Modeling for Spray Development with Internal Flow Analysis of Direct Injection Spark Ignition (DISI) Injector

Abstract

가솔린 직분사식 인젝터의 분무 성능은 엔진에서 입자상 물질의 생성과 혼합기 형성 과정에 중요한 역할을 한다. 사이드-마운트 방식의 가솔린 직분사 인젝터는 홀 간의 간격이 다른 종류의 인젝터에 비해서 좁기 때문에 plume(plume)간 간섭 현상이 중요한 이슈가 된다. 따라서 이 논문에서는 노즐 내부와 근처 영역에서의 유동을 분석하여 plume간 간섭을 더 정확하게 예측하고 그를 통해 분무 발달을 예측하는데 있어서 정확도를 올리고자 하였다. 내부 유동 해설 모델 검증을 위해 분사율 측정 실험, 홀간 유량 편차 측정 및 초기 분무 발달 속도 측정 실험을 진행하였다. 분사율 측정 실험은 BOSCH 장관법을 활용하여 측정을 진행하였으며 100회 분사 후 평균적인 분사율을 계산하였다. 홀간 유량 편차를 측정하기 위해서는 노즐 홀을 연장하는 장비를 추가적으로 제작하였다. 초기 분무 발달 속도는 Nd:Yag 레이져와 CCD 카메라를 활용하여 분사 초기에 시점 별로 분무 이미지를 취득하여 z-축 방향의 도달 거리를 측정한 후 분무 발달 속도를 계산하였다. 내부 유동 해석을 위해서 AMESim 프로그램을 활용하여 1-D 모델을 구축하였으며, 분사가 진행되는 동안 CFD domain의 압력 강하와 인젝터 니들 거동을 모사하였다. 이 결과를 3-D CFD 모델링에 적용하여 내부 유동을 해석하고 홀 간 유량 편차 측정 결과를 바탕으로 구축한 내부 유동 해석 모델을 검증하였다. 기존의 분무 해석 모델은 초기에 액적이 노즐 직경과 동일한 직경으로 발생한다는 블롭 모델을 사용한다. 이 논문에서는 내부 유동 해석 결과와 연계한 세가지 분무 모델을 활용하였다. 첫번째는 유동 해석을 통해 측정된 분무각, 토출 계수 및 홀 유효 직경을 반영한 수정 블롭 모델이며 두번째는 홀 출구에서의 유속 및 유량 데이터와 분무 해석을 연계한 모델이다. 마지막으로 유동 해석과 동시에 surface density를 기준으로 parcel을 생성해주는 ELSA 모델이 사용되었다. 다양한 분사 압력, 분위기 압력 및 연료 온도 조건에서 내부 유동 해석을 진행한 결과, 분사 압력은 노즐의 토출 계수와 분무각에 영향을 주지 않았다. 분위기 압력의 증가는 분무의 축방향 속도를 감소시켰기 때문에 분무각을 증가시켰다. 연료 온도는 증가하더라도 캐비테이션이 더 많이 발생할 뿐 분무각 및 토출 계수의 변화가 없다가 연료의 포화 압력이 분위기 압력보다 높아지면 플래시 보일링이 일어나 분무각이 급격하게 증가하는 추세를 보였다. 분사 조건을 변경하였을 때 토출 계수에 큰 영향을 미치지 못했던 것과 달리 노즐 구조는 토출 계수 및 분무각에 큰 영향을 미쳤다. 먼저 노즐 직경이 커질수록 유량이 많아지면서 노즐 입구 근처의 압력이 더욱 빠르게 감소하였기 때문에 유동의 속도가 감소하여 토출 계수가 감소하였다, 그에 비해 노즐 유효 직경은 크게 변하지 않았기 때문에 토출 계수의 감소는 유속의 감소의 영향이 컸다고 볼 수 있다. 또한 노즐 직경의 증가할수록 분위기 압력의 경우와 똑같이 축방향 속도의 감소로 인해 분무각이 증가하는 경향을 보였다. 이외에도, 홀 축과 인젝터 축이 이루는 각도가 작은 홀로 유량이 몰리는 현상이 추가적으로 발생하였다. Hole drilling angle이 약 20도 일 때 각 방향에서 홀로 들어가는 유동의 곡률이 유사해지면서 cavitation이 최소가 되어 유량이 최대가 되었다. 분무각은 cavitation이 클수록, 유량이 많을수록 더 커지기 때문에 hole drilling angle이 증가하면서 분무각이 증가하다가 유량이 급격하게 감소하기 시작하는 40도 조건 이후에 분무각이 감소하기 시작한다. 분무 발달 과정을 분석하고 중앙 분무가 plume을 추월하는 지점을 조사하기위해서 다양한 분사 조건에서 분무 가시화 실험을 수행하였다. 분무 이미지는 고속 카메라로 취득되었으며 광원으로는 메탈 할라이드 램프가 사용되었다. 취득된 분무 이미지 및 분무 도달 거리 데이터는 분무 해석 모델을 검증하는데 사용되었다. 먼저 블롭 모델을 활용하여 분열 모델의 분열 상수와 단위 격자 크기를 결정하였다. 수정 블롭 모델을 활용하여 분무 발달을 모사한 결과, 기존 블롭 모델에 비해서 높은 분위기 압력 조건에서 더 정확한 모사 결과를 얻을 수 있었다. 이는 수정 블롭 모델이 기존 블롭 모델에 비해 plume간 간섭을 더 잘 모사한다는 것을 의미한다. VOF one-way coupling을 활용한 분무 해석 결과 또한 다양한 분위기 압력 조건에서 높은 정확도를 보였다. VOF one-way coupling은 분무각과 홀 유효 직경을 측정할 필요가 없다는 점에서 더 보편적으로 활용할 수 있다. ELSA 모델은 다른 두 모델에 비해서 부정확한 결과를 얻었는데, 이는 RANS 난류 모델을 사용하였기 때문에 plume 표면의 불안정성이 정확히 모사되지 않아 실제보다 parcel로 변환되는 것이 늦었기 때문으로 추정된다. 본 연구에서는 내부 유동 해석을 활용하여 분무 해석의 정확도를 향상시킬 수 있는 방법을 제시하였으며, 해당 모델을 위한 input parameter의 취득 기준과 방법을 제시하였다. 그 결과, 보다 정확한 분무 발달 해석을 위해서는 각 분사 조건과 노즐 구조에 따른 초기 분무 특성의 이해가 필요하다는 것을 확인할 수 있었다. |Spray characteristics of gasoline direct injection injectors play an important role in generation of particulate matter and mixture formation process in the engine. In side-mount gasoline direct injection injectors, plume to plume interaction becomes an important issue because the gap between the holes is narrower than that of other types of injectors. Therefore, in this study, the flow inside and near the nozzle was analyzed to predict plume to plume interaction more accurately and to increase the accuracy in predicting spray development through it. For validation of internal flow modeling, the injection rate, deviation of flow rate between holes and initial spray tip penetration were measured. The injection rate was measured using the BOSCH long-tube method and the average injection rate was calculated after injection 100 times. Additionally, the initial spray tip penetration was measured using the long distance microscope and CCD camera. The internal flow was simulated using the CONVERGE software and the pressure drop and needle lift was investigated using the AMESim 1-D model. The spray cone angle, area coefficient, and discharge coefficient, which were the main reason for performing the 3-D simulation, were calculated for various injection