[논문]X선 위상차 가시화 기법을 이용한 GDI 인젝터 노즐 근방의 분무 간 상호간섭 해석

배규한; 문석수

doi:10.15435/jilasskr.2020.25.2.60

[국내논문] X선 위상차 가시화 기법을 이용한 GDI 인젝터 노즐 근방의 분무 간 상호간섭 해석
Analyzing the Spray-to-spray Interaction of GDI Injector Nozzle in the Near-field Using X-ray Phase-Contrast Imaging 원문보기

한국분무공학회지 = Journal of ilass-korea, v.25 no.2, 2020년, pp.60 - 67

배규한 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 문석수 (인하대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Despite its benefit in engine thermal efficiency, gasoline-direct-injection (GDI) engines generate substantial particulate matter (PM) emissions compared to conventional port-fuel-injection (PFI) engines. One of the reasons for this is that the spray collapse caused by the spray-to-spray interaction forms the locally rich fuel-air mixture and increases the fuel wall film. Previous studies have investigated the spray collapse phenomenon through the macroscopic observation of spray behavior using laser optical techniques, but it is somewhat difficult to understand the interaction between sprays that is initiated in the near-nozzle region within 10 mm from the nozzle exit. In this study, the spray structure, droplet size and velocity data were obtained using an X-ray imaging technique from the near-nozzle to the downstream of the spray to investigate the spray-to-spray interaction and discuss the effects of spray collapse on local droplet size and velocity distribution. It was found that as the ambient density increases, the spray collapse was promoted due to the intensified spray-to-spray interaction, thereby increasing the local droplet size and velocity from the near-nozzle region as a result of droplet collision/coalescence.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Applied X-ray beam patterns⁽⁶⁾
그림 Fig. 2 Schematic diagram of XPCI setup
그림 Fig. 3 The methods of measuring spray droplet size and velocity using X-ray images⁽⁶⁾
그림 Fig. 4 Nozzle hole arrangement and directions of X-ray transmission (a), Measurement locations (b)
표 Table 1 Experimental conditions
그림 Fig. 5 Effect of ambient density on spray structure at Z = 10 mm (0° view)
그림 Fig. 6 Effect of ambient density on spray droplet size distribution at various Z locations (0° view)
그림 Fig. 7 Effect of ambient density on axial (Z-direction) velocity distribution at various Z locations (0° view)
그림 Fig. 8 Effect of ambient density on the peak droplet size and velocity at various Z locations (0° view)
그림 Fig. 9 Effect of ambient density on spray droplet size distribution at various Z locations (90° view)
그림 Fig. 10 Kinetic and geometric parameters of the droplet collision
그림 Fig. 11 A diagram describing the droplet velocity after collision/coalescence of two droplets based on momentum conservation

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 싱크로트론 X선을 이용하여 GDI 인젝터 노즐 근방의 분무입자크기 및 속도분포를 다양한 분위기 밀도 조건에서 측정하였다. 결과를 통해, 분위기 밀도가 분무간 상호간섭 및 분무붕괴에 미치는 영향에 대해 논의하고 관련 메커니즘에 대해 고찰하였다. 본 연구를 통해 아래와 같은 결론을 얻었다.
는 두 입자의 상대 속도 벡터, σ는 표면장력이다. 본 연구에서는 분무입자의 축 방향 및 반경방향 속도 데이터를 동시에 산출하고 있다. 위에서 언급하였듯이 각 입자의 축방향 속도는 거의 동일하다고 가정하면 반경방향 속도 데이터만으로 두 충돌입자의 상대속도 벡터 크기를 알 수 있으며, 그 값은 평균 6 m/s이다.
이를 위해 본 연구에서는 초단 파장(고에너지) 및 발광기간을 가진 싱크로트론 X선을 활용하여 GDI 인젝터 노즐 근방(노즐 출구 ~ 10 mm 위치)의 분무입자크기 및 속도분포를 계측하여 정량적인 값을 도출하였다. 얻어진 결과를 통해, 챔버 내부의 분위기 밀도가 분무간 상호간섭 및 분무붕괴 현상에 미치 는 영향에 대해서 해석하고 그 과정 및 메커니즘에 대해서 고찰하였다.
향후의 연구에서는 다양한 분사압력 조건에서 분무간 상호간섭 및 분무붕괴에 대한 연구를 진행할 예정이다. 이를 통해 분무간 상호간섭에 의한 분무붕괴 현상이 어떠한 조건에서 발생하는지 그리고 분무붕괴 발생 후의 입자크기 및 속도분포를 결정짓는 물리인자가 무엇인지에 대해 규명하고 현상을 모델링하고자 한다.

