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문제 정의
- urea-SCR 시스템은 배출가스에 요소를 환원제로 분사함으로써 질소산화물을 선택 적으로 환원하여 배출가스 내 질소산화물을 저감시 켜주는 시스템으로서 암모니아 슬립의 문제와 요소 공급을 위한 사회적 인프라 구축 등의 문제가 있지만 다른 시스템에 비하여 상대적으로 정화효율 및 연비특성이 우수하기 때문에 이미 유럽을 중심으로 중• 대형 상용차량에 적용되었다"'. 본 연구는 대 형 디젤기관에서 De-NOx 장치 중 상용화가 가능한 urea-SCR 시스템에 대한 연구로서 urea의 분무 특성을 예측하여 urea 분사시스템의 최적 설계를 위한 기본 자료를 제시하고자 했다.
제안 방법
- 수행하였다. 가시화를 위해서 분사장치와 촉매장착 부위를 투명한 파이렉스 유리관을 사용하였으며, 파이렉스 유리관은 실험조건에 따라 랄착이 가능하게 제작하였다. Fig.
- 3은 인젝터 컨트롤러의 제원과 사진을 나타낸다. 인젝터 컨트롤러에서 인젝터를 구동하는 전기적 신호를 PWM(Pulse Width Modula- tion)제 어하여 인젝터에 분사되는 urea의 양을 제어하였다.
- 3은 히터의 제원과 사진을 나타낸다. 송풍기를 통해서 들어온 공기를 히터를 이용해가 열 시켜 가시화장치로 공급하였다, 히터 후단에는 온도 센서를 설치하여, 가시화 장치를 들어가기 전 공기의 온도를 측정하였다.
- 4에 인젝터와 노즐의 사진을 보여준다. 배기관내에 SCR 촉매전단에 분사 노즐을 장착하고, 분사 노즐은 각각 Air 공급라인과 urea 공급라인으로 연결되어 있으며, urea 공급은 별도의 라인을 통해 연젝터틀 이용하여 제어하였다.
- 본 실험에서 urea 수용액 분사는 가솔린 엔진용 인젝터를 사용해 분사를 시켰다. urea 수용액의 제어를 위해 인젝터 컨트롤러(드라이버)를 제작하였으며, 그 시험결과를 토대로 정밀한 분사량 제어를 향하였다.
- 사용해 분사를 시켰다. urea 수용액의 제어를 위해 인젝터 컨트롤러(드라이버)를 제작하였으며, 그 시험결과를 토대로 정밀한 분사량 제어를 향하였다. 실제 인젝터의 작동범위와 분사량을 알기 위해 인젝터 드라이버의 분사기간을 조절하여 분사량을 측정하였다.
- urea 수용액의 제어를 위해 인젝터 컨트롤러(드라이버)를 제작하였으며, 그 시험결과를 토대로 정밀한 분사량 제어를 향하였다. 실제 인젝터의 작동범위와 분사량을 알기 위해 인젝터 드라이버의 분사기간을 조절하여 분사량을 측정하였다.
- 두 개의 가솔린 인젝터를 가지고 하나는 실험 장치에 장착하고 나머지는 절개한 후 비커에 urea 수용액을 담은 후 인젝터 내, 외부의 부식여부 및 장시간 방치한 뒤 노즐 Hole의 막힘 유무를 확인하였다. Table 5는 내구성 시험 조건을 나타낸다.
- 포집하였다. SCR 촉매전단에서 온도가 100 ℃ 가 되게 유지시키고, urea 수용액을 각 조건에 맞추어 10분간 분사한 후 그물망에 포집된 urea의 분포를 확인하였으며, 포집된 그물망을 3D 스캐너 장비를 사용해 정량적으로 분포와 및 밀집도를 파악하였다.
- 믹서를 장착한 상태에서 노즐과 촉매 전단과의 거리를 A(=220 mm), B(=450 mm), C(=760 mm) 로변화시키면서 urea 분포에 대해 알아보았으며 공기와 urea의 분사조건은 다음과 같다.
- 믹서에 의한 urea 분포의 영향을 알아보기 위해서 믹서를 미장착한 상태에서 상기 분사조건과 동일하게 실험을 하였다.
- 믹서를 장착한 상태에서 공기 압력과 양을 일정하게 한 후 urea 양을 변화시켜가면서 분포도를 조사했다.
- 공기의 압력과 공기량의 변화에 따른 분포도에 미치는 영향은 믹서를 장착한 상태에서 urea 압력과 양을 일정하게 한 후 공기의 압력과 공기량을 변화시킴으로써 조사하였다.
- 대형 디젤기관에서 배출되는 배출가스 중 NOx 저감에 관한 연구로서 urea 분무의 최적 설계를 위한 SCR 촉매에 흡착되는 urea의 분포도 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 실험 장치는 대형트럭에 탑재하여 사용되고 있는 디젤기관(배기량:1200cc)을 대상으로 제작하여 실험을 수행하였다. 가시화를 위해서 분사장치와 촉매장착 부위를 투명한 파이렉스 유리관을 사용하였으며, 파이렉스 유리관은 실험조건에 따라 랄착이 가능하게 제작하였다.
