KR820002350B1 - 탄화수소 연료의 연소법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

탄화수소 연료의 연소법

제1도는 본원 발명의 폭발연소효율 개선장치를 나타낸 정면도.

제2도는 동 장치의 용기상부를 나타낸 일부 절결 좌측면도.

제3도는 제2도 Ⅰ-Ⅰ선에 의한 종단정면도.

제4도는 제1도 Ⅱ-Ⅱ선에 의해 에어클리너 내부를 나타낸 횡단평면도.

제5도는 동 장치의 제1실시 태양의 정면도.

제6도는 동 평면도.

제7도는 제6도 Ⅲ-Ⅲ선에 의한 정면단면도.

제8도는 동 장치의 제2실시태양의 일부 절결 정면도.

본원 발명은 자동차등의 내연기관의 운전효율의 상승법에 관한 것이며 더욱 상세하게는 내연기관의 도입연료에 암모니아가스 또는 휘발성인 암모니아화합물을 혼입시켜서 연소효율을 높이고 배기가스에 의한 오염을 감소시키는 내연기관의 연료 연소법에 관한 것이다.

종래, 이들 내연기관으로부터의 배기가스에 의한 오염을 적게하는 방법으로서는 연소후의 배기가스를 처리하는 방법이나 연소전에 연료 탄화수소에 첨가물을 가하는 일이 시도되었으나, 후자의 방법은 어떤 경우에는 효과가 있는 것이 알려졌으나 그 대개부분은 연료 효율을 저하한다고 말하여지고 있었다. 탄화수소 연료에 0.4∼1.6%첨가해서 이 두목적을 달성할 수 있는 첨가제 조성물로서 순파라핀유를 주성분으로 해서 이것에 디알킬 에에테르 1∼4% 및 텔레펜리모넨(디펜텐 또는 p-메타-1,8-디엔) 0.02∼0.1%의 혼합조성물이 제창되고 있다 [USP 3820962(1974)].

또 내연기관에 있어서 연료의 완전연소를 목적으로 하여 가솔린 증기중에 개량제를 주입하는 방법으로서, 예를 들면 내연기관의 인데이크매니폴드에 수증기를 주입하는 방법 또는 알코올 혼합물, 물과 알코올의 혼합물, 물, 알코올, 프로필렌 및 아세톤과의 혼합물을 같이 인테이크매니폴드에 주입하는 방법 등이 알려져 있다. 수증기 또는 알코올의 첨가는 연소를 높혀서 배기가스의 조성을 보다 양호한 것으로 한다고 말하여지고 있다.

이상과 같이 알코올류는 산소를 함유해서 완전연소를 가능하게 하지만 메탄올 등의 저급 알코올류는, 이들의 공급장치의 부착기술을 필요로 하는 것과 열분해에 의해 타르분 잔사(殘渣)를 생기게 하는 결점이 있는데다, 탄화수소류의 상용성(相溶性)이 없다. 한편 산소가 공존해서 1200℃이상의 고온으로 되면 질소산화물이 생성하는 경향이 있으며, 저온으로 하면 불완전 연소가 된다. 알코올 외에 제2화합물을 이용하는 것은 질소산화물을 생성시키지 않고 완전연소를 행하게 하는 필요에서 상기와 같은 방법이 제안되고 있으며, 더구나 같은 기술사상에서 초산에스테르류 단독, 초산에스테르류와 알코올류 또는 그들과 물의 혼합물을 연소가 가스상의 연소일 경우는 연료와 공기의 혼합전에 미스트상으로 첨가하거나 또는 액체연료의 경우에는 연료중에 미리 용해시켜서 연소시키는 방법이 제안되고 있다(일본국 특개소49-제44006호)

이상은 주로 탄화수소와 산소의 화합물을 사용해서 탄화수소 연료의 완전연소를 피하고자 하는 것이지만, 한편 질소를 함유한 화합물을 첨가물로서 사용하는 방법으로서 일정시간에 최대의 출력을 필요로 하는 레이싱카아에 있어서 메탄올은 연료로 해서 이것에 니트로메탄올 5%첨가하는 것이 알려졌으며, 또 레이스에 있어서 가솔린, 벤젤 및 메탄올의 혼합물을 사용해서 연소효율을 높이는 수가 있다고 알려져 있고, 그들에 관련해서 메탄올 75%, 니트로메탄 5%, 니트로벤젠 2% 및 아세톤 18%의 혼합물과 물의 혼합물을 증기화해서 내연기관의 인데이크 매니폴드에 주입함으로써 연소특성을 높여 배기가스의 조성을 양호한 것으로 하는 발명도 알려지고 있다[USP 3807972(1974)].

