1. 서 론
디젤 엔진 (Diesel engine)은 가솔린 엔진 (Gasoline
디젤 엔진의 과도운전 조건에 따른 입자와 가스상 물질의 실시간 배출 특성
김 학 준∙한 방 우∙김 용 진*
한국기계연구원 청정환경기계연구센터
Simultaneous on-line analysis of diesel PM and gaseous species during transient operation
Hak-Joon Kim, Bang-Woo Han and Yong-Jin Kim*
Environmental System Research Center, Korea Institute of Machinery & Materials (KIMM)
Abstract
Simultaneous on-line analysis of diesel PMs (Particulate Matter) and gaseous materials from a diesel engine dur- ing transient operation was investigated using multi DMAs (Differential Mobility Analyzer) and CPCs (Condensa- tion Particle Counter) and gas analyzer with FID (Flame Ionization Detector) to understand the relationship among the engine conditions such as speed and load, the number concentrations of diesel PMs and the concentration of gaseous components in real-time. Particles of 30 nm in diameter were selected for nuclei mode particles, and those of 60, 90 and 120 nm were for accumulation mode particles. In front of and at the rear of DOC (Diesel Oxidation Catalyst) and also at the rear of DPF (Diesel Particulate Filter), the number concentrations of the particles with four sizes were measured to investigate the effects of after-treatment systems and dilution temperature on the diesel PMs and gaseous hydrocarbons. It was observed that the number concentrations of the particles with four sizes were reduced about 10% after DOC and over 98% after DPF. The emission pattern of 30 nm sized diesel PM in transient operation was changed significantly by DPF and dilution temperature, while those of 60, 90 and 120 nm ones were nearly independent of after-treatment systems and dilution temperature. The emission of THC (Total Hydrocarbon) was found to be closely associated with the engine speed, while that of SOF (Soluble Organic Frac- tion) with the engine load. Especially, the concentrations of 30 nm sized particles were sensitively varied according to the THC/SOF concentrations.
Key words : Diesel PMs, THC, SOF, Transient operation, Simultaneous on-line analysis PAAR Vol. 3, No. 3-4 (2007) pp. 119~129
(사)한국입자에어로졸학회
*Corresponding author.
Tel : +82-(0)42-868-7475, E-mail : [email protected]
engine)에 비해 연료소비 효율이 높고, 내구성이 좋 기 때문에 수 년 동안 여러 산업에 걸쳐 널리 사용 되어 왔으며 현재는 대형 운송 장치뿐만 아니라, 소 형 승용차에까지 점차적으로 널리 사용되고 있다. 특 히, 이산화탄소 (CO2)저감에 대한 규제가 날로 엄격 해 지고 있기 때문에 향후 연소 효율이 우수한 디젤 자동차의 수요가 급속히 증가할 것으로 예상되고 있 다. 그러나 디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 연소특 성상 질소산화물 (NOx)과 입자상 물질 (Particulate Matter, PM)이 많이 배출되어 이에 대한 규제가 날 로 강화되고 있다.
그림 1은 디젤 엔진에서 발생하는 전형적인 디젤 입자상 물질의 분포를 질량과 수농도 기준으로 나타 내주고 있다. 그림 1에서도 알 수 있듯이 50~1,000 nm 크기의 accumulation 모드에 해당하는 상대적으 로 큰 입자들이 질량의 대부분을 차지하고 있다. 그 러나 50 nm 이하 nuclei 모드에 해당하는 미세한 입 자들은 수농도 관점에서 대부분을 차지하고 있지만, 질량 관점에서는 그 양을 무시할 정도로 적은 것으 로 알려져 있다. 그러나 이러한 미세한 입자들이 인 체의 유해성 관점에서 볼 때 큰 입자들에 비해 폐 혹은 기관지 기관 등의 인체 기관에 상대적으로 쉽 게 침투하여 인체에 악영향을 미치기 때문에 현재 German environmental agency, UBA 등 여러 기관에 서는 질량 기준이 아닌 수농도 기준으로 디젤 입자상 물질을 규제해야 한다는 주장이 나오고 있다 (Kittel- son et al., 1999).
