디젤 엔진의 연비향상 기술

[골프맨]

디젤 엔진 관련해서 전문가가 아닌  그냥 소비자 입장인 사람이지만  나름대로  많이찾아보고  있는데...

많은 오해가 있는것이 사실이고  또  터보디젤 직분사 방식이 갖는 장점을   일반 소비자가 아직

잘 모르고 있는것을  기회로   터보디젤 직분사 방식의 장점인 아닌  자기네 메이커의 장점인양  마케팅을

하는 회사도 있고 해서 인터넷 상에서 몇번의 논쟁을 한적이 있는데...

논쟁에서 이겨봐야  상대방 한테 고맙다는 소리 듣는것도 아니고...

오히려  논쟁을 하지 않은것보다 못한 결과가 나온적이 몇번 있어서 요즘은 그냥  그려려니 하고

지내는 편인데...

정보를  입수하는  방법이나  시기  정확도 같은것을  지적받으니 

그냥  일반인이  호기심이 있어  찾아본 내용정도긴 하지만  그래도 알고 있는 내용의 신뢰성을 믿는

사람으로 반발심이 생기더 군요...

관련해서 일하는   전문가는 아니더라도 

관심을 두고 찾아보면    카이스트의  엔진 연구하는  랩이나

포항공대  아니면  자동차 학과   자동차 공학회   소속  연구원의 논문

아니면  수만명에 달하는  전문 정비인의 모임에 올라온  정비사례등   많은 자료를 모을수도 있답니다...

아래는  비교적 최근에 볼수 있었던 전문적인 내용인데

비교적 쉽게  씌여져서  어느정도는  이해한 글입니다.

최근 디젤 엔진이 가지는 장점이 잘 나온 글이라 올려 봅니다

-----------------------------------------------------------------------------------------------

한국자동차 공학회는 2008년 12월호 오토저널을 통해 낮은 연비와 기술집약적인 청정엔진으로서의 위상이 날로 커지고 있는 디젤엔진의 다양한 연비 향상기술에 관한 내용을 소개하였다. 디젤 엔진은 고 압축비 운전이 가능해 효율을 높일 수 있기 때문에 연비와 직접적으로 연결되는 강화되고 있는 CO2 규제에 대응하기에 가솔린 엔진에 비해 쉬운 강점을 가지고 있다. 디젤엔진의 연비향상 기술과 관련된 내용을 소개한다.

1. 서론
지구 온난화에 대응하기 위한 기후변화협약의 이행에 따라 예고되고 있는 CO2 배출 가스 규제는 산업계의 에너지 공급과 소비에 많은 변화를 줄 것이며 자동차 산업에서도 큰 파장을 미치고 있다.

글 / 배충식, 장진영 (한국과학기술원)
제공 / 한국자동차 공학회

디젤엔진은 효율이 높아 연료소비율이 낮기 때문에 유럽에서 정한 이산화탄소(CO2 : Carbon Dioxide) 규제(120g/km)를 만족하기 위한 고효율 엔진과 차량개발 등이 중심축이 되고 있다<그림 1>. 또한 높은 연소 효율 때문에 일산화탄소(CO : Carbon Monoxide)와 탄 화 수 소 (HC : Hydrocarbon)의 배출량이 극히 적은 장점을 가진다.

그러나 디젤 엔진의 경우 질소산화물(NOx : Nitrogen Oxides)과 입자상물질(PM : Particulate Matter)의 배출이 인체에 유해하여 그 규제치가 더욱 엄격하며 이에 대응하고자 연소 기술의 개선과 배기 후처리 장치의 개발에 대한 노력이 계속되고 있다. 강화되는 배기규제(유럽 Euro 6, 미국 Tier 2 Bin 5 등)를 충족시키기 위해서 많은 자동차메이커들이 차량 및 엔진 개발에 많은 투자와 연구를 진행 중 이다.

2. 디젤 연비개선 기술
강화되어 가는 CO2 배출 가스 규제에 대응하기 위한 디젤엔진 연비향상을 위한 기술은 <표 1>에 정리된 것과 같이 엔진, 부가장치, 마찰 등의 부분에서의 연구 개발을 통해 이루어지고 있다. 엔진 부분에서는 연료 분사 시스템, 가변 압축비(VCR : Variable Compression Ratio), 대체연료와 지능형 냉각시스템(Intelligent Cooling System) 등에 대한 연구가 있다. 부가장치 측면에서는 하이브리드화를 통한 모터제어 방식을 사용하는 냉각수 펌프, 파워 브레이크, 파워 스티어링이 있으며, 엔진의 기계적 손실을 줄이기 위해 마찰 개선제(Friction Modifier)를 사용하고 부품을 경량화시키기도 한다. 이 외에 소형 과급 엔진과 하이브리드화를 통한 연료 소비율 저감 노력이 있다.

