A Study on Spray Characteristics of Deteriorated Mechanical Injectors

노후 기계식 인젝터의 분무특성 연구

정민욱

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A Study on Spray Characteristics of Deteriorated Mechanical Injectors

Minuk Jeong, Young Soo Yu, Seungho Yang, Minhoo Choi and Sungwook Park

Key Words: Mechanical injector(기계식 인젝터), Spray visualization(분무 가시화), Diesel injector(디젤 인젝터), Deteriorated injector(노후 인젝터), Remanufacturing(재제조)

Abstract

Deteriorated agricultural diesel engines using mechanical fuel injection systems have low fuel injection pressures. And they are not equipped with an exhaust gas abatement device, so it produces a lot of exhaust gas. Remanufactured used injectors can reduce emissions because spray characteristics are improved. In addition, remanufacturing is environmentally friendly and economical compared to producing new parts. For efficient injector remanufacturing, it is necessary to conduct a comparison experiment on the spray characteristics of an used mechanical injector and a new injector of the same model. In this study, the spray characteristics of the two injectors were compared by performing an injection quantity measurement and a spray visualization experiment. As a result, the used injector had a larger injection quantity, a shorter spray tip penetration, a wider spray angle and a smaller spray area than the new injector.

1. 서 론

농기계와 같은 비도로 차량은 차체 후단에 있는 동력 인출장치(PTO, Power Take Off)에 부가장치를 연결하여 로터리 작업 등에 이용된다.

농기계는 도로 운행 이외에도 토크가 많이 요구되는 작업에도 이용되기 때문에 높은 토크를 가지는 디젤 엔 진이 동력원으로 주로 사용된다. 하지만 사용 연수 10 년 이상의 농기계 디젤 엔진은 낮은 연료 분사압력의 기계식 연료 분사 시스템을 사용하는 경우가 많아 입자 상물질 배출량이 많다⁽¹⁾.

또한 노후 농기계의 디젤엔진은 EGR(Exhaust Gas

Recirculation), DPF(Diesel Particulate Filter), DOC(Die- sel Oxidation Catalyst)와 같은 배출가스 저감장치가 적 용되지 않아 질소산화물의 배출량도 많다⁽¹⁾. 환경부 국 가미세먼지정보센터에 따르면 2017년도 비도로이동오 염원이 배출한 총부유입자(TSP, Total suspended Parti- cles)의 양은 16,198톤에 달하며, 이중 농기계가 차지하 는 비중은 1,340톤으로 비도로 이동오염원의 총부유입 자 배출량 중 약 8%에 달한다⁽²⁾.

농기계용 디젤 엔진에 대한 배출가스 규제는 점점 더 강화되는 추세이다⁽³⁾. 기계식 연료 분사시스템을 활용하 는 비도로 차량 디젤 엔진의 배출가스를 저감하는 방법 은 분사시기와 분사량을 제어하거나⁽⁴⁾기계식 디젤 엔 진을 DME(Dimethyl Ether)엔진으로 개조하여 배기 배 출물을 저감하는 방법이 있다⁽⁵⁾.

분사시기와 분사량을 제어하는 방법 이외에 가능한 배기 배출물 저감 방법은 디젤 인젝터의 재제조가 있다.

또한 디젤 인젝터 재제조는 단순히 노후 부품을 교체하 는 것에 비하여 소모되는 비용과 자원의 양이 적어 환

(Received: 15 Jun 2021, Received in revised form: 12 Aug

2021, Accepted: 13 Aug 2021)

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한양대학교 대학원 융합기계공학과

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책임저자, 회원, 힌양대학교 기계공학부 E-mail : [email protected]

TEL : (02)2220-0430 FAX : (02)2220-4588

경적 효과와 경제적 효과가 크다는 장점이 있다⁽⁶⁾. 재제조의 장점을 극대화하기 위해서는 인젝터의 성능 향상시키는 동시에 경제적인 인젝터 재제조 공정이 필요 하다. 그리고 재제조 공정을 효율적으로 설계하기 위해서 는 신품 인젝터의 성능 비교 및 분석할 필요가 있다.

