CopyrightⒸ2014 KSAE / 130-14 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2014.22.4.111 Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 4, pp.111-120 (2014)
ECU 커먼레일 디젤기관에 있어서 매연 및 NOx 배출물 동시 저감용 일체형 요소-SCR 촉매필터 시스템의 특성에 관한 연구
배 명 환*
경상대학교 기계설계학과
A Study on Characteristics of an Integrated Urea-SCR Catalytic Filter System for Simultaneous Reduction of Soot and NOX Emissions
in ECU Common-rail Diesel Engines
Myung-whan Bae*
Department of Mechanical Engineering for Production, Gyeongsang National University, Gyeongnam 660-701, Korea (Received 12 September 2013 / Revised 7 December 2013 / Accepted 20 December 2013)
Abstract : The aim of this study is to develop an integrated urea-SCR catalytic filter system for reducing soot and NO
Xemissions simultaneously in diesel engines. In this study, the characteristics of exhaust emissions relative to reactive activation temperature under four kinds of engine loads are experimentally investigated by using a four-cycle, four- cylinder, direct injection type, water-cooled turbo intercooler ECU common-rail diesel engine with the integrated urea- SCR MnO
2-V
2O
5-WO
3/TiO
2/SiC catalytic filter system operating at three kinds of engine speeds. The urea-SCR reactor is used to reduce NO
Xemissions, and the catalytic filter system is used to reduce soot emissions. The reactive activation temperature is very important for reacting a reducing agent with exhaust emissions. The reactive activation temperatures in this experiment is applied to 523, 573 and 623 K. The fuel is sprayed by the pilot and main injections at the variable injection timing between BTDC 15° and ATDC 1° according to experimental conditions. It is found that the NO
Xconversion rate is the highest as 83.9% at the reactive activation temperature of 523 K in all experimental conditions of engine speed and load, and the soot emissions shown by the average reduction rate of approximately 93.3% are almost decreased below 0.6% in all experimental conditions regardless of reactive activation temperatures.
Also, the THC and CO emissions by oxidation reaction of Mn, V and Ti are shown in the average reduction rates of 70.3% and 38% regardless of all experimental conditions.
Key words : Integrated urea-SCR catalytic filter system(일체형 요소-SCR 촉매필터 시스템), NO
Xand soot emissions(질소산화물 및 매연 배출물), Reactive activation temperature(반응 활성화 온도), Turbo intercooler ECU common-rail diesel engine(터보 인터쿨러 ECU 커먼레일 디젤기관), Reducing agent(환원제), NO
Xconversion rate (NO
X환원효율), Oxidation reaction(산화반응)
1. 서 론1)
최근, 유가의 급격한 변동에 따른 세계경제의 불 안과 환경오염 등에 의한 지구온난화는 에너지와 환경의 관심이 한층 높아져 이들 분야의 연구 및 개
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
발도 다양하게 이루어지고 있다. 그런데 이러한 에 너지 및 환경 문제의 해결에 있어서 연소기관의 선 택은 중요한 요인이 되고 있다. 이러한 연소기관 중 에서 디젤기관은 다른 연소기관에 비하여 열효율이 높아 지구온난화의 예방대책 차원에서 유리할 뿐만 아니라, 내구성 및 신뢰성면에서도 다른 연소기관
배명환
보다 우수하여 자동차, 선박 등 다양한 동력원으로 적용되고 있다.1,2)
그러나 디젤기관은 배기 배출물 중 매연 및 NOx
농도가 다른 연소기관에 비해 많이 배출되고 있기 때문에, 강화되고 있는 배기 배출물 규제값을 만족 시키기 위해서는 저감대책을 강구하여야만 한다.
기존의 연소과정 개선 혹은 기관자체 개량을 통한 디젤기관의 배기 배출물 저감대책에는 날로 엄격해 지고 있는 규제값을 만족시키기 위해선 한계가 있 기 때문에, 이전부터 후처리 장치에 대해 다양한 연 구와 개발이 수행되어 오고 있다.3-7)
현재, 후처리 장치 중 매연 배출물 저감은 다공성 필터를 사용하여 포집하는 DPF(Diesel Particulate Filter)를 이용한 방법이 가장 널리 알려져 있는데, 이러한 DPF 후처리 기술은 매연 배출물을 80~90%
정도 저감시킬 수 있지만, 필터에 일정량 이상의 매 연이 포집되는 경우에는 배압 때문에 열효율이나 연비가 저하되며,8) 최악의 경우에는 기관이 정지되 기 때문에 필터에 포집되어 있는 매연 배출물을 제 거해 주는 재생과정이 필요하다.
