디젤 엔진 매연여과장치 입 출구에서의 유속 분포 측정ᆞ
Measurement of Flow Velocity Distribution at Inlet and Exit of Diesel Particulate Filter
이충훈† ․ 최 웅* ․ 배상홍* ․ 이수룡*
Choong Hoon Lee ․ Ung Choi ․ Sang-Hong Bae ․ Su-Ryong Lee
The flow velocity distribution at inlet and exit of a DPF was measured using a Pitot tube and 2-D positioning equipment. An adaptor which was designed for accessing the Pitot tube probe into inlet of the DPF was fabricated with inlet flange of the DPF. The Pitot tube which was mounted in the 2-D positioning machine could access to the inlet of the DPF through the rectangular window of the adaptor. Automation of the velocity measurement at the inlet and exit of the DPF was effectively achieved and measuring time was reduced drastically. The flow velocity distribution at the inlet of the DPF showed parabola shape with maximum velocity near to the center of the DPF, as expected. The velocity distribution at the exit of the DPF showed crown shape, that is, the flow velocity distribution near to the center of the DPF is lower than that at surrounded peripheral region of the DPF.
Keywords : Diesel Particulate Filter, Flow Velocity Distribution, Pitot tube 디젤매연여과장치 유속 분포 피토관, ,
서 론 1.
연소 및 설계 최적화에 의한 배출가스 감소가 한계에 봉착 하여 가솔린 엔진에 삼원촉매 변환기에 의한 후처리 방식을 도입한 것과 유사하게 디젤엔진도 배기가스 저감을 위해 후 처리 장치 도입이 최근의 세계적 추세이며[1-4]환경 규제 강 화로 인해 국내에 시판되는 디젤 차량에 매연 저감 필터 를 부착하는 것이 대세이다 기술의 가장 어려운
(DPF) . DPF
분야는 필터에 축적된 매연을 효과적으로 제거하여 재생하 는 것이며 이것은 매연 필터의 내구성과 직결되어 있는 문제 이기도 하다. DPF 내의 매연 축적이 균일하게 이루어져야 재생시 세라믹 필터의 국소 과열에 의한 파손을 예방할 수 있다. DPF내의 매연 축적은 필터 내의 속도 분포와 밀접한 관련이 있는데 이와 관련된 연구는 주로 컴퓨터 시뮬에이션 과[5-11], 가시화[12-16]에 의해 이루어졌으며DPF 입구에 부가 장치를 설치하였을 때의DPF내의 유속분포의 균일성 을 평가하는 연구[17,18]등의 연구가 이루어 졌다. DPF내의
매연 축적을 예측할 수 있는 또 다른 수단은DPF입․ 출구에 서의 속도 분포를 측정하는 것이다. DPF 입구 및 출구에서 의 속도 분포가DPF필터 내의 속도 분포를 예측할 수 있는 경계 조건 및 연구용 기초 데이터으로 사용될 수 있다.
전술한DPF입출구에서의 유동 현상과 관련된 연구에서 는 대부분 매연 필터 내의 매연 축적 및 압력 손실 등의 시뮬 레이션을 통해 이루어졌으며 필터 입 ․ 출구 속도 분포 측정 과 관련된 연구는 거의 이루어지지 않았으며 특히DPF입구 에서 속도분포를 측정한 예가 거의 없다.
본 연구에서는 디젤 매연 필터의 입구에서의 속도를 측정 하기 위한 어댑터를 고안하고 이를DPF와 결합한 조건에서 차원 자동 이송 장치에 탑재된 피토관을 이용하여 입
2 DPF
구와 출구에서의 유동 속도를 측정하였다 또한 공기 공급량. , 과 피토관의DPF출구로부터의 측정 높이와 수평위치(X, Y) 를 바꾸어 가면서 디젤 매연 필터 출구에서의 속도 분포를 측정하였다.
† 교신저자:정회원 서울산업대학교 자동차공학과, E-mail : [email protected]
TEL : (02)970-6393 FAX : (02)979-7032
* 서울산업대학교 자동차공학과
Abstract
실험 장치 및 실험 방법 2.
