[논문]인젝터 구동 전류 패턴 변화가 솔레노이드 타입 커먼레일 인젝터 분사율 특성에 미치는 영향에 대한 컴퓨터시뮬레이션

이충훈

doi:10.15435/jilasskr.2019.24.3.114

[국내논문] 인젝터 구동 전류 패턴 변화가 솔레노이드 타입 커먼레일 인젝터 분사율 특성에 미치는 영향에 대한 컴퓨터시뮬레이션
A Computer Simulation of Injection Rate Characteristics of Solenoid Type Common Rail Injector According to Injector Driving Current Patterns 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.24 no.3, 2019년, pp.114 - 121

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of injector driving current pattern on fuel injection rate of solenoid diesel common rail injector was studied by computer simulation. The time resolved fuel injection rate and injected quantity per stroke of a common rail injector driven with the five current patterns were computer simulated. The fuel injection rate and injected quantity per stroke according to the rail pressure and fuel injection period were also computer simulated. When the common rail injector was driven with the five driving current patterns of peak & hold, there was no difference in the fuel injection rate in the peak section regardless of all the current patterns of the five cases. On the other hand, the magnitude of the hold current value influenced the injection rate and injected quantity per stroke. That is, in the current pattern of three cases where the hold current value is equal to or more than a constant value of the peak current value, the fuel injection rates for the given common rail rail pressure and injection period are same one another. On the other hand, the current pattern of the two cases, in which the hold current value is smaller than a certain value, there is a large fluctuation in the fuel injection rate.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 A schematic diagram of solenoid injector model used in this study⁽¹⁹⁾
그림 Fig. 2 A common rail injector driver circuit for generating the injector driving voltage of a peak-and-hold wave⁽¹⁷⁾
그림 Fig. 3 A Typical peak-and-hold wave from a microcontroller CCP pin as measured with a digital oscilloscope ⁽¹⁷⁾
표 Table 1 Summary of peak and hold wave set condition
그림 Fig. 4 Current patterns used for computer simulation of the time resolved fuel injection rate
그림 Fig. 5 Comparative results of injected fuel mass per stroke between computer simulation and experiment
표 Table 2 Summary of error % calculation between GT-Suite simulation and Payri et al.⁽¹⁶⁾ experiment
그림 Fig. 6 Time resolved fuel injection rate with GT-Suite computer simulation according to various simulation conditions
그림 Fig. 7 Comparative results of injected fuel mass per stroke between computer simulation and experiment (current case 1, case 3, case 5)
그림 Fig. 8 Comparative results of injected fuel mass per stroke between computer simulation and experiment (current case 2, case 4)

AI 본문요약
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문제 정의

직접적으로 솔레노이드 인젝터에 공급되는 구동 전류 변화에 따른 시간 분해 분사율 특성 및 단위 스크로크당 연료 분사량(injected fuel mass per stroke)에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 연구는 알려진 바가 거의 없다. 본 연구에서는 솔레노이드 인젝터 구동 전류 패턴 변화가 시간 분해 분사율에 미치는 영향을 컴퓨터 시뮬레이션 하였다. 또한 전류 패턴 변화에 따른 커먼 레일 압력 변동 패턴 및 누적 연료 분사량 변화를 컴퓨터 시뮬레이션 하였다.

