[논문]세라믹 촉매 담체의 내구 설계 기준에 대한 실험 및 수치해석의 비교

백석흠; 조석수

세라믹 촉매 담체의 내구 설계 기준에 대한 실험 및 수치해석의 비교
Comparison of Experimental and Numerical Analysis for Durability Design Criteria in Ceramic Catalyst Substrate 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.27 no.9, 2010년, pp.58 - 66

Abstract ▼ AI-Helper

This study examines thermal safety on three-way catalyst that dominates 70 % among whole exhaust gas purification device in 2003. Three-way catalyst durability in the Korea requires 5 years/80,000 km in 1988 but require 10 years/120,000 km after 2002. Three-way catalyst durability in the USA requires 7 years/120,000 km but require 10 years/160,000 km after 2004. Three-way catalyst maintains high temperature in interior domain but maintains low temperature on outside surface. Therefore this device shows tensile stress on outside surface. Temperature distribution of three-way catalyst was acquired by thermal flow analysis for predicted thermal flow parameter. Thermal stress analysis for three-way catalysis was performed based on this temperature distribution. Thermal safety of three-way catalyst was estimated by power law dynamic fatigue life estimation and strength reduction methods for thermal stress.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 국내 승용차용 세라믹 담체의 열유동 시험을 수행하여 온도분포와 유속 등의 데이터를 얻었다. 이 열 유동 시험에 기반해 단순 열응력 모델과 열 유동 구조 연성해석 모델을 제안하고 서로 비교하여 두 모델 중 어떠한 모델이 열적 내구성의 설계 기준으로 더 보수적인 평가 방법인지 설명하였다.

가설 설정

(4) 구조해석의 경계 조건은 세라믹 담체의 축 방향 단면에 대해 대칭 경계조건을 적용하고 반경 방향 외곽 벽면은 완전 단열로 가정한다.
media)로 정의하였다. 담체 내부의 유동은 반경방향에 비하여 축방향의 속도가 지배적이므로 1 차원 층류 유동으로 가정한다. 촉매의 화학반응에 대한 발열량은 소스영역(source domain) 에의한 총 에너지로 적용하였다.
표계 (cylindrical coordinate system)를 적용하고 반경 방향, 접선방향, 축방향으로 각각 설정하였다. 일반적으로 세라믹 사출 성형품은 반경방향과 접선 방향의 기계적 특성치는 동일한 것으로 평가되고 있어 본 연구에서도 반경방향과 접선방향의 기계적 특성치를 동일하게 가정하였다. 그러나 세라믹 담체의 열유동구조 해석 결과인 열응력은 담체 형상이 타원형인 것을 고려하여 반경방향과 접선 방향 및 축방향 모두를 검토하였다.

