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차량의 배기규제가 강화됨에 따라, 디젤 차량에서 배출되는 입자상 물질(Particulate Matter, PM)이나 질소 산화물(Nitrogen Oxides, NOX)등 인체에 유해한 물질을 저감시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 입자상 물질 저감 장치(DPF-Diesel Particulate Filter)는 필터를 통해 배기가스중의 PM을 포집하였다가, 일정 조건에서 재생(...

차량의 배기규제가 강화됨에 따라, 디젤 차량에서 배출되는 입자상 물질(Particulate Matter, PM)이나 질소 산화물(Nitrogen Oxides, NOX)등 인체에 유해한 물질을 저감시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 입자상 물질 저감 장치(DPF-Diesel Particulate Filter)는 필터를 통해 배기가스중의 PM을 포집하였다가, 일정 조건에서 재생(Regeneration)을 통해 입자상 물질을 제거하는 장치이다. 또한, HC-SCR(Hydrocarbon Selective Catalytic Reduction)은 디젤 연료를 환원제로 하여 질소산화물을 저감하는 장치이다. 하지만 이러한 배기가스 저감 장치는 저온의 배기온도 조건에서 비교적 낮은 장치 효율을 보인다. 최근에는 이러한 장치에 수소를 첨가함으로써 저온의 배기온도 조건에서 장치 효율을 높이는 연구가 진행되고 있다. 입자상 물질 저감 장치에 수소를 첨가함으로써 비교적 낮은 온도인 230도에서 재생이 일어난다는 연구 결과가 있다. 또한 HC-SCR의 경우 환원제와 함께 수소를 첨가하면 질소산화물 저감 효율이 79%까지 증가한다는 연구결과가 있다. 따라서 차량에서 수소의 생성 및 배기가스 처리장치에 공급에 관한 연구를 진행하게 되었다. 본 연구에서는 촉매 부분산화 개질(CPOX reforming-Catalyst Partial Oxidation reforming)을 바탕으로, 디젤 연료의 개질을 통한 수소 및 일산화탄소의 합성가스를 생성하였다. 또한 개질을 통해 생성된 합성가스를 HC-SCR에 주입함으로써 질소산화물 저감 효율 상승을 확인하였다. 디젤 연료 개질을 통한 수소 생성 및 이의 배기가스 처리 장치에 공급을 위해 개질기 및 HC-SCR 시스템을 구성하였다. 실험에 사용된 개질 촉매의 성분은 1 wt% Rh/CeO2-ZrO2이며, 부피는 150cc, 300cc이다. 또한, HC-SCR 촉매의 성분은 2 wt% Ag/Al2O3이며, 5L 부피의 촉매를 사용하였다. 첫 번째로, 개질기의 장치 최적화 실험을 위해 엔진의 운전조건은 1500rpm, BMEP 4bar, 개질기로 들어가는 유량 100LPM, 촉매 부피는 150cc 그리고 촉매 전단 온도를 약 340℃로 설정하였다. 그리고 탄소원자와 산소원자의 비(C/O) 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4 조건으로 디젤 연료를 분사하였다. 인젝터와 개질촉매 사이의 거리를 각각 25cm, 50cm, 75cm로 설정하여 개질 후 합성가스의 생성 농도를 확인하였으며, 이 결과를 바탕으로 추가적으로 가스 혼합기를 촉매 전단 5cm와 인젝터 후단 5cm에 각각 설치하였을 때 합성가스 농도를 비교하였다. 마지막으로 촉매 부피가 150cc와 300cc일 때 합성가스 생성 농도를 비교하였다. 실험 결과 인젝터와 개질촉매 사이의 거리 50cm, 촉매 전단 5cm 가스 혼합기 설치, 촉매 부피 300cc의 경우 개질기의 장치 최적화 조건임을 확인할 수 있었다. 두 번째로, 장치 최적화 된 개질기를 바탕으로 촉매 전단의 온도에 따른 개질 반응 유무를 확인하였다. 촉매 전단의 온도를 각각 260℃, 280℃, 300℃, 320℃로 변화시키며 개질 반응을 확인한 결과 최소 280℃이상의 온도에서 개질반응이 안정적임을 확인할 수 있었다. 또한, 유량과 촉매 부피 변화에 따른 합성가스 생성 농도를 비교하였다. 개질 촉매 부피는 150cc, 300cc이며 유량은 각각 100, 200, 300, 400LPM의 조건에서 개질 반응에 의한 합성가스 생성 농도를 확인하였다. 실험 결과 공간속도 범위 20000h-1~160000h-1에서, 공간속도의 값이 증가할수록 촉매 내부에서 개질 반응 시간이 상대적으로 짧아져서 합성가스의 농도가 낮아짐을 확인할 수 있었다. 또한 낮은 공간속도 조건에서는 수성가스 전환 반응에 의해 수소 농도가 상대적으로 높아짐도 확인할 수 있었다. 세 번째로, HC-SCR에 환원제만 주입했을 때와 환원제와 합성가스를 함께 주입하였을 때 각각의 질소산화물 저감 효율을 비교하였다. 엔진 운전조건 2500rpm, BMEP 4bar-4bar에서 HC-SCR 전단의 온도를 250℃로 설정하였다. 환원제로서 디젤 연료는 C/N비 0, 3, 4, 5 조건으로 HC-SCR에 공급하였다. 또한 개질기로 들어가는 유량은 100LPM, C/O비는 0.6, 0.8, 1.0조건에서 합성가스를 생성하여 HC-SCR로 공급하였다. 실험 결과 HC-SCR에 환원제만 공급했을 때 보다 환원제와 개질가스를 함께 공급했을 때 질소산화물 저감 효율이 17.3%~56.7% 만큼 향상됨을 확인할 수 있었다. 또한 HC-SCR에 환원제와 함께 수소 모델가스를 주입했을 경우와 환원제와 합성가스를 주입했을 경우, 수소 농도에 따른 질소산화물 저감 효율 경향이 유사함을 확인할 수 있었다.

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