디젤엔진 변천사| 기계식에서 커먼레일로
힘은 세지만 여러가지 단점을 가지고 있던 디젤엔진은
오랜 세월 많은 변화를 거쳐 성능이 향상되면서 소형화를 거듭해 왔습니다.
그결과 지금은 자동차에서 가솔린엔진과 함께 양대 산맥을 유지하고 있습니다.
그럼 우리 주위에서 흔히 볼수 있는 디젤엔진은 무엇일까요?
[지게차] [트럭]
대충 사진을 봐도 너무 많죠? 나열하기도 힘드네요~!
그럼 본격적으로 디젤엔진 변천사를 보기전에 가솔린엔진과 디젤엔진의
차이를 먼저 보겠습니다.
기술적인 용어가 있어 이해에 조금 어려움이 있을 수 있습니다.
그래도 오토락(樂)과 함께 끝까지 읽어 주시면 감사하겠습니다. 꾸벅 ^.^
■가솔린엔진과 디젤 엔진의 차이햏
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연료 특성 |
점화 방식 |
엔진의특성 |
연료 소비 |
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가솔린 엔진 |
휘발유(휘발성강함) |
불꽃 점화(전기식) |
큰 출력 (power) |
연료 소비 과다 |
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디젤 엔진 |
경 유(휘발성 약함) |
압축자가착화(연료압축) |
큰 회전력 (토오크,Torque) |
가솔린비해 적음 |
위 표처럼 가솔린 엔진과 디젤엔진은 여러 차이점이 있습니다.
표에서 처럼 전통 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 몇가지 단점 있습니다.
예로 들면, 휘발성이 약한 연료를 점화하기 위해 압축을 하다보니 소음과 진동이 크고,
가솔린 엔진 보다 배기가스의 매연이 많이 방출되는 단점을 가지고 있습니다.
이로 인해서 몇년 전까지 디젤엔진은 소형 승용차에는 사용이 어려웠습니다.
그러나 연료 소비가 적은 디젤엔진의 장점으로 인해
유럽지역에서는 승용차용 디젤엔진이 광범위하게 개발되어 사용하고 있습니다.
많이 사용하다보니
위에서 언급한 단점을 극복한 디젤 엔진이 유럽에서 많이 개발 되었습니다.
그결과 최근에는 성능과 소음이 월등히 향상된 소형 디젤엔진을 많이 볼 수 있습니다.
그럼 본격적으로 디젤엔진이 어떻게 변해 왔는지 지금부터 알아 보겠습니다.
■ 디젤엔진의 변천사
디젤엔진 개발은 독일 루돌프 디젤(1892년)이 별도의 점화장치 없이
압축착화를 이용하는 새로운 개념의 내연기관으로 특허를 얻어 발명했습니다.
첫 디젤 엔진 크기는 2m가 넘는 대형 세로형 엔진이었다고 합니다.
[루돌프 디젤사진] [A diesel engine built by MAN AG in 1906-man site]
예전 어른들이 "짐승은 가죽을 남기고 사람은 이름을 남긴다" 는 말..디젤형님은
진짜 확실이 남기 셨네요! ^*^
이렇게 큰 디젤엔진이 차에 바로 적용된 건 아니구요.
1927년 Robert Bosch가 소형 연료 분사 기술을 발명하면서
차에 적용되기 시작했습니다.
1936년 벤츠가 최초의 양산 디젤 승용차를 베를린 모토쇼에서 출품을 했습니다.
이후, 1년뒤 푸조가 디젤 승용차 사용화를 2번째로 성공시켰습니다.
[U- 엔진 1.5 ]
[사설]
유럽의 경우,
디젤엔진이 일반화 됨에 따라 매연 문제가 심각하게 되었고
그결과 배기가스를 법으로 엄격하게 규제하기 시작했습니다
현재까지 유럽에서는 유로 2~5까지 법이 변천을 하고 있는데요.
이 법을 만족하지 못하는 디젤엔진 차량은 유럽 수출이 불가능합니다.
(디젤차량을 가장 많이 가지고 있는 지역이 유럽인데, 여기에 무역 장벽이 생긴 겁니다)
자동차 수출국인 우리나라도
어쩔수 없이 유럽시장 법에 따라 디젤엔진을 개발하게 되었는데요.
거의 모든 부품이 유럽쪽 B메이커 부품입니다. T.T
(핵심부품을 유럽에서 사와서 조립후 다시 유럽으로 수출하는...........)
사설이 좀 길어졌습니다. 죄송
다시 디젤엔진 변천사로 돌아 가겠습니다.
양산 디젤차를 성공시킨 후 변천사는 메이커 적용 차량에 따라 너무 다양합니다.
