[논문]AMESim기반 CRDi용 인젝터의 2단분사 동적거동 특성해석

조인수; 권지원; 이진욱

doi:10.15435/jilasskr.2012.17.2.057

AMESim기반 CRDi용 인젝터의 2단분사 동적거동 특성해석
Analysis of Dynamic Characteristics in Two-stage Injection for CRDi Injectors Based on AMESim Environment 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.17 no.2, 2012년, pp.57 - 63

조인수 (숭실대학교 대학원 기계공학과) , 권지원 (숭실대학교 대학원 기계공학과) , 이진욱 (숭실대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

For reduction of CO, NOx and soot emission emitted by diesel diffusion combustion, the authors focused on injection actuator to improve fuel availability inside combustion chamber. In this study, it was investigated the internal dynamic characteristics of two-stage injection with diesel injectors with different driving type for the common rail direct injection by using the AMESim simulation code. The analysis parameter defined such as fuel pressure, injection hole's diameter and driven voltage. As the results, it was shown that the piezo-driven injector had a faster response and had better control capability than the solenoid-driven injector. It was found the piezo-driven injector can be utilized effectively as multiple injector than solenoid-driven injector.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 전자제어기반 커먼레일 분사시스템용 솔레노이드 인젝터와 피에조 인젝터를 대상으로 2단 분사 시, 인젝터 내부 동적거동 특성을 상호 비교분석하기 위해, 인젝터 구동 해석모델을 구현한 후, 인젝터 구동방식에 따른 고압분사특성 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 솔레노이드 인젝터와 피에조 인젝터의 기본적인 작동성능 해석을 수치적으로 검증하기 위하여, 신뢰성이 검증된 상용 AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering Systems) 코드를 사용하여 수학적 모델을 정립한 후, 유압 해석을 수행하였다^(2-4).

제안 방법

Table 1의 Parameter는 해석 모델의 기본 값이고 이것을 기준으로 변수를 설정하여 해석하였다. 그리고 다단 분사의 경우, Fig. 4와 같이 사전(Pilot)분사와 주(Main)분사로 구성된 2단 분사로 해석하였고, 두 인젝터 모두 전체 입력신호, 분사 시기 그리고 분사 기간의 시간을 동일하게 설정하였다.
본 연구는 전자제어기반 커먼레일 분사시스템용 인젝터의 구동부인 솔레노이드와 피에조 스택의 해석모델을 구현한 후, 2단분사 고속응답 특성을 비교 분석한 것으로써, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 2단분사시, 솔레노이드 인젝터와 피에조 인젝터의 해석 변수로 연료압력, 분공직경, 구동 전압을 선정하였다. 해석을 위한 결과값으로는 Fig.
또한 커먼레일로부터 일정하게 공급되는 압력은 고압 연료 파이프를 통해 하단 feed orifice를 지나, 제어실에 채워지게 된다. 이러한 기계-유압적인 힘의 평형은 볼 밸브(ball poppet with conical seat)에 의해 유지되는데, 본 해석 모델에서는 원추형시트를 가지는 구형 포핏 밸브(spherical pop pet valve)의 1차원 운동 모델로 고려하였다. 이 볼 밸브에 작용하는 순수 힘은 유체의 압력과 외부에서 작용하는 힘에 기인하게 된다.

대상 데이터

그리고 본 연구에 적용된 디젤연료의 밀도, 체적계수 그리고 음속은 단열 조건이며, 일반 표준 사양인 ISO 4113 연료를 적용하였다. 해석 시간을 부여하는 신호는 선형적으로 구성되었으며, 이 입력신호는 출력으로 변환되게 된다.
본 연구에서 적용된 피에조 인젝터는 엔진 배기량 2.0 l 급 직접분사식 디젤엔진에 사용되는 솔레노이드 인젝터를 기본 모델로 하여 해석하였다⁽⁵⁾.
해석에 사용된 분사 시간 및 기간은 실제 배기량 2.0 l급 직접분사식 디젤엔진의 솔레노이드 구동 신호를 기반으로 설정하였다.

