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문제 정의
- 이를 이용하여 FFV용 연료펌프의 구성품 중 로어하우징(Al주조재/Al압출재) 및 레귤레이터(주석아연도금강판/스테인레스스틸)의 재질차이에 따른 내구성을 순환시험평가를 통해 비교분석하였다. 또한 완료품에 대한 분해분석 및 미세분석을 통해 재질에 따른 내구성차이가 발생된 원인에 대해 확인하는 등, 바이오에탄올 연료에 대한 FFV차량 연료펌프 구성부품의재질 최적화를꾀하고자 하였다.
- 이에 본 연구에서는 바이오에탄올 연료에 대한 FFV차량용 연료펌프의 구성재질에 따른 내구성을 비교검증하기 위한 목적으로, 90% 이상의 바이오에탄올이 함유되어 있고, 수분과 일부의 산이 첨가된 산성의 바이오에탄올 연료를 제조하였다. 이를 이용하여 FFV용 연료펌프의 구성품 중 로어하우징(Al주조재/Al압출재) 및 레귤레이터(주석아연도금강판/스테인레스스틸)의 재질차이에 따른 내구성을 순환시험평가를 통해 비교분석하였다.
제안 방법
- Al주조재와 Al압출재의 내부식성을 비교하기 위하여 임피던스 분광분석(PARSTAT 2263, EG&G社)과 동전위 분극시험(273A Potentiostat, EG&G社)을 진행하였고, 광학현미경(GX51, OLYMPUS社)을 이용하여 두 소재의 미세조직특성을비교하였다.
- Table 1에 나타낸 바와 같이 로어하우징과 레귤레이터의 재질이 다른 ‘모터A’와 ‘모터B’에 대해연료 순환시험을 진행하였고, 시간에 따른 연료압의 변화에 대해 측정한 결과를 Fig. 3에 나타내었다.
- 가솔린성분분석기(DHAX, AC CONTROLS社), 이온크로마토그래피(ICS-3000, DIONEX社), 액체 크로마토그래피(HPLC 1200Series, AGILENT社)를 이용해 에탄올 종류별 성분구성을 확인하여 성분비교를 하였고, pH meter(809 Titrando, METROHM社)를 이용하여 pH를 측정하였다.
- 고온순환평가를 위한 연료펌프모터 및 레귤레이터의 재질구성은 FFV용 연료펌프의 분해분석을 통해 선정하였으며, 실험에 사용한 두가지 사양(모터A, 모터B)에 대해 Table 1에 나타내었다.
- 일반적으로 차량운행조건에서 엔진룸의 주변온도는70~90℃ 수준의 고온으로 올라가게된다. 따라서 연료순환평가시 엔진룸에 장착되는 부품에 유사한 고온 조건을 반영하기 위해 고온챔버를 이용하였고, 연료압의 변화를 관찰하기 위하여 압력계를 장착하였다. 즉, 챔버 내부에 딜리버리파이프와 인젝터가 설치되고, 외부에 연료탱크, 연료펌프, 연료튜브가 위치하여 연료탱크 내에 있는 바이오에탄올 연료가 연료펌프, 압력계, 연료튜브를 거쳐, 인젝터, 딜리버리파이프에서 다시 연료탱크로 되돌아오는 순환구조로구성하였다.
- 순환시험을 종료한 레귤레이터를 별도로 성능평가한 결과, 표면에 부식은 발생하였지만 정상적으로 작동하는것을확인할 수있었다. 따라서, 두번째 추정 원인인 정류자와 브러쉬의 접촉불량에 대해 분석하기 위하여, 브러쉬 표면에 대해 전자현미경 및 EDS 장비를 이용하여 관찰하였다. 그 결과, Fig.
- 실제 차량의 연료 흐름을 모사하기 위하여 순환평가장비에 연료탱크, 연료튜브 등의 연료계 부품 및 딜리버리파이프와 인젝터를 장착하였고 고온조건에서 평가함으로써 엔진의 발열에 의한 연료온도 상승을 반영하였다. 또한 바이오에탄올에 일부의 산을 첨가하여 금속부식에 취약한 강산성의 악의연료조건을 만들어 평가를 가속화하였다.
- 연료순환평가를 종료한 연료펌프를 분해하여 연료펌프모터 및 레귤레이터 구성재질에 대한 부식발생 유무를 확인하였고, 부식이 발생된 부품에 대해 부식정도를 비교분석하였다. 또한 연료압저하의 원인을 파악하기 위해 전자현미경(Inspect, FEI社)을 이용하여 브러쉬 표면을 관찰하였고, EDS(Inspect, FEI社)를 이용하여 표면에 존재하는 부식생성물의 성분을 확인하였다.
