Particle Emission Characteristics of Heavy-duty Diesel Engine using Aftertreatment Systems

후처리장치 부착에 따른 대형디젤엔진의 입자 배출특성

권상일

^*†

^*

Particle Emission Characteristics of Heavy-duty Diesel Engine using Aftertreatment Systems

Sangil Kwon and Yonghee Park

Key Words: PMP(Particle Measurement Program, 입자측정프로그램 ), CPC(Condensation Particle Counter, 입자개수측정기 ), WHSC(Worldwide Harmonization Steady State Cycle, ^{정상상태 표준모드} ), WHTC(Worldwide Harmonization Transient Cycle, 과도응답상태 표준모드 )

Abstract

This study was primarily focused on the experimental comparison of the particle emission characteristics for heavy duty engine. PM and particle number from various heavy duty engines and DPF type were analyzed with a golden particle mea- surement system recommended by the Particle Measurement Program. And the repeatability and reproducibility between test mode was analyzed. This study was conducted for the experimental comparison on particulate emission characteristics between the European and World-Harmonized test cycles for a heavy-duty diesel engine. To verify the particulate mass and particle number concentrations from various operating modes, ETC/ESC and WHTC/WHSC, both of which will be enacted in Euro VI emission legislation, were evaluated. Real-time particle formation of the transient cycles ETC and WHTC were strongly correlated with engine operating conditions and after-treatment device temperature. A higher particle number con- centration during the ESC mode was ascribed to passive DPF regeneration and the thermal release of low volatile particles at high exhaust temperature conditions.

1. 서 론

최근 배출허용기준 강화 및 입자개수 규제 도입에 따

라 DPF, SCR 등의 후처리장치가 경유자동차에 부착되

고 있다 . ^{특히 이러한 후처리장치는 향후} EURO 6 ^규제

에서 인체위해성에 대한 우려 때문에 적용될 입자개수 규제에 있어서 가장 중요한 영향 인자이다 .

대부분의 경우 입경이 1 ^µ m ^{이하인 경유자동차에서}

배출되는 미세입자에 대한 인체위해성에 대한 우려와 기존 PM ^{측정방법의 한계로 인하여 새로운 입자상물질}

규제방법이 요구되었다 .

이에 UN 유럽경제위원회 (UN ECE) 산하의 자동차 인증 국제표준화 그룹 (WP29) PMP(Particle Measure- ment Program) 에서는 2001 년부터 자동차로부터 배출되 는 극미세입자에 대한 국제통합법규를 제정하기 위한 연구를 진행하여 시험방법과 장비규격 및 교정방법을

정하였고

, 유럽에서는 2011 년 9 월부터 경유 소형자

동차의 극미세입자 개수 기준을 6×10

#/km 로 정하여 규제를 적용할 예정이다 . ^또한 , ^{대형 경유 자동차에도} EURO 6 기준에 도입하여 2013 년 9 월부터 적용할 예정 이다 .

대형엔진의 경우 시험방법에 있어서도 엔진이 예열되 (2012

9

3

~ 2012

9

12

, 2012

9

14

)

*국립환경과학원교통환경연구소

†책임저자

,

E-mail : [email protected]

TEL : (032)560-7640 FAX : (032)560-7980

기 이전에 시험하는 Cold WHTC ^{시험모드가 적용됨에}

따라 저온조건에서의 정밀한 DPF 제어가 필요하다 . 대 부분의 DPF 의 경우 입자 저감효율이 99% 이상을 유지 하나 저온조건에서는 저감효율이 떨어지는 것으로 조사 되고 있다

. NOx 저감을 위해 적용된 SCR 의 경우에도 유레아 분사를 통하여 암모니아 입자가 발생할 수 있어 이에 대한 제어가 필요하다

.

본 연구에서는 PMP 에서 추천하고 있는 시험방법

에 따라 정용량 시료채취장치로부터 채취한 배출가스를 희 석장치와 CPC(Condensation Particle Counter) ^{를 이용하}

여 대형엔진으로부터 배출되는 입자개수를 측정하였고 ,

미세입자의 입경별 거동을 파악하기 위하여 EEPS(Engine Exhaust Particle Sizer) 를 이용하여 입경분포를 측정하여 적용된 후처리장치별 입자 배출특성을 분석하였다 .

이 결과는 국제기준에 부합되는 국내 시험방법 및 인 증기준을 설정하는 기초 자료로 활용할 것이다 .

