연료시스템

연료시스템(fuel system) 또는 연료장치는 연료와 공기를 내연기관으로 공급하는 시스템을 말한다.

개요

연료시스템은 엔진연소의 열원인 혼합기를 형성하는데 필요한 연료를 공급하는 장치로써, 연료의 종류 및 공급방식에 따라 가솔린 분사방식, 기화기(Carburetor)방식. LPG방식, 디젤 분사방식 등이 있다. 현재 적용되는 가솔린 분사방식은 거의 모든 자가용 승용차에 적용되며, LPG 방식은 영업용 승용차와 특수승용차에 그리고 디젤 분사방식은 대부분 상용차량에 사용되고 있으나 최근에는 승용차량에도 적용되고 있다. 전자제어 연료시스템은 종래의 기화기 형시과는 전혀 다른 연료분사량을 ECU에 의해 기화기 방식보다 좋은 혼합기의 공급을 정밀하게 제어 할수 있도록 하며 엔진의 회전 속도,흡입공기량,냉각수온,흡입공기온도 등의 상태를 각종 센서에 의해 전기적 신호를 모아서 그것들을 연산하여 운전조건에 가장 적합한 혼합기를 공급하므로서 연비의 향상,엔진효율 및 주행성능 향상, 유해배출가스의 감소를 향상시키는 장치이다.

종류

연료주입구

연료주입구는 연료 필러 뚜껑과 연결관으로 구성되며 인입관은 연료필러넥(fuel filler neck)과 고무 급유 호스(rubber fuel fill hose)로 구성되어 연료탱크에 이어진다. 연료필러넥은 철제 나사로 차체와 체결되며 다른 한쪽은 연료탱크에서 오는 고무 급유호스와 연결된다. 연료필러넥이 고장 나거나 제대로 작동 못 하는 경우에 연료 누설의 이슈를 야기시킬 수 있으며 안전 문제가 거론된다. 연료필러넥에 문제가 생겼을 때 연료 냄새가 나거나 엔진 체크 경고등이 켜지거나 연료가 누설되는 문제가 발생한다. 대부분의 연료필러넥은 고무나 금속으로 제작되었으며 오랜 시간이 지나게 되면 노후로 인해 문제를 발생시킬 수 있다. 화재를 유발할 수 있는 위험이 있고 도로 주행 중에 더 심각한 문제를 야기시킬 수 있기에 문제가 발생한 연료필러넥은 즉시 교체를 진행해야 한다. 교체하는 비용은 순정 부품을 사용하냐 아니면 애프터마켓 부품을 사용하냐 그리고 발생하는 노무비 수준에 따르게 된다. 통상적으로 평균 교체 비용은 200달러 수준이다.

연료탱크

연료탱크는 연료의 저장 기능을 담당한다. 연료탱크는 자동차의 용도나 구조에 따라 다르게 결정된다. 주로 강판이나 플라스틱 재질로 만들어지고, 대부분 승용차는 뒷좌석 아랫부분에 위치한다. 연료 탱크 내에 있는 연료 펌프를 통해 엔진까지 연료를 보낸다. 연료탱크는 가솔린, 디젤 등의 가연성의 유체를 안전하게 저장하기 위한 장치로 자동차 이외에도 항공기 또는 산업 전반에서 많이 사용한다. 연료의 추가적인 주유 없이 자동차가 갈 수 있는 거리는 여러 요건 중 연료탱크의 크기와 연비에 가장 크게 영향을 받는다. 물론 연료탱크가 커질수록 많은 양의 연료를 채워 먼 거리를 갈 수 있지만, 지나치게 연료탱크를 키우면 오히려 차량의 무게가 증가하여 연비에 악영향을 준다. 이는 높아진 무게만큼 같은 차량의 속도나 퍼포먼스를 내기 위해 더 많은 연료를 소비하기 때문이다. 그 뿐만 아니라 연료탱크의 크기가 커지면 연료의 쏠림 현상이 커져 엔진으로 연료의 충분한 공급이 어려워지기도 한다. 이를 위해 연료탱크에 칸막이를 나누어 다수의 공간으로 분리하기도 한다. 따라서 연료탱크의 용량은 차량의 디자인, 무게, 종류 등 다양한 요소가 고려된 균형의 산물이다. 일반 승용차의 경우 대부분 40~75L의 연료탱크 용량을 가진다. 소형 차량보다 SUV나 트럭은 상대적으로 더 큰 연료 탱크 용적을 가지게 된다. 다양한 독성/화학 물질의 보관을 위해 연료탱크로서 기본적으로 갖추어야 할 필수적 요건들이 몇 가지 있다.

1. 연료와 연료 증발 기체의 누수 억제
2. 전류 스파크 등의 발화로부터 안전
3. 연료 잔량 표시
4. 환기 가능
5. 엔진으로 연료 주입이 원할히 이루어져야 함
6. 차량의 충돌이나 사고로 인해 발생되는 데미지에 견딜 수 있는 충분한 강도

