"LPG 엔진의 연료/공기 혼합비 조정 또는 듀티 조정이 미치는 영향"

[하재준 (안산)]

자동차 정비 관련 상담을 하는 과정에서 느낀 바에 의하면 많은 내용들이 대부분 엔진/전기/전자/하드웨어 고장에 관한 내용이었으며 이것은 자동차 관리에 있어서 인터넷에 상품을 판매하기 위해 상품과장광고 또는 잘 못 된 정보를 정석인 것처럼 알려 그것으로 인해 많은 시비가 발생하는 것으로 판단됩니다. 쉽게 설명하면 여러분께서 알고 있는 LPG메인솔레노이드 듀티 조정은 50%로 셋업 하면 된다고알고 있는데 그것은 정답일 수 도 있고 아닐 수도 있습니다.

여기서 간과 하지 말아야 할 것은 배출가스측정과 튠업입니다.  방문하시는 대부분의 고객에게 상담을 하는 과정에서 정비 할 때 배출가스측정을 하는가를 문의하면 대부분 "모르겠다, 처음이다 또는 기술자는 엔진소리만 들어도 안다는데요, 냄새만 맡아도 된다는데요, 소리만 들어도 알아야 기술자 아닌가요?"라고 말씀하며 10% 정도의 고객만이 알고 있습니다.

자동차는 출력이 향상되면  연비도 향상됩니다. 여기서 반드시 지켜져야 할 것은 배출가스의 상태입니다.

이 부분이 반드시 지켜져야 하므로 재학시절 작성했던 과제물중에 배출가스와 관련 된 내용이 있어 올립니다.

앞으로 미래의 내 자식이 자라나 생활 할 나라에 남겨 줄 재산 중의 하나는 깨끗한 환경입니다.

"쓰레기 함부로 버리지 맙시다. 반드시 쓰레기통에 버려 주시길 바랄 뿐입니다."

"자동차는 과학입니다. 축구공이 아닙니다^^. 제발 발로 타이어 툭툭 때리지 마세요. 저는 맨 손바닥으로 어루만져야 접지면의 촉감을 느낍니다."

지루하더라도 끝까지 읽어 보시기 바랍니다.

참고로 현재는 20여년 동안 하던 자동차 정비를 정리하고, "자동차 자동차 진단평가사 업무", "중고차 구매동행, 구매대행 업무"

진행하고 있습니다. 

네이버에서 자동차 골라주는 남자 "차골남 하재준"을 검색하세요^^~~

감사합니다.~~

https://blog.naver.com/junyflysky

"Force be with you!!"

                 자동차 배출가스가 인간과 지구환경에 미치는 영향

Dept. of mechanical & automobile engineering  

Jae Jun, Ha

서론

1. 자동차와  환경

  자동차는 20세기 후반부터 그 수가 급격하게 증가하면서 대기오염 물질의 주요 공급원으로 등장하게 되었다. 지구환경에 대한 사회적인 관심과 요구가 더욱 커져가고 있는 오늘날 자동차로부터 배출되는 유해물질의 저감은 중요한 과제로 인식되고 있다

  자동차에서 배출되는 오염물질은 자동차의 종류와 사용 연료 등에 따라 차이가 있는데, 휘발유 자동차의 경우 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물이 주요 유해 배출물이고, 디젤 자동차는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물, 입자상 물질(PM)이 주요 유해 배출물이다.

 일산화탄소는 전체 배출량의 80%이상이 자동차에서 배출 되는데 헤모글로빈과의 결합력이 산소의 300배 이상 커서 신체 조직의 저산소증을 유발한다. 탄화수소는 저 농도에서는 호흡기 계통을 자극하는 정도이지만 알데히드로 산화되면 눈, 점막, 피부등을 심하게 자극하며 알데히드가 다시 산화 될 때 생성되는 과산화물은 광화학 스모그의 원인 물질이다. 질소산화물(NOX)은 NO가 대부분 차지하지만 NO2에의한 유해성이 더 심하다. 호흡시 체내에 침투한 NO2는 점막분비물에 흡착되어 강한 질산을 형성하여 호흡기 질환을 유발하며 대기중에서는 탄화수소와 반응하여 광화학 스모그의 원인이 된다.

 CO2는 독성이 없고 아직 제도적 규제가 없지만 1998년 EU환경이사회의 결정에 따라 2008년부터 신규 자동차의 CO2 배출량이 규제될 전망이다. 대기중 CO2 증가에 따른 지구 온난화 추세는 매우 심각하여 향후 30년 동안 대기온도가 섭씨 1.5도에서 4도정도 상승할 것으로 예상되고 있다.

