증발 조건에서 초고압 분사와 노즐 홀 직경이 디젤 유량 및 분무 특성에 미치는 영향에 대한 연구
조원규*·박영수*·배충식*,†·유 준**·김영호**
Influence of Ultra-high Injection Pressure and Nozzle Hole Diameter on Diesel Flow and Spray Characteristics under Evaporating Condition
Wonkyu Cho, Youngsoo Park, Choongsik Bae, Jun Yu and Youngho Kim
Key Words: Diesel( 디젤), Ultra-high injection pressure(초고압 분사), Micro-hole Nozzle(노즐 홀 직경), Injection rate ( 분사율), Spray visualization(분무 가시화)
Abstract
Experimental study was conducted to investigate the effects of ultra-high injection pressure and nozzle hole diameter on diesel flow and spray characteristics. Electronically controlled ultra-high pressure fuel injection system was made to supply the fuel of ultra-high pressure consistently. Three injection pressures, 80, 160, and 250MPa were applied. Four type of injec- tors with identical eight nozzle holes were used. The four injectors have nozzle hole diameters of 115, 105, 95, and 85µm respectively. Injection quantity and rate were measured to investigate flow characteristics according to injection pressures and nozzle hole diameters. Mie-scattering and shadowgraph were performed to visualize liquid and vapor phases of diesel spray in a constant volume combustion chamber (CVCC). Ambient conditions of high pressure and high temperature in a diesel engine were simulated by using CVCC.
기호설명
CVCC : constant-volume combustion chamber NO
x: nitrogen oxides
PM : particulate matter H
2: hydrogen C
2H
2: acetylene O
2: oxygen
N
2: nitrogen
BTDC : before top dead center
1. 서 론
최근 디젤 엔진은 높은 열 효율과 토크 특성으로 인 하여 승용차 시장에서 널리 이용되고 있다. 하지만, 디 젤 엔진은 상대적으로 높은 질소 산화물(NO
x, nitrogen oxides) 과 입자상 물질(PM, particulate matter)을 배출한 다는 단점을 가지고 있다. 따라서 점점 엄격해지는 배기 규제를 만족하기 위하여 질소 산화물과 입자상 물질을 동시에 저감할 수 있는 다양한 연료 분사 및 연소 기술 에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, EURO-6 규제 및 Post EURO-6 규제 대응을 위해 선진 자동차 부
Recieved: 6 Mar 2015, Recieved in revised form: 17 Mar2015, Accepted: 18 Mar 2015)
*KAIST 기계공학과
**현대자동차 선행디젤엔진개발팀
†책임저자, 회원, KAIST 기계공학과 E-mail : [email protected]
TEL : (042) 350-3044 FAX : (042) 350-5044
개발에 한계를 가지고 있다
(3-6). 또한 실제 엔진 내 분위 기 조건을 모사하여 분무 특성을 연구하는 사례들이 점 점 증가하고 있는 추세인데
(7), 초고압 분사와 마이크로 홀 노즐 적용에 따른 분무 특성을 연구 사례는 극히 드 물고, 이에 대한 명확한 해석도 부족한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 실제 엔진에 적용이 가능한 정 밀한 전기 제어 방식을 이용하는 초고압 분사 시스템과 실제 엔진 연소실의 분위기 온도와 압력을 모사할 수 있는 정적 연소 챔버(CVCC, constant-volume combus- tion chamber) 를 이용하여, 분사 압력과 노즐 홀 직경에 따른 유량 및 분무 특성을 면밀히 파악하고자 한다.
2. 실험 장치 및 조건
2.1. 실험 장치
Fig. 1 은 분사압력 250 MPa 달성을 위한 초고압 연료
경을 통해 모터 회전 속도를 변경할 수 있도록 AC 모 터 인버터를 설치하였다.
분사량은 전자 저울을 이용하여 분사된 연료의 질량 을 측정하였다. 분사율은 Bosch tube 방식의 연료 분사 율 측정 장치를 이용하여 측정하였고, 분사율 측정 장치 에는 분사된 연료의 압력 파형 정보를 취득하기 위해 피에조 압력 센서(Kistler, 6052C type)가 장착되었다.
