배기가스 대책

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내연기관

메카트로닉스공학과

공학박사/교수 윤 천 한

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배기가스 대책

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배기가스 대책 1) 3원 촉매 장치

가솔린 자동차에 탑재된 가솔린기관은 공기와 연료가 미 리 혼합되어 연소실로 유입되고 압축과정 말기에 점화플 러그의 불꽃에 점화되어 연료 공기 혼합기가 연소하게 된다. 연소 가스는 고온, 고압의 상태로 되고 피스톤을 하강시켜 크랭크축을 회전시키고 연소된 배기가스는 배 기밸브를 통하여 촉매장치와 머플러를 통과하여 대기 중 에 방출하게 된다. 이 배기가스는 승용자동차의 급증과 더불어 대기환경을 오염시키고 인체에 악영향을 미치는 주원인이며, 이 배기가스의 주요성분은 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC), 황화합물(SO₂), 납화 합물, NMHC(Non Methane Hydro Carbon), 포름알데히

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 삼원 촉매(three way catalyst)

삼원 촉매는 배기가스가 촉매를 통과할 때 CO, HC는 산화에 의해, NOx는 환원에 의해 인체에 해롭지 않은 무해한 가스로 변화시켜 정화하는 장치이다.

촉 매 (catalyst) 는 세 라 믹 이 나 금 속 재 료 의 담 체 (substrate)와 이 담체에 와시코트(washcoat, Al₂O₃)를 코팅한 후, 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd)과 같은 귀 금속(precious metal)을 적정비율로 혼합하여 가장 바 깥에 도포하였다.

배기가스가 이 촉매의 귀금속과 접촉하여 화학적 변화 를 일으키게 된다.

백금은 주로 산화 반응을 촉진시키고 로듐은 환원 반응 을 촉진시킨다.

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 배기가스 재순환 장치

NOx 저감을 위해 배기가스 재순환 장치(Exhaust Gas Recirculation, EGR)를 사용한다. 배기가스의 일부를 운전영역별로 다르게 EGR 밸브를 통하여 흡기관으로 보내어 연소실로 유입시키는 장치이다. 배기가스를 연 소실에 유입시켜 신기 혼합기와 희석시키면 산소농도 를 감소시킴으로 인하여 연소가 활발하게 되는 고온상 태에서 발생하는 NOx를 저감시킬 수 있게 된다.

NOx는 저감되지만 반면 CO, HC는 증가하게 되고 연 비 및 출력 또한 악화된다. NOx 저감을 위해서라면 연 소실의 형상 변경과 더불어 이러한 손실을 최소로 감수 하여 배기가스 규제를 만족할 수 있도록 하여야 한다.

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 디젤기관의 공해 대책

디젤기관에서 배출되는 유해가스는 CO, HC, NOx, PM 및 매연이다. 디젤기관은 공기만을 흡입하여 압축한 후 노즐에서 분사된 미립화 된 연료에 착화하여 연소시킨 다. 거의 공기과잉 상태로 운전되므로 NOx 배출이 과다 하며, 급격한 부하 증가 시 연료 분사량의 증가로 불완 전 연소에 기인한 매연과 입자상 물질(particulate matter : PM)의 배출이 심하다.

CO 및 HC는 거의 문제가 되지 않는다. 2002년 이후 우 리나라 경유사용 자동차의 배기가스 규제치를 <표 11- 5>에 나타내었다.

CO, NOx, HC, PM, 매연의 규제치를 대폭 강화하여 세 계 선진국 수준과 동등 수준의 규제치로 하였다.

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연소실의 와류유동 특히 스월 유동과 연료분사의 고압 화에 의 한 미립화, 연소실형상의 변경을 통하여 NOx와 PM을 동시에 저 감시키는 것이 가능하다.

또한 요즘 대부분의 디젤기관 자동차에 적용하고 있는 터보챠저 (turbo charger) 인터쿨러(intercooler) 시스템과 커먼레일 방식 의 고압화 연료분사시스템의 적용은 공기 과잉율을 증가시켜 출 력의 향상, 연비의 향상과 더불어 고압에 의해 미립화, 관통도가 개선되므로 매연 및 입자상물질 배기가스 저감 목표 달성 가능 고압화 연료분사로써 축압실식의 커먼레일(common rail)시스 템, 유닛인젝터(unit injector)를 적용하는 것이 실용화되었다.

더 욱 강 화 된 규 제 치 대 응 을 위 하 여 디 젤 기 관 전 자 제 어 (electronic diesel engine control) 방식의 EUI(electronic unit injector), TICS(timing and injection rate control system)의적 용과 더불어 NOx 저감을 위해 배기가스재순환 장치(EGR ), 냉 각 배기가스 재순환 장치(cooled EGR)와 후처리 장치로써 입자

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 배출가스 시험 방법

자동차에서 배출되는 배출가스 규제치와 시험 방법은 자동차의 차종과 사용 연료에 따라 다르다.

자동차의 차종은 경자동차, 승용자동차, 소형화물자동 차, 중량자동차 및 이륜자동차로 구분되며, 사용 연료로 는 가솔린 및 가스자동차와 디젤자동차로 구분하여 그 규제치를 다르게 하고 있다. 2002년 7월 1일부터 자동 차의 종류를 변경하였으며, 그에 따른 배출가스 법규를 강화하여 규제하고 있다.

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시험방법은 가솔린 및 가스자동차와 디젤자동차의 경 자동차, 승용1, 2, 3자동차, 화물1, 2 자동차는 CVS- 75 MODE를 사용하고, 차량 총중량 3.5톤 이상의 승 용4, 화물3 중량자동차는 종래에 가솔린 엔진은 G-13 MODE를, 디젤엔진은 D-13 MODE를 적용하였으나 2002년7월부터 ND-13 MODE로 변경하였다.

ND-13 MODE는 유럽에서 2000년 이후 채택된 시험 방법으로 ESC( European Stationary Cycle )시험이라 고 하며, 엔진을 다이나모미터에 장착하고 정상상태 모드에서 운전한다.

각 모드를 운전하는 동안 배출가스를 측정하고 가중계 수를 곱하여 최종 결과를 구한다.

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