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연료펌프
연료펌프(Fuel Pump)는 자동차 연료탱크에서 연료를 수송하여 엔진 카뷰레이터 또는 연료 분사기로 보내주는 장치이다. 카뷰레이터를 사용하는 엔진은 연료탱크의 밖에 장착된 저압 기계식 펌프를 사용하며 연료 분사기를 사용하는 엔진은 연료탱크 안에 장착된 전자식 연료펌프를 사용한다. 연료 분사기를 사용하는 엔진 중에 2개 펌프를 사용하는 경우도 있으며 그 중 하나는 탱크 안에 위치한 저압 대용량 급유 펌프이고 다른 하나는 엔진 위 또는 근처에 장착된 고압 저용량 펌프이다.
기계식 연료펌프[편집]
전자식 연료펌프가 보편적으로 적용하기 전에 카뷰레터를 적용하는 대부분의 엔진은 기계식 연료펌프를 사용하여 연료를 연료탱크에서 카뷰레터의 연료통으로 수송하였다. 가장 널리 사용된 급유 펌프는 다이어프램(diaphragm) 연료펌프와 플런저형(plunger-type) 기계식 펌프였다.
□ 다이어프램(Diaphragm) 연료펌프
다이어프램 펌프는 용적식펌프(positive displacement pump)이며 격막펌프, 멤브레인 펌프라고도 한다.
피스톤 펌프의 동작과 유사하게 유연한 다이어프램의 위치형상 변화를 통해 펌프 챔버의 공간 크기를 조정하며 펌프 챔버의 흡입구와 토출구에는 역류방지 체크밸브를 설치하여 연료가 한 방향으로만 흐르게 하였다.
특정 설계는 다양하지만 가장 일반적인 구성에서 이런 펌프는 엔진 블록이나 엔진 헤드에 볼트로 고정되며 엔진의 캠샤프트에는 다이어프램을 하사점까지 당겨줄 수 있는 외이심엽(extra eccentric lobe)이 설치되어 직접 또는 푸시로드(pushrod)로 펌프의 레버를 작동시킨다. 다이어프램이 당겨지면서 발생하는 위치형상 변형으로 펌프챔버 공간이 커지면 압력이 낮아지게 되며 이 때 대기압의 작용으로 연료탱크의 연료가 연료펌프로 이동하게 된다. 상사점까지 원상복귀하는 다이어프램의 동작은 다이어프램 스프링으로 완성하며 이 사이에 펌프 챔버에 들어 있던 연료는 밀려서 토출구를 통해 카뷰레터로 흘러 들어간다. 연료가 연료펌프에서 밀려나는 압력은 다이어프램 스프링에서 발생하는 힘의 제어를 받으며 이로서 연료 토출의 제어가 추진된다.
연료펌프에서 토출된 연료는 카뷰레터 플로트 챔버(float chamber)의 부자용기(float bowl)에 들어가며 흡입된 연료의 량이 일정한 수준을 초과하면 흡입밸브를 닫아 연료의 과다공급을 방지한다. 이 때 연표펌프 챔버의 잔여 연료도 갇기어 흡입구나 토출구를 통해 빠지지 못한다. 다이어프램은 압력을 유지하며 그 다음 회전이 발생할 때 외이심엽이 다이어프램을 당겨 하사점으로 당겨 대기상태로 들어가며 카뷰레터와 연결되는 흡입밸브가 다시 열릴 때까지 기다린다.
다이어프램의 한 면이 연료와 접하면서 압력을 받고 있고 다른 한 면이 엔진의 크랭크케이스(crankcase)와 연결되어 있기에 다이어프램이 분열되면 연료가 크랭크케이스로 흘러 들어간다.
