[논문]건설기계용 Urea-SCR 시스템의 촉매전단에서 암모니아 균질도 해석 및 DeNOx 성능에 관한 연구

김동환; 박준규; 강정호; 문성준; 박성욱

doi:10.15435/jilasskr.2019.24.2.51

건설기계용 Urea-SCR 시스템의 촉매전단에서 암모니아 균질도 해석 및 DeNOx 성능에 관한 연구
Study on Ammonia Uniformity and DeNOx Analysis in the Urea-SCR System for Construction Machinery 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.24 no.2, 2019년, pp.51 - 57

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

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the spray atomization characteristics of urea injector used in SCR system for construction machinery was analyzed, and the uniformity index at the front of mixer and NOx conversion efficiency were evaluated through numerical analysis. Spray visualization and droplet size/velocity measurement were performed and the measured results were used to verify the spray analysis model to calculate the uniformity index in the exhaust gas after-treatment system. For the flow analysis, STAR-CCM, a three-dimensional CFD, was used and the uniformity index of the SCR system at the front of the mixer was calculated using the droplet dissociation model and the wall collision model. Finally, the DeNOx performance for the average condition of the NRTC driving mode was calculated to understand the NOx conversion efficiency reflecting the exhaust gas temperature. The simulation results show that the uniformity index at the front of mixer was calculated as 0.862 and DeNOx efficiency was 75.9%.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Experimental apparatus for spray visualization
그림 Fig. 2 Experimental apparatus for droplet size and veloc-ity measurement
그림 Fig. 4 Urea spray tomography images for various injec-tion pressures
그림 Fig. 3 Urea spray development process for various injec-tion pressures
표 Table 1. Experimental conditions
그림 Fig. 5 Number of pixels counted at urea spray tomogra-phy images for various injection pressures
그림 Fig. 6 Droplet diameter and velocity distribution of urea spray for various injection pressure
그림 Fig. 7 Comparisons of mean droplet dimeter and velocity for various injection pressure
그림 Fig. 8 Geometry of mixer
그림 Fig. 9 Model validation result of urea spray model
그림 Fig. 10 Ammonia uniformity index, pressure and tempera-ture distribution
그림 Fig. 11 NOx generation and NRTC mode estimation for each load

AI 본문요약
AI-Helper

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가설 설정

액적 벽면 충돌 현상은 Bai-Gosman 모델을 모사하였고 충돌 후 2개의 Child parcel을 생성하도록 설정하였다. 후처리 시스템 내부 벽면은 dry state로 가정하여 해석을 진행하였다. 해석에 사용된 믹서의 형상은 Fig.
후처리시스템 내부유동 전산해석을 위해 3차원전산 유체역학 코드 STAR-CCM+11.04를 사용하였으며, 해석 시 요소수 액적은 완전 구형을 가정하였다. 1차 분열은 LISA 모델을 이용하였고 2차 분열은 RD 모델을 적용하였다.

