Cu-Zeolite 촉매는 SCR 활성화 온도가 낮아 냉간 운전 및 초기 운전 조건에서 NOx 저감 성능이 우수합니다. Cu-Zeolite 촉매는 암모니아 흡착량이 많아 SCR 제어에 유리합니다.
연구 배경
현재 SCR 촉매로는 가격경쟁력이 높은 바나듐계 촉매가 사용되고 있으나, 저온에서의 소거효율이 상대적으로 낮고 촉매에 저장된 NH3의 양이 적어 요소주입 제어가 어렵다. 규제 요건인 PM과 NOx를 모두 줄이기 위해 DPF와 SCR을 모두 설치하는데, 일반적으로 SCR은 DPF 뒤에 설치되어 비교적 낮은 온도에서 작동됩니다. Cu-zeolite 촉매는 상대적으로 가격 경쟁력이 떨어지나 저온 활성이 우수하고 NH3 흡착량이 매우 높아 NH3 슬립량이 적어 요소수 주입 조절이 용이하다.
연구 동향
- 엔진 벤치실험 장치
- 배출가스 분석 장비
- Urea Dosing System
- Urea-SCR Controller
- DOC-DPF System
- SCR System
이에 SCR 내부의 NH3 흡탈착 특성에 대한 연구를 진행하여 미끄러짐을 방지하는 기술을 연구하고 있으며, 포워드 컨트롤러를 이용하여 NOx 및 NH3 배출을 허용 범위 내로 제어하는 연구를 진행하여 완성도를 높이는 연구를 진행하고 있다. 두 값의 제어가 수행되는 동안 피드백 제어기를 사용하여 다른 외란 값의 제어.. 또한, 배기가스 내 NO와 NO2 비율, 내부 SCR 온도, 엔진 속도가 NH3 슬립과 NOx 소거 효율에 미치는 영향을 연구했습니다. 정화 효율 증가와 NH3 슬립 감소를 동시에 만족시키기는 어렵다.
실험방법
- 요소수 분사 매핑 실험
- 요소수 분사 제어로직
- 엔진 벤치실험
- SCR 실험
SCR의 성능을 검증하기 위해 SCR 온도와 엔진 rpm에 따른 요소수 최적 분사량 실험을 수행하였다. SCR 실험에서는 SCR의 온도가 가장 큰 영향을 미치기 때문에, 엔진 속도와 SCR 온도에 따라 요소수 분사량을 변화시켰을 때 NOx 정화율이 어떻게 나타나는지 실험을 진행하였다. 위의 엔진 벤치 테스트를 수행하면서 엔진의 전체 작동 범위에 걸쳐 배기가스 및 온도를 측정했습니다.
엔진벤치에서의 실험을 통해 엔진의 작동범위를 확립하였다.
기초 실험
요소수 분사 매핑 실험
MEXA-1400을 이용하여 SCR 후면에서 암모니아가 배출되는 것을 확인하였다. 정속 주행 조건에서의 결과를 보면, 요소수를 너무 많이 주입할 경우 NOx 정화 효율이 더욱 높아질 수 있는 것으로 나타났다. 반면, Cu-Zeolite SCR의 경우 요소수를 과도하게 주입하면 바나듐 SCR과 마찬가지로 향상된 NOx 정화 성능을 얻었으나 암모니아 슬립이 발생하지 않았다.
정속주행 테스트에서 분사량별 정화효율 실험 결과를 바탕으로 모드 테스트에서의 요소수 분사 제어 로직을 구축하였다.
Mass Air Flow 센서 검증 실험
엔진 벤치실험
엔진출력 및 토크 결과
모드시험 운전 영역 분포
SCR의 NOx 정화 효율에 가장 중요한 변수인 SCR 온도를 각 운전 모드별로 측정하였다. SCR의 전면과 후면에서 각각 배기가스 온도를 측정하고, 그 평균값을 SCR 온도로 간주하였다. SCR의 요소수 주입 기준인 SCR 온도 200℃ 이하에서는 요소수가 주입되지 않아 NOx 저감이 이루어지지 않습니다.
