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[가솔린 최신 기술] 도요타 직접분사 엔진
작성자
모빌텍
조회수
8259
작성일
2007-06-05

■ D-4 엔진 개발 목표와 특징

도요다 D-4엔진개발에 대응해서 다음 항목을 목표로 하였다.
* 획기적인 저연비
* 종래 엔진을 초월하는 고출력, 고응답성
* 깨끗한 배기

□ 획기적인 저연비

연료를 초 미립화하는 고압 스월 인젝터, 상면에 깊은 접시형상의 피스톤, SCV(Swirl Control Valve)부착 독립 헬리컬 포트에 의한 최적의 스월(흡기선회류), 연료분사량과 분사타이밍을 정확히 제어하는 기술등에 의해 공연비(공기와 연비의 질량화)가 50:1 이상의 희박혼합기로 안정한 연소를 실현.
종래 엔진 탑재차에 비해서 약 30%이상 획기적인 연비향상(10-15모드)을 달성하였다. 또 연료소비량만이 아니고 연료비라고하는 관점 때문에 일반 가솔린 사양으로 시스템의 성립을 도모하였다.

□ 종래 엔진을 초월하는 고출력, 고응답성

연속가변 밸브 타이밍 기구(VVT-1)을 채용해서 저중속 회전의 토크와 고속 회전 토크를 양립하고 직분엔진의 높은 내노킹성을 활용하고 일반사양이면서 10.0이라는 높은 압축비 설정하였다. 이렇게 하므로 종래 엔진에 대해 특히 실용역의 토크를 약 10% 향상시키고 사용역을 높였다. 또 연료공급의 응답성에 우수한 직접분사에 의해서 미세한 응답을 얻을 수 있었고 전자제어 스로틀 밸브에 의해 연소형태 변경시에도 원활한 가속감을 실현하였다.

□ 깨끗한 배기

배출가스의 정화 때문에 다량 EGR과 Nox 흡장환원형 삼원촉매를 채용하였다. 이것에 의해 Nox 배출량을 약 98% 저감하였다.

D-4=Direct Injectjion 4 Stroke Gasoline Engine이고 또한 동시에 다음과 같은 개념으로 부터 성립되었다.
      Direct gasoline injectjion

      Dynamic mixture formation

      Decisive combustion control

      Delightful performance


■ 주요 구성과 시스템의 개요

연료 공급량과 타이밍을 정밀하게 제어하는 『직분』에의해서 성층연소를 실현. 주행상태 에 의해서 균질연소로 사용구간을 나누었다.

도요다 D-4엔진은 배기량 2L 직렬 4기통 엔진이다.



고압연료펌프에서 압력을 높인 연료를 고압인젝터로 깊은접시형상면 피스톤의 연소실에 직접분사한다. 그때 실린더의 중심에 분사하는 연료량과 분사 타이밍을 정밀하게 제어하는 것이 가능하지만 이 특징에 의해서 성층연소라고 하는 독특한 연소형태가 가능하게 되고 공연비 50:1이란 초희박연소를
실행하고 있다.

■ 성층연소와 균일연소로 분리사용

도요다 D-4엔진에서는 주행상태에 의해서 성층연소(成層燃燒, 공연비는 초희박)과 균질 연소(均質燃燒, 희박으로부터 이론공연비)가 나뉘어 사용되고 양쪽의 중간 약(弱)성층 연소도 사용된다. 저속주행시등에서는 성층연소이다.

흡기포트에는 희박연소와 동일하게 스트레이트 포트와 헤리컬 포트 2개가 있고 성층연소 시에는 전자제어 스월컨트롤밸브를 막아서 헤리컬 포트만으로 흡입되는 공기에 의해서 스월을 만들고 점화직전에 연료를 분사한다. 급가속시등에서는 균질연소. 흡입된 모든 산소를 연소에 사용하는 것이 가능하고 출력을 확보하는 것이 가능하다. 약성층연소에서는 공연비는 초희박과 희박 중간단계이고 양쪽의 연결을 부드럽게 한다.





■ 신기술

도요다 D-4 엔진의 개발은 고도의 전자제어 기술, 그 제어하에서 정확히 작동하는 장치를 만들어내는 정밀가공기술, 따라서 가스의 도요다 D-4에서는 50:1이란 초희박한 공연비 로부터 이론공연비까지 연속적으로 공연비가 변화한다. 이와같은 혼합기를 안정하게 연소시키기 위해서는 스로틀밸브의 개도, 연료분사시기, 연료분사압력, 스월등을 정밀 하게 제어해야할 필요가 있다.

따라서 정밀연료제어 기술을 초기에 전자제어 스로틀밸브, 전자제어 스월컨트롤 밸브(E-SCV)등이 신개발되었다.

이것들이 연료분사시기나 연료분사량에 대응해서 공기양이나 스월을 최적으로 제어하고 있다.

