A Study on the Non-evaporating Diesel Spray Characteristics as a Function of Ambient Pressure in Constant Volume Combustion Chamber

Journal of the Korean Society of Marine Engineering

정적챔버에서 분위기 압력에 따른 비증발 디젤분무특성 연구

전충환†․정정훈

¹

¹

²

²

(원고접수일：2010년 6월 8일, 원고수정일：2010년 6월 21일, 심사완료일：2010년 7월 22일)

A Study on the Non-evaporating Diesel Spray Characteristics as a Function of Ambient Pressure in Constant Volume Combustion Chamber

Chung-Hwan Jeon†․Jeong-Hoon Jeong¹․Hyun-Kyu Kim¹․Ju-Hun Song²․Young-June Chang²

요 약 : 본 연구의 목적은 다양한 분위기 압력 하에서 커먼레일 디젤인젝터를 통해 분사되는 비증발 디젤 분무특성에 관한 연구이다. 디젤분무의 거시적 특성으로 분무관통거리와 분무각을 음영사진과 이미지프 로세싱으로 연구하였다. 수치해석은 상용 CFD프로그램인 AVL-FIRE를 사용하였다. 분열모델은 WAVE모델을 사용하였으며 표준 k-ε난류모델을 적용하였다. 분무각과 Zeuch법을 적용한 연료 분사율 을 수치해석의 입력값으로 사용하였다. 분무관통거리를 실험값과 비교하여 좋은 결과를 얻었고 수치해석 을 통하여 노즐팁 하류방향으로 분무의 각 구간별 액적입경분포를 알아보았다.

주제어 : 디젤 분무, 분무관통거리, 분사율, 액적입경분포, 분위기압력

Abstract:

Comparison with experimental result such as spray tip penetration was good agreement. Distribution of droplet diameter were conducted on four planes where the axial distances were 5, 15, 39 and 49mm respectively downstream from the orifice exit.

Key words:

†교신저자(부산대학교 기계공학부, E-mail:[email protected], Tel: 051-510-3035) 1 부산대학교 기계공학부 대학원

2 부산대학교 기계공학부

1. 서 론

디젤분무특성은 연소과정에 큰 영향을 미치는 공 기와 연료의 혼합과정을 지배하는 중요한 인자가 되며 결과적으로 기관의 연소와 배기 배출물 특성 에 큰 영향을 준다. 디젤분무의 거시적 특성으로 분무관통거리(Spray tip penetration), 분무각

(Spray cone angle) 등이 있으며 미시적 특성으 로 대표적인 것이 액적입경분포(Droplet diameter distribution)가 있다.

분무관통거리가 너무 길게 되면 연료가 벽면에 충돌하여 혼합률의 감소와 배기가스의 증가를 유발 하고 반대로 짧으면 실린더 내의 가장자리에 있는

공기를 충분히 이용하지 못하게 된다[1]. 그러므로 적절한 분무관통거리에 대한 최적의 조건을 찾는 것이 중요하다. 그리고 액적의 크기와 그 분포는 혼합기 형성과 연소시간을 좌우하는데 액적의 크기 가 분무전체에 대하여 각 위치별로 얻어질 수 있다 면 그 분무의 특성을 파악하는 최상의 방법이며 이 에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. Hiroyasu와 Arai 등은 분무에 대한 SMD(Sauter Mean Diameter)를 측정하였으며 Reitz와 Diwakar 등은 정상상태분무의 입경분포에 대한 수치해석을 수행하였다[2-3].

본 연구에서는 분무관통거리를 관찰하기 위하여 정적챔버 내 다양한 분위기압력 조건 하에서의 디 젤분무 발달형상을 음영사진기법으로 촬영하여 분 무의 거시적인 특성을 측정하였고 상용 CFD프로 그램인 AVL-FIRE를 통한 해석결과 값과 비교 및 검증하였다. 검증 후 계산을 통하여 분무의 노즐 축 방향에 수직한 방향에 대하여 구간별 액적입경 분포를 분석했다. 그리고 Zeuch법을 적용하여 연 료 분사율을 측정하여 수치해석의 입력 값으로 이 용하였다.

