가솔린기관에서 마이크로프로세서를 이용한 가변 밸브개폐시기 … · 그...
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공학석사학위청구논문
가솔린기관에서 마이크로프로세서를 이용한 가변
밸브개폐시기 시스템의 개발에 관한 연구
A Study on the Developm ent of V ariable V alve T im ing
Sy stem by M icroproces sor in Gasoline Engine
2001 년 2 월
인하대학교 대학원
기계공학과 (열 및 유체전공 )
金 雄 赫
공학석사학위청구논문
가솔린기관에서 마이크로프로세서를 이용한 가변
밸브개폐시기 시스템의 개발에 관한 연구
A Study on the Developm ent of V ariable V alve T im ing
Sy stem by M icroproces sor in Gasoline Engine
2001 년 2 월
지도교수 채 재 우
이 논문을 공학석사학위논문으로 제출함
인하대학교 대학원
기계공학과 (열 및 유체전공 )
김 웅 혁
본 논문을 김웅혁의 석사학위논문으로 인정함
2001 年 2 月
주심
부심
위원
요 약
최근 날로 강화되고 있는 자동차 배기 관련 법규는 미국 , 유럽 등 자동차 선
진국에서 환경보호를 앞세운 환경 당국의 대기환경 개선이라는 논리에 밀려 아주
엄격한 기준이 적용되고 있다 . 각국의 배기가스 규제를 만족하는 저공해 자동차를
개발하기 위한 기술은 수 년 전부터 엔진 본체 개선 , 연료의 무화 , 연료계의 정밀
제어 및 배기 후처리 등의 방법으로 주로 H C의 저감에 두고 각 자동차업체 및
관련 연구기관에서 연구 개발해 오고 있다 . 엔진의 특성 및 제어장치가 엔진마다
다르고 후처리 관련 촉매도 제조 업체마다 귀금속의 함유량 , 온도 특성 , 정화효율
등이 다르기 때문에 적용되는 엔진 , 제어장치 및 후처리 장치가 하나의 시스템으
로 고려되어 고유의 기술이 적용된 모델로서 개발이 되어야 하므로 사실상 많은
문제점들이 존재한다 . 이러한 상황에서 일부 연구가들은 밸브가변장치가 이러한
요구들을 가장 확실하게 충족시켜주는 해결책이라 주장하였다 .
본 연구에서는 흡기압력, 배기압력, 흡기밸브 열림시기 및 오버랩기간이 변화할 때 가솔
린엔진의 성능을 파악하고자 Zero dim en sional t w o zon e모델을 이용하여 수치해석을 진행
하였으며 이를 근거로 솔레노이드 밸브로 기존 엔진의 캠축을 대체하기 위한 새로운 방식
의 가변 밸브개폐시기 시스템을 제작하였으며 이 시스템은 마이크로프로세서와 릴레이 등
전자 부품으로 구성된 컨트롤 회로에 의해 제어하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을
수 있었다.
1) 본 연구에서 사용된 프로그램에 의해 시뮬레이션 한 결과는 실제엔진의 결과와 비교
할 때 비교적 잘 일치하였다.
2) 밸브의 오버랩기간이 증가함에 따라 실린더내의 압력은 전체적으로 증가하였으나, 배
기행정에서는 오히려 실린더내의 압력이 감소하는 것으로 나타났다.
3 ) 밸브의 오버랩기간이 증가할수록 혼합기의 질량연소율이 전체적으로 증가하는 결과
를 보였으나, 연소행정 말기에서는 오히려 혼합기의 질량연소율은 감소하며 또한 조금씩
- i -
진각하는 것으로 나타났다.
4 ) 오버랩기간이 증가할수록 또는 흡기밸브 열림시기가 진각할수록 N O의 방출량과 잔
류가스의 량은 증가하고 H C의 방출량과 체적효율은 감소하는 것으로 나타났다.
5 ) 저속에서는 마이크로프로세서와 릴레이 등 전자부품을 이용한 컨트롤 회로에 의하여
VVT 시스템에서 솔레노이드 밸브의 개폐시기 제어가 가능한 것으로 나타났다.
- ii -
A B S T R A C T
R ecen t ly , t h e d em an d for au t om ob ile s h a s in cr ea s ed ab r u pt ly ov er t h e w or ld ,
con t r ib u t in g t o s er iou s en v ir on m en t a l an d en er g y pr ob lem s . M a n y g ov ern m en t s
h av e in t en s ified t h e en v ir on m en t a l an d en er g y r e g u la t ion s t o ch eck t h is g r ow t h
a n d m on it or t h e s e pr ob lem s . O n t h a t a ccou n t , a dv an ced au t om ot iv e
m an u fa ct u r er s ov er t h e w or ld h av e a ls o con du ct ed r e s ear ch con cern in g en g in e
t e ch n olog y in h op e s of a ch iev in g b et t er eff icien cy , r edu cin g em is s ion s , an d
m eet in g en v ir on m en t a l r eg u la t ion s . In t h is s it u a t ion , s om e r e s ea r ch er s u r g ed
t h a t v a r iab le v a lv e t im in g sy s t em is t h e s olu t ion w h ich ca n m eet t h e s e
r equ ir em en t s .
In t h is s t u dy , n u m er ic a l an a ly s is h av e b een d on e b y zer o dim en s ion a l t w o
zon e m od el in or d er t o g r a s p t h e p er form an ce of g a s olin e en g in e w h en t h e
in t ak e pr e s s u r e , ex h au s t p r e s su r e , in t ak e v a lv e t im in g an d ov er la p t im in g ar e
ch an g ed . O n t h e b a s is of t h is r e s u lt s , n ew t y p e of v ar ia b le v a lv e t im in g
s y s t em w h ich is com p os ed of s olen oid v a lv e is d e s ig n ed t o su b s t it u t e ca m s h a ft
w h ich is ex is t in g in or ig in a l en g in e . A n d t h is sy s t em is con t r olled b y t h e
elect r ic cir cu it w h ich con s is t s of m icr o - pr oc e s s or an d r elay et c ..
F r om t h is s t u dy , follow in g r e s u lt s a r e ob t a in ed .
1) T h e s im u la t ion r e su lt s of t h is p r og r a m a ccor d w it h t h o s e of r ea l en g in e
ex p er im en t .
2 ) A s t h e v a lv e ov er la p p er iod in cr ea s e , t h e p r e s su r e in t h e cy lin d er is
g en er a lly in cr ea s e , b u t d e cr ea s e in t h e ex h au s t p r oce s s .
3 ) A s t h e v a lv e ov er lap p er iod in cr ea s e , b u r n in g r a t io of a ir - fu e l m ix t u r e
g en er a lly in cr ea s e , b u t d e cr ea s e in t h e la t e of com b u s t ion p r oce s s .
- iii -
4 ) A s t h e v a lv e ov er lap p er iod in cr ea s e an d t h e in t ak e v a lv e op en t im in g is
a dv a n c ed , t h e am ou n t s of N O em is s ion an d r e s idu a l g a s in cr ea s e an d H C
em is s ion a n d v olu m e efficien cy d ecr e a s e .
5 ) It is p os s ib le t o con t r ol t h e v a lv e t im in g b y s olen oid v a lv e b y elect r ic
cir cu it w h ich con s is t s of m icr o - pr oce s s or an d r elay e t c . a t t h e s t a t e of low
en g in e sp eed .
- iv -
목 차
요 약 i
A B S T R A CT iii
목 차 v
L is t of T a b le s v ii
L is t of F ig u r e s v iii
N om en cla t u r e x
제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구동향 2
1.3 연구목적 및 내용 5
제 2 장 이론적 고찰 6
2.1 Zer o dim en s ion a l t w o zon e 모델 6
2.1.1 기본가정 6
2.1.2 모델의 기본방정식 7
2.2 가변 밸브개폐시기 시스템 12
2.2 .1 시스템 개요 12
2.2 .2 상용화된 가변 밸브개폐시기 시스템 14
제 3 장 실험장치 및 방법 22
3 .1 실험장치 22
3 .1.1 엔진 22
- v -
3 .1.2 압력측정장치 22
3 .1.3 오실로스코프 23
3 .1.4 동력계 (D y n a m om et er ) 및 동력계 제어장치 24
3 .2 실험조건 및 방법 24
제 4 장 실험 결과 27
4 .1 Zer o dim en s ion a l t w o zon e 모델을 이용한 시뮬레이션 27
4 .1.1 모델 신뢰성 검증 27
4 .1.2 오버랩기간의 변화에 의한 영향 28
4 .1.3 흡기밸브 열림시기의 변화에 의한 영향 30
4 .2 가변 밸브개폐시기 시스템 45
4 .3 솔레노이드 시스템 45
4 .4 가변 밸브개폐시기 시스템 전자회로도 50
4 .4 .1 D r iv in g cir cu it 시스템 개발 50
4 .4 .2 마이크로프로세서 cir cu it 시스템 개발 50
4 .4 .3 D is play in g cir cu it 시스템 개발 5 1
제 5 장 결론 56
참고문헌 57
- vi -
L i s t o f T a b le s
T ab le 2 - 1 Cla s s ific a t ion of V V T s y s t em s 18
T ab le 3 - 1 E n g in e sp ecifica t ion s 25
T ab le 3 - 2 S p ecifica t ion of T D S 744A dig it a l os cillo s cop e 26
T ab le 3 - 3 S p ecifica t ion of en g in e dy n am om et er 26
- vii -
Lis t of F ig ure s
F ig . 2 - 1 S ch em at ic dia g r am of t w o zon e m od el 18
F ig . 2 - 2 S ch em at ic dia g r am of H O N D A V T E C sy s t em 19
F ig . 2 - 3 P r in c ip le dia g r am of H ON D A V T E C s y s t em 19
F ig . 2 - 4 S ch em at ic dia g r am of E M V sy s t em 20
F ig . 2 - 5 E lec t r om e ch a n ica l a ct u a t or of t h e E M V s y s t em 20
F ig . 2 - 6 T h e com p ar is on of en g in e B M E P at differ en t sp eed s 20
F ig . 2 - 7 T h e m a n a g em en t sy s t em of E M V en g in e 21
F ig . 3 - 1 T h e s ch em at ic dia g r am of ex p er im en t a l s e t u p 25
F ig . 4 - 1 S im u la t e d an d m ea su r e d cy lin d er pr e s s u r e 32
F ig . 4 - 2 T h e t em p er a t u r e of b u r n e d an d u n b u rn ed zon e g a s
a t d iffer en t en g in e loa d s 33
F ig . 4 - 3 T h e t u rb u len t an d la m in ar fla m e v elocit y
a t d iffer en t en g in e loa d s 34
F ig . 4 - 4 T h e flam e r a diu s a t d iffer en t en g in e loa d s 35
