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[자동차 공학] 가변 흡기 시스템
가변 흡기 시스템
1. 배경
과거 엔진을 설계할 때에 그 엔진의 용도에 따라 상용 회전수 부근에서 최대 출력이 나오도록 설계가 이루어졌었다. 교통이 혼잡한 지역에서 저속으로 운전하는 구간이 늘어나면서 다량의 오염물질이 방출될 뿐만 아니라 성능도 저하된다. 그래서 오염 물질 등의 외적 요인과 더불어 운전자들 또한 다양한 상황에서 모두 고효율을 낼 수 있는 성능의 자동차를 요구하게 되었다. 예를 들어 혼잡한 시내주행을 자주하는 고객은 저, 중속 영역에서 높은 출력을 발휘하는 엔진을 요구하며, 고속도로 주행이나 스피드를 즐기는 운전자는 고속영역에서 높은 출력을 발휘하는 엔진을 요구하는 등의 것이 그것이다. 따라서 현대에는 환경 친화적이면서도 경제적인 저 공해, 저 연비, 그리고 다양한 소비자를 만족 시킬 수 있는 고 효율 엔진에 대한 연구가 필요하게 되었다. 이러한 변화에 부흥하여 엔진의 성능에 대한 다양한 연구가 되었다. 흡기 시스템은 엔진이 가질 수 있는 특성 및 이 엔진이 차량에 탑재 되었을 때 차량의 성능과도 밀접한 관련을 가지고 있다. 따라서 엔진 개발시 주어진 공간 내에서 엔진 성능 및 차량성능을 만족시킬 수 있는 흡기 시스템을 구성하는 것은 매우 중요하다.
2. 일반적인 흡기 계통(구성요소)
기관이 작동하기 위해서는 실린더 안에 혼합기를 흡입하고, 또 혼합기가 연소한 후 그 연소가스를 외부로 배출하게 되는데 이 일을 하는 것이 흡, 배기장치이다. 흡기장치는 크게 보면 흡입하는 공기 속에 들어 있는 먼지들을 제거하는 공기 청정기와 각 실린더에 혼합기를 분배하는 흡기다기관으로 구성되어 있다.
2.1. 공기청정기 (air cleaner)
흡기장치의 공기흡입 과정에서 함께 들어오는 먼지 등은 피스톤링, 실린더벽, 피스톤, 흡기밸브 등을 마멸시키고 또 엔진 오일에 혼입되어 베어링 등 각 윤활부의 마멸을 촉진한다. 공기청정기의 주기능은 흡입되는 공기 속의 먼지 등을 여과하는 것이며 일반적으로 기화기 에어컨에 설치되며 건식과 습식이 있다. 또한 공기 청정기의 2차적 기능은 흡기 소음의 감소, 역화시 불길의 저지 등을 들 수 있다.
2.2. 흡기 다기관(intake manifold)
흡기 다기관은 기화기 출구와 각 실린더의 흡기 구멍을 연결하여 기화기에서 만들어진 혼합기를 각 실린더에 균일하게 분배하며, 보통 주철제로 만들어진 관이다. 다기통 엔진에서는 인접한 흡기구멍을 두 개씩 공통으로 구성되어 있고, 기화기와 각 실린더 흡기 구멍 사이의 길이는 되도록 같게 하고 있다. 다기관의 직경은 클수록 흡입효율이 높아지나 혼합기의 속도가 낮으면 안개 모양의 연료입자가 관의 벽에 부착되어 혼합기가 엷어지기 때문에 보통 엔진의 최고 회전속도에서의 유속 70m/s로 가동할 때는 2.5m/s이하가 되지 않게 설계되어 있다. 이에 따르면 다기관의 내경은 실린더 직경의 25∼35%가 된다.
2.3. 자동차의 엔진의 성능에 영향을 주는 변수?와 가변흡기장치 개발생각
일반엔진(자연흡기(N/A:Natural Aspiration)방식의 엔진)은 저,중속 영역에서 회전력(Torque)이 크도록 설계를 하면 고속영역에서 회전력이 작아지고, 반대로 고속영역에서 회전력이 크면 저,중속 영역에서 회전력이 작아지게 되는 양면적인 특성을 가지고 있다. 다시 말하자면 흡기 장치와 배기 장치는 동적 효과에 따른 체적효율의 향상, 말하자면 토크 향상에 알맞은 회전수와 그렇지 않은 회전수가 존재하게 되고 하나의 흡기관과 배기관으로 고속회전과 저속회전을 동시에 만족시키는 것이 불가능하다는 말이다. 따라서 엔진의 전 운전 영역에서 항상 높은 출력 성능을 발휘할 수가 없다. 반면에 가변 흡기장치는 기존의 일반엔진에서와는 달리 다양한 운전자의 요구에 대응하고, 저속에서 고속까지 높은 출력을 발휘하도록 개발된 엔진의 부속장치이다. 즉 엔진회전 및 부하상태에 따라서 공기흡입통로를 조절하여 엔진의 전 운전 영역에서 엔진출력을 향상시키는 장치이다. 이와 비슷한 현상이 밸브 타이밍에도 존재하는데, 하나의 밸브 타이밍으로 고속 회전과 저속 회전을 동시에 만족시키는 것은 불가능하다. 결국, 고속 회전에 맞춘 밸브 타이밍은 저속 회전 때 바람직하지 않은 현상이 일어나고, 반대로 저속 회전에 맞춘 밸브 타이밍은 고속 회전 때 성능 면에서 매우 부족하게 된다. 그런 과정에서 본다면 시스템 전 영역에서 만족시키기 위한 장치가 CVVT 시스템이다. 하지만 우리는 가변밸브 타이밍을 제외한 가변흡기 시스템에 한정하겠다.
3. 가변흡기 장치
3.1. 정의
다양한 운전자의 요구에 대응하고 저속에서 고속까지 높은 출력을 발휘하도록 개발된 엔진의 부속장치로 저속 및 저 부하시는 VIS(Variable Intake System)밸브를 닫아 일반엔진보다 흡입통로를 길게 하고 고속 및 고부하시는 VIS(Variable Intake System) 밸브를 열어 일반엔진보다 흡입공기 통로를 짧게 제어하여 엔진출력을 향상시키는 시스템이다.
3.2. 가변 흡기시스템 작동원리
가변 흡기 시스템은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 가변길이 흡기 다기관 방식(Variable Length Intake Manifolds)과 공진 흡기 방식(Resonance Intake System)이다. 둘다 엔진의 회전수에 따라 흡기 다기관의 지름이나 길이, 수를 변화시켜 흡기량을 최적화하는 시스템이다.
3.3 가변흡기 시스템의 종류
3.3.1 ?가변길이 흡기 다기관 방식 (Variable Length Intake Manifolds)
?보통 승용차에 많이 사용되는 방법으로 각각의 실린더 마다 2개의 길이가 다른 흡기 다기관(intake manifold)을 연결하여 저속일 때는 길고, 좁은 통로를, 고속일 때는 넓고 짧은 통로를 사용하는 방식이다. 이는 저속 시에는 흡기 통로가 절반으로 줄어들어 공기 흐름이 빨라지게 되어 흡기의 밀도를 향상시켜 연소실로 들어가는 공기의 양을 최대화한다. 반대로 고속 시에는 큰 관성력에 의해 피스톤이 BDC를 지난 후에도 공기가 연소실로 향하여 흐르도록 하여, 높은 출력을 가능하게 한다. ?어
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자료출처 : http://www.ALLReport.co.kr/search/detail.asp?pk=11024451&sid=ddangkung&key=
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