자동차 제어시스템에는 여러 가지 유·공압 기술들을 적용하고 있습니다. 타이어나 공기브레이크, 에어서스펜션 등에 사용되는 공압기술과 더불어 브레이크나 변속기 밸브보디, 각종 윤활장치 및 냉각장치 등에는 다양한 유체를 사용하고 있습니다.
이러한 유체를 분출시키는 작은 구멍을 기계용어로 오리피스(Orifice)라고 하는데요. 작지만 자동차의 성능에 중요한 역할을 하고 있다고 해도 과언이 아닙니다. 오리피스와 관련이 깊은 시스템은 연료분사장치(Injector)와 쇼크업소버(Shock-absorber)가 대표적입니다.
인젝터는 연료를 미세한 연무형태로 분사해 표면적을 넓힘으로써 연료가 공기와 잘 섞여 완전 연소할 수 있도록 해 주는 장치입니다. 또한 쇼크업소버는 스프링의 진동을 유압으로 제어해 차체가 빠르게 자세를 유지할 수 있도록 도와주는 충격완화장치를 말합니다.
우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 분무기는 분사노즐의 내부구조나 끝 모양, 분사구멍의 크기나 구멍수, 분사압력 등에 따라 분무량과 분무형태가 결정되는데요, 인젝터 또한 이와 비슷한 원리지만 분사압력과 더불어 연료분사시간이 중요한 역할을 합니다.
자동차에 사용되는 인젝터는 스프링과 솔레노이드(영구자석), 니들밸브 등 다양한 기계적 구조로 이뤄져 있는데 전기신호로 솔레노이드 밸브를 구동해 니들 밸브가 인젝터의 분사구멍을 막았다 열었다하면서 연료를 분사시키는 원리입니다.
디젤인젝터의 경우 솔레노이드 밸브 대신 압전소자(피에조)를 이용하기도 합니다. 또한 인젝터는 작동방식이나 제어방법, 연료분사방법, 노즐의 모양, 구조 등에 따라 다양한 종류로 나뉘는데 자세한 설명이나 원리 등은 다음 기회에 설명드리겠습니다.
그렇다면 인젝터에는 몇 개의 분사구멍(오리피스)가 있을까요? 일반적으로 가솔린 인젝터의 경우 과거에는 2~4개 정도를 사용했지만 최근에는 4~6개 정도 대부분입니다. 디젤 인젝터의 경우에는 6~8개 정도의 방사형 구조를 가지고 있는 것이 특징입니다.
일반적으로 오리피스가 많으면 많을수록 연료를 더 미세하게 무화시킬 수 있지만 연료가 무화될수록 엔진노킹이 일어날 확률이 높고 연소실의 형상이나 연료분사량 등에 따라 최적의 개수와 분사각도를 설계한다는 것이 전문가들의 설명입니다.
인젝터의 오리피스는 바늘귀보다 작은 수 십 마이크로미터(㎛) 크기로 마이크로 오리피스라고도 불립니다. 디젤 인젝터의 경우 오리피스의 직경이 40~110㎛ 정도에 불과한 것으로 알려지고 있습니다.
쇼크업소버의 경우에는 오일과 가스로 채워진 본체 내부에서 피스톤이 스프링의 진동에 따라 신축과 이완을 반복하면서 피스톤에 설치된 오리피스를 통과하는 오일저항을 이용해 노면 충격과 스프링의 잔진동을 흡수하는 것이 작동원리라 할 수 있습니다.
일반적으로 쇼크업소버에는 4~6개 정도의 오리피스 밸브가 설치되어 있는데 통상적으로 복동식의 경우 직경이 3~4mm, 단동식의 경우 5~6mm 정도라고 합니다. 또한 오리피스의 직경과 수가 적을수록 스포츠카나 레이싱카처럼 딱딱한 반면 직경이 크고 수가 많으면 부드러운 댐핑성능을 보여줍니다.
그리고 인젝터와 달리 오리피스를 통해 오일이 들락날락하므로 입구와 출구 밸브 각도를 다르게 설계하는 것이 중요한 노하우라는 것이 전문가의 설명입니다.
이처럼 오리피스는 엔진성능은 물론 조종안정성에도 커다란 영향을 미칠뿐 아니라 바늘구멍보다도 작은 미세한 오리피스를 설계 및 가공하기 위해서는 정밀가공은 물론 다양한 기술적 노하우가 필요하다고 할 수 있습니다.[김아롱 기자=카테크]