1. 서 론
한정된 에너지 자원과 CO2배출에 의한 지구 온난 화에 대한 위기의식 고조로 내연기관 중 가장 높은 열효율을 가지고 있는 디젤 엔진에 대한 관심과 연
구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 디젤엔진은 입 자상물질 (PM)과 질소산화물 (NOx)의 동시 저감이 어렵고 일반적으로 입자상 물질의 경우 질량 농도로 가솔린 엔진에 비해 약 10~100배 이상 많이 배출 된다고 보고되고 있다(Hikosaka, 1997).
특히 최근에는 디젤엔진에서 배출되는 입자상물질 에 포함되어 있는 극미세 입자 (ultra fine particles)의 인체유해성에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으
디젤엔진의 연료 분사방식 및 후처리 장치에 따른 입자배출 특성연구
황순철∙한방우∙윤성한∙김덕줄1∙김용진*
한국기계연구원 청정환경기계연구센터, 1부산대학교 기계공학부
A study on the characteristics of exhaust particles from diesel engines with fuel injection types and after-treatment systems
Soonchul Hwang, Bangwoo Han, Sunghan Yun, Duckjool Kim1 and Yongjin Kim*
Environmental System Research Center, Korea Institute of Machinery & Materials
1School of Mechanical Engineering, Pusan National University
Abstract
This study presents the characteristics of exhaust diesel particles with fuel injection types and after-treatment technologies on diesel engines. The influence of injection methods (direct injection and common rail direct injection) and the equipments of diesel oxidation catalyst (DOC) and diesel particulate filter (DPF) on exhaust particle were investigated. Size distributions were measured for various engine loads using an ejector-type diluting sampler and a scanning mobility particle sizer (SMPS). Both low sulfur diesel (LSD) and ultra low sulfur diesel (ULSD) fuels were used to compare the effect of sulfur compounds on exhaust particle formation. Oxidation catalyst slightly reduces the accumulation mode in all operating modes, but contributes to increase the nuclei mode at high load condition. Diesel particulate filter eliminates most of particles in all conditions except for the nuclei mode particles at high load. This phenomenon is probably due to the formation of SO3from the oxidation of sulfur compounds of fuel after the oxidation catalyst. With ULSD, most of particles were trapped by a DPF system at all operating modes.
Key Words : Particle size distribution, DPF, DOC, After-treatment system PAAR Vol. 1, No. 1 (2005) pp. 61~68
(사)한국입자에어로졸학회
*Corresponding author.
Tel : +82-(0)42-868-7475, E-mail : [email protected]
며, 이에 따른 새로운 규제방법의 마련 또한 활발하 게 진행되고 있다. 디젤 배출가스 내의 입자상 물질 중 특히 극미세 입자의 경우에는 발암성 및 돌연변 이성 물질들이 포함되어 있고, 이러한 입자들은 대부 분 폐포와 같은 인체 호흡기 계통에 깊숙이 침투될 수 있어 인체에 매우 유해하다고 여겨지고 있다 (Lim et al., 2004).
현재 디젤 엔진에서 배출되는 입자상 물질에 대한 규제 기준은 입자의 크기에는 상관없이 전체 입자상 물질에 대한 중량단위 규제를 사용하고 있으나, 이는 50 nm 이하의 극미세 입자는 고려할 수 없으며, 인체 에 유해한 미세입자 규제의 중요성이 부각됨에 따 라, 유럽과 미국을 중심으로 한 선진국에서는 향후 입자상 물질의 배출 기준 크기분포에 따른 개수 또 는 총 입자 개수로 규제하는 방안이 검토되고 있다 (Kittelson et al., 1999; Liu et al., 2002; Khalek et al., 2003).
