Common Rail 디젤기관에서 연료 분사량 변화에 따른 기관 성능에 관한 실험적 연구

2.1 실험장치

본 연구에 사용된 엔진은 국내 H사 제품으로서 4실린더 커먼레일 디젤엔진(Euro-III)을 사용하였으며 그 제원은 아래의 Table 1과 같고, 실험에 사용된 인젝터는 실험조건에 맞게 각각 분사량을 조정하여 사용하였으며, 본 연구에 사용된 커먼레일 인젝터 테스터의 제원은 아래의 Table 2와 같다.

Table 1

Specification of common rail diesel engine

Table 2

Specification of common rail injector tester

2.2 실험방법

2.2.1 커먼레일 인젝터 분사량 테스트

인젝터 분사량 테스터는 연료 분사율이 정상인 인젝터(신품)를 사용하여 3가지 분사 조건인 Idle, 예비분사, 주분사 상태에서 인젝터 분사량을 시험하여 그 결과를 표준 인젝터 데이터로 기준을 정하였다.

연료 분사율이 비정상인 인젝터 분사율이 기준대비 기준미만인 경우와, 기준초과의 경우 Calibration shim 두께의 조정으로 Idle, 예비분사, 주분사를 시험하여 비정상 인젝터 데이터로 기준을 정하였다.

본 실험 표에 인젝터에 기재되어 있는 숫자는 실린더 번호이며 S는 정상인 경우이고, A는 분사율 기준미달인 경우이고, B는 분사율 기준초과이다.

커먼레일 인젝터 분사량 테스트는 Idle, 예비, 주분사로 구분하여 측정하였으며, 측정결과는 아래 Table 3이다.

Table 3

Fuel injection rate according to injector

2.2.2 커먼레일 엔진 실린더 내부 온도 측정

커먼레일 엔진 내부의 실린더 온도는 엔진이 열간상태가 되는 냉각수 온도 88±1 °C인 항온 상태, 엔진 오일 온도는 90 °C ~ 100 °C, 흡기온도가 16±1 °C 범위내에서 측정을 실시하였다. 커먼레일 엔진의 실린더 내부 온도와 압력이 높기 때문에 기존의 K-type 열전대로는 측정이 불가능하여, Fig. 1과 같이 별도로 특수제작한 장치를 제작하여 측정하였다.

Fig. 1

Thermocouple of cylinder temperature

실린더 내부의 폭발 중심점에는 높은 온도와 압력 때문에 현실적으로 열전대 설치가 불가능하므로 특수 제작한 열전대는 Fig. 2와 같이 기존 엔진의 예열플러그 위치에 장착하였다. 기존 예열플러그 위치에 장착된 열전대는 실린더 내부의 최고 온도를 측정할 수는 없지만, 실린더 내부의 온도를 간접적으로 측정할 수 있어, 본 연구에 필요한 유용한 온도 데이터를 측정할 수 있었다.

Fig. 2

Thermocouple installed on the preheating plug

2.2.3 실험장치 계략도

실험 조건은 엔진이 열간 운전이 되는 냉각수 온도 88±1 °C, 엔진 오일온도 90 °C ~ 100 °C 범위에서 실험을 진행하였다. 전체적인 실험장치의 개략도는 다음 Fig. 3과 같다.

Fig. 3

Scheme of experimental equipment of common rail engine

3.1 정상인젝터가 장착된 엔진 테스트

커먼레일 인젝터가 불량이라는 가정 하에 실험하기 전, 4개의 실린더에 분사량이 정상인 인젝터를 가지고 기본실험을 실시하였다.

S-인젝터를 장착했을 때의 실험결과 값과 A, B 인젝터를 장착했을 때의 값을 비교한다. 측정은 무부하 공회전(Idle시 750 RPM)으로부터 시작하여 2,000 RPM까지 250 RPM씩 증가시키며 5개 모드로 실험을 진행하였다. 이러한 엔진 데이터 검출은 각 회전 구간의 엔진상태가 안정화 될 때까지 대기한 후에 측정하였으며, 연속 3회 측정 평균값으로 비교 분석하였다.

