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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 실제 엔진에 적용이 가능한 정밀한 전기 제어 방식을 이용하는 초고압 분사 시스템과 실제 엔진 연소실의 분위기 온도와 압력을 모사할 수 있는 정적 연소 챔버(CVCC, constant-volume combustion chamber)를 이용하여, 분사 압력과 노즐 홀 직경에 따른 유량 및 분무 특성을 면밀히 파악하고자 한다.
제안 방법
- 연료의 분사 압력은 PCV Driver(Zenobalti, ZB-1200B)를 이용하여 커먼레일에서 250 MPa까지 정밀하게 제어하였고, 분사 신호의 주기(rpm), 기간(µs)과 인젝터에 인가되는 전류는 Engine controller(Zenobalti, ZB-9013)와 Universal Injector Drive(Zenobalti, ZB-5010)를 이용하여 제어하였다. 고압 펌프는 AC 전기 모터를 이용하여 구동을 하였고, 실시간 소비 전력이 측정 가능하고 주파수 변경을 통해 모터 회전 속도를 변경할 수 있도록 AC 모터 인버터를 설치하였다.
- 배경을 제거한 이미지에서 실제 액상 분무의 경계를 대변할 수 있는 밝기를 선정하고 binary image로 변환하였다. 그리고 분무의 각 축에서 분무 도달 거리와 분무각을 찾았다. Shadowgraph 결과의 경우, 배경의 밀도 구배도 같이 촬영되는데, 분위기 조건 형성 위한 예연소로 인해 시간이 지남에 따라 배경도 변하게 된다.
- 실제 엔진에 적용 가능하도록 지속적으로 운전 가능한 초고압 분사 시스템을 이용하여 분사 압력과 노즐 홀 직경에 따른 유량 특성에 미치는 영향을 파악하였다. 그리고 실제 엔진 내 분위기 조건을 모사할 수 있는 CVCC를 이용하여 액상과 기상 분무 가시화를 수행하여 분사 압력과 노즐 홀 직경이 분무 특성에 미치는 영향을 파악하였다.
- Shadowgraph 결과의 경우, 배경의 밀도 구배도 같이 촬영되는데, 분위기 조건 형성 위한 예연소로 인해 시간이 지남에 따라 배경도 변하게 된다. 따라서 배경이 변하지 않은 초기의 분무에서는 Miescattering 이미지 처리와 동일하게 분사 직전의 이미지를 배경으로 선정하였고, 배경의 변화가 많이 진행된 이후에는 처리하는 이미지의 바로 직전 이미지를 배경으로 선정하였다. 또한, 배경을 제거 후, 노이즈를 제거하기 위해서 필터를 이용하였다.
- Mie-scattering 결과의 경우, 분사 직전 이미지를 배경으로 선정하고, 분사 이미지들에서 배경을 제거하였다. 배경을 제거한 이미지에서 실제 액상 분무의 경계를 대변할 수 있는 밝기를 선정하고 binary image로 변환하였다. 그리고 분무의 각 축에서 분무 도달 거리와 분무각을 찾았다.
- 그리고 총 128회의 분사율 측정 값을 평균하여 분사율 결과를 도출하였다. 분무 가시화 실험에서는 분사되는 연료의 양을 30 mg으로 고정시켰으며, 재현성 확인을 위하여 동일한 조건에서 3회 반복 실험을 수행하였다.
- 4 L이며, 인젝터가 설치되는 면을 제외하면 총 5개의 가시화 창을 설치할 수 있다. 분무가 일어나는 시점에 엔진 내 분위기 압력/온도를 모사하기 위해서 챔버에 예혼합기를 넣어 예연소를 하였다. 우선 진공 펌프를 이용하여 챔버 내를 진공 상태로 만들고, 수소(H2, hydrogen), 아세틸렌(C2H2, acetylene) 산소(O2, oxygen)와 질소(N2, nitrogen)를 순차적으로 주입하여 예혼합기를 형성시켰다.
- 분사량, 분사율과 분무 가시화 실험들은 노즐 홀 직경이 다른 4종의 인젝터와 3개의 분사 압력을 대상으로 총 12가지 조건에 대해서 수행되었으며, 모든 실험에서 분사 시스템에 공급되는 연료의 온도는 313K로 고정하였다.
