GDI 인젝터에서 E85 연료의 노즐팁 주변 분무 거동에 관한 연구

박정현 ( Jeonghyun Park ),박수한 ( Su Han Park ) 한국액체미립화학회 2016 한국액체미립화학회 학술강연회 논문집 Vol.2016 No.-

연비 및 배출가스의 규제로 인해 높은 열효율과 낮은 배출가스 특성을 갖는 엔진 개발에 대한 요구가 점차 커지고 있다. 가솔린 엔진에서는 기존 흡기 포트로 연료를 분사하는 방식(포트분사식(PFI, Port Fuel Injection))에서 연소실 내로 직접 분사하는 방식 (직접분사식(GDI, Gasoline Direct Injection))으로 변화하고 있다. GDI 엔진은 종래의 PFI 엔진보다 압축비가 높아 토크 및 출력이 향상되며, 분사응답성이 높아 연료-공기 혼합기를 비교적 쉽게 제어할 수 있은 장점이 있다. 또한 대체연료를 이용한 배기가스의 저감에 대한 관심도 높아지며 GDI 엔진에서도 가솔린의 대체연료로써 에탄올을 사용하는 연구가 활발히 진행 중이다. 에탄올은 옥탄가와 증발 잠열이 높아 체적 효율 증가에 따른 열효율을 향상을 기대할 수 있으며, 연료 내 함유된 산소의 영향으로 일산화탄소와 미연탄화수소와 같은 배기 배출물 저감 효과를 기대 할 수 있다. 연소실 내로 직접 연료를 분사하기 때문에 GDI 엔진에서 정확한 연료의 제어와 연료-공기 혼합기의 형성은 매우 중요하며, 이를 위해 분사탄올 연료를 적용한 팁 근처 분무거동에 대한 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 멀티홀 GDI 인젝터에 에탄올 85%와 n-heptane 15% 를 혼합한 E85 연료의 분사율을 측정하고, 노즐 팁 주변의 분무 거동을 측정, 분석하고자 한다. GDI 인젝터에서 분사율을 취득하기 위하여 Bosch 법을 기반으로 한 분사율 측정장치를 제작하여 사용하고, 멀티홀 GDI 인젝터(6홀)를 적용하기 위한 어댑터를 제작하였다. 인젝터 제어와 데이터 취득은 LabVIEW 프로그램을 이용하였고, 취득한 전류파형, 압력파형 데이터를 Matlab 프로그램을 이용하여 분사율을 계산하였다. 분무가시화 실험은 정적 체임버를 내에서 진행되었고, 질소를 공급하여 분위기 압력을 형성하였다. 분무 영상 취득을 위해서 고속카메라(FASTCAM, Mini AX100)와 광원으로 메탈 할라이드 램프(KYOWA, MID-25FC)를 사용하였고, 인젝터 팁 주변 분무 거동을 확인하기 위하여 Long distance microscope(Questar, QM-1)를 사용하였다. Fig.1은 분사압력 100 bar 와 200bar 조건에서 n-heptane 과 E85의 분사량을 측정결과를 나타낸 그래프이다. 분사량은 장관 내 압력을 25bar 로 유지한 상태에서 측정하였다. 그림에서 보는 바와 같이 분사압력이 높을수록 두 연료 모두 분사량이 많은 것을 확인할 수 있었다. 두 연료의 분사량비교에서는, 밀도가 높은 E85의 분사율을 나타낸 그래프로써, 분사량과 마찬가지로 E85가 n-heptane 보다 높은 것을 확인하였다. 분사가 시작 될 때 지연기간은 두 연료 모두 비슷하였으며, 니즐이 닫히는 순간에는 E85의 지연기간이 조금 더 길게 나타나는 것을 확인하였다. Fig.3과 Fig.4는 분사압력 100bar, 관내압력 25bar, 통전기간 1.5ms 에서 GDI인젝터의 분무사진으로 Fig.3은 거시적 분무를, Fig.4는 인젝터 팁 근처의 미시적 분무의 사진이다.