전후의 유속 계측을 하기 위해 실험 장치를 과
DPF Fig. 1
같이 구성하였다 실험 장치는 피토관 피토관의 위치 제어를. , 위한 차원 이송 장치 블로어 전체 공급공기유량 계측을 위2 , , 한ISA 1932플로우 노즐 피토관을 매연 필터 입구에 접근할, 수 있도록 하는 어댑터 유량 제어를 위한 바이패스 밸브 이, , 들 구성품의 통합 제어 및 계측을 위한DAQ시스템 컴퓨터, 등으로 구성되어 있다 이차원 이송 장치의 위치 제어를 자동. 화함으로써 유속 측정의 자동화가 가능하였다. Fig. 과 같은1 측정 조건에서는325개 수평(X,Y)위치 조합의 측정점에서 유 속을 자동으로 측정하였으며 총3-4시간 정도가 소요 되었다. 피토관의 직경은3mm이고 길이는300mm이며 개의 전압1 부(total pressure)와 개의 동압부6 (dynamic pressure)구멍 이 뚫려 있으며 그 차압을 측정하면 속도를 계산할 수 있다.
유동 속도가 비교적 크지 않으며 직경이 작은 것을 사용하여 피토관에 의한 유동에의 교란을 최소화 하였다. DAQ시스템 은 내쇼날인스트루먼트사의PCI 6014보드를 사용하여 구성 하였다.
블로어는 정격 조건에서 최대 초당0.15kg 정도를 흡입할 수 있으며 상3 220V의 전원을 사용하였다 이송 장치는 두개. 의 스텝 모터와 볼스크류-LM가이드로 구성되어 있으며 컴 퓨터에DAQ보드를 장착하고DAQ보드의 디지털I/O포트 를 통해 모터 드라이브에 제어 신호를 보내어 차원 이송이2 가능하도록 하였다.
흡입 공기 질량은 한국 공업 규격 조임 기구에 의한 유량 측정 방법KSA 0612 [19]에 의거 계산하였으며 식 로 나타(1) 낼 수 있다.
(1)
여기서, C : 유출계수 β : 노즐 직경비 d/D ε : 기체 팽창 보정 계수 κ : 비열비
ρ1: 플로우 노즐 상류쪽 밀도
τ : 노즐 하류 상류 압력비/ P2/P1 , 이다.
바이패스 밸브 개폐량을 조절하면서ISA 1932플로우 노 즐에서의 전체 공기 유량 측정 결과를Table 1에 나타내었다. 플로우 노즐의 차압으로부터 유량을 계산하였으며 플로우 노 즐 상하류 차압이49mm H2O일 때 공급 공기 유량을 계산한 결과0.135kg/s이었다 이로부터 직경. 111.4mm인 파이프 내 의 평균 유속은11.57m/s로 계산되었다 이러한 전체 유량 및. 평균 유속 계산은DPF입․ 출구에서의 유속 측정 결과가 합 리적인 데이터인지를 평가하는데 사용하였다. DPF 출구쪽과 결합된 리듀서(reducer)를 탈거하고Fig. 1과 같이 피토관을
D d
P1 P2
Blower
ISA-1932 Flow nozzle By-pass
valve
X-Y displacement
equipment DPF
z
Pitot-tube
Fig. 1. Schematic diagram of experimental setup y
x
설치하고DPF출구에서의 유속 분포를 측정하였는데 이 때 측정한 유속은 위치에 따라서 다르게 나타나며 최대 12m/s 로 나타났다.
실험 결과 및 검토 3.
Fig. 2에DPF입구에서의 유동 속도 분포를 측정하는 시스 템을 나타내었다 리듀서와 디퓨저 사이의 원통 안에 세라믹. 필터 코어가 조립되어 있으며 직경과 길이는 각각230, 305
이며 의 셀밀도를 가지는
mm 200cpi (cells per square inch)
하니컴 구조의 모노리스 타입 필터로 매연에 노출시키지 않 은 신품이다. DPF를 유동의 흘러 오는 방향에 대해 수직 방
향으로90˚꺾어 조립하였는데 이는 실제 디젤차량에서의 장 착 조건에 맞추기 위함이다. Fig. 2(b)에 자세히 나타낸 것과 같이LM가이드가 포함된 어댑터를 설치함으로써 피토관이 입구 안쪽으로 접근할 수 있다 필터 입구에서의
DPF . DPF
수평X-Y의 위치 변화에 따른 속도 분포를 측정하기 위해 피 토관을X-Y이송 장치에 마운트한 상태에서 위치 제어를 하 였다.
