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KR20130019403A - 압력 점화 엔진을 작동하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

압력 점화 엔진을 작동하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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KR20130019403A
KR20130019403A KR1020127027773A KR20127027773A KR20130019403A KR 20130019403 A KR20130019403 A KR 20130019403A KR 1020127027773 A KR1020127027773 A KR 1020127027773A KR 20127027773 A KR20127027773 A KR 20127027773A KR 20130019403 A KR20130019403 A KR 20130019403A
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KR
South Korea
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fuel
alcohol
primary fuel
primary
accumulation chamber
Prior art date
Application number
KR1020127027773A
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English (en)
Inventor
팔 엘. 가브리엘손
톤 브이. 더블유. 얀센스
스벤드-에릭 미켈센
시몬 이바르 안데르센
Original Assignee
할도르 토프쉐 에이/에스
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Filing date
Publication date
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Abstract

알콜에 기초한 1차 연료의 전환에 의해 얻어진 에테르 함유 연료에서 압축 엔진을 작동하기 위한 방법 및 시스템은, (a) 연료 탱크로부터 알콜에 기초한 1차 연료를 연속해서 회수하고, 알콜에 기초한 1차 연료를 그것의 액체 형태에서 최종 엔진 주입 압력으로 가압하는 단계 및 수단; (b) 가압된 알콜에 기초한 1차 연료를 연료 축적 챔버로 연속해서 도입하는 단계 및 수단; (c) 가압된 알콜에 기초한 1차 연료를 축적 챔버를 엔진의 연료 주입기와 연결하는 파이프로 연속해서 분포시키는 단계 및 수단; (d) 연료 주입기에 앞서, 가압된 알콜에 기초한 1차 연료를 연료 주입기의 상류에서 각각의 파이프에 배열된 알콜 탈수 촉매와의 접촉에 의해 에테르 함유 연료로 연속해서 전환하는 단계 및 수단; (e) 에테르 함유 연료를 주입 압력으로 엔진에 연속해서 주입하는 단계 및 수단; (f) 도입된 알콜에 기초한 1차 연료의 일부를 축적 챔버로부터 연속해서 회수하는 단계 및 수단; 및 (g) 회수된 알콜에 기초한 1차 연료를 연료 탱크로 감압하고 재순환하는 단계 및 수단을 포함한다.

Description

압력 점화 엔진을 작동하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR OPERATING A PRESSURE IGNITION ENGINE}
본 발명은 압축 점화 엔진의 작동 방법 및 특히 에테르 함유 연료로 이들 엔진의 작동에 관련된다.
더욱이 본 발명은 본 발명의 사용을 위한 시스템을 제공한다.
압축 점화 엔진의 가장 전형적인 예는 높은 세탄가 디젤 연료로 작동하는 디젤 엔진이다. 디젤 연료의 연소로부터 유발되는 환경 오염을 감소시키기 위해서, 과거에 여러 번의 시도가 디젤 연료를 환경에서의 영향을 감소시키는 대안 연료로 교체하기 위해 행해졌다.
에테르, 특히 디메틸 및 디에틸에테르와 같은 저급 알콜의 탈수에 의해 제조되는 에테르는 우수한 디젤 연료인 것으로 나타났다.
디젤 연료로서 저급 에테르의 사용은 수많은 공보, 예를 들어 미국 특허 제4,892,561호, 제5,906,664호 및 제7,449,034호에서 기술되었다.
디젤 엔진에서 그것의 청정 연소 특징 및 높은 효율에도 불구하고, 에테르 기반 연료의 주요 약점은 차량의 보드 상에서 저장 및 취급이 어렵다는 것이다. 대기 조건에서, 디메틸 에테르는 가스상 형태이다. 디메틸 에테르 연료를 그것의 더 편리한 액체 형태로 변환시키기 위해서, 연료는 압력하에서 저장되고 취급되어야한다.
디에틸에테르가 대기 조건에서는 액체 형태이지만, 이 에테르는 높은 증기압을 가져, 공기와 접촉할 때 높은 폭발의 위험을 갖는다.
