휘발유 엔진의 연료 분사. 장점, 단점 및 가능한 문제

분사 시스템의 유형에 따라 엔진 매개변수와 운영 비용이 결정됩니다. 그것은 자동차의 역학, 연료 소비, 배기 가스 배출 및 유지 보수 비용에 영향을 미칩니다.

내연 기관에 가솔린 분사를 실제로 적용한 역사는 8차 세계대전 이전으로 거슬러 올라갑니다. 그럼에도 불구하고 항공은 엔진의 효율성을 개선하고 항공기의 다양한 위치에서 출력 문제를 극복할 수 있는 새로운 솔루션을 시급히 찾고 있었습니다. 1903년 프랑스 V1930 항공기 엔진에 처음 등장한 연료 분사는 유용함이 입증되었습니다. 연료 분사식 Mercedes 1951 SL이 데뷔한 것은 XNUMX년이 되어서야 이 분야의 선구자로 널리 알려져 있습니다. 하지만 스포츠 버전에서는 가솔린 직접 분사가 적용된 최초의 자동차였습니다.

전자식 연료 분사는 300년 크라이슬러 엔진의 1958에서 처음 사용되었으며 다점 가솔린 분사는 1981년대 자동차에 등장하기 시작했지만 대부분 고급 모델에 사용되었습니다. 적절한 압력을 보장하기 위해 전기 고압 펌프가 이미 사용 중이었지만 제어는 여전히 기계공의 책임이었습니다. Mercedes 600 생산이 종료되면서 XNUMX년에야 망각으로 사라졌습니다. 분사 시스템은 여전히 ​​비싸고 저렴하고 대중적인 자동차로 바뀌지 않았습니다. 그러나 XNUMX 년대에 클래스에 관계없이 모든 자동차에 촉매 변환기를 설치해야 할 때 더 저렴한 분사 유형을 개발해야했습니다.

촉매의 존재는 기화기가 제공할 수 있는 것보다 더 정확한 혼합물 조성 제어를 요구했습니다. 따라서 "다중 지점"의 빈약한 버전인 단일 지점 주입이 생성되었지만 값싼 자동차의 요구에 충분합니다. 1996년대 후반부터 현재 자동차 엔진에서 가장 널리 사용되는 연료 시스템인 다점 인젝터로 대체되면서 시장에서 사라지기 시작했습니다. XNUMX년 직접 연료 분사는 Mitsubishi Carisma에서 표준 데뷔를 했습니다. 새로운 기술은 심각한 개선이 필요했고 처음에는 추종자가 거의 없었습니다.

그러나 처음부터 자동차 연료 시스템의 발전에 지대한 영향을 미쳤던 점점 더 엄격해지는 배기 가스 표준에 직면하여 설계자는 결국 가솔린 직접 분사로 이동해야 했습니다. 최신 솔루션에서는 지금까지 그 수가 거의 없었으며 간접 다 지점 및 직접의 두 가지 가솔린 분사 유형을 결합했습니다.    

간접 단일 지점 주입

단일 포인트 분사 시스템에서 엔진은 단일 인젝터로 구동됩니다. 흡기매니폴드 입구에 설치되어 있습니다. 연료는 약 1bar의 압력으로 공급됩니다. 원자화된 연료는 개별 실린더로 이어지는 채널의 흡기 포트 앞에서 공기와 혼합됩니다.

연료-공기 혼합물은 각 실린더에 대한 혼합물의 정확한 주입 없이 채널로 흡입됩니다. 채널 길이와 마감 품질의 차이로 인해 실린더에 대한 전원 공급이 고르지 않습니다. 그러나 이점도 있습니다. 인젝터에서 연소실까지 연료-공기 혼합물의 경로가 길기 때문에 엔진이 적절하게 예열되면 연료가 잘 증발할 수 있습니다. 추운 날씨에는 연료가 증발하지 않고 강모가 수집기 벽에 응축되어 부분적으로 방울 형태로 연소실로 들어갑니다. 이 형태에서는 작업 사이클에서 완전히 연소될 수 없으므로 워밍업 단계에서 엔진 효율이 낮아집니다.

그 결과 연료 소비가 증가하고 배기 가스의 독성이 높아집니다. 단일 지점 주입은 간단하고 저렴하며 많은 부품, 복잡한 노즐 및 고급 제어 시스템이 필요하지 않습니다. 낮은 생산 비용으로 차량 가격이 낮아지고 단일 지점 주입으로 수리가 용이합니다. 이러한 유형의 분사는 현대식 승용차 엔진에는 사용되지 않습니다. 유럽 ​​이외의 지역에서 생산되지만 역방향 디자인의 모델에서만 볼 수 있습니다. 한 가지 예는이란 Samand입니다.

이익

– 심플한 디자인

– 낮은 생산 및 유지 비용

– 엔진이 뜨거울 때 배기 가스의 낮은 독성

결함

– 낮은 연료 주입 정확도

– 상대적으로 높은 연료 소비

– 엔진의 예열 단계에서 배기 가스의 높은 독성

– 엔진 다이내믹스 측면에서 성능 저하

간접 다지점 주입

단일 지점 간접 분사의 확장은 각 흡입 포트에 인젝터가 있는 다 지점 간접 분사입니다. 연료는 흡기 밸브 직전의 스로틀 후 전달됩니다.인젝터는 실린더에 더 가깝지만 공기-연료 혼합 경로는 여전히 뜨거운 엔진에서 연료가 증발할 수 있을 만큼 충분히 깁니다. 반면에 가열 단계는 인젝터와 실린더 사이의 거리가 더 짧기 때문에 입구 포트의 벽에 응축되는 경향이 적습니다. 다지점 시스템에서 연료는 2~4bar의 압력으로 공급됩니다.

