연료 분사
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1. 개요
연료 분사는 가솔린이나 디젤 엔진에 연료를 공급하는 기술로, 기화기의 단점을 보완하기 위해 개발되었다. 초기에는 기계식 분사 방식을 사용했으나, 이후 전자 제어 기술의 발달로 전자 제어식 연료 분사가 보편화되었다. 연료 분사 방식은 엔진의 성능 향상, 배출 가스 감소, 연비 개선에 기여하며, 자동차, 오토바이, 항공기 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 연료 분사 방식은 엔진 형식에 따라 직접 분사, 간접 분사 등으로 구분되며, 각 제조사별로 고유한 명칭을 사용한다.
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| 연료 분사 | |
|---|---|
| 연료 분사 장치 | |
| 종류 | 내연 기관의 연료 공급 장치 |
| 가솔린 엔진 연료 분사 | |
| 개요 | 가솔린 엔진의 연료 분사 방식은 기화기를 사용하지 않고, 연료를 실린더 내 또는 흡기 포트에 직접 분사하는 방식임 |
| 분류 | 간헐 분사식 연속 분사식 |
| 간헐 분사식 종류 | 단일 분사식 다점 분사식 |
| 분사 위치에 따른 분류 | 간접 분사식 직접 분사식 |
| 디젤 엔진 연료 분사 | |
| 개요 | 디젤 엔진의 연료 분사는 고압으로 연료를 실린더 내에 직접 분사하는 방식이며, 정밀한 제어가 필요함 |
| 종류 | 커먼레일 방식 펌프 분사 방식 축 압력식 분사 방식 |
| 특징 | |
| 장점 | 연료 효율 향상 출력 향상 배출 가스 저감 응답성 향상 |
| 단점 | 시스템 복잡성 증가 부품 가격 상승 정비 난이도 상승 |
| 기술 발전 | |
| 전자 제어 | 전자 제어 시스템을 통해 연료 분사량, 시기 등을 정밀하게 제어하여 엔진 성능을 최적화함 |
| 센서 | 다양한 센서를 통해 엔진 상태를 감지하고, 이를 바탕으로 연료 분사를 제어함 |
| 관련 용어 | |
| 연료 펌프 | 연료 탱크에서 연료를 끌어올려 연료 분사 장치에 공급하는 장치 |
| 연료 필터 | 연료 내의 불순물을 제거하는 장치 |
| 연료 압력 조절기 | 연료 압력을 일정하게 유지하는 장치 |
| 인젝터 | 연료를 미세하게 분사하는 장치 |
| ECU (엔진 제어 장치) | 엔진의 작동을 전반적으로 제어하는 컴퓨터 |
2. 역사
기화기의 분무 성능은 기압이나 온도와 같은 외부 기후의 변화에 따라 달라지기 쉽고, 고도에서 대기 상태가 극도로 변화하는 항공기에서는 상황에 맞는 대응이 어려웠다. 또한, 중력을 이용하기 때문에 장치의 상하가 뒤집히거나 역 G가 걸리는 기동을 하는 전투기 용도에서는 연료가 끊겨 엔진이 정지하는 문제가 있었다. 따라서 중력이나 공력에 의존하지 않고 가솔린을 직접 가압하여 분무하는 방식이 일찍부터 연구되었으며, 어떤 것은 디젤 엔진의 분사 펌프 기술을 그대로 응용한 기계식 연료 분사 장치로 실용화되었다.
기계식 연료 분사 장치는 제2차 세계 대전 종전까지의 독일 공군에서 항공 엔진으로 널리 사용되었다. 메서슈미트 Bf 109는 다른 나라의 전투기가 기화기를 탑재하고 있었던 당시에 연료 분사 장치를 채택하여 마이너스 가속도가 걸리는 역 공중제비나 배면 비행이 가능했다. 일본과 이탈리아에서도 라이센스 생산되었으며, 연료 분사 장치는 미쓰비시 중공업이 개발·제조한 항공기용 엔진의 화성 후기형과 금성 말기형에 채용되었다.
자동차에 적용된 것은 1954년에 발표된 메르세데스-벤츠 300SL이 최초였으며, 동시에 자동차용으로는 세계 최초의 가솔린 직분사 엔진이기도 했다. 그 후 미국, 특히 캘리포니아주에서 환경 의식이 높아지면서 배기가스 규제가 엄격해지자, 오염 물질의 배출 원인인 실린더 내 연료의 불완전 연소 문제를 해결하기 위해, 보다 정밀한 엔진 제어가 요구되었다. 이것은 기계식 기화기로는 대응할 수 없는 요구였다. 그래서 자동차 메이커 각사는 당시 발전하고 있던 디지털 기술에 의한 연료 공급의 제어화에 적극적으로 임했고, 연료 분사는 차량 탑재 마이크로컴퓨터의 엔진 제어 유닛 (ECU)의 프로그램에 의해 제어되게 되었으며, 분사량이나 분사 타이밍을 엔진의 부하나 회전 속도와 같은 운전 상황에 따라 세밀하게 변화시키게 되었다. 이것에 의해 배출 가스에 포함된 유해 성분을 줄이는 것뿐만 아니라, 출력이나 시동성의 향상, 연비의 개선이 가능하게 되었다.
왕복 엔진의 민간 항공기에서는 전자 제어식 연료 분사 장치의 채용은 전자 제어의 신뢰성이 확립되지 않은 등의 이유로 자동차용에 비해 다소 늦었지만, 1990년대 이후에는 거의 전면적으로 교체되었다. 고도에 따라 기압 (공기 밀도)이 변화하는 항공기에서는 공연비 제어 조작이 조종사의 부담이었지만, 전자 제어를 통해 자동화가 용이해졌다.
