Chapter 8 Mechanisms of Pollutants from Engine Exhaust Emission

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Chapter 8 Mechanisms of Pollutants

from Engine Exhaust Emission

Prof. Byung-Chul CHOI

School of Mechanical Systems Engineering Chonnam Nat. Univ.

2

그림 8. 1 공연비에 따른 배출가스 배출정도

배기 오염물질을 지배하는 가장 중요 한 변수는 공연비 또는 연공비이며, 이것은 CO, NO, 알데히드. 미연 탄화 수소에 직접적으로 영향을 미침.

CH는 비교적 고온에서 산화.

NO 농도의 최고점이 1.0 이후에 나타 나는 이유는?

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3 0

0.25 0.5 0.75 1

0 5 10 15 20 25

time(ms)

그림 8.2 NO 생성에 미치는 온도의 효과 X/X_e _3000K

2500K 2600K 2800K

(F/A=0.9 , P=100atm , X=순간NO농도 , Xe=평형상태에서의 NO농도)

4 Rpm 이 낮을수록 NO₂농도가 증가.

Idling 시의 NO₂증가와 일치.

NO2 의 농도는 속력에 의존성이 크며 저 부하에서는 더 높아짐.

0 5 10 15 20 25 30 35

0 100 200 300 400 500 bmep (kPa) 그림 8.3 부하와 속력에 따른 디젤 엔진의 NO₂의 방출비

NO₂/NOx (%)

diesel 1680 rpm

2400

2800

1300

1000

2000

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5 EGR 율 15~20%정도에서 상당한 NO 감소가 이루 어지고 있지만, 허용한도는 부분부하에서 결정.

최고연료소비율에서 최고의 NO 배출을 달성하기 위해서는 이론공연비에서 운전되면서 EGR을 적절 히 사용.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0 5 10 15 20 25

EGR(%) 17 16 15

그림 8.4 공연비에 따른 EGR과 NO의 배출농도 NO (ppm)

A/F =

6 점화시기는 NO 배출에 큰 영향을 미침.

점화의 진각은 NO의 배출을 증가시킴.

평균엔진속도와 부하조건에서 크랭크축 10도의 지각은 일정출력에서 약 20~30%

의 NO 배출을 감소 시킬 수 있다.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

-10 0 10 20 30 40 50

Ignition timing

NO (ppm) 17

16 15

(crankshaft degree before TDC) A/F =

그림 8.5 점화시기에 따른 NO의 배출농도

(4)

7 0

1000 2000 3000 4000

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 fuel/air ratio 그림 8.6 연공비와 NO농도와의 관계

NOx

NO NO, NOx (ppm)

8

그림 8. 7 사이클 기간 중 미연탄화수소의 농도변화

반응성이 낮은 메탄을 많이 포함.

활성 탄화수소는 더욱 반응이 진행하여 알데히드, 케톤, 페놀, 알코올, 니트로 메탄과 에스테르과 같은 화합물로 산화.

연소실벽면에서 측정한 여러성분의 HC.

배기에서 측정한 값보다 높게 나타남.

주 연소반응과정에서 연소하지 못한 연 료가 전체적으로 산화.

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그림 8. 8 벽면퀜칭에 의한 미연 탄화수소 생성기구

9

소염거리에 의한 영향

-공간에서의 열전달보다 주위벽면으로 일어나는 열전달이 먼저 일어나 연료내 열전달이 제대로 이루어지지 못함.

그림 8. 9 4행정 불꽃점화 엔진의 HC, NO 및 CO 발생원

10

(6)

11

그림 8. 10 연소실에서 미연 탄화수소의 생성기구

12

그림 8. 11 디젤기관의 연소과정

디젤기관의 연소과정

1) 착화지연기간

2) 급속연소기간

3) 제어연소

4) 후연소기간

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Temp.