DPF장치는 재생과정에 따라 일반적으로 별도장 치를 사용해 필터를 가열시켜 포집된 매연 배출물 을 산화시키는 방법이 있지만, 재생과정에서 고온 에 의해 필터가 손상되는 위험이 있다. 다음에는 촉 매작용을 하는 첨가제를 연료에 첨가하여 재생시키 는 방법이 있지만, 첨가제에 의한 환경오염이 발생 되기 때문에 주의해야 한다. 마지막으로 필터에 촉 매를 코팅하여 매연 배출물을 산화시키는 방법도 있지만, 모든 배기조건에 만족하는 촉매개발에는 문제가 있다.9-11) 따라서 매연 배출물 저감의 후처리 장치로서 DPF는 성능은 우수하지만, 필터재생, 제 어, 설치 등의 해결하여야 할 문제점들이 있다.
NOx 배출물에 대해서는 대표적 후처리 저감장치 로서 SCR(Selective Catalytic Reduction)이 널리 알려 져 있다. SCR은 선택적 촉매 환원 방법으로 NOx만 을 저감시키는 방법이다. 사용되는 촉매에 따라 NOx와 환원제가 반응하는 온도가 다르기 때문에, SCR 촉매의 선택은 중요하며 초기에는 주로 Pt 등 의 귀금속이 많이 사용되었지만, 황산화물 및 염소 화합물에 대한 내구성 등의 문제와 경제성으로 인
해 현재는 Zeolite, V2O5/TiO2 등의 촉매가 사용목적, 내구성, 활성화 온도에 따라 Pt, WO3 등 여러 조촉매 를 혼합하여 사용하고 있다.12) 환원제의 종류에 따 라서는 NH3, H2, HC 및 요소의 SCR이 있으며 안전 성 문제 때문에 현재는 요소를 많이 사용하고 있는 추세이다. 그러나 SCR 장치를 정치식이 아닌 수송 기관 등에 적용하기 위해서는 초기 설치비, 설치 공 간, 구조 복잡성, 환원제 충전 등 해결해야 할 문제 점들이 남아 있다.
현재, 매연 및 NOx 배출물을 저감시키기 위해 대 부분은 DPF와 SCR의 후처리장치를 별도로 장착하 여 사용하고 있지만, 경제성, 설치공간, 구조 복잡성 등 문제점을 부분적으로 해결하고, 강화된 배기 배 출물 규제값을 만족시키기 위해서는 새로운 개념에 대한 후처리 시스템 개발의 필요성이 대두되고 있 어 일체형으로 개발된 시스템의 연구도 이루어지고 있다. 본 연구에 사용된 MnO2-V2O5-WO3/TiO2/SiC 촉매필터는 자체적으로 개발한 것으로 요소-SCR과 일체형 시스템으로 구성한 다음, 모사가스를 이용 하여 매연 및 NOx 배출물 저감률을 조사하였는데, 반응활성화 온도범위에 따라 약간 차이는 있지만, 매연 및 NOx 배출물이 대략 95% 이상 저감됨을 알 았다.12)
본 연구에서는 디젤기관의 매연 및 NOx 배출물을 동시에 저감시키기 위해 저자들이 개발한 일체형 요소-SCR MnO2-V2O5-WO3/TiO2/SiC 촉매필터 시스 템을 모사가스가 아닌 터보 인터쿨러 ECU 커먼레 일 디젤기관에서 배출되는 배기 배출물에 직접 적 용하여 운전조건에 따른 배기 배출물의 특성을 조 사하는 것이 목적이다.
2. 실험 장치 및 방법 2.1. 실험장치
본 연구에서는 디젤기관의 배기 배출물을 저감시 키기 위해 일체형 요소-SCR MnO2-V2O5-WO3/TiO2/ SiC 촉매 필터 시스템을 적용하는 실험장치를 Fig. 1 과 같이 구성하였다. 실험에 사용된 기관은 국내에 서 생산되는 수냉, 4기통, 직접분사식, 4행정, 터보 인터쿨러 ECU 커먼레일 자동차용 디젤기관으로, 주요제원은 Table 1과 같다.
