홈 > 매연. 부란자수리 > 전자 제어 연료 분사장치       제 1 장 전자 제어 연료 분사 장치 (Electronic Gasoline Injection) 1. 개 요 가솔린 엔진은 공기과 가솔린의 혼합기를 연소시켜서 얻은 열 에너지에 의해 출력을 발생시킨다. 이때 연 료를 공급하는 방식에 따라 기화기 방식과 전자 제어식 연료 분사 방식(E.G.I)으로 구분할 수 있다. 기화기 방식은 스로틀 밸브 상부에 벤튜리가 있어 공기의 흐름에 의해서 발생하는 부압에 의해 플로트실(float chamber)로부터 연료가 연속적으로 공급되어 연소실로 공급된다.   그러나 전자 제어식 연료 분사 방식의 차량인 경우는 연소에 필요한 혼합기를 공급하는 기화기 대신 차량의 상태를 검출하는 다양한 센서의 신호에 의해 ECU(Engine Control Unit)가 기관의 작동 상태에 따라 연료의 양을 결정한 후 인젝터를 통해 연료를 공급하므로써 유해 배기 가스 및 연료 소비의 저감, 주행 성능 및 저온 시동성 등의 성능을 향상시킬 수 있다. [그림1] 전자 제어 연료 분사 장치의 구성도   2. 분류 전자 제어식 연료 분사 방식 차량은 흡입되는 공기량의 측정 방법, 연소실에 연료를 공급하는 방법 그리고 연소실에 연료를 분사하는 방법에 따라 구분한다. ⑴ 흡입 공기량의 측정 방법에 의한 분류 흡입 공기량에 의한 기관의 분류는 기관내 흡입되는 공기량을 어떤 방식으로 측정하느냐에 따라 크게 K-Jetronic, L-Jetronic, D-Jetronic으로 크게 분류한다. 여기서 제트로닉(Jetronic)은 독일어로서 영어의 인젝션(Injection)과 같이 "분사하다"의 뜻을 지니고 있으며 K-제트로닉의 K는 독일어의 콘티뉴리치(Kontinuierlich)의 머리 글자로 연속적으로 분사하는 장치라는 의미를 가지고 있으며, 현재 국내에서는 채용되고 있지 않다. 또, L-제트로닉의 L은 독일어의 루프트(Luft)의 머리 글자로 공기의 뜻을 지니고 있으며, D-제트로닉의 D는 드루크(Druck)의 머리 글자로 압력, 기압의 뜻을 가지고 있다. 이외에도 LH-Jetronic, LE-Jetronic, LU-Jetronic, 등과 같이 다양한 종류가 있다.   [그림2] K-제트로닉의 구성 ① K-제트로닉 K-제트로닉은 기계식으로 기관내 흡입되는 공기량을 감지한 후 흡입 공기량에 따른 연료 분사량을 연료 분배기에 의해 인젝터를 통하여 연료를 연속적으로 분사하는 장치로 시스템의 구성은 [그림2]와 같다. 연료의 공급은 연료 펌프에 의해 연료 탱크로부터 어큐뮬레이터, 연료 필터를 거쳐 혼합기 조절기(Mixture control unit)로 공급되어 흡입되는 공기량에 따른 연료를 분사하게 된다.     혼합기 조절기는 [그림3]과 같이 에어 플로 센서(Air Flow Sensor : AFS)와 연료 분배기로 구성되어 기관에 흡입되는 공기량에 따라 분사될 연료량을 결정한다. 이 시스템은 국내 차량에서는 사용되지 않고 있으며 유럽의 일부 차량에서 채용되어 사용되고 있다. [그림3] 혼합기 조절기의 구조 ② D-제트로닉 기관이 작동하게 되면 연소실에서 피스톤 운동에 따른 흡입되어야 할 공기량이 완전히 다 흡입되지 못하 므로서 흡기 다기관내에는 일정량의 진공이 발생하게 되고 기관의 상태에 따라 진공도는 변화하게 되어 기관의 상태를 흡기 다기관내의 진공도로도 측정할 수 있다. 