EGR 시스템

이번 보고서에서는 친환경적인 엔진을 지향하는 다양한 배기가스
저감 기술 중에 질소산화물(NOx)을 효과적으로 제어할 수 있는 배기가스
재순환(EGR) 장치의 기술 및 특허동향을 살펴본다. 배기가스 재순환
장치는 NOx의 배출을 줄이는 효과적인 방법으로 휘발유 엔진에서 디젤
엔진으로 적용이 확대되고, 정밀한 제어를 위해 기계식에서 전자 제어식으로
진보하고 있으며, 고온의 배기가스를 냉각해 재순환시키는 쿨드 EGR로
기술 개발이 이루어지고 있다

박창현 「한국특허정보원 조사분석 1팀」

자동차용 엔진에 대한 연구는 사회적 현상과 더불어 발전하여 최근에는
연비(燃費), 환경, 안전의 3축으로 발전하고 있다. 이 3축 중 환경문제에서
배기가스는 1980년대 후반부터 전 세계적으로 환경에 관한 관심이 높아지면서
대기오염에 대한 개선방안이 범세계적으로 논의되기 시작했고, 주범이라고
할 수 있는 자동차의 배기가스에 대한 규제가 북미(SULEV, ULEV 등)와
유럽(유로Ⅲ,Ⅳ 등) 및 각국에서 본격적으로 실시되었다.

각국에서 자동차 배출가스 중에서 유해가스로 규제하고 있는 성분은
휘발유 자동차의 경우 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)이며,
디젤자동차의 경우는 여기에 매연을 포함하는 입자상물질(PM: Particulate
Matters)이 추가되어 있다.

<그림 1>과 <그림 2>와 같이 강화되는 규제에 따라 자동차
산업이 생존하기 위해서는 저공해 차에 대한 기술이 가장 핵심적인 기술로
자리매김 해왔으며, 향후에도 꾸준한 발전이 있으리라 생각된다.

이번 보고서에서는 친환경적인 엔진을 지향하는 다양한 배기가스
저감 기술 중에 NOx를 효과적으로 제어할 수 있는 배기가스 재순환(EGR,
Exhaust Gas Recirculation) 장치의 기술 및 특허동향을 살펴보기로
한다.

EGR 시스템 및 작동원리

EGR(exhaust
gas recirculation)은 NOx 저감을 위한 가장 효과적인 방법의 하나다.
이는 배기가스의 CO2나 H2O 등과 같은 불활성 가스가 흡기의 일부와
치환되어 혼입됨으로서 혼합기의 열용량이 증대되어 실린더 내 연소가스
온도상승을 억제하며 또한 공기 과잉율을 낮추어 서멀(thermal) NOx
생성을 억제함으로서 전체 NOx 발생량을 줄이는 원리이다.

또한 흡기의 일부가 산소농도가 낮은 배기가스로 치환되므로 연소실내
산소가 감소하기 때문에 NOx 생성이 억제된다. 또 EGR은 촉매장치에서
NOx 환원반응의 부하를 대폭 줄여주는 역할을 한다.

한편, 디젤엔진의 EGR에 의한 NOx 저감효과는 휘발유 엔진과는 차이가
있다. 휘발유 엔진에서는 EGR 가스가 연료혼합기와 균일하게 혼합되기
때문에 연소화염을 효율적으로 냉각시킨다. 반면 디젤엔진의 경우는
연료혼합기가 공간적으로 매우 불균일하기 때문에 EGR 가스가 연소화염을
냉각시키는 데는 공간적으로 제한되어 있다.

따라서 디젤엔진에서 EGR에 의한 NOx 저감 메커니즘은, 휘발유 엔진처럼
EGR 가스가 연소온도를 낮춘다는 설명보다는 연소공기의 산소농도를
저감시킴으로서 NOx가 저감된다는 이론이 강하게 제시되어 있으며 이들의
규명에 대한 연구가 계속되고 있다.

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