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정해 소봉
6 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 3 pp , ISSN / eissn 디젤연료온도에따른분무발달특성 이진우 1* 1 울산과학대학교기계공학부 Characteristics of the Spray Development with Diesel Fuel Temperatures Jin-Woo Lee 1* 1 School of Mechanical Engineering, Ulsan College 요약본연구에서는디젤연료온도에따른실제분사되는연료량, 분사율그리고거시적분무발달과정에대한특성을파악하고자하였다. 시험결과동일한분사시작신호및분사기간신호를입력하였음에도불구하고, 연료온도가낮아짐에따라실제연료분사량이감소하는경향을보였다. 분사율측정결과를통해연료온도가낮은조건에서실제분사시작시점이지연되며, 실제분사가유지되는기간이짧아지는것을확인하였으며, 이를통해실제분사되는연료량저감에대한근거를찾을수있었다. 거시적분무이미지촬영결과를연료온도별분무도달거리로표현하여비교하였으며, 낮은연료온도조건에서분무미립화성능악화로인해분무도달거리가길어지는것을확인하였다. 저온조건에서의연소개선을위해향후시도할선행평가로서피스톤타켓팅평가를수행하였으며, 이른시기에분사되는파일럿연료가크레비스영역으로유입되는것을확인하였으며, 이를통해파일럿분사방식적용시연료량분배및분사시기선정이매우중요한인자가됨을파악하였다. Abstract The characteristics of the fuel quantity, injection rate and macro spray development was investigated under a range of diesel fuel temperatures. The actual injection quantity decreased despite the same signal of the injection start and injection duration as the fuel temperature decreased. The injection rate measurements confirmed that the actual injection commencement was delayed and the actual injection duration was shortened under lower fuel temperature conditions, which explains why the injection quantity decreased. Spray tip penetration with a lower fuel temperature was longer than that with a higher fuel temperature due to the deteriorated atomization. As a pre-test for the combustion experiment under low temperature conditions, piston targeting with pilot injection was accomplished, which showed that the fuel droplet from pilot injection was introduced into the crevice area. This suggests that the pilot injection quantity and timing should be chosen with careful consideration for actual applications. Keywords : Diesel, Fuel temperature, Injection rate, Macroscopic spray image, Spray targeting 1. 서론압축착화방식에의한디젤엔진의연소특성은연료와공기의혼합정도에주로영향을받는다. 따라서연료의미립화특성이연소과정에서매우중요한역할을한 다. 일반적인냉시동조건에서는연료의미립화특성이악화되어시동성이나빠질우려가있다 [2]. 또한이로인해시동과정에서불완전연소생성물인미연탄화수소 (Unburned hydrocarbon, UHC) 와일산화탄소 (Carbon monoxide, CO) 가다량으로배출되며, 이는냉시동시 이논문은 2015년울산과학대학교교내학술연구비지원에의해수행됨 * Corresponding Author : Jin-Woo Lee(Ulsan College) Tel: jwlee2@uc.ac.kr Received January 15, 2016 Accepted March 3, 2016 Revised February 4, 2016 Published March 31,

디젤연료온도에따른분무발달특성 연비악화를초래할수있다. 냉시동성능개선을위하여다단분사등의분사전략, 글로우플러그성능개선등다양한방법이고려될수있으나, 기존연구는대부분다기통엔진및 CFD 계산을통한엔진성능관점평가를주를이루었다 [3-4]. 하지만연소현상에대한근본적인개선을위해서는연료온도에따른분무특성에대한고찰이선행되어야한다 [5].

압력, 분사기간별로분사된연료의양을실측하여수행하였다. 분사량은 1000회분사를통해취득한연료의무게의측정평균값을취하였다. 2.1.2 분사율실험장치분사율은보쉬튜브법 (Bosch tube method) 을이용하여측정하였다. Fig.2는분사율실험장치구성을나타낸다.