- 분사량은 전자 저울을 이용하여 분사된 연료의 질량을 측정하였다. 분사율은 Bosch tube 방식의 연료 분사율 측정 장치를 이용하여 측정하였고, 분사율 측정 장치에는 분사된 연료의 압력 파형 정보를 취득하기 위해 피에조 압력 센서(Kistler, 6052C type)가 장착되었다.
- 분사율 실험에서 통전 기간은 1,225 µs로 설정하였고, 분사율 측정 장치의 배압은 분무의 분위기 압력 조건과 동일하게 5 MPa으로 고정하였다.
- 실제 엔진 연소실의 분위기 압력/온도를 모사하고, 거시적인 분무 특성을 파악하기 위하여 CVCC를 이용하였다. CVCC의 제원은 Table 1과 같다.
- 실제 엔진에 적용 가능하도록 지속적으로 운전 가능한 초고압 분사 시스템을 이용하여 분사 압력과 노즐 홀 직경에 따른 유량 특성에 미치는 영향을 파악하였다. 그리고 실제 엔진 내 분위기 조건을 모사할 수 있는 CVCC를 이용하여 액상과 기상 분무 가시화를 수행하여 분사 압력과 노즐 홀 직경이 분무 특성에 미치는 영향을 파악하였다.
- 2(a)와 같다. 액상 분무 이미지 취득을 위하여 초고속 카메라와 고휘도 방전 (High Intensity Discharge, HID) 램프를 사용하였다. 기상 분무 이미지 취득을 위한 shadowgraph 기법의 구성도는 Fig.
- 연료의 분사 압력은 PCV Driver(Zenobalti, ZB-1200B)를 이용하여 커먼레일에서 250 MPa까지 정밀하게 제어하였고, 분사 신호의 주기(rpm), 기간(µs)과 인젝터에 인가되는 전류는 Engine controller(Zenobalti, ZB-9013)와 Universal Injector Drive(Zenobalti, ZB-5010)를 이용하여 제어하였다.
- 본 연구의 분위기 조건은 비연소 조건 (산소 농도 0%)에서 수행되었다. 예연소 이후 산소 농도 0%를 달성하기 위해 예혼합기의 조성 비율을 H2 0.50%, C2H2 3.20%, O2 8.25% 그리고 N2 88.05%로 하였다(7-8).
- 분무가 일어나는 시점에 엔진 내 분위기 압력/온도를 모사하기 위해서 챔버에 예혼합기를 넣어 예연소를 하였다. 우선 진공 펌프를 이용하여 챔버 내를 진공 상태로 만들고, 수소(H2, hydrogen), 아세틸렌(C2H2, acetylene) 산소(O2, oxygen)와 질소(N2, nitrogen)를 순차적으로 주입하여 예혼합기를 형성시켰다. 형성된 예혼합기를 연소시키기 위하여 2개의 점화 플러그가 설치되어 있다.
- 이 때 초고속 카메라의 셔터 속도를 초당 20,000 프레임으로 설정하여 50 µs 간격으로 이미지를 취득하였다.
- 또한, 분무각은 분무 도달 거리의 1/2지점에서의 분무의 양쪽 경계와 노즐 팁을 잇는 각도로 정의하였다. 취득한 분무 이미지는 하우스코드(housecode)를 이용하여 처리하였다. 액상 및 기상 분무 이미지의 처리 과정은 Fig.
- 1은 분사압력 250 MPa 달성을 위한 초고압 연료 분사 장치의 구성도이다. 특히, 초고압 연료 분사 장치는 기존의 디젤 엔진의 연료 분사 시스템과 동일한 방식으로 구동할 수 있도록 고압 펌프의 속도와 분사 압력을 정밀하게 제어할 수 있는 장치로 구성하였다. 연료의 분사 압력은 PCV Driver(Zenobalti, ZB-1200B)를 이용하여 커먼레일에서 250 MPa까지 정밀하게 제어하였고, 분사 신호의 주기(rpm), 기간(µs)과 인젝터에 인가되는 전류는 Engine controller(Zenobalti, ZB-9013)와 Universal Injector Drive(Zenobalti, ZB-5010)를 이용하여 제어하였다.
대상 데이터
- 2(b)와 같다. 기상 분무 이미지 취득을 위하여 초고속 카메라, 텅스텐 (Tungsten) 램프와 2개의 오목거울을 사용하였다.
- 노즐 홀 직경에 대한 영향을 살펴보기 위하여, 노즐 홀 직경이 각각 115, 105, 95, 85 µm인 4종의 인젝터를 사용하였다.
