디젤기관의 개요
디젤기관의 장점
◎ 열효율이 높고, 연료소비율이 적다
◎ 인화점이 높은 경유를 연료로 사용하므로 그 취급이나 저장에 위험이 적다
◎ 대형기관 제작이 가능하다
◎ 경부하 운전영역에서 효율이 그다지 나쁘지 않다
◎ 배기가스가 가솔린 기관의 것보다 덜 유독하다
◎ 점화장치가 없어 이에 따른 고장이 적다
디젤기관의 단점
◎ 폭발압력이 크기 때문에 기관 각 부분을 튼튼하게 하여야 한다
◎ 기관의 출력 당 무게와 형체가 크다
◎ 운전 중 진동과 소음이 크다
◎ 연료장치가 매우 정밀하고 복잡하여, 제작비가 비싸다
◎ 압축비가 높아 큰 출력의 기동전동기가 필요하앋
디젤기관의 연료와 연소
경유의 구비조건
◎ 자연발화점이 낮을 것. 즉 착화성이 좋을 것
◎ 황(S)의 함유량이 적을 것
◎ 세탄가가 높고, 발열량이 클 것
◎ 적당한 점도를 지니며, 온도변화에 따른 점도변화가 적을 것
◎ 고형미립물이나 유해성분을 함유하지 않을 것
디젤기관 연료의 착화성
세탄가 cetane number
세탄가는 디젤기관 연료의 착화성을 표시하는 수치이며, 착화성이 우수한 세탄과 착화성이 불량한 a-메틸나프탈렌을 적당한 비율로 혼합한 것이다
디젤지수 disel index
디젤지수는 경유 중에 포함된 파라핀계열 탄화수소의 양을 알아보는 방법으로 착화성을 표시하는 방법이다
임계압축비 critical compression ratio
CFR기관(Cooperative Fuel Research engine)에서 시험조건을 일정하게 하고 각종 경유에 대하여 노크를 일으키기 시작할 때의 최저 압축비를 구한 것이다
디절기관의 연소과정
디젤기관의 연소과정은 착화 지연기간 → 화염 전파기간(폭발 연소기간) → 직접 연소기간(제어 연소기간) → 후 연소기간의 4단계로 연소한다
착화 지연기간
이 기간은 경유가 연소실 내에 분사된 후 착화될 때까지의 기간이며, 약 1/1000~1/1, 000초 정도 소요된다. 착화 지연기간이 길어지면 디젤기관의 노크가 발생한다.
화염 전파기간
이 기간은 경유가 착화되어 폭발적으로 연소를 일으키는 기간이며, 정적 연소과정이다.
직접 연소기간
이 기간은 분사된 경유가 화염 전파기간에서 발생한 화염으로 분사와 거의 동시에 연소하는 기간이며, 정압 연소과정이다. 직접 연소기간의 연소압력이 가장 크며, 연료 분사량으로 어느 정도의 압력 조정이 가능하므로 제어 연소기간이라고도 부른다
후 연소기간
이 기간은 직접 연소기간 동안 연소하지 못한 경유가 연소팽창하는 기간이며, 후 연소기간이 길면 배기가스 온도가 상승해 기관이 과열하며 연료소비율이 증가한다
디젤기관의 노크
디젤기관의 노크(knock or knocking)란 착화지연 기간 중에 분사된 많은 양의 연료가 화염전파기간 중에 일시적으로 연소되어 실린더 내의 압력이 급격히 상승하므로 실린더 벽에 피스톤이 충격을 가하여 소음이 발생하는 현상이다
디젤기관 노크 발생원인
◎ 기관에 과부하가 걸렸을 때
◎ 기관이 과냉되었을 때
◎ 분사시기가 너무 빠를 때
◎ 세탄가가 낮은 연료를 사용하였을 때
디젤기관 노크 방지방법
◎ 연료의 착화점이 낮은 것(착화성이 좋은)을 사용한다
◎ 흡입공기 압력과 온도를 높인다
◎ 실린더 벽의 온도를 높인다
◎ 압축압력과 온도를 높인다
◎ 압축비를 높인다
◎ 착화지연 기간을 짧게 한다
◎ 세탄가가 높은 연료를 사용한다
노크가 기관에 미치는 영향
◎ 기관 회전속도(rpm)가 낮아진다
◎ 기관의 출력이 저하된다
◎ 연소실 온도가 상승하므로 기관이 과열한다
◎ 흡입효율이 저하된다
◎ 기관에 손상이 발생할 수 있다
예열장치 glow system
예열장치는 흡기다기관이나 연소실 내의 공기를 미리 가열하여 시동을 쉽도록 하는 장치이다. 그 종류에는 흡기가열 방식과 예열플러그 방식이 있으나 여기서는 현재 사용하고 있는 예열플러그 방식에 대해서만 설명하도록 한다
예열플러그 방식 glow plug type
예열플러그 방식은 연소실 내의 압축공기를 직접 예열하는 것이며, 예열플러그, 예열플러그 파일럿 등으로 구성되어 있고, 주로 예연소실식과 와류실식에서 사용한다
예열플러그 glow plug
(1) 코일형 coil type 예열플러그의 특징
코일형 예열플러그는 히트코일(heat coil)이 노출되어 있어 적열시간이 짧고 저항 값이 작아 직렬로 결선되며 예열플러그 저항기를 두어야 한다. 그리고 히트코일이 연소가스에 노출되므로 기계적 강도 및 내부식성이 적다
(2) 실드형 shield type 예열플러그의 특징
실드형 예열플러그는 흐트코일을 보호금속 튜브 속에 넣은 형식으로 병렬로 결선되며, 전류가 흐르면 보호금속 튜브 전체가 가연된다. 가열까지의 시간이 코일형에 비해 조금 길지만 1개당의 발열량과 열용량이 크다. 히트코일이 연소열의 영향을 적게 받으며, 병렬결선이므로 어느 1개가 단선 되어도 다른 것들은 계속 작용한다
(3) 예열 지시등 glow plug pilot lamp
이것은 예열플러그의 적열상태를 운전석에서 점검할 수 있도록 하는 장치이다
예열장치의 작동
시동스위치를 ON으로 하면 제어타이며(control timer)가 작동되어 예열플러그 릴레이가 ON이 되고 예열플러그 및 예열지시등(파일럿램프)에 전류가 흐른다. 예열시간은 냉각수 온도에 따라 제어타이머가 조절하며, 예열이 완료되면 예열지시등이 소등되어 시동하라는 표시를 해준다. 예열지시등이 소등된 후 시동스위치를 시동(ST)위치로 하면 기돤이 시동된다.
