工學碩士學位請求論文

기상분사용 LPG 인젝터 오리피스 변화에 따른

분사량 변화의 해석 실험 연구

A CFD Analysis and Experimental Study on

Amount of Injection with Various Orifices in an

LPG gaseous injector

2008年 8月

仁荷大學校 大學院

機械工學科(熱 流體工學 攻)

金 哲 淑

工學碩士學位請求論文

기상분사용 LPG 인젝터 오리피스 변화에 따른

분사량 변화의 해석 실험 연구

A CFD Analysis and Experimental Study on

Amount of Injection with Various Orifices in an

LPG gaseous injector

2008年 8月

指 敎授 李 大 燁

이 論文을 碩士學位論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

機械工學科(熱 流體工學 攻)

金 哲 淑

이 論文을 金哲淑 의 碩士學位論文으로 認定함

2008年 8月

主審

副審

委員

- i -

요 약 문

최근 자동차 보유 수의 격한 증가로 인해 기오염이 심각해지

고 있으며 차량에서 배출되는 배기가스로 인한 환경 문제가 사회

으로 두되고 있다 따라서 자동차의 배기가스를 감시키기

해 세계 으로 배출허용기 이 강화 되고 있다1) 우리나라의 배

출가스 허용기 도 SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle)

기 으로 배출허용기 이 강화될 것이다23) 강화된 규제에 응하

기 하여 국내에서는 LPG연료가 자동차 연료로서 각 을 받고 있

다

국내 LPG 연료분사 기술은 34세 기술을 보유하고 있으며 이는

종래 12세 에 비해 공연비 제어가 용이 하기 때문에 강화된 배출

허용기 에 응하기에 하다4) 강화된 배출허용기 에 응하

고 기 의 열효율을 향상시키기 해서는 연소를 안정 으로 하는

것이 매우 요하다 연소 안정성의 증 를 해 각 실린더 별로

균일한 혼합기를 가지게 하는 것이 요하며 이를 해서 연료를

분사하는 인젝터의 정확한 제어가 이루어져야 한다 여러 이 의

연구에 따르면 인젝터 출구 노즐부의 오리피스 형상이 공연비 기

의 작동 배기가스에 향을 미치는 것으로 알려져 있다5)

본 연구의 목 은 인젝터 내부의 CFD 해석과 실험을 통하여 오리

피스의 변화에 따른 분사량 변화를 확인하고 강화된 배출 허용기

에 응할 수 있는 인젝터의 유량 특성을 확보하는 것이다 이를

해 기상분사 인젝터의 각 오리피스 단면 변화에 따른 분사량의

향에 한 실험 해석을 수행하 다 결론 으로 오리피스의

단면 변화는 D3 D4의 압력강하를 가져오게 되며 이는 분사량에

크게 향을 미치게 된다 인젝터의 분사량을 정 제어하기 해

서 압력강하가 높게 나타나는 D3과 D4 단면 의 정 한 가공이 필

요하다

- i -

Abstract

Recently the air pollution is getting worse according to sudden raise

up the vehicles amount Therefore emission problem has been issued

nowadays It makes the environment regulation to be intensified for

vehicles emission That is not only for other country but also Korea

The SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle) will be more

strength In Korea LPG fuel has been issued as a alternative fuel

Domestic LPG inject technology has 3rd and 4th generations These

are good for environment regulation because it is better than mixer

type of 1st 2nd generations for the control of th Air-Fuel ratio It

means that we would be able to confront at the new emission

regulations It is very important that corresponding to the intensified

regulation and optimizing the combustion in engines for improving

thermal efficiency If we want to get better combustion safety each

cylinder has to have a accurate control of injector Based on a lot of

previous studies an orifice shape of injectors nozzle is giving impacts

to the Air-Fuel ratio engines performance and emission

This studys purpose is to define the injection amount according to

orifices changing with CFD analysis in cylinder inside and

experiments based on current 3rd generation Timed sequential

injection type of fuel supply system Another purpose is to get the

specific injectors quantity of flow what we can confront to intensified

emission regulations Therefore I had experiments and analyzed about

gas injectors impact of quantities of flows The conclusion is that D3

or D4s pressure drop by orifices dismissions then it will impact to

inject of flow If we want to handle the injection amount we need to

have precision processing at cross-section of D3 and D4

- ii -

LIST OF TABLE

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car) middotmiddot2

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic

for fuel type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

Table 11-4 The direction of development and supply

of low emission vehicle in 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous

and liquid injection system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

Table 21-1 Injection condition middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice

in Each Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

Table 24-2 Formation of CFD Modeling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

Table 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

- iii -

LIST OF FIGURE

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile3

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal) middotmiddotmiddotmiddot 12

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

Fig 12-7 A composition of mesh middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

Fig 13-1 Orifices of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

Fig 21-2 Component of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-3 Appearance of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-4 Injection signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Fig 22-1 Measurement of a Balance middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-2 Injection Type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-5 Certification of Experimental error middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

Fig 22-7 Output voltage middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

Fig 23-1 Sectional View of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

Fig 23-2 A change of Orifices middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-3 Mesh Generation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- iv -

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-9 Equation of Ma middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

Fig 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed

Hydraulic Diameter and Surface Area middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

- v -

목 차

요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

LIST OF TABLE middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

LIST OF FIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

1 서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

121 LPG엔진 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

122 연소 안정성 연구 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

123 해석 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

13 연구개요 목표 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

2 연구내용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

21 실험장치의 구성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

211 분사량 평가장치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

212 인젝터 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

213 Injector signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

22 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

221 실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

222 측정오차 재 성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

223 인젝터 다이어 램 변화 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

23 인젝터 형상 가공 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

231 인젝터의 오리피스 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

24 인젝터 내부의 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

241 수치해석을 한 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

242 수치해석 모델 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- vi -

3 해석 결과 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

31 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

311 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

32 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

321 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

4 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

41 인젝터 수치해석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

43 수치해석과 실험 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

5 참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

부록 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

- 1 -

1 서론

11 연구배경

국내 기환경 가운데 이산화질소(NO2) 미세먼지(PM)의 오염도는 선진

국에 비하여 크게 악화되어 있고 특히 서울의 미세먼지 오염도는 선진국

주요도시와 비교하여 17～35배 수 이고 이산화질소 농도는 17배 수

에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진국의 주요 도시는 물론 국내

다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다 세계보건기구(WHO)는 기

오염으로 인한 사망자 수가 세계 으로 매년 70만명에 이르는 것으로

추정하고 있고 서울의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641

명으로 추정되어 노출인구 에서 조기 사망비율이 009로 선진국(00

5～007)에 비해서 매우 높은 수 이다 우리나라의 기오염으로 인한

사회 비용은 연간 45조 5천억 원으로 추정되고 있다

이와 같은 기환경의 오염은 높은 인구 도로 인한 배출원 증가 자동차

와 에 지 소비량의 증 단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등에 원

인이 있다 다양한 오염물질 배출원 가운데 자동차로부터 배출되는 배기

가스의 교통공해를 감시키기 하여 배출기 을 충족하지 못하는 경유

차의 운행 지 다수의 차량을 보유한 사업자에게 일정비율 이상 기하

이 리드자동차 LPG자동차 천연가스차 등 공해 차량 보유 의무화 취

득세 등록세 등 자동차 련 세제를 친환경 으로 개편 공해차 보 등

제작차 리 강화 수도권이외 지역보다 훨씬 엄격한 제작차 배출허용기

설정 시내버스 통근버스 마을버스( 형) 청소차 등을 LPG차 는

CNG차 등 공해차량으로 체 화물트럭 등 경유차에 매연후처리장치

부착 의무화 등의 책을 정부는 마련하고 있다

자동차 배출가스의 지속 인 규제강화와 감기술의 개발로 말미암아 자

동차 한 당 배출되는 오염물질은 히 감소하고 있으나 자동차 보유

수 주행거리의 증가로 인하여 기오염은 크게 개선되고 있지 않아

기환경 악화를 방지하기 하여 공해자동차의 보 이 매우 요한 정책

- 2 -

이 되고 있다 공해자동차의 보 에는 자동차 배출가스 허용기 의 강

화로 인하여 의무 으로 보 하도록 하는 것과는 별도로 특정지역에 있어

서 특정 자동차에 하여 기존의 법 허용기 보다 더 엄격한 기 을 만

족시키는 자동차를 보 토록 하는 것과 휘발유나 경유와 같은 연료 신

에 환경 친화 인 연료인 LPG 천연가스 재활용연료인 알코올 바이오

디젤과 같은 연료로 환한 공해자동차와 하이 리드 기자동차 연료

지자동차 기자동차와 같은 공해 는 무공해자동차를 보 하는

방안 등이 있다

국내에 보 된 LPG자동차는 2005년 180만 를 돌 하 고 국내의 LPG자

동차 등록 수와 자동차용 LPG 연료의 사용량은 세계 1 를 하고 있

다 그러나 재 국내의 LPG 차량에 용된 연료공 방식(믹서)으로는

2006년부터 도입 정인 배출규제 기 (이하 KULEV) 배출기 을 만족시

키는 것이 기술 으로 곤란하기 때문에 배출가스 감 성능 향상을

해서는 차세 방식의 분사방식인 LPG 기체분사방식 연료공 방식의 개

발 용이 필수 불가결하다

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car)

구분CO(gkm)

HC(gkm)

NOx(gkm)

비고

KTLEV 211 0078 025 2002년 7월

KLEV 211 0047 012

KULEV 106 0025 0031 2006년 NMOG

제2종 공해자동차(2005년)

106 0025 0031 2005년

제2종 공해자동차(2006년)

0625 00063 00125 2006년

SULEV ~053 ~00125 ~0016

일본신장기 115 005 005 2005년 NMHC

EURO 4 10 01 008 2005년

EURO 4 10 005 008 2008년

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

工學碩士學位請求論文

기상분사용 LPG 인젝터 오리피스 변화에 따른

분사량 변화의 해석 실험 연구

A CFD Analysis and Experimental Study on

Amount of Injection with Various Orifices in an

LPG gaseous injector

2008年 8月

指 敎授 李 大 燁

이 論文을 碩士學位論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

機械工學科(熱 流體工學 攻)

金 哲 淑

이 論文을 金哲淑 의 碩士學位論文으로 認定함

2008年 8月

主審

副審

委員

- i -

요 약 문

최근 자동차 보유 수의 격한 증가로 인해 기오염이 심각해지

고 있으며 차량에서 배출되는 배기가스로 인한 환경 문제가 사회

으로 두되고 있다 따라서 자동차의 배기가스를 감시키기

해 세계 으로 배출허용기 이 강화 되고 있다1) 우리나라의 배

출가스 허용기 도 SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle)

기 으로 배출허용기 이 강화될 것이다23) 강화된 규제에 응하

기 하여 국내에서는 LPG연료가 자동차 연료로서 각 을 받고 있

다

국내 LPG 연료분사 기술은 34세 기술을 보유하고 있으며 이는

종래 12세 에 비해 공연비 제어가 용이 하기 때문에 강화된 배출

허용기 에 응하기에 하다4) 강화된 배출허용기 에 응하

고 기 의 열효율을 향상시키기 해서는 연소를 안정 으로 하는

것이 매우 요하다 연소 안정성의 증 를 해 각 실린더 별로

균일한 혼합기를 가지게 하는 것이 요하며 이를 해서 연료를

분사하는 인젝터의 정확한 제어가 이루어져야 한다 여러 이 의

연구에 따르면 인젝터 출구 노즐부의 오리피스 형상이 공연비 기

의 작동 배기가스에 향을 미치는 것으로 알려져 있다5)

본 연구의 목 은 인젝터 내부의 CFD 해석과 실험을 통하여 오리

피스의 변화에 따른 분사량 변화를 확인하고 강화된 배출 허용기

에 응할 수 있는 인젝터의 유량 특성을 확보하는 것이다 이를

해 기상분사 인젝터의 각 오리피스 단면 변화에 따른 분사량의

향에 한 실험 해석을 수행하 다 결론 으로 오리피스의

단면 변화는 D3 D4의 압력강하를 가져오게 되며 이는 분사량에

크게 향을 미치게 된다 인젝터의 분사량을 정 제어하기 해

서 압력강하가 높게 나타나는 D3과 D4 단면 의 정 한 가공이 필

요하다

- i -

Abstract

Recently the air pollution is getting worse according to sudden raise

up the vehicles amount Therefore emission problem has been issued

nowadays It makes the environment regulation to be intensified for

vehicles emission That is not only for other country but also Korea

The SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle) will be more

strength In Korea LPG fuel has been issued as a alternative fuel

Domestic LPG inject technology has 3rd and 4th generations These

are good for environment regulation because it is better than mixer

type of 1st 2nd generations for the control of th Air-Fuel ratio It

means that we would be able to confront at the new emission

regulations It is very important that corresponding to the intensified

regulation and optimizing the combustion in engines for improving

thermal efficiency If we want to get better combustion safety each

cylinder has to have a accurate control of injector Based on a lot of

previous studies an orifice shape of injectors nozzle is giving impacts

to the Air-Fuel ratio engines performance and emission

This studys purpose is to define the injection amount according to

orifices changing with CFD analysis in cylinder inside and

experiments based on current 3rd generation Timed sequential

injection type of fuel supply system Another purpose is to get the

specific injectors quantity of flow what we can confront to intensified

emission regulations Therefore I had experiments and analyzed about

gas injectors impact of quantities of flows The conclusion is that D3

or D4s pressure drop by orifices dismissions then it will impact to

inject of flow If we want to handle the injection amount we need to

have precision processing at cross-section of D3 and D4

- ii -

LIST OF TABLE

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car) middotmiddot2

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic

for fuel type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

Table 11-4 The direction of development and supply

of low emission vehicle in 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous

and liquid injection system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

Table 21-1 Injection condition middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice

in Each Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

Table 24-2 Formation of CFD Modeling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

Table 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

- iii -

LIST OF FIGURE

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile3

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal) middotmiddotmiddotmiddot 12

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

Fig 12-7 A composition of mesh middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

Fig 13-1 Orifices of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

Fig 21-2 Component of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-3 Appearance of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-4 Injection signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Fig 22-1 Measurement of a Balance middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-2 Injection Type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-5 Certification of Experimental error middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

Fig 22-7 Output voltage middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

Fig 23-1 Sectional View of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

Fig 23-2 A change of Orifices middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-3 Mesh Generation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- iv -

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-9 Equation of Ma middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

Fig 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed

Hydraulic Diameter and Surface Area middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

- v -

목 차

요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

LIST OF TABLE middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

LIST OF FIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

1 서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

121 LPG엔진 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

122 연소 안정성 연구 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

123 해석 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

13 연구개요 목표 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

2 연구내용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

21 실험장치의 구성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

211 분사량 평가장치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

212 인젝터 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

213 Injector signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

22 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

221 실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

222 측정오차 재 성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

223 인젝터 다이어 램 변화 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

23 인젝터 형상 가공 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

231 인젝터의 오리피스 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

24 인젝터 내부의 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

241 수치해석을 한 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

242 수치해석 모델 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- vi -

3 해석 결과 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

31 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

311 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

32 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

321 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

4 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

41 인젝터 수치해석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

43 수치해석과 실험 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

5 참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

부록 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

- 1 -

1 서론

11 연구배경

국내 기환경 가운데 이산화질소(NO2) 미세먼지(PM)의 오염도는 선진

국에 비하여 크게 악화되어 있고 특히 서울의 미세먼지 오염도는 선진국

주요도시와 비교하여 17～35배 수 이고 이산화질소 농도는 17배 수

에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진국의 주요 도시는 물론 국내

다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다 세계보건기구(WHO)는 기

오염으로 인한 사망자 수가 세계 으로 매년 70만명에 이르는 것으로

추정하고 있고 서울의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641

명으로 추정되어 노출인구 에서 조기 사망비율이 009로 선진국(00

5～007)에 비해서 매우 높은 수 이다 우리나라의 기오염으로 인한

사회 비용은 연간 45조 5천억 원으로 추정되고 있다

이와 같은 기환경의 오염은 높은 인구 도로 인한 배출원 증가 자동차

와 에 지 소비량의 증 단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등에 원

인이 있다 다양한 오염물질 배출원 가운데 자동차로부터 배출되는 배기

가스의 교통공해를 감시키기 하여 배출기 을 충족하지 못하는 경유

차의 운행 지 다수의 차량을 보유한 사업자에게 일정비율 이상 기하

이 리드자동차 LPG자동차 천연가스차 등 공해 차량 보유 의무화 취

득세 등록세 등 자동차 련 세제를 친환경 으로 개편 공해차 보 등

제작차 리 강화 수도권이외 지역보다 훨씬 엄격한 제작차 배출허용기

설정 시내버스 통근버스 마을버스( 형) 청소차 등을 LPG차 는

CNG차 등 공해차량으로 체 화물트럭 등 경유차에 매연후처리장치

부착 의무화 등의 책을 정부는 마련하고 있다

자동차 배출가스의 지속 인 규제강화와 감기술의 개발로 말미암아 자

동차 한 당 배출되는 오염물질은 히 감소하고 있으나 자동차 보유

수 주행거리의 증가로 인하여 기오염은 크게 개선되고 있지 않아

기환경 악화를 방지하기 하여 공해자동차의 보 이 매우 요한 정책

- 2 -

이 되고 있다 공해자동차의 보 에는 자동차 배출가스 허용기 의 강

화로 인하여 의무 으로 보 하도록 하는 것과는 별도로 특정지역에 있어

서 특정 자동차에 하여 기존의 법 허용기 보다 더 엄격한 기 을 만

족시키는 자동차를 보 토록 하는 것과 휘발유나 경유와 같은 연료 신

에 환경 친화 인 연료인 LPG 천연가스 재활용연료인 알코올 바이오

디젤과 같은 연료로 환한 공해자동차와 하이 리드 기자동차 연료

지자동차 기자동차와 같은 공해 는 무공해자동차를 보 하는

방안 등이 있다

국내에 보 된 LPG자동차는 2005년 180만 를 돌 하 고 국내의 LPG자

동차 등록 수와 자동차용 LPG 연료의 사용량은 세계 1 를 하고 있

다 그러나 재 국내의 LPG 차량에 용된 연료공 방식(믹서)으로는

2006년부터 도입 정인 배출규제 기 (이하 KULEV) 배출기 을 만족시

키는 것이 기술 으로 곤란하기 때문에 배출가스 감 성능 향상을

해서는 차세 방식의 분사방식인 LPG 기체분사방식 연료공 방식의 개

발 용이 필수 불가결하다

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car)

구분CO(gkm)

