Internal Combustion Engine

Chapter 9

배기와 공기오염Emissions And Air Pollution

9-1 9-1 공기오염공기오염SI 엔진으로 부터의 배출물

1) N2, O2, H2O, CO2, H2 - nontoxic, benign 2) CO, NO, NO2, H/C, H2S, SO2 – 유해 , 규제 배출물

왜 이들을 규제해야 되는가 ?1) CO: 높은 레벨에서 독성이 있다 . 낮은 레벨에서는 산소흡입에 영향을 끼친다 . 즉 , 두통이나 현기증

2) Nox (NO+NO2 등 ) - NO2 는 수백 ppm 에서 독성이 있다 . - 낮은 레벨에서는 호흡기계에 손상을 입힌다 .

3) HC 미연탄화수소 - 냄새 - 약간은 발암성물질이다 . - Bezene C6H6 - 1,3 Butadiene C4H6 - H2CO formaldehyde - acetaldehyde

4) Nox + HC --- 스모그 (smog) 햇빛 HC, NOX, Nitric Acid, Ozone, PAN

- O3 -- 강한 산화제 호흡계에 자극적이다 . 장기간에 걸친 노출은 영구적인 폐 손상을 일으키는 것으로 추정

1990 Clean Act Amendment 오존 생산을 목표로 정했다 .

9-2 9-2 탄화수소 탄화수소 (HC)(HC)

HC 는 연료가 왼전히 연소되지 못하고 일부 연료원래의 성분이나 고온 , 고압에서 변형된 성분으로 나온 것을 통칭하여 부르는 말이다 . 또한 윤활유의 일부가 배기에 섞여 나오는 경우도 있다 . SI engine 에서는 화염의 전파에 의해 실린더 안의 연료가 모두 연소하는것이 바람직하나 피스톤과 실린더 벽면 사이라든지 기타 Crevice 에 들어갔던 연료가 냉각되어 미처 연소되지 않고 배출되는 경우가 많으며 연소가 아주 불안정한 경우에는 Partial Burning, Misfire 등에 의해 연소되지 않은 연료가 대량 나올 수도 있다 .

또 실린더 벽면에 윤활유나 Deposit 에 흡수되었다가 연소되지 않고 나오는 경우가 있으며 Two-Stroke Cycle Engine 에서는 흡기가 그대로 배기로 나가 심한 HC Emission 의 원인이 된다 .

HC 를 줄이기 위하여는 내부에서 연료가 완전히 연소되도록 하여야 하며 윤활유가 배기에 따라 나오지 않도록 하여야 한다 . crevice 를 줄이는 방법은 제 1 피스톤 링을 가능한 한 높이고 피스톤과 실린더 벽 사이의 간극을 작게 하는 방법이 있다 . 그러나 피스톤 링이 너무 연소실에 가까워지면 연소실의 높은 온도의 연소가스에 노출되고 과열될 위험이 있다 . HC 를 줄이기 위해 SI engine 은 대부분의 영역에서 이론공기연료비에서 작동되며 배기중의 HC 는 삼원촉매에 의해 대폭 저감된다 . 배기규제가 강화될수록 시동 초기의 HC emission 을 줄이는 노력이 증가하는데 그 이유는 대부분 (80% 정도 ) 의 연료가 시동초기 1-2 분 사이에 배출되기 때문이다 . 촉매를 빨리 가열하기 위해 촉매를 배기포트 가까이에 위치시키며(close coupled catalyst) 강제로 ( 전기등을 이용하여 ) 촉매를 가열시키기도 한다 .

9-3 9-3 일산화탄소일산화탄소 (CO)(CO)

CO 는 주로 농후한 혼합기에서 많이 발생하며 유독한 가스이기 때문에 삼원 촉매를 이용하여 제거한다 .

CO – 변화 경로는 연료 - 과농 또는 연료 - 희박 / 이론 혼합기 작동에 의존한다 . SI 엔진 0.2 – 5 %

과농 – 완전연소에 필요한 산소부족 (HC CO CO2) 최대 CO 는 기관의 연료가 농후한 상태에서 운전될 때 , 예 ) 시동시나 부하가 걸린 가속시

이론 / 희박 - 감소

팽창과정 동안 동결 (FREEZE) 된다 .