디젤기관의 연소실
디젤기관의 연소실은 단실식인 직접분사실과 복실식인 예연소실식, 와료실식, 공기실식 등으로 나누어 진다
직접분사실식 direct injection type
직접순사실식은 연소실이 실린더 헤드와 피스톤 헤드에 설치된 요철에 의하여 형성되며, 여기에 직접 연료를 분사하는 방식이다.
직접분사실식의 장점
① 실린더 헤드의 구조가 간단하므로 열효율이 높고, 연료소비율이 작다
② 연소실 체적에 대한 표면적 비율이 작아 냉각손실이 작다
③ 기관시동이 쉽다
직접분사실식의 단점
① 분사압력이 가장 높으므로 분사펌프와 노즐의 수명이 짧다
② 사용연료 변화에 매우 민감하다
③ 노크 발생이 쉽다
④ 기관의 회전속도 및 부하의 변화에 민감하다
⑤ 다공형 노즐을 사용하므로 값이 비싸다
⑥ 분사상태가 조금만 달라져도 기관의 성능이 크게 변화한다
예연소실식 precombustion chamber type
예연소실식은 실린더 헤드와 피스톤 사이에 형성되는 주연소실(main combustion chamber)위쪽에 예연소실(pre combustion chamber)을 둔 방식이다. 먼저 분사된 연료가 예연소실에서 착화하여 높은 온도와 압력의 가스를 발생시키며, 이것에 의해 나머지 연료가 주연소실에 분출되어 공기와 잘 혼합하여 환전 연소하는 연소실이다.
예연소실식의 장점
① 분사압력이 낮아 연료장치의 고장이 적고, 수명이 길다
② 사용연료 변화에 둔감하므로 연료의 선택범위가 넓다
③ 운전상태가 조용하고, 노크 발생이 적다
예연소실식의 단점
① 연소실 표면적에 대한 체적비율이 크므로 냉각손실이 크다
② 실린더 헤드의 구조가 복잡하다
③ 시동보조 장치인 예열플러그가 필요하다
④ 압축비가 높아 큰 출력의 기동전동기가 필요하다
⑤ 연료소비율이 비교적 크다
와류실식 swirl chamber type
와류실식은 실린더나 실린더 헤드에 와류실(swirl chamber)을 두고 압축행정 중에 이 와류실에서 강한 와류가 발생하도록 한 방식이며, 와류실에 연료를 분사한다. 와류실에 분사된 연료는 강한 선회운동을 하고 있는 공기와 만나 빨리 혼합되어 착화 연소하면서 주연소실로 분출되어 다시 여기서 미연소 연료가 새로운 공기와 만나면서 연소된다.
