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문제 정의
- GDI 인젝터에 관한 연구가 몇몇 연구자 및 연구 그룹에서 진행되고 있으나, 보다 뛰어난 GDI 엔진 성능과 배기 성능을 구현하기 위해서는 다공형 GDI 인젝터에 관한 체계적인 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 연료 분사 조건이 GDI 인젝터로부터 분사되는 연료의 분무 도달 거리, 분무각, 분무 면적과 같은 분무 거동에 미치는 영향을 실험적으로 관찰하고, 분석하는 것에 연구의 목적이 있다.
- 본 연구에서는 분사조건(분사 압력, 분위기 압력, 통전기간)이 다공형 GDI 인젝터의 분무 거동에 미치는 영향을 분석하기 위한 실험을 수행 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 다공형 GDI 인젝터의 분무 특성에 관한 연구를 위해 Fig. 1과 같이 분무 가시화 및 분사 유량 측정 장치를 구성하였다. 본 연구를 위한 실험 장치는 연료 공급 장치, 분사 신호 제어 장치, 분무 영상 취득 장치, 데이터 처리 장치 그리고 분사 유량 측정을 위한 정밀 저울로 구성하였다.
- 분무 영상 취득을 위하여 고속 촬영 시스템을 구성하였으며, 고속카메라(Photron, Fastcam-APX RS)와 2개의 메탈 할라이드 램프(Photron, HVC-SL, 150W)를 사용 하였다. 또한 고압 분위기 압력 조건을 형성하기 위하여 정적 체임버에 질소를 공급하고, 잔류가스의 영향을 줄이기 위하여 배기장치를 설치하였다. 분무 영상 촬영은 분사 방향의 90° 방향으로 카메라를 배치하여 촬영하였으며, 디지털 신호 발생기(Berkeley Nucleonics Corp, Model 555)를 사용하여 카메라 신호와 인젝터 드라이버 신호를 동시화시켜 가시화 실험을 수행하였다.
- 또한 고압의 분위기 조건에서 분사 유량 측정을 위하여 정적 체임버 내에 연료를 분사하고 분사 전·후 연료 탱크 무게의 차이를 이용하여 유량을 측정하였다.
- 본 연구를 위한 분무 가시화 영상은 분석의 정확성과 객관성을 위하여 영상 처리 프로그램을 이용하여 영상을 처리하였으며, 실제 분무 영상과 후처리된 영상을 비교하여 Fig. 3에 나타내었다.
- 1과 같이 분무 가시화 및 분사 유량 측정 장치를 구성하였다. 본 연구를 위한 실험 장치는 연료 공급 장치, 분사 신호 제어 장치, 분무 영상 취득 장치, 데이터 처리 장치 그리고 분사 유량 측정을 위한 정밀 저울로 구성하였다.
- 본 연구에서는 GDI 인젝터의 분무 거동 특성에 관한 연구를 위하여 분공수가 여섯 개이고 분사각이 42°인 다공형 인젝터를 사용하였으며, Table 1과 같은 실험 조건하에서 실험을 수행하였다. 분무 가시화 실험은 명확한 분무 영상 취득을 위하여 매 분사 후 배기 장치를 이용하여 체임버 내 잔류 가스를 외부로 배출시켜 잔류 가스의 영향을 최소화 한 후 실험을 수행하였다. 또한 고압의 분위기 조건에서 분사 유량 측정을 위하여 정적 체임버 내에 연료를 분사하고 분사 전·후 연료 탱크 무게의 차이를 이용하여 유량을 측정하였다.
- 분무 영상 촬영은 분사 방향의 90° 방향으로 카메라를 배치하여 촬영하였으며, 디지털 신호 발생기(Berkeley Nucleonics Corp, Model 555)를 사용하여 카메라 신호와 인젝터 드라이버 신호를 동시화시켜 가시화 실험을 수행하였다.
- 분무 영상을 분석하기 위하여 고속카메라에서 취득된 컬러 영상을 회색조(8bit) 영상으로 전환 하고, 실제 분무 영상과 가장 근접한 결과 값을 갖는 스레스홀드(threshold) 값을 선정하여 영상을 분석하였으며, 변환된 영상의 범례는 연료의 농도에 비례하게 나타나도록 하였다.
