[논문]요소수 인젝터의 작동 변수에 따른 분무미립화 성능에 관한 연구

김동환; 박준규; 박성욱

doi:10.15435/jilasskr.2019.24.1.1

[국내논문] 요소수 인젝터의 작동 변수에 따른 분무미립화 성능에 관한 연구
Study on Spray Atomization Characteristics Depending on the Operating Parameters of Urea Injector 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.24 no.1, 2019년, pp.1 - 7

김동환 (한양대학교 대학원 융합기계공학과) , 박준규 (한양대학교 부설 산업과학연구소) , 박성욱 (한양대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was carried out to analyze the spray characteristics as a function of the operating parameters of urea injector used in Urea-SCR system of passenger diesel vehicle. Spray visualization and PDPA experiment were performed to analyze the macroscopic spray development and atomization performance of urea-water-solution. For the urea injector, the deformation of the spray head does not appear to be significant because it operates at a low pressure conditions, and the liquid core and primary droplet are observed throughout the operating conditions. No increase in atomization is seen when the operating pressure is increased, and the spray develops linearly due to poor atomization characteristics. The macroscopic spray behavior of the low-pressure urea injector is predictable through the modification of the Hiroyasu equation.

Keyword

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 Experimental apparatus for spray visualization
그림 Fig. 2 Experimental apparatus for droplet size and velocity measurement
그림 Fig. 3 Spray development process of urea water solution for various injection pressures
표 Table 1 Specifications of the urea injector and experimental equipment
표 Table 2 Experimental conditions
그림 Fig. 4 Comparisons of the experimental results and empirical equation in terms of spray tip penetration
그림 Fig. 5 Comparisons of spray tomography images for various injection pressures
그림 Fig. 6 Droplet size and velocity distribution for various injection pressures
그림 Fig. 7 Comparisons of mean droplet size and velocity for various injection pressures

AI 본문요약
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문제 정의

Oh⁽⁹⁾ 등은 요소수 인젝터를 이용하여 분무 가시화를 통해 액적균일도지수를 도입하여 배기관 내 요소수 혼합도를 정량적으로 분석하였다. 또한, 엔진 실험을 통해 서로 다른 두가지의 믹서 형상에 대한 질소산화물 저감 성능을 평가하여 설계인자 변경에 따른 암모니아 슬립의 개선 가능성을 제시하였다. Vuuren^(10,11) 등은 가열된 요소수 인젝터에서 발생하는 분무 거동의 변화를 관찰하기 위하여 인젝터 노즐 팁 온도에 따른 분무각 변화를 관찰하였고, 온도가 증가함에 따라 노즐 유동 중 증기분율이 증가하고 분무각의 팽창이 나타남을 확인하였다.
실험에 사용한 요소수 인젝터는 분사각 16º , 3개의 홀을 갖는 솔레노이드 인젝터이며, 5 bar의 압력으로 작동된다. 본 연구에서는 분사압력 변화에 따른 미립화 성능 개선여부를 파악하기 위하여 4 bar부터 8 bar까지 다양한 분사압력 조건에서 미립화성능을 평가하였다. 또한, 요소수 인젝터는 배기가스 유량에 따라 다양한 duty 조건에서 제어되기 때문에 인젝터 전류 통전기간을 1 ms 부터 10 ms까지 변화시켜 분사압력 및 통전기간 제어에 따른 거시적인 분무 거동과 미립화성능을 분석하였다.
본 연구에서는 승용 디젤차량용 요소수 인젝터의 작동변수에 따른 분무특성을 분석하기 위하여 분무가시화 실험 및 액적 입경/속도 측정 실험을 수행하였으며, 실험을 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

