KR100814083B1 - 평균 액적 크기 측정장치 - Google Patents

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KR100814083B1
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이충원
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박종원
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 평균 액적 크기 측정장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 공급받은 액체를 미립화(atomization)된 상태로 분사하며 도전성 소재로 형성된 분사 노즐에 있어서, 분사 노즐로부터 분사되는 액적의 평균 크기를 측정하는 것으로, 분사 노즐과 분사 노즐 주위 간에 전위차를 발생시켜 전기장을 형성하는 전원부; 분사 노즐을 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부; 및 전류 측정부로부터 측정된 전류를 제공받아서, 분사 노즐로부터 분사되는 액체에 대한 평균 액적 크기를 산출하는 산출부;를 구비한다.

Description

평균 액적 크기 측정장치{Apparatus for measuring mean drop size}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평균 액적 크기 측정장치에 대한 구성도.
도 2는 도 1에 있어서, 전원부의 다른 예가 적용된 경우에 대한 구성도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 평균 액적 크기 측정장치에 있어서, 평균 액적 크기를 산출하는 수식이 도출되는 과정을 설명하기 위한 그래프.
〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉
10..분사 노즐 110..전원부
120..전류 측정부 130..산출부
본 발명은 각종 분사 노즐로부터 분사되는 액적의 평균 크기를 측정하는 장치에 관한 것이다.
디젤 엔진(diesel engine)은 기구학적인 요소에서 가솔린 엔진과 거의 비슷하지만, 연료의 연소 과정에 차이가 있다. 가솔린 엔진은 연소실 내에서 공기와 연료의 혼합기체를 압축한 다음, 전기적인 불꽃으로 점화(spark ignition)한다. 이에 비해, 디젤 엔진은 공기만을 흡입하고 고압축비로 압축한 다음, 노즐로부터 연료를 미립화(atomization)시켜 연소실 내로 분사하여, 공기의 압축열에 의해 자기 착화시킨다.
따라서, 디젤 엔진에서는 가솔린 엔진에서의 점화장치를 필요로 하지 않고, 연료분사 장치를 필요로 한다. 연료분사장치는 적정 시기에 적정량의 연료를 미립화시켜 연소실 내로 분사하는 기능을 하며, 엔진성능에 매우 중요한 역할을 한다.
연료분사장치는 분사 펌프(injection pump)와 분사 노즐(injection nozzle) 등을 포함하여 구성된다. 분사 펌프는 분사 시기를 조정하기 위한 것이다. 그리고, 분사 노즐은 연료를 미립화시켜 연소실에 공급하기 위한 것이다. 분사 노즐에 의해 미립화가 잘될수록 총 표면적이 커지게 되며, 그에 따라 기화가 잘되고 산소와의 반응도 월등히 쉬워질 수 있다. 이처럼 미립화는 발화 및 완전연소의 필요조건 중의 하나로서, 엔진성능에 매우 중요한 역할을 하는 것이다.
분사 노즐은 디젤 엔진 분야 이외에도, 액체를 미립화시킬 필요가 있는 각종 분야에 사용되고 있다. 분사 노즐은 사용되는 분야에 따라 각 분야에 적합한 미립화 상태로 분사할 수 있도록 미리 테스트 과정을 거칠 수 있다. 이때, 분사 노즐에 의한 미립화 상태는 노즐로부터 분사되는 액체의 평균 액적 크기를 측정함으로써 확인될 수 있다.
평균 액적 크기를 측정하기 위해, 여러 방안이 제시되고 있다. 그 일 예로, 레이저조사장치와 영상처리장치를 이용한 경우가 있다. 여기서, 레이저조사장치는 분사 노즐로부터 분사되는 액체에 레이저를 조사함으로써, 레이저 회절(diffraction)이 발생할 수 있게 한다. 그리고, 영상처리장치는 레이저 회절을 촬영하여 분석함으로써, 액체의 평균 액적 크기가 산출될 수 있게 한다.
그러나, 전술한 바와 같이, 레이저조사장치와 영상처리장치가 평균 액적 크기를 측정하는 경우, 측정에 이용되는 상기 장치들이 고가인 단점이 있다. 이에 따라, 분사 노즐에 의한 미립화 상태를 테스트하기 위해, 많은 비용이 소요될 수 있다.
게다가, 엔진에 장착되는 분사 노즐인 경우, 엔진이 실제로 운전 중인 상황에서, 평균 액적 크기는 레이저조사장치와 영상처리장치에 의해 측정되기 어렵다. 이는 다음과 같은 이유에서이다. 평균 액적 크기를 측정하기 위해서, 레이저조사장치와 영상처리장치는 엔진의 연소실 내에 설치되어야 한다. 그런데, 엔진이 운전 중일 때 연소실 내부에 연소가 일어나며, 그에 따라 연소실 내부는 고온 상태가 되기 때문이다.
