[논문]근접장착식 촉매장치의 유동분포 측정 및 해석에 관한 연구

조용석; 김득상; 주영철

doi:10.22634/ksme-b.2001.25.4.533

문제 정의

이 방식은 다른 방법들, 즉 전기적인 촉매 가열 방식 (EHC: Electrically- Heated Catalyst)이나, 초기 공연비를 농후하게 한 후 다시 점화 시켜 촉매를 가열하는 배기가스 점화방식 (EGI: Exhaust Gas Ignition)에 비해 저렴 하고 효과적이나, 촉매 장치 입구에서의 배기가스 유동분 포가 매우 불균일하게 되어, 전체적인 촉매 장치의 정화효율 저하 및 수명 단축과 같은 악영향을 초래할 수 있는 것으로 알려져 있다即 CCC 의 효율적인 적용을 위해서는 촉매 장치 입구에서의 배기가스 유동분포를 균일하게 하기 위해 배기다기 관의 각 형상 인자들이 최적 설계되어야 하며, 이를 위한 기초작업으로서 배기 다기관의 형상에 따른 촉매 장치 입구의 유동분포 측정기술 및 합리적인 해석기술이 필요하게 된다. 따라서 본 논문에서는 엔진의 작동 모사 장치를 이용한 CCC 입구의 유동 분포 측정기술 및 수치해석 코드를 이용한 유동분 포의 수치해석 기술을 연구하여 배기 시스템의 최 적설 계를 위한 기초를 마련하고자 하였다.
정상 상태 유동은 실제 엔진상황에서는 존재하 지 않으나 1번 분 지관 및 2번 분 지관이 배기가스의 유동분포 균일성에 어떤 영향을 미치는가를 알 수 있는 좋은 기초자료를 제공한다. Fig.

가설 설정

분 지관을 지난 공기는 배기 다기관을 지나 CCC로 유입된다. CCC의 담체는 수많은 좁은 유로로 형성되어 있어 서로 유동 간섭을 일으키지 않으므 로 CCC의 첫 번째 담체 입구의 유동분포는 그 담 체 출구에서의 유동분포와 일치한다고 가정할 수 있다. 이에 따라 첫 번째 담체의 출구 부분 이후를 절단하고 그곳에서의 속도분포를 피토튜브 (pitot tube)를 이용하여 측정하였다.

제안 방법

CCC 유동분포 측정을 위하여 제작한 배기 유동 모사 장치는 적합한 성능을 발휘하였으며, 피토튜 브를 이용하여 실험용 CCC의 유동분포를 측정하고 수치해석법을 이용하여 정상, 비정상 유동을 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
각 실험조건에 적합한 유량 조건 설정을 위해서는 레이놀즈(Raynolds)수를 이용하였다.© 배기가스와 공기는 그 물성치와 온도가 다르기 때문에, 공기를 통한 상사 성을 유지시키기 위해서 온도와 물 성치 차이에 의한 점성계수의 변화를 고려하여 배 기 유동 시의 레이놀즈수를 계산하고 이와 같은 레이놀즈수를 갖는 공기의 유량을 결정하였다.
3번과 4번 분 지관의 경우 1, 2번 분지 관과 대칭이므로 1, 2번 분 지관에 대해서만 정상유 동 측정을 수행하였다. 비정상 유동 실험의 경우는 유동 장치에 로터리 밸브 장치를 연결하여 엔진의 폭발순서에 따라 공기를 공급하여 배기가스 유동 조건을 모사하였다. 속도분포의 측정을 위해 담체 후반부 전체면적을 총 217개의 6mmx6mm의 정사각형 구역으로 나누었고, 각 구역의 평균유속을 피토튜브로 측정하였다.
비정상 유동 실험의 경우는 유동 장치에 로터리 밸브 장치를 연결하여 엔진의 폭발순서에 따라 공기를 공급하여 배기가스 유동 조건을 모사하였다. 속도분포의 측정을 위해 담체 후반부 전체면적을 총 217개의 6mmx6mm의 정사각형 구역으로 나누었고, 각 구역의 평균유속을 피토튜브로 측정하였다.
실험은 정상 유동, 비정상 유동에 대해 각각 2500 rpm, 4000 rpm의 배기 유량에 상응하는 공기유 량을 설정하여 실험하였다. 정상 유동의 경우 2500 rpm에서의 레이놀즈수는 9400, 4000 rpm의 경우에는 14800이고, 비정상 유동의 경우 2500 rpm에서의 레 이 놀즈수는 37700, 4000 rpme 59300이다.
CCC의 담체는 수많은 좁은 유로로 형성되어 있어 서로 유동 간섭을 일으키지 않으므 로 CCC의 첫 번째 담체 입구의 유동분포는 그 담 체 출구에서의 유동분포와 일치한다고 가정할 수 있다. 이에 따라 첫 번째 담체의 출구 부분 이후를 절단하고 그곳에서의 속도분포를 피토튜브 (pitot tube)를 이용하여 측정하였다. 측정의 재현성과 정 밀도를 위하여 피토튜브를 3축 제어 이송 장치 (traverse)에 고정시키고 이를 측정점에 이동 시 키는 방법을 채택하였다.
정상 유동 실험은 어느 하나의 분지 관에만 일정량의 공기가 흐르도록 유동측정 장치에서 로터리 밸브 장치를 떼어내고, 특정 분 지관의 유량조절 밸브만을 열고 나머지 3개의 밸브는 잠근 상태에서 진행되었다. 3번과 4번 분 지관의 경우 1, 2번 분지 관과 대칭이므로 1, 2번 분 지관에 대해서만 정상유 동 측정을 수행하였다.
실험 시와 마찬가지로, 해석 시에도 같은 입구조건을 정의하여 사용한다. 즉 2500rpm, 4000rpm에 대하여 1, 2번 분 지관이 열렸을 때에 대한 정상유 동 및 비정상 유동을 계산하였다. 수치해석에 쓰인 계산조건은 다음과 같이 가정하였다.
이에 따라 첫 번째 담체의 출구 부분 이후를 절단하고 그곳에서의 속도분포를 피토튜브 (pitot tube)를 이용하여 측정하였다. 측정의 재현성과 정 밀도를 위하여 피토튜브를 3축 제어 이송 장치 (traverse)에 고정시키고 이를 측정점에 이동 시 키는 방법을 채택하였다.

