연소내처리방식으로 질소산화물(NOx)을 줄이는 기술

● 제목 : 『연소내처리방식으로 질소산화물(NOx)을 줄이는 기술』

● 현황

1. 배출가스처리방식

   내연기관차는 엔진연소 후 나오는 배출가스를 별도의 배기장치로 줄여야 하므로이 방식을 “연소후처리방식(External Processing System)”이라 할 수 있습니다.

단지 휘발유. LPG차등은 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)등을 줄이는 촉매장치가 있고, 경유차는 매연을 줄이는 EGR. DPF장치와 질소산화물(NOx)을 줄이는 SCR 장치가 있습니다.

2. SCR대신 다른 기능을 장착하면 안 되는가 ?

   이처럼 유로6의 경유차는 매연과 질소산화물(NOx)을 강하게 줄여야 하므로 EGR. DPF. SCR등 여러 종류의 배기장치들이 필요로 하는데 만일에 질소산화물(NOx)을 다른 방식(기술)으로 줄일 수 있다면 굳이 (요소수를 사용하면서까지) SCR방식을 적용하지 않아도 되지 않는가 하는 것입니다.

즉 역으로 말하면 “연료가 엔진에서 100%연소가 된다면” 이론적으로 볼 때에 배기장치들은 없어도 된다고 봅니다.

따라서 엔진 연소율을 높여 배출가스를 근본적으로 줄이는 기술이 기 개발되어 있는데 이를 일명 “연소내처리방식(Internal Processing System)” 이라고 합니다.

● 문제점

 1. 자동차 전기 종류

   자동차는 “ECU를 동작시키는 제어전기(5V)와 ECU에 전기를 공급하는 동력전기(12/24V,수백V)로 구분” 됩니다.

그리고 제어전기(5V)는 동력전기를 가지고 ECU내부의 전원장치(DC-DC컨버터)에 의해 만들어지지만 “두 전기는 독립된 마이너스(-)”을 가지고 있습니다.

    * 자동차에서 접지란 차체(빔), 배터리마이너스(-) 그리고 5V의 마이너스(-) 간을 “동일전위(Same voltage level)로 만들기 위함임

2. 5V의 접지 결함

   그런데 내연관차들은 5V의 마이너스(-)와 차체 간에 “비접지(ungrounded)방식으로 설계”하다 보니 “두 접지 간에 전압(mV)이 발생하고 전류(mA)”까지 흐르고 있으므로 ECU와 각종 센서들이 데이터를 생성하고 전송하는 과정에 흔들리고 있다는 것입니다.

이러한 현상은 신차일 때는 부품특성과 조립특성이 좋아 접지 간에 약간의 전위차가 있어도 큰 문제는 없어 보이지만 년식이 증가할수록 부품특성과 조립특성이 나빠지므로 인하여 “접지 간(ground to ground) 전압과 전류가 서서히 증가하여 배출가스는 물론 출력과 연비에도 많은 영향”을 주고 있다는 것입니다.

3. 5V를 비접비로 설계한 이유

   자동차는 키-온 상태에서는 전체적인 전류(A)흐름이 적기 때문에 ECU와 각종 센서들의 데이터 생성과 전송에는 특별한 문제가 없지만 시동이 걸리고 나면 (많은 전기장치들이 동작을 하므로) 차체에는 큰 전류(A)가 흐르게 됩니다.

그런데 만일에 “5V마이너스를 차체에 직접 접지”를 하게 되면 동력전기의 전류(A)가접지를 통하여 5V에 역으로 영향을 주기 때문에 “ECU는 안정된 데이터 생성과 전송이 어렵게”됩니다.

그래서 동력전기의 간섭을 배제하기 위해 “ECU의 5V접지를 차체와 분리하여 비접지로 설계”를 한 것입니다.

    * 참고로 발전소에서는 발전기접지와 통신장비접지를 분리하기도 함

4. 접지전압이 차성능에 미치는 관계

   년식에 따라 접지 간 전압이 변동할 때에 ”차성능. 연비. 배출가스 등에 미치는 관계“를 계략적으로 구분하여 보았습니다.

     * 1~2mv까지 : 거의 정상에 속함(신차의 경우)

     * 20mv까지 : 소음 • 진동 • RPM 미소 흔들림 발생, 연비감소, 배출가스 소량 증가

     * 40mv까지 : 소음 • 진동 • RPM 흔들림 증가, 간헐적 시동꺼짐, 연비 • 출력 • 배출 

                   가스 중량 나쁨

     * 100mv까지 : 정상적인 운행이 거의 불가능 함

     * 100mv이상 : ECU를 교체하여야 함

● 개선방안

   1. 제3의 전기적인 폐회로망 구성

      이처럼 ECU 5V가 비접지로 인하여 특히 년식이 늘어날수록 접지 간 전압.전류가 변하고 증가하기 때문에 ECU제어가 불안정하여 “ 연비가 나빠지고 반대로 배출가스가 증가하는 현상”이 생기고 있습니다.

이러한 결점을 해결하기 위해서는 두 전기 간에 “제3의 전기적인 폐회로망을 구성” 시켜 두 접지 간의 전압(mV)과 전류(mA)를 적절하게 조절하여 데이터의 생성과 전송을 안정시켜 주어야 합니다.

2 공회전 전압. 전류 보강으로 공회전시 엔진출력 강화

   또한 공회전 RPM때의 TPS/APS 출력신호에 대하여는 ”전류를 보상하여 공회전시의 엔진출력을 강화“시켜주어야 합니다.

● 기대효과

   1. 기술적인 효과

         * 스로틀바디의 기울기 교정(이질적 오차 개선)

         * ECU의 접지전압 안정화(데이터 생성 개선)

         * ECU출력파형 주기를 적절하게 교정

         * 신호들의 왜곡과 지연을 방지(듀티값 안정)

         * 제어전기와 동력전기의 안정적인 생성과 공급(전압 보상)

         * 전기부하들의 동작과 복구를 원활(동작•복구시간 교정)

    2. 실효적인 효과(년식 대비)

         * 배출가스(년식 대비)를 60~90% 개선 가능

         * 연비(년식 대비)는 최대 30%까지 개선 가능

         * 힘이 강해져 순발력과 가속도가 좋아짐

         * 변속충격 완화, 노킹과 진동도 개선, 시동 꺼짐 방지됨

         * 소음이 3~6dB 개선 가능

         * 기타 승차감 좋고 오디오음질 풍부 

● 결론 제안

    배출가스 즉 질소산화물을 줄이려면 동력전기와 제어전기 간에 “새로운 제3의 전기적인 폐회로망을 구성” 시켜 두 접지 간 전압과 전류를 적절하게 조절하여 엔진연소율을 높여주는 “연소내처리방식(Internal Processing System)”을 적용해주면 근본적인 해결이 가능하다는 것입니다. 

특히 본 기술은 모든 내연기관차의 배출가스(매연, CO, HC, NOx, 기타)를 획기적으로 줄여줌은 물론 출력과 연비를 개선시키는 부수적인 효과도 얻을 수가 있습니다.

따라서 요소수로 인한 물류대란과 불법개조를 근절하고 실질적인 환경오염을 개선시키려면『연소내처리방식으로 질소산화물(NOx)을 줄이는 기술』을 면밀하고 신속하게 검토하여 모든 내연기관차에 확대 적용되어야 함을 제안 드립니다.