2. 실험장치 및 방법

2.1 실험장치

Figure 1은 실험장치의 개략도를 나타낸다. 정 적챔버는 φ=80mm의 원형 가시화 창 2개로 내부를 관찰할 수 있다. 분무사진은 Photron SA4 고속 카 메라를 사용하여 해상도 192*624, 22,500fps, 셔 터속도 1/60,000s 로 하였다. 인젝터는 BOSCH 사의 자동차용이며 실험의 수행을 위하여 5분공 중 1개 분공만 노출시키고 나머지 4개 분공은 레이저 스팟용접으로 유로를 차단하였다. 분사압력의 제어 는 TEMS사의 TDA-1100, 인젝터의 제어는 TEMS사의 TDA-3300 인젝터 드라이버를 사용 하였다. 고속카메라와 인젝터의 동기화를 위해서 SRS사의 DG-535 Pulse Generator를 사용하 였다. 커먼레일의 고압펌프 구동을 위해 1.5kW 단상유도전동기(1750rpm)를 사용하였다. 정적챔 버의 압력을 측정하기 위해서 Kistler사의 6061B 압력센서와 Type 5015 앰프를 사용하였다. 음영

사진을 촬영하기 위해서 55W 텅스텐전구와 2개의 볼록렌즈, 1개의 오목렌즈를 사용하였다. Figure 2는 본 연구에서 사용한 Zeuch법 분사율 실험장 치의 압력용기 개략도를 나타내고 있다. 디젤연료 의 체적탄성계수(Modulus of elasticity)와 1회 분사량을 고려하여 체적은 약 15cc로 결정하였다.

Figure 1: Schematic diagram of experimental setup

Figure 2: Diagram of injection rate measurement

2.2 실험조건 및 방법

본 연구의 실험조건을 Table 1에 나타내었다.

연료는 일반 디젤연료이고 정적챔버 내의 분위기 기체는 공기로 하였다. 분위기압력을 9, 13 그리 고 17bar로 변화시켜가며 분사압력 1200bar로 분사하여 실험하였다. Figure 3은 본 연구에서 측정한 분무관통거리와 분무각의 측정 개략도를 나타낸 그림이다. 상부에 있는사진이 실험을 통하 여 촬영한 디젤분무에 대한 음영사진이고 이것을 스레스 홀드 레벨 45로 후처리하여 하부에 있는 그림과 같이 변화시켜 분무관통거리와 분무각을 측정하였다.

Table 1: Experimental condition

Fuel Diesel

Fuel density[kg/m³] 839.2

Ambient gas Air

Ambient

Temperature[K] 288 Nozzle type Mini-sac Hole Diameter[mm] 0.163

L/D 5.52

Injection

duration[ms] 1.2

Injection

pressure[bar] 1200 Ambient

Pressure[bar] 9, 13, 17 Ambient

density[kg/m³] 10.98, 15.87, 20.75

Figure 3: Measurement of spray characteristics

3. 수치해석

3.1 지배방정식

분무유동 해석에 있어서 기상의 연속상은 Euler 관점에서 액상의 분산상은 Lagrange 관점에서 해 석하는 Euler-Lagrange 방법을 사용하였고, 분 무유동에 대한 연속상의 난류 운동은 표준 k-ε모델 을 사용하였다. 일반좌표계(

x _j

 t

 



   x

 

u



   x

 

 x





 S

 S

(1)

여기서

^S

^S

한 생성항을 나타낸다. 분산상의 운동량방정식은 식 (2)와 같다. 여기서

^F

^F

^F

^F

m

 dt du

 F

 F

 F

 F

3.2 분열모델(Breakup model)

본 연구에서는 최근까지 개발된 액적분열에 대한 수학적 모델들 중 가장 보편적으로 사용되고 있는 WAVE 모델(R.D.Reitz)을 사용하였다[5]. 액체 제트와 주위기체와의 상대속도에 의한 공기역학적 인 과정에 의해 발생되는 표면의 비안정성을 미립 화의 주된 요인으로 생각하여 액체제트의 1차 선형 안정성해석을 사용한 모델을 제안하였다. 액적이 주위 기체와의 상호 작용에 의해 변형을 일으킬 최 대 성장률





   ∙ r ×     ∙We



   ∙Oh

   ∙T



   ^ 



r



^   Oh   ∙T



   ∙We

(4)

여기에서,

^{T  OhWe}

식 (3),(4)에서 Ohnesorge 수

^{Oh  We}



Re

이고 액적 및 기상의 Weber 수

^We

 

U

r

이다. 한편 액적의 Reynolds 수

^Re

 Ur

^r

^U

r

 C



여기에서

^C

 _a

 dt

dr   

r  r



(6)

분열시간의 계수값

^C

여러 연구에서 분열시간이 다양한 값으로 사용되는 것으로 보아 WAVE모델에서

^C

^C

 

3.3 해석조건 및 계산격자

수치해석의 조건은 실험조건인 Table 1과 동일 하며 연료는 일반디젤연료와 가장 유사한 N-dodecane을 사용하였다. 그리고 AVL-FIRE 의 Mesh Tool을 사용하여 Figure 4와 같이 정적 챔버를 모델링하고 격자를 생성하였으며 분무되는 영역은 주변보다 4배 조밀한 격자를 생성하였고 크 기는 0.5☓0.5☓1mm이다. 총 격자의 수는 400,000개이며 육면체 격자(Hexa Mesh)이다.

