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문제 정의
- 그러므로, 본 연구에서는 흡기포트와 연소실에서 혼합기 형성전에 연료의 미립화를 촉진시켜 연소 효율을 개선시킴으로써 배기 배출물을 근본적으로 저감시키기 위한 것이 목적이다. 이를 위해 Fig.
- 이와 같은 결과를 토대로 향후 글로우 플러그를 MPI 엔진의 큰 개조 없이 쉽게 장착할 수 있도록 설계하여 배기가스 배출 및 기관 특성을 실험하고자 한다.
제안 방법
- 3은 분사된 연료가 글로우 플러그에 충돌 후 미립화된 액적의 측정위치를 조건별로 나타낸 것이다. (a)는 핀틀형인젝터로부터 분사된 연료의 자유분무계측위치를 나타낸 것으로 실제 기관에서 인젝터와 흡입 밸브의 일반적인 거리를 고려하여 측정 위치 Z=70mm를 선정하였으며, 액적이 계측되는 전기간 중에서 주분무로 판단되는 t=9ms를 기준으로 위치를 변경시켜가면서 액적을 측정하였고, 측정선단에서 액적이 다량 포집되는 한 점을 선정하여 시간 변화에 따른 액적 분포 및 SMD를 분석하였다. (b)와 (c)는 L=10mm 떨어진 거리에 위치한 메탈형 및 세라믹형 글로우 플러그에 연료를 충돌시켰을 경우의 액적 측정 위치를 나타낸 것이다.
- 가솔린 기관의 연료조기 증발장치로서 글로우플러그를 적용하기 위해 전류를 통전시킨 글로우 플러그에 가솔린 연료를 충돌분무시키고, 이로 인하여 미립화된 연료에 대하여 SMD를 측정하고 입경 분포를 분석한 연구결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 연료는 연료펌프에 의하여 공급되며, 연료관 한쪽 단에 설치된 압력조절기에 의해 250kPa의 일정한 분사 압력이 유지되도록 하였다. 글로우 플러그에 충돌되어 기화된 연료가 액화되는 것을 방지하기 위해 잔유량 변화에 영향을 주지 않는 위치에 12V, 0.157A용 펜을인젝터 상부에 유도막과 함께 설치하였고, 1/100 g까지 측정할 수 있는 전자저울을 사용하여 잔유량을 계측하였다.
- 1과 같이 대기 온도, 대기압 상태에서 전류를 통전시킨 고온의 글로우 플러그 표면에 연료를 분사시켜 열교환으로 인한 가솔린 연료의 미립화 촉진을 시도하였다. 미립화 정도를 파악하기 위해 광학적 계측장치인 PMAS를 사용하여 평균 액적 크기를 측정하였고, 측정위치 및 측정시간에 따른 액적분포에 대한 분석을 실시하였다.
- 분무실험장치에서의 분사 시기는 실제 승용차의 분사 기간 #가 2.5 〜 10ms임을 고려하고 냉시동 초기 분사 기간을 고려하여 인젝터의 분사기간#를 5ms로 하고, 분사 간격 tp는 500ms로 하여 총 240초(480회) 동안 분사한 양을 5회 반복하여 최대값과 최소값을 무시한 나머지 값들의 평균을 기본분사유량으로 하였다.
- 분사 시기 조정은 신호 발생기(function generator)를 이용하였으며, 이때의 신호는 전압 및 전류가 낮아 인젝터가 구동되지 못하므로 증폭기를 직접 제작하여 사용하였다.
- 앞 실험에서 얻어진 기화율 변화와 SMD 및 입경 분포와의 상관관계를 규명하고자 자유분무, 상온에서의 단순 충돌 및 250°C의 표면 온도를 갖는 각 글로우 플러그에 연료를 충돌시켰을 경우에 얻어지는 입경 분포와 SMD를 분석하였다. 실험에 사용된 인젝터는 핀틀형인젝터이며 분사 압력은 250kPa로 일정하게 유지하였고, 사용된 글로우 플러그는 메탈형 및 세라믹형이다.
