CRDi
1. 개요
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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 성공한 곳은 아이러니하게도 일본의 덴소. 1995년말 히노의 라이징 레인저에 세계 최초로 실용화에 성공하였다.
이탈리아의 마그네티 마렐리는 1990년대 초부터 커먼레일 실용화를 준비하지만 모기업 피아트의 경영부진에 따라 해당 기술과 특허는 1994년 보쉬에 매각되었다. 그 후 97년에 알파로메오 156 2.4 JTD가 승용차량용으로 최초로 탑재되며. 같은해 메르세데스-벤츠 C클래스 220 CDI 에도 같은 시스템이 장착되었다.
3. 원리
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CRDi 기관의 연소과정. 기존의 분사펌프 방식과는 차이가 있다.
CRDi 이전의 디젤 엔진은 분사펌프(플런저, plunger)[1]를 사용하였고, 분사 압력은 100bar 수준으로 매우 낮았다. 때문에 연소실에 분사되는 연료의 입자가 큰 편이었다. 입자가 크면 반응 면적이 좁아지면서 연소 효율도 떨어지게 된다. "디젤 엔진이 힘이 좋다"는 보편적인 인식은 최대토크가 낮은 rpm에서 나오는 특성 덕분이다. 전반적인 특성을 살펴보면 플런저식 디젤 엔진의 제원은 비슷한 크기의 가솔린 엔진에 비해 '''모든 면에서 딸린다.'''[2] 연소 효율이 낮을수록 매연이 많이 나오는 것은 더 이상 말할 필요가 없다. 여기다 플런저식의 연료분사 기구는 분사 타이밍을 특별히 제어할 만한 방법이 없었다. 차량용 디젤 엔진은 정속운전이 아니라 상황에 따라 회전속도의 변화가 크다. 따라서 분사 타이밍을 제어하려면 기계식 타이머나 거버너를 사용해야 했다. 그러나 이 정도로도 임기응변에 불과한 수준이었고, 플런저식 엔진의 약점 자체는 그냥 감수할 수밖에 없었다.
그러나 전자제어식 인젝터가 나오면서 모든 것이 달라진다. 크랭크 각도 센서와 캠 각도 센서를 이용해 피스톤 위치를 확인하고, 원하는 때에 분사하도록 분사시기를 자유롭게 조절할 수 있게 된 것이다. 연비와 출력을 향상시키려면 분사 시기를 진각시키고, NOx 배출량을 줄이려면 분사시기를 지각시키면 된다! 분사량도 ECU가 결정하기에 매연량과 무관하게 출력이 필요하다면 분사량을 늘리기만 하면 된다. 덕분에 엔진 설계와 출력 분포도 조절 자유도가 엄청나게 높아지게 되었다.
플런저식 디젤은 출력을 높이려면 무조건 인젝션(분사) 펌프의 용량을 키워야 했다. 하지만 전자제어 분사기구가 도입되면서 ECU만 조작하여 출력을 마음대로 조절할 수 있게 된 것이다. 단, ECU 맵핑을 통해 휠마력을 설계마력보다 높이는 것 자체는 몰라도 그로 인해 매연이 늘어나거나, 속도제한이 걸린 차량의 경우 속도제한을 풀 경우 법에 저촉되어 단속 대상에 속한다. 정비 차원에서 ECU를 합법적으로 맵핑하는 경우는 전자제어 장치의 학습이 잘못된 경우나 분사장치를 리빌딩하면서 센서 설정을 초기화하려는 경우뿐이다.
CRDi 방식이 플런저 방식의 대안으로 떠오르기 시작한 것은 연료를 고압으로 유지하고 이를 고압으로 분사하는 기술이 발달하면서부터였다.[3] 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. 또는 예비분사. 주 분사가 이루어지기 전 연료를 미리 소량 분사하여 연소가 원활히 되도록 하기 위한 것이다. 점화분사 시 기관의 소음과 진동이 줄어드는 효과가 있다. 기존 디젤기관은 연료의 자연 발화와 함께 연소실 압력이 급상승하여 소음과 진동이 심하다. 또한 연소 속도가 급격하여 질소산화물(NOx)과 함께 많은 입자상 물질(PM)이 발생한다. 이를 개선하기 위해 점화분사를 하여 주 연소 이전에 연소실 압력과 온도를 미리 다소 상승시켜 연소실 압력이 부드럽게 상승하도록 한다.