2 디젤연료온도에따른분무발달특성 연비악화를초래할수있다. 냉시동성능개선을위하여다단분사등의분사전략, 글로우플러그성능개선등다양한방법이고려될수있으나, 기존연구는대부분다기통엔진및 CFD 계산을통한엔진성능관점평가를주를이루었다 [3-4]. 하지만연소현상에대한근본적인개선을위해서는연료온도에따른분무특성에대한고찰이선행되어야한다 [5]. 또한현재디젤엔진제어로직상에연료온도에따른분사량보상이고려되고있으나, 실제적용측면에서는아직미비한실정이다. 따라서본연구에서는넓은디젤연료온도범위 (-30~40 ) 내에서연료온도변화가실제분사량, 분사율및거시적분무발달과정에미치는영향에대해분석하고, 향후연소관점개선을위해적용할파일럿분사적용을위한예비평가로서피스톤타겟팅시험을수행하여그타당성에대한고찰을하고자하였다. 압력, 분사기간별로분사된연료의양을실측하여수행하였다. 분사량은 1000회분사를통해취득한연료의무게의측정평균값을취하였다 분사율실험장치분사율은보쉬튜브법 (Bosch tube method) 을이용하여측정하였다. Fig.2는분사율실험장치구성을나타낸다. 연료의분사에의한튜브내압력변동해석을위해압전방식의압력센서 (Type 6052C, Kistler) 를분사율계에장착하였다. 전하증폭기 (charge amplifier, Kistler 5011) 을이용하여압력센서에서측정된전하신호를증폭하고이를오실로스코프통해 PC로취득하였다. 실험조건별 100회의분사율을측정하여평균한분사율데이터를이용, 비교분석을수행하였다. 2. 실험장치및방법 2.1 실험장치 연료분사시스템본실험에서는솔레노이드타입인젝터를적용하였다. 제노발티 (Zenobalti Co.) 의인젝터드라이버 (IDU) 를사용하여분사기고유의전압 / 전류파형제어를통해 peak & hold 전류특성을구현하여인젝터를구동하였다. 연료의분사압력은압력제어밸브 (PCV) 드라이버를통해제어하였으며, 분사기간및분사시기변경을위해전용인젝터제어장치를사용하였다. Fig. 1은연료분사시스템의개요도를나타낸다. 연료를 15 kw급연료냉동 가열기 (125L) 에저장하여실험조건에따라 30 부터 40 까지온도를제어하였다. 연료가분사시스템회로에서순환하며가압될때발생하는열로인하여온도가상승하는것을최대한방지하고자 2차회로를구축하고단열재로표면처리를하였다. 또한고압펌프, 커먼레일, 인젝터어댑터의연료리턴라인은연료탱크로순환시키지않고별도의저장소 (reservoir) 로순환시켜연료의온도를일정하게유지하고자하였다. 저온조건시생성되는연료슬러지에의한라인막힘현상을방지하고자연료온도 15 부터는연료필터의히터를작동시켰다. 분사량실험의경우연료분사시스템에서인젝터하단에플라스틱백을설치한뒤분사 Fig. 1. The schematic of fuel injection system Fig. 2. The schematic of constant volume chamber 271

