Effect of Nozzle Cap Geometry for Swirl-Type Two-Fluid Nozzle on the Spray Characteristics

(1)

선회형 이유체노즐의 노즐캡 형상에 따른 분무특성

최윤준^*·강신명^*·김덕진^**·이지근^†

Effect of Nozzle Cap Geometry for Swirl-Type Two-Fluid Nozzle on the Spray Characteristics

Y. J. Choi, S. M. Kang, D. J. Kim and J. K. Lee

Key Words: Two-fluid nozzle (이유체노즐), Geometry ratio (형상비), Urea-SCR(우레아-선택적촉매저감법), PDA system (^{위상도플러입자분석기})

Abstract

In the case of heavy duty diesel engines, the Urea-SCR system is currently considered to reduce the NOx emission as a proved technology, and it is widely studied to get the high performance and durability. However, the nozzles to inject the urea-water solution into the exhaust pipe occur some problems, including the nozzle clogging, deposition of urea-water solution on the inner wall of the exhaust pipe, resulting in the production of urea salt. In this study, a swirl-type twin-fluid nozzle to produce more fine droplets was used as a method to solve the problems. The effect of the nozzle cap geometry, including the length to diameter ratio (lo/do) and chamfer, on the spray characteristics were investigated experimentally. The length to diameter ratio of nozzle cap were varied from 0.25 to 1.125. The chamfer angle of the nozzle cap was constant at 90^o. The mean velocity and droplet size distributions of the spray were measured using a 2-D PDA (phase Doppler analyzer) system, and the spray half-width, AMD (arithmetic mean diameter) and SMD (Sauter mean diameter) were analyzed. At result, The larger length to diameter ratio of nozzle cap were more small SMD and AMD. The effect of the chamfer did increase the radial velocity, while it did not affect the atomization effect.

기호설명 b : 분무반폭 (half-width) U^cl : ^{분무중심에서의}^{축방향속도} U : 축방향속도 (mean axial velocity) Z : 분무의축방향거리 (axial distance) Y : 분무의반경방향거리 (radial distance) V : ^반경방향^속도 (radial velocity)

1. 서 론

디젤엔진은 NOx 발생원전체에서차지하는 상대적 인비중이높기때문에전세계주요대도시지역의광 화학스모그현상의 중요한역할을 한다. 따라서주요 선진국에서디젤자동차로부터배출되는 유해배기가스

규제를강화하여일정수준이하의 NOx 배출을요구하

고있다.

유럽연합(EU)은 NOx의배출량을 2005년부터적용된

유로-4(Euro-4) NOx 기준치의 25% 수준으로강화하여,

2008^년부터는 NOx^의^배출량을 2.0 g/kWh ^이하로^만족

시킬것을요구하고있다. 이러한규제를만족하기위하 여다양한배기가스후처리기술이개발되고있으며, 최 근들어암모니아혹은우레아(urea, (NH²)²CO))^와^같은 (2008년 7월 8일접수 ~ 2008년 8월 12일심사완료)

*전북대학교정밀기계공학과

**자동차부품연구원

†책임저자, 회원, 전북대학교정밀기계공학부, RCIT E-mail : [email protected]

TEL : (063)270-2369 FAX : (063)270-2388

(2)

질소화합물을이용하여 NOx^를^저감하는^{선택적촉매저}

감(selective catalytic reduction, SCR) 기술개발이활발하 게이루어지고있다.

Urea-SCR ^{시스템에서}^중요한^기술은^배기관^내로^분사

되는우레아수용액의정밀한유량제어와더불어분사된 우레아수용액액적들이분사지점과 SCR촉매사이의매우 작은공간에서가수분해와열분해반응을통해암모니아

(ammonia, NH³)로환원되어야하므로우수한미립화특성

과배기관내의균일공간분포를형성하는것이다⁽¹⁾.

이를위해우레아수용액분사노즐은요구되는분무구 조와액적크기분포가얻어질수있도록설계되어야한 다. 또한우레아수용액의과다분사로인한암모니아슬 립(ammonia slip) 현상과분사장치에우레아염(urea salt)

이발생하지않도록하는것이매우중요한설계변수로 인식되고있다.

