An Investigation on the Spray Characteristics of DME with Variation of Nozzle Holes Diameter using the Common Rail Fuel Injection System

(1)

인젝터 노즐 홀 직경의 변화에 따른 DME 커먼레일 연료 분사 시스템의 분무 특성에 관한 연구 II

이 세 준

¹⁾

․임 옥 택

^*2)

울산대학교 대학원 기계자동차공학과¹⁾․울산대학교 기계자동차공학부²⁾

An Investigation on the Spray Characteristics of DME with Variation of Nozzle Holes Diameter using the Common Rail Fuel Injection System

Sejun Lee

¹⁾

․Ocktaeck Lim

^*2)

1)Graduate School of Mechanical and Automotive Engineering, University of Ulsan, Gyeongnam 680-749, Korea

2)Department of Mechanical and Automotive Engineering, University of Ulsan, Gyeongnam 680-749, Korea (Received 24 October 2011 / Revised 18 January 2013 / Accepted 25 January 2013)

Abstract : DME spray characteristics were investigated about varied ambient pressure and fuel injection pressure using the DME common rail fuel injection system when the nozzle holes diameter is varied. The common rail fuel injection system with DME cooling system was used since DME has properties of compressibility and vaporization in atmospheric temperature. The fuel injection quantity and spray characteristics were measured. The spray analysis parameters were spray shape, penetration length, and spray angle at six nozzle holes. Three types of injector were used, the nozzle holes diameter were 0.166 mm (Injector 1), 0.250 mm (Injector 2), and 0.250 mm with enlargement of orifice hole from 0.6 mm to 1.0 mm (Injector 3). The fuel injection pressure was varied by 5MPa from 35 to 70MPa when the ambient pressure was varied 0, 2.5, and 5MPa. When using Injector 3 in comparison to the others, the DME injection quantity was increased 1.69 ~ 2.02 times. Through this, it had the similar low heat value with diesel which was injected Injector 1. Among three types of injector, Injector 3 had the fastest development velocity of penetration length.

In case of spray angle, Injector 2 had the largest spray angle. Through these results, only the way enlargement the nozzle holes diameter is not the solution of DME low heat value problem.

Key words : DME(Di-methly ether, 디메틸에테르), Injector nozzle hole diameter(인젝터 노즐 홀 직경), Spray angle(분무각), Spray penetration length(분무 관통 길이), Development velocity(발달 속도) Ambient pressure(분위 기 압력), Fuel injection pressure(연료 분사 압력)

1. 서 론

¹⁾

디젤의 대체연료로 각광받고 있는 DME에 관한 연구는 환경문제와 이로 인한 대체연료의 필요성에 의해 다양한 연구가 진행 중이다. 이러한 논문 중에 서 Yoshino 외

¹⁾

에 의한 DME 분사시스템이 적용된 디젤 엔진의 성능 연구에 따르면, 디젤과 동일한 저

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

위발열량을 확보하기 위해서는 DME의 분사량이

증가되어야 한다고 되어있다. 이것은 디젤분사를

위해 사용되어 온 기존의 상용인젝터로 DME를 분

사할 경우 동일 조건에서 분사된 디젤과 동일한 저

위발열량을 확보할 수 없다는 것을 의미한다. 이를

위해 기존의 인젝터의 노즐 홀을 가공하여 DME의

분사량을 늘려서 디젤과 같은 저위발열량을 얻기

위한 실험 및 해석

²⁾

을 실시하였다. 하지만 이론상으

(2)

이세준․임옥택

Fig. 1 Schematic of experimental apparatus

로 계산되어 노즐 홀 직경을 증대시킨 개조인젝터 를 사용하여도 디젤과 동일한 저위발열량을 확보할 수 없었다.

본 연구에서는 이러한 문제점을 해소하기 위해 노즐 홀 직경 및 오리피스 홀의 직경을 증대시킨 인 젝터와 DME커먼레일 연료분사 시스템을 적용하여 이때의 DME 분무 거동을 살펴보는 것과 동시에 DME의 낮은 저위발열량 문제를 해결할 수 있는 방 안을 제시해보도록 하겠다.

