An in-house computational code capable of simulating the physico-chemically highly coupled phenomena occurred in the diesel exhaust aftertreatment systems such as DOC, DPF, and SCR was developed. To do that, the mathematical modeling for DOC, DPF, and SCR was individually performed first. In this process, the state-of-the-art models and schemes were employed with reference to the relevant literatures. Particularly, the current numerical modeling was focused on the cost-effectiveness as well as to the applicability in the real design and development processes. And then, on the basis of the mathematical modeling, an in-house computational code was developed using the FORTRAN 90 languages. For a verification of its reliability, the developed code for each aftertreatment device was firstly validated with other known experimental and computational results from the literature. Also, through many preliminary computations, the reasonable tendencies of the numerical solutions were demonstrated. Finally, using the developed numerical tools, the primary factors controlling the system performance were calibrated based on the experimental results. With and employmet of the newly determined control parameters, the simulation results were validated with the experimental results. For the DOC, the kinetic parameters of several model reactions were newly calibrated based on both steady and transient cycle experimental results currently obtainde on an engine-dynamomoter test bench. For the DPF, the deposit microscopic properties such as porosity and permeability were newly determined based on the measured datd taken from the literature. For thd SCR, the kinetic parameters of the ammonia adsorption/desorption were newly calibrated based on the current power-phase TPD experiments and thd kinetic paramethers of the several model reactions were also newly determined based on the core-out monolith experiments currently conducted. For all of the developed numerical tools of DOC, DPF, and SCR, their reliabilities were successfully verified through the comparison with a sufficient number of experimental data.
디젤엔진은 내연기관 중 에너지 효율이 가장 높은 엔진으로 경제성, 내구성, 신뢰성, 안정성 등 다양한 산업적 측면에서 매우 우수한 특성을 지니기 때문에 트럭/버스 등의 중대형 차량, 선박, 발전설비 등 국가 기간산업에서 널리 이용되어 왔다. 게다가 근래에는 차량 관련 기술의 발전으로 소음/진동 등 디젤차의 문제점들이 상당부분 해결되었고, 특히 가솔린에 비해 우수한 연비 특성과 적은 이산화탄소 배출로 인해 전세계적으로 상용뿐 아니라 승용차 시장에서도 디젤은 그 수요가 빠르게 증가하고 있다.
이러한 디젤차량의 팽창과 더불어 가장 시급하게 요구되는 것이 유해 배출가스 문제의 해결이다. 잘 알려진 것처럼 대기오염의 가장 주된 원인은 바로 자동차 배출가스이며 인구와 차량이 밀집된 대도시일수록 그 심각성은 현저하다. 현재, 자동차 배출가스성분 중 규제 대상이 되는 것은 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물($NO_x$), 입자상물질(PM) 등이며, 이들 가운데 특히 디젤차량에서 주로 배출되는 $NO_x$ 와 PM의 문제가 매우 심각하다. $NO_x$ 는 태양광에 의해 광화학반응을 일으켜 오존발생 및 호흡기질환 등을 유발하며, 미세먼지로 분류되는 PM10(직경 10μm 이하의 PM)은 호흡기에 쉽게 침투하여 폐에 흡착됨으로써 기관지 질환 및 폐암을 유발하는 것으로 알려져 있다.
한편, 무/저공해 자동차에 대한 미래기술로서 하이브리드 및 연료전지 자동차와 더불어 친환경 바이오 연료 등에 대한 연구들도 진행되고는 있으나 경제성을 갖춘 상용화 단계에 이르기까지는 상당한 시일이 걸릴 것으로 예상된다. 따라서 현재로서는 시급한 국내외적 니즈와 강화되는 규제들에 대응하기 위하여 유해 배출물질 저감기술이 적용된 디젤차량이 가장 현실적인 대안으로 평가되고 있다. 디젤 배기가스 유해물질 저감기술은 엔진 최적화 기술, 연료 개선 및 첨가제 기술, 배기가스 후처리장치 기술 등으로 분류할 수 있는데, 현재로서는 앞의 두 가지 기술만으로는 엄격한 배기규제를 만족시킬 수 없으며 배기가스 후처리장치 기술만이 유일한 해결책이다.
