[논문]요소수 분무특성이 SCR시스템 내 분무균일도에 미치는 영향

김세훈; 고진석; 고재유; 조영준; 이동률

doi:10.15435/jilasskr.2019.24.4.178

요소수 분무특성이 SCR시스템 내 분무균일도에 미치는 영향
Effect of NH3 Uniformity Index on SCR System According to Urea Spray Characteristics 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.24 no.4, 2019년, pp.178 - 184

김세훈 (현대케피코 기술연구소) , 고진석 (현대케피코 기술연구소) , 고재유 (현대케피코 기술연구소) , 조영준 (현대케피코 기술연구소) , 이동률 (현대케피코 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Diesel engines have the advantages of higher thermal efficiency and lower CO2 emissions than gasoline engines, but have the disadvantages that particulate matter (PM) and nitrogen oxides (NOx) emissions are greater than those of gasoline engines. In particular, nitrogen oxides (NOx) emitted from diesel engines generates secondary ultrafine dust (PM2.5) through photochemical reactions in the atmosphere, which is fatal to humans. In order to reduce nitrogen oxides (NOx), pre-treatment systems such as EGR, post-treatment systems such as LNT and Urea SCR have been actively studied. The Urea SCR consists of an injection device injecting urea agent and a catalytic device for reducing nitrogen oxides (NOx). The nitrogen oxide (NOx) reduction performance varies greatly depending on the urea uniformity in the exhaust pipe. In this study, spray characteristics according to the spray hole structure were confirmed, and the influence of spray uniformity on spray characteristics was studied through engine evaluation.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Schematic diagram for spray visualization test
표 Table 1 SHP, MOP spray hole structure
표 Table 2 CAE & Test condition for spray characteristics
그림 Fig. 2 Schematic diagram for spray droplet test
그림 Fig. 3 Schematic diagram for uniformity index test
표 Table 3 Engine specifications for uniformity index test
그림 Fig. 4 Test result of spray characteristics (Exp., Sim.)
그림 Fig. 5 Spray section image on horizontal axis
표 Table 4 Test condition for uniformity index characteristics
그림 Fig. 6 Test result of spray atomization
그림 Fig. 7 Test result of uniformity index
그림 Fig. 8 Test result of NOx reduction ratio

AI 본문요약
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문제 정의

16 을 이용하여 분석하고 각각의 분사홀 구조가 적용된 제품을 제작하여 미립화 특성 및 분무 거시적 거동을 측정하여 해석값과 비교한다. 최종적으로SCR시스템이 장착된 실제 양산 엔진에 적용하여 분사홀 구조에 따른 분무 특성이 배기관 내 요소수 분무 균일도에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.

제안 방법

SHP 및 MOP분사홀 구조에 따른 분무 균일도 평가를 위하여 Fig. 3과 같이 디젤 엔진 및 배기가스 측정기를 구성하였다. 대상 엔진 제원은 Table 3과 같다.
따라서 본 연구에서는 요소수 분사모듈의 분사홀구조에 따른 분무 특성을 상용 해석 SW인 Converge 2.4.16 을 이용하여 분석하고 각각의 분사홀 구조가 적용된 제품을 제작하여 미립화 특성 및 분무 거시적 거동을 측정하여 해석값과 비교한다. 최종적으로SCR시스템이 장착된 실제 양산 엔진에 적용하여 분사홀 구조에 따른 분무 특성이 배기관 내 요소수 분무 균일도에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.
분무 특성이 SCR시스템 내 분무 균일도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 당사에서 개발중인 인젝터에 SHP (spray hole plate), MOP (multi orifice plate) 각각 적용하여 기본적인 분무 특성 및 실제 엔진 대상으로 분무 균일도를 분석하였다. SHP (spray hole plate), MOP (multi orifice plate)의 사양은 Table 1과 같다.
5)를 적용하였다. 분사홀 구조 및 분사 압력을 변수로 정하여 실험을 수행하였으며 상세한 실험 조건은 Table 2와 같다.
분사홀 구조에 따른 분무 거동 및 분무 미립화에 미치는 영향성을 파악하였으며, SCR시스템이 장착되어 있는 엔진 대상으로 배기관 내 분사된 요소수의 분무 균일도 및 질소산화물 저감성능을 측정하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
대상 엔진 제원은 Table 3과 같다. 요소수 분무 균일도 평가를 위하여 엔진 조건은 Table 4와 같이 중부하 영역과 고부하 영역으로 구분하여 진행하였다.
요소수 인젝터의 분무 특성인 분무 거동 측정을 위하여 Fig. 1과 같이 고속카메라(photron, fastcam)와 메탈 할라이드 램프로 가시화 장치를 구성하였다.
인젝터에서 분사되는 요소수 액적의 미립화 수준을 측정하기 위하여 Fig. 2와 같이 위상 도플러 입자 분석기 (phase doppler particle analyzer)를 구성하였다. 제어 모듈(NI, compact rio)구성하여 계산된 신호를 요소수 인젝터에 전달하여 일정한 분사 시간 동안 정밀한 요소수를 분사하도록 제어하고 고속 카메라, PDPA 장비 등을 동기화하여 분무 특성을 측정하였다.
2와 같이 위상 도플러 입자 분석기 (phase doppler particle analyzer)를 구성하였다. 제어 모듈(NI, compact rio)구성하여 계산된 신호를 요소수 인젝터에 전달하여 일정한 분사 시간 동안 정밀한 요소수를 분사하도록 제어하고 고속 카메라, PDPA 장비 등을 동기화하여 분무 특성을 측정하였다.

