Injection Flow Rate Improvement of Injectors for DME Common-rail Systems

DME 커먼레일 시스템을 위한 인젝터 분사 유량 개선

이기수

^*,†

^**

^**

Injection Flow Rate Improvement of Injectors for DME Common-rail Systems

G. S. Lee, S. S. Shin and J. H. Park

Key Words: DME(Di-Methyl-Ether, 디메틸 에테르 ), Injector( 인젝터 ), Nozzle flow model( 노즐 유동 모델 ), Injection flow rate( ^{분사 유량} ), Solenoid seal( ^{솔레노이드 씰} )

Abstract

In this study, injection flow rates and material of the solenoid sealing of the injectors were improved for the development of a di-methyl Ether(DME) common-rail system. To deliver the same amount of energy provided by injection pressure of diesel = 160 MPa, the DME injectors need to have larger diameter of nozzle hole and more No. of hole at low injection pressure of = 40~50 MPa. The simplified nozzle flow model, which takes account of nozzle geometry and injection con- dition, was employed in order to design the concept of a injector nozzle such as No. of hole, diameter of hole and diameter of needle seat, etc. Injection amount and rate were tested by diesel and DME test stand. As a result, the diameter of nozzle hole were enlarged by 0.25 mm. The diameter of the orifice in the high pressure line was increased by 1.0 mm to maintain hydraulic force in the nozzle. The material of the solenoid sealing was changed to HNBR, which was strong against the cor- rosive. Experimental results showed that the injection amount of the DME injector drastically increased by 191.9% compar- ison to that of diesel at = 40 MPa.

1. 서 론

DME(Di-methyl Ether) 는 한 개의 산소 분자와 2 개의 메탄기가 결합된 에테르화합물의 일종으로 , 저온상태에

서 메탄올을 황산으로 탈수하면 얻을 수 있다 . DME 는

세탄가가 높아 압축착화 엔진에 대체연료로 사용 가능 하며 연료에 산소 함유율이 높기 때문에 입자상 물질을 거의 배출하지 않는다

. 또한 , LPG(liquefied petroleum

gas) 와 물성이 유사하여 기존 LPG 수송 인프라의 활용

이 가능한 장점이 있기 때문에 1990 ^{년대부터 디젤 연료}

의 대체 연료로 주목받기 시작하였다 .

현재까지 많은 연구자들에 의해 DME 를 디젤 연료의 대체 연료로 사용하기 위한 적용 가능성 , 연소 성능최적 화 , 그리고 차량 적용을 위한 연구가 진행되고 있다 . 특

히 , DME 는 160~200 MPa 의 디젤 연료 분사시스템에

비해 40~50 MPa 의 낮은 분사 압력 , 연료의 물성치 특

성 차이 그리고 연료 자체의 낮은 발열량에 출력 저하 문제를 극복하기 위해 연료분사시스템에 대한 개선 및 제어 전략에 대한 연구가 많이 진행되고 있다 . 그리고

DME ^{를 기존 디젤의 커먼레일 연료분사시스템에 적용}

할 경우 , 점도가 낮아 연료가 누설되기 쉽고 윤활성이 좋지 않기 때문에 연료공급계의 마모 방지를 위한 연구

도 진행되고 있다

.

P

P

P

(2013

2

15

~ 2013

3

6

, 2013

3

15

)

*자동차부품연구원

**충남대학교기계공학과

†

,

,

E-mail : [email protected]

TEL : (041)559-3353 FAX : (041)559-3070

수 없기 때문에 니들 시트의 최소 통과 유로 면적과 인 젝터 내부 오리피스 면적도 같이 고려해야 된다 . 또한 ,

적용하려는 인젝터에 따라서 인젝터 내 씰링 (sealing) 재 에 대한 변경도 필수적이다 .

본 연구에서는 기존 3L ^{급 커먼레일 시스템에} DME

연료를 적용하기 위한 연구로써 노즐 유동 모델을 이용 하여 기존 디젤엔진과 동일한 출력을 확보하기 위해 인 젝터 유량을 개선하였다 . ^{인젝터 노즐과 솔레노이드 씰}

링을 제작했으며 분사량 특성을 실험을 통해 확인하였다 .

