델파이, 세계최초 직접구동 피에조 분사장치

차세대 디젤 분사기술, 유로6 배기기준 만족
델파이는 차세대 디젤 연료 분사장치인 델파이 직접구동 커먼레일시스템을 출시한다.

델파이는 5년간 이 제품을 개발하기 위하여 심혈을 기울였으며, 그 일환으로 자동차제조사들이 엄격한 향후 배기요건에 부합할 수 있도록 도움을 줄 수 있는 기술 개발을 위하여 서로 긴밀한 공조를 유지해왔다.

이번 신제품은 현재 생산 단계에 들어갔으며, 올해 말 출시될 유럽 생산 차량에 장착될 예정이다.
현재 디젤 엔진이 직면한 문제 중 하나는 질소산화물을 어떻게 감소시킬 것인가이다. 

2014년 유로 6이 유럽에 도입되면, 질소산화물 배출한도가 현재의 유로 4 수준과 비교하여 삼분의 일로 줄어들게 되며, 입자상 물질은 오분의 일 로 줄어들게 된다.

북미지역에서는 훨씬 엄격한 배기가스기준인 티어2빈5 (Tier 2 Bin5)를 적용하고 있는데, 이 기준에 따른 질소산화물 제한한도는 현재 유로 4의 250mg/km와 유로 6의 80mg/km와 비교하여 훨씬 낮은 43mg/km으로, 이러한 기준에 부합하여야 한다.  (단, 이러한 수치는 유럽과 미국의 법적 테스트 주기가 다르기 때문에 절대적 비교는 되지 않음).

또 다른 문제는 유럽뿐 아니라 일본과 미국에서도 일고 있는 지구 온난화를 막기 위한 이산화탄소 배출량 감소 논의 문제이다.

소비자들은 구매를 할 때, 연료 효율성과 이산화탄소 배기량에 대해서도 관심을 갖고 있는 반면, 아직도 업계에서는 이산화탄소의 규제수준에 대하여 논의 중에 있는 상태이다 (EU는 2012년까지 매우 엄격한 120g/km로 한도를 정하자고 제안하였다).
아빌라 부사장은 “엔진 계측기나 질소산화물 처리장치를 통하여 질소산화물을 줄일 경우 불행히도 연료 소비량과 이산화탄소 방출량이 증가할 수 있다”며, “델파이는 이러한 문제를 해결하기 위하여 혁신적인 직접구동 디젤 커먼레일기술 등 다양한 새로운 기술을 개발해왔다”고 전했다.
▲현재 분사장치 기술: 지금까지 분사장치 기술은 “솔레노이드”나 “피에조”로 분류되어왔다.

이 두 경우 모두 분사장치 침은 ‘솔레노이드’ 장치이든 ‘피에조’ 장치이든 액츄에이터에 의해 작동하도록 설정된 밸브로 조절되는 유압회로를 통하여 작동된다.

이를 “서보 액츄에어터”라고 한다. 또한, 서보 액츄에이터 제품군은 밸브 양측에 적용되는 압력, 즉 “균형 형”인가 “불균형 형”인가에 따라 두 가지 카테고리로 분류가 가능하다.
이에 따라 현재까지 나온 분사장치의 종류는 다음과 같다.

△서보 솔레노이드 불균형 밸브 (시장에서 도입된 최초의 커먼레일형)△서보 솔레노이드 균형 밸브 (생산 중인 델파이 컨셉 제품)△서보 피에조 불균형 밸브  (현재 생산되는 유일한 피에조 분사기형)△(현재 생산 중인 서보 피에조 균형 밸브 설계는 없음.)
균형 밸브를 움직이기 위하여 필요한 전기 에너지는 불균형 밸브를 움직이는데 필요한 에너지보다 적다.

그러므로, 균형 밸브를 사용하면, 12v (전지 전압)로 작동이 가능하고, 분사장치 본체 내에 패키지로 내장할 수 있으며, 침 팁과 매우 근접하여 설치할 수 있는 소형 액츄에이터를 사용할 수 있다. 또한, 유압회로가 짧아지고, 이동질량이 줄어들며, 불균형 서보 피에조 시스템과 동일한 수준으로 델파이의 서보 솔레노이드 균형 밸브 설계의 침 작동 속도가 증가하게 된다. 