은 블로어로부터 로 공급되는 공기 유량을
Fig. 3 DPF 0.0907
인 조건에서
kg/s DPFFig. 2 (a) Experimental Setup for mea- suring velocity distribution of gas flow in DPF entrance and 필터 입구에서의 속도 (b) Pitot tube adaptor guide in detail
분포를 측정한 것이다 그래프에서. x-y평면에 나타낸 화살표 는 유동이 흐르는 방향(x-방향 이고 원은 본 연구에서 사용) 한 세라믹 필터의 외경을 표시한 것이다. Fig. 2(b)에 나타낸 것과 같이 어댑터를 통해 디퓨저 내부로 진입한 피토관이 간 섭을 일으키기 때문에Fig. 3에 표시한 원주 위치까지 측정 하지는 못하였다. Fig. 3에서DPF입구 유속 분포를 보면 중 심부 속도가 높게 나타나고 원주 바깥쪽 반경 방향으로 갈수 록 속도가 줄어드는 경향을 보이고 있으며 이것은 일반적인 파이프 유동에서 볼 수 있는 유속 분포와 일치한다 주목할. 점은 중심부 속도 분포가 주변부의 속도보다 약간 작은 경향 을 보이는데 함몰된 형태 이것은( ) Fig. 1에서 나타낸 것과 같 이DPF입구의 디퓨저 연결부가90도 꺾이면서 유동의 관성 의 영향으로 인해 나타난 것으로 사료된다 즉. , DPF로의 공기 공급은 블로어를 거쳐ISA 1932플로우 노즐을 지나서 직선 유동을 유지하다가 엘보우에 의해 유동이90〫꺾여서DPF입 구로 들어가게 되며Fig. 3에 나타낸 유동 방향 화살표 방향( ) 의 관성으로 인해 유동이 화살표 방향으로 쏠리면서x-값이 큰 쪽에서 유동의 관성 효과가 나타나 유속 값이 크게 나타나 고 결과적으로 함몰된 유속 분포를 보이고 있는 것이다.
는 블로어로부터 공급공기량이 일 때
Fig. 4 0.1166kg/s ,
과 동일한 위치로 제어하면서 측정한 유속 분포를 나타 Fig. 3
낸 것이다. Fig. 3의 결과와 유사한 경향을 보이고 있으며 전 제적으로 유속의 크기가 증가된 것을 볼 수 있다. Fig. 1의 바 이패스 밸브를 닫은 조건으로 최대의 공기 공급 조건으로 한 상태로 유지하고 이때의 블로어로부터의 공급 공기량이0.1588 인 조건에서 측정한 유속 분포를 에 나타내었으며
kg/s Fig. 5
의 결과와 유사한 경향을 보이고 있다 Fig. 3, Fig. 4 . Fig. 3,
에서의 유동 측정 결과를 보면 입구에서의
Fig .4, Fig. 5 DPF
유속 분포가 반경 방향으로 균일한 분포를 갖지 못하고 있음 을 알 수 있다 이러한 속도 분포를 가지면 디젤엔진에서 배. 출되는 매연이 세라믹 필터 내부에 균일하게 축적되지 못하 는 원인이 될 수 있으며 이로 인해 매연 필터 재생시 국부적으 Table 1. Total flow rate at ISA 1932 flow nozzle
p at ISA 1932
△
flow nozzle (mmH2O)
mass flow rate (kg/s)
average velocity at D (m/s) (D=111.4, d=70,
=0.628) β
49 0.13537 11.57
41 0.12371 10.6
37 0.117 10.07
33 0.1109 9.52
26 0.09833 8.46
26 0.0932 8.46
(b)
reducer
diffuser
(a) pitot tube
LM guide
Fig. 2. (a) Experimental Setup for measuring velocity distribution of gas flow in DPF entrance and (b) Pitot tube adaptor guide in detail
Fig. 5. Velocity distribution at the entrance of DPF (mass flow rate =0.1588 kg/s)
Fig. 6. Experimental setup for measuring velocity distribution of air flow at the DPF exit
Fig. 3. Velocity distribution at the entrance of DPF (mass flow rate =0.0907 kg/s)
Fig. 4. Velocity distribution at the entrance of DPF (mass flow rate =0.1166 kg/s)
로 과열을 일으켜 세라믹 필터의 손상을 가져올 수 있다. 매연 필터 출구의 속도 분포를 측정하기 위해Fig. 6에 나 타낸 것과 같이Fig. 2의 리듀서를 탈거한 한 후 피토관을 수 직 상방향으로 이동시켜서 설치하였다 매연 필터 입구의 속. 도 분포를 측정할 때와 달리 리듀서를 탈거한 조건에서 피토 관을 이송할 수 있기 때문에 측정시 간섭이 일어나지 않으며 매연 필터 원주 외경 위치까지 유속 측정이 가능하여 입구에 서의 유속 측정 범위에 비해 측정 영역이 크게 넓어졌다.