2.1 연료 분사 시스템
승용 자동차용 엔진으로부터 높은 출력을 내기 위해서는 엔진이 높은 회전수로 운전되어야 한다. 그러나 엔진의 회전수가 높아질수록 연소과정이 짧은 시간 동안 효과적으로 이루어져야만 한다는 제약이있다. 직접 분사식 디젤엔진은 연소실 내부로 분사된 연료와 공기가 혼합되는 속도에 의해서 연소속도가 제어되기 때문에 직접분사식 디젤엔진을 소형화, 고속화하기 위해서는 공기와 연료의 혼합이 효과적으로 이루어지도록 연소실 내부의 유동특성과 아울러 연료의 분사율, 분무의 거시적 형태, 그리고 분무의 미립화 특성을 최적화 시키기 위한 기술이 요구된다. 따라서 연료 분사 시스템은 디젤 엔진에서 핵심 기술 중의 하나이다. 주요 요소기술은 고압펌프와 커먼레일, 전자제어식 고속 응답 분사기 기술이다. 또한 고압을 유지하기 위하여 단조로 가공된 커먼레일이 사용되었다. 2,000bar까지 가압하기 위한 고압 연료펌프의 경우 세개의 실린더 펌프에서 캠으로 구동되는 플런저 타입으로 변경이 되었으며, 저속에서도 높은 압력을 유지할 수 있고 더 빠른 주기로 압축연료를 보낼 수 있다. 펌프 무게는 개발초기에 비해 60% 정도 감소했다.

인젝터의 구동방식은 솔레노이드 방식에서 피에조 방식으로 전환을 이루고 있다. 피에조 방식은 빠른 니들속도에 의해 시트에서 발생하는 유체손실이 감소되고 연료분사 시작과 종료 시 연료의 빠른 운동량 보존에 의해 매연저감에 공헌을 한다. 다단분사에 유리해 한 사이클당 최대 8회까지 가능하다. 배기배출물, 소음, 연소효율, 후처리장치 재생을 위해 적용되는 다단분사는 파일럿의 경우 소음을 줄이기 위해서 사용되며 후분사를 통해 매연산화와 후처리장치 재생에 도움을 주며 주분사의 다단화를 통해 연소효율을 증대시키고 있다<그림 2>. 델파이(Delphi)사에서 개발한 Direct Acting 인젝터의 경우 <그림 3>에 나타낸 것처럼 피에조(Piezo) 구동 장치가 니들(Niddle)의 움직임을 직접 제어하기 때문에 기존의 솔레노이드 구동에 의해 작동하는 서보(Servo) 방식에 비해 응답속도가 빠르고 이에 따라 스프레이의 침투 속도가 더욱 빨라 공기 이용율을 증가시킬 수 있다. 또한 <그림 4>에 나타낸 바와 같이 파일럿(Pilot) 분사 시기의 자유도가 서보 방식에 비해 높기 때문에 디젤 연소 제어에 더 효과적이다.

<그림 5>는 Direct Acting 인젝터와 Servo 방식 인젝터를 각각 적용한 엔진의 제동 평균 유효 압력(BMEP : Brake Mean Effective Pressure), 제동 연료 소비율(BSFC : Brake Specific Fuel Consumption), 스모크(Smoke) 배출량을 비교한 결과이다. Direct Acting 인젝터 사용에 의해 2~5%의 BMEP 상승, 약 3%의 BSFC 감소, 약 30%의 스모크 감소를 이룰 수 있음을 알 수 있다.

2.2 가변 압축비 기술
엔진의 파워를 향상 시킴으로써 연료 경제성을 향상시키고자 몇 몇 차량 제작사에서 가변 압축비(VCR : Variable Compression Ratio) 기술을 개발해왔다. 가변 압축비 기술은 압축비가 상대적으로 낮은 가솔린 엔진에 대하여 주로 사용 되어져 왔다. 이는 고 압축비를 사용함으로써 출력향상 및 배기배출물 저감을 동시에 이룰 수 있으며, 고 부하에서 저 압축비를 사용함으로써 질소산화물 배출을 줄이는 효과를 얻고 있기 때문이다. 이와 마찬가지로 디젤 엔진에서도 또한 비슷한 방식으로 디젤 엔진을 최적화 시킬 수 있을 것으로 보인다.

