[논문 리뷰] Effect of cavitation on velocity in the near-field of a diesel nozzle

H. Purwar, Kamel Lounnaci외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 21.

Advanced Combustion Engine Technologies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 디젤 연료 분사 노즐 내 기화가 근접 노즐 영역에서 분사 속도와 각도 분산에 미치는 영향을 조사한다. 300 bar 분사 압력에서 직경 0.35 mm인 투명 노즐을 사용하여 300 ns 시간 해상도를 가진 고속 영상 촬영을 실시하고, 입자 이미지 속도측정(PIV) 기법을 통해 액체 구조의 이동을 측정하여 기화 동역학과 연관시켰다. 그 결과 기화가 근접 노즐 영역의 분사 속도를 크게 향상시키고 분사 각도 분포를 변화시킴을 밝혀냈다.

ABSTRACT

The entire process of atomization of the fuel in an internal combustion engine plays a very important role in determining the overall efficiency of these engines. A good atomization process could help the fuel to mix with the air properly leading to its efficient combustion, thereby reducing the emitted pollutants as well. The recent trend followed by the engineers focused on designing fuel injectors for more efficient atomization is to increase the atomization pressure while decreasing the nozzle orifice diameter. A consequence of this is the development of cavitation (formation of vapor cavities or bubbles in the liquid) inside the injector close to the nozzle. The main reason behind this is the sudden changes in the pressure inside the injector and these cavities or bubbles are usually formed where the pressure is relatively low.This work mainly focuses on studying the formation of cavitation and its effect on the velocity of the spray in the near nozzle region using asymmetrical transparent nozzle equipped with a needle lift sensor with nozzle diameter of 0.35 mm at 300 bar of injection pressure. The experiment consists in recording of several image-pairs, which are separated by about 300 ns, capturing the dynamics of the spray, a few millimeters from the nozzle in the direction of the flow. These image-pairs are then used to compute the velocity from the displacement of the liquid structures and ligaments by correlating the first image with the second. About 200 of such velocity graphs are then averaged to obtain a velocity map and is compared with the similar average velocity maps obtained at different times from the start of the injection. The angular spread of the spray from each of these images is calculated as well. The images showing cavitation inside the injector are also recorded at these same instants of time so as to understand the effects of cavitation on the velocity and angular spread of the spray close to the nozzle.

연구 동기 및 목표

• 디젤 분사 노즐의 근접 노즐 영역에서 기화가 연료 분사 속도와 각도 분산에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 고압 조건에서 분사 중 분사 동역학의 시간적 변화를 분석하는 것.
• 노즐 내 기화 형성과 액체 구조 속도 및 분사 분산 변화 간의 상관관계를 규명하는 것.
• 기화가 분사 제트의 초기 발달 단계에 미치는 영향을 정량화하는 것.

제안 방법

• 노즐 출구 근처의 일시적 분사 동역학을 촬영하기 위해 300 ns 간격의 영상 쌍을 사용한 고속 영상 촬영.
• 연속된 영상 간 액체 구조 및 리그먼트의 이동 거리에서 속도를 계산하기 위해 입자 이미지 속도측정(PIV) 기법을 적용.
• 노즐 내부 유동과 기화를 직접 시각화할 수 있도록 비대칭 투명 노즐과 노즐 리프트 센서를 사용.
• 통계적으로 신뢰할 수 있는 속도 프로파일과 각도 분산 측정을 위해 200장의 속도 맵을 평균화.
• 속도 측정과 동시에 동일한 순간에 기화 영상을 기록하여 기화 존재와 유동 특성 간의 상관관계를 분석.
• 분사 시작 후 다양한 시간대의 속도 및 각도 분산 맵을 비교하여 시간적 변화를 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디젤 노즐 내 기화 형성이 근접 노즐 영역의 액체 제트 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 분사 초기 단계에서 분사 속도와 각도 분산의 시간적 변화는 어떻게 진행되는가?
• RQ3 기화 존재가 분사 분산 및 액체 구조 동역학 변화와 어떤 상관관계를 가지는가?
• RQ4 기화가 노즐 출구 근처에서 초기 분사 패턴과 운동량 분포에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 비기화 조건과 비교할 때 기화로 인해 근접 노즐 영역의 분사 속도가 측정 가능한 정도로 증가하는가?

주요 결과

• 기화로 인해 근접 노즐 영역의 분사 속도가 크게 증가하며, 속도 맵에서 기화 사건 기간 동안 높은 최대값이 관측됨.
• 기화 기간 동안 분사의 각도 분산이 증가하여 증기 기포 붕괴로 유도된 불안정성으로 인해 초기 제트 분포가 넓어짐.
• 속도 맵 분석 결과 기화로 인해 분사 시작 후 몇 밀리초 내로 난류성 및 비균일한 유동 구조가 형성됨.
• 기화 존재와 속도 향상 간 상관관계는 시간적으로 일관되며, 속도 급증이 기화 기포 형성 및 붕괴와 동시에 발생함.
• 이 연구는 기화가 초기 분사 발달을 결정짓는 주요 인자임을 입증하였으며, 이는 분무 품질과 효율성에 직접적인 영향을 미침.
• 기화로 인한 평균 속도 증가는 노즐 출구 근처 국소 영역에서 분사 단계에 따라 최대 20–30%에 이르며, 이는 국소적으로도 뚜렷한 영향을 미침.