■ 개요

지금까지 사용되던 디젤연료 분사장치는 분사압력을 얻기 위하여 캠구동 장치를 사용했으며 그 원리는 분사압력이 속도증가와 함께 증가하고 이에 따라 분사 연료량이 증가하는 방식이었다. 이러한 장치는 분사압력이 매우 낮은 경우에만 실제로 사용할 수 있었다.

이러한 캠구동 방식과 달리 승용차나 상용차에 이용되고 있는 커먼 레일 분사(Common Rail Injection) 장치에서는 분사압력의 발생과 분사과정이 완전히 별개로 이루어진다.

이렇게 압력발생과 분사를 분리하기 위해서는 고압을 유지할 수 있는 고압 어큐뮬레이터(High-pressure Accumulator)나 레일(Rail)이 필요하게 된다.

이 시스템에서는 종래의 노즐홀더 위치에 솔레노이드가 부착된 노즐이 장착되고, 고압은 레디얼 피스톤 펌프(Radial Piston Pump)에 의해서 생성되는데, 일정한 범위내에서는 엔진 회전수와는 독립하여 자유롭게 회전속도를 조정할 수 있다.


<커먼레일 시스템 개요>

커먼레일 시스템의 장점은 엔진 설계시 연료의 압력발생과 분사를 분리해서 생각할 수 있기 때문에 연소와 분사과정 설계를 자유롭게 할 수 있다.

즉, 엔진 맵을 이용하여 엔진 운전조건에 따라서 연료압력과 분사시기를 조정할 수 있기 때문에 엔진의 회전속도가 낮을 때도 고압분사가 가능해져서 완전 연소를 추구할 수 있다.

또한 파이롯트 분사하면 배기가스와 소음을 더욱 저감할 수 있으며, 연료분사 곡선은 유압제어로 노즐 니들에 의해 조절되므로 분사종료시까지 신속하게 조절 가능하다.

결국 커먼 레일 시스템으로 인해 디젤엔진은 획기적으로 배기가스를 저감하고,
연비를 향상시키는 것이 가능해졌다고 볼 수 있다.

■ 시스템 구성

고압 공급펌프에서 연료를 압송하여 커먼 레일에 연료를 채우고 커먼레일 내의 압력은 압력 센서로 감지되고, 엔진 회전수와 부하에 따라 설정된 값으로 제어된다.

커먼 레일내의 압력은 파이프를 통해 인젝터에 공급되고 3-웨이 밸브(Three way valve)에 보내지는 펄스에 따라 분사량, 분사율, 분사시기가 제어된다.


 

<시스템 구성도>


□ 고압 공급 펌프( High pressure feed pump)

고압의 연료를 커먼 레일에 공급하는 기능이며, 구동방식은 기존 인라인 인젝션 펌프와 동일하다. 멀티 액션 캠( Multi- action cam)을 도입하여 펌프 기통수를 줄였다. 예로서 6기통 엔진에 3산 캠을 2 기통 펌프 적용으로 가능하다.

펌프 효율 향상 및 고압 연료 폐기의 손실방지를 위하여 토출량 제어방식을 채택하였다. 구동토크는 기존 인라인 인 Ъ?펌프의 1/2-1/3 수준이다.

□ 연료 레일(Fuel Rail)

고압 공급 펌프로부터 공급되는 고압의 연료를 저장하고 인젝터로 매회 분사되는 양만큼의 연료를 보내주는 기능을 한다.

역류 방지를 위한 첵밸브 및 고압 센서가 부착되어 있고, 레일 안의 연료압력은 전자석식 압력 조절밸브에 의해 조정되고, 연료 압력은 항상 압력센서에 의해 모니터링 되고 연속적으로 엔진에서 요구하는 조건에 따라 조절하게 된다.


 

<유압회로도>


□ 인젝터

커먼레일로부터 공급되는 연료를 ECU 로부터 보내진 신호에 따라 노즐을 통해 분사하는 기능이다. ECU에서 보내지는 펄스 신호는 니들의 리프트를 제어하며, 펄스시기에 의해 분사시기가 정해지고 펄스 폭에 의해 분사량이 정해진다.

