흡기 및 연료계통 2 흡기 포트 • intake port 3 에어 클리너 • air cleaner 4 레조네이터 • resonator 5서지 탱크 • surge tank 2 연료 펌프 • fuel pump 3 인젝터 • injector 4 스로틀 밸브 • throttle valve 2 대기압 및 흡기 온도센서 3 매니폴드 절대압 센서 4 엔진회전수 센서 5 매스 에어플로 센서 6 산소 센서 7 냉각수온 센서 8 전압 센서
흡기계통의 주요 구성요소로는 에어 클리너, 레조네이터, 서지 탱크, 흡기 매니폴드, 흡기 포트 등이 있다. 연료계통은 카뷰레터 방식과 연료분사 방식으로 나뉘고, 연료분사 방식 엔진에는 인젝터가 달린다.
흡기계통
1 흡기 매니폴드
intake manifold
혼합기가 각각의 실린더로 들어갈 수 있도록 여러 갈래로 나뉜 흡기 파이프의 묶음으로, 서지 탱크와 실린더 헤드 옆의 흡기 포트를 잇는다. 최적의 흡기 효율을 낼 수 있도록 설계할 때 구조적으로 신경을 많이 쓰는 부분 중 하나다. 서지 탱크에 모인 공기는 모든 실린더에 같은 양으로 전달되어야 하고, 흡기 파이프의 단면 지름이 클수록 흡기 효율은 좋아지지만 흡기 속도가 느려지기 때문에 최적의 효율과 속도를 낼 수 있도록 설계해야 한다. 소재로는 일반적으로 주철이나 알루미늄 합금이 많이 쓰이는데, 최근에는 무게가 가볍고 재활용이 가능한 플라스틱을 쓰기도 한다.
실린더 헤드 안에 있는 구조로 흡기 매니폴드와 연소실을 잇는 통로다. 흡기 포트의 연소실 쪽 끝에는 흡기 밸브가 위치한다. 안쪽 면이 매끈할수록 흐름저항이 줄어 흡기효율이 높아진다. 실린더 안에서 연소가 잘 이루어지도록 와류(渦流, swirl 또는 vortex)가 생기는 구조로 설계하기도 한다.
에어 클리너는 엔진으로 흡입되는 공기 중의 먼지를 걸러내는 장치로, 케이스 안에 필터 역할을 하는 엘리먼트가 들어가는 구조로 되어 있다. 흔히 에어 클리너 엘리먼트(air cleaner element)를 줄여 에어 클리너라고 부르기도 한다. 다른 말로 흡기 필터라고도 하는데, 공기가 엔진으로 빨려 들어가며 생기는 소리를 줄이는 역할도 한다. 에어 클리너는 흡기 저항을 만들어 출력을 떨어뜨리지만 공기 중의 먼지가 엔진으로 들어가면 실린더 안에 찌꺼기가 생겨 엔진 마모의 원인이 되므로 반드시 필요하다.
에어 클리너의 핵심 요소인 에어 클리너 엘리먼트는 건조상태의 펄프나 섬유를 쓰는 건식과 오일에 적신 스펀지나 섬유 등을 쓰는 습식이 있다. 가장 많이 쓰이는 것은 건식이지만 엔진룸 안에 에어 클리너 케이스가 들어갈 공간이 부족하거나 고회전을 많이 써 빠른 흡기가 필요한 차에는 습식이 쓰이기도 한다. 습식 엘리먼트는 스폰지나 섬유 표면에 있는 기름기에 먼지가 달라붙기 때문에 케이스 없이도 효과적으로 먼지를 제거할 수 있으나 흡기음을 줄이는 효과는 적다.
한자로 공명기(共鳴器)라고 쓰는 레조네이터는 공명의 원리를 이용해 소리를 줄이는 장치로, 귀에 거슬리는 특정한 주파수의 소리를 줄일 수 있는 크기와 형태로 설계된다. 일반적으로 에어 클리너 주변에 설치하고, 에어 클리너 케이스 또는 에어 클리너 케이스와 스로틀 밸브를 잇는 통로가 레조네이터 역할을 하기도 한다.
