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[국내논문] 입구 및 출구 형상 변화에 따른 촉매 삽입형 머플러 내부의 유동 해석
A Numerical Study on the Flow Characteristics in the Catalytic Muffler with Different Inlet and Outlet Configurations 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.5, 2013년, pp.59 - 66  

안태현 (전북대학교 항공우주공학과) ,  이승엽 (전북대학교 항공우주공학과) ,  박윤범 (제주산업정보대학 자동차과) ,  김만영 (전북대학교 항공우주공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Lack of the space in many diesel vehicles make it difficult to design and install the catalytic muffler to reduce emissions. For this reason, inlet part of the catalytic muffler is made of L-type which has lower flow uniformity than conventional I-type, and catalytic muffler has complex internal str...

Keyword

#촉매 삽입형 머플러   #다공관   #유동균일도   #압력강하   #기공률  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 이전연구를 확장하여 공간의 제약에 의해 입/출구가 I 타입이 아니라 L 타입인 촉매 삽입형 머플러에 최적화된 형상을 찾기 위해, 상용 CFD 코드인 AVL FIRETM를 이용하여 촉매의 반응률에 영향을 미치는 주요 인자인 촉매 전단에서의 유동균일도 및 엔진효율에 영향을 미치는 촉매 삽입형 머플러의 압력강하를 평가하였다. 측정된 실험값과 해석 결과의 압력강하 비교를 통해 수치해의 검증을 거친 후, 입/출구형상 및 기공률(porosity)과 같은 매개변수의 변화에 따른 유동 특성, 즉, 압력강하 및 유동균일도를 검토함으로써, 56kW급 디젤엔진의 촉매 삽입형 머플러에 적용하기 위한 낮은 압력강하 및 높은 유동균일도를 갖는 최적의 형상을 제시하고자 한다.
  • 따라서 본 연구에서는 이전연구를 확장하여 공간의 제약에 의해 입/출구가 I 타입이 아니라 L 타입인 촉매 삽입형 머플러에 최적화된 형상을 찾기 위해, 상용 CFD 코드인 AVL FIRETM를 이용하여 촉매의 반응률에 영향을 미치는 주요 인자인 촉매 전단에서의 유동균일도 및 엔진효율에 영향을 미치는 촉매 삽입형 머플러의 압력강하를 평가하였다. 측정된 실험값과 해석 결과의 압력강하 비교를 통해 수치해의 검증을 거친 후, 입/출구형상 및 기공률(porosity)과 같은 매개변수의 변화에 따른 유동 특성, 즉, 압력강하 및 유동균일도를 검토함으로써, 56kW급 디젤엔진의 촉매 삽입형 머플러에 적용하기 위한 낮은 압력강하 및 높은 유동균일도를 갖는 최적의 형상을 제시하고자 한다.
  • 본 연구에서는 촉매 삽입형 머플러의 유동균일도 개선 및 비교 연구를 수행하기 위하여 3차원 CAD로 구현된 단품의 형상을 유한체적법(FVM)을 기반으로 하는 상용 CFD 코드인 AVL FIRETM가 인식할 수있는 표면데이터(*.stl) 파일들로 변환한 후, FAME Hybrid 기능을 이용하여 격자를 생성하였다.12) 이후, 계산시간의 단축과 유효 수렴성 확보를 위해 반복적인 계산을 실시하였고, 최적화된 격자를 완성하였다.
  • 본 연구에서는 촉매삽입형 머플러의 유동특성을 고찰하기 위한 수치해석 연구를 진행하였다. 입구 및 출구 형상이 서로 다른 4가지의 모델을 검토하였으며 이를 통한 결과를 다음과 같이 정리할 수 있다.

