자동차 배기가스 저감에 미치는 Monolith 담체의 영향 조사

송진우, 안화승, 연태헌*, 강희천*, 한현식*

인하대학교 화학공학과, 희성엥겔하드(주)*

Substrate Effect on the Abatement of Automotive Emission

Jin-Woo Song, Wha-Seung Ahn, Tae-Hun Yeon*, Hee-Cheon Kang*, Hyun-Sik Han*

School of Chemical Science and Engineering, Inha University

Heesung Engelhard Corp.*

서 론

점점 더 강화되어지는 자동차 배기가스 규제를 만족하기 위하여 엔진 기술의 발전과 더불어 후처리 기술인 자동차 촉매 또한 보다 높은 활성을 얻기 위하여 여러 가지 방법으로 끊임없이 발전되고 있다. 강화되어지는 규제 대응을 위해서는, 전체 emission의 약 70~80%를 차지하는 냉시동 구간에서 발생되는 Emission의 저감은 필수적으로 해결해야 할 과제이다. 이를 위해서는 촉매의 작동 시간을 단축시키는 것이 가장 중요한 요소로 인식되고 있으며, 촉매의 위치를 엔진 출구에 가깝게 이동시키는 방법은 매우 유용하게 적용되고 있다. 촉매 자체의 저온 성능을 향상시키기 위해서는 귀금속 함량을 증가시키거나, HC Adsorber을 적용하고 있다. 또한 촉매의 warming-up 시간을 단축시키기 위하여 High Cell Density를 가진 Thin Wall Substrate의 적용이 점차로 확대되고 있다[1-6].

본 연구에서는 가장 많이 사용되고 있는 400cpsi/6.5mil 규격의 Substrate (이하 normal substrate) 와 600cpsi/4mil 규격의 Substrate (이하 thinwall substrate)가 삼원 촉매의 성능에 미치는 영향을 엔진 대상 및 차량에서 냉시동 구간을 중심으로 조사하였다.

실 험

실험용 삼원 촉매는 상업적으로 적용되고 있는 Pd/Rh의 Washcoat Slurry (5Pd/Rh, 3.0 g/l)를 Table 1 의 특성을 가진 Corning사의 400cpsi /6.5mil, 600cpsi/4mil Monolith 담체(84*148*86.5, 0.9L)에 동일하게 코팅하여 제조하였다.

Table 1 Substrate Characteristics

Cell Substrate (cpsi/mil)	Unit	400/6.5	600/4
Wall Thickness	mm	0.17	0.11
Geometric Surface Area	cm□/cm□	27.3(100%)	34.4(126%)
Hydraulic Diameter	mm	1.10	0.93
Open Frontal Area	%	75	80
Bulk Density	g/cm□	0.43	0.38
Pressure Drop	%	100	117

제조된 촉매는 Thermal Aging(1,070℃, 24hrs)후 엔진대상에서 4시간 동안 급속열화되었다. 엔진 대상 열화시에는 3.5L DOHC 엔진이 탑재된 Dynomometer(AVL, Austria)를 사용하였으며 촉매층의 최고 온도는 1,015℃ 였다.

엔진대상에서의 촉매 평가는 2.0L, SOHC 엔진을 이용하였다. 온도 450℃, Space Velocity=36,100/hr 조건에서 Horiba(Japan) 가스 분석기를 사용하여 Light Off Test, Fast Light Off, Sweep Test를 진행하였다 [7-8].

실차 시험은 Chassis Dynomometer (48〃, Single Roller, AVL)상에서 2000MY 2.0L, DOHC, A/T 차량을 이용하였으며, 촉매를 Underfloor위치에 장착하여 FTP-75 시험 주행 모드로 평가하였다.

결과 및 토론

열화된 촉매의 엔진 평가결과를 Fig. 1 ~ Fig. 3 에 나타내었다. 촉매 층의 온도를 천천히 올리면서 정화율이 50%가 되는 온도, 즉 촉매의 활성 시작 온도를 측정한 Light Off Test (Fig. 1)에서는 두 촉매의 차이가 나타나지 않았으나, 실제 차량에서와 유사하게 촉매 층의 온도를 급격하게 상승시키면서 정화율이 50%가 되는 시간을 측정한 Fast Light Off Test(Fig. 2)에서는 thinwall substrate를 사용한 촉매가 normal substrate 경우보다 HC, CO 그리고 NOx 경우 모두 약 25%정도 빠른 시간내에 활성을 나타냈다. 이러한 결과는 thinwall substrate의 장점인 낮은 Thermal Mass로 인하여 촉매가 작동온도까지 보다 빨리 올라갈 수 있기 때문이며, Light Off Test에서 큰 차이가 없는 것은 두 촉매 모두 동일한 Washcoat를 코팅하였기 때문에 기본적으로 촉매의 활성 시작 온도는 같기 때문이다. Fig. 3 은 촉매의 활성 시작 온도(375℃)보다 높은 온도인 450℃에서 공연비를 Fuel Lean에서 Fuel Rich로 변화시키면서 측정한 촉매의 평균 정화율(□:0.98~1.02)로서  thinwall substrate로 제조된 촉매가 약간 우수한 활성을 보이고 있는데 동일한 촉매 부피에서 Monolith Cell수 증가에 따른 촉매 표면적 증가가 기인한 것으로 볼 수 있다.