일반적으로 기관의 공회전 상태에서 흡기 다기관에는 450∼550㎜Hg의 진공도가 형성되게 된다. 이 상태에 서 기관을 가속하게 되면 가속 순간 스로틀 밸브가 급격히 열리게 되어 많은 공기가 기관 내에 흡입되므로 흡기 다기관의 진공도가 급격히 낮아지게 된다.   [그림4] 엔진 상태에 따른 진공도 이때 흡기 다기관 내의 진공도는 순간적으로 대기의 압력과 동일한 약 0㎜Hg가 된후 일정시간 후에 진공도는 공회전 상태의 진공도로 환원이 된다. 또한 일정 주행 상태에서 기관이 감속시는 스로틀 밸브가 급격히 닫히게 되어 흡기 다기관 내의 진공도는 급격히 상승되어 약 600㎜Hg가 형성된 후 일정 시간이 지나면 공회전 상태의 진공도로 된다. 이와 같이 흡기 다기관 내의 진공도는 기관의 상태에 따라 각기 다르다. 그러므로 기관 상태를 모른다 할 지라도 흡기 다기관내의 진공도만 알면 쉽게 기관의 상태를 알 수 있다. 기관의 상태가 공회전 상태, 가속 상태, 감속 상태 등의 변화에 따라 기관내 흡입되는 공기량이 다르다. 그러므로 엔진의 흡기 다기관내의 진공도를 정확히 안다면 엔진내 흡입되는 공기량도 간접적으로 측정할 수 있다. 이러한 방식으로 기관내 흡입되는 공기량을 측정하는 방식을 D-제트로닉이라 한다. D-제트로닉 차량은 기관에 흡입되는 공기량을 흡기 다기관의 압력을 측정할 수 있는 센서를 통하여 진공도를 전기적 신호로 변환하여 ECU로 입력함으로써 그 신호를 근거로 기관에서 분사할 연료량을 결정하게 된다. [그림5] D-제트로닉 구성도 현재 D-제트로닉 방식에서 흡기 다기관내의 진공도를 측정하는 센서로는 [그림6]과 같이 맵센서(Manifold Absolute Pressure)를 많이 사용하고 있다. [그림6] 맵센서 [그림7] L-제트로닉 구성도 ③ L-제트로닉 L-제트로닉은 D-제트로닉과 같이 흡기 다기관의 진공도로 흡입되는 공기량을 간접적으로 측정하는 것이 아니라 흡입 공기의 통로상에 특정의 장치를 설치하여 기관 작동시 기관 내 흡입되는 모든 공기가 이 장치를 통과하도록 하고 이때 통과한 공기량을 검출하여 그 양을 전기적 신호로 변환한 후 ECU로 입력하여 이 신호를 근거로 기관내 분사할 연료 분사량을 결정하는 방식을 L-제트로닉이라 한다. L-제트로닉은 D-제트로닉과 달리 기관내 흡입되는 공기량을 직접 검출하기 때문에 공연비 제어가 우수하다. [그림8] L-제트로닉의 공기량 측정 센서 L-제트로닉 방식에서 기관내 흡입되는 공기량을 측정하는 센서는 다양하게 사용되고 있으나 국내에서 사용하는 센서는 [그림] 1-8과 같이 베인 방식의 에어 플로 센서(Vane Tyoe Air Flow Sensor), 열선식 에어 플로 센서(Hot-Wire Type Air Flow Sensor), 핫-필름 방식의 에어 플로 센서(Hot-Film Type Air Flow Sensor), 칼만 와류 방식의 에어 플로 센서(Karmann Vortex Type Air Flow Sensor)가 주로 사용되고 있다. D-제트로닉 방식에 비해 측정 정도가 높아 공연비 제어에 많은 효과가 있으며 최근과 같이 배기 가스 규제가 심한 요즘 그 사용 정도가 늘어가고 있다. ⑵ 연소실내 연료 공급 방식에 따른 분류 전자 제어 연료 분사 방식의 기관에서 몇 개의 인젝터가 연소실로 연료를 공급하는가에 따라 크게 S.P.I(Single