전자제어 연료분사장치

내연기관

메카트로닉스공학과

공학박사/교수 윤 천 한

가솔린기관의 연료 계통 및

전자제어 연료분사장치

3

 가솔린기관의 연료 계통

 연료계통(fuel system)

연료가 연료탱크에서 출발하여 연료여과기를 거쳐 실 린더까지 들어가는 연료 통로를 말한다. 연료계통은 가솔린기관과 디젤기관이 다른데, 디젤기관은 후술하 며 여기서는 가솔린기관의 연료계통에 관하여 설명한 다.

가솔린기관의 연료계통에는 연료탱크, 연료여과기, 연 료펌프, 기화기, 흡기 다기관, 흡기밸브, 실린더, 배기 밸브, 배기 다기관, 소음기 등이다

5

(1) 연료 탱크

연료탱크(fuel tank)는 기관이 필요로 하는 연료를 주유 하는 곳으로, 그 크기는 기관이 1일에 필요로 하는 연료 의 양을 기준으로 하여 설계한다.

연료탱크의 재료는 강판을 성형하여 상하 2개의 판을 용접하여 만들고, 내부는 아연을 도금한다. 또 연료의 출렁임을 방지하기 위하여 내부에는 격판을 2~3개 설 치한다. 연료탱크의 가장 밑부분에는 배출구(drain cock)를 설치하여 연료탱크 청소 시, 침전물을 제거시 킬 때 사용한다. 연료탱크에서 발생하는 연료증기를 제 거하기 위하여 상부에는 증발연료관을 설치하고, 증발 연료관과 공기청정기 사이에는 호스를 연결하여 연료증 기를 기화기 쪽으로 보낸다

(2) 연료 여과기

연료 여과기(fuel filter)는 일명 스트레이너(fuel strainer) 라고 하며 연료 속에 있는 부유물과 물 등 불순물을 제 거하는 장치이다. 연료여과기 내부는 종이여과기나 금 속망이 설치되어 있어서 부유물이 제거된다

7

(3) 연료 펌프

연료 펌프(fuel pump)는 연료를 연료탱크에서 기화기 의 플로트실(float chamber)까지 송유하는 것으로 펌 프식과 중력주유식이 있다

연료펌프의 중요한 역할은 플로트실 내의 연료의 양을 일정하게 유지시켜 주는 것이다

(4) 공기청정기

공기청정기(air cleaner)는 연료계통은 아니나 내연기관 에서는 중요하므로 언급한다.

공기청정기는 기관에 흡입되는 공기 중에 먼지나 티끌 등을 제거하는 기구이다.

기관에 흡입되는 공기 중에 먼지나 티끌을 제거하지 않 으면 이것이 실린더 내에 흡입되어 실린더와 피스톤링의 사이에 쌓이게 되고, 피스톤이 왕복 운동할 때 기관을 마 모시킨다.

또 이 불순물이 윤활유실로 흘러 들어가 윤활유를 오염 시키므로 베어링 및 기타윤활부분을 마모시킨다.

흡입공기가 깨끗한 곳에서 운전되는 정치용 기관을 제외 하고는 거의 공기청정기를 설치해야 한다.

9

(5) 흡 배기장치

흡 배기장치에는 흡기밸브, 배기밸브, 흡기다기관, 배기다 기관, 배기관, 소음기, 배기가스 정화장치 등이 있다.

흡 배기밸브와 배기가스 정화장치는 후술하기로 하고, 여 기서는 흡기다기관, 배기다기관, 소음기에 관하여 설명한 다.

11

가솔린기관의 연료 공급 장치로는 기화기(carburettor)와 전자제어 연료분사장치(electronic gasoline injection system)가 있다.

현재는 대부분 전자제어 연료분사장치를 사용하지만 기 화기도 가솔린기관에서 중요한 장치이므로 간단히 설명 한다.

 가솔린기관의 연료 공급 장치

(1) 기화기

1) 기화기의 역할

기화기(carburettor)는 연료펌프에서 보내온 연료와 흡 기관에서 들어온 공기를 혼합하여 혼합기를 만들고, 이 혼합기의 양을 가감시켜 기관의 출력을 가감하는 기구 이다.

가솔린기관에서는 기관의 운전 조건에 따라 요구하는 혼합비가 다르므로 거기에 적응하여 정확한 혼합비가 조성되어야 한다.

