가변 변위

가변변위는 연비 개선을 위해 보통 실린더를 비활성화함으로써 엔진 변위를 변화시킬 수 있는 자동차 엔진 기술이다. 이 기술은 주로 대형 멀티 실린더 엔진에 사용된다. 많은 자동차 제조업체들이 2005년 현재 이 기술을 채택하고 있지만, 이 기술은 이전부터 상당 기간 동안 존재해 왔다.

운영이론

실린더 비활성화 기능은 경량 운전 중 내연기관의 연료 소비량과 배출을 줄이기 위해 사용된다. 일반적인 경량 주행에서 운전자는 엔진의 최대 출력의 약 30%만을 사용한다. 이런 상태에서는 스로틀 밸브가 거의 닫히고, 공기를 끌어내기 위해 엔진이 작동해야 한다. 이것은 펌핑 손실이라고 알려진 비효율성을 야기한다. 일부 대용량 엔진은 가벼운 부하에서 너무 많이 조절해야 하므로 상사점의 실린더 압력은 소형 4기통 엔진의 약 절반이다. 실린더 압력이 낮으면 연료 효율이 낮아진다. 가벼운 부하에서 실린더 비활성화를 사용한다는 것은 흡기 매니폴드에서 공기를 흡입하는 실린더가 적다는 것을 의미하며, 실린더의 유체(공기) 압력을 증가시키는 작용을 한다. 최대 성능이 필요하지 않아도 각 실린더에 연속적으로 연료를 주입하고 연소하기 때문에 가변 변위 없이 작동하면 낭비가 심하다. 엔진 실린더의 절반을 차단함으로써 소비되는 연료의 양은 훨씬 적다. 각 작동 실린더의 압력을 증가시키는 펌핑 손실을 줄이는 것과 실린더로 공급되는 연료의 양을 줄이는 것 사이에 고속도로 조건에서 연료 소비량을 8~25% 줄일 수 있다.^[1][2]

실린더 비활성화는 특정 실린더의 흡기 및 배기 밸브를 닫힌 상태로 유지함으로써 달성된다. 흡기 및 배기 밸브를 닫힌 상태로 유지함으로써 연소실에 "에어 스프링"을 생성하며, 이는 갇힌 배기 가스(이전의 충전 연소에서 나온 틈)가 피스톤의 업 스트로크 중에 압축되고 다운 스트로크 중에 피스톤을 누른다. 갇힌 배기 가스의 압축과 감압은 균등화 효과를 가지고 있다. 전체적으로 엔진에 추가 부하가 거의 없다. 최신 유형의 실린더 비활성화 시스템에서는 엔진 관리 시스템이 비활성화된 실린더로의 연료 공급을 차단하는 데도 사용된다. 정상 엔진 작동과 실린더 비활성화 사이의 전환도 점화 타이밍, 캠 타이밍 및 스로틀 위치의 변화(전자 스로틀 제어 덕분에)를 사용하여 평탄하게 한다. 대부분의 경우 실린더 비활성화는 광 부하에서 특히 비효율적인 상대적으로 큰 변위 엔진에 적용된다. V12의 경우 최대 6개의 실린더를 비활성화할 수 있다.^[1]

모든 가변 배전 엔진에서 극복해야 할 두 가지 문제는 불균형 냉각과 진동이다.^{[citation needed]}

역사

가변변위엔진의 가장 오래된 엔진은 19세기 후반에 개발된 뺑소니 엔진이다. 이러한 단일기통 고정 엔진은 엔진이 설정 속도 이상으로 작동하는 동안 일반적으로 배기 밸브를 열어두면 실린더의 작동을 중단시키는 원심성 거버넌스를 가지고 있었다.

캐딜락 L62 V8-6-4

제2차 세계대전 중 다중 실린더 엔진에 대한 첫 실험은 1981년 캐딜락의 불운한 L62 "V8-6-4" 엔진에서 다시 시도되었다.^[3] 이 기술은 350개의 디젤 V-8 엔진을 기본 엔진으로 탑재한 세비야를 제외한 모든 캐딜락 모델에 표준 탑재됐다. 캐딜락은 이튼코퍼레이션과 손잡고 업계 최초로 엔진 컨트롤 유닛을 활용해 필요한 전력량에 따라 8기통에서 6기통에서 4기통으로 엔진을 전환하는 혁신적인 V-8-6-4 시스템을 개발했다.^[3] 원래의 다중 변위 시스템은 세 가지 다른 구성과 변위 장치를 엔진에 허용하면서 반대쪽 쌍의 실린더를 껐다. 이 차들은 에어컨 디스플레이에 엔진 고장 코드를 표시하는 등 정교한 진단 절차를 거쳤다. 하지만 이 시스템은 골치 아프고, 고객들의 오해를 받았으며, 예측 불가능한 실패가 속출하면서 기술이 빠르게 은퇴하게 되었다.^[3]

