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문제 정의
- 본 연구에서는 분무영상 가시화 및 분석으로 분사압력 변화에 따른 GDI 인젝터의 거시적 분무특성 및 분무패턴 특성을 비교/분석하였다. 미 산란(Mie-scattering) 기법을 기반으로 한 거시적 분무 가시화 실험으로 분무특성(분무도달거리 및 분사각)을 규명하고자 하였다. 또한, 장거리현미경(long distance microscope, LDM)을 이용하여 노즐 팁 근처에서의 분무형상을 가시화하고 분석한 분사특성을 분사율특성과 비교하였다.
- 본 논문은 본 학술지에 게재된 선행연구(14)의 내용을 바탕으로 분무 가시화 연구를 진행한 것이다. Fig.
제안 방법
- 1과 같은 실험장치를 구성하였다. Fig. 1(a)와 같은 거시적 분무 가시화 장치는 크게 연료 공급부, 신호 제어부, 영상 취득부로 나누어 구성하였고, 정적 체임버 상단에 인젝터를 설치하고 질소를 이용하여 정적 체임버 내부 분위기 압력을 조절하였다. 연료는 공압 펌프 (Haskel, DSF-60)를 이용하여 최대 20 MPa까지 가압하여 공급하였고, 어큐뮬레이터 (accumulator)에 고압의 연료를 저장함으로써 연료의 압력이 일정하게 유지될 수 있도록 하였다.
- 영상 취득부에서는 고해상도ICCD(Intensified charge coupled device)카메라와 532nm 파장의 Nd:YAG Laser(Continuum, SL2-100), 렌즈로 구성하였으며, 렌즈의 조합으로부터 평면광을 생성하여 분무 패턴 영상을 취득하였다. GDI 인젝터는 ECU(engine control unit)를 이용하여 제어하였으며, GDI 인젝터, ICCD 카메라, Nd:YAG 레이저의 발진 신호를 동기화하기 위하여 신호 발생기를 사용하였다. 분무 패턴 가시화를 위하여 단렌즈(Nikkon 105 mm, f/1:2.
- 5 ms, 분사압력 10 MPa와 20 MPa로 설정하고, 노즐 팁으로부터의 거리(Dtip)를 30 mm와 50 mm로 변경하며 실험을 진행하였다. 각 조건의 왼쪽 사진은 실제분무의 사진을 나타낸 것이고, 오른쪽은 영상후처리 프로그램을 이용하여 각 플럼(plume)의 분무 분포를 분석한 것이다. 인젝터 노즐 팁의 위치는 빨간 실선 두 개가 만나는 지점이고, 각 분무 플럼의 경계 및 중심을 나타내었다.
- 5 MPa로 유지한 채 분사압력을 10 MPa, 12 MPa, 16 MPa, 20 MPa로 증가시키며 실험을 진행하였다. 노즐 팁 근처 분무 가시화 실험과 분무 패턴 가시화 실험에서는 대기압의 분위기 조건에서 분사압력 10 MPa과 20 MPa에서 실험을 진행하였다. 본 실험에서는 솔레노이드 방식으로 구동되는 6개의 홀을 가진 GDI 인젝터를 사용하였다.
- 미 산란(Mie-scattering) 기법을 기반으로 한 거시적 분무 가시화 실험으로 분무특성(분무도달거리 및 분사각)을 규명하고자 하였다. 또한, 장거리현미경(long distance microscope, LDM)을 이용하여 노즐 팁 근처에서의 분무형상을 가시화하고 분석한 분사특성을 분사율특성과 비교하였다.
