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초희박 직접분사식 가솔린 엔진용 삼원촉매의 운전조건에 따른 배기저감 특성
Emission Reduction Characteristics of Three-way Catalyst with Engine Operating Condition Change in an Ultra-lean Gasoline Direct Injection Engine 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.9 = no.360, 2015년, pp.727 - 734  

박철웅 (한국기계연구원 그린동력연구실) ,  이선엽 (한국기계연구원 그린동력연구실) ,  이의형 (가천대학교 기계공학과) ,  이장희 (한국기계연구원 그린동력연구실)

초록
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세계적으로 유가 상승에 따른 내연기관의 에너지 변환 효율을 높이고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 가솔린엔진에서 높은 열효율을 실현하기 위해서는 희박연소에 의한 비열비의 증가 및 단열화염온도의 저감에 의한 열효율 향상이 필수적이다. 직접분사식 가솔린 엔진은 연료를 직접 연소실에 공급하고 정밀한 연소제어를 통해 희박 연소가 가능하게 하지만 희박연소 한계의 확대와 안정된 희박연소제어가 요구된다. 희박연소 엔진에 대한 삼원촉매의 배출가스 저감특성은 높은 공기과잉률 및 낮은 배기가스 온도로 인해 매우 제한적이다. 이에 효과적인 삼원촉매의 개발을 위해 승용 차량용 엔진의 주요 연비시험 운전조건인 2000 rpm BMEP 2bar 조건에서 공기과잉률의 변화에 따른 배출가스 반응 및 생성 특성을 비교하였다. 희박연소 조건에서 $NO_2$가 생성되었으며, $NO_2$의 비율은 공기과잉률이 증가할수록 증가하고 $N_2O$는 감소하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, because of the increased oil prices globally, there have been studies investigating the improvement of fuel-conversion efficiency in internal combustion engines. The improvements realized in thermal efficiency using lean combustion are essential because they enable us to realize higher the...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 삼원촉매의 경우 희박혼합기 조건에서 질소산화물의 정화율이 매우 낮고, 귀금속의 종류와 담지량에 따라 탄화수소 및 일산화탄소의 정화율이 크게 달라진다.(6~8) 이에 본 연구에서는 현재 양산되고 있는 이론공연비 연소방식의 가솔린 엔진용 삼원촉매를 이용하여, 승용 차량용 엔진의 주요 연비시험 운전조건에서 이론공연비로 운전되는 조건과 희박혼합기로 운전되는 조건 각각에 대한 정화율을 살펴보았다. 초희박 직접분사식 가솔린엔진의 개발을 위해 별도로 설계된 삼원촉매 시제품에 대해서 동일한 시험을 진행하여 그 결과를 비교하였다.
  • 본 연구에서는 분무유도방식(Spray-guided)의 초희박 GDI 엔진에서 운전조건의 변화에 따른 삼원촉매의 성능을 평가하기 위해 승용 차량용 엔진의 주요 연비시험 운전조건인 2000 rpm, BMEP 2 bar의 조건에서 실험을 진행하였다. GDI 엔진용 삼원촉매 시제품을 이용하여 배기배출물 저감 성능을 평가하고 기존의 양산되고 있는 삼원촉매의 성능과 비교하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
GDI 엔진용 삼원촉매 시제품을 이용하여 배기배출물 저감 성능을 평가하고 기존의 양산되고 있는 삼원촉매의 성능을 비교한 결과는 어떠한가? (1) 일반적인 가솔린엔진에서와 유사한 이론공연비 운전조건과는 달리 희박연소 조건에서 NO2의 배출을 확인할 수 있었다. 전체적인 질소산화물의 배출은 공기과잉률이 증가할수록 감소하였으나, NO2의 비율은 공기과잉률이 증가할수록 증가하고 N2O는 감소하였다. (2) 희박연소 조건에서의 HCHO는 THC의 배출과 유사하게 공기과잉률이 증가할수록 증가하였으며, NH3의 배출은 거의 나타나지 않았다. (3) 양산되고 있는 가솔린엔진용 삼원촉매를 적용한 결과, 이론공연비 조건에서는 NH3를 제외한 모든 배기배출물이 제거되었다. 희박연소 조건에서 NO2의 배출은 거의 관찰되지 않았으며, N2O의 배출은 공기과잉률이 증가할수록 증가하였다. (4) 삼원촉매의 후단에서 공기과잉률이 증가할수록 배기온도 저감에 의해 THC와 HCHO의 저감률은 감소하였다. (5) 실험에 적용된 GDI 엔진용 삼원촉매 시제품의 경우 전체적인 귀금속량은 적지만 rhodium량은 많기 때문에 N2O의 배출이 기존 가솔린엔진용 삼원촉매에 비해 높게 나타났다. THC 및 HCHO의 상대적으로 높은 저감률은 고무적인 결과이며, 낮은 반응성에 의해 NH3의 생성도 적음을 확인할 수 있다.
초희박 직접분사식 엔진 기술의 장점은 무엇인가? 이런 이산화탄소 배출규제를 대응하기 위한 대표적인 연비향상 기술로는 성능증대를 위한 다운사이징을 포함하여 엔진 마찰저감 기술과 가변밸브기구기술 및 하이브리드 엔진 기술 등이 있다. 이 중에서도 대폭적인 연비향상이 기대되는 초희박 직접분사식 엔진(GDI;Gasoline direct injection)기술은 약 15%의 연비 향상 및 이산화탄소의 저감이 가능한 것으로 알려져 있으며,(3,4) 가까운 장래에 적용 추세가 증가할 것으로 판단되므로 이에 대한 원천기술의 확보가 필요한 상황이다.
이산화탄소 배출규제를 대응하기 위한 대표적인 연비향상 기술에는 어떤 것들이 있는가? 이런 이산화탄소 배출규제를 대응하기 위한 대표적인 연비향상 기술로는 성능증대를 위한 다운사이징을 포함하여 엔진 마찰저감 기술과 가변밸브기구기술 및 하이브리드 엔진 기술 등이 있다. 이 중에서도 대폭적인 연비향상이 기대되는 초희박 직접분사식 엔진(GDI;Gasoline direct injection)기술은 약 15%의 연비 향상 및 이산화탄소의 저감이 가능한 것으로 알려져 있으며,(3,4) 가까운 장래에 적용 추세가 증가할 것으로 판단되므로 이에 대한 원천기술의 확보가 필요한 상황이다.
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참고문헌 (19)