제안 방법

전체해석과정은 CFX 에 의한 열 유동 해석결과는 3-D Thermal70 요소를 이용해서 *.cdb 파일로 저장되고 이 파일의 정보를 읽어서 ANSYS Multiphysics 에서 열전달 해석을 수행하였다.” 열전달 해석결과는 다시 열응력 계산을 위해 Solidl85 구조 요소로 변경하고 열응력을 계산하였다.
cdb 파일로 저장되고 이 파일의 정보를 읽어서 ANSYS Multiphysics 에서 열전달 해석을 수행하였다.” 열전달 해석결과는 다시 열응력 계산을 위해 Solidl85 구조 요소로 변경하고 열응력을 계산하였다. Fig.
일반적으로 세라믹 사출 성형품은 반경방향과 접선 방향의 기계적 특성치는 동일한 것으로 평가되고 있어 본 연구에서도 반경방향과 접선방향의 기계적 특성치를 동일하게 가정하였다. 그러나 세라믹 담체의 열유동구조 해석 결과인 열응력은 담체 형상이 타원형인 것을 고려하여 반경방향과 접선 방향 및 축방향 모두를 검토하였다.
열전쌍은 각 구멍 당 1 개~2 개를 장착하였으며 직경이 1 mm 스테인리스 강철사를이용하여 삼원촉매변환기 스틸 캔(steel can)에 고정하였다. 담체 내구성은 정적하중으로 인한 열 피로에 의하여 결정되므로 정상 상태의 온도만을 기록하였다.
본 논문은 차량정비현장에서 자주 발생되는 세라믹 담체의 조기파손현상을 설명하고 세라믹 촉매 담체의 열적 안전성 평가에 적합한 모델을 검토하기 위해 두 가지 관점: 탄성론에 기반한 멱급수 형태 (power law)의 동적 피로손상모 델(dynamic fatigue damage model舟‘과 열유동구조 연성 해석에 기반한 강도저하계수(strength reduction factor)에 의한 평가 방법을 적용하였다.
세라믹 촉매 담체의 열적 내구성에 대한 설계기준을 단순 열응력 모델과 열유동구조 연성 해석에 의한 열응력 모델을 비교 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이 열 유동 시험에 기반해 단순 열응력 모델과 열 유동 구조 연성해석 모델을 제안하고 서로 비교하여 두 모델 중 어떠한 모델이 열적 내구성의 설계 기준으로 더 보수적인 평가 방법인지 설명하였다.
담체 내부의 유동은 반경방향에 비하여 축방향의 속도가 지배적이므로 1 차원 층류 유동으로 가정한다. 촉매의 화학반응에 대한 발열량은 소스영역(source domain) 에의한 총 에너지로 적용하였다.
것이다. 출구 온도를 응답값으로 설정하고 Fig. 2 에서 구한 온도 데이터를 기반으로 반응표면 방법(response surface method)과 최적화 방법을 이용하여 매개변수를 예측하였다.
좌표계는 원통조]. 표계 (cylindrical coordinate system)를 적용하고 반경 방향, 접선방향, 축방향으로 각각 설정하였다. 일반적으로 세라믹 사출 성형품은 반경방향과 접선 방향의 기계적 특성치는 동일한 것으로 평가되고 있어 본 연구에서도 반경방향과 접선방향의 기계적 특성치를 동일하게 가정하였다.

이론/모형

(1) 삼원촉매변환기의 배기관 내에 흐르는 3 차원 정상상태의 압축성 난류유동을 해석하기 위한 지 배 방정 식 으로 연속방정 식 과 Navier-Stokes 방정 식을 사용하였다. 난류모델은 k-e 을 기반으로 한 SST(shear stress transport)모델 대류항의 차분방정식은 high resolution 을 적용하여 계산하였다.
Table 4와 5 는 삼원 족매변환기의 세라믹 촉매 담체에 대한 기계적 성질과 물리적 성질을 나타낸 것이다. 기계적 물성치는 코제라이트와 알루미나를 기초로 백석흠 등 13 에 제시 된 결합계수 γ를 이용하여 얻었다.
사용하였다. 난류모델은 k-e 을 기반으로 한 SST(shear stress transport)모델 대류항의 차분방정식은 high resolution 을 적용하여 계산하였다.
열 유동과 구조해석의 유체-구조 상호작용(fluidstructure interaction: FSI)은 CFX 와 ANSYS Multiphysics 를 이용하였다. 전체해석과정은 CFX 에 의한 열 유동 해석결과는 3-D Thermal70 요소를 이용해서 *.

