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일본엔진기술 동향보고 : 디젤분사기술

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-01-27 06:19:05

본문

지금까지와 다른 차원의 엔진 열효율 달성을 위한 움직임이 본격화된 일본에서는 연료분사기술이 새삼 중요한 화두로 떠오르고 있다. 차세대 연료분사기술은 단순히 미립화 향상이 아니라, 연료분무의 운동량, 공간확산성, 안정성을 고도 제어함으로써, 새로운 엔진기술(다운사이징 등) 및 연소방식(PCCI (Premixed-Charge Compression Ignition), RCCI (Reaction-Controlled Compression Ignition) 등)을 구현화하고 이에 의한 연비향상효과를 극대화하는데 초점을 맞추고 있다. 엔진의 형태나 연소방식을 바꾸면서 이에 적합한 연료분사 패턴을 검토하지 않는 것은 기술의 효과를 반감시키거나 오히려 역효과를 초래할 수도 있기 때문이다. 실제로 엔진개발의 일선에 있는 일본 자동차메이커의 연구원들을 만나보면, 차세대 엔진개발에 있어 연료분사의 중요성이 한층 높아지고 있음을 알 수 있다.

본 고에서는 최근 일본의 디젤분사기술 관련 연구동향에 대해 살펴보고자 한다. 우선 필자가 여러 자동차메이커의 연구원들과의 논의를 통해, 또한 최근 일본학회에 발표된 자동차메이커들의 발표내용을 통해 파악할 수 있었던 디젤분사기술의 전반적인 흐름에 대해서 논의하고자 한다. 그 다음 2013년에 보급이 시작된 DENSO의 제4세대 커먼레일 시스템의 중점개발 사항 및 특성에 대해서 살펴보고자 한다. 본 고에는 필자의 사견이 일부 포함되어 있음을 미리 밝혀둔다.

디젤분사기술의 전반적 흐름
지금까지 연료분무하면 미립화가 가장 중요하다고 생각되어 왔지만, 실제로 그렇지 단순하지만은 않다. 연료를 주변공기와 잘 만나게 하는 것이 중요한 디젤확산연소(특히 고 EGR 저온연소)에서는, 분무의 미립화가 촉진되면 분무의 운동량이 빠르게 감소하여 연소실 내 공기를 충분히 이용하지 못하는 경우가 있기 때문에 분무의 운동량 역시 중요한 요소이다. 한편, 최근 주목 받고 있는 부분예혼합(Partially-Premixed)연소 및 RCCI 등에서는 혼합기 분포의 안정적인 제어가 특히 중요하기 때문에 분무미립화 및 운동량의 제어성능에 더불에 분사안정성의 확보도 중요하다.

최근 엔진기술의 주류인 다운사이징 관련해서는 분무도달거리의 억제가 중요한 과제로 떠오르고 있다. 실린더 보어(Bore)의 감소에 의해 인젝터와 피스톤벽면의 거리가 가까워졌기 때문에 기존의 인젝터를 그대로 사용하면 벽면침적물의 증가 및 농후혼합기영역의 증가가 예상되기 때문이다. MAZDA의 저압축비 디젤엔진(Skyactive-D, 압축비14.8)에서도 유사한 이유로 분무도달거리를 억제하고 있다. 한편, 화염과 피스톤벽면의 접촉을 최소화시켜 연소화염의 벽면 열손실을 저감하는 방안으로서 분무도달거리의 억제가 검토되고 있다.

분무의 도달거리를 줄이기 위해 분사압력을 줄이는 것은 농후액상거리(Liquid Length)의 감소효과 없이 주변공기의 유입량만을 감소시키기 때문에, 또한 분사율의 감소에 따른 분사기간 및 연소기간의 증가가 필연적으로 뒤따르기 때문에 효과적이지 않을 것이라 판단된다. 분공경을 감소시키는 것을 생각할 수 있으나, 분공경의 감소에 의한 분사율의 감소는 분사압이나 분공수의 증가를 필요로 한다. 분사압의 증가는 분무도달거리의 억제효과를 저감시키고, 분공수의 증가는 인젝터 가공의 난이도 및 연소실 내 화염간섭을 증가시킬 우려가 있다는 측면에서 신중할 필요가 있다.

