Internal Combustion Engine

1. Internal Combustion Engine Chapter 5 Air and Fuel Induction

2. Intake Manifold • ◈ 사람이 공기를 마시고 폐에서 이산화탄소와 산소를 교환하듯이 엔진도 공기를 • 흡입하고 연소가스를 내보낸다. 공기를 많이 빨아들일수록 이에 비례하여 연료를 많이 공급할 수 있으므로 출력을 키우기 위해서는 많은 공기를 흡입하는 것이 중요하다. • SI engine에서는 주로 연료를 port injection이라 하는데 연료펌프에서 일정한 압 • 력으로 압축한 연료를 흡입밸브의 뒷면에 전기신호를 이용하여 분사한다. CI • engine에서는 주로 공기만을 흡입한 후 압축 말기에 연료를 실린더내로 직접 • 분사한다.

3. Intake Manifold • ◈ 공기필터를 지나 들어온 공기는 throttle plate를 지나며 압력이 감소하고 intake chamber에 • 공급된다. chamber에 연결된 intake runner와 engine head의 intake port를 지나 intake valve을 통 • 과하여 실린더내로 공급된다. 이와 같은 흡기계통은 유동에서 보면 저항이므로 압력 손실이 • 발생한다. 압력손실은 길이가 길어지고 단면적이 작아질수록 또 표면이 거칠거나 급격한 • 각도변화나 단면적 변화가 있을 때 증가하며 속도의 제곱에 비례하여 증가한다. 그러나 단면 • 적이 커지면 유동손실은 작아지나 저속에서 유동의 속도와 난류강도가 감소하여 연소과정이 • 느려지게 되므로 적절한 단면적과 단면의 형상을 결정하여야 한다. • 과거에는 연료가 carburetor의venturi에서의 압력차를 이용하여 기계적으로 공급되었으나 • 최근에는 대부분의 연료는 fuel injector를 통하여 intake valve 뒷면에 공급된다. 연료가 상류에 • 서 공급되면 증발하는 데 충분한 시간이 있어 증발이 잘 되며 연료공기의 혼합이 잘되는 잇 • 점이 있다. 그러나 연료는 일부 액적상태나 liquid film 상태로 있으므로 공기의 흐름을 따라 • 가지 않고 결과적으로 공기연료비가 실린더별로 달라지게 되는 단점이 있고 연료의 증발 • 로 인해 흡입공기의 양이 줄어드는 단점도 있다. port fuel injection을 쓰는 경우에는 연료가 전 • 부 기화하여 실린더내로 들어가지는 않지만 실린더내가 매우 차가운 경우를 제외하고는 압 • 축시에 대부분의 연료는 증발하고 공기와 섞인다.

4. Intake Manifold • ◈ 각 실린더에 들어가는 공기량을 균일하게 하는 것이 중요하며 이에 비례하여 • 연료량도 균일하게 하는 것이 중요하다. 일부 엔진에서는 배기재순환(EGR)을 • 쓰는데 이 재순환 하는 양의 균일한 cylinder 배분도 요청된다. 보통 엔진은 연료와 • 공기의 비를 정확히 조절하기 위하여 feedback control을 쓰는데 만약 각 실린더로 • 공급되는 공기의 양이 균일하지 않은 경우 배기의 공연비 측정을 위하여 사용되는 • 산소센서를 이용하여 각 실린더로 공급되는 연료의 양을 다르게 조절하는 것은 쉽 • 지 않고 결과로 공연비가 이론공연비에서 멀어지며 배기촉매의 전환효율이 감소 • 될 것이다. 또한 각 실린더로 공급되는 공기와 연료량이 균일하지 않으면 가장 많 • 은 연료와 공기가 공급되는 실린더에서 knock이 일어나기 쉬우므로 다른 실린더 • 에서는 knock 이 일어나지 않아도 spark timing이 retard될 수 있다.

