수소-천연가스 혼합연료 엔진의 삼원촉매 전환효율 특성 연구 A Study on the Characteristic of Conversion Efficiency for Three-way Catalyst in Hydrogen-Natural Gas Blend Fueled Engine원문보기
천연가스를 이용한 기존 엔진들은 효율이 우수한 희박연소를 구현하였지만 배기가스의 정화성능이 점차 강화되는 배기규제에 대응하기 위해, 이론공연비 연소 방식으로 관심이 옮겨지고 있다. 이론공연비 연소 방식은 유해 배출가스의 정화효율이 높은 삼원촉매를 사용할 수 있는 장점이 있지만, 높은 연소열 발생에 따른 열 내구성 문제와 연비가 해결과제로 남아 있다. 천연가스에 수소를 혼합한 수소-천연가스 혼합연료(HCNG))는 수소의 빠른 연소속도에 의한 영향으로 연소속도가 증가하고, 희박한계가 증가하여 배기가스재순환(Exhaust gas recirculation; EGR) 률의 공급을 증가할 수 있다. EGR률 상승은 연소온도를 낮추게 되어 엔진 열 내구성에 긍정적인 영향을 줄 수 있고, 압축비를 더욱 증가 시킬 수 있어서 효율적인 연소조건을 형성하도록 도움을 줄 수 있다. 본 연구에서는 기존 대형 가스엔진을 이용하여 개발한 이론공연비 연소 방식의 HCNG 엔진의 배출가스 저감을 최소화하기 위해, 삼원촉매를 개발 및 적용하여 배기가스 특성을 평가하고 분석하고자 하였다. 현재 상용화된 시내버스용 삼원촉매와 HCNG용으로 개발 중인 시제 삼원촉매를 각각 설치하여 정상상태 운전조건 및 과도운전조건에서 실험을 진행하고 모드실험 결과를 비교하였다.
천연가스를 이용한 기존 엔진들은 효율이 우수한 희박연소를 구현하였지만 배기가스의 정화성능이 점차 강화되는 배기규제에 대응하기 위해, 이론공연비 연소 방식으로 관심이 옮겨지고 있다. 이론공연비 연소 방식은 유해 배출가스의 정화효율이 높은 삼원촉매를 사용할 수 있는 장점이 있지만, 높은 연소열 발생에 따른 열 내구성 문제와 연비가 해결과제로 남아 있다. 천연가스에 수소를 혼합한 수소-천연가스 혼합연료(HCNG))는 수소의 빠른 연소속도에 의한 영향으로 연소속도가 증가하고, 희박한계가 증가하여 배기가스재순환(Exhaust gas recirculation; EGR) 률의 공급을 증가할 수 있다. EGR률 상승은 연소온도를 낮추게 되어 엔진 열 내구성에 긍정적인 영향을 줄 수 있고, 압축비를 더욱 증가 시킬 수 있어서 효율적인 연소조건을 형성하도록 도움을 줄 수 있다. 본 연구에서는 기존 대형 가스엔진을 이용하여 개발한 이론공연비 연소 방식의 HCNG 엔진의 배출가스 저감을 최소화하기 위해, 삼원촉매를 개발 및 적용하여 배기가스 특성을 평가하고 분석하고자 하였다. 현재 상용화된 시내버스용 삼원촉매와 HCNG용으로 개발 중인 시제 삼원촉매를 각각 설치하여 정상상태 운전조건 및 과도운전조건에서 실험을 진행하고 모드실험 결과를 비교하였다.
The conventional natural gas engine realized lean combustion for the improved efficiency. However, in order to cope with exhaust gas regulations enforced gradually, the interest has shifted at the stoichiometric mixture combustion system. The stoichiometric mixture combustion method has the advantag...
