Direct-injection diesel engines have expanded its market share owing to the benefit of fuel economy. The development of high pressure injection systems such as common-rail injection system enables reduction of emissions and improvement of fuel consumption. But with stringent emission regulation, need for higher injection pressure and more multiple injection strategy resulted in development of new type of injector, piezo-driven injector. A piezo-driven injector is known to be able to be operated with higher injection pressure up to 2000 bar and multiple injection up to 7 times, which are enabled by its greater operating force and faster response time. Needle opening and closing of piezo actuated injector is determined by the movement of piezo stack directly, which is proportional to induced voltage.
In this study, a piezo-driven injector, as a new method driven by piezoelectric energy, has been applied with a purpose to evaluate the effect of induced voltage on spray characteristics. For this, injection rate, macroscopic imaging, ambient gas entrainment and particle sizing were carried out.
Injection rate meter based on hydraulic pulse principle was designed and measured injection rate showed that initial slope of injection rate is steeper as induced voltage increases. And once needle is fully opened, slope of injection rate is mostly constant.
And macroscopic imaging showed that piezo-driven injector with higher induced voltage produced longer spray tip penetration, wider spray angle in its initial stage.
Finally, experimental results showed that velocity of ambient gas entrainment by LDV technique increases and particle size by PDA decreases with higher induced voltage.
직접분사식 디젤엔진은 연료경제성의 이점으로 인해 시장점유율이 증가되고 있다. 커먼레일 분사시스템과 같은 고압분사시스템의 개발로 배기가스 저감 및 연료 경제성의 향상이 가능해 졌다. 하지만 보다 강화되고 있는 배기가스 규제로 인해 기존에 비해 더 높은 분사압력과 더 많은 횟수의 분사가 필요하게 되었고, 이로 인해 새로운 형태의 분사기인 피에조 인젝터의 개발을 야기시켰다. 피에조 인젝터는 분사압이 최고 2000 bar까지 가능하고 최대 7회까지 다단분사가 가능한 것으로 알려져있다. 이는 피에조 인젝터가 기존의 인젝터에 비해 구동력이 더 크며 응답시간이 빠르기 때문에 가능한 것이다. 피에조 인젝터의 니들 개패는 피에조 스택의 움직임에 의해 결정된다. 그리고 피에조 스택의 움직임은 인가전압에 비례한다. 이 연구에서는 피에조 압전효과에 의해 구동되는 새로운 형태의 분사기인 피에조 인젝터를 이용하여 인가전압이 분무특성에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 이를 위해 분사율, 거시적 이미지, 주변 공기 유입 속도 그리고 입자 크기에 대한 실험을 수행하였다. Bosch method를 이용하여 설계된 분사율계를 통해 얻은 분사율 결과는 인가전압이 높아짐에 따라 초기 분사율 기울기가 가파르며, 니들이 완전히 열린 이후에는 분사율 기울기가 일정한 것을 확인하였다. 그리고 거시적 이미지 분석을 통해 인가전압이 높은 경우 분무 초기 상태에서 분무도달거리가 더 길며 분무각이 더 넓은 것을 확인하였다. 또한 LDV 기법을 이용하여 얻은 주변 공기 유입속도는 인가전압에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있었으며, PDA 기법을 통해 얻은 입자크기는 인가전압에 비례하여 작아지는 것을 확인하였다.