이론/모형

각 실험조건에 적합한 유량 조건 설정을 위해서는 레이놀즈(Raynolds)수를 이용하였다.© 배기가스와 공기는 그 물성치와 온도가 다르기 때문에, 공기를 통한 상사 성을 유지시키기 위해서 온도와 물 성치 차이에 의한 점성계수의 변화를 고려하여 배 기 유동 시의 레이놀즈수를 계산하고 이와 같은 레이놀즈수를 갖는 공기의 유량을 결정하였다.
계산에 쓰인 알고리듬은 정상 유동의 경우 SIMPLE 알고리듬, 상류 차분도 식(upwind scheme)을 적용하였고, 비정상 유동의 경우 한 분 지관에서 배출되는 유동을 10개의 step으로 나누어 PISO 알고리듬을 적용하였다.心)계산조건은 실험 결과와의 비교를 위해 실험 장치에서와 같은 일정 유량조건 으로 설정하였다.
담체 전체면적에 걸친 유동분포를 나타내는 계수로는 다음의 식과 같이 정의되亨 유동 균일지수(flow uniformity index)를 이용한다.
수치계산에 있어서 벽 면 부근의 유체유동은 속 도구 배가 크기 때문에 많은 격자점을 집중시켜야 하나 계산상의 제약으로 인해 격자점수를 억제해야 하므로 고 난류 유동의 해석에 많이 쓰이는 벽 법칙을을 적용하였다.<5 이는 벽면 경계층의 대수 영역 에 대해 한 개의 격자 층을 취하고 그 내측의 계산은 수행하지 않음으로써 총 격자 수 억제 및 합리적인 해를 얻을 수 있는 장점이 있다.
유동해廳 위한 기초방정식은 일반적으로 잘 알려진 방정식계와 난류해석을 위한 k-e 모델을 적용하였다.齢> 그 기초방정식은 다음과 같다.

