한국액체미립화학회지제 19 권제 1 호 (2014)/ 1 3 개구동방식 (SI, PI, DPI) 별디젤 HEV 용인젝터의분무특성비교 정명철 * 성기수 * 김상명 * 이진욱 ** Comparison on Spray Characteristics of Diesel HEV Injectors for 3-different Driving Type (SI, PI, DPI) M. C. Chung, G. S. Sung, S. M. Kim and J. W. Lee Key Words: Solenoid-driven injector( 솔레노이드인젝터 ), Piezo-driven injector( 피에조인젝터 ), Direct needle-driven piezo injector( 직접니들구동피에조인젝터 ), Hydraulic-servo injector( 유압서보인젝터 ), Spray visualization ( 분무가시화 ) Abstract Performance of DI diesel engine with high-pressure fuel injection equipment is directly related to its emission characteristics and fuel consumption. So, the electro-hydraulic injector for the common-rail injection system should be designed to meet the precise high fuel delivery control capability. Currently, most high pressure injector in use has a needle driven by the solenoid coil energy or the piezo actuator controlled by charge-discharge of output pulse current. In this study, macroscopic spray approaching method was applied under constant volume chamber to research the performance of three different injectors : solenoid, indirect-acting piezo and direct-acting piezo type for CR direct-injection. LED back illumination for Mie scattering was applied on the liquid spray visible of direct-acting piezo injector, including hydraulic-servo type solenoid and piezo-driven injectors. As main results, we found that a direct-acting piezo injector had better a spray tip penetration than hydraulic-servo injectors in spray visualization. 1. 서론 최근고유가문제와환경문제그리고이산화탄소배출량규제등으로자동차산업의패러다임이고효율친환경자동차로급속하게전환되고있다. 연소방식개선, 후처리장치장착등으로인해기존의압축착화방식의디젤엔진이클린디젤로인식되면서전세계적으로디젤차량의시장점유율이늘고있다. 하지만, 2014년 9월부 (Recieved: 01 January 2014, Recieved in revised form: 03 March 2014, Accepted: 04 March 2014) * 숭실대학교일반대학원기계공학과 ** 숭실대학교기계공학과 책임저자, 종신회원, 한국액체미립화학회 E-mail : immanuel@ssu.ac.kr TEL : (02)820-0929 FAX : (02)820-0668 터시행되는강화된 EURO 6 규제와기존가솔린엔진의효율개선, 하이브리드자동차그리고쉐일가스등장으로인해디젤엔진이주도권을잡기위해서는후처리장치와연료분사장치개선이필요하다. 클린디젤의핵심이라고할수있는커먼레일연료분사시스템 (fuel injection equipment, FIE) 은전자적으로제어하면서다단분사와함께분사율모양 (Injection rate shape) 제어를통해배출가스, 연소소음그리고연료소비율개선을목표로하고있다. (1) 즉, 강화되는배출가스규제와연소효율을높이기위해서는응답성과정확성이높은고성능인젝터의필요성이높아지고있다. 현재주로사용되고있는전자식고압인젝터는솔레노이드, 피에조액추에이터를사용하는유압서보방식의인젝터이며, 액추에이터가컨트롤밸브를작동시켜인젝터내부압력차로인해니들이열리면서분사하는방식이다. 따라서, 인젝터의