- Figure 1(b)는 노즐 팁 근처 분무 가시화 및 분무 패턴 가시화 장치를 나타낸 것이다. 마찬가지로 장치를 연료 공급부, 영상 취득부, 신호 제어부로 나누어 구성하였다. 연료 공급부는 거시적 분무 가시화 장치와 같게 구성하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 분무 가시화 실험을 통해 분사압력 증가에 따른 GDI 인젝터의 거시적 분무 특성 및 노즐 팁 근처 분무 특성, 분무 패턴 특성을 분석하여 다음과 같은 주요 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 분무영상 가시화 및 분석으로 분사압력 변화에 따른 GDI 인젝터의 거시적 분무특성 및 분무패턴 특성을 비교/분석하였다. 미 산란(Mie-scattering) 기법을 기반으로 한 거시적 분무 가시화 실험으로 분무특성(분무도달거리 및 분사각)을 규명하고자 하였다.
- GDI 인젝터는 ECU(engine control unit)를 이용하여 제어하였으며, GDI 인젝터, ICCD 카메라, Nd:YAG 레이저의 발진 신호를 동기화하기 위하여 신호 발생기를 사용하였다. 분무 패턴 가시화를 위하여 단렌즈(Nikkon 105 mm, f/1:2.8 D)를 사용하였고, 노즐 팁 근처 분무를 가시화하기 위해 LDM (long distance microscope)을 사용하여 분무 영상을 취득하였다. 취득한 영상으로부터 정량적 데이터 (분무도달거리, 분사각, 분무패턴 등)를 얻기 위해 사용된 영상후처리프로그램은 MATLAB을 기반으로 제작한 자체 프로그램을 사용하였다.
- Table 3은 분무가시화 측정 실험의 조건을 나타낸 것이다. 분무의 발달을 관찰하기 위하여 초고속카메라의 초당 프레임수 (frame rate)를 10,000 fps (frame per second)로 설정하였다. 통전기간은 가솔린 인젝터의 분무실험의 표준이 되는 1.
- Figure 5와 6은 GDI 인젝터에서 분사압력 변화에 따른 분무도달거리, 분사각 특성을 나타낸 것이다. 분사압력은 10 MPa에서 20 MPa까지 증가시켰으며, 통전기간과 분위기압력은 각각 1.5 ms, 0.5 MPa로 고정하였다. 분무도달거리는 분사가 시작되는 시점을 기준으로 표현하였다.
- Figure 8은 ICCD 카메라와 평면광을 이용하여 GDI 인젝터로부터 분사되는 분무의 수직 방향에 대한 분무패턴을 가시화하고 분석한 것이다. 분사조건은 통전기간 1.5 ms, 분사압력 10 MPa와 20 MPa로 설정하고, 노즐 팁으로부터의 거리(Dtip)를 30 mm와 50 mm로 변경하며 실험을 진행하였다. 각 조건의 왼쪽 사진은 실제분무의 사진을 나타낸 것이고, 오른쪽은 영상후처리 프로그램을 이용하여 각 플럼(plume)의 분무 분포를 분석한 것이다.
- Figure 2(a)는 실험에 사용된 GDI 인젝터의 옆면과 밑면의 개략도와 분무의 방향을 정의한 것이다. 실험에 사용된 GDI 인젝터는 비대칭형 구조로 제작되어 분무의 관찰방향에 따라 다른 분무의 영상 취득이 달라지기 때문에 분무의 방향을 정의하였고, 본 연구에서는 X방향의 분무영상을 이용하여 거시적 분무 특성을 분석하였다. Fig.
- 1(a)와 같은 거시적 분무 가시화 장치는 크게 연료 공급부, 신호 제어부, 영상 취득부로 나누어 구성하였고, 정적 체임버 상단에 인젝터를 설치하고 질소를 이용하여 정적 체임버 내부 분위기 압력을 조절하였다. 연료는 공압 펌프 (Haskel, DSF-60)를 이용하여 최대 20 MPa까지 가압하여 공급하였고, 어큐뮬레이터 (accumulator)에 고압의 연료를 저장함으로써 연료의 압력이 일정하게 유지될 수 있도록 하였다. 영상취득부는 초고속카메라(FASTCAM, Mini AX100), 렌즈(SIGMA, 105 mm f/1:2.
