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문제 정의
- 따라서 ECE 구간과 같이 낮은 배기가스 온도가 형성되는 구간동안 SCR 촉매내에 흡착된 NH3 양을 정확하게 예측 제어할 필요가 있으며 본 연구에서는 이러한 NH3 흡장효과를 해석적으로 모델링하여 요소분사량을 제어하였다. Fig.
- 모델 기반 제어로직의 성능 최적화 여부를 판단하고 실차적용 가능성에 대한 타당성을 검증하기 위해 엔진동력계 실험을 통해 작성된 엔진 맵 기반 제어로직의 NOx 저감 효율과 비교, 평가하여 urea 최적 분사를 위한 SCR 해석 모델의 신뢰성을 확보하고자 한다.
- 본 연구는 2.0 Liter 승용 디젤차량의 NOx 저감을 위한 모델 기반 제어로직의 설계 및 검증을 위한 연구로서 아래와 같은 실험 장치와 방법을 통해 본 연구를 수행하였다.
- 또한 동일 엔진이 탑재된 차량을 대상으로 두 제어 로직의 정량적 평가를 위해 NEDC 모드를 통한 실제 운전 구간에서의 NOx 저감 효율 및 NH3 슬립특성을 비교, 분석하였다. 본 연구는 이러한 실험과정 및 분석을 통해 2.0 Liter 승용 디젤차량에서 NOx 저감을 위한 모델 기반 제어로직을 개발하였으며, 엔진 및 차량성능 평가를 통하여 deNOx 성능 평가를 수행하였다.
- 본 연구에서는 Urea-SCR 시스템의 최적화 설계에 따른 개발을 위하여 SCR 촉매의 해석 모델을 이용하여 SCR 촉매내의 NOx 변환효율 및 NH3 slip을 예측하여 urea 분사량 보정이 가능한 모델 기반 제어 로직을 설계하였다. 이를 통해 최적화된 urea 분사 제어가 가능한 통합 Urea- SCR 시스템을 개발하여 실제 차량에 적용, NEDC모드를 이용한 실제 운전 구간에서의 두 제어로직에 대한 NOx 및 NH3 slip 특성을 평가하였으며 그 결과는 다음과 같다.
가설 설정
- 마지막으로 본 논문에서는 fast SCR 반응에서 NO와 NO2는 1:1로 반응하고 fast SCR 반응에 사용되는 NO를 제외한 나머지는 standard SCR 반응에 사용되었다고 가정하였다. Fig.
제안 방법
- 해석모델에는 식 (4)~(9)의 반응식과 같이 NOx의 standard-SCR과 fast-SCR 반응, NH3의 흡·탈착 및 산화반응이 고려되었으며, 본 연구에 사용된 해석모델의 상세 내용은 참고문헌을 통해 제시하였다.12-14) 본 연구에서는 각각의 화학반응에 대한 반응속도식에 포함되어있는 활성화 에너지(activation energy)와 빈도인자(pre-exponential factor)는 모사배기가스와 촉매샘플을 이용한 test-rig 실험을 통해 보정하였다.
- 따라서 SCR 촉매의 NH3 저장효과는 요소수용액 분사량 제어의 정확도에 있어서 중요한 제어인자이다.8) 이러한 측면에서 본 연구는 2.0 Liter 승용 디젤을 기반으로 하는 SCR 촉매에서의 NOx 변환효율과 촉매 후단에서 발생하는 NH3 slip을 예측할 수 있는 SCR 해석모델을 개발하여 urea 분사량의 보정이 가능한 모델기반 제어로직을 개발하였다.
- DCU 내부에는 최적 urea 분사량을 계산할 수 있는 프로그램이 내장되어 있으며, 이를 위하여 본 연구에서는 SCR 촉매에서 일어나는 주요 화학 반응 및 열 유동 현상을 모사할 수 있는 SCR 해석 프로그램을 Fortran으로 작성하였다.12,13) 작성된 해석 프로그램은 Urea-SCR 분사 제어장치와의 통신을 위해 C++코드로 변환하여 최적의 urea 분사가 가능토록 설계하였다.
- 기반 제어 로직과 모델 기반 제어 로직의 적용에 따른 실제 운전 시 성능을 비교 분석하기 위해 NEDC시험모드를 통한 연구를 수행하였다. Fig.
- 본 결과를 통해 연구 대상 차량의 운전영역이 1,000rpm에서 2,000rpm의 영역에 집중되어 있음을 확인할 수 있다. 따라서 해당 영역에 대한 배기 개선이 타당하다고 판단되었으며, 그에 따른 엔진시험조건을 1,000rpm에서 2,000rpm까지, 부하조건을 20%에서 100%까지 변화시켜가며 시험을 수행하였다.
