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■ 연료탱크(Fuel Tank), 연료파이프(Fuel Pipe) |
연료탱크는 연료를 저장하는 용기로 그 용량은 자동차의 구조와 용도에 따라 다르나 대략 1일 사용분인 (50∼70ℓ)를 기준으로 정한다.
연료탱크는 고도의 안전성과 내부식성이 요구되어 충격과 압력, 온도에 강해야 한다.
 연료여과기(Fuel Filter)는 연료속에 들어 있는 먼지등 불순물을 분리하는 장치이다.
가솔린에는 가는 섬유질의 먼지, 연료 탱크에서 생기는 철의 녹, 수분등이 섞여 있으며, 그대로 가솔린이 엔진으로 공급된다면 연료 통로, 노즐등이 막혀 연료의 분사 성능을 저하 시키게 된다. 가솔린중의 이물을 제거하기 위하여 연료 탱크의 주입구, 기화기의 뜨개실 가솔린 입구에도 각각 간단한 여과망을 비치하고 있으나 가솔린이 기화기로 들어가기 전에 여과 성능이 좋은 연료여과기를 통해 충분히 불순물을 제거할 필요가 있다.
연료여과기는 발이 가는 금속제의 여과망 또는 접시꼴의 얇은 금속판을 20매정도 겹쳐 놓은 여과체(Element)를 용기내에 넣고, 용기는 쉽게 떼어낼 수 있는 연료 보울로 만들며, 연료 보울(Fuel Bowl)은 내부에 모인 불순물이 밖에서 보이도록 유리로 만든 것이 많다.
연료탱크에 흡인되는 가솔린은 연료 펌프로 들어가기 전에 먼저 연료 여과기의 위쪽에서 연료 보울에 유입하여 여과체를 통과할 때에 먼지나 수분이 여과체에 걸려 연료 보울속에 남게 되며 깨끗한 가솔린만이 여과기 위쪽으로부터 연료 펌프에 흡인된다.
한편, 전자제어식 연료분사장치에서 사용하고 있는 연료 필터는 기화기 방식의 필터에 비하여 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
- 먼지등의 여과성능을 높이기 위해 엘리먼트의 눈이 작다.
연료압력 조절기가 있어 먼지 등으로 필터가 막히면 연료압력이 올라가지 않는다.
또한 인젝터에 먼지등이 끼면 연료가 흩어지기 때문이다.
- 연료의 압력이 높기 때문에 내압성(耐壓性)이 크다.
연료필터 몸체는 금속제를 쓰고 안쪽에는 녹방지를 위해 도금이 되어 있다.
- 여과면적이 크고 필터 자체가 크다.
여과지의 눈이 작아서 막히기 쉬우므로 그 여과면을 크게 했다.
압력 조절기는 연료펌프내 리턴파이프내에 장착되어 있으며 연료탱크내로 연결되어 있다. 연료압력조절기는 연료시스템 내부압력을 조절한다. 이것은 분사량을 연료분사밸브의 열 리는 시간으로 제어할 때 흡기메니폴드의 압력변동에 따른 혼합비의 변동을 방지해주기 위해서이다. 이것은 인젝터내에 걸리는 연료의 압력을 흡기 다기관 내의 압력보다 항상 3.35kg/㎠ 높도록 조절한다. 내부는 압착된 다이어프램으로 크게 두부분으로 나누어져 있으며 외부 하우징은 금속으로 제작되었다. 나누어진 내부중 한 부분은 압축된 스프링이 장착되어 있고 대기가 작용하도록 되어 있으며 나머지 한 부분은 연료가 채워지도록 되어있다.
연료장치의 압력이 규정치를 초과하면 다이어프램에 의해 조절되는 밸브가 열려 오버플로우 통로를 열게된다. 오버플로우 밸브가 열리면 규정압 이상의 연료는 밸브를 통하여 연료탱크로 되돌아간다.
다이어프램실에는 대기압이 전달되어 연료압력이 높으면 다이어프램을 미는힘이 강해져 연료탱크로 되돌아가는 연료의 양은 많아지고 반대로 연료 압력이 작으면 다이어프램을 미는힘이 약해져 연료탱크로 되돌아가는 연료의 양은 작아진다. 연료압력조절기는 이러한 원리로 연료라인 내부의 연료압력을 일정하게 하고 있다.
