A Study on the Characteristic and Droplet Uniformity of Spray Injection to Exhaust Gas Flow from Urea Solution Injector

CopyrightⒸ2011 KSAE 1225-6382/2011/111-12 Transactions of KSAE, Vol. 19, No. 3, pp.83-89 (2011)

Urea 수용액의 배기가스 유동장내 분무 특성과 분무 균일도에 관한 연구

오 정 모¹⁾․차 원 심¹⁾․김 기 범²⁾․이 진 하³⁾․이 기 형^*4)

한양대학교 대학원 기계공학과¹⁾․충북대학교 기계공학부²⁾․현대자동차 배기연구팀³⁾․한양대학교 기계공학과⁴⁾

A Study on the Characteristic and Droplet Uniformity of Spray Injection to Exhaust Gas Flow from Urea Solution Injector

Jungmo Oh¹⁾․Wonsim Cha¹⁾․Kibum Kim²⁾․Jinha Lee³⁾․Kihyung Lee^*4)

1)Graduate School of Mechanical Engineering, Hanyang University, Gyeonggi 426-791, Korea

2)Department of Mechanical Engineering, Chungbuk National University, Chungbuk 361-763, Korea

3)Hyundai-Motor Company, 772-1 Jangdeok-dong, Hwaseong-si, Gyeonggi 445-706, Korea

4)Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Gyeonggi 426-791, Korea (Received 18 June 2010 / Accepted 6 December 2010)

Abstract : Diesel engines can produce higher fuel efficiency and lower CO2 emission, they are subject to ever more stringent emission regulation. However, there are two major emission concerns for diesel engines like such as particulate matter (PM) and nitrogen oxides (NOx). Moreover, it is not easy to satisfy the regulations on the emission of NOx and PM, which are getting more strengthened. One of the solutions is to apply the new combustion concept using multistage injection such as HCCI and PCCI. The other solution is to apply after-treatment systems. For example, lean NOx trap catalyst, Urea-SCR and others have various advantages and disadvantages. Especially, Urea-SCR system have advantages such as a high conversion efficiency and a wide operation conditions. Hence the key factor to implementation of Urea-SCR technology, good mixing of urea(Ammonia) and gas, reducing Ammonia slip. Urea mixer components are required to facilitate evaporation and mixing because the liquid state of urea poses significant barriers for evaporation, and the distance to mixer is the most critical that affect mixer performance. In this study, to find out the distance from injector to mixer and simulation factor, a laser diagnostics and high speed camera are used to analyze urea injector spray characteristics and to present a distribution of urea solution in transparent manifold In addition, Droplet Uniformity Index is calculated from the acquired images by using image processing method to clarify the distribution of spray.

Key words : Urea solution(요소수용액), Droplet Uniformity Index(DUI, 분무 균일도 지수), After-treatment (후처 리 기술), Root Mean Square image(RMS, 평균 화상)

1. 서 론¹⁾

자동차 배기가스 규제를 만족시키기 위하여 디젤 엔진에서 PM과 NOx를 저감시키는 방법에는 크게 두 가지가 있다. 그 중 하나는 연소개선 방법으로 HCCI와 PCCI 등을 적용하는 방법의 연구¹⁾가 진행 중에 있지만 출력 악화라는 단점이 있다. 그러나 이

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

방법으로는 서로 Trade-Off 관계인 PM과 NOx를 배 기규제 만족기준까지 저감시키기에는 그 한계가 있 다.²⁾ 또 다른 하나는 후처리 기술로 LNT, HC-SCR, Urea-SCR등 다양한 기술들이 개발 중에 있다.³⁾ 이 러한 후처리 시스템 중 Urea-SCR은 높은 NOx정화 효율로 실제 상용 엔진에서는 적용^4,5)되고 있는 실 정이며, 승용 엔진에 지속적으로 적용하기 위해 연 구 중인 단계에 있다.

