노즐 홀 직경에 따른 단공 GDI 인젝터의 분무 특성 연구
− (2) 분무 균일도 및 미립화 특성 비교
박정현*ㆍ노승천**ㆍ상몽소*ㆍ박수한†
Study on Spray Characteristics of Single-Hole GDI Injector according to Nozzle Hole Diameter − (2) Comparison of Spray Uniformity
and Atomization Characteristics
Jeonghyun Park, Seungcheon Ro, Mengzhao Chang and Suhan Park
Key Words: Gasoline direct injection(GDI, 가솔린 직접 분사), Single hole(단공), Phase doppler particle analyzer (PDPA, 위상 도플러 입자 분석기), Spray pattern(분무 패턴), Spray uniformity(분무 균일도)
Abstract
A single spray plume is the basic unit of the entire spray plume and is an important factor in understanding the spray characteristics. However, since the multi-hole GDI injector has a narrow spray angle, the superposition of the spray plumes occurs severely. Therefore, the spray uniformity and the spray atomization characteristics of a single spray plume were ana- lyzed in this study using a single-hole GDI injector. Five single-hole GDI injectors with different nozzle hole diameters were used in the experiment. The uniformity of the spray was evaluated through the analysis of the spray pattern images. In addi- tion, the atomization characteristics were compared using the diameter distribution of the spray droplets obtained using PDPA.
As a result, the larger diameter of the nozzle hole, the less uniformity of the spray, and the injection pressure did not have a significant effect on the spray uniformity. It is judged that the surface roughness of the injector has a greater effect on spray uniformity than the diameter of the nozzle hole. Also, the size of the spray droplets increased sharply when the diameter of the nozzle hole was 230 µm.
1. 서 론
내연기관에서 완전연소를 위한 양질의 혼합기를 형성 하는데 분사 및 분무특성은 가장 중요한 인자이다. 정밀 하고 정확한 분무 타겟팅을 위하여 분사 및 분무특성을
규명하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. GDI(gaso- line direct injection, 직접 분사 방식) 엔진은 연소실 내 로 연료를 직접 분사하기 때문에 기존 PFI(port fuel injection, 포트 분사 방식)의 엔진보다 분무특성을 파악 하는 것이 더욱 중요하다. 가솔린 엔진은 다양한 직접 분사 방식 인젝터 중에서 연료의 분배가 용이하고 미립 화 등의 분무 특성이 우수한 다공 인젝터(multi-hole injector)를 많이 적용하고 있다.
따라서 미-산란(Mie-scattering), 슐리렌(Schlieren), PDPA(phase doppler particle analyzer) 등 다양한 기법을 활용한 다공 GDI 인젝터 분무특성에 대한 연구가 지속 되어졌다. Rakesh 등(1)은 분위기온도 변화에 따른 분무 (Received: 6 Aug 2020, Received in revised form: 1 Sep
2020, Accepted: 2 Sep 2020)
*전남대학교 일반대학원 기계공학과
**현대케피코, 제품설계 2팀
†책임저자, 회원, 전남대학교 기계공학부 E-mail : [email protected]
TEL : (062)530-1674 FAX : (062)530-1689
특성을 비교하였고, 포화온도, 기화잠열, 표면장력, 밀도, 연료의 점도와 같은 열-물리적 특성은 분무 플럼 발달 에 아주 중요한 영향을 미친다고 발표하였다. Liu 등(2) 은 높은 연료온도가 분무특성에 미치는 영향을 조사하 였다. 연료온도가 상승함에 따라 분무가 광범위하게 분 산되고, 분무 도달 거리는 감소하는 반면에 분무각은 증 가한다고 발표하였다. 또한 연료온도의 상승은 분무액 적의 직경을 줄어들게 하고, 261oC 이상에서는 측정할 수 없을 만큼 액적의 직경이 작아진다고 하였다. 마찬가 지로 Guo 등(3)도 연료온도의 상승은 연료액적에 미립화 를 크게 개선시킨다고 발표하였다. 이외에도 Zhang 등(4) 은 분사된 각 연료 플럼들이 노즐 팁 근처에서 간섭하 여 분무의 구조가 붕괴되는 것을 막기 위하여 연료의 온도는 충분히 높아야 하며 분사압력은 제한되어야 한 다고 발표했다.
