[논문]필터의 재질 및 위치에 따른 DPF 내부의 온도 분포 특성에 관한 연구

김규성; 박성천

doi:10.7735/ksmte.2012.21.6.903

필터의 재질 및 위치에 따른 DPF 내부의 온도 분포 특성에 관한 연구
A Study on the Characteristics of Temperature Distribution according to Material and Position of Filter in a Diesel Particulate Filter 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.6, 2012년, pp.903 - 909

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzed the temperature distribution in DPF with five partitioned electric heaters. The temperature distribution in DPF is an important design factor for regeneration and durability of filter. The design Factors that influence the temperature distribution in DPF there are several. In this study, the characteristics of temperature distribution in DPF were analyzed according to the following changes. First, the thermal conductivity of the filter was analyzed about effect on the durability of the filter. Second, the length from exhaust manifold to inlet of DPF was analyzed about effect on the temperature distribution in DPF. The boundary conditions of analysis has been verified with comparison to the results of existing experimental study and the numerical analysis. Based on the identified boundary condition, on assuming the condition of the actual driving, the temperature distribution in DPF was analyzed according to material properties of filter and the position of DPF.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 분할형 강제재생방식의 DPF에 대하여 필터의 재질 특성 변화와 배기다기관에 이어진 곡관으로부터의 DPF의 위치에 따른 필터 내부의 온도분포 특성을 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

곡관과 바로 연결된 입구관을 갖는 기본 형상에 대하여 열전도도 2W/m･K, 10W/m･K, 20W/m･K에 대하여 해석하였다. 가열 조건은 H0번 , H1번, H3번 히터를 각각 2.8kW 가열하도록 가정하였다. H0번 히터 가열에 따른 해석 결과를 Fig.
이상의 계산으로부터 3.2절에서는 배기다기관으로부터 250mm,1,000mm, 2,000mm 떨어진 곳에 DPF 설치를 가정하고, 운전조건은 2,085rpm, 75% 부하 조건, 필터의 열전도도는 2 W/m･K, H0번 히터를 2.8 ㎾ 가열하였을 경우에 대하여 해석하였다. 해석 결과를 Fig.
필터의 재질 특성 및 DPF의 위치에 따른 필터 내부의 온도분포 특성을 분석하기 위하여 차량의 운전조건을 가정하였다. 질량유량은 600kg/hr, 온도는 500℃를 가정하였다. 이는 해석 모델용 DPF를 장착한 6,000cc 급 차량의 실험논문⁽⁴⁾의 결과를 인용하였다.
Cordierite 재질의 경우 열전도도는 2W/m･K 이하이며, SiC 재질의 경우 20W/m･K 이하를 나타낸다^(9). 필터 형상은 입구 관과 출구관, 격벽으로 이루어져 있으므로 등방성 물질로 가정하여 필터의 x, y, z 방향의 동일한 열전도도를 가정하였다.
수치해석 신뢰성 검증 해석에서는 상온의 공기를 입력조건으로 가정하였으나, 실제 차량의 운전조건은 높은 부하에서 고온의 배기가스가 배출되며, 높은 회전수에서는 많은 유량의 배기가스가 배출된다. 필터의 재질 특성 및 DPF의 위치에 따른 필터 내부의 온도분포 특성을 분석하기 위하여 차량의 운전조건을 가정하였다. 질량유량은 600kg/hr, 온도는 500℃를 가정하였다.
먼저 수치 해석의 신뢰성 검증을 위해 실험결과와 해석결과를 비교하였다. 해석 모델은 Lee⁽⁶⁾ 등이 실험에 사용하였던 전기히터 분할 가열형 DPF를 선택하였으며, DPF는 직경과 길이가 각각 230mm, 305mm이고 입구관의 직경 85mm, 셀밀도는200cpi (cells per square inch)를 갖는 하니컴 구조의 모노리스 타입 세라믹 필터로 가정하였다. 해석을 전체적인 형상 모델링은 Pro-Engineer^Ⓡ을 이용하였다.

