Experimental Study on Characteristics of NO_X Reduction with Urea-Selective Catalytic Reduction System in Diesel Passenger Vehicle

<학술논문> DOI https://doi.org/10.3795/KSME-B.2017.41.4.269 ISSN 1226-4881(P rin t) 2288-5324(Online)

승용 디젤차량에서 Urea-SCR 시스템의 NO X 저감 특성에 관한 실험적 연구

박승원 ^* · 이성욱 ^* · 조용석 ^* · 강연식 ^*

* 국민대학교 자동차공학과

Experimental Study on Characteristics of NO X Reduction with Urea-Selective Catalytic Reduction System in Diesel Passenger Vehicle

Seungwon Park ^* , Seangwock Lee ^* , Yongseok Cho ^* and Yeonsik Kang ^*

* Dept. of Automotive Engineering, Kookmin Univ.

(Received October 11, 2016 ; Revised January 4, 2017 ; Accepted January 16, 2017)

Key Words: Passenger Diesel Vehicle(승용 디젤 자동차), Urea-SCR(요소수 첨가 선택적 환원촉매), NO X

(질소산화물), Exhaust Emission(배기가스), EURO- (유로-6, 배기가스 규제)

초록 : LNT(Lean NO X Trap), LNC(Lean NO X Catalyst), SCR(Selective Catalytic Reduction)과 같은 NO X 저감 기술은 상용차뿐만이 아닌 승용차량 성능향상을 위해 지속적으로 개발이 진행되고 있다. 특히 Urea-SCR 시스템은 연료손실 없이 이론상 100%에 가깝게 NO X 를 저감하는 가장 효과적인 기술로 환원반응으로 배기가스를 N 2 와 H 2 O로 배출하기 위해 환원제인 요소수를 분사해야한다. 하지만 엔진에서와는 달리 실 제차량에서의 적용은 SCR 효율이 떨어지게 된다. 따라서 실제차량에서의 SCR 효율을 극대화하는 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다. 본 연구에서는, Post EURO-6 배기가스 규제에 대응하기 위한 디젤승용 차량에서의 Urea-SCR의 NO X 저감 성능에 의한 저감효율의 극대화를 목적으로 실차용 Urea-SCR 시스템 위한 기초자료로 제시하고자 한다.

Abstract: NO X reducing technique such as LNT, LNC, and selective catalytic reduction (SCR) have been developed and applied, especially on heavy-duty vehicles. However, it is expected that NO X reduction techniques will also be applied to diesel passenger vehicles. The urea-SCR system is receiving attention as the most effective NO X reduction technology without a fuel penalty. Thus, many advanced countries are developing this technology. The urea-SCR system sprays an aqueous urea solution that separates NO X into N 2

and H 2 O, which are harmless and emitted into the atmosphere. The urea injected in front of the SCR catalyst should be changed to 100％ NH 3 , which is required for NO X reduction in the SCR system to maximize the reduction efficiency. The purpose of this study was to determine the basic data for the urea-SCR system to maximize the NO X reduction efficiency by understanding the NO X reduction characteristics in a real passenger vehicle to comply with the post EURO-6 emission regulation.

Corresponding Author, [email protected]

Ⓒ 2017 The Korean Society of Mechanical Engineers

1. 서 론

화석연료의 사용에 따라 환경오염의 가속화, 화석연료의 고갈 , 지구온난화 등의 문제로 인해 자동차 배출가스 규제가 점점 강화되고 있는 실 정이다 . 따라서 세계 여러 기업은 화석연료를 대