오토바이에서는 1980년대에 혼다 기술연구소가 전자 제어의 연료 분사 장치 장착 엔진을 실용화했고, 일본 국내 시판차에서는 1982년 (쇼와 57년)에 가와사키 중공업의 Z750GP(Z750V1)에 처음 채용되었다. 또한, WGP가 2스트로크에 유리한 규정이었던 것도 있어, 모터스포츠의 세계에서는 1994년에 등장한 혼다 RVF750/RC45가 등장할 때까지 사용되지 않았다. 한편, 다른 회사에서는 스즈키에서 1998년에 출시된 TL1000R, 야마하에서 1999년에 한정 판매된 YZF-R7이 각각 처음이었고, 가와사키에 이르러서는 MotoGP에 참전할 때까지 기화기를 채용하고 있었다. 한편, 2003년 (헤이세이 15년) 10월 3일에는 혼다 기술연구소가 원동기 부착 자전거용 49 cc 4행정 엔진을 탑재했다. 2004년 (헤이세이 16년) 10월에 스즈키가 연료를 중력 낙하식으로 하고, 연료 펌프와 분사 노즐을 일체화한 디스차지 펌프식 49 cc 4행정 엔진을 렛츠4에 탑재했다. 이 방식에서는 연료 펌프와 고압에 견디는 연료 파이프가 불필요해져, 비용을 절감함과 동시에 기구의 신뢰성을 확보했다. 오토바이용으로 연료 분사 장치가 보급되면서 스로틀 개도에 대한 엔진 출력 상승이 급격한 특성을 완화하는 방식을 취하는 차종도 등장했다[61]。 이것은 하나의 흡기 경로에 2개의 버터플라이 밸브를 직렬로 설치하고 한쪽은 액셀 와이어로 작동시키고, 다른 한쪽은 ECU로 제어되는 액추에이터 모터로 작동시키는 트윈 밸브라고도 불리는 기구로, ECU 제어 밸브는 운전자의 조작에 대한 스로틀 개도의 응답을 억제하는 역할을 한다[61]。 배기량이 비교적 큰 차종에 채용된다.
2행정 엔진에서는 선외기와 스노우 모빌에 채용되고 있다. 1990년대에 혼다 기술연구소가 레이스용 바이크인 NSR500에 채용했지만, 시판차에의 채용은 보류되었다. 해외에서는 비모타가 1997년에 실린더 내 직분사 인젝션을 채용한 500V due를 시판했지만, 제어 면에서의 불량이 빈번하게 발생하여 조기에 판매를 종료했다 (이 실패가 동사가 도산하는 최대의 요인이 되었다). 콜로라도 주립 대학의 지원을 받아 비영리 기업인 EnviroFit는 동남아시아에서의 대기 오염을 줄이기 위해, 오비탈사의 개발한 기술을 바탕으로 2행정 이륜차용 개조 키트를 개발했다.
2. 1. 초기 시스템 (1870년대–1930년대)
1872년, 조지 베일리 브레이턴은 공기 분사에 대한 특허를 받았다.[23] 1894년, 루돌프 디젤은 디젤 엔진에 브레이턴의 공기 분사 시스템을 개선하여 적용했다.[24] 그는 공기 분사 압력을 4-5 kp/cm²에서 65 kp/cm²로 증가시켰다.[25] 한편, 최초의 매니폴드 분사 시스템은 1884년 독일의 할레셔 마시넨파브릭에서 근무하던 요하네스 슈필이 설계했다.[26]1891년, 허버트-애크로이드 오일 엔진은 가압 연료 분사 시스템을 사용한 최초의 엔진이었다.[27][28] 이 설계는 열전구 엔진이라고 불리며, '저크 펌프'를 사용하여 고압으로 연료유를 분사기에 공급했다. 초기 디젤 엔진의 또 다른 발전은 1919년 프로스페르 랑주가 공기 분사 시스템의 단점을 피하기 위해 발명한 예연소실이었다.[29] 예연소실은 자동차에 적합한 크기의 엔진을 생산하는 것을 가능하게 했고, 만 트럭 & 버스는 1924년 트럭용 최초의 직접 분사 디젤 엔진을 선보였다.[30] 1927년 보쉬는 더 높은 압력의 디젤 분사 펌프를 도입했다.
1898년, 독일 회사 도이츠 AG는 매니폴드 분사를 사용하는 4행정 가솔린 정치 엔진 생산을 시작했다.[31] 1906년 앙투아네트 8V 항공기 엔진(세계 최초의 V8 엔진)은 매니폴드 분사를 사용한 또 다른 초기 4행정 엔진이었다. 1916년 오토 마더가 설계한 2행정 항공기 엔진은 직접 분사 방식을 사용한 최초의 가솔린 엔진이었다.[32] 직접 분사를 사용한 또 다른 초기 점화식 엔진은 1925년 헤셀만 엔진이었다.[33][34] 이 엔진은 다양한 연료(오일, 등유, 가솔린 또는 디젤유 등)로 작동할 수 있었으며,[35] 층상 충전 원리를 사용하여 연료가 압축 행정 말에 분사된 후 점화 플러그로 점화되었다.