Brown et al. (2000)과 Kittelson (1998)에 따르면, 디 젤 입자상 물질 중 accumulation 모드 입자들은 그림 2와 같이 탄소입자(Soot)와 다른 고체상 입자의 응집 으로 인해 형성되며, 그 주위에 용해성 유기분(Sol- uble Organic Fraction, SOF)과 기타 가스상 물질들이 응축되어 있다. 이러한 입자들의 화학적 조성은 대부 분이 탄소입자(Soot)이며, 응축 물질로서 일부 고탄 화수소 계열(Heavy hydrocarbons)의 성분과 함께, 아 주 미량으로 황산화물, 윤활류 및 ash에 존재하는 금
Figure 1.Particle size distribution of typical engine exhaust, based on number and mass (Walker, 2004).
Normalized concentration (dC/Ctotal/dlogDp)
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000
Diameter (µm) Mass
Number
Nanoparticles Dp⁄50 nm
Coarse mode sool
Chain-like aggregates Nuclei
mode
Hydrocarbon and sulfate droplets
Accumulation mode
Reentrained agglomeraies
PM10 Dp⁄10µm Ultrafine particles
Dp⁄100 nm
Fine particles Dp⁄2.5µm
Figure 2.Schematic of diesel PMs (Diesel Technology Guide).
Nuclei mode particles 0.007~0.04µm diameter
Primary carbon particle
Adsorbed HC (SOF)
HC (SOF) particle H2SO4-H2O particle Accumulation mode
particles 0.04~1µm diameter
속성 물질들이 포함되어 있다. 한편, nuclei 모드 입자 들은 주로 액상의 휘발성 탄화수소 (Hydrocarbons, HC)로 이루어져 있으며, 일부는 H2SO4혹은 H2O로 이루어져 있다(Burtsher, 2005).
이처럼 디젤 입자상 물질에 대한 연구들은 디젤 입자상 물질의 물리∙화학적 특성 분석이 주를 이루 고 있으며, 대부분 디젤 입자상 물질과 가스 성분을 개별적으로 분석함으로써, 실제 엔진 운전 조건에서 디젤 입자상 물질과 가스성분의 상호간 연관관계를 살펴 본 보고가 매우 미흡하다고 할 수 있다. 또한 디젤 입자상 물질의 연구는 nuclei 모드 입자를 무시 하고 중량 규제의 대부분을 차지하는 accumulation 모드의 입자만을 해석하는 경우가 대부분이며, accu- mulation 모드의 입자에 대한 연구도 SMPS (Scann- ing mobility particle sizer)와 ELPI (Electrical low pres- sure impactor)와 같이 측정시간이나 측정범위의 한 계가 존재하는 계측장치를 이용하였기 때문에, 과도
(Transient) 운전과 같이 속도와 부하가 실시간으로
변화하는 조건에서 수 nm 이상 크기의 입자 농도의 변화를 연속적으로 계측하는 연구가 많이 부족한 실 정이다.
따라서, 본 연구에서는 엔진 과도 운전 조건에서 희석 온도 및 엔진 후처리 장치 여부에 따른 accu- mulation 모드와 nuclei 모드에 해당하는 디젤 입자상 물질의 수농도를 실시간 분석하였고, 또한 과도 운전 시 디젤 입자상 물질의 수농도와 가스성분을 동시에 측정함으로써 엔진의 운전 조건에 따른 디젤 입자상 물질과 가스 성분간의 관계를 분석하고자 한다.
2. 실험 방법
2. 1 실험 장치 및 방법
그림 3은 본 연구를 위한 실험 장치의 개략도를 나타낸 것이다. 실험 장치는 동력계, 시험엔진, 희석 장치, 디젤 입자상 물질의 입경 분포 측정 장치와 가
Figure 3.Schematic diagram for the on-line measurement of diesel PMs and gaseous materials.