이는 델파이의 균형 밸브 서보 솔레노이드와 경쟁회사들의 불균형 서보 피에조 시스템이 성능 면에서 유의한 차이가 없음을 의미한다. 이로써 델파이의 멀텍 서보 솔레노이드 분사장치는 오늘날 시장에서 최상의 가치를 지닌 솔루션으로 간주되며, 가격이 높은 서보 피에조 기술과 동일한 성능을 제공한다.
▲직접구동 분사장치: 델파이의 새로운 직접구동 커먼레일은 세계 최초로 분사장치 침이 피에조 스택에 의하여 직접 활성화되도록 하면서 디젤 분사 기술의 신기원을 이루었으며, 유압회로와 그와 관련된 지체 및 에너지 소비량을 줄이고, 관련된 엔진 설계자들에게 유의한 조절 가능성을 제공한다. 

또한, 수명기간 이상 안정성을 유지하고, 다양한 분사 패턴에 맞게 분사량이 일정하며, 분사량의 분사 변화량을 낮추고, 분무량을 높이는 등의 장점도 있다.
델파이 직접구동 디젤 커먼레일시스템은 특허를 받은 직접구동 컨셉을 이용하고 있는데, 피에조 세라믹 액츄에이터는 첫 시범 분사 시에 분사장치의 니들 밸브를 작동시켜 침을 들어올리고, 유압 증폭기는 분사량을 늘리기 위하여 간극을 완벽하게 조정한다.

이 장치는 다른 커먼레일 분사장치가 사용하는 서보 유압 회로가 필요 없다. 

이 덕분에 이 분사장치는 현재 분사 기술보다 훨씬 빠르고, 정확하며, 효율적으로 더욱 높은 압력(최대 2000바)에서 연료를 디젤 엔진 연소실로 분사할 수 있다.
피에조 분사장치는 피에조 전기 재료를 사용하여 전압이 제공될 때 작동을 한다. 

분사장치 니들 밸브를 열고 닫고, 엔진으로 고압 디젤 연료를 분사하는데 100 마이크로초도 걸리지 않으며, 엔진 주기 당 7번 (또는 그 이상) 분사가 가능하다.  델파이의 유압식 회로 설계는 효율적인 조립과 높은 추력과 속도 등 피에조 세라믹 액츄에이터의 특성을 최대로 활용하였다. 

델파이 디젤 시스템즈 엔지니어링 부문 기술 이사 댓레브 쉐페(Detlev Schoeppe) 박사는 “이는 약 200바(bar)로 장치의 압력을 올리는 장점이 있다. 다시 말해, 직접구동 피에조 분사장치에서 2000바는 2200바의 서보 분사장치와 필적할 만한 성능을 가진다”고 우수성을 알렸다. 

분사장치의 본래 작동 원리는 누수가 없다는 점으로, 이에 고압 연료가 역류로 소모되지 않아 현재 사용되는 서보 장비가 쓰는 에너지를 최대1kw 절약할 수 있으며, 값비싼 연료 냉각제가 필요 없어진다.
이 시스템은 처음부터 미래 배기가스 관련 법률에 대비할 수 있을 것으로 기대되는 주요 성능 요건을 최적화하기 위하여 개발되었다.
△높은 평균 유효 분사압력 (최대 2000바의 압력에서의 정방 분사율. 현재 사용되는 서보 장비는 배기가스 조절에 결정적인 중저 레일 압력에서 유효 분사압력과 특히 거리가 멀다.)
△다단 분사 유연성 (분사횟수 7번 이상) o분사 중간 수중 분리 없음 o분사장치 내 압력 저장기가 있어 분사장치와 압력 공급 간의 압력파를 피할 수 있으며, 침 움직임과 분사량에 미치는 영향을 없앤다. △노즐침의 빠른 개폐 (현재 장치들보다 3배 빠른 3m/s에 근사)
△역류 제거 △엔진제어장치(ECU: Engine Control Unit)로 침의 높이를 비례 제어하여 ECU에 분사율 할당.  현재 장치들의 분사율이 분사장치 하드웨어에 의해 조절되고, 3개의 각기 다른 부분간의 절충에 의한 것인 반면, 이는 공회전 소음과 배기가스 그리고 완전 부하 성능을 각각 최적화할 수 있다.