본 연구는 농식품부에서 정한 농기계의 내구연수 이 상으로 사용하여 노후화가 진행된 농기계 디젤엔진의 고품 기계식 인젝터와 해당 인젝터와 동일한 모델의 신 품 기계식 인젝터에 대하여 분사량 실험과 분무 가시화 실험을 진행하였다. 분사량 실험은 엔진 회전수에 따른 분 사량 비교 실험을 진행하였으며, 분무 가시화 실험은 분무 도달거리, 분무각 등 거시적 분무 특성을 비교하였다.

2. 연구 방법

2.1 실험 대상 인젝터 정보

실험에 사용한 고품 인젝터는 2004년식으로 농식품 부에서 정한 트랙터의 내구연수 8년이 넘은 트랙터(대 동社, D65)의 Tier1 디젤 엔진(Perkins社, 1004.4)으로부 터 고품 기계식 인젝터(Perkins社, NJ)로 하였다. 신품

인젝터는 연소를 한 번도 진행하지 않은 상태의 인젝터 로 노즐부가 청결한 상태였다. 고품 인젝터는 신품 인젝 터와 동일한 모델의 인젝터로 연소를 진행하여 그을음 이 있지만 중고 인젝터 공급社에서 간단한 노즐 세척을 진행하여 노즐 표면에 퇴적물은 없는 상태였다. 실험조 건은 엔진회전수를 600, 1,200, 1,800 rpm으로 진행하였 으며, 연료 밸브의 개도량은 완전 개방한 상태로 실험을 진행하였다. 실험 장치도는 Fig. 2에 나타내었으며, 자세 한 실험조건은 Table 2에 정리하였다.

2.3 분무가시화 실험

분무 가시화 실험은 미산란(Mie-scattering)을 이용하 여 분무 이미지를 취득하였으며, 신품 인젝터와 고품 인 젝터의 분무 도달거리, 분무각과 같은 거시적 분무 특성 을 비교하였다. 분무 가시화 실험 장치는 Fig. 3에 나타 내었으며, 분무가시화 실험 또한 분사량 실험과 마찬가 지로 4개의 인젝터를 동시에 구동하고 실험 대상 인젝 터 하나에 대하여 가시화 실험을 진행하였다.

연구에 사용한 기계식 인젝터가 장착되는 엔진은 자 Fig. 1 Nozzle conditions of new injector and used injec-

tor

Table 1 Specifications of mechanical Injector Opening pressure (bar) 230

Max valve lift (mm) 0.35

Hole # 4

Hole diameter (mm) 0.275

Fig. 2 Experimental apparatus for mechanical injector Injection quantity measurement

Table 2 Test conditions of injection quantity measurement Engine speed (rpm) 600, 1,200, 1,800 Fuel valve opening (%) 100

Injector New injector, used injector

연흡기 디젤엔진으로 압축비가 16.5이다. 엔진의 흡기압 력을 0.8 bar로 가정하고 비열비를 1.35로 가정하였을 때, 계산한 상사점에서의 연소실 내부 압력은 35 bar이 며, 온도는 527^oC로 계산된다. 연구에 사용된 인젝터가 장착되는 엔진(Perkins社, 1004.4)과 동일한 압축비와 유 사한 연소실 체적을 가진 자연흡기 디젤 엔진(Vladimir Motor-Tractor Plant社, D120)의 상사점에서의 연소실 압 력은 1,000 rpm에서 30 bar, 1,800 rpm 35 bar이다⁽⁷⁾. 따 라서 계산된 연소실 분위기 압력은 합리적인 수준이라 판단된다. 또한 분무 도달거리는 분위기 밀도의 영향을 받는다. 이때 계산된 압력과 온도 조건에서의 연소실 분 위기 밀도는 15.24 kg/m³으로 계산된다. 따라서 질소로 정적챔버를 가압하여 25^oC에서 분위기 밀도가 18.48 kg/m³인 16 bar 조건부터 대기압인 1 bar 조건까지 5 bar

간격으로 분위기 압력을 설정하여 연료 분사 시점에서 의 분위기 밀도가 설정한 실험 조건 안에 포함되도록 하였다.

분사량 실험과 달리 분무가시화 실험을 수행하기 위 하여 연료 펌프에서부터 정적 챔버까지 연료관을 연장 할 필요가 있다. 하지만 연료관의 길이가 길어짐에 따라 압력강하가 발생하여 600 rpm 이하의 낮은 엔진 회전속 도 조건에서는 분사가 원활하게 이루어지지 않는 문제 가 있었다. 따라서 Fig. 4와 같이 가시화 실험 수행 엔 진 회전 속도는 연료관의 길이가 길어짐에 따라 발생하 는 압력 강하를 보상하기 위하여 엔진 회전 속도를 1,800 rpm로 하여 가시화 실험을 수행하였다. 이러한 분 무 가시화 실험 조건을 정리하여 Table 3에 나타내었다.

