디젤 고압연료 분사 시스템 - 커먼레일 1. 개요    휘발유보다 힘 좋고 유해 배출가스도 내뿜지 않는 디젤엔진은 없을까? 환경문제가 21세기 자동차기술의 핵심과제로 떠오르면서 값싼 디젤연료를 효율적으로 활용하는 방안들이 다양하게 연구되고 있다. 이에 따라 디젤 승용차가 보편화된 유럽에서는 최근 저연비.고출력.무공해 등을 동시에 만족시키는 엔진 개발에 주력해 왔다. 커먼레일은 직접분사식 디젤엔진을 뜻하는 말로써, 디젤 차량에 대하여 향후 엄격한 배출가스 규제(EURO III & IV) 만족 및 좀더 향상된 연비 제공을 위하여 업체들은 고압연료 분사 시스템인 커먼레일을 개발해 왔다.커먼레일은 직접분사식 디젤엔진(Common Rail Direct Injection Engine)을 뜻하는 말이다. 이 방식은 혼합기를 분사하는 기존 엔진과 달리 연료가 실린더로 직접 공급돼 연소 효율을 획기적으로 개선한 기술이다. 직접 분사된 연료가 실린더 안에서 고른 폭발력을 가지려면 기체상태에 가까운 고압을 유지해야 한다. 이같이 압축된 연료의 고압을 유지하는 인젝션이 커먼레일 인젝션으로 모든 엔진동작 상태에 따른 적정한 연료압력의 유지가 가능하다

2. 커먼레일의 구성요소     고압펌프(Quantity-controlled high-pressure pump)     커먼레일(Common rail)     압력조정밸브(Pressure-control valve)     압력센서(Pressure sensor)     인젝터(Injectors)     전자제어 유닛(ECU)     기타 센서와 액튜에이터(Further sensors and actuators ) 3. 커먼레일의 장점    가. 배출가스의 감소        커먼 레일 장치는 분사연료를 완전연소에 가깝게 소모시켜 각종 유해 배출가스를 억제 할 수 있다. 동일 NOx 수준을 유지하면서 CO2 20%, CO 40%, HC 50% & 입자상 배출물 을 60% 까지  줄일 수 있고, EURO III & US98를 만족하기 위하여 메인 인젝터 전/후에 분사를 함으로 인하여  Nox 를 줄일 수 있다.    나. 연비향상        기존의 로타리 펌프를 사용하는 엔진에 비하여 A/F를 최대화하여 20% 정도의 연비향상을 이룰 수 있다.    

다. 성능 향상       1)　분사압력은 엔진속도 및 부하 조건과 무관하기에 저속에서 부하가 많이 걸릴 때 는 고 분사압력 가 가능하므로 기존에 사용되는 일반적인 디젤엔진보다 저속에서 토크 50% 향상 및 출력 25%의 증가를 얻어낼수 있음.       2)　운전성 향상        지금까지 디젤엔진의 특징이라고 불리우던 진동,소음을 파이롯트 분사의 도입으로 인하여 획기적 으로 줄 임으로서 운전하는데 보다 나은 안락감을 얻을 수 있으며, 가솔린 엔진과 같은 느낌을 받을 수  있음.       3)　컴팩트 한 설계 & 경량화 인젝터 를 컴팩트 화 하여 2밸브 및 4밸브 적용가능하며 기존의 디젤 엔진에 비하여 약 20Kg의 중량절감이 된다. 4. 종 류    가. 모듈라 시스템        전자적으로 각 엔진 실린더 별로 분사가 가능하므로 시스템이 모듈화가 가능하며 3,4,5,6 실린더   엔진의 적용이 가능하다. 엔진의 큰 변경 없이 컨벤셔 널 한 인젝션 장착을 커먼 레일 시스템으로  대체 가능하다.

