자동차 연료분사장치
4WD의 연료분사장치는 엔진에 따라 다르다. 휘발유 엔진은 흡입행정 때 흡기관의 공기에연료를 뿜어 혼합기를 만들어 연소실에 보내기 때문에 간접 분사식이라고 한다. 디젤 엔진은 공기를 실린더로 빨아들여 압축해 500∼700℃로 만든 다음 연소실로 연료를 분사하는 직분사 방식을 사용한다. 휘발유 엔진은 주행상황에 따른 적절한 혼합기를 만들기 위해 컴퓨터로 분사 타이밍과 분사량을 조절하는 전자제어식이고, 플런저에 의해 조절하는 디젤 엔진은 기계식이다. 국내 디젤 4WD차는 분배식 연료분사장치를 쓰는 기계식 간접분사 방식을 이용한다.
동력을 만드는 엔진에 연료를 공급하는 장치를 연료분사장치라고 한다. 연료분사장치는 엔진의 성능, 출력, 경제성을 결정하고 연료탱크, 여과기, 공급펌프, 분사펌프, 분사노즐 등으로 이루어진다. 분사 시기와 양을 결정해 출력에 직접적인 영향을 주므로 엔진에 따라 분사방법과 위치가 다르다.
연료분사장치에는 전자식, 기계식이 있다. 공기와 연료의 혼합비를 컴퓨터가 자동으로 맞추는 방식을 전자제어식이라 하고 휘발유 엔진에 주로 사용한다. 기계식이란 엔진의 동력으로 플런저를 움직여 연료를 공급하는 방식으로 디젤 엔진에 쓰인다. 또 어디에 연료를 공급하느냐에 따라 간접식과 직접식으로 구분한다. 휘발유 엔진처럼 연소실에 들어가기 직전에 공기에 연료를 뿜는 방식이 간접식이고, 연소실로 곧바로 연료를 공급하는 것을 직분사라고 한다.
연료 성격에 따라 점화방식 달라
휘발유는 간접, 디젤은 직접분사
연료를 태워 동력을 만드는 원리는 휘발유나 디젤이나 마찬가지다. 휘발유와 디젤은 같은 석유에서 만들어진다. 하지만 휘발유는 30∼120℃, 디젤은 200∼350℃에서 뽑아낸다. 즉 원유를 가열시켜 증기로 만든 다음 다시 냉각해 휘발유와 디젤을 만드는 것이다. 이때 증발되는 온도가 다르다는 점은 곧 폭발 온도도 다르다는 것을 뜻한다. 휘발유는 불꽃만 튀어도 불이 붙지만 디젤은 최소 300℃ 이상에서 폭발한다. 이렇게 연료의 연소성질이 다르기 때문에 엔진에 따라 그에 맞는 점화방식과 연료분사방식을 선택해야 한다.
휘발유 엔진은 연소실에 연료를 곧바로 넣지 않고 미리 공기와 일정비율(공연비라고 함, 8∼17:1)로 섞어 혼합기를 만든다. 휘발유만 뿜으면 압축되기 전에 폭발해 버리기 때문이다. 또 실린더 안에서 와류를 일으키기 어렵고, 압축행정에 맞춰 분사 타이밍을 맞추기도 힘들어 연소실에 직접 연료를 뿌리지 않는다.
휘발유 엔진은 실린더의 흡입행정 때 혼합기를 빨아들여 압축한 다음 압축행정에 끝나면 동시에 점화 플러그의 불꽃을 이용해 폭발시킨다. 불꽃으로 점화를 하기 때문에 혼합기의 압축비가 7:∼13:1 정도로 낮은 편이다. 연소실에는 흡배기 밸브, 점화 플러그만 있고, 인젝터를 흡기관에 놓는 것도 디젤 엔진과 다르다.
휘발유 엔진에서 연료분사량은 오직 공기량에 의해 정해진다. 그러나 공기량은 주행상태에 따라 달라진다. 추운 날과 더운 날, 저속과 고속, 공회전 때 등 여러 상황에 따라 엔진에 들어오는 공기량이 모두 다르다. 카뷰레터식은 어떤 상황에서나 공연비가 같아 공기량 변화에 대처하기 힘들어 토크와 연비가 나빠진다. 그래서 공기량을 적절히 변화시켜 연료분사량을 정해주는 전자제어식 연료분사장치가 만들어졌다.
전자제어식은 분사 위치는 같지만 주행상황에 따라 공연비를 다르게 맞춰주는 분사장치다. 공기량을 체크할 수 있는 드로틀 밸브의 열림 정도, 엔진 온도 센서, 배출개스 센서 등 엔진의 상태를 다양한 센서를 통해 컴퓨터(ECU)에 보내면 여기서 분사량과 시기를 조절하는 것이다.