- (%)농도를 측정하였다. 또한 SCR 후단에 NOx 센서를 추가 적으로 장착하여 SCR 후단에서 배출되는 NOx량을 측정하였다. 이를 토대로 NOx 저감 효율을 고려하고 NH3 슬립 예측을 통한 최적 urea분사량을 보정 및 결정하였다.
- 차량의 도로부하 조건을 모사하기 위해 사용된 차대동력계는 BEP사의 48인치 싱글롤 타입이며 실시간 배출가스 및 NOx 발생량을 측정하고자 HORIBA사의 MEXA7400의 배출가스 분석계를 사용하였다. 또한 Urea 분사에 따른 NH3 slip량을 파악하기 위하여 AVL사의 전자분광분석기인 FTIR을 이용하여 실시간으로 NH3 농도를 측정하였으며 이러한 실험 개략도는 Fig. 7을 통해 나타내었다.
- 2와 같이 구성하였으며, 엔진부하에 따른 배출가스 특성 및 배기유량(kg/h)을 측정하기 위해 HORIBA사의 MEXA-7100DEGR 이용하였다. 또한 Urea분사 후 SCR 후단에서의 NOx 배출량 및 NH3 슬립량을 측정하기 위해 전자분광분석장비인 AVL사의 FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)를 사용하였다.
- 또한 urea 분사량은 배출가스의 질량유량과 온도, 배출가스 내 NO, NO2 및 O2의 농도, 그리고 실험을 통해 구한 목표 NOx 전환효율맵을 사용한 관계식 (3)을 통해 계산하였다.
- 이러한 모델 기반 제어로직의 성능 최적화 여부를 판단하고 실차적용 가능성에 대한 타당성을 검증하기 위해 엔진동력계 실험을 통해 작성된 엔진맵 기반 제어로직의 NOx 저감 효율과 비교, 평가하여 urea 최적 분사를 위한 SCR 해석 모델의 신뢰성을 확보하였다. 또한 동일 엔진이 탑재된 차량을 대상으로 두 제어 로직의 정량적 평가를 위해 NEDC 모드를 통한 실제 운전 구간에서의 NOx 저감 효율 및 NH3 슬립특성을 비교, 분석하였다. 본 연구는 이러한 실험과정 및 분석을 통해 2.
- 에 대한 엔진토크맵을 작성하고 이를 토대로 rpm과 토크에 대한 배기유량 맵을 작성하였다. 배기 유량 맵을 작성함에 있어 엔진 동력계 실험 특성상 저 rpm 대비 엔진 토크를 구현할 수 없는 구간에서의 배기유량은 해당 rpm에서 구현 가능한 최대 배기유량으로 맵을 구성하였다.
- 본 연구에서는 DOC전단에 NOx 센서를 장착하여 엔진에서 배출되는 NOx(ppm)농도와 O2(%)농도를 측정하였다. 또한 SCR 후단에 NOx 센서를 추가 적으로 장착하여 SCR 후단에서 배출되는 NOx량을 측정하였다.
- 엔진동력계실험을 통해 측정한 엔진rpm과 DOC 전단에서 측정한 O2(%)농도를 이용, rpm과 O2에 대한 엔진토크맵을 작성하고 이를 토대로 rpm과 토크에 대한 배기유량 맵을 작성하였다. 배기 유량 맵을 작성함에 있어 엔진 동력계 실험 특성상 저 rpm 대비 엔진 토크를 구현할 수 없는 구간에서의 배기유량은 해당 rpm에서 구현 가능한 최대 배기유량으로 맵을 구성하였다.
- 1은 본 연구에서 적용한 urea 인젝터를 포함하는 urea Dosing Unit이며, 분사 노즐, 에어 챔버, 그리고 DCU와 통신을 통한 urea 분사량 제어를 위한 솔레노이드로 구성되어 있다. 이러한 Dosing unit은 Frequency를 10(Hz)로 고정하고 Duty ratio(%)를 DCU가 제어함으로서 엔진 부하 변화에 따라 urea 분사량이 변화되도록 설계하였다. 주요 제원은 Table 3를 통해 나타내었다.