제안 방법

0° 와 90°방향의 결과 데이터를 비교하기 위해 그래프의 양끝에 위치하는 두 개의 분무 즉, 0° 방향에서는 1번과 6번 분무, 90° 방향에서는 4번과 5번 분무의 중심을 따라가 보았다.
결과에 대한 해석은 Z=3 mm, 5 mm, 10 mm 단면에서 수행되었으며, 수평방향(X축 또는 Y축 방향)으로 분무입자가 도달하는 모든 영역에 대해 분무의 평균 입자크기 및 속도를 계산하였다. 결과의 신뢰도를 높이기 위해 해석 영역 당 50개의 이미지를 해석하였으며, 그 평균값을 해당 영역의 대푯값으로 제시하였다.
이후 Matlab 프로그램을 이용하여 이미지의 배경 노 이즈를 소거하는 후처리 작업을 수행한다. 그 후, 오츠 방법(Otsu method)을 통하여 이미지를 2진화하고, 입자 탐색 알고리즘의 적용 및 유효 입자크기의 계산 과정을 거쳐 해당 관심영역에서의 입자 자우터 평균직경(Sauter mean diameter, SMD)을 산출하였다.
가솔린과 비슷한 물성을 가진 노말헵탄(n-heptane, C₇H₁₆)을 테스트 연료로 사용하였으며, 분사압력은 20 MPa로 고정하였다. 또한 연료가 분사되는 챔버 내부는 이산화탄소(CO₂)로 충전하였고, 엔진의 흡입 및 압축행정에서 분사하는 환경을 모사하기 위해 분위기 밀도를 2 kg/m³ , 10 kg/m³ , 18 kg/m³ 로 변화시켜 이미지를 취득하였다. 분무입자크기 및 속도는 분사가 시작된 후 유동이 안정화된 준정상상태(분사 개시 후 1 ms)에서 해석하였다.
또한 위상도플러 입자분석기(phase Doppler particle analyzer, PDPA)를 이용하여 분무 하류(노즐 출 구 기준 15 mm이상)의 입자 크기 및 속도분포를 측정 하였으며, 이를 통해 분위기 밀도 및 감압비등(flash boiling)에 의해 발생하는 분무붕괴 현상에 대해서 논의 하였다(5).
본 연구에서는 ‘SPring-8 (Super Photon ring-8 GeV)’ 의 제3세대 싱크로트론(synchrotron)에서 발생하는 X선을 이용하여 노즐 근방유동의 가시화를 진행하였다.
본 연구에서는 Fig. 4(a)에 나타낸 분공 배열을 가진 6홀 GDI 인젝터를 사용하였으며, 분무 내부 구조를 3차 원으로 관찰 및 해석하기 위해 두 방향으로 X선을 투과시켜 촬영을 진행하였다. Fig.
본 연구에서는 싱크로트론 X선을 이용하여 GDI 인젝터 노즐 근방의 분무입자크기 및 속도분포를 다양한 분위기 밀도 조건에서 측정하였다. 결과를 통해, 분위기 밀도가 분무간 상호간섭 및 분무붕괴에 미치는 영향에 대해 논의하고 관련 메커니즘에 대해 고찰하였다.
또한 연료가 분사되는 챔버 내부는 이산화탄소(CO₂)로 충전하였고, 엔진의 흡입 및 압축행정에서 분사하는 환경을 모사하기 위해 분위기 밀도를 2 kg/m³ , 10 kg/m³ , 18 kg/m³ 로 변화시켜 이미지를 취득하였다. 분무입자크기 및 속도는 분사가 시작된 후 유동이 안정화된 준정상상태(분사 개시 후 1 ms)에서 해석하였다.
노즐 출구부터 하류까지의 분무입자크기 및 속도분포를 정량적으로 해석할 수 있으면 분무간 상호간섭에 의한 분무붕괴의 발달 과정과 그 발생 메커니즘에 대한 이해를 높일 수 있다. 이를 위해 본 연구에서는 초단 파장(고에너지) 및 발광기간을 가진 싱크로트론 X선을 활용하여 GDI 인젝터 노즐 근방(노즐 출구 ~ 10 mm 위치)의 분무입자크기 및 속도분포를 계측하여 정량적인 값을 도출하였다. 얻어진 결과를 통해, 챔버 내부의 분위기 밀도가 분무간 상호간섭 및 분무붕괴 현상에 미치 는 영향에 대해서 해석하고 그 과정 및 메커니즘에 대해서 고찰하였다.

