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문제 정의
- 삼원촉매는 희박한 운전조건에서는 질소산화물의 전환효율이 매우 낮으며 유해 배출가스가 모두 저감되는 공연비범위가 좁기 때문에 엔진에서의 공연비 제어가 매우 중요하다.[8,9] 이에 본 연구에서는 이론공연비 HCNG엔진개발의 일환으로써 다양한 운전영역에서 삼원촉매의 전환효율을 비교 분석하고 최적의 전환효율을 발휘하는 당량비를 도출하여 데이터베이스로 활용하고자 한다.
- 본 연구에서는 이론공연비 HCNG엔진 개발의 일환으로써 개발용 삼원촉매의 성능을 평가하기 위하여 다양한 운전영역에서 전환효율 실험을 수행하였다. 최적의 전환효율을 보이는 Optimal phi를 찾기 위하여 당량비 제어값을 증가시켜가며 각 배출가스의 전환효율을 비교 분석한 결과 아래와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
제안 방법
- ECU제어프로그램(Woodward Co.)을 사용하여 엔진의 운전상태 확인 및 당량비등의 연소조건을 제어하였다. 온도 및 압력등과 같은 전반적인 실험결과 데이터는 GL820(Graphtec Co.
- 5℃)를 유지할 수 있는 냉각수 온도제어 및 인터쿨러 온도제어 시스템을 구성하였다. EGR 가스를 연소실에 공급하기 위하여 터보차저 후단의 배기가스를 인터쿨러 전단에 공급하는 저압 EGR 시스템을 구성하였다.
- HCNG는 천연가스와 수소의 혼합가스를 의미한다. 각 연료를 적정 체적비율로 혼합하기 위한 공급량 제어장치를 포함한 연료 공급시스템을 구성하였다. 천연가스는 약 20 MPa 로 충전된 고압용기에서 레귤레이터를 거친 후 약 0.
- 주요 평가인자인 당량비는 ECU에서 feedback 제어로 이루어지며 설정하고자 하는 당량비인 Desired phi 값을 변경하여 엔진 운전조건에 따라 제어값을 변경할 수 있다. 기준이 되는 운전조건을 17.62의 이론공연비에 해당하는 당량비 1.0으로 설정하였으며, 당량비 증가에 따른 효과를 살펴보기 위하여 Desired phi를 0.005 씩 증가시켜가며 개발용 삼원촉매의 HC, CO 및 NOx의 전환효율을 비교 분석하였다.
- 따라서 특정 변수에 따른 전환효율을 분석하기 위해서는 동등한 배기온도를 보이는 운전영역에서 평가가 이루어져야한다. 따라서 본 연구의 주요 실험운전조건은 640℃ 의 동등한 배기온도를 보이는 운전영역이며, 이때의 엔진회전수 및 엔진부하는 1200 rpm 100%, 1400 rpm 75%, 1600 rpm 50% 및 1800 rpm 25%이다.
- 모든 운전조건에서 적정한 엔진냉각수온도(82.5 ± 2.5℃)와 흡입공기온도(40 ± 2.5℃)를 유지할 수 있는 냉각수 온도제어 및 인터쿨러 온도제어 시스템을 구성하였다.
- 본 연구에서는 촉매 후단에서 O2량을 feedback 제어하는 방식이 아닌 촉매 전단의 O2량으로 당량비를 제어하는 방식을 사용하고 있다. 하지만 안정적으로 산화촉매의 전환효율을 최상으로 유지하기 위해서는 촉매후단의 feedback 제어가 필요하다.
- 삼원촉매 전환효율은 당량비 뿐만 아니라 배기유량 및 배기가스온도 등 엔진운전 조건에 영향을 받기 때문에 다양한 운전영역에 대한 실험데이터가 필요하다. 본연구의 실험 운전영역은 사용빈도가 적은 600 rpm (Idle)을 제외한 800rpm에서 최대 출력 엔진회전수인 2000rpm까지이며, 200 rpm 간격으로 운전조건을 변경하였다. 이때의 엔진부하조건은 25%, 50%, 75%, 100%이다.
- 연료의 팽창에 의한 냉각을 막기 위해 40℃로 제어되는 열교환기를 설치하였으며 천연가스의 공급유량은 MFM(Mass flow meter)을 통하여 측정된다. 수소는 안정적인 공급을 위하여 약 10 MPa로 충전된 고압수소가스용기를 병렬로 연결한 후 레귤레이터 전단으로 공급이 이루질 수 있도록 설치하였다. 약 0.
- 1은 연료공급 시스템 및 엔진을 포함한 실험장치의 전체적인 구성을 보여주고 있다. 엔진은 와전류식 동력계(Schenck co.)에 연계하여 설치하였으며 동력계 제어프로그램(Dcon, Dasan RND co.)를 사용하여 엔진의 속도 및 부하를 제어하였다.
- 7 MPa로 감압되어 공급된다. 연료의 팽창에 의한 냉각을 막기 위해 40℃로 제어되는 열교환기를 설치하였으며 천연가스의 공급유량은 MFM(Mass flow meter)을 통하여 측정된다. 수소는 안정적인 공급을 위하여 약 10 MPa로 충전된 고압수소가스용기를 병렬로 연결한 후 레귤레이터 전단으로 공급이 이루질 수 있도록 설치하였다.
- )을 사용하여 엔진의 운전상태 확인 및 당량비등의 연소조건을 제어하였다. 온도 및 압력등과 같은 전반적인 실험결과 데이터는 GL820(Graphtec Co.)을 통하여 취득하였으며 배기분석기(AMA i60, AVL Co.)을 사용하여 주요 배출가스인 일산화탄소(CO), 탄화수소계열 배출가스(NMHC), 메탄(CH4) 및 질소산화물(NOx)등을 측정하였다. 연구의 대상이 되는 촉매는 HCNG 엔진 개발용으로 제작된 시제품이며 Table 2에 촉매사양을 나타내었다.
