다지관 주입
Manifold injection다지관 주입은 외부 혼합물 형성을 가진 내연기관용 혼합물 형성 시스템이다. 가솔린을 연료로 사용하는 스파크 점화 엔진, 오토 엔진, 완켈 엔진 등에서 흔히 사용된다. 다지관 주입 엔진에서는 연료가 흡기 다지관에 주입되어 공기와 가연성 공기 연료 혼합물을 형성하기 시작한다. 흡인 밸브가 열리면 피스톤은 여전히 형성되는 혼합물을 빨아들이기 시작한다. 일반적으로 이 혼합물은 비교적 균질하며, 적어도 승용차의 생산 엔진에서는 대략 스토히메트릭을 나타낸다. 이는 연소실 전체에 걸쳐 연료와 공기가 고르게 분포하고 있다는 것을 의미하며, 연료의 완전한 연소에 필요한 것보다 더 많은 공기가 존재하지는 않지만 충분하다는 것을 의미한다. 분사 타이밍과 연료량 측정은 기계적으로(연료 분배기에 의해) 또는 전자적으로(엔진 컨트롤 유닛에 의해) 제어할 수 있다. 1970년대와 1980년대 이후, 다지관 주입은 승용차의 카뷰레터를 대체해왔다. 그러나 1990년대 후반부터 자동차 제조업체가 가솔린 직분사를 사용하기 시작하면서 새로 생산되는 자동차에 다지관주입설치가 감소했다.
매니폴드 분사에는 두 가지 유형이 있다.
- 포트 분사(Port Injection) 또는 드라이 매니폴드 시스템이라고도 하는 멀티포인트 분사(MPI) 시스템
- 스로틀-바디 분사(TBI), 중앙 연료 분사(CFI), 전자식 가솔린 분사(EGI), 습식 매니폴드 시스템이라고도 하는 단일 지점 분사(SPI) 시스템.
이 글에서는 멀티포인트 주입(MPI), 싱글포인트 주입(SPI)이라는 용어를 사용한다. MPI 시스템에는 실린더당 1개의 연료 인젝터가 있으며, 흡기 밸브에 매우 가깝게 설치된다. SPI 시스템에는 일반적으로 스로틀 밸브 바로 뒤에 설치되는 단일 연료 인젝터만 있다. 현대적인 다지관 분사 시스템은 대개 MPI 시스템이다; SPI 시스템은 이제 쓸모없는 것으로 간주된다.
설명
다지관 분사 엔진에서는 연료에 상대적으로 낮은 압력(70...)이 주입된다.1470kPa)를 흡기 매니폴드로 보내어 미세한 연료 증기를 형성한다. 그러면 이 증기는 공기와 가연성 혼합물을 형성할 수 있고, 혼합물은 흡입 행정 중에 피스톤에 의해 실린더로 빨려 들어간다. 오토 엔진은 원하는 엔진 토크를 설정하기 위해 수량 제어라는 기술을 사용하는데, 이는 엔진으로 빨려 들어가는 혼합물의 양이 토크의 생성량을 결정한다는 것을 의미한다. 혼합물의 양을 조절하기 위해 스로틀 밸브를 사용하며, 따라서 수량 조절을 흡기 조절이라고도 한다. 흡입 공기 조절은 엔진으로 흡입되는 공기의 양을 변화시키며, 이는 스토오치메트릭( \lambda \약 1 연료 혼합물을 원하는 경우 주입된 연료의 양을 흡입 공기 조절과 함께 변경해야 함을 의미한다. 이를 위해 매니폴드 분사 시스템은 현재 엔진으로 흡입되고 있는 공기의 양을 측정할 수 있는 최소 한 가지 방법이 있다. 연료 분배기가 있는 기계적으로 제어되는 시스템에서는 제어 랙에 직접 연결된 진공 구동식 피스톤을 사용하는 반면, 전자적으로 제어되는 매니폴드 분사 시스템은 일반적으로 공기 흐름 센서와 람다 센서를 사용한다. 전자적으로 제어되는 시스템만이 3방향 촉매가 충분히 작동할 수 있을 정도로 정확하게 계량기압 연료 혼합물을 형성할 수 있으며, 이것이 현재 Bosch K-Jetronic과 같은 기계적으로 제어되는 매니폴드 분사 시스템이 쓸모없는 것으로 간주되고 있는 이유다.[1]
