Numerical Analysis of Effective Turbocharger and Baffle on Flow Field in Warm-up Catalyst for Diesel Vehicles

Copyright

2008 KSAE 1225-6382/2008/095- 05 Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 5, pp.29-36 (2008)

디젤자동차용 웜업촉매 내의 유동장에 미치는 터보차저 및 배플의 영향에 관한 수치해석

최 병 철^*․정 우 남․강 창 혁․위 대 웅

전남대학교 기계시스템공학부

Numerical Analysis of Effective Turbocharger and Baffle on Flow Field in Warm-up Catalyst for Diesel Vehicles

Byungchul Choi^*․Woo-Nam Juhng․Changhyuk Kang․Daewoong Wi

School of Mechanical Systems Engineering, Chonnam National University, Gwangju 700-757, Korea (Received 12 September 2007 / Accepted 2 April 2008)

Abstract : Diesel vehicle is growing in importance in light-duty sector as a way of reducing greenhouse gases due to improved fuel economy. Carbon monoxide, gas-phase hydrocarbon and organic fraction of diesel particulates can be oxidized to harmless products using a diesel warm-up catalyst (WCC). This study investigated the effect of a turbocharger and a baffle on flow fields and temperature distributions in the WCC for Diesel vehicles by a numerical analysis. In the case of the WCC with the turbocharger, velocity vectors and temperatures of inlet of the WCC have the relatively homogeneous distributions by the swirl generated from the turbocharger. Velocity vectors and temperatures of inlet of the WCC with the turbocharger and the baffle have the improved distributions in homogeneity compared with the case of the WCC without the baffle. The homogeneous flow field and the temperature distribution in the WCC may contribute to improve the conversion performance of the catalysts.

Key words : Diesel engine(디젤엔진), Catalyst(촉매), Warm-up catalyst(웜업촉매), Turbocharger(과급기), Numerical analysis(수치해석)

1.

지구의 환경오염문제 중 자동차로부터 배출되 는 CO2의 저감을 위하여 디젤자동차의 보급이 유 럽을 중심으로 급격히 확산되어 가고 있다. 디젤엔 진은 기본적으로 가솔린엔진보다 열효율이 높아 CO2의 배출도 약 13-4% 정도 낮다.¹⁾ 그러나 디젤자 동차의 배기규제도 점차강화되어 배기규제를 만족 시키기 위해서는 배기 후처리장치가 필수적이다.

가솔린자동차의 냉시동 시 배출가스의 저감을 위 해 개발된 CCC(Close Coupled Catalyst)가, 디젤자

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

동차에는 WCC (Warm up Catalytic Converter)라는 이름으로 HC, CO 저감을 위한 산화촉매로 사용하 고 있다.^2,3)

디젤승용차의 엔진은 배출물질 저감과 출력 향 상을 위해 배기시스템에 터보차저를 적용하고 있 다.⁴⁾ 보통 WCC는 터보차저에 직결하게 되는데, 이 는 디젤엔진의 낮은 배기온도 및 자동차 엔진룸의 공간적인 제한 때문이다. 이 때 터보차저를 나온 유 동은 거의 직각으로 촉매장치에 유입하게 되어 배 기의 유동장은 매우 불균일한 분포가 된다. 촉매 내 의 담체에서 배기 유동량이 적은 부분에서는 매연 등 입자상물질(PM, particulate matters)이 적체되어

최병철․정우남․강창혁․위대웅

허니컴 타입의 촉매 셀을 막을 수 있다. 경우에 따 라서는 촉매 셀 내에 적체된 PM이 고부하 운전조 건에서 고온의 연소가스에 의해 연소하면서 촉매 를 용융시키는 치명적인 결함을 발생시킬 수 있다.

촉매에 있어서 또한 불균일한 배기분포는 좁은 영 역의 촉매에서 많은 배기량를 정화 처리해야 하기 때문에 촉매의 성능을 급격히 저하시키며, 유동의 흐름이 좋은 부분의 촉매에만 열적, 물리적 부하가 증가하여 내구성을 감소시킨다. 저자들은 이 WCC 내의 불균일한 유동장을 해결하기 위하여 배플을 개발하였다.⁵⁾연구결과 배플을 삽입한 WCC는 균 일한 온도분포를 나타내어, 촉매 전체의 활성온도 도달시간이 단축되어 정화성능이 ECE-13mode 시 험에서 CO 정화율을 약 9%, THC 정화율을 최고 약 49%까지 향상시킴을 실험 및 수치해석을 통하여 알았다.⁶⁾ 그러나 실제 디젤엔진의 배기시스템과 같 이 터보차저를 고려하지 않은 상태에서 실험과 수 치해석을 행하였다.

