분사조건에 따른 가솔린 직접분사용 다공 분사기에서의 LPG 분무특성
정진영
*
· 오희창*
· 배충식†
LPG Spray Characteristics in a Multi-hole Injector for Gasoline Direct Injection
Jinyoung Jung, Heechang Oh and Choongsik Bae
Key Words: Liquid petroleum gas(액화석유가스), Gasoline(가솔린), Multi-hole injector(다공 분사기), Spray characteristics (분무특성), Direct injection(직접분사)
Abstract
Liquefied petroleum gas (LPG) is regarded as an alternative fuel for spark ignition engine due to similar or even higher octane number. In addition, LPG has better fuel characteristics including high vaporization characteristic and low carbon/
hydrogen ratio leading to a reduction in carbon dioxide emission. Recently, development of LPG direct injection system started to improve performance of vehicles fuelled with LPG. However, spray characteristics of LPG were not well under- stood, which is should be known to develop injector for LPG direct injection engines. In this study, effects of operation con- dition including ambient pressure, temperature, and injection pressure on spray properties of n-butane were evaluated and compared to gasoline in a multi-hole injector. As general characteristics of both fuels, spray penetration becomes smaller with an increase of ambient pressure as well as a reduction in the injection pressure. However, it is found that evaporation of n- butane was faster compared to gasoline under all experimental condition. As a result, spray penetration of n-butane was shorter than that of gasoline. This result was due to higher vapor pressure and lower boiling point of n-butane. On the other hand, spray angle of both fuels do not vary much except under high ambient temperature conditions. Furthermore, spray shape of n-butane spray becomes completely different from that of gasoline at high ambient temperature conditions due to flash boiling of n-butane.
1. 서 론
액화석유가스는 가솔린 대비 옥탄가가 같거나 높아 전기점화식 엔진의 대체연료로 한국에서는 주로 택시 연료로 사용되고 있다. 또한 가솔린 보다 수소 대 탄소 비율이 낮아 이산화탄소 배출이 적고 기화특성이 우수
하여 스모크 배출량이 낮아 친환경연료로 주목 받고 있
다(1, 2). 하지만 가솔린엔진은 직접분사기술이 적용된 반
면, 액화석유가스 엔진은 흡기다기관에 액상연료를 분 사하여 우수한 연료특성에도 불구하고 연비 및 배기특 성이 가솔린엔진 대비 우수하지 않아 개선사항으로 지 적되고 있다. 최근 이러한 단점을 개선시키기 위해 직접 분사식 액화석유가스 엔진을 개발하고 있고, 이를 위해 직접분사식 액화석유가스 분사기에 대한 연구가 활발하 게 진행되고 있다. 액화석유가스는 증발 및 혼합특성이 우수하여 가솔린과는 다른 분무 거동을 보이게 되는데 이를 고려한 분사기 설계가 요구된다. Kim 등은 고압 스월 분사기를 통하여 가솔린과 LPG의 분무 특성을 비
Recieved: 23 September 2013, Recieved in revised form: 02
February 2014, Accepted: 03 February 2014)
*
Korea Advance Institute of Science & Technology
†
책임저자, 회원, KAIST E-mail : [email protected]
TEL : (042)350-3044 FAX : (042)350-5044
력, 온도, 그리고 분사압력을 제어하여, 이에 따른 액화석 유가스의 분무거동을 가시화 기법을 통하여 분석하였다.
2. 실험 장치 및 조건
2.1 실험 장치
액화석유가스의 액상 분무 거동을 파악하기 위해 Mie 산란법을 이용하였다. Fig. 1은 실험 장비에 대한 개략도를 나타낸다. 실험은 정적챔버에서 수행되었으며 실제 엔진에서의 분사시기에 따른 분위기 조건을 모사 하기 위해 분위기 압력과 온도를 각각 질소가압과
기록되지 않게 하였다.
2.2 실험 조건
Table 1은 연료 및 분사량, 그리고 분위기 조건을 나 타낸다. 분사기는 직접분사식 가솔린엔진에서 많이 쓰 이는 6홀 다공형 분사기를 사용하였고 연료는 가솔린과 여름용 LPG를 대표할 수 있는 n-butane 99.5%을 사용 하였다. 분사량은 두 연료 모두 가솔린 기준 11 mg에 해당하는 열량 474 J으로 선정하였다. 분위기 조건에 따 른 분무 특성을 알아보기 위해 대기압(0.1 MPa), 0.6 MPa, 그리고 1.1 MPa의 분위기압, 300 K, 400 K, 500 K의 분위기 온도에서 분사하였다. 분사압력에 대한 분 무 특성을 평가하기 위해 5.5 MPa, 10 MPa, 15 MPa의 분사압력으로 분사하였다.