기관이 요구하는 혼합비가 가연 한계를 넘으면 실화를 일으킨다.

실화(miss fire)란 스파크 플러그에서 점화를 했는데도 실린더 내의 혼합기가 점화되지 않는 것을 말한다.

13

 기화기의 구비 조건

• 정확한 혼합비가 조성될 것

• 연료의 무화가 잘 될 것

• 기관 출력에 민감하게 순응할 것

• 기화기 내부에 유동 저항이 작을 것

• 공기와 연료가 잘 혼합될 것

• 제작 및 조정이 쉬울 것

2) 기관이 요구하는 혼합비

혼합비(mixture ratio)는 공기연료비(air fuel ratio)라고 도 하며, 흡입공기량과 연료량의 비를 말한다.

즉, 혼합비 M Ge/Gf이다. 이 혼합비가 기관성능에 크 게 영향을 미치며, 기관의 출력에 따라 다르다.

중요한 혼합비를 요약하면 다음과 같다.

• 가연 혼합비는 6 22이다.

혼합비가 6 이하인 경우에는 실린더 내의 연료의 양이 너무 많으므로 스파크 플러그에서 점화시켜도 연료가 점화되지 않는다

• 시동할 때 혼합비는 1 5이다.

시동할 때는 피스톤의 속도가 낮으므로 흡기관의 부압 (대기압보다 낮은 압력)이 낮게 되어 연료의 일부만 기

15

• 저속 운전 시 혼합비는 7 8이다.

기관 실험에 의하면 농후한 혼합비를 요구하므로 연료 의 일부는 기화기의 주 노즐에서 유출되고, 나머지의 일 부는 저속 포트에서 유출되어 농후한 혼합비가 조성된 다

• 최대출력 발생 혼합비는12.8이다.

혼합비12.8을 공기 과잉율로 환산하면 0.89이다.

기관실험에 의하면 혼합비 12.8에서 최대회전력이 발생 한다. 이 혼합비도 이론 혼합비보다 농후하므로 연료는 불완전 연소되면서 기관은 최대출력이 발생한다

17

• 이론 혼합비는 어떤 연료를 완전 연소시키는 데 필 요한 이론 공기량과 연료량의 비를 말한다.

연료에 따라 다르나 이소옥탄(iso_octane; C8H18)의 이론 혼합비 14.8≒15를 기준으로 한다.

• 경제 운전할 때 혼합비는 16 18이다.

경제 운전이란 연료소비율이 가장 낮을 때 운전하는 것 을 말한다. [그림 5-8]에서 연료소비율이 가장 낮은 곳 은 16~18 사이이다.

 혼합비가 너무 농후할 때

• 출력이 떨어진다.

• 연료소비량이 많다.

• 매연이 발생하고 가솔린 냄새가 난다.

• 기관이 과열된다(후기 연소되므로).

• 플러그의 돌출부에 탄소퇴적물이 쌓인다.

• 고속 회전이 불가능하다.

• 윤활유를 희석시킨다.

(액체 상태로 윤활유실로 흘러가므로)

19

 혼합비가 너무 희박할 때

• 출력이 떨어진다.

• 가속 시 역화가 발생한다(연소속도가 느리므로).

• 기관이 과열된다.

• 기관 시동이 곤란하다.

• 고속 회전 시 실화된다.

• 저속 회전이 어렵다.

• 배기가스의 색이 담황색이다.

(2) 전자제어 연료분사장치

1) 전자제어 연료분사장치의 개요

전자제어 연료분사장치(electronic gasoline injection system)는 연료 분사량을 전자제어 유니트(Electronic Control Unit : ECU)로 제어하여 엔진에서 필요한 혼합 기를 효과적으로, 그리고 정확하게 공급하는 장치이다.

연료분사장치는 엔진의 회전속도, 흡입 공기량, 냉각수 온도, 흡입공기의 온도 등 현재의 작동 상태를 각종 센 서로 검지한 후에 연산하여 각각의 운전 조건에 가장 적 합한 혼합기를 공급함으로써, 출력을 향상시키고 동시 에 배기가스를 저감시키기 위한 첨단 분사장치이다.

현재 자동차에서 널리 사용되고 있는 멀티 포인트연료 분사(Multi Point Injection : MPI) 엔진이 대표적인전자 제어연료 분사 엔진이다.

