The Korean Society Of Automotive Engineers

Current Issue

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27 , No. 7

[ Article ]
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27, No. 5, pp.405-409
Abbreviation: KSAE
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 May 2019
Received 27 Nov 2018 Revised 22 Jan 2019 Accepted 15 Mar 2019
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2019.27.5.405

대형 경유차량의 SCR 장치 내구성 및 성능변화 평가
박기영1) ; 권만재1) ; 정주영2) ; 송호영3) ; 김기호3) ; 이성욱*, 4)
1)국민대학교 자동차공학전문대학원
2)국민대학교 자동차공학산업대학원
3)한국석유관리원 석유기술연구소
4)국민대학교 자동차공학과

A Study on the Performance Change of SCR System for Heavy-Duty Diesel Vehicles
Giyoung Park1) ; Manjae Kwon1) ; Juyeong Jung2) ; Hoyoung Song3) ; Kiho Kim3) ; Seangwock Lee*, 4)
1)Graduate School of Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul 02707, Korea
2)Graduate School of Automotive Industry, Kookmin University, Seoul 02707, Korea
3)Research Institute of Petroleum Technology, Korea Petroleum Quality & Distribution Authority, 33 Yangcheong 3-gil, Ochang-eup, Cheongwon-gu, Cheongju-si, Chungbuk 28115, Korea
4)Department of Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul 02707, Korea
Correspondence to : *E-mail: energy@kookmin.ac.kr


Copyright Ⓒ 2019 KSAE / 162-09
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium provided the original work is properly cited.

Abstract

In this study, 6-litre displacement, a commercial vehicle engine that meets the EURO-5 regulation, was used to evaluate the durability and performance deterioration of the SCR system mounted on a heavy-duty diesel vehicle. Meanwhile, ND-13 and ETC modes were used for the emission test. The characteristics of emissions by SCR catalyst deterioration were investigated by using mileage vehicles of 0 km, 120,000 km, and 360,000 km. The energy dispersive X-ray spectroscopy(EDS) of the CT scan to the catalyst carrier and EDS for PM filters were carried out in order to investigate the status of the catalyst at each mileage. As a result, it was found that NOX emissions, NH3 slip, and PM due to unreacted ammonia and urea increased as the mileage of the catalyst increased.


Keywords: Heavy-duty vehicle, SCR, NOX, NH3 slip, PM, EDS
키워드: 대형경유차, 선택적 환원촉매, 질소산화물, 암모니아 슬립, 입자상물질, 에너지분산형 분광분석법

1. 서 론

국내에서 운행되는 승합 및 화물 형태의 대형경유차의 신규 등록 대수는 매년 지속적으로 증가하고 있으며, 국내의 육로를 이용한 물류 수송은 전체 물류 수송량의 약 70 %를 차지하고 있다. 대형경유차는 승용차에 비해 일평균 주행거리가 긴 특징으로 훨씬 더 많은 오염물질을 배출하여 심각한 사회문제로 대두되고 있다.1) 대형경유차에 적용된 디젤엔진은 고압연료 분사장치 및 과급기를 적용하여 연소개선, EGR(Exhaust Gas Recirculation) 기술을 적용한 NOX 저감, DPF(Diesel Particulate Filter)를 적용한 매연 저감 기술이 적용되었으며, 최근에는 강화되고 있는 환경규제 만족을 위하여 요소수를 환원제로 사용하는 SCR(Selective Catalytic Reduction)을 적용하여 NOX를 저감하고 있다. SCR 장치는 2008년 EURO-4 규제를 만족하는 수입차량에 일부 적용되었으며, EURO-5부터는 신규등록차량의 90 %, EURO-6부터는 전 차종에 적용되었다.2) 국내에서는 이동수단에서 오염물질 배출 저감을 위하여, 대기질 개선을 위한 방안 중 노후경유차를 대상으로 PM-NOX 배출가스 동시 저감장치 부착 사업 등의 노력을 진행하고 있다.3)

최근 대형경유차에 적용된 SCR 장치에서 주행거리 증가에 따라 요소수 분사 시스템의 분사노즐 막힘, 분사 장치 오작동의 문제 발생과 믹서와 촉매 담체에서의 요소수 결정화 등의 문제가 발생하였으며, 요소수 시스템이 정상적으로 작동하는 차량에서는 촉매 담체가 노후 되어 NOX 저감 성능이 저하되는 것으로 알려져 있다.4-7) 따라서, 본 연구에서는 대형경유차에 적용된 SCR 장치의 주행거리 변화에 따른 배출가스 특성을 파악하였다.