1,991cc Diesel engine
Engine dynamo
Engine exhaust gas � DOC DPF
Heating band
Rotating dilutor
Data acquisition computer DMA 1 CPC 1
DMA 2 CPC 2
DMA 3 CPC 3
DMA 4 CPC 4 Data acquisition computer Online exhaust gas analyzer (FID)
Gas sample line to FID
From gas sample line
Heating holder Filter
Heating pipe
스 측정장치 등으로 구성되어 있다.
본 연구에서는 실제 디젤 자동차 운전시에 발생되 는 디젤 입자상 물질 및 가스 성분의 특성과 유사한 조건을 얻기 위해 동력계에 상용 엔진을 장착하여 실험하였다. 동력계는 와류형 동력계로 동력장치와 제어장치, 연료 및 냉각수 제어장치 등으로 이루어져 있다. 본 연구에 사용된 엔진은 표 1에서와 같이 현 재 양산되는 상용 소형 승합차용 디젤 엔진으로써 커먼레일 분사계 (Common rail direct injection sys- tem)를 장착한 엔진이며, 배기량은 1,991 cc, 최대 토 크는 24 kg∙m를 가진다.
희석장치는 디젤 입자상 물질 측정 시스템으로 널 리 사용되고 있고, PMP (the European Particle Mea- surement Programme)에서 사용된 회전식 희석장치 (Rotating diluter, MD-19, Matter Engineering, Switz- land)를 엔진의 배기관에 직접 연결하여 사용하였다.
입자의 관내 손실을 최소화하기 위해 샘플링 라인을
200 mm 정도로 짧게 하였으며, 입자의 열영동력
(Thermophoresis)에 의한 입자의 관 부착과 응축에 의한 입자 생성을 억제하기 위해 샘플링 라인을 전 기히터를 이용하여 150�C로 유지하였다 (Hwang et al., 2005). 회전식 희석장치의 1차 희석 온도 역시 샘플링 라인 설정온도와 같게 150�C로 설정하여 1 차 희석 시 입자손실을 방지하였고, 2차 희석온도는 희석 온도에 따른 디젤 입자상 물질의 실시간 변화 를 확인하기 위해 상온 (25�C)과 고온 (300�C)으로 변화시켰으며, 희석비는 600 : 1로 고정하였다.
디젤 입자상 물질의 실시간 수농도 변화를 측정하 기 위한 장치로 DMA (Differential Mobility analyzer, TSI, USA)와 CPC (Condensation Particle Counter, TSI, USA)를 여러 대 병렬로 구성하여 원하는 크기 의 입자만을 선택하여, 각 입경 별 수농도 변화의 실 시간 측정이 가능하도록 하였다. 디젤 입자상 물질의 대표적 입자 크기로는 nuclei 모드에 해당되는 30 nm
와 accumulation 모드에 해당하는 60 nm, 90 nm 및 120 nm를 측정 입경구간으로 선정하였으며, DMA와 CPC를 4대씩 연결하여 4채널 입자 실시간 계측 시 스템을 구성하였다. 그리고 디젤의 수농도 측정 위치 를 디젤 산화 촉매 (Diesel Oxidation Catalyst, DOC) 전∙후단과 디젤 입자상 물질 필터(Diesel Particulate Matter Filter, DPF) 후단으로 하여 각각의 측정 위치 에 따른 디젤 입자상 물질의 실시간 수농도 변화에 미치는 영향을 확인하였다.
그림 2에 나타낸 것과 같이 디젤입자의 주요 구성 물질인 용해성 유기분과 총탄화수소 (Total hydrocar- bon, THC) 및 질소산화물을 실시간으로 분석하기 위 해서, 자동차 배기가스 측정장치 (MEXA 8120, Hori- ba, Japan)를 DOC전단에 설치하였으며, 용해성 유기 분 농도를 측정하기 위해 배기가스 측정장치 내 화 염이온검출기(Flame Ionization Detector, FID)의 전 단에 50�C와 190�C로 가열한 입자필터를 설치하였 다. 용해성 유기분은 주로 입자상 성분의 표면에 존 재하기 때문에 동일한 엔진 조건에서 190�C로 가열 한 필터를 통과한 총탄화수소 농도값과 50�C로 가열 한 필터를 통과한 총탄화수소 농도값의 차를 구함으 로써 실시간 용해성 유기분 농도로 계측하였다(Ada- chi, 2000).
