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디젤자동차
(1) 디젤자동차란 경유를 연료로 사용하는 압축점화기관을 장착한 자동차를 말함.
(2) 휘발유자동차와 디젤자동차의 차이
표 6.3.1. 휘발유자동차와 디젤자동차의 차이
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내 용 |
휘발유자동차 |
디젤자동차 |
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연 료 |
휘발유, LPG |
경유 |
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연소방식 |
연료를 공기와 혼합시켜 실린더에 흡입, 압축시킨 후 점화프러그에 의해 강제연소 폭발시킴 |
공기만을 실린더에 흡입, 압축시킨 후 경유를 분사 시켜 점화, 연소, 폭발시킴 |
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연료공급방식 |
기화기식 또는 전자제어 분사식 |
기계적 분사 또는 전자제어 분사식 |
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연소특성 |
공기과잉율(λ:공연비를 이론공연비로 나눈값) 0.8∼1.5 사이의 혼합가스를 전기 스파크에 의해 연소
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압축된 공기중에 경유를 분사시키므로 균일한 혼합기 형성이 어려워 시간적으로나 공간적으로 공기과잉율이 일정치 않음 일반적으로 공기가 충분한 상태에서 연소 |
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배출가스특성 |
CO, HC, NOx가 많이 배출, 증발가스 및 부로바이가스에 의해 HC배출 |
CO, HC의 배출은 적으나 NOx가 많이 배출 매연 및 입자상물질이 많이 배출 |
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소음·진동 |
압축비가 낮아서(8∼9) 소음진동이 적음 |
압축비가 높아(15∼20) 소음 진동이 심함 |
|
연 비 |
연소효율이 낮아 연료가 많이 소비됨 |
연소효율이 좋아 연료가 적게 소비. 특히 교통정체가 심한 도심 주행에서는 연비가 좋음 |
나. 디젤자동차에 의한 대기오염 현황
(1) 자동차공해의 심화
자동차가 도시 대기오염의 주범으로 등장하고 있으며 특히 디젤자동차의 매연공해가 심각함.
1994 2000 2005
o 자동차 등록대수(천대) 7,404 13,152 15,914
o 오염물질 배출량(천톤) 1,858 2,139 2,420
o 디젤자동차 보유비율(%) 한국 미국 일본 독일 34% 3% 18.7% 17.7%
o 차종별 오염물질 기여율('98)
- 대형디젤자동차의 보유비율은 6%에 불과하나 오염물질 배출량은 50%임.
(2) 자동차 보유비율 비교
표 6.3.2. 자동차 보유비율 비교('98년 기준)
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전체등록대수 |
휘발유자동차 |
경유소형차 |
경유대형버스 |
경유대형트럭 |
LPG자동차 |
|
100% |
62.8% |
28.5% |
1.2% |
4.4% |
3.1% |
(3) 차종별 오염물질 배출량 비교
표 6.3.3. 차종별 오염물질 배출량 비교('98년 기준)
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전체배출량 |
휘발유자동차 |
경유소형차 |
경유대형버스 |
경유대형트럭 |
LPG자동차 |
|
100% |
27.3% |
15.2% |
11.7% |
38.2% |
7.6% |
(4) 대도시 대기오염 변화추세
(가) 대기오염의 주요발생원이 산업체 및 난방에서 자동차로 변화
(나) 아황산가스(SO2) 및 먼지농도는 감소하고 있으나 자동차 배출가스가 주원인인 질소산화물(NO2) 및 오존(O3)농도는 증가
(다) 일산화탄소(CO)는 휘발유자동차의 저공해화로 대폭개선
(라) 경유자동차에 의한 입자상물질 배출량 증가로 대기중 미세입자농도가 증가하여 시정장애 현상 매년 악화
다. 디젤자동차의 종류
우리나라의 디젤자동차의 종류는 휘발유자동차와 같으나 경자동차 및 이륜자동차는 경유를 연료로 사용하지 않음.
