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배기 재순환

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목차

1. 개요

배기 가스 재순환(EGR)은 자동차 엔진의 배기 가스를 흡기구로 다시 순환시키는 기술이다. 1970년대에 가솔린 엔진에서 질소 산화물(NOx) 배출을 줄이기 위해 처음 도입되었으며, 초기에는 시동 불량, 연비 저하 등의 문제가 있었다. 이후 기술 발전을 통해 제어 시스템이 정교해지면서 디젤 엔진에서도 NOx 저감 목적으로 사용되고 있다.

EGR은 배기가스에 포함된 이산화탄소와 수증기의 높은 비열을 이용하여 연소 온도를 낮춰 NOx 생성을 억제한다. 작동 원리에는 스로틀 손실 감소, 열 방출 감소, 화학적 해리 감소 등이 있다. EGR 시스템은 내부 EGR과 외부 EGR로 나뉘며, 저압 EGR(LPL-EGR) 기술도 개발되었다.

EGR은 엔진의 연소 효율을 높이고 NOx 배출을 줄이는 데 기여하지만, 시스템의 복잡성을 증가시키고 디젤 엔진에서는 미세먼지(PM) 배출을 증가시키는 단점이 있다. PM 증가는 디젤 미립자 필터(DPF)와 같은 추가적인 배출 제어 장치의 필요성을 야기하며, DPF는 연비 감소를 초래할 수 있다.

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배기 재순환
개요
명칭배기 재순환
영어 명칭Exhaust Gas Recirculation (EGR)
독일어 명칭Abgasrückführung (AGR)
작동 원리
목적질소 산화물(NOx) 배출량 감소
방법배기 가스의 일부를 엔진 흡기 매니폴드로 다시 유입시켜 연소 온도를 낮춤
효과연소 온도 감소
산소 농도 감소
질소 산화물(NOx) 생성 억제
기술적 특징
적용 엔진가솔린 엔진
디젤 엔진
EGR 밸브배기 가스 재순환량 조절
EGR 쿨러재순환되는 배기 가스의 온도를 낮춰 냉각 효율을 높임 (특히 디젤 엔진에서 중요)
제어 방식엔진 제어 장치(ECU)에 의해 제어됨
제어 요소엔진 부하
엔진 속도
냉각수 온도
장점 및 단점
장점질소 산화물(NOx) 배출량 감소
연비 개선 (특정 조건에서)
단점엔진 효율 감소 (최대 출력 시)
매연 증가 (디젤 엔진, 과도한 EGR 적용 시)
흡기 매니폴드 오염 가능성
추가 정보
관련 기술삼원 촉매 변환기 (가솔린 엔진), 디젤 미립자 필터(DPF) (디젤 엔진)
참고 사항EGR 시스템은 엔진의 작동 조건에 따라 재순환량을 조절하여 최적의 성능을 유지함
최근에는 더욱 정밀한 제어를 위해 다양한 센서와 액추에이터가 사용됨

2. 역사

EGR 시스템은 환경 문제 개선에 기여했다. 초기에는 기술적 한계로 인해 시동 불량, 거친 공회전, 성능 및 연료 효율 감소 등의 문제가 발생했지만, 이후 지속적인 기술 발전으로 이러한 문제들이 개선되었다.

2. 1. 초기 역사

최초의 EGR 시스템은 투박하여, 시동이 어렵고 공회전이 거칠었으며 성능 및 연료 절약이 저하되는 문제가 발생했다.[21]

초기 EGR 시스템은 조잡했다. 일부는 배기구와 흡기구를 잇는 간단한 오리피스 제트 형태여서 엔진 작동 시 배기가스가 흡기구로 항상 유입되었다. 이로 인해 시동 불량, 거친 공회전, 성능 저하 및 연료 효율 감소가 불가피했다.[5] 1973년에는 매니폴드 진공으로 제어되는 EGR 밸브가 특정 조건에서만 배기가스를 흡기구로 보내도록 개량되었다. 폭스바겐의 "냉각수 제어 배기가스 재순환" 시스템은 냉각수 온도 센서를 사용하여 엔진이 정상 작동 온도에 도달할 때까지 EGR 밸브의 진공을 차단, 운전성 문제를 방지했다.[5] 또한, EGR 밸브는 기화기 벤튜리의 진공으로 부분 제어되어, 질소산화물(NO)이 형성될 가능성이 높은 엔진 부하 조건에서만 EGR 흐름을 정밀하게 제어했다.[6] 이후 배압 변환기가 EGR 밸브 제어에 추가되어 엔진 부하에 따라 EGR 흐름을 더욱 조정했다. 현대 엔진은 질소산화물(NO) 배출 표준을 충족하기 위해 배기가스 재순환이 필요하지만, 최근 혁신으로 EGR이 필요 없는 엔진도 개발되었다. 크라이슬러 펜타스타 엔진 3.6은 그 예시이다.[7]

EGR은 1970년대 가솔린 기관에서 산화 촉매로 정화할 수 없는 NO 저감 대책으로 도입되었다. 그러나 환류량이나 연료 분사량을 정밀하게 제어할 수 없으면 흡기 공연비를 높게 설정해야 했기 때문에 연비가 나빠졌다. 이후 제어 기술이 향상되고 3원 촉매가 실용화되면서, 현재는 배출 NO 대책보다는 연비 억제 목적으로 사용된다.

스로틀 밸브가 불필요한 디젤 기관에서는 스로틀 손실 저감 효과가 없어, 1980년대 후반부터 주로 NO 저감 목적으로 EGR이 사용되고 있다. 또한, 배기 중 다량의 이산화 탄소 및 수증기는 비열이 높아 약간의 연료 소비율 억제에 기여한다.

3. 작동 원리

배기 재순환(EGR) 시스템은 연소 후 배기 가스의 일부를 다시 흡기 계통으로 보내 연소 온도를 낮추고 질소산화물(NOx) 생성을 억제한다. 배기 가스에는 산소가 거의 없거나 아예 없기 때문에, 이를 흡기와 혼합하면 흡기 중 산소 농도가 낮아진다.


  • 연소 온도 저하: 대기보다 산소 농도가 낮은 상태에서 연소가 이루어지면 최고 연소 온도가 낮아져 NOx 발생이 억제된다.
  • 열 방출 감소: 연소 온도가 낮아지면 실린더, 연소실 벽, 피스톤 표면에서 열에너지 방출이 줄어들고, 열분해에 의한 손실도 감소한다. 또한, 노킹 억제에도 기여한다.


가솔린 엔진의 경우, 부분 부하 시 EGR을 도입하면 흡기 매니폴드 부압을 줄여 스로틀 손실을 감소시키고 연료 소비율을 낮출 수 있다. 이는 마치 더 작은 배기량의 엔진을 고부하에서 사용하는 것과 같은 효과를 낸다. EGR에 의한 환류량은 흡기량의 최대 15% 정도이며, 차량 환경 및 주행 조건에 따라 최적량으로 제어된다.

디젤 엔진의 경우, EGR은 주로 NOx 저감을 위해 사용된다. 디젤 엔진은 스로틀 밸브가 불필요하여 스로틀 손실 저감 효과는 없지만, 배기 중 다량의 이산화 탄소 및 수증기는 비열이 높아 연료 소비율 억제에 약간 도움이 된다.

