[논문]배기 흡입형 매연저감장치에 관한 실험적 연구

기시우; 최상수

doi:10.5916/jkosme.2010.34.6.833

[국내논문] 배기 흡입형 매연저감장치에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Smoke Reduction System of the Exhaust Gas Suction Type 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.34 no.6, 2010년, pp.833 - 839

기시우 (국민대학교 자동차공학전문대학원) , 최상수 (국민대학교 자동차공학전문대학원)

초록
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오랫동안 디젤엔진의 성능에 지배적인 요인에 대하여 많은 연구들이 있었으며 디젤엔진의 오염 문제는 아직도 중요한 환경문제이다. 본 연구에서는 디젤엔진의 매연저감장치에 대한 새로운 제안을 한다. 새로운 제안은 진공압을 이용하여 매연을 포집한다. 새로운 제안을 확인하기 위해 엔진 다이나모시험을 수행하였다. 그 결과 매연을 줄일 수 있었다.

Over the past years, many research works have been carried out to investigate the factors which govern the performance of diesel engine. The air pollutant emission from the diesel engine is still a significant environmental concern in many countries. In the present study, new system of smoke reduction of diesel engine is proposed. This new system is using vacuum equipment for capture smoke. To confirm new system experiments were performed at engine dynamometer. As a result of this experiment, the smoke reduction of this system was identified.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 디젤엔진의 배기가스 중 유해요소인 매연을 저감시키기 위한 새로운 형태의 매연저감장치를 제안한다. 제안된 매연저감장치는 부압발생장치를 이용하여 배기가스를 강제로 흡입하여 스테인레스 스틸(STS) 필터가 내장된 여과장치를 통해 매연을 포집하는 원리이며, 제안된 배기 흡입형 매연저감장치를 제작하여 엔진동력계와 매연시험기를 이용하여 매연저감율을 시험한 결과 매연을 줄일 수 있었다.
본 연구에 적용된 매연저감장치의 성능을 분석하기 위하여 매연저감장치가 장착되어 있지 않은 상태의 엔진과 제안된 매연저감장치가 장착된 상태의 엔진에서의 실험을 실시하였다. 엔진부하조절을 가솔린기관의 경우 흡입공기량으로 제어를 하지만 디젤기관은 연료량에 의하여 부하를 조절하게 된다.
기존의 매연저감장치인 DPF를 장착한 후 엔진 출력이 떨어져 연비효율이 저하되는 현상이 있어 시장클레임의 일환으로 소비자들의 불만을 초래하고 있다. 이에 본 연구에서는 배기 흡입형 매연저감장치를 장착한 후 엔진의 출력을 검토하였다. Figure 8은 배기 흡입형 매연저감장치를 장착하기 전과 후의 엔진 출력을 나타낸다.

