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문제 정의
- 2000년도에 상용화된 경유 승용자동차용 자연 재생방식 DPF시스템에 대한 PM재생 특성을 해석하고자, 이 DPF시스템이 부착된 경유 승용차를 대상으로 해서 약 1년 동안 80, 000km를 주행하면서 차량의 배기성능과 자연재생방식 DPF 시스템의 내구성능을 연구한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 2000년부터 첨가제방식매연 여과장치를 장착하여 본격적으로 상용.시판 중인 2.
- 또한 본 연구에서는 배출가스의 농도와 연비를 분석하기 위하여 80, 000km 운행 중간에 차대 동력계를 이용한 CVS-75 모드 시험을 수행하여 시험 차량의 배출가스 중 대기환경보전법에 의한 규제물질인 CO, THC, NOx, PM을 측정 . 비교하였다.
- 1은 시험 차량에 장착된 매연여과장치의 개략도를 나타낸 것이다. 본 시스템은 배기량 2.2 리터의 커먼레일 직접분사식 디젤엔진, 전단 촉매 (pre-catalyst), 산화촉매 (oxidation catalyst)와 DPF시스템으로 구성된 배기여과장치, 용량 5리터의 PM 재생보조용 Ceria(CeO2)based FBC(fuel borne catalyst)와 이의 저장.공급시스템 (dosing system) 그리고 배출가스 온도 및 압력을 측정하기 위한 고정밀도를 갖는 센서류 등으로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 상기 DPF시스템을 분석하기 위한 차량 주행시험방법으로서, 차대동력계 상에서의 CVS-75 모드(국내 공인 연비.배출가스 모드) 시험과 정속(75 및 100km/h) 주행시험을 포함한 실제 도로상에서의 장기 내구시험을 각각 수행하였다. 국내 대기환경보전법에 규정된 제작 자동차배출가스 인증시험모드인 CVS-75모드는 Fig.
- 상용.시판 중인 2.2리터 경유승용차를 대상으로, 자연 연속 PM재생방식의 DPF특성을 차대동력계와 실제 도로상에서의 내구시험과 함께 분석하였다. 특히 PM재생이 발생하는 영역 및 이의 영향을 배출가스 온도와 배압의 변화를 통해 분석하였으며, 또한 국내 계절변화 조건에서 총 80, 000km 차량 내구시험을 수행하여, 본 자연재생방식 DPF 장치의 실제 내구성능을 분석하였다.
- 2리터 경유승용차를 대상으로, 자연 연속 PM재생방식의 DPF특성을 차대동력계와 실제 도로상에서의 내구시험과 함께 분석하였다. 특히 PM재생이 발생하는 영역 및 이의 영향을 배출가스 온도와 배압의 변화를 통해 분석하였으며, 또한 국내 계절변화 조건에서 총 80, 000km 차량 내구시험을 수행하여, 본 자연재생방식 DPF 장치의 실제 내구성능을 분석하였다.
대상 데이터
- 9에 나타내었다. 이를 위해 본 연구에서는 정속 운전 중에 PM 재생이 일어나는 경우인 Fig. 7의 데이터를 사용하였다. 본 시험 차량의 PM 재생 여부는 차량에 장착된 자연재생방식 매연여과장치 전.
성능/효과
- (1) PM 재생여부는 배출가스 유량과 DPF 차압의 2차원 맵을 이용하여 분석하였으며, PM이 재생될 때 매연여과장치 전단의 배기 최고온도는연료후분사와 산화촉매에 의해서 약 450-5001: 까지 상승함을 알 수 있었다. 또한 PM 재생에 소요되는 시간은 차량 운전조건에 따라 변하였으며, 정속 운전인 경우, 약 350초, 시가지 운전인 경우에는 약 800초 정도 소요됨을 알 수 있었다.
- (2) 시험차량의 THC, CO, NOx는 기존 국산 디젤 RV차량의 실험치(Eom et al., 1999)的와 비교해볼 때, 비슷한 배출농도를 나타내었으나, PM의 경우, 시험 주행기간동안에 약 1/10 이하로 배출됨을 알 수 있었다. 그리고 PM 재생시, 모든 배출가스의 농도는 증가하는데, 이는 추가적인 연료 후분사에 따른 과농 연료의 연소에 기인하는 것으로 판단된다.
- (3) 그리고 PM 재생시에는 연료 후분사로 인해 연료 소모량이 본 연구의 시험 주행기간동안 약 14% 악화됨을 알 수 있었다.
