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[오토저널] 디젤자동차 배기가스 후처리 시스템을 위한 센서

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2020-03-23 11:26:27

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자동차의 발전방향이 환경문제를 우선적으로 고려하고 있기 때문에, 최근 자동차에서 가장 많은 주목을 받고 있는 분야는 전기자동차와 연료전지자동차이다. 반면에, 수년 전까지 디젤자동차는 우수한 연비로 인하여 유럽을 중심으로 높은 점유율을 유지하고 있었으나, 배출가스에 포함된 유해물질에 대한 인식이 확산되면서 향후의 전망은 갈림길에 놓여 있다고 할 수 있다. 앞으로 디젤자동차가 다시 주목을 받기 위해서는 배기가스 내의 유해물질을 획기적으로 감소하는 배기가스 후처리 시스템의 고도화가 중요하다. 배기가스 후처리 시스템의 효율적인 구동/제어/진단을 위하여 다양한 센서가 활용되고 있기에, 본 고에서는 NOx센서/온도센서/차압센서의 역할과 향후 개발될 센서에 추가될 수 있는 기능을 소개하고자 한다.

 

삼원촉매와 산소센서
내연기관의 배기가스는 CO(일산화탄소), CxHx(탄화수소), NOx(질소산화물)의 유해가스와 PM(Particulate Matter, 입자상물질)을 배출한다. 80년대 중반에 개발된 삼원촉매(Three way catalyst)와 산소센서(공연비센서, λ센서)는 당시의 배기가스의 오염물질을 1/10로 줄이는 획기적인 기술로 인정받았다.

 

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<그림 1>의 산소센서는 대기에 노출되어 있는 기준전극과 배기가스에 노출되어 있는 측정전극으로 구성되어 있으며, 양 전극의 산소농도 차이에 따라서 발생하는 전압이 출력신호가 된다. 산소센서의 출력은 <그림 2>와 같이 이론 공연비 부근에서 급격히 변화하므로, 산소센서의 출력을 Feedback하면 엔진이 이론 공연비 부근에서 연소되도록 제어할 수 있다. 이론 공연비 부근에서 연소된 배기가스가 삼원촉매를 통과하면 <그림 3>과 같이, 여러 유해가스의 농도가 대부분 저감된다. 그러나 디젤엔진과 같이 연료가 희박한 조건에서 연소되면 삼원촉매의 질소산화물 저감효율이 크게 저하한다.


디젤자동차 배기가스 후처리 시스템
디젤자동차의 배기가스는 NOx와 PM의 배출량이 많기 때문에, PM의 저감을 위해서는 DPF를, NOx의 저감을 위해서는 LNT(Lean NOx Trap) 혹은 SCR(Selective Catalytic Reduction)이 적용되고 있다.

 

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<그림 4>와 <그림 5>의 DPF는 PM을 필터에 포집하여서 태우는 장치로, PM을 80% 이상 저감할 수 있으나, 필터에 PM이 포집됨에 따라 엔진에 배압이 걸리며 이것에 의하여 출력과 연료소비율이 다소 희생된다.


<그림 4>의 SCR은 NOx와 직접 반응하여 NOx를 제거할 수 있는 물질을 이용하여 NOx의 농도를 낮추는 방식이다. NOx와 직접 반응하는 물질이 NH3인 경우 Urea-SCR이라고 하며, 요소를 물에 녹인 Urea를 배기가스에 직접 분사하고, 분사된 Urea가 촉매에서 분해되어 생성된 NH3가 NOx와 반응하여 질소와 수분을 생성하는 반응으로 NOx를 제거한다.

 

<그림 5>의 NOx trap은 희박연소영역에서 NOx를 포집하여 저장하며, Trap에 NOx가 포화되었을 경우 연료과잉 연소로 전환하여, Trap에 저장된 NOx를 배출하여 촉매에서 NOx를 제거시키는 방식이다. 최근에는 강화되는 배기가스 규제를 만족하기 위하여 SCR과 LNT를 동시에 적용하거나, SCR과 DPF 기능을 동시에 수행하는 SDPF 등이 개발되어 적용되고 있다.


