기관 31 > 디젤 직접분사식 연료장치

1. 커먼레일 엔진 개요

◈ 커먼레일은 Common Rail Direct Injection Engine의 약자로 운전상태에 알맞은 연료를 ECU(전자콘트롤 유닛)에 의해 제어하여 직접 연료를 연소실에 직접 분사하는 방식이다. 이에 따라 엔진 효율이 높아지고, 공해물질이 적게 배출되며, 엔진과 관계없이 제어가 가능하여 경량화가 가능하게 되었다.

                                

 

2. 커먼레일 엔진 장점

1) 연료의 압력을 제어하여 직접 분사하기 때문에 고압을 유지할 수 있어 연소 효율을 높일 수 있다.

2) 엔진의 회전수와는 관계 없이 분사압, 분사량, 분사율, 분사시기를 독립적으로 제어할 수 있다.

3) 엔진이 회전수에 의해 연료분사 제어를 하는 것과 달리 엔진과 연료분사를 독립적으로 하기 때문 에 설계가 용이하고, 부품수가 줄어 경량화가 가능하게 되었다.

4) 연소효율이 높아 출력이 올라가고, 유해물질의 배출량이 줄일 수 있다.

5) 승차감에서는 기존의 기계적인 연결에서 생기는 진동과 소음이 커먼레일 방식에서는 발생하지 않아 가솔린 엔진보다 조금 더 높다.

 

3. 구성요소

                        

 

4. 시스템 구조

◈ 고압 공급펌프에서 연료를 압송하여 커먼 레일에 연료를 채우고, 커먼레일 내의 압력은 압력 센서로 감지되고, 엔진 회전수와 부하에 따라 설정된 값으로 제어되며 커먼 레일내의 압력은 파이프를 통해 인젝터에 공급된다.3-웨이 밸브(Three way valve)에 보내지는 펄스에 따라 분사량, 분사율, 분사시기가 제어된다. 고압 공급 펌프(High pressure feed pump)고압의 연료를 커먼 레일에 공급하는 기능이며, 구동방식은 기존 인라인 인젝션 펌프와 동일하고. 멀티 액션 캠(Multi- action cam)을 도입하여 펌프 기통수를 줄였다.

 

1) 연료 레일(Fuel Rail) : 고압 공급 펌프로부터 공급되는 고압의 연료를 저장하고, 인젝터로 매회 분사되는 양만큼의 연료를 보내주는 기능을 하며. 역류 방지를 위한 첵밸브 및 고압 센서가 부착되어 있고, 레일 안의 연료압력은 전자석식 압력 조절밸브에 의해 조정되고, 연료 압력은 항상 압력센서에 의해 모니터링되고, 연속적으로 엔진에서 요구하는 조건에 따라 조절하게 된다.

 

2) 인젝터 : 커먼레일로부터 공급되는 연료를 ECU 로부터 보내진 신호에따라 노즐을 통해 분사하는 기능을 하며  ECU에서 보내지는 펄스 신호는 니들의 리프트를 제어하며, 펄스시기에 의해 분사시기가  정해지고, 펄스 폭에 의해 분사량이 정해진다. 또한 원웨이 오리피스(One-way orifice)의 반경에  따라 분사율 패턴이 달라진다.

3-웨이 밸브는 연료 압력을 선택적으로 스위칭하는역할을 하고,  초고압에서 고속의 응답성이 요구되므로 120MPa의 압력하에서 0.4 ms이하의 속도로 작동 할 수 있다. 소비되는파워는 아이들 시에 20W, 전부하(Full load)시에 50W이다. 따라서 각 기통에는 개별적으로 솔레노이드로 구동되는 인젝터가노즐과 함께 장착되고, 분사개시는 ECU의 펄스신호가 인젝터의 솔레노이드로 전달되면서 시작되고, 분사 연료량은레일내의  연료압력, 솔레노이드 밸브 개변시간, 노즐의 유체유동에 의해서 결정된다.  분사압력은 일반적으로 승용차용 엔진은 1,350bar, 상용차용 엔진은 1,400bar 정도이다.

