[논문]소형 경유 운행차의 매연여과장치 재생용 촉매연소기 개발에 관한 연구

김홍석; 최현하; 조규백; 정용일; 조성호; 박종수

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In-use light duty diesel vehicles are considered as one of major sources of particulate emissions in many cities, and the start of the retrofit program for the light duty diesel vehicles is expected in near future in Korea. One of the problems of the retrofit of the light duty diesel vehicles is tha...

In-use light duty diesel vehicles are considered as one of major sources of particulate emissions in many cities, and the start of the retrofit program for the light duty diesel vehicles is expected in near future in Korea. One of the problems of the retrofit of the light duty diesel vehicles is that the exhaust gas temperature is too low to apply passive regeneration DPF systems. This study introduces a catalytic combustor as a new active DPF regeneration technology. This study shows the principle and characteristics of DPF regeneration by the catalytic combustor and suggests it's proper control method for better regeneration.

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문제 정의

본 연구는 촉매연소기를 이용한 소형 운행 경유차용 강제재생방식 매연여과장치 개발에 관한 것으로써 본 연구의 촉매연소기는 가격적인 측면에서 전기히터나 플라즈마 방식에 비해 장점이 있다. 또한 일반 경유 버너방식에 비해 적은 양의 공기를 공급하여 연소할 수 있다는 것이 장점이다.
이와 같은 문제점을 극복하기 위해서는 필수적인 센서만을 사용하여 촉매연소기의 착화 및 연소과정을 정확히 모니터링하고 제어해야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 매연여과장치를 강제 재생하기 위한 촉매연소기의 효율적 운용 방법을 제시하고자 한다.
본 연구는 촉매연소기를 이용한 소형 운행 경유차용 강제재생방식 매연여과장치 개발에 관한 것으로써 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

촉매연소기를 이용한 매연여과필터의 강제재생 성능확인을 목적으로 엔진공회전 조건을 포함한 총 9개의 운전조건에서 시험하였다. Fig.
11은 실차량운전 중 매연포집량을 나타낸다. 산화촉매와 귀금속이 코팅된 매연여과필터를 사용했으며, 운전자 및 보조자 1 인 또는 2 인이 탑승하고 운전하였다. City 40km 모드와 city 70km 모드는 시내도로에서 최고속도를 40km 이하 또는 70km 이하로 제한하여 주행하였다.
Highway 120km/h 모드는 고속도로를 최고속도 120km/h로 제한하여 운전한 모드이다. 또한, 300kg의 하중을 탑재하였을 때에는 city mode와 highway mode를 각 3회씩 주행하면서 매연포집량의 변화를 알아보았다. 고송도로 운전시보다 도심도로 운전시 매연포집량이 많았으며, 300kg의 하중을 탑재하고 운전하는 경우가 매연포집량이 가장 적다.

대상 데이터

Table 1은 DPF 및 산화촉매의 제원을 나타낸다. 생산성 저하에 따른 비용증가 및 내구성 저하의 단점에도 불구하고, 차량 장착성을 위하여 단면이 형상이 oval 인 DPF 및 산화촉매를 사용하였다.
본 연구에서 사용된 시험 장치는 Fig. 2와 같이 시험 엔진과 시험엔진의 배기관에 장착되는 촉매연소기, 산화촉매, DPF로 구성된다.
시험엔진으로는 국내 RV용 엔진을 사용하였다. Table 2는 시험엔진의 제원을 나타낸다.

