커먼레일 디젤 엔진의 연료계통

[골프맨]

현재  벤츠의 디젤 모델에  들어가 있는 엔진의  데이타는  아니지만   이보다 몇년전에 나온

초기 커먼레일 엔진에 관련된  내용입니다. 

1400 바 정도의  압력과  솔레노이드 인젝터가 사용된...

요즘 나오는  커먼레일 디젤엔진의 경우  1800바 정도의 고압과  피에죠 인젝터를 사용하는

좀더  발전된  디젤 엔진 입니다.

고압에서의  연료 분사 컨트롤 능력이 비약적으로 발전해서 

최신 디젤엔진의 경우   파이롯 분사 메인분사 후분사 까지  보통  8번의 인젝션  콘트롤을

할정도로  정밀한  연료 분사 제어가 이루어 진다고 합니다...

벤츠가  국내에  디젤 엔진을 본격적으로 공급하기 1년전부터 

로드 테스트 했다고 들었는데(잡지 기사)  디젤 엔진의  시동이 꺼지는 문제가  발생한다면

연료  문제일  가능성이 높다고 봅니다.

국내의 디젤유는 계절과 지역에 따라   동절기 경유  하절기 경유 이렇게 공급 된다고

하고  동절기 경유도   강원도 같은 경우  혹한기 경유가 공급된다고 하더군요...

또 디젤유 자체를  공급하는  주유소의  저유고 관리문제도 있고...

( 온도차이에 따른  결로 현상으로 발생하는  수분을 제거하기 위한 플러싱을  제대로

   할까 하는 의심 때문에   직영점  고성능 경유를  주로 사용합니다...)

또  겨울철에는  가능한한 연료를  가득채워두는 편 입니다...

또  1년에 한번 정도는  연료통에  있을수 있는  수분을 제거 하기 위한

디젤 연료 첨가제를  투여 하구요...

최신의 디젤 엔진은  연료의 열 효율성이  45%에 이를 정도로  높은 효율성을 가진

엔진입니다. ( 가솔린 엔진의 경우  30~35% 정도...) 

다만  이렇게 높은  효율을 가질수 있는 메커니즘에 대해 조금 알아둘 필요가 있다고

보며   새로운 기술이 소비자에게  공급될때에는 공급자가 좀더  자세히 알려줄

필요가 있다고 봅니다.

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전자제어 연료 분사장치의 개요

연료장치는 기본적으로 고압직접분사 시스템(HSDI)이 적용되었고 아울러 연료장치 개발로 디젤엔진의 환경적 문제와 한 단계 높은 경제적 효율 향상을 실현하였다. 기존 디젤 엔진의 소음 저감과 더블어 높은 연료경제성 및 독성 배기가스의 저감에 대한 필요성은 항시 대두되어 왔으나 기계적으로 제어되는 기존 연료분사 시스템으로는 한계가 있다.

이러한 요구조건을 만족하기 위해서는 정교하고 정확하게 측정되는 분사 연료량과 함께 고압의 분사압을 요구하는 시스템이 필요하다. 따라서 디젤엔진의 전자제어화 및 고압분사엔진 시스템을 개발 적용하게 되었다.

전자제어 연료분사장치는 지금까지 적용되왔던 인젝션 펌프 방식을 완전히 탈피한 전자제어 축압식(common rail)을 적용한 엔진으로 직접분사 디젤엔진이다. 기존 디젤엔진에 비해 약 30% 출력 및 연비향상을 얻어 냈으며, 배기가스를 최소화하여 배기가스 규제를 만족하는 환경 친화적 디젤엔진을 실현하였다. 또한 저공해 저소음을 위하여 연소실의 구조는 중앙직립 인젝터, 주분사전 예비분사, 발란스 샤프트를 적용되었다.

전자제어 연료 시스템에서 새로이 개발된 "커먼레일"이라 불리는 어큐뮬레이터와 초고압연료 공급 시스템 및 인젝터 그리고 복잡한 시스템을 정밀하게 제어하기 위한 전기적 입출력 요소와 엔진 컴퓨터(ECU) 등으로 구성되어 있다.

