계층형 충전 엔진

Stratified charge engine

계층형 충전 엔진은 트럭, 자동차, 휴대용 및 정지 장비에 사용할 수 있는 특정 유형의 내연기관, 보통 스파크 점화(SI) 엔진을 나타냅니다."계층화 전하"라는 용어는 실린더로 유입되는 작동 유체 및 연료 증기를 말한다.일반적으로 연료는 실린더로 분사되거나 연료 증기로 들어가며, 스파크 또는 기타 수단을 사용하여 점화 작업을 시작합니다. 여기서 연료 증기가 공기와 상호 작용하여 완전한 연소를 촉진합니다.성층 충전은 "노크" 없이 약간 더 높은 압축비와 기존의 내연 엔진보다 더 희박해진 공연비를 가능하게 합니다.

통상 4행정(휘발유 또는 가솔린)오토 사이클 엔진은 흡기 행정 중에 공기와 연료의 혼합물을 연소실로 흡입하여 연료를 공급합니다.그러면 공기와 연료가 균일하게 혼합되어 압축 스트로크 상단 부근에서 미리 정해진 순간에 스파크 플러그에 의해 점화됩니다.

균질 충전 시스템에서는 공연비가 화학 측정치에 매우 가깝게 유지되므로 연료의 완전한 연소에 필요한 정확한 공기의 양이 포함됩니다.이는 안정적인 연소를 제공하지만 엔진 효율에 상한을 둡니다. 즉, 균일 충전 상태에서 훨씬 희박한 혼합물(연료 또는 공기량 감소)을 작동시켜 연비를 개선하려는 시도는 연소를 느리게 하고 엔진 온도를 높입니다. 이는 출력 및 배출에 영향을 미치며, 특히 질소 산화물 또는x NO를 증가시킵니다.

간단히 말해, 성층 충전 엔진은 스파크 근처에서 연료의 농후한 혼합물을 생성하고 연소실의 나머지 부분에서 희박하게 혼합물을 생성합니다.농후 혼합물은 쉽게 점화되며, 결과적으로 나머지 챔버 전체에 걸쳐 희박 혼합물이 점화됩니다. 따라서 엔진이 희박 혼합물을 사용할 수 있으므로 효율은 향상되고 완전한 연소는 보장됩니다.

이점

높은 압축비

더 높은 기계적 압축비 또는 강제 유도가 있는 동적 압축비를 사용하여 열역학적 효율을 향상시킬 수 있습니다.연소를 시작하기 직전까지 연료가 연소실로 분사되지 않기 때문에 사전 점화 또는 엔진 노킹의 위험이 거의 없습니다.

얇아진 화상

주요 기사: 희박 연소

또한 엔진은 성층화 전하를 사용하여 전체 공연비에서 훨씬 희박하게 작동할 수 있습니다. 성층화 전하를 사용하여 소량의 농후 연료 혼합물이 먼저 점화되고 희박 연료 혼합물의 고량 연소를 개선하는 데 사용됩니다.

단점들

단점은 다음과 같습니다.

  • 인젝터 비용 및 복잡성 증가
  • 높은 연료 압력 요구 사항
  • 기존 멀티포트 분사 설계에서 밸브의 세정제 역할을 하는 휘발유가 흡기 밸브를 통과하지 못하여 흡기 밸브 뒷면에[1][citation needed] 탄소 축적
  • 극도로x 희박해진 구역이 존재하기 때문에 NO 형성이 증가합니다.공기와 연료가 더 잘 혼합되기 때문에 보통 가솔린 엔진에는 이러한 구역이 없습니다.

연소관리

스파크 플러그에 희박 혼합물이 있을 경우 연소에 문제가 있을 수 있습니다.그러나 가솔린 엔진에 직접 연료를 주입하면 연소실의 [2]다른 곳보다 더 많은 연료가 스파크 플러그 쪽으로 보내집니다.그 결과 층상 충전이 발생합니다. 즉, 연소실 전체에서 공연비가 균일하지 않지만 실린더 체적 전체에 걸쳐 제어된 방식으로(그리고 잠재적으로 매우 복잡한) 변화합니다.

