[내연기관] 가변압축비(Variable Compression Ratio, VCR)
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- 목차
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Ⅰ. Abstract
Ⅱ. Introduction
ⅰ. 압축비의 정의 및 엔진에 미치는 영향
ⅱ. 압축비를 제한하는 주요 요소 - Knocking
ⅲ. VCR의 개념
Ⅲ. Variable Compression Ratio
ⅰ. VCR을 통해 기대할 수 있는 이점들
ⅱ. VCR의 구현법 및 장단점
ⅲ. VCR의 한계 - 상용화를 가로막는 요소들
ⅳ. VCR 기술의 상용화를 위한 제언
Ⅳ. Conclusion
- 본문내용
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Ⅰ. Abstract
전 세계적으로 에너지 절약과 배출가스에 대한 규제가 커짐에 따라 자동차 엔진 분야는 열효율은 높고 배출 가스는 더 적은 엔진에 대한 연구가 진행되고 있다. 이에 따라 SI엔진에 있어서도 다양한 방법들이 연구되어 소개 되고 있다. 이러한 방법에는 압축비를 높이는 방법과 밸브 타이밍에 의한 방법, 공기 유입 저항을 줄여 체적 효율을 높이는 방법, 다운사이징에 의한 방법, 마찰을 줄이는 방법 등이 있다.
이중 VCR에 의한 방법은 오래 전부터 SI엔진의 효율을 높이는 방법으로 인식되어 왔다.
SI엔진은 디젤엔진과 비교하여 part-load에서 더 낮은 효율을 보인다.
하지만 압축비를 높이게 되면 연소초기 실린더의 압력과 온도가 올라가게 되고 laminar 화염속도를 향상 시키게 된다. 이에 따라 ignition delay가 줄어들게 되고 낮은 부하에서의 연료 소비를 낮춰준다.
압축비를 높이기 위해선 clearance volume을 변화 시켜야 하는데 여기에는 여러 가지 방법들이 있다. 어떤 방법은 실린더 헤드를 움직이기도 하고 secondary 피스톤이나 밸브를 이용하기도 하며 커네팅 로드의 길이 변경, 크랭크 핀과 샤프트 변화, 크랭크샤프트 축 위치 변화 등의 방법이 있다.
Ⅱ. Introduction
ⅰ. 압축비의 정의 및 엔진에 미치는 영향 Willard W.Pulkrabek, Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine. Second Edition. pp.38-42.
내연기관에서 압축비는 기관 내의 체적이 최대일 때와 최소일 때의 비율을 뜻한다. 일반적인 reciprocating engine에서 실린더 체적은 피스톤이 TDC(Top Dead Center)에 있을 때 최소가 되며 이 때의 체적을 clearance volume 라 한다. 한편 피스톤이 왕복하며 변하는 체적을 Displacement Volume 라 한다. 그러면 실린더 내의 체적이 최대가 될 때의 부피는 이며, 따라서 기관의 압축비는 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
( : compression ratio, : clearance volume, : displacement volume)
압축비는 내연기관의 열효율을 결정하는 중요한 parameter이다. 이상적인 Otto cycle의 열효율의 식은 다음과 같이 표현된다.
( : thermal efficiency, : compression ratio, : specific heat ratio)
이때 비열비 는 공기에 대해 1.4 정도로 일정하다. 따라서 열효율은 압축비만의 함수이며, 압축비가 증가함에 따라 기관의 열효율도 증가한다.
기관 열효율의 증가는 bsfc(brake specific fuel consumption)의 감소를 의미하여 단위 거리를 달릴 때 배출하는 전체적인 의 양이 줄어드는 등의 부수적인 효과를 얻을 수 있다.
한편 Otto cycle 해석에 있어서 cycle의 각 상태에 해당하는 온도와 압력 역시 압축비에 영향을 받는다. 압축 말기의 온도와 압력, 즉 연소가 일어나는 순간의 온도와 압력은 이론적으로 다음과 같다.
,
(, : 흡기된 공기의 온도와 압력, , : 압축 말기의 온도와 압력)
따라서 압축비가 증가하게 되면 연소시의 온도와 압력이 증가하게 되고, 이는 높은 압력으로 인한 소음 문제, 높은 온도로 인한 의 배출량의 증가 등의 문제를 야기한다. 특히 SI engine에서는 다음 절에서 설명할 knocking의 문제로 압축비에 큰 제한을 받는다. 이러한 문제점들에 의해 현재 SI기관은 10-12, CI 기관은 16 정도로 압축비가 유지되고 있다.
ⅱ. 압축비를 제한하는 주요 요소 - Knocking
앞 절에서 언급한 바와 같이 압축비를 증가시킴으로써 엔진의 효율을 상승시킬 수 있다. 그러나 압축비를 무한정 높이지 못하는 원인들이 있는데 가솔린 엔
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