[논문]배기가스의 온도 및 HC와 <tex>$O_2$</tex>의 조성 변화에 따른 DOC-CDPF의 재생 특성에 관한 실험적 연구

조용석; 이성욱; 이정섭; 윤여빈; 박영준

배기가스의 온도 및 HC와 $O_2$의 조성 변화에 따른 DOC-CDPF의 재생 특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Regeneration Characteristics by Variation of Exhaust Gas Temperature, HC and $O_2$ Concentrations on DOC-CDPF System 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.17 no.1, 2009년, pp.43 - 49

조용석 (국민대학교 기계자동차공학부) , 이성욱 (국민대학교 기계자동차공학부) , 이정섭 (국민대학교 자동차공학전문대학원) , 윤여빈 (국민대학교 자동차공학전문대학원) , 박영준 (국민대학교 자동차공학전문대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

A catalyzed diesel particulate filter (CDPF) causes the progressive increase in back pressure of an exhaust system due to the loading of soot particles. To minimize pressure drop which is generated by CDPF, the filter should be regenerated when it collects a certain quantity of soot. It is important to know characteristics of regeneration of CDPF with various of exhaust gas temperatures and compositions. The oxidation of HC in DOC leads to increase gas temperature of DOC downstream. The increased gas temperature by DOC has an positive effect on CDPF regeneration. This study presents characteristics of regeneration of CDPF with DOC according to various gas composition, such as HC and $O_2$ concentration. The test-rig is used to control each gas composition and temperature during regeneration of CDPF. Experimental results indicate that the increased concentration of $O_2$ regenerates DPF more actively. With increasing HC concentration, the gas temperature of CDPF upstream increased due to more oxidation of HC. But excessive supply of HC leads to decrease of $O_2$ concentration in the CDPF, which makes it hard to regenerate CDPF.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그리고 DOC 전 · 후단 및 CDPF 후단의 가스 온도를 측정하기 위해 열전대를 설치하였으며, 재생 시 CDPF 후단의 가스 온도 변화를 통해 CDPF의 재생 특성을 파악하고자 하였다.
CDPF에서 재생이 일어날 때 낮은 온도로 오래 지속되는 경우와 높은 온도로 짧게 일어나는 경우 Q_c로 비교할 경우 동일하게 나타난다. 따라서 본 연구에서는 재생이 일어나는 동안의 시간특성을 고려하기 위하여 Q_c를 t_c로 나누어 시간에 따른 재생특성도 비교 할 수 있도록 하였다. 따라서 I_c의 값이 클수록 더욱 원활한 재생이 이루어지고 있음을 의미한다.
이에 본 연구에서는 DOC-CDPF 시스템에서 후분사에 의한 재생 특성을 알아보고자 test-rig를 제작하여 실험을 수행하였다. 또한 DOC에서의 HC 산화열이 재생에 미치는 영향을 파악하고자 배기가스 내의 HC와 O₂의 농도 및 배기가스의 온도를 변경하며 배기가스 온도변화와 재생 간의 특성을 파악하여 정량적으로 비교해 보고자 하였다.
본 연구는 배기가스 온도 및 HC, O₂ 농도에 따른 DOC-CDPF의 재생 특성 변화를 파악하기 위해 test-rig를 제작하여 실험을 수행하였으며, 각각의 조건에서 재생 특성을 CDPF 후단의 가스 온도 변화량을 통해 비교하였다.
이에 본 연구에서는 DOC-CDPF 시스템에서 후분사에 의한 재생 특성을 알아보고자 test-rig를 제작하여 실험을 수행하였다. 또한 DOC에서의 HC 산화열이 재생에 미치는 영향을 파악하고자 배기가스 내의 HC와 O₂의 농도 및 배기가스의 온도를 변경하며 배기가스 온도변화와 재생 간의 특성을 파악하여 정량적으로 비교해 보고자 하였다.

