사용연료에 따른 엔진 분류 및 분석

사용연료에 따른 엔진 분류 및 분석

 

1.가솔린기관

1-1)가솔린 기관의 장단점

장점

⓵디젤 기관에 비하여 시동성과 응답성이 양호하다.

⓶소음 및 진동이 작다.

⓷엔진의 사이즈가 작아 소형차량에 용이하다.

 

단점

⓵연소 방식이 오토 사이클 방식을 사용하기에 압축비를 높일 시 노킹현상이 발생한다.

⓶압축비(압축압력)가 낮으며 열효율이 낮다.

 

1-2)엔진설계

[그림1.가솔린 기관의 연료계통]

 

 

 

 

 

1-2.1)연료탱크(fuel tnak)

[그림2.가솔린 기관의 연료계통_연료탱크]

연료탱크는 연료를 저장하는 것이며 탱크 본체, 연구 파이프, 연료계 센더 유닛 등을 구성되어 있다. 내부에는 주행 중 연료의 출렁거림을 방지하고 동시에 강도를 증가시키기 위하여 몇 장의 분리관이 용접되어 있다. 탱크 안쪽 면에는 부식을 방지하기 위하여 방청 처리를 하며, 탱크 캡에는 탱크 내부가 진공으로 되어 연료공급이 중단되는 것을 방지하기 위한 진공밸브가 설치되어있다. 또 연료 이미션 파이프는 연료탱크와 캐니스터 사이를 연결하고 탱크 내에서 발생한 연료 증기를 캐니스터로 흡수시킨다.

 

1-2.2)연료 여과기(fuel filter)

[그림3.가솔린 기관의 연료계통_연료 여과기]

연료에 포함된 수분이나 먼지를 제거하는 작용을 한다. 일반적으로 비분해 방식을 사용한다.

 

1-2.3)연료펌프(fuel pump)

연료탱크 밖에 부착하는 것과 탱크 내부에 부착하는 것으로 구분되며 현재는 연료탱크 내부에 부착하는 것이 주로 사용된다.

 

[그림4.가솔린 기관의 연료계통_연료탱크 밖에 부착하는 연료펌프]

페라이트형 전동기가 로터를 회전시켜 연료를 흡입하고 전동기 내부를 연료가 통과하여 체크밸브를 거쳐 배출시킨다.

[그림5.가솔린 기관의 연료계통_연료탱크 내에 부착된 연료펌프]

이 방식은 연료압송 작용을 임펠러에 의한다. 전공기와 함께 임펠러가 회전하면 임펠러의 바깥둘레에 있는 임펠러 홈이 연료의 압송 작용을 하여 압력이 가해진 연료가 체크벨브를 거쳐 연료라인으로 보내진다. 이 연료펌프는 로터를 사용하는 형식에 비해 배출 맥동과 소음이 적어 사일런서가 필요없다.

 

1-2.4)연료 압력조절기(fuel pressure regulator)

[그림6.가솔린 기관의 연료계통_연료 압력조절기]

연료 압력 조절기는 흡기 다기관의 부압에 의하여 인젝터에 가해지는 연료 압력이 항상 일정 값이 되도록 조정하는 것이다. 인젝터의 연료 분사량은 인젝터의 통전시간으로 제어하고 있으나 같은 통전시간이라도 연료압력이 높을 때에는 연료 분사량이 증가하고, 연료압력이 낮으면 분사량이 적어진다. 또 연료를 분사하는 장소가 흡기다기관 내이기 떄문에 흡기다기과의 부압이 변화하는 경우 인적터에 가해지는 연료압력이 항상 일정하면 압력차이사 생겨 분사량이 변공한다. 이 때문에 다이어프램의 위아래에 흡기다기관의 부압과 분배 파이프의 연료압력이 가해지도록 되어있다. 만약 위아래의 압력차이가 일정 값 이상이 되면 다이어프램을 밀어 올려 여분의 연료가 리턴파이프를 거쳐 연료탱크로 되돌아간다.

