[스터디] 연료분사 방식

목차 - 엔진 개요 (2)
- 연료분사 장치 개요
- TBI
  기화기 방식 / 인젝터 방식
- PFI & DI
  PFI / DI / PFI와 DI의 특징
- Dual Injection

연료분사 장치 개요

인젝터는 연료를 분사시킴으로써 공기와 혼합하여 혼합기를 형성하며 자동차에 필요한 구동력을 생성시킨다.

인젝터가 설치되는 위치에 따라 TBI, PFI, DI 등으로 분류될 수 있으며, 각각은 연비, 엔진 성능, 배기가스 등 다양한 측면에서 영향을 미친다.

 

과거는 기화기를 통하여 연료를 분사하였지만, 현재는 인젝터, 연료펌프, 연료탱크, 센서, ECU 등을 통하여 전자제어 방식으로 연료를 분사한다.

 

 

 

 

TBI (Throttle Body Injection, Single-Point Fuel Injection)

스로틀 바디에 한 개의 연료분사 장치가 설치되어 연료 분사 시 흡기와 함께 여러 개의 실린더로 혼입되는 방식이다. 여러 개에 전달되는 혼합기의 양이 다를 수 있으며 특히 고속회전 시 성능이 좋지않다.

연료분사 장치에는 기화기와 (전자식) 인젝터가 있다.

 

 

 

1. 기화기 방식

초기 가솔린 차량에는 기화기(Carburetor)를 통해서 실린더 내 혼합기를 유입시켰다. 디젤 사용 불가

엔진 행정에 의하여 실린더 내 공기압이 떨어지면 흡입력이 발생하여 기화기 속 연료가 실린더 안으로 혼입된다.

 

구조가 간단하고, 가격이 저렴하며, 유지가 간단하고, 전기를 사용하지 않는 장점이 있지만 인젝터 방식에 비해 연료의 정확한 분사량과 타이밍을 조절할 수 없으며 고압으로 연료를 미립화하지 못하여 연비, 출력 면에서 큰 단점이 있다.

 

 

 

2. 인젝터 방식

인젝터에서 연료를 분사하며 ECU의 제어를 통하여 정확한 분사량을 조절할 수 있다. 기화기 방식보다 더 정확하며 효율적이다. 

Carburetor & Injector

 

 

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PFI(Port Fuel Injection) & DI(Direct Injection)

인젝터에 위치에 따라 PFI와 DI로 구분된다.

 

 

 

1. PFI(Port Fuel Injection)

인젝터가 각 실린더의 흡기 밸브 전에 설치되어 있으며 대기압 혹은 연소실의 진공압 환경에서 연료가 분사된다. 

 

 

 

1.1 PFI 종류

PFI에서 연료분사 방식에 따라 크게 3가지 타입이 있다. 연료 분사 타이밍과 지속 시간은 ECU에 의해 제어된다.

 

1) Sequential System(Timed Injection)

각 인젝터가 엔진 흡기 행정에 맞추어 순차적으로 분사된다. MPFI 타입 중에서 가장 효율적인 방식이다.

 

2) Batched System

각 인젝터는 그룹을 이루어 같은 순서로 분사한다.

예를 들어 4기통 엔진의 경우 인젝터 2개씩 1개의 그룹으로 구성되고 각 그룹은 같은 순서로 분사된다. Sqeuntial System에 비해 구조가 간단하고 저렴하지만 정확성과 효율이 좋지 않다.

 

3) Simultaneous System

모든 인젝터가 동일한 같은 시기에 분사된다.

Squential / Batched / Simultaneous System

 

 

 

2. DI(Direct Injection)

연료가 연소실 내부로 직접 분사되는 방식이다.  초기 직접 분사 방식은 디젤엔진에만 사용되었지만 고압력의 연료분사가 가능해지며 가솔린 엔진(GDI)에도 사용되고 있다. 디젤엔진의 경우 압축 행정에서 연료가 분사되어 혼합기 압축에 의한 자발화반응으로 연소가 발생한다. 

 

 

 

2.1 GDI(Gasoline Direct Injection)

압축 행정 중 피스톤 운동에 의하여 발생하는 압력을 이기며 연료가 분사되어야 하기 때문에 고압의 연료 분사가 필요하다. 따라서 펌프에 의하여 분사압이 2000 ~ 3000psi까지 증가하며 연료가 연소실 내부로 골고루 분사된다.

 

연료를 고압으로 만들기 위해서 2개의 펌프가 사용된다.

- Low pressure pump : 엔진 캠축에 의해 구동되며 연료분사에 필요한 고압을 형성을 하여 인젝터에 전달

- High pressure pump : 연료를 연료탱크에서 연료라인으로 전달

 

 

 

2.2 DI 종류

DI는 크게 Spray-guided, Wall-guided, Air-Guided로 구분할 수 있다.

