Analytical Study on Unsteady Flow Characteristics of Urea-SCR Single Hole Injector depend on Nozzle Shape Change

Urea-SCR 단홀 Injector 노즐형상 변화에 따른 비정상유동특성의 해석적 연구

황준환

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Analytical Study on Unsteady Flow Characteristics of Urea-SCR Single Hole Injector depend on Nozzle Shape Change

Jun Hwan Hwang and Sung-Young Park

Key Words: After-treatment(후처리), Atomization(미립화), CFD(전산유체역학), Exhaust gas(배기가스), Injector(인젝터), Optimization(최적화), Spray(분무), Swirl(스월)

Abstract

In this paper, a study of Urea-SCR System for Dosing Injector for responding to enhanced environmental regulations has been conducted. There is a limit to the experimental approach due to the structural characteristics of the injector. In order to overcome this problem, The analysis was performed assuming unsteady turbulent flow through computational fluid analysis and the internal flow characteristics of the injector were analyzed. By changing the nozzle shape of the injector, the performance factors of the swirl injector by shape were selected and compared. The design parameters were modified by changing the diameter of the nozzle at a constant ratio compared to the base model. Swirl coefficient, outlet mass flow, and sac volume were selected as performance parameters of the injector. The Conv. model to which the taper was applied showed the dominance in mass flow rate, discharge coefficient and swirl because of the smooth fluid flow by shape. Swirl coefficient, outlet mass flow, and sac volume were selected as performance parameters of the injector.

As a result of the comparison coefficient derivation with those performance parameters for comparing the performance of the model-specific injector, the Conv-140 model with the nozzle diameter expanded by 140% showed the best value of the comparison coefficient.

1. 서 론

최근 자동차 산업의 패러다임은 친환경 자동차의 개 발에 목표를 두고 이에 따른 기술개발로 전환되고 있다.

효율적인 에너지 사용에 대한 수요를 충족시키기고 엔 진이 발생시키는 오염물질의 감소를 위한 내연기관의

다양한 연구가 수행되고 있다. 그중 디젤기관은 압축비 와 연료의 효율이 우수하여 선박, 트럭 등과 같은 중대 형 엔진에서부터 승용차까지 폭넓게 적용되고 있다.

디젤엔진은 질소산화물(NOx), 입자상 물질(PM)등과 같은 오염물질이 배출된다⁽¹⁾. 질소산화물 중 하나인 이 산화질소(NO2)는 특이하고 자극적인 향을 가지고 있으 며 산화작용이 강하고 대기 중의 오염물질 중 하나이다.

환경문제를 해결하기 위한 노력은 세계적인 움직임으로 진행되고 있으며, 이미 유럽에서는 2014년 디젤자동차 의 배기가스와 관련된 강력한 환경규제인 EURO6 가 발효되었다. EURO6의 발효를 시작으로 자동차의 배기 가스 관련 환경규제가 적용되고 있다⁽²⁾.

(Recieved: 13 Mar 2019, Recieved in revised form: 1 May 2019, Accepted: 2 May 2019)

*

국립공주대학교 일반대학원 기계공학과

†

교신저자, 회원, 국립공주대학교 공과대학 기계자동차공학부 E-mail : [email protected]

TEL : (041)521-9275

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최근 연구의 주안점은 배기가스의 질소산화물, 입자 상 물질의 감소와 더불어 연비 및 출력 향상에 있다. 입 자상물질은 DPF(Diesel particulate filter)의 개발로 80%

이상 저감시키는 것으로 보고되고 있다. 반면 질소산화 물은 LNC(Lean NOx catalysts)와 SCR(Selective catalytic reduction)등과 같은 후처리 시스템을 통해 저감을 위한 연구 개발이 지속적으로 진행 중이다⁽³⁾.

EURO6 규제 충족을 위해 디젤엔진을 장착한 상용차 량은 물론, 승용차량까지 SCR 장착이 법제화되어있다.

