Study on Ammonia Uniformity and DeNOx Analysis in the Urea-SCR System for Construction Machinery

건설기계용 Urea-SCR 시스템의 촉매전단에서 암모니아 균질도 해석 및 DeNOx 성능에 관한 연구

김동환

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Study on Ammonia Uniformity and DeNOx Analysis in the Urea-SCR System for Construction Machinery

Donghwan Kim, Junkyu Park, Joung-ho Kang, Seonjoon Moon and Sungwook Park

Key Words: Urea-SCR(선택적 환원 촉매), Urea injector(요소수 인젝터), Spray characteristics(분무 특성), Ammonia uniformity index(암모니아 농도균일도지수)

Abstract

In this study, the spray atomization characteristics of urea injector used in SCR system for construction machinery was analyzed, and the uniformity index at the front of mixer and NOx conversion efficiency were evaluated through numerical analysis. Spray visualization and droplet size/velocity measurement were performed and the measured results were used to verify the spray analysis model to calculate the uniformity index in the exhaust gas after-treatment system. For the flow anal- ysis, STAR-CCM, a three-dimensional CFD, was used and the uniformity index of the SCR system at the front of the mixer was calculated using the droplet dissociation model and the wall collision model. Finally, the DeNOx performance for the average condition of the NRTC driving mode was calculated to understand the NOx conversion efficiency reflecting the exhaust gas temperature. The simulation results show that the uniformity index at the front of mixer was calculated as 0.862 and DeNOx efficiency was 75.9%.

기호설명

γ : local uniformity index ω : local velocity value ω

mean

1. 서 론

직분사 디젤 엔진은 높은 열효율 및 출력 덕분에 농 기계 및 건설 기계 등 많은 엔진 분야에서 각광받아왔 지만 고온의 조건에서 연소가 이루어져 NOX (질소산화 물) 및 PM (입자상 물질)이 발생하는 단점이 있다. 이러 한 배출가스 오염 물질을 규제하기 위해 최근 Euro 6, Tier 4와 같이 국제적으로 배기 규제가 강화되고 있다.

최근 많은 연구에서 PM의 경우 Diesel Particulate Filter (DPF) 설치를 통해 약98% 이상의 저감^(1-3)을 보이는 반 면, 질소산화물 저감에는 아직 어려움을 겪고 있는 실정 이다. 질소산화물 저감에는 요소수 분무의 기본적인 특 성을 이해하고 실제 Urea SCR 배기 유동 조건 내의 요 소수 분무 특성을 다양한 방법으로 분석해 질소산화물

(Recieved: 7 Jan 2019, Recieved in revised form: 18 Mar

2019, Accepted: 19 Mar 2019)

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한양대학교 대학원 융합기계공학과

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한양대학교 부설 산업과학연구소

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자동차부품연구원

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책임저자, 회원, 한양대학교 기계공학부 E-mail : [email protected]

TEL : (02)2220-0430 FAX : (02)2220-4588

의 변환율을 높이고 암모니아 슬립을 저감하는 최적화 된 요소수 분사 전략 마련이 필요하다. 따라서 많은 선 행연구들이 질소산화물 저감을 위해 다양한 방법으로 진행되어왔다.

Oh 등⁽⁴⁾은 대기압 및 실제 Urea SCR 시스템 배기관 내 조건에서의 요소수 분무의 공간 산포와 분무 특성을 분석하였고, 이미지 처리를 통한 액적 균일도를 정량적 으로 측정하였다. 또한 두 가지 종류의 믹서를 토대로 엔진 실험을 진행하여 설계 인자 변경에 따른 질소산화 물의 변환율을 비교하였다. Spiteri 등⁽⁵⁾은 두 가지 분사 방식의 요소수 인젝터를 대상으로 다양한 배기 유동 조 건 내에서 실험을 통한 요소수 분무 특성을 분석하였다.