연료분사 방식 엔진에서 스로틀 밸브와 흡기 매니폴드 사이에 설치하는 탱크. 흡기는 흡기 밸브가 열리면서 이루어지는데, 실린더의 작동 순서에 따라 단속적으로 반복되므로 공기의 흐름에 파장이 생긴다. 연료분사 방식 엔진에서는 이 파장이 공기흐름을 감지하는 에어플로 미터(airflow meter)가 고장을 일으키는 원인이 될 수 있기 때문에 이를 막기 위해 공기를 모아 파장을 흡수하는 공간으로 만든 것이 바로 서지 탱크다.
연료계통
1 카뷰레터 • carburetor
연료(휘발유)와 공기를 섞는 장치다. 연료를 기체상태로 만드는 장치라는 뜻에서 기화기(氣化器)라고 불리지만, 실제로는 기체상태로 만드는 것이 아니라 분무기처럼 안개와 같은 작은 액체 알갱이로 만들어 공기와 섞는다. 최근에는 환경문제와 연료효율이 중요시되고 전자제어기술이 발달하면서 연료분사량을 정확하게 조절할 수 있는 전자제어 연료분사 장치로 대체되어 승용차용 휘발유 엔진에는 거의 쓰이지 않는다.
연료 탱크에 담긴 연료를 파이프를 통해 끌어올리는 장치로 카뷰레터가 달린 차에는 기계식 펌프가, 연료분사방식 차에는 전기식 펌프가 쓰인다.
연료분사 방식 엔진에서 연료 탱크로부터 전달된 연료를 공기와 섞기 위해 흡기 계통에 뿌려주는 장치를 말한다. 분사방식에 따라 설치지점과 개수가 다르다. 단일 연료분사방식(single-point injection; SPI) 엔진의 인젝터는 흡기 매니폴드가 모여 있는 곳에 한 개가 달린다. 현재 가장 많이 쓰이고 있는 다중 연료분사 방식(multi-point injection; MPI) 엔진은 실린더 개수만큼 인젝터가 필요하고, 각각의 흡기 매니폴드에 달린다. 직접 연료분사 방식(direct injection) 엔진은 실린더에 연료를 직접 분사하기 때문에 실린더 개수만큼의 인젝터가 실린더 헤드 안에 달린다. 토요타 D4-S처럼 실린더 직분사와 포트 분사를 함께 사용하는 경우도 있다.
스로틀 보디 • throttle body
스로틀 밸브는 액셀러레이터 페달과 연결되어 페달을 밟는 정도에 따라 엔진으로 들어가는 공기 또는 혼합기의 양을 조절하는 밸브다. 흡기 파이프를 가로막고 있는 원판을 가운데에 있는 축을 중심으로 회전시키는 버터플라이(butterfly) 방식과 판을 직선 이동시켜 유체의 양을 조절하는 슬라이드(slide) 방식이 있다. 그리고 스로틀 밸브를 비롯해 밸브를 열고 닫는 스위치, 밸브의 열림량을 감지하는 스로틀 포지션 센서(throttle position sensor) 등이 모여 있는 구조물을 스로틀 보디라고 한다.
밸브 구동계
밸브 구동계는 캠의 회전을 밸브에 전달하는 구조에 따라 여러 종류로 나뉘며, 밸브가 열리는 양과 시기는 캠의 단면 모양에 따라 결정된다. 엔진 회전수에 관계없이 최적의 효율과 성능을 내기 위해 가변 밸브 시스템이 쓰이기도 한다.
