서 론

디젤엔진은 높은 열효율에 따른 우수한 연비와 고부 하 및 고출력이 가능하여 중소형 선박엔진이나 산업용 발전기로 사용되며, 대체할 만한 다른 수단이 없을 정도 로 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 하지만 디젤엔 진의 배기가스는 지구 온난화의 원인인 CO₂와 더불어 CO, HC 등의 배출이 가솔린 기관보다 상대적으로 적게 배출되는 반면, 시동 초기와 운전 중의 간헐적 과농시에 는 입자상 물질(Particulate Matter, PM) 및 질소산화물 (NOx)을 다량으로 배출하는 문제점을 갖고 있다(Kim and Ha(2008)). 이 중 PM은 인체에 매우 유해하고 시각 적으로나 후각적으로 불쾌감을 초래하며, 환경오염의 주범으로 여겨진다.

최근 강화된 배기가스 배출규제에 따라 엔진의 연소 조건을 최적화하는 전처리 방식에는 한계가 있어 배출 된 배기가스를 처리하는 후처리 기술의 촉매와 여과 방 식이 필수적이다. 또한 엔진의 사용기간을 고려하면서 기존 엔진에 대한 매연대책을 강구하는 방안으로도 후 처리 기술의 활성화는 효과적이라 할 수 있다. 후처리 방식에는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)와 매연여과장치(Diesel Particulate Filter-trap, DPF)가 있으며, 특히 DPF 방식은 높은 효율(90%)로 인 해 이에 대한 연구가 활발하다. 하지만 자동차용 소형디 젤엔진의 배출가스 문제에 집중되어 중대형 디젤엔진에 대한 관심은 상대적으로 낮다(Opris and Johnson, 1998; Konstandopoulos et al., 2000; Konstandopoulos et al., 2002; Im et al., 2003).

산업용 발전기 엔진과 선박용 엔진은 자동차용에 비 해 저속 균일한 회전수를 갖기 때문에 운전 중에는 연소 실 내의 과농 상태가 조성되는 경우가 상대적으로 낮고, 주로 시동 초기에 연소실 내의 착화온도 이하 조건에서 불완전 연소로 인해 매연이 발생하게 된다. 특히 비상용 발전기는 장시간 방치되는 경우가 잦고 운전시간 또한 극히 짧아 비상시에 운전되는 경우 초기 매연은 타 디젤 엔진보다 그 양이 현격히 많다. 최근 EURO 규제를 받는 비상발전기들은 커먼레일이 적용된 최신 엔진을 사용하 여 그 양은 감소했지만 방치로 인한 시동초기의 매연은 피할 수 없다. 하지만 안전성과 신속성이란 이유로 인해 기계식 타이밍 디바이스와 플런저 분사기구를 아직도 사용하는 엔진들은 무부하에서 정격운전까지의 도달시 간을 줄이기 위해 다른 발전기들과 달리 가버너 디바이 스의 PID 동작에서 제어계수가 매우 크게 되어 있으며, 이로 인해 초기 시동시에도 일반 플런저기반 디젤엔진 에 비해 막대한 연료를 분사하여 엄청난 매연을 만들어 내며, 부하가 변동되는 경우에도 매우 빠른 안정화를 위해 대량의 연료를 투입하기 때문에 많은 매연이 발생 하는 경향이 크다.

따라서 본 연구에서는 비상용 발전기의 시동 초기에 서 PM이 집중적으로 발생하는 것에 주목하여, PM의 농도를 현저하게 감소시키는 것을 목적으로 시동 초기 에는 유해매연을 포함한 배기가스가 매연여과장치로 통 과하도록 하고, 일정한 시간이 경과된 후 완전연소 범위 에 진입하면 원래의 배기계통으로 배출되는 바이패스형 매연여과장치를 제안하고 그에 따른 성능실험과 특성을 비교·분석한다(Baik, 2006; Ki and Choi, 2010).

