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인젝터의 양대 산맥, 피에조 vs 솔레노이드

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글 : 한상기(hskm3@hanmail.net)
승인 2007-10-29 07:01:31

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인젝터의 양대 산맥, 피에조 vs 솔레노이드

디젤 기술이 날로 발전하면서 시스템의 핵심 중 하나라고 할 수 있는 인젝터의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 특히 최근 배기가스 규정이 강력해지면서 인젝터를 공급하는 부품 회사의 역할도 더욱 강조되고 있는 실정이다. 현 디젤 엔진에 사용되는 인젝터는 크게 피에조와 솔레노이드가 쓰이고 있으며 부품 회사와 완성차 업체에 따라 각기 다른 방식을 채용하고 있다.

글/한상기(프리랜서 자동차 칼럼니스트)

현재 독일의 보쉬와 지멘스 VDO, 이태리의 마그네티 마렐리는 피에조에 집중하는 반면 델파이는 기존의 솔레노이드를 밀고 있다. 솔레노이드 또는 전자석 인젝터만으로도 피에조에 맞먹는 맞먹는 효율을 얻을 수 있다고 주장한다. 인젝터 제조사로서 5번째 규모인 일본의 덴소는 솔레노이드와 피에조 두 가지 모두를 개발한다는 입장이다.

인젝터 시장 역시 코스트, 그리고 앞으로의 발전 가능성과 밀접한 관계가 있다. 부품 회사들은 인젝터 생산과 관련된 순이익을 밝히고 있진 않지만 이미 유럽 내 생산 볼륨은 연간 8천만 개를 넘어서고 있다.

이미 많은 메이커들은 유로 5의 NOx와 PM 기준을 만족하기 위해 피에조를 채택한다고 밝힌바 있다. 유로 5의 기준 중 하나는 디젤에서 나오는 NOx를 1km 당 250mg에서 200mg으로, 그리고 PM은 1km 당 25mg에서 5mg으로 크게 줄여야 한다. 하지만 새로 바뀐 규정에서는 NOx의 배출이 1km 당 170mg으로 더욱 강화되었다.

만약 완성차 업체들이 값비싼 배기가스 후처리 장치를 달지 않는 다면 연소 효율을 높이는 방법 밖에 없다. 그리고 효율을 높이는 가장 좋은 방법은 연료를 분사하는 인젝터의 개선이라는 의견이다. 인젝터 제조사들이 개발에 가장 공을 들이는 분야는 세 가지로 압축된다.
분사 압력의 증가와 노즐의 개수를 늘리는 것, 그리고 분사 타이밍을 더욱 정확하게 하는 것이다. 차세대 디젤 인젝터의 압력은 현재의 1,600바에서 2,000바까지 올라갈 예정. 효율도 그만큼 높아진다.

2000년부터 피에조 인젝터를 개발하기 시작한 지멘스 VDO는 유로 5는 물론 앞으로의 배기가스 규정을 만족할 수 있는 방법 중 최선이라고 생각한다. 하지만 델파이는 자신들이 보유한 최신의 솔레노이드는 피에조만큼이나 높은 2,000바의 분사 압력을 달성했다고 밝혔다. 델파이는 피에조와 솔레노이드 타입을 면밀히 비교했지만 방식에 따른 차이점은 발견할 수 없다고 밝혔으며 거기다 자사의 시스템은 피에조 보다 20mm 더 작은 장점도 있다고 덧붙였다.

CSM 월드와이드는 프랑스 회사처럼 마진이 적은 입장에서 솔레노이드는 메리트가 있다고 밝혔다. 하지만 NVH(Noise, Vibration & Harshness) 면에서는 불리하다고 두 방식의 차이를 설명했다.
한편 글로벌 인사이트의 경우 유로 5 기준만을 위해서라면 피에조가 반드시 필요한지는 의문이라고 밝혔다. 유로 5를 만족하기 위해서는 현재의 솔레노이드와 DPF로도 충분하다는 입장.