따라서 해당 면적의 길이는 전체 NOx 정화 성능에 큰 영향을 미친다.
SCR 실험
Vanadia-SCR의 정화성능 특성 연구
그림 4~7은 정율조건에서 V-SCR의 온도별 정화효율 특성시험 결과를 나타낸 것이다. 이는 저온 조건에서 Vanadium-SCR의 낮은 촉매 활성 때문인 것으로 보입니다. 또한, 저온에서 요소수의 가수분해 반응이 적어 암모니아 생성율이 감소하기 때문일 수도 있다.
이는 SCR 내부의 유량이 증가하고, 암모니아와 NOx가 반응할 시간이 부족했기 때문인 것으로 판단된다.
Cu-Zeolite SCR의 정화성능 특성 연구
200℃ 조건을 제외한 모든 온도 조건에서 전체적인 세정효율이 높아 모터 회전속도, 즉 공간속도에 따른 경향을 확인하기 어려웠으나 Fig. 암모니아 슬리피지의 경우 Cu-Zeolite SCR의 높은 암모니아 흡착으로 인해 ANR 1.0 이상의 고주입율 실험에서도 암모니아 슬리피지가 발생하지 않음을 확인하였다. 4-10 Cu-Zeolite SCR 소거 효율 특성 대 엔진 rpm.
200℃ 조건을 제외한 다른 온도 조건에서는 엔진 회전속도, 즉 공간속도에 따른 경향을 확인하기 어려웠다.
V-SCR과 Cu-Zeolite SCR 촉매 특성 비교
배출가스 측정 실험
모드 시험에서의 V-SCR 배출가스 측정 결과
암모니아 슬립이 발생한 후 요소주입을 중단하였음에도 불구하고 암모니아 슬립은 최대 120ppm에서 빠르게 고갈되었으며 이후 Cold WHTC가 끝날 때까지 20ppm 이내에서 지속적으로 고갈되었다. N2O 배출은 암모니아 슬립이 발생하기 시작하면서 함께 배출되기 시작하여 WHTC가 끝날 때까지 150ppm 범위까지 계속 배출되는 것으로 나타났다. NH3 슬립과 N2O 배출은 저온 WHTC 조건과 동일한 경향을 갖는 것으로 나타났습니다.
Cold WHTC와 마찬가지로 암모니아 슬립 발생 후 요소수 주입을 중단하였음에도 불구하고 암모니아 배출은 약 140ppm에서 정점을 이루다가 약 20ppm 내에서 계속 발생하였다.
모드 시험에서의 Cu-Zeolite SCR 배출가스 측정 결과
암모니아 드리프트의 양은 전체 작동 범위 내에서 1ppm 이내로 나타났으며, 이는 측정 장치의 오차 범위 내에서 작동하고 있는 것으로 추정됩니다. WHSC 모드에서는 NOx 배출 특성도 NO가 가장 많이 배출되고 NO2는 거의 배출되지 않는 WHTC 모드와 유사하였다. WHSC 모드 1은 아이들 상태에서 작동하기 때문에 요소수 분사 후 배기가스 온도가 낮아 소기 효율이 점차 감소한다.
N2O의 방출은 WHTC 모드와 유사하게 약 10ppm 범위 내에서 이루어집니다.
해당 지역에서 수행되는 상태 테스트를 위한 우레아 주입 제어 로직을 구성하기 위해 정속 주행 테스트를 수행하였다. 고온구간에서 NOx 저감성능의 차이는 요소주입량의 차이로 나타난다. 34;디젤 엔진 SCR 시스템을 위한 모델 기반 매개변수 최적화.” 국제 자동차 기술 저널 14, no.
34; Modeling the Ammonia Adsorption-Desorption Process over a Fe-Zeolite Catalyst for SCR Automotive Applications.” Catalysis Today.
