國 民 大 學 校 大 學 院 機 械 工 學 科

工 學 博 士 學 位 論 文

디 젤 기 관 에 서 입 자 상 물 질 여 과 장 치 에 의 한 기 관 성 능 및 배 기 가 스 특 성 에 관 한 연 구

A Study on Performance and Exhaust Gas Characteristics by Particulate Filter Trap in Diesel Engine

國 民 大 學 校 大 學 院 機 械 工 學 科

南 河 旭

200 0

디 젤 기 관 에 서 입 자 상 물 질 여 과 장 치 에 의 한 기 관 성 능 및 배 기 가 스 특 성 에 관 한 연 구

A Study on Performance and Exhaust Gas Characteristics by Particulate Filter Trap in Diesel Engine

指 導 敎 授 韓 英 出

이 論 文 을 工 學 博 士 學 位 請 求 論 文 으 로 提 出 함 .

2 00 0年 月 日

國 民 大 學 校 大 學 院 機 械 工 學 科

南 河 旭

200 0

南 河 旭 의

工 學 博 士 學 位 請 求 論 文 을 認 准 함 .

2 0 00年 12月 日

審 査 委 員 長 (印)

審 査 委 員 ^(印)

審 査 委 員 ^(印)

審 査 委 員 (印)

審 査 委 員 (印)

國 民 大 學 校 大 學 院

목 차

List of figures ⅳ

List of phot o ⅵ

List of t ables ⅶ

Nom enclat ur es ⅷ

Greek lett er s ⅸ

국문요약 ⅹ

Ⅰ. 서 론 1

1.1 연구의 배경 1

1.2 연구의 개요 및 목적 5

II. 디젤기관의 배출오염물질 및 저감기술 6

2.1 배출오염물질 생성원리 6

2.1.1 일산화탄소 7

2.1.2 탄화수소 8

2.1.3 질소산화물 11

2.1.4 황산화물 15

2.1.5 입자상물질 16

2.1.6 스모크 19

2.2 후처리 장치 19

2.2.1 디젤산화촉매장치 20

2.2.2 입자상물질 여과장치 21

2.3 배기가스규제 및 개발동향 23

2.3.1 배기가스 규제현황 23

2.3.2 저공해기술 개발동향 25

Ⅲ. 입자상물질 여과장치 29

3.1 입자상물질 여과장치의 재생성능 29

3.1.1 입자상물질 재생성능에 미치는 인자 29 3.1.2 입자상물질 재생특성에 미치는 인자 32 3.1.3 입자상물질 재생특성에 미치는 인자의 이론적 해석 34

3.2 입자상물질 여과장치의 재생방식 38

3.2.1 연료첨가제방식 39

3.2.2 촉매처리방식 40

3.2.3 전기히터방식 41

3.2.4 버너방식 44

3.2.5 스로틀링방식 46

Ⅳ. 실험장치 및 방법 47

4.1 실험장치 47

4.1.1 실험기관 47

4.1.2 측정장치 47

4.2 입자상물질 여과장치 구성 및 재생 방식 52

4.2.1 전기히터방식 52

4.2.2 버너방식 56

4.2.3 연료첨가제방식 60

4.3 실험방법 64

4.3.1 기관 성능 실험 64

4.3.2 배기가스 성능 실험 64

4.4 배기가스 분석방법 66

4.4.1 입자상물질 66

4.4.2 미량유해물질 67

Ⅴ. 결과 및 고찰 70

5.1 기관 성능실험 70

5.2 배기가스 성능실험 75

5.2.1 입자상물질 및 스모크 75

5.2.2 가스상물질 82

5.2.5 미량유해물질 88

Ⅵ. 결 론 95

Refer ence 96

Li s t of fig u re s

F ig . 2.1 Distributions of particulate matt er 18 F ig . 2.2 EU development strategy for low emission control t echnology of heavy - duty diesel t ruck 26 Fig. 2.3 U.S.A. development strategy for low emission control technology of heavy- duty diesel truck 26 F ig . 2.4 EU developm ent str at egy for low em is sion control

t echnology of light - duty diesel truck 28 F ig . 3.1 Mechanical tr apping m echanism s 30 F ig . 3.2 Effect s of O² concentration on m aximum t em per atur e 34 F ig . 3.3 Oxygen balance in a DPF 35 F ig . 3.4 Reaction sy st em boundary around a portion of part iculat e st ock by exhaust gas flow 36 F ig . 3.5 S chem atic dr aw ing of fuel additive t ype 39 F ig . 3.6 S chem atic dr aw ing of electric heat er type 43 F ig . 3.7 S chem atic dr aw ing of burner type 45 F ig . 4.1 Schematic diagram of experiment al measuring apparatus 49 F ig . 4.2 S chem atic diagr am of electric heat er type DPF 54 F ig . 4.3 S chem atic diagr am of burner type DPF 58 F ig . 4.4 S chem atic diagr am of fuel additiv e type DPF 61 F ig . 5.1 E ngine per form an ce t est r esult s w it h an d w ith out DP F

(P ow er ) 72

F ig . 5.2 Engine perform ance t est result s w it h and w it hout DPF

(T or que) 73

F ig . 5.3 Engine perform ance t est result s w it h and w it hout DPF (F uel con sum ption r at e ) 74 F ig . 5.4 P M t est r esult for D - 13m ode 76 F ig . 5.5 B oundary r egion s of P M em is sion s allow able lim it s at

driving condition s 77

F ig . 5.6 Sm oke t est r esult for D- 3m ode 81 F ig . 5.7 CO t est result for D - 13m ode 83 F ig . 5.8 T HC t est r esult for D- 13m ode 85 F ig . 5.9 NOx t est result for D - 13m ode 87 Fig . 5.10 Unregulat ed emission test result for D- 13mode (SOF ) 89 Fig . 5.11 Unregulat ed emission test result for D- 13mode (Sulfat e) 91 F ig . 5.12 Unregulat ed em is sion t est result for D- 13m ode (BaP ) 92 F ig . 5.13 Unregulated emission t est result for D- 13mode(HCHO) 93

Li s t of ph ot o

P hot o 4.1 View of engine dynamomet er controller and exhaust gas

analyzer 50

P h ot o 4 .2 View of m ini dilut ion t unnel 50 Phot o 4.3 View of engine dynam om et er equipped with electric

heat er type DPF 54

Phot o 4.4 View of engine dynam om et er equipped w ith burner

type DPF 57

P h ot o 4 .5 View of engine dynam om et er equipped w ith fu el addit iv e ty pe DP F 61

Li s t of t ab le s

T able 2.1 Exhaust emission standard of heavy- duty diesel vehicle of

ea ch count ries 24

T able 2.2 Exhaust emission standard of diesel passenger car of

each countries 24

T able 4.1 Specifications of t est engine 47 T able 4.2 Analy sis compounds and apparatus of unregulated

emissions from diesel engine 51 T able 4.4 Specification of cer amic filt er 53 T able 4.4 Major specificat ion of ceram ic filt er 58 T able 4.5 Driving condition of D- 13 m ode 65 T able 4.6 IC an aly sis con dit ion of su lfat e in die s el pa r t icu lat e

m a t t er 69

T able 4.7 Analy sis condition of aldehy de by HPLC 69

N om e n c l atu re s

A E n er g y of act iv ation for t h e r ea ction (N m/ k g ) C O₂bu lk Ox y g en con cen tr at ion in t h e bu lk flow (m ol) C _O2soot Ox y g en con cen tr at ion at t h e soot su rface (m ol ) C_p S pecific h eat at con st an t pr e s su r e (J/ K g ・K )

D L en g th of side of squ ar e ch an n el cr os s section (0.211 cm ) E Int er n al en er gy in r eact ion ch am b er (J )

H E nt h alpy (J )

K V elocit y con st ant of t h e r eact ion (m/ s ) K0 V elocit y con st ant (m/ s )

N Rat e of r eact ion (m ol/ s ) P _in Int ak e air pr es sur e P0 P r es sur e at or ifice in let P_{ou t} E x h au st g a s pr e s su r e

R Gen er al g a s con st an t (Nm/ k g/ K ) S S oot sur face ar ea (cm²)

Sh S h er w ood nu m b er T T em per atu r e (K ) t T im e (s )

V F low v elocit y (m/ s )

Gre e k le tt e rs

M a s s t r an sfer coefficient

in Den sit y of t h e su pplied ex h au st g a s (N/ m³・s )

O2 Ox y g en con cen tr at ion of t h e ex h au st g a s (m ol)

국 문 요 약

자동차 사용 대수의 급속한 증가로 인해 대기오염이 날로 심각해 지고 있다. 특히 자동차 배기가스는 대기오염에 지대한 영향을 미치 고 있어 전 세계적으로 이를 저감하기 위해 많은 연구를 진행하고 있으며 각 국에서는 디젤차량의 배기가스 중 가장 문제시되는 NOx 및 PM의 규제를 강화하고 있다.

