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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 최병철
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 전남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수1
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고압축비 운전이 가능한 디젤엔진은 희박 공연비에서 운전되기 때문에 과급을 적용하기 용이하여 가솔린엔진 대비 높은 열효율을 달성할 수 있고, 중?저속구간에서 높은 토크를 낼 수 있다. 또한 CO2 배출량이 적어 대형 상용차 뿐만아니라 승용차에서도 높은 시장수요를 점유하고 있다. 그러나 국부적 고온반응 구간에서 발생하는 질소산화물(NOx)과, 연료 중 높은 탄소수의 탄화수소계(HC)의 불완전연소로 생성되는 입자상물질(PM: Particulate Matter)이 많이 배출되는 문제점이 있다. 2014년부터 시행중인 EURO Ⅵ와 같이 엄격한 배출가스 규제에 대해 DPF(Diesel Particulate Filter)를 적용하여 PM 규제를 만족시킬 수 있지만, NO￢x는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)만으로는 규제치를 만족시키기 어려워 LNT(Lean NOx Trap), HC-SCR(Hydrocarbon-Selective Catalyst Reduction), urea-SCR과 같은 후처리장치가 개발되고 있다[1, 2, 3, 4]. 이 중 urea-SCR 시스템은 넓은 온도범위에서 높은 NOx 정화성능을 가지며, 연비에 미치는 영향이 적어 효과적인 NOx 후처리장치 중 하나이다. 그러나 암모니아 슬립, 촉매 열화에 따른 NOx 정화성능 감소 그리고 -11 ℃ 이하에서 요소수가 동결하는 현상 등의 문제점을 가지고 있어 해결방안이 요구된다. 요소수는 요소와 순수한 물을 혼합하여 만든 요소 함량 32.5 %의 용액으로, 북유럽과 북미 지역 등 동절기에 기온이 -12 ℃ 이하로 내려가는 지역에서는 동결하는 문제가 있다. 따라서 urea-SCR 시스템을 장착한 디젤자동차의 정상적인 작동을 위해 제한된 열원으로 동결된 요소수를 일정시간 내 해동시켜 urea-SCR용 환원제로써 필요한 최소량을 확보할 수 있는 해동기술이 필요하다. 이 때 동결 요소수의 해동용 가열원으로 엔진의 냉각수나 전기히터를 사용 가능하며, 공간의 제약이 크게 작용하는 소형 차량의 경우 시스템의 구조가 단순하고 발열량 제어가 용이한 전기히터를 사용할 수 있다. 그러나, 전기히터를 이용한 동결 요소수 해동특성에 관한 정보는 부족하다.
이 연구는 1200 sec 내 340 mL의 요소수 해동량 확보를 위한 전열확산판의 최적 형상을 수치해석을 통해 도출하는 것을 목적으로 한다. 수치해석의 타당성을 검증한 결과, 수치해석 결과와 실험 결과값이 잘 일치함을 보였다. 전열확산판 측면의 표면적이 넓은 경우 가열초기 일정 시간동안 동결 요소수 해동량 확보에 악영향을 주었다. 바람개비 형상의 전열확산판이 냉간시동 시 단시간 내 urea-SCR 시스템의 정상적인 de-NOx 성능을 위해 요구되는 요소수 해동량을 충분히 확보하며, 장시간 작동 시에도 가장 많은 해동량을 얻을 수 있어 최적의 형상임을 확인하였다. HDPE(High Density Polyethylene) 코팅 두께는 많은 양의 요소수 해동량을 확보하기 위해 열전달을 방해하지 않은 수준인 1-2 mm 범위가 적당함을 알 수 있었다. 전열확산판 내 장착된 PTC 히터의 위치가 공급 및 회수부 관과 가까워질수록 관 내부 동결 요소수 해동이 빨라지는 경향을 보이지만, 목표시간동안 전체 해동량 향상을 위해서는 PTC 히터가 전열확산판의 중앙에 위치한 것이 유리함을 알 수 있었다.
이 연구는 1200 sec 내 340 mL의 요소수 해동량 확보를 위한 전열확산판의 최적 형상을 수치해석을 통해 도출하는 것을 목적으로 한다. 수치해석의 타당성을 검증한 결과, 수치해석 결과와 실험 결과값이 잘 일치함을 보였다. 전열확산판 측면의 표면적이 넓은 경우 가열초기 일정 시간동안 동결 요소수 해동량 확보에 악영향을 주었다. 바람개비 형상의 전열확산판이 냉간시동 시 단시간 내 urea-SCR 시스템의 정상적인 de-NOx 성능을 위해 요구되는 요소수 해동량을 충분히 확보하며, 장시간 작동 시에도 가장 많은 해동량을 얻을 수 있어 최적의 형상임을 확인하였다. HDPE(High Density Polyethylene) 코팅 두께는 많은 양의 요소수 해동량을 확보하기 위해 열전달을 방해하지 않은 수준인 1-2 mm 범위가 적당함을 알 수 있었다. 전열확산판 내 장착된 PTC 히터의 위치가 공급 및 회수부 관과 가까워질수록 관 내부 동결 요소수 해동이 빨라지는 경향을 보이지만, 목표시간동안 전체 해동량 향상을 위해서는 PTC 히터가 전열확산판의 중앙에 위치한 것이 유리함을 알 수 있었다.
목차
목 차그림 목록iii표 목록vNomenclaturesvi국문초록viii제 1 장 서 론11. 연구배경1가. 연소 생성물의 유해성1나. 자동차 배출가스 규제강화2다. NOx 생성 기구62. Urea-SCR 시스템 및 선행연구9가. 디젤 NOx 후처리 기술9나. 동절기 요소수 동결 문제12다. 선행연구133. 연구목적14제 2 장 실험 및 수치해석151. 지배방정식152. 수치해석 방법173. 수치해석 모델18가. 수치해석 모델 설정18나. 수치해석 모델 타당성 검증22다. 수치해석의 타당성 검증 결과25제 3 장 Urea-SCR system의 해동 최적화271. 전기 가열부 표면적 변화에 따른 해동 특성272. 전기 가열부 코팅 두께에 의한 해동 특성313. 전열 확산판의 형상과 해동효과324. 장시간 해동량 비교385. PTC 히터 위치에 따른 공급 및 회수부 관내 동결 urea 해동 최적화40제 4 장 결 론45참고문헌47영문초록50
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