[논문]배기매니폴드 직접부착 촉매장치의 배기 유동특성

박영철; 이창식

doi:10.3795/ksme-b.2003.27.7.837

배기매니폴드 직접부착 촉매장치의 배기 유동특성
Exhaust Flow Characteristics of Catalytic Converter Adapted to Exhaust Manifold 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.27 no.7 = no.214, 2003년, pp.837 - 844

박영철 (한양대학교 기계공학부) , 이창식 (신성대학 기계ㆍ자동차 계열)

Abstract ▼ AI-Helper

The exhaust gas flow in the inlet collector of close coupled catalyst(CCC) adapted to the exhaust manifold is very complex flow because the exhaust gas is a pulsation flow with several port flow. The distribution of gas flow and temperature in inlet collector effect to the efficiency of catalytic converter. In this study, it measures temperatures on several point in inlet collector with two kind of inlet collector volume. And it analyzes with CFD to exhaust manifold and close coupled catalyst for temperature and flow. Comparing to measured and analyzed result, it find increasing of collector volume effects to catalyst temperature distribution and uniformity of catalytic converter

주제어

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문제 정의

배기매니폴드 직 접부착 촉매장치 에서 배기 가스 유입구의 체적을 증대한 모델이 촉매장치의 유동 특성과 온도분포에 미치는 영향을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구는 배기 매니폴드 직접부착 촉매 장치에서 매니폴드의 형상@)과 촉매 유입구 체적의 변화가 직접부착 촉매장치의 배출가스 유동의 균일도와 속도 및 온도 분포 등에 미치는 영향을 여러 가지 부하조건에 대하여 비교하고 촉매 장치의 유동특성을 규명하였다.

제안 방법

Pro-Engineer로서 필요로 하는 3차원 형상을 만든 다음, 이를 ICEM을 이용하여 배기포트에서의 mesh 생성을 쉽게 하기 위하여 Template Mesh를 생성한 후 수치해석 프로그램인 FIRE의 FAME를사용하여 포트의 3차원 모델을 완성하였으며, 또한 포트 모델에 맞추어 촉매 부위의 3차원 모델을 다시 제작하였으며 Fig.3과 같다.
담체 내부의 축열에 의한 온도 상승을 줄이기 위하여 측정 순서는 lOOOrpm에서 시작하여 무부하, 1/4부하, 1/2부하, 3/4부하, 전부하 순으로, 또한 lOOOrpm에서 시작하여 500rpm 간격으로 3000 rpm까지 엔진의 회전수를 상승시키면서 시험하였으며, 열전대의 온도가 일정하게 유지된 후에 측정을 시작하였다.
따라서 흡입되는 배기가스의 조건은 엔진 시뮬레이션프로그램인 Boost를 사용하여 4개의 포트 입구의 유량과 온도를 해석하여 사용하였다.
또한 사용한 촉매장치는 촉매내부의 발열 반응에 의한 온도상승의 영향을 줄이기 위하여 촉매 내부에 촉매 귀금속을 담지하지 않은 담체만으로 제작하였다.
본 연구에서는 배기 매니폴드와 촉매장치 내의 거동을 해석하기 위하여 FIRE Code를 사용하여 유동과 온도 분포를 해석하였으며 각 부하 조건에서 온도를 측정하였다.
Index)®가 사용되어 왔다. 본 연구에서는 촉매 입구로부터 30mm 내부에서 균일도지수를 계산하였다.
엔진으로 실험을 하는데 있어서 엔진의 부하 조건은 엔진의 상태에 따라 많은 영향을 받으므로 엔진의 부하가 균일하게 작용되어 배출가스의 온도와 유량이 일정하게 유지될 수 있도록 하기 위하여 엔진의 냉각수 온도를 85℃로 일정하게 유지시켰다.
온도 측정을 위한 열전대 설치 위치는 촉매 윗면에서 배기포트 방향으로 lOmm에 위치하도록 하였으며, 또한 촉매 반경을 4등분하여 열전대 설치가 불가능한 촉매 가장자리를 제외하고, 엔진 방향과 엔진의 크랭크축 방향으로 중심을 기준으로 각각 3개씩 설치하여 중심과 함께 13개를 설치하였다. 각각 위치 및 명칭을 Fig.
일반적으로 많이 사용되는 운전영역에서 촉매 변환기 유입구 체적 변화의 영향을 비교하기 위하여 엔진 회전속도 2000rpm일 경우 부하 50%와 무부하의 2가지에 대하여 해석과 실험을 실시하였다.
촉매장치 입구 유입구 내의 온도를 측정하기 위하여 13개소에 열전대를 설치하였으며, 엔진의 부하를 변경시킨 조건으로 제어하기 위하여 엔진 동력계(EC 75PW)에 엔진을 연결하였다. Fig.
촉매장치의 유동 특성인자에는 가스의 온도, 압력, 유량 등을 들 수 있으나 촉매장치 내의 구조가 매우 복합적이고 유량 및 압력 측정의 어려움이 있어서 온도만을 측정하고 유량, 압력 등은 해석 결과를 사용하였다. 그러므로 해석결과도 다소 정밀한 측정결과와는 다소 오차가 있을 것으로 사료된다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 엔진은 배기매니폴드 직접부착 촉매장치에서 엔진의 폭발로 인한 배기가스의 포트 유동이 촉매장치의 입구에서 같이 모아질수 있는 4기통 엔진을 선택하였으며, 주요한 엔진의 제원은 Table 1과 같다.