제안 방법

3) 또한, 압력센서를 장착하여 PM 포집 시 발생하는 CDPF 전․후단의 압력차를 기준으로 동일한 양의 PM을 CDPF 내에 포집하였다. 그리고 압축기와 CDPF 전단 사이의 가스 유동 구간에 수분분리기와 가열기를 장착하여 CDPF 내에 축적되는 PM의 수분 함유를 방지하였다.
4) 그리고 히터를 통해 CDPF로 유입되는 가스를 가열하여 배기가스의 온도 조건을 설정할 수 있도록 하였다. 그리고 DOC 전 · 후단 및 CDPF 후단의 가스 온도를 측정하기 위해 열전대를 설치하였으며, 재생 시 CDPF 후단의 가스 온도 변화를 통해 CDPF의 재생 특성을 파악하고자 하였다.
5 g/ℓ인 것을 확인한 바 있다.⁵⁾ 본 실험에서는 압력센서를 통해 측정된 배압이 1.6 kPa에 도달하였을 때 PM 포집을 종료하여 CDPF 내에 동일한 양의 PM을 포집할 수 있도록 하였다. 재생 실험은 일정량의 PM이 포집된 CDPF와 3.
CDPF의 재생 실험은 크게 두 단계로 나누어 수행하였다. 우선 PM 포집장치를 제작하여 CDPF 내에 PM을 균일하게 분사하여 일정량을 포집할 수 있도록 하였으며, 재생 실험에서 동일한 양의 PM이 포집된 CDPF 시편을 이용하였다.
그러나 기존 방법의 경우 재생 시간을 표현하기에는 부정확한 부분이 있다. 따라서 이를 이용하여 본 연구에서는 아래의 식과 Fig. 10에 나타난 방법과 같이 수정하여 실험 결과를 정량적으로 비교하기 위한 방법을 나타내었다.
18 g/ℓ으로 코팅된 DOC를 test-rig에 장착하여 수행하였으며, 재생에 영향을 미치지 않는 CO₂와 N₂를 분사하여 배기가스의 온도를 유지하였다. 또한, 배기가스 및 CDPF의 온도를 일정하게 유지시킨 후 HC와 O₂의 농도를 조정하여 재생이 가능한 조건으로 형성하였으며 이 때 DOC와 CDPF사이의 배기가스 온도 증가량과 CDPF 후단의 배기가스 온도 증가량을 측정하였다. 재생 실험에서는 Table 2를 기준으로 HC 및 O₂의 농도를 변경하여 각 조건에 따른 재생 특성을 파악하고자 하였다.
우선 PM 포집장치를 제작하여 CDPF 내에 PM을 균일하게 분사하여 일정량을 포집할 수 있도록 하였으며, 재생 실험에서 동일한 양의 PM이 포집된 CDPF 시편을 이용하였다. 또한, 재생 실험장치를 통해 배기가스의 온도 및 조성 조건을 제어하였다.
CDPF의 재생 실험은 크게 두 단계로 나누어 수행하였다. 우선 PM 포집장치를 제작하여 CDPF 내에 PM을 균일하게 분사하여 일정량을 포집할 수 있도록 하였으며, 재생 실험에서 동일한 양의 PM이 포집된 CDPF 시편을 이용하였다. 또한, 재생 실험장치를 통해 배기가스의 온도 및 조성 조건을 제어하였다.
또한, 배기가스 및 CDPF의 온도를 일정하게 유지시킨 후 HC와 O₂의 농도를 조정하여 재생이 가능한 조건으로 형성하였으며 이 때 DOC와 CDPF사이의 배기가스 온도 증가량과 CDPF 후단의 배기가스 온도 증가량을 측정하였다. 재생 실험에서는 Table 2를 기준으로 HC 및 O₂의 농도를 변경하여 각 조건에 따른 재생 특성을 파악하고자 하였다. Table 3은 재생 실험 시 DOC 전단의 배기가스 농도 조건을 표로 나타낸 것이다.
6 kPa에 도달하였을 때 PM 포집을 종료하여 CDPF 내에 동일한 양의 PM을 포집할 수 있도록 하였다. 재생 실험은 일정량의 PM이 포집된 CDPF와 3.18 g/ℓ으로 코팅된 DOC를 test-rig에 장착하여 수행하였으며, 재생에 영향을 미치지 않는 CO₂와 N₂를 분사하여 배기가스의 온도를 유지하였다. 또한, 배기가스 및 CDPF의 온도를 일정하게 유지시킨 후 HC와 O₂의 농도를 조정하여 재생이 가능한 조건으로 형성하였으며 이 때 DOC와 CDPF사이의 배기가스 온도 증가량과 CDPF 후단의 배기가스 온도 증가량을 측정하였다.
재생 실험장치는 유량계를 통해 N₂, O₂, CO, HC, NO 등의 가스 성분을 Table 2와 같이 일반적인 디젤 기관에서 배출되는 배기가스의 조성 및 유량 조건과 동일하도록 설정하고 제어하였다.⁴⁾ 그리고 히터를 통해 CDPF로 유입되는 가스를 가열하여 배기가스의 온도 조건을 설정할 수 있도록 하였다.
18 g/ℓ인 DOC를 이용하여 실험하였다. 재생실험 시 CDPF의 전단에 부착하여 실험을 진행하였다.

