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연료 분사

Fuel injection
가솔린 직분사 엔진의 컷어웨이 모델

연료 분사는 내연 기관(가장 일반적으로 자동차 엔진)에 인젝터를 통해 연료를 주입하는 것입니다.이 문서에서는 왕복 피스톤Wankel 로터리 엔진에서의 연료 분사에 대해 중점적으로 설명합니다.

모든 압축 점화 엔진(예: 디젤 엔진)과 많은 스파크 점화 엔진(예: 오토 또는 방켈가솔린 엔진)은 이러한 종류의 연료 분사를 사용합니다.승용차를 위한 대량 생산 디젤 엔진(예: Mercedes-Benz OM 138)은 1930년대 후반과 1940년대 초에 출시되었으며, 승용차를 [1]위한 최초의 연료 분사 엔진이다.승용차 가솔린 엔진에서 연료 분사는 1950년대 초에 도입되었고 1990년대 [2]초에 카뷰레터를 대체하기 전까지 점차 보급되었다.카뷰레터와 연료 분사의 주요 차이점은 연료 분사가 고압 상태에서 작은 노즐을 통해 연료를 무화시키는 반면, 카뷰레터는 Venturi 튜브를 통해 가속된 흡입 공기에 의해 생성된 흡입에 의존하여 연료를 공기 흐름으로 끌어들인다는 것입니다.

"연료 분사"라는 용어는 모호하며 근본적으로 다른 기능 원칙을 가진 다양한 개별 시스템으로 구성됩니다.일반적으로 모든 연료 분사 시스템의 유일한 공통점은 카뷰레온의 부족입니다.내연기관의 혼합물 형성 시스템에는 내부 혼합물 형성 및 외부 혼합물 형성이라는 두 가지 주요 기능 원리가 있습니다.외부 혼합물 형성을 사용하는 연료 분사 시스템을 매니폴드 분사 시스템이라고 합니다.매니폴드 분사 시스템에는 멀티 포인트 분사(또는 포트 분사)와 싱글 포인트 분사(또는 스로틀 바디 분사)의 두 가지 유형이 있습니다.내부 혼합물 형성 시스템은 직접 분사 시스템과 간접 분사 시스템으로 분리될 수 있습니다.직분사 시스템과 간접분사 시스템 모두 여러 종류가 있으며, 가장 일반적인 내부 혼합물 형성 연료 분사 시스템은 직접 분사 시스템인 커먼 레일 분사 시스템입니다."전자 연료 분사"라는 용어는 엔진 컨트롤 유닛에 의해 제어되는 연료 분사 시스템을 말한다.

기본 고려 사항

이상적인 연료 분사 시스템은 모든 엔진 작동 조건에서 정확한 양의 연료를 정확하게 공급할 수 있습니다.이는 일반적으로 정밀한 공연비(lambda) 제어를 의미하며, 예를 들어 낮은 엔진 온도(콜드 스타트 등)에서도 엔진 작동이 용이하고 광범위한 고도와 주변 온도에 잘 적응하며, 정밀하게 제어되는 엔진 속도(공회전 및 레드 라인 포함), 우수한 연비 및 최저 달성도를 실현합니다.Ble 배기 가스 배출(3방향 촉매변환기와 같은 배기 가스 제어 장치가 올바르게 작동할 수 있음)

실제로는 이상적인 연료 분사 시스템이 존재하지 않지만, 특정한 장점과 단점을 가진 매우 다양한 연료 분사 시스템이 있습니다.이러한 시스템의 대부분은 2020년 현재 많은 객차에 사용되고 있는 커먼 레일 직분사 시스템에 의해 구식이 되었습니다.커먼 레일 분사는 가솔린 직분사를 가능하게 하며 디젤 직분사에 더욱 적합합니다.그러나 커먼 레일 인젝션은 비교적 복잡한 시스템이기 때문에 디젤 엔진을 사용하지 않는 일부 객차에서는 다점 매니폴드 인젝션 시스템을 대신 사용합니다.

