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우레아염 퇴적 방지를 위한 믹서 위치 및 하우징 형상에 따른 벽면 유동특성에 관한 연구
Wall flow characteristics with static mixer position and housing geometry for preventing urea-salt deposition 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.37 no.4, 2013년, pp.368 - 377  

이방욱 (현대자동차(주)) ,  이지근 (전북대학교 기계시스템공학부)

초록
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대형디젤기관 배기가스 저감용 Urea-SCR 시스템은 높은 NOx 저감율을 보이는 반면, 높은 관통도를 갖는 요소수가 벽면 충돌 후 증발하지 못하고 벽면에 머물게 되어 우레아염을 형성한다. 우레아염 생성 방지를 위한 방안으로 벽면유동 형성을 촉진하기위한 믹서-하우징 조립체의 형상 최적화와 관련된 실험적 연구가 수행되었다. 하우징 경사각 변화 및 믹서 설치위치에 따라 벽면유동의 증가 가능성이 hot-wire 시스템을 이용하여 조사되었다. 벽면 유동은 하우징 경사각 및 믹서 설치 위치에 큰 영향을 받으며, 하우징 경사각이 있고 믹서가 하우징 후단에 설치될 때 벽면유동이 향상되는 것을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The Urea-SCR system commercialized shows a remarkable performance to reduce NOx emission in heavy duty diesel engines. However, Urea-water solution injected upstream a mixer, which is set up inside a exhaust pipe to promote exhaust gas-atomized droplet mixing, bumps up against the wall of a exhaust ...

주제어

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문제 정의

  • 특히 하우징 끝단(x/L=1) 부분은 하우징을 통과한 요소수 분무 입자의 충돌가능성이 높은 영역이므로 이 부분에서 높은 벽면유동을 형성하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 벽면 유동의 운동량 증가를 통해 요소수 분무의 벽면 충돌을 방지하기 위해 하우징 각도 및 믹서 설치 위치 변화의 효과를 조사하였으며, 특히 x/L=1~2 영역에서 벽면유동(wall flow)의 증가 여부를 중점적으로 조사하였다.
  • 본 연구에서는 요소수 벽면 충돌을 최소화를 통한 우레아염 생성 방지를 위한 방안으로 벽면유동 형성을 촉진하기위한 믹서-하우징 조립체의 형상 최적화와 관련된 실험적 연구를 수행하였다. 하우징 형상변화를 통해 벽면유동 증가의 가능성을 조사하였으며, 하우징 내 설치되는 믹서의 위치변화가 벽면유동 형성에 미치는 영향을 조사하여 최적의 믹서-하우징 형상 조합을 제시하고자 하였다.
  • [14]은 Urea-SCR 시스템의 성능에 큰 영향을 끼치는 촉매전단의 암모니아와 배기가스 혼합유동장의 속도 및 농도의 균일 분포도를 향상시키기 위해 대형 정치용 엔진을 대상으로 해석적 연구를 수행하였다. 이 연구에서 속도장 및 농도분포의 균일도 향상을 위해 배기관내 설치된 코너 베인 및 정류장치(rectifier grill) 등이 균일도 향상에 큰 역할을 함을 보고하였고 와류혼합장치의 설치가 농도분포 균일도 향상에 영향을 끼침을 제시하였다. Kim et al.
  • 이것은 Figure 5의 해석 결과에서도 알 수 있듯이 믹서 모사체 후류에 재순환유동장을 포함하는 복잡한 유동이 형성되고 있기 때문이다. 이와 같은 믹서-하우징 모사체 후류에 형성된 축방향 속도분포를 이용하여 본 연구의 주요 관심사인 벽면유동의 축방향 속도의 운동량 증감여부를 조사하였다.
  • 8 mm로 변화한다. 이와 같이 하우징 후단과 벽면사이의 높이를 기준으로 운동량변화를 살펴보는 것은 하우징 각도 증가와 유동저항 사이의 관계를 알아보기 위한 것이다. 즉하우징 각도가 증가함에 따라 하우징과 벽면사이의 유동면적이 감소하여 유동저항이 증가하게 되며, 결국 하우징 후단으로 방출되는 유량과 운동량이 감소하게 될 것이다.
  • 본 연구에서는 요소수 벽면 충돌을 최소화를 통한 우레아염 생성 방지를 위한 방안으로 벽면유동 형성을 촉진하기위한 믹서-하우징 조립체의 형상 최적화와 관련된 실험적 연구를 수행하였다. 하우징 형상변화를 통해 벽면유동 증가의 가능성을 조사하였으며, 하우징 내 설치되는 믹서의 위치변화가 벽면유동 형성에 미치는 영향을 조사하여 최적의 믹서-하우징 형상 조합을 제시하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Urea-SCR 시스템의 원리는 무엇인가? Urea-SCR 시스템은 요소수(urea-water solution)를 분사 제어 장치를 통해 배기관내에 정밀하게 분사시키고 이렇게 분사된 요소수는 배기가스 열에 의해 열분해 되어 암모니아(NH3)로 변환되며, 생성된 암모니아는 후단에 장착된 SCR촉매에서 질소산화물(NOx)과 반응하여 인체에 무해한 물과 질소로 분해하는 원리를 갖고 있다[3]. Urea-SCR 시스템의 촉매 활용도를 높이고 암모니아 슬립을 방지하기 위해서는 촉매 전단에서 암모니아의 공간분포가 균일해야 한다.
디젤엔진의 오염물질 저감을 위하여 어떤 기술들이 사용되고 있는가? 오염물질 저감에 사용되는 기술은 엔진설계기술, 연료 첨가제기술 및 배기가스 후처리 기술로 크게 구분할 수 있으며 최근에는 PM저감을 위한 DPF(diesel particulate filter), 디젤산화촉매(diesel oxidation catalyst) 및 NOx저감을 위한 Lean NOx 촉매, SCR(selective catalystic reduction) 등과 같은 기술을 적용한 배기가스후처리기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 Urea-SCR 시스템은 엔진 출력을 유지하면서 90% 이상의 NOx 저감율을 달성할 수 있는 장점으로 인해 많은 연구가 진행되어 왔으며 완성차업체에서 최근에 개발되는 차량의 대부분에 Urea-SCR 방식을 채택하고 있다[2].
디젤엔진이 환경오염의 주범으로 인식되는 이유는 무엇인가? 또한 디젤엔진은 내구성, 신뢰성 및 안전성 등을 가지고 있어 점점 강화되는 배기가스 규제에도 불구하고 지속적 성장을 하고 있으며, 특히 디젤엔진을 탑재한 소형 차량의 판매는 매년 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. 그러나 디젤엔진은 가솔린엔진 대비 입자상물질(particular matter, PM) 및 질소산화물(nitric oxide, NOx)의 배출 수준이 높아 환경오염의 주범으로 인식되고 있다. 디젤엔진에서 배출되는 오염물질을 저감시키기 위한 세계 각국의 법적 규제는 날로 엄격해 지고 있으며 엔진 및 완성차 제조업체는 디젤엔진에서 배출되는 주요 오염물질인 NOx와 PM을 저감하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[1].
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참고문헌 (16)