우리나라는 연료비 절감 등의 이유로 선진국에 비해서 디젤차량 의 보유비율이 높으며, 디젤차량 보유 대수는 '90년 대비 ' 95년에는 2배, 현재는 2.5배로 증가함에 따라 디젤차량에서 배출되는 NOx 및 PM의 양도 NOx는 약 29%, PM은 약 22%로 증가하였고, 대기환경 에의 기여율 또한 1～4% 높아졌다.

따라서 본 연구에서는 NOx 및 PM 중 PM의 저감에 효과가 있는 입자상물질 여과장치에 관한 실험적 연구로서 먼저 디젤기관의 배 기가스 생성원리, 비교적 유망한 것으로 평가되는 입자상물질 여과 장치 등에 대한 후처리 장치, 입자상물질 여과장치에서 입자상물질 재생 특성에 영향을 미치는 인자 및 이론적 해석, 입자상물질 여과 장치의 재생방식에 대하여 파악하였으며, 실험에서는 입자상물질 여 과장치의 재생방식 중 전기히터방식, 버너방식 및 연료첨가제방식을 T / C식 11,000cc급 동일 디젤기관에 입자상물질 여과장치를 장착하 여 동일 운전조건시 3가지 방식을 기관성능 모드에서 장착 전・후 의 출력, 토오크 및 연료소비율에 대한 기관 성능과 배기가스 규제 모드인 D- 13모드에서 입자상물질, 가스상물질 및 미량유해물질을 측정 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 입자상물질 여과장치 장착에 따른 기관성능 실험결과 전기히터 방식은 약 1.2%, 버너방식은 약 3.7%, 연료첨가제방식은 약 5%

의 출력저하를 나타내어 입자상물질 여과장치의 적용에는 문제 가 없는 것으로 판단된다.

(2) 전기히터방식의 입자상물질 여과장치 장착에 따른 배기가스 분 석결과 PM은 75%, 스모크는 92%, CO 86%, T HC 59.6%, NOx 0.4% 저감되었다.

(3) 버너방식의 입자상물질 여과장치 장착에 따른 배기가스 분석결 과 PM은 80%, 스모크 92%, CO 3%, T HC 1% 가 저감되었으 며, NOx는 1.4% 증가되었다.

(4) 연료첨가제방식의 입자상물질 여과장치 장착에 따른 배기가스 분석결과 PM은 87%, 스모크 92%, CO 0.9%, T HC 14.9%저감 되었으며, NOx는 차이가 없었다.

(5) 디젤중량자동차의 PM과 스모크에 대한 국내 2002년도 배기가스 허용규제값인 PM 0.1g/ kW - h , 스모크 25%와 비교하였을 때, 3 가지 재생방식의 입자상물질 여과장치 장착시 PM은 약 0.04g/ kW - h, 스모크는 1%로서 허용규제값 이내에 충분히 만족 할 수 있음을 알 수 있었다.

(6) 입자상물질 여과장치 장착에 따른 미량유해물질 분석결과 입자 상물질 여과장치 장착 전・후에 관계없이 유사한 경향을 나타낸

반면 SOF와 HCHO는 전기히터방식이 가장 저감율이 우수하였 다.

(7) 3가지 재생방식의 입자상물질 여과장치 장착에 따른 기관성능 및 배기가스 특성에 대해 비교한 결과 전기히터방식이 가장 우 수한 결과를 보였다. 따라서 향후 실용화를 위한 여과장치 개발 방향은 전기히터방식이 되어야 할 것으로 생각되며, 본 논문이 여과장치 개발에 대한 방향성 제시와 개발의 기초자료로 활용될 것으로 판단된다.

Ⅰ . 서 론

1 .1 연 구 의 배 경

급속한 경제성장과 더불어 전 세계적으로 대기오염 문제가 심각 한 사회문제로 대두되기 시작하였고, 각 국에서는 공해방지차원에서 공해유발에 대해 강력한 규제를 실시하기에 이르렀다. 특히 문명의 발달과 함께 급속하게 증가한 자동차의 배기가스도 대기오염에 매 우 큰 영향을 미치고 있다.

특히, 대도시에서 교통량의 증가로 인한 자동차 공해가 대기오염 에 직접적인 영향을 미치고 있어, 선진국에서는 1970년대부터 자동 차 배기가스에 대해 법적으로 규제를 실시하고 있으며, 우리나라에 서는 1981년부터 배기가스 규제를 실시하고 있다. 이에 대처하기 위 해서 가솔린을 연료를 사용하는 자동차에서는 삼원촉매장치, EGR ( Exhau st gas r ecirculation ) 등의 개발을 통해 배기가스를 대폭 저감 시켜 크게 문제시되지 않고 있다.

그러나 경유를 사용하는 디젤차량의 경우 입자상물질(PM )과 질소 산화물(NOx )이 다량으로 배출되고, 더욱이 PM을 발암물질로 규정 됨에 따라 각 국에서는 디젤차량의 배기가스에 대한 규제를 매우 엄격하게 실시하고 있다. 따라서 디젤차량에서 배출되는 유해물질 저감에 관한 연구는 매우 중요한 과제 중의 하나이다.

그러나 현재 사용되고 있는 기관 중에서 디젤기관은 가솔린기관 에 비해서 연료소비율, 내구성, 출력, 열효율 등의 측면에서 우수하 여, 최근 디젤차량의 보유대수가 계속 증가하고 있으며, 그 이외에 선박, 중장비, 소・중・대형 트럭, 농기계 등에도 많이 사용되고 있

어 디젤기관에서 배출되는 유해물질의 양은 점점 증가하고 있다.

디젤기관에서 주로 배출되는 유해물질은 일산화탄소(CO), 탄화수 소(T HC), 질소산화물(NOx ), 황산화물(SOx ) 등 가스상물질과 입자 상물질(PM )로 구성되어 있다^{1 )}.

일반적으로 디젤기관은 과잉공기상태에서 연소하므로 CO와 HC는 크게 문제시되지 않으나 NOx 및 PM이 대도시 대기오염의 주범으 로 되고 있다.

현재 디젤차량의 배기가스에 대한 규제가 매우 엄격하여 가능한 한 기관을 개량하여 배기가스를 줄이고, 기타 대체연료 및 배기 후 처리 장치 등에 의해 배기가스를 저감시켜야 한다.

기관개량 방법으로는 디젤기관의 전자제어화, 연료분사압력을 증 가시키기 위한 방법^{2 ,3 )}등으로 개발되고 있으나, 1996년부터 배기가스 규제가 농도규제에서 중량규제로 전환되면서 그 규제값을 현재보다 절반이상의 저감을 요구하고 있어, 연료의 전처리 방법이나 기관개 량 등에 의한 저감으로는 향후 배기가스 규제값에 대응하기에는 불 충분^{4 )}하기 때문에 배기가스를 저감시키기 위한 후처리 장치에 대한 연구는 필수적이다.

배기 후처리 장치로는 원심분리기, 스크러브, 전기집진장치, 오일베 스 등이 연구되었으나 현재는 실용화되고 있지 못하고 있으며, 현재 비교적 우수하다고 평가되는 디젤산화촉매장치(DOC)와 입자상물질 여과장치(DPF ) 등이 국내・외적으로 연구되고 있다.

디젤산화촉매장치는 경유의 유황성분에 의해 많은 영향을 받으며, 특히 유황성분이 0.05%이하에서는 매우 높은 저감효율을 유지하지 만 그 이상의 유황성분을 포함하는 경유에는 저감효율을 크게 기대 하기 어려우며 CO 및 HC에 대한 저감은 큰 반면 PM 저감에는 한

계가 있다. 반면 입자상물질 여과장치는 어떠한 조건에서도 PM을 70～90% 정도 저감시킬 수 있어 PM에 대한 매우 효과적인 후처리 장치로 평가되고 있다.

입자상물질 여과장치는 1974년경 MAN사에서 최초 개발하여 실 험하였으며, PM에 대한 규제가 가속화되면서 미국, 이탈리아 등을 중심으로 입자상물질 여과장치에 관한 연구가 활발히 진행되고 있 다.

입자상물질 여과장치는 크게 PM 포집을 위한 여과재와 재생기술 로 크게 나눌 수 있으며 이에 대한 연구동향은 PM 포집을 위하여 여과재는 현재 세라믹 모노리스 여과재(Ceramic Monolith Filt er ), 세라믹 파이버 여과재(Ceramic Fiber Filter ), 금속 여과재(Sintered Met al F ilt er ), Sic 등이 개발되어 사용되고 있으나, 재생시 급속한 연소에 의한 열충격, 강도 및 내구성 등이 문제시되어 여러 여과재 에 대한 연구 및 실험이 진행 중에 있다.

