[논문]단기통 디젤엔진에서 LNT/DPF + SCR/DPF 하이브리드 시스템의 NOx 및 PM 동시저감 특성

강우석; 박수한; 최병철

doi:10.7467/ksae.2016.24.2.152

[국내논문] 단기통 디젤엔진에서 LNT/DPF + SCR/DPF 하이브리드 시스템의 NOx 및 PM 동시저감 특성
Characteristics of Simultaneous Removal of NOx and PM over a Hybrid System of LNT/DPF + SCR/DPF in a Single Cylinder Diesel Engine 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.24 no.2, 2016년, pp.152 - 160

강우석 (전남대학교 자동차연구소) , 박수한 (전남대학교 기계공학부) , 최병철 (전남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The market demand for diesel engine tends to increase in general passenger cars as well as commercial vehicles because of its advantages. However, to meet the vehicle emissions regulation which will be more stringent in the future, it is necessary to plurally apply all after-treatment technologies such as diesel oxidation catalyst (DOC), catalyzed diesel particulate filter (CDPF), lean NOx trap (LNT) and selective catalytic reduction (SCR), and so on. Accordingly, the exhaust after-treatment system for diesel vehicle requires the technology of minimizing the numbers of catalysts by integrating every individual catalysts. The purposes of this study is to develop hybrid exhaust after-treatment device system which simultaneously uses LNT/DPF and SCR/DPF catalyst concurrently reducing NOx and particulate matter (PM). As the results, the hybrid system with $NH_3$ generated at LNT/DPF working as a reducing agent of SCR/DPF catalyst, improving NOx conversion rate, was found to be more excellent in de-NOx performance than that in LNT/DPF alone system.

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문제 정의

^14,15) 한편, LNT와 DPF를 통합한 촉매¹⁶⁾와 LNT/DPF + SCR/DPF 복합시스템에 관한 연구는 드물게 진행되고 있는 상황이다. 이 논문의 목적은 SCR과 DPF의 기능을 복합한 일체형 SCR/DPF 촉매와 LNT와 DPF의 기능을 복합한 일체형 LNT/DPF 촉매를 동시에 사용하는 하이브리드 배기후처리 장치를 개발하여 단기통 디젤엔진에서 LNT/DPF + SCR/DPF 하이브리드 시스템의 배출가스 특성을 파악하는 것이다.
단기통 디젤 엔진에서 SCR/DPF 촉매와 LNT/DPF 촉매를 동시에 사용하는 하이브리드 배기후처리 시스템의 배출가스 특성을 파악한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

Urea-SCR은 현재까지 개발된 de-NOx 장치 중 가장 우수한 성능을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.¹⁾ 디젤자동차 PM은 일반적으로 DPF를 사용하여 약 80% 이상 제거하고 있다.^2,3) DPF는 입자상물질(PM)을 필터에 포집하고 재생하는 기술로 PM 제거기술 중 가장 효과적이다.

