문제 정의

• 다. 따라서 이 연구에서는 승용디젤엔진의 운전 조건에 따른 연료분사 제어를 통해 NOx 정화효율 향상과 연료소비율 증가의 최소화, 그리고 환원제의 슬립량을 줄이는 것을 목표로 재생 전력을 수립하였다. 이를 통하여 각 운전조건별 LNT 촉매의 NOx 저감 특성과 배출가스 중 환원제로 사용되는 CO와 THC의 변화 특성, 그리고 희박 / 농후 사이클의 재생주기에 따른 NOx 저감 특성에 대해 연구하였다.
• 이 연구에서는 승용디젤엔진의 연료제어 변수를 조작하여 LNT 촉매의 NOx 저감을 위한 재생전략을 수립하고 이를 통하여 각 엔진 운전조건과 재생 주기에 따라 NOx 저감 특성을 분석하였다.
• 따라서 이 연구에서는 승용디젤엔진의 운전 조건에 따른 연료분사 제어를 통해 NOx 정화효율 향상과 연료소비율 증가의 최소화, 그리고 환원제의 슬립량을 줄이는 것을 목표로 재생 전력을 수립하였다. 이를 통하여 각 운전조건별 LNT 촉매의 NOx 저감 특성과 배출가스 중 환원제로 사용되는 CO와 THC의 변화 특성, 그리고 희박 / 농후 사이클의 재생주기에 따른 NOx 저감 특성에 대해 연구하였다.^5,6)

제안 방법

• 만약 촉매 내로 유입되는 환원제의 양이 LNT 촉매 내의 흡장되어 있던 NOx를 N₂로 정화시키기 부족하다면 NOx 가 N₂로 정화되지 않고 그대로 배출될 것이며, 환원제의 양이 많다면 정화에 사용되지 않은 환원제가 대기 중으로 배출되어 또 다른 배출가스 오염 문제가 발생할 것이다. 따라서 각 엔진운전조건에 따라 적절한 환원제의 양이 LNT 촉매 내로 유입되도록 앞서 선택한 재생전략을 사용하여 정밀하게 질량공기유량과 연료분사량을 제어하였다.
• 2%로 증가한 결과를 나타내었다. 따라서 스로틀 포지션만을 제어했을 때보다 스로틀 포지션과 인젝션 타이밍을 동시에 제어하였을 때가 추가로 분사된 연료대비 NOx 저감률이 더 높기 때문에 이 연구에서는 스로틀 포지션과 인젝션 타이밍을 동시에 제어하는 재생전략을 사용하였다.
• 또한 실험 시 배출되는 여러 가지 배출가스를 측정하기 위하여 Horiba 사의 MEXA 7100D를 사용하였고 촉매 전단에서 람다 (Lambda, λ)센서를 이용하여 희박 조건과 농후 조건에 따른 람다 값의 변화를 측정하였다.
• 일시적으로 공기량만을 감소시켜 공연비를 농후하게 했을 때와 공기량 감소와 함께 인젝션 타이밍을 지각했을 때의 NOx 저감 특성 및 촉매 전･후단의 배출가스 변화 특성을 비교하여 LNT 촉매의 재생전략 수립하였다. 또한 재생주기에 따른 희박 / 농후 사이클의 NOx 저감 특성을 알아보고 재생으로 인해 추가로 사용된 연료소비율을 계산하여 재생주기와 연료소비율와의 상관관계를 분석하였다.
• 스로틀 포지션 값을 12.25%로 감소시키고 10초 후에 인젝션 타이밍을 TDC 기준 0°CA에서 ATDC 5°CA로 지각하여 10초 동안 유지시킨 후 다시 0°CA으로 복귀시키고 10초 후에 스로틀 포지션 값 또한 복귀시켰다.
• 이 실험에서는 INCA 프로그램을 통해 ECU의 제어변수들을 조작하여 연구를 진행하였다. 일시적으로 공기량만을 감소시켜 공연비를 농후하게 했을 때와 공기량 감소와 함께 인젝션 타이밍을 지각했을 때의 NOx 저감 특성 및 촉매 전･후단의 배출가스 변화 특성을 비교하여 LNT 촉매의 재생전략 수립하였다.
• 변수들을 조작하여 연구를 진행하였다. 일시적으로 공기량만을 감소시켜 공연비를 농후하게 했을 때와 공기량 감소와 함께 인젝션 타이밍을 지각했을 때의 NOx 저감 특성 및 촉매 전･후단의 배출가스 변화 특성을 비교하여 LNT 촉매의 재생전략 수립하였다. 또한 재생주기에 따른 희박 / 농후 사이클의 NOx 저감 특성을 알아보고 재생으로 인해 추가로 사용된 연료소비율을 계산하여 재생주기와 연료소비율와의 상관관계를 분석하였다.
• 10에 나타내었다. 후단과 전단의 NOx 농도비를 모니터링 하면서 순간적으로 0.25 값을 나타낼 때 기존 실험과 동일한 재생전략으로 재생을 진행하였으며 총 3번의 사이클을 실험하였다. 그 결과 람다 값은 0.

