디젤 기관의 연소
1. 착화 지연기간
-물리적 지연
미립화→기화→가연 혼합기→자기 착화 온도 도달
-화학적 지연
가연 혼합기가 화학적으로 활성이 될 때까지의 시간
2. 초기 연소시간(급격 연소 기간, 무 제어 연소시간, 예혼합 연소 기간)
-착화한 뒤, 폭발적으로 연소가 실시되어 압력이 급상승하는 기간
-압력상을 율 및 열 발 생률은 착화 지연기간의 분사량에 비례한다.
3. 주 연소 기간
-실린더 내는 이미 고온고압이 되어 있으므로 분사되는 연료는 즉시 착화하여 분사 밸브로부터 분출되는 것과 같은 상황이 된다. 이 기간은 분사율에 따라 연소를 제어할 수 있으므로 제어 연소 기간(Controlled Combustion Duration)이라고 한다. 또한, 공기와는 확산에 의해 혼합하므로 연소 형태는 확산 연소라고 말할 수 있다.
4. 후 연소 기간
-이 기간 동안에 실린더 내에는 연소 생성물이 다량으로 존재하여 산소농도가 낮다. 그래서 남은 연료는 산소와 충분한 혼합이 되지 않고, 그을음이 되어서 배출되는 수가 많다.
-이후 연소기 간이 길면 열효율 저하, 배기 온도 상승, 그을음 등이 발생한다. 이것을 방지하기 위해 연료의 미립화를 좋게 하고 연소실 와류 등을 이용해서 흡기와의 혼합을 촉진하는 드으이 방법을 적용하여 이 기간을 단축하는 것이 중요하다.
연료 공급장치
1. 연료 공급 펌프
-연료 공급 펌프는 연료분사펌프의 측면에 부착되어 있으며 연료 분사펌프의 캠축에 의해 구동되는 플런저식 펌프로, 연료를 탱크에서 분사펌프로 압송한다.
2. 연료 필터
-연료 분사장치는 고압을 유지하는 유밀을 가져야 하므로 마이크로 정도의 초정밀 가공이 이루어져야 하며, 연료로 윤활을 유지하는 부분이 있기 때문에 연료 중의 불순물은 분사장치에서 치명적인 손상을 가져올 수 있다. 따라서 연료 중의 먼지, 불순물, 수분 등이 연료 분사장치 내로 들어가지 않도록 하기 위해서 연료 필터를 통과시킨다.
3. 연료분사펌프
연료→피드 펌프에 의해 낮은 압력으로 가압→연료 필터→펌프 본체의 연료실→흡입, 압송, 분사→고압으로 변하여 노즐로 공급
4. 고압 파이프
가압된 연료가 이동하는 유로
전자제어 커먼레일(CRDI) 시스템
1. 유해 배기가스의 배출 감소
-동일 질소산화물 수준을 유지하면서 이산화탄소 20%. 일산화탄소 40%, 탄화수소 50%, 입자상 배출물 60%까지 감소시킬 수 있다.
2. 연료소비율 향상
3. 기관의 성능 향상
-기존의 인젝션 펌프 디젤 엔진보다 저속에서 회전력을 50% 정도 향상할 수 있어 출력을 25% 정도 증가시킬 수 있다.
4. 운전 성능의 향상
5. 콤팩트(Compact)한 설계와 경량화
연료장치 구성 요소
A. 저압 연료 라인의 구성
1) 연료 탱크(fuel tank)
2) 저압 펌프(low pressure fuel pump)
3) 연료 여과기(fuel filter)
-1차 여과기 : 탱크 내장
-2차 여과기 : 엔진룸
º전동식 저압 펌프를 이용한 연료 여과기의 경우 연료 여과기에 오버플로 밸브가 부착되어있어 저압 라인의 압력을 일정하게 유지시킨다.
º기계식 저압 펌프를 이용한 연료 여과기의 경우에는 프라이밍 펌프(공기 빼기용)가 부착되어 있다.
4) 연료 가열 장치(fuel heater)
-약 -4 ºC이하 시 가열
5) 연료 온도 스위치(fuel temperature switch)
-연료 온다가 약 -3±3 ºC 이하 Heater 전원 on , +5±3 ºC off
6) 프라이밍 펌프(priming pump)
B. 고압 연료 라인의 구성
1) 고압펌프
-연료의 가압은 고압 펌프 단독으로는 불가능하며 반드시 압력 조절 밸브의 듀티 제어가 있어야 가능하다.
2) 압력 조절 밸브
-출구 제어 방식 : 압력 조절 밸브가 커먼레일 출구에 장착되어 연료 탱크로 리턴되는 양을 조절하여 레일 압력이 결정
-입구 제어 방식 : 저압 펌프와 고압 펌프 중간에 압력 조절 밸브가 설치되어 고압 펌프 및 레일에 공급되는 연료량을 조절하여 레일 압력이 결정
3) 커먼레일
-고압 펌프로부터 이송된 연료가 압축 저장되는 부분이며, 모든 실린더에 연료를 공급한다. 고압 펌프의 이송과 연료 분사로 인하여 발생하는 압력 변화는 커먼레일의 체적에 의해 완충되며, 연료가 많은 양으로 공급되더라도 커먼레일의 실제 압력은 일정하게 유지된다.
