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입자상물질과 Ash양이 디젤매연여과장치 내의 배압 및 유동균일도에 미치는 영향
Effect of Particulate Matter and Ash Amount on Pressure Drop and Flow Uniformity of Diesel Particulate Filter Reduction System 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.26 no.1, 2020년, pp.22 - 29  

김윤지 (수원대학교 환경에너지공학과) ,  한단비 (수원대학교 환경에너지공학과) ,  서태원 (수원대학교 환경에너지공학과) ,  오광철 (한국자동차연구원) ,  백영순 (수원대학교 환경에너지공학과)

초록
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최근 미세먼지 증가로 인하여 디젤엔진의 배출 규제가 강화됨에 따라 디젤 매연여과장치에 관심이 급증하게 되었으며, 특히 디젤 배기가스 후처리 장치의 고효율화에 대한 기술개발이 더욱 요구되고 있다. 이에 대한 일환으로서 디젤매연여과장치(diesel particulate filter, DPF) 내 배기가스의 유동 균일도를 향상시키고 배압을 낮추어서 배기가스처리 효율을 높이는 연구가 많이 되고 있다. 본 연구에서는 ANSYS Fluent를 이용하여 직경 12"의 DPF와 디젤산화촉매(diesel oxidation catalyst, DOC)를 장착한 디젤 매연여과장치에서의 배기가스의 유속과 온도, DPF IO ratio, Ash와 PM양에 따른 배압에 미치는 영향을 시뮬레이션 하여 배압을 낮추는 최적화 연구를 하였다. 결과로서 배기가스의 온도와 유속이 낮을수록 배압이 낮아졌으며, PM양이 Ash양보다 배압에 더 큰 영향을 주는 것으로 나타냈다. 또한 비대칭 DPF가 대칭 DPF에 비해 배압이 더 낮게 나타냈으나, 유동 균일도의 경우는 다양한 변수에 관계없이 일정하게 나타냈다. european stationary cycle (ESC), european transient cycle (ETC) 조건에서 PM의 정화효율은 비대칭, 대칭 DPF 관계없이 유사하나, particle number (PN)의 정화효율에서는 비대칭 DPF가 대칭 DPF에 비해 높게 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, as the fine dust is increased and the emission regulations of diesel engines have been tightened, interest in diesel soot filtration devices has rapidly increased. There is specifically a demand for the technological development of higher diesel exhaust gas after-treatment device efficienc...

주제어

#디젤매연여과장치   #전산유체역학   #유동 균일도   #압력분포  

표/그림 (19)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 CFD를 이용하여 직경 12＂, 길이 3＂의 DPF 와 직경 12＂ DOC, 길이 1＂의 DOC를 장착한 저감장치의 내부에 배기가스가 유입될 때, 시뮬레이션 하여 시뮬레이션 결과와 자동차부품연구원의 실험 결과와의 비교로 시뮬레이션의 신뢰성을 확인하였다. 이를 바탕으로 배기가스의 유속, 온도, DPF IO ratio, Ash와 PM양에 따른 배압에 미치는 영향을 시뮬레이션 하여 배압이 낮고 유동균일도가 높은 DPF의 최적조건 찾는 연구를 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
디젤 후처리 장치는 어떻게 유해물질을 처리하는가? 최근 미세먼지 증가로 인해 디젤엔진의 배기가스 규제가 강화됨에 따라 디젤산화촉매(diesel oxidation catalyst, DOC), 디젤매연여과장치(diesel particulate filter, DPF), 선택적 환원 촉매(selective reduction catalyst, SCR) 등 각종 디젤 배기 후처리 장치의 기술개발이 요구된다[1]. 디젤 후처리 장치는 대부분 촉매를 사용하여 유해물질을 처리하는데, 배기가스가 촉매 담체에 균일하게 유입되면 높은 촉매 활성으로 인해 배기가스 처리효율이 향상되기 때문에 배기가스의 균일한 유입은 매우 중요하다. 배기가스의 흐름이 처리장치에서 균일하지 않으면 포집된 물질이 국부적인 누적으로 재생과정에서 높은 열이 발생하여 DPF 크랙의 원인이 되며, DOC의 경우에는 촉매의 성능에 영향을 줌으로 인해 NOx의 처리 효율의 감소로 이어진다.
배기가스의 흐름이 처리장치에서 균일하지 않으면 어떻게 되는가? 디젤 후처리 장치는 대부분 촉매를 사용하여 유해물질을 처리하는데, 배기가스가 촉매 담체에 균일하게 유입되면 높은 촉매 활성으로 인해 배기가스 처리효율이 향상되기 때문에 배기가스의 균일한 유입은 매우 중요하다. 배기가스의 흐름이 처리장치에서 균일하지 않으면 포집된 물질이 국부적인 누적으로 재생과정에서 높은 열이 발생하여 DPF 크랙의 원인이 되며, DOC의 경우에는 촉매의 성능에 영향을 줌으로 인해 NOx의 처리 효율의 감소로 이어진다. 따라서 배기가스의 균일한 유입은 후처리 장치 성능에 크게 영향을 미치기 때문에 배기가스의 유동 균일도를 향상시켜 효율을 증대 시킬 필요가 있다[2].
많은 DPF연구자들이 PM의 포집된 양을 압력강하로 표현하는 이유는? 또한 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 기술개발 시 고려해야 하는 가장 중요한 인자이다.
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