The Performance Test of SCR System in a Heavy-Duty Diesel Engine

(1)

대형디젤기관에 적용된 선택적 환원촉매장치 성능시험에 관한 연구

백 두 성^*1)․이 성 욱²⁾

대진대학교 컴퓨터 응용기계설계공학과¹⁾․국민대학교 자동차공학전문대학원²⁾

The Performance Test of SCR System in a Heavy-Duty Diesel Engine

Doo Sung Baik^*1)․Seang Wock Lee²⁾

1)Department of Computer-aided Mechanical Design Engineering, Daejin University, Gyeonggi 487-711, Korea

2)Department of Mechanical and Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul 136-702, Korea (Received 16 August 2007 / Accepted 19 May 2008)

Abstract : Selective Catalytic Reduction is effective in the reduction of NOx emission. This research focused to evaluate the performance of a urea-SCR system and was conducted in two procedures. One is SCR reactor test using model gas in order to provide an optimal injection condition itself. In this step, some parametric study on emission temperature, space velocity, aspect ratio and the formation of urea spray were made by using flow visualization and Computation Fluid Dynamics techniques. The basic simulation results contributed in determining the layout for an actual engine test. The other is an engine performance and emission test. The urea injector was placed at the opposite direction of exhaust gases emitted into an exhaust duct and an optimal amount of a reducing agent is estimated accurately under different engine loads and speeds. Furthermore, the variation of NOx emission and applied amount of urea was investigated in terms of modes under the condition of with and without SCR, and other emissions such as PM, CO and NMHC were evaluated quantitatively as well. This research may provide fundamental data for the practical use of urea-SCR in future.

Key words : SCR(선택적 환원 촉매), Space velocity(공간속도), Aspect ratio(AR), Model gas(모델가스), Visualization(가시화), CO(일산화탄소), NOx(질소산화물), HC(탄화수소), NH

3

(암모니아)

1.

서 론¹⁾

높은 경제성의 이유로 디젤엔진은 주 교통수단으 로서 많은 상용자동차에 적용되어왔다. 그러나 최 근 수년 동안 디젤자동차에서 배출되는 질소산화물 과 입자상물질과 같은 유해한 물질에 의해서 초래 된 대기 환경에 관련된 사회적인 문제점이 많이 제 기 되어왔다. 특히 이러한 배기가스는 성격상 서로 상관관계를 보여 주고 있어 이것에 관한 동시 저감 에 관한 연구가 절실히 요구되고 있다. 더욱이 EURO IV 와 V를 만족하기 위해서는 엔진 개량(전

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

처리 기술)이 아닌 후처리 기술에 의존할 수밖에 없 다. 결국에는 후처리 장치 기술은 전처리 기술의 한 계점을 극복하는 수단으로서 제시 되고 있다.¹⁾ 대표 적인 후처리 기술에 대해서 살펴보면 입자상 물질 (PM)을 저감하기위한 DPF와 질소산화물(NOx)을 저감하기 위한 SCR 기술로 나눌 수 있다.^2-5) DPF 기 술은 이미 국내에 도입되어 실용화의 단계에 접어 들었지만 아직도 재생 및 사후관리에 관한 문제점 이 매우 심각하게 드러나고 있는 상황이다. 질소산 화물을 저감하기위한 대표적인 기술로서 SCR은 환 원제의 종류에 따라서 HC-SCR, NH3-SCR을 들 수 있다. HC-SCR은 기존의 경유를 그대로 사용할 수

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백두성․이성욱

Fig. 2 The schematic diagram of SCR reactor 있지만 낮은 질소산화물 정화효율로 인해 규제치를 만족하기 어렵다. NH3-SCR은 기체 상태인 NH3을 직접 배기가스에 적용하는 기술인데 이를 통해서 NOx을 70% 이상 저감이 가능하지만 가스 상의 물 질이기 때문에 연료 보관이 어렵고 인체에 해를 끼 치기 때문에 실용화에는 문제점이 있다. 이에 반해 환원제로서 우레아는 암모니아의 문제점을 해결 할 수 있으며 정화효율 면에서도 암모니아와 거의 동 일한 수준이다. 그러나 우레아를 적용 시 공간 확보 등의 문제점은 역시 과제로 남겨져 있다.

