기계식 디젤 인젝터의 노후화가 분무 특성에 미치는 영향

정민욱(Minuk Jeong),유영수(Young Soo Yu),양승호(Seungho Yang),박성욱(Sungwook Park) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

최근 국내 노후 농기계의 비중이 증가함에 따라 농기계의 디젤 엔진이 노후화되어 성능 저하와 더불어 배출가스가 다량 배출되는 문제가 있다. 노후화가 심한 농기계의 경우 미세먼지 배출량이 매우 높을 것으로 판단되며, 디젤 엔진에서 인젝터의 분무 특성은 엔진의 성능 및 배기 배출물에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 따라서 노후 농기계의 배출 가스를 줄이기 위한 연구가 필요하다. 노후 농기계의 배출가스 배출량에 영향을 주는 핵심 부품 중 기계식 디젤 인젝터의 노후화가 분무 특성에 미치는 영향을 확인하기위한 연구를 수행하였으며, 연구 대상으로 Perkins社의 Tier 1 농기계 디젤 엔진의 2345L009 노후 인젝터와 신품 인젝터를 대상으로 실험을 진행하였다. 노후화가 진행된 인젝터와 신품 인젝터의 분무 특성 비교를 위해 분사량, 분사율, 분무가시화 실험을 수행하였다. 실험 방법은 연료 압력이 인젝터 니들이 개방되면 분사가 개시되는 기계식 인젝터 특성상 전기 모터로 분사 펌프를 구동하여 분사실험을 진행하였으며, 부품 간 간섭의 영향을 반영하기 위하여 4개의 인젝터를 동시에 구동하고 4개 중 1개의 인젝터에 대하여 분무 실험을 수행하였다. 분사량 실험의 경우 분사속도를 엔진 회전수 기준 600, 1200, 1800 rpm으로 달리하여 실험을 진행하고 연료 밸브를 완전 개방한 상태로 1분동안 측정 용기에 분사하여 질량을 측정하였으며, 실험간 오차를 최소화하기 위해 동일 실험을 3회 반복하여 그 평균을 측정값으로 하였다. 분사율 측정의 경우 Bosch 장관법을 이용하여 측정하였으며, 엔진 회전수 1200 rpm에서 연료 밸브를 완전 개방하여 분사하였다. 또한, 측정장치의 분위기 압력을 10 bar로 하여 인젝터 분사에 의한 100개의 압력파형을 중첩하여 분사율을 측정하였다. 분무 가시화는 Mie-scattering 기법을 적용해 분위기 압력 조절이 가능한 정적 챔버를 이용하여 분무 가시화 실험을 수행하였다. 가시화 실험의 실험조건은 엔진 회전수 1200 rpm에서 연료 밸브를 완전 개방하여 분사하였으며, 계기압력 기준 0 bar, 5 bar, 10 bar, 15 bar으로 분위기압력을 변화시켜가며 분무 이미지를 취득하였다. 취득한 이미지는 MATLAB image processing tool을 이용하여 분무 도달거리와 같은 거시적 분무특성을 분석하였다.

커먼레일 디젤 인젝터의 분사압력과 분위기압력에 따른 분무 특성

홍정구(Jung Goo Hong),구건우(Kun Woo Ku),김준희(Jun Hee Kim),이충원(Choong Won Lee) 한국자동차공학회 2012 한국자동차공학회 지부 학술대회 논문집 Vol.2012 No.4

본 연구에서는 디젤 인젝터의 거시적 분무특성을 실험적으로 알아 보았다. 커먼레일 디젤 인젝터의 본사를 위해 보쉬 커먼레일 시스템을 사용하였다. 본 연구를 위한 대상 인젝터는 6-hole 보쉬 디젤 인젝터였다. 다양한 분사 조건에서 디젤 인젝터의 거시적 분무특성인 분무도달거리 및 분무각을 측정하였다. 본 연구에 따르면, 인젝터의 분사압력이 높을수록 분무달거리는 증가 하였다. 또한 동일 분사압력에서 분사되는 곳의 분위기 압력이 증가 할수록 분무도달거리는 감소하였고, 분무각은 증가하였다. In this study, we conducted the experimental study to investigate the macroscopic spray characteristics with a CRDI injector. A Bosch common rail system has been equipped for this study. We used a Bosch injector with 6 holes for nozzle in this study. The spray tip penetration and sprat angle was measured with the various test conditions. According to this study, the spray tip penetration increased with increase of the injection pressure. Furthermore, as the ambient pressure increase, the spray tip penetration decreased and the spray angle increased although the injection pressure was same.

