한국분무공학회지 제25권 제2호(2020)http://dx.doi.org/10.15435/JILASSKR.2020.25.2.60

X선 위상차 가시화 기법을 이용한 GDI 인젝터 노즐 근방의

분무 간 상호간섭 해석

배규한*ㆍ문석수*,†

Analyzing the Spray-to-spray Interaction of GDI Injector Nozzlein the Near-field Using X-ray Phase-Contrast Imaging

Gyuhan Bae and Seoksu Moon

Key Words: GDI injector(GDI 인젝터), Spray collapse(분무붕괴), X-ray phase contrast imaging(X선 위상차 가시화),

Droplet size(입자크기), Droplet velocity(입자속도)

Abstract

Despite its benefit in engine thermal efficiency, gasoline-direct-injection (GDI) engines generate substantial particulate mat-

ter (PM) emissions compared to conventional port-fuel-injection (PFI) engines. One of the reasons for this is that the spray

collapse caused by the spray-to-spray interaction forms the locally rich fuel-air mixture and increases the fuel wall film. Pre-

vious studies have investigated the spray collapse phenomenon through the macroscopic observation of spray behavior using

laser optical techniques, but it is somewhat difficult to understand the interaction between sprays that is initiated in the near-

nozzle region within 10 mm from the nozzle exit. In this study, the spray structure, droplet size and velocity data were

obtained using an X-ray imaging technique from the near-nozzle to the downstream of the spray to investigate the spray-to-

spray interaction and discuss the effects of spray collapse on local droplet size and velocity distribution. It was found that

as the ambient density increases, the spray collapse was promoted due to the intensified spray-to-spray interaction, thereby

increasing the local droplet size and velocity from the near-nozzle region as a result of droplet collision/coalescence.

1. 서 론

가솔린직접분사(GDI) 엔진은 기존의 포트연료 분사

(PFI) 엔진 대비 높은 체적효율과 우수한 분사제어 성능

을 가지며, 이를 통해 높은 엔진 효율 및 출력을 구현해

낼 수 있다(1). 하지만 GDI엔진의 문제점으로 기존의

PFI엔진보다 많은 입자상물질(PM)의 생성이 제기되고

있으며, 이에 대한 원인 중 하나로 연료의 분무간 상호

간섭에 의한 분무붕괴(spray collapse) 현상을 들 수 있

다. 분무붕괴란 다공 분사 시스템에서 분사된 분무다발

간의 상호간섭으로 인해 각 분무가 본래의 분사방향을

잃고 수축하여 결국 하나의 분무가 분사될 때와 유사한

형태로 분사되는 현상을 말한다. 이러한 분무붕괴 현상

은 국소적으로 농후한 연료영역을 생성하고 벽면 연료

점착(wall wetting) 및 액면 연소(pool fire)를 발생시켜

입자상물질의 증가를 초래하는 문제점을 야기한다(2-4).

기존의 분무간 상호간섭과 분무붕괴 현상에 관한 연구

는 미산란(Mie scattering)측정법 및 쉐도우그래프(shad-

owgraph)기법 등을 이용하여 거시적 분무특성을 관측하

였으며, 이를 통해 분위기 밀도 및 연료의 온도가 분무

의 수축 및 침투길이(penetration)에 미치는 영향을 해석

하였다(2). 또한 위상도플러 입자분석기(phase Doppler

(Received: 24 Feb 2020, Received in revised form: 24 Apr

2020, Accepted: 26 Apr 2020)*인하대학교 대학원 기계공학과†책임저자, 인하대학교, 문석수E-mail : ss.moon@inha.ac.kr

TEL : (032)860-7378 FAX : (032)868-1716

한국분무공학회지 제25권 제2호(2020)/ 61

particle analyzer, PDPA)를 이용하여 분무 하류(노즐 출

구 기준 15 mm이상)의 입자 크기 및 속도분포를 측정

하였으며, 이를 통해 분위기 밀도 및 감압비등(flash

boiling)에 의해 발생하는 분무붕괴 현상에 대해서 논의

하였다(5). 하지만 높은 밀집도를 가진 연료 입자들이 고

속으로 분사되는 노즐 근방영역에서는 상기의 계측기법

들을 적용할 수 없었으며, 이로 인해 분무붕괴의 초기

발달과정에 대한 현상학적 이해 및 그 지배 메커니즘에

대한 고찰은 충분히 이루어지지 않았다.

