The Korean Society Of Automotive Engineers

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 29 , No. 1

[ Article ]
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 29, No. 1, pp.67-73
Abbreviation: KSAE
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 Jan 2021
Received 19 Aug 2020 Revised 24 Sep 2020 Accepted 29 Sep 2020
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2021.29.1.067

분사 방향에 따른 Urea-SCR 후처리 시스템의 배출가스 저감 성능 예측
정석훈1) ; 김훈명1) ; 김현준1) ; 권오현2) ; 박은용3) ; 김응율4) ; 강정호1), *
1)한국자동차연구원 동력성능연구센터
2)대동공업 엔진개발팀
3)TESK 기술연구소
4)세성 기술연구소

Predictions of the Reduction of Exhaust Gas on an Urea-SCR System According to the Injection Direction
Seok Hoon Jeong1) ; Hoon Myung Kim1) ; Hyun Jun Kim1) ; O Hyun Kwon2) ; Eun Yong Park3) ; Eung Yul Kim4) ; Jeong Ho Kang1), *
1)Powertrain Efficiency R&D Center, Korea Automotive Technology Institute, 303 Pungse-ro, Pungse-myeon, Dongnam-gu, Cheonan-si, Chungnam 31214, Korea
2)Engine Development Team, Daedong Industrial Co., Ltd., 35 Nongongjungang-ro 34-gil, Nongong-eup, Dalseong-gun, Daegu 42984, Korea
3)TESK R&D Center, TESK, 20 Saneopdanji-ro, Eomo-myeon, Gimcheon-si, Gyeongbuk 39536, Korea
4)R&D Center, Sesung, 53 Maecheon-ro 17-gil, Buk-gu, Daegu 41485, Korea
Correspondence to : *E-mail: jhkang@katech.re.kr


Copyright Ⓒ 2021 KSAE / 182-09
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium provided the original work is properly cited.
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Abstract

The uniformity of ammonia gas in selective catalytic reduction(SCR) is one of the crucial factors that determine the amount of ammonia slip, as well as NOX reduction efficiency. Improving the uniformity of SCR in off-road vehicles by optimizing only the flow path and mixer designs are non-trivial due to the limited space for the after-treatment system. Therefore, in this study, the uniformity index(UI) is numerically assessed in order to evaluate the effect of the urea injection direction on NOX reduction efficiency. The ammonia UI of eight different injection directions with three different angles are compared, while the inlet flow rate and temperature condition are fixed at 450 kg/hr and 600 degC, respectively. As a result, the ammonia UI changes formed by the difference in the injection angle of urea water are at a minimum of 0.897 at the rear of the mixer, and at a maximum of 0.983, with a difference of approximately 0.086.


Keywords: Heat transfer, Numerical analysis, Phase change, Selective catalytic reduction, Urea water, Uniformity index
키워드: 열전달, 수치해석, 상변화, 선택적 환원촉매, 요소수, 균일 지수

1. 서 론

디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 높은 열효율과 신뢰도를 가진다는 장점이 있다.1) 이는, 연료의 물성 특징과 기술 발전으로 인한 고압 직분사식 압축 착화(CRDI)의 개발을 시작으로 시장이 확대되기 시작하였다.2) 그러나, 디젤 연료는 높은 열효율을 가지는데 비해 많은 배출가스를 배출한다는 단점이 있다. 가솔린에 비해 낮은 배출가스 온도와 운전 공연비의 특성으로 인해 삼원 촉매 장치 장착이 불가능하기 때문에 많은 후처리 장치 장착이 불가피하다.3) 최근 자동차 배기가스 문제가 대두되면서 강하되는 배출가스 규제가 적용되어 추가적인 배출가스 후처리 장치 추가가 불가피한 상황이다.4)

