이번 포스팅은 자동차 동력원을 공급하는 연료 공급 시스템입니다
연료 공급 시스템이란?
연료 공급 시스템은 말 그대로 자동차 엔진에 동력원이 되는 연료를 공급하는 시스템으로 공기와 연료를 혼합기(mixture) 상태로 만들어 실린더 내에 공급하는 것이 주요 역할입니다. 가솔린 또는 디젤 연료를 탱크에 저장하고 엔진과 실린더 챔버에 공급하는 영역까지 통틀어 연료 공급 시스템으로 간주하고 있습니다. 펌프가 동작하여 탱크에서 연료를 끌어와 라인을 통해 이동 시킨 뒤, 필터를 거쳐 연료를 인젝터로 전달합니다. 인젝터 연료로 이동한 연료는 다시 실린더 챔버로 이동하고 연소하여 엔진에 에너지를 제공하게 되죠. 엔진에 따라 연료 계통, 시스템 구성은 차이가 있지만 연소실에 연료를 공급하고 공기량에 따라 연료량 공급을 조절한다는 점에서는 모든 시스템이 동일합니다.
연료 시스템은 연료 공급 뿐만 아니라 실린더 또는 시스템 내 이물질 등의 유입을 방지 합니다. 녹, 먼지 등의 이물질이 시스템에 유입되면 엔진 고장을 유발 할 수 있는 것은 물론, 연료가 연소할 때 효율이 떨어질 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하기 위해 연료 시스템에서 필터를 장착하는데 일반적으로 연료 탱크 내부에 1개, 탱크와 엔진 사이의 인라인에 1개를 장착하거나, 연료 펌프 모듈에 통합시켜 1개만 사용합니다.
연료 시스템은 엔진의 다른 시스템에 비해 상대적으로 유지보수 주기가 길지만 엔진 고장 방지 및 에너지 효율, 공급을 위해 정기적으로 부품 및 시스템 구성 요소를 점검하는 것이 중요합니다. 가장 기본적으로 차량 제조 업체에서 권장하는 연료, 엔진에 맞는 연료를 사용해야 합니다. 또한 제조사에서 지정한 주기에 따라 연료 필터 교체, 연료 분사 시스템 청소, 연료 주입구 캡 점검 등을 해야 합니다. 연료 누유, 거친 공회전, 시동 성능 저하 등의 증상이 발현 시에도 연료 시스템을 검사 하는 것이 좋습니다.
연료 공급 시스템의 분류
연료 공급 시스템은 연료 공급 방식에 따라 기화기식과 연료 분사식으로 나눌 수 있고, 제어 방식에 따라 기계식과 전자식으로 나눌 수 있습니다. 과거의 엔진에서는 기계식 연료 분사 방식을 주로 사용했으나 최근에는 전자 제어 연료 분사 방식을 일반적으로 사용 하고 있습니다.
연료 공급 방식에 따른 분류: 기화기식 (carburetor type)
공기의 유량에 비례하여 연료를 분출하는 방식으로, 연료 탱크로부터 공급된 연료를 증발시켜 스로틀 바디 내 공기에 분출하여 혼합기(mixture)를 만들고 이 혼합기를 각 실린더에 공급하여 연소 시킵니다. 구조가 간단하여 가격이 저렴하고 관리가 편리하지만 연료 분사식보다 상대적으로 출력이 떨어지고 엔진 회전이나 부하에 따라 혼합기를 제어하므로 상황에 따른 연료 공급 및 세밀한 제어가 어렵습니다. 이러한 이유로 대부분의 엔진은 분사 방식을 사용하고 있죠. 전자제어식 기화기는 혼합기를 상대적으로 제어 할 수 있으나 이 역시 연료 분사식보다 출력이 좋지 않기 때문에 거의 사용하지 않습니다.
연료 공급 방식에 따른 분류: 연료 분사식 (fuel injection type)
인젝터에 의해 흡기 포트 내 흡기 밸브를 향해 연료를 분사 하는 방식입니다. 실린더의 흡입 행정 시 분사 밸브에서 연료를 분사 하는 방식으로 공급하여 실린더 내에 혼합기를 만들고 이를 압축 행정 시 불꽃 점화와 함께 연소시켜 엔진의 동력원을 만들죠. (디젤 엔진은 연소실 내 분사 후 고온 공기에 의해 자연 발화 시킴)
분사식은 가격이 상대적으로 비싸고 고온 시 고압 회로 내에서 연료가 기화하여 베이퍼록 현상이 일어나는 것, 분사 기구의 마모 또는 부식이 생길 수 있다는 단점이 있으나, 연료를 미립화하여 기화를 촉진하는 것은 물론 흡입 효율이 상대적으로 높고 엔진 회전 속도와 부하에 따라 연료의 양을 원하는대로 조절 할 수 있으며 실린더 내의 혼합 가스의 혼합비가 언제나 정확하다는 장점이 있습니다.
