6. 폭스바겐 배출 가스 조작으로 본 경유(디젤) 승용차의 장단점과 디젤 승용차의 신기술 적용

1. 도입 배경

대기오몀, 지구 온난화, 환경오염, 에너지의 사회 문제로 디젤 쪽으로 눈을 돌림

2. 디젤 엔진의 장점

Co2 배출량이 작아 지구 온난화에 미치는 영향이 작다.

3. 디젤 엔진의 단점

연소 시에 확산 연소로 인한 공기 이용률이 낮아 입자상 물질(PM)의 발생이 많고 또한 국부적인 고온의 발생으로 대기 오염원인 질소 산화물(Nox)의 배출이 주요 문제이다.

4. 디젤 엔진의 과제

질소 산화물과 입자상 물질을 절감시켜야 하면 높은 압축비에서 발생디는 소음과 진동을 줄여야 한다.

5. 디젤 엔진의 개선 방안

 1)연비 개선

연소개선을 위한 고압의 CRDI 시스템을 적용하여 배출물의 저감과 연비향상을 이룰 수 있다.

 2)유해 배출물의 후처리

HC, CO, 입자상 물질의 저감을 위한 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), DPF(Diesel Particulate Material) 등의 적용으로 엔진의 효율 상승과 연비 향상을 실현하고 있다. 질소 산화물(NOx)은 Nox 촉매 또는 Urea SCR 등의 개발로 암모니아 이용 Urea SCR로 연비 3% 정도가 개선 가능하다.

6. 제작사에 본 연비향상

 1) 차량 중량 개선: 선행 설계디자인 측면

 2) 공력 저항 감소: 선행 설계디자인 측면

 3) 구름 저항 감소 : 선행 설계디자인 측면

 4) 동력계(Powertrain) 효율 개선

파워 트레인 계통에서 연소개선, 운전 영역 변경, 마찰 개선, 냉각계의 인공지능을 위한 성능개선, 차량의 중량감소, 다운 사이징(Downsizing) 등이 있다.


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5. EGR율

자동차 학습/자동차 엔진/기관/PT 2015.10.12 10:37 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

5. EGR율

1. EGR율 영향

공기 과잉률이 낮은, 즉 람다값이 적으면 매연과 PM 발생이 급증하므로 EGR 적용은 공기 과잉률이 높은 부분부하(람다값이 클 때) 주로 작동하며 EGR율의 결정은 CO, HC, 매연과 연비의 증가가 없는 범위내에서 결정

- EGR율 X=EGR 가스랑/(흡입 공기량+EGR 가스양)×100

- EGR 가스양 = 배기량-흡입 공기량

2. EGR 작동

1) 과부하 영역에서 EGR을 적용하면 O2의 부족으로 매연 및 HC가 증가한다.

2) EGR의 적용은 중/저 부하 영역에서 효과를 높인다.

3) 전자제어 EGR을 적용하여 RPM 및 부하를 연산하는 정밀 제어가 좋다.

4) HOT EGR 

저 Nox화를 목적으로 분사 시기를 대폭 지연하면 HC를 동반하는데 이때 적당한 HOT EGR을 적용하면 연소실의 온도가 상승되어 HC 생성을 저감시키는 효과가 있다.

5) EGR과 분사압

분사압력이 높을수록 EGR율을 높일 수 있다.


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4. ERG 밸브, 배기 가스 재순환 장치(Exhaust Gas Recirculation System)

1. EGR 밸브

재순환 통로에 설치되어 엔진의 운전 상태에 따라 EGR율을 조절하는 역할을 한다.

배기 가스 내의 질소산화물(NOx)을 줄이기 위하여 배기 가스의 일부분을 흡기 매니홀드로 재유입시키는 역할을 하는 장치.

이 장치는 배기포트의 진공, 배기압력, 엔진 냉각수 온도에 따라 작동이 되면 차량에 따라 약간의 차이는 있으나 대부분 배기가스 재순환 밸브, 서머밸브, 배기가스 재순환 솔레노이드 밸브, 진공 조절 밸브 등으로 구성 되어 있다.

2. EGR 작동법

 : 기계식과 전자식이 있다.

3. E-EGR 작성

 : 엔진 회전 속도와 부하, 냉각수 온도 등을 감지해 엔진 작동상태를 파악, 전자식 모터나 전자식 밸브로서 EGR 밸브를 구동해 재순화 가스양을 제어한다.

4. 종류

1) 기계식 EGR 밸브

부압으로  다이어프램을 작동시켜 밸브를 개폐하는 구조이며, 밸브의 응답성이 느리고 부압 라인의 설치 및 엔진 상태에 따라 정밀한 제어가 힘들다.

2) 전자식 EGR(E-EGR)밸브

① 정밀성이 우수하고 밸브를 모터나 솔레노이드에 의해 제어한다.

② 엔진의 각종 운전 상태에 따라 ECV가 최적의 EGR율로 밸브를 개폐함으로써 우수한 EGR 제어한다.

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3. EGR에 의한 배출가스 저감원리

자동차 학습/자동차 엔진/기관/PT 2015.10.09 19:57 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

3. EGR에 의한 배출가스 저감원리

디젤 엔진의 Nox 발생은 급속 연소초기(연소 시작 후 크랭크 각도 20°)의 이론 공연비에 가까운 공연비가 고온 분위기에서 대부분의 Nox가 형성된다.