분무 가시화 이미지 취득은 초고속 카메라(Phantom 社, VEO710L)와 메탈 할라이드 램프(Kyowa社, MID- 25)를 이용하여 취득하였다. 분무와 촬영의 동기화는 광 센서를 통하여 모터 축의 위치를 파악하여 분사시점마 다 신호가 발생하도록 하였다. 이미지의 취득은 신호가 Fig. 3 Experimental apparatus for mechanicall injector

spray visualization

Table 3 Test conditions of spray visualization Engine speed (rpm) 1,800 rpm Fuel valve opening (%) 100%

Injection quantity (mg/shot)

New injector 69.5 used injector 71.3 Ambient pressure (bar) 1, 6, 11, 16

Fig. 4 Fuel line pressure comparison by extension of fuel line

Fig. 5 Spray image processing procedure using Matlab codes

발생한 시점부터 10,000 fps의 촬영속도로 분무 이미지 를 10회 취득하였다.

촬영된 이미지는 Matlab 프로그램을 이용하여 후처리 하였다. 후처리 과정은 Fig. 5와 같이 원본 이미지를 중 첩하여 평균 분무 이미지를 취득하고 이를 임계 밝기 값을 기준으로 배경과 분무를 구분하여 이진화 이미지 를 취득하였다. 얻은 이진화 이미지를 바탕으로 분무 경 계를 계산하여 분무 줄기별 도달거리 및 분무각을 측정 하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 인젝터 분사량 비교

엔진 회전속도에 따른 분사량 실험 3회에 대한 평균 값을 Fig. 6의 그래프에 나타내었으며, 측정된 연료 압 력을 Fig. 7에 나타내었다. 모든 엔진 회전속도 조건에 서 고품 인젝터의 분사량이 신품 인젝터에 비해서 3~5% 정도 많이 분사됨을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 6 과 같이 엔진의 회전속도가 높아지더라도 고품 인젝터 와 신품 인젝터의 분사량은 크게 증가하지 않는다.

이는 Fig. 7의 연료 압력 그래프와 같이 엔진 회전속 도가 높아질수록 연료 압력이 증가하나 압력이 지속되 는 시간이 줄어들기 때문에 엔진 회전속도 증가에 따른 분사량의 증가량이 적은 것이라 판단된다. 그리고 고품 인젝터의 분사량이 신품 인젝터 보다 다소 많은 이유는 노후화로 인해 스프링의 탄성이 저하되어 분사압력이 낮아지는 것으로 판단된다. 고품 인젝터의 인젝터 밸브 열림 시점이 빨라지고 닫힘 시점이 늦어져 신품에 비해

분사기간이 길어 분사량이 많은 것으로 보인다.

3.2 분무 도달거리 비교 3.2.1 평균 분무 도달거리 비교

Fig. 8은 기계식 인젝터에서 분무되는 4개 분무 줄기 의 도달거리 평균을 계산하여 나타낸 것으로 신품인젝 터와 고품인젝터 모두 분위기 압력이 증가함에 따라 분 무 액적이 받는 항력이 증가하여 분무발달 속도가 감소 하는 공통적인 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6 Injection quantity test result of new injector and used injector

Fig. 7 Fuel pressure of new injector and used injector by engine speed

신품 인젝터와 고품 인젝터의 평균 분무 도달거리를 비교하였을 때, 신품 인젝터의 경우가 고품 인젝터에 비 해 5~10% 정도 분무도달거리가 더 길게 측정되는 경향 을 보인다. 신품 인젝터와 고품 인젝터의 개변압력을 확 인한 결과 신품 인젝터의 경우 225 bar로 제조사에서 제 시하는 정상 개변압력 범위인 222.9~233.0 bar 이내에 있 었으나 고품 인젝터의 경우 185 bar로 신품 인젝터의 개 변압력이 고품 인젝터에 비하여 18% 높게 측정되었다.

