분사 특성

1. 재래식 분사 특성
디스트리뷰터와 인-라인 펌프를 가진 기존의 분사시스템에서, 연료 분사는 파일럿과 후-분사가 없는 단지 주분사 상태만을 의미한다. 비록 솔레노이드-밸브-제어디스트리뷰터 펌프에서는, 파일럿 분사 단계의 도입이 개발진행되고 있다. 기존의 시스템에서, 압력 발생과 분사된 연료량의 공급은 캠과 펌프 플런저에 의해 서로 연결된다. 이것은 분사특징에 다음과 같은 영향을 미친다.

 

● 분사압력은 증가속도와 분사된 연료량과 함께 증가한다.
● 실제 분사과정동안에, 분사압력은 증가하고 분사말기에 노즐이 닫혀 압력은 떨어진다.그 결과는 다음과 같다.
●분사압력은 증가속도와 분사된연료량보다 더 낮은 압력으로 분사된다.
● 최대압력은 평균 분사압력보다 2배이상 크다.
● 효율적인 연소에 대응하는 라인에서는, 실제로 방출율(rate-of-discharge)이 삼각형이다. 최대 압력은 연료-분사 펌프의 구성성분과 운전의 기계적 부하에 대해 결정적인 역할을 한다. 기존의 연료-분사 시스템에서, 최대압력은 연소실에서 형성되는 공기/연료 혼합물의 량에 결정적이다.

2. 커먼레일의 분사 특성

기존의 분사특징과 비교하여, 이상적인 분사특징을 위해 다음이 요구된다.
● 서로간의 독릭성, 분사된 연료량과 분사압력은 각각 그리고 모든엔진 작동 조건에 대해 정의 될수 있어야 한다. (이상적인 공기/연료 혼합물을 형성하기 위해 더 많은 자유도가 제공되어야 함)
● 분사과정의 초기에, 분사된 연료량은 가능한 적어야 한다.(즉, 분사개시와 연소개시사 이의 점화지연동안) 이러한 요구는 파일럿과 주-분사특징을 가지는 커먼레일 어큐머레이터 분사시스템에서 실현된다. 커먼레일 시스템은 모듈시스템이고, 기본적으로 다음의 구성요소가 분사특징에 대해 주요 역할을 한다.

 

● 실린더 헤드에 나사설치된 솔레노이드-밸브-제어 인젝터
● 압력 어큐머레이터(레일)
● 고압 펌프
다음의 구성요소는 또한 시스템을 동작하기 위해 요구된다.
● 전지제어 유니트(ECU)
● 크랭크샤프트-속도 센서
● 캠 샤프트-속도 센서(상태센서)
승용차 시스템에 대해, 반경-피스톤 펌프는 압력발생을 위해 고압펌프로 사용된다.
압력은 분사과정에 독립적으로 생성된다. 고압펌프의 속도는 불변 전달률(non-variable transmission ratio)을 가지며 엔진 속도에 직접적으로 연결된다. 기존의 분사시스템과 비교하여, 이송이 실제적으로 일정하다는 사실은 커먼레일 고압펌프가 훨씬 더 작아진다는 것뿐만 아니라 펌프의 구동이 그러한 고압-부하피크치에 종속되지 않음을 의미한다. 인젝터는 짧은 라인으로 레일에 연결되고, 기본적으로 노즐과 분사게시에 스위치를 열기위해 ECU 로부터 에너지를 제공받는 솔레노이드 밸브로 구성된다. 솔레노이드 밸브의 스위치가 닫혀지면(에너지 공급 중단). 분사는 종료된다.일정한 압력을 가정하면, 분사된 연료량은 솔레노이드 밸브의 활성화된 시간과 직접적으로 비례한다. 이것은 엔진과 펌프의 속도(시간-제어 연료뷴사)에 완전히 독립적이다. 요구되는 고속 솔레노이드 스위치(개폐)은 높은 전압과 전류에 의해 달성된다. 이것은 ECU에서 솔레노이드-밸브 트리거 단계가 순차적으로 설정되어야 함을 의미한다. 분사의 개시는 EDC(전지적 디젤 제어)의 각도-시간 제어 시스템에 의해 제어된다. 이것은 엔진속도를 기록하기 위한 크랭크 샤프트에 있는 센서와 상태감지(working cycle)를 위한 캠샤프트에 있는 센서를 사용한다.