나. 업체 적용동향        유럽 및 일본메이커들은 커먼레일엔진을 현재 기술로서 저공해규제와 연비를 함께 만족시킬 수 있는 유일한 대안으로 보고 있다. 이 분야 선두주자인 벤츠는 이미 C-CLASS 및 E-CLASS차량에   장착하고 있으며 폴크스바겐도 초저연비 신모델 루포에 적용했다. BMW, 도요타 등도 주력모델에   이 시스템을 장착했다. 이들 메이커는 대부분 직분사 효율을 고려해 1.2, 1.9.2.0l 등 소형엔진에   이 기술을 쓰고 있다. 대부분의 커먼레일엔진은 최적의 분사시기와 패턴을 조절하기 위해 실린더 당  4개의 밸브를 달았다.    라. 적용차종        씨트로엔/  르세데스 벤쯔(Smart Pulse, A-160, A-170, C-CLASS, E-CLASS, M-CLASS) /   비엠더블유( 3,5,7 SERIES) /  아우디 / 푸조(406, 607)  르노 / 알파로메오(145,146 156,166) / 피아트(Punto 1.9S) / 폭스바겐(2.5 V6) /  도요타(L4 1.4, 2.0, 3.0L) / 이스즈(1.7, 2.5, 3.0L) /  마쓰다(2.0L) 마. 메르세데스 벤쯔 - 커먼레일 디젤엔진       CDI 엔진은 커먼레일 직분사(Common Rail Direct Injection)를 의미한다. 이 시스템 은 하나의 커먼레일을 통해 디젤엔진의 각 실린더안으로 연료를 직접 분사한다.커먼레일 기술을 개발하는 과정에서 메르세데스-벤쯔의 엔지니어는 디젤 직분사 엔진에 적용했다.    그 이유는 CDI의 원리가 저 연비와 저 에미션을 가능하게 했기 때문이며 또한 일반 예연소 엔진에 비해 안락하고 조용한 엔진이 가능했기 때문이다.

메르세데스-벤쯔의 커먼 레일 엔진은 직분사 또는 비 직분사 시스템을 사용하는 일반 디젤 엔진에 비해 우수하다 메르세데스-벤쯔의 커먼 레일 엔진은 직분사 또는 비 직분사 시스템을 사용하는 일반 디젤 엔진에 비해 우수하다 .일반 직분사 디젤엔진은 매번 그리고 모든 분사 싸이클 마다 압력을 다시 발생시켜야 하는 반면,메르세데스-벤쯔의 C 클라스와 E 클라스 차량 엔진의 새로운 커먼레일 엔진은 분사 순서에 관계없이 항상 일정한 압력을 유지한다.        이 압력은 연료라인을 따라 일정하게 유지되어 있다. 엔진의 전자 타이밍은 엔진속도와 부하에 따라 분사압력을 조정한다. 전자제어유닛은 캠 및 크랭크 센서로 부터 얻어진 데이터를 근거로 분사압력을 필요에 따라 정밀하게 재 조정하여 압축과 분사를 각각 독립적으로 발생할 수 있게 한다. 이 기술 은 필요에 따라 연료를 분사할 수 있게 허용 하기에 연료와 배출가스를 저감할 수 있다. 이를 위하여는 1350바 이상의 분사압력을 유지하기 위해 특수한 연소실을 필요로 한다. 이에 커먼 연료레일이 도입된 것이다. 연료의 분사 시기와 양을 조정하는 고속 솔레노이드 밸브의 끝단에 4개의 분사노즐이 연결되어 있다.   마이크로 컴퓨터는 밸브가 오픈하는 시간을 조정하며 즉, 엔진의 작동조건에 따라 분사되는 연료의양과 얼마나 많은 출력이 필요한지를 결정한다. 솔레노이드밸브가 닫히는 순간 연료분사는 그 즉시 중단한다.