현대 디젤 엔진은 커먼 레일 연료 시스템(common rail fuel system)을 구비한다. 시스템은 2,000 bars 이상의 고압에서 연료를 저장하는 연료 축적 챔버 및 고압 펌프로 구성된다. 축적 챔버는 고압 연료가 있는 다중 연료 주입기를 공급한다. 과잉 연료는 챔버로부터 회수되고 감압되고 연료 탱크로 재순환된다.
디젤 엔진용 연료로서 에테르의 사용과 연관된 이러한 시스템은 미국 특허 제6,340,003호에서 기술된다. 이 특허 방법에 의해, 1차 메탄올 연료는 축적 챔버에 도입되기에 앞서, 가압되고, 에테르 함유 디젤 연료로 전환된다. 이 방법의 약점은, 에테르 함유 과잉 연료가 챔버로부터 제거되어야 하고, 하나는 알콜 연료용으로 그리고 하나는 전환된 에테르 함유 연료용으로 2개의 탱크를 필요로 하는 연료 탱크로 재순환되어야 할 때 일어난다.
본 발명의 일반적인 목적은, 특히 차량에서 2차 연료를 취급하고 저장하는 어려움이 없이 커먼 레일 연료 시스템을 구비하는 압축 점화 엔진을 작동하기 위해, 차량의 보드 상에서 저급 알콜 또는 저급 알콜들의 가솔린물에 기초한 1차 연료를 에테르를 함유하는 2차 연료로 전환하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라서, 본 발명은 알콜에 기초한 1차 연료의 전환에 의해 얻어진 에테르 함유 연료 상에서 압축 엔진의 작동 방법이고,
(a) 연료 탱크로부터 알콜에 기초한 1차 연료를 연속해서 회수하고, 알콜에 기초한 1차 연료를 그것의 액체 형태에서 최종 엔진 주입 압력으로 가압하는 단계;
(b) 가압된 알콜에 기초한 1차 연료를 연료 축적 챔버로 연속해서 도입하는 단계;
(c) 가압된 알콜에 기초한 1차 연료를 축적 챔버를 엔진의 연료 주입기와 연결하는 파이프로 연속해서 분포시키는 단계;
(d) 연료 주입기에 앞서, 가압된 알콜에 기초한 1차 연료를 연료 주입기의 상류에서 각각의 파이프에 배열된 알콜 탈수 촉매와의 접촉에 의해 에테르 함유 연료로 연속해서 전환하는 단계;
(e) 에테르 함유 연료를 주입 압력으로 엔진에 연속해서 주입하는 단계;
(f) 도입된 알콜에 기초한 1차 연료의 일부를 축적 챔버로부터 연속해서 회수하는 단계; 및
(g) 회수된 알콜에 기초한 1차 연료를 연료 탱크로 감압하고 재순환하는 단계를 포함한다.
더욱이 본 발명은 상기 방법에서 사용하기 위한 시스템을 제공하고,
압축 엔진;
알콜에 기초한 1차 연료를 저장하도록 개조된 연료 탱크;
알콜에 기초한 1차 연료를 가압하는 고압 펌프;
가압된 알콜에 기초한 1차 연료를 받고 저장하도록 개조된 축적 챔버;
압축 엔진으로의 연료 주입을 위해 축적 챔버를 연료 주입기에 연결하기 위한 연결 파이프;
축적 챔버 및 연료 주입기 사이에 각각의 연결 파이프에서 배열된 알콜 탈수 촉매; 및
축적 챔버에서 연료 탱크로 알콜에 기초한 1차 연료의 과잉을 재순환하기 위한 재순환 라인을 포함한다.
본 발명에 따른 방법 및 시스템의 이점은, 모든 형성된 에테르 연료가 엔진에서의 연소를 위해 즉시 사용되어서, 과잉 에테르 연료의 저장이 회피된다는 것이다. 알콜에 기초한 1차 연료의 과잉은 연료 탱크로 재순환된다.