F ig . 4 - 5 T h e in dica t ed w or k a t d iff er en t loa d s 35
F ig . 4 - 6 T h e effe ct s of ov er lap on in dica t or dia g r am s
a t differ en t en g in e loa d s 36
F ig . 4 - 7 E ffect s of ov er la p on m a s s b u r n ed r a t e
a t d iffer en t en g in e loa d s 37
F ig . 4 - 8 E ffect s of ov er la p on in dica t e w ork
a t d iffer en t en g in e loa d s 38
F ig . 4 - 9 E ffect s of ov er la p on in t a k e ch ar g e m a s s flow r a t e
a t d iffer en t en g in e loa d s 39
- viii -
F ig . 4 - 10 E ffect s of ov er la p on ex h au s t ch ar g e m a s s flow r a t e
a t d iffer en t en g in e loa d s 40
F ig . 4 - 11 T h e effe ct s of ov er lap on N O an d H C em is s ion s
a t d iffer en t en g in e loa d s 4 1
F ig . 4 - 12 T h e effe ct s of ov er lap on r e s idu a l g a s fr a ct ion an d
v olu m et r ic effic ien cy a t d iffer en t en g in e loa d s 42
F ig . 4 - 13 T h e effe ct s of in t ak e v a lv e op en t im in g on N O
a n d H C em is s ion s a t d iffer en t en g in e loa d s 43
F ig . 4 - 14 T h e effe ct s of in t ak e v a lv e op en t im in g
on R e s idu a l g a s fr a ct ion a n d v olu m et r ic e fficien cy
a t d iffer en t en g in e loa d s 44
F ig . 4 - 15 D r iv in g a n d g u idin g a s s em b ly 48
F ig . 4 - 16 Cr os s s e ct ion of V V T a ct u a t or 48
F ig . 4 - 17 S ch em at ic dia g r am of s olen oid a n d a rm at u r e 49
F ig . 4 - 18 P a r a m et er s d efin in g in eg . [4 - 4] 49
F ig . 4 - 19 S olen oid con t r ol s t r a t eg y 52
F ig . 4 - 20 M icr opr oce s s or c on t r ol P W M 52
F ig . 4 - 21 D r iv in g cir cu it 53
F ig . 4 - 22 M icr opr oce s s or c ir cu it 53
F ig . 4 - 23 IV O , IV C , E V O , E V C con t r ol a t d iffer en t sp eed s 54
F ig . 4 - 24 D isplay in g cir cu it 55
- ix -
N o m e n c la t u re
E : E n er g y
Q : N et h ea t in p u t an d ou t pu t
Q w : H ea t t r an s fer
: E qu iv a len ce r a t io
h : E n t h a lp y
m : M a s s
P : P r e s s u r e
V : V olu m e
R : G a s c on s t an t
T : T em p er a t u r e
C p : S p ecific h e a t a t con s t an t p r e s su r e
U : In t er n a l en er g y
C v : S p ecific h e a t a t con s t an t v olu m e
S F : F la m e v eloc it y
S T : T u rb u len t v elocit y
S E : B u rn ed zon e ex p an s ion v eloc it y
A f : F la m e fr on t a r e a
A pp : W et t ed pis t on ar ea b y b u r n ed r e g in
S p : P is t on v elocit y
: A n g u la r v eloc it y
- x -
U T : T u rb u len t in t en s it y
: D en s it y
V V T : V a r iab le v a lv e t im in g
I VO : In t ak e v a lv e op en
I VC : In t ak e v a lv e c lo s e
E V O : E x h a u s t v a lv e op en
E V C : E x h a u s t v a lv e clo s e
T D C : T op d ea d cen t er
A T D C : A ft e r b ot t om d ea d cen t er
B T D C : B efor e t op d ea d c en t er
A B D C : A ft e r b ot t om d ea d cen t er
B B D C : B efor e b ot t om d ea d cen t er
E C U : E lec t r on ic con t r ol u n it
S u b s cr ip t s
u : U n b u r n e d zon e
b : B u rn ed zon e
h : Cy lin d er h ea d
l : Cy lin d er lin er
p : P is t on
e : E x h a u s t
s : In t ak e
- x i -
제 1장 서 론
1 .1 연 구 배 경
70년대에서 80년대 초반에 걸친 오일쇼크는 대부분의 에너지원을 석유에 의
존하는 자동차산업에 큰 영향을 끼쳤으며 90년대에 들어와 지구온난화에 대한
국제적인 움직임이 본격화되면서 연비규제는 새로운 양상을 띠 게 되었다 . 이
러한 에너지문제와 환경문제가 대두됨에 따라 자동차산업에서는 이에 대처하
기 위하여 왕복엔진에 대한 성능과 작동을 개선하기 위한 많은 연구가 수행되
었다 . 이기간 중 연비향상을 통해 오일쇼크를 극복하려는 기술개발노력이 적극
적으로 추진되어 대체에너지원 개발을 포함한 신기술들이 쏟아져 나왔던 것이
다 . 특히 차량 배기가스 중에서 유해가스로 규제되고 있는 H C , C O , N Ox PM과
지구온난화에 영향을 미치는 CO 2는 사회적으로 그 인지도가 높아짐에 따라 ,
배기가스에 대한 법적 규제는 많은 나라에 적용되었고 , 점점 더 엄격해지고 있
는 실정이다 . 이러한 움직임은 승용차 연비향상을 이끌 수 있는 새로운 추진력
으로 연비향상을 위한 기술개발경쟁은 더욱 가속화될 전망이다 . 또한 , 에너지
위기는 승용차의 연료소비를 엄격히 제한하는 방향으로 유도하면서 에너지의
식사회의 도래를 낳았다 . 에너지보존과 유해배기가스 제어에 대한 현재의 관심
은 일반적으로 엔진 전자제어시스템에 의한 정확한 제어엔진변수들의 기술로
서 일컫는다 . 변화하는 속도와 부하에서 보다 정확하게 공기연료비를 제어하기
위해 기화기는 전자제어 단일 혹은 다중 연료분사시스템으로 거의 전환되었
다 . 이러한 시스템의 다음 단계로서의 엔진연구는 밸브기구 작동에 대한 정확
한 제어이다 .( 1 ) ( 2 ) 대부분의 왕복식 내연기관엔진은 흡·배기밸브의 작동을 위
해 기계적으로 구동되어지는 캠축을 이용하고 있으며 밸브의 양정 , 위상과 지
속시간이 고정되어 있다 . 이러한 밸브기구는 신뢰성과 가격이 상대적으로 저렴
하여 현재까지 주로 사용되고 있으며 대부분의 기본엔진 요구조건들을 만족시
- 1 -
켰고 , 가격경쟁에 있어서 더 이상 문제되지 않았다 . 그러나 , 연료소비를 보다
개선하고 유해배기가스를 줄이면서 성능향상을 위한 새로운 기술로서 가변 밸
브개폐시기 시스템이 현재 각 나라에서 연구가 활발히 진행되고 있다 . 엔진의
가변작동 조건하에서 밸브의 양정 , 위상과 지속시간을 변화시킬 수 있는 가변
밸브개폐시기 시스템에 의해 엔진의 출력 , 토크 , 연료소비와 배기가스를 크게
향상시킬 수 있다는 것이 확인되었다 .( 3 ) ( 4 )
1990년 이후부터 환경이나 에너지 보호차원에서 미국의 E P A (E n v ir on m en t a l
P r ot ect ion A g en cy )는 Clean A ir A ct를 기본으로 E m is s ion 관련규제를 강화시
켰으며 특히 CA R B (C a liforn ia A ir R e s ou r ce s B oar d )에서는 1994년 M od el Y ear
부터 L E V (L ow E m is s ion V eh icle ) 규제를 시작하여 , 2003년 M od el Y ea r까지 정
해져 있는 차종들의 평균 규제치 (F A S : F le et A v er a g e S t an d a r d s )를 만족하여
야 한다고 하였다 . 또한 CA F E (C orp or a t e A v er a g e F u el E con om y )에서는 연료
소비율의 규제안까지 통과되었다 . 이러한 상황에서 S .H a r a 등은 가변 밸브개폐
시기 시스템이 이러한 요구들을 가장 확실하게 충족시켜주는 해결책이라 주장
하였다 .( 5 )
1 .2 연 구 동 향
자동차 연료소비 , 즉 CO 2 발생에 영향을 미치는 요소로는 엔진의 성능 , 연
료 , 차량의 중량 등이 있으며 배출가스규제의 강화도 연비향상에 큰 걸림돌로
작용하고 있다 . 기술적인 측면에서는 연비를 향상시킬 수 있는 많은 아이디어
들이 있으나 기술의 경제성에서 기존의 가솔린엔진이나 디젤엔진에 비하여 성
능 (P ow er d en s it y )측면에서 경쟁력을 상실하여 실용화되지 못하고 있는 실정
이다 . 연비 및 배기가스규제에 대한 대응방안으로써 또 하나의 관심사항은
V V T (V a r ia b le V a lv e T im in g ) 관련사항이었다 .( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) 밸브의 움직임을 기존의
- 2 -
일정한 틀에서 변화시켜 엔진의 운전상황에 최적화 시킴으로써 고효율 , 배출가
스저감 등의 효과를 동시에 얻을 수 있다는 이 기술은 고유가시대에 대한 해
결책을 제시하고 환경개선요구가 거세지는 소비자의 요구를 만족시키기 위한
자동차업계의 노력을 보여주는 좋은 사례였다 . 이러한 가변 밸브개폐시기 시스
템에 대한 가능성으로 D r e sn er와 B ar k a n는 1980년대 가변 밸브개폐시기 시스
템에 대한 모든 특허들을 검토한 결과 한·두개의 시스템을 제외하고는 상용
화할 가능성이 거의 희박하다고 보고하였다 .( 9 ) S t on e은 가변 밸브개폐시기 시
스템의 토크향상과 연비경제성에 대한 연구를 진행하였는데 그 결과 엔진의
부하와 속도에 따른 흡·배기 밸브개폐시기의 정확한 제어는 실현하기 어렵다
고 하였다 .( 1 0 )그밖에도 K oh a n y는 가솔린엔진에서 밸브개폐시기의 변화에 따
라 엔진의 토크와 출력을 실험과 수치해석을 동시에 수행하여 진행하였으며
그 결과 밸브개폐시기가 엔진의 운전조건에 따라 최적화가 되어야한다는 사실
을 밝혀내었다 .( 1 1 )
어떤 기관은 각 밸브에 대해 이중 로브를 가진 캠축을 사용한다 . 기관속도가
바뀔 때 , 캠축 위의 한 로브에서 다른 로브로 이동하여 밸브개폐시기가 바뀐
다 . 이것은 기계적 복잡성과 비용을 들여서 나은 더 높은 기관효율을 얻는 것
이다 .( 1 2 ) ( 1 3 ) 그중의 한 방식으로 도요다 자동차는 출력향상과 연비를 개선하는
엔진기술인 가변 밸브개폐시기 시스템 [V V T - i]를 개발하였으며 1995년 8월말
에 판매한 고급차 [크라운 ]의 직렬 6기통 3000cc 엔진 [2JE - GE ]에 처음으로
채용했다 . 엔진의 흡기밸브의 개폐시기를 운전 상황에 맞추어 연속적으로 변환
하는 기술로 주력세단의 상품력강화를 겨냥하고 있다 . 엔진은 엑셀레이터를 한
계까지 밟은 고부하 운전의 경우 , 흡기밸브 닫는 시기를 저회전시에는 빠르게 ,
고회전으로 됨에 따라 늦어지게 함으로서 토크가 향상하는 특성이 있다 . 밸브
를 움직이는 두 개의 캠축중 흡기측 캠축을 회전 방향으로 구부림으로서 흡기
- 3 -
밸브의 개폐시기를 변환할 수가 있어 저회전으로부터 고회전으로까지 무리없
이 토크가 향상되어 주행할 수 있다 . 비용면에서 배기가스를 이용하는 등 구조
가 복잡한 터보보다 대폭으로 싸다 . V V T - i는 연비향상에도 커다란 효과가 있
다 . 엑셀을 가볍게 밟은 상태의 부분부하 운전시에는 흡기밸브의 개폐시기를
빠르게 함으로서 흡기밸브와 배기밸브가 동시에 열려있는 시간을 확대하고 배
기가스의 일부를 재흡입함으로서 에너지손실을 저감할 수 있기 때문이다 . 연소
온도가 낮아지기 때문에 N O x가 종래 보다 40% 나 저감하는 외에 H C도 약10%
저감된다 .