대상 데이터

PM을 CDPF 내에 포집하기 위해 PM 포집장치를 제작하였으며, 실험에 사용된 PM은 실제 배기가스 내의 PM과 유사한 특성을 가지는 Deggusa AG의 Printex-U를 사용하였다.³⁾ 또한, 압력센서를 장착하여 PM 포집 시 발생하는 CDPF 전․후단의 압력차를 기준으로 동일한 양의 PM을 CDPF 내에 포집하였다.
실험에 사용된 CDPF 시편은 실제 크기의 CDPF를 15 mm × 15 mm × 254 mm로 가공하여 실험하였으며, 촉매 코팅량이 0.64 g/ℓ인 CDPF를 이용하여 실험하였다.
실험에 사용된 DOC 시편은 실제 크기의 DOC를 가공하여 실험하였으며, 촉매 코팅량이 3.18 g/ℓ인 DOC를 이용하여 실험하였다. 재생실험 시 CDPF의 전단에 부착하여 실험을 진행하였다.
우선 PM 포집장치를 이용하여 CDPF 내에 일정량의 PM을 포집한다. PM 포집량은 재생 시 DPF의 내구성에 영향을 미치지 않는 최대 허용량인 6.

성능/효과

1) HC 농도가 증가할수록 DOC 후단의 배기가스 온도가 상승하였다. 이는 HC 농도가 증가함에 따라 DOC에서 산화되는 HC의 양도 증가하여 산화 시 발생하는 발열량이 높기 때문으로 판단된다.
2) 재생 시 O₂ 농도가 증가할수록 CDPF 후단의 최고온도는 더욱 높아지고 최고온도 도달시간은 짧아져 재생이 활발하게 일어난 것을 확인하였다. O₂ 농도 증가에 따라 DOC 산화반응으로 인해 발생하는 NO₂의 농도가 증가하고 반응되지 않은 O₂의 양이 증가하여 PM의 산화반응이 더욱 활발하게 나타나는 것으로 보인다.
3) 동일한 온도 및 O₂ 농도 조건에서 HC 농도가 50 ppm에서 5,000 ppm으로 증가한 경우, 재생반응은 활발하게 일어났다. 하지만 10,000 ppm의 경우 5,000 ppm 보다 낮은 반응지수를 나타냈다.
4) 재생으로 인한 온도 변화 곡선에서 온도가 상승한 부분의 면적과 재생이 활발하게 일어난 구간의 시간으로 계산한 재생 반응지수는 재생특성을 정량화하여 객관적으로 비교하기위한 좋은 평가방법으로 판단된다.
5) 배기가스 내 HC농도의 증가는 DOC에서의 HC 산화량을 증가시켜 배기가스 온도를 상승시키지만, 과도한 경우 DOC에서 NO₂ 산화에 필요한 O₂ 농도와 CDPF 전단에서의 O₂ 농도를 감소시켜 재생반응에 악영향을 미치는 것으로 판단된다. 따라서 디젤기관에서 후분사나 배기관내 연료분사 등의 방법으로 배기가스 중의 HC 농도를 증가시킬 경우 HC 농도의 적절한 제어가 필요하다.
8) HC 농도가 50 ppm일 때와 5,000 ppm의 두 경우를 비교해 보면 5,000 ppm인 경우에 더욱 높은 온도증가량을 보여, DOC 산화반응으로 인해 상승된 배기가스 온도가 CDPF 재생반응을 활성화시킨 것을 확인할 수 있다. 그러나 HC 농도가 5,000 ppm일 때와 10,000 ppm일 때를 비교하여 보면, HC 10,000 ppm 분사 시 DPF 전단의 배기가스 온도는 더욱 증가하지만 CDPF 후단의 온도증가량은 적게 나타난다.
HC 농도의 증가는 DOC에서 HC 산화량을 증가시켜 CDPF 전단의 배기가스온도를 상승시키고 상승된 배기가스 온도가 재생 시 PM 산화를 활성화할 것으로 판단되었다.⁸⁾ HC 농도가 50 ppm일 때와 5,000 ppm의 두 경우를 비교해 보면 5,000 ppm인 경우에 더욱 높은 온도증가량을 보여, DOC 산화반응으로 인해 상승된 배기가스 온도가 CDPF 재생반응을 활성화시킨 것을 확인할 수 있다.
7～9는 DOC 전단 입구온도 400°C인 조건에서 각각 HC 농도가 동일할 때 O₂ 농도 변화에 따른 CDPF 후단의 온도변화를 나타내었다. 각각의 조건에서 O₂ 농도 증가에 따라 CDPF 후단의 최고온도가 증가하고 최고온도 도달 시간이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 O₂ 농도 증가에 따라 재생이 활발하게 일어난 것으로 판단할 수 있으며, O₂ 농도 증가에 따라 DOC에서 산화되어 생성되는 NO₂의 양이 증가하고 반응하지 않고 배출되는 O₂의 양도 증가하기 때문에 CDPF의 재생을 활성화시킨 것으로 판단된다.
그래프 분석 결과 재생 반응지수는 각 조건에서의 재생 특성을 정량화 하여 나타낼 수 있으며, 객관적인 평가를 가능하게 함으로써 CDPF 재생특성을 비교 및 분석하는 데에 매우 적합한 방법으로 판단된다.
³⁾ 또한, 압력센서를 장착하여 PM 포집 시 발생하는 CDPF 전․후단의 압력차를 기준으로 동일한 양의 PM을 CDPF 내에 포집하였다. 그리고 압축기와 CDPF 전단 사이의 가스 유동 구간에 수분분리기와 가열기를 장착하여 CDPF 내에 축적되는 PM의 수분 함유를 방지하였다.
3은 DOC 전단 입구온도가 300°C인 조건과 DOC 전단 입구온도가 400°C인 조건에서 각 조성별 DOC 후단의 온도증가량을 나타낸 그래프이다. 두 그래프 모두 배기가스 내 HC 농도가 증가함에 따라 DOC 후단에서 측정된 온도증가량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 배기가스 내 HC 농도가 50 ppm일 때는 산화하는 HC 농도가 매우 미량이기 때문에 온도 상승효과는 10°C 이내로 매우 작다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DPF의 PM 저감율은?	디젤기관의 배기가스 내 PM을 제거하는 다양한 방법 중 DPF는 배출되는 PM을 가장 효과적으로 제거하는 후처리 장치로 알려져 있다. DPF는 PM 저감율이 70∼90%로 PM 저감에 있어서 매우 효과적인 후처리장치로 평가받고 있다.2) 최근에는 필터에 촉매를 코팅하여 낮은 온도의 배기가스에서도 촉매에 의해 재생이 일어날 수 있는 CDPF의 연구가 활발히 진행되고 있다.
	디젤기관에서 배출되는 환경오염의 주원인은?	디젤기관은 일반적으로 연료가 희박한 상태에서 연소하기 때문에 일산화탄소(CO)와 미연탄화수소(HC)의 배출은 그 양이 매우 작아 크게 문제되지 않는다. 그러나 질소산화물(NOx: Nitrogen Oxide) 및 입자상물질(PM: Particulate Matter)은 배출량이 매우 높기 때문에 환경오염의 주원인으로 부각되고 있다.1) 최근의 연구에 따르면 디젤기관에서 배출되는 PM은 폐암의 원인이 되며, 특히 크기가 작은 nanoparticle은 인체에 침투하기 쉬워 인체의 건강에 큰 위협이 되는 것으로 보고되고 있다.

