To meet the stringent legislations of engine-out emissions, a catalytic converter has to be implemented to reduce the harmful exhaust emissions. However, the efficiency and durability of a catalyst system for long run operation are main requirements. The main challenge is to reduce the cold-start emissions. And therefore, close-coupled catalyst (CCC) is usually used since it provides fast light-off time by utilizing the energy in the exhaust gas. However, if some malfunction occurred during engine operation and the catalyst temperature exceeds 1050℃, the catalytic converter becomes deactivated and shows poor conversion efficiency.
In this study, the close-coupled catalyst temperature was investigated under various engine operating conditions. All of the experiments were conducted with a 1.0L spark ignition (SI) engine at 1500-4000 rpm and different engine load conditions. Exhaust gas temperature and catalyst temperature were measured as a function of excess air ratio (0.8-1.2), ignition timing (BTDC 30°-ATDC 30°), and misfire rates (0-28%). It was found that ignition retard and misfire during high load conditions can result in the deactivation of the catalytic converter, which eventually leads the drastic thermal aging of the converter. However, significant reduction in light-off time during the cold start can be achieved by proper control of ignition retard and misfire, which, in turn, reduces hydrocarbon (HC) emissions. Exhaust gas temperature was also predicted for different engine loads, engine speeds, excess air ratios, and ignition timings to complement the experimental results.
Design of experiments (DOE) technique has been used to design an exhaust heat exchanger to reduce the exhaust gas temperature under high load conditions in a SI engine. The DOE evaluates the influence and the interaction of the selected eight design parameters of the heat exchanger affecting the performance of the exhaust gas cooling system using a limited number of experiments. The design parameters consist of the fin geometry (length, thickness, arrangement, and number of fin), coolant direction, exchanger wall thickness, and the length of the heat exchanger. The acceptable range of each design parameter is discussed by analyzing the DOE results. The optimum design was manufactured and installed between the exhaust manifold and the inlet of the close-coupled catalytic converter.
The exhaust heat exchanger successfully decreased the exhaust gas temperature, which eliminated the requirement of fuel enrichment under high load conditions. Accordingly, a reduction of fuel consumption by approximately 7.7% at high vehicle speed was achieved. In order to reduce the light-off time as a result of installing the heat exchanger, a solenoid valve was installed at the inlet of the heat exchanger to cut off the flow of the coolant. This control logic decreased the light-off time and the exhaust emission to meet the Euro-IV emission regulation.
자동차는 인간 생활의 편의성을 향상시키기 위해 개발되었지만, 자동차 보급의 급격한 증가에 따라 자동차에서 배출되는 오염 물질은 자연적으로 정화시킬 수 있는 한계를 초과하여 인간건강을 위협하는 수준에 이르게 되었다.
자동차 배출가스 규제 시행 초기 자동차 업체에서는 엔진 연소 개선과 같은 방법으로 대응하였으나, 1975년에 한층 강화된 배출가스 규제에 기술적으로 대응하기 위해 처음으로 배기후처리 방법을 소개하였다.
1980년대 초부터는 HC, CO와 함께 질소산화물을 90% 이상 저감시킬 수 있는 삼원촉매(TWC; Three Way Catalyst)가 사용되기 시작하였으며, 다양한 개선 방안이 개발되어 정화 성능이 개선되면서 현재까지 사용되고 있다. 기존의 삼원촉매는 이론 공연비(Stoichiometric Ratio) 근처와 적절한 촉매 활성 온도 범위 내에서는 충분한 성능을 발휘한다. 하지만, 이를 만족하지 못하는 조건에서는 효율이 급격히 저하되는 단점이 있다. 이를 보완하기 위하여 냉간 시동과 같은 엔진 운전조건에서는 강제적으로 촉매를 예열시키거나 미연소 탄화수소를 별도의 장치에 흡착시켰다가 적절한 조건에서 연소시키는 기술들이 다양하게 제시되고 있으며, 삼원촉매를 가능하면 배기관에 근접시키는 기술도 적용되고 있다. 하지만, 엔진이 고속/고부하 조건이나 비정상 조건에서 작동하게 되어 배출가스의 온도가 촉매보호 한계 온도인 850℃ 이상의 고온 조건에 장시간 유지되게 되면, 촉매는 열열화 현상 (Thermal Aging)을 일으키게 되고 유해 배출가스 정화 성능은 시간이 지남에 따라서 점차적으로 떨어진다.