실험장치 및 방법

실험 장치는 Fig. 1과 같이 비상발전기(CAT 3406, 350 kW), 소음기 겸 집진기, 공기압 실린더와 제어관, 온도 및 압력센서, 배기관, 매연여과장치로 구성되어 있 다. 장치의 동작은 Fig. 1에서 비상발전기의 가동과 함께 배출된 배기가스는 소음기 겸 집진기를 통과하여 제어 관을 거쳐 공기압 시스템에 의해 배기관 또는 여과장치 를 통과하게 된다. 공기압 시스템의 동작은 실험의 분석 된 최종 결과에 따라 각각의 농도 감소율이 안정된 시간 이 설정되며 그 설정 값에 의해 배기관과 여과장치로의 유로를 선택하도록 작동된다.

실험 장치에서 배기가스 중의 PM과 CO, CO₂, NO, O₂ 농도 추이 측정에서 PM 농도는 Fig. 1의 (A)에서 (1)∼(3)과 같이 실험장치의 엔진출구, 소음기 겸 집진기 출구, 매연여과장치를 각각 통과한 출구 측의 3개소에서 측정하였으며, 시동초기와 정상상태(idling)로 구분하여 80초간 실시간 검출 분석하였다. 비상발전기의 특성상 시동부터 초기에 다량의 매연이 발생하기 때문에 시동 부터 80초까지를 시동초기로 설정하고, 그 이후 5분간 운전 후 80초 동안을 정상상태로 간주하였다. 실제 운전 조건을 고려하여 측정기간 1일 간격으로 4회 측정하고 그 값을 평준화하고, 비상발전기의 기동 조건은 비상출 력(standby power rating)에서 엔진 회전수는 1800 rpm 이다. 측정 장치는 부분유량 채취방식의 광투과식 매연 측정기(RTM 430)를 이용하였다.

또한 PM 감소 효과 외 배기가스 중의 CO, CO₂, NO, O₂ 농도변화 추이를 분석하기 위해 실험장치의 각 구성 장치를 통과하는 동안 시동초기(0-80초), 5분 운전, 10분 운전의 3단계로 구분하여 포집기구(tedlar bag)를 이용 하여 Fig. 1의 (A)에서 (1)∼(3)의 PM 농도 측정위치와 동일한 위치에서 각 부분별로 포집된 양에 대한 CO, CO₂, NO, O₂ 농도를 한국산업기술시험원에 의뢰·분석 하였으며, 시험규격은 KS I ISO 6143과 CRM 비교분석 법에 따라 측정기기(Ecom, MK-4000)를 이용하여 분석 되었다.

실험대상은 실제 적용여부를 판단하기 위해 산업단지 내의 실제 배치되어 있는 비상발전기로 실험이 수행되 었다. 소음기 겸 집진기는 소음 감소 기능과 더불어 PM 을 사전에 축적시켜 매연여과장치의 기능을 증대시키는 것으로, Fig. 2의 (b)와 같이 내부에 축적되는 PM을 확인 하기 위해 개폐형으로 제작하였다. 공기압 실린더는 배 기가스가 배기관(exhaust pipe)과 매연여과장치(filter trap)로 각각 절환되도록 밸브 역할을 하는 것으로 Fig. 1의 (a)와 같이 제어배관(control pipe)의 양 끝에 장착되 고 온오프 볼밸브(On-Off Ball Valve)형의 공기압 밸브 를 사용하여 제어하며, 공기감압기(Air regulator)를 통 해 동작속도를 조절하도록 하였다. Fig. 1에서 나타낸 것과 같이 온도센서(PT 100)와 압력센서(PT 3300)는 제 어배관에서 배기관과 매연여과장치로 통하는 곳에 각각 장착하여 검출신호에 따라 컨트롤러에서 자동으로 제어 할 수 있도록 하고, 압력계는 소음기 겸 집진기의 상부에 지시계용으로 설치하였다. 매연여과장치는 엔진출력에 따라 철망 메쉬 필터와 메쉬 필터, 슈트필터로 구성하고 과농 영역에서 매연이 다량 발생할 때 입자상물질(PM) 이 포집되는 것을 확인하기 위해 개폐형으로 제작하였 으며, Fig. 2의 (c)와 같다(Jeong et al., 2008).