5. Volumetric Efficiency of SI Engine • ◈ 체적효율이 높아야 엔진의 출력이 높아지나 여러 이유에 의해 체적 효율은 1보다 작다. • 1) Fuel - SI engine에서 연료가 액체일 때는 작은 부피를 차지하나 증발하여 기체가 되면 무 • 시할 수 없는 부피를 차지한다. 연료의 종류에 따라 달라지지만 공기와 연료의 질량비가 14.7:1이면 기화했을 때 연료가 차지하는 부피가 수 percent에 이르며 LPG, CNG등의 기체연료의 경우는 10% 내외가 되어 출력을 감소시킨다. 단 연료가 증발할 때 온도가 낮아지므로 밀도가 높아져 흡입공기량을 늘리는 효과도 있다. • 2) Heat Transfer (High Temperature) - Hood 내는 바깥의 공기보다 온도가 높아 들어오는 공기는 흡입과정에서 가열된다. 특히 엔진의 속도가 낮아 공기가 서서히 들어오는 경우에는 열전달에 충분한 시간이 주어지기 때문에 더욱 가열된다,. 공기가 가열되면 밀도가 떨어지고 흡입공기의 질량은 감소된다. Fig. 5-1에서 저속에서 volumetric efficiency가 감소하는 주요한 이유는 열전달이다. • 3)Valve Overlap - 흡입밸브는 피스톤이 상사점에 오기전에 열리며 배기밸브는 피스톤이 상사점을 지난 후에 닫힌다. 결과적으로 두 밸브가 함께 열려있는 구간이 있는데 이를 valve overlap이라 한다. valve overlap 구간 중에 흡기 port의 압력이 실린더내 압력보다 낮은 경우에는 실린더내 연소가스가 흡기 port로 흘러나가는 역류현상이 생기며 배기도 원활히 되지 않게 되어 흡입을 방해가게 된다.

6. Volumetric Efficiency of SI Engine • 4) Fluid Friction Losses - 특히 유속이 빠를 때 손실이 심하며 고속에서 volumetric efficiency가 감소하는 주요 원인중의 하나이다. 실린더내에 swirl flow를 만들기 위해 intake port 모양이 복잡해지면 손실이 커진다. • 5) Choked Flow - 유속이 빨라져 최소면적에서 음속에 도달하게 되면 질량유동은 더 이상 증가할 수 없다. Intake valve에서도 고속에서 이러한 현상이 일어날 수 있는데 이 경우에 엔진 속도가 빨라져도 질량유동은 증가하지 않기 때문에 한 cycle당 흡입 공기량은 감소한다. Fig. 5-1에서 고속에서 급격히 volumetric efficiency가 감소하는 것은 이로 인한 것일 확률이 높다. • 6) Closing Intake Valve after BDC - 고속에서는 한 cycle당 시간이 짧아지므로 흡입유량이 작아지기 쉽다. 가능한 시간을 충분히 주기 위해 보통 흡입밸브는 피스톤이 BDC를 지난 후에 닫힌다. 고속의 경우에는 흡입관에서의 유동의 속도가 빠르고 관성이 커서 피스톤이 상향으로 움직여도 밀고 들어올 수 있으나 저속에서는 흡입공기의 관성이 작아 피스톤이 상향으로 움직이며 실린더내 압력이 증가하면 실린더에서 흡기 port로 역류가 발생한다. • 7) Intake Tunning - 흡입과정과 배기과정은 밸브가 열리고 닫히며 피스톤이 움직이며 압력이 변화하는 transient한 과정이다. 이 과정에서 흡입밸브가 닫힐 때는 들어오던 공기가 부디쳐 압축파가 생기고 밸브가 열릴때는 팽창파가 생기며 이 압력파등은 흡입관을 움직이게 된다. 흡입관의 길이가 적정하면 이러한 압력파들은 흡입과정을 도울 수 있다. 이러한 작업을 intake tunning이라 한다. • 8) EGR - NOx를 줄이기 위하여 배기재순환을 사용하는 경우 재순환가스가 차지하는 부피만큼 흡입공기의 유량은 줄어든다.