이와 같이 엔진이 실제로 운전 중인 상황에서, 레이저조사장치와 영상처리장치로는 평균 액적 크기가 측정되기 어려우므로, 엔진이 차량에 탑재되어 운전 중일 때, 평균 액적 크기를 실시간으로 감시하는 것도 힘들게 된다. 따라서, 엔진이 차량에 탑재되어 운전 중일 때, 연료를 최적 상태로 미립화시키도록 제어하는데 레이저조사장치와 영상처리장치가 적용되기 어려운 문제가 있을 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 어떠한 종류의 분사 노즐 에 대해서도 분사 노즐로부터 분사되는 액적의 평균 크기를 측정할 수 있을 뿐 아니라, 엔진 등이 실제로 운전 중이더라도 평균 액적 크기를 실시간으로 용이하게 측정할 수 있는 평균 액적 크기 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 평균 액적 크기 측정장치는, 공급받은 액체를 미립화(atomization)된 상태로 분사하며 도전성 소재로 형성된 분사 노즐에 있어서, 상기 분사 노즐로부터 분사되는 액적의 평균 크기를 측정하는 것으로, 상기 분사 노즐과 상기 분사 노즐 주위 간에 전위차를 발생시켜 전기장을 형성하는 전원부; 상기 분사 노즐을 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부; 및 상기 전류 측정부로부터 측정된 전류를 제공받아서, 상기 분사 노즐로부터 분사되는 액체에 대한 평균 액적 크기를 산출하는 산출부;를 구비한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평균 액적 크기 측정장치에 대한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 평균 액적 크기 측정장치(100)는, 분사 노즐(10)로부터 분사되는 액적의 평균 크기를 측정하는 것으로, 전원부(110)와, 전류 측정부(120), 및 산출부(130)를 포함하여 구성된다.
본 실시예에서, 분사 노즐(10)은 액체 공급부(11)로부터 액체를 공급받으며, 공급받은 액체를 미립화(atomization)된 상태, 즉 다수의 액적 상태로 분사한다. 이러한 분사 노즐은 다양한 종류로 이루어질 수 있다. 예컨대, 분사 노즐(10)은 2-유체(twin-fluid) 노즐, 제트(jet) 노즐, 스월(swirl) 노즐, 제트-스월(jet-swirl) 노즐, 로터리(rotary) 노즐 등으로 이루어질 수 있다.
이 중에서, 분사 노즐(10)이 2-유체 노즐인 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 분사 노즐(10)로 액체 공급부(11)로부터 액체를 공급함과 아울러 공기압 공급부(12)에 의해 공기압을 제공함으로써, 분사 노즐(10)로부터 액체를 미립화된 상태로 분사시킬 수 있게 한다. 상기 분사 노즐(10)은 본 실시예에 따른 측정장치(100)의 적용시 전류가 흐를 수 있도록 도전성 소재로 형성된다.
전원부(110)는 전술한 분사 노즐(10)과 분사 노즐(10) 주위 간에 전위차를 발생시켜 전기장을 형성하기 위한 것이다. 예컨대, 전원부(110)는 분사 노즐(10)의 전위가 분사 노즐(10) 주위의 전위보다 높도록 전압을 인가함으로써, 분사 노즐(10)과 분사 노즐(10) 주위 간에 전위차를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 분사 노즐(10)로부터 액체 분사시, 전류는 전원부(110)로부터 분사 노즐(10)을 거쳐 분사 노즐(10)로부터 분사되는 액체 측으로 흐를 수 있게 된다.
이 경우, 분사 노즐(10)로부터 액체 공급부(11) 측으로 전류가 누설되지 않도록, 분사 노즐(10)과 액체 공급부(11) 사이가 절연되도록 하거나, 분사 노즐(10)과 액체 공급부(11) 사이에 분사 노즐(10)로 인가되는 전압보다 높은 전압이 인가되도록 할 수 있다. 그리고, 전류가 액체 측으로 더욱 원활하게 유도될 수 있도록, 측정 장치(100)는 외부 전극(115)을 더 구비할 수 있다.