 

 

 

 

 

 

3) 제어 시스템 : 고압 공급펌프에서 연료를 압송하여 커먼 레일에 연료를 채우고, 커먼레일 내의 압력은 압력 센서로 감지되고, 엔진 회전수와 부하에 따라 설정된 값으로 제어된다다. 커먼 레일내의 압력은 파이프를 통해 인젝터에 공급되고, 3-웨이 밸브(Three way valve)에 보내지는 펄스에 따라 분사량, 분사율, 분사시기가 제어된다.

 

4) 분사량 제어 : 분사량은 커먼 레일내 압력 Pc와 3 웨이 밸브에 보내지는 펄스 폭에 의해 제어되며. 분사량 계산은 엔진 따른 매회 목표 분사량의 결정되고, 펄스 와이드(Pulse width)계산은 결정된 분사량에 맞는 펄스 폭으로 결정된다.

     

5) 분사시기 제어 : 분사시기는 인젝터(3-웨이 밸브)에 보내지는 펄스의 시간에 의해 제어되고. 분사각도(Θfin) 계산은 엔진 회전속도와 부하에 의해 결정되는 Θbase 를 기준으로 흡기상태 및 냉각수 온도를 고려한 수정 값인 최종 분사시기 (。BTDC)로 결정된다. 분사시간(tc)계산은 결정된 Θfin값을 엔진 회전속도에 따라 시간값(tc)으로 환산한다다.

      

6) 분사율 제어 : 델타 방식(Gradual rise & Sharp cut) :  인젝터 내에 있는 원 웨이 오리피스의 단면경을 이용 하여분사량 증가 정도를 제한하며. 각 엔진에 맞는 최적 분사율 패턴은 커먼 레일 압력과 원 웨이 오리피스 단면경에 따라 선택 될 수 있다.

◆ 파이럿트 방식(Small quantity before Main injection) :  매회 분사시 인젝터를 2번 구동시키고, 하드웨어 성능은 파이롯트 인젝션량은 1mm3 /St이하로 하고 파이롯트 인젝션 시간은 1ms 이하로 한다.

◆ 부트 형상 방식 : Shape like the toe of a boot :  인젝터내의 원 웨이 오리피스 대싱 부트 밸브가장착되며, 특정 프리 리프트 포인트(Pre- lift point)에서  노즐 니들을 일시적으로 멈춘다.  프리 리프트량과 다양한 오리피스 단면경에 따라 다양한 부트 패턴을 얻을 수 있다.

    

7) 분사압 제어 :커먼레일의 고압센서로부터 신호를 감지하여 고압 공급펌프의 토출량을 변화시킴으로써 제어된다분사압(Pfin) 계산은 각 센서 신호를 바탕으로 최종 분사압을 결정하며. 펌프 컨트롤 밸브(Pumpcontrol valve) 구동시기 (tf) 계산은 Pfin을 실현하기 위하여 고압공급펌프의 펌프 컨트롤 밸브를 제어 구동 펄스의 시작 시간을 결정합니다. 고압 공급펌프에 의한 연료 공급은 인젝터에서의 분사시기와 거의 일치하므로 연료소비와 공급이 균형을 이루고, 고압 연료의 방출과 손실이 줄어든다.

 

5. 커먼 레일 방식의 특성
◆ 제어의 자유도 : 엔진회전수에 관계없이 분사압, 분사량, 분사율, 분사시기를 전부 독립적으로 제어가 가능하다.

◆ 중량 및 구동토크 : 기존 인 라인(In-line) 방식의   인젝션 펌프에 비하여 약 1/2-1/3의 중량이며고압 연료의 손실을 줄임으로써 구동토크를 저감 할 수 있다.

◆ 기존 엔진에 적용 : 인젝터 및 고압 공급펌프 등을 기존 엔진에 큰 변경없이 교체가 가능하다.