1. 카뷰레타
가솔린 엔진에서 공기에 적량의 가솔린을 혼합시키는 장치에는 카뷰레타와 연료분사 장치가 있지만, 승용차용으로서 새롭게 개발되는 4기통 이상의 엔진은 대부분이 연료 분사식으로 되어 있고, 카뷰레타식은 소형 엔진에 남아 있을 뿐이다.
카뷰레타로 공기에 가솔린을 혼입시키기 위해서는 분무 원리가 사용된다. 이것은, 통 가운데에 공기를 흘리면 내부 압력이 주변에 비해 낮게 되는 현상을 이용하는 것이므로, 통 벽에 구멍을 열어 가솔린이 들어가는 파이프 앞을 나가게 하여 두면, 가솔린이 자동적으로 빨려 나가고, 霧의 형태로 되어 공기와 혼합된다는 의미이다.
이 현상은 발견자의 이름으로부터 벤튜리 효과로 불리우고, 이 효과를 한층 강화할 목적으로 가솔린을 빨아내는 부분이 협소하게 되고 있지만, 이 내경 치수를 메인 보어 사이즈로 부르고, 카뷰레타의 크기는 이것으로 표시된다. 메인 보어 사이즈에 대해서 가솔린을 공급하는 파이프의 굵기를 결정하여 두면, 많은 공기가 흐를수록 압력이 낮게 되어 많은 가솔린이 빨려 나가게 되므로, 거의 일정한 공연비의 혼합기가 가능하다는 의미이다.
가솔린을 공급하는 파이프를 메인 제트라고 부르고, 엔진 운전 상태에 적합한 제트를 선정하면, 꽤 넓은 회전 범위가 커버된다. 그러나 엔진 회전이 극단적으로 낮은 아이들링時에는 벤튜리 일부 압력이 작아서, 적량의 가솔린을 빨아 내기가 어렵고, 급가속을 하고 싶을 때에는 조금 가솔린을 많게 하여 공연비를 작게 하고 싶지만, 그런 융통성은 이롭지 않다. 이러한 불편을 보강할 목적으로, 여러 가지 카뷰레타가 개발되었다. 특히 엔진 배기량이 결정되어 있는 모터 스포츠 세계에서는 카뷰레타의 설정에 따라 엔진의 성능이 좌우되는 시대가 길게 계속되는 것이다.
카뷰레타의 작동은, 우선 연료 탱크로부터 퍼 올린 가솔린을 플로트실에 저장시켜, 가솔린이 사용되어 양이 적어지게 되면 플로트(뜸)가 내려가서 연료 파이프로부터 가솔린이 공급되는 식으로 되어 있어, 드라이버가 액셀 페달을 밟으면, 여기에 연결되어 있는 스로틀 밸브가 열리고, 벤튜리부에 공기가 흐르기 시작하여, 그 부압으로 메인 제트로부터 가솔린이 빨려 나가는 구조로 되어 있다.
카뷰레타는 이런 식으로 구조가 단순해서 고장도 적고, 코스트도 낮다고 하는 특징이 있지만, 연비와 출력의 밸런스를 세세하게 잡는 것이 요구되는 현대의 엔진용으로서는 어떻게 하더라도 한계가 있다.
2, 기계식 연료분사 장치
카뷰레타는 기본적으로 벤튜리의 부압 세기를 흡입되는 공기량으로 간주하여, 기계적인 기구만으로 여기에 알맞은 가솔린을 공급하므로, 액셀 페달을 빈번하게 조작하는 식의 운전에서는 공연비를 일정하게 유지하기가 어렵다. 쓸데없이 연료를 낭비하지 않도록 한다든지, 액셀 조작의 응답성을 좋게 한다든지 하기 위해서는, 흡입된 공기에 대해서, 사전에 설정된 공연비로 되도록 정확히 연료를 공급할 필요가 있다.
그래서, 흡입되는 공기량을 직접 측정하고, 기계적인 장치를 사용하여, 상황에 맞는 최적한 공연비가 되도록 가솔린을 인테이크 매니폴드에 분사하는 시스템이 고안되었다. 이것이 기계식 연료분사 장치로, 그 대표적인 것이 보쉬社의 K제트로닉이다.
