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Ⓒ2011 KSAE 1225-6382/2011/114-15 Transactions of KSAE, Vol. 19, No. 6, pp.107-112 (2011)
바이오에탄올 연료에 대한 FFV(Flexible Fuel Vehicle)용 연료펌프모터의 내구성에 관한 연구
김 창 수
*․곽 동 호․정 병 준․김 종 명
현대자동차 금속재료연구팀
A Study of Fuel Pump Durability on the Bio-ethanol for FFV(Flexible Fuel Vehicle) System
Changsoo Kim
*․Dongho Kwak․Byungjun Jung․Jongmyung Kim
Materials Research Team, Hyundai-motor Company, 772-1 Jangdeok-dong, Hwaseong-si, Gyeonggi 445-706, Korea (Received 25 March 2011 / Accepted 28 April 2011)
Abstract : FFV(Flexible Fuel Vehicle) is the vehicle that can be used liberally from gasoline to E100(Ethanol 100%) for fuel. Recently, interest in the bio-fuel is increased by the environmental factors like exhaustion of the fossil fuel and ruduction of greenhouse gases. For the reason, adopting of FFV is activated in the world including North and South America. In general, bio-ethanol has highly corrosive substance in compare with gasoline. In the part of fuel system, corrosion can make a safety problem in case of fuel leakage and engine starting problem. So the fuel system of FFV have to be made of high corrosion-resistant materials. This study examined the effect of bio-ethanol on the durability properties according to component materials in FFV fuel pump motor and regulator using the High Temperature Fuel Circulation Test.
Key words : FFV(플렉스자동차), Bio-ethanol(바이오에탄올), Fuel pump(연료펌프), Durability(내구성), Al alloy(알루미늄합금), Corrosion(부식)
1. 서 론 1)
바이오에탄올이란 사탕수수나 옥수수와 같은 식 물자원으로부터 발효, 정제를 거쳐 생산되는 천연 연료로서, 석유자원으로부터 만들어지는 합성에탄 올과는 다른 성분함량을 갖고 있다. 2000년대에 들 어오면서 화석연료의 고갈, 온실가스감축 의무 본 격화, 에너지 시장 불안정 심화 등의 이유로 바이오 에탄올에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이미 북남 미를 비롯한 세계 여러나라에서 그 사용빈도가 증 가하고 있는 추세이다.
1-4)바이오에탄올 연료의 구분은 가솔린에 함유된 바
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
이오에탄올의 비율을 이용하여 표기를 한다. 즉, 에 탄올이 10% 함유되어 있을 경우 E10으로 표기하고, 그 종류는 E3~E100의 다양한 범위로 사용이 되고 있는데, 그 중에서도 E10과 E25가 가장 일반적으로 사용되고 있다. 특히 최근들어 브라질, 미국, 캐나 다, 스웨덴 등의 나라에서는 에탄올의 함유량에 상 관없이 사용이 가능한 에탄올 전용 FFV(Flexible Fuel Vehicle)가 보급되어 있으며, 그 점유율은 점차 증가되고 있는 상황이다.
5)일반차량의 경우에는 연료로 사용가능한 에탄올
의 함유량을 규제하고 있지만, FFV는 가솔린부터
E100까지 제약없이 사용할 수 있어 연료비가 절감
되는 장점이 있다. 하지만 에탄올의 함유량이 높아
김창수․곽동호․정병준․김종명
질수록 금속의 내부식성을 저하시키기 때문에 FFV 의 경우 에탄올연료 사용에 따른 내구성 문제가 우 려된다.
6,7)특히 연료계부품의 경우 연료와 직접 접 촉을 하기 때문에 부식발생 확률이 높고, 따라서 부 식생성물에 의한 연료계 막힘 또는 피팅에 의한 연 료누유 등과 같은 문제가 발생될 가능성이 높을 것 으로 예상된다.
