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삼원 촉매 담체의 확률론적 열피로 성능 평가
Probabilistic Estimation of Thermal Fatigue Performance of Three-Way Catalyst Substrate 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.6, 2014년, pp.669 - 676  

조석수 (강원대학교 자동차공학과)

초록
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국내 승용차용 삼원촉매담체의 경우 배기가스 변환 효율이나 압력 강하 등은 엔진 효율 측면에서 만족되고 있지만 열적 내구성은 요구 내구 수명을 만족시키지 못하여 차량정비현장에서 상당한 파손사고가 발견되고 있다. 본 논문에서는 이러한 현상의 원인을 밝히기 위하여 국내 승용차용 삼원촉매담체에서 발생되는 열응력을 온도측정자료와 단순한 열응력 모델을 이용하여 구하였으며 열피로 성능은 확정론적 강도가 아닌 확률과 크기 및 피로 인자를 고려한 확률론적 설계 강도로 평가함으로서 확정론적 설계 강도에 의한 열피로 성능 평가 방법을 극복하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A three-way catalyst substrate for domestic passenger car satisfies the design criteria for exhaust gas exchange and pressure drop but does not have satisfactory thermal fatigue performance. Prefracture faults in this three-way catalyst substrate has often been discovered in vehicle repair or vehicl...

주제어

#삼원촉매담체   #열응력   #확률인자   #크기효과   #피로인자   #강도저하계수   #파단계수   #파손확률  

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

문제 정의

  • 은 삼원촉매담체의 열피로 성능 평가 파라미터로 확정론적 설계 응력을 제안하는 동적피로수명평가방법으로 평가한 결과 삼원촉매담체가 피로설계수명을 만족시키지 못하는 조기파손현상을 설명하지 못하고 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 국내 승용차용 삼원촉매담체에서 발생되는 열응력을 온도측정자료와 단순한 열응력 모델을 이용하여 구하였으며 열피로 성능을 확정론적 강도가 아닌 확률과 크기 및 피로 인자를 고려한 확률론적 설계 강도로 평가함으로써 확정론적 설계 강도에 의한 열피로 성능 평가 방법을 극복하였다.
  • 본 연구에서는 삼원촉매의 열응력을 온도 측정 시험결과를 기초로 삼원촉매의 안전성을 파손 확률로 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

  • 또한, 삼원촉매담체는 적은 연신율에 의한 취성 및 압출공정과 온도분포의 이방성으로 인하여 파손기준응력을 복합응력으로 고려하지 않고 원통좌표계에 따른 단일수직응력으로 가정하였다.(9) 한편, 세라믹 압출 성형품은 반경방향과 접선방향의 기계적 특성치는 동일한 것으로 평가되고 있어 본 연구에서도 반경방향과 접선방향의 기계적 특성치를 동일하게 가정하였다.(4,10)
  • 좌표계는 원통좌표계(Cylindrical coordinate system)를 적용하고 반경방향, 접선방향, 축방향으로 각각 설정하였다. 또한, 삼원촉매담체는 적은 연신율에 의한 취성 및 압출공정과 온도분포의 이방성으로 인하여 파손기준응력을 복합응력으로 고려하지 않고 원통좌표계에 따른 단일수직응력으로 가정하였다.(9) 한편, 세라믹 압출 성형품은 반경방향과 접선방향의 기계적 특성치는 동일한 것으로 평가되고 있어 본 연구에서도 반경방향과 접선방향의 기계적 특성치를 동일하게 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
일반적으로 삼원촉매담체가 두 개의 삼원촉매담체로 분리되어 설치되는 이유는? 5 cells/in2)의 구조를 나타낸 것이다. 일반적으로 삼원촉매담체는 축방향의 과도한 온도구배를 억제하기 위해 두 개의 삼원촉매담체로 분리되어 설치된다.
삼원촉매담체에서 발생하는 열응력을 평가하기 위한 열전달 방법의 특징은? 이러한 관점에서 삼원촉매담체에서 발생하는 열응력을 평가하기 위한 접근으로는 열전달 방법 (Heat transfer simulation method)과 열유동 방법 (Thermal flow simulation method)이 있다. 전자는 삼원촉매담체 온도 분포를 직접 측정하여 열응력을 얻을 수 있어 매우 신뢰성이 높은 방법이다. 후자는 온도, 대류 열전달계수, 속도, 압력 등의 매개 변수를 이용하여 삼원촉매담체의 온도 분포를 간접적으로 구하여 열응력을 간단히 계산할 수 있다.
삼원촉매담체에서 발생하는 열응력을 평가하기 위한 방법에는 무엇이 있는가? 또한 엔진이 가동되는 동안 내부 영역의 경우 높은 온도가 유지되고, 외부 영역의 경우 낮은 온도가 발생되어 삼원촉매담체는 일정 크기의 인장 응력을 받고 있다. 이러한 관점에서 삼원촉매담체에서 발생하는 열응력을 평가하기 위한 접근으로는 열전달 방법 (Heat transfer simulation method)과 열유동 방법 (Thermal flow simulation method)이 있다. 전자는 삼원촉매담체 온도 분포를 직접 측정하여 열응력을 얻을 수 있어 매우 신뢰성이 높은 방법이다.
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참고문헌 (16)

