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가솔린엔진은 가솔린과 공기의 혼합기를 실린더내에서 연소시킨다. 그런데 외 혼합기로 연소시켜야 하는 이유는 가솔린 자체는 액체로서, 액체자체로서보다도 공기와 혼합하여 기체화시키는 편이 훨씬 더 점화되기 용이하며, 또한 연소속도도 빨라 폭발력이 강하기 때문이다.
그런데 혼합기는 어디에서 만들어 지는 것일까?
또한 가솔린과 공기의 비율은 어떻게 정해지는 것일까?
여기서는 혼합기를 만드는 연료장치에 대해서 살펴보자. |
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혼합기를 만드는 것은 크게 카부레타방식과 연료분사방식의 크게 2가지의 방식이 사용되고 있다.
캬부레타 방식은 분무원리를 응용한 것이다.
흡입행정의 피스톤 작동에 의해 실린더내로 흡입되는 공기의 흐름을 이용하여 연료를 미세한 관에서 뿜어올려 분무상태로 만든다.
많은 자동차의 경우 카부레타는 어떤 엔진에서도 실린더수와 관계없이 1개밖에 장착되어 있지 않으며, 각 실린더와 조금 떨어져, 각 실린더로 정확하게 배분할 수 있는 위치에 설치되어 있다.
연료분사방식은 디젤엔진과는 달리 컴퓨터에 의한 전자제어식이 적용되고 있다.
캬뷰레타방식과 비교하면 COST면에서 불리하지만 배기가스문제와 연비개선, 엔진승능향상면에서는 커다란 효과가 있다.
그것은 캬부레타 방식의 경우 혼합기의 공연비(공기와 연료비율)가 가속페달의 조정에 의해 결정되는 반면, 연료분사방식에서는 흡입공기량, 페달답력, 냉각수온도, 흡입공기온도, 배기가스중의 산소농도등의 여러 조건을 컴퓨터가 판단하여 세밀하게 조정해 주기 때문이다. |
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 캬부레타는 실린더와 에어크리너사이에 장착되어 있다.
카뷰레타가 혼합기를 만드는 원리는 분무기 원리와 같다.
분무기에서는 레바를 누르면 펌프내의 공기가 압축된다. 압축된 공기는 미세한 관을 통해 분사노즐에서 뿜어져 나오지만 실제로는 탱크내의 물을 빨아올려 안개와 같이 공기와 동시에 뿜어져 나오게 된다.
이와같이 일부가 가늘게 설계된 관에 공기를 흐르게하면 속도가 빨라져, 저압상태가 되는데 이를 벤츄리효과라고 부른다.
또한 관의 일부가 가늘게 설계되어있는 관을 벤츄리관이라고 부른다.
분무기가 펌프로 공기를 압축시킨다면, 카부레타는 실린더내의 피스톤하강에 의해 발생하는 진공상태를 이용하여, 즉 주사기와 같이 공기를 빨아드리는 것이 차이점이다. |
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캬부레타의 기본적인 구조는 아래그림과 같다.
운전자가 가속페달을 밟으면 그것에 따라 벤츄리와 흡입밸브를 연결하는 통로가 서서히 열리는 구조로 되어있다.
이때 이통로의 개폐구를 스로틀밸브라고 부른다.
스로틀밸브가 많이 열리면 공기유입이 스무스하게 되어 대량의 공기가 실린더내로 유입된다.
이때 벤츄리를 통과하는 공기도 당연히 증가하기 때문에 그것에 합당한 만큼의 가솔린이 유입된다.
이와같이 하여 다량의 가솔린을 함유한 혼합기가 연소됨으로써 큰 폭발력이 생기며, 자동차는 강하게 주행할 수 있게 된다.
일반적으로 가솔린엔진의 공연비는 약 15:1 정도이다. |
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FUEL INJECTION SYSTEM(연료분사장치)이 본격적으로 시판차에 적용된것은 2차 오일쇼크에 따른 연료소비율 문제와 배출가스 공해대책이 엄격해 졌기 때문이다.
