커먼레일 이야기...

[골프맨(이동근)]

웹서핑중  갈무리해 놓은 자료인데

그냥 올려봅니다^^

요즘은  유닛인젝터를 거쳐  피에죠 인젝터로  더욱발전했죠^^ 

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★커먼레일 엔진(Common Rail Direct Injection Engine)의 개념★

커먼레일은 Common Rail Direct Injection Engine의 약자로 기존엔진이 혼합기를 통해 연료와 공기를 연소실에 공급하는 것과 달리 연료를 연소실에 직접
분사하는 방식입니다.
이에 따라 엔진 효율이 높아지고, 공해물질이 적게 배출되며, 엔진과 관계없이 제어가 가능하여 경량화가 가능하게 되었습니다.

장점
이 방식은 연료의 압력을 제어하여 직접 분사하기 때문에 고압을 유지할 수 있어 연소 효율을 높일 수 있습니다. 또한 엔진의 회전수와는 크게 관계 없이 분사압, 분사량, 분사율, 분사시기를 독립적으로 제어할 수 있습니다. 이는 기존 엔진이 회전수에 의해 연료분사 제어를 하는 것과 달리 엔진과 연료분사를 독립적으로 하기 때문에 설계가 용이하고, 부품수가 줄어 경량화가 가능하게 되었습니다.
또한 연소효율이 높아 출력이 올라가고, 유해물질의 배출량이 줄어듭니다.
승차감에서는 기존의 기계적인 연결에서 생기는 진동과 소음이 커먼레일 방식에서는 발생하지 않아 가솔린 엔진보다 조금 더 높습니다.

구성요소
센서 : 엔진 회전수, 가속페달, 공기, 냉각수 온도, 압력 등 감지
압력센서 : 압력 감지
ECU : 연료분사 제어
액튜에이터 : 작동제어
고압펌프 : 압력 발생
커먼레일 : 고압 연료관
압력조정밸브 : 압력조정
인젝터 : 연료 분사

커먼레일 엔진 시스템

1. 개요
지금까지 사용되던 디젤연료 분사장치는 분사압력을 얻기 위하여 캠구동 장치를 사용했으며, 그 원리는 분사압력이 속도증가와 함께 증가하고, 이에 따라 분사 연료량이 증가하는 방식이었습니다.
이러한 장치는 분사압력이 매우 낮은 경우에만 실제로 사용할 수 있었습니다.
이러한 캠구동 방식과 달리 승용차나 상용차에 이용되고 있는 커먼 레일 분사(Common Rail Injection) 장치에서는 분사압력의 발생과 분사과정이 완전히 별개로 이루어집니다.
이렇게 압력발생과 분사를 분리하기 위해서는 고압을 유지할 수 있는 고압 어큐뮬레이터(High-pressure Accumulator)나 레일(Rail)이 필요하게 됩니다.
이 시스템에서는 종래의 노즐홀더 위치에 솔레노이드가 부착된 노즐이 장착되고, 고압은 레디얼 피스톤 펌프(Radial Piston Pump)에 의해서 생성되는데, 일정한 범위내에서는 엔진 회전수와는 독립하여 자유롭게 회전속도를 조정할 수 있습니다.

커먼레일 시스템의 장점
엔진 설계시 연료의 압력발생과 분사를 분리해서 생각할 수 있기 때문에 연소와 분사과정 설계를
자유롭게 할 수 있습니다.
즉, 엔진 맵을 이용하여 엔진 운전조건에 따라서
연료압력과 분사시기를 조정할 수 있기 때문에 엔진의 회전속도가 낮을 때에도 고압분사가 가능해
져서 완전 연소를 추구할 수 있습니다.
또한 파이롯트 분사하면 배기가스와 소음을 더욱 [커먼레일 시스템 개요]
저감할 수 있으며, 연료분사 곡선은 유압제어로 노즐 니들에 의해 조절되므로 분사종료시까지 신속하게 조절 가능하게 되었습니다. 결국 커먼 레일 시스템으로 인해 디젤엔진은 획기적으로 배기가스를 저감하고, 연비를 향상시키는 것이 가능해졌다고 볼 수 있습니다.

2. 시스템 구성
고압 공급펌프에서 연료를 압송하여 커먼 레일에 연료를 채우고, 커먼레일 내의 압력은 압력 센서로 감지되고, 엔진 회전수와 부하에 따라 설정된 값으로 제어됩니다.
커먼 레일내의 압력은 파이프를 통해 인젝터에 공급되고, 3-웨이 밸브(Three way valve)에 보내지는 펄스에 따라 분사량, 분사율, 분사시기가 제어됩니다.

고압 공급 펌프(High pressure feed pump)
고압의 연료를 커먼 레일에 공급하는 기능이며,
구동방식은 기존 인라인 인젝션 펌프와 동일합니다. 멀티 액션 캠( Multi- action cam)을 도입하여 펌프 기통수를 줄였습니다.
예로서 6기통 엔진에 3산 캠을 2 기통 펌프 적용으로 가능합니다. 펌프 효율 향상 및 고압 연료 폐기의 손실방지를 위하여 토출량 제어방식을 채택하였다. 구동토크는 일반적인 디젤엔진보다 저속에서 토크 50% 향상 및 출력 25%의 증가를 얻어낼 [시스템 구성도]
수 있습니다.
[위로]
연료 레일(Fuel Rail)
고압 공급 펌프로부터 공급되는 고압의 연료를 저장하고, 인젝터로 매회 분사되는 양만큼의 연료를 보내주는 기능을 합니다. 역류 방지를 위한 첵밸브 및 고압 센서가 부착되어 있고, 레일 안의 연료압력은 전자석식 압력 조절밸브에 의해 조정되고, 연료 압력은 항상 압력센서에 의해 모니터링 되고, 연속적으로 엔진에서 요구하는 조건에 따라 조절하게 됩니다.

