chapter 8 mechanisms of pollutants from engine exhaust...
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Chapter 8Mechanisms of Pollutants from Engine Exhaust Emission
Prof. Byung-Chul CHOISchool of Mechanical Systems Engineering
Chonnam Nat. Univ.
2그림 8. 1 공연비에 따른 배출가스 배출정도
배기 오염물질을 지배하는 가장 중요한 변수는 공연비 또는 연공비이며,이것은 CO, NO, 알데히드. 미연 탄화수소에 직접적으로 영향을 미침.
CH는 비교적 고온에서 산화.
NO 농도의 최고점이 1.0 이후에 나타나는 이유는?
-
2
3
0
0.25
0.5
0.75
1
0 5 10 15 20 25time(ms)
그림 8.2 NO 생성에 미치는 온도의 효과
X/Xe 3000K
2500K
2600K
2800K
(F/A=0.9 , P=100atm , X=순간NO농도 , Xe=평형상태에서의 NO농도)
4
Rpm 이 낮을수록 NO2 농도가 증가.Idling 시의 NO2 증가와 일치.
NO2 의 농도는 속력에 의존성이 크며저 부하에서는 더 높아짐.
0
5
10
15
20
25
30
35
0 100 200 300 400 500bmep (kPa)
그림 8.3 부하와 속력에 따른 디젤 엔진의 NO2의 방출비
NO2/NOx (%)diesel
1680 rpm
2400
2800
1300
1000
2000
-
3
5
EGR 율 15~20%정도에서 상당한 NO 감소가 이루어지고 있지만, 허용한도는 부분부하에서 결정.
최고연료소비율에서 최고의 NO 배출을 달성하기위해서는 이론공연비에서 운전되면서 EGR을 적절히 사용.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 5 10 15 20 25EGR(%)
17
16
15
그림 8.4 공연비에 따른 EGR과 NO의 배출농도
NO (ppm)
A/F =
6
점화시기는 NO 배출에 큰 영향을 미침.
점화의 진각은 NO의 배출을 증가시킴.
평균엔진속도와 부하조건에서 크랭크축10도의 지각은 일정출력에서 약 20~30%의 NO 배출을 감소 시킬 수 있다.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
-10 0 10 20 30 40 50Ignition timing
NO
(ppm
)
17
16
15
(crankshaft degree before TDC)
A/F =
그림 8.5 점화시기에 따른 NO의 배출농도
-
4
7
0
1000
2000
3000
4000
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
fuel/air ratio
그림 8.6 연공비와 NO농도와의 관계
NOx
NO
NO, NOx (ppm)
8
그림 8. 7 사이클 기간 중 미연탄화수소의 농도변화
반응성이 낮은 메탄을 많이 포함.
활성 탄화수소는 더욱 반응이 진행하여알데히드, 케톤, 페놀, 알코올, 니트로메탄과 에스테르과 같은 화합물로 산화.
연소실벽면에서 측정한 여러성분의 HC.배기에서 측정한 값보다 높게 나타남.
주 연소반응과정에서 연소하지 못한 연료가 전체적으로 산화.
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5
9그림 8. 8 벽면퀜칭에 의한 미연 탄화수소 생성기구
소염거리에 의한 영향
-공간에서의 열전달보다 주위벽면으로일어나는 열전달이 먼저 일어나 연료내열전달이 제대로 이루어지지 못함.
10그림 8. 9 4행정 불꽃점화 엔진의 HC, NO 및 CO 발생원
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6
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그림 8. 10 연소실에서 미연 탄화수소의 생성기구
12
그림 8. 11 디젤기관의 연소과정
디젤기관의 연소과정
1) 착화지연기간2) 급속연소기간3) 제어연소4) 후연소기간
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Temp.
Temp.
Temperature
Combustion process of Diesel Engine분사된 연료입자는 압축된 고온의 공기 중에서 미립화, 증발하므로 자착화 가능한 혼합비의 개소에서 착화
14
Combustion process(Diffusion flame) - Self-ignition : 분사된 연료입자는 압축된 고온의 공기 중
에서 미립화되고 증발하므로 자착화 가능한 혼합비의 개소에서 연소 시작.
