디젤엔진용 cDPF-SCR을 이용한 PM-NOx 동시저감 시스템의 요소수 분사전략에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 기존의 DPF 보다 낮은 온도에서 재생을 시작하는 cDPF에 최적화된 NOx 저감을 위한 SCR의 요소수 분사전략에 대한 연구를 실시하였다. 이를 위해 엔진속도와 부하를 변화시켰을 때, cDPF 전·후단의 배출가스 중 CO와 PM의 변화를 분석하여 cDPF의 활성화 온도를 파악하고, SCR 시스템에서 엔진속도와 부하에 따라 NH3와 NOx가 1:1로 반응하여 NOx를 저감하는 NSR 1로 요소수를 분사하여 SCR 시스템의 실시간 NOx 저감율과 NH3 흡착량에 대해 분석하였다. DOC와 DPF는 엔진의 저부하, 즉 배기가스온도가 낮은 구간부터 활성화되기 시작하고, 엔진의 직후단의 NOx 중 대부분의 성분인 NO를 NO2로 전환시킨다. 이러한 현상은 SCR의 NOx 저감효율에 직접적인 영향을 미치고, 전체 NOx량은 엔진속도 보다는 엔진의 부하에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 엔진의 부하가 높아질수록 전체적인 NOx 배출량이 증가하고, 이에 따라 분사되어야 하는 요소수 량도 증가한다. 하지만, NO와 NO2의 비율에 따라 저감되는 NOx의 양이 다르게 나타났다. SCR 내부의 NH3 흡착량은 엔진 속도에는 큰 영향을 받지 않지만, SCR 온도가 증가할수록 NH3 흡착량이 감소한다. NH3 흡착 속도와 탈착 속도는 요소수의 분사량을 결정할 수 있는 중요한 요소로 작용하고, 흡착 속도는 엔진 속도에는 큰 영향을 받지 않지만, SCR 온도가 증가하면 같이 증가한다. 탈착 속도는 엔진 속도와 SCR 온도 모두 증가할수록 증가하는 모습을 보인다. 위 결과들을 토대로 엔진이 저부하인 경우에는 NO와 NO2의 비율과 SCR 온도를 고려하여 요소수를 NSR 1 값보다 적게 분사하여야 하고, 엔진이 고부하인 경우에는 SCR에 흡착되는 NH3량이 적지만, 이 구간에서의 SCR NOx 저감율은 상당히 높고 흡착속도와 탈착속도 모두 빨라 NSR 1에 가깝게 분사하는 방식으로 SCR 시스템에서의 요소수 분사 전략을 구성해야 한다.| In this thesis, we studied the urea injection strategy of SCR for NOx reduction optimized for cDPF, which starts regeneration at lower temperature than conventional DPF. For this purpose, the activation temperature of cDPF was analyzed by changing of CO and PM in the exhaust gas before and after cDPF when the engine speed and load were changed. In the SCR system the urea water was injected into NSR 1 which called NH3 and NOx were changed to 1:1. After that, we analyze the real time NOx reduction rate and NH3 adsorption amount of the SCR system. The DOC and the DPF activate at a low load of the engine, it means low exhaust gas temperature. In this situation NO, which the majority of the NOx after the engine, convert to NO2. This phenomenon directly effects to NOx reduction efficiency of the SCR, and it can be seen that the total amount of NOx depends on the engine load rather than the engine speed. The higher the engine load, the greater the overall NOx emissions and hence the greater the amount of urea to be injected. However, the amount of NOx reduced by the ratio of NO and NO2 was different. The amount of NH3 adsorption inside the SCR is not greatly influenced by the engine speed, but the adsorption amount of NH3 decreases as the SCR temperature increases. The NH3 adsorption rate and the desorption rate are important factors for determining the injection quantity of urea water. The adsorption rate is not greatly influenced by the engine speed, but increases as the SCR temperature increases. The desorption rate increases with increasing engine speed and SCR temperature. Through the results, when the engine is low load condition, the urea should be injected less than the NSR 1 value considering the ratio of NO to NO2 and the SCR temperature. If the engine is high load condition, the amount of NH3 adsorbed on the SCR is small. The SCR NOx reduction rate in the section should be very high and the urea water injection strategy in the SCR system should be constructed in such a way that the adsorption rate and the desorption rate are both fast and close to NSR 1.