고압 인젝터의 성능은 디젤 연소엔진의 동력, 배출물, 연료소모와 직접적인 관계가 있다. 본 논문에서는 솔레노이드 코일과 피에조 세라믹으로 구동되는 커먼레일 디젤 분사용 인젝터의 응답 특성을 AMESim 코드를 사용하여 상대 비교 연구를 수행하였다. 따라서 연료압력, 분공경을 주요 해석변수로 설정하였다. 본 연구를 수행한 결과, 솔레노이드 구동 인젝터에 비해 피에조 구동 인젝터가 상대적으로 더 빠른 응답성과 더 높은 제어성을 가짐을 알 수 있었으며, 특히 다단분사 적용시, 이런 결과가 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.
고압 인젝터의 성능은 디젤 연소엔진의 동력, 배출물, 연료소모와 직접적인 관계가 있다. 본 논문에서는 솔레노이드 코일과 피에조 세라믹으로 구동되는 커먼레일 디젤 분사용 인젝터의 응답 특성을 AMESim 코드를 사용하여 상대 비교 연구를 수행하였다. 따라서 연료압력, 분공경을 주요 해석변수로 설정하였다. 본 연구를 수행한 결과, 솔레노이드 구동 인젝터에 비해 피에조 구동 인젝터가 상대적으로 더 빠른 응답성과 더 높은 제어성을 가짐을 알 수 있었으며, 특히 다단분사 적용시, 이런 결과가 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.
It is well known that the performance of a diesel injector is directly related to the power, emission, and fuel consumption of the diesel combustion engine. In this study, the injection response characteristics of CRDi injectors driven by a solenoid coil and a piezoceramic were investigated by using...
It is well known that the performance of a diesel injector is directly related to the power, emission, and fuel consumption of the diesel combustion engine. In this study, the injection response characteristics of CRDi injectors driven by a solenoid coil and a piezoceramic were investigated by using the AMESim simulation code. Some analytical parameters such as the fuel pressure and hole diameter were considered. From this study, it was shown that the piezo-driven injector had a faster response and had better control capability than the solenoid-driven injector. In addition, it was found that the piezo-driven injector can be utilized more effectively in a multiple injection scheme than a solenoid-driven injector.
It is well known that the performance of a diesel injector is directly related to the power, emission, and fuel consumption of the diesel combustion engine. In this study, the injection response characteristics of CRDi injectors driven by a solenoid coil and a piezoceramic were investigated by using the AMESim simulation code. Some analytical parameters such as the fuel pressure and hole diameter were considered. From this study, it was shown that the piezo-driven injector had a faster response and had better control capability than the solenoid-driven injector. In addition, it was found that the piezo-driven injector can be utilized more effectively in a multiple injection scheme than a solenoid-driven injector.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 전자제어기반 커먼레일 분사시스템용 솔레노이드 및 피에조 인젝터의 내부 동적거동 특성(internal dynamic characteristics)을 상호 비교∙해석하고자, 각각의 인젝터 구동 해석모델을 구현 후 이론적 연구를 수행하였다.
본 연구는 전자제어기반 커먼레일 분사시스템용 인젝터의 구동부인 솔레노이드와 피에조 스택의 해석모델을 구현하여 상호간의 분사 고속응답 특성을 비교 분석한 것으로써, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
Table 1의 Parameter는 해석 모델의 기본 값이고 이것을 기준으로 변수를 설정하여 해석하였다. Table 2의 Parameter 중 연료압력과 인젝터의 분공직경별로 솔레노이드 와 피에조 인젝터에 대해 해석하였으며, 구동 전압은 전압 입력만으로 구동되는 피에조 액추에이터 해석에만 적용하였다. 인젝터 해석모델의 변수는 Table 1의 조건으로 일정하게 하였다.
본 연구에서는 솔레노이드 인젝터와 피에조 인젝터의 해석 변수로 연료압력, 분공직경, 구동 전압을 선정하였다. 그리고 위 변수에 대한 단분사(single-injection) 조건에서 모델 특성을 해석하였다.
따라서 피에조 인젝터 해석 시, Fig. 2의 솔레노이드 인젝터 해석모델 상단 세 개의 모델로 구성된 솔레노이드 액추에이터와 대체하여 해석하였다.
본 연구에서 이론적 해석을 위해 사용한 피에조 인젝터는 엔진 배기량 2.0ℓ급에 해당되는 직접분사식 디젤엔진에 사용되는 솔레노이드 인젝터를 기본 모델로 하여 해석하였다.(2) 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 이 해석 방법은 인젝터 시스템의 설계 초기단계 및 설계과정에서 다단분사 성능 검증과 향상을 도모할 수 있으며, 또한 설계 및 개발시간을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 솔레노이드 인젝터와 피에조 인젝터의 해석 변수로 연료압력, 분공직경, 구동 전압을 선정하였다. 그리고 위 변수에 대한 단분사(single-injection) 조건에서 모델 특성을 해석하였다.