그림 4는 본 연구에 사용된 엔진 운전 조건을 나 타내고 있다. 본 연구에서는 디젤 입자상 물질과 가 스 성분의 실시간 계측을 위한 과도 (Transient) 엔진 시험 운전 조건을 설정하였으며, 속도와 부하 고정구 간을 40초로 하였고, 변동구간은 20초로 설정하여 엔진 속도를 idle에서 2,000 rpm 그리고 부하를 idle 에서 최대 부하의 75% 범위에서 변화시키면서 디젤 입자상 물질과 가스성분 농도 변화를 계측하였다. 그
2500 2000 1500 1000 500 0
100 80 60 40 20 0
Load(%)
Speed(rpm)
0 100 200 300 400 500 600 700
Speed Load
Time (sec)
Figure 4.Tested transient engine operation conditions.
Table 1.Test engine specifications.
Engine CRDI
Cylinder No. 4
Displacement 1,991 cc
Max. power 112 PS/4,000 rpm
Max. Torque 24 kg∙m/2,000 rpm
Idle speed 750 rpm
리고 실험의 재현성을 높이기 위해 냉 시동 후 1시 간 이상 엔진을 운전시킨 후 측정을 하였으며, 배기 가스 온도와 질소산화물 등의 배출가스 농도 또한 실시간으로 배출가스 상태가 안정화 되었는지 확인 하였다. 시험 연료는 현재 국내에서 판매하고 있는 연 료 내 황 함유량이 10 ppm 이하인 초저황유 (ULSD) 를 사용하였다.
3. 결과 및 고찰
3. 1 과도운전 시 디젤 입자상 물질 실시간 농도 측정
그림 5는 과도운전 조건에서의 DOC 전단, 후단 및 DPF 후단에서의 온도변화를 보여주고 있다. 배기 가 스 온도는 100~350�C의 범위 내에서 변화하였고, 전체적으로는 DOC 전단의 배기 온도가 DOC 후단과 DPF 후단보다 높았지만, 온도 반응 속도가 DOC 후 단, DPF 후단으로 갈수록 느려져서 일부 부하 감소 구간에서는 DOC 후단이나 DPF 후단에서의 배기가 스 온도가 DOC 전단보다 높은 경우도 발생하였다.
그림 6은 그림 4의 과도운전 시 고온 희석(300�C) 조건에서 4채널 디젤 입자상 물질의 DOC 전∙후단 및 DPF 후단의 실시간 수농도 측정 결과를 보여주 고 있다. 그림 6(a)를 살펴보면, 60 nm, 90 nm 및 120 nm급 디젤 입자상 물질은 1,000 rpm의 저속도 고부 하 조건에서 다량 발생하였고, 부하를 증가시킬 때 보다 고부하에서 부하가 감소할 때 디젤 입자상 물 질이 더욱 발생하였다. 또한 고부하에서 부하를 감소 시킬 때 60 nm, 90 nm 및 120 nm는 증가하였지만, 30
nm 입자는 다소 감소하는 경향을 보였고, 또한 엔진 속도가 Idle 상태에서 2,000 rpm으로 올라가고, 부하 가 0%에서 25%로 올라가는 구간에서 30 nm급 입자 가 다른 입자보다 많이 발생하였다. 이로써 accumu- lation 모드 입자는 저속 고부하에서 부하를 감소시 킬 때 많이 발생하고, nuclei 모드 입자는 저부하에서 고속으로 올릴 때 많이 발생하는 것을 확인할 수 있 었다. 또한, 그림 6(b)에서 보는 것과 같이, DOC 후단 의 실시간 입자 발생 경향은 DOC 전단과 거의 유사 하였고, 다만 수농도만이 전체적으로 약 10% 정도 감소하였다. 그림 6(c)와 같이 DPF 후단에서는 모든 입경 크기의 입자들이 98% 이상 포집이 되었고, 2,000 rpm에서의 부하 변동 조건에서는 30 nm급의