노즐 출구부터 하류까지의 분무입자크기 및 속도분포

를 정량적으로 해석할 수 있으면 분무간 상호간섭에 의

한 분무붕괴의 발달 과정과 그 발생 메커니즘에 대한

이해를 높일 수 있다. 이를 위해 본 연구에서는 초단 파

장(고에너지) 및 발광기간을 가진 싱크로트론 X선을 활

용하여 GDI 인젝터 노즐 근방(노즐 출구 ~ 10 mm 위

치)의 분무입자크기 및 속도분포를 계측하여 정량적인

값을 도출하였다. 얻어진 결과를 통해, 챔버 내부의 분

위기 밀도가 분무간 상호간섭 및 분무붕괴 현상에 미치

는 영향에 대해서 해석하고 그 과정 및 메커니즘에 대

해서 고찰하였다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 X선 위상차 가시화 기법

싱크로트론 X선은 레이저 등의 기존의 광원과 달리

원자 수준의 초단 파장을 가지고 있으며, 이로 인해 노

즐 근방의 고밀집 유동을 극심한 흡수 및 산란 없이 투

과할 수 있다. X선 위상차 가시화(X-ray phase-contrast

imaging, XPCI)기법은 X선이 물질을 통과할 때 발생하

는 X선의 위상변화에 의한 간섭패턴 및 X선 강도의 감

쇠 패턴을 동시에 가시화하는 기법이다. 이를 통해 노즐

근방 유동의 분열과정 및 이에 의해 생성되는 초기 입

자를 가시화할 수 있으며 취득된 이미지를 통해 입자의

크기, 모양, 속도 등 유동 내부의 상세 정보들을 파악할

수 있다. 또한 나노 초 이하의 발광기간을 가진 싱크로

트론 X선 펄스는 수백 m/s의 고속으로 분사되는 노즐

근방 유동을 가시화 할 수 있는 높은 시간분해능을 제

공한다.

2.2 실험 장치

본 연구에서는 ‘SPring-8 (Super Photon ring-8 GeV)’

의 제3세대 싱크로트론(synchrotron)에서 발생하는 X선

을 이용하여 노즐 근방유동의 가시화를 진행하였다.

Figure 1은 적용된 두 가지 X선 빔 모드의 펄스 패턴

을 보여주고 있다. H-mode는 5.0 mA의 광강도 및 100

ps의 발광기간을 가진 단일펄스(single-bunch)와 95 mA

의 광강도 및 1.487 µs의 발광기간을 가진 펄스열(pulse

train) 로 구성되며 4.79 µs의 주기를 가진다. C-mode는

3.45 mA의 광강도 및 165.2 ns 간격으로 구성된 총 29

개의 연속적인 펄스(consecutive bunches)가 4.79 µs 주

기로 방사된다.

Figure 2는 XPCI 실험 장치의 개략도를 나타낸다. X

선이 챔버 내부의 분무를 통과한 후 형성되는 위상차

이미지는 형광체(scintillator crystal, Lu-Si-O)에 의하여

535 nm의 파장을 가진 가시광 이미지로 변환된다. 이후

45°로 기울어진 반사경을 통해 형광체에 맺혀진 영상을

초고속 카메라로 촬영한다.

2.3 X선 이미지를 이용한 분무입자크기 및 속도 측정

방법

Figure 3은 X선 위상차 이미지 통해 분무 내부의 입

자크기 및 속도를 해석하는 과정을 개략적으로 보여주

고 있다.