- 노즐 홀 직경에 대한 영향을 살펴보기 위하여, 노즐 홀 직경이 각각 115, 105, 95, 85 µm인 4종의 인젝터를 사용하였다. 분사 압력 조건은 80, 160, 250 MPa 로 선정하였다.
데이터처리
- 분사율 실험에서 통전 기간은 1,225 µs로 설정하였고, 분사율 측정 장치의 배압은 분무의 분위기 압력 조건과 동일하게 5 MPa으로 고정하였다. 그리고 총 128회의 분사율 측정 값을 평균하여 분사율 결과를 도출하였다. 분무 가시화 실험에서는 분사되는 연료의 양을 30 mg으로 고정시켰으며, 재현성 확인을 위하여 동일한 조건에서 3회 반복 실험을 수행하였다.
- 분사량은 통전 기간을 200 µs부터 1,600 µs까지 10~50 µs 간격으로 증가시키며 측정하였고, 각 실험 조건에서 1,000회 분사의 평균값을 이용하였다.
이론/모형
- 기상 분무 가시화 실험에서도 예연소를 통해 실제 엔진 내 분위기 조건을 모사하였고, shadowgraph 기법을 이용하여 분무의 기상을 가시화하였다. Fig.
- 분사량은 전자 저울을 이용하여 분사된 연료의 질량을 측정하였다. 분사율은 Bosch tube 방식의 연료 분사율 측정 장치를 이용하여 측정하였고, 분사율 측정 장치에는 분사된 연료의 압력 파형 정보를 취득하기 위해 피에조 압력 센서(Kistler, 6052C type)가 장착되었다.
- 실제 엔진 내 분위기 조건을 모사하고 Mie-scattering 기법을 이용하여 분무의 액상을 가시화하였다. Fig.
성능/효과
- 1) 동일한 통전 기간에서 분사 압력이 높아지거나 노즐 홀 직경이 증가할 때 분사되는 연료의 양은 증가하였다. 노즐 홀 직경을 감소시켜 실질적인 배기 개선 효과를 얻기 위해서는 감소한 유량을 보상할 수 있는 초고압 분사를 적용해야 한다.
- 2) 노즐 홀 직경이 115 µm인 인젝터보다 85 µm인 인젝터에서 분사 압력의 증가에 따른 분사율 증가 폭이 낮았는데, 이는 초고압 분사와 마이크로 홀 노즐을 동시에 적용하였을 때 마찰이나 공동 현상 등의 영향을 더 많이 받는 것으로 추정된다.
- 3) 분사 압력이 증가하더라도 액상 분무 도달 거리는 증가하지 않았다. 노즐 홀 직경이 감소하면 액상 분무 도달 거리는 감소하고 액상 분무각은 증가하였다.
- 4) 분사 압력과 노즐 홀 직경이 증가할수록 초기 기상 분무 도달 거리의 증가율은 증가하였고, 기상 분무각은 감소하였다. 기상 분무 도달 거리와 기상 분무각의 경향이 상반되어 실제 분무가 차지하고 있는 면적을 정량화 하는 것이 의미가 있을 것으로 판단된다.
- 그리고 노즐 홀 직경 115 µm의 인젝터에서 분사 압력이 80 MPa에서 250 MPa로 증가하였을 때, 분사율이 92% 증가하였고, 노즐 홀 직경 85 µm의 인젝터에서는 83% 증가하여 85 µm에서 분사율 증가 비율이 감소하였다.
- 노즐 홀 직경이 감소할수록 기상 분무 도달 거리가 증가하는 속도가 감소하였다. 기상 분무각은 노즐 홀 직경이 감소할수록 다소 증가하는 경향을 보였고, 안정화된 기상 분무각의 편차도 더 큰 것을 확인하였다. 이와 같은 결과는 노즐 홀 직경이 감소할 경우 기화된 연료와 주변 기체 사이의 상호작용이 더 활발해졌다는 것을 나타낸다.
- 초기 기상 분무 도달 거리의 증가율은 분사 압력이 높을수록 확연히 증가하였고, 노즐 홀 직경이 감소할수록 감소하였다. 기상 분무각의 경우에는 분사 압력이 높을수록 다소 감소하는 추세를 보였으며, 노즐 홀 직경이 감소할 때에는 다소 증가하는 추세를 보였다. 이와 같은 결과를 토대로 실제 기상이 분포한 면적 및 부피를 정량화한다면 균질한 연료-공기 혼합기가 형성되었는지에 대한 판단을 할 수 있을 것으로 생각된다.