ECU 커먼레일 디젤기관에 있어서 매연 및 NOx 배출물 동시 저감용 일체형 요소-SCR 촉매필터 시스템의 특성에 관한 연구
Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus
Table 1 Specifications of test engine
Item Specification
Type
4 Cylinder, 4 Cycle Water-cooled DI(Direct injection)
Turbo intercooler Piston displacement (cc) 2497 Bore(mm) × Stroke(mm) 91 × 96 Maximum power (kW/rpm) 104.5 / 4000
Fuel type Bosch common rail
Compression ratio 17.5 : 1
Intake ＆ exhaust type TCI
Fuel injection timing BTDC 15° ~ ATDC 1°
실험에 사용된 터보 인터쿨러 커먼레일 디젤기관 은 입･출력 센서에 의한 시스템이 ECU에 의해 제어 되고, 내부 EGR은 제거시켰다. 터보과급의 목적은 기관에 유입되는 공기밀도를 크게 하여 출력을 증 가시키기 위한 것인데, 압축공기의 밀도를 크게 하 기 위해 수냉식 라디에이터의 전후에 쿨링팬을 장 착해 고온･고압의 공기를 냉각시켜 연소실로 공급 되도록 하였다.
기관출력은 와류형 전기동력계에 의해 측정하였 고, 기관회전속도는 동력계 본체에 부착되어 있는 60 P/R 기어에 비접촉식 마그네틱 RPM 센서를 설치
하여 측정하였다. 연소실내 압력을 측정하기 위해 4 번 실린더의 헤드부에 압전식 압력변환기(Kistler 6061B)를 설치하였으며, 압력변환기로부터의 신호 는 증폭기에 의해 증폭되고, A/D 변환기에 의해 디 지털 값으로 변환되어 컴퓨터로 전송한 다음 압력 변화를 데이터화하였다.
연료소비율은 중량식 유량계(HF-2000GD)를 사 용하여 단위시간에 소비되는 연료를 계측하여 환산 하는 방법을 사용하였고, 흡입공기량은 층류 유량 계에 의해 측정하였다. 또한, CO, CO2, NOx, O2 배출물 은 Quintox 배기 분석기(영국 Kane-May사, KM-9106), THC 배출물은 HFID THC 분석계(Signal 3000HM), 매연은 광투과식 매연측정기(CSM-3000)를 사용하 여 측정하였다.
기관 및 각 부위(배기관, 냉각수 입출구, 윤활유, 서지탱크)의 온도는 K형 열전대(ø 3 mm)에 의해 계 측하여 기관의 작동 및 연소상태를 수시로 확인하 였다. 또한, 기관에서 배출되는 재순환 배기의 적절 한 공급을 위해 송풍기를 서지탱크의 입구에 설치 하였고, 기관의 흡기측에는 서지탱크를 설치하여 신기의 맥동현상을 줄일 수 있도록 하였다. 자동차 용 에어필터를 층류 유량계 앞에 설치하여 신기 흡 입시 실차 상태와 동일한 공기흡입이 가능하게 하
Myung-whan Bae
였으며, 흡기의 온도 및 습도를 계측할 수 있도록 디 지털식 온･습도계를 설치하였다.
2.2 일체형 요소-SCR 촉매필터 시스템 Photo. 1은 본 실험에서 사용한 촉매 필터인데, 주 요 제원은 Table 2와 같다. 독일의 Schumacher Umwelt und Trenntechnik사의 DIA-Schumalith 10-20 이라는 SiC 소재의 캔들 필터에 저온 SCR 촉매인 MnO2와 기존의 V2O5-WO3/TiO2 촉매를 담지시켜 제 조하였으며, Fig. 1의 일체형 요소-SCR 촉매필터 시 스템 입구에서 70.3 cm 떨어진 상단부의 중앙에 이 러한 촉매필터가 설치되어 있고, Photo. 2와 같이 상 하 덮개를 볼트와 너트식의 촉매 지지대를 사용하 여 고정시켰다. 전면이 막혀 있는 구조이기 때문에 촉매필터의 표면을 통해서 배기가 통과되면서 매연이
Photo. 1 SiC filter coated by catalysts of MnO2-V2O5-WO3
and catalyst support of TiO2
Table 2 Compositions of catalytic filter
Rate of catalysts and catalyst support on the basis of SiC (wt%)
MnO2 0.093 TiO2 1.7 ~ 1.8
V2O5 0.181
SiC 100
WO3 1.183
(a) New catalytic filter (b) Used catalytic filter Photo. 2 Setup of catalytic filter in a catalyst mount
포집되고, 정제된 배기는 상부의 출구를 통해 배출 된다. Photo. 2(a)와 (b)는 사용하기 전･후 촉매필터 사진을 보여주고 있는데, (b)의 사진에서 배기가 통 과될 때 포집된 매연을 볼 수 있다.
