[논문]분무패턴 분석을 이용한 가솔린 직접 분사식 인젝터의 개별 분무플럼 분무각 측정 방법에 대한 연구

박정현; 조한빈; 박수한

doi:10.15435/jilasskr.2020.25.2.51

분무패턴 분석을 이용한 가솔린 직접 분사식 인젝터의 개별 분무플럼 분무각 측정 방법에 대한 연구
A Study on the Measurement of Individual Spray Cone Angle from Gasoline Direct Injection Injector using Spray Pattern Analysis 원문보기

한국분무공학회지 = Journal of ilass-korea, v.25 no.2, 2020년, pp.51 - 59

박정현 (전남대학교 일반대학원 기계공학과) , 조한빈 (전남대학교 기계공학부) , 박수한 (전남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to propose and compare methods for measuring individual spray cone angles using spray cross-section images. In direct injection gasoline engines, it was believed that the distribution of air-fuel mixture in the combustion chamber directly affected combustion performance and emission formation. However, since gasoline direct injection (GDI) injectors have a small injection angle, interference between individual spray plumes occurs. Therefore, GDI injectors have only measured the spray angle of the entire spray. To overcome these limitations, three methods of indirectly measuring the spray cone angles of individual spray plume were presented and compared by forming sheet beams using Nd:YAG laser and acquiring spray cross-section images. Each method currently has advantages and disadvantages, and research to apply the method suitable for various GDI injectors needs to be continued.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1 Research trends on spray and atomization characteristics of GDI injectors
그림 Fig. 1 Schematic diagram of spray pattern visualization system
그림 Fig. 3 Processed spray pattern image
그림 Fig. 2 Procedure of image processing (a) raw image, (b) gray-scale image, (c) binarized image
표 Table 2 Representative experimental conditions for spray pattern visualization
그림 Fig. 4 Shape of spray pattern-ellipse (Method 1)
그림 Fig. 6 Acquisition of point on the boundary of each spray (Method 2)
그림 Fig. 5 Method to use the cross-section area of spray (Method 1)
그림 Fig. 7 Calculation of individual spray angle using extracted points (Method 2)
그림 Fig. 8 Acquisition of point on the boundary of each spray (Method 3)
그림 Fig. 9 Acquisition of spray angle with vertical direction (Method 3)
그림 Fig. 10 Individual spray angles
그림 Fig. 11 Hole arrangement and spray plume number of test GDI injector.
표 Table 3 Results of individual spray angle

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 6개의 노즐 홀을 갖는 다공형 GDI 인젝터의 개별 분무 특성(분무패턴의 면적 및 중심등) 및 기존에 측정할 수 없었던 개별 분무의 분무각 간접 측정 방법을 제안하고자 한다. 분무영상을 얻기 위하여 Nd:YAG 레이저와 광학렌즈의 조합을 이용해 분무 패턴의 연료분포 영상을 취득 하고, 자체 개발한 매틀랩 (MATLAB) 기반의 영상 후처리 코드를 이용하여 개별 분무의 특성을 분석하였다.
본 연구는 인젝터로부터 분사되는 분무의 패턴을 이용하여 기존에 없던 개별 분무각을 간접적으로 측정하는 방법을 제시하는 것이 목적이다. 제안한 방법을 실제로 적용하기 위해 앞서 설명한 분무패턴 가시화장치를 이용하여 GDI 인젝터의 분무패턴 영상을 취득하였다.

가설 설정

방법 1은 분무패턴의 면적을 이용하여 개별 분무각을 측정하는 방법이다. 연료는 인젝터 홀을 통해 원뿔 형태로 분사되는 것으로 가정한다. Fig.

