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 Engine원문보기
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.
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.
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...
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 thermal efficiency in gasoline engines because lean combustion leads to an increase in the heat-capacity ratio and a reduction of the combustion temperature. Gasoline direct injection (GDI) engines enable lean combustion by injecting fuel directly into the cylinder and controlling the combustion parameters precisely. However, the extension of the flammability limit and the stabilization of lean combustion are required for the commercialization of GDI engines. The reduction characteristics of three-way catalysts (TWC) for lean combustion engines are somewhat limited owing to the high excess air ratio and low exhaust gas temperature. Therefore, in the present study, we assess the reaction of exhaust gases and their production in terms of the development of efficient TWCs for lean-burn GDI engines at 2000 rpm / BMEP 2 bar operating conditions, which are frequently used when evaluating the fuel consumption in passenger vehicles. At the lean-combustion operating point, $NO_2$ was produced during combustion and the ratio of $NO_2$ increased, while that of $N_2O$ decreased as the excess air ratio increased.
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 thermal efficiency in gasoline engines because lean combustion leads to an increase in the heat-capacity ratio and a reduction of the combustion temperature. Gasoline direct injection (GDI) engines enable lean combustion by injecting fuel directly into the cylinder and controlling the combustion parameters precisely. However, the extension of the flammability limit and the stabilization of lean combustion are required for the commercialization of GDI engines. The reduction characteristics of three-way catalysts (TWC) for lean combustion engines are somewhat limited owing to the high excess air ratio and low exhaust gas temperature. Therefore, in the present study, we assess the reaction of exhaust gases and their production in terms of the development of efficient TWCs for lean-burn GDI engines at 2000 rpm / BMEP 2 bar operating conditions, which are frequently used when evaluating the fuel consumption in passenger vehicles. At the lean-combustion operating point, $NO_2$ was produced during combustion and the ratio of $NO_2$ increased, while that of $N_2O$ decreased as the excess air ratio increased.
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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.
제안 방법
(9,10) 3축 피스톤형 고압연료펌프를 이용하여 20 MPa의 고압으로 연료를 Common Rail에 공급하도록 하였다.
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.
냉각수 온도는 80±3℃를 유지하도록 충분히 warm-up된 상태에서 실험을 진행하였고 연료 분사 압력은 20 MPa로 고정하였다.
모드운전 조건 및 운전자의 평균 운전조건을 고려하여 선정된 운전조건들로 실제 차량운행시 빈번하게 나타나는 운전조건이며 BMEP 4 bar 이상의 상대적으로 높은 부하에서 엔진이 운전될 경우, 스로틀 전개 시 흡입공기량이 일정한 자연급기 방식 엔진의 경우 기본 연료량이 많기 때문에 희박한계의 확장이 어렵고 따라서 희박연소 조건에서의 촉매성능을 검토하기 어렵다. 따라서 초희박 직접분사식 가솔린엔진에서 운전조건의 변화에 따른 삼원촉매 저감특성을 살펴보기 위해 상대적으로 저부하 조건에 해당하는 BMEP 2bar 조건에서 이론공연비 연소 조건과 희박 연소 조건으로 나누어 실험을 진행하였다.
9)를 배기관에 장착하였으며 이 신호는 데이터 취득장치에 입력되어 연료량을 제어하는데 기준 값으로 이용하였다. 배출가스는 배출가스 분석기 (HORIBA, MEXA7000 DEGR)와 FTIR을 이용하여 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx)와 같은 일반적인 배기배출을 측정하였다. 촉매의 사양에 따른 성능 비교를 위해 현재 양산되고 있는 이론공연비 연소방식의 가솔린 엔진용 삼원촉매와 초희박 직접분사식 가솔린엔진의 개발을 위해 별도로 설계된 삼원촉매 시제품을 각각 이용하여 동일한 운전조건에서의 실험결과를 비교하였다.
희박연소 조건에서의 공기과잉률은 스로틀의 개도를 조절하여 제어하였으며, 각 조건에서의 배기배출물을 촉매 전후단에서 측정하여 비교하였다. 본 연구에서는 희박연소 조건에서도 출력 저하 없이 운전조건을 유지하도록 Engine control unit를 이용해 주요 운전변수를 제어하였다. 냉각수 온도는 80±3℃를 유지하도록 충분히 warm-up된 상태에서 실험을 진행하였고 연료 분사 압력은 20 MPa로 고정하였다.