연료 분사 시스템을 설계할 때는 다음을 포함한 다양한 요소를 고려해야 한다.

시스템 컴포넌트

모든 연료 분사 시스템:적어도 하나의 연료 주입기(때때로 주사 밸브),는 충분한 주입 압력을 창출하는 장치, 연료의 정확한 양 meters은 장치의 세가지 성분을 차지하고 있다.이 세가지 기본 구성 요소 될 수도 별도의 기기(하나 또는 다수의 연료 인젝터, 연료 유통 업체와 연료 펌프), 부분적으로 결합 장치 또는 완전히 장치(한 유닛 인젝터)연합(주사 밸브와 주사 펌프).

(충풍 주입을 제외하고)일반적으로needle-like가 노즐과 결합하여 하나 또는 다수의 상대적으로 정교한helix-controlled 주입 펌프들로 해결하고 주입 압력을 만들었습니다 연료 흐름 주입 밸브 사용되는 이른 기계적 주입 시스템이다.그들은 간헐적인 멀티 포인트 인젝션 시스템뿐만 아니라 기존의 직접적인 주입 및실 주사 시스템 모든 종류의 농사짓기에 아주 적합했다.

마이크로 전자 공학 분야의 발전 분사 장치 제조 업체들은 연료 계측 장치의 정확성을 향상할 수 있도록 허용했다.현대 엔진에서 연료 계측 및 주입 밸브 작동은 보통 엔진 제어 장치에 의해 행해진다.그러므로 연료 주입 펌프 또는 주입 밸브를 작동시키는 연료 계기로, 그것만 주입 압력을 제공해야 하고 있지는 않다.이러한 현대의 시스템multi-point-injected 엔진과common-rail-injected 엔진에 사용된다.유닛 분사 시스템은 과거에 시리즈 생산을 통해지만 common-rail 주사다 열등할 것을 증명해 주게 되었다.

분류

요약

그 개요 아래 혼합물 형성 시스템의 내부 연소 엔진에 가장 일반적인 유형을 보여 줍니다.에는 characterising의 다른 여러가지 방법, 연료 분사 시스템을 설명하는 서로 모이고 있다.그 분류와 외부 내부 혼합물 형성 시스템의 구분에 근거하고 있습니다.

개요

외부 혼합물 형성

BMW M88 엔진(멀티 포인트 인젝션 포함)

외부혼합물 형성 엔진에서는 공기와 연료가 연소실 외부로 혼합되어 공기와 연료의 혼합물이 엔진 내부로 흡입된다.외부 혼합물 형성 시스템은 Otto 엔진Wankel 엔진과 같은 가솔린 연료 엔진에서 일반적입니다.내연기관에는 카뷰레터와 매니폴드 분사라는 두 가지 주요 외부 혼합물 형성 시스템이 있습니다.다음 설명은 후자에 초점을 맞추고 있습니다.

다지관 주입 시스템은 또한 간접 주입으로 간주될 수 있지만, 본 기사에서는 주로 직접 주입이 아닌 내부 혼합물 형성 시스템을 설명하기 위해 간접 주입이라는 용어를 사용한다.매니폴드 주입에는 싱글 포인트 주입과 멀티 포인트 [13]주입의 두 가지 유형이 있습니다.여러 가지 주입 방식을 사용할 수 있습니다.

싱글 포인트 주입

싱글 포인트 인젝션은 흡기 매니폴드의 카뷰레터와 유사하게 장착된 스로틀 바디에 하나의 인젝터를 사용합니다.카뷰레트 유도 시스템과 마찬가지로 연료는 흡기 [13]매니폴드로 들어가기 전에 공기와 혼합됩니다.단일 지점 주입은 자동차 회사가 배기 가스 배출을 줄여 규정 조임을 준수하면서 카뷰레터로 얻을 수 있는 것보다 더 나은 "주행성"(쉬운 시동, 부드러운 주행, 엔진 버벅 없음)을 제공할 수 있는 비교적 저렴한 방법이었다.공기 필터, 흡기 매니폴드 및 연료 라인 라우팅과 같은 카뷰레터의 많은 지원 부품은 거의 또는 전혀 변경하지 않고 사용할 수 있습니다.이로 인해 이들 부품의 재설계 및 공구 비용이 연기되었습니다.단일 지점 주입은 1980-1995년에는 미국제 승용차와 경트럭에, 1990년대 초중반에는 일부 유럽 자동차에 광범위하게 사용되었다.