2.3 분무 평가 지표
두 연료의 분무 특성을 서로 비교하기 위해 분무 침 투거리와 분무각을 Fig. 2와 같이 정의하였다. 분무침투 거리는 분사기 팁에서 분무 미단까지의 거리의 평균 값 으로 정의하였다. 분무각의 경우 앞에서 정의한 분무 침 투거리의 절반 지점에서의 분무가 이루는 각으로 정의 하였다.
Fig. 1 Schematic of experiment apparatus
Fig. 2 Definitions of spray penetration and angle
Table 1 Experimental condition Fuel gasoline n-butane Injection
quantity
11 mg 10.5 mg Low heating value: 474 J Injection
pressure 5.5 MPa, 10 MPa, 15 MPa Ambient
pressure
Atmospheric pressure (0.1 MPa), 0.6 MPa, and 1.1 MPa gauge pressure Ambient
temperature 300 K, 400 K, 500 K Injector Multi-hole injector
3. 실험 결과 및 토의
3.1 가솔린 분무 특성
Figure 3은 분위기 압력이 대기압, 분위기 온도가 300 K인 조건에서의 가솔린 분무 침투거리를 나타낸다. 분 사압력이 5.5 MPa에서 10 MPa, 15 MPa으로 증가함 에 따라 분무의 운동량이 증가하여 분무 침투 거리가 증가하는 것을 확인하였다. 분사가 종료가 된 이후에 는 이미 분사된 분무의 운동량이 시간이 지남에 따라 항력에 의해 감소하기 때문에 분무침투거리 증가율이 감소하였다(5). 분무 침투 거리 증가율이 감소하는 시점 은 분사압력에 따라 달라지는데 이는 동일한 열량의 연 료를 분사하는데 요구되는 분사기간이 분사압력이 증가 할수록 짧아지기 때문이다. 또한 분사압력이 5.5 MPa의 경우 다른 분사압력 조건 대비 분무침투거리 증가율의 변화가 상대적으로 없는데 이는 분사기간이 상대적으로
길고 낮은 분사압력으로 인해 무화가 촉진되지 않아 상 대적으로 분무 운동량이 보존되었기 때문이다. 같은 조 건에서의 분무각은 Fig. 4에 나타내었다. 분무 침투거리 와 다르게 분무각은 분사압력 증가에 따른 경향을 보기 힘들었다. 이는 분사압력이 증가하면 분무와 주변과의 운동량 교환이 활발하게 되어 개별 분무줄기의 각은 소 폭 증가하겠지만 전체 분무각은 분사기 홀의 위치와 홀 의 중심축과 분사기 중심축간의 상대각도에 의해 결정 되기 때문이다.
분위기 압력을 1.1 MPa로 증가시켰을 때 분무 침투 거리와 분무각을 각각 Fig. 5, 6에 도시하였다. 분위기 압력 증가에 따라 항력이 증가하게 되고, 그 결과 분무 운동량이 대기압 조건 대비 더 감소하여 결과적으로 분 무 침투 거리가 감소하게 된다(5). 반면 분무각은 분위기 압력 증가에 따라 증가하였다. 분무각은 분무의 축방향 운동량과 분무 표면의 불안정성에 의한 반경방향의 운 Fig. 3 Spray penetration of gasoline at 0.1 MPa and 300 K
Fig. 4 Spray angle of gasoline at 0.1 MPa and 300 K
Fig. 5 Spray penetration of gasoline at 1.1 MPa and 300 K
Fig. 6 Spray angle of gasoline at 1.1 MPa and 300 K
동량에 의해 결정되는데 분위기 압력 증가함에 따라 증 가된 항력에 의해 분무 표면의 불안전성이 높아지고 그 결과 축 방향 분무 운동량이 감소하고 대신 반경방향 분무 운동량이 증가하게 하였기 때문이다(5). 또한 다공 형 분사기에서 분사된 분무는 Full-cone spray이기 때문 에 분위기 압력 증가에 따라 주변 기체의 가스의 밀도 가 높아지면 분무의 축 방향 운동량 일부가 반경방향 운동량으로 치환되어 결과적으로 분무 침투거리는 감소 하고, 분무각은 반대로 증가하게 된다(5).