알파 로미오 알페타 CEM

1981년 알파 로미오는 제노바 대학과 협력하여 알페타 CEM(Contro Eletronico del Motore, 또는 전자 엔진 관리)이라고 불리는 알파 로미오 알페타의 반실험형 가변 변위 엔진 버전을 개발해 프랑크푸르트 모터쇼에서 선보였다.^[4] 130PS(96kW; 128bhp) 2.0리터 모듈식 엔진은 엔진 컨트롤 유닛이 관리하는 연료 분사 및 점화 시스템을 특징으로, 연료 소비량을 줄이기 위해 필요에 따라 실린더 4개 중 2개를 차단할 수 있었다. 밀라노의 택시 운전사들에게 10가지 사례의 초기 배정을 맡겨 실제 상황에서의 운행과 성능을 검증했다.^[4][5] 이러한 시험 중 알파 로미오에 따르면 실린더 불활성화는 CEM 연료 주입 엔진에 비해 12%, 일반 생산 카뷰레터 2.0리터 대비 연료 소비량을 거의 25% 절감하는 것으로 나타났다.^[5] 첫 번째 재판 후, 1983년에 선별된 고객들에게 제공되는 1000개의 작은 예들이 판매되었다.^[4] 991개의 예들이 생산되었다. 이 두 번째 실험 단계에도 불구하고 그 프로젝트는 더 이상의 발전이 없었다.

미쓰비시 MD

1982년 미쓰비시는 MD(Modulated Degression) 형태로 자체 가변 변위를 개발하여 미쓰비시의 1.4 L 4G12 직선 4 엔진에서 처음 사용된 기술이 성공적으로 기능할 수 있음을 입증했다.^[6] 캐딜락의 시스템이 실패로 판명되고 4기통 엔진이 사용되었기 때문에 미쓰비시는 그들 자신의 것을 세계 제일의 세계라고 칭송했다.^[7] 이 기술은 후에 미쓰비시의 V6 엔진에 사용되었다.^[8]

이 시스템은 70km/h(43.5mph) 미만의 속도, 공회전 및 감속 상태에서 실린더 번호 1과 4의 밸브를 비활성화함으로써 작동했다. 연료 소비 수치는 일반적으로 일반 4G12 엔진에 비해 약 20% 개선되었다.^[9] 그러나 기간 공급원은 유압 댐핑이 있는 특수 엔진 마운트에도 불구하고 2기통 모드에 있는 동안 엔진이 매우 거칠게 작동한다고 불평했다.^[10] 진동과 가혹성을 최소화하기 위해 실시된 다른 노력에는 냉각재 온도가 70C에 도달할 때까지 시스템을 작동하지 않는 유연한 배기 파이프 부분과 70% 더 무거운 플라이휠이 포함되었다.^[11] 미쓰비시의 노력은 주로 자동차 구매자들의 반응이 좋지 않았기 때문에 단기간에 머물렀다.^[12]

미쓰비시가 자체 가변 밸브 타이밍 기술을 개발한 지 1년 만인 1993년 MIVEC-MD 변종이 도입됐다. 부활한 MD 기술은 4기통에서 2기통으로의 전환을 거의 눈에 띄지 않게 만들 수 있는 개선된 전자 엔진 제어로 이제 2세대에 접어들었다. MD모드에서 MIVEC 엔진은 실린더 4개 중 2개만 활용하므로 펌핑 손실로 낭비되는 에너지가 크게 감소한다. 또 엔진 마찰에 따른 전력 손실도 줄어든다.^[7] MIVEC-MD 시스템은 조건에 따라 연료 소비를 10-20%까지 줄일 수 있다. 그러나 이러한 이득의 일부는 가변 배전 기능이 아니라 가변 밸브 타이밍 시스템에서 발생한다.^[8] 변조된 변위는 1996년경에 감소되었다.^[8]

애프터마켓 시스템

많은 기업들이 애프터마켓 실린더 비활성화 시스템을 개발했는데, 성공 정도가 다양하다. 1979년 자동차 실린더 비활성화 시스템(ACDS)의 EPA 평가 결과, 실린더 4개에서 8기통 엔진을 가동할 수 있게 된 결과, 일산화탄소 및 질소산화물 배출량이 배출 기준의 법적 한계를 넘어 증가된 것으로 나타났다.^[13] 연비가 상승하는 동안 가속도가 심각하게 저하되었고, 엔진 진공 손실로 인해 시스템이 4기통 모드에 있을 때 제동 보조 장치가 위험하게 상실되었다.^[13] 이러한 문제 외에도 자동차 내부에서 전환할 수 있는 유압 제어 시스템을 제안하는 한편, 이들이 구현한 버전은 수공구를 이용해 엔진실에서 수동으로 변경해야 했다.^[13]

현재

현재 사용되는 실린더 비활성화 기계화에는 엔진의 밸브트레인의 종류에 따라 크게 두 가지 유형이 있다. 첫 번째는 솔레노이드를 사용하여 리프터의 핀을 잠그기 위해 공급되는 오일 압력을 변경하는 푸시로드 설계용입니다. 잠금 핀이 제자리에 있지 않은 상태에서 리프터가 접이식 푸시로드가 밸브 로커 암 아래로 내려올 수 없게 되어 캠이 로커 암으로 부품을 밀어도 밸브가 닫힌 상태를 유지하게 된다.