커민스 ''모델 H'' 디젤 트럭 엔진은 1933년 미국에서 출시되었다.[36] 1936년, 메르세데스-벤츠 OM 138 디젤 엔진(예연소실 사용)은 대량 생산 승용차에 사용된 최초의 연료 분사 엔진 중 하나가 되었다.[37]
2. 2. 제2차 세계 대전 항공기 및 초기 직접 분사 가솔린 엔진 (1940년대–1950년대)
제2차 세계 대전 동안, 융커스 유모 210, 다임러-벤츠 DB 601, BMW 801, 슈베초프 ASh-82FN (M-82FN)와 같은 유럽의 항공기용 가솔린 엔진에 직접 분사 시스템이 사용되었다. 독일의 직접 분사 시스템은 Bosch, Deckel, Junkers 및 l'Orange에서 사용된 디젤 분사 시스템을 기반으로 했다.[38] 1943년경, 롤스로이스 멀린과 라이트 R-3350은 기존의 기화기에서 연료 분사(당시에는 "압력 기화기"라고 불림)로 전환했지만, 이 엔진들은 독일 엔진의 직접 분사 시스템이 아닌 스로틀 바디 매니폴드 분사를 사용했다. 1940년부터 미쓰비시 킨세이 60 시리즈 엔진은 관련 미쓰비시 카세이 엔진과 함께 직접 분사 시스템을 사용했다. 1943년에는 나카지마 호마레 모델 23 성형 엔진에 저압 연료 분사 시스템이 추가되었다.[39]최초의 대량 생산 가솔린 직접 분사 시스템은 Bosch에서 개발되었으며, 초기에 소형 자동차 2행정 가솔린 엔진에 사용되었다. 1950년 소형 세단 골리앗 GP700에 처음 도입되었으며, 1952년에는 굿브로드 수페리어 엔진에도 추가되었다. 이 기계 제어 시스템은 본질적으로 흡기 스로틀 밸브 뒤의 진공에 의해 제어되는 특수 윤활 고압 디젤 직접 분사 펌프였다.[40] Bosch 기계 직접 분사 시스템은 1954년 메르세데스-벤츠 W196 포뮬러 원 경주차에 사용된 직렬 8기통 엔진에도 사용되었다. 승용차용 최초의 4행정 직접 분사 가솔린 엔진은 그 다음 해 메르세데스-벤츠 300SL 스포츠카에서 출시되었다.[41] 그러나 이 엔진은 가솔린이 엔진 오일을 희석시켜 윤활 문제[42][43]를 겪었고, 이후 메르세데스-벤츠 엔진은 매니폴드 분사 설계로 전환했다.
2. 3. 가솔린 엔진용 매니폴드 분사 (1950년대–1970년대)
1950년대에 여러 제조사들이 가솔린 엔진용 매니폴드 분사 시스템을 도입하기 시작했다. 루카스 인더스트리는 1941년에 연료 분사 시스템 개발을 시작하여 1956년에 재규어 레이싱 카에 적용했으며,[44] 1957년 르망 24시에서 상위 4대가 루카스 연료 분사 시스템을 사용한 재규어 D-타입이었다.[45] 1957년, 제너럴 모터스는 쉐보레 콜벳의 V8 엔진용 로체스터 램제트 연료 분사 시스템을 옵션으로 제공했다. 1960년대에는 힐본,[46] SPICA,[47] 쿠겔피셔에서도 연료 분사 시스템을 생산했다.이 당시 연료 분사 시스템은 기계식 제어 시스템을 사용했다. 1957년, 벤딕스 일렉트로젝터 시스템은 아날로그 전자 장치를 사용한 제어 시스템을 도입했다. 일렉트로젝터는 램블러 레벨에 적용될 예정이었으나, 신뢰성 문제로 인해 연료 분사 옵션은 제공되지 않았다.[48][49][50][51][52] 1958년, 크라이슬러 300D, 데소토 어드벤처러, 다지 D-500, 플리머스 퓨리에서 일렉트로젝터 시스템을 제공하여 전자식 연료 분사(EFI) 시스템을 사용한 최초의 차량이 되었다.[53]
일렉트로젝터 특허는 이후 보쉬에 판매되었고, 보쉬는 이를 D-제트로닉으로 개발했다.[54] D-제트로닉은 1967년부터 1976년까지 생산되었으며, VW 1600TL/E에 처음 사용되었다. 이 시스템은 엔진 속도와 흡기 매니폴드 공기 밀도를 사용하여 분사할 연료량을 계산하는 속도/밀도 시스템이었다. 1974년, 보쉬는 K-제트로닉 시스템을 도입했는데, 이는 인젝터에서 연료가 지속적으로 흐르는 기계식 분사 시스템이었다.[55] K-제트로닉은 흡기 매니폴드 압력에 의해 작동하는 플런저를 사용하여 인젝터로의 연료 흐름을 제어했다.
1974년, 보쉬는 L-제트로닉 시스템을 도입했는데, 이는 공기 유량 미터를 사용하여 필요한 연료량을 계산하는 펄스 흐름 시스템이었다. L-제트로닉은 1970년대와 1980년대에 유럽 자동차에 널리 채택되었으며, 현대 전자식 연료 분사(EFI) 시스템과 동일한 기본 원리를 사용한다.
2. 4. 디지털 전자 장치 및 커먼 레일 분사 (1980년대–현재)
1979년 이전에는 연료 분사 시스템의 전자 장치에서 제어 시스템에 아날로그 전자 장치를 사용했다. 점화 시스템이 연료 분사 시스템과 동일한 장치로 제어되는 최초의 시스템 중 하나인 보쉬 모트로닉 다중 분사 연료 시스템은 디지털 전자 장치를 사용한 최초의 대량 생산 시스템이었다.[56][57] 1980년에 도입된 포드 EEC-III 단일 분사 연료 시스템은 또 다른 초기 디지털 연료 분사 시스템이었다. 이러한 전자식 매니폴드 분사 시스템은 1980년대에 걸쳐 더욱 널리 보급되었으며, 1990년대 초에는 선진국에서 판매되는 대부분의 신형 가솔린 엔진 자동차에서 기화기를 대체했다.1997년 미쓰비시 6G74 V6 엔진에 도입된 승용차용 최초의 대량 생산 가솔린 직접 분사 시스템인 커먼 레일 시스템으로 바뀌기 시작했다.[58][59] 승용차 디젤 엔진용 최초의 커먼 레일 시스템은 1999년 ''알파 로메오 156 1.9 JTD'' 모델에 도입된 피아트 멀티젯 직렬 4기통 엔진이었다.[60]
3. 작동 원리
연료 분사는 가압된 연료를 엔진에 분사하여 작동한다. 따라서 연료 펌프와 같은 연료를 가압하는 장치가 필요하다. 시스템은 공급할 적절한 연료량을 결정하고 이 양을 공급하기 위해 연료 흐름을 제어해야 한다.