에테르 연료의 형성은 하기 반응에 따라서 알콜의 그것의 대응하는 에테르로의 촉매 탈수에 의해 달성된다:
2CnH(2n+2)O ↔ C2nH(4n+2) + H2O
알콜의 에테르로의 탈수는 일반적으로 황산, 알루미나, 실리카 알루미나, 제올라이트, 술폰산, 지르코니아-텅스테이트, 알루미나 포스페이트와 같은 액체 또는 고체산에 의해 촉매화된다.
알콜 탈수는 평형 반응이다. 따라서, 평형 제한은 알콜의 에테르 및 물로의 100% 전환을 방지한다.
예를 들어, 95 w%의 에탄올 및 5 w%의 물로 구성되는 에탄올에 기초한 1차 연료를 위한 반응 온도에서, 150 내지 350℃의 탈수 온도에서의 평형 조성은 9-21 w%의 에탄올, 19-22 w%의 H2O 및 59-71 w%의 디에틸에테르이다. 조성물이 균질하게 남아있는 것을 보장하기 위해, 1차 연료가 축적 챔버에 공급됨에 따라 첨가제로서 또는 연료 탱크에서 또는 1차 연료가 차량에 공급됨에 따라 1차 연료에 대한 첨가제로서, 탈수 촉매에 의해 실질적으로 전환되지 않는 유화제를 포함하는 것이 이로울 수 있다.
게다가 메탄올 및 에탄올 또한 이들 및 다른 알콜들의 혼합물은 1차 연료가 본 발명에서 기초될 수 있는 적합한 알콜이다.
바람직한 알콜 혼합물은 메탄올 및 에탄올의 혼합물이다.
알콜에 기초한 다른 적합한 1차 연료는 메탄올, 그뿐만 아니라 가솔린과 같은 알콜 및 탄화수소의 배합물을 포함한다. 후자는 전형적으로 85%의 에탄올, 13%의 가솔린 및 2%의 MTBE(메틸 3차 부틸 에테르)를 함유하는 상업적으로 구매가능한 E85를 포함할 뿐만 아니라, 알콜, 가솔린 및 가솔린 첨가제의 다른 조성이 본 발명에서 사용될 수 있다. 이것들이 알콜 및 탄화수소의 혼합물로서 참조 될 수 있는 반면, 가솔린 및 가솔린 첨가제는 유기금속 연소 촉매와 같은 미량의 비탄화수소를 함유할 수 있다. 1차 연료는, 1차 연료가 물과 혼화성이라면, 또는 물이 1차 연료에서 균질하게 분포되도록 유화제가 존재한다면, 물을 포함할 수 있다.
본 개시의 목적을 위해서, 2차 연료는 상기 정의된 바와 같이 1차 연료로부터 형성된 연료 혼합물로서 정의될 것이다. 2차 연료는 에테르를 함유하고, 유용한 점화 및 연소 특징이 있는 압축 점화 엔진에서 사용하기에 적합하다. 이것은 20% 이하의 메탄올 함량 및 20% 이하의 물 함량을 갖는 상기 언급된 디에틸에테르/에탄올/물 혼합물 및 디메틸 에테르/메탄올/물 혼합물, 그뿐만 아니라 가솔린과 같은 탄화수소를 추가로 또한 포함하는 유사한 혼합물을 포함한다. 미국 특허 제7,449,034호에서, 디메틸 에테르, 메탄올 및 48% 이하의 물을 함유하는 디젤 연료는 압축 점화 엔진에서 효율적인 연료로 나타났다. 1차 연료가 가솔린(첨가제를 포함함)을 함유할 때, 이들은 또한, 가솔린의 전환이 탈수 촉매에서 상당하게 일어날 것으로 생각되지 않기 때문에, 2차 연료에서 함유될 것이다.
2차 연료 조성물의 상기 범위 내에서, 본 발명 방법의 작동 조건은 전형적으로 150℃ 내지 350℃의 주입 온도 및 200 내지 2,400 bars의 주입 압력으로 조정될 것이다. 따라서, 알콜의 에테르, 물 및 알콜의 혼합물로의 전환은 탈수 촉매의 존재하에 적당한 반응 속도에서 단열 방법으로 진행한다.