인젝터
커먼레일로부터 공급되는 연료를 ECU 로부터 보내진 신호에
따라 노즐을 통해 분사하는 기능입니다.
ECU에서 보내지는 펄스 신호는 니들의 리프트를 제어하며, 펄스시기에 의해 분사시기가 정해지고, 펄스 폭에 의해 분사량이 정해집니다. 또한 원 웨이 오리피스(One-way orifice)의 반경에 따라 분사율 패턴이 달라집니다.
3-웨이 밸브는 연료 압력을 선택적으로 스위칭하는 역할을 하고, 초고압에서 고속의 응답성이 요구되므로 120MPa의 압력하에서 0.4 ms이하의 속도로 작동 할 수 있습니다.
소비되는 파워는 아이들 시에 20W, 전부하(Full load)시에 50W
입니다. 따라서 각 기통에는 개별적으로 솔레노이드로 구동되는 [유압회로도]
인젝터가 노즐과 함께 장착되고, 분사개시는 ECU의 펄스신호가 인젝터의 솔레노이드로 전달되면서 시작되고, 분사 연료량은 레일내의 연료압력, 솔레노이드 밸브 개변시간, 노즐의 유체유동에 의해서 결정됩니다.
분사압력은 일반적으로 승용차용 엔진은 1,350bar, 상용차용 엔진은 1,400bar 정도가 됩니다.

3. 제어 시스템 고압 공급펌프에서 연료를 압송하여 커먼 레일에 연료를 채우고, 커먼레일 내의 압력은 압력 센서로 감지되고, 엔진 회전수와 부하에 따라 설정된 값으로 제어됩니다.
커먼 레일내의 압력은 파이프를 통해 인젝터에 공급되고, 3-웨이 밸브(Three way valve)에 보내지는 펄스에 따라 분사량, 분사율, 분사시기가 제어됩니다.
[위로]
분사량 제어
분사량은 커먼 레일내 압력 Pc와 3 웨이 밸브에 보내지는 펄스 폭에 의해 제어됩니다.
분사량 계산은 엔진 따른 매회 목표 분사량의 결정되고, 펄스 와이드(Pulse width)계산은 결정된 분사량에 맞는 펄스 폭으로 결정됩니다.

분사시기 제어
분사시기는 인젝터(3-웨이 밸브)에 보내지는 펄스의 시간에 의해 제어됩니다.
분사각도(Θfin) 계산은 엔진 회전속도와 부하에 의해 결정되는 Θbase 를 기준으로 흡기상태 및 냉각수 온도를 고려한 수정 값인 최종 분사시기 (。BTDC)로 결정됩니다.
분사시간(tc)계산은 결정된 Θfin값을 엔진 회전속도에 따라 시간값(tc)으로 환산합니다.

분사율 제어
델타 방식(Gradual rise & Sharp cut) :
인젝터 내에 있는 원 웨이 오리피스의 단면경을 이용 하여 분사량 증가 정도를 제한합니다.
각 엔진에 맞는 최적 분사율 패턴은 커먼 레일 압력
과 원 웨이 오리피스 단면경에 따라 선택 될 수 있습
니다.
파이럿트 방식(Small quantity before Main injection)
매회 분사시 인젝터를 2번 구동시키고, 하드웨어 성능 은 파이롯트 인젝션량은 1mm3 /St이하로 하고 파이 롯트 인젝션 시간은 1ms 이하로 합니다.
부트 형상 방식 : Shape like the toe of a boot : [ 인젝터 작동상태 ]
인젝터내의 원 웨이 오리피스 대싱 부트 밸브가 장착되며, 특정 프리 리프트 포인트(Pre- lift point)에서
노즐 니들을 일시적으로 멈춥니다.
프리 리프트량과 다양한 오리피스 단면경에 따라 다양한 부트 패턴을 얻을 수 있습니다.

분사압 제어
커먼레일의 고압센서로부터 신호를 감지하여 고압 공급펌프의 토출량을 변화시킴으로써 제어됩니다.
분사압(Pfin) 계산은 각 센서 신호를 바탕으로 최종 분사압을 결정합니다.
펌프 컨트롤 밸브(Pump control valve) 구동시기 (tf) 계산은 Pfin을 실현하기 위하여 고압공급펌프의 펌프 컨트롤 밸브를 제어 구동 펄스의 시작 시간을 결정합니다. 고압 공급펌프에 의한 연료 공급은 인젝터에서의 분사시기와 거의 일치하므로 연료소비와 공급이 균형을 이루고, 고압 연료의 방출과 손실이 줄어듭니다.

4. 커먼 레일 방식의 특성
제어의 자유도 큼 : 엔진회전수에 관계없이 분사압,
분사량, 분사율, 분사시기를 전부 독립적으로 제어가
가능합니다.
중량 및 구동토크 저감 : 기존 인 라인(In-line) 방식의 인젝션 펌프에 비하여 약 1/2-1/3의 중량이며 고압연 료의 손실을 줄임으로써 구동토크를 저감 할 수 있습 니다.
기존 엔진에 적용 용이 : 인젝터 및 고압 공급펌프 등
을 기존 엔진에 큰 변경없이 교체가 가능합니다.

먼저 커먼레일에 대해 간단히 설명드리면...

커먼레일은 연료분사시스템의 한 종류입니다.

common rail 이라는 말에서 알 수 있듯이 공용화된 하나의 레일을 통해서 연료가 공급되어 실린더 내로 직분사됩니다.

일반 기계식 분사방식에 비해서 고압(1300bar 이상)으로 연료분사가 되는 것이 특징이죠.

커먼레일시스템을 개발하여 공급하고 있는 업체는 대표적으로 보쉬와 델파이가 있습니다.

우선 보쉬는 벤츠와 공동으로 커먼레일 시스템을 최초로 개발한 회사입니다.

그만큼 가장 앞서나가는 기술을 가지고 있다고 평가되고 있습니다.

델파이의 경우는 원래 기술을 가지고 있던 것이 아니라 프랑스의 루카스社를 인수하면서 관련기술을 갖게 되었죠.

사실 미국은 가솔린이 워낙 보편화되어 승용형 디젤이 발달하지 못한 나라입니다.

디젤관련 앞선 기술은 유럽이 많이 가지고 있습니다.

독일의 지멘스VDO와 일본의 덴소(DENSO)에서도 커먼레일 기술을 가지고 있습니다.

지멘스VDO의 경우도 기술력으로 보면 만만치 않습니다.

차세대커먼레일인 피에조 방식의 인젝션시스템도 개발했죠.(현재 대부분 사용하는 방식은 2세대로서 솔레노이드 방식을 사용합니다.)

