내연기관
메카트로닉스공학과
공학박사/교수 윤 천 한
디젤기관의 연료 분사 계통
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디젤기관의 연료 분사 방법
무기분사식(airless injection system)은 연료분사 펌 프에서 연료를 400~800 kg/cm2로 압축하여 연료분사 노즐을 통하여 분사하는 방법이다. 연료가 노즐을 통하 여 분사되므로 연료입자의 크기가 불균일하다.
또 연료분사 노즐의 방향에만 연료가 분사되므로 공기 와 균일하게 분포되지 않아 연소속도가 길어진다. 연료 입자의 크기 때문에 착화 지연도 길어진다. 그러나 연료 량 제어가 쉽고 회전수를 증가시킬 수 있어서 현재는 거 의 무기분사식 디젤기관이 사용된다.
연료 분사 조건
연료가 실린더 내에서 양호하게 연소되기 위하여 필요 한 조건을 말한다.
즉, 연료가 완전 연소되기 위해서는 연료입자가 미세 하게 무화(atomization)되어야 하고 공기와 잘 분포 되 어야 한다.
공기와 균일하게 분포되기 위해서는 분사된 연료는 실 린더 내의 구석구석까지 관통되어야 한다.
이러한 조건을 연료분사 3대 조건이라고 한다.
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1) 무화
연료분사 노즐에서 분사된 연료가 안개 입자처럼 미 세한 입자가 되는 것을 무화(atomization)라한다. 미 세한 입자가 될수록 공기와 접촉면적이 커지고 연소 시간이 짧아진다. 연료입자가 미세하면 착화 지연이 짧아진다. 그러므로 연료입자의 지름이 작아야 한다.
보통 5~30㎛ 정도이다.
그러나 연료입자의 지름이 너무 작으면 실린더 내의 구석구석까지 도달할 수 있는 관통력이 약해진다.
또한 연료입자가 너무 적으면 연료입자가 모여 있는 곳만 많이 모여 있고, 실린더 내의 모서리 같은 곳은 공기가 남게 되어 연료가 모여 있는 곳에서 공기 부족 으로 불완전연소가 일어난다.
2) 관통력
연료입자가 실린더 내의 구석구석까지 도달할 수 있 는 운동량을 관통력(penetration)이라 한다.
관통력은 연료입자의 직경에 비례한다.
연료입자의 지름이 크면 관통력은 양호하나 연소시간 이 길어진다.
이 관통력은 전술한 무화와 상반되는 조건이다. 그러 므로 연료입자의 지름은 무화와 관통력을 동시에 만 족시킬 수 있도록 해야 한다.
최근 연료분사압력을 고압화 하는 추세도 이러한 목 적을 달성하기 위해서이다.
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3) 분포
연소실 내에서 공기와 연료가 균일하게 혼합되는 것 을 분포(distribution)라 한다.
디젤기관에서는 연료가 일정한 방향에서 분사되므로 연료와 공기가 잘 혼합되지 않는다.
한편, 분사 즉시 연료가 착화하므로 그 연소가스의 압력으로 공기는 더욱 압축되어 실린더 바깥쪽으로 밀 려가게 된다.
이 바깥쪽에 있는 공기를 이용하지 않으면 연료는 불 완전 연소된다.
그러므로 디젤기관에서는 연소실 모양을 특수하게 설계하여 압축행정 말에 실린더 내의 공기가 와류 및 난류가 일어나게 해야 한다.
디젤기관에서 연료입자에 영향을 미치는 인자
• 분사 노즐의 지름이 작으면 연료입자의 지름이 작아 진다.
• 연료분사 압력이 높으면 연료입자의 지름이 작아진 다.
• 실린더 내의 온도가 높으면 연료입자의 지름이 작아 진다.
• 배기압력이 높으면 연료입자의 지름이 작아진다.
• 실린더 내에서 공기가 와류를 일으키면 연료입자의 지름이 작아진다.
• 노즐 출구에서 연료가 와류를 일으키면서 분사되면 연료입자의 지름이 작아진다.
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디젤기관의 연료 분사 계통
디젤기관의 연료분사 계통은 연료가 연료탱크에서 연소실까지 흐르는 경로를 말한다.
주요 장치는 연료탱크, 2~3개의 연료여과기, 연료 펌프, 연료분사펌프, 연료량 제어장치(조속기), 자동 분사시기조절기(오토메틱 타이머), 연료분사 노즐 등 이 있다.
연료 여과기
연료 여과기(fuel filter)는 연료 속에 있는 부유물이나 불순물을 제거하는 기구이다.
