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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 SCR 촉매와 소음기가 일체화된 머플러를 대상으로 머플러 입구와 촉매 사이의 챔버 내부에 설치된 다공튜브의 형상변화가 내부유동에 끼치는 영향을 해석적으로 조사하여 챔버 내부 유동장을 가시화 하였으며, 다공튜브의 형상변화를 통한 설계해석 최적화를 실시한 결과를 반영하여 샘플을 동일 엔진에 장착, 시험을 통해서 NOx 변화 추이를 분석하여 해석결과와의 비교를 통해 최적화 조건을 찾고자 하였다.
제안 방법
- 해석에 사용된 SCR 머플러와 내부에 포함된다. 공튜브를 해석하기 위하여, CATIA V5로 3차원 설계를 진행하고 설계된 파일은 GAMBIT 2.3에서 import 될 수 있는 파일형식으로 변경하여 형상을 불러오게 된다. 형상의 왜곡된 부분에 대해 수정을 하고 메쉬를 설정하였으며, 경계를 부여하여 solver에서 해석을 수행하였다.
- 다공튜브 형상변경에 따른 면적비 +40, 0(zero), -40 조건에서의 동일한 SCR 머플러를 디젤엔진에 장착하고 시험장치를 활용하여 시험하였다.
- 다공튜브의 형상이 챔버 내부유동에 끼치는 영향을 알아보기 위해 다공튜브 오리피스 면적을변화시켰다. 다공튜브 길이방향에 따른 오리피스면적은 +40, +20, -20, -40으로 변화되었다.
- )과 변화된 직경에 따른 인접한 두 오리피스 사이의 간격을 Table 1에 나타내었다. 면적비 변화효과는 다공튜브 길이방향으로 일정한 직경(d=8 mm)이 설치되어 면적비 변화가 없는 0(zero)으로 표시된 경우와 비교를 통하여 확인하였다. 면적비 변화가 있는 경우(+40, +20, -20, -40)와 없는 경우(0) 모두 차단비는 20.
- 본 연구 대상물인 SCR 머플러의 주요기능이 배출가스의 NOx를 저감하기 위하여 차량에 장착하는 장치임에 따라 시험 결과값 중 NOx 값에 대해서만 분석을 실시하였다. -40 조건에서 시험모드별 각 운전영역에서의 배출특성은 Fig.
- 사이클 구성은 아이들 모드와 최대 출력을 기준으로 저속·중속·고속의 3가지 속도 영역을 선정한 후 각 속도영역의 25, 50, 75, 100% 부하조건으로 구성된 정속 13모드와 NOx 측정을 위한 추가적인 3개의 모드로 구성, 고부하 및 높은 배출가스 온도영역의 운전조건을 만족토록 하였다.
- 입구 면적이 서로 다른 두 개의 촉매가 병렬로 설치된 촉매삽입형 SCR 머플러에서 플리넘 챔버 내에 설치된 다공튜브의 오리피스 면적비 변화가 챔버 내부유동 및 촉매 전후단 유동분포에 미치는 영향을 해석적으로 조사하고, 최적화 설계를 통한 다공튜브의 면적비를 변경한 +40, 0(zero), -40 조건으로 샘플을 제작하여 동일한 엔진 및 SCR 머플러에 장착하여 시험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 3에서 import 될 수 있는 파일형식으로 변경하여 형상을 불러오게 된다. 형상의 왜곡된 부분에 대해 수정을 하고 메쉬를 설정하였으며, 경계를 부여하여 solver에서 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- Fig. 8은 시험용 엔진의 기본성능 및 SCR 머플러 시스템의 성능을 분석하기 위한 시험장치로써 엔진동력계시스템, 배기분석계, 입자상물질을 포집하는 MDLT로 구성하였다. Fig.
- 대상엔진은 6ℓ급 6기통 엔진을 대상으로 하였다. 직경 89.
- 본 연구에서는 배기가스가 유입되는 다공튜브 입구부터 촉매 입구 전단에 설치된 플리넘 챔버를 해석 대상으로 하였다.
- 시험모드는 국내 및 유럽에서 사용하고 있는 배기인증 시험모드로써 정적 사이클의 ESC 모드와 transient의 ETC 시험모드를 수행하였다. ESC 모드는 유럽의 대형엔진 배기인증 사이클이며, steady-state모드로 국내에서는 ND-13 모드라고 하며, 대형 디젤 자동차의 배기인증 시험모드로 사용되고 있다.
- 시험에 사용한 다공튜브는 설계해석을 근거로 Table 1의 설계모델 중 면적비 +40, 0(zero), -40조건인 샘플 3개를 제작하여 SCR 머플러 내부에 순차적으로 정착한 다음 엔진시험을 수행하였다. Fig.