- urea는 분사노즐을 통해 분사하고 촉매 전단 위치에 편평한 그물망을 제작하여 분사된 urea 수용액을 포집하였다. SCR 촉매전단에서 온도가 100 ℃ 가 되게 유지시키고, urea 수용액을 각 조건에 맞추어 10분간 분사한 후 그물망에 포집된 urea의 분포를 확인하였으며, 포집된 그물망을 3D 스캐너 장비를 사용해 정량적으로 분포와 및 밀집도를 파악하였다.
이론/모형
- 3차원 레이저 스캐너(LDI사, DS4060)는 제품의 3D 데이터의 분석평가를 통한 검증을 할 수 있는 장비로서, 평탄도를 측정하는데 사용하였다. Table 3은 3D laser scanner 장치의 제원을 나타낸다.
성능/효과
- urea 수용액의 물 성분으로 인해 부식이 발생할 것으로 예상 되었으나, urea 수용액과 접촉된 부분에서는 부식이 발생하지 않았으며, 대기와 접촉된 표면 부분에서 약간의 녹 발생현상이 나타났다. 실험 장치 테스트에서는 인젝터의 막힘 현상이 나타나지 않았다.
- 인젝터 드라이버의 듀티(duty)비의 실용영역은 40 ~ 100% 영역임을 알 수 있었으며, 40 ~ 90% 영역에서는 선형적으로 유량이 증가하는 것을 알 수 있었다. 듀티비 40% 미만에서는 인젝터의 노즐 팁을 작동시키는데 필요한 전류량의 한계로 인해 인젝터가 작동하지 않았다.
- 믹서장착 상태에서 거리 A에서는 분무된 urea 수용액이 믹서날개에 고착되는 현상과 함께 촉매 전단에 고착되어진 덩어리가 나타났으며, 거리 B에서는 안정적으로 분포되는 것을 볼 수 있었다. 포집 된 양도 많고 편차도 가장 적은 것으로 나타났다.
- 믹서 미장착 상태에서는 믹서장착상태에서 거리 A, B, C에서와 유사한 경향을 보였지만, 편차가 믹서 장착상태보다 컸으며, 거리 C같은 경우는 믹서 미장착 시와 장착시에 대한 분포의 차이를 Fig. 7과 비교하여 뚜렷하게 확인할 수 있었다.
- 보였던 B로 하였다. 분사조건 A와 B 모두 양호한 분포상태를 보였으며, 분사조건 B의 경우 분무된 urea가 많아짐에 따라 충분히 무화되지못하고 망에 부착된 액적들이 부분적으로 확인되었으나, 온도가 높아짐에 따라 이 같은 현상이 줄어드는 것을 확인하였다.
- C 와。모두 양호한 분포상태를 보였으나, 공기 압력이 높아지면서 오히려 중앙부분보다 가장자리 부분에 더 많이 분포되는 것을 볼 수 있었으며, 이것은 분산형 노즐의 특성상 공기 압력이 높아짐에 따라 나타나는 특성이라고 볼 수 있다. 즉, 공급 공기압력 및 유량이 커짐에 따라 urea의 분포가 전체적으로는 균일하게 됨을 확인하였다.
- 분사조건 C 와。모두 양호한 분포상태를 보였으나, 공기 압력이 높아지면서 오히려 중앙부분보다 가장자리 부분에 더 많이 분포되는 것을 볼 수 있었으며, 이것은 분산형 노즐의 특성상 공기 압력이 높아짐에 따라 나타나는 특성이라고 볼 수 있다. 즉, 공급 공기압력 및 유량이 커짐에 따라 urea의 분포가 전체적으로는 균일하게 됨을 확인하였다.
- 1) urea 분사를 위한 인젝터의 내구성시험 결과 일반적인 가솔린용 인젝터를 사용하여도 내구성과 부식성에 영향을 크게 받지 않음에 따라서 가솔린용 인젝터에 별도의 인프라 구축 없이 사용이 무방할 것으로 판단된다.
- 2) 촉매전단에 포집된 urea의 분포를 분석한 스캐닝 시험 결과, urea 분사위치가 촉매와의 거리 45 cm 부근에서 가장 좋은 분포도를 보임을 확인하였으며, 믹서 장착 후 mea의 분포에 있어 더 좋은 확산분포를 가져오는 효과를 얻게 되었다.
- 3) 공기의 압력과 유량, urea의 압력과 유량에 따라 분포도의 차이를 발생시키며, 본 연구를 통해 공기압 2bar, 공기 유량 30 1 /min, urea는 3 bar, Urea 유량 10cc/min일때, 촉매에 포집된 urea의 분포는개선시킬 수 있었다.
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