기고문

연료 분사 시스템의 친환경 기술 동향

■ 직접분사 방식의 가솔린엔진을 통한 환경친화성 향상 노력

○ 환경친화성 향상 노력의 일환으로 연료 분사 시스템에 대한 관심 부상 - 지구온난화에 대한 관심이 확산되면서 연료 소비 및 CO2 배출량 감축 필요성이 그 어느 때보다 중요해지고 있는 가운데 디젤 및 가솔린 직접분사(GDI) 시스템 시장에 대한 관심 부상 - 연료를 내연기관 엔진의 실린더에 분사하는 연료 분사 시스템은 단공 혹은 다공 노즐을 이용하여 연소실 내에 연료를 분사 ○ 델파이, 직접분사 방식의 차세대 가솔린 수요 확대 기대 - 델파이의 유럽 파워트레인 사업부 개발 담당 이사에 따르면 정부 규제가 가까운 장래의 파워트레인에 영향을 미칠 것으로 예상하는 델파이는 이미 가솔린 직분 방식(GDI)의 보급률 확대를 추진 - 델파이는 성능이 향상된 차세대 가솔린엔진의 효용에 대한 소비자들의 인식이 확산됨에 따라 GDI 엔진에 대한 수요가 확대될 것으로 예상 - 또한 기술이 성숙단계에 들어서고 생산량이 확대됨에 따라 다른 대안들에 비해 우수하고 소형화되면서 성능이 향상된 GDI 엔진 보급이 확산될 것으로 전망 ○ 컨티넨탈, GDI 기술을 이용한 엔진 소형화 및 터보 차저 수요 확대 기대 - 지멘스VDO를 2007년 7월 인수한 이후 연료 분사 시스템 시장의 주요 업체로 부상한 컨티넨탈의 엔진 시스템 사업부는 가솔린 및 디젤엔진용 전자제어식 분사 시스템을 공급 - 유럽시장의 엔진 소형화 요구에 따라 GDI 엔진에 대한 수요가 늘어날 것으로 예상하는 컨티넨탈은 피에조 인젝터와 성층 혼합 방식이 일부에서 사용되지만, 당분간은 균일 연소 방식과 함께 GDI를 통한 소형화 및 터보 차저에 대한 수요가 주류를 이룰 것으로 전망 - 앞으로 수 년 내에 터보 차저 및 직접분사 방식의 조합이 더욱 확산될 것으로 예상하는 델파이 담당이사는 부스팅 기능을 갖춘 GDI 방식을 통해 가솔린엔진이 소비자들이 원하는 주행 성능을 제공할 수 있을 것으로 기대 - 또한 양호한 NVH 특성이 결합되면 엔진의 성능 향상을 장점으로 하여 가솔린엔진이 디젤엔진과의 경쟁에서 우위를 차지하는 것이 가능할 것으로 전망 ○ 가솔린 연료의 유황 함유 비율 축소를 통한 GDI 엔진의 효용성 확대 - 정유업체들이 유황 함유 비율 축소를 약속하였지만, 이것이 실현되기 이전까지 가솔린 연료의 유황 함유량 비율이 높을 경우 GDI 기술을 이용한 연료 소비 절감 효과는 기대하기 어려울 전망 - 가솔린 연료의 유황 함유 비율 축소 문제는 기술적인 문제이기보다는 정치적인 문제로서, 기술적으로 유황 함유 비율 감축은 가능하며, 이미 초저유황 사용을 의무화한 일본의 사례를 감안해 볼 때 어느 정도의 비용이 소요되며, 얼마 만큼 빨리 실현될 것인가가 관건 - 델파이는 유황 함유량 감축을 포함한 연료의 품질 개선이 IC에 의해 구동되는 모든 파워트레인을 통해 법적 규제를 충족시킬 수 있는 것보다 높은 수준의 연비 향상을 달성하는 데에 기여할 것으로 예상 - 특히 최근 엔진 소형화의 기본적인 흐름이 균질 연소와 터보 차저 기능의 활용이지만 무황 연료는 DeNOx 촉매 시스템을 갖춘 린 연소 시스템의 보급 확대에 기여할 수 있을 전망 ○ GDI 기술 도입이 지연되고 있음에도 불구하고 시장 활성화 기대 확산 - GDI 시장이 활성화될 것이라는 초기 예상과는 달리 기술 도입이 지연되고 있는 여러 이유 가운데 가장 큰 요인은 유럽 완성차업체들이 안고 있는 실린더 헤드 재설계 및 내부 엔지니어링 역량 확충 부담 - 이러한 상황임에도 불구하고 포트분사 방식 가솔린엔진에 비해 연료 소비 감축, 엔진 출력 향상 및 배기가스 정화 능력 면에서 우월할 가능성이 높은 GDI 엔진의 보급이 수 년 내에 활성화될 것이라는 전망이 우세