- 연료 공급부는 거시적 분무 가시화 장치와 같게 구성하여 사용하였다. 영상 취득부에서는 고해상도ICCD(Intensified charge coupled device)카메라와 532nm 파장의 Nd:YAG Laser(Continuum, SL2-100), 렌즈로 구성하였으며, 렌즈의 조합으로부터 평면광을 생성하여 분무 패턴 영상을 취득하였다. GDI 인젝터는 ECU(engine control unit)를 이용하여 제어하였으며, GDI 인젝터, ICCD 카메라, Nd:YAG 레이저의 발진 신호를 동기화하기 위하여 신호 발생기를 사용하였다.
- 그리고 분사압력의 증가는 분사시작시기에 큰 영향을 주지 못하였지만, 분사종료시기에는 영향을 미쳐 분사종료가 점차 빨라지는 것을 확인하였다. 이러한 연구결과를 기반으로 거시적 분무 가시화 및 노즐팁 근처에서의 가시화 및 분무 패턴 연구를 수행하였다.
- 8 DG MACRO HSM), 250W 출력의 메탈 할라이드 램프(Lighterrace, MID-25FC), 영상 저장 장치로 구성하였다. 인젝터의 분사기간, 분사횟수는 NI(national instruments)社의 Compact RIO Controller(NI, cRIO-9030), Differential Digital Input(NI, 9411), Injector controller(NI, 9751)로 제어하였고, 초고속카메라와 인젝터의 신호는 신호 발생기(Berkeley Nucleonics Corp., model 575)를 이용하여 제어 및 동기화 하였다.
- 8 D)를 사용하였고, 노즐 팁 근처 분무를 가시화하기 위해 LDM (long distance microscope)을 사용하여 분무 영상을 취득하였다. 취득한 영상으로부터 정량적 데이터 (분무도달거리, 분사각, 분무패턴 등)를 얻기 위해 사용된 영상후처리프로그램은 MATLAB을 기반으로 제작한 자체 프로그램을 사용하였다.
- 분무의 발달을 관찰하기 위하여 초고속카메라의 초당 프레임수 (frame rate)를 10,000 fps (frame per second)로 설정하였다. 통전기간은 가솔린 인젝터의 분무실험의 표준이 되는 1.5 ms로 고정하고(13), 분위기압력은 0.5 MPa로 유지한 채 분사압력을 10 MPa, 12 MPa, 16 MPa, 20 MPa로 증가시키며 실험을 진행하였다. 노즐 팁 근처 분무 가시화 실험과 분무 패턴 가시화 실험에서는 대기압의 분위기 조건에서 분사압력 10 MPa과 20 MPa에서 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 노즐 팁 근처 분무 가시화 실험과 분무 패턴 가시화 실험에서는 대기압의 분위기 조건에서 분사압력 10 MPa과 20 MPa에서 실험을 진행하였다. 본 실험에서는 솔레노이드 방식으로 구동되는 6개의 홀을 가진 GDI 인젝터를 사용하였다.
- 연료는 공압 펌프 (Haskel, DSF-60)를 이용하여 최대 20 MPa까지 가압하여 공급하였고, 어큐뮬레이터 (accumulator)에 고압의 연료를 저장함으로써 연료의 압력이 일정하게 유지될 수 있도록 하였다. 영상취득부는 초고속카메라(FASTCAM, Mini AX100), 렌즈(SIGMA, 105 mm f/1:2.8 DG MACRO HSM), 250W 출력의 메탈 할라이드 램프(Lighterrace, MID-25FC), 영상 저장 장치로 구성하였다. 인젝터의 분사기간, 분사횟수는 NI(national instruments)社의 Compact RIO Controller(NI, cRIO-9030), Differential Digital Input(NI, 9411), Injector controller(NI, 9751)로 제어하였고, 초고속카메라와 인젝터의 신호는 신호 발생기(Berkeley Nucleonics Corp.
