Lean NOx trap의 2차 분사계와 배기관 layout에 따른 NOx 저감효율 최적화에 관한 연구

Abstract

디젤 엔진은 높은 열효율과 우수한 연비 성능 등의 장점을 가지고 있으나, 기화된 연료와 주변 공기가 혼합된 후 착화되는 과정을 거치기 때문에 이론 공연비 영역에서는 질소산화물(NOx) 배출이 증가되는 문제점과 혼합기가 균일하게 형성되지 못한 공연비가 농후한 영역에서는 입자상물질(PM: Particulate Matter)이 발생되는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 고압분사 시스템과 신연소 기술 및 EGR 등과 같은 기술이 적용되어 왔다. 하지만 전 세계적으로 디젤 자동차로 인한 대기오염을 개선하기 위해 배기규제를 단계적으로 강화하고 있으며, 특히 PM과 NOx의 규제를 강화하고 있기 때문에 배기가스를 직접적으로 정화 시키는 후처리 기술의 적용이 불가피해졌다. 현재 후처리 장치에 의한 PM의 저감기술은 DPF가 상용화됨에 따라 어느 정도 해결이 되고 있으며, NOx의 저감기술은 환원제로 Urea를 사용하는 Urea SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매기술, 환원제로 HC(Hydrocarbon)를 사용하는 LNC(Lean NOx Catalyst), LNT(Lean NOx Trap) 기술이 대표적인 기술로 알려져 있다. 최근 활발히 연구되고 있는 높은 정화 효율을 가진 LNT 촉매는 희박 분위기 조건에서는 NOx를 흡장하게 되고 과농한 분위기에서는 환원 분위기 형성을 통하여 NOx를 저감시키게 된다. 희박 공연비에서 동작하는 디젤 엔진에서는 이러한 환원 과정을 이루기 위해 주기적으로 과농한 분위기를 형성해주어야만 하는데, 이러한 방법 중의 하나로 배기관 내에 환원제로서 직접 경유를 분사하는 방식과 엔진의 연소실 내에서 후분사를 통해서 환원제를 공급해주는 방법이 연구되고 있다. 이러한 연구는 NOx 저감을 위해 HC의 농도를 제어하는 기술로서, 실제 배기관내에 HC의 분포를 고려하여야 하므로 HC의 배기관내 분포 균일도가 중요하다. 본 연구에서는 저압에서 미립화 특성이 양호한 환원제 분무용 인젝터를 이용하여 LNT 촉매에 환원제로서 경유를 직접 분사하는 HC-LNT의 특성을 파악하였다. 본 연구에 사용한 환원제 분사 시스템은 디젤엔진의 저압 측 연료 공급압을 이용하여 환원제로서 배기관내에 직접 경유를 분사할 수 있는 환원제 분사 시스템을 구축하였고, 분사량 및 주파수와 듀티비에 따른 변동 등의 측정을 통하여 환원제 분사 시스템의 기본적인 성능을 측정하였다. 또한, 각종 광원과 고속카메라를 이용하여 다양한 분무 가시화 방법으로 실제 운용 가능한 여러 가지 실험 조건에 대하여 인젝터의 전반적인 분무의 정성적인 특성을 분석하였으며, 레이저를 이용한 분무 입경 계측 기법과 디지털 화상 처리를 통하여 분무 특성을 정량화 하였다. 이러한 인젝터의 분무 특성 연구 결과를 바탕으로 엔진 동력계 시스템과 배기 가스 분석 시스템을 구축하고, 배기관내에 직접 분사 시스템을 장착하여 실제 엔진 운전 조건하에서 촉매의 정화 특성을 측정하였다. 또한, 같은 인젝터로 인젝터의 장착 위치와 향상된 촉매의 사용에 따른 정화효율을 측정하고 이를 분석 하였으며, 효율이 낮게 나타나는 조건을 보완하기 위한 새로운 믹서형태의 Extension unit을 고안하여 실험에 적용시켰다. 결론적으로 각각의 조건에서 NOx 정화 특성을 파악하여 궁극적으로 LNT 시스템에 대한 최적 분사 조건을 선정하였다.