멀티포인트 주입
Marvel 멀티포인트 주입 시스템의 단면도.연료 인젝터는 흡기 밸브에 가깝게 위치한다는 점에 유의하십시오. 이는 일반적인 멀티 포인트 분사 시스템입니다.

멀티포인트 인젝션은 연료를 흡기 매니폴드 내의 중앙 지점이 아닌 각 실린더의 흡기 밸브 바로 업스트림에 있는 흡기 포트로 분사합니다.일반적으로 멀티포인트 분사 시스템은 여러 개의 연료 [13]인젝터를 사용하지만 GM의 중앙 포트 분사 시스템과 같은 일부 시스템은 여러 [15]개의 인젝터 대신 중앙 인젝터에 의해 공급되는 포핏 밸브가 있는 튜브를 사용합니다.

주입 방식

매니폴드 분사 엔진은 연속 및 간헐(동시, 배치, 순차 및 실린더 개별)의 여러 분사 방식을 사용할 수 있습니다.

연속 분사 시스템의 경우 연료는 항상 연료 인젝터에서 흘러나오지만 유속은 가변적입니다.가장 일반적인 자동차 연속 분사 시스템은 Bosch K-Jetronic 시스템으로, 1974년에 도입되어 1990년대 중반까지 다양한 자동차 제조업체에서 사용되었습니다.간헐적 분사 시스템은 각 실린더의 흡기 행정과 일치하도록 분사 시간을 설정하는 순차적 시스템, 특정 실린더의 흡기 행정에 대한 정확한 동기화 없이 그룹으로 연료가 실린더에 분사되는 배치 시스템, 모든 실린더에 동시에 연료가 분사되는 동시 시스템, 또는 cy 시스템일 수 있습니다.엔진 컨트롤 유닛이 각 실린더에 대해 개별적으로 [14]분사를 조정할 수 있는 linder-personal.

내부혼합물

내부 혼합물 형성 시스템을 갖춘 엔진에서 공기와 연료가 연소실 내부에서만 혼합된다.따라서 흡기 행정 중에는 공기만 엔진으로 흡입됩니다.분사 방식은 항상 간헐적입니다(순차적 또는 실린더-개별).내부 혼합물 형성 시스템에는 간접 주입과 직접 주입의 두 가지 다른 유형이 있습니다.

간접 주입
공기 챔버 분사 – 연료 인젝터(오른쪽)는 연료를 주 연소실을 통해 좌측 공기 셀 챔버로 분사합니다.이것은 특수 유형의 간접 분사이며 초기 미국 디젤 엔진에서 매우 흔했습니다.

이 문서에서는 내부 혼합물 형성 시스템(Akroyd(핫 벌브)디젤 엔진)으로서의 간접 분사를 설명합니다. 간접 분사로 불리기도 하는 외부 혼합물 형성 시스템(Otto 및 Wankel 엔진)의 경우, 본 문서에서는 매니폴드 분사라는 용어를 사용합니다.

간접 분사식 엔진에는 주 연소실과 주 연소실에 연결된 프리 챔버(일명 프리 챔버)[16]의 두 가지 연소실이 있습니다.연료는 (연소가 시작되는) 프리 챔버에만 분사되고 주 연소실에는 직접 분사되지 않습니다.그래서 이 원리를 간접주입이라고 합니다.유사한 [3]특성을 가진 몇 가지 약간 다른 간접 주입 시스템이 있습니다.모든 Akroyd 엔진과 일부 디젤 엔진은 간접 분사를 사용합니다.

