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문제 정의
- 이와 같은 배경하에 본 연구에서는 PDPA 장비를 이용하여 다양한 분사 조건에서 DME 분무의 액적의 크기와 속도를 측정하였다. 또한 Euro-6용 디젤엔진의 DME 연료 적용 가능성을 위한 선행 실험으로서 고압 인젝터의 노즐 홀 수의 증가에 따른 DME 연료의 미립화 특성을 분석하여 DME 연료 디젤 엔진의 연소시스템 설계를 위한 데이터베이스를 구축하고자 한다.
제안 방법
- DME 연료는 고압펌프(HSF-300)와 커먼레일로 구성된 연료 공급장치를 통하여 고압 DME 연료용 인젝터로 공급되며, 인젝터 드라이버(TEMS, TDA-3200H) 및 디지털 신호 발생기(BNC, Digital pulse generator)로 이루어진 인젝터 제어장치를 통하여 연료 분사를 위한 인젝터 통전시간을 제어하였다. DME 연료 분무의 입경 측정을 위한PDPA 시스템은 Ar-ion 레이저, 트랜스미터, 리시버 및 리시버로부터 취득된 액적의 도플러 신호를 분석하기 위한 신호 분석장비로 구성되어 있다.
- DME 연료의 미립화 특성을 분석하기 위하여 PDPA로부터 측정된 데이터는 동일 조건에서 평균적인 경향을 비교하기 위하여 통전시간을 기준으로 0.2 ms 단위의 앙상블(ensemble) 평균화 작업을 수행하여 분석하였으며, 분무액적 속도에 대한 앙상블 평균 결과 예를 Fig. 2에 붉은 점으로 표시하여 나타내었다.
- 본 연구에서는 1차 산란 빛을 주로 측정하기 위해 트랜스미터와 리시버 사이의 측정각을 150°로 설정하였으며, 측정 볼륨을 지나는 연료분무의 입경 및 속도 정보는 디지털 신호 발생기와 동기화되어 신호 분석장비를 통하여 컴퓨터에 저장된다.
- 본 연구에서는 연료 분무 및 PDPA 장비를 이용하여 다양한 분사 조건 및 노즐 홀 수가 다른 3종의 인젝터를 이용하여, DME 연료분무 액적의 크기 및 속도 분포를 측정하였다. 이를 통해 분사압력 및 인젝터 노즐 홀 수 증가에 따른 DME 연료분무의 미립화 특성을 분석하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 실험에 적용된 인젝터는 노즐의 홀 수가 서로 다른 DME 연료분사를 위해 내부의 실링이 추가로 가공된 3종의 고압 디젤 인젝터를 사용하였으며, 분사압력과 통전기간은 각각 15, 20, 30, 40, 50 MPa과 1.5 ms로 설정하였다. 또한 연료 액적의 입경과 속도 측정을 위한 측정 위치는 주어진 분사 조건에서 자유 분사가 되는 조건인 인젝터의 노즐 팁으로부터 100 mm 하류로 설정하였다.
- 본 연구에서는 연료 분무 및 PDPA 장비를 이용하여 다양한 분사 조건 및 노즐 홀 수가 다른 3종의 인젝터를 이용하여, DME 연료분무 액적의 크기 및 속도 분포를 측정하였다. 이를 통해 분사압력 및 인젝터 노즐 홀 수 증가에 따른 DME 연료분무의 미립화 특성을 분석하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이와 같이 DME 연료를 이용한 많은 분무 미립화 특성에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 최근에 적용되고 있는 고압분사 디젤엔진에 효과적인 적용을 위해서는 고압분사 DME연료의 미립화 특성에 관한 체계적인 연구가 필수적이다. 이와 같은 배경하에 본 연구에서는 PDPA 장비를 이용하여 다양한 분사 조건에서 DME 분무의 액적의 크기와 속도를 측정하였다. 또한 Euro-6용 디젤엔진의 DME 연료 적용 가능성을 위한 선행 실험으로서 고압 인젝터의 노즐 홀 수의 증가에 따른 DME 연료의 미립화 특성을 분석하여 DME 연료 디젤 엔진의 연소시스템 설계를 위한 데이터베이스를 구축하고자 한다.
- 인젝터 홀 수 변화에 대한 DME연료분무의 미립화 특성을 실험적으로 분석하기 위하여 연료 분무 및 PDPA(phase Doppler particle analyzer) 실험 장치를 Fig. 1과 같이 구성하였다.
데이터처리
- 5에 나타내었다. 앞서 언급한 바와 같이 경향성 비교를 위해 통전시간을 기준으로 0.2 ms 단위로 취득된 액적의 속도 값을 앙상블 평균화하였으며, 분사 압력의 영향을 파악하기 위하여 동일 그래프에 나타내었다.
성능/효과
- 1) 노즐 홀 수가 서로 다른 인젝터 A, B, C 모두 분사압력 상승할수록 액적의 크기는 감소하였으며, 40 MPa 이상의 분사압력에서는 그 경향이 완만해짐을 확인하였다 또한 인젝터 노즐 홀 수가 증가함에 따라 미립화가 촉진되어 7공과 8공 인젝터의 경우 액적의 크기가 약 11 µm로 6공 인젝터에 비해 약 2 µm 정도 작은 것으로 측정되었다.
