VCR 엔진 방식의 이산화탄소 저감 방식

MCE 5 VCR 엔진의 운동학적 특성은

모든 압축비에서 기존 엔진과 모든 면에서 동일하고 연소 과정과 내부 공기역학은 최소한으로 수정되고 이 엔진은 로드 크랭크 메커니즘과 수명이 긴 기어로 이루어졌으며 견고하고 콤팩트하며 기존의 엔진 구조와 동일하게 유지할 수 있고 모든 차량에 적용도 가능하며 콤팩트한 크 랭크 샤프트 및 가이드 피스톤은 마찰 손실을 줄여 주는 동시에 고 연비와 호환되는 높은 과급 압력에도 적합하며 압축비의 범위는 7에서 18대 1이고 6 기어 및 롤러 가이드 피스톤에는 피스톤 슬랩 및 레이디얼 응력이 가해지지 않아 내구성이 높고 견고하며 신뢰할 수 있는 엔진이며 작은 크랭크 반지름을 가진 피스톤에 대한 반경 응력이 제거되면 롱 스트로크 엔진을 설계하기 쉽게 되어 높은 압축비에서 피스톤과 실린더 사이의 간격을 늘리고 이 기능은 저속에서 실린더 압축을 최적화하면서 기어 휠과 랙 사이의 중심거리를 일정하게 유지하기 위해 2열의 톱니가 있으며 대칭 평면의 트랙으로 구분되기에 톱니의 폭은 견딜 수 있는 최대 하중에 따라 다양하며 Fig 3 2 2는 연소 랙과 기어 휠의 메커니즘을 보여주고 엔진 블록은 다른 부품들에 영향을 미치지 않으며 변속기 흡입 및 배기 파이프 및 주변 장치와 연결하기 위한 추가 부품이 필요하지 않으며 모든 차량에 장착이 가능합니다.

 

이 엔진은 기존 디젤엔진에 비해 낮은 토크를 제공하지만 소음 진동 배기가스는

기존 SI엔진과 동일하고 VCR 엔진은 기존의 엔진보다 여전히 비싸지만 60000km 정도 운행을 하면 비용 보전이 가능하여 실용적이며 VCR로 인해 삼원 촉매장치의 사용이 개선되어 기존 엔진보다 오염물질을 적게 배출하고 Fig 3 2 3의 컨트롤 잭으로 불리는 VCR 액추에이터는 유압 작동 단계와 기계적 전자 제어 단계로 구성되며 가스 압력 및 엔진 관성에 의해 변위 되는 팔로워 잭 때문에 유압 펌프가 필요하지 않아 에너지 소비가 줄어들고 잭은 유압식 래칫 역할을 하고 압축비를 높이기 위해 VCR 액추에이터의 하단 챔버에 있는 볼은 압축비 설정 지점에 도달하는데 필요한 만큼 푸시로드에 의해 개방된 상태로 유지되며 홀 2D 포지션 센서는 0점 02mm의 정확도로 컨트롤 랙의 위치를 나타내고 이렇게 하면 볼은 설정 지점에 도달하면 즉시 제자리로 돌아오며 반대의 경우 작업은 정반대가 되며 VCR의 컨트롤 피스톤에는 최대 행정 말단에 물리적 정지 부가 있어 정상작동 중에 결코 도달하지 않으며 이것이 최대 압축률을 정의하고 엔진을 조립할 때 최대 압축비에 도달해도 연소실이 연소 피스톤과 충돌하지 않도록 조정됩니다.

 

VCR 액추에이터는 엔진 윤활에 사용되는 오일을 이용하며

40에서 60 bar로 예압 되고 오일의 가압은 오일 팬에 내장된 소형 전동 펌프에 의해 이루어지며 전기 펌프로 압력을 축적하면 이후에 에너지 소비가 없고 이 소형 펌프는 전체 VCR 시스템에서 발생할 수 있는 모든 누출을 방지하기 위한 것이며 이 사전 가압은 VCR 액추에이터의 안정성을 높이기 위해 오일 압축률을 줄이고 액추에이터 챔버의 캐비테이션 위험을 제거하며 압축비를 높일 때 VCR 액추에이터의 조작력을 비대칭으로 만들며 터보차저가 결합된 VCRi 엔진은 2배의 출력과 3배의 토크를 낼 수 있고 이것은 3점 0L V6의 동력과 대형 디젤의 토크를 1점 5L 용량의 엔진으로 생산할 수 있음을 의미하며 MCE 5 VCRi는 다운사이징 및 다운 스피드를 적용하여 초기 연료 소비를 25 프로 줄였으며 언제든지 각 운전 상황에 따라 압축비를 조정할 수 있고 이 기능은 엔진 에너지 효율을 추가로 8프로 증가시키고 연료 소비를 최대 35프로 감소시킵니다.

