경유차 배출가스 저감의 엔진기술에서 EURO3 배출가스 기준대책에 대응하기 위한 가장 중요한 기술중 하나가 전자제어식 고압연료분사장치인 코몬레일(Commonrail)기술이다.
경유자동차에서 배출되는 NOx, PM(입자상물질), CO, HC 등과 CO2 저감을 동시에 해결하기 위해서는 연료분사 및 연소계, 과급기를 포함하는 흡배기계의 대폭적인 개선이 필요한 실정이다.
특히 연소과정에서 NOx를 저감하기 위해서는 연료분사기를 지연시키는 기술이 있지만 이는 매연, CO, HC, PM의 악화와 열효율 및 신뢰성을 저하시키는 단점으로 작용하고 있다.
이와 같은 분사시기지연의 단점을 해결하기 위해서는 연료분사압력을 고압화하고 분사시기 전자제어 등의 대책을 적용하고 있다.
특히 연료분사압력은 배출가스규제가 적용되기 이전의 60MPa(메가파스칼)에서 현재는 130MPa로 20년 사이에 2배 이상 증가했다. 현재 개발돼 사용하고 있는 새로운 연료분사기술로는 코몬레일, 유닛인젝터(Unit Injector), 유닛펌프(Unit Pump) 등의 장치가 있다.
코몬레일장치는 고압 펌프에서 발생된 고압연료를 코몬레일에 저장시켜 축압해 저장한 후 인젝터내의 전자밸브로 노즐의 배압을 제어해 분사를 시작하고 종료하는 원리이다.
코몬레일에 연료가 저장돼 공급되므로 분사기간 동안 엔진 회전속도에 관계없이 적은 압력변동과 최저압력 제어가 가능하며 분사율, 분사량, 분사시기 등의 전자제구 구현이 가능하다. 또한 3방향밸브(three-way valve)를 이용해 코몬레일의 압력을 분사종료때에 역으로 작동시켜 노즐의 니들(needle)을 막아줌으로써 분사급속종료가 가능하다. 따라서 분사말기에 낮은 분사압력에 의한 후적이나 2차 분사를 막을 수 있어 연소불량을 개선할 수 있고 고속 3방향 밸브를 사용해 파일롯터 분사도 가능하다.
이러한 코몬레일은 유럽을 중심으로 연구가 활발히 진행되고 있으며 특히 독일의 보쉬사가 선두자리를 지키고 있다. 이밖에 일본의 니폰데소(Nippondenso)사의 ECD-U2 시스템도 우수한 결과를 보이고 있다.
코몬레일의 1세대 기술은 이미 지났고 현재는 다단계 분사기술을 적용하는 2세대 코몬레일 시스템 개발이 이뤄지고 있다. 현재의 파일롯 분사에 비해 pliot, pre, main, post, delayed 의 5단계 분사제어가 가능하며 30∼40% 소음감소, 6∼7%의 성능이 향상되는 것으로 발표되고 있다.
코몬레일 시스템은 승용차와 중형화물차용 디젤엔진 사용에 장점이 많은 것으로 분석되고 있다. 특히 직접분사식 경유엔진을 적용함으로써 연료소비율을 더욱 향상시키고 경유승용차의 단점인 진동과 소음을 저감시켜 휘발유스용차와 손색없는 승차감으로 새로운 경유승용차 시대를 전개한 것으로 평가받고 있다.
국내에서도 직접분사식엔진에 코몬레일기술을 적용한 다목적차량이 판매되고 있으며 연료소비가 우수해 시장이 급속하게 증가하고 있는 추세이다. 〈자료제공:한국기계연구원〉<윤태 기자>