제안 방법

이러한 클레임들의 원인은 원활하지 못한 배기가스 흐름에 기인한다[8-10]. 본 연구에서는 기존 매연여과장치의 시장 클레임인 배기가스의 흐름을 원활하기 위하여 부압발생장치를 설치하여 배기가스를 강제 흡입하며 흡입된 배기가스를 1차, 2차 여과장치를 거쳐 매연을 포집한다. 배기 흡입형 매연저감장치의 전체적인 개략도와 제작된 실물은 Figure 1과 Figure 2와 같다.
터보차저의 임펠러부분을 엔진의 배기다기관으로부터 나오는 배기가스부분에 연결시켰고, 동축으로 연결되어 있는 터빈은 흡입부분을 1차 필터 출구에 연결시켰다. 배기가스에 의해 임펠러가 회전하여 동축으로 연결되어 있는 터빈을 회전시켜 배기가스가 1차 필터 안으로 흡입되도록 하였다. Figure 3은 부압발생장치로 이용한 터보차저의 도면이고, Figure 4는 실제 제작된 사진이다.
매연을 포집하는 필터는 열적 부하에 강한 금속재질인 스테인레스 스틸을 사용하였으며 필터를 쉽게 교환할 수 있도록 필터케이스를 제작하였다.
그 제원을 Table 1에 나타내었다. 엔진 출력 및 매연저감율을 확인하기 위하여 엔진동력계와 매연 테스터기를 사용하였다. 매연측정방식은 여지투과 방식의 매연측정 기기를 사용하였으며[12,13], 엔진 동력계와 제어장치는 수냉 와전류 제동형으로 최대흡수마력이 180PS, 최대흡수 회전속도 9,000rpm, 흡수 토크가 35㎏f-m이며, 그 제원들을 Table 2에 나타내었다.
엔진 출력 및 매연저감율을 확인하기 위하여 엔진동력계와 매연 테스터기를 사용하였다. 매연측정방식은 여지투과 방식의 매연측정 기기를 사용하였으며[12,13], 엔진 동력계와 제어장치는 수냉 와전류 제동형으로 최대흡수마력이 180PS, 최대흡수 회전속도 9,000rpm, 흡수 토크가 35㎏f-m이며, 그 제원들을 Table 2에 나타내었다. 전체적인 실험장치의 개략도를 Figure 6에 나타내었다.
엔진부하조절을 가솔린기관의 경우 흡입공기량으로 제어를 하지만 디젤기관은 연료량에 의하여 부하를 조절하게 된다. 일정 엔진 회전수를 고정한 상태에서 연료공급량을 증가시켜 그 회전수에서의 최대 토크점을 찾아 얻어진 토크를 전부하조건으로 설정하였다. 엔진 운전조건은 디젤 차량의 가장 빈번한 운전영역인 엔진회전수 1,000rpm, 1,500rpm과 2,000rpm의 회전수에서 1/4, 2/4, 3/4, 전부하 실험을 실시하였다.
일정 엔진 회전수를 고정한 상태에서 연료공급량을 증가시켜 그 회전수에서의 최대 토크점을 찾아 얻어진 토크를 전부하조건으로 설정하였다. 엔진 운전조건은 디젤 차량의 가장 빈번한 운전영역인 엔진회전수 1,000rpm, 1,500rpm과 2,000rpm의 회전수에서 1/4, 2/4, 3/4, 전부하 실험을 실시하였다. 또한 STS 재질의 필터를 적용하여 제작한 매연저감장치를 장착하여 기본 엔진상태에서 얻은 각각의 운전속도 부하조건에 맞는 연료 개도량을 적용하여 실험을 하였으며, 부압발생장치인 터보차저를 제거하고 펌프를 연결하였을 경우에 대하여 같은 조건에서 실험을 진행하여 그 결과 값을 비교 분석하였다.
엔진 운전조건은 디젤 차량의 가장 빈번한 운전영역인 엔진회전수 1,000rpm, 1,500rpm과 2,000rpm의 회전수에서 1/4, 2/4, 3/4, 전부하 실험을 실시하였다. 또한 STS 재질의 필터를 적용하여 제작한 매연저감장치를 장착하여 기본 엔진상태에서 얻은 각각의 운전속도 부하조건에 맞는 연료 개도량을 적용하여 실험을 하였으며, 부압발생장치인 터보차저를 제거하고 펌프를 연결하였을 경우에 대하여 같은 조건에서 실험을 진행하여 그 결과 값을 비교 분석하였다.
본 연구에서 제안된 배기 흡입형 매연저감장치를 디젤엔진에 연결하여 매연 시험한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
실험결과를 나타내는 매연의 농도는 일반적인 “%” 로 표기하는 방식을 도입하였다.
이를 확인하기 위해 배기 흡입장치로 기존의 터보차저를 이용한 부압발생장치 대신 배압이 걸리지 않는 3kW의 펌프를 장착하여 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 디젤엔진의 배기가스 중 유해요소인 매연을 저감시키기 위한 새로운 형태의 매연저감장치를 제안한다. 제안된 매연저감장치는 부압발생장치를 이용하여 배기가스를 강제로 흡입하여 스테인레스 스틸 필터가 내장된 여과장치를 통해 매연을 포집하는 원리이며, 제안된 배기 흡입형 매연저감장치를 제작하여 엔진동력계와 매연시험기를 이용하여 매연저감율을 시험한 결과 다음과 결과들을 얻었다.
첫 번째 부압발생장치의 경우 기계식으로 외부의 전원이나 동력을 쓰지 않고 엔진에서 배출되는 배기가스의 압력을 이용하여 임펠러를 회전시키고 임펠러와 동축으로 연결되어 있는 터빈 날개를 회전시켜 부압을 발생시키며 상용 디젤엔진에 사용되는 터보차저를 이용하여 제작하였다. 터보차저의 임펠러부분을 엔진의 배기다기관으로부터 나오는 배기가스부분에 연결시켰고, 동축으로 연결되어 있는 터빈은 흡입부분을 1차 필터 출구에 연결시켰다.

대상 데이터

본 연구에서 배기 흡입을 위한 부압발생장치로 두 가지를 채택하였다, 첫째는 기존의 터보차저를 이용하여 제작하였으며 이는 실용화를 위한 단계의 기계적인 장치이며, 둘째는 배압이 걸리지 않는 형태의 배기가스의 흡입 및 배출을 위한 3kW의 펌프를 이용하였다.
첫 번째 사용된 부압발생장치는 달팽이관 형태를 가지고 있어 배기가스의 흐름에 있어 배압이 발생할 수 있기에, 배압이 걸리지 않는 부압발생장치로 별도의 3kW 펌프를 이용하였다. 이 펌프를 사용할 때에는 기존의 부압발생장치를 탈착하고 이 부분에 펌프라인을 설치하여 배기가스를 흡입, 배출하도록 하였다[11].
배기 흡입형 매연저감장치의 성능실험에 사용된 엔진은 H사 제품으로 소형화물차와 승합차에 적용된 비과급방식의 2,500cc급 엔진을 사용하였다. 그 제원을 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

