여 엔진이나 발전기를 가동하는 경우 만일 LPG 연료를 일정량 줄일 경우(예, 50% ) 이 때 투입되는 HHO의 양은 얼마가 되어야 같은 동력을 발생 하는가 하는 것이다.

이러한 내용은 기존의 수소기체나 산수소기체의 혼합에 의한 엔진연소나 보일러 연소와는 방법상에서 확연하게 다르다.

기존의 문헌이나 특허에 나온 방법들은 본 발명의 내용과 같이 50% 정도로 획기적으로 기존의 화석연료를 줄이는 방법을 택하지 않고 단지 10~20% 정도의 수소기체를 혼소하는 있다는 점에서 본 발명와는 다르다고 할 수 있다. 그리고 이러한 연구 결과를 최대 10% 내외의 연비향상 등을 보고하고 있다.

(여기서 HHO 가스는 앞서 설명한 바처럼 물분자를 분해하여 발생하는 물전기 해가스(또는 산수소기체, WEG)를 의미한다)

본 발명에서 차별화가 되는 대표적인 내용 중의 하나는 투입되는 HHO의 양은 HHO와 대체되는 화석연료의 가열능력과 화염전파속도를 고려하여 대체하는 HHO의 양을 결정한다는 것이다.

LPG 연료를 대상으로 예를 들면 HHO 기체는 LPG 보다 동력발생 능력이 20배 정도 좋은 것으로 추정된다.

그러므로 LPG 연료를 50% 줄인다면 투입되는 HHO의 열량은 50%에 해당하는 줄어든 LPG 열량의 1/20 정도되는 양을 투입하여 동일한 동력 발생 효과를 내는 것이 본 발명의 핵심 내용이다.

이에 대하여 구체적으로 언급하면 만일 LPG 연료를 50% 줄이고 줄어든 LPG 연료의 발열량은 모두 산수소기체인 HHO 연료로 대체한다면 같은 열량을 가지고 보다 반응성이 좋은 HHO 기체로 엔진 성능의 향상을 도모하는 기술이 된다.

그러나 본 발명에서는 이러한 전통적인 방법 대신에 50% 감소한 LPG 열량의 1/20 정도만 HHO 기체로 투입하여 동일한 동력을 얻는 물리적 기전에 기초한 방법을 택하고 있다. 이것이 가능한 이유는 HHO 기체가 LPG 에 비하여 20 배 정도 동력 발생 능력이 있기 때문이다.

이 결과 아래의 식에 나타낸 바와 같이 LPG 연료 50% 감소시킨 에너지 비용과 열량비로 1/20에 해당하는 HHO 기체 에너지 비용의 차이만큼 직접적인 에너지 비용의 절감을 이룰 수 있다.

직접적인 에너지 비용의 절감 = 감소한 화석 연료의 양 대체한 HHO 기체의 공급 비용

뿐만 아니라 만일 LPG 연료를 50% 감소하고 HHO 기체로 대체한다면 작금에 국제적으로 현안이 되고 있는 온실가스인 CO2를 정확하게 50% 감소할 수 있다.

뿐만 아니라 SOx, Fuel NOx, 분진 등 연료 자체에 포함된 다양한 공해물질에 비례하여 발생하는 공해물질을 연료량의 감소에 비례하여 절감하는 효과가 있다.

한편 Thermal NOx 의 경우도 공급되는 전체 열량이 감소함과 동시에 동력으로의 전환율이 높기 때문에 실질적인 저감이 예상되나 Thermal NOx 의 발생기전은 연소과정에 따라 매우 민감하기 때문에 액상과 기상 화석연료에 대하여 일률적으로 정량화하기는 어렵다.

본 발명에서 투입하는 기체는 단순한 수소기체(H2)가 아니라 수소와 산소가 당량비로 결합한 HHO 기체(H2 + 1/2 O2)로 이 혼합기체는 전기분해에서 얻거나 또는 각각의 개별적인 방법( 연료개질에 의한 수소기체와 공기에서 분리한 산소기체의 혼합등)으로 얻어 혼합한 기체를 지칭한다.

이러한 HHO 혼합기체가 단순한 수소기체와는 엔진 성능에서 크게 차별화가 됨을 강조하고자 하다. 만일 단순하게 수소기체를 LPG 연료와 혼합하여 질소가 79% 함유된 공기로 연소시킬 경우 수많은 문헌에서 연구 결과로 제시된 바와 같이 효율향상과 NOx 저감 효과가 10% 이하로 매우 미미하였다. 이러한 사실에 대해서는 그 동안 발표된 수많은 수소 혼소 논문에서 효율향상의 획기적인 결과가 없었다는 사실이 이를 반증한다.

