델파이, 차량용 바이오 연료 호환성 독보적 견인
델파이는 바이오 연료-호환 기술의 시장 잠재력이 매우 클 것으로 판단하고 있다. 기 해시(Guy Hachey) 델파이 부사장은 “환경적, 경제적 측면에서 바이오 연료의 수요는 급속히 확대될 것이 분명하다”면서 “바이오 연료 호환성 분야의 업계 선도적 노하우를 바탕으로 고객들에게 신뢰성 높고 적시에 공급 가능한 제품을 만들어 낼 것이다”라고 밝혔다.
현재 미국에서 가장 잘 알려진 바이오 연료는 ‘E10’이라 불리는 에탄올인데, 이것은 옥수수에서 추출해서 휘발유와 1:9 비율로 혼합한 것이다 [에탄올 비율 10%]. 2005년 자동차 연료로 사용된 옥수수 추출 에탄올은 40억 갤론 이상이었다. 미국 정부의 지원으로 생산되고 있는 에탄올 제품은 올해 말까지 최대 50 % 증가할 전망이며, 이는 E10 및 E85 사용량 모두에 해당된다.
에탄올 혼합 연료는 산소가 많아 스모그를 내뿜는 배출가스가 적고, 특히 이산화탄소 배출량을 줄이도록 완전연소를 촉진시킨다. [유해 가스의 배출 감소폭은 에탄올 생산 과정에서 발생되는 이산화탄소의 양에 따라 다소 차이가 있을 수 있지만, 2006년 9월 사이언티픽 아메리칸誌에 발표된 다니엘 카멘 (Daniel Kammen) 교수의 논문에 따르면 약 18 % 정도 유해가스 배출 감소 효과가 있는 것으로 알려졌다.] 또한, 에탄올 연료를 사용하면 석유 의존도를 줄일 수 있다.
유럽의 경우, 현재 바이오 에탄올 연료는 거의 사용되지 않는 반면 바이오 디젤의 수요는 꾸준히 증가하고 있다. 보통 유채씨에서 추출되는 연료를 디젤과 2:8 비율로 혼합 생산하는 바이오 미네랄 디젤(B20) 역시 산소의 함유량이 상대적으로 높아 스모그와 분진은 10~20% 정도, 일산화탄소는 최대 20% 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다.
바이오 연료의 환경적, 경제적 이점을 인정한 유럽의회는 「Directive 2003/30/EC」를 발표, 모든 운송 수단의 바이오 연료 사용 비율을2010년까지 5.75% 그리고 2015년까지 8 %로 끌어 올리기로 했다. 한편, 프랑스와 독일은 더 높은 바이오 연료 사용 목표를 설정한 것으로 알려져 있다.
에탄올 연료 부문 세계 독보적 위치
바이오 연료는 이처럼 많은 장점들이 있지만 여전히 기술적으로 풀어야 할 과제들이 남아있다. 바이오 에탄올은 자동차 연료탱크의 공격적인 특성을 어떻게 풀어내느냐 하는 것과 바이오 디젤은 산화질소(NOX)의 양을 어떻게 줄일 것인가 같은 과제들이 그것이다.
델파이는 전세계적으로 가장 종합적이며 체계적인 바이오 연료 연구 프로그램들을 진행해 오고 있다. 델파이는 E25나 심지어 E100의 수요가 점차 지속적으로 늘어나고 있는 브라질 시장에서 연료분사시스템 부문의 선도적 위치를 차지하고 있으며, 실제로 브라질 신차 시장에서는 90% 이상이 에탄올과 가솔린의 혼합연료로 작동되는 엔진이 부착되고 있다.
미국에 위치한 델파이 기술센터의 바이오 연료 전문가인 줄리 갈란트-폭스 (Julie Galante-Fox) 는 “에탄올 함유량이 높으면 쉽게 부식된다고 생각하기 쉽지만, 보다 근본적으로는 에탄올의 수분흡수성이 문제다.”라고 지적했다. 그는 “에탄올은 물을 잘 흡수하기 때문에, 연료가 주변 공급원으로부터 부식성이 있는 염분을 용해하게 된다. 즉, 부식성이 있는 것은 에탄올이 아니라 에탄올이 무엇을 끌어오느냐 하는 것이 문제이다”라고 강조했다.
