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일본엔진기술 동향보고 : 디젤 NOx 후처리 기술

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2014-06-23 05:25:41

본문

일본엔진기술 동향보고 : 디젤 NOx 후처리 기술

1. 도입

연료경제성 및 주행성능이 우수한 클린디젤자동차는 유럽뿐 아니라 일본에서도 새롭게 각광받고 있다. 디젤엔진은 고도분사기술 및 신연소기술 등을 통해 클린/고효율화를 거듭해 왔으나, 금년 유럽 및 한국에서 Euro6 배기규제가 발효되는 등의 엄격해지는 배기규제에 대응하기 위해서는 입자상물질필터(DPF) 및 질소산화물(NOx)촉매 등의 후처리 시스템의 적극도입이 불가피해지고 있다. 특히 이론공연비 근처의 고온연소영역에서 생성되는 NOx의 경우 엔진연소기술의 향상만으로는 대응이 어렵기 때문에, NOx 후처리 장치의 도입 및 이의 성능최적화는 Euro6 규제에 대응하기 위한 중요한 과제로 인식되고 있다.

글 / 문석수 (일본산업기술종합연구소)
출처 / 오토저널 3월호

본 고에서는 최근 일본의 디젤 NOx 후처리 기술에 관해 논의하고자 한다. 우선 NOx 후처리 기술의 주요당면 과제에 관해서 논의한 후, 2013년 일본에서 발표된 NOx 후처리 관련 연구내용 중 흥미로운 내용 몇 가지를 소개하고자 한다.

2. 디젤 NOx 후처리 기술의 당면과제

2013년‘JSAE Engine Review’에 발표된 도요타 자동차의 리뷰논문􀕛을 토대로 일본의 자동차 양산업체가 인식하고 있는 디젤 NOx 후처리 기술의 당면과제를 정리하면 다음과 같다.

2.1 디젤엔진의 낮은 배기온도

디젤엔진의 희박연소 및 연소기술의 발전에 의한 연료경제성의 향상은 환원촉매에 유입되는 배기의 온도를 저하시키고, 이는 촉매의 활성화 시간이 길어지는 문제점을 야기시킨다.

디젤엔진의 낮은 배기온도에 대응하기 위해, 팽창행정전반에 연료를 분사하여 배기온도를 높이거나, 팽창행정 후반에 연료를 분사하여 촉매에 HC를 공급하는 적극적 제어방법이 고려되고 있으나, 이는 연료경제성 악화와 직결되기 때문에, 연료경제성의 희생 없이 촉매의 정화율을 향상시키는 기술개발이 절실하다.

2.2 엄격해지는 배기가스시험법

향후 도입이 고려되고 있는 승용차배출가스시험법(일례로, Artemis Cycle)은 기존의 NEDC(New European Driving Cycle)에 비해 엄격해져, 후처리 장치 및 엔진시스템에 대한 계측범위도 저온부터 고온까지의 넓은 온도영역을 포함할 것으로 보인다. 따라서 넓은 온도영역에서 NOx촉매의 정화성능을 확보하는 기술개발이 중요한 과제로 인식되고 있다. 또한 후처리 장치의 성능저하 및 고장을 단시간에 탐지할 수 있도록 요구하는 OBD규제도 엄격해지고 있어, 이에 대응하는 기술개발도 중요한 과제로 떠오르고 있다.

2.3 비용상승

향후의 NOx 후처리 장치는 연료경제성의 희생 없이 넓은 영역의 엔진운전조건에서 NOx 정화율을 증대시켜야 하는 커다란 과제를 안고 있기 때문에, 이의 구현을 위한 개발비용 및 차량가격의 증가를 억제하는 것 역시 중요한 과제로 인식되고 있다.

3. 최근 일본의 NOx 후처리 관련 연구동향

NOx 후처리 장치는 요소SCR(Selective Catalytic Reduction)과 NSR(NOx Storage and Reduction) 시스템으로 크게 분류할 수 있다. 잘 알려져 있는 바와 같이 요소SCR은 요소를 가수분해한 암모니아를 비금속에 흡착시켜 NOx를 선택적으로 환원시키는 방식으로서, 차량에 별도의 요소분사시스템 및 믹서장치 등이 요구되어 초기비용이 상승하고, 탑재공간의 부족으로 인해 소형차량에는 적용하기 어려운 문제점이 있다. 반면 연소생성물 자체를 환원제로 이용하는 NSR은 추가장치를 필요로 하지 않기 때문에 초기비용이 적고 탑재공간에 여유가 없는 소형차량에의 적용가능성이 큰 장점이 있다. 또한 촉매활성화 온도가 요소SCR에 비해 낮은 장점도 가지고 있다. 그러나 귀금속을 촉매로 이용하기 때문에 대형엔진으로 갈수록 요소SCR 보다 비용의 증가 폭이 커지는 문제점도 가지고 있다. 본 장에서는 이 두 가지 대표적 시스템에 관한 2013년의 연구발표 내용 중 흥미로운 내용 몇 가지를 소개한다.