그 이유는 수소가 연소하기 위하여 필요한 산소를 공기로 공급할 경우 공기 속에 존재하는 질소분자의 존재에 의하여 수소기체의 가열능력과 화염전파속도가 크게 감소한다. 더욱이 액상 연료에 의한 기화문제나 난류혼합에 따른 혼합속도가 늦는 경우에는 이러한 효율 저하의 문제는 더욱 심화되어 효율 향상효과는 더욱 미미하여진다. 따라서 수소와 같은 반응성이 좋은 기체를 보조 연료로 혼소하였음에도 불구하고 전반적인 동력 발생능력은 크게 훼손된다.

그러나 HHO 기체와 같이 질소가 포함되지 않은 순 산소 연소를 할수 있는 기체를 혼소하는 경우에는 난류혼합과정이 생략된 예혼합(premixed) 연소로서 매우 빠른 반응속도를 보일 뿐만 아니라 발생한 열량이 오로지 1몰의 H2O를 가열하는데 사용된다.

이와 반대로 단순히 수소기체를 앞에서 이미 언급한 바와 같이 공기에 의해 연소시킬 경우에는 비예혼합(non-premixed) 연소이기 때문에 난류혼합에 따른 시간지연이 발생할 뿐 만아니라 공기중에 포함된 79%의 질소를 동시에 가열하기 때문에 가열속도와 온도상승에서 현격한 차이가 나타난다 (아래 식(1)과 (2) 참조)

H2 + 1/2 O2 ---- H2O + 241,827 J (1)

H2 + 1/2 O2 + 1.88 N2 ----- H2O + 1.88 N2 + 241,827 J (2)

위의 경우 (1)과 (2)를 비교하여 보면 순산소 연소인 (1)의 경우는 이미 산소와 수소기체가 예혼합 되어 있을 뿐 만 아니라 생성몰수 H2O 1몰이기에 연소 생성물 1몰당 가열능력은 대략 24만 Joule 해당한다.

반대로 산화제로 공기를 공급하는 경우에는 비예혼합 연소이기에 난류혼합에 따른 일차적인 지연이 있을 뿐 만 아니라 연소 생성물 1몰당 발열량도 241,827 J/ 2.88 moles = 83,968 J/mole 로서 83,968/241.827 = 34.7 % 로서 수소기체를 공기와 연소시키면 순산소 연소에 비하여 가열능력이 약 1/3 정도로 감소함을 알 수 있다.

산수소 기체( 물전기분해 가스 )에 의한 에너지 절약

위에서 언급한 기술에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. LPG 는 1몰당 214만 Joule 정도의 발열량을 가진다.( LPG를 프로판으로 가정할 경우 식(3)에 제시한 연소식 참조) 이러한 열량을 가진 LPG를 50% 줄이고 소량의 산수소기체를 공급하여 같은 동력을 얻고자 하는 것이 본 발명의 목표이다.

(3)

이때 대체하는 산수소기체의 양은 식(4)에 나타낸바와 같이 LPG 연료 50% 저감의 경우 LPG 연료가 0.5 몰이 감소하면 수소기체는 0.2 몰 정도를 투입하게 된다. 이에 대해서는 아래에 구체적으로 언급하였다.

(4)

열량의 차원에서 기술하면 LPG 연료의 1몰 열량이 204만 J 이므로 50% LPG 만을 사용하면 0.5 몰 의 열량 즉 102만 Joule이 감소한다. 이것을 산수소기체로 대체하는데 산수소기체의 폭발 능력이 LPG 의 20배 정도이므로 감소한 열량 102만 Joule 의 1/20 정도에 해당하는 5만 Joule 만 산수소 기체로 대체한다. 그런데 산수소 기체에서 수소 1 몰당 발열량은 24만 Joule 정도가 되므로 5/24 ~0.208 몰 된다. 즉 102만 Joule 에 해당하는 LPG 를 제외하고 5만 Joule 정도의 산수소 기체를 대체 혼소 연료로 투입한다.