본 연구에서는 디젤엔진의 배기가스 중 유해요소인 매연을 저감시키기 위한 새로운 형태의 매연저감장치를 제안한다. 제안된 매연저감장치는 부압발생장치를 이용하여 배기가스를 강제로 흡입하여 스테인레스 스틸(STS) 필터가 내장된 여과장치를 통해 매연을 포집하는 원리이며, 제안된 배기 흡입형 매연저감장치를 제작하여 엔진동력계와 매연시험기를 이용하여 매연저감율을 시험한 결과 매연을 줄일 수 있었다.
실험결과를 나타내는 매연의 농도는 일반적인 “%” 로 표기하는 방식을 도입하였다. 배기 흡입형 매연저감장치를 장착한 경우와 장착하지 않은 결과 매연 농도가 큰 차이를 나타내며 저감 효과를 확인할 수 있었다. 위의 결과를 정리하여 표로 정리하면 다음과 같다.
1) 엔진회전수 1000rpm, 2000rpm, 3000rpm에서 매연농도 측정한 결과 1/4부하에서는 평균 94%, 2/4부하에서 91.5%, 3/4부하에서 86.4%, 4/4부하에서 45.2%의 매연저감율을 나타내었다.
2) 배기 흡입형 매연저감장치의 부품 중 배기 흡입을 위해 터보차저를 이용한 부압발생장치를 사용한 결과 부압이 걸려 평균 10%의 동력저하를 초래 하였다.
3) 배기 흡입형 매연저감장치의 부품 중 배기 흡입을 위해 펌프를 이용한 부압발생장치를 사용한 결과 동력의 변화는 없었다.
위의 결과에서 알 수 있듯이 각각의 회전수와 각 부하조건에서 전반적인 출력의 저하가 없음을 확인할 수 있다. 본 연구에서 제안된 배기 흡입형 매연저감장치는 배기 흡입을 위한 장치로 배압이 걸리지 않는 구조를 적용한다면 엔진에 악영향을 미치지 않으면서 매연을 포집할 수 있는 효과적인 장치로 사료된다.

후속연구

위의 결과에서 알 수 있듯이 각각의 회전수와 각 부하조건에서 전반적인 출력의 저하가 없음을 확인할 수 있다. 본 연구에서 제안된 배기 흡입형 매연저감장치는 배기 흡입을 위한 장치로 배압이 걸리지 않는 구조를 적용한다면 엔진에 악영향을 미치지 않으면서 매연을 포집할 수 있는 효과적인 장치로 사료된다. 이후 배압이 걸리지 않는 배기 흡입 장치의 개발이 배기 흡입형 매연저감장치의 핵심부분으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤엔진의 단점은 무엇인가	전 세계적으로 지구온난화에 따른 환경문제에 대응하기 위해 국제협약을 통한 이산화탄소 규제가 본격화되고 있는 시점에서 동일 배기량 기준 가솔린엔진보다 20-30% 정도 이산화탄소 배출량이 적은 디젤엔진은 차세대 친환경적인 운송역할의 가장 현실적인 대안으로 부각되고 있다[1,2]. 그러나 디젤엔진은 과잉공기 조건에서 연소가 진행되기 때문에 배기가스 중에 산소가 다량 존재하여 가솔린 엔진에 적용되는 3원 촉매를 사용할 수 없다. 또한 확산 연소 형태의 연소특성 때문에 질소산화물 (NOx) 생성뿐만 아니라 부분적 과농 지역에서는 매연이 다량 생성되는 문제를 근본적으로 안고 있다[3-4].
	디젤엔진의 장점은 무엇인가	전 세계적으로 지구온난화에 따른 환경문제에 대응하기 위해 국제협약을 통한 이산화탄소 규제가 본격화되고 있는 시점에서 동일 배기량 기준 가솔린엔진보다 20-30% 정도 이산화탄소 배출량이 적은 디젤엔진은 차세대 친환경적인 운송역할의 가장 현실적인 대안으로 부각되고 있다[1,2]. 그러나 디젤엔진은 과잉공기 조건에서 연소가 진행되기 때문에 배기가스 중에 산소가 다량 존재하여 가솔린 엔진에 적용되는 3원 촉매를 사용할 수 없다.
	소비자들로부터 제기되는 DPF의 클레임은 무엇이 있는가	현재 시장을 석권하고 있는 매연여과장치인 DPF는 소비자들로부터 많은 클레임이 제기되고 있다. 이들 클레임들의 내용은 출력저하, 연비효율 저하, 일정 주행거리이후 탈착 청소 등이다. 이러한 클레임들의 원인은 원활하지 못한 배기가스 흐름에 기인한다[8-10].

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조영민, 박덕신, 권순박, 임인권, "미국 디젤기관차의 매연 배출기준과 비교한 국내 디젤기관차의 매연 배출 저감목표 설정 연구", 한국철도학회 추계학술대회논문집 pp. 1-6, 2006.
Masoudi, M., et al., "Validation of a Model and Development of a Simulator for Predicting the Pressure Drop of Diesel Particulate Filters", SAE 2001-01-0911, 2001.
백두성, "대형디젤기관에 있어서 연속재생방식 매연저감장치 성능 테스트", 한국산학기술학회 논문집 vol.7, no.5, pp. 788-792, 2006.

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박용희, 경유 입자상물질 여과장치의 배기저감성능에 관한 연구, 조선대학교 박사학위논문, 2007.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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