디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 열효율이 높고 이산화탄소 배출량이 적다. 그러나 입자상물질(PM)과 질소산화물(NOx)의 배출량이 가솔린 엔진보다 많은 단점을 가지고 있다. 디젤 엔진의 연소 배출물 중 질소 산화물을 저감시키기 위하여 LNT와 Urea-SCR과 같은 후처리 시스템이 최근 활발히 연구되고 있다. Urea-SCR은 Urea 수용액을 공급하기 위한 2차 분사 시스템이 필요하고, 분사된 Urea 수용액의 분무 거동 특성과 균일도에 따라서 촉매의 효율이 크게 달라진다. 본 연구에서는 배기관에 분사된 Urea 수용액의 분무균일도를 향상시키기 위하여 인젝터의 기초 분무 특성을 파악하였고, 모사배기관 시스템과 가시화 장비를 이용하여 배기관내에서의 분무 거동 특성을 파악하였다.
디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 열효율이 높고 이산화탄소 배출량이 적다. 그러나 입자상물질(PM)과 질소산화물(NOx)의 배출량이 가솔린 엔진보다 많은 단점을 가지고 있다. 디젤 엔진의 연소 배출물 중 질소 산화물을 저감시키기 위하여 LNT와 Urea-SCR과 같은 후처리 시스템이 최근 활발히 연구되고 있다. Urea-SCR은 Urea 수용액을 공급하기 위한 2차 분사 시스템이 필요하고, 분사된 Urea 수용액의 분무 거동 특성과 균일도에 따라서 촉매의 효율이 크게 달라진다. 본 연구에서는 배기관에 분사된 Urea 수용액의 분무균일도를 향상시키기 위하여 인젝터의 기초 분무 특성을 파악하였고, 모사배기관 시스템과 가시화 장비를 이용하여 배기관내에서의 분무 거동 특성을 파악하였다.
Recently, many technologies have been developed in order to satisfy stringent emission regulations. However, in the case of diesel engines, the stringent emission regulations with respect to NOx and PM have not yet been satisfied. A dramatic reduction in the NOx and PM emissions could be achieved by...
Recently, many technologies have been developed in order to satisfy stringent emission regulations. However, in the case of diesel engines, the stringent emission regulations with respect to NOx and PM have not yet been satisfied. A dramatic reduction in the NOx and PM emissions could be achieved by using after-treatment systems such as lean NOx trap (LNT) and urea-SCR systems. However, the high temperature in the exhaust pipe affects the spray behavior of the secondary injector, which is used for supplying the Urea-SCR. Because of this high temperature, it is difficult to achieve uniform distribution of the reducing agent in the manifold. In this paper, the characteristics of a urea-SCR injector used for injecting in the exhaust pipe are presented. The purpose of this study was to investigate the spray characteristics of the injector, such as the spray angle, injection quantity, and SMD. In addition, laser diagnostics and high-speed-camera images were used to analyze the injector spray characteristics and to present a distribution of reduction in the transparent manifold.
Recently, many technologies have been developed in order to satisfy stringent emission regulations. However, in the case of diesel engines, the stringent emission regulations with respect to NOx and PM have not yet been satisfied. A dramatic reduction in the NOx and PM emissions could be achieved by using after-treatment systems such as lean NOx trap (LNT) and urea-SCR systems. However, the high temperature in the exhaust pipe affects the spray behavior of the secondary injector, which is used for supplying the Urea-SCR. Because of this high temperature, it is difficult to achieve uniform distribution of the reducing agent in the manifold. In this paper, the characteristics of a urea-SCR injector used for injecting in the exhaust pipe are presented. The purpose of this study was to investigate the spray characteristics of the injector, such as the spray angle, injection quantity, and SMD. In addition, laser diagnostics and high-speed-camera images were used to analyze the injector spray characteristics and to present a distribution of reduction in the transparent manifold.
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제안 방법
3은 액적의 분무 평균 입경 측정 시 사용한 측정점의 위치를 나타낸 그림이다. Fig. 2의 그림에 나타낸 바와 같이 3축 정밀 이송 장치를 이용하였고 인젝터 팁 하류방향으로 그림에 표시한 바와 같은 0.5D, 1.0D 그리고 Mixing 장치가 삽입되는 Distance A, B, C 지점을 기준으로 분무축 중심으로부터 3mm 간격으로 5~13개의 측정점에 대한 평균 입경을 측정하였다.