국내 4WD 중 코란도, 무쏘 230SR과 320LX, 스포티지 그랜드, 갤로퍼 V6가 전자식 분사방식을 사용한다. 국내에는 전자식을 사용하는 디젤 엔진이 없어 제원에서 전자식 분사방법을 사용하는 4WD는 모두 휘발유차라고 생각하면 된다.
휘발유 엔진과 달리 디젤 엔진은 자연착화 방식을 사용한다. 연료 스스로 불이 붙게 하는 방법이다. 그러자면 높은 온도가 필요하므로 공기를 압축해 고온을 만든다. 밀도가 높아지면 온도가 올라가는 성질을 이용한 것이다. 흡입행정 때 공기만 실린더 속으로 빨아들여 압축행정 때 공기를 500∼700℃ 만든 다음 인젝터를 통해 연소실로 연료를 분사해 불을 지핀다.
연소실에는 흡배기 밸브, 인젝터 노즐이 있다. 또 연소실을 미리 덥혀 자연착화가 잘 일어나도록 예열 플러그를 둔다. 높은 압축비(17∼20:1)를 만들기 위해 스크로트가 긴 롱스트로크를 사용하는 점도 다르다.
휘발유 엔진은 혼합기를, 디젤 엔진은 공기만을 압축하는 것이 차이다. 이렇게 연소실(정확히는 연소실 위에 있는 작은 선연소실, 또는 부연소실)로 곧바로 연료를 분사하기 때문에 직분사 방식이라 부르고, 국내 4WD 디젤차는 모두 이 방식을 사용한다.
직분사 방식은 폭발이 순간적으로 일어나기 때문에 많은 양의 연료를 한 번에 뿜어주기 위해 공급 펌프의 힘에 의해 고압으로 뿌려진다. 또 휘발유 엔진과 달리 공기량을 조절하는 드로틀 밸브가 없다. 출력을 높이는 방법은 오직 연료를 얼마나 더 넣느냐에 따라 달라진다.
휘발유 엔진처럼 공기량에 따라 연료를 맞춰야 하는 번거로움이 없어 공연비를 맞추기 까다롭지 않고, 플런저(연료를 압축해 분배기로 연료를 보내주는 장치)라는 기구만을 이용해 분사하기 때문에 기계식 연료분사 장치라고 한다.
디젤은 플런저로 고압연료를 분사
높이조절 컨트롤 랙이 분사량 맞춰
국내 4WD에 대부분 얹히는 디젤 엔진의 연료분사 시스팀은 연료분사 펌프와 인젝터, 예열 플러그로 구성되어 있다. 연료분사장치의 핵심은 연료분사 펌프라고 할 수 있다. 분사펌프는 엔진의 옆면(흡기관쪽)에 붙어 연료를 압축, 각각의 인젝션에 공급하고 남은 연료는 연료 탱크로 돌려보낸다. 또 엔진의 상태에 따라 연료공급 시기를 조절하고 공회전할 때 최소속도나 최고출력을 낼 때 연료량을 정해준다. 시동을 끄는 기능도 분사펌프 몫이다.
분사펌프는 독립식, 분배식, 공동식으로 나눈다. 실린더마다 분사펌프가 하나씩 있는 독립식은 요즘은 쓰지 않는다. 현재는 하나의 분사펌프를 두고 분배기를 이용해 순서대로 연소실에 연료를 나눠주는 분배식을 사용한다. 국내 4WD차도 모두 분배식 분사펌프다. 그리고 승용차용으로 개발된 직분사 디젤 엔진은 커먼레일식(common rail system)이라고 불리는 공동식을 사용한다. 이는 분배식과 비슷하지만 분사펌프와 인젝션 사이에 연료량을 정하는 조절 밸브가 더해진다.
<그림1>처럼 플런저 밑에 엔진힘으로 돌아가는 캠 샤프트(실린더 헤드에 있는 캠 샤프트와 모양이 같다)가 놓여 있다. 플런저는 캠 샤프트의 튀어나온 부분에 의해 상하운동을 하고, 배럴이라는 통 안에서 연료를 압축해 분배기로 보낸다. 여기서 실린더 폭발 순서에 따라 인젝션에 연료를 분배하는 방식이다.
플런저의 구조는 옆면에 연료가 들어오는 구멍이 뚫린 주사기와 비슷하다. 피스턴(플런저)이 아래로 내려가면 주사기 안으로 연료가 들어오고, 캠 샤프트에 의해 다시 피스턴이 위로 올라가면서 구멍이 닫히면 연료가 압축된다.
