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KR102503505B1 - 내연기관용 연료첨가제 조성물 - Google Patents

내연기관용 연료첨가제 조성물 Download PDF

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KR102503505B1
KR102503505B1 KR1020200166863A KR20200166863A KR102503505B1 KR 102503505 B1 KR102503505 B1 KR 102503505B1 KR 1020200166863 A KR1020200166863 A KR 1020200166863A KR 20200166863 A KR20200166863 A KR 20200166863A KR 102503505 B1 KR102503505 B1 KR 102503505B1
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Abstract

본 발명은, 수소처리된 중질 파라핀 정제유(Hydraulic Fluid)를 주재로 포함하는, 연료첨가제 조성물에 관한 것으로, 종래에 연료첨가제로 사용되던 PEA(Polyetheramine), PBA(Poly butyl acrylate), 폴리 이소뷰테닐 숙신산 아마이드 (Poly Isobutenyl Succinic Acid Imide), 알킬 페놀 아민(Alkyl Phenols Amine) 등과 달리, 엔진 연소실에 쌓이는 탄소 퇴적물을 후발적으로 제거하는 형태가 아닌, 엔진 연소실 내부에서 연료의 완전연소를 유도하여 탄소 퇴적물의 발생 자체를 방지할 수 있으며, 연소실 안 흡기밸브, 배기밸브, 인젝터 주변에 형성되어 있는 탄소 퇴적물을 효과적으로 제거하는 한편, 내연기관의 연료, 흡배기, 윤활 시스템을 개선하고, 내연기관, 특히 LPG 내연기관의 배출가스 내에서 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등이 현저히 감소하게 되므로, 친환경적이고 대기오염을 저감할 수 있다.

Description

내연기관용 연료첨가제 조성물{Fuel additive composition for internal combustion engine}
본 발명은 내연기관용 연료첨가제 조성물, 상세하게는 LPG 내연기관용 연료첨가제 조성물에 관한 것이다.
연료첨가제는 연료의 불완전 연소로 인한 엔진 내 잔류물을 세척하거나, 탄소 퇴적물(CCD: Combustion Chamber Deposits)을 감소시켜 연소 과정에서 연소실을 낮은 온도로 유지하며, 잔류물 내지 탄소 퇴적물을 재 연소 과정을 통해 사라지게 하기 위해 사용된다. 구체적으로 엔진 내 잔류물이나 탄소 퇴적물이 사라지게 되면, 연소실의 체적이 증가하게 되어 더 많은 산소가 유입되게 되고, 연소전파속도(화염전파속도)를 더욱 빠르게 진행시킬 수 있게 된다. 이에, 연소실 온도를 낮은 온도로 유지할 수 있게 되고, 출력 상승과 연료 효율 향상을 기대할 수 있다.
일반적으로 사용되는 연료첨가제들은 세정에 초점을 맞추고 있고, 엔진 내 연소실의 잔류물을 세척하여 제거하기 위하여 세정 성분들을 포함하는데, 폴리에테르아민(Polyetheramine, PEA) 등과 같은 계면활성제 세정 성분들은 연료보다 폭발 온도(인화점)가 높아 연료와 함께 연소되기 어렵고, 이로 인해 완전 연소되지 않은 해당 성분들이 피스톤링을 통과하여 엔진오일 쪽으로 스며들게 되어, 엔진오일의 점도를 희석시키며, 이로 인해 엔진오일 윤활성능이 떨어지게 되고, 엔진에 문제를 발생시킬 수 있는 요인으로 작용한다.
이에, 상기와 같은 문제점을 효과적으로 해결하면서, 연소실 내 공급되는 연료의 완전연소를 유도할 수 있는 연료첨가제를 개발하고자 하는 노력이 활발히 이루어지고 있다. 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-0544568호에서는, 아민계열의 안정제와 과산화수소, 수산화나트륨, 및 붕사를 특정 중량 비로 포함하는 연료첨가제를 개시하고 있으며, 대한민국 등록특허 제10-0584224호에서는 탄화수소계 용매와 첨가제를 포함하는 내연기관용 연료첨가제를 개시하고 있다.
