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| 글로벌오토뉴스의 자동차산업 분석에 대한 기명 칼럼과 시승기, 뉴스에 이어 자동차 기술 및 역사, 그리고 최근 가장 이슈가 되고 있는 내용 들을 특집으로 다루는 코너입니다. |
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| 2011년 하반기 일본 엔진기술 연구동향 |
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1. 서론
2011년의 10월 12일부터 14일에 예년대로 홋카이도, 삿뽀로에서 JSAE의 추계 학술대회, 강연회가 개최되었다. 본 고에서는 금번 JSAE강연회 안에서 특히 엔진관련 연구에 대하여 요약해 보고자 한다. 내용은 JSAE에서 발간된 Engine Review(1)를 중점적으로 참조하였다.
2. 디젤엔진 관련
2.1 디젤엔진
‘UREA SCR을 사용하지 않는 소형 상용차용 디젤 엔진의 개발’과‘UREA SCR을 사용하지 않는 중형 상용차용 포스트 신장기 배출 가스 규제 대응 신형 디젤엔진개발’을 소개한다. 전자는 배기량 4ℓ2~3t 적재 클래스의 소형 트럭용, 후자는 5.1ℓ4~7t 적재 차량에 대한 것으로 각각의 사양을 <표 1, 2>에 나타낸다.
글 / 임옥택 (울산대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 3월호
UREA SCR을 사용하지 않고 포스트 신장기 규제를 달성하기 위해서, 대량의 EGR을 사용하고 다양한 개량이 이루어졌고, 또한 30% 정도의 NOx 저감을 위해 새로운 DPR로 산화 촉매를 포함한 DPF 시스템에 HC 흡착기능을 추가시켜 HC-SCR(연료 등 탄화 수소를 이용한 NOx 선택 환원 촉매) 효과를 갖고 있다. 대용량의 EGR을 위해서 EGR 쿨러의 튜브길이의 연장 등 냉각능력의 증강을 도모하고 밸브도 개선했다. 터보는 가변노즐(VGN)식으로 소경화하여 응답력 향상을 도모했다. <표1>에서 가장 출력이 큰 132kW의 것을 제외하고, 나머지는 2015년 연비기준을 충족하고 있다. 여기서 주목할 것은 가장 왼쪽의 것으로 압축비가 20이다. 이것은 하이브리드차용으로 흡기밸브의 조작에 의한 엣킨스사이클(Atkinson)을 적용하여 경부하 시에 연비를 개선하여 아이들 시에 5% 이상 개선되었다. 또한, 최대토크의 저하와 시동성이 악화되는 모터토크를 더 강화시켜서 전체적으로 성능을 확보했다. 이 엔진의 특징이라고 할 수 HCSCR의 효과를 <그림 1>에 나타낸다. 언뜻 보면 NOx 정화비율은 상기의 3할 정도보다는 높은 것도 보여진다.
그러나 다른 한편으로는 1,500초 부근에서는 대부분 정화되지 않은 것을 알 수 있다. 이 부분은 고속 주행을 하고 있기 때문에 농도 이상에 배출되고 있다. 고속 주행하면 촉매 온도가 상승되고 배출가스량이 많아 HC-SCR에 불리한 상태가 되기 때문에 NOx 정화율이 전체적으로 30% 정도밖에 되지 않는다.
2.2 UREA-SCR 시스템
와세다대학과 교통안전환경연구소의 공동연구에서‘UREA-SCR 시스템의 NOx 정화율 향상에 관한 연구’에서는 N2O의 생성원인을 SCR 시스템 NH3 슬립 촉매 전후의 반응을 실험과 시뮬레이션으로 분석하였다.
N2O 생성에 대한 화학 반응식은 다음과 같다.
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O
4NH3 + 4NO + 3O2 → 4N2O + 6H2O
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
2NO + O2 → 2NO2
200℃ 이하에서는 NO/NH3가 N2O 발생 지배 인자<그림 2>로 나오고 있다. 이것을 줄이려면 EGR 병용하여 NO를 낮추는 것이 필요하다. 200℃ 이상에서는 누수되는 NH3가 지배 인자이므로 적정한 당량비율의 UREA분사가 필요하다. 또한, 교통안전환경연구소의 스즈키는‘포스트 신장기 SCR 차량의 N2O 배출 특성’에서 차량 A, 차량 B1, B2의 포스트 신장기 (모두 DPF+SCR) 차량을 입수해서 섀시다이나모메터에서 JE05, WHTC 모드
에서 N2O를 분석하였다. 신장기규제 - LNT1, LNT2,SCR만 있는 - 에서 보이는 15~20%의 N2O가 차량 A,차량 B1에서는 5% 수준이다<그림 2, 3>. 그 원인의 하나로 상류측에 있는 DPF로 인해 열용량이 증가되어서 모드운전 중에 온도 상승속도가 완화되므로 NH3의 누수감소되었기 때문이다. 차량 A의 NOx 값은 섀시다이나모메터의 JE05, WHTC와 함께 2.3~2.4g/kw, hr에서 JE05의 규제치의 3배 이상이다. 이는 엔진시험이 아니고 섀시다이나모의 혼잡한 문제로 인한 자세한 분석이 요구된다.