제안 방법

(1) 분무패턴 영상에서 얻은 분무가 존재하는 위치의 좌표를 이용한 개별 분무각을 측정하는 세 가지 간접적 방법을 제안하였고, 분석 프로그램을 제작하였다.
먼저, 취득된 분무패턴 영상을 흑백화 및 가우시안 필터를 적용하여 노이즈를 제거 한 후, 이진화의 단계로 이미지를 처리하고, 관심영역(region of interest, ROI) 기법을 사용하여 개별 분무 플럼의 예상 영역을 지정한 후관심 영역 내의 분무가 존재하는 위치의 좌표를 얻는다.이러한 정보를 이용하여 1) 분무패턴의 넓이를 이용하는 방법, 2) 분무경계의 좌표를 이용하는 방법, 3) 분무의 진행방향에 수직인 방향의 분무각을 얻는 방법 까지총 세가지 방법을 이용하여 간접적으로 개별 분무각 데이터를 계산한 후 비교하였다. Fig.
연료는 가솔린과 물성(밀도, 점도, 표면장력 등)이 비슷 하고, 단일 성분으로 구성되어 있어 결과분석에 용이한 노멀-헵테인을 사용하였다. 광학 측정부에서는 분무패 턴의 촬영을 위해 Nd:YAG laser (Continuum, SL2-100)를사용하였고, 광학렌즈의 조합을 이용하여 평면광을 형성하였다. 또한, 인젝터 팁(injector tip)으로부터 평면광 까지의 거리를 제어하기 위해 전동 제어 레일을 이용하였다.
다양한 조건에서 GDI 인젝터의 개별 분무각 측정을 위하여 분사조건을 변경하며 실험을 진행하였다. 노즐팁과 레이저 평면까지의 거리를 10-80 mm로 5 mm씩, 분사 후촬영까지의 시간을 0.5-1.5 ms까지 0.1 ms 증가시켜가며 촬영하였고, 얻어진 실험 결과 중 위의 조건에 적합한 40 mm와 1.1 ms를 대푯값으로 선정하였다. 40 mm는 분무가 미립화되어 형상을 잃기 전 분무 패턴이 확연히 나타나는 지점이었고, Park⁽¹³⁾의 분사율 측정 결과를 참고하여 1.
다양한 조건에서 GDI 인젝터의 개별 분무각 측정을 위하여 분사조건을 변경하며 실험을 진행하였다. 노즐팁과 레이저 평면까지의 거리를 10-80 mm로 5 mm씩, 분사 후촬영까지의 시간을 0.
분무영상을 얻기 위하여 Nd:YAG 레이저와 광학렌즈의 조합을 이용해 분무 패턴의 연료분포 영상을 취득 하고, 자체 개발한 매틀랩 (MATLAB) 기반의 영상 후처리 코드를 이용하여 개별 분무의 특성을 분석하였다. 또한 제안된 방법을 이용하여 GDI 인젝터의 분무 특성을 측정 및 분석하였다.
2에 나타내었다.먼저, 취득된 분무패턴 영상을 흑백화 및 가우시안 필터를 적용하여 노이즈를 제거 한 후, 이진화의 단계로 이미지를 처리하고, 관심영역(region of interest, ROI) 기법을 사용하여 개별 분무 플럼의 예상 영역을 지정한 후관심 영역 내의 분무가 존재하는 위치의 좌표를 얻는다.이러한 정보를 이용하여 1) 분무패턴의 넓이를 이용하는 방법, 2) 분무경계의 좌표를 이용하는 방법, 3) 분무의 진행방향에 수직인 방향의 분무각을 얻는 방법 까지총 세가지 방법을 이용하여 간접적으로 개별 분무각 데이터를 계산한 후 비교하였다.
본 연구는 기존에 측정하지 못하던 GDI 인젝터의 개별 분무각 측정에 대한 방법을 제시했으며, 이를 이용해 개별 분무 플럼의 분무각을 측정하고 그 결과와 방법을 비교 및 분석하였다. 이 연구를 통해 내린 결론은 다음과 같다.
따라서 본 연구에서는 6개의 노즐 홀을 갖는 다공형 GDI 인젝터의 개별 분무 특성(분무패턴의 면적 및 중심등) 및 기존에 측정할 수 없었던 개별 분무의 분무각 간접 측정 방법을 제안하고자 한다. 분무영상을 얻기 위하여 Nd:YAG 레이저와 광학렌즈의 조합을 이용해 분무 패턴의 연료분포 영상을 취득 하고, 자체 개발한 매틀랩 (MATLAB) 기반의 영상 후처리 코드를 이용하여 개별 분무의 특성을 분석하였다. 또한 제안된 방법을 이용하여 GDI 인젝터의 분무 특성을 측정 및 분석하였다.
실험장치는 연료 공급부, 제어부, 광학 측정부로 구성하 였다. 연료 공급부에서는 고압의 연료를 공급하기 위해 공압 펌프(Haskel, DSF-60)를 이용하여 가압하였고, 일정한 압력 유지를 위해 어큐뮬레이터를 사용하였다. 연료는 가솔린과 물성(밀도, 점도, 표면장력 등)이 비슷 하고, 단일 성분으로 구성되어 있어 결과분석에 용이한 노멀-헵테인을 사용하였다.
또한, 인젝터 팁(injector tip)으로부터 평면광 까지의 거리를 제어하기 위해 전동 제어 레일을 이용하였다. 제어부에서는 인젝터의 분사 기간 및 분사 횟수를 Compact RIO(NI, cRIO-9030)를 통해 제어하였고, 신호 발생기(Berkeley Nucleonics Corp., model 575)를 이용하여 인젝터의 분사 신호와 레이저 발진 신호, 카메라 셔터신호를 동기화 하였다. 분무패턴 영상 취득을 위하여 초고속카메라(FASTCAM, Mini AX 100)를 사용하였다.