신할 수 있는 대체에너지 개발과 화석연료의 사

용량 및 배기가스를 저감할 수 있는 기술 개발에

초점을 두고 있다. 내연기관 중 디젤기관은 가솔

린기관에 비해 열효율이 높고 , 연료소비율이 낮

아 현재 및 미래의 동력원에서 가장 유효한 기관

중 하나임이 분명하다 . ⁽¹⁾ 하지만 디젤기관은 입자

상물질(PM)과 질소산화물(NO X )이 생성되는 단점

이 있어 Euro-6c, Euro-6d 등, ⁽²⁾ 점차 강화되는 규

Item Specification

Type 4-stroke DOHC, CRDI

Number of cylinders 4

Bore 85.4 mm

Stroke 96.0 mm

Displacement volume 2199 cc

Compression ratio 16.0:1

Firing order 1-3-4-2

Table 1 Specification of 2.2L CRDI R engine

Fig. 1 Schematic diagram of Urea-SCR system on engine bench test

제를 만족하기 위해서 DPF와 Urea-SCR (Selective Catalytic Reduction,이하 SCR)과 같은 배기가스 후처리 시스템의 개발 및 적용이 불가피 할 것으 로 예상되고 있다. 특히 강화되는 배기규제에 대 응하기 위한 가장 유리한 기술로 평가되고 있는 SCR은 유럽을 중심으로 중대형 상용차량에 적용 되고 있고 승용차량에도 적용이 되고 있다. SCR 기술은 이론상 100%에 가까운 저감 효율을 보일 수 있는 시스템이지만 , 실제차량에서의 저감 효 율은 실험적 기관에서의 환경과는 달라 저감율의 차이가 발생하게 된다 . 실제차량의 작동조건에서 SCR의 환원반응에 영향을 끼치는 배출가스 온도, 공간속도 (SV, Space Velocity), α ratio(NH 3 /NO X )와 같은 인자들이 어떻게 저감 성능에 영향을 미치 는지 파악해야한다 . ⁽³⁾

이에 본 연구에서는 승용 디젤 차량에서 Urea- SCR 시스템을 구축하고 엔진 회전속도 및 부하 에 따른 NO X 저감특성을 파악하여 NO X 저감율 을 최대화하고 실제 차량에서 Euro-6 이후의 규 제에 대응하기 위한 Urea-SCR 시스템 연구의 기 초자료를 제시하고자 한다 .

2. SCR에서의 NO X 환원반응

본 연구에서는 요소수를 환원제로 사용하는 Urea-SCR system을 사용한다. SCR 촉매 상에서의 NH 3 와 NO X 의 화학반응이 지배적이며 3가지의 주요 반응이 있다 . 각각 Fast, Standard, Slow 반응 으로 부르며 이 중에서 Standard 반응이 가장 중 요한 반응으로 식 (1)과 같다. ⁽⁴⁾

 _     _ →  _   _  (1) 식 (2)는 NO와 NO 2 가 NH 3 와 반응하는 Fast 반 응으로 매우 빠른 반응이다 .

 _     _ →  _   _  (2) 식 (3)은 NO 2 가 과도하게 생성되면 식 (2)에서 소모되고 남은 NO 2 가 반응에 참여하게 되는 반 응인 Slow 반응이다.

 _   _ →  _   _  (3) 그 외의 반응들로는 N 2 O를 만들어내는 반응으 로 식 (4)와 식 (5)가 있다.

 _   _ →  _    _  (4)

 _   _   _ →  _    _  (5) 이에 본 연구에서는 (1), (2), (3)의 3가지 반응 을 고려한 알고리즘에 맞춰 실험을 진행하였다 .

3. 실험장치 및 방법

본 연구에서는 Euro-5a 배출규제 기준을 만족 시키는 승용 디젤차량에 Urea-SCR 시스템을 적용 하여 기관 회전속도 및 부하 따른 승용 디젤기관 실험을 통하여 엔진 작동조건 및 배기가스 온도 변화로부터 NO X 저감특성과 저감효율 등을 파악 하고 실제차량에 설치 및 적용하였다.

3.1 실험 장치 구성

실험에 사용된 기관은 H사의 2.2L CRDI R

engine이며 엔진 실험을 통한 Urea-SCR의 성능

검증을 위한 실험 장치에 대한 계략도를 Fig. 1에

나타내었고 엔진의 제원은 Table 1에 나타내었으

며 , 엔진실험 결과를 통해 구축한 Urea-SCR

system을 실제차량에 설치하였으며, Urea injector

Fig. 2 The photo of Urea injection pipe of Passenger Vehicle SCR system

Fig. 3 The photo of Urea-SCR system on passenger diesel vehicle

Item Specification

Type Cu-CHA

Light-off temp.50 200°C

Diameter 5.66 in

Cell density 400 cpsi

Dry gain 200 g/L

Table 2 Specification of Cu-CHA catalyst

200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100

NO x conve rsi o ns [% ]

Temperature [

C]

135 g/L 200 g/L 135

200

Fig. 4 Perfomance curve of Cu-CHA catalyst

ECE15 EUDC

Fig. 5 The graph (V-T) of NEDC Mode 와 Urea pump는 B사의 Urea-SCR Dosing &

Supply module 2.2를 사용하였다.

다음은 실제차량에 설치된 SCR System의 모습 이다 .