전체 열량의 관점으로 에너지 효율을 살펴보면 다음과 같다. 1 몰의 LPG 열량이 214만 J 이고 이중에서 절약한 에너지는 이에 1/2에 해당하는 102만 J 이다. 그리고 새로이 투입된 열량은 수소기체의 열량으로서 5만 Joule 정도이다. 수소기체는 1 몰당 24만 Joule 정도의 발열량을 가지므로 5만 J 의 열량은 수소기체 0.2 몰 정도에 해당한다. 이를 정리하면 다음과 같다.

연소 방법	LPG	HHO	계	에너지 절약
LPG 엔진	1몰 204 만 Joule	0	214 만 J	0
LPG 50% + HHO혼소 (단순한 열량계산에 의한 효율 계산)	0.5 몰 102만 Joule	0.2몰 5만 Joule	102+5= 107 만 J	48%
LPG 50% + HHO혼소 ( HHO 발생 에너지 효율을 고려한 계산)	0.5 몰 102만 Joule	0.2몰 5만 J/0.3* = 16만 J	102 + 16= 118만 J	42%
*전기분해 가스의 에너지 계산 - 전기분해에 의하여 산수소가체를 공급할 경우 발전 효율 40%에 전기분해 효율 75%를 고려하면 전기분해의 전체적인 효율은 0.4 x 0.75 = 0.3 으로서 30% 정도에 해당한다. 그러므로 물을 전기분해한 기체를 사용할 경우 최소 3.3배에 해당하는 상승효과를 도모하지 않으면 매우 비 경제적인 방법을 선택하는 것이라 할수 있다. 그러므로 위의 에너지 절역 계산에서 HHO 연료에 의한 사용 열량이 5만 Joule 정도일 경우 이것의 3.3배인 5만Joule/ 0.3 = 16만 Joule본 내용에서는 HHO 기체가 LPG 연료에 비하여 20 배정도 동력 발생 능력이 있으므로 충분히 가능하다고 할수 있다. HHO를 얻는 방법에 있어서는 필요에 따라서는 전기분해방법을 통하지 않고 수소기체와 산소기체를 각각 다른 방법으로 공급하는 것도 가능하다. 그 경우 연료개질에 의한 수소기체의 공급가격과 ASU(Air Separation Unit)에 의한 산소공급가를 고려하면 될 것으로 판단한다.

LPG 연료와 산수소 기체의 동력발생 능력 비교

본 기술은 위에서 언급한 바와 같이 LPG 를 연료로 사용하는 엔진 연소에서 LPG 연료를 일정한 양만큼 제외한 후 제외한 LPG 연료 대신에 폭발력이 20 배 정도 우수한 수소와 산소의 당량혼합기체 즉 산수소기체(HHO, H2 + 1/2 O2)를 혼소하여 연비 향상과 공해물질 저감을 이루고자 하는 것이다.

이 때 공급되는 산수소 기체의 양은 감소한 LPG 발열량의 1/20 정도 되는 열량에 해당하는 산수소 기체 (H2 + 1/2 O2)를 공급한다.

여기서 중요한 물리적인 기전은 산수소 기체가 어떻게 LPG 연료에 비하여 20배 정도의 동력발생 능력을 가지는가 하는 것이다.

결론적으로 이야기하면 엔진 연소에서 동력발생은 얼마나 빨리 화학반응이 일어나서 온도가 상승하고 이에 따라 체적 팽창이 발생하여 동력으로 전화하는 것이 관건이라 할 수 있다. 만일 엔진에서 크랭크 앵글이 50도 정도에서 대부분의 연소가 끝난다고 가정할 때 RPM 에 따른 90% 가 연소하는 연소시간은 아래 표에 제시하였듯이 1~10ms (즉 0.001~0.02 sec) 영역에서 종결된다는 연구결과를 볼 때 연비 향상을 위해서는 엔진에서의 빠른 화염전파속도와 온도상승 효과는 아무리 빨라도 지나치다고 할 수 없을 것이다.

Mixture Burn Time vs Engine Speed
엔진 상태	N(RPM)	t 90%(ms)
standard car at idle	500	16.7
standard car at max power	4,000	2.1
Nature of Heat Release Rate in an Engine web.iitd.ac.in/~pmvs/courses/mel713/mel713-20.ppt, P M V Subbarao. Professor. Mechanical Engineering Department, IIT Delhi India

이를 보다 정량적으로 살펴보자.

원래 엔진에서의 발열량은 위의 식에서 제시한 매우 복잡한 표현식으로 주어져야 하며 반응속도는 아래 그림에 제사하였듯이 엔진 동력발생에 있어서 매우 중요하다.

