커먼레일 타입 피에조 인젝터의 정밀 다단분사 제어를 위한 분사특성 연구
박희범*·김형익*·박상기*·이기형†
A Study on the Injection Characteristics of a Piezo Injector for Controlling Accurate Multiple Injection
Heebum Park, Hyungik Kim, Sangki Park and Kihyung Lee
Key Words: Piezo Injector(피에조 인젝터), Multiple Injection(다단 분사), Injection Rate(분사율)
Abstract
In this study, injection quantity, rate and spray image of multiple injections which are important design parameters for a piezo type injector have been investigated. Interval of injections and a number of injections in multiple injection strategy has been controlled to verify interaction of each injection. Spray characteristics of multiple injections have been researched through optical process with a high speed camera in a high pressure chamber. In addition, a method of RMS(Root Mean Square) process has been used for comprehending the distribution of injection easily. As a result, in case of piezo type injec- tor, characteristics of injection quantity according to charging voltage and the difference of injection quantity between single and triple injection were confirmed. Also, injection rate for increasing injection duration was confirmed. And spray charac- teristics of multiple injections were improved; multiple injections were possible in a shorter time interval between each injec- tion. With this study, a possibilities of more accurate multiple injection control would be expected.
1. 서 론
최근 석유자원의 고갈과 환경오염이 대두되면서 자동 차의 배출가스에 대한 규제의 강화와 엔진의 열효율 증 가에 대한 요구가 증가되고 있다(1). 직접 분사식 디젤엔 진은 높은 출력과 높은 연료소비율을 동시에 가능하게 하지만 연소과정 중 국부적인 고온 반응 구간에서의 NOx와 확산연소구간에서의 입자상 물질의 배출 증가 등의 문제를 가지고 있다(2).
이와 같은 단점을 극복하고자 하는 방법 중의 하나로 커먼레일을 이용한 고압분사 혹은 다단분사를 이용하여 연료분사를 제어하는 방법 등이 있다(3-5).
현재 이용되고 있는 커먼레일은 분사시기, 분사압력, 분사기간과 다단분사 등으로 연료분사 조건을 유연하게 적용할 수 있다. 고압분사는 연소실 내에서 분사된 연료 의 미립화를 촉진시켜 연소실 내로 유입되는 공기와의 혼합기 형성을 용이하게 하며 다단분사가 가능하여 연소 실 내의 공기와의 접촉 면적을 증가시켜 국부적인 고온 화염 형성을 저감시킴으로써 결과적으로 NOx와 PM을 저감시키는 효과를 기대할 수 있다(6-7). 따라서 본 연구는 커먼 레일 타입 디젤 엔진에서 피에조 인젝터에 대한 고 압 다단 분사의 특성을 분석하기 위한 기초연구로서, 분 사량 실험과 광 계측 그리고 분사율 실험을 통해서 다단 분사에 영향을 미치는 인자와 분무 특성을 파악하였다.
(2013년 9월 11일 접수 ~ 2013년 11월 27일 심사완료, 2013년 12월 7일 게재확정)
*한양대학교 대학원
†책임저자, 한양대학교 기계공학부 E-mail : [email protected]
TEL : (031)400-5251 FAX : (031)406-5550
2. 실험장치 및 실험방법
2.1 인젝터 드라이버 장치
본 연구에서 사용한 인젝터 드라이버는 Zenobalti사의 Universal Piezo Injector Driver ZB-6200 모델로 Duty Ratio와 Frequency 및 Open pull time, Open duration, Close pull time, Close duration값이 조절되는 장치이다.
이 장치와 상용 디젤 엔진의 ECU(Electronic Control Unit)에서 나온 인젝터의 전압 및 전류값의 데이터를 토 대로 각 출력값을 조절하여 실제 엔진에서의 1500 rpm 45% 부하 조건과 유사하게 실험조건을 맞추었다.