Temperature

Combustion process of Diesel Engine

분사된 연료입자는 압축된 고온의 공기 중에서 미립화, 증 발하므로 자착화 가능한 혼합비의 개소에서 착화

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Combustion process(Diffusion flame)

- Self-ignition : 분사된 연료입자는 압축된 고온의 공기 중

에서 미립화되고 증발하므로 자착화 가능한 혼합비의 개

소에서 연소 시작.

(8)

15

그림 8.12 디젤엔진의 연료분사 공연비 분포 및 매연발생정도

그림 8. 13 온도, 공연비 사이의 연료 액적 경로

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매연발생 중요 인자 : 온도, 공연비

A point : 연료 jet core

B point : 5% 소수액적 A에서 이동 매연 미발생 상태로 점화점 D 점 도달

- 연료가 지속적으로 들어 와 A⇒C로 이동 매연 발생 - 매연생성

(1) 낮은 온도에서 방향족, 고분자량 의 불포화지방성분-열분해-매연 (2)1800K 이상

-방향족 고리반응 응축반응-PAH

-느린 고리반응과 연쇄분열반응

(9)

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• 가스의 사이클.

1) 4행정 엔진 2) 2행정 엔진

Exhaust &

Intake Compression

Expansion & Exhaust

18

그림 8. 14 IAPAC 엔진

압축행정 중 압축공기를 이용한 연료분사.

분사밸브를 상부에 설치된 조그만 예연소실에 위치한 저압 인젝터가 높은 연공비의 예혼합기 를 분사.

소기식 보다 미연탄화수소 배출량 80-90% 저감

2 stroke SI Engine

2행정 기관 장점 -낮은 펌핑손실 -마찰손실

-연소주기 두 배(고출력) -단점

미연성분 배출 – 연비악화

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그림 8. 15 린번엔진의 p-v 선도

19

특징 :

펌핑손실 저감 : 동량의 연료 를 연소시킬 경우 내는 출력은 증가.

펌핑손실의 저감이 연비향상에 미치는 영향은 약 70%로 큰 비 중을 차지.

열손실 저감 : 연소 최고온도 강하

희박연소 엔진

20

그림 8. 16 펌핑손실의 비교

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21

그림 8. 17 린번엔진의 성능매칭도

매칭범위 중에 최고로 양호한 연비를 얻을 수 있는 점화시기를 선택하지 않으면 린번엔진의 본래의 연비향상에 역행

22

그림 8. 18 Honda CVCC 층상급기 엔진

흡기밸브에 작은 예연소실을 장착하여 층상급기혼합기를 형성.

층상급기를 하면 점화플러그 주위에 평균혼합기보다 더 농후한 혼합기로 점화가 쉬워지고 연소전파도 쉬워짐.

i-VTEC(variable timing and lift electronic control)

(12)

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그림 8. 19 종래의 가솔린엔진과 GDI 엔진 개념도 GDI ( Gasoline Direct Injection ) 엔진:

실린더 내에 직접 연료를 분사하는 엔진연료를 직접분사하기 때문에 공연비를 정밀하게 제어가능. 혼합기의 확산을 제어하여 적은 연료로서 고효율의 연소가 가능.

24

층상급기기관 연소실

· 초희박 공연비, 점화플러그 부근 이론공연비 실현 → 효율/HC 개선

· 난류 강화(Tumble/swirl) → 급속연소(효율 개선, HC 개선)

· 운전조건 영역별 공연비 제어 : 초희박, 이론/농후 공연비

Gasoline Direct Injection Engine(Mitsubishi System)

(13)

25

Gasoline Direct Injection Engine(Toyota System)

운전조건 영역별 공연비 제어

점화플러그 부근 이론공연비 난류 강화

26

그림 8. 20 난류제어를 위한 스월제어밸브

스월제어를 함으로써 공기의 흐름을 빠르게 함.

연료의 분사를 흡기관의 접선 방향으로 분사.

부하에 따른 공기유입을 제어.

: 단점 두 개의 제어 밸브, 고비용

(14)

27

그림 8. 21 대형디젤엔진의 전부하 최소연비의 경향

디젤엔진 배출가스 저감 대책

28

그림 8. 22 디젤의 PM과 증발가스의 모델 입자상 물질은 불용성성분과 가용성분(SOF)으로 구분.