nuclei 모드 입자가 다소 방출되는 것을 확인할 수
있었다. 본 연구에서는 희석온도를 300�C로 하였기 때문에 nuclei 모드의 디젤 입자상 물질의 계측이 억 제되어 DOC 전∙후단에서 30 nm급 디젤 입자상 물 질의 농도가 더 큰 채널의 디젤 입자상 물질에 비해 적게 발생하였지만, DPF 후단에서는 상대적으로 30 nm급 디젤 입자상 물질의 농도가 높게 나타났다. 이 는 Nuclei 모드에 해당하는 30 nm급 디젤 입자상 물 질은 DPF 통과 시 기화되어 포집되지 않는 용해성 유기분, H2SO4및 H2O 등과 같은 가스상 물질의 핵 생성 (Nucleation) 및 응축과정 (Condensation)을 통해 입자화 되는데, DPF 후단에서는 고체상 디젤 입자상 물질이 필터에 의해 제거되기 때문에 가스상 물질의 포화도 (Saturation ratio)가 급격히 높아져 핵생성 및 응축과정이 활발히 일어나 상대적으로 nuclei 모드 입자의 수농도가 증가한 것으로 보인다 (Dieselnet Technology Guide). 그림 7은 회전식 희석장치의 2차 희석을 고온이 아닌 상온(25�C)으로 하였을 때 각각 DOC 전단과 DOC 후단의 실시간 디젤 입자상 물질 발생 특성을 보여주고 있다. 상온 희석 시 60 nm, 90 nm 및 120 nm의 디젤 입자상 물질은 고온 희석에서 와 거의 유사한 특성을 나타내었으나, 30 nm의 입자 상 물질은 고온 희석 때와 매우 상이한 발생 특성을 나타내었다. 30 nm의 입자상 물질은 고온 희석 때보 다 고농도로 발생되었고, DOC 전, 후단에서의 시간 에 따른 발생 형태 또한 매우 달라졌다. 또한 30 nm 의 입자상 물질은 idle에서 1,000 rpm으로 올릴 때 상당한 농도로 발생하였고, idle에서 1,500 rpm 및
2,000 rpm으로 올릴 때 역시 다량으로 발생하였다.
Figure 5.Changes in temperatures at different sampling po- ints during transient mode.
400
300
200
100
0
Temperature(�C)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Time (sec)
Before DOC After DOC After DPF
이는 30 nm급 입자들은 디젤 입자상 물질 중 nuclei 모드에 해당하는 입자로써 희석온도가 낮을 경우 포 화도가 급격히 상승하여 쉽게 입자화가 되기 때문이 다 (Abdul-Khalek and Kittelson, 1999). 따라서 300�C 와 같은 고온 희석의 경우 nuclei 모드 입자의 수농
도가 실제 디젤 배기관 밖으로 배출되어 자연 희석 되는 수농도보다 낮게 계측될 수 있기 때문에 nuclei 모드의 디젤입자상 물질을 측정코자 할 경우 상온 희석이 실제 엔진에서 배출되는 nuclei 모드 입자를 측정하는데 보다 근사할 것으로 예상된다.
Figure 6.Changes in number concentrations of diesel PMs at different sampling points with hot dilution during transient mode;
(a) before DOC, (b) after DOC, (c) after DPF.