초창기 기계식 분사 시스템 중 일부는 연료 계량과 분사 압력 생성을 모두 수행하는 비교적 정교한 헬릭스 제어 분사 펌프를 사용했다. 1980년대 이후, 전자 시스템이 연료 계량을 제어하는 데 사용되었다. 더 최근의 시스템은 연료를 계량하고 점화 시기 및 다양한 기타 엔진 기능을 제어하는 전자 엔진 제어 장치를 사용한다.
연료 분사기는 엔진으로 연료를 공급하는 최종 단계를 수행하는 사실상 분무 노즐이다. 분사기는 연소실, 흡기 매니폴드 또는 흔하지 않게는 스로틀 바디에 위치한다.
계량을 제어하는 연료 분사기는 ''인젝션 밸브''라고 하며, 세 가지 기능을 모두 수행하는 분사기는 ''유닛 인젝터''라고 한다.
연료 탱크에 장착된 연료 펌프에 의해 연료 계통 파이프에 항상 높은 압력(연료 압력)이 가해진다. 연료 계통 파이프 말단에 설치된 인젝터는 전기 신호 입력으로 내부의 플런저가 작동하거나 기계식 분사 펌프에 의해 고압이 된 연료에 의해 개폐되어, 스프레이 팁 끝단의 노즐에서 흡기 매니폴드 내의 흡기 포트 부근에 연료를 분사한다.
전자 제어식 인젝터는 1분당 분사할 수 있는 연료량(300cc/min 등의 수치로 판별 가능)이 정해져 있으며, 엔진의 배기량이나 성능에 따라 최적의 용량의 인젝터가 설계 시 선택된다. 규정 분사량은 매우 간단히 말해 기화기의 메인 제트와 마찬가지로, 끝단의 노즐의 구멍 크기에 의해 거의 결정되며, 구멍이 커질수록 같은 연료 압력에서도 더 많은 연료를 분사할 수 있다. 반대로, 노즐의 구멍 크기가 같더라도 규정 연료 압력이 다른 경우에는 연료 압력이 높을수록 더 많은 연료를 분사할 수 있다.
실제로 엔진 내에 분사되는 연료의 양은 인젝터의 1분당 분사량과 개폐 시간, 및 연료 압력 조절기에 의해 결정된 연료 압력에 의해 제어되고 있다. 기본적인 분사 시간은 에어 플로우 미터로 측정된 흡입 공기량에 의해 결정되지만, 그대로는 거친 액셀 조작 등으로 급격하게 연료 조절이 진해졌을 때 엔진이 불량해지거나, 배기 가스의 농도가 증가하므로, 배기관 내에 설치된 O2 센서로 공기 연료비를 계측하고, 그 계측 결과에 따라 개폐 시간을 보정함으로써 고성능과 배출 가스의 저에미션을 양립하고 있다.
초기 인젝터는 물총과 같은 단공식 플레인 노즐이었지만, 최근 인젝터는 스프레이 노즐(:en:Spray_nozzle)의 개념을 도입하여 노즐의 내부 구조를 복잡하게 만들거나, 스프레이 팁 끝단에 여러 개의 구멍이 뚫린 수지 커버를 장착하여 연료의 미립화를 더욱 촉진하고 연소 효율을 더욱 향상시키는 경우도 있다.
3. 1. 직접 분사 시스템
직접 분사 방식은 연료가 각 실린더의 주 연소실로 직접 분사되는 것을 의미한다.[3] 공기와 연료는 연소실 내부에서만 혼합된다. 따라서 흡입 행정 동안 엔진에는 공기만 흡입된다. 분사 방식은 항상 간헐적이다(순차적 또는 실린더 개별 방식).이 방식은 공기 분사[4] 또는 유압 방식을 사용하여 구현할 수 있으며, 후자의 방식이 자동차 엔진에서 더 흔하게 사용된다. 일반적으로 유압 직접 분사 시스템은 실린더 또는 연소실 내부의 공기에 연료를 분사한다. 직접 분사는 기존의 헬릭스 제어 분사 펌프, 유닛 인젝터 또는 정교한 커먼 레일 분사 시스템으로 구현할 수 있다. 커먼 레일 분사 시스템은 현대 자동차 엔진에서 가장 흔하게 사용되는 시스템이다.
