[ASE 신기술 플러스] --------- 디젤 커먼레일 엔진의 희망은?

유해가스 최소화 5단계 분사제어 적용
디젤선진국인 프랑스는 승용차의 82%가 디젤차이고, 이태리는 70%, 유럽전체로는 절반에 가까운 44%를 점하고 있다.

최근의 많은 디젤엔진은 연소실에 직접 연료를 분사하는 직분방식을 사용하여 보다 고효율을 살린 방식의 흡기 계열에 인터쿨러 부착 터보 차쳐를 장착하는 것도 당연시 되어있다.

엔진에 공급하는 공기의 양을 증가시킴으로서 한정된 배기량으로 보다 큰 동력(출력, 토크)을 얻을 수 있기 때문이다.

디젤엔진은 고온으로 압축한 연소실에 연료를 분사하여 고압으로 고온이 된 공기로 연소시킴으로서 동력을 발생시킨다.

이 때 큰 폭발압력이 생겨 연소 음이나 작동 음 등이 소음으로 발생하기 쉬운 점도 있다. 또한 고온에서 연소하기 위한 배출가스의 유독 성분인 NOx의 발생이 늘어나기도 한다. 연소 시에 일부가 PM(분자상 물질)으로 배출되는 경우도 있다.

 PM은 작은 가루 상태의 물질, 검게 보이는 검은 연기도 그와 같은 종류이지만 이것도 대기오염의 원인이 된다. 이것을 절감시킬 필요가 있다.

 이러한 점들을 타개하는 기술의 하나로 주목받아온 것이 커먼레일식 고압연료 분사 시스템이다.

 커먼레일 방식은 연료 공급계에 연료에 고압을 거는 부분(커먼레일)을 설치한 구조이다.

기존의 디젤의 경우 500~700기압(㎏ / 평방 ㎝)의 압력으로 분사하고 있다. 하지만 커먼레일 방식은 1400 혹은 2000기압, 보다 고 효율적인 예로는 2400~300기압이라고 하는 높은 압력을 연료와 함께 분사하는 방식을 생각 하고있다.

고압으로 분사할 경우 당연히 연료가 안개상태로 될 것이다.

그것은 고온의 공기에 닿았을 때 쉽게 안전연소 할 수 있게 된다. 이것은 PM의 발생을 절감하는 결과가 되고 연비의 절감으로도 이어지는 것이다.

분사 노즐을 통한 이전에 고압으로 가압된 연료가 컨먼레일에 비축되어 있다는 것은 엔진이 저속 회전하는 경우에도 고압의 분사가 가능하기도 하다. 이것은 효율의 향상을 가져온다.

연소를 생각하면 일시에 큰 연소를 하게되면 가스 곤로에 불을 붙이는 것과 마찬가지로 폭발음을 내면서 연소한다.

디젤의 경우 연소가 고온에 닿으면서 着火하기 때문에 이 때의 분사 타이밍과 분사 량의 제어를 확실히 해 둘 필요가 있다.

그 다음에 착화의 초기상태에서 主연소가 종료할 때까지의 사이에(극히 짧은 시간이다) 분사 비율을 바꾸어 줌으로써 보다 효과적으로 고성능을 얻을 수 있다고 알려져 있다.

최근에는 커먼레일 방식으로 고압 다단분사 제어기술이 적용되고 있다. 예를 들면 먼저 「파일럿분사」를 한다. 이것은 소음절감에 효과적이다.

다음으로 Pre분사, 이것도 소음을 절감하는데 한 몫 한다. 그 다음으로 「고압분사」를 한다.

주연소부분을 생각하면 되는데 그 초기부분을 잘 제어하면 소음의 절감과 NOx의 절감에 효과적이다.

주연소부분은 완전 연소하며 PM의 절감과 함께 연소 개선에 효과적이다. 그 다음으로 「후분사」를 함으로서 PM의 거듭된 절감과 DPF(촉매제어)를 노린다.

그 다음 「포스트 분사」를 아주 경미한 양만 실시하여 NOx촉매 제어를 한다. 알기 쉽게 말하자면 「파일럿」, 「Pre」, 「고압」, 「후」, 「포스트」의 5단계로 분사하는 제어라고 볼 수 있다.

이 분사가 크랭크 각도를 말하면 30~90도 사이에 이루어지고 있으므로 극히 정밀한 제어가 필요하다는 것을 알 수 있을 것이다. 가령 2000rpm으로 회전하고 있는 4사이클 엔진이라면 폭발행정 1회분의 시간은(180도분) 100분의 6초, 0.03초밖에 되지 않는다. 그 사이 5회에 걸쳐 분사하는 기술은 매우 정밀한 것이다.

 게다가 분사되는 연료는 1회에 1000분의 2~3cc라고 한다.

한 번이 1㎝인 각설탕을 생각해보자. 그 크기가 1cc이다. 그

 한 변이 1mm인 입방체가 100분의 1cc이다. 이렇게 극미량의 연료를 정확하게 제어하여 분사하는 제어를 실시하는 셈이다. 말 그대로 정밀공학 분야라고 해야 할 것이다.

커먼레일 방식의 디젤은 이 종류의 기술을 접목한 형태로 실용화가 계속되고 있다.

[자료제공/ 아산엔지니어링 ASE기술연구소]