입자크기를 측정하기 위해서는 H-mode에서 방사되

Fig. 1 Applied X-ray beam patterns(6)

Fig. 2 Schematic diagram of XPCI setup

62 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 25 NO. 2 (2020)

는 X선 단일펄스를 수광하여 단일노광 이미지를 얻는

다. 이후 Matlab 프로그램을 이용하여 이미지의 배경 노

이즈를 소거하는 후처리 작업을 수행한다. 그 후, 오츠

방법(Otsu method)을 통하여 이미지를 2진화하고, 입자

탐색 알고리즘의 적용 및 유효 입자크기의 계산 과정을

거쳐 해당 관심영역에서의 입자 자우터 평균직경(Sauter

mean diameter, SMD)을 산출하였다.

입자속도를 측정하기 위해서는 C-mode에서 방사되는

3개의 연속펄스를 수광하여 삼중노광 이미지를 얻는다.

이후 Matlab 프로그램을 이용한 후처리 작업과 자기상관

(autocorrelation) 해석을 통해 단위 시간당 입자의 수직 및

수평방향 변위를 측정하고 입자속도를 산출하였다.

2.4 실험 조건

본 연구에서는 Fig. 4(a)에 나타낸 분공 배열을 가진

6홀 GDI 인젝터를 사용하였으며, 분무 내부 구조를 3차

원으로 관찰 및 해석하기 위해 두 방향으로 X선을 투과

시켜 촬영을 진행하였다. Fig. 4(a)에서 볼 수 있듯이 0°

방향에서는 Y축과 평행하게 X선이 투과하였고, 90° 방

향에서는 X축과 평행하게 X선이 투과하였다.

Figure 4(b)는 각 분무의 방향과 데이터를 취득한 위

치를 나타내고 있으며, X선 이미지는 노즐 출구에서 수

직방향(Z축 방향)으로 0-5 mm, 10 mm 단면에서 취득

하였다. 결과에 대한 해석은 Z=3 mm, 5 mm, 10 mm 단

면에서 수행되었으며, 수평방향(X축 또는 Y축 방향)으

로 분무입자가 도달하는 모든 영역에 대해 분무의 평균

입자크기 및 속도를 계산하였다. 결과의 신뢰도를 높이

기 위해 해석 영역 당 50개의 이미지를 해석하였으며,

그 평균값을 해당 영역의 대푯값으로 제시하였다.

Table 1은 실험 조건을 정리하여 나타내고 있다. 가솔

린과 비슷한 물성을 가진 노말헵탄(n-heptane, C7H16)을

테스트 연료로 사용하였으며, 분사압력은 20 MPa로 고

정하였다. 또한 연료가 분사되는 챔버 내부는 이산화탄

소(CO2)로 충전하였고, 엔진의 흡입 및 압축행정에서

분사하는 환경을 모사하기 위해 분위기 밀도를 2 kg/m3,

10 kg/m3, 18 kg/m3로 변화시켜 이미지를 취득하였다.

분무입자크기 및 속도는 분사가 시작된 후 유동이 안정

화된 준정상상태(분사 개시 후 1 ms)에서 해석하였다.

3. 실험 결과

3.1 분위기밀도에 따른 분무구조의 차이

Figure 5는 Z = 10 mm 위치에서 분위기 밀도에 따른

분무구조의 차이를 보여주고 있다. 낮은 분위기밀도

(ρa = 2 kg/m3)에서는 각 분무가 초기 진행 방향을 따라

분사되고 있는 것을 볼 수 있으나 높은 분위기 밀도

(ρa = 10 kg/m3)에서는 분무가 초기 방향을 잃고 수축하

여 하나의 분무처럼 분사되고 있는 것을 볼 수 있다. 이

로 인해 높은 분위기 밀도 조건의 분무 폭이 줄어들었

고 분무 중심에는 상대적으로 커다란 연료입자들이 존

Fig. 3 The methods of measuring spray droplet size and

velocity using X-ray images(6)

Fig. 4 Nozzle hole arrangement and directions of X-ray

transmission (a), Measurement locations (b)

Table 1 Experimental conditions

Injector 6-Hole GDI injector

Fuel n-heptane (C7H16)

Injection pressure (Pinj) 20 MPa

Injection duration 2 ms

Ambient density (ρa) 2 kg/m3, 10 kg/m3, 18 kg/m3

Ambient pressure (Pa) 101 kPa, 505 kPa, 909 kPa

Measurement locations

(Z)

3 mm, 5 mm, 10 mm

cross-sections

한국분무공학회지 제25권 제2호(2020)/ 63

재하는 것을 X선 이미지를 통해서 알 수 있다.