연료와 직접적으로 지속적인 접촉이 일어나는 연 료계부품은 연료탱크, 연료펌프, 연료튜브, 인젝터, 딜리버리파이프 등을 들 수 있다. 이중 연료펌프는 연료탱크내에 있는 연료를 뽑아올려 엔진까지 전달 할 수 있는 일정압력을 만들어 주는 부품으로서, 고 장이 발생될 경우 시동불량 및 엔진정지와 같은 중 요한 문제를 유발할 수 있는 핵심 부품이다. 따라서 FFV용 차량의 경우 바이오에탄올 연료에 대한 연료 펌프의 내구성을 증대하기 위한 재질선정 및 최적 화가 무엇보다 중요한데, 이에 대한 연구는 거의 이 루어지고 있지 않다.
이에 본 연구에서는 바이오에탄올 연료에 대한 FFV차량용 연료펌프의 구성재질에 따른 내구성을 비교검증하기 위한 목적으로, 90% 이상의 바이오에 탄올이 함유되어 있고, 수분과 일부의 산이 첨가된 산성의 바이오에탄올 연료를 제조하였다. 이를 이 용하여 FFV용 연료펌프의 구성품 중 로어하우징 (Al주조재/Al압출재) 및 레귤레이터(주석아연도금 강판/스테인레스스틸)의 재질차이에 따른 내구성 을 순환시험평가를 통해 비교분석하였다. 또한 완 료품에 대한 분해분석 및 미세분석을 통해 재질에 따른 내구성차이가 발생된 원인에 대해 확인하는 등, 바이오에탄올 연료에 대한 FFV차량 연료펌프 구성부품의 재질 최적화를 꾀하고자 하였다.
2. 실험장치 및 방법
바이오에탄올 연료에 대한 FFV용 연료펌프모터 의 구성재질에 따른 내구성을 비교평가 하기 위해 연료순환평가 장비를 구성하였다. 실제 차량의 연 료흐름을 모사하기 위하여 순환평가 장비에 연료탱
다. 또한 바이오에탄올에 일부의 산을 첨가하여 금 속부식에 취약한 강산성의 악의연료조건을 만들어 평가를 가속화하였다.
2.1 연료펌프모터 구성 및 재질
자동차용 연료펌프모터는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 크게 외부 케이스, 로워하우징, 아마추어, 정류 자/브러쉬로 구성되어 있으며, 연료압을 조절하기 위한 레귤레이터가 모터 외부에 장착되어 있다.
Fig. 1 Structure of fuel pump motor
고온순환평가를 위한 연료펌프모터 및 레귤레이 터의 재질구성은 FFV용 연료펌프의 분해분석을 통 해 선정하였으며, 실험에 사용한 두가지 사양(모터 A, 모터B)에 대해 Table 1에 나타내었다.
Table 1 Materials of fuel pump motor for test
2.2 고온 연료순환시험 구성
일반적으로 차량운행조건에서 엔진룸의 주변온
도는 70~90°C 수준의 고온으로 올라가게 된다. 따라
서 연료순환평가시 엔진룸에 장착되는 부품에 유사
한 고온조건을 반영하기 위해 고온챔버를 이용하였
고, 연료압의 변화를 관찰하기 위하여 압력계를 장
착하였다. 즉, 챔버 내부에 딜리버리파이프와 인젝
바이오에탄올 연료에 대한 FFV(Flexible Fuel Vehicle)용 연료펌프모터의 내구성에 관한 연구
Fig. 2 Schematic of fuel circulation test
료가 연료펌프, 압력계, 연료튜브를 거쳐, 인젝터, 딜리버리파이프에서 다시 연료탱크로 되돌아오는 순환구조로 구성하였다.
연료순환평가장비의 개략도를 Fig. 2에 나타내었 으며, 구성품 중에서 연료펌프모터를 제외한 연료 탱크, 연료튜브, 인젝터, 딜리버리파이프는 동일차 종조건에서 평가를 진행하였다.
2.3 순환평가용 연료 제조
Table 2에 나타내었듯이 바이오에탄올과 합성에 탄올은 pH(수소이온농도)를 포함하여, 수분 등과 같은 미량성분의 함유량 차이로 인하여 금속에 대 한 부식특성이 다르게 나타난다.