1) NOx 제어에 가장 효과적인 방법은 분사시기 지연과 배기가스 연소실 재순환이다.

2) EGR 가스의 주 성분은 N2와 CO2, 수증기(H2O)이며, 이들 가스가 연소 과정에 영향을 미치는 주된 효과는 다음과 같다.

① 희석효과

EGR이 연소실로 들어오는 O2를 N2, CO2, H2O로 대체한다. 연소실 내의 산소 농도 감소로 NOx 감소, PM&HC 증가, 산소 농도 감소로 NOx 감소, PH&HC 증가한다.

② 열효과

EGR에 의한 내부 비열 증가를 통해 화학 반응을 약화시킨다. 연소실에 수증기(H2O)와 CO2를 도입하면 흡기 비열이 증가하며, 비열의 증가로 실린더 내 최고 온도가 낮아지고 NOx 배출이 감소한다. 그러나 NOX 배출량이 감소하면 토크 변동이 커지므로, NOx 배출량과 토크 변동의 양립이 최적이 되도록 EGR율을 제어할 필요가 있다.

③ 화학 효과

Co2와 수증기(H2O)의 열해리의 화학 작용으로 고온에서 일어나는 활발한 흡열 과정으로 연소 에너지를 흡수하여 실린더 최고 온도를 낮춘다.


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2. SCR(Selective Catalytic Reduction) 자동차 배기 가스 선택 촉매기의 원리

1. 개요

배기 가스 중의 Nox를 알모니아 성분(NH3)의 환원제인 NH3와 반응시켜 N2와 H2O로 분해하여 NOx를 저감하고, Nox를 저감하는 과정에서 NH3와 SO2의 산화 반응올 황산물에 의한 피독 또는 성능 저하되는 현상을 최소화 하기 위한 반응을 병행하여 진행하는 것이 SCR이다.

 즉 ‘선택적(Selective)’의 의미는 촉매 반응시에 NOx+NH3의 반응과 더불어 NH3+SO2의 산화반응을 촤소화 시킨다는 것을 의미한다. 여기서 SCR의 주 포인트는 NH3와 SO2의 산화 반응로 황산화의 진행이 다른 촉매에 비해 현저히 최소화 한다는 것이다.

2. SCR 반응 메커니즘

배출가스의 SO2는 촉매에 의해 SO3로 산화반응이 진행되며, 이때 유레아 장치의 Ammonia slip이 발생되면 상호 반응로 암모니아 황산화물(Ammonium Sulfate(NH4)2SO4)혹은 암모니아 황산염(Ammonia Bisulfate(NH4HSO4))이 생성되며, 이러한 황산화물이 촉매의 표면에 붙어 피독 현상이 발생하게 된다. 이런 피독에 의해 촉매와 배출가스가 접촉이 불량하여 촉매의 성능이 저하되고, 촉매의 막힘 및 부식의 원인 된다. SCR 촉매의 활성화 온도는 250~400℃로, 촉매의 활성도가 높을 수록 NOx의 환원 효율은 높아진다. 그러나 활성도가 높을수록 SO2의 산화 반응으로 촉매의 효율이 반감되므로 SCR 촉매 설계시 활성도와 사용 온도의 상관 관계를 결정하는 것이 매우 중요하다. SCR의 활성도는 촉매의 NOx 처리효율 및 SO2/SO3의 전환 Rate로 측정하여 일정기간 운행 후 Sampling하여 활성도를 측정 후 계속 사용 여부를 결정한다.


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1.승용차의 실주행 연비와 공연 연비가 차이가 나는 이유?

먼저 가장 큰 이유는 연비 측정방법과 주행 조건이 다르기 때문이다. 일반적으로 사용자는 차량의 주행 거리에 따른 연료 주입량으로 직접 계산하는 반면에, 공인연비는 총주행 누적 거리 160km 미만의 차량을 25℃의 실험실에서 12~36 시간 동안 안정화 한 후 전기 및 에어컨 등의 부하가 없는 상태에서 샤시다이나모 상에서 LA-4 모드로 42분 동안 17.84km를 모의 주행한다. 소모된 연료의 양을 배기 가스에 포함된 탄소량으로 산출하는 화확적 방법이며, 이를 카본 밸런스법이라 한다.

 두번째는 측정시 차속이 다르다. FTP 모드의 평속 시속은 34.1km인 반면 서울 시가지의 평균 주행 속도는 20km/h로 낮다.

 세번째는 실제 주행시와 부하가 없는 상태에서는 공기저항이 다르다. FTP는 경제속도가 많이 반영되었지만 운전자들은 고속 운전 조건이 많아서 공기 저항이 커진다. 참고로 공기저항은 속도의 제곱에 비례한다.

 네번째는 도로의 포장 재질에 따른 연비 변화 값은 아스팔트 주행저항을 1로 기준점으로 할 때, 콘크리트 포장 도로는 1.1, 비포장 도로는 4~8, 자갈이 있는 비포장 도로는 12 등으로 아스팔트길과 자갈길의 연비는 차이가 크다.

 다섯번째는 전기 및 에어컨 등 전기 장치 작동으로 인한 전기부하가 걸리거나 고부하 운전 시에는 연비가 차이가 날 수 있다.

 기타는 타이어 차량의 관리 상태에 따라 연비는 차이가 난다.


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