3. 1. 가솔린 엔진

최초의 EGR 시스템은 조잡했다. 일부는 배기구와 흡기구를 잇는 간단한 오리피스 제트에 불과하여 엔진이 작동할 때마다 배기가스를 흡기구로 유입시켰다. 시동 불량, 거친 아이들링, 성능 저하 및 연료 효율 감소가 불가피하게 발생했다.[5] 1973년까지 매니폴드 진공에 의해 제어되는 EGR 밸브는 특정 조건에서만 배기가스를 흡기구로 유입시키기 위해 열리거나 닫혔다. 자동차 제조업체가 경험을 쌓으면서 제어 시스템은 더욱 정교해졌다. 1973년 폭스바겐의 "냉각수 제어 배기가스 재순환" 시스템은 이러한 발전을 잘 보여주는 예시였다. 냉각수 온도 센서는 엔진이 정상 작동 온도에 도달할 때까지 EGR 밸브에 대한 진공을 차단했다.[5] 이는 불필요한 배기 유입으로 인한 운전성 문제를 방지했다. NOx영어는 일반적으로 엔진이 차가울 때는 존재하지 않는 높은 온도 조건에서 형성된다. 또한, EGR 밸브는 부분적으로 기화기의 벤튜리에서 추출된 진공에 의해 제어되었으며, 이를 통해 NOx영어가 형성될 가능성이 있는 엔진 부하 조건에만 EGR 흐름을 더욱 정밀하게 제어할 수 있었다.[6] 이후, 배압 변환기가 EGR 밸브 제어에 추가되어 엔진 부하 조건에 맞게 EGR 흐름을 더욱 조정했다. 대부분의 현대 엔진은 이제 NOx영어 배출 표준을 충족하기 위해 배기가스 재순환이 필요하다. 그러나 최근의 혁신으로 인해 EGR이 필요하지 않은 엔진이 개발되었다. 3.6 크라이슬러 펜타스타 엔진은 EGR이 필요하지 않은 한 가지 예이다.[7]

배기가스에는 수증기와 이산화탄소가 포함되어 있는데, 이들은 모두 공기보다 낮은 비열비를 가지고 있다. 따라서 배기가스를 추가하면 실린더 내 단열 팽창 시 압력과 온도가 감소하여 단열 화염 온도가 낮아진다.

일반적인 자동차 점화 엔진 (SI)에서 배기가스의 5%에서 15%가 EGR로 흡입구로 다시 라우팅된다. 최대량은 연소 시 지속적인 화염 전선을 유지해야 할 필요성에 의해 제한된다. 부적절하게 설정된 응용 프로그램에서 과도한 EGR은 실화 및 부분 연소를 유발할 수 있다. EGR이 연소를 눈에 띄게 늦추기는 하지만, 이는 점화 타이밍을 앞당겨서 상당 부분 보상할 수 있다. EGR이 엔진 효율에 미치는 영향은 특정 엔진 설계에 크게 의존하며, 때로는 효율성과 NOx영어 배출량 간의 절충을 초래한다. 특정 상황에서 적절하게 작동하는 EGR은 다음과 같은 여러 메커니즘을 통해 이론적으로 가솔린 엔진의 효율성을 높일 수 있다.

  • '''스로틀 손실 감소'''. 불활성 배기가스를 흡입 시스템에 추가하면 특정 출력에 대해 스로틀 밸브를 더 많이 열어야 하므로 흡입 매니폴드 압력이 증가하고 스로틀 손실이 감소한다.[8]
  • '''열 방출 감소'''. 연소 최고 온도가 낮아지면 NOx영어 생성이 감소할 뿐만 아니라 연소실 표면으로의 열 에너지 손실도 줄어들어 팽창 행정 동안 기계적 일로 변환할 수 있는 에너지가 더 많이 남게 된다.
  • '''화학적 해리 감소'''. 최고 온도가 낮아지면 방출된 에너지의 더 많은 부분이 상사점 (TDC) 근처에서 감각 에너지로 남아 있으며 (팽창 행정 초기에) 연소 생성물의 해리에 묶이지 않는다. 이 효과는 처음 두 가지에 비해 미미하다.


EGR은 일반적으로 높은 부하에서는 사용되지 않는데, 이는 최고 출력 출력을 감소시키기 때문입니다. 이는 흡입 차지 밀도를 감소시키기 때문이다. EGR은 또한 아이들 (저속, 제로 부하)에서도 생략되는데, 이는 불안정한 연소를 유발하여 거친 아이들을 초래하기 때문이다.

EGR 시스템은 배기 가스의 일부를 재순환하므로 시간이 지남에 따라 밸브가 탄소 침전물로 막혀 제대로 작동하지 않을 수 있다. 막힌 EGR 밸브는 때때로 청소할 수 있지만 밸브에 결함이 있는 경우 교체가 필요합니다.

내연 기관에서 연소 후 배기 가스에는 산소가 포함되어 있지 않거나 희박한 상태에 있다. 이 배기를 흡기와 혼합하면 흡기 중 산소 농도가 저하되어,

  • 대기보다 산소 농도가 낮은 상태에서의 연소로 (피크) 연소 온도가 저하된다. 이 연소 온도 저하로 NOx의 발생이 억제된다.
  • 연소 온도 저하는 실린더 및 연소실 벽면이나 피스톤 표면으로부터의 열에너지 방산을 저감하고, 열분해에 의한 손실 저감에도 약간이나마 기여한다. 게다가 노킹 억제에도 기여한다.
  • 가솔린 엔진에서는 부분 부하 시에 EGR을 도입하면, EGR을 도입하지 않는 경우와 비교하여 흡기 매니폴드 부압을 작게 할 수 있으므로, 스로틀 손실 감소에 의해 연료 소비율이 저감된다. 마치, 더 소배기량의 엔진을 고부하에서 사용하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.


EGR에 의한 환류량은, 가솔린 기관의 경우, 흡기량의 최대 15 % 정도이며, 차량 환경이나 주행 조건에 따라 항상 최적량으로 제어된다. 차량 중량에 비해 엔진 출력이 작은 대형 디젤 차량에서는, 비교적 고부하에서 배출 가스 기준을 통과해야 하므로 EGR의 적용 범위가 넓다.

EGR은 3원 촉매가 실용화되기 전인 1970년대에 가솔린 기관에서 산화 촉매로는 정화할 수 없는 NOx 저감 대책으로 도입되었다. 그러나 환류량이나 연료 분사량을 정밀하게 제어할 수 없는 경우에는 연소를 안정시키기 위해 흡기 공연비를 높게(리치하게) 설정할 수밖에 없어 연비가 악화되는 결과를 낳았다. 그 후, 제어 기술이 향상되었고, 또한 3원 촉매가 실용화된 현재에는 배출 NOx 대책보다는 연비 억제 목적으로 사용되고 있다.

3. 2. 디젤 엔진

디젤 엔진은 연료를 점화하기 위해 압축 열에 의존하기 때문에 스파크 점화 엔진과는 근본적으로 다르다. 디젤 연료 연소의 물리적 과정은 가장 완전한 연소가 가장 높은 온도에서 발생하도록 한다. 불행하게도 질소 산화물()의 생성은 고온에서 증가한다. 따라서 EGR의 목표는 연소 온도를 낮추어 생성을 줄이는 것이다.[9][10]

현대 디젤 엔진에서 EGR 가스는 일반적으로 재순환 가스의 더 많은 질량을 도입하기 위해 열 교환기로 냉각된다. 그러나 냉각되지 않은 EGR 설계도 존재하며, 이는 종종 고온 가스 재순환(HGR)이라고 한다.

스파크 점화 엔진과 달리 디젤 엔진은 연속적인 화염 전선이 필요하지 않다. 또한, 디젤은 항상 과잉 공기로 작동하므로 EGR율이 50%까지 높을 때 이점이 있다( 출력 감소 측면에서). 그러나 50%의 EGR율은 디젤 엔진이 유휴 상태일 때만 적합하며, 그렇지 않으면 과잉 공기가 많기 때문이다.