제안 방법

5 3가지 조합으로 촉매 체적을 달리하였다. 실험 전 전처리과정은 LNT/DPF와 SCR/DPF 촉매를 500 ℃에서 30분간 H₂ 5 %를 공급하면서 환원 처리하였다.^17,18) 배출가스는 Horiba사의 배기가스 분석장치(MEXA-9100DEGR)와 자동차 배기가스 분석용 FT-IR(MEXA-6000FT- E)로 측정/분석하였다.
실험 전 전처리과정은 LNT/DPF와 SCR/DPF 촉매를 500 ℃에서 30분간 H₂ 5 %를 공급하면서 환원 처리하였다.^17,18) 배출가스는 Horiba사의 배기가스 분석장치(MEXA-9100DEGR)와 자동차 배기가스 분석용 FT-IR(MEXA-6000FT- E)로 측정/분석하였다. 입자상물질(PM)의 입경별 수 분포는 자체 제작한 ejector 형식의 2단 희석장치로 샘플가스를 희석 후 SMPS(Model 3080, TSI Inc)로 측정하였다.
^17,18) 배출가스는 Horiba사의 배기가스 분석장치(MEXA-9100DEGR)와 자동차 배기가스 분석용 FT-IR(MEXA-6000FT- E)로 측정/분석하였다. 입자상물질(PM)의 입경별 수 분포는 자체 제작한 ejector 형식의 2단 희석장치로 샘플가스를 희석 후 SMPS(Model 3080, TSI Inc)로 측정하였다. 실험에 사용한 SMPS와 Diluter의 자세한 제원은 Table 3에 나타내었다.
모든 실험값은 연속 3회 측정한 값을 평균하여 사용하였다. PM 입자의 총 제거율은 촉매를 거치지 않은 엔진에서 배출되는 PM 총 입자 수에 비하여 LNT/DPF 후단과 SCR/DPF 후단에서 검출한 PM 입자수를 비교하였다.
하이브리드 시스템의 PM저감 특성은 SMPS를 이용하여 알아보았다.
PM 측정을 위한 배출가스의 희석비는 132:1이다. PM 입자 총 제거율은 촉매를 거치지 않은 엔진에서 배출되는 PM 총 입자수에 비하여 각각의 하이브리드 촉매시스템의 PM 제거율을 LNT/DPF 후단과 SCR/DPF 후단에서 측정한 결과를 비교한 것이다.
실험조건은 연료분사압력 100 MPa, 엔진회전속도 1,500 rpm, LNT/DPF, SCR/DPF 각각의 공간 속도(44,000 1/h), 희박/농후 당량비(Φ=0.4/Φ=1.0 ~ 1.3)로 변화하며 실험하였고, 분사주기는 연료가 희박/농후한 상태를 55초/5초 조건으로 반복하였다.
Table 2는 실험에 사용한 DPF 담체의 사양을 나타낸 것이다. LNT/DPF, SCR/DPF 촉매 체적은 단기통엔진의 배기량 (498 cc)을 기준으로 각각 500 cc로 설정한 후 총 1,000 cc를 갖는 촉매 시스템으로 실험하였고, 촉매 체적에 따른 촉매 성능 평가에서는 시스템의 총 체적은 1,000 cc로 동일하게 하고, LNT/DPF+SCR/DPF의 조합을 500 cc 촉매를 1로 하여 1+1, 1.5+0.5, 0.5+1.5 3가지 조합으로 촉매 체적을 달리하였다. 실험 전 전처리과정은 LNT/DPF와 SCR/DPF 촉매를 500 ℃에서 30분간 H₂ 5 %를 공급하면서 환원 처리하였다.

대상 데이터

1은 하이브리드 배기후처리 장치가 장착된 단기통 엔진의 성능실험, 후처리장치 성능평가, 배출가스 특성 및 입자상 물질을 파악하기 위해 구성된 실험장치의 개략도이다. 이 연구의 실험 장치는 단기통 디젤엔진, SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer), 배출가스 분석 장치로 구성되어 있다. 실험에 사용한 엔진은 498 cc의 배기량을 갖는 커먼레일 방식의 단기통 디젤엔진이다.
이 연구의 실험 장치는 단기통 디젤엔진, SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer), 배출가스 분석 장치로 구성되어 있다. 실험에 사용한 엔진은 498 cc의 배기량을 갖는 커먼레일 방식의 단기통 디젤엔진이다. 실험에 사용한 디젤엔진의 자세한 제원은 Table 1에 나타내었다.
모든 실험의 데이터 취득은 엔진이 안정화된 후에 LNT/DPF 촉매 전단온도 350 ℃ 기준으로 약 10분간 데이터를 취득하였으며, ±10 ℃ 정도의 온도편차는 존재하였다.

데이터처리

실험 시 입경별 수 분포는 10 nm에서 385 nm까지 측정하였으며, 10 nm의 입경까지 측정하기 위하여 선택된 값이다. 모든 실험값은 연속 3회 측정한 값을 평균하여 사용하였다. PM 입자의 총 제거율은 촉매를 거치지 않은 엔진에서 배출되는 PM 총 입자 수에 비하여 LNT/DPF 후단과 SCR/DPF 후단에서 검출한 PM 입자수를 비교하였다.