그리고 재생방식에 대한 연구로 PM을 여과장치 내에 포집시켜 셀내에 축척되어 있는 상태에서 연소시키는 것으로 연료첨가제방식, 전기히터방식, 버너방식 및 스로틀링방식 등이 있고, 이 방식들은 모두 장단점을 가지고 있으나 현재 전기히터방식, 버너방식, 연료첨 가제방식 등이 가장 많이 연구되고 있다.

국내에서는 1990년대 초부터 국가지원 하에 국립환경연구원 자동 차공해연구소에서 꾸준히 연구되어 오다가 1990년 중반부터 만도기 계(주) 등 자동차부품업체에서도 활발한 연구가 진행되고 있으나, 입자상물질 여과장치의 여과재 내구성과 경제성 문제로 다소 실용 화에 어려움이 있는 것이 현실이지만 여과장치 내에서 PM을 완전 연 소시켜 제거할 수 있어 후처리 장치로서 향후 적용 가능성이 높다.

지금까지는 각각 배기량이 다른 기관에서 여러 가지 입자상물질 여과장치에 대한 연구가 많이 진행되어 왔으나 동일 배기량에서 다 양한 입자상물질 여과장치에 대한 성능을 비교 분석한 자료가 없어 재생방식에 따른 입자상물질 여과장치의 상호 비교 및 우수성 과 정량화 된 수치값들이 제시되지 않고 있는 실정이다.

1 .2 연 구 의 개 요 및 목 적

우리나라의 디젤차량 보유 비율은 다른 나라에 비해 매우 높기 때문에 디젤차량의 배기가스에 포함된 NOx 및 PM에 의한 대기오 염이 심각해지고, 특히 자동차가 밀집해 있는 대도시에서의 공해는 더욱 심각한 문제로 대두되고 있다. 또 우리나라는 디젤차량에 대한 배기가스 저감기술이 미흡하고, 더구나 관리소홀, 과적운행 등 대기 공해에 대한 인식부족으로 더욱 많은 배기가스를 배출하고 있다. 그 러나 정부에서 배기 기준치를 점진적으로 강화하면서 강력히 규제 하고 있어, 현재 각 자동차 제작회사에서는 기관개량과 후처리 장치 의 개발에 심혈을 기울이고 있다.

따라서 본 연구에서는 NOx 및 PM 중 PM의 저감에 효과가 있는 입자상물질 여과장치에 관한 실험적 연구로서 먼저 디젤기관의 배 기가스 생성원리, 비교적 유망한 것으로 평가되는 입자상물질 여과 장치 등에 대한 후처리 장치, 입자상물질 여과장치에서 입자상물질 의 재생 특성에 영향을 미치는 인자 및 이론적 해석, 입자상물질 여 과장치의 재생방식에 대하여 파악하였다.

그리고 실험에서는 입자상물질 여과장치의 재생방식 중 전기히터 방식, 버너방식 및 연료첨가제방식을 T / C식 11,000cc급 동일 대형 디젤기관에 입자상물질 여과장치를 장착하여 동일 운전조건시 3가 지 방식을 기관성능 모드에서 장착 전・후의 출력, 토오크 및 연료 소비율에 대한 기관 성능과 배기가스 규제모드인 D- 13모드에서 입 자상물질, 가스상물질 및 미량유해물질을 측정 비교 분석하여 어떤 방식이 비교 우위에 있는지 정량적으로 분석 평가함으로써 향후 입 자상물질 여과장치의 실용화 및 국산화 연구에 방향성을 제시하고 자 하였다.

II . 디 젤 기 관 의 배 출 오 염 물 질 및 저 감 기 술

2 .1 배 출 오 염 물 질 생 성 원 리

디젤기관은 공기를 기관의 실린더 내에 흡입, 압축시키고 소량 의 경유를 분사펌프에 의해 실린더내에 분사시켜 , 압축연소라는 자연착화를 일으켜 경유를 연소시키는 기관이다 . 이 때 공연비는 보통 17～ 100 : 1의 범위에 있으므로 산소가 충분한 상태에서 연 소가 일어나 CO 및 H C의 배출이 가솔린기관보다는 적으나 NOx 배출은 상대적으로 많게 된다^{5 )}. 또한 경유는 연료로 사용하는 디 젤기관에서 연료는 연소가 시작하기 전에 실린더 내로 분사되고 대부분 사이클의 T DC부근에서 연료분포는 불균일하며 배기가스 의 형성과정은 연료분포와 시간에 따라 연료분포가 어떻게 변화 하는가에 달려있다 . 디젤기관의 배기가스 중 CO의 생성은 주로 연소시 산소의 부족으로 인하여 발생하며, H C의 생성은 연료가 낮은 온도의 연소실 표면에 접촉해서 연소가 진행하지 않는 미 연 H C, 혼합기가 과희박영역에서 소염 (Qu en chin g )에 의한 미연 H C 및 분사말기 노즐 색 (N ozzle sa ck )에 의한 H C 등 3 가지의 원인에 의해서 생성된다 . 그리고 NOx 는 고온의 연소가스 영역에 서 형성되고 NOx형성속도는 이론공연비에 가깝게 될 때 최고로 된다 . 스모크 (Sm ok e )는 분사된 연료에서 농후한 미연연료에 들 어있는 핵 (Cor e)에서 형성되고, 그 후 화염영역에서 연소실내에 남아있는 산소와 접촉할 때 다시 산화된다 .

2 .1 .1 일 산 화 탄 소

CO는 주로 연소시 산소의 부족으로 연료가 불완전연소하여 발 생한다 . 즉, 2O + O² → 2CO로 되며 기관에 공급되는 혼합가스의 공연비에 좌우되기 때문에 CO의 발생을 감소시키기 위해서는 희 박상태로 연소시키면 CO를 감소시킬 수 있다 . 가솔린의 경우는 이론공연비 혹은 이론공연비 보다 약간 과농한 상태에서 운전되 기 때문에 CO가 디젤기관보다 더 많이 배출되며 디젤기관의 경 우는 희박상태 (1.2～ 10정도의 공기 과잉률 )에서 연소되기 때문에 CO가 적게 생성된다 . 디젤기관에서 과농상태에서의 배기가스 CO농도는 연공비 (등가비 )의 증가와 함께 점차로 증가하며 과희 박혼합에서 배기가스의 CO농도는 등가비와 함께 거의 변하지 않 지만 팽창과 배기과정 동안 연소실 벽면에서의 퇴적물이나 윤활 유 그리고 연소실에서의 틈으로 부터 나오는 미연H C가 부분적으 로 산화될 때 CO가 발생하여 증가할 수 있다 .

CO형성은 H C연소 메카니즘에서 주요 반응단계 중 하나이며 다음과 같은 경로를 통해 CO가 형성된다 .

R H → R → R O₂→ R CH O→ R CO→ CO

여기서 R은 HC기를 나타내며 이런 경로를 통해 연소과정에서 형성된 CO는 낮은 속도로 CO²로 산화된다 .^{6 )}

산소가 부족한 영역에서 CO농도는 Water gas equation 에 지배 되며, 공기가 충분한 영역에서는 산소와의 주 반응식에 따른다.

Reaction equation in air : C O + 1/ 2 O₂ C O₂

W at er g a s equ at ion : C O + H₂O C O₂ + H₂(1600～1700K )

앞서 설명한 바와 같이 CO를 저감시키는 방법은 희박상태로 연소시키는 방법 이외에 흡기밸브를 통해 들어가는 공기가 균일 하게 실린더 내로 들어가도록 하는 방법 및 가・감속시 연료의 적절한 제어를 통해 연소실에서 CO를 최대한으로 감소시킬 수 있다 .

2 .1 .2 탄 화 수 소

디젤연료는 가솔린연료보다 높은 비등점과 분자량을 가진 H C를 포함하고 있으며 또한 실제적으로 연료혼합물의 열분해 는 연소과정 동안 연료가 분산되기 전에 발생한다 . 미연의 H C 와 디젤기관의 배기가스 중에 부분적으로 산화된 H C는 가솔린 기관보다 더 복잡하고 더 큰 분자크기 범위로 확장된다 .

디젤기관의 연소실 내에서의 H C생성 메카니즘은^{7 )} 두 방향 즉, 착화지연기간 동안 분사된 연료에 의한 것과 연소가 진행 하는 동안 분사된 연료에 의한 것으로 크게 나눌 수 있으며 , 먼저 착화지연기간 동안 분사된 연료에 의한 H C생성 메카니즘 은 국부적인 과희박상태와 과농상태 및 가연성상태로 나누어지 고 여기서 , 연료와 공기가 혼합하여 국부적인 과희박상태와 과 농상태는^{8 )} 화염전파 또는 점화가 일어나지 않거나 느린 반응에 의해서 불완전 연소생성물을 만들 수 있고 국부적인 과농상태

는 가연성 혼합물로 인해 점화와 화염발생이 일어나 완전연소 생성물을 배출한다 . 가연성 상태에서는 연소실벽면의 소염으로 인해 불완전연소 생성물을 배출한다 .