알콜에 기초한 1차 연료의 온도를 탈수 반응 온도로 상승시키기 위해, 연료는 주위 온도로부터 가열되어야 한다. 이것은, 알콜에 기초한 1차 연료가 축적 챔버에서 축적되기에 앞서, 가압된 연료를 엔진으로부터의 고온 배기가스와의 간접 열 교환으로 열 교환기를 통해 통과시킴으로써 바람직하게 수행된다.
축적 챔버로부터, 알콜에 기초한 1차 연료는 챔버를 연료 주입기와 연결하는 각각의 파이프로 통과되고, 상기 논의된 알콜 탈수를 적당한 온도에서 촉매화하는 촉매와의 접촉을 가져오게 된다.
탈수 촉매는 미국 특허 제6,319,877호에 개시된 바와 같은 파이프의 측벽 상의 촉매화된 하드웨어의 형태로, 또는 축적 챔버 및 연료 주입기 사이의 각각의 파이프 상에 장착된 반응기 챔버 내에 배열될 수 있다.
본 발명의 구체예에서, 촉매는 반응 온도로 전기적으로 가열된다.
엔진의 시동 동안, 배기가스는, 알콜에 기초한 1차 연료를 필요한 반응 온도로 가열하는데 불충분한 온도에 있을 수 있다. 그 조건에서는, 예를 들어 축적 챔버 또는 엔진 히터에서 장착된 전기 히터에 의해 가압된 연료를 추가로 가열하는 상기 작동 방법에서의 추가 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명 방법에서의 작동 조건은 원하는 점화 성질을 갖는 에테르 연료를 얻기 위해 조정될 것이다.
본 발명의 상기 특징부 및 양태를 도면으로 참고하여 하기 설명에서 더 자세히 설명된다. 도 1은 본 발명 방법에서 사용하기 위한 알콜 탈수 반응기가 구비된 커먼 레일 연료 주입 장치가 있는 시스템을 개략적으로 나타낸다.
본 발명의 특정 구체예에서 사용하기 위한 커먼 레일 연료 주입 시스템이 있는 압축 점화 엔진은 고압 펌프(4)에 라인(3)을 통해 연결된 알콜에 기초한 1차 연료(2)를 위한 연료 탱크를 포함한다. 알콜에 기초한 1차 연료는 펌프(4)에서 최종 주입 압력으로 가압되고, 커먼 레일 시스템의 축적 챔버(6)로 통과된다. 챔버(6)로 도입되기에 앞서, 가압된 알콜에 기초한 1차 연료는 열 교환기(8)에서 엔진(나타내지 않음)으로부터 고온 배기가스(7)와의 간접 열 교환에 의해 가열된다.
가압된 알콜에 기초한 1차 연료는 열 교환기(8)에서 알콜 탈수 반응 온도, 예를 들어 150℃ 내지 300℃로 간접적으로 예열된다.
정상적인 엔진 로드 주기의 동안에, 예열되고 가압된 알콜에 기초한 1차 연료는 축적 챔버(6)로 연속해서 통과되고, 라인(9a,9b,9c 및 9d)을 통해 연료 주입기(11a,11b,11c 및 11d)로 분포된다.
연료 주입기로의 도입에 앞서, 알콜에 기초한 1차 연료는 각각의 라인(9a 내지 9d)에서 배열된 탈수 촉매의 존재하에서 탈수된다. 탈수 촉매는 라인(9a 내지 9d)에서 촉매화된 하드웨어의 형태로 있을 수 있거나, 도 1에 나타낸 바와 같이, 반응기(10a,10b,10c 및 10d)에서 고정된 베드로서 배열될 수 있다. 탈수 촉매와의 접촉에 의해, 알콜에 기초한 1차 연료는 에테르, 알콜 및 물, 및 가능하게 가솔린을 포함하는 상기 언급된 2차 연료 혼합물로 부분적으로 전환된다.