소형 디젤엔진의 PCCI 구현을 위한 LES 해석적 연구

배정태(Jeongtae Bae),박정수(Jungsoo Park) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

수송산업에서 디젤은 높은 열효율과 토크를 가지고 있다는 장점으로 인해 운송수단에 널리 사용되고 있지만 선진국들의 친환경 정책들에 의해서 입지가 흔들리고 있는 상황이다. 이러한 상황속에서 청정연소의 지속적인 연구는 필수불가결한 요소라고 할 수 있다. 과거에는 배기가스 재순환장치(EGR: Exhaust Gas Recirculation)만 장착을 했지만 이후 배기가스 규제가 강화되면서 기업들은 비용부담을 안고서 후처리장치까지 사용을 하고 있다. 이러한 노력에도 불구하고 앞으로의 배기가스 규제를 타개해 나가기에는 지금의 디젤기술로는 역부족이기에 연구자들은 질소산화물(Nox: Nitric oxides)과 입자상 물질(PM: Particulate matter)을 동시에 저감 시킬 수 있는 신연소기술에 관심을 가지게 되었다. 신연소기술들중에서 디젤은 부분예혼합압축착화(PCCI: Premixed Charge Compression Ignition)에 대한 연구가 진행되고 있는 상황이다. PCCI는 기존의 디젤연소(CDC: Conventional Diesel Combustion) 대비 진각된 분사시기 와 EGR를 적용해서 이루어지게 된다. PCCI는 CDC 대비 배기가스를 저감 시킬 뿐만 아니라 기존의 디젤엔진을 그대로 사용하고 있다는 점에서 추가적비용 상승부담이 없다는 장점을 가지고 있지만 상사점 이전에 착화되기 때문에 탄화수소(HC: hydrocarbon)와 일산화탄소(CO: Carbon monoxide)가 많이 발생하고 연비가 낮아지는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 상용CFD Code(CONVERGE)를 이용해서 400cc 단 기통 디젤엔진의 연소해석을 진행하였다. 연구를 진행하기에 앞서 신뢰도를 향상시키기 위해서 1D-Simuation 프로그램(GT-SUITE)을 이용해서 해석모델의 Validation을 진행하였고, CONVERGE의 난류모델은 LES(Large Eddy Simulation)을 사용했다. LES 기반 모델은 공간 필터링을 사용하기에 실린더 내 난류를 보다 정확하게 확인할 수 있다. 지배방정식은 디젤의 연소의 정확한 예측을 위해서 동적구조모델인 One-equation의 Dynamic Structure와 SAGE 연소모델을 사용했다. 해석결과 첫번째로 NADI(Narrow angle direct injection)를 적용하기 위해서 분사각도 및 분사시기에 따른 NOx와 PM의 경향성을 확인하였다. 두번째로 파일럿분사량(11%~50%)을 변화시켜 디젤-공기 예혼합 비율에 따른 데이터를 얻었다. 이를 바탕으로 최적의 분사각과 분사량을 진각된 분사시기에 적용을 시켜서 부분예혼합압축착화(PCCI: Premixed Charge Compression Ignition)를 구현할 것이다.