연소가 진행하는 동안 분사된 연료에 의한 HC 생성 메카니 즘은 연료가 우선 열분해를 거쳐 열분해의 생성물을 만들거나 이 생성물은 가연성 혼합과정을 거쳐 연소실벽면의 소염에 의 해 불완전연소 생성물을 만들며, 또한 이 가연성 혼합상태는 국부적인 과농상태로 되어 불완전연소의 생성물을 만든다 . 또 다른 반응은 연료에서 가연성 상태로 되어 화염에 의해 완전연 소 생성물을 만들기도 하며 가연성 상태에서 국부적인 혼합을 거쳐 화염전파 또는 점화가 일어나지 않거나 느린 반응에 의해 서 불완전연소의 생성물을 생성하기도 한다 .

마지막으로 연료에서 느린 혼합 또는 산소부족으로 인해 국 부적인 과농상태로 되어 화염전파 또는 점화가 일어나지 않거 나 느린 반응에 의해서 불완전연소의 생성물이 만들어지기도 한다 .

이상은 연소실내에서 발생하는 H C생성 메카니즘에 대해서 설명하였고 , 그밖에 디젤기관에서 H C가 발생되는 원인 중 윤 활유와 냉각수온도에 민감하여 직접분사식 디젤기관에서 온도 가 40^oC에서 90^oC로 증가될 때 H C는 거의 30% 감소한다 . 연 소실벽면에 스프레이 충돌 정도에 따라 화염의 벽소염과 실화 는 H C생성의 중요한 원인이 될 수 있고, 작동사이클 중 부분 적인 실화에 의해 H C가 발생하지만 정상조건하에서는 실화가 발생하지 않는다 . 그러나, 정상작동조건 하에서의 H C 배출은 연료가 그 지연기간 동안 희박연소한계 보다 더 희박하게 혼합

한 것과 연소과정후기에 연료분사 노즐에 남겨져 있는 연료가 주원인이다 .

특히, 저부하와 공회전영역에서 발생되는 HC가 고부하영역 에서 발생되는 H C보다 더 많이 발생된다 . 정상적인 연소에서의 HC발생요인은 공연비가 과도하게 농후하거나, 희박한 두 경우를 고려할 수 있다. 초희박(Overlean)영역에서 산화반응이 느리기 때문에 반응이 제대로 끝나지 못하여 미연소연료, 연료분해생성물(Fuel decomposition product s), 부분산화물(알데히드, 옥시탄트) 등이 생 성된다.

초희박영역에서의 HC발생농도는 점화지연기간 동안 분사되는 연료량과 분사된 연료가 공기와의 혼합되는 비율에 크게 지배된 다. 즉, 점화지연기간에 분사되는 연료가 많거나 또는 점화지연기 간이 길면 HC발생량이 증가한다. 반면 분사된 연료가 과농하게 되는 경우는 노즐의 틈새체적(Sac volum e)에 남아 있던 연료가 연소과정 후기에 느린 속도로 분사되는 경우와 연료가 처음부터 연료실에 과도하게 공급되는 경우의 두 가지로 볼 수 있다.

2 .1 .3 질 소 산 화 물

NOx는 NO, NO², NO³, N²O, N²O³, N²O⁴ 및 N²O⁵ 등이 존재하는 것 으로 알려져 있으나, 대기 중에서 검출되는 것은 N²O, NO 및 NO² 등 이다. NO나 NO²는 독성이 있고 대기 중에서 광화학반응을 일으키지 만, N²O는 무독성이며 광화학반응과 관계가 없기 때문에 N²O는 대기 중에 상당한 양이 존재하나 환경오염물질로 간주되지 않는다.

자동차에서 배출되는 NOx 중에서 90% 이상은 NO 상태이며, 대기 중으로 방출된 NO는 다음과 같이 NO²로 산화되며 광화학 스모그

(Phot o chemical sm og ) 현상을 일으킨다^{9 ,1 0 )}.

N O + O3 N O2 + O2

연소 중 배출되는 NOx는 반응된 질소의 종류와 이 질소를 산화시 키는 화학반응에 의해서 분류하면^{1 4 )}, T herm al NO 생성은 연소용 공 기중의 산소가 고온에서 유리되어 연소용 공기중의 질소분자를 산화 시켜 생성되며, Prompt NO 생성은 연소시 연료에서 발생되는 탄화수 소기가 연소용 공기중의 질소와 반응하여 생성된다. 또한 Fuel NO 생 성은 연료에 존재하는 화학적으로 결합된 질소성분이 연소과정에서 산화되어 생성된다.

1 ) T h e rm al N O

연소과정에서 대기중 질소에 의한 NO생성은 많은 연구자들이 오래 전부터 연구하여 왔으며, 이에 관한 최초의 연구는 1946년 Zeldovich^{1 1 )}

에 의해 이루어졌다. NO생성의 주된 반응식은 Zeldovich m echanism 이라고 알려진 식(2.1～3)으로 주어진다. 일반적으로 이 반응식은 연 료와 공기의 혼합물이 이론공연비 부근 또는 연료가 희박한 상태에서 연소될 때 잘 적용된다.

(2.1) O₂ 2O

(2.2) O + N2 N O + N

(2.3) N + O₂ N O + O

일반적으로 연소가스중 산소분자는 1700℃전후의 고온에서 식 (2.1) 의 분해반응에 의해 산소원자를 생성하게 된다. 이 산소원자와 질소분 자가 반응하여 식(2.2)의 NO를 생성하고 동시에 질소원자를 유리한 다. 이 질소원자는 산소분자와 반응하여 식(2.3)의 NO를 생성하고 산 소원자를 발생시켜 연쇄반응을 일으킨다.

Lav oie et al.^{1 2 )}은 연료에 대한 산소의 비율이 적어지는 경우 식 (2.2)의 속도가 느려지게 되고, 이 상태에서 OH기가 존재한다면 식 (2.4)의 반응도 NO생성에 기여한다고 제안하였다.

(2.4) N + OH N O + H

식(2.2), (2.3) 및 (2.4)를 합하여 Extended Zeldovich mechanism이 라고 부른다. T hermal NO의 생성은 연소온도와 연소영역에서 산소농 도가 높을 때, 고온영역에서 연소가스의 체류시간이 길 때 증가한다.

온도가 일정할 때 공연비가 감소할수록 NO의 평형농도는 증가하며

공연비가 일정할 때는 온도가 증가할수록 NO의 평형농도는 증가하 나, 실제 연소계에서는 약간 희박한 경우에 얻어진다. 즉, 연료의 농도 가 약간 높을 경우 연소계의 온도가 최대가 되지만 연료에 의해 우선 적으로 산소가 모두 소비되어 버린다. 또 공연비가 작아져서 산소 농 도가 증가할지라도 온도저하로 인한 NOx생성 억제효과가 산소과잉 에 의한 NOx생성 촉진효과를 능가하므로 NO농도는 떨어지게 된다.

2 ) P ro m pt N O

F enim or e^{13 )}는 에틸렌과 공기의 예혼합가스를 다공판을 사용한 버 너에서 연소시켜 얻은 평면 화염면에서 상당한 양의 NO가 급격히 생 성됨을 발견하고 이를 Prompt NO라고 명명했다. Prompt NO의 생성 기구를 식(2.5)에서 (2.9)까지 나타내었다.

(2.5)

C H + N2 H C N + N

(2.6)

H C N + O N CO + H

(2.7)

N C O + H N H + CO

(2.8)

N H + H N + H₂

(2.9)

N + OH N O + H

Pr om pt NO의 생성은 연료의 농도가 낮은 화염에서는 Zeldovich m echanism 에 의해, 연료의 농도가 높은 화염에서는 탄화수소기에 의 한 F enimore mechanism에 의해 연소영역에서 형성된다. 연소영역 부 근에서 NO의 생성율이 평형상태에서보다 다소 클지라도 실제 연소장

치에 있어서 이러한 영역은 화염 후류 영역에 비해 작은 영역이므로, T herm al NO나 F uel NO보다 중요하지 않게 생각한다.

3 ) F u e l N O

F uel NO는 연료 속에 화학적으로 결합되어 있는 질소성분이 연료 중에 NOx로 전환된 것이다. 이론혼합비 또는 산소가 부족한 경우는 연료 중에 함유된 질소성분이 실험적으로 거의 Fuel NOx로 전환되고 이 반응은 연소반응과 같은 속도로 일어난다.

