가솔린 직분사 인젝터의 동적 거동과 분사 특성에 대한 모델링

Abstract

최근, 지구 온난화 및 환경 오염으로 인해 내연기관의 연비 및 배기가스에 대한 규제가 강화 되고 있다. 따라서, 자동차 회사들은 기존의 포트 분사 방식의 엔진을 개선 하여 강화 된 규제에 대응을 해야 하는 상황에 직면 해 있다. 가솔린 직접 분사 엔진은 연소실 내에서 발생하는 연료의 기화로 인해 흡기 온도를 낮춰 공기의 체적효율을 높일 수 있고, 실린더 안으로 고압의 연료를 직접 분사 하기 때문에 실린더의 압축비를 높일 수 있다. 그러므로, 가솔린 직접 분사 엔진은 자동차 시장의 규제에 대응하기 위한 기술이다. 가솔린 직접 분사 엔진은 기존의 포트 분사 방식과는 달리 실린더 내에 연료를 직접 분사 하기 때문에 연료와 공기의 혼합을 하는 데 주어진 시간이 짧아 연소실 내에서 연료와 공기의 혼합물 형성에 영향을 미치는 분사율과 분사 특성에 대한 연구가 중요하다. 분사율과 분사 특성은 가압 된 연료로 채워져 있는 인젝터에 전류를 인가하여 니들이 움직이면서 발생한다. 따라서, 실린더 내에서의 혼합물 형성에 대한 연구를 하기 위해서는 인젝터 내에서의 니들의 움직임과 그에 따른 캐비테이션 형성, 연료 분사량, 분사율에 대한 정보가 반드시 필요하다. 최근에 인젝터 니들의 움직임을 고려한 인젝터의 동적 특성에 대한 연구가 많이 보고 되고 있지만, 인젝터 내부에서 니들의 움직임을 실험적으로 확인하는 데는 많은 시간과 비용이 소모 되기 때문에 전산해석을 활용하는 것이 효과적이다. 이 연구에서는 상용 1차원 해석 소프트웨어 AMESim과 상용 3차원 해석 소프트웨어인 STAR-CCM+를 사용하여 인젝터의 니들이 작동 할 때의 동적 성능을 예측 하였다. 인젝터 니들의 움직임을 예측하기 위해 고압이 형성 된 인젝터 내부에서 정해진 니들의 위치에 따라 작용하는 유압을 3차원으로 계산 한 후 힘으로 변환 하였다. 변환 된 힘을 1차원 상용 해석 코드에 입력하여 니들에 작용하는 전자기력과 스프링력을 함께 고려하여 인젝터 니들의 거동을 얻었으며, 이를 3차원 해석의 모핑 기법을 적용하여 격자의 움직임을 구현하는 방법으로 니들의 움직임을 고려하여 분사율과 동적 성능에 대한 계산을 하였다. 해석을 수행 한 후 결과의 정합성을 판단하기 위해 보쉬법을 활용하여 인젝터의 분사율을 실험적으로 측정 하였으며, 실험 결과와 해석 결과는 약 0.92의 상관성을 가지는 것으로 나타났다. 정적유량은 시험결과와 약 0.37%의 오차를 보였으며, 동적유량은 시험결과와 약 1.31%의 오차를 보였다. 해석과 실험의 결과가 매우 유사함을 확인 할 수 있었다. 따라서, 본 논문에서 제시하는 방법을 활용해 인젝터의 분사율과 분사 특성을 예측 하고, 이를 활용하면 가솔린 직분사 엔진의 성능을 효과적으로 예측 할 수 있기 때문에 향후 인젝터와 엔진의 개발비용과 시간을 획기적으로 절약 할 수 있을 것으로 기대 된다.