제안 방법

본 연구에서는 분사압력, 통전기간 등 요소수 인젝터의 작동 변수에 따른 분무 거동 및 미립화 성능을 분석하고자 고속카메라를 이용한 거시적 분무 발달과정 가시화 및 단층촬영을 수행하여 이미지를 분석하였고, PDPA (위상도플러입자분석기) 시스템을 이용하여 다양한 작동조건에서 요소수 분무의 미립화 특성을 분석하였다.
Hua 등은 서로 다른 요소수 인젝터를 대상으로 고속카메라를 이용해 요소수 분무의 도달거리 및 분무각을 측정하였고 Particle Dynamics Analyzer (PDA)를 통해 다양한 분사 유량 조건에서 액적의 직경 및 속도 분포를 취득하였다. 또한, 실험 결과를 바탕으로 Urea-SCR 시스템 내 요소수 분무의 최적화 및 질소산화물 전환 효율 증대를 위해 다양한 경계 조건 및 인젝터 위치에 따른 수치해석적 연구를 진행하였다⁽¹²⁾.
또한, 요소수 인젝터는 배기가스 유량에 따라 다양한 duty 조건에서 제어되기 때문에 인젝터 전류 통전기간을 1 ms 부터 10 ms까지 변화시켜 분사압력 및 통전기간 제어에 따른 거시적인 분무 거동과 미립화성능을 분석하였다.
요소수의 안정적인 공급을 위하여 요소수 탱크를 질소가스로 가압하여 인젝터 작동압력 최대 8 bar까지 공급하였으며, 인젝터의 제어는 National Instrument사의 Compact RIO 시스템을 이용하여 솔레노이드 타입 인젝터에 공급되는 전류 파형을 생성하고 분사조건에 따라 전류 통전을 제어하였다. 메탈할라이드 램프(Photron, HVC-SL) 광원을 측면에서 공급하여 산란되는 빛을 고속카메라(Photron, Fast-cam APX-RS)를 이용하여 초당 10,000 프레임의 속도로 분무 이미지를 취득하였으며, 취득된 이미지로부터 분사압력 별 시간에 따른 분무도달거리를 분석하였다.
요소수 인젝터의 작동 변수에 따른 분무 미립화성능을 분석하기 위하여 Fig. 2같이 PDPA 장치를 이용하여 요소수 액적의 입경 및 속도 측정 실험을 수행하였다. Nd:YAG 레이저를 이용한 분무 단층촬영 실험결과를 바탕으로 멀티홀 요소수 인젝터에서 분무 플럼 중심의 위치를 파아하고, PDPA 장치를 이용하여 입경 및 속도를 측정하였으며, 요소수 인젝터 작동변수 및 노즐 축으로 부터 거리에 따른 산술평균입경 (D10) 및 Sauter 평균입경 (D32)를 통해 분무미립화 정도를 비교하였다.
2같이 PDPA 장치를 이용하여 요소수 액적의 입경 및 속도 측정 실험을 수행하였다. Nd:YAG 레이저를 이용한 분무 단층촬영 실험결과를 바탕으로 멀티홀 요소수 인젝터에서 분무 플럼 중심의 위치를 파아하고, PDPA 장치를 이용하여 입경 및 속도를 측정하였으며, 요소수 인젝터 작동변수 및 노즐 축으로 부터 거리에 따른 산술평균입경 (D10) 및 Sauter 평균입경 (D32)를 통해 분무미립화 정도를 비교하였다.
요소수의 안정적인 공급을 위하여 요소수 탱크를 질소가스로 가압하여 인젝터 작동압력 최대 8 bar까지 공급하였으며, 인젝터의 제어는 National Instrument사의 Compact RIO 시스템을 이용하여 솔레노이드 타입 인젝터에 공급되는 전류 파형을 생성하고 분사조건에 따라 전류 통전을 제어하였다.

대상 데이터

실험에 사용한 인젝터는 2000cc 급 승용 디젤 차량용 요소수 인젝터이며, 직경 0.19 mm, 분사각 16º의 노즐 축 대칭인 3개의 홀을 갖는다.
실험에 사용한 요소수 인젝터는 분사각 16º , 3개의 홀을 갖는 솔레노이드 인젝터이며, 5 bar의 압력으로 작동된다.
3에 나타내었다. 실험에 사용한 요소수 인젝터는 저압으로 작동되는 인젝터로, 액주로부터 액적 분열이 활발하게 일어나지 않고 분사기간 동안 액주가 뚜렷한 형태로 관찰되며, 이로부터 분열된 1차분열 액적들이 주위에 포하는 형태를 보인다. 따라서 시간에 따른 분무의 발달은 분무 선단의 변형 없이 직선의 형태로 유지되며, 반경방향으로의 분무 확장이 거의 존재하지 않는다.
실험에 사용한 요소수 인젝터의 노즐 직경이 190 µm 임을 감안하면 큰 액적 집단은 분열되지 않은 액주의 직경 정보이며, 액주로부터 분열된 1차 액적은 50 µm 수준의 크기를 갖는 것으로 판단된다.