이러한 전자제어화에서 작동하는 장치가 고압 스월인젝터를 처음으로 하는 액추에이터이다. 도요다 D-4의 액추에이터 제작에는 mμ단위의 정밀가공기술이 적용되었다. 또 가스유동을 예측한다거나 이상적인 연소상태가 실현되었을까를 확인하기위해 고도의 시뮬레이션 기술 및 계측기술도 활용되었다.

더욱이 도요다 D-4에서는 전자제어식 EGR(E-EGR, 배기가스 재순환 장치)를 채용하여 성층연소에서 생성하기 쉬운 Nox를 억제하고 있다. 이러한 각각의 선진기술을 시스템으 로서 총합하는 도요다 총합기술이 있어서 처음으로 D-4엔진이 태어나게 됐다.

신기술1. 저연비를 실현하는 성층화 기술

직분가솔린에서 저연비를 실현하기 위해서는 광범위한 주행상황에서 안정한 성층연비가 필요하게 된다. 도요다 D-4엔진에서는 고압스월인젝터, 깊은접시형상면 피스톤, 헤리컬포트, 스월컨트롤밸브, 정밀연료제어등에 의해서 안정한 성층연소를 실현할 수 있다. D-4의 개발에 있어서 대형 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션기술(CFD)을 구사하고 각부의 설계를 진행하였다.

 고압스월인젝터

성층연소를 실현하기 위해서는 점화직전에 연료를 분사해야만 한다. 점화직분의 압축행정후기의 실린더내에는 압력이 높으면서 연료의 분사시간은 제한되어있다. 이러한 이유 때문에 성층연소에서는 고압으로 단시간내에 연료를 분사하는 것이 필요하다. 그래서 도요다 D-4엔진에서는 종래의 연료분사밸브의 약 40배의 분사압력(120기압)으로 연료를 분사하는 것에 의해 연료를 미립자화(평균입자경 20㎛이하)하고 빠르게 기화시켜 연소하기 쉽게하는것과 함께 보다 단시간에 분사하는 것으로 연료의 확산을 억제해서 성층화를 촉진시키고 있다. 그러나 높은 연료분사압으로 분사량을 정확히 제어하기 위해서는 니들밸브의 구동에 큰 힘이 필요하다. 그러므로 콘덴서에서 방전을 이용하여 전압을 일시적으로 상승시켜 인젝터에 공급하는 고안을 하였다. 또 인젝터 선단은 항상 연소가스에 ***있고 디포지트(검정등의 부착물)가 부착하기 쉽기 때문에 선단부 내면에 부착을 억제하는 특수처리를 실시하였다.





헤리컬포트와 스월컨트롤밸브



희박연소엔진과 동일하게 흡기 포트는 스트레이트 포트와 헤리컬 포트 2개로 구성되어 있고 스트레이트 포트에는 전자제어 스월컨트롤 밸브(E-SCV)가 설치되어 있다. 성층연소시에는 E-SCV를 제어해서 헤리컬 포트로 흡입되는 공기로 실린더내에 생성하는 스월강도를 최적으로 하고 있다.





헤리컬 포트와 스월컨트롤 밸브


깊은접시형상면 피스톤은 스월과 함께 성층화 작용을 하고 있다. 깊은접시모양의 홈안에 혼합기를 가두고 이곳의 외측으로 확산되는 것을 방지하기 위해서 ***을 설계하였다. 점화플러그로부터 떨어진 방향으로 분사된 연료는 스월에 의해 기화하면서 홈의 외주면을 따라 점화플러그 주변으로 이동한다. 이 과정에서 공기와 혼합되어 착화하기 쉬운 혼합기로 된다. 점화후에는 화염이 잘 전파되도록 스월 후방의 연소실용적을 확대하였다.

피스톤 형상
성층연소개요 연료 분무 거동(시뮬레이션)

정밀연료제어

다양한 운전상태에서 안정한 성층연소를 얻기위해서는 부하나 회전수에 대응해서 연료분사와 분사타이밍을 최적으로 제어하는 것이 필요하다. 동일한 회전수에서도 부하가 높은 경우에는 다량의 연료를 분사해야만 하기 때문에 분사타이밍은 빠르게 설정된다. 또 성층연소로부터 희박연소로 이동하는 영역에서 약성층연소 영역을 두어 토크가 부드럽게 변화하도록 하였다. 이 영역에서는 흡입행정분사와 압축행정분사의 2회로 나누어 연료가 분사되고 성층연소와 균질연소의 중간 연소형태가 된다. 이와 같이 연료를 정밀하게 제어하므로 부하에 대응해서 공연비를 연속적으로 변화한다.



성층연소

그림 1은 D-4엔진의 성층연소와 종래엔진의 연소상태를 실린더내 압과 열발생율로 비교한 것이다. D-4엔진에서는 저부하에서도 흡입공기량이 많고 압축행정으로부터 연소행정에 걸쳐서 종래 엔진보다 실린더내 압력이 높은 것을 알수 있다.