직접 분사식 가솔린 엔진에서 분사 전략이 실린더 내부 유동 특성 및 연료 성층화에 미치는 영향

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

가솔린 엔진에서 유동 특성을 나타내는 난류 강도와 텀블비는 화염 전파 및 연소 속도를 결정함에 있어서 중요한 요소이며, 이는 흡기 포트 형상, 밸브 타이밍 및 연료 분사 전략 등 여러 제어 인자에 의해 결정된다. 본 연구에서는 분사 전략 및 분무 패턴에 따라 실린더 내 유동 특성 및 혼합기 형성 과정에 대해 해석적으로 비교 분석하였다. 가솔린 엔진 환경을 해석하기 위해 CONVERGE v2.4를 이용하였으며, 가솔린과 분무 특성이 유사한 n-heptane을 대체 연료로 이용하였다. 분무 모델은 KH-RT 모델을 이용하였고, 연소실 형상을 모사한 고온 및 고압 조건의 챔버 내에서 Schlieren 기법으로 취득한 분무 시험결과를 이용하여 모델을 검증하였다. 하향 분무 패턴을 가진 인젝터 A와 상향 분무 패턴을 가진 인젝터B를 이용하였으며, 각 인젝터에서 분사 시기 및 분사 횟수 (단일 분사와 2단 분사) 등의 분사 전략이 실린더 내부 텀블 유동 및 혼합기 형성과정에 미치는 영향을 고찰하였다. 연구 결과, 분무 유동이 실린더 내 유동 발달에 영향을 줄 수 있으며, 인젝터A를 이용한 single injection 대비 인젝터B를 이용한 double injection 전략이 난류 에너지 증대 및 혼합기 형성 측면에서 이점이 있음을 확인하였다. 본 연구를 통해 분사 전략이 유동 특성 및 혼합기 형성과정에 미치는 영향을 비교함으로써, 분무 유동이 엔진 내부 유동 형성에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 파악하고, 이를 통해 기존 분사 방식에 대해 새로운 패러다임을 제공할 수 있는 실마리를 제공하고자 한다.

연료 분사 전략에 따른 수소 전기정화 엔진의 출력 및 배기 성능 연구

오준호(Junho Oh),김용래(Yongrae Kim),박철웅(Cheolwoong Park),최영(Young Choi),이정우(Jeongwoo Lee) 한국자동차공학회 2022 한국자동차공학회 지부 학술대회 논문집 Vol.2022 No.5

탄소 중립 운동의 가속화에 따라서 기존 화석연료에서 무탄소 연료 전환을 바탕으로 친환경 모빌리티를 개발하기 위한 연구가 활발해지고 있다. 이러한 관점에서 친환경 특성을 갖는 수소 연료가 모빌리티 산업의 차세대 핵심 연료로 각광받게 되었으며 최근 수소 연료전지 기술이 상용화 차량에 적용되어 출시됨에 따라 친환경 차량으로서 많은 주목을 받았다. 그러나, 연료 전지의 높은 제조 비용과 낮은 내구성이 문제점으로 거론되기 시작했다. 이에 미래 수소 경제 실현을 위한 가교 역할로서 수소 연료 내연기관으로 관심이 옮겨지고 있다. 수소 내연기관은 기존 내연기관에서 소량의 부품 변경만으로도 구현이 가능하므로 현재 사용되는 생산 기술 및 인프라를 유지할 수 있으므로 높은 신뢰도와 저렴한 가격으로 도입이 가능하다는 측면에서 연료 전지 대비 강력한 이점을 갖는다. 그러나, 수소 내연기관이 상용화 단계에 도달하기 위해서는 수소 연료의 낮은 인화점으로 인해 발생하는 역화 혹은 조기점화와 같은 비정상 연소와 기존 가솔린 엔진과 비교하여 낮은 출력 특성을 개선할 필요가 있다. 본 연구는 수소의 연소적인 측면에서 비정상 연소 개선 및 출력 특성 향상을 위해 연료 분사 전략에 따른 연소 및 배기 경향을 실험실 단위에서 분석하였다. 실험에는 2L 급 상용 전기점화 엔진이 사용되었으며 엔진 속도 1,500 RPM 에서 포트 분사 및 직접 분사 방식을 각각 비교 실험하여 엔진 단위에서 출력 향상을 위한 연료 분사 전략을 검토하였다. 포트 분사의 경우 연료 공급량 증가에 따라 최대 출력이 늘어났으나 수소가 흡기 공기의 체적을 대체하여 농후한 조건의 혼합기가 형성됨에 따라 비정상 연소 가능성이 증가하고 열전달 손실 증가로 인해 제동열효율이 저감되는 것을 확인했다. 직접 분사의 경우 연료 분사 시기를 350 BTDC CA에서 지각하여 실험을 진행했으며 분사시기가 지각될수록 흡입 공기량이 증가하여 희박한 혼합기가 형성되었다. 이에 따라 제동열효율이 증가하고 엔진 출력이 함께 증가하는 것을 확인했으며 희박 연소 조건에서 질소산화물 저감을 통한 배기 특성 개선이 확인되었다.