 위와 같이 자동차에서 배출되는 물질은 대기오염 및 지구온난화를 초래하는 사회적인 문제로 부상하였고, 이에 따라서 세계 각국의 자동차 배기 규제는 강화되는 추세에 있어서 저공해 자동차의 개발, 실용화는 더욱 절실해진 상황이다.

  배기규제 기준은 미국, 일본, EU등 나라마다 시험방법과 규제 치에 있어서 다르지만 공통적으로 규제치는 더욱 작아지고 있다.

  더욱 엄격해지는 자동차 유해물질 배출 규제기준을 만족시키기 위해 각 자동차 제조, 개발 회사는 광역산소센서의 사용, 실린더별 공연비 제어, 연소실 유동 개선, 촉매장치개선 등 다양한 방법을 개발하고 있다.

 본론

1. 자동차 연료의 종류 및 특성

 (1) 원유(crude oil)

    가) 탄소와 수소로 구성된 여러 가지 탄화수소의 혼합물이다.

    나) 탄화수소는 크게 파라핀계, 나프텐계, 올레핀계, 방향족계로 나누어진다.

    다) 원유로부터 석유제품의 생산과정은 증류(Distillation), 정제(Purification), 배합(Blending) 3단계로 구분된다.

 (2) 휘발유(gasoline)

    가)원유를 정제한 저비점(30~200℃)의 탄화수소 화합물이 수백종 모인 혼합물로서 불꽃 점화식 내

      연기관의 연료로 사용된다.

    나)화학성분은 C4~C12 정도까지의 탄화수소 혼합물로 한 종류의 휘발유에 포함되어 있는 탄화수소는 수백종류에 이른다.

 (3) 경유(Diesel)

    가) 비점 범위가 200~380℃이며 탄소수 10~20개 정도의 탄화수소 혼합물로 증류시 등유 다음으로 유출된다.

    나) 석유 스토브의 연료와 기계등의 세척용, 기타 가스흡수용 금속가공유의 원료등으로 사용되나 대부분이 각종 디젤엔진의 연료로 이용됨

 (4) 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas)

    가) 탄소유분중 탄소수가 1~4개인 가벼운 탄화수소는 상온, 상압에서 기체 상태로 존재하나 인위적 으로 액화시키기 좋은 프로판 및 부탄에다 적정압력을 가하면 액체로 변하는데 이를 액화석유가스라 함. 액화시키는 이유는 기체 상태 일 때 보다 부피가 약 1/240~1/280으로 줄어들어 저장, 수송, 취급이 편리하기 때문이다.

    나) 인화성이 높고, 공기보다 1.5~2배 무거우며 공기와 혼합된 가스의 화염전파속도가 늦다.

    다)프로판은 가정용 연료로, 부탄은 자동차용 연료로 주로 사용됨

    라)자동차용 연료로 사용되는 것은 주성분이 부탄이며, 이외에도 프로필렌, 이소부탄, 부틸렌등 탄화수소의 혼합물로 되어있다.

    마)휘발유에 비해 옥탄가 및 발열량이 높고 거의 완전연소 되므로 엔진 내 탄소 퇴적이 적어 엔진의 수명이 연장된다.

    바)오일의 희석오손이 없다.

    사)황화합물과 4에틸납 등이 없어서 엔진수명이 길고 점화전 장애도 적은 이점이 있다

    아)배출가스도 깨끗하여 공해방지에 기여하며, 엔진오일의 소모량도 휘발유에 비해 적다.

    자)고압용기를 필요로 하며, 증발기, 압력조절기 등의 부속장치를 요하는 등 휘발유에 비해 불리하다.

    차)증기압은 밀폐된 용기내에서 기체와 액체가 평형상태 일 때 증기가 나타내는 압력을 의미하며   프로판은 약 8기압, 부탄은 약 2기압 정도이다.

2. 연료에 따른 자동차 배출가스의 종류와 특성

   (1)가솔린 자동차

    (가)가솔린 엔진의 연소방법

   자동차에 사용하는 연료는 산유국에서 가져온 Crude oil을 정유공장에서 고열로 증류할 때 비중이 가벼운       LPG→ 휘발유→ 등유(석유)→ 경유→벙커C유→콜타르 순으로 뽑아낸다. 휘발유 엔진     은 불꽃점화방식에서 유래 된 것으로 공기와 연료를 14.7:1로 혼합하여 연소실로 들여보내 압축시켜     고온, 고압으로 된 혼합연료에 스파크를 일으켜 점화 시켜서 동력을 얻는 원리이다.

    (나)배출가스 종류

    자동차에서 배출되는 가스는 그 배출원에 따라 exhaust gas, Blow-by gas, evaporation gas로 구분한다.