2. 실험장치

2.1 분무 가시화 및 DME 분사 장치

Fig. 1은 전체 실험장치의 개략도이다. Fig. 1의 우 측에 위치한 고압챔버는 질소에 의해 내부가 가압 된다. 인젝터는 엔진 컨트롤러(Zenobalti ZB-8035) 를 사용하여 연료분사시간, 분사횟수 및 광원의 작 동을 제어한다. 광원으로 사용되는 스트로브 라이 트는 엔진 컨트롤러에서 생성되는 신호에 의해 작 동된다. 고압챔버 내부의 압력은 챔버 내부에 설치 되어 있는 압력센서(Kistler 6056A)에 의해 측정된 다. 여기서 측정된 압력신호는 신호증폭기(Kistler 5015)에 의해 증폭된 신호를 읽는다. 스프레이 형상 을 촬영할 때 사용되는 카메라(Nikon D90)는 컴퓨 터와 연결되어 작동하고 분무가 촬영되면 컴퓨터에 저장된다. Fig. 1의 좌측은 DME 연료분사 시스템이 다. 사용되는 DME의 물성치는 Table 1에서 볼 수 있 다. 본 실험장치에서는 연료를 일정한 고압으로 분

Table 1 Properties of DME and diesel

Property [Unit] DME Diesel

Boiling point at 1 atm [K] 248.1 450∼643 Enthalpy of Vaporization [kJ/kg] 467.13 300 Lower heating value [MJ/kg] 27.6 42.5 Gaseous specific heat capacity [kJ/kg K] 2.99 1.7 Ignition limits [vol% in air] 3.4/18.6 0.6/6.5 Modulus of Elasticity [N/m²] 6.37E+08 14.86E+08 Kinematic viscosity of liquid [cSt] <0.1 3 Surface tension at 298K [N/m] 0.012 0.027 Vapor pressure at 298K [kPa] 530 <<10

사하기 위해 커먼레일 시스템을 사용하였다. DME 는 낮은 점성과 나쁜 윤활성 때문에 연료개통 시스 템의 누유 및 마모를 일으킨다.

^3-8)

이를 위해, 연료 가압 시 공기 압축기를 사용하였고 1% 바이오디젤 을 DME에 추가하여 연료의 윤활성을 개선하였다.

DME는 낮은 증발점에 의해 대기압에서 가스상태

로 존재하기 때문에 DME를 액화시키기 위해서

0.5MPa로 가압할 필요가 있다. 0.5~0.8MPa일 때 액

화상태로 존재하는 DME는 연료탱크에서 저압펌프

를 거친 다음 어큐물레이터로 공급된다. 액화상태

의 DME는 어큐물레이터의 벽면온도에 의해 가스

상태로 저장되는 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지

하기 위해, 소형 냉각장치를 어큐물레이터에 설치

하여 벽면온도를 차갑기 유지시켜서 어큐물레이터

내부의 DME가 계속 액체상태가 되도록 한다. 액화

된 DME는 압축공기로 가동되는 공기 압축기를 통

과하면서 약 35MPa 로 가압된 후 커먼레일 전에 설

(3)

인젝터 노즐 홀 직경의 변화에 따른 DME 커먼레일 연료 분사 시스템의 분무 특성에 관한 연구 II

치된 어큐물레이터에 저장된다. DME는 PCV (Pres- sure Control Valve) 드라이브에 의해 연료 압력이 조 절되는 커먼레일로 공급되어 일정한 압력으로 DME가 분사되도록 한다. 인젝터는 인젝터 드라이 버에 의해 분사기간과 분사횟수가 제어된다. 인젝 터에서 커먼레일로 순환된 연료는 다시 저압펌프로 이동하여 다시 연료공급시스템을 순환하게 된다.

2.2 DME 분사량 측정장치

Fig. 1의 우측하단에는 DME 연료량 측정장치의 개략도가 포함되어있다. 측정장치의 전면부는 액화 DME의 양을 확인할 수 있도록 눈금이 새겨진 쿼츠 로 되어있다. DME 분사량을 측정한 후에는 장치의 하단부에 있는 배출밸브를 개방하여 측정장치 내부 의 액화 DME를 배출한다. 측정장치 내부의 DME의 상태는 Fig. 2

⁹⁾

에 표시되어있는데, DME는 질소에 의해 5MPa 로 가압되기 때문에 액화상태유지가 가 능하고 실제 연소상태의 엔진 내부의 압력 모사가 가능하다.

