연료 분사
1. 개요
내연기관에서, 내연기관의 연소실에 연료를 분사하거나, 혼합기를 조성하는 방식을 지칭하는 말이다.
2. 역사
연료 분사는 카뷰레터에서 연료를 기화시키는 것과 달리 강제로 무화시켜 혼합기를 조성하려는 시도에서 출발했다. 이는 디젤 엔진의 연료인 경유나 중유가 비휘발성이라 카뷰레터식에서는 제대로 기화되지 않아 혼합기를 조성하는 것이 힘들었기 때문이었다. 연구 초창기부터 노즐을 이용한 분사 방식을 채택했으며, 직접적으로 최초의 연료 분사식 엔진은 루돌프 디젤이 자신의 디젤 엔진에 보쉬 사의 노즐을 사용하는 것으로부터 시작되었다고 할 수 있다.
이후 가솔린 엔진에서도 카뷰레터를 통하지 않고 분사를 통해 혼합기 조성을 하는 방법이 연구되기 시작했고 90년대 이후에는 거의 모든 메이커에서 간접분사를 채용하였다. 2000년대 이후엔 직접분사 엔진 또한 상용화에 성공, 대량으로 양산되어 일반 양산차량에도 장착되기 시작한다.
3. 기술적 사항
분사는 직접분사, 간접분사 모두 연료분사 노즐 혹은 인젝터를 통해 이뤄지며 디젤 엔진과 가솔린 엔진의 연료 분사 메커니즘은 각 엔진의 연료 특성이나 엔진 특성의 차이와 비슷한 차이가 있다.
3.1. 간접 분사
연료를 연소실이 아닌 다른 곳에 분사하는 방식이다. 보통 휘발유 엔진의 포트 분사가 해당된다. 연료 인젝터가 연소실 밖 흡기 매니폴드에 위치하며, 따라서 흡기 매니폴드에서 연료 분사가 이뤄진다. 공기가 흡기 매니폴드로 흡입될 때에 연료가 분사되며, 이때 연료와 공기가 혼합된다.
3.1.1. 기계식
잘 알려지지 않았지만 가솔린 엔진에도 기계식 인젝션(mechanical injection)이 있었다. 이 방식은 엔진 동력을 이용한 방식으로 고압분사로 기화를 더 잘 일으키고 엔진의 급조작에 대해 연료분사량을 빠르게 늘리거나 줄이게 하기 위해 개발됐다. 독일에서는 베어링으로 유명한 FAG가 Kugelfischer(쿠겔피셔)라는 이름으로 상용화했다. 자주 사용되진 않았고 고압이 필요한 직분사 방식이었던 벤츠 300SL(W198) 정도를 대표로 꼽을 수 있다. 이런 단순한 기계식 인젝션에서 발전하여 1970년대 오일쇼크를 겪으면서 연비향상을 위해 좀 더 정교하게 다듬은 시스템이 제트로닉이다.
디젤 엔진에서는 처음 개발되던 당시부터 이미 별도의 플런져펌프[1]를 이용한 간접분사식이 채택되었다. 가솔린엔진과는 달리 연료자체가 기화하기 어려워 연소방식이 달라서 고압으로 무화분사를 해야 하는데, 엔진 동력을 이용한 고압펌프로는 분사압력을 높이기에 한계가 있어서 무화가 잘 일어나지 않아 연소능력이 저하되는 문제가 있다. 이에 예연소실식과 와류실식같은 부 연소실을 두어 여기에 분사하고 연료를 예열시켜 압축착화가 잘 되도록 고안했다.
3.1.2. 전자식
가솔린 엔진은 인젝터의 분사방식에 따라 기통별 순차분사방식을 이용하는 MPI 엔진(Multi Point Injection)과 계속분사방식인 SPI 엔진(Single) 혹은 TBI 엔진(Trottle Body Injection)이 있다. 전자는 아직까지 주로 사용되는 시스템이고 후자의 경우 대표적으론 대우 르망이 있다.
디젤 엔진은 플런져를 전자화 시켰다. 가버너를 전자식으로 조절하는 전자플런저 방식이 도입되어 분사량과 타이밍을 가변적으로 조절할 수 있었다. 진보된 방식으론 메인 펌프를 통해 공급된 연료가 각 실린더마다 고압으로 압축하는 작은 피스톤 형태의 소형 펌프가 배치되어 실린더에 미립자 형태로 분사하는 기술이다. 대표적인 것이 실린더 헤드에 고압펌프와 한 몸이 된 인젝터가 달려 분사량과 타이밍을 조절하는 전자식 유닛 인젝터(EUI)와 연료 라인에서 인젝터 가기 전 실린더 헤드에 따로 있는 고압 펌프가 이를 전자식으로 조절해 실린더에 연료를 고압 압축분사하는 전자식 유닛 펌프(EUP)가 있다. 이 역시 피드백 기능을 넣어 연료 분사량을 알맞게 조절해 배기가스 이미션을 충족하기 위해 개발되었다. 이쪽은 기계식보다 오히려 성능이 낮아지는 문제가 있으며 ECU가 멍청하면 더욱 더 안습이 된다. 이는 디젤엔진은 연료분사량 조절을 통해[2] 엔진을 컨트롤 하는데, 배기가스 저감을 위해 분사량을 줄여버리면 결과는 당연하다.