4) 레일 압력 센서(RPS, rail pressure sensor)
5) 솔레노이드 인젝터(solenoid injector)
-컴퓨터에 의해 제어되며 분사 개시와 분사된 연료량은 전기적으로 작동되는 인젝터에 의해 조절된다.
인젝터는 실린더 헤드에 설치되며, 솔레노이드 밸브와 노즐로 구성되어 있다.
연료는 고압 통로를 통하여 인젝터로 공급되고, 오리피스(orifice)를 통해 컨트롤 챔버(control chamber)에 공급된다.
볼밸브가 솔레노이드의 자화에 의해 열리면 컨트롤 챔버의 압력은 낮아져 컨트롤 플런저가 상승하여 고압의 레일 압력이 노즐을 통해 분사된다.
인젝터 노즐
-노즐은 분사된 연료의 측정(분사 시간과 크랭크축 회전당 분사된 연료량), 연료 관리(분사 제트의 수, 분무 형상, 그리고 분무의 무화), 연소실에서의 연료 분포, 연소실로부터 발생되는 압력에 대해 기밀을 유지하는 역할을 한다.,
인젝터 작동
-솔레노이드 밸브가 작동되면 볼 밸브가 열리고, 이에 따라 컨트롤 챔버의 압력이 낮아지므로 플런저에 작용하는 유압이 낮아진다, 연료 압력이 니들 밸브 압력에 작용하는 압력보다 낮아지면 니들 밸브가 열린다.
6) 피에조 인젝터
-기존 솔레노이드 형식의 인젝터보다 높은 최대 1800 bar의 높은 분사압력에서도 빠른 분사 응답성과 정밀한 제어를 실현할 수 있기 때문에 엔진의 출력 향상과 더불어 매연을 저감 시킬 수 있게 되었다. 솔레노이드 형식의 인젝터와 대별되는 차이점은 리턴 라인의 압력이 저압 펌프의 압력과 연결되어 있어 기존 솔레노이드 인젝터처럼 백리크 시험을 할 숭 없고, 인젝터의 내부에 코일이 내장된 것이 아니라 ECU구동 전압에 따라 피에조 소자의 팽창과 수축으로 인한 압력 변화로 분사가 이루어지며, 예비 분사(pilot) 2회와 주 분사(main)를 실시하고 배기가스 제어 시 사후 분사를 실시한다는 점이다. 피에조 인젝터는 피에조 소자의 압전 효과를 역으로 이용한다. 압전 효과는 물리적 입력이 가해지면 소자 양단에 전압이 발생되는 현상이며, 소자 양단에 전압을 인가하면 소자의 형상에 변화가 발생한다.
C. 입력 요소
1) 연료 압력 센서(RPS)
2) 가속 페달 위치 센서 1, 2
3) 공기 유랑 센서 & 흡기 온도 센서
-핫 필름(hot film) 방식을 사용하며, 배기가스 재순환 장치(EGR)의 피드백 제어가 주 기능이다. 또 다른 기능으로는 스모그 제한 부스타 압력 제어가 있다. 그리고 흡기 온도 센서(ATS)는 부특성 서미스터인데 연료량, 분사 시기, 기관을 시동할 때의 연료랑 제어 등의 보정 신호로 사용된다.
4) 연료 온도 센서(FTS)
5) 수온 센서(WTS)
6) 크랭크축 위치 센서(CKP)
7) 상사점 센서(CMP)
D. 출력 요소
1) 연료 분사(fuel injection)
-제1단계 : 예비 분사(pilot injection)
-제2단계 : 주 분사(main injection)
-제3단계 : 사후 분사(post injection)
1. 예비 분사(pilot injection)
-주 분수가 이루어지기 전에 연료를 분사하여 연소할 때 연소실의 압력 상승을 부드럽게 하여 연소가 잘 이루어지도록 하기 위한 것
2. 주 분사(main injection)
-기관의 출력에 대한 에너지는 주 분사로부터 나온다. 주 분사는 착화 분사가 실행되었는지를 고려하여 연료량을 계측한다. 주 분사의 기본값으로 사용되는 것은 기관 회전력(가속 페달 위치 센서의 값), 기관 회전 속도, 냉각수 온도, 대기 압력 등이다.
3. 사후 분사(post injection)
-사후 분사는 디젤 연료(탄화수소)를 촉매 변환기에 공급하기 위한 것이며, soot을 태우기 위하여 DPF의 재생이 필요할 때 또는 질소산화물을 환원하기 위하여 LNT에 HC가 필요할 때 실시한다. 사후 분사의 계측은 20ms 간격으로 동시에 실행되며, 최소 연료량과 작동 시간을 계산한다.
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