     1)Evaporator Gas

      엔진의 기화기장치나 연료탱크 내의 휘발유가 연료캡등을 통하여 증발되어 대기중에 방출하는 가스를 말한다. 주성분은 탄화수소(HC)가 대부분이다.

    2)Blow-by Gas

     피스톤과 실린더 사이의 간극을 통해서 크랭크 케이스로 내려가 밸브 구동실이나 헤드커버등을 통하여 유출되는 가스를 말하며 소형차는 대부분 흡기계로 되돌려 재연소시킨다. 블로우-바이 가스의 성분은 대부분이 미연 HC이고 나머지가 연소가스 및 불완전 연소 된 혼합가스로 되어있다.

    3)배기가스

     95%이상이 배기관을 통하여 배출되는 가스로서 연소된 가스상 물질이다. 오늘날 우리가 사용하는 화석연료의 대부분은 여러 종류의 HC로 이루어진 혼합물이다. 완전연소가 이루어지기 위해서는 이      HC들이 산소와 결합하여 수증기와 탄화가스만을 생성시켜야 한다. 그러나 현재의 기술수준으로는      기관의 작동상태가 최적연소라 할지라도 혼합기를 완전연소 시킬 수 없기 때문에 배기가스 중에는       유해물질이 포함될 수밖에 없다. 중부하, 중속으로 휘발유엔진이 작동 될 때 배기가스의 대부분은       질소 71%, 탄산가스 18.1%, 수증기 9.2%이고 유해물질은 총배기가스의 약 1%정도가 된다. 여기에 포함하고 있는 유해물질은 주로 다음과 같다.

    *일산화탄소(CO)

    *탄화수소(HC)

    *질소산화물(NOX)

  (2)디젤 자동차

   (가)디젤엔진의 연소방법

   공기만을 실린더에 흡입, 압축시킨 후 경유를 분사시켜 점화, 연소, 폭발시킨다.

   (나)배출가스의 종류

     1)압축된 공기 중에 경유를 분사 시키므로 균일한 혼합기 형성이 어려워 시간적으로나 공간적으로  공기과잉율이 일정치 않고 일반적으로 공기가 충분한 상태에서 연소가 이루어지며 CO, HC의 배출은 적으나 NOX가 많이 배출되고 매연 및 입자상물질이 많이 배출된다.

     2)연소시 발생되는 PM등에 흡착 또는 가스상으로 존재하는 PHA는 공기역학적 직경이 2.5㎛ 미만 의 입자상 물질로서 공기 중에 방출된다.

      PHA 화합물은 물에 대한 용해도가 낮고 유기용매에 대한 용해도가 큰 물질로 증기압이 비교적 낮아 입자상 물질에 흡착되어 인체에 흡수되며, 1.0㎛이하의 크기는 쉽게 인체로 흡입된다.

  (3)LPG 자동차

   (가)LPG엔진의 연소방식

    천연가스의 연소방식은 기본적으로 불꽃점화방식이며 적용 기술에 따라 CNG법과 LNG법으로 나누어지며 CNG법은 기체의 상태에서 용기에 고압 충전하여 사용하는 방법이고 LNG는 -162℃의 액상으로 하여 진공 단열 용기에 담아 사용하는 방법이다.

   (나)배출가스의 종류

     1)천연가스는 메탄(CH4)를 주성분으로 하여 탄소량이 작은 탄화수소 연료인데 메탄 이외에, 소량의 에탄(C2H4), 프로판 및 부탄등이 포함되어 있다. 메탄의 함유량은 산지에 따라 다르고,  83~98%의 범위에 있고 그밖의 성분도 미량의 범위로 변화한다. 이들의 조성변화에 의해 이론혼합비 발열량이 변하는 것만이 아니고 안티노크성(옥탄가)에도 차이를 나타낸다.

    2)가솔린엔진의 냉간시동시 배기중 미연탄화수소의 90%는 시동직후에 배출되는데 그 요인의 하나는 냉간시에는 액상의 가솔린이 쉽게 기화하기 어렵기 때문이다. LPG 엔진은 이 비율이 작기 때문에 냉간시동 직후의 탄화수소 배출량은 보다 작다.

    3)가스상에서 공기와 혼합하기 쉽고 국부적으로 산소결핍층은 형성되기 어렵기 때문에 산소 결핍에 기인하는 매연과 입자상 물질은 작다.

    4)천연가스는 피스톤의 틈(Crevice)에 들어가기 쉽고 희박연소 온도가 저하한 경우 틈사이의 HC는 팽창행정에서 산화되기 어려워 미연 HC로 배출된다.