현대 디젤 엔진에는 종종 스로틀이 있기 때문에 EGR은 스로틀링의 필요성을 줄여 스파크 점화 엔진과 마찬가지로 이러한 유형의 손실을 제거할 수 있다. 자연 흡기식(즉, 터보차저가 아닌) 엔진에서 스로틀링 감소는 피스톤 링을 지나 실린더로 흡입되어 오일에서 파생된 탄소 침전물을 생성하는 엔진 오일 문제도 줄여준다. (이 이점은 터보차저가 아닌 엔진에만 적용된다.)

VW BMN 엔진용 전자 작동식 EGR 밸브


특히 디젤 엔진에서 EGR 시스템은 엔진 수명 감소와 같은 심각한 단점을 갖는다. EGR 시스템은 어떠한 형태의 여과 없이 배기 가스를 실린더 흡입구로 직접 라우팅하기 때문에 이 배기 가스에는 탄소 미립자가 포함되어 있다. 이러한 작은 입자는 연마성이 있기 때문에 이 물질을 실린더로 재순환하면 엔진 마모가 증가한다. 이는 탄소 입자가 피스톤 링을 통과하여(그 과정에서 피스톤-실린더 인터페이스 마모 유발) 크랭크케이스 오일에 들어가기 때문이며, 이는 일반적인 오일 필터를 통과하는 작은 크기 때문에 엔진 전체에 더 많은 마모를 유발한다. 이를 통해 다음 오일 교환이 이루어질 때까지 무기한으로 재순환될 수 있다.[11]

질소, 이산화 탄소, 수증기로 구성된 배기 가스는 공기보다 비열이 높으므로 여전히 최고 연소 온도를 낮추는 역할을 한다. 그러나 디젤에 EGR을 추가하면 파워 스트로크에서 연소 가스의 비열비가 감소한다. 이렇게 하면 피스톤이 추출할 수 있는 동력량이 줄어들어 열역학적 효율이 감소한다.

EGR은 또한 파워 스트로크 동안 연료 연소의 완전성을 낮추는 경향이 있다. 이는 EGR 증가에 해당하는 미립자 배출량 증가로 명확하게 나타난다.[12][13]

파워 스트로크에서 연소되지 않은 미립자 물질(주로 탄소, 매연이라고도 함)은 낭비된 에너지를 나타낸다. 미립자 물질(PM)에 대한 규정이 엄격해짐에 따라, EGR의 매연 증가 효과는 PM 배출 증가를 보상하기 위해 추가적인 배출 제어 장치의 도입을 필요로 했다. 가장 일반적인 매연 제어 장치는 배기 시스템의 엔진 다운스트림에 설치된 디젤 미립자 필터(DPF)이다. 이것은 매연을 포착하지만 생성된 배압으로 인해 연비가 감소한다.

디젤 미립자 필터는 매우 특정한 작동 및 유지 관리 요구 사항을 갖는다. DPF가 매연 입자(EGR 사용으로 인해 훨씬 더 많아짐)를 포착함에 따라 DPF 자체에 매연이 점진적으로 쌓인다. 그런 다음 이 매연을 능동적으로 또는 수동적으로 태워야 한다.

충분히 높은 온도에서 배출의 이산화 질소 성분은 정상 작동 온도에서 DPF에 포착된 매연의 주요 산화제이다. 이 과정을 수동 재생이라고 하며 포착된 매연을 태우는 데 부분적으로만 효과적이다. 특히 높은 EGR율에서 수동 재생의 효과는 더욱 감소한다. 이는 DPF를 통해 배기 가스 온도를 PM이 배기 가스 내 잔류 산소에 의해 소각될 때까지 상당히 높이기 위해 산화 촉매에서 직접 디젤 연료를 태워 DPF의 주기적인 능동 재생을 필요로 한다.

디젤 연료와 엔진 오일 모두 연소 불가능한(금속 및 광물) 불순물을 포함하기 때문에 DPF에서 매연(PM)을 소각하면 재(ash)라는 잔류물이 남는다. 반복적인 재생 이벤트 후에는 결국 DPF를 물리적으로 제거하고 특수한 외부 공정으로 청소하거나 교체해야 한다.

저산소 배기 가스를 디젤 엔진의 공기 흡입구로 공급하면 연소 온도가 낮아져 배출이 감소한다. EGR은 신선한 공기 흡입구의 일부를 불활성 가스로 대체함으로써 엔진이 이상적인 공기-연료 혼합비에 영향을 미치지 않고 주입된 연료의 양을 줄일 수 있으므로, 엔진 부하가 낮은 상황(예: 차량이 관성 주행하거나 순항 중일 때)에서 연료 소비를 줄일 수 있다. EGR은 고부하 엔진 상황에서는 사용되지 않으므로 어떤 경우에도 출력이 감소하지 않는다. 이를 통해 엔진은 필요할 때 여전히 최대 출력을 제공할 수 있지만, 차와 운전자의 동력 요구를 충족하기에 부분 부하가 충분할 때 큰 실린더 부피에도 불구하고 연료 소비를 줄일 수 있다.

EGR은 양압 크랭크케이스 환기 시스템(PCV)에서 오일 증기를 재라우팅하는 것과 관련이 없다. 후자는 오일 증기 배출을 줄이기 위해서만 존재하며 EGR 시스템 유무와 관계없이 엔진에 존재할 수 있다. 그러나 엔진에서 EGR과 PCV를 모두 사용하는 경우(배기 가스, 신선한 공기 및 오일 증기) 발생하는 3자 혼합물은 흡기 매니폴드 및 밸브에 끈적한 타르가 쌓이게 할 수 있다. 이 혼합물은 스월 플랩과 같은 구성 요소에 문제를 일으킬 수 있다. (이러한 문제는 바람직하지 않은 정(+) 피드백 루프의 형태를 취하며 엔진이 노후화됨에 따라 악화된다. 예를 들어, 피스톤 링이 점진적으로 마모됨에 따라 더 많은 크랭크케이스 오일이 배기 스트림으로 유입된다. 동시에 더 많은 연료와 매연 및 연소 부산물이 엔진 오일에 유입된다.)

배기 가스와 크랭크케이스 오일 증기의 재순환의 최종 결과는 매연 생성 증가이지만, 이는 DPF에 의해 효과적으로 대응되며, DPF는 이들을 수집하고 재생 중에 연소되지 않은 입자를 태워 NOx 가스와 달리 부정적인 건강 영향이 없는 CO2와 수증기 배출로 변환한다.[14]

현대식 냉각 EGR 시스템은 재순환 가스에서 회수된 폐열을 사용하여 냉각수, 엔진 블록을 작동 온도까지 더 빨리 데우도록 도와 엔진 마모를 줄이는 데 도움이 된다. 이는 엔진 컨트롤러가 엔진 블록이 여전히 이상적인 작동 온도 미만이므로 실린더 벽에 연료 증기 응축의 영향과 연소 효율 저하를 상쇄하기 위해 시동 후 얼마 동안 더 많은 양의 연료를 실린더에 주입해야 하는 시간을 줄임으로써 연료 소비를 줄이는 데 도움이 된다. 연소 온도 감소는 엔진 오일의 산화를 줄이는 데 도움이 되며, 이는 오일이 고온에 노출되는 것이 가장 중요한 요인이기 때문이다.[15]

원리상 스로틀 밸브가 불필요한 디젤 기관에서는 스로틀 손실 저감 효과가 없기 때문에 1980년대 후반부터 주로 NOx 저감 목적으로 EGR이 이루어지고 있다. 또한, 배기 중에 존재하는 다량의 이산화 탄소 및 수증기는 대기에 비해 비열이 높기 때문에 약간의 연료 소비율 억제에 도움이 된다.