연소 특성분석을 위하여 피에조 타입 압력 센서(Kistler, 6052C)를 장착하였으며, 흡기와 배기 매니폴드의 압력을 측정하기 위하여 압력 센서를 장착하였다. 압력센서에서 측정한 압력 데이터들은 신호 증폭을 위하여 다채널 앰프를 이용하였으며, 도시평균유효압력과 연소 안정성을 나타내는 변동계수(COVIMEP) 값을 측정된 압력 값으로부터 실시간으로 계산하기 위하여 연소해석기(Dewetron, Dewe211CA)를 이용하였다.
냉각수 온도는 80±3℃를 유지하도록 충분히 warm-up된 상태에서 실험을 진행하였고 연료 분사 압력은 20 MPa로 고정하였다. 점화시기와 연료 분사시기는 각 운전조건에서 가장 낮은 연료소비율을 나타내는 조건을 기준으로 최적시기를 결정하였다.
(9,10) 3축 피스톤형 고압연료펌프를 이용하여 20 MPa의 고압으로 연료를 Common Rail에 공급하도록 하였다. 초희박 조건으로 연소가 되기 위해서는 엔진의 각 기통마다 연료분사시기, 연료압력, 점화시기, 공기량 제어가 필요하고, 이를 위해서 제어 장치 및 Universal engine control unit(ECU)를 구성하여 엔진의 연소를 제어하였다.
(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.
배출가스는 배출가스 분석기 (HORIBA, MEXA7000 DEGR)와 FTIR을 이용하여 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx)와 같은 일반적인 배기배출을 측정하였다. 촉매의 사양에 따른 성능 비교를 위해 현재 양산되고 있는 이론공연비 연소방식의 가솔린 엔진용 삼원촉매와 초희박 직접분사식 가솔린엔진의 개발을 위해 별도로 설계된 삼원촉매 시제품을 각각 이용하여 동일한 운전조건에서의 실험결과를 비교하였다. 실험에 사용된 촉매의 사양은 Table 2와 같다.
압력센서에서 측정한 압력 데이터들은 신호 증폭을 위하여 다채널 앰프를 이용하였으며, 도시평균유효압력과 연소 안정성을 나타내는 변동계수(COVIMEP) 값을 측정된 압력 값으로부터 실시간으로 계산하기 위하여 연소해석기(Dewetron, Dewe211CA)를 이용하였다. 흡입공기 및 배출가스의 온도를 측정하기 위해 흡기 매니폴드, 배기 매니폴드에 각각 열전대를 장착하고 각각의 신호는 데이터 취득장치를 이용하여 기록하였다.
희박연소 조건에서의 공기과잉률은 스로틀의 개도를 조절하여 제어하였으며, 각 조건에서의 배기배출물을 촉매 전후단에서 측정하여 비교하였다. 본 연구에서는 희박연소 조건에서도 출력 저하 없이 운전조건을 유지하도록 Engine control unit를 이용해 주요 운전변수를 제어하였다.
희박연소를 하는 경우 정확한 공연비를 측정하기 위하여 배기가스가 모여지는 부분에 광역산소센서 (ETAS, LSU 4.9)를 배기관에 장착하였으며 이 신호는 데이터 취득장치에 입력되어 연료량을 제어하는데 기준 값으로 이용하였다. 배출가스는 배출가스 분석기 (HORIBA, MEXA7000 DEGR)와 FTIR을 이용하여 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx)와 같은 일반적인 배기배출을 측정하였다.
대상 데이터
Fig. 1은 본 연구에 사용된 시험장치의 전체적인 구성을 나타낸 것으로 직접분사식 엔진을 이용하여 초희박 연소를 구현하기 위해 분무유도방식의 연소 기구를 채용한 승용차량용 상용화 엔진을 이용하였다. 실험엔진의 제원을 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서는 승용 가솔린 엔진에서 자주 사용되는 운전영역인 2000 rpm BMEP(Brake Mean Effective Pressure) 2 bar의 부하 조건에서 실험하였다. 본 연구의 엔진 실험조건인 2000 rpm, BMEP 2 bar의 운전 조건은 1500 rpm, BMEP 1.
