내연기관 5장 엔진의 연료과 공급

공기는 많을수록 난류 강도가 높을수록 좋다.

연료는 최대한 짧은 시간 안에 운동에너지를 많이 가지고 나와야지 좋다.

 

*엔진에 공기를 공급하는 방식

1. 자연 흡기 방식(naturally-aspirated Intake system)

마이너스 일 걸린다. 압력 차이에 의해 공기가 흡입됨.

스로틀이 공기량을 조절하며 intake manifold를 거쳐 유동이 완화되어 들어간다.(실린더에 들어가는 량 조절)

 

2. 과급 방식(turbocharged/supercharged)

자연적 압력차가 아닌 강제로 공기를 넣어 줌. 

turbo: 운동에너지를 가지고 있는 배기가스로 터빈을 돌리고 축을 돌려 흡기의 압력을 높여 줌

supercharger: 전기로 압력을 높여줌

 

SI: 공기필터를 거쳐 스로틀에서 조절되며 (공회전시 닫힘, 옆에 BYPASS를 통해서 들어온다.) 인젝터에서 분사되는 연료와 같이 연소실로 들어감.

연료는 연료탱크에서 필터를 거쳐 인젝터(흡기포트에 존재) 로가서 니들이 올라가면 연료 분사

 

CI: 터보차저에 달려있는 압축기로 인해 압축되고 (스로틀 필요 없음->NOx 조절용임 ci엔진 스로틀은 공기 그냥 다 채워놓고 연료로 조절하므로), 연소실로 들어감

연료는 펌프를 거쳐 압력 조절을 받고 인제터로 들어감(인젝터가 실린더 내에 위치)

 

Intake systme

디자인 목표

1. 이론 공연비와 가깝게 (si엔진에서는 공기와 연료의 량을 적절한 타이밍에 최적으로 분사할 수 있게)

2. 난류 강도를 높여준다.

3. 체적 효율을 높일 수 있게 

 

특징

1.intake manifold, throttle, intake valves, injectors로 구성

2. 공기가 간헐적인 패턴을 가지고 들어오는데 quasi-steady sate flow로 모델 해석()

3. 인젝터의 위치에 따라 종류가 달라진다.

PFI -MPI(multi port injection): 러너의 말단부에 설치, 각 실린더에 보다 들어가는 량 정확히 조절 가능

PFI -TBI(Throttle Body Injecton) 스로틀 근처, 흡기 매니폴드 전단에서 분사하므로 인젝터가 하나면 된다: 실린더에 균일하게 들어간다는 보장 없다.

DI(Direct injection): 실린더 내에 분사 

5.1 Intake Manifold

intake runner design

직경이 크면-> 유량 많이 들어감+ 전체적 마찰 감소 / 속도가 줄어든다

=> 용도 및 목적에 따라 최적화해야 함

*엔진이 저속일 때: 유속이 느림 -> 유속을 증가시켜야 함(직경이 작아야 함)

*엔진이 고속일 때: 고속 조건: 유속이 빠름 -> 공기량을 많이 확보해야 함(직경 커야 함)

=> 가변 러너 개발(작은 영역, 넓은 영역의 러너 두 개 존재)

 

5.2Volumetric Efficiecy of SI Engines

엔진속도에 따른 변화

저속 조건: 공기가 흡기포트(온도 높음) 체류시간 증가-> 온도가 높아서 밀도 감소 (but mass flow 감소폭이 더 큼) => 체적 효율 약간 감소하는 경향

고속 조건: 점성 마찰 증가, 초킹 발생=> 체적 효율 감소

 

분사시기에 따른 변화

초반에 실린더와 외부의 압력차로 인해 공기 속도 증가, 실린더 내부에 공기가 들어온 후 압력차 감소로 속도 감소

공기가 들어올 때 연료분사는 저항이므로 체적 효율이 떨어진다. 

하지만 연료분사를 무작정 미루면 실린더 내 공기 운동 모멘텀이 낮아서 혼합기가 좋지 않아 진다.

=> 최적화 필요

 

인젝션 방법에 따른 영향

TBI: 상류에서 연료를 분사하기 때문에 공기가 가속되기 전에 저항이 발생하므로 MPI보다 체적 효율이 낮다.

GDI: 고압으로 분사하므로 스프레이에서 강한 난류 발생, 입자가 깨지기 쉬워 혼합이 잘 발생 따라서 분사시기를 늦게 가져갈 수 있고 러너의 크기 또한 크게 할 수 있어 체적 효율을 높일 수 있다.

=> 체적 효율: GDI> MPI> TBI

 

흡기포트에서 열전달에 따른 변화

흡기 시스템이 뜨거우면-> 공기 온도 감소-> 밀도가 낮으므로 같은 체적이 들어와도 mass flow 낮다-> 체적 효율 감소 (엔진 저속에서 랑 같은 영향인가?)

 

=> 물분사를 이용해 물의 증발 잠열로 시스템의 온도를 감소시켜 공기의 밀도를 증가시켜 체적 효율을 증가시킬 수 있다.

(미세먼지, Nox도 줄일 수 있다.)

 

밸브 오버랩(Back flow)

=> 잔류가스를 최대한 많이 빼기 위해 , 배기가 역류할 가능성을 없애기 위해

=> 들어오는 공기가 줄어들므로 체적 효율이 감소한다. 

밸브의 열고 닫힘은 절대 시간이 아니라 크랭크 각도에 따라 다르므로 회전 속도가 작을 때 밸브 오버랩이 길어 체적 효율이 더 감소한다.

 

Intake valve를 bdc 이후에 닫으면

체적 효율을 높이기 위해 공기를 최대한 많이 받아들이려면 bdc이후(실린더 내부의 압력이 외부와 같아지면)에 닫는다.

 

IVC 타이밍

저속일 때: 압력강하가 크기 않으므로 BDC이후 피스톤이 압축하면 조금만 압축해도 외부와 압력이 같아지므로 BDC 조금 이후에 닫아야 한다.

고속일 때: 압력강하가 커서 압축을 해도 외부 압력과 같아질 때까지 시간이 걸림 BDC 많이 후에 닫아도 된다.

 

마찰 손실에 의한 영향

필터, 스로틀, manifold, vavle등에 의해 마찰 발생, 압력 하강-> 고속 조건일 때 점성 마찰 커져 유동 손실 커짐=> 체적 효율 떨어짐

=> 코너를 줄인다=> 체적 효율 증가 but난류 강도 감소 => 최적화 필요(엔진 속도에 따른)

 

초킹에 의한 영향

초킹:공기의 속도가 음속보다 빠르면 발생. 단면적이 좁아져도 속도가 높아지지 않는 현상.

따라서 엔진 속도가 고속일 경우 갑자기 면적이 좋아지는 경우(스로틀, vlave)에는 속도가 더 이상 커질 수 없으므로 체적 효율이 떨어진다. 

 

intake tuning

압력이 manifold에서 wave 하면( 보강 간섭이 가능)해서 공기를 더 많이 들어오게 하여 체적 효율이 증가

 

EGR 배기가스 재순환

고온 연소 시에 발생하는 NOx를 감소시키기 위해

배기가스의 온도가 매우 높으므로 식혀준 후 흡기에 넣어주면 혼합기의 비열이 높아져서 연소온도가 덜 높아져 NOX가 감소.

하지만 그만큼 흡기가 안 들어오므로 체적 효율이 감소

 

 

 

5.3 Intake Vlaves

5.4 Variable Valve Control

5.5 Furel Injection

5.7 Supercharging and Turbocharging

5.10 Intake for CI Engines