An Experimental Study on Spray Characteristics of Multi-Hole GDI Injector

(1)

다공형 GDI 인젝터의 분무특성에 대한 실험적 연구

이성원^*·박성영^†

An Experimental Study on Spray Characteristics of Multi-Hole GDI Injector

Sung-Won Lee and Sung-Young Park

Key Words: GDI Injector(GDI 엔진용 인젝터), Spray characteristics(분무특성), Spray cone angle(분무각), Penetration length(분무도달거리)

Abstract

Optimum engine performance is obtained when the spray characteristics is well matched to the geometry of a combustion chamber. Among many parameters governing the combustion performance in internal combustion engine, fuel supply characteristics and atomization are important performance factors. Therefore, spray characteristics of high pressure multi-hole injector has been studied experimentally. An experimental test system has been made to operate high pressure injection system and to visualize spray behavior. Spray visualization has been performed to analyze spray formation, spray cone angle, bent angle and penetration length. Spray interaction with piston has been analyzed with various injector installation angle, injection pressure and ambient pressure. Test results show that penetration length is greatly influenced by the injection pressure. Penetration length is decreased as ambient pressure increased. Spray cone angle is increased as injection pressure and ambient pressure increased. However, bent angle is not influenced by the change of injection pressure and ambient pressure.

Spray cone angle distribution map is plotted using the experimental data. Fuel movement around the spark-plug has been enforced as increasing injector installation angle.

1. 서 론

세계적으로 지구온난화에 따른 CO2 배출규제는 가능 한 한 내연기관에서 연료를 적게 소비해야하고, 환경오 염에 따른 각종 오염물질의 배출저감을 요구하고 있다.

또한 유가 상승 및 연비 규제의 영향으로 저연비 구현 기술 개발의 중요성이 새롭게 부각되고 있다. 이에 따라 오랫동안 사용되어온 가솔린 엔진과 디젤엔진의 각각의

장점만을 채택하는 엔진의 구상이 오래 전부터 시도되 어왔다. 그 결과 중의 하나가 연소실에 가솔린 연료를 직접 분무하고 스파크 점화에 의해 연소시키는 엔진의 출현이다. 이와 같은 개념에 기초한 엔진을 GDI(Gaso- line Direct Injection) 엔진이라 한다^(1-2).

내연기관의 연소 특성을 지배하는 연료의 공급특성 및 미립화는 내연기관에 있어 매우 중요한 성능인자이 다. 특히 GDI 방식은 기존의 가솔린 기관과는 달리 실 린더 내에 연료를 직접 분무하기 때문에 실린더 내에서 일어나는 연료의 분포거동과 공기와 연료의 혼합기 형 성과정에 대한 이해가 매우 중요하다^(3-4). GDI 엔진용 인젝터의 연구결과를 살펴보면 Vanderwege⁽⁵⁾등은 액적 의 크기는 전 분무장에서 분무압력이 높을수록 감소하 였으나, 분위기 압력이 커질수록 증가한다고 보고하였

(2011

년

11

월

28

일접수

~ 2011

년

12

월

16

일심사완료

, 2011

년

12

월

26

일게재확정

)

*공주대학교일반대학원기계공학과

†책임저자

,

회원

,

공주대학교생산기술연구소

E-mail : [email protected]

TEL : (041)521-9275

(2)

다

. Aleiferisa

⁽⁶⁾^등은 ^{성층연소를}^위해서 ^{압축과정에서}

연료를분무하는경우고압의연료분무압력은분무도 달거리의성장을촉진시키나상승하는 피스톤과이로 인한실린더압력의상승으로분무도달거리의 성장이 억제된다고 보고하였다

. Hwang

⁽⁷⁾등은 분위기 조건의 변화와시간의경과에따른분무의 분포특성을실험하 여액상분무는분위기압력과온도가증가할수록분무 의축방향과반경방향으로성장이둔화되고

,

온도의영 향보다 압력의 영향을 크게 받는다고 보고하였다

. Song

⁽⁸⁾^등은^피스톤^상면의^{설계인자가}^{연소안정에}^미치

는영향을실험한결과성층연소조건에서연소안정성 은분무된연료가보울 밖으로벗어나는정도에의해 큰영향을받으며이러한효과는연료의기화및분무 형상과관련되는압축비보다도더큰영향을주는요인 이라보고하였다

.