캬부레타시스템은 앞에서 언급한바와 같이 혼합기의 조정을 기본적으로 가속페달의 밟은 상태, 다시말해 스로틀밸브의 열린각도에 의존하고 있다.
그 때문에 COST면에서는 유리한 반면 문제도 많다.
 다기통엔진에서 혼합기의 흡입관(INTAKE MANIFOLD)이 각 기통으로 분배되어 있기 때문에 캬부레타에서 가까운 실린더와 먼실린더의 혼합기 배분에 있어서 발란스가 나쁘다.
캬부레타에서 연소실까지 일정한 거리가 떨어져 있기 때문에 가속페달의 작동에 따른 엔진응답성이 나쁘다.
INTAKE MANIFOLD의 형상에 따라 연료가 무화되기 어렵다.
이러한 결점을 개선하여 엔진이 필요로 하는 최적의 연료량을 적정한 타이밍에 공급해주는 것이 FUEL INJECTION SYSTEM이다. |
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FUEL INJECTION의 우수한 점으로서는 다음과 같은 것들이 있다.
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 흡입공기량, 흡입공기온도(온도에 따른 산소밀도가 다름), 스로틀밸브 열림각도, 냉각수온도, 배기가스중의 산소농도 등에 대응하여 세밀하게 공연비를 조정하는 것이 가능하다.
- 공기와는 별도로 흡입밸브 입구에서 연료를 무화된 상태로 분사함으로써 혼합기의 무화상태내지 가속페달의 작동에 따른 응답성이 좋다.
- 각 기통별로 직접 인젝터에서 연료를 분사시켜 주기 때문에 각 기통별 발란스르 맞추기가 용이하다.
- 현재의 카뷰레타는 공해대책시스템용 호스와 전기부품이 많이 부착되어 있으므로 오히려 인젝션이 구조가 간단하다.
- 반면 결점으로서는 약간의 원가상승을 피할 수 없는 것이 현실이다.
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위의 그림은 인젝션의 기본시스템의 한 예이다.
시스템 전체는 "흡입계통", "연료계통", "제어계통"의 3개로 나뉘어지며,여러종류의 센서로부터 얻어진 정보는 컴퓨터가 처리한다. 이 때문에 전자제어 연료분사장치라고도 부른다.
흡입계통
 수많은 FUEL INJECTION SYSTEM이 저마다 독자적인 특징을 나타내고 있는 부분이 이계통이다.
에어크리너를 통과한 공기는 우선 AIR FLOW METER라고 불리는 장치에 의해 유량과 온도등이 측정된다.
다음으로 공기는 캬부레타와 같이 스로틀밸브가 설치된 스로틀바디를 통하여 실린더내료 유입된다.
스로틀밸브에는 그 열림각도를 측정하는 스로틀포지션센서가 있어 여기서 측정된 정보는 컴퓨터로 보내진다.
한편 아이들링시에는 스로틀밸브가 완전히 닫혀지므로 그림과 같이 별도로 설치된 바이패스 통로를 통해 공기가 유입되므로써 아이들링회전이 유지된다.
또한 엔진이 냉각되어 있을때에는 일정시간동안 열려진 스로틀밸브를 통과할 수 있는 공기 유입통로가 있어서 아이들링회전을 조금 높여주는 기능을 수행한다.
연료계통
 우선 연료탱크에서 연료펌프로 빨아올려진 연료는 필터를 통과한 후 분배파이프라고 불리는 각 실린더를 연결해주는 파이프로 보내진다.
이 연료펌프는 전기모타식으로 펌프 토출시 연료흐름을 스무스하게 해주기 위해 사이런스라고 불리는 부품이 설치되어 있다.
분배파이프에는 흡입관내의 부하의 영향을 받지 않도록 연료의 압력을 일정하게 유지시켜 주기 위한 압력조정기라고 불리는 부품이 부착되어 있다.
막상 결정된 압력으로 조정된 연료는 각 기통에 설치된 인젝터에서 분사된다.
