국내외적으로 디젤엔진에 대한 배출가스 규제가 강화되고 있고 다양한 방식의 엔진연소 및 후처리 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 질소산화물(NOx)의 제거방법으로는 HC-SCR, LNT, Urea-SCR 등이 있으며, Urea-SCR은 높은 변환 효율 및 연비특성으로 향후 NOx의 저감을 위한 유력한 기술로 많은 기술개발이 진행되고 있다. 본 연구에서는 요소함량의 변화에 따른 요소수의 물리적/화학적 특성을 조사하고 배출가스의 특성을 분석하였다. 요소함량의 증가에 따른 요소수의 뷰렛, 알데히드, 인산염 함량은 증가하였으며, 배출가스 중 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 입자상물질(PM)의 배출량 변화는 미미하였다. 질소산화물(NOx)의 배출량은 요소함량이 증가함에 따라 감소하였으며, 30.0 wt%이상의 요소수에서는 질소산화물의 저감효율이 80 %이상을 나타내었다.
국내외적으로 디젤엔진에 대한 배출가스 규제가 강화되고 있고 다양한 방식의 엔진연소 및 후처리 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 질소산화물(NOx)의 제거방법으로는 HC-SCR, LNT, Urea-SCR 등이 있으며, Urea-SCR은 높은 변환 효율 및 연비특성으로 향후 NOx의 저감을 위한 유력한 기술로 많은 기술개발이 진행되고 있다. 본 연구에서는 요소함량의 변화에 따른 요소수의 물리적/화학적 특성을 조사하고 배출가스의 특성을 분석하였다. 요소함량의 증가에 따른 요소수의 뷰렛, 알데히드, 인산염 함량은 증가하였으며, 배출가스 중 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 입자상물질(PM)의 배출량 변화는 미미하였다. 질소산화물(NOx)의 배출량은 요소함량이 증가함에 따라 감소하였으며, 30.0 wt%이상의 요소수에서는 질소산화물의 저감효율이 80 %이상을 나타내었다.
National and international regulations on the exhaust gases of diesel engines are being strengthened, and a study of the combutsion engine and the post-porcessing system are in progress as a variety of ways. There are many techniques for the removal of nitrogen oxide like HC-SCR, LNT, Urea-SCR. And ...
National and international regulations on the exhaust gases of diesel engines are being strengthened, and a study of the combutsion engine and the post-porcessing system are in progress as a variety of ways. There are many techniques for the removal of nitrogen oxide like HC-SCR, LNT, Urea-SCR. And the technical development on the Urea-SCR owing to high conversion efficiency and fuel economy characteristics has being processed. This study investigated the physical/chemical properties of urea according to the change of the urea content, and were analysed the characteristic of exhaust gas. According to the increase of urea content, the contests of biuret aldehyde, phosphate content was increased and the changes of emission quantity of carbon monoxide, hydrocarbons and particulate matter in the exhaust gas was very slight. The emission quantity of NOx was decreased in accordance with increasing the urea content and it was shown to be more than 80 % in the urea solution having more than 30 wt%.
National and international regulations on the exhaust gases of diesel engines are being strengthened, and a study of the combutsion engine and the post-porcessing system are in progress as a variety of ways. There are many techniques for the removal of nitrogen oxide like HC-SCR, LNT, Urea-SCR. And the technical development on the Urea-SCR owing to high conversion efficiency and fuel economy characteristics has being processed. This study investigated the physical/chemical properties of urea according to the change of the urea content, and were analysed the characteristic of exhaust gas. According to the increase of urea content, the contests of biuret aldehyde, phosphate content was increased and the changes of emission quantity of carbon monoxide, hydrocarbons and particulate matter in the exhaust gas was very slight. The emission quantity of NOx was decreased in accordance with increasing the urea content and it was shown to be more than 80 % in the urea solution having more than 30 wt%.
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문제 정의
본 연구는 요소함량의 변화에 따른 요소수의 물리적 특성을 분석하고 자동차 배출가스에 미치는 영향을 평가하였다.