성능/효과

(1) 세라믹 촉매 담체의 조기 파손 현상은 단순 열응력 모델을 이용한 평가보다 열유동구조 연성 해석에 의한 열응력 모델을 이용한 설명이 더 합리적이다.
(2) 열적 내구성을 보장할 수 있는 임계 엔진 회전수는 단순 열응력 모델이 열유동구조 연성 해석에 의한 열응력 모델보다 훨씬 더 높아 후자의 모델이 보수적 설계 기준이다.
(3) 응력비를 이용하여 반경방향 응력에 대하여 접선방향과 축방향 열응력이 확대되는 것을 평가하기 위하여 단순 응력비보다는 방향에 따른 수정 응력비를 이용하는 것이 효율적이다.
(5) 촉매의 열피로에 대한 최초 균열발생 위치는 설계 강도에 비하여 발생 응력이 큰 후방 촉매의 외부 끝단에서 접선방향이다.
모든 방향의 최대 응력은 후방 담체 외부 끝단에서 생기고 있다. 따라서 담체의 최초의 열피로 균열발생 위치는 설계 강도에 비하여 발생 응력이 큰 후방 담체의 외부 끝단에서 접선방향일 것으로 평가된다.
또한 접선방향 열응력은 4867 rpm 이상에서 설계 강도를 초과하고 있어 탄성론에 기반한 단순 열응력 모델을 이용하여 촉매 담체를 평가하는 경우 축방향 열응력 보다는 접선방향 열응력을 우선 검토해야 한다. 또한 실차 주행시는 강제 대류 열전달 조건이 되는 것과 상용 엔진 회전수가 3000 rpm 이하라는 것을 고려하면 발생 열응력은 대부분 설계 강도의 아래에 있어 본 열응력 모델이 세라믹 촉매 담체의 조기 파손 현상을 설명할 수 없음을 알 수 있다.
또한 반경 방향 열응력은 엔진 회전수가 4455 rpm 이상에서 설계 강도를 초과하고 있으나 접선방향 열응력은 설계 강도 아래에 존재하고 있어 단순 열응력 모델과 유사한 경향을 보이고 있다. 한편, 열적 내구성을 보장할 수 있는 임계 엔진 회전수는 단순 열응력 모델이 열유동 구조해석 의한 열응력 모델보다 훨씬 더 높아 후자의 모델이 보수적 평가 방법임을 알 수 있다.

참고문헌 (15)

Shamim, T., Shen, H., Sengupta, S., Son, S. and Adamczyk, A. A., "A Comprehensive Model to Predict Three-way Catalytic Converter Performance," ASME J. Eng. Gas Turbines Power, Vol. 124, No. 2, pp. 421-428, 2002.

상세보기
Pontikakis, G. and Stamatelos, A., "Three- Dimensional Catalytic Regeneration Modeling of SiC Diesel Particulate Filters," ASME J. Eng. Gas Turbines Power, Vol. 128, No. 4, pp. 421-433, 2006.

상세보기
Lee, J. S. and Kim, N. Y., "Characterization of SCR System for Nox Reduction of Diesel Engine (II)," J. KSPE, Vol. 25, No. 11, pp. 83-89, 2008.
Gulati, S. T., "Long-Term Durability of Ceramic Honeycombs for Automotive Emissions Control," SAE Paper No. 850130, 1985.
Baek, S., Cho, S. S., Shin, S. G. and Joo, W. S., "Size Effect on the Modulus of Rupture in Automotive Ceramic Monolithic Substrate using Optimization and Response Surface Method," Trans. of the KSME(A), Vol. 30, No. 11, pp. 1392-1400, 2006.
Baek, S. H., Kim, S. Y., Seung, S. S., Yang, H., Joo, W. S. and Cho, S. S., "Experimental Estimation of Thermal Durability in Ceramic Catalyst Supports for Passenger Car," Trans. of the KSME(A), Vol. 31, No. 12, pp. 1157-1164, 2007.
Gulati, S. T. and Sherwood, D. L., "Dynamic Fatigue Data for Cordierite Ceramic Wall-Flow Diesel Filters," SAE Tech. Paper No. 910135, 1991.
Rawson, H., "A Theory of Stresses in Glass Butt Seals," British Journal of Applied Physics, Vol. 2, No. 6, pp. 151-156, 1951.

상세보기
Timoshenko, S. P. and Goodier, J. N., "Theory of Elasticity: 3rd edition," McGraw-Hill, 1970.
Gulati, S. T., "Thermal Stresses in Ceramic Wall Flow Diesel Filters," SAE Paper No. 830079, 1983.
ANSYS, "ANSYS Theory Reference Release 11.0," SAS IP, Inc., 2007.
ANSYS CFX, "Release 11.0 User Manual," SAS IP, Inc., 2007.
Baek, S. H., Park, J. S., Kim, M. G. and Cho, S. S., "A Study on Thermal Shock of Ceramic Monolitic Substrate," Trans. of the KSME(A), Vol. 34, No. 2, pp. 129-138, 2010.
Helfinstine, J. D. and Gulati, S. T., "High Temperature Fatigue in Ceramic Honeycomb Catalyst Supports," SAE Paper No. 852100, 1985.
Gulati, S. T., Williamson, B., Nunan, J. and Anderson, K., "Fatigue and Performance Data for Advanced Thin Wall Ceramic Catalysts," SAE Tech. Paper No. 980670, 1998.

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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