델파이에 따르면 프랑스 메이커 뿐 아니라 다른 회사들도 기존 솔레노이드의 장점을 충분히 인지하고 있다. PSA의 경우 디젤 엔진에 있어 솔레노이드 방식의 인젝터를 우선적으로 채택하고 있는 편. 하지만 델파이는 올해 들어 직접적인 밸브 컨트롤을 위한 피에조 기술의 개발에도 투자하고 있다.
토요타의 자회사 덴소는 유럽으로 눈길을 돌리고 있다. 앞으로 나올 피에조의 분사 홀은 현재의 7개에서 9개로 늘어나 더욱 정밀한 분사가 가능할 예정이다.

두 방식 모두 당장의 유로 5를 만족하는 데는 문제없지만 2013년 이후의 유로 6를 위해서는 피에조가 좀 더 유리하다는 의견이 지배적이다. 분사 압력을 높이게 되면 분사 후기에 발생하는 연료 역류 현상 같은 세세한 부분을 해결하는 문제가 남아 있는 것도 사실이다.

그러나 궁극적으로 피에조는 기존의 솔레노이드를 앞설 것이 분명하다. 피에조는 디젤은 물론 직분사 가솔린에도 널리 쓰이고 있기 때문이다. 글로벌 인사이트는 유럽의 디젤차 점유율은 47.4%, 판매 대수는 1천만 대를 넘고 있지만 2010년에는 48.1%에 달할 것이라고 전망했다. 이에 따라 디젤 엔진에 쓰이는 피에조 인젝터의 생산 볼륨도 2,200만개까지 늘어날 전망이다.

인젝터를 생산하는 부품 회사의 상황도 변하고 있다. 지멘스 VDO가 보쉬를 대신해 폭스바겐에 피에조 인젝터를 공급하고 있기 때문이다. 폭스바겐은 유닛 인젝터를 사용하고 있었지만 지멘스 VDO와 피에조를 생산하고 있다. 따라서 피에조 시장에서 지멘스 VDO의 점유율도 높아지고 있다.

폭스바겐과 지멘스 VDO의 합작은 유닛 인젝터에 피에조 액츄에이터가 결합된 것으로 업계에서는 처음 도입되는 방식이다. 폭스바겐에 따르면 새로 개발되는 피에조 분사 시스템은 좀 더 정밀하면서도 유연한 다중 분사가 가능하다. 지멘스 VDO는 피에조 커먼레일 시스템을 상용밴과 미국의 픽업 등에도 공급하고 있다. VDO는 분사 압력 2,000바에 이르게 되면 동일 배기량으로 더 높은 출력과 토크를 뽑아낼 수 있을 것으로 기대하고 있다.

피에조는 높은 분사 압력에서도 인젝터 밸브의 개폐 시간을 정밀하게 조절할 수 있고 반응 속도가 매우 빨라 점점 쓰임새가 늘어나고 있다. 피에조 기술은 지멘스가 2000년 가을 처음으로 상용화 했고 아우디 V6 3.0 TDI에 가장 먼저 쓰였다. 반면 유닛 인젝터는 1998년부터 다수의 폭스바겐 엔진에 쓰였다. 솔레노이드를 사용하는 유닛 인젝터는 커먼레일 보다 높은 2,000바의 압력이 장점이다.

덴소는 세계 최초로 분사 압력 1,800바의 커먼레일 피에조를 선보이기도 했다. 이 시스템은 작년 5월부터 토요타 아벤시스에 처음 쓰였다. 기존의 솔레노이드와 비교 시 덴소의 피에조는 분사 간격을 0.4초에서 0.1초로 최소화 했고 이는 업계에서 가장 짧은 수준이다.
보쉬는 승용차용 커먼레일 인젝터 생산 1억 개를 돌파한 그야말로 업계의 리딩 메이커이다. 1997년부터 커먼레일 시스템을 생산해온 보쉬의 인젝터는 2,600만대의 승용차에 장착되고 있다.

당장의 연비와 배기가스 규정을 맞추기 위해서는 획기적인 신기술보다는 현재의 효율을 높이는 것이 현실적이라는 말을 한다. 특히 디젤의 경우 가솔린 보다 상대적으로 발전 가능성이 높은 만큼 시스템의 핵심 중 하나인 인젝터의 성능 여부가 중요하다 하겠다.



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