바. 스월 유동을 위한 나선형상의 흡기포트 CDI엔진을 위한 알루미늄 실린더헤드가 새로 개발되어 졌다. 2개의 와류 형상의 흡기포트가 설계 되었으며, 하나는 스월 포트(swirl port)이고 나머지 하나는 충진 포트(charge port)이다. 양 포트는 대칭 연소실과 함께 실린더 내로 흡기가 들어가기 전에 급속하게 스월링을 유도하기에 부분부하 에서도 적정한 혼합을 이룰수 있다. 신 개발된 인젝터 노즐은 연소실내에 연료의 균일한 분포를 위해 실린더의 중앙에 위치하고 있다.

사. 배출가스 재순환을 위한 인테그레이티드 포트       또 다른 하나의 특징은 실린더 헤드내에 배출가스 재순환을 위한 인테 그레이티드 포트이다. 일반적인 다른 디젤엔진은 배기가스를 엔진의 밖으로 유도를 하지만, 메르세데스-벤쯔 엔지니어는 실린더 헤드 자체내에서 배출가스를 유도하는 직접분사엔진을 위한 주물포트를 설계했다. 따라서 배출가스는 배기쪽에서 흡기쪽으로 직접 재순환 된다. 여기에는 세가지 장점이 있다. 하나는 진동을 유발할 수 있는 외부의 파이프라인을 없앨수 있고  또 하나는 실린더헤드 내에서 배기가스를 재순환을 하면 배기가스에 의해 냉각수가 덥혀져 빠른 엔진웜업이 가능하다. 마지막으로 재순환에 의해 배기가스를 냉각시킬 수가 있어 더 좋은 연소가 가능하다. 아. 공연비 메트링에 의한 정밀한 타이밍제어         CDI엔진의 흡기시스템을 볼때 이 엔진의 고도의 엔지니어링 기술을 엿볼 수가 있다 그 예로, 핫필름 에어플로메터(hot-film mass air-flow meter)가 터보 차져의 컴프레서 앞에 위치하고 있어 흡입되는 공기의 양을 정확하게 분석할 수 있다. 이 양은 온도와 대기압에 따라 보정된다.이 메트링 시스템에 의해 엔진 타이밍을 조정하는 마이크로 컴퓨터는 보다 정밀한 데이터를  얻게 된다. 따라서 엔진속도와 부하에 따라 배출가스 재순환을 조정하게 되어 NOx와 입자상 배출 물을 감소할 수가 있다. 터보 차져로 부터 압축된 공기는 인터 쿨러를 통해 흐르게 되며, 약 70도 정도 까지 냉각된다.

차. 파이롯트 분사에 의한 소음저감        연소실내의 고압(145바 이상)그리고 연소 과정 중에 이러한 고압이 내리치는 속도는 일반적인 예 연소엔진에 비해 직분엔진이 보다 시끄럽다. 최신의 CDI엔진은 이러한 결점을 극복하였다. 그 비밀은 연료가 실제 분사되기 전 몇 밀리 세컨드안에 실린더 내부로 작은량의 연료를 흐르게 한뒤 이를 점화시켜 연소실을 미리 덥히는 파이 롯트 분사이다. 이는 실제의 연료분사를 위한 이상적인 조건을 만든다. 　연료는 더 빠르게 점화되므로 온도와 압력이 급격하게 상승하지는 않으며 또한 실린더안의 빠이롯트 인젝션과 이에 따른 낮은 연소 온도는 엔진의 Nox도 또한 감소시킨다.  벤쯔 엔지니어들은 소음수준을 감소하기 위한 더 많은 방법을 찾았다. 그들 가운데 실린더헤드,인터 쿨러를 위한 특수한 커버 그리고 오일 팬, 타이밍기어 그리고 크랭크케이스에의 보강이다.  기저는 이러한 방법과 파이롯트 분사와 기인되어 C- and E-Classes용 CDI엔진에서 나타내는 소음 수준은 일반 예 연소엔진과 비교시 더 낮다. 카. 더 강력해진 마이크로컴퓨터        좀더 강력한 마이크로컴퓨터는 많은 능력을 발휘한다. 최근의 메르세데스-벤쯔 디젤 엔진에서 처럼 이 새로운 직분 디젤엔진은 CAN (Controller Area Network)데이타 버스를 통해 전자 제어유닛의 보드상의 다른 콘트롤 장치와 연결된 마이크로컴퓨터에 의해 조정 된다. 이러한 장치들은 상호데이타를 교환한다. 엔진의 전자콘트롤은 커먼레일 시스템의 중심요소이며 이 전자제어 유닛은 각 실린더의 솔레노이드 밸브의 작동과 분사압력의 조정을 수행한다. 전자제어 되는 배출가스 재순환을통한 Nox 저감방법외에 CDI엔진은 엔진 가까이 컨버터를 두고 있으며 언더바디에는 배출가스콘트롤장치(emission control devices)가 있다. 이장치는 좀더 높은 정화 효율에 기여한다.

