희박 연소

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희박 연소란 내연기관에서 과잉공기로 연료가 연소되는 것을 말한다. 희박 연소 엔진의 경우 공기:연료 비율은 65:1(질량 기준) 정도로 희박할 수 있다. 반면 휘발유를 계량적으로 연소시키는 데 필요한 공기/연료 비율은 14.64:1이다. 희박하게 탄 엔진의 과잉 공기는 탄화수소를 훨씬 적게 배출한다. 높은 공기-연료 비율은 조절 손실과 같은 다른 엔진 동력 관리 시스템으로 인한 손실을 줄이는 데도 사용될 수 있다.

원리

희박 연소 모드는 조절 손실을 줄이는 방법이다. 일반적인 차량의 엔진은 가속을 위해 원하는 동력을 제공하도록 크기가 지정되지만, 정상적인 정상 속도 작동에서는 이 지점보다 훨씬 낮게 작동해야 한다. 일반적으로 스로틀을 부분적으로 닫으면 전원이 차단된다. 그러나 스로틀을 통해 공기를 펌핑할 때 추가로 하면 효율성이 떨어진다. 연료/공기 비율이 감소하면 스로틀이 완전히 개방될 때까지 낮은 출력이 확보되고 정상 주행 중 효율(엔진의 최대 토크 능력 이하)이 높아질 수 있다.

희박 연소를 위해 설계된 엔진은 압축비가 더 높기 때문에 기존 가솔린 엔진보다 더 나은 성능, 효율적인 연료 사용 및 낮은 배기 탄화수소 배출량을 제공할 수 있다. 공기-연료 비율이 매우 높은 초경량 혼합물은 직분사 엔진을 통해서만 달성할 수 있다.

린 연소의 주요 단점은 NOx 배출량을 줄이기 위해 복잡한 촉매변환기 시스템이 필요하다는 점이다. 희박 연소 엔진은 현대식 3방향 촉매변환기(배기 포트에서 오염물 균형을 유지하여 산화 및 감소 반응을 수행할 수 있어야 함)와 잘 작동하지 않으므로 대부분의 현대식 엔진은 정지계점 또는 그 근처에서 순항 및 감발하는 경향이 있다.

크라이슬러 전자 린번

1976년부터 1989년까지 크라이슬러는 스파크 제어 컴퓨터와 다양한 센서와 변환기로 구성된 ELB(Electronic Lin-Burn) 시스템을 많은 차량에 장착했다. 컴퓨터는 다지관 진공, 엔진 속도, 엔진 온도, 시간 경과에 따른 스로틀 위치 및 유입 공기 온도를 기준으로 스파크 타이밍을 조정했다. ELB를 장착한 엔진은 기존의 진공 및 원심 타이밍 전진 메커니즘 없이 고정 시간 분배기를 사용했다. ELB 컴퓨터도 점화 코일을 직접 구동해 별도의 점화 모듈이 필요 없게 했다.

ELB는 개방 루프 및 폐쇄 루프 모델 모두에서 생산되었다. 개방 루프 시스템은 1976년 및 1977년 미국 연방 배출 규정을 통과하도록 장착된 많은 차량 모델에 적합할 만큼 깨끗한 배기 가스를 생산했고 1980년까지 촉매변환기 없이 캐나다 배출가스 규제를 준수했다. 폐쇄 루프형 ELB는 산소 센서와 피드백 카뷰레터를 사용했으며 1981년부터 배출 규제가 엄격해짐에 따라 단계적으로 생산에 들어갔으나, 멕시코 크라이슬러 스피릿과 같은 차량에 대한 배출 규제가 느슨한 시장에서는 1990년 후반까지 오픈 루프 ELB가 사용되었다. ELB와 함께 도입된 스파크 제어 및 엔진 매개변수 감지 및 전달 전략은 스로틀-바디 연료 주입이 장착된 크라이슬러 차량에서 1995년까지 계속 사용됐다.^{[citation needed]}

중장비 가스엔진

희박 연소 개념은 흔히 중용 천연가스, 바이오가스, 액화석유가스(LPG) 연료 엔진의 설계에 사용된다. 이러한 엔진은 부하와 엔진 속도에 관계 없이 약한 공기-연료 혼합물로 엔진이 작동하는 풀타임 린 연소("Lean mix" 또는 "혼합 린"이라고도 함)가 될 수 있으며, 낮은 부하와 높은 엔진 속도에서만 엔진이 기울어져 다른 경우에는 기압계 공기-연료 혼합물로 되돌아간다.