Point Injection)와 M.P.I(Muti Point Injection)로도 구분한다. ① M.P.I (Muti Point Injection) M.P.I방식은 [그림9]와 같이 기관 연소실마다 연료를 공급하는 인젝터를 각기 설치하여 연소실 내에서 연소에 필요한 연료를 담당 인젝터가 직접 연료를 분사하는 방식이다. M.P.I방식은 각 실린더에 인젝터를 설치하기 때문에 각 실린더의 공연비를 일치시킬 수 있으므로 공기의 관성 과급 효과를 이용할 수 있도록 흡기 다기관의 설계가 자유롭다. [그림9] M.P.I(Muti point Injection) 구성도 ② S.P.I (Single Point Injection) S.P.I방식은 [그림10]과 같이 하나 또는 두 개의 인젝터로 기관 내 모든 연소실로 연소에 필요한 연료 를 공급하는 방식이다. S.P.I 방식에서는 하나의 인젝터에서 분사된 연료로 각 실린더가 나누어서 작동하여야 하므로 연료 분배의 불균일성을 작게 할 수 있도록 흡기 다기관을 설계하여야 하며 인젝터 또한 스로틀 바디에 설치하여 인젝터에서 분사한 연료를 각 실린더로 균등하게 공급할 수 있도록 설치하여야 한다. SPI방식은 인젝터가 스로틀 바디에 설치되어 있기 때문에 일부에서는 TBI(Throttle Body Injec tion)방식이라고도 한다. [그림10] S.P.I(Single Point Injection) ⑶ 연료 분사 시기에 의한 분류 연료 분사에 의한 분류는 MPI방식의 차량에서 인젝터에서 연료를 분사할 때 연료의 각 기통의 행정과 분 사 시기와의 관계를 기준으로 전자 제어 연료 분사 방식의 기관을 분류하는 방식으로 연료를 연속적으로 분사하는 연속 분사 방식(Continuous Injection System)과 간헐 분사 방식(Plus Time Injection System)이 있다. 간헐 분사 방식에는 기관의 행정과 분사 시기에 따라 동시 분사, 그룹 분사, 독립 분사로 구분한다. ① 연속 분사 방식 (Continuous Injection System) 현재 연속 분사는 K-제트로닉 차량에서 사용되고 있으며 국내에서 사용되고 있지 않다. K-제트로닉 방식 은 공기 유량을 기계적 변위로 변환하여 연료 유량을 제어하는 Mass Flow방식이다. ② 간헐 분사 방식 (Plus Time Injection System) 기관이 회전에 따라 일정 주기로 기관에 연료를 분사하는 방식이다. 이 방식은 기관 행정에 따라 인젝터 가 연료를 분사하는 시기가 흡입 행정의 실린더에만 연료를 각기 분사하는 독립 분사와 연소 순서에 따라 흡입 행정 근처의 실린더를 그룹별로 분사하는 그룹 분사 방식과 실린더내 행정과 무관하게 기관 회전에 따라 일정하게 기관내 모든 인젝터가 동시에 연료를 분사하는 동시 분사가 있다. ㉮ 동시 분사 방식 동시 분사는 [그림11]과 같이 각 실린더의 행정 구분없이 기관 회전시 기관내 모든 인젝터를 동시에 작동시켜 연료를 분사하는 방식이다. [그림11] 동시 분사 방식 동시 분사는 기관 1회전에 연료를 2회로 나누어 분사하며 실린더 기통 판별 신호가 필요 없으며 인젝터 구동 회로도 공통적으로 사용함으로써 구조가 간단하다. [그림12] 동시 분사 방식의 구동 회로 동시 분사는 ECU내로 기관 회전(RPM)신호만 입력되면 작동되며 기관이 워밍업된 상태에서 ECU가 인젝터를 1회 작동시키는 