설명을 쉽게 하기 위해, 여기서는 연료 고압펌프기준으로 변천사를 설명하겠습니다.
① 기계식 디젤엔진 (연료분사 펌프의 구동이 캠에 의해 조절되는 방식)
- 1950년~모든 트럭/버스/선박등 정말 다양한 분야에서
어떠한 환경에서도 엔진의 성능을 발휘하는 디젤 엔진 입니다!
[기계식 디젤- 플라이밍 펌프 장착]
② 기계식 + 전자식 디젤 (연료 분사량 및 분사시기를 전자식으로 제어)
- 우리나라의 경우 1980년~2000년 전자식 솔레노이드로 변경되면서 많이 사용된 디젤엔진 입니다.
연료분사 조절은 잘 되었으나 전기적 품질문제로 인해 많은 문제들이 제기 되기도 하였습니다.
[구스포티지 인젝션 펌프]
구 스포티지 디젤 엔진의 경우 기계식+전자식 엔진을 사용했습니다.
③ 커먼레일 디젤 (전자적제어를 통해 일정한 고압의 연료를 실린더에 직분사하는 방식)
- 1997년 벤츠와 보쉬가 공동 개발한 디젤엔진 입니다.
국내적용은 2002년부터 시작 되었습니다 .- 연료효율 증가 목적, 즉 연료와 공기가 잘 섞여 거의 완전연소가 가능하도록 1,000기압이 넘는 고압의
연료를 각 실린더에 달린 전자식 분사밸브로 보내 일정압으로 조절해 분사하는 방식입니다.
기존 방식과 차이는 분사량과 분사기시 외에 분사압 및 분사율을 독립적으로 제어가 가능하다는 겁니다.
이로 인해 기존 엔진과 비교해 출력은 30%, 토크는 100%정도가 향상 되었다고 하는군요
쉽게 설명하면, 기존 디젤 엔진보다 연료가 완전히 연소하도록 고안된 커먼레일이라는 장치가 부착된
엔진이라고 생각하면 좋을 것 같습니다.
- 보쉬가 거의 80%이상의 시장을 차지하고 있는데요. 현재 5세대까지 개발 완료되었다고 합니다.
1997년 1세대 약 1,350 bar
2001년 2세대 약 1,600 bar
2003년 3세대 약 1,800 bar
2008년 4세대 약 2,000 bar
* 참조:세대 구분은 분사압력으로 합니다
[보쉬- 커먼레일]
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커먼레일(CRDI) 디젤엔진
■ 커먼레일 엔진의 역사
자동차 내연엔진이라고 하면 사용되는 연료에 따라
가솔린엔진과 디젤엔진으로 크게 구분을 합니다.
가솔린 엔진이 출력향상과 연비향상이라는 목표아래 끊임없이 개선되었다면
디젤 엔진은 출력과 연비보다는 배기가스규제에 대응하기 위해 개선 되고
새로운 타입의 엔진이 개발되었습니다.
아시는 바와 같이 교토의정서로 대표되는
90년대 초 환경보호에 대한 세계적인 공감대가 자동차 배기가스 기준 강화로 이어졌습니다.
특히 유럽국가들에게는 큰 화두였는데요.
가장 강력한 자동차 배기가스 기준을 설정했지요.
이게 우리가 많이 들어 익숙한 Euro 1~6 배기가스 기준입니다.
위 테이블에서 보시는 바와 같이 각 오염물에 대한 허용기준과
적용일자가 규정되어 있습니다.
현재는 Euro 5가 적용되고 있는데 국내도 마찬가지입니다.
이 유로 배기가스 기준을 만족하기 위해 탄생한 기술이 바로 커먼레일 인젝션엔진입니다.
커먼레일 엔진은 1960년대에 처음으로 그 기술이 개발되었고
1990년대 초 일본의 덴소에 의해 최초로 상용화되어
도요타의 상용차를 전문으로 만드는 자회사인 히노의 트럭에 처음 적용이 되었습니다.
이탈리아의 Fiat는 이 기술을 승용차에 적용하기 위해 연구에 착수했는데요.
엔진 ECU에 의해 연료 분사량이 조절되는 현재의 컨셉이었죠!
그러나 그룹의 자금위기등의 문제로 기술을 자체적으로 완성하지 못하고
독일의 보쉬(Bosch)에 개발된 기술을 파는 우를 범하게 됩니다.
이 후 승용차에 최초로 이 기술을 적용한 모델이
위 사진에 나와 있는 알파 로메오의 156 JDI모델이라고 합니다.
(알파 로메오는 Fiat가 소유한 브랜드 중 하나입니다.)
현재 이 기술은 그린디젤을 내세우는 유럽의 모든 메이커들의 핵심이 되었고
경차에서부터 메르세데스 벤츠의 고급차에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있습니다.