Fig. 4는 S-인젝터를 장착했을 때 연소실 내부 온도 측정을 한 결과이다. 여기서 공회전 750 RPM ~ 2000 RPM 구간의 회전수 변화에 따른 연소실 내부 온도 변화를 나타내고 있다. 이와 같이 그래프에 나타난 것처럼 공회전 상태에서부터 회전수가 증가하면 레일압력이 증가함에 따라 분사율이 증가되므로 연소실 내부 온도가 높아짐을 알 수 있다. 또한 1번부터 4번까지 연소실 마다 온도 차이가 나타나고 있으나 회전수가 증가함에 따라 상승하는 온도는 상대적으로 비슷한 경향을 보이고 있다.

Fig. 4

Internal temperature of cylinder when S-injector installed

3.2 1번 인젝터가 비정상인 엔진 테스트

A, B 인젝터를 설치하기 전에 엔진 ECU가 기존의 S-인젝터의 분사 보정량을 기억하기 때문에, 이러한 분사 보정량을 기억한 상태에서 실험을 진행하게 되면 엔진 상태가 불안정해질 뿐만 아니라 안정화되기 까지 다소 시간이 오래 걸리기 때문에, 장비를 사용하여 엔진 ECU의 인젝터 보정량 학습값을 소거하여 초기상태로 되돌린 후에 실험을 진행하였다. A, B 인젝터를 설치한 후에는 엔진 ECU가 비정상 인젝터의 분사 보정량을 학습할 수 있도록, 회전수를 변화시키면서 충분히 구동한 후에 측정을 시작하였다.

이 때, 엔진 데이터 측정은 각 회전수 별로 모든 데이터가 안정화 되었을 때 측정을 하였고, 측정 시에는 기본적으로 3회 측정하였으며, 3회 측정값의 평균값으로 결과 값을 비교 분석하였다.

이 후, 그래프에서 S-인젝터로 실험한 결과와의 차이를 알아보기 쉽게 하기 위하여 S-인젝터의 결과는 점선으로, A-인젝터와 B-인젝터의 실험 결과는 실선으로 나타내었다.

Fig. 5는 1번 실린더에 A-인젝터(0.24 cc/sec)를 장착했을 때 실린더 내부온도를 측정한 결과로 1번 실린더의 인젝터 분사율이 S-인젝터 보다 낮을 경우에는 엔진 ECU가 인젝터 분사율을 보정하여 분사되는데, 1번 실린더의 인젝터 보정량이 전자적으로 제어할 수 있는 양의 한계치를 벗어나게 되면 다른 2, 3, 4번 실린더의 인젝터도 같이 보정하여 분사하게 된다. 그래프를 보면 1번 실린더와는 다르게 2, 3, 4번 실린더의 온도 기울기가 회전수가 높아질수록 급하게 변화하는 것을 볼 수 있다. 또한 인젝터 성능으로 볼 때 1번 연소실과 보다 4번 연소실이 열발생 온도가 높은 것은 분사 기간이 길어 ECU가 최대한 수치적으로 보정을 수행하여도 불안전연소 발생한다는 것을 예상할 수 있다. 따라서 4번 실린더의 인젝터는 공회전 구간에서 열발생 온도를 볼 때 조정심 조정을 필히 해야함을 예상할 수 있다.

Fig. 5

Internal temperature of cylinder when A-injector installed in the cylinder #1

Fig. 6은 1번 실린더에 B-인젝터(0.42 cc/sec)를 장착했을 때, 실린더 내부온도를 측정한 결과로 1번 실린더의 인젝터가 S-인젝터에 비해 분사율이 많은 경우도 마찬가지로 전자적으로 인젝터의 분사율을 더 이상 낮게 할 수 없기 때문에 2, 3, 4번 실린더의 인젝터도 분사율을 낮게 함으로써 엔진을 안정화 시키게 된다. 또한 특이한 점은 Fig. 5는 엔진이 정상상태일 때의 Fig. 4와 비교한 결과를 보면, 1번 실린더의 인젝터 분사율이 낮을 때 1번 실린더 내부 온도는 각 회전 구간에서 조금씩 낮은 반면, Fig. 6에서 나타나듯이 1번 실린더의 내부온도는 공회전시, 2, 3, 4번 실린더의 내부온도보다 높은 모습을 보이고 있다. 이는 공회전시의 분사 보정이 전자적인 것보다 기계적인 공회전 조정심(Idle calibration shim)의 두께의 영향을 더 많이 받는 것으로 판단된다.