GDI

엔진은 기존의포트분사방식가솔린 엔진대비 환경규제극복및연료경제성의향상효과를기대할수 있다

.

따라서본연구에서는

GDI

엔진개발의기술적중 요성능부품인인젝터의분무특성과피스톤이분무거동 에미치는영향을분석하고자한다

.

^인젝터는^현재^양산

되고있는

1600cc

급

GDI

엔진용고압멀티홀인젝터

를사용하였으며

,

분무를위한리그를구성하여가시화 실험을진행하였다

.

^연료공급^압력과^{분위기압력을}^변

수로하여분무도달거리와 분무각도및분무

Pattern

을 분석하였다

.

또한인젝터장착각을변수로하여피스톤 상면에충돌된분무의거동이스파크플러그위치에도 달하는시간을도식화하여연소가이루어질수있는시 간을분석하였다

.

이는엔진설계및인젝터설계시인젝 터의장착각 및위치선정을위한기초적인 자료로제 공될수있을것으로기대된다

.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 인젝터 및 실험장치

본연구에사용된인젝터는

GDI

엔진용솔레노이드

타입고압멀티홀인젝터로써

, Fig. 1(a)

에서인젝터팁 의형상을보여주고있다

.

멀티홀의구성은

6

개의분무 홀이육각형형태의방사형으로위치해있으며

, 35

^o의

인젝터팁각도를가지고있다

. Fig. 1(b)

^는

A-A

^단면에

서의분무이며

,

각도측정을위하여

spray cone angle

과

bent angle

을

Fig. 1(b)

와같이정의하였다

. A-A

단면에 서의분무형상은원뿔형으로분무되며

, 3

^개의^주^분무

가나타난다

.

①은스파크플러그방향이며

,

③은피스

톤방향이다

. Spray cone angle

은선①과선③사이의각

도이며

, Bent angle

은분무중심인선②와인젝터장착축

과의각도이다

.

고압의분무압력을생성하는연료공급장치와인젝터 에구동신호를인가할수있는컨트롤러를구성하였으 며

,

^{분위기압력을}^형성을^할^수^있는^{정적챔버와}^인젝터

를장착할수있는하우징을제작하였다

.

또한

,

분무신

호와

CCD

카메라를동기화시켜분무가시화실험을수

행할수있는장치를구성하였다

.

연료공급장치개략도는

Fig. 2

에나타냈다

.

연료공급

순서는저압펌프에서연료필터를거쳐고압펌프로공급 되고

,

^연료압력^{컨트롤러의}

duty

^값에^의하여^연료레일

로공급된다

.

컨트롤러는 연료레일의압력을측정하여 목표치이상이되면연료를리턴하게된다

.

이후컨트롤 러는지속적으로연료레일에서의연료압력을측정하여

Fig. 1 Injector shape

Fig. 2 Fuel delivery system

(3)

연료리턴및고압펌프의유량을조절하여목표한연료 공급압력을 유지한다

.

또한 컨트롤러의

Signal Fre-

quency

제어를통한정밀한연료공급압력제어가 가능

하다

.

^본^{시스템에서는}^설정된^{연료공급압력}^목표치^기

준으로

2%

정도의오차를나타냈다

.

인젝터를 구동하기위해서는 높은압력으로 연료를 분무할수있는고전압의인젝터드라이버가필요하기

때문에

Fig. 3

과같이분무구동장치를구성하였다

.

최초

인젝터구동신호인트리거신호는 인젝터컨트롤러에 서출력된다

.