성층희박연소 운전조건에서 분사압과 분사시기에 따른 분무유도식 직접분사 가솔린엔진의 연소특성

오희창(Hee Chang Oh),이민석(Min Seok Lee),박정서(Jung Seo Park),배충식(Choong sik Bae) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.10

단기통 직접분사 가솔린엔진의 성층연소 조건에서 연소실험을 수행하였다. 각 분사압조건마다 실화가 발생하지 않는 성층연소가능 분사시기영역이 존재하였으며 이는 혼합기 형성과정의 분위기압에 따른 영향으로 판단하였다. 연소효율은 분사시기를 지각할수록 증가하며 32~28 CAD BTDC에서 최대값을 갖고 이후 감소하는 경향을 보였고 분사압이 높을수록 높은 연소효율이 나타났다. 이러한 연소효율의 경향은 IMEP와 다른 경향을 보였으며 그 이유는 높은 연소효율 조건에서 연소상이 진각되어 음의 일이 증가하였기 때문으로 판단된다. Smoke의 배출은 분사시기가 지각됨에 따라 증가하였으며 높은 분위기 압에서 국부적으로 농후한 영역이 증가하였기 때문으로 생각된다. NOx 배출도 분사시기를 지각함에 따라 감소하였으며 연소상의 지각으로 최대 연소실압력과 온도가 감소하였기 때문으로 생각된다. In this study, single cylinder engine experiment was carried out to investigate combustion characteristics spray guided direct injection spark ignition engine. In the result of engine experiment , it was shown that flammable window of injection timing was existed. The combustion efficiency increased with retarding injection timing, reaching a peak value, subsequent to decrease again. These results were likely due to the effect of ambient pressure on stratified-premixed mixture preparation. 150 bar injection pressure condition and retarded injection timing from the best combustion efficiency injection timing showed the highest IMEP value due to the advanced combustion phase of the maximum combustion efficiency condition. HC emission showed same trend of combustion efficiency, and smoke emission was increased as injection timing was retarded due to the increased locally rich area in the high ambient pressure. NOx emission showed decreasing trend as injection timing was retarded. This is likely due to the maximum in-cylinder temperature was decreased with retarded combustion phase.

Effects of intake flows on spray structure of a high pressure multi-hole injector in a second generation direct-injection gasoline engine

김성수(S. S. Kim),김순호(S. H. Kim) 한국동력기계공학회 2007 한국동력기계공학회 학술대회 논문집 Vol.- No.-

제 2세대 직접분사식 가솔련 기관에서 6공 연료분사기의 연료분무특성을 관찰하였다. 실험에 사용한 직접분사식 가솔린 기관은 2개의 흡입밸브와 2개의 배기밸브를 갖는 텀블형 Spray Guided 연소설과 Quartz로 제작된 실린더 라이너와 실린더 헤드 창으로 구성되어 있다. 선회유동을 유도하기 위하여 흡입매니폴드에 선회유동 제어밸브를 부착하였다. 2차원 Mie 스캐터링 기법을 이용하여 연료분사시기, 연료분사압력과 실린더 내 유동 및 냉각수 온도가 연료분무에 미치는 영향을 관찰하였다. 실험결과로는 흡기과정동안 흡기 선회유동은 분사된 연료의 공간적 분포에 크게 작용하였고, 압축과정동안에는 텀블 및 선회유동의 영향이 흡기과정에 비해 크지 않음을 확인하였다. 또한 성층연소를 위해서 압축과정에서 연료를 분사하는 경우 고압의 연료분사압은 분무도달거리의 성장을 촉진시키나 상승하는 피스톤과 이로 인한 실린더 압력의 상승으로 분무도달거리의 성장이 억제됨을 확인할 수 있었다.