본 연구에서는 우선 엔진 배기계에 대한 이해를 충분하게 하기 위하여 1.0L 가솔린 엔진을 대상으로 하여 기초 실험으로써 엔진 운전 조건들이 촉매의 온도 상승에 미치는 영향과, 운전조건에 따른 촉매의 열적 파괴 경향에 대해서 살펴 보았다. 엔진에서 배출되는 배출가스의 온도와 촉매의 온도가 공연비 변화, 점화시기 지연, 실화 발생 등의 운전 조건에서 어떻게 변동하는지를 측정하였다. 그리고, 엔진 운전 조건에 따른 촉매의 활성화 특성을 파악하였다. 실험 결과를 보완하기 위하여 Ricardo사에서 나온 WAVE라는 상용 프로그램을 이용하여 배기계 온도 변화를 모사한 후 실험값과 비교하였다. 이 결과들을 바탕으로 본 연구에서는 엔진 운전 모드, 부품손상, 제어방식 등이 야기할 수 있는 배출가스 온도 상승 효과를 파악하여 촉매의 파손을 방지할 방법을 제시하며, 배기계 온도 상승에 가장 큰 영향을 미치는 인자를 도출하여 향후 엔진 시스템 설계 및 제어에 적용할 수 있도록 하였다.
고속/고부하 조건에서 차량 운전시 촉매 온도가 과상승하고 장시간 고온의 환경에 노출되면 열적 파괴가 일어난다. 이를 방지하기 위하여 엔진 실린더에 인위적인 연료증량을 통해 배기계 온도를 제어한다. 연료 증량을 하게 되면 배출가스의 온도는 낮아지게 되지만, 고속/고부하 조건에서 연료 소모가 과다하게 일어나서 연료 경제성이 악화되며 공연비가 농후해지므로 CO와 HC의 배출량이 증가하게 된다. 전부하 조건에서 짧은 시간 동안 일어나는 연료증량에 의해 증가하는 CO와 HC의 배출량은 적지만, 갈수록 강화되는 배기규제에서는 전부하 조건에서의 배출량도 규제할 예정이다. 그러므로, 규제치를 만족시키기 위해서는 연료 증량 방식을 대체할 다른 방법을 찾아야 한다. 보통 엔진은 공기과잉율(Excess Air Ratio)이 1.0인 이론 공연비 영역에서 운전되고 있으며, 출력이 많이 필요한 파워 영역에서는 공기과잉률이 0.9 정도인 약간 농후한 영역에서 운전된다. 하지만 고속/고부하 운전 조건으로 인해서 배출가스 온도가 촉매 보호 한계 온도인 850℃ 이상이 되면 촉매 및 배기관 보호 영역인 공기과잉률 0.85 이상의 아주 농후한 영역에서 운전이 되며 이 영역에서 운전 시에는 차량의 연료 경제성이 상당히 나빠지게 되며 촉매의 정화효율도 급감하게 된다. 또한, 정화효율을 향상시키기 위하여 촉매에 담지되는 귀금속량을 증가시키게 되면 부가적인 비용도 발생한다.
이를 방지하기 위하여 냉각시스템 이용하여 배기계 온도를 제어하고자 하였다. 냉각 시스템은 엔진 냉각수를 이용하여 배출가스 온도 상승을 억제하게 되고 촉매의 열열화 현상을 줄여주며, 차량의 연비 개선 효과를 주게 된다. 우선 배출계에 접촉식, 비접촉식 열교환기를 장착하여 촉매온도, 배출가스 온도, 배기 매니폴드 표면 온도를 측정하여 온도 저감 효율을 비교하였다. 이 결과를 바탕으로 실험계획법을 적용하여 온도 저감 효과를 가장 크게 줄 수 있는 최적의 열교환기의 형상을 설계하고자 하였다. 최적 설계된 열교환기가 실제 차량 주행 환경에서 가지는 냉각성능을 측정하기 위하여 유럽 주행모드에서 차량을 운전하면서 열교환 효율을 살펴 보았으며, 차량의 연비 개선 효과도 직접 측정하였다.
