자동차공학)전자제어 디젤 엔진의 분류

기존 종래의 기계식 디젤 엔진은 연료 분사량과 분사시기를 각각 조속기(governor)와 분사시기 조정장치(timer)가 원심추나 웨이트의 원심력을 이용한 기계식 거버나나 기계식 또는 유압식 타이머로 제어하였지만 전자 제어식 디젤 엔진에서는 컴퓨터(ECM)가 각 센서에서 받은 데이터를 근거로 결정하기 때문에 연료분사량과 분사시기를  보다 정확하게 조절할 수 있다. 최근에 출시되고 있는 디젤 승용차는 전부 전자제어식 디젤 엔진을 채용하고 있다. 전자제어 디젤 엔진은 크게 유니트 인젝션 시스템, 커먼레일 연료분사시스템으로 나눌 수 있다.

1. 유니트 인젝션 시스템

2. 커먼레일 연료 분사시스템

 

1. 유니트 인젝션 시스템

종래 중, 대형 고속 디젤 엔진은 각 실리더마다 1개의 분사펌프와 1개의 인젝터가 독립적으로 배관된 형식이 채용되고 있었다. 근년에 분사펌프와 인젝터가 하나의 모듈(일체형)로 개발하여 전자제어 유니트 인젝션 시스템으로 승용차에 채용되고 있다. 유니트 인젝터는 오버헤드 캠 축에 의해 구동되는 로커암과 연결되어 작동하고, 인젝터에 내장된 솔레노이드를 작동시켜 연료 분사량과 분사시기를 결정하고 있다. 유니트 인젝터의 구성은 로커암에 의해 전달된 동력이 펌프의 플랜저를 구동하여 연료의 압력을 발생시키는 펌피요서(pumping element), 전자제어 유니트(ECM)의 신호에 따라 솔레노이드를 작동시켜 스필 밸브(spill valve)의 개폐시기를 조절하는 제어부, ECM의 지시에 의해 고압으로 이송된 연료를 연소실로 분사하는 인젝터 노즐로 이루어졌다. 이 형식의 대표적인 것은 폭스바겐이 보쉬에 의뢰해 개발된 것으로 TDI(Turbo Direct Injection)가 있으며 UIS(Unit Injection System)라고도 한다. 연료 분사압력은 최대 2,050 bar이고, 연료 분사 시기와 양은 ECM에 의해 전자제어로 이루어진다. 폭스바겐 그룹의 아우디의 고급 디젤 승용차에 장착되어 있다. 벤츠도 보쉬에 의뢰해 개발된 CDI도 유니트 인젝션 방식이지만 다른 점은 CDI가 TDI보다 분사 압력이 낮다. 유니트 인젝션 시스템은 다음과 같은 특징이 있다.

 

- 유니트 인젝터는 솔레노이드 밸브와 인젝터 노즐(분사기 출구) 사이의 거리가 짧아, 데드 볼륨(dead volume)이 없으므로 연료 분사압력을 크게 높일 수 있다.

- 연료 펌프에서 노즐 분사까지 걸리는 시간이 짧기 때문에 분사 정밀도를 높일 수 있으며 또한 잔압, 반사파 등의 압력 거동에 의한 이상분사가 잘 일어나지 않는다.

- 모듈로 구성되어 있기 때문에 엔진에 장착은 물론 정비하기에 편리하다.

- 분사압력을 2,000 bar까지 초고압으로 높일 수 있어 연료의 미립화가 대단히 우수하여 연료와 공기의 혼합이 잘되어 완전연소가 이루어져, 출력이 증가하고 유해 배기가스는 줄어든다. 따라서 유니트 인젝션 시스템은 기존에 개발된 어떤 분사방식보다 연소효율이 좋고 최고 압력이 높으며 출력 향상과 유해 배기갓 저감 측면에서 장점을 갖고 있다.

 

2. 커먼레일 연료 분사시스템

기존 디젤 엔진은 연료를 분사할 때마다 매번 고압펌프에서 압력을 발생시켜 그때마다 연료를 분사하지만, 커먼레일 시스템은 고압 펌프에 의해서 미리 연료를 커먼레일(common rail)에 고압으로 가해놓고 필요할 때 인젝터를 열어 연료를 연소실에 분사하는 방식이다. 연료의 압송과 분사제어는 분리되어 있으므로 엔진의 회전속도와 부하에 관계없이 전자제어 (ECM)에 의해 필요한 시기에 적절한 양의 연료를 최적의 압력으로 분사할 수 있으며 따라서 파일롯분사도 용이하게 된다. 국산 디젤 엔진은 이 형식을 많이 적용하고 있으며, CRDi(common rail direct injection)로 표기하고 있다. 커먼레일 연료 분사시스템의 경우 연료탱크, 연료필터, 고압 연료펌프, 커먼레일, 인젝터로 구성되어 있다.