2.

실험장치

2.1 Urea-SCR의 일반 원리

Urea-SCR시스템에 관한 일반적인 도식은 Fig. 1 에서 보여주며, 우레아 용액에서 암모니아가 생성 되는 화학적 반응은 반응식 (1)과 같이 표현되며 암 모니아에 의한 질소산화물 정화 경로는 반응식 (2) 와 (3)에서 보여준다.

CO(NH2)2 → HNCO + NH3 (thermolysis) (1) └＞ NH3 + CO2 (hydrolysis) 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O (2)

Fig. 1 Schematic diagram of Urea-SCR system

2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O (3)

2.2

모델가스 실험장치

본 연구에서 사용한 모델가스를 이용한 촉매 반 응관 실험장치의 개략도는 Fig. 2와 같다. 촉매 반응 장치는 유량제어부(Mass Flow Controller), 반응관, 온도 제어부 및 측정부 등으로 구성되었다. 유량제 어부에서는 모델가스의 각 성분 가스의 유량이 오 리피스 마노미터에 의해서 측정되고 임의의 가스 몰 농도가 조절되며, 촉매의 온도 제어부는 변압기, 온도 컨트롤러와 가변저항기로 되어 있다.

모델가스가 반응관을 통과한 후 측정부로 송출되 고 농도 분석 장치에 유입되어 조성이 측정된다.

반응관 주위를 전기 히터로 가열하여 촉매층의 온도를 설정하였으며 촉매온도는 반응관 중앙에서

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Fig. 3 Major assembly part of SCR reactor

측정된다. 여기서 석영유리 반응관의 길이는 50mm, 내경은 12mm로 제작되었다.

또한, Fig. 3은 SCR 반응기의 주요 부품을 보여 주 고 있으며 데이터 수집 장비(Data Acquisition Equip- ment) 을 이용하여 데이터의 신빙성을 확보하기위 해서 세 지점 (T1, T2, T3)을 설정했고, 실험조건에 따 라 온도를 제어할 수 있도록 하였다.

2.3

실제 엔진 시험장치

Urea-SCR 시스템의 성능테스트를 하기 위해서 터보차져와 인터쿨러가 장착된 대형디젤기관을 이 용했다. Fig. 4는 엔진의 전체 이미지를, Table 1은 해 당 엔진의 제원을 각각 보여준다.

Fig. 4 Image of test engine

Table 1 Engine specification

Items Specifications

Type 6 Cylinder

Fuel injection type DI

Fuel control type Electronic control system Compression ratio 17.5 : 1

Displacement(cc) 11.945

Bore(mm) × Stroke(mm) 130 × 150 Max power (ps/rpm) 330/2,200 Max torque (kg.m/rpm) 126/1,500

Injection timing BTDC 11°

3.

실험방법

3.1 SCR 촉매 실험

SCR촉매에 관한 근본적인 성능을 관찰하기 위해 서 실제 엔진 시험 전에 모델가스를 이용한 SCR 반 응기 시험이 이루어졌다. 환원제(NH3)의 양적제어 는 분사모듈에 달라지기 때문에 SCR 촉매의 성능 은 분사모듈의 종류에 따라 달라진다. 따라서 SCR 촉매 성능을 평가하기 위해서 암모니아 가스가 사 용되었다. 암모니아 가스는 NOx와의 1:1 몰 당량비 로 분사되었고 다음의 3가지 변수 측면에서 검토 되 었다.