3. 파일럿 분사(Pilot injection)

파일럿 분사는 TDC에 비교해서 90도 크랭크 샤프트(90˚ cks)까지 진각될 수 있다. 만약 분사개시가 40도 cks BTDC보다 이전에 일어나면, 연료는 피스톤 표면과 실린더벽에 침전될 수 있고 윤활유의 원치않는 희석을 초래할 수 있다. 파일럿분사에서는, 디젤연료의 소량(1~4mm)이 연소실의 예비조건(precondition)을 위해 실린더에 분사된다. 연소효율은 대체적으로 향사된다. 그리고 다음의 효과가 달성된다.
● 압축 압력은 파일럿 반응과 부분연소 때문에 조금 증가한다.
● 주-분사 점화지연이 감소된다.
● 연소-압력상승의 감소와 연소-압력피크치의 감소(훨씬 부드러운 연소) 이러한 효과는 연소 소음과 연료 소비율, 그리고 많은 경우에 배기가스를 감소시킨다. 파일럿 분사가 없는 방출율곡선에서, 약간 압축된 라인에서는 TDC 이전에 평평한 압력상승이 명백하다.
그러나 이후 최대 압력점에서는 상대적으로 날카롭다. 가파른 압력상승은 디젤엔진의 연소 소음에 상당한 영향을 끼치는 피크치와 같이 증가한다. 파일럿분사가 있는 방출율곡선에서는 TDC 근처에서의 압력은 다소 높은 값이고, 연소-압력은 덜 가파르게 증가한다. 파일럿 분사는 점화지연을 감소시키기 때문에, 파일럿 분사는 엔진의 토크 발생에 간접적인 기여를 한다. 특유한 연료 소비율은 주분사의 개시와 파일럿과 주분사 순서사이의 시간의 함수로써 증가하거나 감소할 수 있다.

 

 

인젝터 노슬에서 니들 리프트와 파일렛 분사를 할때 방출율 곡선
hws 파일럿 분사시 니들 리프트
hw 주불사시 니들 리프트

 

4.메인 분사(Main injection)
엔진의 출력에 대한 에너지는 주-분사 순서로부터 나온다.
이것은 기본적으로 주-분사가 엔진의 토크의 개발에 책임이 있음을 의미한다.
커먼 레일 어큐머레이터 연료-분사 시스템에서, 분사압력은 분사과정 전체를 통해 실제적으로 일정하게 유지된다.

배기가스 저감
1. 혼합기 형성과 연소 거동
SI 엔진과 비교하여, 디젤엔진은 낮은 휘발성(높은 끊는 점)의 연료를 태우고, 분사와 연소개시 사이의 기간뿐만아니라 실제연소 과정동안에도 공기/연료 혼합물을 준비한다. 결과는 비균질성의 혼합물이다. 디젤엔진은 항상 과잉공기로 작동한다. (x>1) 만약 부적절한 과잉공기라면 연료 소비율, 그을음, CO 그리고 HD는 증가한다. 공기/연료 혼합물 형성은 다음의 변수들로 정의된다.