성능/효과

(1) 모든 실험조건에서 레이놀즈수가 증가할 수 록, 즉, 촉매 장치 내부의 평균유속이 증가할수록 유동 균일지수는 감소하는 경향을 보였다.
(2) 정상 유동 실험 결과는 배기 다기관 및 CCC입 구의 형상에 따라 배기 유동이 담체의 특정 부분 에 집중될 수 있음을 보여주었다.
(3) 비정상 유동 실험 결과는 각각의 배기 다기관 을 통해 CCC 입구로 유입되는 배기가스가 배출순 서 따라 서로 간섭하면서 유동분포를 균일화 시키 는 현상을 보여주었다.
905이다. 또한 4000rpm에서는 각각 0.925, 0.895로 나타났으며, 이는 촉매 장치 입구의 평균유속이 증가할수록, 즉, 레이놀즈수가 증가할수록 유동분포가 나빠지는 현상을 잘 보여주고 있다.
위의 유동 균일지수가 1이면 완전히 균일한 유동 분포를, 0이면 담체의 극히 일부분에 유동이 집중됨을 의미한다. 일반적으로 CCC 담체 면의 유동균 일 지수는 0.
정상 상태 실험 결과, 2번 분 지관은 플레넘에 경사각 없이 바로 연결되어 있는 형상 특성 때문에 분 지관 바로 하류와 엔진에서 먼 쪽의 벽면에 고속유동이 더 강하게 집중됨을 알 수 있다. 동일 회전수의 경우 1번보다 2번 분지 관에서의 최고속 도가 더 큰데, 이것은 밸브로부터 담체면까지의 유동거리 가 상대적 으로 짧아 관성력이 보존되는 영향에 의한 것이다.
정상 상태 실험 결과로부터 계산된 2500rpm에서의 유동 균일지수는 1번 분 지관의 경우 0.941, 2번의 경우는 0.905이다. 또한 4000rpm에서는 각각 0.

후속연구

(4) 수치해석에 의한 정상, 비정상 유동 해석결과는 실험 결과와 정성적으로 잘 일치하며, 입 구조건 의 설정을 향상시키면 정량적으로 보다 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대한다.
이와 같이 수치해석 결과는 실제 실험결과를 이해하는데 큰 도움을 주고 있으며, 향후의 연구에서 보다 엄정한 실험조건 및 계산조건을 통하여 정량적으로 적합한 계산 결과를 얻음으로써 실험을 수행치 않고도 CCC의 유동분포를 정량적으로 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 이와 같은 정보를 배기 다기관의 형상 설계에 반영하면 촉매의 유동분포 균일성 확보를 통해 촉매 영역을 골고루 활용할 수 있게 되므로 촉매의 국부적 열화에 의한 내구성 감소 억제, 촉매변환효율의 증 대 및 촉매기의 크기를 줄이는 것 등이 가능할 것으로 생각된다.
격자생성에 있어서 각 격자의 형상이 정육면체에 가까울수록 수렴성이 높고 정확한 계산 결과를 가져오는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 이 점을 최대한 고려하여 격자를 생성하였으나, 원형 단면을 가지는 분지 관이나 연결 부위 등에서는 정 육면체 형상에 가까운 격자를 구성하는 데에 한계 가 있었다. 향후 보다 실제에 가까우면서 수렴성 및 계산 안정성을 높일 수 있는, 또한 간단한 계산 모델 및 격자생성 방법이 논의되어야 할 것으로 본다.
실험에서는 첫 번째 담체 이후의 유속을 측정하였으므로, 첫 번째 담체가 지니는 배압이 분 지관을 통한 배기가스 유동이 플레넘에서 급확대되는 현상을 더욱 심화시킬 것으로 추정되며, 또 실 험결과는 이를 뒷받침하고 있다. 비록 수치해석 코드를 이용하여 이러한 배압을 수치적으로 정확히 입력해주는 데에는 성공하지 못했지만, 정성적으로 배기가스의 나선형 유동 및 바깥으로의 치우침 등은 매우 적절히 예측할 수 있음을 볼 수 있다 향후 적절한 담체 내부의 유동 특성을 정의하여 해석한다면 정량적으로도 매우 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
이 계산 결과는 실험을 통한 관찰을 잘 설명하고 있으며, 정성적으로 실험 결과와 잘 일치하고 있다. 이와 같이 수치해석 결과는 실제 실험결과를 이해하는데 큰 도움을 주고 있으며, 향후의 연구에서 보다 엄정한 실험조건 및 계산조건을 통하여 정량적으로 적합한 계산 결과를 얻음으로써 실험을 수행치 않고도 CCC의 유동분포를 정량적으로 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 이와 같은 정보를 배기 다기관의 형상 설계에 반영하면 촉매의 유동분포 균일성 확보를 통해 촉매 영역을 골고루 활용할 수 있게 되므로 촉매의 국부적 열화에 의한 내구성 감소 억제, 촉매변환효율의 증 대 및 촉매기의 크기를 줄이는 것 등이 가능할 것으로 생각된다.
본 연구에서는 이 점을 최대한 고려하여 격자를 생성하였으나, 원형 단면을 가지는 분지 관이나 연결 부위 등에서는 정 육면체 형상에 가까운 격자를 구성하는 데에 한계 가 있었다. 향후 보다 실제에 가까우면서 수렴성 및 계산 안정성을 높일 수 있는, 또한 간단한 계산 모델 및 격자생성 방법이 논의되어야 할 것으로 본다.

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