- 후단 차압의 관계를 나타낸 것이다. PM 재생이 있는 경우와 없는 경우를 비교하였으며, PM이 재생되는 경우, 연료 후분사에의해 배기유량과 차압이 동시에 증가함을 알 수 있었다.
- 후단의 차압이 높게 나타나며, 재생기간중에는 연료 후분사에 따라 배출가스 체적유량이 증가함을 알 수 있었다. 그리고 동일한 배기유량에서 재생 초기에는 차압이 높았다가, 재생 말기에는 차압이 감소되어 연료 후분사를 종료함으로써, PM 재생과정을 마치게 됨을 알 수 있었다.
- 이 두 그림으로부터 차량 운전은 엔진회전수 1, 400〜2, 400pm 영역과 TPS값 10~40%에서 대부분 이루어짐을 알 수 있었다. 그리고 이 영역에서 재생이 없는 경우의 배출가스 온도는 약 200〜300P 정도이고, 재생이 있는 경우는 400〜500X:로 상승함을 알 수 있었다.
- 상승함을 알 수 있었다. 또한 PM 재생에 소요되는 시간은 차량 운전조건에 따라 변하였으며, 정속 운전인 경우, 약 350초, 시가지 운전인 경우에는 약 800초 정도 소요됨을 알 수 있었다.
- 3(b)에서 보듯이, 재생이 시작되어 종료되는 시점까지에 소요되는 시간은 대략 800초임을 알 수 있었다. 또한 재생이 일어나지 않는 경우의 매연여과장치 전단의 배기 온도는 300C 이하를 나타낸 반면에, 재생이 일어나는 경우에는 연료 후분사와 산화 촉매에서 의미 연 탄화수소의 연소에 기인하여 200P 이상 온도가 상승한 500P 부근을 나타냄을 알 수 있었다. 그리고 매연여과장치 전.
- PM 재생이 없는 경우, CVS-75 모드 시험 중 나타나는 최고 온도는 35OV:이며, 200~3001 영역의 배기 온도가 80% 정도 차지한다. 반면에 PM 재생이 있는 경우에는 최고 온도가 500r 정도이며, 4001 이상인 배기 온도가 40% 정도를 차지함을 알 수 있었다.
- 8에서와 같이 발진 가속 및 감속 정차가 반복되는 시가지주행 형태에서는 그 재생특성이 크게 다름을 알 수 있었다. 즉, 재생을 시작하다가, 차량이 감속 정차하면 일시적으로 재생을 중지하고, 다시 발진 가속하여 어느 정도 속도가 상숭하면 다시 재생을 시작하지만, 차량이 감속 정차하게 되면 재생을 다시 중지하고 어느 이상의 속도가 계속 유지되어야 계속적인 PM의 재생을 실시하여 종료하는 것을 알 수 있었다.
- 13의 결과와 일치한다. 즉, 총 80, 000km 내구시험 동안에 연비는 약 14% 악화됨을 알 수 있었다.
- 그러나 본 매연여과장치내의 PM 포집량이 동일한 경우에도 매연여과장치 전.후단의 차압은 엔진의 배출가스 유량의 증가에 비례하여 증가하기 때문에 배출가스 유량과 매연여과장치 차압의 이차원 맵을 사용하여 주어진 배출가스 유량에서 차압이 어느 정도 이상이면 재생을 시작하도록 재생 로직이 구성되어져 있음을 알 수 있었다.
- 9로부터 PM 재생 전에는 PM 재생 후보다 매연여과장치 전.후단의 차압이 높게 나타나며, 재생기간중에는 연료 후분사에 따라 배출가스 체적유량이 증가함을 알 수 있었다. 그리고 동일한 배기유량에서 재생 초기에는 차압이 높았다가, 재생 말기에는 차압이 감소되어 연료 후분사를 종료함으로써, PM 재생과정을 마치게 됨을 알 수 있었다.
후속연구
- 따라서 국내의 유럽수출 자동차도 2009년부터 140g /km을 적용받게 되어 있어, 향후 국내 자동차 산업에도 지대한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 특히 자동차 산업에 있어서, 이러한 이산화탄소 저감은 연비 저감 기술이 핵심이며, 따라서 연소 효율이 우수한 디젤엔진이 주종으로 사용되어 향후 경유 자동차의 급속한 증가가 예상되고 있다.
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