Pressure-driven 인젝터의 요소수 분포는 가장 큰 액적의 부피 분율에 의존하였으며 배기 유동에 대한 영향이 작 고 모든 유동 조건에서 부적절한 혼합물을 형성한 반면 air-assisted 인젝터에 의해 미립화된 작은 액적들의 분포 는 인젝터 공기 흐름에 의해 유도된 난류 및 와류에 의 존하였다. Vuuren 등⁽⁶⁾은 고속카메라를 이용하여 가열 된 요소수 인젝터의 분무 특성을 분석하였다. 또한 실험 적인 한계를 극복하기 위해 Urea SCR 시스템의 최적화 를 위한 CFD를 이용한 다양한 연구가 진행되고 있다.

Urea SCR 시스템의 성능 향상을 목표로 하여 Praveena 등은CFD를 이용하여SCR 전단에서 암모니아 균일도를 향상시키기 위한 믹서와 요소수 인젝터 위치 최적화를 진행하였다⁽⁷⁾. 또한Jeong등은 Urea SCR 시스템에서 암 모니아 슬립을 예방하기 위한 인젝터 형상과 위치 최적 화를 수행하였다⁽⁸⁾.

본 연구에서는 요소수 인젝터의 분사 압력 및 통전 기간 변화에 따라 고속카메라를 이용하여 요소수 분무 발달 과정 및 분무 단층 촬영을 실시하여 거시적 분무 특성을 파악하였다. 또한 분무 가시화 실험을 토대로 요소수 분무의 모델을 검증하였고, Urea SCR 시스템 의 내부유동 해석을 실시하였다. 나아가 운전모드 별 후처리시스템 배출가스 특성 분석 및 DeNOX 성능을 검증하였다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 분무가시화 실험

작동 변수에 따른 요소수 인젝터의 거시적 분무 특성 파악을 위해 Fig. 1과 같은 실험 장치를 구축하였다. 고 압 질소 가스를 이용하여 체임버 내 요소수를 최대 8

bar 까지 가압하여 작동 압력을 조절하였고, NI Com- pact RIO를 통해 인젝터로의 통전기간 및 분사 주기를 제어하였으며 고속카메라(Photron Fastcam APX-RX)와 인젝터 동기화를 실시하였다. 메탈할라이드 램프(Pho- tron HVC-SL)를 광원으로 고속카메라를 이용하여 초당 5,000 프레임의 속도(5,000 fps)로 이미지를 취득하였다.

2.2 액적 입경/속 도 측정 실험

요소수 인젝터의 미립화 성능 분석을 위해Phase Dop- pler Particle Analyzer (PDPA) 장비를 이용하여 Fig. 2와 같이 시스템을 구축하였다. Nd:YAG Laser를 이용한 분 무 단층 실험 결과를 토대로 요소수 인젝터의 분무 중심 에서 액적의 평균 입경 및 속도를 측정하였으며, 노즐 축 방향 거리 및 작동 압력 변화에 따른 D10(AMD), D32(SMD) 비교를 통해 분무 미립화 성능을 분석하였다.

2.3 실험 조건

본 연구에서는 Post Tier-4 대응 100 마력급 비도로용 Fig. 1 Experimental apparatus for spray visualization

Fig. 2 Experimental apparatus for droplet size and veloc- ity measurement

디젤 엔진 질소산화물 저감용 요소수 인젝터의 거시적 미립화 성능 분석을 위해 분사 압력과 통전 기간을 작 동 변수로 설정하였다. 최소 4 bar에서 최대 8 bar 까지의 분사 압력 변화 및 통전 기간 변화를 통해 요소수 분무의 거동과 거시적 미립화 성능 개선 여부를 분석하였다.

3. 해석 모델 및 조건

후처리시스템 내부유동 전산해석을 위해 3차원전산 유체역학 코드 STAR-CCM+11.04를 사용하였으며, 해 석 시 요소수 액적은 완전 구형을 가정하였다. 1차 분열 은 LISA 모델을 이용하였고 2차 분열은 RD 모델을 적

용하였다. 액적 벽면 충돌 현상은 Bai-Gosman 모델을 모사하였고 충돌 후 2개의 Child parcel을 생성하도록 설정하였다. 후처리 시스템 내부 벽면은 dry state로 가정 하여 해석을 진행하였다. 해석에 사용된 믹서의 형상은 Fig. 3과 같고 해석결과 믹서의 성능을 판단하기 위한 지 표로 NH3의 Uniformity Index (UI)⁽⁹⁾를 계산하였다.