3. 1. 1. 가솔린 엔진용 직접 분사
20세기 동안 대부분의 가솔린 엔진은 기화기 또는 간접 연료 분사를 사용했다. 21세기에 들어서면서 가솔린 엔진에서 가솔린 직접 분사의 사용이 점점 더 보편화되었다.3. 1. 2. 커먼 레일 분사 시스템
커먼레일 시스템에서 연료 탱크의 연료는 공통 헤더(축압기)로 공급된 다음 튜빙을 통해 인젝터로 보내져 연소실에 분사된다. 축압기에는 압력을 유지하고 과도한 연료를 연료 탱크로 되돌리기 위한 고압 릴리프 밸브가 있다. 연료는 솔레노이드 밸브로 열고 닫는 니들 밸브로 분사된다.[5] 3세대 커먼레일 디젤은 압전 인젝터를 사용하여 정밀도를 높이고 연료 압력을 최대 300 MPa까지 사용한다.[6] 연료 인젝터의 니들을 직접 구동함으로써 테르페놀-D 액추에이터의 주요 특성을 사용하여 솔레노이드 및 압전 연료 인젝터의 실린더 내 효율, 배기 가스, 소음 및 연료 유연성 부족을 극복할 수 있다. 가장 중요한 것은 테르페놀-D의 1) 양자 역학으로 인한 수명 내구성과 2) 각 개별 분사 이벤트의 전체 기간 동안 인젝터 니들 리프트를 지속적으로 제어할 수 있다는 것이다. 직접적인 니들 리프트는 액추에이터에 대한 전류 입력을 직접 반영한다. 전압 시간 속도와 연료 압력이 테르페놀-D를 미리 로드하면 액추에이터/니들 속도가 원하는 대로 증가한다. 전압 시간 속도를 지속적으로 제어하면 니들이 시트에 부드럽게 접촉할 수 있다. 액추에이터/니들 지연은 사고 자기장이 테르페놀-D로 확산되는 시간 속도에 의해서만 제한된다. 확산 속도는 연료 압력 프리로드를 증가시킨다.[7] [8] [9]커먼레일 시스템의 유형에는 ''공기 유도 분사''[10] 및 ''스프레이 유도 분사''가 있다.[10]
3. 1. 3. 유닛 인젝터 시스템
디젤 엔진에 사용되는 이러한 시스템에는 다음이 포함된다.3. 1. 4. 헬릭스 제어 펌프 시스템
이 분사 방식은 이전에는 많은 디젤 엔진에 사용되었다. 시스템 유형은 다음과 같다.- 라노바 직접 분사[12]
- 애프터챔버 분사[13]
- G-시스템 (구체 연소실)[14]
- 가드너 시스템 (반구형 연소실)[14]
- 자우러 시스템 (토러스 연소실)[14]
- 플랫 피스톤 (피스톤과 헤드 사이의 연소실)
3. 1. 5. 에어 블래스트 분사 시스템
에어 블래스트 분사 방식은 초기 연료 분사 시스템 중 하나로, 압축 공기를 사용하여 연료를 분사하는 방식이다.3. 2. 간접 분사 시스템
3. 2. 1. 매니폴드 분사
매니폴드 분사 시스템은 오토 엔진 및 반켈 엔진과 같은 가솔린 엔진에서 흔히 사용된다. 매니폴드 분사 시스템에서 공기와 연료는 연소실 외부에서 혼합되어 공기와 연료의 혼합물이 엔진으로 흡입된다.[16] 매니폴드 분사 시스템의 주요 유형은 ''멀티포인트 분사''와 ''싱글포인트 분사''이다.
멀티포인트 분사(포트 분사라고도 함)는 흡기 매니폴드 내 중앙 지점이 아닌 각 실린더의 흡기 밸브 바로 상류에 연료를 분사한다.[17] 일반적으로 멀티포인트 분사 시스템은 여러 개의 연료 분사 장치를 사용하지만,[20] GM의 중앙 포트 분사 시스템과 같은 일부 시스템은 여러 개의 분사 장치 대신 중앙 분사 장치에서 공급받는 포핏 밸브가 있는 튜브를 사용한다.[18]
단일 점 분사(Single-point injection, '스로틀 바디 분사'라고도 함)[19]는 스로틀 바디에 1개의 분사기를 사용하며, 이는 흡기 매니폴드에 기화기와 유사하게 장착된다. 기화기 유도 시스템과 마찬가지로 연료는 흡기 매니폴드로 들어가기 전에 공기와 혼합된다.[20] 단일 점 분사는 자동차 제조사가 더 엄격해지는 규정에 맞춰 배기 가스를 줄이는 비교적 저렴한 방법이었으며, 기화기로 얻을 수 있는 것보다 더 나은 "주행성"(쉬운 시동, 부드러운 작동, 엔진 끊김 없음)을 제공했다. 공기 필터, 흡기 매니폴드, 연료 라인 라우팅과 같은 기화기의 지원 구성 요소 중 다수는 거의 또는 전혀 변경 없이 사용할 수 있었다. 이는 이러한 구성 요소의 재설계 및 툴링 비용을 연기했다.
미국에서는 2000년형 쉐보레 메트로의 G10 엔진이 스로틀 바디 분사를 사용하는 미국 판매 차량의 마지막 엔진이 되었다.
실린더마다가 아닌, 모든 실린더에 대해 일괄적으로 한 곳(1개 또는 2개)의 인젝터로 연료를 공급하는 방식. '''Si''' 또는 '''SPI''' 등으로 줄여서 표기한다. '''저압 연료 분사 장치'''라고도 불린다.
연료를 분사하는 인젝터와, 교반하여 균일성이 높은 혼합기로 만드는 믹서, 그것들을 담는 하우징으로 구성된다.
기화기 방식의 엔진에도 최소한의 설계 변경으로 탑재가 가능하며, 흡기 저항의 감소, 구식 설계의 엔진의 전자 제어화 등이 비교적 저비용으로 실현 가능하다. 인젝터 총수가 1개 또는 2개 정도로 끝나기 때문에, MPI 형식에 비해 인젝터 불량으로 인한 엔진 시동 불능의 확률이 상대적으로 낮아진다는 점과, 인젝터 불량에 의한 각 기통으로의 분사량의 불균형으로 인한 엔진 트러블이 일어나지 않는다는 장점이 있다. 하지만 상대적인 성능에서는 MPI의 포트 분사식 인젝터에 미치지 못한다.
자동차용으로는, 일본차에서의 채용 사례는 토요타의 Ci(1S-iLU・4S-Fi), 닛산의 Ei(CA18i・GA16i・SR18Di・VG30i), 또 나카지마 비행기의 후신인 후지 중공업이 1,800cc 엔진의 레오네・EA82계 알키오네・EJ18계 레가시의 초기에 SPFI라고 칭하여 채용했을 뿐만 아니라, 경자동차용 스바루・EN형 엔진에서 채용했다.