수분은 저질의 연료저장소와 분배시스템으로부터 유입되거나 또는 의도적으로 첨가되기도 하지만, 염분은 다양한 경로를 통해 유입된다. 미국에서 E10은 심각한 수준으로 오염되지만 않으면 큰 문제가 되지 않지만, 다양한 수질을 관리하는 시스템에서는 E85가 신중하게 다뤄져야 한다. 이 때, 표준연료를 사용하는 시스템과 내구성 (및 보증 성능) 의 조절수위가 일치해야 한다.
핵심적인 설계기술 중 하나는 원재료의 선택인데, 델파이는 브라질에서의 경험을 토대로 세계적 명성을 얻게 되었다. 즉, 금속, 엘라스토머, 플라스틱과 같은 연료시스템의 부품들에 사용된 원재료들은 에탄올 및 에탄올과 혼합되어 파생된 불순물과도 잘 융합되어야 한다.
이미 전세계에 판매된 모든 델파이의 가솔린 연료분사시스템은 불순물 함유제한 수준 에서도 100,000마일 이상의 내구성을 갖도록 업그레이드 되었다 (E25의 경우). 스테인레스스틸은 마일드스틸을 대체했고, 폴리머와 엘라스토머는 더욱 새롭고 내구성이 뛰어난 물질로 대체되거나 혁신적 설계기술로 인해 아예 제거되었다. 최근의 연구는 급격한 시스템 비용의 증가없이도 E85에 신뢰성과 안정성을 추가하는데 초점이 맞춰져 있다.
전자공학 분야도 중요한 역할을 하고 있다. 델파이의 이중연료(bi-fuel) 엔진 제어모듈은 자동적으로 연료탱크의 에탄올 비율을 찾아내어 연료와 스파크 콘트롤을 조정하기 때문에 효율을 최적화할 수 있다. 또한, 자동차 제조사들이 25% 이상 에탄올 함유연료로 최상의 출발, 운전, 배기가스 배출 등을 최적화하는 새로운 보정기술을 개발 및 발전시킬 수 있도록 델파이의 기술이 돕고 있다. 아울러, 에탄올을 85% 이상 함유한 연료로 냉각상태의 시동이 가능토록 하는 기술 개발이 진행 중이다.
바이오 디젤의 공학적 신뢰성
바이오 디젤 연료가 직면하고 있는 문제는 에탄올과 상당한 차이가 있고, 이 문제는 B10 - 바이오 물질의 비율이 10%- 에서부터 논의가 시작된다. 현안은 바로 취급과정과 저장방식에 있다. 바이오 디젤은 구성요소들이 분리됐을 때에도 환경적으로 덜 해롭다는 장점이 있다. 하지만 이 경우 연료가 급속도로 열화 되며, 이는 습기가 많거나 온도가 높은 곳에서 저장 될 때 더욱 그러하다. 바이오 디젤은 다른 어떤 연료보다 박테리아 증식이 쉽게 일어난다. 주유소의 주유기마다 바이오 디젤의 품질 차이가 날 정도라는 연구 결과도 있다.
바이오 디젤은 에탄올과 마찬가지로 수분을 흡수하여 연료의 품질 열화를 가속시킨다. 또한, 바이오 디젤은 아주 좋은 용매로 작용, 파이프나 탱크에 있는 침전물들을 용해하고 이를 연료 시스템의 작은 틈새로 운반한다. 불용성 폴리머와 노후된 물질들은 연료 시스템 내의 인젝터 막힘(injector coking), 필터 막힘(filter clogging), 분사계에서의 침전 등을 야기한다. 이런 것들은 또한 호스, 가스켓, 그리고 실 (Seal) 등에 사용되는 엘라스토머 같이 널리 사용되던 재료에 피해를 준다. 과산화수소 - 바이오 디젤이 산소와 만나 반응할 때 생기는 물질 -는 엘라스토머 약화를 초래함으로써 이 소재들이 말랑해지거나 부풀어오르게 된다.
연료의 물리적인 특성 역시 문제를 야기한다. 탄성계수가 높아지면 더 높은 분사압력을 야기하여 분사계 수명을 단축시키고, 섭씨0도 이하에서는 연료 흐름이 나빠진다.