라. 배출가스 허용기준
(1) 우리나라는 '96년부터 농도규제(ppm)에서 중량규제(g/kWh)로 규제가 강화됨과 아울러 시험방법이 개선됨.
(2) 중량자동차에 있어서는 표 6.3.5에서 볼 수 있는 바와 같이 선진국에 비하여 규제가 많이 완화되어 있으며 아울러 배출가스 관련 기술도 많이 뒤떨어져 있음.
(3) 2002년부터는 현재의 미국 및 유럽연합(EU) 수준으로 규제가 강화됨.
(4) 주요국의 디젤자동차 배출가스 허용기준 비교
표 6.3.4. 디젤 소형화물자동차 배출가스 허용기준
|
Country |
Application year |
Emission toleration standard (g/km) |
Test method |
|
CO |
THC |
NOx |
PM |
|
Korea |
1996
1998
2000
2004 |
6.21
2.11
|
0.5
0.25
|
1.43
1.4
1.06
0.71 |
0.31
0.25
0.14
0.08 |
CVS-75 mode |
|
EU |
1998
2000 |
―
― |
―
― |
1.2
0.87 |
0.17
0.07 |
ECE15+EUDC |
|
U.S.A. |
1990
1994 |
3.4
2.4 |
0.25
0.16 |
0.75
0.63 |
0.16
0.05 |
FTP-75 |
|
Japan |
1995
2000 |
2.7
2.7 |
0.62
0.62 |
1.82
0.98 |
0.43
0.16 |
10·15Mode |
표 6.3.5. 디젤 중량자동차 배출가스 허용기준
|
Country |
Application year |
Emission standard (g/kwh) |
Test method |
|
Truck |
Bus |
|
NOx |
PM |
NOx |
PM |
|
Korea |
1996
1998
2000
2002 |
11.0
6.0
6.0(7.0)
6.0 |
0.9
0.25
0.2(0.15)
0.15 |
11.0
9.0
6.0(7.0)
6.0 |
0.9
0.5
0.2(0.15)
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 |
ECE13 |
|
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 |
EPA TEST |
|
Japan |
1994
1997∼2000 |
6.8
6.8 |
0.96
0.25 |
6.8
6.8 |
0.96
0.25 |
Japan 13 |
※ 비고 : ( ) 기준은 Turbo에 적용한다.
마. 배출가스 시험방법
(1) 배출가스 시험방법은 휘발유자동차에서 설명한 바와 같다.
바. 배출가스 저감기술
(1) 배출가스 저감기술 개요
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연료개선 |
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엔진 개량 |
|
후처리 기술 |
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
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|
- 경유 품질 개선
o 황함유량 : 0.05%이하
- 대체연료
o CNG
o 메타놀
o CNG + 경유
|
- 연소실 개선(Reentrant, Toroidal)
- 연료계 개선
o 고압분사(태그, 커먼레일)
o 연료분사량 및 분사시
기 전자조절
- 터보-인터쿨러, VGT
- 배기가스 재순환(Cooled-EGR) |
- 입자상물질 여과장치(DPF)
- 산화촉매(DOC)
- DeNOx촉매, SCR 촉매
|
(2) 국내 기술 개발 동향
국내 대형경유차의 오염물질 배출수준은 유럽의 EURO-Ⅰ수준으로서 엔진 기술로는 주로 기계식 연료분사펌프를 사용하며, 연료분사압력은 1000bar내외이다. 질소산화물을 줄이기 위한 방법으로 연료분사시기 지연방법을 주로 사용하나 충분한 연소시간을 갖지 못하게 되면 입자상물질의 증가를 초래할 수 있다. 현재 일부 대형경유차에 적용하고 있는 터보챠져/인터쿨러(TC/IC) 기술은 급가속시 응답지연현상 등이 발생하는 등 기술적용의 어려움이 있는 실정으로 엔진 및 연료계 등 시스템의 변화가 요구된다.