각 회사 별로 다른 방식을 채택하여 가변 압축비 엔진을 구현하고 있으며, 이를 살펴보면, Daimler-Benz의 경우 <그림 6>과 같이 피스톤의 높이를 제어함으로써 압축비를 변경하는 기술을 개발하였다. 작동원리는 Lower Oil Chamber(9)와 Upper Oil Chamber(10)에 오일을 채우고 비움으로써 엔진 내에서의 피스톤 높이를 변경하여 압축비를 변경하는 방식이다.

Nissan의 경우 <그림 7>과 같이 커넥팅 로드에 Multi-link 기구를 설치하여 압축비를 가변 시키는 방법을 사용하였다. Control Link의 움직임에 의해 피스톤의 위치가 변경되면서 압축비가 바뀌게 된다. 이외에도 Ford에서는 일정한 부피를 가지는 부연소실을 흡기와 배기 밸브 이외의 별도의 밸브를 통해 열고 닫음으로써 압축비를 변경시키는 방식을 제안하였다.

2.3 지능형 냉각시스템
현재 엔진 제작사들에 의한 냉각시스템 설계는 고 부하 및 극한 운전 조건에서 엔진 연소실에 접한 금속면들과 각 부품들이 열적 파손을 일으키지 않는 조건으로 이루어지고 있다. 그러나 이러한 극한의 조건으로의 실제 차량 운행은 전체 운전 시간의 5%미만이다. 냉각 펌프가 엔진과 연결되어 함께 작동하기 때문에 냉각수의 유량이 엔진 회전수에 따라 변하게 되므로 엔진 회전수 외의 부하 및 주변 온도에 따른 적절한 대응을 할 수 없다. 따라서 실제 차량 운행 시 가장 많이 사용되는 저부하 운전 조건에서는 엔진의 온도가 과도하게 낮아지는 경향이 있다. 이로 인해 실린더 라이너의 마찰 손실 증가 및 연소온도 감소, Heater Core 성능 저하 등이 나타난다. 실제로 엔진오일의 경우 온도에 따라 그 점도가 변하기 때문에 엔진의 기계적 에너지 손실에 직접적으로 영향을 미치게 된다. 냉시동 조건과 웜업(Warm-up) 조건에서 마찰도시 평균 유효 압력의 차이는 약 0.5에서 1 bar 정도 나타난다. 따라서 엔진의 웜업시간을 단축하게 되면 그 만큼의 엔진 효율을 증가시킬 수 있는 것이다.

<그림 8>은 지능형 냉각시스템(Intelligent Cooling System)을 보여주고 있다. Electric Actuators(전기구동식 워터펌프, 3-way 냉각수밸브, 팬)들을 사용하여 엔진 냉각시스템을 최적 제어할 수 있도록 하였다. 이에 따라 엔진 구동손실저감, Viscous Waste 저감등을 통해 연비 개선효과를 볼 수 있다. 이는 디젤 하이브리드 엔진에 적용함으로써 엔진 효율 향상 및 배기 저감에 더욱더 큰 기여를 할 수 있다.

2.4 소형 과급 엔진
소형 과급 엔진은 자연 흡기식 대형 엔진에 비하여 15~20%의 연비 저감이 가능하고, 동일 출력에서는 자연 흡기식보다 경량화가 가능하다. 엔진의 총 질량에 대한 엔진 각 부품의 질량 비율을 보면, 실린더 블록(Cylinder Block), 실린더 헤드(Cylinder Head), 크랭크 축(Crank Shaft), 피스톤, 커넥팅 로드(Connecting Rod) 등이 전체의 약 60%를 차지하므로 이러한 부품들의 최적 경량 설계를 추구하는 것이 효과적이다.

최근 개발된 0.9 L인 4기통 디젤엔진은 보어 사이즈가 65mm까지 소형화 되었으며, 보어 스트로크 비(Bore to Stroke)가 1.05이고 커먼레일 방식의 고압분사 시스템과 4밸브 구조를 가지고 있다. 또한 한개의 실린더 배기량이 300cc인 1.2L 디젤엔진 개발이 예상되고 있다.