4. 기술

초기의 EGR 시스템은 매우 조잡했다. 일부는 배기구와 흡기구를 잇는 간단한 오리피스 제트 형태였으며, 엔진 작동 시마다 배기가스를 흡기구로 유입시켰다. 이로 인해 시동 불량, 거친 아이들링, 성능 및 연료 효율 감소가 불가피했다.[5]

1973년까지 매니폴드 진공으로 제어되는 EGR 밸브는 특정 조건에서만 배기가스를 흡기구로 유입시키기 위해 개폐되었다. 자동차 제조사들이 경험을 쌓으면서 제어 시스템은 더욱 정교해졌다. 1973년 폭스바겐의 "냉각수 제어 배기가스 재순환" 시스템은 이러한 발전을 잘 보여준다. 냉각수 온도 센서는 엔진이 정상 작동 온도에 도달할 때까지 EGR 밸브의 진공을 차단했다.[5] 이는 불필요한 배기 유입으로 인한 문제를 방지했다. NOx|NOx영어는 일반적으로 엔진이 차가울 때는 생성되지 않는 높은 온도 조건에서 형성된다. 또한, EGR 밸브는 부분적으로 기화기 벤튜리에서 추출된 진공으로 제어되어, NOx|NOx영어가 형성될 가능성이 높은 엔진 부하 조건에서만 EGR 흐름을 더욱 정밀하게 제어했다.[6] 이후, 배압 변환기가 EGR 밸브 제어에 추가되어 엔진 부하 조건에 맞게 EGR 흐름을 더욱 조정했다.

대부분의 현대 엔진은 NOx|NOx영어 배출 표준을 충족하기 위해 배기가스 재순환이 필요하다. 그러나 최근의 기술 발전으로 EGR이 필요 없는 엔진도 개발되었다. 3.6 크라이슬러 펜타스타 엔진이 그 예시 중 하나이다.[7]

EGR 기술은 크게 "내부 EGR"과 "외부 EGR" 두 가지로 분류된다.

EGR 경로상에 "개질기"를 설치하여 배기 가스와 연료를 촉매에 반응시켜 수소를 생성하고, 이것을 흡기 측으로 되돌려 실린더 내 연소를 촉진시키는 "연료 개질 엔진" 연구가 진행되고 있다. 2025년 실용화를 목표로 하는 닛산은 개질기 내부 촉매에 로듐을 주성분으로 하는 것을 채택했다. 2019년에 제작된 시제품 직렬 4기통 가솔린 엔진에서는 3.6%의 연비 절감 효과가 확인되었다.[19][20]

4. 1. 내부 EGR

내부 EGR은 밸브 오버랩을 이용하거나 배기 밸브가 닫히는 시기를 조절하여 배기 가스를 재순환시키는 기술이다. 가장 흔히 쓰이는 방식은 밸브 오버랩을 통해 흡기 및 배기 포트의 압력차로 배기 가스를 재순환시키는 것이다. 하지만 압력차가 불안정하여 EGR 제어가 쉽지 않다.[3]

밸브 오버랩 외에도 다양한 내부 EGR 기술이 있다.

  • 배기 밸브 닫힘을 흡기 과정 중간까지 늦추는 방식 (배기 지연 닫힘・흡기 지연 열림)
  • 배기 과정에서 흡기 밸브를 일찍 열어 흡기 포트로 배기가스를 역류시키는 방식
  • 흡기 과정에서 배기 밸브를 잠깐 여는 방식
  • 배기 밸브를 배기 과정 중간에 닫아 배기 가스를 남기는 방식


등이 있으며, 이 중 배기 지연 닫힘・흡기 지연 열림 방식이 많이 쓰인다.[3]

내부 EGR은 외부 장치 없이 동력 밸브 시스템으로 구현 가능하여 공간을 절약하고 구조를 단순화할 수 있다. 또한, 고온의 배기 가스나 탄소 퇴적에 의한 외부 EGR 장치의 작동 불량 가능성에 비해, 내부 EGR은 안정성이 높다.[3]

배기 가스 정화 측면에서 내부 EGR은 NOx 저감 효과는 물론, 외부 EGR보다 탄화수소(HC) 저감 효과가 더 크다. 이는 내부 EGR에서 재도입되는 배기 과정 말기의 배기 가스에 소염 영역에서 발생하는 미연소 가스(HC)가 많이 포함되어 재연소를 통해 HC를 줄이기 때문이다.[3]

과거에는 밸브 오버랩을 넓게 하면 일정 부하 영역에서 연비 개선(주로 펌핑 손실 감소) 및 배기 가스 정화 성능이 향상되어 EGR로 활용이 고려되었으나, 고정 밸브 타이밍으로는 변동하는 부하와 회전수에 대응할 수 없어 제한적으로 활용되었다. 그러나 가변 밸브 기구의 등장으로 밸브 타이밍을 조절하여 오버랩량이나 배기가 닫히는 시기를 바꿀 수 있게 되면서, 내부 EGR을 상황에 맞게 활용할 수 있게 되었다. 이것이 가변 밸브 타이밍 기구를 채택하는 이유 중 하나이다. 특히 흡기 측뿐만 아니라 배기 측에도 가변 밸브 타이밍을 적용하면 더욱 적극적으로 배기를 도입할 수 있다. 예를 들어 배기 캠을 지각시켜 흡기 과정 중간까지 배기 밸브를 열어둘 수 있고, 흡기 캠도 지각시켜 늦게 열면 오버랩을 최소화하면서 EGR을 수행할 수 있다. 이 기술은 캠 위상이 흡배기 동시에 변하는 OHV나 SOHC에서 활용 가능하다. 내부 EGR에서는 흡기 측보다 배기 측 제어가 효과적이므로, 일부에서는 배기 측만 가변 밸브 타이밍으로 하거나, 배기 측 가변 밸브 타이밍을 통해 외부 EGR 장치를 생략하기도 한다.[3]

하지만 외부 EGR에 비해 가스량 조절이나 도입량 측면에서 불리하며, 도입 가스 온도가 높다는 단점이 있다. 여기서 말하는 '온도가 높다'는 것은 외부 EGR과 비교했을 때의 도입 가스 온도이며, 연소 온도는 EGR 미도입 시보다 낮다. 이러한 온도 특성으로 인해 6행정 기관의 경기용 엔진에서는 엔진 온도 저하를 방지하기도 한다.[3]

4. 2. 외부 EGR

EGR 기술은 크게 "내부 EGR"과 "외부 EGR"로 나뉜다. 내부 EGR은 밸브 오버랩 등 흡배기 밸브 개폐 시기를 조절하여 배기가스를 재순환시키는 기술이다. 외부 EGR은 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드를 파이프로 연결하고, 중간에 설치된 제어 밸브의 개도나 개방 시간을 조절하여 배기가스 흐름을 제어한다. 이론적으로 EGR 량을 조절하여 가솔린 기관의 스로틀 밸브를 없앨 수 있지만, EGR 도입 시 연소가 느려지고 아이들링 등 초저부하나 냉간 시동 시 실화가 발생하여 실용화되지는 않았다. EGR과 희박 연소 기술은 밀접하게 관련되어 있으며, 가솔린 직분사 기술은 희박한 혼합기에서 안정적인 연소를 얻는 것을 목표로 한다.

외부 EGR은 배기 밸브가 아닌 배기 경로와 흡기 경로를 배관으로 연결하여 가스를 재순환시키고, 중간에 설치된 제어 밸브로 개폐 및 유량을 조절한다. 또한, 경로에 열 교환 부위를 설치하여 가스를 냉각할 수 있다. 하지만 유입 경로는 항상 배기 가스에 노출되어 탄소 등이 쌓이고, 제어 밸브 등이 고착되어 작동 불량을 일으킬 수 있다.