현재 국내에서 개발되고 있거나 개발 예정인 기술로 커먼레일(common rail) 및 유닛인젝터(UI)를 사용한 연료고압분사방식, 전자식 연료제어유닛(ECU), 터보챠져/인터쿨러(TC/IC)등의 적용을 통한 연료분사의 정밀화 및 고성능화와 엔진개량방법의 일환으로서 Reentrant 연소실 및 실린더당 4밸브화 등의 기술 적용으로 연소말기의 연소효율 개선 등을 통한 오염물질 저감방안 등이 검토되고 있으나 아직 선진국 기술에는 못 미치는 실정이다.
경유자동차에 있어서는 공기가 대부분의 운전조건에서 충분한 상태로 연소되기 때문에 CO와 HC는 휘발유 자동차에 비하여 아주 적게 배출되나 NOx와 매연이 많이 배출된다. 그러므로 경유자동차의 배출가스 저감기술은 NOx와 매연을 포함한 입자상물질의 저감에 중점적으로 이루어지고 있으며, 특히 국내에서 경유자동차 배출기준 강화에 대응하여 후처리기술로 매연등 입자상물질과 CO, HC등을 줄이기 위한 매연여과장치(DPF)가 이미 실용화 된바 있으며, 디젤산화촉매장치(DOC)가 개발되었고, NOx만을 선택적으로 줄이기 위한 De-NOx 촉매 및 SCR등이 고려되고 있다. 이러한 배출가스 방지기술은 각국에서 제시되고 있는 배출가스 허용기준의 수준에 따라 기술별 적용성이 검토되고 있다.
(3) 국외 기술개발 동향
미국, 유럽 등의 선진국에서는 배출규제에 대비하여 대형경유차의 PM 및 NOx를 줄이기 위한 다양한 기술을 개발·적용하고 있다. EU의 대형경유차 저공해기술개발동향을 살펴보면 현재의 EURO-Ⅱ규제에 대응하기 위해 연료분사시기조정, 공기과잉율조정, 흡기온도 최적화, 압축비 최적화등의 방법이 주로 사용되고 있으며 EURO-Ⅲ의 규제에 대응하기 위해서는 엔진의 전자제어화, 연료분사압력 1400∼1800bar로의 고압분사, 고압축비, EGR(배기재순환장치)등이 검토되고 있다. 2005년에 적용이 예상되는 EURO-Ⅳ 규제에 대응하기 위한 기술로는 Cooled EGR외에 DPF, De-NOx 등의 후처리기술 위주의 도입이 검토되는 것으로 보고되고 있다.
분사계의 경우 현재까지의 일반적 추세가 지속될 것으로 예상된다. 즉, 분사시기의 전자 제어화 및 분사 압력의 초고압화를 위하여 커먼레일 시스템 또는 전자제어유닛인젝터 (EUI) 시스템의 채택, 분사 연료의 초미립화를 위한 소분공경 다공 노즐의 사용, 분사율 제어를 위한 HEUI 사용 등이 주류를 이룰 것으로 파악된다. 상기의 분사계 고압화 및 post injection은 PM 저감을 위한 기술로 평가되고 있고, 파일럿분사(pilot injection), 분사율 제어 등은 NOx 저감을 위한 기술로 인식된다. 흡기계의 경우 향후 VGT(variable geometry turbocharger), EGR (exhaust gas recirculation) 시스템의 적용이 필수적일 것으로 인식되고 있다. 저속 영역의 공기량 증대와 고속 영역의 과도한 과급 해소를 위해 사용하는 VGT 시스템은 전자제어에 의한 전영역 공기량 제어가 가능한 시스템으로 현재 양산중인 엔진에 장착된 경우도 있다. EGR 시스템의 경우 배기가스를 흡기로 재순환 시켜 최대 연소 온도 및 연소실내 산소 농도를 저하시켜 질소 산화물의 생성을 저감 시키는 고전적 방법이다. 하지만, EGR 시스템 구성에 있어서 어려움이 있다. 기본적으로 질소산화물 저감을 위하여 EGR을 적용하면 연료 소비율 및 입자상물질이 증가하는 경향이 있으므로 이의 해소를 위해 cooled EGR 즉 EGR용 배기가스온도를 저감하여 재순환 시키는 방법을 주로 쓴다. 하지만 이런 경우에도 입자상 물질을 원하는 수준까지 저하가 어려우므로 향후에는 PM 저감용 후처리 장치와 병행하여 EGR 를 쓰는 경우가 보편적일 것으로 판단된다.