피에조 방식의 인젝션 시스템은 보다 초고압으로의 분사가 가능합니다.

현재 국내커먼레일 차량은 모두 솔레노이드 방식으로 분사압이 1600bar 이하인데, 3세대 피에조 커먼레일은 1800bar 이상을 낼 수 있습니다.

물론 세대에 대해서는 논란이 있을 수 있습니다만(렉스턴도 3세대라고 광고함)

하지만, 보통 분사압력으로 세대를 구분하며...

1800bar 이상의 시스템을 진정한 3세대 커먼레일로 보고 있는 것이 맞습니다.

쌍용 커먼레일엔진은 국내 디젤차량중 최초로 16비트가 아닌 32비트 ECU를 사용합니다.

엄밀히 말해 기존 2세대보다 약간 발전한 2.5세대 정도가 되겠습니다.

1세대 : 1350bar~1400bar 이하(솔레노이드 타입 인젝터)

2세대 : 1600bar 이하(솔레노이드 타입 인젝터)

3세대 : 1800bar 이상(피에조 타입 인젝터)

국내 커먼레일 장착 차종을 보면 보쉬와 델파이가 가장 많습니다.



<보쉬 커먼레일>

산타페, 투싼, 트라제XG, 스포티지, 엑스트랙 -> 1세대 D-엔진(2000cc)

스타렉스, 쏘렌토, 포터2 -> 2세대 A-엔진(2500cc)

타타대우상용차 노부스(대형트럭)


<델파이 커먼레일>

테라칸(145마력), 카니발, 봉고3 -> 2900cc (1세대 J-엔진) Multec™ DCR 1400

뉴렉스턴(170마력), 로디우스(165마력) -> 2700cc (2세대 D27DT엔진) Multec™ DCR 1600

테라칸(165~174마력) -> 2900cc 2세대 Multec™ DCR 1600


<기타>

현대 e-카운티, e-마이티 2.5톤/3톤 -> 덴소 커먼레일 시스템
대우버스 로알하이데커

참고로 테라칸의 경우 초기모델은 1세대 방식이었으나...

얼마전에 분사압력을 1600bar로 높이면서 2세대 방식으로 바뀌었습니다.

(Multec™은 델파이사의 커먼레일 상표명입니다.)


해외차종을 보면 유럽쪽이 압도적으로 많이 사용합니다.

벤츠의 거의 전승용차종...한국에 판매되고 있는 것은 주로 M-CLASS이구요.

M-CLASS 외에도 A-CLASS, C-CLASS, E-CLASS, SMART 까지...

벤츠의 경우 대부분 보쉬제품을 사용합니다.

BMW에도 거의 전승용차종.. 3,5,7 시리즈 등...

아우디, 폭스바겐, 르노, 푸조/시트로앵, 피아트 등 모델명을 다 열거하기도 힘들정도..

유럽의 회사들은 다양한 회사의 인젝션 시스템을 사용하고 있죠.

보쉬, 지멘스VDO, 델파이 등...

다음은 델파이의 커먼레일을 사용하는 회사들입니다.

Ford, Renault, PSA Peugeot Citroen, 현대,기아,쌍용

일본차종 중에서는 도요다, 이스즈 등이 있구요.

도요다의 경우는 덴소의 커먼레일시스템을 사용합니다.

이스즈는 주로 델파이와 공동개발한 커먼레일 시스템을 장착하고 있죠.
(이스즈도 GM 계열임)

미국은 델파이가 있음에도 자국에는 커먼레일디젤을 거의 사용하고 있지 않죠.

워낙에 가솔린 가격이 싼데다가 승차감 소음면에서 열세인 디젤을 굳이 사용할 필요를 못느끼는 편입니다.

제가 알기로 미국차량 중 커먼레일을 장착한 차량은 지프 그랜드체로키 정도입니다.(이 차량도 주로 수출용임)

물론 이 엔진은 크라이슬러가 자체개발한 엔진이 아니라 벤츠의 M-CLASS와 공용화한 엔진입니다.


ps. 참고로 요즘 VGT를 장착한 차종도 나오고 있는데...

이것은 커먼레일 자체와는 직접적인 관련이 없는 장비입니다.

터보차져의 한 종류로서 전자제어를 통해 가변용량 제어가 가능한 시스템이죠.

아무튼 커먼레일과 결합되어 VGT 시스템을 장착하면 뛰어난 성능 향상효과가 있습니다. ◀ 커먼레일 연료분사 시스템의 이해(1) ▶

트라제XG, 싼타페에 적용된 디젤엔진의 커먼레일 연료분사 시스템에 대해 알아보도록 하겠습니다.
먼저, 첫 시간으로 커먼레일 연료분사 시스템이 어떤것을 말하는지에 대한 개요를 알아보겠습니다.

1. 시스템의 개요

  1) 적용 영역
인-라인 연료 분사펌프의 첫 도입은 1927년 보쉬(BOSCH)에서 디젤 연료분사 시스템을 제조하면서 시작되었으며, 인-라인 연료 분사펌프의 주요 적용범위는 모든 크기의 상업용 디젤엔진과 운반차량 및 선박용에 쓰입니다.
실린더당 약160㎾의 출력을 발생하는데, 대략 1,350 bar의 분사압력이 사용됩니다.
작은 운송용 밴과 승용차에 적용된 직접-분사(DI) 엔진의 설치와 같이, 여러해에 걸친 다른 요구에 대한 폭넓은 다양성이 특수한 요구에 부응하는 다양한 디젤 연료 분사시스템의 개발을 이끌어왔으며, 이러한 개발의 주요 중요점은 특정한 출력의 증가뿐만 아니라 감소된 연료 소비율, 그리고 노이즈와 배출가스의 저감에 대한 요구입니다.
기존의 캠-구동시스템과 비교하여, 보쉬의 직접-분사(DI) 디젤엔진에 사용되는 커먼레일 연료분사 시스템은 분사시스템의 엔진적용에 대해 아래와 같이 상당한 유연성을 제공하고 있습니다.
    - 광범위한 적용범위(승용차, 출력이 약 200㎾/실린더에 이르는 선박용 엔진뿐만 아니라 약 30㎾/실린더에 이르는 상업용 엔진)
    - 약 1,400bar에 이르는 고압 분사압력
    - 가변 분사 개시
    - 파일럿 분사, 주 분사
    - 작동모드에 대한 분사압력의 매칭

  2) 기 능
압력발생과 연료분사는 커먼레일 분사시스템에서는 각각 완전히 분리되며, 분사압력은 엔진의 속도와 분사된 연료량에 독립적으로 생성됩니다.   연료는 분사를 위해 준비된 고압 어큐머레이터(레일)에 저장되고, 분사된 연료량은 운전자에 의해 정의되며, 분사개시와 분사압력은 저장된 맵에 기초한 ECU에 의해 계산됩니다. 그러면 ECU는 솔레노이드 밸브를 트리거하여 각각의 엔진 실린더에 있는 인젝터로 하여금 알맞게 분사하게 하는 것입니다.
커먼레일 연료분사 시스템의 센서는 다음으로 구성됩니다.