Urea-SCR 시스템에서 사용되는 실제 Urea수용액을 이용하여 대기분무 가시화를 진행하였으며, 실제 배기관을 모사한 모사배기관내 분무 거동을 파악하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
Urea-SCR 인젝터의 기초적인 분사량 특성을 측정하였다. 측정방법은 4~6bar 사이의 일정압력 하에 0.
공기유량과 온도의 변화에 대한 벽류지점의 변화를 파악하기 위해서 그림에 표시한 바와 같은 인젝터 끝단으로부터의 벽류지점을 측정하였다. Fig.
5% Urea 수용액을 이용하였다. 대기분무 실험에서 분위기 조건은 대기압과 상온이고, 단일 분사 시켰을 때 고속 카메라를 이용하여 10,000fps로 분무 이미지를 취득하였다.
입경 측정에 사용된 수광부 렌즈는 초점거리가 300mm이며, 측정 지점과의 거리를 200mm 이내로 하였다. 또한, 정상 분무상태에서 분무 입경을 측정하기 위하여 광엄폐율(Obscuration ratio)이 5%이상일 때를 기준으로 측정하였다. 본 연구에 사용한 인젝터의 특성상 단발 분사의 경우 정상 분무상태에서 분포 액적의 수가 매우 적어서, 분사 조건을 대기압, 상온에서 duration=16ms, frequency=30Hz로 20회 분사하였다.
세 줄기의 액주가 대칭적으로 뚜렷하게 나타나는 것을 확인하였으며, 분무각은 분사압력 4~6bar범위로 분사하였을 경우 일정각 α값을 유지하였다. 또한, 취득한 영상으로부터 디지털 화상 처리 과정을 통하여 Fig. 7과 같이 분무 도달 거리를 측정하였다. 분무 도달 거리는 분사 시작 후 선형적으로 증가하는 결과를 보였고, 분무속도는 약 20.
0)를 이용하여 취득하였다. 또한, 펄스 발생기(BNC, Model 555 Pulse/delay generator)를 이용하여 인젝터 드라이버에 인가되는 신호를 제어하여 분사 시기와 분사 기간을 제어하였고, 동시에 고속카메라의 트리거 신호를 동기화시켰다.
또한, 정상 분무상태에서 분무 입경을 측정하기 위하여 광엄폐율(Obscuration ratio)이 5%이상일 때를 기준으로 측정하였다. 본 연구에 사용한 인젝터의 특성상 단발 분사의 경우 정상 분무상태에서 분포 액적의 수가 매우 적어서, 분사 조건을 대기압, 상온에서 duration=16ms, frequency=30Hz로 20회 분사하였다. 측정 오차율을 줄이기 위해서 각 측정점에서 광엄폐율(Obscuration ratio)이 5%이상 일 때 1000개의 입자가 샘플링 될 때까지 20회 분사한 것이며, 총 분무기간 320ms에 대하여 약 667ms의 측정시간 동안 평균 입경을 측정하였다.
본 연구에서는 Urea-SCR용 인젝터를 이용하여 실제 대기분무 실험을 통해 그 분무특성을 알아보았고, 이를 실제 배기관을 모사한 모사배기관 내에 적용하여 엔진의 운전 조건에 따른 분사된 Urea 수용액의 분무 거동 특성을 파악하였다.
4는 일반적인 엔진 배기관에서 Urea-SCR 시스템의 개략적인 모습을 나타낸 그림이다. 실제 엔진에서의 배기관 가시화는 particle과 설치공간 및 장치 설치의 어려움이 많은 바, 실제 배기관에서 Urea 수용액의 분무 거동특성을 파악하기 위하여 Fig. 4와 같이 엔진 대신에 배기가스의 온도와 유량을 모사한 모사배기관 시스템과 실제 배기관 layout과 pyrex 가시화 창을 이용하였다. Fig.
취득한 이미지로부터 분사 영역을 명확하게 파악하고 Urea 수용액의 농도를 비교하기 위하여 전처리과정을 거친 후 모든 프레임에 대하여 각각의 화소값에 대한 RMS 평균을 취한 이미지를 주로 활용하였다.(6,7) RMS를 구하기 위한 알고리즘은 식 (1)과 같다.