또 최근에는 GDI 인젝터의 퇴적물에 관한 문제도 대 두되고 있다. Song 등(5)은 6홀 GDI 인젝터의 분무거동 에 미치는 퇴적물의 영향에 대한 실험적 연구를 진행하 였으며, 인젝터 오리피스의 퇴적물은 연료의 흐름을 방 해하여 분무 발달이 제대로 이루어지지 않아 연비 및 동력 손실로 이어진다고 발표하였다. 또한, Zhou 등(6)은 퇴적물과 분무의 상호작용으로 인해 분무 왜곡, liga- ment 생성에 악영향을 미치며 이러한 결과는 soot 배출 에 직접적인 영향을 미치는 원인이 될 것으로 보고하였 다. Wang 등(7)은 퇴적물의 거친 표면으로 인하여 공동 현상이 발생하고 이로 인해 유량 영역이 제한되어 질량 유량 손실이 유발된다고 발표하였다.
또한 실험에 한계가 있는 부분은 해석적 연구도 병행 되고 있다. Payri 등(8)은 GDI 인젝터에 대한 분사율 모 델을 제시하고 유사한 인젝터에 적용할 방법을 제시하 였다. 또한, 분사압력은 분사량 및 분사율의 형태에 영 향을 미치는 가장 중요한 매개변수인 것을 해석적으로 증명하였다. 최근 분무를 직접적으로 관찰하기 어렵거 나, 시간 및 비용을 절감하기 위하여 해석적인 연구도 함께 병행되어지고 있다.
이처럼 현재 대부분의 다공 GDI 인젝터에 대한 연구 는 모든 분무플럼이 합쳐진 전체의 분무의 분사 및 분 무특성에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 다공 GDI 인젝터에서 단일 분무플럼은 전체적인 분무를 구성하는 기본단위이며, 전체적인 분무특성에 직접적으로 영향을 미치는 아주 중요한 인자 중 하나로써 단일 분무 플럼 에 대한 이해는 필수적으로 요구된다. 하지만 GDI 인젝 터는 분사각이 좁기 때문에 분무의 중첩 및 간섭으로
인하여 다공 GDI 인젝터의 분무영상에서 단일 분무플 럼을 구별하는 것은 쉬운 일이 아니다(9). 이러한 한계를 극복하기 위하여 단공 인젝터의 분무특성에 대한 연구 를 진행해 분무타겟팅과 분무안정성 등을 단공 GDI 인 젝터의 기초설계인자로 활용할 수 있다.
따라서 본 연구의 목적은 다양한 노즐 홀의 직경을 가진 단공 GDI 인젝터를 활용하여 단일 분무플럼의 분 무균일도 및 분무미립화 특성을 비교하는 것이다. 분무 단면을 촬영하는 분무 패턴 분석을 통하여 분무중심의 위치 및 편차를 활용하여 분무 균일도를 분석하였고, PDPA 실험을 통하여 분무액적의 크기 및 분포를 활용 하여 분무미립화 특성을 규명하였다.
2. 실험장치 및 방법
2.1 실험장치
Figure 1(a)는 분무패턴 측정 장치의 개략도를 나타낸
Fig. 1 Schematic diagram of experimental devices (a) sys- tem of spray pattern visualization (b) phase dop- pler particle analyzer system
것이다. 분무의 단면을 촬영하기 위해서 평면광이 필요 하고, 평면광을 만들기 위하여 532 nm 파장의 Nd:YAG Laser(Continuum, SL2-100)를 광원으로 사용하였으며 광학렌즈를 조합하여 평면광을 생성하여 분무 단면의 영상을 취득하였다. 또한 수직으로 인젝터를 움직일 수 있도록 1D-Traverse를 설치하여 정밀하게 인젝터의 위 치를 제어하였다. 얻어진 영상은 거시적 분무가시화 영 상과 마찬가지로(10) 매트랩(MATLAB) 프로그램을 기반으 로 한 코드를 이용하여 후처리 및 데이터 취득을 하였다.