중용도의 희박 연소 가스 엔진은 연소실로의 완전 연소에 이론적으로 필요한 공기의^[1] 2배를 인정한다. 극도로 약한 공기 연료 혼합물은 연소 온도를 낮추고 따라서 NOx 형성을 낮춘다. 희박 연소 가스 엔진은 더 높은 이론적 열 효율을 제공하지만, 과도 응답과 성능은 특정 상황에서 손상될 수 있다. 그러나 북미 리파워와 같은 회사들의 연료 제어와 폐쇄 루프 기술의 발전은 상용 차량 비행대에서 사용할 수 있는 현대적인 카바 인증 린 연소 중과세 엔진의 생산으로 이어졌다.^[2] 희박 연소 가스 엔진은 거의 항상 터보차지되어 연소 온도가 높아 스토오치메트릭 엔진에서는 높은 출력 및 토크 수치를 달성할 수 없다.

헤비듀티 가스 엔진은 실린더 헤드에 결합 전 챔버를 사용할 수 있다. 희박한 가스와 공기 혼합물은 우선 피스톤에 의해 메인 챔버에서 고도로 압축된다. 훨씬 풍부하지만 훨씬 적은 부피의 가스/공기 혼합물이 결합 전 챔버에 도입되어 스파크 플러그에 의해 점화된다. 화염 전선은 실린더의 희박한 가스 공기 혼합물로 번진다.

이 2단계 희박 연소 연소는 낮은 NOx를 생성하며 미립자 배출은 없다. 압축비가 높아질수록 열효율이 좋다.

헤비듀티 린 연소 가스엔진 제조업체로는 MTU, 컴민스, 캐터필러, MWM, GE 젠바허, MAN 디젤&터보, 웨르칠레, 미쓰비시중공업, 드레서랜드과스코어, 와우케샤엔진, 롤스로이스 홀딩스가 있다.

Honda 희박 연소 시스템

하나는 최신식 희박 연소 기술 자동차들 안에 생산 현재에서 누릴 수 있는"연비가 좋은"밑을 증가시키는 결과 질소 산화물 배출을 줄이기 위한 연료 분사, 강한air–fuel 소용돌이가 연소실에 만들며, 새로운 직선air–fuel 센서(LAF형 산소 감지기)과 린 번 질소 산화물 촉매의 매우 정밀한 조정기를 사용한다.coNDN 및 NO_x 배출 요구 사항 충족.

희박 연소 연소에 대한 이러한 층화-충전 접근방식은 공기-연료 비율이 실린더 전체에서 같지 않음을 의미한다. 대신 연료 분사 및 흡기 흐름 역학에 대한 정밀한 제어를 통해 스파크 플러그 팁(리치)에 더 가까운 연료 농도를 높일 수 있으며, 이는 완전한 연소를 위해 성공적인 점화 및 화염 확산에 필요하다. 실린더의 나머지 섭취 전력은 전체 평균 공기:연료비가 최대 22:1의 희박 연소 범주에 속하므로 점진적으로 희박하다.

희박 연소율(전부는 아님)을 사용한 구형 혼다 엔진은 초기 연소를 위한 "이상적" 비율을 사전 챔버에 공급하는 병렬 연료와 흡입 시스템을 갖추어 이를 달성했다. 그리고 나서 이 연소 혼합물은 더 크고 더 희박한 혼합물이 충분한 동력을 제공하기 위해 점화된 메인 챔버에 개방되었다. 이 설계가 생산되는 동안 이 시스템(CVCC, 복합 소용돌이 제어 연소)은 주로 촉매변환기 없이도 배기가스를 낮출 수 있었다. 이것들은 카뷰레터 엔진이었고, 현재 MPI (Multi-Port Fuel Injection)에 의거하여 더 높은 MPG를 허용하는 제한된 개념의 MPG 능력의 상대적인 "불완전한" 성질이었다.

신형 Honda 층화 충전(레온 연소 엔진)은 최대 22:1의 높은 공기-연료비로 작동한다. 엔진에 유입되는 연료의 양은 14.7:1로 작동하는 일반적인 가솔린 엔진보다 훨씬 낮다. 즉, 석유화학 산업에서 허용한₈₁₈ CH 표준에 따라 휘발유를 평균화할 때 완전 연소에 이상적인 화학적 스토이히메트릭이다.

물리학의 한계에 의한 이러한 희박 연소 능력과 현재의 가솔린 엔진에 적용되는 연소 화학은 가벼운 부하와 낮은 RPM 조건으로 제한되어야 한다. 희박 가솔린 연료 혼합물이 더 느리게 연소되기 때문에 "상단" 속도 차단 지점이 필요하며, 연소될 동력을 위해 배기 밸브가 열릴 때까지 "완전"해야 한다.

