배기가스 배출이 거의 없는 새로운 디젤 트럭 엔진
독일 뮌헨 공과대학(TUM; Technische Universitaet Muenchen) 연구진은 모든 신차 모델에 대한 배기가스(exhaust emission)를 규제하는 Euro 5 발효를 3개월 후로 앞둔 시점에서 보다 더 엄격한 Euro 6 배기가스 기준에 충족할 수 있는 엔진을 논증하는 데 성공했다. LVK(Internal Combustion Engines) 의장인 Georg Wachtmeister 교수가 주도하는 연구진은 배기가스에서 오염 물질을 측정할 수 없는 수준으로 줄이는 데 성공했다. 또 연구진은 엔진이 운영되는 동안 연소 챔버에서 직접적으로 시료를 수거할 수 있는 탐측기(probe)를 개발했다. 이러한 방법을 이용하여 연구진은 배기가스를 제어하는 새로운 방안을 개발하는 목표와 함께, 매연(soot)이 어떻게 형성되는지를 정확하게 규명할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
연구진은 2톤에 달하는 LVK 연구용 엔진이 최대 동력으로 운영되더라도 배기가스 냄새를 거의 감지할 수 없었다고 밝혔다. 이 엔진은 최저의 배기가스를 배출하는 트럭용 디젤 엔진(truck diesel engine)을 개발하는 NEMo(Niedrigst-Emissions-LKW-Dieselmotor) 연구 프로젝트의 핵심이다. 연구진은 촉매 전환기 없이 Euro 6 기준을 충족시킬 수 있는 엔진의 고안을 기대하고 있다.
2014년 발효될 Euro 6은 보다 더 엄격한 기준을 요구하고 있다. Euro 6의 지침은 거의 측정할 수 없는 수준으로 배기가스의 배출 기준을 명문화하고 있다. 예를 들며 디젤 엔진은 킬로그램 당 단 5 밀리그램(mg)의 매연 입자와 80 mg의 질소산화물(nitrogen oxide)을 배출할 수 있다. 이러한 수치는 2009년 8월까지 유효했던 Euro 4 기준과 비교했을 때 매연은 1/5, 질소산화물은 1/4 수준에 그치는 것이며, Euro 5의 기준과 비교했을 때 질소산화물은 1/2 수준에 해당하는 것이다.
그러나 배기가스 감축은 질소산화물과 매연 입자가 각각 독립적으로 삭감될 수 없다는 사실로 인하여 복잡한 국면에 놓인다. 질소산화물은 공기가 존재하는 환경 하의 연소 챔버에서 디젤 연료가 연소될 때, 엔진에서 형성된다. 공기는 21%의 산소와 78%의 질소로 구성된다. 디젤 연료는 산소와 반응하여 이산화탄소와 물을 생성시킨다. 이러한 반응은 산소가 공기 중에서 질소와 반응하기 시작하여 질소산화물을 형성할 만큼 연소 챔버의 온도가 높아질 때 매우 빠르게 일어난다.
이러한 효과를 방지하기 위하여 현대 디젤 엔진은 배기가스를 냉각시킨 후 신선한 공기와 함께 연소 챔버로 배기가스의 일부를 재순환시킨다. 이러한 혼합물에서 배기가스에서 형성되는 이산화탄소와 물은 완만한 연소 공정을 거쳐 온도를 유지한다. 그 결과 더 적은 질소산화물이 형성되고 공기-배기가스 혼합물(air-exhaust mixture)에서 산소의 비율이 낮아지기 때문에, 매연 생성 증가에 따른 비용은 증가하게 된다.
연구진이 고안한 시험용 엔진은 공기-배기가스 혼합물이 높은 압력 하에서 연소 챔버에 주입되는 방식으로 운영된다. 엔진의 터보차저(turbo-charger)는 대량으로 생산되는 자동차 엔진을 다룰 수 있는 압력의 2배 이상인 대기압의 10배까지 혼합물을 압축한다. 이러한 방식의 압축을 이용하여 공기-배기가스 혼합물은 디젤 연료가 완전히 연소되기 충분한 산소를 함유한다.
