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[국내논문] DOC-DPF-SCR 시스템에 의한 디젤 배기 내 $NO_x$, 입자상 물질 저감 과정의 일관 모델링 및 성능 예측
Unified Modeling and Performance Prediction of Diesel $NO_x$ and PM Reduction by DOC-DPF-SCR System 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.16 no.4, 2008년, pp.110 - 119  

정승채 (연세대학교 기계공학과 대학원) ,  윤웅섭 (연세대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Computer methods with simplified mathematical models in conjunction with empirical model parameters can be efficiently practiced into an optimization of a diesel aftertreatment system. Components of prime interests are diesel particulate filter, diesel oxidation catalyst and de-$NO_x$ cat...

Keyword

#암모니아 선택적 환원 촉매   #디젤 산화 촉매   #입자상 물질 필터  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구의 목적은 DOC-DPF-(NH3-SCR) 시스템의 PM과 NOx 저감 과정을 모델링하고 이를 이용하여 de-HC, de-PM 그리고 de-NOx 과정의 전체적인 거동을연구하는데에있다. 특히, DOC에 의해서 생성된 NO2가 PM의 산화와 NH3-SCR에 의한 NOx 저감 성능에 주는 영향에 관하여 구체적으로 알아보았다.
  • 과정의 전체적인 거동을연구하는데에있다. 특히, DOC에 의해서 생성된 NO2가 PM의 산화와 NH3-SCR에 의한 NOx 저감 성능에 주는 영향에 관하여 구체적으로 알아보았다.
  • DOC-DPF-SCR 시스템에서 DOC에 의한 NO2 생성이 필터에서의 PM 산화와 SCR 과정에 의한 NOx 저감에 미치는 영향을 조사하기 위해서 수치 실험을 수행하였다. 계산에 사용된 모사 기체의 조성과 농도를 Table 4에 보이고 있고 Table 5에는 DOC, DPF, SCR 모노리스의 제원과 촉매를 나타내었다.

가설 설정

  • 적당량의 NO2는 NH3-SCR에 의한 NOx 저감 반응을 촉진시키기 때문이다.5) PM의 산화 측면에서도 NO2의 양이 적은 것은 유리하지 않다. 그리고 DOC에 의한 NO-NO2 변환 반응은 온도가 높아질수록 변환 효율이 증가하다가 일정 온도 이상에서는 변환 효율이 감소하기 때문에6) 문제를 더욱 복잡하게 만든다.
  • 의 것을 기초로 하였다. 이 모델에는 채널에서의 유동이 정상 상태의 층류로 가정되었으며 질량, 운동량, 에너지 보존식이 일차원으로 단순화되어 적용되었다. 또한 PM의 포집과 산화에 의해서 채널 위에 쌓인 PM 층의 시간에 따른 두께 변화도 고려되었다.
  • (b)는 PM의 산화에 사용된 NO2는 모두 NO로 변환된다는 가정 하에서 실험으로부터 계측된 NO의 변화량과 계산으로부터 나온 NO2의 변화량을 비교한 것이다.
  • DOC 모노리스의 부피를 5L, 10L, 15L로 변화시켜가면서 계산을 수행하였고 DPF와 SCR 모노리스의 부피는 각각 17L와 25L로 일정하다. DPF에서의 초기 PM 포집양은 30g으로 가정하였으며, 모사 기체의 온도가 450℃이하이기 때문에 대부분의 PM은 O2보다는 NO2의해서 산화된다고 할 수 있다. 또한 DOC나 SCR 모노리스를 통과하는 중에도 일부의 PM이 산화될 수 있지만 이를 무시하였고, 필터에 포집된 입자들만이 산화된다고 가정하였다.
  • DPF에서의 초기 PM 포집양은 30g으로 가정하였으며, 모사 기체의 온도가 450℃이하이기 때문에 대부분의 PM은 O2보다는 NO2의해서 산화된다고 할 수 있다. 또한 DOC나 SCR 모노리스를 통과하는 중에도 일부의 PM이 산화될 수 있지만 이를 무시하였고, 필터에 포집된 입자들만이 산화된다고 가정하였다. 이는 기체가 필터에 포집된 PM 층을 지날 때의 PM과 NO2의 접촉은 근사적인 3차원 현상인데 반해 DOC나 SCR 모노리스 채널에서는 표면 접촉에 의한 것으로 반응 회수의 빈도가 한 차원 낮아 상대적으로 매우 적을 것이기 때문이다.
  • 1) 저온과 고온 영역에서는 DPF에서의 PM 산화에 의한 NO2/NOx 비 변화가 SCR 과정에 의한 NOx 저감 성능에 영향을 주지 않는다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
디젤 배기 유기화합물은 무엇으로 부터 발생하는가? 디젤 배기는 유기물과 무기물의 혼합물로 이루어진 기상, 액상, 고상의 물질로 이루어져 있다. 디젤 배기의 대표적인 유기화합물로는 탄화수소(HC)가 있으며 주로 연소되지 못한 연료나 윤활유로부터 발생된다. 이들은 기체상으로 존재하기도 하지만 고상의 탄소 입자에 흡착된 형태로 존재하기도 하고 응축되어 액상이 되기도 한다.
디젤 배기는 어떻게 이루어져 있는가? 디젤 배기는 유기물과 무기물의 혼합물로 이루어진 기상, 액상, 고상의 물질로 이루어져 있다. 디젤 배기의 대표적인 유기화합물로는 탄화수소(HC)가 있으며 주로 연소되지 못한 연료나 윤활유로부터 발생된다.
암모니아(NH3)를 환원제로 사용하는 선택적 환원 촉매 방법의 절차는? 이 장치들은 배열되는 순서에 있어서 여러 가지 조합이 가능한데 그 중 가장 가능성 있는 조합은 DOCDPF-NOx 저감 장치 순이며, NOx 저감 장치로는 암모니아(NH3)를 환원제로 사용하는 선택적 환원 촉매 방법(NH3-SCR)이 유력하다. 우선 DOC가 HC, CO, SOF등을 제거하고 NO를 NO2로 변환시킨다. 그 뒤의 DPF는 PM을 포집하며 DOC로부터 생성된 NO2를 이용하여 PM을 연속적으로 산화시킨다. 이 때 NO2는 다시 NO로 변환된다. 그리고 NOx는 마지막 단계에서 저감된다. 이 과정에서 DOC에 의한 HC, CO 그리고 SOF 등의 제거는 비교적 쉽게 이루어지지만 PM과 NOx의 동시 저감은 어려운 문제로 남아있다.
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참고문헌 (11)