가설 설정

  • 촉매 삽입형 머플러의 최적 유동특성을 확보하기 위해 내부 유동을 3차원 비압축성, 비반응, 그리고 정상상태 난류 유동으로 가정하였다.
  • 한편, 본 연구에서는 담체를 연속체로 모델링하여 다공성 물질(porous medium)로 가정하였으며, 다공성 물질 내부의 난류 운동에너지 k는 표준수송방정식으로 계산되고, 구멍 안의 층류과정을 고려하기 위한 소산율 ε은 식 (6)과같이 계산된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
디젤엔진의 압축착화방식은 어떤 단점을 가지는가? 기존의내연기관중디젤엔진은가솔린엔진에비해 열효율이 높고 이산화탄소(CO2)의 배출량이 적은 장점으로 인해 여러 산업에 걸쳐 널리 사용되고 있다. 하지만 디젤엔진의 압축착화방식은 높은 수준의 입자상 물질(particulate matter, PM)과 질소산화물(nitrogen oxides, NOX)을 배출하는 단점을 가지고 있다.1,2) 입자상 물질은 DPF (diesel particulate filter)를 이용하여 90%에 가까운 높은 저감율을 보이지만, 질소산화물의 경우 EGR (exhaust gas recirculation) 기술만으론 강화되는 배기규제를 만족시킬 수 없기 때문에 다양한 후처리장치에 대한 연구가 활발히 진행되고있다.
촉매삽입형 머플러 내부 모노리스 단면에 배기가스가 불균일하게 유입되어 촉매의 성능저하 및 내구성의 감소를 초래하는 문제를 해결하기 위하여 어떤 연구가 진행되었는가? 한편, 후처리장치가 머플러 내에 삽입되어 있는 촉매삽입형 머플러 내부는 삽입물, 즉, 촉매, 다공관 또는 다공판에 의해 복잡한 유동이 형성되고, 이로 인해 모노리스(monolith) 단면에 배기가스가 불균일하게 유입되는데, 이는 촉매의 성능저하 및 내구성의 감소를 초래한다. 이와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 Zhang and Tennison5)은 촉매 변환기 내부 공기 간극(air gap)에서의 3차원 유동 특성 및 공기간극의 길이 증가에 따른 촉매 전단에서의 유동 균일도 지수에 대하여 연구하였고, Kim et al.6)은 듀얼 모노리스형 촉매변환기(dual monolith catalytic converter)에 다양한 확대관의 각도(diffuser angle) 및 공기 간극에 따른 변환기 내부에서의 유동균일도를 3차원 정상상태 조건으로 연구하였으며, 또한 Kim and Son7)은 촉매의 전환율을 향상시키기 위해 촉매의 셀 밀도(cell density)를 반경방향으로 3단계 변화 시킨 모노리스 형상을 제안하였고, 배기가스 유동이 집중되는 중앙부분의 셀 밀도를 높이는 반면에 집중이 상대적으로 약한 부분의 셀 밀도를 낮춘 형상을 기존의 균일한 셀 밀도를 갖는 모노리스와 비교하였다. Lee et al.8)은 CCC(closed-coupled catalytic converter)에서 내부 유동을 3차원 압축성 유체로 고려하여, 배기가스의 분포특성에 대하여 연구하였으며, 촉매 변환기의 각 셀 모양은 전환효율과 압력강하에 큰 영향을 끼치기 때문에, 촉매의 다양한 셀(cell) 모양 및 치수에 대하여 비교하였다. 한편, Kang et al.9)은 원형관내 믹서의 기하학적 변수에 따른 혼합유동특성을 고찰하기 위해 베인 (vane)의 각, 크기, 위치, 그리고 모양 변화에 따른 성능지수 비교 및 유동 특성에 대해 연구하였으며, Lim et al.10)은 파이프, 인젝터(injector), 그리고 믹서(mixer)의 위치 변화에 따른 배기가스 분포특성에 대하여 고찰하였다. 이전 연구들은 촉매 삽입형 머플러의 유동균일도를 향상시키기 위해, 확대관 및 삽입물 등에 의한 영향을 평가했다. 하지만, 다양한 유입부 형상에 따른 촉매 삽입형 머플러 내부 촉매에서의 유동균일도 확보를 위한 연구는 유입부 형상 및 내부유동의 난류 특성으로 인하여 계속적인 연구가 필요한 실정이다.
촉매삽입형 머플러 내부가 삽입물, 즉, 촉매, 다공관 또는 다공판에 의해 복잡한 유동이 형성됨에 따라 어떤 문제를 초래하는가? 한편, 후처리장치가 머플러 내에 삽입되어 있는 촉매삽입형 머플러 내부는 삽입물, 즉, 촉매, 다공관 또는 다공판에 의해 복잡한 유동이 형성되고, 이로 인해 모노리스(monolith) 단면에 배기가스가 불균일하게 유입되는데, 이는 촉매의 성능저하 및 내구성의 감소를 초래한다. 이와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 Zhang and Tennison5)은 촉매 변환기 내부 공기 간극(air gap)에서의 3차원 유동 특성 및 공기간극의 길이 증가에 따른 촉매 전단에서의 유동 균일도 지수에 대하여 연구하였고, Kim et al.
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참고문헌 (14)

