Nomenclature
Pinj : injection pressure, bar Tamb : ambient temperature, K teng : energizing duration, ms
1. 서 론1)
가솔린 직접분사식 엔진 (gasoline direct injection
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
engine, GDI engine)은 연료를 연소실 내로 직접 분사하 여 연소성능이 좋고, 동적 응답성이 빠르며, 유해물질 의 배출이 낮은 장점을 가지고 있다1-4). 연료를 연소실 내로 직접 분사하는 경우 착화 전 공기와 연료의 혼합 기 형성이 연소 및 배기 특성을 결정하는 매우 중요한 요소이기 때문에 연료-공기 혼합기 형성에 대한 이해 와 연소실 내에서의 분무거동, 미립화 특성, 분무 타겟 팅 등에 대한 체계적인 이해가 반드시 필요하다. 연료 의 분무 거동 및 미립화 특성은 연료의 물성과 노즐 형 상, 분사 조건 및 분위기 조건 등 많은 변수에 의해 결
쉴리렌 가시화 기법을 이용한 E85 연료의 액상 및 기상 분무 비교
박 수 한1)*⋅상 몽 소2)
전남대학교 기계공학부1)․전남대학교 대학원 기계공학과2)
Comparison of Liquid- and Vapor-Phase Spray Characteristics of E85 Fuel using Schlieren Visualization Technique
Suhan Park1)*⋅Mengzhao Chang2)
1)School of Mechanical Engineering, Chonnam National University, 77 Yongbong-ro, Buk-gu, Gwangju, 61186, Republic of Korea
2)Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Chonnam National University, 77 Yongbong-ro, Buk-gu, Gwangju, 61186, Korea
(Received 2018.06.26 / Accepted 2018.10.29)
Abstract : The purpose of this study is to investigate the liquid- and vapor-phase spray characteristics, such as spray tip penetration and spray angle using gasoline direct injection (GDI) injector with multi-hole. The vapor-phase spray was captured by the Schlieren visualization system, which consists of high-speed camera, LED lamp, concave mirrors, and knife-edge. The liquid-phase spray was visualized by Mie-scattering techniques. Both spray images of vapor- and liquid-phase were visualized under 373 K of ambient temperature, 1 bar of ambient pressure, and 100/200 bar of injection pressure. The energizing duration was fixed at 1.5 ms. From the analysis of experimental results, it revealed that the increased injection pressure induced an early vaporization due to the improvement of droplet atomization. The spray tip penetration and spray angle in vapor-phase were higher than those in liquid-phase. The difference in the spray tip penetration between vapor- and liquid-spray gradually increased with the time elapsed after the injection. Even with the spray angle characteristics, it was found that the difference between the spray angle of liquid and vapor spray gradually grew after they entered steady-state conditions.
Key words : E85 (ethanol 85%+n-heptane 15% blended fuel), Schlieren visualization, Mie-scattering, spray tip penetration, spray angle
정된다. 따라서 많은 연구자들은 위와 같은 다양한 변 수에 대한 GDI 인젝터의 분무 특성에 대한 연구를 활 발히 진행하고 있다.
Lee 등3)은 6공 GDI 인젝터를 이용하여 1-D 및 3-D 해 석 연구를 통해 니들 거동이 인젝터 성능에 미치는 영향 을 연구하였다. Lee 등3)은 인젝터의 유량 및 니들이 받 는 힘, 니들의 움직임 해석을 통해 제품 개발의 기간 단 축 및 비용 절감 가능성을 보고하였다. Huang 등5)은 에 탄올과 가솔린을 이용한 분무 특성 비교에서 두 연료 모 두 분무 패턴은 유사하였으며, 분위기 온도 증가에 따라 분무도달거리의 증가, 분사각 및 분무면적의 감소 경향 이 있음을 보고하였다. 또한 Park 등6)은 가솔린 대체연 료로 주목받고 있는 가솔린-에탄올 혼합연료를 이용하 여 분무 및 연소특성에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 가솔린 대체연료로 주목받고 있는 에탄올 혼합연료 (E85)의 분무 형상을 가시화하고, 분 무도달거리 및 분사각과 같은 정량적 분무 특성에 대 해 고찰하였다. 특히, 분사압력 변화에 따른 액상 (liquid phase)과 기상(vapor phase)의 분무를 각각 측정 하여, 분무의 증발 특성에 대한 연구를 수행하였다.