    5)탄소량의 비율이 낮기 때문에 발열당 CO2 배출량이 비교적 작다.

    6)천연가스는 유황분의 불순물을 포함 하지 않기 때문에 아황산가스(SO2)를 배출하지 않는다.

    7)배출되는 HC의 주성분도 메탄이기 때문에 배출가스의 오존생성에 관계하는 광화학 반응성이 낮다.

    8)탄화수소연료의 공기에 대한 독성은 일반적으로 탄소수가 증가하는데 이어 증가하는 경향이 있으나 메탄은 탄화수소 연료중에서 탄소수가 더욱 적어 독성이 낮다.

    9)탄화수소계 연료이기 때문에 연료계통의 부품재료의 내부식성등의 재료특성은 가솔린, 경유와 유사하다

3.자동차 배출가스가 환경과 인체에 미치는 영향

  (1)다환방향족 탄화수소(PHA)

   가)PHA는 폐기관, 위-장기관 및 피부를 통하여 흡수되며, 입자상 물질에 흡착된 PHA는 유리 탄화 수소 보다는 아주 서서히 폐에서 제거 된다. 위-장기에서의 흡수는 설치류에서 빨리 일어난다.  PHA의 급성독성은 보통이거나 낮은 것으로 나타났다. PHA의 발암성의 관한 포괄적인 연구에서  연구된 33종중 26종이 발암성이거나 발암성으로 추정하고 있다. 일반적으로 PHA는 면역억제 영향을 가진 것으로 보고되고 있다.

     환경 중에서 PHA의 복잡성 때문에 순수 개별 PHA에 대한 인체노출은 과학적으로 실험에 한정되어있다. 피부적용 후, 안스라센, 플로르안센 및 페난스렌은 특수한 피부반응을 유발하고, 벤조피렌은 신생종양으로 분류된 사마귀를 유발한다. 나프탈렌ㅇ에 대한 영향은 다수의 경우가 어린이들이  사고에 의한 흡입으로 알려져 있다. 치사경구 투여량은 성인이 5000~15000mg이며, 어린이에 대해선 2일간 2000mg 이다. 피부 혹은 경구 노출 후 전형적인 영향은 급성 용혈성 빈혈증이며, 태반을 통한 감염으로 태아에 영향을 줄 수 있다. 담배연기는 가장 중요한 단일 요인이다. 매연에 대한 직업적 노출은 음낭암종의 원인이 되는 것으로 1775년 처음으로 기록 되었다. 후에 타르 및 파라핀에 대한 직업적 노출은 피부암을 유발하는 것으로 보고되어 있다.

  나)인체 위해성 평가에서 사람은 공기, 식품, 물, 토양등의 매체를 통하여 여러종의 PHA 복합혼합물에 노출되다. 인체노출의 주요한 노출원은 석탄, 디젤, 석유, 등유, 목재, 생물 및 프라스틱과 같은 합성화학물질의 연소 배출물들이다. PHA는 담배연기, 디젤배출물, 도시 에어로졸 뿐 만 아니라, 콜   타르, 검댕과 같은 혼합물은 발암성의 원인이 되어 있다. 도시지역에서 주된 PHA오염원은 차량(석      유계 및 디젤연료) 및 목재, 석탄을 사용하는 주거난방이다. 

  다)인체건강과 환경보호를 위해 PHA 배출량과 유출량은 산업 배출가스의 여과 및 포집, 유출물의 처리, 차량에 촉매 전환제 및 집진기의 사용등으로 감소 되어야 한다. PHA 직업적 노출은 가능한 배출율을 줄임으로서 제거하거나 최소화해야 할 것이다. 충분히 감소시킬 수 없을 때 는 효과적인 개인 보호장비를 착용함으로서, 최소화 해야한다.

(2)환경오염 발생 (로스엔젤레스 스모그)

  가) 발생과정 및 원인

    1940년대부터 LA에서는 인체 피해와 식물, 재산상의 피해가 발생하기 시작하였는데, 처음에는 이를 런던형스모그와 마찬가지로 이산화황에 의한 것으로 생각하고 이에 대한 대책을 강구하였었다. 그러나 캘리포니아공과대학 생화학교수인 하겐쉬미트박사가 로스앤젤레스스모그는 햇빛과 질소산화물의 존재하에서 탄화수소가 반응하여 생성된다는 광화학스모그설을 1949년에 발표하였다.