가장 신축성 있는 가변 밸브개폐시기 시스템은 각 밸브에 대해 캠축 없이
전기적인 액튜에이터를 이용하는 것이다 . 시스템의 이러한 형태는 본질적으로
밸브개폐시기에 무한한 변화를 줄 뿐만 아니라 , 밸브양정의 변화도 가능하고 ,
캠축보다 더 빨리 밸브를 개폐할 수 있다 .( 1 4 ) 그 밖에도 가솔린엔진이 높은 연
소효율을 내도록 하기 위한 연구를 수행중인 B M W 엔지니어들은 엔진밸브의
작동방법에 초점을 맞추고 있다 . 그들은 기계적 가변성 밸브 열을 개발하고 있
으며 심지어 캠축을 제거시키고 전기적으로 작동되는 밸브도 개발하고 있다 .
B M W 의 궁극적인 목표는 기존의 스로틀을 제거하면서 엔진을 통해 직접 기류
를 제어하기 위한 밸브를 이용하는 것이다 . 첫 번째 시스템은 가변 밸브개폐시
기 시스템의 발달이다 . 그것은 캠축과 실린더의 입구밸브사이에 각각 레버를
위치시킴으로써 가변양정을 허용하는 시스템을 첨가시킨 것이다 . 레버의 위치
는 전기적으로 제어되는 회전편심기에 의해 조절된다 . 좀더 진보된 시스템은
캠축을 제거시킨 것이다 . 밸브의 끝에 있는 스프링으로 작동되는 전기자가 밸
브가 개방되거나 닫힐 때 끝단에서 전기자를 유도하는 두 개의 자석 사이에서
움직인다 . 주기는 센서에 의해 모니터가 되며 밸브가 고정될 때 부드럽게 안착
되도록 조절된다 . 새로운 밸브시스템의 목적은 실린더에 연료와 공기를 더 정
- 4 -
밀하게 채워서 연소효율을 향상시키는 것이다 . 그 시스템은 직접 분사방식과
연관해서 이용될 때 특히 효율적이며 , 이것은 부분적 부하에서도 속도의 전 범
위에 걸쳐 유동효율을 향상시킨다 . 가변양정은 전기적 시스템처럼 약 10% 의
연료경제성을 향상시키며 , 이것은 또한 약 5 % 의 토크를 향상시킨다고 한다 .
1 .3 연 구 목 적 및 내 용
우선 본 연구에서는 실제 가변 밸브개폐시기 시스템 구축에 앞서 흡·배기
밸브 가변에 따른 영향을 예측할 수 있는 프로그램을 개발하여 개발과정에서
일어날 수 있는 위험과 시간적 손실을 줄이고자 하였다 . Zer o dim en s ion al
t w o zon e m od el을 사용하여 밸브개폐시기 , 오버랩기간 , 흡기압력 및 배기압력
이 엔진의 성능과 배기가스 특성에 미치는 영향을 파악하였다 .
다음으로 본 연구에서는 솔레노이드 밸브로 기존 엔진의 캠축을 대체한 새
로운 방식의 솔레노이드 밸브개폐시기 시스템을 제작하였으며 이 시스템은 마
이크로프로세서와 릴레이 등 전자 부품으로 구성된 컨트롤 회로에 의해 제어
하였다 .
- 5 -
제 2장 이 론 적 고 찰
2 .1 Ze ro dim e n s io n al t w o z o n e 모 델
차량개발에서 시뮬레이션이 차지하는 비중이 점점 중요하게 인식되고 있다 .
선진국의 경우 차량개발시 시뮬레이션의 역할이 1996년도에는 약 37 % 정도였
는데 10년 후인 2006년에는 약 56 % 정도로 예상하고 있으며 , 이로 인하여 엔진
개발기간도 1996년도에 비해서 반으로 줄어들 것이라는 예상을 하고 있다 . 최
근에는 컴퓨터성능도 매년 향상되고 있어서 슈퍼컴퓨터에서나 구현할 수 있었
던 것들이 일반 w ork s t a t ion에도 가능해지고 있다 . 엔진내 연소나 배기배출물
등의 예측은 아직 개발단계에 있다고 할 수 있다 . 엔진내 연소의 3차원 해석의
경우 , 연소현상 자체가 난류유동 , 화학반응 , 층류 확산의 복합적인 현상으로서
화염의 구조 및 전파과정에 대해 정확한 이해가 불충분하므로 완벽한 모델이
없는 상황이다 . 그러나 엔진에 적용할 수 있는 연소모델이 여러 가지 제안되어
있으며 많은 연구가 이루어지고 있다 .
본 연구에서는 엔진의 흡·배기밸브 가변에 따른 영향을 예측할 수 있는 프
로그램을 개발하였다 . Zer o dim en s ion al t w o zon e 모델 ( 1 5 )을 사용하여 밸브개
폐시기 , 오버랩기간 , 흡기압력 및 배기압력이 엔진의 성능과 배기가스 특성에
미치는 영향을 파악하였다 .
2 .1 .1 기 본 가 정
본 모델에서는 엔진의 실린더내부를 전체 검사체적으로 설정하였으며 , F ig .
2 - 1에서와 같이 기연영역과 미연영역의 2개 부분으로 나누었다 . 화염 면은 두
영역의 경계면 에서 형성되고 , 화염은 점화 후 스파크플러그를 중심으로 구의
형상으로 전파되며 , 화염 면의 두께는 무차원 모델이기 때문에 무시하였다 .
- 6 -
미연영역은 공기 , 연료 그리고 잔류가스로 이루어졌으며 , 흡기밸브가 닫힌 후
실린더내의 혼합기는 온도분포와 농도분포가 균일하다고 가정하였다 . 또한 기
연과 미연 가스는 이상기체라 가정하였으며 , 압축 , 연소 그리고 팽창과정에서
의 가스누출은 무시하였다 . 이와 같은 가정 하에 연소과정을 해석하였으며 계
산된 영역은 가솔린엔진의 흡입 , 압축 , 연소 , 팽창 , 배기 과정으로 하였다 .( 1 6 )
2 .1 .2 모 델 의 기 본 방 정 식
먼저 기연·미연영역에서의 에너지보존방정식은 아래와 같이 표시할 수 있
다 .
[2 - 1]dE b
d=
d Q b
d+
d Q w b
d- h u
d m b
d+ P
d V b
d
[2 - 2]dE u
d=
d Q w u
d+ h u
d m u
d- P
d V u
d
질량보존방정식과 가스상태방정식 및 체적변화율은 아래 식을 사용하여 구하였다.
[2 - 3]d m b
d= -
d m u
d
[2 - 4]P V b = m b R b T b
[2 - 5]P V u = m u R u T u
[2 - 6]d V b
d=
V b
m b
dm b
d+
V b
T b
d T b
d-
V b
PdPd
[2 - 7]d V u
d=
V u
m u
dm u
d+
V u
T u
d T u
d-
V u
PdPd
- 7 -
또한 각 영역의 온도변화율은 아래의 식으로부터 결정된다.
[2 - 8]d T u
d= 1
C p um u ( V u
dPd
+d Q w u
d)
[2 - 9]d T b
d= 1
m bR b[ P d V
d+ V dP
d- 1
Cpu
dQwu
d-
R u v u
Cpu
dPd
- (R b T b - R u T u)dm b
d]
열발생율과 실린더내의 압력변화율은 아래의 식으로부터 계산된다.
[2 - 10]
d Qd
= ( U b - U u)dm b
d+ C vbm b
1m bR b
[Pd Vd
+ + VdPd
- 1Cpu
dQwu
d-
R u V u
Cpu
dPd
- ( R b T b - R u T u)dM b
d] + C vu m u [ 1
m uCpu ( V u
dPd
+d Qwu
d) ] + P d V
d
[2 - 11]dPd
= -( 1 +
C v b
R b)P
d Vd
+ [ ( U b - U u ) - C v b( T b -R u
R bT u ) ]
dm b
d+ (
C v u
C p u-
C v u
C p u
R u
R b)
d Q w u
d- d Q
d
V u (C v u
C p u-
R u
R b
C v u
C p u) + V
C v b
R b
압축과정과 팽창과정에서는d Q b
d= 0 ,
dm b
d= 0 이므로 압축과정과 팽창과정에
서의 계산은 아래의 식을 이용하였다.
[2 - 12]dPd
= 1V
( m C pd Td
-d Q w
d)
[2 - 13]d Td
= 1m
C p (d Q w
d+ V
dPd
)
화염전파속도 S F 는 난류화염속도 S T 와 기연영역의 팽창속도 S E 의 합으로 고려되
었으며, 기연영역의 팽창속도 S E 는 다음의 식과 같다.
- 8 -
[2 - 14]S E = 1A f
(V b
Vd Vd
- A ppS p)
여기서 S P는 피스톤 속도, A f 는 화염 면의 면적, A PP는 기연영역에 의한 피스톤
면적, ω는 각속도를 나타낸다. 난류 화염속도 S T 는 m attav i 공식과 함께 계산된다.
[2 - 15]
S T = S l + 4 .01U T
U T = C R
S F = S E + S T
연소실 벽에서의 열 전달은 Annan d 식을 이용하였으며, 보다 정확한 값을 예측하
기 위해서 연소실 벽을 실린더 헤드(h ), 라이너(l) 및 피스톤(p ) 3부분으로 나누어 구
하였다.
[2 - 16]Q w = A w [ m ( T b - T wh) + b( T 4b - T 4
wh) ]
따라서 기연영역과 미연영역에서의 열 손실은 아래의 식과 같다.
[2 - 17]d Q w u
d= 1
w( Q w uh + Q w u c + Q w up)
[2 - 18]d Q w b
d= 1
w( Q w bh + Q w bc + Q w bp)
흡·배기 행정에서의 질량유량은 식[2- 19]을 이용하였다.
- 9 -
[2 - 19]dm s
d= sf s 2p s s
kk - 1 ( p
s )2k
- (ps )
k + 1k
배기 질량유동의 경우, 마하수가 1보다 클 경우에는 식[2- 20]를 이용하였고 1보다
작을 경우에는 식[2- 21]을 이용하였다.
[2 - 20]dm e
d= ef e 2p ( 2
k + 1 )1
k - 1 1k + 1
[2 - 21]dm e
d= ef e 2p
kk - 1 (P e
P )2k
- (P e
P )k + 1
k
미연영역에서 미연가스는 C O2 , CO , H 2 O , O2 , N 2 , H 2 , C nH m (가솔린의 경우
C 18H 8 )과 같이 7종으로 구성되며, 2개의 화학 반응만 존재한다고 가정한다.
[2 - 22]CO2
K p1CO + 1
2 O2
H 2 OK p2
H 2 + 12 O2
기연영역에서 기연가스는 C O , CO2 , O2 , H 2 , OH , H , O , N O , N 2 , N 과 같이 11종
으로 구성되어있으며, 7개의 화학반응만 존재한다고 가정한다.
[2- 23]12
H 2 H
- 10 -
[2- 24]12
O2 O
[2- 25]12 N 2 N
[2- 26]12 H 2 + 1
2 O2 OH
[2- 27]12
N 2 + 12
O2 N O
[2- 28]H 2 + 12
O2 H 2 O
[2- 29]CO + 12
O2 C O2
Zeldovich 메카니즘은 아래의 식들로 표시된다.