본 발명의 목적은 종래에 연료첨가제로 사용되는 PEA(Polyetheramine), PBA(Poly butyl acrylate), 폴리 이소뷰테닐 숙신산 아마이드(Poly Isobutenyl Succinic Acid Imide), 알킬 페놀 아민(Alkyl Phenols Amine) 등과 달리, 엔진 연소실에 쌓이는 탄소 찌꺼기를 세정하는 형태가 아닌, 엔진 연소실 내부에서 연료의 완전연소를 유도하는 형태의 연료첨가제 조성물을 제공하기 위한 것이다. 구체적으로, 수소처리된 중질 파라핀 정제유(Hydraulic Fluid)를 주재로 하되, 보조 성분을 특정 중량부 비로 혼합한 연료첨가제 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서는, 수소처리된 중질 파라핀 정제유(Hydraulic Fluid), 폴리(옥시프로필렌)디아민(Poly(oxypropylene)diamine), 및 C10-13-아이소알케인(C10-13-Isoalkanes)을 포함하는, 연료첨가제 조성물을 제공한다.
또한, 본 명세서에서 상기 조성물 전체 중량을 기준으로, 수소처리된 중질 파라핀 정제유는 95 내지 99.5 wt%, 폴리(옥시프로필렌)디아민(Poly(oxypropylene)diamine)은 0.1 내지 1 wt%, 및 C10-13-아이소알케인(C10-13-Isoalkanes)은 0.1 내지 0.5 wt%로 포함되는, 연료첨가제 조성물을 제공한다.
또한, 본 명세서에서 상기 연료첨가제 조성물은 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 내연기관용인, 연료첨가제 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 연료첨가제 조성물은 종래에 연료첨가제로 사용되던 PEA(Polyetheramine), PBA(Poly butyl acrylate), 폴리 이소뷰테닐 숙신산 아마이드(Poly Isobutenyl Succinic Acid Imide), 알킬 페놀 아민(Alkyl Phenols Amine) 등과 달리, 엔진 연소실에 쌓이는 탄소 퇴적물을 후발적으로 제거하는 형태가 아닌, 엔진 연소실 내부에서 연료의 완전연소를 유도하여 탄소 퇴적물의 발생 자체를 방지할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 연료첨가제 조성물은 연소실 안 흡기밸브, 배기밸브, 인젝터 주변에 형성되어 있는 탄소 퇴적물을 효과적으로 제거하는 한편, 내연기관의 연료, 흡배기, 윤활 시스템을 개선한다.
또한, 본 발명에 따른 연료첨가제 조성물을 사용한 경우 내연기관, 특히 LPG 내연기관의 배출가스 내에서 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등이 현저히 감소하게 되므로, 친환경적이고 대기오염을 저감할 수 있다는 장점이 존재한다.
도 1 내지 3는 본 발명의 일실시예에 따른 연료첨가제 조성물을 LPG 내연기관에 사용 시 배출가스의 NOx, CO 및 SO2 저감 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 명세서 및 도면 전반에서 사용되는 용어인 "수소처리된 중질 파라핀 정제유(Hydraulic Fluid)"는 촉매 존재 하에서 석유 분획물을 수소로 처리하여 얻은 탄화수소의 복잡한 조합으로서, 주로 C20 내지 C50 범위의 탄소수를 가지는 탄화수소로 구성되며, 상대적으로 많은 비율의 포화 탄화수소를 포함하는 것을 의미하는 것일 수 있다.
종래 널리 사용되던 연료첨가제들은 엔진 내 연소실의 잔류물을 세척하여 제거하기 위한 세정 성분들을 포함하는데, 폴리에테르아민(Polyetheramine, PEA) 등과 같은 계면활성제 계열의 세정 성분들은 연료보다 폭발 온도(인화점)가 높아 연료와 함께 연소되기 어렵고, 이로 인해 완전 연소되지 않은 해당 성분들이 피스톤링을 통과하여 엔진오일 쪽으로 스며들게 되면, 엔진오일의 점도가 희석되게 되고, 이로 인해 엔진오일 윤활성능이 떨어지게 되며, 이는 엔진에 심각한 문제를 발생시킬 수 있다. 또한, 이러한 연료첨가제들은 엔진 연소실 내 연료의 불완전 연소라는 근본적인 문제를 해결하는 것이 아니라, 연료의 불완전 연소로 인해 이미 발생한 탄소 퇴적물을 후발적으로 제거하는 것에 초점을 맞추고 있을 뿐이며, 이 경우 연비 향상, 출력과 토크 향상, DPF 막힘 방지, 및 요소수 사용량 절감 등의 추가적인 효과를 기대하기 곤란한 문제가 있었다.