- 고속카메라를 이용하여 취득한 분무 영상의 데이터 처리 장치는 영상 처리 프로그램이 설치된 컴퓨터로서 영상의 취득, 저장, 분석에 사용되었다. 분사유량의 측정을 위하여 0.1g 단위로 측정 가능한 정밀 저울(AND GP-30K)을 이용하였다.
- 연료 공급 장치는 고압 분사를 위하여 레귤레이터를 이용하여 질소 가스를 연료 탱크에 직접 가압하여 실험을 위한 분사 압력으로 가압하였으며, 고압 연료 라인을 통해 인젝터로 연료를 공급하였다. 인젝터 구동을 위한 분사 신호는 인젝터 드라이버(TEMS, TDA-3200H)를 이용하여 제어하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 GDI 인젝터의 분무 거동 특성에 관한 연구를 위하여 분공수가 여섯 개이고 분사각이 42°인 다공형 인젝터를 사용하였으며, Table 1과 같은 실험 조건하에서 실험을 수행하였다.
- 인젝터 구동을 위한 분사 신호는 인젝터 드라이버(TEMS, TDA-3200H)를 이용하여 제어하였다. 분무 영상 취득을 위하여 고속 촬영 시스템을 구성하였으며, 고속카메라(Photron, Fastcam-APX RS)와 2개의 메탈 할라이드 램프(Photron, HVC-SL, 150W)를 사용 하였다. 또한 고압 분위기 압력 조건을 형성하기 위하여 정적 체임버에 질소를 공급하고, 잔류가스의 영향을 줄이기 위하여 배기장치를 설치하였다.
- 연료 공급 장치는 고압 분사를 위하여 레귤레이터를 이용하여 질소 가스를 연료 탱크에 직접 가압하여 실험을 위한 분사 압력으로 가압하였으며, 고압 연료 라인을 통해 인젝터로 연료를 공급하였다. 인젝터 구동을 위한 분사 신호는 인젝터 드라이버(TEMS, TDA-3200H)를 이용하여 제어하였다. 분무 영상 취득을 위하여 고속 촬영 시스템을 구성하였으며, 고속카메라(Photron, Fastcam-APX RS)와 2개의 메탈 할라이드 램프(Photron, HVC-SL, 150W)를 사용 하였다.
성능/효과
- 1) 분사 유량은 통전 기간과 분사 압력의 영향이 지배적이며, 통전 기간과 분사 압력이 증가함에 따라 분사 유량이 증가하였다. 특히, 고압의 분사 압력에서는 분위기 압력의 영향이 거의 없었지만, 저압의 분사 압력에서는 분위기 압력의 영향이 크게 나타나고 분위기 압력이 높을수록 분사 유량은 작게 나타났다.
- 2) 분위기 압력의 증가에 따라 주변 기체의 항력이 증가하여 분무 발달이 느려지며 이에 따라 분무 도달거리와 분무 면적이 작게 나타났다. 분사 압력의 증가는 분무 면적과 유량을 증가시키고, 분무의 미립화를 향상시킨다.
- 3) 분위기 압력의 증가에 따라 반경방향으로의 분무 발달이 증가하고, 분무의 원추 영역의 감소와 와류 영역이 증가하여 분사각이 증가하였다.
- 또한 분무특성에서 분무 도달거리, 분사각, 분무 형상 등 분무 거동은 인젝터 니들의 각도, 노즐 분사공의 배치와 크기 등과 같은 인젝터 노즐 구조와 연료 온도, 분사압력, 통전 기간 등과 같은 분사 조건에 의해 결정된다.4) 그러나 GDI 분사 시스템은 점화 플러그와 인젝터가 가깝게 위치하고 있어 혼합기 형성 시간이 매우 짧아 정확한 분사 제어가 어려운 단점이 있다. 운전 영역에 따라 빠르고 정확한 공연비 제어를 요구하는 GDI 엔진은 분무의 도달거리와 분사각 등 혼합기 형성에 영향을 미치는 요소들의 특성이 매우 중요하다.