와류실식의 장점
① 압축행정에서 발생하는 강한 와류를 이용하므로 회전속도 및 평균유효 압력이 높다
② 분사압력이 낮아도 된다
③ 기관 회전속도 범위가 넓고 고속운전이 원활하다
④ 연료소비율이 비교적 적다
와류실식의 단점
① 실린더 헤드의 구조가 복잡하다
② 분출구멍의 조임 작용, 연소실 표면적에 대한 체적비율이 커 열효율이 낮다
③ 저속에서 노크 발생이 크다
④ 기관을 시동할 때 예열플러그가 필요하다
분사펌프사용 디젤기관의 연료장치
이 방식의 디젤기관의 연료공급은 공급펌프에서 연료탱크 내의 연료를 흡입가압하여 여과기에서 여과시킨 후 분사팜프로 공급한다. 분사펌프는 기관의 크랭크축에 의하여 구동되며, 연료를 고압으로 만들어 분사파이프를 거쳐 알맞은 시기에 실린더헤드에 설치된 분사노즐에서 소정의 압력으로 분사한다. 그리고 분사펌프 한쪽에 설치된 조속기는 기관의 최고 회전속도를 조절하고, 저속 운전에서 그 회전속도를 안정시키는 일을 한다. 또 타이머는 기관을 시동할 경우나 운전 중 필요에 따라 연료 분사시기를 변화시키는 작용을 한다
TIP
디젤기관의 연료공급순서
연료탱크 → 연료 공급펌프 → 연료여과기 → 분사펌프 → 분사노즐
연료공급펌프 fuel feed pump
연료 공급펌프는 연료탱크 내의 연료를 일정한 압력(2~3kgf/㎠)으로 압력을 가하여 분사펌프로 공급하는 장치이며, 분사펌프 옆에 설치되어 분사펌프 캠축에 의하여 구동된다. 연료 공급펌프에는 연료 공급계통의 공기빼기 작업 및 연료 공급펌프를 수동으로 작동시켜 연료탱크 내의 연료를 분사펌프까지 공급하는 프라이밍 펌프(priming pump)를 두고 있다
TIP
디젤기관 연료계통 공기빼기 작업
① 공기가 침입하였을 때의 영향 : 디젤기관은 높은 압력으로 연료를 공급하므로 연료 공급계통에 공기가 침입하면 다음과 간은 현상이 발생한다
㉮ 분사펌프에서 연료압송이 불량해져 노즐에서 분사상태가 고르지 못하게 된다
㉯ 기관의 회전상태가 불량해진다
㉰ 기관의 진동(부조)이 발생한다
㉱ 공기 침입이 심한 경우에는 기관의 작동이 정지된다
② 공기빼기 작업 : 공기빼기 작업은 공급펌프 → 연료 여과기 → 분사펌프 순서로 작업하며, 연료계통의 공기배출작업은 연료만 배출되면 작동하고 있던 프라이밍 펌프를 누른 상태에서 벤트플러그를 막는다
연료 여과기 fuel filter
연료 여과기는 연료 속에 들어 있는 먼지와 수분을 제거 분리하며, 경유는 분사펌프 플런저 배럴과 플런저 및 분사노즐의 윤활도 겸하기 때문에 여과성능이 높아야 한다. 구조는 보디, 엘리먼트, 중심파이프, 케이스, 오버플로 밸브, 드레인플러그 등으로 구성되어 있으며 엘리먼트는 여과지(paper)를 주로 사용한다
여과작용은 공급펌프에서 보내진 연료가 입구를 거쳐 여과기 보디와 엘리먼트 사이로 들어가고, 다시 엘리먼트를 거쳐 중심 파이프에 이르며 이때 연료 속의 먼지나 수분을 분리한다. 디젤기관에는 연료탱크 주입구, 공급펌프 입구쪽, 연료여과기(1~2개), 노즐홀더 입구 커넥터 등 4개소에 여과장치가 마련되어 있다
TIP
연료여과기에 설치된 오버플로 밸브(over flow valve)는 엘리먼트의 막힘 등으로 여과기 내의 압력이 규정값(일반적으로 1.5kgf/㎠)이상으로 상승하면 열려 과잉압력의 연료를 탱크로 되돌아가게 하며 다음과 같은 작용을 한다
① 연료여과기 각 부분을 보호한다
② 연료 공급펌프의 소음 발생을 억제한다
③ 운전 중 공기빼기 작용을 한다
연료 분사펌프 fuel injection pump
연료 분사펌프는 공급펌프에서 보내 준 연료를 분사펌프의 캠축으로 구동되는 플런저가 분사순서에 맞추어 고압으로 펌프작용을 하여 분사노즐로 압송시켜 주는 장치이다 즉 연료 분사펌프는 연료를 압축하여 분사순서에 맞추어 노즐로 압송시키는 것으로 조속기(연료분사량 조정)와 타이머(분사시기를 조절하는 장치)가 설치되어 있다
펌프 하우징
펌프 하우징은 분사펌프의 주체부분이며, 위쪽에는 딜리버리 밸브와 그 홀더(holder)가 설치되어 있으며 중앙부분에는 플런저배럴(plunger barrel), 플런저, 제어래크(control rack), 제어피니언(control pinion), 제어슬리브(control sleeve), 스프링, 태핏(tappet) 등이 아래쪽에는 캠축(cam shaft)이 설치되어 있다
분사펌프의 캠축과 태핏
(1) 캠축 cam shaft
분사펌프 캠축은 크랭크축 기어로 구동되며 4행정 사이클 기관은 크랭크축의 1/2로 회전한다. 캠축에는 태핏을 통해 플런저를 작용시키는 캠과 공급펌프 구동용 편심륜이 있고, 양족에는 펌프하우징에 지지하기 위한 베어링이 끼워져 있다. 캠의 수는 실린더 수와 같고 구동부분에는 분사시기 조정용 타이머가 다른 한쪽에는 연료분사량 조정용 조속기가 설치되어 있다.
(2) 태핏 tappet
태핏은 펌프하우징 태핏구멍에 설치되어 캠에 의해 상하운동을 하여 플런저를 작동시킨다. 구조는 캠과 접촉하는 부분은 롤러로 되어 있고, 롤러는 태핏에 부싱과 핀으로 지지되고 헤드 부분에는 태핏간극 조정용 나사가 있다
플런저 배럴과 플런저
펌프하우징에 고정된 플런저 배럴 속을 플런저가 상하로 미끄럼운동하여 고압의 연료를 형성하는 부분이다
(1) 플런저 plunger
플런저에는 연료분사량 가감을 위한 리드(제어 홈)와 이것과 통하는 배출구멍이 중심부분에 뚫어져 있고, 아래족에는 제어 슬리브(control sleeve)의 홈에 끼워지는 구동 플랜지(drive flange)와 플런저 아래 스프링 시트를 끼우기 위한 플랜지(flange)가 마련되어 있다.