또 일본국 특개소 52-41726호 공보에는 암모니아수에서 발생한 암모니아가스를 혼입시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 연소효과 개선방법이 개시되어 있다. 그러나 암모니아수의 경우는 그것으로부터의 암모니아가스의 배출 또는 발생이 급격하며 또한 폭발한계외에서의 도입이 필요해서 그 사용은 현실적으로 매우 곤란했었다.

본원 발명자도 이들 내연기관의 연료의 연소효율을 높이는 방법에 대해서 연구를 계속하여 뜻밖에도 액체암모니아, 암모니아수, 탄산암모늄 중탄산암모늄 등의 기상(氣狀)인 암모니아를 발생할 수 있는 화합물을 사용해서 이들로부터 기상인 암모니아를 발생시켜서 흡입공기에 혼입해서 이들의 내연기관의 연료에 미량 혼합연소함으로써 기관의 출력을 증대시켜서 연료비의 경감을 달성할 수 있다. 더구나 염려되고 있던 질소산화물의 함량을 실질적으로 증가시키지 않는 것을 발견하고, 본원 발명을 완성하기에 이른것이다.

즉 본원 발명은 탄화수소를 연료로 하는 내연기관에 있어서, 공기의 흡기구에서 인테이크 매니폴드까지의 사이에 암모니아 또는 기화성인 암모니아 화합물의 가스를 공기와 함께 또는 단독으로 탄화수소가스중 이 미량 혼합시키는 것을 특징으로 하는 탄화수소 연료의 연소법을 요지로 하는 것이다.

본원 발명을 적용할 수 있는 내연기관은 가솔린, 디젤유 등의 탄화수소를 연료로 하는 내연기관, 특히, 승용차, 화물자동차, 트랙터 등의 자동차류 및 항공기 등의 내연기관에 이용 가능하며, 또한 본원 발명의 방법을 적용해서 연료의 연소효율을 높일 수 있는 연료로서는 스파아크에 의해서 연소시키는 내연기관의 연료 즉 상용(常用)의 석유 유출물(留出物)인 유분(留分) 20∼230℃범위의 자동차 가솔린, 유분 35∼165℃범위의 항공 가솔린에도 적용할 수 있는 것이며 더욱 조건을 검토함으로써 디젤유를 사용하는 디젤 엔진에도 적용 가능하다고 생각된다.

또한 본원 발명의 방법은 종래의 가솔린에 첨가된 침식방지제, 대전방지제, 항산화제, 냉동방지제, 앤티노킹제 등의 첨가제를 함유한 가솔린 및 상기에 기재한 연소효율 상승제와 조합해서 사용할 수 있는 방법이라는 것은 물론이다.

본원 발명에 사용할 수 있는 기상(氣狀)의 암모니아를 발생할 수 있는 화합물로서는 탄산암모늄 또는 중탄산암모늄, 카르바민산 암모늄이 사용된다. 탄산암모늄 또는 중탄산암모늄은 고상(固狀)인 시판품이 사용되며, 이런경우 탄산암모늄은 탄산수소암모늄 NH₄HCO₃와 카르바민산 암모늄(H₂NCONH₄)의 혼합물 또는 복염의형으로 존재하고 공기중에서는 분해해서 암모니아와 탄산가스와 물로 분해되고, 중탄산암모늄으로 되며 그 분해는 대기중에서는 상온에서도 진행하고 열과 함께 분해가 진행되며 58℃가 되면 분해는 급속히 진행한다. 또 열에 의해서 그 자체가 승화해서 기상으로 된다.

중탄산암모늄(NH₄HCO₃)도 대기중에 있어서 35∼60℃에서 분해해서 암모니아와 탄산가스와 물로 분해되지만 온도의 상승과 함께 분해가 촉진되어 60℃ 이상에서는 급속히 분해되는 동시에 승화해서 기화한다.

카르바민산 암모늄에 대해서는 이미 설명한 바와 같으며, 습한 공기중에서 암모니아를 방출해서 탄산수소암모늄으로 변하지만 실온에서도 휘발하며 59℃에서는 급속히 분해해서 암모니아와 탄산가스로 분해한다.

