KR20180084072A - 내연기관에서 유기지방을 산화시키는 방법과 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내연기관에서 유기지방을 산화시켜 동력을 얻는 방법과 이 방법을 실행하는 내연기관, 및 디젤연료 대신 동물지방을 태우는 설비에 관한 것으로, 본 발명의 방법은 연소실, 연소실에 통하는 연료흡입구, 및 연소실에 통하는 산화제 흡입구를 갖춘 내연기관을 제공하는 단계, 내연기관 내부에 사용될 산화제를 제공하는 단계, 산화제에 제1 전하를 인가하는 단계, 대전된 산화제를 산화제 흡입구를 통해 연소실 안으로 보내는 단계, 산화될 유기지방을 내연기관 내부에 공급하는 단계, 유기지방에 제2 전하를 인가하는 단계, 대전된 유기지방을 연료흡입구를 통해 연소실 안으로 보내는 단계, 및 연소실 내의 대전된 유기지방을 산화시켜 동력을 생성하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 내연기관에서 유기지방을 산화시켜 동력을 얻는 방법과 이 방법을 실행하는 내연기관, 및 디젤연료 대신 동물지방을 태우는 설비에 관한 것이다.
재생 에너지원이 좋다는 인식이 많다. 특히, 최근 몇년간 내연기관에서 화석연료 대신 바이오디젤을 사용하는 경우가 많다. 바이오디젤을 위해서는 식물성 오일을 알코올(대개 메탄올)과 반응시키지만, 어떤 경우에도 바이오디젤에 관한 대부분의 연구는 식물 기원의 트리아실글리세롤의 연소에 초점이 맞춰져 왔다.
동물성 지방은 화학적 조성과 생산과정이 달라 연료로 사용할 경우 어려움이 더 크다.
동물성 지방에서 바이오디젤을 생산하는 한가지 방법은 에스테르 교환반응으로 디젤연료의 물성과 아주 비슷한 물성을 갖는 지방산 에스테르을 생산하는 것이다. 또, 지방산의 메틸이나 에틸 에스테르는 개조되지 않은 디젤엔진에서 직접 연소될 수 있다.
동물성 지방에서 재생 디젤을 생산하는 다른 방법은 고온고압에서 동물성 지방을 수소와 빈응시켜 수지를 수소화하는 것이다.
엔진은 큰 문제 없이 소정의 대체연료로 작동되지만; 연료분사기의 유지관리 스케줄은 퇴적물 때문에 청소와 노즐교체를 더 자주하는 것으로 바꿔야 한다.
이런 방법들 모두 자연적으로 생기는 지방을 기존의 엔진에 사용하도록 많은 처리를 해야만 한다.
(화학적으로 변하지 않은) 순수 지방을 내연기관에 사용하는 연구들이 있었다. 예컨대, 예열은 동물성 지방과 같은 점성 연료의 성질을 바꾸는 간단한 방법이지만, 과잉 탄화가 여전히 일어난다.
연소실에서의 과잉 탄화는 압축비를 높여, 거친 동작과 노킹을 유발하며, 피스톤을 멈추거나 소착하거나 베어링을 손상시키거나 크랭크축을 파손시킬 수도 있다. 피스톤과 피스톤링에서의 과잉 탄화는 실린더로의 열전달을 축소시켜, 과열 및/또는 소착을 유발한다. 배기구 주변과 배기장치내에서의 과잉 탄화는 엔진고장을 일으킨다.
본 발명은 동력을 내는 내연기관 내에서 유기지방을 산화시키는 방법을 제공하고, 이 방법은 연소실, 연소실에 통하는 연료흡입구, 및 연소실에 통하는 산화제 흡입구를 갖춘 내연기관을 제공하는 단계; 내연기관 내부에 사용될 산화제를 제공하는 단계; 산화제에 제1 전하를 인가하는 단계; 대전된 산화제를 산화제 흡입구를 통해 연소실 안으로 보내는 단계; 산화될 유기지방을 내연기관 내부에 공급하는 단계; 유기지방에 제2 전하를 인가하는 단계; 대전된 유기지방을 연료흡입구를 통해 연소실 안으로 보내는 단계; 및 연소실 내의 대전된 유기지방을 산화시켜 동력을 생성하는 단계;를 포함하고, 제1 전하의 극성이 제2 전하와 반대이다.
이 경우, 산화될 유기지방이 산화제쪽으로, 바람직하게는 연소실의 내면쪽으로 흡인되어, 연소실 내면의 탄화가 줄어드는데, 이는 탄화에 기여하는 물질이 배가스 안에 갇히기 때문이다.