3 한국산학기술학회논문지제 17 권제 3 호, 2016 Fig. 3. Fuel density with fuel temperature change 거시적분무측정장치분연료의거시적분무형상이미지를취득은직경 100mm, 두께 50mm의 2개의석영 (quartz) 창이설치된정적챔버에서수행되었다. 정적챔버의위쪽석영창에 HID 램프를설치하여비춰준빛이연료분무입자에반사되게한뒤고속카메라로이미지를취득하는 Mie-scattering 기법을사용하였다. 정적챔버에서실제연소실내부압력과온도를모사하기위하여연료분사전예연소를반복수행한뒤분사시기를맞추어실험을진행하였다. 분무가시화는한조건당 10회촬영하였으며정적챔버의개요도는 Fig.3과같다. 2.2 연료물성치본실험에서사용한연료는군용디젤로써주요물성치는 Table 1과같다. 연료의밀도는온도별로연료탱크안에서의높이를측정함으로계산되었다. 15 일때의밀도기준으로높이를측정하고다른온도에서의연료높이를측정하여비례식으로밀도가계산되었다. Fig.4는온도에따른연료의밀도를나타낸다. 연료가 4 0 에에서 -30 로하강시, 밀도는약 6% 증가하는것을알수있다. Table 1. The properties of fuel used in this research Properties Method [ASTM] Value Density [kg/m ] D Cetan number D Kinematic viscosity [mm 2 /s@30 ] D Pour point [ ] D Sulfur content D Fig. 4. Fuel density with fuel temperature change 2.3 실험조건연료의온도에따른특성평가를위해분사량, 분사율, 거시적분무이미지측정및분무타겟팅시험을진행하였다. Table 2와같이연료온도, 분사압력, 분사시기, 분사량, 파일럿분사시기에대한인자의영향을파악하였다. Table 2. Experimental conditions Parameters Value Fuel temperature [ ] -30, -25, -15, 0, 10, 40 Injection pressure [MPa] 30, 35, 100, 160 Injection duration [μs] 1000 Injection quantity [mg/stroke] 20 Main: 2.5 CAD BTDC Injection timing for targeting 1 pilot: 11.8 CAD BTDC 2 pilot: 18.3 CAD BTDC 3. 시험결과및논의 3.1 연료온도변화에따른분사량특성분사압 30 MPa 조건에서연료온도및분사기간에따른분사량측정결과를 Fig.5에나타내었다. 오차는연료온도가 40 일때를기준으로온도변화시실제분사되는연료의차이을나타낸것으로아래와같은식 (1) 에따라계산되었다. Q o Q inj@40 C inj@t Error = 100 [%] (1) Q o inj@40 C o Q o : actual fuel quantity under 40 C condition inj@40 C Q : actual fuel quantity under arbitrary temp. condition inj@t 272

4 디젤연료온도에따른분무발달특성 분사압력이상승함에따라동일한분사기간을인가하였을때, 실제측정된분사량은증가하는것을확인할수있다. 이는분사압이높을수록연료에게전달되는모멘텀에너지가큼으로같은분사기간동안더많은연료가분사되기때문이다. 또한연료의온도가낮을수록동일분사시간조건에서분사량이감소하는것을알수있다. 이는저온조건에서, 일반적으로연료의점도가크기때문에인젝터의니들과유로를통과하는연료사이의마찰이증가하여동일한시점에분사개시신호를인가하였음에도불구하고, 실제분사개시시점이지연되어요구분사기간보다짧은기간동안실제분사가이루어졌기때문으로판단된다. 그결과모든분사압력, 분사 기간조건에서연료온도가낮아짐에따라실제분사량이감소하는경향을확인할수있다. 또한연료온도감소에따른분사량오차는분사압이낮고, 분사기간이짧을수록커지는경향을보인다. 분사압증가시의분사량오차수준의감소는분사압증가에따른모멘텀에너지상승분이연료온도감소시의유로내저항증가분보다지배적인인자작용함을보여주는것이라판단된다. 이결과는연료온도에따른분사량보정로직구현시분사압에대한영향분이함께고려되어야함을의미한다. 또한분사기간이짧은경우, 분사량오차가가큰것은절대분사량자체가적은영역이어오차계산시영향을미친결과로판단된다. Fig. 6. Injection rate shape with various fuel temperature Fig. 7. Actual injection duration vs. real start of injection with various fuel temperature Fig. 5. Measured injection quantity with various fuel temperature 3.2 연료온도변화에따른분사율특성 Fig.6은분사압 30 MPa, 분사기간 1000 μs 조건에서측정한연료온도별분사율측정결과를보여준다. 연료온도가낮아질수록, 동일시점에서분사개시인가후실 273

한국산학기술학회논문지제 17 권제 3 호, 2016 제분사시점이지각되며, 분사율최대값이낮아지고, 분사종류시점이지각되는것을확인할수있다. 이는실제분사량측정평가결과에서연료온도하향시의분사량이저감한원인을설명해준다. Fig.6의분사율측정결과를실제분사시간및분사개시시점을정량화하여 Fig.7에나타내었다.