21

1) 엔진의 출력 향상

• 멀티 포인트 연료분사장치(MPI)에 의해 연료의 분배 가 균일하다.

• 벤튜리가 없기 때문에 흡입공기의 유동저항이 작다.

• MPI 엔진은 이상적인 흡기 매니폴드를 형성하고 있다.

2) 유해 배기가스의 감소

• 운전조건에 따른 연료의 공급을 용이하게 할 수 있다.

• 감속 시에 연료 차단(fuel cut)을 용이하게 할 수 있다.

• 고압 분사에 의해 희박 혼합기의 설정이 가능하다.

3) 연료 소비량의 감소

• 연료의 공급 과잉을 억제하여 운전조건에 따른 이상 적인 혼합기의 공급이 가능하다.

• 감속에 따른 연료 차단을 용이하게 할 수 있다.

4) 운전성의 향상

• 가속 및 감속에 대한 응답성이 좋다.

• 냉각수 온도 및 흡기 온도의 악조건에 대한 운전성 이 좋다.

• 베이퍼 록(vapor lock), 퍼컬레이션(percolation), 빙결현상(icing) 등의 고장이 없다.

• ISC(idle speed control)서보에 의해 안정된 공회전 을 유지할 수 있다.

23

5) 저온 시동성의 향상

• 저온 시동 시는 연료의 증량보정에 의해 용이하게 시 동된다.

• 쵸크 밸브와 페스트 아이들(fast idle)캠 대신에 ISC 서보가 작용하여 안정된 시동을 할 수 있다.

전자제어 연료분사장치의 종류

① 분사량 조절 방식에 따른 분류 가. 매니폴드 압 조정 분사식

매니폴드 압 조정 분사방식을 MPC 방식라고도 하며, 흡기매 니폴드의 압력에 의해 기본 연료 분사량이 결정되고, 이에 적 합한 연료를 분사하는 방식을 말한다.

나. 공기량 조정 분사식

연소실에 유입된 공기량을 센서로 감지하고, 이 데이터를 근 거로 기본 연료 분사량을 결정하여 연료를 분사하는 방식을 말한다.

② 분사노즐의 배치방식에 따른 분류 가. 싱글포인트 분사식(SPI)

1개 또는 복수의 인젝터를 한 곳에 장착하여 연료를 분사하는 방식을 싱글포인트 분사식(Single Point Injection : SPI)이라 한 다 . 연 료 를 스 로 틀 보 디 (throttle body) 에 분 사 하 므 로

25

나. 멀티포인트 분사식(MPI)

인젝터를 흡기매니폴드의 모든 실린더에 1개씩 배치 하여 연료를 분사하는 방식을 멀티 포인트 분사식 (Multi Point Injection : MPI)이라 한다.

다. 직접 분사식(DI)

직접 분사식(Direct Injection : DI)은 엔진의 연소실에 인젝터를 설치하여 연료를 연소실에 직접 분사하는 방 식으로 기존의 SPI나 MPI 방식에 비하여 연료의 유입 에 따른 유동손실을 줄일 수 있다.

27

 전자제어 연료분사장치의 구성

전자제어 연료분사장치의 기본적인 기능은 각종 센서 로부터 신호를 받은 후 안전상태에 따른 연료분사, 점 화시기의 설정, 엔진회전수 등의 기능이 전자제어 유닛 (ECU)에 의해 모두 제어된다.

외부에서 유입된 공기는 공기 청정기(air cleaner)를 지 나면서 깨끗한 공기로 정화되어 연소실로 유입되고, 동 시에 연료탱크에 저장된 연료는 펌프에 의해 가압되어 흡기매니폴드나 연소실에서 직접 설치된 인젝터로 분 사되면서 연료-공기 혼합기가 형성되어 연소실내에서 압축되고 연소되는 과정을 밟게 된다.

이러한 연료공급 과정에서 각종 센서(APS, AFS, TPS 등)가 작동되고, ECU에 의해 최적의 혼합기 상태와 공 급량, 공급시기 등이 결정하게 된다.

29

① 전자제어 연료공급장치의 각종 센서 종류와 기능

• 공기 유동 센서(AFS)

흡입되는 공기량을 계측하여 분사 시간을 결정하는 기본 센서로 사용 된다.