오정모․차원심․김기범․이진하․이기형

승용 엔진에 적용하기 위하여, down sizing과 함 께 각 엔진에 맞게 Urea 공급장치 및 공급방식, 형상 등을 최적화시켜야 하는 어려움이 있다. 게다가, Urea-SCR을 적용하기 위하여 촉매 시스템의 설계 와 관련된 유동분포, 암모니아/NOx의 혼합, 온도, NOx 농도 등의 최적화 인자를 운전조건에 대하여 고려되어져야 한다. 최적화 인자 조건 중 암모니아 와 배출가스와의 균일혼합은 암모니아 슬립 제약을 만족시키면서 최대의 NOx 저감효율에 매우 큰 영 향을 미친다. 이전의 연구에서는 위와 같은 최적화 인자에 대하여 인젝터의 위치와 형상, 분사압, SCR 촉매 입구에서의 Urea 수용액의 증발율 및 농도 분 포 균일도 등에 대하여 수치해석과 함께 다양한 방 법으로 측정을 시도하였다.^6-9) 그러나 실험적으로 배기관 내의 실제 Urea의 농도 분포 균일도를 측정 하기에는 많은 어려움이 있다.

본 연구에서는 수치해석의 입력값, 보정값을 구 하고 믹서의 최적 장착위치를 파악하기 위하여, 열 해리는 고려하지 않고, 인젝터의 분무 특성, 액적의 유동 특성 및 Urea 수용액의 농도 분포 균일도 측정 을 가시화 방법으로 접근하였다. Urea-SCR용 인젝 터의 기초 대기 분무 특성을 알아보고, 실제 배기관 을 모사한 모사배기관내에 적용하여 유동장에 분사 된 Urea 수용액의 분무 거동 특성을 파악하였고, 디 지털 영상처리법을 이용하여 취득한 이미지로부터 분무 균일도 지수(Droplet Uniformity Index, DUI)를 계산하여 각 조건별로 비교하였다.

2. 실험 장치 및 방법 2.1 대기 분무 단면 패턴 측정

Fig. 1은 대기 분무의 단면 패턴 측정을 위한 가시 화 시스템을 나타낸 그림이다. 2W급 Nd-YVO4 laser 와 Cylinderical lens로 시트를 형성하고, 레이저 시트 면에 수직으로 Urea 수용액을 분사시켜 생성되는 산란광을 고속카메라로 취득하였다.

2.2 모사배기관 내 분무 거동 측정

Fig. 2는 모사배기관 시스템에서 유동장에 분사 된 Urea 수용액의 분무 거동을 가시화하기 위한 시 스템을 나타낸 개략도이다.

Fig. 1 Spray visualization system for measuring the sectional pattern

(a) Parallel sectional visualization with air flow

(b) Cross sectional visualization with air flow Fig. 2 Spray visualization systems in the exhaust pipe flow

블로워의 모터 스피드를 조절하여 공기의 유량을 제어하였으며, 30kW급 대용량 히터를 사용하여 공

Urea 수용액의 배기가스 유동장내 분무 특성과 분무 균일도에 관한 연구

급된 공기를 가열함으로써 배기관의 유량과 온도 조건을 형성하였다. 분무 화상을 고속카메라 (Phantom 7.0)를 이용하여 취득하였고, 분사 시기와 분사 기간 및 카메라와의 동기화는 펄스 발생기(BNC, Model 555 Pulse/delay generator)를 이용하였다. 유동장내 분무의 측면을 가시화할 경우에는 광원으로 백색 특성 및 출력 변동 성능이 적은 제논(Xenon) 램프를 사용하였으며, 단면 가시화 광원으로는 2W급 Nd- YVO4 laser를 이용하였다.

2.3 Digital Image Processing 2.3.1 RMS(Root Mean Square)

취득한 이미지로부터 분사 영역을 명확하게 파악 하고 Urea 수용액의 농도를 비교하기 위하여 전처리 과정을 거친 후 모든 프레임에 대하여 각각의 화소값 에 대한 RMS 평균을 취한 이미지를 주로 활용하였

다.^10,11) RMS를 구하기 위한 알고리즘은 식 (1)과 같다.

