NH3 흡탈착 모델을 이용한 WHTC운전조건 디젤 엔진용 Cu-Zeolite SCR 촉매의 NOx 저감율 개선 연구

Abstract

디젤엔진은 높은 효율성으로 인하여 널리 사용되고 있다. 그러나 디젤 엔진에서 배출되는 PM(미세입자, Particulate Matter) 및 NOx(질소산화물)가 대기 오염의 주요원인으로 손꼽히면서 배출제한을 도입하여 규제되고 있다. EURO3와 EURO6를 비교하였을 때, 배출규제의 폭이 크게 증가하고 있다. 이러한 상황에서 디젤기관에서 배출되는 NOx를 저감시켜주는 SCR(선택적 촉매 환원법, Selective Catalyst Reduction) 시스템은 필수적인 요소이다. 따라서 요소수를 이용하여 NO를 저감시키는 요소수 SCR의 NOx 저감율 개선과 NH3(암모니아) Slip을 줄이기 위한 분사모델에 관한 연구를 필요로 한다. 요소수 SCR 시스템에서 과도한 요소수의 분사는 NH3 Slip을 일으키며, 고체 침전물을 생성한다. 따라서 NH3 Slip과 고체 침전물 생성 방지를 위해 최적화된 요소수 분사모델은 SCR 시스템 연구에 있어서 중요한 요소이다. 이 연구는 Cu-Zeolite 촉매를 이용하는 요소수 SCR 시스템을 이용하여 수행되었다. 엔진 벤치실험을 통해 각기 다른 조건의 배기가스 온도와 NH3 농도에서 엔진을 가동한다. 배기가스 분석기와 DCU(Dosing Control Unit)를 이용하여 배기가스를 측정하고, 요소수 분사를 제어한다. 엔진 벤치실험의 데이터를 이용하여 배기가스 온도와 NH3 농도가 미치는 영향과 NOx의 저감율, 암모니아 흡탈착에 걸리는 시간과 흡탈착률, 요소수 분사량, NH3 Slip양을 계산한다. 계산한 결과를 앞선 연구들과 비교하고, 계산결과를 토대로 새로운 분사모델을 수립하여 NOx 저감율을 높이는 동시에 NH3 Slip이 일어나지 않도록 요소수 분사를 제어한다. 엔진 벤치실험을 통하여 가장 유효한 촉매 흡착용량을 정하였으며 이를 토대로 새로운 분사모델을 수립하여 NOx 저감율을 높이는 동시에 NH3 Slip이 일어나지 않도록 요소수 분사를 제어하였다. 분사모델을 사용하지 않았을 때의 NOx 저감효율은 뛰어났으나 실험 횟수가 거듭됨에 따라 NH3 Slip이 발생한다. 기존의 분사모델을 이용하였을 때 NH3 Slip은 발생하지 않았으나, NOx 저감효율이 크게 떨어진다. 새로 수립한 분사모델을 이용하였을 때, 높은 NOx 저감율과 낮은 NH3 Slip을 동시에 얻을 수 있었다. 이를 통하여 새로운 분사모델이 유효하다는 것을 입증 할 수 있었다.