코리아 사이언스 번역(한국어 원본)3.1 인자 및 특성치의 정의
삼원촉매장치는 높은 구조적 내구성과 엔진 효율을 필요로 한다. 따라서 삼원촉매장치는 낮은 열응력과 압력강하를 필요로 한다. 이러한 조건을 삼원촉매 담체에서 구현하기 위하여 낮은 열응력 분포를 유도할 수 있는 기하학적 조건과 재료적 조건 및 얇은 담체 셀 두께를 필요로 한다. 그러나 후자의 셀 두께는 엔진과의 연관성 때문에 엔진 배기량에 따라 최적 조건을 가지고 있다. 따라서 기존 엔진에서 사용되는 삼원촉매장치의 조기파손예방 설계를 수행하기 위하여 설계변수로 결정할 수 있는 것은 구조적 내구성에 영향을 미치는 변수 밖에 없다. 따라서 본 연구에서는 이러한 관점에서 설계변수를 선정하였다.
Fig. 4는 삼원촉매담체의 단위 셀의 형상과 치수를 나타낸 것이다. 해석 셀 두께는 원래 셀 두께의 4배로 설정하고 셀 피치도 4배로 설정 하여 열전도해석에 따른 온도 분포를 유사하게 만들었다.
Fig. 5는 삼원촉매담체의 장단축 설계변수를 정의하기 위하여 단면상에서 단축과 장축을 각각 나타내었다. Fig. 6은 삼원촉매담체의 장단축비 설계변수로 장축길이에 대한 단축길이의 비인 장단축비 b/a를 각각 나타내었다. 기존의 삼원 촉매담체의 장단축비는 0.6이고 원형단면 삼원 촉매담체의 장단축비는 1이다. 또한, 자체 제안한 타원 단면 삼원촉매담체의 장단축비는 0.8 이다.
삼원촉매담체의 열피로 균열은 외부층 표면에서 시작되어 성장된다. 따라서 외부층 표면의 강도를 증가시키기 위해서는 이러한 외부층을 다공성 물질로 구성하기 보다는 충실 물질로 구성하는 것이 바람직하다. 따라서 Fig. 7은 삼원촉매담체 에서의 외부층을 두께 설계변수로 설정하여 나타 낸 것이다.
Table 3은 5가지 대표적 구조용 세라믹을 나타낸 것이다. 5가지 모두를 재료 설계변수로 고려하지 않았으며 이중 최저, 중간, 최고 파단계수에 해당하는 재료만 선정하여 각각 3수준에 해당되게 배치하였다.
Table 4는 삼원촉매담체의 구조최적설계를 위한 설계변수와 그 범위를 각각 나타낸 것이다. 기존 삼원촉매담체는 x1과 x2 및 x3가 각각 0.6, 0.84mm, Cordierite 세라믹이다. 여기서, x1은 담체의 장단축비를, x2는 외부층의 두께 를, x3는 삼원촉매담체 재료를 나타낸다.
Table 5는 설계공간을 구성하기 위한 샘플링 점을 나타낸 것으로 L9(33) 직교배열표이다. 이 직교배열표에서 설계변수는 3가지이고 설계변수 수준이 3가지이며 총 실험횟수는 9번이다.
Fig. 8은 기존 삼원촉매담체의 온도 분포를 구하기 위한 온도 측정 위치를 나타낸 것이다. 3차원 열유동 및 구조 해석에서 나온 결과를 토대로 전방과 후방의 열응력 분포를 보면 최대 열응력이 후방 삼원촉매담체의 전면부에서 발생 되고 있다.8 이러한 결과를 토대로 후방 삼원촉매 담체의 전면부에서의 중앙과 최외각에서의 온도를 측정하여 두 지점에서의 온도 차이가 최대가 되는 시점을 선정하여 그 때의 온도 분포를 열전달 해석의 경계 조건으로 부여하였다. Fig. 9는 후방 삼원촉매담체의 전면부에서의 중앙과 최외각 에서의 온도 분포를 각각 나타낸 것으로 각각 1072K와 996.5K이다.
3.2 삼원촉매장치의 열응력 해석
본 연구는 실험계획법을 이용하여 2차원 삼원 촉매의 열응력을 최소화시켜 조기 파손을 경감 시키는 데 있다. 삼원 촉매를 3D 모델로 표현하여 해석하는 것은 상당한 컴퓨터 계산 용량을 필요로 하므로 실제 모델과 유사한 2차원 모델로 구성하였다. 2차원 모델은 ANSYS Workbench R11에서 제공하는 Line body로 구성하였으며 각 Line은 보 요소로 구성하여 축력에 의한 응력과 굽힘하중에 의한 굽힘응력을 동시에 고려한 복합최대응력을 구하였다.