Fig. 1은 Urea-SCR 장치에 대한 계략도이다. Urea-SCR system은 크게 SCR 촉매, DCU(Dosing control unit), dosing system으로 구성되어 있다⁽⁴⁾. Urea-SCR system에 서의 후처리는 배기관에 분사된 요소수의 분무액이 배 기가스의 열에 의해 암모니아로 환원되고, SCR촉매를 통해 NOx와 반응하여 인체에 무해한 N2와 H2O로 변환 되는 메커니즘으로 구성되어 있다⁽⁵⁾.

현재 Urea-SCR dosing 인젝터는 MPI방식의 다공 (Multi hole)인젝터, GDI방식의 단공(Single hole)인젝터 가 사용되고 있으며, 본 연구에서는 GDI방식의 단공인 젝터를 주 연구대상으로 선정하였다^(6,7).

현재 인젝터 분사시점, 스월을 형성하는 스월 디스크 의 형상 변화, 분사 각도 등에 관한 연구는 활발히 진행 되고 있으나, 노즐부의 형상에 따른 인젝터 성능 평가 관련 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 노 즐부분 형상에 따른 다양한 설계 변수를 적용하여 인젝 터의 내부 유동 특성에 따른 출구에서의 스월 유동을 비교 분석하였으며, 비교계수를 도출하여 인젝터의 노 즐 형상별 유동특성에 대한 연구를 수행하였다.

2. 본 론

본 연구의 대상 모델인 Urea-SCR dosing injector의 형상을 역설계를 통해 3D 모델을 도출하였다. 인젝터는 상용 Urea-SCR용 단홀 스월 인젝터이다. 모델링된 인젝 터의 형상은 Fig. 2와 같다.

2.1 해석방법 및 경계조건

본 연구에서는 상용 전산유체해석 소프트웨어인 STAR-CCM+⁽⁸⁾를 이용하여 해석을 수행하였다. 또한 분 사량을 최종적으로 제어하는 노즐부의 해석이 주 관심 영역이기 때문에 노즐 부위의 유동영역만을 추출하여 모델링을 수행하였다. Urea-SCR에서 사용되는 Urea solution의 경우, 물과 유사한 물성을 가지고 있으므로, 물의 물성을 사용하였다. 난류 모델은 Standard K-ε 난 류 모델을 적용하였다. 유동영역의 경계조건으로 입구 는 7 bar, 출구는 대기압으로 설정하였다. 해석 계산격 자는 Table 1과 같이 적용하였으며, 약 95만개의 육면체 격자를 적용하였으며, Overset mesh 기법을 적용하기 위하여 유체유동영역과 니들 외부의 유동영역을 분리하 여 형성하였다. 또한 해석의 정밀도를 위하여 벽면 근처 에 5개의 정밀격자(Prism layer)를 구성하였다. 유동영역 은 Fig. 3의 (a)와 같다⁽³⁾.

2.1.1 Overset mesh 및 Needle 움직임 모사

본 연구에서 사용된 Overset mesh 기법은 움직임을 Unsteady 해석으로 모사하기 위하여 사용되는 기법으로, 중첩되는 격자간의 유동 정보를 교환하며 계산하는 방법 이다. Overset mesh 기법은 Fig. 3의 (b)와 같이 적색으로 표시된 움직이고자 하는 영역을 인터페이스 영역으로 지 Fig. 1 Schematic diagram of Urea-SCR system

Fig. 2 3D-model of Urea-SCR injector

Table 1 Calculation mesh setting value Region Fluid Needle Mesh Type Polyhedral Mesh

Base Size [mm] 0.2 0.1

Number of Prism Layers [ea] 5 Prism Layers Thickness [mm] 0.03 Minimum Surface Size [mm] 0.02 0.01

정하여 보간법을 활용하여 계산을 진행하는 형식이다⁽⁸⁾. 인젝터의 움직임은 실제 움직임에서 발생하는 불규칙 한 Overshooting 현상을 배제하였으며, Fig. 4와 같은 움 직임을 지정하였다. 니들은 0.3 ms 까지 상승하며, 0.4 ms 동안 최대 리프트(0.3 mm)에서 유지되며, 다시 하강하 는 것으로 가정하여 해석을 진행하였다. Unsteady해석 중 Time Step은 해석의 정확도를 높이기 위하여 계산격 자의 평균크기와 니들의 상승속도를 고려하여 총 240 time step으로 설정하였다.