불용성분에는 매연과 황산화물을 내포하고.

SOF는 미연 연료성분과 미연 오일성분을 포함.

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29

1 2 3 4 5

-15 -10 -5 0

매연농도

도 OC M

SC PC

4 5 6 7 8

-15 -10 -5 0 bmep (kg/cm2)

도 M OC SC PC

150 200 250 300

-15 -10 -5 0

bsfc(g/PSㆍh)

도 : 분사시기를 정규보다 늦춘각도 단위 : 중력단위

도 SC

M OC PC

0 5 10 15

-15 -10 -5 0

NOx + HC (g/PSㆍh)

OC : 직접분사식 PC : 예연소실식 SC : 스월실식 M : M 방식

도 OC

M

SC PC

그림 8. 23 디젤엔진의 분사시스템에 따른 엔진 특징

30 -30

-20 -10 0 10 20 30

-30 -20 -10 0 10 20

NOx 변화율 (%)

PM 변화율 (%)

그림 8.24 NOx 와 PM의 trade-off 관계 무과급

과급터보인터쿨

터보과급

(1)분사시기 지연으로 NOx 저감

(2)PM 증가

(16)

31

6 mode NOx, ppm 100

매연농도. % 10

1000rpm

Fig. 8.25 분가시기 지연 영향

0 5 10 15

Injection timing, BTDC

연비, g/kWh 20 고속

저속

PM, g/kWh 0.05

0 50 100

17 18 19

압축비

백연소멸시간, %

Fig. 8.26 압축비가 배출가스에 미치는 영향 압축비최적영역

압축비 높이면

(피스톤 간극 무용 체적)/(연소실 체적) 비가 증대 – PM, HC 증가

32

그림 8. 27 분사노즐 끝부 체적의 영향

Nozzle sac 의 용적을 작게 하면 연료분사 종료 후

이 Sac에 잔류하는 연료의 후적현상이 감소하며,

미연연료 때문에 발생하는 HC를 저감시킬 수 있다.

(17)

33

6 mode NOx, ppm

0 20 40 60 80 100 120 급기온도, ℃

연비, g/kWh

그림 8.28 급기냉각의 효과 고속

중속

10

34

6 mode NOx , ppm저속smoke농도, %

1 2 3 4 5

Swirl ratio

연비, g/kWh 고속

저속

스월비의 저감에 의해 통상적으로

고속영역에서의 성능은 개선되지만,

저속, 고부하 영역에서는 혼합기의

생성이 불충분하여 매연의 농도나

CO의 농도가 증가하는 경향을 보임.

(18)

35

그림 8. 30 리엔트런트형 온소실의 스월방향 속도분포

팽창행정에서도 스월 존재

-후연소 기간 개선 -PM 저감 효과

그림 8.31 노즐분공 교축시의 연소해석 결과 36

분사율, mg/deg열발생량, KJ연소실압력, MPa 열발생율, KJ/deg분사압, MPaIntake valve lift

고압연료 분사

-연료입경 미세화 -공기 혼합율 증대 -PM 저감

고압화 방법

-고압연료분사 펌프 -노즐 분공 소형화

분공 작을수록

-분무 미세화, 혼합기 생성 촉진, PM 저감 -예혼합연소량 증대 분무기간 길어

고부하에서 후연소기간 연소 악화

분공 작을수록

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37

연소실압력, MPa열발생율, KJ/deg 연소실압력상승, Mpa/deg분사압, MPaIntake valve lift

N=1000rpm 50% 부하

그림 8.32 파이롯트 분사시의 연소해석 결과 크랭크각도, deg

N=1000rpm 50% 부하

그림 8.32 파이롯트 분사시의 연소해석 결과 크랭크각도, deg

38

고압연료분사 압력 변화 추이

(20)

