[논문]디젤차량 배기가스의 PM 제거에 관한 매연여과장치 전산해석

염규인; 한단비; 남승하; 백영순

doi:10.7464/ksct.2018.24.4.301

[국내논문] 디젤차량 배기가스의 PM 제거에 관한 매연여과장치 전산해석
A CFD Analysis on DPF for the Removal of PM from the Emission of Diesel Vehicle 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.24 no.4, 2018년, pp.301 - 306

염규인 (수원대학교 환경에너지공학과) , 한단비 (수원대학교 환경에너지공학과) , 남승하 ((주) 세라컴) , 백영순 (수원대학교 환경에너지공학과)

초록
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최근 미세먼지의 증가로 인해 디젤 자동차로부터 발생되는 PM에 대한 규제가 강화되고 있다. 디젤 자동차의 배기가스를 제거하는 후처리 장치인 매연여과장치(diesel particulate filter, DPF)에 대한 관심이 급증하고 있다. 따라서 DPF 효율 향상의 하나로 DPF 내의 압력강하를 줄여서 필터 및 재생(Regeneration)의 효율을 증가시키고 있다. 본 연구에서는 ANSYS FLUENT를 이용하여 5.66" SiC와 Cordierite DPF의 셀 밀도, 채널 형상, 벽두께, 입 출구 채널 비에 따른 압력강하 영향을 시뮬레이션했다. 실험결과로서 200 CPSI보다 300 CPSI에서 압력강하가 작게 나타났으며, Anisotropy과 O/S 셀이 Isotropy보다 약 1,301 Pa 작은 압력강하를 나타냈다. 공극률은 10% 증가할 때 마다 압력강하가 약 300 Pa씩 작아졌고, 벽 두께에 따른 영향은 0.05 mm 두꺼워질수록 약 500 Pa 씩 커지는 경향을 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, due to the increase in the fine dust, regulations on PM generated from diesel cars are strengthened. There is a growing interest in diesel particulate filters (DPFs), a post-treatment device that removes exhaust gases from diesel vehicles. Therefore, one of the enhancements of the DPF efficiency is to reduce the pressure drop in the DPF, thereby increasing the efficiency of the filter and regeneration. In this study, the effect of cell density, channel shape, wall thickness, and inlet channel ratio of 5.66" SiC and Cordierite DPF on the pressure drop in DPF was investigated using ANSYS FLUENT simulator. As a result of the experiment, the pressure drop was smaller at 300 CPSI than 200 CPSI, and the anisotropy and O / S cell showed less than Isotropy by pressure drop of about 1,000 Pa. As the porosity increased by 10% the pressure drop was reduced by about 300 Pa and as the wall thickness increased by 0.05 mm, the pressure drop was increased by about 500 Pa.

주제어

표/그림 (13)

그림 Figure 1. Schematic of DPF about pressure drop component.
그림 Figure 2. DPF channel pressure drop component on the wall and PM layer.
그림 Figure 3. Modeling of DPF Channel.
표 Table 1. Specification of 5.66" SiC and Cordierite DPF
표 Table 2. Properties of exhaust gas
표 Table 3. Simulation Parameter for CFD analysis
그림 Figure 4. Geometry of Isotropy (L) and O/S (R) cell structure.
그림 Figure 5. Comparison of pressure drop on the simulation and experiments for the SiC and Cordierite DPF.
그림 Figure 6. Effect of isotropy cell density of DPF on pressure drop.
그림 Figure 7. Effect of wall thickness of isotropy cell on pressure drop.
그림 Figure 8. Comparison of pressure drop on the isotropy, anisotropy and O/S cell of DPF.
그림 Figure 9. Effect of inlet/outlet channel ratio of cell on pressure drop.
그림 Figure 10. Effect of porosity of isotropy cell on pressure drop.