NOx센서의 역할
NOx는 NO, NO2, N2O, N2O5 등의 질소산화물을 통칭하는 것으로, 자동차 배기가스의 NOx는 대부분이 NO와 NO2이다. 자동차용 NOx센서는 NO와 NO2의 농도가 합산된 NOx의 농도를 지시할 수 있어야 한다.


SCR에서는 적정한 환원제(Urea) 양(NOx : NH3=1:1)의 조절이 이루어져야 하며, 이를 위해서는 SCR 전단에서 배기가스 중의 NOx 농도가 측정되어야 한다. 또한 정량 분사한 경우에도 SCR 시스템의 Aging에 따라 제거되고 남은 NOx 혹은 과급된 NH3가 배출되는 경우가 발생하기 때문에, SCR의 후단에서 NOx 농도를 계측하여 제어신호의 변화 및 SCR 시스템을 진단하여야 한다.


LNT에서는 NOx trap이 포화되면 NOx trap에 더이상 NOx가 저장되지 않고 통과되므로 Trap 후단에서의 NOx 농도가 급격히 증가하게 된다. 이러한 NOx 농도 변화를 신호로 하여 엔진은 연료과잉 연소모드로 변화하게 되고, 배기가스 중에 산소농도가 낮은 분위기에서 Trap 내의 NOx가 배출되어 Trap을 비우며 촉매에서 배출된 NOx를 제거한다. 여기서 Trap 후단의 NOx센서는 NOx 농도변화를 측정하여 Trap에 NOx가 포화된 시점을 인지하여 엔진의 연소모드를 변화시키는 역할을 한다.


NOx센서의 개발동향
현재 자동차에 적용되고 있는 NO의 화학전 분해에 의한 산소전류측정 방식의 NOx센서는 NOx를 NO로 단일화하고 센서의 입구에서 센서로 유입되는 산소를 제거하는 <그림 6>의 구조를 갖는다. 첫째 산소 펌핑셀은 센서내로 유입되는 산소를 제거하고 NO2를 NO로 환원시켜 NOx를 NO로 단일화하는 셀이다. 산소의 농도를 낮추어주기 위하여 외부공기에 비해 약 150mV의 전압을 가하여 배기가스 중의 산소를 센서 밖으로 펌핑하여 셀내의 산소분압을 약 1,000ppm 정도가 되도록 한다. 둘째 셀은 약 450mV의 전압을 가하여 산소를 펌핑하여 산소의 양을 약 10-10atm이 되도록 하며 NO2로부터 형성된 NO와 기존의 NO를 Rh전극을 통해 질소와 산소로 분해한다. 측정셀에 존재하는​ 산소는 오직 NO의 분해에 의해서만 생성된 것으로 측정셀에서의 산소흐름 크기는 NOx의 농도에 비례한다. <그림 7>은 NGK의 산소전류 측
정방식의 NOx센서이다.

 

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산화물을 감지전극으로 사용하는 NOx센서도 개발되고 있다. 산화물 전극의 센서는 비평형상태의 측정가스와 산소가스의 전기화학적반응에 의하여 발생하는 혼합전위에 기반한다. 그러나 단순한 혼합전위는 NOx를 구성하는 NO와 NO2에 서로 상반된 부호의 신호를 나타내기 때문에, NO와 NO2의 총합을 측정할 수 없다. 하지만, 산화물 전극들에 전류나 전압 등의 바이어스를 가하면, 한쪽 전극에서는 NO의 산화반응만이, 다른 쪽 전극에서는 NO2의 환원반응만이 일어나게 할 수 있으며, 이를 이용하면 NOx 총량을 측정할 수 있다.

 

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<그림 8>과 <그림 9>는 산화물전극을 이용하여, NOx를 단일화할 필요가 없는 NOx센서 감지원리와 센서를 나타낸다.