5 한국산학기술학회논문지제 17 권제 3 호, 2016 제분사시점이지각되며, 분사율최대값이낮아지고, 분사종류시점이지각되는것을확인할수있다. 이는실제분사량측정평가결과에서연료온도하향시의분사량이저감한원인을설명해준다. Fig.6의분사율측정결과를실제분사시간및분사개시시점을정량화하여 Fig.7에나타내었다. 연료온도 40 대비 -30 의경우, 실제분사기간은약 400 μs 짧아지며, 약 180μs 정도실제분사개시시점이지각되는것을확인할수있다. 이는엔진회전속도 800 rpm 조건에서약1 CAD에해당한다. 본분석결과는냉시동조건을포함하여연료온도하강에따라분사량뿐만아니라, 분사시기에대한보정을고려해야할필요성이있음을보여준다. 3.3 연료온도변화에따른거시적분무특성거시적분무특성평가를위해 Table 3과같이분사압력 35 MPa, 분사량 20 mg/st, 분사시기 0, 7, 15 CAD BTDC로분사조건을변경하여연료온도변화에따른거시적분무발달과정을평가하였다. 각분사시기의정적챔버내부분위기압력, 온도, 밀도조건은 1-D 시뮬레이션툴 (WAVE, RICARDO) 을활용하여모터링운전시를가정하여계산하여 Table 3에나타내었다. Fig.8은분사압 35 MPa, 분사시기 15 CAD BTDC 조건에서연료온도를 -30, 0, 40 로변경하였을때, 분사개시후 1450 μs 지난시점에서측정된거시적분무이미지를보여준다. 연료온도가낮아질수록, 분무도달거리가길어지는경향을보이는것을알수있다. Fig.9에는측정된분무이미지에대한분무도달거리를도시하였다. 분무발달초기단계 ( 분사시작 ~ 900 μs) 에서는연료온도에따른분무도달거리간차이가미비한것을볼수있다. 하지만분사시작후 900 μs 가지난시점부터는연료온도가낮을수록분무도달거리가긴것을확인할수있으며분무말기 -30 C 와 40 C 온도조건비교시최대 11 mm가차이나는것을확인할수있다. 실제엔진에서인젝터노즐팁으로부터실린더라이너까지의거리가약 40 mm라고가정할경우, 이는약 20% 에해당하는수치로서실제연소관점큰영향을미칠것을예상할수있다. 분사초기에는분사압력에의한모멘텀에너지가연료온도에관계없이동일하므로분무도달거리가동등수준으로유지한것으로판단된다. 또한분무발달이진행됨에따라연료의모멘텀이주변공기와의운동량교환에의해소멸해감에따라냉간온도 Table 3. Experimental conditions Injection timing [CAD BTDC] Pressure [MPa] Temperatrue [K] Density [kg/m 3 ] Fig. 8. Macroscopic spray images with different fuel temperature Fig. 9. Spray tip penetration with various fuel temperature 조건의연료가가지는상대적으로높은점도로인한기화특성악화로분무도달거리에차이가발생한것으로판단된다. 3.4 냉시동조건에서분무타겟팅특성저온조건, 특히, 냉시동조건에서실제연소개선을위한전략으로향후적용예정인파일럿분사에대한예비시험으로서파일럿분사량및분사시기가실제연소실내에서미치는영향을파악하고자분무타겟팅평가를수행하였다. 이때연료온도 -30, 분사압 35 MPa 조건에서주분사는 2.5, 제 1 파일럿은 11.8, 제 2 파일럿은 18.3 CAD BTDC에각각분사시의실린더내부온도, 밀도조건을정적챔버내부에모사하였다. Fig. 10은평가결과이미지를보여주고있다. 주분사에의해분사된연료는분사이후 850 μs시까지지속적으로피스톤림및보울내부로유입되고있다. 또한제1파일럿 274

디젤연료온도에따른분무발달특성 4) 분무타겟팅평가를통해파일럿전략적용시파일럿분사시기및분사량제어에대한필요성을확인하였다. 5) 분사량, 분사율평가결과는연료온도에따른분사량및분사시기보정로직개선을위한기초자료로서, 또한거시적분무특성결과는향후연소실설계시의추가고려사항으로활용될수있을것으로기대된다. References Fig. 10.

