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문제 정의
- 본 연구에서는 EGR cooler fouling 의 최소화 및 fouling 저감에 대한 촉매의 영향을 규명하는 것을 목적으로 한다.
- 본 연구는 EGR cooler fouling에 대한 기초 실험 연구로서 PM 입자 생성장치와 촉매장착이 가능한 EGR cooler fouling test rig을 구성하고 이를 바탕으로하여 EGR cooler fouling의 최소화 및 fouling 저감하는데 있어 촉매의 영향에 대해 분석하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 그러나 엔진과 동력계를 이용한 연구방법으로는 엔진의 운전 조건에 의해 입자의 성분, 크기 및 농도가 동시에 변하기 때문에 독립적인 조건을 변화시키는데 어려운 점이 있다. 따라서 각 변수들을 독립적으로 제어함과 동시에 안정적인 실험을 진행하기 위하여 프로판(propane-C3H8)연료를 이용한 soot 발생기(soot generator)를 사용하여 lab-scale실험을 수행하였다. 또한 EGR cooler를 모사하기 위하여 단일 채널 EGR cooler에 직접 제작한 촉매장치를 부착하여 실험을 수행하였다.
- 따라서 각 변수들을 독립적으로 제어함과 동시에 안정적인 실험을 진행하기 위하여 프로판(propane-C3H8)연료를 이용한 soot 발생기(soot generator)를 사용하여 lab-scale실험을 수행하였다. 또한 EGR cooler를 모사하기 위하여 단일 채널 EGR cooler에 직접 제작한 촉매장치를 부착하여 실험을 수행하였다.
- 촉매가 충분히 높은 온도에서 반응한다는 점을 감안하여 촉매 전단을 단열 하여 EGR 가스의 온도가 적어도 380°C 이상을 유지할 수 있도록 하였다.
- 엔진에서 나오는 배출가스를 직접 이용하는 기존의 EGR cooler fouling 실험은 엔진의 운전조건에 의해 입자의 성분, 크기 및 농도가 변한다. 따라서 발생 입자사이즈와 농도, 질량, 배출 가스 온도, 유량 및 냉각수 온도 등의 변수를 독립적으로 제어하기 위하여 프로판 연료를 이용한 상용 soot 발생기(soot generator)를 사용하여 fouling 실험을 수행하였다. soot 발생기에 들어가는 각 모델 가스는 MFC(mass flow controller)를 이용하여 일정 유량으로 제어 하였다.
- 따라서 발생 입자사이즈와 농도, 질량, 배출 가스 온도, 유량 및 냉각수 온도 등의 변수를 독립적으로 제어하기 위하여 프로판 연료를 이용한 상용 soot 발생기(soot generator)를 사용하여 fouling 실험을 수행하였다. soot 발생기에 들어가는 각 모델 가스는 MFC(mass flow controller)를 이용하여 일정 유량으로 제어 하였다.
- 실험에서 사용되는 DOC 촉매의 SV의 선정기준은 다음과 같다. EGR 보통 차량에서 사용되는 DOC 촉매의 SV는 100,000/hr ~ 200,000/hr정도이나 lab-scale 실험임을 감안함과 동시에 fouling에 있어서의 DOC 촉매의 효과를 더 명확하게 보기 위해서 SV를 57,000/hr로 낮춰서 선정하였다. 이 SV값은 실제 차량에서 fouling이 일어나기 쉬운 조건인 저속구간에서의 쿨러 유량(30 sLPM), 유속(7 m/s)조건을 기반으로 한다.
- 본 연구에서는 직관 형태의 모사 관을 사용함으로서 동일 조건에서 실험을 반복할 수 있도록 하였고, 실험 전후에 탈착이 가능하도록 구성하였으며, fouling 전후 질량측정이 가능한 장치를 제작하였다. Fig.
- Cooler의 열교환 효율과 차압변화를 측정하기 위한 실험시간은 기존의 데이터에서 일정한 값으로 수렴하는 특성을 관찰할 수 있는 시간의 범위에서 반복 실험이 가능하도록 10시간으로 설정하였다. 모사 EGR cooler의 효율을 측정하기 위한 EGR 가스 온도와 냉각수온도는 k-type 온도센서를 이용하여 측정하였으며 압력측정은 압력계(WIKA, S-10)를 이용하였다.