유기지방은 지방과 오일을 함유하고, 이들은 실온에서 고체나 액체 상태이다. 유기지방이 동물성 및/또는 식물성 지방을 함유할 수도 있다. 유기지방이 트리글리세리드를 함유할 수도 있다. 유기지방은 렌더링, 정화, 가열, 분리(원심분리) 및/또는 필터링으로 얻을 수 있다. 유기지방이 순수 유기지방, 즉 동물/식물에 존재한 형태로부터 화학적으로 거의 변하지 않은 것일 수도 있다. 유기지방이 유체, 특히 액체나 고체/액체 서스펜션일 수 있다.
유기지방은 (50% 이상, 60% 이상, 70% 이상 80%나 90% 정도로 이하를 함유할 수 있다: 카르복실산 기로 끝나는 탄화수소 체인으로 된 지방산; 모노와 디 치환 글리세롤을 포함하여 적어도 하나의 높은 극성의 히드록실기를 포함한 글리세롤지질; 음극대전 인산기를 포함한 글리세로인지질; (에탄올아민, 세린, 클로린과 같이) 대전된 헤드기에 O-링크되고 지방산처럼 아크릴기에 아미드-링크된 스핑고신 백본으로 이루어진 스핑고지질; 높은 극성의 히드록실기로 끝나는 콜레스테롤과 같은 스테롤 지질; 높은 극성의 히드록실기로 끝나난 프레놀 지질; 글리세롤 백본의 단당류 치환물이 글리세로지질과 글리세로인지질에 존재하는 사카로지질.
유기지방이 거의 순수한 유기지방으로서 이하를 10% 미만, 5%, 2%, 1% 또는 0.5% 미만 함유할 수도 있다: 페트로, (화학식 CnH2n+2를 갖는) 알칸, (화학식 CnH2(n+1-g); g는 분자내 고리수)를 갖는 시클로알칸, 분자당 탄소원자가 4 내지 12개인 (화학식 CnH2n의) 알켄, 디젤, 알칸, 시클로알칸, 알킬벤젠, 분자당 탄소원자가 10 내지 15개인 나프탈렌, 바이오디젤, RCOOR' 형태의 지방산 에스테르(R은 장쇄 알킬기, R'는 케틸기, 에틸/프로필 기).
내연기관은 왕복기관(개솔린 엔진, 디젤엔진 등), 로터리 엔진(랭클 엔진), 연소 터빈 등 어떤 형태도 가능하다.
연소실은 피스톤이 움직이는 실린더 내부이다. 실린더 안에서 피스톤이 움직이면 커넥팅로드를 통해 크랭크축이 회전한다.
산화제는 공기, 산소, 과산화수소, 기타 다른 적당한 산화제, 또는 이들의 조합일 수 있다. 산화제는 유체, 특히 액체(예; 과산화수소 액)일 수 있다. 액체는 연소실로 들어가기 전에 또는 첫번째 전하기 인가되기 전에 기화될 수 있다.
한편, 첫번째 전하가 인가된 뒤에 액체가 기화될 수 있다. 예컨대, 첫번째 전하가 적어도 하나의 산화제(예; 공기)에 인가된 다음, 액체 산화제가 전기대전된 산화제로 기화될 수 있다. 마찬가지로, 산화제들의 조합이 연소실에 공급될 경우, 일부 산화제만 연소실에 들어가기 전에 대전될 수도 있다.
과산화수소의 농도는 1~100%, 구체적으로는 10~70%, 바람직하게는 20~50%로서 30%, 35% 또는 40%로 물로 희것될 수도 있다.
공기에 산화제로 첨가된 기화 과산화수소의 비율은 질량이나 체적 기준으로 0.025~25%, 0.5~10%, 또는 1~5% 또는 2%일 수 있다. 과산화수소의 질량이나 체적의 측정은 희석된 과산화수소(과산화수소와 희석용 물)의 측정이거나, 물을 배제한 과산화수소의 측정일 수 있다.
연료 흡입구는 산화제 흡입구를 포함하고, 및/또는 산화제 흡입구가 연료 흡입구를 포함할 수도 있다. 특히, 연소실은 연료와 산화제용의 흡입구를 하나만 가질 수 있다. 한편, 산화제 흡입구가 흡기구이거나, 및/또는 연료 흡입구가 디젤엔진에 사용되는 것과 비슷한 연료분사기일 수도 있다.
본 발명의 방법은 유기지방을 연소실 안으로 보내기 전에 유기지방을 액체 상태로 하기에 충분한 온도, 예컨대 40℃, 50℃, 60℃, 70℃, 80℃, 90℃, 100℃ 또는 110℃로 예열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이런 예열 단계는 유기지방에 제2 전하를 인가하는 단계 앞서거나 뒤따를 수 있다.
