자동차공학)디젤 엔진 연료장치 공급계통

자동차 디젤 엔진의 연료장치 공급계통에 대하여 알아보자.

1. 저압 연료 공급계통

2. 고압 연료 공급계통

 

1. 저압 연료 공급계통

저압 연료 공급 계통에는 저압 연료펌프, 연료 필터, 연료 센서로 구성된다.

 

저압 연료펌프 : 저압 연료펌프(low pressure fuel pump, fuel feed pump)는 예비 필터를 가진 전기 펌프 또는 기어 타입의 펌프로서, 연료 탱크 내의 연료를 고압 연료펌프로 보내는 역할을 한다. 종래 기계식 디젤 엔진에서는 이것이 고압 연료 펌프 옆에 장착되거나 있었으나, 전자 제어식에서는 연료 탱크 내에 장착되어 연료에 담겨 있다.

 

연료센서 : 연료 탱크에 장착되어 있으며 연료 탱크 내의 연료량을 측정한다.

 

연료 필터 : 연료 필터(fuel filter)는 연료 탱크 내의 연료를 고압 연료 공급계통에 보내기 전에 연료 속에 포함된 각종 이물질을 제거하는 역할을 한다. 고압 연료 펌프는 연료 분사량을 정밀하게 제어하고 연료 필터가 적절한 기능을 발휘하기 위한 연료 필터의 역할이 중요하다. 연료 필터가 기능을 발휘하기 못하면 엔진의 출력저하와 매연 발생 등의 문제를 일으킬 수 있기 때문이다.

 

2. 고압 연료 공급계통

고압 연료펌프, 커먼 레일, 고압 연료파이프, 인젝터 등으로 구성되어 있다.

 

고압 연료 펌프 : 디젤 엔진의 연료장치에서 가장 중요한 부분은 고압 연료펌프로서 일명 연료 분사 펌프(fuel injection pump)라고 한다. 전제제어 디젤 엔진에서는 고압 연료펌프가 타이밍 케이스 또는 실린더 헤드에 장착되어 있으며 각각 드라이브 벨트와 캠샤프트로 구동된다. 고압 연료펌프는 연료 탱크로부터 공급되는 연료를 고압으로 가압하여 커먼 레일로 이송하는 역할을 한다. 또한 저압 연료펌프 포함하고 있는 고압으로 가압하여 커먼 레일로 이송하는 역할을 하며 별도의 가압 역할은 하지 않는다. 고압 연료펌프에는 여러 형식이 있으나 한 개의 플런저로 각 실린더(또는 커먼 레일)에 연료를 분배하는 분배형이 많이 사용되고 있다. 이것은 연료를 고압으로 높여 승압하고 필요한 분사량을 결정된 분사기에 각 실린더의 인젝터에 공급한다. 연료 펌프 구동축은 엔진 크랭크 샤프트와 벨트로 연결되어 크랭크 샤프트 2회전마다 1 회전하면서, 연료펌프(베인형 압력펌프), 캠 디스크(cam disc), 플런저(plunger)를 동시에 회전시킨다. 연료펌프는 저압의 연료를 고압으로 상승시켜 고압실로 보내고, 동시에 타미 피스톤(timer piston)의 제어압도 공급한다. 캠 디스크의 전면은 볼록 튀어나온 형상의 캠이 실린더 수만큼 설치되어 있다. 구동축에 의해 캠 디스크가 회전하면 롤러 링(roller ring)에 설치된 롤러에 캠이 실려 플런저를 회전시키면서 우측으로 스트로크(stroke)시킨다. 플렌저가 이동하기 전에 흡입 포트(inlet port)와 플런저 흡입 스릿트(inlet slit)가 일치하고 있어 연료 펌프에 의해 고압의 연료가 고압실로 공급된다. 플런저가 회전하면 흡입 슬릿트가 차단(cut off)되어 흡입 포트는 닫힌다. 계속해서 캠이 롤러에 실리기 시작하면 고압실의 연료는 압력이 상승함과 동시에 고압 토출 포트를 통하여 인젝터로 압송된다. 전자 스필(spill) 밸브는 고압실을 저압실과 연결(스필 통로가 열림)하여 연료의 압력을 저하시켜 인젝터로 압송되는 연료의 공급을 차단한다. 결국 캠이 롤러에 실릴 때부터 스필 통로가 열릴 때까지의 플런저 스트로크가 연료 분사량에 대응한다. 전자 스필 밸브의 솔레노이드에 전류가 흐르면 파이롯트(pilot) 스필 밸브는 닫히게 된다. 한편 고압실의 압력이 메인 스필 밸브의 앞면과 뒷면에 걸려 있기 때문에 메인 스필밸브는 닫혀 연료는 고압실로 들어간다. 솔레노이드로의 전류를 차단하면 파이롯트 스필 밸브가 열려, 메인 밸브의 뒷면의 압력이 저하되어 메인 스필 밸브를 열어 고압실의 연료는 저압측으로 유출하여 연료 분사가 정지한다. 디젤 엔진은 그간 분사압력을 높여 분무특성을 개선시켜 연소성능 및 배기성능을 향상하기 위하여 연료 분사압을 높이려는 연구가 계속 수행되어 왔다. 일반적으로 연료의 분사압력은 승용차의 경우 1,350 bar, 상용차 엔진은 1,400 bar, 대형 상용차 엔진은 1,800 bar 이상이다.