- Cooler의 열교환 효율과 차압변화를 측정하기 위한 실험시간은 기존의 데이터에서 일정한 값으로 수렴하는 특성을 관찰할 수 있는 시간의 범위에서 반복 실험이 가능하도록 10시간으로 설정하였다. 모사 EGR cooler의 효율을 측정하기 위한 EGR 가스 온도와 냉각수온도는 k-type 온도센서를 이용하여 측정하였으며 압력측정은 압력계(WIKA, S-10)를 이용하였다. 이 데이터는 데이터 전달장치(data acquistion board - NATIONAL INSTRUMENT, cDAQ 9174)를 이용하여 컴퓨터에 연결하여 데이터를 취득하였다.
- EGR cooler의 열 교환 효율을 나타내는 ε를 산출하는 식은 식 (1)과 같고 시간에 따른 fouling 정도를 측정하기 위하여 효율의 변화량을 계산하였다. 열교환기 효율의 계산방법은 촉매를 장착하기 전과 후에 따라 차이를 두었다. 촉매를 장착하기 전에는 cooler 전단의 가스온도를 기준으로 열효율을 구한 반면, 촉매를 장착하였을 경우에는 촉매를 포함한 EGR cooler를 시스템으로 고려하여 cooler의 전단이 아닌 촉매 전단의 가스온도를 Tgas, inlet으로 하여 계산하였다.
- 열교환기 효율의 계산방법은 촉매를 장착하기 전과 후에 따라 차이를 두었다. 촉매를 장착하기 전에는 cooler 전단의 가스온도를 기준으로 열효율을 구한 반면, 촉매를 장착하였을 경우에는 촉매를 포함한 EGR cooler를 시스템으로 고려하여 cooler의 전단이 아닌 촉매 전단의 가스온도를 Tgas, inlet으로 하여 계산하였다.
- Cooler 전단에 촉매가 장착됨에 따라 촉매로 인한 시스템 전체에 배압이 걸릴 우려가 있어 시스템 전단과 후단에 압력센서를 설치하고 각각의 압력을 측정 비교하였다. 정확한 차압을 측정하기 위하여 DOC 촉매 전단과 cooler 후단에 직경 1/4 inch 튜브를 연결하여 압력 센서에 각각 연결시켰다.
- Cooler 전단에 촉매가 장착됨에 따라 촉매로 인한 시스템 전체에 배압이 걸릴 우려가 있어 시스템 전단과 후단에 압력센서를 설치하고 각각의 압력을 측정 비교하였다. 정확한 차압을 측정하기 위하여 DOC 촉매 전단과 cooler 후단에 직경 1/4 inch 튜브를 연결하여 압력 센서에 각각 연결시켰다. 압력센서는 센서에 가해지는 압력에 따라1~1.
- 6bar 범위 내에서 4mA~20mA의 전류 신호를 data acquisition board에 전달한다. 이러한 전류신호를 프로그램에서 변환하여 압력값을 실시간으로 표시하고 차압 값을 계산하였다.
- DOC 촉매가 EGR cooler의 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 서로 다른 Pt 함유량을 가진 DOC 촉매를 사용하여 실험을 진행하였다. 성능이 좋은 촉매로 Pt 30g/ft3을 성능이 좋지 않은 촉매로 Pt 5g/ft3을 사용하였으며 이에 대한 결과를 촉매를 사용하지 않았을 경우와 비교하였다. 촉매를 장착하기 위해서 canning 장치를 구성하였으며 촉매 실험의 대조군으로 실시한 촉매를 장착하지 않는 경우에도 canning 장치는 그대로 사용하였다.
- 실험 시 평균입자크기를 128nm, 냉각수 온도는 40℃로 고정하였으며 추가적으로 DOC 촉매가 온도에 영향을 받을 가능성을 고려하여 EGR 가스 온도는 380℃와 480℃의 두 가지 경우로 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 실험 장치는 프로판(propane-C3H8) 연료를 이용한 soot 발생기, 촉매를 포함한 단일 채널 EGR cooler 장치, 냉각시스템, Data 취득 장치 등으로 나누어 볼 수 있다. Fig.
- Pt 계열의 DOC 촉매를 사용하였으며 Pt 함량에 따른 PM의 성분변화 및 fouling의 영향평가를 위해 Pt 5g/ft3과 Pt 30g/ft3 두 종류의 촉매를 사용하였다. 촉매가 충분히 높은 온도에서 반응한다는 점을 감안하여 촉매 전단을 단열 하여 EGR 가스의 온도가 적어도 380°C 이상을 유지할 수 있도록 하였다.