오늘날 외부 EGR을 채택하는 대부분의 기관은 열교환기를 이용한 EGR 냉각 장치(EGR 쿨러)를 갖추고 있다.[17] 엔진 냉각수를 냉각재로 사용하며, 열교환기에서 흡수한 열은 라디에이터를 통해 배출한다. 이로 인해 라디에이터의 방열량이 최대 30% 정도 증가하여 냉각 팬 대형화 등으로 인한 무게 증가를 초래한다.[18]

가솔린 기관에서는 냉각 EGR을 많이 채택하지 않았지만, 일본차에서는 토요타 프리우스(ZVW30)의 2ZR-FXE형, 렉서스 RX(GYL1#)의 2GR-FXE형, 마쓰다 데미오(DE)의 P3-VPS형 등 연비를 중시하는 차량부터 채택되었으며, 이후 경차를 포함한 많은 차종에 채택되었다. 냉각 EGR이 아닌 외부 EGR에서도 EGR 배관을 엔진 냉각수와 접촉시키거나 유입 경로를 조절하는 등 가스 온도를 낮추는 경우가 많다. 냉각 EGR은 노킹 방지에 효과적이며, 점화 시기 지각 (열효율 악화) 없이 출

4. 2. 1. 저압 EGR (LPL-EGR)

르노 R9M형 엔진의 외부 LPL-EGR 시스템. 하단부터 EGR 냉각기, EGR 밸브, 흡기 덕트(컴프레서 전)


폭스바겐 2.0TDI 엔진의 외부 LPL-EGR 시스템. 하단이 EGR 밸브 및 냉각기. 상단이 흡기 덕트(컴프레서 전)


저압 EGR(LPL-EGR|Low Pressure Loop-EGR영어)은 배기 터빈 후단에서 흡기 컴프레서 전단으로 배기 가스를 되돌리는 방식이다. 기존의 고압 EGR이 배기 터빈 전단에서 흡기 컴프레서 후단으로 배기가스를 되돌리는 것과 달리, 과급압의 영향을 받지 않고 EGR을 도입할 수 있다.[17] EGR 쿨러에서 냉각으로 생기는 응축수가 컴프레서를 손상시키는 등 신뢰성 측면의 과제가 있었지만, 최근 실용화되었다. 가솔린 기관에서의 저압 EGR 최초 채택 예는 2014년 7월에 마이너 체인지를 실시한 닛산 쥬크의 MR16DDT형이다.[18]

5. 한계 및 문제점

배기가스에는 수증기와 이산화 탄소가 포함되어 있는데, 이들은 모두 공기보다 비열비가 낮다. 따라서 배기가스를 추가하면 실린더 내 단열 팽창 시 압력과 온도가 감소하여 단열 화염 온도가 낮아진다.

일반적인 자동차 점화 엔진(SI)에서 배기가스의 5%에서 15%가 EGR로 흡입구로 다시 라우팅된다. 최대량은 연소 시 지속적인 화염 전선을 유지해야 할 필요성에 의해 제한된다. 부적절하게 설정된 응용 프로그램에서 과도한 EGR은 실화 및 부분 연소를 유발할 수 있다. EGR이 연소를 눈에 띄게 늦추기는 하지만, 이는 점화 타이밍을 앞당겨서 상당 부분 보상할 수 있다. EGR이 엔진 효율에 미치는 영향은 특정 엔진 설계에 크게 의존하며, 때로는 효율성과 NOx영어 배출량 간의 절충을 초래한다. 특정 상황에서 적절하게 작동하는 EGR은 이론적으로 가솔린 엔진의 효율성을 높일 수 있다.


  • '''스로틀 손실 감소''': 불활성 배기가스를 흡입 시스템에 추가하면 특정 출력에 대해 스로틀 밸브를 더 많이 열어야 하므로 흡입 매니폴드 압력이 증가하고 스로틀 손실이 감소한다.[8]
  • '''열 방출 감소''': 연소 최고 온도가 낮아지면 NOx영어 생성이 감소할 뿐만 아니라 연소실 표면으로의 열 에너지 손실도 줄어들어 팽창 행정 동안 기계적 일로 변환할 수 있는 에너지가 더 많이 남게 된다.
  • '''화학적 해리 감소''': 최고 온도가 낮아지면 방출된 에너지의 더 많은 부분이 상사점(TDC) 근처에서 감각 에너지로 남아 있으며 (팽창 행정 초기에) 연소 생성물의 해리에 묶이지 않는다. 이 효과는 처음 두 가지에 비해 미미하다.


EGR은 일반적으로 높은 부하에서는 사용되지 않는데, 이는 최고 출력을 감소시키기 때문이다. 이는 흡입 기체의 밀도를 감소시키기 때문이다. EGR은 또한 아이들(저속, 제로 부하)에서도 생략되는데, 이는 불안정한 연소를 유발하여 거친 아이들을 초래하기 때문이다.

디젤 엔진은 연료를 점화하기 위해 압축 열에 의존하기 때문에 스파크 점화 엔진과는 근본적으로 다르다. 디젤 연료 연소의 물리적 과정은 가장 완전한 연소가 가장 높은 온도에서 발생하도록 한다. 불행하게도 질소 산화물(NOx영어)의 생성은 고온에서 증가한다. 따라서 EGR의 목표는 연소 온도를 낮추어 NOx영어 생성을 줄이는 것이다.

스파크 점화 엔진과 달리 디젤 엔진은 연속적인 화염 전선이 필요하지 않다. 또한, 디젤은 항상 과잉 공기로 작동하므로 EGR율이 50%까지 높을 때 이점이 있다(NOx영어 출력 감소 측면에서). 그러나 50%의 EGR율은 디젤 엔진이 유휴 상태일 때만 적합하며, 그렇지 않으면 과잉 공기가 많기 때문이다.

현대 디젤 엔진에는 종종 스로틀이 있기 때문에 EGR은 스로틀링의 필요성을 줄여 스파크 점화 엔진과 마찬가지로 이러한 유형의 손실을 제거할 수 있다. 자연 흡기식(터보차저가 아닌) 엔진에서 스로틀링 감소는 피스톤 링을 지나 실린더로 흡입되어 오일에서 파생된 탄소 침전물을 생성하는 엔진 오일 문제도 줄여준다. (이 이점은 터보차저가 아닌 엔진에만 적용된다.)

질소, 이산화 탄소, 수증기로 구성된 배기 가스는 공기보다 비열이 높으므로 여전히 최고 연소 온도를 낮추는 역할을 한다.

엔진 제조업체는 EGR이 연비에 미치는 영향에 대한 세부 정보를 공개하기를 거부했지만, 냉각 EGR의 도입으로 이어진 2002년 EPA 규정은 엔진 효율이 3% 감소한 것과 관련이 있었으며, 이는 연간 0.5% 증가 추세와 반대된다.[16]

5. 1. 디젤 엔진에서의 미세먼지 (PM) 증가

현대 디젤 엔진에서 EGR 가스는 일반적으로 재순환 가스의 더 많은 질량을 도입하기 위해 열 교환기로 냉각되지만, 냉각되지 않은 EGR 설계도 존재하며, 이는 종종 고온 가스 재순환(HGR)이라고도 불린다.[9][10] 그러나 디젤에 EGR을 추가하면 파워 스트로크에서 연소 가스의 비열비가 감소한다. 이는 피스톤이 추출할 수 있는 동력량이 줄어들어 열역학적 효율이 감소함을 의미한다. EGR은 또한 파워 스트로크 동안 연료 연소의 완전성을 낮추는 경향이 있으며, 이는 EGR 증가에 해당하는 미립자 배출량 증가로 나타난다.[12][13]

파워 스트로크에서 연소되지 않은 미립자 물질(주로 탄소, 매연이라고도 함)은 낭비된 에너지를 나타낸다. 미립자 물질(PM)에 대한 규제가 엄격해짐에 따라, EGR의 매연 증가 효과는 PM 배출 증가를 보상하기 위해 추가적인 배출 제어 장치의 도입을 필요로 했다. 가장 일반적인 매연 제어 장치는 배기 시스템의 엔진 다운스트림에 설치된 디젤 미립자 필터(DPF)이다. DPF는 매연을 포착하지만 생성된 배압으로 인해 연비가 감소한다.