 

1-2.5)인젝터(injector)

[그림7.가솔린 기관의 연료계통_인젝터]

컴퓨터(ECU)에서 보내준 신호를 기초로 하여 각 실린더의 흡기다기관에 연료를 분사하는 부품으로써 솔레노이드 코일, 플런저 및 니들벨브로 구성된다. 솔레노이드 코일에 전류가 흐르면 흡입되고, 플런처와 일체로 되어 있는 니들밸브가 분사구멍을 열어 분사된다. 연료 분사량은 니블밸브가 열려 있는 시간 즉, 솔레노이드 코일의 토전시간으로 결정된다. 작동시키는 전기회로는 전압제어방식과 전류제어방식이 있다.

 

1)전압제어 방식의 인젝터 회로

인젝터에 직렬로 저항을 넣어 전압을 낮추어 제어한다. 인젝터에 직렬로 들어 있는 저항은 인젝터의 응답성능을 향상시키기 위해 사용하며 인젝터의 응답성능을 향상시키려면 인젝터 자체의 저장 값을 작게 하면 된다.

 

 

 

2)전류제어 방식의 인젝터 회로

저항을 없애고, 인젝터에 직접 축전지 전압을 가하여 인젝터의 분사 응답성능을 향상시킨 것이며, 통전시간은 컴퓨터로 제어한다. 플런저가 흡인될 때 큰 전류를 흘려 전류공급이 원하게 하여 분사 응답성능을 향상시킨다.

 

 

1-3)가솔린 기관의 한계점

2->3과정에서 에너지를 얻고 4->1과정에서 에너지를 소비한다.

열효율은 1-(1/ε)^κ-1이며 ε는 압축비를 의미하고 κ는 정압비열/정적비열을 의미한다.

효율을 높이기 위해서 압축비를 높여야하는데 이럴 경우 압축온도가 증가하여 혼합기가 자연발화되어 노킹 등 이상현상이 발생한다. 따라서 압축비가 1~6 정도로 낮고 이로인해 열효율이 낮다.

 

 

 

1-4)가솔린 기관의 발전방향

기존의 GDI(Gasoline Direct Injection)방식은 연료를 직접 실린더에 분사하기 때문에 정확한 타이밍에 정확한 양의 연료분사가 가능하며 희박하게 연소시켜 연비를 높일 수 있지만 고옥탄 휘발유를 필요로 하는 단점이 있으며 MDI는 GDI보다 출력을 높일 수 있고 연비를 늘릴수 있으며 배기가스를 줄일 수 있다는 점을 가졌다.

2.LPG기관

2-1)LPG기관의 장단점

장점

⓵연료를 LPG를 사용하기에 가솔린엔진보다 연료비가 저렴하다.

⓶혼합기가 가스상태이기 때문에 실린더에 균일하게 분배가 가능하다.

⓷옥탄가가 높고, 연소의 속도가 느려서 노팅이 적다.

⓸일산화탄소등 유해물질의 발생량이 적다.

⓹연소실 및 점화플러그의 퇴적물이 적어서 엔진의 수명이 길다.

 

단점

⓵연료 보급이 불편하다.

⓶트렁크의 사용 공간이 협소하다.

⓷장시간 정차한 경우,한랭시의 시동이 나쁘다.

⓸가솔린 차보다는 출력이 낮다.

⓹연소실에 가스상태로 흡입되어 용적효율이 낮다.

⓺고압 용기를 사용해 차량 중량이 증가한다.

 

2-2)엔진설계

[그림11.LPG기관의 연료계통]

 

 

 

2-2.1)LGP 봄베(bombe)

LPG를 출전하기 위한 고압용기이며, 고압가스용 탄소강판을 원통형으로 용접 제작한다.

봄베 컨테이너 케이스 방식으로는 봄베 전체를 컨테이너로 밀봉시키고 에어 블리더 배출 호스를 대기 중으로 개방시키는 풀 컨테이너와 액상,기상,충전밸브 보스 및 게이지 보스부분을 부분저긍로 밀봉시키고 에어 벤트 호스를 대기 중으로 개방시킨 세미 컨테이너 방식이 있다. 국내에서는 주로 세미 컨테이너 방식을 사용한다.