2.2 분사량·분사율 실험 장치 및 방법
본 실험에서는 피에조 인젝터의 분사 기간과 충전전 압에 따른 분사량과 분샤율을 파악하기 위한 목적으로 각 조건별 실험을 진행하였다. Table 1은 실험을 위한 인젝터의 제원과 실험 조건을 나타내고 있다. 연료의 단 일 분사와 다단 분사에 따른 분사량의 변화를 파악하기 위하여 다단 분사의 총 분사량과 다단 분사 중 1회의 분 사기간과 동일한 분사기간을 갖는 단일 분사 분사량에 총 3배값을 취하여 비교 및 실험을 진행하였다.
Fig. 1은 분사량 및 분사율을 측정하기 위한 시스템의 개략도이다. 연료공급 시스템, 고압 챔버, 피에조 인젝 터 관련 드라이버 및 신호 발생기, 챔버의 압력 배출 시 스템 그리고 압력센서(4045A200, Kistler)와 앰프로 구 성되어있다. 분사신호 발생기에서는 사용언어로 Lab- view 소프트웨어를 사용하였으며, 제어용 보드로는 노 이즈를 감소시키기 위한 차동방식의 NI9201(National Instrument)모델을 사용하여 데이터를 취득하였다.
분사량 실험에서 분사된 연료는 조건 당 200회의 분 사량을 밀폐용기에 분사 후 연료의 질량을 측정하였다.
인젝터의 분사가 진행되는 과정을 측정하기 위해 밀폐
용기에 연료를 가득 채운 후 연료를 분사 시 분사량에 비례하여 밀폐 용기 안에서 압력이 상승하는 현상을 이 용한 Zeuch법을 이용하여 분사율을 측정하였다.
2.3 분무가시화 실험 장치 및 방법
Fig. 2는 실린더 내부에서 분사되는 연료의 분무도달 거리와 분포특성을 알아보기 위한 가시화 장치의 개략 도이다. 고압챔버에 장착된 전기히터를 통해 분위기 온 도 설정이 가능하며, 불활성 가스인 질소를 이용하여 분 위기 압력 조건을 설정할 수 있다. 또한, 분사량 및 분
Table 1 Experimental condition of injection test Injector Specification Experimental Condition Injector
type
Piezo (Bosch)
Injection duration
0.2~0.7 (ms) Diameter
hole
0.121 mm 8 holes
Rail pressure
600~1400 (bar) Injection
angle 156 degree Charging voltage
100~200 (V) Injection
pressure
1800 bar maximum
Injection frequency
Single &
Triple
Fig. 1 Schematic diagram of the fuel injection rate and quantity system
Fig. 2 Schematic diagram of the fuel injection visualiza- tion system
사율 실험과 동일한 인젝터 구동장비를 사용하여 분사 를 제어하였고, 챔버 내부의 분위기 조건을 변화시키면 서 단일 분사와 다단 분사의 분무사진을 촬영하였다. 분 위기 조건은 실제 엔진과 유사하게 분위기 온도는 약 500K, 분위기 압력은 20 bar에서 50b ar까지 증가시키며 엔진 내부의 상태를 모사하였다. 다단 분사의 경우 육안 으로 관찰되는 다단 분사가 이루어지는 분사간의 최소 간격을 알아보기 위하여 분사간격을 크랭크앵글 기준 10o(1.1msec)에서 5o(0.555 msec)까지 감소시키면서 실 험을 진행하였다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 피에조 인젝터의 충전 전압에 따른 분사량 특성 인젝터에 인가되는 충전전압은 분무의 특성에 있어서 매우 중요한 인자이다. Fig. 3은 일정한 레일압력에서 충전전압에 따른 분사량을 보여준다. 150V미만 충전전 압조건에는 분사량이 적어짐을 알 수 있다. 즉, 레일압 력이 높을수록 더 높은 충전전압이 요구되며 각 압력 당 피에조 스택이 니들을 움직일 수 있는 한계점이 존 재한다는 것을 알 수 있다.