2. 실험장치 및 방법

2.1 시험엔진 및 후처리장치

시험엔진은 EURO 4 기준을 만족하는 DL08 엔진을 사용하였고 , ^{기본적으로} Urea SCR ^{시스템이 부착된 엔}

진이다 . 이에 대한 자세한 제원을 Table 1 에 나타내었다 .

DPF 와 SCR 시스템의 입자개수에 대한 영향을 검토

하기 위하여 Base(Engine Out), DPF, SCR 의 3 가지 조합 으로 입자개수를 측정하였고 , SCR ^{의 분사전략은 제작}

사에서 생산시 적용한 설계값을 사용하였고 DPF 는

DOC 와 귀금속이 코팅된 DPF 를 사용하였다 . 이에 대한 자세한 제원은 Table 2 ^{와 같다} .

2.2 극미세입자 측정장치

시험장치는 CVS ^{희석터널 시스템과} PMP ^{에서 제시}

된 규격을 만족하는 입자측정장치가 사용되었으며 Fig.

1 에 엔진시험 및 측정장치의 개략도를 나타내었다 .

싸이클론 , 1, 2 차 희석터널 , 증발튜브 및 CPC(Con- densation Particle Counter, TSI 3010D) 로 구성되어 있는 입자 개수 측정장치와 입자 개수 및 입경을 동시에 측 정할 수 있는 EEPS(Engine Exhaust Particle Sizer, TSI)

를 이용하여 실시간으로 동시에 측정하였다 . CPC 를 이 용한 입자 개수 측정은 PMP ^{의 추천에 따라 시료를 희}

석터널내의 총입자상물질 측정 프로브 근처에서 채취하

였고 , 2.5 µ m 이상 크기의 입자를 제거하기 위해 싸이클

론이 사용되었다 . 1 ^{차 희석터널은 입자의 응축을 피하}

기 위하여 채취된 시료를 150±5

C 로 가열시키면서 희

석하였으며 , 휘발성 입자를 제거하기 위하여 300

C 로 가열하는 증발튜브를 사용하였다 . ^{휘발성입자의 경우}

희석온도에 따라 측정되는 농도 변화가 커서 규제대상

에 적합하지 않다는 판단하에 PMP 규제 시험방법에서

는 측정대상에서 제외되었다 . Table 1 Specification of test engine

Manufacturer Doosan Infracore

Model DL 08

Rated power 235 kW/2,200 rpm

Max. net torque 1,323 Nm/1,200 rpm Bore × Stroke(mm) 108 × 139

Engine displacement 7,640 cc Aftertreatment system Urea SCR

Table 2 Specification of aftertreatment system DOC

Size 11.25in(D)×3in(L) Cell density 400 cpsi

Substrate Ceramic Pt dope 40 g/ft

DPF

Size 11.25in(D)×14in)

Cell density 200 cpsi Substrate Cordierite Pt dope 20 g/ft

SCR Size 286 mm(D)×254 mm((L)

Dope Vanadium

Fig. 1 Schematic diagram of experiment system

마지막으로 CPC ^{로 들어가는 시료가 온도} 35

C ^이하

및 개수농도가 104(N/cm

) 이 되도록 2 차 희석터널에 희 석한 후 측정효율이 D

(10% 효율 ) 16±1 nm, D

(25% 효 율 ) 18±2 nm, D

(50% ^효율 ) 23±3 nm, D

( ^효율 ) 37±4 nm 가 되는 CPC(TSI 3010D) 를 사용하여 입자 개수농도 를 연속으로 측정하였다 .

2.1 시험방법 및 절차

시험은 규제시험방법에 따라 시험엔진을 온도 20~30

C

및 습도 50% ^{로 제어된 시험실에서} 6 ^{시간 이상 소킹후}

한국과 유럽에서 규제모드로 사용하는 ESC, ETC 모드 외에 향후 EURO 6 규제에 사용할 WHTC 및 WHSC

모드를 사용하여 측정하였다 .

모든 시험은 엔진동력계를 사용하여 시험엔진으로부 터 배출되는 배기가스를 측정하였고 , 정확한 총입자상

물질 (PM) 측정을 위하여 시료채취 온도는 희석공기에

의해 47±5

C ^{로 제어하였다} . ^{총입자상물질은 엔진을 운}

전하면서 배출되는 배기가스를 불소탄화로 코팅된 유리 섬유필터에 통과시켜 채취하고 이를 온습도가 제어된 챔버에서 8 ^{시간 웨잉후 전자저울을 사용하여 전후 필터}

무게로 측정하였다 .

