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문제 정의
- 본 연구에서는 디젤자동차의 냉시동시 초기 HC, CO 저감을 위한 배기매니폴드형 촉매 WCC (Warm-up Catalytic Converter)와 하부촉매 UCC (Underbody Catalytic Converter)를 장착한 배기 후처리 시스템의 초기 및 열화 후 성능 평가를 연구목적으로 하고 있다.
제안 방법
- 1과 같이, 실험실의 편의상 실제 자동차에서의 장착위치와 다르게 배기매니폴드로부터 약 hn 거리에 WCC를 장착하였고, WCC와 UCC* 약 hn의 거리를 두고 장착하였다. 그리고 배기매니폴드에서 WCC까지 의 배기 열손실을 줄이기 위해 배기관을 단열 처리하였다. 그리고 각 촉매의 입 .
- 엔진의 상세한 사양은 Table 1에 나타내었다. 엔진 동력계(Fuchino, ESF-600)는 440 kW/4000rpm의 와전류형(Eddy-Current type)을 사용하였고, 배출가스 분석기(Horiba, MEXA-9100 DEGR)는 직접 샘플링 방식의 자동차용 가스 분석기를 사용하였다. 배출가스 분석기(Horiba, MEXA- 9100DEGR)는 CO와 CO2분석에는 비분산 적외선 분석기 (NDIR : Non Dispersive Infrared), THC분석에는 불꽃이온검출법 (FID : Flame Ionization Detector), 그리고 NOx 분석에는 화학발광법 (CLD : Chemiluminescence Detector)을 채택하고 있다.
- 엔진 벤치열화 모드는 각 엔진 회전속도에 엔진 출력을 변화시켜 일정한 온도를 유지하였다. 엔진 벤치열화 모드는 1시간 4단계의 운전 조건으로 각각의 촉매를 20, 40, 60, 80시간 열화를 실시하였다. 이러한 열화조건에서 20 시간의 벤치 열화는 실차 20, 000 km 주행 열화조건에 해당한다11)
- 열 화시간에 따른 촉매의 정 화특성을 파악하기 위해 엔진 벤치열화를 실시하였다. 촉매 의 열화모드는 참고문헌11)에 나타내었다.
- 디젤 엔진 시험용D-15모드의 운전 특성은 참고 문헌11)에 나타내었다. 촉매의 정화성능eD-15모드 의 엔진 안정화 기간을 유지 한 후 배출가스의 농도를 측정하여 나타내었다. 정화율은 촉매의 입(in), 출구(out)에서 배출가스 농도(A)를 측정하여 다음 식으로 계산하였다.
- 그리고 각 촉매의 입 . 출구에 샘플관을 장착하여 배출가스 성분과 매연 농도를 각각 측정하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 촉매는 (쥐오덱(Ordeg)에서 제조한 것을 사용하였다. 촉매 담체는 67 cell/cm2(400 cell/in?)의 허니컴 모노리스(honeycomb monolith)형 으로 촉매 사양은 Table 2와 같다.
- 본 실험에서 사용된 엔진은 배기량 2903cc의 고속직접 분사식 디젤 엔진(High Speed Direct Injection Diesel Engine)이다. 엔진의 상세한 사양은 Table 1에 나타내었다.
- 1에 나타내었다. 실험장치는 디젤엔진, 배출가스 분석계, 동력계 그리고 데이터 기록기 등으로 구성되어 있다. 엔진의 연료와 냉각수의 온도는 온도조절기에 의해 조절되고, 엔진의 운전 조건은 동력계에 의하여 제어된다.
- 본 실험에 사용한 촉매는 (쥐오덱(Ordeg)에서 제조한 것을 사용하였다. 촉매 담체는 67 cell/cm2(400 cell/in?)의 허니컴 모노리스(honeycomb monolith)형 으로 촉매 사양은 Table 2와 같다. WCC는 싱글 브릭(single-brick), UCC는 듀얼 브릭(dual-brick)으로 구성되어 있다.
이론/모형
- 본 실험에 사용된 시험모드는 자체 개발한 D-15 모드를 채택하였다. D-15모드는 대도시에서 디젤 자동차의 운행 중에 가장 높은 비율로 운전되어지고 있는 엔진회 전수 및 부하를 고려하여 만든 모드이다.
성능/효과
- 1) 디젤엔진 배기 매니폴드형 촉매와 하부촉매를 장착한 배기후처리 시스템에서 THC 정화율은, WCC에서 전체 THC 배출량의 약 10~50%까지 제거할 수 있었으며, UCC에서 30~40%를 제거할 수 있었다.
- 2) 엔진 냉시동 후 초기에 해당하는 1모드에서 fresh 촉매의 경우, 촉매 워시코트 중의 Y 및 Z zeolite의 미연탄화수소의 흡착으로 인하여, 전체 시스템에서 약 64%, WCC에서 약 35% 정도의 정화율을 나타내었다.
- WCC에서의 THC 정화율은 2, 5, 7 모드를 제외하고 27~46%의 정화율을 나타내고 있다. 2, 5, 7 모드의 전체 촉매의 정화율은 약 40%의 정화율을 나타내고 있으며, WCC에서의 정화율은 10%미만으로 나타났다. 이때의 WCC 입구의 배기온도는 146℃, 155℃, 175℃로 배기온도가 낮아짐에 따라 정화율도 낮아지는 경향을 가지고 있다.