- 시험에 사용한 엔진은 EURO- 규제를 만족하는 6L급 디젤엔진으로 터보차저와 인터쿨러가 장착 되어 있으며, 연료분사시스템은 CRDI 방식으로 보쉬사 제품이며, 엔진의 최대 토크는 850Nm/1250~1950rpm이고 최대마력은 185KW/2700rpm이며, 최대엔진 speed는 3000rpm이다.
- 5이다. 해석모델은 CATIA V5를 이용하여 모델링하고 격자는 Gambit 2.3을 사용하였으며 구성된 격자 수는 대략 60만개 전후이다.
- 해석에서 작동유체로 사용한 공기의 점도(μ)는 8.9576x10-5 Pa-s, 밀도(ρ)는 1.293 kg/m3이다.
이론/모형
- SCR 촉매 필터를 모사하기 위해 해석적으로 다공성모델을 사용하였다. 본 연구에 이용된 해석프로그램에서 다공성물질에 대한 운동량방정식에 대한 생성항인 촉매 셀을 통과하는 압력강하는 식 (1)과 같이 정의된다.
- 다공튜브 형상변화에 따른 챔버 내부 유동특성을 해석하기 위하여 전산해석 상용프로그램 중 하나인 Fluent V6.3을 이용하였다. 챔버 내부 및 촉매 전후단 속도분포를 조사하기 위한 지배방정식은 기상인 공기의 연속상에 대한 오일러리언 연속방정식 및 운동량보존식으로 이루어져 있다.
- 배기관 입구 유입속도와 입구 크기를 기준으로 한 레이놀즈수는 최소 5x104 이상이므로 난류모델을 사용하였으며 와점성계수 계산을 위한 난류모델은 표준 k-ε 모델을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 다공튜브 길이방향으로 오리피스 면적이 증가하여 오리피스 끝단부분으로 갈수록 유량이 많이 방출되는 경우 오리피스 방출유량 또한 길이 방향에 따라 증가하며 챔버 내부에 강력한 벌크선회유동장이 형성되어 촉매 전후단 균일도지수 및 유량분배가 양호하게 나타나지만 상대적으로 챔버 내부압력이 증가함을 알 수 있었다.
- (2) SCR 머플러 내부의 다공튜브 형상을 변경할 경우 디젤엔진의 배출가스 유해물질인 NOx를 저감할 수 있음을 확인하였다.
- (3) 다공튜브 길이방향으로 오리피스 면적이 증가하여 오리피스 끝단으로 갈수록 유량이 많이 방출되는 경우 (-40조건)에서 NOx 값이 ESC 모드의 경우에서 0(zero) 조건 대비 14.3% 저감되고, ETC 모드의 경우 3.6% 저감되어 NOx 저감 효과가 가장 우수하게 나타남을 알 수 있었다.
- (4) 촉매삽입형 SCR 머플러의 해석결과인 (-)조건에서 균일도지수 및 유량분배 특성에 유리하게 작용하는 결과와 엔진시험을 실시한 결과값이 다공튜브 길이방향으로 오리피스 면적이 증가하여 오리피스 끝단으로 갈수록 유량이 많이 방출되는 경우 (-40조건)에서 NOx 저감효과가 가장 우수하게 나타남에 따라, 해석결과와 엔진시험 결과가 일치함을 확인하였다.
- 시험결과를 분석해 보면 -40 조건에서 ESC 모드로 시험한 결과값이 1 .064 g/ kWh 값으로 0(zero) 조건에서의 결과값 1,242 g/kWh 대비하여 85.7% 수준으로 14.3% 저감효과를 나타내고 있으며 +40조건에서는 1.459 g/kWh 값으로 0(zero) 조건 대비하여 117.5% 수준으로 더 높아지는 것을 알 수 있다.
- 이상의 결과를 종합해 보면 다공튜브 길이방향으로 보다 많은 유량이 방출되는 경우가 유동 균일도지수 및 유량분배 측면에서 효과적이지만 강한 챔버 내부 벌크 선회유동으로 인한 압력 손실이 약간 증가함을 알 수 있다. 따라서 압력증가가 허용되는 범위내에서 다공튜브 길이방향에 따라 더 많은 유량이 방출되도록 다공튜브의 형상을 설계하는 것이 촉매효율향상 및 암모니아슬립에 큰 도움이 된다는 것을 알 수 있다.
- 이와 같은 시험결과는 해석결과 (-)조건에서 균일도지수 및 유량분배 특성이 유리하게 작용하는 결과와 동일한 결과로 -40 조건에서 NOx 저감 효과가 가장 좋은 것을 알 수 있다.
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