9-4 9-4 질소 산화물질소 산화물 (Nox)(Nox)

NOx 는 질소와 산소가 반응하여 생성된 물질로서 대기 중에서 HC 와 반응하여 오존생성의 원인이 된다 . 온도가 높고 산소가 많을 수록 ( 희박할수록 ) 많이 생성된다 . 출력을 높이고 연비를 개선하기 위하여는 실린더 내부의 압력을 높여야 하고 따라서 온도가 높아지게 되는데 이 경우 NOx 가 증가하므로 출력과 연비를 희생해서 NOx 를 줄이는 일이 발생한다 . 특히 CI engine 에서는 희박한 상태에서 운전하고 압축비가 높아 압력과 온도가 높으므로 NOx 의 생성이 많고 이의 저감이 어려워진다 . SI engine 에서는 이론공연비에서 운전하므로 삼원촉매로 NOx 를 줄이기가 쉬우나 CI engine 에서는 어렵기 때문에 de-NOx 촉매기술은 최근 세계적으로 활발히 개발되고 있는 기술이다 .

2

2

2 2 2

2 2

2

2

2 2

2

2

1

2

O N NO N

N O NO O

N OH NO H

NO H NO H

NO O NO O

N N

O O

H O OH H

A) 열적 NO (확장 Zeldovich)

9-5 9-5 매연매연PM(Particulate Matter) 는 연료가 농후한 상태에서 분자구조가 면하여 주로 탄소성분만 남아 생성된 것으로서 탄소와 약간의 HC, 유황 , 회 , 물등의 성분으로 구성되며 작은 입자들이 포도송이처럼 연결되어 있으며 평균 직경은 0.2 micro meter 정도이다 . 이중 용매에 녹는 성분을 SOF(soluble organic fraction) 이라 하며 연료와 윤활유 성분들로 구성되어 있다 . 인체의 폐에 나쁜 영향을 미치고 시정 거리를 짧게 한다 . 주로 실린더 안으로 직접 연료가 분사되어 연소가 일어나는 CI engine 에서 많이 발생하며 최근 개발된 GDI engine 에서도 작은 입자들이 배출된다고 보고되었다 . PM 을 줄이기 위하여는 연소시 연료와 공기가 활발히 섞여야 하며 산소가 많고 온도가 높아야 한다 . 그런 경우에는 NOx 가 많아지므로 이 둘 사이에는 trade-off 관계가 있다 . 배출된 PM 을 줄이기 위하여 Diesel Particulate Filter(DPF) 가 개발되어 있으나 현재까지도 대량으로 사용되지는 못하고 있다 . Ceramic Filter 가 개발되어 있으나 여기에 걸러진 입자들을 재생 (generation)시키는 기술이 아직 확립되지 못하여 양산 차량에 사용되는 경우가 많지 않으나최근의 추세로 보면 몇 년 안에 가능하리라고 예상된다 .

9-6 9-6 다른 배기물다른 배기물

알데히드

알코올 연료를 사용할 때 주된 배기 문제는 눈과 호흡 자극제인 알데히드의 발생이다 .

황

CI 엔진에서 사용되는 많은 연료들은 소량의 황을 함유하고 있다 . 고온에서 황은 수소와 결합하여 H2S 를 형성하고 산소와 결합하여 SO2 가 된다 . SO2 는 공기중의 산소와 결합하여 SO3 를 생성한다 . 이것은 공기중의 수증기와 결합하여 황산 (H2SO4) 과 아황산 (H2SO3) 을 생성하는데 , 이들은 산성비의 성분이 된다 .

납

인

9-7 9-7 후처리법후처리법

HC 잔유물의 90% 까지가 연소 후 이 기간 동안 실린더내 배기 포트 근처나 배기 다기관의 윗 부분에서 반응한다 . CO 와 소량의 탄화수소 성분은 산소와 결합하여 CO2 와 H2O 가 되어 , 바람직하지 못한 배기물은 줄어든다 . 배기온도가 더 높을수록 더 많은 2차 반응이 일어나고 , 기관 배기물은 더 줄어든다 .

열변환기

열변환기는 배기가스가 유입하는 고온 연소실이다 . 열변환기는 HC 와 CO 의 산화를 촉진시킨다 . CO 산화 반응이 유용한 비율로 발생하기 위해서는 700℃이상이되어야 한다 . HC 산화 반응을 위해서는 초소한 50 msec 동안 600℃이상이 되어야 한다 .