2. DME 인젝터 설계 및 시험장치 구성

2.1 노즐 유동 모델을 이용한 DME용 인젝터 노즐 설계 본 연구에서 설계 변경하고자 하는 인젝터는 3L 급 커 먼레일 인젝터 ( 솔레노이드 구동방식 , 최대 연료 분사 압 력 160 MPa) 로 Mini-SAC 노즐 (Conical sac hole with conical tip) ^{을 사용 하고 있다} . ^{노즐은 φ} 0.124 mm×7 ea

이며 분사각은 150° 다 . 노즐 및 니들에 대한 형상 및 제

원을 Fig. 1 과 Table 1 에 각각 정리하였다 .

본 연구에서 DME ^{인젝터의 노즐의 기본 컨셉을 설}

계하기 위해 노즐 유동 모델 (Nozzle flow model) 을 사용

하였다 . Fig. 1(b) 의 노즐 유동 모델은 노즐 유로의 각

상태점에서의 압력과 속도를 계산 할 수 있는 모델이다 .

노즐 유동 모델은 빠르게 노즐을 설계할 수 있는 장점이 있어 많은 연구자들이 활용하고 있다 . 이 노즐 유동 모델 을 이용하면 실험을 통해 구한 연료의 분사량과 노즐의 기하학적 형상으로부터 노즐 출구에서의 유효속도 (Effec- tive design velocity), 유효직경 (Effective diameter) 그리고 유량계수 (Discharge coefficient) 를 구할 수 있다

.

본 연구에서는 DME ^{인젝터 노즐 제작을 위해서 실}

험을 통해 구한 분사량 대신 입구 분사 압력과 노즐 형 상을 이용하여 유량계수를 예측할 수 있도록 Fig. 2 와 같이 프로그램을 구성하였다 . ^{디젤 및} DME ^{노즐 입구}

분사 압력은 실제 니들 개폐에 따라 변하게 된다 . ^따라

서 노즐 입구 분사 압력을 분위기 압력에서 최대 분사

압력까지 시간에 따른 Sine 함수로 가정하였다

.

(1)

여기서 , 는 인젝터 노즐 SAC 내부의 시간에 따른

분사 압력 , P

는 분위기 압력 , T /2 는 분사시간을 의미한 P

= P

+ C × sin 2 ( π T ⁄ )

P

Fig. 1 Schematic diagram of an injector nozzle Table 1 Specifications of an injector nozzle

Item Unit Value

No. of hole ( ^N

) ea 7

Diameter of hole ( ^D ) mm 0.124

Length of hole ( L

) mm 0.756

Diameter of sac ( ^D

) mm 0.44

Diameter of needle seat ( ^D

) mm 2.0

Seat angle ( θ ) deg. 60

Spray angle deg. 150

다 . ^{따라서 T} /2 ^가 1.0 ms ^{조건에서 t가} 0.5 ms ^{일 때 분}

사 압력은 로 최대가 된다 .

노즐 입구 분사 압력이 정해지면 유량계수를 먼저 가 정한다 . 유량계수는 평균 유속과의 관계식을 이용하여 내부 루프를 통해 반복 계산함으로써 얻어 질 수 있다 . (2) (3)

여기서 , 은 평균속도 , C

는 유량계수 , K

는 입구 손실계수 , ρ

은 연료밀도 , f는 마찰계수를 의미한다 . 입 구 손실계수 K는 R/D의 함수이다

.

Figure 1 의 노즐 내부 c 지점에서의 압력 은 식

(4) 와 같으며 이 점에서의 압력이 해당 연료의 증기압보

다 작을 때는 캐비테이션 유동이 되고 그렇지 않을 때 는 층류 및 난류유동으로 구분된다 .

(4)

여기서 , 는 c 지점에서의 속도이다 . 노즐 내부의 유동특성이 결정되면 각 유동에 맞게 노즐 출구의 유효

직경과 유효 출구 속도가 계산되어 진다

.

2.2 DME용 인젝터 솔레노이드 Seal 설계

대상 인젝터를 DME 용으로 변경 사용하기 위해서

기존의 솔레노이드 코일과 액츄에이터 리턴 스프링 사

이에 위치한 Seal 을 HNBR(Hydro genated Nitrile Buta- diene Rubber) ^{로 변경하였다} . HNBR ^소재는 NBR(acry- lonitrile-butadiene rubber) 폴리머 분자구조에서 이중결 합부분이 수소화된 것으로 뛰어난 기계적 특성과 강도를

가지고 있어 DME ^{연료시스템에 많이 사용되고 있다} .

Fig. 3 은 변경된 HNBR 소재의 새로운 씰링 형상이다 .

