흡기매니폴드에 설치되어 흡기밸브 뒷면에 연료를 분사하는 간접식 인젝터를 사용하는 시스템은 인젝터에서 분사된 연료가 전부 연소실 내부로 들어가지 못하여 흡기다기관에 머물거나 블로우바이 가스중 엔진오일과 혼합되어 흡기밸브 뒷면이나 흡기 매니폴드 안쪽 벽면에 달라붙어 퇴적하게 된다.
가솔린 엔진 제어 시스템은 엔진에 흡입된 공기량에 따라 결정된 연료량을 인젝터 작동시간으로 제어하는데 분사된 연료가 흡기 매니폴드 벽면에 달라붙은 퇴적물에 흡수되거나 증발시켜(퇴적물은 기본적으로 연료과 같은 성분이다) 엔진제어 시스템의 정밀한 제어를 방해하여 엔진에 진동을 발생시키고 출력저하, 연료소비율 증가등 나쁜 영향을 주게 된다.
이러한 간접 간접분사 시스템의 단점을 보완하기 위하여 연소실에 연료를 직접분사하는 직접분사식 시스템에서 사용되는 인젝터를 직접분사식 인젝터라고 한다.
직접분사식 시스템에서는 연료효율을 증가시키기 위하여 흡기행정 초기와 배기행정 말기에 흡기밸브와 배기밸브가 동시에 열려있는 오버랩구간이 지난 후 실제로 압축효과가 발생되는 시점부터 피스톤이 압축상사점(압축행정 말기)에 이르기전 사이에 연료를 분사하여야 하므로 기존의 간접분사식 시스템에 비하여 연료압력이 높아(50~250bar)야 하므로 전기식 연료펌프(저압펌프)외에 엔진과 함께 회전하는 고압펌프와 전기로 움직이는 연료압력 조절밸브, 연료압력센서가 추가된다.
하드웨어 구조는 공기+연료가스의 성층화를 위한 스월을 발생시키기 위하여 피스톤 헤드면에 요철을 설치하고 인젝터의 분사구와 흡기 매니폴드의 통로를 적당하게 설계(대부분 2개라인)한다.
직접분사식 인젝터의 구조
직접분사식 인젝터는 간접분사식 인젝터와 거의 비슷한 구조로 되어 있으며 노즐부분이 연소실에 직접 노출되므로 간접분사식 인젝터와 달리 금속으로 이루어져 있다.
직접분사식 인젝터에 공급되는 연료의 압력은 각 시스템 메이커에 따라 차이가 있지만 공회전(아이들링)상태에서 약 40bar 에서 해당 엔진의 최대회전수에서는 약 300bar 까지 상승하기 때문에 높은 압력에 견딜수 있는 구조로 되어 있다.
인젝터에서 연료가 분사되는 분사노즐은 연료가 분사되면서 스월이 발생되도록 설계되며 연료가 분사되는 방향과 분사홀의 수, 인젝터의 설치위치는 연소실에 스월을 유도하는 피스톤 헤드의 단면에 따라 차이가 있으며 어느 형식이나 피스톤 헤드의 단면구조는 성층연소를 위하여 점화플러그 전극주위가 연소실의 다른 부분보다 혼합비가 농후해지도록 설계한다.
직접분사식 인젝터의 종류와 작동
직접분사식 인젝터는 자동차메이커나 부품메이커에 따라 모양은 다르지만 연료회로의 구조에 따라 직접구동식과 유압서보식으로 작동소자에 따라 솔레노이드식과 피에조식 인젝터로 분류한다.
직접구동식은 간접분사식과 같이 작동소자가 분사밸브를 직접적으로 구동하여 연료를 분사하고 유압서보식은 2개의 챔버(유압실) 사이에 스풀밸브(니들밸브)를 설치하고 한쪽에는 분사노즐을 다른 한쪽에는 밸브(압력조절밸브)를 설치한 후 동일한 압력을 가진 연료를 2개의 챔버에 동시에 공급하면서 한쪽 챔버의 밸브를 열면 밸브가 열린 챔버의 유압이 낮아지면서 스풀이 압력이 높은쪽에서 낮은쪽으로 움직이면서 분사노즐이 개방되면서 연료가 분사된다.
직접구동식 인젝터는 인젝터에 공급되는 연료압력이 크면 클수록 작동소자를 구동하는 전압과 전류가 증가하여야 하는 단점이 있지만 유압서보식 인젝터는 연료압력의 도움으로 분사가 이루어져 인젝터에 공급되는 전압과 전류는 직접구동식보다 낮은 장점이 있어 연료압력이 높은 시스템에서 유리하지만 밸브장치가 증가하고 유압회로가 복잡해지므로 동일한 소자를 사용하는 인젝터라면 직접구동식에 비하여 유압서보식 인젝터의 반응시간이 느리다.
솔레노이드식은 연료압력이 높으므로 인젝터 작동초기에는 신속한 작동을 위하여 높은 전압과 큰 전류를 공급하고 밸브가 열리면 인젝터의 발열을 방지하기 위하여 전압과 전류를 감소시키며 일부 시스템에서는 PWM제어를 하기도 한다.
솔레노이드에 전원을 공급하면 솔레노이드가 전자석이 되면서 밸브가 위로 올라가면서 분사구가 개방되며 연료가 분사되는데 분사방향이나 분사각도는 성층연소를 위한 엔진구조에 따라 차이가 있다.
피에조식 인젝터는 어떤 물체가 압력을 받으면 체적이 증가하면서 표면에서 전기가 발생되거나 반대로 전기를 공급하면 체적이 증가되는 피에조 효과를 이용한 것으로 분사밸브의 구동을 피에조 소자로 하여 전압을 가하면 피에조 소자의 체적이 증가되면서 분사밸브가 개방되고 전압을 차단하면 분사밸브가 닫히게 된다.
피에조 소자는 초음파를 발생시킬수 있을 정도로 반응속도가 빨라 기존의 솔레노이드식 인젝터에 비하여 반응시간이 빠르므로 필요한 경우 고속회전중에도 1 행정에 필요한 연료량을 여러 번 나누어 분사하는 다단분사가 가능한 장점이 있다.
[출처] 자동차용 인젝터 - 가솔린 직접분사식 인젝터 20090912|작성자 오토케이
gdi 기술 관련 좋은글이 있길래 퍼왔습니다.
출처 밝혔구요 문제시 삭제하겠습니다.