내연기관의 연소

내연기관

연료와 공기의 혼합기를 기관 안에서 연소, 폭발시켜서 그 때 발생하는 고온 고압인 연소가스의 열에너지를 기계적인 일로 변화 시켜주는 기관 (구조가 간단하고 높은 열효율을 얻을 수 있어 자동차, 배, 항공기, 기차 등의 동력기관으로 이용)

불꽃 점화기관

강력한 전기 스파크로 혼합기체를 점화시키는 것으로 휘발유, LPG, LNG 및 알코올과 같은 옥탄가가 높은 연료를 사용하는 기관에 이용

압축 점화기관

실린더의 공기를 고압으로 압축시킨 후 연료를 미세하게 분사시켜 연소시키는 것으로 경유와 가은 세탄가가 높은 연료를 사용하는 기관에 이용

노크 knock

연소시 실린더 내 미연가스의 자발화로 온도와 압력이 급격하게 올라가는 현상, 이 때 엔진을 망치로 두드리는 듯한 소리를 내게 되는데, 이것을 노팅 또는 노크 라 한다.

   

가솔린 노크:

가솔린 엔진은 기화된 휘발유 증기와 공기를 혼합시킨 혼합기체를 실린더 내에서 충분히 압축시킨 후 전기 스파크로 착화하여 연소시 발생하는 폭발력을 이용하여 동력을 얻는 기관인데, 엔진 내부의 높은 온도와 압축시의 높은 압력으로 신린더에서 충분히 압축되기 전에 즉, 전기스파크로 착화하기 전에 미리 폭발하는 경우가 있으며 이러한 현상을 knocking 이라 한다. (연소 후기 발생)

   

디젤 노크:

착화 온도가 높은 연료를 사용할 때 착화지연 시간이 길어져서 실린더 속의 연료가 누적되었다가 다량의 연료가 일시에 급격 연소함으로써 실린더의 압력이 급상승하여 높은 충격음을 발생하는 현상으로 원활한 운전이 되지 않고 출력이 떨어진다. (연소 초기 발생)

• 디젤 기관의 노크를 방지하는 방법
  • 분사를 시작할 때 분사량을 적게 하고 연료 입자를 작게 할 것
  • 세탄가가 높은 연료를 사용 할 것
  • 분사시기를 상사점 부근 까지 늦추고 실린더 내의 온도와 압력을 상승시켜 착화 지연을 최대한 짧게 할 것
  • 혼합공기의 온도와 압축비를 높일 것
  • 연료의 착화온도는 낮게, 실린더 벽의 온도는 높게 할 것
  • 실린더 내의 공기와 기름입자의 점도를 높일 것
• 디젤기관 연료분사 요건
  • 무화(atomization): 연료의 입자가 안개처럼 미세하게 퍼지는 것 (입자의 직경 2~50마이크로미터)
  • 관통력(penetrations) : 연료의 입자가 연소를 완료할 때까지 공기속을 진행 할 수 있는 힘
  • 분포(distribution): 미립화된 연료가 공기와 충분히 접촉하기 위해 연소실 내에 고루 넓게 퍼져야 한다.

     

  Knocking 방지 대책

1. 높은 옥탄가를 사용하는 것이 좋다. 고옥탄가의 가솔린은 특히 장거리 주행 때 유리하다.
2. 연소실 체적이 적을수록 또는 동일 체적일 때 구면(sphere)에 가까울 소록 화염전파 거리가 짧아져 노킹이 일어나지 않는다.
3. 연소실에서 점화 플러그의 위치는 연소실 중심부에 부착시킨다. 화염전파거리가 가장 짧은 곳일수록 노킹이 적게 발생한다.
4. 흡입 공기의 속도가 증대되면 착화지연 시간이 연장되어 노킹 경향이 낮아진다.
5. 흡입벨브는 흡입되는 혼합기의 와류에 영향을 주며 와류가 심하면 연소속도가 빨라져 노킹 경향이 감소한다.
6. 엔진의 회전수가 증가되면 혼합기의 와류가 증가되어 연소속도가 증대되기 때문에 연소시간이 짧아지고 착화지연은 거의 변화되지 않으므로 노킹 경향이 적어진다.
7. 혼합기의 혼합비 문제에 있어서는 이론 혼합비 부근에서 가장 노킹이 일어나기 쉽고 이론 혼합비에서 멀어지면 노킹경향이 낮아진다.
8. 난류를 증가시켜 화염속도를 크게하기 위해 난류생성 pot 등을 부착시킨다.

