Journal Archive

본 연구에 사용된 엔진은 배기량 3.8리터의 74 kW급 디젤엔진이며, 커먼레일 방식의 연료분사 시스템이 적용되어 있다. Table 1은 대상엔진의 주요 제원을, Fig. 2에 대상엔진의 외형을 나타내었다.

Fig. 2 
Photograph of the test engine

대상엔진에 적용된 배기후처리장치는 DOC + DPF + SCR + AOC의 구성이며, SCR 촉매 2개 중 후단촉매의 끝단 1inch에 AOC가 zone coating되어 있는 구조이다. Urea dosing system은 펌프 내장형 Urea tank와 배기관에 Urea를 분사할 수 있는 Dosing unit, Dosing system을 제어하는 DCU로 구성되어 있다. NO_x sensor는 DOC 전단 및 SCR 후단에 각각 장착되어 있으며, SCR 전·후단에 각각 온도센서가 장착되어 센서 장착부의 배출가스 온도를 나타내고 있다. DCU는 엔진 ECU와 CAN통신이 가능하여 DOC, DPF 온도, 엔진회전속도, 연료분사량 및 배기유량 등은 엔진 ECU에서 CAN통신을 통해 DCU로 전송된다. Table 2에 후처리장치의 상세제원을, Fig. 3에 후처리장치의 외형을 나타내었다.

Fig. 3 
Photograph of the After-treatment system

본 연구에서는 단열재 적용을 제외한 모든 사양이 동일한 후처리장치와 엔진을 통해 각각 성능시험을 진행하였다. 산업용 디젤엔진의 인증시험모드인 NRTC mode을 통해 진행하였으며, Fig. 4는 NRTC mode의 엔진회전속도 및 토크를 나타낸다. NRTC mode 시험은 제작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정 별표 11의2의 시험실 온도 및 소킹시간 등을 준수하여 시험을 수행하였다.

Fig. 4 
Engine speed & torque Variation on the NRTC test mode

일차적으로 Urea dosing을 실시하지 않은 상태에서의 각 촉매 전단의 온도 및 NO_x 배출량을 측정·분석하였으며, Urea dosing을 실시한 상태에서 시험 데이터의 신뢰성 확보를 위해 시험조건 별로 각각 3회씩 NRTC mode 시험을 실시하여 데이터를 분석하였다.

일차적으로 Urea dosing을 실시하지 않은 상태에서 NRTC mode에서의 엔진회전속도 및 부하변동에 따른 각 촉매의 온도 및 NO_x 배출량을 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5 
DOC, DPF, SCR temperature & NO_x concentration without urea dosing on the NRTC mode

모드 진입시점의 촉매온도를 살펴보면, DOC 94.5℃, DPF 121.5℃, SCR 101.37℃이며, 후처리장치 레이아웃 상 DOC가 배기매니폴드와 가장 가까운 거리에 위치함에 따라 부하변동에 따른 온도변화폭이 가장 크게 나타나고, 싸이클 운전 중 측정되는 온도 또한 가장 높음을 확인할 수 있다.

반대로 배기매니폴드와의 거리가 가장 먼 SCR의 경우 온도변화폭이 적게 나타나며 전반적인 온도분포 또한 가장 낮음을 확인할 수 있다.

NO_x 농도를 살펴보면 240~400초 부근의 부하변동이 크게 나타나는 구간에서 NO_x 농도가 높게 나타나고 농도의 변동폭 또한 크게 나타나는 것으로 판단되며, 630초 이후 엔진회전속도의 변동이 작게 나타나는 구간에서는 상대적으로 NO_x 농도가 낮게 측정되었다. 400초 부근의 SCR 온도는 180℃ 정도로 SCR의 NO_x 저감효율이 높지 않은 구간이기 때문에 NRTC mode 상에서의 NO_x 배출량 저감을 위해서는 400초 이전 구간의 NO_x 배출량을 저감시키는 것이 중요할 것으로 판단된다.

Fig. 6~8은 NRTC mode 상에서 단열유무에 따른 DOC, DPF, SCR의 온도 및 온도차를 나타내고 있다. 각 조견별로 3회씩 시험을 수행하였으며, 각 시험 케이스 별 온도차차는 미비하게 나타났다. 단열유무에 따른 평균온도차는 DOC 5.99℃, DPF 18.66℃, SCR 28.65℃로 나타났으며, 배기매니폴드와의 거리가 멀수록 단열에 따른 효과가 크게 나타나는 것을 확인하였다.