디젤 미립자 필터는 매우 특정한 작동 및 유지 관리 요구 사항을 가지고 있다. DPF가 매연 입자를 포착함에 따라 DPF 자체에 매연이 점진적으로 쌓이고, 이를 능동적으로 또는 수동적으로 태워야 한다.

충분히 높은 온도에서 질소산화물() 배출의 이산화 질소 성분은 정상 작동 온도에서 DPF에 포착된 매연의 주요 산화제이다. 이 과정을 수동 재생이라고 하며 포착된 매연을 태우는 데 부분적으로만 효과적이다. 특히 높은 EGR율에서 수동 재생의 효과는 더욱 감소한다. 이는 DPF를 통해 배기 가스 온도를 PM이 배기 가스 내 잔류 산소에 의해 소각될 때까지 상당히 높이기 위해 산화 촉매에서 직접 디젤 연료를 태워 DPF의 주기적인 능동 재생을 필요로 한다.

디젤 연료와 엔진 오일 모두 연소 불가능한(금속 및 광물) 불순물을 포함하기 때문에 DPF에서 매연(PM)을 소각하면 재(ash)라는 잔류물이 남는다. 따라서 반복적인 재생 이벤트 후에는 결국 DPF를 물리적으로 제거하고 특수한 외부 공정으로 청소하거나 교체해야 한다.

저산소 배기 가스를 디젤 엔진의 공기 흡입구로 공급하면 연소 온도가 낮아져 질소산화물() 배출이 감소한다. EGR은 신선한 공기 흡입구의 일부를 불활성 가스로 대체함으로써 엔진이 이상적인 공기-연료 혼합비에 영향을 미치지 않고 주입된 연료의 양을 줄일 수 있으므로, 엔진 부하가 낮은 상황(예: 차량이 관성 주행하거나 순항 중일 때)에서 연료 소비를 줄일 수 있다.

EGR은 양압 크랭크케이스 환기 시스템(PCV)에서 오일 증기를 재라우팅하는 것과 관련이 없다. PCV는 오일 증기 배출을 줄이기 위해서만 존재하며 EGR 시스템이 있든 없든 엔진에 존재할 수 있다. 그러나 엔진에서 EGR과 PCV를 모두 사용하는 경우(배기 가스, 신선한 공기 및 오일 증기) 발생하는 혼합물은 흡기 매니폴드 및 밸브에 끈적한 타르가 쌓이게 할 수 있으며, 스월 플랩과 같은 구성 요소에 문제를 일으킬 수 있다.

배기 가스와 크랭크케이스 오일 증기의 재순환은 매연 생성을 증가시키지만, 이는 DPF에 의해 효과적으로 대응된다. DPF는 매연을 수집하고 재생 중에 연소되지 않은 입자를 태워 질소산화물() 가스와 달리 부정적인 건강 영향이 없는 이산화탄소()와 수증기 배출로 변환한다.[14]

5. 2. 시스템 복잡성 및 고장 가능성

EGR 시스템은 배기 가스의 일부를 다시 엔진 실린더로 순환시키기 때문에, 시간이 지남에 따라 밸브가 탄소 침전물로 막혀 제대로 작동하지 않을 수 있다. 막힌 EGR 밸브는 때때로 청소할 수 있지만, 밸브에 결함이 있는 경우에는 교체가 필요하다.[11]

특히 디젤 엔진에서 EGR 시스템은 엔진 수명 감소와 같은 심각한 단점을 가진다. EGR 시스템은 배기 가스를 여과 없이 실린더 흡입구로 직접 보내기 때문에, 배기 가스에 포함된 탄소 미립자는 엔진 마모를 증가시킨다. 이러한 탄소 입자는 피스톤 링을 통과하여 크랭크케이스 오일에 들어가고, 이는 일반적인 오일 필터로 걸러지지 않아 엔진 전체에 더 많은 마모를 유발한다.[11]

EGR은 파워 스트로크(동력 행정) 동안 연료 연소의 완전성을 낮추는 경향이 있으며, 이는 미립자 배출량 증가로 나타난다.[12][13] 미립자 물질(PM) 규제가 엄격해짐에 따라, EGR로 인한 매연 증가를 상쇄하기 위해 디젤 미립자 필터(DPF)와 같은 추가적인 배출 제어 장치가 필요하게 되었다. DPF는 매연을 포착하지만, 배압을 생성하여 연비를 감소시킨다.

디젤 미립자 필터는 작동 및 유지 관리에 있어 주의가 필요하다. DPF에 쌓인 매연은 주기적으로 태워야 하며, 이를 위해 능동 또는 수동 재생이 필요하다. 높은 EGR율에서는 수동 재생의 효과가 감소하므로, DPF의 능동 재생을 위해 산화 촉매에서 디젤 연료를 태워야 한다. DPF는 연료와 엔진 오일의 불순물로 인해 재(ash)가 남으므로, 주기적인 청소나 교체가 필요하다.

저산소 배기 가스를 디젤 엔진의 공기 흡입구로 공급하면 연소 온도가 낮아져 질소산화물() 배출이 감소한다. EGR은 신선한 공기 흡입구의 일부를 불활성 가스로 대체하여 엔진 부하가 낮은 상황에서 연료 소비를 줄일 수 있다.

EGR은 양압 크랭크케이스 환기 시스템(PCV)에서 오일 증기를 재라우팅하는 것과는 관련이 없다. 그러나 EGR과 PCV를 모두 사용하는 엔진에서는 배기 가스, 신선한 공기, 오일 증기의 혼합물이 흡기 매니폴드와 밸브에 끈적한 타르를 쌓이게 하고, 스월 플랩과 같은 구성 요소에 문제를 일으킬 수 있다.

현대식 냉각 EGR 시스템은 재순환 가스에서 회수된 폐열을 사용하여 냉각수와 엔진 블록을 빠르게 데워 엔진 마모를 줄인다. 이는 또한 엔진 컨트롤러가 연료 증기 응축의 영향과 연소 효율 저하를 상쇄하기 위해 추가 연료를 주입해야 하는 시간을 줄여 연료 소비를 줄이는 데에도 도움이 된다. 연소 온도 감소는 엔진 오일의 산화를 줄이는 데에도 도움이 된다.[15]

6. 환경 및 경제적 영향

EGR 시스템은 초기에는 조잡하여 엔진 작동 시 배기 가스를 흡기구로 유입시켜 시동 불량, 성능 저하 등의 문제가 발생했다.[5] 1973년에는 매니폴드 진공으로 제어되는 EGR 밸브가 특정 조건에서만 배기 가스를 흡입구로 유입시켰다. 폭스바겐은 냉각수 온도 센서를 사용하여 엔진이 정상 작동 온도에 도달할 때까지 EGR 밸브 작동을 차단하여 운전성 문제를 개선했다.[5] 또한, 기화기 벤튜리 진공과 배압 변환기를 통해 엔진 부하 조건에 따라 EGR 흐름을 정밀하게 제어했다.[6] 현대 엔진은 NOx|질소산화물영어 배출 표준을 충족하기 위해 EGR을 사용하지만, 최근에는 EGR이 필요 없는 엔진도 개발되고 있다. (예: 3.6 크라이슬러 펜타스타 엔진)[7]

배기가스 재순환(EGR)은 엔진 효율과 배출 가스, 특히 질소산화물(Nitrogen oxide|질소 산화물영어) 생성에 영향을 미친다.