즉, 제2파일럿에의한연료는상당부분연소과정에참가하지못하고유해배기가스로배출될여지가높음을예상할수있다. 따라서파일럿분사적용을통한저온조건에서의연소개선평가시에는제2파일럿분사량최소화및분사시기를최대한지각하여제1파일럿분사에의한연소에적극참여할수있는전략을구현할필요가있음을확인할수있다. 4.

6 디젤연료온도에따른분무발달특성 4) 분무타겟팅평가를통해파일럿전략적용시파일럿분사시기및분사량제어에대한필요성을확인하였다. 5) 분사량, 분사율평가결과는연료온도에따른분사량및분사시기보정로직개선을위한기초자료로서, 또한거시적분무특성결과는향후연소실설계시의추가고려사항으로활용될수있을것으로기대된다. References Fig. 10. Spray targeting with 1 & 2 pilot injection application under cold start condition 분사에의한연료역시피스톤림부에타겟팅되는것을확인할수있다. 하지만제2파일럿분사에의한연료는분사개시이후 700 가지나면서피스톤크레비스영역으로유입되는것을확인할수있다. 즉, 제2파일럿에의한연료는상당부분연소과정에참가하지못하고유해배기가스로배출될여지가높음을예상할수있다. 따라서파일럿분사적용을통한저온조건에서의연소개선평가시에는제2파일럿분사량최소화및분사시기를최대한지각하여제1파일럿분사에의한연소에적극참여할수있는전략을구현할필요가있음을확인할수있다. 4. 결론 본연구에서는디젤연료온도의변화가연료의분사량, 분사율, 분무발달특성에미치는영향에대해평가하였으며, 주요결과는아래와같다. 1) 연료온도가낮을수록동일한분사압력, 분사기간조건하에서실제분사량이감소하며이는연료의점도증가에기인한것으로판단된다. 2) 연료온도가낮을수록실제분사개시시점이지각되며, 분사기간이짧아지는것을분사율측정을통해확인하였다. 이는실제분사량이감소하는근거를제시해준다. 3) 연료온도가낮아질수록연료의기화특성악화로인해분무발달과정중반부터분무도달거리가 -30 C 의경우 40 C 대비최대 11mm 증가하는것을확인하였다. [1] Heywood JB. Internal combustion engine fundamentals. p , McGraw-Hill, [2] Z. Han, N. Henein, B. Nitu, W. Bryzik, Diesel Engine Cold Start Combustion Instability and Control Strategy, SAE International, , DOI: [3] D. John, P. Ghodke, N. Gajarlawar, J. Joseph, Experiences in Cold Start Optimization of a Multi Purpose Vehicle Equipped with 2.2L Common Rail Diesel Engine, SAE International, , DOI: [4] M. McGhee, P. Shayler, A. LaRocca, M. Murphy, The Influence of Injection Strategy and Glow Plug Temperature on Cycle by Cycle Stability Under Cold Idling Condigions for a Low Compression Ratio, HPCR Diesel Engine, SAE Int. J. Engines, Vol. 5, No. 3, pp , DOI: [5] K. M. Yeom, S. Y. Park, Experimental Study on the Spray Characteristics of a Fuel Injector for a Non-Road Small Engine, Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 12, No. 5, pp , DOI: 이진우 (Jin-Woo Lee) [ 정회원 ] 2007 년 2 월 : KAIST 기계공학부 ( 공학석사 ) 2011 년 8 월 : KAIST 기계공학부 ( 공학박사 ) 2011 년 8 월 ~ 2015 년 1 월 : 현대자동차남양연구소책임연구원 2015 년 3 월 ~ 현재 : 울산과학대학교기계공학부교수 < 관심분야 > 엔진연소, 기관성능개발, 친환경에너지시스템 275

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17(2)-00(268).fm w ywz 17«2y(2012)/ 1 AMESim» CRDi l 2 p w if * Á le * Áfld ** Analysis of Dynamic Characteristics in Two-stage Injection for CRDi Injectors Based on AMESim Environment Insu Jo, Jiwon Kwon and Jinwook Lee