미래 기술로 거론되는 HCC(homogeneus charged combustion) 시스템은 압축 초기에 연료를 분사하여 충분한 혼합기가 형성된 후 압축과정시 자연 발화를 일으키는 시스템으로써 그 열효율이 뛰어난 장점이 있는 것으로 평가받고 있으나, 발화시기 제어 및 실화(misfire)의 위험이 많은 것으로 알려져 있다. 또한 현재 외국에서 실용화되고 있는 경유차량의 배출가스 저감기술 중 연소실 개선방법으로 Reentrant bowl, Toroidal 등의 스월 촉진 방법 등이 있다.
한편 디젤자동차의 배출가스를 줄이기 위한 후처리방법으로는 NOx 및 PM의 기술로 대별될 수 있다. 현재까지 NOx 저감 기술로서 Lean NOx 촉매는 HC 를 써서 NOx 성분을 환원시키는 역할을 수행한다. 피동형(passive type)은 배기가스 중에 포함된 HC 를 이용하여 NOx 를 환원시키나, 능동형(active type)의 경우는 외부 장치 (post injection 혹은 직접 배기관에 연료를 분사하는 방법)에 의해 HC 를 배기가스에 공급한다. 디젤엔진의 배기가스중에 포함된 HC 량은 미소하므로 피동형 촉매의 정화율이 능동형에 비해 열세를 보인다.
현재 정화율이 60% 이상인 실용 가능성이 있는 기술로서 SCR(Selective Catalytic Reduction)과 NOx 흡수촉매(absorber catalysts)가 있다.
주로 대형 발전기에 사용되어온 SCR 기술은 촉매 물질로써 암모니아 혹은 요소(urea)를 사용한다. 요소를 물에 용해시켜 차량에 적용하였을 경우 질소 산화물 정화율이 65% 이상의 저감 효과가 있다. 현재 유럽지역의 상용차 제작사들은 독일의 지멘스와 합작하여 SCR 기술을 실제 차량에 적용하여 시험중이며 멀지 않은 장래에 실용화될 가능성이 크다는 보고가 있다. 또한 NOx 흡수촉매의 경우는 황산염의 형성이 문제점으로 나타나는데 이는 연료의 황 함유량 저감이 주요한 대책이라 볼 수 있다.
PM제거를 위한 매연여과장치는 입자상 물질 여과장치라고도 불리며 DPF(Diesel Particulate Filter Trap)로 통칭한다. DPF는 경유엔진에서 배출되는 PM을 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 장애요인이 되고 있다. 또한 필터에 PM이 포집됨에 따라 엔진에 배압이 걸리며 이것에 의하여 출력과 연료소비율이 다소 희생되며 이를 최소화하는 기술의 보완도 필요하다. DPF 기술은 크게 PM 포집(trapping)기술과 재생(regeneration)기술로 나누어지며 시스템은 기본적으로 필터, 재생장치, 제어장치의 3부분으로 구성되어 있다. 현재 개발 중인 기술로는 능동형 및 피동형 DPF 재생 기술 및 CRT(Continuous Regeneration Trap) 촉매, 플라즈마 방법 등이 있다.
(4) 디젤자동차에 적용된 기술
(가) EGR 기술
1) 기술개요
배기가스 재순환방식(EGR)은 배출가스의 일부를 다시 흡기계로 재순환시키는 방식으로서 흡입공기중의 CO2농도가 증대하고 연소시의 온도저하에 의해 NOx를 저감시킬 수 있다.