연료분사 장치를 카뷰레타와 비교하면, 매니폴드에 직접 연료가 분사되는 것으로부터, 시동성이 좋고, 가감속시의 응답성이 좋고, 열에 의한 연료 파이프중의 가솔린이 증발하여 연료를 끊게 되는 베이퍼 록이 일어나기 어렵게, 카뷰레타가 빙결하는 아이싱이 없는 등의 장점이 생성되지만, 코스트가 높게 되는 것은 피하기 어렵다.
K제트로닉의 특징은, 스로틀 밸브앞에 센서 플레이트로 이름 붙여진 원판이 설치되어, 이 원판이 열리는 상태가 공기 유량에 따라 변하는 것을 이용하여 가솔린의 공급량을 컨트롤하고 있는 점이다. 스로틀 밸브가 열리면, 공기는 에어 플로우 미터 (공기 유량계) 사이에 놓여진 센서 플레이트를 누른다는 의미이지만, 이 플레이트를 지지하는 레버가 공급되는 연료량을 제어하는 장치와 기계적으로 연결되고 있고, 플레이트의 작동에 반응하여 연료분사 장치에 가솔린이 보내진다.
K제트로닉은, 카뷰레타에 대체하는 시스템으로서 단순해서 신뢰성도 높다고 하는 이점이 있지만, 연료량을 기계적으로 컨트롤하고 있고, 카뷰레타와 같은 식으로 연료의 분사가 연속적으로 행해지는 것도 있어, 그 후 개발된 전자제어식 연료분사 장치와 비교하여 혼합비를 세세하게 제어하는 것이 어렵다고 하는 약점을 갖고 있다.
메르세데스 벤프, BMW, 포르쉐 등 유럽의 고급차에 많이 채용되고, 시스템의 일부에 전자 제어를 채용하여 이 약점을 보완한 KE제트로닉도 개발되었지만, 배출가스 규제 대책 및 연비 개선을 함께 진행시킬 목적으로, 전자제어식 연료분사 장치로 하여 대체되고 있는 중이다.
3. 전자제어식 연료분사 장치
이 연료분사 시스템은, 엔진에 흡입되는 공기량을 계량하여, 결정된 어떤 혼합기가 되도록 연료를 분사하는 장치를 중심으로 구성되어 있고, 공기량을 검출하는 장치와, 연료를 분사하는 연료분사 장치, 이것을 컨트롤하는 제어 장치의 3가지로 분류된다.
대표적인 기계식 연료분사 시스템인 K제트로닉은, 공기량 검출 장치로서 센서 플레이트가 사용되고, 그 작동을 연료 공급을 컨트롤하는 밸브에 직접 전달하고 있다. 이것에 대해서 전자제어식 연료분사 장치는, 공기량 검출 장치로 계측된 공기량이 전기 신호로서 컴퓨터에 보내져, 그래서 엔진 상태를 체크하는 몇 개인가의 센서 신호와 맞추어 처리된 결과에 의해 연료 분사량이 결정된다고 하는 것에 특징이 있다. 요컨대 그것만으로 세세하게 공연비를 컨트롤 가능하다는 의미이다.
전자제어식 연료분사 장치는 엔진에서 필요한 장치이므로, 메이커와 사용되는 엔진에 따라 조금씩 다르지만, 크게 다른 것은 공기량의 검출 장치로, 그 밖의 부분은 공통점이 많다. 여기에서는 주류로 되고 있는 검출 장치로 에어 플로우 미터를 사용한 매스 플로우 방식을 들어보자.
에어클리너로 깨끗해진 공기는, 에어 플로우 미터에 의해 그 양이 계측되어, 액셀 페달과 연결된 스로틀 밸브가 들어있는 스로틀 바디를 지나 서지 탱크 (인테이크 컬렉터) 로 들어간다. 공기는 이 탱크로부터 각 실린더의 인테이크 매니폴드로 분배되어, 매니폴드 또는 인테이크 포트로 연료분사 밸브 (인젝터) 로부터 분사된 가솔린과 함께 실린더로 들어간다.
