초록 ▼

본 과제에서는 NOx와 매연 배출물을 동시에 저감시키기 위해 단위연구 결과들을 조합하여 EGR과 전기화학적 처리인 비열 플라즈마 반응기의 후처리장치를 동시에 응용하는 플라즈마 EGR 조합시스템 개발하고자 한다. EGR의 단위연구에서는 스크러버형 EGR시스템을 개발하여 EGR의 본질적 문제점인 실린더 및 피스톤 마모, 냉각 및 고온 EGR에 대한 특성을 파악하고, NOx와 매연 배출물에 미치는 영향을 조사하여 디젤기관에 적용할 수 있는 EGR 시스템를 개발하는 기초자료로서 활용한다.
또한, 플라즈마-촉매 하이브리드 시스템 단위연

본 과제에서는 NOx와 매연 배출물을 동시에 저감시키기 위해 단위연구 결과들을 조합하여 EGR과 전기화학적 처리인 비열 플라즈마 반응기의 후처리장치를 동시에 응용하는 플라즈마 EGR 조합시스템 개발하고자 한다. EGR의 단위연구에서는 스크러버형 EGR시스템을 개발하여 EGR의 본질적 문제점인 실린더 및 피스톤 마모, 냉각 및 고온 EGR에 대한 특성을 파악하고, NOx와 매연 배출물에 미치는 영향을 조사하여 디젤기관에 적용할 수 있는 EGR 시스템를 개발하는 기초자료로서 활용한다.
또한, 플라즈마-촉매 하이브리드 시스템 단위연구에서는 충전층(packed-bed)형과 금속입자-촉매형 플라즈마 반응기에서 NOx 제거특성을 조사하고, 실험 및 시뮬레이션 결과를 바탕으로 NOx 제거용 플라즈마-촉매 혼합형 반응기의 최적설계를 위한 파라미터를 결정하여 실제의 디젤기관에 적용이 가능한 실제 규모의 플라즈마 반응기를 제작한다. 시뮬레이션 연구에서는 연구목적에 포함된 EGR시 연소생성물 예측, EGR과 플라즈마 시스템의 접합 및 최적설계, 최적 EGR률 계산을 통한 최적 조건을 도출한다. 최종적으로는 플라즈마 EGR 조합시스템의 실험결과와 시뮬레이션과의 비교를 하고, 얻어진 통합 해석을 통하여 NOx 및 매연 배출물을 동시에 저감할 수 있는 플라즈마 EGR 조합시스템의 최적설계를 수행한다.

디젤기관의 플라즈마 EGR 조합시스템을 개발하기 위해 EGR 적용의 문제점을 최소화하는 연구로서, 스크러버 EGR 시스템의 재순환 배기가 실린더 라이너, 피스톤 및 피스톤링의 마모에 미치는 영향을 조사하여 매연제거의 필요성을 검토했다. 또한, 스크러버의 매연제거효율은 회전속도 및 부하에 따라서 다르지만, 40 ∼ 100% 정도의 효과가 있었고, 흡입 혼합기의 온도를 변화시킨 실험에서는 NOx 및 매연 배출물에 미치는 물분사 및 냉각EGR의 영향이 상당히 큼을 알았다.
플라즈마-촉매의 연구에서는 몇 가지 플라즈마 반응기를 제작하여 각 종 촉매에의한 NOx 제거특성을 조사한 결과, 금속입자-촉매 조합형 플라즈마 반응기가 가장 우수하였고, BaTiO3가 가장 강력한 코로나 방전을 발생시켰다. 촉매는 정수장 슬러지가 가장 우수한 NOx 제거특성을 나타내었다. 따라서 BaTiO3가 충진된 금속입자 반응기에서 NO를 NO2로 산화시켰고, 정수장 슬러지 촉매에 의해 통과시키는 것이 가장 높은 NOx 제거율을 나타내었다.
시뮬레이션 연구에서는 EGR 시스템이 장착된 디젤기관의 구성요소로부터 흡기 및 배기 시스템을 포함하는 전체시스템에 대하여 수치해석을 수행하여 EGR을 바이패스 벤튜리 시스템과 결합하여 도입하면 연료소비율과 출력을 희생시키지 않고 NOx 배출물을 저감시킬 수 있음을 알 수 있었다. 확장 Zeldovich 메커니즘을 포함하는 3차원 연소해석을 수행하여 디젤기관의 연소실 내 연소 및 NOx 생성과정을 분석하였다. 수치해석결과로부터 연소단계에 따라 NOx 생성과정을 알 수 있었으며, EGR률이 증가함에 따라 NOx 배출물이 감소됨을 파악하였다.
2차 연도까지 실험에 의해 조사한 데이터를 이용하여 디젤기관에 실제적용이 가능한 파일럿급 플라즈마 반응기를 제작하고 EGR과 조합시스템을 구축하였고, 각각의 부하 및 회전속도에 적합한 제어율을 결정한 다음, 배출물을 동시에 저감시킬 수 있는 운전상태에 적합한 플라즈마 EGR 조합시스템을 개발하였다. 한편, 조합식의 일환으로 창안한 스크러버형 EGR 조합시스템과 본 연구의 플라즈마 EGR 조합시스템에 적합한 적용대상을 선정한 다음, 디젤기관의 NOx 및 매연 배출물 동시저감의 성과를 거두었다. 최근에는 EGR를 실제로 보일러에 적용하는 FGR(Flue Gas Recirculation) 시스템의 파일럿 연구를 수행하여 검증한 다음, 2003년도 8월부터 화력발전 시스템에 직접 적용하는 공사를 엔지니어링회사와 수주하여 현재 진행중에 있다.

