배기 가스 재순환

Exhaust gas recirculation
1987년식 Saab 90 엔진의 흡기 매니폴드 상단에 있는 EGR 밸브

내연기관에서 배기 가스 재순환(EGR)은 가솔린/가솔린, 디젤 엔진 및 일부 수소 엔진에 사용되는 질소산화물(NO
 x ) 배출 저감 기법이다.[1] EGR은 엔진의 배기 가스의 일부를 다시 엔진 실린더로 재순환시키는 방식으로 작동한다. 이것은 유입되는 공기 흐름에서 O를2 희석시키고 연소에 불활성 가스를 공급하여 연소 열의 흡수제 역할을 하여 최대 인실린더 온도를 감소시킨다. NO
 x는 연소 실린더에서 발생하는 대기 질소와 산소의 고온 혼합물에서 생성되며, 이는 대개 실린더 피크 압력에서 발생한다. 스파크 점화 엔진에 장착된 외부 EGR 밸브의 또 다른 주요 이점은 충전 희석으로 스로틀 위치가 커지고 관련 펌핑 손실이 감소하기 때문에 효율성이 증가한다는 것이다. 마즈다의 터보차지 스카이액티브 엔진은 연소실 온도를 낮추기 위해 재순환되고 냉각된 배기 가스를 사용하므로, 엔진 노크 방지를 위해 공기 연료 혼합물을 농축하기 전에 엔진이 더 높은 부스트 레벨로 작동할 수 있다.[2]

가솔린 엔진에서 이 불활성 배기가스는 실린더의 가연성 전하를 일부 대체하여 공기 연료비에 영향을 주지 않고 연소에 사용할 수 있는 전하의 양을 효과적으로 감소시킨다. 디젤 엔진에서 배기 가스는 가연 전 혼합물의 과잉 산소의 일부를 대체한다.[3] NO
 x는 질소와 산소의 혼합물이 고온에 노출될 때 주로 형성되기 때문에 EGR에 의한 연소실 온도가 낮아지면 연소가 발생하는 NO
 x의 양이 감소한다. EGR 시스템에서 다시 유입된 가스는 NO
 x와 CO에 가까운 평형 농도를 포함할 것이다. 연소실 내부의 작은 분율은 시간 평균으로 샘플링했을 때 이러한 오염물질과 기타 오염물질의 총 순생산을 억제한다. 다른 연료의 화학적 특성은 EGR 사용량을 제한한다. 예를 들어 메탄올은 휘발유보다 EGR에 더 내성이 있다.[4]

역사

첫 번째 EGR 시스템은 조잡했다. 일부 시스템은 배기 가스와 흡기 트레이 사이의 오리피스 제트처럼 단순했다. 이 때문에 엔진이 작동할 때마다 흡기구로 배기되는 배기 가스가 허용된다. 어려운 출발, 거친 공회전, 성능 및 연비 감소 등이 결과로 나타났다.[5] 1973년까지 다지관 진공에 의해 제어되는 EGR 밸브는 특정 조건에서만 흡기구로의 배기가스를 허용하기 위해 개폐되었다. 자동차 회사들이 경험을 쌓으면서 제어 시스템은 더욱 정교해졌다; 폴크스바겐의 1973년식 "냉각수 온도 센서가 엔진이 정상 작동 온도에 도달할 때까지 EGR 밸브로 가는 진공을 막았다는 것이 이러한 진화의 예였다.[5] 이는 불필요한 배기 유도로 인한 주행성 문제를 방지했다. 높은 온도 조건에서 NO
 x 형태는 일반적으로 차가운 엔진과 함께 존재하지 않는다. 더욱이 EGR 밸브는 부분적으로 카뷰레터의 벤투리에서 뽑아낸 진공에 의해 제어되었고, 이는 NO
 x가 형성될 가능성이 있는 엔진 부하 조건에만 EGR 흐름의 보다 정밀한 제약을 허용했다.[6] 이후 EGR 밸브 제어에 역압 변환기가 추가되어 EGR 흐름을 엔진 부하 조건에 더욱 맞춤화했다. 대부분의 최신 엔진은 배기 가스 재순환을 통해 배기 가스 배출 기준을 충족해야 한다. 그러나 최근의 혁신으로 인해 엔진이 필요 없는 개발이 이루어지고 있다. 3.6 크라이슬러 펜타스타 엔진은 EGR이 필요 없는 한 예다.[7]