The conventional natural gas engine realized lean combustion for the improved efficiency. However, in order to cope with exhaust gas regulations enforced gradually, the interest has shifted at the stoichiometric mixture combustion system. The stoichiometric mixture combustion method has the advantage of a three-way catalyst utilization whose purification efficiency is high, but the problem of thermal durability and the fuel economy remains as a challenge. Hydrogen-natural gas blend fuel (HCNG) can increase the rate of exhaust gas recirculation (EGR) because the hydrogen increases burning speed and lean flammability limit. The increase in the EGR rate can have a positive impact on heat resistance of the engine due to the decreased combustion temperature, and further can increase the compression ratio for efficient combustion. In this study, to minimize the exhaust emission developed HCNG engine with stoichiometric combustion method, developed three-way catalyst was applied to evaluate the conversion characteristics. The tests were carried out during the steady state and transient operating conditions, and the results were compared for both the conventional and proto-three-way catalyst of HCNG engine for city buses.
The conventional natural gas engine realized lean combustion for the improved efficiency. However, in order to cope with exhaust gas regulations enforced gradually, the interest has shifted at the stoichiometric mixture combustion system. The stoichiometric mixture combustion method has the advantage of a three-way catalyst utilization whose purification efficiency is high, but the problem of thermal durability and the fuel economy remains as a challenge. Hydrogen-natural gas blend fuel (HCNG) can increase the rate of exhaust gas recirculation (EGR) because the hydrogen increases burning speed and lean flammability limit. The increase in the EGR rate can have a positive impact on heat resistance of the engine due to the decreased combustion temperature, and further can increase the compression ratio for efficient combustion. In this study, to minimize the exhaust emission developed HCNG engine with stoichiometric combustion method, developed three-way catalyst was applied to evaluate the conversion characteristics. The tests were carried out during the steady state and transient operating conditions, and the results were compared for both the conventional and proto-three-way catalyst of HCNG engine for city buses.
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문제 정의
EGR률 상승은 연소온도를 낮추게 되어 엔진 열 내구성에 긍정적인 영향을 줄수 있고, 압축비를 더욱 증가 시킬 수 있어서 효율적인 연소조건을 형성하도록 도움을 줄 수 있다.[7-9] 본 연구에서는 기존 대형 가스엔진을 이용하여 개발한 이론공연비 연소 방식의 HCNG 엔진의 배출가스 저감을 최소화하기 위해, 삼원촉매를 개발 및 적용하여 배기가스 특성을 평가하고 분석하고자 하였다.
특히, 본 실험에 적용된 이론공연비의 혼합기를 사용하는 연소 방식은 높은 연소온도에 의한 질소산화물 배출 및 열 내구성 문제를 해결하기 위해 많은 양의 EGR 가스를 흡기매니폴드로 공급하게 되는데, 과급기 후단 에서 흡기 압축기 전단으로 연결되는 유로를 구성하는 EGR 시스템 구조는 배기압력이 높은 과급기 전단에서 압축기 후단으로 연결되는 EGR 시스템 구조에 비해 응답성이 늦다. 따라서 전체적으로 혼합기의 당량비 제어 응답성이 느린 대형 HCNG 엔진의 과도 운전 조건에서 삼원촉매의 전환 특성 평가를 위해 과도 운전 조건에서의 배출가스 특성을 살펴보았다.
본 연구에서는 개발 중인 시내버스용 대형 HCNG 엔진의 효율적인 배출가스 저감을 위해 개발된 삼원촉매의 성능을 평가하였다. 정상상태 운전 조건 및 과도 운전조건에서의 기존의 양산되고 있는 삼원촉매의 배기가스 저감성능을 평가하고 개발용 시제 삼원촉매의 성능과 비교하였다.
제안 방법
배기분석 장치를 촉매 전, 후단에 동시 장착하여 엔진 운전 시 촉매 내에서 반응하는 배기가스의 전환률을 측정하였다.