연소제어인자의 변화에 따른 직접분사식 초희박 LPG엔진의 연소특성 연구

박윤서(Yun Seo Park),박철웅(Cheol Woong Park),오승묵(Seung Mook Oh),김태영(Tae Young Kim),최영(Young Choi),이용규(Yong Gyu Lee) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.6

오늘날 전 세계의 자동차 회사들은 연비를 향상시키고 배기가스를 저감시키기 위해 다양한 기술을 개발하고 있다. 그 중 직접분사식 초희박 연소기술은 연료제어의 정확도를 향상시켜 연소 효율을 극대화하고 초희박 연소를 통해 연비를 향상 시킬 수 있는 차세대 기술로 평가받고 있다. 따라서 기존 가스엔진에 초희박 직접분사 기술을 적용한 초희박 LPG 직접분사 엔진을 개발하기 위해 2ℓ 급 MPI 엔진을 베이스 엔진으로 실린더 헤드를 재설계하였다. 재설계된 헤드는 초희박 연소를 구현하기 위해 인젝터와 점화플러그가 헤드 중앙에 장착되는 분무유도방식 연소시스템을 적용하였다. 연료 분사 압력별 연료 분사 시기와 점화 시기의 변경을 통해 연료 소비율과 연소 안정성을 측정하였으며 이를 통해 최적연료 분사시기와 점화시기를 선정하였다. Nowadays, automotive manufacturers have developed various technologies to improve fuel economy and reduce harmful emissions. The ultra-lean direct injection engine is a promising technology because it has the advantage of improving thermal efficiency through the deliberate control of fuel and ignition. This study aims to investigate the development of a spray-guided-type lean-burn LPG direct injection engine through the redesign of the combustion system. This engine uses a central-injection-type cylinder head in which the injector is installed adjacent to the spark plug. Fuel consumption and combustion stability were estimated depending on the ignition timing and injection timing at various air-fuel ratios. The optimal injection timing and ignition timing were based on the best fuel consumption and combustion stability.

500bar 급 GDI 고압인젝터의 유량 및 거시적 분무 특성

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

최근 자동차에서 배출되는 배기가스인 CO₂ 및 미세먼지에 대한 배기규제가 점차 강화되고 있다. 이런 강화되고 있는 배기규제를 대처하기 위해 연소와 배기에 영향을 미치는 최적의 연료 분사 시스템의 개발이 필요하다. 지금 현재 국내 출시된 GDI 자동차에 적용되어 있는 연료 분사 시스템은 최대 250bar 연료 분사 시스템을 적용하고 있으며, 국내ᆞ외 시장 규제상황 및 국내 자동차산업 경쟁력 제고를 위해 350bar 및 500bar와 같은 고압 인젝터의 개발되고 있다. 하지만 아직 500bar 급 GDI 고압 인젝터의 유량 특성 및 분무 특성에 대한 연구는 부족한 현황이다. 따라서 본 연구에서는 최근 강화되는 배기규제와 자동차에서 배출되는 미세먼지 문제를 해결하기 위한 엔진 효율 향상 및 미세먼지(PN)을 저감하기 위해 고효율 소형 엔진의 연소에 가장 영향을 미치는 고압 인젝터의 유량 특성 및 분사 압력에 따른 분무 액적의 도달거리 및 분무각 등의 거시적 분무 특성을 연구하였다. 연구에 사용한 고압 인젝터는 비자성체를 적용한 인젝터와 적용하지 인젝터를 대상으로 연구를 수행하였다. 연구방법으로 유량 특성을 파악하기 위해 정밀저울을 이용하여 인젝터에서 분사되는 연료량을 측정하였으며, 고압 인젝터의 단분사 및 다단분사 시 인젝터 열림 및 닫힘시간 및 최대 유량구간을 파악하기위해 Bosch 장관법을 이용하여 분사율 실험을 진행하였다. 또한, 고압 인젝터의 단분사 및 다단분사의 거시적 분무특성을 파악하기 연료 액상을 측정하는 Mie-scattering 기법을 적용하여 분무발달 이미지를 측정하였으며, 측정한 이미지는 MATLAB image processing을 이용하여 시간에 따라 정리하였다.