   

옥탄가:

안티노크성(knocking이 일어나기 힘든 정도)을 나타내는 척도로 사용되며 옥탄가가 높을 수록 안티노크성이 좋다는 것으로 가솔린의 노킹현상을 방지해 주는 역할을 하며, 주로 4에틸납 이나 4메틸납 이 가장 널리 쓰여왔으나, 납성분 때문에 인체에 나쁜 영향을 줄 수 있을 뿐 아니라 배기가스의 정화장치의 촉매에도 나쁜 영향을 주고 있어, 현재 사용을 규제하고 있다. 휘발류는 알킬납 대신에 MTBE (methyl-tertiary-butyl-ether)와 같은 옥탄가 첨가제를 사용하거나 접촉개질장치에서 만들어지는 개질 나프타 등을 활용하여 옥탄가를 높인다. MTBE는 옥탄가 약 118로 매우 높고 산소를 함유하고 있으며 비점 및 증기압이 낮고, 가솔린에 완전히 용해되며, 물을 가해도 상분리가 되지 않으며, 방향족 및 올레핀을 갖지 않는 특징이 있다. 옥탄가는 올레핀 및 방향족 탄화수소가 높고 나프텐계 탄화수소는 낮다. 보통 휘발류(노란색 착색) 의 옥탄가는 91이상~94미만이고, 고급 휘발류(녹색 착색)의 옥탄가는 98이상이다.

세탄가:

연료의 착화성을 의미하며, 세탄가를 높이면 착화성이 높아져 디젤 노킹이 감소된다. (자동차용 경유의 세탄가는 45~60정도가 적당)

   

가솔린 기관과 디젤기관의 비교

가솔린 기관: 스파크 점화

• 연료를 공기와 혼합시켜 실린더에 흡입, 압축시킨 후 점화플러그에 의해 강제로 연소폭발 시킨다. (낮은 부하상태나 고부하상태 모두 공기/연료비가 일정하다.)
• HC, CO, NOx 가 많이 발생 (특히 공회전시 CO, 감속시 HC, 가속시 NOx 많이 발생)
• 압축비 (8~9)가 낮아 소음 진동이 적고 연비가 낮다
• 연료의 구비 조건 (가솔린의 표준 연료: 이소옥탄 C8H18)
  • 기화성이 좋을 것
  • 안티노크성이 클 것
  • 발열량이 클 것
  • 연소 퇴적물이 적을 것
  • 부식이 없고 저장 안정성이 있을 것

   

디젤기관: 압축 점화

• 공기만을 실린더에 흡입, 압축시킨 후 연료를 미세한 입자로 분사시킬 때, 압축 점화하여 연소 폭발 된다.
• NOx 와 매연이 많이 발생 (특히 고속 주행시 NOx, 매연의 농도가 높고, 공회전시 CO, HC의 농도가 낮다. ) 공기가 충분한 상태에서 연소가 일어나므로 HC, CO 발생은 적고 Nox는 많이 발생
• 압축비(15~20)가 높아 소음 진동이 심하고 연비가 높다. (실린더 내에 공기만을 흡입하여 15~20의 압축비로 압축하여 고온, 고압의 공기 중에 연료를 고압으로 분사하여 자기착화 시키므로 압축비가 가솔린기관보다 높다)
• 배출가스로 발암성 물질인 3~4벤조피렌(가솔린엔진은 무부하 시에, 디젤엔진은 전부하시에 많이 발생한다는 설이 있음), 악취 원인인 포름알데하이드가 포함되어 있다.
• 가솔린 기관보더 열효율이 높다(30~40%)
• 연료의 구비 조건 (디젤의 표준 연료: 세탄 C16H34)
  • 착화성이 좋을 것
  • 적당한 점도를 가질 것
  • 불순물을 함유하지 않을 것