또한 , PMP 에서 제시된 시험절차에 따라 Cold WHTC, Hot WHTC, WHSC, ETC ^및 ESC ^등 5 ^{개 시험모드에}

대하여 총 3 회 반복 측정하였고 , Wtd WHTC 는 규제시 험 절차에 따라 Cold WHTC 결과의 14% 와 Hot WHTC

결과의 86% 를 산술평균하여 나타내었다 . DPF 를 부착 하였을 경우에는 필터 내부의 PM ^{로딩상태에 따라 시}

험결과의 차이가 있을 수 있어 반복 편차를 최소화하기 위하여 시험전에 동일한 예비운전을 통하여 PM 로딩상 태를 일정하게 유지하였다 .

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 측정모드별 입자배출특성 비교

SCR 및 DPF 를 각각 부착하여 규제모드인 WHTC, WHSC, ETC, ESC ^모드를 3 ^{회 반복시험 하면서 입자개수}

를 측정한 결과를 Fig. 2 에 나타내었다 . 후처리장치를 부 착하지 않은 시험결과 (base) 에서는 모드에 따라 1.4~4.7×

10

#/kWh ^{로 유사한 값을 보이면서} COV ^도 10% ^이하로

낮은 값을 보였으나 SCR 부착시에는 2.3~9.9×10

#/kWh

로 base 에 비해 높은 값을 보이면서 높은 COV 값으로 반

복 편차가 크게 나타났다 . ^이는 SCR ^{촉매의 정화과정에서}

생성되는 2 ^{차입자에 의한 결과로 판단되며 특히 배기가스}

온도가 높은 ETC 및 ESC 모드에서 높은 값을 보였다 . DPF 부착 결과에서는 모드에 따라 9.4×10

~1.3×10

#/

kWh ^{배출되었고} , ^모드별로 ESC>ETC>Cold WHTC>

WHSC>Hot WHTC 순으로 높게 배출되었다 . 전체적으로

DPF 부착시의 반복편차인 COV 는 20~40% 수준으로 base

및 SCR 부착시보다 높게 나타났다 .

3.2 모드별 실시간 입자 배출특성

냉간시동시의 입자배출 특성 분석을 위하여 냉간 및

Fig. 2 COV and particle number according to test mode

and aftertreatment system

열간 엔진상태에서의 실시간 입자 배출특성을 Fig. 3 에 나타내었다 . 냉간의 엔진상태를 만들기 위하여 엔진을

20~30

C ^{의 온도조건에서} 6 ^{시간 이상 소킹시킨 후 시험}

을 진행하였다 . Base 및 SCR 부착 결과는 전체적으로 유사한 수준으로 급격한 부하변동시 및 고부하 영역에 서 높은 입자 배출특성을 보였으나 , DPF 부착 결과에서 는 Cold WHTC ^{모드의 경우 시동후} 600 ^{초 까지의 냉시}

동구간에서 최대 10

#/cm

의 많은 입자가 배출되었으 나 그 이후 구간에서는 점차 감소하는 경향을 보였다 .

이는 배기가스 온도 저하로 필터의 포집효율이 떨어지 는 냉시동구간에서 전날 예비운전에 의해 필터에 포집 된 입자들이 천이 운전영역에서 떨어져 나오는 것으로 판단된다

. ^또한 , ^{미세한 입자들의 경우 확산이론에 기}

초해 필터에 포집되며 냉시동시 필터 내부온도가 낮기 때문에 입자의 확산속도가 낮아져 필터 표면에 포집되 지 못하고 필터 공극을 통해 빠져나가게 된다 . ^따라서

이전의 소형자동차의 결과

에서와 같이 운전모드가 경과함에 따라 점차 입자 배출이 감소하는 경향을 보이 고 있다 . 열간상태의 Hot WHTC 모드에서는 운전영역

과 무관하게 전영역에서 10 #/cm

^{의 낮은 입자 배출을}

보이면서 DPF 의 포집효율이 높게 나타났다 .

Figure 4 에서 보이는 바와 같이 각 시험모드별 DPF

입구에서의 온도는 WHSC 와 ESC 모드에서는 DPF 의 재생온도인 300

C ^{이상인 구간이 많은데 반하여} Cold

WHTC 모드의 경우 대부분의 경우에서 DPF 재생이 일

어나지 않는 낮은 온도를 나타내었다 . Fig. 3 Real time particle number concentration in Cold

WHTC and Hot WHTC

Fig. 4 DPF inlet temperature according to test mode

Fig. 5 Real time particle number concentration in WHSC

and ESC

Figure 5 ^{와 같이 정속정부하 모드인} WHSC ^모드와 ESC 모드에서의 입자 배출결과에서는 WHSC 모드의 경우 일부 천이 구간을 제외하고 열간상태의 Hot