conditions and nozzle structures. The internal flow simulation was conducted for various injection conditions. The increase in ambient pressure increased the spray cone angle because high ambient pressure reduced the axial velocity of the spray. However, even when the fuel temperature increased and cavitation occurred more rapidly, there was no significant change in the spray cone angle and discharge coefficient. However, when the saturation pressure of the fuel exceeded the ambient pressure, flash boiling occurred, showing a rapid increase in the spray cone angle. Unlike the fact that the injection conditions did not have a significant effect on the discharge coefficient, the nozzle structure had a great influence on the discharge coefficient and the spray angle. First, as the nozzle diameter increased, the pressure near the hole entrance decreased quickly as the flow rate increased, so the flow velocity and the discharge coefficient decreased. n the other hand, because the effective diameter had not changed significantly, it was presumed that the decrease in the discharge coefficient had a significant effect on the decrease in the flow velocity. Additionally, as the nozzle diameter increased, the spray angle tended to increase owing to a decrease in the axial velocity as in the case of ambient pressure. In addition, a larger proportion of fuel was injected into a hole with a smaller hole drilling angle. When the hole drilling angle was approximately 20°, the curvature of the flow into the hole in each direction became similar and the cavitation was minimized. The spray cone angle increased as the cavitation and flow rate increased. Moreover, as the hole drilling angle increased, the spray cone angle increased and began to decrease sharply after 30° when the flow rate began to decrease sharply After the internal flow modeling, the spray model was improved based on the results of internal flow simulation. The conventional spray analysis model uses a blob model that initially generates droplets of the same diameter as the nozzle diameter. In this study, spray modeling and internal flow modeling were linked in three ways. The first method is the modified blob model, which applied the spray cone angle, discharge coefficient, and area coefficient measured by internal flow modeling. The second method is VOF one-way coupling that generated parcels using VOF mapping data created at the hole exit by internal flow modeling. Finally, the third method is the ELSA model, where the parcel was created simultaneously with internal flow modeling. The spray image and spray tip penetration data acquired by spray visualization were used to verify the spray model. First, the blob model was used to determine the breakup constant and grid size. As a result of spray simulation using the modified blob model, more accurate simulation results could be obtained under high atmospheric pressure conditions than the original blob model. This means that the modified blob model simulated plume-to-plume interaction better than the original blob model. Results of VOF one-way coupling also showed high accuracy under various atmospheric pressure conditions. VOF one-way coupling can be used more commonly as it is not necessary to measure the spray angle and effective hole diameter. The ELSA model obtained inaccurate results compared to the other two models. This was presumed to be due to the fact that the instability of the plume surface was not accurately simulated because of the use of the RANS turbulence model. This resulted in a later conversion to parcel than the actual one. In this study, the spray modeling method, which can improve the accuracy of spray simulation using internal flow modeling and acquire input parameters for the spray analysis, is presented. However, for a more accurate spray development analysis, it is necessary to understand the initial spray characteristics according to each spray condition and nozzle structure.