     LA지역은 지리적으로 서쪽이 태평양에 연해 있는 분지로서 기상조건도 연간 평균 풍속이  2.8m/sec 이며 북태평양 동부에 반영구적으로 존재하는 고기압의 동쪽 끝에서 위치하고 있기 때문에 여름과 가을에는 항상 침강성 역전층이 형성되므로 도시에서 발생한 오염물질이 상공으로 확산 되지 못하고 축적되어 있으면서 강한 햇빛에 의해 광화학반응을 일으켜 스모그를 생성시키고 있다.  1955년에는 대기중 오존 농도가 0.5ppm을 기록하기도 하였다.

 나)피해상황

   이 지역에서 발생한 스모그는 1940년 처음으로 식물에 피해를 주게 되었고, 1950년 경에는 사람에 게도 피해를 주게 되었다. 1954년부터 대부분의 LA 시민들은 눈, 코, 기도, 폐 등의 점막에 지속적 이고 반복적이 자극과, 일상생활에 있어서 불쾌감을 호소하였으며, 가축 및 농작물의 피해가 나타나고 고무 제품의 노화 등 재산상의 피해가 크게 나타났다.

   1979년 가을에는 주민의 83%가 육체적으로 불쾌하거나 건강에 대한 불안을 호소하고 있으며, 면접 조사에 의하면 주민의 57%는 눈에 통증과 자극을 느끼고 4명 중 1명은 두통, 호흡기 자극, 인후염 증을 호소하였다고 한다.

 다)처리과정과 조치

  LA시는 질소산화물 및 탄화수소의 방지대책을 강구하고 주요 배출원인 자동차 배출가스의 규제를 세계에서 제일 먼저 강력하게 실시하고 있다. 그러나 LA시의 자동차 대수는 1985년 기준으로 보더라도   약 800만대로서 매일 배출하는 오염물질의 양이 6000톤에 달하고 있다. 그러므로 규제책에도 불구하고 광화학물질의 대기환경기준을 달성하고 있지 못한 실정이다.

   이에따라 LA에서는 전기자동차, 수소자동차와 같은 무공해 자동차의 개발과 알코올과 같은 대체연료에 의한 저공해 자동차의 보급을 강력하게 추진하고 있다.

4.자동차 배출가스 저감 대책

(1)연료품질 규제

 가)미국

   ‘90년 11월 개정 된 대기정화법(Clean Air Act Amendment)으로 2단계 함산소 휘발유 규정을 법제화 하였으며, 황함량을 ’93년 10월부터 0.05wt%로 강화시행 하였다. 1단계에서는 ‘92년 11월부터 산소농도 2.7wt% 이상의 함산소 화합물을 혼합한 휘발유를 동절기 최소 4개월간 판매 의무화 하고 개질   화된 가솔린의 도입으로 사실상 대기질의 개선을 가져왔다. 2단계에서는 개질 휘발유(Reformulated     Gasoline)를 오존규제 미달 지역에 ’95년 1월부터 도입 의무화 하였다. 2000년에는 휘발유 황함량을   30ppm으로 규제하고 방향족은 22%이하, 벤젠은 0.8%이하, 올레핀은 4% 이하로 규제를 강화할 계획이다.

 나) 유럽 표준기구는 자동차에 대한 휘발성 유기화합물(VOC)의 배출량을 90% 저감키로 하여 ‘93년 1 월부터 모든 신차에 대한 촉매장치부착 의무화와 주유시 증발 배출가스 규제지침을 준비하였다. 휘발유의 산소유기화합물함량(2.5~15%) 및 납함량(0.013g/l이하)에 대한 함유기준을 설정하였으며, ’96년   1월부터 벤젠함량(1~3%이하), 방향족함량(30%이하), 경유의 황함량(0.05wt%이하)의 기준을 설정키로   했다.

(2)저공해 연료 개발

 가)미국등 선진국에서 저공해 자동차의 사용을 의무화 하고 있고 청정연료의 사용으로 인한 배출가스  저감으로 대기질의 향상을 꾀하고 있다. 최근의 종합적인 연구는 SERI(태양에너지 연구소)를 중심으 로 하여, 섬유성 바이오매스의 수송용 에탄올에로의 전환, 에너지 작물의 연구 및 에탄올 생산공정의  경제성 평가등의 연구가 이루어지고 있다.

 나)배출가스(CO, HC, NOx, 알데히드, PM, CO2, N2O, CH4등)의 발생량이 적어야 하며 S나 N 성분 을 함유하지 않아야 한다. 종류는 메탄올, 에탄올, 압축천연가스, 전기, 수소, 개질가솔린 등이 있다.

 다) 국내의 저공해연료 개발 상태는 매우 미미하여 주로 학교나 일부 연구소에서 실험실적인 기초적 연구가 진행되고 있는 실정이다. 에탄올 분야의 연구가 가장 활발하여, 휘발유와 상업적 경쟁이 가능한 수준의 저가 알코올 연료를 생산코자 기술적 개발이 이루어지고 있다.