(2) 플런저의 작용
플런저가 하강하면서 플런저 헤드가 흡입구멍을 열면 연료가 플런저 배럴 속으로 들어온다. 다음에 플런저가 상승하면서 흡입 및 배출구멍을 막으면 플런저 배럴 속의 연료가 가압되기 시작하여 일정한 압력에 도달하면 딜리버리 밸브(delivery valve : 송출밸브)가 열려 분사노즐로 압송되어 분사를 시작한다. 플런저가 계속 상승하여 리드가 플런저 배럴의 흡입 및 배출구멍과 통하게 되면 연료는 플런저 중앙에 있는 배출구멍을 지나서 흡입 및 배출구멍을 통하여 바이패스되어 펌프 하우징의 연료실(fuel chamber)로 되돌아간다. 이에 따라 연료의 압송이 중지되고 동시에 분사가 완료된다. 이때 플런저는 스프링의 장력으로 하사점으로 복귀한다.
① 플런저 예행정(plunger pre stroke) : 플런저 헤드가 하사점에서부터 상승하여 흡입구멍을 막을 때까지 플런저가 이동한 거리이다
② 플런저 유효행정(plunger available stroke) : 플런저 헤드가 연료공급을 차단한 후부터 리드가 플런저 배럴의 흡입구멍에 도달할 때까지 플런저가 이동한 거리이다. 즉, 플런저가 연료를 압송하는 기간이며, 연료 분사량(토출량 또는 송출량)은 플런저의 유효행정으로 결정된다. 다라서 유효행정을 크게 하면 연료분사량이 증가하며, 플런저 유효행정을 적게하면 감소한다.
(3) 플런저의 리드 파는 방식과 분사시기와의 관계
① 정 리드형(normal lead type) : 분사개시 때의 분사시기가 일정하고 분사말기가 변화하는 리드이다
② 역 리드형(revers lead type) : 분사개시 때의 분사시기가 변화하고 분사말기가 일정한 리드이다
③ 양 리드형(combination lead type) : 분사개시와 말기의 분사시기가 모두 변화하는 리드이다]
연료분사량 조절기구
연료분사량 조절기구는 가속페달이나 조속기의 움직임을 플런저로 전달하는 것이며, 제어래크, 제어피니언, 제어슬리브 등으로 구성되어 있다. 이들의 전달과정은 가속페달을 밟으면 제어래크 → 제어피니언 → 제어슬리브 → 플런저 회전(연료분사량 변화)순서로 작동한다
(1) 제어래크 control rack
제어래크는 슬리브에 끼워져 잇는 피니언과 결합되어 있으며, 제어래크의 직선운동을 피니언의 회전운동으로 바꾸어 모든 플런저를 동시에 회전시키는 일을 한다. 제어래크의 한쪽 끝은 링크(link)나 핀(pin)으로 조속기에 연결되어 있어 가속페달의 조작은 모두 조속기를 거쳐 제어래크로 전달된다. 무송출에서 전송출까지의 제어래크 이동량은 21~25mm이며, 래크의 다른 한쪽 끝에는 조속기 쪽에서 미는 것에 의하여 펌프 하우징 바깥쪽으로 나오게 되어 있으나 어떤 형식은 최대 송출량 이상으로 래크가 이동하는 것을 방지하기 위하여 펌프 하우징에 설치한 리미트 슬리브(limit sleeve)속에 끼워져 있다. 리미트 슬리브는 슬리브 내에 설치한 댐퍼 스프링(damper spring)으로 기관을 시동할 때 등 제어래크가 되대 연료분사량 이상으로 이동하는 것을 방지한다.
(2) 제어피니언 control pinion
제어피니언은 제어래크와 결합되어 래크의 직선운동을 회전운동으로 바꾸어 슬리브를 회전시켜주며, 슬리브에 클램프 볼트로 설치되어 있어 제어피니언과 슬리브의 관계위치를 변화시켜 각 플런저의 연료분사량을 조절할 수 있다.
(3) 제어슬리브 control sleeve
제어슬리브는 아래 홈에 기워진 플런저의 구동 플랜지를 통해 피니언의 회전운동을 플런저로 전달하여 플런저가 상하운동을 하면서 연료 분사량을 증감할 수 있도록 한다.
딜리버리 밸브 delivery valve : 송출밸브
딜리버리 밸브 플런저의 상승행정으로 배럴 내의 압력이 규정 값(약 10kgf/㎠)에 도달하면이 밸브가 열려 연료를 분사 파이프로 압송한다. 그리고 플런저의 유효행정이 완료되어 배럴내의 연료 압력이 급격히 낮아지면 스프링 장력에 의해 신속히 닫혀 연료의 역류(분사노즐에서 펌프로의 흐름)를 방지한다. 또 밸브 면이 시트에 밀착될 때까지 내려가므로 그 체적만큼 분사파이프 내의 련료 압력을 낮춰 분사노즐의 후전(after drop)을 방지한다. 또 분사파이프 내에 잔압을 유지시킨다.