각 실린더에 대한 별도의 인젝터는 설계자에게 엔진 역학 증가, 연료 소비 감소 및 배기 가스 배출 감소 측면에서 완전히 새로운 가능성을 제공합니다. 처음에는 고급 제어 시스템이 사용되지 않았으며 모든 노즐이 동시에 연료를 계량했습니다. 가장 유리한 순간(닫힌 흡기 밸브에 부딪힐 때)에 모든 실린더에서 분사 순간이 발생하지 않았기 때문에 이 솔루션은 최적이 아닙니다. 전자 장치의 개발만이 주입이 더 정확하게 작동하기 시작한 덕분에 고급 제어 시스템을 구축할 수 있게 했습니다.

처음에는 노즐이 쌍으로 열린 다음 주어진 실린더에 대한 최적의 순간에 각 노즐이 개별적으로 열리는 순차적 연료 분사 시스템이 개발되었습니다. 이 솔루션을 사용하면 각 행정에 대한 연료량을 정확하게 선택할 수 있습니다. 직렬 다중 지점 시스템은 단일 지점 시스템보다 훨씬 더 복잡하고 제조 비용과 유지 관리 비용이 더 많이 듭니다. 그러나 연료 소비가 적고 배기 가스의 독성이 적어 엔진 효율을 크게 높일 수 있습니다.

이익

– 높은 연료 주입 정확도

– 낮은 연료 소비

– 엔진 역학 측면에서 많은 가능성

– 배기가스의 낮은 독성

결함

- 상당한 설계 복잡성

– 상대적으로 높은 생산 및 유지 비용

직접 분사

이 솔루션에서 인젝터는 실린더에 설치되어 연료를 연소실에 직접 분사합니다. 한편으로 이것은 피스톤 위의 연료-공기 충전을 매우 빠르게 교체할 수 있기 때문에 매우 유익합니다. 또한 상대적으로 차가운 연료가 피스톤 크라운과 실린더 벽을 잘 식혀주기 때문에 역연소 노킹의 염려 없이 압축비를 높일 수 있고 엔진의 효율을 높일 수 있다.

직접 분사 엔진은 매우 적은 연료 소비를 달성하기 위해 낮은 엔진 부하에서 매우 희박한 공기/연료 혼합물을 연소하도록 설계되었습니다. 그러나 이것은 적절한 청소 시스템을 설치하는 데 필요한 것을 제거하기 위해 배기 가스에 과도한 질소 산화물 문제를 일으키는 것으로 나타났습니다. 설계자는 부스트를 추가하고 크기를 줄이거나 XNUMX상 노즐의 복잡한 시스템을 설치하는 두 가지 방법으로 질소 산화물을 처리합니다. 실습은 또한 직접 연료 분사의 경우 실린더의 흡기 덕트와 흡기 밸브 스템에 탄소 침전물이 바람직하지 않은 현상(엔진 역학 감소, 연료 소비 증가)을 보여줍니다.

이는 간접 분사와 마찬가지로 흡기 포트와 흡기 밸브가 공기-연료 혼합물로 플러시되지 않기 때문입니다. 따라서 크랭크 케이스 환기 시스템에서 흡입 시스템으로 유입되는 미세한 오일 입자에 의해 씻겨 나가지 않습니다. 오일 불순물은 온도의 영향으로 굳어져 원하지 않는 퇴적물의 층이 점점 더 두꺼워집니다.

이익

– 매우 높은 연료 주입 정확도

– 희박 혼합물 연소 가능성

– 낮은 연료 소비로 매우 우수한 엔진 역학

결함

- 매우 복잡한 디자인

– 매우 높은 생산 및 유지 보수 비용

– 배기 가스의 과도한 질소 산화물 문제

- 흡기 시스템의 탄소 침전물

이중 주입 - 직접 및 간접

혼합 분사 시스템 설계는 간접 분사와 직접 분사를 모두 활용합니다. 직접 분사는 엔진이 차가울 때 작동합니다. 연료-공기 혼합물은 피스톤 위로 직접 흐르고 응축은 제외됩니다. 엔진이 따뜻해지고 경부하(정속 주행, 부드러운 가속)에서 작동하면 직접 분사가 작동을 멈추고 다점 간접 분사가 대신됩니다. 연료가 더 잘 증발하고 매우 비싼 직접 분사 인젝터가 작동하지 않고 마모되지 않으며 흡기 밸브가 연료-공기 혼합물에 의해 세척되므로 침전물이 형성되지 않습니다. 높은 엔진 부하(강한 가속, 빠른 주행)에서는 직접 분사가 다시 켜져 실린더를 매우 빠르게 채울 수 있습니다.

이익

– 매우 정확한 연료 주입량

– 모든 조건에서 최적의 엔진 전달

– 낮은 연료 소비로 매우 우수한 엔진 역학

– 흡기 시스템에 탄소 침전물 없음

결함

- 거대한 디자인 복잡성

– 매우 높은 생산 및 유지 보수 비용