우레아수용액은일정시간동안열에노출되면딱딱한 우레아염으로변하게되는데, ^단일^유체^노즐의^경우^분

사후노즐내부에잔존하는우레아수용액의배출이어 렵기때문에우레아염발생비율이높아내구성의문제 를내포하고있다. ^따라서^최근에서^{보조공기를}^이용하

여노즐내부에잔류하는우레아수용액을방출할수있 는이유체노즐에대한연구가많이수행되고있다. 이유 체노즐을사용할경우보조공기를이용하여노즐내부

에서의 1^차^미립화를^촉진시킬^수^있으며, ^분사와^동시

에외부공기와의마찰에의해 2차미립화가가능하기

때문에좀더우수한미립화성능을얻을수있다^(2~3).

Urea-SCR ^시스템에^사용되는^노즐에 ^대한^연구로는

Calabrese 등⁽⁴⁾이노즐작동조건에따라배기관내 NOx

의저감효율을알아보았지만, 노즐의기하학적형상변

수에따른 Urea-SCR ^시스템^적용의^대한^연구는^아직

충분하지않다. 최근들어 Urea-SCR 시스템적용을위

한이유체노즐에대한연구가활발히수행되고있으며,

Kang ^등⁽⁵⁾^은^{이중공기공급}^{이유체노즐에서}^부하비(duty

ratio)에따라공급되는 기체와액체의유량비(air-to-liq-

uid ratio, ALR)를변화시켜분무액적의속도와미립화

관계에대한연구를수행하였으며, 유량비(ALR)가클수 록미립화성능이다소향상됨을보인바있다.

본연구에서는 Urea-SCR 시스템적용을위한이중공 기공급구조를가지는이유체선회노즐을설계제작하고 미립화특성을평가하였다. ^특히^선회형^이유체^노즐의

노즐캡형상이분무구조및액적크기분포에 미치는영 향을조사하였다. 노즐캡 형상변화는출구오리피스의 길이(^lô) ^대^직경(^dô)^비로^정의되는^형상비(^lô^/dô)^와^노즐

캡챔퍼(chamfer)의유무를통해이루어졌다.

Urea-SCR 시스템에적용되는노즐캡은고온에노출

되어우레아염성장의시작점으로노즐의내구성및

Fig. 1 Schematics for experimental setup

(3)

신뢰성에중요한영향을끼친다. ^따라서^노즐출구^근처

의분무거동 및노즐캡형상변화에따른속도및액적 크기변화등이중점적으로조사되었다.

2. 실험장치 및 측정방법

2.1 실험장치

실험장치는분사시스템, 분무이미지를획득하기위한 영상획득시스템, ^액적크기^및^속도 ^측정을^의한 PDA

시스템으로구성되어있으며, Fig. 1에실험장치의개략 도를나타내었다.

2.1.1 ^{분사시스템}

실험에사용된액체는우레아수용액대신환경에유 해하지않은증류수를사용하였다. 액체는압축공기에 의해가압된압력용기에서노즐로공급되며유량조절밸 브를이용하여유량을조절하였다. 또한, 공기는질량유 량계를거쳐일정한유량이연속적으로노즐로공급된 다. ^이때^{공기압축기의}^작동상에^발생하는^맥동^방지를

위해 공기압축기와 압력용기 사이에 서지탱크(surge tank)를설치하였다.

2.1.2 분사노즐

노즐은이중공기공급 구조를갖는선회형노즐로서

Fig. 2(a)에나타낸것과같이액체를공급하는액체공급

노즐(feeding injector), ^분사된^액체를^{이송해주는}^이송

공기(carrier air)와노즐선단에서미립화를돕는보조공

기(assist air)의공급을 위한어댑터(adaptor) 및분무를

형성하는메인노즐(main nozzle)^로^구성되어^있다. ^액체

공급노즐의분사량은 PWM(pulse width modulation) 제 어모드를이용하여조절하였으며, 액체는 어댑터내부 로분사된다. ^{액체공급노즐은}^상용 MPI(multi position

injection) 인젝터를사용하였고, 30 Hz의주기에서 30%

의듀티비(duty ratio)로작동시켜간헐적으로분사하였

으며, ^분사량은 27.98 g/min^이다. Fig. 4^는^{공급노즐의}

작동형태를표한것이다. 어댑터내부에분사된액체는

이송공기(carrier air)에의해이송관로를통해메인노즐

까지이송된다. 이송공기는연속적으로 공급하였으며 질량유량계를통해유량이측정되었다.