조속기 governor
(1) 조속기의 기능
디젤기관은 그 사용조건의 변화가 커 부하 및 회전속도 등이 광범위하게 변동하므로 오버 런(over run)이나 기관 가동정지를 일으키기 쉽다. 이를 방지하기 위하여 분사펌프에 조속기를 두고 자동적으로 연료분사량을 가감하여 준전을 안정시킨다. 즉 조속기는 최고 회전속도를 조절하고 동시에 저속운전을 안정시키는 작용을 한다. 특히 저속운전에서는 연료분사량이 매우 적은 양이고 제어래크의 작은 움직임에 대하여 연료분사량의 변화가 크고 도 기관의 부하 변동에 대해서도 조속기 없이는 조절이 어렵다. 조속기는 기관의 회전속도나 부하의 변동에 때라서 자동적으로 제어래크를 움직여 연료분사량을 가감하는 장치이다.
(2) 조속기의 분류
조속기를 구조상으로 분류하면 분사펌프의 캠축에 설치된 원심추에 작용하는 원심력의 변화에 의해 작동하는 기계방식과 회전속도와 부하에 의해 변화하는 흡기다기관 진공을 이용하는 공기방식이 있다. 그리고 기능상으로 분류하면 기관 최고 회전속도와 최저 회전속도만을 조절하는 최고최저 속도 조속기와 최고 및 최저 회전속도뿐만 아니라 모든 회전속도 범위를 조절하는 전속도 조속기가 있다
① 기계식 조속기의 작동(최고 최저속도 조속기) : 분사펌프 캠축의 뒤끝에 설치되어 있으며, 구성은 캠축과 함께 회전하는 원심추, 원심추의 움직임을 제어래크로 전달하는 벨 크랭크(bell crank), 가속페달과 원심추의 움직임을 제어래크로 전달하는 부동레버(floating lever) 및 링크 등으로 되어 있다.
작동은 다음과 같다
분사펌프 캠축의 회전속도가 상승하여 원심력이 커지면 원심추는 조속기 스프링의 장력을 이기고 바깥쪽으로 벌이지기 시작한다. 이 움직임이 부동레버에 전달되어 제어래크를 연료분사량이 감소하는 방향으로 잡아당긴다. 이에 따라 연료분사량이 감소하여 기관 회전속도가 증가하는 것을 방지한다. 반대로 기관의 회전속도가 감소하면 원심추가 조속기 스프링에 의해 안쪽으로 밀려져 제어래크를 연료분사량이 증가하는 방향으로 이동시킨다. 이에 따라 기관 회전속도가 감소하는 것을 방지한다.
② 공기식 조속기(전속도 조속기) : 공기식 조속기는 기관 회전속도와 흡기다기관의 진공도 변화에 의해 연료분사량을 조절하며, 모든 회전속도 범위를 조절하는 전소도 조속기이다. 구조는 제어래크가 다이러프램에 연결되어 있고 다이러프램에 의하여 진공실과 대기실을 형성한다. 대기실은 공기청정기 입구에 파이프로 연결되며, 진공실은 벤투리부분의 보고벤투리에 연결되어 작용한다. 진공실의 주 스프링은 연료분사량이 증가하는 방향으로 제어래크를 누르고 있으며, 대기실에는 스톱레버 및 앵글라이히 스프링을 통하여 제어래크를 눌러 최대 연료분사량 위치에 있도록 한다. 기관 회전속도가 증가하면 벤투리부분의 진공도가 높아지며, 진공실에 진공이 작용하여 주 스프링의 장력을 이기고 다이어프램이 제어래크를 연료분사량이 감소하는 방향으로 이동시켜 회전속도를 감소시킨다. 반대로 기관 회전속도가 감소하면 벤두리부분의 진공도가 낮아져 주 스프링의 장력에 의하여 연료분사량 증가방향으로 제어래크를 밀어 회전속도를 증가시킨다. 공기식 조속기에는 스로틀 밸브가 닫힌 공전운전에서는 진공실의 높은 진공으로 조속기 스프링이 모두 압축되어 기관의 작동이 정지하게 된다. 이를 방지하기 위해 공전기구(idle device)를 두고 있다.
(3) 앵글라이히 장치 angleichen device
기관의 모든 회전속도 범윙에서 공기와 연료의 비율이 알맞게 유지되도록 하는 장치이다.
(4) 연료분사량 불균율
실린더 수가 많은 기관에서 각 실린더마다 연료분사량의 차이가 생기면 폭발압력의 차이가 발생하여 진동을 일으킨다. 즉 연료분사량이 일정하지 않고 차이가 많으몀 연소 폭발음의 차이가 있으며 기관은 부조를 일으킨다. 불균율 허용범위는 전부하 운전에서는 ±3%, 무부하 운전에서는 10~15%이다.
타이머 timer : 분사시기 조정기
연료가 연소실에 분사되어 차고하연소하고 피스톤에 유효한 일을 시킬 때까지는 어느 정도의 시간이 필요하다. 이에 따라 기관 회전속도 및 부하에 따라 분사시기를 변화시켜야 하는데 이 작용을 하는 장치가 타이머이다. 작동은 기관 회전속도가 상승하면 원심추에 작용하는 원심력이 커져 타이머 스프링을 압축한다. 이에 따라 구동 플랜지 저널은 원심추 면을 미끄럼운동을 하고, 베어링핀은 당겨진다. 이 핀의 움직임이 분사 펌프 캠축을 기관 크랭크축에 대하여 어느 각도만큼 빨리 회전시켜 분사시기를 빠르게 해준다.