적용들

• 시빅 VX 1992-95
• 시빅 Hx 1996-2005
• 시빅 하이브리드 2002-05
• 2000-06 Insight 수동 변속기 및 일본 사양 Cvt만 해당

Honda 희박 연소 엔진 적용
			공차중량		연료 소비량, 일본 10-15 모드				연료 탱크 용량			범위
몇 해	모델	엔진	킬로그램	lbs	L/100km	km/L	영국 mpg	mpg US	L	영국을 방문하다	미국을 방문하다	km	1마일	메모들
1991–95	시빅 ETi	D15B	930	2050	4.8	20.8	59	49	45	9.9	11.9	938	583	5spd 매뉴얼, 3dr 해치, VTEC-E[3]
1995–2000	시빅 VTi	D15B	1010	2226	5.0	20.0	56	47	45	9.9	11.9	900	559	5spd 매뉴얼, 3dr 해치, 3단계 VTEC[4]
1995–2000	시빅 바이	D15B	1030	2226	5.3	18.9	53	44	45	9.9	11.9	849	528	5spd 수동, 5dr 세단, 3단계 VTEC[5]
2000-2006	통찰력	ECA1	838	1847	3.4	29.4	84	70	40.2	8.8	10.6	1194	742	5spd 수동, AC 없음

토요타 희박 엔진

1984년, 도요타는 4A-ELU 엔진을 출시했다. 이는 세계 최초로 희박 혼합형 센서가 장착된 희박 연소 제어 시스템을 사용한 엔진으로, 도요타는 'TTC-L'(토요타 토탈 클린-린-번)이라고 불렀다. 앞서 사용했던 TTC-V(Vortex) 배기가스 재순환접근법, 도요타 코롤라 E80, 도요타 스프린터 등을 대체한 도요타 카리나 T150에 일본에서 사용됐다. 희박 혼합물 센서는 이론적인 공기-연료 비율보다 희박함을 감지하기 위해 배기 시스템에 제공되었다. 연료 분사량은 희박한 공기-연료비 피드백을 달성하기 위해 이 감지 신호를 사용하여 컴퓨터에 의해 정확하게 제어되었다. 최적의 연소를 위해 개별 실린더의 분사량과 타이밍을 정확하게 변화시킨 프로그램 독립주입, 희박 혼합물로 점화성능 향상을 위한 백금플러그, 고성능 점화기 등이 적용됐다.^[6]

1587cc 4A-FE 및 1762cc 7A-FE 4기통 엔진의 희박 연소 버전에는 실린더당 2개의 입구 밸브와 2개의 배기 밸브가 있다. 도요타는 나비 세트를 이용해 초단기 흡입구 러너마다 기름유량을 제한한다. 이것은 연소실에 많은 양의 소용돌이를 생성한다. 인젝터는 일반적인 흡기 매니폴드에 장착되지 않고 머리에 장착된다. 압축비 9.5:1.^[7] 1998cc 3S-FSE 엔진은 직분사 가솔린 린 연소 엔진이다. 압축비 10:1.^[8]

적용들

토요타 희박 연소 엔진 적용
			공차중량		연료 소비량, 일본 10-15 모드				연료 탱크 용량			범위
몇 해	모델	엔진	킬로그램	lbs	L/100km	km/L	영국 mpg	mpg US	L	영국을 방문하다	미국을 방문하다	km	1마일	메모들
1984–88	카리나 T150	4A-ELU	950	2100	5.6	17.0	50	41	60	13.2	15.9	1056	656	5spd 매뉴얼[6]
1994–96	카리나 SG-i SX-i	4A-FE	1040	2292	5.6	17.6	50	41	60	13.2	15.9	1056	656	5spd 매뉴얼[9]
1994–96	카리나 SG-i SX-i	7A-FE	1040	2292	5.6	17.6	50	41	60	13.2	15.9	1056	656	5spd 매뉴얼[9]
1996–2001	카리나시	7A-FE	1120	2468	5.5	18.0	51	42	60	13.2	15.9	1080	671	5spd 매뉴얼[9]
1996–2000	코로나 프리미오 E	7A-FE	1120	2468	5.5	18.0	51	42	60	13.2	15.9	1080	671	5spd 매뉴얼[10]
1998–2000	코로나 프리미오 G	3S-FSE	1200	2645	5.8	17.2	49	41	60	13.2	15.9	1034	643	오토[11]
1996–97	칼디나 FZ CZ	7A-FE	1140	2513	5.6	17.6	50	41	60	13.2	15.9	1056	656	5spd 매뉴얼[12]
1997–2002	칼디나 E	7A-FE	1200	2645	5.6	17.6	50	41	60	13.2	15.9	1056	656	5spd 매뉴얼[13]
1997–2002	스파시오	7A-FE												오토[14]

닛산 희박 연소 엔진

닛산 QG 엔진은 희박 연소 알루미늄 DOHC 4밸브 설계로 가변 밸브 타이밍과 옵션인 NEO Di 다이 직분사 기능을 갖추고 있다. 1497cc QG15DE의 압축비는 9.9:1과^[15] 1769cc QG18DE 9.5:1이다.^[16]