- 이 실험에 사용된 노말 헵탄 (n-heptane)의 물성을 Table 2에 나타내었다. 노말 헵탄은 다성분 연료인 가솔린과 달리 단일 성분 연료로서 분무의 균일도가 비교적 높고, 가솔린의 물리적 특성(밀도, 점도, 표면 장력 등)과 비슷하여 분무 특성을 해석하기에 더 적합하다고 판단하였으며, 또한, SAE (society of automotive engineering)에서 제시한 가솔린 인젝터의 분무 측정 평가 기준에서도 분무 실험의 연료로 노말 헵탄을 추천하고 있다(13).
- 조건마다 분무패턴 영상은 반복적으로 10장을 취득하였으며, 6개의 개별 플럼의 중심위치편차를 σ로 그래프에 표시하였다.
성능/효과
- 1) 분사압력의 증가(10 MPa → 20 MPa)로 분무도달거리는 약 20.4% 증가 하였으나 분사각에는 큰 영향을 주지 못하였다.
- 2) 노즐 팁 근처 분무 가시화 실험으로 분사압력의 증가가 인젝터 노즐의 닫힘 지연기간 (closing delay)의 감소에 영향을 주지만, 열림 지연기간 (opening delay)에는 영향을 미치지 못하였다.
- 3) 분사압력이 증가할 경우 강한 운동량을 가진 분무액적들의 직진성으로 인해 각 플럼의 면적이 감소하였다.
- 4) 분사압력이 증가할 때 팁으로부터 거리가 가까운 지점(Dtip=30 mm)에서는 각 플럼 중심 위치의 편차가 감소하였지만, 거리가 먼 지점 (Dtip=50 mm)에서는 분무의 미립화가 진행되며 각 플럼 중심의 편차가 증가하였다.
- 이는 분무중심의 변화가 크다는 것을 의미한다. Dtip=30 mm에서는 분사압력이 커지면 전체적으로 각 플럼의 중심이 인젝터 노즐 팁 중심위치로 모이며, 각 플럼 위치의 편차가 줄어드는 것을 확인하였다. 이는 높은 분사압력의 분무 액적이 보다 높은 운동량을 가지고 있기 때문에 주변 공기의 저항을 견디며 분무가 발달하는 것이 원인으로 판단된다.
- 이는 높은 분사압력의 분무 액적이 보다 높은 운동량을 가지고 있기 때문에 주변 공기의 저항을 견디며 분무가 발달하는 것이 원인으로 판단된다. Dtip=50 mm에서는 다시 각 플럼의 중심이 노즐 팁으로부터의 위치가 분사압력에 따라서는큰 차이가 없으며, 분사압력이 커짐에 따라 각 분무 플럼 중심의 편차는 커지는 것으로 확인되었다. 이는 Dtip=50 mm는 분무 액적이 주변 공기를 만나 운동량을 충분히 잃고 분무가 발달하는 구간으로서 분무 액적이 직진성을 잃게 되는 구간으로 생각된다.
- 분사율은 분사압력이 증가함에 따라 곡선의 면적이 증가하였으며, 최대 분사율 또한 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 분사압력의 증가는 분사시작시기에 큰 영향을 주지 못하였지만, 분사종료시기에는 영향을 미쳐 분사종료가 점차 빨라지는 것을 확인하였다. 이러한 연구결과를 기반으로 거시적 분무 가시화 및 노즐팁 근처에서의 가시화 및 분무 패턴 연구를 수행하였다.
- 5에서 보는바와 같이 분무도달거리는 분사초기에 급격하게 증가하였으며(15-17), 이때 분사압력에 의한 분무 액적의 에너지가 소산되며 시간이 지남에 따라 증가율이 점차 감소되는 것을 확인할 수 있었다(18-19). 기존의 선행연구와 같이 분사압력이 증가할수록 분무도달거리가 증가하였으며 분사압력이 10 MPa에서 20 MPa로 증가함에 따라 평균적으로 11.6%증가하였고 0.3 ms에서 최대 25.6% 증가하였다. 이는 분사압력이 증가함에 따라 분무 액적이 더욱 큰 운동량을 가지고 분사되어 더 빠르고, 더 멀리 분무가 발달하기 때문이다.