충전 성층화는 '실린더 내' 성층화가 없는 경우에도 가능합니다. 즉, 흡기 혼합물이 너무 희박하여 기존 스파크 플러그가 제공하는 제한된 에너지로 인해 점화되지 않을 수 있습니다.그러나 가솔린 엔진의 경우 12~15:1의 일반적인 혼합 강도를 사용하여 주 희박 혼합물 챔버에 인접하고 연결된 소형 연소실로 공급하면 이러한 희박 혼합물이 점화될 수 있습니다.이 연소 혼합물에서 나오는 큰 화염 전면은 전하를 연소시키기에 충분합니다.이 충전 성층화 방법을 통해 린 차지가 '번트' 상태이며, 이러한 성층화를 사용하는 엔진은 더 이상 '노크' 또는 제어되지 않는 연소의 대상이 아님을 알 수 있습니다.따라서 희박 충전 상태에서 연소되는 연료는 '노크' 또는 옥탄 제한이 없습니다.따라서 이러한 성층화 유형은 다양한 연료를 사용할 수 있으며, 특정 에너지 출력은 연료의 열량에 따라 달라집니다.

멀티홀 인젝터를 사용하여 비교적 농후한 공기/연료 혼합물이 스파크 플러그로 유도됩니다.이 혼합물이 점화되어 강하고 균일하며 예측 가능한 화염 전방을 제공합니다.그 결과 실린더의 다른 부분에서 훨씬 약한 혼합물이 고품질 연소됩니다.

디젤 엔진과의 비교

현대의 직접 연료식 가솔린 엔진과 직접 분사식 디젤 엔진을 비교할 가치가 있습니다.가솔린 연료는 디젤 연료보다 연소 속도가 빠를 수 있으므로 스포츠 엔진의 최대 엔진 속도가 더 빨라집니다.반면 디젤 연료는 에너지 밀도가 높으며, 높은 연소 압력과 결합하면 보다 "정상" 도로 차량에 매우 강력한 토크와 높은 열역학 효율을 제공할 수 있습니다.

'연소' 비율의 비교는 다소 단순한 견해입니다.가솔린 및 디젤 엔진은 작동 방식이 비슷해 보이지만, 두 가지 유형은 완전히 다른 원리로 작동합니다.이전 제조판에서는 외부 특성이 명백했다.대부분의 가솔린 엔진은 연료/공기 혼합물을 엔진으로 흡입하는 카뷰레로 처리되었으며, 디젤 엔진은 공기를 흡입하기만 하면 연료가 실린더로 고압으로 직접 분사되었습니다.기존의 4행정 가솔린 엔진에서는 피스톤이 보어 위로 이동하는 동안 점화 플러그가 실린더의 혼합물을 상사점보다 최대 40도 먼저 점화하기 시작합니다.피스톤이 보어 위로 이동하면 혼합물의 제어된 연소가 발생하고 최대 압력이 상사점 직후에 발생합니다. 피스톤이 보어를 따라 내려가면서 압력이 감소합니다. 즉, 실린더 압력-시간 생성에 대한 실린더 부피가 연소 동안 기본적으로 일정하게 유지됩니다.이온 사이클반면 디젤 엔진 작동은 피스톤이 상사점으로 이동하는 동작에 의해서만 공기를 흡입하고 압축합니다.이때 최대 실린더 압력에 도달했습니다.이제 연료가 실린더로 분사되고 이 시점에서 압축 공기의 고온에 의해 연료 '소모' 또는 팽창이 시작됩니다.연료가 연소되면 팽창하여 피스톤에 압력을 가하고, 피스톤이 크랭크축에서 토크를 발생시킵니다.디젤 엔진이 일정한 압력으로 작동하고 있음을 알 수 있습니다.가스가 팽창하면서 피스톤도 실린더 아래로 이동합니다.이 프로세스를 통해 피스톤과 그에 따라 크랭크가 더 큰 토크를 경험하게 되며, 이 토크는 또한 가솔린 등가물보다 더 긴 시간 간격에 걸쳐 작용하게 됩니다.