 

커먼레일 : 커먼레일(common rail)은 실린더 블록에 장착되어 있으며, 고압 연료 펌프에서 가압된 연료를 저장하고 인젝터에 공급하는 역할을 한다. 커먼 레일 내의 압력은 인텍터에서 분사가 시작되더라도 일정하게 유지되며, 고압 연료펌프로부터의 연료 이송 또는 인젝터의 분사로 인한 압력파를 흡수하는 형상으로 되어 있다. 또한 커먼 레일에는 연료의 역류를 방지하는 체크밸브, 레일 내의 연료 압력을 측정하는 레일 압력 센서, 레일 내 압력을 일정하게 조절하는 레일 압력 조절밸브가 설치되어 있다. 레일 내부의 압력은 압력센서에 의해 지속적으로 감지되고 엔진의 회전수와 부하조건에 따라 최적의 설정된 값이 되도록 ECM에 의해 압력 조절밸브를 조절해 제어된다.

 

인젝터 : 디젤 연료 분사기(fuel injector)는 연료 분사노즐 또는 간단히 인젝터라고 하며 노즐 보디 속에서 니들이 상하 왕복 운동하는 노즐 어셈블리와 노즐 개변압을 설정하는 스프링이 있는 노즐 홀더로 구성되어 있다. 분사노즐의 선단은 연료를 분출하여 분무를 형성하는 구멍이 있다. 분사노즐의 종류에는 연소실의 형상이나 분사압력에 따라 홀형, 핀틀형, 스로틀형 등 3가지 종류가 있다.

- 홀형 : 홀형은 시트 하부에 색(sac) 부라고 하는 공간이 있고, 색 중심을 향해 노즐 구멍이 가공되어 있다. 분출구멍이 1개인 단공 노즐과 여러 개인 다공 노즐이 있으며, 일반적으로 다공형(4개 ~ 7개)이 사용되고 있다. 다공형 노즐은 연료의 분사각을 크게 할 수 있어 직접 연소실식에 사용되고 있다. 홀형 노즐은 니들밸브가 분출 구멍 밖으로 돌출되어 있지 않아 카본이 퇴적하여 분출 구멍이 막히기 쉬운 단점이 있다.

 

- 핀틀형 : 핀틀형은 일반적으로 시트 아래에 부출 구멍이 1개이고, 니들 선단의 형상은 니들이 리프트함에 따라 틈새가 변하는 구조로 되어 있다. 따라서 니들 선단의 형상이 변하면 분무의 분사각(cone angle)이나 분공 면적의 특성이 바뀐다. 이 형식은 홀형에 비하여 연료의 분무각이 적으므로 그다지 큰 분무각을 필요로 하지 않은 와류실식이나 예연소실식에 사용된다.

 

- 스로틀형 : 이 형은 노즐의 니들밸브 끝을 원뿔형으로 넓혀서 분사되는 연료의 흐름을 교축하는 노즐이다. 스로틀형은 밸브의 리프트 변동에 따라 노즐의 분사 개구면적을 정밀하게 제어할 수 있다. 이것은 분사가 시작된 초기에는 니들밸브의 원뿔 부분과 분출공과의 간극이 작기 때문에 연료 분사량이 작게 되고, 연료분사기간 후기에 연료분사량이 증가되어 디젤 녹을 방지할 수 있는 특징이 있다. 현재 모든 자동차에는 대부분 스로틀형이 사용되고 있다.