제안 방법

case 1은 분사기간 1 ms 전 구간에서 모두 듀티 100%인 인젝터 구동 제어 신호를 생성하였다. Case 2와 case 3은 peak 100 ms hold 900 ms로 제어 파형을 구성하였고, hold 파형의 듀티비는 각각 10%와 30%로 설정하였다.
0 ms 로 5가지 case이다. 각각의 연료 분사 기간에서 구동 전류 패턴을 5가지 case로 제어하였다. 5가지 case의 인젝터 구동 전류 패턴을 획득하기 위한 제어 신호는 Table 1에 나타낸 조건에 따랐다.
가 사용한 전류 패턴을 기본으로 사용하였다. 다만 구동 전류값을 Payri 등⁽¹⁶⁾의 pick 전류값과 일치하도록 스케일링 하였고, 시간축은 1 ms에 대한 연료 분사 기간의 비로 스케일링하였다. Fig.
다양한 구동 전류 패턴에 의한 커먼레일 인젝터의 시간 분해 분사율과 스트로크당 분사량을 컴퓨터 시뮬레이션 하였다. 레일압과 연료 분사 기간 변화에 따른 연료 분사율과 스트로크당 분사량도 시뮬레이션 하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.
. 따라서 본 연구에서는 GT-Suite가 제공하는 Payri 등⁽¹⁶⁾의 솔레노이드 인젝터에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 예제를 수정하여 사용하였다. 인젝터 구동 전류 패턴, 레일압, 연료 분사기간을 다양하게 변화시켰을 때, 솔레노이드 타입 커먼 레일 인젝터의 시간 분해 분사율을 GT-Suite을 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션 하였다.
본 연구에서는 솔레노이드 인젝터 구동 전류 패턴 변화가 시간 분해 분사율에 미치는 영향을 컴퓨터 시뮬레이션 하였다. 또한 전류 패턴 변화에 따른 커먼 레일 압력 변동 패턴 및 누적 연료 분사량 변화를 컴퓨터 시뮬레이션 하였다.
다양한 구동 전류 패턴에 의한 커먼레일 인젝터의 시간 분해 분사율과 스트로크당 분사량을 컴퓨터 시뮬레이션 하였다. 레일압과 연료 분사 기간 변화에 따른 연료 분사율과 스트로크당 분사량도 시뮬레이션 하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.
GT-Suite 에 의한 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 Payri 등⁽¹⁶⁾의 실험 결과의 오차 %를 Table 2에 요약하여 나타냈다. 레일압은 30, 80 MPa의 2 case, 연료분사기간은 0.5, 1.0, 2.0ms의 3 case 조건에서 각각 오차를 계산하였다. 연료 분사 기간이 짧을수록, 연료 레일압이 낮을수록 오차가 증가하는 경향을 보이고 있다.
3(a) 참조)과 가장 유사하다. 본 연구에서 사용한 전류 패턴 case 3의 전류 패턴 및 Fig. 4(a)의 전류 패턴에 대해서 각각 GT-Suite 시뮬레이션 하였다. GT-Suite 결 과와 Payri 등⁽¹⁶⁾의 실험 결과를 Fig.
심볼(symbol)로 나타낸 것은 Payri 등⁽¹⁶⁾의 실험 결과이다. 본 연구에서는 인젝터 구동 전류 패턴이 Payri 등⁽¹⁶⁾의 그것과 완전히 일치하지 않지만 거의 유사하며 참고로 비교하였다. GT-Suite 에 의한 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 Payri 등⁽¹⁶⁾의 실험 결과의 오차 %를 Table 2에 요약하여 나타냈다.
연료 분사 기간이 짧을수록, 연료 레일압이 낮을수록 오차가 증가하는 경향을 보이고 있다. 이러한 비교 결과를 참고하여 본 연구에서는 5가지 case의 전류 패턴에 대해 레일압, 연료 분사 기간을 조합하여 다양한 조건에서의 솔레노이드 타입 커먼레일 인젝터의 분사율 및 분사량을 컴퓨터 시뮬레이션 하였다.
따라서 본 연구에서는 GT-Suite가 제공하는 Payri 등⁽¹⁶⁾의 솔레노이드 인젝터에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 예제를 수정하여 사용하였다. 인젝터 구동 전류 패턴, 레일압, 연료 분사기간을 다양하게 변화시켰을 때, 솔레노이드 타입 커먼 레일 인젝터의 시간 분해 분사율을 GT-Suite을 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션 하였다.
엔진이 아이들 조건에서는 20-30 MPa이고 일반 주행 조건에서는 60~120 MPa, 고부하 주행 조건에서는 140~150 MPa까지 올라 간다. 차량의 주행시 엔진 운전 속도와 엔진 부하를 고려하여 컴퓨터 시뮬레이션 할 연료 분사압과 연료 분사 기간을 정하였다. 연료 분사압은 30 MPa, 80 MPa, 110 MPa, 140 MPa에 대해서 컴퓨터시뮬레이션 하였다.
인젝터는 Payri 등⁽¹⁶⁾의 모델과 동일하다. 컨트롤 밸브 (control valve)의 거동은 코니컬 시트 상부의 볼 포펫(ball poppet) 밸브 거동을 1-D mechanics와 FMT(fluid mechanical template)을 사용하여 모델링하였다. 컨트롤 체임버 (control chamber)의 압력은 전술한 바와 같이 니들의 움직임에 결정적인 역할을 한다.
컴퓨터 시뮬레이션을 위한 솔레노이드 타입 커먼 레일 인젝터의 구동 전류 패턴은 Lee and Lee⁽¹⁷⁾의 구동 전류 패턴에 기초하였으며 이를 수정하여 사용하였다. 솔레노이드 타입 커먼레일 인젝터 구동 전류 기본 패턴은 peak & hold 형태이다.

대상 데이터

사용된 솔레노이드 커먼레일는 BOSCH CR12-16 인젝터로, 인젝터의 분공경, 분공수는 각각 0.15 mm, 5개이다.
차량의 주행시 엔진 운전 속도와 엔진 부하를 고려하여 컴퓨터 시뮬레이션 할 연료 분사압과 연료 분사 기간을 정하였다. 연료 분사압은 30 MPa, 80 MPa, 110 MPa, 140 MPa에 대해서 컴퓨터시뮬레이션 하였다. 30 MPa는 idle 조건에 대응하고 80, 110 MPa는 중부하에 대응한다.
가 사용한 솔레노이드 타입 커먼레일 인젝터 구동 회로이다. 인젝터 구동 전류를 제어하기 위해서 80V 인젝터 구동 전원을 TR(transistor) MJ11016으로 스위칭하였다. TR MJ11016에 공급되는 스위칭 제어 신호는 마이크로컨트롤러 PIC16F917의 CCP(capture compare PWM) pin 단자로부터 peak & hold 신호를 출력하였다.