 

2-2.2)솔레노이드 밸브와 필터

[그림12.LPG기관의 연료계통_솔레노이드 밸브의 구조]

필터는 LPG 중에 들어있는 각종 불순물을 여과하는 일을 한다.솔레노이드 밸브는 기관 냉각수 온도가 14도 이하일 때 수온세서의 신호를 받은 컴퓨터가 기상 솔레노이드 밸브를 작동시킨다. 이 밸브를 통하여 봄베로부터 기상회로를 통과한 LPG가 베이퍼라이저로 공급된다. 만약 기관 냉각수 온도가 20도 이상이면 액상 솔레노이드 밸브를 작동시키며 이 밸브를 통하여 봄베로부터 액상회로를 통과한 LPG가 베이퍼라이저로 공급된다.

 

+)긴급차단 솔레노이드 밸브

[그림13.LPG기관의 연료계통_긴급차단 솔레노이드 밸브]

기관 롬에 설치되는 솔레노이드 밸브와 같으나 단지 액상 및 기상 통로가 각각 분리된 구조로써 자동차 주행 중 돌발사고로 인해 기관의 작동이 정지하면 기관 컴퓨터는 기관 롬에 설치된 액상 및 기상 솔레노이드 밸브와 긴급 차단 솔레노이드 밸브에 전원을 차단하여 솔레노이드 계통의 문제가 발생하였을 때 LPG 부출 방치를 봄베의 가장 가까운 거리에서 차단하여 미연에 화재 위험을 방지하는데 그 목적이 있다.

 

2-2.3)베이퍼라이저[Vaporizer)

감압,기화,압력조절 등의 기능을 하며, 봄베로부터 압송된 높은 압력의 LPG를 베이퍼라이저에서 압력을 낮춘 다음 기체 LPG로 기화시켜 기관 출력 및 연료 소비량에 만족할 수 있도록 압력을 조절한다. LPG는 액체상태에서 기체로 될 때 주위에서 증발잠열을 빼앗아 온도가 낮아지기 때문에 베이퍼라이저의 밸브를 동결시킬 수가 있는데 이를 방지하지 위해 베이퍼라이저 내에 냉각수 통로를 설치하고 냉각수를 순환시켜 기화에 필요한 열을 공급한다.

[그림13.LPG기관의 연료계통_베이퍼라이저]

 

2-3)LPG 기관의 한계점

LPG는 온도에 따라 부피가 바뀌어서 겨울철(한랭)에 시동이 잘 걸리지 않으며 가솔린 엔진에 비하여 낮은 출력을 가진다.

 

2-4)LPG 기관의 발전방향

현재 트랜드는 겨울철 시동이 잘 안걸리는 문제와 낮은 출력을 해결하기 위해 LPI 엔진을 사용한다. LPI엔진은 액체상태 연료를 사용하며 LP는 기체상태 연료를 사용하는 차이점이 있으며 LPG 문제점을 가솔린이나 디젤처럼 연료를 엔진에 바로 분사하여 개선한 방식이다. 이로인해 겨울철 시동 성능 향상, 고압 액체상태로 분사하여 타르 생성 문제 개선, 가솔린 기관과 같은 수준의 동력성능 발휘의 장점을 가진다.

3.디젤기관

3-1)디젤 기관의 장단점

장점

⓵연소방식이 복합사이클 방식을 사용하기에 가솔린기관보다 압축비을 높일 수 있다.

⓶넓은 회전속도 범위에서 회전력이 크다.

⓷대출력이 가능하다

⓸인료의 인화점이 높아 화재 위험이 낮다.

⓹수명이 길다.

⓺열효율이 좋다.

⓻연료소비율이 적다.

 

단점

⓵가솔린 기관에 비하여 시동성과 응답성이 나쁘며 소음 및 진동이 크다.

⓶엔진의 중량이 무겁다.

⓷질소 산화물 및 입자상 물질의 배출 입자상 물질의 배출 비율이 높다.

⓸비출력이 낮다.

⓹전동기의 출력이 커야한다.

⓺회전속도 범위가 좁다.

⓻회전수가 높을수록 마찰에 의한 동력상실이 크게 발생한다.