3.2. 직접 분사
직접 분사는 연소실 내에 직접 연료를 분사하는 형태로, 보통 "직분사(Direct injection, Di)"라 줄여서 표현한다.
직접 분사는 간접분사에 비해서 효율이 높은데 이는 가솔린 엔진의 경우 실린더에 공기만 들어간 상태에서 분사하여 밸브 오버랩 시에 혼합기가 배기밸브로 딸려나가 손실이 발생하는 것을 막을 수 있고, 혼합기 상태로만 연소실에 흡기되는 간접분사 방식에 비해 더 미세하고 정확하게 분사량을 조절할 수 있기 때문이다.
점화시기 직전에 연료를 분사하는 이러한 특성 때문에 노킹의 위험에서 좀 더 자유로워져 압축비를 높여 열효율을 증가시키는 결과까지 생긴다. 제원표를 보면 동일 엔진일 때 직분사 방식의 압축비가 더 높다. 하지만 최근 높은 압축비로 인해 질소산화물 배출이 늘었다는 소리가 있다.
디젤엔진은 종래 간접분사 방식에서는 "예연소실"에 분사하는 방식이였지만, 피스톤의 한 부분에 팽창 압력이 몰리는 문제가 있었고 가솔린 엔진보다 약 2배나 되는 압축비로 인해[3][4] 연료 압력 증가의 어려움으로 직분사 엔진 상용화가 늦었다.
디젤 직분사의 대명사 격으로 인식되는 "커먼레일(CRDi)"시스템의 아이디어는 1960년대에 나왔으나 실생활의 적용은 90년대 일본 덴소사에 의해서 시작된 것에서 그 단편을 볼 수 있다. 고압의 미립자화된 연료를 직접 분사하므로 연소실 전체에 연료가 고루 분사되고 무화율이 상승함에 따라 효율이 올라가 출력과 연비, 배기가스 배출이 이전에 비할 수 없을 만큼 좋아졌으며 헤드의 예연소실이나 와류실이 사라져 실린더당 밸브 수를 늘리는 것과 DOHC의 적용이 가능해져 엔진성능도 비약적으로 상승했다.[5]
초기에는 1000bar 근처였던 분사압력이 최근에는 디젤, 가솔린 직분사 엔진 모두 피에조 인젝터의 사용으로 분사압이 더 높아져 2000bar[6]에 이르고 있으며 이에 탄력을 받아 더욱 더 미립자화된 연료의 분사량을 미세하고 정확하게 조정할 수 있어 직분사 엔진의 성능과 연비는 더욱 향상되고 있다. [7]
4. 관련문서
[1] Plunger Pump, 현장에서 부란자라는 일본식 발음으로 부른다. 랙과 가버너 같은 기계장치를 이용해 연료량과 연료차단을 실시한다.[2] 엑셀과 고압펌프가 연결되어있고 엔진 운전용 스로틀 밸브는 없고 EGR용 스로틀 밸브만 존재[3] 90년대 때 가솔린은 8.5~10.1:1 디젤 논터보는 20:1 이상, 과급은 16~18:1 정도[4] 기존 작성은 혼합기가 배기밸브로 딸려나가는 걸 방지했다고 작성되어 있었지만 디젤엔진은 간접 분사 시절에도 분사시기를 통해 연소를 제어 했고, 연료분사 시기 자체도 가솔린과는 달리 배기밸브가 닫힌 시점부터 분사하기 때문에 그럴 염려가 애초부터 없어서 삭제[5] 무쏘의 2.9리터 터보가 약 120hp/25kg.m인데 2리터인 현대 R엔진은 약 180hp/40kg.m 의 성능을 낸다. 물론 VGT가 적용된 것도 감안해야 한다.[6] 약 2000기압. 1bar = 1.013 기압[7] 세계적 자동차 부품업체인 독일의 보쉬 (Bosch)에서는 2,300Bar의 피에조 인젝터를 개발했다. 현재는 디젤 트럭이나 대형 버스에만 사용 중