Fig. 3은 제어시스템의 구성도와 제작 장치를 나타낸 것으로, 동작은 배기관의 온도 및 압력센서의 검출신호 가 AD/DA과정을 거쳐 리미트 스위치(limit switch), 제 어기를 통해 마이크로 프로세서에서 처리되는 구조이 며, 그 결과를 화면으로 나타내도록 하였다. 비상발전기 의 기동신호를 위해 릴레이 구동을 AC와 DC 전원을 분리하여 동작하도록 하고 온도 컨트롤러의 신호를 기 준으로 제어배관의 내부 상태를 파악할 수 있도록 구성 하였다. 온도 컨트롤러는 0∼500℃까지 제어가 가능하 며, 숫자 표시 기능이 있는 제품을 탑재하고 과부하시 엔진에 문제가 생기지 않도록 Normal Open으로 실린더 동작이 이루어지도록 하였고, 비상발전기의 시동 및 정 지 제어가 가능하도록 설계 제작하였다. 모든 변환기는 현장에서 계측할 수 있도록 아날로그 및 디지털 지시기 를 부착하고 전송기에는 노이즈 방지를 위하여 노이즈 필터를 부착하였으며, 동력용 전원, 대용량 변압기, 동력 선 등의 노이즈 원과 격리하여 배선하였다(Hur et al., 2010).

필터 실험은 내부에 철 메쉬를 1차적으로 통과하게 한 후 4단계의 세라믹 필터를 설치하여 매연을 저감할 수 있도록 하였고, Fig. 4는 왼쪽을 1단계로 총 4단계의 순서로 세라믹 필터가 설치된 것을 볼 수 있으며 매연이 1단계에 많이 흡착되어 있는 것을 볼 수 있다. 세라믹 필터의 바로 전에는 동일한 원형 크기의 철망을 끼워 넣어 내부 유량의 흐름을 일정하게 유지하도록 하였다 (Masoudi et al., 2001; Konstandopoulos et al., 2002; Alward and DiChiara, 2005).

결과 및 고찰

실험장치의 PM 감소 성능검사와 배기가스의 분석은 가동 초기의 매연의 저감률 및 경시적 저감 효과를 측정 하여 비교하였다.

실험장치의 부분공정별 PM 농도 저감 효과

Fig. 5와 6은 실험 장치의 각 부분별에 대한 PM의 감소 성능 분석을 위해 실시간 매연 분진농도 측정치를 나타낸 것으로 Fig. 5는 비상발전기의 시동에서부터 약 80초간 측정된 결과를 나타내고, Fig. 6은 시동 후 5분이 경과한 후를 정상상태로 간주하여 80초간 측정된 결과 를 나타낸 것이다. 각각의 측정된 결과들은 실제 현장운 전 조건을 고려하여 1일 간격으로 측정한 자료로서 4회 측정 결과에서 각 3개의 샘플의 평균값을 평준화한 결과 를 도식화한 것이다.