주종류
단점주입
이름에서 알 수 있듯이 SPI(단일 지점 분사) 엔진에는 연료 인젝터가 한 개만 있다. 일반적으로 스로틀 바디의 스로틀 밸브 바로 뒤에 설치된다. 따라서 단일 지점 주입 엔진은 카뷰레터 엔진과 매우 유사하며 종종 카뷰레터 엔진과 동일한 흡기 다지관을 가지고 있다. 단점주입은 1960년대부터 알려진 기술이었으나, 오랫동안 주입펌프가 필요하기 때문에 카뷰레터보다 열등하다고 여겨져 왔으며, 따라서 더욱 복잡하다.[2] 1980년대에 값싼 디지털 엔진 컨트롤 유닛(ECU)이 가능했던 것만이 승용차용 단일 지점 주입이 합리적인 선택지가 되었다. 보통, 간헐적으로 주입하고, 낮은 주입 압력(70...100 kPa) 시스템을 사용하여 저비용 전기 연료 분사 펌프를 사용할 수 있었다.[3] 많은 승용차에 사용되는 매우 일반적인 단일 지점 분사 시스템은 보쉬 모노-제트로닉으로 독일 자동차 저널리스트 올라프 폰 페르센이 "연료 분사기와 카뷰레터의 결합"[4]으로 간주하고 있다. 단일점 분사 시스템은 단순하고 저렴한 연료 분사 시스템으로 자동차 제조사들이 카뷰레터 엔진을 쉽게 업그레이드할 수 있도록 도와주었다. 그러나 단점 주입은 현대적인 배출 규제에 필요한 매우 정밀한 혼합물을 형성하는 것을 허용하지 않기 때문에 승용차에서는 구식 기술로 간주된다.[1]
멀티 포인트 주입
멀티포인트 분사 엔진에서는 모든 실린더에 자체 연료 인젝터가 있으며, 연료 인젝터는 대개 흡기 밸브에 근접하게 설치된다. 따라서 인젝터는 개방된 흡기 밸브를 통해 실린더로 연료를 주입하며, 이는 직접 주입과 혼동되지 않아야 한다. 특정 멀티포인트 분사 시스템도 개별 인젝터 대신 중앙 인젝터가 공급한 포핏 밸브가 있는 튜브를 사용한다. 그러나 일반적으로 멀티포인트 분사 엔진은 실린더당 1개의 연료 인젝터, 전기 연료 펌프, 연료 분배기, 공기 흐름 센서 [5]및 최신 엔진에서는 엔진 컨트롤 유닛을 가지고 있다.[6] 흡기 밸브 근처의 온도는 다소 높으며, 흡기 행정은 흡기 소용돌이를 유발하며, 공기 연료 혼합물이 형성되는 데 많은 시간이 걸린다.[7] 따라서 연료는 많은 분자를 필요로 하지 않는다.[2] 분무 품질은 주입 압력에 상대적이며, 이는 다중 지점 주입 엔진에 대해 상대적으로 낮은 주입 압력(직접 주입과 비교)으로 충분하다는 것을 의미한다. 낮은 분사 압력은 상대적인 연료 속도를 초래하여 연료 방울을 천천히 증기를 유발한다.[8] 따라서 연료가 연소되지 않은 경우(따라서 HC 배출량이 높은 경우) 분사 타이밍이 정확해야 한다. 이 때문에 Bosch K-Jetronic과 같은 연속 주입 시스템은 구식이다.[1] 현대의 멀티 포인트 분사 시스템은 대신 전자적으로 제어되는 간헐적 주입을 사용한다.[6]
분사 제어 메커니즘
다지관 분사 엔진에는 연료를 계량하고 분사 타이밍을 제어하는 세 가지 주요 방법이 있다.
