디젤엔진 의 연료 분사장치

[청춘백서]

디젤엔진의 연료 분사장치

디젤엔진의 연료분사장치에 요구되는 기능은 연료의 압송, 엔진의 요구에 맞는 분사량의 조절, 분사시기의 조정과 분무의 형성이다. 분사시기는 분사펌프에서 결정되고 분무는 노즐에서 형성된다. 피드펌프에 의해 분사펌프에 보내진 연료는 가압되어 분사강관을 통해 노즐로부터 연소실내로 분무상태로 분사된다. 노즐에 보내진 연료의 일부는 노즐의 접동부의 윤할을 하고 연료탱크로 돌아간다. 디젤엔진의 연료분사장치는 적정시기에 적정량의 연료를 고압으로 미립화하여 연소실내로 분사하는 기능을 하며 엔진성능에 매우 중요한 역할을 한다.

연료분사장치의 본체는 분사펌프로서 플런져로 연료를 압송하는 저크식(Jerk Type) 분사장치가 대부분이며 열형펌프와 분배형펌프의 두가지가 있다. 열형펌프는 엔진기통수와 같은수의 플런져가 일렬로 배치되어 있으며 중대형엔진으로 널리 사용되고, 분배형펌프는 1개의 플런져로 각기통에 연료를 분배하는 구조로서 부품수가 적고 경량이기 때문에 소형엔진에 주로 사용된다. 최근에 개발된 유닛인젝터는 연료 분사관이 없고 저크식 분사펌프와 노즐이 일체로 된 구조이기 때문에 고압분사에 적합하다.

디젤연료 장치의 구조
디젤연료분사장치는 연료탱크(Fuel Tank), 연료공급펌프(Fuel Feed Pump), 연료필터(Fuel Filter), 분사펌프(Fuel Pump), 분사노즐(Injector) 그리고 이들부품을 연결하는 파이프와 호스로 연결되어 있다.



연료펌프(Fuel Pump)
연료를 탱크로 부터 흡입하여 연료필터를 거쳐 분사펌프로 보내는 피드펌프, 연료를 고압으로 만들어 분사관으로 압송하는 압송기구, 분사량을 조절하는 조절기구를 가진 펌프 본체, 펌프본체의 분사량 조절기구와 결합되어 엔진회전수와 부하에 따라 분사량을 제어하는 거버너(Governer) 그리고 엔진회전수에 따라 분사시기를 제어하는 타이머(Timer)로 구성된다.

송유율과 적용범위
연료분사펌프의 능력은 송유율로 결정되며, 송유율은 압송되는 단위 캠 각도당 연료분사율로 나타내는데 플런져경과 캠속도에 따라서 결정된다. 일반적으로 부실식엔진은 송유율이 낮은 펌프를, 배기량이 큰 엔진이나 직분엔진은 송유율이 높은 펌프를 사용하며, PM 등의 저감에 연료미립화가 유리하므로 분사펌프는 고압화되는 경향이다.

작동메커니즘

1. 압송기구
압송기구는 펌프엘리멘트와 딜리버리 밸브로 구성되며 작동순서는 다음과 같다.



- 흡입 : 피드홀을 통해 연료를 플런져실로 흡입한다.
- 압송 : 플런져가 상승하여 피드홀을 닫으면 플런져실의 연료압력이 상승하여 딜리버리 밸브를 밀어올리고 연료는 분사관으로 송유된다.
- 분사 : 분사관내에 연료압력이 분사노즐 개변압보다 높으면 분사노즐의 니들이 상승하여 연료분사가 시작된다.
- 분사종료 : 플런져가 더욱 상승하여 플런져 리드가 피드홀을 관통하면 고압연료는 연료갤러리로 빠져나가고 압력강하로 압송이 중단된다.

2. 분사량조절기구
분사펌프의 플런져에는 절홈리드가 있기 때문에 플런져를 회전시키면 유효압송 스트로크가 변하여 분사량이 조절되며 플런져는 컨트롤랙에 의해 거버너(Governer)로 제어된다.



3. 딜리버리 밸브
딜리버리 밸브는 밸브와 밸브시트로 구성되어 있고, 플런져가 상승하여 배럴안의 연료압력이 높아져 규정값에 도달하면 딜리버리 밸브를 밀어올려 연료는 분사파이프로 공급된다. 압송작용이 끝나면 배럴안의 압력이 급격히 떨어져 딜리버리 밸브는 스프링의 힘으로 밸브는 급격히 닫혀 분사파이프로 부터 오는 연료의 역류를 방지한다. 연료압송 종료후 밸브가 하강할 때 밸브의 컬러부가 플런져실과 밸브실을 차단하고 더 하강하면 시트부에 착지된다.