1.E++07
1.E++06
1.E++05
(a) Before DOC
(b) After DOC
(c) After DPF
1.E++07
1.E++06
1.E++05
1.E++04
1.E++03
1.E++02
0 100 200 300 400 500 600 700
30 nm 60 nm
90 nm 120 nm
30 nm 60 nm
90 nm 120 nm
30 nm 60 nm
90 nm 120 nm
0 100 200 300 400 500 600 700
0 100 200 300 400 500 600 700
Time (sec) Number concentration(#/cm3)Number concentration(#/cm3)Number concentration(#/cm3)
3. 2 과도운전 시 총탄화수소, 용해성 유기분 및 질소산화물 실시간 농도 측정
4채널의 디젤 입자상 물질 측정과 동시에 배기가 스 분석기의 FID 장치를 이용하여 실시간으로 총탄 화수소와 용해성 유기분을 측정하였다. 그림 8은 DOC 전단에서 과도운전 조건 시의 총탄화수소, 용해 성 유기분 및 질소산화물의 농도 변화를 보여주고 있다. 총탄화수소는 주로 엔진 속도가 변화할 때 변 화하는 것을 알 수 있으며, 특히 엔진 온도가 낮은 idle 상태에서 농도가 일정하게 방출되다가 idle에서 급격히 가속할 때 다량 발생하는 것으로 나타났다.
한편 용해성 유기분은 일정 속도에서 부하가 증가할 때 다량 발생하는 경향을 보였고 배기 온도가 높아 짐에 따라 부하에 관계없이 발생량이 감소하는 것을 알 수 있었다. 그리고 질소산화물의 경우는 부하의 변동과 거의 유사하게 변화하는 경향을 나타내었다.
3. 3 과도운전 시 운전 조건과 디젤 입자상 물질의 수농도 및 가스 농도간의 관계 분석
그림 9는 운전 중 속도 및 부하 변동과 총탄화수 소, 용해성 유기분 및 질소산화물 농도 그리고 디젤 입자상 물질 중 accumulation 모드 입자 수농도 간의 상호 관계를 설명하기 위하여 운전 조건, 총탄화수 소, 용해성 유기분 및 질소산화물농도 및 60 nm, 90 nm, 120 nm 급 입자 농도 변화를 동시에 표현한 그 래프이다. 그림 9에서 보는 것과 같이 총탄화수소 농 도는 엔진 속도가 변동할 때, 용해성 유기분과 질소 산화물은 엔진 부하가 변동할 때 주로 발생하였다.
한편 accumulation 모드 입자 수농도는 주로 저속 고 부하 운전과 같이 엔진 연소 조건이 악화될 때 주로 많이 발생하였고 총탄화수소, 용해성 유기분의 변화 와는 특별한 연관성을 갖지 않는 것으로 나타났다.
Accumulation 모드 입자는 대부분 고체상인 탄소입
Figure 7.Changes in number concentrations of diesel PMs before/after DOC with cold dilution during transient mode; (a) Before DOC, (b) After DOC.
1.E++08
1.E++07
1.E++06
1.E++05
1.E++08
1.E++07
1.E++06
1.E++05
0 100 200 300 400 500 600 700
30 nm 60 nm
90 nm 120 nm
30 nm 60 nm
90 nm 120 nm
(a) Before DOC
(b) After DOC
0 100 200 300 400 500 600 700
Time (sec) Number concentration(#/cm3)Number concentration(#/cm3)
자 (Soot)로 이루어져 있고, 이러한 입자는 엔진에서 의 국부적 산소부족으로 발생되고 엔진의 혼합기 운 동형태, 연료성분, 확산 속도, 반응시간, 연료미립도 등의 요인과 같은 엔진 운전 조건에 따라 크게 변화
하여 발생하기 때문에 엔진조건 변화에 민감한 영향 을 받을 것으로 판단된다(Kim and Yoon, 2000).
그림 10은 운전 조건에 따른 총탄화수소, 용해성 유기분 및 질소산화물농도와 30 nm급 입자 농도 변
Figure 8.Changes in concentrations of gaseous species (THC, SOF, NOx) before DOC during transient mode.
Figure 9.Relationship among engine conditions, gaseous materials and accumulation mode diesel PMs with hot dilution during transient mode.