성능/효과

¹⁾ 디젤자동차 PM은 일반적으로 DPF를 사용하여 약 80% 이상 제거하고 있다.^2,3) DPF는 입자상물질(PM)을 필터에 포집하고 재생하는 기술로 PM 제거기술 중 가장 효과적이다. 최근 배출가스 규제가 강화됨에 따라 배출가스 규제를 만족시키기 위하여 이들 후처리장치가 복합적으로 장착되는 추세이다.
그림에서 보는 바와 같이 LNT/ DPF 후단에서는 약 30 ppm의 농도에서 희박/농후조건 반복에 의해 농도의 변동이 있지만 시간이 지나면서 점점 NH₃의 농도가 높아지고 있다. SCR/DPF의 후단에서 측정된 NH₃ 농도도 비슷한 양상을 보이지만 LNT/DPF에 비해 변동 폭이 작게 나타났다. 또한 전반적으로 NH₃의 농도가 초반에 비해 점점 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
SCR/DPF의 후단에서 측정된 NH₃ 농도도 비슷한 양상을 보이지만 LNT/DPF에 비해 변동 폭이 작게 나타났다. 또한 전반적으로 NH₃의 농도가 초반에 비해 점점 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 실험 시간의 증가로 인해 촉매의 활성온도가 높아진 영향으로 NH₃ 농도가 소폭 상승하는 경향을 나타내는 것으로 판단된다.
Fig. 6(a)의 0.5(250 cc LNT/DPF)+1.5 (750 cc SCR/DPF) 조합에서 LNT/DPF의 NOx 정화율은 23 %, 하이브리드 시스템의 정화율은 34 %로 나타났다. 반면, 촉매 체적비가 동일한 1.
5 (750 cc SCR/DPF) 조합에서 LNT/DPF의 NOx 정화율은 23 %, 하이브리드 시스템의 정화율은 34 %로 나타났다. 반면, 촉매 체적비가 동일한 1.0 (500cc LNT/DPF)+1.0 (500 cc SCR/DPF) 조합에서는 LNT/DPF의 NOx 정화율은 37 %, 하이브리드 시스템의 정화율은 39 %로 나타나 정화율이 향상되었다. LNT/DPF의 촉매체적이 가장 큰 1.
0 (500 cc SCR/DPF) 조합에서는 LNT/DPF의 NOx 정화율은 37 %, 하이브리드 시스템의 정화율은 39 %로 나타나 정화율이 향상되었다. LNT/DPF의 촉매체적이 가장 큰 1.5 (750cc LNT/DPF)+0.5 (250 cc SCR/ DPF) 조합에서는 LNT/DPF와 하이브리드 시스템의 NOx 정화율은 각각 54 %, 59 %를 나타내었다. 하이브리드 시스템 중 0.
농도에 의하여 복합적으로 작용하였다. 디젤엔진에서 평가한 하이브리드 시스템의 실험결과는 공간속도, 실험온도 및 DPF 내축척된 PM 등에 의하여 영향을 받을 수 있지만, 주로 LNT/DPF의 후단에 생성된 NH₃ 농도 차이로 인해서 하이브리드 시스템의 NOx 정화성능이 다르게 나타난 것을 확인할 수 있다.
LNT/DPF의 크기가 가장 큰 체적비율 1.5+0.5 조합의 하이브리드 시스템의 PM 제거율이 가장 높게 나타났다. 즉, LNT/DPF 후단에서는 PM이 87 % 제거되고, 하이브리드 시스템에서는 PM이 90 % 제거되었다.
5 조합의 하이브리드 시스템의 PM 제거율이 가장 높게 나타났다. 즉, LNT/DPF 후단에서는 PM이 87 % 제거되고, 하이브리드 시스템에서는 PM이 90 % 제거되었다. 이것은 LNT/DPF의 백금 사이트에서 NO가 NO₂로 산화되어 바륨 사이트에 흡장되고 이때 바륨 사이트에 흡장되지 못한 NO₂도 발생하지만 LNT/DPF에서 생성된 모든 NO₂는 PM의 산화 반응에 참여하기 때문에 LNT/DPF의 체적이 큰 촉매의 PM 제거율이 높은 것이다.
8은 LNT/DPF 크기에 따른 NO₂ 생성량을 나타내고 있다. LNT/DPF 체적이 가장 작은 0.5+1.5 조합에서는 NO₂ 생성량이 200 ppm 미만으로 발생하지만, LNT/DPF 촉매의 크기가 큰 조합에서 NO₂ 생성량이 더 많은 것을 확인할 수 있다. NO₂ 발생량이 가장 많은 1.