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8
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그림 8.12 디젤엔진의 연료분사 공연비 분포 및 매연발생정도
16그림 8. 13 온도, 공연비 사이의 연료 액적 경로
매연발생 중요 인자 : 온도, 공연비
A point : 연료 jet coreB point : 5% 소수액적 A에서 이동
매연 미발생 상태로 점화점D 점 도달
- 연료가 지속적으로 들어 와A⇒C로 이동 매연 발생
- 매연생성(1) 낮은 온도에서 방향족, 고분자량의 불포화지방성분-열분해-매연(2)1800K 이상-방향족 고리반응 응축반응-PAH-느린 고리반응과 연쇄분열반응
-
9
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• 가스의 사이클.
1) 4행정 엔진
2) 2행정 엔진
Exhaust &Intake Compression
Expansion & Exhaust
18
그림 8. 14 IAPAC 엔진
압축행정 중 압축공기를 이용한 연료분사.
분사밸브를 상부에 설치된 조그만 예연소실에위치한 저압 인젝터가 높은 연공비의 예혼합기를 분사.
소기식 보다 미연탄화수소 배출량 80-90% 저감
2 stroke SI Engine
2행정 기관 장점-낮은 펌핑손실-마찰손실-연소주기 두 배(고출력)
-단점미연성분 배출 – 연비악화
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10
19그림 8. 15 린번엔진의 p-v 선도
특징 :펌핑손실 저감 : 동량의 연료를 연소시킬 경우 내는 출력은증가.펌핑손실의 저감이 연비향상에미치는 영향은 약 70%로 큰 비중을 차지.
열손실 저감 : 연소 최고온도강하
희박연소 엔진
20
그림 8. 16 펌핑손실의 비교
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21
그림 8. 17 린번엔진의 성능매칭도
매칭범위 중에 최고로 양호한 연비를 얻을 수 있는 점화시기를 선택하지않으면 린번엔진의 본래의 연비향상에 역행
22
그림 8. 18 Honda CVCC 층상급기 엔진
흡기밸브에 작은 예연소실을 장착하여 층상급기혼합기를 형성.층상급기를 하면 점화플러그 주위에 평균혼합기보다 더 농후한 혼합기로점화가 쉬워지고 연소전파도 쉬워짐.
i-VTEC(variable timing and lift electronic control)
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12
23
그림 8. 19 종래의 가솔린엔진과 GDI 엔진 개념도
GDI ( Gasoline Direct Injection ) 엔진: 실린더 내에 직접 연료를 분사하는 엔진연료를 직접분사하기 때문에공연비를 정밀하게 제어가능. 혼합기의 확산을 제어하여 적은 연료로서고효율의 연소가 가능.
24
층상급기기관 연소실· 초희박 공연비, 점화플러그 부근 이론공연비 실현 →
효율/HC 개선· 난류 강화(Tumble/swirl) → 급속연소(효율 개선, HC 개선)· 운전조건 영역별 공연비 제어 : 초희박, 이론/농후 공연비
Gasoline Direct Injection Engine(Mitsubishi System)
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25
Gasoline Direct Injection Engine(Toyota System)
운전조건 영역별 공연비 제어
점화플러그 부근 이론공연비
난류 강화
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그림 8. 20 난류제어를 위한 스월제어밸브
스월제어를 함으로써 공기의 흐름을 빠르게 함.연료의 분사를 흡기관의 접선 방향으로 분사.부하에 따른 공기유입을 제어.: 단점 두 개의 제어 밸브, 고비용
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14
27
그림 8. 21 대형디젤엔진의 전부하 최소연비의 경향
디젤엔진 배출가스 저감 대책
28
그림 8. 22 디젤의 PM과 증발가스의 모델
입자상 물질은 불용성성분과 가용성분(SOF)으로 구분.불용성분에는 매연과 황산화물을 내포하고. SOF는 미연 연료성분과 미연 오일성분을 포함.