    - ECU
    - 크랭크 샤프트 속도센서
    - 캠 샤프트 속도센서
    - 액셀러레이터 페달센서
    - 부스트 압력센서
    - 레일 압력센서
    - 냉각수온센서
    - 공기 질량센서　

위의 센서로부터 입력신호를 받은 ECU는 운전자의 요구(액셀러레이터-페달 설정)를 기록하고, 엔진과 차량의 순간적인 작동성능을 총괄적으로 정의하며, 센서로부터 나오는 신호를 데이터라인을 통해 받아서 처리하게 됩니다.   이러한 정보에 근거하여, ECU는 차량과 특히 엔진에서 개/폐-루프 제어동작을 중재합니다.
엔진속도는 크랭크 샤프트 속도센서에 의해 측정되고, 캠 샤프트 속도센서는 점화순서를 결정합니다.   또한, 액셀러레이터 페달센서에서 포텐셔미터를 가로질러 발생한 전기적 신호는 ECU에게 운전자가 페달을 얼마나 깊이 밟았는지를 알게 합니다.   즉, 운전자의 토오크 요구를 알게 해 줍니다.
공기 질량센서는 배기가스 규제를 만족하기 위한 연소가 적용될 수 있도록 ECU에게 순간적인 공기유량의 데이터를 제공하며, 배기가스 터보 차져와 부스트 압력제어를 가진 엔진에 대해서는 부스트 압력센서가 부스트 압력을 측정합니다.   추운 바깥날씨에 엔진이 식어 있을 때, ECU는 분사개시와 후분사에 대한 설정값, 그리고 특별한 작동 조건에 대한 더 많은 변수를 채택하기 위해 냉각수온센서와 공기 온도센서에의 데이터를 채택합니다.
[그림 1]은 커먼레일 분사시스템을 사용한 연료분사 시스템이 설치된 4-실린더 디젤엔진의 한 예입니다.   다양한 구성성분이 나타나 있습니다.

[그림 1] 커먼레일 분사시스템의 예

    ① 기본적인 기능
기본적인 기능은 디젤연료의 분사를 적절한 순간에 알맞은 양과 정확한 분사압력으로 제어하는 것입니다.   이것들은 디젤엔진이 부드럽게 동작할 뿐만 아니라, 경제적으로 동작하도록 보장합니다.

    ② 부가 기능
보조적인 개/폐-루프 제어기능은 배기가스 저감과 연료 소비율의 특징을 개선하거나, 증가하는 안전성, 승차감 그리고 편리성을 위해 사용됩니다.   예로서, 배기가스 재순환장치(EGR), 부스트 압력제어, 차량 속도제어(정속주행 제어), 그리고 전기적 이모빌라이져등을 들수가 있습니다.
캔 버스(CAN BUS)시스템은 차량에 있는 다른 전기적시스템(ABS와 전기적 트랜스미션 시프트제어)과의 데이터의 교환을 가능하게 하며, 정비소에서 차량의 상태를 점검하는 동안 진단 인터페이스는 저장된 시스템데이터의 평가를 가능하게 합니다.

  2) 분사 특성
    ① 재래식 분사특성
디스트리 뷰터와 인-라인 펌프를 가진 기존의 분사시스템에서, 연료분사는 파일럿과 후분사가 없는 단지 주분사 상태만을 의미합니다.

[그림 2] 재래식 분사시스템의 연료 방출율 곡선

비록, 솔레노이드 밸브로 제어되는 디스트리 뷰터식 펌프에서는 파일럿 분사단계의 도입이 개발진행되고 있지만, 기존의 시스템에서 압력발생과 분사된 연료량의 공급은 캠과 펌프 플런저에 의해 서로 연결되고, 이것은 분사특징에 다음과 같은 영향을 미칩니다.
    ▶ 분사압력은 증가속도와 분사된 연료량과 함께 증가.
    ▶ 실제 분사과정 동안에 분사압력은 증가하고, 분사말기에 노즐이 닫혀 압력은 떨어짐.

그 결과는 다음과 같이 나타납니다. - [그림 2]참조 -
    - 분사된 연료량이 적을수록 많은 양으로 분사된 연료량보다 더 낮은 압력으로 분사되고,
    - 최대압력은 평균 분사압력보다 2배이상 크며,
    - 효율적인 연소에 대응하는 라인에서는, 실제로 방출율(rate-of-discharge)이 삼각형 모양으로 이루어집니다.

최대압력은 연료 분사펌프의 구성 성분과 운전의 기계적 부하에 대해 결정적인 역할을 합니다.   따라서, 기존의 연료분사 시스템에서 최대압력은 연소실에서 형성되는 공기/연료 혼합물의 량에 결정적으로 작용합니다.