3.2 단일 분사와 다단 분사의 분사량 및 분사율 특성 Fig. 4는 단일 분사와 다단 분사의 분사량 차이를 알 아보고 다단 분사의 분무특성 파악과 기초데이터를 취 득하기 위하여 연료압력을 1000 bar로 유지하고 진행된
분사량 실험 결과이다. 이 실험에서 단일 분사는 다단 분사와의 비교를 위해 분사량의 3배수를 취하였다. 그 리고 다단 분사는 3번의 동일기간을 크랭크각 10o간격 (1.1 msec)을 기준으로 분사기간을 증가시키며 실험한 결과이다. 즉 두 조건에서 시그널이 인가된 시간은 동일 하다. 이 결과 그림에서와 같이 다단 분사의 분사량은 모든 조건에서 단일 분사보다 높다. 그 이유는 다단 분 사 시 인젝터의 니들이 닫히자마자 다시 열리게 되므로 다음번 분사가 비교적 쉽게 진행되어 각 분사들간에 영 향을 주었기 때문으로 판단된다. 이와 같이 단일 분사와 다단 분사의 분사량이 차이를 보이는 것은 인젝터의 분 사특징을 나타내는 분사율과 관련하여 인젝터 니들이 열리고 분사가 정상상태까지 도달하는데까지 걸리는 초 기지연시간과 니들이 닫힐 때 발생하는 후기지연시간의 영향으로 사료되며 분무가시화 실험과 분사율 실험을 통해 정량적으로 확인이 가능하다.
Fig. 3 Comparison of injection quantity at various charg- ing voltage
Fig. 4 Comparison of single & triple injection quantity
Fig. 5 Injection rate at various rail pressure
Fig. 5는 1.0 ms의 분사기간에서 충전전압을 200V로 고정시킨 후 레일압력의 변화에 따른 단일 분사의 분사 율을 나타낸 결과이다. 레일압력이 증가할수록 분사율 또한 증가하며 그 최대값이 발생하는 시기가 점점 빨라 지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 높은 압력에서 분사 의 후기 지연 시간 역시 길어지는 경향성을 파악할 수 있다.
Fig. 6은 분사율의 시작부분을 확대한 그래프이다. 그 래프와 같이 충전전압이 일정할 때 레일 압력이 증가할 수록 분사지연시간이 길어지는 경향성을 나타냈다. 압 력이 1000 bar에서 1500 bar로 50% 증가 시 분사지연시 간이 0.15 ms에서 0.19 ms로 약 26% 증가하는 결과를 나타낸다. 충전 전압의 변화에 따라 약 0.2 ms 근방에서 분사가 시작됨을 확인하였는데 이 결과는 이후에 나타 낸 가시화 실험과 분사율 실험에서 재확인 할 수 있다.
Fig. 7은 일정한 분사 간격 하에 다단 분사의 분사기 간을 증가시키며 측정된 분사율의 결과를 보여준다. 분 사율의 최대치는 분사가 진행될수록 감소하는 결과를 보이는데 이는 Zeuch법 측정방식 상 분사가 진행됨에 따라 실험장치의 챔버 내 압력이 증가하는 것이 원인으 로 사료된다. 따라서 다단 분사의 분사율을 Zeuch법을 통하여 구할 시 두 번째 분사부터는 분사에 대해서 분 위기 압력의 보상이 요구된다. (b)의 분사기간부터 첫 번째와 두 번째 분사가 겹치기 시작하며 (c)의 분사기간 에는 분사가 겹치는 부분의 분사율이 오히려 상승하는 현상을 확인 했다.
레일 압력과 분사간격에 따른 분사율 실험을 고려했 을 때 다단분사의 정확한 제어를 위해서는 분사의 초기 지연시간과 후기지연시간을 고려해야 하며 분사가 겹치 기 시작하는 시점을 파악하여 분사량이 급격히 증가하
는 것을 방지하는 것이 중요하다.
3.3 단일 분사와 다단 분사의 분무도달거리 특성 고압 챔버 내에서 레일 압력에 따라 변화하는 단일 Fig. 6 Zooming injection rate at start of injection
Fig. 7 Injection rate of multiple injection
분사와 다단 분사의 분무결과를 Fig. 8에 나타내었다.
