Spray structure such as inside flow, initial spray fuel string and development process of piezo actuated outward opening injector for direct injection spark ignition engine have been studied. And the effect of injection signal such as induced voltage and charging./discharging time on spray characteristics have been investigated in terms of spray geometry, primary break up, atomization and response characteristic. The Mie scattered microscopic and macroscopic images were taken to visualize initial and overall spray pattern in a constant volume chamber. Planar Mie scattered and shadowgraph image were taken to visualize mixture formation process. Phase Doppler anemometer technique was applied to measure droplet size. Injection rate was measured by Bosch method to evaluate response characteristic and flow rate. Spray impact momentum was measured to estimate flow rate distribution along the nozzle circumference.
Visualization of initial spray showed initial spray parameters such as liquid sheet length, number of strings were highly effected by pintle lift. Microscopic visualization of secondary break up showed break up of fuel string is very similar with breakup of liquid column of which the most important parameter is liquid column diameter. This indicates primary break up governed by pintle behavior impacts on spray development and spray characteristics exceedingly. Results with visualization of spray development process, vortex generated by air entrainment to spray surface was found that it is the most dominant vortex for mixture formation process rather than vortex driven by Kelvin-Helmholtz instability or air entrainment to tail of the spray.
Results with different induced voltage condition showed that primary break up was enhanced as induced voltage increased. As a result, spray droplet size was decreased even though increased nozzle area. With the high induced voltage, spray tip penetration was shortened due to enhanced primary breakup and earlier secondary breakup. Response to injection signal was fastened due to faster pintle movement and flow rate increased due to larger nozzle area. Consequently, high induced voltage was found to have many advantages for combustion such as preventing piston wetting, enhanced atomization and shorter injection duration. Results with different charging/discharging time condition showed that response to injection signal became faster under shorter charging/discharging time condition while mechanical vibration of pintle increased. In addition, negative effect on injection quantity control was shown due to dribbling and non linearity of injection quantity for injection duration.