또한보조공기(assist air)는노즐선단에설치된선회기

(swirler)를통과는동안각운동량이형성되어 Fig. 2(b)에

개략적으로나타낸것과같이분사되는액체-^공기^이상

유체의미립화촉진에사용된다. 이송공기량은 12.25 g/

min 그리고보조공기량은 22.20 g/min으로서이송공기와 보조공기의비는 0.55, ^공기^대^액체^{질량유량비는} 1.23

Fig. 2 Schematics of two-fluid nozzle

Table 1 Experiment conditions

Feeding Injector Frequency 30 Hz

Duty ratio 30%

Flowrate (g/min)

Liquid 27.98

Carrier air(Ca) 12.25

Assist air(Aa) 22.20

AFR(Ca/Aa) 0.55

ALR 1.23

(4)

이다. Table 1은작동조건에대해정리한것이다.

실험에이용된노즐의선회기형상은 Fig. 3^에^나타낸

것과같이선회기내부오리피스의길이는 4 mm, 직경

은 1 mm이며, 선회기 외부에 설치된 선회 그루브

(groove)의선회각은 60^o이다.

Figure 5^는^본^연구에서^{고찰하고자}^하는^노즐캡의^기

하학적 형상을 나타낸 것으로설명의 편리성을 위해

Case 1~Case 4로각각정의하였다. 노즐캡오리피스의

직경(d^o)^은^모든^조건에서 2.0 mm^로^{고정하였으며}, ^길

이(lo)는 0, 0.5, 2.5 mm로변화시켰다. 따라서노즐캡형 상비(lo/do)는 0, 0.25, 1.25로변화되었으며노즐캡외부

에 90° ^각^도로^챔퍼를^주어^챔퍼^유무가^분무의^미립

화에끼치는영향을살펴보았다.

2.1.3 PDA ^측정장치

PDA장치는 2차원측정이가능하도록구성되어있으 며, 레이저송광부, 수광부, 신호처리부, 3차원이송장치

등으로 구성 되어있다. ^레이저는 300 mW^의 ^공랭식

Ar+ 레이저를 사용하였다. 3차원이송장치에송광부와 수광부를설치하였고, 이때수광부의산란각은 47.5^o로 설정하였다. 송광부로 부터 나오는 514.5 nm(green),

488 nm(blue)^의^파장을^갖는^두^레이저^빔이^한^점에서

교차하여측정체적을이루고, 이곳을지나는액적의산 란광을수광부에수집하여광증폭기에의해전기적신 호로변환하게된다. ^이^데이터는^{신호처리기를}^거쳐^컴

퓨터에저장된다. 신호처리기에서측정속도의 범위를

결정하는주파수대역폭은축방향으로 36 MHz, 반경

방향으로 4 MHz^로^{설정하였다}.

2.2 측정방법

통과하는수직방향을분무축방향(Z-axis)^으로^그리고

축방향의수직방향을분무의반경방향(Y-axis)로정의하 였다.

PDA 시스템을이용한액적속도및크기측정은축방

향으로 30, 60, 90 mm^에서^{반경방향으로} 0~60 mm^까지

3 mm 간격으로 21점에서이루어졌으며, 총 63점에서

측정이수행되었다. 또한 실험은 3차원이송장치를 이 용하여연속적으로진행하였으며, ^{측정데이터는}^측정지

점에서의 25,000개의액적데이터를샘플링한후평균

처리하였고, 측정시간이 150 s를넘지않도록측정모드 를설정하였다.

한편, 분무의초기구조를알아보기위해노즐캡으로

부터축방향으로 20 mm되는지점까지의 분무이미지

를획득하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 분무 초기구조

Figure 6는분무의초기구조를살펴보기위하여분무

중심부를지나는레이저쉬트를이용하여획득한분무

Fig. 3 Geometry of nozzle swirler

Fig. 4 PWM mode of injector

Fig. 5 Variation of nozzle cap geometry

(5)

이미지이다. 노즐출구근처의분무유동장은 Fig. 2(b)에 나타낸것과같이선회기내부를통해높은축방향운 동량을갖고분사되는액체-^기체^{이상유체와}^선회기^외

부를통해높은각운동량을갖고분사되는 보조공기가 충돌하므로노즐캡형상비와챔퍼유무에많은영향을 받는다. 이것은노즐캡형상에따라축방향, 반경방향및 접선방향속도성분의발달이영향을받아결국분무의 미립화과정에영향을끼치기때문이다.