분사(고압)파이프 fuel injection pipe
분사파이프는 분사펌프의 각 출구와 분사노즐을 연결하는 고압파이프이며, 그 길이는 연료의 분사지연을 줄이기 위하여 가능한 한 짧은 것이 바람직하며, 모든 실린더의 분사지연이 같아지도록 길이가 같다. 분사 파이프의 양끝에는 고압의 연료가 누출되지 않도록 하기 위해 유니언 피팅(union fitting)으로 확실하게 결합한다.
분사노즐 injection nozzle
분사노즐은 분사펌프에서 보내온 고압의 연료를 미세한 안개 모양으로 연소실 내에 분사하는 일을 하는 장치이며, 다음과 같은 구비조건을 갖추어야 한다
① 연료를 미세한 안개 모양으로 하여 쉽게 착화하게 할 것
② 분무를 연소실 구석구석까지 뿌려지게 할 것
③ 연료의 분사 끝에서 완전히 차단하여 후적이 일어나지 않을 것
④ 고온고압의 가혹한 조건에서 장시간 사용할 수 있을 것
분사노즐의 종류
분사노즐의 종류에는 개방형과 밀폐(폐지)형 노즐이 있으며, 밀폐형에는 구멍형, 핀틀형 및 스로틀형 노즐이 있다. 현재 밀폐형 노즐만 사용하므로 이것만을 설명하도록 한다. 밀폐형은 분사펌프와 노즐사이에 니들밸브(needle valve)를 두고 필요할 때만 니들밸브를 열고 연료를 연소실에 분사하는 형식이다.
(1) 구멍형 hole type 분사노즐
구멍형 분사노즐은 니들밸브 앞 끝이 원뿔모양이며, 분사구멍은 볼록하게 된 노즐 보디의 앞끝에 노즐중심선에 대하여 대칭으로 어떤 각도를 두고 1~8개 뚫어져 있다. 분사구멍의 지름은 0.2~0.4mm이고, 분사개시 압력은 200~300kgf/㎠정도이며, 직접분사실식 연소실에서 사용한다. 이 형식은 분사구명이 1개인 단공형과 여러 개의 분사구멍이 있은 다공형이 있다. 다공형은 분무의 미립화와 분산성을 향상시킬 수 있다.
(2) 핀틀형 pintle type 분사노즐
핀틀형 분사노즐은 원기둥 모양의 구멍과 구멍보다 조금 작은 원기둥모양의 니들밸브 앞 끝 핀으로 구성되어 있으며, 고압의 연료에 의해 자동적으로 열려 4˚정도의 정각을 가지는 원불모양으로 분사한다.
(3) 스로틀형 throttle type 분사노즐
스로틀형 분사노즐은 니들밸브의 앞 끝 부분이 길고 나팔 모양으로 테이퍼 가공되어 있으며, 노즐 보디에서 조금 돌출되어 있다. 이 노즐은 핀틀형을 개량하여 분사개시 때 연료분사량을 적게 하고 잠시 후 많은 연료를 분사시켜 디젤기관 노크를 방지할 수 있다.
분사노즐의 구조
분사노즐은 노즐홀더 보디(nozzle holder body)를 중심으로 옆쪽에는 분사펌프에서 보내준 고압의 연료가 들어오는 입구 커넥터가 설치되고, 위쪽으로는 분사압력 조정용 나사, 니들밸브가 열릴 때 스프링을 밀어 올려 주는 푸시로드, 그리고 니들밸브(needle valve)를 시트에 밀착시키는 스프링이 있다. 아래쪽에는 고압의 연료에 의해 정해진 시간 내에 열리는 니들밸브와 이 밸브를 지지하는 노즐보디, 노즐보디를 노즐홀더 보디에 고정하는 너트 등으로 구성되어 있다.
본사노즐의 작동
분사노즐의 작동은 분사펌프에서 고압의 연료가 입구 커넥터를 거쳐 노즐홀더 보디 내로 들어오면 스프링에 의해 시트에 밀착되어 있던 니들밸브가 상승하여 연료가 연소실에 분사된다. 분사되는 동안 고압 연료의 일부는 니들밸드와 노즐보디 사이에서 니들밸드와 노즐보디를 윤활하고 푸시로드와 노즐홀더 보디 사이를 거쳐 연료탱크로 복귀한다.
연료 분무의 3대 요건
① 무화(안개 모양)가 좋아야 한다.
② 관통력이 커야 한다
③ 분포(분산)가 골고루 이루어져야 한다.
분사노즐 점검 및 정비
(1) 분사노즐의 세척
노즐보디와 노즐홀더 보디는 경유나 석유로 세척하고, 노즐홀더 캡은 경유가 스며 있는 나무조각으로 닦는다. 노즐 너트는 나일론 솔로, 노즐홀더 보디 외부는 황동사 브러시로 딱는다
(2) 분사노즐의 과열 원인
① 연료 분사시기가 틀릴 때
② 연료분사량이 과다할 때
③ 과부하에서 연속적으로 운전할 때
(3) 분사노즐 시험
분사노즐 시험은 노즐시험기로 하며, 시험할때 경우의 온도는 20℃정도 비중은 0.82~0.84정도가 알맞다. 시험 항목은 분사개시 압력, 분무상태, 분사각도, 후적 유무 등이 있다.
(4) 분사노즐의 분사압력 조정방법
분사압력 조정은 캡 너트를 풀어 내고, 고정 너트를 푼 다음 조정나사를 드라이버로 조정한다.
