KR20130008586A - 압축 점화 엔진 연료의 제조방법 - Google Patents

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할도르 토프쉐 에이/에스
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Abstract

한가지 이상의 알콜을 포함하는 1차 탄화수소 연료의 혼합물을 제공하는 단계, 및 혼합물에서 한가지 이상의 알콜을 탈수하여 그것의 또는 그것들의 대응하는 에테르 및 물로 하여 압축 점화 엔진 연료를 얻는 단계를 포함하는 압축 점화 엔진 연료의 제조 방법.

Description

압축 점화 엔진 연료의 제조방법{METHOD FOR THE PREPARATION OF A COMPRESSION IGNITION ENGINE FUEL}
본 발명은 압축 점화 연료 조성물에 관한 것이다. 특히 본 발명은 알콜 함유 1차 연료로부터 또는 탄화수소 연료에 알콜의 첨가에 의한 압축 점화 엔진 연료의 제조방법에 관련된다.
오늘날, 차세대 알콜 함유 바이오연료로 바이오연료의 지속가능한 통상적 사용이 가능하다. 그러나, 제조된 대로의 바이오연료는 원료 형태로 낮은 등급을 가지며 종래의 압축 점화 엔진에서는 연소하지 않는다.
특히, 5 또는 10% 이하의 높은 물 함량 및 바이오에탄올의 낮은 세탄가는 수송기관을 위한 그것의 용도를 제한한다. 동시에, 엄격한 방출 규제는 종래의 디젤 연료가 추가의 배기 가스 클리닝 시스템 없이 작동하기에 부적당하게 만든다.
이들 제한점은 바이오에탄올의 세탄가를 증가시키거나 클리너 작동을 위한 종래의 화석 디젤 연료를 개선하는 일정한 첨가제의 사용에 의해 극복될 수 있다. 산소첨가제(oxygenates), 예를 들면 에테르는 세탄가를 증가시키고 매연 방출 없이 연소하는 것으로 알려져 있다.
유용한 압축 점화 엔진 연료 조성물의 수는 실용상의 고려사항에 의해 더 감소된다. 연료 인화점은 보관 안전상의 이유로 52℃보다 위이어야 한다. 연료와 혼합되는 첨가제의 양은 또한 비용을 제한하고 주요 엔진 변경 없이 디젤 엔진에서 작동을 허용하기 위해 첨가제의 가격에 의존하여 낮은 것이 바람직하고, 전형적으로 1 내지 5wt%인 것이 바람직하다.
본 발명은 압축 점화 엔진에서 클린 용도를 위해 대부분의 공지의 디젤 및 비디젤 탄화수소 연료의 업그레이드를 가능하게 하는 저가이고 쉽게 입수가능한 첨가제에 기초한다.
특히 본 발명에 따르는 압축 점화 엔진 연료의 제조에서 사용하기 위한 연료 첨가제는 오로지 알콜에 기초하는데, 이것은 그 자체가 값싸고 널리 입수가능한 안전한 수송기관 연료이고 더 처리되지 않을 때 낮은 세탄가를 갖는다.
따라서 본 발명은 일반적으로 압축 점화 엔진 연료의 제조 방법을 제공하는데, 1차 탄화수소 연료의 한가지 이상의 알콜과의 혼합물을 제공하는 단계; 및
혼합물에서 한가지 이상의 알콜의 적어도 일부를 탈수하여 그것의 또는 그것들의 대응하는 에테르 및 물로 하여 압축 점화 엔진 연료를 얻는 단계를 포함한다.
앞에서 및 이하의 설명에서 여기서 사용되는 것과 같은 용어 "1차 연료"는 차량 탱크에 또는 정지 압축 점화 엔진을 위한 탱크에 연료로 공급되는 연료를 의미하고 이 연료는 후속 변환 처리를 받은 후 엔진으로 주입된다.
앞서 이미 언급한 바와 같이, 알콜의 연료에의 첨가는 연료의 세탄가를 감소시키고, 따라서 그것을 압축 점화 용도에 덜 적합하게 하는 것으로 보여진다.
본 발명은 알콜의 충분한 분률이 하기 반응에 따라 대응하는 에테르 및 물로 변환되는 것을 보장하기 위해 알콜 탈수 촉매를 통과시키는 것을 요한다.
R1-OH+R2-OH -> R1-O-R2 + H2O
상기 식에서, R1 및 R2는 H, C 및 선택적으로 O를 함유하는 분자들이다.
상기 반응은 평형 제한되고 결과적인 압축 점화 연료는 탄화수소, 알콜, 에테르 및 물의 배합물이다.
1차 탄화수소 연료는 바람직하게는 C5-C28 탄화수소 및/또는 바이오연료를 포함한다.