에 나타내었다. HCNG 엔진의 연료 공급은 CNG 대비 체적비 30%로 수소를 혼합하여 비율을 일정하게 하였고, 과도 운전조건에서의 신속한 연료공급 응답성을 위해 수소와 천연가스가 미리 혼합된 고압 모사가스를 사용하였다. 이론공연비 혼합기를 유지하기 위해, 산소센서를 배기관에 장착하여 혼합기의 당량비를 지속적으로 모니터링하며 연료량을 제어하였다.
5에 나타내었다. 각각의 배출가스에 대해 99%이상의 전환 효율을 보이는 상태에서 연료량을 최소화하여 ECU의 설정을 변경하였다. 그 결과 3가지 운전조건에 대해서 모든 배기배출물의 전환효율은 99% 이상을 확보한 상태에서 개발 시제촉매의 당량비가 상용 삼원촉매에 비해 약간 낮은 값을 보였다.
7은 EURO-VI 배출가스 규제의 시험모드인 WHTC(World harmonized transient cycle) 모드 테스트 중 일부구간만을 추출하여 확대한 것이다. 과도운전 조건에서 촉매 후단에서 측정되는 NOx, O2, HC의 배출 및 공기과잉률과 토크를 상용 촉매와 시제 촉매에 대해서 비교하였다. 모드 시험을 수행하기 이전에 정상상태 운전조건에서 전 운전영역엣 대하여 모든 유해 배출가스의 전환효율이 99%이상을 보이는 조건으로 연료량을 최소화하여 ECU상의 map을 최적화하였다.
정상상태 운전 조건 및 과도 운전조건에서의 기존의 양산되고 있는 삼원촉매의 배기가스 저감성능을 평가하고 개발용 시제 삼원촉매의 성능과 비교하였다. 모드 시험결과를 비교 분석하여 촉매의 개발 방향에 대해 검토하였다.
삼원촉매가 차량에 탑재되어 실제 주행 조건에서 지속적으로 변하는 엔진상태에 따라 저감되는 양상을 관찰하기 위해 과도응답 조건에서의 실험을 진행하였다.
모드 시험을 수행하기 이전에 정상상태 운전조건에서 전 운전영역엣 대하여 모든 유해 배출가스의 전환효율이 99%이상을 보이는 조건으로 연료량을 최소화하여 ECU상의 map을 최적화하였다. 예비실험을 통하여 토크, 당량비 및 배기가스의 성분별 시간 차이를 확인하고, 이의 각각에 대한 시간지연을 반영하여 결과를 분석 하였다. 시간순서에 대해서 엔진의 회전수 및 부하가 결정되어 있는 일정한 모드테스트 조건에서 두가지 촉매에 대한 각각의 실험 시 엔진으로부터 배출되는 촉매전단의 배출가스의 온도, 유량 등의 상태는 일정하다고 할 수 있다.
배기분석 장치를 촉매 전, 후단에 동시 장착하여 엔진 운전 시 촉매 내에서 반응하는 배기가스의 전환률을 측정하였다. 온도는 촉매 전, 후단 이외에 촉매 내경중심에서 직접 온도를 측정하여 실제 전환반응 시의 촉매반응 활성온도를 파악하였다. 정상상태 운전조건과 과도운전조건에 대해 각각 실험을 진행하였으며, 정상상태 운전조건에서의 실험은 와류 동력계(Schenck co.
HCNG 엔진의 연료 공급은 CNG 대비 체적비 30%로 수소를 혼합하여 비율을 일정하게 하였고, 과도 운전조건에서의 신속한 연료공급 응답성을 위해 수소와 천연가스가 미리 혼합된 고압 모사가스를 사용하였다. 이론공연비 혼합기를 유지하기 위해, 산소센서를 배기관에 장착하여 혼합기의 당량비를 지속적으로 모니터링하며 연료량을 제어하였다. 당량비 측정을 위해 사용된 광대역산소센서는 이론공연비에 해당하는 당량비인 1.