본 연구에 사용한 인젝터의 특성상 단발 분사의 경우 정상 분무상태에서 분포 액적의 수가 매우 적어서, 분사 조건을 대기압, 상온에서 duration=16ms, frequency=30Hz로 20회 분사하였다. 측정 오차율을 줄이기 위해서 각 측정점에서 광엄폐율(Obscuration ratio)이 5%이상 일 때 1000개의 입자가 샘플링 될 때까지 20회 분사한 것이며, 총 분무기간 320ms에 대하여 약 667ms의 측정시간 동안 평균 입경을 측정하였다.
Urea-SCR 인젝터의 기초적인 분사량 특성을 측정하였다. 측정방법은 4~6bar 사이의 일정압력 하에 0.5Hz와 1Hz 및 2Hz의 분사주기에 대하여 100회씩 분사한 후 전자저울로 무게를 측정하였고, 10회 반복 측정 후 평균화함으로써 측정오차를 줄였다.
환원제의 미립화와 증발 특성이 촉매의 성능에 미치는 주요한 인자라고 판단되므로 인젝터의 미립화 성능을 대표하는 분무 평균 입경을 측정하였다.
대상 데이터
1과 같이 구성하였다. 광원으로는 백색 특성 및 출력 변동 성능이 적은 제논 램프(Xenon)를 이용하였고, 반사판을 이용한 간접 조명 방식으로 분무 화상을 고속카메라(Phantom 7.0)를 이용하여 취득하였다. 또한, 펄스 발생기(BNC, Model 555 Pulse/delay generator)를 이용하여 인젝터 드라이버에 인가되는 신호를 제어하여 분사 시기와 분사 기간을 제어하였고, 동시에 고속카메라의 트리거 신호를 동기화시켰다.
블로워로 공급된 공기를 30kW급 히터로 가열하여 온도를 250℃까지 높였고, 파이렉스관 내에 Urea 수용액을 분사시켰다. 분무의 종단면과 횡단면을 Xenon 광원 혹은 2W Nd-YVO4 레이저 광원과 고속카메라를 이용하였다.
본 연구에 사용한 인젝터는 Table 1과 같다. 액체를 가압하여 작은 오리피스 구멍을 통과하면서 미립화되는 Jet-spray type의 3-hole prototype injector이며, 운행차량에 가장 많이 사용하는 32.5% Urea 수용액을 이용하였다. 대기분무 실험에서 분위기 조건은 대기압과 상온이고, 단일 분사 시켰을 때 고속 카메라를 이용하여 10,000fps로 분무 이미지를 취득하였다.
2는 분무 평균 입경 측정에 사용된 Malvern 사의 입도 분석 장치(Mastersizer S)의 개략도를 나타낸 그림이다. 입경 측정에 사용된 수광부 렌즈는 초점거리가 300mm이며, 측정 지점과의 거리를 200mm 이내로 하였다. 또한, 정상 분무상태에서 분무 입경을 측정하기 위하여 광엄폐율(Obscuration ratio)이 5%이상일 때를 기준으로 측정하였다.
성능/효과
(1) Urea 수용액 분사용 인젝터를 이용하여 분무를 가시화 한 결과 세 줄기 액주가 나타났고, 분사압력 4bar이상에서 일정 값의 분무각을 보였으며, 분무 속도는 약 20.52m/s로 측정되었다.
(2) 분사량은 분사기간에 대해 선형적으로 증가하였고, 분무평균입경은 약 65㎛ 로 작게 나타났다.
(3) Pyrex 가시화창을 이용하여 인젝터 부착위치에서 일정 거리부분을 가시화할 수 있었으며, 분무 유동 패턴을 파악할 수 있었다.
(4) 유량에 대해 벽류지점은 선형적으로 변화하였으며, 온도에 대해서는 그 변화가 매우 작았다.
12는 하부와 측면 측에서 각 유량과 온도 변화에 대한 벽류지점 측정 결과이다. 공기 유량의 증가에 대해서는 벽류지점이 거의 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 그러나 온도의 변화에 대해서는 일정한 변화를 보이지 않는다.
11은 일정 분사조건에서 단일 분사하여 고속 카메라로 취득한 화상을 RMS 평균화한 i이 이미지이다. 공기유량이 증가할수록 벽류지점이 멀어지는 결과를 보였으며, 온도가 증가할수록 기화가 빠르게 진행됨에 따라서 Urea의 농도가 낮아지는 경향을 보였다.
전체적으로 분무 축을 중심으로 대칭성을 잘 보였고 평균 입경이 약 65㎛ 정도로 작게 나타났다. 또한 노즐 중심축 선상에서 노즐 끝단과 가까운 지점에서는 SMD가 크게 나타났으며, 멀어질수록 SMD가 작아지는 경향을 알 수 있었다.