일정 수준으로 압축되면 밸브가 열리면서 고압의 연료가 나간다. 그리고 컨트롤 랙에 의해 플런저의 높이(유효압축거리)가 달라져 위쪽에 설정되면 분사량이 적어지고, 아래쪽으로 내려오면 흡입 연료량이 늘어나 분사량이 많아진다. 플런저의 상하운동거리가 길면 분사량이 늘어나는 이치다.
디젤 엔진의 분사시점은 휘발유 엔진의 점화시기와 같다. 분사되는 순간 폭발하기 때문이다. 따라서 분사시점을 잘 맞추는 일이 디젤 엔진의 생명이다. 액셀 페달을 밟아 엔진 회전수를 높이면 그 만큼 연료펌프의 캠샤프트가 빨리 돌면서 분사 타이밍을 앞당긴다. 분사펌프에서 만들어진 고압의 연료는 인젝터의 니들 밸브를 밀면서 연소실로 분사된다. 그리고 채 빠져나가지 못한 연료는 리턴 라인을 따라 연료탱크로 돌아간다.
전자제어 연료 분사 장치의 분류 및 설명
MPC 방식
MPC 방식은 에어혼 부분에 가해지는 대기압에 의해 센서 플레이트의 움직임을 레버에 전달하여 연료 분배기의 컨트롤 플런저 행정을 변화시키므로 기본 분사량이 결정되는 방식이다.
AFC방식
AFC 방식은 연소실에 유입되는 공기량을 가종 센서에서 감지하여 이 신호를 기초로 하 여 기본 분사량이 결정되는 방식이다. 흡입되는 공기량을 공기 흐름 센설로 감지한 후 컴퓨터에서 연산되어 연료를 분사한다.
기계식
기계식은 센서 플레이트의 움직임을 레버에 의해 감지하여 연료 분배기의 컨트롤 플런 저 행정을 변화시킴과 동시에 연료의 분사량을 조절하는 방식이다.
전자식
전자식은 공기 흐름 센서, 대기압 센서,흡기온도 센서 등각종 센서로 감지하여 컴퓨터 에서 연산된 후 인젝터를 작동시켜 연료를 분사하는 방식이다.
직접 분사 방식
직접 분사 방식은 디젤 엔진의 직접 분사실과 같이 연소실에 인젝터를 설치하고 연료 를 분사하여 연소시키는 방식이다.
간접 분사 방식
간접 분사 방식은 인젝터를 스로틀 보디 또는 흡기 다기관에 설치하여 연료를 분사한 다음 실린더에 흡입하는 방식이다.
SPI방식
연료분사 시스템에서 카브레터와 같이 흡입 매니폴드의 집합부분의 한 곳에 연료를 분 사하는 것이다. 약해서 SPI라고 부르며, 가기통마다 분사를 행하는 멀티 포인트 인젝 션에 비교하여 컴퓨터 제어가 용이하며, 아이들링시 미량의 연료공급을 알맞게 할 수 있다는 장점이 있다.
MPI방식
연료분사에서 각 기통마다 인젝터를 설치하여, 흡기 포트에 따로따로 연료를 분사하는 것이다. 약해서 MPI라고 부르며, 흡기 매니폴드의 집합점에 분사하는 싱글 포인트 인 젝셔(SPI)과 비교해서 단가는 높지만 성능이 좋은 엔진을 얻을 수 있다.
동기 분사
멀티 포이트 인젝션에서 각 기통의 흡입 행정에 맞추어 연료를 분사하는 시스템이다. 시퀸셜 인젝션 또는 독립 분사라고도 불리어진다.
그룹 분사
6기통 이상의 연료분사에서 흡입 행정이 서로 이웃하고 있는 기통을 그룹으로 묶어 그 룹별로 연료를 분사하는 시스템이다. 예를 들면, 6기통 엔진에서 3기통씩 2개의 그룹으로 나누는 경우를 2그룹 분살, 2기통씩 3개의 그룹으로 나누는 경우를 3그룹 분사라 고 부른다. 동기 분사보다 분사 밸브의 구동 회로가 간단하다.
동시 분사
연료분산에서 전체 기통에 대하여 엔진 1회전마다 일제로 연료를 분사하는 방식이다. 분사 밸브의 구동 회로가 간단하고 4기통 엔진에서는 주로 이 방식을 채용하고 있다. 일제 분사라고도 한다.