실제 엔진 연소실의 분위기 압력/온도를 모사하고, 거 시적인 분무 특성을 파악하기 위하여 CVCC를 이용하 였다. CVCC의 제원은 Table 1과 같다. 챔버의 용적은 약 1.4 L이며, 인젝터가 설치되는 면을 제외하면 총 5개 의 가시화 창을 설치할 수 있다. 분무가 일어나는 시점 에 엔진 내 분위기 압력/온도를 모사하기 위해서 챔버에 예혼합기를 넣어 예연소를 하였다. 우선 진공 펌프를 이 용하여 챔버 내를 진공 상태로 만들고, 수소(H
2, hydro- gen), 아세틸렌(C
2H
2, acetylene) 산소(O
2, oxygen) 와 질 소(N
2, nitrogen) 를 순차적으로 주입하여 예혼합기를 형 성시켰다. 형성된 예혼합기를 연소시키기 위하여 2개의 점화 플러그가 설치되어 있다. 완전 연소를 구현하기 위 해 챔버 온도를 473 K로 유지하였다. 챔버 내 압력은 피에조 압력 센서(Kistler, 6141B type)를 이용하여 100 kHz 의 주파수로 취득하였다. 분사 신호는 예연소를 일 으키는 점화 플러그 신호와 동기화 하였다. 점화 플러그 에 신호가 들어가게 되면 예연소가 시작되게 되는데, 이때 챔버 내 압력이 급격하게 상승하게 되고, 그 이후
Fig. 1 Schematic of electrically controlled ultra-high pres- sure fuel injection system
Table 1 CVCC specifications
Item Level
Volume [L] ~1.4 (1.39) Material S45C (C 0.45%)
Optical window 5 for diameter of 100 mm (Quartz)
쿨다운 과정을 거치면서 압력이 서서히 낮아지게 된다.
이 과정에서 원하는 분위기 압력이 되었을 때 분사 신 호가 인가되어 실제 분무가 일어날 수 있도록 신호 체 계를 동기화 하였다. 그리고 분사 신호가 인가되는 동시 에 초고속 카메라(Vision Research Inc., Phantom V.7.1) 에서 이미지 취득을 시작하였다. 이 때 초고속 카메라의 셔터 속도를 초당 20,000 프레임으로 설정하여 50 µs 간 격으로 이미지를 취득하였다.
액상 분무 이미지 취득을 위한 Mie-scattering 기법의 구성도는 Fig. 2(a)와 같다. 액상 분무 이미지 취득을 위 하여 초고속 카메라와 고휘도 방전 (High Intensity Dis- charge, HID) 램프를 사용하였다. 기상 분무 이미지 취 득을 위한 shadowgraph 기법의 구성도는 Fig. 2(b)와 같 다. 기상 분무 이미지 취득을 위하여 초고속 카메라, 텅 스텐 (Tungsten) 램프와 2개의 오목거울을 사용하였다.
취득한 액상 및 기상 분무 이미지에서 분무 도달 거 리는 노즐 팁에서부터 분무의 축 방향으로 가장 먼 거 리에 위치한 분무 경계까지의 거리로 정의하였다. 또한, 분무각은 분무 도달 거리의 1/2지점에서의 분무의 양쪽
경계와 노즐 팁을 잇는 각도로 정의하였다. 취득한 분무 이미지는 하우스코드(housecode)를 이용하여 처리하였 다. 액상 및 기상 분무 이미지의 처리 과정은 Fig. 3과 같다. Mie-scattering 결과의 경우, 분사 직전 이미지를 배경으로 선정하고, 분사 이미지들에서 배경을 제거하 였다. 배경을 제거한 이미지에서 실제 액상 분무의 경계 를 대변할 수 있는 밝기를 선정하고 binary image로 변 환하였다. 그리고 분무의 각 축에서 분무 도달 거리와 분무각을 찾았다. Shadowgraph 결과의 경우, 배경의 밀 도 구배도 같이 촬영되는데, 분위기 조건 형성 위한 예 연소로 인해 시간이 지남에 따라 배경도 변하게 된다.