2.3 성능시험 장치 구성

개선된 노즐을 장착한 DME 인젝터의 분사 유량 , 응

답성 , 분사율을 평가하기 위해 디젤과 DME 성능시험평

가 장치를 이용했다 . Fig. 4 의 성능시험평가 장치는 크

게 DME ^{연료 탱크} , ^{연료 공급장치} , ^{펌프 구동장치 그}

리고 데이터 취득 시스템으로 구성된다 .

DME 연료공급장치는 2 HP 인터버로 구동되는 400

L/h@2 MPa ^피드펌프 , DME ^{연료필터와 압력레귤레이}

터를 이용하여 고압연료펌프까지 DME 연료를 1.2 MPa

로 공급해준다 . 그리고 5 HP 급 전기모터를 이용하여 고 압연료펌프를 구동하고 펌프로부터 송출된 유량은 압력 P _inj = P

+ C

U _mean C _d 2 ^{( P} inj – P

⁾ ρ _l

---

=

C _d 1 1 + + f L n ⁄ D + K i

---

=

f = max 64 ( ⁄ Re , 0.316 Re

) U _mean

P _vena

P _vena P _inj ρ l

2---- ^{U vena}

–

=

U _vena

Fig. 2 Flowchart of nozzle flow model

Fig. 3 3D model of DME solenoid sealing

Fig. 4 Schematics of experimental apparatus of DME

injector performance test

노즐 유동 모델을 이용해서 기존 디젤 인젝터의 최대 연료 분사량과 동일한 유량을 확보하기 위한 인젝터 노 즐을 설계하였다 . Fig. 5 는 노즐 유동 모델을 이용해

DME 인젝터 노즐 홀 직경에 대한 설계 결과이다 .

분사 압력 40 MPa ^{조건에서 노즐 홀을 점점 증가시}

킬 경우 최대 분사율은 증가하게 된다 . 노즐 홀 직경이

약 0.2 mm 가 되면 기존 인젝터 160 MPa 조건에서의 연

료 분사율과 동일하게 되고 노즐 홀 직경을 0.25 mm ^로

증가시키면 동일한 출력을 얻을 수 있는 것으로 예측됐 다 . 이때 , 노즐 홀을 더 크게 할 경우 홀과 홀 사이의 간

격이 좁아지므로 설계 시 홀과 홀 사이의 간격을 0.1 mm 이상 확보하도록 했다 .

Base ^{는 기존 디젤용으로 설계 제작된 노즐이며} , Type I 은 VCO(Valve Covered Orifice) 노즐 타입으로 Base 노 즐보다는 상대적으로 분사량이 큰 노즐이다 . Type II 는

Type I ^을 DME ^{인젝터 유량 증대를 위해} Fig. 5 ^{와 같이}

노즐 유동 모델을 이용하여 0.25 mm 로 확경한 모델이

다 . DME 용 인젝터 노즐 사양을 Table 2 에 정리하였다 .

Fig. 6 ^{은 기존 솔레노이드 씰링을} HNBR ^{소재의 씰링}

으로 교체한 사진이다 . 기존 씰링은 DME 연료에 노출

되기 때문에 장기간 사용시 부식 되어 연료의 리크가 발생 한다 . 본 연구에서는 씰링을 HNBR 로 교체함으로 써 씰링이 부식되어 연료리크가 발생되는 것을 막고자 하였다 .

3.2 디젤을 이용한 분사 유량 시험결과

제작된 인젝터 노즐을 바디와 조립하고 디젤유를 이 용하여 분사 유량과 분사율을 시험하였다 .

Fig. 7(a) ^{는 분사 압력 변화에 따른 분사량을 측정한}

결과이다 . 분위기 압력은 2 MPa 이며 분사시간은 1.0 ms

이다 . 동일 디젤유 기준으로 160 MPa 보다 낮은 40 MPa

조건에서 동일한 유량을 확보하기 위해서는 약 40.5

mg/st 를 확보해야 된다 . 그러나 확경 한 노즐 (Type II) 을 장착한 인젝터의 분사량은 21.9 mg/st 로 160 MPa 의 디

젤 분사량에 크게 못 미치며 40 MPa 이하에서는 오히

려 확경 전의 분사량보다 적은 것을 알 수 있다 . Fig.

7(b) 의 40 MPa 조건에서 인젝터 분사율을 나타내었다 .

