기관 14 > 배기가스, 증발가스, 블로바이가스장치 제어
1. 개요
기관에서 석유 계 연료의 완전 연소가 이루어지면 배기는 탄산가스(CO2)와 물(H2O)이므로 무해하다. 그러나 불완전 연소에 의하여 일산화탄소(CO) 등의 중간 생성물이 만들어지고 또 불순물의 산화물, 질소산화물(NOx)이나 미연소 그대로의 탄화수소(HC)가 배출된다. 디젤기관에서는 연료에 유황(S)이 포함되면 아황산가스(SO2)가 배출된다. 이들 배출물을 줄이기 위한 장치들을 사용한다.
2. EGR (Exhaust Gas Recirculation:배기가스 재순환) 장치
1) 개요
자동차용 기관에서 질소산화물(NOx)의 생성을 억제하기 위하여 현재 가장 많이 사용하고 있는 방법은 냉각된 배기가스의 일부를 혼합기에 더하여 실린더 내로 흡입시키는 배기 환류(還流) 방식이다. 보통 E. G. R.(exhaust gas recirculation)이라고 하는데, 흡입하는 혼합기에 10～15% 정도의 배기가스를 혼입시켜 생성되는 질소산화물을 거의 1/2～1/3정도 감소시킨다. 그러나 E. G. R과 동시에 화염속도가 떨어져 사이클 변동이 커지고 출력이 감소한다. 그림은 배기가스 환류 방식이다.
이와 같은 현상을 방지하기 위하여 혼합기의 연소를 촉진하는 여러 가지 방법을 사용한다. 즉 실린더 헤드와 피스톤 헤드와의 간극을 적게 하는 틈새 부분(squish)을 두어 와류(swirl)를 발생시켜 연소효율을 높이는 것도 한가지 방법이다.
또는 실린더헤드에 적은 구멍으로 연결되는 부 연소실(副室)을 두어 1차 연소가스를 주 실로 분출시키는 연료 가스의 분류를 사용하거나 통상의 흡기 밸브 이외에 소형의 흡기밸브(air jet valve)를 붙여서 흡기 다지관의 흡입 중인 공기류를 분사하는 등의 방법에 의하여 각각의 연소실내에 심한 가스유동을 발생시켜 연소시간을 단축시키는 방법을 사용한다. 또한 1 실린더에 2개의 점화플러그를 사용하는 것도 있다.
2) 종류
① 부하 비례방식 : 흡기다기관이 진공도에 비례하여 EGR 밸브를 열어 주는 형식
② 전자제어 방식(솔레노이드 밸브를 ECU에서 제어하여 EGR 밸브를 열어 주는 형식
3. 브로바이 가스(blow-by gas) 제어 장치
기관의 연소실로부터 크랭크실 내로 누설하는 가스를 브로바이 가스(blow-by gas)라고 하며, 일반적으로 오토기관에서는 70～80% 정도의 미 연소 혼합기와 20～30% 정도의 연소생성물로 되어있다. 보통 크랭크 실에 적당한 통기관을 설치하여 직접 외기와 환기를 하고 있지만 기관이 고출력 고속도가 됨에 따라서 브로바이 가스 량이 증가하여 대기오염의 원인이 되기 때문에 자동차용 기관에서는 배출이 규제되고 있다. 브로바이 가스는 위의 그림과 같은 제어밸브(Positive Crankcase Ventilation valve)를 통하여 흡기 다기관으로 보내 재 연소시킨다. 기관이 정지해 있을 때는 밸브가 닫혀있고, 흡입 다지관의 부압이 큰 경 부하 시에는 밸브를 통과하는 가스의 량이 적으며, 부압이 작은 고 부하 시에는 밸브가 많이 열려 통과하는 가스의 량이 많아진다.
(a) 기관 정지 시 (b) 경 부하 시 (c) 고 부하 시
그러나 브로바이 가스의 발생량이 PCV 밸브에서 흡인하는 량보다 많을 경우는 크랭크케이스 내의 압력이 올라가므로 브로바이 가스는 공기 청정기(air cleaner)로도 흡인한다.
1) 급가속 및 고부하일 때 (P.C.V. 밸브 작동안됨) : 블로바이가스 → 블리이더호스→ 트로틀 보디 → 써지탱크→ 흡기 다기관 → 실린더 에서 연소
2) 경,중부하일 때 (P.C.V 밸브 작동) : 신선한 공기 → 블리이더 호스 → 엔진내부에서 신선한공기와 블로바이 가스혼합 → P.C.V 밸브→ 써지탱크→ 흡기다기관 → 실린더
4. 연료 증발가스제어장치
연료 탱크 내에서 증발하는 연료 증기에는 탄화수소가 포함되어 있어 인체에 유해하므로 이것이 대기 중에 방출되지 않도록 하는 장치. 활성탄을 사용하는 차콜 캐니스터 방식, 연료 증발가스를 크랭크 케이스에 끌어들이는 크랭크 케이스 스토리지 방식, 에어 클리너에 끌어들이는 에어 클리너 스토리지 방식이 있다.