Fig. 2는 실차에 장착하게 된 요소수 분사 배기 관의 모습이다 . 엔진의 DPF 후단부터 요소수 분 사지점까지의 형상을 CFD해석을 통한 해석형상 으로 제작하였다 . ⁽⁵⁾

외풍으로 인한 SCR 촉매의 온도손실을 방지하 고자 유리섬유인 세라크울을 사용하여 촉매와 인 젝터 pipe부분을 보호하였다.

다음은 실제차량에 SCR System을 설치한 모습 이다. Fig. 3은 차량하부에 설치된 SCR System의 전체적인 layout 모습이다.

다음으로는 실험촉매에 대한 내용이다.

Table 2는 실험에 사용된 촉매로 구리 이온교 환-CHA형 제올라이트 계열인 Cu-CHA 촉매의 제 원을 나타낸 것이고 Fig. 4는 촉매의 온도에 따른

NO X 저감 성능을 나타낸 것이다. 촉매의 활성화

온도는 약 200°C이며, 200°C 이후에 NO X 저감

성능이 급격하게 향상되는 것을 보인다 . 또한

Dry gain이 일반적인 제올라이트 계열의 촉매보

다 약 70g/L가 높은 200g/L로 촉매의 단면적활용

도가 높아 효율이 높은 것으로 나타난다.

ENGINE

Exhaust Gas - NO

Concentration

depending on Torque and RPM

Tailpipe - Emission gas SCR catalyst

Feedforward Controller → Depended on exhaust NO

Feedforward Controller

Engine speed Air flow Fuel Quantity

NO

NO

NH

SCR Observer

Feedback Controller Sensor

Estimated

Target Dosing

Module Urea

Feedback Controller → To control target coverage ratio( )

F.F Urea NO

F.B Urea

Determination the final dosing quantity

Dosing Module

Feedforward Urea Feedback Urea

Feedforward + Feedback Urea

= )

Fig. 7 Feedback control algorism for additional urea injection

Injector Catalyst

Mixer & Diffuser

Fig. 8 The photo of Engine installed SCR system on test bench

6 5 4 3 2 1 0

400 350 300 250 200 150 100 50 0

Fig. 6 Variation graph of Max α ratio that NH 3

slip is not occurred 3.2 실험 방법 및 조건

본 연구에서는 EURO-6 배기가스 규제를 타켓 으로 하기 때문에 엔진 및 실차실험의 기관 회전 속도 및 부하조건은 유럽의 승용디젤 배출가스 시험모드인 NEDC(New European Driving Cycle) Mode에서 실험을 진행하였다. NEDC Mode란, 유 럽에서 사용하는 주행 테스트 방식으로 ECE15 (시가지 주행, 195sec) 4번과 EUDC(고속주행, 400sec) 1번으로 총 11.0Km, 19분 41초(1181sec)로 구성되어 있다. ⁽⁶⁾

Fig. 5는 NEDC Mode의 구성을 그래프로 표시 한 것이다.

분사전략은 Fig. 6을 참고하여 1:1분사 기준, α ratio의 기준을 1.2로 설정하였다. ⁽⁷⁾

그리고 속도부하에 맞춰 촉매에 흡착되는 암모

니아양을 고려해 추가적으로 요소수를 분사하기 위한 Feedback control을 다음 Fig. 7과 같이 설정 해 분사하였다 .

4. 실험 결과 및 고찰

실험은 엔진동력계와 섀시동력계에서 진행하였다.

첫 번째로 Engine bench에서의 실험에서는 SCR system의 하드웨어와 소프트웨어를 검증하는 실험 을 진행하였고 , 두 번째로 실제차량(Santafe DM) 에 SCR system을 설치하여 Chassis Dynamometer 를 통해 실험을 진행하였다 .

4.1 Engine에서의 NO X 저감특성

Fig. 8은 Engine bench에 설치 된 SCR system의 모습이다.

θ : NH

의 촉매 흡착량

θ* : 측정된 NH

NO

in

NO

out

Fig. 9 The graph of NOX concentration at engine test bench

Exhaust Gas

Catalyst inlet

Fig. 10 The graph of emission temperature at engine test bench

Table 3 EURO-6 emission regulation & Experiment result by passenger vehicle SCR system

EURO-6 Regulation (C I)

Result by

Excluding SCR Result by Including SCR THC

[g/km] 0.091

NO X

[g/km] 0.08 0.146 0.051

THC+NO X

[g/km] 0.17 0.142

엔진에서 실험을 진행하여 하드웨어와 소프트 웨어를 검증하였다.