<그림 9>는 1.4 L 소형 과급 디젤 엔진의 개략도를 보여주고 있다. 원래 2.0L 과급 엔진과 동일한 성능을 가질 수 있도록 2단 터보차져(2-Stagee Turbo Charger)와 고압 EGR과 저압 EGR이 가능하도록 하였다. 이를 통해 CO2 배출량을 20% 가량 줄여 120g/km 규제를 만족할 수 있었으며, 소형화로 인해 40% 정도 가량 감소했던 출력 역시 동일 수준으로 끌어올렸다.

2단 터보차져의 경우 저속영역과 고속영역에서 서로 다른 터보차져를 사용하거나 함께 사용함으로써 터보랙(Turbo Lag) 문제를 해결하여 디젤엔진의 출력을 향상시킬 수 있다. 저속 저부하 영역에서의 운전성 향상을 위해 Electric Supercharger를 사용하기도 한다.

2.5 피스톤 형상
디젤 엔진의 경우 피스톤의 형상에 따라 스퀴시 유동의 강도와 보울 형상에 따른 분사된 디젤 연료의 공기 이용률이 달라지게 된다. 따라서 피스톤 형상 변화에 따른 출력 및 배기 성능에 대한 연구가 진행중이다. 하지만 피스톤 형상의 경우 특정 조건에 대해서만 좋은 효과를 나타내는 경우가 많아 최고 출력 또는 중∙저 부하 출력에 초점을 맞추어 선택되기도 한다. 최적의 피스톤 형상을 찾기 위해 <그림 10>과 같이 보울의 Aspect Ratio를 변화 시키는 연구 또한 수행되었다. (Aspect Ratio : 연소실 지름과 연소실 높이의 비로 정의된 무차원 값)

2.5 디젤 하이브리드
고효율 디젤엔진과 모터-제너레이터 시스템을 결합시킨 <그림 11>과 같이 하이브리드 디젤엔진을 사용하여 최대 효율이 나타나는 영역에서 작동시킴으로써 연비를 최대화 할 수 있다. 이러한 하이브리드 시스템은 전기의 사용이 용이하기 때문에 앞서 소개한 지능형 냉각시스템 및 Electric Supercharger를 사용하는 소형 과급 엔진 사용을 극대화 할 수 있어 디젤 엔진의 연비를 더욱 향상시킬 수 있다.

또한 디젤 하이브리드 차량의 저부하 운전영역에서 예혼합 압축 착화(HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition)와 저온 디젤 연소(LTC : Low Temperature Combustion) 같은 신 연소 기술을 적용하여, 연비저감과 배기 가스 규제를 동시에 만족시키려는 연구가 진행 중이다.

2.6 각 업체들의 개발현황
메르세데스 벤츠는 E320 Bluetec 모델을 시작으로 M, GL, R클래스에 장착하면서 미국시장에도 디젤승용차를 판매하고 있다. 3.0 L 엔진의 경우 압축비 감소(16.5), EGR 냉각효율 20% 증가, VNT 배기가스 터보차저 적용을 통해 출력 155 kW와 토크 540 N∙m을 달성했다.

폭스바겐에서 <그림 12>와 같은 새로운 디젤 엔진을 개발하였다. 이 엔진에서 새롭게 적용된 인젝터는 8개의 테이퍼진 홀을 가지고 있는 Mini Blind 노즐과 1,800 bar까지 분사할 수 있으며 이때 인젝터의 구동방식에는 피에조 방식을 적용했고, 각각의 연소실에는 압력센서를 장착했다. 저압 EGR과 고압 EGR 시스템을 따로 적용해 효율적으로 작동하도록 했다.

BMW는 1, 3, 5 X3 시리즈에 적용하기 위해서 출력 150 kW, 토크 400 N∙m인 2.0 L 4기통 디젤엔진을 개발했다. 출력의 증대와 무게감소를 위해 알루미늄 크랭크케이스를 사용했으며 최초로 승용디젤차에 2,000 bar 피에조 인젝터 시스템을 사용했다. 자동 Stop-start 기능을 적용해 연료소비를 줄였다. 가변노즐터빈(VNT) 터보를 적용했다.