이에 당량비를 1.0에 가깝게 운전하여 삼원촉매의 전환효율을 개선하기 위해 대표운전 조건인 1200rpm / 50% 부하, 1200rpm / l00% 부하 조건 및 2000 rpm / 100% 부하의 3가지 운전조건에 대해서 우선적으로 운전상태를 확인하고 ECU에서의 연료량 설정값 변경을 통한 당량비 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 개발 중인 시내버스용 대형 HCNG 엔진의 효율적인 배출가스 저감을 위해 개발된 삼원촉매의 성능을 평가하였다. 정상상태 운전 조건 및 과도 운전조건에서의 기존의 양산되고 있는 삼원촉매의 배기가스 저감성능을 평가하고 개발용 시제 삼원촉매의 성능과 비교하였다. 모드 시험결과를 비교 분석하여 촉매의 개발 방향에 대해 검토하였다.
온도는 촉매 전, 후단 이외에 촉매 내경중심에서 직접 온도를 측정하여 실제 전환반응 시의 촉매반응 활성온도를 파악하였다. 정상상태 운전조건과 과도운전조건에 대해 각각 실험을 진행하였으며, 정상상태 운전조건에서의 실험은 와류 동력계(Schenck co., WT470)를 사용하여 엔진 속력 및 부하를 제어하고 과도운전상태는 AC동력계(Horiba co., HD460)상에서 모드 실험과 유사한 현상을 구현하여 진행하였다.
정상상태 운전조건에서는 엔진회전수는 800 rpm에서 2000 rpm 까지 200 rpm 간격, 부하는 0%에서 100%까지 25% 간격으로 전체 운전영역에 대해 전반적인 배기가스 전환효율을 측정한 뒤, 실제 운전 시 사용빈도가 높은 영역을 실험 조건으로 재선정하여 개발 삼원촉매의 성능을 비교 평가하였다.
현재 상용화된 삼원촉매와 이를 벤치마킹하여 개발 중인 삼원촉매를 HCNG 엔진 후단에 각각 장착하여 촉매후단의 배기가스 저감 정도를 비교하였다. 실험에 사용된 상용 촉매 및 개발 촉매의 제원을 Table 2.
대상 데이터
본 연구에 사용된 엔진에서의 연료공급은 6개의 연료분사기로 이루어진 FMV(Fuel metering valve)와 믹서를 통해 이루어지는데, FMV에서 연료공급량을 제어하고 스로틀밸브의 하류에 위치하는 믹서를 통해 흡입공기와 섞이게 된다. 따라서 정확하고 신속한 당량비 제어를 위해서는 운전조건의 변화에 따른 연료공급시스템의 빠른 응답성이 중요한데, 이를 만족하기 어려운 구조로 되어 있다.
본 연구에서는 EURO-VI 규제를 대응할 수 있는 11L급 6기통 대형 천연가스엔진을 이용하여 개발된 HCNG 엔진을 이용하여 실험을 진행하였으며 엔진의 제원은 Table 1.에 나타내었다. HCNG 엔진의 연료 공급은 CNG 대비 체적비 30%로 수소를 혼합하여 비율을 일정하게 하였고, 과도 운전조건에서의 신속한 연료공급 응답성을 위해 수소와 천연가스가 미리 혼합된 고압 모사가스를 사용하였다.
성능/효과
2) 귀금속 함량이 높은 개발 삼원촉매의 경우 상용 촉매에 비해 상대적으로 낮은 당량비 조건에서도 모든 배기배출물의 전환효율이 99% 이상을 만족하기 때문에 연료소모율의 저감이 가능하고, 정화효율은 촉매온도의 증가에 영향을 받지 않았다.
3) ECU의 fuel-cut 제어에 의해 토크 감속 시 희박한 혼합기가 공급되고 촉매의 전단에서 배기가스 내의 O2의 비율이 증가하게 되면, NOx의 환원이 어렵기 때문에 NOx의 배출이 증가하였다.
4) 상용 촉매의 OSC의 함량이 개발 촉매에 비해 높기 때문에 촉매의 후단에서 O2의 배출 증가폭이 개발 촉매에 비해 낮고 증가하는 기울기가 낮았으며, 결과적으로 NOx의 배출이 폭이 낮고 완만하게 나타났다.