분위기 온도가 분무특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 대기압 조건에서 분위기 온도를 400 K, 500 K로 증가시켜 분사 하였다. Fig. 7은 대기압 조건에서 분위 기 온도가 300K, 400 K, 500 K로 증가하였을 때의 분 사 시작 1000 µs이후의 액상 분무의 경계를 나타낸다.
분위기 온도 400 K 조건에서는 분무 특성은 분위기 온 도 300 K조건과 크게 차이가 없었다. 하지만 분위기 온 도 500 K 조건에서 분무 침투거리가 증가할 뿐만 아니 라 분무각이 대폭 감소한 것을 확인 할 수 있었다. 이는 높아진 분위기 온도에 의해 감압 비등(flash boiling)이 일어 났기 때문이다. 감압 비등은 연료가 분사되는 과정 에서 일정수준 이상의 급격한 압력 강하가 일어날 때 발생하게 된다. 온도 또한 감압 비등 발생 여부에 큰 영 향을 주게 되는데(6)분위기 온도가 500K인 조건에서만 감압 비등이 일어난 것을 보면 증가된 분위기 온도에 의해 연료의 포화 압력이 낮아져 감압 비등이 일어난 것으로 판단하였다. 강한 감압비등이 일어나게 되면 각 각의 분무줄기가 합쳐져 마치 하나의 분무줄기처럼 거 동하게 되는데 이는 감압비등에 의해 무화가 향상되었
기 때문이다. 감압비등 정도가 심하지 않은 경우에는 분 무의 축 방향 운동량이 반경방향 운동량으로 치환되어 감소하게 되고 결과적으로 분무 침투 거리가 감소하게 된다. 하지만 감압비등의 정도가 심해지면 증가된 반경 방향 운동량에 의해 분무줄기간 거리가 줄어들어 결과적 으로 여러 분무 줄기가 하나의 분무줄기로 합쳐져 거동 하게 된다. 그 결과 각각 분무줄기가 가지고 있는 축 방 향 운동량이 합쳐져서 그 값이 증가, 결과적으로 분무 침 투거리가 증가하게 된다(7). Fig. 8은 분위기 온도 500 K, 대기압 조건에서의 가솔린 분무 침투 거리를 나타낸다.
Figure 9은 분위기 온도 500 K, 분위기 압력 1.1 MPa 조건에서 가솔린의 분무 침투 거리를 나타낸다. 분위기 온도가 500K 이고 분위기 압력이 1.1 MPa로 증가된 조 건에서는 감압비등이 크게 일어나지 않아 다른 온도조 건과 비슷한 분무 형태를 보였으며 높아진 분위기 온도 Fig. 7 Liquid phase spray boundary of gasoline at 1000
µs after start of injection, 0.1 MPa, and 300 K(red), 400 K(green), and 500 K(blue)
Fig. 8 Spray penetration of gasoline at 0.1 MPa and 500 K
Fig. 9 Spray penetration of gasoline at 1.1 MPa and 500 K
에 의해 증발이 향상되어 분사시작 이후 액상 분무 모 두 기화되어 보이지 않는 시기가 짧아 진 것을 확인 할 수 있었다. 또한 분사압력이 증가함에 따라 무화가 향상 되었고(5), 분사압력이 증가할수록 같은 열량의 연료를 분사하기 위한 통전기간이 짧아지기 때문에 분사압력이 높은 조건에서 더 짧은 시간에 분무가 모두 기화되는 것을 확인 할 수 있었다.
3.2 연료간 분무 특성 비교
Figure 10, 11은 각각 대기압 조건, 분위기 온도300 K 에서의 가솔린 및 n-butane의 분무 침투거리와 분무각을 나타낸다. 이 조건에서는 연료간 분무 침투거리 차이가 발견되지 않았지만 n-butane의 높은 기화성에 의해 액상 분무 지속시기가 가솔린 대비 짧은 것을 확인하였다. 그 결과로 분무각 역시 분사 초기에는 연료간 차이가 없다
가 분사가 종료된 이후에 n-butane의 빠른 기화로 인해 n- butane의 분무각이 가솔린 대비 좁은 것을 파악하였다.
