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정민욱 ( Minuk Jeong ),유영수 ( Young Soo Yu ),양승호 ( Seungho Yang ),최민후 ( Minhoo Choi ),박성욱 ( Sungwook Park ) 한국분무공학회 2021 한국액체미립화학회지 Vol.26 No.3
Deteriorated agricultural diesel engines using mechanical fuel injection systems have low fuel injection pressures. And they are not equipped with an exhaust gas abatement device, so it produces a lot of exhaust gas. Remanufactured used injectors can reduce emissions because spray characteristics are improved. In addition, remanufacturing is environmentally friendly and economical compared to producing new parts. For efficient injector remanufacturing, it is necessary to conduct a comparison experiment on the spray characteristics of an used mechanical injector and a new injector of the same model. In this study, the spray characteristics of the two injectors were compared by performing an injection quantity measurement and a spray visualization experiment. As a result, the used injector had a larger injection quantity, a shorter spray tip penetration, a wider spray angle and a smaller spray area than the new injector.
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.
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 CO<sub>2</sub> 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.
양승호(Seungho Yang),유영수(Young Soo Yu),정민욱(Minuk Jeong),박정환(Jeong Hwan Park),박성욱(Sungwook Park) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
최근 가솔린과 디젤을 사용하는 내연기관에 대한 규제가 강화되면서 대체 에너지와 친환경 차량에 대한 관심이 높아지고 있다. 강화되는 규제를 만족하는 대체 에너지의 종류로 LPG, CNG, DME, 수소 등이 있으며, 2019년도 이후 한국에서 LPG 차량에 대한 규제가 완화되면서 대체 연료로써 LPG에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이다. 현재 대다수의 LPG 차량에 사용되고 있는 LPLi 엔진의 연료 분사는 실린더 전단에 액기상이 혼재된 연료를 분사하는 방식을 적용하고 있다. 하지만 이러한 방식은 LPG 연료 특성상 온도 및 압력에 따라 변화하여 연소 효율 저하 및 시스템 불안정이라는 단점이 있다. 이러한 단점의 해결방안으로 GDI 방식과 동일한 4세대 연료 분사 방법인 LPDI 방식이 제안되었고, LPDI 방식은 실린더 내부에 연료를 직접 분사함으로써 LPG 연료의 미립화 및 분무 특성을 극대화하고 연소효율 향상 및 출력 증대의 장점이 있다. 따라서 최근 LPDI 시스템에 적용되는 인젝터에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있지만 아직 LPDI 시스템에 적용되는 인젝터의 연료별 분사량 및 분사율과 같은 유량 특성과 연료의 액상 및 기상의 분무 특성에 대한 연구가 부족한 현황이다. 그리하여 본 연구에서는 LPDI 시스템에 적용되는 인젝터를 대상으로 n-heptane, gasoline, LPG 동계(Butane 76%+Propane 24%)의 연료를 사용하여 연구를 수행하였다. 인젝터의 유량 특성을 파악하기 위해 인젝터의 열림 및 닫힘시간, 정적유량구간 등을 확인할 수 있는 Bosch 장관법을 이용하여 분사율을 측정하였고, 정밀저울을 이용하여 인젝터에서 분사되는 유량을 측정하여 연료별로 비교 분석하였다. 또한, 고속카메라를 이용하여 인젝터에서 분사되는 분무 액적을 Mie-scattering 방법을 통해 연료의 액상을 측정하였고, Schlieren 방법을 통해 연료의 기상을 측정하여 비교 분석하였다. 고속카메라를 이용하여 촬영한 분무 이미지는 MATLAB image processing을 통해 시간에 따른 분무 형상을 취득하였다.