직접 분사

직접 분사란 엔진에 단일 연소실만 있고 연료가 이 [17]챔버로 직접 분사되는 것을 의미합니다.이 작업은 공기 분사(에어 블라스트 주입) 또는 유압 방식으로 수행할 수 있습니다.후자의 방법은 자동차 엔진에서 훨씬 더 일반적입니다.일반적으로 유압 직분사 시스템은 실린더 또는 연소실 내부의 공기로 연료를 분사하지만 일부 시스템은 연료를 연소실 벽면에 분사합니다(M-시스템에서처럼).유압식 직접 분사는 기존의 나선 제어 분사 펌프, 유닛 인젝터 또는 정교한 커먼 레일 분사 시스템을 사용하여 수행할 수 있습니다.후자는 현대 자동차 엔진에서 가장 일반적인 시스템입니다.직접 분사는 가솔린 및 디젤 연료 등 다양한 연료에 적합합니다.

커먼 레일 시스템에서 연료 탱크의 연료는 공통 헤더(어큐뮬레이터라고 함)에 공급된 다음 튜브를 통해 인젝터에 보내지고 인젝터는 이를 연소실로 분사합니다.어큐뮬레이터에는 압력을 유지하고 여분의 연료를 연료 탱크로 돌려보내는 고압 방출 밸브가 있습니다.연료는 솔레노이드 작동식 니들 [18]밸브로 개폐되는 노즐의 도움으로 분사됩니다.3세대 커먼 레일 디젤은 연료 압력이 최대 300MPa 또는 44,000lbf/[19]in인2 압전 인젝터를 사용하여 정밀도를 높입니다.

역사와 발전

1870~1920년대: 초기 시스템

1898 디젤 엔진용 에어 블라스트 분사 시스템

1872년, 조지 베일리 브레이튼은 역시 브레이튼에 [20]의해 발명된 공기 연료 분사 시스템을 사용하는 내연기관에 대한 특허를 획득했습니다.1894년, 루돌프 디젤은 브레이튼의 디젤 엔진용 에어 블라스트 분사 시스템을 모방했지만,[21] 그것을 개선하기도 했다.그는 공기 송풍 압력을 4-5kp2/cm(390–490kPa)에서2 65kp/cm(6,400kPa)[22]로 증가시켰다.

최초의 [23]다지관 주입 시스템은 1884년 Hallesche Maschinenfabrik의 요하네스 Spiel에 의해 설계되었다.1890년대 초, Herbert Akroyd Stuart는 '제크 펌프'를 사용하여 연료 오일을 인젝터에 고압으로 계량하는 간접 연료 분사[24] 시스템을 개발했습니다.이 시스템은 Akroyd 엔진에 사용되었으며 Bosch와 Clessie Cummins디젤 엔진에 사용할 수 있도록 개조 및 개선했습니다.

다지관 주입식 앙투아네트 8V 항공 엔진으로, 보존된 앙투아네트 VII 단발기 항공기에 장착되었습니다.

1898년, 도이츠 AG는 다지관 주입식 4행정 오토 엔진을 시리즈로 생산하기 시작했다.8년 후, Grade는 2행정 엔진에 다지관 사출 장치를 장착했고, Léon Levavasseur8V(세계 최초의 V8 엔진, 1902년 Levavasseur가 특허를 취득)와 Light 항공기 엔진에도 다지관 사출 장치를 장착했다.가솔린 직분사가 적용된 최초의 엔진은 1916년 [25]오토 메이더에 의해 설계된 2행정 항공기 엔진이었다.

가솔린 직분사의 또 다른 초기 사용은 1925년 스웨덴[26][27]엔지니어 요나스 헤셀만에 의해 발명된 헤셀만 엔진이었다.헤셀만 엔진은 성층 충전 원리를 사용합니다. 연료는 압축 행정의 끝을 향해 분사된 다음 스파크 플러그로 점화됩니다.그들은 다양한 [28]연료로 달릴 수 있다.

프로스퍼 오렌지사의 사전 연소실 분사 발명은 디젤 엔진 제조업체들이 에어 블라스트 분사 문제를 극복하는 데 도움을 주었고, 1920년대부터 소형 자동차 엔진을 설계할 수 있게 되었다.1924년, MAN은 최초의 [4]트럭용 직접 분사 디젤 엔진을 선보였다.