대상 데이터

Table 1은 실험 조건을 정리하여 나타내고 있다. 가솔린과 비슷한 물성을 가진 노말헵탄(n-heptane, C₇H₁₆)을 테스트 연료로 사용하였으며, 분사압력은 20 MPa로 고정하였다. 또한 연료가 분사되는 챔버 내부는 이산화탄소(CO₂)로 충전하였고, 엔진의 흡입 및 압축행정에서 분사하는 환경을 모사하기 위해 분위기 밀도를 2 kg/m³ , 10 kg/m³ , 18 kg/m³ 로 변화시켜 이미지를 취득하였다.

데이터처리

Figure 4(b)는 각 분무의 방향과 데이터를 취득한 위치를 나타내고 있으며, X선 이미지는 노즐 출구에서 수직방향(Z축 방향)으로 0-5 mm, 10 mm 단면에서 취득하였다. 결과에 대한 해석은 Z=3 mm, 5 mm, 10 mm 단면에서 수행되었으며, 수평방향(X축 또는 Y축 방향)으로 분무입자가 도달하는 모든 영역에 대해 분무의 평균 입자크기 및 속도를 계산하였다. 결과의 신뢰도를 높이기 위해 해석 영역 당 50개의 이미지를 해석하였으며, 그 평균값을 해당 영역의 대푯값으로 제시하였다.
입자크기를 측정하기 위해서는 H-mode에서 방사되는 X선 단일펄스를 수광하여 단일노광 이미지를 얻는다. 이후 Matlab 프로그램을 이용하여 이미지의 배경 노 이즈를 소거하는 후처리 작업을 수행한다. 그 후, 오츠 방법(Otsu method)을 통하여 이미지를 2진화하고, 입자 탐색 알고리즘의 적용 및 유효 입자크기의 계산 과정을 거쳐 해당 관심영역에서의 입자 자우터 평균직경(Sauter mean diameter, SMD)을 산출하였다.
입자속도를 측정하기 위해서는 C-mode에서 방사되는 3개의 연속펄스를 수광하여 삼중노광 이미지를 얻는다. 이후 Matlab 프로그램을 이용한 후처리 작업과 자기상관 (autocorrelation) 해석을 통해 단위 시간당 입자의 수직 및 수평방향 변위를 측정하고 입자속도를 산출하였다.

이론/모형

이러한 분무붕괴 현상은 국소적으로 농후한 연료영역을 생성하고 벽면 연료 점착(wall wetting) 및 액면 연소(pool fire)를 발생시켜 입자상물질의 증가를 초래하는 문제점을 야기한다^(2-4). 기존의 분무간 상호간섭과 분무붕괴 현상에 관한 연구는 미산란(Mie scattering)측정법 및 쉐도우그래프(shadowgraph)기법 등을 이용하여 거시적 분무특성을 관측하였으며, 이를 통해 분위기 밀도 및 연료의 온도가 분무의 수축 및 침투길이(penetration)에 미치는 영향을 해석하였다⁽²⁾. 또한 위상도플러 입자분석기(phase Doppler particle analyzer, PDPA)를 이용하여 분무 하류(노즐 출 구 기준 15 mm이상)의 입자 크기 및 속도분포를 측정 하였으며, 이를 통해 분위기 밀도 및 감압비등(flash boiling)에 의해 발생하는 분무붕괴 현상에 대해서 논의 하였다⁽⁵⁾.

