CRDi

• 상위 문서: 자동차 관련 정보, 엔진

1 개요

Common Rail Direct Injection, 커먼레일 연료분사장치는 고압으로 연료를 저장하는 레일을 두고 이로부터 타이밍에 따라 연료를 연소실에 직접 고압으로 분사하는 시스템이다. 디젤 엔진의 연소 효율을 높여 출력을 획기적으로 끌어올림과 동시에 오염물질 배출량도 크게 줄임으로써 디젤엔진의 대중화에 앞장선 1등 공신이다.

2 역사

현대적인 커먼레일의 역사는 1960년대 스위스의 로베르트 후버 (Robert Huber)가 기본적인 설계를 완성, 스위스 공과대학이 중심이 되어 연구가 진행되었다. 그 후 유럽 각국의 차량 제작사와 부품사들이 개별적으로 실용화 준비를 하는데 처음으로 실용화에 성공한곳은 아이러니 하게도 일본의 덴소..
1995년말 히노의 라이징 레인저에 세계최초로 실용화에 성공하였다.

이탈리아의 마그네티 마렐리는 1990년대 초부터 커먼레일 실용화를 준비하지만 모기업 피아트의 경영부진에 따라 해당 기술과 특허는 1994년 보쉬에 매각 되었다. 그후 97년에 알파로메오 156 2.4 JTD가 승용차량용으로 최초로 탑재되며. 같은해 메르세데스 벤츠 C클래스 220 CDI 에도 같은 시스템이 장착되었다.

3 원리

CRDi 기관의 연소과정. 기존의 분사펌프 방식과는 차이가 있다.

CRDI 이전의 디젤 엔진은 분사펌프(플런저,Plunger)를 사용하였고, 분사 압력은 100bar 남짓에 불과하였다. 이로 인해 연소실에 들어가는 연료의 입자 크기가 큰 편이었다. 입자 크기가 크면 반응 면적이 좁아지고, 이는 연소 효율의 저하로 이어졌다. "디젤 엔진이 힘이 좋다"는 보편적인 인식은 최대토크가 낮은 rpm에서 나오는 특성 덕분이며, 실제로 플런저식 디젤 엔진의 제원은 비슷한 크기의 가솔린 엔진에 비해 모든 면에서 딸린다. 연소 효율이 낮을수록 매연이 많이 나오는 것은 더 이상 말할 필요가 없다. 여기다 플런저식의 연료분사 기구는 분사 타이밍을 특별히 제어할 만한 방법이 없었다. 언제나 같은RPM으로 회전하는 상황이아니라, 필요에 따라 회전속도가 크게 변하는 차량용 디젤 엔진의 특성상 이 고정된 분사 타이밍을 제어하기 위해 기계식 타이머를 추가로 부착하거나 거버너에 맡겨야 했었다. 그러나 이 타이머나 거버너로 분사시기를 진각, 지각할수 있는 양 자체가 얼마 되지 않았고, 이는 씁 어쩔 수 없지하면서 참아야 했다. 그러나 전자제어식 인젝터가 나오면서 그 모든것이 달라졌다. 크랭크각과 캠각 센서로부터 피스톤의 위치를 계산하고, 필요에 따라 언제든지 분사명령을 내려 연료를 뿜어낼수 있게 된 것이다. 연비와 출력을 향상시킬려면 분사시기를 진각시키고, NOX를 저감시킬려면 분사시기를 늦추면 된다! 분사량도 ECU가 결정하기에 매연이 많이 나와도 된다면 분사량을 늘리기만 하면 출력이 즉시 높아진다. 이는 엔진 설계와 출력 분포도에서 엄청난 자유도를 주게 되었다. 플런저식 디젤의 경우 출력을 높일려면 인젝션 펌프의 토출량이 높은것으로 교체하여야 했지만, 이제는 ECU 프로그램 조정만으로도 어느정도 출력을 마음대로 손볼수 있게된 것이다.

CRDI 방식이 플런저 방식의 대안으로 떠오르기 시작한 것은 연료를 고압으로 유지하고 이를 고압으로 분사하는 기술이 발달하면서부터였다. 사실 CRDI의 원리 자체는 이미 60년대에 고안되었으나, 당시의 기술력으로는 연료를 레일 내에 고압으로 유지할 수 없어 플런저 방식의 대안이 되지 못했다. 그러나 기술이 발달하며 레일 내에 연료를 1000bar 이상의 고압으로 유지할 수 있게 되었고, 이에 따라 디젤 엔진에 CRDI 방식이 본격적으로 적용되기 시작했다. 고압 유지 기술이 결합된 CRDI 시스템 덕분에 기존 플런저 방식에 비해 훨씬 높은 압력으로 연료를 분사할 수 있게 되었다. 즉 연소실에 들어가는 연료의 입자 크기가 훨씬 작아지게 되었고, 이에 따라 반응 면적이 넓어져 연소 효율이 크게 높아졌다. 높아진 연소 효율 덕분에 "출력 증가"와 "매연 배출량 감소"라는 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있게 되었고, 디젤 엔진의 경쟁력은 비약적으로 높아졌다.

3.1 연소 과정

3.1.1 점화분사

Pilot Injection. 예비분사라고도 한다. 주 분사가 이루어지기 전에 연료를 분사하여 연소가 원활히 되도록 하기 위한 것이다. 점화분사 실시 여부에 따라 기관의 소음과 진동을 줄일 수 있다. 기존 디젤기관에서는 연료가 자연 발화됨에 따라 연소실 압력이 급격히 상승하기 때문에 소음과 진동이 발생하며, 급격한 연소로 인해 많은 양의 질소산화물(NOx)가 발생하고 많은 입자상 물질(PM)이 발생하기도 한다. 이를 개선하기 위해 점화분사를 하여 주 연소 이전에 연소실 압력과 온도를 상승시켜 연소실 압력 상승을 부드럽게 이루어지도록 한다.