다단분사가 초희박 GDI 엔진의 성능 및 배기에 미치는 영향

오진우(Jin Woo Oh),박철웅(Cheol Woong Park),김홍석(Hong Suk Kim),조규백(Gyu Baek Cho) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.2

현재 세계적으로 배출가스 규제 강화와 유가 상승으로 인해 가솔린엔진에서 배출되는 유해 배출가스 저감기술 및 연비향상 기술 개발이 절실히 요구되고 있다. 가솔린 직접분사(GDI; Gasoline direct injection) 기술은 가솔린 연료를 직접 연소실에 분사하여 정밀한 연소제어를 통해 매우 희박한 혼합기에서도 고효율의 연소가 가능하게 함으로써 연비저감과 고출력을 동시에 만족할 수 있는 효과적인 기술이다. 본 연구에서는 분무유도방식(spray-guided type)을 이용한 GDI 엔진을 개발하여 안정적인 희박연소를 구현하였다. 자주 사용되는 운전영역에서 연료분사시기의 TDC(Top dead center) 인근으로의 지각을 통하여 안정적인 희박연소를 구현하였으며, 다단분사를 적용하여 추가적인 연료소비율의 개선이 가능한 반면 탄화수소(THC)와 질소산화물(NOx)의 배출은 증가하고 CO의 배출은 감소되었다. Currently, in order to meet the reinforced emissions regulations for harmful exhaust gas including carbon dioxide (CO₂) as a greenhouse gas, technologies for reducing CO₂ emission and fuel consumption are being developed. Gasoline direct injection (GDI) systems have the advantage of improved fuel economy and higher power output than port fuel injection gasoline engine systems. The aim of this study is to examine the performance and emission characteristics of a lean burn GDI engine equipped with spray-guided-type combustion system. Stable lean combustion was achieved with a late fuel injection strategy under a constant operating condition. Further improvement in specific fuel consumption is possible with the introduction of multiple fuel injection strategies, which also increases hydrocarbon (HC) and nitrogen oxide (NOx) emissions and decreases carbon monoxide (CO) emission.

직접분사식 가솔린 엔진의 분사전략 변경 및 EGR 적용을 통한 배기저감에 관한 연구

박철웅(Cheol Woong Park),김홍석(Hong Suk Kim),우세종(Se Jong Woo),김용래(Yong Rae Kim) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.3

자동차배출가스는 이산화탄소(CO2 )에 의한 지구온난화 및 탄화수소(HC)와 질소산화물(NOx )에 의한 오존생성을 야기하는 등, 인체와 환경에 나쁜 영향을 미치기 때문에 이에 대한 관심이 증폭되고 있다. 가솔린 직접분사 (Gasoline Direct Injection; GDI)엔진은 디젤엔진과 같이 연소실내에 연료를 직접 공급하는 방식으로서 가솔린엔진의 취약점으로 지적되어 오던 높은 연료소비율 문제를 획기적으로 개선할 수 있는 기술로 평가되고 있다. 본 연구에서는 분무유도방식(Spray-guided type)의 GDI엔진을 이용하여 공기과잉률 2.0 이상의 초희박 연소를 통해 연료소비율을 개선하였다. 추가적인 연료소비율 개선 및 배출가스 저감을 위해 희박연소시 다단분사전략과 Exhaust Gas Recirculation (EGR)을 적용하였다. 배출가스 수준과 운전성능을 평가하고 이를 배출가스 규제와 비교·검토함으로써 국내 관련기술 개발 방향 및 상용화 가능성에 대해 검토하고자 하였다. Nowadays, automobile manufacturers are focusing on the reduction of exhaust-gas emissions because of the harmful effects on humans and the environment, such as global warming by greenhouse gases. Gasoline direct injection (GDI) combustion is a promising technology that can improve fuel economy significantly compared to conventional port fuel injection (PFI) gasoline engines. In the present study, ultra-lean combustion with an excess air ratio of over 2.0 is realized with a spray-guided-type GDI combustion system, so that the fuel consumption is improved by about 13%. The level of exhaust-gas emissions and the operation performance with the multiple injection strategy and exhaust-gas recirculation (EGR) are examined in comparison with the emission regulations and from the point of view of commercialization.

자연흡기식 디젤엔진에서 연료분사계 변경에 따른 성능특성에 관한 연구

임종한 한국기계기술학회 2001 한국기계기술학회지 Vol.3 No.1