전자제어 연료 분사장치 제어도

엔진컴퓨터(ECU)는 센서로 부터 입력신호를 기본으로, 운전자의 요구(액셀레이터 페달 설정)를 계산하고 엔진과 차량의 순간적인 작동성능을 총괄적으로 제어한다. 엔진컴퓨터(ECU)는 센서로부터 나오는 신호를 입력받고 엔진에서 공연비의 효율적인 제어를 실시한다. 엔진속도는 크랭크샤프트 포지션 센서에 의해 측정되며, 캠샤프트 포지션 센서는 점화순서를 결정하고, 또한 엑셀레이터페달 센서는 운전자의 페달 밟은 량을 감지한다. 엔진컴퓨터(ECU)는 분사개시와 후분사에 대한 설정값, 그리고 다양한 작동과 변수에 대처하기 위해 냉각수 온도와 공기온도 센서를 입력받아 보정신호로 사용한다.

전자제어 연료분사장치의 구성 및 작동원리

연료장치의 구성 요소들은 고압을 형성 분배할 수 있게 되어 있으며 또한 엔진 ECU에 의하여 전자제어된다. 따라서 연료장치는 기존의 디젤엔진의 연료분사장치인 인제션펌프타입의 연료공급 방식과는 완전히 다르며, 커먼레일 연료 분사 시스템은 연료의 저압이송에 대한 저압단계 및 고압이송에 대한 고압단계, 그리고 제어부 ECU로 구성된다.

연료공급 경로

저압 연료라인 구성

연료탱크		비부식형 재질이며 허용압은 작동압력의 2배(최소 0.3bar 이상)이며 과도한 압력 발생을 막기 위해 적당한 마개와 안전한 밸브가 장착되어 있다.
1차 연료공급 펌프		예비필터를 가진 전기식 연료펌프이며, 펌프는 연료탱크로부터 연료를 흡입하여 고압펌프 방향으로 전달한다.
연료필터		연료필터는 연료가 고압 펌프에 공급되기 전에 연료를 정화하고 고압펌프에서 원할한 작용이 이루어질 수 있게 한다.

고압 연료라인 구성

고압펌프		고압을 발생하는 장치로 캠축에 의해 구동되는 기계식 로터리 펌프이며, 연료를 약 1,350bar의 압력으로 가압시켜 고압연료 어큐뮬레이터(커먼레일)로 연료를 이송한다.
커먼레일		고압펌프로 부터 발생된 연료를 저장하는 곳이며, 인젝터에서 연료를 분사하여도 연료압력을 일정하게 유지시킨다.
인젝터		연료분사 장치이며 전기적 솔레노이와 니들 및 노즐로 구성되어 엔진컴퓨터의 제어에 의해 분사가 된다. 또한 인젝터의 노즐이 열려서 분사 후 남은 연료는 리턴라인을 거쳐 연료탱크로 되돌아간다.

전자제어 연료분사장치의 분사특성

기존의 인젝션 펌프에 의한 분사 시스템의 연료분사는 파일럿과 후분사가 없는 주분사만 이루어진다. 압력 발생과 연료량의 공급은 캠과 플런저에 의해 서로 연결되며, 분사압력은 증가속도와 분사된 연료량과 함께 증가하고 실제분사과정 동안에 분사압력은 증가하고 분사말기에 노즐이 닫혀 압력은 떨어지는 특성을 지니고 있다.

그러므로 연료량이 적을수록 많은 양으로 분사된 연료량보다 더 낮은 압력으로 분사되어 최대압력은 평균분사압력보다 2배이상 크다. 이러한 최대압력은 연료분사 펌프 구성요소와 엔진부하에 결정적 영향을 미치고 최대압력은 공기연료 혼합비율에도 영향을 주었다. 따라서 기계식 인젝션 펌프의 연료량 정밀제어는 한계가 있다.