광센서 및 충격 센서에 의한 디젤 솔레노이드 인젝터의 연료 분사 시작 및 종료 타이밍 측정 결과 비교 연구

박성재(Seongjae Park),이충훈(Choonhoon Lee) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

점화 장치가 없는 디젤 엔진 연료 분사 시작 타이밍 및 분사 패턴은 가솔린 엔진의 점화 타이밍과 유사하게 엔진 성능에 큰 영향을 미친다. 디젤 엔진 ECU에는 엔진 속도 및 부하 조건에서 최적의 연료 분사 시작 타이밍과 분사 패턴이 mapping 된다. 연료 분사 시작 타이밍이 진각되면 smoke emission은 줄어들고 NOx emission 증가하여 두 배기 가스는 상호 trade-off relationship을 가진다. 기계식 연료 분사 시스템을 사용하는 디젤 엔진과 달리 커먼 레일과 전자 제어 인젝터를 사용하는 최근의 디젤 엔진은 연료분사 시작 타이밍 제어에 제약이 없다. 즉, 어떤 엔진 조건에서도 원하는 타이밍에 연료를 분사하고 분사를 종료할 수 있다. 또한 커먼 레일 디젤엔진은 기계식 연료 분사시스템에서는 매우 어려운 pilot injection, multiple injection 등의 정확한 분사 시작 타이밍 제어가 가능하다. 본 연구에서는 디젤 솔레노이드 인젝터를 제어하여 연료를 분사하였을 때, 연료 분사 시작과 종료 타이밍을 광센서, 충격 센서를 사용하여 측정하였다. 인젝터 nozzle tip 최근접 위치에 광센서를 설치하여 spray를 감지하였다. 인젝터 body 바깥쪽에는 충격 센서를 장착하여 injector needle의 움직임을 감지하였다. 광센서와 충격 센서에 의한 연료 분사 시작 타이밍 측정은 정확하게 측정이 가능함을 확인하였다. 연료 분사 종료 타이밍은 광센서로는 측정이 가능하였으나 shock sensor로는 불가능하였다. 연료 분사 패턴은 single injection과 pilot injection의 2가지를 사용하였다. Single injection으로 연료를 분사할 때에는 45 MPa, 75 MPa, 105 MPa 3case rail pressure으로 제어하였다. pilot injection의 경우에는 75 MPa rail pressure 만으로 제어하였다. 측정 데이터의 통계적 처리를 위해서 하나의 실험 조건에서 35회씩 반복 측정하였다. Uncertainty analysis를 위한 error distribution 함수로는 normal distribution function을 사용하였다.

3가지 니들구동방식별 CRDi 디젤엔진용 고압 인젝터의 거시적 분무특성 비교해석

이진욱(Jin-Wook Lee),민경덕(Kyoung-Doug Min) 한국마린엔지니어링학회 2006 한국마린엔지니어링학회지 Vol.30 No.3

포토 센서와 충격 센서를 이용한 디젤 솔레노이드 인젝터 연료 분사 시작 및 종료 타이밍 측정

박성재,이충훈 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集B Vol.47 No.11

디젤 솔레노이드 인젝터를 제어하여 연료를 분사하였을 때, 연료 분사 시작과 종료 타이밍을 광센서 및 충격 센서를 사용하여 측정하였다. 인젝터 노즐팁 최근접 위치에 광센서를 설치하여 분무를 감지하였다. 인젝터 바디 바깥쪽에는 충격 센서를 장착하여 인젝터 내 니들의 움직임을 감지하였다. 광센서와 충격 센서에 의한 연료 분사 시작 타이밍의 정확한 측정이 가능함을 확인하였다. 연료 분사 종료 타이밍은 광센서로는 측정이 가능하였으나 충격 센서로는 불가능하였다. 연료 분사 패턴은 단발 분사와 파일롯 분사 2가지를 사용하였다. 단발 분사로 연료를 분사할 때에는 연료 레일압을 45 MPa, 75 MPa, 105 MPa 3 케이스로 제어하였다. 파일롯 분사의 경우에는 75 MPa로 제어하였다. 측정 데이터의 통계적 처리를 위해서 하나의 실험 조건에서 35회씩 반복 측정하였다. 불확실성 해석에 필요한 에로 분포 함수는 정규 분포를 사용하였다. The start and end timings of a controlled fuel injection in a diesel solenoid injector were measured using photo and shock sensors. The photo sensor was installed near the tip of the injector nozzle to measure the spray. The shock sensor was installed outside the injector body to detect the movement of the injector needle. It was confirmed that the fuel injection start timing could be accurately measured by both the photo and shock sensors, while the fuel injection end timing could be measured only by the photo sensor. Two types of fuel injection patterns, namely single and pilot injections, were investigated. In the single injection, the fuel rail pressure was controlled at values of 45, 75, and 105 MPa. On the other hand, in the pilot injection, the pressure was set to 75 MPa. To aid in the statistical processing, the measurements were repeated 35 times under one experimental condition. For the uncertainty analysis, a normal distribution was assumed for the error distribution function.