최근 적용된 배출가스 규제인 Euro 6를 시작으로 오프로드 엔진 규제 Tier-4 Final 적용으로 인해 배출가스 저감 기술 개발이 요구되며,5,6) 자동차 배출가스의 대부분은 전처리보다 후처리 장치로 규제를 충족시키는 실정이다. 기존 후처리 장치는 추가적인 분사 시스템 없이 구동하는 DOC, DPF, EGR, LNT 등 을 장착하여 배출가스 규제를 충족시켰으나, Euro6 D가 시행되면서 모든 디젤 차량에 SCR이 장착이 불가피해졌다.7) 동시에, 오프로드 배기규제 Tier-4 Final까지 적용되면서 온 로드 및 오프로드 할 것 없이 디젤 내연기관에서 SCR 장착이 보편화되고 있다. SCR은 기존의 촉매 시스템에서 우레아 분사 및 관리하기 위한 시스템이 추가로 장착이 필요하다는 단점으로 인해 적용이 미뤄지고 있었다. 장점으로는 연소에서 발생하는 배출가스인 일산화탄소와 NOX를 대부분 저감 가능하여 친환경적인 배출가스 후처리 장치로 평가받고 있다.8)

SCR의 구성요소는 크게 저장탱크와 요소수 분사 시스템 및 컨트롤 모듈, 믹서와 촉매로 구성된다. SCR은 주기적으로 요소수를 보충해 주어야 하며, 요소수의 어는점은 영하 11℃로 혹한에서 빙결 우려가 있어 추가적인 해동 모듈이 필요하다. SCR 촉매는 반응 온도인 250℃ 이상부터 NOX 교환율이 높아지고 원활한 반응이 가능하며, 촉매의 교환 효율은 분사된 요소수의 증발량 및 분포도와 비례하는 경향을 보인다. 효율을 높이기 위해서 분사 노즐 후단에 믹서를 설치하여 SCR의 효율을 증가시킨다. 최근 촉매 후단에 AOC 코팅을 통해 잔류 암모니아를 포집하는 2중 촉매 구조 SCR 개발이 활발히 진행되고 있다.9,10)

SCR 촉매는 크게 1차 촉매와 암모니아가 대기로 나가는 것을 막아주는 AOC 코팅이 추가된 2차 촉매로 나눠진다. 암모니아는 자극성 물질로 생체 조직에 영향을 미칠 수 있으며, 10 ppm 이상 노출되면 눈과 호흡기계에 지장을 준다. 높은 암모니아 대기에 노출되는 경우 사망까지 이어진다. 위와 같은 이유로 환경부에서는 Euro 6기준 도입과 함께 SCR장착 차량에서 슬립 암모니아를 저감해 주는 별도의 촉매(AOC 코팅촉매) 장착을 의무화하고 있다. SCR에 사용하는 요소수는 증류수에 암모니아를 희석하여(희석비 32.5 %) 사용하며 액체 상태로 분사되어 기화하여 촉매에 작용한다. 암모니아는 알칼리성 물질로 촉매 전단에 기화되지 못한 요소수가 수송되면 촉매의 내구도에 악영향을 주는 문제점이 있다. 이에, 대부분의 개발업체들은 촉매와 도징 노즐 사이에 믹서 형상을 설치하여 요소수의 증발 성능 및 분포도를 높이는 연구가 진행되고 있다.11)

SCR 촉매 후단의 NOX UI 결과는 슬립 암모니아를 예측하고 촉매의 성능을 예측하는데 중요한 역할을 한다. SCR 관련 연구들은 실제 엔진 시험 결과가 반영된 것이 아닌 SCR 파트 해석 또는 단일 시험으로 진행한 경우가 대부분이다.12,13) 실제 내연기관에서 후처리 장치는 엔진룸 공간에 따라서 많은 설계 변수를 가지고 있으며, 유동 시험의 경우 파트의 전후 설계에 따라서 결과에 많은 영향을 받는다. 또한, NOX와 슬립 암모니아를 측정하고 분포도 고찰 결과에 따라서 엔진의 배출가스 라인과 후처리 장치의 설계 변수를 정하는 작업을 진행하고 같은 유로 형상의 유동 시험과 수치해석을 동시에 진행하여 후처리 장치의 성능을 예측하고 고찰하는 연구가 필요하다.