γ: Unformity Index (UI)

4. 결과 분석 및 고찰

4.1 거시적 분무 발달 특성

분사 압력 변화에 따른 요소수 인젝터의 분무 발달 이미지를 Fig. 5와 같이 정리하였다. 분사 압력이 증가 하면 액적의 초기 출구 속도 및 분사 유량 증가로 인해 분무도달거리가 증가하였지만 분사 압력 4~8 bar 조건 내에서 모두 선형성을 유지하며 분무가 발달하였다. 저 압으로 분사되는 요소수의 경우 느린 속도로 분무가 발 달하며 상대적으로 미립화 성능이 저조해 직경이 큰 액 적이 형성된다. 속도가 작아 주변 공기로부터 받는 항력

γ 1 1 2 n

--- ( ω

– ω

)

ω

---

∑

–

=

Experiment conditions

Contents Spray visualization PDPA experiment Injection pressure 4, 5, 6, 8 bar

Fuel temperature Room temperature Ambient pressure Atmospheric Energizing duration 10 ms

Fig. 3 Urea spray development process for various injec- tion pressures

Fig. 4 Urea spray tomography images for various injec- tion pressures

은 작고 직경이 커 운동량이 큰 요소수 액적은 초기 노 즐 출구에서의 운동량이 분사 종료 지점까지 상대적으 로 보존되기 때문에 선형적으로 분무가 발달하는 것으

로 판단된다⁽¹⁰⁾.

요소수 인젝터의 거시적 미립화 성능 분석을 위해 추 가적으로 분무 단층 촬영을 실시하였고 그 결과를 Fig. 6 에 나타내었다. 분사 압력 4 bar 대비 8 bar에서 미립화 성능 증가로 인한 액적의 공간 산포가 증가하였다. 보다 정량적인 판단을 위해 MATLAB image processing을 통 해 이미지 내 요소수 액적의 pixel 수를 측정하였고 그 결과는 Fig. 7과 같다. 동일한 거리에서 분사 압력의 증 가는 요소수 미립화 성능을 증가시키고 분열된 다수의 액적으로 평면상에 존재하여 많은 pixel 수를 보인다.

4.2 분무 미립화성능

분무 단층 촬영 이미지를 토대로 요소수 인젝터의 분 무 미립화 성능 평가를 위한 액적 입경 및 속도 측정 지 점을 분무 중심으로 설정하였다. 노즐 축 방향 거리 Fig. 5 Number of pixels counted at urea spray tomogra-

phy images for various injection pressures

Fig. 6 Droplet diameter and velocity distribution of urea spray for various injection pressure

Fig. 7 Comparisons of mean droplet dimeter and veloc- ity for various injection pressure

60 mm 지점에서의 액적 직경 및 속도 분포를 Fig. 8에 나타내었다. 측정된 액적의 직경 분포는 모든 분사 압력 에서 정규 분포의 형태를 보이며 분사 압력이 증가할수 록 미립화 성능 증가로 인해 D32⁽¹⁰⁾가 감소하였다. 액적 의 속도 분포는 분사 압력이 증가할수록 평균 속도의 증가로 인해 오른쪽으로 이동하나 전체적인 형태는 유 지함을 보인다.

노즐 축 방향 거리 및 분사 압력 변화에 따른 액적 입 경 및 속도 측정 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 분무가 노 즐 팁에서 멀어질수록 D10 및 D32가 감소하였으며, 분 사 압력이 4 bar에서 8 bar로 증가하였을 때 노즐 축 방 향 거리 60 mm 지점 기준으로 D32가 약 5% 감소하였 다. 노즐 축 방향 거리가 증가할수록 주변 공기와의 운 동량 교환으로 인해 액적의 평균 속도가 감소하였다.