연구진은 디젤 연료를 연소 챔버에 주입하는 분사구(nozzle)에서의 또 다른 개선을 통해 혁신을 달성했다. 주사기(injector)는 연료를 미세한 방울로 분무시켜 완전 연소를 가능하게 한다. 상용 주입기에 의해 생성되는 더 큰 연료 분무 입자들은 연료 분자의 외층에서만 연소된다. 그 결과 배기가스 흄이 연료 입자를 감싸 산소로부터의 접근을 차단한다. 배기가스의 외피는 밀도가 증가하고, 결국 산소가 연료와 함께 반응하지 못하게 한다. 이 과정에서 매연이 형성된다.
NEMo 주사기 분사구는 매연 없이 매우 신속하게 연소되는 연료 연무를 생성하기 위하여 3000 bar 이상의 압력에서 디젤 연료를 미립자로 만든다. 불행하게도 이것은 기온 상승을 초래하기 때문에, 배기가스 재순환, 부스트 압력(boost pressure), 분사구 형태 등의 세 가지 변수 사이에 적절한 균형이 필요하다.
아직까지 연구진이 개발한 엔진은 Euro 6 기준을 충족하지는 못한다. 연구진은 연료 방울이 연소하는 동안 매연이 수 초 내에 어떻게 형성되는지 정확하게 규명하기를 기대하고 있다. 연소 챔버에 탐측기를 단순하게 배치하는 것이 연소 과정을 방해할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 연구진은 빠른 속도에서 연소 챔버의 중앙으로 발사될 수 있는 작은 관을 구축했다. 기체를 포집하는 밸브는 다시 연소 챔버만 남기 전 시료를 포집하기 위하여 단 1 밀리초(ms)만을 필요로 한다.
이 방법을 이용하여 13종의 시료가 매연 입자의 성장과 더 낮은 배기가스를 배출하는 엔진의 개발 연구에 이상적인 조건이 단일 점화 동안 수거될 수 있었다.
Munich lab demonstrates diesel truck engine with barely measurable emissions
Diesel's alma mater drives engine technology toward green extreme
This illustration shows a gas-sampling valve (top half of picture, blue) in a low-emission diesel test engine at the Technische Universitaet Muenchen. The valve (blue, with spring) shoots into the combustion chamber and takes a sample of the exhaust gases (brown) within a fraction of a second.
Just three months after the Euro 5 Norm for exhaust emissions went into force for all new car models, researchers at the Technische Universitaet Muenchen (TUM) have demonstrated an engine that is already close to meeting the more stringent Euro 6 emissions standard. A research team headed by Prof. Georg Wachtmeister from the Chair of Internal Combustion Engines has succeeded in reducing the pollutants in exhaust emissions to barely measurable levels. The TUM engineers have also developed a probe that allows them to take samples directly from the combustion chamber while the engine is running. With this method they hope to discover precisely how soot forms, with the aim of developing new methods for emissions control.
In a hall at the TUM Chair of Internal Combustion Engines (LVK) the smell of exhaust fumes is barely discernable, even though the two-ton LVK research engine is running at full power. The engine is the centerpiece of the research project NEMo (Niedrigst-Emissions-LKW-Dieselmotor), the German acronym for "lowest emission truck diesel engine." The researchers want to design and fine-tune their engine so that it complies with the Euro 6 caps – without resorting to a catalytic converter.
The Euro 6 Norm, scheduled to come into force by 2014, is a tough standard by any measure. The directive stipulates emission levels that are barely measurable. A diesel engine, for instance, may emit a mere 5 milligrams of soot particles and 80 milligrams of nitrogen oxides per kilometer. That is a fifth of the soot and a quarter of the nitrogen oxides allowed by the Euro 4 Norm that was valid until August, and less than half of the nitrogen oxides permitted by the Euro 5 Norm.
Graduate engineer Sebastian Pflaum works on an experimental diesel engine at the Technische Universitaet Muenchen. The university's chair for Internal Combustion Engines (under Professor Georg Wachtmeister) is home to a Bavarian Research Foundation project called NEMo, meaning "lowest-emission diesel engine for trucks." The engine emits barely measurable amounts of soot and nitrogen oxides.