 

3-2)엔진설계

[그림14.디젤기관의 연료계통]

디젤기관의 기계식 연료장치의 연료공급은 공급펌프에서 연료탱크 내의 연료를 흡입한 후 압력을 가하여 여과기에서 여과시킨 후 분사펌프로 공급한다.

 

3-2.1)연료 공급 펌프(fuel feed pump)

[그림15.디젤기관의 연료계통_연료 공급 펌프]

연료탱크 내의 연료를 일정한 압력으로 가압하여 분사펌프로 공급하는 장치로 분사펌프 옆에 설치되어 분사펌프 캠축에 의하여 구동된다. 연료 공급장치의 공기빼기 작업 및 공급펌프를 수동으로 작동시켜 연료탱크 내의 연료를 분사펌프까지 공급하는 프라이밍 펌프를 두고 있다.

 

3-2.2)연료여과기(fuel filter)

[그림16.디젤기관의 연료계통_연료여과기]

연료 속에 들어있는 먼지와 수분을 제거 분리한다. 구조는 보디, 엘리먼트, 중심 파이프, 커버, 오버플로 밸브, 드레인 플러그 등으로 구성되어 있으며 엘리먼트는 여과지를 일반적으로 사용한다.

 

 

 

 

3-2.3)분사펌프(injection pump)

[그림17.디젤기관의 연료계통_분사펌프]

연료 공금펌프에서 보내준 연료를 분사펌프 캠축으로 구동되는 플런저가 분사순서에 맞추어 고압으로 펌프작용을 하여 분사노즐로 압송시켜 주는 장치이다.

위쪽에는 딜리버리 밸브와 그 홀더가 설치되어 있으며 중앙부에는 플런저 배럴, 플런저, 제어 래크, 제어 피니언, 제어슬리브, 스프링, 태핏 등이, 아래쪽에는 캠축이 설치되어 있다.

 

 

 

 

3-2.4)딜리버리 밸브(delivery valve)

[그림18.디젤기관의 연료계통_딜리버리 밸브]

플런저의 상승행정으로 플런저 배럴 내의 압력이 규정 값에 도달하면 이 밸브가 열려 연료를 분사파이프로 압송한다. 그리고 플런저의 유효행정이 완료되어 배럴 내의 연료압력이 낮아지면 스프링 장력에 의해 신속히 닫혀 연료의 역류를 방지한다. 또 밸브 면이 시트에 밀착될 때까지 내려가므로 그 체적만큼 분사 파이프 내의 연료압력을 낮춰 분사노즐의 후적을 방지한다.

 

3-2.5)조속기(governor)

디젤기관은 사용조건의 변화가 커 부하 및 회전속도 등이 광범위하게 변동하므로 오버런이나 기관정지를 일으키기 쉬운데 이를 방지하기 위하여 분사펌프에 조속기를 두고 자동적으로 분사량을 가감하여 운전을 안정시킨다. 즉, 최고 회전속도를 제어하고 동시에 지속운전을 안전시키는 작용을 한다. 분사펌프의 캠축에 설치된 원심추에 작용하는 원심력의 변화에 의해 작동하는 기계식과 회전속도와 부하에 의해 변화하는 흡기다기관 부압을 이용하는 공기식이 있다.

 

3-3)디젤 기관의 한계점

D->A 과정에서 에너지를 얻고 B-C 과정에서 에너지를 소비한다. 열효율은 1-(1/ε)^κ-1*{σ^κ -1/κ(σ-1)}이며 σ는 단절비를 의미한다. 이 값이 1에 가까울수록 오토사이클의 효율에 근접하며 같은 압축비에서는 오토사이클보다 효율이 떨어지지만 가솔린기관과는 달리 압축비를 늘렸을 때 압축온도의 증가에 따른 노킹현상의 발생이 없기 때문에 보다 열효율을 증가시킬 수 있으나 압축비가 커진 만큼 압력이 높아져서 구조적인 강도를 위해 중량이 증가하게 되는 문제점이 있다.