1930~1950년대: 최초의 대량 생산 가솔린 직분사

1936년, 다임러 벤츠는 연료 [29]분사가 가능한 최초의 승용차 엔진 중 하나인 메르세데스 벤츠 OM 138 디젤 엔진을 대량 생산하기 시작했습니다.제2차 세계 대전 동안, 가솔린 직분사는 Junkers Jumo 210, Daimler-Benz DB 601, BMW 801, 그리고 Shvetsov ASH-82FN (M-82FN)과 같은 유명한 에어로 엔진에 사용되었다.독일 직분사 가솔린 엔진은 Bosch, Deckel, Junkers 및 L'Orange가 디젤 분사 [30]시스템에서 개발한 분사 시스템을 사용했습니다.롤스로이스 멀린과 라이트 R-3350의 후속 버전은 "압력 카뷰레터"라고 불리는 단일 지점 주입을 사용했다.독일과 일본의 전시 관계로 미쓰비시는 가솔린 직분사를 사용하는 두 개의 레이디얼 항공기 엔진인 미쓰비시 킨세이와 미쓰비시 카세이도 가지고 있었다.또, 나카지마 호마레 모델 23은 저압 연료 분사 [31]방식을 채용했다.

가솔린으로 작동하는 최초의 자동차 직분사 시스템은 Bosch가 개발하고 GoliathGP700용으로, GutbrodSuperior용으로 1952년에 도입했습니다.이 펌프는 기본적으로 흡기 스로틀 [32]밸브 뒤쪽의 진공에 의해 제어되는 특수 윤활식 고압 디젤 직분사 펌프였습니다.1954년형 메르세데스-벤츠 W196 포뮬러 원 레이싱카 엔진은 전시용 항공기 엔진에서 파생된 보쉬 직분사를 사용했다.W196이 트랙에서 성공을 거둔 후, 1955년식 메르세데스-벤츠 300SL은 4행정 직분사 오토 [33]엔진을 장착한 최초의 승용차가 되었다.이후, 연료 분사의 보다 주류적인 적용은 저비용 매니폴드 분사 설계를 선호했다.

1950~1980년대: 직렬 생산 매니폴드 분사 시스템

1959년형 콜벳 소형 블록 4.6L V8(로체스터 매니폴드 연료 분사 포함)
동력 공급 없이 연속적으로 다중 지점 분사 Bosch K-Jetronic

1950년대 내내 제너럴 모터스의 로체스터 제품 부문, Bosch 및 Lucas [34]Industries를 포함한 여러 제조업체가 오토 엔진용 매니폴드 분사 시스템을 도입했습니다.1960년대에 힐본,[35] 쿠겔피셔 및 SPICA 시스템과 같은 추가적인 매니폴드 주입 시스템이 도입되었다.

최초의 전자 제어 매니폴드 분사 시스템은 Bendix가 개발한 Electrojector[36][37]1957년 American Motors Corporation(AMC)에서 제공되었습니다.일렉트로 인젝터의 초기 문제점은 생산 전 차량만 설치되었다는 것을 의미했고, 따라서 판매된[38] 차량은 거의 없었고 [39]일반인들에게는 판매되지 않았다.람블러의 EFI 시스템은 따뜻한 날씨에서는 잘 작동했지만, 더 낮은 [40]온도에서는 작동하기가 어려웠다.

크라이슬러는 1958년형 크라이슬러 300D, DeSoto Adventurer, Dodge D-500, 플리머스 퓨리 등의 EFI 시스템을 장착한 최초의 시리즈 생산 자동차를 제공했습니다.[41]이후 일렉트로젝터 특허는 Bosch에 매각되었으며, Bosch는 일렉트로젝터를 Bosch D-Jetronic으로 개발했습니다.D-Jetronic의 DDruckfühlergesteuert, 독일어로 "압력 센서 제어"를 나타냅니다.D-Jetronic은 1967년에 VW 1600TL/E에 처음 사용되었습니다.이것은 속도/밀도 시스템으로, 엔진 속도와 흡기 다지관 공기 밀도를 사용하여 "공기량" 유량을 계산하여 연료 요구량을 계산했습니다.