Fig. 2 Vapor pressure curve of DME

2.3 인젝터

본 연구에서는 세 가지 종류의 테스트 인젝터가 사용되었고 이들에 대한 제원은 Table 2에 나와있 다. Injector 1은 상용 인젝터로서 노즐 홀 직경은 0.166mm이고 오리피스 직경은 0.6mm이다. Injector 2 의 경우는 노즐 홀 및 오리피스 직경이 각각 0.250mm 및 0.6mm이고 Injector 3의 경우는 0.250mm 및 1.0mm이다. Injector 3의 경우 분사되는 연료의 입경 의 증가를 피하기 위해 노즐 홀의 증대 및 오리피스 홀 증대를 실시한 인젝터이며 동일한 통전 시간동 안 많은 양의 DME를 분사하고자 제작된 것이다.

Table 2 Test injectors

Property Delphi multec

Injector 1 Injector 2 Injector 3

Nozzle type VCO

The number of

nozzle hHoles 6

Spray cone angle

[degree] 139.6

Diameter of

nozzle holes [mm] 0.166 0.250 0.250 Orifice hole diameter

[mm] 0.6 0.6 1.0

3. 실험방법

3.1 분사량 측정

본 연구에서는 5MPa 간격으로 35MPa부터 70MPa 까지의 연료분사압력 범위에서 3 종류의 테스트 인 젝터를 사용하여 DME의 분사량을 측정되었다. 모 든 실험 조건에서, 분사시간은 1ms이고 분사시간은 1000번으로 수행되었다. 실제 엔진 작동 시의 내부 압력조건을 만들면서 동시에 대기온도에서 DME를 액화시키기 위해 질소를 사용하여 고압챔버 내부를 5MPa로 가압하였다.

3.2 분무 가시화

DME는 연료분사압력이 35MPa, 70MPa일 때 고 압챔버 분위기 조건이 상온 0MPa, 2.5MPa, 그리고 5MPa에서 분사된다. 이러한 실험조건을 통해, Fig. 2 에서와 같이 DME는 액체상태로 존재한다. 모든 조 건에서 연료분사기간은 1ms이다. 본 실험에서의 주 요 측정사항은 분무관통길이와 분무각이고, Fig. 4

Fig. 3 Cross section of a test injector

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Sejun Lee․Ocktaeck Lim

Fig. 4 Schematic of spray visualization system

와 같이 정의되며 Adobe Photoshop CS3를 사용하여 측정하였다. 분무각의 경우, 전체 분무관통길이의 2/3지점에서 측정하였다. DME의 경우 분무형상의 끝단 부분에서 디젤에 비해 연료의 증발특성이 우 수하기 때문에 반복성을 통한 분무각 측정이 어렵 기 때문에 분무입자의 2차 분열이 일어나기 전 구간 인 2/3지점에서 분무각을 측정하였다.

4. 실험결과

4.1 분사량 측정

Fig. 5는 상용인젝터와 2개의 개조인젝터로 DME 를 분사하였을 시 측정되는 각각의 분사량을 보여 준다. DME 분사량과 비교할 수 있는 척도를 마련하 기 위해 Injector 1으로 디젤을 분사한 결과도 같이 표시되어있다. Injector 3로 DME를 분사한 경우 다 른 두 개의 테스트 인젝터의 경우보다 더 많은 분사 량을 확보할 수 있었다. 또한 상용 인젝터로 디젤을 분사한 경우보다 최소 약 1.69배 최대 약 2.02배 더 많은 DME 분사량을 얻었다는 것을 확인할 수 있다.

이를 저위발열량으로 계산하면 Fig. 6을 얻을 수 있으

Fig. 5 Injection quantity of DME and Diesel [ml/cycle]

Fig. 6 Injection quantity of DME and Diesel [KJ/cycle]

며, 이를 통해 Injector 3로 DME를 분사하면 Injector 1으로 디젤을 분사한 경우와 거의 동일한 저위발열 량을 가질 수 있다는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 노 즐 홀 및 오리피스 홀 직경의 증대를 통해 DME를 분사하면 DME의 단점 중 하나인 낮은 저위발열량 문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다.