본 연구에서는 실제 디젤엔진 배기시스템과 동일 한 조건인 터보차저에 WCC를 직결한 경우 유동장 이나 온도분포에 터보차저가 미치는 영향에 대해 수치해석을 행한다. 그리고 터보차저와 WCC 사이 에 이전 연구⁶⁾에서 개발한 배플을 장착한 경우 터보 차저나 배플이 유동장이나 온도분포에 어떠한 영향 을 미치는지를 수치해석적 기법을 통해 파악하고자 한다.

2.

2.1

승용 디젤자동차용 엔진은 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 엔진배기량이 약 2.5 L, 터보차저 및 WCC를 구 비하고 있다. 엔진은 4 행정 디젤, CRDI(common rail direct injection) 연료 분사방식, 행정체적 2.5 L, 출력 145 ps/3800 rpm, 토오크 33 kg.m/2000 rpm, 과급형 엔진이다.⁶⁾ 수치해석 대상으로 한 엔진 회전수는 1400 rpm, 2200 rpm이다. WCC는 승용디젤자동차용 으로 Fig. 1의 우측의 CATIA 도면과 같으며, 외부는 SUS로 캐닝되어 있다. 담체는 67cell/cm² (400cpsi) 의 허니컴 모노리스(honeycomb monolith)형, 0.7 리 터(직경 110mm × 길이 74mm) 한 개이며, 그 외부에

Fig. 1 Warm-up catalyst system of Diesel engine with turbo- charger and CATIA data(right side)

는 단열매트로 둘러 싸여있다. 사용한 배플판은, 이 전 연구⁶⁾에서 실험적으로 최적화한 것으로, 촉매로 유입되는 유선을 부드럽게 약 90 도 각도로 바꾸어 주는 형태를 하고 있다(Fig. 3 참조).

2.2

수치해석에는 상용코드인 SC/Tetra를 사용하였 다.⁷⁾ 전처리 과정에서는 CATIA를 이용하여 설계한 3차원 형상을 SC/Tetra가 인식할 수 있는 STL파일 로 변환한 후, 해석프로그램으로 import하여 surface mesh를 생성한다. 격자생성은 경계면을 중심으로 boundary layer를 고려하여 경계면 안쪽은 hexagon 메쉬를 그 외의 영역은 tetrahedral 메쉬를 사용하여 자동으로 격자를 생성한다. Solver는 matrix solver인 AMG/MICCG-STAB method를 사용하여 수치해석 한다.

지배방정식은 3차원 비정상상태 비압축성 유동 에 대한 질량보존방정식, 운동량보존방정식, 에너 지보존방정식을 이용하며, 난류모델은 k-ε난류 모 델을 사용하였다. 작동유체인 공기는 비압축성 유 체로 가정하고, 이 과정은 강제대류 열전달이 일어 나며, 지배방정식은 다음과 같다.^8,9)

질량보존방정식

  

운동량보존방정식(i=1~3)



   

(2)

디젤자동차용 웜업촉매 내의 유동장에 미치는 터보차저 및 배플의 영향에 관한 수치해석

     

에너지보존방정식





  

 

_

(3)

여기서

^{  ′}

^{ }

 

    

경계조건은 ∂

T

n

두 엔진회전속도 조건에서 유입 공기온도를 523 K으로 일정하게 한 것은, 엔진회전수 변화, 즉 촉매 입구에서의 유속변화가 촉매의 온도장에 미치는 영 향을 파악하기 위한 것이다. 터보차저의 터빈 회전 속도는 엔진회전속도 1,400 rpm의 경우 56,000 rpm, 2,200 rpm의 경우 88,000 rpm으로 회전하는 조건에 서 계산하였다.

수치계산을 위한 메쉬생성은, 시스템 전체를 기 본 정육면체로 약 12,000 개로 나누고, 유속이 빠르 고 변화가 큰 부분은 더욱 작게 나누어, 터보차저로 부터 촉매 입구까지는 다시 기본 정육면체의 1/8 크 기로, 터보내의 회전체가 있는 부분은 다시 1/8 크기 로 나누어서 그리드를 생성한다. 전체의 경계영역 의 hexagon과 내부의 tetrahedral 총메쉬수는 약 195,000 개가 되며, 이 중 터보차저의 회전체 부분만 의 메쉬수는 약 112,000 개, 촉매입구에서 촉매출구 까지는 약 24,000 개가 된다(Fig. 2).