• 1번 실린더 TDC 센서

1번 실린더의 압축행정 상사점 위치를 검출하여 이 기준 신호를 ECU 로 보내고, ECU는 이 정보를 기초로 순차적인 분사시기를 결정한다.

• 크랭크 각도 센서(CAS)

크랭크축, 즉 피스톤이 압축 상사점에 대해 어떤 위치에 있는가를 검 출하여 엔진 회전수와 분사 시기를 결정하는 신호로 사용한다.

• 공전 스위치

아이들 스위치(idle switch)라고도 하며, 엔진의 공회전 상태를 검지 하여 ECU는 적정한 공전 상태를 제어한다.

• 스로틀 위치 센서(TPS)

스로틀 밸브의 열림 정도를 검출하여 엔진의 회전운전 모드를 판정하 도록 하고, 가속과 감속 상태를 검지하여, 연료 분사량을 보정한다.

대기압 센서(APS)

대기의 압력을 검지하여 ECU로 보내진 신호는 자동차의 고 도를 계산하여 연료 분사량과 점화시기를 보정한다.

냉각수 온도 센서(WTS)

냉각수의 온도를 검출하여 연료 분사량, 점화 진각, 공회전 속도 등을 보정한다.

흡기 온도 센서(ITS)

흡기 매니폴드의 흡기 온도를 검출하여 연료 분사량, 점화 진각, 공회전 속도 등을 ECU에 의해 정밀하게 보정한다.

모터 위치 센서(MPS)

ISC 모터의 플런저 위치를 검출하여 ECU로 전달하고, ECU 는 이 데이터를 기초로 ISC 제어를 한다.

IG-SW “ST”시동 모터의 “S” 단자 전압으로부터 연료펌프 가 구동되고, 분사량, 점화시기, 스로틀 개도를 제어한다.

31

• 차속 센서(VSS)

차속 신호를 펄스 신호로 변환시켜 ECU로 보내면, 이 정보를 기초로 공회전 속도를 조정하여 자동차가 공회 전 상태인지 또는 주행상태인지를 파악한다.

• 에어컨 릴레이

에어컨의 제어 신호를 읽어서 ISC-servo 제어 신호로 사용된다.

• 가변 저항기(variable resistor)

배기 유해가스를 조정하기 위한 조절장치이다.

• 산소 센서

배기가스의 산소농도에 따라 이론 공연비를 중심으로 출력 전압이 급격히 변하는 원리를 이용한 센서로서, 변 동되는 출력 전압을 ECU로 보낸다. 이 신호에 따라 Close Loop 제어가 이루어진다.

 가솔린기관의 점화 계통

가솔린기관에서는 혼합기를 흡입 압축한 후 스파크 플 러그의 양극 사이에 전기방전으로 불꽃을 발생시켜 점 화한다.

이때 점화 시기는 적당해야 하고, 스파크 플러그의 양극 사이에는 고압의 전압이 필요하다.

이와 같이 고압의 전류를 발생시켜 플러그에서 방전시 키는 모든 전기 계통을 점화장치라고 한다.

점화장치에는 전원, 점화코일(ignition coil), 단속기 (contact breaker), 축 전 기 (condenser), 배 전 기 (distributor), 스파크 플러그(spark plug) 등이 있다.

33

(1) 전원

점화장치의 전원은 축전지(battery)와 마그네토(magneto)가 사용된다. 소형기관 및 항공기용 기관에서는 마그네토, 즉 발 전기식 점화장치를 사용하고, 자동차용 기관에서는 축전지식 점화장치가 사용된다. 어느 것이나 점화장치의 회로는 같고 전원만 다르다.

1) 축전지

축전지(battery)는 6V, 12V, 24V를 사용한다. 시동할 때와 저 속 운전할 때는 발전기에서 발생하는 전류가 약하므로 축전 지를 이용한다. 고속 운전할 때에는 발전기에서 충분한 전류 가 발생하므로 일부는 점화에 이용되고 일부는 축전지의 충 전에 이용된다.

축전지식은 시동을 용이하게 하고, 조명이 필요한 자동차기 관에서 주로 이용한다. 그러나 납축전지를 사용하므로 무게 가 무겁고, 발전기와 같이 사용되지 않으면 고속 운전시 점화

35

축전지 내부에서 일어나는 화학식은 다음과 같다.