- 3) CO는 WCC에서 전체 정화율의 약 80~90% 정도가 정화되고 있으며, UCC 에서 나머지 10-20% 정도 정화가 되어, WCC에서 높은 CO 정화율을 나타냈다.
- 4) 본 실험에 사용한 촉매의 CO 활성온도(LOT80)는 약 190℃이며, WCC에서 높은 SV(약361,000 1/h)의 영향으로 정화율이 감소하였다.
- 5) WCC와 UCC를 장착한 촉매 시스템의 열화에 의한 영향은 WCC의 경우 20시간 열화시 fresh 촉매보다 정화율이 향상되는 경향을 보이지만, 80시간 열화에 의한 THC와 CO의 정화율은 각각 15%, 18% 정도 감소하였다.
- CO의 경우 배기매니폴드 근접촉매(WCC)의 효과가 확실히 나타나고 있다. CO는 3, 4, 6, 10, 11 모드에서 80%이상의 정화율을 보이고 있으며, 5모드에서 정화율이 떨어져 40%까지 감소했다. 이때의 배기온도는 3, 4, 6 모드에서 200℃ 전후이고, 5모드에서 155℃이다.
- 2는 D-15모드에서 엔진의 배출가스 특성을 나타냈다. THC 의 배출 특성 은 저속, 저부하의 엔진 운전조건인 5, 7, 10, 11모드에서 그 배출량이 증가하고, 고속 고부하 영역에서는 THC의 생성이 감소하는 것을 알 수 있다. CO의 배출특성은 THC와 비슷한 경향을 나타내고 있다.
- 이후 12모드까지 80%이상의 정화율을 나타내 다 가 12모드 이후부터는 정화율이 점차적으로 감소하였다. 가장 높은 CO 정화율을 보인 곳은 11모드로 86%의 정화율을 보였다.
- 위 결과로 CO는 전체 정화율의 대부분이 WCC에서 정화가 되어, WCC의 효과가 확실히 나타나고 있다. 그리고 본 실험에 사용한 촉매의 CO 활성온도(LOT80)는 약 190℃이며, WCC에서의 경우 매우 높은 SV의 영향으로 반응 시간이 짧아져 정화율이 감소된 것으로 판단된다.
- 따라서 엔진 냉시동 후 초기상태에 해당하는 1모드에서 WCC가 전체촉매 정화율의 약 60%, 즉 전체 THC 배출량의 35%를 정화할 수 있는 결과를 나타냈다. 또한 전 모드에서 전체촉매의 정화율 중 UCC가 차지하는 비율은 약 30-40% 정도로, 이는 WCC가 전체 THC 배출량의 약 10~50%까지 제거할 수 있다는 것을 알 수 있다.
- 6과 7에서와 같이, 고농도와 저온의 배기가 1차적 으로 유입되는 WCC의 7모드 이하의 영역에서는 PM이나 soot의 물리적 흡착에 따른 열화의 영향이 크게 나타나고, 저농도와 고온의 배기 조건인 8모드 이상에서는 촉매 표면의 재생이 원활하여 정화율이 높게 나타난 것으로 보인다. 또한 WCC 보다 체적이 크고 열화 조건이 완화된 UCC에서, 촉매 표면의 열화와 재생이 진행되는 속도와 강도가 감소하여 전체 모드에서 정화율의 변화가 작은 것으로 판단된다.
- 따라서 엔진 냉시동 후 초기상태에 해당하는 1모드에서 WCC가 전체촉매 정화율의 약 60%, 즉 전체 THC 배출량의 35%를 정화할 수 있는 결과를 나타냈다. 또한 전 모드에서 전체촉매의 정화율 중 UCC가 차지하는 비율은 약 30-40% 정도로, 이는 WCC가 전체 THC 배출량의 약 10~50%까지 제거할 수 있다는 것을 알 수 있다.
- 위 결과로 CO는 전체 정화율의 대부분이 WCC에서 정화가 되어, WCC의 효과가 확실히 나타나고 있다. 그리고 본 실험에 사용한 촉매의 CO 활성온도(LOT80)는 약 190℃이며, WCC에서의 경우 매우 높은 SV의 영향으로 반응 시간이 짧아져 정화율이 감소된 것으로 판단된다.
- 이때의 WCC 입구의 배기온도는 146℃, 155℃, 175℃로 배기온도가 낮아짐에 따라 정화율도 낮아지는 경향을 가지고 있다. 즉, Fig. 2에서 나타난 것처럼, 특정 엔진 운전 영역인 2, 5, 7 모드에서 불완전 연소에 의한 THC와 CO의 농도 증가, 그리고 배출가스 온도 감소에 의해 WCC의 정화율이 감소한 것을 알 수 있다. 전체촉매 에서 1 모드는 100℃ 이하의 저 온임 에 도 불구하고 정화율이 약 64%를 나타내고 있다.
- 그러나 8모드 이후에서 열화 전후의 정화율 차이는 크지 않으며, fresh 보다 오히려 높게 나타나는 경우도 있다. 즉, 전체촉매에서 10, 11모드에서는 열화 후의 정화율이 10%정도 감소하였으며, 14, 15모드에서는 열화 후 정화율이 열화 전보다 약간 높게 나타나고 있다. 이러한 열화의 영향은 WCC 의 경우를 보면 그 경향이 전체촉매와 거의 유사한 형태를 보이고 있으며 열화 시간별 정화율 차이가 조금씩 나타나고 있다.
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