- 액적 크기 계측방법은 화상이 갖는 휘도와 농염의 정도를 디지털양으로 양자화하여 정량적으로 처리하는 PMAS(V-tec사, MXII)를 사용하였으며, 이는 광지속시간이 약 50ns인 이중방 전광원, CCD카메라(관찰영역 3 X 3mm), 렌즈, ND 필터, 화상기록을 위한 frame grabber(512X480, 30frame/s), 4-채널 제어보드, PC 등으로 구성되어 있다. 본계측장치는 촬영된 화상으로부터 데이터를 획득하기 때문에 화상과 실제 액적과의 정확한 상관관계를 확립하고 보정하여 신뢰도를 높일 수 있는데, 조정된 확대비와 보정비는 각각 1.
- 그러므로, 본 연구에서는 흡기포트와 연소실에서 혼합기 형성전에 연료의 미립화를 촉진시켜 연소 효율을 개선시킴으로써 배기 배출물을 근본적으로 저감시키기 위한 것이 목적이다. 이를 위해 Fig. 1과 같이 대기 온도, 대기압 상태에서 전류를 통전시킨 고온의 글로우 플러그 표면에 연료를 분사시켜 열교환으로 인한 가솔린 연료의 미립화 촉진을 시도하였다. 미립화 정도를 파악하기 위해 광학적 계측장치인 PMAS를 사용하여 평균 액적 크기를 측정하였고, 측정위치 및 측정시간에 따른 액적분포에 대한 분석을 실시하였다.
- (b)와 (c)는 L=10mm 떨어진 거리에 위치한 메탈형 및 세라믹형 글로우 플러그에 연료를 충돌시켰을 경우의 액적 측정 위치를 나타낸 것이다. 충돌에 의한 분무길이는 자유분무길이보다 현저히 줄어들어 노즐팁으로부터 45mm 이상에서는 분무를 관찰할 수 없었으므로, t=9 ms에서 주분무를 관찰할 수 있는 거리Z=40 mm를 측정위치로 선정하였다.
대상 데이터
- 앞 실험에서 얻어진 기화율 변화와 SMD 및 입경 분포와의 상관관계를 규명하고자 자유분무, 상온에서의 단순 충돌 및 250°C의 표면 온도를 갖는 각 글로우 플러그에 연료를 충돌시켰을 경우에 얻어지는 입경 분포와 SMD를 분석하였다. 실험에 사용된 인젝터는 핀틀형인젝터이며 분사 압력은 250kPa로 일정하게 유지하였고, 사용된 글로우 플러그는 메탈형 및 세라믹형이다.
성능/효과
- 8은 세라믹형 글로우 플러그에 대한 충돌분무의 측정위치 및 시간 변화에 따른 입경 분포를 나타낸 그래프이다. (a)는 글로우 플러그고온면에 연료를 충돌분 무시킨 경우 입경 분포가 분무 중심을 향할수록 피크값의 입경이 작아 지나 외측으로 갈수록 피크값의 입경이 단순 충돌의 피크값의 입경에 비해 크게 나타났다. 이는 앞선 Fig.
- 8의 각 조건을 분석하 SMD 변화를 나타낸 그래프이다. (a)는 충돌거리에 따른 SMD 변화를 나타낸 것으로 전반적으로 분무 중심에서 거리가 멀수록 SMD는 현저히 커짐을 알 수 있었다.고온면에 대한 충돌분무의 SMD 경우 일정 반경 안에서는 작지만 일정 반경 이상에서는 오히려 SMD가 크게 타나 역전되는 경향을 보였다.
- 7과 같이 고온 면의 연료증 기막 형성이 연료 미립화에 장애를 일으키기 때문인 것으로 분석된다. (b)는 시간 변화에 따른 입경 분포 로 메탈형에 대한 동일 조건보다 미립화가 촉진되어 t=9ms 이후에는 직경 35㎛ 정도의 피크값를 갖는 입경분포 곡선을 지속적으로 유지함을 확인하였다.