계산시간(PC Intel Pentium D, 3.4GHz 기준)은 배 기 유동시간 5초까지 계산하는 데에 터보와 배플이 있는 경우는 최대 125 시간, 터보와 배플이 없는 경 우는 약 10 시간 정도 소요된다.

Fig. 2 Example of computational grids for WCC and turbo- charger with baffle-plate

3.

3.1

수치해석을 한 결과를 고찰하기 위해서 Fig. 3과 같이 촉매의 수직단면(VC), 수평단면의 목부(HT), 수평단면 촉매입구(HI), 촉매입구로부터 15mm 떨 어진 단면(H15)에서 주로 속도분포 및 온도분포를 해석한다.

배기가 촉매로 흐른 후 1 초와 10 초에 각각의 결 과를 나타내고 있다. 수치해석 결과는 실험결과와 비교하여 시간 변화에 대한 온도 수치해석의 타당 성을 조사하기 위하여 이전의 연구결과⁶⁾ 중 적외선 카메라를 이용하여 측정한촉매의 수평 단면(Fig. 3, H15)에서의 온도분포를 수치해석한 결과와 비교하 여 Fig. 4에 나타낸다. 이 결과는 엔진 1400 rpm에서 배플과 터보차저가 없는 경우로, 시간에 따른 온도 변화의 정성적인 경향을 잘 나타내고 있다. 동일 조 건에서 400 K과 500 K의 공기 물성치의 차이로 인 한 온도분포를 비교한 결과, 등고선 분포는 거의 동 일하며, 온도는 460 K 이상에서는 거의 차가 없고,

Fig. 3 Vertical center section of WCC

Byungchul Choi․Woo-Nam Juhng․Changhyuk Kang․Daewoong Wi

Fig. 4 Section HI temperature comparison of experimental with numerical analysis results (1400 rpm, without baffle and turbo)

430 K 이하에서는 500 K 물성치를 적용한 경우가 400 K의 온도분포보다 최대 3% 정도 높게 나타났다.

3.2

수치해석 대상의 촉매장치의 형태는 WCC 촉매 장치 입구에 직각으로 구부러져 들어오는 유동상태 (배플과 터보차저가 없는 경우, woBwoT), 터보차저 에 WCC가 직결된 상태(실제 엔진 시스템, 배플은 없고 터보차저가 있는 경우, woBwT), 터보차저와 WCC 사이에 배플을 장착한 경우(wBwT)이다. 그리 고 수치해석에 이용한 엔진 운전조건은 1400m, 2200 rpm이며, 이들 촉매장치의 형태와 엔진 운전조 건에서 유동장 및 온도분포에 대해 비교 검토한다.

3.2.1

수치해석에서 속도벡터를 초기 배기공급 후 시 간, 0.01, 1.0, 5.0 초의 결과를 Fig. 5(a), (b), (c)에 각각 나타내었다. 속도벡터는 촉매의 수직 중앙단면(Fig.

3, VC)의 분포이며, 속도벡터의 크기는 색깔로 나타 내고 있다. 엔진운전조건 1400, 2200 rpm 두 조건의 속도벡터 분포는 유사한 경향을 나타내고 있다. 먼 저 woBwoT 조건의 경우 배기의 흐름이 거의 직각 으로 WCC로 흘러 들어가기 때문에 원심력에 의해 왼쪽(Fig. 3, Left) 방향으로 치우쳐 들어간다. 그리 고 woBwT의 경우는 유동은 터보차저의 반경방향

(a) 0.01 sec

(b) 1.0 sec

(c) 5.0 sec

Fig. 5 Velocity vectors at vertical center (VC) section with various time

회전(스월)에 의해 WCC 입구 목의 벽쪽의 속도가 빨라지고, 속도 분포도 터보차저가 없는 경우에 비

Numerical Analysis of Effective Turbocharger and Baffle on Flow Field in Warm-up Catalyst for Diesel Vehicles

교하여 균일해지고 있다. 시간이 경과함에 따라 촉 매 입구의 유속이 오른쪽(Fig. 3, Right)에 가장 빠른 유동장이 형성되고 있다. 이와 같이 터보차저가 있 는 경우 스월유동에 의하여 유동의 혼합이 잘 일어 나 단면에서 비교적 균일한 속도분포를 가진다.

wBwT의 경우에는 터보차저만 있는 경우와 비교하 여 오른쪽에서 빨라지던 유속분포가 사라지고 있 다. 이와 같이 터보차저에 배플이 같이 있는 경우는 직각관 영역에서 유동을 안내하므로 배플이 없는 경우에 비하여 보다 더 균일한 속도분포를 나타낸 다. 이 결과는 실제 촉매의 정화성능 향상과 직결될 것이다.