분무유도 방식의 가솔린 직접분사연소 구현을 위해서는 다음과 같은 빠른 응답성, 우수한 미립화성능, 분무의 강성과 적합한 분무형상 등 다양한 분무의 성능이 요구된다. 외향개방분사기는 높은 분무 강성과 우수한 미립화 성능을 지닌 것으로 평가되고 있으며, 현재 양산형 분무유도식 DISI 엔진에서 대표적인 분사기로 주목받고 있다. 본 연구에서는 피에조 외향개방 분사기를 이용하여 외향개방 분무의 분무구조와 혼합기 형성과정을 이해하고 중요한 변수로서 분사신호를 분사조건으로 하여 응답성, 분무형상, 미립화, 초기분무구조등 다양한 측면에서 분무의 특성을 살펴보았다. 외향개방분사기의 분무는 연료줄기구조로 이루어진 hollow cone 형태이며 연료줄기구조는 노즐주변에서의 초기액막분열에 의하여 생성된다. 노즐 근처의 초기 분무를 가시화한 결과 기존 연구자들이 상사해석을 통해 관찰한 초기분무구조와 유사한 초기분무구조를 관찰 할 수 있었다. 그러나 분사로 인하여 발생한 압력구배에 의하여 유도된 공기유입이 분사의 운동량을 이길만큼 크게 작용하여 액막을 분열한다는 설명은 물리적으로 수긍이 어려우며 관성력과 표면장력의 상호작용으로 인한 액막의 불안정성 등의 다른 가능성들에 대한 연구가 더 필요할 것으로 생각된다. 분사기간 동안 핀틀 리프트가 증가함에 따라 노즐근처의 액막의 길이와 연료줄기간 거리가 감소하였으며 0.050 mm의 핀틀리프트에서는 연료줄기구조가 불안정해지는 것이 관찰되었다. 따라서 핀틀의 리프트가 증가하는 경우 초기 액막분열이 촉진됨을 알 수 있었다. 또한 핀틀이 하강함에 따라 다시 연료줄기간 거리가 감소하고 불안정해진 연료줄기가 다시 선형운동량을 회복하는 것을 살펴볼 수 있었으며 이를 통해 핀틀리프트가 초기분무구조의 주요인자임을 알 수 있었다. 피에조 외향개방분사기의 내부유로는 핀틀가이드에 의하여 4부분으로 나뉘게 되고 이 네 부분의 유로를 통하여 분사기 내부유동이 이루므로 내부 유동은 불균일한 속도분포를 가지게 된다. 내부유동의 영향을 알아보기 위해 모멘텀측정법을 사용하여 노즐의 원주방향에 따른 유량을 측정하였으며 내부유동에 의하여 분무의 원주방향 유량 분포가 균일하게 이루어지지 않고 이 경향은 분사가 진행될수록 더 크게 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. 초기액막 분열로 생성된 연료줄기는 하류로 이동함에 따라 노즐근처에서 생성된 불안정성이 성장하고, 이 불안정성에 의하여 2차분열을 거쳐 액적으로 분열된다. 이 때 연료줄기의 분열이 액주의 분열과 유사한 상태로 일어나므로 액주의 초기조건, 즉 연료줄기의 유속 및 지름이 외향개방분무의 미립화에서 중요한 인자임을 알 수 있었다. 이차분열에 의하여 액적으로 분열된 분무는 하류로 내려오며 운동량이 감소하고, 외부 공기와의 상호작용이 활발해지면서 무화된다. 분사가 진행되며 분무의 표면에는 Kelvin-Helmholtz instability에 의하여 유동방향과 수직한 와류가 형성된다. 혼합기 형성과정을 지배하는 와류는 분무 외부에서 내부로의 공기유입에 의한 와류이며 그 외에도 분무표면에서 발생하는 불안정성에 의한 와류 그리고, 분무미단에서 유입되는 공기에 의해 유도되는 노즐주변에서 와류를 관찰 할 수 있었다. 인가전압의 증가함에 따라 핀틀의 리프트가 증가하며 충방전시간이 고정되었으므로 핀틀 리프트의 기울기도 증가한다. 또한 핀틀의 진동도 증가한다. 이 진동은 기계적인 진동이며 한 주기가 대략 160 μs정도로 나타났다. 분사신호가 인가된 후부터 실제 분사까지 걸리는 시간인 분사 지연기간은 핀틀이 0.01 mm의 위치에 도달했을 때로 핀틀리프트만의 함수임이며 인가전압이 증가하면 분사지연기간이 감소한다. 인가전압이 증가할수록 표면적이 증가하여 분사량이 증가하며, 그 외에 높은 인가전압에서 노즐유량계수는 일정한 값을 갖게 되지만 낮은 인가전압의 경우 분사압의 함수로서 나타남을 관찰하였다. 낮은 인가전압에서는 분사압이 증가함에 따라 노즐 유량계수가 작아져서 분사압이 증가하여도 분사량은 증가하지 않거나 오히려 감소하는 현상이 나타나게 된다. 이는 캐비테이션으로 인하여 노즐의 유효면적이 감소하였기 때문으로 생각된다. 핀틀 리프트가 증가함에 따라 노즐근처에서 투명하게 나타나는 액막의 길이가 감소하고, 연료 줄기의 수가 증가하여 연료줄기간 간격이 감소하는 것을 설명하였다. 액막의 길이가 감소하고 연료줄기간 거리가 감소하는 것은 초기 액막 분열이 촉진된 것으로 해석할 수 있고 인가전압이 핀틀의 리프트에 비례하므로, 인가전압이 증가하는 경우 초기액막분열이 촉진된다. 인가전압이 증가할수록 분무의 미립화 성능이 우수하며, 이것은 높은 핀틀리프트가 초기 액막분열을 촉진했기 때문이고 이 영향이 넓어진 노즐표면적으로 인한 영향보다 크게 작용하였기 때문으로 생각된다. 분무각은 인가전압에 상관없이 95°로 일정한 값을 보였으며 분무도달거리는 인가전압이 증가함에 따라 감소하였다. 이는 높은 인가전압에서 미립화가 더욱 잘 일어나 액적의 크기가 감소하여 운동량을 쉽게 잃어버렸기 때문으로 생각된다. 이상의 결과에서 분무미립화, 분사량, 분사 응답성, 분무형상에 있어서 인가전압이 상용사용값보다 높은 경우가 가장 우수한 성능을 보였다. 인가전압이 고정되어 있는 경우 충방전시간은 평균 충방전전류, 핀틀의 평균속도에 반비례관계가 성립한다. 충방전시간은 핀틀의 평균속도와 반비례하므로 충방전시간이 짧을수록 핀틀이 더 빨리 최대 변위 값에 도달한다. 또한 충방전시간이 짧아질수록 기계적 진동이 크게 증가하며 이는 분사기간과 분사량의 비선형성을 가져와 정확한 분사량 제어에 방해요소로 작용할 것으로 생각된다. 150 μs의 충방전시간 조건에서 핀틀의 하강하면서 핀틀-노즐시트에서 압축이 발생하며 핀틀의 리프트가 -값이 되는 것이 나타난다. 따라서 충방전시간이 짧을수록 응답성은 크게 증가하나 분사기의 기계적인 내구성에 악영향이 발생할 수 있다. 또한 충방전시간 150 μs의 조건에서 핀틀이 제자리로 돌아온 뒤 다시 변위가 증가하는 것이 관찰되며 이것은 드리블링 등을 일으켜서 분사량 제어에 악영향을 줄 것으로 예상된다. 충방전시간은 분무 형상, 초기분무구조, 미립화에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 관찰되었다. 짧은 충방전시간 조건에서 분사지연기간이 매우 짧게 나타나는 것을 살펴볼 수 있었다. 빠른 응답성을 위해서는 개폐시간을 빠르게 할 필요가 있으나, 분사종료 후 분사가 발생할 수 있고, 핀틀의 진동이 증가하는 것을 살펴볼 수 있었으며. 이에 따라 분사기의 내구성과 분사량의 정확한 제어에 문제가 발생할 수 있다. 따라서 충방전시간에 따라 분사기의 응답성과 분사의 정확한 제어 및 분사기의 내구성 사이에는 트레이드오프 관계가 존재하며 운전조건에 따라 충방전시간의 최적화가 필요할 것으로 생각된다.