2.2 해석변수 설정

본 연구에서는 노즐의 형상의 변화에 따른 Sac vol- ume, 유량 및 스월계수의 해석을 진행하였다. 인젝터의 노즐 형상은 Fig. 5과 같이 변형하였으며, Base model을

기준으로 노즐 중앙부의 직경을 출구직경의 60%를 축 소한 Conv-Div-60, 노즐의 상단 부분에서의 노즐직경을 출구직경의 60% 축소한 Div-60, 그리고 노즐의 상단 부 분에서의 노즐직경을 출구직경의 각각 120%, 140%, 160%, 180% 확장시킨 형태인 Conv-120, Conv-140, Conv- 160, Conv-180 으로 분류하여 해석을 진행하였다.

노즐의 형상이 변형됨에 따라 각 모델의 Sac volume 이 변경되었다. 각 모델의 Sac volume과 Base model 대 비 증감율은 Table 2와 같다. 노즐의 상단부분에서 Conv- Fig. 3 Fluid domain and overset moving region

Fig. 4 Needle profile

Fig. 5 Design parameter

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180 model의 경우 약 26%의 Sac volume이 증가하였으 며, Conv-Div-60 model과 Div-60 model의 경우 Base model 대비 각각 약 16%, 13% 감소하였다.

2.3 해석결과

2.3.1 정상상태 유동해석

니들의 최대리프트 위치에서의 스월 형상을 확인하기 위한 Steady 해석을 진행하였다. 해석은 Unsteady 해석 조건과 동일하게 적용하였으며, 니들의 위치를 고정하 여 해석을 진행하였다. 해석결과는 Fig. 6과 같다. 노즐 의 직경이 축소되는 Conv-Div-60 model과 Div-60 model 의 경우, 최대속도가 직경이 줄어든 부분에서 발생하였 으며, 최대 속도 발생 후 출구에 도달하기 까지 감소하 는 것을 확인하였다. Conv-120, 140, 160, 180 model의 경우, Base 모델과 유사한 유동형태를 나타내었으나, 스 월 디스크로부터 발달한 스월이 노즐 전체를 타고 내려 오는 형태로, 속도가 급격하게 증가하거나 감소하지 않 고 안정적으로 변화 하는 것을 확인하였다.

2.3.2 비정상상태 속도분포 해석결과

시간별 노즐부 단면 속도분포를 Fig. 7에 나타내었다.

전압력 해석결과와 유사하게 Conv-Div-60 model과 Div- 60 model의 경우 노즐 직경이 축소된 다음 부분에서 급 격한 속도의 변화가 일어났으며, 줄어든 부분에서 속도 가 높게 분포되는 것을 확인하였다. 이는 단면이 줄어들 며 유동이 가지고 있던 에너지가 속도로 전환되기 때문 이다. 반대로 노즐 직경을 확장한 경우 최고속도는 노즐 끝단에서 발생하였으며, 노즐 내에서는 테이퍼진 단면 적 감소의 영향으로 점진적인 속도증가를 보였다.

스월 측정부에서의 속도벡터 해석결과를 Fig. 8과 같

이 나타내었다. 속도벡터의 경우, 스월계수의 강도가 낮 은 모델의 경우 모두 벽면에서의 속도벡터가 낮은 것을 확인하였다. 반대로 노즐의 직경을 확대한 Conv-120, Table 2 Sac volume and rate of change

Sac volume [mm³]

Rate of Change of Sac volume [%]

Base 0.2657 0

Conv-Div-60 0.2659 -15.69 Div-60 0.2848 -13.14 Conv-120 0.3142 0.08 Conv-140 0.3352 7.19 Conv-160 0.2240 18.25 Conv-180 0.2308 26.16

Fig. 6 Streamline at maximum needle lift

140, 160, 180 model의 경우, 속도 벡터는 벽면에서 더 높게 나타났으며, 벽면에서는 노즐부의 마찰로 인한 소 폭의 감소가 나타난 것을 확인하였다.