2) EGR기술의 종류
터보차저의 터빈출구에서 콤프레서 입구로 EGR통로를 설치한 Low pressure route는 압력차가 크기 때문에 기관의 넓은 작동영역에서 EGR량을 제어할 수 있다. 그러나 배기가스가 콤프레서와 인터쿨러를 통과하기 때문에 이들의 내구성과 신뢰성에 문제를 야기하며, 또한 흡기온도가 콤프레서의 설계온도를 초과할 수도 있다. 반면 터빈입구 이전의 기관배기관에서 콤프레서 이후의 흡기관을 연결한 High pressure route방식은 배기가스가 콤프레서와 인터쿨러를 지나가지 않기 때문에 이들 장치에 영향을 미치지는 않는다.
현재 개발하여 실차에 사용하고 있는 EGR밸브는 유량의 제어방식에 따라 VM(Vacuum Modulated)EGR방식, BPM(Back Pressure Modulated)EGR방식, BPM&VVM(Back Pressure & Venturi Vacuum Modulated)EGR방식 등이 있다
3) 기술개발동향
EGR밸브는 지금까지는 기계식을 사용하여 왔으나 배기규제가 계속 엄격해지면서 보다 정밀한 제어와 신속한 작동이 요구되어 전자제어식 EGR(E-EGR)밸브의 사용을 예상한다. E-EGR시스템은 기관회전속도와 부하, 냉각수온도 등을 감지하여 기관작동 상태를 파악하여 전자식모터나 전자식밸브로서 EGR밸브를 구동하여 재순환가스량을 제어한다. EGR율 적용은 초기에는 저부하영역에서 40%, 중부하에서 20%수준으로 제어하나 2000년 규제를 위해서는 고부하에서 50%, 중속중부하에서 25%, 고부하에서 10%까지 적용하여야 할 것으로 예상하고 있다. 또한 저부하에서는 Hot EGR을 사용하여 점화지연과 공연비를 감소함으로서 NOx뿐만 아니고 PM과 HC도 동시에 저감시키고 중부하에서는 Colded EGR 적용이 필요한 것으로 제안하고 있다.
(나) 후처리 기술
매연여과장치(DPF(Diesel Particulate Filter Trap))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 장애요인이 되고 있다. 또한 필터에 PM이 포집됨에 따라 엔진에 배압이 걸리며 이것에 의하여 출력과 연료소비율이 다소 희생되며 이를 최소화하는 기술의 보완도 필요하다.
DPF 기술은 크게 PM 포집(trapping)기술과 재생(regeneration)기술로 나누어지며 시스템은 기본적으로 필터, 재생장치, 제어장치의 3부분으로 구성되어 있다. 표 6.3.6은 대표적인 매연여과장치의 기본구조와 장·단점을 요약한 것이며, 또 다른 대표적인 후처리장치인 산화촉매장치(DOC)도 일부 소개하였다.
표 6.3.6. 대표적인 후처리장치인 매연여과장치와 산화촉매장치의 장·단점
|
재 생 기 술 |
장 치 그 림 |
장 점 |
단 점 |
|
경
유
버
너
식 |
 |
o큰 엔진에 적용이 용이함
o재생이 용이함 |
o연료소비량 증대
o설치 장소 문제
|
|
첨
가
제
식 |
 |
o장치가 간단 |
o배기매니폴드에 설치하므로 열적 충격과 기계적진동에 약함.
o설치장소 문제
o이차오염문제 |
|
촉
매
식 |
 |
o적은 전기 소요
o열적충격에 의한 필터 파손 방지 |
oSulfate 생성
o이차오염 문제
|
|
플
라
즈
마
식 |
 |
o내부구조 비교적 간단
oNOx와 PM 동시 저감가능성 |
o2차공기와 전력추가 소모로 밧데리와 발전 기의 내구성 영향
|
|
산
화
촉
매
장
치 |
 |
oCO, HC등 가스상 물질 처리효율
우수.
o장치간단,가격저렴 |
o황산염의 생성으로 인한 촉매피독으로 내구성 저하 우려.