Fig. 6 
DOC temperature (without & with insulation) & temperature variation on the NRTC mode

Fig. 7 
DPF temperature (without & with insulation) & temperature variation on the NRTC mode

Fig. 8 
SCR temperature (without & with insulation) & temperature variation on the NRTC mode

특히 NO_x 저감효율에 직접적인 영향을 미치는 SCR 촉매의 온도상승추이를 살펴보면 단열재가 적용되지 않은 조건에서는 356초 부근에서 Urea 분사시점에 도달하며, 510초 부근에서 NO_x 저감효율이 90%에 초과하는 230℃에 도달함을 확인할 수 있다. 단열재가 적용된 조건의 경우 278초 부근에서 Urea 분사시점에 도달하며, 445초 부근에 230℃에 도달함을 확인할 수 있다. 또한 모드 진입시점에서의 SCR 촉매의 온도가 단열여부에 따라 41℃ 가량이 차이가 발생함으로써 단열 적용조건에서 촉매활성화시간이 단축되고 그에 따라 NO_x 저감효율 또한 상승할 것으로 판단된다.

Fig. 9는 단열유무에 따른 SCR 후단에서의 NO_x 농도를 나타낸다. 단열유무에 따라 각각 3회씩 시험을 실시하였으며, 시험 결과, NO_x 배출량은 일정하게 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 시험결과를 살펴보면 단열유무에 관계없이 720초 이후 구간에서의 NO_x 농도는 0 ppm에 수렴하는 것을 확인할 수 있으며, Fig. 8에서 이 구간에서의 SCR 촉매온도를 살펴보면, 단열 미적용 조건은 255℃, 단열 적용조건은 282℃로 단열유무와 관계없이 SCR 촉매가 최대의 효율을 나타낼 수 있는 온도에 도달해 있음을 확인할 수 있다. 촉매온도가 200℃ 미만에 해당되는 구간은 단열 미적용 조건의 경우 모드 진입 이후 440초까지의 구간이며, 단열적용조건은 370초까지의 구간이다. 이에 따라 단열적용조건에서 SCR 촉매의 온도상승시간이 단 축되기 때문에 NO_x 저감효율이 더 높게 나타날 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 200℃ 미만에 해당되는 구간에서도 SCR 촉매에 흡착된 NH₃에 의한 NO_x 환원반응이 발생되며, 이 또한 SCR 촉매온도에 따라 반응율의 차이가 발생하기 때문에 단열 적용조건에서 더 낮은 NO_x 농도를 보이는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9 
NO_x emission without & with insulation on the NRTC mode

Fig. 10은 단열유무에 따른 NRTC mode 상에서의 NO_x 저감효율을 나타낸다. 각 시험 케이스 별 오차는 최대 1.18%로 나타났으며, 단열 미적용 조건의 경우 평균 82.35%, 단열 적용조건은 평균 92.89%로 후처리장치 단열에 의해 10.54%의 NO_x 저감효율이 증가함을 확인할 수 있다.

Fig. 10 
NO_x reduction efficiency without & with insulation on the NRTC mode

Fig. 11은 단열유무에 따른 Urea 분사량을 나타낸다. Urea 분사시작 시점을 살펴보면 단열 미적용 조건에서는 356초 부근에서, 단열 적용조건에서는 278초 부근에서 Urea 분사가 시작됨을 확인할 수 있다. 배기관의 온도가 낮은 상태에서 Urea 분사가 시작될 경우 NH₃ 생성반응이 정상적으로 이루어지지 않아 제어정밀도가 떨어지며, 배기관 및 Urea dosing unit에 퇴적물이 고착될 가능성이 존재한다. 이에 본 연구에 적용된 Urea 분사 제어 알고리즘에서는 Urea의 가수분해 및 열분해가 정상적으로 이루어지는 일정 이상의 온도에서 Urea 분사가 수행되도록 제어하고 있으며, 그로인해 단열재 적용조건에서 Urea 분사 시작시점에 빠르게 도달한 것으로 판단된다.

Fig. 11 
Urea mass flow emission without & with insulation on the NRTC mode