제목 | 차대동력계와 실도로에서의 차량시험을 통한 배기가스 입구온도에 따른 후처리 장치(LNT, SCR)의 NOx 저감 효율 분석에 관한 연구 |
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분야 | 연료 및 윤활유/연비 |
언어 | Korean |
저자 | 이시원(자동차부품연구원), 김덕진(자동차부품연구원), 정재우(자동차부품연구원), 이범호(자동차부품연구원), 최승현(자동차부품연구원) |
Key Words | 질소산화물(NOx), 배기가스 후처리 장치 저감 효율(Exhaust aftertreatment system reduction efficiency), LNT(Lean NOx trap), SCR(Selective catalytic reduction), 차대동력계(Chassis dynamometer), RDE(Real drving emission) |
초록 |
최근 소형 경유 차량의 배출가스 인증규제 강화와 실도로 규제(RDE)가 도입됨에 따라, 실제 도로 상태에서의 NOx 배출 성능이 증시되고 있으며, NOx 배출 저감을 위해 배출가스 후처리 장치의 적용이 필수적인 상황이다. 이에 따라, 후처리 장치인 LNT(Lean NOx Trap)와 SCR(Selective Catalytic Reduction) 등에 대한 연구개발이 이루어지고 있으며, 최근에는 LNT+SCR 복합시스템의 적용이 확대되고 있다. 차량에 장착된 LNT 및 SCR의 저감 특성 분석은 저감 장치의 개발 및 평가와 관리를 위해 필요하나, 각 단품의 성능 분석은 시험을 위한 리그 장치의 개발 및 평가 비용 등의 제반적인 어려움으로 인해 제한적인 상황이다. 본 연구는 실도로 주행 데이터 분석을 통해 배출가스 저감 장치의 성능 분석을 목적으로 수행되었으며, 이를 위해 LNT+SCR 복합 시스템이 적용된 차량 A와 LNT 단독 적용 차량 B, C를 시험 대상으로 선정하여 각 저감 장치의 전/후단에 자가진단용으로 개발된 NOx 센서와 온도센서를 장착하였고, 차량의 OBD에서 주행정보(차속, 엔진회전수, 연료유량 및 흡입공기유량 등)와 통합하여 취득 가능한 모니터링 시스템을 개발하고 장착하여 연구를 수행하였다. 후처리 장치의 단품 성능 평가의 제반적 어려움으로 인해 차대동력계를 간이 벤치로 활용하여 차속 20~120km/h에 대해 20km/h 간격으로 정속 주행을 하면서 각 저감 장치의 전/후단 NOx 농도 및 온도를 동시에 측정하여 저감 효율 특성을 분석하였다. 실도로에서의 NOx 배출 특성 분석은 다양한 조건의 임의 주행 경로에 대해 시험을 수행하고, 주행 데이터에 대해 최소 주행 단위 구간으로 분류하여 각 주행 단위별 배출 가스 온도에 대한 NOx 저감 효율을 분석하여 도출하였다. 차대동력계의 정상상태 시험을 통해 도출된 후처리 장치의 입구온도에 따른 NOx 저감 효율은 실도로 주행 시험을 통해 도출된 NOx 저감 효율 특성과 유사함을 확인할 수 있으며 Fig. 1과 2에 LNT+SCR 복합시스템이 장착된 시험 차량 A의 LNT와 SCR 각각의 NOx 저감 효율 특성 결과를 차대동력계 정속시험과 실도로 임의주행 시험을 비교하여 나타내었다. 차량 A의 정속시험 결과, NOx 저감 효율은 150℃ 구간에서 50%, 200℃ 이후 95~100%의 결과를 나타냈으며, LNT는 반복적인 NOx 농도 증가 및 O2 농도 감소 현상을 바탕으로 주기적인 NOx 포집 및 재생 현상이 나타남을 확인하였다. NOx 저감 효율은 약 250~300℃ 범위에서 약80% 수준의 최대효율을 나타냈으며, 이후 온도가 증가하면 효율은 감소하였고, 400℃ 부근에서는 약 40% 정도의 효율을 보였다. 또한, LNT의 NOx 흡장량은 약 1.5~2.2g 수준으로 나타났으며, Fig. 3에 결과를 제시 하였다. LNT의 NOx 흡장 및 재생은 Fig.4와 같이 LNT 전단 람다센서를 통해 공기과잉율이 0.9~1.0 수준으로 농후한 구간을 재생시기로 판단하였으며, 재생과 재생 사이의 흡장구간에서 LNT 전/후단에서 산출된 NOx 질량유량의 누적량을 산출하고, 이의 차이로 NOx 흡장량을 도출하였다. SCR의 경우, 입구온도 200℃ 이하에서는 NOx 저감 효율이 낮은 수준을 보이며, 300℃ 이상에서 90% 이상의 높은 효율을 보였다. 이를 통해 실도로 주행 데이터를 바탕으로 차량의 배출가스 저감 장치의 성능 특성 분석 방법론을 도출하였으며, 향후 이를 활용하여 배출가스 모델 개발 및 성능 특성 분석에 활용 될 것으로 판단된다. |
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