2.3.3 스월계수 해석결과

본 연구에서는 Urea-SCR 스월 인젝터의 중요 성능

지표 중 하나인 스월계수를 유동해석을 통해 확인하였 다. 스월계수는 회전 유동의 모멘텀과 축방향 유동 모멘 텀의 비로 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다. 스월계수는 인 젝터의 출구면에서 노즐 길이의 10%인 0.14 mm 떨어 진 부분에서 계산하였다. 또한 직관적인 비교를 위해 시 간별 스월계수를 시간에 대해 적분하여 평균 스월계수 를 도출하였다. 평균 스월계수는 식 (2)와 같다.

Cswirl UαdA (1) ---Q

∫

= Fig. 7 Velocity of plane section

Fig. 8 Velocity vector of outlet plane

110

(2)

식에서 U는 출구면에서 임의의 속도벡터의 접선방향 크기, α는 중심 축과의 각도, Q는 출구방향 체적유량을 의미한다.

시간에 따른 스월계수는 Fig. 9와 같으며, 스월계수는 인젝터 니들이 최대점에 도달하는 0.3 ms부터 니들이 완전히 닫히는 1 ms까지 측정하였다. 해석결과 스월계 수는 시간의 증가에 따라 증가하며, 니들이 하강하기 시 작하는 0.7 ms에서 감소하는 양상을 나타내었다. 이는 니들이 하강하며, 유동에 영향을 주어 감소하는 것으로 판단된다.

계산결과 모델별 평균 스월계수는 Fig. 10과 같고, Base model 대비 증감율은 Table 3에 나타내었다. 스월 계수는 노즐의 상단을 확장시킨 Conv-120 model은 1.54%, Conv-140 model은 32.58%, Conv-160 model은 32.45%, Conv-180 model은 37.67% 증가하는 것을 확인하였다.

Conv. model 모두 Base model 대비 스월계수는 상승하 였다. 특히 Conv. model 중에서 Conv-120 model과 Conv- 140 model의 스월계수 차이가 약 31%로 변화량이 가장 크게 나타났다.

2.3.4 모델별 출구 유량 비교

출구에서의 유량을 비교하여 스월인젝터의 분사량을 분석한 결과 Fig. 11과 같으며, 각 모델별 Base model 대비 증감량은 Table 4와 같다. 해석결과 노즐상단부의 직경을 확장한 모델이 출구의 유량이 증가하는 양상이 나타났다. 유량이 증가할수록 인젝터가 1회 분사 할 때 의 Urea solution의 양이 증가하기 때문에 적은 분사횟 수로 단일시간에 많은 배기가스의 반응을 촉진 시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한 같은 압력조건에서 유량이 클 경우, 저압영역에서 인젝터를 사용할 수 있게 되므로 승압을 위한 부가적인 장치가 불필요 한 장점이 있을 것으로 사료된다.

인젝터의 주요 설계 인자인 유량계수(Discharge Coef- Cswirl avg,

Cswirldt

∫

Δt ---

=

Fig. 9 Swirl coefficient

Fig. 10 Average swirl coefficient

Table 3 Average swirl coefficient and rate of change Average swirl

coefficient [−]

Rate of change [%]

Base 0.1629 0

Conv-Div-60 0.1054 -35.31

Div-60 0.1120 -31.24

Conv-120 0.1654 1.54

Conv-140 0.2160 32.58 Conv-160 0.2158 32.45 Conv-180 0.2243 37.67

Fig. 11 Outlet mass flow for each model

ficient)의 비교를 통하여 이론유량과 실제 유량의 차이 를 분석하였다. 이론유량 은 베르누이방정식에 의 해 식 (3)으로 나타낼 수 있으며, A0는 최소목 면적을 의 미한다. 유량계수 C

d

(3)

(4)

(5)

2.3.5 주요 성능 인자의 비교를 통한 최적화

해석결과를 토대로 인젝터의 주요 성능을 결정하는 스월계수, Sac volume 그리고 질량유량을 비교 분석 진 행하였다. 분석결과를 Fig. 12에 나타내었다. 노즐 상단 부를 확장한 Conv. model의 경우, Sac volume이 커짐에 따라 스월계수와 질량유량 역시 증가하는 양상을 보였 으나, Sac volume의 증가폭에 비해 스월계수와 질량유 량의 증가폭은 미미한 것을 확인하였다. Sac volume이 증가하면, 니들이 완전히 닫혀있을 때 남아있는 Urea solution이 누설되어 배기구에 누적가능성이 있으며, 이 는 배기구에 쌓여 SCR system의 효율을 낮추는 원인이 될 수 있을 것으로 판단된다.