- 한편, 분사압력이 높을수록 분사종료시기가 빨라지며 이에 따라 분사기간이 짧아지는 것을 확인 할 수 있다. 또한 분사 초기 분무도달거리의 증가율은 최고점에 도달한 후대체로 감소하였으며, 분사 종료 후 분사에 의한 에너지는 거의 소산되며 중력으로 인한 분무의 거동으로 인하여 모든 분사압력에서 거의 비슷한 증가율을 나타내는것을 확인 할 수 있었다.
- Cavicchi(6) 등은 GDI 인젝터의 모멘텀 플럭스(momentum flux)에 대한 연구(7)에서 분사압력이 증가하면 분무도달거리가 증가하며 분사각에는 영향을 주지 못하는 것을 확인하였다. 또한, 분위기압력의 증가는 분무도달거리를 감소시키고, 분위기온도의 증가는 분무도달거리를 증가시킨다고 발표하였다. Park 등(9,10)은 가솔린 대체연료로 주목받고 있는 가솔린-에탄올 혼합연료를 이용하여 분무 및 연소특성에 대한 연구를 수행하였다.
- 3 ms까지 빠르게 발달하였으며, 최고값 이후 분사각이 안정되는 것을 확인하였다. 분사가 진행되는 동안 분무액적이 높은에너지를 가지고 분사되어 직진성이 상대적으로 강하기 때문에 분사각은 비교적 안정적으로 나타났다. 분사종료 후에는 모든 분사압력에서 소폭 상승 (약 3°~6°)하게되는데 이는 분사로 인한 에너지를 잃으면서 분무의 직진성이 줄어들고, 분무의 액적이 공기의 저항으로 인해 다양한 방향으로 흩어지며 분사각이 소폭 상승된 것으로 보인다.
- 분사압력의 변화는 분사각에 큰 영향을 끼치지 못하였으며(15,16) 모든 분사압력에서 65° 전후(±5°)의 분사각을 나타내었다. 분사시작 초기단계에서는분무가 완전히 발달하지 못한 불안정한 상태로 분사각 또한 발달하고 있는 과정으로 분사각이 0.3 ms까지 빠르게 발달하였으며, 최고값 이후 분사각이 안정되는 것을 확인하였다. 분사가 진행되는 동안 분무액적이 높은에너지를 가지고 분사되어 직진성이 상대적으로 강하기 때문에 분사각은 비교적 안정적으로 나타났다.
- 조건마다 분무패턴 영상은 반복적으로 10장을 취득하였으며, 6개의 개별 플럼의 중심위치편차를 σ로 그래프에 표시하였다. 분사압력 10 MPa, 20 MPa 모두 인젝터로 부터 거리가 멀어질수록 각 플럼중심위치의 편차가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 분무중심의 변화가 크다는 것을 의미한다.
- 인젝터 노즐 팁의 위치는 빨간 실선 두 개가 만나는 지점이고, 각 분무 플럼의 경계 및 중심을 나타내었다. 분사압력이 증가하면서 분사량이 증가하여 더 많은 액적의 산란으로 인하여 분무의 밝기가 더 밝게 나타났으며, 분무 액적의 속도가 빨라져 분무가 보다 직진성을 띄게 되어 각 플럼의 분무면적이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 노즐팁으로부터 멀어질수록 각 플럼의 면적이 증가하는 것은 분무가 일정한 각도를 가지고 분사되고, 평면광에 의해 가시화되기 때문이다.
- 그림에서 보는바와 같이 분사량은 분사압력이 증가할수록증가하며, 단위압력(10 bar)당 증가율은 감소하는 것으로 나타났다. 분사율은 분사압력이 증가함에 따라 곡선의 면적이 증가하였으며, 최대 분사율 또한 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 분사압력의 증가는 분사시작시기에 큰 영향을 주지 못하였지만, 분사종료시기에는 영향을 미쳐 분사종료가 점차 빨라지는 것을 확인하였다.
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