메르세데스-벤츠 디젤엔진의 모든 것

 

디젤 엔진의 기초 지식

디젤 엔진과 가솔린 엔진의 차이 - 연소 방식
어떤 엔진이라도 흡기→ 압축→ 연소→배기의 네 과정을 통해 동일한 구조로 동력을 발생하고 있지만 큰 차이점은 흡기 과정과 연소 과정이다.
일반적으로 가솔린 엔진은 연료(가솔린)과 공기를 혼합시켜 그 혼합기를 연소실에서 흡입하고 피스톤에 의해 압축한 후 점화 플러그를 혼합기에 착화시켜 연소가 시작된다. 반면에 디젤 엔진은 공기만을 연소실에서 흡입하여 피스톤에 의해 압축하고 고온이 된 연소실에 고압화한 연료(경유)를 분무 상태(스프레이 패턴)로 분사하여 이 경유가 자연 착화되어 연소가 시작된다.

 

                                 디젤엔진의 구조

 

메르세데스-벤츠 CDI(Common-rail Direct Injection) 엔진
메르세데스-벤츠는 지난 1936년 세계 최초의 디젤 승용차 ‘260D’를 출시하고, 1997년 전세계 디젤 시장의 표준으로 자리잡은 세계 최초의 커먼레일 CDI(Common-rail Direct Injection) 엔진을 개발하는 등 75년 동안 디젤 차량 기술의 선구자로 전 세계 디젤 시장을 이끌고 있다.

시장에 선보이는 E 220 CDI BlueEFFICIENCY, C 220 CDI BlueEFFICIENCY, ML 300 CDI 4MATIC BlueEFFICIENCY, GLK 220 CDI 4MATIC BlueEFFICIENCY에는 지난 75년 동안 혁신적인 발전을 거듭해온 메르세데스-벤츠의 최신 디젤 기술이 적용된 차세대 CDI 엔진이 탑재되어 있다. 메르세데스-벤츠의 CDI 엔진은 높은 기술력을 바탕으로 성능과 연비를 개선해 디젤 엔진 특유의 떨림과 소음, 매연 등이 휘발유 차량에 근접한 최첨단 기술의 디젤 엔진이다. 또한 최고 속도나 가속도는 휘발유 차량 수준에 버금가고 연비는 휘발유 차량 대비 매우 높으며, 높은 토크와 함께 엔진 수명도 길어졌다.

■ 최신 커먼레일 방식
깨끗하고 저소음, 저진동, 저연비의 커먼레일 시스템에서 한층 더 정교한 제어와 예민한 반응이 가능하게 된 제5세대 커먼레일 시스템을 채용하였다. EURO 4 배기가스규제를 충족시키고, 미래  배기가스 제어를 선도할 수 있는 잠재성을 갖추고 있다.

■ 피에조 인젝터
피에조 인젝터는 종래의 솔레노이드식에 비해 현격히 응답성이 뛰어나기 때문에 이상적인 연소에 가까운 정밀한 제어가 가능하고 배기가스의 청정화나 저소음화, 저진동화, 저연비화에 공헌하고 있다.

■ 배기가스 재순환
EGR(Exhaust Gas Recirculation)은 배기가스의 일부를 흡기에 재순환시켜 엔진의 연소 온도를 내리고 NOx(질소산화물)과 PM(입자상 물질)의 배기량을 삭감하는 장치다.

■ 경량 콤팩트 설계(One-Box Concept)
크랭크 케이스나 실린더 헤드, 실린더 헤드 커버 등에 알루미늄 합금을 다용하고 소형 경량화를 도모하고 있다. 알루미늄 합금은 냉각효과가 높기 때문에 우수한 내구성에 기여한다.

■ 전자 제어식 VGT 터보 차저
터빈 배기 측의 가변 블레이드에 의해 저회전 시에는 큰 토크 전달에 유리하며 고회전 시에는 큰 파워를 발생할 수 있는 전자 제어식의 가변 터보 차저를 채용하였다. 응답성이 뛰어나고, 엔진의 회전상승이 부드럽기 때문에 스트레스 없는 드라이빙이 가능하다.

■ 글로우 시스템
시동성이 좋고 안정된 아이들링으로 청정한 배기가스를 실현하였으며 응답성이 뛰어난 최신식의 퀵 스타트 글로우 시스템(QuickStartglowSystem)을 채용하였다.