HC(gkm)

NOx(gkm)

비고

KTLEV 211 0078 025 2002년 7월

KLEV 211 0047 012

KULEV 106 0025 0031 2006년 NMOG

제2종 공해자동차(2005년)

106 0025 0031 2005년

제2종 공해자동차(2006년)

0625 00063 00125 2006년

SULEV ~053 ~00125 ~0016

일본신장기 115 005 005 2005년 NMHC

EURO 4 10 01 008 2005년

EURO 4 10 005 008 2008년

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

이 論文을 金哲淑 의 碩士學位論文으로 認定함

2008年 8月

主審

副審

委員

- i -

요 약 문

최근 자동차 보유 수의 격한 증가로 인해 기오염이 심각해지

고 있으며 차량에서 배출되는 배기가스로 인한 환경 문제가 사회

으로 두되고 있다 따라서 자동차의 배기가스를 감시키기

해 세계 으로 배출허용기 이 강화 되고 있다1) 우리나라의 배

출가스 허용기 도 SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle)

기 으로 배출허용기 이 강화될 것이다23) 강화된 규제에 응하

기 하여 국내에서는 LPG연료가 자동차 연료로서 각 을 받고 있

다

국내 LPG 연료분사 기술은 34세 기술을 보유하고 있으며 이는

종래 12세 에 비해 공연비 제어가 용이 하기 때문에 강화된 배출

허용기 에 응하기에 하다4) 강화된 배출허용기 에 응하

고 기 의 열효율을 향상시키기 해서는 연소를 안정 으로 하는

것이 매우 요하다 연소 안정성의 증 를 해 각 실린더 별로

균일한 혼합기를 가지게 하는 것이 요하며 이를 해서 연료를

분사하는 인젝터의 정확한 제어가 이루어져야 한다 여러 이 의

연구에 따르면 인젝터 출구 노즐부의 오리피스 형상이 공연비 기

의 작동 배기가스에 향을 미치는 것으로 알려져 있다5)

본 연구의 목 은 인젝터 내부의 CFD 해석과 실험을 통하여 오리

피스의 변화에 따른 분사량 변화를 확인하고 강화된 배출 허용기

에 응할 수 있는 인젝터의 유량 특성을 확보하는 것이다 이를

해 기상분사 인젝터의 각 오리피스 단면 변화에 따른 분사량의

향에 한 실험 해석을 수행하 다 결론 으로 오리피스의

단면 변화는 D3 D4의 압력강하를 가져오게 되며 이는 분사량에

크게 향을 미치게 된다 인젝터의 분사량을 정 제어하기 해

서 압력강하가 높게 나타나는 D3과 D4 단면 의 정 한 가공이 필

요하다

- i -

Abstract

Recently the air pollution is getting worse according to sudden raise

up the vehicles amount Therefore emission problem has been issued

nowadays It makes the environment regulation to be intensified for

vehicles emission That is not only for other country but also Korea

The SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle) will be more

strength In Korea LPG fuel has been issued as a alternative fuel

Domestic LPG inject technology has 3rd and 4th generations These

are good for environment regulation because it is better than mixer

type of 1st 2nd generations for the control of th Air-Fuel ratio It

means that we would be able to confront at the new emission

regulations It is very important that corresponding to the intensified

regulation and optimizing the combustion in engines for improving

thermal efficiency If we want to get better combustion safety each

cylinder has to have a accurate control of injector Based on a lot of

previous studies an orifice shape of injectors nozzle is giving impacts

to the Air-Fuel ratio engines performance and emission

This studys purpose is to define the injection amount according to

orifices changing with CFD analysis in cylinder inside and

experiments based on current 3rd generation Timed sequential

injection type of fuel supply system Another purpose is to get the

specific injectors quantity of flow what we can confront to intensified

emission regulations Therefore I had experiments and analyzed about

gas injectors impact of quantities of flows The conclusion is that D3

or D4s pressure drop by orifices dismissions then it will impact to

inject of flow If we want to handle the injection amount we need to

have precision processing at cross-section of D3 and D4

- ii -

LIST OF TABLE

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car) middotmiddot2

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic

for fuel type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

Table 11-4 The direction of development and supply

of low emission vehicle in 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous

and liquid injection system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

Table 21-1 Injection condition middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice

in Each Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

Table 24-2 Formation of CFD Modeling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

Table 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

- iii -

LIST OF FIGURE

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile3

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal) middotmiddotmiddotmiddot 12

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

Fig 12-7 A composition of mesh middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

Fig 13-1 Orifices of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

Fig 21-2 Component of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-3 Appearance of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-4 Injection signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Fig 22-1 Measurement of a Balance middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-2 Injection Type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-5 Certification of Experimental error middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

Fig 22-7 Output voltage middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

Fig 23-1 Sectional View of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

Fig 23-2 A change of Orifices middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-3 Mesh Generation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- iv -

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-9 Equation of Ma middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

Fig 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed

Hydraulic Diameter and Surface Area middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

- v -

목 차

요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

LIST OF TABLE middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

LIST OF FIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

1 서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

121 LPG엔진 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

122 연소 안정성 연구 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

123 해석 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

13 연구개요 목표 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

2 연구내용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

21 실험장치의 구성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

211 분사량 평가장치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

212 인젝터 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

213 Injector signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

22 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

221 실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

222 측정오차 재 성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

223 인젝터 다이어 램 변화 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

23 인젝터 형상 가공 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

231 인젝터의 오리피스 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

24 인젝터 내부의 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

241 수치해석을 한 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

242 수치해석 모델 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- vi -

3 해석 결과 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

31 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

311 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

32 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

321 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

4 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

41 인젝터 수치해석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

43 수치해석과 실험 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

5 참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

부록 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

- 1 -

1 서론

11 연구배경

국내 기환경 가운데 이산화질소(NO2) 미세먼지(PM)의 오염도는 선진

국에 비하여 크게 악화되어 있고 특히 서울의 미세먼지 오염도는 선진국

주요도시와 비교하여 17～35배 수 이고 이산화질소 농도는 17배 수

에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진국의 주요 도시는 물론 국내

다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다 세계보건기구(WHO)는 기

오염으로 인한 사망자 수가 세계 으로 매년 70만명에 이르는 것으로

추정하고 있고 서울의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641

명으로 추정되어 노출인구 에서 조기 사망비율이 009로 선진국(00

5～007)에 비해서 매우 높은 수 이다 우리나라의 기오염으로 인한

사회 비용은 연간 45조 5천억 원으로 추정되고 있다

이와 같은 기환경의 오염은 높은 인구 도로 인한 배출원 증가 자동차

와 에 지 소비량의 증 단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등에 원

인이 있다 다양한 오염물질 배출원 가운데 자동차로부터 배출되는 배기

가스의 교통공해를 감시키기 하여 배출기 을 충족하지 못하는 경유

차의 운행 지 다수의 차량을 보유한 사업자에게 일정비율 이상 기하

이 리드자동차 LPG자동차 천연가스차 등 공해 차량 보유 의무화 취

득세 등록세 등 자동차 련 세제를 친환경 으로 개편 공해차 보 등

제작차 리 강화 수도권이외 지역보다 훨씬 엄격한 제작차 배출허용기

설정 시내버스 통근버스 마을버스( 형) 청소차 등을 LPG차 는

CNG차 등 공해차량으로 체 화물트럭 등 경유차에 매연후처리장치

부착 의무화 등의 책을 정부는 마련하고 있다

자동차 배출가스의 지속 인 규제강화와 감기술의 개발로 말미암아 자

동차 한 당 배출되는 오염물질은 히 감소하고 있으나 자동차 보유

수 주행거리의 증가로 인하여 기오염은 크게 개선되고 있지 않아

기환경 악화를 방지하기 하여 공해자동차의 보 이 매우 요한 정책

- 2 -

이 되고 있다 공해자동차의 보 에는 자동차 배출가스 허용기 의 강

화로 인하여 의무 으로 보 하도록 하는 것과는 별도로 특정지역에 있어

서 특정 자동차에 하여 기존의 법 허용기 보다 더 엄격한 기 을 만

족시키는 자동차를 보 토록 하는 것과 휘발유나 경유와 같은 연료 신

에 환경 친화 인 연료인 LPG 천연가스 재활용연료인 알코올 바이오

디젤과 같은 연료로 환한 공해자동차와 하이 리드 기자동차 연료

지자동차 기자동차와 같은 공해 는 무공해자동차를 보 하는

방안 등이 있다

국내에 보 된 LPG자동차는 2005년 180만 를 돌 하 고 국내의 LPG자

동차 등록 수와 자동차용 LPG 연료의 사용량은 세계 1 를 하고 있

다 그러나 재 국내의 LPG 차량에 용된 연료공 방식(믹서)으로는

2006년부터 도입 정인 배출규제 기 (이하 KULEV) 배출기 을 만족시

키는 것이 기술 으로 곤란하기 때문에 배출가스 감 성능 향상을

해서는 차세 방식의 분사방식인 LPG 기체분사방식 연료공 방식의 개

발 용이 필수 불가결하다

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car)

구분CO(gkm)

HC(gkm)

NOx(gkm)

비고

KTLEV 211 0078 025 2002년 7월

KLEV 211 0047 012

KULEV 106 0025 0031 2006년 NMOG

제2종 공해자동차(2005년)

106 0025 0031 2005년

제2종 공해자동차(2006년)

0625 00063 00125 2006년

SULEV ~053 ~00125 ~0016

일본신장기 115 005 005 2005년 NMHC

EURO 4 10 01 008 2005년

EURO 4 10 005 008 2008년

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- i -

요 약 문

최근 자동차 보유 수의 격한 증가로 인해 기오염이 심각해지

고 있으며 차량에서 배출되는 배기가스로 인한 환경 문제가 사회

으로 두되고 있다 따라서 자동차의 배기가스를 감시키기

해 세계 으로 배출허용기 이 강화 되고 있다1) 우리나라의 배

출가스 허용기 도 SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle)

기 으로 배출허용기 이 강화될 것이다23) 강화된 규제에 응하

기 하여 국내에서는 LPG연료가 자동차 연료로서 각 을 받고 있

다

국내 LPG 연료분사 기술은 34세 기술을 보유하고 있으며 이는

종래 12세 에 비해 공연비 제어가 용이 하기 때문에 강화된 배출

허용기 에 응하기에 하다4) 강화된 배출허용기 에 응하

고 기 의 열효율을 향상시키기 해서는 연소를 안정 으로 하는

것이 매우 요하다 연소 안정성의 증 를 해 각 실린더 별로

균일한 혼합기를 가지게 하는 것이 요하며 이를 해서 연료를

분사하는 인젝터의 정확한 제어가 이루어져야 한다 여러 이 의

연구에 따르면 인젝터 출구 노즐부의 오리피스 형상이 공연비 기

의 작동 배기가스에 향을 미치는 것으로 알려져 있다5)

본 연구의 목 은 인젝터 내부의 CFD 해석과 실험을 통하여 오리

피스의 변화에 따른 분사량 변화를 확인하고 강화된 배출 허용기

에 응할 수 있는 인젝터의 유량 특성을 확보하는 것이다 이를

해 기상분사 인젝터의 각 오리피스 단면 변화에 따른 분사량의

향에 한 실험 해석을 수행하 다 결론 으로 오리피스의

단면 변화는 D3 D4의 압력강하를 가져오게 되며 이는 분사량에

크게 향을 미치게 된다 인젝터의 분사량을 정 제어하기 해

서 압력강하가 높게 나타나는 D3과 D4 단면 의 정 한 가공이 필

요하다

- i -

Abstract

Recently the air pollution is getting worse according to sudden raise

up the vehicles amount Therefore emission problem has been issued

nowadays It makes the environment regulation to be intensified for

vehicles emission That is not only for other country but also Korea

The SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle) will be more

strength In Korea LPG fuel has been issued as a alternative fuel

Domestic LPG inject technology has 3rd and 4th generations These

are good for environment regulation because it is better than mixer

type of 1st 2nd generations for the control of th Air-Fuel ratio It

means that we would be able to confront at the new emission

regulations It is very important that corresponding to the intensified

regulation and optimizing the combustion in engines for improving

thermal efficiency If we want to get better combustion safety each

cylinder has to have a accurate control of injector Based on a lot of

previous studies an orifice shape of injectors nozzle is giving impacts

to the Air-Fuel ratio engines performance and emission

This studys purpose is to define the injection amount according to

orifices changing with CFD analysis in cylinder inside and

experiments based on current 3rd generation Timed sequential

injection type of fuel supply system Another purpose is to get the

specific injectors quantity of flow what we can confront to intensified

emission regulations Therefore I had experiments and analyzed about

gas injectors impact of quantities of flows The conclusion is that D3

or D4s pressure drop by orifices dismissions then it will impact to

inject of flow If we want to handle the injection amount we need to

have precision processing at cross-section of D3 and D4

- ii -

LIST OF TABLE

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car) middotmiddot2

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic

for fuel type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

Table 11-4 The direction of development and supply

of low emission vehicle in 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous

and liquid injection system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

Table 21-1 Injection condition middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice

in Each Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

Table 24-2 Formation of CFD Modeling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

Table 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

- iii -

LIST OF FIGURE

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile3

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal) middotmiddotmiddotmiddot 12

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

Fig 12-7 A composition of mesh middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

Fig 13-1 Orifices of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

Fig 21-2 Component of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-3 Appearance of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-4 Injection signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Fig 22-1 Measurement of a Balance middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-2 Injection Type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-5 Certification of Experimental error middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

Fig 22-7 Output voltage middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

Fig 23-1 Sectional View of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

Fig 23-2 A change of Orifices middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-3 Mesh Generation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- iv -

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-9 Equation of Ma middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

Fig 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed

Hydraulic Diameter and Surface Area middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

- v -

목 차

요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

LIST OF TABLE middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

LIST OF FIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

1 서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

121 LPG엔진 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

122 연소 안정성 연구 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

123 해석 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

13 연구개요 목표 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

2 연구내용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

21 실험장치의 구성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

211 분사량 평가장치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

212 인젝터 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

213 Injector signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

22 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

221 실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

222 측정오차 재 성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

223 인젝터 다이어 램 변화 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

23 인젝터 형상 가공 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

231 인젝터의 오리피스 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

24 인젝터 내부의 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

241 수치해석을 한 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

242 수치해석 모델 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- vi -

3 해석 결과 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

31 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

311 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

32 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

321 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

4 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

41 인젝터 수치해석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

43 수치해석과 실험 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

5 참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

부록 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

- 1 -

1 서론

11 연구배경

국내 기환경 가운데 이산화질소(NO2) 미세먼지(PM)의 오염도는 선진

국에 비하여 크게 악화되어 있고 특히 서울의 미세먼지 오염도는 선진국

주요도시와 비교하여 17～35배 수 이고 이산화질소 농도는 17배 수

에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진국의 주요 도시는 물론 국내

다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다 세계보건기구(WHO)는 기

오염으로 인한 사망자 수가 세계 으로 매년 70만명에 이르는 것으로

추정하고 있고 서울의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641

명으로 추정되어 노출인구 에서 조기 사망비율이 009로 선진국(00

5～007)에 비해서 매우 높은 수 이다 우리나라의 기오염으로 인한

사회 비용은 연간 45조 5천억 원으로 추정되고 있다

이와 같은 기환경의 오염은 높은 인구 도로 인한 배출원 증가 자동차

와 에 지 소비량의 증 단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등에 원

인이 있다 다양한 오염물질 배출원 가운데 자동차로부터 배출되는 배기

가스의 교통공해를 감시키기 하여 배출기 을 충족하지 못하는 경유

차의 운행 지 다수의 차량을 보유한 사업자에게 일정비율 이상 기하

이 리드자동차 LPG자동차 천연가스차 등 공해 차량 보유 의무화 취

득세 등록세 등 자동차 련 세제를 친환경 으로 개편 공해차 보 등

제작차 리 강화 수도권이외 지역보다 훨씬 엄격한 제작차 배출허용기

설정 시내버스 통근버스 마을버스( 형) 청소차 등을 LPG차 는

CNG차 등 공해차량으로 체 화물트럭 등 경유차에 매연후처리장치

부착 의무화 등의 책을 정부는 마련하고 있다

자동차 배출가스의 지속 인 규제강화와 감기술의 개발로 말미암아 자

동차 한 당 배출되는 오염물질은 히 감소하고 있으나 자동차 보유

수 주행거리의 증가로 인하여 기오염은 크게 개선되고 있지 않아

기환경 악화를 방지하기 하여 공해자동차의 보 이 매우 요한 정책

- 2 -

이 되고 있다 공해자동차의 보 에는 자동차 배출가스 허용기 의 강

화로 인하여 의무 으로 보 하도록 하는 것과는 별도로 특정지역에 있어

서 특정 자동차에 하여 기존의 법 허용기 보다 더 엄격한 기 을 만

족시키는 자동차를 보 토록 하는 것과 휘발유나 경유와 같은 연료 신

에 환경 친화 인 연료인 LPG 천연가스 재활용연료인 알코올 바이오

디젤과 같은 연료로 환한 공해자동차와 하이 리드 기자동차 연료

지자동차 기자동차와 같은 공해 는 무공해자동차를 보 하는

방안 등이 있다

국내에 보 된 LPG자동차는 2005년 180만 를 돌 하 고 국내의 LPG자

동차 등록 수와 자동차용 LPG 연료의 사용량은 세계 1 를 하고 있

다 그러나 재 국내의 LPG 차량에 용된 연료공 방식(믹서)으로는

2006년부터 도입 정인 배출규제 기 (이하 KULEV) 배출기 을 만족시

키는 것이 기술 으로 곤란하기 때문에 배출가스 감 성능 향상을

해서는 차세 방식의 분사방식인 LPG 기체분사방식 연료공 방식의 개

발 용이 필수 불가결하다

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car)

구분CO(gkm)

HC(gkm)

NOx(gkm)

비고

KTLEV 211 0078 025 2002년 7월

KLEV 211 0047 012

KULEV 106 0025 0031 2006년 NMOG

제2종 공해자동차(2005년)

106 0025 0031 2005년

제2종 공해자동차(2006년)