Kittelson (1998)에 따르면 디젤 입자상 물질은 일 반적으로 그림 1에서와 같이 nuclei, accumulation, coarse 모드로 이루어져 있다. 질량단위로 측정 시에 대부분의 입자상 물질은 100~300 nm의 입자크기
범위인 accumulation 모드라고 불리는 범위 내에 있 다. 이 범위의 입자들은 주로 탄소가 응집한 것으로 일부 유기 물질들이 탄소 응집체 표면에 결합, 흡착 되어있다. Coarse 모드는 총 입자 질량에 대해 5~
20% 정도를 차지하며 주로 accumulation 모드의 입 자들이 실린더와 배기관의 표면에 부착되었다가 다 시 유입되면서 발생한다. Nuclei 모드는 일반적으로 5~50 nm의 직경 범위를 가진 입자들로 이루어져 있다. 이 모드의 입자들은 보통 휘발성 유기물과 황 화합물 (sulfur compounds), 고체상의 탄소, 금속 성분 등으로 이루어져 있으며, 배기중의 희석과 냉각과정 을 거치면서 형성된다고 알려져 있다. Nuclei 모드에 포함되는 입자의 질량 농도는 총 입자상 물질에 대 해 약 1~20%만을 차지하지만 개수 농도로 측정하 면 경우에 따라 90% 이상을 차지하여 엔진에서 배 출되는 입자의 거의 대부분은 이러한 극미세 입자들 이라고 볼 수도 있다.
Bertola et al. (2001)와 Kati et al. (2004)에 따르면 커먼레일 분사장치와 DOC, SCR과 같은 최신의 배 출물 저감 기술에서 accumulation 모드 입자는 감소 하지만, 다량의 nuclei 모드 입자가 발생한다고 보고 0.25
0.20
0.15
0.1
0.05
0 Normalized concentration (1/Ctotal)dC/dlogDp
Nuclei Mode-Usually forms from volatile precursors as exhaust
dilutes and cools Nanoparticles Dp⁄50 nm
Ultrafine particles Dp⁄100 nm
Fine particles Dp⁄2.5 µm
PM10 Dp⁄10 µm
Accumulation Mode-Usually consists of carbonaceous agglomerates and adsorbed material
Coarse Mode-Usually consists of reentrained accumulation mode particles In some cases this
mode may consist of very small particles below the range of conventional instruments, Dp⁄10 nm
1 10 100 1,000 10,000
Diameter (nm)
Number Surface Mass
Figure 1. Particle size distribution of typical engine exhaust.
하고 있다. 하지만 이러한 디젤 입자상 물질의 특성 에 관한 기존의 연구에서는 동일 계측 시스템에서 엔진 분사 방식에 의한 비교나 DOC와 DPF의 상호 복합적인 영향에 대한 보고가 미비한 실정이다. 특 히, nuclei 모드의 입자 범위는 휘발성이 매우 커서 샘플링 온도와 희석량 등의 외부 실험 조건에 의해 서 매우 민감하게 변하기 때문에 보고된 연구마다 상이한 결과가 많이 나타나고 있고 따라서 각각의 실험결과를 단순 비교하기가 어렵기 때문에 동일 계 측 시스템 및 동일 샘플링 조건에서의 디젤입자 배 출 특성 비교가 무엇보다도 필요하다.
본 연구에서는 커먼레일 직접 분사계를 장착한 신 형 디젤 엔진과 기존의 직접분사식 디젤엔진을 동일 샘플링조건에서 그 특성을 비교하였고, 배출 입자상 물질의 저감을 위해 DOC와 DPF 후처리 장치를 커 먼레일 디젤엔진에 장착하여 그 복합적인 효과를 분 석하였다. 또한, 연료의 황함유량에 따른 배출 입자 특성 및 후처리 장치의 성능 변화를 살펴보았다.
2. 실험 방법
2. 1 희석장치 및 입경분포 측정장치
그림 2는 본 연구를 위한 실험장치의 개략도를 나 타낸 것이며 설치 모습을 그림 3에 나타내었다. 실험 장치는 동력계, 시험엔진과 샘플링-희석장치, 입자상 물질의 입경 분포 측정 장치 등으로 구성되어 있다.