대상 데이터

분무 가시화 및 미립화 측정을 위하여 실제 차량에 사용중인 요소수 용액 (aus 32.5)를 적용하였다. 분사홀 구조 및 분사 압력을 변수로 정하여 실험을 수행하였으며 상세한 실험 조건은 Table 2와 같다.

데이터처리

먼저 분사홀 구조에 따른 분무 특성을 확인하기 위하여 수치 해석으로 진행하였으며, 실제 분무 거동 평가 결과와 비교 분석하였다. Fig.

이론/모형

liquid spray parcel size는 시험에서 측정된 PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) 결과를 이용하여droplet사이즈를 cumulative volume fraction으로 환산하여 입력 조건으로 사용하였으며, 요소수 액적의 상호작용은 고려하지 않았으며 spray 해석에는 모델로는 taylor analogy breakup (TAB) 을 사용하였다.
요소수 인젝터의 분무 특성인 분무 거동을 모사하기 위해 상용 소프트웨어인 Converge를 사용하였다. 해석에 사용된 요소수의 물성치는 소프트웨어에서 제공하는 molten solid urea 접근법을 사용하였다.
해석에 사용된 요소수의 물성치는 소프트웨어에서 제공하는 molten solid urea 접근법을 사용하였다.

성능/효과

(1) 분사홀 길이가 짧은 MOP 분사홀 구조는 내부난류유동이 강하게 형성되어 액적의 미립화를 증진시키는 반면 액적의 운동량은 감소되어 분무 도달 거리가 상대적으로 짧았다.
(2) 분사홀 길이가 상대적으로 긴 SHP 분사홀 구조는 내부 유동발달이 안정화되어 액적의 미립화가 감소되어 액적의 크기는 상대적으로 커져 운동량이 증가하여 분무 도달 거리가 상대적으로 길었다.
(3) 배기유량이 많은 경우는 분사홀 구조에 따른 분무 특성과 상관없이 배기관 내부 전체 영역에서 배기 유동이 강하여 요소수 용액은 배기관 내 고르게 분포되며 혼합기 (mixer)에 의한 2차 혼합으로 분무 균일도가 높은 수준으로 유지된다.
(4) 배기유량이 상대적으로 적은 영역에서는 분무 특성이 분무 균일도에 영향을 미친다. 특히, MOP가 적용된 인젝터에서 분사되는 요소수 액적은 작고 운동량이 낮아 분사 초기부터 주변 배기 유동에 의해 잘 혼합된 상태로 혼합기(mixer)에 도달하여 분무 균일도가 상대적으로 높게 확인되었다.
(5) MOP분사홀 구조가 적용된 인젝터는 배기 유량이 낮은 영역에서도 높은 분무 균일도를 나타내었으며 이는 실제 SCR 시스템이 적용된 엔진에서 질소산화물이 더욱 많이 저감되는 우수한 성능을 나타내었다.
(6) MOP 분사홀 구조가 적용된 요소수 인젝터가 전체 엔진 운전 영역에서 분무 균일도가 우수하고 이는 질소산화물 저감 성능을 향상시켰다.
(4) 배기유량이 상대적으로 적은 영역에서는 분무 특성이 분무 균일도에 영향을 미친다. 특히, MOP가 적용된 인젝터에서 분사되는 요소수 액적은 작고 운동량이 낮아 분사 초기부터 주변 배기 유동에 의해 잘 혼합된 상태로 혼합기(mixer)에 도달하여 분무 균일도가 상대적으로 높게 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SCR 시스템은 무엇인가?	SCR 시스템은 요소수 분사모듈 및 펌프, 제어기(DCU : Dosing control unit), 혼합기(mixer), 촉매로 이루어진 후처리 시스템이다. SCR시스템에서 요소수 용액은 분사모듈을 통해 배기관 내 고온의 배기가스에 분사된 후 열분해 (thermal decompose-tion)를 통해 암모니아 가스로 전환되어 질소산화물(NOx)을 질소와 물로 환원시킨다.