실차를 이용하여 FTP-75 Mode로 주행시험 한 결과를 Fig. 4 ~ Fig. 6에 나타내었는데, Fig. 4 는 Total Hydrocarbon Emission를 Phase별 구성비율로, Fig. 5, 6 은 촉매 입구 온도가 활성 시작 온도인 375℃가 되는 Phase 1의 초기 250초 동안에 축적되는 배기가스의 양을 g/mile로 표시하였다.  Fig. 4 에서 냉시동 구간이 있는 Phase 1에서 낮은 Thermal Mass를 가진 thinwall substrate 촉매가 보다 빨리 활성 시작 온도에 도달할 수 있어 적은 Emission을 배출하는 것을 확인할 수 있으며, Fig. 5 의 초기 250초 동안의 누적치는 이를 뒷받침 해준다. 그리고 Fig. 6 에 나타난 NOx의 경우 초기 시동 후 약 30초부터 두 촉매 사이에서 차이가 발생하기 시작하였다. 촉매의 표면적이 보다 넓어짐으로서 상대적으로 공간속도가 낮아지게 되는데 이때 공간속도에 많은 영향을 받는 NOx의 Emission이 많은 차이가 보이는 것으로 생각할 수 있다. 그리고 촉매 층의 온도가 충분히 상승된 Phase 2에서는 Phase 1에서 나타난 Emission의 차이가 유지되는 것으로 보아 담체의 영향은 미미한 것으로 생각할 수 있다.

실차 (FTP-75) 및 엔진 대상 (LOT, Fast LOT, Sweep) 시험 결과는 동일한 경향을 나타내고 있다. 즉, 낮은 Thermal Mass를 가진 thinwall substrate는 normal substrate에 비해  배기가스의 열에 의해 보다 빠른 시간에 활성 시작 온도까지 도달할 수 있어 낮은 Emission을 배출하고 있다. 그러나 촉매의 warming-up이 종료 된 이후에는 동일한 Washcoat가 코팅된 두 촉매의 성능에 미치는 substrate의 영향은 크지 않은 것으로 나타났다.

결 론

Thin Wall Substrate를 사용한 삼원 촉매는 냉시동 구간에서 Normal Cell Substrate를 사용한 촉매보다 빠른 시간 안에 촉매의 활성 시작 온도에 도달할 수 있어 냉시동 구간에서 배기가스의 양을 효과적으로 저감시킬 수 있다. 이는 Thin Wall substrate가 상대적으로 작은 Thermal Mass를 갖고 있기 때문으로 생각된다. Normal Cell substrate 대비하여, Thin Wall Substrate는 온도 상승이 느린 Underfloor 위치 보다 온도 상승이 급격한 Close Coupled 위치에서 효과적인 냉시동 저감 방안이 될 수 있으며, 또한 Honeycomb subtrate에 코팅되어 사용되는 자동차 촉매의 성능은 촉매 자체의 성분 뿐 만 아니라 최적의 substrate를 선정함으로써  향상이 가능함을 의미한다.

참고문헌

1. Mitsuyoshi Ichimura, "Coating Experience on Thin Wall Substrate", SAE Paper 910373, 1991

2. Hiroki Yamamoto and Fumihiko Kato, "Warm-Up Characteristics of Thin Wall Honeycomb Catalysts", SAE Paper 910611, 1991

3. J. P. Day, "Light-Off Behaviour of Automotive Catalyst Supports", Technical  Paper of Corning, 1997

4. J. P. Day, " Substrate Effects on Light-Off - Part II Cell Shape Consideration", SAE Paper 971024, 1997

5. Suresh T. Gulati, "Thin Wall Ceramic Catalyst Supports", SAE Paper 1999-01- 0269, 1999

6. Timothy V. Johnson, "Gasoline Vehicle Emissions - SAE 1999 In Review", SAE Paper 2000-01-0855, 2000

7. 연태헌, 강희천, 한현식, □촉매 변환기의 냉시동 성능평가 방법□, 한국자동차 공학회, Vol. 1, 181, 2000

8. 송진우, 나승철, 한현식, □자동차 배기가스 정화용 촉매 개발□, 화학공학의 이론과 응용, Vol. 7, No. 1, 9, 2001