이론/모형
연소 특성분석을 위하여 피에조 타입 압력 센서(Kistler, 6052C)를 장착하였으며, 흡기와 배기 매니폴드의 압력을 측정하기 위하여 압력 센서를 장착하였다. 압력센서에서 측정한 압력 데이터들은 신호 증폭을 위하여 다채널 앰프를 이용하였으며, 도시평균유효압력과 연소 안정성을 나타내는 변동계수(COVIMEP) 값을 측정된 압력 값으로부터 실시간으로 계산하기 위하여 연소해석기(Dewetron, Dewe211CA)를 이용하였다. 흡입공기 및 배출가스의 온도를 측정하기 위해 흡기 매니폴드, 배기 매니폴드에 각각 열전대를 장착하고 각각의 신호는 데이터 취득장치를 이용하여 기록하였다.
성능/효과
(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.
일반적으로 백금 및 팔라듐계 촉매 또는 선택적환원촉매(SCR; Selective catalytic reduction)를 장착하고 있는 자동차엔진의 배출가스 중의 NOx의 반응에 의해 생성되는 것으로 알려져 있다.(12) 매우 낮은 배출 수준이지만 상대적으로 연소온도가 높은 이론공연비 조건에서의 배출이 높게 나타났으며, 공기 과잉률 2.0 이상에서는 일정 수준을 유지하였다.
(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.
(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.
O의 배출이 기존 가솔린엔진용 삼원촉매에 비해 높게 나타났다. THC 및 HCHO의 상대적으로 높은 저감률은 고무적인 결과이며, 낮은 반응성에 의해 NH3의 생성도 적음을 확인할 수 있다.
공기과잉률이 증가할수록 과잉산소량의 증가에 의해 NO 또는 N 흡착원자 보다는 O 흡착원자와 반응성이 증가하여 생성율이 감소하였다. THC와 HCHO는 공기과잉률이 증가할수록 배기온도의 감소로 산화반응에 의한 저감률이 감소하였다. 배기온도가 약 200℃ 수준인 희박연소한계 조건에서는 THC가 거의 감소되지 않았다.
이론공연비 조건에서 THC와 HCHO는 NO 등과 반응하여 대부분 제거되는 반면, NH3는 삼원촉매에 흡착되어 있거나 THC의 산화반응시 생성되는 H 흡착원자와 반응하여 큰 폭으로 증가하였다. 공기과잉률이 증가할수록 과잉산소량의 증가에 의해 NO 또는 N 흡착원자 보다는 O 흡착원자와 반응성이 증가하여 생성율이 감소하였다. THC와 HCHO는 공기과잉률이 증가할수록 배기온도의 감소로 산화반응에 의한 저감률이 감소하였다.
5를 제외한 희박연소조건에서 NO2는 거의 제거되었다. 전체적인 귀금속량은 양산되고 있는 삼원촉매에 비해서 작지만 상대적으로 활성이 높은 rhodium의 량이 많기 때문에 N2O의 배출이 보다 높게 나타났다.(18) 초희박 연소조건에 비해 배기 온도가 높은 공기과잉률 1.
의 배출을 확인할 수 있었다. 전체적인 질소산화물의 배출은 공기과잉률이 증가할수록 감소하였으나, NO2의 비율은 공기과잉률이 증가할수록 증가하고 N2O는 감소하였다.
를 제외한 모든 배기배출물이 제거되었다. 희박연소 조건에서 NO2의 배출은 거의 관찰되지 않았으며, N2O의 배출은 공기과잉률이 증가할수록 증가하였다.
후속연구
(19) 그러나 GDI 엔진용 삼원촉매 시제품에서 보다 향상된 THC 산화 성능은 H2O의 생성을 돕고 결과적으로 HCHO의 저감에 효과적으로 나타났다. 삼원촉매 후단에서의 배출물 들의 성상은 입자상물질 저감장치 및 질소산화물 저감장치의 성능에 영향을 줄 수 있기 때문에 초희박 GDI 엔진 개발을 위한 기초적인 데이터로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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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