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디젤자동차의 도로 주행 시 배출되는 과다 NOx(Nitrogen Oxides, 질소산화물) 문제는 인체 위해성 및 도심 주변의 미세먼지 및 오존문제와 맞물려 디젤엔진의 존립기반 자체가 심각한 상황에 직면하고 있다. 특히 유럽과 국내를 중심으로 실험실과 도로 주행 시 배출되는 디젤자동차의 NOx 배출물 차이에 대한 연구 결과가 지속적으로 보고되고 있다. 독일 제작사를 중심으로 실험실 내에서 수행하는 인증실험 모드 이외의 조건에서 다량의 NOx가 발생하는 현상이 확인되었으며, 이는 엔진 ECU(Electronic Control ...

디젤자동차의 도로 주행 시 배출되는 과다 NOx(Nitrogen Oxides, 질소산화물) 문제는 인체 위해성 및 도심 주변의 미세먼지 및 오존문제와 맞물려 디젤엔진의 존립기반 자체가 심각한 상황에 직면하고 있다. 특히 유럽과 국내를 중심으로 실험실과 도로 주행 시 배출되는 디젤자동차의 NOx 배출물 차이에 대한 연구 결과가 지속적으로 보고되고 있다. 독일 제작사를 중심으로 실험실 내에서 수행하는 인증실험 모드 이외의 조건에서 다량의 NOx가 발생하는 현상이 확인되었으며, 이는 엔진 ECU(Electronic Control Unit)에 적용한 임의설정장치(Defeat device)에 기인한 것으로 밝혀졌다. 디젤자동차에 적용된 임의설정장치는 핸들 조작각도, 차속, 엔진 운전시간 및 자동차 운행시의 대기압 등을 모니터링하여 차대동력계(Chassis Dynamometer)와 도로에서 작동되는 조건에 따라 ECU에서 설정치를 선택하여 적용하는 방식으로 배출가스 기준에 위배된다.
최근에 출시되는 디젤엔진은 엔진 본체의 개량과 고성능 후처리 장치의 적용으로 유해 배출물을 획기적으로 개선하였다. 일반적으로 PM(Particulate Matters, 입자상물질) 배출물은 DPF(Diesel Particulate Filter)를 장착하여 매우 높은 저감율을 달성하고 있으나, NOx 배출물 저감을 위해서는 엔진 및 후처리장치의 제어가 매우 복잡해지고 자동차가격이 상승하는 단점이 있다. 특히 배기가스를 흡입 신기와 혼합, 연소실 내로 재순환하는 EGR(Exhaust Gas Recirculation, 배기가스재순환)장치는 NOx 저감에 매우 효과적이나 PM 생성량을 증가시키고 연소퇴적물 생성을 가속화하여 엔진 및 후처리장치의 기능을 저하하고 내구성을 악화시키는 단점이 있다. 또한 EGR 쿨러 균열 발생시 냉각수 누설로 인한 침전물에 고온의 EGR 가스가 접촉되어 스몰더링(Smoldering) 입자가 발생하는 경우 흡기계의 용손(鎔損) 또는 천공(穿孔)으로 이어지는 문제점이 발생할 수 있다.
본 연구에서는 최신 디젤엔진에 적용된 EGR 시스템 및 DPF/LNT(Lean NOx Trap) 장치 제어 인자가 흡‧배기시스템의 열부하 수준 및 NOx 배출물에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 이를 위해 실험 자동차의 엔진룸과 EGR 시스템 및 후처리장치 시스템의 각 부위에 온도, 압력, NOx 센서(sensor)와 엑추에이터(actuator) 등을 설치하여 EGR 및 후처리장치의 실시간 운전거동과 엔진 각 부에 미치는 열부하 특성을 파악하였다. 엔진 운전 상태는 자기진단(OBD, On-board Diagnostics)장치를 통해 실시간으로 모니터링 하였다. 자동차 실험은 차대동력계와 고속주회로에서 수행하였으며,
실험조건은 냉각수가 누설된 EGR 쿨러에
1) 열부하 정상 조건: 디젤엔진의 EGR 시스템 및 DPF가 정상적으로 작동하는 조건
2) 열부하 화재 조건: 디젤엔진의 DPF 재생 시, EGR 밸브 일부열림 및 EGR 바이패스 밸브 정상 작동하는 조건
3) 열부하 극한 조건: 디젤엔진의 DPF 재생 시, EGR 밸브 일부열림 및 EGR 바이패스 밸브의 전개 상태 조건
을 모사하여 평가하였다.
누설 냉각수의 분포를 확인하기 위하여 가스크로마토그래피-질량분석기(Gas Chromato-
graphy-Mass Spectrometer Detector)를 사용하여 EGR 가스 출구부와 흡기계에 퇴적된 퇴적물 중의 냉각수 성분(에틸렌글리콜, Ethylene Glycol)을 정성적으로 분석하였다. 또한 화염 발생 가시화 및 EGR 쿨러의 설계 적정성을 평가하기 위하여 내부 열비등(보일링, Boiling) 현상의 가시화를 통해 결함 자동차의 문제점을 파악하였다. 끝으로 대기온도에 따른 EGR 시스템의 열부하 성능을 규명하기 위해 태양광 모사 장치를 이용한 여름철 주행 시의 특이점에 대한 평가를 수행하였다.
본 연구를 통하여 자동차제작사에서 화재원인으로 제시한 조건으로는 화재 재현이 되지 않음을 확인하였고 본 연구에서 추가한 조건으로 화재를 재현하여 원인을 규명하였다.
본 연구의 결과는 디젤자동차의 배출가스 온도에 따른 EGR 모듈 성능과 배출물 특성에 관련하여 향후 문제 자동차 검증을 위한 객관적이고 과학적인 평가 방법에 적용할 수 있다고 사료된다.

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