본 연구는 실제 Tier 4-Final 적용 오프로드 엔진에서 SCR의 성능을 예측하고 개선하기 위하여 진행되었다. 시험조건 선정을 위하여 공인시험에 사용되는 배출가스 평가 방법에서 NOX 등의 배출가스가 가장 많이 배출되는 운전영역을 선정하고 운전영역의 온도와 유량을 정하였다. 시험 결과를 적용하여 수치해석의 지배 방정식 및 경계조건의 신뢰도를 높이고 정해진 조건에서 수치해석을 추가로 진행하였다.

본 논문의 순서는 2장에서 논문의 구성을 간단하게 설명하였다. 3장에서 수치해석 경계조건과 설계에 대하여 설명하였다. 4장에서 성능 개선을 위한 수치해석 진행 및 암모니아 UI 결과를 고찰하고, 5장에 결과를 정리하였다.


2. 구성 및 연구개요

본 논문의 구성을 Fig. 1에 나타내었다. 연구 순서는 다음과 같다. 대동공업의 4F243T 엔진 성능 데이터를 기반으로 개발되는 3.8 L급 Tier4-Fnal 규제 대응 엔진의 배출가스 조건을 예측하였다. 배기규제 평가 방법에서 NRSC 시험 결과를 참고하였다. 배출가스가 가장 많이 배출되는 NRSC 1MODE 조건의 배기 온도 조건과 3.8 L급 엔진의 배기 유량을 예측하여 선정하였다. 선정된 조건에서 암모니아 UI 수치해석 결과를 비교하였다. 정해진 수치해석 경계조건에서 우레아의 분사 각도를 조정해가며 수치해석을 진행하고 결과를 고찰하였다.


Fig. 1 
Urea-SCR system study procedure


3. 수치해석 모델 및 경계조건
3.1 수치해석 대상

수치해석 대상은 Tier4-final 대응 개발 후처리 장치 형상을 Fig. 2에 나타내었다. 실제 개발 부품의 치수를 참고하여 설계를 진행하였으며, 장착 후처리 장치는 DOC, DPF, SCR 순으로 장착되어 있다. 촉매의 내구성 확보와 유동의 균일도를 증가시키기 위해 DOC 전단에 타공 플레이트가 적용되어 있다. DPF 후단에서 우레아 분사가 이뤄지고 분사된 우레아의 증발 및 분포 균일도 증가를 위하여 분사노즐 후단 약 120 mm지점에 믹서가 장착된다. 후단에 SCR 촉매가 2개 연속으로 장착되며 후단 촉매에는 암모니아 저감을 위한 AOC코팅이 되어 있다.


Fig. 2 
Experimental equipment of postprocessing unit experiment

3.2 수치해석 경계조건 및 변수

배출가스 저감장치 수치해석에서 중요한 경계조건인 유입 유량과 온도를 선정해야 한다. 대동의 4F243T 엔진의 NRSC 시험에서 배출가스가 가장 많이 발생하는 영역인 2200 rpm, 최고출력 조건에서 배기 온도는 약600 ℃, 배기 유량은 약 340 kg/h로 측정되었다. 후처리 장치의 적용 목표 엔진의 배기량 증가 정도와 터보의 크기를 고려하여 적용하였다. 배기 온도는 실험과 동일한 600 ℃를 적용하고 유량은 배기량에 비례하여 450 kg/h를 적용하였다. 배출가스 구성비를 포함한 경계 조건을 Table 1에 나타내었다.