제안 방법

Fig. 1에 숫자로(1～7) 표시된 위치의 온도를 H0번 히터와 H3번 히터를 가열하였을 경우에 대하여 필터 입구로부터 30mm, 152mm, 275mm 떨어진 곳에서 실험과 해석의 결과를 각각 비교하였다.
곡관과 바로 연결된 입구관을 갖는 기본 형상에 대하여 열전도도 2W/m･K, 10W/m･K, 20W/m･K에 대하여 해석하였다. 가열 조건은 H0번 , H1번, H3번 히터를 각각 2.
이에 따른 유동 불균일성이 존재 할 것이 예측 가능하다. 따라서 곡관과 DPF의 위치에 따른 필터 내부의 온도분포를 분석하기 위하여 곡관과 DPF의 거리를 바꾸어서 해석 하였다. 재질 특성 및 위치에 따른 필터의 온도분포 분석을 위한 필터의 물성치를 Table 2 에 나타내었다.
먼저 수치 해석의 신뢰성 검증을 위해 실험결과와 해석결과를 비교하였다. 해석 모델은 Lee⁽⁶⁾ 등이 실험에 사용하였던 전기히터 분할 가열형 DPF를 선택하였으며, DPF는 직경과 길이가 각각 230mm, 305mm이고 입구관의 직경 85mm, 셀밀도는200cpi (cells per square inch)를 갖는 하니컴 구조의 모노리스 타입 세라믹 필터로 가정하였다.
본 연구는 Park⁽⁷⁾의 후속 연구로서 분할형 전기히터방식의DPF의 내부 온도분포를 필터의 재질 특성과 DPF 위치에 따라 분석하였다. 연구 순서는 첫째 필터 재질 특성인 열전도도가 필터 내구성에 미치는 영향을 분석하였고, 둘째 배기다기관으로부터 DPF 거리에 따른 필터내부의 온도분포를 분석하였다.
의 후속 연구로서 분할형 전기히터방식의DPF의 내부 온도분포를 필터의 재질 특성과 DPF 위치에 따라 분석하였다. 연구 순서는 첫째 필터 재질 특성인 열전도도가 필터 내구성에 미치는 영향을 분석하였고, 둘째 배기다기관으로부터 DPF 거리에 따른 필터내부의 온도분포를 분석하였다. 해석 방법은 Lee(6)의 분할형 전기히터 DPF 내부의 온도분포를 측정한 실험값을 기초로 해석의 경계조건을 검증하고, 확인된 경계조건을 바탕으로 실제 운전조건을 가정하여 필터의 재질 특성과 위치에 따른 필터 내부의 온도분포를 분석하였다.
그러나 실험과 해석의 결과에서 정량적인 차이를 보이고 있다. 이는 실험에서의 온도측정은 필터의 출구채널에 열전대를 삽입하여 측정하였고, 해석에서는 다공성 물질로 처리하여 온도를 계산하였다. 이로 인해 실험과 해석 값의 차이가 발생한 것으로 생각된다.
연구 순서는 첫째 필터 재질 특성인 열전도도가 필터 내구성에 미치는 영향을 분석하였고, 둘째 배기다기관으로부터 DPF 거리에 따른 필터내부의 온도분포를 분석하였다. 해석 방법은 Lee(6)의 분할형 전기히터 DPF 내부의 온도분포를 측정한 실험값을 기초로 해석의 경계조건을 검증하고, 확인된 경계조건을 바탕으로 실제 운전조건을 가정하여 필터의 재질 특성과 위치에 따른 필터 내부의 온도분포를 분석하였다.
해석 변수인 DPF의 위치를 결정하기 위하여 파이프 내부 유체의 완전히 생성된 유동영역을 위한 파이프길이를 직경과 길이의 관계식으로부터 간략히 계산하였다. 먼저 해석 조건의 질량유량에 따른 레이놀드 수(Re)를 식 (3)으로부터 구하였다.

이론/모형

세라믹 필터는 수많은 채널로 이루어져 있기 때문에 압력손실이 큰 등방형 다공성 물질로 처리하여 해석하였으며(8), 난류모델은 k-ε 모델을 채택하였고, 지배방정식의 차분화는 이차정도의 선형 상류차분법을 사용하였으며, 압력과 속도의 연결은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다.
해석 모델은 Lee⁽⁶⁾ 등이 실험에 사용하였던 전기히터 분할 가열형 DPF를 선택하였으며, DPF는 직경과 길이가 각각 230mm, 305mm이고 입구관의 직경 85mm, 셀밀도는200cpi (cells per square inch)를 갖는 하니컴 구조의 모노리스 타입 세라믹 필터로 가정하였다. 해석을 전체적인 형상 모델링은 Pro-Engineer^Ⓡ을 이용하였다. 수치해석 결과와 실험결과를 비교하기 위한 온도 측정 위치를 Fig.