- 이러한 모델 기반 제어로직의 성능 최적화 여부를 판단하고 실차적용 가능성에 대한 타당성을 검증하기 위해 엔진동력계 실험을 통해 작성된 엔진맵 기반 제어로직의 NOx 저감 효율과 비교, 평가하여 urea 최적 분사를 위한 SCR 해석 모델의 신뢰성을 확보하였다. 또한 동일 엔진이 탑재된 차량을 대상으로 두 제어 로직의 정량적 평가를 위해 NEDC 모드를 통한 실제 운전 구간에서의 NOx 저감 효율 및 NH3 슬립특성을 비교, 분석하였다.
- 양을 예측할 수 없기 때문에 목표 NOx 전환율 대비 urea의 분사량이 과대 또는 과소평가 되어질 수 있는 단점을 지니고 있다. 이러한 제어로직의 단점을 보완하기 위해 SCR 촉매의 해석모델을 이용한 모델 기반 제어로직을 설계하였다. 모델 기반 제어로직은 urea 분사량, NO, NO2 및 O2의 농도, 그리고 배출가스의 질량유량과 온도를 이용하여 SCR 촉매의 NOx 변환효율과 촉매 후단에서 발생하는 NH3 slip을 해석모델을 통해 예측할 수 있다.
- 따라서 저온 영역에서는 SCR의 NOx 변환효율을 고려해 urea의 분사량이 결정되어져야 한다. 이를 위해 SCR 전단의 배출가스 온도를 측정하고, 그에 따른 NOx 전환율 맵을 이용하여 목표 NOx 전환율을 결정하였다.
- 따라서 urea 분사량 역시 배기 온도 변화에 따라 매우 정밀하게 제어되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 최적의 urea 분사를 위한 온도 측정을 위해 DOC전단, SCR전단, 그리고 SCR후단에 k-type 열전대 3개를 설치하여 각 지점에서의 온도를 측정하였다.
- 또한 SCR 후단에 NOx 센서를 추가 적으로 장착하여 SCR 후단에서 배출되는 NOx량을 측정하였다. 이를 토대로 NOx 저감 효율을 고려하고 NH3 슬립 예측을 통한 최적 urea분사량을 보정 및 결정하였다. Table 4는 이러한 NOx 센서의 제원을 나타내고 있다.
- slip을 예측하여 urea 분사량 보정이 가능한 모델 기반 제어 로직을 설계하였다. 이를 통해 최적화된 urea 분사 제어가 가능한 통합 Urea- SCR 시스템을 개발하여 실제 차량에 적용, NEDC모드를 이용한 실제 운전 구간에서의 두 제어로직에 대한 NOx 및 NH3 slip 특성을 평가하였으며 그 결과는 다음과 같다.
- 슬립량을 고려하여 필요 Urea 분사량을 증가 보정한다. 이와 반대로 예측된 NOx의 변환효율이 목표 값보다 높을 경우 변환효율의 차이만큼 urea 분사량을 감소 보정하고, 보정된 Urea 분사량을 사용하여 특정 주파수(10Hz)에서 정해진 urea 분사량과 duty ratio간의 선형보간 식을 통해 duty ratio를 계산하도록 작성하였다. Fig.
- 해석모델에는 식 (4)~(9)의 반응식과 같이 NOx의 standard-SCR과 fast-SCR 반응, NH3의 흡·탈착 및 산화반응이 고려되었으며, 본 연구에 사용된 해석모델의 상세 내용은 참고문헌을 통해 제시하였다.
대상 데이터
- 실제 실험 차량의 후처리시스템은 엔진실험과 동일한 레이아웃으로 구성하였다. 또한 본 연구에 사용된 NEDC 모드는 Phase 1의 도시주행모드인 ECE-15모드와 Phase 2의 고속주행모드인 EUDC로 분류되어 있으며, 총 주행시간은 1,180초이다. 차량의 평균속도는 Phase 1과 Phase 2가 각각 18.
- Table 1은 엔진맵(Map)설계 및 모델기반제어로 직의 검증을 위해 본 연구에 적용된 엔진의 제원을 나타내고 있다. 또한 주요 실험 장치로는 DCU(Dosing Controller Unit)와 Dosing unit 그리고 2개의 NOx 센서, 3개의 온도 측정 장치와 urea-Tank 및 urea 공급 압력을 조정하고 유지하기 위한 2개의 레귤레이터로 구성되어 있다.
- 모델 기반 제어로직의 개발에 따른 최적화와 실증적 평가를 위하여 엔진 연구에서 적용된 엔진과 동일 엔진이 탑재된 차량을 대상으로 현재 유럽의 배출가스 시험 지정모드인 NEDC 모드를 이용하여 실험 및 평가를 수행하였다. 실제 실험 차량의 후처리시스템은 엔진실험과 동일한 레이아웃으로 구성하였다.