0625 00063 00125 2006년

SULEV ~053 ~00125 ~0016

일본신장기 115 005 005 2005년 NMHC

EURO 4 10 01 008 2005년

EURO 4 10 005 008 2008년

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- i -

Abstract

Recently the air pollution is getting worse according to sudden raise

up the vehicles amount Therefore emission problem has been issued

nowadays It makes the environment regulation to be intensified for

vehicles emission That is not only for other country but also Korea

The SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle) will be more

strength In Korea LPG fuel has been issued as a alternative fuel

Domestic LPG inject technology has 3rd and 4th generations These

are good for environment regulation because it is better than mixer

type of 1st 2nd generations for the control of th Air-Fuel ratio It

means that we would be able to confront at the new emission

regulations It is very important that corresponding to the intensified

regulation and optimizing the combustion in engines for improving

thermal efficiency If we want to get better combustion safety each

cylinder has to have a accurate control of injector Based on a lot of

previous studies an orifice shape of injectors nozzle is giving impacts

to the Air-Fuel ratio engines performance and emission

This studys purpose is to define the injection amount according to

orifices changing with CFD analysis in cylinder inside and

experiments based on current 3rd generation Timed sequential

injection type of fuel supply system Another purpose is to get the

specific injectors quantity of flow what we can confront to intensified

emission regulations Therefore I had experiments and analyzed about

gas injectors impact of quantities of flows The conclusion is that D3

or D4s pressure drop by orifices dismissions then it will impact to

inject of flow If we want to handle the injection amount we need to

have precision processing at cross-section of D3 and D4

- ii -

LIST OF TABLE

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car) middotmiddot2

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic

for fuel type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

Table 11-4 The direction of development and supply

of low emission vehicle in 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous

and liquid injection system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

Table 21-1 Injection condition middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice

in Each Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

Table 24-2 Formation of CFD Modeling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

Table 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

- iii -

LIST OF FIGURE

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile3

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal) middotmiddotmiddotmiddot 12

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

Fig 12-7 A composition of mesh middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

Fig 13-1 Orifices of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

Fig 21-2 Component of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-3 Appearance of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-4 Injection signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Fig 22-1 Measurement of a Balance middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-2 Injection Type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-5 Certification of Experimental error middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

Fig 22-7 Output voltage middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

Fig 23-1 Sectional View of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

Fig 23-2 A change of Orifices middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-3 Mesh Generation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- iv -

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-9 Equation of Ma middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

Fig 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed

Hydraulic Diameter and Surface Area middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

- v -

목 차

요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

LIST OF TABLE middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

LIST OF FIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

1 서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

121 LPG엔진 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

122 연소 안정성 연구 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

123 해석 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

13 연구개요 목표 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

2 연구내용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

21 실험장치의 구성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

211 분사량 평가장치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

212 인젝터 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

213 Injector signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

22 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

221 실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

222 측정오차 재 성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

223 인젝터 다이어 램 변화 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

23 인젝터 형상 가공 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

231 인젝터의 오리피스 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

24 인젝터 내부의 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

241 수치해석을 한 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

242 수치해석 모델 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- vi -

3 해석 결과 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

31 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

311 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

32 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

321 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

4 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

41 인젝터 수치해석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

43 수치해석과 실험 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

5 참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

부록 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

- 1 -

1 서론

11 연구배경

국내 기환경 가운데 이산화질소(NO2) 미세먼지(PM)의 오염도는 선진

국에 비하여 크게 악화되어 있고 특히 서울의 미세먼지 오염도는 선진국

주요도시와 비교하여 17～35배 수 이고 이산화질소 농도는 17배 수

에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진국의 주요 도시는 물론 국내

다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다 세계보건기구(WHO)는 기

오염으로 인한 사망자 수가 세계 으로 매년 70만명에 이르는 것으로

추정하고 있고 서울의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641

명으로 추정되어 노출인구 에서 조기 사망비율이 009로 선진국(00

5～007)에 비해서 매우 높은 수 이다 우리나라의 기오염으로 인한

사회 비용은 연간 45조 5천억 원으로 추정되고 있다

이와 같은 기환경의 오염은 높은 인구 도로 인한 배출원 증가 자동차

와 에 지 소비량의 증 단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등에 원

인이 있다 다양한 오염물질 배출원 가운데 자동차로부터 배출되는 배기

가스의 교통공해를 감시키기 하여 배출기 을 충족하지 못하는 경유

차의 운행 지 다수의 차량을 보유한 사업자에게 일정비율 이상 기하

이 리드자동차 LPG자동차 천연가스차 등 공해 차량 보유 의무화 취

득세 등록세 등 자동차 련 세제를 친환경 으로 개편 공해차 보 등

제작차 리 강화 수도권이외 지역보다 훨씬 엄격한 제작차 배출허용기

설정 시내버스 통근버스 마을버스( 형) 청소차 등을 LPG차 는

CNG차 등 공해차량으로 체 화물트럭 등 경유차에 매연후처리장치

부착 의무화 등의 책을 정부는 마련하고 있다

자동차 배출가스의 지속 인 규제강화와 감기술의 개발로 말미암아 자

동차 한 당 배출되는 오염물질은 히 감소하고 있으나 자동차 보유

수 주행거리의 증가로 인하여 기오염은 크게 개선되고 있지 않아

기환경 악화를 방지하기 하여 공해자동차의 보 이 매우 요한 정책

- 2 -

이 되고 있다 공해자동차의 보 에는 자동차 배출가스 허용기 의 강

화로 인하여 의무 으로 보 하도록 하는 것과는 별도로 특정지역에 있어

서 특정 자동차에 하여 기존의 법 허용기 보다 더 엄격한 기 을 만

족시키는 자동차를 보 토록 하는 것과 휘발유나 경유와 같은 연료 신

에 환경 친화 인 연료인 LPG 천연가스 재활용연료인 알코올 바이오

디젤과 같은 연료로 환한 공해자동차와 하이 리드 기자동차 연료

지자동차 기자동차와 같은 공해 는 무공해자동차를 보 하는

방안 등이 있다

국내에 보 된 LPG자동차는 2005년 180만 를 돌 하 고 국내의 LPG자

동차 등록 수와 자동차용 LPG 연료의 사용량은 세계 1 를 하고 있

다 그러나 재 국내의 LPG 차량에 용된 연료공 방식(믹서)으로는

2006년부터 도입 정인 배출규제 기 (이하 KULEV) 배출기 을 만족시

키는 것이 기술 으로 곤란하기 때문에 배출가스 감 성능 향상을

해서는 차세 방식의 분사방식인 LPG 기체분사방식 연료공 방식의 개

발 용이 필수 불가결하다

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car)

구분CO(gkm)

HC(gkm)

NOx(gkm)

비고

KTLEV 211 0078 025 2002년 7월

KLEV 211 0047 012

KULEV 106 0025 0031 2006년 NMOG

제2종 공해자동차(2005년)

106 0025 0031 2005년

제2종 공해자동차(2006년)

0625 00063 00125 2006년

SULEV ~053 ~00125 ~0016

일본신장기 115 005 005 2005년 NMHC

EURO 4 10 01 008 2005년

EURO 4 10 005 008 2008년

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- ii -

LIST OF TABLE

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car) middotmiddot2

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic

for fuel type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

Table 11-4 The direction of development and supply

of low emission vehicle in 21C middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous

and liquid injection system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

Table 21-1 Injection condition middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice

in Each Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

Table 24-2 Formation of CFD Modeling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

Table 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

- iii -

LIST OF FIGURE

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile3

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal) middotmiddotmiddotmiddot 12

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

Fig 12-7 A composition of mesh middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

Fig 13-1 Orifices of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

Fig 21-2 Component of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-3 Appearance of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-4 Injection signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Fig 22-1 Measurement of a Balance middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-2 Injection Type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-5 Certification of Experimental error middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

Fig 22-7 Output voltage middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

Fig 23-1 Sectional View of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

Fig 23-2 A change of Orifices middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-3 Mesh Generation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- iv -

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-9 Equation of Ma middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

Fig 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed

Hydraulic Diameter and Surface Area middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

- v -

목 차

요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

LIST OF TABLE middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

LIST OF FIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

1 서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

121 LPG엔진 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

122 연소 안정성 연구 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

123 해석 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

13 연구개요 목표 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

2 연구내용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

21 실험장치의 구성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

211 분사량 평가장치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

212 인젝터 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

213 Injector signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

22 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

221 실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

222 측정오차 재 성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

223 인젝터 다이어 램 변화 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

23 인젝터 형상 가공 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

231 인젝터의 오리피스 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

24 인젝터 내부의 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

241 수치해석을 한 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

242 수치해석 모델 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- vi -

3 해석 결과 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

31 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

311 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

32 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

321 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

4 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

41 인젝터 수치해석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

43 수치해석과 실험 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

5 참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

부록 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

- 1 -

1 서론

11 연구배경

국내 기환경 가운데 이산화질소(NO2) 미세먼지(PM)의 오염도는 선진

국에 비하여 크게 악화되어 있고 특히 서울의 미세먼지 오염도는 선진국

주요도시와 비교하여 17～35배 수 이고 이산화질소 농도는 17배 수

에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진국의 주요 도시는 물론 국내

다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다 세계보건기구(WHO)는 기

오염으로 인한 사망자 수가 세계 으로 매년 70만명에 이르는 것으로

추정하고 있고 서울의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641

명으로 추정되어 노출인구 에서 조기 사망비율이 009로 선진국(00

5～007)에 비해서 매우 높은 수 이다 우리나라의 기오염으로 인한

사회 비용은 연간 45조 5천억 원으로 추정되고 있다

이와 같은 기환경의 오염은 높은 인구 도로 인한 배출원 증가 자동차

와 에 지 소비량의 증 단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등에 원

인이 있다 다양한 오염물질 배출원 가운데 자동차로부터 배출되는 배기

가스의 교통공해를 감시키기 하여 배출기 을 충족하지 못하는 경유

차의 운행 지 다수의 차량을 보유한 사업자에게 일정비율 이상 기하

이 리드자동차 LPG자동차 천연가스차 등 공해 차량 보유 의무화 취

득세 등록세 등 자동차 련 세제를 친환경 으로 개편 공해차 보 등

제작차 리 강화 수도권이외 지역보다 훨씬 엄격한 제작차 배출허용기

설정 시내버스 통근버스 마을버스( 형) 청소차 등을 LPG차 는

CNG차 등 공해차량으로 체 화물트럭 등 경유차에 매연후처리장치

부착 의무화 등의 책을 정부는 마련하고 있다

자동차 배출가스의 지속 인 규제강화와 감기술의 개발로 말미암아 자

동차 한 당 배출되는 오염물질은 히 감소하고 있으나 자동차 보유

수 주행거리의 증가로 인하여 기오염은 크게 개선되고 있지 않아

기환경 악화를 방지하기 하여 공해자동차의 보 이 매우 요한 정책

- 2 -

이 되고 있다 공해자동차의 보 에는 자동차 배출가스 허용기 의 강

화로 인하여 의무 으로 보 하도록 하는 것과는 별도로 특정지역에 있어

서 특정 자동차에 하여 기존의 법 허용기 보다 더 엄격한 기 을 만

족시키는 자동차를 보 토록 하는 것과 휘발유나 경유와 같은 연료 신

에 환경 친화 인 연료인 LPG 천연가스 재활용연료인 알코올 바이오

디젤과 같은 연료로 환한 공해자동차와 하이 리드 기자동차 연료

지자동차 기자동차와 같은 공해 는 무공해자동차를 보 하는

방안 등이 있다

국내에 보 된 LPG자동차는 2005년 180만 를 돌 하 고 국내의 LPG자

동차 등록 수와 자동차용 LPG 연료의 사용량은 세계 1 를 하고 있

다 그러나 재 국내의 LPG 차량에 용된 연료공 방식(믹서)으로는

2006년부터 도입 정인 배출규제 기 (이하 KULEV) 배출기 을 만족시

키는 것이 기술 으로 곤란하기 때문에 배출가스 감 성능 향상을

해서는 차세 방식의 분사방식인 LPG 기체분사방식 연료공 방식의 개

발 용이 필수 불가결하다

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car)

구분CO(gkm)

HC(gkm)

NOx(gkm)

비고

KTLEV 211 0078 025 2002년 7월

KLEV 211 0047 012

KULEV 106 0025 0031 2006년 NMOG

제2종 공해자동차(2005년)

106 0025 0031 2005년

제2종 공해자동차(2006년)

0625 00063 00125 2006년

SULEV ~053 ~00125 ~0016

일본신장기 115 005 005 2005년 NMHC

EURO 4 10 01 008 2005년

EURO 4 10 005 008 2008년

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- iii -

LIST OF FIGURE

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile3

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot10

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal) middotmiddotmiddotmiddot 12

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

Fig 12-7 A composition of mesh middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

Fig 13-1 Orifices of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

Fig 21-2 Component of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-3 Appearance of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

Fig 21-4 Injection signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

Fig 22-1 Measurement of a Balance middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-2 Injection Type middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

Fig 22-5 Certification of Experimental error middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

Fig 22-7 Output voltage middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

Fig 23-1 Sectional View of a Injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

Fig 23-2 A change of Orifices middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

Fig 24-3 Mesh Generation middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- iv -

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-9 Equation of Ma middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

Fig 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed

Hydraulic Diameter and Surface Area middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

- v -

목 차

요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

LIST OF TABLE middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

LIST OF FIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

1 서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

121 LPG엔진 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

122 연소 안정성 연구 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

123 해석 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

13 연구개요 목표 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

2 연구내용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

21 실험장치의 구성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

211 분사량 평가장치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

212 인젝터 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

213 Injector signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

22 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

221 실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

222 측정오차 재 성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

223 인젝터 다이어 램 변화 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

23 인젝터 형상 가공 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

231 인젝터의 오리피스 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

24 인젝터 내부의 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

241 수치해석을 한 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

242 수치해석 모델 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- vi -

3 해석 결과 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

31 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

311 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

32 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

321 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

4 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

41 인젝터 수치해석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

43 수치해석과 실험 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

5 참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

부록 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

- 1 -

1 서론

11 연구배경

국내 기환경 가운데 이산화질소(NO2) 미세먼지(PM)의 오염도는 선진

국에 비하여 크게 악화되어 있고 특히 서울의 미세먼지 오염도는 선진국

주요도시와 비교하여 17～35배 수 이고 이산화질소 농도는 17배 수

에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진국의 주요 도시는 물론 국내

다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다 세계보건기구(WHO)는 기

오염으로 인한 사망자 수가 세계 으로 매년 70만명에 이르는 것으로

추정하고 있고 서울의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641

명으로 추정되어 노출인구 에서 조기 사망비율이 009로 선진국(00

5～007)에 비해서 매우 높은 수 이다 우리나라의 기오염으로 인한

사회 비용은 연간 45조 5천억 원으로 추정되고 있다

이와 같은 기환경의 오염은 높은 인구 도로 인한 배출원 증가 자동차

와 에 지 소비량의 증 단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등에 원

인이 있다 다양한 오염물질 배출원 가운데 자동차로부터 배출되는 배기

가스의 교통공해를 감시키기 하여 배출기 을 충족하지 못하는 경유

차의 운행 지 다수의 차량을 보유한 사업자에게 일정비율 이상 기하

이 리드자동차 LPG자동차 천연가스차 등 공해 차량 보유 의무화 취

득세 등록세 등 자동차 련 세제를 친환경 으로 개편 공해차 보 등

제작차 리 강화 수도권이외 지역보다 훨씬 엄격한 제작차 배출허용기

설정 시내버스 통근버스 마을버스( 형) 청소차 등을 LPG차 는

CNG차 등 공해차량으로 체 화물트럭 등 경유차에 매연후처리장치

부착 의무화 등의 책을 정부는 마련하고 있다

자동차 배출가스의 지속 인 규제강화와 감기술의 개발로 말미암아 자

동차 한 당 배출되는 오염물질은 히 감소하고 있으나 자동차 보유

수 주행거리의 증가로 인하여 기오염은 크게 개선되고 있지 않아

기환경 악화를 방지하기 하여 공해자동차의 보 이 매우 요한 정책

- 2 -

이 되고 있다 공해자동차의 보 에는 자동차 배출가스 허용기 의 강

화로 인하여 의무 으로 보 하도록 하는 것과는 별도로 특정지역에 있어

서 특정 자동차에 하여 기존의 법 허용기 보다 더 엄격한 기 을 만

족시키는 자동차를 보 토록 하는 것과 휘발유나 경유와 같은 연료 신

에 환경 친화 인 연료인 LPG 천연가스 재활용연료인 알코올 바이오

디젤과 같은 연료로 환한 공해자동차와 하이 리드 기자동차 연료

지자동차 기자동차와 같은 공해 는 무공해자동차를 보 하는

방안 등이 있다

국내에 보 된 LPG자동차는 2005년 180만 를 돌 하 고 국내의 LPG자

동차 등록 수와 자동차용 LPG 연료의 사용량은 세계 1 를 하고 있

다 그러나 재 국내의 LPG 차량에 용된 연료공 방식(믹서)으로는

2006년부터 도입 정인 배출규제 기 (이하 KULEV) 배출기 을 만족시

키는 것이 기술 으로 곤란하기 때문에 배출가스 감 성능 향상을

해서는 차세 방식의 분사방식인 LPG 기체분사방식 연료공 방식의 개

발 용이 필수 불가결하다

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car)

구분CO(gkm)

HC(gkm)

NOx(gkm)

비고

KTLEV 211 0078 025 2002년 7월

KLEV 211 0047 012

KULEV 106 0025 0031 2006년 NMOG

제2종 공해자동차(2005년)

106 0025 0031 2005년

제2종 공해자동차(2006년)

0625 00063 00125 2006년

SULEV ~053 ~00125 ~0016

일본신장기 115 005 005 2005년 NMHC

EURO 4 10 01 008 2005년

EURO 4 10 005 008 2008년

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- iv -

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

Fig 31-9 Equation of Ma middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

Fig 32-1 A Result of experiment middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed

Hydraulic Diameter and Surface Area middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