시간(통전시간)은 약 2.5∼3㎳정도가 된다. [그림13]은 인젝터가 동시 분사하는 경우의 파형을 나타낸 것이다. [그림13] 동시 분사 파형 ㉯ 그룹 분사 일반적으로 4기통 기관에서 점화 순서가 1→3→4→2인 차량일 경우 1번 실린더가 흡입 행정일때 [표1]과 같이 2번 실린더는 압축 행정, 3번 실린더 배기 행정 그리고 4번 실린더는 폭발 행정을 하고 있다. [표] 1-1 실린더 행정 크랭크 각도 1번 실린더 3번 실린더 4번 실린더 2번 실린더 0∼180° 180∼360° 360∼540° 540∼720° 흡입 행정 압축 행정 폭발 행정 배기 행정 배기 행정 흡입 행정 압축 행정 폭발 행정 폭발 행정 배기 행정 흡입 행정 압축 행정 압축 행정 폭발 행정 배기 행정 흡입 행정 엔진이 동시 분사를 실시할 경우 각 실린더의 인젝터는 1번 실린더가 배기 행정이 끝나기 직전에 [그림14]와 같이 모든 인젝터에서 연료가 동시에 분사된다. [그림14] 동시 분사의 예 이때 분사된 연료는 각 실린더의 행정에 따라 흡입 행정인 실린더로 분사된 연료는 분사 즉시 연소실로 흡입되지만 그외의 행정인 실린더로 분사된 연료는 실린더가 흡입행정이 될 때까지 흡입되지 못하고 흡입 밸브 근처에 머물러 있다가 흡입되게 된다. 그러나 이때 일부의 연료는 흡기 다기관내 벽에 붙게 되어 기관내 흡입시 인젝터에서 분사된 연료의 량보다 적은 연료가 연소실로 흡입되어 기관은 출력 부족 현상이 발생하게 된다. 예를 들어 1번이 흡입 행정 직전에 동시 분사를 할 경우 2번의 실린더는 압축 행정 직전에 연료를 분사를 한다. 이때 1번 실린더로 분사된 연료는 흡입 행정이므로 분사된 연료는 연소실로 흡입되지 않으며 2번 실린더는 압축 행정이므로 크랭크 샤프트가 1바퀴 반을 더 회전 해야 분사된 연료가 흡입이 되게 된다. 연료는 흡기 다기관에 분사되어 연소실로 흡입되기전 까지는 흡입 다기관에 머물게 되며 이 기간이 길면 길수록 연료는 흡입 다기관 벽면에 부착되는 양이 많아지게 되어 실제로 흡입되는 연료의 양은 감소되어 공연비가 희박하게 된다. 그러므로 연료는 분사 시 즉시 흡입이 되는 것이 공연비 제어 및 기관의 반응성을 향상시킬 수 있다. 이렇게 동시 분사는 분사된 연료가 흡기 다기관에 머무는 시간이 비교적 길 수밖에 없다. 이러한 단점을 줄이기 위해서는 인젝터로부터 분사된 연료는 분사 즉시 연소실로 흡입되어야 ECU에서 정확한 연료 제어가 가능해진다. [그림15] 그룹 분사 방식 그러므로 최근의 대부분의 차량은 연료의 제어성 향상을 위하여 인젝터에서 연료 분사를 흡입 행정 근처의 인젝터에서만 분사하는 그룹 분사나 독립 분사를 채용하고 있다. 그룹 분사는 흡입 행정 근처의 실린더에 연료를 분사하는 인젝터를 묶어 연료를 분사하는 방식이다. 예를 들어 점화 시기가 1→3→4→2인 차량에서는 1번 실린더가 흡입 행정을 할 경우 [그림15]와 같이 3번 실린더는 배기 행정, 4번은 폭발 행정, 2번은 압축 행정이 된다. [그림16] 그룹 분사 회로 1번, 3번 실린더의 인젝터가 1번 실린더가 흡입 행정시 연료를 분사한 후 크랭크 축이 1회전한 후 2번, 4번 실린더의 인젝터에서 연료를 분사하는 방식이 바로 그룹 분사이다. 이때 1번과 3번 실린더에서 연료가 분사된 경우 1번 실린더는 흡입 행정이므로 분사즉시 연료는 연소실로 흡입되지만 3번 실린더에서 분사된 연료는 크랭크 축이 반(1/2)회전한 후에야 비로소 연소실로 흡입되게 된다. 