대상 데이터

• 실험에서 사용한 LNT 촉매는 1.6 L 디젤 엔진에 적용하기 위하여 1.3 L 촉매를 사용하였으며 CPF 후단에 장착하였다. 자세한 촉매의 제원은 Table 2에 나타내었다.
• 이 연구에 사용된 엔진은 VGT가 장착된 현대자동차의 U2 1.6 L 디젤 엔진으로써 Euro-4 사양이며 CC 타입으로 CPF (Catalyzed Particulate Filter)가 장착되어있다. 자세한 제원은 Table 1에 나타내었다.

• 1) LNT 촉매의 재생을 위하여 스로틀 포지션만을 제어한 경우보다 스로틀 포지션과 인젝션 타이밍을 동시에 제어한 경우가 NOx 저감에 더욱 효과적이라고 판단된다. 또한 환원제로 사용되는 CO와 THC 중 CO가 NOx 저감에 더욱 큰 영향을 미치며, 운전조건에 따라 NOx 정화에 필요한 최적의 환원제 양이 있기 때문에 환원제의 슬립량을 최소화하도록 재생전략을 정밀하게 제어하는 것이 필요하다.
• 2) 엔진 운전조건에 따른 NOx 저감 특성을 평가한결과 각각의 엔진 운전조건에서 재생전략에 따라 재생 시 약 26.1%~57.3%의 연료분사량 증가율을 나타내었으며, 최고 77.8%의 높은 NOx 정화효율을 달성하였다. 또한 LNT 촉매의 최적의 작동온도구간은 약 350℃~430℃라고 판단된다.
• 3) 재생주기에 따른 NOx 저감 특성을 평가한 결과 재생주기가 LNT 전･후단의 NOx 농도비 0.25인 경우 29.4%의 NOx 저감율과 4.67%의 연비손실 률이 측정되었으며, 재생주기가 LNT 전･후단의 NOx 농도비 0.5인 경우 34.2%의 NOx 저감율과 5.69%의 연비손실률이 측정되었다. LNT 촉매는 환원제로 연료를 사용하기 때문에 높은 NOx 저감률과 최소한의 연료소비율로 운전하는 것이 가장 중요하다.
• 9에 나타내었다. 각각의 엔진 운전조건에서 재생전략을 사용한 결과 재생 시 약 26.1%~57.3%의 연료분사량 증가율을 나타내었다. 또한 전 실험조건에서 촉매온도 170.
• 25%로 감소시키고 10초 후에 인젝션 타이밍을 TDC 기준 0°CA에서 ATDC 5°CA로 지각하여 10초 동안 유지시킨 후 다시 0°CA으로 복귀시키고 10초 후에 스로틀 포지션 값 또한 복귀시켰다. 그 결과 Fig. 5에서 보이는 바와 같이 공기량은 전 실험과 동일하게 약 49% 감소하였고 연료분사량은 약 57% 증가하여 스로틀 포지션만을 제어한 결과보다 연료분사량이 약 6%로 더 증가하였다. 이때의 람다 값은 0.
• 5일 때의 재생주기로 제어하는 재생전략에 따른 NOx 저감 특성이다. 그 결과 람다 값은 0.98, 재생주기는 약 100초, 전체 NOx 저감률은 34.2%로 측정되었다. 또한 연비손실 률은 5.