- v -

목 차

요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

LIST OF TABLE middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

LIST OF FIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

1 서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

121 LPG엔진 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

122 연소 안정성 연구 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

123 해석 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

13 연구개요 목표 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

2 연구내용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

21 실험장치의 구성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

211 분사량 평가장치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

212 인젝터 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

213 Injector signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

22 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

221 실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

222 측정오차 재 성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

223 인젝터 다이어 램 변화 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

23 인젝터 형상 가공 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

231 인젝터의 오리피스 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

24 인젝터 내부의 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

241 수치해석을 한 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

242 수치해석 모델 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- vi -

3 해석 결과 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

31 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

311 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

32 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

321 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

4 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

41 인젝터 수치해석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

43 수치해석과 실험 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

5 참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

부록 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

- 1 -

1 서론

11 연구배경

국내 기환경 가운데 이산화질소(NO2) 미세먼지(PM)의 오염도는 선진

국에 비하여 크게 악화되어 있고 특히 서울의 미세먼지 오염도는 선진국

주요도시와 비교하여 17～35배 수 이고 이산화질소 농도는 17배 수

에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진국의 주요 도시는 물론 국내

다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다 세계보건기구(WHO)는 기

오염으로 인한 사망자 수가 세계 으로 매년 70만명에 이르는 것으로

추정하고 있고 서울의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641

명으로 추정되어 노출인구 에서 조기 사망비율이 009로 선진국(00

5～007)에 비해서 매우 높은 수 이다 우리나라의 기오염으로 인한

사회 비용은 연간 45조 5천억 원으로 추정되고 있다

이와 같은 기환경의 오염은 높은 인구 도로 인한 배출원 증가 자동차

와 에 지 소비량의 증 단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등에 원

인이 있다 다양한 오염물질 배출원 가운데 자동차로부터 배출되는 배기

가스의 교통공해를 감시키기 하여 배출기 을 충족하지 못하는 경유

차의 운행 지 다수의 차량을 보유한 사업자에게 일정비율 이상 기하

이 리드자동차 LPG자동차 천연가스차 등 공해 차량 보유 의무화 취

득세 등록세 등 자동차 련 세제를 친환경 으로 개편 공해차 보 등

제작차 리 강화 수도권이외 지역보다 훨씬 엄격한 제작차 배출허용기

설정 시내버스 통근버스 마을버스( 형) 청소차 등을 LPG차 는

CNG차 등 공해차량으로 체 화물트럭 등 경유차에 매연후처리장치

부착 의무화 등의 책을 정부는 마련하고 있다

자동차 배출가스의 지속 인 규제강화와 감기술의 개발로 말미암아 자

동차 한 당 배출되는 오염물질은 히 감소하고 있으나 자동차 보유

수 주행거리의 증가로 인하여 기오염은 크게 개선되고 있지 않아

기환경 악화를 방지하기 하여 공해자동차의 보 이 매우 요한 정책

- 2 -

이 되고 있다 공해자동차의 보 에는 자동차 배출가스 허용기 의 강

화로 인하여 의무 으로 보 하도록 하는 것과는 별도로 특정지역에 있어

서 특정 자동차에 하여 기존의 법 허용기 보다 더 엄격한 기 을 만

족시키는 자동차를 보 토록 하는 것과 휘발유나 경유와 같은 연료 신

에 환경 친화 인 연료인 LPG 천연가스 재활용연료인 알코올 바이오

디젤과 같은 연료로 환한 공해자동차와 하이 리드 기자동차 연료

지자동차 기자동차와 같은 공해 는 무공해자동차를 보 하는

방안 등이 있다

국내에 보 된 LPG자동차는 2005년 180만 를 돌 하 고 국내의 LPG자

동차 등록 수와 자동차용 LPG 연료의 사용량은 세계 1 를 하고 있

다 그러나 재 국내의 LPG 차량에 용된 연료공 방식(믹서)으로는

2006년부터 도입 정인 배출규제 기 (이하 KULEV) 배출기 을 만족시

키는 것이 기술 으로 곤란하기 때문에 배출가스 감 성능 향상을

해서는 차세 방식의 분사방식인 LPG 기체분사방식 연료공 방식의 개

발 용이 필수 불가결하다

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car)

구분CO(gkm)

HC(gkm)

NOx(gkm)

비고

KTLEV 211 0078 025 2002년 7월

KLEV 211 0047 012

KULEV 106 0025 0031 2006년 NMOG

제2종 공해자동차(2005년)

106 0025 0031 2005년

제2종 공해자동차(2006년)

0625 00063 00125 2006년

SULEV ~053 ~00125 ~0016

일본신장기 115 005 005 2005년 NMHC

EURO 4 10 01 008 2005년

EURO 4 10 005 008 2008년

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- v -

목 차

요 약 문 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅰ

Abstract middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅱ

LIST OF TABLE middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅲ

LIST OF FIGURES middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅳ

목차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotⅵ

1 서론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

121 LPG엔진 연구동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

122 연소 안정성 연구 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot9

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot11

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

123 해석 동향 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

13 연구개요 목표 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

2 연구내용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

21 실험장치의 구성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

211 분사량 평가장치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

212 인젝터 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

213 Injector signal middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

22 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

221 실험방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

222 측정오차 재 성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

223 인젝터 다이어 램 변화 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

23 인젝터 형상 가공 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

231 인젝터의 오리피스 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

24 인젝터 내부의 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

241 수치해석을 한 설계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

242 수치해석 모델 차 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

- vi -

3 해석 결과 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

31 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

311 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

32 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

321 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

4 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

41 인젝터 수치해석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

43 수치해석과 실험 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

5 참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

부록 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

- 1 -

1 서론

11 연구배경

국내 기환경 가운데 이산화질소(NO2) 미세먼지(PM)의 오염도는 선진

국에 비하여 크게 악화되어 있고 특히 서울의 미세먼지 오염도는 선진국

주요도시와 비교하여 17～35배 수 이고 이산화질소 농도는 17배 수

에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진국의 주요 도시는 물론 국내

다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다 세계보건기구(WHO)는 기

오염으로 인한 사망자 수가 세계 으로 매년 70만명에 이르는 것으로

추정하고 있고 서울의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641

명으로 추정되어 노출인구 에서 조기 사망비율이 009로 선진국(00

5～007)에 비해서 매우 높은 수 이다 우리나라의 기오염으로 인한

사회 비용은 연간 45조 5천억 원으로 추정되고 있다

이와 같은 기환경의 오염은 높은 인구 도로 인한 배출원 증가 자동차

와 에 지 소비량의 증 단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등에 원

인이 있다 다양한 오염물질 배출원 가운데 자동차로부터 배출되는 배기

가스의 교통공해를 감시키기 하여 배출기 을 충족하지 못하는 경유

차의 운행 지 다수의 차량을 보유한 사업자에게 일정비율 이상 기하

이 리드자동차 LPG자동차 천연가스차 등 공해 차량 보유 의무화 취

득세 등록세 등 자동차 련 세제를 친환경 으로 개편 공해차 보 등

제작차 리 강화 수도권이외 지역보다 훨씬 엄격한 제작차 배출허용기

설정 시내버스 통근버스 마을버스( 형) 청소차 등을 LPG차 는

CNG차 등 공해차량으로 체 화물트럭 등 경유차에 매연후처리장치

부착 의무화 등의 책을 정부는 마련하고 있다

자동차 배출가스의 지속 인 규제강화와 감기술의 개발로 말미암아 자

동차 한 당 배출되는 오염물질은 히 감소하고 있으나 자동차 보유

수 주행거리의 증가로 인하여 기오염은 크게 개선되고 있지 않아

기환경 악화를 방지하기 하여 공해자동차의 보 이 매우 요한 정책

- 2 -

이 되고 있다 공해자동차의 보 에는 자동차 배출가스 허용기 의 강

화로 인하여 의무 으로 보 하도록 하는 것과는 별도로 특정지역에 있어

서 특정 자동차에 하여 기존의 법 허용기 보다 더 엄격한 기 을 만

족시키는 자동차를 보 토록 하는 것과 휘발유나 경유와 같은 연료 신

에 환경 친화 인 연료인 LPG 천연가스 재활용연료인 알코올 바이오

디젤과 같은 연료로 환한 공해자동차와 하이 리드 기자동차 연료

지자동차 기자동차와 같은 공해 는 무공해자동차를 보 하는

방안 등이 있다

국내에 보 된 LPG자동차는 2005년 180만 를 돌 하 고 국내의 LPG자

동차 등록 수와 자동차용 LPG 연료의 사용량은 세계 1 를 하고 있

다 그러나 재 국내의 LPG 차량에 용된 연료공 방식(믹서)으로는

2006년부터 도입 정인 배출규제 기 (이하 KULEV) 배출기 을 만족시

키는 것이 기술 으로 곤란하기 때문에 배출가스 감 성능 향상을

해서는 차세 방식의 분사방식인 LPG 기체분사방식 연료공 방식의 개

발 용이 필수 불가결하다

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car)

구분CO(gkm)

HC(gkm)

NOx(gkm)

비고

KTLEV 211 0078 025 2002년 7월

KLEV 211 0047 012

KULEV 106 0025 0031 2006년 NMOG

제2종 공해자동차(2005년)

106 0025 0031 2005년

제2종 공해자동차(2006년)

0625 00063 00125 2006년

SULEV ~053 ~00125 ~0016

일본신장기 115 005 005 2005년 NMHC

EURO 4 10 01 008 2005년

EURO 4 10 005 008 2008년

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- vi -

3 해석 결과 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

31 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

311 해석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

32 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

321 실험 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

4 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

41 인젝터 수치해석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

43 수치해석과 실험 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

5 참고문헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

부록 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot47

- 1 -

1 서론

11 연구배경

국내 기환경 가운데 이산화질소(NO2) 미세먼지(PM)의 오염도는 선진

국에 비하여 크게 악화되어 있고 특히 서울의 미세먼지 오염도는 선진국

주요도시와 비교하여 17～35배 수 이고 이산화질소 농도는 17배 수

에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진국의 주요 도시는 물론 국내

다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다 세계보건기구(WHO)는 기

오염으로 인한 사망자 수가 세계 으로 매년 70만명에 이르는 것으로

추정하고 있고 서울의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641

명으로 추정되어 노출인구 에서 조기 사망비율이 009로 선진국(00

5～007)에 비해서 매우 높은 수 이다 우리나라의 기오염으로 인한

사회 비용은 연간 45조 5천억 원으로 추정되고 있다

이와 같은 기환경의 오염은 높은 인구 도로 인한 배출원 증가 자동차

와 에 지 소비량의 증 단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등에 원

인이 있다 다양한 오염물질 배출원 가운데 자동차로부터 배출되는 배기

가스의 교통공해를 감시키기 하여 배출기 을 충족하지 못하는 경유

차의 운행 지 다수의 차량을 보유한 사업자에게 일정비율 이상 기하

이 리드자동차 LPG자동차 천연가스차 등 공해 차량 보유 의무화 취

득세 등록세 등 자동차 련 세제를 친환경 으로 개편 공해차 보 등

제작차 리 강화 수도권이외 지역보다 훨씬 엄격한 제작차 배출허용기

설정 시내버스 통근버스 마을버스( 형) 청소차 등을 LPG차 는

CNG차 등 공해차량으로 체 화물트럭 등 경유차에 매연후처리장치

부착 의무화 등의 책을 정부는 마련하고 있다

자동차 배출가스의 지속 인 규제강화와 감기술의 개발로 말미암아 자

동차 한 당 배출되는 오염물질은 히 감소하고 있으나 자동차 보유

수 주행거리의 증가로 인하여 기오염은 크게 개선되고 있지 않아

기환경 악화를 방지하기 하여 공해자동차의 보 이 매우 요한 정책

- 2 -

이 되고 있다 공해자동차의 보 에는 자동차 배출가스 허용기 의 강

화로 인하여 의무 으로 보 하도록 하는 것과는 별도로 특정지역에 있어

서 특정 자동차에 하여 기존의 법 허용기 보다 더 엄격한 기 을 만

족시키는 자동차를 보 토록 하는 것과 휘발유나 경유와 같은 연료 신

에 환경 친화 인 연료인 LPG 천연가스 재활용연료인 알코올 바이오

디젤과 같은 연료로 환한 공해자동차와 하이 리드 기자동차 연료

지자동차 기자동차와 같은 공해 는 무공해자동차를 보 하는

방안 등이 있다

국내에 보 된 LPG자동차는 2005년 180만 를 돌 하 고 국내의 LPG자

동차 등록 수와 자동차용 LPG 연료의 사용량은 세계 1 를 하고 있

다 그러나 재 국내의 LPG 차량에 용된 연료공 방식(믹서)으로는

2006년부터 도입 정인 배출규제 기 (이하 KULEV) 배출기 을 만족시

키는 것이 기술 으로 곤란하기 때문에 배출가스 감 성능 향상을

해서는 차세 방식의 분사방식인 LPG 기체분사방식 연료공 방식의 개

발 용이 필수 불가결하다

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car)

구분CO(gkm)

HC(gkm)

NOx(gkm)

비고

KTLEV 211 0078 025 2002년 7월

KLEV 211 0047 012

KULEV 106 0025 0031 2006년 NMOG

제2종 공해자동차(2005년)

106 0025 0031 2005년

제2종 공해자동차(2006년)

0625 00063 00125 2006년

SULEV ~053 ~00125 ~0016

일본신장기 115 005 005 2005년 NMHC

EURO 4 10 01 008 2005년

EURO 4 10 005 008 2008년

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 1 -

1 서론

11 연구배경

국내 기환경 가운데 이산화질소(NO2) 미세먼지(PM)의 오염도는 선진

국에 비하여 크게 악화되어 있고 특히 서울의 미세먼지 오염도는 선진국

주요도시와 비교하여 17～35배 수 이고 이산화질소 농도는 17배 수

에 달하고 있어 수도권의 기오염도는 선진국의 주요 도시는 물론 국내

다른 도시에 비해서도 매우 높은 수 이다 세계보건기구(WHO)는 기

오염으로 인한 사망자 수가 세계 으로 매년 70만명에 이르는 것으로

추정하고 있고 서울의 경우 미세먼지로 인한 과 사망자 수가 연 9641

명으로 추정되어 노출인구 에서 조기 사망비율이 009로 선진국(00

5～007)에 비해서 매우 높은 수 이다 우리나라의 기오염으로 인한

사회 비용은 연간 45조 5천억 원으로 추정되고 있다

이와 같은 기환경의 오염은 높은 인구 도로 인한 배출원 증가 자동차

와 에 지 소비량의 증 단 면 당 기오염물질 배출량 과다 등에 원

인이 있다 다양한 오염물질 배출원 가운데 자동차로부터 배출되는 배기

가스의 교통공해를 감시키기 하여 배출기 을 충족하지 못하는 경유

차의 운행 지 다수의 차량을 보유한 사업자에게 일정비율 이상 기하

이 리드자동차 LPG자동차 천연가스차 등 공해 차량 보유 의무화 취

득세 등록세 등 자동차 련 세제를 친환경 으로 개편 공해차 보 등

제작차 리 강화 수도권이외 지역보다 훨씬 엄격한 제작차 배출허용기

설정 시내버스 통근버스 마을버스( 형) 청소차 등을 LPG차 는

CNG차 등 공해차량으로 체 화물트럭 등 경유차에 매연후처리장치

부착 의무화 등의 책을 정부는 마련하고 있다

자동차 배출가스의 지속 인 규제강화와 감기술의 개발로 말미암아 자

동차 한 당 배출되는 오염물질은 히 감소하고 있으나 자동차 보유

수 주행거리의 증가로 인하여 기오염은 크게 개선되고 있지 않아

기환경 악화를 방지하기 하여 공해자동차의 보 이 매우 요한 정책

- 2 -

이 되고 있다 공해자동차의 보 에는 자동차 배출가스 허용기 의 강

화로 인하여 의무 으로 보 하도록 하는 것과는 별도로 특정지역에 있어

서 특정 자동차에 하여 기존의 법 허용기 보다 더 엄격한 기 을 만

족시키는 자동차를 보 토록 하는 것과 휘발유나 경유와 같은 연료 신

에 환경 친화 인 연료인 LPG 천연가스 재활용연료인 알코올 바이오

디젤과 같은 연료로 환한 공해자동차와 하이 리드 기자동차 연료

지자동차 기자동차와 같은 공해 는 무공해자동차를 보 하는

방안 등이 있다

국내에 보 된 LPG자동차는 2005년 180만 를 돌 하 고 국내의 LPG자

동차 등록 수와 자동차용 LPG 연료의 사용량은 세계 1 를 하고 있

다 그러나 재 국내의 LPG 차량에 용된 연료공 방식(믹서)으로는

2006년부터 도입 정인 배출규제 기 (이하 KULEV) 배출기 을 만족시

키는 것이 기술 으로 곤란하기 때문에 배출가스 감 성능 향상을

해서는 차세 방식의 분사방식인 LPG 기체분사방식 연료공 방식의 개

발 용이 필수 불가결하다

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car)

구분CO(gkm)

HC(gkm)

NOx(gkm)

비고

KTLEV 211 0078 025 2002년 7월

KLEV 211 0047 012

KULEV 106 0025 0031 2006년 NMOG

제2종 공해자동차(2005년)

106 0025 0031 2005년

제2종 공해자동차(2006년)

0625 00063 00125 2006년

SULEV ~053 ~00125 ~0016

일본신장기 115 005 005 2005년 NMHC

EURO 4 10 01 008 2005년

EURO 4 10 005 008 2008년

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

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213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

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Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 2 -

이 되고 있다 공해자동차의 보 에는 자동차 배출가스 허용기 의 강

화로 인하여 의무 으로 보 하도록 하는 것과는 별도로 특정지역에 있어

서 특정 자동차에 하여 기존의 법 허용기 보다 더 엄격한 기 을 만

족시키는 자동차를 보 토록 하는 것과 휘발유나 경유와 같은 연료 신

에 환경 친화 인 연료인 LPG 천연가스 재활용연료인 알코올 바이오

디젤과 같은 연료로 환한 공해자동차와 하이 리드 기자동차 연료

지자동차 기자동차와 같은 공해 는 무공해자동차를 보 하는

방안 등이 있다

국내에 보 된 LPG자동차는 2005년 180만 를 돌 하 고 국내의 LPG자

동차 등록 수와 자동차용 LPG 연료의 사용량은 세계 1 를 하고 있

다 그러나 재 국내의 LPG 차량에 용된 연료공 방식(믹서)으로는

2006년부터 도입 정인 배출규제 기 (이하 KULEV) 배출기 을 만족시

키는 것이 기술 으로 곤란하기 때문에 배출가스 감 성능 향상을

해서는 차세 방식의 분사방식인 LPG 기체분사방식 연료공 방식의 개

발 용이 필수 불가결하다

Table 11-1 The comparison of emission regulation (Passenger car)

구분CO(gkm)

HC(gkm)

NOx(gkm)

비고

KTLEV 211 0078 025 2002년 7월

KLEV 211 0047 012

KULEV 106 0025 0031 2006년 NMOG

제2종 공해자동차(2005년)

106 0025 0031 2005년

제2종 공해자동차(2006년)

