연료분사기

연료분사기 구조도

보쉬 디젤 연료분사기

연료분사기(Fuel Injector)는 전자적으로 밸브를 제어하는 방식으로 자동차의 엔진에 연료를 분사하는 장치이다. 연료분사기는 적정한 연소와 효율성을 목적으로 분무 노즐(atomizing nozzle)로 초당 수차의 밸브 개폐를 추진하면서 가솔린이나 디젤을 균일하게 분사한다. 연료분사기는 연료의 효율성을 향상시키고 배기 가스의 배출을 줄이는 특징으로 기존의 카뷰레이터 시스템(carburettor system)을 대체하였다. 통상적으로 엔진의 실린더마다 하나의 연료분사기가 배치되며 만약에 4기통 엔진이라면 4개의 연료분사기가 배치된다.

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개요

연료분사기는 전자방식으로 제어되는 밸브를 통해 연료펌프로 운무상태의 연료를 엔진 연소실에 주입하는 장치이다. 크게 기계식 연료분사기와 전자식 연료분사기로 나뉘며 연료분사 방식에 따라 직접연료분사기와 간접연료분사기로 나뉜다.

기계식 연료분사기는 1960년대와 1970년대에 사용되었던 초기 유형들이며 주로 스포츠카에 적용되었다. 전자식 연료분사기는 현 시대 보편적으로 사용하는 유형이며 엔진 ECU(Electronic Control Unit)가 엔진에 장착된 여러 센서에서 보내오는 온도, 속도 및 스로톨의 위치 정보를 기반으로 소요되는 연료량을 계산한다. 연료분사 방식에 따라 연료분사기는 직접연료분사기와 간접연료분사기로 나뉜다. 직접연료분사기는 대부분 디젤엔진 디자인에 적용되며 운무상태의 연료를 직접 연소실에 주입한다. 간접연료분사기는 대부분 가솔린 엔젠에 적용되며 연료를 연소실에 주입하기 전에 공기와 혼합하는 과정을 거친다.

1925년에 스웨덴의 엔지니어 조나스 헤셀만(Jonas Hesselman)이 직접연료분사 시스템(DFI: direct fuel injection)을 발명하였으며 카뷰레터(Carburetor)와 달리 중력에 의존하지 않는 특징으로 여러 나라들에서 항공산업에 적용하였다. 그러다가 자동차 산업에는 1955년에 메르세데스-벤츠에서 300SL Gullwing 모델을 출시하면서 DFI 시스템이 적용되었으며 그 시대에 300SL Gullwing은 가장 빠른 차 모델로 되었다. 이 모델의 양산이 이루어진 뒤 DFI 기술은 나날이 향상되었으며 1992년에 미쯔비시에서 가솔린 직접분사 시스템을 적용하여 일본 시장에서 히트상품으로 평가받는 자동차 모델을 출시하였다. 오늘날 전세계 자동차 제조사들은 모두 연료분사 기술을 적용하여 연료자동차를 제조하고 있다.

2021년 6월 9일에 마켓워치(MarketWatch) 사이트에 기재한 "2021년 자동차 연료분사기 시장 점유율과 2025년까지 시장전망 예측"에 따르면 시장의 주요 기업들로 보그워너(BorgWarner Inc.), 카터 연료 시스템(Carter Fuel Systems LLC), 컨티넨탈 AG(Continental AG), 커민스, 덴소, 다이노마이트 디젤 제품(Dynomite Diesel Products Inc.) 등이 있으며 2021년~2025년 기간의 년평균 시장 성장율은 2%로 2025년에 가면 시장 규모는 96.4억 달러로 된다고 하였다.

작동원리

연료분사기는 연소실(combustion chamber)에 들어가는 연료 수량을 제어하여 적정한 시점의 적정한 수량을 보장한다. 작동과정은

1. 연표 펌프가 작동하여 연료 공급 라인을 통해 연료를 연료분사기로 수송한다.
2. ECU(엔진 제어 유니트)는 센서를 사용하여 연료분사기를 작동하는 정확한 시간을 계산하고 연료를 연소실에 분사한다.
3. ECU가 연료분사기를 작동시킬 때 압축된 연료는 노즐을 통해 연소실로 분사된다. 노즐의 내경이 작기 때문에 연료는 분무상태에 처하며 이로서 효과적인 연소가 이루어진다.

동영상

• 연료분사기 작동과정

참고자료

• "What are the Symptoms of Bad Fuel Injectors?", Redex, 2019-12-03
• "Fuel injection", Wikipedia
• "Explained: Carburetion VS Fuel Injection", TVS Motor Company, 2018-07-27
• "Direct Injection versus Port Fuel Injection", AutoNation Drive, 2019-10-22
• Hannu Jääskeläinen, Magdi K. Khair, "Fuel Injection System Components", Disel Net

같이 보기

• 연료
• 분사기
• 연료탱크
• 연료펌프
• 연료필터
• 엔진

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