Prediction of Lean NOx Trap Efficiency by Using Accessible Parameters for Controlling Real Driving NOx Emissions in Diesel Vehicles

Abstract

In Korea, Euro 6D-TEMP has been applied since September 2019, which includes the Real Driving Emission(RDE) tests. Unlike conventional emissions-measurement conducted in chassis dynamometer, the actual road measurement can be very high depending on outside temperature, drivers tendency, and road conditions. Therefore, in terms of after-treatment system that reduces vehicle emissions, not only the specifications of the after-treatment device itself such as the purification efficiency according to temperature, but also the engine operating condition control method for the after-treatment device to work well are very important. In case of diesel vehicles, Lean NOx Trap(LNT) and Selective Catalytic Reduction(SCR) are used as after-treatment devices to deoxidize nitrogen oxides(NOx), but because real road driving considers drivers tendency and traffic conditions, the operating temperature of after-treatment devices cant always be satisfied. In particular, the SCR does not operate in the beginning or the long stop section, so only LNT reduces NOx, and the RDE data showed that the NOx emissions in this section accounted for 40% of the total NOx emission. That is, in real road driving, the change in the efficiency of LNT has a big influence on the NOx emission. Therefore, in this paper, LNT efficiency is predicted with as few and accessible variables as possible such as Onboard Diagnostics(OBD), so that it can be used in emission control methods applicable to real driving. The effect of concentration and flow rate of NOx and oxygen at LNT inlet is first considered to model LNT efficiency. Then the temperature at LNT inlet as a parameter is included which can affect LNT by two separate ways. Finally, in that degradation cause the change of temperature difference through LNT, change of NOx in mole fraction can be expressed by the total change of temperature and heat convection, substituted in the form of LNT efficiency. Therefore, the entire model is developed, and then the undefined coefficients were fitted by least squares method. The result indicated that the correlation of the measured data and the model is 0.80898, and the tendency of the prediction model matched well shown in the last figure.

대한민국에서는 2019년 9월부터 Euro 6D-TEMP가 적용되었으며 여기에는 실도로 주행 배출가스(Real Driving Emission)테스트가 포함된다. 차대동력계에서 수행되는 기존의 배출가스 측정과 달리 실제 도로 측정은 외부 온도, 운전자 경향 및 도로 조건에 따라 매우 높을 수 있다. 따라서 차량 배출물을 줄여주는 후처리장치의 측면에서, 온도에 따른 정화 효율과 같은 후처리장치 자체의 성능뿐만 아니라 후처리장치가 작동하기 위한 엔진 작동 조건 제어 또한 중요하다. 디젤 차량의 경우 질소산화물(NOx)을 환원시키기 위해 후처리장치인 희박 질소산화물 트랩(LNT) 및 선택적 환원 촉매 장치(Selective Catalytic Reduction)가 사용되지만 실제 도로주행은 운전자의 성향과 교통 상황, 작동 온도의 영향을 받으므로 후처리장치의 작동온도가 항상 만족될 수는 없다. 특히 SCR은 주행 초기 또는 긴 정지 구간에서 작동하지 않으므로 LNT만이 NOx를 줄이게 되며, RDE 데이터에 따르면 이 구간에서의 NOx 배출량이 총 NOx 배출량의 40 %를 차지하는 것으로 나타났다. 이는 실제 도로주행에서 LNT의 효율 변화가 NOx 배출에 큰 영향을 미친다는 것을 의미한다. 따라서 본 논문에서는 최대한 적은 개수의 변수를 이용하였고, 온보드 진단(OBD)과 같이 접근 가능한 변수들을 위주로 LNT 효율을 예측하여 실시간 실도로 주행 배출물 제어에 적용시킬 수 있는 모델이 개발되었다. 먼저 LNT 효율을 모델링하기 위하여 LNT 입구에서의 질소산화물과 산소의 농도와 유량이 고려된 예측 식을 구하였다. 다음으로 온도가 LNT 효율에 미치는 두 가지의 영향을 포함시키기 위하여 앞의 식을 보정시키는 변수로서 사용되었다. 마지막으로는 LNT의 용량 감소가 LNT를 지나는 배기가스의 온도변화에 영향을 준다는 것을 고려한 식이 표현되었고, 이 식에서 NOx 몰 분율의 변화를 전체 온도 변화와 대류 열전달의 항으로 나타낸 후 이 값을 LNT 효율에 대입하였다. 따라서 최종 모델이 만들어졌으며, 최소 제곱법에 의하여 피팅 계수들이 정해졌다. 그 결과 측정값과의 상관계수는 0.80898이 나왔으며 예측값이 측정값의 경향을 잘 반영한다는 것을 마지막 그림을 통해 나타냈다.