고압펌프
2015.06.06 17:10

커먼레일 시스템

조회 수 822

일반적인 디젤 엔진은 연료를 분사하기 위해 기계식 펌프를 썼다.

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기계식 펌프는 엔진 회전과 맞물려 작동하기 때문에 저회전 때에는 분사압력이 낮고 고회전 때에는 분사압력이 높아지는 등 정밀한 제어가 어려워 최적의 효율을 얻을 수 있는 범위가 제한적이었고 엔진 정비가 제대로 이루어지지 않았을 때에는 불완전 연소가 일어나기 쉬웠다.

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이는 출력 저하, 소음과 진동, 유해 배기가스 배출 증가 등 여러 문제의 원인이 되었다.

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이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 커먼레일(common-rail) 시스템이다.

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커먼레일 시스템의 가장 큰 특징은 연료에 압력을 가하는 부분과 연료를 분사하는 부분이 독립적으로 작동한다는 것이다.

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즉 고압 연료펌프와 인젝터가 전자제어 시스템에 의해 독립적으로 제어되어, 고압 연료펌프는 엔진의 작동 상태에 따라 최적의 압력으로 연료를 공급하고 인젝터는 최적의 시기에 필요한 만큼의 연료를 정확하게 분사할 수 있다.

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따라서 일반 디젤 엔진보다 효율과 성능이 높아지고 진동과 소음, 유해 배기가스 배출을 크게 줄일 수 있다.

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커먼레일 시스템의 원형은 1960년대 후반에 개발되었지만, 처음으로 실용화해 자동차에 사용한 것은 일본 덴소다. 덴소의 커먼레일 디젤 엔진은 1995년에 히노 트럭에 처음으로 쓰였다. 승용차에 처음으로 쓰인 커먼레일 디젤 엔진은 1997년에 나온 알파 로메오 156를 통해 선보였고, 이 차에는 보쉬 제품이 쓰였다. 현재 디젤 엔진용 커먼레일 시스템은 보쉬, 덴소, 델파이, 컨티넨탈 등에서 공급하고 있다.

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커먼레일 시스템은 크게 연료 탱크에서 고압 연료 펌프까지 연료를 전달하는 저압부, 고압 연료 펌프에서 연소실로 연료를 전달하는 고압부, 시스템 전체를 제어하는 전자제어 시스템으로 구성된다. 저압부는 일반적인 디젤 엔진과 크게 다르지 않지만, 고압부와 전자제어 시스템은 일반 디젤 엔진에서는 볼 수 없는 것들이다.

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고압부에서는 우선 고압 연료 펌프가 가압 연료저장장치(어큐뮬레이터) 역할을 하는 커먼레일 내의 연료 압력을 일정하게 유지한다.

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고압 연료 펌프는 엔진에 의해 구동되기 때문에 엔진이 작동하는 동안 계속해서 일정한 압력을 유지할 수 있다.

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연료 압력의 제어는 압력제어 밸브나 계량 유닛을 이용한다. 커먼레일은 압력이 가해진 연료를 각 인젝터로 분배하는 역할을 하는데, 이를 위해 인젝터와 관으로 연결되어 있다.

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 커먼레일 시스템의 핵심 요소인 인젝터에서는 전자제어 장치의 명령에 따라 정확한 양의 연료를 정확한 시기에 연소실로 분사한다.

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전자제어 장치는 연료 분사량과 시기를 결정하기 위해 크랭크샤프트 회전, 흡기와 냉각수 등의 온도, 커먼레일의 연료 압력등 여러 엔진 작동 정보를 수집해 시스템 작동에 반영한다.

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커먼레일 시스템의 핵심 부품인 인젝터는 전자제어 장치의 전기 신호에 따라 연료분사구를 열고 닫아 필요한 만큼의 연료를 연소실에 분사한다. 연료분사 시기는 크랭크샤프트와 캠샤프트의 회전을 기준으로 삼고, 배기가스 수준과 소음을 조절하기 위해 주 분사에 앞서 사전 분사(pre-injection 또는 pilot injection)를 하거나 주 분사 후에 사후분사(post-injection)를 하기도 한다.

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초기의 커먼레일 시스템용 인젝터는 전자석의 원리를 이용한 솔레노이드(solenoid)로 조절되었지만, 최근에는 인젝터에 압전소자(피에조 크리스탈)를 사용한 피에조 인젝터가 쓰이고 있다.

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압전소자는 전기가 가해지면 빠른 속도로 크기가 변하는 속성이 있어, 솔레노이드보다 더 정확하고 빨리 조절할 수 있게 되었다.

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피에조 인젝터를 사용하게 되면서 분사되는 연료량을 더 정확하게 측정할 수 있고 분사되는 연료 입자를 더 가늘게 쪼갤 수 있게 되었다.

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따라서 더 정밀하고 효율적인 연소가 가능해져 연료소비와 유해 배기가스 배출은 줄고 출력과 정숙성은 높아졌다.

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\r\n\r\n커먼레일 시스템은 일반 디젤 엔진의 단점을 획기적으로 개선했지만, 시스템 특성상 몇 가지 단점이 있다.

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일반 디젤 엔진에 없는 구성요소와 부품이 쓰이므로 값이 비싸다는 점은 시간이 흐르면서 기계식 연료분사 엔진이 점차 사라지고 있으므로 큰 단점이라고 하기는 어렵다. 무엇보다 큰 단점은 정밀한 부품이 쓰이므로 관리에 신경을 써야 한다는 것이다.

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특히 수분을 비롯한 연료 속 불순물이 충분히 걸러지지 않으면 인젝터가 고장날 수 있으므로 연료필터를 수시로 점검하고 수분을 제거해야 한다. 일단 고장이 나면 수리비가 많이 들므로 철저한 관리가 필요하다.

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(출처 : www.jasonryu.net/archives/892 )

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