일부 디젤 차량이 배출 기준을 충족하기 위해 추가해야 할 사항은 대부분의 사람들이 생각할 수 없는 것입니다. 배출 문제로 인해 질소산화물을 처리해야 합니다. 배출 문제를 해결하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 하나는 문제 발생 초기 단계에서 문제 발생을 억제하는 예방입니다. 한 가지 접근 방식은 문제 발생 후 효과적인 마무리-를 수반하는 거버넌스입니다. 이 두 가지 방법을 각각 전처리(preprocessing)와 후처리(postprocessing)라고 합니다. 전-치료는 근본 원인을 해결하고, 후-치료는 증상을 치료합니다. 디젤 엔진의 배출물은 주로 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM)(그을음(DS) 포함)으로 구성되며, 그 다음이 HC입니다. 가솔린 엔진에 비해 디젤 엔진은 CO와 HC가 훨씬 적지만 PM은 훨씬 많습니다.
디젤 엔진에 대한 유럽 배기가스 배출 표준은 다음과 같습니다. 1990년대 초에 전자 제어의 도움으로 많은 기술이 급속히 발전했습니다. 예를 들어 일본의 Denso는 고압 커먼 레일을 시작했습니다.- 연소실, 연료 분사 규칙, 흡배기 등의 개선을 통해 기계 내부의 완전한 정화가 가능해졌습니다. 그러나 유럽이든 중국이든 기본적으로 배출기준 4단계에서 전환점이 완성됐다. 현재 표준을 충족하기 위해 전처리에만 의존하는 것은 더 이상 가능하지 않습니다. CO는 완전 연소 여부의 증거로 사용됩니다.
표준은 후속 단계에서 변경되지 않았습니다. 이는 기본적으로 배출 문제를 해결하기 위해 연소를 계속 최적화하는 것이 다소 어려운 작업임을 나타냅니다. 앞서 언급했듯이 디젤 엔진에서 가장 중요한 배출물질은 NOx와 PM입니다. 입자상 물질의 처리는 주로 입자 필터(DPF)에 의존하고, NOx는 주로 촉매 환원을 통해 처리됩니다. NOx는 또한 가솔린 엔진에 있어 상대적으로 중요한 배출물입니다. 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 NOx 배출량은 크게 다르지 않습니다. 물론 디젤 엔진의 제어가 더 어렵지만 기본적으로 크기는 동일합니다. NOx 배출이 공식적으로 별도 항목으로 등재된 것은 유럽 배출 기준의 세 번째 단계가 되어서였습니다.
NOx 생성의 주요 조건은 고온과 풍부한 산소입니다. 가솔린 엔진의 배기 온도는 디젤 엔진에 비해 100~200도 정도 높지만, 파이프라인 구간을 거쳐 후처리 구간으로 가는 경우 기본적으로 동일합니다.- NOx를 제어하기 위한 후속 처리는 주로 3원 촉매를 통해 수행됩니다. 세 가지 귀금속 중 로듐과 Rh는 상대적으로 낮은 온도에서 환원제에 의해 NOx를 질소 가스로 환원시키는 촉매 작용을 할 수 있습니다. 환원제는 H2 또는 CO일 수 있습니다.
그러나 이러한 종류의 환원 반응은 환경의 산소 농도에 크게 의존합니다. 산소 농도가 일정 한도를 초과하면 이러한 REDOX 반응이 효과적으로 진행되기 어렵습니다. 이것이 전제 조건입니다. 가솔린엔진이든 디젤엔진이든 연소과정은 기본적으로 지체기간(점화준비), 급속점화기간(급격한 에너지 방출), 후연소기간(급격 점화기간에 완전히 연소되지 않은 연료가 계속해서 에너지를 방출하는 기간)으로 나눌 수 있다. 그러나 디젤 엔진의 후연소 기간 이전에는 일반적으로 느린-연소 기간이 있다고 믿어집니다. 이 기간 동안 연소는 여전히 빠르고 실린더 내부의 압력은 계속 상승합니다. 그러나 피스톤은 상사점을 지나서 아래로 움직이기 시작했고, 실린더의 부피는 계속 증가했습니다. 연소는 압력 증가가 실린더 부피 팽창의 영향을 상쇄할 만큼 충분히 빨라야 합니다. 따라서 전체적으로 압력 증가 속도는 빠른-연소 기간 동안의 압력 증가 속도보다 느립니다.
후연소 기간에는 급속 연소 및 완속 연소 기간 동안 생성된 배기 가스 및 중간 생성물의 존재로 인해 산소 농도가 이미 감소하기 시작했습니다. 산소 농도가 부족하면 남은 연료의 연소 성능이 급격히 저하되어 불완전 연소, 경제성 저하, 입자상 배출 증가 등의 영향을 미치게 됩니다. 디젤 엔진의 이러한 현상은 매우 심각합니다. 과급의 효과는 여기서 많은 이점을 가져올 것이므로(사실 요즘 디젤 엔진에는 터보차저가 거의 표준임) 디젤 엔진에는 산소-부화 연소가 필요합니다. 그러나 산소-부화 연소는 디젤 엔진의 NOx 제어가 더욱 어려운 이유입니다. 이전에 언급한 삼{7}}원 촉매 변환기의 산소 농도 의존성을 고려하면, 디젤 엔진이 가솔린 엔진의 삼원 촉매 변환기를 사용하는 것은 비현실적입니다.
물론 실린더 내 연소 조절에도 모순이 있는데, 즉 NOx와 PM이 하나는 올라가고 하나는 내려가는 현상을 조화시키기 어렵다는 것이다. NOx를 요소로 처리하는 방식을 SCR(Selective Catalytic Reduction)이라고 하는데, 이는 매우 강한 촉매 선택성을 가지고 있습니다. SCR에 사용되는 환원제는 암모니아 가스(NH3), 암모니아수(NH4OH), 요소(NH2)(2CO) 및 일부 HC와 같은 다양한 암모니아{2}} 기반 물질일 수 있습니다. 암모니아를 사용할 경우 작업 온도는 250~500℃ 범위 내에 있어야 합니다. 관련 반응은 다음과 같습니다. 온도가 너무 낮으면 반응이 효과적으로 진행될 수 없습니다. 너무 높으면 촉매 변환기가 손상되고 환원제가 직접 산화되어 환원제가 더 많이 소비되고 새로운 NOx가 형성됩니다.
환원제로 암모니아수를 사용하면 효과가 탁월하다. NOx 배출을 95% 이상 줄일 수 있습니다. 그러나 전체 기계에는 매우 복잡한 제어 시스템이 필요하며 암모니아수 냄새는 받아들이기가 매우 어렵습니다. 따라서 일반적으로 요소를 사용하는 것이 더 편리합니다. 요소 수용액의 온도가 200도 이상이면 NH3가 생성됩니다. 이와 같이 주입 및 제어 시스템을 통해 NOx를 효과적으로 처리할 수 있습니다.
ECU는 디젤엔진의 회전속도와 연료분사량을 바탕으로 NOx 배출농도를 계산하고, 요소이론과 SCR 촉매변환기의 온도를 통해 NOx 전환율을 추정하고, 필요한 NH3량을 계산합니다. 마지막으로 NH3와 요소의 관계를 통해 현재 필요한 요소 주입량을 구합니다.
효율성이 상당히 상당합니다. Euro IV에서 요구하는 전환율은 50%에 불과합니다.
배출가스의 경우 전처리 기술과 후처리 기술의 조합도 매우 까다롭기 때문에 성능과 비용 간의 절충이 필요합니다.
