1.서 론

국제적으로 대기 환경 오염에 대한 규제가 강화되고 있으 며, 디젤 엔진에서 발생되는 배기가스 중의 대기 환경 오염 주 요 요소인 미립자(Particulate matter, PM), 질소산화물(Nitrogen oxides, NOx)에 대해서도 단계별로 그 규제가 강화되고 있는 실정이다(Eastwood, 2000; Johnson, 2012; Lee et al., 2016). 이 에 대응하기 위하여 엔진의 공통관(Common-rail), 다중분사 (Multiple injection), 배기가스재순환(Exhaust gas recirculation, EGR), 가변용량과급기(Variable geometry turbocharger, VGT) 등을 적용한 연소 개선 기술과 디젤산화촉매(Diesel oxidation catalyst, DOC), 디젤여과장치(Diesel particulate filter, DPF) 등의 후처리 기술의 조합으로 그 규제에 대응하고 있으나 더욱 강화되고 있는 규제에 대응하기 위한 기술 개발이 시급하다(Yoshihara, 2005; Heywood, 1988; Ritrievi et al., 1987; Choi et al., 1998).

PM에 비해 NOx는 연소 효율이 높을수록, 고온 연소일수 록 그 배출량이 증가하기 때문에 관련되는 연구가 이루어져 있으나, 이는 반대로 PM을 증가시키는 상반관계(Trade-off) 관계에 있으므로 기술의 한계에 다다르고 있다. 이에 대응하 기 위하여 연소 개선 기술이 제안되고 있으나 기술 개발 수 준과 비용에 비해 그 효과가 낮은 수준이다. 따라서 De-NOx 후처리시스템이 필수 불가결의 기술로 고려되고 있다.

Urea-SCR과 HC-LNT는 환원제의 공급 방법에 따라서 촉매 의 효율은 달라질 수밖에 없다. 환원제를 일정압력 이상으 로 유지해야 하고 2차 분사시스템에 따라서 그에 적합한 최 적화가 필요하다. 그 중 인젝터의 위치 및 각도의 선정은 매 우 중요한 인자이다.

이전의 연구에서 배기가스의 흐름 방향으로 환원제를 분 사하는 경우 가장 바람직한 인젝터의 위치 및 각도이었다. 그러나 배기가스의 흐름 방향으로 환원제를 분사하는 경우 를 제외하고 배기관에 일정한 각으로 인젝터를 부착할 경우 배기관 내 벽류(Wall-wetting)1)는 불가피하다(Oh et al., 2008).

따라서 배기관에 일정한 각으로 인젝터를 부착할 경우 벽 류를 방지하고 배기가스 흐름에 최대한 영향을 주지 않으면 서 효과적인 혼합 및 증발 특성을 위한 부가물 또는 장치가 필요하게 된다(Oh et al., 2012).

본 연구에서는 배기관에 일정한 각으로 인젝터를 부착할 경 우 벽류를 방지하고 배기가스 흐름에 최대한 영향을 주지 않 으면서 효과적인 혼합(Mixing) 및 증발(Evaporation) 특성을 위 한 충돌판(Impingement plate)을 설계하였고, 충돌판의 형상 및 Plate angle에 대하여 실험을 통하여 최적 조건을 도출하였다.

2.실험장치 및 방법

2.1.충돌판 설계 및 적용

배기가스의 유동 흐름방향으로 환원제를 분사하는 경우 를 제외하고 일정한 각으로 인젝터를 부착할 경우 배기관 내 벽류는 불가피하다. 따라서 배기관에 일정한 각도로 인 젝터를 부착하여 벽류를 방지하고 유동 흐름에 최대한 영향 을 주지 않으면서 효과적인 혼합 및 증발 특성을 위한 충돌 판을 설계하였다.

Fig. 1은 기초설계를 위한 배기관 내 충돌판 개념도이다. 이전 연구에서 인젝터의 마운트부에 설치하여 제작성이 양 호하고 충돌판의 크기를 최적화하여 배기가스의 영향을 최 소화할 수 있는 장점이 있다(Oh and Lee, 2014). 3-D CAD program을 사용하여 실제 배기관 도면에서 인젝터의 분무각 과 분무에 상응하는 충돌판의 크기와 각도 및 형상을 계산 하였다. 이 결과로부터 도면을 작성하여 실제 충돌판을 제 작하고 수정 보완하여 적정 형상을 결정하였으며 배기모사 시스템 실험으로 충돌판의 적정 각도를 도출하였다.

충돌판 형상은 기초단계인 평판형으로부터 계단형, 스푼 형, 보울형으로 진화 및 변경시켰다. Fig. 2는 충돌판 설계를 위한 제작 단계를 나타낸 것이다.