2. 실험장치 및 방법
2.1 실험연료
에탄올은 연료 내 약 35%의 산소를 포함하고 있어 완 전 연소를 통한 유해 배출물질을 저감할 수 있으며, 옥수 수, 사탕수수 등과 같은 바이오매스로부터 생산이 가능 하여 재생 가능한 에너지 (renewable energy, bioethanol) 로 분류할 수 있다. 또한, 가솔린 연료에 비해 옥탄가가 높아 안티-노크성 (anti- knocking property)이 우수하여 가솔린 기관에 적용할 경우 압축비 및 점화시기 조절을 통한 열효율 향상을 기대할 수 있다. 또한 가솔린 보다 높은 증발 잠열로 인해 흡입과정과 압축과정 중 흡입공 기 및 연소실의 냉각 효과를 얻을 수 있어 체적효율 향상 과 엔진 성능 향상 등의 장점이 있다. 본 연구에서는 이러 한 장점을 갖고 있는 에탄올 85%와 가솔린과 유사한 물 리적 특성을 갖고 있는 n-heptane 15%를 혼합한 E85연료 를 사용하여 기상 및 액상 분무 특성을 비교하였다.
n-heptane과 에탄올 연료의 물성치는 Table 1에 자세히 표 시하였다. 표에서 보는 바와 같이 에탄올은 n-heptane에 비해 밀도와 증발잠열이 크고, 저위발열량은 낮은 특징 이 있다.
Table 1 Properties of fuels
Characteristic n-heptane Ethanol Chemical formula n-C7H16 C2H5OH
Molecular weight 100.2 46.07
Oxygen - 34.8% wt
Viscosity (@20℃) 0.689cSt 1.2 mPa․s Liquid density (@20℃) 0.682 g/cm3 0.778 g/cm3 Lower heating value 44.5 MJ/kg 21.1MJ/kg Heat of vaporization 316 kJ/kg 854kJ/kg
2.2 실험장치 및 방법
E85 연료의 액상 및 기상 분무를 가시화하기 위하여 Mie 산란 및 쉴리렌 (Schlieren) 가시화 기법을 적용하 였으며, Fig. 1과 같은 장치를 구성하여, 실험에 이용하 였다. 쉴리렌 가시화 방법은 빛의 굴절을 이용하여 근 소한 굴절률의 변화를 명암의 차이로 나타내는 광학적 인 측정방법으로 기상 분무를 가시화하여, 분무 내부 의 밀도 구배를 확인할 수 있다. Mie 산란 가시화방법 은 액적과 주위 기체와의 굴절지수 차이를 이용하여 분무의 공간적 분포를 계측하는 방법으로 주로 액상 분무의 거동을 가시화할 때 사용한다. 실험 장치는 크 게 연료 공급부, 신호 제어부, 영상취득부로 구성하고, 인젝터는 정적체임버 상단에 설치하였다. 연료는 공압 펌프 (Haskel, DSF-60)를 이용하여 최대 20MPa까지 가 압하여 공급하였고, 어큐뮬레이터에 고압의 연료를 저 장함으로써 연료의 압력이 일정하게 유지될 수 있도록 하였다. 영상 취득부는 초고속카메라 (FASTCAM, Mini AX100)와 250W 출력의 메탈-할라이드 램프 (Lighterrace, MID-25FC), 영상저장장치로 구성하였다.