실제로 Toyota 중앙연구소는 지난 5월에 열린 JSAE 춘계학술대회에서 기존 엔진과 동일한 압축비, 공연비, 분사기간을 다운사이징 엔진에 적용했을 때, 인젝터의 분공경을 77μm까지 감소시켜도 기존 엔진보다 스모크(Smoke) 배출량이 증가함을 밝혔다<그림 1>. 이는 분공경 감소에 의한 분무도달거리의 억제효과가 충분하지 못했기 때문이라 논의하였으며, 다운사이징 엔진의 분무도달거리를 적극적으로 억제하기 위해서는 분공경 이외에 공기밀도비를 기존엔진보다 증가시키는 것이 필요하다고 밝혔다.

최근 기존 인젝터의 변경을 최소화하면서 분무도달거리를 제어하는 방법으로서 분공길이 및 분공입구의 유체연마(Hydro-Grinding) 정도를 제어한 예가 발표되고 있다. 지난 2013년 7월호에 소개한 바와 같이, Honda는 1.6ℓ 다운사이징 디젤엔진을 개발하면서 분무도달거리를 제어하기 위해 기존 인젝터의 분공길이를 대폭 감소시켰음을 밝혔다. 또한, 지난 5월에 열린 JSAE 춘계학술대회 발표에서 MAZDA는 신형 Skyactive-D엔진에 분공길이를 감소시킨 새로운 인젝터를 적용했음을 발표했다<그림 2>.

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사실 자동차메이커들이 학회에서 발표하고 있는 내용은 일반적인 내용이 대부분일 뿐, 분사기술의 핵심이라 할 수 있는 인젝터 노즐의 Sac, 분공, 분사니들(Needle)의 구조 및 분사니들의 거동에 대해서는 공개하지 않는 경우가 많다. Sac, 분공, 분사니들의 구조 및 상대위치는 노즐에서 분사되는 분무의 운동량, 공간확산성, 안정성을 결정짓는 중요인자이다. 분무의 운동량, 공간확산성, 안정성은 Trade-Off 특성을 가지고 있기 때문에 양립시키기가 쉽지 않은데, 최근 노즐설계의 최적화를 통해 이들 요소들을 양립시키고 자 하는 노력들이 이루어지고 있다.

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한편, 분사니들의 상승 및 하강속도는 분사 초기 및 종료 단계의 저속유동조건에서 생성되어 엔진연소에 악영향을 미치는 과대연료입자의 생성과 깊이 관련되어 있다. 또한 연소상 및 속도를 결정짓는 중요인자이다. 저속유동조건에서 발생하는 과대연료입자들은 미연생성물의 배출량과 직결되고, 또한 팽창행정 중에 일어나는 후연소(After-Combustion)와 연관되어 있는 것으로 것으로 알려져 있는데, 이의 발생을 최소화하는 분사니들의 거동에 관한 연구도 중요하게 인식되고 있다.

DENSO 제4세대 커먼레일 시스템
DENSO의 제4세대 커먼레일시스템은 2013년부터 양산이 시작되어 지금까지 그 기술내용이 일본 및 국제학회에서 수 차례 소개되어 왔다. 본 장에서는 여러 학회에 소개된 내용을 정리하고 그 상세특성에 대해서 고찰해 보고자 한다. 잘 알려진 바와 같이 DENSO 제4세대 커먼레일 시스템의 가장 두드러진 특성은 최대 300MPa(승용차 250MPa, 상용차 300MPa)의 초고압 분사성능이다. 인젝터로부터의 리턴유량을 최소화하여 안정적인 초고압 분사기술을 구현하는 동시에 연료펌프의 구동에 필요한 엔진동력 및 마찰손실을 저감시켰다.

두 번째 중요한 특성은 니들거동의 응답성을 향상시키기 위해 액츄에이터(Actuator) 및 조절밸브(Control Valve)를 노즐 가까운 부분에 설치해 전체 구동부의 중량을 감소시켰다는 점이다<그림 3>. 이를 통해 분사개시 및 종료시점에서 생성되는 과대연료입자의 생성을 줄이고 분사안정성을 확보하기 위해 분사니들의 속도를 증가시켰으며, 분사초반에는 NOx 및 소음발생을 줄이기 위해 상대적으로 완만한 분사율 증가를 보이는 Controlled Rising 기간을 적용했다<그림 4>.