7과 같이 분무 도달 거리를 측정하였다. 분무 도달 거리는 분사 시작 후 선형적으로 증가하는 결과를 보였고, 분무속도는 약 20.52m/s로 측정되었다. 분무 도달 거리가 분사 후 선형적으로 증가하는 이유는 유체가 Urea 수용이기 때문에 breakup length가 길어져서 측정범위 110mm내에서는 breakup이 진행 중이기 때문이다.
9는 각 분사 주파수와 분사기간에 따른 분사량 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 분사기간이 길어질수록 분사량은 선형적으로 증가하였고, 주파수 변화에 대한 영향은 거의 차이가 없었다. 따라서 기울기에 대한 평균치를 계산하였으며, 그래프에 표시한 바와 같이 분사기간에 따른 분사량은 9.
세 줄기의 액주가 대칭적으로 뚜렷하게 나타나는 것을 확인하였으며, 분무각은 분사압력 4~6bar범위로 분사하였을 경우 일정각 α값을 유지하였다.
10은 각 입경 측정점에서의 SMD를 비교한 그래프이다. 전체적으로 분무 축을 중심으로 대칭성을 잘 보였고 평균 입경이 약 65㎛ 정도로 작게 나타났다. 또한 노즐 중심축 선상에서 노즐 끝단과 가까운 지점에서는 SMD가 크게 나타났으며, 멀어질수록 SMD가 작아지는 경향을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 장점이 무엇인가?
디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 열효율이 높고 이산화탄소 배출량이 적다. 그러나 입자상물질(PM)과 질소산화물(NOx)의 배출량이 가솔린 엔진보다 많은 단점을 가지고 있다.
디젤 엔진의 연소 배출물 중 질소 산화물을 저감시키기 위하여 어떤 연구가 활발히 연구되고 있는가?
그러나 입자상물질(PM)과 질소산화물(NOx)의 배출량이 가솔린 엔진보다 많은 단점을 가지고 있다. 디젤 엔진의 연소 배출물 중 질소 산화물을 저감시키기 위하여 LNT와 Urea-SCR과 같은 후처리 시스템이 최근 활발히 연구되고 있다. Urea-SCR은 Urea 수용액을 공급하기 위한 2차 분사 시스템이 필요하고, 분사된 Urea 수용액의 분무 거동 특성과 균일도에 따라서 촉매의 효율이 크게 달라진다.
디젤 엔진의 단점은?
디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 열효율이 높고 이산화탄소 배출량이 적다. 그러나 입자상물질(PM)과 질소산화물(NOx)의 배출량이 가솔린 엔진보다 많은 단점을 가지고 있다. 디젤 엔진의 연소 배출물 중 질소 산화물을 저감시키기 위하여 LNT와 Urea-SCR과 같은 후처리 시스템이 최근 활발히 연구되고 있다.
참고문헌 (7)
Heywood, J. B., 1988, "Internal Combustion Engine Fundamentals," McGraw Hill.
Eastwood, P., 2000, "Critical Topics in Exhaust Gas After-Treatment," Research studies press Ltd.,.
Oh, J. T., Seo, J. W., Lee, K. I., Park, J. I., Choi, Y. H. and Lee, J. H., 2007, “Visualization of Urea Mixing Characteristics by Mixer and Diffuser in SCR system,” KSAE 2007.
Choi, J. H., Choi, Y. S., Cho, I. E. and Lee, S. W., 2007, "A Study on the Distribution of Injected Urea into Exhaust Pipe in the SCR System," KSAE 2007.
Oh, J. M., Lee, K. H. and Lee, J. H., 2008, “A Study on the Optimal Injection Conditions for an HC-LNT Catalyst System with a 12-Hole Type Injector," Journal of Thermal Science and Technology, Vol. 3, No. 2, pp. 278-291.
Jeong, H. Y., Lee, K. H. and Ikeda, Y., 2007, "Investigation of the Spray Characteristics for a Secondary Fuel Injection Nozzle Using a Digital Image Processing Method," Meas. Sci. Technol., Vol. 18, pp. 1591-1602.
Oh, J. M., Lee, K. H. and Jeong, H. Y., 2008, "Study on the Spray Behavior and Diesel Fuel Distribution Characteristics of a Secondary Injector for a Lean NOx Trap Catalyst," Energy & Fuels, Vol. 22, pp. 1527-1534.
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