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성미 팽
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1 흡 / 배기밸브의디액티베이션에따른토크및연료소비율변화 고종민 최세범 한국과학기술원자동차기술대학원 The change of torque and sfc according to intake and exhaust valve deactivation Jongmin Koh Seibum Choi Graduate School of Automotive Technology, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 373-1, Guseong-dong, Yuseong-gu, Daejon , Republic of Korea Abstract : Camless engine uses intake and exhaust valve driven by hydraulic or magnetic valvetrain instead of mechanical camshaft valvetrain. Camless engine is able to control valve lift, valve duration, valve phase and firing order, and to deactivate cylinder. As the result it can optimize fuel efficiency, performance and emission for any operating condition. The purpose of this research is to investigate the change of torque and specific fuel consumption according intake and exhaust valve deactivation using commercial engine analysis software Wave and Matlab-Simulink. Key words : camless engine( 캠리스엔진 ), sfc(specific fuel consumption, 연료소비율 ), EMV(eletromechanical valvetrain), VVT(variable valve timing, 가변밸브타이밍 ), SI(spark ignition, 불꽃점화 ), DOHC(double overhead camshaft) Nomenclature : pressure, N/m^2 : absolute temperature, K : 287 J/kg K : mass flow rate of fuel, kg/s : crank angle degree, degree : revolutions of minute : brake mean effective pressure, N/m^2 1)1. 서론 고종민, kohjongmin@kaist.ac.kr. 내연기관에서흡 / 배기밸브의역할은연료의효율증대, 배기가스저감, 엔진의성능향상을시키는데중요한역할을한다. 기존의흡 / 배기밸브는기계적인캠축에의한캠의형상에따라서고정적인밸브움직임을갖는다. 비록가변밸브타이밍 (VVT), 가변흡기장치등기계적캠축에변화를주어서흡 / 배기밸브의움직임을조절하는경우도있으나그변화의폭은매우제한이된다. 1) 이에반해서유압혹은전자석을이용한 EMV(eletromechanical valvetrain) 는흡 / 배기밸브의양정, 위상, 폭등을자유자제로조절함으로써기존의밸브의한계를뛰어넘었다. 이러한 EMV를장착한엔진을캠리스엔진

(camless engine) 이라고하는데, 캠리스엔진의장점은대단히많다. 밸브열림 / 닫힘타이밍조절, 밸브양정조절, 밸브열림기간조절, 밸브개폐속도조절, 밸브디액티베이션, 점화순서조절, 2행정엔진으로의변환등각운전영역에최적화되게밸브움직임을조절할수있다. 심지어는 SI엔진에서스로틀을사용하지않으면서공기량을조절함으로써펌핑로스를줄일수있다.