(3)연료의 물성 및 조성이 배출가스에 미치는 영향

 가)현재 사용되고 있는 가솔린과 경유에는 여러 가지 다른 종류의 포화 및 불포화 탄화수소들이 서로    다른 비율로 섞여 있으며 이들의 연소에 의해 배출되는 배기가스는 연료의 조성과 깊은 관계가 있다.

 나) 연료중의 탄소의 함량은 CO 및 CO2 의 배출에 큰 영향을 미치며, T90(90도 유출온도)은 전체 HC와 관련이 깊고 방향족의 함량은 배기가스중 방향족 탄화수소에 직접적으로 관여한다.

 다) 휘발유 중 황함량의 감소는 HC, CO, NOx의 배출량을 감소시킨다. 함산소 연료들은 일반적으로  옥탄가를 높여주며, HC와 CO의 배출을 저감시키나 알데히드의 배출량을 증가시키고 인체에 흡입될    경우 암을 유발할 수 있다.

 라)올레핀의 감소는 일반적으로 HC를 증가시키고 NOx는 감소시키며 배출물질의 광화학 반응성을 감 소 시킨다.

 마)방향족 화합물 및 벤젠 함량의 감소는 HC 및 발암성 물질을 저감 시킨다.

 바)경유중 황함량의 감소는 입자상물질의 배출을 저감시키며 디젤산화촉매를 사용 할 때 필수적이다.

 사)경유중 세탄가가 감소하면 HC, CO 및 NOx를 증가 시킨다.

결론 

1.저공해차에 대응하기 위한 기술

(1)휘발유 자동차

  현행 촉매기술로는 FTP-75 시험방법으로 90%이상의 오염물질을 저감 시킬 수 있으나 엔진 시동 후  최초 2분간 배출되는 오염물질 양이 문제가 되기 때문에 이를 저감시키기 위한 다양한 기술적 대응방   안이 연구되고 있다.

 1) 후처리 기술

 -CCC(Close-coupled Catalytic Converter) 및 UCC(Underbody Catalytic Converter) 개선

  기존의 삼원촉매의 귀금속 재료는 Rh과 Pt이 주종을 이루고 있으나 Rh는 Pt에 비해 저온에서 열화되는 경향이 있으므로 현재는 Pd이나 Tri-metal(Ph-Pd-Pt)촉매가 개발되어 정화효율, 온도에 의한 열화 두 가지 측면에서 기존의 삼원촉매보다 우수하여 ULEV 대응 기술의 한가지로 유력시 되고 있다.

 -EHC(Electrically Heated Catalyst)방식

  엔진 구조상 CCC장착이 어려운 경우에 ULEV 규제를 만족시키기 위해 EHC, 배기가스 연소기(Exhaust Gas Burners), 열량 보존 장치등의 장치가 추가로 필요한데 그 중에서 EHC가 정화효율, 가격, 양산성면에서 가장 주목 받고 있다. 초기의 EHC는 전원 공급 때문에 발전기 및 배터리의 용량 증대가 요구 되었으나, 최근의 EHC는 선택적으로 전원을 공급하여 작동 되므로 이러한 요구가 상당히 줄어들었다. EHC는 초기 40초 정도만 작동(소비전력30wh)되어 촉매 활성화 도달시간의 단축을 도모하고 동시에 초기 시동시 25초 동안에는 이차공기를 공급, 재연소에 충분한 산소(공연비 16~17유지)를 공급한다.

 -After-burner 방식

 -배기열 보존형 배기 시스템

  배기 시스템의 단열을 개선하고 또한 배기 시스템의 열용량 감소를 통해 촉매 활성화 온도 도달시간(Light Off Temperature)을 단축 시키는 방법으로 Thin-wall 배기 파이프, Air-Gap 배기 매니폴드 등이 있으며 현재 활발한 연구가 수행되고 있다.

 -Variable Conductance Insulation Converter

  정상적인 촉매 보다 10배의 열보존력을 지닌 진공 단열 시스템을 적용하고 수소 가스를 흡착 방출할   수 있는 수소화물(Hydride)을 사용하여 열전달율을 가변시켜 촉매의 가열을 방지한다. 또한 열보전력   을 증대 시키기 위해 상변화 물질(Aluminum/Silicon)을 충진하고 자연 대류에 의한 열손실을 최소화하   기 위해 촉매 양끝단을 세라믹으로 처리하였다. 전기 또는 연료를 사용하여 촉매를 가열시키는 방법보   다 단순 저렴하고 열적 변형을 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 아직까지는 효율을 증대시키고 양산   성, 내구성 및 가격 면에서 좀 더 많은 개발이 요구된다.