Figure 4: CVCC modeling and mesh structure

Figure 5: Calculation position

3.4 액적입경분포 계산

본 연구에서는 분무가 가장 발달 했을 때(분사 후 1.2ms)를 기준으로 각 구간을 나누었으며 Figure 5에 나타내었다. Z방향으로 분무 축 하류에 수직한 평면으로 5, 15, 39 그리고 49mm 위치에서와 분 무전체에 대한 액적입경분포를 계산하였다.

4. 결과 및 고찰

4.1 분사율

Figure 6은 연료로 가득채운 체적 V의 용기 안 에 △V만큼의 연료가 분사되었을 때의 압력변화

△P를 나타내었고 그에 따른 체적탄성계수의 관계 를 나타내면 식 (7)과 같다.

K  ∆P ×  V

∆V

Figure 6: Pressure increase in a pressure vessel

Figure 7: Fuel injection rate

식 (7)에서 나온 값을 이용하여 연료의 분사율을 식 (8)와 같이 나타낼 수 있다[6].

 dt dm  

×  K

V ×  dt

dp

Figure 7은 분사압력 1200bar, 분위기압력 20bar일 때 분사시간에 따른 연료 분사율 특성을 나타낸 그래프이다. 초기 니들이 완전히 개방되는 데 약 0.15ms가 걸리는 것을 확인 할 수 있으며 분사율 곡선을 적분한 값이 실험으로 측정된 1회분 사량인 9.4mg과 유사함을 확인할 수 있다.

4.2 분무관통거리

Figure 8은 정적챔버 내 분사된 디젤분무에 대 한 음영사진을 분위기압력 9, 13 그리고 17bar에 대해 시간에 따라 나타내었고 Figure 9는 분사압 력이 1200bar이고 분위기압력이 17bar일 때 분 무발달 사진을 시간에 따라 실험과 수치해석을 비 교하여 나타내었다. Figure 10은 분사압력이 1200bar일 때 분위기압력 변화에 따른 분무관통 거리를 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 실험과 계 산 모두 분위기압력의 증가에 따라 분무의 완전발 달영역(분사 후 1.2ms)에서 분무관통거리가 약 4~5mm정도 짧아지는 경향을 보이고 있다. 초기 분무에서는 액적의 속도가 매우 높고 저항을 많이 받지 않아 급격하게 증가하지만 하류로 갈수록 속 도가 느려진 액적이 저항을 많이 받아 완만하게 증 가하는 것을 볼 수 있다. 내부 밀도가 증가 할수록 주위기체와 액적 간 상대속도의 감소, 분무끝단의 면적의 증가, 그리고 주위기체의 항력의 증가로 분 무관통거리가 짧아지는 것으로 판단된다[1,7].

4.3 분무각

Figure 11은 분사 압력이 1200bar일 때 분위기 압력 변화에 따른 분무각을 시간에 따라 나타낸 그 래프이다. 분위기 압력이 상승할수록 분무각은 커지 는 경향이 나타났으며 분무 초기에 분무각은 급격하 게 증가하였다가 0.1~0.2ms 지난 뒤에는 분무각 이 일정한 값으로 수렴하는 것을 알 수 있다. 분위기 압력의 상승으로 인한 주위기체밀도의 상승은 액적 의 저항을 증가시켜 분무끝단의 면적이 증가하여 분

무의 퍼짐현상이 일어나는 것으로 사료된다[1,7].

Figure 8: Effect of the ambient pressure on the spray

Figure 9: Comparison of experimental and calcula-

Figure 10: Effect of the ambient pressure on the

Figure 11: Effect of the ambient pressure on the

4.4 액적입경분포

Figure 12, 13은 액적입경빈도분포(Droplet diame- ter size frequency ditribution)를 액 적크기에 따라 단위입경 구간당의 비(∆n/∆d)로 나타내었다. ∆n은 단위 입경 구간당의 총 액적수 (N)에 대한 각 입경 구간(d~d+∆d)의 액적수 (∆N)의 비(N/∆N)이고 ∆d는 단위 입경구간의 길이(1μm)이다[8].