□ 플랜저형 연료펌프 플랜저형 연료펌프(Plunger-type fuel pump)는 용적형 펌프(positive displacement pump)이다. 펌프 챔버에는 흡입구와 체크 밸브가 있으며 이의 공간 크기는 연료로 가득 찬 챔버에서 움직이는 플랜저에 따라 변화한다. 피스톤 펌프와 유사하며 다이어프램 펌프보다 높은 압력 조건에서 사용된다. 특정 디자인 종류는 다양하지만 보편적인 배치에서 볼 때 이러한 펌프는 인젝션 펌프 옆에 탑재되어 캠샤프트가 직접 또는 푸시로드(pushrod)로 구동한다. 캠샤프트의 로브(lobe)가 상사점에 위치할 때 플랜저는 배출 밸브로 바로 연료의 배출을 완료하게 되며 이어서 스프링은 플랜저를 당겨 저압을 형성하고 흡입 밸브를 통해 연료를 챔버로 흡입한다. 이 종류의 펌프는 250~1,800 bar(3,625~26,000 psi)에서 작동한다. 캠샤프트와 연결되어 펌프의 토출 압력은 일정하며 펌핑속도는 직접적으로 엔진 회전수와 연관된다.
위 2종 펌프는 모두 부압을 형성하여 연료를 흡입하는 원리로 작동하나 펌프와 연료탱크 사이의 낮은 압력은 엔진에서 발생하는 또는 더운 천후에서 발생하는 열과 결합되어 연료 공급라인 기화현상을 일으키기 쉽다. 연료펌프는 액체를 펌핑하도록 설계가 되어 기체를 펌핑할 수 없으며 따라서 기화현상이 발생하는 경우에 엔진에 연료공급이 불가하다. 이렇게 되면 엔진 작동은 중단된다. 이는 엔진 고열이 펌프와 카뷰레터 사이의 펌프 압력측에 전달되어 라인의 연료를 비등시키는 베이퍼 로크(vapor lock)와는 틀리다. 자동차에 적용되는 기계식 연료펌프에서 발생하는 압력은 통상적으로 10-15 psi를 초과하지 않으며 이 역시 대부분의 카뷰레터에서 볼 때는 충분하다.
엔진이 카뷰레터 방식에서 연료분사 방식으로 전환하면서 기계식 연료펌프는 점차 전자식 연료펌프에 대체되었다. 대체되는 주요 연유는 연료분사 시스템이 기계식 다이어프램 펌프가 발생하는 압력보다 더 높은 40-60 psi 압력 조건에서 효율성이 가장 좋게 작동하기 때문이었다. 전자식 연료펌프는 통상적으로 연료탱크 안에 들어 있으며 연료탱크 안의 연료로 연료펌프를 냉각시키고 안정적인 연료의 공급을 추진한다. 이런 구조의 잠재적인 위험은 연료탱크부터 엔진까지의 전반 연료라인이 고압에서 작동하는 연유로 누설이 발생할 경우에 쉽게 탐지해낼 수도 있지만 큰 위험을 야기시킬 수 있다는데 있다.[1]
전자식 연료펌프[편집]
연료분사기를 가진 현대 차들과 모토싸이클에 적용되는 연료펌프는 통상적으로 전자식이며 연료탱크 안에 들어 있다. 연료탱크에서 엔진까지의 연료 수송은 연료펌프의 고압으로 추진한다. 연료펌프를 연료탱크에 두는 연유는 엔진에서 가장 먼 위치에 방치하고 차거운 액체에 잠기는 방식으로 가솔린의 기화현상을 방지하자는데 있으며 다른 하나는 화재를 방지하자는데 있다. 연료에 잠기어 있는 연료펌프는 스파크도 생성하고 기화된 가솔린을 점화할 수 있지만 액체 상태의 연료는 폭발하지 않는다. 대부분의 차량에서 연료펌프가 일정한 흐름으로 가솔린을 엔진으로 수송하지만 사용되지 않은 연료는 탱크로 되돌아오지 않게 하여 이로서 연료가 비등할 수 있는 기회를 대폭도로 줄인다.
전자식 연료펌프로 기계식을 대체하면 엔진의 부품 부하가 줄어 엔진의 연료 소모도 줄어지며 연료의 공급도 전자 제어 유니트(ECU)를 활용하여 정밀하게 할 수 있다. 펌프가 지속적으로 작동하는 과정에 엔진은 주행중에 신호등을 맞이하는 상황과 같은 상황에 부딪혀 작동을 중단할 수도 있다. 하지만 신속한 시동을 목적으로 필요한 연료의 압력은 지속적으로 유지한다.
