Study on the Measurement of the Liquid Fuel Film Using Laser Induced Fluorescence with Total Internal Reflection

Abstract

직접 분사 스파크 점화 엔진에서는 연소실 내로 연료를 직접 분사하여 연료가 기화될 때 발생하는 차지쿨링 효과를 극대화하여 높은 체적 효율을 확보하고 압축비를 높일 수 있다. 이런 효과로부터 엔진의 출력은 유지한 채 크기를 줄이는 다운사이징이 가능하다. 다운사이징으로 줄어든 무게와 열 손실은 연료 소비 효율을 개선시키고 결과적으로 CO2 배출이 감소한다. 이러한 장점을 바탕으로 직접 분사 엔진의 점유율이 빠르게 늘어나고 있다. 한편, 직접 분사 엔진의 구조상 연소실 내부로 분사된 연료가 피스톤이나 실린더 벽면에 도달하기 쉬워졌다는 단점도 있다. 연료가 완벽하게 기화되지 않거나 연료 막으로 남게 되면 국부적으로 연료가 농후한 지역을 형성하고 연소에 악영향을 끼쳐 불완전 연소와 입자상 물질 배출의 원인이 된다. 점차 엄격해지는 배기 규제에 대응하기 위해 배기 물질의 형성 원인인 연료 막 생성을 최대한 억제해야 한다. 피스톤과 실린더에 잔류하는 연료를 효율적으로 저감하기 위해서는 연료 막의 형성과 기화 과정에 대한 충분한 이해가 필요하다. 연료 막 형성에 영향을 미치는 인자들에 대해 알아보고자 레이저 유도 형광법을 이용하여 직접 분사 스파크 점화 엔진에서 연료 막에 대한 정량적인 계측 연구를 수행하였다. 내부전반사로 레이저의 경로를 제한하여 연료 막 위의 공기 중 연료 액적들의 형광이 일어나지 않도록 하였다. 이 연구의 결과로 연료 막의 형성에 영향을 미치는 인자들에 대한 이해도를 높이고 연료 막 모델링에 기반 자료를 제공할 수 있다. 내부전반사를 이용했던 기존 연구들을 바탕으로 실험을 진행하던 중 레이저 펄스가 내부전반사가 일어나면 연료 막을 두 번 투과하게 된다는 사실을 발견했다. 연료 막은 두 배의 레이저 펄스 에너지를 흡수할 것이고 그만큼 더 큰 형광 신호가 방출된다. 이러한 점을 고려하여 두께 게이지를 이용한 정량화 과정을 진행하였고 성공적으로 연료 막을 정량화 할 수 있었다. 이 연구에서는 기존 연구들에서 논의되지 않았던 연료 막 내의 두께 분포에 대한 분석을 시도하였다. 그 동안 시도하지 않았던 연료 온도에 따른 연료 막 형성 특성도 관찰하고자 하였다. 연료 막의 질량, 면적, 두께 분포의 결과를 종합하여 연료 막 형성에 가장 중요한 인자를 밝혀내고자 하였다. 분사 압력과 다단 분사는 고정된 시스템에서는 큰 효과를 내지 못하였다. 연료 온도의 증가는 연료 막 형성에 가장 큰 효과를 가져왔다. 연료의 온도를 섭씨 30도에서 90도로 증가시켰을 때 연료의 질량과 면적은 40~50% 감소하였고 더 균일한 두께의 막이 형성되었다. 벽면과의 충돌 각도 또한 연료 막 특성에 주요한 영향을 미쳤다. 수직으로 벽에 부딪힐 때보다 45° 기울어져서 부딪힐 때 연료 막의 질량이 25~30 % 감소하였다. 충돌 방향으로 축적된 연료에 의해 연료 막 내의 두께가 다양하게 분포하는 형상이 보였다. 이러한 결과는 연료가 두껍게 막을 형성하고 있는 것이 기화에 불리하므로 경사지게 충돌하는 것이 연소에 유리하다고 단정지을 수는 없는 근거가 될 수 있다.

Direct Injection Spark Ignition (DISI) engine has taken advantages of high volume efficiency and high compression ratio caused by the charge-cooling effect. These make it possible to equip a smaller engine into a vehicle while maintaining output. As a result, CO2 emissions is suppressed because the fuel consumption efficiency is advanced by reducing heat loss and weight reduction. With these advantages, the application of direct injection engines is widely spreading. However, non-evaporated droplets and fuel film create localized stoichiometric rich areas which have an adverse effect on combustion such as incomplete combustion and soot emissions. It is necessary to understand the wall film formation and evaporation processes to reduce piston or cylinder wall wetting. A quantitative measurement of the formation characteristics of fuel liquid film, which is the cause of particulate matter emission in DISI engines, was conducted by using Laser Induced Fluorescence (LIF) method. Total Internal Reflection (TIR) prevents the laser from absorbing into the airborne droplets above the fuel film by limiting the laser path. Fuel liquid film was measured irrespective of the injection timing. As a result of this study, it is possible to improve the basic understanding of fuel liquid film formation and a guideline can be provided as a basis for fuel film modeling. While the experiment based on the preceding TIR study was carried out, It has been found that the laser pulse in the path of TIR passes through the fuel film twice. The fuel film absorbs twice as much energy as expected and emits a strong LIF signal that is twice as intensive. Calibration for the quantification using the thickness gauge was carried out and the fuel film was quantified considering the aforementioned facts. In this study, the distribution of the thickness, which had not been discussed in the previous study, and thickness of the fuel film including the fuel temperature are investigated using LIF. The empirical results of mass, area and the thickness distribution of the fuel film were analyzed to find the condition that has the most significant amount of effect on the formation of the fuel film. Injection pressure and split injection do not have a great effect on the fixed system. An elevated changes in the temperature of the fuel seems to have a significant effect on the fuel film formation characteristics. It is discovered that the mass and area are reduced by 40~50%, and a uniform thin film is formed when the temperature of fuel rises 30°C to 90°C .