분무 도달거리의 경우 Hiroyasu에 의해 수행된 분무 도달거리 결정식을 통해 분무 도달거리는 분사압력과 분위기 압력의 차압에 0.25제곱에 비례함을 알 수 있다⁽⁸⁾. 분무가 이루어지는 동안에 평균 연료 압력은 신품의 경 우가 200 bar로 측정되었으며, 고품의 경우가 190 bar로 측정되었다. 분무 도달거리 결정식을 통해 계산한 결과 분무 도달거리는 평균 연료 압력이 높은 신품 인젝터의 경우가 분위기압 1 bar 조건에서 5% 더 길게 나올 것으 로 계산된다. 이는 실험결과와 유사한 결과이므로 연료 압력이 분무 도달거리에 영향을 주는 것으로 판단할 수 있다.

3.2.2 분무 줄기 별 분무 도달거리

분무 줄기의 구분을 위하여 Fig. 9과 같이 분무 줄기 방향별로 번호를 부여하였다. 2시방향으로 나아가는 분 무 줄기를 1번 분무 줄기로 하여 시계방향으로 순서대 로 번호를 부여하였다. Fig. 10는 분위기 압력 16 bar 조 건에서의 분사 시작 이후 0.5 ms 시점과 1.5 ms 시점의 분무 이미지를 나타낸 것이다. 분위기 압력 16 bar 조건

을 선택한 이유는 분위기 압력에 의한 항력으로 분무가 충분히 발달한 이후에도 가시창 영역을 벗어나지 않기 때문이다. 그리고 해당 인젝터의 경우 1, 4번 분무 줄기 가 대칭이며, 2, 3번 분무 줄기가 대칭이다. 신품의 분무 줄기별 도달거리 결과는 Fig. 11에 나타내었으며, 고품 의 분무 줄기별 도달거리 결과는 Fig. 12에 나타냈다. 각 분무 줄기별 분무 도달거리는 Line-symbol 선으로 나타 내었으며, 4개 분무 줄기의 평균 도달거리는 붉은색 Dash dot 선으로 나타내었다. 그리고 검은색 Dash선으 로 2, 3번 분무 줄기의 분무 도달거리 편차를 나타내었 으며, Dot선으로 1, 4번 분무 줄기의 분무 도달거리 편 차를 나타내었다.

두 인젝터의 분무 줄기별 분무 도달거리 측정 결과 신품 인젝터와 고품 인젝터 모두 공통적으로 분위기압 력이 증가함에 따라 분무 줄기별 도달거리 편차가 줄어 드는 경향을 보인다. 또한 두 인젝터 모두 분무 초기에 분무 줄기 간 편차가 증가하다가 분무 시작 후 0.5 ms 지점 근방에서 편차가 20% 이상으로 크게 나타나고 이 후 편차가 감소하는 것으로 나타났다.

신품과 고품 모두 분무 초기 분무 도달거리 편차가 큰 이유는 해당 모델의 인젝터의 구조의 특성상 분무 Fig. 8 Effect of ambient pressure on the average spray tip

penetration

Fig. 9 Definition of spray plume number

Fig. 10 Spray image for each injector at ambient pres- sure of 16 bar

Fig. 11 Deviation of spray penetration for each plume of new injector

Fig. 12 Deviation of spray penetration for each plume of used injector

초기에 인젝터의 구조로 인해 분사구마다 연료가 불균 일하게 공급되는 것이 원인이라 판단된다. 분무 초기 각 분무 줄기 마다 도달거리 편차가 있음을 Fig. 10의 분무 이미지에서도 확인할 수 있다.

3.3 분무각 비교 3.3.1 평균 분무각 비교

Fig. 13는 분무가 안정화되는 구간인 1.0 ms부터 2.0 ms 까지 1.0 ms 동안 4개 분무 줄기의 분무각을 측정하고 이에 대한 평균을 계산하여 나타낸 것이다. 신품 인젝터 와 고품 인젝터의 평균 분무각은 고품 인젝터의 대기압 조건을 제외하고 분위기 압력이 증가함에 따라 분무가 받는 항력이 증가하여 증가하는 경향을 보였다. 또한 대 체로 고품 인젝터의 평균 분무각이 신품 인젝터보다 10% 정도 크게 측정된다.