그러나, 연료가 과잉인 경우에는 연료 중에 결합된 질소가 우선적으 로 HCN이 되고, 이어서 다른 중간생성물로 전환되어 결국 Fuel NO 가 생성된다. 또한 T hermal NO와는 달리 온도의 영향을 받지 않으나

14 ), 연료 중에 포함된 질소의 양이 증가함에 따라 전체 NOx생성량은 증가하며 NOx로의 전환율은 감소한다. Fuel NO는 연료전환과 산소 의 분압저하에 의해 저감될 수 있다^{15 )}.

대부분의 연소장치에서는 T herm al NO가 NOx의 대부분을 차지하 지만 유기질소 화합물을 다량으로 함유하고 있는 중유나 석탄을 연소 시킬 때는 Fuel NO가 중요한 NOx의 생성원인이 된다. Fuel NO에 대 해서는 연료중의 질소는 아직 명확하게 그 메커니즘이 밝혀지지 않아 서 억제대책에 대해서도 뚜렷한 결론이 나오지 않은 상태이며, NOx 의 생성에 영향을 미친다고 생각되는 연소영역의 산소농도를 저하시 키는 방법을 사용하고 있다.

2 .1 .4 황 산 화 물

황은 연료의 정제 처리 조건에 따라, 함유량이 크게 다르나 탈황 기술의 향상에도 불구하고 완전히 제거한다는 것은 기술적인 어려 움이 있다. 이들 미량 황성분은 연소시에 SO²와 SO³로 되어 강한 흡착성에 따라 촉매표면에 흡착해서 활성저하를 가져오며 또한 오 염물질 면에서도 중요한 문제로 되고 있다.

가솔린연료의 경우, 황함유량이 거의 0.001% 이하로 매우 적어 별 문제가 되지 않으나, 디젤연료는 가솔린 연료에 비해 황성분을 매우 높게 함유하고 있어 연소시에 SO^x가 많이 발생되며 SO^x가 적게 발 생되더라도 산화활성의 저하에 영향을 미친다. Yao^{1 6 )} 등은 CO 및 에틸렌 산화활성과 SO²에 의한 피독효과와의 관계를 연구하여 수 ppm이하의 존재에도 산화활성에 많은 영향을 미친다는 사실과 그리 고 Summ er^{1 7 )}는 SO² 피독효과는 귀금속 촉매의 NO환원과 탄화수소 보다도 CO쪽이 영향을 받기 쉽다고 밝히고 있다.

촉매에 의해 생성된 이 황산화물은 수증기 등과 결합하여 황산 (H²SO⁴)을 만들어 산성비 등의 피해를 입히고 그 자체가 결정성장 의 핵을 제공하게 되어 PM을 증가시킨다. 또한 촉매의 피독인자로 작용하여 촉매 후처리 장치의 성능저하는 물론 후처리 장치에 침착 되어 배압증가 등의 폐해를 입힌다.

S O^x의 발생량은 연료 중의 황중량농도에 기인하며 디젤기관의 배 기가스에 큰 영향을 미치는 인자로서 입자상물질의 증가와 대기의 산성화에 영향을 미친다. 그러므로, 황산이 디젤 촉매에 영향을 주 는 인자들을 제거하기 위한 방법이 많이 시도되었고 한 예로서 산 화알루미늄촉매를 사용함에 있어서 황은 높은 온도범위에서 알루미

늄황산의 형태로 저장되었고 반면에 황산은 낮은 온도 범위에서 촉 매 표면층에 흡수되거나 고착되며 비록 높은 온도에서 알루미늄황 산의 형태가 비교적 안정할지라도 낮은 온도 범위에서 저장된 황산 은 온도가 올라갈 때 쉽게 제거가 된다. 또한 공회전 조건처럼 낮은 온도에서의 배기가스는 HC와 SOF가 고착되도록 하며 온도가 높아 지면 방출되지만 어떤 낮은 비등점을 가진 HC요소는 촉매에 의해 산화되는 것이 아니라 방출된다.

황의 저장에는 두 가지 요소 즉, 알루미늄황산의 형성과 안개형상 의 황산의 흡착이 있으며 낮은 온도에서 부착된 황산은 온도상승에 서 SO²나 황산으로 쉽게 방출되며 비록 형성된 황산이 안정할지라 도 그것은 온도가 500℃ 또는 그 이상 상승될 때 SO²나 황산의 농 도가 배기가스에서 낮을 때 SO², S O³ 또는 황산으로서 부분적으로 분해되거나 방출된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방안으 로서 담체(Washcoat )를 사용하지만 담체가 황산의 저장을 제어하는 데 효과적일지라도 촉매체적, 표면적 및 구멍크기 등과 같은 물리적 요소도 매우 중요한 인자이다. 또한, 황산 형성은 총 입자상물질의 저감에 역효과를 주고 인체에 유독한 물질이기에 디젤기관에서 디 젤산화촉매장치 적용의 중요한 핵심은 SOF저감능력과 경유을 황으 로부터 황산형성을 어떻게 제어하느냐에 달려 있다.

2 .1 .5 입 자 상 물 질

입자상물질 (PM : P articulat e m att er )이란 52^oC에서 디젤기관에 서 배출되는 배기가스를 희석시켜 필터여지에 포집된 모든 물질 을 의미하고 주로 연료나 윤활유의 불완전연소에 의하여 발생된

다 .^{1 8 ,1 9 )}

가솔린기관에서의 입자상물질은 주로 납, 스모크를 포함한 유 기성 PM 과 황산으로 구성되어 있고 ℓ당 0.15g 납을 첨가한 가 솔린 연료를 사용할 경우 P M 은 100～ 150 m g/ km 정도 배출하고 이때 배출되는 총 PM 의 25～60%가 납에 의한 것이다 . 따라서 무연 가솔린을 사용할 경우 가솔린 PM 은 거의 문제시되지 않지 만 디젤기관의 P M 의 양은 소형차인 경우 0.2～0.6 g/ km 며 , 대형 차인 경우 0.5～ 1.5 g/ km 정도 배출되어 이에 대한 저감대책이 필요하다 .

디젤기관의 PM은 보통 용해성유기물질(SOF : Soluble organic fr action )과 비용해성유기물질 (IOF : In soluble or ganic fr action )로 나눌 수 있으며, 이것은 기관의 작동조건에 따라 영향을 많이 받고 또한, 이들 P M 은 색에 따라 백연 , 청연 및 흑연 등 3종류로 나 눌 수 있다 . 용해성유기물질은 주로 경부하시에 발생되는데, 이는 낮은 온도에 의한 미연소, 부분연소 및 윤활유에 의해서 발생되 는 불완전연소물이고 비용해성유기물질은 대부분이 고부하시에 발생하며, 이 경우에는 연료가 과다하기 때문에 주로 탄소로 구 성되어 있다 .

P M 의 생성과정은 연료의 열분해, 핵생성, 성장, 흡수 및 응고 등의 과정을 거쳐 형성되며 , 이러한 과정이 시간적으로 중복되고 복잡하게 연관되어 있으므로 생성과정에 관한 많은 연구와 학설 이 제창되고 있다 . 1993년 Bagley S . T .^{2 0 )} 등은 PM 이 액체상과 고체상에서 유기성과 비유기성의 복잡한 혼합물로 구성되어 있 고 H C의 일부가 S OL (S olid )에 흡착되거나 혹은 가스상으로 존 재하는 현상을 제시하였다 .

PM 발생량은 연료량의 약 0.2～0.5% (중량)이며 대부분의 PM은 연료 탄화수소계의 불완전연소에 기인하고 일부는 엔진윤활유에서 발생된다. 배기가스온도 500℃이상에서의 배기가스 PM은 대부분 직 경 15～30㎚의 탄소(Carbon )입자 덩어리(Cluster )로서 H/ C=0.2～0.3 의 Dry soot이다. 반면 500℃이하에서는 H/ C=1.2～1.7의 SOF가 PM 에 흡착되어 있다. SOF는 미연탄화수소, 산화탄화수소(Oxygenat ed Hydrocarbon s ; ket ones, est er s , ether s , or ganic acides ), PAH s 등 으로 구성되어 있다. 또한 SO², NO², Sulfuric acid (Sulfat es )등의 Inorganic species도 PM에 응축되어 있다^{2 1 )}.

디젤기관에서 배출되는 PM분포상태는 중량기준(Accumulate m ode)으로 할 경우 입자직경 0.1～0.25㎛에 집중되어 있다. 이에 대응 하는 기술로 1200bar이상의 고압연료분사기술이 적용되고 있으며 PM저감 효과도 상당하다^{2 2 )}. 그러나, 수량기준(Nuclei m ode )으로 보면 F ig . 2.1에서 보듯이 입자직경 10㎚에 집중되어 있음을 알 수 있다.

