자동차공학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 26. 가변 흡입장치
26. 가변 흡입장치
가. 가변 흡입장치의 개요
가변 흡입장치(variable induction control system)는 기관의 광범위한 회전 영역에
서 흡입효율을 향상시키기 위하여 개발된 것이다. 일반적으로 흡입밸브가 닫히는 시점은 피스톤이 하사점(BDC)을 지난 후로 설정하는데 이것은 흡기다기관 내로 흡입되는
공기의 관성에 의하여 하사점후에도 새로운 공기가 실린더 내로 들어오도록 하기 위함
이다. 이를 관성효과라 한다. 즉 관성효과는 흡기다기관내에 발생한 압력파가 동일 흡
입행정에 영향을 주는 것을 의미한다.
압력파는 흡기다기관 내의 공기 유동은 피스톤의 왕복운동과 흡입밸브의 개폐에 의
하여 발생하는데 이 압력파를 이용하면 체적효율(흡입효율)을 증대시킬 수 있으며 흡기
다기관내의 공기 흐름속도와 길이 등에 따라 영향을 받는다. 또한 고속회전이나 흡기다
기관의 길이가 긴 경우에는 다음의 사이클에 영향을 미치게 되는데 이를 맥동효과 또는
공명 과급효과라 한다. 즉 맥동효과는 다른 실린더의 맥동을 그 실린더의 흡입 행정에
서 영향을 받는 것이며, 서지탱크의 체적이 작을수록 그 영향이 커진다.
이와 같은 관성효과와 맥동효과는 흡기다기관의 길이와 체적이 일정하면 기관의 어
느 한정된 회전속도에서만 최적화가 된다. 즉 저속에서 체적효율이 좋은 경우에는 고속
에서 체적효율이 저하하게 된다.
저속에서는 흡기다기관의 길이가 긴 것이 체적효율이 높지만,
반대로 고속에서는 흡기다기관의 길이가 짧을수록 체적효율이 높아지는 것을 알 수 있
다. 이에 따라 저속과 고속에서 동시에 체적효율을 향상시키기 위해서는 흡기다기관의
길이나 체적을 기관 운전조건에 따라 가변시키는 것이 필요하며, 이러한 목적으로 사용
되는 것이 가변 흡입 장치이다.
나. 가변 흡입장치의 구조
이 장치는 실린더 내로 흡입되는 공기량을 증대시킴으로서 기관 출력향상을 그 목적
으로 한다. 즉 저속과 중속에서의 회전력과 고속에서의 출력증대를 양립시키기 위한 방
법으로 운전 조건에 따라 흡기다기관의 길이나 서지탱크(surge tank)의 체적을 변화시
켜 제어한다. 이를 실현시키기 위한 방법에는 관성 과급효과를 이용하는 것으로 이것
은 흡기다기관의 유효 단면적을 변화시키는 것, 흡기다기관의 유효길이를 변화시키는
것, 맥동 과급효과를 이용한 2개의 서지 탱크를 연결하는 공명관의 유효길이를 변환시
키는 방법 등이 있다.
그리고 관성 과급과 맥동 과급을 동시에 이용하는 방법으로 2개의 서지 탱크의 칸막
이 벽을 개폐하여 서지탱크 수를 2개에서 1개로 변환하고 유효길이를 변환시키는 방법
이 있다. 아래 [그림 2-73]은 흡기다기관의 단면적을 변환시키는 방법의 예를 나타내
었다. 각 실린더의 흡기다기관 통로는 2개로 나누어, 한쪽에 흡입 제어밸브를 설치하여
기관 회전속도에 대응한 밸브를 개폐를 한다. 즉 저속과 중속에서는 밸브를 닫아 통로
의 단면적을 감소시켜 흡입공기의 흐름속도를 빠르게 한다.
이렇게 하면 체적효율 상승과 연소실 내에서 와류(swirl)를 형성시키는 것이 가능하
게 되어 연소효율을 높을 수 있다. 따라서 저속과 중속에서의 회전력과 연료 소비율 향
상이 가능해진다. 반대로 고속에서는 밸브를 열어 2개의 통로로 흡입되므로 흡입저항이
감소하게 되므로 높은 출력을 확보할 수 있다.