양극 전해액 음극 양극 전해액 음극 　PbO₂ + 2H₂SO₄ + Pb PbSO₄ + 2H₂O + PbSO₄ 　

즉, 축전지가 방전할 때는 양극과 음극은 황산납 (PbSO₄)이 되고, 전해액은 물(2H₂O)이 된다. 방전된 축전지를 다시 충전하면 원상태로 환원된다. 각 셀의 중앙부에는 전해액이 흘러나오는 것을 막기 위한 마개 가 있는데, 마개 중앙에 작은 구멍이 있다. 이 구멍은 축전지 내부에서 증발된 증기나 물이 전기 분해되어 생 기는 수소(H₂)와 산소(O₂)를 배출하기 위한 것이다.

37

 마그네토식

마그네토식은 축전지식과 회로는 같으나 점화코일이 없다. 즉, 마그네토식은 소형 발전기이기 때문에 그 자체 내에 1차 코일과 2차 코일을 직렬로 설치하여 1 차 코일에서 발생된 전류를 2차 코일에서 직접 고전압 으로 바꾸어 배전기로 보낸다.

39

 점화코일

점화코일(ignition coil)은 일종의 변압기로서 축전지의 낮은 전압(12V)을 고전압(10,000 15,000V)으로 변압시키는 기구이다. 즉, 축전지의 전압이 고전압으로 바뀐다. 구조는[그림5-35]에 나타낸 바와 같이 중앙에연철심이 있고, 연철심 주위에 지름이 0.06~0.1mm인 에나멜(enamel) 동선을 13,000~45,000회 감아 2차 코일로 사용하고, 그 외측에 0.4~1.0mm의 에 나멜 동선을 100 500회 감아1차 코일로 사용한다. 1차 코일은 한 끝은 축전 지에 연결되고, 다른 한 끝은 단속기의 접점에 연결된다. 2차 코일의 한 끝 은접지되고, 다른 한 끝은 배전기에 연결되고 배전기에서 플러그로 연결시 킨다.

 단속기

단속기(contact breaker)는 점화장치의 1차 회로를 단속하여 2차 회로에 고압을 유도하는 장치이다. 즉, 1차 회로를 연결시키고 끊 고 하는 장치이다.

이 시기가 스파크 플러그의 점화진각과 관계가 있다. 단속기의 접 점이 열리는 순간, 즉 1차 회로가 끊기는 순간에 스파크 플러그에 서 불꽃이 발생한다. 이 차단시기가 빠르면 점화시기가 빨라지고, 이 시기가 늦어지면 점화시기가 상사점 가까이로 늦어진다.

41

 점화시기 조정장치

기관의 회전수가 증가함에 따라 점화시기를 전진시켜 야 한다. 즉, 연료가 연소하는 시간은 거의 일정한데, 피스톤의 속도가 빠르므로 점화시기를 진각시키지 않 으면 연료가 팽창행정 중간까지 연소하여 출력이 떨어 지고 냉각수의 온도가 높아진다.

그러므로 회전수가 빠르면 점화시기를 빨리 하여 연소 가스의 최고압력이 상사점 후 10 13˚에서 일어나도록 해야 한다.

이와 같이 회전수 변화에 따라 점화시기를 바꾸어 주 는 장 치 를 점 화 진 각 장 치 (ignition advance mechanism)라고 한다.

점화진각장치는 주로 원심력식과 진공실식을 이용한 다.

43

점화 플러그

점화 플러그(spark plug)는 배전기에서 공급된 고전압 을 점화시기에 방전시켜 혼합기를 점화시키는 기구이 다.

 브리지(bridge forming) 현상

일반적으로 플러그 간극의 온도는 400 이나, 실린더 내 의 온도가 낮으면 연료의 일부가 불완전 연소되고, 실 린더 내의 윤활유가 일부 분해되어 플러그 간극 사이에 쌓이게 된다.

이 쌓인 물질을 탄소퇴적물이라고 한다.

이 탄소퇴적물 때문에 전류의 일부가 누전되어 스파크 불꽃이 약해지고, 심하면 불꽃이 일어나지 않는 현상을 브리지(bridge forming) 현상이라고 한다.

45

 자기 청정온도(self cleaning temperature)

플러그 간극에서 브리지 현상이나 조기점화가 일어나 지 않는 온도, 즉 500 800 로 유지되어야 한다.

이 온도를 플러그의 자기 청정온도(self cleaning temperature)라고 한다.