3. 적용사례 연구 : 차량용 배기계 최적화
3.7 시험검증
본 논문에서 1단계에서 유속균일도를 개선한 결과와 2단계에서 개선한 결과를 차세대융합기 술연구원에 시험검증을 의뢰를 하여 수행하였으며, 시험결과의 왜곡이나 편견이 개입이 되지 않도록 최대한 결과리포트를 그대로 유첨하였다.
1) 시험배경 및 목적
본 연구용역에서는 세종공업이 기존의 촉매정화장치를 개선한 시제품을 시험하여, 기존의 제품과 정화효율 측면의 성능을 비교하고자 한다. 본 연구용역을 통해 세종공업은 개발품의 성 능확인은물론 추가개선방향에 대한 유용한 자료를 확보할 수 있을 것이라고 기대한다.
2) 시험 내용 2.1) 엔진 실험 2.1.1) 엔진 사양
본 연구에 사용한 HSDI (High Speed Direct Injection) 1.6 liter 직렬형 4 기통 디젤 엔진 의 제원은 다음의 표 9과 같다. 엔진의 제작사와 사양은 발주기관의 요구에 따라 지정된 것이 다. 엔진 구동을 위한 동력계는 AVL社의 제품(AC dynamometer, 340 kW)을 사용하였고, 동 력계 컨트롤러는 역시 AVL社의 Puma Open 1.3 test automation system을 사용하였다.
표 9 엔진사양표
항 목 값
형식 In-line, 4기통
보어 x 스트로크 (mm) 77.2 x 84.5
압축비 17.3
배기량 (cc) 1,582 최고 출력 (ps/rpm) 128/4,000 최고 토크 (Nm/rpm) 260/1,900∼2,750
연료공급방식 CRDI
밸브시스템 DOHC, 16 valves
기타 적용 기술 VGT, SCV, DPF
그림 16 엔진다이나모 시험장치
2.1.2) 엔진 설치 및 배기가스 분석 장비
그림 17는 본 연구에서 배기 배출물 수준 시험을 위해 구성한 시험 장치도이다. 엔진 시험 환경의 정확성을 위해 실험실 내 온도를 공조 장치와 급기 장치를 사용하여 일정하게 유지하였
다. 대상 엔진의 정상상태 운전 조건을 갖추기 위해 본 연구에서는 연료 온도 제어기(SFTC- 1400), 냉각수 온도 제어기(SWC-1200) 및 연료 유량계(AVL-733S)를 장착하였다. 실험실 내 온도는 공조 시스템으로 일정 온도가 유지되며, 연료는 연료 제어기를 통해 유량계를 거쳐 대 상 엔진으로 공급되었다. 엔진 운전시의 열을 제거하는 냉각수는 냉각수 제어기를 통해 적정 온도를 유지하였다. 대상 엔진은 동력계와 연결되었고 운전 조건을 따라 배출되는 배기 배출물 은 종합배기분석기, smoke meter를 통해 계측되었다.
그림 17 시험장치 구성도
본 연구에서는 대상 엔진의 질소산화물(질소산화물), 일산화탄소(CO), 미연탄화수소(THC)를 측정하기 위해 Horiba社의 종합배기분석기인 Mexa-7100 DEGR을 사용하였다. 또한 여과지 방식으로 입자상물질의 양을 측정할 수 있는 AVL社의 Smokemeter 415S를 사용하였다. 배기
배출물은 대상 엔진의 촉매 전/후단에서 샘플링 라인으로 추출되어 각각의 배기분석기와 연결 되어 정상상태에서 측정되었다. 촉매 전/후단의 샘플링 위치는 그림 18에 나타나있다.
그림 18 차량용 배기계 샘플링 측정장치
그림 19 가스분석기
3) 실험 샘플
실험 대상은 디젤 엔진의 산화촉매(DOC, Diesel Oxidation Catalyst)이다. 발주기관으로부 터 전달받은 실험 샘플은 그림 20와 같다. (1) 양산품은 기존 엔진 제작사에서 개발하여 사용 하고 있는 제품으로서 엔진의 콤팩트(compact)화를 추구하여 DOC 촉매 전의 유동 확산 부분 의 형상이 매우 짧고 급하게 꺾이는 형상으로 제작되어 있다. (2) 1차년도 시제품과 (3) 2차년 도 시제품은 발주기관에서 촉매 전의 유동 분포를 개선하기 위하여 촉매 전 유동 확산 부분의 형상을 수정한 시제품이다.
그림 20 시험샘플
그 결과 1, 2차년도 시제품의 전체적인 형상은 양산품 대비 길이가 길어진 것이 특징이며 유 동 확산부분이 상대적으로 완만하게 확장되고 있다. 시험 샘플 세 개 모두 촉매 담체와 귀금속 양은 동일하게 제작되어 있다.
