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배출가스 저감의 주요 대책
디젤엔진 배출가스 저감에서는 NOx와 PM의 저감이 가장 중요하다. 그러나 이 두가지 성분은 서로 상반되게 변화하는 트레이드 오프 관계에 있기 때문에 어려움이 있다.
일반적으로 NOx를 저감에는 예혼합 연소량 감소등에 의한 연소온도의 저감, PM 저감에는 연소의 고온화나 연소후기 공기도입에 의한 재연소 촉진이 유효하다.
□ 분사시기 지연
실린더내 온도가 낮아져서 NOx 저감에 가장 효과가 크다. 그러나 열효율이 저하하여 연비 및 출력등 성능이 나빠지고, PM, HC, CO가 증가하여 저온 시동성이 악화된다.
이 때문에 압축비를 높여야할 필요가 있으나, 상대적으로 유효한 피스톤 상부의 연소실 체적이 감소하므로 최적 압축비를 선택해야 한다.
□ 연료분사 노즐섹부 체적 감소
연료분사 노즐 끝단의 복수 분무홀 가공 및 유량계수 증대를 위한 자루모양의 작은 체적부를 노즐섹이라고 하는데, 이 체적을 줄이면 연료분사 종료후 후적이 감소하여 HC가 감소한다. 노즐섹을 제로로 한 VCO(Valve Covered Orifice) 노즐은 분무특성과
분무홀간의 편차가 커지는 문제가 있다.
□ 인터쿨러 냉각
터보과급엔진에서 압축된 공기를 그대로 이용하면 연소온도가 상승하므로 급기를 냉각하면 NOx 저감에 효과가 있다.
그밖에 급기를 냉각하면 공기밀도가 높아져서 연소개선, 연비개선 및 검댕이 저감효과가 있으며, 연소온도 및 배기온도 저하로 엔진내구성도 개선된다.
□ 스월비 저감
스월비를 저감하면 연소초기의 예혼합연소량을 줄여서 NOx를 저감하는 효과가 있다.
그러나 스월비 저감으로 보통 고속역 성능은 개선되지만, 저속 고부하역에서는 혼합기 생성 불충분으로 배기중 배기가스 농도 및 CO가 증가하는 경향을 보인다.
따라서 운전조건에 따른 가변 스월장치가 실용화 되고 있다.
□ 연소실 개량
(직분)보통의 연소실 보다 입구부 지름을 작게한 리엔트라(Reentra)형 연소실에서는 팽창행정에서 피스톤이 하강하기 시작해도 높은 스월이 존재하므로, 후연소 기간에서의 연소개선 및 PM저감 효과가 있다. 그러나 피스톤 연소실 엣지부에서 온도가 상승하므로 피스톤 냉각에 주의를 기울여야 한다.
□ 고압 연료분사
분사된 연료를 미세화하므로 혼합기 생성이 촉진되어 PM저감에 큰 효과가 있다. 고압화 방법에는 연료분사 펌프 대형화에 의한 송유율 향상과 노즐경 축소가 있다.
① 연료 송유율 향상
혼합기 생성 촉진으로 PM저감이 가능해지고, 단위시간당 분사량 증가로 연소기간을 단축할 수 있다. 그러나 연소온도 상승으로 NOx증가, 예혼합 연소량 증가로 소음이 증가하는 문제가 있고, 펌프, 노즐 일체형의 "유닛 인젝터"사용과 같은 대폭적인 분사장치 개량이 필요하다.
② 노즐경 축소
노즐에서의 교축으로 분사압력이 높아지고, 분무 미립화로 혼합기 생성이 촉진되어 PM이 저감된다.
□ 파일럿 분사
NOx 배출에 큰 영향을 미치는 예혼합 연소량을 감소하기 위해 초기에 소량의 연료를 파일럿 분사한후 연료분사를 중단했다가,
그 연료가 착화단계에 도달했을 때 본격적인 분사를 하는 방법이다.
NOx저감 및 소음저감에 효과가 있으나, 다기통엔진에서 광범위한 회전역에 걸쳐 미소한 파일럿 분사량을 콘트롤 하는 것은 대단히 어렵다.
□ 물분사 (Emulsion)
연료와 물을 혼합한 에멀젼연료를 사용하면 연소온도 저하로 NOx가 저감된다.
□ EGR
배기가스의 일부를 다시 흡기로 환류하는 것으로서 혼합기중 비열이 큰 CO2의 농도가 증가하므로 온도저감이 가능해 NOx가 저감된다.
그러나 산소농도가 충분치 않은 고부하역에서는 배연농도 및 HC가 증가하므로 중,저부하역에 한정해야 한다.
EGR은 승용등 소형디젤엔진에는 실용화되어 있으나, 배기중 검댕이나 유황산화물이 엔진내부로 유입되면 피스톤, 실린더 등의 수명이 단축되고 엔진오일 열화가 촉진되며, 대형디젤엔진에서는 본체개량도 필요하다.
□ 오일소비량 저감
PM은 검댕이와 SOF로 이루어지므로 오일소비에 의한 SOF분도 무시할 수 없다. 피스톤 링을 통한 Oil up과 밸브스템실을 통한 Oil down으로 오일이 연소실에 들어가면 일부는 연소되지만, 나머지는 HC로 배출되며, HC중 일부는 검댕이에 부착되어 PM이 된다.
특히, 터보과급엔진에서는 터빈측 축 시일부에서의 오일누유가 직접적인 PM증가의 원인이 된다.
