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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 클린디젤 자동차의 핵심 요소인 커먼레일 연료 분사시스템에 구동방식이 다른 세 가지 인젝터를 적용하여 경유와 바이오디젤 혼합율에 따른 연료 분무의 특성을 분석하고자 수행하였다.
- 본 연구는 클린디젤 엔진에 사용되고 있는 세 가지 인젝터(DPI, PI, SI)를 대상으로, 커먼레일 연료 분사시스템을 통한 바이오디젤의 분사특성을 비교한 것이다. 이를 위해 정적챔버와 고속카메라를 통한 고압 분무 가시화 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 정적챔버 내의 분위기는 대기압, 대기온 조건으로 하였으며, 고속카메라의 영상 취득 시간은 40 µs로 설정하였다. 고속카메라의 트리거는 인젝터의 구동신호를 TTL 신호로 받아 분무영상을 획득할 수 있도록 하였다. 고속 분무가시화 실험을 위한 연료는 경우, BD100(바이오디젤 100%), 경유와 바이오디젤을 체적비율로 혼합한 BD10(경유 90%, 바이오디젤 10%), BD30(경유 70%, 바이오디젤 30%)을 사용하였으며, 각 연료의 분사량을 1/1000 g까지 측정 가능한 초정밀 전자저울(GF-4000,AND)을 사용하여 정량적으로 측정하였다.
- 구동방식이 다른 세 가지 인젝터의 바이오디젤 분무이미지를 비교하기 위해, 고속카메라를 통해 취득한 분무의 거시적 이미지를 기준으로 분사 시작점(①번 지점: Start of Injection, SOI)과 분사 종료점(⑤번 지점 : End of Injection, EOI)을 지정하였다. 또한, 분사압력이 300 bar인 경우 분사 시작 후(After Start of Injection, ASOI) 200 µs의 시간 간격으로 ②, ③, ④ 지점을 구분하였다.
- 또한, 고속 분무가시화를 위해 후방 LED 광원에 의한 Mie-scattering을 직접 촬영하는 기법을 통해 분부의 거시적 이미지를 취득하였고, 사용한 고속카메라의 사양은 Table 3과 같다.
- 또한, 분무침투길이 비교를 위해, 분사 시작 후(ASOI) 40 µs 간격으로 측정을 하였다.
- 또한, 분사압력이 300 bar인 경우 분사 시작 후(After Start of Injection, ASOI) 200 µs의 시간 간격으로 ②, ③, ④ 지점을 구분하였다.
- 본 연구에서 커먼레일 엔진용 구동방식이 다른 인젝터별 바이오디젤의 분무특성을 분석하기 위한 고속 분무가시화 실험을 수행하였으며, 취득한 분무의 거시적 이미지를 정성적·정량적으로 분석하였다.
- 세 가지 인젝터의 분사 시작 후(ASOI) 440 µs 지점의 분무침투길이를 경유를 기준으로 BD100과 비교하였다.
- 본 연구는 클린디젤 엔진에 사용되고 있는 세 가지 인젝터(DPI, PI, SI)를 대상으로, 커먼레일 연료 분사시스템을 통한 바이오디젤의 분사특성을 비교한 것이다. 이를 위해 정적챔버와 고속카메라를 통한 고압 분무 가시화 실험을 수행하였다. 이를 통해 얻은 주요 결론을 다음과 같이 요약할 수 있다.
- 정적챔버 내의 분위기는 대기압, 대기온 조건으로 하였으며, 고속카메라의 영상 취득 시간은 40 µs로 설정하였다.
대상 데이터
- 고속카메라의 트리거는 인젝터의 구동신호를 TTL 신호로 받아 분무영상을 획득할 수 있도록 하였다. 고속 분무가시화 실험을 위한 연료는 경우, BD100(바이오디젤 100%), 경유와 바이오디젤을 체적비율로 혼합한 BD10(경유 90%, 바이오디젤 10%), BD30(경유 70%, 바이오디젤 30%)을 사용하였으며, 각 연료의 분사량을 1/1000 g까지 측정 가능한 초정밀 전자저울(GF-4000,AND)을 사용하여 정량적으로 측정하였다.
- 본 논문에서는 Fig. 2와 같은 실험장치를 구성하였고, 고속 분무가시화 실험을 위해 체적 855 cc의 정적 챔버를 사용하였다. 연료 분사시스템은 EDC-17 커먼레일시스템(Bosch)을 적용하였으며, 커먼레일 제어기(ZB-9013, Zenobalti) 를 통해 제어하였다.
- 5 kW(60 Hz,1,140 rpm)의 출력을 갖는 모터와 벨트를 사용하여 구동시켰다. 피에조 및 솔레노이드 인젝터의 구동을 위해 피에조 전용 제어기(ZB-6200, Zenobalti)와 솔레노이드전용 제어기(ZB-5100, Zenobalti)를 각각 사용하였다.