기계식펌프는 엔진회전수와 비례하여 압력이 상승하는 것을 알 수가 있으며 매 회전수마다 펌프에는 큰 부하가 걸린다. 압력 또한 엔진회전수 이외에는 상승할 수 없다. EUI는 비교적 높은 압력 발생으로 주로 대형상용차에 쓰이는 직접분사엔진시스템이다. 역시 엔진회전수 상승과 비례하는 것을 알 수 있다. 커먼레일 방식은 그래프와 같이 레일 내에서 일정한 압력 유지가 가능하며 광범위한 운전영역에 대응할 수 있다.

전자제어 연료 분사장치 총괄도(D-엔진)

고압연료펌프

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고압펌프는 고압연료라인의 일부분으로, 엔진 작동조건에 필요한 시스템 압력을 발생시키는 부품이다. 엔진 캠축에 의해 구동되며 레이디얼 펌프 방식으로 저압펌프에서 송출된 연료를 다시 고압으로 형성하여 커먼레일로 토출한다.

고압펌프는 저압과 고압단계의 중간 영역으로 연료시스템에 고압 연료를 발생하여 이송하는 역할을 하며 또한 급출발이나 커먼레일에서 압력의 급격한 변화에 대해 필요한 여분의 연료를 공급 및 압력을 지속적으로 발생시킨다. 따라서 기존 인젝션펌프처럼 연료가 각각의 분사과정에 대해 압축될 필요가 없는 시스템이다.

설정 압력은 1350 bar이며 엔진의 파워는 이것을 바탕으로 인젝터 분사량에의해 결정된다. 따라서 연료의 누출 또는 압력제어 밸브이 이상 발생 시 엔진출력에 영향을 줄 수 있다는 것을 명심해야 한다.

고압펌프의 내부 및 외부의 구성은 아래와 같다.

엔진의 캠축에 의해 구동되며 윤활은 연료에 의해 이루어진다. 고압펌프 내측에는 서로 120˚의 각도로 되어 있는 세 개의 반경 방향의 펌프 피스톤에 의해 연료가 압축된다. 매회전마다 세 번의 이송 행정이 일어나기 때문에 펌프 구동 장치에 응력이 일정하게 유지되도록 낮은 피크의 구동 토크가 발생된다. 기존의 인제션펌프를 구동하기 위해 요구되는 토크값의 1/9배이다. 이것은 커먼레일에서 기존의 분사시스템의 경우보다 펌프구동에 더 작은 부하가 걸린다는 것을 의미한다. 펌프를 구동하기 위해 요구되는 파워는 레일에 설정된 압력과 펌프의 속도(이송량)와 비례하여 증가한다.

작동원리

펌프피스톤이 BDC를 지나면 입구밸브가 닫힌다. 연료가 펌핌요소의 챔버에서 빠져나가는 것이 불가능하기 때문에 연료는 압축된다.
증가하는 압력은 레일압력에 도달하면 출구밸브를 개방한다. 압축된 연료는 고압회로로 들어간다.
펌프 피스톤이 TDC에 도달할 때까지 연료의 압송은 계속되고 그 후 압력이 떨어지면 출구 밸브가 닫힌다.
펌핑요소 챔버에 남아있는 연료는 이완되고, 펌프피스톤은 다시 아래로 이동한다.
펌핑 요소 쳄버의 압력이 1차 공급펌프 이하로 떨어지자마자 입구밸브가 열려 펌핑과정이 다시 시작된다.

저압연료펌프

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저압연료 펌프(일차 연료공급 펌프)는 예비필터를 가진 전기식 연료펌프로, 연료탱크로 부터 연료를 이끌어 내고, 연속적으로 요구되는 연료량을 고압펌프 방향으로 이송하는 기능을 한다. 또한 시스템 감시기능으로 저압 연료라인 구조내의 비상 시에 연료의 유동을 막는 역할을 한다.