2 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 19 NO. 1 (2014) 연료리턴라인이필요하며커먼레일내압력맥동으로인해분사율모양이왜곡되는현상이발생한다. (2) 또한, 분사시내부유압회로를거쳐분사되기때문에구동응답성제한으로인해 7단이상의다단분사와정확한분사율모양의분사전략확립에자유도가떨어진다. 최근개발되고있는고압연료분사용인젝터는액추에이터가니들을직접구동시키는방식이다. 기존과다르게복잡한유압회로를거치지않고피에조액추에이터가변위증폭기를거쳐니들을직접구동시키는작동방식으로기존유압서보인젝터대비응답성향상을통해더짧은분사기간과보다유연한다단분사와같은분사전략을구사할것으로예상된다 (2-3). 따라서본연구에서는직접구동피에조인젝터를대상으로기존유압서보방식솔레노이드, 피에조인젝터와함께분무가시화실험을통해분무성능을비교분석하고자함에있다. Fig. 1 Components of piezo injectors used in the current study (top: hydraulic-servo type,bottom: direct-acting type) 2. 실험장치및방법 2.1 본연구에사용된인젝터특징본연구에서사용된 CRDi용인젝터사양을 Table 1 에나타내었다. Fig. 1은본연구에사용한구동방식이다른피에조인젝터를분해한사진이다. 직접구동방식인젝터 ( 사진아래 ) 는기존유압서보인젝터와다르게유압증폭기가없이충방전에따라피에조스택이변위가생기고니들변위증폭기역할을하는탄성체를거쳐니들을직접구동하는특징이있다. 기존유압서보방식의인젝터는액추에이터가컨트롤밸브를작동시키면 Table 1 Specification of injectors in study Item SI PI DPI Actuator type Solenoid Piezo Driving type Hydraulic-servo Direct-acting Maximum injection pressure (MPa) 160 180 200 Number of nozzle hole 7 Needle speed (m/s) 0.5 0.8~1 3 Load type Induction load Capacitive load Needle weight(g) 15.5 3.2 5.67 Injector weight(g) 490 270 352 Fig. 2 Driving current wave of direct-acting piezo injector 인젝터내부의압력차이로니들이열려연료가분사되기때문에연료리턴라인이필요하지만, 직접구동방식인젝터는별도의유압회로가없기때문에피에조스택이상대적으로크다는특징이있으며, 내부부품이상대적으로적고별도의연료리턴라인이없어연료가인젝터내부에항시저장이되어있기때문에커먼레일압력맥동에의한분사율모양왜곡상대적으로적다는장점이있다. 구동전류파형은기존유압서보방식피에조인젝터는 충전시분사 특성을갖지만본연구에서사용한직접구동피에조인젝터는 Fig. 2와같이 방전시분사 특성을갖는다. 직접구동피에조인젝터는기존인젝터와마찬가지로충전 / 방전순간에전류가흐르지만초기상태 / 분사종료상태에서는항시피에조스택에전압이인가되어피에조스택이팽창되면서노즐을막는다 (4-5).
한국액체미립화학회지제 19 권제 1 호 (2014)/ 3 2.2 분무가시화장치및연료분사본연구에서수행한분무가시화실험구성은 Fig. 3 과같이체적 855 cc의정적분무실에인젝터별장착을용이하기위해아답터를제작하였다. 또한인젝터노즐을기준으로 5 mm 단위로동심원이그려진원판을부착하여분무관통길이를측정할수있도록하였으며, Table 2에서소개된사양의고속카메라를사용하여후방광원 (80W LED) 에의한 Mie-Scattering으로촬영하는직접사진법을적용하여거시적이미지를획득하였다. 연료분사는연료분사시스템구성은 EDC-17커먼레일시스템 (Bosch) 을적용하였다. 최대 200 MPa까지가압할수있는고압펌프 (Bosch, CP4S1) 는 DC모터와벨트를사용해서구동시켰다. 피에조인젝터구동장치 (ZB-6200), 솔레노이드인젝터구동장치 (ZB-5100) 그리고커먼레일제어장치 (ZB-9013) 를각각사용하였다. 연료분사량측정은고정밀전자저울 (AND사, GF-4000) 를사용하여 1000회분사하고이를 3회반복하여평균을내었다. 연료온도에따라측정되는연료무게가틀려지기때문에연료온도는연료탱크내 k-type 열전대를설 Table 2 Specification of high-speed camera Item Specification Model Phantom V7.3 Mono Full resolution 800 600 Sensor type 14 bit sensor SR-CMOS Pictures per second 500,000 pps Trigger TTL Signal or contact closure Memory 8 G DDR RAM Table 3 Experimental conditions for macroscopic spray Item Specification Injection pressure (MPa) 30, 60 Injection quantity (mg/stroke) 치하고라디에이터- 팬을이용하여일정한온도를유지시켰다. 