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15
29
1
2
3
4
5
-15-10-50
매연
농도
도
OCM
SC
PC
4
5
6
7
8
-15-10-50
bm
ep (
kg/c
m2)
도
M
OC
SC
PC
150
200
250
300
-15-10-50
bsf
c(g/P
Sㆍ
h)
도 : 분사시기를 정규보다
늦춘각도
단위 : 중력단위
도
SC
M
OC
PC
0
5
10
15
-15-10-50
NO
x + H
C (g/P
Sㆍ
h)
OC : 직접분사식
PC : 예연소실식
SC : 스월실식 M : M 방식
도
OC
M
PCSC
그림 8. 23 디젤엔진의 분사시스템에 따른 엔진 특징
30
-30
-20
-10
0
10
20
30
-30 -20 -10 0 10 20NOx 변화율 (%)
PM
변화
율 (
%)
그림 8.24 NOx 와 PM의 trade-off 관계
무과급
과급터보인터쿨
터보과급
(1)분사시기 지연으로 NOx 저감
(2)PM 증가
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16
31
6 m
ode N
Ox,
ppm
100
매연
농도
. %
10
1000rpm
Fig. 8.25 분가시기 지연 영향
0 5 10 15
Injection timing, BTDC
연비
, g/k
Wh 20
고속
저속
PM
, g/k
Wh
0.0
5
0
50
100
17 18 19
압축비
백연
소멸
시간
, %
Fig. 8.26 압축비가 배출가스에 미치는 영향
압축비최적영역
압축비 높이면(피스톤 간극 무용 체적)/(연소실 체적)비가 증대 – PM, HC 증가
32
그림 8. 27 분사노즐 끝부 체적의 영향
Nozzle sac 의 용적을 작게 하면 연료분사 종료 후이 Sac에 잔류하는 연료의 후적현상이 감소하며,미연연료 때문에 발생하는 HC를 저감시킬 수 있다.
-
17
33
6 m
ode N
Ox,
ppm
0 20 40 60 80 100 120
급기온도, ℃
연비
, g
/kW
h
그림 8.28 급기냉각의 효과
고속
중속
10
34
6 m
ode N
Ox
, p
pm
저속
sm
oke농
도,
%
1 2 3 4 5
Swirl ratio
연비
, g
/kW
h
그림 8.29 스월비의 효과
고속
저속
스월비의 저감에 의해 통상적으로
고속영역에서의 성능은 개선되지만,
저속, 고부하 영역에서는 혼합기의
생성이 불충분하여 매연의 농도나
CO의 농도가 증가하는 경향을 보임.
-
18
35
그림 8. 30 리엔트런트형 온소실의 스월방향 속도분포
팽창행정에서도스월 존재-후연소 기간 개선-PM 저감 효과
36그림 8.31 노즐분공 교축시의 연소해석 결과
분사
율, m
g/d
eg
열발
생량
, KJ
연소
실압
력, M
Pa
열발
생율
, KJ/
deg
분사
압, M
Pa
Inta
ke v
alv
e lift
고압연료 분사
-연료입경 미세화-공기 혼합율 증대-PM 저감
고압화 방법-고압연료분사 펌프-노즐 분공 소형화
분공 작을수록-분무 미세화, 혼합기생성 촉진, PM 저감-예혼합연소량 증대분무기간 길어고부하에서 후연소기간 연소 악화
분공 작을수록
-
19
37
연소
실압
력, M
Pa
열발
생율
, KJ/
deg 연
소실
압력
상승
, M
pa/d
eg
분사
압,
MPa
Inta
ke v
alv
e lift
N=1000rpm 50% 부하
그림 8.32 파이롯트 분사시의 연소해석 결과
크랭크각도, deg
연소
실압
력, M
Pa
열발
생율
, KJ/
deg 연
소실
압력
상승
, M
pa/d
eg
분사
압,
MPa
Inta
ke v
alv
e lift
N=1000rpm 50% 부하
연소
실압
력, M
Pa
열발
생율
, KJ/
deg 연
소실
압력
상승
, M
pa/d
eg
분사
압,
MPa
Inta
ke v
alv
e lift
N=1000rpm 50% 부하
그림 8.32 파이롯트 분사시의 연소해석 결과
크랭크각도, deg
38
고압연료분사 압력 변화 추이
-
20
39
pilot pre mail after post
분사단계 효 과
Pilot 예혼합연소에 의한 PM 저감
Pre 주분사의 착화지연 단축에의한 NOx와 연소소음 저감
After 확산연소의 활발로 PM 저감
post 배출가스 온도 상승효과,
후처리용 촉매의 활성화
40
Pilot injection 효과
-
21
41
Pre-injection 효과
42
After injection 효과
-
22
43
Post injection 효과
실린더내에서 연소
실린더 내벽에부착
44
PM 입자 입경 분포
-
23
45