엔진의 크랭킹 과정과 함께 시작하는 전기식 연료펌프는 엔진의 속도에 독립적으로 연속하여 작동하며 또한 펌프가가 연료탱크로 부터 연료를 이송하여 필터를 거쳐 고압펌프로 이송시키는 것을 의미하며, 과잉 공급된 연료는 오버플로워 밸브를 통해 탱크로 돌아간다.

엔진 정지와 동시에 연료의 점화를 막기 위해, 안전 회로가 설치되어 있으며, 연료펌프의 설치는 특수한 마운팅을 사용하여 연료탱크 바깓쪽에 설치한다. 마운팅은 탱크 외부에서 오는 전기적 배선 연결과는 별도로 연료 스트레이너, 연료레벨 지시계, 그리고 연료리져버로 사용되는 스월 포트로 사용된다.

저압연료펌프는 영구자석 시스템으로 구성되고 전기모터와 펌핑요소는 같은 하우징에 위치한다.

커먼레일에 대한 연료 펌프는 롤러·셀 타입(양의 용적펌프)으로 펌프의 형태는 기본으로 슬롯 형태의 로터가 장착된 챔버를 구성한다. 이동 가능한 롤러는 각각의 슬롯에 위치한다.

연료 압력과 더블어 로터의 회전은 바깥 롤러 통로와 슬롯의 구동 측면에 대하여 롤러룸 바깥쪽으로 이동하게 한다. 그 결과 롤러는 회전하는 씰처럼 작동하고, 챔버는 인접하는 슬롯의 롤러와 롤러통로 사이에 형성된다. 펌핑 그 자체는 일단 콩팥형태의 입구 통로가 닫히면, 챔버 체적은 계속적으로 감소한다. 출구 통로가 열리면, 연료는 전기 통로를 통하여 흐르고 압력 측면 커버를 통해 펌프를 나간다.

레일압력센서

커먼레일(Common Rail)의 연료 압력을 측정하여 엔진컴퓨터(ECU)로 출력하고 엔진컴퓨터는 이 신호를 받아 연료 분사량과 분사시기를 조정하는 신호로 사용한다. 연료압력 센서 내부에는 피에조 입전소자 방식으로 되어 있다.

연료압력센서는 아래와 같은 구조로 되어 있다.

공전

공회전 시 커먼레일의 압력이 압전소자에 압력이 가해지면 컨넥터의 단자를 통해 출력전압이 검지되어 엔진컴퓨터로 출력 신호를 보낸다.
압력은 엔진 RPM과 비례한다.

중속

중속 시의 압력의 변화를 나타내며 엔진 RPM과 비례하여 압력은 증가한다.

고속

고속 시의 압력의 변화를 나타내며 엔진 RPM과 비례하여 압력은 증가한다.

압력조절밸브

레일의 압력을 조정하는 밸브로 엔진컴퓨터(ECU)에서 요구하는 압력으로 조정하는 밸브이며, 냉각수온, 배터리전압 및 흡기온에 따라 보정을 하며 연료온도가 높은 경우 연료 온도를 제한하기 위해 압력을 특정 작동점 수준으로 낮추는 경우도 있다.

연료압력조절밸브는 커먼레일의 압력을 조정하는 기능으로, 엔진컴퓨터는 레일압력 센서의 신호를 통한 레일의 압력을 감지하여 레일압력 조절밸브를 제어한다.

엔진 컴퓨터는 입력센서의 신호를 기준으로 압력조절밸브 코일에 전류를 공급하면, 코일은 자화되어 플런저에 힘이 가해진다. 플런저에 가해지는 힘은 듀티율에 의해 세기가 결정되어 플런저를 밀치는 힘과 커먼레일의 압력의 차이에 의해 리턴압이 결정된다.

연료압력 모니터링 기능

목적
고압시스템 누출과 기타 고장을 감지하기 위함

조건
엔진의 RPM 700이상
오픈 루프 제어 시

어큐머레이터

고압펌프로 부터 이송된 연료가 축압 저장되는 곳으로 모든 실린더에 공통적으로 사용된다. 고압펌프의 이송과 연료의 분사 때문에 발생되는 압력 변동은 커먼레일의 체적에 의해 완화되며, 연료의 많은 량이 추출되어도, 커먼레일은 내부의 압력을 일정하게 유지한다.

