A Study on Integrated DOC-DPF System and Urea-SCR Spray System for Maximizing Performance in Heavy-Duty Diesel Engine

Abstract

지난 수년간 디젤엔진에 도입되고 있는 전자엔진제어기술 및 엔진의 연소효율 자체를 최적화하는 등의 기술향상과 더불어 보다 효율적인 PM (Particulate Matter, 디젤입자상물질) 및 NOx (질소산화물) 등의 공해물질 저감기술이 괄목할 만한 성과를 거두었다. 그러나 보다 강화되고 있는 세계적 환경규제에 대한 탄력적 대응을 위해서는 궁극적으로 디젤 산화 촉매장치 (Diesel Oxidation Catalysts), 디젤 입자상물질필터 (Diesel Particulate Filter) 및 선택적촉매환원 장치 (Selective Catalytical Reduction) 등과 같은 배출가스 후처리장치를 통하여 대기환경으로 방출되는 공해물질들을 최소화시킬 수 있는 기술의 확보가 필수불가결인 것이다. 본 연구에서는 자동차용 후처리시스템의 초기설계에 중요한 설계인자들의 영향을 예측하기 위하여 후처리시스템의 내부에서 발생되는 배출가스와 촉매 모노리스의 열적 거동 및 물리화학적 현상에 대한 수치적 연구를 수행하였다. 먼저, 기존문헌의 실험 데이타를 활용하여 본 연구에서 사용된 수치모델들의 타당성 검증을 완료하였다. 본 연구에서는 1차원 수치해석 상용코드인 AVL사의 Boost를 사용하여 DPF 및 DOC에 대한 수치해석을 수행하였으며, 해석에 포함 된 DPF의 열 재생 및 촉매를 이용한 재생 시 반응율 계산과 DOC에서의 각종 화학반응 첨가, 반응율 계산 및 촉매분포함수 계산을 위하여 사용자프로그램을 작성하였다. DPF의 재생에 관한 연구에서는 실차의 도심주행 및 고속주행 시의 운전조건에 대하여 재생 시 다양한 설계변수들이 DPF의 성능 및 내구성과 밀접한 관계가 있는 비정상적 열적거동 및 활성화 패턴에 대한 수치적 연구를 수행하였다. 후처리시스템의 통합 모델링 목적은 보다 정확한 예측 및 각 모델간 부가적인 복잡한 계산들의 단순화에 필요한 모든 기본적인 환경을 조성하는 것이다. 본 연구에서는 통합 DOC-DPF 계산 모델을 이용하여 PM 재생효율, NOx 전환효율 및 압력강하의 영향에 대한 DOC/DPF의 체적비 및 DOC 내 귀금속 촉매첨가량의 효과를 예측하기 위하여 NO₂-assisted 연속재생방식을 수치적으로 연구하였다. 이때, 앞서 언급한 동일한 목적의 사용자프로그램을 이용하여 계산을 수행하였다. 마지막으로, CFD (Computational Fluid Dynamics, 전산유체역학)을 활용한 urea-SCR 분무시스템에 대한 수치적 연구를 수행하였다. 본 연구에 사용된 해석모델은 모노리스 내의 층류유동 영역, 확대/축소관 및 배기관에서의 난류유동 영역 그리고 인젝터에서 분무되는 요소수용액의 분무유동 영역으로 구별할 수 있으며 이를 동시에 해석하였다. 이 때, 각 영역의 구현 및 분무된 요소소용액의 상세한 증발/열분해 과정의 모사를 위하여 여러 수학적 서브-모델들이 사용자프로그램에 의해 작성되었다. 분무 액적의 분열 및 충돌 모델과 urea-SCR 분무시스템 모델에 대한 실험 및 계산 결과를 비교 분석한 결과, 두 가지 경우 모두에서 만족할 만한 결과를 나타내었다. 또한, urea-SCR 분무시스템 모델에 대한 실험결과로 얻은 deNOx 효율과 본 연구의 수치해석결과로 얻은 SCR 모노리스 전단부 배출가스의 속도 분포 및 NH₃의 농도분포간의 상호관계에 의해서 본 연구의 3차원 urea-SCR 분무 모델을 이용한 해석의 신뢰성 및 타당성을 검증 할 수 있었다. Urea-SCR 분무시스템에 관한 연구에서는 다양한 운전조건의 대형 디젤엔진에 장착된 SCR 모노리스 전단부에서의 NH₃ 농도균일도 및 최대 NH₃ 전환효율 향상을 위한 요소수용액의 분사각, 인젝터 위치 및 분사 노즐 분공수의 영향에 대한 수치적 연구를 수행하였다. 그 결과에 근거하여, 본 연구는 deNOx 효율의 향상 및 NH₃ 슬립의 저감을 위한 urea-SCR 분무 시스템의 최적설계에 대한 유용한 가이드라인을 제시하였다.; Particulate and NOx emissions from diesel engines in passenger cars and commercial vehicles have been significantly reduced in the past few years due to advanced diesel combustion technologies as well as sophisticated control algorithms. However, a greater reduction in particulates and NOx, to meet ever more stringent legislation, is possible only with aftertreatment devices such as a DOC (diesel oxidation catalyst), DPF (diesel particulate filter) and SCR (selective catalytic reduction). In this study, after various validations of present numerical models with experimental data from published literature, numerical studies on the thermal behaviors and physicochemical phenomena occurring inside aftertreatment system were performed to predict influences of meaningful design parameters which are crucial in the early stages of the design process for automotive applications. A one-dimensional simulation code, AVL Boost, was used to model a DPF and DOC by using a user-subroutine to describe thermal and catalytic reaction rates for the DPF, and to implement chemical reactions and to calculate kinetic reaction rates as well as catalyst distribution function for DOC. In the DPF case studies, the effect of the ratio of the length to diameter (L/D), cell density, the amount of soot loading on the temporal thermal response and regeneration characteristics have been numerically investigated under two representative running conditions: city driving mode and high speed mode. The effects of hydraulic diameter ratio of inlet and outlet channel on the pressure drop, the soot depletion and the maximum wall temperature have been also investigated during regeneration under a steady operating condition. An integrated DOC-DPF simulation methodology for the NO₂-assisted continuous regeneration was developed by using the same user-subroutine mentioned above to investigate the effects of DOC/DPF volume ratio and precious catalyst loading inside the DOC on the efficiencies of PM regeneration and species conversion rate as well as pressure drop across the DPF. The aim of the integrated modeling is to incorporate all necessary degrees of freedom for better accuracy of prediction as well as to eliminate superfluous complexity. Finally, a CFD methodology to design the full scale urea-SCR spray system model was developed by using several different mathematical sub-models to describe the physics of turbulent reacting spray and detailed evaporation and thermal decomposition process of urea solution droplet sprayed into a hot exhaust stream. The comparison between experimental and numerical results for the dispersion and impingement model, and for the full scale urea-SCR spray system model showed good agreement in both cases. By correlating the deNOx performance from the experiment with the distribution of exhaust velocity and NH₃ concentration on the SCR monolith from the simulation, the reliability of the current three-dimensional urea-SCR spray model was verified. In the urea-SCR spray case studies, the effects of the injection angle, injector location and number of injection holes on the spatial uniformity of NH₃ concentration distribution at the entrance of the SCR monolith as well as the maximum NH₃ conversion efficiency have been examined under various engine loads of a heavy-duty diesel engine. Based on the results from this study, the present work demonstrates useful guidelines to achieve the optimum design of a urea-SCR spray system for improving deNOx performance and reducing NH₃ slip.