밸브 구동계의 구성과 종류
엔진에는 실린더로 공급되는 혼합기(흡기)와 연소 후 남은 가스(배기)의 흐름을 조절하기 위한 밸브가 있는데, 주로 넓은 바닥면과 가늘고 긴 기둥(스템, stem)이 이어진 버섯 모양의 포핏 밸브(poppet valve)가 쓰인다. 이 밸브와 밸브를 구동하기 위한 기계적 구조를 밸브 구동계(valve train) 또는 밸브 시스템(valve system)이라고 한다.
밸브는 실린더 헤드의 흡기 및 배기 통로(포트, port)와 실린더의 연소실 사이에서 열리고 닫혀 혼합기(흡기)와 배기가스(배기)의 흐름을 조절한다. 일반적인 엔진에서 밸브는 캠(cam)에 의해 작동된다. 밸브를 조절하는 캠은 단면(프로파일, profile)이 계란 모양으로 생겼고, 회전축이 뾰족한 부분 반대편으로 치우쳐 있는 편심 캠(eccentric cam)이다. 이 캠에서 뾰족하게 튀어나온 부분을 캠 로브(cam lobe)라고 하고, 여러 개의 캠이 회전축을 따라 나란히 배열된 것이 캠샤프트다.
밸브 구동계는 캠의 회전을 밸브에 전달하는 구조에 따라 여러 종류로 나뉘는데 요즘의 자동차용 엔진에 쓰이는 밸브 구동계 중 가장 오래된 것은 OHV(Over-head Valve) 또는 푸시로드(pushrod) 방식이다. 이 방식은 크랭크샤프트에 가까운 엔진 블록에 캠샤프트가 자리잡고, 캠으로 실린더 위의 실린더 헤드에 있는 밸브를 움직이기 위해 푸시로드라는 긴 막대와 로커 암(rocker arm)을 이용한다. 이 방식에서 캠 로브는 푸시로드를 실린더 위쪽으로 밀어 올린다. 그러나 밸브는 실린더 아래쪽으로 움직여야 열리므로, 푸시로드의 움직임을 반대 방향으로 바꿔주는 로커 암이 필요하다. 로커 암은 두 개의 꼭짓점 사이에 회전축이 있는 일종의 지레로, 한쪽 꼭짓점을 위로 밀면 반대쪽 꼭짓점은 아래로 내려간다. 즉 푸시로드가 로커 암의 한쪽 끝을 밀면 반대편 꼭짓점에 닿아 있는 밸브 스템(valve stem)은 아래로 밀려 내려가 열린다. 푸시로드의 끝을 캠 로브가 지나 푸시로드가 내려오면 밸브는 밸브 스프링에 의해 자동으로 닫히고 로커 암도 움직이기 전 상태로 돌아온다. OHV 방식 엔진의 캠샤프트는 크랭크샤프트와 가깝기 때문에, 크랭크샤프트 끝의 기어나 짧은 체인으로 구동하는 것이 일반적이다.
그러나 OHV 방식은 푸시로드의 관성 때문에 엔진 회전수가 빠를 때에는 효율이 떨어지는 단점이 있다. 이런 단점을 보완하기 위해 개발된 것이 OHC(Over-head Camshaft) 방식이다. OHC 방식에서는 말 그대로 캠샤프트가 실린더 헤드 위에 자리잡는다. 기본적인 OHC 방식은 한 개의 캠샤프트가 흡기와 배기 밸브를 모두 조절하는 SOHC(Single Over-head Camshaft)이다. 캠샤프트는 타이밍 벨트(timing belt) 또는 타이밍 체인(timing chain)으로 크랭크샤프트와 연결되어 움직이고, 캠은 로커 암과 직접 연결되어 밸브를 열고 닫는다. 이 방식은 OHV 방식에 비해 빠른 회전수에서도 효율이 높다.