이론/모형
- 2와 같은 실험장치를 구성하였고, 고속 분무가시화 실험을 위해 체적 855 cc의 정적 챔버를 사용하였다. 연료 분사시스템은 EDC-17 커먼레일시스템(Bosch)을 적용하였으며, 커먼레일 제어기(ZB-9013, Zenobalti) 를 통해 제어하였다. 최대 2,000 bar까지 연료를 가압할 수 있는 고압펌프를 1.
성능/효과
- (1) 바이오디젤 혼합율에 상관없이 DPI, PI, SI의 순서대로 연료의 분무 발달속도가 빠름을 알 수 있었다. 또한, 바이오디젤 혼합율이 증가함 에 따라 세 가지 인젝터의 분사 종료점이 증가함을 알 수 있었다.
- (2) 분무침투길이 비교 결과, 직접구동형 피에조 인젝터는 경유 대비 BD100의 침투길이가 11.3% 증가하였으며, 유압서보형 피에조 인젝터의 경우 10.5%, 유압서보형 솔레노이드 인젝터는 27.0% 증가함을 알 수 있었다.
- (3) 동일한 양의 연료 분사기간 비교결과, 직접구동형 피에조 인젝터의 경우 경유 대비 BD100의 분사기간이 4.6% 증가하였고, 유압서보형 피에조 인젝터와 솔레노이드 인젝터의 경우, 경유 대비 BD100의 분사기간이 6.6%, 10.4%로 각각 증가함을 알 수 있었다.
- (1) 바이오디젤 혼합율에 상관없이 DPI, PI, SI의 순서대로 연료의 분무 발달속도가 빠름을 알 수 있었다. 또한, 바이오디젤 혼합율이 증가함 에 따라 세 가지 인젝터의 분사 종료점이 증가함을 알 수 있었다.
- 이는 직접 구동형 피에조 인젝터가 복잡한 유압회로를 가지지 않고, 피에조 액츄에이터에 의해 니들을 직접 구동하여 연료를 분사하여 더 빠른 응답속도를 갖기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 세 가지 인젝터 모두 경유 대비 바이오디젤 혼합율이 증가할수록 분사 종료점(⑤) 기간이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 분무의 거시적 이미지를 분석한 결과, 직접구동형 피에조 인젝터의 분사 시작점(①)과 분사 종료점(⑤)이 다른 두 가지 유압서보형 인젝터에 비해 짧음을 알 수 있었다. 이는 직접 구동형 피에조 인젝터가 복잡한 유압회로를 가지지 않고, 피에조 액츄에이터에 의해 니들을 직접 구동하여 연료를 분사하여 더 빠른 응답속도를 갖기 때문인 것으로 판단된다.
- 세 가지 인젝터의 분사 시작 후(ASOI) 440 µs 지점의 분무침투길이를 경유를 기준으로 BD100과 비교하였다. 비교 결과, 직접구동형 피에조 인젝터는 경유 대비 BD100의 침투길이가 11.3% 증가하였으며, 유압서보형 피에조 인젝터의 경우 10.5%, 유압서보형 솔레노이드 인젝터는 27.0% 증가함을 알 수 있었다. 이는 바이오디젤과 경유의 분무특성이 거의 유사하지만 바이오디젤의 높은 점성과 밀도 특성으로 인한 것으로 알려져 있다(8).
- 직접구동형 피에조 인젝터는 ‘방전 시 분사’, 유압서보형 피에조인젝터는 ‘충전 시 분사’, 유압서보형 솔레노이드 인젝터는 ‘피크-홀드’ 방식의 전류 제어를 통해 분사가 이루어짐을 확인할 수 있었다.
- 7은 동일한 양의 연료를 분사하였을 경우, 각 인젝터의 바이오디젤 혼합율별 분사기간을 나타내고 있다. 직접구동형 피에조 인젝터의 경우 빠른 응답속도로 인해 동일한 양의 연료를 짧은 시간 내에 분사함을 확인하였고, 경유 대비 BD100의 분사기간이 4.6% 증가함을 알 수 있었다. 유압서보형 피에조 인젝터와 솔레노이드 인젝터의 경우, 경유 대비 BD100의 분사기간이 6.
- 6은 취득한 분무의 거시적 이미지를 정량적으로 분석 및 각 spray plumem의 분무침투거리 평균값을 나타낸 결과이다. 직접구동형 피에조 인젝터의 우수한 응답속도로 인해 다른 두 가지 인젝터에 비해 분무발달속도가 빠른 것을 확인할 수 있었다. 또한, 분무침투길이 비교를 위해, 분사 시작 후(ASOI) 40 µs 간격으로 측정을 하였다.
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