   

자동차의 주요 배출 오염 물질

HC, CO, Nox, SO2, Pb, Oxidant, 분진, 매연 등으로서 이들 중 HC, CO, Nox가 자동차의 큰 배출원으로 취급되고 있으며, Nox와 HC는 태양광선 중 자외선에 의하여 광화학반응을 일으켜 Oxidant (O3, PAN, HCHO 등)를 형성하여 대낮에 광화학 스모그 현상을 일으킨다. 디젤 차량의 검은 매연과 악취가 문제가 된다. HC 발생원은 증발가스 20%, blow-by 가스에 의해 25%, 배기관을 통한 배출가스량은 55%이며 CO와 NO2는 배출가스로 100% 배출된다. 배출량은 자동차 운행조건과 배출농도에 따라 변화하며, 휘발유 엔진의 경우 운전 조건에 따라 정지 가동상태( 공회전=idling=무부하 운전 상태)에는 CO 농도가 높으며, HC는 감속시에 많이 배출, Nox는 가속시에 많이 배출된다.

   

자동차 배출 오염의 종류

• CO
  • 공연비가 큰 상태에서는 CO의 농도가 현저하게 감소하지만 완전 연소는 어려우므로 CO는 여전히 발생한다.
  • CO는 공회전시 많이 발생하고 주행속도가 빨라지면 CO와 HC의 배출농도는 적어진다.
  • LPG를 사용하면 혼합이 양호하므로 공연비를 크게 할 수 있으며 CO의 배출량은 작다.
  • 디젤엔진에서도 공연비가 매우 크므로 CO 배출량은 작다.
• HC
  • 연소실 내벽 부근에서 온도가 낮기 때문에 연료의 미연소로 인한 냉각효과로 연소되지 않아 배출된다.
  • 공연비가 16까지는 HC가 감소하나 16 이상이 되면 HC 배출량이 증가하고 연료 소비도 증가한다.
  • 감속시 흡기가 진할 때 HC가 연소되지 않고 배출되는 경우가 많다.
  • 점화시기가 빠른 경우 연소 효율과 엔진 회전수 증가로 공기 흡입량이 많아져 CO는 감소하나 HC, Nox는 증가한다.
• Nox
  • 점화시기가 낮을 수록, 압축비가 낮을 수록 Nox 의 농도는 감소한다.
  • 공연비가 16 부근에서 압축비가 낮을 수록 Nox 의 농도가 감소한다.
• Blow-by 가스
  • 연소실과 크랭크 케이스는 피스톤링으로 차단되어 있으나, 압축 폭발행정으로 약간의 HC, CO가 크랭크 케이스로 새어 나온다. 이 가스 성분은 밍녀소 가스가 80~85%, 연소가스가 15~20%로 구성되어 있어 CO는 배출가스에 비하여 문제가 되지 않으나, HC는 배출가스의 40%에 이른다.
  • Blow-by 가스는 기관을 부식시키고 엔진오일을 희석하고 슬러지를 생성한다.
  • Blow-by 가스로 소모되는 휘발유량은 전체 소비량의 2~3%정도라 한다.
• 납
  • TEL( Pb(C2H4)4)을 사용하는 경우 연소과정에서 분해된 납과 산화납이 엔진 내부에 부착하므로 제거제(Dichloroethane, Dibromoethane)를 첨가해야 한다.
  • 이 산화물은 납과 반응하여 PbCl2, PbClBr, PbBr2가 되는데 이것은 융점, 비점이 비교적 낮아서 엔진의 열로 쉽게 휘발한다.
• 디젤엔진의 배출가스
  • 완전연소 생성물: SO2, H2O, SO3, CO2
  • 불완전 연소생성물: CO, HC, H2, 알데하이드, 매연
  • 공기에 관한 생성물: N2, NO2, 과잉의 O2