희석장치는 디젤 PM 배출물 측정 시스템으로 많 이 사용되고 있는 2단 이젝터 방식의 희석장치 (ejector-type diluter)를 사용하여 엔진의 배기관에서 직접 연결하여 사용하였다 (Liu et al, 2003; Wong et al, 2003). L자형의 SUS 샘플링 프로브 (probe)를 배 기관에 삽입하였으며, 입자의 관 손실을 최소화하기 위하여 프로브로부터 희석장치까지의 이송관 길이는
200 mm 정도로 짧게 하였으며, 입자의 열영동력
(thermophoresis)에 의한 입자의 관 부착과 응축에 의한 입자 생성을 방지하기 위하여 이송관의 외부는 전기히터를 이용하여 약 200�C로 유지하였다. HEPA
Primary diluter
Pressurized air HEPA
filter
Oil filter Silica gel dryer Engine exhaust gas
Excess gas bypass
Excess gas bypass Secondary diluter
Diluter heater
Exhaust gas analyzer Regulator
Excess gas bypass Air heater
Data acquisition computer SMPS
Exhaust gas analyzer
Figure 2. Experimental setup.
필터와 실리카겔 확산건조장치 (diffusion dryer)를 사 용하여 청정 건조공기를 MFC (질량유량 컨트롤러) 를 사용하여 일정한 유량으로 희석장치의 이젝터 공 동(ejector cavity)을 통하여 유입되도록 하였다.
희석용 유입공기와 1차 희석장치는 전기히터와 온 도 컨트롤러를 사용하여 400�C 이하의 온도 범위에 서 일정하게 유지할 수 있도록 하였다. 일반적으로 물질의 포화수증기압은 온도의 함수로서, 샘플링된 배출가스 내에 포함된 휘발성 물질의 증기압은 고온 의 희석 공기와 희석되면서 감소하게 된다. 따라서, 2 차 희석장치에서 상온의 희석공기와 다시 희석되더 라도 휘발성 물질의 응축에 의한 입자의 생성을 최 소화 할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 휘발성 성분이 입자에 응축, 흡착되어 입자가 커지는 현상도 방지할 수 있다.
디젤 입자상 물질의 크기분포를 측정하기 위한 장 치는 SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) 시스템 을 사용하였다. SMPS 시스템은 long-DMA (Diffe- rential Mobility Analyzer, TSI 3081), Electrostatic Classifier (TSI 3080), CPC (Condensation Particle Counter, TSI 3025), 그리고 이 장비들을 제어하고 데 이터를 취득할 수 있는 컴퓨터로 구성되어 있다.
Long-DMA를 통해 다분산(polydispersed)입자를 입 자크기별로 분리해 내고, 크기별로 분리된 입자를 응 축핵 개수기인 CPC를 통해 개수를 측정함으로써 입 자크기분포를 측정할 수 있다.
2. 2 시험엔진과 운전조건
디젤 배출입자의 특성을 실제 운전시에 발생되는 조건과 유사한 조건으로 실험실에서 얻기 위해 동력 계 (engine dynamometer)에 시험용 엔진을 장착하여 실험하였다. 동력계는 와류형 동력계 (Fuchino Co.)로 서 동력계와 제어장치, 연료 및 냉각수 제어장치 등 으로 이루어져 있다.
본 연구는 연료분사방식에 따른 배출 입자의 특성 을 비교하기 위해 서로 다른 두 종류의 디젤 엔진을 사용하여 실험하였으며, 시험엔진의 사양은 표 1에서 와 같다. 엔진 A와 B는 모두 현재 양산되는 상용 디 젤 엔진으로서 엔진 A는 중형트럭에 사용되며, 배기 량 6,606 cc, 1,500 rpm에서 최대토크 64 kg.m이다. 엔 진 B는 소형 승합차용 디젤 엔진으로서 커먼레일 분 사계를 장착한 엔진이며, 배기량은 1,991 cc, 엔진속 도 2,000 rpm에서 최대토크 24 kg.m을 가진다. 본 실 험을 위한 운전모드는 다섯 가지로서 정상상태의 엔 진 배출물 시험 사이클인 ISO 8178의 시험운전 모드 에 기준하여 표 2와 3같이 정하였다. 시험엔진 속도 Figure 3. Engine dynamometer system equipped with mea-
suring apparatus.
Table 1. Test engine specifications.