약알칼리성인 합성에탄올에 비해 바이오에탄올 은 수분함유량이 상대적으로 높고 약산성의 특성을 갖기 때문에 금속부식에 있어서 더 가혹조건이라 할 수 있다. 현재 바이오에탄올 연료를 사용하고 있 는 북미나 남미에서 에탄올연료를 입수하여 분석해 본 결과 연료의 이송이나 주유소의 저장기간 동안
Table 2 Bio-ethanol and synthetic ethanol
Table 3 Bio-ethanol for fuel circulation test
공기중의 수분유입에 의해 수분함량(wt%)이 7%정 도로 높아진다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 실 제차량에 주유되는 연료조건들을 반영하고 순환평 가를 가속화하기 위해 바이오에탄올을 이용하여 Table 3과 같이 강산성의 순환평가용 연료를 제조하 였다.
2.4 연료순환평가 시험조건
강산성으로 제조된 순환평가연료를 연료탱크에 주입하고, 연료탱크에 장착된 연료펌프에 13.5V의 전압을 인가하였다. 챔버의 내부온도는 엔진룸 주 변부의 온도조건을 반영하기 위해 80°C로 세팅을 하였다. 연료펌프, 연료튜브를 거쳐 챔버내부로 들 어간 순환평가연료가 가열되어 연료탱크로 돌아오 는 순환구조이기 때문에 연료탱크내의 온도는 40°C 정도로 유지가 되었다.
연료펌프의 경우 안정된 연료공급을 위해 일정한 연료압을 유지하여 주어야 한다. 즉, 연료순환평가 에서 연료압을 안정적으로 유지하는 시간이 연료펌 프의 내구성을 나타내는 주요 인자라 할 수 있다. 이 번 평가에 사용된 연료펌프모터의 연료압은 3.6bar 사양으로서 성능이 15%정도 떨어지는 3.0bar를 기 준으로 설정하여 그 이하로 저하되는 시간을 비교 하였다.
설명된 순환시험 조건은 Table 4에 정리하였다.
Table 4 Condition of fuel circulation test
Changsoo Kim․Dongho Kwak․Byungjun Jung․Jongmyung Kim
2.5 분석항목
2.5.1 연료분석가솔린성분분석기(DHAX, AC CONTROLS社), 이온크로마토그래피(ICS-3000, DIONEX社), 액체 크로마토그래피(HPLC 1200Series, AGILENT社)를 이용해 에탄올 종류별 성분구성을 확인하여 성분비 교를 하였고, pH meter(809 Titrando, METROHM社) 를 이용하여 pH를 측정하였다.
2.5.2 내구성 분석
연료순환평가를 종료한 연료펌프를 분해하여 연 료펌프모터 및 레귤레이터 구성재질에 대한 부식발 생유무를 확인하였고, 부식이 발생된 부품에 대해 부식정도를 비교분석하였다. 또한 연료압저하의 원 인을 파악하기 위해 전자현미경(Inspect, FEI社)을 이용하여 브러쉬 표면을 관찰하였고, EDS(Inspect, FEI社)를 이용하여 표면에 존재하는 부식생성물의 성분을 확인하였다.
2.5.3 Al주조재, Al압출재 내부식성 비교
Al주조재와 Al압출재의 내부식성을 비교하기 위 하여 임피던스 분광분석(PARSTAT 2263, EG&G社) 과 동전위 분극시험(273A Potentiostat, EG&G社)을 진행하였고, 광학현미경(GX51, OLYMPUS社)을 이 용하여 두 소재의 미세조직 특성을 비교하였다.
3. 실험결과 및 고찰
앞서 선정한 두가지 펌프모터 사양에 대해 순환 평가를 실시한 결과, 재질적인 차이에 의해 성능저 하가 발생되는 시점에 있어서 수준차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
3.1 연료압 변화 측정결과
Table 1에 나타낸 바와 같이 로어하우징과 레귤레 이터의 재질이 다른 ‘모터A’와 ‘모터B’에 대해 연료 순환시험을 진행하였고, 시간에 따른 연료압의 변 화에 대해 측정한 결과를 Fig. 3에 나타내었다.