혼다는 유럽형 Accord에 새로 개발된 출력 103 kW, 토크 340 N∙m인 2.2 L 4기통 i-CTDi 터보디젤 엔진을 장착했으며 연비는 6.7 L/100km를 달성했다. 이 엔진의 특징은 요소(Urea)를 사용하지 않고 미국 배기규제 Bin5를 만족한다. Cooled EGR, 효율이 높은 LNT, DOC, DPF가 적용되고 있다.

스바루는 세계 최초로 박서형 디젤엔진을 개발했다 <그림 13>. 피스톤이 수평을 이루고 있기 때문에 피스톤 등의 왕복부품으로 인해 발생하는 관성력 또는 관성 모멘트가 상쇄가 되어 밸런스 축이 필요없어지고 이에 따라 마찰손실이 줄어 연료소비율이 감소한다. 최대 5단 분사까지 가능한 인젝터를 사용해 소음과 진동을 줄이고 인젝터의 특성을 바코드형태로 저장해 엔진에 적용시 바코드 데이터를 ECU에 입력하여 분사량에 대한 정확한 제어를 하도록 했다.

3. 결론
디젤 엔진은 고 압축비 운전이 가능해 효율을 높일 수 있기 때문에 연비와 직접적으로 연결되는 강화되고 있는 CO2 규제에 대응하기에 가솔린 엔진에 비해 쉬운 강점을 가지고 있다. 또한 연소 최적화 부분에서 고압 분사와 다단 분사의 활용 및 피스톤 형상 최적화를 통해 향상 시킬 수 있는 가능성이 아직도 많이 남아있으며 가변 압축비 엔진을 통해 과도응답특성 및 시동성 향상을 이룰 수 있다. 또한 전자 제어의 발달로 인해 분사 기술 뿐만 아니라 냉각 시스템의 최적화를 이룸으로써 운전조건에 따라 발생할 수 있는 열손실 및 기계적 손실을 최소화 할 수 있고, 2단 터보 차져와 엔진의 소형화를 통하여 적극적으로 연비를 향상시키려는 연구를 진행 중이다. 그 외에도 주변기기인 파워 브레이크와 파워 스티어링 펌프 구동을 모터를 사용하여 최적 제어함으로써 기계적 손실을 최소화하고 연료에 마찰 개선제를 첨가하거나 회전부위의 표면을 특수 코팅하고 부품을 경량화함으로써 마찰 손실을 줄이려는 연구 또한 진행되고 있다. 또한 이러한 연비향상 기술을 디젤 하이브리드 차량에 적용하여 연비향상을 극대화 시키려는 연구도 진행 중이다.

따라서 디젤 엔진은 연비가 낮은 장점을 극대화하는 한편 기술 집약적인 청정엔진으로 향후 자동차의 핵심 동력원으로 자리잡을 수 있을 것이다.

[skinloves]

좋은 글 감사합니다. 동호회의 발전을 위해 이런 테마로 이루어진 글이 많이 올라왔으면합니다. 차를 그냥 몰고다니는 것 보다 알고 몰고 다는게 진정한 차의 사랑이 아닐까요...

[EKAY]

다음 번에는 하절기와 동절기 경유의 차이점에 대한 글도 부탁 드립니다. 차의 성능이 저하되는 동절기 경유를 대신할 수 있는 고성능 경유의 차이점과 세가지 경유의 결빙점에 대해서도 공부해보면 좋겠네요. 폭스바겐 TDI 좋아하시니까, 로터리 펌프 방식 차량에 쓰던 글로우 플러그의 원리 및 시동성 개선을 위한 블록 히터에 대해서도 알면 좋을듯 합니다. 좋은 자료 많이 올려서주셔서 고맙습니다. 다소 오래된 내용도 없지 않지만, 알고 모르고는 큰 차이가 아닐 수 없습니다. 동호회 발전을 위해 최선을 다해주시는 골프맨님 화이팅!

[골프맨]

일반인이 아는것을 원치 않는것인지 검색 능력이 부족해서인지... 고성능 경유가 나오는 2곳의 메이커 홈피나 관련 사이트 검색에도 그냥 원유의 증류에 대한것만 나오지 고성능 경유에 대해 특별한 자료가 없더군요... 언급안된 내용중에 신경쓰이는것 하나가 현재 일반 경유에 혼합되는 바이오 경유 문제가 있는데.... 이것도 좀 복잡해서...

[에이플러스치까짱]

신형 이클 연비가 장난 아니던데요...디젤은 18.8까지 나오더라구요...