EGR

배기가스는 수증기와 이산화탄소를 포함하고 있는데 둘 다 공기보다 열용량 비율이 낮다. 따라서 배기 가스를 추가하면 실린더 내 등방성 압축 시 압력과 온도가 감소하고, 단열성 불꽃 온도를 낮출 수 있다.

일반적인 자동차용 스파크 점화(SI) 엔진에서는 배기 가스의 5%~15%가 EGR로 다시 흡입구로 연결된다. 연소 이벤트 중 전방 불꽃을 지속적으로 유지하기 위한 혼합물의 필요성에 의해 최대량이 제한된다. 잘못 설정된 애플리케이션에서 과도한 EGR은 실화와 부분 화상의 원인이 될 수 있다. EGR은 측정 가능한 느린 연소를 수행하지만, 이는 스파크 타이밍을 진전시킴으로써 크게 보상받을 수 있다. EGR이 엔진 효율에 미치는 영향은 대부분 특정 엔진 설계에 따라 달라지며, 효율과 NO
 x 배출량 사이의 절충으로 이어지는 경우도 있다. EGR을 적절히 작동시키면 이론적으로 다음과 같은 몇 가지 메커니즘을 통해 가솔린 엔진의 효율을 높일 수 있다.

  • 조절 손실 감소. 흡기 시스템에 불활성 배기 가스를 추가한다는 것은 주어진 출력에서 스로틀 플레이트를 더 개방하여 흡기 매니폴드 압력이 증가하고 조절 손실이 감소해야 한다는 것을 의미한다.[8]
  • 열 제거 감소. 피크 연소 온도가 낮아지면 NO
     x 형성이 감소할 뿐만 아니라 연소실 표면으로의 열 에너지 손실이 감소하여 팽창 스트로크 동안 기계적 작업으로 전환하는데 더 많은 가용성이 남는다.
  • 화학적 분열을 감소시킨다. 피크 온도가 낮을수록 방출된 에너지는 연소 제품의 분리 과정에서 결합(초기 팽창 스트로크)되지 않고 탑 데드 센터(TDC) 근처에 남아 있는 감지 에너지로 더 많아진다. 이 효과는 앞의 두 가지 효과에 비하면 미미하다.

EGR은 피크 전력 출력을 감소시키기 때문에 일반적으로 높은 부하에서 사용되지 않는다. 섭취 전하 밀도를 낮추기 때문이다. 공회전(저속, 무부하)에서도 EGR이 생략되는데, 이는 불안정한 연소를 일으켜 거친 공회전 현상을 유발하기 때문이다.

EGR 시스템은 배기 가스의 일부를 재순환하기 때문에 시간이 지남에 따라 밸브가 제대로 작동하지 못하게 하는 탄소 퇴적물로 인해 막힐 수 있다. 막힌 EGR 밸브를 청소할 수 있는 경우도 있지만 밸브에 결함이 있을 경우 교체가 필요하다.