39

pilot pre mail after post

분사단계 효 과

Pilot 예혼합연소에 의한 PM 저감 Pre 주분사의 착화지연 단축에

의한 NOx와 연소소음 저감 After 확산연소의 활발로 PM 저감 post 배출가스 온도 상승효과,

후처리용 촉매의 활성화

40

Pilot injection 효과

(21)

41

Pre-injection 효과

42

After injection 효과

(22)

43

Post injection 효과

실린더내에서 연소

실린더 내벽에 부착

44

PM 입자 입경 분포

(23)

45

Particle size distributions for various engine speeds (Sulfur content = 12 ppm, P

_inj

= 100 MPa, Φ = 0.5)

1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09

10 100 1000

Diameter(nm)

dN/dlogDp(#/cm3)

1500rpm Before DOC

1500rpm After DOC 2200rpm Before DOC

2200rpm After DOC

3200rpm Before DOC 3200rpm After DOC

46

Particle size distributions according to fuel injection

pressure (Sulfur content = 12 ppm, Engine speed = 2200 rpm, Fuel injection at 9 ° BTDC, Φ = 0.5)

1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09

10 100 1000

Diameter(nm)

65 MPa Before DOC

65 MPa After DOC

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47

Particle size distributions for various equivalence ratios (Sulfur content = 12 ppm, Eng.speed = 2200 rpm, P

_inj

=100 MPa)

1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08 1.E+09

10 100 1000

Diameter(nm)

Φ 0.8 Before DOC Φ 0.8 After DOC Φ 0.5 Before DOC Φ 0.5 After DOC Φ 0.3 Before DOC Φ 0.3 After DOC

48

Particle size distributions for 2 kinds of sulfur contents of fuel (Engine speed = 2200 rpm, Φ = 0.5, P

_inj

= 100 MPa)

1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07

10 100 1000

Diameter(nm)

500ppm Before DOC

500ppm After DOC

12ppm Before DOC

12ppm After DOC

(25)

49

HCCI 엔진의 EGR율과 배기, 연비

스모크

(Homogeneous Charge Compression Ignition)

Diesel Engine 에서도

이론공연비 운전 가능

50

MK 엔진의 NOx 저감 특성

(Modulated Kinetics)

(26)

51

MK 엔진의 EGR율과 NOx, PM 배출 특성

52 200

400 600 800

NOx , ppm

Ne = 2000rpm 100%부하

연소소음 CPLSmoke배출농도, % 10%

0 10 20 30 40

W /F : 물 /연 료 비 (용 적 비 ), %

연비, g/kWh

그 림 8.33 에 멀 젼 연 료 의 효 과

10 g/kWh

물의 존재로 연소온도가 하강함과 동시에

물의 기화, 수증기에 의한 희석, 분무 관통

력의 증대, 분무에 공기의 도입강화, 연료

의 열분해의 억제 등의 작용으로 연료소비

율의 악화는 일어나지 않음.

(27)

그림 8. 34 물과 연료의 층상분사

53

물의 첨가에 의한 연료소비율의 악화는 일어나지 않지만 HC가 증가, 연료계통의 부식, 연료제조의 문제점등이 발생.

54 0

50 100

NOx, g/h

N_e = 1300rpm 80%부하

0 10 20 30 40

0 5 10 15 20 25

EGR율 (%)

Smoke배기농도 (%)

그림 8.35 EGR에 의한 NOx의 저감효과 50MP

100MP 분사압 120MPa

(28)

55 1

1.2 1.4 1.6

0 0.2 0.4 0.6

HC, g/kWh

엔진부하 80%

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.2 0.4 0.6

oil 소비율 (%)

PM, g/kWh

그림 8.36 오일소비량의 감소 효과 SOF

PM

56 -50

0 50

30 40 50 60

세탄지수

NOx 배출량변화율 (%)

STD 3′ 지연 6′ 지연

그림 8.37 세탄가가 배출가스에 미치는 영향 6모드 배출가스

점화시기

세탄가는 디젤의 본질인 자착화성의 지 표, 성능, 배출가스에 큰 영향을 미침.