그림 21 입구부 형상 변화
그림 21과 같이 1, 2차년도 샘플은 입구 형상이 양산품과는 상당히 다르므로 양산 엔진에 장착할 경우 형상이 변경된 촉매 입구의 유동 확산부분과 엔진의 터보차저 출구부위간에 간섭 이 발생하게 된다. 따라서 본 연구의 실험에서는 그림 22과 같은 어댑터를 가공하여 터보차저 출구와 촉매 입구 사이에 연결부품으로 사용함으로써 촉매 장착시의 간섭을 피하였다.
그림 22 연결 어댑터
4) 실험 조건
실험 시 엔진의 운전 조건은 표 10와 같다. 1~8번의 8개 운전 조건은 일반적으로 승용차 및 다목적차에 장착된 디젤엔진의 부분부하 대표점인데, 배출가스 시험 모드를 대표하는 조건으로 널리 사용된다.
표 10 엔진 운전조건
번호
엔진 회전속도 (rpm)
BMEP (bar)
비고
1 1,500 4
배출가스
시험모드
대표점
2 1,500 6
3 1,750 6
4 1,750 8
5 2,000 6
6 2,000 8
7 2,000 10
8 2,500 10
9 3,000 전부하 전부하 고온 조건
그림 23 엔진운행조건 분포
이와 같은 운전 조건은 그림 23과 같이 엔진의 전체 운전 영역 중 일부에 해당하지만, 이러 한 운전 조건에서는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)을 사용하므로 CO 및 HC가 상대적으 로 많이 배출되며, 이 때문에 DOC 촉매의 정화율을 비교하기에 적절한 운전 조건이다. 그림 24은 2.2 liter 디젤 엔진에서 배출되는 CO와 HC 농도 분포의 예인데, 2,500 rpm, 10 bar BMEP 이하의 운전 조건에서 CO 및 HC가 주로 배출되는 경향을 확인할 수 있다.
그림 24 일반적인 디젤엔진 운행조건에 따른 CO와 HC 농도분포
5) 실험 결과
5.1) CO 및 HC 배출 농도 및 정화율
본 연구에서 실험된 결과는 다음의 표11~13와 같다.
표 11 양산품 시험결과
번 호
엔진 회전 속도 (rpm)
BMEP (bar)
NOx (ppm)
smoke (FSN)
촉매 전 (ppm) 촉매 후 (ppm) 정화율 (%)
CO HC CO HC CO HC
1 1,500 4 50 3.28 790 204 0 23 100 88.8 2 1,500 6 77 3.89 743 117 0 15 100 87.2 3 1,750 6 86 1.91 354 118 0 10 100 91.7 4 1,750 8 184 2.83 357 90 0 8 100 90.6 5 2,000 6 83 1.95 401 119 0 10 100 91.7 6 2,000 8 185 2.50 339 89 0 9 100 89.6 7 2,000 10 331 2.39 406 68 0 9 100 87.2 8 2,500 10 358 1.31 243 82 0 9 100 88.5 9 3,000 전부하 986 1.56 556 48 3 16 99.5 67.4
표 12 1차년도 사양 시험결과
번호 엔진 회전 속도 (rpm)
BMEP (bar)
NOx (ppm)
smoke (FSN)
촉매 전 (ppm) 촉매 후 (ppm) 정화율 (%)
CO HC CO HC CO HC
1 1,500 4 53 2.71 759 220 0 25 100 88.5 2 1,500 6 76 3.59 824 148 0 16 100 88.9 3 1,750 6 87 1.64 359 126 0 12 100 90.3 4 1,750 8 198 2.64 327 96 0 11 100 88.9 5 2,000 6 94 1.67 362 119 0 12 100 90.1 6 2,000 8 199 2.41 307 99 0 11 100 88.9 7 2,000 10 344 2.60 433 72 0 11 100 84.2 8 2,500 10 395 1.31 235 76 0 11 100 85.8 9 3,000 전부하 1049 1.98 698 52 0 12 100 76.6
표 13 2차년도 사양 시험결과
번호 엔진 회전 속도 (rpm)
BMEP (bar)
NOx (ppm)
smoke (FSN)
촉매 전 (ppm) 촉매 후 (ppm) 정화율 (%)
CO HC CO HC CO HC
1 1,500 4 61 2.91 646 250 0 25 100 90.0 2 1,500 6 93 3.42 598 162 0 16 100 89.8 3 1,750 6 110 1.61 282 154 0 14 100 91.0 4 1,750 8 221 2.41 265 137 0 14 100 90.0 5 2,000 6 96 1.85 350 146 0 15 100 90.0 6 2,000 8 204 2.51 300 126 0 13 100 89.5 7 2,000 10 345 2.59 390 109 0 13 100 87.8 8 2,500 10 372 1.68 245 108 0 13 100 88.2 9 3,000 전부하 1077 1.64 499 70 0 14 100 79.5
각 운전 조건에서 세 샘플에 대한 실험 결과 중 NOx 및 smoke 수치는 실험 조건의 동등 함을 확인할 수 있는 수치인데, NOx 및 smoke의 COV(Coefficient Of Variation)가 7~8%
수준이므로 샘플의 개수가 적은 것과 엔진 실험과 배기가스 분석기의 특성을 고려해 볼 때 본 연구의 실험이 재현성 있게 이루어졌음을 알 수 있다.
