커먼레일 인젝터(Commonrail injector)
기존 디젤 엔진 시스템의 연료 시스템은 분사펌프에서 약 100~150바의 압력으로 디젤 연료를 압축하면 연소실에 설치된 인젝터는 분사펌프에서 전달된 연료압력이 스프링의 힘을 이기고 니들 밸브가 개방되어 연료가 분사되고 압력이 저하되면 스프링의 힘으로 니들밸브가 닫혀 연료분사가 종료되는데 커먼레일 연료 시스템은 최고 1400(1세대)~2000바(4세대) 이상의 고압으로 연료를 압축하여 인젝터에 공급하면 엔진제어 시스템에서 계산된 적정 분사량을 분사하기 위하여 전기적으로 작동하는 소자(솔레노이드/피에조)를 이용하여 밸브를 구동하여 연료를 분사한다.
그림 일반 기계식 시스템의 분사노즐
커먼레일 연료시스템의 인젝터는 실제로 연료를 분사하는 분사밸브가 연료압력이 초고압인 상태에서 작동하기 때문에 전기를 이용한 액츄에이터만으로 직접 구동하기 어려운 점이 있어 인젝터 내부에 유압서보 회로를 설치한다.
유압서보 회로는 2개의 챔버(유압실) 사이에 밸런스밸브를 설치하고 한쪽에는 밸런스밸브와 같이 움직이는 분사밸브를 반대쪽에는 전기적으로 작동하는 압력조절밸브를 설치한 후 동일한 압력의 연료를 2개의 챔버에 동시에 공급되는 상태에서 압력조절밸브가 닫혀 있으면 양쪽의 챔버 압력은 같으므로 밸런스밸브도 움직이지 않지만 컨트롤 챔버의 압력조절밸브를 열면 컨트롤 챔버의 유압은 낮아지고 분사챔버의 압력은 높은 상태이므로 밸런스밸브가 압력이 낮은 컨트롤 챔버쪽으로 움직이면 분사밸브도 따라 움직이면서 분사홀이 열려 분사챔버의 연료가 분사되는 원리이다.
그림 유압서보 밸브의 원리
압력조절밸브를 닫으면 고압펌프에서 공급되는 연료압력에 의해 콘트롤 챔버의 압력도 상승하게 되면서 컨트롤 챔버쪽으로 움직였던 밸런스밸브가 분사챔버쪽으로 되돌아가면서 양 챔버의 압력이 같아지면서 분사밸브가 분사구를 막아 분사가 종료된다.
일반 기계식 디젤 연료시스템의 인젝터는 1사이클에 필요한 연료를 1회에 모두 분사하지만 커먼레일 연료시스템의 인젝터는 필요에 따라 1사이클에 필요한 연료를 여러 번으로 나누어 분사하는 다단분사가 가능하다.
그림 다단분사의 예(덴소)
다단분사는 1~2회의 프리인젝션(사전분사)과 1회의 메인인젝션(주분사), 1~2회의 포스트인젝션(사후분사)등 1사이클당 최대 5회까지 다단분사가 가능하지만 항상 5회의 다단분사를 사용하는 것은 아니고 엔진의 상태나 부하, 배출가스 발생조건에 따라 차이가 있다.
사전분사는 압축행정중 흡기밸브와 배기밸브가 모두 닫혀 실제로 압축이 시작되는 초기부터 시작하여 주분사직전 사이에 이루어지는데 아주 작은 량의 연료를 분사하여 주분사직전에 미리 착화시켜 연소압력이 어느 정도 상승한 상태에서 주분사가 이루어져 연소압력이 급격하게 증가하는 것을 막아 디젤엔진의 가장 큰 단점인 엔진소음과 진동을 감소시키게 된다.
엔진의 온도나 엔진부하, 엔진회전수에 따라 사전분사 횟수를 결정하는데 엔진의 상태가 상대적으로 좋은 조건에서는 1회의 사전분사를 사용하지만 시동초기나 웜업전, 낮은 엔진회전수 영역등 진동과 소음이 큰 조건에서는 2회의 사전분사를 사용한다.
주분사는 실린더에 흡입된 공기량에 따라 결정된 연료량중 이미 분사된 사전분사량을 뺀 나머지 연료를 분사한다.
사후분사는 폭발행정이 지난 배기행정때 이루어지는데 이같이 배기과정에 연료를 분사하는 것은 배출가스를 감소시키는데 목적이 있다.
디젤엔진은 특성상 희박한 상태에서 연소가 이루어지므로 가솔린엔진에 비하여 일산화탄소와 탄화수소 발생은 작지만 질소산화물은 상대적으로 많이 증가하게 되어 배기가스에 소량의 연료를 분사하여 카탈리스트(De-Nox Catalyst)에서 환원작용이 발생되도록 하는것이다.
또, 연소과정에서 발생한 미세먼지(PM)를 카탈리스트(CPF)에서 산화시키기 위하여 사후분사를 실시하기도 한다.