도 1에서 보는 것처럼, 본 발명에서는 매우 간단한 경험식에서 연소반응에 의한 온도상승 효과가 동력발생과 비례한다는 사실에 기초하여 필요한 연료량을 경험적으로 산정하고 이를 실험 자료와 비교하기 위해 아래와 같이 매우 간단한 이론을 전개한다.

동력발생능력은 단위시간당 PV-work 의 변화로서 이는 엔진 모델에서 많이 사용하는 이상기체 상태방정식을 이용하면 아래 식(5)로 주어진다.

d(PV)/dt ~ d(nRT)/dt ~ nR d(T)/dt + T d(nR)/dt ~ nR d(T)/dt (5)

위의 식에서 T d/dt(nR) 항은 공기 중에 존재하는 질소분자의 양이 절대적으로 많은 양을 차지 하기 때문에 연소전후에 큰 변화가 없다.

예를 들어 LPG 연료의 경우 이론공기비 100% 의 경우 식(3)을 예로 들면 반응물의 몰수는 n(반응물) = 1 + 5 + 18.8 = 24.8 몰이고 생성물은 n(생성물) = 3+ 4 + 18.8 = 25.8 몰이다

(3)

그러므로 반응후와 반응전의 몰수의 비는 n(반응후)/n(반응전) = 25.8/24.8 = 1.04 로서 오직 4% 정도만 연소 반응에 의하여 몰수가 증가하였음을 알 수 있다. 그러므로 식(5)의 동력발생 식에서 시간에 따른 기체의 몰수 변화항, T d(nR)/dt ~ 0 으로 무시할 수 있음을 알 수 있다. 만일 희박연소등과 같이 잉여공기를 사용하는 경우에는 이 변화는 더욱 작은 값으로 나타나게 됨을 알 수 있다.

따라서 동력 발생 능력은 시간에 따라 얼마나 빨리 온도 상승이 이루어지는가에 의존하게 된다. 엔진내부에서 온도상승은 화학반응이 얼마나 빨리 발생하는가와 함께 연소 생성물이 얼마나 많은 열량을 가지는가에 일차적으로 의존하게 된다.

도 2에서 보는 바와 같이 크랭크 앵글 대 엔진에서의 연료의 연소 분율에 대한 그래프에서도 알 수 있듯이 연료의 연소분율(mass fraction burned)은 엔진 작동 등의 변수에 따라서 매우 큰 차이를 보일 수 있음을 시사한다.

구체적인 예로서 본 발명에 대한 기초가 된 가솔린 엔진 논문의 연구결과에 의하면 가열능력과 화염전파 속도의 곱으로 주어지는 값이 엔진에서의 연료에 따른 개략적인 동력발생 능력으로 산정하였으며 실험적으로 잘 일치하는 결과를 나타내었다.

그래서 본 발명에서는 LPG 연료와 산수소 기체간의 동력발생 능력을 비교함에 있어서 각각의 기체의 (1) 연소 생성물의 가열능력과 (2) 화염전파속도를 비교하였다.

(Bahng et al. 2016, Bahng G., D. Jang,Y. Kim, M. Shin, “A new technology to overcome the limits of HCCI engine through fuel modification”Applied Thermal Engineering Vol 98 pp.810-815(2016))

가) LPG 와 산수소 기체의 연소생성물의 가열능력

우선 LPG 와 산수소기체의 가열능력을 비교하기로 한다. LPG 연료와 산수소 기체의 이론공기 100% 일 때 연소식은 위에서 제시한바와 같이 각각 식(1)과 (3)으로 주어진다.

H2 + 1/2 O2 ---- H2O + 241,827 J (1)

(3)

위의 식 (1)과 (3)에서 보면 연소 생성가스 1몰당 산수소 기체의 연소에서는 1몰의 수증기가 발생하고 그 때의 열량은 저위발열량으로 241,827 J 이므로 1몰의 연소기체 당 241,827 J 의 열량을 가진다. 반면에 프로판의 경우는 식(3)에서 보듯이 25.8 몰(3 + 4 + 18.8 = 25.8 )의 생성물에 2,147,874 Joule 의 열량이 발생한다. 그러므로 각각의 연소에서 연소기체 1몰당 온도상승에 사용할 수 있는 열량은 각각 아래와 같이 정리된다.

