[논문]DPF의 배기가스 유동 및 포집에 관한 다차원 모델링 연구

김동균; 윤천석

DPF의 배기가스 유동 및 포집에 관한 다차원 모델링 연구
Study on Multi-Dimensional Simulation of the Flow and Filtration Characteristics in Diesel Particulate Filters 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.18 no.3, 2010년, pp.60 - 68

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In order to understand the flow and filtration characteristics in a wall-flow type DPF(Diesel Particulate Filter), 0-D, 1-D, and 3-D simulations are preformed. In this paper, three model are explained and validated with each other. Based on the comparisons with 1-D and 3-D results for the steady state solution, 3-D CFD analysis is preferable to 1-D for the prediction of wall velocity at the inlet and exit plane. Because PM loading process is transient state phenomena, the combination of full 3-D and time dependent simulation is crucial for the configuration of wall channels. New coupling technique, which is the connection between calculated permeability from 0-D lumped parameter model and UDF(User Defined Functions) of main solver, is proposed for the realisti

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

또한 0차원 총괄변수 모델에서 취급된 과도상태를 구현하기 위하여 Matlab으로 코딩한 계산 결과인 permeability(투과성)를 3차원 CFD S/W인 Fluent⁷⁾에 UDF(User Defined Function)로 연계한 모델을 제안하고 이에 따른 계산을 수행하였다. 0차원 해석에서는 PM 포집 양을 내부포집과 외부포집으로 나누어 계산해 필터 배압에 관련된 영향을 분석 하였고, 3차원 해석에서 길이방향에 따른 압력분포 및 속도분포 변화를, 제안한 모델에서는 시간변화에 다른 배압의 변화를 계산하였다.
1차원과3차원해석결과를비교하기위하여입구 채널과 출구채널 1개로 구성되는 1쌍의 단일 채널을선정하여계산하였다. Fig.
1을 사용하여 3차원 CFD 해석결과를 비교하였다. Fluent의전처리기인Gambit으로, 본문제의 형상적인 특성인 대칭조건을 고려하여, 입구채널, 출구채널을각각2개씩 41 을 모델링하고, 다른4면은 symmetry로 지정하였다. Fig.
PM의 포집현상은 시간에 따라 변화하는 과도상태 현상으로 3차원 해석에서 반드시 고려해야 하지만, 계산시간의 효율성 등이 문제가 된다. 따라서 0차원 총괄변수모델에서 시간에 따라 계산된 필터 벽면의 투과성을 Fluent의 UDF로 코딩하여 3차원 해석에적용함으로, 과도상태의포집현상을구현하도록 시도하였다. Fig.
본 연구에서는 PM 포집이론을 포함하는 0차원 총괄변수 모델을 검토하였고, wall-flow type DPF 채널을 3차원과 1차원으로 모델링하여 속도분포해석결과를 비교함으로 3차원 해석의 타당성 여부를 입증하였다. 또한 0차원 총괄변수 모델에서 취급된 과도상태를 구현하기 위하여 Matlab으로 코딩한 계산 결과인 permeability(투과성)를 3차원 CFD S/W인 Fluent⁷⁾에 UDF(User Defined Function)로 연계한 모델을 제안하고 이에 따른 계산을 수행하였다. 0차원 해석에서는 PM 포집 양을 내부포집과 외부포집으로 나누어 계산해 필터 배압에 관련된 영향을 분석 하였고, 3차원 해석에서 길이방향에 따른 압력분포 및 속도분포 변화를, 제안한 모델에서는 시간변화에 다른 배압의 변화를 계산하였다.
본연구는 wall-flow type DPF 채널에서 1차원과3차원 CFD 해석을 통하여 속도 분포를 비교하였다. 또한 포집과정은 과도상태 현상이므로, 0차원 총괄 변수모델을이용하여과도상태의필터벽면투과성을 계산한 후, 그 값을 UDF로 코딩하여 3차원 CFD 해석에 연계한 모델을 제안하여 이에 따른 계산을 수행하였다. 본 연구로부터 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 PM 포집이론을 포함하는 0차원 총괄변수 모델을 검토하였고, wall-flow type DPF 채널을 3차원과 1차원으로 모델링하여 속도분포해석결과를 비교함으로 3차원 해석의 타당성 여부를 입증하였다. 또한 0차원 총괄변수 모델에서 취급된 과도상태를 구현하기 위하여 Matlab으로 코딩한 계산 결과인 permeability(투과성)를 3차원 CFD S/W인 Fluent⁷⁾에 UDF(User Defined Function)로 연계한 모델을 제안하고 이에 따른 계산을 수행하였다.
본연구는 wall-flow type DPF 채널에서 1차원과3차원 CFD 해석을 통하여 속도 분포를 비교하였다. 또한 포집과정은 과도상태 현상이므로, 0차원 총괄 변수모델을이용하여과도상태의필터벽면투과성을 계산한 후, 그 값을 UDF로 코딩하여 3차원 CFD 해석에 연계한 모델을 제안하여 이에 따른 계산을 수행하였다.
1차원 재생모델의 선구적인 연구를 발표한 Bisset¹⁾ 의 이론을 근거로 Konstandopoulos와 Johnson²⁾은 단일 채널에서 단순한 1차원 모델을 수립하였다. 이 모델에서는 필터의 채널 표면에 쌓이는 PM뿐 아니라, 필터 채널과 채널 사이의 필터 벽을 통과하면서 축적되는 deep-bed 포집과정을 포함하였다. Opris와 Johnson³⁾은 시간과 연계된 포집이론을 NASA의 압축성수치해석 코드인 NPARC에 적용한 2차원 해석 모델을 개발하였으며, Kladopoulou⁵⁾등은 차량 제어 목적으로 포집과 재생과정을 포함한 0차원인 총괄 변수(Lumped Parameter)모델을 제안하였다.
정상상태해에대한해석결과의타당성을입증하기 위하여 1차원 이론모델과 상용 CFD 코드인 Fluent V6.1을 사용하여 3차원 CFD 해석결과를 비교하였다. Fluent의전처리기인Gambit으로, 본문제의 형상적인 특성인 대칭조건을 고려하여, 입구채널, 출구채널을각각2개씩 41 을 모델링하고, 다른4면은 symmetry로 지정하였다.
1차원 모델이나 다차원 모델의 지배방정식은 편미분방정식이나, 0차원모델은 상미분방정식으로 구성된다. 총괄변수모델 해석은 포집, 압력강하, 재생모델로 구성되며, 본 연구에서는 포집 모델과 압력강하 모델을이용하였다.