F ig . 2.1 Dist ributions of particulat e m att er

2 .1 .6 스 모 크

탄소원자 12～22개 범위이며 H/ C 2의 연료가 연소에 의한 화학반 응으로 H/ C 0.1인 직경 20～30㎚의 입자 수 백개가 뭉쳐진 형태이 다. 디젤기관 스모크는 온도 1000～2800K, 압력 50～100mmHg조건에 서 수 10^{- 3}초 동안에 생성되며, 국부적으로 공기가 과부족한 곳에서 Long - chain m olecule의 산소부족에 따른 열분류(T herm al cr acking ) 에 의해 발생한다.

초기 입자는 연료분자가 열분해에 의해 탈수분 반응을 일으켜 스모 크2 3 ,2 4 ,2 5 )

전단계의 미립자핵을 생성하며 Acetylene과 Higher homolo - gogues (C^{2 n}H²)과 PAH s로 구성되어 있고, 직경이 2㎚이하의 초미립 자이다.

이 입자가 표면성장(Surface Growth ), 응집(Agglomeration ), 엉김 (Coagulation ), 합체(Aggregation) 등의 과정을 통하여 스모크로 성장한 다. 기관에서의 스모크 발생은 국부적 산소부족, 탈수분(Dehydration ), 분류반응(Cracking Reaction) 등에 기인한다. 또한 연소온도, 혼합기 운 동형태, 연료성분, 확산속도, 반응시간 및 연료미립도 등의 요인에 따 라 크게 변화한다. 디젤기관의 확산연소 중에 대량의 스모크가 발생하 며 연소후기의 화염 속에 포함되어 재연소가 발생하여 스모크가 급속 히 감소한다.

2 .2 후 처 리 장 치

자동차의 배기규제가 강화됨에 따라 기관내부에서의 유해가스 저감 기술만으로는 엄격한 규제를 만족시키기에는 한계가 있어 기관의 후

처리 장치의 적용이 불가피하게 되었으며, 그 후처리 장치에는 크게 가솔린차량에 적용되는 삼원촉매방식(T W C : T hree way cataly st )과 디젤차량에서 적용되는 디젤산화촉매(DOC : Diesel oxidation catalyst ) 및 디젤 입자상물질 여과장치(DPF : Diesel paticulat e filter trap )를 꼽을 수 있다.

2 .2 .1 디 젤 산 화 촉 매 장 치

디젤기관에서 주로 배출되는 PM의 성분은 크게 3 부분 즉, 탄소 분자가 물과 결합한 SOF , IOF 및 황산으로 구성되어 있고, 디젤산 화촉매장치는 디젤기관에서 배출되는 배기가스온도가 보통 100～

450^oC 정도이므로 산화시키는 것이 어려워 이 중에서 S OF 를 디젤 산화촉매장치 내에서 산화시켜 PM의 총 배출량을 감소시키는 것에 초점을 맞추고 있고 PM의 상태는 세 가지 상태 즉, 배기관에서 가 스상태, 배기관에서 연무(Mist ) 상태 또는 에어로졸(Aerosol) 상태, 그리고 미연소된 탄소입자 (Carbon Particulate) 표면에 흡착된 상태 등으로 존재한다.2 3 ,2 4 ,2 5 )

이 중에서 특히 두번째 상태와 세번째 상태에서 SOF는 하나의 입자상태로 행동하며 산화촉매장치 내에 들어가기 전에 가스로 남 아 있는 SOF는 촉매표면 위에 물리적으로 흡착된다. 일반적으로 가 스들의 물리적 흡착은 그 가스가 응축온도 가까이에 있을 때 촉매 표면 위에서 일어난다. Horiuchi^{2 6 )} 등의 연구에 의하면 300℃까지는 배기온도가 증가함에 따라 SOF의 산화가 증가함을 보여주었는데 이것은 저온에서는 SOF가 촉매 표면위에서 응축되거나 물리적으로 흡착되어 산화되는 것을 의미한다. 그러나 300℃이상에서는 SOF가

응축온도와는 떨어져 있어 물리적으로 흡착을 하거나 응축하는 것 이 감소하여 결국 SOF의 산화가 감소한다.2 7 ,2 8 ,2 9 )

Barris3 0 ,3 1 ,3 2 )

등은 어떤 물리적 활동성(Activity )이 채널내와 탄소 입자상에서 일어나는 것을 보여 주고 있다. 높은 비표면 탄소입자는 물리적으로 주위의 확산경계층으로부터 확산경계층의 표면에 있는 증기상의 탄화수소를 흡수한다. 이 경계층의 소모는 확산기울기를 일으키고, 이 때 탄화수소 분자들이 입자쪽으로 접근한다. 대부분 불완전하게 산화된 연료인 흡수된 탄화수소는 모아진 윤활유 방울 과 함께 PM의 유기부분의 형태가 되고 동시에 높은 비표면 담체 채널벽은 또한 반응 할 수 있는 종(탄화수소분자와 윤활유 방울)을 흡수한다. 반응할 수 있는 종이 고갈된 채널벽 표면 근처의 확산경 계층은 또 다른 확산기울기를 일으키게 한다.

따라서 질량이동은 탄소입자와 담체벽 두 뱡향으로 존재한다. 주 어진 온도와 종농도에서 충분한 시간이 주어지면, 흡수과정은 탄소 입자를 평형수준으로 도달하게 할 것이다. 이 평형값은 촉매적으로 활동하는 담체벽상에 흡수된 종의 산화에 의해 줄어질 것이다.3 3 ,3 4 ,3 5 )

2 .2 .2 입 자 상 물 질 여 과 장 치

PM 입자는 75%이상이 직경 1μm 이하의 미세입자이기 때문에 기 관지 등에 침투하여 장기간 잠재하며 특히 폐암의 원인으로 판명되고 있어 위해성에 대한 논란이 가중되고 있다. 따라서 디젤기관에서 배출 되는 흑연을 배기계에 있어서 포집, 저감하고 배기가스를 대폭으로 정 화하는 장치를 총칭하여 입자상물질 여과장치이라고 부른다. 이 장치 는 큰 입자인 흑연에서 미립자(10μm이하)까지 원리적으로 제거가 가

능하기 때문에, 세계 각지에서 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 또 이 제거방법은 디젤기관에 오래전부터 연구되어져 왔다. 그러면서, 본 격적인 개발은 미국에서 PM 규제가 검토되기 시작한 1970년대 후반 부터였다.

입자상물질 여과장치는 디젤엔진에서 배출되는 PM을 포집하여 태 우는 기술로 PM을 70%이상 저감할 수 있어 PM 저감 성능면에서 아 주 우수하다. 그러나 가격이 높고 내구성이 부족하여 실용화에 장애요 인이 되고 있다. 또한 여과재에 PM이 포집됨에 따라 기관에 배압이 걸리며 이것에 의하여 기관성능과 연료소비율이 악화된다.

기본적인 입자상물질 여과장치는 여과재와 재생장치 그리고 제어장 치로 구성된다.

2 .3 배 기 가 스 규 제 및 개 발 동 향

2 .3 .1 배 기 가 스 규 제 현 황

자동차회사에서는 저공해기관 개발에 많은 노력을 기울이고 있으 나 경제성과 기술적용의 한계성 등으로 회사에 따라 자동차 배기가 스 수준에 차이가 있다. 특히 배기규제치와 시험방법은 기관개발에 중요한 요인으로 작용한다. 배기가스와 관련된 규제 종류로는, 배기 관에서 직접 배출되는 유해가스인 CO, HC, NOx , NMOG, NMHC, HCHO, PM 및 스모크 등과 저온 시동시의 CO를 대상으로 하여 제 작자동차 배출허용기준과 운행차 배출허용기준으로 나누어 규제한 다.

또한 차량의 연료공급계통에서 증발되는 HC 증발가스 규제, 연료품질 기준, 배기가스와 주요부품의 정상작동 여부를 진단하는 OBD(On- board diagnosis)규제, 주유시의 증발가스 규제인 ORVR(On- board refueling vapor recovery), 연비 규제 등이 있다.

배기가스 규제모드는 전 세계적으로 크게 미국, 유럽, 일본방식으 로 나누어져 있으며, 규제치도 각 국에 따라 차이가 있다. 디젤중량 차량과 디젤승용차량의 배기가스 허용기준과 규제현황을 T able 2.1 과 T able 2.2에 나타내었다. 일반적으로 디젤차량의 경우 CO와 HC 의 배출이 작기 때문에 NOx와 PM에 대해서만 나타내었다.