고형상인 탄산암모늄 또는 중탄산 암모늄이나 카르바민산 암모늄의 경우는 발생용기를 설치해서 용기내에 수납하여 이것에 카아뷰이레터에의 흡기의 일부를 도입해서 그 흡기에 의해서 탄산암모늄, 중탄산암모늄 또는 카르바민산암모늄의 경우는 분해해서 암모니아와 탄산가스를 발생시켜 흡기와 함께 카아뷰레이터에의 흡기중으로 혼입해서 카아뷰레이터중에서 가솔린미스트와 혼합해서 인테이크 매니폴드를 통해서 내연기관의 실린더내에 도입된다. 고상인 암모늄화합물일 경우는 암모니아가스에의 분해는 완만하게 진행하며, 또 위험물 취급의 주의도 필요로 하지 않는다. 그러나 이들 암모늄화합물의 분해는 열에 의해서 그 분해속도가 좌우되므로 일정량의 암모니아를 가솔린 기타의 연료에 혼입시키기 위해서는 그 발생용기의 온도를 가급적 일정하게 유지해서 암모니아의 발생량을 조절하는 것이 바람직하다. 그 발생용기를 지금 일례로서 본원 발명의 방법에 고형 탄산암모늄을 사용하여 에어클리너에의 흡기중에 암모니아가스를 흡입시키기 위한 장치의 예를 나타내면, 분산(고형)탄산암모늄을 용기(2)에 수용하고, 동용기(2), 상부의 뚜껑(3)에 암모니아가스 직립유출통로(4)를 설치하에, 동 통로(4)의 상단을 양단개구 가로로 향한 통로(5)에 접속해서 3방향으로 연통하는 관이음매(6)를 형성하고, 동 관이음매(6)의 하단에 기워 맞춘 비닐관(7)의 내부에 유량조절파이프(8)를 설치하여 이것을 용기(2)내에 개구하고, 또 상기 관이음매(6)의 양단 개구가로로 향한 통로(5)의 일단을 내열성실리콘파이프(9)에 접속하여 동 파이프(9)내에 설치한 유량(流量)조정파이프(10)에 의해 대기에 개구하고, 타단을 유량조정파이프(11)를 통해서 내열성 실리콘파이프(12)에 의해 에어클리너(13)내의 에어필터(14)를 에워 두른 환상비닐관(15)에 접속하고, 동 관(管)(15)의 상하면에 천설한 암모니아가스 유출공(16)에 의해 에어클리너(13)내부에 개구하는 것이다. 그리고 도면중(17)에서 나타낸 것은 일단을 대기에 개구하고 타단을 용기(2)내에 개구한 용기(2)내부 교반파이프, (18)은 유량조정파이프, (19)는 용기(2)용 수납기, (20)은 동 수납기(19)의 방향변환자재뚜껑, (21)은 수납기(19) 부착판, (22)는 에어클리너 공기취구, (23)은 기화기, (24)는 에어클리너(13)와 기화기(23)와의 연통관이다.

따라서 탄산암모늄용 용기(2)를 수납한 수납기(19)를 부착판(21)에 의해 자동차 본네트내의 고온을 피한 통풍이 좋은 적당한 장소에 고정하고, 대기 개구단을 자동차 진행방향으로 일치시켜서 설정하며, 타단을 에어클리너(13)내부에 배치한 환상비닐관(15)에 접속해서 부착하는 것이다. 부착후 엔진을 시동하고 발차시키면 교반파이프(17)선단에 설치한 유량조정파이프(18)에서 유입하는 바람으로 자동차 진행속도와 비례해서 용기(2)내는 풍압을 받아 분산탄산암모늄(1)의 통풍이 촉진되며 암모니아가스의 발생이 촉진되는 것으로서, 탄산암모늄은 공기중에 방치하면 암모니아가스를 발생해서 중탄산암모늄으로 전환되는 성질을 이용한 것이다. 이와 같이 해서 발생한 암모니아가스가 용기(2)내에 충만하면 암모니아가스는 양단 개구 가로로 향한 통로(5)의 일단에 설치한 유량조절 파이프(10)로 부터의 풍압 및 타단에 설치한 에어클리너(13)의 흡기력에 의해서 유량조정파이프(8), 암모니아가스 유출통로(4)를 거쳐 암모니아가스는 제3도 화살표 a방향으로 유출하고, 다시 유량조절 파이프(11), 내열성 실리콘파이프(12)를 거쳐서 에어클리너(13)내의 환상비닐관(15)에 도달하고, 동 관(15)의 상하면에 천설한 암모니아가스 유출공(16)에 의해 암모니아가스가 유출하며, 필터(14)를 통과해서 정화공기와 함께 연통관(24) 및 카아뷰레이터(기화기)(23)을 거쳐서 엔진내로 암모니아가스가 보내지는 것이다.