특히 , 소프트웨어에서는 분사전략과 분사시기 등이 중요한 변수로 작용되며 하드웨어에서는 Mixer와 Diffuser 등이 변수로 작용된다. ^(8,9)

다음은 엔진 실험결과 그래프이다.

Fig. 9는 NO X 저감을 ppm단위로 그린 그래프 이고, Fig. 10은 EGTS5(Engine out, 이하 EGTS5) 온도와 촉매전단 온도를 그린 그래프이다 .

Fig. 9에서는 촉매의 전단, 후단의 NO X 측정값 을 ppm 단위로 그린 그래프이다. NEDC 총 1181sec 동안의 NO X 배출량은 0.0587g/km로 EURO-6 배기가스규제의 NO X 배출기준을 만족하 는 결과 값을 보였다. ECE15구간에서는 촉매온도 가 약 200~250 로 촉매특성에 의해 약 70%에

가까운 저감율로 반응하고 있어 Transient에 대한 반응성이 Steady-State 상태보다 떨어지는 경향을 보인다 . 하지만 EUDC 주행구간에서는 촉매온도 가 최대 350 까지 상승하여 촉매가 최대 100%

의 효율을 발생하게 되므로 Transient에 대해서도 100% 가까운 저감을 보여주고 있다.

Fig. 10은 EGTS5와 촉매 전단의 온도를 그린 그래프이다. 적색 점선으로 표시되어 있는 선이 촉매 활성화 온도를 점선으로 표기한 것이다 . 첫 번째의 도시구간에서는 촉매온도가 낮아 촉매가 활성화 되지 못했지만 , 두 번째 도시구간부터 활 성화온도를 만족하여 SCR이 작용하게 된다.

4.2 Passenger Vehicle에서의 NO X 저감특성 다음은 실차에서 진행한 실험결과이다 .

Fig. 11은 Passenger vehicle에서 실험을 진행한

SCR system NO X & NH 3 concentration을 그린 그

래프이다. 파란색 단선으로 표시되어 있는 것이

NO

in

NO

out NH

out

Fig. 11 The graph of NO X & NH 3 concentration at passenger vehicle

Exhaust Gas

Catalyst inlet

Fig. 12 The graph of emission temperature at passenger vehicle

촉매 전단에서의 NO X ppm이고 주황색 실선으로 표시되어 있는 것이 촉매 후단에서의 NO X ppm 을 나타내고 있다. 회색 점선으로 표시되어 있는 것은 NH 3 ppm을 나타낸 것으로 NH 3 Slip량을 측 정한 것이다.

Fig. 12는 Passenger vehicle에서의 EGTS5와 촉 매전단온도를 그린 그래프이다. 적색 점선으로 표시 되어 있는 선은 마찬가지로 촉매 활성화 온 도를 점선으로 표기한 것이다. 그래프를 보면 ECE15 구간에서는 배기온도가 촉매 활성화 온도 보다 낮기 때문에 분사를 하지 않고, EUDC구간 부터 분사를 한다 . ECE15 구간에서의 배기온도가 촉매활성화 온도보다 낮기 때문에 요소수를 분사 하지 않은 상태에서의 촉매의 저감 효율을 보여

주고 있으며, EUDC구간에서는 요소수를 분사하 여 SCR system의 성능을 제대로 보여주고 있다.

Transient 반응에 대해서도 100%에 가까운 저감을 보여주고 있다 . 그래프에서의 NH 3 Slip은 NEDC 전 구간에서 최대 5ppm 이하의 값으로 거의 배 출이 안 되거나 극소량만의 NH 3 만 나오는 것으 로 보인다. 실험에 쓰인 SCR 촉매에는 AOC (Ammonia Oxidation Catalyst, 암모니아 산화촉매) 가 따로 부착되어 있지 않기 때문에 높은 최적화 정도를 나타내고 판단된다 .

Fig. 11을 보면 ECE15구간에서는 촉매의 활성 화 온도보다 낮은 상태에서 저감효율을 보여주고 있다. 이는 촉매에서의 Filter역활을 하고 있기 때 문으로 판단되고 상대적으로 적은 NO X in값도 작용을 했다고 판단된다. 또한 ECE15에서 온도의 peak 지점마다 소량분사를 실시해 촉매에 NH 3 가 흡착되도록 실시하였다.