- 3에 나타난 것과 같이 분무 형상은 분위기 압력과 관계없이 분무가 원추형으로 유지되는 원추영역(cone region)과 와류의 형성이 활발한 분무 외곽의 와류 형성 영역(vortex region)으로 구분된다.9) 또한, 연료의 분포는 분무 중앙 부분이 농후하며, 분무 외곽으로 갈수록 증발의 영향으로 연료의 농도가 줄어드는 것을 알 수 있다. 또한 분위기 압력이 2MPa일 때 분무 발달은 대기압 조건에 비해 매우 느렸으며, 증가된 분위기 밀도의 영향으로 분무가 작게 형성됨을 확인하였다.
- 측정점 50mm는 와류 형성 영역으로 최대 분사각 크기가 가장 크게 나타났으며, 시간이 지남에 따라 증발로 인하여 분무 각의 크기가 점차 커졌다. 그리고 측정점에 상관없이 최대 분무 각을 형성한 후에 분무가 측정점을 벗어나거나 증발하여 없어짐에 따라 분사각이 점차 감소하는 것을 확인하였다.
- 6은 동일한 통전기간 조건에서 분사 압력과 분위기 압력에 따른 분무 도달거리를 비교한 것이다. 동일한 분위기 압력 조건에서 분사 압력의 증가는 분무 도달거리를 길게 하였으며, 분위기 압력의 증가는 분무 도달거리를 짧게 하였다. 특히, 분위기 압력이 0.
- 그리고 높은 분사 압력으로 인하여 상대속도 차이가 커짐에 따라 분무 외곽에서 와류가 형성되고, 레이놀즈 수의 증가로 인해 주변 기체의 난류 유동이 커져 와류가 크게 형성 되었다. 또한 분위기 압력의 증가로 인하여 분무 발달이 느려지고 와류의 형성 위치가 노즐 팁 근처로 이동되는 것을 확인할 수 있었다.
- 9) 또한, 연료의 분포는 분무 중앙 부분이 농후하며, 분무 외곽으로 갈수록 증발의 영향으로 연료의 농도가 줄어드는 것을 알 수 있다. 또한 분위기 압력이 2MPa일 때 분무 발달은 대기압 조건에 비해 매우 느렸으며, 증가된 분위기 밀도의 영향으로 분무가 작게 형성됨을 확인하였다. 그리고 높은 분사 압력으로 인하여 상대속도 차이가 커짐에 따라 분무 외곽에서 와류가 형성되고, 레이놀즈 수의 증가로 인해 주변 기체의 난류 유동이 커져 와류가 크게 형성 되었다.
- 가솔린 직접 분사식(GDI, Gasoline Direct Injection) 엔진은 기존의 포트 분사식(PFI, Port Fuel Injection) 엔진과 달리 연료를 연소실 내에 직접 분사함으로써 흡기 포트에서 생기는 벽류 현상을 없애고 저 부하 운전 영역에서의 성층화 연소를 통해 연비를 저감시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 직접 분사된 연료의 증발 잠열로 인하여 연소실 온도가 기존의 포트 분사식 엔진 보다 낮아져 보다 높은 압축비로 운전할 수 있어 열효율과 충전 효율을 높일 수 있으며, 펌핑 손실 및 열 손실을 줄임으로써 출력을 높일 수 있다. 이와 같이 높은 열효율과 출력을 갖는 GDI 엔진은 강화되고 있는 배기가스 규제와 연비 규제를 만족 시킬 수 있는 차세대 가솔린 엔진으로 대두되고 있다.
- 이를 통해 분무 형성을 위한 충분한 분사 유량 조건에서 통전기간은 분무 도달거리에 미치는 영향이 적음을 확인하였다. 또한, 분위기 압력의 증가는 주변 기체의 항력을 증가시켜 분무 발달을 느리게 하고, 분위기 밀도를 증가시켜 분무와 기체 사이의 마찰로 인하여 운동량이 감소되어 분무 도달거리가 짧게 나타났다.
- 10에 나타내었다. 분위기 압력의 증가는 분무의 발달을 지연시켜 분사각의 측정 시작 시간을 늦추고, 분위기 밀도의 증가로 인하여 축 방향보다는 반경 방향으로의 분무 발달 촉진시켜 분위기 압력이 높을수록 최대 분사각을 크게 하였다. 또한 분위기 압력이 0.