SOHC 방식과 달리 DOHC(Double Over-head Camshaft) 방식은 두 개의 캠샤프트가 각각 흡기와 배기 밸브를 따로 열고 닫는 방식이다. 대부분 로커 암 없이 캠이 직접 밸브를 열고 닫기 때문에 SOHC 방식보다 정확하고 직접적으로 밸브를 여닫을 수 있다. 또한 밸브의 개수를 늘리면 흡기와 배기의 흐름을 더욱 원활하게 할 수 있는데, DOHC 방식은 흡기와 배기 밸브를 따로 조절할 수 있기 때문에 밸브의 개수를 늘려도 구조적인 부담이 적다. 일반적인 멀티 밸브 엔진들이 대부분 DOHC 방식을 쓰는 이유가 바로 이 때문이다.
밸브 구동계의 핵심: 캠의 단면 모양
밸브는 엔진의 4개 행정(흡기-압축-폭발-배기) 중 흡기와 배기 때에만 열려야 하므로 크랭크샤프트가 두 번 돌 때 캠샤프트는 한 번만 돈다. 따라서 엔진회전수가 빨라지면 밸브도 그만큼 빨리 열리고 닫힌다. 즉, 밸브의 열리는 양과 시간은 캠의 단면 모양(프로파일, profile)에 의해 결정된다.
이런 밸브의 움직임을 피스톤의 운동과 연관지어 생각해 보자. 흡기 밸브는 배기 행정이 끝나고 피스톤이 실린더 안에서 가장 위로 올라가 흡기 행정을 시작하기 위해 아래로 내려가기 시작하는 지점(상사점, TDC)부터 열리기 시작한다. 흡기가 끝나는 것은 피스톤이 가장 아래로 내려가 압축 행정을 시작하기 위해 위로 올라가기 시작할 때이므로, 흡기 밸브는 이때 완전히 닫히게 된다.
배기 밸브는 폭발 행정이 끝나고 피스톤이 가장 아래로 내려가 배기 행정을 시작하기 위해 위로 올라가기 시작하는 지점(하사점, BDC)부터 열리기 시작한다. 배기가 끝나는 것은 피스톤이 가장 위로 올라가 흡기 행정을 시작하기 위해 아래로 내려가기 시작할 때이므로, 배기 밸브는 이때 완전히 닫히게 된다. 크랭크샤프트의 회전이 느리고 빠른 것에 상관없이 밸브는 기본적으로 이와 같은 동작을 계속한다.
그런데 엔진(크랭크샤프트) 회전수가 빨라지면 흡기와 배기의 흐름도 그에 맞춰 빨라져야 하는데, 실제로는 그렇게 되지 않는다. 특히 피스톤이 아래로 내려가면서 실린더 안에 생기는 압력 차이를 이용하는 흡기는 더욱 그렇다. 피스톤이 움직이는 속도가 빨라지면 실린더로 빨려 들어가는 혼합기의 속도도 빨라지기 때문이다. 예를 들어 엔진 회전수가 1,000rpm일 때에 밸브는 1분에 500번, 1초에 약 8.3번 열리고 닫힌다. 그러나 엔진 회전수가 6,000rpm에 이르면 밸브는 1분에 3,000번, 1초에 50번 열리고 닫힌다. 이 정도 속도가 되면 필요한 만큼의 혼합기가 미처 실린더에 모두 공급되지 않은 상태에서 밸브가 닫혀버릴 수도 있다. 이 때문에 엔진회전수가 빠를 때에는 흡기 밸브가 조금 더 오랜 시간동안 열려 있어야 충분한 양의 혼합기가 실린더로 공급될 수 있다. 즉, 엔진회전수가 빠르고 혼합기가 빠르게 실린더로 공급될수록 흡기 밸브는 더 오랫동안 열려 있어야 한다.