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

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

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  3. Lee, J. S. and Kim, N. Y., 2008, "Characterization of SCR System for Nox Reduction of Diesel Engine (II), "Transactions of the KSPE, Vol. 25, No. 11, pp. 83-89. 

  4. Gulati, S. T., 1985, "Long-Term Durability of Ceramic Honeycombs for Automotive Emissions Control," SAE Tech. Paper No. 850130. 

  5. Baek, S. H., Cho, S. S., Shin, S. G. and Joo, W. S., 2006, "Size Effect on the Modulus of Rupture in Automotive Ceramic Monolithic Substrate using Optimization and Response Surface Method," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 30, No. 11, pp. 1392-1400. 

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  6. Lee, S. R. and Cho, S. S., 2013, "A Estimation of Thermal Fatigue Performance in Three-way Catalyst," Transactions of the KAIS, Vol. 14, No. 1, pp. 13-19. 

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  7. Baek, S. H., Kim, S. Y., Seung, S. S., Yang, H., Joo, W. S. and Cho, S. S., 2007, "Experimental Estimation of Thermal Durability in Ceramic Catalyst Supports for Passenger Car," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 31, No. 12, pp. 1157-1164. 

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  8. Hyundai Motors, 1993, Hyundai SONATA II Engine Workshop Manual, Hyundai Motors, Seoul, pp.14-16. 

  9. Norman E.Dowling, 1999, Mechanical Behavior of Materials, Prentice Hall Inc., New Jersey, pp. 239-285 

  10. Gulati, S. T. and Sherwood, D. L., 1991, "Dynamic Fatigue Data for Cordierite Ceramic Wall-Flow Diesel Filters," SAE Tech. Paper No. 910135. 

  11. Rawson, H., 1951, "A Theory of Stresses in Glass Butt Seals," British Journal of Applied Physics, Vol. 2, No. 6, pp. 151-156. 

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  12. Timoshenko, S. P. and Goodier, J. N., 1970, Theory of Elasticity: 3rd edition, McGraw-Hill, New York, pp. 433-483. 

  13. Gulati, S. T., 1983, "Thermal Stresses in Ceramic Wall Flow Diesel Filters," SAE Tech. Paper No. 830079. 

  14. Gluati, S. T., William, B., Nunan, J., and Anderson, K., 2010, "Fatigue and Performance Data for Advanced Thin Wall Ceramic Catalyst," SAE Tech. Paper No. 980670. 

  15. Baek, S. H., Kim, S. Y., Seung, S. S., Yang, H., Joo, W. S., and Cho, S. S., 2007, "Experimental Estimation of Thermal Durability in Ceramic Catalyst Supports for Passenger Car," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 31, No. 12, pp. 1157-1164. 

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  16. Choi, H.J., 2010 An Estimation of Thermal Fatigue in Three-way Catalyst using Thermal Flow and Structure Analysis, A Thesis for a Masterate, Kangwon National University, South Korea, pp. 49-50. 

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