연료	생성몰수	저위 발열량	연소기체 1몰당 가열에 사용되는 열량	비고
LPG	1	2,147,874 Joule	83,250 Joule/mole	HHO 기체가 LPG 에 비하여 2.9배 즉 3 배 정도 가열능력이 높다
산수소기체 (HHO)	25.8	241,827 Joule	241,827 Joule/mole
열량에 의한 가열 능력의 단순 비교	-	-	241,827/83,250 = 2.90

나) 화염의 전파속도 비교

다음 자료는 당량조건에서의 수소와 프로판을 포함한 몇 개의 연료에 대하여 공기중에서의 "Burning Velocity(cm/sec)"를 나타낸 것이다.

(Milton,B.E. and J.C. Keck, Laminar burning velocities in stoichiometric hydrogen and hydrogen-hydrocarbon gas mixtures, Combustion and Flame, 58:13-32 (1984))

Fuel	H2-air	C2H2-air	C3H8-air	CH4-air	수소와 프로판의 속도 비교
1 atm	230 cm/s	135 cm/s	38 cm/s	35 cm/s	230/38 = 6.05
2 atm	340 cm/s	172 cm/s	43.5 cm/s	39 cm/s	340/43.5 = 7.82
3 atm	425 cm/s	228 cm/s	49 cm/s	42 cm/s	425/49 = 8.67
5 atm	510 cm/s	275 cm/s	56 cm/s	45 cm/s	510/56 = 9.11

다) 동력발생 효과와 엔진의 우수성

위에서 언급한 연소 생성물의 가열능력과 화염전파 속도를 비교하면 전반적으로 산수소 기체가 LPG 연료에 비하여 최소 20 배 이상의 동력 발생 능력이 있음을 알 수 있다.

그러므로 일반적으로 연소식을 완성하면 1몰의 LPG 연료에서 50% 정도의 LPG 연료를 감소하고 이것을 산수소 기체로 대체할 때 식(4)와 같은 일반적인 식으로 나타낼 수 있다.

(4)

여기서 주목할 점은 산화제인 공기의 양은 1몰의 LPG를 사용하였을 때에 해당하는 연소 공기를 그대로 사용한다는 것이다. 이것의 목적은 충분한 연소용 공기를 제공함으로써 연료와 공기가 충분히 예혼합 상태를 유지하여 균일충전(HC-Homogeneous Charging)을 만들고자 함이다. 이것이 “꿈의 엔진” 으로 회자되었던 HCCI 엔진의 목표이기도 하다. 그러나 본 개발 목표와 HCCI(Homogeneous Charged Compression Ignition) 엔진이 다른 점은 HCCI 엔진에서는 균일 충천을 위해서 잉여공기를 사용하였기 때문에 절대적인 에너지 밀도나 엑서지(Exergy)의 감소로 인하여 높은 rpm 이나 고부하에서 엔진의 작동이 제대로 이루어지지 않았으나 본 연구 개발 대상 제품은 균일 충진을 달성한 후 에너지 밀도를 본래의 LPG 연료의 폭발력으로 환원시켰기 때문에 동력발생 감소 현상이 발생하지 않는다.

라) 대표적인 연료의 가열능력과 화염전파속도에 기초한 동력발생능력 지수

100% 이론공기의 경우와 공기량을 100% 더 증가시킨 100% 잉여공기를 사용하였을 때 다양한 화석연료에 대한 연소 생성물의 가열능력을 비교한다.

[옥탄 1몰 반응식]

이론공기 100% 의 경우 : 생성몰수 64몰이며 총열량 5,116,172 J 이므로 단위 생성몰 당 발열량 79,940 J이 된다.

잉여공기 100% 인 경우 : 만일 연소용 공기가 100% 잉여공기를 사용하게 되면 산소의 몰수가 12.5 몰 증가하고 질소의 몰수가 47몰이 증가하게 되므로 총 몰수는 64 + 59.5 = 123.5 몰이 되므로 발열량은 41,426 /mole 로 크게 감소한다.

[메탄 1몰 반응식]

이론공기 100% 의 경우 : 생성몰수 10.52 몰이고, 총열량 802,303 J 이므로 단위 생성몰 당 발열량은 76,265 J 이 된다.

잉여공기 100% 인 경우 : 잉여공기 100%인 경우에는 산소가 2몰 그리고 질소가 7.52 몰이 증가한다. 그러므로 총 몰수는 10.52 + 9.52 = 20.04몰이 되므로 단위 연소생성몰 당 발열량은 40,035 J 로 감소한다.