- 본 연구에서는 이론공연비 HCNG엔진 개발의 일환으로써 개발용 삼원촉매의 성능을 평가하기 위하여 다양한 운전영역에서 전환효율 실험을 수행하였다. 최적의 전환효율을 보이는 Optimal phi를 찾기 위하여 당량비 제어값을 증가시켜가며 각 배출가스의 전환효율을 비교 분석한 결과 아래와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상이 되는 엔진은 11L급 대형 천연가스 엔진을 기반으로 하여 HCNG 연료 공급 및 이론공연비 연소를 구현할 수 있도록 개발 중인 엔진이다. 고압축비 피스톤 및 EGR시스템이 추가된 사양이며 엔진제원은 Table 1에 나타내었다.
- 엔진이 충분히 예열된 후 모든 실험을 진행하였으며 온도, 압력 연료량 및 배기가스등의 측정 데이터는 엔진이 안정된 상태에서 취득하였다. 수소의 혼합비율은 이전 연구결과를 바탕으로 최적의 효율로 판단되는 HCNG30(H2 30 vol%, CNG 70 vol%)을 사용하였으며, 연료속성은 Table 3과 같다.[10]
- 엔진이 충분히 예열된 후 모든 실험을 진행하였으며 온도, 압력 연료량 및 배기가스등의 측정 데이터는 엔진이 안정된 상태에서 취득하였다. 수소의 혼합비율은 이전 연구결과를 바탕으로 최적의 효율로 판단되는 HCNG30(H2 30 vol%, CNG 70 vol%)을 사용하였으며, 연료속성은 Table 3과 같다.
- )을 사용하여 주요 배출가스인 일산화탄소(CO), 탄화수소계열 배출가스(NMHC), 메탄(CH4) 및 질소산화물(NOx)등을 측정하였다. 연구의 대상이 되는 촉매는 HCNG 엔진 개발용으로 제작된 시제품이며 Table 2에 촉매사양을 나타내었다.
성능/효과
- 2) 전환효율이 100%에 근접하는 Optimal phi는 최소 1.002에서 최대 1.008이었으며 출력이 증가할수록 Optimal phi가 선형적으로 증가하는 결과를 볼 수 있었다.
- 3) 시험 운전영역 Optimal phi에서 측정되는 촉매후단 O2량은 0.06% ~ 0.1% 범위이며 출력이 증가할수록 감소하는 경향을 볼 수 있었다.
- 1) ECU 프로그램을 통하여 제어되는 당량비의 경우 des. phi보다 희박하게 제어됨을 알 수 있었으며, 이에 따라 NOx의 전환효율이 0%에 근접한 결과를 보였다. 또한 고출력 운전조건에서는 배기유량 증가로 인하여 HC 전환효율도 85%이하로 감소하는 결과를 보였다.
- 7은 Optimal phi에서 각 운전조건의 전환효율과 당시의 당량비 값을 보여주고 있다. 각 운전조건의 전환효율은 100%에 근접한 결과를 보이고 있으며 당량비의 경우 출력이 증가할수록 선형적으로 증가하는 경향을 보이고 있다. 동등한 배기가스 온도 조건에서는 배기유량이 증가함에 따라 Optimal phi에 도달하기 위한 당량비도 같이 증가하는 것으로 판단된다.
- 6에 나타내었다. 기본 상태에서 약 83% 이었던 HC 전환효율은 Optimal phi에서 99.5%이상 증가하며, 0%에 가깝던 NOx의 전환효율도 99.5%까지 증가하는 결과를 보였다. 이는 당량비가 증가로 통하여 산화와 환원의 동시반응이 가장 높은 당량비 범위에 도달하였기 때문이다.
- 일반적으로 촉매는 담채체적과 배기유량으로 계산되어지는 공간속도를 기준으로 정화용량이 정해져 있다. 따라서 배기유량 증가로 인하여 정화용량을 초과하는 고출력 운전조건에서는 전환효율이 떨어지는 결과를 보인 것으로 판단된다. 또한 배기가스에 NOx가 많이 포함되어 있으면 탄화수소계 배출가스(HC)의 산화 성능이 떨어진다고 알려져 있으며[9], 본 실험에서도 전환효율이 낮은 고출력 운전조건에서 촉매전단 NOx배출량이 상대적으로 많은 것을 볼 수 있다.
- phi보다 희박하게 제어됨을 알 수 있었으며, 이에 따라 NOx의 전환효율이 0%에 근접한 결과를 보였다. 또한 고출력 운전조건에서는 배기유량 증가로 인하여 HC 전환효율도 85%이하로 감소하는 결과를 보였다.
- 엔진회전수와는 무관하게 출력이 증가함에 따라 배기유량이 증가하는 경향을 보이고 있다. 이는 스로틀링에 따른 결과이며, 흡기압력을 살펴보면 고출력으로 갈수록 증가하며 테스트 조건 내에서 최대 3배 이상 증가하는 결과를 보였다. NOx 배출량은 촉매전단에서 측정한 결과이며, 출력이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보인다.
후속연구
- 배기가스온도가 상대적으로 높은 고출력 운전조건에서는 O2량의 변동 폭이 크지 않지만 상대적으로 배기가스온도가 낮은 저부하 운전조건에는 O2량의 변동폭이 큰 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는 과도응답 운전조건에서 촉매후단 feedback 제어를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
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