    ② 커먼레일의 분사 특성
기존의 분사특징과 비교하여, 이상적인 분사특징을 위해 다음과 같은 사항이 요구됩니다.
    ▶ 서로간의 독립성, 분사된 연료량과 분사압력은 각각, 그리고 모든 엔진 작동조건에 대해 정의될 수 있어야 함.(이상적인 공기/연료 혼합물을 형성하기 위해 더 많은 자유도가 제공되어야 함)
    ▶ 분사과정의 초기에, 분사된 연료량은 가능한 적어야 함.(즉, 분사개시와 연소개시사이의 점하지연동안)

이러한 요구는 파일럿과 주 분사 특징을 가지는 커먼레일 분사시스템에서 실현되고, 커먼레일 시스템은 모듈시스템이기 때문에, 기본적으로 다음의 구성요소가 분사특징에 대해 주요 역할을 합니다.
    - 실린더 헤드에 볼트가 설치된 솔레노이드 밸브 제어 인젝터
    - 압력 어큐머레이터(레일)
    - 고압 펌프

[그림 3] 커먼레일 분사시스템의 연료 방출율 곡선

다음의 구성요소는 또한, 시스템을 동작하기 위해 요구되는 것들입니다.
    - 전기제어 유니트 (ECU)
    - 크랭크 샤프트 속도센서
    - 캠 샤프트 속도센서 (상태센서)

승용차 시스템에 대해, 반경-피스톤 펌프는 압력발생을 위해 고압펌프를 사용하게 되는데, 압력은 분사과정에 독립적으로 생성되고, 고압펌프의 속도는 불변 전달률(non-variable transmission ratio)을 가지며, 엔진속도에 직접적으로 연결되어 있습니다.
기존의 분사시스템과 비교하여, 이송이 실질적으로 일정하다는 사실은 커먼레일 고압펌프가 훨씬 더 작아진다는 것뿐만 아니라, 펌프의 구동이 그러한 고압-부하피크치에 종속되지 않음을 의미합니다.
인젝터는 짧은 라인으로 레일에 연결되고, 기본적으로 노즐과 분사개시에 스위치를 열기 위해 ECU로부터 에너지를 제공받는 솔레노이드 밸브로 구성되며, 솔레노이드 밸브의 스위치가 닫혀지면(에너지 공급 중단), 분사는 종료됩니다.   일정한 압력을 가정하면, 분사된 연료량은 솔레노이드 밸브의 활성화된 시간과 직접적으로 비례하며, 이것은 엔진과 펌프의 속도(시간-제어 연료분사)에 완전히 독립적이라 할 수 있습니다.

요구되는 고속 솔레노이드 스위칭(개폐)은 높은 전압과 전류에 의해 달성되는데, 이것은 ECU에서 솔레노이드 밸브 트리거단계가 순차적으로 설정되어야 함을 의미하며, 분사의 개시는 EDC(전기적 디젤 제어)의 각도-시간 제어시스템에 의해 제어되는데, 이것은 엔진속도를 기록하기 위한 크랭크 샤프트에 있는 센서와 상태감지(working cycle)를 위한 캠 샤프트에 있는 센서를 사용하게 됩니다.

    ③ 파일럿 분사 (Pilot injection)
파일럿 분사는 TDC에 비교해서 90˚크랭크 샤프트(90˚cks)까지 진각될 수 있습니다.   만약 분사개시가 40˚cks BTDC보다 이전에 일어나면, 연료는 피스톤 표면과 실린더벽에 침전될 수 있고, 윤활유의 원치않는 희석을 초래할 수 있습니다.
파일럿 분사에서는, 디젤연료의 소량(1-4㎣)이 연소실의 예비조건(precondition)을 위해 실린더에 분사되어 연소효율은 대체적으로 향상되며, 다음과 같은 효과가 달성됩니다.
    ▶ 압축압력은 파일럿 반응과 부분 연소 때문에 조금 증가
    ▶ 주-분사 점화지연이 감소
    ▶ 연소압력 상승의 감소와 연소압력 피크치의 감소 (훨씬 부드러운 연소)

이러한 효과는 연소 소음과 연료 소비율, 그리고 많은 경우에 배기가스를 감소시킵니다.
파일럿 분사가 없는 방출율 곡선(그림4 참조)을 보면, 약간 압축된 라인에서는 TDC이전에 평평한 압력상승이 명백히 보이다가, 이후 최대 압력점에서는 상대적으로 날카게 나타납니다.   가파른 압력상승은 디젤엔진의 연소 소음에 상당한 영향을 끼치는 피크치와 같이 증가합니다.
파일럿 분사가 있는 방출율 곡선(그림5 참조)에서는, TDC근처에서의 압력이 다소 높은 값이고, 연소압력은 덜 가파르게 증가하는 것을 볼 수가 있으며, 파일럿 분사는 점화지연을 감소시키기 때문에, 엔진의 토크발생에 간접적인 기여를 하고 있습니다.
연료 소비율은 주-분사의 개시와 파일럿, 주-분사 순서사이의 시간적인 함수로써 증가하거나 감소할 수 있습니다.

[그림 4] 파일럿 분사가 없는 방출율 곡선


[그림 5] 파일럿 분사가 있는 방출율 곡선

    ④ 메인 분사 (Main injection)
엔진의 출력에 대한 에너지는 주-분사 순서로부터 나오는데, 이것은 기본적으로 주-분사가 엔진토크의 개발에 커다란 영향이 있음을 의미합니다.
커먼레일 연료분사 시스템에서 분사압력은 분사과정 전체를 통해 실제적으로 일정하게 유지되어 집니다.

  3) 배기가스 저감
    ① 혼합기 형성과 연소거동
디젤엔진은 낮은 휘발성(높은 끊는점)의 연료를 태우고, 분사와 연소개시 사이의 기간뿐만 아니라, 실제 연소과정 동안에도 공기/연료 혼합물을 준비하므로, 결과는 비 균질성의 혼합물이라고 할 수 있습니다.   또한, 디젤엔진은 항상 과잉공기로 작동합니다. ( 入>1 )
만약 부적절한 과잉공기라면 연료 소비율, 그을음, CO,그리고 HC가 증가합니다.
공기/연료 혼합물 형성은 다음의 변수들로 정의됩니다.
    - 분사 압력
    - 방출율 (분사시간)
    - 분무 분포 (분무제트의 수, 분무단면, 분무방향)
    - 분사 개시
    - 공기 유동
    - 공기 질량

이러한 것들은 모두 엔진의 배출가스와 연료 소비율에 영향을 미치며, 높은 연소온도와 산소의 고농도는 NOx의 발생을 증가시킵니다.   그을음(Soot)은 공기부족과 부적절한 공기/연료 혼합물 때문에 증가합니다.