분위기 압력을 상온 조건에서 1.1 MPa로 증가시켜 분위기 압력이 분무 특성에 미치는 영향을 살펴보았다.
Fig. 12은 분위기 온도 300 K, 분위기 압력 1.1 MPa 조 건에서 두 연료의 분무 침투거리를 나타낸다. 가솔린과 마찬가지로 높아진 분위기 밀도에 의해 분무와 주변간 운동량 교환이 증가해 분무 침투거리가 감소한 것을 볼 수 있었다. 하지만 분위기 압력 증가에 따른 두 연료간 차이는 크지 않았다.
분위기 온도를 400 K로 증가시켜 분위기 온도증가가 n-butane분무 특성에 미치는 영향을 알아보았다. Fig. 13 는 대기압, 분위기 온도 500 K 조건에서의 분사시작 1000 µs 이후의 가솔린 액상 분무 분포 영역과 분위기 Fig. 10
Spray penetration of gasoline (black) and n-butane
(red) at 0.1 MPa and 300 K
Fig. 11 Spray angle of gasoline (black) and n-butane (red) at 0.1 MPa and 500 K
Fig. 12 Spray penetration of gasoline (black) and n-butane (red) at 1.1 MPa and 300 K
Fig. 13 Liquid phase spray boundary of gasoline (green) and n-butane (red) at 1000 µs after start of injec- tion, 0.1 MPa, and 500 K for gasoline and 400 K for n-butane
온도 400 K 조건에서의 동시간 이후 n-butane의 액상 분무 영역을 나타낸다. 두 연료간 분위기 온도가 다르지 만 분무 형태뿐만 아니라 분무 침투거리 및 분사 각도 비슷한 경향을 보였다. 이는 n-butane분사시 감압비등이 일어나는 분위기 온도가 가솔 린 대비 낮다는 것을 알 수 있었다. 분위기 압력을 대기압으로 유지시킨 상태에 서 분위기 온도를 500 K로 증가시킨 조건에서 n- butane을 분사시켰을 때도 400 K 조건과 마찬가지로 감 압비등이 일어났으며 높아진 온도에 의해 n-butane의 기 화가 더욱 활발히 일어나 분무 침투거리와 분무각이 감 소하였다.
Figure 14은 대기압, 분위기 온도 500 K조건에서의 두 연료의 분무 침투거리를 나타낸다. n-butane분사시 감압비등 발생과 연료의 높은 기화성에 의해 분무 침투 거리가 다른 조건 대비 대폭 감소하였으며 분무줄기가 하나로 합쳐져 분무 형상이 “촛불”과 비슷한 형태를 나
타냈다. Fig. 15는 대기압, 분위기 온도 500 K 에서 분 사시작 1000 µs 이후 두 연료의 분무 형상을 나타낸다.
n-butane의 경우 분사초기부터 “촛불” 형태의 분무 형상 을 유지하며 분사 종료 후 바로 기화되는 것을 확인 하 였다.
분위기 온도가 높은 조건에서 분위기 압력 증가에 따 른 영향을 살펴보고자 분위기 온도 400 K, 500 K 조건 에서 분위기 압력을 올려서 실험을 진 행하였다. 우선 분위기 온도 400 K조건에서 분위기 압력을 증가시켰을 때 대기압 조건과 달리 n-butane의 감압비등이 일어나지 않았다. Fig. 16는 분위기 온도 300 K, 400 K에서 분위 기 압력 1.1 MPa 조건에서의 연료간 분무 침투거리를 나타낸다. 두 연료 모두 분위기 압력 상승에 의한 항력 증가로 인해 대기압 조건 대비 분무 침투거리가 감소하 였다. 상온 조건과 400 K조건에서의 n-butane의 분무 침 투거리를 비교해보면 분사초기에는 큰 차이가 없다가 분사 종료 후 높은 분위기 온도에 의해 n-butane의 빠른 기화가 발생, 가솔린과 다르게 n-butane이 모두 기화 된 것을 확인 할 수 있었다. 분위기 압력이 0.6 MPa에서는 분무 침투거리가 1.1 MPa 조건 대비 소폭 길지만 경향 성은 크게 차이가 나지 않았다. 분위기 압력 1.1 MPa에 서 분위기 온도를 500 K까지 상승시켰을 때 두 연료의 분무 침투거리와 분무각을 Fig. 17, 18에 각각 나타내었 다. n-butane분사시 같은 분위기 온도에서, 대기압 조건 대비 분위기 압력 증가 시 분사 침투거리가 소폭 감소 하였고 분사 종료 이후 모두 기화되어 액상 분무가 발 견되지 않았다. 하지만 감압비등이 일어난 대기압 조건 Fig. 14 Spray penetration of gasoline (black) and n-butane
(red) at 0.1 MPa and 500 K
Fig. 15 Liquid phase spray boundary of gasoline (green) and n-butane (red) at 1000 µs after start of injec- tion, 0.1 MPa, and 500 K
Fig. 16 Spray penetration of gasoline (black) and n-butane (red) at 1.1 MPa and 300 K (solid line) and 400 K (dash line)
과 다르게 분위기 압력이 상승한 조건에서는 감압비등 이 일어나지 않아 분무 줄기가 합쳐지지 않았다. 그 결과 분무 침투거리가 대기압 조건 대비 대폭 짧아졌다. 또한 높은 분위기 온도에 의해 분무 표면에서의 기화가 활발 히 일어나 분무줄기간 구분이 명확한 것을 확인하였다.