1973년 Bosch는 D-Jetronic 시스템을 K-JetronicL-Jetronic 멀티 포인트 인젝션 시스템으로 대체했지만, 일부 자동차(: Volvo 164)는 이후 몇 년간 D-Jetronic을 계속 사용했습니다.L-Jetronic은 체적 유량에 비례하는 신호를 생성하는 기계식 공기량계(Luft는 L, 독일어는 "공기")를 사용합니다.이 접근 방식에서는 대기압과 온도를 측정하고 아날로그 ECU를 사용하여 질량 유량을 계산하기 위해 추가 센서가 필요했습니다. L-Jetronic은 그 시기의 유럽 차량에 널리 채택되었고, 얼마 지나지 않아 일부 일본 모델에도 채택되었습니다.K-Jetronic(Kontinuierlich를 뜻하는 K, 독일어로 "연속"을 뜻하는 K)은 가변 유량으로 연료를 연속 분사하는 완전 기계식 시스템입니다.ECU는 없지만 연료 분배기의 플런저를 작동시키기 위해 흡기 매니폴드 [42]진공에 의존합니다.이 시스템이 장착된 최초의 자동차는 1973년식 미국 포르쉐 911T(F시리즈)[43]였다.

1979~1990년대

최초의 디지털 엔진 관리 시스템(엔진 컨트롤 유닛)은 1979년에 도입된 Bosch Motronic이었습니다.1980년, Motorola(현재의 NXP Semiconductors)는 디지털 ECU [44]EEC-II를 발표했습니다.EEC-II는 싱글 포인트 주입 [45]시스템입니다.

다지관 주입은 1970년대 후반과 80년대에 걸쳐 독일, 프랑스, 미국 시장이 주도하고 영국과 영연방 시장이 다소 뒤처지는 등 빠른 속도로 단계적으로 도입되었다.1990년대 초반 이후, 제1세계 시장에서 판매되는 거의 모든 가솔린 승용차에 전자 다지관 주입 장치가 장착되어 있다.카뷰레터는 차량 배기가스가 규제되지 않고 진단 및 수리 인프라가 희박한 개발도상국에서 여전히 사용되고 있습니다.이들 국가에서도 유럽, 일본, 호주, 북미에서 시행되고 있는 것과 개념적으로 유사한 배출 규제를 채택하고 있어 연료 분사 시스템이 점차적으로 카뷰레터를 대체하고 있다.

1990년 이후

1995년, 미쓰비시는 최초의 승용차용 커먼 레일 가솔린 직분사 시스템을 도입했다.그것은 [46]1997년에 도입되었다.그 후, 승용차 디젤 엔진에도 커먼 레일 직분사가 도입되었고, 피아트 1.9 JTD는 최초의 대중 시장 [47]엔진이었다.2000년대 초, 여러 자동차 제조업체는 연료 소비를 줄이기 위해 직분사 가솔린 엔진에 계층화 충전 개념을 사용하려고 시도했습니다.그러나 연료 절약은 거의 눈에 띄지 않는 것으로 판명되었으며, 배기 가스 처리 시스템의 복잡성 증가와 비례하지 않는 것으로 나타났습니다.따라서 2010년대 중반 이후 거의 모든 자동차 제조업체가 직분사 가솔린 엔진에서 기존의 균질 혼합물로 전환했습니다.2020년대 초, 일부 자동차 제조업체들은 특히 경차에서 매니폴드 인젝션을 사용하고 있지만 일부 고성능 자동차도 사용하고 있다.1997년부터 자동차 제조업체들은 디젤 엔진에 커먼레일 직분사를 사용해 왔다.2000년대 초반에는 폭스바겐만 팜페-뒤세 방식을 사용했지만 2010년부터는 커먼레일 직분사 방식을 사용하고 있다.

메모들

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