- 모사 EGR cooler의 효율을 측정하기 위한 EGR 가스 온도와 냉각수온도는 k-type 온도센서를 이용하여 측정하였으며 압력측정은 압력계(WIKA, S-10)를 이용하였다. 이 데이터는 데이터 전달장치(data acquistion board - NATIONAL INSTRUMENT, cDAQ 9174)를 이용하여 컴퓨터에 연결하여 데이터를 취득하였다. 열교환기 효율측정과 압력측정에 관한 좀 더 자세한사항은 다음과 같다.
- DOC 촉매가 EGR cooler의 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 서로 다른 Pt 함유량을 가진 DOC 촉매를 사용하여 실험을 진행하였다. 성능이 좋은 촉매로 Pt 30g/ft3을 성능이 좋지 않은 촉매로 Pt 5g/ft3을 사용하였으며 이에 대한 결과를 촉매를 사용하지 않았을 경우와 비교하였다.
성능/효과
- 즉 DOC 촉매를 사용하면 초기 effectiveness의 감소는 있지만 시간이 지남에 따라 발생하는 cooler의 effectiveness 감소에는 효과적임을 알 수 있다. 또한 380℃와 480℃의 실험결과를 비교하였을 때 EGR 가스의 온도는 위 실험결과에 크게 영향을 끼치지 않음을 알 수 있다.
- 즉 DOC 촉매를 사용하면 초기 effectiveness의 감소는 있지만 시간이 지남에 따라 발생하는 cooler의 effectiveness 감소에는 효과적임을 알 수 있다. 또한 380℃와 480℃의 실험결과를 비교하였을 때 EGR 가스의 온도는 위 실험결과에 크게 영향을 끼치지 않음을 알 수 있다. 이는 DOC 촉매가 300℃ 이상에서 활발하게 반응하기 때문에 300°C 이상의 온도에서는 온도를 높여도 촉매의 성능에는 큰 영향이 없는 것으로 파악되었다.
- 1) DOC 촉매를 사용했을 경우 EGR cooler의 effectiveness 감소율을 줄이는 효과를 확인할 수 있었다. Pt 함량이 높은 촉매를 사용할수록 더 좋은 effectiveness drop rate를 줄이는 효과를 나타내었다.
- 1) DOC 촉매를 사용했을 경우 EGR cooler의 effectiveness 감소율을 줄이는 효과를 확인할 수 있었다. Pt 함량이 높은 촉매를 사용할수록 더 좋은 effectiveness drop rate를 줄이는 효과를 나타내었다. 하지만 DOC 촉매에서 발열반응이 일어나기 때문에 초기 cooler의 effectiveness는 촉매를 사용하지 않은 경우보다 줄어드는 단점을 확인할 수 있었다.
- Pt 함량이 높은 촉매를 사용할수록 더 좋은 effectiveness drop rate를 줄이는 효과를 나타내었다. 하지만 DOC 촉매에서 발열반응이 일어나기 때문에 초기 cooler의 effectiveness는 촉매를 사용하지 않은 경우보다 줄어드는 단점을 확인할 수 있었다. 또한 380℃와 480℃에서 촉매가 같은 성능을 보인 것으로 촉매의 반응온도를 대략적으로 확인할 수 있었다.
- 하지만 DOC 촉매에서 발열반응이 일어나기 때문에 초기 cooler의 effectiveness는 촉매를 사용하지 않은 경우보다 줄어드는 단점을 확인할 수 있었다. 또한 380℃와 480℃에서 촉매가 같은 성능을 보인 것으로 촉매의 반응온도를 대략적으로 확인할 수 있었다.
- 2) DOC 촉매를 장착하여도 차압의 증가는 거의 발생치 않는 것을 확인할 수 있었다. 실험결과에서 얻어진 전체 차압은 5mbar 정도로 거의 무시할 수 있는 수준이며 실제 시스템에 미치는 영향은 거의 미미할 것으로 파악된다.
- 2) DOC 촉매를 장착하여도 차압의 증가는 거의 발생치 않는 것을 확인할 수 있었다. 실험결과에서 얻어진 전체 차압은 5mbar 정도로 거의 무시할 수 있는 수준이며 실제 시스템에 미치는 영향은 거의 미미할 것으로 파악된다. 이러한 결과는 300℃ 이상에서 온도 변화에 영향이 없으며 촉매 성능에 따라서 달라지지도 않는다.
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