Particle size distributions for various engine speeds (Sulfur content = 12 ppm, Pinj = 100 MPa, Φ = 0.5)
1.E+05
1.E+06
1.E+07
1.E+08
1.E+09
10 100 1000Diameter(nm)
dN/d
logD
p(#/
cm3)
1500rpm Before DOC
1500rpm After DOC
2200rpm Before DOC
2200rpm After DOC
3200rpm Before DOC
3200rpm After DOC
46
Particle size distributions according to fuel injection pressure (Sulfur content = 12 ppm, Engine speed = 2200 rpm, Fuel injection at 9 ° BTDC, Φ = 0.5)
1.E+05
1.E+06
1.E+07
1.E+08
1.E+09
10 100 1000Diameter(nm)
dN/d
logD
p(#/
cm3)
65 MPa Before DOC
65 MPa After DOC
100 MPa Before DOC
100 MPa After DOC
135 MPa Before DOC
135 MPa After DOC
-
24
47
Particle size distributions for various equivalence ratios (Sulfur content = 12 ppm, Eng.speed = 2200 rpm, Pinj=100 MPa)
1.E+05
1.E+06
1.E+07
1.E+08
1.E+09
10 100 1000Diameter(nm)
dN/d
logD
p(#/
cm3)
Φ 0.8 Before DOC
Φ 0.8 After DOCΦ 0.5 Before DOC
Φ 0.5 After DOC
Φ 0.3 Before DOCΦ 0.3 After DOC
48
Particle size distributions for 2 kinds of sulfur contents of fuel (Engine speed = 2200 rpm, Φ = 0.5, Pinj = 100 MPa)
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.E+06
1.E+07
10 100 1000Diameter(nm)
dN/d
logD
p(#/
cm3)
500ppm Before DOC
500ppm After DOC
12ppm Before DOC
12ppm After DOC
-
25
49
HCCI 엔진의 EGR율과 배기, 연비
스모크
(Homogeneous Charge Compression Ignition)
Diesel Engine에서도이론공연비운전 가능
50
MK 엔진의 NOx 저감 특성(Modulated Kinetics)
-
26
51
MK 엔진의 EGR율과 NOx, PM 배출 특성
52
200
400
600
800
NO
x ,
ppm
Ne = 2000rpm 100%부하
연소
소음
CPL
Sm
oke
배출
농도
, %
10%
0 10 20 30 40
W /F : 물/연료비 (용적비), %
연비
, g
/kW
h
그림 8.33 에멀젼연료의 효과
10 g
/kW
h
물의 존재로 연소온도가 하강함과 동시에
물의 기화, 수증기에 의한 희석, 분무 관통
력의 증대, 분무에 공기의 도입강화, 연료
의 열분해의 억제 등의 작용으로 연료소비
율의 악화는 일어나지 않음.
-
27
53그림 8. 34 물과 연료의 층상분사
물의 첨가에 의한 연료소비율의 악화는
일어나지 않지만 HC가 증가, 연료계통의
부식, 연료제조의 문제점등이 발생.
54
0
50
100
NO
x, g
/h
Ne = 1300rpm 80%부하
0
10
20
30
40
0 5 10 15 20 25
EGR율 (%)
Sm
oke
배기
농도
(%
)
그림 8.35 EGR에 의한 NOx의 저감효과
50MP
100MP
분사압 120MPa
-
28
55
1
1.2
1.4
1.6
0 0.2 0.4 0.6
HC
, g/k
Wh
엔진부하 80%
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.2 0.4 0.6
oil 소비율 (%)
PM
, g/k
Wh
그림 8.36 오일소비량의 감소 효과
SOF
PM
56
-50
0
50
30 40 50 60세탄지수
NO
x 배
출량
변화
율 (
%)
STD
3′ 지연
6′ 지연
그림 8.37 세탄가가 배출가스에 미치는 영향
6모드 배출가스
점화시기
세탄가는 디젤의 본질인 자착화성의 지표, 성능, 배출가스에 큰 영향을 미침.