그러나 캠의 단면 모양은 고정되어 있기 때문에 밸브의 열리는 양과 시간은 정해져 있다. 그래서 일반적인 구조의 밸브 시스템은 특정한 엔진 회전수에서만 밸브의 작동이 최적의 상태가 되고, 그렇기 때문에 캠의 단면 모양은 엔진의 특성을 결정하는 중요한 요소 중의 하나가 된다. 캠의 단면 모양을 낮은 엔진 회전수에 최적화하면 회전수가 높을 때에는 효율이 낮아지고, 높은 회전수에 최적화하면 반대의 결과가 나온다. 그래서 대부분의 엔진들은 특정한 엔진회전수에서의 성능을 희생하더라도, 많이 쓰이게 될 회전수에 최적화해 캠의 단면 모양을 결정한다.
가변 밸브 시스템
엔진회전이 빠를 때에는 흡기 밸브가 오래 열리는 것이, 느릴 때에는 흡기 밸브가 짧게 열리는 것이 효율과 성능, 배기가스 면에서 바람직하다. 이런 조건을 충족시키기 위해 개발된 것이 가변 밸브 시스템이다. VTEC(혼다), 바리오캠(포르쉐), VVT(토요타) 등 메이커에 따라 다양한 명칭으로 불리며 크게 캠 페이징(cam phasing)과 캠 체인징(cam changing)의 두 가지 방식으로 나눌 수 있다.
캠 페이징 방식은 캠샤프트의 작동각도를 바꾸는 것으로, 빠른 엔진회전수에서는 캠샤프트를 낮은 회전수일 때보다 먼저 열리도록 캠샤프트의 각도를 바꾸어 혼합기를 빨리 받아들이기 시작한다. 캠샤프트의 각도는 정해진 엔진회전수에 이르면 엔진 제어 컴퓨터가 캠샤프트 기어 안의 장치를 유압 펌프로 조정해 바꾼다.
이 방식은 캠의 모양이 그대로 유지되기 때문에 밸브가 열려 있는 시간과 열리는 양(리프트량)은 조절할 수 없고, 밸브의 열리고 닫히는 시기만 빨리 혹은 늦게 조절할 수 있다. 그러나 밸브 구동계의 구조 변경이 비교적 간단하기 때문에 많은 메이커들이 이 방법을 쓰고 있다. 간단한 캠 페이징 방식 VVT는 2단계나 3단계의 고정된 각도로 캠샤프트의 작동각도를 바꾸게 되어 있다. 그러나 최근에는 회전수에 맞게 필요한 각도를 유연하게 조절할 수 있는 연속 가변 밸브 타이밍(CVVT; Continuously Variable Valve Timing) 기술을 쓰는 엔진이 늘어나고 있다. BMW의 바노스(VANOS), 포르쉐의 바리오캠(VarioCam), 토요타의 VVT-i, 닛산의 N-VCT, 현대의 CVVT 등이 캠 페이징 방식의 VVT이다.
캠 체인징 방식은 많이 쓰이는 회전수 영역에 맞춰 단면 모양을 다르게 만든 캠을 2개 이상 마련하고, 회전수 변화에 따라 각기 다른 캠을 쓰도록 만든 것이다. 대부분 밸브마다 낮은 엔진회전수에 적합한 것과 높은 엔진회전수에 적합한 것으로 캠을 2개 마련하고, 유압에 의해 캠의 작동을 조절하도록 되어 있다.
캠 체인징 방식은 밸브의 작동시기뿐 아니라 밸브의 열림량과 열려 있는 시간도 조절할 수 있어 캠 페이징 방식에 비해 높은 효율과 성능을 얻을 수 있다. 그러나 캠마다 개별적으로 유압 조절장치를 달아야 하기 때문에 구조가 복잡하고, 작동되는 캠이 바뀔 때 엔진의 작동특성이 급격하게 변하는 단점이 있다. 포르쉐의 바리오캠 플러스, 혼다의 VTEC, 닛산의 VVL, 토요타의 VVTL-i 등이 캠 체인징 방식의 VVT다.
최근에는 엔진회전수에 관계없이 최적의 효율과 성능을 얻기 위해 캠 페이징과 캠 체인징 방식을 혼합한 방식도 나오고 있는데 BMW 밸브트로닉이 대표적이다.