4. 등압밸브
작은구멍의 노즐을 사용하여 고압분사를 하면 분사종료 후 분사관내 압력이 부압이 되어 캐비테이션이 발생한다. 이를 방지하기 위하여 등압밸브나 댐핑밸브를 사용한다.

5. 분사율 및 분사시기 제어
열형분사펌프의 경우, 프리스트로크가 일정해 송유율이 일정하지만 플런져를 2중구조로 하여 프리스트로크를 가변으로 한 방식이 개발되었다.

타이머

기능
연료분사 펌프의 플런져가 연료압송을 시작한후 실제로 분사가 시작될때 까지는 분사 지연시간이 존재한다. 그 이유는 플런져 압송에 의한 압력파가 노즐에 전달되는 시간과 압력이 노즐개변압력에 도달하는데 시간이 걸리기 때문이다. 분사지연은 엔진회전수가 높아지거나 분사관의 길이가 길어지면은 증가하기 때문에 분사시기의 정확한 제어를 위해서는 압송개시 시기를 빠르게 할 필요가 있으며 타이머가 이 기능을 담당한다. 즉 엔진과 분사펌프의 구동축간의 위상차를 두어 회전속도가 빨라지면 분사시기를 빠르게 하고 회전속도가 떨어지면 분사시기를 늦추는 작용을 한다.




종류
플라이 웨이트의 원심력에 의해 구동축과 캠축(피구동축) 사이에 위상차를 발생시키는 기계식 타이머와, 플라이 웨이트 원심력 대신 외부 유압을 이용하여 작동되는 전자 유압식 타이머가 있다.
기계식 타이머는 분사펌프의 구동토크를 이겨내고 피구동축을 움직이기 때문에 타이머의 허용토크와 진각범위에 한계가 있지만 구조가 간단하기 때문에 많이 사용되며 다음과 같은 종류가 있다.

스윙 웨이트식 : 플라이 웨이트와 스프링으로 구성되며 구조가 간단하다.
편심 캠식 : 플라이 웨이트가 발생하는 원심력을 피 구동축으로 전달하는 링크기구를 가지고 있다.

거버너

역할
엔진은 부하변동에 관계없이 안정된 회전수를 유지하는것이 필요하다. 디젤엔진의 경우 흡입공기량이 엔진 회전수와 관계없이 거의 일정하기 때문에 발생토크의 특성은 분사량의 특성에 의해 결정되며 거버너는 연료분사펌프 본체의 분사량 조절기구(연료펌프의 콘트롤랙)와 연결되어 회전수와 부하에 따라 분사량을 제어하는 기능을 한다. 현재 사용되고 잇는 자동차용 기계식 거버너에는 중간속도 제어특성이 다른 최고최저속도 제어식 거버너(Maximum-Minimum speed Governer)와 올스피드거버너 (All speed Governer)2종류가 있다.

종류
최고최저속도 제어식 거버너(Maximum-Minimum speed Governer)
고저속 거버너라고 하며 주로 대형엔진에 쓰인다. 이 거버너의 중간회전수 영역은 직접 외부에서 컨트롤 랙으로 제어되며 거버너는 컨트롤 랙 위치를 제어하지 않는다. 정속 주행중 가속을 하기 위하여 엑셀을 밟아도 엑셀개도에 맟춘 부분부하 토크내에서만 가속되며 올스피드 제어식 거버너와 같은 가속을 얻기 위해서는 엑셀을 전부하 위치까지 밟을 필요가 있기 때문에 가속응답성이 나쁘다.

올스피드거버너 (All speed Governer)
중간 회전수 영역에서도 회전수를 제어하며 부하가 변동해도 같은 회전수를 일정하게 유지할 필요가 있는 건설 기계나 특장차 그리고 자동차용 중.소형엔진에도 널리 사용된다. 이 형식은 전부하 분사량 특성이 자유도가 많은 캠기구(Torque cam)에 의해 결정되고 엑셀페달에 거버너 스프링의 반력이 직접 작용하지 않도록 되어 있어 운전성 측면에서 우수하고 정속 주행중 가속응답성이 좋지만 속도 변동율을 너무 작게 하면 엑셀조작이 민감해지고 가속시 쇼크가 커진다.