점화스위치는 연료펌프의 구동에 필요한 전류를 제공하지 않으며 릴레이(relay, 계전기) 작동에 필요한 작은 전류를 제공하여 연료펌프에 전류를 제공하는 회로를 작동시킨다. 연료펌프의 릴레이가 산화되어 기능을 수행 못하는 경우는 자주 일어나는 문제이며 연료펌프 자체 고장보다 훨씬 많다. 현대의 엔진은 솔리드스테이트 제어방식을 적용하여 펌프 전압의 펄스 폭 변조(pulse-width modulation of the pump voltage)로 연료 압력을 제어하며 이는 연료펌프의 수명을 키우고 펌프의 에너지 소모를 줄인다.
연료분사기를 탑재한 자동차에는 ECU가 장착되어 있으며 사전에 설정한 안전 논리로 프로그래밍을 추진하여 연료펌프의 작동을 제어하며 심지어는 엔진이 작동할 때도 연료펌프의 작동을 중단할 수 있다. 충돌사고가 발생하였을 때 연료라인에 파열이 발생하더라도 연료의 누설을 방지하며 차에 관성스위치(inertia switch)를 설치하여 차가 전복되는 경우에 연료펌프의 작동을 중단할 수 있다. 일부 ECU는 연료의 압력이 기계 고장을 나타내는 기준치 이하로 내려가 갈 때 연료펌프의 작동을 중단한다.[1]
고압 연료펌프[편집]
직접분사 디젤/가솔린 엔진을 대상한 연료펌프는 최대 30,000 psi까지의 고압에서 작동하며 커먼 레일 레이디얼 피스톤(common rail radial piston), 커먼 레일 투 피스톤 레이디얼(common rail two piston radial), 인라인(inline), 포트앤헬릭스(port and helix) 및 계측 유니트(metering unit) 등의 구성요소를 갖고 있다. 분사 펌프는 연료 윤활 방식을 적용하여 오일의 연료 오염을 방지하며 연료 오염은 오일과 연관된 배출을 일으키거나 분사기를 막히게 할 수 있다. 많은 디젤엔진은 커먼레일 방식이며 이는 모든 분사기가 공동으로 하나의 고압 연료파이프에서 연료펌프가 보내는 연료를 공급 받는다는 것을 의미한다. 커먼레일 방식은 분사기의 간헐적인 개폐에 따른 압력의 파동을 완화하며 실린더마다 하나씩 배치하는 계측장치 시스템보다 하나의 변환기(transducer)로 쉽게 연료 압력을 계측할 수 있다.
포트앤헬릭스(플랜저 종류) 고압 연료펌프는 이의 간단하고 신뢰성이 좋으며 엔진 부피에 비춰 크기를 조정할 수 있는 특징으로 선박엔진에 보편적으로 사용된다.
포트앤헬릭스는 캠으로 플랜저를 구동하는 유형으로서 4 행정 엔진 회전속도의 반정도 회전속도로 작동하고 2 행정 엔진의 회전속도와 같은 회전속도로 작동한다. 레이디얼 피스톤형 펌프와 유사하며 피스톤 대신 씰(seal)이 없이 가공된 플랜저가 있다. 플랜저가 상사점에 위치할 때 실린더를 대상한 분사는 완료되었으며 압축스프링에 의해 하향 스트로크로 되돌아간다. 캠 로브의 높이를 쉽게 변경할 수가 없기때문에 펌프로 분사기에 주입하는 연료의 수량은 랙앤피니언 장치(rack and pinion device)로 제어하며 랙앤피니언 장치는 플랜저를 회전시켜 플랜저 위 영역에 연료의 다양한 수량을 제공한다. 흡입구와 토출구는 펌프 실린더 벽의 양측에 위치하며 플랜저가 위로 이동하여 2개 포트를 닫고 압축 동작을 시작하기 전에 연료가 압축 챔버를 통해 흐를 수 있게 한다. 토출구의 피드백은 연료탱크/엔진 침강기로 들어가며 그 뒤 18,000 psi를 초과할 수 있는 압력에서 인젝터 노즐로의 역류를 방지하기 위해 강제적으로 체크밸브를 통과한다.[1]
각주[편집]
참고자료[편집]
- "Fuel pump", Wikipedia
- ulsansafety, 〈다이어프램 펌프 (Diaphragm pump) 원리와 이론〉, 《사이트》, 2021-02-15
같이 보기[편집]
