1. 서 론
제 세대 직접분사식 가솔린 기관은 벽면 유도방1 식의 성층 혼합기 형성을 통한 연소방식으로 예혼 합방식보다 연료소비율을 20%까지 향상시켰으나
와 등의 저감효과는 그리 크지 않았다
HC NOx .(1,2)
최근에는 제 1세대 연료분사시스템을 개선한 분무 유도(Spray guided) 방식의 제 세대 연료분사 시스2 템을 적용한 직접분사식 가솔린 기관에 대한 연구 가 활발히 이루어지고 있다.(3) 특히 연료분사 시스 템의 핵심부품인 고압다공 연료분사기와 피에조 외 부개방형 연료분사기는 안정적인 분사패턴과 분사
연료의 공간분포성이 우수하여 성층연소의 가연범 위를 개선하고 균질혼합의 경우에도 제 세대 시스1 템의 단점을 보완할 수 있는 대책이 되어 많은 연 구가 이루어지고 있다.(4~9) 본 연구에서는 선회유동 과 텀블 흡입유동이 균질 및 성층혼합기 형성을 위 한 고압 11공 연료분사기의 분무형상에 미치는 영 향을 관찰하였다.
실험장치 및 가시화 기법제목 2.
2.1 실험장치
본 연구에 사용한 단기통 가시화 직접분사식 가솔린 기관의 사양은 Table 1에 나타내었다. Fig.
에 나타낸 바와 같이 분무유도 방식의 직접분사 1
식 가시화 기관은 펜트 루프형 4밸브 실린더 헤 드로 구성되어 있다 흡기유동을 형성하기 위해. 와 같이 개의 흡기포트 중 한 개의 끝 Fig. 1(a) 2
학술논문
< > DOI:10.3795/KSME-B.2009.33.9.722
직접분사식 가솔린 기관에서 흡입유동이 고압 11공 연료분사기의 분무형상에 미치는 영향
김 성 수
(2009 7 2 , 2009 7 28 , 2009 7 29 )
The Effect of the Intake Flow on the Spray Structure of a High Pressure 11-Hole Fuel Injector in a DISI Engine
Seong Soo Kim
Key Words: Swirl Flow( 선회유동 ), Tumble Flow( 텀블유동 ), 11-Hole Injector(11 공 연료분사기 ),
직접분사식 전기점화 분무형상
Direct Injection Spark Ignition( ), Spray Structure( ), Mie 미산란 기법
Scattering Technique( )
Abstract
The effect of the intake flow on the spray structure of a high pressure 11-hole fuel injector were examined in a single cylinder optical direct injection spark ignition (DISI) engine. The effects of injection timing and in-cylinder charge motion were investigated using the 2-dimensional Mie scattering technique. It was confirmed that in the homogeneous charge mode, the in-cylinder swirl charge motion played a major role in the fuel spray distribution during the induction stroke rather than the tumble flow. But, in the stratified charge mode, the effect of the in-cylinder charge was not so large that the injected spray pattern was nearly maintained and the increase of in-cylinder pressure by the upward moving piston reduced the fuel spray penetration.
이 논문은
[ 대한기계학회 2009년도 부산지부 춘계학 술대회(2009. 5. 8., 동명대) 발표논문임]
회원 신라대학교 공과대학 자동차기계공학과, E-mail : [email protected]
TEL : (051)999-5712 FAX : (051)999-5652
Item Specification Engine type Spray guided pentroof
DISI DOHC Bore x Stroke (mm) 92x95
Compression ratio 10.5 Displacement volume (cc) 498
Intake ports Swirl/Tumble Angle between valves 45°
Valve timing IVO(BTDC)/IVC(ABDC) EVO(BBDC)/EVC(ATDC)
6 °CA / 50 °CA 50 °CA / 6 °CA Table 1 Specification of test engine
Fig. 1 Engine set up: (a) Schematic of engine set-up (b) Optical access arrangement (c) Front view optical access (d) Cylinder head configuration
Fig. 2 Mie scattering apparatus set-up
45°
30°
Fig. 3 11-hole injector side view and front view
Description Specification Injection duration 1ms Inlet air temperature 20°C Coolant temperature 40°C Fuel injection pressure 70bar
Fuel Iso-octane Start of injection
Homogeneous charge mode Stratified charge mode
60, 90, 120°CA ATDC 280, 300, 320°CA ATDC Table 2 Experimental conditions
단에 선회조절 밸브를 설치하였다. 선회유동은 선회조절 밸브를 닫을 때 유도되고 선회조절 밸 브를 열면 텀블유동이 형성된다 또한 펜트 루프. 형 연소실을 가시화하기 위해 Fig. 1(b), 1(c)와 같 이 2개의 펜트 루프형 수정(Quartz)창과 측면을 가시화 할 수 있도록 수정 라이너를 설치하였다.