 

3-4)디젤 기관의 발전방향

기존의 디젤엔진은 정압사이클을 사용하였고 현재는 커먼레일 시스템을 결합시킨 복합사이클을 사용하고 있다. 정적과정과 정압과정에서 에너지를 얻고 4->1과정에서 에너지를 소비한다. 열효율은 1-(1/ε)^κ-1*[α*σ^κ -1/{ (α-1)+κα(σ-1)로써 ,α는 압력상승비를 의미한다. 이는 기존의 디젤 기관이 저속해서만 사용가능했던 문제점을 해결했다.

4.전기자동차:석유연료와 엔진을 사용하지않고 전기배터리+전기모터를 사용

4-1)전기자동차의 장단점

장점

⓵주행시 이산화탄소와 질소산화물을 배출하지 않아 친환경적이다.

⓶기름값,서비스 비용 및 유지비가 내연기관 자동차보다 적게 든다.

⓷부품수가 적고 내연기관이 없어 고장 빈도가 낮다.

⓸엔진소음의 감소로 쾌적하고 정숙한 주행이 가능하다.

⓹차량제어가 쉽고 자율주행과 같은 소프트웨어 컨트롤에 용이하다.

⓺에너지효율이 높아 차량 수명이 일반 내연기관 차에 비해 길다.

 

단점

⓵배터리 1회 충전으로 주행 가능한 거리가 한정적이다.

⓶전지 배터리 수명과 교환에 관한 불편함하다.

⓷국내 전기차 편의시설과 전기충전소 인플가 부족하다.

⓸다소 비싼 차량 가격을 정부 및 지자체 보조금 지원이 필요하다.

 

4-2)전기자동차의 구조

 

4-2.1)전지:리튬 이온 전지,리튬 폴리머 전지,공기 아연 전지등을 사용

4-2.2)모터:구동바퀴 모터-효율이 높음/고출력화와 경량 및 소형화에 경향을 보임

 

4-2.3)인버터

직류전력을 교류전력으로 변환하는 장치로써 교류모터의 경우는 직류전압을 교류전압으로 바꿔주며 전압을 조절해야하므로 인버터가 필요하다.

직류전압을 조절하는 방법은 저항을 만들어주는 것이지만 에너지손실이 많아 보다 효율이 높은 반도체 소자가 개발되는 추세,주된 원리는 전력용 반도체를 사용하여 상용 교류전원을직류전원으로 변환 시킨 후,다시 임의의 주파수와 전압의 교류로 변환시켜 유도전동기의 회전속도를 제어한다.

 

4-2.4)DC/AC 컨버터

구동모터에서는 수백볼트의 고전압을 필요로 하지만 보조기기에서는 12V의 저전압이 사용

전지에서 얻은 직류전압을 조정하는 장치

 

4-2.5)IGBT모듈(KEC):대전력이 소요되기 때문에 대전력 스위칭 및 제어용 파워모듈

4-2.6)PCU(Power Control Unit):인버터와 컨터버 등을 묶어서 하나의 모듈로 만들어 사용

4-2.7)ECU(Electronic Control Unit):각 부문에는 추가로 ECU필요

4-2.8)각종 X by Wire:현재의 벨트식 구동을 모터로 대체하여

제어하는 전선으로 연결되는 각종 시스템

4-2.9)BLDC모터:각종 소형 일반모터로 사용, 과거에는 직류모터를 사용했으나

최근에는 교류모터나 브러시리스 모터등을 사용

4-2.10)변속기:인휠 방식일 경우에는 필요없음

 

4-3&4)전기자동차의 한계점&전기자동차의의 발전방향

문제점	주요요인	대책
높은 코스트	초기비용 수요가 적고 소량생산	본격 보급시까지 숭개척 생산방법 재검토
	전지수명이 짧음	전지의 수명연장
짧은 충전거리와 잦은 충전빈도	전지중량이 무겁고 전지적재량 제한 단위 중량당 축전가능향에 한계	단위중량당 축전가능량의 중대 연구 카세트 전기교환식 등의 외부지원시스템 지원
최고속/가속성 열세	전지중량당 최대출력 소 모터 제어기능이 불충분	좌동의 개선연구
전지잔존용량 성능부족	용량계성능 불충분	용량계 신뢰도 향상연구
	전지의 적정관리 난이	카세트 전지의 경우 전문서비스 관리