 

커먼 레일 시스템의 특징 : 커먼 레일 분사 시스템의 특징은 고압의 분사압력 발생과 연료 분사과정이 완전히 독립적으로 되어 있다는 점이다. 즉 연료의 압력을 1,350 bar 혹은 1,600 bar 이상으로 항상 일정하게 유지하는 고압 어큐뮬레이터(high pressure accumulator)인 커먼 레일을 사용한 것과 연료 분사를 1회 폭발행정 시 예비분사, 주분사의 2회에 걸쳐 분사하는 것이 특징이다. 현대 자동차의 유로 4 커먼 레일 디젤 엔진은 전자제어 인젝터를 적용하여 연료 연소음 저감을 위해 예비분사(pilot injection), 동력을 발생시키는 주분사(main injection), PM과 NOx를 저감 시키는 사후분사(post injection) 및 분사시간(분사량)을 독립적으로 제어하여 엔진 성능을 향상하고 있다. 예비분사는 주분사 직전에 소량의 연료를 분사하는 것으로서, 즉 연료 분사시기부터 착화하기까지의 착화기간 중에 연료를 적게 분사한다. 이렇게 함으로써 착화 후의 급격한 압력상승에 의한 디젤 녹 특히 냉간시의 아이들 녹을 대폭 저감 할 수 있다.

 

커먼레일 인젝터 : 커먼레일 인젝터(injector)는 전자식 분사 노즐로 ECM의 신호에 의해 전자밸브를 개폐하여 연료의 분사과정을 제어하고 있다. EURO 4용 인젝터는 유압 서보 방식으로 인젝터 솔레노이드를 제어하여 연료압력을 최대 1,600 bar, 분사구는 6~8의 다공식 0.15mm 파이이며, 연료 초미립으로 분사하여 매연감소, 엔진 출력증대, 연비향상을 실현하고 있다. 인젝터의 연료통로는 분사실 및 커맨드 실로 나누어져 있으며 고압 연료가 들어간다. 전자밸브는 솔레노이드와 외측밸브로 구성되며, 외측밸브는 스프링에 의해 커맨드 실의 연료 유출 구멍을 막고 있다. 커맨드실의 상하로 연료압이 작용하며 전자밸브의 솔레노이드의 작동에 의해 커맨드 피스톤이 작동한다.

 

- 분사 : 전류가 인가되면 솔레노이드가 자화 되어 외측밸브를 끌어당겨 연료 유출구멍이 열리게 된다. 그러면 커맨드 실의 고압연료는 유출 구멍을 통해 커맨드 실 하부로 들어가서 커맨드 피스톤을 밀어 올리므로 일체로 되어 있는 니들 밸브도 상승하여 분사구멍을 열어 분사실에 있는 연료가 분사된다.

 

- 무분사 : 전류가 OFF 되면 솔레노이드에 자력이 업어 외측밸브는 스프링에 의해 밀려 하강하여 유출구멍은 닫히고 커맨드 실에는 고압연료가 들어가 커맨드 피스톤을 밀어 내려 니들 밸브는 분사구를 막고, 커맨드 피스톤 하부의 여분 연료는 배출구를 통하여 연료탱크로 되돌아온다. 인젝터는 운전조건에 따른 최적의 연소가 이루어지도록 여러 센서의 데이터를 근거로 ECM의 신호로 솔레노이드의 전류의 ON/OFF에 의해 분사구를 개폐하므로 2회 전류를 인가하여 예비분사, 주분사가 이루어져 통전시간에 의해 분사량을 제어할 수 있다.

 

	기존 디젤	커먼 레일	성능의 차이점
연료분사 제어방식	조속기를 통해 엔진의 원심력에 비례하여 연료 분사량 제어	ECU가 각 센서의 정보를 입력 받아 전기적 신호로 분사제어	최적의 조건에 맞춰 연료를 분사하므로 적은 연료로 높은 출력을 얻을 수 있음.
연료분사 횟수	엔진 폭발행정시 1회 분사	엔진 폭발행정시 전분사, 주분사 2차례 걸쳐 분사	최고 폭발압을 줄이면서 연소실내 고른 압력분포를 얻을 수 있음. 소음감소.
연료분사 압력	최대 750 bar~1,100 bar	최대 1,350 bar~16,00 bar	고압의 연료를 연소실에 직접 분사함으로써 출력향상과 배기가스 저감
인젝터 연료 공급방식	연료분사펌프에서 각각의 연료 파이프를 통해 인젝터로 공급	커먼 레일에서 인젝터로 직접 공급	일정한 고압으로 직접 연소실로 공급되어 엔진 반응 시간이 단축되고 가속 성능 향상.