성능/효과

1) 전체 구동시간(입력신호시간)을 기준으로 볼 때, 피에조 인젝터의 분사율과 분사량의 지연시간이 솔레노 이드 인젝터보다 짧음을 알 수 있었다.
2) 솔레노이드 인젝터의 파일럿 분사 시, 더 큰 압력 강하가 발생하며, 피에조 인젝터의 파일럿 분사율은 솔레노이드에 비해 현격한 차이를 보였고, 메인분사의 기간도 짧아짐을 알 수 있었다. 또한 메인 분사 시, 피에조의 연료량 증가 속도가 빨라지며, 연료압력 상승 시, 분사 말기 압력회복 시간지연이 나타나서, 피에조 인젝터는 솔레노이드 대비 약 0.
3) 2단 분사의 사전분사 시, 미소한 구동시간에 대한 두 인젝터의 구동 패턴은 현격한 차이를 보임을 알 수 있었다. 이 결과로부터 더 세분화된 다단분사의 경우, 피에조 액추에이터로 구동되는 인젝터가 더 제어성 측면에서 유리할 것으로 판단된다.
4) 인젝터 분공경 축소 시, 압력회복시간이 지연되었는데, 피에조 인젝터의 경우 메인분사 종료 후 압력회복시간에 차이를 보였다. 파일럿 분사 시 연료압력이 변동하는 지점에서 분공경이 큰 경우, 압력강하의 폭이 더 크게 나타나, 최대압력강하 시 약 0.
2) 솔레노이드 인젝터의 파일럿 분사 시, 더 큰 압력 강하가 발생하며, 피에조 인젝터의 파일럿 분사율은 솔레노이드에 비해 현격한 차이를 보였고, 메인분사의 기간도 짧아짐을 알 수 있었다. 또한 메인 분사 시, 피에조의 연료량 증가 속도가 빨라지며, 연료압력 상승 시, 분사 말기 압력회복 시간지연이 나타나서, 피에조 인젝터는 솔레노이드 대비 약 0.1 ms 빠른 연료압력 회복 속도를 가짐을 알 수 있었다.
218 mm 일 때, 솔레노이드와 피에조 인젝터의 P2에서 압력변화를 나타낸 것이다. 메인분사에서 전반적인 압력 패턴은 유사하지만, 최대압력강하 시, 약 0.7 ms의 차이가 발생함을 알 수 있었다.
218 mm 일 때, 솔레노이드와 피에조 인젝터의 P1에서 압력변화를 나타낸 것이다. 분공경이 작아짐에 따라 압력회복시간이 지연되고 있는 것을 알 수 있으며, 피에조 인젝터의 경우, 파일럿분사에서 분공경에 의한 영향보다는 메인 분사 종료 후, 압력회복 시간에 차이가 있음을 알 수 있었다.
6은 연료압력 1000, 1300, 1600 bar 일 때, 솔레노이드와 피에조 인젝터의 P2에서 압력변화를 나타낸 것이다. 분사 말기, 피에조 인젝터는 솔레노이드 방식 대비 약 0.1 ms 빠른 연료압력회복 속도를 가짐을 알 수있으며, Fig. 7의 P3지점에서 압력변화를 비교해 보면, 솔레노이드 인젝터의 파일럿 분사 시 압력강하의 크기가 피에조에 비해 더 큼을 알 수 있었다.
7 ms의 차이가 발생함을 알 수 있었다.이를 통해 피에조 인젝터의 경우, 파일럿 분사 시 분공경의 영향이 적어, 분사 연료량 제어에 훨씬 더 유리함을 알 수 있었다.
즉, 피에조 인젝터의 경우, 짧은 시간의 분사에는 분공경의 영향은 미미하나, 파일럿 분사 시 연료압력이 변동하는 지점에서 분공경이 큰 경우 압력강하의 폭이 더 커짐을 알 수 있었다.
4) 인젝터 분공경 축소 시, 압력회복시간이 지연되었는데, 피에조 인젝터의 경우 메인분사 종료 후 압력회복시간에 차이를 보였다. 파일럿 분사 시 연료압력이 변동하는 지점에서 분공경이 큰 경우, 압력강하의 폭이 더 크게 나타나, 최대압력강하 시 약 0.7 ms의 차이가 발생함을 알 수 있었다.이를 통해 피에조 인젝터의 경우, 파일럿 분사 시 분공경의 영향이 적어, 분사 연료량 제어에 훨씬 더 유리함을 알 수 있었다.
8은 연료압력 1000, 1300, 1600 bar 일 때, 솔레노이드와 피에조 인젝터의 분사율을 나타낸 것이다. 피에조 인젝터의 파일럿 분사율은 솔레노이드에 비해 연료압력별로 현격한 차이를 보여주고 있으며, 메인분사의 기간도 짧아짐을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다단분사는 어떻게 유해 배출물 및 소음 진동 저감을 구현하게끔 하는가?	다단분사는 기본적으로 Pilot과 Main 분사로 나누어지고, Pre, 및 After, Post 분사 등의 과정이 추가되어 유해 배출물 및 소음 진동 저감을 구현하게끔 한다. 이러한 고압연료의 다단분사는 인젝터의 구동방식과 밀접한 관련이 있다.