_  





여기서, SR(x,y)는 RMS 평균 이미지, S(x,y)는 각 각의 분무 화상 이미지, n은 화상의 개수이다.

2.3.2 분무 균일도

모사배기관 내에 분사된 Urea 수용액의 분무 균일 도를 측정하기 위하여 고속카메라로 취득한 이미지 를 디지털 영상처리 과정을 통하여 전처리를 한 후 여러 형태로 변환하였다. 또한, 분사기간의 한 시점 에서는 Urea 수용액 액적의 산란 강도가 낮아서 매우 작은 결과값을 보였기 때문에 분사기간 전체에 대한 이미지에 대하여 합산하는 방법으로 계산하였다.

RMS는 분사기간 전체에 대하여 각 픽셀에 대한 농도 표시가 가능하지만 강도(Intensity) 계산을 할 수 없으므로, 정량적인 균일도와 면적을 계산하기 위하여 분사기간 전체에 대한 모든 화상을 gray scale로 변환 후 식 (2)와 같이 합산하는 Integral 방법 을 사용하였고, Thresholding level¹²⁾을 사용하였다.

Thresholding level에 따라 결과 이미지가 달라지 며 Thresholding level 값을 0.1로 설정하여 산란된 거 의 모든 Urea 수용액의 액적을 합산하였다. Table 1 은 개발한 화상처리의 결과를 나타낸 것이다.

_  



  



  ≻ (2)

여기서, SI(x,y)는 누적 이미지, T는 Thresholding level이다.

Table 1 Comparison of image processing results between RMS and Thresholding level

식 (2)와 같은 방법으로 얻어진 이미지에서 분사 된 연료의 분무 균일도(DU)를 비교 가능한 기준으 로 정량적으로 표현하기 위하여 Weltens 등이 제안 한 농도 균일도 지수¹³⁾를 이미지의 pixel과 intensity 에 맞게 변환하여 이용하였다. 식 (3)은 분무 균일도 지수 계산에 사용된 수식이다. 분무 균일도 지수가 1에 가까울수록 환원제의 농도 분포는 균일하다는 것을 의미한다.

  



 _

^  

_{ } (3)

여기서, i(x, y)는 intensity at pixel (x, y), ī는 average intensity of all pixel, SP(x, y)는 pixel (x, y), SPT는 total pixel이다.

3. 실험 결과 및 고찰 3.1 인젝터의 대기 분무 특성

본 연구에 사용한 인젝터의 기초 분무 특성을 파 악하기 위하여 Fig. 3과 4와 같이 대기 분무 특성을 가시화 하였다. 본 연구에 사용된 인젝터는 3hole이 며, 각 hole은 정삼각형 형태로 배열되어 있다. 가시 화 결과 그림으로부터 3개의 액주로 분무가 이루어 져 있고, 각 액주로부터 미립화가 진행되어짐을 확

Jungmo Oh․Wonsim Cha․Kibum Kim․Jinha Lee․Kihyung Lee

Fig. 3 Definition of the distance and spray structure

(a) distance 0.5d (b) distance 1.0d

(c) distance A (d) distance B (e) distance C Fig. 4 Patterns of spray cross-section using the visualization

system (w, 60mm; h, 60mm)

인할 수 있다. 세 줄기의 액주가 대칭적으로 뚜렷하 게 나타나는 것을 확인하였으며, 분무각은 분사압 력 4~6bar범위로 분사하였을 경우 일정각 α값을 유 지하였다.

Fig. 4는 Urea 수용액 분사용 인젝터의 대기 분무 단면을 측정한 결과이다. 인젝터 끝단을 기준으로 배기관 직경에 해당하는 거리인 0.5d와 1.0d, 그리고 Mixing 장치가 삽입되는 거리 1.0d와 2.0d사이에서 5mm간격의 일정거리 Distance A, B, C를 선정하여 가시화 하였다. 인젝터 끝단으로부터 0.5d 거리에서 는 액주가 정삼각형 형태의 패턴으로 뚜렷이 나타

나며 거리가 멀어질수록 액적이 분산되면서 미립화 가 촉진됨을 알 수 있다.