- 통전기간은 니들이 열리는 시간으로, 통전기간이 2배 증가함에 따라 분사 유량도 선형적으로 증가하였다. 분위기 압력이 증가함에 따라 분사 유량은 감소하였으며, 특히 낮은 분사압력에서 분위기 압력의 영향이 분명하게 나타났다. 그러나 분사 압력 12MPa에서는 분위기 압력의 영향을 거의 받지 않고 일정한 분사 유량을 나타냈다.
- 그러나 분사압력의 증가에 따른 분사 유량의 증가는 약 25~30%이지만, 분무 면적의 증가는 약20~67%로 나타났다. 이 결과는 고압의 분사 압력일수록 분사 유량의 증가로 인한 분무 면적의 증가뿐만 아니라 분무의 미립화 향상으로 인하여 증발과 분무 확산의 영향으로 인한 분무 면적 증가로 판단된다. Fig.
- 0ms는 모두 인젝터 노즐의 니들이 충분히 열리는 시간으로 분무 거동에 미치는 영향이 적어 분무 도달거리의 차이는 적었으며, 분무 후반에서의 차이는 분무의 증발로 인한 것으로 그 차이는 미미하였다. 이를 통해 분무 형성을 위한 충분한 분사 유량 조건에서 통전기간은 분무 도달거리에 미치는 영향이 적음을 확인하였다. 또한, 분위기 압력의 증가는 주변 기체의 항력을 증가시켜 분무 발달을 느리게 하고, 분위기 밀도를 증가시켜 분무와 기체 사이의 마찰로 인하여 운동량이 감소되어 분무 도달거리가 짧게 나타났다.
- 측정점이 멀어질수록 분무의 도달이 늦어짐에 따라 분사각이 측정되는 시간 또한 늦어졌다. 측정점 50mm는 와류 형성 영역으로 최대 분사각 크기가 가장 크게 나타났으며, 시간이 지남에 따라 증발로 인하여 분무 각의 크기가 점차 커졌다. 그리고 측정점에 상관없이 최대 분무 각을 형성한 후에 분무가 측정점을 벗어나거나 증발하여 없어짐에 따라 분사각이 점차 감소하는 것을 확인하였다.
- 5는 분사 유량이 일정한 조건에서 분위기 압력과 통전기간에 따른 분무 도달거리를 비교한 것이다. 통전기간 1.5ms와, 3.0ms는 모두 인젝터 노즐의 니들이 충분히 열리는 시간으로 분무 거동에 미치는 영향이 적어 분무 도달거리의 차이는 적었으며, 분무 후반에서의 차이는 분무의 증발로 인한 것으로 그 차이는 미미하였다. 이를 통해 분무 형성을 위한 충분한 분사 유량 조건에서 통전기간은 분무 도달거리에 미치는 영향이 적음을 확인하였다.
- 1) 분사 유량은 통전 기간과 분사 압력의 영향이 지배적이며, 통전 기간과 분사 압력이 증가함에 따라 분사 유량이 증가하였다. 특히, 고압의 분사 압력에서는 분위기 압력의 영향이 거의 없었지만, 저압의 분사 압력에서는 분위기 압력의 영향이 크게 나타나고 분위기 압력이 높을수록 분사 유량은 작게 나타났다.
- 7과 8은 분사 압력과 분위기 압력에 따른 분무 면적을 나타낸 것으로, 분무 면적은 시간이 경과함에 따라 분무의 확산으로 인하여 급격히 증가하였으며, 분사 압력이 증가함에 따라 분사 유량 또한 증가하므로 분무 면적이 넓게 나타났다. 특히, 분사압력 8MPa에서 12MPa로 증가하는 경우에는 분사압력이 4MPa에서 8MPa로 증가하는 경우 보다 3배 이상의 분무 면적 증가를 보였다. 그러나 분사압력의 증가에 따른 분사 유량의 증가는 약 25~30%이지만, 분무 면적의 증가는 약20~67%로 나타났다.
- 동일한 분위기 압력 조건에서 분사 압력의 증가는 분무 도달거리를 길게 하였으며, 분위기 압력의 증가는 분무 도달거리를 짧게 하였다. 특히, 분위기 압력이 0.1MPa에서 1MPa로 증가하였을 때, 분무 도달거리는 급격히 줄어들었으며, 분사압력의 증가에 따른 분무 도달거리의 증가보다 분위기 압력 증가에 따른 분무 도달거리의 감소 비율이 더 크게 나타났다.
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