	SCR시스템의 문제점은 무엇인가?	SCR시스템에서 요소수 용액은 분사모듈을 통해 배기관 내 고온의 배기가스에 분사된 후 열분해 (thermal decompose-tion)를 통해 암모니아 가스로 전환되어 질소산화물(NOx)을 질소와 물로 환원시킨다. SCR시스템 내에서 분사된 요소수 용액의 열해리, 증발 시간의 부족 등에 의한 분무 균일도 감소는 암모니아 슬립(ammonia slip)과 관련 문제점을 가지고 있다.
	디젤엔진 관련 배기규제로 인해 소형차의 엔진 후처리 시스템은 어떻게 변경되었는가?	이러한 배기규제 대응 기술은 엔진 전처리 및 후처리 적용 기술의 변화를 이끌고 있고 최근 미세먼지의 관심과 더불어 차량에서의 부가적인 모니터링 등을 요구 받고 있는 상황이다. 엔진 후처리 시스템의 변화를 살펴 보면 입자상물질 저감 장치 DPF(Diesel Particulate Filter)는 필수 장착되고 있고 질소산화물 저감장치는 엔진 배기량에 따라 대응 기술이 조금씩 차이는 있지만 스캔들 이전 소형차량의 경우, DeNOx 기술 기반의 active LNT시스템이 빠르게 SCR 시스템으로 변경되고 있다. 이에 중대형차 중심의 SCR 기반 부품들의 수요가 소형 으로 급격히 확대되면서 시장의 요구가 커지고 있는 상황이다(1~3).

참고문헌 (7)

J. T. Oh, J. T. Seo Oh, J. W. Seo, K. I. Lee, J. I. Park, Y. H. Choi and J. H. Lee, "Visualization of Urea Mixing Chraceristics by Mixer and Diffuser in SCR system", KSAE 2007.
J. H. Choi, Y. S. Choi, I. E. Cho and S. W. Lee, "A Study on the distribution of injectrd urea into exhaust pipe in the SCR system", KSAE 2007.
J. M. Oh, K. H. Lee and J. H. Lee, "A study on the optimal injection conditions for an HC-LNT catalyst system with a 12-hole type injector", Journal of Thermal Science and Technology, Vol. 3, No. 2, pp. 278-291

상세보기
J. Gieshoff, A. Schafer-Sindlinger, P. C. Spurk, J. A. A. van den Tillaart and G. Garr., "Improved SCR Systems for Heavy Duty Applications", SAE 2000-01-0189, 2000.
M. Rice, J. Kramer, K. Mueller-Haas and R. Mueller, "Innovative Substrate Technology for High Performance Heavy Duty Truck SCR Catalyst Systems", SAE 2007-01-1577, 2007.
E. Ottaviani, E. Jean, H. Albert and B. Amon, "Dual Line Exhaust Design Optimisation to Maximize SCR Catalyst Efficiency thru Improved Ammonia Distribution", SAE 2009-01-0914, 2009.
J. C. Wurzenberger, "Multi-scale SCR Modeling, 1D Kinetic Analysis and 3D System Simulation", SAE 2005-01-0948, 2005.

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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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