성능/효과

15는 0차원 총괄변수모델과 3차원 해석에서 EX-80 100/17 필터에 관한 포집과정 중의 압력강하를 비교한 것이다. 0차원과 3차원 해석결과가 비교적 일치하는 것으로 보아 본 연구에서 제안한 연계 방법은 물리적으로 타당하다는 것을 알 수있다.
1) 표면포집을포함할때는, 포함하지않을때보다 시간이 60분 경과한 후 압력강하가 최대 700 Pa 의 차이를 보였다. 이는 전체 배압의 10%로 PM 의 포집량과 비교해 보면 표면포집은 압력강하 에큰 영향을 주지 않는다.
13은 EX-80 100/17 필터와 SiC 필터에 대하여 입구 채널과 출구 채널의 길이 방향을 따라 무차원화된 축방향 속도 분포를 나타낸다. 1차원과 3차원의 결과는 비교적 일치하는 것을 알 수 있으나,⁶⁾ 벽면속도의 경우와 유사하게 SiC 필터의속도 차이가 EX-80 100/17보다 약간 크다는 것을 인지할수 있다. 이것은 필터 재료의 물리적 특성인 투과성의 차이에 기인한 것으로 판단된다.
3차원 벽면속도는 벽면에 수직으로 단면을 만들고, 그 단면에서 면적가중 평균속도 (area-weighted average velocity)로 나타낸 값이다. 1차원과 3차원의결과는비교적일치하는것을알수있으나, 3차원 결과에 의하면 필터 벽면 내 유속분포가플러그에의해양끝단의속도가 0인것으로나타났다. 또필터벽면끝단에서전단보다속도가큰것은입구채널플러그에서의압력이출구채널플러그 압력 보다 크기 때문이다.
2) 60분간 약 15%의 PM만이 필터 벽면에서 포집되고 대부분의 PM이 필터 표면에 포집되었다 . 약 20분 후, 내부포집은 기능을 상실하였다.
3) 입구채널에서 속도가 감소하면서 압력이 증가 했고, 출구채널 속도 증가는 압력강하를 발생 시켰다. 필터 전체압력강하의 대부분은 출구채 널에서 발생한다.
4) 벽면속도를 예측할 때, 3차원 CFD 해석은 1차원 결과보다 입구와 플러그가 장착된 출구에서 실제 현상을 유추할 수 있었다. 이러한 3차원 현상은 필터의 재생과정 후에 내부에 축적되는 ash관련연구에적용 가능하다.
5) 필터 채널 내부에서 축방향 속도분포는 1차원과 3차원 CFD 해석 결과 차이가 별로 없지만, SiC 필터의경우가EX-80 100/17보다민감한것은필터재료의특성인투과성에 기인한다.
6) 0-D 총괄변수모델에서 얻은 필터의 투과성을 3차원CFD 모델에연동시킨결과, 시간변화에따른 압력강하가 비교적 일치하는 것으로 보아 본 연구에서 제안한 연계방법은 물리적으로 타당하다.