충돌판 적용에 대한 분무 유동을 가시화하기 위하여 배기 모사 시스템에 장치를 설치하였다. Fig. 3은 배기모사시스템 과 분무 가시화 시험 장치를 나타낸 그림이다. 고속카메라 와 제논 램프를 이용하여 관의 측면 유동 패턴을 가시화하 였고, Nd-YVO₄ portable laser로 sheet beam을 형성하여 배기관 내의 환원제에 대한 단면 분포 패턴을 가시화하였다. 단면 의 측정 위치는 충돌판 삽입 위치로부터 100 mm 지점이다. 시험연료는 디젤 인젝터 시험 및 평가 연료인 Castol社의 ISO4113을 사용하였다.

본 실험 조건은 Table 1에 나타내었다. 충돌판이 있는 경 우는 공기온도에 의한 벽류 영향을 알아보고자 공기온도를 50, 100, 200, 300°C로 실험하였으며, 충돌판이 없는 경우는 200°C 이상에서 많은 양이 기화되어 이미지로 충돌판의 비 교가 어려워서 50, 100°C의 조건만을 선정하였다.

3.결과 및 고찰

3.1.충돌판의 적용 없는 영향 및 가시화 결과

충돌판의 각도에 대한 영향을 파악하기 위하여 충돌판을 부착하지 않은 상태에서 배기가스의 유량과 온도에 대한 배 기관 내의 분무 패턴의 변화를 가시화 하였다.

Fig. 4는 곡관에서 충돌판을 적용하지 않고 인젝터를 수직 으로 부착하였을 경우의 배기관의 측면 분무 패턴의 Root mean square(RMS) 이미지이다. 벽류 발생이 뚜렷하게 나타나 는 것을 확인할 수 있고, 공기 유량이 증가할수록 분무는 부 채꼴 형태로 휘어지면서 넓게 분산되고, 공기 온도가 증가 함에 따라 액적의 기화량이 증가하여 벽류량도 적어지고, 액주로부터의 액적 분산이 더 넓어졌다.

Fig. 5은 인젝터 팁에서의 거리를 100 mm에서 배기관 내의 유동 단면을 가시화한 결과이다. 공기유량과 온도가 증가할 수록 환원제의 분포 영역이 넓어지지만 배기관 내에 충돌되 면서 일정한 패턴을 보이지 않고 공기유량과 온도에 따라 한쪽으로 치우치는 현상을 보였다.

분무 형상의 변화를 정량화하기 위하여 RMS 이미지 처리 결과로부터 Fig. 6(a)에 나타낸 정의와 같이, 분무확산 각도 와 인젝터 팁에서 벽류위치에 따른 거리를 측정하였다. Fig. 6(b)는 공기 온도와 공기유량의 변화에 따른 분무확산 각도의 변화를 나타낸 그래프이다. 공기온도와 공기유량의 증가에 따라 액적의 산란과 기화가 진행됨으로써 분무확산 각도가 커지는 결과를 보였고, 공기유량이 20 g/s, 공기온도가 50°C와 100°C에서는 배기관 내의 충돌로 인하여 분무확산 각도가 크게 나타났다.

Fig. 6(c)는 공기온도와 공기유량의 변화에 따른 벽류위치 에 대한 거리를 측정한 그래프이다. 공기유량과 공기온도의 증가에 따라 벽류위치가 멀어지는 경향을 보였고, 공기온도 100°C와 200°C 사이에서는 공기유량이이 증가함에 따른 벽 류 거리의 변화폭이 크게 나타났다. 이는 공기온도의 증가 에 따라 액적이 기화되고 액적밀도의 감소로 인하여 분무 속도가 공기유속보다 작아지기 때문이다.

또한, 고유량, 고온일수록 벽류량이 작아지고 분무 진행방 향이 배기관의 중심 방향으로 치우치는 결과를 나타냈다. 공기유량 50 g/s, 공기온도 300°C에서는 분무 진행 방향이 배 기관 내에서 거의 중심 방향으로 변화되었다. 이 조건에서 환원제를 분사한다면 충돌판이 없어도 무방하겠지만, 현실 적으로는 전체적인 공기유량과 공기온도의 다양한 조건을 만족시켜야 한다. 따라서 분무확산 각도의 변화를 만족시킬 수 있는 충돌판의 형상과 각도의 설계가 필요하다.

3.2.충돌판의 적용 영향 및 가시화 결과

충돌판 설계 과정으로 충돌판을 제작하였지만, 실제 유동 패턴에서는 설계에 의한 예측과 다르게 공기 유속 및 온도 에 의하여 유동패턴이 현격하게 변화되었다. Fig. 7은 곡관에 수직으로 인젝터를 부착했을 경우에 평판형과 스푼형의 충 돌판을 적용한 결과로써 모사 배기관의 측면 유동 가시화에 서 획득한 이미지를 평균 RMS 한 것이다.