노즐캡형상비에대한 Case 1과 Case 2의분무이미

지를비교할경우, ^노즐캡^형상비(^l^o^/d^o)^가^작은 Case 2^의

분무각이다소증가하는것을관찰할수있다. 이것은 선회형노즐에서노즐캡형상비(lo/do)의감소에따라분 무각이증가한다는결과를제시한 Giffen^과 Muraszew⁽⁶⁾

의결과와유사한것이다. 노즐캡챔퍼유무에따른영

향을 살펴보기 위해 동일한 형상비를 갖는 Case 2와

Case 4^를^비교해^보면^챔퍼가^존재하는 Case 4^의^분무

영역이상대적으로넓다는것을확인할수있다. 이것은 챔퍼가있을경우가없는경우보다주위공기유입이상 대적으로적어선회기를통과한보조공기의각운동량에 의한분무확산이촉진되었기때문이다.

3.2 분무유동장의 속도분포

분무유동장의특성을살펴보기위하여 PDA ^시스템

을이용하여분무의축방향및반경방향속도분포, 액적 크기를 측정하였으며 유동반폭과 더불어 AMD 및

SMD ^등과^같은^{평균액적크기를}^{살펴보았다}.

3.2.1 유동반폭

분무의유동반폭은분무중심평균속도의 1/2^이^되는

지점으로정의되며, 분무의확산현상을나타내는무차 원변수로이용된다.

Figure 7는Z/do=15, 30, 45에서측정한분무반폭을 4

가지노즐캡형상에대해나타낸것이다. 모든노즐캡에 서분무반폭은축방향의거리에따라선형적으로증가 하는경향을보이고 있다. ^노즐캡^형상비 ^변화에^따른

분무반폭의영향을알아보면 Case 1과 Case 2는기울기 는유사하나절대값에서형상비가작은 Case 2가넓은 분포를나타내고있다. ^이것은^노즐캡^형상비가^작아짐

에따라노즐캡오리피스벽면에서 마찰손실이감소하 여선회기에의해형성된각운동량이효과적으로작용

하여넓은분무반폭을형성하기때문으로 Fig. 6^의^분

무이미지의결과를뒷받침하는것이다. 노즐캡챔퍼유 무에따른영향을살펴보기위해동일한형상비를갖는

Case 2^와 Case 4^를^비교해^보면^챔퍼가^존재하는 Case

4의경우 Z/do=15에서분무반폭의 절대값은비록적게 나타나지만기울기가상대적으로크게 나타나고있어 분무하류로갈수록확산현상이활발하게일어남을 알

수있다. ^동일한 ^챔퍼를^갖고^형상비가^다른 Case 3^과

Case 4를비교해보면노즐캡 형상비(lo/do)가존재하지

않는 Case 3의분무반폭이가장크게나타나지만기울

기는가장작게나타나고있어형상비가작아짐에따른 마찰손실감소의영향과챔퍼의존재에따른주위공기 유입이감소되는효과를동시에받아분무상류에서확 산현상이활발한결과분무하류로갈수록반경방향속 도성분이감소한결과로판단된다. 이러한결과를종합 해보면노즐캡형상비가감소할수록분무반폭은증가 하는경향이있으며노즐캡챔퍼는 주위공기유입현상

Fig. 6 Spray structure near nozzle cap Fig. 7 Variation of half-width along the centerline with nozzle cap geometry

(6)

에영향을끼침을알수있다.

