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GDI 인젝터에서 E85 연료의 노즐팁 주변 분무 거동에 관한 연구
박정현 ( Jeonghyun Park ),박수한 ( Su Han Park ) 한국분무공학회 2016 한국분무공학회 학술발표 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.
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분무패턴 분석을 이용한 가솔린 직접 분사식 인젝터의 개별 분무플럼 분무각 측정 방법에 대한 연구
박정현 ( Jeonghyun Park ),조한빈 ( Hanbin Cho ),박수한 ( Suhan Park ) 한국분무공학회 2020 한국분무공학회지 Vol.25 No.2
The purpose of this study is to propose and compare methods for measuring individual spray cone angles using spray cross-section images. In direct injection gasoline engines, it was believed that the distribution of air-fuel mixture in the combustion chamber directly affected combustion performance and emission formation. However, since gasoline direct injection (GDI) injectors have a small injection angle, interference between individual spray plumes occurs. Therefore, GDI injectors have only measured the spray angle of the entire spray. To overcome these limitations, three methods of indirectly measuring the spray cone angles of individual spray plume were presented and compared by forming sheet beams using Nd:YAG laser and acquiring spray cross-section images. Each method currently has advantages and disadvantages, and research to apply the method suitable for various GDI injectors needs to be continued.
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