또한 캠을 아예 없애고 전자석(솔레노이드)을 이용해 밸브를 여닫는 기술도 실용화를 위해 개발 중이다. 이 기술은 캠샤프트가 필요 없기 때문에 엔진의 크기와 무게, 소음과 진동을 줄일 수 있을 뿐 아니라 우수한 연비와 배기가스 특성 및 높은 성능을 기대할 수 있지만 아직 실용화된 경우는 없다.
연료분사 시스템
연료분사 시스템은 공기와 연료가 섞인 혼합기를 엔진에 공급하는 시스템이다. 현대적인 전자제어 연료분사 시스템은 인젝터, 연료 펌프, 여러 종류의 센서, 엔진 제어 컴퓨터(ECU) 등으로 구성된다.
연료분사 시스템과 공연비
연료분사 시스템(fuel injection system)은 공기와 연료가 섞인 혼합기를 엔진에 공급하는 시스템이다. 연료를 분사하는 것은 액체 상태의 연료를 안개와 비슷한 가는 입자로 만들어 연소가 잘 되도록 하기 위한 것이다. 연료분사 시스템은 기계 또는 전기 및 전자장치를 이용해 강제적으로 혼합기를 만드는 장치로, 실린더로 전달되는 공기의 흐름에 의해 수동적으로 혼합기가 만들어지는 카뷰레터(carburetor, 기화기)에 대응하는 개념이다.
엔진이 이상적인 성능과 효율을 얻기 위해서는 이론 공연비에 가까운 상태에서 공기와 연료의 비율을 상황에 맞게 적당히 조절해야 하는데, 이를 위해 필요한 여러 종류의 장치들을 통틀어 연료분사 시스템이라고 한다. 공연비(空燃比, air-fuel ratio 또는 AF ratio)란 공기와 연료의 비율을 뜻하는 것으로, 연료의 질량에 대한 공기의 질량 비율로 표시한다. 즉 연료 1g에 대해 공기 15g이 혼합되는 것을 15 : 1로 표시한다. 완전연소를 위해서는 공연비를 이론 공연비(Stoichiometric AF ratio)인 14.7 : 1로 유지해야 한다.
물론 항상 이론 공연비가 유지되는 것은 아니다. 처음 시동을 걸 때에는 온도가 낮아 연료의 일부만 기화되기 때문에 연소가 이루어질 수 있는 만큼의 혼합기를 실린더로 공급하려면 연료의 양이 이론 공연비보다 많아야 한다. 공회전 때에는 시동을 걸 때보다는 많지만 이론 공연비보다는 적은 양의 연료만으로도 작동된다. 또한 가속을 위해 액셀러레이터를 밟으면 일시적으로 연료가 많이 공급되어 공연비가 낮아진다.
카뷰레터에서 연료분사 시스템으로
카뷰레터는 실린더로 전달되는 공기의 양을 조절하는 스로틀 밸브(throttle valve)의 위쪽에 통로를 좁힌 관(벤투리, venturi)이 달려 있다. 공기가 벤투리를 지날 때에는 속도가 빨라지면서 압력이 낮아졌다가 통로가 넓어지면서 압력이 높아지기 때문에, 이곳에 끝이 가는 노즐(nozzle)로 된 연료관을 달면 압력 차이에 의해 자연적으로 연료가 빨려나오면서 분무기처럼 가는 입자로 퍼져 공기와 섞인다.
카뷰레터가 내연기관이 발명된 이후 가장 보편적인 자동차 엔진용 연료공급 장치로 쓰이는 동안 높은 성능을 필요로 하는 항공기용 엔진에는 기계식 연료분사 시스템이 등장했다. 제2차 세계대전 기간 중 독일과 미국의 전투기와 폭격기 등에 쓰인 엔진의 기계식 연료분사 시스템 기술의 영향을 받아 전쟁이 끝난 1950년대 중반부터 고성능 차의 엔진에도 기계식 연료분사 시스템이 등장하기 시작했다. 그러나 복잡한 구조와 비싼 생산비용 등으로 인해 보편적으로 쓰이지는 않았다.