Engine A (DI) B (CRDI)
Cylinder No. 6 4
Displacement 6,606 cc 1,991 cc
Max. power 225PS/2,500 rpm 112PS/4,000 rpm Max. torque 64 kg∙m/1,500 rpm 24 kg.m/2,000 rpm
Idle speed 670 rpm 750 rpm
Table 2. Test modes for engine A.
Mode Torque Speed Emission temp.
0% 0 kg∙m 670 rpm 110�C
25% 16 kg∙m 1,500 rpm 214�C
50% 32 kg∙m 1,500 rpm 290�C
75% 48 kg∙m 1,500 rpm 354�C
100% 64 kg∙m 1,500 rpm 403�C
Table 3. Test modes for engine B.
Mode Torque Speed Emission temp.
0% 0 kg∙m 750 rpm 131�C
25% 6 kg∙m 2,000 rpm 363�C
50% 12 kg∙m 2,000 rpm 470�C
75% 18 kg∙m 2,000 rpm 535�C
100% 24 kg∙m 2,000 rpm 640�C
는 공회전 상태를 제외하고, 각각 최대 토크를 가지 는 1,500 rpm과 2,000 rpm으로 고정하였다.
엔진의 워밍업을 위해 냉 시동 후 1시간 이상 엔 진을 운전 시킨 후 측정을 시작하였으며, 취득하는 데이터의 재현성과 신뢰성을 위해 배기가스 온도와 CO, NOx 등의 배출가스 농도도 실시간으로 모니터 링 함으로써 각각의 측정 시작 전마다 배출가스 상 태가 안정화 되었는지 확인한 후, SMPS를 이용하여 입경 분포를 측정하였다. 모든 데이터는 3회 이상 반 복 취득하여 평균하였고 100% 부하에서의 재현실험 결과 상대 오차 5%의 범위 내에서 안정적인 결과를 얻을 수 있었다. 시험연료는 현재 국내에서 판매되고 있는 저황유 (LSD)를 사용하였으며, 비교를 위해 초 저황유 (ULSD)도 사용하였다. 저황유와 초저황유 연 료의 황함유량은 질량비로 각각 70 ppm과 10 ppm 이 다.
3. 결과 및 고찰
3. 1 분사 방식에 따른 입자 분포의 차이 그림 4는 기존의 직접분사식 디젤 엔진인 엔진 A 에서의 운전조건에 따른 입경분포를 나타낸 것이다.
즉 idle상태 (0%)와 회전속도를 1,500 rpm으로 고정 하고 부하를 25, 50, 75, 100%로 변화시켰을 때의 디 젤 입자상의 배출 물질의 크기분포를 나타낸 것이다.
사용연료는 저황유를 사용하였으며, 희석공기는 200
�C로 일정하게 유지하였다. 그림을 보면 0% 모드를
제외한 모든 조건에서 80~90 nm에서 최대값을 가 지고 있는 accumulation 모드 입자가 주를 이루고 있 음을 확인할 수 있었다. 그리고 부하가 증가함에 따 라 accumulation 모드 입자의 농도가 점차 증가하는 것을 볼 수 있다. 이것은 부하가 증가함에 따라 연료 사용량이 증가하고, 연료 대 공기비가 높아져 불완전 연소율이 높아지게 되는데, 이때의 미완전 연소 탄소 발생과 함께 미연소 HC의 흡착과 응집이 증가하게 되어 accumulation 입자 농도와 크기가 전체적으로 증가하기 때문으로 생각된다. 특히 50% 모드와 75%
모드에서는 농도가 그다지 차이가 나지 않다가 100% 모드로 가면서 큰 증가를 보이는데, 이 구간에 서 연료 대 공기비의 증가로 인한 불완전 연소율이 급격하게 증가하였음을 알 수 있다. 반면에 0% 조건
에서는 10~30 nm 정도의 nuclei 모드 입자가 두드러 지게 나타나고 있는데, 이것은 연료 대 공기비가 낮 은 희박연소 조건으로 상대적으로 낮은 연소 온도로 인해 미연소 HC 또는 휘발성 물질의 응축에 의해 생성된 것으로 생각된다. 하지만, 응집을 유도하는 탄 소 입자의 수는 감소하여 고부하조건에 비해 accu- mulation 모드의 농도는 상당히 낮아졌음을 볼 수 있 다. 이러한 입경 농도 분포는 기존의 연구를 통해 알 려진 것들과 매우 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.