2. 시험장치 및 방법
2.1 시험장치

본 연구에서는 EURO-5 배출규제를 만족하는 CRDI 6L 경유 엔진을 사용하였으며, DOC(Diesel Oxidation Catalyst), PDPF(Partial Diesel Particulate Filter), SCR(Selective Catalytic Reduction), AOC(Ammonia Oxidation Catalyst)가 장착되었다.

시험에 사용된 SCR 장치는, 신품(0 km)1대, 노후된 장치(12만 km 1대, 36만 km 1대) 등 총 3대이다. 노후된 SCR 장치는 제작사 보증거리(16만 km)에 근접한 12만 km, 제작사 보증거리를 초과한 36만 km 주행한 실제 차량에서 탈거하였다. SCR 장치의 셀밀도는 400 cpsi이며 Vanadium 촉매가 적용되었다. 그리고 DOC, PDPF, SCR, AOC 순서의 일체형이다. Fig. 1에 엔진 시험 벤치를 나타내었다. Table 1에 대상 엔진 제원을 나타내었다.


Fig. 1 
Schematic of test devices

Table 1 
Specifications of test engine
Type Inline-6
Displacement (cc) 5,900
Output according to DIN (PS) 270
Rated speed (rpm) 2,500
Bore/Stroke (mm) 100/125
Maximum torque (Nm) 980
Speed at maximum torque (rpm) 1,400
Idling speed (rpm) 600
Injection sequence 1-5-3-6-2-4
Emission regulation (g/kWh) EURO 5
(CO:1.5, NOx:2.0,
THC:0.46, PM:0.02)

2.2 배출가스 시험장치 및 시험방법

엔진 동력계는 최대 출력 330 kW, 최대 속도 4,800 rpm, 최대토크 2,200 Nm의 AVL 社의 AC 동력계이다. 엔진동력계는 냉각수 온도 조절장치, 연료 공급 및 소모량 측정장치 등 주변기기를 포함한다. 배출가스 분석기는 Horiba 社의 Mexa-7100DEGR과 FTIR을 사용하여 CO, NOX, THC, NH3의 배출량을 파악하였다. 엔진에서 배출되는 입자상 물질 배출량을 파악하기 위하여 AVL 社의 472 SPC를 사용하였다. 이후 PM 포집 여지의 입자상 물질 구성 성분을 파악하기 위하여 JEOL 社의 FE-SEM 7610F 주사전자현미경을 이용한 EDS 분석으로 시편의 원소성분을 파악하였다.

배출가스는 국내 및 유럽에서 대형경유자동차의 배출가스 인증시험방법인 ESC(European Steady Cycle, (Fig. 2 (a)) 및 ETC(European Transient Cycle, (Fig. 2(b)) test cycle을 적용하였다.


Fig. 2 
Test modes : (a) ESC test cycle, (b) ETC test cycle

ESC는 총 13개의 Steady state mode로 구성되어 있다. 1개의 Idle mode와 3개의 다른 회전수에서 각각 4개의 부하 조건으로 구성된 12개의 Mode로 구성되어 있다. Idle mode는 4분 동안 운전되고 다른 12개의 Mode는 2분 동안 운전된다. 총 운전시간은 28분(1,680 초)이다.

ETC는 대형경유 차량의 실제 도로 배출가스 측정을 위해 개발되었으며 Urban, Rural, Motorway의 3개의 구간으로 구성되어 있다. 각 구간은 600초이며 총 1,800초 동안 운전된다.