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57 0

20 40 60 80 100 120

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

wt (%)

비 율 (%)

그림 8.38 연료중의 황성분이 황산화물 및 PM배출에 미치는 영향 13모드

PM

SOx

연료중의 황성분이 증가하면 황산화물 및 PM의 농도가 증가.

촉매를 사용할 경우 황성분은 촉매에 피 독작용을 하므로 연료중의 황성분을 졍 유과정에서 최소화할 필요가 있다.

58

그림 8. 39 크랭크 케이스 저장 시스템

(30)

59

그림 8. 40 캐니스터 시스템 (연료분사장치 장착 차량)

클린디젤 엔진 개념

1. Turbocharger

저속 영역에서 토크 급저하

 VGT(variable geometry T/B)

 2단 T/B

Engine

Exhaust Intake

Exhaust Air Inter cooler HP LP

By-pass valve EGR

cooler

torque

rpm 전부하 토크

2단 과급 영역

1단 과급 영역

(31)

클린디젤 엔진 개념

2. Common-rail Fuel Injection System - Solenoid type  Piezo type

120 140 160 180 200

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Injection Press (MPa)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Min. injection period (ms)

solenoid piezo Pilot 간격단축

nozzle needle속도 up

분사기간단축 Solenoid type

Piezo type

클린디젤 엔진 개념

3. 엔진 연소기술 (1) NOx-PM 동시저감

당량비(Φ)와 온도(T)의 관계(Soot-NOx생성 개념도)

2000K 연소온도 [K]

당량비(Φ)

2.0 Soot 생성영역

NOx 생성영역

당량비 2 이상 연소온도 2000K 이하

-고당량비 : HCCI 개념(예혼합) -저온연소 : HEGR

“저온디젤연소”

-착화시기 : 연료분사 후 착화지연  HEGR

Cetan No. 저하 압축비 저하

*엔진열효율저하 (>15)

(32)

클린디젤 엔진 개념

3. 엔진 연소기술 (1) NOx-PM 동시저감

Charging eff.와 EGR rate의 관계

NOx (g/kWh) 0 1 2 3 4 5 200

150 100 50

Soot (mg/kWh)

Rail Pres.=100MPa Charging Eff.=160%

EGR=16.2%

EGR=18.8%

EGR=39%

0 0.5 1.0 NOx (g/kWh) 100

50

Soot (mg/kWh)

EGR=43.6%

Y. Wakisaka(Toyota), JSAE Symposium (No.09-08), 2009-01

클린디젤 엔진 개념

3. 엔진 연소기술 (1) NOx-PM 동시저감

엔진 CRDI 이후의 압축비의 동향

‘94 96 98 00 02 04 06

압축비

20 18 16 14

:CR DI :etc.

H. Ogawa(Hokkaido U.), JSAE Symposium (No.09-08), 2009-0

(33)

클린디젤 엔진 개념

4. 배기 후처리기술 (1) CDPF

(2) De-NOx

- LNT : S 피독(연료 중 10ppm도 문제) S trap촉매 - urea-SCR : urea 보충 5000km 이상

0.7 2.0 3.38 4.5 0.25

0.18 0.027 0.01

DPF SCR, NSR

NOx (g/kWh)

PM (g/kWh)

Target Clean Diesel

NOx conv. %

Precious Metal loading 1^stG. DPNR Next G. DPNR S trap + DPNR

H. Ogawa(Hokkaido U.), JSAE Symposium (No.09-08), 2009-0 신장기(05-)

포스트신장기(09-)

66

Homework 5

1. 디젤기관의 연소과정에 대해 논하시오.

2. 디젤엔진에서 매연 발생 기구에 대해 논하시오.

3. 희박연소 가솔린 엔진이 이론공연비 운전 엔진보다 연비가 좋은 이유를 설명하시오.

4. 디젤엔진의 최소연비의 시대적 동향에 대해 조사해 보시오.

5. 클린디젤 엔진의 기술동향을 조사하시오.

(34)

67