본 발명자들은 연료첨가제 조성물 제조 시 수소처리된 중질 파라핀 정제유(Hydraulic Fluid)를 주재로 하되, 다양한 보조 성분들을 특정 중량부 비로 혼합하는 경우, 엔진 연소실에 쌓이는 탄소 퇴적물을 후발적으로 제거하는 형태가 아닌, 엔진 연소실 내부에서 연료의 완전연소를 유도하여 탄소 퇴적물의 발생 자체를 방지할 수 있으며, 연소실 안 흡기밸브, 배기밸브, 인젝터 주변에 형성되어 있는 탄소 퇴적물을 효과적으로 제거하는 한편, 내연기관의 연료, 흡배기, 윤활 시스템을 개선할 수 있고, 나아가 내연기관의 배출가스 내에서 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등이 현저히 감소하게 되므로, 친환경적이고 대기오염을 저감할 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 연료첨가제 조성물은 수소처리된 중질 파라핀 정제유(Hydraulic Fluid), 폴리(옥시프로필렌)디아민(Poly(oxypropylene)diamine), 및 C10-13-아이소알케인(C10-13-Isoalkanes)을 포함할 수 있다.
수소처리된 중질 파라핀 정제유의 경우, 상술한 바와 같이, 촉매 존재 하에서 석유 분획물을 수소로 처리하여 얻은 탄화수소의 복잡한 조합으로서, 주로 C20 내지 C50 범위의 탄소수를 가지는 탄화수소로 구성되며, 상대적으로 많은 비율의 포화 탄화수소를 포함하는 것일 수 있으며, 구체적으로 수소처리된 중질 파라핀 정제유(Hydraulic Fluid)는 조성물 전체 중량을 기준으로, 95 내지 99.5 wt% 포함되는 것일 수 있다.
일반적으로 LPG(Liquefied Petroleum Gas)의 주성분을 이루는 것은 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)이며, 각각 아래 화학식 1 내지 2와 같은 구조를 가진다.
Figure 112020130598800-pat00001
[화학식 1: 프로판(propane)]
Figure 112020130598800-pat00002
[화학식 2: 부탄(butane)]
상기 프로판의 발열량은 6,110 kcal/L 이고, 부탄의 발열량은 6,910 kcal/L 인데, 이는 휘발유 8,400 kcal/L 나 경유 9,200 kcal/L 보다 출력이 낮다.
한편, 본 발명에 따른, 수소처리된 중질 파라핀 정제유(Hydraulic Fluid)를 주재로 한 연료첨가제 조성물을 첨가하는 경우, 연소실 내에서 연소가 일어나기 전 LPG 연료 분자를 정렬하는 효과를 나타냄으로써, 산소 결합 및 연소 물질과 산소 간에 결합을 용이하게 할 수 있고, 이에 따라 완전 연소 수준의 연소 효과를 거둘 수 있게 되므로, 연소실 내 탄소 찌꺼기(C) 발생을 최소화할 수 있게 된다. 이는 내연기관의 연료 효율을 향상시키며, 배출가스의 미세먼지를 감소시키고, 출력 및 토크를 증가시키며, 엔진 소음과 진동을 감소시키는 결과로 이어진다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 수소처리된 중질 파라핀 정제유 이외에 추가적인 보조 성분으로서 폴리(옥시프로필렌)디아민(Poly(oxypropylene)diamine), 및 C10-13-아이소알케인(C10-13-Isoalkanes)으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 보조 성분을 더 포함할 수 있으며, 더욱 상세하게는 폴리(옥시프로필렌)디아민(Poly(oxypropylene)diamine), 및 C10-13-아이소알케인(C10-13-Isoalkanes)을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 조성물은, 조성물 전체 중량을 기준으로, 수소처리된 중질 파라핀 정제유는 95 내지 99.5 wt%, 폴리(옥시프로필렌)디아민(Poly(oxypropylene)diamine)은 0.1 내지 1 wt%, 및 C10-13-아이소알케인(C10-13-Isoalkanes)은 0.1 내지 0.5 wt%로 포함하는 것일 수 있다.
한편, 상기와 같은 성분 및 중량 비를 조합하는 경우 내연기관 내 LPG 연료 분자를 정렬하는 효과를 최적화할 수 있고 이에 따라, 완전 연소 효과, 연소실 내 탄소 찌꺼기(C) 발생 최소화, 내연기관의 연료 효율 향상, 배출가스의 미세먼지 감소, 출력 및 토크의 증가, 엔진 소음과 진동의 감소 효과를 최적화할 수 있게 된다. 특히, 주재인 수소처리된 중질 파라핀 정제유(Hydraulic Fluid)는 조성물 전체 중량을 기준으로 적어도 95 wt% 이상 포함되어야 내연기관 내 LPG 연료 분자를 정렬하는 효과의 최적화가 가능해진다.