Table 1 
Numerical analysis conditions for postprocessing unit
Analysis model
Working fluid Exhaust gas
Flow rate [kg/h] 450
Density [kg/m³] 0.11
Supersonic static pressure [Pa] 1.31 barG
Temperature [℃] 600℃
Pressure [Pa] 1.5 barG
Exhaust manifold pressure [Pa] 1.5 barG
Gas composition [%]
N2 78.2 CO2 11.7
H2O 5.0 CO 0.0394
NO 0.0052 O2 5.0
NO2 0.0447 - -
Urea water solution
H2O [%] 67.5
N2H4CO [%] 32.5
Injection rate [kg/h] 1.819

유로 설계에 따라 촉매의 성능은 많은 편차를 보인다. 같은 유로 설계에서 SCR후단의 암모니아 분포도에 미치는 영향을 비교하기 위하여 분사노즐의 분사각도를 조정하면서 수치해석을 진행했다. 분사노즐의 방향을 가운데 분사 조건을 Base로 하고 8방향, 각도를 15°부터 45°까지 15°간격으로 증가시켜 총 25Case의 수치해석을 진행하였다. 진행된 수치해석의 정리를 Fig. 3에 나타내었다.


Fig. 3 
Urea-SCR configurations: injection angle (8 direction, 3 angle, base) configurations

3.3 수치해석 격자안정성 평가

수치해석에 사용된 격자는 공기유동에는 비정렬 다면체격자(Unstructured polyhedral mesh)와 프리즘 층(Prism layer)을 적용하여 격자를 생성하였으며, 믹서의 경우 난류 유동이 강해진다고 판단하여 가이드 볼륨을 생성하여 격자의 안정성을 향상시켰다. 촉매의 경우 방향성을 가진 원통 모양의 격자 생성에 특화되어있는 직접 격자(Directed mesh)를 적용하여 안정성을 확보하였으며, 각 셀의 벽면을 지정하여 촉매 유동 모사 정확도를 향상시켰다. 생성된 격자의 안정성 평가를 진행하였으며 각 항목 별로 약 85 % 이상으로 안정적이라 판단되며 Table 2에 파트별 평가항목을 나타내었다.

Table 2 
Mesh quality of face and cell
Volume change Face validity Cell quality
Part Value Value Value
Inlet part 0.836 1.000 0.887
DOC out part 0.834 1.000 0.871
DPF out part (mixer) 0.844 1.000 0.877
SCR out part 0.834 1.000 0.883
Filter DOC 0.857 1.000 0.914
Filter DPF 0.857 1.000 0.915
Filter SCR1 0.857 1.000 0.901
Filter SCR2 0.857 1.000 0.904
Total: 0.848 1.000 0.893


4. 수치해석 결과

SCR 개발에 있어 성능에 중요한 영향을 미치는 설계 변수는 유로 형상과 우레아 믹서이며, SCR의 성능을 예측하는 변수로는 촉매 후단의 암모니아 UI가 있다. 유로 설계의 경우 리그 시험을 준비하는 데 있어 변화가 힘들고, 유로가 변화하면 수치해석의 경계조건의 신뢰도 확보 또한 힘들어진다는 단점이 있다. 정해진 유로에서 우레아 분사각도를 조정하여 수치해석을 진행하였으며, 믹서 후단에서 암모니아 UI를 분석하여 분사 각도에 따른 믹서 성능을 예측하고 최종적으로 SCR 후단의 암모니아 UI를 고찰하여 성능을 예측하였다.

4.1 유로 형상에 따른 믹서 특성

같은 유로 형상에서 믹서에 의한 암모니아 UI가 어떤 영향을 받는지 판단하고, 믹서에 의한 유로를 예측하였다. 믹서의 형상에 따른 유로 형상과 분사된 요소수 경향을 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 5에 기본 조건이 되는 중앙 분사 조건에서 암모니아 UI를 분사 위치부터 50 mm 간격으로 발달하는 단면을 정리하였다.