2 (camless engine) 이라고하는데, 캠리스엔진의장점은대단히많다. 밸브열림 / 닫힘타이밍조절, 밸브양정조절, 밸브열림기간조절, 밸브개폐속도조절, 밸브디액티베이션, 점화순서조절, 2행정엔진으로의변환등각운전영역에최적화되게밸브움직임을조절할수있다. 심지어는 SI엔진에서스로틀을사용하지않으면서공기량을조절함으로써펌핑로스를줄일수있다. 2)-6) 본연구에서는다양한운전영역에서흡 / 배기밸브의디액티베이션에따른가솔린엔진의연료소비율및토크의변화에대해알아보는것을목적으로한다. 2. 엔진모델링및제원엔진에대한모델링은 Ricardo에서나온 Wave를사용하였다. Wave는 1D를기반으로한엔진시뮬레이션전용소프트웨어로서실제에가까운엔진모델링이가능해서다양한운전조건에따른엔진의성능및배기가스분석등사용자가원하는결과를간단한시뮬레이션을통해비교적정확한결과를얻어낼수있다. Wave와더불어사용한프로그램은 MathWorks의 Matlab-Simulink이고 Wave와연동해서보다다양한조건에서시뮬레이션을가능하게해준다. 엔진은직렬 4기통 DOHC SI 엔진으로배기량은 1,600cc이며제원은 table 1과같다. 흡기 밸브의 밸브지름은 28mm이며 양정은 12.6mm이다. 330CAD에열려서 280CAD 동안열 려있으므로 610CAD 에닫힌다. 배기밸브의밸브지름은 24mm이며양정은 8.65mm이다. 열림시기는 105 CAD이고 300 CAD 동안열려있으므로 405 CAD에닫힌다. 그러므로 밸브 오버랩기간은 330CAD~405CAD 이므로 75CAD 이다. Table 1 Engine specification No. of cylinder 4 Stroke per cycle 4 Engine type Spark ignition Bore Stroke 78.1mm 82mm Connectin rod length 150 mm Displacement 1.571mm3 Compression raito 10.0 firing order 시뮬레이션및결과해석 사이클당모든실린더디액티베이션 2.1 시뮬레이션모델링 Fig. 2 Torque wave of 4cylinder deactivation per 4cycle Fig. 1 Schematic of 4cylinder DOHC engine model Fig. 2은점화순서 직렬 4통 DOHC SI 엔진의 6000rpm에서 4사이클마다 4개의실린더의흡 / 배기밸브를동시에디액티베이션한순간토크곡선의

결과이다. 4사이클마다 4개의실린더가동시에디액티베이션되므로 4사이클동안 12번의고점후 4 번동안점화가되지않음을결과로확인할수있다. 3.1.2 1 사이클에서 1 개의실린더씩순서대로디액티베이션 Fig. 3은같은점화순서를가지고있고 6000rpm에서 4사이클동안 1사이클에 1개의실린더씩디액티베이션한순간토크곡선의결과이다. Fig. 3 Torque wave of 1cylinder deactivation per 1cycle Fig.

2초동안에 1번실린더의 1개의흡기밸브를디액티베이션한순간토크곡선이고 fig.5는 4000rpm에서같은조건에서의순간토크결과이다. 두그림을비교해보면알수있듯이저속회전에서는 1개의흡기밸브만으로도토크의손실이없이실린더에충분한공기가공급됨을알수있다.

3 결과이다. 4사이클마다 4개의실린더가동시에디액티베이션되므로 4사이클동안 12번의고점후 4 번동안점화가되지않음을결과로확인할수있다 사이클에서 1 개의실린더씩순서대로디액티베이션 Fig. 3은같은점화순서를가지고있고 6000rpm에서 4사이클동안 1사이클에 1개의실린더씩디액티베이션한순간토크곡선의결과이다. Fig. 3 Torque wave of 1cylinder deactivation per 1cycle Fig. 2에비해서 fig. 3이토크의분배가고르므로크랭크축에걸리는진동이고르다는것을의미한다. 따라서밸브디액티베이션은 fig. 3과같이하는것이크랭크샤프트의내구성유지에도움을준다. Fig. 5 Torque wave of 1valve deactivation at 4000rpm Fig. 4는 6000rpm에서 0.2초동안에 1번실린더의 1개의흡기밸브를디액티베이션한순간토크곡선이고 fig.5는 4000rpm에서같은조건에서의순간토크결과이다. 두그림을비교해보면알수있듯이저속회전에서는 1개의흡기밸브만으로도토크의손실이없이실린더에충분한공기가공급됨을알수있다. 실린더하나당공기의출입을최대한많게하기위해서현재의상용엔진에는보통 2개의흡기밸브와 2개의배기밸브를가지고있으나저속에서는흡기밸브 2개를모두열경우과도한연료의소비가발생할수있다. 이러한연료낭비를줄이기위해일정속도이하에서는토크손실없이하나의흡기밸브만을열어서연료소비량을줄일수있다 토크변화 흡기밸브를 1 사이클당 1 개만열경우 Fig. 4 Torque wave of 1valve deactivation at 6000rpm Fig. 6 Torque validation of 1-intake valve deactivation