매스 플로 방식
매스 플로는 질량의 흐름의 뜻, 매스 플로 방식은 공기 흐름 센서가 흡입 공기와 직접 접촉한 다음 계측하여 전기적 신호로 바꾸어 컴퓨터에 보내는 방식으로 메저링 플레이 트 방식, 핫 와이어 방식, 칼만 와류식이 있다.
메저링 플레이트 방식
메저링 플레이트 방식은 흡입 공기량을 체적 유량으로 검출하는 것으로서 흡입 공기량 에 비례하여 메저링 플레이트가 열리며 포텐시오 미터의 전압비로 바꾸어 전기적인 신 호를 컴퓨터에 보내어 검출하는 방식이다. 흡입 공기 통로에는 메저링 플레이트가 리 턴 스프링의 장력으로 닫혀 있고 그 작동은 회전 중심축 외부에 설치된 포텐시오미터 가 여리는 정도를 전압비로 바꾸어 컴퓨터에 보내면 스로틀 밸브가 열린 정도에 따라 연료 분사량을 증감한다.
핫 와이어 방식
핫 와이어 방식은 흡입 공기량을 질량 유량으로 검출하는 방식이다. 2개의 열선을 흡 입 공기량에 의해 열선이 냉각됨에 따라 그 자체의 전기 저항이 감소됨으로 열선에 흐 르는 전류의 크기를 검출하여 컴퓨터에 보내면 인젝터의 통전 시간을 길게 또는 짧게 하므로써 연료 분사량을 조절한다.
칼만 와류식
칼만 와류식은 공기 흐름속에 발생된 소용돌이를 이용하여 흡입 공기량을 검출하는 방 식이다. 발신기로부터 발신되는 초음파가 칼만 와류에 의해 잘려질 때 칼만와류 수 만큼 밀집되거나 분산된 후 수신기에 전달되며 변조기에 의해 전기적 신호로 컴퓨터에 전달 되어 연료 분사량을 증감한다.
흡기 압력 검출 방식
흡기 압력 검출 방식은 흡기 다기관의 압력이 1사이클에 대해 흡입하는 공기량이 비례 하는 원리를 이용하여 진공 센서로 흡기 다기관의 압력을 검출하여 연료 분사량이 결 정되나. 반도체 진공 센서는 실리콘에 응력을 가하면 전기 저항이 변하는 성질을 이용 한 압력 센서로 흡기 다기관 내의 절대 압력을 신호로서 검출한다.
절대 압력
절대 압력은 진공을 0으로 한 압력이다. 대기압은 장소 및 일기에 따라 항상 변화하므 로 진공 센서로 측정한 경우는 절대 압력을 검출하므로서 항상 바른 흡기다기관 압력 을 검추할 수 있다.
게이지 압력
대기압을 0으로 한 압력이다.
제트로닉
제트로닉은 분사와 전자의 합성어로서 전자제어 분사장치를 말하며, 제트로닉은 독일 의 보슈사의 상품명이기도 하다.
EGI/EFI/ECI/ECGI
어떤 것이든 전자 제어 연료분사의 약칭이다. Electronic,EC는 Electronicaly Controled, F는 Fuel, I는 Injection, G는 Gasoline위 약자이다. 자동차 메이커에 따 라 호칭이 다르지만, 시스템으로서는 동일하다.
K 제트로닉
K는 독일어의 kontinuierlich(코티뉴리치) 머리 글자로서 [연속적이다]라는 뜻이다.K 제트로닉은 연료 분살량의 제어 방식을 기계식으로 행하는 것으로서 연속적인 분사 장 치이다. 흡입 공기량을 검출하는 방법이 기계-유압식으로 에어혼에 설치되어 있는 센 서 플레이트와 연료 분배기가 레버에 의해 연결되어 있다. 흡입 공기량에 따라 변화되 는 센서 플레이트에 의해 연료 분배기의 플런저 행정을 변화시켜 연료 분사량이 조 절된다.
KE 베트로닉
KE 제트로닉은 흡입 공기량을 검출하는 방법으로 JK제트로닉과 같지만, 나머지는 각종 센서로부터 검출하면 컴퓨터가 연산 처리하여 엔진의 작동 상태에 알맞는 전압으로 보 내어 연료의 제어 압력을 조절하는 방식이다. K 제트로닉에 비하면 엔진의 출력이 증 가하고 가속 성능이 좋으며, 연료 소비가 적은 장점이 있다. 센서로는 스로틀 위치 센 서, 산소 센서, 수온 센서, 대기압 센서, 1번 TDC 센서가 설치되어 있다.