  1. J. H. Johnson, S. T. Bagley, L. D. Gratz and D. G. Leddy, "A Review of Diesel Particulate Control Technology and Emissions Effects- 1992 Horning Memorial Award Lecture," SAE 940233, 1994 

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  4. M. Koebel, G. Madia and M. Elsener, "Selective Catalytic Reduction of NO and $NO_2$ at Low Temperatures," Catalysis Today, Vol.73, No.3-4, pp.239-247, 2002 

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  5. M. Koebel, M. Elsener and G. Madia, "Reaction Pathways in the Selective Catalytic Reduction Process with NO and $NO_2$ at Low Temperatures," Ind. Eng. Chem. Res., Vol.40, No.1, pp.52-59, 2001 

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  6. I. P. Kandylas and G. C. Koltsakis, " $NO_2$ - Assisted Regeneration of Diesel Particulate Filters: A Modeling Study," Ind. Eng. Chem. Res., Vol.41, No.9, pp.2115-2123, 2002 

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  8. I. P. Kandylas, O. A. Haralampous and G. C. Koltsakis, "Diesel Soot Oxidation with $NO_2$ : Engine Experiments and Simulation," Ind. Eng. Chem. Res., Vol.41, No.22, pp.5372-5384, 2002 

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  9. C. Winkler, P. Florchinger, M. D. Patil, J. Gieshoff, P. Spurk and M. Pfeifer, "Modeling of SCR DeNOx Catalyst - Looking at the Impact of Substrate Attributes," SAE 2003-01-0845, 2003 

  10. S. C. Jung and W. S. Yoon, "The Effect of an Oxidation Precatalyst on the $NO_X$ Reduction by $NH_3$ -SCR Process in Diesel Exhaust," Transactions of KSAE, 2008 (Accepted) 

  11. J. Gieshoff, A. Schafer-Sindlinger, P. C. Spurk, J. A. A. van den Tillaart and G. Garr, "Improved SCR Systems for Heavy Duty Applications," SAE 2000-01-0189, 2000 

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