이들 메이커는 연료 분사 장치 부착 엔진 중에서도 비교적 저렴한 등급의 것에 SPI를 채용했지만, 미쓰비시의 ECI(채용 엔진 예:G63B, G54B, G32B 등의 종치기 엔진)는, 각 포트 분사식의 MPI(ECI-MULTI)를 본격적으로 채용하기 전까지는, 터보 엔진 등 상위 등급의 차종에도 적극적으로 SPI를 탑재했다. 미쓰비시의 SPI는 스로틀 바디 앞에 배치된 2개의 대용량 인젝터가 스로틀을 향해 집중적으로 연료를 분사하는 독자적인 형식으로, WRC에 참가하는 차량(랜서 EX, 스타리온)의 엔진에도 시판차와 같은 구조의 SPI를 사용하며, 다수의 실적을 올리고 있다. 이러한 SPI 중에서 가장 성공적인 사례는 혼다의 제1기 F1용 엔진일 것이다(1964년 - 1968년에 걸쳐 2승을 기록). 일본 국외의 메이커로, 일본에서의 친숙한 차종으로는 영국・로버제 미니가 그 말기에 채용했다.
멀티 포인트 인젝션(Multi Point Injection, MPI)은 싱글 포인트 인젝션 다음에 등장한 기술로, 인테이크 매니폴드의 흡기 포트 근처에 실린더마다 1개의 인젝터를 배치하여 각 실린더에 독립적으로 연료를 분사하는 방식이다.
멀티포트 인젝션이라고도 하며, '''MPI''' 등으로 줄여서 표기하기도 한다.
SPI에 비해 섬세한 제어가 가능하여 고출력화나 고도의 배출 가스 대책을 실시하기 쉽다는 장점이 있으며, 시판 자동차에서는 MINI의 풀 모델 체인지(클래식 MINI의 생산 종료)가 이루어진 후의 '''현재는 연료 분사 장치의 거의 전부가 이 형식'''이다. 그러나, SPI에 비해 인젝터 총수가 늘어나기 때문에 특정 기통의 인젝터가 불량해지면서 엔진 전체의 불량을 초래할 가능성이 상대적으로 커지는 단점이 있다.
2밸브/멀티 밸브 엔진 모두 인젝터의 수는 엔진의 기통 수와 같았지만, 듀얼 인젝터[62]에서는 기통 수의 2배가 된다. 그 외에 냉간 시동 시 전용 콜드 스타트 인젝터를 1개 가진 경우가 있으며, 튜닝카에서는 고출력화와 연소실 냉각(파손 방지)용으로 인테이크 매니폴드에 인젝터를 1~2개 추가하는 경우가 있다.
분사 방식에는 크게 다음 3가지 종류가 존재한다.
; 동시 분사 방식
: 모든 인젝터가 동일한 ECU 신호로 동시에 분사를 하는 방식. '''형식은 MPI이지만, 동작 원리는 SPI에 가까운 것'''이다. 실린더에 따라서는 분사부터 흡입까지 약간의 시간 차이가 발생하므로, 당연히 연소 제어도 대략적인 것이 된다.
; 그룹 분사 방식
: 각 기통의 흡입 과정에 맞춰 분사를 하는 방식. 그러나, 4기통 엔진에서 2기통이 흡입 과정에 있는 경우, '''그 2개의 인젝터를 동일한 ECU 신호로 구동'''하므로, 엄밀한 의미에서의 각 기통 독립적인 제어는 불가능하다.
; 시퀀셜 분사 방식
: 각 기통의 흡입 과정에 맞춰 분사를 하는 방식으로, 모든 인젝터가 독립적인 ECU 신호로 분사를 한다. ECU의 제어가 복잡해지고, 고가인 경향이 있다.
현재 주류를 이루는 방식은 시퀀셜 분사 방식이지만, 더 엄밀하게는 각 실린더의 연소 제어가 완전히 개별적으로 이루어지는지 여부는 O2 센서의 배치에 크게 영향을 받는다는 점에 주의해야 한다. 매우 고도한 피드백 제어를 하는 경우에는, O2 센서가 각 기통의 배기 포트에 독립적으로 배치될 필요가 있지만, 비용 문제로 인해 시퀀셜 분사 방식에서도 O2 센서를 실린더 뱅크 단위 또는 엔진(3원 촉매)에 대해 1개만 가지는 경우도 존재한다. 이러한 경우에는 개별적으로 O2 센서가 배치된 것보다 실린더 단위에서의 연소 제어는 다소 대략적이게 된다.
3. 2. 2. 디젤 엔진
간접 분사식 디젤 엔진에는 주 연소실과 예연소실(전실이라고도 함)의 두 개의 연소실이 있다.[21] 연료는 주 연소실이 아닌 예연소실(연소가 시작되는 곳)에만 분사된다. 따라서 이 원리를 ''간접 분사''라고 한다. 약간 다른 특성을 가진 여러 간접 분사 시스템이 존재한다.[22]디젤 엔진에서 사용되는 간접 분사 유형은 다음과 같다.
3. 2. 3. 핫 벌브 분사
핫-벌브 엔진은 연료 분사 방식을 사용한다.4. 제어 방식
2013년 현재, 거의 모든 연료 분사 장치가 전자 제어 방식으로 바뀌었다.
- 커먼레일 방식은 연료를 분사 장치까지 레일(고압 파이프)을 사용하여 보내고, 전자 제어로 분사한다.
- 유닛 인젝터는 실린더 상부에 주사기처럼 장착되어 캠에 의해 분사된다. 전자 제어는 분사량을 줄이는 조작을 수행한다. 인젝터까지는 저압 파이프로 연결되어 있다. 캠에 의한 압축으로 2,000기압의 고압 분사를 가능하게 한다.