• 25 값을 나타낼 때 기존 실험과 동일한 재생전략으로 재생을 진행하였으며 총 3번의 사이클을 실험하였다. 그 결과 람다 값은 0.98, 재생주기는 약 130초, 전체 NOx 저감률은 29.4%로 측정되었다. LNT 후단에서 배출되는 NOx 농도가 전단 NOx 농도보다 높게 측정된 부분은 환원제의 양이 약간 부족하여 NOx가 N₂로 정화되지 못하고 그대로 배출되었기 때문이다.
• 25%로 공기량을 감소시켜 30초간 유지시킨 다음 다시 복귀시켰을 때의 결과 그래프이다. 그결과 공기량이 급격히 감소함에 따라 연료분사량은 서서히 증가하는 경향을 나타냈으며, 공기량은 실린더 당 평균 483 mg에서 244 mg로 약 49% 감소하였고 연료분사량은 실린더 당 평균 9.5 mg에서 14.4 mg로 약 51% 증가하였다. 재생 후 충분히 흡장된 시간인 540초 동안 희박 조건을 유지했을 때 NOx 센서로 측정한 LNT 전･후단의 NOx 배출농도의 변화를 Fig.
• 67%의 연비손실률이 예측되었다. 따라서 이 재생전략을 통해 5% 이내의 연비손실 률로 NOx 저감이 가능하다는 것을 확인하였다.
• 2%로 측정되었다. 또한 연비손실 률은 5.69%로 후단과 전단의 NOx 농도비가 0.25일 때 재생한 결과보다 1.02% 연비손실률 증가가 예측되었다. 빈번한 재생은 연료소모량이 증가해서 연비가 떨어질 수 있으므로 배출가스 규제를 만족하는 선에서 적절한 재생주기로 높은 NOx 저감률을 유지함과 동시에 낮은 연료소모량으로 재생전략을 정밀하게 제어하는 것이 중요하다고 판단된다.
• LNT 후단에서 배출되는 NOx 농도가 전단 NOx 농도보다 높게 측정된 부분은 환원제의 양이 약간 부족하여 NOx가 N₂로 정화되지 못하고 그대로 배출되었기 때문이다. 또한 이 실험의 엔진 운전조건은 고온에 따른 NO₃ 열적 안정성 문제로 정화효율 감소가 나타나는 온도 구간이므로 전체 NOx 저감률도 다소 낮게 측정되었다. 이 실험에서 희박 조건과 농후 조건에서의 연료분사량을 토대로 같은 시간동안 LNT 촉매 없이 운전한 경우에 비해 LNT 촉매를 장착하여 주기적으로 재생한 경우 4.
• 3%의 연료분사량 증가율을 나타내었다. 또한 전 실험조건에서 촉매온도 170.0℃~449.6℃일 때 NOx 정화효율 38%~77.8%을 나타냈으며, 촉매온도 350℃~430℃ 구간에서의 엔진 운전 조건에서 가장 높은 77.8%의 NOx 정화효율을 나타내었다. 따라서 LNT 촉매의 최적의 작동온도구간은 약 350℃~430℃라고 판단된다.
• 엔진 운전조건 1500 rpm, BEMP 4.0 bar에서 실험하였으며, 보통의 희박 조건에서 LNT 후단에서 배출되는 NOx 농도가 일정하게 유지되어 촉매 내에 NOx가 충분히 흡장된 상태일 때 스로틀 포지션 센서(TPS)를 제어하여 공기량을 서서히 감소시킨 결과 람다 1 이하로 떨어질 때의 스로틀 포지션 값은 12.25%로 측정되었다. Fig.