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<연료압력조절기> |
ⓐ ; 진공호스 탈거시 게이지 압력
(부압이 작용하지 않을 때)
ⓑ ; 진공호스 접속시 게이지 압력 |
연료펌프는 연료탱크에서 연료를 빨아올려 기화기로 압송하는 장치로서 모터 또는 피스톤(플런저)을 쓰는 전기식과 엔진 캠샤프트의 회전력을 이용한 기계식이 있는데 일반적으로 전기식을 많이 쓰고 있다.
■ 기계식
 기계식 연료펌프에는 다이어 프램이 사용되며, 펌프 보디에 장치되어 이쓴 다이어프램의 상하운동으로 펌프케이스의 용적변화를 시켜 펌프 작용을 한다. 이 작용은 구동캠과 코커암 등으로 하게 된다.
펌프는 경합금 다이케스트제의 상하 보디, 흡입용 및 배출용 밸브, 내유성의 수지나 고무 가공을 한 천으로 만든 다이어프램, 다이어프램을 밀어 올 리는 다이어프램 스프링, 다이어프램을 끌어내리는 로커 링커나 로커암으로 구성되어 있으며, 구동은 캠축에 설치된 구동 캠으로 한다.
▶ 흡입 작동
로커암이 캠에 작용하면 코커암은 로커 핀을 지점으로 하여 아래쪽으로 이동하여 포커 링크도 내려간다. 이 때에 로커링크 선단은 다이어프램 로드를 잡아 당기므로 다이어 프램 스프링을 압축하여 다이어프램이 아래로 내려간다. 이 다이어프램이 내려가 다이어프램 위쪽의 챔버는 부압상태가 되기 때문에 배출밸브는 흡입되어 닫히고 흡입밸브는 밸브스프링을 압축하여 열고 연료는 펌프 챔버속으로 들어간다.
▶ 배출 작동
로커암에 캠이 작용하지 않게 되면 다이어프램 로드를 끌어내리는 로커 링크의 작용이 없어지기 때문에 다이어프램의 스프링 힘으로 다이어프램이 밀려 올라가 펌프 챔버내의 연료에 압력을 가해져 배출밸브를 밀어 열고 기화기로 흐른다. 또한 흡입밸브는 반대로 밸브 시트에 밀착되어 유로를 막고 연료가 역류하는 것을 방지한다.
■ 전기식
요즘 시판되고 있는 대부분의 승용차에 장착되어 있는 전기식 연료펌프는 연료탱크내에 설치되어 있으며, 연료를 인젝터로 압송한다. 연료 펌프는 인탱크형(전동식)이라고 하며, 연료 탱크 안의 연료에 잠겨져 있기 때문에 펌프 작동 소음 및 베이퍼 록 억제에 탁월한 기능을 가지고 있다.
이 펌프는 직류 모터 부분과 터빈식 펌프 부분으로 구성되어 있고, 체크밸브, 릴리프 밸브 및 필터가 결합되어 있다.
▶ 베이퍼 록 :
대기온도가 높을 때(약 30℃) 연료탱크에서 인젝트까지의 연료라인에서 연료증발에 의한 기포가 발생되며, 연료의 공급이 불균일하여 엔진의 상태가 불안정하게 되거나 꺼지는 현상
▶ 연료의 압력 형성
임펠러가 모터에 의해 회전되면 임펠러 바깥둘레에 있는 홈이 그 앞뒤에서 생기는 유체의 마찰작용으로 압력차가 생긴다. 모터의 회전에 따라 이 동작이 반복되면 펌프내에서 소용돌이 치는 연료는 모터를 통과한 후 압력을 가지게 되고 연료의 압력에 의해 체크 밸브가 열리면서 연료출구를 통과하여 연료필터, 연료파이프를 거쳐 연료분배 파이프까지 공급된다.
▶ 안전밸브(Relief valve)
연료 펌프가 작동중 어떤 이유로 인해서든지 연료가 연료출구를 통과하지 못한다면 연료 펌프내의 압력은 비정상적으로 높아진다. 이런 경우에 안전밸브는 압력을 낮추기 위해 열리게 되며, 연료라인에서 일정압력보다 비정상적으로 올라가는 연료압력을 제어하여 항상 일정한 압력을 유지하도록 한다.
▶ 체크 밸브(Check valve)
연료펌프가 작동중 멈추면 체크 밸브는 스프링의 힘에 의해 닫히고, 일정압력이 연료라인에 남게 된다. 연료 라인에 남은 일정한 압력은 엔진의 재시동을 용이하게 하며, 높은 온도에서의 베이퍼 록을 방지한다.