또한 연료탱크로부터 증발하는 연료가스(HC)도 대기를 오염시키므로 직접 대기 중에 방출하는 것을 금지하고 있는데, 기관이 정지 중일 대는 그림 같이 활성탄 등의 흡수제가 들어있는 통, 즉 캐니스터(canister)에서 증발가스를 흡수해 두었다가 운전 중에는 공기를 흡인하여 흡수제를 씻어 분리된 증발가스를 흡입 다지관으로 보내 혼합기와 혼합시킨다. 이렇게 함으로서 대기 중으로 방출하는 브로바이 가스와 증발가스를 거의 완전하게 처리하고 있다. 그림 4-46은 브로바이 가스와 증발가스의 정화장치이다.
1) 연료첵크 밸브 : 연료첵크 밸브는 차량이 갑자기 전복시에 연료의 누출을 방지하기 위해 설치 되어 있으며 연료탱크와 캐니스터 사이에 위치하며 그 안에는 두개의 볼이 있어 통로를 개폐시킨다.
2) 캐니스터 (Canister) : 캐니스터 내부는 활성탄으로 구성 되어 있으며 엔진이 작동치 않을 때에는 연료탱크 증발가스는 캐니스터 내부에 흡수 저장 되었다가 엔진이 작동되면 P.C.S.V로 통하여 써지탱크로 유입된다
3) 퍼지콘트롤 솔레노이드 밸브 (Purge Control Solenoid Valve : PCSV) : 퍼지컨트롤 솔레로이드 밸브는 E.C.U에 의해 작동되며 엔진냉각수 온도가 낮거나 공회전시에는 밸브가 닫혀 증발연료가 써지탱크에 유입되지 않다가 엔진이 웜업되어 정상 작동시에는 밸브가 개방되어 증발연료를 써지탱크에 유입한다
5. 삼원 촉매장치(three way catalytic converter)
촉매를 사용하여 배기가스 중의 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 의 3원 가스를 동시에 산화시키는 방법이다. 촉매장치는 비교적 저온에서 반응이 일어나므로 반응기를 기관으로부터 분리하여 설치한다. 촉매 반응기는 일반적으로 그림 4-47의 (a)와 같이 펠리트(pallet)형의 자기(磁器)에 백금(Pt, Platinum), 로듐(Rh, rhodium), 루테늄(Ru, ruthenium) 등의 촉매물질을 유지시킨 입자 층 중에 배기가스를 통과시켜 반응하도록 한 것이다. 펠리트(pallet)형의 자기(磁器) 대신에 그림 4-47의 (b)와 같이 벌집(honey comb) 모양의 가느다란 구멍으로 된 자기에 촉매를 유지시킨 단일체(monolith)형이 있다.
펠리트형 단일체형
3원 촉매장치는 그림 4-49에서 보는바와 같이 공기과잉률(λ) 1 부근에서 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 가스를 산화하는 동시에 질소산화물(NOx) 가스를 물(H2O)과 탄산가스(CO2)로 환원시킨다.
◆ NOx + CO → N2 + CO2 NO + HC → N2 + H2O + CO2
◆ O2 + CO → CO2 O2 + HC → H2O + CO2
공연비와 배기가스의 농도 3원 가스의 환원 특성
그러나 3원 촉매장치의 작용범위는 그림 4-49와 같이 그 환원 범위가 한정되어 있으므로 기관의 운전조건을 항상 일정 공연비로 유지하여야 한다. 이를 위하여 지르코늄(Zr, zirconium) 화합물을 주체로 한 산화 지르코니아(Zirconia) 소자(素子)가 산소의 존재에 의하여 기전력이 크게 변화하는 것을 이용한 산소 검출소자를 그림 4-50과 같이 배기관에 설치한다.
산소센서의 부착위치
이 산소센서는 배기가스 중의 산소의 량을 감지하여 전자제어 장치(E. C. U.)에 피드백(feed back) 신호를 보내어 연소실의 공연비를 항상 일정하게 유지하도록 한다. 이들 촉매 반응기는 비교적 쉽게 배기가스를 정화하지만 옥탄가 향상제로 사용하는 4 에틸 납이 휘발유에 첨가되어 있을 경우에는 그 납 화합물에 의하여 촉매 능력이 떨어지므로 휘발유 중의 납의 첨가량을 제한하거나 무연 휘발유를 사용하여야 한다.