[협기성 소화 바이오가스 1몰 반응식(메탄 65% 이산화탄소 35% 조성가정)]

이론공기 100% 의 경우 : 생성몰수 7.19 몰이고, 총열량 521,497 J 이므로 단위 생성몰 당 발열량은 72,531 J 이 된다.

잉여공기 100% 인 경우 : 잉여공기 100%인 경우에는 산소와 질소가 총 6.2 몰 증가한다. 그러므로 총 몰수는 7.19+6.2 = 13.39이 되므로 단위 연소생성몰 당 발열량은 38,947 J 로 감소한다.

[프로판 1몰 반응식]

이론공기 100% 의 경우 : (생성몰수 25.8 몰, 총발열량 2,044,027 J, 단위 생성몰당 발열량 79,226 J 이된다.

잉여공기 100% 인 경우 : 잉여공기 100%인 경우에는 산소가 5몰 그리고 질소가 18.8 몰이 증가한다. 그러므로 총 몰수는 25.8 + 23.8 = 49.6몰이 되므로 단위 연소생성몰 당 발열량은 41,210 J 로 감소한다.

[부탄 1몰 반응식]

이론공기 100% 의 경우 : 생성몰수 33.44 몰이고 총발열량 2,658,493 J 이므로 단위 생성몰 당 발열량 79,500J 이된다.

잉여공기 100% 인 경우 : 잉여공기 100%인 경우에는 산소가 6.5몰 그리고 질소가 24.44 몰이 증가한다. 그러므로 총 몰수는 33.44 + 30.94 = 64.38몰이 되므로 단위 연소생성몰 당 발열량은 41,294 J 로 감소한다.

[디젤 1몰 반응식]

이론공기 100% 의 경우 : 생성몰수 90.24몰이고 총발열량 7.50MJ이므로 단위생성기체당 발열량 83,000 J 이다.

잉여공기 100% 인 경우 : 잉여공기 100%인 경우에는 산소가 17.75몰 그리고 질소가 66.74 몰이 증가한다. 그러므로 총 몰수는 90.24 + 17.75 + 66.74 = 174.73몰이 되므로 단위 연소생성몰 당 발열량은 42,923 J 로 감소한다.

[산소와 수소 예혼합 기체 (물 전기분해가스) 1.5몰 반응식]

(생성몰수 1몰, 총열량 241,827 J, 단위 생성몰 당 발열량 241,827J )

연료	HHO	옥탄	디젤	프로판	부탄	메탄	협기성 분해가스
100%이론공기시 몰당 열량(Joule)	241,827	79.940	83,000	79,226	79,500	76,265	72,531
HHO 순산소 기준 상대적 가열능력	1	33.1%	34.3%	32.8%	32.9%	31.5%	30.0%
100% 잉여공기시 몰당 열량(Joule)	-	41,426	42,923	41,210	41,294	40,035	38,947
HHO 순산소 기준 상대적 가열능력	-	17.1%	17.7%	17.04%	17.1%	16.6%	16.10%

[실험적인 실시]

1. 상기한 본 발명에 대한 새로운 혼합 연료에 대한 연소 효율을 측정하기 위하여 하나의 실린더를 가진 엔진을 이용한 장치를 이용하여 몇 가지 실험을 하였다.

도 3에서 보는 바와 같이 실험용 장치는 하나의 실린더를 가진 엔진을 이용한 장치는 물전기분해장치(water electrolysis device), 버블러(bubbler), 원심분리 믹서(centrifugal mixer), 엔진(engine), 제어 및 게이지 판넬(control / gauge panels)로 구성되어 있다.

도 4 및 도 4b는 상기 실험용 장치에 사용된 엔진의 사진을 보여주고 있다.

상기한 본 발명의 물전기분해장치는 화학양론 비율로 수소와 산소를 분해하는 KOH로 혼합된 증류수 속에 있는 고 효율 전해질 셀을 이용했다.

물전기분해가스가 액상 휘발유(가솔린) 관을 통과하고 버블러의 공기 버블링 작용에 의하여 물전기 분해가스와 가솔린 증기는 균질한 혼합물을 이룬다.

예혼합된 가스 혼합물은 조정하는 쓰로틀밸브와 잉여 공기의 공급에 의하여 엔진 흡입 밸브로 직접 공급된다.