점화플러그와 고압 11공 연료분사기는 Fig. 1(d) 와 같이 실린더 헤드의 중앙에 일렬로 설치되어 있다 모든 실험은 모터링 조건에서 수행하였으. 며 데이터 측정은 배기 측의 캠축에 설치한 옵티 칼 픽업 장치와 0.25°CA당 펄스가 생성되는 크랭 크축에 설치한 엔코더(Muirhead vactric)로 각도를 측정하였다. 연료분사압력은 커먼레일형 연료공 급 장치를 사용하여 70bar로 조정하였고 냉각수 온도는 냉각수 온도 조절 장치를 이용하여 40°C 로 조절하였다 사용한 단기통 가시화 직접분사. 식 가솔린 기관의 사양은 Table 1에 나타내었다.
미산란 이미지측정 장치 2.2
는 실린더 내의 연료분무 형상의 미산란 이 Fig. 2
미지 측정 장치의 구성을 나타내고 있다 미산란 이. 미지를 측정하기 위해서 가시화 기관에서 분사된 연 료의 분무형상을 제논 플래시램프를 이용하여 분무 산란을 유도하였고 산란된 분무 이미지는 Nikkor 망 원렌즈를 부착한 비증폭 12비트 CCD PCO SensiCam 카메라를 이용하여 촬영하였다 이미지 획득시간은. 시간조절 카드(NI PCI-6602)가 장착된 엔진 컨트롤 장치의 다목적용 트리거 신호를 이용하여 조정하였 다 제논 램프의 충전시간을 고려하여 엔진 회전수. 에서 각 조건에서의 미산란 분무 이미지는 1000 rpm
초당 개씩 총 개를 획득하였다 실험에 사용한
15 1 , 3 .
고압 11공 연료분사기는 BOSCH사에서 직접분사식 가솔린 기관 전용 Prototype으로 제작한 것이며 노, 즐부 형상은 Fig. 3에 표시하였다.
ASOI
(a) SOI=ATDC 60°CA
(b) SOI=ATDC 90°CA
(c) SOI=ATDC 120°CA
0.3 ms
0.5 ms
0.7 ms
0.9 ms
1.1 ms
Condition Tumble, Pinj=70bar, tinj=1.0ms, Tcoolant=40°C, 1,000rpm
Fig. 4 Mie images of fuel sprays under tumble flow condition during intake stroke
미산란 이미지 측정을 위한 실험조건은 Table 2 에 나타내었다 연료의 분사기간은. 1ms이고 연료 분사시작 시기(SOI, Start Of Injection)는 흡기과정 에서는 ATDC 60°CA, 90°CA, 120°CA로 하였고, 압축과정에서는 ATDC 280°CA, 300°CA, 320°CA 로 하였다 연료분사시작 시기는 연료분사 시스. 템 제어장치의 제어신호로 임의 크랭크 각도에서 의 분무 이미지를 획득할 수 있다 각 조건에서. 의 분무형상은 분무시작 후(ASOI, After Start Of
부터 간격으로 까지 측
Injection) 0.3ms 0.1ms 1.1ms 정하였다.
결과 및 고찰 3.