아래 [그림 2-74]는 실질적 서지탱크 수의 변화 및 흡기다기관 유효길이를 동시에 변
환시키는 방법의 예이다. 이 방식에서는 서지탱크를 2개로 나눈 곳에 흡입 제어밸브를
둔다. 이 밸브를 열면 각 서지 탱크가 연결되어 전체 실린더의 압력 변동이 탱크 내에서
상쇄되어 밸브 근처에는 흡입 공기 흐름이 매듭지어 진다. 밸브를 닫으면 각 서지탱크
는 독립적으로 되어 상류의 집합부가 매듭지어진다.
따라서 전자의 경우는 흡기다기관의 실질적 길이가 짧아지고, 후자의 경우는 흡기다
기관의 길이가 길어지게 되므로 기관의 회전속도에 따라 밸브 개폐를 제어하여 기관의
전체 작동영역에서 체적효율을 상승시킬 수 있다.
다. 가변 흡입장치의 작동
가변 흡입장치는 다양한 형태로 구성할 수 있으나 대부분 제어 밸브를 설치하여 기
관 회전 속도에 따라 흡기다기관의 길이나 단면적을 변화시키는 방법을 이용한다. 아래
[그림 2-75]는 가변 흡입장치의 일예이다.
이 장치는 기관 회전속도에 따라서 최대 회전력이 되도록 흡입 공기의 흐름을 자동
으로 제어하여 저속에서는 흡기다기관의 길이를 길게 하고, 고속에서는 짧게 한다. 흡
입제어밸브의 구동은 직류 전동기(DC motor)로 하며, 이 전동기는 컴퓨터(ECU)로 제
어된다.
기관 회전속도에 따라 밸브의 목표위치를 미리 설정해 두고 목표값과 실제값 사이의
차이가 발생하면 이 차이를 흡입밸브 위치센서에서 감지하고, 밸브구동 전동기를 작동
시켜 목표값과 실제값이 일치하도록 제어한다. 밸브 위치센서는 밸브를 개폐할 때 밸브
의 위치를 정확히 파악하기 위해 밸브축에 설치하며 홀 센서(hall sensor)방식으로 되
어 있다. 점화 스위치를 ON으로 한 상태에서 컴퓨터는 밸브구동 전동기를 작동하여 밸
브가 충분히 닫히도록 하여 초기상태로 조정하고, 이후에는 펄스신호의 수에 따라 밸브
열림량을 계산하여 제어한다.
라. 흡입의 동적효과(맥동효과)
흡입행정의 마지막에 흡입밸브를 닫으면 새로운 공기의 흐름이 갑자기 차단되어 정
압파가 발생한다. 이 압력파는 음으로 흡기다기관의 입구를 향해서 진행하고, 입구에서
반사되므로 부압파가 되어 흡입 밸브쪽으로 음속으로 되돌아온다. 밸브가 닫혀 있으면
이 압력파는 부압파로서 다시 흡기다기관의 입구로 향해서 진행하고, 입구에서 반사되
어 정압파로 되어 다시 흡입밸브에 도달한다. 이때 다음 사이클의 흡입밸브를 닫히기
직전으로 해주면 급기 밀도가 증가하므로 과급을 한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 이
것을 흡기다기관의 맥동효과라 한다.
흡기다기관의 입구 끝에는 대기 압력이 작용하므로 압력은 항상 일정하지만 그 속도
의 변화가 매우 심하다. 반대로 닫혀진 흡입밸브에서는 속도가 0이 되므로 이때 압력의
변화가 가장 심하다.
이와 같이 흡입밸브가 닫히는 시기를 맥동 효과에 의해서 발생하는 정압파에 맞출 수
있으면 출력을 향상시킬 수 있는 경우가 있다. 그러나 잘못 맞추어 부압파가 왔을 때 흡
입밸브가 닫히면 오히려 출력이 감소한다.