본 연구에서는 요소의 함량에 따른 요소수의 물리적/화학적 특성을 파악하고 배출가스의 변화 및 질소산화물의 저감효율을 분석하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 엔진동력계는 최대출력 440 kW, 최고속도 4,000 rpm, 최대토크 3,734 Nm의 AVL사의 AC Type 동력계를 사용하였으며, 냉각수 온도조절장치, 연료공급 및 소모량 측정 장치 등 주변기기를 포함한다. Fig.
본 실험에 사용된 엔진은 5.9 리터급 DL06K 디젤엔진을 사용하였으며, 연료는 현재 국내 유통 중인 자동차용 경유를 사용하였다. 차대동력계 및 배출가스 분석장치의 개략도를 Fig.
시험에 사용된 시료는 현재 시중에 판매되고 있는 요소수(32.5 wt%)와 고상의 요소(urea)를 KS M ISO 3696에 따라 제조한 증류수를 이용하여 요소와 물의 질량을 정확히 계량하여 10.0, 20.0, 30.0, 40.0 wt%의 함량을 가지는 시료를 각각 제조하여 사용하였다. Table 2는 요소의 일반적인 물리/화학적 특성을 나타내었다.
이론/모형
각 시료의 굴절률은 KS R ISO 22241-2 Annex C의 시험방법을 적용하였고, 요소(urea)의 함량별(wt%) 표준물질을 제조하여 검량선을 작성하고 디지털 굴절계(RX-5000α, ATAGO)에 시료 0.5 ~ 1.0 ml를 주입하여 시료의 굴절률을 측정하였다.
각 시료의 밀도는 KS M ISO 12185 시험방법을 적용하였으며, 일정량의 시료를 밀도시험기(DMA 4500, Anton Paar)에 주입하여 측정하였다.
각 시료의 뷰렛, 알데히드 및 인산염의 함량 분석은 KS M ISO 22241-2 Annex E, F, H 시험방법을 적용하였다. 각 항목별로 일정량의 시료를 전처리하여 UV/VIS분광계(OPTIZEN3220, Mecasys)를 이용하여 측정하였다.
각 시료의 중금속 함유량은 KS M ISO 22241-2 Annex I 시험방법을 적용하였으며, 시료 일정량(20 g)을 100 ml 용량 플라스크에 희석(1:5)하여 유도결합플라즈마광도계(Prodigy, Leeman)를 이용하여 측정, 함량을 산출하였다.
본 실험에서 발생한 배출가스를 분석하기 위해 Horiba사의 MEXA-7100DEGR을 사용하였으며, 배출가스별 분석방법은 저감장치 인증시험 방법에서 준용하고 있는 『제작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정」에 의해 분석하였다. Fig.
요소함량 변화에 따른 요소수(urea solution)의 물리적 특성을 비교분석하기 위하여 각 시료의 촉매제 제조기준에 따라 분석하였고, 분석방법은 「대기환경보전법 제74조 자동차연료·첨가제 또는 촉매제의 검사 등」 및 「대기환경보전법 시행규칙 제115조 자동차연료·첨가제 또는 촉매제의 제조기준」에서 규정하는 시험방법을 적용하였다. 각 항목별 분석방법과 장비는 Table 3에 나타내었다.
성능/효과
1) 요소함량의 증가함에 따라 요소수의 밀도, 굴절률 및 뷰렛은 증가하였다.
2) 요소함량의 변화에 따른 요소수의 알데히드, 인산염 및 중금속의 함량은 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 요소수 제조에 사용된 고체 요소(Urea)의 순도와 관련된 것으로 판단된다.
3) 자동차의 배출가스 분석결과, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상 물질(PM)의 배출량은 요소함량의 변화에 따른 요소수의 영향은 없다고 판단되어진다.
4) 요소함량의 변화에 따른 질소화합물(NOx)의 배출량은 요소함량이 증가함에 따라 감소하는 경향이 나타난다.
5) 요소함량의 변화에 따른 질소화합물의 저감효율 역시 요소함량이 증가할수록 저감효율은 증가하였으나, 30 wt% 이상의 요소함량에서는 큰 차이가 없었다.
6) 요소함량이 증감함에 따라 질소화합물(NOx)의 저감효율은 크게 변화하지 않으나, 독성물질인 암모니아의 배출량이 함께 증가될 우려가 있으므로 현재의 요소수 제조기준이 적정하다고 판단된다.