• 또한 이 실험의 엔진 운전조건은 고온에 따른 NO₃ 열적 안정성 문제로 정화효율 감소가 나타나는 온도 구간이므로 전체 NOx 저감률도 다소 낮게 측정되었다. 이 실험에서 희박 조건과 농후 조건에서의 연료분사량을 토대로 같은 시간동안 LNT 촉매 없이 운전한 경우에 비해 LNT 촉매를 장착하여 주기적으로 재생한 경우 4.67%의 연비손실률이 예측되었다. 따라서 이 재생전략을 통해 5% 이내의 연비손실 률로 NOx 저감이 가능하다는 것을 확인하였다.
• 7 ppm으로 평균농도 값이 크게 감소한 것으로 보아 CO와 THC가 NOx 저감을 위한 환원제로 사용되었다는 것을 알 수 있었다. 이때의 CO와 THC의 저감률은 각각 99.6%, 33.5%로 THC보다 CO가 LNT 촉매의 NOx 저감에 더욱 효과적인 환원제로 사용된다고 판단된다. 만약 촉매 내로 유입되는 환원제의 양이 LNT 촉매 내의 흡장되어 있던 NOx를 N₂로 정화시키기 부족하다면 NOx 가 N₂로 정화되지 않고 그대로 배출될 것이며, 환원제의 양이 많다면 정화에 사용되지 않은 환원제가 대기 중으로 배출되어 또 다른 배출가스 오염 문제가 발생할 것이다.
• 5에서 보이는 바와 같이 공기량은 전 실험과 동일하게 약 49% 감소하였고 연료분사량은 약 57% 증가하여 스로틀 포지션만을 제어한 결과보다 연료분사량이 약 6%로 더 증가하였다. 이때의 람다 값은 0.94, 재생 후 60초 동안의 NOx 저감률은 약 54.8%로 측정되었으며 스로틀 포지션만을 제어한 결과보다 약 9.2%로 증가한 결과를 나타내었다. 따라서 스로틀 포지션만을 제어했을 때보다 스로틀 포지션과 인젝션 타이밍을 동시에 제어하였을 때가 추가로 분사된 연료대비 NOx 저감률이 더 높기 때문에 이 연구에서는 스로틀 포지션과 인젝션 타이밍을 동시에 제어하는 재생전략을 사용하였다.
• 3에 나타내었다. 이때의 람다 값은 최저 0.98로 측정되었으며 재생 후 60초 동안 약 45.6%의 NOx 저감률을 보였다.
• 6, 7은 스로틀 포지션 센서와 인젝션 타이밍을 동시에 제어한 재생전략을 사용했을 때의 Horiba MEXA 7100D로 측정한 LNT 전･후단에서의 배출 가스 변화 특성이다. 전단 그래프에서 보이는 바와 같이 재생에 의해 LNT 전단에서 CO 5870.2 ppm, THC 235.5 ppm의 평균농도 값을 보였으나 후단에서는 CO 24.0 ppm, THC 156.7 ppm으로 평균농도 값이 크게 감소한 것으로 보아 CO와 THC가 NOx 저감을 위한 환원제로 사용되었다는 것을 알 수 있었다. 이때의 CO와 THC의 저감률은 각각 99.

후속연구

• 또한 LNT 촉매의 최적의 작동온도구간은 약 350℃~430℃라고 판단된다. 따라서 촉매의 활성화 온도인 LOT(Light Off Temperature)를 위하여 촉매 위치에 따른 후처리 시스템 구성 방법에 대한 연구 또한 필요하다고 판단된다.