T able 2.1 Exhaust emission st andar d of heavy - duty diesel v ehicle of each countries

Country

Application year

E m is sion st an dar d (g/ k w h )

T est m et h od

T r u ck Bu s

N Ox P M N Ox P M

Kor ea

1996 1998 2000 2002

11.0 6.0 6.0 6.0

0.9 0.25 0.25 0.15

11.0 9.0 6.0 6.0

0.9 0.5 0.1 0.1

D - 13

EU

1996(EURO2) 2000(EURO3) 2005(EURO4)

7.0 5.0 3.5

0.15 0.1 0.1

7.0 5.0 3.5

0.15 0.1 0.1

E CE 13

U.S .A.

1991 1994 1998- 2003

6.8 6.8 5.4

0.34 0.14 0.14

6.8 6.8 5.4

0.34 0.1 0.07

E P A T E S T

Japan 1994

1997- 2000

6.8 6.8

0.96 0.25

6.8 6.8

0.96

0.25 Japan 13

T able 2.2 Exhaust em is sion st andar d of diesel passenger car of each countries

Application years

Driving dist ance (years/

10⁴ km ) T est m ethod Unit

Emission t oler ation st andard

T HC NMHC CO NOx PM

Korea

93- 95 96- 99 2000～

5/ 8 5/ 8 5/ 8

CVS - 75 g/ km g/ km g/ km

0.25 0.25 0.25

- - -

2.11 2.11 2.11

0.62 0.62 0.62

0.12 0.08 0.05

U.S.A 87- 93 94- ' 02

5/ 8 5/ 8 11/ 10

F T P - 75 g/ m g/ m g/ m

0.41 0.41 -

- 0.25 0.31

3.4 3.4 4.2

1.0 1.0 1.25

0.2 0.08 0.10

EU 92이후 5/ 8 ECE - 15

+EUDC g/ km HC+NOx

0.97/ 1.13 2.72/ 3.16 - 0.14/ 0.1 8

Japan

90- 93 94- 9x 9x～

1/ 3 1/ 3 1/ 3

10.15 m ode

g/ km g/ km g/ km

0.62 (0.4) 0.62 (0.4) (0.4)

- -

2.7 (2.1)

2.7 (2.1) (2.1)

0.98/ 1.26 (0.7/ 0.9) 0.72/ 0.84 (0.5/ 0.6)

(0.4) - 0.34 (0.20) (0.08)

2 .3 .2 저 공 해 기 술 개 발 동 향

디젤차량에서의 배기가스중 문제가 되는 것은 NOx와 PM이다. 디 젤차량에 있어서도 가솔린차량과 마찬가지로 기관개량에 의해 오염 물질을 줄이고, 그래도 배출되는 오염물질은 후처리 장치의 적용으 로 저감시키려는 전략을 갖고 있다.

디젤차량의 배기가스 저감기술로는 크게 연소실 개선, 기관개량, 후 처리 장치 등이 소개되고 있다. 연료의 개선으로는 경유중 황함유량 을 낮추거나 90%유출온도 저감, 방향족 탄화수소함유량 저하, 세탄가 향상등이 요구되고 있으며 기관 개량기술로는 연소실의 개량(소형의 경우 부실식에서 직접분사식으로의 전환), 흡기계 개량(터보챠져, 인 터쿨러), 4밸브, 커먼레일, 유닛 인젝터등을 활용한 연료고압분사의 고 도화 등이 개발 및 실용화되고 있고, 후처리 장치로는 PM과 CO 및 HC 등을 줄이기 위한 입자상물질 여과장치, 디젤산화촉매장치가 있 으며 NOx만을 선택적으로 줄이기 위한 De- NOx , SCR등이 고려되고 있다. 이러한 배기가스 방지기술은 각 국에서 제시되고 있는 배기가 스 허용기준의 수준에 따라 기술별 적용성이 검토되고 있다.

F ig . 2.2와 2.3에서는 대형디젤차량의 PM 및 NOx를 줄이기 위한 미국 및 유럽의 규제대비 대응기술방안을 나타내고 있다. Fig . 2.2에 서 나타낸 바와 같이 EU의 대형디젤차량 저공해기술개발동향을 살 펴보면 현재의 EURO- Ⅱ규제에 대응하기 위해 연료분사시기조정, 공기과잉율조정, 흡기온도 최적화, 압축비 최적화등의 방법이 주로 사용되고 있으며 EURO- Ⅲ의 규제에 대응하기 위해서는 기관의 전 자제어화, 연료분사압력 1400～1800bar로의 고압분사, 고압축비, EGR 등이 검토되고 있다.

F ig . 2.2 EU developm ent strat egy for low emission contr ol t echnology of heavy - duty diesel truck

F ig . 2.3 U .S .A . dev elopm ent st rat egy for low emission contr ol t echnology of heavy - dut y diesel truck

2005년에 적용이 예상되는 EURO- Ⅳ 규제에 대응하기 위한 기술 로는 Cooled EGR 외에 입자상물질 여과장치, De- NOx 등의 후처리 장치 도입이 검토되는 것으로 보고되고 있다.

한편 미국의 규제대비 적용기술개발현황을 살펴보면 Fig . 2.3에서 나타낸 바와 같이 98년 규제에 대비하여 기관의 전자제어화, Reentr ant 연소실, EGR 채용 및 T C/ T I 등의 기술이 대응기술로 적 용되고 있음을 알 수 있다. 이처럼 대형디젤차량의 경우에서는 대형 차량 제작사들이 배기규제에 대비한 중・장기적 기술개발을 단계적 으로 시행하면서 배기가스의 청정화를 추구하고 있다.

반면, 소형디젤차의 경우 연료의 직접분사식화는 이미 종료된 상 태이며 4륜구동, 인터쿨러화, 연료분사의 전자제어화 및 EGR의 도 입 등 적극적으로 새로운 장치를 개발함과 아울러 연소실 향상개량 에 대해서도 노력을 기울이고 있으며, 또한 장기적인 대응을 위하여 저회전시의 연료분사압력을 높일 수 있는 커먼레일(Common rail)의 보급도 진행시키고 있다.

현재 일본과 유럽 등지에서는 승용차량과 레저용차량 등에 탑재 하고 있는 3리터 이하의 소형디젤차량에 대해서도 직접분사식기관 으로 개발하기 위한 기술개발경쟁이 치열하다. Fig . 2.4는 유럽의 소 형디젤기관 저공해기술개발 현황을 나타내고 있다.

F ig . 2.4에서 보여주듯이 승용차의 디젤기관 비율이 매우 높은 유 럽에서는 배기가스・연비성능의 향상을 추구해온 EURO규제가 단계 적으로 강화되고 있으며, 2005년에 도입예정인 「Step 4」에 대해 대 응하는 것이 최대과제로 부상하고 있다. 일본의 소형디젤차의 개발전 략을 살펴보면「연비와 CO²」문제를 고려하여 디젤기관의 미래를 밝 게 전망하면서 기술개발전략을 부실식에서 직접분사식으로의 전환,

과급기술의 적절한 이용, 커먼 레일 등의 활용에 의한 분사장치의 고 도화 등을 추구하고 있다.

F ig . 2.4 EU developm ent strat egy for low emission contr ol t echnology of light - duty diesel truck

직접분사는 연소를 개선하여 배기를 청정화하는 방식이지만 전자제 어와의 일체화를 필수불가결한 조건으로 하고 있으며 커먼 레일에 있 어서도 직접분사압력을 더 한층 높임으로 저속에서 출력을 향상시키 고 배기나 진동 및 소음을 개선한다3 6 ,3 7 ,3 8 )

.

Ⅲ . 입 자 상 물 질 여 과 장 치

3 .1 입 자 상 물 질 여 과 장 치 의 재 생 성 능

3 .1 .1 입 자 상 물 질 재 생 성 능 에 미 치 는 인 자

1 ) 압 력 강 하

배기가스가 입자상물질 여과장치를 통과할 때 PM은 여과재 벽면에 여과되면서 계속해서 채널의 벽면에 층상형태로 침전되기 시작한다.

이때 계속해서 수집되면 PM층의 두께가 증가하면서 여과장치입구 채 널에서 여과장치출구 채널의 배기 유동을 방해하여 압력강하를 일으 킨다.

이 압력강하는 배기 시스템에서의 배압의 역할을 함으로써 기관 성 능 및 연료소비율에 많은 영향을 미치기 때문에 가능한 한 낮은 수준 으로 제어되어야 한다.

압력강하의 설정은 기관의 성능이나 조건에 따라 다르기 때문에 각 각 다르게 설정할 수 있다. 압력강하의 공식은 보통 다음 식으로 나타 낼 수 있다.