기계제어
초기 다지관 주입 엔진에는 기계식 "아날로그" 엔진 맵이 있는 기어, 체인 또는 벨트 구동식 분사 펌프가 사용되었다. 이것은 연료를 간헐적으로, 그리고 비교적 정확하게 주입할 수 있게 했다. 일반적으로 이러한 분사 펌프는 엔진 맵을 형상화한 3차원 캠을 가지고 있다. 스로틀 위치에 따라 3차원 캠을 축방향으로 축방향으로 이동시킨다. 분사 펌프 제어 랙에 직접 연결되는 롤러형 픽업 메커니즘이 3차원 캠을 타고 탑승한다. 3차원 캠의 위치에 따라 분사된 연료의 양과 분사 타이밍을 모두 제어하는 캠축 작동식 분사 펌프 플런저를 밀어 넣거나 내보낸다. 분사 플런저는 둘 다 분사 압력을 생성하며 연료 분배기 역할을 한다. 통상 기압전지, 냉각수 온도계에 연결되는 추가 조절봉이 있어 기압과 수온에 따라 연료량을 보정할 수 있다.[9] 쿠겔피셔 분사 시스템에는 기계식 원심 크랭크축 속도 센서도 내장되어 있다.[10] 기계적인 제어 기능이 있는 멀티 포인트 주입 시스템은 1970년대까지 사용되었다.
주입 타이밍 제어 없음
분사 타이밍 제어 장치가 없는 시스템에서는 연료가 연속적으로 분사되므로 분사 타이밍이 필요하지 않다. 이러한 시스템의 가장 큰 단점은 흡기 밸브가 닫힐 때 연료도 주입된다는 것이지만, 이러한 시스템은 3차원 캠에 엔진 맵이 있는 기계식 분사 시스템보다 훨씬 간단하고 비용이 적게 든다는 것이다. 연료 주입량만 결정하면 되는데, 이는 흡기 매니폴드 진공 구동 기류 센서에 의해 제어되는 다소 단순한 연료 분배기로 매우 쉽게 수행할 수 있다. 연료 펌프는 이미 연료 주입에 충분한 압력(최대 500kPa)을 제공하기 때문에 연료 분배기는 분사 압력을 생성할 필요가 없다. 따라서 이러한 시스템을 "무전원"이라고 하며 기계식 주입 펌프가 있는 시스템과 달리 체인이나 벨트로 구동할 필요가 없다. 또한 엔진 컨트롤 유닛이 필요하지 않다.[11] 보쉬 K-제트로닉과 같은 분사 타이밍 제어 장치가 없는 "무동력" 멀티 포인트 분사 시스템은 1970년대 중반부터 1990년대 초반까지 승용차에 사용되었다.
전자 컨트롤 유닛
다지관 분사가 있는 엔진과 전자 엔진 컨트롤 유닛을 흔히 전자 연료 분사(EFI)가 있는 엔진이라고 한다. 일반적으로 EFI 엔진은 읽기 전용 메모리와 같은 분리된 전자 부품에 내장된 엔진 맵을 가지고 있다. 이것은 3차원 캠보다 더 안정적이고 정밀하다. 엔진 컨트롤 회로는 엔진 맵뿐만 아니라 공기 흐름, 스로틀 밸브, 크랭크축 속도 및 흡기 온도 센서 데이터를 사용하여 분사 연료 양과 분사 타이밍을 모두 결정한다. 일반적으로 그러한 시스템에는 엔진 컨트롤 회로에서 전송되는 전기 신호에 따라 개방되는 단일 가압 연료 레일 및 분사 밸브가 있다. 회로는 완전히 아날로그 또는 디지털일 수 있다. Bendix Electrojector와 같은 아날로그 시스템은 틈새 시스템으로 1950년대 후반부터 1970년대 초반까지 사용되었으며, 디지털 회로는 1970년대 후반에 사용 가능하게 되었고, 이후 전자 엔진 제어 시스템에 사용되어 왔다. 처음으로 널리 보급된 디지털 엔진 컨트롤 유닛 중 하나는 Bosch Motronic이었다.[12]