- 엔진 맵 기반 제어 로직의 설계를 위한 엔진 실험 장치는 Fig. 2와 같이 구성하였으며, 엔진부하에 따른 배출가스 특성 및 배기유량(kg/h)을 측정하기 위해 HORIBA사의 MEXA-7100DEGR 이용하였다. 또한 Urea분사 후 SCR 후단에서의 NOx 배출량 및 NH3 슬립량을 측정하기 위해 전자분광분석장비인 AVL사의 FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)를 사용하였다.
- 6km/h이다. 차량의 도로부하 조건을 모사하기 위해 사용된 차대동력계는 BEP사의 48인치 싱글롤 타입이며 실시간 배출가스 및 NOx 발생량을 측정하고자 HORIBA사의 MEXA7400의 배출가스 분석계를 사용하였다. 또한 Urea 분사에 따른 NH3 slip량을 파악하기 위하여 AVL사의 전자분광분석기인 FTIR을 이용하여 실시간으로 NH3 농도를 측정하였으며 이러한 실험 개략도는 Fig.
성능/효과
- 1) 모델 기반 제어 로직의 경우 NEDC 전 구간에서 Base 차량 대비 60% 이상의 NOx 저감 효과를 달성할 수 있었고, 이는 엔진 맵 기반 제어로직에 비하여 5%이상 우수함을 확인할 수 있었다.
- 1,2) 그러나 PM과 trade-off 관계에 있는 NOx는 기존 승용디젤차량의 Euro-IV(0.25g/km) 규제 대비 Euro-V(0.18g/km)에서는 28%, 2014년 도입 예정인 Euro-VI(0.08g/km)규제에서는 Euro-V 대비 56%의 더욱 강화된 NOx저감을 목표로 하고 있다.3) 디젤 차량에서 발생되는 질소산화물의 저감방법에는 LNT(Lean NOx Traps) 또는 LNC(Lean NOx Catalysts)의 NOx 흡장형 촉매장치와 선택적 환원 촉매장치인 SCR(Selective Catalytic Reduction)이 제시되고 있다.
- 2) 특히, 상대적으로 배기 가스온도가 높고 배기유량이 많은 EUDC구간의 경우 Base 차량 대비 87%의 NOx 저감 효과를 나타내었다. 또한 SCR 촉매의 해석 모델을 이용한 모델 기반 제어 로직의 경우 엔진 맵 기반 제어로직에 비하여 6%이상 NOx 저감 효과가 우수함을 확인할 수 있었다.
- 3) 두 가지 제어로직에 대한 실험 및 검증을 통하여 NOx 저감 측면에서 모델기반 제어로직이 우수함을 확인 할 수 있다. 이는 동일한 NOx 배출 조건의 관점에서 볼 때 모델 기반 제어로직이 SCR 촉매에서 일어나는 NH3 흡장 효과를 포함한 다양한 물리적특성을 잘 표현할 수 있기 때문이다.
- 3) 디젤 차량에서 발생되는 질소산화물의 저감방법에는 LNT(Lean NOx Traps) 또는 LNC(Lean NOx Catalysts)의 NOx 흡장형 촉매장치와 선택적 환원 촉매장치인 SCR(Selective Catalytic Reduction)이 제시되고 있다.4,5) 이러한 방법 중 SCR은 NOx 정화 효율이 가장 우수하고, 이미 공장이나 대형 경유 트럭에 적용되어 그 성능을 검증받았으며, 최근 대두되고 있는 이산화탄소 배출량 저감에도 유리하다는 측면5)에서 NOx 규제치에 대응하기 위한 가장 우수한 촉매 장치로 주목받고 있다. 최근 선진국의 자동차 제작사는 강화된 NOx 배출규제에 대응하기 위해 승용디젤 차량에까지 SCR 시스템을 장착하기 위한 적극적인 연구와 개발을 추진하고 있다.
- 14는 NEDC 전구간에 따른 NOx 저감효율을 나타내고 있으며, Table 6은 NOx 저감효율 및 PM의 배출량을 나타내고있다. Fig. 13과 Table 6의 결과와 같이 NEDC 전 구간에서 맵 기반 제어 방식의 경우 Base 차량 대비 55%의 NOx 저감 효과를 보였다. 또한 SCR 촉매의 해석 모델을 이용한 모델 기반 제어 방식의 경우 Base 차량 대비 60%이상의 NOx 저감 효과를 나타내었다.