또한, 진공펌프를설치하여분무실내잔류하고있는미립화된연료를배출시키도록하였다. 2.3 실험조건및방법분무가시화실험조건은 Table 3과같다. 정적분무실분위기는대기압력, 대기온도로설정하였으며, 고속카메라는설정조건노출시간 38 µs, 허용영상취득시간간격 40 µs로고속카메라의트리거는인젝터구동신호를 TTL 신호로받아분무영상 (320 320 pixel, 25,000 pps) 을획득하였다. 분사량은각실험별 10.1 mg/stroke 로모두동일하다. 분사량측정은고정밀전자저울 (GF- 4000, AND) 을사용하여각인젝터별 1000회분사후이를 3회반복하여평균을내어조정하였다. 또한, 인젝터의구동파형은오실로스코프 (Tektronix, TDS2014C) 를사용하여인젝터드라이버로부터취득하였다. 3. 실험결과및고찰 10.1 Fuel temperature ( C) 30 ± 2 Constant volume chamber ambient Pressure and temperature of atomosphere Fig. 3 Schematic diagram of macroscopic spray visualization 본연구에서고속분무가시화실험은대기압, 상온조건하에서디젤엔진연소실험과동일한실험조건으로수행하였으며, 분무가시화를통해취득한거시적분무이미지를정성적 정량적으로비교, 분석하였다. 구동방식별인젝터의거시적분무이미지를비교하기위해서취득한거시적이미지를기준으로분사시작 (1 번지점 : Start of Injection, SOI), 분사종료 (5번지점 : End Of Injection, EOI) 를구분하였으며, 분사압력 30, 60 MPa인경우분사시작후 (After Start Of Injection, ASOI) 시간간격인 2, 3, 4 지점의간격을각각 100 µs, 120 µs로이미지를구분하여정성적분석으로분무거동발달과정을분석하였다.
4 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 19 NO. 1 (2014) Fig. 4 Mie spray images and input current for different driving mechanism injectors at injection pressure of 30 MPa Fig. 5 Mie spray images and input current for different driving mechanism injectors at injection pressure of 60 MPa
한국액체미립화학회지 제19권 제1호(2014)/ 5 Fig. 4와 5는 동일한 연료 분사량 조건에서 분사압력 30, 60 MPa 조건일때의 인젝터 구동파형과 취득한 거시 적 분무 이미지를 나타낸 것이다. 직접구동 피에조 인젝 터의 경우 방전 시 분사 하는 것을 알 수 있었으며, 유 압서보 인젝터 대비 트리거 신호 후 시간을 기준으로 할 경우, 늦게 분사됨을 확인할 수 있었다. 이는 피에조 구동드라이버가 일반적인 충전 시 분 사 로직만을 갖고 있기 때문인 것으로 판단된다. 하지 만, 분사 시작 후(ASOI) 기준으로 봤을 때 분사 시작 (①번 지점, SOI)과 분사 종료(⑤번 지점, EOI) 사이의 시간인 분사 기간(injection duration)은 더 짧은 것을 알 수 있었다. 또한, 직접구동 피에조 인젝터의 분무거 동이 더 빨리 발달되는 것을 알 수 있었다. 이는 직접 구동 피에조 인젝터의 액추에이터가 직접 니들을 작동 시키기 때문에 상대적으로 더 빠른 응답속도를 갖기 Fig. 6 Distribution of spray duration at injection pressure of 30 and 60 MPa with respect to different driving mechanism injectors 때문인 것으로 판단된다. 하지만, 전류파형을 보면 직 접구동 피에조 인젝터의 구동전류가 더 큰 것을 확인 이 높을수록 분무관통길이가 길어지는 것을 확인 할 수 할 수 있었는데, 이는 직접구동 피에조 인젝터는 유압 있었다. 분사압력 30, 60 MPa 조건에서 분사 시작 후 서보가 없기 때문에 일반적인 피에조 인젝터 보다 상 (ASOI) 480 µs 지점에서 평균 55 mm 더 관통길이가 긴 대적으로 피에조 스택이 더 크고 피에조 스택 최대 인 것을 알 수 있었다. 직접구동 피에조 인젝터는 유압서보 가전압이 250 V로 더 많은 에너지가 필요한 것으로 피에조 인젝터 대비 분무기간도 마찬가지로 분사압력 판단된다(6). 