제안 방법

(4) 후처리시스템 내부유동 전산해석을 수행하여 NH₃의 혼합기 균일도 계산을 통해 Urea SCR 시스템의 성능을 평가할 수 있다.
2와 같이 시스템을 구축하였다. Nd:YAG Laser를 이용한 분무 단층 실험 결과를 토대로 요소수 인젝터의 분무 중심에서 액적의 평균 입경 및 속도를 측정하였으며, 노즐 축 방향 거리 및 작동 압력 변화에 따른 D10(AMD), D32(SMD) 비교를 통해 분무 미립화 성능을 분석하였다.
Spiteri 등⁽⁵⁾은 두 가지 분사 방식의 요소수 인젝터를 대상으로 다양한 배기 유동 조건 내에서 실험을 통한 요소수 분무 특성을 분석하였다. Pressure-driven 인젝터의 요소수 분포는 가장 큰 액적의 부피 분율에 의존하였으며 배기 유동에 대한 영향이 작고 모든 유동 조건에서 부적절한 혼합물을 형성한 반면 air-assisted 인젝터에 의해 미립화된 작은 액적들의 분포는 인젝터 공기 흐름에 의해 유도된 난류 및 와류에 의존하였다. Vuuren 등⁽⁶⁾은 고속카메라를 이용하여 가열된 요소수 인젝터의 분무 특성을 분석하였다.
1과 같은 실험 장치를 구축하였다. 고압 질소 가스를 이용하여 체임버 내 요소수를 최대 8 bar 까지 가압하여 작동 압력을 조절하였고, NI Compact RIO를 통해 인젝터로의 통전기간 및 분사 주기를 제어하였으며 고속카메라(Photron Fastcam APX-RX)와 인젝터 동기화를 실시하였다. 메탈할라이드 램프(Photron HVC-SL)를 광원으로 고속카메라를 이용하여 초당 5,000 프레임의 속도(5,000 fps)로 이미지를 취득하였다.
또한 분무 가시화 실험을 토대로 요소수 분무의 모델을 검증하였고, Urea SCR 시스템의 내부유동 해석을 실시하였다. 나아가 운전모드 별후처리시스템 배출가스 특성 분석 및 DeNO_X 성능을 검증하였다.
은 대기압 및 실제 Urea SCR 시스템 배기관 내 조건에서의 요소수 분무의 공간 산포와 분무 특성을 분석하였고, 이미지 처리를 통한 액적 균일도를 정량적으로 측정하였다. 또한 두 가지 종류의 믹서를 토대로 엔진 실험을 진행하여 설계 인자 변경에 따른 질소산화물의 변환율을 비교하였다. Spiteri 등⁽⁵⁾은 두 가지 분사 방식의 요소수 인젝터를 대상으로 다양한 배기 유동 조건 내에서 실험을 통한 요소수 분무 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 요소수 인젝터의 분사 압력 및 통전 기간 변화에 따라 고속카메라를 이용하여 요소수 분무발달 과정 및 분무 단층 촬영을 실시하여 거시적 분무 특성을 파악하였다. 또한 분무 가시화 실험을 토대로 요소수 분무의 모델을 검증하였고, Urea SCR 시스템의 내부유동 해석을 실시하였다. 나아가 운전모드 별후처리시스템 배출가스 특성 분석 및 DeNO_X 성능을 검증하였다.
본 연구에서는 요소수 인젝터의 작동 변수에 따른 분무가시화 실험 및 액적 입경/속도 측정을 실시하여 요소수 분무 특성을 분석하였다. 또한 실험결과를 토대로 Urea SCR 시스템 믹서 내 유동 해석 및 운전모드 별 배출가스 특성 분석과 DeNO_X 성능 검증을 실시하였으며 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
고압 질소 가스를 이용하여 체임버 내 요소수를 최대 8 bar 까지 가압하여 작동 압력을 조절하였고, NI Compact RIO를 통해 인젝터로의 통전기간 및 분사 주기를 제어하였으며 고속카메라(Photron Fastcam APX-RX)와 인젝터 동기화를 실시하였다. 메탈할라이드 램프(Photron HVC-SL)를 광원으로 고속카메라를 이용하여 초당 5,000 프레임의 속도(5,000 fps)로 이미지를 취득하였다.
분사 압력 4 bar 대비 8 bar에서 미립화 성능 증가로 인한 액적의 공간 산포가 증가하였다. 보다 정량적인 판단을 위해 MATLAB image processing을 통해 이미지 내 요소수 액적의 pixel 수를 측정하였고 그 결과는 Fig. 7과 같다. 동일한 거리에서 분사 압력의 증가는 요소수 미립화 성능을 증가시키고 분열된 다수의 액적으로 평면상에 존재하여 많은 pixel 수를 보인다.
본 연구에서는 요소수 인젝터의 분사 압력 및 통전 기간 변화에 따라 고속카메라를 이용하여 요소수 분무발달 과정 및 분무 단층 촬영을 실시하여 거시적 분무 특성을 파악하였다. 또한 분무 가시화 실험을 토대로 요소수 분무의 모델을 검증하였고, Urea SCR 시스템의 내부유동 해석을 실시하였다.
본 연구에서는 요소수 인젝터의 작동 변수에 따른 분무가시화 실험 및 액적 입경/속도 측정을 실시하여 요소수 분무 특성을 분석하였다. 또한 실험결과를 토대로 Urea SCR 시스템 믹서 내 유동 해석 및 운전모드 별 배출가스 특성 분석과 DeNO_X 성능 검증을 실시하였으며 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
분무 단층 촬영 이미지를 토대로 요소수 인젝터의 분무 미립화 성능 평가를 위한 액적 입경 및 속도 측정 지점을 분무 중심으로 설정하였다. 노즐 축 방향 거리 60 mm 지점에서의 액적 직경 및 속도 분포를 Fig.
분무가시화 실험 결과와 액적 입경 측정 실험 결과를 토대로 후처리시스템 내부유동 전산해석에 사용되는 분무 모델 검증을 진행하였다. 시간에 따른 분무도달거리를 그 결과는 Fig.
연구에서는 Post Tier-4 대응 100 마력급 비도로용 디젤 엔진 질소산화물 저감용 요소수 인젝터의 거시적 미립화 성능 분석을 위해 분사 압력과 통전 기간을 작동 변수로 설정하였다. 최소 4 bar에서 최대 8 bar 까지의 분사 압력 변화 및 통전 기간 변화를 통해 요소수 분무의 거동과 거시적 미립화 성능 개선 여부를 분석하였다.
요소수 인젝터의 미립화 성능 분석을 위해Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA) 장비를 이용하여 Fig. 2와 같이 시스템을 구축하였다. Nd:YAG Laser를 이용한 분무 단층 실험 결과를 토대로 요소수 인젝터의 분무 중심에서 액적의 평균 입경 및 속도를 측정하였으며, 노즐 축 방향 거리 및 작동 압력 변화에 따른 D10(AMD), D32(SMD) 비교를 통해 분무 미립화 성능을 분석하였다.
4와 같다. 요소수는 분무길이 175 mm 지점에서 배기가스와 혼합되기 때문에 그 이전까지의 결과를 비교하였다. 웨버수(We)가 0.
연구에서는 Post Tier-4 대응 100 마력급 비도로용 디젤 엔진 질소산화물 저감용 요소수 인젝터의 거시적 미립화 성능 분석을 위해 분사 압력과 통전 기간을 작동 변수로 설정하였다. 최소 4 bar에서 최대 8 bar 까지의 분사 압력 변화 및 통전 기간 변화를 통해 요소수 분무의 거동과 거시적 미립화 성능 개선 여부를 분석하였다.