연료분사 펌프 및 연료분사 노즐이 정밀 가공되어 있 으므로 연료 속에 포함되어 있는 불순물을 완전 제거 하기 위하여 2~3개의 연료여과기를 설치한다.
연료탱크와 연료펌프 사이에 설치하는 여과기의 여과 망은 눈금이 100메시(mesh) 정도이고, 연료펌프와 연 료분사 펌프에 설치하는 여과기의 여과망은 200메시 정도이며, 상부에는 체크밸브가 있어서 연료의 압력이 1.5 kg/cm2 이상이면 체크밸브가 열려 연료의 일부가 연료탱크로 되돌아가게 함으로써 연료의 압력을 일정 하게 유지시켜 준다.
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연료 펌프
연료펌프(fuel pump)는 연료탱크에서 연료분사 펌프까지 연료를 송출하는 장치이다. 중형이나 대형 기관에서는 기 어 펌프(gear pump)를 사용하고, 소형 기관에서는 피스톤 펌프(piston pump)를 사용한다. 또 일부 기관에서는 가솔 린기관처럼 막판 펌프(diaphragm pump)를 사용한다.
연료 분사 펌프
연료 분사 펌프(fuel injection pump)는 연료를 200 400 kg/cm2 으 로 압 축 하 여 연 료 분 사 관 (injection pipe)을 거쳐 연료 분사 노즐로 보내 주는 장치이다.
고압으로 연료를 압축해야 하므로 대부분의 기관에서 는 플런저 펌프(plunger pump)를 사용한다.
연료분사펌프는 정확한 연료의 양을 연료분사시기에 연료분사 노즐로 보내 주어야 한다.
연료분사 펌프에서 보내 주는 연료의 양이 기관의 회 전수와 출력을 가감시켜 주기 때문이다.
즉, 연료량이 감소하면 회전수가 낮아지고, 연료량이 증가하면 회전수가 높아진다.
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연료 분사 펌프에서 연료에 가해지는 압력은 연료분사 노즐에서 연료입자의 크기에 커다란 영향을 준다.
즉, 연료분사압력이 높으면 연료입자의 지름이 작아진 다. 그러므로 연료분사 펌프는 디젤기관에서 매우 중요 한 부품이다.
디젤기관의 연소실에는 여러 가지 종류가 있는데, 이 연소실의 모양에 따라 연료분사 압력이 다르다.
즉, 직접 분사식은 연료분사 압력이 400~800 kg/cm2 이고, 예연소실식 디젤기관은 300~450 kg/cm2이며, 공기실식에서는 120~140 kg/cm2이다. [그림 6-4]는 4실린더용 연료분사 펌프의 구조이다.
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배럴(barrel) : 배럴은 연료분사 펌프의 몸통으로서, 하우징(housing)이라고도 하며 원통형이다. 내부에서 플런저가 왕복운동을 한다. 이 배럴에 흡입공과 토출 공을 설치한다.
플런저(plunger) : 플런저는 배럴 내에서 왕복운동하 면서 플런저의 행정체적 만큼 연료량을 토출구로 압 송해 주는 피스톤의 일종이다. 보시형에서는 플런저 의 경사홈을 스필포트(spill port), 즉 연료 제어공과 일치시켜 연료량을 가감시킨다. 스필 포트는 송출되 는 연료의 일부를 흡기관으로 되돌려보내는 포트이다.
그러므로 바이패스 공(by pass port)이라고 한다.
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흡입공(intake port) : 흡입공은 연료펌프에서 보내 온 연료를 연료분사 펌프의 배럴 내로 보내 주는 구 멍이다.
보시형에서는 흡입공으로도 이용되고, 스필 포트로도 이용되는 것이 있다. 즉 연료가 배럴내로 들어갈 때는 흡입공으로 이용되고, 플런저의 경사홈이 흡입과 일치 되면 연료실에 있는 연료가 경사홈을 통하여 흡입공으 로 나오므로 스필 포트이다.
이와 같이 연료가 일정한 방향, 즉 토출공으로 흐르고 있다가 반대 방향으로, 즉 토출공에서 흡입공으로 흐르 는 것을 바이패스(by pass)라고 한다.
스필 포트(spill port) : 스필 포트는 연료제어공이라고 하며, 연료가 토출공으로 토출되다가 스필포트가 열 려있으면 흡기공으로 흐른다. 그러므로 스필포트가 열리는 시기가 연료분사가 끝나는 시기이다.
플런저가 1행정하는 동안에 어느 곳에서 스필 포트가 열 리느냐에 따라 연료량이 달라진다.
즉, 플런저가 하사점에 있을 때 스필포트가 열려있으면 토출공으로 연료의 토출이 없으므로 기관은 정지한다.