산화제에 제1 전하를 인가하는 단계에서 적어도 하나의 제1 대전 전극 가까이 산화제를 통과시킬 수 있다.
제1 대전 전극은 와이어를 포함하고, 이런 와이어가 코일일 수 있다. 와이어는 스테인리스 스틸을 포함한다. 제1 대전 전극은 양극이나 음극으로 대전된다. 제1 대전 전극이 적어도 10kV, 20kV, 30kV 또는 35kV 크기의 양극이나 음극 전압으로 유지될 수 있다. 이런 적어도 하나의 제1 대전 전극은 하나일 수도 있고, 여러개의 전극들이 직렬이나 병렬로 배열된 것일 수도 있다. 이런 제1 대전 전극은 파이프나 박스의 일부분과 같은 용기나 이산된 부분 안에 배치될 수 있다. 용기는 용기 양쪽의 배관의 일부분일 수도 있고, 용기가 별도의 요소(예; 박스)일 수도 있다.
유기지방에 제2 전하를 인가하는 단계에서 적어도 하나의 제2 대전 전극 가까이 유기지방을 통과시킬 수 있다.
제2 대전 전극은 와이어를 포함하고, 이런 와이어가 코일일 수 있다. 와이어는 스테인리스 스틸을 포함한다. 제1 대전 전극은 양극이나 음극으로 대전된다. 제2 대전 전극이 적어도 10kV, 20kV, 30kV 또는 35kV 크기의 양극이나 음극 전압으로 유지될 수 있다. 이런 적어도 하나의 제1 대전 전극은 하나일 수도 있고, 여러개의 전극들이 직렬이나 병렬로 배열된 것일 수도 있다. 이런 제1 대전 전극은 파이프나 박스의 일부분과 같은 용기나 이산된 부분 안에 배치될 수 있다. 용기는 용기 양쪽의 배관의 일부분일 수도 있고, 용기가 별도의 요소(예; 박스)일 수도 있다.
제1 대전 전극은 제2 대전 전극과 반대의 전압으로 유지될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 대전 전극들은 극성이 반대이면서 크기는 거의 같다.
본 발명의 방법은 교류 전압을 공급하는 단계와, 양극 위상과 음극 위상을 분리해 교류전압 중의 양극 전압부를 제1 전극에 공급하고 음극 전압부를 제2 전극에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이런 분리 단계에서 제1 및 제2 대전 전극들 각각에 공급하도록 교류 전압의 반파정류를 한다.
이 방법은 교류 전압을 공급하는 발전기를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 방법은 발전기에서 공급된 교류 전압을 보내고, 및/또는 분리된 양극과 음극 전압들을 변압기를 통해 스텝업시킬 수 있다.
공급 파이프, 연소실, 피스톤, 배기구 및/또는 전기대전된 지방이나 산화제에 접촉되는 다른 부분을 포함한 내연기관, 및/또는 제1 및/또는 제2 용기들이 전기부도체로 만들어질 수 있다. 예컨대, 내연기관 및/또는 제1 및/또는 제2 용기들이 세라믹, 질화붕소, 기타 전기절연재로 이루어질 수 있다. 또는, 내연기관이 정상 사용중에 전기대전된 지방이나 산화제와 접촉하지 않는 부분들(예; 크랭크축)을 포함하거나 아닐 수 있다.
이 방법은 윤활이나 소포의 목적으로 유기지방에 실리콘 물질을 첨가하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 디젤연료에 일반적인 방법과 마찬가지로 유기지방에 다른 첨가제들을 첨가할 수도 있다.
이 방법은 대전된 유기지방을 펌프로 연소실에 펌핑하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 원하는 양의 유기지방을 원하는 압력으로 연소실에 분사할 수 있다.
이 방법은 촉매장치, 애프터버너 장치, 입자 필터 등의 배가스에서 검댕을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 방법은 2~3 MW 또는 2.5MW 정도의 전력을 엔진에 인가할 수 있다.
본 발명은 또한 유기지방을 산화시키는 내연기관에 관한 것이기도 하고, 이런 내연기관은 연소실; 연소실로 통하는 유기지방 흡입구; 연소실로 통하는 산화제 흡입구; 산화제 흡입구를 통해 연소실 안으로 들어갈 산화제에 제1 전하를 인가하는 산화제 대전기; 및 연료 흡입구를 통해 연소실 안으로 들어갈 유기지방에 제2 전하를 인가하는 유기지방 대전기를 포함하고, 제1 전하의 극성이 제2 전하와 반대이다.
산화제 대전기는 제1 대전 전극을 포함하고, 유기지방 대전기는 제1 대전 전극을 수용하는 제1 용기를 포함한다. 유기지방 대전기가 제2 대전 전극을 수용하는 제2 용기를 더 포함할 수도 있다.