3.2 모사배기관내 분무 거동 특성

실제 배기관 레이아웃에 따른 유동 분포 특성을 파악하기 위해 파이렉스(pyrex)를 이용하여 인젝터 부착부 가시화 창을 제작하여 각 각 측면과 하부 방 향 그리고 일정거리의 단면을 가시화하였다.

Fig. 5는 일정 분사조건에서 단일 분사하여 고속 카메라로 취득한 화상을 RMS 평균화한 이이미지 이다. 공기유량이 증가할수록 벽류지점이 멀어지는 결과를 보였으며, 온도가 증가할수록 기화가 빠르 게 진행됨에 따라서 Urea 수용액의 농도가 낮아지 는 경향을 보였다.

Fig. 5 RMS images of the spray vertical section pattern in the flow field

A Study on the Characteristic and Droplet Uniformity of Spray Injection to Exhaust Gas Flow from Urea Solution Injector

공기유량과 온도의 변화에 대한 벽류지점의 변화 를 파악하기 위해서 그림에 표시한 바와 같은 인젝 터 끝단으로부터의 벽류지점을 측정하였다. Fig. 6 은 하부와 측면 측에서 각 공기유량과 온도 변화에 대한 벽류지점 측정 결과이다. 공기 유량의 증가에 대해서는 벽류지점이 거의 선형적으로 증가하는 경 향을 보였다. 그러나 온도의 변화에 대해서는 일정 한 변화를 보이지 않는다. Bottom view 기준에서 공 기유량 60kg/h 이상, 온도 160°C 이상에서 거의 일치 하고, Side view 기준으로 측정 시에는 전체적으로 온도의 증가에 따라 약간씩 증가하는 경향이 있으 나 변화폭은 5mm 이내로 작게 측정되었다. 따라서 공기온도의 영향은 매우 적은 것으로 판단된다.

공기온도의 변화에 대한 기화정도를 파악하고자 하였으나 본 실험에서는 화상 취득 시 boundary intensity를 균일하게 형성시키지 못하기 때문에 정 량적으로 표현하기는 어려웠다.

Fig. 6 Wall-wetting position with various mass air flows

Fig. 7 Definition of the center to center

공기유량이 증가할수록 분무 형태는 Fig. 5의 두 번째 그림에 표시한 바와 같이 분사 방향이 휘게 됨 으로써 정삼각형 형태가 변화되면서 인젝터 방향으 로 치우치게 된다. 또한, 온도의 증가에 따라서 산란 되는 액적의 수가 감소됨으로써 이미지 강도가 낮 게 나타나고 그만큼 기화량이 증가하게 된다. 이러 한 변화를 관찰하기 위하여 관 직경 d를 기준으로 1.0d와 2.0d 거리 사이에서 5mm간격의 일정거리 A, B, C를 선정하여 가시화 하였다. 취득한 가시화 이 미지로부터 유량의 변화에 대하여 분사형태의 변화 를 정량적으로 계산하기 위하여 Fig. 7에 표시한 바 와 같이 관의 중심을 기준으로 3-spray 중심까지의 거리인 Center to center의 변화 거리를 측정하였다.

Fig. 8은 일정거리 별, 온도 및 유량 별 변화 에 대 한 center to center를 측정한 결과이다.

전체적으로 저 유량에서의 center to center를 기준 으로 고 유량이 될수록 center to center값이 증가하 게 되며, 인젝터로부터 거리 B의 거리가 관 중심에 가깝게 측정되었고, 인젝터와 가까운 거리 A에서는 관 중심보다 위쪽으로 측정되었으며, 거리가 먼 C 에서는 관 하부 방향으로 액적이 분포되었다. 따라 서 인젝터로부터 거리 B의 거리가 관 중심에 가깝 게 분사되기 때문에 믹서와 같은 추가 장치의 최적 설치 거리일 것으로 판단된다.