이때 엔진의 운전 상태 및 차량의 주행 상태에 맞추어 최적한 가솔린량을 결정하는 것이 제어장치로, 이것은 일렉트로닉 컨트롤 유니트의 두문자를 취해 ECU로 불린다. 엔진의 운전 상태는 수온 센서, 흡기온 센서, 크랭크 위치 센서, 스로틀 포지션 센서 등으로부터의 전기 신호이고, 차량의 상태는 차속 센서 및 에어콘의 스위치가 켜져 있는 지의 신호 등으로 ECU에 전달된다.
ECU中의 컴퓨터에는, 사전에 이 신호의 조합과, 그 신호가 어떻게 되어 있으면 얼마만큼의 가솔린을 분사해야 하는지의 지시를 기억시켜 놓으면, 이후는 액셀 페달의 조작으로 컴퓨터가 얼마만큼의 연료가 필요한지를 판단하여, 적량의 가솔린을 노즐로부터 분사시키는 것이다.
4. 연료공급 시스템
연료가 되는 가솔린은 연료 탱크에 저장되어 있고, 연료 필터로 물 및 먼지를 제거한 뒤 연료 펌프로 분사 장치에 보내진다.
연료 탱크는 아연 도금 등 녹이 나지 않도록 강판으로 만들어져 있는 것이 보통이지만, 플라스틱제 탱크도 증가해 간다. 가솔린이 흔들리기 어렵도록 세퍼레이터로 불리는 판으로 칸막음하고 있고, 잔량의 검출 장치가 붙여져 있다.
연료 펌프에는 여러 가지 타입이 있고, 카뷰레타에는 기계식의 메카니칼 펌프가 사용되지만, 연료 분사의 경우에는 모터로 펌프를 회전시키는 전기식이 많다. 뭐니 해도 레귤레이터로 불리는 압력 조정 장치가 부착되어 있고, 펌프로부터 보내진 가솔린의 압력을 결정된 범위에서 정리하여 분사 장치로 보낸다.
가솔린의 분사에는 인젝터가 사용된다. 인젝터는 노즐 앞을 니들 밸브로 눌러 내측으로부터 마개를 한 식의 구조로 되어 있고, 솔레노이드 코일에 전류를 흘리면 밸브가 열려 가솔린이 분사되는 구조로 되어 있다.
분사 방식에는 매니폴드의 집합부에 가솔린을 분사하는 싱글 포인트 인젝션 (略해서 SPI) 과, 각 실린더에 대응한 매니폴드에 분사하는 멀티 포인트 인젝션 (略해서 MPI) 이 있다. SPI는 카뷰레타와 같은 장소에 인젝터가 있고, 카뷰레타보다도 더 잘 혼합기가 만들어진다는 의미이다.
MPI는 분사 시기에 따라 독립 분사, 그룹 분사, 동시 분사의 3가지로 분류된다. 각 매니폴드에 인젝터가 준비되어 있지만, 엔진의 회전에 동기하여 각 실린더의 흡기 행정에 맞추어 분사가 행해지는 것이 독립 분사, 흡기 행정이 연속하고 있는 실린더를 그룹으로 하여 분사하는 것이 그룹 분사이다.
물론 독립 분사 쪽이 필요한 양의 가솔린을 최적 타이밍에서 분사 가능하지만, 노즐의 구동을 제어하는 전기회로가 대규모가 되므로, 실용차의 엔진은 그룹 분사로 충분한 것으로 되어 있다.
그룹 분사를 더불어 간단하게 한 것이 동시 분사로, 피스톤이 내려가는 흡기 행정과 팽창 행정에서, 연소에 필요한 가솔린을 2회로 나누어 분사하고, 흡기 행정에서 모아 실린더에 흡입하는 식의 것이다. 단순한 구성으로 가솔린 분사의 메리트가 충분히 얻어지는 시스템으로서 현재의 가솔린 분사 장치의 주류로 되어 있다.