포트분사식 이륜차용 엔진의 가변밸브타이밍 및 리프트에 따른 성능특성에 관한 연구

Abstract

최근 가격이 저렴하고 사용이 편리하다는 장점으로 인하여 사용이 증가 되고 있는 이륜차에 대하여 국제적으로 배기규제가 강화되고 있다. 이에 따라 전 세계적으로 4행정 이륜차용 엔진에 대한 연구가 활발히 수행되고 있으며, 예전에는 가격상승이나 공간적인 제약 때문에 사용하지 못했던 승용차 기술들이 하나씩 이륜차에 적용되고 있다. 대표적인 기술로는 포트 분사 방식, 전자제어 시스템, VVT 및 VVL 기술을 들 수 있다. 이 중 회전수에 따른 장단점을 서로 보완해 줄 수 있는 VVT 시스템은 연비와 출력을 개선함은 물론 배기가스 저감의 효과도 있어 대부분의 자동차회사들은 이 시스템을 탑재한 엔진을 개발하여 신차에 적용해 출시하고 있다. 하지만 이륜차의 경우에는 승용차에 비해 아직은 연구가 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 1-D 엔진해석 프로그램인 WAVE를 사용하여 Prototype 이륜차용 전자제어 엔진에 VVT 및 VVL시스템을 적용해 보았다. 아울러 프로그램의 신빙성을 보완하기 위해 엔진성능 실험을 통해 검증하였고, 엔진 성능이나 효율에 깊은 관계를 지니는 흡입유량을 산출하기 위해 정상유동 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 단기통, 4행정, 125cc 배기량의 VL type과 Proto type 두 가지 이륜차용 엔진이 사용되었고, 각각의 엔진을 정상류 실험을 통해 흡입유량을 파악해 보았다. 그 결과, 밸브 리프트를 상승시킬수록 흡입유량도 상승하였며 일정 영역 이상에서는 더 이상 상승하지 않음을 알 수 있었다. 아울러 엔진성능 실험을 통해 회전수 별 토크와 출력을 알아본 결과, VL type의 경우 10.40Nm/6000rpm, 8.53PS/8000rpm, Proto type의 경우 10.03Nm/9000rpm, 14.61PS/11000rpm의 최대출력 및 토크를 얻을 수 있었다. 위 정상류 실험 결과를 토대로 WAVE 프로그램을 이용하여 엔진을 수치해석해 보았고, 엔진실험과 비교하였을 때 오차범위 10% 이내로 비교적 일치함을 확인하였다. 또한 위 엔진에 VVT 및 VVL 시스템을 적용했을 때의 영향을 예측 해 본 결과 배기밸브 VVT의 경우 회전수에 관계없이 출력 및 연료소비율이 오히려 저하되었고, 배기밸브 VVL의 경우에는 소폭 향상되었으나 그 향상 폭이 작아 이륜차의 공간제약 문제를 고려할 때 설계 시 큰 영향을 주지는 못할 것으로 판단된다. 하지만, 흡기밸브 VVT의 경우, 저속과 중속 영역에서는 밸브를 진각시킬수록, 고속 영역에서는 지각시킬수록 출력 및 연료소비율이 향상되었고, 흡기밸브 VVL의 경우 밸브리프트를 많이 열수록 출력이 향상되었다. 결과적으로 운전조건에 맞는 최적의 흡배기 작동시기를 찾을 수 있었다.; Recently, the international regulations about the exhaust emission of the motorcycle have been strengthened. Therefore, motorcycle engineers has interests in a technology that applied to automotive. The typical examples are electronic injection control system and VVT system. Among them, electronic injection control system has been studied a lot, but VVT system has not as much as others. The reasons are not only cost problem but also spacially limited space to install these systems. However VVT system has good enough value to be studied for improving engine power and decreasing emissions. That is why, in this study VVT system was applied to a electronically controlled prototype motorcycle engine using numerical analysis program "Ricardo WAVE" and also engine performance test was done experimentally to verify the numerically analyzed result. In addition steady state flow experiment was conducted to achieve intake air flux that is closely related to engine performance and efficiency.