전자 제어식 연료 분사 방식 (electronic fuel injection)
ECU가 차속, 엔진 회전, 냉각 온도, 흡입 공기량 등의 조건을 측정하고 이 데이터를 기반으로 연산 후 명령을 주어 연료를 분사하는 방식으로 오늘날 대부분의 엔진에서 사용하고 있는 방식입니다. 차량 운행 조건을 베이스로 분사량을 결정하므로 엔진 회전 부하 및 엔진 컨디션에 최적한 연료량을 인젝터에서 분사할 수 있으며 공연비 및 점화 시기 등을 제어하기 때문에 연비 향상과 유해배출가스 감소 효과를 기대 할 수 있습니다. ECU가 인젝터에 시그널을 주어 연료를 흡기다기관내로 분사시키는데, 이 때의 연료량은 인젝터에 전달하는 시그널의 시간에 비례합니다. 전자 제어 분사 방식은 다시 하나의 인젝터로 모든 실린더에 분사하는 Single Point Injection(SPI) 방식과 실린더마다 Injector가 하나씩 달린 Multi Point Injection(MPI) 방식으로 나눌 수 있습니다.
연료 공급 시스템의 구성
자동차 연료 공급 시스템의 일반적인 구성품으로는 연료 펌프, 게이지, 탱크, 필터, 라인 및 인젝터 등이 있습니다. 물론 연료 공급의 종류에 따라 다르며 이 구성품들은 현대에 가장 많이 사용하고 있는 전자 제어 연료 분사 방식 기준입니다.
연료 펌프 (fuel pump)
연료 펌프는 연료를 탱크에서 인젝터로 이송 시키고 인젝터가 항상 정확한 양의 연료를 공급할 수 있도록 적절한 압력을 생성하는 역할을 합니다. 엔진에 일정한 연료 흐름을 생성하고 사용하지 않은 연료는 탱크로 다시 돌려 보내죠. 보통 연료 탱크 내부 또는 근처에 위치하고 있으며 자동차 배터리 또는 엔진 동력을 받아 구동 합니다. 연료 펌프는 연료의 흐름과 직접적인 관계가 있기 때문에 펌프에 이상이 있으면 엔진 성능과 배기 가스 배출 저하는 물론이며 차량 시동 또한 문제가 발생 할 수 있습니다.
연료 필터 (fuel filter)
연료 필터는 보통 가스 탱크 내부와 연료 펌프 전후 (분사기 또는 점화기 라인)에 위치하여 연료 내 이물질과 수분을 걸러내 엔진 내부로 유입을 방지합니다. 엔진의 손상 방지는 물론 연료 효율 측면에서도 필터의 역할은 상당히 중요하죠. 고압을 견딜 수 있는 내구성, 마이크로 단위의 입자 차단, 수분 유입 방지 능력이 요구되며, 일반적으로 200-mesh 또는 35-mesh micron 수준의 미세한 단위를 사용합니다. 다른 필터와 마찬가지로 주기적으로 교체 해야 하며, 필터의 성능 저하 시 연료에 이물질 유입 또는 연료 공급 문제가 생길 수 있어 엔진의 직접적인 고장의 원인이 됩니다.
연료 인젝터 (fuel injector)
연료 인젝터는 연료 펌프에 의해 가압된 연료를 공급받는 전자 제어 밸브로, 차량 엔진에서 쉽게 연소 반응이 일어날 수 있도록 연료를 분무하는 장치입니다.
ECU가 센서의 신호를 받아 연소실에 연료를 분사할 시간을 계산한 뒤, 인젝터에 동작 신호를 보내면 가압된 연료가 노즐을 통해 연소실로 분사됩니다. 일반적으로 실린더당 한 개의 인젝터가 장착되며 노즐 분사구가 상당히 작고 초당 여러 번 열고 닫히며 연료를 분무하기 때문에 기체와 흡사한 형태로 연소실 내에 분무됩니다. 인젝터 팁의 간격, 각도 및 구멍 수에 따라 연료의 분무 패턴이 결정되며 이 분무 상태에서 열을 가하는 것이 일반 액체 상태보다 더 높은 효율로 작동 할 수 있고 배기가스 배출을 줄일 수 있습니다.
연료 탱크 (fuel tank)
연료 탱크는 내부 연소실로 펌핑되기 전에 연료가 저장되는 곳으로 대부분 차량 후면에 장착 됩니다. 기본적으로 연료 주입구, 엔진으로 연결되는 연료 출구 라인 정도로 구성되지만 기술의 발전에 따라 환기 시스템과 주행중 연료가 흔들리는 것을 방지하기 위한 배플(Baffle)이라는 장치, 연료가 대기 중으로 증발하는 것을 방지하기 위한 배기 가스 제어 장치 등이 추가되고 있습니다. 연료 탱크는 가연성 액체를 담을 수 있어야 하기 때문에 반응성이 적은 소재로 제작되며 누유 등의 현상 없이 연료를 밀폐하여 보관 할 수 있어야 합니다.
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