4.2 분무 가시화

Fig. 7, 8은 노즐 홀 직경이 각각 Injector 2와 Injector 3로 DME를 분사하였을 때 분무가 완전발달할 때까 지의 거동을 나타내고 있다. 두 인젝터의 경우 초기 발달과정에서 6개의 노즐 홀에서 나오는 분무형상 이 비대칭인 것을 볼 수 있는데, 이는 인젝터의 구성 요소 중 노즐 홀만 개조를 하였기 때문에 발생하는 인젝터 니들의 떨림 현상으로 판단된다. 각각의 경 우 분무가 완전발달에 가까워질수록 전체적인 분무 형상이 대칭적으로 발달하는 것을 볼 수 있다.

4.2.1 분무관통길이

Fig. 9는 고압 챔버 분위기 압력이 5MPa로 고정된

상태에서 3가지 종류의 테스트 인젝터로 DME와 디

젤을 분사하였을 때의 분무관통길이의 발달거동을

보여주고 있다. 해석 기준 시간을 최초 연료 분무 이

후부터 2.5ms까지인 경우에 Injector 3의 분무발달길

이가 가장 길게 나타난다. 이것은 동일 시간동안

DME 분무의 발달속도가 상대적으로 빠르다는 것

을 나타내고 있으며 분사압력이 35MPa에서 70MPa

로 증가하면 분무발달속도의 격차가 더 벌어지는

것을 볼 수 있다.

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An Investigation on the Spray Characteristics of DME with Variation of Nozzle Holes Diameter using the Common Rail Fuel Injection System

Fig. 7 Sequential images of DME spray (Injector 2, Injection Pressure : 70 MPa, Ambient Pressure : 5 MPa)

Fig. 8 Sequential images of DME spray (Injector 3, Injection Pressure : 70 MPa, Ambient Pressure : 5 MPa)

Fig. 10은 연료분사압력이 70MPa로 고정된 상태 에서 고압 챔버의 분위기 압력을 0, 2.5, 5MPa로 변 화시켰을 때의 DME분무 관통길이를 나타내고 있 다. 모든 압력 조건에서든지 Injector 3의 분무발달이 다른 테스트 인젝터에서 형성되는 분무에 비해 대 체적으로 더 빨리 발달하는 것을 볼 수 있다. 이러한

Fig. 9 Spray penetration length of DME and diesel at Pamb : 5MPa

Fig. 10 Spray penetration length of DME and diesel at Pinj : 70MPa

결과들을 보이는 이유는 오리피스 홀 직경의 증대 에 따른 인젝터 내부에서 노즐로의 연료공급의 증 가 및 연료가 분출되는 노즐 홀의 직경이 증대됨에 따라 상대적으로 많은 연료가 분사되고 이에 따른 DME 운동량의 증가되었기 때문으로 판단된다. 또 한 많은 양의 DME가 고압 챔버 내부로 분사됨에 따 라 분무 주변의 DME가스 밀도의 증가로 인해 연료 의 증발이 더디기 때문에 액체 상태의 DME 연료 입 자의 운동량이 덜 감소함에 의한 결과로 판단된다.

위의 결과는 Hiroyasu의 연구결과

¹⁰⁾

를 통해서도 확

인이 가능하며 이에 대한 분무관통길이는 아래의

식과 같이 표현된다.

(6)

이세준․임옥택

S ^^

P^^t ^{  t  t}^b

S ^^A

P^^^D^o^t^^ ^t^b^{ t}

t_b  

^AP^

_

여기서 S는 분무 거리, ΔP는 연료분사압력과 주변 압력의 차이, t는 시간, D

o

는 노즐 직경, t

b

는 분열 시 간, ρ

l

는 연료밀도, ρ

A

는 주변가스밀도를 나타낸다.

이를 통해, 연료가 분사되는 분위기 압력이 증가하 면 연료분사압력과 분위기 압력 간의 차이가 작아 지고 이에 반비례하여 분무관통길이는 증가한다는 것을 알 수 있다. 또한 디젤에 비해 낮은 밀도를 가 지는 DME의 물성의 영향에 의해서 이러한 결과가 도출된다는 것을 확인할 수 있다.