- 배기가스 온도 영향

SCR촉매의 표면온도가 200°C 미만인 경우 SCR 촉매는 암모니아 기를 흡수를 하지 않는다. 일반적 으로 SCR 촉매의 light-off 온도는 200°C~400°C 구 간에서 이루어진다. 따라서 열 조절은 이 구간의 배 기가스에서 이루어졌다.

- 공간속도(Space velocity)의 영향

SCR 촉매의 성능은 배기 덕트에서 흡수된 암모 니아와 질소산화물 사이에서 반응하기에 충분한 시 간이 필요하기 때문에 공간 속도에 의해서 영향을 받는다. 공간속도의 영향을 고려한 식은 다음과 같 다.⁶⁾

) (

min) / ) (

( ¹ ₃

m Catalyst of Volume

L Gas Ehaust of Rate Flow h Mass

SV ⁻ =

- Aspect Ratio(AR)의 영향

Aspect ratio는 단면의 가로길이에 대한 높이로 나 타내며 이러한 기하학적인 형상이 배출가스 질소산 화물(NOx) 과 암모니아(NH3)가 반응하는데 걸리는 시간에 영향을 주는데 이는 기하학적인 형태에 따 라서 촉매 내부 유동의 마찰력이 증가하기 때문에 SCR 촉매의 성능에 직접적인 영향을 미치는 주요 원인이 된다.

3.2

분무 가시화 실험 및 전산유체 해석 우레아 분사시스템에서 온도와 압력 따른 우레아 액의 분무 형상을 고속 카메라를 이용해서 가시화

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Doo Sung Baik․Seang Wock Lee

했다.

또한 우레아 인젝터에서 얻어진 최적의 조건에 서 배기 덕트와 인젝터의 위치 각도에 따른 영향을 파악하기 위해서 전산유체해석이 적용되었다. 유 동해석은 질량과 운동량의 원리에 의해서 이루어 졌다. time-averaged 레이놀드 방정식과 난류모델을 이용하여 배기 덕트로 유입되는 우레아 분무의 확 산과 무화의 현상을 해석하기 위해서 상용프로그 램인 Fluent 6.2을 이용했다.⁷⁾ 계산 격자의 수는 500,000 정도이었고 적용된 분사 조건은 Table 2에 서 요약했다.

Fig. 5 Set-up of spray visualization for urea solution

Table 2 Injection conditions for numerical simulation

Models Parameters

Solid cone injection 28 degree cone half angle Combined

Kelvin-Helmholtz(KH) and Reyleigh-Taylor(RT)

B0=0.61 B1=18 C3=2.5 Initial droplet diameter 0.3 mm Fuel injection temperature 50°C

Aerodynamic drag Dynamic drag coefficient

Injection velocity 30m/s

Number of injected particle streams 100 parcels per time step

Time stepping 0.1 ms

Turbulence Standard k-ε model

Density Ideal gas

3.3

엔진 실험

AC 엔진 동력계(AFA DYNO, 420KW)가 이용되

Fig. 6 ND-13 (ESC) driving mode

었고 엔진 테스트는 ND-13(ESC) 모드에서 이루어 졌다(Fig. 6). 배기가스 온도, 동력, 토크, 연료소비율 을 측정하기 위해서 AVL 사 측정 장치가 적용되었 고 배기가스를 측정하기 위해서 HORIBA 분석기 (MEXA-7200DEGR)를 이용했다.

4.

결과 및 고찰

우레아 분사시스템을 이용한 액체 우레아 분무는 다양한 압력과 온도에서 가시화하였다(Fig. 7). 가시 화 시험 시의 대기 조건의 온도 및 압력은 각각 30°C 와 1bar였다. Fig. 7에서 수평선은 액체 우레아가 무 화를 시작하는 지점을 나타내고 수직선은 우레아가 확산되는 정도를 보여준다. 따라서 수직선과 수평 선이 이루는 분무 각도에 대한 평가는 매우 중요하 다. 액체 우레아 분무 형상에서 최적의 무화와 확산

Fig. 7 Visualizing images at 10ms after start of injection

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The Performance Test of SCR System in a Heavy-Duty Diesel Engine

조건은 온도가 50°C이고 압력이 8bar로 확인할 수 있었지만 우레아 인젝터의 내구성에 따른 연료 펌 프의 한계성에 의거해서 분사 최적조건을 50°C와 6bar로 설정되었다.