[2- 30]
O + N 2
K 1N O + N
N + O2
K 2N O + O
N + OHK 3
N O + H
[2- 31]
R 1 = K 1[ O] e[ N 2 ] e
R 2 = K 2 [N ] e [ O2 ] e
R 3 = K 3 [ N ] e [ OH ] e
d [ N O]d t
=
2R 1( 1 - [N O] 2
[N O] 2e
)
1 +R 1
R 2 + R 3
[N O][N O] e
- 11 -
2 .2 가 변 밸 브 개 폐 시 기 시 스 템
2 .2 .1 시 스 템 개 요
한편 최근에는 지구자원 , 환경문제가 더욱 표면화되고 , 또한 성능면에 대해
서도 지금까지의 고출력 중시에서 실용영역인 저·중속 및 저부하의 운전성이
중요시되고 있다 . 이러한 배경에서 지금까지와 같은 사용자의 성능에 대한 만
족도 만으로는 상품력으로서 충분치 않고 이것들을 전체적으로 고차원으로 균
형화시킨 본질적으로 고효율엔진의 필요성이 대두되고 있다 . 고효율이란 고성
능 , 저연비 양립의 실현으로서 , 그 수법은 경량 , 컴팩트화와 열효율의 향상이
다 . 현재 세계각국에서 고효율엔진에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운
데 그 중의 하나가 바로 가변 밸브개폐시기 시스템이다 . 단순히 가변 밸브개폐
시기 시스템은 캠축에 의해 구동되는 기계적시스템과 무캠시스템으로 분류한
다 [T ab le 2 - 1] . 무캠시스템에서 엔진밸브들은 유압이나 , 자기시스템과 같은 것
에 의해 직접 작동되며 이들 시스템들은 마이크로프로세서에 의해 제어된다 .
가솔린엔진에서 흡기밸브닫힘 (IV C )시기를 가변시킴으로서 배기시 팽창률을
유지시키면서 유효압축비를 변화시킬 수 있고 , 이를 통하여 엔진에 과급효과를
얻을 수 있으며 , 체적효율도 증가시킬 수 있다 . 또한 정확하게 제어된 흡기밸
브의 개폐시기는 실린더내의 공기압축을 줄이고 노킹을 방지하는 장점이 있
다 . 가변 밸브개폐시기 시스템은 가솔린엔진에서 부하를 조절하기 위해 사용하
고 있는 스로틀에 의해 발생하는 펌핑손실을 줄일 수 있으며 , 연료소비율도 향
상시킬 수 있는데 , 이는 가변 밸브개폐시기 시스템을 이용할 경우 부분부하에
도 불구하고 엔진 스로틀은 완전히 개방되어있게 된다 . 엔진부하의 감소를 위
해 압축초기에 실린더내의 공기체적을 줄이기 위해 흡기밸브의 개폐를 변화시
킴으로서 스로틀 작동에 관계없이 엔진의 공기유동을 줄일 수 있게 된다 . 즉
스로틀을 완전히 개방한 상태에서 밸브의 개폐시기로만 엔진의 부하를 조절할
- 12 -
수 있기 때문이다 . 또한 가변 밸브개폐시기 시스템은 엔진으로 유입되는 혼합
기의 속도를 증가시키는 장점이 있으며 , 혼합기 난류의 강도를 증가시켜 연소
율을 증가시킬 수 있다는 장점도 있다 . 이 점은 빠른 연소율을 요구하는 희박
연소용 가솔린엔진이나 저속 회전시 엔진특성에 크게 영향을 미친다 .
밸브오버랩 구간 소형 고속 엔진에서는 밸브오버랩 구간을 너무 작게 하는
것은 엔진의 출력특성에서만 본다면 문제가 있기 때문에 엔진의 회전수가 올
라감에 따라 가변으로 조정되는 기계적인 장치도 개발되고 있다 . 고속에서 밸
브양정의 증가 혹은 흡기밸브 닫힘시기를 지각시킴으로서 피스톤에 의한 신
기의 증가를 통하여 체적효율 , 출력과 토크의 향상을 기대할 수 있다 . 또한 밸
브오버랩 구간이 커지면 저속 회전때 새로운 혼합기를 그대로 통과하여 배출
된다 . 저부하일때는 한 사이클을 마치고 배기밸브를 통하여 채 배출되지 못한
잔류연소가스로 인한 희석이 늘어나 배출되는 탄화수소 량을 크게 할 수 있
다 . 그러므로 저속 , 부분부하에서는 밸브양정과 오버랩을 감소시킴으로서 연소
과정과 연료소비를 향상시킬 수 있으며 , H C나 C O와 같은 배기물질을 감소시
킬 수 있다 .
배기가스 재순환 시스템은 가솔린 엔진에서 N O x 환원 촉매법이 용이하지
않으므로 N O x가 실린더내에서 발생하는 것을 억제하는 방법이 없기 때문에
취하는 가장 효과적이고 널리 실용화되고 있는 장치로서 그 원리는 N O x생성
요인인 고온과 산소분자를 동시에 낮추는 것으로 배기는 공기보다 비열이 크
므로 그것을 다시 흡기중에 혼입시키면 , 즉 잔류가스가 많으면 연소 최고온도
를 낮춤으로서 희박연소보다도 한층 온도저하의 효과가 있고 , 또 연소가스중의
산소농도가 낮아지는 효과도 있으므로 연소과정에서 생성된 질소산화물의 양
을 감소시킨다 . 배기밸브 폐쇄시기의 변화는 외부 재순환장치에 대한 요구를
제거시켜준다 . 상사점 (T D C ) 이전에 진각된 배기밸브 폐쇄는 많은 배기가스를
- 13 -
실린더 내에 유지시켜준다 . 반면에 배기밸브 폐쇄가 지각되면 배기밸브의 상당
량이 흡기초의 피스톤 하강행정에 의해 배기포트로부터 실린더내로 다시 유입
된다 . 닫힘시기의 지연은 더 많은 배기가스가 유입되게 된다 . 따라서 닫힘시기
의 변화는 실린더내의 잔류가스의 양을 제어한다 .
2 .2 .2 상 용 화 된 가 변 밸 브 개 폐 시 기 시 스 템
A . V T E C 시스템
경주용 엔진과 실용 일반엔진은 서로 상반된 엔진성능을 추구하고 있다 . 경
주용은 상용 회전수를 높게 하여 최대출력에 중점을 두어 설계한 반면 일반
승용차용 엔진은 실용 영역인 저속쪽의 토크에 비중을 많이 두고 있다 . 따라서
저속영역의 토크를 추구하는 일반 상용엔진에서는 불가피 하게 고속영역에서
의 출력에 한계가 있을 수밖에 없었다 . 이들을 양립하기 위한 시도중의 하나로
개발된 기술이 밸브개폐시기와 밸브양정을 가변함으로서 저속 및 고속역에서
공히 최대의 효율을 이룩할 수 있게 설계된 H ON D A 사에서 세계최초로 개발
한 V T E C (V ar iab le T im in g E le ct r om e ch an ica l C am s h aft )시스템이다 .
H ON D A 사의 V T E C엔진의 구조는 F ig . 2 - 2과 같다 . 주요 특징은 일반
D OH C 캠축와는 달리 저속용으로 설계된 캠프로파일을 가진 캠 2개와 고속용
으로 튜닝된 캠프로파일을 가진 캠 1개 등 1실린더당 3개의 흡·배기 캠으로
구성되어 있다는 것이다 . 또한 캠에 의해 밸브를 구동하는 로커암도 마찬가지
로 3조로 이루어져 있다 . 저속용캠과 고속용캠은 엔진 조건에 따라 최적의 흡
기효율을 갖도록 서로 변환되면서 밸브를 구동함으로 전영역에서 최적의 효율
을 이룰 수 있게 한다 . 일반적으로 고속용으로 튜닝된 엔진의 경우 밸브양정이
크고 흡·배기 밸브개폐시기가 길게 설정되어 있어 고속영역에 우수한 성능을
발휘하는 반면에 저속영역에서의 아이들 안정성 및 저속토크가 불리하다 . 또한
- 14 -
저속용으로 튜닝을 하면 아이들안정성 및 저속에서의 토크가 우수한 반면 고
속에서의 출력성능에는 한계가 있기 마련이다 . 그러나 고속역과 저속역에 각각
알맞는 밸브개폐시기와 밸브양정을 가변함으로서 저속·고속에서의 이점을 동
시에 취하게 된 것이다 .
H ON D A 사 V T E C엔진의 작동원리는 F ig . 2 - 3과 같다 . 유압피스톤이 작동하
지 않아 프라이머리 및 세컨더리 로커암과 센터 로커암이 서로 분리되어 있
다 . 따라서 캠의 작동은 기존의 D OH C 엔진처럼 양단의 두 개의 로커암만이
작동되며 센터 로커암은 로스트모션 스프링에 의해 자유로 구동을 하게 된다 .
결과적으로 밸브는 저속용캠 (A , B )에 의해 구동을 하게 된다 . 고속역에서는 유
압에 의해 유압피스톤이 밀려지며 따라서 세 개의 로커암은 일체형으로 묶여
지게 된다 . 따라서 캠 3개에 의해 로커암 1개가 작동되는 구조로 되게 되며 결
과적으로 밸브양정이 큰 센터의 고속용캠에 의해 로커암은 작동되고 또한 밸
브가 작동하는 구조로 된다 . 유압피스톤의 제어는 E C U 에 의해 이루어지며 엔
진의 부하 , 엔진의 회전수 및 차속 등 엔진상태에 따라 유압의 단속이 이루어
지게 된다 . 따라서 저속역의 저속토크가 필요한 시점에는 저속용으로 튜닝된
캠이 작동되도록 하며 , 고속출력이 필요한 부위에서는 E CU 에 의한 유압이 작
동되여 고속용으로 튜닝된 밸브개폐시기 및 밸브양정으로 구동을 하게 함으로
서 저속·고속역 모두에 공히 최대한의 효율을 얻을 수 있게 설계된 것이다 .
현재 V T E C는 H ON D A 사의 다수의 엔진에 채용 양산하고 있다 .
B . E M V 시스템
고성능 멀티밸브 가솔린엔진은 아직 승용차 동력의 주요 수단으로서 중요한
위치를 지속할 것이다 . 지난 몇 년동안 승용차용 가솔린엔진은 연비 , 토크향
상 , 배출가스 , 엔진의 동적거동 , 진동소음 거동면에서 많이 개선 되어왔다 .
F E V 사의 특허인 E M V (E lec t r om ech an ic a l V ar iab le V alv e T im in g S y s t em )는
- 15 -
가솔린엔진의 실린더헤드에 대한 변경을 최소화하면서 흡·배기밸브의 완전한
가변작동을 허용한다 [F ig . 2 - 4] . 이 시스템은 가솔린엔진의 완벽한 언쓰로틀드
부하조정 (U n t h r ot t le d loa d c on tr ol )을 가능케 하며 , 엔진거동의 최적화를 위한
가스교환과정 및 연소과정에 영향을 준다 . 이 전자기구 가변 밸브개폐시기 컨
트롤 시스템의 장착엔진에 대한 효과는 다음과 같다 .
● 약 15 % 의 연비증가
● 잔류가스량의 조절에 의한 N Ox 배출가스 감소
● 냉간시동 및 W ar m - u p과정에서의 H C 배출가스 감소
● H ig h ' low en d t or qu e '
● 엔진 트랜지언트 (t r a n s ien t ) 거동의 개선
● 잔류가스의 최소화에 의해 공회전속도 감소를 위한 포텐셜 (p ot en t ia l )보유
F E V 사는 독립적이고 가변적인 밸브개폐시기를 이루기 위해 밸브의 양끝단
에 전자석을 가진 자유진동시스템으로 동작하는 전자 액튜에이터 [F ig . 2 - 5]를
개발했다 . 밸브의 열고 닫음을 위한 액튜에이터의 스위칭시간은 약 3m s로 밸
브의 개폐시간은 진동시간을 조절함에 의해 자유롭게 조절이 가능하다 . 이 밸
브 컨트롤시스템에 의해 한 개의 밸브 디엑티베이션 (d ea ct iv a t ion )과 한 사이클
의 실린더 디엑티베이션이 가능하며 이것은 연료소모에 있어 추가개선이 가능
함을 의미한다 . 스위칭시간과 안착속도는 엔진속도나 엔진부하에 좌우되지 않
으며 , 16밸브 적용시 얼티네이터 (a lt ern a t or )의 에너지 요구 량은 부분부하 작
동영역에서 전엔진속도에 걸쳐 0 .08에서 0 .11 B ar F M E P (제너레이터 효율 :
80% )범위에 있으며 이는 밸브크기 , 제너레이터 효율 등의 엔진설계인자에 좌
우된다 . 현재의 시스템은 6500rp m 이상의 속도에서도 작동할 수 있고 4밸브 적
용도 현재의 양산엔진의 요건을 만족하는 패키지로 수행이 가능하며 유압 래
쉬어져스터 (la sh a dju s t e r )의 적용도 가능하다 .