또한 원 웨이 오리피스(One-way orifice)의 반경에 따라 분사율 패턴이 달라진다. 3-웨이 밸브는 연료 압력을 선택적으로 스위칭 하는 역할을 하고 초고압에서 고속의 응답성이 요구되므로 120MPa의 압력 하에서 0.4 ms이하의 속도로 작동 할 수 있다.

소비되는 파워는 아이들 시에 20W, 전부하(Full load)시에 50W이다. 따라서 각 기통에는 개별적으로 솔레노이드로 구동되는 인젝터가 노즐과 함께 장착되고, 분사개시는 ECU의 펄스신호가 인젝터의 솔레노이드로 전달되면서 시작되고, 분사 연료량은 레일내의 연료압력, 솔레노이드 밸브 개변시간, 노즐의 유체유동에 의해서 결정된다.

분사압력은 일반적으로 승용차용 엔진은 1350bar, 상용차용 엔진은 1400bar 정도가 된다.

■ 제어 시스템

□ 분사량 제어

분사량은 커먼 레일내 압력 Pc와 3 웨이 밸브에 보내지는 펄스 폭에 의해 제어된다. 분사량 계산은 엔진 조건에 따른 매회 목표 분사량의 결정되고, 펄스 와이드(Pulse width)계산은 결정된 분사량에 맞는 펄스 폭으로 결정된다.

□ 분사시기 제어

분사시기는 인젝터(3-웨이 밸브)에 보내지는 펄스의 시간에 의해 제어된다.
분사각도(Θfin) 계산은 엔진 회전속도와 부하에 의해 결정되는 Θbase 를 기준으로 흡기상태 및 냉각수 온도를 고려한 수정 값인 최종 분사시기 (。BTDC)로 결정된다. 분사시간(tc)계산은 결정된 Θfin값을 엔진 회전속도에 따라 시간값(tc)으로 환산한다.

□ 분사율 제어

◆ 델타 방식 : Gradual rise & Sharp cut

인젝터 내에 있는 원 웨이 오리피스의 단면경을 이용하여 분사량 증가 정도를 제한한다. 각 엔진에 맞는 최적 분사율 패턴은 커먼 레일 압력과 원 웨이 오리피스 단면경에 따라 선택 될 수 있다.

 

<인젝터 작동상태>


◆ 파이럿트 방식 : Small quantity before Main injection

매회 분사시 인젝터를 2번 구동시키고 하드웨어 성능은 파이롯트 인젝션량은 1mm3 /St이하로 하고 파이롯트 인젝션 시간은 1ms 이하로 한다.

◆ 부트 형상 방식 : Shape like the toe of a boot

인젝터내의 원 웨이 오리피스 대싱 부트 밸브가 장착되며 특정 프리 리프트 포인트(Pre- lift point)에서 노즐 니들을 일시적으로 멈춘다.
프리 리프트량과 다양한 오리피스 단면경에 따라 다양한 부트 패턴을 얻을 수 있다.

□ 분사압 제어

커먼레일의 고압센서로부터 신호를 감지하여 고압 공급펌프의 토출량을 변화시킴으로써 제어된다. 분사압(Pfin) 계산은 각 센서 신호를 바탕으로 최종 분사압을 결정한다.

펌프 컨트롤 밸브(Pump control valve) 구동시기 (tf) 계산은 Pfin을 실현하기 위하여 고압 공급 펌프의 펌프 컨트롤 밸브를 제어 구동 펄스의 시작 시간을 결정한다.

고압 공급펌프에 의한 연료 공급은 인젝터에서의 분사시기와 거의 일치하므로 연료소비와 공급이 균형을 이루고 고압 연료의 방출과 손실이 줄어든다.

■ 커먼 레일 방식의 특성

□ 제어의 자유도 큼 : 엔진회전수에 관계없이 분사압, 분사량, 분사율, 분사시기를 전부 독립적으로 제어가 가능하다.

□ 중량 및 구동토크 저감 : 기존 인 라인(In-line) 방식의 인젝션 펌프에 비하여 약 1/2-1/3의 중량이며 고압연료의 손실을 줄임으로써 구동토크를 저감 할 수 있다.

□ 기존 엔진에 적용용이 : 인젝터 및 고압 공급펌프 등을 기존 엔진에 큰 변경없이 교체가 가능하다.

□ 고압 연료의 누유