성능/효과

3은 시험 차량의 차속별 배출가스 온도분포를 나타낸다. 시험대상 차량은 차속120km/h이하 고속도로 운행조건에서도 배출가스온도가 250℃이상은 약 7%에 불과하며, 현재까지 우리나라에 retrofit 시장에 적용된 자연재생방식 매연여과장치의 적용 온도조건보다 열악한 상태임을 알 수 있다. 즉, 시험 차량의 retrofit으로 단순한 자연재생방식의 매연여과장치 적용은 불가능하다는 것을 의미한다.
4는 연구대상 차량의 배출가스온도가 자연재생에 적합한지 판단하기 위해 매연여과장치를 부착하고 출시되는 제작자동차의 배출가스온도와 비교하였다. 자연재생이 활발한 고속도로 운전 조건에서 비교하였으며, 이 때 본 연구대상 차량의 배출가스 온도는 약 180~280℃임에 반해 매연여과장치 부착 제작자동차의 배출가스온도는 약 300~450℃로 약100℃이상 높음을 알 수 있다.
그 이유는 고속도로 운전과 300kg의 하중을 탑재시에는 배출가스온도가 높아 필터의 자연재생 특성이 양호해지기 때문인 것으로 판단된다. 이상의 결과로부터 재생시 필터내 온도 상승으로 인한 촉매열화를 방지하지 위해 한계매연포집량을 6g/L⁶⁾으로 고려했을 때 강제재생 주기를 약 5시간으로 제어하는 것이 바람직하다.
1) 본 연구 대상 차량은 고속 운전시에도 배출가스온도가 낮기 때문에 제작자동차에서 사용하는 유사한 양의 귀금속을 산화촉매와 매연여과필터에 코팅하더라도 필요 수준의 자연재생 성능 확보가 곤란하다. 최소한 고속도로 운전 중에는 자연재생이 가능하도록 촉매 연소기를 가동하여 배출가스온도를 높이는 방안 또는, 귀금속 가격 측면을 고려하여 매연여과필터에는 촉매 코팅을 생략하고 강제재생을 강화하는 방안등을 고려해야 한다.
2) 촉매연소기를 이용하여 전 엔진 운전영역에서 DPF 재생가능 온도인 650℃까지 승온이 가능하였다.
3) 본 연구로부터 개발된 시스템은 엔진회전수 및 토크가 낮은 영역은 촉매연소기에서 생성되는 자체 연소열을 이용하여 재생하고, 고회전수 및 토크가 높은 영역은 촉매연소기의 화염이 충분히 발달하지 못하므로 산화촉매 발열에 의해 재생하며, 이 두 영역 사이의 천이 영역이 존재한다.
5) 본 연구에 사용된 차량의 경우 재생시 필터 내 온도 상승으로 인한 촉매열화 방지를 위해 한계매연포집량을 6g/L으로 고려했을 때 강제재생 주기를 약 5시간으로 제어하는 것이 바람직하다.