인젝터는 ECU로부터 보내온 분사신호에 의해 연료를 분사하는 솔레노이드 밸브가 내장된 분사 노즐이다.
각 실린더의 매니폴드에는 1개씩 인젝터가 장착되어 연료 공급파이프와 연결되어 있으며, 니들밸브(Needle valve)는 플런저(Plunger)와 일체로 되어 있어 인젝터 작동시 플런저와 같이 분사출구를 열고 이때 연료는 연료라인의 압력에 의해 분사된다.
인젝터는 분사출구의 면적과 연료의 압력이 일정하기 때문에 니들밸브의 개방시간, 즉 솔레노이드 코일의 통전시간에 의해 연료의 분사량이 결정된다.
따라서 ECU는 솔레노이드 코일의 통전시간을 제어하게 됨으로써 연료분사량을 증감시킬 수 있다.
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1) 기화기의 원리
에어클리너를 거친 공기에 연료인 가솔린을 혼합시켜 실린더에 공급하는 것이 기화기이다. 이 원리는 분무기와 같다. 즉 공기를 빠른 속도로 불어 넣으면서 물을 보내면 엷은 안개상태가 된다. 캬브레타 경우는 공기를 뿜지 않고 피스톤이 하강하면서 실린더내의 압력이 떨어져 대기와 압력차가 생기면 공기를 흡입하게 된다. 이 공기 유입관의 한 가운데를 잘룩하게 벤추리를 만들어 공기의 흐름을 빠르게 하고 낮아진 기압에 연료를 빨아 올려 분무상태로 만든 것이 캬브레타의 원리이며 연료와 공기가 혼합된 것이 혼합기이다. 이 공기의 양을 악셀 페달로 연동시켜 개폐하는 스로틀밸브(Throttle Valve)를 가속 페달을 밟아 밸브를 열면 유입되는 공기량이 많아지고 연료 공급도 많아 가속하게 된다.
2) 기화기의 구조
기화기는 연료와 공기를 혼합하는 부분으로 공기흡입조절장치인 쵸크 밸브(Chock Valve), 벤츄리(Venturi), 메인 노즐(Mail Nozzle), 트로틀 밸브(Throttle Valve)와 일정한 연료를 저장하는 부분으로 플로트실(Float Chamber)이 있다.
3) 공연비
기화기 역할의 하나는 공기와 연료를 기관이 요구하는 혼합 비율로 계량하여 공급하는 것이다. 이 혼합 비율을 혼합비 또는 공연비(Air Fuel Ratio)라 하며 보통 무게비로 나타낸다. 그리고 연료를 완전 연소하는데 필요한 최소 공기량과 연료와의 비를 이론공연비라 한다. 보통 가솔린연료의 이론공연비는 14.5∼15.0(가솔린 1g을 완전 연소하는데 필요한 공기의 양이 14.5∼15.0g)의 범위로서 중량으로 15:1, 체적으로는 8,500:1이라 한다.
그러나 그런 많은 양의 공기를 흡입하는 것은 어렵고 실제로는 13∼14:1 정도가 한도이다. 따라서 이상적인 공연비를 실현하면 완전연소가 가능해지고 파워도 향상되며 희박연소로 연계되어 연비향상과 배기가스정화도 이루어지게 된다.
한편 기관의 운전상태에 따라 다음과 같이 공연비가 다르게 요구된다.
① 시동운전
시동시는 매니폴드나 실린더의 온도가 낮으므로 아주 농후한 혼합기가 필요하다. 일반적으로 저온시동시는 1:1, 상온시동시는 5:1의 공연비가 필요하다.
② 무부하운전
공회전(Idle) 상태로 기관이 저속회전하므로 8∼12:1의 농후한 공연비가 필요하다.
③ 저속운전
잔류가스는 공회전상태보다 적으나 혼합비는 약간 농후한 12∼14:1 정도의 공연비가 필요하다.
④ 경부하운전
경제적으로 운전할 수 있는 중속운전상태로 경제혼합비인 15∼17:1 정도의 이상적인 연비가 필요하다.
⑤ 고부하엔진
고속·가속·등판운전 상태로 고출력이 요구되어 11∼13:1 정도의 공연비가 필요하다.
참고 자료 : 한국교재개발 "자동차편람"
현대자동차 사이버정비교실
크라운출판사 "자동차공학" |