3.1 히노자동차의 새로운 DPR시스템의 개발

히노자동차는 2013년 JSAE 춘계대회에서‘소∙중형 디젤엔진용 NOx, PM 동시저감 후처리시스템의 배기가스 특성에 관해서’라는 제목의 연구논문􀕜을 통해, 히노자동차의 기존 DPR(Diesel Particulate active Reduction) 시스템에 NOx 저감기능을 추가시킨 신 DPR 시스템에 대해 소개했다.

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2003년 히노자동차는 상용차로서는 최초의 PM필터인 DPR시스템을 개발한 바가 있다. 2013년에 소개한 신 DPR 시스템은, 연료를 환원제로써 하여 NOx를 저감하는 HC-SCR촉매의 기능을 겸비하고 있는 것이 특징이다. (그림 1)은 신DPR시스템의 구성도를 나타낸다. 신 DPR시스템은 기존 DPR시스템의 전단산화촉매(FDOC) 및 Filter시스템에 추가로 후단산화촉매(R-DOC)를 장착하였다.

신DPR시스템의 전단산화촉매에는 HC-SCR기능을 추가하였으며, HC-SCR장치에 HC를 공급하기 위해 배기관 내에 연료를 분사한다. 후단산화촉매는 전단산화촉매와 함께 HC로부터 유래되는 배기물질의 산화를 촉진시킨다. 신DPR시스템은 HC-SCR시스템을 적용함으로써 요소분사에 필요한 추가장치를 없앨 수 있고 암모니아 슬립을 최소화 할 수 있는 장점을 가지고 있다.

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(그림 2)에 나타난 바와 같이 신DPR시스템의 적용을 통해 NOx 및 PM의 저감성능이 기존 DPR시스템과 비교해서 대폭 향상되었다. 또한 신DPR시스템의 적용을 통해 N2O 및 CH4 등의 온실가스 배출량도 대폭 저감되었다고 히노자동차는 밝혔다.

3.2 일본 교통안전환경연구소의 요소SCR 촉매의 열화특성해석

일본 교통안전환경연구소는 2013년 JSAE 춘계대회에서‘사용과정 요소SCR차에 있어서의 배출가스 성능변화의 추이’라는 제목의 연구논문􀕝을 통해 요소SCR시스템의 열화특성에 관해 보고했다. 최근 신장기 배출가스규제를 충족시켰던 요소SCR차량들로부터 HC 피독 등에 의해 NOx 저감성능이 급격히 저하(열화)되는 사례가 보고되고 있다. 교통안전환경연구소는 이의 원인을 규명하기 위해 2대의 차량을 대상으로 하여 주행거리의 증가에 따른 NOx 저감성능의 변화를 추적하였다.

추적결과, 주행거리 5만km까지는 촉매의 열화가 발생하지 않았으나, 10만km를 넘어가면서 NOx의 배출량이 정상치의 2배 이상으로 증가하는 결과가 나타났다. 촉매를 교환하면 NOx의 배출량이 정상치로 돌아오는 것으로 보아, NOx 배출량의 증가는 엔진이 아닌 NOx 촉매의 열화에 의한 것으로 판단하였다.

이러한 NOx 촉매의 열화는 HC에 의한 피독 뿐만 아니라 주행거리 증가에 의한 산화촉매(SCR전단에 장착)의 NO2 생성능력 저하에 기인함을 밝혔다. 또한 HC 피독은 촉매온도를 400℃ 이상으로 상승시키면 회복 가능하지만, 산화촉매의 열화는 회복시키기 어려운 항구적인 열화이기 때문에 이의 개선을 위한 기초연구 및 기술개발이 필요하다고 밝혔다.

3.3 와세다 대학의 SCR/DPF시스템의 정화특성에 관한 수치해석

2013년 JSAE 추계대회에서 와세다 대학은‘암모니아 SCR촉매를 코팅한 DPF의 배기가스정화 특성에 관한 수치해석(제2보)’이라는 제목의 연구논문􀕞을 발표했다. SCR/DPF 시스템은 배기후처리 시스템의 탑재공간 및 비용을 줄이기 위해 기존의 DPF 담체에 SCR촉매를 코팅한 SCR과 DPF의 일체형 후처리 장치이다. 와세다 대학은 DPF담체에 Soot가 퇴적된 조건에서 SCR의 NOx 정화율이 어떻게 변화하는지에 대하여 실험 및 계산을 통해 해석했다.