디젤 연료가 안고 있는 또 다른 문제점은 연료 시스템 어디에서도 발생할 수 있는 래커링(lacquering)이다. 래커링은 고압 분사 노즐 부위에서 발생하기 쉬운데, 고열로 인해 유기소재들이 화학적 반응을 일으켜 유해 가능성이 있는 유기 침전물이 축적되기도 한다.
델파이 디젤 기술 이사 댓레브 쉐페 (Dr. Detlev Schoeppe)는 “이 점들이 연료 시스템 엔지니어들의 과제이다”면서 “연료 특성은 원재료와 배송 및 저장 상태에 크게 달라지기 때문에 물리적 화학적 특성 산포를 고려해야 한다”고 말했다.
델파이는 이 과제를 이해하기 위해 B10부터 B100까지의 연료에 대해 광범위한 범 세계적인 실험실 시험을 수행하고 있으며, 고객사는 물론 트럭이나 비포장 도로용 차량, 승용 및 상용차 운전자들과도 협력하여 장거리 차량 주행 시험도 수행하고 있다.
현재 델파이의 모든 시스템은 B5에 적합하도록 설계되었으며, 델파이는 바이오 연료 함유량이 많은 경우에도 적합한 분사 시스템을 개발하고 있다. 쉐페 박사는 “대다수 자동차 제조사들은 5% 이상 바이오 디젤 혼합물질이 사용되면 제품 보증이 불가하다라고 말하고 있다. 델파이는 이 혼합비율을 비용 증가, 신뢰성 감소, 고객만족도 하락 없이 높여나가야 하는 과제를 안고 있다”고 덧붙였다.
간단하지만 신뢰성있는 해결점을 찾기 위한 델파이식 접근의 좋은 예로 새로운 연료레벨 센서를 들 수 있다. 전통적인 레벨센서는 부식성 연료에 특히 민감한 기계적 시스템을 사용한다. 하지만 델파이의 새로운 센서는 이동파트가 없고, 부품이나 소프트웨어의 변경 없이 가솔린, 디젤, 바이오 연료의 양을 측정할 수 있으며, 모든 종류의 연료에 한가지 부품을 사용한다는 게 장점이다.
지속적인 바이오 디젤 연구
델파이는 바이오 디젤과 관련하여 여러 가지 연구 프로젝트를 진행하고 있다. 이 프로젝트들은 세계 곳곳에서 엔진 테스트와 자동차 테스트를 통해 침전물 형성, 연차, 펌프수명 등 바이오 디젤의 성능에 영향을 미치는 기초적인 매개변수들에 관한 연구를 포함하고 있다.
런던에 위치한 델파이의 디젤 헤비듀티 기술센터에서의, B30 연료로 작동되는 전형적인 중 트럭 용 12리터 엔진이 좋은 예가 된다. 이 델파이의 앞선 EUI (전자제어 유니트 인젝터, Electronic Unit Injector)는 수백 시간의 시험 후 분해-조사-재 조립 후 재 장착 되어 다른 가혹 조건으로 시험 운행될 예정이다.
이 센터의 데이빗 드래이퍼 (David Draper) 수석 엔지니어는 “중부하 (Heavy duty) 차량은 경부하 (Light Duty) 차량보다 엔진 부하가 많이 걸린다. 델파이의 분사 시스템은 2500 바까지 잘 견디면서 작동하는 것은 물론 무정비로 100만 마일의 운행이 가능할 것으로 보고 있다”면서, “이는 자동차 기술 분야에서 최고의 도전이며, 델파이의 바이오 연료부문의 전문성을 증대시키는 중대한 연구가 될 것이다”라고 말했다.
시험 운행을 마치면, 부품들을 분해하고 세부적으로 정밀연구가 진행될 예정이다. 그는 “인젝터 핀 시트 등의 마모나 금속, 폴리머, 엘라스토머 부품에서 재료의 열화 등의 징후를 찾아내게 될 것이다”라고 덧붙였다. 이러한 정보를 파악하게 됨으로써 델파이의 연료 분사 시스템은 자동차와 엔진 제조사들의 신뢰를 얻으며 지속적인 발전을 도모하게 될 것이다.
웹사이트: http://www.delphi.com
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