연료필터

연료필터는 연료속에 들어 있는 먼지등 불순물을 분리하는 장치이다. 가솔린에는 가는 섬유질의 먼지, 연료탱크에서 생기는 녹, 수분등이 섞여 있으며, 그대로 가솔린이 엔진으로 공급된다면 연료 통로, 노증등이 막혀 연료의 분사 성능을 저하 시키게 된다. 가솔린 중의 이물질을 제거하기 위하여 연료탱크의 주입구, 기화기의 뜨개실 가솔린 입구에도 각각 간단한 여과망을 비치하고 있으나 가솔린이 기화기로 들어가기 전에 여과 성능이 좋은 연료필터를 통해 충분히 불순물을 제거할 필요가 있다. 연료필터는 발이 가는 금속제의 여과망 또는 접시꼴의 얇은 금속판을 20매 정도 겹쳐 놓은 여과제를 용기내에 넣고, 용기는 쉽게 떼어낼 수 있는 연료 보울로 만들며, 연료 보울은 내부에 모인 불순물이 밖에서 보이도록 유리로 만든 것이 많다. 연료탱크에 흡인되는 가솔린은 연료펌프로 들어가기 전에 먼저 연료 여과기의 위쪽에서 연료 보울에 유입하여 여과체를 통과할 때에 먼지나 수분이 여과체에 걸려 연료 보울속에 남게 되며 깨끗한 가솔린 만이 여과기 위쪽으로부터 연료펌프에 흡인된다. 한편 전자제어식 연료분사장치에서 사용하고 있는 연료필터는 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 내압성이 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.

연료펌프

연료펌프는 연료탱크에서 기회기 또는 주입 노즐까지 연료를 공급해 주는 장치이며 기화기식 기관에서는 주로 기계식 다이어프램 펌프를 가솔린분사식 기관에서는 전기모터식 펌프를 사용한다. 대부의 기화기식 연료시스템에는 기계식 연료펌프가 사용되며 공급압력은 약 0.2~0.4kg/cm²정도이다. 이 펌프는 주로 실린더블록 또는 헤드 측면에 장착되며 캠축에 의하여 구동된다. 기계식 연료펌프의 일반적인 구조로써 캠축이 회전하면 편심 캠이 회전하여 작동 레버나 푸시로드를 밀고 이에 연결된 다이어프램을 작동 시켜 연료를 압송한다. 전기식 연료펌프에는 전기모터에 의한 방식과 솔레노이드에 의한 방식이 있으나 현재는 대부분 전기모터식 연료펌프를 상용하고 있다. 전기모터식 연료펌프는 기계식 연료펌프보다항상 기관이 요구하는 이상의 충분한 연료를 공급할 수 있고 회로 내에 잔압을 유지하므로 점화 스위치가 작동되는 순간 연료를 공급할 수 있으며 베이퍼로크에 강한 이점이 있다. 이 펌프는 기관시동시, 점화 스위치가 시동에 있을 때는 시동스위치에 의하여 작동되며 기관이 작동된 후부터는 ECU에 의하여 ON/OFF 제어 된다. ECU에서는 점화 신호나 회전 수신호가 입력되지 않으면 연료펌프를 정지시킨다. 모터가 회전하면 측면에 장착된 로터가 회전하며 이 로터는 펌프 하우징에 편심 되어 있어 회전 시 체적 차만큼 하우징 내벽을 따라 회전하면서 펌프질 작용을 한다. 일반적으로 가솔린 분사식 기관에서 연료펌프의 송출압력은 기관에 따라서 다소 차이는 있으나 보통 3~6kg/cm² 정도이다.

압력조절기

압력조절기는 연료펌프 내 리턴파이프내에 장착되어 있으며 연료탱크내로 연결되어 있다. 연료 압력조절기는 연료시스템 내부압력을 조절한다. 이것은 분사량을 연료 분사 밸브의 열리는 시간으로 제어할 때 흡기 매니폴드의 압력변동에 따른 혼합비의 변동을 방지해주기 위해서이다. 이것은 인젝터내에 걸리는 연료의 압력을 흡기 다기관 내의 압력보다 항상 3.35kg/cm² 높도록 조절한다. 내부는 압착된 다이어프램으로 크게 두 부분으로 나누어져 있으며 외부 하우징은 금속으로 제작되었다. 나누어진 내부 중 한 부분은 압축된 스프링이 장착되어 있고 대기가 작용하게 되어 있으며 나머지 한 부분은 연료가 채워지도록 되어있다. 연료 장치의 압력이 규정치를 초과하면 다이어프램에 의해 조절되는 밸브가 열려 오버플로 통로를 열게 된다. 오버플로우 밸브가 열리면 규정압 이상의 연료는 밸브를 통하여 연료탱크로 되돌아간다. 다이어프램 실에는 대기압이 전달되어 연료압력이 높으면 다이어프램을 미는 힘이 강해져 연료탱크로 되돌아가는 연료의 양은 많아지고 반대로 연료 압력이 낮으면 다이어프램을 미는 힘이 약하져 연료탱크로 되돌아가는 연료의 양은 적아진다. 연료 압력조절기는 이러한 원리로 연료관 내부의 연료 압력을 일정하게 하고 있다.

연료분사기

연료분사기는 ECU로부터 보내온 분사신호에 의해 연료를 분사하는 솔레노이드 밸브가 내장된 분사 노즐이다. 각 실린더의 매니폴드에는 1개씩 연료분사기가 장착되어 연료 공급파이프와 연결되어 있으며, 니틀밸브는 플런저와 일체로 되어 있어 인젝터 작동 시 플런저와 같이 분사출구를 열고 이때 연료는 연료라인의 압력에 의해 분사된다. 연료분사기는 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.

참고자료

• 〈연료 시스템〉, 《네이버 지식백과》

같이 보기

• 연료주입구
• 연료탱크
• 연료펌프
• 연료필터
• 연료분사기

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