  1. European Commission, 2013, "Climate Action: Building a World We Like, with a Climate We Like," Luxembourg, Publications Office. 

  2. United Nations, 2013, "United Nations Global Compact International Yearbook 2013," United Nations Pubns. 

  3. Alkiad, A. C. and Eltary, S. H., 2003, "Contributors to the Fuel Economy Advantage of DISI Engines Over PFI Engines," SAE Technical paper, 2003-01-3101. 

  4. Lee, J., Kang, J. and Kim, D., 2003, "Effect of Injection Timing and Intake Flow on In-cylinder Fuel Behavior in a GDI Engine," Trans. Korean Soc. Auto. Eng., Vol. 11, No. 6, pp. 7-13. 

  5. Szekely, G. A. and Alkiads, A. C., 2005, "Combustion Characteristics of a Spray-Guided Direct Injection Stratified-Charge Engine with a High Squish Piston," SAE Technical paper, 2005-01-1937. 

  6. Choi, B. C., 2001, "Technologies for Emission Aftertreatment," Baro Press Co., pp. 351-352. 

  7. Borgan, M. S., Brisley, R. J., Walker, A. P., Webster, D. E., Boegner, W., Fekete, N. P., Kramer, M., Krutzsch, B. and Voigtlander, D., 1995, "Evaluation of NOx Storage Catalysts as an Effective System for NOx Removal from the Exhaust Gas of Leanburn Gasoline Engine," SAE Technical paper, 952490. 

  8. Lee, C. H., Choi, B. C. and Juhng, W. N., 2004, "Comparison of NOx Reduction Characteristics of NOx Adsorption Catalyst with TWC for Lean-burn Natural Gas Vehicles," 2004 KSAE Spring Conference, pp. 579-584. 

  9. Piock, W. F., Weyand, P., Wolf, E. and Heise, V., 2010, "Ignition Systems for Spray-Guided Stratified Combustion," SAE Technical paper, 2010-10-0598. 

  10. Husted, H. L., Piock, W. and Ramsay, G., 2009, "Fuel Efficiency Improvements from Lean, Stratified Combustion with a Solenoid Injector," SAE Technical paper, 2009-10-1485. 

  11. Baek, K. H., Yoo, S. Y., Bae, G. S., Woo, M. S. and Kim, W. G., 2010, "A Study on Regeneration Strategies of Cordierite-DPF Applied to a Diesel Vehicle," 2010 KSAE Annual Conference and Exhibitions, pp. 833-840. 

  12. Prigent, M. and Soete, G. De, 1989, "Nitrous Oxide $N_2O$ in Engine Exhaust Gases-A Frist Appraisal of Catalyst Impact," SAE Technical paper, 890492. 

  13. Torres, J. Q., Royer, S., Bellat, J. P., Giraudon, J. M. and Lamonier, J. F., 2013, "Formaldehyde: Catalytic Oxidation as a Promising Soft Way of Elimination," Che. Sus. Chem. Vol. 6, pp. 578-592. 

  14. Kwon, D. W., Seo, P. W., Kim, G. J. and Hong, S. C., 2015, "Characteristics of the HCHO Oxidation Reaction over Pt/ $TiO_2$ Catalysts at Room Temperature: The Effect of Relative Humidity on Catalytic Activity," Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 163, pp.436-443. 

  15. Choi, B. C., "Characteristics of Formaldehyde and $N_2O$ Formation from Catalytic Reaction of Methane," Trans. Korean Soc. Auto. Eng., Vol. 3, No. 2, pp. 95-101. 

  16. Burch, R., Daniells, S. T. and Hu, P., 2002, " $N_2O$ and $NO_2$ Formation on Pt(111): A Density Functional Theory Study," The Journal of Chemical Physics, Vol. 117, pp. 2902-2908. 

  17. 'A-Centeno, I. M. and Fuentes, G. A., 2009, "Nitrous Oxide Formation During Light-Off Over a Commercial Pd-Containing Three-Way Catalytic Converter: The Effect of Low-Sulfur Gasoline," Chem. Eng. Comm., Vol. 196, pp. 1140-1151. 

  18. Perez, V. R., 2013, "Optimizatio of N2O Decomposition RhOx/ceria Catalysts and Design of a High N2-selective deNOx System for Diesel Vehicles," Ph.D Thesis, Universidad de Alicante. 

  19. Zhang, C. B. and He H., 2007, "A Comparative Study of TiO2 Supported Noble Metal Catalysts for the Oxidation of Formaldehyde at Room Temperature," Catalysis Today, Vol. 126, pp. 345-350. 

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