 

1) Spray-Guided

인젝터가 실린더 상단 그리고 점화 플러그 옆에 배치되어, 연료 분사될 때 피스톤 크라운을 따라 이동하지 않고 점화 플러그를 향해 직접 분사되므로 효율적이다. 하지만, 비정상 연소 발생할 수 있는 문제가 있다.

 

2) Wall-Guided

인젝터가 흡기 밸브 아래 비스듬히 배치되어 , 연료가 분사되면 피스톤 크라운 형상을 따라 연료를 점화 플러그 쪽으로 이동하 연소가 발생한다. 피스톤 동작 속도에 따라 연소 분사 시기가 결정되며 피스톤 속도에 맡는 정확한 분사 필요하다.

 

3) Air-Guided

인젝터가 흡기 밸브 아래 비스듬히 배치되어 있지만 Wall guided에 비해 가깝게 설치되어 있다. 연료 분사시 연소실의 형상에 의해 와류가 발생하여 공기와 연료가 혼합된다. Spray, Wall guided에 비해 구조가 복잡하며 가격이 비싸다.

 

 

 

 

 

3. PFI와 DI의 특징

 

3.1 PFI 특징 

흡기 밸브 전에 설치되어 대기압 및 엔진의 진공압 환경에서 연료가 분사되기 때문에 엔진의 흡기 행정 중 연료가 분사된다.

 

GDI 대비하여 혼합기가 뜨거운 연소실에 머무는 시간이 길며 조기 점화 또는 노킹현상을 유발할 수 있으며, 반면에 연료와 공기가 혼합될 시간이 길어져 연소 효율을 높이는 효과가 있다. 따라서 낮은 RPM에서는 연료와 공기가 혼합될 시간이 길어져 연비와 출력이 향상하고 배기가스가 절감되는 효과가 있다. 반대로 매우 높은 RPM에서는 상시 연료를 분사할 수 있어 연료 공급에 유리하다.

 

 

 

3.2 DI 특징

엔진의 압축 행정 중 연료가 분사되며, 특히 압축 행정 말기에 발생시키고 있다. 따라서 높은 압축비를 형성시킬 수 있다.

 

인젝터로부터 분사된 연료는 피스톤의 크라운 형상을 따라 연소실 내로 분포된다. 따라서 낮은 RPM의 경우 연료의 유동 또한 느려져 공기와 연료가 잘 섞이지 않을 수 있다. 반대로 매우 빠른 RPM에서는 엔진 행정 주기가 짧아지고 연료를 분사할 수 있는 시간이 부족하여 연료공급에 불리하다.

 

 

PFI 및 DI의 연료 분사 시기 그래프

 

 

 

3.3 PFI 방식 장단점

1) 장점

- 연료와 공기가 잘 혼합된다.
- 높은 RPM에서 연료 공급이 용이하다.
- 낮은 RPM에서 연비, 출력, 배기가스 측면에서 유리할 수 있다.
- 상대적으로 구조가 간단하고 저렴하다

 

2) 단점

- 대부분의 RPM영역대에서 상대적으로 연비, 출력, 배기가스 측면에서 불리히다.
- 만들 수 있는 압축비가 제한적이다.

 

 

 

 

3.4 DI 방식 장단점

1) 장점

- 콜드 스타트 시 유리하다.
- 높은 압축비와 정확한 연료 분사 시기를 통하여 출력, 연비, 배기가스 측면에서 유리하다

 

2) 단점

- 세척작용을 할 수 있는 가솔린 연료가 흐르지 않아 흡기 밸브에 카본 찌꺼기가 생성될 수 있다.
- 높은 압력을 만들기 위한 부가장치가 설치되어 복잡한 구조를 지니며 가격이 비싸다.
- 낮은 RPM에서 연료와 공기를 혼합시키는데 불리하다.
- 높은 RPM에서 연료 공급에 불리하다.
- 연료가 실린더 벽으로 직분사될 경우, 실린더 벽을 보호하는 윤활 오일을 희석시키고 엔진에 마모를 발생시킬 수 있다.

 

 

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Dual Injection 

Port Injection과 Direct Injection 방식을 같이 사용하는 방식이며 엔진의 RPM대역별로 분사장치를 제어하여 각 방식의 장점을 모두 가질 수 있다. (전영역대에서의 연비/출력/배기가스 유리, 카본 감소, ...)

 

RPM 영역대에 따라 사용하는 분사장치이다.

낮은 RPM - Port Injector

높은 RPM - Direct Injector

더 높은 RPM - Port Injector + Direct Injector