균질혼합기 공급모드에서의 분무형상 3.1
고압 11공 연료분사기는 고압 6공 연료분사기 에 비해 보다 안정적이고 넓은 공간분포성의 분 무 구조 특성을 가지고 있다 직접분사식 가솔린. 기관에서 균질혼합기를 공급해야 할 경우 흡기,
ASOI
(a) SOI=ATDC 60°CA
(b) SOI=ATDC 90°CA
(c) SOI=ATDC 120°CA
0.3 ms
0.5 ms
0.7 ms
0.9 ms
1.1 ms
Condition Swirl, Pinj=70bar, tinj=1.0ms, Tcoolant=40°C, 1,000rpm
Fig. 5 Mie images of fuel sprays under swirl flow condition during intake stroke
과정에서 연소실 내에 연료를 분사하여 공기연료 의 혼합기가 연소실 공간 전체에 고루 퍼지도록 해야 한다 이를 위해서는 연소실의 흡입유동 특. 성에 따라 최적의 연료분사 시기를 결정하여야 하는데 본 연구에서는 흡입과정의 ATDC 60°CA, 의 세 가지 연료분사 시기를 적용 90°CA, 120°CA
하였다. Fig. 4와 Fig. 5는 엔진회전수 1000 rpm, 냉각수 온도 40°C, 연료 분사 압력 70bar일 때 흡 입유동에 따라 분사 후 경과시간 0.3~1.1ms에서 측정한 미산란 분무 이미지를 나타낸 것이다.
는 텀블유동일 때의 미산란 분무 이미지이 Fig. 4
다 분사 후. 0.3ms부터 분사된 연료가 연료분무 공을 통하여 실린더로 분사되며 분사 후, 0.5ms가 되면 분사된 분무가 흡입밸브를 통해 유입되는 흡입유동의 영향을 받기 시작하여 좌측으로 전파 되던 분무가 근접한 분무와 혼합되기 시작하여 분사 후 0.7ms가 되면 좌측 분무가 보이지 않음 을 알 수 있다 또한 좌측 분무가 근접한 분무와. 혼합됨과 동시에 분사된 액적들이 흡입유동의 영
ASOI
(a) SOI=ATDC 280°CA
(b) SOI=ATDC 300°CA
(c) SOI=ATDC 320°CA
0.3 ms
0.5 ms
0.7 ms
0.9 ms
1.1 ms
Condition Tumble, Pinj=70bar, tinj=1.0ms, Tcoolant=40°C, 1,000rpm
Fig. 6 Mie images of fuel sprays under tumble flow condition during compression stroke
향으로 우측으로 넓게 퍼져 나감을 알 수 있다.
이러한 현상은 SOI가 ATDC 90°CA, 120°CA인 경 우가 ATDC 60°CA인 경우보다 뚜렷하게 나타나 며 분사 후, 1.1ms에서는 좌측 분무의 액적들이 분포하는 공간이 ATDC 90°CA, 120°CA의 경우가 보다 더 넓게 차지함을 알 수 있다
ATDC 60°CA .
이는 ATDC 90°CA, 120°CA 경우에 흡입유동의 세기가 ATDC 60°CA의 경우보다 더 커 흡입유동 의 영향이 더욱 크게 나타남을 알 수 있다 또한. 분사 후 0.7ms가 지나면서 우측의 개별 분무들도 혼합되기 시작하여 1.1ms가되면 우측의 개별분무 가 혼합되어 하나의 분무로 나타남을 알 수 있 다 특히 연료분사시기가. ATDC 90°CA, 120°CA 의 경우에는 우측 분무 선단에서 연료액적의 분 리현상이 뚜렷하게 나타나는 것을 알 수 있다.
이는 우측 분무의 연료액적들의 모멘텀이 분사 후 시간이 경과함에 따라 그 세기가 약해지는데 반해 지속적으로 유입되는 강한 흡입유동이 분무 에 영향을 주어 나타나는 현상이다 따라서 흡입.
ASOI
(a) SOI=ATDC 280°CA
(b) SOI=ATDC 300°CA
(c) SOI=ATDC 320°CA
0.3 ms
0.5 ms
0.7 ms
0.9 ms
1.1 ms
Condition Swirl, Pinj=70bar, tinj=1.0ms, Tcoolant=40°C, 1,000rpm
Fig. 7 Mie images of fuel sprays under swirl flow condition during compression stroke
텀블유동은 11공 연료분사기의 연료분무 형태에 영향을 주어 분무의 형태를 변화시키며 연료분사 말기에는 분무의 분리현상을 일으키는 작용을 함 을 알 수 있다. 또한 그 영향은 분사시기가
경우가 분사시기
ATDC 90°CA, 120°CA ATDC 의 경우보다 크게 나타남을 알 수 있다
60°CA .
