내연기관 9장 배기와 공기오염

내연기관은 인간 사회에 편리함을 주는 역할을 하지만 이와 더불어 환경문제를 대두시켰다. 따라서 효율일 높이는 노력뿐만 아니라 대기오염과 같은 환경문제를 줄이기 위한 노력도 하나의 과제라고 할 수 있다.

9.1 대기오염

-전 세계의 배기규제: 날이 갈수록 엄격해진다.

배기규제는 HDV, LDV로 나눠서 적용된다.

PM과 NOx 규제는 10년 만에 대략 10분 1 수준으로 감소하였으며 0에 점점 가까워지고 있다. 

CO2의 경우 21년 기준 95g/km이며 현재 이와 비슷한 수준에 도달하였다. 전기 자동차 또한 Well to Wheel 관점에서 봤을 때 CO2를 발생시키기 때문에 내연기관이 67g/km(2030년 목표) 이하로 CO2를 저감 시키고 효율이 60% 이상이 된다면 경쟁력이 있다.  

 

-배출물이 지구에 미치는 영향

PM은 1차 미세먼지

smog는 2차 미세 먼지

황은 디젤엔진에 아주 적게 포함되어 있다.

메탄은 천연가스에서 타지 못했을 때 발생하며 지구 온난화에 매우 큰 영향을 준다. 

이산화탄소 또한 지구온난화에 큰 영향을 준다.

미세먼지 측면에서는 PM, NOx가 가장 큰 영향을 준다.

9.2 탄화수소(HC)

발생과정 :

CxHy -> Cx'Hy' ->(CO->) CO2

CO2로 완전히 타지 못하는 경우 생기는 모든 Cx'Hy'를 하이드로 카본 HC이라 한다.

 

당량비와의 관계:

rich 하면 산소가 부족하여 탄화수소가 많이 발생하며 너무 lean 하면 연소가 진행이 되지 않기 때문에 탄화수소가 발생한다. 따라서 HC는 너무 Lean 하거나 Rich 하면 발생한다. (SI, CI엔진 모두 해당)

 

발생 이유:

SI엔진

Flame quenching(SI 주요 원인): 화염이 전파하다가 일부 영역에서 화염이 멈추는 현상으로 인해 발생

틈새 체적(SI 주요 원인): 간극 체적에 들어가 있는 연료들은 화학반응이 일어나지 않아 발생 (80%가 이렇게 발생)

연소실 벽의 오일:  피스톤과 실린더 벽 사이 윤활을 위한 오일층이 연소실로 들어와 타지 않고 배기로 배출

퇴적물: 연소실 벽의 퇴적물들이 뭉쳐있다 떨어져 나와 배기로 배출

 

CI엔진

압축착화방식: 디젤의 경우 압축 착화 방식으로 연소하기 때문에 연료가 분사되었을 경우 부분적으로 rich 한 영역과 lean 한 영역이 공존하여 발생한다. 또한 디젤 연료는 heavy hydrocarbons이기 때문에 PM이 생성될 수 있다. 

Injector에서 떨어지는 연료: 니들이 올라왔다 내려오면서 연료들이 분사되기 때문에 최종적으로 나오는 연료는 압력이 낮아서 연소가 되지 않는다. 따라서 HC와 PM이 발생한다.

9.3 일산화탄소(CO)

발생과정:

CxHy -> Cx'Hy' ->(CO->) CO2

공기가 부족하여 CO가 CO2로 되지 못해서 발생한다.

 

당량비와의 관계:

공기가 부족하여 CO로 남아 있는 것이므로 Rich한 영역에서 발생한다. 

ex) cold start 

 

9.4 질소 산화물(NOx) 

발생과정:

엔진에서 발생하는 대부분의 NOx는 Thermal NOx이다. 

고온의 영역에서 O2와 N2가 O, O2 N, N2의 형태로 존재하게 된다.

따라서 연소과정에서 다음과 같은 화학결합이 발생할 수 있다.

N2+O=NO+N

O2+N=NO+O

OH+N=NO+H

---->

NO+H2O=NO2+H2

NO+O2=NO2+O

NO2가 생성되려면 NO가 먼저 생성되어야 하지만 엔진의 연소 속도는 매우 빠르기 때문에 NO2/NO는 0.1~0.3의 비율을 갖는다.

 

당량비와의 관계:

이론공연비 근처에서 연소온도가 가장 높기 때문에 이론 공연비에서 가장 많이 발생한다.

 

영향을 주는 요인:

산소: 산소 비율이 많아야 하기 때문에 이론공연비보다 Lean한 영역 0.95일 때 약간 높다. 

시간: NOx가 형성되려면 N와 O가 장시간의 노출이 있어야 하기 때문에 대부분 연소의 후반부에 생성되며 연소 속도가 빠르면 NOx를 줄일 수 있다.

9.5 입자상 물질(PM)

발생과정(정확한 Mechanism을 아직 알아내지 못함, 가설):

연소과정 중 Rich한 영역에서 미연 탄화수소 중 분자량이 큰 물질들인 고체 상태의 탄화수소(soot)를 하이드로카본이나, 황등이 바깥쪽에 layer를 형성하게 되어 발생한다.(코팅 작용)

 

입자상 물질의 입자 크기

Nuclei mode:

10 나노 정도의 크기

폐에 들어갈 수 있는 초 미세먼지

Accumulation mode:

100 나노~1 마이크로

Coarse mode:

1 마이크로~10 마이크로

 

9.6 다른 배기물

9.7 후처리법

9.8 촉매변환기

삼원촉매(Three-way Catalyst)

:촉매가 화학반응을 촉진시켜 3가지 배기물질(HC, CO, NOx)을 줄여주는 것.

