디젤 엔진용 SCR 촉매 전단에서 NH3의 몰 농도 및 농도 균일도에 관한 연구

Abstract

본 연구의 대상은 대형 디젤엔진의 유해 배출가스를 저감하기 위한 정화시스템이다. 정화장치는 DOC(디젤산화촉매), DPF(매연저감장치), Urea-SCR(요소수 선택적환원촉매)로 구성되고 요소수를 분사하기 위한 인젝터 및 분사된 요소수와 배기가스의 혼합을 촉진하는 혼합챔버를 포함한다. 배기가스의 유동은 Eulerian framework로, 요소수 액적은 Lagrangian framework으로 취급하였으며, 배기가스 유동 내의 거동 및 액적의 분열 등을 전산 모사하기 위하여, 분무가시화 실험 및 PDPA 실험을 통해 액적 분열 모델을 보정하였다. 또한 촉매에 의한 유동 저항은 해당 영역을 다공성 매질로 가정하고, 유동 속도에 따른 차압 측정 실험을 통해 산출된 유동 저항 계수를 적용하여 전산모사 하였다. 일반적으로 SCR 촉매 전단에서 NH3 몰 농도와 농도균일도는 Urea-SCR 시스템의 정화성능에 결정적인 영향을 주는 인자로 알려져 있으며, SCR 촉매 전단 배기관의 형상 및 혼합챔버의 특성에 따라 크게 달라진다. 따라서 정화시스템에 대한 내부유동해석을 통해 믹서의 형태, 믹서의 위치, 축소기의 길이, SCR 챔버의 길이를 영향인자로 식별하였고, 이를 최적설계에서 설계변수로 선정하였다. 또한 해석에서 사용된 경계조건은 3.4 L급 디젤엔진의 NRTC(nonroad transient cycle) 모드에 대한 엔진동력계 실험을 통해 측정된 데이터를 바탕으로 선정하였다. 실험 데이터를 분석하여 부하영역을 저 부하, 평균 부하, 고 부하, 가속, 감속으로 구분하였고 NOx 발생량과 배기유량 및 온도가 선형적으로 증가하는 관계를 나타내는 영역을 대표하는 평균 부하와 비선형적인 감속 영역을 경계조건으로 선정하였다. 전술한 설계변수와 경계조건을 바탕으로 NH3 농도균일도와 몰 농도를 목적함수로 하는 최적설계를 수행하였으며, 설계변수는 완전요인배치 기법으로 처리하고 목적함수는 다구치(Taguchi) 방법의 망대 특성으로 처리하였다. 각 부하 조건에 따라 산출된 최적해가 일치함을 확인하였으며, 이를 기본 모델과 수치적으로 비교하여 최적수준 적용에 따라 NH3 농도균일도와 몰 농도가 개선됨을 검증하였다.