외부 전극(115)은 분사 노즐(10)로부터 분사되는 액체를 사이에 두고 분사 노즐(10)과 이격되게 배치될 수 있다. 여기서, 외부 전극(115)은 도 1에 도시된 바와 같이, 접지가 될 수 있다. 이 경우, 외부 전극(115)과 분사 노즐(10) 사이에 전위차가 발생할 수 있도록, 전원부(110)는 분사 노즐(10)이 외부 전극(115)보다 높은 전위를 갖도록 분사 노즐(10)에 전압을 인가할 수 있다. 이에 따라, 전류는 분사 노즐(10)로부터 분사 노즐(10)과 외부 전극(115) 사이에서 분사되는 액체를 거쳐 외부 전극(115)으로 흐를 수 있게 된다. 한편, 외부 전극(115)이 생략되는 대신, 분사 노즐(10)로부터 분사된 액체를 담는 챔버 등이 접지되는 것도 가능하므로, 전술한 바에 한정되지는 않는다. 전원부(110)에 의해 공급되는 전원으로는 직류 전원이 이용되는 것으로 도시되어 있으나, 교류 전원이 이용되는 것도 가능하다.
다른 대안으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 분사 노즐(10)이 접지가 되는 한편, 전원부(110)는 외부 전극(115)이 분사 노즐(10)보다 높은 전위를 갖도록 외부 전극(115)에 전압을 인가하는 것도 가능하다. 이 경우, 전류는 외부 전극(115)으로부터 분사 노즐(10)과 외부 전극(115) 사이에서 분사되는 액체를 거쳐 분사 노즐(10)로 흐를 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 전원부(115)에 의해 분사 노즐(10)과 외부 전극(115) 사이에 전기장이 형성되면, 분사 노즐(10)로부터 액체가 미립화된 상태, 즉 다수의 액적 상태로 분사될 때, 액적들은 전기장에 의해 전하를 각각 띠게 된다. 이러한 액적들은 분사 노즐(10)과 외부 전극(115) 간에 전하를 전달하게 되므로, 분사 노 즐(10)과 외부 전극(115) 간에 전류가 흐를 수 있게 한다. 따라서, 액적의 평균 크기와 액적의 분포 등과 같은 미립화 상태에 따라, 분사 노즐(10)과 외부 전극(115) 간에 흐르는 전류량이 다르게 된다. 즉, 액적의 크기와 전류 간에 상관 관계가 있는 것이다.
전류 측정부(120)는 전술한 바와 같은 평균 액적 크기에 따른 전류를 분사 노즐(10)로부터 측정하여 산출부(130)로 제공한다. 전류 측정부(120)는 전원부(110)와 분사 노즐(10) 혹은 외부 전극(115) 사이에서 전류를 측정하도록 설치될 수 있다. 상기 전류 측정부(120)는 전원부(110)가 직류 전원과 교류 전원 중 어느 것을 이용하느냐에 따라, 그에 상응하여 전류를 측정할 수 있도록 구성된다.
산출부(130)는 전술한 전류 측정부(120)로부터 측정된 전류를 제공받아서, 하기 수학식 1에 대입함으로써, 분사 노즐(10)로부터 분사되는 액체에 대한 평균 액적 크기를 산출할 수 있게 한다.
Figure 112007008082739-pat00001
여기서, I는 전류 측정부(120)로부터 측정된 전류이고, Ioffset은 전류에 대한 보정 계수이며, CI, CF는 보정 계수이며,
Figure 112007008082739-pat00002
은 분사 노즐(10)로 공급되는 액체의 유량이다.
그리고, C1, C2는 분사 노즐(10)로부터 분사되는 액적의 분포 상태에 따른 계수이다. 즉, C1, C2는 레일리(Rayleigh) 한계 조건과 필드 에미션(Field Emission) 한계 조건에 따른 계수이다.
만일, 레일리 한계 조건이라면, C1은 하기 수학식 2에 의해 계산된 값을 가지며, C2는 2/3의 값을 갖는다.
Figure 112007008082739-pat00003
여기서,
Figure 112007008082739-pat00004
는 액체의 밀도이며,
Figure 112007008082739-pat00005
는 자유공간에서의 투과율이다.
상기 수학식 2에 따르면, 측정 조건에 따라, 액체의 밀도와 자유공간에서의 투과율은 미리 정해지는 값이므로, 이러한 값들을 수학식 2에 대입하면 C1 값이 얻어질 수 있다.
한편, 필드 에미션(Field Emission) 한계 조건이라면, C1은 하기 수학식 3에 의해 계산된 값을 가지며, C2는 1의 값을 갖는다.
Figure 112007008082739-pat00006
여기서,
Figure 112007008082739-pat00007
는 자유공간에서의 투과율이며,
Figure 112007008082739-pat00008
는 전기장 세기이다.