성능/효과

(1) 필터 재질의 열전도도가 증가하면 반경방향의 열확산이 커지면서 전체적인 필터의 온도구배가 작아지는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 필터의 열전도도 변화와 유체의 유동속도 변화에 따른 대류영향의 관계에서 필터의 반경방향 열확산과 축방향 열확산에 대한 상관관계가 발생하였다. 이로부터 필터 출구부의 유동분포에 따른 최고온도변화가 나타났다.
(3) DPF의 위치 변화에 따른 필터 내부의 온도분포 해석에서는 DPF의 위치변화로 필터 내부의 고른 유동을 유도할 수 있었으며 부수적인 장치 없이 DPF의 위치 변화로 고른 유동분포를 이끌어 완만한 온도구배를 기대할 수 있을 것으로 분석된다
열전도도 10W/m･K, 20W/m･K의 경우 완만한 기울기의온도구배를 보여 내구성 측면에서 안정적임을 예측 할 수 있다. 또한, 해석 결과 H1번 히터를 가열하였을 경우 열전도도와 상관없이 최고온도의 차이가 없으나, H3번 히터 가열의 경우는 열전도도가 커질수록 최고 온도가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이는 질량유량의 차이에 의한 유체의 속도 차이를 유발한데 기인된 것으로 분석된다.
해석 결과 2,000mm 떨어진 곳의 DPF 내부의 온도분포가축 중심의 상하 대칭을 이루는 것을 볼 수 있다. 해석의 결과를 자세히 관찰하기 위하여 Fig.
해석결과와 그래프에서 볼 수 있듯이 필터 입구 바로 앞에 곡관을 갖는 경우에는 축 중심의 상하 온도분포가 크게 나타남을 볼 수 있고, 곡관으로부터 250mm 거리 이상의 해석에서는 필터 내부의 온도분포가 축 중심의 상하 차이가 적어지는 것을 확인 할 수 있으며, 유체의 완전발달에 필요한 길이를 넘어선 2,000mm에 위치했을 경우는 완전 대칭의 온도분포를 나타내게 된다. 따라서 적은 DPF의 위치변화로 필터 내부의 고른 유동을 유도할 수 있을 것으로 분석되며, 이는 입구관에 일정한 유동분포를 유도하기 위한 부수적인 장치없이 동일한 효과를 기대할 수 있을 것으로 생각된다.
해석의 결과에서는 관의 길이 증가에 따른 열손실이 크지 않음을 볼 수 있으나, 이는 해석상 관벽의 자연대류 조건을 적용하여 열손실이 적었던 것으로 판단된다. 해석의 조건에서는 관 외부 벽의 대류조건을 자연대류 조건으로 간주하였으나 실제 운행 차량에서의 대류조건은 강제대류조건이 적용 될 것으로 판단된다.