본원 발명에 쓰여지는 상기 장치의 다른 실시예로서 하기의 것을 생각할 수 있다.

제5도에서 제7도에 제1실시예가 표시되어 있으며, 이 장치는 가로로 향한 통로(5'), 직립유수통로(4') 및 공기도입관(17')이 용기(2')의 뚜껑체(蓋體)(3')에 일체적으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 상기 구조에 있어서는 상기 실시예의 유량제어판(10)이나 (18)은 설치되어 있지 않다. 그 대신, 내열 밸브(9')와 공기도입관(17')의 전단은 제7도와 같이 형성되어 있다. 즉, 전단은 머리부분에 실린 원추부(圓錐部)(30')와 동 원추부(30')의 기부(基部) 주연에 신연(伸延)한 원주벽(31')으로 구성되어 있다.

뚜껑체(3')에 설치되어 있는 가로로 향한 통로(5') 및 직립유출통로(4')의 직경은 바람직하게는 1.0㎜-1.6㎜이며, 이 직경은 상술한 기본 구조의 유량제어판(10)와 (18)의 그것과 대응한다.

본원 발명에 의한 장치의 제2실시양태는 제8도에 나타낸 바와 같이 공기가 용기중에서 고형 암모니아화합물의 하부로 도입되는 것을 특징으로 하고있다.

제8도에 있어서, 용기(2")는 소요 메시(mesh)의 네트스크리인으로 상부 암모니아화합물 실(40)과 하부 공기실(41)로 분리되어 있다.

상부실(40)에는 인경이 큰 암모니아 화합물이 수납되어 있다. 일단을 유입공기원에 개구해서 이루어진 공기도입관(42)은 그 타단을 하부 공기실(41)내에 개구하고 있다. 상기 구성에 의해서 암모니아가스의 생성이 조장된다.

가솔린미스트중으로 보내 넣어지는 암모니아가스의 양에 대해 말하면, 제1도∼제4도까지에 기재된 장치에 탄산암모늄을 장입(裝入)해서 실험한 결과, 연료비를 감소시킬 수 있었던 범위의 바람직한 탄산암모늄의 감소량은 가솔린의 ℓ당에 대해서 110㎎에서 500㎎의 범위이며, 즉 사용한 탄산암모늄의 공기중의 제단의 분해가 탄산암모늄으로부터의 암모니아와 탄산가스의 방출이라고 하는 전제하에서 계산하면, 암모니아량 30.6㎎/ℓ에서 139㎎/ℓ 해│량의 암모니아 또는 기화성인 암모늄화합물에서 암모니아를 기화시키도록 장치의 공기유량을 조절하나 또는 상기한 양의 미량인 암모니아를 인태이크 매니폴드까지의 적당한 장소에 장입하도록 하면 된다.

다음에 본원 발명자가 행한 연료비의 결과를 다음에 기록한다.

(사용차 뉴혼다라이프 K 4,360㏄, 태스트기간 1976년 4월 8일∼동년 10월 15일, 주행거리 15086㎞)

[제1표]

다시 혼다(本田) 시비크 1500㏄의 보통차를 이용해서 제3자가 행한 시험 결과는 다음과 같다.

[제2표]

더욱 짧은 주행거리이기는 하지만, SA혼다라이프 360㏄의 경자동차를 이용한 주행시험결과는 다음과 같다.

[제3표]

이상과 같이 본원 발명의 장치를 장착했을 경우의 연료비의 경감효과는 명백한 것이지만 본원 발명의 방법에 의한 배기가스의 분석은 주행중의 자동차에서는 곤란을 수반하므로 무부하(無負荷) 운전에 있어서의 본원 발명의 장치 장착전과 장착후에 있어서의 배기중의 HC함량, NOX, CO에 대해서 실험을 한 결과는 다음과 같았다.

(1) HC에 관한 시험

(A) 무부하상태

[사용한 차종]

도요다세리카 GT, 50년형, 5Speed엔진형식 2T 그 밖에 불루우버어드 U₃S, 50년형, 엔진형식 L-16 스카이라인 1600GL, 50년형, 엔진형식

[사용한 측정기기]

시마즈 제작소, 탄화수소계 HCM-1A, 전자동측정기록부

[실험방법]

무부하(뉴트럴기어) 상태에서, 엑셀을 눌러서, 차내의 회전계로 일정한 회전으로 유지했다. 회전수는 1,000∼3,000rpm의 사이에서 4단계를 선정했다. 대략 실주행속도의 범위이다.