데이터처리

검증된 분무 모델을 이용하여 후처리시스템 내부유동 전산해석을 수행하였다. 혼합 챔버 내 주요 구성 부품별 배압은 DOC와 DPF에서 가장 높으며 DeNO_X 효율 개선을 위해서는 NH₃ 농도 균일도와 NH₃전환량의 개선이 필요하다⁽¹¹⁾.
Urea-SCR 시스템 성능은 촉매 온도가 중요하므로 배기가스 온도변화 분석이 필요하다. 운전모드별 배출가스 및 DeNO_X 성능 검증을 위해서 Fig. 11과 같은 맵 데이터를 이용해 NRTC 모드의 평균 조건에서 후처리시스템 내부유동 전산해석을 진행하였다. 해석 결과는 Fig.
후처리 시스템 내부 벽면은 dry state로 가정하여 해석을 진행하였다. 해석에 사용된 믹서의 형상은 Fig. 3과 같고 해석결과 믹서의 성능을 판단하기 위한 지표로 NH₃의 Uniformity Index (UI)⁽⁹⁾를 계산하였다.

이론/모형

04를 사용하였으며, 해석 시 요소수 액적은 완전 구형을 가정하였다. 1차 분열은 LISA 모델을 이용하였고 2차 분열은 RD 모델을 적용하였다. 액적 벽면 충돌 현상은 Bai-Gosman 모델을 모사하였고 충돌 후 2개의 Child parcel을 생성하도록 설정하였다.
1차 분열은 LISA 모델을 이용하였고 2차 분열은 RD 모델을 적용하였다. 액적 벽면 충돌 현상은 Bai-Gosman 모델을 모사하였고 충돌 후 2개의 Child parcel을 생성하도록 설정하였다. 후처리 시스템 내부 벽면은 dry state로 가정하여 해석을 진행하였다.