Fig. 7, Fig. 8, Fig. 는 블로어로부터의 공기 공급량은9 0.1588 으로 유지하고 피토관의 위치를 매연필터 출구로부터
kg/s z-
각각15mm, 33mm, 45mm로 변화시키면서 출구 속도 분포를 측정한 것이다. Fig. 7에 나타낸 것과 같이 속도 분포가 중심 부 근처에서 여러 개의 피크 값이 보이고 있으며 필터 출구 외주부 근처에서 비교적 높은 속도 분포를 보이고 있다 이러. 한 경향은 측정 높이가33mm (Fig. 8), 45mm (Fig. 9)로 가면 서 중심부의 속도 피크는 줄어들고 필터 출구부 외주 주변의 높은 유속 분포는 그대로 유지되고 있다. Fig. 3, Fig. 4, Fig.
에 나타낸 것과 같이 필터 입구에서는 중심부 속도가
5 DPF
높고 반경 방향으로 갈수록 속도가 줄어드는 경향을 보인 반 면에, DPF 출구에서는Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9에 나타낸 것과 같이 필터 출구 외주부의 속도가 높게 측정되었고 중심부 속 Fig. 7. Velocity distribution at the exit of DPF
(z=15 mm, mass flow rate =0.1588kg/s)
Fig. 8. Velocity distribution at the exit of DPF (z=33mm, mass flow rate =0.1588kg/s)
Fig. 9. Velocity distribution at the exit of DPF (z=45mm, mass flow rate =0.1588kg/s)
도는 상대적으로 낮게 나타났는데 이것은 필터의 내부 구조 적인 특성과 관련이 있는 것으로 추정된다. Konstandopoulos
모노리스타입 필터의 입
[11] ․ 출구 압력손실 요인을 개로3 나타내었는데 즉, Darcy 항과Forchheimer항으로 표현되는 필터 벽면에서의 압력손실 층류 유동으로 모사할 수 있는 사, 각형 채널 단면의 축방향 유동에 의한 압력손실 필터 입출구, 각각에서의 축소 및 팽창에 의한 관성 압력손실 등이며 첫 번 쩨항 두 번째항은 필터 내의 압력 손실과 관련된 항이다.
가 제시한 필터 내의 압력손실 기준에 따라 Konstandopoulos
출구 속도 분포를 해석하면 축방향 유동에 의한 층류 마찰 손 실의 크기에 비해 상대적으로Darcy와Forchheimer항에 의 한 압력 손실이 크지 않아Fig. 8과Fig. 9에 나타낸 것과 같은 속도 분포를 나타낸 것으로 추정된다 필터의 중심부 속도가. 크게 나타난 것은 필터 입구에서의 속도값이 크기 때문이고 필터출구 외주부 속도가 크게 나타난 것은 Darcy와 항과 관련된 반경 방향 압력 손실이 크지 않아 반 Forchheimer
경 외주 방향으로의 유동 저항이 작아 외주 방향으로 잘 흐르 고 필터 외주면은 막혀 있으므로 필터 외주면 약간 안쪽의 유 속 분포가 상대적으로 크게 나타나는 것으로 사료된다 실제. 차량이 운행 상태에서는 연료의 연소로 인해 배기가스 온도 증가하고 액체 연료의 가스화로 인해 배출가스 체적 유량이 크게 증가함으로 인해DPF 필터 출구 유속 분포는Fig. 7, 의 결과와 다르게 나타날 것으로 예상되며 유동 Fig. 8, Fig. 9
의 관성으로 인해 보다 더 균일한 속도 분포를 가질 것으로 예측된다.
결 론 4.
디젤엔진용 매연 필터 입 ․ 출구에서의 공기 유속 분포를 측 정하기 위해 피토튜브 가이드 어댑터 및X-Y자동이송 장치 를 고안하였으며 이를 이용하여 유속 분포를 측정한 결과 필터 입구에서는 중심축에서 높은 속도 분포를 보이고 DPF
반경방향으로는 유속이 점진적으로 줄어드는 경향을 보이고 있으며 유동 경로 꺾임으로 인해 유동 관성 효과가 나타났다.
출구 유속 분포에 미치는 효과 측면에서 보면 입구 유속 분포 의 영향보다 필터 통과 과정에서의 압력 손실 영향이 더 크게 나타났다.
후 기
본 연구는 환경부에서 시행한 무 ․ 저공해자동차사업 연구 결과의 일부이며 연구비 지원에 대해 감사드립니다, .
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년 월 일 논문접수 년 월 일 심사완료
(2007 4 6 , 2007 6 12 )