노즐 홀 크기를 증가시킨 Type II 는 40 MPa 조건에서

최대 분사율은 증가했으나 , ^{니들의 담힘 시기가 비정상}

적으로 빨라져 분사량이 증가되지 않았다 . 40 MPa 이

하의 낮은 분사 압력에서는 노즐 내부로 연료가 충분히 공급되지 않아 니들을 들어 올리는 압력을 유지 못해서

Fig. 5 Mass flow rate and hole to hole distance for injec- tor nozzle hole diameter at ^P

=40 MPa

Table 2 Design results of DME injector nozzle

Item Unit Base Type I Type II

Nozzle type - Mini-

SAC VCO VCO

No. of hole ea 7 6 6

Diameter of hole mm 0.124 0.16 0.25

Diameter of SAC mm 0.44 - -

Spray-cone angle deg. 151.4 139.6 139.6

Diameter of needle seat mm 1.88 - -

빨리 닫힌 것으로 판단된다 .

노즐 홀 확경에 따른 충분한 유량을 확보하기 위해서

는 인젝터 내부의 고압연료라인의 오리피스 직경을 확

보해 주어야 된다 . Fig. 8 ^{은 인젝터 내의 오리피스를 나}

타낸 그림이다 . 오리피스는 대상 인젝터내 연료가 노즐 로 공급되는 유로의 마지막 부분으로 연료의 양을 조절 할 수 있다 . 오리피스 직경을 1.0 mm 와 1.5 mm 로 증가 시킨 경우 (Type II 1.0 mm ^및 Type II 1.5 mm) ^{인 기존}

디젤 인젝터와 동등 수준의 분사량을 확보 할 수 있었

고 Fig. 6(a), (b) 그래프에서 보듯이 오리피스 직경이

1.0 mm ^과 1.5 mm ^{의 각각의 분사량과 분사율은 거의 동}

일하다 . 유압 서보식 인젝터 특성은 직접구동 방식이 아 니며 , 인젝터에서 실제 분사시간을 결정하는 니들의 열 고 닫힘이 액츄에이터의 통전 시간과 내부의 유압회로 에 의해 영향을 받기 때문에 노즐 내부에 압력이 유지 되어야 된다 .

3.3 DME를 이용한 분사 유량 시험결과

디젤유를 이용한 실험결과를 바탕으로 DME 를 이용 한 분사량 시험을 수행하였다 . DME 를 이용한 분사량

Fig. 7 Diesel injection amount and rate characteristics

Fig. 8 Schematics of Diesel injector orifice

Fig. 9 DME injection amount characteristics

4. 결 론

본 연구에서는 기존 3L 급 디젤 커먼레일 시스템에

DME 연료를 적용하기 위한 연료분사 인젝터의 씰과

분사 유량 개선에 관한 연구이다 . ^{노즐 유동 모델을}

이용하여 기존 디젤엔진의 동등 수준의 출력을 확보하 기 위해 노즐유량 증대를 위한 설계를 진행하였다 . 그 리고 인젝터에 대해 내부 솔레노이드 씰링재를 변경한 후 , 인젝터를 조립하고 분사량과 분사율 특성을 살펴 보았다 .

1) ^{디젤 인젝터에} DME ^{연료 적용시 기존의 씰 재}

질을 부식시키는 성분이 있어 씰을 HNBR 로 교체하여 씰이 부식되는 것을 방지하였다 . 따라서 리턴연료가 리크 되는 것을 방지 하고 인젝터의 내구성을 확보하 였다 .

2) 디젤 인젝터에 DME 연료 적용시에는 낮은 분사

압력으로 연료량이 크게 감소한다 . 연료량 감소뿐만 아 니라 발열량을 보정하기 위해 인젝터 노즐 홀 직경을

0.25 mm 로 증가시켰다 .

3) 노즐 홀을 0.25 mm 로 확경하고 인젝터 내부 오리

피스 직경을 1.0 mm ^{로 증가시킬 경우} 40 MPa ^{동일 분}

사량 조건에서 Base 대비 191.9% 의 추가 유량을 확보할

수 있었다 . 따라서 동일한 출력을 얻기 위해 통전 시간 을 디젤 대비 길게 하지 않는 분사전략 확보가 가능할 것으로 판단된다 .

후 기

본 연구는 지식경제부가 지원하는 산업원천기술개발 사업의 일환으로 수행되었다 . ^{도움을 주신 관계자 여러}

분께 감사하는 바이다 .

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