^이때 ^인젝터^{컨트롤러는} ^자동차와^같이

5V

의

TTL

신호를생성한다

.

신호가인젝터드라이버에

전해지면제어된시간과전류량을인젝터에인가시킨다

.

이때드라이버자체에서는

GDI

인젝터구동을위한충

분한전압이없기때문에

DC power supply

^와^변압기에

서전압을얻어필요한동력을인젝터에인가시킨다

.

인젝터분무가시화를수행하기위하여

Fig. 4

와같이

장치를구성하였다

.

^초고속 ^카메라는

Phantom v9.1

^을

사용하였으며분무가시화촬영은

PC

에설치된전용프 로그램인

Phantom camera control V663

을통하여제어 하고영상을취득하였다

.

^{광원으로는}

LED Ring guides

type

^을 ^{사용하였다}

.

^또한

,

^광원 ^{컨트롤러를} ^사용하여

LED

광원의조도를제어하였다

.

가시화영상은

20,000 pps

로촬영하였다

.

2.2 실험조건 및 방법

실험조건설정기준은인젝터의최대분무압력인

130 bar

^에서

15 bar

^씩^{감소시켜서}

70 bar

^까지

5

^가지의^분무

압력을변수로선정했다

.

또한

,

분위기압력은게이지압 력이며

,

대기압상태인

0 bar

과

6, 8, 10 bar

를선정하였 다

.

^{분무도달거리}^및^{분무각도의}^실험을^위한^분위기압

력

,

분사압력및연료분사기간의조건은

Table 1

에정리 하였다

.

인젝터장착각

,

분무압력

,

분위기압을변수로하여피 스톤충돌에의한분무거동실험을수행하였으며

,

^실험

조건은

Table 2

와같다

.

피스톤은양산되고 있는

GDI

엔진의피스톤을사용하였다

.

피스톤은얕은

Bowl

형상

을가지고있으며

(Fig. 5(a)),

^가시화^실험을^위하여^무광

택흑색으로착색하였다

.

본연구에서는

Fig. 5(b)

와같 이피스톤각도변경을위한어셈블리를제작하여피스 톤의각도변경을통한인젝터장착각변화에따른분무

Fig. 3 Fuel injection system

Fig. 4 Spray visualization system

Table 1 Pressure conditions and injection duration for visualization

Ambient pressure[bar] 0, 6, 8, 10

Injection pressure[bar] 70, 85, 100, 115, 130 Injection duration[msec] 1.0

Table 2 Experimental condition of spray-piston collision Ambient pressure[bar] 0, 6, 8, 10

Injection pressure[bar] 70, 85, 100, 115, 130 Injector installation angle[°] 14, 19, 22, 25, 30 Injection duration[msec] 1.5

Fig. 5 Piston shape and assembly

(4)

특성을고찰하였다

.

분무가시화를통하여촬영된영상은전용프로그램인

Phantom V633

을 사용하여이미지파일로변환하였고

,

수집된이미지의측정과분석은

National Instruments

^사

의

Vision Builder AI

⁽⁹⁾를사용하였다

.

분무의형상을사 람의눈으로측정함에 따라나타나는 오차를최소화하 고 객관적인 분석을 위하여 분무도달거리는

Vision Builder AI

의

threshold

와

caliper

기능을사용하였다

.

Threshold

기능은수집된원본이미지의명암을비교

하여명암만을구현한다

.

^이때^명암의^기준인

threshold

레벨을

30%

로설정하여

30%

이상은명

, 30%

이하는암

으로처리하였다

. 30%

의기준은가시화된모든분무를 비교검토하여결정하였다

.

그리고

caliper

기능을사용

하여

Fig. 6

^과^같이 ^구현된^이미지의 ^{최대길이의}

X

^축

pixel

개수를측정한다

. Pixel

당실제길이는수집된이미

지와실제크기를비교하여 알수있기 때문에측정된 데이터를이용하여분무도달거리를알수있다

.