Fig. 1(b)는 위상 도플러 입자 분석기(PDPA, phase doppler particle analyzer)를 이용한 분무입경 측정장치 의 개략도를 나타냈다. 514.5 nm, 488 nm 파장의 레이 져 출력이 가능한 5W 용량을 가진 Ar-ion 레이저(Coher- ent, INNOVA 70C)를 사용하였으며, Multicolor beam separator(TSI, FBL-2)와 Fiber flow를 이용하여 레이져 를 자유롭게 움직여 레이저를 분무에 조사하였다. Receiv- ing optic에서 조사된 두 개의 레이저 정보를 받아 pro- cessor(TSI, FSA 4000)에서 처리한 데이터를 컴퓨터로 취득하였다.
각각의 PDPA 시스템의 설정은 Collection angle 은 30° Frequency range는 300 Hz에서 175 MHz, Maxi- mum sampling rate는 800 MHz, Maximum Data rate는 100 kHz로 설정하였다. 분무의 위치는 3D-Traverse를 이 용하여 측정위치를 정밀하게 제어하였다.
2.2 실험 방법 및 조건
분무패턴 측정실험은 분사압력 100, 200 bar로 설정 하였으며, 실험장치 특성상 분위기압력은 대기압(1 bar), 분위기 온도는 상온(25oC)으로 고정하고 실험을 진행하 였다. Fig. 2의 큰 초록색 점은 분무패턴 측정 실험의 측 정 단면을 나타낸 것이다. 노즐 팁부터 측정단면까지의 거리는 보다 자세한 분무발달 데이터를 취득하기 위하 여, 노즐팁 중심을 X, Y, Z=[0, 0, 0](단위:mm)의 좌표로 설정하였으며, [X, Y, Z]=[0, 0, 20]에서 [X, Y, Z]=[0, 0, 80]까지의 한 점을 노즐 팁에서 수직 방향 5 mm 단위 로 측정했다.
PDPA 실험은 분사압력 100 bar와 분위기압력은 대기 압조건하에 진행되었다. Fig. 2의 빨간색 격자와 작은 초록색 점은 PDPA 실험의 측정점을 나타낸 것이다. 인 젝터 노즐 팁으로부터 측정단면까지의 거리(Z)는 40 mm, 60 mm 및 80 mm로 설정하여, 3개의 측정면에서 분무 입경을 측정하였으며, 해당 측정면에서 인젝터 팁을 중 심으로 [X, Y]를 각각 0.5 mm씩 변화하며 측정 면을 생
성하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 분무패턴영상 분석
오리피스 직경변화에 따른 분무 플럼의 중심위치 및 중심의 편차에 대해서 분석하기 위하여 분무패턴 실험 을 진행하였다. Nd:YAG laser와 광학 렌즈들을 이용하 여 만들어진 평면광은 분무단면에 존재하는 액적에만 빛을 조사하게 되며, 평면광 단면에 존재하지 않는 액적 은 촬영되지 않는다. 이 방법을 이용하여 인젝터 노즐 팁부터 20 mm부터 80 mm까지 5 mm 단위로 거리를 증가시키며 분무패턴을 측정하였다.