시험에 사용된 SCR 시스템의 요소수 분사량은 차량의 주행거리 변화에 따른 에이징 변수 및 알고리즘이 없이 촉매의 에이징 상태를 반영한 요소수 분사량 맵이 DCU에 설정되어 있다.


3. 시험결과
3.1 촉매 주행거리 변화에 따른 배출가스 특성

ESC mode에서 촉매의 주행거리 변화에 따른 결과를 Table 2에 나타내었으며 ETC mode에서의 결과를 Table 3에 나타내었다. 0 km의 촉매를 사용한 경우 EURO5의 규제(NOX: 2.0 g/kW・h, PM: 0.02 g/kW・h)를 만족하였으며 12만 km의 경우 NOX 규제치는 만족하였으나 ESC mode에서 PM 규제치를 초과하였다. 36만 km의 경우 NOX는 규제치의 약 180 % 이상이 배출되었으며 PM은 배출이 급격히 증가하여 규제치를 훨씬 초과하는 결과를 보였다. 국내 배출가스 저감장치의 제작사 보증거리는 16만 km이며, 시험에 적용하지 못한 16만 km 주행의 후처리장치 시험 시 배출물질은 규제치를 초과할 가능성이 농후하다고 예상된다. 또한 주행거리 증가에 따른 촉매의 노후로 인하여 NH3 Slip이 증가하는 결과를 보였으며, 특히 후처리장치의 보증거리(16만 km)가 초과된 36만 km 촉매의 경우 NH3 Slip이 급격히 증가하는 결과를 나타내었다. 또한 보증거리가 초과한 36만 km 촉매의 PM 배출 특성을 파악하기 위하여, SCR 장치의 요소수 분사 유무에 따른 배출특성을 파악하였으며, 결과를 Table 4에 나타내었다. NOX 배출은 요소수를 분사할 경우 50 % 정도의 저감률을 보였다. 하지만 PM 배출은 요소수를 분사하지 않은 조건에서도 규제치를 초과하는 결과를 보였으며 요소수 분사 후 배출량이 급격히 증가하는 결과를 보였다.8)

Table 2 
SCR catalyst-out emission characteristics in ESC mode according to the mileage
Mileage
(km)
Emissions (g/kW・h)
CO NOX THC PM NH3
(ppm)
0 0.196 1.388 0.015 0.08 24.0
120,000 1.153 1.954 0.022 0.078 43.0
360,000 0.437 3.863 0.062 0.506 3223.5

Table 3 
SCR catalyst-out emission characteristics in ETC mode according to the mileage
Mileage
(km)
Emissions (g/kW・h)
CO NOX THC PM NH3
(ppm)
0 0.33 1.260 0.028 0.015 15.0
120,000 0.409 1.752 0.053 0.011 47.0
360,000 0.724 3.580 0.107 0.101 3151.0

Table 4 
Characteristics of emissions according to presence or absence of urea injection
Test mode SCR
(360,000 km)
Emissions (g/kW・h)
CO NOx THC PM
ESC mode w/o Urea 0.367 7.780 0.06 0.074
w/ Urea 0.437 3.863 0.062 0.506
ETC mode w/o Urea 0.548 7.719 0.104 0.050
w/ Urea 0.724 3.850 0.107 0.101

요소수 분사 후 PM 배출이 늘어나는 것을 분석하기 위해서 각 주행거리 별 PM 포집 여지를 채취하였으며 이를 Fig. 3에 나타내었다. 주행거리가 길어질수록 후처리장치의 성능저하로 Solid-Carbon의 포집의 증가하여, PM 여지의 색이 더 짙은 검정색을 띌 것으로 예측했으나 36만 km PM 여지의 경우 약간의 푸른색을 띄고 있어 Solid-Carbon 외에 다른 성분의 입자가 포집되었을 것으로 판단하였다. 따라서 주사전자현미경을 이용해각 PM 여지를 1,000배 확대 관찰하였으며, 추가적으로 EDS 분석을 진행하여 PM 여지에 포집된 원소 성분을 파악하였다.