본 발명의 특정 구체예에서, 1차 탄화수소 연료는 가솔린이다.
1차 연료에서 유용한 알콜은 C1 내지 C10 모노알콜 및/또는 폴리올이다.
바람직하게는 1차 연료 혼합물에 함유된 한가지 이상의 알콜은 탈수 촉매의 존재하에 탈수된다.
본 발명에서 사용하기 위한 적합한 탈수 촉매는 모든 고체산, 예를 들면, 알루미나, 실리카 알루미나, 제올라이트, 텅스텐화 산화물, 술폰화 산화물, 알루미나 포스페이트, 황산 작용기를 함유하는 재료, 예를 들어서, 술폰화 폴리스티렌, 술폰화 플루오로카본 중합체, 술폰산 작용화된 산화물 재료(알루미나, SBA-15, 실리카) 및 이들의 혼합물을 포함한다.
본 발명의 특정 구체예에서, 탈수 촉매는 차량의 보드 상의 반응기 내에 배치된다.
만일 1차 연료가 이미 알맞는 세탄가를 갖는다면, 알콜의 부가 및 촉매작용 탈수는 입자 방출을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 첨가되는 알콜의 중량 분률은 원하는 감소에 의존하여 조절된다.
실시예 1은 바이오 디젤 및 화석 디젤 연소를 개선하기 위해 에탄올을 사용하는 이 특징을 예시한다.
대안으로, 만일 1차 연료가 불충분한 세탄가를 갖는다면, 상당한 수준으로 알콜의 첨가 및 촉매작용 탈수는 이와 같이 제조된 압축 점화 연료가 압축/점화 엔진을 작동하도록 가능하게 한다. 필요한 알콜의 양은 1차 연료의 성질에 의존한다.
실시예 2는 수화 에탄올, 부탄올 또는 종래의 가솔린을 위한 디젤 개선제로서 에탄올 또는 부탄올의 사용을 예시한다.
실시예
실시예 1: 디젤 유사 연료를 위한 클린 개선제로서의 알콜
두가지 1차 디젤 연료, 즉 에탄올과 배합된 표준 디젤 및 평지씨유(바이오 디젤)를 본 발명에 따르는 업그레이드 후, 즉 탈수 처리 후 시험하였다. 이 실시예에서, 두가지 1차 연료는 첨가제 없이 종래의 디젤 엔진을 동력 제공할 수 있다. 표 1은 기준으로서 순수한 화석 디젤과 함께 이 실시예에서 고려된 연료 혼합물들을 나타낸다. 3가지 다른 연료 혼합물은 1차 연료에 첨가제로서 에탄올을 포함한다. 그러므로 본 발명자들은 엔진에 주입에 앞서 탈수를 수행하기 위해 온-보드 촉매작용 변환기를 사용한다. 탈수 반응의 변환률은 80%이도록 선택되어서 에탄올이 디에틸에테르(DEE) 및 물로 부분적으로 업그레이드되도록 한다. 이 단계는 높은 원래의 고급 알콜 함량을 갖는 혼합물이라도 디젤 유사 성질을 갖는 것을 보장한다. 표 1에서 나타낸 바와 같이 탈수된 연료는 DEE 및 1차 연료에 더하여 물 뿐만 아니라 알콜의 양을 함유한다.
연료 조성물 - 탈수 전 및 후
연료 디젤 D70E30 D50E50 Bio25E75
조성 (중량 %) 업그레이드 전
에탄올 - 30 50 75
물 - - - -
평지씨유 - - - 25
디젤 100 70 50 -
조성 (중량 %) 탈수 후
에탄올 - 6 10 15
DEE* - 19 32 48
물 - 5 8 12
n-부탄올 - - - -
DBE** - - - -
평지씨유 - - - 25
디젤 100 70 50 -
알콜의 에테르로의 변환 % 80 80 80
* 디에틸에테르
** 디부틸에테르
시험 목적을 위해, 업그레이드된 연료를 순수한 성분들을 혼합함으로써 제조하였으나, 그것들은 1차 연료를 알맞는 탈수 촉매와 접촉시킴으로써 제조되었다. 이와 같이 제조된 압축 점화 연료를 사용하여 80 kW @4000 rpm에서 시판 디젤 엔진 R4 Peugeot 1.6 리터 통상의 레일 엔진(DV6TED4-9HZ)을 작동시켰다. 연료가 종래의 디젤 연료와 다르기 때문에 (부피당 더 낮은 가열 값), 엔진 세팅을 각 경우에 대해 적합시켰다. 예를 들면 연료 주입 시간을 연장시켰고 압력 최대를 8-12도 ATDC (표준 디젤 작동) 범위로 유지하기 위해 초기에 시동하였다. 각 연료 시험에 대해, 엔진 부하는 참고용 디젤 연료 작동에 맞춰졌다.
표 2는 탈수 처리 후 상기 언급한 연료로 55 Nm의 부하 시점에서의 효율을 요약한다.