 -배기가스 누설 방지 시스템

  배기 시스템의 공기 누설은 낮은 엔진 RPM에서 NOx의 증가를 가져 올 수 있고 산소센서 부근에서   의 누설은 공연비를 과농하게 하므로 배기매니폴드와 배기 파이프의 접합부위에 부식 방지 커플링을    삽입하여 응력을 줄이고 누설을 방지한다. 이 방식은 연결 부위의 소음도 감소시키는 효과가 있다.

 -EGI(Exhaust Gas Ignition)방식

 -CEGI(Cranking Exhaust Gas Ignition)방식

2)미세 연료 조정 기술

 -이중 산소센서(Dual Oxygen Sensors)

 -전 영역 산소센서(UEGO)

 -실린더별 공연비 제어

 -전자식 스로틀 조정장치(ECT)

3)연료 무화와 공급 방식 개선

 -공기 공급 인젝터(Air Assisted Injector)

 -리턴리스 연료공급 시스템

 -흡기계 개선

4)엔진배기 저감 기술

 -크레비스 체적 감소

 -오일 소모 저감

 -전자식 EGR

 -HC 흡착장치

  시동 초기의 미연 HC를 줄이기 위한 방법으로 HC 흡착 장치가 있는데 종래의 기술은 배기관에  Diverter 밸브를 설치하여 시동초기에 배기가스를 바이패스 시키는 데 목적이 있었고 흡착 장치에 포    집 된 미연 HC는 FTP 모드 중에 방출시켜 재생 시키는 기능이 포함 되었다. 개선된 직결형 흡착 장    치는 흡착장치 전후에 일차 촉매와 HC의 산화를 위한 이차 촉매로 구성되어 있다. 일차 촉매와 흡착    장치의 접합부위에 설치된 Flow Diverter는 기계적인 작동에 의하지 않고 시동 초기에 배기 가스가    HC 흡착 장치로 유입 되도록 하고 일차 촉매가 LOT에 도달하면(약 50초 후) Diverter를 차단시킨    다.   차단 직후부터 대부분의 배기가스는 흡착장치의 중심부를 통해 2차 촉매로 직접 이동하게 된다.   이차   촉매가 LOT에 도달하고 탄화수소 흡착장치가 가열됨에 따라 포집된 미연 HC가 서서히 방출되   기 시작하고 이차 공기 주입 포트를 통해 분사된 이차 공기와 함께 산화 작용이 일어나게 되므로 배기   가스가 정화된다.

(2)디젤 자동차

 1) 대형 경유차의 오염물질 배출 수준은 유럽의 EURO-1 수준으로서 엔진 기술로는 주로 기계식 연료 분사펌프를 사용하며, 연료분사압력은 1000Bar내외이다. 질소산화물을 줄이기 위한 방법으로 연료분사 시기 지연방법을 주로 사용하나 충분한 연소시간을 갖지 못하게 되면 입자상 물질의 증가를 초래    할 수 있다. 대형경유차에 적용하고 있는 터보차져/인터쿨러 기술은 급가속시 응답지연현상등이 발생    하는 등 기술적용의 어려움이 있는 실정으로 엔진 및 연료계 등 시스템의 변화가 요구된다.

  현재 국내에서도 개발 예정인 기술로 커먼레일 및 유닛인젝터를 사용한 연료고압분사방식, 전자식 연    료제어유닛, 터보차져/인터쿨러등의 적용을 통한 연료분사의 정밀화 및 고성능화와 엔진개량 방법의     일환으로서 Reentrant 연소실 및 실린더당 4밸브화 등의 기술 적용으로 연소 말기의 연소 효율 개선   등을 통한 오염물질 저감방안 등이 검토되고 있으나 아직 선진국 기술에 못 미치는 실정이다.

2)경유자동차에 있어서는 공기가 대부분의 운전 조건에서 충분한 상태로 연소되기 때문에 CO와 HC는 휘발유 자동차에 비하여 아주 적게 배출되나 NOx와 매연이 많이 배출된다. 그러므로 경유자동차와 배   출가스 저감 기술은 NOx와 매연을 포함한 입자상물질의 저감에 중점적으로 이루어지고 있으며, 특히   국내에서 경유자동차 배출기준 강화에 대응하여 후처리기술로 매연등 입자상물질과 CO, HC등을 줄이   기 위한 매연여과장치(PDF)가 이미 실용화 되었으며, 디젤산화촉매장치(DOC)가 개발되었고, NOx만을   선택적으로 줄이기 위한 De-NOx촉매 및 SCR등이 고려되고 있다. 이러한 배출가스 방지기술은 각국   에서 제시되고 있는 배출가스 허용기준의 수준에 따라 기술별 적용성이 검토되고 있다.