성능/효과

(1) 분사 압력 4~8 bar 조건 내 분사 압력의 증가는 분무도달거리를 증가시키지만 초기 액적의 운동량이 상대적으로 많이 보존되어 선형성을 보이며 분무가 발달한다.
(2) 동일한 노즐 축 방향 거리에서 분사 압력의 증가는 미립화 성능을 개선시키며 액적의 공간 산포를 증가시킨다.
(3) 노즐 축 방향 60 mm지점 기준으로 분사 압력 4bar에서 8 bar로의 증가는 약 5%의 D32 감소율을 보이며, 저압 분사 조건에서도 분사 압력의 증가는 요소수의 분무 발달 속도 및 미립화 성능 개선을 보인다.
(5) 엔진 맵 데이터를 바탕으로 운전모드를 선정하고 후처리시스템 내부유동 전산 해석을 적용하여 SCR 촉매 전단 농도 균일도와 DeNO_X 효율 계산이 가능하고 이를 통해 운전모드별 배출가스 및 DeNO_X 성능 검증이 가능하다.
9에 나타내었다. 분무가 노즐 팁에서 멀어질수록 D10 및 D32가 감소하였으며, 분사 압력이 4 bar에서 8 bar로 증가하였을 때 노즐 축 방향 거리 60 mm 지점 기준으로 D32가 약 5% 감소하였다. 노즐 축 방향 거리가 증가할수록 주변 공기와의 운동량 교환으로 인해 액적의 평균 속도가 감소하였다.
8에 나타내었다. 측정된 액적의 직경 분포는 모든 분사 압력에서 정규 분포의 형태를 보이며 분사 압력이 증가할수록 미립화 성능 증가로 인해 D32⁽¹⁰⁾가 감소하였다. 액적의 속도 분포는 분사 압력이 증가할수록 평균 속도의 증가로 인해 오른쪽으로 이동하나 전체적인 형태는 유지함을 보인다.
11과 같은 맵 데이터를 이용해 NRTC 모드의 평균 조건에서 후처리시스템 내부유동 전산해석을 진행하였다. 해석 결과는 Fig. 11과 같고, SCR 촉매 전단 농도 UI는 0.862이고, DeNO_X 효율은 75.9%로 산출되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직분사 디젤 엔진의 단점은 무엇인가?	직분사 디젤 엔진은 높은 열효율 및 출력 덕분에 농기계 및 건설 기계 등 많은 엔진 분야에서 각광받아왔지만 고온의 조건에서 연소가 이루어져 NOX (질소산화물) 및 PM (입자상 물질)이 발생하는 단점이 있다. 이러한 배출가스 오염 물질을 규제하기 위해 최근 Euro 6, Tier 4와 같이 국제적으로 배기 규제가 강화되고 있다.
	질소산화물 저감에는 어떤 전략 마련이 필요한가?	최근 많은 연구에서 PM의 경우 Diesel Particulate Filter(DPF) 설치를 통해 약98% 이상의 저감(1-3)을 보이는 반면, 질소산화물 저감에는 아직 어려움을 겪고 있는 실정이다. 질소산화물 저감에는 요소수 분무의 기본적인 특성을 이해하고 실제 Urea SCR 배기 유동 조건 내의 요소수 분무 특성을 다양한 방법으로 분석해 질소산화물의 변환율을 높이고 암모니아 슬립을 저감하는 최적화된 요소수 분사 전략 마련이 필요하다. 따라서 많은 선행연구들이 질소산화물 저감을 위해 다양한 방법으로 진행되어왔다.

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A. Spiteri et al., "Comparative analysis on the performance of pressure and air-assisted urea injection for selective catalytic reduction of NOx", Fuel, Vol. 161, pp. 269-277, 2015.

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V. Praveena and L. J. Martin, "Design Optimization of Urea Injectors and Mixers in a Compact SCR System", SAE Technical Paper0148-7191, 2018.
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Weltens, H., Bressler, H., Terres, F., Neumaier, H., and Rammoser, "Optimisation of catalytic converter gas flow distribution by CFD prediction", SAE Technical Paper, 1993.
LEFEBVRE, Arthur H. and MCDONELL, Vincent G. Atomization and sprays. CRC press, 2017.
CHO, Y. S., et al. "Urea-SCR system optimization with various combinations of mixer types and decomposition pipe lengths", International Journal of Automotive Technology, 2014, 15.5: 723-731.

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표제어: PCR

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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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