06/03/2014

일본 승용차 가솔린엔진 열효율향상기술 (과급 다운사이징 엔진)

[일본 승용차 가솔린엔진 열효율향상 기술 (마찰손실 저감기술, 아트킨슨 사이클, 고압축비)]의 일전의 포스팅에 이어 과급다운사이징 기술에 설명드리고자 한다.

일본 승용차 가솔린 엔진효율향상의 공통기술

마찰손실저감 기술
아트킨슨 사이클 채용으로 펌핑로스 저감기술
EGR(배기가스 재순환) 쿨러를 탑재하여 펌핑로스저감과 고압축비를 실현하는 기술
과급 다운사이징 엔진

◆ 과급 다운사이징

엔진의 배기량을 작게하면 같은 출력을 발생하기 위해 스로틀 밸브을 크게 개방하는 것이 가능해 져서 펌핑로스가 줄어든다. 그리고, 엔진이 작아 지기 때문에 마찰손실이 감소한다. 이것이 출력이 감소하는 만큼 과급기로 보충하는 이유이다. 터보차져는 구동에너지를 배기가스에서 얻고 있기 때문에 배열의 일부를 회수하는 것이 되므로 이 점에서도 효율이 향상된다.

과급다운사이징에서는 터보에 직접분사시스템을 함께 하는게 일반적이다. 직접분사에서는 연소실내에 연료를 분사하기 때문에 기화열으로 온도가 저하되고 압축비 향상에 유리한 점도 있으나 보다 큰 이유는 배기가스 성능을 확보하는 것에 있다. 엔진 출구에 큰 열용량을 가진 터보가 있으면 배기가스가 냉각되어 엔진시동 직후에 촉매온도가 상승하지 않아 유해배출물이 증가하고 만다. 직접분사로 하면 연소에 관여하지 않는 늦은 시기에 연료를 분사하여 배기가스 온도를 높여 촉매를 빨리 데우는(온도상승) 대책을 채용할 수 있다. 단, 터보와 직접분사 채용할 경우 코스트가 상승하기 때문에 지금까지 일본 자동차 회사는 과급 다운사이징에 소극적이 었다.

최근 후지중공업이 수평대향 4기통 직접분사 터보엔진[DIT]을 발표했다. 연비향상에는 과급다운사이징 채용이 크게 기여하고 있다. 연비향상을 중시한 개발이고 유럽형 과급다운사이징 엔진이라고 말할 수 있다.

압축비를 높일 수록 열효율이 높아져 연비가 향상되지만, 흡기온도가 상승하기 쉽운 과급엔진에서는 압축비를 높이면 녹킹이 발생하기 쉽다. 이것을 피하기 위해서 DIT엔진 부터 연소실내에 유동을 촉진하는 텀블제네레이션밸브(TGV)의 컨셉트를 바꾸었다. 종래의 TGV는 흡기포트의 아래부분 절반을 막아서 공기가 흡기포트 상부 벽면에 따라 흘러서 흡기밸브 상부부서 보다 많이 흘러가게 했다. 그러나 이번 개발에서는 연소실내 유동해석한 결과 흡기밸브의 아래부분부터 보다 많은 공기가 흘르는게 연소실 전체으 유동이 촉진되다는 것이 판명되어 TGV을 흡기포터의 상부 절반부분을 덥어 버리는 형상을 취했다. 다른하는 주요 기술은 토요타, 혼다 엔진에도 채용된 EGR쿨러이다. 이번에눈 냉각핀형상을 바꾸어 냉각효율을 20-30%향상 시켰다. 이 결고 EGR 율 도 기존보다 20%정도 높이는게 가능하졌다.

◆ 수바르, 배기량 1.6L 수평대향 4기통 직접분사 터보엔진[DIT]