Fig. 4 
Effect of mixer geometry on the air flow and injection urea


Fig. 5 
Effect of mixer geometry on the urea UI distribution development

DPF 후단에서 유로가 작아지면서 속도가 증가하며 사선 방향으로 유입되는 것을 확인할 수 있다. 믹서의 곡면 형상에 의해 분사된 유동이 회전하는 것을 확인하였다. 발생된 회전력에 의해 믹서 중앙의 유속이 빨라지고 외부의 유속은 감소하였으나, 유동의 속도 에너지는 난류에너지로 전환되는 것을 예측할 수 있다. 전환된 난류 에너지는 분사된 요소수에 작용하여 요소수의 증발과 혼합을 촉진한다고 판단된다.

분사된 우레아의 암모니아 UI는 거리에 비례하여 분사 후 0.1부터 0.941까지 증가하는 경향을 보인다. 믹서를 지나는 150 mm부터 분포 형상과 같이 UI가 급격하게 증가하는 경향을 보인다. 이는, 유로 형상 고찰과 같이 믹서에 의해 발생된 난류에너지가 암모니아 UI 향상에 기여한다고 판단된다.

4.2 우레아 분사각도에 따른 믹서 특성

최적의 분사각도를 찾기 위해 동일한 믹서 및 유로 형상에서 25Case의 수치해석을 진행하여 믹서 후단에서 암모니아 UI를 비교하였다. 중앙 방향으로 분사되는 결과를 기본으로 하여 표시하고 믹서에 의한 최대 UI 분포를 보이는 지점인 분사 후단 400 mm에서 암모니아 UI 결과 그래프를 Fig. 6에 나타내고 결과값을 Table 3에 나타내었다.


Fig. 6 
Effect of urea injection angle on the urea UI distribution development of the mixer hinder end (400 mm behind the urea injection)

Table 3 
Mixer end urea UI value to the according to urea injection angle (400 mm behind the urea injection)
N NE E ES S SW W WN Ave.
15° 0.946 0.919 0.959 0.956 0.979 0.962 0.949 0.939 0.951
30° 0.939 0.934 0.904 0.958 0.983 0.962 0.932 0.940 0.944
45° 0.944 0.908 0.899 0.966 0.979 0.961 0.897 0.902 0.931
0.954 (Base)

DPF 후단에서 유입되는 유동은 25°로 믹서부로 유입되며 그 방향이 결과 그래프에 표시되어 있다. 암모니아 UI는 주류 방향으로 분사되는 조건에서 암모니아 UI가 감소하는 경향을 보였다. 이는, 모든 조건에서 동일하게 작용하는 믹서 이외에 분사된 요소수의 증발에 유동의 운동에너지가 작용한다고 판단된다. 분사된 요소수가 주류 방향으로 분사되는 경우 유동에 노출되는 시간이 비교적 감소하면서 암모니아 UI는 감소하며, 분사노즐의 방향이 주류 방향과 반대 방향으로 분사되는 경우 암모니아 UI가 증가하는 경향을 보였다.

수치해석에서 W 방향에서 암모니아 UI 최솟값 0.897, S 방향에서 암모니아 UI 최댓값 0.983으로 나타났다. E 방향 15°와 W 방향 45°의 결과는 다른 분사 조건 경향과 다르게 나왔다. 이는, 주류 방향에서 특정 분사 각도에서 주류 영향을 더 받거나 덜 받는다고 판단된다. 모든 방향 15°의 경우 분사에서 낮은 각도로 분사되면서 노즐 형상에 의해 발생된 터블런스(Turbulence)에 의한 유동 정체가 발생하면서 다른 방향에 비해 평균적으로 높은 암모니아 UI가 형성된다고 판단된다. 45°조건은 반대로 인젝터 노즐 형상에 비하여 높은 분사각도에 의해 터블런스 유동의 영향을 적게 받는다고 판단된다.

4.3 우레아 분사각도에 따른 SCR 특성

후처리 장치에서 SCR 촉매후단 UI는 NH3 슬립의 발생확률의 상승과 촉매에서 부분적인 내구 불균형을 발생 시킬 수 있다. 내구성 확보와 성능을 예측하기 위하여 우레아 분사각도에 따른 암모니아 UI를 동일한 믹서 및 유로 형상에서 25Case의 수치해석을 진행하여 비교하였다. 중앙 방향 분사를 기본으로 SCR 촉매 후단에서 암모니아 UI 결과를 정리하여 Fig. 7Table 4에 나타내었다.