200
150
100
50
0
20
15
10
5
0
THC, NOx (ppm) SOF(ppm)
0 100 200 300 400 500 600 700
Time (sec) THC (190�C) SOF
THC (50�C) NOx
2000 1500 1000 500
100 75 50 25
20 15 10 5 0
Speed(rpm) Load(%)SOF(ppm)
THC, NOx (ppm)Concentration(#/cm3) 200 150 100 50 0
THC (190�C) SOF THC (50�C) NOx
60 nm 90 nm 120 nm
0 100 200 300 400 500 600 700
Time (sec) 1.E++07
1.E++06
1.E++05
화를 동시에 표현한 그래프이다. Nuclei 모드 입자의 수농도 변화는 2차 희석온도가 상온일 때 결과를 사 용하였다. Nuclei 모드 입자 수농도는 accumulation 모드 입자와 달리 총탄화수소가 다량 방출되는 조건 에서 주로 발생하였고 또한 용해성 유기분 농도가 증가하는 영역에서도 증가하는 특성을 나타내어 총 탄화수소와 용해성 유기분의 농도 변동에 따라 민감 하게 변화하는 것을 알 수 있었다. Nuclei 모드 입자 는 그림 2와 같이 액체상 물질, 특히 용해성 유기분 과 같은 탄화수소로 주로 이루어져 있기 때문에 총 탄화수소와 용해성 유기분농도의 변동에 민감하게 변화할 것으로 판단된다. 이로써 accumulation 입자 는 엔진의 국부적 불완전 연소 조건에서 발생하고 희석온도에는 영향을 받지 않는 것으로 나타났고, nuclei 모드 입자는 accumulation 입자와는 다른 특성 으로 발생하고 특히 포집시의 희석 온도 및 총탄화 수소, 용해성 유기분 변화에 크게 영향을 받는다는 것 을 입자 및 가스의 동시 측정을 통해 알 수 있었다.
3. 4 정상운전과 과도운전 시 디젤 입자상 물질 배출 특성 비교
그림 11은 디젤 엔진 정상운전과 과도운전시 DOC전단에서의 디젤 입자상 물질 발생 특성을 보 여 주고 있다. 정상운전의 경우 idle상태와 속도 2,000 rpm에서 부하를 25~100%로 변화시키면서 디젤 입 자상 물질 수농도를 측정하였고, 과도운전의 경우 idle에서 속도를 2,000 rpm으로 상승시키고 부하를 25~75~50%로 변화시키면서 디젤 입자상 물질 발 생특성을 측정하였다. 그림 11의 (a)에서 보는 것처 럼 60 nm, 90 nm 및 120 nm급 디젤 입자상 물질은 idle 상태에서 적게 발생하였으나, 속도 2,000 rpm, 부 하 25~75% 조건에서 다량 발생하였고, 부하가 증가 할수록 그 농도가 증가하였다. 그러나 30 nm급 디젤 입자상 물질은 idle에서 가장 많이 발생하였으나,
2,000 rpm 조건에서 크게 감소하였다. 그러나 그림
11의 (b)에서 보는 것과 같이 과도운전 조건에서는 30 nm급 디젤 입자상 물질이 60 nm, 90 nm 및 120 nm급 디젤 입자상 물질에 비해 많이 발생하였고, 또
Figure 10.Relationship among engine conditions, gaseous materials and nuclei mode diesel PMs with cold dilution during transient mode.
2000 1500 1000 500
100 75 50 25
20 15 10 5 0
Speed(rpm) Load(%)SOF(ppm)
THC, NOx (ppm)Concentration(#/cm3) 200 150 100 50 0 1.E++08
1.E++07
1.E++06
1.E++05
THC (190�C) SOF THC (50�C) NOx
30 nm
0 100 200 300 400 500 600 700
Time (sec)
한 60 nm, 90 nm 및 120 nm급 디젤 입자상 물질은 정상운전의 발생특성과 달리 2,000 rpm, 25% 부하 조건에서 가장 많이 발생하였다. 이는 idle 상태의 정 상운전의 경우 엔진온도가 매우 낮기 때문에 nuclei 모드 입자가 많이 발생하였고, 2,000 rpm 상태의 정 상운전의 경우 엔진이 고온으로 장시간 운전되기 때 문에 nuclei 모드 입자 발생이 억제되었기 때문이다.