Knife-edge와 오목거울을 설치하여 기상분무 가시화 가 가능하도록 하였다. 인젝터의 분사기간, 분사횟수
Fig. 1 Schematic diagram of experimental systems for Mie-scattering and Schlieren visualization
Fig. 2 Image processing process of Mie-scattering and Schlieren visualized spray image
는 Compact RIO controller (cRIO-9030, NI), Differential digital input (9411, NI), Injector controller (9751, NI)로 제 어하였고, 초고속카메라와 인젝터의 신호는 신호발생 기 (Berkeley Nucleonics Corp., Model 575)를 이용하여 제어 및 동기화하였다.
취득한 분무 영상은 Fig. 2와 같은 방법으로 후처리 하여 정량 데이터 (분무도달거리와 분사각)를 계산하 였다. 먼저, 취득한 원본 영상에서 배경을 제거한 후 흑 백영상처리와 이진화(binarization) 과정을 거쳐 정량 분석이 용이한 영상으로 변환하였다. 이후 분무 영상 내 빈 공간을 메우고 (pore filling) 분무도달거리와 분사 각을 계산하였다. 분무도달거리 (spray tip penetration) 는 인젝터 팁으로부터 분무 선단 (edge)까지의 최대 거 리로 정의하였으며, 분사각은 인젝터의 중심과 분무의
양 끝점이 이루는 각도로 정의하였다. 실험은 1bar와 373K의 분위기 압력과 온도 조건에서 분사압력은 100bar, 200bar에서 수행하였다. 동일 조건에서 분무영 상은 10회 반복 촬영하였으며, 평균한 값을 결과 및 고 찰에 사용하였다.
3. 실험결과 및 고찰
Fig. 3은 200bar, 373K 조건에서 분무 발달과정을 나 타낸 것이다. 액상 (liquid phase) 분무의 경우 분사 초 기 삼각형 형태로 발달하다가 분무의 양쪽 끝단 부분 부터 증발하면서 종 모양으로 발달하였다. 또한 분사 후 2.0ms 기간에서는 분사 종료 후 분무의 증발로 인 해 가시화된 분무영역은 매우 작은 것을 확인할 수 있 었다. 반면, 기상(vapor phase)의 분무는 분사 초기 액 상의 분무 형태와 비슷하였으나, 분사 후 시간이 지남 에 따라 분무 양쪽 끝단의 증발 영역이 나타나고, 2.0ms 지점에서는 분사된 대부분의 연료가 증발한 것 을 확인할 수 있었다. 이에 대한 정량적 분석은 Figs.
4-7에서 자세히 설명하였다.
Fig. 3 Spray progress in liquid- and vapor-phase at the same conditions (Pinj=200bar, Tamb=373K, teng=1.5ms)
Fig. 4 Comparison of spray tip penetration in liquid- and vapor-spray
Fig. 4는 373K 분위기온도 조건에서 100bar와 200bar 의 분사압력 적용 시 E85연료의 액상 및 기상 분무 도 달거리를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 기 상 분무 도달거리는 액상 분무 도달거리 보다 더 길게 나타났다. 또한 분사압력이 증가함에 따라 증발 시작 시점이 더 빨라지는 것을 확인할 수 있었다. 분사압력 이 100bar에서 200bar로 증가할 경우, 증발의 시작은 약 0.2ms 더 빠르게 나타났다. 분사압력의 증가가 미립화 를 더욱 촉진시켜, 액적의 지름이 작아서 증발에 필요 한 시간이 더 짧아졌기 때문인 것으로 판단된다.