30, 60 MPa 조건에서 직접구동 피에조 인젝터는 유압서 Fig. 5와 6은 취득한 거시적 이미지를 통해 정량적으 로 분석한 결과이다. 분무관통길이는 분사 시작 후 보 피에조 인젝터 대비 평균 275 µs 분사기간이 짧은 것을 알 수 있었다. (ASOI) 40 µs부터 직접구동 피에조 인젝터가 더 길어짐 을 알 수 있었다. 또한, 동일 분사량 조건에서 분사압력 4. 결 론 본 연구에서는 클린디젤 및 디젤HEV용 엔진에 적용 되는 직접구동 피에조 인젝터(DPI)와 유압서보 인젝터 (SI 및 PI)를 대상으로, 커먼레일 연료분사시스템을 통 한 분사특성을 비교하고자, 고속 카메라를 사용하여 고 압 분무를 가시화 실험을 수행하였다. 이를 통해 주요 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다. 1) 직접구동 피에조 인젝터는 유압서보 피에조 인젝 터와 비교했을 때, 분사량 10.1 mg/stroke와 분사압력 30, 60 MPa 조건에서 분무 관통길이는 분사 시작 후 480 µs에서 각각 약 71 mm(92%), 38 mm(27%) 증가함 을 알 수 있었다. 2) 직접구동 피에조 인젝터는 유압서보 피에조 인젝 Fig. 5 Distribution of spray penetration length at injection pressure of 30 and 60 MPa with respect to different driving mechanism injectors 터와 비교했을 때, 분사량 10.1 mg/stroke와 분사압력 30, 60 MPa 조건에서, 분무 기간은 각각 약 100 µs(11.1%), 300 µs(37.5%) 감소함을 알 수 있었다.
6 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 19 NO. 1 (2014) 후기본연구는 2013년도정부 ( 산업통상자원부 ) 의재원으로지식경제기술혁신사업지원을받아수행된것이며, 이에깊은감사를드립니다. 참고문헌 (1) G. Dober, N. Guerrassi and K. Karimi, Mixture Preparation and Combustion Analysis, a Key Activity for Future Trends in Diesel Fuel Injection Equipment, SIA Diesel Powertrain International Conference, Luxembourg, 2012. (2) P. Beierer, K. Huhtala, E. Lehto, M. Vilenius, Study of the Impact of System Characteristics on Pressure Oscillations in a Common Rail Diesel Fuel Injection System, SAE Paper No. 2005-01-0910, 2005. (3) G. Bression, D. Soleri, S. Savy, S. Dehoux, D. Azoulay, H. B. Hamouda, L. Doradoux, N. Guerrassi and N. Lawrence, A Study of Methods to Lower HC and CO Emissions in Diesel HCCI, SAE Paper No. 2008-01- 0034, 2008. (4) G. Bression, P. Pacaud, D. Soleri, J. Cessou, D. Azoulay, N. Lawrence, L. Doradoux and N. Gurerrassi, Comparative study in LTC combustion between a short HP EGR loop without cooler and a Variable Lift and Duration system, 17th Aachen Colloquium, Automobile and Engine Technology, Germany, 2008. (5) G. Dober, S. Tullis, G. Greeves, N. Milovanovic, M. Hardy and S. Zuelch, The Impact of Injection Strategies on Emissions Reduction and Power Output of Future Diesel Engines, SAE Paper No. 2008-01-0941, 2008. (6) Tschöke, H. C. Hemut, Diesel and gasoline direct injection-spray formation, Simulation, Application, Measurement, Broschiert, 1ed, pp. 233-237, 2008.