    ② 엔진에서의 측정
연소실의 형상과 흡기 트랙은 배기가스에 긍정적인 영향을 끼치게 되는데, 만약 연소실에서 공기유동이 노즐을 떠나는 연료제트에 주의깊게 매칭된다면, 이것은 공기와 연료의 효과적인 혼합을 향상시키고, 분사된 연료의 연소를 완성할 수 있을 것입니다.   게다가, 공기의 균질적 혼합과 배기가스, 그리고 냉각된 EGR트랙의 긍정적인 효과가 달성됩니다.   4밸브 기술과 가변-터빈 기하학(VTG)을 가지는 터보 차져는 또한, 더 저감된 배기가스와 더 높은 출력 조밀도에 기여하고 있습니다.

    ③ 배기가스 재순환 (EGR)
EGR없다면, NOx의 발생은 배기가스 제어 법규보다 과도하게 나오게 되며, 반면에 그을름은 규제 이내로 나오게 됩니다.  
배기가스 재순환장치(EGR)는 엔진의 그을름의 극적인 증가없이 NOx의 생성을 감소시키는 한 방법이며, 이것은 높은 분사압력으로부터 야기되는 뛰어난 공기/연료 혼합물 형성 때문에 커먼레일 시스템에서는 효과적으로 수행됩니다.
EGR은 배기가스의 일부분을 부분-부하 작동동안에 흡기트랙으로 유입시키게 되고, 이것은 산소함유량을 감소시킬 뿐만 아니라, 연소율과 화염의 정면에서 온도 피크치를 감소시키게 되는데, 이러한 결과로부터 NOx가 감소됩니다.   만약 배기가스가 너무 많이 순환되면(흡기체적의 40%이상), 산소의 부족으로 인하여 연료 소비율 뿐만 아니라 그을름, CO, 그리고 HC도 증가게 됩니다.

    ④ 연료분사의 영향
분사개시, 방출율 곡선, 그리고 연료의 미립화도 또한 연료소비율과 배기가스에 영향을 끼친다.

    ⑤ 분사 시작
더 낮아진 진행 온도 때문에, 지연된 연료분사는 NOx를 감소시킵니다.   그러나, 만약 너무 지나치게 지연되면 HC와 연료 소비율은 증가하고, 고 부하조건에서 그을름도 증가하게 됩니다.   만약 분사개시가 바람직한 값에서 1˚cks벗어나면, NOx는 5%정도 줄어듭니다. 반면에 진각되는 방향으로 2˚ 벗어나면, 실린더 피크압력을 10bar정도 증대시킬 수 있으며, 지각방향으로 2˚ 벗어나면, 배기가스 온도가 약 20˚정도 상승하게 됩니다.   이러한 높은 민감성 때문에 분사개시를 조정할 때 절대적인 정확성이 요구되는 바입니다.

    ⑥ 방출율 곡선
방출율 곡선은 단일 분사사이클(분사개시부터 분사종료까지)동안의 연료 유량의 변동을 의미하며, 연소지연(분사개시와 연소개시사이)동안에 전달된 연료 유량을 결정합니다.   또한, 연소실에서의 연료 분포에 영향을 미치며, 공기 이용효율에도 영향을 끼칩니다.
방출율 곡선은 연소지연동안 연료분사가 최소한으로 유지되도록 천천히 상승해야 합니다. 즉, 연료는 엔진소음과 NOx생성의 부정적인 요소와 함께 연소가 시작되자마자 바로 갑자기 연소합니다.
방출율 곡선은 불충분하게 무화된 연료가 높은 HC와 그을름에 이르지 못하도록 하고, 연소말기 동안에 연료 소비율을 증가시키지 않도록 급격하게 떨어져야 합니다.

    ⑦ 연료 무화
미세하게 무화된 연료는 공기와 연료의 효과적인 혼합을 향상시키며, 이는 또한 HC와 그을름의 감소에도 기여합니다.   고압분사와 노즐분사 오리피스의 최적의 기하학적 형상은 양호한 무화를 이끌어 냅니다.   가시적인 그을름을 방지하기 위해서는 분사된 연료량이 흡기 공기량과 일치하여 제한되어야 하는데, 이것은 적어도 10~40%의 과잉공기를 필요로 한다는 얘기입니다. (람다 = 1.1~1.4)
일단 노즐의 니들이 닫히면, 분사 오리피스에 있는 연료는 증발하게 되고,(SAC노즐의 경우 연료는 SAC체적에서 증발) 이 과정에서 HC는 증가합니다.   이것은, 그러한(해로운) 체적은 최소값으로 유지되어야 함을 의미합니다.

  4) 연료 시스템
커먼레일 연료분사 시스템에서 연료시스템은 연료의 저압이송에 대한 저압단계, 고압이송에 대한 고압단계, 그리고, ECU로 구성됩니다.

[그림 6] 커먼레일 연료 시스템

    ① 저압 연료 공급계통
커먼레일 연료분사 시스템의 저압단계는 다음과 같이 구성됩니다.
      - 연료필터를 가진 연료탱크
      - 1차 공급펌프
      - 연료필터
      - 저압 연료라인

      ▶ 1차 공급펌프
1차 공급펌프는 예비필터를 가진 전기적 연료펌프이며, 연료탱크로부터 연료를 이끌어내고, 연속적으로 요구되는 연료량을 고압펌프방향으로 전달합니다.

      ▶ 연료 필터
부적절한 필터작업은 펌프의 구성성분, 운송밸브, 인젝터 노즐에 손상을 초래하게 되므로, 연료필터는 연료가 고압펌프에 이르기 이전에 연료를 정화하고, 펌프의 예민한 요소에서의 때이른 손상을 막아줍니다.

    ② 고압 연료 공급계통
커먼레일이 장착된 연료시스템의 고압단계는 다음과 같이 구성되어 있습니다.
      - 압력-제어밸브를 가진 고압펌프
      - 고압 연료라인
      - 레일-압력센서, 압력 제한밸브, 인젝터가 장착된 고압 어큐머레이터로서의 레일
      - 연료-리턴라인

      ▶ 고압 펌프
고압펌프는 연료를 약 1,350bar의 시스템 압력으로 가압시키는 역할을 하며, 이 가압된 연료는 고압라인을 통해 관모양의 고압연료 어큐머레이터(레일)로 통합니다.