세 성능지표를 통한 인젝터 모델들의 상대적인 비교 를 위하여, Base model의 스월계수, Sac volume 그리고 질량유량을 기준으로 비교계수(C

comp

(6)

m·

m·

m·

ρA

2 Δ p --- ρ

=

Cd

m·cal

m·ideal

---

=

Cd avg,

m·culdt

∫

m·idealdt

∫

=

Ccomp

ωcCS

ωSacVSac

---×ωmm·

⎝ ⎠

⎛ ⎞Model

CS

VSac

--- m·×

⎝ ⎠

⎛ ⎞Base ---

= Table 4 Average outlet mass flow and rate of change with

base model

Average Mass Flow [kg/s]

Rate of Change [%]

Base 0.207802 0

Conv-Div-60 0.140812 -32.24 Div-60 0.169716 -18.33 Conv-120 0.216626 4.25 Conv-140 0.222932 7.28 Conv-160 0.227622 9.54 Conv-180 0.229957 10.66

Fig. 12 Average discharge coefficient

Table 5 Average discharge coefficient and rate of change with base model

Average Discharge Coefficient [-]

Rate of Change [%]

Base 0.55 0

Conv-Div-60 0.38 -30.91

Div-60 0.45 -18.18

Conv-120 0.58 5.45

Conv-140 0.60 9.09

Conv-160 0.61 10.91

Conv-180 0.62 12.73

112

3. 결 론

본 연구에서는 배기가스 규제에 따른 Urea-SCR 장착 의무화에 따른 Urea dosing injector의 성능 향상을 위하 여 인젝터 내부 비정상 유동의 전산유체해석을 수행하 였다. 노즐 형상을 설계변수로 하여 Overset mesh 기법 을 사용한 Unsteady 해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 연구된 모델 중에서 스월계수는 노즐의 상단부를 확장한 Conv. 모델이 우수한 결과를 보였다. 이것은 Swirler에 의해 형성된 스월이 노즐 상단부의 완만한 각 도를 따라서 회전 모멘텀의 감쇄가 최소화되었기 때문 으로 판단된다.

(2) 질량유량과 유량계수 분석결과, 노즐의 중앙부와 하단부의 직경을 변화한 Conv-Div-60, Div-60 모델의 질량유량과 유량계수는 Base 모델 대비 감소하였으나,

노즐의 상단부를 확장한 Conv 모델은 증가하였다. 이는 테이퍼가 적용된 Conv 모델의 유동흐름이 원활하기 때 문인 것으로 판단된다.

(3) 모델별 스월계수, 유량 및 Sac Volume 간의 직관 적인 비교를 위한 비교계수를 도출하였다. 비교계수는 Base Model 대비 증감폭을 나타내었으며, 분석결과 Conv model이 Base model대비 명확한 증가 폭을 보였 으나, Conv-140에서 최대를 나타내고 이후에는 감소하 는 추세를 나타내었다. 평균 스월계수의 증가량은 5%

인 것에 반해 Sac volume의 증가량은 10% 내외로 증가 하는 것을 비교하였을 때, 노즐직경이 140% 확장된 Conv-140 모델이 가장 우수한 비교계수 값을 나타내었다.

본 연구의 해석결과를 토대로 향후 CFD와 실제 인젝 터의 분사 성능 실험을 진행하여 연구결과와 비교 진행 예정이며, 향후 인젝터의 노즐 형상에 따른 성능분석의 기초 연구로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

후 기

본 연구는 2017년 공주대학교 학술연구지원사업의 연구지원에 의하여 연구되었으며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

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