위와 같은 결과에서 분사된 Urea 수용액의 액적 분포를 확인하기 위하여 취득한 가시화 이미지로부 터 분무 균일도를 측정하였다.

Fig. 8 Distance of the center to center with various mass air flow

오정모․차원심․김기범․이진하․이기형

Fig. 9 DUI according to mass air flow rate (Air temperature:

50°C)

Fig. 9는 공기온도 50°C일 때, 인젝터로부터의 거 리 A, B, C에 대하여 공기유량 30, 60, 100, 150, 200kg/h일 때의 분무 균일도를 측정한 결과이다. 분 사된 Urea 수용액의 액적이 관 중심으로부터 위쪽 에 분포되었던 거리 A와 아래쪽에 분포되었던 C의 경우 공기 유량의 영향을 많이 받아서 분무 균일도 가 감소하다가 특정 공기유량에서 증가 후 또 감소 하는 결과를 보였다. 반면, 거리 B에서는 공기유량 이 증가할수록 일정한 패턴으로 감소하였다.

각각의 거리에서 최대 변화폭은 거리 A=0.1163, 거리 B=0.0804, 거리 C=0.1173으로 나타났고, 평균 값은 거리 A=0.7623, 거리 B=0.8522, 거리 C=0.7763 으로 측정되었다. 거리 B가 거리 A, C에 비하여 편 차가 가장 적고, 평균값도 높게 나타났으므로, 공 기유량의 영향을 가장 적게 받는 거리로 판단되었 다.

Fig. 10은 공기유량 100kg/h에서 공기온도 변화에 따른 분무 균일도를 측정한 그래프이다. Fig. 9의 공 기유량 변화에 대한 결과와 비슷하게 거리 B에서 공기 온도가 증가할수록 일정한 패턴으로 감소하였 다. 또한, 평균 분무 균일도도 거리 A=0.7602, 거리 B=0.7861, 거리 C=0.7678로 거리 B에서 가장 높게 나타났다. 그리고 전체적으로 모든 조건에서 평균 값도 거리 B에서 2%정도 높게 나타났다.

따라서 거리 B가 가장 높은 Urea 수용액 분포 균 일도로 관 중심에 분포됨을 알 수 있으며, 믹서와 같 은 추가 장치의 가장 최적 위치임을 알 수 있다.

Fig. 10 DUI according to air temperature (Mass air flow rate: 100kg/h)

4. 결 론

Urea-SCR 시스템에서 사용되는 실제 Urea 수용 액의 실제 배기관을 모사한 모사배기관 내 분무 거 동을 파악하였으며, 취득한 이미지로부터 분무 균 일도를 측정하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1) Urea 수용액 분사용 인젝터의 분무를 가시화한 결과 세 줄기 액주가 나타났으며, 약 4bar이상에 서 일정 값의 분무각을 보였다.

2) Pyrex 가시화창을 이용하여 인젝터 부착위치에 서 일정 거리부분을 가시화할 수 있었으며, 분무 유동 패턴을 파악할 수 있었다.

3) 공기유량이 증가할수록 관내 벽류 지점이 멀어 지는 것을 확인했으며, 공기온도가 높아질수록 기화가 빨라져서 Urea 수용액의 농도가 낮아짐 을 확인하였다.

4) 단면의 경우 인젝터로부터 거리 B가 가장 관 중 앙에 위치하는 것을 확인하였으며, 취득한 이미 지로부터 디지털 영상처리법을 이용하여 분무 균일도 지수를 계산할 수 있었다.

5) 인젝터로부터 거리 B가 공기유량과 온도의 영향 을 가장 적게 받고 분무 균일도의 평균값도 가장 높게 측정되었고, 믹서의 최적 장착 위치이다.

후 기

본 연구는 지식경제부에서 지원하는 산업원천기 술개발 사업(과제번호 100332550) “초고효율 예혼 합 디젤 연소 기술” 과제의 일원으로 수행되었으며,

Urea 수용액의 배기가스 유동장내 분무 특성과 분무 균일도에 관한 연구

지원기관에 감사의 뜻을 전합니다.

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