커먼레일 방식(전자제어 연료분사장치)
커먼레일 방식의 개요
커먼레일 방식의 사용 배경
디젤기관의 소음감소와 함께 연료경제성 및 유독성 배기가스의 감소를 위해 정밀하고 정확하게 계측되는 연료분사량과 함께 높은 앞력의 분사압력을 형성하는 장치가 필요하다. 따라서 디젤기관의 전자제어 및 고압직접 분사장치가 개발되었다. 이 연료장치에는 커먼레일 (common rail)이라 부르는 연료 어큐뮬레이터(accumulator, 축압기)와 고압연료 펌프 및 인젝터(injector)를 사용하여, 복잡한 장치들을 정밀하게 제어하기 위해 각종 센서와 출력요소 및 기관 컴퓨터(ecu)를 두고 있다.
커먼레일 방식의 장점
커먼레일 방식은 커먼레일에 높은 압력의 연료를 저장하였다가 연소실 내에 약 1,350bar 압력으로 분사한다. 기존의 기계력으로 분사하는 디젤기관은 매번 그리고 모든 분사 사이클(injection cycle)마다 공급 연료의 압력을 다시 발생시켜야 하는 반면, 커먼레일 방식은 분사순서에 관계없이 항상 일정한 압력을 유지한다. 이 압력은 연료장치에 일정하게 유지된다.
① 유해배출 가스를 감소시킬 수 있다
② 연료소비율을 향상시킬 수 있다
③ 기관의 성능을 향상시킬 수 있다
④ 운전성능ㅇ르 향상시킬 수 있다
⑤ 밀집된(compact) 설계 및 경량화를 이룰 수 있다
⑥ 모듈(module)화 장치가 가능하다
커먼레일 방식 디젤기관의 연소과정
파일럿 분사 Pilot injection, 착화 분사
파일럿 분사란 주 분사가 이루어지기 전에 연료를 분사하여 연소가 원활히 되도록 하기 위한 것이며, 파일럿 분사실시 여부에 따라 기관의 소음과 진동을 줄일 수 있다
주 분사 Main injection
기관의 출력에 대한 에너지는 주분사로부터 나온다. 주 분사는 파일럿 분사가 실행되었는지 여부를 고려하여 연료분사량을 계산한다
사후분사 Post injection
사후분사는 유해배출 가스 감소를 위해 사용되는 것이며, 연소가 끝난 후 배기행정에서 연소실에 연료를 공급하여 배기가스를 통해 촉매변환기로 공급한다.
커먼레일 방식 디젤기관의 제어
기관 컴퓨터 입력요소
(1) 연료압력 센서 RPS, Rail Pressuer Sensor
연료압력 센서는 커먼레일 (Common Rail) 내의 연료 압력을 검출하여 기관 컴퓨터로 입력시킨다.
(2) 공기유량 센서(AFS) & 흡기온도 센서(ATS)
공기유량 센서(air flow sensor)는 열막(Hot Film)방식을 이용하며, 주요 기능은 배기가스 재순환 피드백 제어이다. 흡기온도 센서(air temperature sensor)는 부특성 서미스터를 사용하며, 각종 제어(연료분사량, 분사시기, 시동할 때 연료분사량 제어 등)의 보정신호로 사용된다.
(3) 가속페달 위치센서(APS) 1 & 2
가속페달 위치센서(ACCELERATION POSITION SENSOR)는 전자제어 가솔린 기관에서 사용하고 있는 스로틀 위치센서(THROTTLE POSITION SENSOR)와 같은 원리를 사용하며, 가속페달 위치센서 1(main sensor)에 의해 연료분사량과 분사시기가 결정된다.
(4) 연료온도 센서(FTS)
연료온도 센서(fuel temperature sensor)는 수온센서와 같은 부특성 서미스터이며, 연료온도에 따른 연료 분사량 보정신호로 사용된다.
(5) 수온센서(WTS, Water Temperature Sensor)
수온센서는 기관의 냉각수 온도를 검출하여 냉각수 온도의 변화를 전압으로 변화시켜 기관 컴퓨터로 입력시키면 기관 컴퓨터는 이 신호에 따라 연료분사량을 증감하는 보정신호로 사용되며, 열간 상태에서는 냉각 팬 제어에 필요한 신호로 사용된다
(6) 크랭크축 위치센서(CPS, CKP)
크랭크축 위치센서(crank shaft position sensor or crank shaft angle sensor)는 전자감응 방식(magnetic inductive type)이며, 실린더 블록 또는 변속기 하우징에 설치되어 크랭크축과 일체로 되어 있는 센서 휠(sensor wheel)의 돌기를 검출하여 크랭크축의 각도 및 피스톤의 위치, 기관 회전속도 등을 검출한다.
(7) 캠축 위치센서(CMP)
캠축 위치센서(cam shaft positon sensor)는 상사점 센서라고도 부르며, 홀 센서방식(hall sensor type)을 사용한다. 캠축에 설치되어 캠축 1회전(크랭크축 2회전)당 1개의 펄스신호를 발생시켜 기관 컴퓨터로 입력시킨다.