분무거동의측정은

intensity function

기능을사용하였 다

. intensity

는측정구역에서의모든

pixel

의명암평균 값으로계산되며분석의용이함을위하여백분율로 데 이터를정리하였다

.

즉분무의색상인검정색에가까울

수록

100%

에가까워지며

,

이는연료의농도가 증가됐

다고판단하였다

.

^계측된^데이터를^통하여

Fig. 7

^과^같

이각구역의

intensity

^를^{분무시간에}^따라^{도시화하였으}

며

,

특정

intensity

에도달하는시간을알수있다

.

측정위치

m1

은분무된연료가피스톤에최초로충돌

하는구역이며

, m2

^는

bowl

^형상이^끝나는^구역이다

.

^피

스톤의영향으로분무거동은스파크플러그주변으로 모이게된다

.

이때의스파크플러그의위치를

m3

로가 정하였다

.

3. 결과 및 고찰

3.1 분무 재연성 실험결과

시간에따라각구역을통하는연료의농도를분위기 압

0 bar,

^분무압력

100 bar

^및^분무기간

1 ms

^의^분무조

건으로

10

회반복실험하였다

.

이때의측정구역은

Fig.

8

의

p1, p2

및

p3

와같다

.

실험결과는

Fig. 9

에각측정 구역별로도식화 하였으며

,

^재연성을^판단하기^위하여

표준편차를계산하였다

.

분무초기

(Fig. 9(a))

에서는

10

번 의분무모두동일한분무진행을보이며

,

표준편차는분 무기간인

0 ms

^에서

1 msec

^까지는

1.3

^을

1 ms

^이후에서

는

2.1

의표준편차 값을보인다

.

분무중반

(Fig. 9(b))

은

0.5 msec

를기준으로그이하에서는

1.7

의표준편차값

을보이고그이후

1 msec

까지는

3.3

을

1 msec

이후에 서의

5.1

의표준편차 값을보인다

.

분무후반

(Fig. 9(c))

에서는

1 msec

를기준으로 그이하에서는

2.7

의표준

편차 값을 보이며

,

그이후에는

6.4

의표준편차 값을 보인다

.

^{분무초기구역에서의} ^동일한 ^재연성을 ^통하여

분무

duration

이정확하게 작동하는것으로 판단되며

분석된이미지는

0.05 msec

의분무시간을 가지기 때

문에 신호응답성이

0.05 msec

^이하인 ^것으로 ^판단된

다

.

결과적으로본연구의대상이되는인젝터

,

분사시 스템및가시화시스템의재현성은상당히양호한것으 로판단된다

.

Fig. 6 Spray penetration measurement

Fig. 7 Measuring position of spray behavior

Fig. 8 Measuring position for reproducibility experiment

(5)

3.2 분무 도달거리 실험결과

분위기압력별분무도달거리실험결과를

Fig. 10

^에^도

시하였다

.

분무압력이증가함에따라분무속도가증가 하며

,

분무도달거리는분무시간에따라선형적으로 증 가함을알수있다

.

^{분위기압력이}^증가하면^{단위시간당}

분무도달거리가감소하였다

.

분위기압력이

6 bar

일때 분위기압력

0 bar

를기준으로평균

52%

의분무도달거 리감소율을보였다

.

^또한

,

^{분위기압력이}

2 bar

^증가할

때분무도달거리는평균

2%

감소하였다

.

따라서단위압

력

(1 bar)

증가에대하여분무도달거리는분무압력대비

분위기압력의증가에더큰영향을받음을알수있다

.

멀티홀인젝터는분무압력과주위공기압력의압력차 에의하여분무가수행되며홀의면적이일정하다면인

젝터와분위기압력의차에의하여분무특성이결정된다

.

^{분무압력이}^증가하면^{분무속도가}^증가하고

, spray

모멘 텀을증가시켜분무도달거리가 증가되는것이다

.