5) 개발 촉매의 경우 보다 강화된 배출가스 규제 만족을 목표로 하여 담지된 귀금속량이 상대적으로 많기 때문에 HC의 배출 폭이 크지 않은 반면, 상용 촉매는 매우 높은 수준의 순간적인 증가를 보이고 있다.
6) 개발 촉매의 경우 상용 촉매에 비해 HC와 CO의 배출이 낮은 반면 NOx의 배출은 약 16% 증가하였으며, 동일한 엔진 및 운전조건에서의 연료소비율은 비슷하지만, HC 및 CO의 환원에 의한 CO2증가로 CO2의 배출은 약 1.2% 증가하였다.
CO와 NOx의 저감은 운전영역에 관계없이 일정한 경향을 보였는데, CO의 경우 거의 대부분의 배출가스가 정화되어 100%에 가까운 정화효율을 보였다.
[11,12] 상용 촉매의 후단에서 O2의 배출 증가폭이 개발 촉매에 비해 낮고 증가하는 기울기가 낮은 이유는 OSC의 함량이 개발 촉매에 비해 높기 때문으로 판단된다. ECU의 Fuel-cut 제어에 의해 희박한 혼합기가 형성되는 동안 촉매 내의 OSC에서 배기가스 중의 O2를 일부 흡장하기 때문에 산화되지 않고 남은 HC와 CO가 NOx와 환원하여 NOx의 배출 폭이 감소하였음을 확인할 수 있다. Fig.
그 결과 3가지 운전조건에 대해서 모든 배기배출물의 전환효율은 99% 이상을 확보한 상태에서 개발 시제촉매의 당량비가 상용 삼원촉매에 비해 약간 낮은 값을 보였다.
상기의 결과에서 예상할 수 있는 것과 같이 개발 촉매의 경우 상용 촉매에 비해 HC와 CO의 배출이 낮은 반면, NOx의 배출은 약 16% 증가하였다. 동일한 엔진 및 운전조건에서의 연료소비율은 비슷하지만, HC 및 CO의 산화에 의한 CO2증가로 CO2의 배출은 약 1.2% 증가하였다. 개발하고자 하는 HCNG 엔진의 경우 EURO-VI규제는 물론, 차기 규제대응을 목표로 하고 있기 때문에 가장 엄격하게 규제되고 있는 NOx 배출 규제치 만족을 위해 OSC 재료의 변경 또는 함량의 증대와 같은 개선방법이 추가로 적용되어야 할 것으로 판단된다.
본 실험에서 개발 시제촉매의 크기는 상용 촉매와 동일하기 때문에 일정한 운전조건에서의 배기유량과 관련되는 촉매 상에서의 공간속도는 일정하고, 당량비의 차이가 크지 않기 때문에 Fig. 6과 같이 촉매 전단에서의 배기가스 온도도 촉매 종류에 관계없이 거의 일정한 수준을 유지한다. 상용 촉매에서 높은 당량비로 인해 촉매 반응시의 온도가 개발 시제 촉매에 비해 높지만, 90% 이상에서의 정화효율은 촉매온도의 증가에 크게 영향 받지 않음을 알 수 있다.
는 각각의 촉매에 대해서 WHTC mode 실험 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 상기의 결과에서 예상할 수 있는 것과 같이 개발 촉매의 경우 상용 촉매에 비해 HC와 CO의 배출이 낮은 반면, NOx의 배출은 약 16% 증가하였다. 동일한 엔진 및 운전조건에서의 연료소비율은 비슷하지만, HC 및 CO의 산화에 의한 CO2증가로 CO2의 배출은 약 1.