      ▶ 고압 어큐머레이터 (레일)
연료를 분사하기 위해 인젝터가 레일로부터 연료를 취한 후일지라도, 레일내의 연료압력은 실제로 일정하게 유지되는데, 이것은 연료 고유의 탄성으로부터 어큐머레이터의 효과가 증가하기 때문입니다.
연료의 압력은 레일-압력센서에 의해 측정되고, 압력-제어밸브에 의해 원하는 값으로 유지됩니다.
연료압력을 레일내에서 최대1,500bar로 제한하는 것은 압력-제한기의 역할입니다.   상당히 가압된 연료는 유량 제한기에 의해 레일로부터 인젝터로 향해지는데, 이것은 과잉연료가 연소실에 이르지 않도록 하는 것입니다.

      ▶ 인젝터
인젝터의 노즐은 솔레노이드 밸브가 트리거되어 연료의 유동이  허용되면 열리게 되며, 연료를 엔진의 연소실로 직접 분사하게 됩니다.
인젝터의 노즐이 열려서 요구되었던 연료가 분사되고, 남은 연료의 여분은 채취라인을 통해 다시 탱크로 되돌아가며, 압력-제어밸브와 저압단계로부터 반환된 연료도 고압펌프를 윤활하기 위해 사용된 연료와 함께 채취라인으로 돌아갑니다.

      ▶ 고압 부문의 연료라인
고압 연료라인은 고압의 연료를 이송하게 되는데, 시스템의 최대압력과 분사정지시, 때때로 일어나는 고주파수의 압력변동을 견딜 수 있어야 합니다.   그래서 연료라인은 스틸 튜브로 만들어지며, 일반적으로 반경 6㎜, 내부직경 2.4㎜로 되어있습니다.
레일과 인젝터 사이의 분사라인은 모두 같은 길이이어야 하며, 레일과 각각의 인젝터 사이의 길이차이는 각각의 튜브의 길이에서 굽힘에 의해 보상되어 집니다.   그래도 분사라인은 최대한 짧게 설치되어야 합니다.

지금까지 커먼레일 연료분사 시스템의 개요에 대해 알아보았습니다

미래의 직분사 디젤 엔진  
디젤 엔진의 매연을 줄이는 방법은 엔진 개선, 배출가스 후처리 기술, 연료의 변환 등이 있다. 엔진 쪽에서는 연료 분사장치의 전자화와 가변 터보 및 전자식 EGR 밸브를 쓰는 것으로 배출가스를 줄인다. 후처리 기술은 NOx와 PM을 낮추는 촉매장치에 관심이 모아진다. 연료의 황을 줄이고 바이오 디젤 등을 써서 촉매를 보호하고 CO₂ 발생을 줄이는 방법도 추진되고 있다
미래의 무공해차(Zero Emission Vehicle)는 수소를 연료로 쓰는 연료전지(Fuel Cell)차가 될 것이 거의 확실하다. 하지만 그 중간단계인 저공해차에 대한 접근방식은 조금씩 다르다. 미국은 휘발유 엔진의 연비 향상, 일본은 휘발유 엔진+전기모터를 이용한 하이브리드카의 연구에 집중하고 있다. 이에 반해 유럽은 저연비 디젤 엔진 개발에 힘을 쏟고 있다.
휘발유 엔진과 디젤 엔진에서 나오는 오염물질의 종류가 다르다. 휘발유에서는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등이 주를 이루지만 디젤은 NOx와 시커먼 검댕이 같은 입자상 물질(PM, Particulate Materials)이 생긴다. 휘발유 엔진이 뿜는 일산화탄소, 납 같은 중금속은 무연(無鉛) 휘발유를 쓰고 3원 촉매장치를 달면서 많이 줄어들었다. 하지만 NOx와 오존(O₃)은 나날이 증가하고 있다. 또 디젤차가 주범인 PM에 의해 공기 중의 미세먼지 농도가 날로 높아지고 있다.
이런 이유로 디젤차에 대한 배출가스 기준은 상당히 엄격해졌다. 2005년 시행될 ‘유로Ⅳ’ 기준에 따르면 입자상 물질의 경우 과거 0.3g/km에서 0.025g/kg으로 강화되었다. 93% 이상 줄어든 수치다. HC와 NOx도 95% 이상 줄인 0.025g/km다. 유럽 메이커들이 디젤 엔진의 배출가스 저감 기술에 매달리는 이유다. 국내 기준도 이에 버금갈 정도다. 내년에는 유로Ⅲ, 2005년부터는 유로Ⅳ보다 더 엄격한 규정이 적용된다.

엔진을 손본다
흡기장치·연료분사·연소실 개선

엔진을 개선해 출력을 높이고 배출가스를 줄이고자 하는 노력은 꾸준히 계속되어 왔다. 디젤 엔진의 배출가스 처리가 어려운 것은 NOx와 PM이 상관관계에 있기 때문이다. NOx는 1천300℃ 이상의 고온에서 공기 중의 질소와 산소가 결합해서 생긴다. 고온으로 연료가 타면 NOx도 함께 증가하지만 미연소 잔류물인 PM은 줄어든다. 반대로 연소 온도를 낮추면 효율이 떨어지면서 PM이 늘어난다.
커먼레일 시스템은 고압 직분사의 장점을 이용한 기술이다. 연료를 고압으로 뿜으면 연료 입자가 작아져 불완전연소로 인한 PM을 줄일 수 있다. 인젝터 노즐을 여러 개로 나누어 작게 만들어도 역시 PM이 줄어든다. 이와 함께 고회전에서 연료공급 부족을 막기 위해 1천300바 이상으로 연료를 압축한다.
이때 늘어나는 NOx는 인젝터의 전자제어에 의한 파일럿 분사(Pilot Injection)로 줄일 수 있다. 압축 초기에 소량의 연료를 미리 뿌리고, 불이 붙는 시점에서 본격적으로 분사하는 방법이다. 이렇게 하면 연소실 온도를 적정 수준으로 낮출 수 있고, 직분사 엔진의 진동도 어느 정도 줄일 수 있다. 파일럿 분사는 전자제어식 인젝터를 제어하거나 2개의 탄성을 가진 인젝터를 달아 조절한다.
VGT(Variable Geometry Turbine)와 인터쿨러의 효율을 높여 배출가스를 줄이는 방법도 있다. VGT는 엔진에서 나온 고압의 배출가스가 터빈의 날개에 부딪치는 각도를 조절하는 기술이다. 저회전에서는 터빈을 빨리 돌리고, 고회전에서는 공기가 지나치게 많이 들어가는 것을 막는다. 이 방법을 쓰면 공기량이 부족하기 쉬운 저회전에서는 PM을, 고회전에서는 온도가 올라가는 것을 막아 NOx가 줄어든다. 압축된 공기를 식히는 인터쿨러의 효율이 좋을수록 NOx가 더 많이 줄어들고 산소 밀도가 올라가 PM이 감소하는 일석이조의 효과를 얻을 수 있다.
NOx를 줄이는 방법으로는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 기술이 쓰이고 있다. 배기가스 일부를 흡기 매니폴드로 보내 CO₂를 공급하고, 온도를 낮추는 동시에 흡기의 산소 농도를 떨어뜨려 고온 연소를 막는 원리다. 하지만 고회전에서는 산소가 부족해 도리어 PM과 HC가 증가할 수 있다. 이를 위해서 엔진 회전에 맞추어 제어하는 전자식 EGR과 뜨거운 배기가스가 들어가 온도를 높이는 것을 막는 냉형 EGR(Cooled EGR)이 개발되었다.