본 실험에 사용한 촉매필터는 장시간 사용하는 경우에 매연이 과다 포집되어 배압에 의해 디젤기 관의 성능이 떨어지기 때문에, 필터 투과 전･후의 압력을 차압계에 의해 측정하고, 일정한 압력 이상 이 되면 압축공기를 사용하여 필터표면을 역방향으 로 불어주어 포집된 매연을 제거시킨다.
SCR 촉매로서는 활성을 증가시키기 위하여 V2O5/ TiO2를 사용하였고, 저온 활성화, 산도 및 열적 안정 성을 증가시키기 위해 MnO2 및 WO3를 사용하였다.
본 실험에서 사용한 촉매의 최적 활성화 온도는 523 K로, 이 온도부근에서 NOx 환원 효율이 가장 좋았 다.12) 본 실험의 배출 배기온도는 상당히 높지만, 배 기관을 통해 SCR 시스템 내부로 유입되는 동안 배 기온도가 떨어져 추가적으로 코일형 전기 가열장치 를 SCR 시스템 외부에서 감싸는 형태로 사용하여 촉매반응 활성화 온도까지 가열하여 온도를 일정하 게 유지하고 있다.
환원제로는 25 wt%의 요소 수용액을 사용하였 고, 요소분사장치(Urea Dosing System)는 직경 1 mm 의 관을 통하여 1 ㎖/min의 양으로 SCR 장치 내부로 요소가 주입되도록 하였다. 본 연구에서는 요소수 를 분사형태가 아닌 주입형태로 실험실 규모로 SCR 장치에 단순 주입형 장치인 요소분사장치를 사용하 여 내부로 유입되고 있으며, 향후의 연구에서는 균 일한 혼합이 될 수 있도록 분사형태를 검토하여야 한다.
2.3 실험방법
본 실험에서는 기관회전속도 1500, 2100 및 2700 rpm에 대해 기관부하를 100%까지 25%씩 증가시켰 고, 촉매반응 활성화 온도를 523, 573 및 623 K로 변 화시켰다. 기관회전속도, 기관부하 및 촉매반응 활 성화 온도의 3개 파라미터 중 2개를 고정한 상태에 서 하나의 조건만을 변화시키면서 실험을 하여 일 체형 요소-SCR 촉매필터 시스템 전단과 후단에서 각각 배기 배출물의 값을 측정하였다.
A Study on Characteristics of an Integrated Urea-SCR Catalytic Filter System for Simultaneous Reduction of Soot and NOX Emissions in ECU Common-rail Diesel Engines
Fig. 2는 SCR 시스템내로 유입되는 배기량에 따 른 NOx 환원효율을 조사한 실험결과이다. 본 실험에 사용되는 일체형 요소-SCR MnO2-V2O5-WO3/TiO2/ SiC 촉매필터 시스템은 직접 제조한 것으로 실험기 관에서 배출되는 전체 배기량을 처리하기에는 용량 에 무리가 있다. 따라서 본 일체형 시스템의 최적 처 리용량을 알아보기 위해서 기관회전속도 1500 rpm, 기관부하 100% 및 촉매반응 활성화 온도 573 K의 실험조건에서 배기량을 3, 6, 12 및 24 ℓ/min을 취하 여 NOx 환원효율을 조사하였다. 조사결과, 본 일체 형 요소-SCR 촉매필터 시스템은 유량이 3 ℓ/min에 서 NOx 환원효율이 80% 이상으로 가장 높게 나타났 기 때문에, 본 일체형 시스템은 유입유량을 3 ℓ/min 으로 하여 실험하였다.