CDI 주요 테크놀로지

커먼레일 방식

 

                                                                         * 각 부 명칭
                                                                           a. 레일 압력 센서
                                                                           b. 커먼레일
                                                                           c. 피에조 인젝터
                                                                           d. 고압펌프

커먼레일 방식이란 고압 펌프에 의해 고압화된 연료를 커먼레일이라 하는 레일(관, 管)로 보내어 그 레일에서 고압 상태 그대로 연료 분사장치를 통해 연료실로 분사(인젝션)하는 시스템이다. 각 실린더의 연료분사가 커먼레일을 통해 실행되는 것이 특징이기 때문에 커먼레일 방식이라고 한다.

종래의 기계식 연료 분사와는 달리 연료를 고압화하여 축압시킴으로써 각 실린더에 균일하게 분사, 연료를 연소하기 쉽게 하며 배기가스를 깨끗하게 만들 수 있다. 신세대 커먼레일 방식은 연료의 고압화를 향상시켜주고 고속 작동시키는 피에조 인젝터가 초단시간에 필요한 양의 연료를 연소실로 분사시켜 더욱더 미세한 제어가 가능하게 되었다.

고압의 연료가 더욱 미세한 분무 상태(스프레이상태)가 되며 완전 연소에 가깝게 되었다. 그 결과 구세대 커먼레일 방식보다 저소음, 저진동, 적은 연료로도 배기가스가 깨끗한 동력 성능을 실현하고 있다.

응답 속도가 뛰어난 피에조 인젝터
경량, 컴팩트한 직분사 타입의 피에조식 인젝터를 채용하여 종래의 솔레노이드식에 비해 약 1kg 가량 경랑화를 실현하였다. 최근의 CDI 엔진에서는 분사 노즐이 7홀 노즐로 대체됨과 동시에 노즐 구멍의 단면적을 20% 줄임으로써 실린더 내에서 보다 좋은 무화 (스프레이 패턴)를 형성할 수 있게 되었고, 이로 인해 디젤 먼지 입자의 양을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.

 

인젝터 노즐의 단면적이 줄어들어 보다 긴 인젝션 시간이 필 요하게 되었으며, 엔진의 부하가 커졌을 때의 연료 공급 안정성을 위하여 커먼레일의 상용 유효 압력이 2000 bar로 증가하였다. 작동이 매우 정교하고 신속한 피에조 인젝터의 특징을 바탕으로 주분사 전 예비 사를 두 번 실시(double pre-injection)함으로써 실린더의 폭발력을 보다 좋게 하여 완전 연소를 위한 체적화 조건을 꾀하며, double pre-injection은 엔진 부하와 rpm에 따라 singlepre-injection으로 바뀌어 운전되기도 한다.

이상적인 연소상태에 근접함으로써 연소 효율 향 에 의한 우수한 기동 성능과 저연료화, 저소음화, 저진동화, 배기가스의 청정화에 기여한다.

DPF(Diesel Particulate Filter, 매연여과장치)
매연여과장치는 배기가스가 지나가는 머플러의 도중에 배기가스 중의 PM(입자상 물질)을 흡착하는 필터다. 흡착한 PM을 방치해두면 필터가 먼지 등으로 인하여 막히고, 엔진 출력 저하나 엔진 정지(엔진 고장), 최악의 경우는 필터를 파괴해 버리기 때문에 필요 시에는 엔진 컨트롤 유니트에 의한 전자 제어로 배기온도를 올려 필터의 온도를 약 600℃까지 상승시켜 퇴적한 PM을 산화시켜 연소하여 제거한다.

 

전자제어 터빈(VGT: Variable Geometry Turbine)을 장착한 터보 차저
디젤 엔진의 특성상 흡기를 과급하여도 연료 소비량이 증가하지 않기 때문에 전자 제어식 의 VGT(가변식 터빈) 터보 차저를 장착하였다.

VGT 터보 차저는 배기 측의 터빈 날개(blade) 외측에 있는 가이드 베인의 각도가 변화함에 따라 저회전 시 뛰어난 응답과 고회전 시의 높은 과급압의 두 가지 목표를 동시에 실현하고, 배기 에너지를 최대한으로 이용하여 흡기를 과급하는 것을 가능하게 해준다. 과급 시에는 압축된 공기가 뜨거워져 팽창되고 산소의 밀도가 줄어들어 연소 효율이 저하되기 때문에 압축된 공기의 온도를 내리기 위해서 공냉식의 인터쿨러를 추가적으로 장착하고 있다. (벤츠 디젤 기술의 모든것 중에서 )