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연료분사펌프의 부품 중 배럴 및 플런저는 연료분사펌프의 수명과 밀접한 관계가 있어 기계적 특성이 매우 중요하다. Table 1은 배럴과 플런저의 기계적 특성을 도면에 명시한 내용이며, L32/40 중속 디젤엔진용 연료분사펌프에 있어서 MDT에서도 품질 기준서로 명문화하고 있다. 특히 소재의 비금속 개재물 관리는 DIN 20602 규격을 통하여 엄격하게 관리되고 있어 소재 선택시 주의가 요구된다.

배럴에 사용되는 18CrNiMo7-6(ESU) 소재는 제품에 강제로 탄소(C)를 주입함으로써 표면의 경도를 높일 수 있는 침탄열처리(carburizing)를 시행하며, 내구성 확보를 위하여 표면경도는 로크웰 경도로 60~64, 경화 깊이는 1.0~1.5 mm로 설정하였다. 이는 상부의 윤활유 홀에 의하여 전경화 및 크랙을 방지하기 위해서 경화 깊이를 낮게 설정할 수밖에 없었다.

플런저의 소재인 SUJ2(JIS)는 담금질과 뜨임 열처리를 주로 하고 자체 내 높은 탄소(0.95~1.10%)로 인하여 내부까지 경화되기 때문에 소재 심부에서도 높은 강도를 가질 수 있어 내구성 확보에 유리하다. 앞서 언급한 바와 같이 디젤엔진 내에서 작동하면서 남아 있는 오스테나이트 조직의 변형을 억제하여 치수 변화를 방지하고자 특수하게 영하 150℃에서 서브제로(sub zero) 처리를 한다. 모든 열처리 공정 후에는 로크웰 경도계로 경도를 측정하고, 전자 현미경을 사용하여 조직을 확인한 뒤, 비커스 경도계로 경화 깊이를 측정하여 합격 유무를 판단한다.

연료분사펌프 내 주요 치수 설계 인자는 배럴 내경 및 플런저 외경의 matching clearance(Ø22), 배럴과 딜리버리 밸브의 조립 단면 간격(1.7 mm), 딜리버리 밸브의 외경(Ø12) 등이 있다. 이 치수들은 연료가 이동하는 경로와 밀접한 연관성이 있으며, 연료의 압축과정에 많은 영향을 미친다. 따라서 설계상 수 ㎛의 정밀공차를 가지고 있는 주요 치수들을 정밀 측정한 후 두 회사 제품을 비교한다면 P사에서 개발된 연료분사펌프의 신뢰성을 확보할 수 있을 것이다. Table 2에 배럴, 플런저 및 딜리버리 밸브의 정밀 치수측정 결과를 나타내었다. 단품으로서의 치수는 P사 제품과 N사 제품 모두 큰 차이는 없었다. 오히려 P사 제품의 조도 및 원통도가 더 우수한 것으로 나타났다.

Fig. 2에는 본 연구에 사용하기 위해 제작된 연료분사펌프의 3D 도면을 나타내었다. 이 연료분사펌프는 MAN DIESEL & TURBO의 L28/32H 디젤엔진용으로 국내 P사의 순수 기술로 만들었다.

Fig. 2 
3D exploded view of fuel injection pump manufactured by P corporation

Fig. 3은 본 연구에서 이용한 성능평가용 실험장치의 개략도이다. 연료분사펌프가 디젤엔진에 장착하여도 성능이 동일할 수 있도록 연료분사펌프용 캠 샤프트, 고압파이프, 연료분사밸브 등은 실제 디젤엔진에서 사용하는 부품으로 설계하였다. 캠을 구동시키는 모터는 저압 3상 유도전동기로서 55 kW의 최대출력과 93.6%의 효율을 발휘할 수 있는 모델로 구축하였다. Fig. 3의 ⑦과 같이 고압 파이프 내의 송출압력을 측정하기 위해서 0~2000 bar 사이를 측정할 수 있는 피에조 방식의 센서(Kistler사, Type 4067A2000)를 사용하였다. Fig. 3의 ⑧은 연료분사밸브에서 분사된 연료의 분사량을 측정하기 위한 매스실린더로 100사이클의 분사량을 측정하였다.

Fig. 3 
Experimental apparatus in order to analyze injection characteristics

Table 3에 실험 조건에 대해서 나타내었다. 4행정 사이클 디젤엔진의 연료분사는 크랭크축 2회전에 1회가 이루어진다. 따라서 720 rpm의 엔진회전속도를 감안한다면 캠축의 회전속도는 360 rpm으로 설정하면 된다. 그러나 본 실험에서는 일본 N사의 데이터와 비교하기 위해서 일본 N사의 분사테스터와 같은 370 rpm으로 설정하였다. 탱크에서 나온 연료가 연료공급펌프를 지나 연료분사펌프로 이송되는 압력은 3.5 bar로 일정하게 유지하였다. 연료의 분사량은 분사노즐을 통해 100번 분사된 연료량을 매스실린더를 통해 체적으로 측정하였다. 시험 연료는 40℃에서 동점도 10.21 cst를 가지는 Fuchs사의 MR3를 사용하였고, 이 MR3 시험유는 Man diesel & turbo사에서 시험용으로 사용되고 있는 것이다. 컨트롤 랙의 위치는 실제 엔진에서 부하에 따라 달라지는 것으로 본 연구에서는 엔진 부하별 설정된 값으로, 14, 21, 28, 35 mm 위치를 설정하였다. 이는 엔진 부하로 약 25%, 50%, 75%, 100%에 해당한다고 보면 된다. 연료분사펌프의 송출압력은 캠축 1회전 시 파이프 내 압력 변화를 확인하기 위하여 연료분사펌프의 출구(pump outlet)와 연료분사밸브의 입구(valve inlet)에서 각각의 센서를 이용하여 캠축 0.25° 간격으로 압력을 측정하고, Fig. 3의 ③ 컨트롤 시스템으로 연결하여 압력 데이터를 저장하였다.