- 16 -
가변 밸브개폐시기의 적용으로 S I엔진에서의 실린더 충진량과 잔류가스량에
대한 조정이 가능하다 . 실린더 충진량을 조정함으로써 가스교환시의 펌핑손실
을 최소화 할 수 있으며 이로서 연료소모 개선이 가능하게 된다 . 엔진부하조건
과 엔진속도의 함수로서 흡기밸브의 열림시기와 배기밸브의 닫힘시기를 가변
하여 실린더에 충진되는 가스의 조성을 변경함에 따라 연소과정은 최적화 되
어질 수 있으며 잔류가스량의 조정으로 연비의 향상과 배출가스 특히 N O x의
감소를 이룰 수가 있다 . F E V 사의 E M V 시스템의 또 하나의 장점은 흡기밸브의
열림을 늦게 함에 의해 냉간시동시나 열간작동중의 연소안정성을 얻을 수 있
으며 또한 촉매의 빠른 가열을 위하여 배기밸브의 열림을 조절하는 등 기타
엔진성능 인자를 개선하는데 사용될 수도 있다 . 전부하조건하에서 최대의 흡기
효율은 홉기밸브의 닫힘시간을 조절함에 의해 증가되어진다 . 그리고 흡기밸브
열림시기 및 배기밸브 닫힘시기를 조절함에 의해 잔류가스량을 최소화하여 흡
기효율을 증가시킬 수 있다 . 잔류가스의 감소는 또한 노킹을 억제한다 . 가변
밸브개폐시기의 적용 엔진의 B M E P 의 증가는 저속에서 약 30% 이다 [F ig . 2 - 6] .
E M V 의 엔진 부하조정 개념의 주 부품은 메인 CP U 모듈과 CA N 버스를 통해
커뮤니케이팅 (com m u n ic a t in g )되는 밸브개폐시기 유닛이다 . 점화 , 분사 그리고
밸브개폐시기는 에셀레이터 (a cceler a t or )전기신호 , 엔진속도 그리고 여러온도
및 압력신호에 따라 엔진제어유닛내의 저장되어 있는 데이터에 의해 제어된
다 . 엔진제어유닛 [F ig . 2 - 7]내에는 밸브 디엑티베이션 , 실린더 디엑티베이션 , 희
박연소작동 , 냉시동 및 난기작동 그리고 트랜지언트 조건에 따른 여러개의 조
건들이 저장되어 있다 . 밸브의 정확한 동작은 페일 - 세이프기능 (F a il - s a fe
fu n ct ion )에 의해 내부적으로 컨크롤 되어진다 .
- 17 -
F i g . 2 - 1 S c h e m a t i c d i a g ra m o f t w o z o n e m o d e l
T a b l e 2 - 1 C l a s s i f i c a t i o n o f V V T s y s t e m s
V a r iab le
v a lv e
t im in g
sy s t em
M e ch a n ica
sy s t em
V ar iab le g eom et ry cam
V ar iab le g eom et ry c am follow er s w it h f
ca m s h a ft pr op er t ie s
V ar iab le ca m sh aft pr op er t ie s w it h fi
g eom et ry cam sh aftO t h er sy s t em
Ca m le s s
sy s t em
E lect r oh y dr au lic sy s t em
E lect r om a g n et ic s y s t em
- 18 -
F i g . 2 - 2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f H O N D A V T E C s y s t e m
F i g . 2 - 3 P r in c ip l e d i a g r a m o f H O N D A V T E C s y s t e m
- 19 -
F i g . 2 - 4 S c h e m a t i c d i a g r a m o f E M V s y s t e m
F i g . 2 - 5 E l e c t r o m e c h a n i c a l a c t u a t o r o f t h e E M V s y s t e m
F i g . 2 - 6 T h e c o m p a ri s o n o f e n g in e B M E P a t d i f f e r e n t s p e e d s
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F i g . 2 - 7 T h e m a n a g e m e n t s y s t e m o f E M V e n g i n e
- 21 -
제 3장 실 험 장 치 및 방 법
3 .1 실 험 장 치
본 연구에 사용된 실험장치는 F ig . 3 - 1과 같이 엔진 , 압력측정장치 , 오실로
스코프 , 동력계 (D y n am om et er ) 및 동력계 제어장치 등으로 구분이 된다 .
3 .1 .1 엔 진
본 연구에서 사용한 엔진의 사양을 T a b le 3 - 1에 나타내었다 . E n g in e (1)는
가변 밸브개폐시기 시스템의 구축에 앞서 연소과정을 시뮬레이션 한 프로그램
의 신뢰성 검증을 위하여 실험에 사용한 엔진이다 . 그 결과를 바탕으로 기존
엔진의 캠축을 제거하고 가변 밸브개폐시기 시스템을 제작하였는데 그 시스템
을 장착한 엔진의 사양을 E n g in e (2 )에 나타내었다 .
3 .1 .2 압 력 측 정 장 치
실린더내 압력측정용 센서는 일반 계측용 압력센서와 비교하여 특히 가스
온도의 변화에 대해 안정된 정밀도와 내구성이 확보되어야 하며 높은 주파수
응답성을 갖고 있어야 하고 소형으로 장착성이 좋고 엔진 진동으로 센서가 받
는 가속도에 대해서 안정된 정밀도와 내구성이 요구되며 제로 및 스팬·드리
프트 할 때 시간에 따른 변화가 적어야 한다 .
본 연구에서는 연소실의 압력을 측정하기 위하여 현재 가장 보편적으로 사
용 되고 있는 압전식 트랜스듀서 (p ie zo - elect r ic t y p e p r e s su r e t r an s du c er )를
사용하였다 . 압전식 압력 트랜스듀서는 압전체 (수정 , 실리콘산 티탄염 )에 압력
을 가하면 표면의 압력에 비례해서 전하가 발생하는 피에조효과 (압전효과 )를
이용한 센서이다 . 즉 수정의 한쪽면이 다이어프림을 통하여 연소실에 누출되어
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있으며 , 연소실압력이 상승하면 수정이 압축되어 전하를 발생시키는데 이 전하
량은 압력에 비례한다 . 이러한 압력센서는 고온 , 고압의 조건에서도 구조적인
변형을 일으키지 않으며 압력상승에 따른 출력의 선형성과 안정성이 우수하고
절연 저항값이 크기 때문에 오부로부터의 교란에 거의 영향을 받지 않는다 . 피
에조 효과에 의한 측정원리에서는 보편적으로 변동파형 밖에 취할 수 없으므
로 파형의 효과에 의한 측정원리에서는 본질적으로 변동파형 밖에 취할 수 없
으므로 파형의 절대압력을 정확히 얻을 수 없는 것이 단점이기는 하나 , 이에
대한 대책으로 부스압 , 배기압 등으로부터 대기압점을 확인할 필요가 있다 . 이
밖에도 정적인 검정을 할 수 없고 가속도 노이즈를 바기 쉽다는 결점이 있다 .
또 센서 케이블 등의 절연 저항의 관리를 필요로 하고 절연 저하시에는 발생
전하의 누전에 의해 파형의 변형이 생기고 특히 습도가 높은 환경에서 사용할
경우에는 주의가 필요하다 . 그러나 본 센서는 소형이고 장착성이 좋다는 점 ,
그리고 정밀도 , 안정성 , 내구성 , 주파수 응답성 등이 매우 우수하다는 점에서
많이 사용되고 있다 . 이러한 압전식 압력트랜스듀서에서 발생되는 전하량은 매
우 미약하기 때문에 그 신호를 전하량 증폭기 (ch a r g e am plifier )로 증폭하고
오실로스코프에서 자료를 획득한 후 P C에서 처리하게 된다 .
또한 압력 트랜스듀서가 외부로부터 받는 영향을 최소화하기 위하여 전하
량 증폭기까지의 전송 거리를 최단 거리로 유지하였으며 , 전송 매체로는 절연
저항값이 매우 높은 B N C 케이블을 사용하였다 .
3 .1 .3 오 실 로 스 코 프
본 실험에서는 텍트로닉스 (T ek t r on ix )사의 T D S 744A 디지탈 오실로스코프
를 이용하였다 . 실험에 사용된 오실로스코프의 주요제원은 T ab le 3 - 2와 같다 .
- 23 -
3 .1 .4 동 력 계 (D y n am o m e t e r ) 및 동 력 계 제 어 장 치
엔진의 플라이휠 (fly w h eel )은 유니버설 조인트에 의해 동력계와 연결되어
있으며 , 동력계는 와전류식 (ed dy cu r r en t t y p e )으로 부하측정을 위한 스트레
인 게이지 (s t r a in g a u g e )방식의 로드셀 (loa d cell )과 엔진회전수 측정을 위한 마
그네틱 픽업 (m a g n et ic pick - u p )방식의 센서가 부착되어 있다 .
동력계 제어장치 (dy n a m om et er con t r olle r )에는 실험시 엔진의 부하를 조절
할 수 있는 기능이 있으며 , 엔진 회전수와 부하는 지시창 (fr on t p an el )의 지시
계를 통하여 디지탈로 표시된다 . 본 연구에 사용된 동력계의 제원은 T ab le
3 - 3와 같다 .
3 .2 실 험 조 건 및 방 법
본 연구에서는 프로그램의 시뮬레이션 결과와의 비교를 위해 일정 조건에서
엔진실험을 진행하였으며 , 그 결과로 프로그램의 신뢰성을 검증하였다 . 실험의
정확성을 구현하기 위하여 매번 대기온도 , 습도 등이 일정할 때 실험하였는데
엔진 시동 후 워밍업상태에서 약 30분간 운전하였으며 오일온도 , 냉각수온도
및 배기가스온도를 일정하게 유지시켰다 . 엔진의 회전수를 1800rp m 로 고정시
킨 후 , 엔진의 로드를 0k g .m , 3k g .m , 6k g .m 으로 변화시키면서 연소실내의 압
력변화를 오실로스코프를 이용해서 측정하였다 . 프로그램의 시뮬레이션에서는
흡기압력 , 배기압력 , 오버랩기간 및 흡기밸브열림시기를 변화시키면서 엔진의
출력특성과 배기가스특성을 예측하였다 . 위의 실험결과를 바탕으로 E n g in e (2 )
에 맞는 솔레노이드 밸브 시스템과 컨트롤 시스템을 제작하였으며 실험에서는
회전수를 변화시키면서 흡기밸브 개폐시기 , 배기밸브 개폐시기 및 오버랩기간
을 측정하였다 .