(그림 3)은 실험해석에 이용된 Soot 퇴적장치 및 Soot 퇴적량이 NOx 정화율에 미치는 영향에 대한 실험 결과를 나타낸다. 결과를 통해 Soot 퇴적량이 증가할 수록 NOx 정화율이 감소하는 것을 알 수 있다. 와세다 대학은 이러한 결과가 나타난 원인을 수치해석을 통해 규명했으며 그 결과가 (그림 4)에 나타나 있다.

결과를 통해 저Soot퇴적량 조건에서는 NO2/NOx의 감소가 NOx 정화율 감소의 주요인이며, 고Soot퇴적량 조건에서는 NO2/NOx의 감소에 더불어, 압력손실의 증가, 촉매통과유속의 증가에 의한 배기가스와 촉매의 반응시간 감소가 NOx 정화율 감소의 주요인임을 밝혔다.

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따라서 NOx 정화율의 감소를 방지하기 위해서는 산화촉매의 성능을 향상시켜서 NO2/NOx를 증대시키는 것이 중요한 설계지침이 되어야 한다고 주장했다.

3.4 도요타자동차의‘DiAir’NOx 후처리시스템의 설계방법론

도요타 자동차는 2013년 JSAE 추계대회에서‘Development of the Design Methodology for the New De-NOx System DiAir’라는 제목의 연구논문 􀕟을 발표했다. 도요타자동차는 배기관에 분사한 HC를 이용해서 NOx를 환원시키는 NSR타입의 후처리 장치인‘DiAir’를 개발한 바 있다 (그림 5). HSR로부터 높은 NOx 전환효율을 얻기 위해서는 촉매에 유입되는 HC 농도 및 배기유동의 균질도 확보가 매우 중요한데, 도요타는 배기관 형상 및 HC 분사기의 분사를 최적화하여 촉매에 유입되는 HC의 농도 및 배기유동의 균질도를 향상시킨 연구결과를 발표했다.

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우선 프로토타입 배기관의 HC 농도 및 유동압력분포를 실험 및 계산을 통해 해석하고, 결과를 통해 프로토타입 배기관의 HC 농도 및 배기유동의 균질도에 개선의 여지가 있음을 확인했다. 프로토타입의 성능을 개선하기 위해 배기관의 직경 및 촉매로 유입되는 유동의 유입각을 확장하였으며, 이를 통해 NOx의 정화율을 대폭 개선하는 결과를 얻어냈다 (그림 6).

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이에 더불어 HC분사기의 최적화에 관한 연구도 수행하였는데, 결과를 통해 분사기의 분사각을 증가시키고, 분사되는 분무의 운동량을 증대시킬수록 HC가 분사와 동시에 배기유동에 휩쓸리는 것을 방지할 수 있어 HC균질도 확보에 유리하다는 결론을 얻어냈다 (그림 7).

3.5 와세다 대학의 암모니아 슬립방지용 촉매의 정화 특성

와세다 대학은 2013년 JSAE 추계대회에서‘요소SCR 시스템의 NOx 정화율 향상에 관한 연구(제8보) - 암모니아 슬립용 촉매(ASC)의 정화특성’이라는 제목의 연구논문을 발표했다. 암모니아 슬립을 줄이기 위해 요소 SCR의 후단에 산화촉매를 장착하여 암모니아를 산화시키면 암모니아의 양이 감소하는 대신 지구온난화 물질인 N2O가 증가한다.

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와세다 대학은 이를 제어하기 위한 방법으로서 Zeolite와 Pt의 이층구조를 적용한 ASC(그림 8)를 적용하고, Zeolite의 두께가 NH3의 저감성능 및 N2O의 생성에 미치는 영향에 대해 연구했다. 결과를 통해 Zeolite층의 두께가 증가할 수록 N2O의 생성량이 감소하고 NOx의 정화율이 증가하나, NH3의 정화율은 감소하는 결과를 얻었다 (그림 9). 이를 바탕으로 NH3와 N2O의 배출량을 동시에 저감하기 위해서는 Zeolite층의 두께를 최적화하는 것이 중요하다고 밝혔다.

4. 결론

본 고에서는 2013년 일본에서 발표된 디젤 NOx 후처리 관련 연구내용을 정리해 보았다. 현재 일본에서는 각 양산업체들이 직면하고 있는 디젤엔진 관련 이슈 중, 비경쟁영역에 해당하는 공통과제를 대상으로 산학관이 결집한 연구체제를 운영 중이며, 이중 거론되고 있는 후처리기술 관련 이슈로는‘슈퍼촉매의 개발’및‘NOx 후처리 장치의 열화방지 기술개발’을 들 수 있다.

클린디젤엔진 기술개발에 총력을 기울이고 있는 일본의 현 상황을 고려할 때, 연료경제성 및 고정화율을 양립시키는 차세대 NOx 후처리 장치의 개발에 관한 연구가 향후 더 가속화 될 것이라 예상된다.
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