Internal Combustion Engine

1. KONKUK UNIVERSITY COMBUSTION & ENGINE LAB Internal Combustion Engine Chapter 9 배기와 공기오염 Emissions And Air Pollution

2. 9-1 공기오염 • SI 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? • CO: 높은 레벨에서 독성이 있다. • 낮은 레벨에서는 산소흡입에 영향을 끼친다. 즉, 두통이나 현기증 • 2) Nox (NO+NO2 등) • - NO2는 수백 ppm에서 독성이 있다. • - 낮은 레벨에서는 호흡기계에 손상을 입힌다. • 3) HC 미연탄화수소 • - 냄새 • - 약간은 발암성물질이다. • - Bezene C6H6 • - 1,3 Butadiene C4H6 • - H2CO formaldehyde • - acetaldehyde

3. 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.

4. 9-2 탄화수소 (HC) HC는 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 engine에서는 화염의 전파에 의해 실린더 안의 연료가 모두 연소하는것이 바람직하나 피스톤과 실린더 벽면 사이라든지 기타 Crevice에 들어갔던 연료가 냉각되어 미처 연소되지 않고 배출되는 경우가 많으며 연소가 아주 불안정한 경우에는 Partial Burning, Misfire등에 의해 연소되지 않은 연료가 대량 나올 수도 있다. 또 실린더 벽면에 윤활유나 Deposit에 흡수되었다가 연소되지 않고 나오는 경우가 있으며 Two-Stroke Cycle Engine에서는 흡기가 그대로 배기로 나가 심한 HC Emission의 원인이 된다.

5. HC를 줄이기 위하여는 내부에서 연료가 완전히 연소되도록 하여야 하며 윤활유가 배기에 따라 나오지 않도록 하여야 한다. crevice를 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. HC를 줄이기 위해 SI engine은 대부분의 영역에서 이론공기연료비에서 작동되며 배기중의 HC는 삼원촉매에 의해 대폭 저감된다. 배기규제가 강화될수록 시동 초기의 HC emission을 줄이는 노력이 증가하는데 그 이유는 대부분(80%정도)의 연료가 시동초기 1-2분 사이에 배출되기 때문이다. 촉매를 빨리 가열하기 위해 촉매를 배기포트 가까이에 위치시키며 (close coupled catalyst) 강제로(전기등을 이용하여) 촉매를 가열시키기도 한다.

8. 9-3 일산화탄소(CO) CO –변화 경로는 연료-과농 또는 연료-희박/이론 혼합기 작동에 의존한다. SI엔진 0.2 – 5 % 과농 –완전연소에 필요한 산소부족 (HC  CO  CO2) 최대 CO는 기관의 연료가 농후한 상태에서 운전될 때, 예) 시동시나 부하가 걸린 가속시 이론/희박 - 감소 팽창과정 동안 동결(FREEZE)된다. CO는 주로 농후한 혼합기에서 많이 발생하며 유독한 가스이기 때문에 삼원 촉매를 이용하여 제거한다.

9. 9-4 질소 산화물(Nox) NOx는 질소와 산소가 반응하여 생성된 물질로서 대기 중에서 HC와 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 NOx가 증가하므로 출력과 연비를 희생해서 NOx를 줄이는 일이 발생한다. 특히 CI engine에서는 희박한 상태에서 운전하고 압축비가 높아 압력과 온도가 높으므로 NOx의 생성이 많고 이의 저감이 어려워진다. SI engine에서는 이론공연비에서 운전하므로 삼원촉매로 NOx를 줄이기가 쉬우나 CI engine에서는 어렵기 때문에 de-NOx 촉매기술은 최근 세계적으로 활발히 개발되고 있는 기술이다.

10. A) 열적 NO (확장 Zeldovich)

13. 9-5 매연 PM(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 engine에서 많이 발생하며 최근 개발된 GDI engine 에서도 작은 입자들이 배출된다고 보고되었다. PM을 줄이기 위하여는 연소시 연료와 공기가 활발히 섞여야 하며 산소가 많고 온도가 높아야 한다. 그런 경우에는 NOx가 많아지므로 이 둘 사이에는 trade-off 관계가 있다. 배출된 PM을 줄이기 위하여 Diesel Particulate Filter(DPF)가 개발되어 있으나 현재까지도 대량으로 사용되지는 못하고 있다. Ceramic Filter가 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.

14. 9-6 다른 배기물 알데히드 알코올 연료를 사용할 때 주된 배기 문제는 눈과 호흡 자극제인 알데히드의 발생이다. 황 CI엔진에서 사용되는 많은 연료들은 소량의 황을 함유하고 있다. 고온에서 황은 수소와 결합하여 H2S를 형성하고 산소와 결합하여 SO2가 된다. SO2는 공기중의 산소와 결합하여 SO3를 생성한다. 이것은 공기중의 수증기와 결합하여 황산(H2SO4)과 아황산(H2SO3)을 생성하는데, 이들은 산성비의 성분이 된다. 납 인

15. 9-7 후처리법 HC 잔유물의 90% 까지가 연소 후 이 기간 동안 실린더내 배기 포트 근처나 배기 다기관의 윗 부분에서 반응한다. CO와 소량의 탄화수소 성분은 산소와 결합하여 CO2와 H2O가 되어, 바람직하지 못한 배기물은 줄어든다. 배기온도가 더 높을수록 더 많은 2차 반응이 일어나고, 기관 배기물은 더 줄어든다. 열변환기 열변환기는 배기가스가 유입하는 고온 연소실이다. 열변환기는 HC와 CO의 산화를 촉진시킨다. CO산화 반응이 유용한 비율로 발생하기 위해서는 700℃이상이되어야 한다. HC산화 반응을 위해서는 초소한 50 msec 동안 600℃이상이 되어야 한다.

16. 9-8 촉매변환기 HC와 CO는 온도가 600 - 700℃로 유지된다면, 배기장치와 열변환기에서 H2O와 CO2로 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, NOx의 저감

19. 촉매 변환기는 자동차와 같거나 적어도 200,000 KM의 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.

20. 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

21. 9-9 압축 착화 기관 촉매 변환기는 압축 착화기관에 사용되지만, 전반적으로 희박운전을 하기 때문에 NOx를 줄이는 데는 효율적이 아니다. HC와 CO는 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 CI엔진의 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.

22. 9-10 배출물을 줄이는 화학적 방법 암모니아 분사장치

23. 9-11 배기가스 재순환 - EGR Nox를 줄이는 가장 효과적인 방법은 연소실의 온도를 낮게 유지하는 것이다. 최대 화염온도를 줄이는 가장 간단한 실용적인 방법은 비반응성 가스로 공기와 연료를 희석시키는 것이다. EGR은 연소실에서 최대 온도를 낮출 뿐만 아니라 전체 연소효율도 낮추고 HC와 매연 배출도 증가시킨다.

24. 9-12 배기 배출물 이외의 것