■ 디젤엔진, 커먼 레일 기술 진화 동향

○ 커먼 레일 기술을 활용한 디젤엔진의 배기가스 감축 및 정숙성 향상 효과 - 반면 전자제어 방식을 이용하여 연료를 초고압으로 연소실에 분사하는 직접분사와 커먼 레일 기술이 디젤엔진의 성능을 향상시키고 있으며, 커먼 레일 기술은 디젤엔진의 소음과 환경오염에 대한 우려를 바꾸는데 기여 - 커먼 레일 시스템은 고압 상태의 연료를 레일에 저장하고, 전자제어를 통해 분사 시점과 각 실린더에 분사할 연료의 양을 최적화함으로써 디젤엔진에서 발생하는 질소산화물(NOx) 및 미세먼지 배출량을 줄이는 동시에 디젤엔진의 약점으로 인식되고 있는 정숙성의 향상이 가능 - 가솔린엔진과 비교했을 때 디젤엔진의 가장 큰 장점은 연료 소비량을 30% 이상, CO2 배출량을 25% 이하로 감축 가능하다는 점 - 또한 2009년 9월부터 유로-5 규제 기준이 시행되면 디젤엔진의 NOx 배출량은 규제 기준이 처음 시행되었을 때에 비해 거의 95% 감축이 가능하며, 미세먼지 배출량은 같은 기간 동안 97% 감축이 가능 ○ 델파이, 인젝터 니들을 직접 작동시키는 방식을 채택 - 델파이가 지난해 9월 출시한 차세대 디젤엔진 인젝터 Delphi Direct Acting Common Rail 시스템은 기존 연료 분사 방식이 전자유압 회로를 이용하여 인젝터 니들을 구동시키는 방식과 달리 피에조 세라믹 액츄에이터가 인젝터 니들을 직접 작동 - 델파이에 따르면 이러한 방식을 통해 연료를 연소실 내에 보다 빨리 분사할 수 있으며, 분사 압력에 상관 없이 니들 밸브의 개폐시기를 신속히 함으로써 분사 모멘텀 및 정밀도 향상이 가능 - 이를 통해 연소 제어를 향상시킴으로써 배기가스 배출량 감축이 가능하고, 엔진의 모든 작동 영역에서 토크와 출력을 향상시킬 수 있으며, 연비 향상이 가능 ○ 델파이, 두 가지 커먼 레일 시스템의 호환성 유지에 주력 - Direct Acting Common Rail을 출시함에 따라 델파이는 Balanced Valve Fast Servo Solenoid Injector와 함께 두 종류의 디젤 커먼 레일 시스템을 제공 - 델파이는 펌프와 레일 등 핵심 부품들을 유사하게 함으로써 두 가지 유형의 인젝터 어느 곳에도 결합시킬 수 있도록 하여 실린더 헤드의 기본적인 설계 변경 없이 두 종류 인젝터의 교차 사용이 가능하도록 하는 방식을 채택 - 안정된 서보 밸브 기술에 바탕을 둔 인젝터 설계 방식을 채택한 델파이의 Balanced Valve Fast Servo Solenoid Injector군은 최대 2000바의 시스템 압력에서 사용이 가능 - 델파이는 Balanced Valve Fast Servo Solenoid Injector의 인젝터를 소형화함으로써 직렬 장착이 가능하고, 니들의 신속한 작동 및 정확한 계측이 가능 ○ 컨티넨탈, VW 골프의 디젤엔진에 최신 커먼 레일 시스템 공급 - 한편 컨티넨탈은 TDI 엔진 전 계열을 16밸브 커먼 레일 엔진으로 전환한 VW의 신형 골프용으로 자사의 커먼 레일 분사 시스템을 공급 - VW은 최대 분사압력 1800바이며, 특수 분사 노즐을 채택하여 연료의 미세화가 가능한 최신 커먼 레일 시스템을 신형 골프에 탑재되는 두 가지 종류의 1968cc 디젤엔진에 채택 - VW의 신형 커먼 레일 시스템을 채택한 엔진은 기존 Pumpe Duse 엔진에 비해 자연스러운 반응 행태 및 연료소비와 배기가스 배출 측면에서 우월하며, 신형 TDI 16 밸브 커먼 레일 엔진은 제 6세대 골프의 정숙성 향상에 기여 ○ 유로 5 규제 기준을 충족시키기 위한 피에조와 솔레노이드 방식의 경합 - 엔지니어들 가운데 일부는 대형 디젤엔진 장착 차량이 유로 5 기준을 충족시키기 위해서는 피에조 기술을 사용하는 인젝터가 유일한 방안이라는 견해를 갖는 반면, 일부에서는 피에조 인젝터에 대한 투자 없이 기존 솔레노이드(전자기) 인젝터의 성능 향상을 통해 규제 기준을 충족시키는 것이 가능하다고 주장 - VW에 따르면 신형 골프에 채택된, 유로 5 기준을 충족시키는 커먼 레일 엔진은 최신 피에조 직렬 인젝터를 탑재하고 있으며, 유압식 구성요소의 지원을 받는 전기제어식 피에조 크리스탈이 수 분의 일초 안에 적정량의 연료를 분사 - 전통적인 솔레노이드 밸브와 비교하여 피에조 인젝터는 보다 소형으로 정확한 양의 연료를 주입할 수 있는 유연한 분사 과정을 실현할 수 있는 장점을 발휘 ○ VW, 디젤엔진의 DPF와 후처리 장치에 따른 비용 상승 억제 노력 전개 - 이를 통해 조용하면서 원활한 엔진 작동과 함께 연료 소비 및 배기가스 배출을 줄일 수 있도록 매우 빠른 스로틀 반응이 가능 - VW은 미세먼지 여과장치(DPF)와 후처리 장치 추가에 따른 디젤엔진의 가격 인상이 크지 않은 것으로 판단하고 있으며, VW은 미세먼지를 배출하지 않도록 모든 커먼 레일 디젤엔진에 이미 표준 DPF를 채택 <자료 : just-auto, 2009. 6. 29 >