공기 질량 결정
공기와 연료를 올바르게 혼합하여 적절한 공기 연료 혼합물이 형성되기 위해서는 분사 제어 시스템이 엔진으로 얼마나 많은 공기가 흡입되는지 알아야 하기 때문에 그에 따라 얼마나 많은 연료를 주입해야 하는지를 결정할 수 있다. 현대식 시스템에서는 스로틀 바디에 내장된 공기질량계가 공기량을 측정하고 엔진 컨트롤 유닛에 신호를 보내 정확한 연료량을 계산할 수 있다. 또는 매니폴드 진공 센서를 사용할 수 있다. 그러면 엔진 컨트롤 유닛이 매니폴드 진공 센서 신호, 스로틀 위치 및 크랭크축 속도를 사용하여 정확한 양의 연료를 계산할 수 있다. 현대 엔진에서는 이러한 모든 시스템의 조합이 사용된다.[5] 기계적 분사 제어 시스템과 무전원 시스템은 일반적으로 분사 펌프 랙 또는 연료 분배기에 기계적으로 연결된 흡기 매니폴드 진공 센서(막 또는 센서 플레이트)만 가지고 있다.[13]
분사 작동 모드
다지관 주입 엔진은 연속 주입 또는 간헐 주입을 사용할 수 있다. 연속 주입 시스템에서는 연료가 연속적으로 주입되기 때문에 작동 모드가 없다. 그러나 간헐적으로 주입되는 시스템에는 보통 네 가지 작동 모드가 있다.[14]
동시주입
동시에 간헐적으로 주입하는 시스템에서는 모든 실린더에 대해 하나의 고정된 주입 타이밍이 있다. 따라서 분사 타이밍은 일부 실린더에만 이상적이다. 닫힌 흡기 밸브에 대해 연료를 분사하는 실린더는 항상 하나 이상 있다. 이것은 각 실린더마다 다른 연료 증발 시간을 유발한다.
그룹 주사
간헐적 그룹 분사 시스템은 앞서 언급한 동시 분사 시스템과 유사하게 작동하지만 동시에 주입하는 연료 인젝터의 그룹이 두 개 이상 있다는 점을 제외한다. 일반적으로 한 그룹은 두 개의 연료 인젝터로 구성된다. 두 그룹의 연료 인젝터가 있는 엔진에서는 크랭크축 회전 시마다 분사가 이루어지므로 적어도 엔진 맵의 일부 영역에서는 닫힌 흡기 밸브에 대해 연료를 주입하지 않는다. 이것은 동시에 주입하는 시스템에 비해 개선된 것이다. 그러나 각 실린더마다 연료 증발 시간은 여전히 다르다.
순차 주사
순차 주입 시스템에서 각 연료 인젝터는 스파크 플러그 점화 순서와 일치하는 분사 타이밍과 흡기 밸브 개방이 고정되고 올바르게 설정된다. 이렇게 하면 닫힌 흡기 밸브에 더 이상 연료를 주입하지 않는다.
실린더별 주입
실린더별 주입은 주입 타이밍에 제한이 없음을 의미한다. 분사 제어 시스템은 각 실린더의 분사 타이밍을 개별적으로 설정할 수 있으며, 각 실린더의 인젝터 간에는 고정된 동기화가 없다. 이를 통해 분사 컨트롤 유닛은 연소 순서와 흡기 밸브 개방 간격에 따라 연료를 주입할 수 있을 뿐만 아니라 실린더 충전 불규칙성을 교정할 수 있다. 이 시스템은 실린더별 공기 질량 결정이 필요하기 때문에 순차 주입 시스템보다 복잡하다는 단점이 있다.