Fig. 6

Internal temperature of cylinder when B-injector installed in the cylinder #1

3.3 모든 인젝터가 비정상인 엔진 테스트

실험 엔진의 모든 인젝터를 규격 미달의 제품을 적용하여 실험 운전하여 보았다. 이것은 실제 차량에서는 거의 나타날 수 없는 상황이지만, 정상적인 인젝터의 엔진 상태와 비교하여 어떤 결과가 나타나는지 알아보기 위한 실험이다.

본 실험에서 인젝터 교환과 함께 엔진헤드에 압축누설을 방지하기 위한 리테인너트(R-nut)의 동와셔를 모두 교체하고 엔진헤드의 인젝터 홀 부분의 이물질을 완전히 제거하고 실험을 수행하였다. 이러한 인젝터 동와셔는 인젝터 고정용 전용 볼트를 이용하여 설치하는데, 이때 나사 조임에 의한 눌림 하중으로 동와셔가 변형되게 된다. 따라서 1회 사용 후 재사용을 하면 연소실 압축압력이 누설되어 기관 열효율 저하로 나타나므로 인젝터 교환 시 동와셔 교환은 필수적으로 수행되어야 한다.

연소압력을 추정하기 위하여 모든 실린더의 인젝터를 A-인젝터(0.24 cc/sec)로 장착하여 실린더 내부 온도를 측정한 결과 회전속도별 온도변동은 미미했다(Fig. 7). 이것은 무부하 상태에서의 실험이기 때문에 기계적인 조정심에 의해 보정량이 줄었다 하더라도 엔진 회전수만 유지할 수 있는 최적 분사율이 분사된다면 크게 조정하지 않는 것으로 예상된다.

Fig. 7

Internal temperature of cylinder when A-injector installed in the all cylinders

하지만, 모든 실린더에 B-인젝터(0.42 cc/sec)를 장착하여 실험한 결과 실린더 별 연소온도의 변동폭이 크게 나타난다(Fig. 8). 이것은 기계적인 조정심에 의한 분사량 조정이 전자적인 분사 보정량을 상회하기 때문에 전자적으로 보정량을 줄이더라도 분사율이 많아지게 되어 실린더 내부 온도가 전체적으로 높아진 것으로 판단된다.

Fig. 8

Internal temperature of cylinder when B-injector installed in the all cylinders

공회전구간부터 2000 RPM 구간일 때 250 RPM 단위로 측정한 결과 각각 회전속도와 비례하여 연소온도도 높아지는 것은 연소실별 분사기간이 회전속도가 증가함에 따라 분사기간은 줄고, 분사압력이 변동에 따라 분사율 증가로 연계되고 연소되는 연료량이 증가하여 연소실 온도 또한 증가하게 된다. 이와 같이 공회전 상태의 분사압력과 2000 RPM일 때 분사압력은 최적의 연소상태를 유지하기 위하여 분사기간, 분사압력, 분사시기 등이 엔진운전 상태에 따라 ECU가 보정되므로 최적의 엔진성능을 유지하게 된다.

1개의 인젝터만 분사량을 변화시킨 가정의 실험과는 달리 모든 인젝터가 분사량이 달리지면서 엔진 ECU는 엔진의 부조를 막기 위한 인젝터 분사 보정량 조절를 하는게 아닌, 단순히 rpm의 유지를 위한 분사보정을 하게 된다. 모든 인젝터가 정상 인젝터에 비해 분사량이 적었을 때에는 본 실험의 엔진 부하가 크지 않기 때문에 엔진 rpm만 유지된다면 분사 보정량을 크게 조절하지 않고 있는 것으로 판단된다. Fig. 8의 측정값을 보면 이러한 이유 때문에 정상 엔진의 측정값과 비교하여 실린더 내부 온도가 크게 높아진 것을 볼 수 있다.

