[L1] 1 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 개요 [L2] 1) 질소산화물(NOx)의 생성 [L4] - 대기 중의 질소($N_2$)는 화학적으로 매우 안정된 삼중 결합 상태이나, 연소실 내부 온도가 임계점(약 $1800 ^\circ\text{C}$ 이상)을 초과하고 산소 농도가 충분할 때 질소 분자가 해리되어 산소와 결합함. [L5] * 이를 젤도비치 메커니즘(Zeldovich Mechanism)이라 하며, 연소 온도가 상승할수록 질소산화물의 생성률은 지수함수적(Exponential)으로 급증함. [L4] $$O + N_2 \rightleftharpoons NO + N$$ [L4] $$N + O_2 \rightleftharpoons NO + O$$ [L4] $$N + OH \rightleftharpoons NO + H$$ [L2] 2) 연소 온도 억제 메커니즘 [L4] - 배기가스의 주성분인 이산화탄소($CO_2$)와 수증기($H_2O$)는 일반적인 공기(질소 및 산소)보다 비열(Specific Heat Capacity, $c_p$)이 큼. [L4] - 배기가스가 흡기 행정으로 재순환되어 연소실로 유입되면, 실린더 내부 전체 혼합기의 열용량(Heat Capacity)이 증가하여 동일한 발열량의 연료가 연소되더라도 화염의 최고 온도가 $1800 ^\circ\text{C}$ 이하로 하강하게 됨. [L4] - 동시에 산소의 부분압(Partial Pressure)이 낮아지는 희석 효과(Dilution Effect)가 더해져 젤도비치 반응 속도를 근본적으로 차단함. [L2] 3) EGR의 특징 [L4] - 값비싼 귀금속 촉매나 별도의 환원제(요소수 등) 소모 없이, 밸브 개도량 제어를 통한 내부적인 열역학적 사이클 수정만으로 엔진 직하단(Engine-out) NOx 발생량을 50% 이상 근본적으로 억제할 수 있는 가장 비용 효율적인 구조임. [L4] - 카본 슬러지 고착 (Carbon Sludge Fouling): EGR 시스템의 가장 치명적인 기계적 한계임. 고온의 배기가스 내에 포함된 검댕(Soot) 입자가 크랭크케이스 환기 장치(PCV)에서 넘어온 블로바이 가스(Blow-by Gas)의 오일 미스트와 혼합되어 EGR 밸브, 쿨러 코어, 흡기 매니폴드 내벽에 끈적한 카본 슬러지로 영구 고착됨. 이는 흡기 저항을 급증시키고 밸브 고착(Sticking)을 유발함. [L4] - 연소 안정성 (Combustion Instability Limits) 저하 : 실린더 내에 EGR 가스가 과도하게 유입되면 한계 EGR 율(Limit EGR Rate)을 초과하게 되어 화염 전파 속도(Flame Propagation Speed)가 급격히 느려짐. [L5] * 이로 인해 실화(Misfire)가 발생하고 엔진 출력과 열효율이 급감하는 물리적 제약이 따르므로, 고도의 정밀한 질량 유량 센서(MAF) 및 모델 기반 제어(Model-based Control)가 강제됨. [L1] 2 EGR 시스템 분류 및 특성 [L2] 1) 고압 EGR (HP-EGR: High-Pressure EGR) [L4] - 정의 : 터보차저(Turbocharger) 터빈(Turbine) 전단의 고온, 고압 배기가스를 추출하여 압축기(Compressor) 후단의 흡기 다기관으로 직접 주입하는 시스템임. [L4] - 특징 : 배기 다기관과 흡기 다기관 사이의 압력 차이(Pressure Differential)를 이용하여 가스를 구동하므로 응답성(Response)이 매우 빠름. [L4] - 단점 : 터빈으로 가야 할 배기 에너지를 빼앗으므로 터보 래그(Turbo Lag)가 악화되고, 엔진의 펌핑 손실(Pumping Loss)을 증가시키는 역학적 한계가 존재함. [L2] 2) 저압 EGR (LP-EGR: Low-Pressure EGR) [L4] - 정의 : 터빈 후단 및 디젤 미립자 필터(DPF: Diesel Particulate Filter)를 통과한 상대적으로 저압, 저온의 깨끗한 배기가스를 추출하여 압축기 전단으로 주입하는 시스템임. [L4] - 특징 : 배기가스가 DPF를 거쳐 정화되었으므로 압축기 휠이나 인터쿨러(Intercooler)에 탄소 퇴적물이 쌓일 위험이 낮으며, 터보차저의 터빈 구동 에너지를 100% 활용할 수 있음. [L4] - 단점 : 배기가스가 터보차저와 인터쿨러 등 긴 경로를 거쳐야 하므로 과도 상태(Transient State)에서의 EGR 율(EGR Rate) 제어 응답성이 떨어짐. [L1] 3 EGR의 활용 사례 및 산업트렌드 [L2] 1) 디젤 엔진의 PM-NOx 트레이드오프 제어 (PM-NOx Trade-off Control in Diesel Engines) [L4] - 유로 6(Euro 6) 및 그 이상의 엄격한 배출가스 규제를 만족하기 위해 상용차 및 승용 디젤 시스템에서 활용됨. [L4] - EGR 율이 상승하면 연소 온도가 낮아져 NOx는 급감하나, 실린더 내 산소 부족으로 인해 불완전 연소가 발생하여 매연(PM: Particulate Matter)이 급증하는 딜레마가 발생함. [L4] - 트랜드 : 최근의 디젤 시스템 설계는 엔진 내부의 EGR 의존도를 다소 낮추어 PM 발생과 연비 저하를 방지하고, 후처리 장치인 선택적 촉매 환원(SCR: Selective Catalytic Reduction) 시스템의 요소수($NH_3$) 분사량을 늘려 배기 파이프 내에서 NOx를 환원시키는 하이브리드 제어 최적화 트렌드를 채택함. [L2] 2) 가솔린 직접 분사(GDI) 엔진의 펌핑 손실 및 노킹 억제 [L4] - 디젤뿐만 아니라 가솔린 엔진에서도 EGR을 도입(주로 냉각 EGR 형태)하는 사례가 증가함. [L4] - 부분 부하(Part Load) 운전 시 스로틀 밸브(Throttle Valve) 닫힘으로 인해 발생하는 펌핑 손실을 EGR 가스가 물리적으로 채워줌으로써 기계적 효율을 향상시킴. [L4] - 또한 혼합기의 온도를 낮추어 이상 연소인 노킹(Knocking)을 억제하므로, 점화 시기(Ignition Timing)를 진각(Advance)시켜 열효율(Thermal Efficiency)을 비약적으로 끌어올리는 목적으로 사용됨.