역사

브레이튼 직분사 1887

연소를 시작해야 하는 순간에 연료를 직접 연소실에 주입하는 원리는 1887년 조지 브레이튼에 의해 처음 발명되었지만, 오랫동안 가솔린 엔진에서 좋은 효과를 발휘해 왔다.브레이튼은 그의 발명에 대해 다음과 같이 설명한다: "나는 중유가 실린더의 소성 부분이나 통신하는 소성실에서 기계적으로 미세하게 분할된 상태로 전환될 수 있다는 것을 발견했다."또 다른 부분에는 "제가 아는 한 액체연료의 직접 연소실 또는 실린더로의 배출을 즉시 연소에 매우 유리한 미세분할 상태로 가변 제어함으로써 속도를 조절한 것은 처음"이라고 쓰여 있다.이 엔진은 린 연소 시스템을 사용하여 엔진 속도/출력을 조절한 최초의 엔진입니다.이러한 방식으로 모든 파워 스트로크 및 속도/출력은 분사되는 연료량에 의해서만 제어되었습니다.

리카르도.

해리 리카도는 1900년대 초에 희박 연소 "계층화 전하" 엔진의 아이디어를 처음으로 연구하기 시작했습니다.1920년대에 그는 그의 초기 디자인을 개선했다.

헤셀만

가솔린 직분사의 초기 예는 1925년 스웨덴의 엔지니어 요나스 헤셀만에 의해 발명된 헤셀만 엔진이다.헤셀만 엔진은 초박연소 원리를 사용하여 압축 행정 끝에 연료를 주입한 다음 스파크 플러그로 점화했습니다. 이 엔진은 보통 가솔린으로 시동했다가 디젤 또는 등유로 작동하도록 전환되었습니다.Texaco Controlled 연소 시스템(TCCS)은 헤셀만 설계와 매우 흡사한 1950년대에 개발된 다중 연료 시스템입니다.TCCS는 UPS 딜리버리 밴에서 테스트되었으며 경제성이 전체적으로 약 35% 증가한 것으로 나타났습니다.

혼다

혼다의 CVCC 엔진은 1970년대 초 시빅, 그 후 어코드, 시티의 모델로 출시되었으며, 상당 기간 동안 시장에서 널리 받아들여진 성층 충전 엔진의 한 형태이다.CVCC 시스템에는 기존의 흡기 및 배기 밸브와 스파크 플러그 주변을 충전하는 세 번째 보조 흡기 밸브가 있었습니다.스파크 플러그와 CVCC 인렛은 구멍이 뚫린 금속 플레이트에 의해 메인 실린더에서 분리되었습니다.점화 시 일련의 화염 전선이 천공을 통해 매우 희박한 주 충전으로 발사되어 완전한 점화 상태를 보장합니다.혼다 시티 터보에서는 이러한 엔진이 7,000rpm 이상의 엔진 속도에서 높은 출력 대 중량비를 생성했습니다.

재규어

1980년대에 재규어 자동차는 재규어 XJ12와 재규어 XJS 모델에 맞는 재규어 V12 엔진인 H.E. (이른바 고효율) 버전을 개발했으며 엔진의 매우 높은 연료 소비를 줄이기 위해 '메이 파이어볼'이라고 불리는 계층화된 충전 디자인을 사용했다.

베스파

Vespa ET2 스쿠터는 50cc 2행정 엔진을 탑재해 공기가 이송 포트를 통해 유입되고 점화 직전 스파크 플러그 근처의 실린더에 풍부한 연료 혼합물이 주입됐다.분사 시스템은 타이밍이 지정된 펌프 실린더와 역류 방지 밸브를 사용하는 순수 기계식 시스템입니다.