인젝터는 배기가스 덕트로 배출되는 배기가스에 수직, 수평방향 혹은 반대 방향의 3가지 경우에 대 해서 검토되었다(Fig. 8). 액체 우레아는 A와 B의 경 우 즉시 분무가 형성되지 않았다. 더욱이 분무위치 에서 30cm 떨어진 곳에서 확산이 널리 분포되지 않 았다. C의 경우는 무화가 일찍 시작되어 A와 B의 경 우보다 확산 범위가 넓었다.

SCR 촉매의 정화 효율에 있어서 공간속도, 온도 및 기하학적인 형상(AR)은 매우 중요한 요인이 된 다. Fig, 9와 10은 공간속도, AR의 변화에 따른 온도 와 질소산화물(NH3)의 정화 효과를 보여주고 있다.

SCR 촉매의 온도가 증가함에 따라 NOx 정화 효 율은 확연하게 증가하는데 이는 촉매가 활성화되기 때문이다. 반면에 암모니아(NH3)와 질소산화물(NOx)

Fig. 8 Locations of an injector and an exhaust duct

Fig. 9 The effect of temperature on SCR (AR 1:1, SV = 3000

~10,000)

Fig. 10 The effect of temperature on SCR (AR 1:2, SV = 3000~10,000)

가 반응하는데 걸리는 시간 때문에 공간속도(SV)의 증가 시 질소산화물(NOx)의 정화 효율은 감소한다.

배기가스의 속도가 빠를 경우 SCR시스템에서는 상 당한 조절이 요구되지만 배기온도 350°C 이상의 경 우는 공간속도에 대한 의존도가 없이 거의 90% 이 상으로 일정하다는 것을 알 수 있다.

AR의 증가는 촉매 입구의 횡단면적의 감소를 길 이에 있어서는 증가를 의미한다. SCR 촉매의 입구 의 횡단면적에서의 감소는 유속을 빠르게 하며 암 모니아가 질소산화물과 반응할 시간을 감소시킨다.

또한 길이를 증가시키면 반응하기에 충분한 시간을 부여하게 된다. Fig. 9와 10에서 AR이 커질수록 질 소산화물의 정화효율은 향상됨을 알 수 있다.

Fig. 11은 ND-13 모드에 있어서 최적의 우레아 분 사량에 따른 질소산화물((NOx)의 양을 각각의 모드 에서 SCR 촉매의 유․무에 따라 나타내었다. 질소 산화물에 비례하여 최적의 우레아 량이 다양하게 분포되었다. 그러나 최적의 우레아의 량은 엔진 부 하가 증가할수록 증가했다(모드 2, 6, 8, 10의 경우).

Fig. 11 NOx emission in ND-13 mode

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백두성․이성욱

Fig. 12 NOx conversion efficiency in ND-13 mode

이 경우에는 암모니아(NH3) 슬립 현상을 초래 할 수 있기 때문에 고부하의 경우는 우레아 분사에 대해 서 좀 더 정밀한 제어가 요구된다. 이와 같이 우레아 분사량은 엔진 부하에 영향을 받지만 SCR 촉매의 정화 효율은 엔진 속도에 의해서도 영향을 받는다.

Fig. 12를 보면 고속도 모드(모드 10, 11, 12, 13)에서 정화 효율은 떨어짐을 알 수 있다. 이는 SCR 촉매 셀 의 고속 공간속도에 기인한 암모니아(NH3)와 질소 산화물(NOx)의 짧은 반응시간에 연유된다.