- 24 -
F i g . 3 - 1 T h e s c h e m a t i c d i a g r a m o f e x p e r i m e n t a l s e t u p
T a b l e 3 - 1 E n g i n e s p e c i f i c a t i o n s
D e s c r ip t i o nS p e c i f i c a t i o n
E n g in e (1 ) E n g in e (2 )
E n g in e t y p e4 S t r ok e , In - lin e
OH V , OH C4 S t r ok e , S OH C
B or e × S t r ok e (m m ) 85 × 88 56 .5 × 49 .5
V olu m e (cc ) 1997 124 .1
C om p r e s s ion r a t io 8 .6 9 .7
In t ak e V a lv e T im in gOp en s B T D C 20°CA B T D C 17°CA
Clo s e s A B D C 64°CA A B D C 19°CA
E x h au s t V alv e T im in gOp en s B B D C 64°CA B B D C 33°CA
Clo s e s A T D C 20°CA A T D C 3°CA
- 25 -
T a b l e 3 - 2 S p e c i f i c a t i o n o f T D S 7 4 4 A d i g it a l o s c i l l o s c o p e
최대 아날로그 대역폭 500 M H z
최대 디지타이징 비율 1 g ig a - s am p le/ 초
채널수 4채널
디지타이저 8비트
저장 능력 채널당 15000 포인트
T a b l e 3 - 3 S p e c i f i c a t i o n o f e n g i n e d y n a m o m e t e r
D e s cr ip t ion S p ecifica t ion
M ak er K u k - d on g E & M c orp .
M od el E CD - 130
T y p e E d dy cu r r en t
M ax . ab s or p t ion p ow er 129 .5k W
M ax . a b s orp t ion r pm 10,000
- 26 -
제 4 장 실 험 결 과
4 .1 Ze ro dim e n s io n al t w o z o n e 모 델 을 이 용 한 시 뮬 레 이 션
4 .1 .1 모 델 신 뢰 성 검 증
Fig . 4- 1은 회전수가 일정한 조건하에서 로드(load )의 변화에 따라 실험한 결과와 프
로그램에 의해 시뮬레이션 한 결과를 비교한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이, 실험결
과와 시뮬레이션결과가 비교적 잘 일치하였음을 알 수 있다. 가솔린기관의 부분부하에
서는 부하가 흡입혼합기량으로 제어되므로 압축압력이 낮고, 화염속도가 느리며, 최고압
력도 저하한다. F ig . 4- 2는 엔진의 회전수가 일정한 조건하에서 로드의 변화에 따라 연
소실내의 기연영역과 미연영역의 온도의 변화를 나타내었다. 가스 혼합기가 연소하면
온도와 압력은 상승한다. 모든 가스의 압력은 거의 비슷하지만, 화염면 후방의 기연 가
스는 화염면 전방의 미연 가스보다 온도가 높다. 미연 가스가 압축되면 미연 가스는 압
축열에 의해 온도가 상승한다. 또한, 화염 반응 영역으로부터 방사된 복사열에 의해 연
소실 내의 기연 및 미연 가스의 온도는 올라간다. 한 사이클에 걸리는 실제 시간이 매우
짧기 때문에 전도와 대류에 의한 열전달은 복사에 비하여 작다. 복사 때문에 화염면 전
방의 미연 가스의 온도는 계속 증가하여 연소 과정의 말기에는 최대값에 도달한다. F ig .
4- 3은 위와 동일조건하에서 연소실내의 화염속도를 표시하였다. 난류연소속도는 난류가
강하게 되면 증대한다. 혼합기 중의 난류가 연소속도를 증대시키는 작용은 난류강도와
난류스케일에 의존한다. 층류화염에 대하여 난류의 규모, 즉 스케일이 충분히 작을 때는
난류에 의하여 화염내에 열전달이나 확산이 증대하여 화염전파는 촉진된다. 또한, 난류
의 규모, 즉 스케일이 크고 난류강도가 약하면 화염면은 층류화염과 같은 구조를 유지한
채 국부적인 속도변경을 가져 화염면 면적의 증가에 의하여 연소속도는 증대한다. F ig .
4- 4는 위와 동일조건하에서 로드의 변화에 따라 화염면의 반경을 표시하였다. 그림에서
처럼 화염전파의 초기에는 로드가 증가할수록 화염면의 반경은 증가하였고 후기에는 로
- 27 -
드의 변화에 관계없이 거의 일정함을 알 수가 있다. F ig . 4- 5는 위와 동일조건하에서 로
드의 변화에 따라 도시일을 표시하였다. 그림에서처럼 흡기행정에서는 흡입 압력이 배
기 압력보다 낮으므로 부의 펌프일을 하는데 로드가 클수록 흡입하는 공기의 양도 많으
므로 도시일은 증가한다.
4 .1 .2 오 버 랩 기 간 의 변 화 에 의 한 영 향
Fig . 4- 6은 엔진의 회전수를 1800rpm로 유지한 상태에서 배기밸브 닫힘시기를 740。
로 하고 흡기압력, 배기압력, 엔진의 로드 및 흡기밸브 열림시기의 변화 즉 오버랩기간
의 변화에 따라 연소실내의 압력을 계산한 것이다. 그림에서처럼 흡기밸브 열림시기가
진각될수록 실린더내의 압력이 전체적으로 조금씩 증가하는 경향을 보였으나, 배기행정
에서는 흡기밸브 열림시기가 진각됨에 따라 오히려 실린더내의 압력이 조금씩 감소하는
것으로 나타났다. 또한 로드가 증가함에 따라 흡입되는 공기양도 증가하므로 전체적으
로 압축비가 증가하며 연소실내의 최고압력과 연소온도는 증가하였다. 위의 상태에서
엔진이 높은 출력과 높은 연비경제성을 가지려면 흡기밸브 열림시기가 적어도 BT DC
20°전이여야 함을 알 수가 있다. 그렇지 않으면 엔진의 성능이 저하한다. 이는 가변 밸
브개폐시기 시스템의 설계에 중요한 설계인자를 제공하였다.
F ig . 4- 7은 위와 동일조건하에서 흡기밸브 열림시기의 변화 즉 오버랩기간의 변화에
따라 혼합기의 질량연소율을 계산한 것이다. 그림에서처럼 흡기밸브 열림시기가 진각될
수록 혼합기의 질량연소율이 전체적으로 증가하는 결과를 보였으나, 연소행정 말기에서
는 흡기밸브 열림시기가 진각됨에 따라 오히려 혼합기의 질량연소율은 감소하며 또한
조금씩 진각하는 것으로 나타났다. 무부하 및 저부하에서는 혼합기의 질량연소율의 최
고점은 40°부근에서 나타났으며 혼합기의 질량연소율은 대개 120°범위내에서 발생하
였다. 그러나 고부하에서는 혼합기의 질량연소율의 최고점은 20°부근에서 나타났으며
- 28 -
대개 60°범위내에서 발생하였다. 이는 부하가 높을수록 흡입되는 공기양이 증가하므로
연소실내의 압력이 증가한다. 그러므로 연소온도 및 연소속도가 증가하여 연소과정이
빨리 진행된다.
F ig . 4- 8은 위와 동일 조건하에서 오버랩기간의 변화에 따라 도시일을 계산한 것이다.
그림에서처럼 아이들링 상태에서는 오버랩기간이 증가함에 따라 도시일은 증가하였고
저·중부하에서는 오버랩기간이 증가함에 따라 도시일은 감소하였다.
F ig . 4- 9는 동일조건에서 유입되는 공기양의 질유량을 나타낸 것이다. 흡입초기에는
밸브오버랩이 클수록 흡기압력의 저하로 유출되는 공기양이 증가하여 실린더내로 유입
되는 공기유입양은 감소하며, 그 이후에는 오버랩이 클수록 유입되는 공기양은 감소하
는 것을 볼 수가 있다. 이는 저속에서 오버랩기간이 길수록 흡기압력의 저하로 인한 역
류의 양이 증가하여 유입되는 공기양은 감소함을 알 수가 있다.
F ig . 4- 10은 위와 동일조건하에서 배출되는 공기양의 질유량을 나타낸 것이다. 부하가
0인 공회전 상태에서는 배출되는 공기양은 밸브의 오버랩기간이 클수록 증가하는 것으
로 나타났는데, 이는 흡기압력의 저하로 인한 역류의 양이 증가하였기 때문이다. 부하가
증가함에 따라 배출되는 공기양은 밸브의 오버랩기간이 클수록 감소하는 것으로 나타났
는데, 이는 흡기압력의 증가로 인하여 역류의 양이 감소하였기 때문이다.
F ig . 4 - 11은 오버랩기간의 변화에 따른 N O와 H C의 변화를 나타내었다 . 대체
로 오버랩기간이 증가함에 따라서 N O의 양은 증가하였고 H C의 양은 감소하였
다 . 오버랩기간의 변화는 N O와 H C의 방출에 현저한 영향을 미침을 설명한다 .
엔진의 부동한 모드에서 최적의 흡기밸브 열림시기는 다르다 . 즉 주어진 부하에
서 최적의 밸브 열림시기에서 만이 최적의 동력성능과 경제성능을 실현할 수 가
있다 . 저속 , 저부하에서는 흡기밸브 열림시기가 지각될수록 즉 오버랩기간이 짧
을수록 흡기과정에서 유입되는 공기양이 증가하여 출력과 연비경제성을 개선하
- 29 -
여 N O의 방출은 감소한다 . 흡기밸브 열림시기의 진각에 따라 흡입공기유량이
감소하므로 N O의 방출은 증가한다 .
F ig . 4- 12은 밸브오버랩기간의 변화에 따른 잔류가스의 농도와 체적효율을 나타낸 것
이다. 잔류가스의 양은 밸브의 오버랩기간이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며,
반대로 체적효율은 감소하는 경향을 보였다. 이는 VVT 시스템 적용의 필요성과 장점을 증
명하였다. 부동한 모드에서 오버랩기간을 제어하면 즉 흡· 배기밸브 열림시기를 제어하면 일정
한 범위에서 잔류가스농도와 체적효율을 제어한다. 즉 엔진이 높은 출력시 오버랩기간을 제어하
여 체적효율을 증가할 수 있으며 낮은 출력시 잔류가스농도를 증가시켜 NO의 방출을 저감할 수
있다. 모든 흡기계는 주위 공기 온도보다 높기 때문에 결과적으로 유입 공기를 가열하게 된다. 이
것은 공기의 밀도를 낮춤으로써 체적 효율을 감소시킨다. 기관 속도가 낮은 경우, 공기 속도는 더
느려져서 흡기계 내의 공기 체류시간이 길어지므로 체적 효율은 떨어진다. 밸브오버랩 기간중 배
기가스의 일부가 열려진 흡기밸브를 통해 흡기계로 유입될 수 있다. 그렇지만 혼합기가 실린더로
재공급될 때, 이 배기 가스는 유입공기의 일부를 대체함으로써 체적 효율을 떨어뜨린다.
4 .1 .3 흡 기 밸 브 열 림 시 기 의 변 화 에 의 한 영 향
F ig . 4 - 13은 흡기밸브 열림시기의 변화에 따른 N O와 H C의 변화를 나타내었
다 . 대체로 흡기밸브 열림시기가 증가함에 따라서 N O의 양은 증가하였고 H C의
양은 감소하였다 . 흡기밸브 열림시기의 변화는 N O와 H C의 방출에 현저한 영향
을 미침을 설명한다 .
F ig . 4- 14는 흡기밸브 열림시기의 변화에 따른 잔류가스의 농도와 체적효율을 나타낸
것이다. 잔류가스의 양은 밸브의 오버랩기간이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으
며, 반대로 체적효율은 감소하는 경향을 보였다. 흡기밸브는 보통 BT DC 10°와 25°사
이에서 열리기 시작해, 흡기 행정 동안 최대 유동을 얻기 위해 상사점에 이를 때까지 전
- 30 -
부 열리게 해야 한다. 설계되는 기관이 고속용일수록 사이클에서 흡기밸브는 더 빨리 열
릴 것 이다. 대부분의 기관에서 밸브개폐시기는 하나의 기관 속도에 대해 설정되기 때문
에 저속이나 고속에서는 손실이 일어난다. 설계 속도보다 더 낮은 속도에서는 흡기밸브
가 너무 일찍 열려서 필요 이상의 밸브 오버랩을 유발한다. 이러한 문제는 저속에서는
일반적으로 낮은 흡기 다기관 압력을 가지기 때문에 나쁘게 된다. 설계 속도보다 높은
속도에서 흡기밸브는 너무 늦게 열리고, 흡기 유동은 상사점에서 충분히 이루어지지 못
하므로 체적 효율의 손실이 생긴다.