기초 실험 결과 평판형은 충돌판에 분무 줄기가 충돌 후 충돌판 면을 따라 흘러나가는 특징을 보였고, 따라서 충돌판 의 형상에 의존하여 분무진행 방향이 결정됨을 확인하였다.

반면, 스푼형은 충돌 후 스푼 형상에 의해 분무줄기가 보 다 넓게 분산되었고, 따라서 적절한 충돌판 각도와 스푼의 곡률이 중요함을 알 수 있었다.

초기 설계로서는 평판형은 60°가 적절하였고 스푼형은 55°가 적절하였다. 그러나 실제 배기관에 적용하였을 때 평 판형 60°는 배기관 내의 유동장의 중심에서 위쪽으로 치우 치는 결과를 보였고, 이러한 치우치는 각도를 보상하기 위 하여 45°로 변경하였다. 그 결과 거의 배기관 중심 부근에 분사가 분포되는 결과를 얻었다.

따라서 곡관에 인젝터를 수직으로 부착하였을 경우에 평 판형은 45° 정도가 최적 충돌판 각도이다. 이와 같은 방법으 로 스푼형은 Fig. 7에서 알 수 있는 바와 같이 60°의 충돌판 각도를 유추하였다.

Fig. 8은 각 조건에서 100 mm 지점의 모사 배기관 내부 단 면 분포를 나타낸 것이다. 평판형 60°는 실험 조건에서 제외 하였고, 평판형 45°는 배기관의 단면에 대하여 전체적으로 환원제가 균일한 분포를 보였다. 스푼형 55°는 Fig. 7의 배기 관의 측면 유동 패턴의 결과에서 예상할 수 있는 바와 같이 배기관의 단면의 중심에서 아래쪽으로 치우치는 결과를 보 였고, 스푼형 60°는 평판형 45°와 유사하게 균일한 분포를 보였다. 그러나 분무 패턴에서 알 수 있듯이 스푼형이 평판 형보다 입자의 크기가 더 작게 나타났다. Fig. 9.

Fig. 10과 같이 직관에서 인젝터를 수직으로 부착했을 경 우, 각 충돌판 종류에 따라 모두 적절할 각도를 유지할 경우 적용이 가능함을 알 수 있었고, 계단형과 보울형이 액적의 분포 균질도 면에서 더 좋은 결과를 나타냈다.

종합적인 적용 영향성에 대한 결과는 평판형 < 스푼형 < 보울형 < 계단형 순이다. 그러나 보울형은 제작성이 불리할 것으로 예상되고, 인젝터 부착 길이, 즉, 인젝터 팁으로부터 충돌판까지의 거리가 길어질수록 충돌판과의 거리가 멀어 지고, 분사단면 면적이 커지므로 충돌판의 크기는 변경되어 야 할 것으로 예상된다.

따라서 실제 배기관에 적합한 충돌판 형상을 최적화하기 위해서는 환원제를 균일하게 분포할 수 있는 인젝터의 위치 를 먼저 설정하고, 그에 적합한 충돌판의 크기와 형상을 결 정해야 할 것이다.

곡관과 직관에서 인젝터의 부착각도 및 충돌판 종류와 각 도에 대하여 취득한 이미지로부터 일정한 변화를 분석하기 위하여 Fig. 11.과 같이 정의한 분산각과 관 중심에 대한 각 도를 측정하였다.

Fig. 12는 충돌판 종류에 따른 분산각의 변화를 측정한 결 과이다. 공기유량이 증가할수록 분산각은 거의 선형적으로 감소하는 경향을 보였다. 측정한 분산각 결과와 취득한 이 미지를 상호 비교하였을 경우, 그래프에 표시한 15 ~ 30°의 분산각이 최적의 범위임을 도출하였다.

Fig. 13은 배기관의 중심선에 대한 분사중심의 각도 변화 를 측정한 결과이다. 인젝터를 곡관에 수직으로 부착 시 평 판형 60°의 경우 벽류가 전반에 걸쳐 형성되었고, 따라서 벽 류 범위를 설정하였다.

각 조건에서의 결과들과 취득한 이미지를 비교 분석하였 을 경우 –5 ~ +15°의 최적의 범위를 설정하였고, 이 최적범위 내에서 도시된 적색선과 같이 최상의 충돌판 설계에 필요한 예측 값을 도출할 수 있었다.

이러한 특수한 인젝터의 부착위치 및 각도 환경에서 이와 같은 충돌판을 최적 범위 또는 예측값에 적합하게 설계하여 사용한다면, 촉매의 NOx 감소 효율에 향상에 매우 큰 긍정 적인 영향을 미칠 것이다.

4.결 론

인젝터의 부착위치 및 각도 환경에서 다양한 종류의 충돌 판에 대해서 모사배기 시스템을 활용하여 분사 특성을 평가 하였고, 형상에 따른 충돌판의 영향성을 평가하여 최적설계 변수를 도출하였으며, 아래와 같은 결과를 얻었다.