4 각실린더에붙어있는두개의흡기밸브중하나의흡기밸브를디액티베이션했을경우토크변화를보면 fig. 6과같다. 1600rpm에서 800rpm 간격으로 5600rpm까지 6번의시뮬레이션해본결과두개의흡기밸브를열었을경우 1% 에서 6% 까지토크가작게나왔다. 그러나 4000rpm이상에서는흡기밸브를디액티베이션하지않았을경우에최대 20% 이상토크가높았다. 이는저속에서는흡기밸브하나만으로도연소에충분한공기를공급할수있으나고속으로갈수록공기를흡입할수있는시간이짧아지므로체적효율의감소로두개의흡기밸브를모두여는것이토크의향상에이득이됨을알수있다. 연료소비율은다음과같은공식을이용해서계산했다. 여기서 는연료유량, 동력출력, 는대기압력, 는체적효율, 는대기온도, 는공연비이다. 위의공식을이용해연료소비율을구해그래프로그리면다음과같다 출력변화 Fig. 8 bsfc validation of 1-intake valve deactivation Fig. 7 Power validation of 1-intake valve deactivation Fig. 7는출력곡선이다. 출력은 1600rpm에서 4000 rpm 까지는밸브를하나만열어도오차가 7% 이내로출력을유지할수있으나 4000rpm이상에서는두개의밸브를모두열었을때최대 20% 이상출력의향상을보였다. 토크의경우의경우와마찬가지이유로강한출력을얻기위해서는고회전에서실린더에흡기공기를가능한한많이공급해야한다. 그러기위해서는두개의흡기밸브를모두사용해야한다. Fig. 8은연료소비율곡선이다. 1600rpm에서 2400 rpm사이에서는한개의흡기밸브를열때보다두개의흡기밸브를모두열때연료소비율이낮음을알수있다. 그러나 2400rpm 보다고회전에서는한개의밸브만을열경우연료소비율이급격하게높아짐을알수있다. 따라서저회전에서는필요이상의밸브작동을하지않음으로써밸브마찰손실을줄일수있고밸브에쓰이는힘을줄임으로써연료소비율을줄일수있다 사이클당 1 개의흡기 / 배기밸브를디엑티베이션할경우 연료소비율변화 Fig. 9 Torque wave of 1cylinder deactivation per 1cycle

5 점화순서 인엔진을 1사이클마다 1번실린더부터 4번실린더까지순서대로디액티베이션했을경우순간토크곡선은 fig. 9와같다. 4사이클마다똑같은토크곡선이반복되므로밸브디액티베이션을하지않을경우 1사이클당 4번씩피크토크가나오고 4사이클에는 16번의피크토크가나오게된다 사이클당 2 개의흡기 / 배기밸브를디엑티베이션할경우 3000rpm에서 8000rpm에서는 1개혹은 2개의실린더를디액티베이션을경우에밸브를모두정상적으로작동했을때보다연료소비율이낮았으나 2000rpm 이하에서는두개의밸브를디액티베이션했을경우에오히려연료소비율이높아졌다. 또한 1000 rpm이하에서도한개의밸브를디액티베이션했을경우에밸브를모두정상적으로작동했을때보다연료소비율이높아졌다. 실린더디액티베이션은배기량을줄이는것과같은효과를본다. 일반적으로배기량이큰엔진일수록연료소비율이높다. 같은엔진에서실린더를디액티베이션한결과 2000rpm 이상에서는정상적으로작동시보다연료소비량이작게나왔으므로각운전조건과도로상황에따른운전전략이필요하다고판단된다 배기밸브의영향 Fig. 10 Torque wave of 2cylinders deactivation per 1cycle 점화순서 인엔진을 1사이클마다서로다른 2개의실린더를디액티베이션했을경우순간토크곡선은 fig. 10과같다. 6사이클마다반복된다 의피크토크가나온후사이마다한번씩토크가나오지않는다. 흡기밸브디액티베이션할경우배기밸브를흡기밸브와같이배기밸브를디액티베이션경우와배기밸브는항상열어놓는방법이있다 연료소비율변화 Fig. 12 bsfc validation of close and open exhaust valve per 1cycle Fig. 11 bsfc validation of 1cylinder and 2cylinders deactivation per 1cycle 3000rpm부터 8000rpm 까지연료소비율을보면배기밸브를닫을경우배기밸브를열때보다연료소비율이조금이나마작음을알수있다. 이것은배