- 바이오에탄올 연료에 대한 FFV용 연료펌프모터의 구성재질에 따른 내구성을 비교평가 하기 위해 연료순환평가 장비를 구성하였다. 실제 차량의 연료 흐름을 모사하기 위하여 순환평가장비에 연료탱크, 연료튜브 등의 연료계 부품 및 딜리버리파이프와 인젝터를 장착하였고 고온조건에서 평가함으로써 엔진의 발열에 의한 연료온도 상승을 반영하였다.
- 바이오에탄올을 이용한 고온 연료순환시험을 통해 FFV용 연료펌프모터내 로어하우징과 외부의 레귤레이터 재질에 따른 내구성 비교평가를 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 바이오에탄올 연료에 대한 FFV용 연료펌프모터의 구성재질에 따른 내구성을 비교평가 하기 위해 연료순환평가 장비를 구성하였다. 실제 차량의 연료 흐름을 모사하기 위하여 순환평가장비에 연료탱크, 연료튜브 등의 연료계 부품 및 딜리버리파이프와 인젝터를 장착하였고 고온조건에서 평가함으로써 엔진의 발열에 의한 연료온도 상승을 반영하였다. 또한 바이오에탄올에 일부의 산을 첨가하여 금속부식에 취약한 강산성의 악의연료조건을 만들어 평가를 가속화하였다.
- 연료순환평가를 종료한 연료펌프를 분해하여 연료펌프모터 및 레귤레이터 구성재질에 대한 부식발생 유무를 확인하였고, 부식이 발생된 부품에 대해 부식정도를 비교분석하였다. 또한 연료압저하의 원인을 파악하기 위해 전자현미경(Inspect, FEI社)을 이용하여 브러쉬 표면을 관찰하였고, EDS(Inspect, FEI社)를 이용하여 표면에 존재하는 부식생성물의 성분을 확인하였다.
- 연료순환평가장비의 개략도를 Fig. 2에 나타내었 으며, 구성품 중에서 연료펌프모터를 제외한 연료 탱크, 연료튜브, 인젝터, 딜리버리파이프는 동일차종조건에서 평가를 진행하였다.
- 이에 본 연구에서는 바이오에탄올 연료에 대한 FFV차량용 연료펌프의 구성재질에 따른 내구성을 비교검증하기 위한 목적으로, 90% 이상의 바이오에탄올이 함유되어 있고, 수분과 일부의 산이 첨가된 산성의 바이오에탄올 연료를 제조하였다. 이를 이용하여 FFV용 연료펌프의 구성품 중 로어하우징(Al주조재/Al압출재) 및 레귤레이터(주석아연도금강판/스테인레스스틸)의 재질차이에 따른 내구성을 순환시험평가를 통해 비교분석하였다. 또한 완료품에 대한 분해분석 및 미세분석을 통해 재질에 따른 내구성차이가 발생된 원인에 대해 확인하는 등, 바이오에탄올 연료에 대한 FFV차량 연료펌프 구성부품의재질 최적화를꾀하고자 하였다.
- 따라서 연료순환평가시 엔진룸에 장착되는 부품에 유사한 고온 조건을 반영하기 위해 고온챔버를 이용하였고, 연료압의 변화를 관찰하기 위하여 압력계를 장착하였다. 즉, 챔버 내부에 딜리버리파이프와 인젝터가 설치되고, 외부에 연료탱크, 연료펌프, 연료튜브가 위치하여 연료탱크 내에 있는 바이오에탄올 연료가 연료펌프, 압력계, 연료튜브를 거쳐, 인젝터, 딜리버리파이프에서 다시 연료탱크로 되돌아오는 순환구조로구성하였다.
대상 데이터
- 현재 바이오에탄올 연료를 사용하고 있는북미나 남미에서 에탄올연료를 입수하여 분석해 본 결과 연료의 이송이나 주유소의 저장기간 동안 공기중의 수분유입에 의해 수분함량(wt%)이 7%정도로 높아진다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 실제차량에 주유되는 연료조건들을 반영하고 순환평가를 가속화하기 위해 바이오에탄올을 이용하여 Table 3과 같이 강산성의 순환평가용 연료를 제조하였다.
데이터처리
- 즉, 연료순환평가에서 연료압을 안정적으로 유지하는 시간이 연료펌프의 내구성을 나타내는 주요 인자라할 수있다. 이번 평가에 사용된 연료펌프모터의 연료압은 3.6bar 사양으로서 성능이 15%정도 떨어지는 3.0bar를 기준으로 설정하여 그 이하로 저하되는 시간을 비교하였다.
성능/효과
- 2) 순환평가시간에 따른 연료펌프의 압력저하를 관찰한 결과, Al압출재와 스테인레스스틸이 적용된 연료펌프사양이 Al주조재와 주석아연도금강판적용품 대비 약 2.1배 내구성이 높다는 것을 확인하였다.
- 3) 바이오에탄올 연료에 대한 내부식성이 상대적으로 취약한 주석아연도금강판이나 Al주조재의경우, 부식에 의해 생성된 미세 부식생성물들이 연료와 섞여 이동하면서 정류자/브러쉬 간의 접촉불량에 의한 연료압저하 및 인젝터 막힘에 의한 연소불량 등의 연료계통 부품의 문제를 유발할수 있다는 것을 확인하였다.