역사
최초의 다지관 주입 시스템은 요하네스 스필이 할레스체 마스치넨파브릭에서 설계했다.[15] Deutz는 1898년에 다지관 주입과 함께 정지된 4행정 엔진의 시리즈 생산을 시작했다. 등급은 1906년에 다지관 주입으로 최초의 2행정 엔진을 만들었고, 최초의 다지관 주입식 4행정 항공기 엔진은 같은 해 라이트와 앙투아네트 8V에 의해 제작되었다.[16] 보쉬는 1912년 석유펌프에서 만든 임시주입펌프를 탑재한 수상레저 엔진을 장착했지만 이 시스템은 신빙성이 입증되지 않았다. 1920년대에 그들은 가솔린 연료를 주입하는 오토 엔진에 디젤 엔진 분사 펌프를 사용하려고 시도했다. 하지만 그들은 성공하지 못했다. 1930년 모토 구찌는 오토바이에 오토 엔진을 주입한 최초의 다지관을 만들었고, 결국 다지관 주입을 한 최초의 육상 차량 엔진이었다.[17] 1930년대부터 1950년대까지, 다지관 주입 시스템은 그러한 시스템이 존재했음에도 불구하고 승용차에 사용되지 않았다. 카뷰레터가 아직 교체가 필요 없는 더 단순하고 덜 비싸지만 충분한 혼합물 형성 시스템임을 증명했기 때문이었다.[13]
1950년 다임러-벤츠는 그들의 메르세데스-벤츠 스포츠카를 위한 가솔린 직분사 시스템을 개발하기 시작했다. 그러나 승용차의 경우 다지관주입 시스템이 더 실현 가능한 것으로 간주되었다.[13] 결국 메르세데스-벤츠 W 128, W 113, W 189, W 112 승용차에 오토 엔진을 주입한 다지관이 장착됐다.[18][19]
1951년부터 1956년까지 FAG Kugelfischer Georg Schefer & Co.는 기계적인 Kugelfischer 주입 시스템을 개발했다.[17] 푸조 404호(1962년), 란시아 플라비아 이니에지오네(1965년), BMW E10(1969년), 포드 카프리 RS 2600(1970년), BMW E12(1973년), BMW E20(1973년), BMW E26(1978년) 등 많은 승용차에 사용되었다.[20]
1957년, Bendix Corporation은 최초의 전자 제어 매니폴드 분사 시스템 중 하나인 Bendix Electrojector를 선보였다.[21] 보쉬는 이 시스템을 라이선스 하에 구축했으며, 1967년부터는 보쉬 D-제트로닉으로 마케팅했다.[20] 1973년 보쉬는 자체 개발한 최초의 멀티포인트 분사 시스템인 전자 보쉬 L-제트로닉과 기계식 무동력 보쉬 K-제트로닉을 선보였다.[22] 그들의 완전한 디지털 시스템 보쉬 모트로닉은 1979년에 도입되었다. 그것은 독일 명품 살롱에 널리 쓰이고 있는 것을 발견했다. 동시에, 대부분의 미국 자동차 제조업체들은 전자 단일 지점 분사 시스템을 고수했다.[23] 1980년대 중반 보쉬는 비모트로닉 멀티포인트 분사 시스템을 디지털 엔진 컨트롤 유닛으로 업그레이드하여 KE-제트로닉과 LH-제트로닉을 개발하였다.[22] 폴크스바겐은 1985년 폴크스바겐 디지판트(Digifant) 시스템으로 진화한 디지털 폴크스바겐 디지젯 분사 시스템을 개발했다.[4]
는 보쉬 모노 제트로닉 등은 양방향 또는 3자 촉매 변환기와 함께 일했다 값싼 single-point 주입 시스템 1987,[22]사용 자동차 회사들이 경제적으로는 흡기관 분사 시스템의 모든 승객을 가로질러 광범위한 확산을 도왔다 그들의 경제 자동차, 심지어 carburettors에 대한 대안을 제공하기 위해서 소개를 하다.차 1990년대 시장 부문.[24] 1995년, 미쓰비시는 승용차용 가솔린 직분사 오토 엔진을 최초로 도입했으며, 가솔린 직분사기는 이후 다지관 주사를 대체해왔으나, 모든 시장 부문에서 그렇지는 않다. 새로 생산된 여러 승용차 엔진은 여전히 멀티포인트 주사를 사용하고 있다.[25]
참조
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