내연기관

메카트로닉스공학과

공학박사/교수 윤 천 한

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배기가스 대책

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배기가스 대책1) 3원 촉매 장치가솔린 자동차에 탑재된 가솔린기관은 공기와 연료가 미리 혼합되어 연소실로 유입되고 압축과정 말기에 점화플러그의 불꽃에 점화되어 연료 공기 혼합기가 연소하게된다. 연소 가스는 고온, 고압의 상태로 되고 피스톤을하강시켜 크랭크축을 회전시키고 연소된 배기가스는 배기밸브를 통하여 촉매장치와 머플러를 통과하여 대기 중에 방출하게 된다. 이 배기가스는 승용자동차의 급증과더불어 대기환경을 오염시키고 인체에 악영향을 미치는주원인이며, 이 배기가스의 주요성분은 일산화탄소(CO),질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 황화합물(SO2), 납화합물, NMHC(Non Methane Hydro Carbon), 포름알데히드, 매연 등이다.

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삼원 촉매(three way catalyst)삼원 촉매는 배기가스가 촉매를 통과할 때 CO, HC는산화에 의해, NOx는 환원에 의해 인체에 해롭지 않은무해한 가스로 변화시켜 정화하는 장치이다.촉매(catalyst)는 세라믹이나 금속 재료의 담체(substrate)와 이 담체에 와시코트(washcoat, Al2O3)를코팅한 후, 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd)과 같은 귀금속(precious metal)을 적정비율로 혼합하여 가장 바깥에 도포하였다.배기가스가 이 촉매의 귀금속과 접촉하여 화학적 변화를 일으키게 된다.백금은 주로 산화 반응을 촉진시키고 로듐은 환원 반응을 촉진시킨다.

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배기가스 재순환 장치

NOx 저감을 위해 배기가스 재순환 장치(Exhaust GasRecirculation, EGR)를 사용한다. 배기가스의 일부를운전영역별로 다르게 EGR 밸브를 통하여 흡기관으로보내어 연소실로 유입시키는 장치이다. 배기가스를 연소실에 유입시켜 신기 혼합기와 희석시키면 산소농도를 감소시킴으로 인하여 연소가 활발하게 되는 고온상태에서 발생하는 NOx를 저감시킬 수 있게 된다.NOx는 저감되지만 반면 CO, HC는 증가하게 되고 연비 및 출력 또한 악화된다. NOx 저감을 위해서라면 연소실의 형상 변경과 더불어 이러한 손실을 최소로 감수하여 배기가스 규제를 만족할 수 있도록 하여야 한다.

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디젤기관의 공해 대책

디젤기관에서 배출되는 유해가스는 CO, HC, NOx, PM및 매연이다. 디젤기관은 공기만을 흡입하여 압축한 후노즐에서 분사된 미립화 된 연료에 착화하여 연소시킨다. 거의 공기과잉 상태로 운전되므로 NOx 배출이 과다하며, 급격한 부하 증가 시 연료 분사량의 증가로 불완전 연소에 기인한 매연과 입자상 물질(particulatematter : PM)의 배출이 심하다.CO 및 HC는 거의 문제가 되지 않는다. 2002년 이후 우리나라 경유사용 자동차의 배기가스 규제치를 <표 11-5>에 나타내었다.CO, NOx, HC, PM, 매연의 규제치를 대폭 강화하여 세계 선진국 수준과 동등 수준의 규제치로 하였다.

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연소실의 와류유동 특히 스월 유동과 연료분사의 고압 화에 의한 미립화, 연소실형상의 변경을 통하여 NOx와 PM을 동시에 저감시키는 것이 가능하다.또한 요즘 대부분의 디젤기관 자동차에 적용하고 있는 터보챠저(turbo charger) 인터쿨러(intercooler) 시스템과 커먼레일 방식의 고압화 연료분사시스템의 적용은 공기 과잉율을 증가시켜 출력의 향상, 연비의 향상과 더불어 고압에 의해 미립화, 관통도가개선되므로 매연 및 입자상물질 배기가스 저감 목표 달성 가능고압화 연료분사로써 축압실식의 커먼레일(common rail)시스템, 유닛인젝터(unit injector)를 적용하는 것이 실용화되었다.더욱 강화된 규제치 대응을 위하여 디젤기관 전자제어(electronic diesel engine control) 방식의 EUI(electronic unitinjector), TICS(timing and injection rate control system)의적용과 더불어 NOx 저감을 위해 배기가스재순환 장치(EGR ), 냉각 배기가스 재순환 장치(cooled EGR)와 후처리 장치로써 입자상 물질의 포집하는 매연 여과장치(diesel particulate filter,DPF)와 De NOx 촉매가 있다.

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배출가스 시험 방법

자동차에서 배출되는 배출가스 규제치와 시험 방법은자동차의 차종과 사용 연료에 따라 다르다.자동차의 차종은 경자동차, 승용자동차, 소형화물자동차, 중량자동차 및 이륜자동차로 구분되며, 사용 연료로는 가솔린 및 가스자동차와 디젤자동차로 구분하여 그규제치를 다르게 하고 있다. 2002년 7월 1일부터 자동차의 종류를 변경하였으며, 그에 따른 배출가스 법규를강화하여 규제하고 있다.

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시험방법은 가솔린 및 가스자동차와 디젤자동차의 경자동차, 승용1, 2, 3자동차, 화물1, 2 자동차는 CVS-75 MODE를 사용하고, 차량 총중량 3.5톤 이상의 승용4, 화물3 중량자동차는 종래에 가솔린 엔진은 G-13MODE를, 디젤엔진은 D-13 MODE를 적용하였으나2002년7월부터 ND-13 MODE로 변경하였다.ND-13 MODE는 유럽에서 2000년 이후 채택된 시험방법으로 ESC( European Stationary Cycle )시험이라고 하며, 엔진을 다이나모미터에 장착하고 정상상태모드에서 운전한다.각 모드를 운전하는 동안 배출가스를 측정하고 가중계수를 곱하여 최종 결과를 구한다.

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