Fig. 6은 2200 rpm 조건에서 woBwT와 wBwT 조 건의 목(HT)과 촉매입구(HI)에서의 축방향 속도장 을 나타내고 있다. Fig. 5의 결과와 같이 터보차저만 있을 경우에는 흐름이 오른쪽이 빠르지만, 배플이 있는 경우는 HT와 HI위치에서의 축방향 유동장이 균일해짐을 알 수 있다. Fig. 7은 2200 rpm 조건에서 WCC 목부분(HT)의 수평단면에서의 0.01 초와 1.0 초의 속도벡터를 나타내고 있다. 엔진 회전속도가 빠를수록 속도벡터의 크기는 커지지만, 속도벡터의 양상은 유사하다. woBwoT의 경우 왼쪽(Left)영역에 서 속도벡터가 크게 나타나지만, woBwT는 원관 중 심부위를 중심으로 하나의 강한 스월이 형성되어 경과시간에 따라 중심이 약간씩 변동하고 있다. 그 러나 wBwT의 경우는 스월이 매우 미약하며, 몇 개 의 작은 난류와가 형성되고 있다. 이러한 유동장은 촉매의 담체의 온도분포에 크게 영향을 미칠 것이 다. Fig. 8은 1400rpm, 2200 rpm 운전조건에서 wBwT, woBwT의 경우 0.01초와 1.0초에서의 WCC 입구에 서의 유선과 유선의 온도분포를 동시에 나타낸 것

Fig. 6 Velocity vectors at HT(throat) and HI(inlet)

(a) 0.01 sec

(b) 1.0 sec

이다. 0.01 초의 경우, 배플이 없는 woBwT의 경우는 관벽을 따라서 유선이 흘러가고 있으며, 배플이 있 는 wBwT의 경우는 관벽을 따라 흘러가는 유선이 줄어드는 대신 중앙쪽으로 유선이 발달하고 있다.

시간이나 엔진 회전속도에 상관 없이 거의 유사한 경향을 나타낸다. 이 결과는 상기 유속분포의 결과 (Fig. 5-7)을 입증해주고 있다.

3.2.2

온도분포의 수치해석에 사용한 조건은 Fig. 5의 속도분포와 동일하다. WCC의 수직 중앙단면 (Figure 3, VC)의 온도분포를 Fig. 9에 나타낸다. 온 도는 293-523 K 범위를 색깔로 나타내고 있다. 엔진 운전조건 1400, 2200 rpm 두 조건의 온도분포는 유 사한 경향을 나타내지만, 질량유량이 많은 2200 rpm 의 경우가 온도장이 조금 더 빨리 발달되어 가고 있 다. woBwoT 조건의 경우 배기의 흐름이 거의 직각 으로 WCC로 흘러 들어가기 때문에 속도분포에서

최병철․정우남․강창혁․위대웅

(a) 0.01 sec

(b) 1.0 sec

Fig. 8 Stream line distributions at the WCC inlet

와 같이 왼쪽(Left) 방향이 먼저 고온으로 변해간다.

그리고 woBwT의 경우 속도분포는 터보차저가 없 는 경우에 비교하여 균일해져 온도도 중앙부터 높 아지고 있으며, 시간이 경과함에 따라 촉매입구의 온도는 오른쪽(Right)이 가장 높은 영역이 형성되고 있다. wBwT의 경우에는 터보차저만 있는 경우와 비교하여 오른쪽의 높은 온도분포가 사라지고, 중 앙부분의 온도가 가장 높으며, 양측면으로 고온부 위가 분포되어 있다. 이와 같이 터보차저가 있는 경 우에도 배플이 있으며 직각관 영역에서유동을 안내 하므로 보다 더 균일한 온도분포를 얻을 수 있다.