Fig. 19은 분위기 온도 500 K조건에서 분위기 압력 변 화에 따른 분사시작 1000 µs이후 n-butane의 액상 분포 영역을 나타낸다. 분위기 압력이 증가할 경우 대기압 조 건과 다르게 감압비등이 일어나지 않아 각 분무 줄기를 확인 할 수 있었다. 분위기 온도 500 K, 분위기 압력 1 MPa조건에서 가솔린 분사 시 n-butane과 다르게 각 분무 줄기간 구분이 되지 않았다. 이는 n-butane의 높은 기화특성에 의해 각 분무 줄기의 표면의 연료가 빠르게 기화하였기 때문이다.
4. 결 론
본 연구에서는 가솔린, n-butane을 다공형 분사기를 이용, 다양한 조건에서 분사하여 분위기 압력 및 분위기 온도가 분무에 미치는 영향을 살펴 보았다.
•
분사조건의 영향(가솔린 분무 특성)−분사압력이 증가할수록 분무 운동량이 증가하여 분무 침투 거리가 증가
−분위기압의 증가로 인해 항력이 증가하여 분사 침투거리가 감소하고 분사각이 증가함
−분위기 온도는 대기압 조건에서만 분무 특성에 영향을 주었음
−대기압 조건에서 분위기 온도 증가에 의해감압비 등이 일어나 분무줄기가 하나로 합쳐져 결과적으 로 분무 침투거리가 증가하였다.
•
연료간 비교−대기압, 상온 조건에서 n-butane 분사 시 가솔린과 분무 특성이 크게 다르지 않았음
−분위기온도가 상온인 조건에서 분위기 압력에 대 한 분무 특성은 가솔린과 큰 차이가 없었음.
−분위기 온도가 400 K로 증가시켰을 분위기 온도 500 K, 대기압 조건에서의 가솔린 분무와 비슷한 수준의 감압비등이 일어났음
− 가압 조건에서는 감압비등은 일어나지 않았으나 높아진 분위기 온도에 의해 빠른 기화가 발생하 였음.
후 기
본 연구는 환경부 Eco-STAR project(무·저공해자동차 사업단)의 지원으로 진행되었으며, 이에 감사 드립니다.
Fig. 17 Spray penetration of gasoline (black) and n-butane (red) at 1.1 MPa and 500 K
Fig. 18 Spray angle of gasoline (black) and n-butane (red) at 1.1 MPa and 500 K
Fig. 19 Liquid phase spray boundary of n-butane at 1000 µs after start of injection, 500 K, and 0.1 MPa (red), 0.6 MPa (green), and 1.1 MPa (blue)
control strategies for particulate emissions from direct injection light-duty vehicle fueled with gasoline and liquid phase liquefied petroleum gas (LPG)”, Fuel, Volume 94, April 2012, pp. 348-355.
(3) Kim, Y. H., Kim, M. Y., Jeon, H. H. S., and Lee. C. S.,
“A study on the characteristics of spray in a LPG direct
bustion Science, Volume 34, Issue 4, August 2008, pp.
417-439.
(7) Wei Zeng, Min Xu, Gaoming Zhang, Yuyin Zhang, David J. Cleary, Atomization and vaporization for flash-boiling multi-hole sprays with alcohol fuels, Fuel, Volume 95, May 2012, pp. 287-297.