디젤 엔진의 경우

VW BMN 엔진용 EGR 밸브

현대의 디젤 엔진에서 EGR 가스는 보통 더 많은 양의 재순환 가스를 도입할 수 있도록 열 교환기로 냉각된다. 그러나 냉각되지 않은 EGR 설계가 존재하며, 흔히 핫 가스 재순환(HGR)이라고 한다. 스파크 점화 엔진과 달리 다이젤은 연속 불꽃 전선의 필요성에 의해 제한되지 않는다. 더욱이 다이젤은 항상 과도한 공기로 작동하기 때문에 NO
 x 배출물을 제어하는 데 있어 최대 50%(공회전 시, 그렇지 않을 경우 공회전 시)의 EGR 속도의 혜택을 받는다. 실린더로 다시 재순환되는 배기 가스는 탄소 입자가 피스톤 링에 의해 불어 오일로 들어가면서 엔진 마모를 증가시킬 수 있다.[9]

현대식 다이젤은 스로틀을 사용하는 경우가 많기 때문에 EGR은 SI 엔진과 같은 방식으로 손실을 제거하는 조절 필요성을 줄일 수 있다. 조절을 줄이면 엔진 오일이 피스톤 링을 지나 실린더로 빨려들어 탄소 침적이 발생하는 문제도 감소한다. 배기 가스(대형 질소, 이산화탄소, 수증기)는 공기보다 특정 열이 높기 때문에 여전히 피크 연소 온도를 낮추는 역할을 한다. 그러나 디젤에 EGR을 추가하면 동력 행정에서 연소 가스의 특정 열비율이 감소한다. 이것은 피스톤에 의해 추출될 수 있는 힘의 양을 감소시킨다. EGR은 또한 동력 행정에서 연료 연소량을 감소시키는 경향이 있다. 이는 EGR 증가에 해당하는 미세먼지 배출량이 증가함에 따라 확연히 드러난다.[10][11]

전력 스트로크에서 연소되지 않는 입자 물질(주로 탄소)은 에너지를 낭비한다. 미세먼지(PM) 규제 강화는 EGR로 인한 PM 배출량 증가를 보완하기 위해 배출량 조절을 추가로 도입할 것을 요구하고 있다. 가장 흔한 것은 배기 시스템의 디젤 미립자 필터(DPF)로 배기 가스를 청소하지만 생성되는 역압으로 인해 연료 효율이 지속적으로 경미하게 감소한다. NO
 x 배출의 이산화질소는 정상 작동 온도에서 DPF에 걸린 그을음의 1차 산화제다. 이 과정은 수동 재생이라고 알려져 있다. EGR 속도를 높이면 수동 재생이 DPF에서 PM 로드를 관리하는 데 덜 효과적이다. 이를 위해서는 산화촉매에서 디젤 연료를 연소시켜 주기적으로 DPF를 활성 재생해야 하는데, 이는 배기 가스의 잔류 산소에 의해 PM이 빠르게 연소될 정도로 DPF를 통한 배기 가스 온도를 크게 증가시키기 위함이다.

디젤 EGR 시스템은 낮은 산소 배기가스를 흡입구로 공급하여 연소 온도를 낮춰 NO x의
배출량을 감소시킨다. 이것은 연소를 덜 효율적이게 하고, 경제와 동력을 손상시킨다. 일반적으로 디젤 엔진의 "건식" 흡기 시스템은 이제 그을음, 미연소 연료 및 EGR 블리딩의 오일로 인한 오염을 겪게 되어 공기 흐름에는 거의 영향을 미치지 않는다. 단, 능동식 크랭크케이스 환기 시스템(PCV) 시스템의 오일 증기와 결합하면 흡기 매니폴드와 밸브에 끈적끈적한 타르가 축적될 수 있다. 또한 스월 플랩과 같은 부품에 문제가 발생할 수 있다(장착된 경우 디젤 EGR은 미국에서 DPF의 동시 도입으로 가려졌지만 그을음 생산량도 늘린다.[12] 또한 EGR 시스템은 연마성 오염물을 추가하고 엔진 오일 산도를 증가시킬 수 있으며, 이는 엔진 수명을 줄일 수 있다.[13]

엔진 제조업체가 EGR이 연비에 미치는 영향에 대한 세부적인 내용은 공개를 거부했지만, 냉각 EGR을 도입하게 된 2002년의 EPA 규정은 엔진 효율이 3% 하락하여 연간 0.5퍼센트 상승하는 추세에 제동을 걸었다.[14]