따라서 배경이 변하지 않은 초기의 분무에서는 Mie- scattering 이미지 처리와 동일하게 분사 직전의 이미지 를 배경으로 선정하였고, 배경의 변화가 많이 진행된 이 후에는 처리하는 이미지의 바로 직전 이미지를 배경으 로 선정하였다. 또한, 배경을 제거 후, 노이즈를 제거하 기 위해서 필터를 이용하였다. 그 후 과정은 Mie-scat- tering 이미지 처리와 동일한 과정으로 진행되었다.
Fig. 2 Schematics of (a) Mie-scattering and (b) shadow- graph techniques to visualize liquid and vapor phases of diesel spray in CVCC
Fig. 3 Image process procedures for two spray visualiza- tions, (a) Mie-scattering and (b) shadowgraph
Table 2 Specifications of Injectors
Item Level
Number of hole 8
HFR [cc/min@10MPa] 670 560 460 360 Hole diameter [ µm] 115 105 95 85 Hole length [ µm] 620
Included angle [
o] 153
k-factor 1.5
Table 2 는 본 연구에 사용한 인젝터들의 제원이며, Fig. 4 은 인젝터 내부 형상 및 Sac 형상이다. 그리고 Table 3(a) 는 유량 및 분무 특성을 파악하기 위한 실험 조건이다. 노즐 홀 직경에 대한 영향을 살펴보기 위하여, 노즐 홀 직경이 각각 115, 105, 95, 85 µm인 4종의 인젝 터를 사용하였다. 분사 압력 조건은 80, 160, 250 MPa 로 선정하였다.
분사량, 분사율과 분무 가시화 실험들은 노즐 홀 직경 이 다른 4종의 인젝터와 3개의 분사 압력을 대상으로 총 12가지 조건에 대해서 수행되었으며, 모든 실험에서 분사 시스템에 공급되는 연료의 온도는 313K로 고정하 였다.
도, 압력과 밀도 조건이다. 이 분위기 조건은 승용 디젤 엔진 내에서 약 5~10 BTDC(before top dead center)에 해 당하는 조건이다. 본 연구의 분위기 조건은 비연소 조건 ( 산소 농도 0%)에서 수행되었다. 예연소 이후 산소 농도 0% 를 달성하기 위해 예혼합기의 조성 비율을 H
20.50%, C
2H
23.20%,O
28.25% 그리고 N
288.05% 로 하였다
(7-8).
3. 실험 결과 및 고찰
3.1. 분사량
Fig. 5(a) 는 노즐 홀 직경이 105 µm인 인젝터를 대상 Table 3 Experimental conditions for (a) flow and spray characteristics and (b) ambient T,P and ρ in CVCC
(a)
Item Level
Fuel temperature [K] 313
Injection pressure [MPa] 80 160 250
Energizing time [ µs]
200~1,600 (for injection quantity) 1,225 (for injection rate) 516~1,963 (for spray visualization) Injection quantity [mg] 30 (for spray visualization)
Test repetition number 1000 (for injection quantity), 128 (for injection rate), 3 (for spray visualization)
(b)
Item Level
Ambient temperature [K] 973
Ambient pressure [MPa] 5
Ambient density [kg/m
3] 17.2
Injection timing in engine [BTDC] Approx. 5~10
으로 분사 압력이 80, 160, 250 MPa인 조건에서 분사량 측정 결과이다. 동일한 분사 압력에서 통전 기간의 길이
가 길어지거나, 동일한 통전 기간에서 분사 압력이 증가 하면 분사되는 연료의 양이 증가하였다. 동일한 통전 기 간에서 분사 압력이 80 MPa에서 250 MPa로 증가할 경 우, 분사되는 연료의 양은 80% 이상 증가하였다.
Fig. 5(b) 는 분사 압력 250 MPa 조건에서 노즐 홀 직 경이 115, 105, 95, 85 µm인 4개의 인젝터를 대상으로 분사량을 측정한 결과이다. 동일한 분사 압력과 동일한 통전 기간에서 노즐 홀 직경이 115 µm에서 85 µm로 감 소하였을 경우, 분사되는 연료의 양은 40% 이상 감소하 였다.