세 번째 중요한 특성은 분사안정성의 확보에 심혈을 기울였다는 점이다. 우선 엔진 ECU로부터의 분사신호와 계측된 분사유량과의 피드백 컨트롤을 통해 엔진연소실에 공급되는 연료유량의 변동을 최소화하는 I-ART시스템을 적용했다<그림 5>. 또한 노즐내부유동의 불안정성에 의한 분무 및 혼합기 분포의 사이클 변동을 최소화하기 위해 노즐분공의 테이퍼도를 4까지 증가시켜 캐비테이션의 발생을 억제했다. 캐비테이션 형성의 억제는 비단 분사안정성의 확보뿐 만 아니라 특히 초고압 분사조건에서 그 정도가 심각해 질수 있는 캐비테이션에 의한 분공침식(Erosion)을 최소화하기 위한 목적도 있다<그림 6>.

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대외발표에서는 소개되지 않았지만 위에 언급한 제4세대 인젝터 노즐의 설계상의 특성은 동요(Perturbation)도가 매우 낮은 초기유동을 형성시키는 것으로 연구자들 사이에서 논의되고 있다. 낮은 동요도는 유동의 초기분열을 지연시킬수도 있으나, 초고압분사를 통해 하류영역에서의 연료/공기 혼합기 형성을 촉진시켜 이를 보상한 듯 보인다. 이상의 내용을 종합해 보면, 제4세대 시스템에서 DENSO는 분무의 안정성을 통한 혼합기 분포의 안정적 제어를 가장 우선시한 것으로 판단된다.

DENSO의 제4세대 인젝터가 어떤 형태의 노즐내부구조를 가지고 있는지에 대한 정보는 잘 알려져 있지 않다. 최근의 연구논문에서 Sac체적을 줄이고, 니들의 초기위치를 분공보다 낮게 배치하여 니들변위량이 적은 영역에서 발생하는 불안정한의 유동(String Cavitation 등)의 형성을 억제하는 노즐형태가 공개된 적이 있으나, 실제로 제4세대 인젝터가 어떤 내부구조를 하고 있는지는 향후 추가조사가 필요하다.

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본 고에서는 최근 일본의 디젤분사기술관련 연구동향 및 DENSO 제4세대 커먼레일시스템의 특성에 대해서 살펴보았다. 도입부에 언급한 바와 같이 연료분사기술은 차세대엔진개발의 중요한 요소기술로 인식되고 있으며 이를 최적화하기 위한 자동차메이커의 노력은 지속적으로 이루어지고 있다. 향후 일본 내연기관 연구의 주축으로서 일본정부의 창조적이노베이션 프로그램(SIP, 연간 200억원 규모) 및 일본자동차메이커 8사의 자동차용내연기관연구기술조합(AICE)이 본격 가동되었다고 지난 해 소개한 바가 있다. SIP 과제에서는 가솔린 및 디젤연소기술의 일부로서 연료분사에 대한 연구가 진행되고 있다. 한편, 연료분사기술이 AICE의 공통연구과제로는 설정되어 있지 않은데, 이는 연료분사기술이 각 자동차메이커에 있어서 경쟁영역으로 분류되고 있는 것이다. 또한 SIP 과제에서 이미 연구를 진행하고 있는 것이 이유로 보여진다.

연료분사기술의 발전이 내연기관의 고효율화 및 이산화탄소 배출량 저감에 어느 정도 기여할 수 있을지는 아직 미지수이다. 하지만 새로운 연료나 전기자동차의 보급에 상당한 시간 및 초기비용이 필요한 점을 인지하고 내연기관의 고효율화에 연구역량을 집결시키고 있는 다른 자동차 선진국의 움직임을 감안할 때, 내연기관의 고효율화에 직결되는 연료분사기술의 중요성이 과소평가 되서는 안 될 것이라 생각된다.

 

글 / 문석수 (일본산업기술종합연구소)

출처 / 오토저널 15년 7월호 (http://www.ksae.org)  

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