- 노즐 홀 면적은 노즐 홀 직경이 115 µm에서 85 µm로 감소할 경우 45% 감소하게 되는데, 분사율 감소 비율이 노즐 홀 면적의 감소 비율과 일치함을 확인하였다.
- 노즐 홀 직경이 115 µm인 인젝터에서 분사 압력 80 MPa일 때의 분사량과 동일한 분사량을 달성하기 위해서는 노즐 홀 직경이 95 µm인 인젝터에서는 160 MPa, 85 µm에서는 250 MPa의 분사 압력이 필요하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 11은 노즐 홀 직경에 따른 기상 분무 도달거리(a)와 기상 분무각(b)의 발달과정을 나타낸 것이다. 노즐 홀 직경이 감소할수록 기상 분무 도달 거리가 증가하는 속도가 감소하였다. 기상 분무각은 노즐 홀 직경이 감소할수록 다소 증가하는 경향을 보였고, 안정화된 기상 분무각의 편차도 더 큰 것을 확인하였다.
- 노즐 홀 직경이 감소할수록 안정화된 액상 분무 도달 거리가 감소하였는데, 노즐 홀 직경이 115 µm에서 85 µm로 감소하였을 때 액상 분무 도달 거리는 42% 감소하였다.
- 5(a)는 노즐 홀 직경이 105 µm인 인젝터를 대상으로 분사 압력이 80, 160, 250 MPa인 조건에서 분사량 측정 결과이다. 동일한 분사 압력에서 통전 기간의 길이가 길어지거나, 동일한 통전 기간에서 분사 압력이 증가하면 분사되는 연료의 양이 증가하였다. 동일한 통전 기간에서 분사 압력이 80 MPa에서 250 MPa로 증가할 경우, 분사되는 연료의 양은 80% 이상 증가하였다.
- 하지만, 분무의 기상은 액상과는 달리 주변 기체와의 상호작용이 활발하여, 기상 분무각은 안정화된 이후에도 액상 분무각에 비하여 상대적으로 편차가 큰 것을 관찰할 수 있었다. 또한 액상 분무각은 분사 압력을 높일수록 변화가 거의 없거나 다소 커지는 경향을 보였는데, 기상 분무각은 반대로 더 작아지는 경향을 보였다. 이는 분사 압력이 높을수록 분무의 기상에서 축 방향 운동에너지의 변화가 반경 방향보다 더 크다는 것을 말해준다.
- 분사 압력이 높을수록 액상 분무 도달 거리는 빠르게 안정화되었다. 또한, 분사 압력이 높을수록 동일 시간에 많은 양의 연료를 분사함에도 불구하고 액상 분무 도달 거리에 있어서는 큰 차이가 없었다. 그리고 고온 고압의 증발 조건에서는 분사된 연료가 분사 이후 빠르게 액상에서 기상으로 증발하기 때문에, 분사 압력이 80 MPa에서 250 MPa로 증가하였을 때, 통전 시작부터 모든 연료가 분사되고 액상에서 기상으로 변하는데 필요한 시간이 1,932 µs에서 1,104 µs로 43% 단축되었다.
- 5(c)는 동일한 통전 기간 (1,225 µs)에서 분사 압력과 노즐 홀 직경에 따른 분사량 결과를 나타낸다. 분사 압력이 높아지고, 노즐 홀 직경이 커질수록 분사되는 연료의 양은 증가하는 경향을 보였다. 노즐 홀 직경이 115 µm인 인젝터에서 분사 압력 80 MPa일 때의 분사량과 동일한 분사량을 달성하기 위해서는 노즐 홀 직경이 95 µm인 인젝터에서는 160 MPa, 85 µm에서는 250 MPa의 분사 압력이 필요하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 분사율의 평균값은 분사율 최대값의 90% 이상인 분사율 값들의 평균으로 정의하였다. 분사량 결과의 경향과 동일하게 분사 압력이 높아질수록 분사율 평균값은 증가하였고, 노즐 홀 직경이 작아질수록 감소하였다. 노즐 홀 직경이 115 µm에서 85 µm로 감소하였을 경우, 3개의 분사 압력 조건에서 43~45% 감소하였다.
- 노즐 홀 직경이 감소할수록 안정화된 액상 분무 도달 거리가 감소하였는데, 노즐 홀 직경이 115 µm에서 85 µm로 감소하였을 때 액상 분무 도달 거리는 42% 감소하였다. 액상 분무각은 노즐 홀 직경이 작아질수록 커지는 경향을 보였다.