However, a reduction in emissions is complicated by the fact that nitrogen oxides and soot particles cannot be reduced independently of each other.
Nitrogen oxides are formed in an engine when diesel fuel burns in the air of the combustion chamber. Air consists of 21 percent oxygen and 78 percent nitrogen. Diesel fuel reacts with oxygen, producing carbon dioxide and water. This happens in a very fast reaction resulting in combustion chamber temperatures so high that the oxygen also starts to react with the nitrogen in the air, forming nitrogen oxides.
To combat this effect, modern diesel engines recirculate part of their exhaust back into the combustion chamber after cooling it down, together with the fresh air. In this mixture, carbon dioxide and water from the exhaust gases moderate the combustion process, keeping the temperature in check. As a result, fewer nitrogen oxides are formed, albeit at the price of increased soot production since the proportion of oxygen in the air-exhaust mixture is lower.
The TUM researchers designed the LVK test engine in such a way that the air-exhaust mixture is injected into the combustion chamber under high pressure. The engine's turbo-charger compresses the mixture to ten times atmospheric pressure (measured in bar) – more than double the pressure mass-production vehicle engines can handle. Compressed in this way, the air-exhaust mixture contains enough oxygen for the diesel fuel to burn completely.
This test engine is the centerpiece of a project called NEMo, a German acronym meaning "lowest emission diesel engine for trucks." Researchers at the Technische Universitaet Muenchen have used it to demonstrate simultaneous reduction of nitrogen oxides and soot, without resorting to a catalytic converter.
They coupled this innovation with another improvement, at the nozzle that injects diesel fuel into the combustion chamber. It atomizes the fuel into microscopic droplets, allowing them to burn completely. In larger droplets produced by conventional injectors, only the outer layer of fuel molecules are burned, like an onion whose first layer has been peeled. The resulting exhaust fumes envelop the fuel droplets, shielding them from the oxygen. The shell of exhaust gases gets increasingly dense with each "onion layer" that goes up in flames. Eventually it becomes practically impossible for oxygen to react with the fuel. The result: soot formation.
The NEMo injector nozzle atomizes diesel fuel at a pressure of over 3000 bar – standard is 1800 bar, at most – to generate a fuel mist that burns very quickly and practically soot-free. Unfortunately, this also results in surging temperatures; a tricky situation, and finding the right balance between the three parameters of exhaust gas recirculation, boost pressure, and nozzle configuration proved challenging indeed.
Yet the engineers at the Chair of Internal Combustion Engines at the TUM are not content with fulfilling the Euro 6 Norm. They want to find out precisely how soot is formed in the split seconds during which the fuel droplets burn up. Simply placing a probe in the combustion chamber would disturb the combustion process. To surmount this problem the researchers constructed a tiny pipe that is shot into the center of the combustion chamber at lightning speed. The gas-sampling valve needs only one millisecond to take a sample before leaving the combustion chamber again. Using this method, 13 samples can be taken during a single ignition – an ideal situation for studying the growth of soot particles and developing engines with even lower emissions.
Technische Universitaet Muenchen (TUM) is one of Germany's leading universities. It has roughly 440 professors, 6,500 academic and non-academic staff (including those at the university hospital "Rechts der Isar"), and 24,000 students. It focuses on the engineering sciences, natural sciences, life sciences, medicine, and economic sciences. After winning numerous awards, it was selected as an "Elite University" in 2006 by the Science Council (Wissenschaftsrat) and the German Research Foundation (DFG). The university's global network includes an outpost in Singapore. TUM is dedicated to the ideal of a top-level research based entrepreneurial university. http://www.tum.de
Source : KISTI, eurekalert.org
덧글
화석 연료의 종말인가요?
결국은 수소를 만들기 위해 다시 화석연료가 필요하게 되는거 같은데요
물의 전기분해로는 아직 비용면에서 너무 이득이 없는거 같아요