9-8 9-8 촉매변환기촉매변환기

HC 와 CO 는 온도가 600 - 700℃로 유지된다면 , 배기장치와 열변환기에서 H2O 와 CO2 로 산화될 수 있다 . 만약 어떤 촉매가 있다면 , 이 산화과정을 계속하는데 필요한 온도가 250 - 300℃로 줄어들게 되어 더 매력적이 있는 장치가 된다 . 촉매 변환기는 배기가스가 흘러나가는 유동장치에 장착된 방이다 . 이들 방에는 촉매가 들어 있는데 배기물의 산화를 촉진시킨다 .

삼원촉매변환기 (three way converters); CO, HC, NOx 의 저감

촉매 변환기는 자동차와 같거나 적어도 200,000 KM 의 유효 수명을 가지는 것이 바람직하다 .

변환기는 시간이 지남에 따라 열적으로 저하되며 촉매 물질의 작용이 약해지므로 효율이 떨어진다 .( 심한 열적 저하는 500 - 900℃범위에서 일어남 )

연료 , 윤활유 , 공기에 함유되어 있는 다른 많은 불순물 들은 기관 배기에 포함되어 촉매 물질의 작용을 약화한다 . 연료에 포함된 납과 황 , 그리고 오일 첨가물에 포함된 아연 , 인 , 안티몬 , 칼슘 , 마그네슘 등이다 .

저온시동

변환기의 효율이 50% 가 될 때까지의 온도를 활성온도 (light-off temperature) 라고 정의하며 , 250 - 300℃의 범위에 있다 . 자동차를 타고 다니는 사람들 중 상당수가 단거리를 운행하기 때문에 촉매 변환기는 충분한 작동온도에 도달하지 않아 배기 물질이 많다 . 모든 HC 배기물의 70 – 90 % 의 원인은 저온 출발이라 추정된다 . 따라서 , 촉매 변환기가 기관이 출발하기 전에 적어도 활성온도까지 예열될 수 있다면 , 주된 배기물질을 감소시킬 수 있다 .

촉매변환기의 예열방법은 다음과 같다 .

-기관 가까이에 변환기 설치-고단열-전기적 가열-화염 가열-열배터리-화학 반응 가열기

9-9 9-9 압축 착화 기관압축 착화 기관촉매 변환기는 압축 착화기관에 사용되지만 , 전반적으로 희박운전을 하기 때문에NOx 를 줄이는 데는 효율적이 아니다 . HC 와 CO 는 비록 압축 착화 기관의 저온 배기가스 때문에 상당한 어려움이 있지만 , 적당히 줄일 수 있다 .

매연트랩

DPF (Diesel Particulate Filter) 시스템 : 필터는 세라믹으로 만들어진 경우가 많으며 전형적으로 60 – 90 % 의 매연을 배기에서 줄인다 . 필터는 검댕 입자를 모아 천천히 매연으로 채워진다 . 이것은 배기가스의 유동을 제한하고 , 기관의 배압을 높인다 . 배압이 높을수록 기관 효율이 떨어지고 엔진이 커질 수 있다 . 이러한 유동의 제한을 줄이기 필터는 포화되기 시작할 때 재생시켜야 한다 . 재생은 희박하게 운전되는 CI 엔진의 배기에 함유된 과다 산소로 입자를 연소시켜 이루어 진다 .

현대의 디젤기관

연료 분사 시스템 (common rail injection system) 와 연소실 구조 설계 기술의 발전으로 현대 압축 착화 기관에서는 탄소 검댕 입자의 발생이 크게 줄어들었다 . 그러나 더욱 강화되는 규제에 대응하기 위해서는 DPF 장치와 같은 후처리 장치가 필요해서 활발한 연구가 진행중이다 .

9-10 9-10 배출물을 줄이는 화학적 방법배출물을 줄이는 화학적 방법

암모니아 분사장치

9-11 9-11 배기가스 재순환 배기가스 재순환 - EGR- EGR

Nox 를 줄이는 가장 효과적인 방법은 연소실의 온도를 낮게 유지하는 것이다 .

최대 화염온도를 줄이는 가장 간단한 실용적인 방법은 비반응성 가스로 공기와 연료를 희석시키는 것이다 .

EGR 은 연소실에서 최대 온도를 낮출 뿐만 아니라 전체 연소효율도 낮추고 HC 와 매연 배출도 증가시킨다 .

9-12 9-12 배기 배출물 이외의 것배기 배출물 이외의 것