이론/모형

본 연구에서는 인젝터 구동 전류 패턴 변화에 따른 분사율 특성을 컴퓨터 시뮬레이션으로 연구하기 위해서 Lee and Lee⁽¹⁷⁾가 사용한 전류 패턴을 기본으로 사용하였다. 다만 구동 전류값을 Payri 등⁽¹⁶⁾의 pick 전류값과 일치하도록 스케일링 하였고, 시간축은 1 ms에 대한 연료 분사 기간의 비로 스케일링하였다.
GT-Suite은 케이비테이션 특성을 테스트 리그로 실험적으로 측정하여 반영하였다. 컨트롤 피스톤은 컨트롤 체임버에 접촉하지 않은 상태에서 최대 리프트(lift)를 유지하는(hovering) 모델을 사용하였다. 솔레노이드 모델은 전류 소스, 코일, 반경 및 축방향 마그네틱 구성품, 그리고 솔레노이드와 아마추어(armature) 사이의 간극으로 구성된다⁽¹⁹⁾.

성능/효과

(1) 인젝터의 구동을 peak & hold의 전류 패턴으로 구동할 때 hold 전류 값이 peak 전류의 60% 이상인 경우 연료 분사율에 미치는 전류 패턴의 영향은 거의 없었다. Hold 전류값이 일정값보다 작은 경우 hold 전류값의 크기에 따라서 연료 분사율의 변화가 컸다.
(2) 특정 연료 분사 기간 (본 연구에서는 1.0 ms)과 레일압이 일정한 값 (본 연구에서는 80 MPa) 이상인 경우 전류 패턴에 관계없이 동일한 연료 분사율을 보였다.
(3) 시간 분해 분사율의 분사 기간 동안 시간 적분값인 스트로크당 분사량 역시 1번 결론과 동일하게 hold 전류 패턴의 영향을 받았다.
24 ms 일 때 레일압 및 전류 패턴 조건에 따른 컴퓨터 시뮬레이션된 시간 분해 연료 분사율을 나타낸 것이다. 모든 연료 레일압 (30, 80, 110, 140 MPa)에 대해서 인젝터 구동 전류 패턴을 5가지 case로 하였을 때의 시간 분해 연료 분사율이, 연료 분사 기간 0.24ms 에서는, 전체적으로 걸쳐서 변동이 크게 나타났다. 이것은 분사 기간이 짧으면 인젝터 니들이 충분히 리프트되지 못하고 연료를 안정적으로 분사할 수 있는 시간이 충분하지 못하기때문이다.
0 ms) 과 모든 레일압 (30 MPa, 80 MPa, 110 MPa, 140 MPa) 의 조합 조건에서 전류 패턴 case 1, case 3, case 5으로 인젝터를 구동할 경우 시간 분해 분사율 곡선은 거의 일치하였다. 반면에 구동 전류 패턴 case 2, case 4을 사용한 경우 peak 구간에서는 시간 분해 분사율 곡선이 거의 일치하였으나 hold 및 전류가 차단되는 구간에서 는 전류 패턴 case 1, case 3, case 5을 사용한 경우에 비교해 감소하는 결과를 보였다. 이것은 case 2와 case 4 구동 전류 패턴의 hold 전류 값이 상대적으로 작기때문으로 판단된다.
0ms의 3 case 조건에서 각각 오차를 계산하였다. 연료 분사 기간이 짧을수록, 연료 레일압이 낮을수록 오차가 증가하는 경향을 보이고 있다. 이러한 비교 결과를 참고하여 본 연구에서는 5가지 case의 전류 패턴에 대해 레일압, 연료 분사 기간을 조합하여 다양한 조건에서의 솔레노이드 타입 커먼레일 인젝터의 분사율 및 분사량을 컴퓨터 시뮬레이션 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤 엔진의 성능에 가장 큰 영향을 주는 인자는 무엇인가?	디젤 엔진의 성능에 가장 큰 영향을 주는 인자는 연료 분사압, 연료 분사률 패턴 그리고 분사 타이밍이다. 연료 분사압이 높으면 연료가 고속으로 분사되면서 미립화가 촉진된다(1-4).
	파일롯 분사의 역할은 무엇인가?	다중 분사 중에 가장 중요한 패턴은 주분사(main injection) 전에 하는 파일롯 분사(pilot injection) 이다. 파일롯 분사는 디젤 엔진 연소에서 착화 지연 기간을 단축함으로써 자발화(auto ignition) 이전까지 생성되는 예혼합기(pre-mixture) 량을 줄이는 역할을 한다. 예혼합기량을 줄임으로써 NOx 및 엔진 소음을 줄일 수 있다.
	인젝터가 적용되면서 어떤 것이 디젤 엔진에 영향을 끼치는가?	디젤 엔진에 커먼레일과 전자적으로 제어되는 인젝터가 적용되면서 연료 분사 패턴의 형태가 다중 분사를 띠고 있다. 연료의 다중 분사는 디젤 엔진에 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 기계식 연료 분사시 스템에서도 인젝터 내에 다단 스프링을 사용하여 다중 분사가 가능하다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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