모든 연료, 업그레이드된 연료 뿐만 아니라 종래의 디젤 연료는 종래의 디젤 작동과 잘 일치하는 약 33-35%의 효율을 제공한다. D50E50은 다른 혼합물보다 종래의 디젤 연료보다 더 높은 효율을 나타낸다. 이 증가는 비교할만한 NOx 방출을 갖는 배기 가스에서 CO 및 HC의 약간의 증가를 야기한다.
일반적으로 알콜 및 후속 탈수의 첨가는 배기 가스 방출에 상당히 영향을 미치지 않으며 엔진이 바이오 또는 부분적으로 바이오 연료로 가동될 수 있게 한다. 게다가 입자 방출의 감소는 종래의 디젤 연료에 에탄올을 첨가할 때 보여진다.
50w%의 에탄올을 갖는 혼합물은 혼합물의 디젤-연료 성질을 유지하면서 입자 방출을 감소시킨 것으로 나타났다. 에탄올 함량을 더 증가시킬 때, 감소는 고려할 만 한데(1 차수 크기 정도), 75w% 에탄올을 어떤 종래의 바이오-디젤에 첨가함으로써 예시되는 바와 같다.
알콜 첨가 및 탈수는 연료의 디젤 품질을 보존하고 디젤 엔진의 개선된 효율 및 훨씬 감소된 입자 방출을 보장한다는 것을 분명히 보여준다.
55 Nm에서 부하를 갖는 디젤 엔진에서의 작동
연료 디젤 D70E30 D50E50 Bio-E75
효율 % 34.74 36.39 41.14 33.15
NOx [g/kWh] 10.17 10.08 7.74 8.86
HC [g/kWh] 0.09 0.12 0.14 0.09
CO [g/kWh] 1.87 2.42 2.53 2.72
입자수 /cm3 2.07E+07 3.07E+06 1.43E+06 0.12E+06
CO2 [kg/kWh] 0.77 0.73 0.70 0.79
실시예 2: 비-디젤 연료 업그레이드를 위한 개선제로서의 알콜
3가지 비-디젤 연료, 즉 에탄올, n-부탄올 및 가솔린을 디젤 엔진의 작동에서 시험하였다. 이들 연료 단독 또는 그것들의 어떤 혼합물도 복합 첨가제가 사용되지 않으면, 종래의 디젤 엔진에서 연소하지 않는다.
표 3은 기준으로서 종래의 디젤 및 6개의 다른 연료 혼합물과 함께 이 실시예에서 고려된 연료 혼합물을 나타낸다. 본 발명에 따라 업그레이드하기 전에, 이들 혼합물의 어떤 것도 디젤 엔진에 동력 제공할 수 없었다. 비-디젤 연료를 엔진에서 주입에 앞서 알콜의 첨가 및 온-보드 촉매작용 탈수에 의해 업그레이드시켰다. 탈수 반응의 공정 조건은 알콜의 대응하는 에테르로의 80 또는 85% 변환율을 제공하도록 선택된다. 이 단계는 비-디젤 연료를 디젤-유사 점화 성질을 갖는 에테르 함유 혼합물로 업그레이드한다.
표 3은 업그레이드된 연료가 에테르와 함께 남아있는 알콜 및 물을 함유함을 나타낸다.
연료 조성물 - 업그레이드 전 및 후
연료 디젤 E95 E85 E75 E60 B95 B85
조성 (중량%) 업그레이드 전
에탄올 - 95 85 75 60 - -
n-부탄올 - - - - - 95 85
물 - 5 - - - 5 -
가솔린 - - 15 25 40 - 15
디젤 100 - - - - - -
조성 (중량%) 업그레이드 후
에탄올 - 14 17 15 12 - -
DEE - 64 54 48 38 - -
물 - 21 13 12 9 10 8
부탄올 - - - - - 20 17
DBE - - - - - 70 60
가솔린 - - 15 25 40 - 15
디젤 100 - - - - - -
알콜의 에테르로의 변환 % 85 80 80 80 80 80
업그레이드된 연료를 사용하여 전력 80 kW @4000 rpm의 시판 디젤 엔진 R4 Peugeot 1.6 리터 통상의 레일 엔진(DV6TED4-9HZ)을 작동시켰다. 이들 업그레이드된 연료는 종래의 디젤 연료와 다르기 때문에 (부피당 더 낮은 가열 값), 엔진 세팅을 각 경우에 대해 적합시켰다. 예를 들면 연료 주입 시간을 연장시켰고 압력 최대를 8-12도 ATDC (표준 디젤 작동) 범위로 유지하기 위해 초기에 시동하였다. 표 4 및 표 5는 두 다른 부하 시점에 대한 결과를 요약한다.