대상 데이터
본 연구에 적용된 디젤연료의 밀도, 체적계수 그리고 음속은 단열 조건이며, 일반 표준 사양인 ISO 4113 연료를 적용하였다. 해석 시간을 부여하는 신호는 선형적으로 구성되었으며, 이 입력 신호는 출력으로 변환되게 된다.
성능/효과
(1) 연료 공급 압력에 따라, 솔레노이드 인젝터는 분사기간이 길어지고 그만큼 압력변동 기간도 증가하여, 피에조 인젝터에 비해 초기 구동 시 압력 강하의 크기가 상대적으로 큼을 알 수 있었다. 이를 통해 피에조 인젝터의 니들 구동 응답성이 솔레노이드 인젝터보다 빨라져서 궁극적으로 고압으로 구동되는 인젝터 니들 제어에 유리한 것으로 판단된다.
(2) 또한, 피에조 인젝터의 최대 분사량 도달 시간이 상대적으로 빠름을 알 수 있었는데, 이는 솔레노이드 인젝터에 비해 상대적으로 신속한 구동을 함을 유추할 수 있었다.
0ℓ급에 해당되는 직접분사식 디젤엔진에 사용되는 솔레노이드 인젝터를 기본 모델로 하여 해석하였다.(2) 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 이 해석 방법은 인젝터 시스템의 설계 초기단계 및 설계과정에서 다단분사 성능 검증과 향상을 도모할 수 있으며, 또한 설계 및 개발시간을 최소화할 수 있는 장점이 있다.(8~10)
(3) 분공경 변화에 따라 솔레노이드 인젝터는 구동신호 후, 일정 지연이 발생하지만, 피에조 인젝터는 압력 하강 시간과 압력 회복 시간이 상대적으로 짧다는 것을 알 수 있었다. 즉, 솔레노이드 인젝터는 분공경이 커질수록 초기 압력하강이 급격함을 알 수 있었다.
하지만 압력차에 따른 솔레노이드와 피에조 인젝터의 변동 패턴은 거의 유사함을 알 수 있었다. 그리고 피에조 인젝터의 압력 변동 기간과 압력회복 기간이 짧다는 것을 알 수 있었는데,이는 피에조 인젝터의 니들 구동 응답성이 솔레노이드 인젝터보다 빨라져서 궁극적으로 고압으로 구동되는 인젝터 니들 제어에 유리한 것으로 판단된다. Fig.
또한 연료압력의 증가로 초기 분사율의 기울기가 커짐을 알 수 있었다. 따라서 연료압력 상승 및 분사 hole 직경 감소로 정확한 분사량 제어가 되며, 피에조 인젝터의 경우 솔레노이드 인젝터 대비 더욱 정밀한 제어가 가능함을 알 수 있었다.
118 mm로 감소하게 되면 큰 분사량 감소가 있지만 연료분사 시점이 미세하게 늦춰짐을 알 수 있었다. 또한 연료압력의 증가로 초기 분사율의 기울기가 커짐을 알 수 있었다. 따라서 연료압력 상승 및 분사 hole 직경 감소로 정확한 분사량 제어가 되며, 피에조 인젝터의 경우 솔레노이드 인젝터 대비 더욱 정밀한 제어가 가능함을 알 수 있었다.
168 mm 일 때 분사율 변화를 나타낸 것이다. 솔레노이드 인젝터의 분사시간 지연으로 분사율이 0이 되는 시간이 길어져 분사량이 증가함을 알 수 있었다. 하지만 최대 분사량에 도달하는 시간은 피에조 인젝터가 상대적으로 보다 짧음을 알 수 있었다.
168 mm 변화 시 분사율 변화를 나타낸 것이다. 연료압력만 1500 bar로 상승하였을 때, 연료 분사량은 증가하였지만, 연료 분사가 끝나는 시점이 빨라졌으며, 1500 bar 분사 때, 분사 hole 직경이 0.118 mm로 감소하게 되면 큰 분사량 감소가 있지만 연료분사 시점이 미세하게 늦춰짐을 알 수 있었다. 또한 연료압력의 증가로 초기 분사율의 기울기가 커짐을 알 수 있었다.
즉, 솔레노이드 인젝터는 분공경이 커질수록 초기 압력하강이 급격함을 알 수 있었다. 이를 통해 분공경 변화에 따른 분사 성능은 상대적으로 피에조 인젝터가 보다 유리한 것으로 판단할 수 있었다.