그러므로 점화시기는 종래 엔진보다 지각되어 있다.
아래 사진은 D-4엔진에서 일어나는 성층연소와 균질연소를 투영한 것이다. 성층연소에서는 점화후 화염이 주로 피스톤 좌측에 퍼져 있고 혼합기가 층상으로 되어 있는 것을 볼 수 있다. 한편 균질연소는 연소초기에는 플러그의 스월 하류측에 화염이 퍼져 있지만 연소후기에는 피스톤 상면 전체에 화염이 퍼쳐 있다.




성층연소특성(그림1) 연소사진

신기술 2, 고출력·운전성

고출력화를 위해서 연속가변 밸브타이밍 기구(VVT-I)를 **엔진특성으로 하기위해서 전자제어 스로틀밸브를 채용하였다. VVT-I는 저중속 토크와 최고출력을 양립하는 것만으로는 안되고 Nox 발생량을 저감해서 전자제어 스로틀 밸브는 공연비가 광범위하게 변화하는 D-4엔진에 있어서 우수한 운전성을 확보하고 있다.

VVT-i의 채용과 높은 압축비(10.0)에 의해 실용역의 토크를 약 10% 상승시켰다.



VVT-i



VVT-i는 흡기밸브의 개폐 타이밍을 운전상태에 대응해서 최적으로 제어한다. 고부하시에는 엔진의 회전수에 대응해서 흡기밸브의 타이밍을 연속적으로 변화시키고 흡기밸브의 관성효과를 최대한으로 활용하는 것으로 체적효율을 높이고 토크와 출력을 향상시켰다.

흡기밸브의 타이밍은 저회전에서는 밸브가 닫히는 시기를 지연시킨다. 회전상승과 함께 밸브가 닫히는 시기를 빠르게하여 밸브의 오버랩(흡기밸브와 배기밸브의 모두가 열려 있는 상태) 시간을 길게한다. 이것에 의해 내부 EGR(배기가스 재순환)을 많게 하고 연소가스 온도를 저하시켜 Nox 발생량을 저감한다. 이 내부 EGR은 외부 EGR의 부담을 경감시킨다.

전자제어 스로틀 밸브

D-4엔진에는 전자제어 스로틀 밸브를 채용하였다. D-4엔진에서는 성층연소, 약성층연소, 희박연소, 이론공연비연소와 같이 4종류의 연소형태로 나뉘어 사용되고 있기 때문에 공연비가 크게 변화한다. 전자제어 스로틀 밸브는 이와같은 흡입공기 요구량의 복잡한 변화에 빠르게 응답해서 흡입공기량을 높은 정밀도로 제어하고 운전성을 향상시키고 있다.

신기술 3, 배출가스 정화

D-4엔진은 연비향상뿐만 아니라 배출가스의 정화에도 중점을 두고 있다. 성층연소, 약성층연소, 희박연소에서는 부하에 대응해서 EGR(배기가스 재순환)양을 제어하고 연소가스 온도를 낮추어서 Nox발생량을 자감하고 있다. 배기를 Nox 흡장환원형 삼원촉매로 정화하여 Nox, HC, CO의 배출량을 저감하고 있다. EGR과 Nox흡장환원형 삼원촉배를 조합시켜서 NOx의 배출량을 약 95% 저감하였다.

EGR

배기가스의 일부를 배기계로부터 취출하고 적당한 온도, 시기, 유량등을 제어하여 흡기계로 재순환시키는 것을 EGR이라고 하고, Nox 저감에 유효하다.
D-4엔진에서는 최대 EGR율 약 40%의 다량 EGR을 행하고 있다. 이것은 EGR량이 많은 동안 연소가스 온도가 떨어져서 Nox 발생량을 감소시키는 것이 가능하다. 많은 양의 EGR은 연소를 불안정하게 하는 경향이 있지만 스월과 층상혼합기에 의해서 연소를 안정화하고 있다. 또 VVT-i에 의한 Nox 억제효과(내부 EGR)의 병용에 의해 Nox 의 저감을 한층더 도모하였다.

NOx흡장환원형 촉매

촉매란 화학반응을 촉진하는 물질이다. 엔진으로부터 배출되는 가스속에는 CO, HC, NOx등의 성분이 포함되어 있고 이것을 배기관으로부터 배출할 때까지 정화하는 방법으로서 반응을 촉진하는 촉매 컨버터가 배기관의 도중에 설치되었다.
그러나 희박혼합기 상태의 연소형식에서는 배기중에 산소가 존재하고 종래의 삼원촉매에서는 NOx의 정화가 불가능하다. 따라서 희박연소 엔진용으로 도요다 독자로 개발한 NOx흡장환원형 삼원촉매를 여기에서도 활용하였다. 희박운전 상태에서는 백금이 NO와 O2를 화합시켜 NO2의 상태로 일시적으로 흡장물질에 축적한다. 나중에 이론공연비 운전시에 흡장한NO2를 배기중의 HC, CO로 환원시켜 N2, H2O, CO2등의 무해한 물질로 만든다.

이와 같이 D-4엔진에서는 NOx흡장환원형 삼원촉매에 의해 NOx배출량을 더욱이 저감하고 있다.
 
 
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