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문제 정의
- 노즐 오리피스의 형상 및 노즐 형상비가 디젤연료와 함산소 바이오디젤 연료의 노즐 오리피스 내부에서 캐비테이션 생성 및 성장, 외부 유동에 미치는 영향을 실험적으로 연구한 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구는 직접 분사식 디젤 엔진의 연료로 바이오 디젤 연료를 사용할 경우 인젝터 노즐에서 발생하는 캐비테이션 현상을 알아보기 위한 기초연구로써, 노즐 오리피스의 형상 및 노즐 형상 비에 따른 캐비테이션의 생성과 캐비테이션이 분사된 연료의 내 . 외부 유동에 미치는 영향을 디젤연료의 캐비테이션과 비교하여 실험적으로 분석였다.
제안 방법
- 캐비테이션은 유체의 속도가 증가하면서, 이로 인해 발생하는 압력의 감소가 유체의 연속성을 깨고, 그 자리에 기공(cavity)이 생기는 현상을 말한다. Sarre 등©은 FIRE 와 KIVA-II 코드를 이용하여 연료분사와 분무 과정에 대한 노즐 형상의 영향을 시뮬레이션 하고, 유량 계수, 유효 분사속도, 분사 초기의 액적 크기 등을 계산하였고, Roth 등。)은 디젤 인젝터의 내부유동 특성에 대한 노즐 형상의 영향을 조사하기 위해 다양한 노즐 형상에 대한 CFD 분석을 하였다. 이 연구에서 오리피스 입구 반경의 증가는 벽 근처에서 평균 출구 속도 및 유량계수의 증가를 야기하는 반면, 캐비테이팅 유동 (cavitating flow) 영역은 감소하게 된다는 결과를 보고 했다.
- 2의 점선 부분은 가시화되는 부분을 표시해주고 있다. 고해상도 ICCD 카메라를 이용해서 영역 A부분을 가시화하여 오리피스 내부에서 발생하는 캐비테이션의 이미지를 획득하고, 디지털카메라를 이용해서 영역 B를 가시화하여 노즐 외부에서의 유동 특성을 비교분석하였다.
- 노즐 오리피스 내부에서 일어나는 캐비테이션 현상을 관찰하기 위해서 Fig. 2와 같은 두 가지 형태의 노즐을 제작하였다. 노즐은 투명한 아크릴로 제작되었으며 Fig.
- 또한, 분사된 연료는 순환펌프를 통해 다시 연료 탱크로 보충되도록 하였다. 분무 가시화 장치는 노즐 오리피스 내부에서의 유동 관찰을 위해 광원(spot lamp)과 고해상도 ICCD카메라(intensified charge couple device)(Cooke Corp, Dicam-PRO)와 노즐 외부 유동특성 관찰을 위해플래쉬 램프(flash lamp)와 디지털 카메라(Nikon, D100)를 설치하였다. 고해상도 ICCD 카메라는 이미지 그래버(image grabber)에 의해 연동되어, 연결된 컴퓨터에 저장되도록 하였으며, 디지털
- 자세한 실험조건은 Table 2와 같다. 실험으로부터 얻어진 결과를 정량적으로 분석하기 위해 유량, 분사압력, 연료의 물성치를 이용하여 식 (1)에서 (3)과 같은 세 가지 무차원수(레이놀즈 수, 캐비테이션 수, 유량계수)를 구한 후, 디젤 및 함산소 바이오디젤의 노즐 오리피스 형상 및 노즐 형상 비에 따른 유동특성을 비교 . 분석하였다.
- 사용하였다. 실험은 노즐 오리피스 형상 (직각 및 테이퍼 오리피스 노즐) 및 노즐 형상비 (L/D 3.33, 10, 20)에 대하여 분사압력을 O.IMPa에서 0.7MPa로 조절하며, 순간 유량을 측정하고, 각각의 분사압력에 대한 이미지를 취득하였다. 자세한 실험조건은 Table 2와 같다.
- 외부 유동에 미치는 영향을 디젤연료의 캐비테이션과 비교하여 실험적으로 분석였다. 아울러 노즐 오리피스 형상, 노즐 형 상비 및 분사조건에 따른 캐비테이션의 발생을 가시화하고, 노즐 내부 및 외부 유동특성에 미치는 영향을 레이놀즈 수, 캐비테이션 수, 유량계수 등 의무 차원 수를 이용하여 분석하였다.
- 연료 공급 장치는 질소가스로 가압된 연료탱크와 순간유량 측정을 위한 유량계, 연료탱크로부터 나온 연료 내의 이물질 제거를 위한 여과기 그리고 노즐 분사 압력 측정을 위한 압력계로 구성되었다. 또한, 분사된 연료는 순환펌프를 통해 다시 연료 탱크로 보충되도록 하였다.
- 연료의 내 . 외부 유동에 미치는 영향을 디젤연료의 캐비테이션과 비교하여 실험적으로 분석였다. 아울러 노즐 오리피스 형상, 노즐 형 상비 및 분사조건에 따른 캐비테이션의 발생을 가시화하고, 노즐 내부 및 외부 유동특성에 미치는 영향을 레이놀즈 수, 캐비테이션 수, 유량계수 등 의무 차원 수를 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 노즐 오리피스의 형상 및 노즐 형상 비에 연료의 특성을 알아보기 위해 디젤연료와 함산소 바이오디젤(순수 대두유, soy bean oil) 연료를 사용하였다. 실험은 노즐 오리피스 형상 (직각 및 테이퍼 오리피스 노즐) 및 노즐 형상비 (L/D 3.
