디젤 엔진 연료장치에서 새롭게 개발된 것이 “커먼 레일(common rail)”이라 부르는
연료 저장 파이프(어큐뮬레이터,
accumulator)와 초고압 연료 공급장치 및 인젝터(injector, 분사기)이며,
그리고 복잡한 장치를 정밀하게 제어하기 위
해 전기적인 입력 및 출력 요소와 ECU(컴퓨터)를 두고 있다.
배출가스와 소음에 대한 강력한 규제와 낮은 연료 소비율에 대한 필요성의 결과로 인하여 디젤 엔진의 분사장치에 대한
요구가 갈수록 높아지고 있으며, 효율적인 연료와 공기의 혼합을 형성하기 위해서는 약 350∼2,000bar의 압력으로 연소
실 내에 연료를 분사하여야 하며, 분사된 연료량은 매우 정밀하게 제어되어야 한다. 그리고 디젤 엔진에서 회전속도와
부하의 제어는 연료 분사량으로 한다. 기존의 디젤 엔진은 기계식 거버너(조속기)로 분사량을 제어하는 것에 반해 커먼
레일 방식에서는 공기와 연료의 비율을 ECU에 의해 전자제어 되는 방식이다.
직접 분사식 시스템에서는 분사 압력은 엔진의 회전속도와 분사된 연료량에 독립적으로 생성되고
각각의 분사과정에
준비된 커먼레일(어큐뮬레이터)에 저장된다. 연료의 분사개시와 분사량은 엔진의 ECU에서 계산되고 분사
유닛을 경유
하여 인젝터의 솔레노이드 밸브를 통하여 각 실린더에 분사된다.
분사펌프의 도입은 1927년 보시에서 디젤 엔진 연료 분사시스템을 제작하면서 시작되었으며, 주요 적용 범위는 모든
크기의 상업용 디젤 엔진과 운반 차량 및 선박용에 사용되고 있다.
현재 사용되는 CRDI-엔진은 과거의 분사펌프의 개념을 탈피한 방식으로 실린더 당 약 160kw의 출력을 발생
하며, 약 1,350bar의 분사압력이 사용된다. 기존의 연료 분사 시스템과 비교하여 직접분사 디젤 엔진에 사용되는 커먼
레일 연료 분사시스템은 매우 정밀한 제어가 이루어진다.
연료장치의 구성 요소들은 고압의 연료를 형성하여 분배할 수 있도록 되어 있으며, 또한 ECU에
의해 전자제어 된다.
따라서 연료장치는 기존 디젤 엔진의 연료 분사장치에서 사용되었던 분사펌프 형식의 연료 공급방식과는
완전히 다르다.
커먼 레일 연료 분사장치는 연료의 저압 연료계통, 고압 연료계통, 그리고 제어부분인 ECU로 구성되어 있다.
그리고 연료 공급 과정은 저압 연료펌프 → 연료 필터 → 고압 연료펌프 → 커먼
레일 → 인젝터이다.
커먼 레일 연료 분사장치의 저압 연료 계통은 연료 탱크 (스트레이너 포함), 1차 연료펌프(저압
연료펌프), 연료 필터,
저압 연료 라인으로 구성되어 있다.
연료 탱크
연료 탱크는 부식되지 않는 재질을 사용하며, 허용압력은 작동압력의 2배 (최소 0.3bar
이상)이며, 과도한 압력의 발생을
방지하기 위해 적당한 플러그 및 안전밸브가 부착되어 있고 최소한의 충격, 경사진 도로의
선회에서 누출 방지는 물론
연료 공급이 원활하도록 설계되어 있다.
저압 연료펌프(1차 연료 공급 폄프)
저압 연료 펌프는 전기로 구동되며, 필터를 지니고 있다.
이 펌프는 연료 탱크로부터 연료를 연속적으로 고압 연료펌프 쪽으로 전달한다.
연료 필터
기존의 디젤 엔진보다 정화된 연료 공급이 요구되며, 연료에 이물질이 들어있을 때 펌프의
구성 요소, 밸브, 인젝터 등에
손상을 초래할 수 있다. 연료 필터는 연료가 고압 연료펌프에 도달하기 이전에 정화하여 고압
연료펌프에서 원활한 작용
이 이루어질 수 있도록 한다.
고압 연료계통은 고압 연료펌프(압력 제어 밸브 부착), 고압 연료 라인, 커먼 레일 압력센서,
압력 제한 밸브, 유량 제한기,
인젝터 및 어큐뮬레이터로서의 커먼 레일, 연료 리턴 라인으로 구성되어 있다.
고압 연료펌프
이
펌프는 연료를 고압으로 형성시키는 장치이며, 캠축에 의해 구동 되는 로터리 형이다.
고압 연료펌프는 연료를 약 1350bar의
압력으로 가압시키며, 이 가압된 연료는 고압 라인을 통하여 관(管)모양의 커먼
레일(어큐뮬레이터)로 이송한다.
커먼 레일(common rail)
커먼 레일은 고압펌프로부터 공급된 연료를 저장하는 부분이다. 그리고, 인젝터가 연료를 분사하더라도
커먼 레일 내의
연료 압력은 항상 일정하게 유지된다. 이것은 연료 고유의 탄성으로부터 어큐뮬레이터(축압기)의 효과가 증가하기
때문이다.
연료의 압력은 커먼 레일의 압력 센서에 의해 측정되며, 압력 제어 밸브에 의해 원하는 값으로 유지된다. 연료 압력을 커먼
레일 내에서 1,350bar로 조절하는 것은 압력 제한 밸브이다. 그리고 상당히 가압 된 연료는 유량 제한기에 의해 커먼
레일
로부터 인젝터로 향한다.
인젝터(injector)
인젝터는 연료 분사장치로서 솔레노이드 밸브와 니들 밸브 및 노즐로 구성되어 있으며, ECU에 의해 제어된다. 인젝터의 노즐은
ECU의 신호에 의해 솔레노이드 밸브가 작동되어 열리면 연료가 엔진의 연소실에 직접 분사된다. 인젝터의 노즐이 열려서 분사
후 남은 연료는 리턴 라인을 통하여 다시 연료 탱크로 되돌아간다. 압력 제어 밸브와 저압으로부터 반환되는 연료도 고압 연료펌프를
윤활하기 위해 사용된 연료와 함께 리턴 라인으로 돌아간다.
고압
파이프
연료 라인은 고압의 연료를 이송하므로 계통 내의 최대 압력과 분사를 정지할 때 간헐적으로
일어나는 높은 주파수의 압력 변화에 견딜 수 있어야 하므로 연료라인 의 파이프는 강철(steel)을 사용한다. 커먼 레일과
인젝터 사이의 고압 파이프는 모두 동일한 길이로 구성되어 있으며, 커먼 레일과 각각의 인젝터 사이의 길이는 각각의 파이프
길이에서 굽힘에 의해 보상되어 있다.