이상으로 설명한 본 발명에 따른 연료첨가제 조성물은 종래에 연료첨가제로 사용되던 PEA(Polyetheramine), PBA(Poly butyl acrylate), 폴리 이소뷰테닐 숙신산 아마이드(Poly Isobutenyl Succinic Acid Imide), 알킬 페놀 아민(Alkyl Phenols Amine) 등과 달리, 엔진 연소실에 쌓이는 탄소 퇴적물을 후발적으로 제거하는 형태가 아닌, 엔진 연소실 내부에서 연료의 완전연소를 유도하여 탄소 퇴적물의 발생 자체를 방지할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 연료첨가제 조성물은 연소실 안 흡기밸브, 배기밸브, 인젝터 주변에 형성되어 있는 탄소 퇴적물을 효과적으로 제거하는 한편, 내연기관의 연료, 흡배기, 윤활 시스템을 개선한다.
또한, 본 발명에 따른 연료첨가제 조성물을 사용한 경우 내연기관, 특히 LPG 내연기관의 배출가스 내에서 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등이 현저히 감소하게 되므로, 친환경적이고 대기오염을 저감할 수 있다는 장점이 존재한다.
이하 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용, 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 예시로서 제시된 것으로 이에 의해 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1: LPG 내연기관용 연료첨가제 조성물 제조
본 발명에 따라, 수소처리된 중질 파라핀 정제유는 98.5 wt%, 폴리(옥시프로필렌)디아민(Poly(oxypropylene)diamine)은 1 wt%, 및 C10-13-아이소알케인(C10-13-Isoalkanes)은 0.5 wt%로 혼합하여, 연료첨가제 조성물을 제조하였다.
[실험 1: LPG 내연기관 대상 배기가스 측정 실험]
배기가스 측정을 위해 측정장비로서 TESTO 350K를 사용하였으며, 구체적으로 주행거리 52,513 km의 현대의 아반테, 주행거리 31,712 km의 기아의 레이, 주행거리 71,218 km의 르노삼성의 SM5 모델 LPG 차량을 각각 이용하여, 2020.06.17. 에서부터 2020.07.22.까지 LPG 충전 시 마다 본 발명의 실시예에 따른 연료첨가제 조성물을 LPG 200 중량부 기준으로 1 중량부 혼합하여 주행하였으며, 2020.06.17., 2020.07.01., 및 2020.07.22. 3차례에 걸쳐서 배기가스 측정 테스트를 진행하였다.
2020.06.17. 1차 테스트 결과는 아래 표 1과 같고, 2020.07.01. 2차 테스트 결과는 아래 표 2와 같으며, 2020.07.22. 3차 테스트 결과는 아래 표 3과 같다(단위: ppm).
아반테 레이 SM5
NOx 210.2 186.0 216.4
CO 293.0 111.0 91.0
SO2 30.0 5.0 20.0
아반테 레이 SM5
NOx 194.0 160.9 189.0
CO 258.0 101.0 77.0
SO2 27.0 4.0 16.0
아반테 레이 SM5
NOx 193.6 151.2 181.6
CO 246.0 88.4 69.2
SO2 23.0 3.0 12.0
이러한 표 1 내지 3의 결과를 토대로, 배출가스 증감에 관한 계산을 수행해보면, 질소산화물(NOx)의 경우 아래 표 4와 같은 결과, 일산화탄소(CO)의 경우 아래 표 5와 같은 결과, 이산화황(SO2)의 경우 아래 표 6과 같은 결과를 나타낸다.
아반테 레이 SM5
NOx 210.2 186.0 216.4
194.0 160.9 189.0
193.6 151.2 181.6
ppm 16.6 34.8 34.8
% 7.90 18.71 16.08
아반테 레이 SM5
CO 293.0 111.0 91.0
258.0 101.0 77.0
246.0 88.4 69.2
ppm 47 22.6 21.8
% 16.04 20.36 23.96
아반테 레이 SM5
SO2 30.0 5.0 20.0
27.0 4.0 16.0
23.0 3.0 12.0
ppm 7 2 8
% 23.33 40 40
상기 표 4 내지 6의 결과(도 1 내지 3)를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료첨가제 조성물을 사용하는 경우, 사용기간이 길어질수록 배기가스 내에서 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO) 및 이산화황(SO2)과 같은 성분이 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 수소처리된 중질 파라핀 정제유 98.5 wt%, 폴리(옥시프로필렌)디아민(Poly(oxypropylene)diamine) 1 wt%, 및 C10-13-아이소알케인(C10-13-Isoalkanes) 0.5 wt%를 포함하는, 연료첨가제 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료첨가제 조성물은 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 내연기관용인, 연료첨가제 조성물.
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