상기 수학식 3에 따르면, 측정 조건에 따라, 자유공간에서의 투과율과 전기장 세기는 미리 정해지는 값이므로, 이러한 값들을 수학식 3에 대입하면 C1 값이 얻어질 수 있다.
상기와 같이 C1, C2는 측정장치(100)에 의해 전류를 측정하기에 앞서, 레일리 한계 조건이냐 혹은 필드 에미션 한계 조건이냐에 따라, 미리 구해지는 값이므로, 수학식 1에서는 상수 값에 해당한다고 할 수 있다.
그리고,
Figure 112007008082739-pat00009
는 분사 노즐(10)로 공급되는 액체의 유량으로서, 측정 조건에 따라 미리 설정된 값에 해당한다. 만일, 분사 노즐(10)로 공급되는 액체의 실제 유량을 측정하고자 한다면, 측정장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 유량 측정부(140)를 더 구비할 수 있다. 이 경우, 유량 측정부(140)는 분사 노즐(10)로 공급되는 액체의 실제 유량을 측정하여 산출부(130)로 제공함으로써, 제공된 실제 유량 값이 수학식 1에 산입되도록 구성될 수 있다.
또한, 수학식 1에 있어서, Ioffset , CI, 및 CF는 측정 조건에 따른 분사 노즐(10)에 대한 실험을 토대로, 미리 얻어질 수 있는 보정 계수들이다. 상기 보정 계수들을 구하는 과정에 대해, 도 3 및 도 4를 참조하여 일 예로 설명하면 다음과 같다.
도 3은 (C/M)-1 과 액체의 유량에 따른 평균 액적 크기를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 평균 액적 크기는 필드 에미션 한계 조건에서, 레이저 회 절 현상을 이용하는 통상적인 측정 시스템에 의해 측정된 것이다. 그리고, (C/M)-1에서 C는 분사 노즐(10)로부터 분사되는 액체에 대전된 전하량이며, M은 분사 노즐(10)로부터 분사된 액체의 질량이다. 또한, 액체로는 물이 이용된 것이다.
도 3에 도시된 바에 따르면, 평균 액적 크기는 (C/M)-1 값과 액체의 유량 값과 상관 관계가 있음을 보여주고 있다. 여기서, C/M은 질량당 전하량을 나타내는 것으로, 질량과 전하량을 시간으로 각각 나누게 되면, 액체의 유량당 전류인
Figure 112007008082739-pat00010
로 변환될 수 있다. 따라서, 평균 액적 크기는 전류 값과 액체의 유량 값으로부터 구해질 수 있는 것이다. 그러나, 도 3에 도시된 바에 따르면, (C/M)-1 과 평균 액적 크기 사이의 상관 관계는 액체의 유량 값에 따라 달라진다. 이러한 경우, 평균 액적 크기를 산출하기 위해서는, 액체의 유량 값의 전체 범위에 걸쳐 (C/M)-1 값, 즉 전류 값에 대한 평균 액적 크기의 데이터가 확보되어야 하는 불편함이 있다.
따라서, 액체의 유량 값이 변하더라도, 전류 값에 따른 평균 액적 크기를 용이하게 산출할 수 있도록, 본 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, (C/M)-1 을 수학식 1의 형태인
Figure 112008009995543-pat00011
로 보정함으로써,
Figure 112008009995543-pat00012
과 평균 액적 크기 사이의 상관 관계가 하나의 그래프로 도출될 수 있게 한다.
Figure 112008009995543-pat00013
에 있어서,
Figure 112008009995543-pat00014
성분은 전술한 바와 같이, 액체의 유량당 전류를 나타내는 것으로, 질량당 전하량을 나타내는 C/M에서 질량과 전하량을 시간으로 각각 나눈 것에 대응될 수 있다.
그리고, 이러한 보정 과정에서 Ioffset , CI, 및 CF와 같은 보정 계수들이 도입되는데, 도 3에 도시된 그래프의 데이터를 토대로 한다면, Ioffset는 2nA의 값으로 구해지고, CI는 1.0의 값으로 구해지며, CF는 0.5의 값으로 구해진다. 즉, 수학식 1에 있어서, Ioffset , CI, 및 CF와 같은 보정 계수들이 구해질 수 있는 것이다. 따라서, 수학식 1은 분사 노즐(10)로부터 전류 측정부(120)에 의해 측정되는 전류만을 변수로 갖게 되므로, 분사 노즐(10)로부터 측정된 전류 값을 수학식 1에 대입하게 되면, 평균 액적 크기를 손쉽게 산출할 수 있게 된다.