는 선회유동일 때의 미산란 분무 이미지 Fig. 5
이다 분사가 시작되면서 흡입밸브를 통해 유입. 되는 흡입 선회유동의 강한 영향으로 11공 노즐 에서 분사된 제트가 개별 분사경로를 유지하지 못하고 흡입선회 유동방향으로 경로가 변경되면 서 서로 혼합되어 개별 분무가 지속적으로 전파 되는 것이 어렵다 이의 영향은 분사 후. 0.5ms 이 후부터 더욱 뚜렷하게 나타나 좌측으로 전파되던 좌측 분무들이 분사방향으로 전파되지 못하고 우 측분무들과 혼합되는 특성을 보여주고 있다 분. 사 후 0.7ms 이후에는 좌측 분무들의 연료입자가 중심 분무와 우측으로 전파되는 분무와 혼합되어 좌측 분무에서 우측분무까지 넓은 연료액적의 분
포 막을 형성함을 알 수 있다. ATDC 90°CA,
인 경우가 인 경우보다 흡입
120°CA ATDC 60°CA
유동의 영향이 크게 나타남을 알 수 있다 또한. 분사 후 0.9ms가 되면서 흡입유동의 지속적인 영 향은 우측 분무 끝 부분에 연료의 또 다른 넓은 분포를 형성하게 된다 이는 분무 끝단에서 분무. 연료의 일부가 유동방향으로 분리된 액적들이 분 포되어 나타나는 것으로 볼 수 있다 이러한 영. 역은 분사 시기가 ATDC 90°CA, 120°CA인 경우 에는 좌측 분무들에서 분리되어 이동된 연료액적 들이 함께 혼합되어 ATDC 60°CA인 경우 보다 더욱 넓게 분포함을 알 수 있다 이를 통하여 균. 질혼합기 공급모드에서 흡입 선회유동은 고압 11 공 연료분사기에서 연료를 분사할 때 좌측 분무 들에 영향을 주어 분사된 연료가 연소실의 우측 부분에 분포하는 데 크게 작용함을 알 수 있다.
성층혼합기 공급모드에서의 분무형상 3.2
연소실 내에 성층혼합기를 공급하기 위하여 압 축과정의 ATDC 280°CA, 300°CA, 320°CA를 연료 분사시작 시기로 선택하였다.
과 은 엔진회전수 냉각수
Fig. 6 Fig. 7 1000 rpm,
온도 40°C, 연료 분사 압력 70bar일 때 흡입유동 조건에 따라 압축과정에서 연료를 분사 후 경과 시간 0.3~1.1ms에서 측정한 미산란 분무 이미지 이다. Fig. 6은 텀블유동일 때의 미산란 분무 이 미지이다 분무형상은 흡입과정에서 측정된 것과. 는 달리 노즐에서 분사된 개별제트가 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다 이는 압축과정이 되면서. 흡입유동의 주유동의 세기가 약해져 개별 노즐에 서 분사된 분무의 경로에 영향을 줄 정도로 크지 않게 때문이다 압축과정에서는 실린더 헤드 방. 향으로 상승하는 피스톤에 의해 연소실의 압력이 상승한다 연소실의 압력상승은 분무연료의 도달. 거리영향을 줌을 알 수 있다 특히 분사시기가. 인 경우 분사 후 부터 분사 ATDC 320°CA , 0.5ms
도달거리는 상승하는 피스톤에 의한 압력상승의 영향으로 다른 분사 시기인 280°CA, 300°CA의 경우보다 도달 거리가 줄어든다 또한 분사 후. 부터는 중앙에 위치한 연료 공으로부터 분 0.9ms
사된 연료분무는 피스톤 크라운 부와 접촉함을 알 수 있다 그러나 성층혼합기 공급 시. Fig. 4와 에서 나타난 연료분무의 실린더 벽면접촉 Fig. 5
현상이 나타나지 않음을 알 수 있다 이는 흡입.
과정에서 크게 작용하던 흡입유동의 세기가 압축 과정이 되면서 그 세기가 약화되어 전파하는 연 료분무에 미치는 영향이 크지 않음을 알 수 있 다.
은 선회유동일 때의 미산란 분무 이미지 Fig. 7
이다. 분무형상은 텀블유동의 경우와 비슷하게 노즐에서 분사된 분무가 뚜렷하게 나타나고 있으 며 분사시기가, ATDC 320°CA인 경우에는 텀블 유동의 경우와 같이 분사 후 0.5ms부터 피스톤의 상승으로 인한 압력상승의 영향을 받아 다른 분 사시기의 경우보다 도달 거리가 다소 줄어드는 경향을 보인다. 이로써 성층혼합기를 공급하기 위해 압축과정에서 연료를 분사하는 경우에는 흡 입 선회유동과 텀블유동은 흡입과정에서 형성된 주유동이 압축과정에서 그 세기가 점차 약해져 흡입과정의 경우와는 달리 개별제트의 분무에 미 치는 영향이 크지 않음을 알 수 있으며 분사시기 가 압축과정 말기에 가까울수록 상승하는 피스톤 에 의한 압력상승의 영향으로 분무성장이 다소 억제되는 것을 알 수 있다.