적용들

닛산 희박 연소 엔진 응용 프로그램
			공차중량		연료 소비량, 일본 10-15 모드				연료 탱크 용량			범위
몇 해	모델	엔진	킬로그램	lbs	L/100km	km/L	영국 mpg	mpg US	L	영국을 방문하다	미국을 방문하다	km	1마일	메모들
1998–2001	써니	QG15DE	1060	2865	5.3	18.9	53	44	50	11	13.2	943	586	5spd 수동, 4dr 세단[15]
1998–2001	파랑새	QG18DE	1180	2600	5.8	17.2	49	41	60	13.2	15.9	1035	643	5spd 수동, 4dr 세단[17]
1998–2001	프리메라	QG18DE	1180	2600	5.8	17.2	49	41	60	13.2	15.9	1035	643	556	5스푼 수동, 5드르 왜건[16]

미쓰비시 수직 소용돌이(MVV)

1991년 미쓰비시는 미쓰비시의 1.5 L 4G15 직선 4-오버헤드 카메라 1468-cc 엔진에 처음 사용된 MVV(미쓰비시 수직보텍스) 희박 연소 시스템을 개발, 생산하기 시작했다. 수직 보텍스 엔진은 공회전 속도가 600rpm이고 압축비는 9.4:1이며, 기존 버전의 경우 각각 700rpm과 9.2:1이다. 희박 연소 MVV 엔진은 25:1의 높은 공기-연료비로 완전 연소를 달성할 수 있으며, 이는 동일한 변위의 기존 MPI 발전소에 비해 벤치 테스트에서 (일본 10-모드 도시 사이클에서) 10-20%의 연비 상승률을 자랑하며, 이는 CO₂ 배출량을 낮춘다는 것을 의미한다.^[18][19]

미쓰비시 MVV 시스템의 핵심은 선형 연료비 배기가스 산소 센서다. 기본적으로 단일 공기/연료비로 설정된 온오프 스위치인 표준 산소 센서와 비교하여 희박 산소 센서는 약 15:1에서 26:1까지의 공기/연료 비율 범위를 커버하는 측정 장치에 가깝다.^[19]

그렇지 않으면 희박한 혼합물의 느린 연소를 가속화하기 위해 MVV 엔진은 실린더당 2개의 흡기 밸브와 1개의 배기 밸브를 사용한다. 별도의 특수 형상(쌍방향 흡기 포트 설계) 흡기 포트는 크기가 동일하지만, 한 포트만 인젝터로부터 연료를 공급받는다. 이를 통해 흡입 행정 중 연소실 내에서 동일한 크기, 강도 및 회전 속도의 두 개의 수직 보트가 생성된다. 하나는 공기의 소용돌이, 다른 하나는 공기/연료 혼합물이다. 또한 두 가지 요소는 압축 행정의 대부분의 기간 동안 독립적인 계층으로 남아 있다.^[18][19]

압축 행정의 끝 무렵에는 층이 균일한 분폭으로 붕괴되어 희박 연소 특성을 효과적으로 촉진한다. 더 중요한 것은, 각 층의 상당량이 여전히 존재하는 동안, 발화는 개별 층의 붕괴의 초기 단계에서 발생한다. 스파크 플러그는 공기/연료 혼합물로 구성된 소용돌이에 더 가까이 위치하기 때문에 연료 밀도가 더 높은 펜트루프 설계 연소실 영역에서 발화가 발생한다. 그 후 불꽃은 작은 난기류를 통해 연소실을 통해 번진다. 이것은 정상적인 점화 에너지 수준에서도 안정적인 연소를 제공하여 희박 연소를 실현한다.^[18][19]

엔진 컴퓨터는 희박(정상 작동의 경우)에서 최고(중속도의 경우) 및 중간 지점까지 모든 엔진 작동 조건에서 최적의 공기 연료 비율을 저장한다. 전범위 산소 센서(최초 사용)는 컴퓨터가 연료 공급을 적절히 조절할 수 있는 필수 정보를 제공한다.^[19]

디젤엔진

모든 디젤 엔진은 전체 부피와 관련하여 희박하게 연소되는 것으로 간주할 수 있지만 연소 전에는 연료와 공기가 잘 혼합되지 않는다. 대부분의 연소는 작은 연료 방울 주변의 풍부한 지역에서 발생한다. 국소적으로 풍부한 연소는 입자 물질(PM) 배출의 원천이다.

참고 항목

• 엔진 노킹
• 수소연료향상

각주

인용구

참조

• PERE, EPA, 교통 및 공기질 사무소의 첨단 기술 차량 모델링"