그림 5는 신형 커먼레일 분사계 (CRDI)를 장착한 엔진 B에서의 운전조건에 따른 입경 분포를 나타낸 것이다. 엔진 A에서의 입경분포와 비교하여 idle 조 건에서의 입경분포는 거의 유사함을 알 수 있다. 하 지만, 최대 부하인 100% 모드에서의 입경분포는 엔 진 A에서와 거의 유사한 반면, 50, 75% 모드에서의
0.E±00 5.E±05 1.E±06 2.E±06 2.E±06 3.E±06 3.E±06
10 100 1000
Particle diameter (nm)
dN/dlogDp (#/cc)
0%
25%
50%
75%
100%
Figure 4. Particle size distributions for various engine loads from engine A.
0.E±00 5.E±05 1.E±06 2.E±06 2.E±06 3.E±06
10 100 1000
Particle diameter (nm) 0%
25%
50%
75%
100%
dN/dlogDp (#/cc)
Figure 5. Particle size distributions for various engine loads from engine B.
입경분포는 다소 차이가 나는 것을 볼 수 있는데, accumulation 모드의 중앙직경 크기가 50~60 nm로 그림 4에서보다 작은 크기에서 형성되고 있으며,
nuclei 모드 입자가 상대적으로 많이 발생하는 것을
볼 수 있다. 이러한 현상은 CRDI에 의한 고압 분사 에 의해 연료의 미립화 및 주위 공기와 연료의 혼합 이 촉진되어 불완전 연소가 크게 감소함으로써 불완 전 연소시 발생하는 탄소 입자의 발생이 줄어들게 되고 따라서 accumulation 모드의 입자농도가 상당량 감소된 것으로 사료된다. 한편, accumulation 모드 입 자는 그 표면에 휘발성 물질의 흡착을 유도하게 되 는데, 상대적으로 accumulation 모드 입자 농도가 낮 을수록 휘발성 물질의 흡착 매체가 적어지므로 그림 5에서와 같이 휘발성 물질이 nuclei 모드 입자로 형 성되어 나타난다. 하지만 일정이상의 고부하 모드 (100%)가 되면서 연료 분사량이 많아지게 되고, 따 라서 탄소 입자의 형성과 accumulation 입자로의 응 집 및 흡착이 활발해지면서 그림 4에서와 같은 전형 적인 accumulation 모드 입자 분포를 가지게 됨을 알 수 있다.
3. 2 DOC와 DPF에 따른 입자 분포의 변화 이상과 같은 입경 분포의 차이를 통해, 커먼레일 분사계가 accumulation 모드 입자의 감소에 다소 효 과적임을 알 수 있다. 기존의 차량 배출 PM 규제 시 험법이 중량법이며, 중량법의 경우 그림 1에서와 같 이 약 80 nm 이상의 accumulation 입자만을 고려할 수 있음을 감안한다면, 커먼레일 분사계에 의한 배출 PM 저감 효과는 상당할 것으로 사료된다. 그러나, 보 다 강화된 배출가스 규제를 만족시키면서 인체에 대 해 보다 유해한 nuclei 입자를 감소시킬 수 있는 대 책이 요구되고 있으므로 nuclei 입자를 상대적으로 많이 발생시키는 커먼레일 분사 방식을 통한 배출 입자의 저감에는 그 한계가 있을 것을 사료되고 이 에 따라 새로운 후처리 기술들의 적용이 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 커먼레일 엔진 (engine B)에 대해 THC의 저감을 위해 장착되고 있는 디젤 산화촉매 (DOC)와 매연 저감을 위한 매연여과장치 (DPF)를 장착하여 후처리 기술 적용에 의한 배출 입 자의 변화를 측정하여 보았다. 그림 6은 DOC의 장 착에 따른 모드별 입경 분포를 그림 7은 DOC와 DPF를 동시에 장착했을 때의 모드별 입경 분포를
비교하여 나타낸 그림이다.