참고 항목

원천

  • Heywood, John B, "내연기관 기본 원리", McGraw Hill, 1988.
  • 판 바스후이센, 리처드, 그리고 셰퍼, 프레드, "내연기관 핸드북", SAE 인터내셔널, 2004.
  • "보쉬 오토모티브 핸드북", 제3판 로버트 보쉬 GmbH, 1993.
  • Alger, Terry (2010). "Clean and Cool" (PDF). Technology Today. San Antonio, Texas: Southwest Research Institute. 31 (2): 10–13. ISSN 1528-431X. Retrieved 8 April 2017.
  • Sileghem, Louis; Van De Ginste, Maarten (2011). "Methanol as a Fuel for Modern Spark-Ignition Engines: Efficiency Study" (PDF). Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics. Research Gate. Original published at Ghent University site, http://users.ugent.be/~lsileghe/documents/extended_abstract.pdf. Ghent, Belgium. Retrieved 19 March 2019.

참조

  1. ^ "Mazda's description of their hydrogen rotary engine". Retrieved 4 June 2021.
  2. ^ 마즈다의 이노베이션 4실. 엔진이 V-6처럼 움직인다. 워즈, 2017년 11월 9일
  3. ^ 배기 가스 배출 및 주행성 – Cryris Corporation, 1973년
  4. ^ Sileghem & Van De Giste, 2011. 인용: "아우디 엔진의 결과는 메탄올이 화염 속도가 더 높기 때문에 가솔린보다 EGR 내성이 높다는 것을 보여준다. 메탄올을 사용했을 때 EGR 내구성 27%가 검출되었다. EGR로 얻은 메탄올 연료 엔진의 효율은 조절된 계량기 작동을 통해 얻은 효율보다 높다."
  5. ^ a b Rosen (Ed.), Erwin M. (1975). The Peterson automotive troubleshooting & repair manual. Grosset & Dunlap, Inc. ISBN 978-0-448-11946-5.CS1 maint: 추가 텍스트: 작성자 목록(링크)
  6. ^ "Clean Clean Air System Highlights" – 크라이슬러 사, imperialclub.com
  7. ^ "2011 Dodge Challenger Officially Revealed With 305-HP Pentastar V6". autoguide.com. Retrieved 26 September 2011.
  8. ^ 2010년 알제리. 인용: "최근 사우스웨스트 리서치 연구소(SwRI)의 엔지니어들이 수행한 연구에서는 배기가스 재순환장치(EGR)가 가솔린 엔진의 비효율적인 원천을 줄이거나 제거하는데 어떤 역할을 할 수 있는지 조사했다. 내부 자금 연구에서는 EGR이 펌핑 손실을 줄이고 노크를 완화하며 배기가스를 냉각시키고 연료 농축의 필요성을 제거함으로써 직접 주입 및 포트 주입 가솔린 엔진의 연료 소비를 개선할 수 있다고 판단했다.
  9. ^ 데니스 A, 가너 C, 테일러 D. (1999년). EGR이 디젤 엔진 마모, SAE 1999-01-0839, 인실린더 디젤 미립자 및 NO
     x 제어 1999에 미치는 영향
  10. ^ 나겔, 존(2002년). 디젤 엔진 및 연료 시스템 수리, ISBN 0130929816
  11. ^ 베넷, 션(2004년). 중형/중형 면세 트럭 엔진, 연료 & 전산 관리 시스템 제2판, ISBN 1401814999.
  12. ^ SCR 또는 EGR? - 플릿오너 잡지
  13. ^ 베넷, 션(2004년). 중형/중형 면세 트럭 엔진, 연료 & 전산 관리 시스템 제2판, ISBN 1-4018-1499-9. 페이지: 206
  14. ^ Review of the 21st Century Truck Partnership, National Academies Press, 2008, p. 98, ISBN 9780309178266

외부 링크