4. 1. 기계식
쿠겔피셔(Kugelfischer): 독일의 가 제조한 기계식 연료 펌프로, 기본 구조와 시스템은 디젤 엔진의 연료 분사 방식과 유사하며, 기통 수만큼의 캠과 플런저를 내장한 인젝션 펌프를 엔진의 동력으로 작동시켜 각 기통의 흡기 포트에 분사하는 방식입니다 (실린더 내 분사가 아님). 분사량 제어도 디젤과 마찬가지로 액셀 개도에 연동된 원심거버너와 랙 앤 피니언에 의한 플런저의 압축 스트로크 제어가 이루어집니다. 1960년대부터 1970년대 초반의 포르쉐, 메르세데스-벤츠, BMW, 푸조, 란치아 등에 사용된 사례가 있습니다.
미쓰비시중공업에 의한 쿠겔피셔의 데드 카피품
: 대일본제국 해군은 제2차 세계 대전 중 동맹국인 독일로부터 기술을 도입하여 인젝터의 국산화를 꾀했지만, 기술 기밀 유출을 우려한 독일 측에 의해 거부당했습니다. 그래서 라이센스 생산을 목적으로 수입한 다임러-벤츠 DB601 엔진에 장착된 인젝터를 미쓰비시중공업에 리버스 엔지니어링시켜 데드 카피 (무허가 복제)로 생산하게 했습니다. 미쓰비시중공업이 이 일을 맡게 된 이유는, 동사가 이미 직접 분사식 디젤 엔진을 실용화하고 있었기 때문입니다. 동사의 항공기용 공랭성형 엔진 외에, DB601을 국산화한 아이치 항공기제의 아쓰타, 가와사키 항공기제의 하40도 쿠겔피셔의 제조 라이센스를 얻지 못했기 때문에 미쓰비시의 데드 카피품을 사용했습니다. 그러나 초창기에는 작업 미숙으로, 나중에는 공업 기술력 저하로 인해 인젝터로서의 완성품 중 검사 합격품은 20% 정도였다고 합니다. 한편, B-29 요격에 활약한 국지 전투기 '뇌전'이나 오식 전투기 등, 미쓰비시제 인젝터 엔진 탑재기는 그럭저럭 실적을 올렸습니다.
보쉬・K제트로닉 (K-Jetronic) (1973–1994년)
: 디젤 엔진용 연료 분사 장치의 유용으로는 기구 구조가 복잡하고, 무게나 가격 면에서도 일반적인 양산차에는 적합하지 않기 때문에, 코스트 절감을 위해 개발된 것이 K제트로닉입니다. 플랩식 에어 플로우 미터가 분사량을 제어하는 플런저에 기계적으로 직결되어 있습니다. 연료 압력은 연료 펌프로 압송된 연료를 레귤레이터로 제어할 뿐이며, 캠과 플런저에 의한 가압은 이루어지지 않습니다. 또한, 연료 압력도 위 디젤 유용 타입에 비해 낮습니다 (대략 5bar 정도이며, 후년의 전자 제어식 연료 분사에 비하면 약간 높지만) 것이 특징이며, 모든 기통에 대해 연속적으로 연료 분사를 합니다. 이 방식은 폭스바겐, 아우디, BMW, 메르세데스-벤츠, 롤스로이스, 벤틀리, 로터스, 페라리, 푸조, 르노, 볼보, 드 로리안, 포드 유럽 등 18개사의 자동차 메이커가 채용했습니다.
: 명칭의 "K"는 독일어로 "연속적인, 지속적인"을 의미하는 "Kontinuierlich"에서 유래합니다.
보쉬・KA제트로닉
: 삼원 촉매 장착차에 대응하기 위해, 배출 가스 중의 산소 농도에 따른 분사량 제어 기능을 추가한 타입입니다. 산소 농도를 측정하는 O2 센서 신호를 간단한 컴퓨터로 처리하여 연료 분사량을 제어한다는 의미에서는 "전자 제어식"이지만, 주요한 연료 분사 제어는 K제트로닉과 마찬가지로 플랩식 에어 플로우 미터가 제어 플런저와 구조적으로 직결되어 있습니다.
4. 1. 1. 쿠겔피셔
쿠겔피셔 분사 펌프는 독일 셰퍼/Schäferde의 FAG에서 제조되었으며, 이후 로베르트 보쉬/Robert Bosch GmbH영어에서 제조하였다. 디젤 엔진의 연료 분사 방식과 유사하게, 플런저 펌프는 캠축에 의해 직접 구동되는 개별 플런저를 사용한다. 이 펌프는 엔진 속도, 부하, 온도, 기압 등 다양한 변수에 따라 연료량을 정밀하게 조절하여 엔진 성능을 최적화했다.쿠겔피셔 시스템은 1960년대부터 1970년대 중반까지 다양한 제조사의 차량에 사용되었는데, 특히 포르쉐 911, BMW 2000tii/2002tii, 메르세데스-벤츠의 경주용 차량에 주로 사용되었다.
4. 1. 2. 보쉬 K-제트로닉 (1973–1994년)
플랩식 에어 플로우 미터가 분사량을 제어하는 플런저에 기계적으로 직결되어 있다. 폭스바겐, 아우디, BMW, 메르세데스-벤츠 등 18개사의 자동차 메이커가 채용했다.4. 2. 전자 제어식
연료 분사에 전자적인 연산을 수행하는 타입을 널리 지칭한다. 2013년 현재 "연료 분사 장치"나 "인젝션"이라고 하면 대개 이 전자 제어식을 의미한다.; 보쉬 D제트로닉(D-Jetronic)(1967–1976년)
흡입된 공기량을 직접 계측하는 시스템이 아니라, 압력 센서로 계측한 스로틀 보디 부근의 흡입 공기압을 기본 데이터로 하고, 흡기온 센서로 계측한 흡입 공기 온도와 스로틀 개도 센서로부터의 스로틀 밸브 개도 정보를 보조 데이터로 하여, 흡입된 공기량을 예측한다. 이것도 초기 타입은 출력 업만을 목적으로 했지만, O2 센서와 삼원 촉매를 장착함으로써 배기 가스 정화 시스템으로 지속되고 있다.