Abstract ▼

In order to reduce NOx and soot emissions simultaneously, in this project, a combined plasma and EGR system will be developed based on the combination of several unit research results which established reduction strategies on exhaust emissions by employing EGR and non-thermal plasma reactor systems.

In order to reduce NOx and soot emissions simultaneously, in this project, a combined plasma and EGR system will be developed based on the combination of several unit research results which established reduction strategies on exhaust emissions by employing EGR and non-thermal plasma reactor systems. The experiment and simulation will also be performed to work out an optimal design and to inspect potential applications for this combined system. That is, in the EGR study, the effects of recirculated exhaust gas on the wear of cylinder liner, piston and piston rings were experimentally investigated, and the characteristics of cooled and hot EGR on fuel economy, combustion characteristics and exhaust emissions were experimentally examined to understand an intrinsic nature of EGR. In the non-thermal plasma-catalyst study, a packed-bed and metal particle -catalyst plasma reactor system was developed to investigate the effect of their shape on NOx removal. The most optimal parameters for making plasma- catalyst hybrid reactor can be decided by results of experiment and simulation. And then the attempt will be made to apply a real scale packed-bed plasma catalyst reactor for diesel engine. In the other project, the estimate of combustion products by EGR, the combination and optimum design between EGR and plasma systems, the deduction of optimum operating conditions of the system, and the numerical method estimating the system will be performed by stages for the final purpose. In the above numerical studies, a goal of the optimum design can be achieved for developing the combined plasma EGR system reducing NOx and soot emissions simultaneously in diesel engines. Finally, the findings may be utilized preliminary data for designing and developing a feasible control device of the practical combined plasma and EGR system in diesel engines.