일반적인 자동차 점화식 엔진에서 배기가스의 5%에서 15%가 흡입구로 다시 유입된다. 과도한 EGR은 연소 속도를 늦추지만, 점화 타이밍을 조절하여 보상할 수 있다.

디젤 엔진의 경우, EGR의 주된 목적은 연소 온도를 낮춰 질소산화물 생성을 줄이는 것이다. 현대 디젤 엔진에서는 EGR 가스를 열 교환기로 냉각시켜 더 많은 양을 재순환시킨다.[9][10] 디젤 엔진은 과잉 공기로 작동하므로 EGR율이 50%까지 높아질 수 있다.

EGR 시스템은 엔진 수명을 단축시키는 단점이 있다. 배기가스에 포함된 탄소 미립자는 엔진 마모를 증가시킨다.[11]

EGR은 미립자 배출량을 증가시켜 디젤 미립자 필터(DPF)와 같은 추가적인 배출 제어 장치를 필요로 한다.[12][13] DPF는 매연을 포착하여 연비를 감소시키고, 주기적인 재생 및 청소가 필요하다.

EGR은 크랭크케이스 환기 시스템(PCV)에서 오일 증기를 재라우팅하는 것과는 관련이 없지만, 두 시스템을 함께 사용하면 흡기 매니폴드에 끈적한 타르가 쌓일 수 있다.

현대식 냉각 EGR 시스템은 폐열을 활용하여 엔진을 빠르게 데워 엔진 마모를 줄이고 연료 소비를 줄인다.[15]

엔진 제조업체는 EGR이 연비에 미치는 영향에 대한 자세한 정보를 공개하지 않지만, 2002년 EPA 규정은 엔진 효율 감소와 관련이 있었다.[16]

6. 1. 환경적 영향

EGR 시스템은 초기에는 조잡하여 엔진 작동 시 배기 가스를 흡기구로 유입시켜 시동 불량, 성능 저하 등의 문제가 발생했다.[5] 1973년에는 매니폴드 진공으로 제어되는 EGR 밸브가 특정 조건에서만 배기 가스를 흡입구로 유입시켰다. 폭스바겐은 냉각수 온도 센서를 사용하여 엔진이 정상 작동 온도에 도달할 때까지 EGR 밸브 작동을 차단하여 운전성 문제를 개선했다.[5] 또한, 기화기 벤튜리 진공과 배압 변환기를 통해 엔진 부하 조건에 따라 EGR 흐름을 정밀하게 제어했다.[6] 현대 엔진은 NOx영어 배출 표준을 충족하기 위해 EGR을 사용하지만, 최근에는 EGR이 필요 없는 엔진도 개발되고 있다. (예: 3.6 크라이슬러 펜타스타 엔진)[7]

배기 가스에 포함된 수증기와 이산화탄소는 공기보다 비열비가 낮아 실린더 내 단열 팽창 시 온도와 압력을 낮추고, 단열 화염 온도를 낮춘다.

일반적인 자동차 점화 엔진의 경우 배기 가스의 5~15%가 EGR로 흡입구로 다시 유입된다. 과도한 EGR은 실화 및 부분 연소를 유발할 수 있지만, 점화 타이밍을 앞당겨 보상할 수 있다. EGR은 엔진 설계에 따라 효율성과 NOx영어 배출량 간의 절충을 가져올 수 있지만, 적절하게 작동하면 가솔린 엔진의 효율성을 높일 수 있다.

  • '''스로틀 손실 감소:''' 불활성 배기 가스 추가로 스로틀 밸브를 더 열어야 하므로 흡입 매니폴드 압력이 증가하고 스로틀 손실이 감소한다.[8]
  • '''열 방출 감소:''' 연소 최고 온도가 낮아져 NOx영어 생성이 감소하고, 열 에너지 손실이 줄어들어 팽창 행정 동안 기계적 일로 변환되는 에너지가 증가한다.
  • '''화학적 해리 감소:''' 최고 온도가 낮아져 상사점 근처에서 더 많은 에너지가 감각 에너지로 남아있게 된다.


EGR은 높은 부하나 아이들 상태에서는 사용되지 않는다. 전자는 최고 출력을 감소시키고, 후자는 불안정한 연소를 유발하기 때문이다.

디젤 엔진은 스파크 점화 엔진과 달리 연료 점화를 위해 압축 열에 의존한다. 디젤 연료 연소는 완전 연소가 고온에서 발생하며, NOx영어 생성도 고온에서 증가한다. 따라서 EGR의 목표는 연소 온도를 낮춰 NOx영어 생성을 줄이는 것이다.

현대 디젤 엔진에서 EGR 가스는 열 교환기로 냉각되어 더 많은 양의 가스를 재순환시킨다. 냉각되지 않은 EGR 설계(고온 가스 재순환)도 존재하지만, 냉각된 EGR 구성 요소는 온도 변화에 취약하여 냉각수 누출 및 엔진 고장을 유발할 수 있다.[9][10]

스파크 점화 엔진과 달리 디젤 엔진은 연속적인 화염 전선이 필요 없고, 과잉 공기로 작동하므로 EGR율이 50%까지 높아도 이점이 있다. (단, 50% EGR율은 디젤 엔진 유휴 상태에만 적합).

현대 디젤 엔진은 스로틀이 있어 EGR을 통해 스로틀링 필요성을 줄여 손실을 제거한다. 자연 흡기식 엔진에서는 스로틀링 감소가 피스톤 링을 통해 실린더로 흡입되는 엔진 오일 문제도 줄여준다.

EGR 시스템은 엔진 수명 감소라는 단점이 있다. 배기 가스 내 탄소 미립자가 엔진 마모를 증가시킨다. 이 입자들은 피스톤 링을 통과하여 크랭크케이스 오일에 들어가 엔진 전체에 마모를 유발한다.[11]

배기 가스는 질소, 이산화 탄소, 수증기로 구성되어 공기보다 비열이 높아 최고 연소 온도를 낮추는 역할을 한다. 그러나 디젤에 EGR을 추가하면 파워 스트로크에서 연소 가스의 비열비가 감소하여 열역학적 효율이 감소한다. EGR은 또한 파워 스트로크 동안 연료 연소의 완전성을 낮추는 경향이 있으며, 이는 미립자 배출량 증가로 나타난다.[12][13]

미립자 물질(PM) 규제가 엄격해짐에 따라, EGR로 인한 매연 증가를 상쇄하기 위해 디젤 미립자 필터(DPF)와 같은 추가적인 배출 제어 장치가 필요하다. DPF는 매연을 포착하지만 배압으로 인해 연비가 감소한다.

디젤 미립자 필터는 작동 및 유지 관리가 필요하다. DPF에 쌓인 매연은 능동적 또는 수동적으로 태워야 한다. NOx영어 배출의 이산화 질소 성분은 정상 작동 온도에서 DPF에 포착된 매연의 주요 산화제이다. (수동 재생). 높은 EGR율에서는 수동 재생 효과가 감소하므로, 산화 촉매에서 디젤 연료를 태워 DPF를 주기적으로 능동 재생해야 한다.