비용이 절감되기 때문에 일본에서는 기통 수가 적은 경차나 소형 자동차용 인젝션 시스템으로 사용되고 있다.
'D'는 독일어 "Druck"(압력)/Druckde을 의미하며, 엔진 온도, 엔진 회전수와 함께, 흡입 에어량을 인테이크 매니폴드에 설치된 부압 센서로 측정된 인테이크 매니폴드 압력을 바탕으로 계산이 이루어지며, 인젝터 내의 시스템 압력을 일정하게 유지하는 전동 연료 펌프와 조합되었다. VW 1600 LE/TLE에 탑재되었으며, 양산형 승용차 세계 최초의 전자 제어식 가솔린 연료 분사 시스템으로 1967년에 등장했다.
; 보쉬 L제트로닉(L-Jetronic)(1974–1989년)
흡입된 공기량을 에어 클리너와 스로틀 보디 사이에 장착된 에어 플로우 센서로 직접 계측함으로써, 흡입 공기량을 기본 데이터로 연료 분사량을 결정한다.
에어 플로우 센서는, 초기 타입에서는 플랩 방식의 것이 사용되었지만, 이것으로는 흡기관 내에서의 저항이 되기 때문에, 핫 와이어 방식이나 칼만 와류 방식의 에어 플로우 센서가 채용되게 되었다.
흡입 공기의 맥동에 의한 계측 오차가 적기 때문에, 기통 수가 많은 엔진에 채용되는 경우가 많다. 또한, 흡입 공기를 과급하는 터보차저나 슈퍼차저를 장착시킨 엔진에도 적합하다.
삼원 촉매가 배출 가스 정화에 사용되게 되면서, O2 센서를 사용한 피드백 제어가 필요하게 된 시점부터 급속도로 발전했다.
명칭의 "L"은, 에어 플로우 센서를 Luftmengenmesserde라고 부르는 데서 유래한다.
; 보쉬 KE제트로닉(KE-Jetronic)(1985–1993년)
흡입된 공기량을 플랩 방식의 에어 플로우 센서로 계측하는 시스템으로, 그 외는 기계식 인젝션 시스템과 차이가 없었다. 배기 가스 정화로 O2 센서와 삼원 촉매를 장착하여 대응하게 되었다.
또한 이륜차 등에서 배출 가스 규제의 대상 외인 차종에서는, 전자 제어식이면서 주로 액셀 개도와 엔진 회전수로부터 분사량을 결정하고 있으며, 실제 흡입 공기량(질량)을 계측하지 않는 경우가 있다.
4. 2. 1. 보쉬 D-제트로닉 (1967–1976년)
보쉬 D-제트로닉은 흡입 공기압을 기본 데이터로 하여 흡입된 공기량을 예측하는 방식의 연료 분사 시스템이다. 흡기 매니폴드 절대 압력(MAP) 센서로 계측한 흡입 공기압을 사용한다. 1967년 폭스바겐 타입 3에 탑재되어 세계 최초로 양산형 승용차에 적용된 전자 제어식 가솔린 연료 분사 시스템이 되었다.4. 2. 2. 보쉬 L-제트로닉 (1974–1989년)
L-제트로닉은 흡입된 공기량을 에어 플로우 센서로 직접 계측하여 연료 분사량을 결정한다. 삼원 촉매가 사용되면서 O2 센서/O2 sensor영어를 사용한 피드백 제어가 필요하게 된 시점부터 급속도로 발전했다.5. 한국 자동차 산업에서의 연료 분사 장치
6. 각 자동차 제조사별 명칭
토요타 자동차는 멀티 포인트 방식에 대해 EFI(Electronic Fuel Injection)라는 명칭을 사용하며, 다이하츠 공업, 야마하 발동기에서도 이 명칭을 사용한다. 포드, GM, 대우도 같은 명칭을 사용했다. 토요타는 싱글 포인트 인젝션에는 Ci(Central Injection)라는 명칭을 사용한다.
닛산 자동차는 EGI(Electronic Gasoline Injection)라는 명칭을 사용하며, ECCS(Engine Central Control System)로 병기하는 경우가 많다. 마쓰다와 스바루도 EGI 명칭을 사용한다.
혼다 기연 공업은 PGM-FI(Programmed Fuel Injection)라는 명칭을 사용하며, F1부터 4사이클 50cc까지 동일한 명칭이 사용된다.
스즈키는 EPI(Electronic Petrol Injection)라는 명칭을 사용하며, 미쓰비시 자동차 공업은 ECI-MULTI(Electronic Controlled Injection-Multi)라는 명칭을 사용한다.
이스즈 자동차는 1970년에 일본 최초로 자동차용 아날로그 ECU에 의한 시스템인 ECGI(Electronically Controlled Gasoline Injection)를 개발하여 117 쿠페에 최초로 채용했다.
가와사키 모터스는 오토바이용 엔진 및 범용 엔진에 채용된 연료 분사 장치에 DFI(Digital Fuel Injection)라는 명칭을 사용한다.
스바루는 경차용 엔진 제어 시스템에 EMPi(Electric Multi-Point i분사)라는 명칭을 사용하고, 1990년대부터 일본 국외 수출용 차량의 엔진 제어 시스템에는 MPFI(Multi-Point Fuel Injection)라는 명칭을 사용한다.
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