성능/효과

요소수 인젝터의 분사압력이 증가하는 경우에는 노즐 출구속도가 증가하기 때문에 분무의 초기속도가 증가하지만 분무도달거리는 여전히 선형적으로 증가하는 형태를 보인다. 이러한 결과를 바탕으로 디젤 분무의 분무도달거리에 관한 예측식을 기반으로 한 요소수 인젝터의 거시적인 분무거동에 관한 경험식을 마련하였다.
실험결과를 바탕으로 Hiroyasu equation 및 최소자승법을 이용하여 요소수 분무도달거리에 대한 실험식을 마련한 결과 요소수 분무는 분사기간 내에 Bernoulli 속도의 0.69배의 속도로 발달하는 것으로 나타났다(Fig. 4) 저압분무의 경우에는 느린 유속으로 인해 액주가 주위로부터 받는 항력이 상대적으로 작기 때문에 분무헤드의 변형이 적고 고압 디젤 분무에 비하여 노즐 출구의 운동량이 더 많이 보존되는 것으로 판단된다.
5에 나타내었다. 분무 단층 이미지를 살펴보면 3개의 노즐 홀에서부터 분사된 액주의 형태가 뚜렷하게 관찰되며, 그 주위로 액주로부터 분열된 다수의 1차 액적들이 존재하는 것을 확인 할 수 있다. 분사압력이 증가하면, 증가된 요소수 유량으로 인해 액주의 형태는 더 크게 관찰되지만 8 bar 수준의 분사압력 조건에서도 분무의 운동량이 크지 않아 미립화 성능 측면에서 뚜렷한 개선이 나타나지 않는다.
요소수 분무의 액적 분포는 분사압력에 무관하게 50 µm 및 150 µm 직경 수준에서 높은 도수로 관찰되었다.
분사압력이 증가하면, 증가된 요소수 유량으로 인해 액주의 형태는 더 크게 관찰되지만 8 bar 수준의 분사압력 조건에서도 분무의 운동량이 크지 않아 미립화 성능 측면에서 뚜렷한 개선이 나타나지 않는다. 또한, 액주로부터 분열된 1차 액적들은 원활하지 않은 미립화로 인해 액주 유동에 비해 유량이 매우 작으며, 이로 인하여 분열 전후의 분무 도달거리에는 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
분사압력이 증가하는 경우에는 요소수의 노즐 출구속도가 증가하기 때문에 요소수 분사압력이 증가하면 유량 증가에 따른 액주 유동의 직진성이 더욱 강화되고, 이에 따라 측정지점에서 1차 분열 액적에 비해 액주의 측정 빈도가 더 높아지게 된다. 분사압력이 1차 분열 액적의 직경 분포에 미치는 영향 대해 살펴보면, 분사압력이 증가하더라도 1차 액적 집단의 직경 최빈값 및 분포 형태는 달라지지 않는 결과가 나타났다. 이는 분사압력의 증가가 1차 분열 액적의 미립화에 영향을 주지 않음을 의미하며, 결과적으로 요소수 저압 인젝터에서는 분사압력의 증가가 미립화 성능 개선에 효과가 없음을 의미한다.
분사압력 조건 전체에서 거리에 따른 액적 입경의 유의미한 차이가 관찰되지 않았으며, 이는 분사된 요소수가 발달함에 따라 미립화가 원활하게 발생하지 않음을 의미한다. 또한, 여러지점에서 측정 된 D10 및 SMD 결과들이 분사압력이 증가함에 따라 평균입경이 함께 증가하는 양상이 나타나 urea-SCR 시스템에서 요소수의 분열 및 증발은 배기가스 유동과 온도에 의존하는 것으로 판단된다.
(1) 저압 요소수 인젝터에서는 작동조건 전반에서 액주 거동 및 1차 분열 액적이 관찰되며, 액적의 2차 미립화는 관찰되지 않는다.
(2) 요소수 분무의 거시적 거동은 Hiroyasu equation의 선형발달구간을 보정하여 예측가능하며, 주위 기체로부터 받는 항력이 작기 때문에 노즐 출구속도의 약 70%의 속도로 일정하게 발달한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인젝터 노즐 팁 온도에 따라 분무각은 어떻게 변화하는가?	또한, 엔진 실험 을 통해 서로 다른 두가지의 믹서 형상에 대한 질소산 화물 저감 성능을 평가하여 설계인자 변경에 따른 암모 니아 슬립의 개선 가능성을 제시하였다. Vuuren(10,11) 등 은 가열된 요소수 인젝터에서 발생하는 분무 거동의 변 화를 관찰하기 위하여 인젝터 노즐 팁 온도에 따른 분 무각 변화를 관찰하였고, 온도가 증가함에 따라 노즐 유 동 중 증기분율이 증가하고 분무각의 팽창이 나타남을 확인하였다. Hua 등은 서로 다른 요소수 인젝터를 대상 으로 고속카메라를 이용해 요소수 분무의 도달거리 및 분무각을 측정하였고 Particle Dynamics Analyzer (PDA) 를 통해 다양한 분사 유량 조건에서 액적의 직경 및 속 도 분포를 취득하였다.
	Urea-SCR 시스템은 어떻게 설계되어야 하는가?	Urea-SCR 시스템은 NOx (질소산화물) 센서를 통해 검출한 질소 산화물 배출량을 기반으로 적절한 양의 요소수를 배기 관에 분사하여 증발 후 열해리된 암모니아가 배기관 단 면 상에서 균일하게 분포하여 촉매에 유입될 수 있어야 한다(8). 따라서 요소수 인젝터의 노즐은 암모니아 혼합 균일도를 극대화할 수 있는 형상으로 설계되어야 하며, 배기관 내 벽면젖음 등으로 인한 응답 지연을 최소화할 수 있도록 제어되어야 한다.
	디젤 엔진의 특징은 무엇인가?	디젤 엔진은 높은 압축비로 희박 연소되며 높은 출력 과 연비를 갖지만 고온의 조건에서 연소가 이루어져 NOx (질소산화물) 및 PM (입자상 물질)과 같은 다량의 유해한 배기 배출물이 생성된다(1,2). 이러한 배기 배출물 을 저감하고자 다양한 후처리 장치가 도입되었고, Diesel Particulate Filter(DPF) 설치를 통해 발생하는 입자상 물질을 90% 이상 저감할 수 있다(3~5).

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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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