D 제트로닉
D는 독일어의 druck(드루크) 머리 글자로서 압력 또는 기압의 뜻으로 엔진의 회전 속 도와 흡기 다기관의 압력에 의해 연료 분사량이 결정되는 장치이다. 배전기는 적절한 순간에 접점이 캠에 의하여 개폐 작용을 하는데, 접점이 닫힐 때 점화 신호를 컴퓨터 에 입력하면 인젝터수의 1/2에 축전지 전원을 연결하여 연료 흡기 다기관 내에 그룹 분사하도록 한다.
L제트로닉
L은 독이어의 luft(루프트)머리 글자로서 공기 또는 대지의 뜻으로서 흡입 공기량을 체적 유량으로 검출하는 방식이며, 메저링 플레이트식과 칼만 와류식이 있다. 스로틀 밸브의 열리는 정도에 따라 흐르는 공기량을 전기적 신호로 컴퓨터에 보내면 연산된 후 인젝터에 공급되는 전류의 흐름시간을 제어하여 연료의 분사량이 증감된다.
L3제트로닉
L3 제트로닉은 유럽 지역의 자동차에 적용하는 전자제어 연료 분사 장치로서 컴퓨터와 에어 플로 센서가 내부에 연결되어 하나로 결합되어 있고 모든 계통에 L 제트로닉과 같다.
LH 제트로닉
LH 제트로닉은 흡입 공기량을 질량, 유량으로 검출하는 방식으로서 2개의 핫 와이어를 설치하여 흡입 공기가 통과할 때 냉각되어 저항값이 작아지는 원리를 이용하여 컴퓨터 가 인젝터에 흐르는 전류를 제어하여 연료의 분사량을 증감한다.
mono 제트로닉
mono 제트닉은 전자적으로 제어되는 싱글 포인트 연료 분사 장치로서, 스로틀 밸브 위 의 한 중심점에 설치된 인젝터를 통하여 간혈적으로 연료를 분사하는 방식이다.
모트로닉
모트로닉은 점화 장치와 연료 분사 장치를 결합하여 전적으로 제어함으로써 점화 장치 와 연료 분사 장치를 개별적으로 제어하는 경우에 비해서 더 큰 유연성과 더 많은 기 능을 얻을 수 있다. 특징은 여러가지 기능을 필용 따라 프로그램화할 수 있어 많은 수 의 3차원 점화 기능을 가지고 있다. 연료 분사 및 점화에 대하여 동일한 센서가 사용 될 수 있어 저렴한 비용으로 더 큰 효과를 얻을 수 있다.
어큐뮬레이터
어큐뮬레이터는 엔진이 정지되더라도 연료 라인에 잔압을 유지시켜 재시동성이 용이하 도록 하고 베이퍼록을 방지한다. 연료 펌프와 연료 여과기 사이에 설치되어 엔진이 정 지되면 연료 챔버에 저장되어 있던 연료가 다이어프램 스프링의 장력을 플레이트 밸브 에 설치되어 있는 잔압 유지 포트로 서서히 유출되어 연료 라인의 잔압을 유지한다.
연료 분배기
연료 분배기는 센서 플레이트에 의해 작동되어 흡기 다기관에 설치된 연료 인젝터에 연료를 분배하는 역할을 한다. 연료 분배기는 플런저 럴, 플런저, 디퍼렌셜 밸브로 구 성되어 있다.
플런저 배럴(제어 플러저 배럴)
어큐뮬레이터는 엔진이 정지되더라도 연료 라인에 잔압을 유지시켜 재시동성이 용이하 도록 하고 베이퍼록을 방지한다. 연료 펌프와 연료 여과기 사이에 설치되어 엔진이 정 지되면 연료 챔버에 저장되어 있던 연료가 다이어프램 스프링의 장력으로 플레이트 밸 브에 설치되어 있는 잔압 유지 포트로 서서히 유출되어 연료 라인의 잔압을 유지한다.
연료 분배기
연료 분배기는 센서 플레이트에 의해 작동되어 흡기 다기관에 설치된 연료 인젝터에 연료를 분배하는 역할을 한다. 연료 분배기는 플런저 배럴, 플런저, 디퍼렌셜 밸브로 구성되어 있다.
저 배럴 (제어 플런저 배럴)
플런저 배럴은 내면에서 플런저가 센서 플레이트와 연결되어 있는 레버에 의해 상하운 동을 하면서 인젝터에 공급되는 연료의 양을 조절하여 분배하는 역할을 한다. 플런저 배럴 상단 부분에는 각 실린더수와 동일하게 연료의 배출구가 만들어져 있고 중간 부 분에는 연료의 흡입구가 설치되어 있다.