Fig. 3 
PM filter paper by mileage

Table 5에 주사전자현미경으로 관찰한 PM 여지 표면과 EDS 분석 결과를 나타내었다. PM 여지로부터 탄소, 산소, 불소, 알루미늄, 규소, 나트륨의 원소가 검출되었다. 탄소 성분은 주행거리가 긴 후처리장치의 경우 점차 증가하는 것을 확인하였다. 특징적인 부분으로 약간 푸른색을 띄었던 36만 km PM 여지에서 질소 성분이 많이 검출되었는데 배출물질을 전혀 거치지 않은 미사용 여지와 신품 후처리 장치의 배출물질이 포집된 여지는 질소가 검출되지 않았으며 12만 km, 36만 km 여지는 각 2.28 %, 29.43 %의 질량비로 질소가 검출되었다. 따라서 SCR의 암모니아 흡장성능 저하와 AOC의 암모니아 저감성능이 저하되어 슬립이 일어난 암모니아가 입자를 이뤄 PM 여지에 여과되었다고 판단된다.9)

Table 5 
PM filter surface and carbon, nitrogen percentage by weight
Unused 0 km 120,000 km 360,000 km
C [Wt%] 13.34 43.81 47.50 39.66
N [Wt%] 0 0 2.28 29.43

3.2 촉매 주행거리 변화에 따른 담체 형상 특성

주행거리 증가에 따른 촉매 담체의 내구성을 파악하기 위해 12만 km, 36만 km 촉매의 CT 촬영을 진행하였다. DOC+DPF 담체와 SCR+AOC 담체의 전단(①), 중간부(②), 후단(③)에서 가시적인 특성을 파악하였다. Fig. 4에 CT 촬영 이미지의 취득한 위치를 나타내었으며, CT 촬영 이미지 결과를 Fig. 5에 나타내었다. CT 촬영 결과 외형적으로 Crack 및 Melting과 같은 결과가 나타나지 않았기 때문에 구조적인 내구성은 양호한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 촉매 주행거리 증가에 따른 입자상 배출량 증가 결과는 담체 파손에 대한 영향은 없었으며, SCR의 NH3-Slip으로 판단된다.


Fig. 4 
Catalyst substrate scan point


Fig. 5 
CT scan result of catalyst substrate


4. 결 론
  • 1) 촉매 주행거리에 따른 변화에 따른 NOX 측정결과에서 12만 km 촉매는 규제 치에 근접한 결과를 보였으며, 36만 km 촉매는 SCR의 NH3 흡장성능 저하로 NOX 배출량의 증가와 PM 배출량이 증가하였다.
  • 2) 촉매 주행거리 증가 시 SCR 촉매의 NH3 흡장성능 저하와 AOC의 NH3 저감성능이 저하되어 NH3-Slip이 급격히 증가하였다.
  • 3) 36만 km 촉매 담체의 구조적 내구성은 양호하였으나, 촉매의 환원제 흡장성능 저하로 NOX 저감 성능이 저하되었다.
  • 4) 일 평균 주행거리가 긴 대형경유차량의 후처리장치의 주행거리 증가에 따른 촉매 성능 저하로 인한 촉매 클리닝 등의 성능유지를 위한 방안이 필요하다.

Acknowledgments

본 연구는 제2기 한국형 오토오일사업의 일환으로 진행되었습니다. 본 연구수행에 도움을 주신 오토오일위원회 및 관계자 여러분께 감사드립니다.


Subscripts
SCR : selective catalytic reduction
PM : particulate matter
DOC : diesel oxidation catalyst
PDPF : partial diesel particulate filter
AOC : ammonia oxidation catalyst
FTIR : fourier transform infrared spectrometry
CO : carbon monoxide
NOX : nitrogen oxide
THC : total hydrocarbon
NH3 : ammonia
EDS : energy dispersive x-ray spectroscopy
ESC : european steady cycle
ETS : european transient cycle
CT : computed tomography

References
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