3. 가솔린엔진 관련
3.1 가솔린엔진
닛산에서 새로이 상품화된‘직렬 3기통 1.2L Super Charger엔진’을 발표했다. 유럽 B 세그먼트의 클래스 최고 수준의 낮은 CO2 (95g/km), 최고출력 72kW, 최대토크는 142Nm을 발생되며 1.5ℓ자연 흡기 엔진 수준의 동력을 실현했다<표 3>. 이 엔진의 특징 중 하나는 과급엔진임에도 불구하고 압축 비율을 13으로 높게 설정하고 있다. 이것은 고열전도율 피스톤링과 동제(銅製)밸브가이드 등의 노크(Knocking) 억제 기술을 연소실 주위에 사용, 노크의 원인이 되는 연소실 벽면 온도 등을 저하시킬 수 있다<표 4>. 또 다른 특징은 과급기는 가속응답을 중시하여 과급압 컨트롤을 슈퍼차저에 바이패스밸브를 과급기의 구동 토크를 최적화하고 연비를 개선하고 있다 <그림 4>. 과급 시 터빈이 없으므로 엔진 냉간 시 터빈의 열용량에 의한 배기 촉매온도상승의 악화가 없기 때문에 엄격한 배기 규제에 대응하기 쉬운 시스템이라고 생각된다.
도요타자동차에서‘냉각 손실 감소와 노킹 개선의 양립’에 대한 발표가 있었다. 열효율 향상을 위해 엔진의 압축비가 높아지지만 노킹에 대한 억제가 필수이다. 그러나 노킹을 억제 수단으로 연소실을 냉각하는 것은 냉각 손실을 증가시키므로 이에 대한 양립이 필요하다. 본고에서는 연소실 표면뿐만 아니라 엔진 내부의 열 흐름에 주목하고 CAE를 이용하여 엔진각부의 냉각손실과 노킹에 미치는 영향을 밝히고 또한, 단기통 엔진을 사용하여 연소실 온도 분포 최적화 검토를 실시했다. 계산 모델은 STAR - CD와 SCRYU - Tetra로 결과를 조합하여 연소실 벽면 온도와 엔진 내부의 열 흐름을 계산하는 것이 특징이다<그림 5>. 검토에 이용한 엔진에서는 노킹 개선은 배기 측의 라이너 상단의 냉각은 노킹 개선 효과가 높다고한다. 이 이유는 연소실에 들어간 혼합기가 배기측의 라이너와 강하게 접하므로 열이동이 촉진되기 때문에 있으며<그림 6> 냉각 손실은 배기행정 초기 단계에서 라이너의 표면적이 작기 때문에 냉각강화의 영향은 작다
고한다<그림 7>. 내연 기관에서 이같은 노력을 함으로써 아직도 열효율 개선의 여지가 있는 것으로, 부위별 자세한 분석을 이용한 치밀한 설계가 필요하다는 것을 시사
하고 있다.
3.2 가솔린엔진 배기 시스템
마츠다에서는 SKYACTIV 엔진 탑재의 마즈다 데미오에 사용된‘내열성과 저온 활성을 양립시킨 직결용 귀금속 싱글 나노 촉매’의 발표가 있었다. 개발된 삼원촉매는 기존 촉매에 비해 약 30% 적은 귀금속 양으로 동등한 HC의 저온 활성 성능<그림 8>과 EU 모드에서 동등한 정화 성능을 나타냈다<그림 9>. 엔진 바로 아래 배치된 촉매는 고온에 노출되기 때문에 촉매 열화의 억제와 저온 활성 향상 양립이 중요한데, 저자는 귀금속 단일 나노재료 미립자를 내열성이 높은 산화물 표면위에 고분산하고 담지한 구조를 고안하였다<그림 10>. 이 구조를 가진 촉매 재료를 얻는 것으로 내열성과 저온활성 모두 성공하였다. 개발된 재료에서는 노화에 의한 비표 면적, 평균 삼차입자의 지름은 미립자화 전과 거의 같은 결정상의 분상도 생기지 않은 것을 치밀한 분석을 통해 확인되고 있다.
덴소는‘고감도 O2 센서’의 발표가 있었다. 촉매에서 정화하기 어려운 NOx는 공연비 변동에 의해 배출되기 쉬운 것에 착안하여 NOx에 민감한 센서의 개발이 성공한 결과로 총 NOx 방출을 약 20% 줄일 수 있음이 확인되었다. O2 센서의 NOx 감도 향상은 배기 가스 중의 NOx를 어떻게 O2 센서의 전극에 도달시키는가가 포인트이다. 본 연구의 특징은 촉매 반응 모델을 이용하여 전기극의 귀금속 종을 선정한 것이다. 첫 번째는 NOx에 대해 낮은 활성(NO 및 CO 반응성이 낮은)이 목적으로 NO의 괴리반응(乖離反應)을 비교하였다<그림 3~8>. 두 번째는 수소 정화 능력을 확보하기 위해 H2에 대해 고활성화를 목적으로 수산화 반응의 용이성을 정화개시온도를 비교 하였다<그림 11>. 반응 분석 결과에서 모두 겸비하고 있다 귀금속으로 Pt을 선정하여 내구성에 의한 증산
(蒸散, Transpiration)을 고려하여 입자 크기를 200nm로 하는 것으로 높은 응답화에 성공했다<그림 12>.
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