마쯔다(MAZDA),SKYACTIVE-G (가솔린 엔진기술)

마쯔다(MAZDA),SKYACTIVE-G

마쯔다(MAZDA)의 SKYACTIVE TECHNOLOGY(스카이엑티브 테크놀리지) 자동차 기술에 포함되어 있는 스카이엑티브 엔진 기술인 SKYACTIVE-G를 소개드린다.

내연기관 효율향상에 주요인자를 압축비, 공연비(비열비), 연소기간, 연소타이밍, 펌핑손실, 기계마찰손실 6개롤 집약하여 마쯔다는 3단계로 주요인자를 가장 이상상태에 가깝게 하여 최고의 내연기관를 추구하고 있다고 마쯔다 파워트레인 책임자가 말한다.

• 고압축비엔진의 과제였던 녹킹(이상연소)

최근의 가솔린엔진 압축비는 10∼12정도가 일반적이다. 이상적인 것은 압축비를 10에서 15까지 높이면 약 9%의 열효율 향상이 기대된다. 그럼에도 불구하고, 지금까지 가솔린엔진의 고압축비화가 뚜렷하게 이루어지지 못한 이유중에 하나는 녹킹(Knocking)에 의한 출력이 크게 저하되기 때문이었다. 

녹킹(Knocking)은 연료와 공기의 혼합기가 고온고압이 될때 정상연소가 종료하기 직전에 자기착화를 일어키는 이상연소를 말하는 것으로 이상소음을 발생시킨다. 압축비를 올리면 압축상사점 부근의 온도가 올라가기 때문에 녹킹이 발생하기 쉽게 된다.

압축 상사점 온도를 저하시키기 위해서는 연소실내에 잔류온도의 잔류가스를 저감하는 것이 효과적이다. 예를 들어, 압축비 10, 잔류가스온도가 약 750℃, 급기온도를 25℃로 가정한 경우, 잔류가스가 10%남아 있으면 압축전의 실린더내의 온도와 약 70℃상승하여 압축상사점온도에는 약160℃로 상승하는 계산이 된다. 즉, 잔류가스량의 녹킹에의 영향은 아주크다고 말할 수 있다. 예를들면, 잔류가스를 8%에서 4%로 반감되면 압축비를 3을 올려도 압축비 상사점온도는 같다는 계산이 된다.

• 녹킹을 해결하는 주요기술

녹킹 발생요인인 잔류가스를 크게 저감하는 수법중에 하나인 Fig 4-2-1 배기시스템이 있다. 엔진의 배기경로가 짧으면 3번째 실린더의 배기밸브가 열린 직후에 발생하는 고압의 배기압력파가 배기행정을 끝내고 흡개행정에 들어에 들어가려고 하는 1번 실린더에 도달한다. 이렇기 때문에 한번 배출된 잔류가스가 다시 연소실내에 들어오는 것으로 고온의 잔류배기가스량이 크게 증가한다. 

Fig 4-2-1의 길이가 긴 배기스스템에서는 고압파가 다른 실린더에 전달하는 시간이 걸리기 때문에 악영향은 아주 낮은 회전수 영역에 제한된다. 거의 전 회전영역에 잔류가스 저감을 이루어 내는게 가능하다. 또한 실질적으로 많이 사용하는 영역의 토크향상을 위해 600mm넘는 관의 길이가 필요하나 루프형배기관을 채용하는 것으로 필요공간을 많이 줄였다.

배기시스템의 최대과제는 촉매까지의 거리가 길어지기 때문에 배기가스 온도가 저하하여 촉매가 빨리 활성화가 되지않는 것이다. 점화시기늘 늦추는 것으로 배기가스온도를 상승시키는것이 가능하나 너무많이 늦추면 연소가 불안정하게 된다. SKYACTIVE-G는 시동후 점화시기를 대폭적으로 늦춰도 엔진이 불안정하지 않는 연소기술을 확립했다. 

피스톤 상부에 캐비피를 공간을 설치하고, 또한 연료분사를 최적화하여 플러그 주위에 성층혼합기가 생성되도록 하여 이러한 안정적인 연소가 가능하게 되었다. 또한 캐비티를 설치하는 것으로 초기의 화염이 피스톤에 접촉하여 냉각손실을 발생하는 문제도 해결했다.

• 연소개선

녹킹을 피하기 위해 연소기간을 단축하는데 노력했다. 연소기간을 단축하게 되면 미연혼합기가 고온상태시간이 단축되어 녹킹이 발생하기 전에 정상연소를 완료시기키는 것이 가능게 된다. 공기유동의 강화, 분사압력의 고압화, 멀티홀 인젝터에 의한 분무특성개선 등에 의해 종래이상의 균질상태에  강한 유동의 혼합기를 생성하는게 가능하고, 동시에 캐비티 공간을 설치한 피스톤을 채용하는 것으로 연소초기의 화염이 피스톤에 충돌하여 성장하지 못하는것을 피할 수 있다.