그 결과, 본 실시예에 따르면, 종래에 따른 고가의 레이저조사장치와 영상처리장치를 이용하지 않고도, 분사 노즐(10)이 어떠한 종류이더라도 평균 액적 크기를 손쉽고 신속하며 저렴하게 측정할 수 있게 된다. 게다가, 분사 노즐(10)이 엔진에 장착되는 종류인 경우, 엔진이 차량에 탑재되어 운전 중일 때, 평균 액적 크기를 실시간으로 감시할 수 있다. 이에 따라, 엔진이 차량에 탑재되어 운전 중일 때, 연료를 최적 상태로 미립화시키도록 제어하는 것이 가능해질 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 분사 노즐에 의한 미립화 상태를 테스트할 때 종래에 따른 고가의 레이저조사장치와 영상처리장치를 이용하지 않고도, 분사 노즐로부터 액체 분사시 분사 노즐 주위에 전기장을 형성함과 아울러 전류 변화를 측정함으로써, 평균 액적 크기가 손쉽고 신속하며 저렴하게 측정될 수 있다.
그리고, 어떠한 종류의 분사 노즐에 대해서도 평균 액적 크기가 용이하게 측정될 수 있다. 게다가, 분사 노즐이 엔진에 장착되는 종류인 경우, 엔진이 차량에 탑재되어 운전 중일 때, 평균 액적 크기가 실시간으로 감시될 수 있다. 이에 따라, 엔진이 차량에 탑재되어 운전 중일 때, 연료를 최적 상태로 미립화시키도록 제어하는 것이 가능해질 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 공급받은 액체를 미립화(atomization)된 상태로 분사하며 도전성 소재로 형성된 분사 노즐에 있어서, 상기 분사 노즐로부터 분사되는 액적의 평균 크기를 측정하는 것으로,
    상기 분사 노즐과 상기 분사 노즐 주위 간에 전위차를 발생시켜 전기장을 형성하는 전원부;
    상기 분사 노즐을 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 전류 측정부로부터 측정된 전류를 제공받아서, 상기 분사 노즐로부터 분사되는 액체에 대한 평균 액적 크기를 산출하는 산출부;를 구비하고,
    상기 산출부는 상기 전류 측정부로부터 측정된 전류를 하기 수학식 1에 대입하여 평균 액적 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 평균 액적 크기 측정장치.
    <수학식 1>
    Figure 112008009995543-pat00015
    여기서, I는 상기 전류 측정부로부터 측정된 전류이고, Ioffset은 상기 전류에 대한 보정 계수이며, CI, CF는 보정 계수이며,
    Figure 112008009995543-pat00016
    은 상기 분사 노즐로 공급되는 액체의 유량이다. 그리고, C1, C2는 상기 분사 노즐로부터 분사되는 액적의 분포 상태에 따른 계수이다.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 C1은 레일리(Rayleigh) 한계 조건에서 하기 수학식 2에 의해 계산된 값을 가지며, 필드 에미션(Field Emission) 한계 조건에서 하기 수학식 3에 의해 계산된 값을 갖는 것을 특징으로 하는 평균 액적 크기 측정장치.
    <수학식 2>
    Figure 112007008082739-pat00017
    여기서,
    Figure 112007008082739-pat00018
    는 액체의 밀도이며,
    Figure 112007008082739-pat00019
    는 자유공간에서의 투과율이다.
    <수학식 3>
    Figure 112007008082739-pat00020
    여기서,
    Figure 112007008082739-pat00021
    는 자유공간에서의 투과율이며,
    Figure 112007008082739-pat00022
    는 전기장 세기이다.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 C2는 레일리 한계 조건에서 2/3의 값을 가지며, 필드 에미션 한계 조건 에서 1의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 평균 액적 크기 측정장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 분사 노즐로부터 분사되는 액체를 사이에 두고 상기 분사 노즐과 이격되게 배치된 외부 전극을 더 구비하며,
    상기 전원부는 상기 분사 노즐과 외부 전극 사이에 전위차를 발생시키는 것을 특징으로 하는 평균 액적 크기 측정장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 외부 전극은 접지되는 한편, 상기 전원부는 상기 분사 노즐이 상기 외부 전극보다 높은 전위를 갖도록 상기 분사 노즐에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 평균 액적 크기 측정장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 접지되는 한편, 상기 전원부는 상기 외부 전극이 상기 분사 노즐보다 높은 전위를 갖도록 상기 외부 전극에 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 평균 액적 크기 측정장치.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 분사 노즐로 공급되는 액체의 실제 유량을 측정하는 유량 측정부를 더 구비하며,
    상기 유량 측정부에 의해 측정된 유량은 상기 산출부로 제공되는 것을 특징으로 하는 평균 액적 크기 측정장치.
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