본 연구에서는 동일조건에서 실험이 이루어졌을 지라도 기관부하 변동률은 ±5% 이하였고, 반응 활 성화 온도의 변동률은 ±4% 이하였다. 실험 중에는 수냉식 열교환기를 사용하여 냉각수와 윤활유 온도 를 조절하였다. 실험조건을 변경할 경우에는 반드 시 저회전속도, 저부하 상태에서 고회전속도, 고부 하쪽으로 하였다.
본 연구의 실험에 있어서 연료분사시기는 ECU 커먼레일에 의해 이루어지기 때문에, Table 1에서 보여 준 것처럼 BTDC 15°에서 ATDC 1°사이였고, 연소 상태에 따라 전자제어에 의해 파일럿 및 주 분 사가 이루어졌다.
Fig. 2 NOx conversion rate relative to the flow rate of exhaust gases by using a combined urea-SCR catalytic filter system for the engine speed of 1500 rpm(engine load 100%) at a reactive activation temperature of 300℃
3. 실험 결과 및 고찰 3.1 질소산화물(NOx) 배출물
본 실험조건에 대한 일체형 요소-SCR 촉매필터 시스템의 반응 활성화 온도에 따른 NOx 환원효율을 조사하기 위하여 Fig. 3에는 기관회전속도 1500, 2100 및 2700 rpm에서 반응 활성화 온도를 523, 573 및 623 K로 변화시키고, 기관부하를 100%까지 25%
씩 증가시켜 측정한 결과를 보여주고 있다.
Fig. 3의 동일한 기관회전속도 및 부하에서는 NOx
환원효율이 반응 활성화 온도 523 K에서 가장 높게 나타났으며, 온도가 높아짐에 따라 환원효율은 감 소하는 것으로 나타났다. 기관회전속도 및 부하에 관계없이 평균 NOx 환원효율은 523 K에서 평균 83.9%이고, 573 K 및 623 K에서 83.4%, 79.6% 로 각 각 나타났다. 동일한 조건에서 기관부하가 증가할 수록 NOx 환원효율이 약간 높게 나타나는 경향이 있지만, 기관회전속도의 변화에 따른 NOx 환원효율 의 경향은 뚜렷하게 나타나지 않음을 알 수 있다.
실험에서 NOx 배출물이 감소되는 것은 요소수에 서 발생한 암모니아와 다음과 같은 화학반응에 의 한 것이다.
4NH3+ 4NO + O2 → 4N2+ 6H2O (1) 2NH3+ NO + NO2 → 2N2+ 3H2O (2) 6NO + 4NH3 → 5N2+ 6H2O (3) 6NO2+ 8NH3 → 7N2+ 12H2O (4) 2NO2+ 4NH3+ O2 → 3N2+ 6H2O (5) 여기서 (1)은 주반응이고, (2)는 NO : NO2의 비율이 1 : 1일 때 일어나는 반응이다. (1)의 반응에 비하여 (2)의 반응은 반응속도가 빠르며 촉매의 활성화 온 도범위가 (1)의 반응에 비하여 넓기 때문에 (2)의 반 응이 NOx 환원에 더 효과적이다. 그러나 연소기관 에서 배출되는 NOx는 NO 성분이 90% 이상으로 대 부분을 차지하고 있기 때문에, 주로 (1)의 반응에 의 해 NOx가 환원될 것으로 판단된다. 또한, (3)과 (4)의 반응은 산소가 없을 경우에 일어나는 반응으로 (1) 의 반응보다 반응속도가 느리며, (5)의 반응은 NO2
비율이 대부분을 차지할 때에 일어나는 반응이다.13)
배명환
(a) 1500 rpm
(b) 2100 rpm
(c) 2700 rpm
Fig. 3 NOx conversion rate relative to the reactive activation temperature by using a combined urea-SCR catalytic filter system for four kinds of engine load at the engine speeds of 1500, 2100 and 2700 rpm
요소수에서 NH3가 생성되는 화학반응은 다음과 같으며, 요소 1몰당 2몰의 NH3가 생성된다.14)
(NH2)2CO(urea) + H2O → 2NH3+ CO2 (6) 상기 화학반응식에서 고찰한 것처럼 NO2 비율이 높으면 NOx 환원효율이 증가되기 때문에, 요소- SCR 시스템 전단부에 NO를 NO2로 산화시키는 디 젤산화 촉매장치(Diesel Oxidation Catalyst : DOC)를 장착하면 NOx 환원효율이 증가될 것이다.15)
3.3 매연 배출물
Fig. 4에서는 기관회전속도를 파라미터로 해서 일체형 요소-SCR 촉매필터 시스템을 설치한 전단 부와 후단부에서 기관부하에 따른 매연 배출물 값 을 나타내고 있다. 일체형 시스템을 통과하지 않은 경우에는 반응활성화 온도의 변화에 관계가 없기 때문에, 측정한 매연 배출물은 동일한 실험조건에 서 같게 나타나야 한다. 그런데 Fig. 4에서 매연 배출 물 측정값은 약간 차이를 보여주고 있지만, 정성적 인 경향은 크게 바뀌고 있지 않았다.