커먼레일을 이용한 디젤과 BD20 연료가 인젝터에 미치는 영향에 관한 연구

정연호,임옥택 한국수소및신에너지학회 2015 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.26 No.5

The characteristics of diesel and biodiesel are similar like as cetane number and auto-ignition temperature. High cetane number of diesel and BD could make possible to compression ignition. but BD showed different atomization from diesel due to component like density, viscosity and iodine value etc. Because of this, the biodiesel requires validation. This study using diesel and BD20 investigated effect to durability injector. Durability test were used common rail and bosch solenoid type 5-hole injector. Total test was 672hr but actual running time was 200hr. Spray experiments for spray characteristics were carried out using constant volume combustion chamber. Spray characteristics of diesel and BD showed different result up to durability test time. After 100hr, diesel showed spray shapes were stable but BD was not. After 200hr, difference of diesel and BD spray shapes were grow serious.

디젤 엔진의 인젝터 설계 변수가 노즐 코킹에 미치는 영향 분석

김용래 ( Young Rae Kim ),송한호 ( Han Ho Song ) 한국분무공학회 2012 한국액체미립화학회지 Vol.17 No.3

Recent common-rail injector of a diesel engine needs more smaller nozzle hole to meet the stringent emission regulation, But, small nozzle hole diameter can cause nozzle coking which is occurred due to the deposits of post-combustion products, Nozzle coking has a negative effect on the performance of fuel injector because it obstructs the fuel flow inside a nozzle hole, In this study DFSS (Design for six sigma) method was applied to find the effect of nozzle design parameter on nozzle coking, Total 9 injector samples were chosen and tested at diesel engine, The results show that nozzle hole diameter and K-factor have more effect on nozzle coking than A-mass and hole length. Large hole diameter and A-mass, small hole length and K-factor give more positive performance on nozzle coking in these experimental conditions. But, a performance about nozzle coking and exhaust gas emission shows the opposite tendency. More detail studies are needed to find the connection relation between nozzle coking and emission at the optimization work of injector nozzle development.

연료분무 및 연소 3 : 디젤 인젝터의 유압유량 차이에 따른 분무 특성

박성산 ( Stephen Sungsan Park ),김동훈 ( Dong Hoon Kim ),심의준 ( Eui Joon Shim ),김득상 ( Duk Sang Kim ),배충식 ( Choong Sik Bae ) 한국액체미립화학회 2013 한국액체미립화학회 학술강연회 논문집 Vol.2013 No.-

In this study, spray characteristics of two diesel injectors with same nozzle holes number and spray cone angle but different hydraulic flow rate was acquired. With short injection duration, the injector with hydraulic flow rate of 380 cc showed higher injection quantity compared to the injector with hydraulic flow rate of 420 cc. However, when the injection duration was prolonged, the injection quantity trend changed. The injection quantity trend was explained with injection rate results. Spray penetration and spray angle was measured in three conditions; atmospheric, 3 MPa pressurized in constant volume chamber and evaporating condition in optical engine. The injector with hydraulic flow rate of 380 cc with atmospheric condition showed the longest spray penetration and the narrowest spray angle.

소형 디젤엔진의 부품편차 및 운전조건에 따른 성능영향성 평가 연구

우동욱(Donguk Woo),한광섭(Kwangseob Han),김윤영(Yunyoung Kim) 한국자동차공학회 2015 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2015 No.11