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인젝션 노즐(INJECTION NOZZLE)

인젝션 노즐은 노즐 홀더(nozzle holder), 니들 밸브(needle valve), 노즐 스프링(nozzle spring) 등으로 구성되어 있으며, 인젝션 펌프에서 보내오는 고압의 연료를 연소실 내에 분사하는 것입니다. 또한 노즐의 분사 개시 압력을 조정하는 기구를 갖추고 있으며, 실린더 헤드에 장치되어 있습니다. 디젤 엔진은 안정한 연소를 얻기 위하여 자연 착화를 위한 혼합기 생성을 단시간에 할 필요가 있습니다. 이것 때문에 노즐은 아래와 같은 조건이 필요로 하게 됩니다. 

무화 

무화란 분사되는 연료가 스프레이처럼 즉 안개처럼 분사되는 것을 말합니다. 연료를 연소시키기 위해서는 기화시킬 필요가 있으며, 기화가 빨리 이루어지도록 연료를 미세한 입자로 만드는 것이 필요로 합니다. 

관통력(연료 입자의 도달거리)

분사된 연료 입자가 연소실 내의 일부에 머물러 있으면 일부의 공기에 접촉할 수  없으므로 완전히 연소할 수 없습니다. 이 때문에 연료 입자는 고압의 공기 중을 날아다니면서 연소하여 연소실 내의 구석구석까지 도달할 정도의 관통력이 필요로 합니다. 

분산(흩어짐)&분포(흩어퍼 짐)

분산&분포가 충분하지 않으면 일부에서는 연료가 너무 많아 불완전연소를 일으켜 흑연 배출의 원인이 되며, 다른 부분에서는 공기와 연료가 혼합되지 않은 채로 공기가 배출되어 출력 저하에 원인이 됩니다. 이 때문에 연료 입자가 공기와 완전히 혼합되어 완전히 연소시키는 데는 연소실 내의 구석구석까지 분산&분포시킬 필요가 있습니다. 노즐은 연소실에 선단이 돌출되어 있기 때문에 항상 고온의 연소가스에 노출되어 있습니다. 이 때문에 연소에 의해 발생하는 화학변화 등에 대하여 견딜 수 있는 조건이 필요합니다. 

노즐

스로틀 형 노즐은 노즐의 중앙에 직경 약 1mm 정도의 분사 구멍이 하나 있으며, 니들 밸브가 시트부에서 떨어지면, 연료가 분사를 시작합니다. 니들 밸브의 선단은 분사 구멍보다 약간 작은 나팔 모양을 한 가는 축으로 되어 있으며, 분사 구멍보다 약간 튀어나와 있습니다. 선단부에서 위로 향해서 축 직경이 굵어지며, 노즐 보디의 시트부와 밀착하는 부분, 연료의 압력을 받는 원추형의 부분이 있으며, 가장 축 직경이 굵은 부분은 노즐 보디로 지지되어 있습니다. 인젝션 펌프에서 보내온 연료 압력이 노즐의 분사 개시 압력까지 상승하면 니들 밸브의 원형추의 부분에 상향의 힘이 작용하여 니들 밸브를 들어 올리게 됩니다. 연료는 분사 구명과 니들 밸브 선단부와의 사이에 생기는 링 모양의 틈새를 통하여 분사합니다. 이경우 앞에서 설명한 것과 같이 니들 밸브의 리프트가 작을 때에는 연료의 분사량이 작아집니다. 또한 니들 밸브가 리프트 하면 점차적으로 분사 구멍 면적이 커져 주 분사가 이루어집니다. 스트틀형 노즐은 이와 같이 하여 착화 지연 기간 중에 분사하는 연료를 적게 하여 디젤 노크(노킹)를 방지하고 있습니다. 

<노즐 팁 nozzle tip> 

홀형 노즐

홀형 노즐은 니들 밸브의 선단부가 축 모양이 아닌 원추형으로 되어 있습니다. 또한 노즐 보디의 분사 구멍부는 부풀어져 있으며 노즐의 중심에 대해서 대칭적으로 여러 개의 분사 구멍이 뚫려 있습니다. 분사 구멍의 직경, 분사 구멍의 방향 연소실의 형상에 따라 가장 좋은 연소 상태가 이루어지도록 만들어져 있습니다. 따라서 홀형노즐은 연소실에 대하여 장치하는 위치를 정할 필요가 있기 때문에 노즐 보디 위치를 정해서 노즐 홀더에 조립하도록 되어 있습니다. 인젝션 펌프에서 압송된 연료는 규정의 분사 개시 압력이 되면 니들 밸브를 밀어 올려 연료를 분사 구멍을 통하여 분사가 됩니다. 

노즐 홀더

노즐 홀더는 노즐의 실린더 헤드에 장치함과 동시에 노즐까지 연료를 보내는 통로의 역할을 하며, 또한 노즐의 분사 개시 압력을 조정하는 것입니다. 인젝션 펌프에서 보내온 연료는 인 레트 커넥터로부터 노즐 홀더로 들어갑니다. 인레트 커넥터에는 연료를 다시 여과하기 위해서 에지 필터가 설치되어 있으며 노즐의 분사 개시 압력은 니들 밸브를 푸시로드 (push rod)를 통해서 밀어붙이고 있는 노즐 스프링의 스프링 장력으로 정해 지므로 이 스프링 장력을 조정하기 위하여 상부에 조정 나사가 설치되어 있습니다. 노즐 홀더의 윗부분 끝에는 캡 너트가 있으며, 캡 너트에는 오버 플로 파이프가 장치되어 있습니다. 오버 플로 파이프를 장치하는 이유는 노즐에서 분사되고 있는 동안 고압 연료의 일부가 니들 밸브와 노즐 보디의 윤활을 하여 이것이 푸시로드와 노즐 홀더의 틈새를 통하여 오버플로 하기 때문입니다. 