현재는 유럽의 주요 국가에서 디젤엔진이 승용차에서 차지하는 비율이 70%에 육박하고 있다고 합니다.
■ 커먼레일 엔진의 종류
커먼레일 자료를 찾는 데 애를 좀 먹었습니다.
엔진이 출시된 지 꽤 된 것 같은데도 인터넷에서 자료를 찾기가 쉽지 않네요.
일단 자료가 그나마 좀 있는 현대/기아 차종을 중심으로 정리를 했습니다.
현대/기아 자동차는 2000년대 초에 이 기술을 도입하면서
후발주자로 출발했지만 이제는 유럽 선진메이커와 겨뤄도
크게 빠지지 않는 메이커로 성장했습니다.
역사에서 말씀드렸지만 원천기술을 갖고 있는 곳은 독일 보쉬(Bosch) 사입니다.
현재는 보쉬(Bosch) 이외에도 델파이(Delphi), 지멘스, 덴소등
여러 업체에서 커먼레일 엔진의 핵심이라고 할 수 있는 인젝터와 커먼레일을 만들고 있습니다.
현재 현대/기아차에도 보쉬(Bocsh) 제품이 주로 사용되고 있으므로
보쉬 제품을 중심으로 이야기를 풀어갈께요.
여기서 한 가지 비사(秘史)가 있는데요.
처음 현대/기아차가 자사의 모델에 커먼레일 엔진을 적용하려고 했을 때
보쉬는 굉장히 회의적 인 시각이었다고 합니다.
가장 큰 문제가 된 것이 국내 경유의 품질문제 였는데요.
국내 디젤유의 품질이 좋지 않아 커먼레일을 사용할 수 없다는 것이었습니다.
디젤유의 품질은 내부에 포함된 수분이나 이물질에 많이 좌우되는데
보쉬가 판단하기엔 국내에서 유통되는 디젤유가 커먼레일이 견디기 힘들 정도의 품질이라는거죠.
디젤/가솔린등 모든 연료의 품질은 정유사에 의해 크게 좌우되는데
일단 디젤기준으로는 아무래도 유럽의 디젤이 가장 품질이 우수하고
아프리카나 동남 아시아, 중국등이 아무래도 품질이 떨어지는 것 같습니다.한국에서 멀쩡하게 잘 돌아가던 커먼레일 디젤차가
중국이나 아프리카로 가면 몇 달을 못 버티고
인젝터를 비롯한 핵심부품이 망가지는 일이 허다합니다.
혹시 중국으로 커먼레일 디젤차를 가져가시려는 분들은
다시 한번 생각해보시기 바랍니다.
중국으로 가져갔다가 망가지면 수리도 힘듭니다!
그럼 현대/기아차에 들어가는 커먼레일 엔진들부터 보시죠!
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엔진 종류(배기량) |
엔진 사진 |
작용차종(현대/기아) |
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U-1.5(1493cc) |
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아반떼XD/HD 베르나 클릭 프라이드 쎄라토 |
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D-2.0(1991cc) |
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싼타페 트라제XG 투싼 스포티지 쏘나타(NF) 로체 |
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R-2.0(1991cc) |
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쏘렌토 R 투싼 ix 스포티지 R 싼타페(CM) |
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A-2.5(2497cc) |
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스타렉스 포터-Ⅱ 리베로 쏘렌토 봉고-3 |
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J-2.9(2902cc) |
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테라칸 카니발 I/II |
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S-3.0(2959cc) |
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베라크루즈 |
TIP: 현대 기아 엔진의 A, B, C, D...등의 영어 알파벳 엔진명칭은 디젤엔진을 말하고
현대 기아 엔진의 알파, 베타, 감마, 세타..등의 그리스 알파벳 엔진명칭은 가솔린엔진을 말합니다.
완성차 메이커와 부품업체들이 커먼레일을 통해
엄격한 배기가스 기준을 만족할 수 있었던 것은
실린더로 연료를 주입하는 방법과 연소시키는 방법의 최적화였습니다.
따라서 연료를 주입하는 인젝터와 이를 뒷받침하는 커먼레일을 비롯한 연료장치가
핵심적인 역할을 수행하게 되었습니다.
핵심은 실린더에 주입되는 연료를 얼마나 높은 압력으로 분사하고
연료입자를 얼마나 작게 만드느냐 였습니다.
이런 목적을 달성하기 위해 일련의 인젝터들이 차례로 개발되었는데
- 그레이드화 인젝터(X,Y,Z)
- 클래스화 인젝터(C1, C2, C3)
- 파일럿 인젝터
- C2I 인젝터
- 피에조 인젝터등이죠.