7. Volumetric Efficiency of SI Engine Fuel – Evaporation Heat Transfer – Density ↓ Valve Overlap – Back Draft Intake Valve Timing Friction Loss Choked Flow

8. Intake Valves • ◈ 흡입밸브와 배기밸브는 poppet valve를 쓰며 실린더당 흡입 밸브는 1-3개, 배기 • 밸브는 1-2개를 쓴다. 보통 흡입밸브가 배기밸브보다 크며 흡입밸브가 3개, 배기 밸 • 브가 2개인 경우는 다를 수 있다. 흡입밸브의 면적을 넓히기 위해 밸브사이의 간극 • 이 작아지고 있으며 너무 작은 경우에는 내구성에 문제가 있으므로 최소 간격에는 • limit이 있다. 밸브를 4개 쓰는 이유는 흡입면적을 넓히려는 것과 스파크 플러그를 • 헤드 중앙에 가깝게 위치하려는 것이 있다. valve들은 cam에 의해 움직이는데 valve • 의 열고 닫히는 시기를 최적화하기 위해 최근에는 Variable Valve Timing and Lift가 • 사용되고 있다. 이는 엔진 운전조건에 따라 밸브가 열리고 닫히는 시기와 밸브가 • 움직이는 거리를 조절하는 것이다.

9. Fuel Injection • ◈ SI engine의 연료는 연료 펌프에 의해 약 3기압 정도로 압축된 연료를 fuel • injector에서 전기적 신호를 이용하여 solenoid를 구동함으로써 원하는 양의 연료를 • 원하는 시기에 분사하도록 되어 있다. Carburetor는 feedback을 이용하여 연료량을 • 정밀하게 제어하기 어렵기 때문에 특별한 경우를 제외하고는 점차 사라져가고 있 • 다. 연료를 직접 실린더내로 공급하는 Gasoline Direct Injection engine의 경우는 연료 • 의 압력을 100기압 내외로 가압하여 공급한다.

10. Supercharging & Turbocharging • ◈ Supercharger와 Turbocharger는 흡입 공기압을 높일 목적으로 흡기 시스템에 장착된 일종의 압축기이다. 이로 인해 각 실린더에 흡기시 더 많은 공기와 연료를 흡입하여 연소과정에서 더 많은 동력을 발생하게 한다. • Supercharger - 엔진 크랭크 샤프트로부터 직접적인 동력을 받아서 압축기를 구동. 하지만 스로틀 변화에 따른 즉각적인 반응을 보이는 장점이 있다. • 2)Turbocharger–엔진 배기 가스의 유동으로 돌아가는 터빈의 동력을 받아서 압축기를 구동. 이는 수퍼 차저처럼 엔진 크랭크 샤프트에서 여분의 동력을 필요로 하지않고 버리는 에너지를 사용한다는 장점이 있다. 하지만 터빈은 배기 가스 유동에 상당한 방해를 하기때문에 배기 포트에는 높은 압력을 형성하여 엔진의 출력을 떨어트린다. 또한 스로틀의 빠른 변화에 즉각적인 반응을 보이지 못하는 Turbo Lag현상이 있다.

11. Stratified Charge Engines • ◈ Stratified Charge Engines • 대부분의 SI 엔진은 전 연소 구간을 통해서 균일 공기-연료 혼합을 가진다. 성층 분사 엔진은 연소실내에서 각기 다른 위치에서 다른 공기-연료 혼합을 가기게끔 설계된 엔진이다. 즉, 스파크 플러그 주위에는 Rich Mixture를 형성해서 점화가 쉽게 이루어지게 하고 나머지 부분은 Lean Mixture를 형성하여 연료 소모를 줄일 수 있게한다. 몇몇 성층 분사 엔진은 스로틀이 없이 Unthrottle조건에서 운전되게 하여 체적 효율을 높이고 속도는 연료 분사의 적절한 시기와 양으로써 조절하게 한다.

12. Intake For CI Engines • ◈ CI 엔진은 Unthrottled 조건에서 운행한다. 따라서 엔진의 속도는 각 싸이클당 분사되는 연료의 량에 의해 조절된다. Unthrottled 운전은 많은 공기를 흡입하게 되므로 CI 엔진의 높은 체적효율의 이유가 된다. 따라서 더욱 높은 체적효율을 위해 터보 차저나 수퍼 차저를 사용하며 되도록 연료를 늦게 분사하도록 설계된다. 보통 연료는 압축 행정의 후기 약 20˚ btdc에 분사되며 연소는 이 연료가 evaporation 되고 충분한 온도에 이르는 지점( shortly btdc)에서 일어난다. CI 엔진의 압축비는 SI 엔진보다 높다. 따라서 CI 엔진의 연료 분사압은 전 연소실을 관통할 만큼 충분히 높아야 한다. CI 엔진의 연료 분사압은 약 200 ∼2000atm이 일반적이다.