이것은 분사압력을 인젝터가 열리는 순간부터 일정하게 유지되고 레일체적은 영구적으로 가압된 연료로 채워 진다. 고압에 의한 연료의 압축성은 어큐뮬레이터의 효과를 얻기 위해 이용된다.

연료온도센서

연료온도센서(FTS)는 냉각수온 센서와 동일한 부특성 더미스터 센서이며, 연료온도에 따른 연료량 보정 신호로 사용한다.

연료온도센서(FTS)에 연료가 흐르면 연료의 온도에 따라 연료온도 센서 내부 저항값이 변화한다. 이때 온도와 저항은 부특성에 따라 서로 반비례한다. 센서전원 5V가 FTS에 입력되면 저항값의 변화에 따라 출력전압이 변화한다. 이 신호가 엔진컴퓨터로 입력되면 엔진컴퓨터는 연료량 보정 신호로 사용한다.

연료필터

연료속의 오염물질은 펌프의 구성성분, 이송밸브, 그리고 분사노즐의 손상을 초래할 수 있다. 따라서 연료필터는 고압 직접분사 엔진에 필수적이다.
디젤연료는 온도 변화에 의한 수분의 응축으로 수분을 함유할 수 있으며 수분이 분사시스템에 들어가면 부식되어 시스템에 커다란 손상을 줄 수 있다. 다른 분사시스템과 같이 커먼레일 또한 규칙적으로 수분이 유출되는 수분 저장고가 장착된 연료필터를 필요로 한다.

연료필터의 구성은 연료온도센서, 연료히터, 수분감지센서, 필터, 수분분리저장탱크 등으로 구성되어 있다.

연료히터

연료히터는 디젤연료의 단점인 온도가 낮아지는 정도에 따라 연료성분의 일부가 파라핀계 성분으로 고체화되는 현상이 있으며 이것은 연료필터에서 연료흐름을 방해한다. 연료의 고체화로 인해 발생될 수 있는 현상을 사전에 방지코저, 연료가열 장치를 적용하였다.

그러므로 냉간 시(영하 5℃에서 ON) 연료의 가열을 통한 이물질 생성 및 연료의 응고를 방지하므로 시동성 및 내구성이 크게 향상 되었고 상온 3℃에서는, 연료온도 스위치에 의해서 가열을 중단한다.

연료온도 센서(FTS)

연료온도센서(FTS)는 냉각수온센서와 동일한 부특성 더미스터 센서이며, 연료온도에 따른 연료량 보정신호로 사용된다.

수분감지센서

연료필터 하단부에 장착되며, 필터에서 수분을 여과시켜 저장하는 통으로 수분이 일정량 차게 되면, 수분감지센서의 신호에 의해 경고등이 점등된다.

[피노이(박천형)]

좋은 자료 감사합니다. 오랫만에 글 올려주셨는데... 자주 좀 부탁드릴께요~ ^^;

[놀부]

골프도 자알 치시나 보군요... 부럽

[피노이(박천형)]

큰형님~~~~~ 쫌~~~~~~~~~!!! ㅋㅋㅋㅋㅋ

[놀부]

비아냥 거리는 게 아니고, 골프도 잘 치시고(혹은 좋아하시고) 차에 관해 전문적으로 아시는 것도 많고... 정말로 부러운 거랍니다.

[골프맨]

골프(자동차)가 아니라 골프로 봐주시는 분이 거의 없는데... 놀부님은 바로 골프를 이야기 하시네요^^ 좋아만 합니다^^ 국가 대표 상비군 출신의 프로골퍼가 이론은 인정한 ㅎㅎㅎ

[놀부]

어느 골프세요

[대호]

좋은 글 감사합니다..