- 1) 분사기간 ti=5ms, 분사 간격 tp=500ms의 실험조건에서 글로우 플러그에 충돌분사시켰을 경우에 충돌거리가 10mm보다 5mm일 경우에 더 높은 기화율을 나타내었으며, 12V의 일정 전압에서 메탈형은 2.5A일 때 최대 42%, 세라믹형은 4A일 때 최대 40%의 기화율을 보였다.
- 2) 인젝터로부터 분사된 연료의 자유분무 및 충돌분 무의 측정위치별 입경 분포를 분석한 결과 분무 중심에서 외측부로 갈수록 최대 피크값을 나타내는 입경은 커지면서 피크값이 작아지고, 단순 충돌 및 고온 면에 대한 충돌분무에서 bi-mode형태의 분포곡선이 나타났다.
- 3) 측정위치 변화에 따른 SMD는 충돌분무의 경우가 자유분무의 경우보다 현저히 작으며, 충돌분무에서 글로우플러그의 종류에 따라 고온 면에 대한 충돌분무의 SMD가 단순 충돌분무의 SMD에 비하여 작으나 일정 거리 이상에서는 더 크게 나타났다.
- 4) 시간 변화에 따른 SMD 변화에서 분무 초기에 충돌분무의 SMD는 자유분무의 SMD보다 작은 값을 가지며 약 t=11ms 이후에는 조건별로 일정한 SMD를 유지하였다.
- 5) 충돌분무는 자유분무보다 기화율이 높으며 기화율이 높을수록 피크값의 입경은 작아지며, 특히 분무 초기 SMD가 자유분무에 비하여 현저히 작게 나타났다.
- 이는 고온의 플러그에 분사된 연료가 충돌 즉시 얇은 증기막을 형성시켜 연료가 고온의 글로우 플러그 표면과 충분한 열교환이 이루어지지 않은 상태로 큰 액적 이 외부로 비산되기 때문이다. 또한 세라믹형 이 메탈형에 비해 SMD 편차가 작게 나타났으며 SMD는 충돌 분무가 자유분무에 비해 현저히 작게 나타났다. 세라믹형에 대한 충돌분무의 입경 분포가 메탈형에 비해 외측으로 갈수록 더 높게 나타나는 것은 세라믹형 글로우 플러그 직경 이 메탈형보다 작아 분무 전 연료가 충돌에 의해 충분히 미립화되지 못하기 때문인 것으로 분석된다.
- 액적 크기 계측방법은 화상이 갖는 휘도와 농염의 정도를 디지털양으로 양자화하여 정량적으로 처리하는 PMAS(V-tec사, MXII)를 사용하였으며, 이는 광지속시간이 약 50ns인 이중방 전광원, CCD카메라(관찰영역 3 X 3mm), 렌즈, ND 필터, 화상기록을 위한 frame grabber(512X480, 30frame/s), 4-채널 제어보드, PC 등으로 구성되어 있다. 본계측장치는 촬영된 화상으로부터 데이터를 획득하기 때문에 화상과 실제 액적과의 정확한 상관관계를 확립하고 보정하여 신뢰도를 높일 수 있는데, 조정된 확대비와 보정비는 각각 1.87과 0.4이다.
- 10은 자유분무와 충돌분무의 분 무발달 과정을 보여주는 그림이다. 자유분무보다는 충돌분무의 경우 미립화가 향상됨을 가시적으로 확인할 수 있으며, 단순 충돌분 무보다는 고온 면에 대한 충돌분무의 경우에 미립화가 양호하게 나타났다.
- 기화량은 분무 후 잔유량의 연료를 측정하여 분사된 총량에서 잔유량을 제외한 것으로 잔유량이 적을수록 기화량은 많은 것이다. 자유분무의 잔유량을 기준으로 충돌분무의 잔류량을 비교한 결과 충돌거리가 가까울수록 기화가 효과적이며, 메탈형보다는 세라믹형 글로우 플러그에 충돌시켰을 경우에 기화가 양호한 것으로 나타났다.
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