모든 샘플의 실험 결과에서 CO의 정화율은 100%인 반면 (단 양산 샘플의 3,000 rpm, 전
부하 조건에서만 99.5%임) 그림 25에 나타나 있듯이 HC의 정화율은 67.4%~91.7%의 분포를 보인다. CO의 배출량이 HC에 비해 많은 데도 불구하고 CO의 정화율이 더 높은 것은 촉매에 서 CO에 대한 light-off 온도가 HC에 대한 light-off 온도보다 50도 정도 낮기 때문이다. 즉 촉매의 온도가 같은 조건에서는 HC 보다 CO의 정화율이 높게 되는 것이다. 또한 온도의 영향 을 배제하더라도 일반적으로 희박한 연소의 배기가스 환경에서 CO에 대한 촉매의 정화율이 HC의 정화율보다 5% 이상 높은 것이 일반적이다. 본 연구에서는 CO의 정화율이 모두 100%
이므로 샘플간의 비교는 HC의 정화율은 분석하여 살펴보아야 한다.
그림 25 샘플별 HC 정화율
5.2) 부분부하 HC 정화율 비교
본 연구의 실험 결과는 샘플별 단 하나씩만 실험한 결과이므로, 실험상의 오차나, 샘플의 귀 금속 도포의 균일성 등의 영향을 받은 수 있다. 따라서 개별 운전 조건에 대해 일일이 수치를 비교하는 것은 결과의 왜곡 가능성이 있어 여러 운전 조건의 실험 결과를 평균하여 정화율을 비교하는 것이 적절하다. 우선 배출가스 시험모드를 대표하는 8점의 평균 HC 정화율을 비교하 면, (1) 양산샘플은 89.4%, (2) 1차년도 샘플은 88.2%, (3) 2차년도 샘플은 89.5%이다. 양산샘
플과 2차년도 샘플의 HC 정화율이 상대적으로 우수함을 알 수 있고, 1차년도 샘플보다 2차년 도 샘플의 정화율이 개선되었음을 알 수 있다. 양산샘플은 촉매 입구에서의 유동이 균일하지 않을 것으로 예상됨에도 불구하고 HC 정화율이 높은 이유는 두 가지로 예상할 수 있다.
우선 촉매에 포함된 귀금속량이 현재 엔진 사양에서 배출가스 규제를 만족시킬 수 있을 만큼 충분해서 유동 불균일로 인해 촉매의 전 부분을 효과적으로 사용하지 않더라도 충분히 HC를 정화할 수 있다고 볼 수 있다. 양산샘플의 특성상 충분한 정화율은 실험적으로 검증이 된 것으 로 볼 수 있고, 본 연구에서 실험한 샘플은 신품으로 aging 효과가 없으므로 충분한 정화율이 보장된다고 추가적으로 확신할 수 있다.
배기가스 중의 산소 농도가 충분하고, 또한 촉매의 귀금속량이 충분하다는 가정 하에 촉매의 정화율은 촉매의 온도에 영향을 받는다. 그림 26과 같이 HC에 대한 촉매의 정화율은 약 250℃
에서 50%이며 400℃ 이상에서도 온도가 상승함에 따라 완만하게 정화율이 높아지게 된다. 본 연구의 부분부하 조건에서의 촉매 입구의 배기가스 온도는 500℃ 미만인데, 배기가스가 불균 일하게 유입될 경우, 배기가스가 집중적으로 유일되는 부분의 촉매 온도가 상대적으로 상승하 여 HC 정화율이 높아질 수 있게 된다. 따라서 배기가스 온도가 낮은 운전 조건에서는 배기가 스가 불균일하게 유입되는 조건이 오히려 정화율에 유리하게 되는데, 단 촉매의 일부분에만 배 기가스가 유입되더라도 배출가스 성분을 충분히 정화할 수 있도록 귀금속량이 보다 충분히 확 보되어야 하는 조건이 전제된다. 그러나 촉매에 도포되는 귀금속량은 원가에 직결되므로 가능 한 한 줄이는 것이 바람직하므로, 부분부하에서의 부분적인 정화율 이득을 위해 배기유동이 촉 매에 불균일하게 유입되도록 할 필요성은 없다고 판단된다. 또한 배기가스 온도가 높은 고부하 운전 조건에서는 불균일한 촉매의 가열이 촉매의 열손상을 가져올 수 있으므로 배기유동의 불 균일은 피하는 것이 바람직하다.