다른 연료들에 대한 연료 효율은 같은 범위에 있고 부하에 따라 증가한다. 낮은 부하(20 Nm)에서, 모든 연료 (업그레이드된 연료 뿐만 아니라 종래의 디젤 연료)는 종래의 디젤 작동과 잘 일치하는 약 23-24%의 효율을 제공한다. 비-디젤 연료는 업그레이드 전, 즉 촉매작용 탈수 처리 전에 엔진을 가동하지 않을 것이며, 업그레이드 후 이들 연료는 디젤-유사 연료로서 작동한다. 업그레이드된 연료는 종래의 디젤 연료와 성능에 있어서 비교할만하다. 더 높은 부하(55Nm)에서, 이 결론은 여전히 유효하고 업그레이드된 연료는 종래의 디젤 연료와 매우 훨씬 유사하게 성능을 발휘한다.
입자 방출을 비교할 때 상당한 차이가 보인다. 참으로 업그레이드된 연료 E95 및 E85에 대한 작동은 기준 화석 디젤 연료보다 입자를 30 내지 40 배 덜 방출한다.
업그레이드된 연료는 높은 효율로 디젤 엔진을 작동하는 것을 가능하게 하여, NOx 방출을 약간 감소시키고 종래의 화석 디젤 연료와 비교할 때 상당히 입자 방출을 감소시킨다.
20 Nm 에서 부하를 갖는 디젤 엔진에서의 작동
연료 디젤 E95 E85 E75 E60 B95 B85
효율 % 23.80 23.77 23.32 25.04 24.58 22.97 23.21
NOx [g/kWh] 13.32 2.79 2.70 3.14 4.05 10.58 9.64
HC*[g/kWh] 0.13 1.42 4.50 5.06 3.12 0.41 0.25
CO [g/kWh] 9.27 55.41 58.10 51.26 52.81 8.43 10.81
* 탄화수소
55 Nm 에서 부하를 갖는 디젤 엔진에서의 작동
연료 디젤 E95 E85 E75 E60 B95* B85
효율 % 34.74 31.65 33.91 34.32 34.07 36.12 33.17
NOx [g/kWh] 10.17 6.59 5.95 7.73 7.72 12.02 9.84
HC [g/kWh] 0.09 0.16 0.17 0.20 0.22 0.11 0.06
CO [g/kWh] 1.87 4.93 8.14 10.01 11.93 0.98 1.73
입자수 /cm3 2.07E+6 0.07E+6 0.05E+6 - - - -

Claims (8)

  1. 한가지 이상의 알콜을 포함하는 1차 탄화수소 연료의 혼합물을 제공하는 단계, 및
    혼합물에서 한가지 이상의 알콜을 탈수하여 그것의 또는 그것들의 대응하는 에테르 및 물로 하여 압축 점화 연료를 얻는 단계를 포함하는 압축 점화 엔진 연료의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 1차 탄화수소 연료는 C5-C28 탄화수소 및/또는 바이오연료를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 1차 탄화수소 연료는 가솔린을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 한가지 이상의 알콜은 C1 내지 C10 모노알콜 및/또는 폴리올을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 한가지 이상의 알콜은 노르말 C1 내지 C4 모노알콜인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 한가지 이상의 알콜은 탈수 촉매의 존재하에 탈수되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 탈수 촉매는 차량의 보드 상의 반응기 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 한가지 이상의 알콜은 20 중량% 이하의 물을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020127027182A 2010-03-31 2011-03-02 압축 점화 엔진 연료의 제조방법 KR20130008586A (ko)

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