두 번째 유형은 오버헤드 캠 엔진용이며 각 밸브에 사용되는 잠금식 로커 암 한 쌍을 사용한다. 한 로커는 캠 프로파일을 따라가고 다른 로커는 밸브를 작동시킨다. 실린더가 비활성화되면 솔레노이드 제어식 오일 압력이 두 로커 암 사이에 잠금 핀을 해제한다. 한쪽 팔이 여전히 캠축을 따라가는 동안, 잠금 해제된 팔은 움직이지 않고 밸브를 움직이지 않는다.^[14] 컴퓨터 제어로 빠른 실린더 비활성화 및 재활성화가 거의 즉각적으로 일어난다.^[15]

몇몇 자동차 제조사들은 현재 생산에서 실린더가 비활성화된 엔진을 가지고 있다.

캘럼의 시트 큐프라 1.4 터보차지는 사상 최초로 실린더를 차단한 양산형 차량이다.

다임러 AG의 액티브 실린더 제어(ACC) 가변 변위 기술은 2001년 CL600과 S600에서 5.8 L V12로 첫 선을 보였다.

메르세데스-벤츠는 1990년대 후반에 발사 순서에서 다른 실린더들을 모두 차단하는 멀티 배전 시스템 V12를 개발했다. 2004년 다임러크라이슬러 헤미를 시작으로 푸시로드 V8 엔진에 널리 전개되었다.

혼다는 2003년부터 J 패밀리 엔진에 가변 실린더 매니지먼트를 도입했다. Honda의 시스템은 실린더의 뱅크를 비활성화하여 6에서 4로, 3 실린더로 전환하는 방식으로 동작한다.

GM은 2005년 크라이슬러의 MDS와 유사한 액티브 연료 관리 실린더 비활성화 시스템(4세대 소형 블록)을 도입해 실린더의 절반을 껐다. 2018년에 GM은 즉각적인 필요에 따라 다양한 조합으로 실린더의 수를 차단하는 동적 연료 관리라는^[16] 개선된 시스템을 도입했다. 이 시스템은 캘리포니아 업체 툴라테크놀로지^[18](Tula Technology)가 개발한 기술인 ^[17]다이나믹 스킵 파이어(Dynamic Skip Fire)를 기반으로 하며 이를 통합한 6.2L엔진이 워드의 2019년 10대 엔진 중 하나로 선정됐다.

폴크스바겐은 2012년 4기통 엔진에 최초로 액티브 실린더 기술(ACT)을 도입했다.^[19]

2016년 11월 포드는 실린더 중 하나에 비활성화된 소형 3기통 에코부스트 엔진을 발표했다. 이 엔진은 지금까지 비활성화를 사용한 엔진 중 가장 작은 것으로, 소형차에 이점이 적용될 수 있을 것이다. ^[20]

마즈다는 2017년 11월 2018년 CX-5 전 모델에서 표준 실린더 비활성화, 마즈다6 모델에서 가용성을 발표했다. ^[21][22]

2019년 모델 연도를 기준으로 미국에서 판매되는 경차 중 약 13%가 실린더 비활성화를 사용했으며, 주로 마쓰다(54%), GM(47%), 혼다(21%), FCA(19%)^[23]가 사용했다.

관련 기술

가변 압축 비율. 가장 잘 알려진 시스템은 실험용 사브 가변 압축 엔진으로, 힌지 블록을 사용하여 피스톤을 머리 가까이 또는 더 멀리 이동시켜 연소실의 크기를 변화시켰다. 다른 실험 시스템으로는 편심축에서 슬라이딩 크랭크 레이스를 사용하는 헤플리 엔진과 ^[24]4바 연동을 사용하는 스칼조 피스톤 비활성화 엔진 등이 있으며, 개별 피스톤을 완전히 정지시킬 수 있다는 특징이 있다.^[25] 현재 이러한 디자인 중 어느 것도 사용하는 생산 차량은 없다.

또한 캐딜락의 노스스타 엔진 시리즈는 "limp home" 페일 세이프 모드를 특징으로 했다. 엔진 냉각수가 손실되면 엔진 제어기는 연료와 스파크를 실린더의 절반으로 줄일 것이다. 밸브 작동을 변경하지 않은 상태로 두면, 비연성 실린더는 엔진을 냉각시켜 냉각제 없이 100마일까지 주행할 수 있게 한다.

가변적 변위임

• Bentley는 2015년 가변 변위 기능이 탑재된 L-Series 엔진을 업데이트했다.
• 다임러크라이슬러 MDS(Multi-Displacement System)는 크라이슬러 모델에 사용됐다.
• 메르세데스-벤츠 모델에는 다임러크라이슬러 액티브 실린더 컨트롤(ACC)이 사용됐다.
• 제너럴 모터스 V8-6-4(캐딜락)
• 제너럴 모터스 캐딜락 16(캐딜락)
• 제너럴 모터스 능동형 연료 관리
• Honda 가변 실린더 관리(VCM)

참고 항목

• 캠리스 엔진
• 사브 가변 압축 엔진
• Start-Stop 시스템

참조