1.5+0.5 체적조합의 LNT/DPF 단독 시스템 PM 제거율은 87 %, 하이브리드 시스템의 PM 제거율은 90 %이다. LNT/DPF 단독 시스템에 비하여 하이브리드 시스템의 각각의 체적 조합별 PM 저감은 추가로 평균 4 %를 더 저감시키고 있다.
LNT/DPF 단독 시스템에 비하여 하이브리드 시스템의 각각의 체적 조합별 PM 저감은 추가로 평균 4 %를 더 저감시키고 있다. 비록 대부분의 PM이 전단의 LNT/DPF에서 제거됨으로써 후단의 SCR/DPF의 PM 제거효율은 낮았지만, PM의 입자수를 규제하는 EURO 6 이후의 규제에서는 본 연구에 적용된 하이브리드 시스템이 효과적일 것으로 판단한다.
1) SCR/DPF와 LNT/DPF의 하이브리드 시스템에서 농후 당량비 운전조건(Φ=1.1, 5초)로 운전하는 동안 NOx는 LNT/DPF 후단에서 H2 환원제로 인해 발생한 NH3가 SCR/DPF의 환원제 역할을 하여 SCR/DPF 후단에서는 약 200 ppm까지 저감되었다.
9(b)는 입자수농도 분포를 질량으로 환산한 값이다. 디젤엔진에서 배출되는 입자상 물질의 농도 분포는 주로 50 ~ 1000 nm 사이의 누적모드에 해당하는데 동일한 경향을 나타내는 것을 확인하였다. 입자수농도 결과와 마찬가지로 질량농도 결과도 LNT/DPF의 크기가 가장 큰 촉매의 PM 제거율이 높다.
2) SCR/DPF와 LNT/DPF의 하이브리드 시스템의 PM 제거율은, PM 산화력이 우수한 NO₂ 생성량이 많은 LNT/DPF의 크기가 가장 큰 1.5+0.5 하이브리드 시스템이 가장 높았다. 이는 LNT/DPF 단독시스템과 비교하여 하이브리드 시스템의 PM 제거율은 추가로 평균 4 % 향상된 것이다.
3) 연구용 디젤엔진에서 배출되는 PM의 수농도는 핵모드 범위의 20 nm ~ 30 nm 사이의 입경분포가 가장 높았고, LNT/DPF를 거친 후 20 nm ~ 30 nm 크기의 PM 수농도가 크게 감소되었으며, 하이브리드 시스템의 경우 LNT/DPF 단독 시스템에 비하여 입경별 수농도가 더욱 낮아졌고, 특히 100 nm 이상의 PM 입자는 거의 배출되지 않았다.
4) 디젤 엔진 실험에서 하이브리드 시스템의 최적 체적비는 de-NOx 특성과 de-PM 특성으로부터 체적비 1.5+0.5 조합임을 알았다. 이 특성은 모두 LNT/DPF의 크기에 비례하여 생성된 NH₃와 NO₂의 농도에 기인한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LNT 촉매는 엔진에서 어떻게 작용하는가?	LNT 촉매의 경우 엔진에서 주기적으로 연료가 희박(lean)한 상태와 농후(rich)한 운전조건이 반복되어야만 희박한 상태에서 흡장된 NOx가 운전조건이 농후한 조건으로 바뀌면서 흡장된 NOx가 탈착 되고 귀금속 물질에 의해 환원제와 반응하여 N2, CO2, 및 H2O로 환원된다.
	HC의 경우, 열발생율이 가장 높은 당량비는?	HC의 경우, 열발생율이 가장 높은 당량비가 0.4 일때 가장 적게 배출되었다. 이는 연소실내 혼합기가 농후해질수록 공기가 부족하여 불완전 연소로 인해 HC 배출이 증가한 것으로 판단한다.
	공간적인 제약이 많고 작동온도 범위가 넓은 승용 디젤 차량에 주로 LNT가 사용되고 있는 이유는?	일반적으로 디젤 자동차와 같이 희박운전조건에서 NOx를 저감하기 위한 기술로 질소산화물흡장촉매(LNT, Lean NOx Trap)와 선택적 환원촉매(SCR, Selective Catalytic Reduction)가 대표적이다. 이 중 LNT는 urea-SCR과 다르게 추가적인 환원제가 필요하지 않고 공연비를 제어하여 사용하기 때문에 환원제를 분사하기 위한 별도의 장치가 필요없고 시스템이 단순하여 설치비용이 저렴한 편이며, NOx 흡장물질의 종류에 따라 넓은 작동온도구간을 가지는 장점이 있다. 따라서 공간적인 제약이 많고 작동온도 범위가 넓은 승용 디젤 차량에 주로 LNT가 사용되고 있다.