(8) 부스터 압력센서
부스터 압력센서(booster pressure sensor)는 가변용량 과급기(VGT)가 설치된 기관에서 사용하는 센서이다
기관 컴퓨터의 출력요소
(1) 인젝터 injector
고압연료 펌프로부터 송출된 연료가 커먼레일을 통하여 인젝터로 공급되며, 이 연료를 연소실에 직접 분사하는 부품이다
(2) 연료압력 제어 밸브 fuel pressure control valve
커먼레일 내의 연료압력을 조정하는 밸브이며 냉각수 온도, 축전지 전압 및 흡입공기 온도에 따라 보정을 한다
(3) 배기가스 재순환 장치
배기가스 재순환 장치는 배기가스의 일부를 흡기다기관으로 유입시키는 장치이다
(4) 보조 히터장치
커먼레일 방식 기관에서 사용하는 보조 히터장치의 종류에는 가열 플러그방식 히터, 열선을 이용하는 정특성(PTC: positive temperature coefficient)히터, 직접 경유를 연소시켜 냉각수를 가열하는 연소방식 히터 들이 있다
커먼레일 연료공급 장치
연료공급 장치의 개요
커먼레일 방식의 기관 컴퓨터(ecu)는 각종 센서로부터의 입력신호를 기본으로 운전자의 요구(가속페달 설정)를 계산하고 기관과 자동차의 순간적인 작동성능을 총괄적으로 제어한다. 또 각종 센서로부터의 신호를 입력받아 이들 정보를 기초로 공기와 연료 혼합비율을 효율적으로 제어한다
저압 연료계통의 구성요소
(1) 저압연료 펌프 Low pressure fuel pump
저압연료 펌프의 종류에는 기어펌프를 사용하는 방시고가 전동기를 사용하는 방식이 있다
① 기어펌프를 사용하는 저압연료 펌프 : 기어펌프를 사용하는 저압연료 펌프는 고압연료 펌프와 일체로 구성되어 있어 기관의 가동과 동시에 작동되어 고압연료 펌프로 공급한다.
② 전동기를 사용하는 저압연료 펌프
전동기를 사용하는 저압연료 펌프는 전자제어 가솔린 기관에서 사용하는 연료펌프와 거의 같은 구조이며, 연료탱크 내부에 설치하는 방식이 있다
고압 연료계통의 구성요서
(1) 고압연료 펌프 High Pressure Fuel Pump
고압연료 펌프는 기관의 타이밍 체인(벨트)이나 캠축에 의해 구동되며, 저압연료 펌프에서 공급된 연료를 높은 압력으로 형성하여 커먼레일 로 공급한다. 고압연료 펌프는 저압고 고압단계의 사이의 중간 영역에서 볼 수 있으며, 공급된 연료압력을 연료압력 제어밸브에서 규정값으로 유지시킨다. 작동 최고압력은 16000bar정도이고 기관 컴퓨터 제어 최고 압력은 1350bar정도이다
(2) 커먼레일 (common rail, 고압 어큐뮬레이터)
커먼레일 은 고압연료 펌프에서 공급된 높은 압력의 연료가 저장되는 부분으로 모든 실린더에 공통적으로 연료를 공급하는데 사용된다.
(3) 연료압력 제어밸브(fuel pressure control valve)
기어펌프를 저압연료 펌프로 사용하는 방식에서는 저압연료 펌프와 고압연료 펌프의 연료통로 사이에 연료압력 제어밸브가 설치되어 있으며, 고압연료 펌프로 공급되는 연료량을 제어한다. 전동기를 저압연료 펌프로 사용하는 경우에는 커먼레일 에 연료압력 제어밸브가 설치되어 있다. 이밸브는 고압연료 펌프에서 높은 압력으로 된 연료를 복귀계통으로 배출하여 연료압력을 제어한다
(4) 압력제한 밸브 fuel pressure limited valve
입구 제어방식에서는 고압연료 펌프에서 압력이 제어된 연료를 커먼레일로 공급하기 때문에 커먼레일에서는 복귀계통으로 연료를 보내지 못한다. 이에 따라 연료압력 제어에 문제가 발생하여 과도한 압력의 연료가 커먼레일로 공급된다면 고압 연료계통의 파손을 초래한다. 이러한 피해를 방지하기 위하여 커먼레일 내에 과도한 연료압력이 발생될 경우 비상통로를 개방하여 커먼레일 내의 연료압력을 제한한다
(5) 인젝터 Injector
① 인젝터의 개요
커먼레일 방식 기관의 인젝터는 실린더 헤드에 설치되며, 연소실 중앙에 위치한다. 고압연료 펌프로부터 보내진 연료가 커먼레일을 통해 인젝터까지 공급되고, 공급된 연료를 연소실로 분사하는 부품으로 전기신호에 의해 작동하는 구조로 되어 있으며, 연료분사 시작점과 연료분사량은 기관 컴퓨터에 의해 제어된다
② 인젝터에서의 연료분사
커먼레일 방식 기관에서 인젝터의 분사는 제1단계가 파일럿 분사(pilot injection), 제2단계가 주 분사(main injection), 3단계가 사후분사(post injection)이다. 이 단계의 연료분사는 연료압력과 온도에 따라 연료분사량과 분사시기를 보정하며, 제1단계인 파일럿 분사인 경우 기관의 폭발소음과 진동을 감소시키기 위한 분사이며, 제2단계 주 분사는 기관의 출력을 발생하기 위한 것이고, 제3단계인 사후분사는 디젤기관의 특성으로 인해 많이 발생되는 매연을 줄이고, 배기가스 후처리 장치의 재생을 돕기 위한 것이다