3.2.2 평균속도분포

Figure 8^은^축^방향으로 ^Z/d^o=15, 30, 45 ^위치에서^반

경방향에따른축방향속도성분을분무중심의축방향속 도로무차원화하여나타낸것이다. 분무외각으로갈수 록축방향속도성분은감소하며 Y/b=1인지점이전까 지는유사한무차원속도분포를나타내고있다. ^그러나

Fig. 8 Axial velocity with nozzle cap geometry Fig. 9 Radial velocity with nozzle cap geometry

(7)

Y/b > 1^에서^노즐캡^사이에^차이를^나타내고^있다. ^이

것은 Fig. 6에나타낸분무반폭에대한결과에서알수

있듯이노즐캡형상변화가분무의유동구조의변화를 초래해분무외곽부분의공기유입현상에영향을끼치 기때문이다. 그러나분무하단으로갈수록모든조건에 서속도분포의상사성이나타나고있음을알수있다.

Figure 9^은^{축방향으로}^Z/d^o=15, 30, 45^인^지점에서^반

경방향평균속도성분을분무중심의축방향속도로무차 원화하여나타낸것이다. 이중공기공급구조를갖는이 유체선회노즐은 Fig. 2(b)^에^나타낸^것과^같이^분무^중

심부는선회기내부오리피스를통해분사되는이상유 체의축방향운동량에지배적인영향을받고분무외곽 은선회기에의해부여된각운동량에의해지배적인영

향을받는다. ^따라서 Y/b > 1^인^영역의^반경방향 ^속도

성분을중점적으로살펴보는것이선회기에의한반경 방향속도성분의발달과노즐캡의 영향을보다효과적 으로살펴볼수있을것이다. ^전반적인^반경방향^속도분

포는 Y/b 1 근처에서최대값을 나타낸후분무외각으

로갈수록점차감소하는형상을나타내고있다. 노즐캡

형상비변화에따른영향을 Case 1^과 Case 2^의^결과를

통해살펴보면 Y/b > 1인영역에서유사한분포를타나

내고있으며분무하류로갈수록형상비가큰 Case 2가

비교적높은속도분포를나타내고있다. ^챔퍼^유무에^따

른영향을동일한형상를통해살펴보면모든측정위치

에서챔퍼가있는 Case 4의경우가비교적높은반경방

향속도를나타내고있다. 이러한결과는챔퍼의형상비

가 0^인 Case 3^의^경우에도^비교적^높은^반경방향 ^속도

분포가얻어지는것으로부터 확인할수있다. 따라서 반경방향속도분포는노즐캡형상비보다챔퍼 유무에 큰영향을받음을알수있다. ^따라서^반경방향^속도분

포는노즐캡형상비변화에따른각운동량변화에 의한 영향보다공기유입현상에 더지배적인 영향을받음을 알수있다.

3.3 분무의 평균액적크기

Figure 10^{는 Z/d}^o= 15, 30, 45^인^지점에서^{반경방향에}

따라측정된액적의산술평균인 AMD 분포를나타낸 것이다. 전체적으로 반경방향거리가증가할수록 액적 크기가커짐을알수있다. 이것은선회형노즐의일반 적인경향으로서분무중심부에서분리된큰액적이각 운동량에의해분무외곽쪽으로확산된결과이다. 또한 분무중심부에서는노즐캡형상에대한효과가매우작 게나타나고있는반면분무외곽부분에서비교적크게

나타나고있다. ^이것은^노즐캡의^형상이^{각운동량을}^갖

고있는보조공기에의한미립화과정에영향을미치기 때문으로보인다.

Fig. 10 AMD distribution with nozzle cap geometry

(8)

노즐캡형상비변화에따른 Case 1과 Case2의결과를

살펴보면 형상비가작은 Case 2의경우가 보다 작은

AMD^분포를^나타내고^있다. ^이것은^노즐캡^형상비(^l^o^/

do)가작을경우노즐캡을통과하는동안노즐내벽면 과의마찰에의한각운동량손실이적기때문이다. 노즐

캡챔퍼가있는경우노즐캡형상비의영향을 Case 3^과

Case 4를통해살펴보면챔퍼가있는경우에도노즐캡

형상비가작은 Case 3가작은크기의 AMD 분포를타

나내고있다. ^따라서 ^노즐캡^형상비와 AMD^사이에는

반비례관계가있음을알수있다. 노즐캡챔퍼의영향

을알아보기위하여노즐의형상비가동일한 Case 2와

Case 4^의^결과를^살펴보면^챔퍼가^없는 Case 2^가^비교

적작은크기의 AMD 분포를나타내고있음을알수있

다. 이러한결과는노즐캡에챔퍼가있을경우 Fig. 9에

나타난결과와같이반경방향속도증가에영향을미치

지만반경방향속도와 축방향속도의비가 1/10정도로

작기때문에분무의미립화에큰기여를하지 못하고 있는것으로판단된다. 또한상대적으로주위공기의유 입이적어분무의가속으로인한 2^차^미립화^현상이^활

발하기못하기때문이다.