후속연구
향후, 요소수를 이용한 질소화합물의 저감효율을 증대시키기 위한 다양한 인자들에 대한 연구를 통해 비교·평가가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
요소가 SCR시스템에 이용되는 이유는?
이 농도에서 요소는 -11 ℃의 결정점(crystallization point)를 갖는 공융액(eutectic solution)이 된다. 이러한 요소 공융액을 사용하면 결정화가 일어나는 동안 액체와 고체상의 농도가 같다는 장점을 이용하여, 요소 탱크에서 부분적인 응결에 따른 결정화가 진행되어도 SCR 시스템으로 공급되는 요소 수용액의 농도는 변하지 않는다.(8) 현재 「대기환경보전법 제74조 1항 자동차연료 첨가제 또는 촉매제의 검사 등」 및 「대기환경보전법 시행규칙 제 115조 자동차연료 첨가제 또는 촉매제의 제조기준」을 Table 1.
Urea-SCR이란?
(1),(2) 현재 NOx제거를 위해 연구되고 있는 대표적인 후처리 시스템으로 HC-SCR(hydrocarbon-SCR), LNT(lean NOx trap), Urea-SCR(selective catalytic reduction)등이 있다. Urea-SCR은 연소된 배출가스 상류에서 요소(urea)를 환원제로 분사함으로써 질소산화물을 선택적으로 환원하여 배출가스 내 질소산화물을 저감시켜주는 시스템으로, 다른 시스템에 비해 상대적으로 정화효율 및 연비특성이 우수하여 중대형 이상의 상용차량에 적용하기에 가장 유리한 방법으로 유럽을 중심으로 EURO-VI규제에 대응하기 위하여 중대형 상용차량에 적용되고 있다.(3)(4)
NOx제거를 위한 후처리 시스템으로 어떤 것들이 있는가?
질소산화물(NOx)제거 방법으로는 중량자동차의 경우 EURO-III까지는 엔진 연소실 최적화 등으로 배기규제를 만족할 수 있었으나, EURO-IV이상의 규제에서는 배기가스의 일부를 흡기로 재순환하는 EGR(exhaust gas recirculation)이나 후처리장치를 적용하지 않고는 기술적으로 규제 대응이 불가능한 것으로 알려져 있다.(1),(2) 현재 NOx제거를 위해 연구되고 있는 대표적인 후처리 시스템으로 HC-SCR(hydrocarbon-SCR), LNT(lean NOx trap), Urea-SCR(selective catalytic reduction)등이 있다. Urea-SCR은 연소된 배출가스 상류에서 요소(urea)를 환원제로 분사함으로써 질소산화물을 선택적으로 환원하여 배출가스 내 질소산화물을 저감시켜주는 시스템으로, 다른 시스템에 비해 상대적으로 정화효율 및 연비특성이 우수하여 중대형 이상의 상용차량에 적용하기에 가장 유리한 방법으로 유럽을 중심으로 EURO-VI규제에 대응하기 위하여 중대형 상용차량에 적용되고 있다.
참고문헌 (9)
T. Johnson, "Diesel Emission Control In Review," SAE 2006-01-0030, 2006
Lee, C., Cho, T., "An Experimental Study of Nano PM Emission Characteristics of Commercial Diesel Engine with Urea-SCR System to Meet EURO-IV", Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 15, No. 6, pp. 128-136, 2007
Seo, J., Lee, S., Cho, Y., Kang, Y., "A study on Effect of NOx and NH3 Emission Characteristics by Urea-SCR Model for Euro-6 Emission Regulation in Diesel Engine", The Korean Society Of Automotive Enineers, pp. 479-485, 2012
Han, J., Hong, K., Hwang, I., Myung, C., Park, S., Lee, N., "NO/NO2 mixture ratio and Catalyst Temperature using Simulated Diesel Exhaust Gases on DeNOx Performance in Urea-SCR System", The Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 67-72, 2008
Fang, H. L., Dacosta, H. F. M., "Urea Thermolysis NOx Reduction with and without SCR Catalysts," Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 46, pp. 17-34, 2003
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