4. 결 론
미산란 기법을 이용하여 제 2세대 직접분사식 가솔린 기관에서 흡입유동에 따른 고압 11공 연 료분사기의 분무형상을 관찰하였다.
균질혼합기 공급모드에서는 흡입유동이 연 (1)
료분무에 영향을 주어 좌측 분무의 분사의 경로 가 변형되어 분사된 연료액적이 우측으로 이동하 고 우측 분무 끝단에서의 연료액적의 분리현상이 나타남을 볼 수 있었다.
흡입 선회유동이 흡입 텀블유동보다 그 영 (2)
향이 더욱 크게 나타났다.
압축과정에서 연료를 분사하는 성층혼합기 (3)
공급모드에서는 실린더 내의 유동은 흡입과정과 는 달리 그 세기가 약화되어 연료분무에 미치는 영향이 크지 않았다.
성층혼합기 공급모드에서는 균질혼합기 공 (4)
급모드에서 나타난 연료분무의 실린더 벽면과의 접촉현상이 발생하지 않으나 ATDC 320°CA에서 연료를 분사한 경우 연료분사기의 중앙 홀의 분 무가 분사 후 0.9ms부터 피스톤 크라운부와 접촉 하는 것을 알 수 있었다.
후 기
본 연구를 수행할 수 있도록 도움을 주신 영국 시티대학교의 Prof. C. Arcoumanis께 깊이 감사를 드립니다.
참고문헌
(1) Nouri, J. M. and Whitelaw, J. H., 2002, “Effect of Chamber Pressure on the Spray Structure from a Swirl Pressure Atomiser for Direct Injection Gasoline Engines,” Proc. of the 1st Int. Conference on Optical Diagnostics, ICOLAD, 1, pp. 121~129.
(2) Wirth, M., Piock, W. F., Fraidl, G. K. K., Schoeggi, P. and Winklhofer, E., 1998, “Gasoline DI Engines: the Complete System Approach by Interaction of Advanced Development Tools,” SAE 980492.
(3) Fraidl, G. K., Piock, W. F. and Wirth, M., 1996,
“Gasoline Direct Injection: Actual Trends and Future Strategies for Injection and Combustion Systems,” SAE 960465.
(4) Wirth, M., Zimmermann, D., Friedfeldt, R., Caine, J., Schamel, A., Davies, M., Peirce, G., Storch, A., Ries-Mueller, K., Gansert, K.P., Pilgram, G.,
Ortmann, R., Wuerfel, G. and Gerhardt, J., 2004,
“A Cost Optimised Gasoline Spray Guided Direct Injection System for Improved Fuel Economy,”
Seminar on Fuel Economy and Engine Downsizing, Institution of Mechanical Engineers, One Birdcage Walk, London.
(5) Nouri, J. M. and Whitelaw, J. H., 2006,
“Impingement of Gasoline Sprays on Angled Plates,” Int. Journal of Atomization and Sprays, Vol. 16, No. 6, pp. 705~726.
(6) Li, T, Nishida, K. and Hiroyasu, H., 2004,
“Characterization of Initial Spray from a D.I.
Gasoline Injector by Holography and Laser Diffraction Method,” Int. Journal of Atomization and Sprays, Vol. 14, pp. 477~494.
(7) Mitroglou, N., 2005, “Multi-Hole Injectors for Direct-Injection Gasoline Engines,” PhD Thesis, The City University.
8) Oh, H. C., Wang, H., Park, J. S. and Bae, C. S., 2009, “Effect of Injection Signal on Spray Characteristic of Piezo Actuated Outward-Opening Injector,” KSAE09-B0023.
(9) Kim, S. S., 2008, “Experimental Study on Spray Structure of a High Pressure 6-Hole Injector by Mie Scattering Technique,” KSME-B, Vol. 32, No.
3, pp. 216~223.