분위

Fig. 9 Intensity of measured position with respect to injection duration

Fig. 10 Spray penetration with injection pressure variation

(6)

기압력이증가함에따라챔버내공기의밀도가높아지 면압력차가감소하여분무속도가 감소하고분무진행 방향의항력이커져서분무도달거리가감소되는것으로 판단된다

.

분위기압력에따른분무발달사진을

Fig. 11

에 나타냈으며

,

분위기압력이증가함에따라분무도달거리 가감소하는현상을보여주고있다

.

3.3 분무각도 실험결과

분무된연료는분무압력과분위기압력이증가함에따

라

Fig. 12

^와^같이^주위^공기의^유입에^의해^{분무각도가}

증가하게된다

.

분무각도를형성하는기준이되는 ①

,

③분무는분무끝단에서와같이 주위공기의직접적인 영향을받게된다

.

^따라서^{분위기압력의}^영향으로^미립

화가촉진된연료입자는면적이감소하게되고이에따

라

spray momentum

이감소하게되어연료입자가분무

방향으로진행하지못하고공기중으로침투하게된다

.

이러한현상에의하여분무각도가증가한다

.

Bent angle

은모든작동조건에서

17°~18

^o의값을보였 으며

, Spray con angle

의 측정결과는

Table 3

과 같다

.

Spray cone angle

은분무압력이증가함에따라평균

5%

증가하며

100 bar

이하의 분무압력에서는변화가작았

다

.

^또한

,

^{분위기압력이}^증가함에^따라^평균

8%

^증가^하

며

6 bar

이상의 분위기압력에서

2 bar

씩 증가하면

spray cone angle

은평균

1°

씩증가하였다

.

분무압력과 분위기압력을변수로하는작동조건에서의분무각의분

포를

Fig. 13

^에^{도식화하였다}

.

^분무각도 ^실험값에^의하

여작성된분포도는작동조건에따른

spray cone angle

의예측이가능할것이라사료된다

. Fig. 11 Spray visualization according to the ambient pres-

sure variation (P

inj

= 100 bar)

Fig. 12 Increased spray cone angle (P

amb

= 8 bar, P

inj

= 100 bar)

Table 3 Experimental result of spray angle (Unit=degree) P

inj

P

amb

70 bar 85 bar 100 bar 115 bar 130 bar

0 bar 35 35 35 35 36

6 bar 35 35 36 36 37

8 bar 36 36 38 38 39

10 bar 37 37 38 39 40

Fig. 13 Spray cone angle with respect to the ambient pres-

sure and injection pressure

(7)

3.4 피스톤 충돌 실험결과

피스톤상면에충돌한분무는피스톤

bowl

형상을따

라이동하게 되고이때충돌로인하여속도를잃게된 연료입자는

Spray

^모멘텀^감소로^인하여^피스톤^상면위

로상승하게 되며챔버내의공기움직임에 영향을받

게된다

.

또한

bowl

형상 끝부분까지 이동한 분무는

bowl

^형상의^영향으로^피스톤^상면위로^상승하게 ^되며

주위공기의밀도와 움직임에영향을받게된다

.

이와 같은방법으로 연료는스파크플러그주위로이동하게

된다

. Fig. 14

^는^가시화를^통하여^수집한^{이미지이며}^분

무된연료가피스톤충돌에의하여스파크플러그주위 로이동하는현상을확인하였다

.

피스톤상면에충돌된분무가

bowl

형상의영향을받

아스파크플러그위치에도달하는기간을분석하기위

하여수집된이미지를

Fig. 15

^와^같이^{도식화하였다}

. 1.5

ms

의분무기간과분무조건이

P

amb

=8bar, P

inj

=100 bar

및 장착각

22

^o일때시간경과에따라변화하는측정위치에 서의

intensity

^값을^보여주고^있다

.

최초분무충돌

(m1)

은

0.6 msec

에나타나고

, bowl

형

상끝부분

(m2)

에연료가거동하는기간은

1.9 msec

이며

,

분무기간이

2.2 ms

^일 ^때 ^스파크 ^플러그 ^주위

(m3)

^의

intensity

가

30%

이상의값을가진다

.