후속연구

이상에서 알아본 바와 같이 본 연구 대상 차량은 고속 운전 시에도 배출가스온도가 매우 낮기 때문에 제작자동차에서 사용하는 유사한 양의 귀금속을 산화촉매와 매연여과장치에 코팅하더라도 필요 수준의 자연재생 성능 확보가 곤란할 것으로 예상된다. 따라서 본 연구대상 차량의 retrofit 시에는 어느 정도 양의 촉매를 코팅하여 어느 정도의 자연재생 능력을 확보할 것인지 기준 재설정이 필요하다.
이상에서 알아본 바와 같이 본 연구 대상 차량은 고속 운전 시에도 배출가스온도가 매우 낮기 때문에 제작자동차에서 사용하는 유사한 양의 귀금속을 산화촉매와 매연여과장치에 코팅하더라도 필요 수준의 자연재생 성능 확보가 곤란할 것으로 예상된다. 따라서 본 연구대상 차량의 retrofit 시에는 어느 정도 양의 촉매를 코팅하여 어느 정도의 자연재생 능력을 확보할 것인지 기준 재설정이 필요하다. 즉, 제작자동차에서 사용하는 유사한 양의 귀금속을 산화촉매와 매연여과장치에 코팅한 후 최소한 고속도로 운전 중에는 자연재생이 가능하도록 촉매 연소기를 가동하여 배출가스온도를 평균 350℃로 유지 시키는 방안 또는, 최근 귀금속 가격의 상승 측면과 자연재생 기여 수준을 고려하여 매연여과필터에는 촉매코팅을 생략하는 방안등을 고려해야 한다.
따라서 본 연구대상 차량의 retrofit 시에는 어느 정도 양의 촉매를 코팅하여 어느 정도의 자연재생 능력을 확보할 것인지 기준 재설정이 필요하다. 즉, 제작자동차에서 사용하는 유사한 양의 귀금속을 산화촉매와 매연여과장치에 코팅한 후 최소한 고속도로 운전 중에는 자연재생이 가능하도록 촉매 연소기를 가동하여 배출가스온도를 평균 350℃로 유지 시키는 방안 또는, 최근 귀금속 가격의 상승 측면과 자연재생 기여 수준을 고려하여 매연여과필터에는 촉매코팅을 생략하는 방안등을 고려해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강제 또는 복합재생방식의 매연여과장치로 대표적인 것은?	강제 또는 복합재생방식의 매연여과장치로는 일진전기에서 개발한 전기히터와 촉매를 함께 사용하는 대형차량용 복합재생방식 DPF3)가 대표적이다. 이 시스템은 투입되는 전기에너지의 밀도를 높이기 위해 분할된 전기히터를 사용한다는 것이 특징이다.
	소형 운행 경유차에 자연재생방식의 매연여과장치 적용이 불가능한 이유능?	소형 운행 경유차는 배출가스온도가 매우 낮아 자연재생방식의 매연여과장치 적용이 불가능하다. 현재 제작사에서 시판하는 DPF(Diesel Particulate Filter)가 장착된 소형 경유자동차의 경우 커먼레일을 이용한 연료후분사방식으로 DPF 재생이 가능하지만1,2) 운행차의 경우에는 별도의 강제 또는 복합재생방식의 매연여과장치 적용이 필요하다.
	DPF의 특징은?	강제 또는 복합재생방식의 매연여과장치로는 일진전기에서 개발한 전기히터와 촉매를 함께 사용하는 대형차량용 복합재생방식 DPF3)가 대표적이다. 이 시스템은 투입되는 전기에너지의 밀도를 높이기 위해 분할된 전기히터를 사용한다는 것이 특징이다. 이 외에도 플라즈마 착화식 경유 버너4)를 이용하는 매연여과장치, 산화촉매 전단에 연료를 분사하고 산화촉매에서 발생되는 산화열을 이용하여 DPF를 재생하는 장치5) 및 마이크로웨이브6,7)를 사용하는 매연여과장치 등 많은 기술들이 개발 중이다.

참고문헌 (8)

J. W. Kang, M. Y. Kim and G. J. Youn, "A Study on the Combustion Optimization of a Common Rail Direct Injection Diesel Engine for Regeneration of the Diesel Particulate Filter," Transactions of KSAE, Vol.13, No.4, pp.167-173, 2005
C. Kim and C. Baek, "A Study on the Characteristics of DPF Regeneration Process of Peugeot 406 Vehicle Engine," Transactions of KSAE, Vol.12, No.6, pp.96-102, 2004

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H. Kim, Y. Jeong, J. Hwang and S. Han, "Performance of an Electrical Heated CDPF System for a Midium Duty Diesel Engine," Fall Conference Proceedings, Vol.I, KSAE, pp.247- 251, 2005
Y. Jeong and H. Kim, "Trend of Diesel Particulate Filter Technology," Auto Journal, Vol. 29, No.1, pp.55-61, 2008
L. Chiew, P. Kroner and M. Ranalli, "Diesel Vaporizer: An Innovative Technology for Reducing Complexity and Costs Associated with DPF Regeneration," SAE 2005-01-0671, 2005
M. Gautam, S. Popuri, B. Rankin and M. Seehra, "Development of A Microwave Assisted Regeneration System for A Ceramic Diesel Particulate System," SAE 1999-01-3565, 1999
Z. Ning and Y. He, "Experimental Study on Microwave Regeneration Characteristics of Diesel Particulate After-Treatment Systems," SAE 1999-01-1470, 1999
J. Lee, C. Kwon, S. Kim and G. Yeo, "Control of Diesel Catalyzed Particulate Filter system 1(The CPF System Influence Assessment According to a Regeneration Condition)," SAE 2005-01-0661, 2005

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