6 기밸브를열어놓을경우에는피스톤행정시좁은배기밸브사이로넘나드는공기의마찰때문에배기밸브를열경우보다보다연료의소비량이많음을알수있다. 이러한공기저항은엔진회전속도가빨라질수록커진다. 그러나 2000 rpm 이하에서는오히려배기밸브를열어놓았을때의연료소비율이배기밸브를열어놓았을때보다연료소비율이작았다. 이는실린더내피스톤의마찰저항이배기밸브를넘나드는공기의저항보다크기때문이다. 4. 결론캠리스엔진에서가장적용중하나인흡 / 배기밸브의디액티베이션에따른토크변화및연료소비량을시뮬레이션을통해결과를보았다. 1) 1사이클에모든실린더를디액티베이션하는것보다는 1사이클마다서로다른실린더를디액티베이션하는것이토크곡선을확인해본결과고른출력을보이므로크랭크축의진동에대한내구성을위해서는 1사이클마다서로다른실린더를디액티베이션하는것이좋음을알수있다. 2) 저회전에서는실린더당 1개의흡기밸브만으로도출력의저감없이충분한공기의출입이가능하므로연료의소비량을줄이기위해서는 1개의흡기밸브만을사용해야한다. References 1) Kitae Yeom, Jinyoung Jang, Choongsik Bae, "The Effects of Valve Timing on Engine Operating Parameters and Emissions in a VVT SI Engine", KSAE04-S0006, pp , ) R. Fiorenza, E. Torella, M. Pirelli, P. Pallotti, Paul E. Kapus, G. Kokalj, M. Lebenbauer, "Vvt+Port Deactivation Application on a Small Displacement Si 4 Cylinder 16v Engine: An Effective Way to Reduce Vehicle Fuel Consumption", SAE Paper , ) Paul E. Kapus, Dirk Denger, Trevor Holland, "Intelligent Simplification - Ways Towards Improved Fuel Economy", SAE Paper , ) Michael M Schechter, Michael B Levin, "Camless Engine", SAE Paper , ) Nate R. Trask, Mazen Hammoud, Mohammad Haghgooie, Thomas W. Meglim, Wen Dai, "Optimization Techniques and Results for the Operating Modes of a Camless Engine", SAE Paper , ) T.G. Leone and M. pozar, "Fuel Economy Benefit of Cylinder Deactivation - Sensitivity to Vehicle Application and Operating Constraints", SAE Paper , ) 1사이클에 1개의실린더를디액티베이션할경우와 1사이클에 2개의실린더를디액티베이션할경우에엔진회전수에따라다른연료소비율을보였다. 다양한운전영역과도로조건에따른운전전략의수립이필요하다. 4) 실린더를출입하는공기저항과피스톤의마찰저항을고려할때 2000rpm이하의저속에서는피스톤의마찰저항을고려할때배기밸브를열어놓는것이좋으나고속의회전에서는배기밸브를닫아놓는것이연료소비율에이득이된다.

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PDF KSAE 2009 Annual Conference Copyright c 2009 KSAE 캠리스엔진의가변밸브타이밍에따른성능특성에관한연구 김성수 *1) 최세범 1) 한국과학기술원기계공학과 1) A Study on the Performance Characteristics in Camless Engine According to Variable Valve Timing