물전기분해가스량은 전해질 셀로 공급되는 전력량에 의하여 조절된다.

본 발명의 혼합 연료와 액상 휘발유의 엔진 성능 비교는 동일한 회전속도 출력에 대한 연료 소모 량으로 측정한다.

2. 실험 실시

실험1 : 미쓰비시 GB 130 발동기에 의한 기본 부하시 연료소모량비교 실험

실험 No. 1 엔진의 종류	기본 부하 운전 (1시간)	액상 가솔린 연료	휘발유 증기와 전기분해가스의 혼합연료
미쓰비시 공랭식 단기통 4.2마력 ( 3 kW ) 배기량 126 cc 정격출력 1,800 rpm	rpm(출력)	1,400 rpm	1,400 rpm
	전기분해가스 발생량 및 열량	-	144 L (전기분해가스 6.4 몰), 1.03 MJ
	소모 전력		400 Watts
	연료량	432 cc(2.84 mole) 14.54 MJ	150cc((0.99 mole) 5.06 MJ
	연료 총열량 (MJ)	14.54	1.03+5.06=6.09
	사용한 연료열량비	6.09 / 14.54 = 0.42
	전기분해효율	1.03MJ / ( 400Wx3600s ) = 0.71

[Mitsubishi Petrol Generator GB130 4.2 HP]

[표 7]에서 보는 바와 같이 액상 가솔린(휘발유) 연료와 휘발유 증기와 전기분해가스의 혼합연료는 동일한 엔진에서 동일한 1,400 rpm을 출력하는데 사용한 연료열량비는 0.42에 불과하고, 가솔린 연료 소모량은 35%(150cc/432cc =0.35)이고 따라서 나머지 65%에 대한 가솔린 열량인 9.45MJ(14.54 MJ * 0.65)을 물전기분해가스(WEG)로 대체하여야 하는데 실제로는 물전기분해가스(WEG)는 1.03MJ의 열량에 대한 양으로 대체하여도 동일한 엔진 출력을 나타나게 되는바 이는 감소되는 가솔린 열량의 10%(1.03MJ/9.45MJ = 0.109)의 물전기분해가스로 대체하여도 된다는 것을 의미한다.

실험2 : 중국산 혼다 TB33 엔진에 의한 기본 부하시 연료소모량 비교 실험

실험 No. 2 엔진의 종류	기본 부하 운전 (1시간)	액상 가솔린 연료	휘발유 증기와 전기분해가스의 혼합연료
미쓰비시 공랭식 4행정 OHV 단기통 6마력(4.4kW) 배기량181cc 정격출력 1,800 rpm	rpm(출력)	1600	1,600
	전기분해가스 발생량 및 열량	-	144L ( HHO 6.4 몰) 1.03 MJ
	전기분해 소모 전력		400 Watts
	휘발유 소모량 및 열량	857 cc(5.64 몰) 28.87 MJ	333cc(2.19몰) 11.21 MJ
	연료 총열량 (MJ)	28.87	1.03+11.21=12.24
	사용한 연료 열량비	12.24 / 28.87 = 0.42
	전기분해 효율	1.03MJ / ( 400Wx3600s ) = 0.71

[표 8]에서 보는 바와 같이 액상 가솔린(휘발유) 연료와 휘발유 증기와 전기분해가스의 혼합연료는 동일한 엔진에서 동일한 1,600 rpm을 출력하는데 사용한 연료열량비는 0.42에 불과하고, 가솔린 연료 소모량은 39%(333cc/857cc =0.39)이고 따라서 나머지 61%에 대한 가솔린 열량인 17.6MJ(28.87 MJ * 0.61)을 물전기분해가스(WEG)로 대체하여야 하는데 실제로는 물전기분해가스(WEG)는 1.03MJ의 열량에 대한 양으로 대체하여도 동일한 엔진 출력을 나타나게 되는바 이는 감소되는 가솔린 열량의 5.9%(1.03MJ/17.6MJ = 0.059)의 물전기분해가스로 대체하여도 된다는 것을 의미한다.