AI 본문요약
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제안 방법

그리고 입·출구 채널 비에 따른 압력강하를 비교하기 위해 정사각형인 DPF의 입·출구를 비율 1 ~ 1.5까지 변경해 시뮬레이션 했으며, 마지막으로 공극률을 40 ~ 70%까지 변경하여 시뮬레이션을 수행했다.
66" SiC과 Cordierite DPF를 시뮬레이션 결과와 실험결과를 비교하여 Figure 5에 나타냈다. 그림에서 보듯이 SiC과 Cordierite DPF에서 시뮬레이션 결과가 실험과 잘 일치하여 시뮬레이션 결과에 대한 확보하였다.
또한 채널의 형상의 변경에 따른 압력강하의 영향은 Figure 4와 같이 정사각형의 Isotropy(등방성) 형상에서 입·출구 비율 1.0과 Anisotropy(비등방성)형상인 1.2, 채널 모형이 입구 팔각형, 출구 사각형인 O/S (Octagon/Square) 셀에서 입·출구 비율 1.2일 때의 시뮬레이션을 하여 비교했다.
본 연구에서는 CFD를 이용하여 직경 5.66", 길이 6", 셀 밀도 200 CPSI (Cell Per Square Inch)인 DPF의 성능을 개선하고자, 유량 130 kg h-1 , 온도 310 ℃의 디젤엔진의 배기가스가 유입될 때, DPF의 셀 밀도와 벽면의 두께, 입·출구 채널비율, 채널 형상에 따른 압력강하의 영향에 대하여 수행하였고, 시뮬레이션과 실험의 결과를 비교하여 시뮬레이션의 정확성을 확인하였다.
셀 밀도에 따른 압력강하 실험을 위해 SiC 재질의 200 CPSI 와 300 CPSI DPF를 비교했다. Figure 6과 같이 초기 벽면마찰에 의한 압력강하는 300 CPSI에서 약 100 Pa 높았지만, 매연이 여과됨에 따라 셀 밀도가 높은 300 CPSI에서 압력강하가약 2500 Pa의 낮은 압력강하를 나타냈다.
위 실험조건에서 시뮬레이션과 배기가스 실험을 수행하였으며, Table 3과 같이 우선 셀 밀도에 따른 압력강하의 영향을 위해 200, 300 CPSI에서 시뮬레이션을 수행하고 채널의 벽면두께에 따른 압력강하 실험을 위해 벽면을 0.25, 0.3, 0.35mm로 변경하여 수행하였다. 또한 채널의 형상의 변경에 따른 압력강하의 영향은 Figure 4와 같이 정사각형의 Isotropy(등방성) 형상에서 입·출구 비율 1.
이연구들에서는 매연 입자가 필터 내부로 들어와 Unit Collector에 쌓이는 개념을 도입하여 모델링하였고, 매연입자가 쌓여 층을 이루는 메커니즘을 실험적, 해석적으로 접근하여 매연 층의 Porosity와 Permeability를 추정하였다. 이 외에도 동일한 면적에서 DPF의 포집효율을 높이기 위하여 Haralampous [4], Ogyu [5], Wurzenberger 등[6], Tang [7]의 연구자들이 실험과 수치해석으로 연구를 수행했다.
기존의 연구인 bissett [2]에 의하여 Wall-Flow형태의 DPF에서 배기가스 유동 및 재생반응의 수학적 모델링 기초를 처음 확립했고, Konstandipoulos [3]에 의하여 가장 대표적으로 전산유체해석이 이루어졌다. 이연구들에서는 매연 입자가 필터 내부로 들어와 Unit Collector에 쌓이는 개념을 도입하여 모델링하였고, 매연입자가 쌓여 층을 이루는 메커니즘을 실험적, 해석적으로 접근하여 매연 층의 Porosity와 Permeability를 추정하였다. 이 외에도 동일한 면적에서 DPF의 포집효율을 높이기 위하여 Haralampous [4], Ogyu [5], Wurzenberger 등[6], Tang [7]의 연구자들이 실험과 수치해석으로 연구를 수행했다.

이론/모형

본 연구에서는 DPF내 압력강하 특성과 유동현상의 변화를 알기 위해 다공성물질 모델(Porous media model)을 포함하는 상용 CFD 코드인 Fluent (V18.2)와 Axisuite 시뮬레이터를 사용하였으며, 시뮬레이션 해석에 사용한 지배 방정식으로는 연속방정식, 모멘텀 방정식, 다공성 물질모델의 방정식은 아래와 같다.
따라서 벽면을 통한 Forchheimer의 영향은 무시되어 표현이 가능하다[10]. 이러한 가정 하에 필터 벽면에서의 압력강하는 Equation (6)과 같이 Darcy 법칙으로 사용된다.
이러한 매연 여과와 필터 벽면을 통한 압력강하는 다음의 다공성 매질에서 Forchheimer’s modification 식을 이용하여 계산할 수 있다.