Fig. 10은 WCC 입구부분(HI)의 수평단면의 온도 분포를 나타내고 있다. 엔진회전수가 빠를수록 온 도는 빨리 상승한다. woBwoT의 경우 시간 경과에

(a) 0.01 sec

(b) 1.0 sec

(c) 5.0 sec

Fig. 9 Temperature distributions at vertical center (VC) section with various time

따라 왼쪽영역이 국부적으로 대단히 높은 온도를 나타나고 있다. 그리고 서서히 오른쪽으로 열전달

디젤자동차용 웜업촉매 내의 유동장에 미치는 터보차저 및 배플의 영향에 관한 수치해석

(a) 0.01 sec

(b) 1.0 sec

(c) 5.0 sec

Fig. 10 Horizontal temperature distributions at HI section

이 일어나고 있다. woBwT는 터보차저에 의해 발상 한 스월운동에 의해 원관 중심부위 쪽으로 최고온 도 영역이 이동하고 있다. 그러나 중심부에 저온영 역이 섬처럼 존재하는 것은 촉매의 전 영역에서 고 른 정화성능을 발휘하는 데에는 불리한 온도분포이 다. wBwT의 경우는 유동장 분포(Fig. 7)에서 큰 스 월이 파괴되고 몇 개의 작은 와류가 형성되었는데 온도분포도 중앙에 고온영역이 비교적 넓게 나타나

고 있다. 이 결과는 터보차저의 스월 현상과 배플의 유동장 안내로 인한 결과이다. 그리고 경과시간이 길어지면 세 조건 중 이 wBwT의 조건이 가장 빠르 게균일한 온도장에 도달할 것으로 예측할 수 있다.

이러한 이유로 이전의 엔진실험에서 실제 촉매의 정화성능은 배플이 있는 경우 THC는 약 49%, CO는 약 9% 향상됨을 볼 수 있었다.⁶⁾

4.

디젤엔진의 터보차저에 WCC가 직결된 경우 와 터보차저와 WCC 사이에 촉매로 유입되는 유선을 부드럽게 약 90 도 각도로 바꾸어 주는 형태의 배플 을 장착한 경우 이들이 유동장이나 온도분포에 미 치는 영향에 대해 수치해석한 결과, 다음과 같은 결 론을 얻었다.

1) WCC에 터보차저가 직결되어 있는 경우 스월유동 에 의하여 촉매 입구에서의 유동이 혼합이 잘 일 어나 비교적 균일한 속도분포 및 온도분포로 되지 만, 일부 불균일한 유동장 및 온도장이 남는다.

2) WCC와 터보차저가 직결되고 그 사이에 배플이 있는 경우 WCC내의 유동장은 배플이 없는 경우 에 비하여 균일해져, 온도분포도 균일하게 되어 촉매정화율 향상에 기여할 것이다.

향후 과제로는 압축성 상태의 지배방정식에서 온 도변화에 따른 작동유체의 물성치 변화를 고려한 유동 및 온도장을 정량적으로 해석하는 것이다.

References

1) W. A. Majewski and M. K. Khair, “Diesel Emissions and Their Control,” SAE, pp.170- 172, 2006.

2) Y. B. Yoon, B. C. Choi, W. N. Juhng, M. G.

Jung, B. S. Shin and J. P. Yoo, “Conversion Characteristics of Warm-up Catalytic Converter for the Diesel Vehicle,” Spring Conference Proceedings, Vol.I, KSAE, pp.287-293, 2004.

3) B. C. Choi, Y. B. Yoon, H. Y. Kang and M. T.

Lim, “Oxidation Characteristics of Particulate Matter on Diesel Warm-up Catalytic Con- verter,” Int. J. Automotive Technology, Vol.7, No.5, pp.527-534, 2006.

Byungchul Choi․Woo-Nam Juhng․Changhyuk Kang․Daewoong Wi

4) M. Jung, R. Ford, K. Glover, N. Collings and M. Watts, “Parameterization and Transient Validation of a Variable Geometry Turbo- charger for Mean - Value Modelling at Low and Medium Speed-Load Points,” SAE 2002- 01-2729, 2002.

5) B. C. Choi, S. H. Park, C. H. Lee, H. Y. Kang and M. G. Jung, “After-treatment System of Catalytic Converter with Baffle-plate for Diesel Passenger Car,” Korea Invention No.20- 0433965, 2006.

6) S. H. Park, B. C. Choi and M. T. Cho, “Flow

Field Improvement of Warm-up Catalyst for Passenger Car Using Baffle-plate,” Fall Con- ference Proceedings, Vol.I, KSAE, pp.258-265, 2005.

7) www.ecim.co.kr

8) S. J. Jeong and W. -S. Kim, “Three-Dimensional Numerical Study on the Use of Warm-up Catalyst to Improve Light-off Performance,”

SAE 2000-01-0207, 2000.

9) S/C Tetra (V. 6) User's Guide, Solver Reference, pp.1-2, 1998.