대상 데이터

광학 측정부에서는 분무패 턴의 촬영을 위해 Nd:YAG laser (Continuum, SL2-100)를사용하였고, 광학렌즈의 조합을 이용하여 평면광을 형성하였다. 또한, 인젝터 팁(injector tip)으로부터 평면광 까지의 거리를 제어하기 위해 전동 제어 레일을 이용하였다. 제어부에서는 인젝터의 분사 기간 및 분사 횟수를 Compact RIO(NI, cRIO-9030)를 통해 제어하였고, 신호 발생기(Berkeley Nucleonics Corp.
제안한 방법을 실제로 적용하기 위해 앞서 설명한 분무패턴 가시화장치를 이용하여 GDI 인젝터의 분무패턴 영상을 취득하였다.미립화 및 분무의 발달로 인해 분무플럼이 서로 간섭이 발생하기 전 시점의 각 분무플럼의 패턴이 명확하게 나타나는 영상을 사용하였다.
, model 575)를 이용하여 인젝터의 분사 신호와 레이저 발진 신호, 카메라 셔터신호를 동기화 하였다. 분무패턴 영상 취득을 위하여 초고속카메라(FASTCAM, Mini AX 100)를 사용하였다.
1에 나타냈다.실험장치는 연료 공급부, 제어부, 광학 측정부로 구성하 였다. 연료 공급부에서는 고압의 연료를 공급하기 위해 공압 펌프(Haskel, DSF-60)를 이용하여 가압하였고, 일정한 압력 유지를 위해 어큐뮬레이터를 사용하였다.
본 연구는 인젝터로부터 분사되는 분무의 패턴을 이용하여 기존에 없던 개별 분무각을 간접적으로 측정하는 방법을 제시하는 것이 목적이다. 제안한 방법을 실제로 적용하기 위해 앞서 설명한 분무패턴 가시화장치를 이용하여 GDI 인젝터의 분무패턴 영상을 취득하였다.미립화 및 분무의 발달로 인해 분무플럼이 서로 간섭이 발생하기 전 시점의 각 분무플럼의 패턴이 명확하게 나타나는 영상을 사용하였다.

데이터처리

앞서 제시한 개별 분무각을 측정하는 세 가지의 방법을 실제 GDI 인젝터의 분무패턴에 적용하여 실험적 결과를 비교하였다. Fig.
이렇게 촬영된 분무패턴 영상은 MATLAB 기반 영상 후처리 프로그램을 이용하여 개별 분무각을 분석하였다.분무패턴 영상의 후처리 과정은 Fig.