To minimize the problems of EGR application to the combined plasma and EGR system in diesel engines, the effects of recirculated exhaust gas on the wear of cylinder liner, piston and piston rings, and on the characteristics of NOx and soot emissions were investigated by the experiment. It was found that firstly the mean wear rate of cylinder liner with EGR was greater in the measurement positions of the second half than of the first half, and that the mean wear rate without EGR was almost uniform regardless of measurement positions. Secondly, the wear rate of piston skirt with EGR increased a little bit, but the piston head diameter increased, rather than decreased, owing to soot adhesion and erosion wear, and especially larger with EGR. Finally, the wear rates of the top and second piston ring(compression ring) thickness with EGR were more than twice the wear rate of top ring in case of no EGR, but the wear rate of oil rings thickness without EGR increased greater than that with EGR. In the case of exhaust emissions, it was found that soot emissions in exhaust gases were reduced by 40 to 100% when the scrubber was applied in the range of the experimental conditions, and that NOx emissions decreased markedly, especially at higher loads, while soot emissions increased owing to the decrease in intake and exhaust oxygen concentrations, and the increase in equivalence ratio as the EGR rate is elevated. The effects of intake mixture temperature, owing to water injection and cooled EGR, on exhaust emissions were experimentally investigated. It is found that NOx emissions are markedly decreased as EGR rates are increased and intake mixture temperature is dropped, while soot emissions are increased with increasing EGR rates and intake mixture temperature.
In the study of plasma-catalyst reactor, several kinds of plasma reactors are manufactured and the effect of various catalysts on removal characteristic of NOx emissions was investigated. The most efficient plasma reactor for removing NOx emissions is the combined metal particle and catalyst. The strongest corona discharge is also generated by BaTiO3 plasma reactor and the most efficient catalyst for removing NOx emissions is the sludge of a water purification plant.
Consequently, it is shown that the reduction rate of NOx emissions is the highest when BaTiO3 is to oxide NO into NO2 in metal particle plasma reactor and the sludge catalyst of a water purification plant is passed. A real scale reactor has been manufactured, and is used to construct the combined plasma EGR system synthetically in a diesel engine from now. Besides, oil reforming with corona discharge has been experimentally studied. The results of engine test show that soot emissions can be reduced by using the reformed oil.
Numerical analyses of the EGR system involving intake and exhaust systems in the diesel engine have been performed. The numerical results suggest that EGR system can reduce NOx emissions while maintaining the same fuel consumption rate by the application of a venturi system. the simulation of a solenoid valve, which can be applied to the EGR system, was performed, and optimum design parameters of the solenoid valve were understood to improve the pressure control characteristics. In order to analyze the combustion and NOx formation processes in the combustion chamber, combustion simulation was performed based on the extended
Zeldovich mechanism. From the numerical results, NOx formation process were obtained and it was understood that NOx emission could be reduced with the increase of EGR rate.
Pilot combined plasma and EGR system were built based on the experimental and numerical results whose control rate with engine load and rpm were obtained by using EGR and non-thermal plasma-catalyst reactor systems. The developed system was verified by test runs to reduce NOx and soot emissions simultaneously and be suited to the operating conditions of a diesel engine. Successively, the application of EGR to a boiler of power generator, namely FGR(Flue Gas Recirculation) was also studied and verified. From Aug. 2003, pilot plant of FGR in steam power generation is being performed together with an engineering corporation.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문 ...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문 ...4
• 2. 영문요약문 ...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• * 배기 재순환(Exhaust Gas Recirculation)에 관한 세부연구 ...6
• Ⅰ. 스크러버형 EGR 시스템 디젤기관의 실린더 라이너, 피스톤 및 피스톤 링 마모에 미치는 재순환 배기의 영향에 관한 연구 ...6
• Ⅱ. 디젤기관의 스크러버형 EGR시스템에 의한 매연 및 NOx 배출물 동시저감 기술에 관한 연구 ...13
• Ⅲ. 스크러버형 EGR시스템 디젤기관의 성능 및 배기 배출물에 미치는 흡입혼합기 온도의 영향에 관한 연구 ...27
• Ⅳ. 스크러버형 EGR시스템 디젤기관의 NOx 및 매연 배출물에 미치는 흡입 혼합기 온도의 영향에 관한 연구 ...34
• * 비열 플라즈마 반응기에 의한 세부연구 ...40
• Ⅰ. BaTiO3 - 슬러지 Packed-bed형 반응기에서 NOx 제거에 미치는 슬러지의 영향 ...40
• Ⅱ. Sludge Pellet의 NOx 제거특성에 미치는 온도의 영향 ...50
• Ⅲ. 금속파티클-Al2O3 hybrid 반응기의 NOx 제거에 미치는 유전체 영향 ...53
• Ⅳ. 톱니-평판형 코로나 방전플라즈마-EGR 조합시스템에 의한 디젤기관의 배기 특성 ...58
• Ⅴ. MF(20 kHz) 플라즈마-EGR 조합시스템에 의한 디젤기관의 배기 가스 특성...63
• * 시뮬레이션에 의한 세부연구 ...68
• Ⅰ. 이론적 평형계산에 의한 스크러버형 EGR시스템 디젤기관의 연소생성물 및 단열화염온도 특성에 관한 연구 ...68
• Ⅱ. 디젤엔진용 EGR시스템의 수치해석적 연구 ...85
• * 플라즈마 EGR 조합시스템에 관한 연구 ...90
• Ⅰ. 플라즈마 EGR 조합시스템 디젤기관의 성능 및 배기 배출물 특성에 관한 연구 ...93
• * 보일러의 FGR 시스템에 관한 응용연구 ...104
• Ⅰ. 증기원동기 NOx 배출물 저감용 FGR 환경설비시스템 개발 ...104