|
(5) 저공해기술 실용화현황
표 6.3.7. 디젤자동차 저공해기술 개발 현황
|
Technology |
Emission Reduction Potential |
Fuel Consumption |
Availability1) |
|
1998 시장 |
2005
적용 |
2005 시장 |
|
Oxidation catalyst |
PM :** SOF : ***
HC,CO:****, NOx:* |
No effect |
Yes |
H |
M |
|
Particulate trap(non-CRT) |
PM : ***** |
some increase |
Yes |
H |
M |
|
Continuously Regenerative Trap
(CRT) |
PM :*****
NOx : <5% |
some increase |
Yes |
H |
M |
|
Plasma |
HC, NOx:****
CO:***, removes soot |
No effect? |
No |
M |
L |
|
De-NOx Catalyst SCR(Urea) |
NOx: ***** (ECE R49) |
No effect |
No |
H |
H |
|
De-NOx Catalyst Passive-FWC
(Four Way Catalyst) |
NOx: * (ECE R49) |
No effect |
No |
M |
L |
|
De-NOx Catalyst Active-
NCR (non-SCR) |
NOx : **(ECE R49) |
some increase
(depends on HC/NOx ratio) |
No |
H |
M |
|
NOx storage catalyst |
NOx :>***
(assumed, based on LD) |
small increase
(depends on regeneration efficiency) |
No |
M |
L |
|
EGR, Non-cooled |
NOx: **(R49/13-mode) |
small increase |
No |
H |
M |
|
EGR, cooled |
NOx:***(OICA/13-mode)
NOx:>***(R49/13-mode)
Reduced PM/soot |
small increase |
No |
H |
H |
|
Basic engine design
improvements |
Euro2 to Euro4 unclear
(PM,HC,PM : **** shown for Euro1 to Euro2) |
reduced |
Yes |
H |
H |
|
Engine management system
& strategies |
Unclear for HD
(PM:**, NOx:9% demonstrated for LD) |
significant reduction |
Yes |
H |
H |
|
New fuel injection types |
Significant, but % is unclear |
significant reduction |
Yes |
H |
H |
|
New nozzles/
Rate shaped injection |
NOx : * (at constant soot) |
small reduction |
No |
H |
H |
|
Diesel/water injection
and emulsions |
all : ** (with 20% water) |
small increase |
No |
M |
L |
|
Diesel/water injection |
PM : ***, NOx: ** |
small reduction |
? |
H |
M |
비고 ; 1) Has been assessed by the Task Force in mid-1998 as;
H : high - likely, M : medium - limited, L : low - unlikely
Key ; * : 10 to 20%, ** : 20 to 35%, *** : Up to 50%, **** : Up to 75%,
***** : >75% reduction potential
출처 : J.S. McArragher, et al., Fuel quality, vehicle technology and their interaction,
CONCAWE report No. 99/55, CONCAWE Brussels, May 1999.
참고문헌
1． 조강래 외, (1991∼1993), 디젤자동차 입자상물질 여과장치 개발(Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ), 국립환경연구원.
2． Michael P. Walsh., (1995), "Grobal trends in Diesel Particulate Control in 1995 Update",
SAE950149.
3. 김희강 외, (1991), "대기오염과 제어", 동화기술.
4. 한화진 외, (1995), "자동차 배출가스 종합대책", 환경부.
5. John B. Heywood, "Internal Combustion Engine Fundamentals", ISBN 0-07-100499-8
6. 류정호, (1998), "대형디젤기관에서 EGR장치에 의한 성능 및 배출가스의 특성에 관한 연구"
작성자 : 자동차공해연구소 공업연구사 류정호(공학박사)
이 자료는 국립환경연구원에서 발간한 환경자료집(1999년판)을 이용하여 만들었으므로 법령기준등은 현재와 차이나는 경우가 많이 있습니다.
일반적인 사항이 아닌 법령등은 홈페이지 법령란의 자료를 참고하시기 바랍니다.
출처 : http://www.me.go.kr/
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