연료분사 시스템이 카뷰레터를 대신해 널리 쓰이게 된 것은 미국에서 배기가스 규제가 심해진 1970년대부터다. 자동차 메이커들은 세계 최대의 시장인 미국의 배기가스 및 연비 관련 규제를 통과하지 않으면 살아남을 수 없었기 때문에 대책을 세워야 했다. 특히 1975년 캘리포니아 주에서 세계에서 가장 엄격한 배기가스 규제를 시작한 것은 자동차 엔진의 연료공급 장치에 많은 변화를 가져왔다.
캘리포니아 주의 배기가스 규제는 당시의 일반적인 기술로는 통과할 수 없었기 때문에 배기가스 정화장치인 촉매변환기(catalytic converter)를 필수적으로 달아야 했다. 촉매변환기에 쓰인 촉매의 화학반응을 극대화하려면 공연비를 유지하는 것이 중요했고, 이 때문에 카뷰레터에 비해 정확하게 공연비를 조절 및 유지할 수 있는 전자제어 연료분사 시스템이 발달하기 시작했다.
또한 지속적으로 강화되는 배출가스 규제를 만족시키기 위해 최근에는 가솔린과 디젤 엔진 모두에 직분사 방식이 많이 쓰이고 있다. 특히 디젤 엔진의 경우 직분사 방식이 일반화된 추세. 디젤유가 점성이 높은 데다 압축에 의한 자연발화 방식을 쓰기 때문에 1,000기압 이상의 초고압을 이용하는 커먼레일 시스템을 사용한다.
연료분사 시스템의 구조
현대적인 전자제어 연료분사 시스템은 연료를 분사하는 인젝터(injector), 주어진 압력으로 인젝터에 연료를 공급하는 연료 펌프(fuel pump), 분사해야 할 연료량을 계산하기 위해 필요한 정보를 얻는 여러 종류의 센서(sensor), 연료량을 계산하고 인젝터의 연료분사량의 조절을 지시하는 엔진 제어 컴퓨터(ECU) 등으로 구성된다. 연료분사 시스템은 엔진으로 들어오는 공기와 연료의 양을 정확히 측정하고 계산해야 하기 때문에 센서와 ECU의 역할이 매우 중요하다. 연료량이 지나치게 많거나 적으면 연소가 제대로 이루어지지 않아 유해 배기가스를 내놓기 때문이다.
인젝터는 전자석 밸브(솔레노이드, solenoid)를 이용해 연료를 분사하거나 차단한다. 평상시에는 밸브가 닫혀 있다가 연료 분사 시기가 되면 ECU가 내린 신호에 의해 밸브가 열리고, 연료 펌프의 압력으로 인젝터 끝의 노즐을 통해 연료가 분사된다.
노즐은 연료가 쉽게 탈 수 있도록 연료를 가능한 한 고운 입자의 안개로 만들도록 설계된다. 엔진으로 공급되는 연료의 양은 인젝터의 밸브가 열려 있는 시간에 의해 결정된다. ECU는 정확한 양의 연료를 모든 조건에 맞게 공급하기 위해 여러 종류의 센서로부터 얻은 정보를 수집한다. 주요 센서와 역할은 다음과 같다.
1 스로틀 개도 센서
Throttle Position
스로틀 밸브의 열림 정도를 측정하는 센서. 스로틀 밸브가 많이 열릴수록 많은 공기가 엔진으로 흘러 들어가므로 ECU는 이를 기준으로 공급되는 연료량을 계산한다.