후속연구

또필터벽면끝단에서전단보다속도가큰것은입구채널플러그에서의압력이출구채널플러그 압력 보다 크기 때문이다. 이러한 3차원 현상은 필터의 재생과정 후에 내부에 축적되는 ash(재) 관련 연구에 적용 가능할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	wall-flow type DPF 채널에서 1차원과3차원 CFD 해석을 통하여 속도 분포를 비교하여 얻은 결론은 무엇인가?	1) 표면포집을포함할때는, 포함하지않을때보다 시간이 60분 경과한 후 압력강하가 최대 700 Pa 의 차이를 보였다. 이는 전체 배압의 10%로 PM 의 포집량과 비교해 보면 표면포집은 압력강하 에큰 영향을 주지 않는다. 2) 60분간 약 15%의 PM만이 필터 벽면에서 포집되고 대부분의 PM이 필터 표면에 포집되었다 . 약 20분 후, 내부포집은 기능을 상실하였다. 3) 입구채널에서 속도가 감소하면서 압력이 증가 했고, 출구채널 속도 증가는 압력강하를 발생 시켰다. 필터 전체압력강하의 대부분은 출구채 널에서 발생한다. 4) 벽면속도를 예측할 때, 3차원 CFD 해석은 1차원 결과보다 입구와 플러그가 장착된 출구에서 실제 현상을 유추할 수 있었다. 이러한 3차원 현상은 필터의 재생과정 후에 내부에 축적되는 ash관련연구에적용 가능하다. 5) 필터 채널 내부에서 축방향 속도분포는 1차원과 3차원 CFD 해석 결과 차이가 별로 없지만, SiC 필터의경우가EX-80 100/17보다민감한것은필터재료의특성인투과성에 기인한다. 6) 0-D 총괄변수모델에서 얻은 필터의 투과성을 3차원CFD 모델에연동시킨결과, 시간변화에따른 압력강하가 비교적 일치하는 것으로 보아 본 연구에서 제안한 연계방법은 물리적으로 타당하다.
	PM은 어떤 물질인가?	디젤엔진에서 배출되는 입자상 물질인 PM을 효율적으로 포집하는 DPF는 상당한 양의 PM을 짧은 시간 안에 포집해야 하지만, 동시에 필터의 채널에 PM이 축적됨에 따라 압력강하가 발생한다. DPF와 차량엔진을 적절히 운영하려면 DPF의 포집효율을 유지해야 하므로, 포집된 PM을 고온에서 주기적으로 태우는 재생과정을 반복해야 한다.
	DPF의 필터에 PM이 축적됨에 따라 발생하는 현상은?	디젤엔진에서 배출되는 입자상 물질인 PM을 효율적으로 포집하는 DPF는 상당한 양의 PM을 짧은 시간 안에 포집해야 하지만, 동시에 필터의 채널에 PM이 축적됨에 따라 압력강하가 발생한다. DPF와 차량엔진을 적절히 운영하려면 DPF의 포집효율을 유지해야 하므로, 포집된 PM을 고온에서 주기적으로 태우는 재생과정을 반복해야 한다.

참고문헌 (11)

E. Bisset, "Mathematical Model of the Thermal Regeneration of a Wall-Flow Monolith Diesel Particulate Filter," Chemical Engineering Science, Vol.39, No.7/8, pp.1233-1244, 1984.

상세보기
A. G. Konstandopoulos and J. H. Johnson, "Wall-Flow Diesel Particulate Filters-Their Pressure Drop and Collection Efficiency," SAE 890405, 1989.
C. N. Opirus and J. H. Johnson, "A 2-D Computational Model Describing the Flow and Filtration Characteristics of a Ceramic Diesel Particulate Trap," SAE 980545, 1998.
A. G. Konstandopoulos, M. Kostoglou, E. Skaperdas, E. Papaioannou, D. Zaravalis and E. Kladopoulou, "Fundamental Studies of Diesel Particulate Filter : Transient Loading, Regeneration and Aging," SAE 2000-01-1016, 2000.
E. A. Kladopoulou, S. L. Yang, J. H. Johnson, G. G. Parker and A. G. Konstandopoulos, "A Study Describing the Performance of Diesel Particulate Filters During Loading and Regeneration - A Lumped Parameter Model for Control Applications," SAE 2003-01-0842, 2003.
A. G. Konstandopoulos, E. Skaperdas, J. Warren and R. Allansson, "Optimized Filter Design and Selection Criteria for Continuously Regenerating Diesel Particulate Traps," SAE1999-01- 0468, 1999.
Fluent Inc., Fluent 6 User's Guide, 2002.
K. W. Lee and J. A. Gieseke, "Collection of Aerosol Particles by Packed Beds," Environmental Science Technology, Vol.13, No.4, pp.466-470, 1978.
S. C. Jung, J. S. Park and W. S. Yoon, "Rigorous Modeling of Single Channel DPF Filtration and Sensitivity Analysis of Important Model Parameters," Transactions of KSAE, Vol.14, No. 6, pp.127-136, 2006.

원문보기 상세보기
J. Yu, J. R. Chun and H. J. Hyun, "Prediction of Particulate Matter Being Accumulated in a Diesel Particulate Filter," Transactions of KSAE, Vol.17, No.3, pp.29-34, 2009.

원문보기 상세보기
C. S. Yoon and G. B. Cho, "Study of Design & CFD Analysis for Partial DPF Utilizing Metal Foam," Transactions of KSAE, Vol.17, No.1, pp.24-34, 2009.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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