3.2 분위기밀도에 따른 분무입자크기(SMD) 및 속도

분포의 변화

Figure 6와 Fig. 7은 0° 방향에서 측정한 Z = 3 mm,

5 mm, 10 mm 단면에 있어서의 분무입자크기 및 속도

분포를 나타내고 있다.

일반적으로 분무 중심에는 주변 공기와의 마찰이 적

으므로 상대적으로 크기가 큰 입자 및 높은 속도를 가

진 입자가 분포한다. 이 때문에 SMD 및 속도 값이 솟

아오른 지점으로 각각의 분무 중심을 파악할 수 있다.

Fig. 6의 경우, 낮은 분위기 밀도(ρa = 2 kg/m3)에서는 하

류까지 각각의 분무 중심을 확인할 수 있지만 높은 분

위기 밀도(ρa = 18 kg/m3)에서는 하류로 갈수록 분무 중

Fig. 5 Effect of ambient density on spray structure at Z = 10 mm (0° view)

Fig. 6 Effect of ambient density on spray droplet size dis-

tribution at various Z locations (0° view)

Fig. 7 Effect of ambient density on axial (Z-direction)

velocity distribution at various Z locations (0° view)

64 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 25 NO. 2 (2020)

심의 경계가 모호해지며 10 mm 위치에서는 아예 경계

가 사라져 하나의 오목한 개형의 그래프가 나타나고 있

다. 이는 축방향(Z-방향) 속도 결과에서도 비슷한 경향

성을 보이고 있는데, Fig. 7의 그래프 개형을 보면 높은

분위기 밀도 조건의 5 mm 위치부터 분무 중심의 경계

가 모호해지다가 10 mm 위치에서는 그래프가 특정한

개형 없이 비교적 균일한 속도분포를 나타내고 있다. 또

한 분무입자크기 및 속도 그래프에서 높은 분위기 밀도

조건인 빨간색 선의 솟아오른 값들을 비교해보면 5 mm

위치보다 10 mm 위치에서 더 높은 값을 갖는 것을 알

수 있다. 이는 분위기 밀도 및 Z축 방향 거리에 따른 2,

3번 분무의 SMD 및 속도 크기의 최대값(ρa = 2 kg/m3)

및 평균값(ρa = 10 kg/m3, ρa = 18 kg/m3)을 나타낸 Fig. 8

을 통해서도 확인할 수 있다.

Figure 9는 Fig. 6와 같은 조건에서 인젝터만 90° 회

전하여 진행한 실험의 SMD 결과를 나타내고 있다. 0°

와 90°방향의 결과 데이터를 비교하기 위해 그래프의

양끝에 위치하는 두 개의 분무 즉, 0° 방향에서는 1번과

6번 분무, 90° 방향에서는 4번과 5번 분무의 중심을 따

라가 보았다. 낮은 분위기 밀도 조건인 검정색 선은 분

무 중심이 분사방향을 따라 하류로 내려갈수록 양쪽으

로 퍼지는 형태를 확인할 수 있다. 하지만 높은 분위기

밀도 조건인 빨간색 선은 두 방향 모두 5 mm 위치까지

는 분사 방향을 어느 정도 유지하고 있지만 그 이후에

는 그래프가 가운데로 오목한 형태를 그리는 것으로 보

아 분무다발이 기존의 진행 방향을 잃고 인젝터 축 방

향으로 수축하고 있다고 볼 수 있다. 높은 분위기 밀도

조건에서는 약 5 mm 부근부터 분무가 두 방향으로 수

축하는데, 이를 통해 노즐 근방 영역에서부터 분무붕괴

현상이 촉발됨을 판단할 수 있다.