  1. T. V. Johnson, "Diesel Emission Control in Review," Society of Automotive Engineers 2007-01-0233, 2007. 

  2. H. P. Heering, C. H. Onder, M. Elsener, and C. M. Schaer, "Control of a urea SCR catalytic converter system for a mobile heavy duty diesel engine," Society of Automotive Engineers 2003-01-0776, 2003. 

  3. Z. Huang, Z. Zhu, Z. Liu, and Q. Liu, "Formation and reaction of ammonium sulfate salts on V2O5/AC catalyst during selective catalytic reduction of nitric oxide by ammonia at low temperatures," Journal of Catalysis, vol. 214, pp. 213-219, 2003. 

  4. H. S. Kim, Y. G. Jeong, M. H. Song, S. W. Lee, H. D. Park, and J. W. Hwang, "Influential factors for NOx reduction performance of Urea-SCR system for an in-use medium duty diesel engine," Transactions of Korean Society of Automotive Engineers, vol. 17, no. 1, pp. 154-161, 2009. 

  5. J. W. Seo, K. I. Lee, J. T. Oh, Y. H. Choi, J. H. Lee, and J. I. Park, "The study on the effects of mixer configurations on fluid mixing characteristics in SCR systems," Transactions of Korean Society of Automotive Engineers, vol. 16, no. 6, pp. 192-199, 2008. 

  6. S. H. Ryu, J. Y. Kim, B. S. Min, and J. S. Ha, "A research on the characteristics of spray-induced mixing and thermal decomposition of urea solution in SCR system," Journal of the Korean Society of Marine Engineers, vol. 28, no. 5, pp. 818-826, 2004. 

  7. J. M. Oh, W. Cha, K. Kim, J. Lee, and K. Lee, "A study on the characteristic and droplet uniformity of spray injection to exhaust gas flow from urea solution injector," Transactions of Korean Society of Automotive Engineers, vol. 19, no. 3, pp. 83-89, 2011. 

  8. Y. S. Cho, S. W. Lee, I. K. Jang, Y. B. Yoon, C. S. Song, Y. J. Park, and H. O. Kim, "An experimental study on optimization of NH3 injection with Various Exhaust Gas Conditions on Selective Catalytic Reduction(SCR) System," Transactions of Korean Society of Automotive Engineers, vol. 17, no. 6, pp. 74-80, 2009. 

  9. S. J. Jeong, S. J. Lee, W. S. Kim, and C. B. Lee, "Numerical study on the injector shape and location of urea SCR system of heavy-duty diesel engine for preventing $NH_3$ slip," Transactions of Korean Society of Automotive Engineers, vol. 14, no. 1, pp. 68-78, 2006. 

  10. J. G. Nam and J. S. Choi, "Dynamic characteristics of a urea SCR system for NOx reduction in diesel engine," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 31, no. 3, pp. 235-242, 2007. 

  11. J. S. Choi, K. H. Cho, J. H. Lee, J. W. Lee, J. G. Kim, H. S. Yang, J. H. Ko, K. Y. park, and S. H. Jang, "Investigation of NOx reduction ratio on SCR system for a marine diesel engine," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 27, no. 6, pp. 832-838, 2003. 

  12. M. Koebel, M. Elsener, and M. Kleemann, "Urea-SCR: A promising technique to reduce NOx emissions from automotive diesel engines," Catalysis Today, vol. 59, pp. 335-345, 2000. 

  13. S. Grout, J. Blaisot, K. Pajot, and G. Osbat, "Experimental investigation on the injection of An urea-water solution in hot air stream for the SCR application: evaporation and spray/wall interaction," Fuel, 2012. Available: http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2012.09.022 

  14. H. Liu, T. Guo, Y. Yang, and G. Lu, "Optimization and numerical simulation of the flow characteristics in SCR system," Energy Procedia, vol. 17, pp. 801-812, 2012. 

  15. T. K. Kim, Y. M. Sung, S. H. Han, S. J. Ha, G. M. Choi, and D. J. Kim, "Effect of mixer structure on turbulence and mixing with urea-water solution in marine SCR system," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 6, pp. 814-822, 2012. 

  16. M. W. Bae, Syaiful, and Y. Mochimaru, "A study on numerical simulation of gaseous flow in SCR catalytic filter of diesel exhaust gas after treatment device," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 34, no. 3, pp. 360-368, 2010. 

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