0625 00063 00125 2006년

SULEV ~053 ~00125 ~0016

일본신장기 115 005 005 2005년 NMHC

EURO 4 10 01 008 2005년

EURO 4 10 005 008 2008년

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

5 참고문헌

(1) EPA 2004 THE CLEAN AIR ACT httpwwwepagov

(2) Jung Y I 2005 Emission Reduction technology and Emission

Regulation NGT Seminar pp10

(3) 수도권 기질 환경 개선에 한 특별법 환경부

httpwwwmegokr

(4) Ryu J H Lee D Y Cho Y S Lee J T Lee Y J Lee S

W 2007 Alternative Energy MunwoonDang

(5) Jose M Desantes Jean A J Javior Sjoerd H 2005

Experimental characteristic of outlet flow for different diesel nozzle

geometries SAE paper 2005-01-2120

(6) Cho S W Min K D 2003 Development of Liquid LPG

Injector flowrate model Trans of KSAE Vol 11 No 5 pp22~28

(7) Lee Y H Park Y J Kim D S Jo Y S 2004 Variation of

exhaust gas temperature and combustion stability with the changes of

spark and exhaust valve timings during cold start of an SI engine

proceedings of KSAE Annual meeting pp39～45

(8) Lee J S 1998 A study on the improvement of combustion

stability for SI engine at idle operation International Journal of

Automotive Technology Vol6 No6 pp259～266

(9) Lee K H Kim K S 2001 Influence of initial combustion in SI

engine on following combustion stage and cycle-by-cycle variation in

combustion process International Journal of Automotive Technology

Vol2 No1 pp25～31

(10) Heywood J B Internal combustion engine fundamentals Mc

Graw Hill pp 419～423

(11) Einewall P Johansson B 2000 Cylinder to cylinder and cycle

to cycle variations in a six cylinder lean burn natural gas engine

SAE paper 2000-01-1941

- 46 -

(12) Bush K J 1994 Automatic cylinder AF ratio control fuel

mixture using a proportional exhaust gas sensor SAE paper 940149

(13) Kim H s Park J I Kauh S K Individual cylinder AF

control using wide band oxygen sensor proceedings of KSAE Annual

meeting

(14) Joo K S Kim C S Hong S T Park Y P Lee D Y 2007

Measurement and analysis of air distribution in intake port for

medium duty SI engine proceedings of KSAE Annual meeting pp2

1～26

(15) Baker P Watson H 2005 MPI AF mixing for gaseous and

liquid LPG SAE paper 2005-01-0246

(16) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 User Guide

(17) Kim B H Jeon C H Chang Y J 1994 The in-cylinder flow

analysis using the RDT k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp445～448

(18) Yang H C You H S Lim J H 1997 A study of

applicability of RNG k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp1149～1164

(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

engine cylinder using FEM proceedings of KSAE Annual meeting

pp242～247

(20) Myeong H K 2004 Computational Heat and Fluid Dynamics for

Engineering MunwoonDang

(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

PortValve Asssembly and cylinder Using a RNG k-ε Model KSME

Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 3 -

국내에서도 2000년부터 자동차 배출가스 규제를 연차 으로 강화하여 휘

발유 승용차에 하여 2003년부터 2006년까지 기존 자동차에 비하여

NOx 50 HC 70가 감된 배출가스 규제 기 을 용하여 공해자

동차(KLEV)가 단계 으로 생산 보 되고 있고 2006년부터는 KLEV보다

CO 50 HC 50 NOx 76가 더 감된 공해자동차(KULEV)가

단계 으로 생산 보 될 정이다

이와 같은 배출가스 규제 강화 추세에 따라 공해 LPG 자동차도 차세

기술인 LPG 기체분사방식의 기 연료공 시스템을 통해 공해 자

동차로서 보 이 진될 수 있다 LPG 기체분사 방식의 내구성과 신뢰성

을 확보하고 액상분사 방식과 동등한 체 효율로 향상시키기 해서는

LPG 연료의 특성 연료 공 시스템에 한 기 연구 실용 인 연

구의 수행을 병행하는 것이 매우 요하다

기존 믹서방식의 연료공 시스템 기술로는 강화되는 차기 배출가스 규제

기 을 만족시키는 것이 불가능하기 때문에 4-5세 의 LPG시스템 기술채

용이 필수 이다 (Fig 11-1) 4-5세 LPG시스템기술로는 LPG 액상분

사 방식과 기체분사방식으로 별할 수 있으며 유럽을 심으로 일부 실

용화 보 이 이루어지고 있다 국내에서는 액상분사 방식으로 일부 실용

화 보 이 이루어져 있으나 국내에서 차세 LPG 기체분사시스템의 기술

개발은 아직 미흡한 실정이다

Fig 11-1 The classification of LPG fuel supply system in automobile

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 4 -

LPG 액상분사 시스템은 출력성능 등에서 우수성을 보이고 있으나 설계원

가 상승 인젝터 설 문제 등 내구성 측면에서 기술 인 문제 을 갖

고 있는 반면 LPG 기체분사 시스템은 출력 성능개선 효과는 액상분사

방식과 거의 동등수 이고 설계원가 렴 내구성 향상 등의 장 을

갖고 있다 따라서 LPG 액상분사 방식 기술과 함께 차기 배출가스기

응을 한 가장 유력한 기술이 LPG 기체분사 방식의 연료공 시스템

이다

Table 11-2 The emission and noise characteristics comparison

구 분 가솔린 LPGCNG 디젤

HC ≒LPGCNG

≒

COLD 상태 gt ≒

NMHC≒ LPG ≒

lt CNG ≒

CO gt

LPGCNG

≒

NOx ≒ ≪

PM gt ≪

증발가스 ≫ ≒

이산화탄소 gt ≒

소음 ≒ ≪

(주) 1 (재) 일본자동차공업회 2 ≫ 매우 음 gt 음 ≒ 거의동등 lt 많음

≪아주많음

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 5 -

Table 11-3 The emission and fuel economy characteristic for fuel type

차 종도시 기환경에 향 온실효과 가스

연비주행거리NOx

COHC PM

증발HC CO2 CH4 N2O

경유자동차(비교 기 )

휘발유자동차 -

LPG자동차

종래형

선진형 - - - -

천연가스(CNG)자동차

Hybrid자동차(휘발유-기)

Paralleltype

- -

Seriestype - -

Splittype

- -

Hybrid자동차(경유-기)

Paralleltype

- - - - -

기자동차

연료지

자동차

수소장type

연료개질type

- - - - -

주 1 자동차 type은 일반 인 경우를 가정하여 비교

2 비교는 경유자동차를 기 ()으로 하여 상 비교

열세 rarrrarrrarrrarr우수

3 자동차 사용단계를 상으로 한 비교

4 일본의 공해자동차 등 배출가스 기술지침책정 조사검토회(제2차보고)

21세기 의 환경자동차(크린자동차) 개발보 의 방향성(운수정책심의회

제20회종합부회자료)를 이용하여 작성하 음

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 6 -

의 Table 11-2에서와 같이 LPG 자동차와 휘발유 경유 차량의 배기

가스 소음특성을 비교한 자료에서 보듯이 LPG 자동차는 동등 우 의 특

성을 나타내고 있음을 알 수 있으며 Table 11-3에서와 같이 일본에서

평가한 자동차 연료별 환경성 에 지 소비효율 특성비교에서 보면 선

진형 LPG 자동차(기체분사 는 액상분사 방식)의 공해성은 경유 차량

에 비해 월등함을 알 수 있다

Table 11-4 The direction of development and supply of low emission

vehicle in 21C

차종Hybrid

자동차

LPG

자동차

CNG

자동차

LNG

자동차

DME

자동차

연료

지

자동차

소형트럭2)

형트럭3)

형트럭4)

― ― -

노선버스5)

―

버스6)

― ― ―

승용차 -

주 1 기호의 의미는 아래와 같음

보 단계에 있음 향후 성능개선보 이 기 되는 자동차

개발단계에 있음 향후 개발보 이 기 되는 자동차

합성에 한 결론이 나지 않았으나 개발 필요성을 부정할 수 없는 자동차

― 일반 으로 개발이 곤란하다고 생각되는 자동차

2 소형트럭 주로 집배활동에 사용되는 최 재량 2톤 정도의 트럭

3 형트럭 주로 집배활동이나 거 도시간 수송에 사용되는 최 재량

4톤 정도의 트럭

4 형트럭 주로 간선수송에 사용되는 최 재량 10톤 정도의 트럭

5 노선버스 주로 시가지를 주행하는 승합버스

6 버스 주로 지도시의 용도에 사용되는 버스 주로

고속도로를 주행하는 노선버스

자료 일본의 LP가스자동차보 진 의회

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 46 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 7 -

12 연구동향

121 LPG엔진 연구동향

기존의 휘발유나 경유연료의 한정성 높은 오염물질 발생 때문에 많은

체연료들이 소개되고 있으며 그 에서도 LPG(Liquefied Petroleum

Gas)를 이용한 공해 자동차 개발은 꾸 하게 이루어지고 있다 LPG는

옥탄가가 높아 노킹이 일어나지 않고 내열성이 좋아 베이퍼록 상이 나

타나지 않는다 LPG의 발열량은 약 12000kcalkg으로 가솔린에 비해 600

sim800kcalkg정도 높고 연료소비량도 으며 연료가격도 싸기 때문에 경

제 이다 기존의 믹서 방식(Fig 12-1)은 보통 트 크에 설치되어 있는

LPG탱크( 베 Bombe)내의 LPG 그 자체의 증기압을 이용하여 액체 LPG

연료를 엔진에 공 하기 때문에 가솔린차와 같이 연료펌 는 불필요하지

만 연료의 감압 기화 압력 조 의 기능을 갖는 기화기(Vaporizer)와 혼

합기 유량을 조정하는 믹서(Mixer LPG 용 차량의 경우) 는 어 터

(Adaptor)와 캬 터(Carburetor LPGGas 겸용 차량 경우)가 필요하다

하지만 믹서방식으로는 정 한 배기가스의 제어가 힘들기 때문에 최근에

는 흡기포트에 정확한 연료 분사가 가능한 다 분사 방식 (MPI-Multi

Port Injection)을 이용하기 때문에 차세 공해 자동차로서의 가능성을

보여주게 되었다 주로 액상 LPG 분사 방식의 LPLi 시스템과 기상 LPG

를 분사 방식의 LPGi 시스템이 주를 이루고 있으며 유럽에서는 휘발유와

LPG를 동시에 연료로 사용하는 Bi-fuel 방식이 많이 사용되고 있다

Fig 12-1 LPG Engine with Mixer type

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 8 -

재까지의 LPG 연료공 방식을 기술에 따라 분류하면 다음 Fig 12-2

와 같다

기계식 믹서방식

믹서방식 피드백 믹서 방식

자제어 믹서방식

자제어 기체분사

LPG 연료공 시스템 싱 포인트 분사방식

계속형(Continuous)

정기형(Timed)

멀티포인트 분사방식

분사 방식

계속형(Continuous)

동기정기형

( T i m e d

simultaneous)

연속정기형

(Timed sequential)

자제어 액체분사방식

자제어 실린더내

직 분사 방식

Fig 12-2 The Classification in a LPG Fuel Supply System

분사방식은 믹서방식의 문제 인 역화(Backfire)를 방지하고 강화되는

배출가스 기 을 만족시키기 하여 개발이 시작되었다 의 기술 분류

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 9 -

가운데 계속형(Continuous type)은 흡기 밸 의 개폐와 계없이 엔진 부

하에 따라 필요한 연료를 계속하여 공 하는 방식이다 시간에 따른 연료

공 량 면에서는 믹서 방식과 동일하지만 엔진 부하 변동에 따른 연료 공

량의 동특성이 향상되어 출력 배출가스 제어에 보다 유리한 기술이

다 정기형(Timed type)은 흡기밸 의 개폐와 연동하여 엔진 1회 당 일

정한 기간 동안 연료를 공 차단하는 방식이다 동기정기형(Timed

simultaneous type)은 컴퓨터로 계산된 연료량을 각 실린더로 분배하여

동시에 공 하는 방식이다 연속정기형(timed sequential)은 각 실린더의

흡기밸 개폐시기와 연동하여 일정기간 동안 연료를 공 하는 방식이다

분사 방식은 분사 개수에 따라서 다음과 같이 분류된다 일 분사방식

(Single point injection)은 엔진 흡기 심부에 인젝터 한 개를 설치하

여 각 실린더에 분배하는 방식으로 역화의 험이 완 히 제거된 시스템

은 아니다 다 분사방식(Multi point injection) 은 엔진 흡기 의 실린더

마다 인젝터를 설치하는 방식으로 분사시간에 따라 계속형 (Continuous)

과 정기형 (Timed)으로 분류할 수 있다

122 연소 안정성 연구 동향

LPG 기 의 배기가스 감은 삼원 매장치에 많이 의존하고 있다 하지

만 삼원 매의 열이 충분히 이루어지지 않은 냉시동시에는 효과 인 배

기가스 감이 이루어지지 않으므로 기 자체의 배기가스 감이 요하

다 엔진의 배기가스 감을 해 연소안정성은 필수 이며 이미 많은 이

연구에 의해서 연소안정성 증 를 한 노력을 하고 있다 다른 여러

요인 들이 연소안정성에 악 향을 미치지만 실린더간 변동과 사이클 간

변동은 연소안정성에 악 향을 미치는 가장 큰 인자이다 연소에 있어서

실린더 간 변동과 사이클 변동이 발생하는 주된 원인은 각 실린더와 사이

클에 있어서 공 된 흡입공기량의 차이 공연비를 이루는 혼합기의 조성

불균일한 EGR율 내부 유동특성 변화 기화염의 공간 변화 화지연

화에 지의 변동성분 실린더에 한 혼합기 분배를 들 수 있다7)～9)

이상 으로 연소실에 공 되는 혼합기는 각 실린더마다 일정해야 하며

이를 해서는 연료는 충분히 증발되어 공기흐름에 균일하게 혼합되어야

한다 균일한 혼합기를 이루지 못할 경우 배기가스와 연료소비율의 증가

를 가져오게 된다

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 10 -

Fig 12-3은 기 의 공연비 변화에 한 그림으로 사이클 간 공연비 변

화가 매우 큰 것을 볼 수 있다10)

Fig 12-3 Airfuel ratio in 50 consecutive cycles

이와 같은 공연비 편차는 연소안정성에 크게 향을 미치는 것을 아래

Fig 12-4에서 확인 할 수 있다11)

Fig 12-4 COV for IMEP in all cylinders

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 46 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 11 -

1221 역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례

혼합기의 실린더간 불균일성을 감소시키기 하여 역산소센서를 이용하

여 실린더별 공연비제어와 같은 연구가 수행되어졌다

역산소센서를 사용할 때 정 한 공연비 제어를 수행 할 수 있으며 크랭크

앵 별로 측정된 출력은 실린더별 공연비의 정보를 포함하고 있다

통합지 에서의 역산소센서신호는 실린더별 공연비에 따라 상차이가

생기고 이를 이용하면 실린더별 공연비의 정보를 악할 수 있게 된다12)

이 연구를 통하여 1500rpm ～ 3000rpm에서 실린더별 공연비의 값을 plusmn1

이내로 제어를 수행하 으며 실린더별로 상 인 공연비 차이만을 알아도

실린더별 공연비제어를 수행할 수 있음을 확인하 다 엔진 속도가 고 부

하가 클수록 제어가 용이하며 농후한 실린더의 차이가 희박한 실린더의 공

연비차이보다 크게 나타남을 확인 할 수 있었다13)

Fig 12-5 Individual cylinder AF ratio control

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 46 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 12 -

1212 흡기 공기 분배성 연구 사례

지난 연구에 의하면 다기통 기 의 흡기다기 에서 기 으로 흡입되는 공

기가 각 실린더별로 균등하게 배분되는 것이 매우 요하다14)특히 기

화 기 의 경우 실린더별 공기의 분배가 불균일하면 이는 공연비의 불균일

을 래하며 기통간의 연소에 차이가 발생된다 이는 기 의 출력 하

연비 하 배기가스의 증 를 래하며 심각할 경우에는 실화를 발생시키

게 된다 Fig 12-6의 연구 결과를 보면 LPG 분사방식에 따른 분류로 기상

분사 방식과 액상분사 방식으로 나뉘는 연료공 방식에 따라 큰 차이 없이

실린더간 공연비 차이가 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 인젝터에

서 동일한 양의 연료가 분사된다고 가정했을 때 공연비의 불균형을 래할

수 있음을 알 수 있다 특히 1번 실린더와 6번 실린더의 흡입 공기량이 크

게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다15)

Fig 12-6 Cylinder-to-cylinder variation in AF among the fuelling

systems at 1500rmin 80Nm amp Lambda 10 (nominal)

따라서 다기통 기 의 흡기 에서 기통별로 공기량이 균일하게 분배되도

록 흡기 을 설계하는 것은 엔진 성능의 향상에 요한 설계 변수이다

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 13 -

123 해석 동향

최근 상용 CFD코드의 속한 발달로 유동해석을 비교 수월하게 진행

할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 물리 모델과 조 한 계산 격자의 사용이

가능해졌기 때문에 이 의 해석결과들보다 훨씬 좋은 결과를 얻고 있다 수

치해석은 매우 작은 형상 변화에 해서도 표 이 자유롭고 물리 으로 타

당한 결과를 낼 수 있다는 에서 정성 정량 인 결과를 측하기

해 여러 측면으로 효과 으로 사용되어 질 수 있다 이러한 CFD 해석을 통

하여 제품제작과정 시간 단축 비용 감의 효과를 얻을 수 있다 일반

으로 상용 CFD코드를 이용한 해석의 진행 과정은 아래 Fig 12-7과 같

다16)

Fig 12-7 A summary of CFD Analysis

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 14 -

각 로그램만의 독특한 일 형식을 격자 생성 로그램에서 읽을 수 있

도록 일을 생성하고 격자 구성을 한 표면 격자를 생성 수정한다 그

리고 생성된 표면 격자를 사용하여 체 격자를 생성하는 과정을 거쳐 해석

조건 경계조건 기조건과 같은 계산에 사용되는 조건을 설정한다 조건

설정이 끝난 후에는 문제를 해석하고 해석결과를 원하는 조건에 맞추어 결

과를 출력한다 격자의 구성은 크게 Hexahedral Cell Tetrahedral Cell

Hybrid Cell로 구분할 수 있다 이 게 구성된 격자를 사용하여 문제를 해

석하기 하여 조건을 설정을 하는데 난류 모델의 결정 압력 수정 기법의

결정 작동 유체의 결정등이 해석에 있어서 요한 해석 결정 사항이다

이러한 해석에 필요한 여러 조건의 개발이 많은 연구에 의하여 수행 되어졌

다17)～19)