Fig. 3에 분무패턴을 측정하여 후처리한 영상을 조건 별로 나열해 놓았다. 빨간 십자선을 인젝터 노즐 팁의 중심으로 분무와 분무의 중심을 나타냈다. 오리피스 직 경 110 µm 인젝터의 인젝터 팁 아래 20 mm에서 측정 한 분무패턴면적을 기준으로 상대적인 분무패턴면적을 계산하였으며, 그 결과를 이미지 오른쪽 상단에 표시하였 다. 대표적인 영상을 하나씩 선택하여 나열해 놓은 것이 며, 실제로 영상은 각 조건 당 30회씩 반복하여 취득하였 다. 분무의 발달로 인해 노즐 팁으로 부터의 거리가 멀 어질수록 분무면적이 넓어지는 경향을 보였다. 또한 인 젝터 오리피스 직경이 커질수록 전체적인 분무면적이 Fig. 2 Measurement points of spray pattern and droplet
size measuring experiment
커지는 것을 확인하였다.
이렇게 30번 반복취득한 각 분무의 중심을 평균하여 조건마다 중심의 위치를 Fig. 4에 표현하였다. Fig. 4(a) 는 인젝터 팁과 측정면 까지 거리(Dtip)가 증가할 때 분 무중심의 위치를 2D로 표현한 그래프이다. 인젝터 오리
피스 직경이 170~230 µm의 분무중심은 110, 140 µm에 비하여 분무중심의 위치가 각 인젝터마다 방향을 가지 고 이동하는 것처럼 보인다. 하지만 이것은 오리피스 직 경과는 관계없이 인젝터를 가공할 때 결정된 인젝터의 특성으로 생각된다. Moon 등[11]의 연구논문은 한 인젝 터에 대하여 오리피스 입구가 부드럽게 변하는 구조 (Round corner)와 급격하게 변하는 구조(Sharper corner) 가 동시에 존재하는 홀을 비교 분석하였다. 이 논문에 의하면 Round corner에 비해 Sharper corner 쪽에서 분 무의 반경방향 속도가 낮아지고 분무 플럼 중심이 이동 하게 된다. 본 연구에서 인젝터의 가공 때문에 오리피스 입구 형상의 차이가 생기고 분무 플럼 중심을 이동시킨 다. 또한, 홀 직경이 큰 인젝터는 분무의 반경방향 속도가 크고 오리피스 입구 구조의 차이 때문에 분무 속도의 차 이도 커서 분무 플럼 중심의 더 큰 이동이 발생한다.
중심의 이동거리는 인젝터 노즐팁 부터 측정단면까지 의 거리가 80 mm까지 분무가 발달할 때 최대 2 mm(약 1.43°)다. 분사압력이 200 bar로 변화해도 분무의 중심은 크게 변하지 않았으며 인젝터의 특성으로 인하여 100 Fig. 3 Spray pattern image of single-hole GDI injectors
Fig. 4 Spray centers along the distance from the injector tip, shown in (a) X-Y plane (2D) and (b) X-Y-Z plane (3D)
bar와 같은 방향으로 분무의 중심이 미소량 움직이는 것 을 확인하였다. Fig. 4(b)는 Fig. 4(a) 그래프를 보다 직 관적으로 보기 위하여 분무의 중심을 3D로 표현하였다.
인젝터 팁부터 거리가 멀어질수록 분무의 중심이 조금 씩 이동하는 것을 확인할 수 있다. GDI 엔진의 설계는 인젝터의 제조 편차로 인한 플룸 중심의 이동을 고려하 여 혼합기의 형성 위치를 예측하고 점화 플러그의 설치 위치를 합리적으로 배치하여 점화의 신뢰성과 안정성을 향상시킨다.
Fig. 5은 각 영상에서 취득한 모든 분무중심을 인젝터 별로 나타낸 것이다. X,Y=[0, 0]을 인젝터 팁 기준으로 인젝터 분무의 중심과 분무 중심의 X,Y방향 각각의 최 대 차이값을 나타냈다. 각각의 인젝터는 방향성을 띄며 분무가 발달하였으며, 실제로 인젝터 오리피스 직경의 차이는 분무 중심의 편차에 크게 영향을 미치지 못한 것을 확인 할 수 있다.