4.3 분무 모델 검증 결과

분무가시화 실험 결과와 액적 입경 측정 실험 결과를 토대로 후처리시스템 내부유동 전산해석에 사용되는 분 무 모델 검증을 진행하였다. 시간에 따른 분무도달거리 를 그 결과는 Fig. 4와 같다. 요소수는 분무길이 175 mm 지점에서 배기가스와 혼합되기 때문에 그 이전까지의 결과를 비교하였다. 웨버수(We)가 0.82일 때, 해석과 실 험 결과 간 분무도달거리는 0.69%의 오차가 발생하였 고 D32의 경우 약 4.98%의 오차가 발생하였다. 이를 통 해 분무 모델이 요소수 인젝터의 분무 발달을 잘 모사 한다는 것을 알 수 있다.

4.4 후처리시스템 내부유동 전산해석

검증된 분무 모델을 이용하여 후처리시스템 내부유동 전산해석을 수행하였다. 혼합 챔버 내 주요 구성 부품 별 배압은 DOC와 DPF에서 가장 높으며 DeNOX효율 개선을 위해서는 NH3농도 균일도와 NH3전환량의 개 선이 필요하다⁽¹¹⁾. 해석 결과 측정 단면에서의 암모니아 몰분율, 압력, 온도 분포는 Fig. 10과 같다. 이 단면에서 의 NH3 UI는 0.883으로 산출되었다.

Fig. 8 Geometry of mixer

Fig. 9 Model validation result of urea spray model

Fig. 10 Ammonia uniformity index, pressure and tempera- ture distribution

4.5 운전모드별 후처리시스템 배출가스 특성 분석 및 DeNOX 성능 검증

Urea-SCR 시스템 성능은 촉매 온도가 중요하므로 배 기가스 온도변화 분석이 필요하다. 운전모드별 배출가 스 및 DeNOX성능 검증을 위해서 Fig. 11과 같은 맵 데 이터를 이용해 NRTC 모드의 평균 조건에서 후처리시 스템 내부유동 전산해석을 진행하였다. 해석 결과는 Fig. 11과 같고, SCR 촉매 전단 농도 UI는 0.862이고, DeNOX효율은 75.9%로 산출되었다.

5. 결 론

본 연구에서는 요소수 인젝터의 작동 변수에 따른 분 무가시화 실험 및 액적 입경/속도 측정을 실시하여 요소 수 분무 특성을 분석하였다. 또한 실험결과를 토대로 Urea SCR 시스템 믹서 내 유동 해석 및 운전모드 별 배 출가스 특성 분석과 DeNOX성능 검증을 실시하였으며 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

(1) 분사 압력 4~8 bar 조건 내 분사 압력의 증가는 분 무도달거리를 증가시키지만 초기 액적의 운동량이 상대 적으로 많이 보존되어 선형성을 보이며 분무가 발달한다.

(2) 동일한 노즐 축 방향 거리에서 분사 압력의 증가 는 미립화 성능을 개선시키며 액적의 공간 산포를 증가 시킨다.

(3) 노즐 축 방향 60 mm지점 기준으로 분사 압력 4 bar에서 8 bar로의 증가는 약 5%의 D32 감소율을 보이 며, 저압 분사 조건에서도 분사 압력의 증가는 요소수의 분무 발달 속도 및 미립화 성능 개선을 보인다.

(4) 후처리시스템 내부유동 전산해석을 수행하여 NH3

의 혼합기 균일도 계산을 통해 Urea SCR 시스템의 성 능을 평가할 수 있다.

(5) 엔진 맵 데이터를 바탕으로 운전모드를 선정하고 후처리시스템 내부유동 전산 해석을 적용하여 SCR 촉 매 전단 농도 균일도와 DeNOX 효율 계산이 가능하고 이를 통해 운전모드별 배출가스 및 DeNOX성능 검증이 가능하다.

후 기

본 연구는 산업통상자원부의 재원으로 산업기술혁신 사업의 지원을 받아 수행된 연구임(10077690, Post Tier- 4대응 100마력급 비도로용 디젤엔진 질소산화물 저감용 우레아 공급 시스템 개발).

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