사후분사는 엔진의 성능향상이나 연료소비량 감소와는 상관없이 배출가스 기준에 따라 적용되는데 대부분 EURO-IV(유로-4)기준을 만족시키기 위하여 적용된다.
인젝터의 구동소자
솔레노이드 타입 커먼레일 인젝터는 고압의 연료보다 높은 힘을 가지는 스프링 장력을 이길수 있는 전자력이 필요하므로 승용 자동차의 주전원인 12V 전압으로는 부족하여 시스템에 따라 하기 높은 전압(12~70V 이상)을 사용하기도 하며 높은 전압과 전류를 사용하면 엔진 제어 시스템 모듈에 전압과 전류조절(증폭)회로를 설치하여 대부분 전류제어를 한다.
인젝터 개방초기에는 높은 전압과 많은 전류를 공급하여 신속하게 작동하도록 하고 인젝터가 개방된 후에는 전압과 전류를 감소시켜 인젝터의 과열을 방지하고 전기소모량을 감소시키게 되며 PWM제어를 하기도 한다.
피에조 타입 인젝터도 피에조 소자를 구동시키기 위하여 높은 전압(최대 200V이상)을 사용하지만 솔레노이드 타입 인젝터에 비하여 반응시간이 빠르고 작동이 정밀하여 정해진 시간내에 여러 번의 분사가 가능하여 높은 엔진회전수에서의 다단분사에 유리하고 분사시기와 연료량제어의 정밀도가 향상되어 솔레노이드 타입 인젝터에 비하여 성능이 우수하여 3세대 이상의 커먼레일 시스템에서 기본적으로 사용되고 있으며 최근에는 유압서보회로가 없이 작동소자가 니들밸브를 직접 구동하는 직접구동식 피에조 인젝터(델파이)가 개발되어 반응시간이 더욱 빨라졌다.
그림 유압서보식과 직접구동식 피에조 인젝터의 반응시간
커먼레일 인젝터의 구조 – 공통
연료시스템에서는 기본적으로 2개의 연료펌프와 1개의 커먼레일, 실린더당 1개의 인젝터를 사용하고 시스템에 따라 1~2개의 연료압력 조절밸브를 사용하고 있다.
연료펌프는 저압펌프와 고압펌프가 있는데 커먼레일 시스템에서 필요한 고압을 하나의 펌프를 이용하는 것보다 저압펌프로 먼저 연료를 압축한 후 다시 고압펌프로 시스템에서 정한 압력을 상승시키며 저압펌프는 전기식 모터펌프나 고압펌프와 같이 일체로 설치하며 고압펌프는 캠축과 같이 회전한다.
고압펌프에서 압축된 연료는 커먼레일에 저장되어 금속제 파이프와 연결된 인젝터에 고압상태의 연료를 공급하면 엔진제어 시스템은 엔진에 흡입된 공기량, 공기온도, 냉각수온도등에 의해 결정된 연료분사량을 인젝터 열림시간으로 연소실내로 분사하는 것이 커먼레일 시스템이다.
커먼레일 인젝터의 구조와 작동 – 보쉬 솔레노이드 타입 보쉬 솔레노이드 타입 커먼레일 인젝터는 솔레노이드, 컨트롤 밸브, 컨트롤 플런저, 니들밸브와 스프링등 인젝터 구성부품이 내부에서 수직으로 일직선상에 설치되는 특징이 있다.
그림 보쉬 솔레노이드 타입 인젝터의 구조와 작동
인젝터에 전원이 공급되지 않으면 커먼레일에서 공급되는 고압의 연료압력은 컨트롤 챔버와 분사챔버에 동시에 작용하여 컨트롤 플런저는 움직이지 않으므로 니들밸브는 스프링의 힘에 의해 닫혀 연료가 분사되지 않는 분사대기 상태이다.
솔레노이드에 전원이 공급되면 솔레노이드가 자화되면서 컨트롤 밸브가 열려 컨트롤 챔버의 연료가 리턴되면 컨트롤 챔버에 작용했던 높은 압력이 낮아지면서 분사챔버에 작용하는 높은 압력에 의해 컨트롤 플런저가 컨트롤 챔버쪽으로 움직이면서 니들밸브가 열리면서 분사챔버에 있는 고압의 연료가 분사된다.
솔레노이드에 전원이 차단되면 스프링의 힘에 의해 컨트롤 밸브가 닫히면서 컨트롤 챔버의 압력이 높아지게 되면서 컨트롤 플런저가 분사챔버쪽으로 움직이다 컨트롤 챔버의 압력과 분사챔버의 압력이 같아지면 니들밸브가 닫히면서 연료분사가 중지되고 솔레노이드에 다시 전원이 공급될 때 까지 분사대기 상태가 된다.
커먼레일 인젝터의 구조와 작동 – 델파이 솔레노이드 타입
그림 델파이 솔레노이드 타입 인젝터의 구조와 작동
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