Fig. 5(c) 는 동일한 통전 기간 (1,225 µs)에서 분사 압 력과 노즐 홀 직경에 따른 분사량 결과를 나타낸다. 분 사 압력이 높아지고, 노즐 홀 직경이 커질수록 분사되는 연료의 양은 증가하는 경향을 보였다. 노즐 홀 직경이 115 µm인 인젝터에서 분사 압력 80 MPa일 때의 분사 량과 동일한 분사량을 달성하기 위해서는 노즐 홀 직경 이 95 µm인 인젝터에서는 160 MPa, 85 µm에서는 250 MPa 의 분사 압력이 필요하다는 것을 확인할 수 있었다.
디젤 엔진에서 인젝터의 노즐 홀 직경이 작아질수록 PM 의 생성을 저감할 수 있고, 결국 NOx와 PM의 trade- off 관계를 개선할 수 있다는 연구결과들이 있다
(9-10). 이 러한 연구결과들이 실효성을 가지기 위해서는 노즐 홀 직경이 작아지더라도 필요한 연료의 양을 짧은 시간 내 에 분사시킬 수 있는 초고압 분사도 동시에 적용되어야 한다는 것을 확인하였다.
3.2. 분사율
Fig. 6(a) 는 분사 압력의 변화에 따른 분사율 곡선을 나타낸 것이며, Fig. 6(b)는 노즐 홀 직경의 변화에 따른 결과이다. 통전 기간이 1,225 µs으로 주어졌을 때, 실제 분사의 시작 시기는 통전 시작 이후 약 400 µs가 지난 시점이었고, 종료 시기는 통전 시작 이후 약 2,000 µs가 지난 시점이었다. 실제 분사가 일어난 기간은 약 1,600 µs 이었다. 이와 같은 통전 기간 대비 실제 분사의 지연은 인젝터의 니들 관성에 기인한 것으로 판단된다. 또한, 노즐 홀 직경에 따른 결과를 살펴보면, 인젝터마다 실제 분사가 시작되는 시기와 종료되는 시기가 서로 다른 경 향을 보였는데, 이는 노즐 홀 직경에 따른 영향보다는 솔레노이드 성능이나 스프링 강도, 저항 등 인젝터 자체 특성의 차이에 의한 영향으로 보인다. 따라서 노즐 홀 직경에 따른 영향을 살펴보기 위해서는 분사의 시작 및 종료 시기보다 분사율 최대값이나 평균값을 비교하여야 한다.
Fig. 5 Injection quantity according to (a) the injection
pressures, (b) the nozzle hole diameters, and (c)
both the injection pressures and the nozzle hole
diameters with the energizing time of 1,225 µs
였고, 노즐 홀 직경 85 µm의 인젝터에서는 83% 증가 하여 85 µm에서 분사율 증가 비율이 감소하였다. 초 고압 분사와 마이크로 홀 노즐을 동시에 적용할 경우, 마찰이나 공동 현상 등의 영향을 더 많이 받는 것으로
추정된다
(11-12). 따라서 노즐 홀 직경을 감소시킴과 동
시에 분사 압력을 높일 때 유량 확보 측면에서 한계가 존재할 것이다.
3.3. 액상 분무 가시화
실제 엔진 내 분위기 조건을 모사하고 Mie-scattering 기법을 이용하여 분무의 액상을 가시화하였다. Fig. 7은 노즐 홀 직경이 105 µm일 때, 분사 압력에 따른 액상 분무 도달 거리(a)와 액상 분무각(b)의 발달과정을 나타 낸 것이다. 이 때 분사가 되는 연료의 양은 30 mg으로 고정시켰다. 분사 압력이 높을수록 액상 분무 도달 거리 는 빠르게 안정화되었다. 또한, 분사 압력이 높을수록 동일 시간에 많은 양의 연료를 분사함에도 불구하고 액 상 분무 도달 거리에 있어서는 큰 차이가 없었다. 그리 고 고온 고압의 증발 조건에서는 분사된 연료가 분사 이후 빠르게 액상에서 기상으로 증발하기 때문에, 분사 압력이 80 MPa에서 250 MPa로 증가하였을 때, 통전 시 작부터 모든 연료가 분사되고 액상에서 기상으로 변하 는데 필요한 시간이 1,932 µs에서 1,104 µs로 43% 단축되 었다. 액상 분무각도 분사 압력이 높을수록 빠르게 안정 화 되었고, 분사 압력 변화에 큰 영향은 받지 않았다
(13). 이와 같은 결과를 토대로 200 MPa 이상의 초고압 분사 를 실제 엔진에 적용할 경우, 높은 압력으로 분사된 연 료에 의한 추가적인 피스톤 적심 현상은 없을 것이라고 추정할 수 있다.