성능/효과

(1) 분위기 밀도가 높아지면 분무간 상호간섭에 의한 분무붕괴가 발생하며, 분위기 밀도가 증가할수록 분무붕괴의 개시 위치는 노즐 근방에 가까워진다. 특히, 분위기 밀도가 18 kg/m³ 인 경우는, 분무의 매우 상류지역인 Z = 5 mm 부근부터 분무의 붕괴가 촉발된다.
(2) 분무붕괴가 일어나면, 분무의 수축 및 입자 간 운동량 보존법칙에 의거하여 분무입자의 축방향 속도가 증가한다.
(3) 분무붕괴 시의 분무 수축은 모든 방향에서 진행되었으며, 이는 기존의 연구에서 제시한 제트유도 분무붕괴 가설의 타당성을 뒷받침 한다.
5 이하인 경우에는 대부분 병합의 영역을 거친다(7). 결론적으로 본 연구에서 분무의 수축으로 충돌하는 분무입자들은 대부분 Fig. 11의 분무입자 모식도처럼 병합의 영역을 거친다고 볼 수 있다.
7의 그래프 개형을 보면 높은 분위기 밀도 조건의 5 mm 위치부터 분무 중심의 경계가 모호해지다가 10 mm 위치에서는 그래프가 특정한 개형 없이 비교적 균일한 속도분포를 나타내고 있다. 또한 분무입자크기 및 속도 그래프에서 높은 분위기 밀도 조건인 빨간색 선의 솟아오른 값들을 비교해보면 5 mm 위치보다 10 mm 위치에서 더 높은 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 분위기 밀도 및 Z축 방향 거리에 따른 2, 3번 분무의 SMD 및 속도 크기의 최대값(ρ_a= 2 kg/m3 ) 및 평균값(ρ_a= 10 kg/m³ , ρ_a= 18 kg/m³ )을 나타낸 Fig.
일반적으로 제트유도 붕괴는 노즐 근방에서부터 촉발되는 것으로 알려져 있는데, 본 연구의 연구결과는 이를 뒷받침하고 있다. 또한, 분무의 수축이 두 방향에서 동시에 진행되는 본 연구의 결과로 보아, 기존의 연구에서 제시한 제트유도 붕괴 가설은 충분히 타당성을 가지고 있다고 판단된다.

후속연구

향후의 연구에서는 다양한 분사압력 조건에서 분무간 상호간섭 및 분무붕괴에 대한 연구를 진행할 예정이다. 이를 통해 분무간 상호간섭에 의한 분무붕괴 현상이 어떠한 조건에서 발생하는지 그리고 분무붕괴 발생 후의 입자크기 및 속도분포를 결정짓는 물리인자가 무엇인지에 대해 규명하고 현상을 모델링하고자 한다.

참고문헌 (8)

Z. Lee, T. Kim, S. Park and S. Park, "Review on spray, combustion, and emission characteristics of recent developed direct-injection spark ignition (DISI) engine system with multi-hole type injector", Fuel, Vol. 259, 2019, pp. 116209.
P. Sphicas, L. Pickett, S. Skeen and J. H. Frank, "Interplume aerodynamics for gasoline spray collapse", International Journal of Engine Research, Vol. 19, 2018, pp. 1048-1067.

상세보기
F. Schulz and F. Beyrau, "The influence of flash-boiling on spray-targeting and fuel film formation", Fuel, Vol. 208, 2017, pp. 587-594.

상세보기
R. Kale and R. Banerjee, "Spray Collapse in a Multihole GDI Injector and Its Effect on In-Cylinder Combustion", Two-Phase Flow for Automotive and Power Generation Sectors, 2019, pp. 43-61.
H. Guo, H. Ding, Y. Li, X. Ma, Z. Wang and H. Xu, J. Wang, "Comparison of spray collapses at elevated ambient pressure and flash boiling conditions using multi-hole gasoline direct injector", Fuel, Vol. 199, 2017, pp. 125-134.

상세보기
S. Moon, K. Komada, K. Sato, H. Yokohata, Y. Wada and N. Yasuda, "Ultrafast X-ray study of multi-hole GDI injector sprays: Effects of nozzle hole length and number on initial spray formation", Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 68, 2015, pp. 68-81.

상세보기
G. Ko and H. Ryou, "Droplet collision processes in an inter-spray impingement system", Journal of Aerosol Science, Vol. 36, 2015, pp. 1300-1321.
P. Sphicas, L. Pickett, S. Skeen, J. Frank, T. Lucchini, D. Sinoir, G. D'Errico, K. Saha and S. Som, "A Comparison of Experimental and Modeled Velocity in Gasoline Direct-Injection Sprays with Plume Interaction and Collapse", SAE International Journal of Fuels and Lubricants, Vol. 10, 2017, pp. 184-201.

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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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