Table 1은 Fig. 5과 6에서 각각의 측정값의 최곳값과 평균값을 나타낸 것으로, 시동초기의 측정치 살펴보면, PM의 최고값은 엔진 출구에서 85.4%, 소음기 및 집진기 를 통과한 후에는 58.3%, 소음기, 집진기, 여과기를 모두 통과하면 42.1%로 비율이 감소되었으며, 평균값은 엔진 출구에서 28.7%, 소음기 및 집진기를 통과한 후에는 17.1%, 소음기, 집진기, 여과기를 모두 통과하면 4.5%로 감소되는 효과를 나타냈다. 정상상태에서의 가스 분진 측정 및 분석 결과로는 초기 시동시 엔진 출구에서는 19.4%, 소음기 및 집진기를 통과한 후에는 13.8%, 소음 기, 집진기, 여과기를 모두 통과하면 6.2%로 저감되었 다. 시동 후의 평균 분진 농도는 엔진 출구에서는 17.2%, 소음기 및 집진기를 통과한 후에는 12.9%, 소음기, 집진 기, 여과기를 모두 통과하면 5.7%로 유지되었다. 결과에 서 나타난 바와 같이 Fig. 5의 시동초기 약 14초에서 최고점은 배출량이 상당하여 평균값에 미치지 못하였으 나 시간이 경과하고 정상상태에서는 감소폭이 일정한 꾸준한 성능을 나타냈다. 특히 소음기 겸 집진기에서 대폭 감소하고 마지막 여과기를 통과하면서 최종 50% 이상의 감소효과를 나타냈다. 이것은 소음기 겸 집진기 의 구조에서 내부 격벽에 의해 입자상 물질이 축적되고 여과장치의 각 필터를 거치면서 감소된 효과로 사료되 며 최종 여과기를 거치면서 그 양이 현격히 감소함에 따라 본 실험장치의 양호한 성능을 나타내고 있다.

CO, CO₂, O₂, NO 저감량 측정 및 분석

Fig. 7은 실험 장치에서 포집된 시료에 대한 가스분석 을 peak graph를 나타낸 것으로, 실험장치의 엔진출구, 소음기 겸 집진기 출구, 여과장치 출구에서 각각 포집한 배기가스에 대해 일정영역에서 CO₂와 O₂의 함유량을 백분율로, CO와 NO는 ppm으로 나타냈으며, 분석치는 Table 2와 3과 같다. 실험조건은 시동초기와 그 후 5분이 경과한 시점의 정상상태(idling)에서 수행되었으며, 여 과장치의 경우 10분 후의 상태도 성능의 지속성을 관찰 하기 위해 추가로 측정하였다.

Fig. 7은 실험장치의 각 장치에서 포집된 배기가스 측정에서 전반적인 측정추이를 나타낸 것으로, 최곳값 은 측정시점을 나타낸다. 약 3.3초에서는 CO₂, 약 10초 는 O₂, 약 11초는 N2, 약 16초는 CO를 측정한 시점이며, 실험장치의 각 장치에서 포집된 배기가스의 분석도 ±0.5초 이내로 동일한 시간대에서 수행되었다.

Table 2는 실험장치의 시동초기에서 각 장치의 부분 별 배기가스 농도를 나타낸 것이다. CO는 엔진 출구에 서 측정된 값을 기준으로 각 부분을 거치면서 소음기 출구는 46.84%, 시동 후 5분이 경과한 후의 소음기 출구 는 27.82%, 필터에서는 20.33%로 농도 비율이 변화하였 다. 최종 공정인 필터의 출구에서 시동초기와 시동 후 10분이 경과한 후의 배기가스 농도변화를 보면, CO는 엔진출구에 대비 대폭 감소되는 양상을 나타내고 있다. CO₂는 엔진 노후화로 인해 엔진의 가동과 동시에 초기 매연 발생이 심하고 매연 양이 과다하여 측정범위를 벗 어났으나, 시동 후 5분이 경과한 후에는 소음기 출구에 서 CO₂는 1.33%, 최종 공정인 필터 출구에서는 1.18% 로 농도 비율에서 차이를 나타냈다. 한국산업기술평가 원 기기사양 농도기준인 2.0%에서 CO₂의 저감률은 시 동 후 5분 경과한 후의 소음기 출구 66.5% 이하, 필터 출구 59.00% 이하로 측정되었다.

