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플래시 보일링 조건에서 GDI 인젝터의 홀 배치에 따른 미립화 특성
상몽소(Mengzho Chang),유영수(Young Soo Yu),박성욱(Sugwook Park),박수한(Suhan Park) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
GDI 엔진은 실린더 내 연료를 직접 분사하기 때문에 인젝터에서 분사된 연료는 매우 짧은 시간에 공기와 혼합되어 균일한 혼합기를 형성해야 한다[1]. 따라서 분무 액적의 크기는 균일한 혼합기 형성에 매우 중요하다. 작고, 균일한 액적을 갖고 있는 분무는 신속한 균일한 혼합기 형성에 중요한 역할을 하며, 엔진의 연소 성능을 향상시킨다[2]. 한편, 플래시 보일링 조건에서는 액적의 보일링과 함께 기포가 빠르게 터지면서 제트형태의 분열이 향상되며 분무 미립화가 촉진된다[3]. 이 연구에서는 연소실 내 분무 거동의 향상과 균일한 혼합기 형성을 위해 제작된 홀 배치가 다른 5홀 GDI 인젝터를 이용하여 과냉 및 플래시 보일링 조건에서의 미립화 특성을 연구하였다. 연료의 미립화 특성을 측정, 분석하기 위해 Figure 1(a)와 같이 실험 장치를 구성하였다. 실험 장치는 연료 공급부, 분무 액적 측정부, 신호 제어부 및 연료 가열부로 구성하였다. 분무 액적의 크기와 속도를 측정하기 위해 PDPA를 이용하였다. 514.5 nm의 파장을 갖는 Ar-ion 레이저를 광원으로 사용하였으며, 액적 직경 측정 범위는 0.60~212.07㎛, 액적 속도 측정범위는 -6.44~109.42m/s로 설정하였다. 연료의 온도를 조절하기 위하여 카트리지 히터를 사용하여, 인젝터 내부 연료를 가열하였으며, 열전대(K-type)를 이용해서 온도를 조절하였다. 인젝터의 통전 기간은 2.5ms 로 고정하고, 분사 압력은 10MPa, 챔버 내 압력은 0.1MPa 로 고정하였다. 과냉 조건 및 플래시 보일링 조건에 분무 미립화 특성을 비교하기 위해 연료(n-heptane) 온도는 20℃와 120℃로 설정하였다. 인젝터 팁 아래 30mm 지점에서 인젝터 A와 B의 분무 패턴 정보(분무 중심)는 Figure 1(b)에 나타냈다. 인젝터 A 및 인젝터 B의 경우 플럼 2(P2)와 플럼 4(P4)를 제외한 다른 플럼들은 같은 위치에 있다. 또한, 플럼 중심 및 분무 중심을 선정하고 분사 과정 중 액적의 미립화 특성 및 운동 특성을 비교하였다. 분무 액적 속도가 가장 빠른 측정점을 플럼 중심으로 정하고, 분무의 기하학적 중심을 분무 중심으로 선정하였다. Figure 2는 과냉 및 플래시 보일링 조건에 두 인젝터의 액적 직경을 비교하는 것이다. 빨간색 심볼을 포함한 실선은 0.2ms 간격으로 계산한 액적의 평균 직경(SMD)을 나타낸다. 플래시 보일링 조건에 분사 후 시간에 따른 분무 액적은 더 작고 변화 폭은 작아진다. 과냉 조건에 분무 미립화는 액체 관성력, 공기동력, 기-액 밀도비의 영향을 많이 받고, 플래시 보일링 조건에 분무 미립화는 이런 요인의 영향을 받을 뿐만 아니라 볼일링 때문에 내부 기포 파쇄의 영향을 많이 받는다. 플래시 보일링 조건에 더 강한 분무 파쇄 기제 때문에 분무 액적은 더 작고 균일하다. 인젝터 A의 플럼 중심에서 연료의 온도가 플래시 보일링 조건으로 상승함에 따라 분무 액적의 평균 SMD는 20.28 ㎛에서 16.28 ㎛으로 감소하고 SMD의 표준 편차는 5.90 ㎛에서 3.20 ㎛으로 감소하였다. 또한, 분무 중심의 액적 직경은 플럼 중심보다 작은 것을 확인하였다. 이것은 작은 액적이 공기 유동의 영향을 많이 받아 플럼 주위로 확산하기 때문에 분무 중심의 SMD는 상대적으로 작게 나타난 것으로 판단된다. 인젝터 A와 비교했을 때 과냉 및 플래시 보일링 조건에서 인젝터 B가 더 작은 액적 직경을 나타내었다. 〈그림 본문 참조〉
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