가솔린엔진의 경우 이론공연비에서 작동하기 때문에 삼원촉매장치를 이용하여 CO, HC 및 $NO_x$를 동시에 효율적으로 제거하고 있다. 그러나 디젤엔진은 연소특성상 희박영역에서 작동하므로 삼원촉매장치의 적용이 곤란하며 배출물질 별로 전용의 후처리장치들이 필요하다. 현재 전세계적으로 다양한 디절 후처리장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 향후의 배기규제에 대응하기 위해서는 다음의 세가지 후처리장치 - (1)HC, CO 및 PM의 일부 성분인 가용성유기물질의 저감을 위한 디젤산화촉매(DOC), (2) PM 저감을 위한 매연여과장치(DPF), (3) $NO_x$ 저감을 위한 선택적환원촉매(SCR) - 를 복합적으로 사용하는 것이 가장 일반적인 해법으로 고려되고 있다. 이들 중 DOC는 다양한 차종에 대해 성숙되어 있는 기술이며, DPF는 이제 막 시장에 진입하고 있는 기술이다. 또한 SCR은 산업용 장비설치에서 이미 검증된 기술이지만 차량에의 적용을 위한 상용화를 앞두고 있는 단계이다. 본 연구에서는 이들 세 가지 후처리장치를 모두 다루었으며, 특히 SCR의 경우 환원제인 암모니아를 얻기 위해 배기관 내로 요소수(Urea Water Solution)의 공급이 이루어지는데 이러한 요소수의 증발 특성 규명을 위한 연구도 함께 이루어졌다.
본 연구의 목표는 현재 상용화되어 있거나 또는 개발이 진행 중인 DOC, DPF 및 SCR 시스템을 실제적으로 모사할 수 있는 검증된 해석코드를 개발하는 데 있다. 이러한 디젤 후처리장치 내에서는 촉매반응, 입자의 포집, 열/물질 전달 및 유동 현상 등이 복잡하게 연결(Coupled) 되어 일어나기 때문에 실험적 연구에 많은 시간과 비용이 필요하며, 게다가 실험적으로 계측이 어려운 부분도 상당히 존재한다. 전세계적으로 디젤 후처리장치 기술은 디젤차의 팽창과 함께 현재 현재 급격히 발전하고 있는 단계에 있기 때문에 장치의 설계와 개발에 있어서 실험이 지닌 여러 난점들을 보완하기 위한 해석기술의 필요성은 매우 크며, 향후 기술이 점차 발전됨에 따라 해석기술의 역할은 더욱 증대될 것이 예상된다.
본 연구에서는 DOC, DPF 및 SCR 시스템 전체를 모사하기 때문에 해석코드과 과다하게 커질 우려가 있다. 설계자가 한 번의 결과를 얻는데 드는 시간과 비용이 상당한 프로그램을 설계 현장에서 직접적으로 사용하기란 어려운 일이다. 따라서 본 연구에서는 각 장치의 특성을 면밀히 파악하여 주요 성능인자의 모사에 집중함과 동시에 측정 가능한 부분에 대해서는 실험적 방법을 최대한 이용하고 그 영향이 미미한 부분에 대해서는 적절한 가정을 도입함으로써 해설 프로그램을 최대한 경량화 하였다.
또한, 본 연구에서는 개발된 해석코드에 기반하여 실제적인 실험 데이터를 통해 다양한 디젤 후처리장치들의 주요한 성능인자들을 합리적으로 추출하였으며, 이로부터 만족스러운 검증결과를 DOC, DPF 및 SCR 시스템 모두에 대해 얻어내었다. 따라서 본 연구를 통해 개발된 디젤 배기가스 후처리시스템에 대한 해석기술은 장치의 설계 및 개발 단계에 실제적인 적용과 도움을 줄 수 있을 것으로 예상한다. 아울러, 본 연구를 통해 제시되고 검증된 디젤 후처리장치 내 반응상수 튜닝에 대한 방법론과 절차는 다양한 촉매반응시스템에도 유사하게 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