성분별 저감 비율은 CO의 경우 실험장치의 부분 공정 을 거치면서 초기 가스 농도에 비해 20.33%로 낮아지며 시간의 경과(10 min.)에 따라서도 저감률이 16.3%로 낮 아짐으로써 시간이 지날수록 저감률은 크게 나타났지 만, 비상발전기의 특성상 비상발전을 위해 초기에 연료 분사량이 많고 상대적으로 공기량이 적은 과농 상태의 불완전 연소로 인해 다량 발생된 것으로 사료되며, 5분 이 경과한 후 감소된 경향은 실험장치의 각 부분 장치의 소음기 겸 집진기의 격벽과 여과장치의 다중 필터들을 거치면서 일정 성능을 보존했을 것으로 사료되나 엔진 예열로 인한 엔진의 연소조건에 의한 감소율이 보다 클 것으로 사료된다.

Table 3은 정상상태에서 실험장치 부분공정별 초기 배기가스 농도 측정결과를 나타낸 것이다. 정상상태에 서 CO는 엔진 출구에서 4,670 ppm으로 Table 2의 시동 초기의 부하가동시의 7,552.38 ppm보다 낮은 측정치를 보였으며, 특히 소음기 출구에서 4,003 ppm, 집진기 출 구에서 1,886 ppm으로 약 40.3%의 저감 성능을 보인 것은 집진기에서의 저감률이 큰 것을 알 수 있다. 또한 여과장치에서 시간이 경과함에 따라 35.9%, 28.1%, 21%로 꾸준히 농도비율이 낮아지는 것을 알 수 있다. CO₂는 엔진 출구에서의 측정치 1.75%의 농도를 기준으 로 소음기, 집진기를 거치면서 83.4%, 최종 공정인 필터 출구에서 77.1%로 나타났다.

시동초기와 정상상태의 측정결과에서 두 조건 모두 각 성분별 농도 비율은 CO가 가장 큰 변화를 나타냈으 며, CO₂, O₂, NO는 큰 변화를 나타내지 않았다. 앞서 Table 2의 고찰에서 언급한 것과 같이 측정 성분들의 감소효과는 비상발전기의 연소조건에 따른 감소효과가 큰 것으로 사료되며, CO를 제외한 나머지 성분에서 감 소효과를 나타내거나 불규칙한 성분비가 나타난 것은 실험장치의 각 부분의 배기가스 포집방법에서 배관 내 의 시료 채취관의 위치에 따라 배기가스 기류에 따른 농도차이가 발생했거나 미량의 외부공기도 유입되었을 것으로 사료된다.

결 론

본 연구는 중대형 디젤엔진에 대한 소음기 겸 집진기 와 여과장치를 결합한 매연저감 장치를 개발·제안한 것 으로 공기압 시스템을 이용하여 디젤엔진의 배기가스 중 PM의 배출을 최소화하는 자동화 시스템을 구축하였 다. 본 장치는 비상발전기의 가동시 시동 초기의 다량의 PM을 감소시키는 것을 목적으로 그에 대한 성능은 엔진 출구의 23.7%에서 최종 여과장치를 통과하면서 4.5%의 비율로 감소하는 우수한 성능을 나타냈다. 제안 장치의 전체적인 PM 감소율은 소음기 겸 집진기에서의 감소폭 이 크며, 이것은 집진기에서 포집기능이 영향을 미친 결과로 사료되므로 그 크기와 내부 구조의 변화를 꾀함 으로써 그 성능이 향상되리라 판단된다. 또한 배기가스 의 CO, CO₂, O₂, NO의 저감률은 본 실험장치의 성능보 다 비상발전기 엔진의 연소조건에 따른 영향이 상대적 으로 큰 것으로 사료되며 감소율을 확보하기 위해서는 촉매변환기와 같은 부가장치를 설계함으로써 감소기능 을 확보할 수 있을 것으로 사료된다.

따라서 분석된 결과를 바탕으로 공기압 시스템이 작 동되는 절환 조건은 비상발전기 가동 후 10분 전후에서 절환되도록 설계되었으며, 매연저감 성능을 높이기 위 해서 소음기에 집진장치나 집진할 수 있는 기능을 동시 에 설계하는 것을 제안하고, 제안된 장치는 매연저감 시스템 설계에서 실용적으로 현장에 장착이 가능하리라 사료된다.