    디젤엔진에서 전부하 일 때 과잉공기율이 1.1~1.3으로 연료가 완전 연소하면 매연은 발생하지 않는다. 그러나 실재로 연료는 공기와 완전히 섞이지 않고 연소실 내벽의 영향으로 인한 연소의 중단이 매연 밸생의 원인이 되기도 한다. 낮은 공연비(공연비 18정도)는 매연 농도를 크게 증가시키고 저부하에서는 매연 농도가 낮아진다. 디젤엔진에서는 대체로 과잉공기상태에서 운전되므로 배출가스의 HC는 낮으며, 3,4-벤조피렌 등의 유해성분 및 악위원인이 되는 HCHO가 함유되어 있다.

       

자동차의 배기가스 처리 방법

일반적으로 after burner를 엔진의 배기계에 장치하여 배출가스 중의 가연성분을 2차적으로 제거하는 것 외에 여러 방법이 있다.

   

After burner의 설계 기본 요건

• 전환율이 좋을 것
• 엔진 성능이 저하하지 않을 것
• 충분한 내구성
• 소음 효과가 좋을 것
• 가격이 저렴할 것

촉매장치의 부착

• 산화 촉매 장치

  HC와 CO를 백금, 팔라듐 촉매를 사용하여 CO2와 H2O로 산화시키기 위한 장치이다. 이 때 촉매는 납, 황, 인 등에 의하여 피독되므로 전환기를 설치한 자동차에는 무연 휘발류를 사용한다.

• 환원 촉매 장치
  • 환원 촉매로 로듐과 루비듐을 사용하여 Nox를 N2로 환원시킨다.
• 삼원 촉매 전환 장치
  • 백금, 팔라듐과 같은 산화 촉매와 로듐과 같은 환원 촉매를 사용하여 CO와 HC는 CO2와 H2O로 산화 시키고, Nox는 N2로 환원시키는 장치이다. 자동차에서 발생하는 대기오염 물질인 HC, CO, Nox를 통제하기 위해서 산화 반응기와 환원 반응기로 구성된 삼원 촉매장치를 사용할 수 있는데, 삼원 촉매장치는 HC와 CO를 통제하기 위해서는 촉매증을 통과하는 배기가스의 산소가 충분한 상태 이어야 하므로, AFR을 높은 상태로 유지시켜 주는 것이 바람직하고, Nox를 통제하기 위해서는 AFR이 낮은 상태로 산소가 부족한 환원 상태로 유지하여야 한다. 삼원촉매장치는 이론공기과잉율 부근의 좁은 영역에서 작동할 경우에 CO, HC, Nox 등 유해물질을 80%이상 저감할 수 있으며, 공기와 연료의 비율이 이론공연비(14.7) 부근에 있어야 한다. 그 이유는 공연비 이외의 영역에서는 잘 반응하지 못하기 때문이다. (O2센서가 배기가스 중의 산소 농도를 검지해서 공연비를 조정하고 있다.)
• 연료면에서 배출가스를 정화하는데 연료첨가제가 고려 된다.
  • 휘발유의 경우 methanol을 첨가함으로써 TEL 첨가 없이 높은 옥탄가를 얻을 수 있고 CO, HC의 배출을 억제할 수 있다. Methanol은 산소를 함유하고 있고 연소온도가 낮으므로, 매연, Nox의 방생이 적으며 물과 친화력이 강하므로 화재에 대한 안정성이 높다.
  • 디젤은 매연방지로 Ba 화합물 0.15% 첨가시 매연은 10~30% 감소 효과가 있다.
• 자동차 배출가스 감소를 위한 기술 개발
  • 연료의 대체

    LPG나 천연가스를 사용하면 연료와 공기의 혼합이 쉬워서 높은 AFR을 얻을 수 있으며, HC, CO, Nox의 배출도 줄일 수 있다.