 

구성

외벽은 stainless steel과 단열재로 둘러져 있으며 온도를 유지할 수 있다.

내부는 필터 역할을 하는 honey comb구조의 담체가 있고 그 내부는 촉매로 코팅되어있다.

Cover: Stainless steel

Substrate(담체): Ceramic, Alumina -> 배기가스와 직접 접촉하기 때문에 고온에 잘 견뎌야 한다.

Catalysts(촉매): Pt, Pd (HC와 CO를 산화), Rh(NO를 환원)

 

저감 성능, 전환효율(Conversion Efficiency)에 영향을 미치는 요인

처음 엔진의 온도가 낮을 때에는 전환효율이 0이다. 최소 250도 Light-off 온도가 되어야지 50%의 효율을 얻을 수 있다.

이론공연비 근처에서는 90%의 효율을 갖는다. Rich 한 영역에서는 산소가 부족하기 때문에 산화 작용이 덜 일어나서 HC, CO의 전환효율이 낮다. NOx의 경우에는 Lean 한 경우 공기가 많으므로 환원 작용이 덜 일어나서 전환효율이 낮다. (반대 조건!) 따라서 Lean-burn은 NOx의 경우에서 적합하지 않다.

 

중요한 이슈

1. 황: 황이 연소 과정 중에 SO2로 산화되고 촉매에서 SO3로 추가적으로 산화가 일어날 수 있는데 SO3는 촉매를 벗겨내는 피동 역할을 하게 된다. 또한 대기에서 산성비를 만들기 때문에 연료에 있는 황을 최소화시켜줘야 한다. 

2. Cold start-up

원래 엔진 온도가 낮고 연소가 잘 일어나지 않기 때문에 연소 온도도 낮다 따라서 촉매가 Light-off온도에 이르기까지 시간이 오래 걸린다. 촉매 작용도 일어나지 않고 연료도 많이 분사하기 때문에 엔진에서 전체 배출되는 HC, PM 등의 70~90%가 엔진 시동 시에 배출된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 촉매를 엔진 가까이에 위치하게 하고, 완전 단열, 인위적 Heating 등을 해결책으로 삼고 있다.

9.9 압축 착화 기관

디젤 엔진의 경우 촉매 변환장치뿐만 아니라 물리적으로 배기물을 걸러주는 장치들이 있어 후처리 장치라고 부른다.

 

후처리 장치:

Diesel Oxidation Catalyst(DOC): HC와 CO를 산화시켜준다.(NOx 환원 X)

연소 분사 부분에는 다양한 당량비의 조건이 존재하지만 연소실 내 전체를 봤을 때 Lean한 조건이기 때문에 NOx전환 효율이 낮다.

 

Diesel Particulate Filter(DPF): 유로6규제 높아서 대부분 디젤 차량 디폴트로 가지고 있음

격자무늬의 필터가 존재하여 미세먼지를 걸러주지만 저항이 걸리기 때문에 유동 손실이 발생하며 압력이 걸리게 되어 음의 일이 발생한다. 

60~90%가 걸러진다. (물리적 방법)

필터에 쌓인 PM을 주기적으로 제거해주기 연료를 이용해 태워준다. (DPF 재생 과정, 불필요한 연료손실 발생)

 

SCR(Selective Catalytic Converter) : 암모니아를 환원제로 이용한 NOx 제거

암모니아는 특정 온도에서 NO, O2와 반응하게 되면 N2와 H2O를 생성하고 NO2와 반응하게 되어도 N2와 H2O를 생성하여 NOx를 감소시킬 수 있다. 하지만 암모니아는 냄새가 강하고 독성이 있어 차에 싣고 다니기에는 위험이 있기 때문에 암모니아를 생성시킬 수 있는 요소수(Urea+Water)를 충전해줘 암모니아를 형성할 수 있다. 요소수를 배기관에 인젝터를 통해 주입시키면 암모니아를 형성하고 위와 같은 환원 작용을 일으켜 NOx를 줄일 수 있다. 하지만 암모니아는 온실가스이기 때문에 배기로 나갈 때 걸러주는 장치 또한 필요하다.

 

=> 디젤 차량 비싼 이유: 후처리 장치 때문에

 

9.10 배출물을 줄이는 화학적 방법

9.11 배기가스 재순환 EGR

비열 효과: 이미 탄 가스들은 비열이 높아 다시 엔진으로 들어왔을 때 혼합기 전체의 비열을 높여주는 효과를 가져와 연소실 내 온도가 상대적으로 덜 올라간다. 

희석효과: 연소가 이미 끝난 가스 들이기 때문에 연소를 방해하게 된다.

이러한 이유로 연소온도를 낮춰주게 된다.

Cooler를 설치해 가스들의 온도를 낮춰 위의 효과가 잘 이뤄지도록 한다.

EGR밸브를 통해 가스의 양을 조절할 수 있다.

EGR에는 타고 남은 가스뿐만 아니라 다른 물질들도 있어서 시스템을 고장낼 수 있기 때문에 무작정 높일 수 없다.(30% 이하)

 

EGR ratio: 들어온 EGR유량/ 들어오는 전체 혼합기 유량

 

EGR을 넣었을 때 CO2가 가장 강력한 효과를 발생시킨다. 즉 EGR 성분 중 NOx 저감효과에 가장 큰 기여를 하는 것은 CO2이다.

 

무리를 하는 것에 비해 큰 저감 효과가 있지는 않다.

 

9.12 배기 배출물 이외의 것

9.13 소음 공해