4.2.2 분무각

Fig. 11은 분위기 압력이 5MPa로 일정한 상태에 서 3종류의 테스트 인젝터로 DME와 디젤을 분사했 을 때 나타나는 분무각의 발달과정을 보여주고 있 다. 각각의 테스트 인젝터로 DME 및 디젤을 분사했 을 때, 연료분사압력의 변화에 따른 분무각의 변화 를 확인할 수 없었다. 또한 인젝터의 노즐 홀 직경에 따라 각각 다른 분무각을 형성한다는 것을 볼 수 있 다. 이를 통해 동일 인젝터에서 분사압력의 변화는 분무각의 크기와 큰 연관이 없고 노즐 홀 직경과 밀 접한 연관이 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 Hiroyasu의 분무각 실험식

¹⁰⁾

에서도 살펴볼 수 있다.

Fig. 11 Spray angle of DME and diesel at Pamb : 5MPa

Fig. 12 Spray angle of DME and diesel at Pinj : 70MPa

  ^D

L^{ }^^D

D ^



^^

_a



^

실험식을 통해 분무각 형성에는 노즐 홀 길이 및 직경, 분사되는 연료 및 주변가스의 밀도가 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 이를 통해서 연료의 분사압 력은 실제로 영향을 줄 수 있을 것으로 예상되지만 주요 원인으로는 보기 힘들다는 것을 알 수 있으며 다음의 분무각 실험결과에서도 나타난다.

Fig. 12에서는 연료분사압력을 70MPa로 고정한 상태에서 연료가 분사되는 분위기의 압력이 0, 2.5, 5MPa로 변화할 때 분무각의 형성을 보여주고 있다.

Injector 2와 3에 의한 DME의 분무각 형성은 분위기 압력이 증가에 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 나 타난다.

5. 결 론

본 연구에서는 노즐 홀 직경 및 오리피스 홀 직경 조건이 다른 세 종류의 테스트 인젝터를 사용하여 커먼레일 연료분사 시스템에서 다양한 분위기압력 및 분사압력 조건에 따른 DME분무특성을 알아보 았다. DME 실험결과는 디젤 분무특성과 비교분석 되었고 다음과 같은 결론을 내리게 되었다.

1) Injector 3을 사용하여 DME를 분사함으로서 Injector 1로 디젤을 분사하였을 때보다 최소 약 1.69배 최 대 약 2.02배 많은 연료분사량을 확보하였다.

2) 분사압력별로 분무관통거리를 비교한 결과, Injector

3으로 DME를 분사한 경우 다른 종류의 인젝터

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인젝터 노즐 홀 직경의 변화에 따른 DME 커먼레일 연료 분사 시스템의 분무 특성에 관한 연구 II

로 DME 및 디젤을 분사한 것에 비해 더 많은 연 료가 분사된다. 이로 인하여 연료의 운동량이 증 가하여 동일 시간동안 발달하는 분무의 관통거 리가 증가하게 된다.

3) 연료가 분사되는 분위기 압력별 DME 분무의 발 달거동을 분석한 결과, 분위기 압력이 증가와 관 련없이 Injector 3의 경우가 Injector 2보다 분무발 달속도가 더 빠르다. 이는 앞에서의 결과와 같은, DME연료의 운동량 증가에 의한 결과로 판단된다.

4) DME연료를 분사압력 35, 70 MPa로 분사한 결 과, 분사압력의 변화에 따른 6개 노즐 홀에서의 평균 분무각은 거의 동일하였다. 디젤의 경우도 비슷한 경향을 나타내는데, 이를 통해 DME연료 분무각과 연료분사압력사이에 직접적인 연관은 없는 것으로 판단된다.

후 기

본 연구는 교육과학기술부의 재원으로 한국연구 재단의 기초연구사업 지원(2012R1A1050573)과 지식 경제부의 에너지기술개발사업(G031473011), 2013년 울산대학교 기계공학부 일류화사업단의 연구비를 지원받아 수행된 것입니다. 지원에 감사를 드립니다.

References

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