Internal Combustion Engine

1. Internal Combustion Engine Chapter 9 Emissions And Air Pollution

2. HC 자동차에서 나온 배기중의 대기오염물질은 차량이 많은 도시에서의 주요한 대기공해의 요인이 되고 있다. 중요한 오염물질로는 HC, CO, NOx, PM이 있다. 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 연소하는 것이 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.

3. HC 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.

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

5. 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.

6. PM PM(Particulate Matter)는 연료가 농후한 상태에서 분자구조가 면하여 주로 탄소성분만 남아 생성된 것으로서 탄소와 약간의 HC, 유황, 회, 물 등의 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(regeneration) 시키는 기술이 아직 확립되지 못하여 양산 차량에 사용되는 경우가 많지 않으나 최근의 추세로 보면 몇 년 안에 가능하리라고 예상된다.

7. 저감기술 오염물질을 저감하는 방법에는 SI engine의 삼원촉매 (three way catalytic converter), CI enigne의 산화촉매(Diesel Oxidation Catalysis)가 있으며 희박엔진에서는 흡장형 NOx 촉매(lean adsorption de-NOx catalysis)가 쓰인다. 최근 개발되고 있는 것은 CI engine의 SCR(Selective Catalytic Converter) de-NOx 촉매, DPF등이 있다. 그 외에도 SI 차량에서는 주유시나 주행시에 연료 system에서 HC가 증발된다. 이를 줄이려는 노력도 계속되고 있다. CI engine에서는 crankcase ventilation 할 때 연료와 윤활유 성분이 배출될 수 있다.

8. DPF(Diesel Particulate Filter) 저감기술 3 Way Catalytic Converter

9. 저감기술 Plasma - 촉매 Emission 저감기술 자세한 내용은 BLUE PLANET홈페이지에서