그러나 이 기간은 굉장히 짧기 때문에 분사된 연료의 대부분은 연소실로 흡입이 된다. 1번과 3번 인젝터에서 연료를 분사한 후 기관이 1회전한 다음 4번 실린더의 행정은 흡입이되어 있고 2번 실린더는 배기 행정이 되어 있어 연료를 분사 즉시 대부분의 연료는 연소실로 흡입되게 된다. 인젝터가 그룹 분사를 실시하기 위해서는 기관 회전수 신호와 실린더 기통 판별 신호가 입력이 되어야 된다. 만약 기통 판별 신호가 ECU로 입력되지 않을 경우 ECU는 그룹 분사가 아닌 동시 분사를 실시하게 된다. [그림17] 그룹 분사 인젝터 분사 파형 그룹 분사는 기관 1회전시 흡입 행정 근처인 인젝터에서만 연료를 분사하므로 인젝터를 기준으로 보면 [그림17]과 같이 기관 1회전시 연료를 1회 분사하며 기관이 워밍업이 된 경우 약 3.5∼4㎳정도 ECU가 인젝터를 작동하여 연료를 분사하게 된다. ㉰ 독립 분사 독립 분사는 흡입 직전인 실린더의 인젝터만을 독립적으로 제어하여 연료를 분사시킴으로써 연료 공연비 제어뿐만 아니라 가속시의 연료 응답성이 우수하다. 독립 분사는 흡입 행정인 실린더에만 연료를 분사하기 위해서 기관 회전 신호와 실린더 기통 판별 신호가 필요하며 만약 기통 판별 신호가 정상적으로 입력되지 않을 경우에 ECU는 독립 분사를 실시하지 못하고 동시 분사를 실시하게 된다. 또한 ECU가 기관이 워밍업 된 무부하 상태에서 정상적인 독립 분사를 실시할 경우 인젝터에서 연료를 1회 분사하는 시간을 약 3.5∼4㎳정도로 제어한다. [그림19]는 인젝터가 정상적인 독립 분사할 경우의 파형이다. [그림18] 독립 분사 회로 [그림19] 독립 분사 인젝터 파형 3. 장·단점 ⑴ 장점 ① 자유로운 엔진 설계  ㉮ 흡입 공기의 관성 효과를 최대로 이용할 수 있는 흡기 계통 설계 가능  ㉯ 공기 장치, 연료 장치, 제어 장치로 구성되어 있는 기능 분산형 시스템으로 기관 탑재성 우수 ② 유해 배기 가스 및 연료 소비의 저감  ㉮ 실린더별 공연비 불균일 최소화  ㉯ 이론 공연비에 따른 연료 제어  ㉰ 감속시 연료 차단으로 인해 배기 가스 저감  ㉱ 기관의 부하에 따른 최적의 연료량 보정 가능  ㉲ 피드백 제어 및 학습 제어로 인한 정밀한 공연비 제어 ③ 주행 성능 향상  ㉮ 기화기 차량의 벤츄리 부분의 삭제로 인한 흡입 저항의 감소  ㉯ 흡입 밸브 부근에 연료를 분사함으로써 가속시 응답성 향상  ㉰ 혼합기의 공연비를 항시 최적의 상태로 자동 보정함으로써 냉간 시동시도 주행성 유지  ㉱ 베이퍼 록, 퍼컬레이션, 아이싱 현상 등의 발생으로 인한 고장의 감소  ㉲ 흡입되는 공기의 흡입 관성 효과를 증대할 수 있도록 흡기관의 설계가 자유롭다.  ㉳ 각 실린더마다 동일한 양의 연료를 공급할 수 있다.  ㉴ 가속, 감속시 신속한 연료의 제어로 응답성 향상 ④ 저온시동성 향상  ㉮ 저온시 냉각수 온도에 따른 연료의 증량으로 인한 시동성 향상  ㉯ 저온시 초크 밸브 대신 아이들 스피드 컨트롤(ISC) 밸브에 의한 연료 증량 등의 장점이 있다. ⑵ 단점 ① 시스템의 설치 가격이 비싸다. ② 흡입 계통의 공기량 검출이 정확하지 않을 경우 기관에 부조 현상 발생의 가능성이 있다.

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