Fig. 7 
Effect of urea injection angle on the urea UI distribution development of the SCR outlet (SCR outlet behind the urea injection)

Table 4 
SCR outlet urea UI value to the according to urea injection angle
N NE E ES S SW W WN Ave.
15° 0.975 0.968 0.982 0.987 0.982 0.978 0.977 0.978 0.978
30° 0.975 0.968 0.979 0.983 0.984 0.978 0.981 0.974 0.978
45° 0.972 0.969 0.970 0.982 0.982 0.977 0.962 0.976 0.974
0.981 (Base)

SCR 후단의 경우 믹서와 같이 주류 방향의 영향을 보이는 것으로 판단된다. SCR의 경우 믹서를 지나 넓어지는 유로 형상의 영향까지 고려해야 한다. 그러나 분사 초반에 증발에 기여하는 유로 방향이 더 많은 영향을 미친다고 판단된다. 주류 방향과 분사 방향이 같은 NE의 경우 분사각도에 관계없이 SCR 후단에서 낮은 암모니아 UI가 형성되었으며, 유동 방향과 반대되는 S 방향의 암모니아 UI는 높은 암모니아 UI를 나타냈다.

SCR 후단에서 최대 암모니아 UI는 ES 방향 15°조건에서 0.987, 최소는 W 방향 45°조건에서 0.962로 나타났다. 최대와 최소의 차이는 0.015로 매우 적은 차이를 보였다. 그래프 상에서 많은 차이처럼 보이나 분사 각도 평균 값 차이는 15°와 30°는 동일하고 45°에서 0.004차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는, 촉매의 격자 형성에서 촉매의 내부 벽면 모사 조건과 요소수의 증발 공간이 충분히 확보되면서 유동이 안정적으로 발달했다고 판단된다.


5. 결 론

본 연구에서는 실제 Tier 4-Final 적용 오프로드 엔진에서 사용되는 SCR 시스템의 성능을 예측 및 개선하기 위해 요소수 분사 각도가 SCR 내구도 및 성능에 미치는 영향을 수치 해석적으로 연구를 수행하였다.

1) 암모니아 UI는 분사 후 믹서를 지나는 150 mm부터 250 mm까지 100 mm 동안 급격하게 증가하는 경향을 보인다.

2) 주류 방향으로 요소수가 분사되는 경우 요소수가 받는 에너지가 감소하면서 암모니아 UI는 감소한다고 판단되며, 주류 반대 방향으로 요소수가 분사되는 경우 요소수가 받는 에너지가 증가하여 암모니아 UI는 증가한다고 판단된다.

3) 후처리 장치에서 SCR 촉매후단 UI는 NH3 슬립의 발생확률의 상승과 촉매에서 부분적인 내구 불균형을 방지하기 위하여, 요소수 분사 각도 차이에 의해 형성되는 암모니아 UI를 고찰하였다. UI 변화는 믹서 후단에서 최소 0.897, 최대 0.983으로 약 0.086차이를 보인다. SCR 후단에서 암모니아 UI 변화는 최소 0.962, 최대 0.987으로 약 0.025차이를 보인다.


Subscripts
CRDI : common rail direct injection
DOC : diesel oxidation catalyst
DPF : diesel particulate filter
EGR : exhaust gas recirculation
LNT : lean NOX trap
SCR : selective catalytic reduction
AOC : ammonia oxidation catalyst
EPA : environmental protection agency
NRSC : non-road steady cycle

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부에서 진행하는 산업기술혁신사업 ‘Post Tier-4 대응 100 마력급 디젤 엔진 질소산화물 저감용 우레아 공급시스템 개발’(과제번호 10077690) 지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.


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