- 이는 동일한 NOx 배출 조건의 관점에서 볼 때 모델 기반 제어로직이 SCR 촉매에서 일어나는 NH3 흡장 효과를 포함한 다양한 물리적특성을 잘 표현할 수 있기 때문이다. 따라서 NOx 변환효율과 촉매 후단에서 발생하는 NH3 슬립을 예측하고, 그에 따라 urea 분사량을 정확히 보정한 결과라고 판단된다.
- 이러한 결과는 동일한 NOx 배출 조건의 관점에서 볼 때 모델 기반 제어로직이 SCR 촉매에서 일어나는 NH3 흡장효과를 포함한 다양한 물리적 특성을 잘 표현할 수 있기 때문이다. 따라서 모델 기반 제어로직이 NOx 변환효율과 촉매 후단에서 발생하는 NH3 슬립을 예측하고, 그에 따라 urea 분사량을 정확히 보정한 결과라고 판단된다. PM의 경우 DPF 장착으로 인하여 Base 차량 대비 98%의 정화효율을 달성하였다.
- 2) 특히, 상대적으로 배기 가스온도가 높고 배기유량이 많은 EUDC구간의 경우 Base 차량 대비 87%의 NOx 저감 효과를 나타내었다. 또한 SCR 촉매의 해석 모델을 이용한 모델 기반 제어 로직의 경우 엔진 맵 기반 제어로직에 비하여 6%이상 NOx 저감 효과가 우수함을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 Euro-Ⅴ규제를 충분히 만족하고 있음을 알 수 있다.
- 0 Liter 승용 디젤차량을 유럽 배출가스 시험모드인 NEDC시험모드를 실제 주행하여 해당 차량의 운전영역을 나타내고 있는 그래프이다. 본 결과를 통해 연구 대상 차량의 운전영역이 1,000rpm에서 2,000rpm의 영역에 집중되어 있음을 확인할 수 있다. 따라서 해당 영역에 대한 배기 개선이 타당하다고 판단되었으며, 그에 따른 엔진시험조건을 1,000rpm에서 2,000rpm까지, 부하조건을 20%에서 100%까지 변화시켜가며 시험을 수행하였다.
- 위의 그래프를 통해 SCR 촉매 후단에서의 NOx 발생량은 엔진 실험 결과와 SCR 해석 결과가 매우 일치함을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 비추어 보았을 떄 본 연구를 통해 개발된 모델 기반 제어로직이 SCR 촉매의 NOx 변환효율과 촉매 후단에서 발생하는 NH3 slip을 예측하고 이에 따른 Urea 분사 보정을 통한 최적 제어가 가능할 것으로 판단된다.
- 위의 시험결과에서 알 수 있듯이 SCR 입구온도가 250℃이상~ 350℃내에서는 엔진 맵 기반 제어 로직 대비 모델 기반 제어로직의 NOx 변환효율이 조금 우수한 형태를 보이고 있으나, SCR 입구온도가 350℃이상 지점에서는 모델 기반 제어로직이 맵 기반 제어로직보다 매우 높은 NOx 변환 효율을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
- 또한 SCR 촉매의 해석 모델을 이용한 모델 기반 제어 방식의 경우 Base 차량 대비 60%이상의 NOx 저감 효과를 나타내었다. 이는 Euro-V규제(0.18g/km)를 만족하는 것으로서, 특히 모델 기반 제어로직이 맵 기반 제어 방식보다 NOx 저감에 있어 우수함을 확인할 수 있다. 또한 NH3 슬립량은 두 가지 제어 방식 모두 최대 3ppm이 발생되었다.
- ECE 구간에서 주목 해야할 사실은 이 구간에서 배기가스 온도는 200℃이하이며, 따라서 SCR 촉매가 완전히 활성화되지 않는다는 것이다. 이러한 결과로 저속구간인 ECE 구간에서 두 가지 제어 방식 모두 DOC만 장착된 base차량대비 23 ~ 30%정도의 낮은 NOx 저감효율이 나타나는 것을 알 수 있다. 그러나 이러한 낮은 배기가스 온도는 SCR 촉매 내부에 NH3의 흡착을 촉진하므로 다음 운전 구간인 EUDC 구간의 SCR 촉매의 성능 향상에 크게 도움을 주게 된다.
후속연구
- 위의 그래프를 통해 SCR 촉매 후단에서의 NOx 발생량은 엔진 실험 결과와 SCR 해석 결과가 매우 일치함을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 비추어 보았을 떄 본 연구를 통해 개발된 모델 기반 제어로직이 SCR 촉매의 NOx 변환효율과 촉매 후단에서 발생하는 NH3 slip을 예측하고 이에 따른 Urea 분사 보정을 통한 최적 제어가 가능할 것으로 판단된다.
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