각각의 랙 포지션에서 3회 측정하여 평균을 나타내었다. 그리고 계측된 P사 개발 제품과 일본 N사에서 생산중인 제품의 데이터를 비교하였다.

Fig. 4는 P사 제품과 N사 제품의 연료분사펌프의 출구 압력을 측정한 결과를 나타내고 있다. 가로축은 캠 각도를 나타내고 세로축은 분사압력을 나타낸다. 연료분사펌프의 출구 압력이 상승하기 시작하는 지점은 모든 랙 포지션에 있어서 P사 제품이–20.75°CA, N사 제품은 -21.25°CA로 약 0.5°CA 정도 N사 제품이 빨랐다. Fig. 5는 P사 제품과 N사 제품의 연료분사노즐 입구의 압력을 측정한 결과를 나타내고 있다. 마찬가지로 가로축은 캠 각도를 나타내고 세로축은 분사압력을 나타낸다. 연료분사노즐의 입구 압력이 상승하기 시작하는 지점은 모든 랙 포지션에 있어서 P사 제품이 -19.75°CA, N사 제품은 -20.25°CA로 약 0.5°CA 정도 N사 제품이 빨랐고, 이는 연료분사펌프의 출구 압력과 같은 차이를 나타내었다. 즉, N사의 토출밸브가 연료의 분출에 더 응답성이 빠르다고 볼 수 있으나 연료의 이송 기간은 두 회사 제품이 같다고 볼 수 있다. 또한 이송 기간을 시간으로 나타내면 약 0.45 μs가 되고, 센서간 거리가 760 mm이기 때문에 연료의 압력 전파 속도는 1688 m/s가 된다.

Fig. 4 
Outlet pressure of fuel injection pump due to rack positions

Fig. 5 
Inlet pressure of fuel injection nozzle due to rack positions

Fig. 4의 랙 포지션 14 mm에 있어서 압력파형을 비교해보면, N사 제품의 최대압력은 약 440 bar에 캠축의 위치는 -17.00°CA이었고, P사 제품의 최대압력은 약 400 bar에 캠축의 위치는 -19.25°CA이었다. 마찬가지로 랙 포지션 35 mm에 있어서도 N사 제품의 최대압력은 약 1,010 bar에 캠축의 위치는 -10.00°CA이었고, P사 제품의 최대압력은 N사의 제품과 거의 같은 1,000 bar였지만 캠축의 위치는 -11.25°CA로 나타났다. 이는 P사 제품이 N사의 제품에 비해 급격한 압력상승을 보이면서 빠른 압력하강의 특성을 나타내고 있다. 이는 연료 분사량의 감소로 이어지는 것으로 사료된다. Fig. 5의 연료분사노즐 입구의 압력 파 형도 연료분사펌프의 출구와 비슷한 형태를 나타내고 있다. 최대 압력은 P사는 1,062 bar, N사는 1,049 bar로 P사가 약간 높지만 거의 비슷한 성능을 나타내고 있다. 약간 높은 이유 중의 하나는 고압 관 내 남아있는 잔압 때문으로 사료된다. P사 제품의 잔압은 약 155 bar, N사 제품은 95 bar로서 P사가 N사보다 약 60 bar 높다. 같은 캠 형상일 때 잔압이 높으면 분사시기가 늦어지고 분사밸브가 닫힌 후의 압력변화 폭도 커지게 되어 분사 끝에 영향을 미칠 수 있다. 또한 두 제품의 잔압 차이는 토출밸브의 스프링 장력 때문으로 사료된다.

Fig. 6에는 랙 포지션에 따른 연료 분사량의 측정결과를 나타내었다. 랙 포지션의 증가에 따라 연료 분사량이 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 그래프의 기울기는 P사 연료분사펌프가 9.73, N사 연료분사펌프가 9.57로 거의 비슷한 경향을 나타내었다. 그러나 N사의 연료분사펌프가 P사의 연료분사펌프보다 모든 랙 포지션에서 약 20 cc 정도 연료 분사량이 많다. 연료분사펌프는 컨트롤 랙의 위치를 조정할 수 있는 포인터(pointer)가 있어 이 부분에 와셔(Washer)를 추가 또는 제거하여 분사량을 조절할 수 있다. 따라서 기울기가 비슷하기 때문에 얼마든지 같은 분사량이 될 수 있도록 조절할 수 있다고 판단된다.

Fig. 6 
Comparison of injection quantity due to rack positions

결과적으로 P사의 연료분사펌프는 연료의 분사량 기울기가 N사의 연료분사펌프와 1.6% 오차 밖에 되지 않기 때문에 와셔 등을 통한 조절로 분사량을 동일하게 맞춘다면 P사 연료분사펌프는 N사 연료분사펌프와 동일한 성능을 발휘할 수 있을 것으로 보인다. 그러나 잔압의 영향이 분사량 등에 큰 영향을 미칠 것으로 사료되어 앞으로 잔압과 관련된 추가 실험이 필요할 것으로 고려된다.