  1. M. Y. Kim, "Performance Prediction of SCR- $DeNO_X$ System for Reduction of Diesel Engine $NO_X$ Emission," Transactions of KSAE, Vol.11, No.3, pp.71-76, 2003. 

  2. J. H. Kim, M. Y. Kim and H. G. Kim, " $NO_2$ -Assisted Soot Regeneration Behavior in a Diesel Particulate Filter with Heavy-duty Diesel Exhaust Gases," Numerical Heat Transfer, Part A, Vol.58, No.9, pp.725-739, 2010. 

    상세보기 crossref

  3. S. Y. Lee, M. Y. Kim, C. H. Lee and Y. B. Park, "Numerical Investigation of the Urea Melting and Heat Transfer Characteristics with Three Different Types of Coolant Heaters," Transactions of KSAE, Vol.20, No.4, pp.125-132, 2012. 

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  4. B. K. Yun and M. Y. Kim, "Modeling the Selective Catalytic Reduction of $NO_X$ by Ammonia over a Vanadia-based Catalyst from Heavy Duty Diesel Exhaust Gases," Applied Thermal Engineering, Vol.50, No.1, pp.152-158, 2013. 

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  5. X. Zhang and P. Tennison, "Numerical Study of Flow Uniformity and Pressure Loss through a Catalytic Converter with Two Substrates," SAE 2008-01-0614, 2008. 

  6. Y. D. Kim, S. J. Jeong and W. S. Kim, "A Numerical Study on the Flow Uniformity and Pressure Drop in Dual Monolith Catalytic Converter during the Rapid Acceleration/Deceleration Driving," Transactions of KSAE, Vol.15, No.5, pp.63-71, 2007. 

  7. J. Y. Kim and S. H. Son, "Improving Flow Efficiency of a Catalytic Converter Using the Concept of Radially Variable Cell Density - Part I," SAE 1999-01-0769, 1999. 

  8. S. Y. Lee, S. S. Park, H. Y. Kim and K. M. Cho, "Flow Analysis of CCC with the Change of Cell Shape," KSAE Fall Conference Proceedings, pp.72-77, 1998. 

  9. K. Kang, M. S. Jung, C. Kim, J. K. Lee and M. Y. Kim, "Numerical Study on the Mixing Flow Characteristics with a Vane-type Static Mixer in a Diesel Exhaust System for Urea SCR Application," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.532-538, 2011. 

  10. J. H. Lim, Y. B. Yoon, C. S. Song, Y. J. Park, S. W. Lee, Y. S. Cho, J. G. Joo and H. O. Kim, "A Numerical Analysis on Distribution of Reductant with Mixer Application and Various Injection Method in Urea-SCR System," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.130-135, 2010. 

  11. B. E. Launder and D. B. Spalding, "The Numerical Computation of Turbulent Flows," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol.3, No.2, pp.269-289, 1974. 

    상세보기 crossref

  12. AVL $Fire^{TM}$ , Boost-Aftertreatment-CFD-Solver, pp.254-255, 2010. 

  13. H. Weltens, H. Bressler, F. Terres, H. Neumaier and D. Rammoser, "Optimisation of Catalytic Converter Gas Flow Distribution by CFD Predictions," SAE 930780, 1993. 

  14. Y. D. Kim, S. J. Jeong and W. S. Kim, "An Numerical Study on the Flow Uniformity and Pressure Drop in Dual Monolith Catalytic Converter during the Rapid Acceleration/Deceleration Driving," Transactions of KSAE, Vol.15, No.5, pp.63-71, 2007. 

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