3.3.2 분무 줄기 별 분무각 비교

Fig. 14와 Fig. 15는 신품 인젝터와 고품 인젝터의 분 무각이 안정화 되는 구간인 1.0 ms.부터 2.0 ms까지 1.0 ms 동안 4개 분무 줄기의 분무각을 측정하여 나타내었 다. 각 분무 줄기별 분무각은 Line-symbol 선으로 나타 내었으며, 4개 분무 줄기의 평균 분무각은 붉은색 Dash dot 선으로 나타내었다. 그리고 검은색 Dash선으로 2, 3 번 분무 줄기의 분무 도달거리 편차를 나타내었으며, Fig. 13 Effect of ambient pressure on the average spray

angle

Fig. 14 Deviation of spray angle of new injector

Dot선으로 1, 4번 분무 줄기의 분무 도달거리 편차를 나 타내었다.

두 인젝터 모두 1, 4번 분무 줄기와 2, 3번 분무 줄기 의 분무각이 대칭으로 나타난다. 대칭인 분무 줄기 사이 의 분무각의 편차는 분사 시작 후 1.0 ms가 지난 시점 에서 최대이며, 시간이 지남에 따라 분무각 편차가 줄어 든다. 또한 고품 인젝터의 분무각 편차는 분위기 압력이 높아짐에 따라 신품보다 분무각 편차가 크게 측정되는 경향을 보인다. 두 인젝터의 분무각 편차의 크기는 신품 인젝터의 경우 20% 이상 커지는 구간이 없지만 고품의 경우 30% 까지도 분무각 편차가 커짐을 확인할 수 있다.

3.4 분무면적 비교

Fig. 16에서 왼쪽은 분위기 압력 16 bar 조건에서의 분사 시작후 1.5 ms가 지난 시점의 신품 인젝터와 고품 인젝터의 면적 비교결과를 나타낸 그래프이다. 신품 인 젝터의 면적을 붉은색으로 나타냈으며, 고품 인젝터의 면적을 검은색으로 나타냈다. 오른쪽은 해당 실험 조건 에서의 각 인젝터의 분무 경계를 나타낸 것이다. 분위기 압력 16 bar 조건을 택한 이유는 분위기 압력이 높은 조

Fig. 15 Deviation of spray angle of used injector

Fig. 16 Comparison of spray area by spray plume (top) and spray area Image (bottom)

건의 경우 분무가 충분히 발달한 이후에도 정적 챔버의 가시창 영역 안에 분무가 존재하여 면적 비교에 용이하 기 때문이다.

분무면적 비교 결과 대체로 신품 인젝터의 분무 면적 이 고품 인젝터보다 크게 나타났으며, 이는 신품 인젝터 의 개변 압력이 높아 동일 시점에서 분무가 분위기압력 에 의한 저항의 영향을 고품 인젝터보다 적게 받아 분 무 발달 속도가 빠르기 때문이라 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 Tier1 농기계 디젤엔진의 기계식 인젝 터의 신품과 단순 세척만 진행된 고품 인젝터에 대하여 분사량 실험을 진행하였다. 그리고 대기압 조건에서부 터 분위기압력을 증가시켜가며, 분무 가시화 실험을 진 행하여 노후화에 따른 인젝터의 분무 특성을 분석하였 다. 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

(1) 고품 인젝터의 경우 압력 스프링의 탄성력 저하로 인해 개변압력이 신품 인젝터 대비 18% 낮게 측정되었 으며, 이로 인해 신품에 비해 분사량이 신품 대비 3~5%

더 많이 분사되었다.

(2) 고품 기계식 인젝터의 경우 개변압력이 낮아 신품 에 비해 분무 도달거리가 5% 짧았다. 실험에 사용된 인 젝터의 경우 분무 줄기별 분무 도달거리 편차가 분무 초기 20%이상으로 컸으며, 이후 분무가 안정되면서 줄 어드는 것을 확인할 수 있었다.

(3) 고품 인젝터의 분무각이 신품 인젝터보다 대체로 10% 정도 크게 나타났다. 또한 두 인젝터의 분무각 편 차의 크기는 신품 인젝터의 경우 20% 이상 커지는 구 간이 없지만 고품의 경우 30% 까지도 분무각 편차가 커 짐을 확인할 수 있다.

(4) 고품 인젝터의 경우 개변압력이 낮아 분무 발달 속도가 느려 동일 시점에서의 전체 분무면적이 신품 인 젝터에 비해 20% 정도 작게 측정되었다.

후 기

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기

술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니 다(No. 20206410100070).

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