전면으로부터의 바람을 넣어 있지 않다.

용기를 헤어드라이어로 따뜻하게 해서 악제증기의 도입을 촉진하였다. 도입점기량의 측정은 할 수 없었다.

[탄화수소 농도]

[제1표]

[제2표]

이상과 같은 결과에서 무부하상태에 있어서 본원 발명의 장치를 장비했을 경우, 회전수 1500∼2500rpm(40∼70㎞/H 해당-Top주행) 부근에서 제법 대폭적인 HC의 감소가 확인되었다.

다음에 다시 상기한 사실을 확인하기 위하여, 부하를 걸고, 슈우퍼콤비태스터를 사용해서 정속운전을 하여, 다시 실주행시에 해당하는 풍속을 정면에서 가해서 장치 장비전후에 있어서의 탄화수소 농도를 측정했다. 하중으로서 110㎏중량을 균등하게 운전석, 조수석에 걸었다.

(B) 부하상태

[사용한 차종]

미쓰비시 갸란 SL, 1600㏄, 소화 48년형 엔진 4G 32, 주행킬로수 3800㎞

[사용한 측정기기]

(1) 주행가대(架臺)(속도계) N1SSALCD, 슈우퍼콤비태스트

(2) 탄화수소계 시마즈 HCM-1A, 전탄화수소계 전자동기록 계부착

스팡카스 CH₄, 8.68ppm

(3) 송풍기 고오겐 가부시기가이샤, 사까이식 전동송풍기 101형

(4) 풍속계 오오다계기 제작소, 제람식 송풍계

결과는 다음과 같았다.

65㎞의 것은 NOX비가 스케일아우트했으므로 측정하지 않았다.

이 결과에서 장착전후에 있어서의 배기가스중에 있어서 HC의 감소는, 명백하며, 더구나 주행속도가 커짐에 따라서 감소율도 크게 되어 있다.

이상 기재한 것 외에 배기가스중의 NOx에 대해서 BECKMAN-TOSHIBA Model 951A NO/NOx Analyser를 사용해서 무부하상태와 부하상태에 있어서 분석을 하였으나 장비전과 장비후에 있어서의 NOX에 대해서 거의 유의(有意)의 차는 볼수 없었다. 또 무부하상태에 있어서 배기가스중의 CO의 측정을 올자트법을 이용해서 하였지만 CO에 대해서도 장비전과 장비후에 있어서 유의의 차는 거의 볼 수 없었다.

그리고, 본원 발명에 있어서 암모니아가스의 HC 가솔린에의 혼입은 다음의 작용을 수반한다고 생각된다. 즉, 상술한 바와 같이, (1) 배기가스중의 HC량이 저감하고 있다는 것, (2) 암모니아 첨가량은 가솔린에 대해서 미량으로도 좋다는 것 및 (3) 배기가스중의 NOX 함량이 거의 변화하고 있지 않다는 것에서, 암모니아는 내연기관의 연소실내에서 촉매적 작용을 하고 있는 것으로 생각된다.

이상에 의해서 본원 발명의 방법 및 장치를 사용함으로써 탄화수소를 연료로 하는 내연기관의 연소효율을 향상시키고 따라서 연료비- 내저감시키는 것이 명백해 졌으며, 또한 배기가스중의 HC함량을 감소시키며 NOX 및 CO함량에는 거의 변화를 일으키지 않는다는 것이 명백해졌다.

또한 본원 발명의 방법을 이용하는 하나의 효과로서 스파아크 플럭 또는 인태이크 매니폴드 벽 및 엔진의 인태이크 밸브 중에 발생하기 쉬운 타르상의 침적물을 거의 일으키지 않으며, 따라서 연료의 분포를 균일하게 하는 효과를 볼 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 탄화수소를 연료로 하는 내연기관에 있어서, 공기의 홉기구에서 인태이크 매니폴드까지의 사이에 탄산암모늄, 중탄산암모늄등의 고형암모니아에서 암모니아가스를 발생시켜, 동가스를 공기와 함께 또는 단독으로 탄화수소가스중에 미량혼합시키는 것을 특징으로 하는 탄화수소연료의 연소법.

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