Figure 12는 분사 시작 후 1.2ms일 때의 분무 전체 액적입경분포를 분위기압력 9, 13 그리고 17bar에서 액적의 크기에 따라 나타낸 그래프이 다. 분무 상단에서의 분포는 끝단의 액적 수와 비 교하여 극히 적은 수이기 때문에 그래프에는 나타 나지 않았다. 분위기 압력이 9bar 일 때 액적의 수 가 가장 많이 나타났으며 분위기 압력이 증가할수 록 액적의 입경이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

그리고 모든 경우 10~15μm영역의 액적수가 가장 많이 나타났으며 15μm이상의 액적도 미소하게 나 타나는 것을 볼 수 있다. 액적의 크기는 (1)분위기 압력이 증가할수록 △P의 값이 작아져 분출속도가 감소하여 액적의 입경은 커지게 되며 (2)분위기밀 도의 증가는 Weber수를 증가시켜 액적의 불안정 성이 증가하여 액적이 쉽게 분열되어 액적이 작아 진다. (3)분무관통거리의 감소는 분무 끝단에서 액 적의 수밀도를 증가시켜 액적 간의 유착과 충돌이 일어날 확률을 증가시켜 액적의 크기가 크게 나타

난다. (4) 공기의 저항이 커짐에 따라 액적의 분열 시간이 오래 걸려 액적이 커지게 된다[9-10]. 본 연구에서는 (2)의 영향보다는 (1), (3), (4)의 영 향이 더 크게 나타나 분위기압력이 증가할수록 액 적의 크기가 크게 나타난 것으로 사료된다.

Figure 13은 분사 시작 후 1.2ms일 때의 분무 축 하류방향 5, 15, 39 그리고 49mm인 구간의 액적입경분포를 분위기압력 9, 13 그리고 17bar 에서 액적의 크기에 따라 나타낸 그래프이다. (a) 는 노즐 홀 직경에 가까운 액적의 입경이 분포하는 것을 알 수 있고 (b)는 하류로 내려올수록 분열이 일어나 85~105μm영역에 액적이 분포하는 것을 확인 할 수 있다. 그리고 (a), (b)모두 분위기압력 이 높을수록 액적의 크기가 더 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 분무 상단에서는 (1)과 (2)의 영 향을 받는데 분출속도 보다는 Weber 수의 증가가 더욱 크게 영향을 미치는 것으로 사료된다.

(c)에서 분위기압력이 17bra일 때 액적입경분포 가 가장 고르게 분포하지만 10mm하류인 (d)에서 는 다시 액적의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이것 역시 분위기압력의 증가에 따른 (1), (3) 그리고 (4)의 영향이 큰 것으로 사료된다. 이 것으로 보아 액적의 분열은 분무 상단에서는 Weber수의 영향을 많이 받고 하류로 내려올수록 액적과 주위기체 간의 상대속도, 액적의 수밀도, 분열시간에 영향을 받는 것으로 사료된다.

Figure 12: Droplet size distribution of spray at

(a) (b)

(c) (d)

Figure 13: Droplet size distribution of spray at (a)5mm, (b)15mm, (c)39mm, (d)49mm downstream of

5. 결 론

본 연구에서는 정적연소기 내의 분위기 압력변화 에 따른 디젤분무의 특성을 실험과 수치해석으로 연구하였고 결론은 다음과 같다.

1) 분위기 압력이 증가할수록 실험과 수치해석모 두 분무관통거리가 감소하는 경향이 유사하게 나타 났다.

2) 분위기 압력의 상승은 분무 끝단의 면적을 증 가시켜 분무각이 증가하는 경향을 보였다.

3) 액적입경분포는 분위기압력의 증가로 분열시 간이 상대적으로 오래 걸리고 액적 간의 유착현상

으로 입경이 큰 것으로 사료된다.

후 기

이 연구는 AVL-UPP 지원에 의하여 수행되었 으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

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[10] Hiroyuki Hiroyasu, Toshikazu Kadota,

"Fuel Droplet Size Distribution in Diesel Combustion Chamber", The Japan Society of Mechanical Engineers, vol. 19, no. 135, pp. 1064~1072, 1976

저 자 소 개

전충환(全忠煥)

1985년 부산대학교 기계공학과 졸업(학 사), 1987년 부산대학교 기계공학과 졸 업(석사), 1994년 부산대학교 졸업(박사), 2003～현재 부산대학교 기계공학부 교 수

정정훈(丁正勳)

2009년 동아대학교 기계공학과 졸업(학 사), 현재 부산대학교 기계공학과 대학 원 재학 중

김현규(金鉉珪)

1989년 부산대학교 기계공학과 졸업(학 사), 1992년 부산대학교 기계공학과 대 학원 졸업(석사), 1998. 부산대학교 기계 공학과 수료(박사)

송주헌(宋周憲)

1991년 서울대학교 항공공학과 졸업(학 사), 1996년 서울대학교 항공공학과 졸 업(석사), 2005년 펜실베니아 주립대학 교 졸업(박사), 2008~현재 부산대학교 기계공학부 조교수

장영준(張英俊)

1975년 부산대학교 기계공학과 졸업(학 사), 1977년 부산대학교 대학원 졸업(석 사), 1986년 동경공업대학교 졸업(박사), 1978~현재 부산대학교 기계공학부 교수