디젤 연료와 엔진 오일의 불순물 때문에 DPF에서 매연을 소각하면 재가 남는다. 따라서 반복적인 재생 후에는 DPF를 물리적으로 청소하거나 교체해야 한다.

저산소 배기 가스를 디젤 엔진 공기 흡입구로 공급하면 연소 온도가 낮아져 NOx영어 배출이 감소한다. EGR은 신선한 공기 흡입구 일부를 불활성 가스로 대체하여 엔진이 이상적인 공기-연료 혼합비에 영향을 미치지 않고 연료량을 줄일 수 있게 하므로, 엔진 부하가 낮은 상황에서 연료 소비를 줄일 수 있다. EGR은 고부하 상황에서는 사용되지 않아 출력 감소는 없다.

EGR은 양압 크랭크케이스 환기 시스템(PCV)에서 오일 증기를 재라우팅하는 것과는 관련이 없다. PCV는 오일 증기 배출을 줄이기 위해 존재하며, EGR 시스템 유무와 관계없이 엔진에 존재할 수 있다. 그러나 EGR과 PCV를 모두 사용하는 엔진에서는 배기 가스, 신선한 공기, 오일 증기의 혼합물로 인해 흡기 매니폴드 및 밸브에 타르가 쌓이고 스월 플랩 등에 문제를 일으킬 수 있다.

배기 가스와 크랭크케이스 오일 증기 재순환의 결과는 매연 생성 증가이지만, DPF가 이를 효과적으로 대응하여 재생 중에 연소되지 않은 입자를 태워 CO2와 수증기 배출로 변환한다.[14]

현대식 냉각 EGR 시스템은 재순환 가스에서 회수된 폐열을 사용하여 냉각수와 엔진 블록을 더 빨리 작동 온도까지 데워 엔진 마모를 줄인다. 또한, 엔진 컨트롤러가 연료 증기 응축 및 연소 효율 저하를 상쇄하기 위해 더 많은 연료를 주입해야 하는 시간을 줄여 연료 소비를 줄인다. 연소 온도 감소는 엔진 오일 산화를 줄이는 데도 도움이 된다.[15]

엔진 제조업체는 EGR이 연비에 미치는 영향에 대한 세부 정보를 공개하지 않지만, 2002년 EPA 규정으로 인해 냉각 EGR이 도입되면서 엔진 효율이 3% 감소했다.[16]

6. 2. 경제적 영향

배기가스 재순환(EGR)은 엔진 효율과 배출 가스, 특히 질소산화물(Nitrogen oxide|질소 산화물영어) () 생성에 영향을 미친다.

일반적인 자동차 점화식 엔진에서 배기가스의 5%에서 15%가 흡입구로 다시 유입된다. 과도한 EGR은 연소 속도를 늦추지만, 점화 타이밍을 조절하여 보상할 수 있다. EGR은 다음과 같은 방법으로 가솔린 엔진의 효율을 높인다.[8]

  • '''스로틀 손실 감소''': 흡입 시스템에 배기가스를 추가하면 스로틀 밸브를 더 열게 되어 스로틀 손실이 줄어든다.
  • '''열 방출 감소''': 연소 온도가 낮아져 열 손실이 줄고, 더 많은 에너지가 기계적 일로 변환된다.
  • '''화학적 해리 감소''': 최고 온도에서 더 많은 에너지가 상사점 근처에 남아있게 된다.


EGR은 높은 부하나 공회전 상태에서는 사용되지 않는데, 이는 출력 감소와 불안정한 연소를 유발하기 때문이다.

디젤 엔진의 경우, EGR의 주된 목적은 연소 온도를 낮춰 생성을 줄이는 것이다. 현대 디젤 엔진에서는 EGR 가스를 열 교환기로 냉각시켜 더 많은 양을 재순환시킨다.[9][10] 디젤 엔진은 과잉 공기로 작동하므로 EGR율이 50%까지 높아질 수 있다.

EGR 시스템은 엔진 수명을 단축시키는 단점이 있다. 배기가스에 포함된 탄소 미립자는 엔진 마모를 증가시킨다.[11] 배기가스는 공기보다 비열이 높아 최고 연소 온도를 낮추는 역할을 하지만, EGR을 디젤에 추가하면 파워 스트로크에서 연소 가스의 비열비가 감소하여 열역학적 효율이 감소한다.

EGR은 미립자 배출량을 증가시켜 디젤 미립자 필터(DPF)와 같은 추가적인 배출 제어 장치를 필요로 한다.[12][13] DPF는 매연을 포착하여 연비를 감소시키고, 주기적인 재생 및 청소가 필요하다.

EGR은 크랭크케이스 환기 시스템(PCV)에서 오일 증기를 재라우팅하는 것과는 관련이 없지만, 두 시스템을 함께 사용하면 흡기 매니폴드에 끈적한 타르가 쌓일 수 있다.

현대식 냉각 EGR 시스템은 폐열을 활용하여 엔진을 빠르게 데워 엔진 마모를 줄이고 연료 소비를 줄인다.[15]

엔진 제조업체는 EGR이 연비에 미치는 영향에 대한 자세한 정보를 공개하지 않지만, 2002년 EPA 규정은 엔진 효율 감소와 관련이 있었다.[16]

참조

[1] 웹사이트 Mazda's description of their hydrogen rotary engine https://web.archive.[...] 2021-06-04
[2] 뉴스 Mazda’s Innovative 4-Cyl. Engine Pulls Like Big V-6 https://www.wardsaut[...] Ward's 2017-11-09
[3] 웹사이트 Exhaust Emissions and Driveability – Chrysler Corporation, 1973 https://web.archive.[...] 2011-02-24
[4] 간행물 Sileghem & Van De Giste, 2011
[5] 서적 The Peterson automotive troubleshooting & repair manual Grosset & Dunlap, Inc.
[6] 웹사이트 "1973 Cleaner Air System Highlights" – Chrysler Corporation http://www.imperialc[...]
[7] 웹사이트 2011 Dodge Challenger Officially Revealed With 305-HP Pentastar V6 http://www.autoguide[...] 2011-09-26
[8] 간행물 Alger, 2010
[9] 웹사이트 How do I know if my EGR cooler is failing? https://natrad.com.a[...] 2024-04-11
[10] 웹사이트 Can a defective EGR valve cause coolant loss? https://autoexpert.c[...] 2024-04-11
[11] 논문 The Effect of EGR on Diesel Engine Wear 1999
[12] 서적 Diesel Engine and Fuel System Repair
[13] 서적 Medium/Heavy Duty Truck Engines, Fuel & Computerized Management Systems 2nd Edition
[14] 웹사이트 SCR or EGR? http://fleetowner.co[...]
[15] 웹사이트 What Causes Engine Oil Oxidation? https://blog.amsoil.[...]
[16] 서적 Review of the 21st Century Truck Partnership https://books.google[...] National Academies Press
[17] 웹사이트 吸気系の制御を行うエアマネジメント技術 https://web.archive.[...] いすゞ自動車 2007-07-25
[18] 웹사이트 日野自動車プレスリリース NO.03-028 2003年9月18日 https://web.archive.[...] 日野自動車 2007-01-16
[19] 뉴스 注目集まる「燃料改質エンジン」とは何か https://xtech.nikkei[...] 日経BP 2016-04-13
[20] 뉴스 日産が燃料改質エンジン量産に前進、世界最高効率への切り札　直列4気筒に https://xtech.nikkei[...] 日経BP 2019-11-26
[21] 서적 The Peterson automotive troubleshooting & repair manual https://archive.org/[...] Grosset & Dunlap, Inc.


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