3.1.2. 주 분사
Main Injection. 기관의 주된 출력은 주 분사와 그에 뒤따른 연소를 통해 나오는 것이다. 점화분사 여부와 함께 쓰로틀 개도량, 냉각수 온도, 흡기 온도 등을 바탕으로 주 분사 시 분사할 연료량을 결정한다.
3.1.3. 사후분사
Post Injection. 사후분사는 배기가스 규제가 강화되면서 새로이 적용된 기술로, 연소가 끝나고 배기 행정이 진행되는 과정에 연소실에 추가로 연료를 분사, 연료가 배기가스를 타고 촉매변환기로 전달되도록 하는 과정이다[4]. 배기가스와 함께 넘어간 연료가 촉매변환기에서 연소되면서 질소산화물을 줄이는 역할을 한다. 만약 기관 관련 장치나 EGR에 문제가 생기면 사후분사는 하지 않는다.
4. 연소실
커먼레일은 연료 공급 체계에 붙은 이름이다. 연료를 연소실에 전달하는 부분은 다이렉트 인젝션, 직분사라 부른다.
과거 플런저식 분사장치를 쓸 때에는 기아 J 엔진을 제외하면 직분사 방식이 사용되지 않았다. 과거의 직분사 기관은 구조가 간단하지만 단점이 심해 단기통 경운기 등 연소실 구조가 간단하고 압축비도 낮은 엔진에서나 쓸 만했을 뿐, 차량용 엔진으로는 쓸 수가 없었다. 인젝터 구조가 복잡해 연식이 조금만 되더라도 매연을 뿜어내고, 연료 품질에도 지나치게 민감하여 노킹이 쉽게 일어나 차량에 쓰기에는 관리하기가 어려웠던 것이다. 커먼레일 시스템이 적용되기 전 직분사 엔진은 이렇듯 매연이 심해 차량용으로 사용하는 것이 불가능했다. 연비 자체는 좋아서 매연 검사와는 관련이 없는 농기계나 선박, 소형 원동기에서나 쓰였다.
이 시기 차량 제조사들은 와류실, 예연소실, 공기실 등의 다양한 간접분사 방식을 사용했고, 그만큼 연비는 떨어지게 된 것이다. 그러나 커먼레인 고압 펌프와 전자제어식 인젝터가 등장하면서 과거 초기형 직분사 구조의 단점을 대부분 해결하게 되었고, 이제는 직분사 엔진이 대세가 되었다.
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
6.1. 높은 연료 민감성
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 않았고, 변형되어도 연소실 구조에 간접적인 영향만을 미쳐 예민한 사람이 아니라면 그냥 운행해도 별 문제가 없는 수준이었다.[5] 그러나 CRDi가 도입된 이후 고압펌프와 인젝터는 연료의 윤활성이, 연소실구조는 디젤의 세탄가가 중요해졌다. 이 때문에 연료탱크 내에 수분이 축적되거나, 저품질의 경유+혼합유 등을 사용할 시 엔진의 수명을 급속도로 깎아먹게 되었다.
6.2. 질소산화물 발생 증가
또한 직분사식 구조의 특성상 연소압력이 매우 높아, 과거 기계식 플런저 엔진에 비해 질소산화물의 생성이 늘어났다. 이로인해 EGR이나 SCR 등 추가 오염물질 저감장치가 더욱 더 중요해지는 결과를 낳았다. 이 과정에서 폭스바겐은 꼼수를 부리다 디젤게이트 사건을 터뜨렸고, '''이 사건 때문에 승용 디젤 엔진의 목숨이 위태로워지기 시작했다.'''[6]
6.3. 정비 및 유지보수상 어려움
- 정비 시에 비싸면 억대 까지 가는 전문 장비가 필요해졌다.
- 높은 압축비를 직접 받는 인젝터 동와셔의 존재로 주기적으로 인젝터를 분리하여 유지보수 해 주어야 한다.
- 만일 인젝터 동와셔 교체 시기를 놓치면 압축 누설이 발생, 인젝터가 고착되어 분리되지 않는 경우가 생길 수 있다.