DOC는 내부에 코팅되어 있는 촉매에 의해 THC 의 산화반응을 촉진시켜 HC량을 감소시키고 산화반 응에 따른 배기온도의 상승을 유도하여 DPF의 재생 에도 도움을 주기 위한 목적을 가지고 있지만, THC 의 산화반응에 따른 배출입자의 저감율은 10~20%
로서 낮은 편이다. 그림 6은 DOC의 장착에 따른 각 각의 부하 조건에서의 입경 분포의 변화를 비교한 것이다. DOC를 장착함에 따라 0% 모드와 50% 모드 에서 모두 약간의 농도 감소를 보이고 있었다. 이것 은 특히 nuclei 모드 입자의 감소가 두드러지는데, 이 것은 미연소 HC의 감소에 따라 휘발성 성분의 nuclei
1.E±02 1.E±03 1.E±04 1.E±05 1.E±06 1.E±07
10 100 1000
Particle diameter (nm) 0%
50%
100%
0%, DOC 50%, DOC 100%, DOC
dN/dlogDp (#/cc)
Figure 6. Size distribution with and without a diesel oxi- dation catalyst.
1.E±01 1.E±02 1.E±03 1.E±04 1.E±05 1.E±06 1.E±07 1.E±08
10 100 1000
Particle diameter (nm)
0%, DOC 0%, DOC±DPF 50%, DOC
50%, DOC±DPF 100%, DOC 100%, DOC±DPF
dN/dlogDp (#/cc)
Figure 7. Size distributions with and without a diesel particulate filter.
모드 응축이 많이 억제되었기 때문으로 사료된다. 하 지만, 100% 모드에서는 다른 결과를 보이는데, accu- mulation 모드 입자의 농도는 다소 감소하지만, nuclei 모드 입자가 급격하게 증가한 것을 볼 수 있다. 이것 은 Koltsakis and Stamatelos et al. (1997)과 Kati et al.
(2004)이 언급했듯이, 고부하시 고온에 의해 산화촉 매의 산화작용이 촉진되어 SO2가 SO3로 변환되어 황화합물을 형성하거나, 또는 포집되어 있던 황 성분 이 특정 이상의 온도에서 다시 방출되면서 이 황화 합물들이 nuclei 입자의 핵종으로 작용하여 nuclei 모 드 입자를 다량으로 형성하기 때문으로 판단된다.
이러한 현상은 DPF를 장착하였을 경우에도 역시 나타나는데, 그림 7을 보면, 0% 모드와 50% 모드에 서는 DPF 장착 후 accumulation 모드 입자와 nuclei 모드 입자가 대부분 제거되는 반면, 100% 모드에서 는 거의 대부분 제거되는 accumulation 모드 입자와 는 달리, nuclei 모드 입자는 거의 제거되지 못하고 그 농도가 DPF를 장착하지 않았을 경우와 거의 일 치하는 것을 확인할 수 있다. 이때 발생하는 nuclei 입자는 DOC의 산화과정을 통해 발생한 황 화합물 이 DPF를 통과한 이후에 핵종으로 작용하여 휘발성 성분의 냉각 및 응축 과정을 통해 생성된 입자인 것 으로 생각된다.
3. 3 황함유량에 따른 영향
이상과 같은 고부하 모드에서의 급격한 nuclei 모
드 입자의 형성이 연료 내에 포함된 황 성분의 영향 이라고 생각되며, 따라서 이러한 황 성분의 함유량이 다른 연료에 대해 동일한 운전조건과 DOC 및 DPF 장착조건에서 각각 비교 실험을 수행하였다.
그림 8은 초저황유를 사용하였을 때의 DOC후단 과 DPF후단에서의 입자 농도 분포를 나타낸 것이다.
DOC만 장착하였을 때에도 nuclei 모드 입자는 거의 발생하지 않고 accumulation입자만 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, DPF를 함께 장착하였을 때에는 대부분의 입자들이 포집되었다.