Fig. 6는 Fig. 5의 각 조건별 모든 분무중심을 X와 Y 방향으로 구분하여 수직방향의 거리에 따른 분무중심의 표준편차를 나타낸 것이다. 전체적으로 X, Y 두 방향 모두 분무중심의 위치의 편차는 0.5 mm이하로 관찰되
어 분무중심 자체는 크게 흔들리지 않은 것으로 판단된 다. 각 인젝터 별로 수직거리가 증가할 때 편차의 변화를 실선으로 표기하였다. 노즐 팁부터 측정단면까지의 거리 가 증가할수록 최대 0.2 mm 까지 근소하게 편차가 증가 하는 것을 확인할 수 있다. 이는 분무가 발달하며 분무 경 계면의 액적들이 흩어지거나 증발하며 분무경계의 불안 정한 현상이 심화되어 편차가 커진 것으로 판단된다. 오 리피스 직경이 110 µm인 경우 분무중심편차가 가장 적게 나타나긴 했지만 전체 결과로 유추할 경우, 오리피스 직 경은 분무중심의 편차에 큰 영향을 주지 못하였다.
3.2 분무미립화 특성 분석
Fig. 7은 인젝터 노즐 팁부터 거리를 40, 60, 80 mm 로 이동시키면서 액적이 존재하는 위치의 액적 크기 (Sauter mean diameter, SMD, D32)를 컨투어맵으로 나타 낸 결과다. 분무액적의 크기는 분무플럼의 중심이라고 생각되어지는 곳에서 높게 나타났으며, 분무플럼의 중 심으로부터 멀어질수록 분무액적의 크기가 감소하였다.
그래프에서 분무액적의 크기가 큰 영역을 빨간색, 비교 적 분무액적의 크기가 작은 영역은 파란색으로 표시하 Fig. 5 Deviation of spray center for X and Y directions
Fig. 6 Spray center of each injector in distance from nozzle tip 20, 40 60 and 80 mm
Fig. 7 Droplet size distribution in distance from nozzle tip 40, 60 and 80mm (A star mark indicates the position of maxi- mum D32)
였다. 이유는 분무액적의 농도가 짙어질 경우 분무액적 의 빈번한 충돌과 결합으로 인하여 분무액적이 크게 나 타나게 된다. 따라서 인젝터 팁의 위치가 초기에 X, Y, Z=[0, 0, 0]으로 설정하였으며 Z축으로만 움직인 것을 고려하였을 때 X, Y=[0, 0]에서 액적의 크기가 크게 나 타나야 한다. 그러나 분무패턴과 마찬가지로 각 인젝터 마다 분무가 발달하며 특정방향으로 치우쳐 지는 것을 확인하였다. 인젝터 오리피스 직경이 110 µm, 140 µm 및 200 µm 일 때 분무의 중심점은 동일한 방향으로 발달 했지만 최대 분무중심의 차이는 1.4 mm 정도였다. 인젝 터 직경이 170 µm 및 230 µm인 경우 또한 같은 방향으 로 분무가 발달하며 최대 분무중심의 차이가 1.4 mm였다 . 이는 분무패턴 실험결과와 마찬가지로 분무중심이 이동 하는 것과 유사한 결과를 보여준다. 이것은 분무패턴과 마찬가지로 가공으로 인한 각각의 인젝터 특유의 분무 방 향을 가지게 된 것이 원인으로 생각되어진다. 각 인젝터 의 분무 중심이라고 생각되는 지점을 이용하여 오리피스 직경에 따른 분무액적 입경특성을 비교하였다.
인젝터 오리피스 직경에 따른 분무 액적입경 특성 (D32와 D10)을 Fig. 8에 나타냈다. D10(AMD)와 D32(SMD) 의 정의를 다음 식으로 나타냈다.
