가솔린 직접 분사식 다공형 인젝터의 분무 거동 및 미립화 특성에 관한 연구

Abstract

본 연구는 가솔린 직분사식 다공형 인젝터의 분무 거동 및 미립화 특성을 실험적으로 연구한 것이다. 다공형 GDI 인젝터의 분무 특성을 분석하기 위하여 분사량, 분무 가시화, 분무 미립화 실험을 수행하였으며, 분사 조건이 분무 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 통전기간, 분사 압력, 분위기 압력 그리고 분위기 온도를 변화시켰다. GDI 엔진은 연료를 연소실에 직접 분사하기 때문에 본 연구를 위해 수행된 실험 조건이 매우 중요한 변수라 판단되어 다양한 분사 조건이 다공형 GDI 인젝터의 분무 특성에 미치는 영향에 중점을 두어 연구를 수행 하였다. 실제 차량용 ECU를 이용하여 분사 시스템을 구축하였으며, 분사 압력과 통전기간, 분위기 압력에 따라 인젝터로 부터 분사되는 연료의 양을 측정하여 다공형 GDI 인젝터의 분사량 특성을 분석하였다. 그리고 연소실 조건을 모사한 고온, 고압 체임버에서의 분무 발달 과정을 고속카메라를 이용해 0.1ms 단위로 분무 영상을 취득하였으며, 이를 통하여 취득한 분무 영상은 이미지 분석 프로그램을 이용하여 분무 도달거리와 분사각 그리고 분무 발달 과정을 분석하였다. 분무의 미립화 특성은 위상 도플러 입자 분석기(PDPA)를 이용하여 노즐 팁으로부터 축 방향, 반경 방향에 따른 액적의 입경을 측정하여 분무의 미립화 특성을 분석하였다. 본 연구를 위한 실험 연료는 가솔린을 대신하여 노멀 헵탄을 사용하였으며, 분사 압력은 4MPa에서 12MPa, 통전기간은 0.3ms에서 2.0ms이며, 분위기 압력은 0.1MPa부터 2.0MPa 그리고 분위기 온도는 393K에서 473K까지 조절하여 분사 조건에 따른 분무 특성을 분석하기 위한 조건으로 선정하여 실험을 수행하였다. 다공형 GDI 인젝터의 분사량 특성은 통전기간에 대하여 선형적으로 나타났으나 통전기간이 짧은 저 유량 조건에서는 니들의 들림이 안정적이지 못해 선형성을 만족하지 않았으며, 낮은 분사 압력과 짧은 통전기간의 분사 조건에서 고압의 분위기 조건이 형성된 체임버로 분사될 때 분사 압력과 분위기 압력의 차이가 작아 분사량이 적게 나타났다. 분무 가시화 실험을 통하여 분무 거동 특성을 확인하였으며, 통전 기간이 짧은 조건에서는 액적의 운동량이 작아 분무 도달거리와 분사각이 작게 측정되었으며, 니들이 완전히 개방된 후에는 통전 기간이 분무의 거동에 미치는 영향은 적어졌다. 분사 압력의 증가는 분무 도달거리와 분사각이 다소 크게 하였으며, 높은 분사 압력은 분무의 미립화 성능을 향상시켜 와류의 형성을 더 크게 하였다. 그리고 분위기 압력의 증가에 따라 주위 기체의 높은 밀도로 인하여 축 방향으로의 분무 발달이 느려지고, 반경 방향으로의 분무 발달이 빨라져 분무 도달거리는 짧고 분사각은 크게 나타났으며, 느린 분무 발달로 인하여 와류의 형성 위치가 노즐 팁에 가까워 졌다. 분위기 온도의 영항은 고온의 분위기 조건에서 분위기 밀도가 낮아져 분사 초기 분무 발달이 빨라졌으나, 분위기 온도가 연료의 비등점 이상인 조건에서는 빠른 증발로 인하여 분무 도달거리가 짧아졌다. 위상 도플러 입자 분석기(PDPA) 실험을 통해 다공형 GDI 인젝터의 미립화 성능을 실험적으로 분석하였으며, 분사 압력의 증가에 따라 운동량 증가로 인하여 액적의 분열 속도가 빨라져 SMD가 작게 나타났으며, 축 방향과 반경 방향에 따른 Local SMD 분포는 노즐 팁에서 축 방향으로 측정 점이 멀어질수록 SMD가 작게 나타나고, 분무의 중앙에 가까울수록 SMD가 다소 작아지는 것으로 나타났다.