Hexahedral Cell Tetrahedral Cell Hybrid Cell

Fig 12-7 A composition of mesh

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 15 -

13 연구개요 목표

앞서 LPG연료를 이용한 공해 자동차의 필요성과 연구배경 동향에

해서 알아보았다 Table 13-1에서 확인 할 수 있듯이 기체 분사방식에

서 다 정기분사방식(Multi Point Sequential Injection)을 이용하면 강화

된 배출 허용기 을 만족시킬 수 있음을 알 수 있다

Table 13-1 The comparison between LPG gaseous and liquid injection

system

기체분사 액체분사

분사방식

일 분사방식

(single point

continuous

injection)

다 연속분사

(multi point

continuous

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

다 정기분사

(multi point

sequential

injection)

성

능

비

교

배기가스규제강화에

응곤란

규제강화에

응곤란

규제강화에

만족가능

규제강화에

만족가능

출력

(가솔린

비)

낮음 약간 낮음 동등 동등

분사압력 lt 2기압 +06-2 기압 +5 기압

본 연구에서는 배출 허용기 에 만족할 수 있는 다 정기기체분사 LPG

연료 공 시스템을 이용하 다

향후 배출가스 규제는 더욱 강화될 것이며 이를 한 연구가 수행되어

져야 한다 본 연구에 사용된 다 정기분사방식의 인젝터에서 연료의 분

사는 퓨얼 일과 흡기 의 압력 차이에 의해서 이루어진다 사용된 인젝

터는 Fig 13-1에서 보듯 퓨얼 일과 흡기 사이에 존재하는 오리피스

로 단순화하여 생각할 수 있다

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

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212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

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213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

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222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

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Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

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터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 16 -

Fig 13-1 Orifices of a Injector

인젝터에서 분사되는 연료량은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램

상승시간으로 결정된다 다이어 램 상승시간은 분사신호 제어로 연료량

을 제어 할 수 있지만 흡기 과 퓨얼 일의 압력차는 인젝터 내부 오리피

스로 인해 압력강하를 가져와 분사되는 연료량을 결정한다 하지만 인젝

터의 내부 오리피스 형상 차이에 따라서 분사량이 결정되기 때문에 같은

양산 인젝터를 사용하여도 개별 인젝터간 분사량 차이가 발생한다 이

게 발생된 분사량 차이는 공연비에 향을 주고 각각의 실린더의 공연비

차이는 배출가스에 향을 미치므로 강화되는 배출 허용기 을 응하기

어렵다 따라서 본 연구에서는 기상분사식 LPG인젝터를 이용하여 인젝터

내부의 오리피스가 분사량에 미칠 수 있는 향을 악하고 분사량 편차

를 최소화할 수 있는 방안에 하여 모색하고 이를 최 화하여 강화되는

배출가스 규제에 응할 수 있도록 하고자 한다 연구 내용은 다음과 같

다

Ⅰ 수치해석을 통한 문제 확인

- 실험에 사용된 동일한 인젝터의 CAD 데이터를 바탕으로 상용 CFD코

드를 사용하여 내부 압력해석을 수행한다

Ⅱ 실험을 통한 문제 검증

- 실험을 통하여 해석결과를 검증한다

Ⅲ 결과확인을 통하여 문제 해결 방안 도출

- 각 인젝터 오리피스의 향성을 실험과 해석을 통하여 검증 후 편차를

최소화 할 수 있는 방안을 모색한다

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 17 -

2 연구내용

21 실험장치의 구성

211 분사량 평가장치

본 연구에 사용된 인젝터 성능 평가 장치는 Fig 21-1과 같이 컨트롤랙

연료공 시스템과 연료 회수장치로 이루어져 있다 컨트롤랙은 연료탱크

베이퍼라이져 퓨얼 일 회수 장치에 설치된 온도 센서와 압력 센서로부

터 데이터를 장하고 각 장치의 제어를 수행한다 한 인젝터 컨트롤러

에서 실제 차량과 동일한 Peak amp Hold 타입으로 인젝터를 제어하게 된

다 연료공 시스템은 연료 펌 를 이용하여 연료탱크에서 액상의 연료를

베이퍼라이져에 공 하고 공 된 연료는 베이퍼라이져에서 실제 엔진과

유사하게 80plusmn2를 유지하는 냉각수를 열원으로 기화되어 기압을 기

으로 0325bar 높은 압력으로 퓨얼 일에 공 된다 이 게 공 된 연료는

본 연구의 연구 상인 기상분사용 인젝터를 통하여 분사가 된다 측정이

완료된 연료는 연료 회수장치의 진공펌 를 통하여 회수된 후 응축 냉

각과정을 통해 액상으로 환된 후 회수용 연료탱크에 장된다

Fig 21-1 Injector experiment equipment schematic diagram

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 18 -

212 인젝터

본 연구에 사용된 기상분사용 LPG인젝터의 외 을 Fig 21-2와 Fig

21-3에 나타내었다 인젝터는 Fig 21-2에서 나타낸 바와 같이 크게 노

즐 다이어 램 바디 스 링 솔 노이드 인젝터 이스로 구성되어 있

으며 각 부품에는 오리피스가 존재한다 다이어 램은 스 링에 의하여

노즐에 착 되어있다 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된

상태의 LPG연료는 인젝터 이스 단에 치하 다가 ECU에서 인젝터

에 연료분사신호를 인가하면 인젝터의 솔 노이드가 자화되어 다이어 램

이 상승하기 때문에 노즐이 개방되어 연료가 흡기 내로 분사된다 이때

분사되는 연료의 양은 흡기 과 퓨얼 일의 압력차 다이어 램의 상승시

간으로 결정된다

Fig 21-2 Component of a Injector

Fig 21-3 Appearance of a Injector

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 19 -

213 Injector signal

본 연구에 사용된 인젝터의 분사량은 이 에 언 하 던 것처럼 다이어

램의 상승시간에 따라서 조 이 되므로 정 한 유량제어를 해서 정확

한 다이어 램의 단속이 필요하다 다이어 램의 단속은 인젝터 내부의

솔 노이드에 의하여 작동되며 이를 히 제어하기 하여 실제차량과

동일한 Peak amp Hold 타입의 컨트롤러를 제작하여 사용하 다 컨트롤러

에서 제어되는 형을 간략화 하여 아래 Fig 21-4에 나타내었다

Fig 21-4 Injection signal

인젝터의 duty는 분사기간을 분사간격으로 나 값으로 정의한다 본 연

구에서는 차량의 rpm을 의미하는 분사간격을 변화시키며 실험을 수행하

으며 이때의 분사지속기간과 duty는 Table 21-1에 나타냈다 본 연구

에서는 1000rpm을 기 으로 duty를 833로 실험을 수행하 다

Table 21-1 Injection condition

Period Injection Duration Duty

120 ms

(1000 rpm)

5 ms 417 10 ms 833

15 ms 125

20 ms 1667 25 ms 2083

60 ms

(2000 rpm)

5 ms 833 10 ms 1667

15 ms 25

20 ms 3333 25 ms 4167

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(17) Kim B H Jeon C H Chang Y J 1994 The in-cylinder flow

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(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

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(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

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(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 20 -

22 분사량 측정

221 실험방법

분사량 측정 실험은 기 테들러백의 무게를 Fig 22-1과 같이 측정하

고 Fig 22-2와 같이 테들러백을 이용하여 포집하 다 1000회씩 분사하

여 변화된 테들러백의 무게를 정 울(분해능 0001g)을 이용하여 질량

단 로 평균 분사량을 측정한다 측정을 마친 테들러백의 무게와 기 테

들러백의 무게의 차에 의해서 분사량을 알 수 있었다 분사량 측정 실험

은 한 조건에 하여 총 3회에 걸쳐 반복 실시하 으며 실험 장치에 설치

된 온도센서와 압력 센서에 의해 분사 온도와 압력을 측정 하 다

Fig 22-1 Measurement of a Balance

Fig 22-2 Injection Type

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 21 -

실험에 사용된 테들러백은 측정시 오차를 이기 하여 테들러 백의 주

입구 직경을 Fig 22-3에서 나타난 것처럼 3mm에서 18mm 로 확장하

으며 측정 시 발생 가능한 압력손실을 최소화하 다 이를 통하여 측정시

일어나는 오차를 150 ( 기 테들러백 비 변경된 테들러백)로 다

Fig 22-4에서는 테들러 백의 주입구를 변경 과 변경 후 측정한 분사

량을 나타낸다

Fig 22-3 A Changed diameter in Tedlar bag

Fig 22-4 A Changed diameter in Tedlar bag data

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 22 -

222 측정오차 재 성

퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar의 가압된 기체상태의 연료는

인젝터 컨트롤러의 분사신호에 의해 분사된다 연구목표에 만족하는 결과

를 얻어내기 해서 사용된 실험장치의 측정법 정확성 평가를 수행하 으

며 결과는 아래 Fig 22-5와 같다

결과는 한 인젝터를 상으로 10회 반복실험을 수행한 결과로 분사량

의 표 편차는 00585 표 오차는 0422로 측정되었다 표 오차는 인

젝터에서 발생한 분사량의 편차 인젝터 컨트롤러의 편차 분사량 측정방

법 등의 오차가 첩되어 나타난 것으로서 충분히 본 연구 목 에 부합되

는 오차 수 으로 측정이 가능함을 확인 하 다 실험을 통하여 측정된

분사량은 실제 차량의 1000rpm WOT(Wide Open Throttle) 상태의 분사

량을 기 으로 상 으로 나타냈다

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Am

oun

t o

f in

jectio

n [

mg

inj]

0

1

2

12

14

Fig 22-5 Certification of Experimental error

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 23 -

223 인젝터 다이어 램 변화 측정

오리피스 부분의 가공을 해 분해를 하면 재조립시에 기존 인젝터의 형

상과 다이어 램의 성질이 바 는데 이 편차를 이기 해서 아래 Fig

22-6과 같이 인젝터 다이어 램 거리측정 장치를 구성하여 측정하 다

이 장치의 특징은 섬유를 이용하여 빛을 니들 표면에 주사하고 반사되

는 양을 측정하여 거리로 환산하는 장치이며 본 장치를 사용하여 가공

의 니들리 트 높이와 가공후의 니들리 트의 높이를 실험 오차범 이내

로 인 후 실험을 수행하 다

Fig 22-6 The photo of Diaphragm measurement system

실험에 사용된 센서의 로 의 직경은 051mm이며 길이는 381mm로

인젝터의 노즐내로 삽입되어 다이어 램의 움직임을 측정한다 정확한 다

이어 램의 변 를 측정하기 해 다이어 램과 로 의 각도에 따라 변

와 출력 압을 측정하여 선형구간에 한 1차함수로 보정하 다 이때

기울기는 -25810mmV 으며 측정오차는 지시값의 plusmn22 다 보정을

하기 한 변 에 따른 출력 압의 결과를 Fig 22-7에 나타내었다

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 24 -

Length [mm]

00 05 10 15 20

Voltage

[V]

0

1

2

3

4

5

Fig 22-7 Output voltage

ECU에서 분사 신호를 인젝터에 인가하면 솔 노이드가 자화되어 스 링

의 탄성을 이겨내기 때문에 다이어 램이 상승한다 이때 분사신호와 다이

어 램의 상승 사이에 약간의 시간지연이 발생한다 인젝터 신호가 제거되

고 난 뒤에 다이어 램이 하강하는 데에도 지연이 발생하게 된다 이때 인

젝터에 분사 신호가 인가되는 기간을 통 시간 분사신호가 인가된 후 상승

하는데 까지 걸리는 지연시간을 개변시간 분사신호가 제거된 후 다이어

램이 하강하는데 걸리는 시간을 폐변시간이라 부른다 Fig 22-8에서 인젝

터 분사신호와 다이어 램의 거동 계에 하여 볼 수 있다

Fig 22-8 Characteristic of diaphragm lift

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 25 -

실험 장치를 사용하여 다이어 램의 거동을 확인 한 결과 아래의 Fig

22-9과 같이 확인이 되었으며 실제 Injection duration이 매우 짧은 시간

동안 일어나기 때문에 평균값을 이용하여서 악하 다 인젝터의 가공

후 재조립된 인젝터의 다이어 램의 거동상태를 기 이 된 인젝터의 거동

상태에 맞추어 실험을 수행하 다

Fig 22-9 Law data of diaphragm lift

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 26 -

23 인젝터 형상 가공

231 인젝터의 오리피스 형상

인젝터는 퓨얼 일에 공 된 연료를 흡기포트에 분사해주는 부품으로서

개변 ECU 신호에 의해 솔 노이드가 자화되어 다이어 램이 완 히 열

린 특정 시 동안에는 퓨얼 일과 흡기포트 사이에 존재하는 오리피스로

단순화하여 생각할 수 있다 이때 인젝터는 Fig 23-1과 같이 총 다섯 곳

의 오리피스로 구성되어져 있다

Fig 23-1 Sectional View of a Injector

인젝터 내부의 각 오리피스들의 형상과 특성은 Table23-1과 같이 D1

은 수력직경이 가장 큰 부분으로 나타났으며 D2는 단면 과 수력직경이

유사한 값을 가지고 있으며 D3과 D4는 단면 과 수력직경이 D0D1D2에

비해 상 으로 작다 외부 오리피스 D0의 향은 오리피스 에서 가장

단면 이 넓으므로 향이 을 것으로 단하고 나머지 네 군데의 오리

피스를 변화시켜 실험을 수행하여 분사량에 한 오리피스의 향을 분석

하 다

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 27 -

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

단면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 2 239 304 2558 14306

D2 1 1164 2776 3889 3688

D3 1 055 04 0242 0028

D4 1 346 21 1526 12353

Table 23-1 Hydraulic Diameter and Surface Area of Based Orifice in

Each Injector

오리피스의 가공은 기존의 인젝터 부품을 분해하여 오리피스를 변경하

다 아래 Fig6은 내부 오리피스의 변화를 해 가공된 부분을 나타내었

다

Fig 23-2 A change of Orifices

분해 조립이 가능한 지그를 제작하여 기존의 인젝터 오리피스 부분을

분리하 다 실험의 오리피스 가공은 D1의 경우 기존의 인젝터에서 단면

이 약 170 증가하도록 가공하 고 D2는 기존의 인젝터의 오리피스보

다 약 126 약 146 약 170증가시켰다 D3는 다이어 램 후단에

스페이서 역할을 할 수 있는 알루미늄 을 가공하여 삽입하여 기존 인젝

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(16) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 User Guide

(17) Kim B H Jeon C H Chang Y J 1994 The in-cylinder flow

analysis using the RDT k-ε model proceedings of KSME Annual

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(18) Yang H C You H S Lim J H 1997 A study of

applicability of RNG k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp1149～1164

(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

engine cylinder using FEM proceedings of KSAE Annual meeting

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(20) Myeong H K 2004 Computational Heat and Fluid Dynamics for

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(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

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Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 28 -

터와 비교하 을 때 약 12 약 20정도 증가시켰다 D4의 노즐 부 는

노즐의 직경을 기존 인젝터 비 약 333가량 증가시켜 각 오리피스 별

로 실험을 수행 하 다 아래 Table23-2는 오리피스 가공 후 단면 과

수력직경의 변화를 나타낸다

Table 23-2 Hydraulic Diameter and Surface Area of Changed Orifice

in Each Injector

Orifice 외형 개수단면()

수력직경()

표면(relative toD0)

수력직경(relative toD0)

D0 1 22698 17 1000 1000

D1 8 1963 5 692 2353

D2-11

11175 2699 4923 4777D2-2 12905 2776 5685 6224

D2-3 14948 1959 6586 8282D3-1 1 132 24 05816 1412

D3-2 2 209 38 0921 22353D3-3 1 132 24 05816 1412

D3-4 2 209 38 0921 22353

D4 1 616 28 2713 1647

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 29 -

24 인젝터 내부의 수치해석

241 수치해석을 한 설계

실험에서 가공된 형상과 동일한 크기로 형상을 변화시켜 설계를 하 다

설계는 3차원 CAD 로그램인 Pro-Engineer를 사용하 으며 아래 Fig

24-1은 설계형상을 나타낸다

Fig 24-1 A change of Orifices in a 3D Modelling

가공 인젝터 부품과 가공 후 인젝터 부품을 실험과 동일하게 조립하

여 내부 유동부분을 모델링 하 다(Fig 24-2) 모델링된 CAD데이터를

이용하여 3차원 선도(Wire Frame)를 해석 로그램인 STAR-CD에 맞도

록 변경하 다

Fig 24-2 3D Modelling in a CFD

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 30 -

242 수치해석 모델 차

3D 모델링 CAD데이터를 STAR-CD 내부의 PRO-SURF를 이용하여

표면데이터(Surface data)를 생성한 후 격자 생성 용 로그램인

PRO-AM에서 해석 역을 만들어 격자를 생성하 다 해석을 해

STAR-CD를 사용하 으며 이산화 방법은 FVM(Finite Volume Method)

을 기본으로 하여 정상 상태에서의 압력 보정식을 만드는 SIMPLE

(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하

다 유한체 법(FVM)은 보존성을 만족시키기 쉽고 SIMPLE해법은 비압

축성유동을 해석할 때 흔히 사용이 되고 정상상태 유동을 매우 효율 으

로 풀 수 있다20)수렴조건은 잔류원천항(Residual Resource)의 크기로써

결정된다 반복계산 이 단계에서의 계산 결과와 차이를 각 종속변수

의 입구 유량으로 나 상 잔류 오차 값을 0001이하로 하 다 실험

과 동일하게 7개의 해석모델을 구성하 고 해석모델의 격자수는 약 30만

개 다 Fig 24-3에는 해석모델의 격자를 도시하 다

Fig 24-3 Mesh Generation

해석 모델의 입출구 경계면에는 모든 유동변수 값이 필요하고 심 유

동장내에 난류의 특성을 가질 때는 난류 운동에 지와 난류 운동에 지

소산율이 필요하다 난류의 운동에 지와 소산율은 간단한 식(Fig 24-4)

을 이용하여 계산 후 용하 으며 난류 모델은 k-ε high Reynolds

Model을 채택 하 다

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 31 -

timestimes

times

(k=난류운동에 지 ε=소산율 U=입구속도 I=난류강도

Cμ=난류모델계수)