-
29
57
0
20
40
60
80
100
120
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
wt (%)
비 율
(%
)
그림 8.38 연료중의 황성분이 황산화물 및 PM배출에 미치는 영향
13모드
PM
SOx
연료중의 황성분이 증가하면 황산화물및 PM의 농도가 증가.촉매를 사용할 경우 황성분은 촉매에 피독작용을 하므로 연료중의 황성분을 졍유과정에서 최소화할 필요가 있다.
58
그림 8. 39 크랭크 케이스 저장 시스템
-
30
59
그림 8. 40 캐니스터 시스템 (연료분사장치 장착 차량)
클린디젤 엔진 개념
1. Turbocharger저속 영역에서 토크 급저하 VGT(variable geometry T/B) 2단 T/B
Engine
Exhaust
Intake
Exhaust
Air
Inter cooler HP LP
By-passvalve
EGRcooler
torque
rpm
전부하 토크
2단 과급영역
1단 과급영역
-
31
클린디젤 엔진 개념2. Common-rail Fuel Injection System- Solenoid type Piezo type
120
140
160
180
200
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Inje
ction
Pre
ss (M
Pa)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Min
. in
jection
period (m
s)
solenoid
piezoPilot 간격단축
nozzle needle속도 up
분사기간단축
Solenoid type
Piezo type
클린디젤 엔진 개념3. 엔진 연소기술(1) NOx-PM 동시저감당량비(Φ)와 온도(T)의 관계(Soot-NOx생성 개념도)
2000K 연소온도 [K]
당량
비(Φ
)
2.0
Soot 생성영역
NOx 생성영역
당량비 2 이상연소온도 2000K 이하
-고당량비 : HCCI 개념(예혼합)-저온연소 : HEGR“저온디젤연소”
-착화시기 : 연료분사 후착화지연 HEGR
Cetan No. 저하압축비 저하
*엔진열효율저하 (>15)
-
32
클린디젤 엔진 개념3. 엔진 연소기술(1) NOx-PM 동시저감Charging eff.와 EGR rate의 관계
NOx (g/kWh)0 1 2 3 4 5
200
150
100
50
Soot (m
g/k
Wh)
Rail Pres.=100MPaCharging Eff.=160%EGR=16.2%
Rail Pres.=180MPaCharging Eff.=160%EGR=18.8%
Rail Pres.=180MPaCharging Eff.=285%EGR=39%
0 0.5 1.0NOx (g/kWh)
100
50
Soot (
mg/k
Wh)
Rail Pres.=215MPaCharging Eff.=285%EGR=43.6%
Y. Wakisaka(Toyota), JSAE Symposium (No.09-08), 2009-01
클린디젤 엔진 개념3. 엔진 연소기술(1) NOx-PM 동시저감
엔진 CRDI 이후의 압축비의 동향
‘94 96 98 00 02 04 06
압축
비
20
18
16
14
:CRDI:etc.
H. Ogawa(Hokkaido U.), JSAE Symposium (No.09-08), 2009-0
-
33
클린디젤 엔진 개념4. 배기 후처리기술(1) CDPF(2) De-NOx
- LNT : S 피독(연료 중 10ppm도 문제)S trap촉매- urea-SCR : urea 보충 5000km 이상
0.7 2.0 3.38 4.5
0.25
0.18
0.027
0.01
DPF
SCR, NSR
NOx (g/kWh)
PM
(g/k
Wh)
TargetClean Diesel
NO
x conv.
%
Precious Metal loading
1st G. DPNR
Next G. DPNR
S trap + DPNR
H. Ogawa(Hokkaido U.), JSAE Symposium (No.09-08), 2009-0
신장기(05-)
포스트신장기(09-)
66
Homework 5
1. 디젤기관의 연소과정에 대해 논하시오.
2. 디젤엔진에서 매연 발생 기구에 대해 논하시오.
3. 희박연소 가솔린 엔진이 이론공연비 운전 엔진보다
연비가 좋은 이유를 설명하시오.
4. 디젤엔진의 최소연비의 시대적 동향에 대해 조사해 보시오.
5. 클린디젤 엔진의 기술동향을 조사하시오.
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