WHTC ^{모드와 유사한 배출을 보였으나} , ESC ^{모드의 경}

우 부하가 증가할수록 입자배출이 증가하여 100% 부하 조건에서 10

#/cm

의 가장 높은 입자를 배출하였다 . 이 는 이전모드에서 필터에 포집된 입자가 상대적으로 부

하가 높은 ESC 모드에서 배기가스 온도의 증가로 재생

에 의한 입자가 배출되는 것으로 판단된다

. 이에 ESC

모드는 필터에 포집된 매연 조건에 따라 입자 배출의 편차가 높아질 수 있어 규제시험에서는 적절한 조건의 설정이 필요할 것으로 보인다 .

3.3 모드별 입자크기 분포

Figure 6 은 각 모드별로 운전시 배출되는 입자의 크기

분포를 후처리장치 부착별로 측정한 결과이다 . ^후처리

장치가 부착되지 않는 Base 시험결과에서는 연료의 연

소시 배출되는 Soot 입자가 주를 이루어 accumulation

mode ^{입자가 대부분 배출된 반면} SCR ^{부착시는 내부에}

서의 화학반응에 의한 2 차 생성입자의 영향으로 10 nm

부근의 nucleation mode 입자가 높게 배출되는 경향을

보였다 . ^이는 SCR ^{시스템에 분사된 유레아가 화학반응}

을 통하여 액체 상태의 암모니아를 생성하고 측정시스 템내에서 냉각 응축되면서 작은사이즈의 나노입자로 만 들어지는데 기인하는 것으로 판단된다 . DPF ^부착시의

결과에서는 상대적으로 배기가스 온도가 높은 ETC 및

ESC 모드에서 nucleation mode 가 높게 배출되는 경향을

보였다 . 이는 DPF 내의 자연재생에 따라 발생되는 입자

로 판단되며 향후 입자개수 규제 대응시 이에 대한 검

Fig. 6 Particle size distribution at the various test mode Fig. 7 Component rate of PM at the various test mode

토가 필요할 것으로 보인다 .

Figure 7 은 각 모드별로 운전시 배출되는 PM 성분을 후처리장치 부착별로 측정한 결과이다 . Base 결과의 경

우 비교적 배기가스 온도가 높은 WHSC, ESC ^모드에서

PM 중 SOF 의 비율이 70% 이상으로 높게 나타났으나 ,

온도가 낮은 과도응답모드 등의 경우 Soot 비율이 증가

하는 경향을 보였다 . SCR ^{부착결과에서는 배기가스 온}

도가 높은 WHSC, ETC, ESC 모드에서 PM 중 SOF 비

율이 70% 이상으로 증가하였고 , DPF 부착시는 전체 모

드에서 SOF ^비율이 70% ^{이상으로 높게 배출되면서}

Soot 비율이 10% 미만으로 나타났다 .

4. 결 론

본 연구에서는 향후 EURO 6 입자개수 규제에 대응 하기 위한 다양한 후처리장치에 대한 입자 배출특성을 파악하였으며 , 이에 대한 결론은 다음과 같다 .

1) 후처리장치를 부착하지 않은 시험결과 (base) 에서는 모드에 따라 1.4~4.7×10

#/kWh ^{로 유사한 값을 보이면}

서 COV 도 10% 이하로 낮은 값을 보였으나 SCR 부착 시에는 2.3~9.9×10

#/kWh 로 base 에 비해 높은 값을 보

이면서 높은 COV ^{값으로 반복 편차가 크게 나타났다} .

2) 실시간 입자 배출특성 결과 냉간상태의 Cold

WHTC 모드에서 시동후 600 초 까지의 냉시동구간에서

최대 10

#/cm

의 많은 입자가 배출되었다 .

3) ^{입자크기 분포에서는} Base ^{시험결과에서는} accu- mulation mode 입자가 대부분 배출된 반면 SCR 부착시 는 내부에서의 화학반응에 의한 2 차 생성입자의 영향으 로 10 nm ^부근의 nucleation mode ^{입자가 높게 배출되}

는 경향을 보였다 .

4) PM 의 구성성분 분석결과 , Base 및 SCR 부착시에

는 비교적 배기가스 온도가 높은 ESC, ETC, WHSC ^구

간에서 SOF 의 비율이 70% 이상이나 , DPF 부착시에는 전구간에서 SOF 의 비율이 70% 이상이며 , Soot 의 비율 은 10% 미만으로 나타났다 .

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