- 2) 30 MPa 이하의 분사압력에서 DME 연료분무 선단의 속도는 약 60 m/s로 측정되었으며 분사압력이 높아질수록 DME 연료의 분무 선단 속도가 증가하여 50 MPa의 분사압력에서의 분무선단 속도는 약 110 m/s 인 것으로 측정되었다.
- 3) 모든 분사압력 조건에서 6공 젝터의 분무 선단의 속도가 가장 큰 것으로 나타났으며, 특히 40 MPa 이상의 분사 압력에서는 7공 인젝의 분무 선단속도가 8공 인젝터에 비해 약 10 m/s 정도 높은 것을 확인하였다. 이러한 경향은 인젝터의 노즐 홀 수 증가에 따른 분무의 유량이 감소하기 때문으로 분무의 모멘텀 감소가 주된 영향으로 작용한 결과라고 판단된다.
- 3종의 인젝터 모두 액적의 크기가 대부분 20 µm 이하에 분포하는 것으로 나타났으며, 7공과 8공 인젝터의 경우 6공 인젝터에 비해 약 5 µm 이하의 작은 액적이 측정 되었다.
- 또한 분사압력이 상승하면서 측정지점에 도달하는 시간이 짧아 지는 경향을 확인 할 수 있었다. 그러나 30 MPa 이상의 분사압력에서, 분사압력 10 MPa 당 분무 액적의 속도가 약 30 m/s 증가하였으며, 50 MPa의 분사압력에서 본 연구에서 가장 빠른 110 m/s인 것으로 측정되었다.
- 분사압력이 상승 할수록 분무선단의 속도가 증가하는 경향을 확인 할 수 있었으며, 특히 분사 압력 30 MPa 이하의 압력에서는 분무 속도가 약 50~60 m/s 사이에 분포하여 그 차이가 크지 않음을 알 수 있었다. 또한 분사압력이 상승하면서 측정지점에 도달하는 시간이 짧아 지는 경향을 확인 할 수 있었다. 그러나 30 MPa 이상의 분사압력에서, 분사압력 10 MPa 당 분무 액적의 속도가 약 30 m/s 증가하였으며, 50 MPa의 분사압력에서 본 연구에서 가장 빠른 110 m/s인 것으로 측정되었다.
- 또한 인젝터 노즐 홀 수가 증가함에 따라 미립화가 촉진되어 7공과 8공 인젝터의 경우 액적의 크기가 약 11 µm로 6공 인젝터에 비해 약 2 µm 정도 작아지고 있는 것으로 측정되었다.
- 분사압력 30 MPa 인 경우 6공 인젝터에서 분사된 연료분무의 선단 속도가 약 60 m/s로 가장 큰 것으로 나타났으며, 7공과 8공 인젝터의 경우 약 40 m/s로, 6공 인젝터에 비해 약 20 m/s 작게 측정되어 두 인젝터 사이의 속도 값은 매우 유사한 것을 확인 할 수 있었다.
- 분사압력이 40 MPa와 50 MPa로 상승 할수록 7공 인젝터의 분무 선단 속도가 8공 인제터에 비해 약 10 m/s 정도 큰 것을 확인 할 수 있었으며, 특히 6공의 경우 약 100 m/s로 3종의 인젝터 중에서 가장 큰 속도 분포를 나타내었다. 이러한 결과는 인젝터의 노즐 홀 수가 증가함에 따라 홀 의 단위면적당 지나는 분무의 유량이 감소하기 때문인 것으로 판단되며, 따라서 유량 감소로 인한 연료분무의 모멘텀 감소가 분무 선단의 속도를 감소시키는 주된 영향이라고 판단된다.
- 분사압력이 상승 할수록 분무선단의 속도가 증가하는 경향을 확인 할 수 있었으며, 특히 분사 압력 30 MPa 이하의 압력에서는 분무 속도가 약 50~60 m/s 사이에 분포하여 그 차이가 크지 않음을 알 수 있었다. 또한 분사압력이 상승하면서 측정지점에 도달하는 시간이 짧아 지는 경향을 확인 할 수 있었다.
- 3종의 인젝터 모두 액적의 크기가 대부분 20 µm 이하에 분포하는 것으로 나타났으며, 7공과 8공 인젝터의 경우 6공 인젝터에 비해 약 5 µm 이하의 작은 액적이 측정 되었다. 이러한 현상으로 볼 때 인젝터의 노즐 홀 수 증가에 따라 액적의 크기가 작아져 미립화가 향상되고 있음을 정량적으로 확인할 수 있다.
- 인젝터 A, B, C 모두 분사압력이 증가함에 따라 액적의 크기가 작아지는 경향을 나타내고 있으며, 40 MPa 이상의 분사 압력에서는 이러한 감소 경향이 작아지고 있음을 확인할 수 있다. 또한 인젝터 노즐 홀 수가 증가함에 따라 미립화가 촉진되어 7공과 8공 인젝터의 경우 액적의 크기가 약 11 µm로 6공 인젝터에 비해 약 2 µm 정도 작아지고 있는 것으로 측정되었다.
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