4는 Table 1 조건으로 구동된 솔레노이드 인젝터와 피에조 인젝터 액추에이터에 연결된 플런저 변위를 비교한 것이다. 이를 통해 충･방전 방식으로 구동되는 피에조 스택은 입력신호와 유사한 구동시간을 보이며, 솔레노이드 방식과 비교해 볼 때, 보다 정밀한 변위거동함을 알 수 있었다.
(1) 연료 공급 압력에 따라, 솔레노이드 인젝터는 분사기간이 길어지고 그만큼 압력변동 기간도 증가하여, 피에조 인젝터에 비해 초기 구동 시 압력 강하의 크기가 상대적으로 큼을 알 수 있었다. 이를 통해 피에조 인젝터의 니들 구동 응답성이 솔레노이드 인젝터보다 빨라져서 궁극적으로 고압으로 구동되는 인젝터 니들 제어에 유리한 것으로 판단된다.
(3) 분공경 변화에 따라 솔레노이드 인젝터는 구동신호 후, 일정 지연이 발생하지만, 피에조 인젝터는 압력 하강 시간과 압력 회복 시간이 상대적으로 짧다는 것을 알 수 있었다. 즉, 솔레노이드 인젝터는 분공경이 커질수록 초기 압력하강이 급격함을 알 수 있었다. 이를 통해 분공경 변화에 따른 분사 성능은 상대적으로 피에조 인젝터가 보다 유리한 것으로 판단할 수 있었다.
218 mm 일 때, P2지점에서의 연료 압력 변동을 나타낸 것이다. 최대압력강하로 구동하는 기간이 피에조 인젝터의 경우 상대적으로 짧다는 것을 알 수 있었다. 이는 분공경이 증가함에 따라 초기 압력 강하 폭이 증가하여 니들의 빠른 닫힘에 영향을 주어 압력회복시기가 앞당겨지게 된 것으로 판단된다.
218 mm 일 때, P3지점에서의 연료 압력 변화를 나타낸 것이다. 피에조 인젝터의 압력 하강 시간과 압력 회복 시간이 상대적으로 짧다는 것을 알 수 있었다. 즉, 솔레노이드 인젝터는 초기 압력하강이 급격함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
솔레노이드 인젝터는 어떤 방식으로 구동되는가?
하지만 점차 강화되는 유해 배출물 규제와 연소 효율 개선 및 동력성능 향상 요구를 충족하기 위해, 현재 보다 더 고성능화된 인젝터 개발이 요구되고 있다. 지금까지 고압 연료분사용으로 많이 사용 중인 솔레노이드 인젝터는 피크-홀드 방식으로 구동되는데, 이 경우 구동전류를 상승시키기 위하여 고압 전원장치로 전류를 증가시켜 전류 상승시간을 줄이기 때문에 전력소모가 많을 뿐만 아니라 제작비용 및 제어 복잡성 측면에서 상대적으로 어려운 단점이 있다. 반면, 인젝터 구동부를 피에조 스택으로 대체한 피에조 인젝터는 전류 및 전력의 소비가 낮고 제어성 등에서 보다 유리한 것으로 알려져 있다.
피크-홀드 방식의 단점은?
하지만 점차 강화되는 유해 배출물 규제와 연소 효율 개선 및 동력성능 향상 요구를 충족하기 위해, 현재 보다 더 고성능화된 인젝터 개발이 요구되고 있다. 지금까지 고압 연료분사용으로 많이 사용 중인 솔레노이드 인젝터는 피크-홀드 방식으로 구동되는데, 이 경우 구동전류를 상승시키기 위하여 고압 전원장치로 전류를 증가시켜 전류 상승시간을 줄이기 때문에 전력소모가 많을 뿐만 아니라 제작비용 및 제어 복잡성 측면에서 상대적으로 어려운 단점이 있다. 반면, 인젝터 구동부를 피에조 스택으로 대체한 피에조 인젝터는 전류 및 전력의 소비가 낮고 제어성 등에서 보다 유리한 것으로 알려져 있다.
솔레노이드 인젝터를 기본 모델을 해석하기 위해 사용된 코드는?
0ℓ급에 해당되는 직접분사식 디젤엔진에 사용되는 솔레노이드 인젝터를 기본 모델로 하여 해석하였다.(2) 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 이 해석 방법은 인젝터 시스템의 설계 초기단계 및 설계과정에서 다단분사 성능 검증과 향상을 도모할 수 있으며, 또한 설계 및 개발시간을 최소화할 수 있는 장점이 있다.(8~10)
참고문헌 (10)
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