근래에는 자동차의 고효율화 또는 연비 개선을 위해 과급기술을 이용한 엔진의 고출력화와 소형화가 추구되는 경향이며, 이와 같은 맥락에서 전기자동차를 대상으로 개발된 전동식 보기류 (워터펌프, 오일펌프, 에어컨 컴프레서, 브레이크 부스트 펌프 등)가 연비개선 목적으로 하이브리드 차량용 엔진에 확장 적용되면서 크랭크축 구동식 보기류를 대체하는 흐름이 나타나고 있다.
고압 연료분사시스템의 핵심 구성 요소인 연료펌프는 통상적으로 엔진의 크랭크축에 기어로 연결 구동된다. 연료펌프의 내부에는 연료탱크에서 연료를 흡입하여 저압으로 압축하는 저압 펌프 부분과 이 연료를 다시 고압으로 압축하여 커먼레일로 보내는 고압 펌프 부분이 일체로 조립되어 있다. 저압 펌프는 엔진의 회전 속도에 비례하는 양의 연료를 흡입하여 고압 펌프로 보내는데 비하여 고압 펌프는 이 중에서 커먼레일에 일정한 압력을 유지하는데 필요한 양의 연료만 압축하여 커먼레일로 송출한다. 엔진 부하 수준에 따라 연료 분사압력을 결정하는 엔진 컨트롤 유닛은 저압 펌프와 고압 펌프 사이에 위치한 SCV 개도를 제어하여 커먼레일의 압력을 조절하는데, 이 과정에서 저압 펌프가 공급한 연료의 일부가 탱크로 회송된다. 따라서 엔진 회전속도가 같더라도 저 부하 운전 시에는 더 많은 양의 연료가 저압 압축 후 탱크로 회송된다. 탱크로 회송되는 연료의 질량 유량과 압력의 곱은 낭비되는 펌프 일에 해당하므로, 만약 펌프의 회전속도를 엔진 회전속도와 관계없이 적절히 제어하여 저 부하 운전 중에 탱크로 반송되는 연료의 양을 최소화할 수 있다면 펌프 구동 일이 감소할 것이며 그에 따라 자동차 연비가 개선될 수 있을 것이다.
이 연구에서는 6 리터급 디젤 엔진 (현대자동차, D6GA)에 장착되는 덴소 (Denso)의 연료분사 시스템을 대상으로 연료분사펌프를 전동화하고 에너지 효율을 분석하는 과정에서 비용과 시간 단축 측면에 유리한 HILS 환경을 활용하여, 실물 대신 가상의 엔진과 차량을 이용하고 엔진 ECU 실물의 인터페이스로 전동식 연료분사펌프 연구에 적합한 환경을 구성하였다. AMESim으로 연료공급 시스템을 모델링하여 연료분사 펌프 구동에 필요한 토크 및 송출유량을 해석하고, 그 결과를 토대로 분사펌프 구동에 적합한 서보모터와 감속기를 선정하였다. 또한 MCU (Texas Instruments, TMS320F28335)를 이용하여 서보모터 제어기를 제작하고, OBD-II CAN통신을 이용하여 엔진 ECU로부터 취득한 목표 연료압력 정보와 비례제어 방법을 사용하는 프로그램을 설계하여 커먼레일의 연료압력을 제어하였다. 전기구동식 연료분사펌프의 성능을 검증하는데 필요한 실험 장치는 연료를 분사하지 않는 조건과 분사하는 조건에서 실험할 수 있도록 제작 사용하였다. 이 장치를 이용한 실험에서는 엔진의 다양한 운전조건에서 필요한 연료의 유량을 펌프 속도제어를 통해 공급 가능함을 보였고, 기존의 크랭크축 구동식 연료분사 펌프를 전동식 연료분사 펌프로 대체함에 따르는 에너지효율 향상 효과를 NEDC 조건에서 평가하였다. 구동모터의 효율과 발전기의 효율을 각각 90%, 60%로 가정하고 에너지 효율을 분석한 결과, 전동식 연료분사 펌프는 크랭크축 구동식 펌프에 비하여 연료 분사에 필요한 동력을 대략 24% 정도 절감할 것으로 예상되었다. 전동식 연료 펌프의 에너지 절약 효과는 도심 주행 보다 고속도로 주행 시에 더 좋은 것으로 판명되었는데 주된 이유는 도심 주행 중에 발전기의 효율이 낮기 때문이다. 따라서 고효율 발전기를 사용하는 등의 방법으로 발전기의 동력 소비를 줄일 수 있다면 더욱 개선된 차량 연비를 기대할 수 있다.