앞서 Fig. 6에서도 설명했듯이, Fig. 8에서도 Idle때의 실린더 온도가 높은 이유는 Idle시에는 전자적인 제어보다도 기계적인 Idle calibration shim의 두께가 영향을 더 미치기 때문인 것으로 판단된다. 또한, Fig. 7의 1번 실린더와 Fig. 8의 3번 실린더의 내부 온도가 rpm이 상승함에 따라서 온도가 급격히 높아지는 모습을 볼 수 있는데, 이는 주분사량이 많을수록 회전수 상승에 따른 분사량이 늘어나게 되어 실린더 내의 온도가 상승하는 결과를 초래하게 된 것으로 판단된다.

3.4 매연 농도

Fig. 9는 1번 실린더에 A-인젝터(0.24 cc/sec)와 B-인젝터(0.42 cc/sec)를 장착했을 때, 매연 농도를 측정한 결과로 앞서 언급했듯이 1번 실린더의 인젝터 분사율이 낮은 경우에 다른 인젝터들은 분사율이 증가되기 때문에 정상일 때보다 농후한 분위기 속에서 연소하게 된다. 그러므로 매연 또한 증가 되어 매연 검출량이 정상일 때와 비교해서 높아지게 된다.

Fig. 9

Exhaust gas emission quantity when B-injector installed in the cylinder #1

이러한 사실을 토대로 엔진에 인젝터가 불량이 생길 경우에는 매연이 정상상태의 엔진에 비해 높아짐을 알 수 있다. 이는, 보통 실제 차량에서 본 실험의 가정과 같이 단일 인젝터의 분사율이 낮을 경우가 대다수이기 때문에, 실제 자동차 점검, 정비 시에 매연이 과대 배출 된다면 연료계통 중에 인젝터의 불량이 하나의 원인이 될 수 있다. 이와 같이 분사율이 0.24 cc/sec일 때 매연농도를 살펴보면, 매연농도가 회전수 증가에 따라 급격히 상승하는 형태를 볼 수 있다. 이는 비정상 인젝터로 인하여 분사시간이 과다한 것으로서, 단위시간당 분사량이 높아져 연소 기간내 완전연소가 이루어지지 않은 것이 원인이라 할 수 있다. 또한 무부하 아이들 상태에서도 이 정도로 매연농도가 높으면, 부하상태의 연소로 운전되었을 때는 연료소비량 증가와 열효율 감소로 이어 질 수 있다고 예상된다.

반대로, 1번 실린더에 B-인젝터(0.42 cc/sec)를 장착하여, 1번 실린더의 인젝터 분사율이 많은 경우에는 2, 3, 4번 실린더의 인젝터 역시 분사율을 줄이지만, 1번 실린더의 인젝터 분사율이 정상상태의 인젝터 분사율보다 많게 되므로 정상 엔진의 매연 농도보다는 조금 짙어지는 결과를 보이게 되었다.

실제 차량에서는 인젝터의 분사율이 많아지는 경우는 거의 찾아볼 수 없기 때문에 Fig. 9의 측정값은 활용하기가 어렵지만, 환경 측면에서 보면, 인젝터의 분사율은 적은 편보다 많은 편이 유리하다고 판단된다.

3.5 커먼레일 압력 및 흡입공기량

Fig. 10, Fig. 11은 정상상태의 엔진과 1번실린더에 A인젝터 및 B인젝터, 모든 실린더에 A, B 인젝터를 설치하였을 때의 커먼레일 압력과 흡입공기량이다.

Fig. 10

Common rail pressure by experiment conditions

Fig. 11

Each cylinder intake air quantity by experiment conditions

커먼레일 압력과 실린더당 흡입공기량이 실험조건별로 차이가 나지 않았다. 이것으로 보아 A, B 인젝터의 분사량의 차이가 매연 농도를 변화하게 하는 것으로 예상된다.