(2)
(3)
여기서 Ni는 크기 범위에 해당하는 분무액적의 수이며, Di는 분무액적의 중간 직경이다. D10은 단순 산술평균으 로 분무액적의 직경을 나타낸 것이고, D32는 표면적에
대한 부피비가 전체 분무의 부피비와 같은 방울의 직경 이다. 현재 분무의 직경을 나타내는 척도로 많은 연구자 들이 D32를 채택하고 있다(12).
노즐 팁부터 측정면까지 거리 60 mm, 80 mm의 분무 중심 위치 분무액적을 비교하였다. 인젝터 오리피스의 직경이 커질수록 분무액적의 입경이 증가하는 경향을 보이여 Dhole=200 µm까지는 미미하게 증가하였으며, Dhole=230 µm에서 분무액적의 입경이 크게 증가하는 것 을 확인하였다. SMD를 기준으로 인젝터 오리피스 직경이 110 µm에서 200 µm까지 증가할 때 약 7.5%, 200 µm부터 230 µm까지 증가할 때 약 34% 증가하였다. 오리피스 직 경이 200 µm 이상부터 액적의 미립화는 직접적으로 오리 피스 직경의 영향을 받으며, 오리피스 직경의 크기가 작 을수록 분무액적의 미립화에 긍정적인 효과를 가져왔다.
Z=80 mm위치에서는 분무액적의 미립화 및 증발로 인하 여 분무액적이 관측되지 않아 측정이 불가능 하였다.
Fig. 9는 분사압력 100 bar에서 Z=60, 80 mm일 때 오 리피스 직경별로 각 분무중심지점의 분무액적 분포를
D10
NiDi
∑
Ni ---∑
=
D32
NiDi3
∑
NiDi2
∑---
=
Fig. 8 Average droplet size at 60 and 80 mm from the nozzle tip
Fig. 9 Droplet size distributions at 60 and 80 mm from the nozzle tip
나타낸 그래프이다. 각 조건 당 총 10000개의 분무액적 을 측정하였으며, 0 µm부터 30 µm까지 다양하게 액적 이 분포되었다. 대부분 5 µm를 중심으로 대다수의 액적 들이 분포하였고 분사조건 및 인젝터 특성에 따라 그래 프의 위치가 조금씩 이동하는 것을 확인하였다. 액적 크 기의 분포를 살펴보면, 오리피스 직경이 작을수록 작은 분무액적에 많은 액적이 분포되었으며, 오리피스 직경 이 클수록 큰 분무액적이 많이 관찰 되었다. 이 결과는 Fig. 8에서 오리피스의 직경이 커질수록 분무액적의 입 경이 커지는 것의 원인이 된다.
4. 결 론
단공 인젝터의 분무패턴 및 PDPA 실험을 통하여 얻 은 오리피스 직경 및 분사압력 변화에 따른 분무안정성 및 미립화 특성을 파악하였다. 이 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 노즐팁부터 측정거리가 멀어질수록 분무중심의 편차가 증가하여 넓은 면적에 분포하는 것을 확인하였 으며, 분사압력은 분무중심을 이용한 분무안정성에 큰 영향을 미치지 못하였다.
(2) 오리피스의 직경은 분무안정성에 큰 영향을 미치 지 못하였으며, 인젝터의 가공 공차 및 표면의 조도가 분무 균일도에 미치는 영향이 더 클 것으로 예측하였다.
(3) 오리피스 직경의 크기가 230 µm인 인젝터에서 분 무액적의 크기가 약 34% 정도로 크게 증가하였으며, 특 히 노즐 팁부터 측정지점의 거리가 80 mm에서 분무액 적들 사이의 충돌로 인한 분열 및 결합으로 인하여 분 포의 차이가 더욱 커지는 것을 확인할 수 있다.
후 기
본 연구는 환경부 Global-Top Project 친환경자동차기 술개발사업단의 지원(No.2019002070001)과 한국연구재 단 중견연구자지원사업(2019R1A2C10 89494)에 의해 수행되었으며, 지원 기관에 감사드립니다.
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