연료장치 (FUEL PARTS)

연료를 공부하기 전에 연료는 어찌 보면 매우 민감하고 작동 구조도 멀리서 보면 쉽지만 세세하게 파고 들어가다 보면 각 부품 하나하나가 정밀하고 어려운 부분입니다. 엔진마다 구조도 바뀔 수도 있으며 복잡한 구조를 지니고 있습니다. 

연료장치는 연료 탱크 속의 연료를 여과(필터링) 하여 인젝션 펌프로 보내서, 엔진의 운전 상태에 따라 연료의 분사량 및 분사 시간을 제어하며 인젝션 노즐에서 연소실 내로 분사하는 장치를 말합니다. 이 파트를 탱크로부터 노즐까지의 연료 이송방법과 독립식과 분배식으로 나눌 수 있습니다. 

독립식은 실린더와 같은 수의 펌프 기구가 필요하며 구조가 복잡하지만, 연료의 공급은 확실히 이루어지므로 고속 회전에 적합하며, 현재 가장 많이 사용되는 형식입니다. 분배식은 펌프 기구가 1개 사용되며 외형은 소형으로 만들 수 있으나, 실린더 수가 많은 엔진에는 다소 어려움이 있습니다. 독립 펌프를 집합 펌프라고 부르기도 합니다. 

연료장치 중 가장 중요한 파트는 인젝션 펌프 파트이며 현재까지 세계 각국에서 펌프의 연구, 개발이 이루어져 왔지만, 그중에서 보쉬 형 분사 펌프가 자동차나 선박 디젤엔진에 가장 적합하여 널리 사용되고 있습니다. 연료는 연료탱크(FUEL TANK), 피드 펌프(FEED PUMP), 연료 필터(F.O FILTER), 인젝션 펌프(INJECTION PUMP), 인젝션 파이프(INJECTION PIPE), 인젝션 노즐(INJECTION NOZZLE)로 이동하여 규정 압력으로 연소실 내에 분사됩니다. 또한 인젝션 펌프 내에서 노즐로 이송되지 않았던 연료 및 노즐의 니들이 윤활한 연료는 각각 리턴 파이를 경유하여 연료 탱크로 돌아가게 되어 있습니다. 

연료 파이프

연료 파이프는 연료 통로로 사용하고 있으며, 탱크에서 피드 펌프 간, 피드 펌프에서 필터 간, 필터에서 인젝션 펌프 간의 연료 통로가 되는 플렉시블 호스와 인젝션 펌프에서 노즐 간의 연료 통로가 되는 인젝션 파이프가 있습니다. 플렉시블 호스에는 비닐 파이프 등이 사용되고 있으나, 인젠션 파이프는 고압이 가해 지므로 이것에 견 딜 수 있도록 인발강관이 사용되고 있으며, 파이프 양단은 브레이크 파이프와 마찬가지로 유니언 너트를 사용하여 접속되어 있습니다. 또 각 실린더에 배관 상태는 길이가 거의 같아지도록 또 급격한 구부러짐이 피하도록 만들어져 있습니다. 

연료 필터 

연료 필터의 기능은 연료 속의 먼지, 수분을 제거하는 것이지만, 특히 디젤 엔진에서는 연료에 의해 인젝션 펌프, 노즐 등이 윤활되고 있으므로 충분한 여과 능력이 필요하기 때문에 용량이 크게 되어 있습니다. 또한 연료 속의 수분을 제거하기 위한 연료 수분 분리기 또는 연료 유수 분리기가 있으며, 세디멘터 내부에는 수위를 알리는 수위센서가 부착되어 있습니다. 필터 엘리먼트에는 여과지, 여과포 등이 있으나, 일반적으로 여과지가 많이 사용되고 있습니다. 오버 플로 밸브는 연료 피드 펌프에서의 송류 압력이 규정에 달했을 때 열리며, 여분의 연료가 탱크로 돌아가도록 되어 있으며, 플렉시블 파이프의 접속부 및 필터 응에 무리가 가해지는 것을 방지하고 있습니다. 또한 연료 중에 공기가 혼입 한 경우에도 오버플로 밸브에서 연료와 함께 공기가 배출되도록 설계가 되어 있습니다. 

연료 피드 펌프 

연료 피드 펌프는 인젝션 펌프의 측면에 부착되어 있으며, 인젝션 펌프의 캠에 의해 구동되는 피스톤의 작동으로 연료 탱크에서 연료를 빨아올리며, 연료 필터를 경유하여 인젝션 펌프에 연료를 보내주는 역할을 하고 있습니다. 또한 시동전에 연료계통에서 공기를 빼는 작업을 위해서 수동용의 펌프로 프라이밍 펌프를 장착하고 있습니다. 

펌프 보디는 경합금 또는 주철제이며, 펌프 피스톤, 태핏, 푸시로드, 인 레트 및 아웃 레트 밸브 등을 내장하고 있습니다. 피스톤은 인젝션 펌프의 캠에 의해 태핏, 푸시로드를 거쳐서 밀리게 되며, 스프링에 의해 되돌려져서 펌프 작동을 하도록 되어 있습니다. 여기서 플라이밍이라는 것은 시동 시 미리 연료를 충분히 주입하는 것입니다. 

<빨간색 동그라미 부분이 연료 피드펌프 입니다.>

<전체 적으로 보면 인젝션 펌프, 집합 펌프 타입입니다.>

인젝션 펌프의 구체적인 내용은 다음 시간에 인젝션 펌프 하나만을 주제로 하여 작성하도록 하겠습니다. 내부 구조가 너무 복잡하며, 부품 하나하나가 중요하므로 중요하게 다루고 가겠습니다.