- 31 -
F ig . 4 - 1 S im u lat e d an d m e a s u re d c y lin der pre s s u re
- 32 -
F ig . 4 - 2 T h e tem pe ratu re of bu rn e d an d u n bu rn e d z on e g a s at diff eren t
e n g in e l oa ds
- 33 -
F ig . 4 - 3 T h e turb ul en t an d lam in ar f lam e v e l oc it i e s at diff eren t en g in e lo ad s
- 34 -
F ig . 4 - 4 T h e f lam e radiu s at diff eren t en g in e lo ad s
F ig . 4 - 5 T h e in dic at e w ork at dif f eren t e n g in e l oa ds
- 35 -
F i g . 4 - 6 T h e ef f e c t s of ov e rl ap on in dic ator di ag ram s at diff eren t en g in e
l oa ds
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F ig . 4 - 7 E ff e c t s of ov erlap on m a s s bu rn e d rat e at diff eren t en g in e lo ad s
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F i g . 4 - 8 E ff e c t s of ov erlap on in di c at e w ork at dif f e re nt en g in e lo ad s
- 38 -
F ig . 4 - 9 E f fe c t s of ov e rl ap on in tak e ch arg e m a s s flo w at dif f e re nt en g in e
l oa ds
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F ig . 4 - 10 E ff e c t s of ov erlap on ex h au s t ch arg e m a s s f low at diff eren t
e n g in e l oa ds
- 40 -
F ig . 4 - 11 T h e e ff e c t s of ov erlap on NOx and HC emissions at different engine
loads
- 41 -
F ig . 4 - 12 T h e ef f e c t s of ov erlap on re s i du al g a s frac ti on an d v olu m e tric
e ff ic i en cy at diff eren t en g in e lo ad s
- 42 -
F i g . 4 - 13 T h e eff e c t s of in t ak e v alv e open t im in g on N O an d H C em i s s ion s
at diff eren t en g in e lo ad s
- 43 -
F i g . 4 - 14 T h e ef f e c t s of int ak e v alv e ope n t im in g on re s i du al g a s frac ti on
an d v olu m e tric e ff ic i en cy at diff eren t en g in e lo ad s
- 44 -
4 .2 가 변 밸 브 개 폐 시 기 시 스 템
본 연구에서 사용한 엔진은 흡·배기밸브가 각각 두 개씩 있으며 , 실린더헤
드에 흡기밸브는 26° , 배기밸브는 29°로 편심이 되어 설치되어 있으므로 두
개의 밸브를 제어하기 위해서는 V 형상을 가진 푸쉬로드가 필요하며 그 형상
의 개략도를 F ig . 4 - 15에 나타내었다 . 이를 설계할 때는 밸브가 솔레노이드에
의해 발생된 자기력으로 작동될 때 발생하는 충격을 흡수할 수 있게 설계하여
야 하며 , 그림에서 g u id er의 역할은 밸브가 움직일 때 푸쉬로드의 회전을 막는
역할을 하고 있다 . 솔레노이드의 최소 양정은 밸브의 최대 양정을 제어하고 푸
쉬로드 양쪽에 있는 lift s t op은 솔레노이드와 아마추어가 부딪히는 것을 방지
하는 역할을 하고 있다 .
F ig . 4 - 16는 V V T 시스템에서 부품들의 상대적인 위치를 도시화하였다 . 두
개의 홈이 밸브축에 수직되며 4개의 볼트로 솔레노이드 일체가 고정된 두꺼운
판사이에 가공되었다 . 정확한 위치와 간극을 위해 조정이 가능하며 최대 밸브
양정 또한 가변 할 수 있게 되어있다 .
4 .3 솔 레 노 이 드 시 스 템
밸브에 작용하고 있는 외부 힘에는 스프링의 장력 , 밸브 , 아마추어 , p u sh
r od 및 스프링에서의 관성력 , 솔레노이드에 의해서 발생되는 전자력 등이 있
다 . 흡·배기 밸브계에는 밸브 , 스프링 , 스프링 와셔 , k eep er등이 있다 . 밸브스
프링은 2단 부동피치로 스프링상수의 값이 초기에는 30 .0 N/ m m 이고 어느 정
도 압축 후에는 스프링상수가 37 .5 N / m m 로 변하는 스프링이다 . 밸브스프링은
초기에 5m m 로 설정되어있다 . 따라서 스프링장력은 H ook e의 법칙으로부터 식
[4 - 1]과 같이 나타낼 수 있다 .
- 45 -
[4 - 1]F 1 = k 1 x , x < x 1
F 2 = k 2 x , x > x 2
F ig . 4 - 10은 실험에 사용된 솔레노이드와 아마추어의 개략도를 나타낸 것이
다 . 솔레노이드에 의해 생성되는 자기력은 투영면적 (A ), 아마추어와 솔레노이
드 사이의 행정거리 ( ), 인가되는 전류 (I ) 및 에나멜선의 직경과 감는 횟수 (n )
에 의해 결정되며 , 그 관계는 식 [4 - 2]와 같다 . 여기서 0는 진공에서의 투자율
을 의미한다 .
[4 - 2]F m =I 2 n 2
0A
2 2
본 연구에서 사용한 코어는 두께 0 .5m m 의 규소강판을 적층하여 사용하였으
며 , 투영되는 코어의 단면적은 48×40m m 로 하였다 . F ig . 4 - 17에서 솔레노이드
의 두께를 t 3라고 하면 이는 아마추어 두께 t 1의 두 배이며 , 따라서 아마추
어의 질량은 식 [4 - 3]으로부터 구할 수 있다 .
[4 - 3]m a = A t 1
따라서 전 시스템의 구동질량은 밸브 , 스프링 , 아마추어 , 푸쉬로드 및 와셔의
합이 된다 .
일반적으로 솔레노이드를 사용하는 가변 밸브개폐시기 시스템은 기계적으로
작동할 때 보다 응답성이 빠르므로 엔진이 고속으로 회전할 때도 작동이 원활
하다고 알려져 있다 . 본 연구에서 반응시간을 계산할 때 , 밸브와 시트사이의
최소유동 면적이 포트면적에서 스템 단면적을 제외시킨 면적과 일치하는 곳에
서 밸브를 임계 양정 l vc r까지 이동시켰을 때의 시간을 고려하였다 . 밸브와 시
트사이의 유동 면적은 밸브양정 , 밸브헤드 , 시트 , 스템의 기하학적인 항목들에
의해 좌우되며 , 밸브 양정의 증가에 따른 유동을 계산하기 위한 방법은 현재까
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지 알려진 바에 의하면 세가지로 제시되고 있으나 , 본 연구에서는 유동 면적이
시트와 스템사이의 면적과 같은 경우에만 고려하였다 . 따라서 l vc r은 식 [4 - 4]로
계산하였다 [F ig . 4 - 18] .
[4 - 4]lv c r = [(D 2p - D 2
s
4D m -w 2)]1/ 2
+ w t an
만일 l v lv c r일 경우의 유동면적은
[4 - 5]A f low =( D 2
p - D 2s )
4
과 같다 . 본 연구에서 가변 밸브개폐시기 시스템을 개발하기 위한 첫 번째 단
계로서 , 엔진속도가 3000rp m 일때의 조건을 고려하였다 . 솔레노이드에 의해
구동되는 밸브양정은 식 [4 - 6]과 [4 - 7]과 같다 .
[4 - 6]lv =t
0
t
0adt
[4 - 7]a =F m
m sy s
본 연구에서는 응답시간을 엔진의 회전수를 고려하여 약 5m s로 하였으며
지연시간은 약 14m s로 하였다 . 2영역 모델의 시뮬레이션의 결과로부터 최적의
행정거리를 4m m 로 하였고 솔레노이드의 흡인력은 최대양정시 200 N 으로 제
작하였다 .
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F i g . 4 - 1 5 D ri v i n g a n d g u i d in g a s s e m b l y
F i g . 4 - 16 C r o s s s e c t i o n o f V V T a c t u a t o r
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F i g . 4 - 17 S c h e m a t i c d i a g r a m o f s o l e n o i d a n d a rm a t u r e
F i g . 4 - 18 P a r a m e t e r s d e f in i n g i n e q . (4 - 4 )
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4 .4 가 변 밸 브 개 폐 시 기 시 스 템 전 자 회 로 도
4 .4 .1 D riv in g c irc u it 시 스 템 개 발
솔레노이드를 제어하는 것은 기본적으로 코일을 통과하는 전류를 제어하는
것으로 설명된다 . 높은 전류와 코어 내에서의 와전류로 인하여 발생하는 전력
의 손실 및 이에 따른 열 발생을 줄이기 위하여 코일을 흐르는 전류를 제어하
는 특별한 방식이 필요하며 , 최근에 이 문제를 해결하기 위하여 P W M (P u ls e
W idt h M odu la t ion )을 사용하는 경우가 많으며 , 이런 제어방식을 F ig . 4 - 19에
나타내었다 . 그림에서 L은 밸브의 양정을 나타낸다 . 회로에서는 흡·배기밸브
의 개폐시기를 동시에 제어할 수 있으며 , 그림에서 표기한 바와 같이 초기의
펄스폭과 du ty cy cle을 제어할 수 있게 설계하였다 . 본 연구에서는 8개의 고속
릴레이를 병렬로 연결하여 사용하였다 . 본 시스템은 외부의 솔레노이드에 신호
를 보내여 솔레노이드를 제어하는데 기본적으로 코일을 통과하는 전류를 제어
한다 . 본 연구에서 사용한 전류제어식 P W M 방식을 F ig . 4 - 20에 나타내었으며
회로도는 F ig . 4 - 21에 나타내었다 .
4 .4 .2 마 이 크 로 프 로 세 서 Circ u it 시 스 템 개 발
본 시스템은 F ig . 4 - 22에서처럼 A T 89C5 1, T R , E n cod er 등 전자부품으로 구
성되었다 . E n cod er의 T D C 신호와 A n g le 신호는 증폭회로를 거친 후 마이크
로프로세서의 T im er/ C ou n t er T 0와 T 1에 입력된다 . A T 89C5 1에서 In t er r u p t
우선 순위는 내부 폴링 (P olin g )순에 따라서 결정된다 . 동시에 In t er r u p t를 요청
하는 경우가 있으므로 각 In t er r u p t에는 우선순위가 있어야 한다 . 보통 , 이 우
선순위는 S F R (S p ecia l F u n ct ion R eg is t e r ) 영역내에 있는 IP (In t er ru p t
P r ior it y ) 레지스터에 의해서 결정된다 . In t er ru p t의 순위는 외부 In t er ru p t 0,
T im er 0, 외부 In t er r u p t 1, T im er 1 등 순위이다 . E n cod er의 T D C 신호가 입
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력되지 않으면 시스템은 대기상태이다 . T D C 신호가 입력 2주기 후 T 0는
In t e r r u pt 0 상태로 진입하며 일정각도 지난 후 설정한 E V O 상태에서
In r t er ru p t 1 상태에 진입한다 . 따라서 P 1.0, P 1.1 P or t에 신호를 출력시키며
E V C 상태에서 종결된다 . 마찬가지로 IV O 상태에서 In t er r u pt 1 상태로 진입함
과 동시에 P 1.2, P 1.3 P or t에 신호를 출력시키며 IV C 상태에서 종결된다 . 이
런 과정을 반복하면서 본 시스템은 외부의 D r iv in g cir cu it 시스템에 신호를
보내어 솔레노이드를 제어하는데 기본적으로 코일을 통과하는 전류를 제어하
는 것으로 설명되어 질 수 있다 . F ig 4 - 23은 회전수의 변화에 따라 마이크로
프로세서 Cir cu it 시스템에서 출력한 신호를 나타내었다 . 그림에서 표시한바와
같이 신호1은 배기밸브 열림시기와 배기밸브 닫힘시기를 표시하였으며 신호2
은 흡기밸브 열림시기와 흡기밸브 닫힘시기를 표시하였는데 오버랩기간도 그
에 따른 상응한 변화를 관찰할 수가 있다 .