- . 이러한 연구결과들이 실효성을 가지기 위해서는 노즐 홀 직경이 작아지더라도 필요한 연료의 양을 짧은 시간 내에 분사시킬 수 있는 초고압 분사도 동시에 적용되어야 한다는 것을 확인하였다.
- 액상 분무각도 분사 압력이 높을수록 빠르게 안정화 되었고, 분사 압력 변화에 큰 영향은 받지 않았다(13). 이와 같은 결과를 토대로 200 MPa 이상의 초고압 분사를 실제 엔진에 적용할 경우, 높은 압력으로 분사된 연료에 의한 추가적인 피스톤 적심 현상은 없을 것이라고 추정할 수 있다.
- 12은 각 조건에서 초기 기상 분무 도달 거리의 증가율과 안정화된 액상 분무각을 정리한 그래프이다. 초기 기상 분무 도달 거리의 증가율은 분사 압력이 높을수록 확연히 증가하였고, 노즐 홀 직경이 감소할수록 감소하였다. 기상 분무각의 경우에는 분사 압력이 높을수록 다소 감소하는 추세를 보였으며, 노즐 홀 직경이 감소할 때에는 다소 증가하는 추세를 보였다.
- 특히, 노즐 홀 직경이 85 µm인 인젝터에서 분사 압력이 증가할 경우 액상 분무각이 확연히 증가하는 경향을 보였다.
- 7(b)의 액상 분무각과 같이 분사 압력이 높을수록 빠르게 안정화되었다. 하지만, 분무의 기상은 액상과는 달리 주변 기체와의 상호작용이 활발하여, 기상 분무각은 안정화된 이후에도 액상 분무각에 비하여 상대적으로 편차가 큰 것을 관찰할 수 있었다. 또한 액상 분무각은 분사 압력을 높일수록 변화가 거의 없거나 다소 커지는 경향을 보였는데, 기상 분무각은 반대로 더 작아지는 경향을 보였다.
후속연구
- 2) 노즐 홀 직경이 115 µm인 인젝터보다 85 µm인 인젝터에서 분사 압력의 증가에 따른 분사율 증가 폭이 낮았는데, 이는 초고압 분사와 마이크로 홀 노즐을 동시에 적용하였을 때 마찰이나 공동 현상 등의 영향을 더 많이 받는 것으로 추정된다. 따라서 노즐 홀 직경 감소와 분사 압력 증가를 동시에 적용할 경우, 유량 확보 측면에서 한계가 존재할 것이다.
- 기상 분무 도달 거리와 기상 분무각의 경향이 상반되어 실제 분무가 차지하고 있는 면적을 정량화 하는 것이 의미가 있을 것으로 판단된다. 실제 분무의 면적 및 부피의 정량화를 통해 공기-연료 혼합기의 균질 정도를 파악할 수 있을 것이다.
- 기상 분무각의 경우에는 분사 압력이 높을수록 다소 감소하는 추세를 보였으며, 노즐 홀 직경이 감소할 때에는 다소 증가하는 추세를 보였다. 이와 같은 결과를 토대로 실제 기상이 분포한 면적 및 부피를 정량화한다면 균질한 연료-공기 혼합기가 형성되었는지에 대한 판단을 할 수 있을 것으로 생각된다. 이와 같은 분무 이미지 분석 방법의 개선이 이루어진다면, 분무 이미지로부터 더 많은 정보를 취득할 수 있을 것으로 생각 된다.
- 이와 같은 결과를 토대로 실제 기상이 분포한 면적 및 부피를 정량화한다면 균질한 연료-공기 혼합기가 형성되었는지에 대한 판단을 할 수 있을 것으로 생각된다. 이와 같은 분무 이미지 분석 방법의 개선이 이루어진다면, 분무 이미지로부터 더 많은 정보를 취득할 수 있을 것으로 생각 된다.
- 특히, EURO-6 규제 및 Post EURO-6 규제 대응을 위해 선진 자동차 부품 업체들은 더 높은 분사 압력의 분사 시스템과 마이크로 노즐 홀을 가진 분사기를 지속적으로 개발하고 있다. 향후 지속적인 연비/배기 개선 및 규제 만족을 위해서는 200 MPa 이상의 분사 압력이 요구될 것으로 예측 된다(1-2).
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