다른 방법은 엔진 구조를 바꾸는 것이다. 피스톤 안쪽을 파내 압축비를 높이는 것과 동시에 실린더 안에서 공기가 소용돌이를 일으키도록 리엔트라(Reentrant) 형태의 연소실을 쓴다. 흡기가 빠른 소용돌이를 일으키면 고회전에서 연소가 잘 되지만 NOx는 증가한다. 때문에 저속에서는 큰 소용돌이를 만들고 고속에서는 많은 공기를 들여 보내는 가변 흡기 시스템이 쓰는 것이다.

연소 후의 처리 기술
산화촉매·DPF·SCR

출력이 올라가면 어느 정도는 배출가스가 늘어난다. 때문에 배출가스의 오염물질을 촉매와 필터를 이용해 거르는 후처리 기술이 필요하다. 휘발유 엔진에는 백금과 로듐, 팔라듐 등을 고온의 배기가스로 가열해 CO, HC 등을 공기 중의 산소와 반응시켜 CO₂와 물(H₂O)로 되돌리는 삼원촉매장치가 달린다.
디젤 엔진은 이런 산화촉매 외에 NOx와 PM을 줄이기 위한 별도의 촉매가 필요하다. NOx 산화촉매는 배기가스 중에 포함된 HC를 이용해 질소와 이산화탄소, 물 같은 무해한 물질로 바꾼다. 연소가 잘될 때는 HC의 농도가 떨어지기 때문에 ECU에서 주분사를 한 직후(배출가스가 나가기 전) 약간의 연료를 뿜는 포스트 인젝션(post-injection)으로 필터에 HC를 공급한다.
최근 벤츠가 대형 트럭에 달기로 한 NOx 저감기술은 SCR(Selective Catalytic Reduction)이다. 요소(Urea)를 물과 섞어 배출가스에 뿌리면 촉매에 의해 NOx는 물과 질소로 바뀌는데 정화율이 70% 이상인 것으로 알려졌다.
PM을 줄이기 위해서는 DPF(Diesel Particulate Filter Trap)를 단다. CRT(Continuously Reganerative Trap)는 촉매 내부에 PM을 잡아 두고, 일정 기간이 지나면 PM을 촉매 안에서 태워 재생하는 기술이다. CRT는 현재 폭스바겐, 푸조 등이 실용화해 입자상 물질을 70% 이상 줄였다. CRT는 값이 비싸고 재생 기술이 필요한 단점이 있다. 가장 먼저 DPF를 쓴 푸조는 필터 안에 PM을 모았다가 주행거리가 12만km 정도 되면 교체하는 방식을 도입하고, 현재는 연료에 철이나 세륨을 더해 필터를 청소하는 CRT 방식을 내놓았다. 폭스바겐과 BMW, 벤츠에서는 700km 정도마다 자체정화가 이뤄지는 CRT를 단 차를 내놓았다.
유럽 메이커의 후처리 기술은 우리에게도 시급하다. 엔진 구조나 연료분사 시스템은 일정 수준에 올랐으나 아직 국내에는 DPF 필터를 단 차가 없다. 유럽 수출과 엄격해진 국내 기준에 맞추기 위해서는 우리도 관심을 가져야 한다.

연료의 개선
대안이 될 수 있는 바이오 디젤

매연을 줄이기 위해서는 황(S)의 양을 줄이는 것이 중요하다. 연료에 포함된 황은 연소 과정을 거치면서 이산화황(SO₂) 등으로 바뀐다. 이것은 산성비의 원인이 되는 것은 물론이고 촉매 등 배출가스 정화장치에 악영향을 미친다.
특히 디젤 엔진은 배기가스를 재순환시키는 EGR의 역할이 중요하다. 연소실을 빠져 나가면서 SO₂로 바뀐 황은 공기 중의 수분과 결합해 황산으로 변해 금속을 부식시킨다. 산화촉매 등의 후처리 장치를 단 차는 황 함유량이 50ppm 이하인 연료를 써야 효과를 볼 수 있다.
또 경유의 대부분을 구성하는 세탄(Cetane) 비율을 높이면 분자의 미립화가 쉬워 오염물질을 상당히 줄일 수 있다.

[박낙호]

오우~~ 잘 봤습니다 ^^

[강남수]

오우 엄청난 자료임니다. 한번에는 다 소화를 못시킬 정도의.....찬찬히 두고 두고 봐야쥐~

[이경석]

대기환경보전법이 2006년 1월부터 경유의 황함유량을 30ppm 이하로 줄이도록 명시되었다고 하는데 실제로 시행이 되었는지는 모르겠네요.

[골프맨(이동근)]

초저유황 판매는 시작했는지 모르지만 DPF필터는 2,000cc이하 차량의 올해 차값이 올라간 원인으로 작용했죠...

[시은짱I♡시은(손신규)]

선배님 잘 읽었습니다.