하향 스트로크 시 농후 혼합물을 약 70psi로 압축하고, 이때 상승 압력이 스프링 장착 포핏 밸브를 상승시켜 실린더로 전하가 분사됩니다.여기서 스파크 플러그 영역을 겨냥하여 점화됩니다.연소 압력에 의해 스프링이 장착된 포핏 밸브가 즉시 닫히고,[3] 이때부터 실린더 내의 희박 혼합 영역에 불꽃 전면이 점화되면서 "일반" 층상 충전 점화 프로세스만 수행됩니다.

폭스바겐

폴크스바겐은 현재 직분사 1.0, 1.2, 1.4, 1.5, 1.8, 2.0리터급 가솔린 엔진에 터보차징과 결합해 성층충전 방식을 사용하고 있다.

메르세데스 벤츠

메르세데스 벤츠는 블루 다이렉트 시스템과 함께 성층 충전 엔진을 사용해 왔다.

성층 충전 적용 시 3.0L V-6은 계속해서 직접 연료 분사를 사용하지만 인젝터는 압축 직전에 흡기 행정에서 더 높은 압력으로 분사되도록 재설계되었으며 연료는 실린더 내의 특정 영역에 도달하여 연소를 최적화하도록 설계되었습니다.이 전략은 연소 전에 챔버를 더욱 균일하게 채우는 기존의 균질 충전 시스템보다 훨씬 희박해진 챔버 내 공연비를 만듭니다.

조사.

SAE International은 성층 충전 [4]엔진을 사용한 실험 작업에 대한 논문을 발표했다.

TFSI 엔진

터보 연료 계층화 분사(TFSI)는 Volkswagen Group의 상표로, 연료를 연소실에 직접 압력 주입하여 층화 전하를 생성하는 강제 흡입("터보") 엔진의 일종입니다.FSI 다이렉트 인젝션 기술은 스파크 점화 엔진의 토크와 출력을 증가시켜 최대 15%의 경제성을 높이고 배기 가스 [5]배출을 줄입니다.

이점

TFSI 엔진의 장점은 다음과 같습니다.

  1. 연소실 내 연료 분배 및 연료 충전 개선
  2. 분사 프로세스 중에 연료가 증발하여 실린더 챔버를 냉각합니다.
  3. 가압된 연료의 냉각 효과를 통해 낮은 옥탄가 연료를 사용할 수 있으므로 최종 사용자가 비용을 절감할 수 있습니다.
  4. 압축률이 높아져 전력 절약성이 실현됩니다.
  5. 연료 연소 효율 향상
  6. 차량 픽업 시 더 높은 출력

단점들

  1. 배출된 배기가스 [citation needed]입자의 엄청난 증가.
  2. 흡기 밸브 뒤에 탄소가 축적됩니다.연료는 연소실 내부에 직접 분사되기 때문에 밸브 뒤에 있는 오염물질을 세척할 기회가 전혀 없습니다.이로 인해 시간이 지남에 따라 과도한 탄소 축적이 발생하여 성능이 저하됩니다.일부 엔진(도요타의 다이내믹 포스 엔진 등)은 직분사와 기존의 멀티 포트 연료 분사를 결합하여 이 문제를 개선합니다.
  3. 실린더에 직접 연료를 분사하려면 훨씬 더 높은 압력의 연료 펌프가 필요합니다.이를 위해서는 기존 멀티포트 분사 설정보다 훨씬 높은 최대 200bar의 연료 압력이 필요합니다(직분사 [6]참조).

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Bell, Sam (December 2014). "GDI: Gas Deposits Inside?" (PDF). Motor. Retrieved June 3, 2017.
  2. ^ "32 (17) strat" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2013-09-27. Retrieved 2014-05-10.
  3. ^ "Motorcycle Online: Vespa ET2". 2005-07-28. Archived from the original on July 28, 2005. Retrieved 2014-05-10.{{cite web}}: CS1 유지보수: 부적합한 URL(링크)
  4. ^ "Browse Papers on Stratified charge engines : Topic Results - SAE International". Topics.sae.org. Retrieved 2014-05-10.
  5. ^ "Archived copy". Archived from the original on April 28, 2009. Retrieved July 24, 2009.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  6. ^ "Bosch Mobility Solutions".