Fig 24-4 Turbulence energy Eq

k-ε high Reynolds Model을 채택한 이유는 재 가장 일반 으로 사용

되는 난류모델이고 모델 자체가 단순하고 측성능이 매우 우수하다고 알

려져 있기 때문이다21)아래 Table24-1에는 본 연구에서 사용된 상용

CFD코드인 STAR-CD에서 사용되는 k-ε high Reynolds Model의 계수

를 나타내었다

Table 24-1 Coefficients of the k-ε turbulence model

Cμ σε σk σh σm Cε1 Cε2 Cε3 Cε4 κ E

009 122 10 09 09 144 192 00 -033 0419 90

k-ε high Reynolds Model의 취약한 은 강한 압력구배가 있거나 유선의

곡률효과가 클 경우 사용하기 합하지 않다 하지만 해석 하려는 모델에

서는 압력구배가 강하지 않고 유선의 곡률 효과는 고려하지 않아도 되었

기 때문에 와 같은 난류 모델을 선택하 다 작동유체는 부탄으로서 입

구 면에서 압력은 1325bar 온도는 293K 이고 모든 벽면의 온도 한

293K로 외부로부터의 온도의 향은 없는 단열된 상태로 가정한 후 해석

하 다 그리고 벽면 경계에는 벽법칙을 용하 다 본 연구의 실험에서

는 퓨얼 일에서 기압을 기 으로 0325bar 가압된 상태의 LPG연료가

흡기 내의 압력차에 의해서 분사가 되어 분사되는 압력이 흡기 내 압력

에 따라서 달라진다 하지만 해석에서는 출구의 압력을 1bar로 가정하여

입 출구의 압력 차이를 0325bar로 입 출구 경계조건을 주고 해석을 수

행 하 다

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 32 -

아래 Table24-2에는 해석 조건을 나타내었다

Table 24-2 Formation of CFD Modeling

Program name STAR-CD

Number of grid 312750

Turbulence model k-ε high Reynolds Model

Boundary condition

Inlet Pressure (Absolute 1325 bar)

Outlet Pressure (Absolute 1000 bar)

Wall Insulated (293K)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 33 -

3 해석 결과 실험 결과

31 해석 결과

311 해석 결과

본 연구에서 사용된 인젝터의 분사량을 결정하는 것은 압력 차이에 의하

여 이루어지므로 인젝터를 동일하게 모사한 CAD data를 상용 CFD코드

인 STAR-CD를 이용하여 압력해석을 하 다 (Fig 31-1～Fig 31-8)

Fig 31-1 A change of pressure in Base injector

Fig 31-2 A change of pressure in Injector D1

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 34 -

Fig 31-3 A change of pressure in Injector D2-1

Fig 31-4 A change of pressure in Injector D2-2

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

5 참고문헌

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- 46 -

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control using wide band oxygen sensor proceedings of KSAE Annual

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Measurement and analysis of air distribution in intake port for

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Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 35 -

Fig 31-5 A change of pressure in Injector D2-3

Fig 31-6 A change of pressure in Injector D3-1

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 36 -

Fig 31-7 A change of pressure in Injector D3-2

Fig 31-8 A change of pressure in Injector D4

본 해석에서는 정상상태에서 인젝터의 압력해석을 통하여 압력강하를

악하여 분사량에 향을 악하는데 기 자료로 활용하 다

오리피스 D3의 후단의 스페이서를 두어 실험을 수행하 으나 해석

에서는 정상상태 해석이므로 D3의 단면 만 증가시켜 해석을 하 다

Fig 31-1～Fig 31-8의 결과를 통하여 오리피스 단면 의 변화와 압력

변화의 계를 확인해 보면 입 출구의 압력강하가 가장 게 나타난 것

은 오리피스 D3과 D4에서 가장 두드러지게 나타났다 체 인 해석결과

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

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spark and exhaust valve timings during cold start of an SI engine

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- 46 -

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control using wide band oxygen sensor proceedings of KSAE Annual

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(18) Yang H C You H S Lim J H 1997 A study of

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(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

engine cylinder using FEM proceedings of KSAE Annual meeting

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(20) Myeong H K 2004 Computational Heat and Fluid Dynamics for

Engineering MunwoonDang

(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

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Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 37 -

를 보았을 때 오리피스 D1D2에서 단면 의 증가는 크지만 압력 변화에

는 크게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다 해석을 통하여 확인 된

바로는 오리피스의 단면 이 감소하면 오리피스 입 출구의 압력강하의

폭이 커지는 것을 확인 할 수 있었으며 반 로 단면 이 증가하면 입 출

구의 압력강하의 폭이 어드는 것을 확인 할 수 있었다 이러한 것은 비

압축성 유동의 특징과 일치하는데 이를 마하수의 계산을 통하여 확인 할

수 있다22)

(a=유체의 음속 V=유동속도 k=비열비 R=기체상수 T=유체의 온도)

Fig 31-9 Equation of Ma

와 같은 식으로 계산한 결과 마하수는 0044로 마하수가 03 이하이기

때문에 비압축성 유동으로 보아도 무방하다 압축성 유체인 기상LPG에서

도 연료의 분사가 비압축성 유동 상태에서 이루어지기 때문에 비압축성

유동 특성과 동일하게 나타남을 알 수 있다 따라서 해석을 통해서 오리

피스 D1과 D2의 변화보다 오리피스 D3과 D4의 변화가 요한 변수임을

확인 할 수 있었으며 이와 같은 결과를 토 로 실험을 수행하 다

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

5 참고문헌

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- 46 -

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(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 38 -

Model name 구분 증가 감소량()

표 인젝터 Base 100

오리피스 1 D1 9682

오리피스 2

D2-1 02 9748

D2-2 12 9809

D2-3 22 9694

오리피스 3

D3-1 1 10539

D3-2 2 11204

D3-3 후1 10778

D3-4 후2 11418

오리피스 4 D4 11557

32 실험 결과

321 실험 결과

실험의 결과는 오리피스 변화에 따라 편차가 발생하 으며 그 체 인

결과는 아래 Fig 32-1과 같다

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

Experim ent

Base D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

Fig 32-1 A Result of experiment

Table 32-1 A Result of experiment

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

5 참고문헌

(1) EPA 2004 THE CLEAN AIR ACT httpwwwepagov

(2) Jung Y I 2005 Emission Reduction technology and Emission

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(3) 수도권 기질 환경 개선에 한 특별법 환경부

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Experimental characteristic of outlet flow for different diesel nozzle

geometries SAE paper 2005-01-2120

(6) Cho S W Min K D 2003 Development of Liquid LPG

Injector flowrate model Trans of KSAE Vol 11 No 5 pp22~28

(7) Lee Y H Park Y J Kim D S Jo Y S 2004 Variation of

exhaust gas temperature and combustion stability with the changes of

spark and exhaust valve timings during cold start of an SI engine

proceedings of KSAE Annual meeting pp39～45

(8) Lee J S 1998 A study on the improvement of combustion

stability for SI engine at idle operation International Journal of

Automotive Technology Vol6 No6 pp259～266

(9) Lee K H Kim K S 2001 Influence of initial combustion in SI

engine on following combustion stage and cycle-by-cycle variation in

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Vol2 No1 pp25～31

(10) Heywood J B Internal combustion engine fundamentals Mc

Graw Hill pp 419～423

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to cycle variations in a six cylinder lean burn natural gas engine

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- 46 -

(12) Bush K J 1994 Automatic cylinder AF ratio control fuel

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(13) Kim H s Park J I Kauh S K Individual cylinder AF

control using wide band oxygen sensor proceedings of KSAE Annual

meeting

(14) Joo K S Kim C S Hong S T Park Y P Lee D Y 2007

Measurement and analysis of air distribution in intake port for

medium duty SI engine proceedings of KSAE Annual meeting pp2

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(15) Baker P Watson H 2005 MPI AF mixing for gaseous and

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(16) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 User Guide

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(18) Yang H C You H S Lim J H 1997 A study of

applicability of RNG k-ε model proceedings of KSME Annual

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(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

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(20) Myeong H K 2004 Computational Heat and Fluid Dynamics for

Engineering MunwoonDang

(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

PortValve Asssembly and cylinder Using a RNG k-ε Model KSME

Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 39 -

D1 D2-1 D2-2 D2-3 D3-1 D3-2 D3-3 D3-4 D4

IRC

HD

RC

IR

CS

AR

C

-01

00

01

02

03

04

05

hydraulic diameter effect

surfacec area effect

Fig 32-2 An Effect on the Amount of Injection Changed Hydraulic

Diameter and Surface Area

실험의 체 인 결과는 기존의 인젝터에 비하여 표시를 하 으며 기

존 인젝터의 분사량을 100로 보았을 때 D1 D2-1 D2-2 D2-3에서 분

사량이 소량 감소하는 것을 확인 할 수 있었다 반 로 D3과 D4는 분사

량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다 인젝터 내부의 단면이 원형이 아

니기 때문에 완 발달유동의 해석방법은 원형의 경우와 같다고 하여도

수학 으로 상당히 복잡해진다 층류의 경우는 연속방정식과 운동량 방정

식의 엄 해를 구할 수 있고 난류의 경우에는 수법칙 속도분포를 사용

하거나 수력직경을 사용하여 훌륭한 개략해를 얻을 수 있는 것으로 알려

져 있다 Fig 31-2에서는 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향을

보았으며 y축의 약어는 IRC (Injection Rate of change) HDRC

(Hydraulic Diameter Rate of Change) SARC (Surface Area Rate of

Change)를 말한다 수력직경과 단면 변화에 따른 인젝터 분사량 변화는

D1과 D2의 경우 수력직경 단면 이 증가하 음에도 분사량은 감소하

고 D3과 D4는 수력직경과 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가 하

으며 D4에서 수력직경과 단면 이 분사량에 미치는 향이 가장 큰 것으

로 나타났다 에서 사용된 수력직경 식은 아래와 같이 간단하게 정의되

었다22)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

5 참고문헌

(1) EPA 2004 THE CLEAN AIR ACT httpwwwepagov

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(4) Ryu J H Lee D Y Cho Y S Lee J T Lee Y J Lee S

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Graw Hill pp 419～423

(11) Einewall P Johansson B 2000 Cylinder to cylinder and cycle

to cycle variations in a six cylinder lean burn natural gas engine

SAE paper 2000-01-1941

- 46 -

(12) Bush K J 1994 Automatic cylinder AF ratio control fuel

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(13) Kim H s Park J I Kauh S K Individual cylinder AF

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meeting

(14) Joo K S Kim C S Hong S T Park Y P Lee D Y 2007

Measurement and analysis of air distribution in intake port for

medium duty SI engine proceedings of KSAE Annual meeting pp2

1～26

(15) Baker P Watson H 2005 MPI AF mixing for gaseous and

liquid LPG SAE paper 2005-01-0246

(16) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 User Guide

(17) Kim B H Jeon C H Chang Y J 1994 The in-cylinder flow

analysis using the RDT k-ε model proceedings of KSME Annual

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(18) Yang H C You H S Lim J H 1997 A study of

applicability of RNG k-ε model proceedings of KSME Annual

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(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

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(20) Myeong H K 2004 Computational Heat and Fluid Dynamics for

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(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

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Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 40 -

수력반경

(A=단면 P= 수길이)

Fig 32-3 Equation of Hydraulic diameter

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B

D1

Fig 32-4 The Comparison of Changed Orifice D1

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mo

unt(

injba

se

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D 2-1 D 2-2 D 2-3

Fig 32-5 The Comparison of Changed Orifice D2

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

5 참고문헌

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Measurement and analysis of air distribution in intake port for

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(15) Baker P Watson H 2005 MPI AF mixing for gaseous and

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(16) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 User Guide

(17) Kim B H Jeon C H Chang Y J 1994 The in-cylinder flow

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(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

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(20) Myeong H K 2004 Computational Heat and Fluid Dynamics for

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(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

PortValve Asssembly and cylinder Using a RNG k-ε Model KSME

Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 41 -

Num ber of experim ent

1 2 3

Inje

ctio

n a

mou

nt(

injb

ase

)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

18

B D3-1 D3-2 D3-3 D3-4

Fig 32-6 The Comparison of Changed Orifice D3

Number of experiment

1 2 3

Inje

ction

am

oun

t(in

jba

se)

00

02

04

06

08

10

12

14

16

B D4

Fig 32-7 The Comparison of Changed Orifice D4

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

5 참고문헌

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(2) Jung Y I 2005 Emission Reduction technology and Emission

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(3) 수도권 기질 환경 개선에 한 특별법 환경부

httpwwwmegokr

(4) Ryu J H Lee D Y Cho Y S Lee J T Lee Y J Lee S

W 2007 Alternative Energy MunwoonDang

(5) Jose M Desantes Jean A J Javior Sjoerd H 2005

Experimental characteristic of outlet flow for different diesel nozzle

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(6) Cho S W Min K D 2003 Development of Liquid LPG

Injector flowrate model Trans of KSAE Vol 11 No 5 pp22~28

(7) Lee Y H Park Y J Kim D S Jo Y S 2004 Variation of

exhaust gas temperature and combustion stability with the changes of

spark and exhaust valve timings during cold start of an SI engine

proceedings of KSAE Annual meeting pp39～45

(8) Lee J S 1998 A study on the improvement of combustion

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Automotive Technology Vol6 No6 pp259～266

(9) Lee K H Kim K S 2001 Influence of initial combustion in SI

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combustion process International Journal of Automotive Technology

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(10) Heywood J B Internal combustion engine fundamentals Mc

Graw Hill pp 419～423

(11) Einewall P Johansson B 2000 Cylinder to cylinder and cycle

to cycle variations in a six cylinder lean burn natural gas engine

SAE paper 2000-01-1941

- 46 -

(12) Bush K J 1994 Automatic cylinder AF ratio control fuel

mixture using a proportional exhaust gas sensor SAE paper 940149

(13) Kim H s Park J I Kauh S K Individual cylinder AF

control using wide band oxygen sensor proceedings of KSAE Annual

meeting

(14) Joo K S Kim C S Hong S T Park Y P Lee D Y 2007

Measurement and analysis of air distribution in intake port for

medium duty SI engine proceedings of KSAE Annual meeting pp2

1～26

(15) Baker P Watson H 2005 MPI AF mixing for gaseous and

liquid LPG SAE paper 2005-01-0246

(16) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 User Guide

(17) Kim B H Jeon C H Chang Y J 1994 The in-cylinder flow

analysis using the RDT k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp445～448

(18) Yang H C You H S Lim J H 1997 A study of

applicability of RNG k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp1149～1164

(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

engine cylinder using FEM proceedings of KSAE Annual meeting

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(20) Myeong H K 2004 Computational Heat and Fluid Dynamics for

Engineering MunwoonDang

(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

PortValve Asssembly and cylinder Using a RNG k-ε Model KSME

Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 42 -

오리피스 D1의 단면 을 약 170증가시켰을 때 기존의 인젝터와 비교

해본 분사량은 318 감소하 다(Fig 32-4) 오리피스 D2의 단면 변화

는 약 126 약 146 약 170 증가에 따른 분사량의 변화는 252

191 306로 감소가 발생하 다(Fig 32-5) 오리피스 D3의 스페이서

의 치에 따른 분사량 변화는 스페이서를 단부에 두었을 때 1개일 경

우 109 증가되었고 2개일 경우 173증가되었다 후단부에 1개 두었을

때 12 2개 두었을 때 19증가함으로써 후단부의 증분량이 많았다

(Fig 32-6) 오리피스 D4의 노즐 직경을 기존 인젝터에 비해 약 333증

가시켰으며 오리피스 D4는 기상으로 연료가 분사되는 부분으로 기압과

직 으로 련이 되어 다른 오리피스와는 다르게 차압의 크기가 가장

크기 때문에 단면 을 변화 시켰을 때 향을 가장 많이 받기 때문에 오

리피스 D3와 마찬가지로 단면 이 증가함에 따라 분사량이 증가함을 보

다(Fig 32-7)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

5 참고문헌

(1) EPA 2004 THE CLEAN AIR ACT httpwwwepagov

(2) Jung Y I 2005 Emission Reduction technology and Emission

Regulation NGT Seminar pp10

(3) 수도권 기질 환경 개선에 한 특별법 환경부

httpwwwmegokr

(4) Ryu J H Lee D Y Cho Y S Lee J T Lee Y J Lee S

W 2007 Alternative Energy MunwoonDang

(5) Jose M Desantes Jean A J Javior Sjoerd H 2005

Experimental characteristic of outlet flow for different diesel nozzle

geometries SAE paper 2005-01-2120

(6) Cho S W Min K D 2003 Development of Liquid LPG

Injector flowrate model Trans of KSAE Vol 11 No 5 pp22~28

(7) Lee Y H Park Y J Kim D S Jo Y S 2004 Variation of

exhaust gas temperature and combustion stability with the changes of

spark and exhaust valve timings during cold start of an SI engine

proceedings of KSAE Annual meeting pp39～45

(8) Lee J S 1998 A study on the improvement of combustion

stability for SI engine at idle operation International Journal of

Automotive Technology Vol6 No6 pp259～266

(9) Lee K H Kim K S 2001 Influence of initial combustion in SI

engine on following combustion stage and cycle-by-cycle variation in

combustion process International Journal of Automotive Technology

Vol2 No1 pp25～31

(10) Heywood J B Internal combustion engine fundamentals Mc

Graw Hill pp 419～423

(11) Einewall P Johansson B 2000 Cylinder to cylinder and cycle

to cycle variations in a six cylinder lean burn natural gas engine

SAE paper 2000-01-1941

- 46 -

(12) Bush K J 1994 Automatic cylinder AF ratio control fuel

mixture using a proportional exhaust gas sensor SAE paper 940149

(13) Kim H s Park J I Kauh S K Individual cylinder AF

control using wide band oxygen sensor proceedings of KSAE Annual

meeting

(14) Joo K S Kim C S Hong S T Park Y P Lee D Y 2007

Measurement and analysis of air distribution in intake port for

medium duty SI engine proceedings of KSAE Annual meeting pp2

1～26

(15) Baker P Watson H 2005 MPI AF mixing for gaseous and

liquid LPG SAE paper 2005-01-0246

(16) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 User Guide

(17) Kim B H Jeon C H Chang Y J 1994 The in-cylinder flow

analysis using the RDT k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp445～448

(18) Yang H C You H S Lim J H 1997 A study of

applicability of RNG k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp1149～1164