한편 SCR 촉매는 배기가스 저감이라는 면에서 는 중요한 역할을 하지만 엔진의 기본적인 평가 즉 성능테스트 면에서 재평가를 해야 한다. Fig. 13, 14, 15는 SCR을 적용 시 엔진 동력, 토크 및 연료소비율 에 대한 비교 데이터를 보여 주고 있다. SCR 촉매를 적용 시 배압이 증가하여 동력, 토크 및 연료소비율 은 전체적으로 보아 5% 미만으로 평가됨을 알 수 있었다.

Fig. 13 The effect of SCR on engine power

Fig. 14 The effect of SCR on engine torque

Fig. 15 The effect of SCR on specific fuel consumption

Fig. 16 The effect of SCR on emissions

Fig. 16은 SCR을 적용시 배기가스(NOx, PM, CO, NMHC) 에 미치는 영향 즉 저감효과를 정량적으로 나타냈다. 각 모드별 우레아 양을 맵핑한 후 얻은 총 배출량을 베이스 엔진 성능과 비교한 그림들이다.

NOx 총 배출량은 장착 전․후와 비교하여 약 42%

의 저감 효과가 있었고, 배기가스 중 HC와 CO는

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Fig. 17 View of deposits

SCR 전단에 설치된 DOC 촉매의 산화작용으로 인 해서 평균적으로 각각 27%와 19% 정도 감소했다.

또한 상당량의 PM이 급격히 증가했는데 이는 배기 관내에 축척된 슬립된 상당량의 암모니아에서 연유 되었다(Fig. 17).

5.

결 론

본 연구를 통해서 우레아 분사시스템의 가시화, 분사위치, 최적 분사량 제어에 관련된 연구를 기초 로 한 우레아용 SCR 시스템을 개발하여 대형 디젤 에 적용하여 SCR 적용 시 기관성능 배출가스에 미 치는 영향에 관해 전반적인 연구를 수행하여 다음 과 같은 결론을 얻었다.

1) 모델가스실험을 통해서 촉매의 활성화 온도를 확인했고, 공간속도(SV)가 낮을수록, AR이 커 질수록 질소산화물(NOx)의 정화 효율이 증가했 고, 배기 속도도 중요한 인자임을 확인할 수 있 었다.

2) 최적의 우레아의 량은 엔진 부하가 증가할수록 증가하기 때문에 암모니아(NH3) 슬립 현상을 초 래 하여 deposit의 급격한 증가를 초래한다. 따라 서 고부하의 경우는 우레아 분사에 대해서 좀 더 정밀한 제어가 요구된다. 혹은 암모니아(NH3) 슬 립 방지용 2차 산화촉매장치(DOC)를 장착할 필 요성이 제기된다.

3) 엔진 성능시험에서 SCR촉매를 장착함으로써 엔

진 출력, 토크 및 연료 소비율은 최대 5% 미만으 로 엔진 성능에 그다지 심각하게 영향을 주지 않 음을 확인할 수 있었다.

후 기

본 논문은 2008년도 대진대학교 학술연구비지원 에 의한 것임.

References

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2) R. Acharya, M. Alam and A. L. Boehman,

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3) H. Suzuki and H. Ishii, “Emission Charac- teristics of a Urea SCR System under Catalysts Activated and De-Activated Conditions,” SAE 2006-01-0639, 2006.

4) K. Hirata, N. Masaki, H. Ueno and H. Aka- gawa, “Development of Urea-SCR System for Heavy-Duty Commercial Vehicles,” SAE 2005- 01-1860, 2005.

5) S. Saito, R. Shinozaki, A. Suzuki, H. Jyoutaki and Y. Takeda, “Development of Urea-SCR System for Commercial Vehicle-Basic Charac- teristics and Improvement of NOx Conversion at Low Load Operation,” SAE 2003-01-3248, 2003.

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7) Fluent User's V. 6.2 Manual, Fluent Research Co., 2003.