엔진의 시동 동안 또는 그것의 낮은 로드 주기의 동안에, 엔진 배기가스 온도는 열 교환기(8)에서 적당한 열을 제공하기에 충분히 높지 않을 수 있다. 그 엔진 주기에서, 가압된 알콜에 기초한 1차 연료는 챔버에서 배열된 전기 히터(12)에 의해 축적 챔버(6)에서 더 가열된다. 대안으로 또는 거기에 추가하여, 촉매가 전기 열에 의해 가열될 수 있다(나타내지 않음).
상기 기술된 시스템이 연속해서 작동함에 따라, 알콜에 기초한 1차 연료의 과잉은 챔버(6)으로부터 연속해서 회수되어야 한다. 이것은 수압으로 또는 전자기로 작동되는 밸브(14)에 의해 달성된다.
회수된 알콜에 기초한 1차 연료는 라인(16)에서 연료 탱크(2)로 감압된다.
상기 설명은 커먼 레일 주입 시스템이 있는 엔진을 고려하여 주어지지만, 당업자는 본 발명이 또한 다른 압축 엔진의 타입에서 사용하기에 적합할 것이라는 것을 인식할 것이다.
상기 설명 및 도면은 순수히 개략적인 반면, 압축 엔진에서의 종래적인 부분 및 수단은 당업자에게 명백할 것이며, 도면에서 나타내지 않았다.

Claims (11)

  1. 알콜에 기초한 1차 연료의 전환에 의해 얻어진 에테르 함유 연료에서 압축 엔진의 작동 방법으로서,
    (a) 연료 탱크로부터 알콜에 기초한 1차 연료를 연속해서 회수하고, 알콜에 기초한 1차 연료를 그것의 액체 형태에서 최종 엔진 주입 압력으로 가압하는 단계,
    (b) 가압된 알콜에 기초한 1차 연료를 연료 축적 챔버로 연속해서 도입하는 단계,
    (c) 가압된 알콜에 기초한 1차 연료를 축적 챔버를 엔진의 연료 주입기와 연결하는 파이프로 연속해서 분포시키는 단계,
    (d) 연료 주입기에 앞서, 가압된 알콜에 기초한 1차 연료를 연료 주입기의 상류에서 각각의 파이프에 배열된 알콜 탈수 촉매와의 접촉에 의해 적어도 부분적으로 에테르 함유 연료로 연속해서 전환하는 단계,
    (e) 에테르 함유 연료를 주입 압력으로 엔진에 연속해서 주입하는 단계,
    (f) 도입된 알콜에 기초한 1차 연료의 일부를 축적 챔버로부터 연속해서 회수하는 단계, 및
    (g) 회수된 알콜에 기초한 1차 연료를 연료 탱크로 감압하고 재순환하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 알콜에 기초한 1차 연료를 엔진으로부터의 고온 배기가스와의 간접 열 교환에 의해 예열하는 추가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 가압된 연료를 축적 챔버 내에서 가열하는 추가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 알콜에 기초한 1차 연료는 다른 알콜들의 혼합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 알콜에 기초한 1차 연료는 메탄올 및/또는 에탄올을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 알콜에 기초한 1차 연료는 가솔린을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 따른 방법에서 사용하기 위한 시스템으로서,
    압축 엔진,
    알콜에 기초한 1차 연료를 저장하도록 개조된 연료 탱크,
    알콜에 기초한 1차 연료를 가압하는 고압 펌프,
    가압된 알콜에 기초한 1차 연료를 받고 저장하도록 개조된 축적 챔버,
    압축 엔진으로의 연료 주입을 위해 축적 챔버를 연료 주입기에 연결하기 위한 연결 파이프,
    축적 챔버 및 연료 주입기 사이에 각각의 연결 파이프에서 배열된 알콜 탈수 촉매, 및
    축적 챔버에서 연료 탱크로 알콜에 기초한 1차 연료의 과잉을 재순환하기 위한 재순환 라인을 포함하는 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, 압축 엔진으로부터의 고온 배기가스와의 간접 열 교환에 의해 알콜에 기초한 1차 연료를 가열하기 위한 열 교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 축적 챔버 내에 배열되는 가열 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 탈수 촉매를 가열하기 위한 가열 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 탈수 촉매는 촉매화된 하드웨어로서 제공되는 것을 특징으로 하는 시스템.
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