Fig. 10은 2차원 삼원촉매담체에 대한 1/4 유한요소모델의 경계조건을 나타낸 것으로 전자는 열전달경계조건을 후자는 구조구속조건을 동시에 나타내었다. X와 Y축 방향에 대한 대칭경계 조건을 부여하였으며 중앙 지점에서 완전구속 조건을 부여하였다. |
코리아 사이언스 번역(영어 번역본)3.1 Definition of factors and characteristics
Three-way catalyst device requires high structural durability and engine efficiency. Therefore, it needs low heat stress and pressure drop. In order to realize such conditions in three-way catalyst substrate, geometric and material conditions and thin substrate cell thickness to induce low heat stress distribution are necessary. However, the cell thickness of the latter has the optimum condition depending on engine volume as it is related to engine. Therefore, to conduct a design to prevent premature failure of three-way catalyst substrate device in existing engines, the only thing that can be determined as design variable is the variable that can affect the structural durability. Therefore, in this study, we selected design in this perspective.
Fig. 4 represent shape and size of unit cell of three-way catalyst substrate. Interpretation cell thickness is set 4 times as big as the original cell thickness, and the cell pitch is also set 4 times as big as that of the original cell. It enabled us to set the temperature distribution due to heat transfer interpretation quite even.
Fig. 5 represents long axis and short axis on the plane to define aspect design variable of three-way catalyst substrate. Fig. 6 represents the aspect ratio design variable of three-way catalyst substrate. Aspect ratio is the ratio of long axis to short axis and represented as b/a. Aspect ratio of existing three-way catalyst substrate is 0.6, and the aspect ratio of cylindrical surface is 1. In addition, the aspect ratio of elliptic surface three-way catalyst substrate that we proposed is 0.8.
Heat fatigue crack of three-way catalyst substrate starts from the surface of the outer layer and grows from there. Therefore, in order to increase the strength of the surface of the outer layer, it is advisable to compose it with substantial matters, rather than porous matters. Thus, Fig. 7 sets the outer layer of three-way catalyst substrate as thickness design variable.
Table 3 represents five typical ceramic for structure. All five of them are not considered as design variables, and we selected materials that are minimum, medium, and maximum rupture coefficient and assigned each of them in three levels accordingly.
Table 4 represents design variables for optimum structure design of three-way catalyst substrate and their scopes. The existing three-way catalyst substrates have x1, x2 and x3 which are 0.6, 0.84mm, Cordierite ceramic respectively. Here, x1 represents substrate’s aspect ratio, x2 represents the thickness of the external layer, and x3 represents material of the substrate.
Table 5 represents the sampling point to construct design space, and it is L9(33) orthogonal array. In this array, there are three types of design variables, three levels of the variables, and we conducted experiments 9 times.
Fig. 8 represents the location of temperature measurement to acquire heat distribution of existing three-way catalyst substrate. When the heat stress distribution of the back and the front is looked at based on the results of 3D heat transfer and structure analysis, the maximum heat stress occurs in the front of the back part of three-way catalyst substrate. Based on these results, we measured the temperature of the center and the shell of the frontal part of the three-way catalyst substrate in the back, chose the point where the difference of temperature between two points are maximum, and assigned the temperature distribution of that point as the boundary condition of interpretation. Fig. 9 represents heat distribution of center and shell of the front of the back three-way catalyst substrate, respectively. They are 1072K and 996.5K.
3.2 Interpretation of heat stress of three-way catalyst substrate
The purpose of this study is to prevent premature failure by minimizing the heat stress of two-dimensional three-way catalyst, using the experiment plan method. Since it requires significant computer calculation capacity to express three-way catalyst in 3D model and interpret it, we used 2D model similar to the real model. We constructed the 2D model by using Line body provided by ANSYS Workbench R11. Each Line is constructed as 보 factor, and we calculated the maximum compound stress taking into account the stress by compressive force and the bending stress by bending weight.
Fig. 10 represents boundary condition of ¼ finite factor model with regards to 2D three-way catalyst substrate. The former represents heat transfer boundary condition, and the latter represents structure confining condition. We assigned symmetric boundary conditions of directions of X and Y axis, and we also assigned complete confining condition at the center. |