3) EGR기술

  배기가스의 재순환방식은 배출가스의 일부를 다시 흡기계로 재순환시키는 방식으로서 흡입공기중의    CO2농도가 증대하고 연소시의 온도저하에 의해 NOx를 저감 시킬 수 있다. EGR밸브는 지금까지 기계   식을 사용하여 왔으나 배기규제가 계속 엄격해지면서 보다 정밀한 제어화 신속한 작동이 요구되어 전   자제어식 EGR밸브의 사용을 예산한다. E-EGR시스템은 기관회전속도와  부하, 냉각수온도 등을 감지   하여 기관작동 상태를 파악하여 전자식 모터나 전자식밸브로서 EGR밸브를 구동하여 재순환가스량을    제어한다. EGR율 적용은 초기에는 저부하역역에서 40%, 중부하에서 20%수준으로 제어하나 2000년    이후 저부하에서 50% 중부하에서 25%, 고부하에서 10%까지 적용하고 있다. 또한 저부하에서는 Hot   EGR을 사용하여 점화지연과 공연비를 감소함으로서 NOx뿐만 아니고 PM과 HC도 동시에 저감시키고   중부하에서는 Colded EGR적용이 필요한 것으로 제안하고 있다.

4) 후처리 기술

 매연여과장치(DPF)는 경유엔진에서 배출되는 입자상물질(PM)을 필터로 포집한 후 이것을 태우고(재생) 다시 PM을 포집하여 계속적으로 사용하는 기술로서 PM을 70%이상 저감할 수 있는 장치이다.     DPF는 매연저감 성능 면에서는 아주 우수하나 가격이 높고 내구성이 부족한 것이 실용화에 장애요인   이 되고 있다. 또한 필터에 PM이 포집 됨에 따라 엔진에 배압이 걸리며 이것에 의하여 출력과 연료소   비율이 다소 희생되며 이를 최소화하는 기술의 보완도 필요하다.

 DPF기술은 크게 PM포집(trapping)기술과 재생(regeneration)기술로 나누어지며 시스템은 기본적으로  필터, 재생장치, 제어장치의 3부분으로 구성되어 있다.

(3)기술개발과 나아갈 방향

 자동차는 이제 우리나라 국가산업에서 없어서는 안 될 가장 비중 높은 품목으로 자리잡고 있으며, 이를 뒷받침해 주고 있는 것이 자동차 관련 부품 산업으로 이들 부품 산업에 대한 기술 경쟁력은 곧 국   가 산업 경쟁력을 좌우하는 중요한 인자가 되고 있다.

 현재의 자동차는 환경을 주축으로 한 상품과 안전에 관련된 상품이 구체적인 형태로 실현 되어 나오고  있다.

 특히 직접분사엔진, 저배기 가스 엔진, 무단변속기(CVT)의 채용 확대, 하이브리드 자동차 등을 사례로  들수 있고, 이 밖에도 전기자동차를 비롯한 태양열 자동차 외에 대체 연료 자동차도 꾸준히 개발되고   있다.

 따라서 이러한 자동차 기술의 흐름 속에서 환경을 중심으로 한 기술개발에 중점을 두어 투자해야 하며  초저연비 차량 개발에 많은 관심을 가져야 한다.

참고문헌

 1.환경부(1997),대기오염물질의 위행성 평가 관리 기술

 2.선진 자동차 부품기술 정보분석, 나도백

 3.자동차 Pt/Rh 촉매의 급속 열화 특성 연구, 위전석

 4.환경부(www.me.go.kr)

[충전(안산)]

잘 봤습니다. 근데 머리가 나빠 쉽게 들어오지는 않네요. 수시로 봐야할것 같네요.

[경상)金大炯]

전 읽는거 포기 ㅠㅠ

[라포포마(수원)]

스크롤 압박...^^"

[까요시]

와~~장문 중도 포기~~

[조범수]

내가 볼것만 골라서 봤네요 좋은자료 감사합니다^^

[기쁨을주는사람]

너무 내용이 어렵네요.^^

[psj(경남)]

너무 딱딱해요.ㅜㅜ

[야메로(부산)]

어느정도는 ㅠㅠ 근데 어렵당 ..

[아하(인천)]

대단하시네요. 이런 걸...

[아들의 자전거(경남)]

좋은 자료 감사합니다.

[도라(인천)]

몇번 더 읽어봐야겠네요...^^;;; 좋은정보 감사합니다~

[쉬바(인천)]

정보 감사합니다!

[조아라 대전.]

좋은내용 감사합니다