● 분사 압력
● 방출율(분사시간)
● 분무 분포(분무제트의 수, 분무단면, 분무방향)
● 분사 개시
● 공기 유동
● 공기 질량

이러한 양들은 모두 엔진의 배출가스와 연료소비율에 영향을 미친다.높은 연소 온도와 산소의 고농도는 NOx의 발생을 증가시킨다. 그을음(Soot)은 공기 부족과 부적절한 공기/연료 혼합물 때문에 증가한다.
2. 엔진에서의 측정

연소실의 형성과 흡기 트랙은 배기가스에 긍정적인 영향을 끼친다. 만약 연소실에서 공기유동이 노즐을 떠나는 연료제트에 주의깊게 매칭된다면, 이것은 공기와 연료의 효과적인 혼합을 향샹시키고 분사된 연료의 연소를 완성할 것이다. 게다가, 공기의 균질적 혼합과 배기가스 그리고 냉각된 EGR 트랙의 긍정적인 효과가 달성된다. 4밸브 기술과 가변-터빌 기하학(VTG)을 가지는 터보차져는 또한 더 저감된 배기가스와 더높은 출력조밀도에 기여한다.

3. 배기가스 재순환(EGR)

EGR없이, NOx의 발생은 기준 배기가스 제어 법규보다 과도하다. 반면에 그을름은 규제 이내이다. 배기가스재 순환장치(EGR)는 엔진의 그을름의 극적인 증가없이 NOx의 생성을 감소시키는 한 방법이다.이것은 높은 분사압력으로부터 야기되는 뛰어난 공기/연료 혼합물 형성 때문에 커먼레일시스템에서는 효과적으로 수행된다. EGR과 함께, 배기가스의 한 부분은 부분-부하작동동안에 흡기트랙으로 유입된다. 이것은 산소 함유량을 감소 시킬뿐만 아니라 연소율과 화염의 정면에서 온도피크치를 감소시킨다. 이러한 결과로부터 NOx 가 감소된다. 만약 배기가스가 너무 많이 순환되면(흡기체적의 40%이상), 산소의 부족으로 인하여 연료소비율 뿐만 아니라 그을름, CO, 그리고 Hc도 증가한다.

4. 연료분사의 영향

분사개시, 방출율곡선, 그리고 연료의 미립화도 또한 연료소비율과 배기가스에 영향을 끼친다.

5. 분사시작

더 낮아진 진행온도 때문에, 지연된 연료-분사는 NOx 를 감소시킨다. 그러나 만약 너무 지나치게 지연되면 HC와 연료 소비율은 증가하고 고부하조건에서 그을름도 증가한다. 만약 분사 개시가 바람직한 값에서1도(cks)벗어나면, NOx는 5%정도 줄어든다. 반면에 진각되는 방향으로 2도 벗어남은 실린더 피크압력을 10bar 정도 증대 시킬수 있다. 지각방향으로 2도 벗어남은 배기가스 온도를 약 20도 정도 상승시킨다. 이러한 높은 민감성 떄문에 분가개시를 조정할 때 절대적인 정확성이 요구된다.

6. 방출율 곡선

방출율곡선은 단일 분사사이클(분사개시부터 분사종료 까지) 동안의 연료 유량의 변동을 의미한다.방출율 곡선은 연소지연(분사개시와 연소개시사이)동안에 전달된 연료 유량을 결정한다. 게다가, 연소실에서의 연료의 분포에 영향을 미칠뿐만 아니라. 공기 이용효율에도 영향을 끼친다. 방출율곡선은 불충분하게 무화된 연료가 높은 HC와 그을름에 이르지 못하도록 하고 연소말기동안에 연료 소비율을 증가시키지 않도록 급격하게 떨어져야 한다.

7. 연료 무화

미세하게 무화된 연료는 공기와 연료의 효과적인 혼합을 향상시킨다. 이는 또한 HC와 그을름의 감소에도 기여한다. 고압분사와 노즐분사오리피스의 최적의 기하학적 형상은 양호한 무화를 이끈다. 가시적인 그을름을 방지하기 위해서는 분사된 연료량은 흡기공기량과 일치하여 제한되어야 한다. 이것은 적어도 10~40%의 과잉공기를 필요로 한다. 일단 노즐의 니들이 닫히면, 분사 오리피스에 있는 연료는 증발한다. (SAC노즐이 경우 연료는 SAC 체적에서 증발한다.) 그리고 이 과정에서 HC는 증가한다.

이것은 그러한(해로운)체적은 최소값으로 유지되어야 함을 의미한다.


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