Table 3은 Passenger vehicle에서 실험한 결과값 을 정리한 표이다. 측정값의 단위는 g/km를 기준 으로 정리하여 표의 왼쪽 값은 EURO-6 배기가스 규제, 승용디젤차량 부분의 기준 값이다. 가운데 의 값은 촉매 전단의 NO X 값을 표기한 것이고 , 오 른쪽의 값이 실차실험 결과 값이다.

EURO-6 승용디젤차량부분 배기가스 규제에서

THC에 대한 다른 기준은 없으나, THC+NO X 에

대한 규제 값으로 THC를 결정한다. NO X 는 규제

대비 37% 저감하였고, THC+NO X 는 규제대비

17%를 저감하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 승용디젤차량에서 Urea-SCR system을 구축하고 Chassis dynamometer에서 진행 한 NEDC 주행테스트 모드 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) Urea-SCR system에서 촉매의 효율을 높이기 위해 유동균일도를 높이는 배기관형상, Mixer와 Diffuser를 사용하여 NEDC 주행모드 실험을 통해 배기가스를 규제대비 NO X 는 37%, THC+NO X 는 17%를 저감할 수 있었다.

(2) SCR system의 하드웨어 등이 지배적인 영 향을 주었다고 보이며 , 촉매에서의 암모니아 흡 착률을 증가하기 위한 Feedback control의 추가적 인 분사로 SCR의 효율을 극대화 할 수 있었다.

(3) 본 연구를 통해 승용디젤차량에서 Urea- SCR system을 구축하는 자료로 제시하며, 앞으로 의 Post EURO-6c, d등 배기규제를 충족시키기 위 해한 앞으로의 실험 및 연구의 자료로 제시하고 자 한다.

후 기

본 논문은 2015년도 산업통상자원부 산업원천 기술개발사업의 지원(과제번호: 10039673)으로 진 행되었습니다 . 이에 감사드립니다.

(References) 참고문헌

(1) Han Y.-C. et al, 1998, "New edition of Internal Combustion Engine," pp. 170~203, 249~272.

(2) Park, S., 2016, “Worldwide RDE - NO X Investi- gation Status on Diesel Passenger Vehicles and Its Implication,” KSAE Workshop.

(3) Baek, Y., Kim, J., Park, S., Lee, S., Cho, Y. and Kang, Y., 2015, “An Experimental Study on Characteristics of NO X reduction and NH 3 slip with

Urea-SCR System in Passenger Diesel Engine,”

KSAE, pp. 303~308.

(4) Hong, K., Hwang, I. G., Myung, C.-L. and Park, S., 2009, “Investigation on the DeNO X Efficiency in Urea-SCR System at Various Operating Conditions and Injection Characteristics for a Passenger Diesel Engine,” Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 33, No. 12, pp. 952~960.

(5) Lim, J.-H., Yonn, Y.-B., Song, C.-S., Park, Y.-J., Lee, S.-W., Cho, Y.-S., Joo, J. G. and Kim, H., 2010, "A Numerical Analysis on Distribution of Reluctant with Mixer Application and Various Injection Method in Urea-SCR System," [J]. KSAE, pp. 419~424.

(6) "Emission Test Cycles: ECE 15 + EUDC / NEDC,"

dieselnet.com. July 2013. Retrieved 30 April 2015.

(7) Baek, Y., Kim, J., Park, S., Lee, S., Cho, Y. and Kang, Y., 2015, “An Experimental Study on Characteristics of NO X Reduction and NH 3 Slip with Urea-SCR System in Passenger Diesel Engine,”

KSAE, pp. 303~308.

(8) Song, M., Jeon, Y., Lee, S., Kang, Y. and Cho, Y., 2013, "A Numerical Study on the NO X

Reduction Rate Depending on the Flow Uniformity Index of NH 3 in front of the Catalytic Converter,"

[J], ILASS-Asica.

(9) KO, S., Jeung, J.-H., Oh, K., Kim, H., Lee, C.

and Lee, C., 2011, "A Study on the NO X

Reduction Rate and Fluid Mixing Characteristics Depending on the Mixer Configurations in Urea- SCR System," [J], KSAE, pp. 615~620.

(10) Seo, J., Lee, S., Cho, Y. and Kang, Y., 2012,

“A Study on Effect of NO X and NH 3 Emission Characteristics by Urea-SCR Model for Euro-6 Emission Regulation in Diesel Engine,” [J], KSAE, pp. 479~485.

(11) Nishiyama, H., Tanaka, Y., Adachi, T.,

Kawamura, S. and Daisho, Y., 2015, “A Study on

the Improvement of NO X Reduction Efficiency for

a Urea SCR System,” [J], SAE.