참고문헌 (23)

S. M. Woo and B. C. Choi, "Numerical Analysis on Melting Phenomena and Phase Interface Change of Frozen Urea-aqueous Solution by Electric Heater," Transactions of KSAE, Vol.22, No.5, pp.13-19, 2014.

원문보기 상세보기
S. K. Hwang, A. H. Ko, J. W. Yoon, C. L. Myung, S. S. Park and E. S. Kim, "A Study on NOx Reduction Characteristics of LNT Catalyst with Fuel Injection Control in Light-duty Diesel Engine," Transactions of KSAE, Vol.20, No.4, pp.150-155, 2012.

원문보기 상세보기
S. H. Lee, J. H. Kwak, S. Y. Lee and J. H. Lee, "On-road Chasing and Laboratory Measurements of Exhaust Particle Emissions of Diesel Vehicles Equiped with After-treatment Technologies (DPF, Urea-SCR)," Int. J. Automotive Technology, Vol.16, No.4, pp.551-559, 2015.

상세보기
T. V. Johnson, "Diesel Emissions in Review," SAE 2011-01-0304, 2011.
T. V. Johnson, "Vehicular Emissions in Review," SAE 2012-01-0368, 2012.
T. V. Johnson, "Vehicular Emissions in Review," SAE 2013-01-0538, 2013.
T. V. Johnson, "Vehicular Emissions in Review," SAE 2014-01-1491, 2014.
W. S. Kang, B. C. Choi and H. N. Kim, "Simultaneous Reduction Characteristics of PM and NOx by NbCe Catalyst," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.368-371, 2011.
W. S. Kang and B. C. Choi, "Thermal and Chemical Aging Characteristics of SCR/DPF Catalysts for Diesel Vehicle," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.510-514, 2012.
J. Tan, C. Solbrig and S. J. Schmieg, "The Development of Advanced 2-way SCR/DPF Systems to Meet Future Heavy-duty Diesel Emissions," SAE 2011-01-1140, 2011.
T. C. Watling, M. R. Ravenscroft and G. Avery, "Development, Validation and Application of a Model for an SCR Catalyst Coated Diesel Particulate Filter," Catal. Today, Vol.188, No.1, pp.32-41, 2012.

상세보기
Y. He, D. B. Brown, S. Lu, M. J. Paratore and J. Li, "Opportunities and Challenges for Blended 2-way SCR/DPF Aftertreatment Technologies," SAE 2009-01-0274, 2009.
J. Balland, M. Parmentier and J. Schmitt, "Control of a Combined SCR on Filter and Underfloor SCR System for Low Emission Passenger Cars," SAE 2014-01-1522, 2014.
W. S. Kang and B. C. Choi, "Effect of Copper Precursor on Simultaneous Removal of PM and NOx of a 2-way SCR/CDPF," Chem. Eng. Sci., Vol.141, No.1, pp.175-183, 2016.

상세보기
W. S. Kang, B. C. Choi and H. N. Kim, "Characteristics of the Simultaneous Removal of PM and NOx Using CuNb-ZSM-5 Coated on Diesel Particulate Filter," J. of Industrial and Engineering Chemistry, Vol.19, No.4, pp.1406- 1412, 2013

상세보기
B. C. Choi and K. S. Lee, "LNT/CDPF Catalysts for Simultaneous Removal of NOx and PM from Diesel Vehicle Exhaust," Chem. Eng. J., Vol.240, No.1, pp.476-486, 2014.

상세보기
W. S. Kang and B. C. Choi, "Characteristics of Simultaneous Removal of NOx and PM over a Hybrid System of LNT/DPF + SCR/DPF in a Single Cylinder Diesel Engine," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.172-173, 2015.
W. S. Kang, A Study on Hybrid Catalytic Converter System for Simultaneous Reduction of PM and NOx, Ph. D. Dissertation, Chonnam National University, Gwangju, Korea, 2015.
G. C. Mondragon Rodriguez, K. Kelm, S. Heikens, W. Grunert and B. Saruhan, "Pd-integrated Perovskites for TWC Applications: Synthesis, Microstructure and $N_2O$ -selectivity," Catal. Today, Vol.184, No.1, pp.184-191, 2012.

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J. R. Theis, A Lean NOx Trap + Selective Catalytic Reduction System for Controlling the NOx Emissions from a Diesel Engine, Ph. D. Dissertation, University of Michigan, Ann Arbor, 2006.
A. G. Konstandopoulos, M. Kostoglou, N. Vlachos and E. Kladopoulou, "Progress in Diesel Particulate Filter Simulation," SAE 2005-01- 0946, 2005.
D. Wang, Z. C. Liu, J. Tian, J. W. Liu and J. R. Zhang, "Inverstigation of Particle Emission Characteristics from a Diesel Engine with a Diesel Particulate Filter for Alternative Fuels," Int. J. Automotive Technology, Vol.13, No.7, pp.1023-1032, 2012.

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K. C. Oh, K. B. Lee and C. B. Lee, "An Experimental Study on Filtration Efficiency and BPT Characteristics by PM Loading in Partialdiesel Particulate Filter," Transactions of KSAE, Vol.20, No.1, pp.147-154, 2012.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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