 

FEV 사는 제조비용이 저렴하고 기존 엔진 구조에 쉽게 통합될 수 있는 2 단계 VCR 시스템

을 개발했고 엔진은 Fig 3 3 1과 같이 커넥팅 로드의 소단부에 편심과 서포트 피스톤의 레버를 이용한 높이 가변식 커넥팅 로드를 사용하고 가스와 질량 힘의 조합은 압축비 조정에 변화를 줄 수 있으며 커넥팅 로드 높이는 커넥팅 로드의 소단부에 있는 편심 베어링이 회전함으로 변하기에 가스와 관성력의 벡터 합으로 인해 편심에 작용하는 모멘트는 커넥팅 로드의 길이를 조정하는 데 사용되며 편심에 작용하는 모멘트는 Fig 3 3 2에서 보는 바와 같이 연소 사이클 중에 포지티브나 네거티브가 될 수 있으므로 양 방향으로 조정할 수 있고 Fig 3 3 3을 보면 2 개의 지지 챔버는 각각 하나의 체크 밸브를 통해 오일 회로에 연결되면서 또한 3 포트 2 웨이 체크 밸브를 사용하여 챔버에서 크랭크 케이스의 라인을 제어할 수 있고 이렇게 하면 한 유압 피스톤이 자신의 보조 챔버로 더 깊숙이 들어가는 과정에 다른 보조 챔버가 오일로 채워지는 동안 다른 피스톤으로부터 오일을 배출할 수 있어 이 과정에서 편심은 한 방향으로 회전할 수 있으나 단점은 조정 과정이 완료되기까지 몇 번의 작업 사이클이 필요하고 조정에 필요한 사이클 수는 주로 작동 포인트와 유압 저항의 두 가지 요소에 따라 달라지며 오리피스는 유압 저항을 제어하는 데 사용되며 유압 저항은 신속하게 조정되는 방식을 사용해야 되고 신속한 조정이 되지 않으면 단계별 부하 변경으로 엔진 노킹이 발생하고 부분 부하에서 전 부하에 이르기까지 고압축 효율 향상이 불가능한데 그러나 조정 시간이 너무 짧으면 확장 보조 챔버의 체크 밸브에서 캐비테이션을 유발할 수 있고 엔드 스톱에 도달하여 정지할 때까지 보조기구에 과도한 충격 하중이 가해질 수 있으므로 전환 시간을 1초 미만으로 해야 된 편심의 회전 방향을 반대로 변화시키기 위해 3 포트 2 웨이 밸브가 작동합니다.

 

이 기계식 스위치는 두 캠 디스크를 밸브가

CR-high 또는 CR-low 방향의 축 방향으로 이동하도록 작동하며 단일 엔진 회전으로 완료되고 종단의 밸브 바디는 엔진 회전에 의한 변화가 제한되도록 볼과 스프링의 조합으로 고정시켜 정지되며 이후에 엔진을 분해하는 과정에서도 부품이 크게 마모되지 않고2단계 VCR 시스템은 콤팩트하며 모듈 방식 디자인으로 다양한 엔진 플랫폼에 적용을 할 수 있으며 높은 비용과 동력 소모가 많은 액추에이터를 사용하지 않고 하나의 구성 요소 즉 커넥팅 로드에만 대부분의 기능 요소를 적용하였으며 압축비는 0점 2에서 0점 6초 이내에 변경되고 18 FEV 사는 배기량을 1점 65L로 감소시킨 1점 8L TC PFI 엔진 6단 수동변속기와 압축비는 8점 8대 1과 12점 0대 1의 2단계 변경이 가능한 Lotus Elise 스포츠카를 이용하여 광범위한 새시 다이노 및 도로 주행 테스트를 하였고 이산화탄소 배출량 확인을 위해 다이노 테스트를 하였으며 첫 번째 테스트에서는 압축비를 8점 8대 1로 고정하여 기존 엔진의 압축비 8점 9대 1과 유사한 조건으로 두 번째에는 VCR 기능을 활성화하여 테스트하였는데 Fig 3 3 4는 NEDC의 11Km 주행에 대한 이산화탄소 배출 질량 곡선을 보여주며 이산화탄소 배출량은 5프로 감소되었으며 디젤 승용차 엔진에 적용하여 마찰 손실 및 중량 감소가 가능한 것을 입증하였으며 흡기 및 배기 포트의 디자인에 제한사항을 최소화할 수 있습니다.

 

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