(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

engine cylinder using FEM proceedings of KSAE Annual meeting

pp242～247

(20) Myeong H K 2004 Computational Heat and Fluid Dynamics for

Engineering MunwoonDang

(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

PortValve Asssembly and cylinder Using a RNG k-ε Model KSME

Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 43 -

4 결론

41 인젝터 수치해석

기체분사용 LPG 인젝터의 분사량은 공 되는 퓨얼 일의 압력과 흡기

내의 압력 차이로 결정된다 인젝터의 내부는 5개의 오리피스로 구성

이 되어있으며 5개의 오리피스 가운데 가장 분사량에 요한 변수가 될

수 있는 오리피스를 인젝터 내부 압력해석을 통해 확인 하 으며 오리피

스 D3과 D4에서 단면 변화가 작아도 분사량에 큰 향을 수 있는

것을 확인하 다 따라서 오리피스의 단면 차이는 서론에서 언 한 분

사량 편차로 존재하게 되고 이는 바로 공연비에 향을 주어 강화된 배출

가스 규제에 응하기 어렵기 때문에 오리피스 D3과 D4의 정 한 가공이

필요하다

42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정

본 연구에 사용된 연료공 시스템은 LPG 기상분사 시스템이며 이 시

스템은 강화되는 배기가스 기 에 응하고 엔진의 성능을 향상시킬 수

있는 차세 연료공 장치이다 본 실험에 사용된 실험 장치의 반복 측

정 결과 실험 오차는 약 04로 매우 정확했다 인젝터 분해 조립 후의

분사량 편차를 최소화하기 하여 인젝터 내부 다이어 램의 거동을 기존

의 양산 인젝터와 동일한 값으로 유지하고 실험을 수행하 다 본 실험을

통하여 수치해석결과를 확인 할 수 있었으며 실험 결과는 오리피스 D3과

D4의 단면 이 소폭 증가하여도 분사량은 크게 증가함을 볼 수 있었다

특히 오리피스 D3의 경우 단면 의 차이에 따라서 분사량이 크게 증가하

지만 스페이서의 치에 따라서도 분사량이 차이가 나는 것을 확인 할

수 있었으며 이를 통하여 다이어 램의 거동에 따라서 분사량이 향을

받게 되는 것을 확인 할 수 있었다 따라서 이러한 인젝터의 분사량 편차

를 이기 해서는 인젝터 부품의 가공오차를 감소 시켜야 하고 이를 통

해서 1 정도 수 의 정 한 공연비 제어가 이루어져야한다

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

5 참고문헌

(1) EPA 2004 THE CLEAN AIR ACT httpwwwepagov

(2) Jung Y I 2005 Emission Reduction technology and Emission

Regulation NGT Seminar pp10

(3) 수도권 기질 환경 개선에 한 특별법 환경부

httpwwwmegokr

(4) Ryu J H Lee D Y Cho Y S Lee J T Lee Y J Lee S

W 2007 Alternative Energy MunwoonDang

(5) Jose M Desantes Jean A J Javior Sjoerd H 2005

Experimental characteristic of outlet flow for different diesel nozzle

geometries SAE paper 2005-01-2120

(6) Cho S W Min K D 2003 Development of Liquid LPG

Injector flowrate model Trans of KSAE Vol 11 No 5 pp22~28

(7) Lee Y H Park Y J Kim D S Jo Y S 2004 Variation of

exhaust gas temperature and combustion stability with the changes of

spark and exhaust valve timings during cold start of an SI engine

proceedings of KSAE Annual meeting pp39～45

(8) Lee J S 1998 A study on the improvement of combustion

stability for SI engine at idle operation International Journal of

Automotive Technology Vol6 No6 pp259～266

(9) Lee K H Kim K S 2001 Influence of initial combustion in SI

engine on following combustion stage and cycle-by-cycle variation in

combustion process International Journal of Automotive Technology

Vol2 No1 pp25～31

(10) Heywood J B Internal combustion engine fundamentals Mc

Graw Hill pp 419～423

(11) Einewall P Johansson B 2000 Cylinder to cylinder and cycle

to cycle variations in a six cylinder lean burn natural gas engine

SAE paper 2000-01-1941

- 46 -

(12) Bush K J 1994 Automatic cylinder AF ratio control fuel

mixture using a proportional exhaust gas sensor SAE paper 940149

(13) Kim H s Park J I Kauh S K Individual cylinder AF

control using wide band oxygen sensor proceedings of KSAE Annual

meeting

(14) Joo K S Kim C S Hong S T Park Y P Lee D Y 2007

Measurement and analysis of air distribution in intake port for

medium duty SI engine proceedings of KSAE Annual meeting pp2

1～26

(15) Baker P Watson H 2005 MPI AF mixing for gaseous and

liquid LPG SAE paper 2005-01-0246

(16) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 User Guide

(17) Kim B H Jeon C H Chang Y J 1994 The in-cylinder flow

analysis using the RDT k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp445～448

(18) Yang H C You H S Lim J H 1997 A study of

applicability of RNG k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp1149～1164

(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

engine cylinder using FEM proceedings of KSAE Annual meeting

pp242～247

(20) Myeong H K 2004 Computational Heat and Fluid Dynamics for

Engineering MunwoonDang

(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

PortValve Asssembly and cylinder Using a RNG k-ε Model KSME

Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 44 -

43 수치해석과 실험 비교

수치해석을 통하여 확인한 결과를 토 로 실험에서 검증을 하 다 압력

해석결과와 마찬가지로 오리피스 단면 이 크게 증가하는 오리피스 D1과

D2에서는 분사량이 약간 감소하는 경향을 보 으며 압력강하의 향이

게 작용한 오리피스 D3과 D4에서는 단면 증가량이 크지 않았지만

분사량이 증가하는 경향을 보 다 이를 통하여 오리피스 D3과 D4의 단

면 편차가 커지면 공연비가 불규칙해지고 결과 으로 강화되는 배기가

스 규제에 응할 수 없음을 알 수 있었다

44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안

인젝터의 분사량 편차를 최소화하려는 이유는 각 기통간의 공연비를 정

하게 제어하려는데 있다 따라서 ECU의 학습기능을 이용하여 공연비

제어시 각 뱅크별로 인젝터의 분사량을 조 하 을 때 기 분사량보다

희박하거나 농후한 경우에 이를 바탕으로 보정계수를 생성하거나 인젝터

의 분사기간을 각기 다르게 미소하게 제어를 해 수 있도록 하는 방안이

있다 는 단품 인젝터의 인젝터 제조업체에게서 받아서 각 인젝터의 특

성을 ECU에 인식시켜 각 인젝터의 특성에 맞게 인젝터에 보정하여 분사

하는 방안이 있을 수 있다 기체분사용 LPG인젝터에서 오리피스 D3과

D4는 매우 요하게 생각해야하는 변수이며 이 부품의 가공 정 도를 높

이고 인젝터의 규격을 강화하여 오차를 최소화 할 수 있어야 한다

- 45 -

5 참고문헌

(1) EPA 2004 THE CLEAN AIR ACT httpwwwepagov

(2) Jung Y I 2005 Emission Reduction technology and Emission

Regulation NGT Seminar pp10

(3) 수도권 기질 환경 개선에 한 특별법 환경부

httpwwwmegokr

(4) Ryu J H Lee D Y Cho Y S Lee J T Lee Y J Lee S

W 2007 Alternative Energy MunwoonDang

(5) Jose M Desantes Jean A J Javior Sjoerd H 2005

Experimental characteristic of outlet flow for different diesel nozzle

geometries SAE paper 2005-01-2120

(6) Cho S W Min K D 2003 Development of Liquid LPG

Injector flowrate model Trans of KSAE Vol 11 No 5 pp22~28

(7) Lee Y H Park Y J Kim D S Jo Y S 2004 Variation of

exhaust gas temperature and combustion stability with the changes of

spark and exhaust valve timings during cold start of an SI engine

proceedings of KSAE Annual meeting pp39～45

(8) Lee J S 1998 A study on the improvement of combustion

stability for SI engine at idle operation International Journal of

Automotive Technology Vol6 No6 pp259～266

(9) Lee K H Kim K S 2001 Influence of initial combustion in SI

engine on following combustion stage and cycle-by-cycle variation in

combustion process International Journal of Automotive Technology

Vol2 No1 pp25～31

(10) Heywood J B Internal combustion engine fundamentals Mc

Graw Hill pp 419～423

(11) Einewall P Johansson B 2000 Cylinder to cylinder and cycle

to cycle variations in a six cylinder lean burn natural gas engine

SAE paper 2000-01-1941

- 46 -

(12) Bush K J 1994 Automatic cylinder AF ratio control fuel

mixture using a proportional exhaust gas sensor SAE paper 940149

(13) Kim H s Park J I Kauh S K Individual cylinder AF

control using wide band oxygen sensor proceedings of KSAE Annual

meeting

(14) Joo K S Kim C S Hong S T Park Y P Lee D Y 2007

Measurement and analysis of air distribution in intake port for

medium duty SI engine proceedings of KSAE Annual meeting pp2

1～26

(15) Baker P Watson H 2005 MPI AF mixing for gaseous and

liquid LPG SAE paper 2005-01-0246

(16) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 User Guide

(17) Kim B H Jeon C H Chang Y J 1994 The in-cylinder flow

analysis using the RDT k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp445～448

(18) Yang H C You H S Lim J H 1997 A study of

applicability of RNG k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp1149～1164

(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

engine cylinder using FEM proceedings of KSAE Annual meeting

pp242～247

(20) Myeong H K 2004 Computational Heat and Fluid Dynamics for

Engineering MunwoonDang

(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

PortValve Asssembly and cylinder Using a RNG k-ε Model KSME

Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 45 -

5 참고문헌

(1) EPA 2004 THE CLEAN AIR ACT httpwwwepagov

(2) Jung Y I 2005 Emission Reduction technology and Emission

Regulation NGT Seminar pp10

(3) 수도권 기질 환경 개선에 한 특별법 환경부

httpwwwmegokr

(4) Ryu J H Lee D Y Cho Y S Lee J T Lee Y J Lee S

W 2007 Alternative Energy MunwoonDang

(5) Jose M Desantes Jean A J Javior Sjoerd H 2005

Experimental characteristic of outlet flow for different diesel nozzle

geometries SAE paper 2005-01-2120

(6) Cho S W Min K D 2003 Development of Liquid LPG

Injector flowrate model Trans of KSAE Vol 11 No 5 pp22~28

(7) Lee Y H Park Y J Kim D S Jo Y S 2004 Variation of

exhaust gas temperature and combustion stability with the changes of

spark and exhaust valve timings during cold start of an SI engine

proceedings of KSAE Annual meeting pp39～45

(8) Lee J S 1998 A study on the improvement of combustion

stability for SI engine at idle operation International Journal of

Automotive Technology Vol6 No6 pp259～266

(9) Lee K H Kim K S 2001 Influence of initial combustion in SI

engine on following combustion stage and cycle-by-cycle variation in

combustion process International Journal of Automotive Technology

Vol2 No1 pp25～31

(10) Heywood J B Internal combustion engine fundamentals Mc

Graw Hill pp 419～423

(11) Einewall P Johansson B 2000 Cylinder to cylinder and cycle

to cycle variations in a six cylinder lean burn natural gas engine

SAE paper 2000-01-1941

- 46 -

(12) Bush K J 1994 Automatic cylinder AF ratio control fuel

mixture using a proportional exhaust gas sensor SAE paper 940149

(13) Kim H s Park J I Kauh S K Individual cylinder AF

control using wide band oxygen sensor proceedings of KSAE Annual

meeting

(14) Joo K S Kim C S Hong S T Park Y P Lee D Y 2007

Measurement and analysis of air distribution in intake port for

medium duty SI engine proceedings of KSAE Annual meeting pp2

1～26

(15) Baker P Watson H 2005 MPI AF mixing for gaseous and

liquid LPG SAE paper 2005-01-0246

(16) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 User Guide

(17) Kim B H Jeon C H Chang Y J 1994 The in-cylinder flow

analysis using the RDT k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp445～448

(18) Yang H C You H S Lim J H 1997 A study of

applicability of RNG k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp1149～1164

(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

engine cylinder using FEM proceedings of KSAE Annual meeting

pp242～247

(20) Myeong H K 2004 Computational Heat and Fluid Dynamics for

Engineering MunwoonDang

(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

PortValve Asssembly and cylinder Using a RNG k-ε Model KSME

Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 46 -

(12) Bush K J 1994 Automatic cylinder AF ratio control fuel

mixture using a proportional exhaust gas sensor SAE paper 940149

(13) Kim H s Park J I Kauh S K Individual cylinder AF

control using wide band oxygen sensor proceedings of KSAE Annual

meeting

(14) Joo K S Kim C S Hong S T Park Y P Lee D Y 2007

Measurement and analysis of air distribution in intake port for

medium duty SI engine proceedings of KSAE Annual meeting pp2

1～26

(15) Baker P Watson H 2005 MPI AF mixing for gaseous and

liquid LPG SAE paper 2005-01-0246

(16) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 User Guide

(17) Kim B H Jeon C H Chang Y J 1994 The in-cylinder flow

analysis using the RDT k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp445～448

(18) Yang H C You H S Lim J H 1997 A study of

applicability of RNG k-ε model proceedings of KSME Annual

meeting pp1149～1164

(19) Choi J W Kim B S Park C K 1999 Flow analysis in the

engine cylinder using FEM proceedings of KSAE Annual meeting

pp242～247

(20) Myeong H K 2004 Computational Heat and Fluid Dynamics for

Engineering MunwoonDang

(21) Park S K Yang H C 1997 Flow Analysis within a

PortValve Asssembly and cylinder Using a RNG k-ε Model KSME

Vol 22 No 4

(22) White FM 2004 Fluid Mechanics 5th edition Macgraw-hill

(23) CD ADAPCO 2007 STAR-CD Ver326 Methodology

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

- 47 -

부록 Ⅰ 공해 자동차 기 (2006년 1월 1일)

저공해자동차 종류

차종일산화탄

질산화물

탄화수입자상물질

측정방법배기가스

부로바이가스

발가스

제1종 든차종 0gkm 0gkm 0gkm 0g1주행 0g 스트 - -

제2종

가스자동차

경자동차 형 승용화물

형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

04gkwh이하

20gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

하이브리드자동차

휘발유가스

경자동차형 승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm이하

00063gkm이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh이하

0g1주행 - - ETC 드

경

유

경자동차 형승용화물형

승용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

027gkm 이하

034gkm 이하

- -001gkm 이하

제3종

휘발유자동차

경자동차형승용화물형 승용화물

0625gkm이하

00125gkm 이하

00063gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하- CVS-75 드

대형 승용화물초대형 승용화물

40gkwh 이하

20gkwh 이하

055gkwh 이하

0g1주행 - - ETC 드

경 유자동차

경자동차 형승용화물 형승

용화물

RWle1305kg050gkm 이하

013gkm 이하

018gkm 이하

- -001gkm 이하

ECE-15 및EUDC 드

1305ltRWle1760kg

063gkm 이하

017gkm 이하

023gkm 이하

- -001gkm 이하

RWgt1760kg074gkm 이하

039gkm 이하

046gkm 이하

- -001gkm 이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

15gkwh 이하

35gkwh 이하

046gkwh 이하

- -001gkwh

이하ND-13 드

가 스자동차

경자동차106gkm 이하

0023gkm 이하

0025gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하CVS-75 드

형 승용화물형 승용화물

131gkm 이하

0033gkm 이하

0034gkm 이하

0g1주행1g 스트

이하

대형 승용화물 초대형 승용화물

04gkwh 이하

263gkwh 이하

02gkwh 이하

0g1주행 - - ND-13 드

- 48 -

1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)

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1 차종(車種)은 「 기환경보 법 시행규칙」 별표 5 제4호의 규정에 의한다

2 시험 량(RW Reference Weight)은 공차 량에 100kg을 더한 수치로 한다

3 경유를 사용하는 소형승용자동차(하이 리드자동차를 포함한다) 차량총 량

이 25톤 미만인 자동차는 시험 량(RW)le1305킬로그램(kg) 기 에 의한다

4 제3종 경유자동차 차량 총 량이 25톤을 과하는 소형승용화물 형승

용화물은 2007년 1월 1일부터 형승용화물 형승용화물은 2006

년 10월 1일부터 용한다

5 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보 법」 제32조의 규정에 의한 인증을

받고 2006년 1월 1일부터 2006년 12월 31일까지 출고되는 제3종 휘발유자동

차 소형승용을 제외한 자동차 2005년 12월 31일 이 에 「 기환경보

법」 제32조의 규정에 의한 인증을 받고 2006년 1월 1일부터 2007년 6월 30

일까지 출고되는 제3종 가스자동차 소형승용자동차에 하여는 1 2005년 1

월 1일 이후 의 기 을 용한다

6 소형승용 휘발유자동차의 온(-67) 시동시 일산화탄소 배출허용기 은

63gkm 이하로 한다

7 휘발유자동차 가스자동차 형승용화물 형 승용화물의 배기

가스는 비(非)메탄계탄화수소(NMHC)로 측정하고 그 밖의 자동차의 배기

가스는 비메탄계유기가스(NMOG)[비메탄계탄화수소(NMHC)로 측정할 경우

에는 비메탄계탄화수소(NMHC) 측정값에 104를 곱한 값을 비메탄계유기가스

(NMOG) 측정값으로 한다]로 측정하고 경유자동차의 배기 가스는 총탄화수

소(THC)로 측정하되 경유에 다른 연료를 혼합하여 사용하는 경우에는 비메

탄계탄화수소(NMHC)로 측정한다

8 ECE-15 EUDC모드로 측정하는 경유자동차(하이 리드자동차를 포함한다)

의 배기 가스기 은 탄화수소에 질소산화물을 더한 값으로 한다

9 제3종 경유자동차 소형승용에서 「여객자동차 운수사업법」 제3조의 규정에

의한 여객자동차운수사업용으로 등록된 자동차를 제외한다

• 목차
• • 1 서론
  • • 11 연구배경
    • 12 연구동향
    • • 121 LPG엔진 연구동향
      • 122 연소 안정성 연구 동향
      • 1221 광역 산소센서를 이용한 공연비 제어 연구 사례
      • 1212 흡기관 공기 분배성 연구 사례
      • • 123 해석 동향
        • 13 연구개요 및 목표
        • • 2 연구내용
          • • 21 실험장치의 구성
            • • 211 분사량 평가장치
              • 212 인젝터
              • 213 Injector signal
              • • 22 분사량 측정
                • • 221 실험방법
                  • 222 측정오차 및 재현성
                  • 223 인젝터 다이어프램 변화 측정
                  • • 23 인젝터 형상 및 가공
                    • • 231 인젝터의 오리피스 형상
                      • • 24 인젝터 내부의 수치해석
                        • • 241 수치해석을 위한 설계
                          • 242 수치해석 모델 및 절차
                          • • 3 해석 결과 및 실험 결과
                            • • 31 해석 결과
                              • • 311 해석 결과
                                • • 32 실험 결과
                                  • • 321 실험 결과
                                    • • 4 결론
                                      • • 41 인젝터 수치해석
                                        • 42 실험을 통한 인젝터 분사량 측정
                                        • 43 수치해석과 실험 비교
                                        • 44 인젝터 분사량 편차 최소화 방안
                                        • • 5 참고문헌
                                          • 부록 저공해 자동차 기준(2006년 1월 1일)