- 4) 임피던스 분광분석 결과, 바이오에탄올 연료에 대한 Al주조재의 부식속도가 Al압출재 대비 약 12~15배 정도 빠르게 나타났으며, FFV용연료펌프의 내구성 측면에서 Al압출재의 적용이 유리하다는 것을 확인할 수 있었다.
- Al압출재(6000계)와 STS304재가 적용된 ‘모터B’의 경우는 시험초기에 약 40시간 정도까지는 초기연료압인 3.5~3.6bar를 유지하였고, 최종적으로 150시간 시점에서 3.0bar 이하로 내려가면서 평가가 종료되었다.
- Al주조재 로어하우징의 경우 표면에 Al부식생성물이 다량 관찰되었고, 표면에도 부식에 의한 피팅 형상이 나타났음을 확인하였다. 반면에 Al압출재 로어하우징의 경우 표면 상태가 양호하였다.
- 따라서, 두번째 추정 원인인 정류자와 브러쉬의 접촉불량에 대해 분석하기 위하여, 브러쉬 표면에 대해 전자현미경 및 EDS 장비를 이용하여 관찰하였다. 그 결과, Fig. 4에 나타낸 바와 같이 브러쉬 표면이 부식에 의해 부분적으로 약 12%정도 훼손되었고, 정류자가 접촉하는 면에 Zn산화물로 추정되는 이물질이 다수 존재하고 있음을 확인할 수 있었다. 즉, 부식에 의한 접촉면의 훼손 및 도금층 탈락에 의해 생성된 부식생성물이 브러쉬 표면에 퇴적되고, 이로 인해 정류자와의 접촉면적이 감소됨에 따라 연료압저하가 발생하였다는 것을 확인하였다.
- 두 Al소재의 부식 속도를 측정한 결과 Al 주조재는 0.12~0.15mm/year로, Al압출재는 0.01mm/year로 나타났다. 즉, Al주조재가 Al압출재 대비 약 12~15배정도 빠르게 부식이 진행됨을 확인할 수 있었다.
- 첫째는 연료압 조절을 담당하는 레귤레이터의 오작동이고, 둘째는 정류자와 브러쉬의 접촉이 원활하지 못하여 정상적인 전압이 모터에 가해지지 않게 됨에 따라 모터 출력이 저하되는 경우이다. 순환시험을 종료한 레귤레이터를 별도로 성능평가한 결과, 표면에 부식은 발생하였지만 정상적으로 작동하는것을확인할 수있었다. 따라서, 두번째 추정 원인인 정류자와 브러쉬의 접촉불량에 대해 분석하기 위하여, 브러쉬 표면에 대해 전자현미경 및 EDS 장비를 이용하여 관찰하였다.
- 0bar 이하로 내려가면서 평가가 종료되었다. 시간을 기준으로 두 사양에 대한내구성을비교하였을때, 상대적으로내부식성이 우수한 Al압출재와 STS304재가 적용된 연료펌프모터(모터B)의 내구성이 약 2.1배 우수한 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
- 앞서 분석한 바와 같이, 정류자와 브러쉬의 접촉면적을 감소시키는 부식생성물이 연료압 저하의 주 원인이며, 따라서 상대적으로 부식발생정도가 심한 ‘모터A’ 조건이 ‘모터B’ 조건보다 내구성이 약 50%정도 저하됨을 확인할 수 있었다.
- 앞서 선정한 두가지 펌프모터 사양에 대해 순환 평가를 실시한 결과, 재질적인 차이에 의해 성능저하가 발생되는 시점에 있어서 수준 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 01mm/year로 나타났다. 즉, Al주조재가 Al압출재 대비 약 12~15배정도 빠르게 부식이 진행됨을 확인할 수 있었다. 이는 압출재와 주조재의 합금성분 차이 뿐 아니라, Fig.
- 4에 나타낸 바와 같이 브러쉬 표면이 부식에 의해 부분적으로 약 12%정도 훼손되었고, 정류자가 접촉하는 면에 Zn산화물로 추정되는 이물질이 다수 존재하고 있음을 확인할 수 있었다. 즉, 부식에 의한 접촉면의 훼손 및 도금층 탈락에 의해 생성된 부식생성물이 브러쉬 표면에 퇴적되고, 이로 인해 정류자와의 접촉면적이 감소됨에 따라 연료압저하가 발생하였다는 것을 확인하였다.
- 현재 바이오에탄올 연료를 사용하고 있는북미나 남미에서 에탄올연료를 입수하여 분석해 본 결과 연료의 이송이나 주유소의 저장기간 동안 공기중의 수분유입에 의해 수분함량(wt%)이 7%정도로 높아진다는 것을 확인할 수 있었다.
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