Fig. 4에서 일체형 시스템을 사용한 경우에 SiC 필터에 의해 매연 배출물은 실험조건에 상관없이 0.6% 이하로 아주 낮아 거의 배출되고 있지 않음을 알 수 있다. 반응 활성화 온도의 변화에 따른 매연 배출물 저감률은 573 K에서 실험조건에 관계없이 평균 93.8%이고, 523 K 및 623 K에서 각각 평균 93.4%, 92.7%로 나타나고 있지만, 고부하 및 고기관 회전속도의 저감률이 높고, 저감률은 온도에 의한 영향은 거의 없음을 알 수 있다.
그림에서 반응 활성화 온도의 변화에 따른 매연 배출물 평균 저감률의 차이가 전체 실험조건에서 1.1%로 나타나고 있는데, 이것은 반응 활성화 온도 573 K, 523 K 및 623 K의 순서로 실험을 하였기 때문 에 촉매필터에 누적된 매연 배출물이 완전하게 제 거되지 않아 뒤에 수행한 실험에서 매연 배출물 저 감률의 차이에 영향을 미쳤을 수도 있다.
3.4 THC 배출물
Fig. 5에서는 MnO2-V2O5-WO3/TiO2/SiC 촉매필터 를 요소-SCR과 일체형으로 조합한 시스템의 전단 부와 후단부에서 기관부하에 따라 측정한 THC 배 출물의 변화를 나타내고 있다. 그림에서 반응 활성 화 온도 573 K인 경우에 실험조건에 관계없이 THC
ECU 커먼레일 디젤기관에 있어서 매연 및 NOx 배출물 동시 저감용 일체형 요소-SCR 촉매필터 시스템의 특성에 관한 연구
(a) 523 K
(b) 573 K
(c) 623 K
(a) 1500 rpm
(b) 2100 rpm
(c) 2700 rpm Fig. 4 Comparisons of soot emissions relative to engine load
with and without a combined urea-SCR catalytic filter system for three kinds of engine speed at the reactive activation temperatures of 523, 573 and 623 K
Fig. 5 Comparisons of THC emissions relative to engine load with and without a combined urea-SCR catalytic filter system for three kinds of reactive activation temperature at the engine speeds of 1500, 2100 and 2700 rpm
Myung-whan Bae
배출물의 평균 저감률이 72%로 가장 높게 나타났으 며, 523 K 및 623 K에서는 평균 저감률이 70%와 69%로 비슷하게 나타났다.
미국 EPA에 의하면 VOCs(Volatile Organic Com- pounds, 휘발성 유기화합물)란 일산화탄소, 이산화 탄소, 탄산, 금속성 탄산염 및 탄산암모늄을 제외한 탄소화합물을 말하는 것16)으로 VOCs를 CO2와 H2O 로 전환시키는 기술 중에서 촉매에 의한 산화반응 이 가장 유용한 공정으로 평가받고 있다. 본 연구에 서는 촉매로서 망간 산화물을 사용하고 있는데, 이 것은 다가의 금속 산화물로서 CO, HC의 산화 및 NOx의 선택적 화학반응에 우수한 활성을 나타내는 촉매로 잘 알려져 있다.17,18)
산화반응 촉매는 일반적으로 귀금속 계열이며 주 로 Pt 등이 많이 사용되고 있으며, 디젤산화 촉매장 치(DOC)는 Pt, Pd, Rh가 가장 많이 사용된다. 그런데 본 실험에서 촉매필터에 코팅된 Mn, V 및 Ti는 Pt 등 에 비해 활성금속의 산화활성도가 떨어지지만, 일정 수준 이상의 산화활성도를 가지고 있기 때문에 Mn, V 및 Ti에 의해서도 HC가 CO2와 H2O로 산화된다.19)
본 일체형 시스템에서 THC 배출물의 저감률이 이렇게 높게 나타나리라고는 예상하지 못했지만, 상당히 많이 감소됨을 알 수 있었다. 이것은 위에서 고찰한 Mn, V 및 Ti의 산화반응에 의한 것으로 예측 된다.