성능/효과

(1) 촉매장치를 부착한 배기계 시스템에서 촉매 장치 내부 유동의 균일도는 배기맥동에 의하여 배기가스가 역류하는 구간에서 균일도가 급격히 저하하며, 엔진의 블로다운 구간에서 배기 포트의 형상에 따른 배기간섭으로 균일도가 저하하는 것으로 나타났다. 촉매장치의 유입구 체적의 영향을 해석한 결과 유입구의 체적을 증대시킨 경우이 구간에서 균일도에 상당한 개선효과가 있는 것으로 확인되었다.
(2) 촉매입구 온도분포에 미치는 엔진부하의 영향을 비교한 결과 유입구 내의 최고 평균온도는 기본모델에서는 엔진 바깥방향으로 촉매 중심으로부터 반경의 1/4위치에서 나타나나, 유입구 증대모델의 경우 1/2위치로 이동된다. 또한 같은 부하에서 온도분포는 유입구 증대모델에서 균일해지는 것으로 확인되었다.
(3) 근접장착 촉매장치에서 촉매입구 온도분포의 해석치를 실험치와 비교한 결과 고 부하영역보다는 저부하영역에서 잘 일치하고 있음을 알 수 있었다.
(4) 촉매 기본모델과 유입구 증대모델의 촉매 입구에서의 평균온도차를 실험한 결과 유입구 체적 증대모델의 경우에 20℃ 이상의 온도 강하가 확인되었다.
사용하였다. 그러나 Boost에서 해석하여 나온 결과는 1차원적인데 반하여 해석모델은 3차원이므로 的 실린더 헤드의 배기포트 구간의 해석 결과는 관로 형상에 따른 유동의 변화를 반영하지 못하고 있으나 타 문헌의 결과를 참고할 때 해석 결과는 유용한 해석치를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
이러한 경향은 NS쪽은 촉매변환기 외벽에 접하여 있기 때문에 냉각손실의 영향을 크게 받기 때문인 것으로 사료되며, SN₃의 경우에는 벽에 근접하지만 매니폴드 형상이 배기가스가 유동의 주류를 형성하는 부위가 되어 열유동 플럭스가 크기 때문인것으로 생각된다. 또한 실측치는 전체적으로 온도 차이가 적어 완만한 결과를 나타내고 있으나 해석 결과는 배기포트와 유입구 표면의 온도 경계조건의 영향으로 유입구 주위 표면 온도분포와 유사한 분포를 나타내고 있다.
이들 선도에서 보는 바와 같이 NS 방향에서 2000rpm 무부하 조건에서의 해석결과는 실험 결과와 잘 일치하는 결과를 얻었다. 그러나 50% 부하의 경우는 엔진 바깥쪽 가장자리인 NS3의 경 우해석결과가 실험치보다 높게 나타났다.
나타났다. 촉매장치의 유입구 체적의 영향을 해석한 결과 유입구의 체적을 증대시킨 경우이 구간에서 균일도에 상당한 개선효과가 있는 것으로 확인되었다.

참고문헌 (10)

Pfalzgraf, B., Rieger, M. and Ottowitz, G., 1996, ' Close-coupled Catalytic Converters for Compliance with LEV/ULEV and EG III Legislation-Influence of Support Material, Cell Density and Mass on Emission Results,' SAE Paper 960261
Kwak, Y. H., Lim, M. T. and Choi, B. C., 1998, 'Aging Characteristics of Automotive Catalyst,' Autumn Conferences of KSAE pp210-215
Schmidt, J., Waltner, A., Loose, G., Hirschmann, A. and Wirth, A., 1999, 'The Impact of High Cell Density Ceramic Substrates and Washcoat Properties on the Catalytic Activity of Three Way Catalysts,' SAE 1999-01-0272
Andersen, P. J. and Rieck, J. S., 1997, 'Advances in Pd Containing Three Way Catalyst Activity,' SAE Paper 970739
Haral Bressler, Rammoser, D., Neumaier, H., and Terres, F., 1996, 'Experimental and Predictive Investigation of a Close Coupled Catalyst Converter with Pulsating Flow,' SAE Paper 960564
Young-Seok Cho, Duk-Sang Kim and Young-Chul Joo, 2001, 'A Study of Measurement and Analysis of Flow Distribution in a Close-Coupled Catalytic Converter,' Transactions B of KSME, vol 25 No. 4 pp533-539

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Weltens, H., Bressler, H., Frank Terres, Hubert Neumaier, and Detlev Rammoser, 1993 'Optimization of Catalytic Converter Gas Flow Distributions By CFD prediction,' SAE Paper 930780
Han-Sang Kim, Sang-Bong Park, Cha-Lee Myung, Kyoung-Min Cho and Kum-Jung Yoon, 1999, 'A Study of Flow Characteristics Inside the Two Types of Exhaust Manifold CCC Systems,' SAE 1999-01-0457
Yoshizawa, K., Mori, K., Arai, K. and Kawashima, J., 1999, 'Numerical Analysis of the Exhaust Gas Flow and Heat Transfer in Close-Coupled Catalytic Converter Systems during Warm-up,' SAE Paper 9935798
Korea Research Institute of Standards and Science, 1998 'KRISS Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement.'

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