그 결과 3가지 운전조건에 대해서 모든 배기배출물의 전환효율은 99% 이상을 확보한 상태에서 개발 시제촉매의 당량비가 상용 삼원촉매에 비해 약간 낮은 값을 보였다. 이는 개발 시제 삼원촉매를 사용할 경우 상대적으로 작은 연료량으로도 효율적으로 배출가스를 저감할 수 있음을 보여주는 결과이며, 결과적으로 연료소모율을 감소시키는 장점으로 연결된다.
따라서 정확하고 신속한 당량비 제어를 위해서는 운전조건의 변화에 따른 연료공급시스템의 빠른 응답성이 중요한데, 이를 만족하기 어려운 구조로 되어 있다. 특히, 본 실험에 적용된 이론공연비의 혼합기를 사용하는 연소 방식은 높은 연소온도에 의한 질소산화물 배출 및 열 내구성 문제를 해결하기 위해 많은 양의 EGR 가스를 흡기매니폴드로 공급하게 되는데, 과급기 후단 에서 흡기 압축기 전단으로 연결되는 유로를 구성하는 EGR 시스템 구조는 배기압력이 높은 과급기 전단에서 압축기 후단으로 연결되는 EGR 시스템 구조에 비해 응답성이 늦다. 따라서 전체적으로 혼합기의 당량비 제어 응답성이 느린 대형 HCNG 엔진의 과도 운전 조건에서 삼원촉매의 전환 특성 평가를 위해 과도 운전 조건에서의 배출가스 특성을 살펴보았다.
후속연구
1) 삼원촉매의 NOx, CO, HC 등의 유해배출가스에 대한 높은 정화효율을 동시에 얻기 위해서는 배기가스 내의 산소량 제어가 중요한 변수가 되고, 실제 당량비 측정을 통한 연료량 제어 최적화가 필요하다.
2% 증가하였다. 개발하고자 하는 HCNG 엔진의 경우 EURO-VI규제는 물론, 차기 규제대응을 목표로 하고 있기 때문에 가장 엄격하게 규제되고 있는 NOx 배출 규제치 만족을 위해 OSC 재료의 변경 또는 함량의 증대와 같은 개선방법이 추가로 적용되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이론공연비 연소 방식의 장점은?
천연가스를 이용한 기존 엔진들은 효율이 우수한 희박연소를 구현하였지만 배기가스의 정화성능이 점차 강화되는 배기규제에 대응하기 위해, 이론공연비 연소 방식으로 관심이 옮겨지고 있다. 이론공연비 연소 방식은 유해 배출가스의 정화효율이 높은 삼원촉매를 사용할 수 있는 장점이 있지만, 높은 연소열 발생에 따른 열 내구성 문제와 연비가 해결과제로 남아 있다. 천연가스에 수소를 혼합한 수소-천연가스 혼합연료(HCNG))는 수소의 빠른 연소속도에 의한 영향으로 연소속도가 증가하고, 희박한계가 증가하여 배기가스재순환(Exhaust gas recirculation; EGR) 률의 공급을 증가할 수 있다.
삼원촉매란?
삼원촉매는 엔진의 대표적인 유해물질인 탄화수소(Hydrocarbon; HC), 일산화탄소(Carbon monoxide; CO), 질소산화물(Nitrogen Oxides; NOx)를 제거 해주는 후처리장치로서 필터 내에 귀금속(PGM; Platinum group metals)의 담지량과 도포비율에 따라그 특성을 달리한다. 배기가스가 삼원촉매를 거치면서 산화․환원 반응이 일어나는데 이론적으로 당량비 1에 해당하는 혼합기의 배기가스와 같이 배기가스 내에 잔여 산소량이 거의 없는 상태에서만 NOx 의 환원이 동시에 이루어진다.
에너지원의 다변화가 요구되는 이유는?
화석연료의 유한성으로 인해 기존에 사용되어온 가솔린, 디젤과 같은 에너지원은 경제성과 공급 안정성에 많은 제약과 한계가 있다. 따라서 에너지원의 다변화가 요구되며 이는 전 세계적으로 새로운 에너지원의 개발과 연구의 흐름을 이끌고 있는 원동 력이다.
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