- 고착된 인젝터는 분리하기가 매우 어려운데, 분리에 실패하는 경우 실린더 헤드를 교체해야 한다.
- 설령 고착된 인젝터를 성공적으로 분리하더라도 인젝터 접촉면이 가공이 불가능 할 정도[7]로 고르지 못하다면 또한 실린더 헤드를 교체해야 한다.
- 고착된 인젝터는 인젝터 캡에 불가역적인 손상을 받았으므로 이를 교체해야 한다. 여기까지 오면 분사량의 문제로 인젝터 리빌드나 교체를 해야 하는 상황이 발생한다.
- 만일 인젝터 동와셔 교체 시기를 놓치면 압축 누설이 발생, 인젝터가 고착되어 분리되지 않는 경우가 생길 수 있다.
- 연료 라인에 공기가 차거나, 연료가 부족한 상태에서 가혹 주행을 하는 경우, 불량 연료를 주입한 경우, 실수로 휘발유를 넣고 주행 한 경우, 연료 필터 관리 소홀로 필터의 여과 기능이 저하된 경우 연료 라인에 심각한 손상을 줄 수 있다.
- 설령 이 모든 것을 피하며 경유차를 잘 유지보수 하더라도, 인젝터 리턴 라인이 없는 특정 연료 시스템의 경우 정상적인 관리를 해도 수명이 짧아 수리비가 많이 지출되는 경우가 있다.
- 수명이 좋은 연료 시스템이라고 해도 복잡한 엔진 구조와 정밀한 연료 시스템의 조합으로 정비 현장에서의 오진과 수리지연이 자주 발생한다.
[1] 과거에는 일본어 발음의 영향으로 '부란자'라고 흔히 불렀다.[2] 물론 환경규제를 무시하고 대용량 터빈을 달고 연료를 때려넣으면 자연흡기 가솔린 기관보다 강한 엔진을 만들 수 있다. 하지만 공장 굴뚝 수준의 시커먼 매연과 동전을 땅에 뿌리며 다니는 수준의 연비도 덤으로 딸려 온다. [3] 이 사이에 캠에 로드가 연결되어 있는 고압펌프 유닛으로 연료를 압축 후 고압으로 인젝터에 경유를 공급해 고압 분사하는 유닛 펌프(Unit Pump), 고압펌프와 인젝터가 하나의 유닛이 되고 솔레노이드 밸브도 추가되어 합쳐진 유닛 인젝터(Unit Injector)를 ECU를 통해 전자 신호로 제어하는 EUP/EUI라는 과도기적 기술이 있었으며, EUI는 고압(최대 2200 bar)으로 연료를 실린더에 분사해 작고 간단한 구조로도 출력 상승과 매연 감소, 연비 증대를 이룩했으며 특허 사용료를 우회하기 위해 2000년 후반까지 소형 엔진까지 사용되었다. 현재는 일부 대형 엔진의 분사방식으로만 사용된다.[4] 배기행정 중 연료를 분사시켜 배기가스와 함께 나가게 한다.[5] 그러다보니 연료도 그냥 아무거나 넣어도 별탈없이 굴러갔다. 중유, 경유, 식용유, 등유 등등...[6] 승합차, 버스, 트럭 등 상용차에 쓰이는 상용 디젤 엔진은 제외. 상용차들은 전기차로 마개조되지 않는 이상 디젤 엔진이 아니면 힘이 굉장히 부족해지기 때문에 '''아직까지는''' 제대로 된 해결책이 없다. 그나마 버스에게는 천연가스가 있는데, '''석탄·석유에 비해 그나마 덜 해로울 뿐'''이지 천연가스도 결국은 화석연료라서...[7] 접촉면을 갈아내면 인젝터 노즐이 연소실 더 깊은 곳으로 들어가게 되며, 결국 분사 각도가 틀어져 연료가 고르게 연소되지 못할 수 있다.[8] 쇳가루가 돌았다고 표현하는 것이 바로 이 상황을 의미한다.[9] 연료가 부족하면 연료 온도가 올라가 경유의 윤활 기능이 저하된다. 또 불량 연료를 주입하거나 휘발유를 넣은 경우 연료 자체의 윤활 기능이 없거나 매우 적다. 연료 라인에 공기가 차거나 필터의 여과 기능이 저하된 경우는 말 할 것도 없다.