인젝터의 고장 유형 - 가솔린 GDI 엔진

스파크 플러그 갭 사이에 불꽃이 발생하더라고 주위에 무화된 연료가 있어야 폭발이 발생하고 화염이 빠른 속도로 전파된다. 그런데 인젝터와 고압 펌프 등 연료 계통에 문제가 생기면 연료가 분사되지 않거나 비정상적으로 분사되어 실린더 내부에 폭발이 발생하지 않는 실화(Misfire)의 가능성을 높인다.

 

연료의 흐름에 따른 인젝터의 작동 원리

우리는 연료 주입구를 통해 연료를 넣고 연료 탱크 속으로 연료가 들어간다. 시동을 켜면 연료탱크에 내장된 연료 펌프가 돌아가고 3~4 bar의 압력으로 연료 튜브를 통해 연료를 엔진의 고압 펌프로 보낸다. 고압 펌프는 캠축의 구동에 따라 피스톤 운동을 하여 들어온 연료를 레일 쪽으로 지속해서 보내 압력이 서서히 올라가고 최고 150~250 bar의 고압을 형성한다. ECU(Engine Control Unit)는 연료 압력센서가 측정한 연료 레일의 압력을 바탕으로 인젝터의 열어주는 시간을 결정하고 그 시간 동안 전류를 인가한다. 인젝터는 솔레노이드 타입으로 전류를 인가하면 전자석으로 바뀌고 내부 스프링으로 인젝터 홀을 누르고 있는 니들를 들어 올려준다. 고압이 형성된 상태에서 인젝터 홀이 열리면 그곳으로 연료가 분출된다.

고장 유형

연료 압력 부족

1. 고압 펌프 입구부 밸브 손상

고압 펌프도 가솔린 엔진 전체와 구동과 유사하게 피스톤 상하운동을 한다. 피스톤이 내려올 때 입구부 밸브가 열려서 연료가 들어오고 피스톤이 올라갈 때는 입구부 밸브가 닫히면서 축구부로 연료가 토출 된다. 하지만 입구부 밸브가 손상되거나 고착(Stuck)이 되면 피스톤이 올라갈 때 연료가 입구부 쪽으로도 토출이 되어 정해진 시간에 정해진 압력이 형성되지 않는다.

2. 연료 레일과 고압 펌프를 연결해주는 고압 파이프 누설

고압 펌프부터 연료 레일까지의 연결은 고압 파이프가 그 역할을 한다. 스테인리스 재질로 프레스포밍한 고압 파이프는 끝단에 사두(뱀머리) 형상으로 고압 펌프와 연료 레일의 나사 챔버부와 선 접촉하여 너트로 체결한다. 고압 파이프의 제조 불량으로 사두 형상의 치수가 맞지 않거나 너트 체결 시 정격 토크보다 약하게 체결하면 누유가 발생할 수 있다. 그리고 정격 토크보다 과하게 체결하면 고압 파이프 사도 형상이 일그러지거나 망가질 수 있어 이 역시 누유 발생의 원인이 될 수 있다. 어디에선가 누유가 발생하면 실린더에는 의도된 연료보다 적거나 아예 분사되지 않는 경우가 발생하고 실화로 이어진다.

3. 연료 레일 누설

연료 레인은 긴 알루미늄관에 양끝단을 뚜껑을 씌워 용접한다. 제조 편차에 따라 용접이 불량하여 연료가 새는 경우가 있다. 그리고 연료 레일은 고압 파이프와 연결된 곳은 너트로 체결되어 있고 인젝터와 연결된 부위는 오링(O-ring)으로 되어 있어 상대적인 누유에 취약할 수 있다.

연료 압력이 과할 때

고압 펌프는 기계적으로 공급할 수 있는 연료 압력을 결정한다. 고압 펌프의 릴리프 밸브(Relief Valve)가 역할을 하는데 정해진 최대 압력보다 연료 압력이 커진 경우 릴리프 밸브가 열리면서 연료를 고압 펌프 쪽으로 돌려보내고 과도한 연료 압력을 해소한다. 릴리프 밸브(Relief Valve)가 고착되면 연료 압력이 최대 압력보다 많이 증가하게 되면 연료 분사 패턴이 틀어지면서 정상적인 연소를 하지 못한다. 

연료 압력센서 불량

연료 압력센서는 연료 레일의 압력 실시간으로 측정하여 ECU에 전송하는데 압력센서가 미작동하는 경우 ECU는 적절한 연료 분사량을 계산할 수 없어서 엔진 경고등을 띄우고 림프 홈(Limp-home) 모드로 전환된다. 드문 경우지만 이물질 혹은 센서 자체의 문제로 압력을 잘못 측정할 수도 있다. 정도에 따라 별 탈 없이 운행이 가능하지만 엔진 노화를 가속할 수 있다.

회로 불량

ECU와 고압 펌프, 인젝터, 연료 압력센서는 엔진룸 내에 컨트롤 와이어로 연결되어 있다. 와이어의 손상으로 단선 또는 단락이 발생하면 고압 펌프와 인젝터, 연료 압력센서는 아예 미작동하거나 정상적인 제어가 안 된다. 엔진은 차량 내에서 가장 고진동이 발생하는 부분으로 커넥터의 핀 마모에 의해 도금이 벗겨져서 접촉 불량이 발생하는 경우도 있다. 커넥터 접촉 불량은 선 접촉 마모로 커넥터를 탈거 후 재체결 또는 커넥터 교환 시에 문제가 사라지는 경우도 많아 접촉 불량을 증명하기는 어렵다. 그리고 엔진이나 차체에 접지(Ground)하는데 접지 볼트가 제대로 체결되지 않은 경우 저항이 급격히 증가하여 상대적으로 인젝터에 공급되는 전압이 약해지거나 없을 수 있어 인젝터가 정상적으로 작동하지 않는 경우도 있다. 

인젝터 자체 불량

 1) 인젝터 분무 패턴

연료 분무 패턴은 인젝터 팁 부의 매우 정밀한 홀(Hole) 가공으로 결정된다. 매우 정밀한 만큼 불량 가능성이 높고 실제로도 불량이 많다. 그리고 인젝터 팁 부는 실린더의 열악한 환경에 노출되어 연소 후에 발생하는 카본이 퇴적되어 분무 홀을 막아 분무 패턴을 틀어지게 하는 경우도 많다. 그리고 프리 이그니션(Pre-Ignition) 등의 이상 연소로 실린더 내부의 온도가 급격하게 올라가면 인젝터 팁 부가 변형이 발생할 수 있고 정상 연소 상태로 돌아오더라도 이제는 인젝터에 의해 이상 연소가 유지되거나 실화가 발생할 수 있다. 

2) 솔레노이드 단선/단락

인젝터 내부는 얇은 코일이 아주 많이 감겨 있는데 단선이 발생하는 전기를 인가하더라도 인젝터는 작동하지 않아 연료 분사가 이루어지지 않는다. 내부 단락이 발생하면 단락 위치에 따라 다르지만 원래 가지고 있는 전자석의 힘을 온전히 내지 못해 의도한 연료량보다 작게 연료가 분사되어 문제를 발생시킬 수 있다. 

3) 인젝터 내부 니들와 스프링 마모

인젝터는 매우 빈번하게 작동하므로 인젝터 내부의 니들의 슬라이딩부 또는 스프링의 마모로 결국에는 작동 불량을 발생시킬 수 있다.