참고문헌 (10)

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M. Bouchez and J. B. Dementhon, "Strategies for the Control of Particulate Trap Regeneration," SAE 2000-01-0472, 2000
R. J. Locker, N. Gunasekaran and C. Sawyer, "Diesel Particulate Filter Test Methods," SAE 2002-01-1009, 2002
J. B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamental, McGRAW-HILL, 1988
S.-H. Yoo, Y.-C. Noh, Y.-J. Park, D.-S. Kim and, Y.-S. Cho, "An Experimental Study on Pressure Drop and Heat Transfer in Catalyzed Diesel Particulate Filter," Spring Conference Proceedings, KSAE, pp.371-376, 2006
M. Heo, Y.-J. Park, Y.g-S. Cho and J.-G. Joo, "An Experimental Study on Regeneration Characteristics of Catalyzed Diesel Particulate Filter with Variation of Exhaust Gas Temperature and Composition," Spring Conference Proceedings, KSAE, pp.282-287, 2007
K. Hanamura, T. Suzuki, T. Tanaka and Y. Miyairi, "Visualization of Combustion Phenomena in Regeneration of Diesel Particulate Filter," SAE 2003-01-0836, 2003
K. Yamamoto, K. Takada, J. Kusaka, Y. Kanno and M. Nagata, "Influence of Diesel Post Injection Timing on HC Emissions and Catalytic Oxidation Performance," SAE 2006-01-3442, 2006
C. K. Narula, C. S. Daw, J. W. Hoard and T. Hammer, "Materials Issues Related to Catalysts for Treatment of Diesel Exhaust," Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2, pp.452-466, 2005

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K. Hanamura, T. Suzuki, T. Tanaka and Y. Miyairi, "Visualization of Combustion Phenomena in Regeneration of Diesel Particulate Filter," SAE 2003-01-0836, 2003

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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