Fig. 5는 액상과 기상 분무의 분무도달거리 차이를 나타낸 것이다. 그림에 표시한 바와 같이 차이가 0보 다 큰 경우 기상의 축 방향 분무영역이 큰 것을 의미하 며, 0보다 작은 경우는 액상과 기상이 공존하는 영역
Fig. 5 Comparison of difference between liquid- and vapor- spray tip penetration
Fig. 6 Comparison of spray angle in liquid- and vapor- spray
임을 의미한다. 그림에서 보는 바와 같이 200bar의 분 사압력 조건에서 축 방향 기상 영역이 더 크게 나타났 으며, 시간이 지남에 따라 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 앞선 Fig. 4의 원인과 마찬가지로 분사 압력 증가에 따른 미립화의 증진과 분사 후 시간의 경 과에 따른 증발 효과로 판단할 수 있다.
Fig. 6은 액상과 기상 분무의 분사각을 비교한 것이 다. 기상분무의 분사각이 액상분무의 분사각보다 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 Fig. 3에서 본 바와 같이 분사 후 액적의 증발은 축 방향보다 반경방향에서 먼 저 일어나게 되며, Mie산란 가시화에 의한 액상 분무 에서는 증발에 의한 반경 방향 분무가 가시화되지 않 기 때문에 분사각이 다소 낮게 측정된 반면, 분사 후
Fig. 7 Comparison of averaged vaporization rate in axial- and radial-direction in spray
시작된 증발로 인해 쉴리렌 가시화로 측정된 기상 분 무의 분사각은 크게 측정되기 때문이다. 특히, 일정 시 간의 경과 후 액상 분무의 분사각은 감소하기 시작하 지만, 기상분무의 경우 일정하게 유지되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 분사압력이 클 경우 활발한 증발 활동으로 인해 분사각이 더 크게 나타났다. 또한, 인젝 터 볼 거동이 정상상태 (steady-state)에 접어들었을 때 (분사 후 약 0.5~ 0.6ms 이후)7) 액상과 기상의 분사각 차이는 점차 커졌다.
Fig. 7은 액상과 기상 분무의 분무도달거리와 분사 각 정보를 활용하여 축 방향 및 반경 방향 증발율을 정 량적으로 표시한 것이다. 증발율은 아래의 식을 이용 하여 계산하였다.
그림에서 보는 바와 같이 축 방향 증발 보다는 반경 방향에서의 증발이 더 활발히 일어나고 있음을 알 수 있다. 이는 분무 영역의 측면에서 주변과의 물질 전달 이 활발히 일어나고 있기 때문인 것으로 판단할 수 있 으며, 이는 추가 연구를 통한 규명이 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서는 Mie 산란법 및 쉴리렌 가시화 기법 을 이용하여 에탄올 연료가 85% 포함된 E85 연료의 액상 및 기상 분무 특성을 측정/분석하였다. 실험을 통 해 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) E85의 액상 분무는 분사 후 시간의 경과에 따라 삼각형에서 종 모양의 분무형태를 나타냈으며, 기상 분무는 액상 분무의 형태에서 시간의 경과에 따라 좌 우 영역이 넓어지는 형태를 나타내었다.
2) 기상분무의 분무도달거리는 액상보다 더 길게 나타났으며, 분사압력의 증가할 경우 증발 시점이 더 빠르게 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 분사 후 시간 의 경과에 따라 액상과 기상의 분무도달거리 차이는 점차 증가하였다.
3) 기상분무의 분사각은 액상 분무의 분사각보다 컸으며, 정상상태 (steady-stage) 이후 액상과 기상의 분사각 차이는 점차 커졌다.
4) 쉴리렌 가시화 및 Mie 산란 가시화기법 적용 및 비교를 통해 분무 축 방향의 증발보다 반경 방향의 증 발이 더 활발히 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
Acknowledgement
이 논문은 한국연구재단의 지역대학우수과학자지 원사업 (2016R1D1A3B03935537)의 지원으로 수행된 연구임.
References
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7) J. Park and S. Park, “Study on Macroscopic Spray and Spray Pattern Characteristics of Gasoline Direct Injection Injector for the Variation of Injection Pressure”, Journal of ILASS-Korea, Vol.23(1), pp.22-29, 2018.