분사량의 조정은 인젝터속에 있는 브란쟈라고 불리는 부품이 컴퓨터로부터 전류를 받는 동안만 토출구를 열어 연료를 분사시켜 준다.
뿐만아니라 분사방식은 INJECTION SYSTEM에 따라 다르며, 전 실린더에 동시에 분사시켜 주는 것, 흡입행정시 실린더로 차례로 분사시켜주는 것, 크랭크 1회전마다 1회분사 또는 크랭크 2회전마다 1회분사시켜주는 것등 여러가지이다.
또한 INJECTION SYSTEM에는 캬뷰레타의 쵸크밸브와 같은 것은 없으나 그 대신 COLD INJECTIOR라고 불리는 부품이 있어서, 엔진이 저온상태일 경우 연료를 추가로 분사시켜 농후한 혼합기르 만들어준다. (이 기구가 없는 차도 있다.)
제어기구
제어기구라는 것은 AIR FLOW METER에 의해 흡입공기량, 냉각수온도센서, 흡입공기온도센서, 스로틀 포지션센서, 배기가스중의 산소동노를 측정하는 O2센서등 각종 센서류와 이 센서류들로부터 신호를 받자 분사량을 결정하는 컴퓨터로 구성되어 있다.
여기서 분사량의 증감은 컴퓨터에서 인젝터로 전달되는 전류의 시간에 의해 결정되어 진다.
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시스템의 개요는 앞서 말한바와 같지만 최근에는 각사가 저마다 연구하여 개발한 기구가 적용되고 있다.
특히 흡입공기량의 검출방법에는 여러종류가 있어서 저마다의 특징을 가지고 있다.
그 예를 살펴보면 다음과 같다.
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MEASURING BLADE식
에어크리너와 스로틀 밸브사이에 그림과 같은 BLADE를 설치하여 공기흐름에 따른 BLADE의 움직임을 전기신호로 바꾸어주는 방식
핫와이어식
전열선에 전류를 흘려 과열시킨후, 공기의 흐름에 의해 냉각된 전열선이 또 한번 발열하는데 어느정도의 전류가 필요한지를 측정함으로써 공기량을 판단하는 방식
카르만 와류식
공기통로에 그림과 같은 와류방생기를 설치하여 그 뒷편에 생성되는 공기의 와류를 초음파 또는 광학적으로 계산하여 유량을 판단하는 방식이다.
이상의 3가지 방색을 L-JECRONIC방식이라고 부른다.
또한 그외에 전자제어가 아닌 INJECTOON으로 K-JETRONIC방식이, 또한 전자제어중에서도 흡입관내의 부압을 측정하여 흡입공기량을 계산하는 D-JETRONIC방식등이 적용되고 있다. |
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연료장치의 마지막에 연료가 어떠한 통로를 거쳐 캬부레타와 인젝션에 도달하는지를 간단하게 살펴보자.
연료탱크
 승용차의 경우 자동차의 트렁크밑에 설치된 연료를 저장하는 장치를 말한다.
차종에 따라 그 용량, 형상은 여러가지이다.
연료탱크에는 연료게이지, 연료를 보내주는 파이프, 캬부레타로 서서히 연료를 공급해주는 파이프, 급유용 튜브등이 설치되어 있다.
연료필터
오일필터와 같이 연료내의 먼지와 수분을 여과시켜준다.
연료필터는 카트리지식으로 교환이 가능한 것이 일반적이다.
연료펌프
연료탱크는 자동차의 뒷쪽밑에 있기 때문에 엔진까지 연료를 압송시켜야한다. 연료펌프는 모타 또는 브란쟈를 사용하는 전기식과 엔진의 캠샤프트의 회전에 따라 움직이는 기계식이 있다. 일반적으로 인젝션차에는 전기식이 사용되고 있다.
챠콜 캐니스트(CHARCOAL CANISTER)
공해대책의 일환으로 장착되어 있는 부품으로서 연료탱크에서 증발된 가솔린을 리저브탱크로 받아들인뒤 액화시켜, 다시 탱크로 돌려보내 다시 기화시킴으로써 대기오염을 방지시켜준다. |