Fig. 8 은 분사 압력 250 MPa에서 노즐 홀 직경에 따 른 액상 분무 도달 거리(a)와 액상 분무각(b)의 발달과 정을 나타낸 것이다. 노즐 홀 직경이 감소할수록 안정화 Fig. 6 Injection rate curves according to (a) the injection
pressures and (b) the nozzle hole diameters, and
(c) the average (of the values more than 90% of
the peak) of injection rate according to both the
injection pressures and the nozzle hole diameters
된 액상 분무 도달 거리가 감소하였는데, 노즐 홀 직경 이 115 µm에서 85 µm로 감소하였을 때 액상 분무 도 달 거리는 42% 감소하였다. 액상 분무각은 노즐 홀 직 경이 작아질수록 커지는 경향을 보였다.
Fig. 9 은 분사 압력과 노즐 홀 직경에 따른 안정화된 액상 분무 도달 거리와 액상 분무각을 정리한 그래프이 다. 안정화된 액상 분무 도달 거리와 액상 분무각은 분 사 압력보다는 노즐 홀 직경에 따른 영향을 더 크게 받 았다. 특히, 노즐 홀 직경이 85 µm인 인젝터에서 분사 압력이 증가할 경우 액상 분무각이 확연히 증가하는 경 향을 보였다. 그리고 분사 압력 250 MPa인 초고압 분사 와 노즐 홀 직경이 85 µm인 인젝터를 동시에 적용한 경 우가 총 12가지 조건 중에서 액상 분무 도달 거리는 가 장 짧고 액상 분무각은 가장 컸다.
3.4. 기상 분무 가시화
기상 분무 가시화 실험에서도 예연소를 통해 실제 엔 Fig. 7 (a) Liquid penetration, and (b) liquid spray angle
according to the injection pressures
Fig. 8 (a) Liquid penetration, and (b) liquid spray angle according to the nozzle hole diameters
Fig. 9 Saturated liquid penetration, and saturated liquid
spray angle according to both the injection pres-
sures and the nozzle hole diameters
진 내 분위기 조건을 모사하였고, shadowgraph 기법을 이용하여 분무의 기상을 가시화하였다. Fig. 10는 노즐 홀 직경이 105 µm일 때, 분사 압력에 따른 기상 분무 도달 거리(a)와 기상 분무각(b)의 발달과정을 나타낸 것 이다. 분사 압력이 높을수록 기상 분무 도달 거리가 더 빠르게 증가하였다. 기상 분무각은 Fig. 7(b)의 액상 분 무각과 같이 분사 압력이 높을수록 빠르게 안정화되었 다. 하지만, 분무의 기상은 액상과는 달리 주변 기체와 의 상호작용이 활발하여, 기상 분무각은 안정화된 이후 에도 액상 분무각에 비하여 상대적으로 편차가 큰 것을 관찰할 수 있었다. 또한 액상 분무각은 분사 압력을 높 일수록 변화가 거의 없거나 다소 커지는 경향을 보였는 데, 기상 분무각은 반대로 더 작아지는 경향을 보였다.
이는 분사 압력이 높을수록 분무의 기상에서 축 방향 운동에너지의 변화가 반경 방향보다 더 크다는 것을 말
해준다.
Fig. 11 은 노즐 홀 직경에 따른 기상 분무 도달거리(a) 와 기상 분무각(b)의 발달과정을 나타낸 것이다. 노즐 홀 직경이 감소할수록 기상 분무 도달 거리가 증가하는 속도가 감소하였다. 기상 분무각은 노즐 홀 직경이 감소 할수록 다소 증가하는 경향을 보였고, 안정화된 기상 분 무각의 편차도 더 큰 것을 확인하였다. 이와 같은 결과 는 노즐 홀 직경이 감소할 경우 기화된 연료와 주변 기 체 사이의 상호작용이 더 활발해졌다는 것을 나타낸다.