후속연구

해석결과와 그래프에서 볼 수 있듯이 필터 입구 바로 앞에 곡관을 갖는 경우에는 축 중심의 상하 온도분포가 크게 나타남을 볼 수 있고, 곡관으로부터 250mm 거리 이상의 해석에서는 필터 내부의 온도분포가 축 중심의 상하 차이가 적어지는 것을 확인 할 수 있으며, 유체의 완전발달에 필요한 길이를 넘어선 2,000mm에 위치했을 경우는 완전 대칭의 온도분포를 나타내게 된다. 따라서 적은 DPF의 위치변화로 필터 내부의 고른 유동을 유도할 수 있을 것으로 분석되며, 이는 입구관에 일정한 유동분포를 유도하기 위한 부수적인 장치없이 동일한 효과를 기대할 수 있을 것으로 생각된다.
비록 해석의 결과가 정량적인 오차를 보였으나 필터의 축방향 및 반경방향 온도분포가 실험의 결과와 정성적인 일치성을 나타내기 때문에 실험에서 확인 할 수 없었던 조건들에 대한정보를 수치해석을 통해 얻을 수 있을 것으로 분석된다.
본 연구의 해석 목적이 관 길이에 따른 정성적인 핕터 내부의 온도분포에 있기 때문에 이 부분에 대한 고려는 하지 않았다. 추후 본 내용에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.
해석의 결과에서는 관의 길이 증가에 따른 열손실이 크지 않음을 볼 수 있으나, 이는 해석상 관벽의 자연대류 조건을 적용하여 열손실이 적었던 것으로 판단된다. 해석의 조건에서는 관 외부 벽의 대류조건을 자연대류 조건으로 간주하였으나 실제 운행 차량에서의 대류조건은 강제대류조건이 적용 될 것으로 판단된다. 본 연구의 해석 목적이 관 길이에 따른 정성적인 핕터 내부의 온도분포에 있기 때문에 이 부분에 대한 고려는 하지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DPF는 어떻게 구성되어 있는가?	DPF는 다공성물질의 필터로서 입구관, 출구관 그 사이의 격벽으로 구성되어 있다. 엔진의 배기다기관을 통해 배출된 배기가스는 필터의 입구관으로 유입되어 입구관과 출구관 사이의 격벽을 지나 출구관을 통해 배출되게 된다.
	DPF의 재생 과정은 무엇인가?	DPF는 다공성물질의 필터로서 입구관, 출구관 그 사이의 격벽으로 구성되어 있다. 엔진의 배기다기관을 통해 배출된 배기가스는 필터의 입구관으로 유입되어 입구관과 출구관 사이의 격벽을 지나 출구관을 통해 배출되게 된다. 이 과정에서 매연 등의 입자상 물질은 격벽에 포집되며, 일정량의 매연이 포집되면 열을 이용하여 포집된 매연을 연소시켜 다시 매연을 포집할 수 있는 상태로 만든다. 이 과정을 재생과정이라 한다.
	디젤차량의 문제점 중 폐 질환의 원인으로 밝혀진 것은 무엇인가?	따라서 효율이 높은 하이브리드 차량과 디젤차량에 대한 관심이 여전히 높을 수밖에 없다. 그러나 디젤차량 역시 NOx와 PM의 발생에 따른 문제점을 갖고 있다. 이중 PM의 경우 심각한 폐질환의 원인으로 밝혀져(1,2) 그 배출에 대한 제한이 강화되고 있으며, 이에 대한 저감 방법으로 DPF(Diesel Particulate Filter)가 가장 효과적인 시스템으로 사용되고 있다(3).

참고문헌 (10)

Eom, M. -D., Yoo, J. -H., Lee, J. -T., and Lim, C. -S., 1999, "Characteristics of Exhaust Emissions from a Heavy-duty Diesel Engine," KSAE, Vol. 7, No. 9, pp. 20-27.
Kim, H. S., Kim, J. H., Shin, D. -., Cho, G. -., and Jeong, Y. G., 2004, "A Study on the Characteristics of DPF System of Peugeot 607 Diesel Passenger Car," Transactions of KSAE, Vol. 12, No. 3, pp. 66-74.
Ryu, K. -H. and Park, M. -J., 2001, "A Study on Characteristics of Electric Heater Regeneration Filter Trap in Diesel Engine," Transactions of the Korea Society of Machine Tool Engineers, Vol. 10, No. 1, pp. 10-15.
Kim, H. S., Jeong, Y. G., Hwang, J. -W., and Han, S. M., 2005, "Performance of an Electrical Heated CDPF System for a Midium Duty Diesel Engine," Fall Conference of KSAE, pp. 247-251.
Kitagawa, J., Hijikata, To., and Yamada, S.,, 1991, "Electric Heating Regeneration of Large Wall-flow Type DPF," SAE paper, SAE No. 910136.
Lee, C. H. and Park, S. C., 2008, "An Experimental Study on Effect of a Partitioned Electric Heating on Temperature Distribution in a Diesel Particulate Filter," Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 11, No. 2, pp. 151-157.
Park, S. -C., Lee, C. -H., and Lee, S. -R., 2010, "Study on Temperature Distributions in a Diesel Particulate Filter Equipped with Partitioned Electric Heaters," Journal of the Korean Society of Combustion, Vol. 15, No. 3, pp. 67-73.
Lee, S. -R., Ko, Y. -N., and Lee, C. -H., 2009, "A CFD Analysis of Flow Velocity at Inlet of a Diesel Particulate Filter according to the Curved Duct Connection Conditions," Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 12, No. 4, pp. 457-464.
Cutler, W. A., and Merkel, G. A., 2000, "A New High Temperature Ceramic Material for Diesel Particulate Filter Applications," SAE paper, SAE 2000-01-2844.
Jung, S. -C and Yoon, W. -S., 2007, "A Detailed Examination of Various Porous Media Flow Models for Collection Efficiency and Pressure Drop of Diesel Particulate Filter," Transactions of KSAE, Vol. 15, No. 1, pp. 78-88.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증