3.5 CO 배출물
Fig. 6은 MnO2-V2O5-WO3/TiO2/SiC 촉매필터를 일 체형으로 조합한 요소-SCR 시스템 전･후단부에서 부하에 따라 실험조건의 기관회전속도에 대해 측정 한 CO 배출물의 저감률을 나타내고 있다.
CO는 과량의 산소에 의해 높은 온도에서 쉽게 산 화될 수 있지만, Cu, Pb, Ti, V 등 약알카리성 산화물, Hg, Pt 등 귀금속 산화물, Cr, Mn 등 약산성 산화물의 혼합산화물 촉매에 의해 낮은 온도에서도 산화된 다.20) 그림에서 반응 활성화 온도가 623 K인 경우에 모든 실험조건에서 CO 배출물은 평균 39%로 가장 높은 저감률이 나타났고, 523 K 및 573 K에서 각각 37% 및 38%로 비슷한 저감률이 나타났는데, 저감 률은 높은 반응 활성화 온도 순으로 나타나고 있음
(a) 1500 rpm
(b) 2100 rpm
(c) 2700 rpm
Fig. 6 Comparisons of CO emissions relative to engine load with and without a combined urea-SCR catalytic filter system for three kinds of reactive activation temper- ature at the engine speeds of 1500, 2100 and 2700 rpm 을 알 수 있다.
본 실험에서는 사용된 Mn 및 Ti의 혼합산화물 촉 매가 일정 수준 이상의 산화활성도를 가지고 있기
A Study on Characteristics of an Integrated Urea-SCR Catalytic Filter System for Simultaneous Reduction of Soot and NOX Emissions in ECU Common-rail Diesel Engines
때문에 CO가 CO2로 산화될 수 있어 CO 배출물이 감소되었다고 예측된다.
4. 결 론
수냉, 4기통, 4행정, 직접분사식, ECU 커먼레일, 터보 인터쿨러 디젤기관에 일체형 요소-SCR MnO2
-V2O5-WO3/TiO2/SiC 촉매필터 시스템을 사용하여 기관회전속도, 기관부하 및 반응 활성화 온도를 파 라미터로 한 배기 배출물의 저감 특성을 조사하여 고찰한 주요결과는 다음과 같다.
1) 동일한 실험조건에서 NOx 환원효율은 반응 활성 화 온도 523 K에서 가장 높게 나타났고, 기관회전 속도 및 부하의 실험조건에 관계없이 NOx 환원효 율은 523, 573 및 623 K에서 평균 83.9, 83.4 및 79.6%로 나타났다.
2) 매연 배출물은 기관회전속도 및 부하의 실험조건 에 상관없이 0.6% 이하로 감소되었고, 반응 활성 화 온도의 변화에 따른 저감률은 기관회전속도 및 부하의 실험조건에 관계없이 523, 573 및 623 K에서 평균 93.4, 93.8 및 92.7%로 나타났다.
3) THC 배출물의 평균 저감률은 기관회전속도 및 부하의 실험조건에 관계없이 반응 활성화 온도 523, 573 및 623 K에서 70, 72 및 69%로 나타났다.
4) CO 배출물의 평균 저감률은 기관회전속도 및 부 하의 실험조건에 관계없이 반응활성화 온도 523, 573 및 623 K에서 37, 38 및 39%로 나타났다.
후 기
본 연구는 2단계 BK21 사업단(경상대학교 첨단 기계항공고급인력양성사업단), 공학연구원 및 연 구년제 연구교수 지원연구비의 지원을 받아 수행되 었기에 도움을 준 관계자 여러분께 감사드린다.
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