4 .4 .3 D i s p l ay in g c irc u it 시 스 템 개 발
본 시스템은 CP U 가 작동할 때 그 상태를 체크하기 위하여 개발하였다 .
T D C 신호가 입력하기 전 CP U 가 대기상태일 때 L C D는 아라비아 수를 0부터
9까지 반복 D isp lay in g 한다 . T D C 신호가 입력 2주기 후 아라비아 수 0 0 0
0"를 D isp lay in g 하며 T D C 신호가 입력한 시점으로부터 150°후 R 0 =0 이면
"1 1 1 1"를 D isp lay in g 함과 동시에 E V O 상태로 진입한다 . 다시 198°후
R 0 =1이면 IV O 상태로 진입함과 동시에 2 2 2 2 를 D is pla y in g 한다 . 다시 1
7°후 R 0 =2 이면 E V C 상태로 진입함과 동시에 3 3 3 3 를 D isp la y in g 한다 .
다시 195°후 R 0 =3 이면 IV C 상태로 진입함과 동시에 4 4 4 4 를
D isp lay in g 한다 . 시스템 T e s t 중 문제가 발생 시 D isp lay in g 상태로부터 그
문제점을 파악할 수가 있으며 회로도는 F ig . 4 - 24에 나타내었다 .
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F i g . 4 - 1 9 S o l e n o i d c o n t r o l s t r a t e g y
F i g . 4 - 2 0 M i c r o p r o c e s s o r c o n t r o l P W M
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F i g . 4 - 2 1 D ri v i n g c i r c u it
F i g . 4 - 2 2 M i c r o p r o c e s s o r c i r c u i t
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(a ) 1000 rp m
(b ) 2000 r pm
(c ) 3000 rp m
F i g . 4 - 2 3 IV O , IV C , E V O , E V C c o n t r o l a t d i f f e r e n t s p e e d s
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F i g . 4 - 2 4 D i s p l a y i n g c i rc u i t
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제 5장 결 론
본 연구에서는 흡기압력, 배기압력, 흡기밸브 열림시기 및 오버랩기간이 변화할 때
가솔린엔진의 성능을 파악하고자 Zero dim en sion al tw o zon e모델을 이용하여 수치
해석을 진행하였으며 이를 근거로 솔레노이드 밸브로 기존 엔진의 캠축을 대체하기
위한 새로운 방식의 가변 밸브개폐시기 시스템을 제작하였으며 이 시스템은 마이크
로프로세서와 릴레이 등 전자 부품으로 구성된 컨트롤 회로에 의해 제어하였다. 그
결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 본 연구에서 사용된 프로그램에 의해 시뮬레이션 한 결과는 실제엔진의 결과와
비교할 때 비교적 잘 일치하였다.
2) 밸브의 오버랩기간이 증가함에 따라 실린더내의 압력은 전체적으로 증가하였으
나, 배기행정에서는 오히려 실린더내의 압력이 감소하는 것으로 나타났다.
3) 밸브의 오버랩기간이 증가할수록 혼합기의 질량연소율이 전체적으로 증가하는
결과를 보였으나, 연소행정 말기에서는 오히려 혼합기의 질량연소율은 감소하며 또
한 조금씩 진각하는 것으로 나타났다.
4) 오버랩기간이 증가할수록 혹은 홉기밸브 열림시기가 진각할수록 N O의 방출량
과 잔류가스의 량은 증가하고 H C의 방출량과 체적효율은 감소하는 것으로 나타났
다.
5) 저속에서는 마이크로프로세서와 릴레이 등 전자부품을 이용한 컨트롤 회로에
의하여 VVT 시스템에서 솔레노이드 밸브의 개폐시기 제어가 가능한 것으로 나타났
다.
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참 고 문 헌
1. Len z H P ., W ichart K ., Gruden D ., "Variable Valv e T iming - A P ossibility to
Control En gin e Load W ith out T hrot tle", SAE Paper , No. 880388
2. M oriy a Y . et al, "A New ly Dev eloped Intelligent Variable Valv e T im in g Sy stem
Continu ou sly Controlled Cam Ph asin g a s Applied to a New 3 Liter Inlin e 6
En gine", SAE P aper , No. 960579
3. M a T . H ., "Effect of Variable En gin e Valv e T im ing on F uel E con omy ", SAE
Paper , No. 880390
4. S tein R . A ., Gallitti K . M ., Leon e T . G., "Dual E qual VCT A Variable Cam sh aft
T imin g Strategy for Im prov ed Fu el E con om y an d Emission s", SAE P aper , No.
950975
5. Hara S ., Nakajim a Y ., Nagum o S ., "Effect s of Intak e Valv e Closure T imin g on
Spark Ignition Engin e Com bu stion ", SAE P aper , No. 850074
6 . K r eu t er P . et a l, "T h e M et a V V H S y s t em - A C on t in u ou s ly
V ar iab le - V alv e - T im in g S y s t em ", S A E P ap er , N o . 980765
7 . H a m ib al W ., B er t s ch A ., "V A S T A N ew V ar iab le V a lv e T im in g S y s t em
for V eh ic le E n g in e s ", S A E P ap er , N o . 980769
8 . S t ein b er g R . et a l , "A F u lly C on t in u ou s V a r ia b le C a m T im in g , C on c ept s
for V ar iab le C am s h aft T im in g ", S A E P ap er , N o . 980767
9 . D r e sn er T ., B ar k an P ., "A R ev iew a n d Cla s s ifica t ion of V ar iab le V alv e
T im in g M ech a n ism s ", S A E P ap er , N o . 890674
10 . S t on e R ., K w a n E ., "V ar iab le V alv e A ct u a t ion M ech an ism s an d t h e
P ot en t ia l for T h eir A pp lica t ion ", S A E P a p er , N o . 890673
- 57 -
11. T . Kohany , E . Sher , "Using th e 2n d Law of T herm odynamics t o Optimize
Variable Valv e T im ing for M ax imizin g T orque in a T hrot tled SI Engin e", SAE
paper , 1999- 01- 0328, 1999
12 . "A S u rv ey of V ar ia b le V alv e A ct u a t ion ", A u t om ot iv e E n g in eer in g , S A E
In t ern a t ion a l, v ol . 98 , N o . 1, pp . 29 - 33 , 1990
13 . "V ar iab le V alv e A ctu a t ion ", A u t om ot iv e E n g in eer in g , S A E In t er n a t ion a l,
v ol . 99, N o . 10, p p . 12 - 16 , 1991
14 . "E lec t r on ic V a lv e T im in g ", A u t om ot iv e E n g in eer in g , S A E In t er n a t ion a l,
v ol . 99, N o . 4 , p p . 19 - 24 , 1991
15. Jiang Demin g , "Com bu stion of Spark Ignition En gine", Xi ' an Jiaoton g
Univ er sity Publisher , 1992
16. Hey w ood J . B ., "Intern al Com bu stion En gine F un dam entals ", M cGraw - Hill Book
Com pany , New York , 1989
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감사의 글
지난 2년간의 실험실 생활을 통하여 인생을 살아가는 데 없어 서는 안 될 귀중
한 경험을 쌓게 되었습니다 . 모든 것을 이겨내고 새로운 삶을 살아갈 저로서
는 감격 의 눈물을 금할 수 없습니 다 .
한국유학을 이끌어 주시고 도전의식과 창조의식을 가르쳐주신 지도교수 채재우
교수님께 깊은 감사의 뜻을 표합니다. 50대의 중년으로서 젊은 사람 못지 않게
과감히 새로운 일에 도전하시고 열심히 살아가시는 그 모습, 영원히 저를 고무해
주고 격려해줄 겁니다.
대학원 생활에 많은 관심과 도움을 주신 실험실 선배, 동기, 후배 여러분 대단
히 고맙습니다. 그리고 저의 논문에 많은 도움을 주신 Dr . Wu Deyu, Dr . Zhang
Yanchen, Dr . Xi ao Fumi ng, Dr . J . K. Par k 에게도 감사의 뜻을 표합니다.
한국에 입국한 첫날, 비록 큰 일은 아니지만 친절하고 따뜻하게 도움을 주신
영양탕집 아저씨, 그 순간 저는 대한민국 을 다시 한번 마음속으로 그려보게
되었습니다. 아저씨, 영원히 친절시민 으로 남아있기를 바랍니다.
한국에 와서 처음으로 사귄 친구 광재, 언제나 밝은 모습 참으로 인상적이었습
니다. 여태껏 선배로서, 형으로서 저를 관심해주시고 걱정해주신 인천시청 투자
진흥관실 공무원 석주형, 참으로 고마웠습니다. 형과 함께 한 시간들, 저에게는
영원한 추억으로 간직될 겁니다. 석주형, 형수님 그리고 예쁜 딸 수진이 온 가족
이 영원히 행복하기를 바랍니다. Dr . Xi ao Fumi ng의 아들 소대위의 유치원문제로
우연히 만나 지금까지 저를 어머님처럼 아껴주시고 사랑해주신 신동아 유치원
원장님, 저로서는 잊지 못할 추억으로 남을 것입니다. 신동아 유치원 온 가족
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들이 영원히 건강하고 행복하기를 빌겠습니다.
저한테 깊은 배려와 관심을 아끼지 않으신 사학과 이충희 교수님, 그리고 강원
도 답사에 끼워주셔서 즐거운 추억을 남기게 한 사학과 교수님들, 선배후배 여러
분 대단히 고맙습니다.
한국에 와서 유학하면서 깊은 우정을 쌓아온 유학생 여러분, 비록 힘든 유학생
활이지만 자포자기하지 말고 열심히 살아가기를 바랍니다. 인생과 취업에 관해
많은 조언을 해주신 주성형, 용광형, 김단누나, 이 외에도 한국에 와 계시는 청
화대학교 선배후배 여러분 대단히 고맙습니다. 또 연구실 동기이자 친구이자 누
나 인 화자, 박사공부 열심히 하고 좋은 남편 만나 좋은 일만 있기를 빌께요….
그리고 고등학교 동기이자 대학시절에 많은 추억을 남긴 친구 문화, 2년간 소식
이 없었는데 우연히 한국에서 만나 새로운 우정을 쌓게된 친구, 빨리 좋은 직장
얻어 새로운 삶을 시작하기 바랍니다.
이제 곧 저의 새로운 가족이 될 ( 주) 이오테크닉스의 직원여러분, 그리고 처음
부터 저를 아껴주시고 사랑해주신 韓裕熙 박사님, 참으로 고맙습니다. ( 주) 이오
테크닉스가 무궁한 발전이 있기를 기원합니다.
마지막으로 한국에 와서 공부하는 자식 때문에 하루하루를 걱정하시며 살아가
시는 아버지와 어머니, 여태껏 저를 위해 함께 고생해온 형님과 형수님, 큰누나
와 큰매부, 작은누나와 작은매부 대단히 고맙습니다. 그리고 귀여운 조카 해영
이, 김파, 손걸이, 오경이 열심히 공부해.
새로운 도전을 꿈꾸면서…
2000년 12월의 어느날 연구실에서…
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