성능/효과

5.66" SiC와 Cordierite DPF의 시뮬레이션 결과는 동일한 조건하에서 실험한 결과와 비교했을 때, 시간에 따른 압력강하는 유사한 결과를 얻어서 시뮬레이션의 신뢰성을 확보하였다.
공극률 40 ~ 70%로 변화에 따른 압력강하의 영향 결과는 공극률이 높아질수록 압력강하가 작아졌으며, 10%씩 높아질 때마다 약 300 Pa씩 작아지는 경향을 나타냈다.
셀 형상에 따른 압력강하는 Isotropy > Anisotropy ≥ O/S 셀 순서로 나타났다. 매연이 여과되는 시간에 따라 Anisotropy와 O/S셀의 압력강하는 거의 유사하게 나타났으나, Isotropy에 비해서는 약 1,000 Pa 작게 나타났다.
벽면의 두께에 따른 압력강하의 영향 실험 결과는 동일한셀 밀도에서 0.25, 0.3, 0.35 mm로 벽면이 두꺼워질수록 압력 강하가 약 500 Pa씩 증가하는 것으로 나타났다.
셀 밀도에 따른 압력강하 시뮬레이션은 셀 밀도에 따라 벽면 마찰의 영향은 없었으나, 시간이 지남에 따라 200 CPSI에 비하여 300 CPSI가 약 2500 Pa 작게 나타났다.
또한 Cake filtration에 의한 선형적인 압력강하 기울기도 300 CPSI가 200 CPSI에 비하여 낮은 증가율을 나타냈다. 이는 셀 밀도가 높아지면서 채널의 수가 증가하여, 매연이 여과될수록 1개의 채널당 매연의 누적부하가 적어져 선형적 압력 강하가 낮게 발생하는 것을 확인했다. Yamaguchi et al.
35 mm로 두꺼워질수록 초기의 벽면 내부와 매연의 누적에 따른 압력강하 모두 높아지는 경향을 나타내었다. 특히 매연이 필터 벽면의 공극을 막아 발생하는 급격한 압력강하가 벽면이 두꺼워질수록 높아짐을 보였고, 0.05 mm마다 약 500 Pa의 압력강하의 차이를 나타냈다. Paul Day J.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매연여과장치는 무엇인가?	최근 미세먼지의 증가로 인해 디젤 자동차로부터 발생되는 PM에 대한 규제가 강화되고 있다. 디젤 자동차의 배기가스를 제거하는 후처리 장치인 매연여과장치(diesel particulate filter, DPF)에 대한 관심이 급증하고 있다. 따라서 DPF 효율 향상의 하나로 DPF 내의 압력강하를 줄여서 필터 및 재생(Regeneration)의 효율을 증가시키고 있다.
	PM의 포집된 양을 압력강하로 표현하여, DPF 개발 시 고려해야 하는 가장 중요한 척도로 사용하는 이유는 무엇인가?	DPF의 여과는 초기에 필터 벽 내부(Deep bed filtration)에서 이루어지는데, 필터 내부에 존재하는 불규칙한 공극과 포집 요소(Collector)들과 입자상물질들 사이에서 물리적 간섭에 의하여 포집되며, 그에 따라 급격한 압력강하를 야기한다. 필터 내부의 포집이 지속되면 더 이상 PM이 내부에 침투하지 못하고 필터 벽 상부에 층을 형성하며 스스로 필터의 기능(Cake filtration)을 하게 되고, 이때 압력강하는 PM의 포집 양에 따라 선형적으로 증가하게 된다. 따라서 많은 DPF의 연구자들은 PM의 포집된 양을 압력강하로 표현하여, DPF 개발 시 고려해야 하는 가장 중요한 척도로 사용한다.
	DPF의 여과는 어떤 문제를 야기하는가?	DPF의 여과는 초기에 필터 벽 내부(Deep bed filtration)에서 이루어지는데, 필터 내부에 존재하는 불규칙한 공극과 포집 요소(Collector)들과 입자상물질들 사이에서 물리적 간섭에 의하여 포집되며, 그에 따라 급격한 압력강하를 야기한다. 필터 내부의 포집이 지속되면 더 이상 PM이 내부에 침투하지 못하고 필터 벽 상부에 층을 형성하며 스스로 필터의 기능(Cake filtration)을 하게 되고, 이때 압력강하는 PM의 포집 양에 따라 선형적으로 증가하게 된다.

참고문헌 (13)

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Bissettm., E. J., "Mathematical Model of the Thermal Regeneration of a Wall-Flow Monolith Diesel Particulate Filter," Chem. Eng. Sci., 39, 1233-1244 (1984).

상세보기
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Konstandopoulos, A. G., Kostoglou, M., Vlachos, N., and Kladopoulou, E., Progress in diesel Particulate Filter Simulation. SAE Paper 2005-01-0946 (2005).
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Lee, and Baek, A Modeling on the Diesel Emission Characteristics in CPF and LNT Kaist, xi, p. 109 (2012).
Hashimoto, S., Miyairi, Y., Hamanaka, T., Matsubara, R., Harada, T., and Miwa, S., SiC and Cordierite Diesel Particulate Filters Designed for Low Pressure Drop and Catalyzed, Uncatalyzed Systems. SAE Special Publications 2002-01-0322 (2002).

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].

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