디젤엔진의 연료분사 노즐

연료분사 노즐은 연료를 무화시켜 연소실에 공급하는 기능을 하며, 니들이 상하운동을 하는 노즐 어셈블리와 노즐 페변압을 설정하는 스프링이 있는 노즐홀더로 구성된다. 연료공급 압력이 높아져 스프링 힘을 이기면 니들이 상승하여 연료 분사구멍에서 쓰로틀링되므로 무화되어 분사되고 압력이 떨어지면 노즐이 시트에 착좌하여 분사가 종료되는데 이때의 압력을 각각 개변압, 페변압이라 한다.

분사노즐의 종류

홀형노즐
시트 하부에 섹(Sec)이라고 부르는 공간이 있고 이 섹을 중심으로 여러개의 분사구멍이 가공되며, 직분엔진에 사용된다. 엔진성능과 매칭되도록 분사구멍의 직경, 각도 및 니들 리프트를 변경시킨다.

핀형노즐
시트아래에 분사구멍이 하나있고 니들 끝모양에 따라서 핀틀형과 스로틀형이 있다. 이 형상에 따라서 분무의 퍼짐각이나 분사구멍의 면적이 바뀌며 주로 와류실식에 사용된다.




노즐사양의 선정

노즐사양의 선정은 다음항목에 유의하여 결정해야 한다.

분사구멍
교축시 펌프 및 노즐내부의 압력과 분사관의 캐비테이션 문제를 생각하며 선정한다.
콘각
연소실 형상에 맟추어 연소성능에 매칭시킨다.
섹부
용적이 크면 HC가 증가하고 작으면 분무특성에 악영향을 준다.

분무구멍길이
분무의 퍼짐이나 관통력에 영향을 준다.

노즐홀더
노즐의 리프트 및 개변압을 결정하며, 연료를 탱크로 되돌리는 리크오프(Leak-off)출구가 있다. 최근 직분엔진에는 개변압을 2단 제어하는 2스프링 노즐홀더 채용이 증가하고 있다.
유닛인젝터
유닛인젝터는 분사펌프와 노즐을 일체형으로 한것으로 노즐과 같이 엔진의 실린더헤드에 각 실린더마다 부착된다. 분사강관이 없으므로 데드볼륨이 작고 고분사압력의 발생이 쉽다. 또 연결통로가 짧으므로 펌프에서의 압송으로부터 노즐분사 까지의 시간지체가 짧고 잔압,반사파 등의 압력거동에 의한 이상분사가 잘 생기지 않는다.





디젤엔진 연료 분사조건

디젤엔진의 연소는 발화지연을 짧게하고 가능한 한 완전 연소시켜 흑연과 악취를 방지해야 하지만 혼합기의 생성에 허용되는 기간은 연료분사후 10~15CA로서 가솔린에 비해 매우 짧다. 이 기간 내에 기화, 혼합, 가열 및 예비반응을 완료하지 않으면 안되므로 연료분사에는 다음조건이 요구된다.

무화(Atomization)
100~1,000바의 고압으로 압축된 연료를 미소한 구멍을 통해 분사하면 연료입자는 최대 수백m/sec의 고속으로 공기분자와 충돌하여 분쇄되고 1~100um의 미립자로 되어 연소실 내로 비산된다. 이 입자가 작을 수록 무화가 잘 되었다고 하며, 총 표면적이 커지기에 기화가 잘되고 산소와의 반응도 월등히 쉬워지므로 무화는 발화 및 완전연소의 필요조건중의 하나가 된다.

관철성(Pnetration)
양호하게 무화가 되었더라도 협소한 공간 내에 밀집되어 있으면 완전연소하기 어려우며, 반대로 입자가 고온의 공기중울 멀리까지 비행해야만 순차적으로 새로운 공기와 접촉할 수 있어 전체적인 공기 이용율을 높일 수가 있다. 따라서 분사된 입자는 도달거리가 클 것이 요구되며 이것을 관철성이라 한다. 일반적으로 입자가 작을수록 운동량에 대한 공기의 저항이 크기 때문에 무화와 관철성은 양립시키기 어렵다.

분포성(Distribution)
한 개의 분사밸브로부터 분사된 연료가 연소실 전체공간에 균일하게 분포되기는 어렵기 때문에 가스유동의 도움을 받아야 하지만 분사만으로도 가능한 한 균일한 분포를 얻어질 수 있도록 하는 것이 바랍직하다.