Fig. 12 은 각 조건에서 초기 기상 분무 도달 거리의 증가율과 안정화된 액상 분무각을 정리한 그래프이다.
초기 기상 분무 도달 거리의 증가율은 분사 압력이 높 을수록 확연히 증가하였고, 노즐 홀 직경이 감소할수록 감소하였다. 기상 분무각의 경우에는 분사 압력이 높을 수록 다소 감소하는 추세를 보였으며, 노즐 홀 직경이 Fig. 10 (a) Vapor penetration, and (b) vapor spray angle
according to the injection pressures
Fig. 11 (a) Vapor penetration, and (b) vapor spray angle
according to the nozzle hole diameters
감소할 때에는 다소 증가하는 추세를 보였다. 이와 같은 결과를 토대로 실제 기상이 분포한 면적 및 부피를 정 량화한다면 균질한 연료-공기 혼합기가 형성되었는지에 대한 판단을 할 수 있을 것으로 생각된다. 이와 같은 분 무 이미지 분석 방법의 개선이 이루어진다면, 분무 이미 지로부터 더 많은 정보를 취득할 수 있을 것으로 생각 된다.
4. 결 론
실제 엔진에 적용 가능하도록 지속적으로 운전 가능 한 초고압 분사 시스템을 이용하여 분사 압력과 노즐 홀 직경에 따른 유량 특성에 미치는 영향을 파악하였다.
그리고 실제 엔진 내 분위기 조건을 모사할 수 있는 CVCC 를 이용하여 액상과 기상 분무 가시화를 수행하 여 분사 압력과 노즐 홀 직경이 분무 특성에 미치는 영 향을 파악하였다.
1) 동일한 통전 기간에서 분사 압력이 높아지거나 노 즐 홀 직경이 증가할 때 분사되는 연료의 양은 증가하 였다. 노즐 홀 직경을 감소시켜 실질적인 배기 개선 효 과를 얻기 위해서는 감소한 유량을 보상할 수 있는 초 고압 분사를 적용해야 한다.
2) 노즐 홀 직경이 115 µm인 인젝터보다 85 µm인 인 젝터에서 분사 압력의 증가에 따른 분사율 증가 폭이 낮았는데, 이는 초고압 분사와 마이크로 홀 노즐을 동시 에 적용하였을 때 마찰이나 공동 현상 등의 영향을 더 많이 받는 것으로 추정된다. 따라서 노즐 홀 직경 감소
와 분사 압력 증가를 동시에 적용할 경우, 유량 확보 측 면에서 한계가 존재할 것이다.
3) 분사 압력이 증가하더라도 액상 분무 도달 거리는 증가하지 않았다. 노즐 홀 직경이 감소하면 액상 분무 도달 거리는 감소하고 액상 분무각은 증가하였다. 따라 서 실제 엔진에서 더 높은 분사 압력을 적용하더라도 추가적인 피스톤 적심현상은 나타나지 않을 것이다. 그 리고 더 작은 노즐 홀 직경을 적용할 경우에는 액상 분 무각의 증가로 인한 연소실 상부의 적심현상에 유의해 야 한다.
4) 분사 압력과 노즐 홀 직경이 증가할수록 초기 기상 분무 도달 거리의 증가율은 증가하였고, 기상 분무각은 감소하였다. 기상 분무 도달 거리와 기상 분무각의 경향 이 상반되어 실제 분무가 차지하고 있는 면적을 정량화 하는 것이 의미가 있을 것으로 판단된다. 실제 분무의 면적 및 부피의 정량화를 통해 공기-연료 혼합기의 균 질 정도를 파악할 수 있을 것이다.
후 기
본 연구는 현대자동차 산학 과제 및 현대자동차 공동 연구실 제도의 일환으로 현대자동차 선행디젤엔진개발 팀과 수행된 연구로써, 현대자동차의 기술적, 재정적 지 원을 받아 수행되었습니다. 현대자동차에 감사의 뜻을 표합니다.
참고문헌