성능/효과

(2) 세 가지 방법 모두 개별 분무 플럼에 따른 분무각의 경향을 나타냈으며, 첫 번째 방법이 같은 분사조건에서 반복하여 측정할 때 나머지 두 방법에 비해 편차가 가장 작게 나타났다.
1 ms를 대푯값으로 선정하였다. 40 mm는 분무가 미립화되어 형상을 잃기 전 분무 패턴이 확연히 나타나는 지점이었고, Park⁽¹³⁾의 분사율 측정 결과를 참고하여 1.5 ms의 통전기간 조건 중 통전 후 1.1 ms에서는 분사가 시작된 후 일정 시간이 지나 안정된 유량이 분사되는 시점으로 판단하였다. 실험의 조건은 Table 2에 나타냈다.
Table 3의 개별 분무각의 편차를 확인하면 각 방법의 균일도를 평가할 수 있다. 각 방법의 편차 평균은 방법 2, 3, 1의 순서로 작게 나타났으며, 본 연구에 사용된 GDI 인젝터는 방법 1이 다른 두 방법에 비해 편차가 약 39.9% 작게 나와 개별 분무각이 안정적으로 계산되는 것을 알 수 있다. Hole 1, 2, 5, 6의 경우 노즐 팁 중심축과 오리피스 중심축 사이의 설계각도가 큰 분무플럼들이다.
Hole 3, 4는 분무패턴이 대체적으로 원형에 가깝기 때문에 세 가지 방법의 차이가 크지 않았으며, Hole 3의 경우는 나머지 홀과 순서가 반대로 나타났다. 각 측정방법으로 얻어진 분무각의 평균값을 비교하였을 때, 방법 1의 경우 최댓값이 Hole 3에서 10.64^o , 방법 2는 Hole 2에서 11.63^o , 방법 3은 Hole 3에서 11.36^o로 나타났다. 방법 2를 적용하였을 때 최댓값으로 나타난 Hole 2는 방법 3에서는 반대로 최솟값으로 나타나 측정방향의 영향을 많이 받는 것을 알 수 있다.

후속연구

(3) 보다 다양한 종류의 GDI 인젝터에 적용하여 각인젝터의 정확한 분무각을 측정하기 위한 방법을 선택하고, 각 방법의 장단점을 파악하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
하지만 방법 1은 분무면적을 가상의 원으로 만들기 때문에 다른 방법에 비하여 비교적 편차가 안정적으로 나타난다. 또한, 다양한 홀배열 및분사조건을 가진 여러 GDI 인젝터에 본 연구 내용을 적용하여 분무각 뿐만 아니라, 분무중심, 분무면적 등을 활용한 개별분무플럼의 균일도를 분석하는 보충연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GDI 엔진의 단점을 보완하기 위해 어떤 연구가 이루어지고 있는가?	불균일한 혼합기로 인해 연소실 내 당량비 분포가 고르지 못하게 되고, 엔진 노킹 발생 및 입자상 물질(particulate matter, PM) 생성의 원인이 되기도 한다. 따라서 연소실 내 균일 혼합기 형성과 연료 미립화를 통한 엔진 효율 향상을 위해 다단 분사의 적용과 같은 분사전략 최적화(1-2)및 초고압 분사(3-5)등과 같은 다양한 연구가 진행되고 있다.
	가솔린 직접분사식의 장점은 무엇인가?	가솔린 엔진은 디젤 엔진에 비해 질소산화물 배출량이 적고, 이론공연비 연소와 삼원촉매의 적용으로 공해 물질 배출이 적은 편이다. 가솔린 직접분사식(gasoline direct injection, GDI) 엔진은 포트분사식(port fuel injection, PFI) 엔진과 달리 연소실 내부에 연료를 직접분사 하고 비교적 높은 압축비에서 연소를 할 수 있기 때문에 적은 배출가스와 높은 연비를 가지는 장점이 있다. 그러나 GDI 엔진은 연소실 내에 연료를 직접 분사하여 혼합기가 형성될 시간이 짧고, 디젤 엔진에 비하여 분사 압력이 낮아 분사된 연료의 미립화가 잘 되지 않기 때문에 연소실 내 불균일한 혼합기가 형성되는 단점이 있다.
	가솔린 엔진의 공해 무질 관련 가지고 있는 특징은 무엇인가?	가솔린 엔진은 디젤 엔진에 비해 질소산화물 배출량이 적고, 이론공연비 연소와 삼원촉매의 적용으로 공해 물질 배출이 적은 편이다. 가솔린 직접분사식(gasoline direct injection, GDI) 엔진은 포트분사식(port fuel injection, PFI) 엔진과 달리 연소실 내부에 연료를 직접분사 하고 비교적 높은 압축비에서 연소를 할 수 있기 때문에 적은 배출가스와 높은 연비를 가지는 장점이 있다.

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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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