분무붕괴에 의해 분무의 입자크기 및 축방향 속도가

증가하는 원인과 분무붕괴의 메커니즘에 대해서는 이어Fig. 8 Effect of ambient density on the peak droplet size

and velocity at various Z locations (0° view)

Fig. 9 Effect of ambient density on spray droplet size

distribution at various Z locations (90° view)

한국분무공학회지 제25권 제2호(2020)/ 65

지는 3.3절에서 고찰하기로 한다.

3.3 고찰

분무붕괴 현상이 발생한 후 국소적으로 분무입자의

크기가 증가하는 원인은 입자의 병합 및 운동량 보존의

법칙과 Fig. 10 및 Fig. 11의 모식도를 참고하여 설명할

수 있다. Fig. 10은 입자의 충돌 영역을 결정하는데 필

요한 변수들의 의미를 나타내고 있으며, Fig. 11은 병합

과 운동량 보존의 법칙에 의해 분무입자의 크기와 속도

가 증가하는 것을 모식도를 통해 설명하고 있다. 일반적

으로 두 개의 입자가 충돌할 때는 바운싱(bouncing), 병

합(coalescence), 재귀 분리(reflexive separation), 신축 분

리(stretching separation)등의 충돌 영역 중 하나의 과정

을 거치며 충돌 영역은 무차원 충돌 파라미터, 웨버 수

(Weber number) 그리고 충돌입자 지름 비율에 의해 결

정된다(7). 무차원 충돌 파라미터(b)는 식 (1)과 같이 정

의된다.

(1)

여기서 B는 충돌 파라미터로서 두 입자가 충돌할 때

한 입자의 중심에서 다른 입자의 상대 속도 벡터까지의

수직 거리를 의미하며 D1, D2는 각 입자의 지름이다

(Fig. 10 참조). 본 연구에서 두 입자의 지름은 각 Z축

방향 위치에서 동일하고 각 입자의 Z축 방향 속도

‘ ’라고 가정하면 B는 0에 근사하여 충돌 파라

미터 b도 0에 근사한다. 또한 웨버 수(We)는 식 (2)와

같이 정의된다.

(2)

여기서 ρ는 입자의 밀도, 는 두 입자의 상대 속도

벡터, σ는 표면장력이다. 본 연구에서는 분무입자의 축

방향 및 반경방향 속도 데이터를 동시에 산출하고 있다.

위에서 언급하였듯이 각 입자의 축방향 속도는 거의 동

일하다고 가정하면 반경방향 속도 데이터만으로 두 충

돌입자의 상대속도 벡터 크기를 알 수 있으며, 그 값은

평균 6 m/s이다. 상온에서 사용된 연료의 밀도는 684

kg/m3, 표면장력은 20.14 mN/m, 입자의 지름은 Z = 5

mm, ρa = 18 kg/m3 조건을 기준으로 할 때 18 µm이다.

이 경우, 웨버 수는 25를 넘지 않는다. 두 충돌입자의 지

름이 같은 경우, 충돌 파라미터가 0.5 이하이고 웨버 수

가 20 이하이면 두 입자는 충돌할 때 병합의 영역에 있

으며 웨버 수가 20 이상으로 증가하여도 무차원 충돌

파라미터가 0.5 이하인 경우에는 대부분 병합의 영역을

거친다(7). 결론적으로 본 연구에서 분무의 수축으로 충

돌하는 분무입자들은 대부분 Fig. 11의 분무입자 모식도

처럼 병합의 영역을 거친다고 볼 수 있다.

분무붕괴에 의한 분무입자의 Z축 방향 속도 증가는

두 가지 이유로 설명할 수 있다. 첫번째는 분무붕괴에

의한 분무입자 이동방향의 변화이다. 분무붕괴로 인해

분무다발이 수축하면 분무입자는 Z축과 거의 동일한 방

향으로 이동하기 때문에 분무입자의 Z축 방향 속도성분

은 증가하게 된다. 두번째로는 충돌 및 병합 입자들의

운동량 보존의 법칙을 고려해 볼 수 있다(Fig. 11 참조).

병합된 입자의 Z방향 속도성분 (v3, z)과 병합되기 전 v1

및 v2의 속도를 가진 입자와의 관계는 운동량 보존의 법

칙에 따라 식 (3)로 표현할 수 있다.