자. 흡기 매니폴드애의 스월 콘트롤 밸브        연소실로가는 도중에 압축 신기와 배출가스는 혼합되어 350mm의 긴 스윙 매니폴드를 따라 흘러 간다.   실린더헤드 바로직전의 흡기통로는 하나이나 그뒤는 둘로나뉘어 있다. 하나는 와류통로로서   혼합기를 스월링하며 다른하나는 부분부하 작동하에서 전자공압으로 작동되는 밸브에 의한 충진통로로서 사용한다. 이러한 배열의 장점은 실린더내의 스월속도를 증가시키며 따라서  연소시 다른 직분엔진에 대비해 적은 입자상 배출물을 배출할 수 있다.

배출가스 수준은 EU2 법규 규제치보다 50% 더 까다로운 독일의 D3규제를 만족한다    배출가스 수준은 EU2 법규 규제치보다 50% 더 까다로운 독일의 D3규제를 만족한다. 메르세데스-벤쯔 엔지니어는 카탈리틱 컨버터 에 백금(platinum), 산화알루미늄(aluminum oxide) 그리고 지오리쓰(Zeolith) 촉매로 구성 된 새로운 코팅을 고안해 냈다. HC 및 Co의 산화작용 뿐 아니라 Nox도 또한 제거한다. 엔진근처의 컨버터는 바이패스 채널을 갖고있으며 잔량의 HC은 언더바디에 있는 배출가스 콘트롤 장치를 통과한다. 　이러한 잔량의 HC는 따라서 언더바디 장치안에서 똑같은 정화 과정을 거친다. 타. 국내 신개발 엔진    현대자동차는 차세대 엔진으로 Hi-Di (2.0L GDI)엔진과 D(2.0L commen rail 디젤) 엔진을선보였다. 그리고 대우자동차는 초단형 직렬 6기통엔진인 XS625를 선보였다.      1) 현대자동차의 Hi-Di (2.0L GDI)엔진 실린더 내 직접 분사 방식 (Gasolinr Direct Injection)엔진으로 고성능, 저 연비, 저 배기가스를 만족하는 신형 2.0리터의 GDI엔진을 선보였다. 이 냉각된 공기는 뜨거운 공기보다 부피가 작게 되어 엔진에 흡입되기에 터보챠저의 효과를 배가시킬 수 있다. 보조 믹싱 챔버(subordinate mixing chamber)에서 신기(fresh air)와 배출가스의 혼합비는 그 순간의 엔진부하와 매칭되어 마이크로컴퓨터에 의해 결정된다.   이 믹싱 챔버에는 배출가스재순환 밸브와 전자 공압 컨버터에 의해 조정되는 버터 플라이 밸브가 있다. 밸브 쓰로틀은 흡기와 배기 사이의 압력분배를 증가시키며 따라서 성능 관점 에서 재순환된 배출가스의 효과를 증가시킨다.