반대로 플런저가 상사점에 있을 때 스필 포트가 열리면 연료량은 최대가 된다.
토출공 : 토출공은 연료분사 펌프에서 압축된 연료가 연료분사 노즐로 나가는 구멍이다.
토출된 연료가 역류되지 않게 토출밸브는 체크밸브로 되어 있다. 토출공에 연료 분사관을 설치하고 이것을 각
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플런저 스프링: 플런저스프링은 플런저를 상사점에서 하사점으로 이동시키는 장치이다. 플런저 밑에 있는 캠 은 플런저를 하사점에서 상사점으로 밀어 올려 배럴내 의 연료를 압축시키고, 플런저가 상사점에서 하사점
으로 내려올 때는 스프링의 장력에 의해서 이동된다.
캠축과 캠 : 크랭크축과 캠축은 타이밍 기어(timing gear)로 연결된다.
또 캠축에 연료분사 펌프의 캠을 설치하여 캠의 양정만 큼 배럴 내의 플런저가 행정을 한다. 캠축의 캠이 플런 저 밑의 롤러(roller) 혹은 태핏(tappet)에 접촉할 때가 연료분사 시기이다. 그러므로 연료분사 시기를 바꾸려 면 캠이 플런저에 접촉하는 시기를 조정하면 된다. 플 런저의 밑에 있는 롤러는 캠과 플런저의 운동을 원활하 게 하기 위해 설치한 것이다.
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연료 분사 펌프의 연료 분배 형식
다 실린더의 경우 연료분사 펌프를 1개 설치하는 것과, 각 실린더마다 연료분사 펌프를 설치하는 것이 있다.
기관에 연료분사 펌프를 설치하는 방법에 따라 연료분 사 펌프의 종류가 달라진다. [그림 6-10]은 각 실린더 에 연료 분배 형식을 나타낸 것이다.
1) 독립식
독립식(individual pump system)은 [그림 6-10](a)와 같이 각 실린더마다 연료분사펌프를 설치한 것이다. 각 실린더마다 하나의 연료분사펌프가 있으므로 고가이다.
그러나 구조가 간단하고 조작이 쉽다.
2) 분배식
분배식(distributor system)은 [그림 6-10](b)와 같이 다 실린더 기관에서 연료분사 펌프를 1개 설치하여 이 연료분사 펌프에서 압축된 연료를 각 실린더로 분배 하는 형식이다. 각 실린더 밑에는 분배기가 설치되어 있고, 이 분배기 내에는 연료 송출밸브와 송출밸브를 개폐하는 구동 캠이 있다.
즉, 연료분사 펌프에서 압축된 연료는 분배기로 압송 되고, 분배기 내의 송출밸브를 구동캠이 작동하여 각 실린더의 분사시기에 연료분사 노즐로 연료를 보낸다.
연료분사 펌프에서 분배기로 압송되는 연료량은 간헐 적이며, 연료분사 펌프에서 연료가 압송될 때 분배기 내의 송출밸브가 열린다.
운전 중의 연료량 제어는 연료분사 펌프에서 한다.
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자동식 분사시기 조절기
자동식 분사시기 조절기(automatic injection timer)의 구조는 캠축이 연결된 허브(hub), 조정 스프링, 특수 곡 면이 있는 원심추, 구동플런저 등으로 되어 있다. 허브 에 돌출된 베어링핀은 원심추의 보스에 끼워져 원심추 를 지지한다.
즉, 원심추는 허브의 베어링핀에 끼워져 요동한다. 허브 의 베어링핀은 원심추의 보스로 거쳐 구동플런저의 저 널과 일정한 거리에 조립되고, 구동플런저에 돌출된 저 널은 원심추의 특수 곡면 위에 놓인다. 이 구동플런저의 저널과 허브의 베어링핀 사이에 조정스프링이 조립된다.
힘의 전달 방향은 ‘구동플런저 ⇒ 구동프런저의 저널 ⇒ 조정스프링 ⇒ 허브의 베어링핀 ⇒ 허브 ⇒ 캠축’순으로 전달된다.
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연료 분사 노즐
연료 분사 노즐(fuel injection nozzle)은 연료분사 밸브 라고도 하며, 연료분사 펌프에서 보내온 연료를 실린더 내에 분사하는 장치이다. 연료분사 노즐은 노즐을 설치 하는 노즐 홀더(holder)와 노즐 본체로 되어 있다.
개방 노즐(open nozzle) : 개방노즐은 연료분사펌프와 노 즐 사이에 연료 차단장치, 즉 밸브장치가 없는 것을 말한다.