3.1.2 주 분사

Main Injection. 기관 출력에 대한 에너지는 주 분사에서 나온다. 주 분사는 점화분사가 실행되었는지 여부에 따라 연료량을 계산하며 기본값으로 사용되는 것은 쓰로틀 개도, 냉각수 온도, 흡기 온도 등이다.

3.1.3 사후분사

Post Injection. 사후분사는 배기가스 규제의 강화에 의해 사용되는 것이며 연소가 끝난 후 인젝터를 작동시켜 배기행정에서 연료를 연소실로 공급하여 배기가스를 통해 촉매변환기에 공급하기 위한 것이다. 즉, 촉매변환기에서 배기가스를 통해 같이 나온 연료를 연소시켜 질소산화물을 줄이는 것이다. 그리고 기관 관련 장치나 EGR에 문제가 생기면 사후분사는 하지 않는다.

4 연소실

커먼 레일이라는 부분은 연료 공급부분이고, 다이렉트 인젝션이라는 부분은 직분사란 뜻이다. 이는 무엇을 뜻하는가.
과거 플런저식 분사장치를 쓸때는 대부분 직분사 방식을 사용하지 않았다. 직접 분사엔진은 단기통 경운기에서나 볼수 있듯이 연소실 구조가 간단하고 비교적 압축비가 낮은 엔진에서나 사용될수 있는, 구조는 간단하지만 단점이 너무 심해서 차량용으론 사용하기 힘든 연소실 구조였다. 인젝터 구조가 복잡해 조금만 연식이 오래되어도 바로 매연을 뿜어내었으며 연료품질에도 지나치게 민감해 툭하면 노킹을 일으켜 차량용으론 관리가 힘들었다. 커먼레일이 도입되기 이전의 직분사의 경우 매연이 너무 심해 차량용으로 출고할수가 없었다. 연료소비율은 낮아 경제적이었기에 매연 검사 항목이 없는 경운기나 선박, 동력용 원동기에서나 사용되었던 연소실 구조였다. 이러하였기에 직분사 방식을 버리고 대부분의 차량 제조사들은 간접분사 방식인 와류실식, 예연소실식, 공기실식등을 사용하였고, 연료소비량을 그 대가로 바쳐야 했다. 이러던 것이 커먼레일 고압펌프와 전자제어 인젝터가 등장하자, 닥치고 직접분사식 연소실로 넘어갈수 있었다.

5 인젝터

커먼레일의 인젝터는 크게 솔레노이드 방식과 피에조 방식으로 나뉘어진다. 솔레노이드 방식은 전자석의 원리로 인젝터 암(니들 Needle이라고도 함)을 가동시킨다. 솔레노이드 인젝터는 2016년 현재 최대 2000bar 까지의 분사압을 견딜 수 있으며, 분사 타이밍은 약 120~150us 정도이다. 피에조 방식은 피에조라고 하는 압전소자를 사용해 인젝터 암을 구동한다. 압전소자는 석영이 압력을 받으면 전기를 발생시킨다는 원리를 반대로 응용한 소자로써, 석영에 전압을 가하면 길이가 변하는 현상을 응용한 것이다. 2016년 현재 피에조 인젝터는 2500bar까지 대응되는 제품이 있으며, 분사 타이밍은 약 30us이다.

이처럼 피에조 인젝터가 솔레노이드보다 힘이 세고 빠르게 반응하기 때문에 정밀 고압 분사에 더 유리하고, 그만큼 리스폰스가 빠르기 때문에 고속회전에서도 안정적인 토크를 유지할 수 있다. 또한 피에조는 솔레노이드보다 인젝터 니들을 훨씬 정교하게 제어할 수 있으며 인젝터 마모에 따른 특성 변화를 ECU로 보정이 가능해 연비향상, 배출가스 감소 등의 혜택을 누릴 수 있다. 그러나 피에조 방식은 가격이 솔레노이드 방식에 비해 비싸고 고전압(400V)을 사용하기 때문에 누전 위험이 있다.

6 단점

연료 민감성이 높아졌다. 과거 디젤엔진의 경우 플런저의 분사압력이 200bar 이하, 노즐은 단공식에 간접분사 방식이었다. 저압의 연료분사장치는 윤활성을 크게 요구하지 않았고, 분사노즐의 구조는 간단해서 쉽게 마모로 변형되지도, 변형되어도 연소실 구조로 간접적인 영향만을 미쳐 예민한 사람이 아니라면 그냥 운행해도 별 문제가 없는 수준이었다. 그러나 CRDI가 도입된 이후 고압펌프와 인젝터는 연료의 윤활성을, 연소실구조는 디젤의 세탄가가 중요해졌다. 이로인해 연료탱크 내부의 수분생성이나 저품질의 경유+혼합유등을 사용할시 엔진의 수명을 급속도로 깎아먹게 되었다.

또한 직분사실 구조의 특성상 연소압력이 매우높아, 과거 기계식 플런저 엔진에 비해 질소산화물의 생성이 늘어났다. 이로인해 EGR이나 SCR등 추가 오염물질 저감장치가 더욱 더 중요해지는 결과를 낳았다. 그리고 폭스바겐은 약을팔다...디젤게이트 사건이...