스파크플러그주 위

(m3)

에서의

intensity

가

30%

이상일때연소가가능하 다고가정하면

,

^모든^작동조건

(Table 2)

^에서

intensity

^가

30%

이상이 되는 분무기간은 최소

1.6 msec

이며

2.3 msec

를초과하지않았다

.

각변수가

m3

의농도에 미치는효과를분석하기위 하여실험데이터의모집군을 형성한후추세선을이용

하여

Fig. 16

에 도시하였다

. y

축은

m3

에서의 농도가

30%

이상에도달하는최초의분무시간이며

, x

축은작동 조건을의미하는압력상수이다

.

^이때의^는^{분무압력과}

분위기압력의관계이며

,

아래와같이정의하였다

.

장착각이증가함에따라동일한작동조건에서스파크 플러그주위에도달하는연료가짧은시간에증가된다

.

또한

,

^장착각이^일정할^때^값이^증가함에^따라^분무된

연료가스파크플러그주위에도달하는시간이감소한 다

.

장착각이

22

^o를초과할경우작동조건값이상대적 으로작아도짧은시간에스파크플러그주위로이동되 는연료량이증가되는특징을볼수있다

.

분무된연료가피스톤상면에충돌한후

bowl

형상의 R_P

Injection pressure

Ambient pressure ---

=

Fig. 14 Influence of spray-piston collision on spray movement

Fig. 15 Spray-piston collision experiment (Installation angle

= 22

^o

, P

amb

= 8 bar, P

inj

= 100 bar) Fig. 16 Spray time with respect to intensity exceeding

30%

(8)

영향을받아이동되는분무거동을

Fig. 17

에나타냈다

.

장착각이증가함에따라피스톤상면의

bowl

형상을통

과하는시간과스파크플러그주위에연료가도달하는 시간이빨라지는것을볼수있다

.

4. 결 론

본연구에서는

GDI

엔진용고압멀티홀인젝터를대 상으로연료공급압력과분위기압력이분무각도와분무 도달거리에미치는영향을가시화를통하여분석하였다

.

또한인젝터장착각이피스톤상면에충돌된분무의거 동에미치는영향을분석하여다음과같은결론을얻을 수있었다

.

1)

분무도달거리는분무압력이

15 bar

증가할때평균

7%

^{증가하였다}

.

^{분위기압력이}

2 bar

^증가할^때^분무도달

거리는평균

2%

감소하였다

.

따라서단위압력

(1 bar)

증 가에대하여분무도달거리는분무압력대비분위기압력 의증가에더큰영향을받는다고판단된다

.

2) Bent angle

은모든작동조건에서

17

^o

~18

^o의값을보

였다

. Spray cone angle

은분무압력이증가함에따라평균

5%

^{증가하였으며}

,

^특히

100 bar

^이상의^{분무압력에서}^큰

변화를보였다

.

분위기압력이증가함에따라

Spray cone angle

도증가하며

,

분위기압력이

6 bar

이상에서

2 bar

증 가하면

spray cone angle

은평균

1°

증가하였다

.

3)

^분무된 ^연료가^피스톤과^충돌하여^특수한 ^분무형

태를형성함을가시화를통하여확인하였다

.

인젝터장 착각이증가할수록스파크플러그주위로이동되는 연 료량이짧은 시간동안에증가하였다

.

^{분무기간이}

1.5 ms

일때스파크플러그주위로연료가이동하는시간

은분무시작후최소

1.6 ms

가필요하며

,

최대

2.3 ms

를 초과하지않았다

.

참고문헌

(1) J. B. Heywood, “Internal Combustion Engine Funda- mentals”, McGraw-Hill, 1988.

Fig. 17 piston-spray collision shape (P

amb

= 8 bar, P

inj

= 100 bar)

(9)

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(9) NI Tutorial, “Fuel Injector Spray Inspections Using Vision Builder AI”, 2010.