Al주조재(ALDC6)와 주석아연 도금강판이 적용
Fig. 3 Comparison of fuel pressure change
료되었다. Al압출재(6000계)와 STS304재가 적용된
‘모터B’의 경우는 시험초기에 약 40시간 정도까지 는 초기연료압인 3.5~3.6bar를 유지하였고, 최종적 으로 150시간 시점에서 3.0bar 이하로 내려가면서 평가가 종료되었다. 시간을 기준으로 두 사양에 대 한 내구성을 비교하였을때, 상대적으로 내부식성이 우수한 Al압출재와 STS304재가 적용된 연료펌프모 터(모터B)의 내구성이 약 2.1배 우수한 결과를 나타 내는 것을 확인할 수 있었다.
3.2 외관검사 결과
연료순환시험 종료후 연료펌프를 분해하여 모터 및 레귤레이터의 부식발생상황을 확인하였고, 그 결과를 Table 5에 정리하였다.
Al주조재 로어하우징의 경우 표면에 Al부식생성
물이 다량 관찰되었고, 표면에도 부식에 의한 피팅
형상이 나타났음을 확인하였다. 반면에 Al압출재
로어하우징의 경우 표면상태가 양호하였다. 마찬가
지로 주석아연 도금강판이 적용된 레귤레이터의 경
우 도금층이 부식에 의해 벗겨지면서 변색이 발생
하였으나, STS304재 레귤레이터의 경우 표면상태
가 양호하였다. ‘모터A’와 ‘모터B’에 동일한 재질인
주석도금강판이 적용된 외부케이스 및 아마추어의
경우, 도금층 표면에 부분적으로 부식이 발생하였
지만 부식수준은 양호한 상태였다.
A Study of Fuel Pump Durability on the Bio-ethanol for FFV(Flexible Fuel Vehicle) System
Table 5 Result of visual inspection for fuel pump
강판 레귤레이터)에서 연료펌프의 연료압이 유지 되지 못하고 저하되는 원인으로서 크게 두가지를 들 수 있다. 첫째는 연료압 조절을 담당하는 레귤레 이터의 오작동이고, 둘째는 정류자와 브러쉬의 접 촉이 원활하지 못하여 정상적인 전압이 모터에 가 해지지 않게 됨에 따라 모터 출력이 저하되는 경우 이다. 순환시험을 종료한 레귤레이터를 별도로 성 능평가한 결과, 표면에 부식은 발생하였지만 정상 적으로 작동하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 두 번째 추정원인인 정류자와 브러쉬의 접촉불량에 대 해 분석하기 위하여, 브러쉬 표면에 대해 전자현미 경 및 EDS 장비를 이용하여 관찰하였다. 그 결과, Fig. 4에 나타낸 바와 같이 브러쉬 표면이 부식에 의 해 부분적으로 약 12%정도 훼손되었고, 정류자가 접촉하는 면에 Zn산화물로 추정되는 이물질이 다 수 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 연료압저하 가 발생하였다는 것을 확인하였다.
Fig. 4 SEM & EDS analysis of Brush surface
3.4 내구성 차이발생 원인
앞서 분석한 바와 같이, 정류자와 브러쉬의 접촉 면적을 감소시키는 부식생성물이 연료압 저하의 주 원인이며, 따라서 상대적으로 부식발생정도가 심한
‘모터A’ 조건이 ‘모터B’ 조건보다 내구성이 약 50%
정도 저하됨을 확인할 수 있었다. 즉, 로어하우징 및 레귤레이터의 재질차이에 따른 부식발생 정도가 연 료펌프의 내구성 저하를 일으키는 주요 요인으로 판단할 수 있다.
레귤레이터의 경우 도금강판보다 STS304재의 내 부식특성이 우수함은 이미 널리 알려져 있기 때문 에 그 결과는 충분히 예상 가능하였다.
8)따라서, 로 어하우징 재질인 Al주조재(ALDC6)와 Al압출재 (6000계)의 부식정도 차이가 발생한 원인에 대해 분 석하기 위해 두가지 소재에 대한 임피던스 분광분 석 및 분극시험을 결과를 Fig. 5에 나타내었다.
두 Al소재의 부식속도를 측정한 결과 Al주조재는
Fig. 5 Comparison of corrosion rate
김창수․곽동호․정병준․김종명
Fig. 6 Microstructure of A6000 & ALDC6
