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자동차 대백과

VCR 엔진 시스템

by 양파죽 2022. 11. 3.
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실린더 헤드 움직임을 이용한 방식

IAV Automotive engineering 사가 개발한 엔진으로 전체 실린더 헤드를 엔진블록에 대해 2개의 편심 샤프트를 사용하여 최대 6mm 이동시키며 기계적으로도 안정적이고 마찰 조건을 일정하게 유지하여 높은 점화 압력에 적합하며 압축비가 16에서 20 대 1로 변경될 때 부분 부하 범위에서 연료 소비가 약 4프로 감소하며 전체 부하 및 압축비가 11대 1로 감소되면 NOx 및 매연 배출도 감소하고 터보차저와 결합하여 출력이 15에서 20프로 증가하는 결과를 나타냈다고 하고 SAAB 사의 VCR 엔진은 2000년 대 모터쇼에 선보이면서 널리 알려지게 된 시스템으로 헤드와 라이너를 엔진의 나머지 부분에 대해 피벗 시프트 작동하는 반자동 블록 구조로 되어 있으며 TDC에서 피스톤 덱의 유효 높이를 조정하는 틸팅 동작을 가능하게 했는데 이러한 작동을 통해 흡입공기를 과급하고 엔진의 구조적 변위를 줄임으로써 압축비의 변화시켜 엔진 절반의 상대적 위치를 변경하는 로터리 편심은 헤드 라이너 터보차저 인터 쿨러 및 매니폴드 등의 틸팅 시 결합 관성을 극복해야 과제를 안고 있습니다.

 

 

Fig 2 1 1은 높은 압축 위치와 낮은 압축 위치의

배치를 보여 주고 있으며 높은 압축 위치에서는 마찰 손실의 감소에는 좋은 영향을 주지만 엔진의 최고 실린더 압력을 견디기 위해서는 엔진 구성 부품 및 형태에 대해 높은 내구성이 필요한데 그러한 부분을 극복하고자 하는 연구 노력은 계속되고 있으며 이 엔진 디자인의 특징은 배기량을 감소시킬 수 있으며 높은 과급 압력으로 연료 소비가 30프로 감소하고 HC의 배출량이 크게 감소했으나 실린더 헤드의 틸팅 또는 병진 운동의 발생에 대한 진동 가진 공진 등이 수반되는 부분의 보완하기 위하여 엔진 디자인의 종합적인 수정과 흡 배기 시스템 구동 메커니즘을 위한 커플링 및 크랭크케이스 실링의 비용이 상당하게 작용하는 경제적 부담 증가와 실제 자동차 적용 Vehicle Packaging의 문제 등으로 양산 체제로 전환하여 생산하지 못했는데 2013년 Benz는 실린더 헤드에 연결된 실린더 하우징을 이용하는 VCR 엔진 Fig 2 1 2를 특허 출원했으며 이 엔진은 실린더에 연결된 실린더 하우징이 수직으로 움직여 압축비의 동적 변화가 발생하고 실린더 헤드와 하우징은 편심 베어링을 통해 크랭크샤프트에 연결되며 편심 베어링은 실린더 헤드와 크랭크샤프트 사이의 상대적 위치를 변화시키며 회전하고 압축비 변경은 액추에이터에 장착된 편심 베어링이 회전하며 크랭크케이스와 실린더 헤드 사이의 상대적 움직임으로 인한 거리 d에 의해 결정되며 기존 엔진에서 크랭크케이스와 실린더 하우징 사이의 상대적 움직임으로 발생하는 힘은 크랭크샤프트에서 흡수하며 크랭크샤프트 편심 변경을 위하 여 추가적인 윤활이 필요 없습니다.

 

실린더 헤드에 추가된 보조 챔버

내의 소형 피스톤 또는 밸브를 작동시켜 연소실 체적을 보조 챔버로 이동시켜 압축비를 감소시키는 방식이며 Fig 2 2 1은 실린더 헤드에 보조 챔버를 추가하여 내부의 밸브를 운행 조건과 엔진 센서 신호들을 고려하여 컨트롤러 Controller가 작동하며 압축비를 가변 시키며 이 방식은 기본적으로 압축비를 높게 설정하여 낮은 부하나 부분 부하에서 운행 조건에 맞도록 압축비를 낮추거나 노킹을 제어하는 수단으로 주로 사용하는데 특정 조건에서 최적 압축비에 해당하는 위치에 밸브를 유지할 수 있으나 피스톤과 실링 등 구성품의 내구성의 문제를 일으킬 수 있으며 Fig 2 2 2는 각 보조 피스톤이 크랭크샤프트의 절반의 속도로 연속적으로 작동하여 캠 샤프트와 구동을 공유할 수 있는 시스템으로 보조 피스톤과 크랭크샤프트 어셈블리 간의 위상 변화를 통해 필요한 압축비의 변화가 가능합니다.

 

이러한 방식은 엔진 생산

에 미치는 모든 주요 구성품의 변경사항에 대하여 많은 설계 변경을 하지 않고도 적용시킬 수 있어 경제적인 면에서는 큰 이점을 가질 수 있으나 챔버 내 피스톤 또는 밸브에 대한 강성과 기밀유지의 신뢰성 등에 대한 단점이 있고 Fig 2 2 3은 Ford 사의 또 다른 방식은 보조 챔버의 밸브를 진공 모터 Vacuum motor 액추에이터에 케이블로 연결된 캠을 작동시켜 압축비를 가변 시키며 챔버 사이에 설치된 원 웨이 밸브 One way valve가 낮은 압축비에서 보조 챔버 Auxiliary chamber와 연소실 Combustion chamber을 항시 연결시키고 높은 압축비에서는 보조 챔버와 연소실을 차단하고 보조 챔버에서 증가하는 압력은 밸브를 서서히 닫히게 하는데 캠은 연소 및 압축행정 중에는 압력에 의해 밸브를 열지 못하여 캠의 위치는 흡기 및 배기 행정 중에만 변경되며 압축비를 줄이기 위해 캠이 시계방향으로 회전하면 밸브가 시트에서 들어 올려지면서 연소실의 유효 체적 Residual volume이 증가하고 낮은 압축비 운전에 적합 하지만 밸브 스템 및 헤드가 고온에 노출되어 부분부하 동안 연소실의 기밀을 유지하지 못하는 현상이 발생하고 이러한 문제는 두 개의 스프링을 이용하여 기밀 효과를 높이고 밸브 작동에 필요한 힘을 줄임으로써 해결할 수 있으며 보조 챔버 방식에 단점은 두 가지 압축비만 가변 되며 압축비 가변을 위한 밸브 이동 시간 지연으로 최대 성능 발휘가 제한되며 밸브 스템과 밸브 사이의 오 정렬로 인한 불완전한 기밀을 초래에 대한 문제가 있습니다.

※ 참조문헌 : 자동차 배기가스 및 연비 대응을 위한 VCR 엔진 설계 기술 연구 (김덕성 2019)

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