실험3 . 혼다 GX 160에 의한 기본 부하시 연료소모량 비교 실험

실험 No. 3 엔진의 종류	기본부하 운전 (1시간)	액상 가솔린 연료	휘발유 증기와 전기분해가스의 혼합연료
혼다 공랭식 4행정 OHV 단기통 4.8마력 배기량163cc 정격출력 3,600 rpm	rpm(출력)	2,400	2,400
	전기분해가스 발생량 및 열량	-	전기분해가스144 L ( HHO 6.4 몰) 1.03MJ
	전기분해소모 전력		400 Watts
	휘발유 소모량 및 열량	825 cc (5.43 몰) 27.77 MJ	330cc (2.17몰) 11.11 MJ
	연료 총열량 (MJ)	27.77	12.14
	사용한 연료 열량비	12.14 / 27.77 = 0.44

[표 9]에서 보는 바와 같이 액상 가솔린(휘발유) 연료와 휘발유 증기와 전기분해가스의 혼합연료는 동일한 엔진에서 동일한 2,400 rpm을 출력하는데 사용한 연료열량비는 0.44에 불과하고, 가솔린 연료 소모량은 40%(330cc/825cc =0.4)이고 따라서 나머지 60%에 대한 가솔린 열량인 16.7MJ(27.77 MJ * 0.6)을 물전기분해가스(WEG)로 대체하여야 하는데 실제로는 물전기분해가스(WEG)는 1.03MJ의 열량에 대한 양으로 대체하여도 동일한 엔진 출력을 나타나게 되는바 이는 감소되는 가솔린 열량의 6.2%(1.03MJ/16.7MJ = 0.062)의 물전기분해가스로 대체하여도 된다는 것을 의미한다.

실험4. 혼다 GX 270 발동기에 의한 기본 부하시 연료소모량 비교 실험

실험 No. 4 엔진의 종류	기본부하 운전 (1시간)	액상 가솔린 연료	휘발유 증기와 전기분해가스의 혼합연료
혼다 공랭식 4행정 OHV 단기통 8.4마력 배기량 270cc 정격출력 3,600 rpm	rpm(출력)	3,200	3,200
	전기분해가스 발생량 및 열량	-	전기분해가스 288 L (HHO 12.8 몰) 2.06 MJ
	전기분해소모 전력		800 Watts
	휘발유 소모량 및 열량	2400 cc (15.79몰) 80.78MJ	950cc (6.25 몰) 31.98 MJ
	연료 총열량(MJ)	80.78	34.04
	사용한 연료열량비	34.04 / 80.78 = 0.42

[표 10]에서 보는 바와 같이 액상 가솔린(휘발유) 연료와 휘발유 증기와 전기분해가스의 혼합연료는 동일한 엔진에서 동일한 3,200 rpm을 출력하는데 사용한 연료열량비는 0.42에 불과하고, 가솔린 연료 소모량은 39.6%(950cc/2400cc =0.396)이고 따라서 나머지 60.4%에 대한 가솔린 열량인 48.79MJ(80.78 MJ * 0.604)을 물전기분해가스(WEG)로 대체하여야 하는데 실제로는 물전기분해가스(WEG)는 2.06MJ의 열량에 대한 양으로 대체하여도 동일한 엔진 출력을 나타나게 되는바 이는 감소되는 가솔린 열량의 4.2%(2.06MJ/48.79MJ = 0.042)의 물전기분해가스로 대체하여도 된다는 것을 의미한다.

본 발명은 이와 같이 상기한 구성과 기능 및 작용으로 이루어진 혼합 연료를 제공한다.

본 발명은 엔진 등의 동력 발생 장치의 에너지원으로 사용하는 연료를 생산, 제조, 판매, 유통 또는 연구하는 산업에 매우 유용하다.

Claims (4)

1. 엔진 등의 동력발생장치에 사용되는 연료에 있어서,
   화석연료(A)와 물전기분해가스(B)를 혼합한 혼합 연료(C).
   
2. 제1항에 있어서,
   (1-x)몰의 화석연료(A)와 (x/n)몰의 물전기분해가스를 혼합하되,
   n = (화석연료 1몰의 열량/수소 1몰의 열량) Χ (1/SPF)인 것을 특징으로 하는 혼합 연료(C).
   (여기서 몰분율 x 는 0 ＜x ＜ 1)
   
3. 제2항에 있어서
   상기 SPF는 15~30인 것을 특징으로 하는 혼합 연료(C).
   
4. 제1항에 있어서,
   기체상의 화석연료는 LPG(부탄), 가솔린(옥탄), 메탄, 혐기성 소화 바이오가스(메탄 및 이산화탄소 조성) 또는 디젤 인 것을 특징으로 하는 혼합 연료(C).
   
   
   

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