그러나 과도 운전의 경우 앞 3.1절에서 살펴본 것과 같이 운전 조건 변화에 따라 각각의 모드에 해당하 는 디젤 입자상 물질의 농도가 변화하였다. 따라서 실제 엔진에서 발생되는 모드 별 디젤 입자상 물질 의 배출 특성을 파악하기 위해서는 과도운전 시 입 자상 물질 배출 특성이 보다 실제에 근사하기 때문
에 과도운전의 다채널 입자상 물질 실시간 계측이 요구됨을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 엔진 과도운전 조건에서 희석 온도 및 측정위치 등과 같은 측정 방법에 따른 accumula- tion 모드와 nuclei 모드 디젤 입자상 물질의 수농도 를 동시에 실시간 분석하였으며, 또한 과도운전 시 디젤 입자상 물질의 수농도와 가스성분을 실시간으 로 동시 분석함으로써, 엔진의 조건과 디젤 입자상 물질 및 가스 성분간의 관계를 살펴보았다.
본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었 다.
(1) DOC 전∙후단의 경우, 전단에 비해 후단에서 30 nm, 60 nm, 90 nm, 120 nm급 디젤 입자상 물질 농 도가 평균 10.4%, 11.1%, 17.5%, 17.6% 만큼 감소하 였고, 발생 특성은 거의 유사하였다. 반면 DPF 후단 에서는 전 디젤 입자상 물질에 대해 DPF의 98% 이 상의 높은 포집효율로 인해 60 nm, 90 nm 및 120 nm 급 디젤 입자상 물질은 대부분 제거되었지만, 30 nm 급 디젤 입자상 물질은 고속에서 부하가 증가할 때 다소 방출되었다.
(2) Nuclei 모드의 디젤입자상 물질을 측정하고자 할 경우 상온 희석이 요구되며, 300�C와 같은 고온 희석의 경우 nuclei 모드 입자의 수농도가 실제 디젤 배기가스 내 존재하는 수농도보다 낮게 계측될 수 있다는 것을 확인하였다.
(3) 총탄화수소는 엔진 속도가 변화에 따라 농도가 민감하게 변화하는 것을 알 수 있으며, 용해성 유기 분은 부하 변동의 영향을 많이 받는 것을 확인하였 다.
(4) 디젤 입자상 물질의 입자상 물질과 가스 성분 의 분석을 통해서 accumulation 모드 입자들은 엔진 의 불완전 연소조건에서 주로 발생하지만, nuclei 모 드 입자는 accumulation 입자와는 다른 특성으로 발 생하고, 특히 총탄화수소와 용해성 유기분변화에 크 게 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.
(5) 실제 엔진에서 배출되는 디젤 입자상 물질의 분포 특성을 파악하기 위해서는 과도 운전 조건에서 실시간 측정이 요구됨을 알 수 있었다.
Figure 11.Comparison of characteristics of diesel PM emis- sion by steady (a) and transient (b) conditions of engine operation.
(a) Changes in size distributions of diesel PMs at different steady conditions of engine operation.
(b) Changes in number concentrations of diesel PMs during transient conditions of engine operation.
1.E++07
1.E++06
1.E++05
1.E++04
1.E++03
1.E++07
1.E++06
1.E++05
10 100 1000
Diameter (nm)
500 550 600 650 700
Time (sec)
30 nm 60 nm
90 nm 120 nm
600 rpm, Idle 2000 rpm, 25%
2000 rpm, 50%
2000 rpm, 75%
2000 rpm, 100%
Concentration(dN/dlogDp)Number concentration(#/cm3)
감사의 글
본 논문은 산자부에서 지원한 “성장동력/중기거점/
차세대신기술 개발사업”의 일환으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
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