Atmospheric Pressure/
Air Temperature
공기는 기압과 온도에 따라 밀도가 달라지는데, 밀도가 달라지면 연소에 필요한 공기 중의 산소량도 변한다. 이런 변화에 맞춰 적당한 연료분사량을 계산하기 위해 필요한 센서이다.
Manifold Absolute
Pressure, MAP
흡기 매니폴드 안의 공기압과 진공 정도를 측정하는 센서. 대기압 센서와 비슷하지만 MAP 센서는 흡기 매니폴드의 실제 압력을 진공상태와 비교하기 때문에 실제 필요한 연료량을 더 정확하게 계산할 수 있다.
엔진회전수를 측정하는 센서. 연료 분사를 위한 인젝터 밸브의 개폐 시기와 시간을 결정하기 위한 정보를 얻는다.
Mass Airflow, MAF
엔진으로 흘러 들어가는 공기의 양을 측정하는 센서. MAF 센서에서 측정된 공기의 양에 따라 ECU는 필요한 공연비를 만들 수 있는 만큼의 연료량을 계산한다.
배기가스 중의 산소량을 측정하는 센서. ECU는 배기가스 중의 산소량과 센서 안에 들어 있는 공기의 산소량을 비교해 혼합기가 짙은지 옅은지를 판단한다. 배기가스 중의 산소량이 이론 공연비보다 많으면 혼합기가 짙으므로 연료량을 줄이고, 이론 공연비보다 적으면 혼합기가 옅으므로 연료량을 늘리게 된다.
냉각수의 온도를 측정하는 센서. 냉각수의 온도가 낮으면 연료량을 늘려 엔진이 빠른 시간 안에 정상 작동온도에 도달하도록 하기 위해 필요하다.
차의 전기 시스템에 흐르는 전압을 측정하는 센서. 차의 시스템 전압을 감지해 전압이 낮다면 차의 전기적인 부하가 크므로 ECU가 공회전 속도를 높여 발전기가 충분한 전기를 공급하도록 한다.
연료분사 시스템의 종류
연료분사 시스템은 크게 스로틀 보디(throttle body) 연료분사 시스템과 다중 연료분사 시스템으로 나뉜다. 이 중 스로틀 보디 연료분사방식이 먼저 등장했는데, 이것은 전기적으로 제어되는 인젝터를 스로틀 보디에 단 것이다. 전체 실린더로 들어가는 연료를 하나의 인젝터로 공급하기 때문에 단일 연료분사 시스템(Single-point Injection, SPI)이라고도 한다.
이 방식은 구조는 간단하지만 각각의 실린더로 혼합기가 고르게 전달되지 않는 단점이 있다. 이를 보완한 다중 연료분사 시스템(Multi-point Injection, MPI)은 각각의 실린더로 연결된 흡기 매니폴드에 인젝터를 달아 고른 혼합기 공급을 꾀한 것이다. SPI는 카뷰레터에서 연료분사 시스템으로 전환되는 시기에 소형차를 중심으로 많이 쓰였으나 요즘은 MPI가 대부분의 승용차용 휘발유 엔진에 쓰이고 있다.
SPI와 MPI는 모두 흡기계통에 인젝터를 다는 간접 연료분사 시스템이지만, 실린더에 직접 인젝터를 다는 직접분사 방식(DI)도 있다. DI 방식이 본격적으로 주목받기 시작한 것은 1996년 미쓰비시가 휘발유 직접분사(GDI) 엔진을 내놓으면서부터다. 그러나 이 엔진은 배기가스 문제를 해결하지 못한 데다 연료효율도 낮아 2001년 생산이 중단되었다. 반면 폭스바겐/아우디는 경주차 엔진에 쓰인 기술을 바탕으로 FSI(Fuel Stratified Injection)라는 이름의 DI 엔진을 내놓아 여러 차종에 얹고 있다. 현재 대중차 메이커는 물론 포르쉐, 페라리 같은 스포츠카 메이커들도 직분사 엔진을 선보이고 있다.
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