  • PCV와 활성탄의 이용

    연료탱크와 카브레이터로부터 연료증기를 제거하기 위하여 설계된 것이 증발손실 시스템이다. 즉, 연료 증기는 활성탄통에 저장되나 통제벨브(Positive crank case ventilation valve)를 통하여 흡입 분기관으로 송입된 다음 엔진에서 연소된다. ( HC 감소)

  • 엔진 설계
    • 연소실의 표면/부피의 감소 -> HC 저감
    • 점화시간 지연 -> Nox, HC 저감
    • 엔진 실린더 배기구로 공기를 주입하여 배기가스와 혼합 -> HC, CO 산화
    • 화염온도를 낮춤 (물 주입, 혹은 배기가스의 재순환) -> Nox의 감소
  • 동력원의 교체
    • 내연기관 -> 전기 밧데리 자동차 ( 상용의 문제점이 있음)
    • 도시구조의 개선
      • 도로의 증설
      • 우회도로의 증설
      • 교통상의 애로사항 해소
      • 완충 녹지대 설치
    • 대량 공공수송기관의 확충
      • 지하철, 전철의 건설
      • 버스 수송의 정비
      • 서비스 개선

   

 

   

유해가스 사고 발생시 응급조치

1. 특정 유독물질의 누출 또는 비산하여 불특정 다수에게 보건 위생상 위해를 줄 우려가 있을 때에는 즉시 관계 관청, 공해 담당 기관 및 경찰서, 소방서 등에 알린다.
2. 피해가 예상되는 지역 내의 주민들에게 경고하여 바람이 불어 가는 쪽의 주민은 신속히 바람이 불어오는 쪽으로 대피시키고 특히 HCN, COCl2 등 맹독성 가스에 대해서는 위험표지와 출입금지 표시를 설치한다.
3. 가스상 물질이나 휘발성 물질 중에 증기 밀도가 공기보다 커서 밑으로 가라앉는 물질은 빨리 확산되는 조치를 취한다.
4. 인화 또는 폭발 위험이 있는 물질은 착화원을 멀리하고 폭발성 혼합기체가 만들어지지 않도록 한다.
5. 물에대한 용해도가 큰 물질(NH3, HF, HCl, H2SO4 등)은 특히 많은 양의 물을 사용하여야 하며 배수에 의한 수질 오염 문제도 고려하여야 한다. 또 액체 염소가 용기로 부터 누출될 때에는 염소의 기화속도를 촉진시키기 때문에 용기에 물을 가해서는 안된다.
6. 누출된 배기가스 처리 방법으로 물에 대한 용해도가 큰 물질은 수세법, 산성물질은 석회유 또는 가성소다액에 의한 흡수 방법을 이용한다.
7. HCN은 NaOH 용액으로 중화시킨다.

   

장 단기적인 대기오염 방지계획

• 법률에 의한 규제 사항
  • 대기 오염 기준 설정 : 배출허용 기준, 환경 기준
    • 규제 기준의 단계별 구분
      • 1단계: 배출허용기준 설정
      • 2단계: 특별, 엄격 배출 허용 기준
      • 3단계: 총량규제 실시
  • 총량규제 및 환경오염 관측
  • 배출원의 이전 분산
• 행정적 대책 : 장기적이며 거시적인 합리성 계획 수립
• 감시, 측정 장치의 정비 강화 : 측정망 설치
• 산업 입지 정책의 합리화
• 조사 연구 및 기술 개발
• 세금, 금융상의 지원, 보조
• 교육 및 지도 계몽
• 기타 대책 -> 완충 녹지대 건설, 기술 용역회사의 장려, 자문기구 활용 (부과금 제도)