성능/효과
- (1) 바이오디젤 연료는 높은 밀도와 높은 점성계수로 인해, 디젤 연료 보다 높은 분사압력에서 캐비테이션이 형성된다.
- (2) 테이퍼 오리피스 노즐은 직각입구 오리피스 노즐보다 낮은 분사압력에서 높은 분사유량을 나타내고, 또한 분사압력의 증가에 따른 유량계 수도 높은 것으로 3타났다. 이는 오리피스 입구의 테이퍼로 인해 노즐에서 오리피스로 진입할 때 유체 유동의 방향 전환이 상대적으로 부드러워 유동 저항이 감소했기 때문으로 판단된다.
- (3) 형상비가 작을수록 낮은 분사압력에서 캐비테이션이 생성되고, 캐비테이션의 성장도 원활했으며, 생성된 캐비테이션은 분사된 연료의 미립 화를 촉진시켰다.
- (4) 노즐의 형상비가 커질수록, '캐비테이션 시작 유동에서의 유량계수와, 하이드롤릭 플립유동' 에서의 유량계수 차이가 작아졌다.
- (5) 노즐의 형상비가 커지면서, '캐비테이션 시작 유동'의 유량계수가 작아짐을 확인할 수 있었는데, 이것은 오리피스의 길이가 길어짐에 따라 유체가 재 부착 후 벽면과 연료의 마찰구간이 길어졌기 때문으로 판단된다.
- 3은 디젤 및 바이오디젤 연료의 분사 노즐 형상에 따른 분사압력과 분사유량과의 관계를 나타낸 것이다. 두 노즐 및 두 연료 모두 분사압력의 증가에 따라 분사유량은 증가하고 있으며, 테이퍼 오리피스를 가진 노즐이 직각입구 오리피스를 가진 노즐보다 전 실험구간에서 약 1.5 ~ 4.0L/min 정도 높은 분사유량을 가지는 것으로 나타났다. 이는 테이퍼 오리피스 형상의 노즐은 유동 방향의 급격한 변화 없이 부드럽게 빠져나오는 반면, 직각입구 오리피스 형상의 노즐은 유동 방향이 90。로 바뀌면서 유동저항이 상대적으로 높기 때문인 것으로 판단된다.
- 5(a)의 A 부분], 성장된 후 분사된 연료의 미립 화가 더 활발하게 진행됨이 확인되었다. 디젤 연료는 직각입구 오리피스 노즐에서 0.24MPa, 테이퍼 오리피스 노즐에서 0.22MPa, 바이오디젤은 직각입구 오리피스 노즐에서 O.25MPa, 테이퍼 오리피스 노즐에서 0.225MPa 에서 캐비테이션 의성장이 최대로 일어나고 있음을 알 수 있다. 이로부터 테이퍼 오리피스가 있는 노즐에서는 더 낮은 분사압력으로 보다 많은 분사유량 및 활발한 미립화를 이룰 수 있음이 확인되었다.
- 이는 실제 엔진에서의 분사시스템에 적용될 때 에너지 절감의 효과를 기대할 수 있음을 의미한다. 또한, , 캐비테이션 시작 유동, , , 캐비테이션 성장 유동, , '하이드롤릭 플립 유동, 에서 바이오디젤 연료는 디젤연료 보다 다소 높은 분사압력임에도 낮은 유량 계수를 나타내었다. 이는 바이오 디젤이 디젤보다 1.
- 디젤 및 바이오디젤 연료 모두 테 이 퍼 오리 피 스를 가진 노즐에서 직각입구 오리피스를 가진 노즐보다 낮은 분사압력에서 캐비테이션이 생성, 성장 및, 하이드롤릭 플립 유동'까지 발달한다. 또한, 낮은 분사압력에도 불구하고, 높은 분사유량을 나타냄을 알 수 있으며, 그림에서 캐비테이션이 생성되어 [Fig. 5(a)의 A 부분], 성장된 후 분사된 연료의 미립 화가 더 활발하게 진행됨이 확인되었다. 디젤 연료는 직각입구 오리피스 노즐에서 0.
- 33, 10인 그래프의 점선 원안의 부분은, 하이드롤릭 플립, 유동으로 발달하면서 유동 단면적의 감소로 인해 분사 유량이 감소한 부분이다. 반면, L/D가 20인 노즐에서는 실험조건 구간에서, 하이드롤릭 플립,유동을 관찰할 수 없었고, 대신 오리피스 전체에 캐비테이션이 생성되는, 슈퍼 캐비테이션 현상'이관찰되었다. 이로 인해 유량의 감소구간이 나타나지 않았으며, 이는 형상비가 커질수록 캐비테이션의 생성 및 성장에 보다 높은 분사압력, 즉보다 많은 에너지가 필요함을 의미한다.
- 7MPa로 변화시켰을 때, 분사 유량의 변화를 나타낸 그래프이다. 분사유량은 대체로 분사압력의 증가와 더불어 증가하고 있으며, 디젤과 바이오디젤 연료 모두 유사한 경향을 보였다. Fig.
- 225MPa 에서 캐비테이션 의성장이 최대로 일어나고 있음을 알 수 있다. 이로부터 테이퍼 오리피스가 있는 노즐에서는 더 낮은 분사압력으로 보다 많은 분사유량 및 활발한 미립화를 이룰 수 있음이 확인되었다. 이는 실제 엔진에서의 분사시스템에 적용될 때 에너지 절감의 효과를 기대할 수 있음을 의미한다.
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