내연기관이 연소실 및/또는 유기지방 대전기에 들어가기 전의 유기지방을 예열하는 유기지방 예열기를 더 포함할 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 내연기관의 일부분의 개략도.
내연기관의 실린더(10) 안에 밀봉 피스톤링(14)을 갖춘 왕복 피스톤(12)이 위치한다. 이 피스톤(12)은 커넥팅로드(16)에 의해 크랭크축(도시 안됨)에 연결되어, 실린더(10) 내부에서의 연료의 폭발연소에 의해 피스톤(12)이 움직이면 크랭크축이 회전한다.
실린더(10)의 흡기구(18)는 기존의 방식을 흡기밸브(20)에 의해 선택적으로 막힌다. 마찬가지로, 배기구(22)는 배기밸브(24)에 의해 선택적으로 막힌다.
흡기구(18)의 상류에 있는 공기대전기(26)를 이루는 용기(28) 안에는 4개의 코일형 스틸와이어(30)가 배치되고, 각각 +35kV의 전압으로 대전된다. 이런 식으로, 실린더(10)에 공급된 공기가 코일형 스틸와이어를 통과하면서 먼저 양극으로 대전된다. 공기대전기(26)에 공기를 공급하는 공기공급 파이프(32), 공기대전기(26) 자체, 흡기구(18), 흡기밸브(20)와 실린더(10), 피스톤(12), 피스톤링(14), 배기밸브(24)와 배기구 모두 전기부도체이다. 이때문에, 공기의 양극대전이 보장된다.
기존의 디젤엔진과 마찬가지로 실린더(10) 안에 연료를 분사하는 연료분사기(34)가 배치된다. 연료분사기(34)에 펌프(36)가 연료를 공급한다. 연료(여기서는 유기지방)는 펌프(36)에 들어가기 전에 프리히터(도시 안됨)에서 90℃ 정도로 예열된 다음 파이프(38) 구간을 통과하며, 파이프 안에는 -35kV의 전압으로 대전된 다른 코일형 스틸와이어(40)가 들어있다. 이때문에, 실린더(10)에 공급된 유기지방은 코일형 스틸와이어를 지나면서 먼저 음극으로 대전된다.
파이프(38), 펌프(36) 및 연료분사기(34) 모두 전기부도체이기 때문에, 유기지방의 음극대전이 보장된다.
양극으로 대전된 공기가 부도체 실린더 내의 고온고압에서 음극으로 대전된 유기지방과 결합하면, 유기지방 내부의 물질(지방, 오일 또는 다른 불순물)이 실린더(10)나 내연기관의 다른 부도체 요소들보다 먼저 공기쪽으로 우선 끌려간다. 따라서, 유기지방과 연소생성물이 공기류 안에 갇히게 되므로, 탄화작용을 포함해 엔진내에서의 퇴적물이 줄어든다.
Claims (5)
- 동력을 내는 내연기관 내에서 유기지방을 산화시키는 방법에 있어서:
연소실, 연소실에 통하는 연료흡입구, 및 연소실에 통하는 산화제 흡입구를 갖춘 내연기관을 제공하는 단계;
내연기관 내부에 사용될 산화제를 제공하는 단계;
산화제에 제1 전하를 인가하는 단계;
대전된 산화제를 산화제 흡입구를 통해 연소실 안으로 보내는 단계;
산화될 유기지방을 내연기관 내부에 공급하는 단계;
유기지방에 제2 전하를 인가하는 단계;
대전된 유기지방을 연료흡입구를 통해 연소실 안으로 보내는 단계; 및
연소실 내의 대전된 유기지방을 산화시켜 동력을 생성하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 전하의 극성이 제2 전하와 반대인 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서, 유기지방을 연소실 안으로 보내기 전에 예열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 산화제에 제1 전하를 인가하는 단계에서 적어도 하나의 제1 대전 전극 가까이 산화제를 통과시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나에 있어서, 유기지방에 제2 전하를 인가하는 단계에서 적어도 하나의 제2 대전 전극 가까이 유기지방을 통과시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 연소실;
연소실로 통하는 유기지방 흡입구;
연소실로 통하는 산화제 흡입구;
산화제 흡입구를 통해 연소실 안으로 들어갈 산화제에 제1 전하를 인가하는 산화제 대전기; 및
연료 흡입구를 통해 연소실 안으로 들어갈 유기지방에 제2 전하를 인가하는 유기지방 대전기;를 포함하고,
상기 제1 전하의 극성이 제2 전하와 반대인 것을 특징으로 하는 유기지방 산화용 내연기관.
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