Figure 11은Z/do = 15, 30, 45인지점에서반경방향에 따라측정된액적의체적(d³)^대^표면적(d²)^의^비로^정의

되는 SMD 분포를나타낸것이다.

노즐캡형상변화에따른 SMD 변화는 Fig. 10에나타

낸 AMD ^분포와^매우^유사한^경향을^나타내고^있다. ^그

러나 분무 외각으로갈수록 노즐캡 형상변화에 따른

SMD 차이가더크게나타나고있으며Z/do=15에서최

대 40 ^μm^의^차이를^나타내고^있다. ^이것은^분무^외곽으

로갈수록보조공기에의해부가된각운동량으로인해 미립화현상이촉진되어액적크기분포가상대적으로넓 게나타나기때문이다. 특히노즐캡형상비변화에따른

Case 1^과 Case 2^사이의 ^차이가^크게^나타나고^있으며,

챔퍼가있는 Case 3과 Case 4의경우에도 노즐캡형상

비가작은 Case 3의경우가작은 SMD 분포를나타내

고있다. ^따라서 ^노즐캡^{형상비변화는}^{평균액적크기뿐}

만아니라액적크기분포에도많은영향을끼침을알수 있다.

4. 결 론

Urea-SCR 시스템에사용되는 선회형이유체노즐의

노즐캡형상비변화와챔퍼(chamfer)의유무가분무특

성에미치는영향을살펴본결과다음과같은 결과를 얻을수있었다.

1. 선회형 노즐의노즐캡형상비(lo/do) 변화는노즐

캡오리피스 내벽면마찰에의한각운동량손실에영 향을끼쳐노즐선단근처의분무유동장형성에영향을

Fig. 11 SMD distribution with nozzle cap geometry

(9)

끼치며, ^형상비가 ^{감소할수록}^분무가^확산됨을 ^알 ^수

있었다.

2. 노즐캡형상비가감소할수록평균액적크기는감소 하며액적크기분포가균일해지는경향을 보였다. ^특히

시험에이용된노즐캡형상비가 0.25에서 1.25로변화할

때분무외각에서최대 40 μm정도의편차가관찰되어 노즐캡교환으로분무의미립화특성을조절할수있음 을확인하였다.

3. 노즐캡형상비(lo/do)가동일한가운데노즐캡챔퍼 가있는경우주위공기의유입이감소하여반경방향속 도성분의증가와더불어분무반폭의증가를보이지만 평균액적크기는상대적으로크게형성됨을보였다.

후 기

본연구는지역혁신인력양성사업과 중기거점기술개 발사업의일환으로수행되었습니다.

참고문헌

(1) J. Gieshoff, A. Schäfer-Sindlinger, P. C. Spurk and J.

A. A. van den Tillaart, “Improved SCR systems for heavy duty applications”, SAE 2000-01-0189, 2000.

(2) ^이상용, “^액체의^미립화”, ^민음사, 1996, pp. 165~231 (3) H. Lefebvre, “Atomization and sprays”, Hemisphere

Publishing Corporation, 1969, pp. 155~272.

(4) John L. Calabrese, Joseph A. Patchett, Karl Grimston and Gary W. Rice, “The influence of injector operating conditions on the performance of a urea-water selective catalytic reduction (SCR) system”, SAE 2000-01-2814, 2000.

(5) 강신명, 이지근, 노병준, “이중공기공급이유체선회 노즐의유량비변화에따른미립화특성에관한실험 적연구,” 2007 ^추계^{대한기계학회}^{발표논문집}, 2007, pp. 1907~1912.

(6) E. Giffen and A. Muraszew, “The Atomization of Liq- uid Fuels”, John Wiley and Sons, Inc. 1953.