따라서 배출물 저감을 위한 DOC 및 DPF의 성능 을 최적화 하기 위해서는 초저황유를 함께 사용이 효과적일 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 직접분사 디젤엔진의 PM저감을 위 한 각종 기술에 따른 배출 특성 연구를 위해 커먼레 일 직접 분사계를 장착한 디젤 엔진과 직접 분사식 디젤엔진을 비교하여 그 특성을 파악해 보았다. 배출 PM 저감을 위한 DOC와 DPF와 같은 후처리 장치를 커먼레일 디젤엔진에 장착하여 그 효과를 비교하여 보았고, 또한 황 함유량의 변화에 따른 영향을 살펴 보았다.
본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었 다.
(1) 엔진의 부하가 증가함에 따라 연료 대 공기비 가 증가하게 되고, 불완전 연소가 증가함에 따라 미 연소 탄소에 의한 입자상 물질이 증가하였다. 이러한 특성은 accumulation 모드에서 두드러지게 나타났다.
반면 idle상태에서는 nuclei 모드 입자가 많이 발생하 였는데, 이것은 불완전 연소된 휘발성 물질들 또는 황화합물이 냉각되면서 핵화 및 응축되면서 발생되 었기 때문이다.
(2) 엔진의 부하에 따른 DI 엔진에서 배출되는 입 자상 물질의 분포와 커먼레일 DI 엔진에서 배출되는 입자상 물질의 분포를 비교해보면 커먼레일 DI 엔진 의 경우 연료의 미립화와 연료공기 혼합이 촉진됨에 따라 accumulation 모드 입자의 경우 농도가 작아지 고, 평균 크기도 작아짐을 알 수 있다. 반면에 휘발성 물질이 흡착할 수 있는 accumulation 입자의 농도가 1.E±01
1.E±02 1.E±03 1.E±04 1.E±05 1.E±06 1.E±07
10 100 1000
Particle diameter (nm) 0%, DOC
0%, DOC±DPF 50%, DOC
50%, DOC±DPF 100%, DOC 100%, DOC±DPF
dN/dlogDp (#/cc)
Figure 8. Effect of ultra low sulfur diesel on the size distri- butions.
줄어듦에 따라 nuclei 모드 입자는 오히려 증가하였 다.
(3) 커먼레일 DI 엔진의 DOC 필터를 장착하였을 때, 고 부하 모드에서 급격한 nuclei 모드 입자의 증 가를 확인할 수 있었다. 이것은 고부하 모드가 됨에 따라 배기가스 온도가 급격하게 올라가고, DOC에서 의 산화가 촉진됨에 따라 황 성분이 산화하여 변환
(SO2→ SO3)되거나 재방출 됨으로써 배기가스와 함
께 배출되었기 때문이다. 배출된 황화합물은 배기라 인에서의 냉각과정 중 핵화와 응축을 촉진시키고 따 라서 nuclei 입자를 급격하게 증가시키게 된다. 이것 은 DPF를 추가로 장착하였을 때에도 마찬가지로, DPF에서 처리되지 못한 황화합물이 핵종으로 작용 하여 DPF 후단에서 nuclei 모드의 입자 생성을 촉진 시키기 때문이다.
(4) 초저황유를 사용함으로서 효과적으로 nuclei 모 드 입자의 발생을 억제할 수 있었으며, 따라서 DOC 및 DPF의 성능을 최적화하고 인체 유해 배출물을 효과적으로 제거하기 위해서는 DOC 및 DPF와 함께 초저황유의 사용이 필요할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 논문은 산업자원부에서 지원한 핵심기술개발사 업(차세대 성장동력)의 일환으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
참 고 문 헌
Bertola, A., Schubiger, R., Kasper, A., Matter, U., Forss, A., Mohr, M., Boulouchos, K., and Lutz, T. (2001).
Characterization of diesel particulate emissions in heavy-duty DI diesel engines with common rail fuel injection influence of injection parameters and fule composition, SAE Technical paper, SAE 2001-01-3573.
Koltsakis, G., and Stamatelos, A. (1997). Catalytic automo- tive exhaust aftertreatment, Prog. Energy Combust.
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