단일 분사와 다단 분사의 분사량은 앞서 진행된 분사량 실험에서 각각 20 mm3을 갖는 분사기간을 조건으로 삼 아 실험을 진행하였으며 다단 분사의 경우 10°에서 5°
까지 측정한 결과 육안으로 8°이하는 분사 간의 구분이 힘들었으므로 8°간격으로 분사를 실시하였다. 분무가시 화 실험에서 분사압력이 높을수록 분무도달거리가 길어 지는 것을 확인할 수 있으며 특히 초기 분무거동에 크 게 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 가시화로 취득한 이미지로부터 분사 영역을 파악하기 위하여 모든 이미지 프레임에 대하여 각각의 화소값에 대한 RMS(Root mean square) 평균한 이미지를 활용하였다. 이 방법은 주기성을 가진 전파나 전류 등의 강도를 표현하기 위한 통계학적인 방법이고, 실제 여러 장의 화상에서 평균 화상을 뽑아내는 하나의 방법이다. 이 방법을 사용한 이유는 분무 자체의 주기성 을 파악할 수 있고, 단순 평균 화상의 경우, 그 주기성 때문에 고대비의 화상을 얻을 수 없지만, RMS 평균 화 상에서는 고대비의 화상을 얻을 수 있기 때문이다. 결과 적으로 분무 최대각, 분포영역 등의 계산에 유용하게 이 용할 수 있는 방법이다.
Fig. 9에서 나타낸 RMS결과는 분무가 보어에 닿기 전까지 기간의 결과를 나타내어 주는데 다단 분사와 고 압분사 시 붉은 이미지의 면적이 전체적으로 줄어드는
것을 확인할 수 있다. 즉 분무의 증발이 더 많음을 보이 며 이는 미립화에 긍정적인 영향을 미친다고 사료된다.
1200 bar로 분사 시 분무분포의 밀도가 800 bar에 비해 상대적으로 적은 좋은 증발특성을 보인다. Fig. 10은 분 무사진 데이터를 토대로 이미지처리를 통해 각 홀에서 분무가 도달하는 거리의 평균값을 정량적으로 나타낸 결과이다. 분무도달거리가 길면 벽류현상이 발생해 HC 와 같은 유해배출물이 생길 수 있으므로 최적화된 분사 압력이 요구된다. 하지만 다단분사 시 분무도달거리가 단일 분사에 비하여 감소하여 벽류현상을 억제하는 효 과가 기대된다(8).
4. 결 론
본 연구는 커먼레일 타입의 피에조 인젝터의 다단 분 Fig. 8 Spray images of single & triple injection
Fig. 9 RMS images of single & triple injection
Fig. 10 penetration length characteristic
사에 대한 기초연구로서, 다단 분사에 영향을 미치는 인 자를 분석하여 정확한 다단 분사 제어 시에 요구되는 다단분 사의 분사특성을 파악하였다. 피에조 인젝터의 충전전압 실험, 분사량 실험, 고압 챔버 내의 분사가시 화 실험, 분사율 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 레일압력이 높을수록 높은 충전전압이 요구되며 압력별 피에조 스택이 니들을 움직일 수 있는 한계점이 존재한다.
2) 분사가 정상상태에 도달하는 데까지 걸리는 초기 지연시간과 니들이 닫힐 때 발생하는 후기지연시간의 영향으로 분사기간이 동일할 경우 단일 분사와 다단 분 사의 분사량에 차이가 발생한다.
3) 레일압력의 상승에 따라 분사율이 증가하며, 분사 율이 증가할수록 후기지연시간이 증가하였다.
4) 미립화 특성을 위해 레일압력을 높일 경우 분무도 달거리가 길어지지만, 다단 분사를 적용함으로써 동일 조건의 단일 분사에 비해 분무도달거리를 줄여 벽류현 상을 억제할 수 있다.
5) RMS 분석을 통하여 다단 분사가 단일 분사에 비 하여 분무증발특성이 우수함을 알 수 있었다.
후 기
본 연구는 지식경제부와 산업기술평가원에서 지원 하는 “Post EURO 6 배기규제 대응을 위한 승용 클린 디젤엔진 핵심제어알고리즘 및 ECU 설계기술 개발 (No.10039673)” 과제의 일원으로 수행되었고 지원기 관에 감사드립니다.
참고문헌
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