그러므로 연료분사 펌프에서 노즐로 연료가 송출되면 그 시기에 실린더 내로 분사된다. 또, 분사시기가 끝나도 노즐 내로 부착된 연료가 실린더 내로 흘러 들어간다. 이 것을 후적(after dripping)이라고 한다.
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반개방 노즐 : 반개방 노즐은 연료분사 펌프와 노즐 사이에 간 단한 체크밸브를 설치한 노즐이다.
연료분사 시기에 연료분사펌프에서 연료를 송출하면 그 연료의 압력으로 체크밸브가 열려 노즐에서 연료가 분사되고, 연료분사 가 끝나면 체크밸브가 노즐을 막아서 더 이상의 연료분사를 차단 하는 것이다 연료의 압력이 약간만 작용해도 체크밸브가 열려 연 료가 흘러 들어간다. [그림 6-14](b)는 반개방 노즐의 구조이다.
기계 작동식 노즐: 기계작동식 노즐은 연료분사펌프와 노즐 사 이에 니들밸브가 설치되어 있다.
이 니들밸브 후면에는 푸시로드와 로크암이 있고, 푸시로드에는 노즐 스프링이 삽입되어 푸시로드를 장력으로 누르고 있다. 푸시 로드는 니들밸브를 노즐에 밀어 니들밸브가 노즐에 압착되게 한 다. 연료분사 시기에 로크암이 작동하여 푸시로드를 당기면 노즐 스프링이 압축되므로 니들밸브가 노즐을 개방하여 연료가 분사된 다. 연료분사가 끝나면 로크암이 밑으로 이동하여 푸시로드에서 떨어지므로 노즐스프링의 장력으로 니들밸브는 노즐을 막는다.
이와 같이 기계 작동식은 로크암을 작동하여 분사시기에 노즐을 개방하는 방법이다.
자동분사 노즐 : 자동분사 노즐은 기계 작동식 노즐과 구조는 같으나 로크암이 없고 노즐 스프링의 위치가 다 르다. 즉, 노즐 스프링 혹은 압력 조정스프링을 푸시로 드 위에 설치하여 니들밸브를 노즐에 압착시킨다.
[그림 6-13]은 자동분사 밸브의 구조이다. 연료펌프에 서 압축된 연료는 노즐 홀더의 연료관을 통하여 니들밸 브 앞면으로 들어와 그 연료의 압력으로 니들밸브가 압 력 조정스프링을 압축하므로 니들밸브는 열리고 연료 가 분사된다.
분사시기가 끝나면 압력 조정스프링의 장력으로 니들 밸 브는 닫힌다. 이 압력 조정스프링 후면에는 압력 조 정용 볼트가 있어서 이 조정볼트로 분사압력을 조정한 다.
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단공노즐(single hole nozzle) : 단공노즐은 노즐 구 멍이 1개 있는 노즐이다.
노즐 구멍 1개로 적정량의 연료가 분사되므로 노즐 구 멍의 지름이 크다. 이 때문에 연료입자의 지름이 크고 관통력이 크다. 연소실 내에 와류가 일어나는 예연소실 디젤기관에 사용된다.
다공노즐(multi-hole nozzle) : 다공노즐은 노즐 구 멍이 2~10개 정도 있는 노즐이며, 직접분사식 디젤 기관에 사용된다.
연소실 내의 각 방향으로 분사시킬 수 있어서 연료가 공기에 잘 분산되나, 노즐 구멍의 지름이 0.2~0.3mm 정도이므로 잘 막힌다.
핀틀 노즐(pintle nozzle) : 핀틀 노즐은 단공노즐로노즐 구멍의 지름을 1~3mm 정도로 만들고, 이곳에 니들밸 브를 설치한 것이다.
니들밸브의 끝은 원통형으로 되어 있어서 분사 초기, 즉 니 들밸브가 열릴 때 연료량이 너무 많이 분사된다. 또 분사초 기에 연료가 분사되는 각은 노즐의 중심선에서 4~45˚로 분사되어 노즐 중심선 부근에는 연료입자가 희박해지다가 분사기간 중간과 연료분사 말에는 노즐의 중심선 부근에 연료량이 너무 많이 분사된다. 이 때문에 연료가 실린더 내 에 잘 확산된다.
교축 노즐(throttle nozzle) : 교축노즐은 핀틀 노즐과 비 슷하나 니들밸브 끝의 모양이 다르다.
즉, 니들밸브 끝의 모양이 원추형으로 되어 있어 니들밸브 가 열릴 때 노즐 구멍을 축소하게 되어 있다. 그러므로 분
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