(m1+ m2)v3, z = m1v1+ m2v2 (3)

Impact parameter b( )2B

D1

D2

+------------------=

v1 z,

v2 z,

≅

Weber number We( )ρD

1urel

2

σ-----------------------=

urel

Fig. 10 Kinetic and geometric parameters of the droplet

collision

Fig. 11 A diagram describing the droplet velocity after

collision/coalescence of two droplets based on

momentum conservation

66 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 25 NO. 2 (2020)

병합되기 전 각 입자의 질량 및 속도(m1v1, m2v2)가 거

의 동일하다고 가정하였기 때문에 병합된 입자의 속도

(v3, z)도 운동량 보존의 법칙에 의해 v1, v2와 근사하는

값을 갖는다. 따라서 v3, z와 병합되기 전 입자의 Z축 방

향 속도성분 v1, z, v2, z의 관계는 식 (4)와 같다.

(4)

이러한 분무붕괴에 의한 분무입자의 축방향 속도 증

가는 분무 도달거리의 증가 및 벽면 연료 점착의 주요

원인이라 판단된다(8).

높은 분위기 밀도조건에서 발생하는 분무붕괴에 관한

기존의 연구에서는, 제트유도(Jet-induced) 붕괴를 현상

의 원인으로 제시하고 있다. 이는 분위기 밀도의 증가가

입자의 미립화를 촉진시켜 개별 분무의 폭이 넓어지고,

이로 인해 분무 중심부로 유입되는 외부 공기의 흐름이

차단되면서 전체 분무 중심의 압력 강하에 의해 분무붕

괴가 발생한다고 설명하고 있다(5). 일반적으로 제트유도

붕괴는 노즐 근방에서부터 촉발되는 것으로 알려져 있

는데, 본 연구의 연구결과는 이를 뒷받침하고 있다. 또

한, 분무의 수축이 두 방향에서 동시에 진행되는 본 연

구의 결과로 보아, 기존의 연구에서 제시한 제트유도 붕

괴 가설은 충분히 타당성을 가지고 있다고 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 싱크로트론 X선을 이용하여 GDI 인젝

터 노즐 근방의 분무입자크기 및 속도분포를 다양한 분

위기 밀도 조건에서 측정하였다. 결과를 통해, 분위기

밀도가 분무간 상호간섭 및 분무붕괴에 미치는 영향에

대해 논의하고 관련 메커니즘에 대해 고찰하였다. 본 연

구를 통해 아래와 같은 결론을 얻었다.

(1) 분위기 밀도가 높아지면 분무간 상호간섭에 의한

분무붕괴가 발생하며, 분위기 밀도가 증가할수록 분무

붕괴의 개시 위치는 노즐 근방에 가까워진다. 특히, 분

위기 밀도가 18 kg/m3인 경우는, 분무의 매우 상류지역

인 Z = 5 mm 부근부터 분무의 붕괴가 촉발된다.

분무붕괴가 일어날 경우, 분무 중심부에서는 분무입

자 간의 병합이 일어나며, 이로 인해 분무의 입자크기가

증가한다.

(2) 분무붕괴가 일어나면, 분무의 수축 및 입자 간 운

동량 보존법칙에 의거하여 분무입자의 축방향 속도가

증가한다.

(3) 분무붕괴 시의 분무 수축은 모든 방향에서 진행되

었으며, 이는 기존의 연구에서 제시한 제트유도 분무붕

괴 가설의 타당성을 뒷받침 한다.

향후의 연구에서는 다양한 분사압력 조건에서 분무간

상호간섭 및 분무붕괴에 대한 연구를 진행할 예정이다.

이를 통해 분무간 상호간섭에 의한 분무붕괴 현상이 어

떠한 조건에서 발생하는지 그리고 분무붕괴 발생 후의

입자크기 및 속도분포를 결정짓는 물리인자가 무엇인지

에 대해 규명하고 현상을 모델링하고자 한다.

후 기

이 연구는 일본 MAZDA 자동차의 공동연구로 수행

되었습니다.

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