온도센서의 역할
Turbo charger 전단에 장착되는 온도센서는 배기 연소 온도를 측정하여 DPF가 재생될 때, 연료량 및 분사시기를 조정하는데 활용된다. DPF 전/후단에 설치되는 온도센서는 DOC에서 미연소된 연료의 산화 시 발생되는 추가적인 열을 감지하여 DOC 동작 상태를 확인하는 역할과 DPF 재생시 온도를 모니터링하는 역할을 수행한다. SCR 전/후단에 설치되는 온도센서는 SCR 촉매의 온도를 모니터링하여 SCR의 온도를 제어한다. <그림 10>은 Turbo charger 전단에 장착되는 온도센서를 나타낸다.

 

차압센서의 역할
<그림 11>은 DPF 전단과 후단의 압력차이를 측정하는 차압센서이다. DPF 전단과 후단의 압력차이를 측정하는 차압센서는 DPF의 재생시점과 DPF를 진단하는 역할을 한다. DPF필터에 포집된 PM에 의하여 기준 압력차이보다 높은 압력차이가 차압센서에 의하여 측정되면 DPF가 재생되도록 제어한다. 또한 지속적인 PM 포집에도 DPF 전단과 후단의 압력차이가 발생하지 않는 경우는 DPF의 파손을 의미함으로 이 경우 DPF의 진단에 활용된다.


향후 센서에 기대되는 기능
앞으로 배기가스 후처리 시스템에 적용되는 NOx센서는 첫째로 빠른 응답성이 요구될 것이다. 현재의 NOx센서는 공연비센서보다 느린 응답성을 나타내고 있으며, 진단과 모니터링 외에 제어의 기능을 강화하기 위해서는 보다 빠른 응답성이 필요하다.


둘째로 NOx센서는 수십ppm에서의 저농도에서 정확도 향상이 요구될 것이다. 점차 강화되는 배기가스 규제를 만족하고, 예혼합 압축착화 등의 연소방식에 부합하기 위해서는 저농도에서 NOx센서의 정확도를 높일 필요가 있다. 셋째로 NOx센서는 NO와 NO2의 총합 이외에 NO와 NO2의 개별 농도를 측정하는 기능이 요구될 수 있다. SCR에서 NH3와 반응하는 NO와 NO2의 당량비가 동일하지 않기 때문에 NO와 NO2의 개별 농도를 측정하면 SCR의 효율을 높일 수 있다.

 

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<그림 12>에 나타낸 바와 같이 LNT에서는 재생시에 촉매에서 NOx가 재방출될 경우 NO와 NO2의 방출양상이 다르므로 LNT의 재생시의 NO와 NO2의 재방출 시점과 재방출량을 측정하면, LNT의 흡장시간을 증대시키고, 재생시간을 최소화할 수 있다.


또한 배기가스 후처리 시스템에는 NOx센서 이외에 NH3센서도 요구될 것이다. SCR시스템에서 NH3는 NOx보다 유해한 물질이므로, SCR 후단에서 NH3 농도를 측정하여 SCR의 정상작동여부를 지속적으로 확인하여야 한다. LNT에서는 재생시에 NOx가 변환되어 생성되는 NH3가 환원에 사용되지 않고 방출될 수 있으므로, 이를 측정하여 NH3가 방출되는 것을 최소화하거나 혹은 생성된 NH3를 활용하는 새로운 후처리 시스템을 구성하는 데에 NH3 센서가 적용될 수 있다<그림 12>.


더욱 강화되는 배출가스 규제의 극복, 연비 개선 및 높은 엔진 효율 증가를 위하여 엔진 다운사이징 기술이 확대 적용될 것이므로, 배기가스 후처리 시스템에 적용되는 배기온도센서는 보다 빠른 온도 응답성, 온도 정밀도 및 1,000℃까지도 안정적인 성능이 요구될 것이다. 또한 예혼합 압축착화에서는 저온산화의 촉진을 위하여 Pilot Injection을 통하여 H+를 발생시킬 필요가 있으므로, 흡기관의 온도를 190℃로 조절하는 온도센서가 요구될 수 있다. 차압센서는 특정 압력 구간에서 높은 정일도가 요구됨으로 인해 아날로그 방식에서 SENT 방식으로 전환되고 있다.

 

글 / 박진수 (코멧네트워크)

출처 / 오토저널 2019년 4월호 (http://www.ksae.org)  

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