가솔린 엔진의 밸브 개폐시기와 리프트에 따른 연소특성에 관한 연구

Abstract

밸브 이벤트는 엔진의 전개성능, 연비, 배출물 및 공회전 안정성 모두 영향을 주는 중요한 인자의 하나이다. 엔진에서의 유동저항, 실린더 내에서의 열전달, 연료의 증기압 등과 같은 정적효과 뿐만 아니라, 흡기관성효과, 흡기관내의 튜닝효과 및 역유동 등과 같은 동적 효과에 의해 영향을 받는다. 현재 엔진의 회전 영역에 따라 밸브의 개폐시기 및 개폐량을 조절하여 오버랩 타이밍을 제어함으로써 실린더 충전량과 실린더내 잔류 가스량에 대한 조절이 가능하도록 하는 가변 밸브 타이밍 기구가 차량에 적용됨을 알 수 있다. 본 연구에서는 대표적인 자동차 연비 모드인 FTP-75 운전 모드의 평균 엔진 회전수와 로드에서의 밸브 개폐시기와 리프트에 따른 효율 개선에 목적을 두고 연구를 수행하였다. 흡배기 가변 캠을 이용하여 각각 독립적으로 밸브 타이밍을 변화시켰으며, 밸브의 리프트는 각기 다른 캠 프로파일을 가지는 캠 샤프트를 직접 교체를 하면서 500cc 급 단기통 엔진에 적용 실험을 하였다. 각 경우에 대하여 일정한 연료를 흡기포트에 분사하고 스로틀 밸브를 조절하여 A/F ratio를 14.55로 고정한 상태에서 발생하는 IMEP, PMEP, ISFC 등을 측정하여 1800rpm 부분부하 영역에서의 최적의 연료소모량과 효율을 찾는 실험을 수행하였다. 단 그 외의 엔진 운전조건 즉, 엔진오일과 냉각수 온도는 컨트롤러를 이용하여 80°를 유지하였으며, 실험 조건을 바꾼 후 Steady 상태가 될 때까지 충분히 기다린 후 300cycle를 취득하여 평균을 구하여 각각의 경우를 비교하였다. 실험 결과 저속 부분부하 영역의 경우 밸브 개폐시기가 빨라질수록 Lift가 작아질수록 동일한 공기량을 유입시키기 위해 스로틀 밸브를 더 많이 개방하는 경향을 보였으며 펌핑 손실이 감소함을 알 수 있었다. 그리고 리프트가 작을수록 실린더 내부 유동이 활발하여 빠른 연소로 인하여 IMEPg가 크게 나오고 이로 인해 IMEPn 역시 커지고 ISFCn은 작아진다. 이 실험 결과를 토대로 몇 가지 조건에 대하여 BOOST Simulation모델링을 통하여 검증하였다. 향후 연소율 곡선 모델링이 추가된다면, 엔진 회전수와 로드에 따른 최적의 밸브 개폐시기와 밸브 리프트를 찾을 수 있을 것으로 판단된다.