P = f ( V , , , D , , L )

위의 매개변수들은 제어할 수 있으며 필요한 여과 효율을 유지하는 데 균형을 이루어야 한다.^{3 9 )}

2 ) 입 자 상 물 질 여 과 효 율

PM의 여과효율은 여과장치의 성능에 직접적인 영향을 미치는 척도 이고, 소비자의 요구에 따라 여과장치 제조회사에서 설정할 수 있으 며 여과재의 다공성 구멍 크기와 PM을 여과할 수 있는 여과재의 표 면적의 크기에 따라 영향을 받는다. 포집과정은 Fig 3.1과 같이 크게 3가지 즉, 충격, 차단 및 확산으로 구성되어 있으며, 충격과 발산은 철 사 메쉬나 세라믹 섬유 트랩의 기본적인 여과 과정이다. 여과 효율이 클수록 PM의 축적 속도도 빨라진다.

여과 효율은 똑같은 기관 조건하에서 여과장치가 있을 때와 없을 때의 PM을 측정함으로써 결정되어진다. 따라서 여과효율은 다음과 같이 정의 될 수 있다^{4 0 )}.

F ilte r ing ef f icie n cy = P M ( w ith ou t tr ap) - P M ( w ith trap) P M ( w ith ou t tr ap)

F ig . 3.1 Mechanical tr apping m echanism s

3 ) 입 자 상 물 질 여 과 장 치 의 구 조

여과장치의 크기, 형상 및 여과재 재질의 특성 등은 여과장치의 재 생 성능과 여과효율에 매우 중요하다. 여과장치의 크기는 보통 엔진의 배기량과 비슷하게 두는데 배기량에 비례하지 않을 경우 즉 배기량에 비하여 작을 경우 PM이 빠르게 축적되어 압력강하가 빨리 일어나는 역효과가 발생한다. 또한 입자상물질 여과장치의 설계형상도 중요하 다. 여과장치는 충격에 매우 약하므로 재질을 단단히 고정시켜야 하고 단열을 시켜주어야 재생성능을 높일 수 있기 때문에 단열에도 주의를 해야 한다.

단열을 하지 못한 경우는 여과장치의 반지름 방향으로 진행될수록 열손실에 의해서 재생되지 못하면서 PM으로 채워 질 수 있기 때문이 다. 또한 여과장치내에서 PM이 배기 시스템의 기하학적 형상에 따른 이상적인 배기 가스의 유동에 의해 고르게 분포되지 않아 국부적으로 셀(Cell)내에 집중되었을 때 재생시 PM의 높은 발열에너지에 의해 그 주위에 여과재의 균열이나 용융을 일으킬 수 있어, PM을 고르게 분포 시키기 위한 장치로서 여과장치 시스템 내에 디퓨져(Diffu ser )를 설치 한다.

다공성과 벽두께가 여과 효율과 압력강하에 영향을 주지만 여과재 의 평균 구멍크기가 매우 중요하다. 평균 구멍 크기가 클수록 여과 효 율은 떨어지지만 압력강하는 낮다. 반면에 평균 구멍 크기가 작을수록 여과 효율은 향상되지만 압력강하는 증가된다.

이외에 평균 구멍 크기는 PM의 축적에도 영향을 준다. 또한 같은 체적에 비해 여과재의 길이가 길수록 압력 강하는 감소하고 열 손실 은 증가한다. 따라서 여과장치의 성능이나 효율을 높이기 위해서는 여

과재의 체적, 평균구멍크기 및 길이 등을 조화있게 만드는 것이 중요

하다.^{4 1 )}

3 .1 .2 입 자 상 물 질 재 생 특 성 에 미 치 는 인 자

1 ) 유 동 속 도

여과장치내에 축적된 PM의 양, 여과장치 입구 온도 및 산소농도가 일정할 경우 재생시 여과장치내의 최고온도는 배기가스의 유속이 증 가함에 따라 감소한다. 여과장치의 내구성을 높이기 위해서는 가능한 한 높은 유동속도에서 재생하는 것이 바람직하고 만약 재생기간동안 에 갑작스런 아이들링 현상에 의해 유동속도가 느리고 많은 산소가 공급될 경우 필터에 손상을 일으킬수 있기 때문에 유동속도를 적절히 제어해야 한다.^{4 2 )}

2 ) 축 적 된 입 자 상 물 질 의 양

축적된 PM의 양에 따라 압력강하가 결정되고, 또 압력강하에 의해 서 재생시기를 결정하게 된다. 축적된 PM의 양이 증가할수록 PM의 높은 발열에너지에 의해 고온의 배기가스 온도가 되어 균열이나 용융 을 일으킬 수 있어 특히 주의해야 한다. 또한 배압이 증가하면 기관 성능에 악영향을 미치므로 가능한 적게 축적된 상태에서 재생시키는 것이 기관 및 여과장치의 내구성 측면에서 바람직하다.^{3 8 )}

3 ) 배 기 가 스 온 도

여과장치에 축적된 PM을 재생시키는데 중요한 요소중 하나는 배기 가스 온도이다. 정상적인 공기에서 탄소는 약 850～900K에서 점화된 다. 그러나 디젤기관에서 배출되는 배기가스 온도는 보통 550～650K 정도이므로 PM을 재생시키기에는 온도가 낮다. 따라서 축적된 PM을 재생시키기 위해서는 배기가스 온도를 높이는 방법을 사용한다. 배기 가스 온도가 높을 수록 재생이 빠르며 완전 재생이 가능하다.

반면에 배기가스 온도가 높으면 여과장치의 내구성에 영향을 주기 때문에 배기가스 온도를 적절히 제어해야만 한다. 여과장치의 최대 온 도는 배기온도의 증가와 함께 지수적으로 높아진다. 이것은 다음의 Arreniu s 방정식인 가스 온도와 입자상물질 연소율과 지수적인 관계 와 일치한다.^{4 2 ,4 3 )}

Com bu stion ve locity of p a r ticu la te m a tte r ∝ O₂ ex p

(

)

4 ) 산 소 농 도

재생에 있어서 O²농도에 따라 재생이 가능하며 재생을 O²농도로 제 어할 수 있다. 즉 여과장치 내에서 최대 온도는 O²농도가 증가했을 때 증가하여 결국 여과장치 내에서의 온도 상승에 영향을 준다. O²농도 는 약 2% 이상일 경우 재생이 가능하고 보통 5%이상이면 좋은 재생 효과를 나타낼 수 있다.^{3 6 )} F ig . 3.2는 O²농도와 재생시 여과장치의 최 대온도와의 관계를 나타내고 있다.

F ig . 3.2 Effect s of O² concentration on m aximum t em per atur e

3 .1 .3 입 자 상 물 질 재 생 특 성 에 미 치 는 인 자 의 이 론 적 해 석

PM은 탄소와 산소가 결합할 때 반응속도는 다음 식으로 표시된다.

C + O₂ C O₂

dNsoo t

d t = dNO₂

d t = - dNC O₂

d t = - K S C_{O2 s oot} (3.1)

여과장치 내의 배기가스의 유동으로부터 PM 표면까지 Fick의 제 1법칙에 의한 산소의 확산속도는 확산을 일으키는 성분의 농도차에 비례한다.

dNO2

d t = - S ( Co_{2 bu lk}- Co_{2 so ot}) (3.2)

여기서, S_h= d

d ,S_h= 2에서

N_{O2 =} - 2D

d S ( C_{o2 bu lk}- C_{o2 so ot}) (3.3)

dD_O2

d t = N_O2in- N_{O2o u t}- N_{soo t} (3.4)

정지되어 있는 경우 경계내의 N_O2의 양은 변하지 않는다.

따라서

dN_O2 d t = 0

N_soot= 2 ( N_O2in- N_{O2bu lk}) (3.5)

F ig . 3.3은 배기가스에서의 산소공급 과정을 보여주고 있다.

Ox y g e n - ric h e x h a u s t g a s

N O2

Ox y g e n - dif f i c i e n t e x h au s t g a s

N ^{O2 in} N ^{O2 o u t}

S o o t l ay e r ↖F ilt er trap

F ig . 3.3 Oxy gen balance in a DPF

어떤 입자의 반응속도는 다른 입자의 반응속도와 같아야 한다. 따라 서, 완전 반응속도는 다음과 같이 유도된다.

N_soot= - S _O2 P R TK

( 1

1 K + 1

+ S

V²_K

) (3.6)

에너지 균형의 반응계 경계는 다음의 Fig . 3.4와 같다.

msoot r ea ction H

mg as Cpin T in

R e a c t io n c h a m b e r

mg as Cpou t T ou t

( m Cp)soo t T in ( m Cp)soot T ou t

F ig . 3.4 Reaction sy st em boundary around a portion of part iculat e st ock by exhau st gas flow

시스템의 경계 내에 들어 있는 검사체적에서의 에너지 변화율은 다음 식으로 표현된다.

dE

d t = msoot, r e a c H + m_{g as}C_{Pg as}( T _in- T ) + msoo tmCP sootT in- msoot, r e a cCP soo tT

(3.7)