	전자제어기반 커먼레일 분사시스템용 인젝터의 구동부인 솔레노이드와 피에조 스택의 해석모델을 구현한 후, 2단분사 고속응답 특성을 비교 분석하여 어떤 결론을 얻을 수 있었는가?	1) 전체 구동시간(입력신호시간)을 기준으로 볼 때, 피에조 인젝터의 분사율과 분사량의 지연시간이 솔레노 이드 인젝터보다 짧음을 알 수 있었다. 2) 솔레노이드 인젝터의 파일럿 분사 시, 더 큰 압력 강하가 발생하며, 피에조 인젝터의 파일럿 분사율은 솔레노이드에 비해 현격한 차이를 보였고, 메인분사의 기간도 짧아짐을 알 수 있었다. 또한 메인 분사 시, 피에조의 연료량 증가 속도가 빨라지며, 연료압력 상승 시, 분사 말기 압력회복 시간지연이 나타나서, 피에조 인젝터는 솔레노이드 대비 약 0.1 ms 빠른 연료압력 회복 속도를 가짐을 알 수 있었다. 3) 2단 분사의 사전분사 시, 미소한 구동시간에 대한 두 인젝터의 구동 패턴은 현격한 차이를 보임을 알 수 있었다. 이 결과로부터 더 세분화된 다단분사의 경우, 피에조 액추에이터로 구동되는 인젝터가 더 제어성 측면에서 유리할 것으로 판단된다. 4) 인젝터 분공경 축소 시, 압력회복시간이 지연되었는데, 피에조 인젝터의 경우 메인분사 종료 후 압력회복시간에 차이를 보였다. 파일럿 분사 시 연료압력이 변동하는 지점에서 분공경이 큰 경우, 압력강하의 폭이 더 크게 나타나, 최대압력강하 시 약 0.7 ms의 차이가 발생함을 알 수 있었다.이를 통해 피에조 인젝터의 경우, 파일럿 분사 시 분공경의 영향이 적어, 분사 연료량 제어에 훨씬 더 유리함을 알 수 있었다.
	솔레노이드 인젝터는 어떤 방식으로 구동되는가?	이러한 고압연료의 다단분사는 인젝터의 구동방식과 밀접한 관련이 있다. 현재 대부분 사용 중인 솔레노이드 인젝터는 피크-홀드(peak and hold)방식으로 구동되는데, 구동 전류를 상승시키기 위하여 고압 전원장치로 전류를 증가시켜 전류 상승시간을 줄이기 때문에 전력소모가 많으며, 제어도 복잡하다. 그러나 인젝터 구동부를 피에조 스택(piezo stack)으로 대체한 경량화 된 피에조 인젝터는 전류 및 전력의 소비가 낮고 고속응답성과 제 어성 등에서 보다 유리한 것으로 알려져 있다(1).

참고문헌 (5)

J. W. Lee, "Study on driving performance, spray characteristics and cavitation flow of a piezo-driven Diesel injector", Doctoral Dissertation, Seoul National University, 2005.
D. T. Hountalas and A. D. Kouremenos, "Development of a Fast and Simple Simulation Model for the Fuel Injection System of Diesel Engines", Advanced in Engineering Software, Vol. 29, No. 1, 1998.
G. M. Bianchi, S. Falfari, M. Parotto and G. Osbat, "Advanced Modelling of Common Rail Injector Dynamics and Comparison with Experiments", SAE 2003-01- 0006, 2003.
O. Chiavola and P. Giulianelli, "Modelling and Simulation of Common Rail System", SAE 2001-01-3183, 2001.
J. W. Lee and K. D. Min, "Analysis of Hydraulic Characteristics of High Pressure Injector with Piezo Actuator", KSAE, Vol. 14, No. 4, pp. 164-173, 2006.

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