[차드라이브] 현대자동차 스마트스트림 엔진 기술 - 1편
현대자동차는 가솔린 엔진에 대한 기술개발을 하여 스마트스트림 기술을 완성하였습니다. 오늘은 스마트 스트림에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
먼저 스마트스트림은 Smart + Stream 이 두 개의 단어를 합쳐 만든 용어입니다. 단순하게 스마트스트림이라고 이름만 지어서 올린다고 해서 되는 것은 어렵겠지요. 그럼 스마트스트림 기술이 무엇을 이야기하는 것인지 보시죠
KEY TECH
1. Smartstream Engine1. 최적의 공기량 제어
연속 가변 밸브 듀레이션(CVVD)
엔진에는 흡입공기를 위해 열었다 닫는 흡입 밸브와 연소된 공기를 내보내는 배기 밸브가 있습니다. 연속 가변 듀레이션은 이 밸브의 열고 닫힘을 제어하는 시스템입니다.
밸브를 열고 닫는 행동으로 무슨 장점이 생기는 것인가? 엔진은 흡입 행정과 배기 행정에서 밸브를 열고 있습니다. 공기를 흡입할 때 배기 밸브를 바로 닫아야 할 것 같지만 흡입 초기에 배기 밸브를 바로 닫지 않고 열림 시간을 조금 더 길게 두면, 실린더 밖으로 나가는 배기가스가 새로 유입되는 신기(Fresh Air)를 끌어당겨 흡기가 더 잘되고, 또 흡기가 배기를 밀어내어 실린더 내 잔류가스를 최소화하는 효과가 있습니다. 이것이 밸브가 열리고 닫히는 시간을 조절하는 이유입니다.
CVVT 연속 가변 밸브 타이밍(CVVT : Continuously Variable Valve Timing) 기술
밸브가 열리는 타이밍을 조절하여 열고 닫히는 시간을 조절하였습니다. 캠이 열리고 닫히는 시간은 일정하나 열리고 닫히는 타이밍을 변경시켜 공기 흡입구 배기 시 받는 부하를 최소화하는 방식입니다.
다음에 적용하였던 기술은 밸브의 깊이를 조절하여 열리고 닫히는 시간을 변경하는 CVVL 기술입니다.
마지막으로 적용한 기술이 CVVD 기술입니다. 연속 가변 밸브 듀레이션(CVVD) Continuously Variable Valve Duration은 밸브 자체의 열리고 닫히는 시간을 변경하여 공기 흡입에 배기를 마음대로 조절할 수 있는 시스템입니다. 공기의 흡입과 배기를 조절하게 되면 공기를 자유롭게 조절하여 실린더에 걸리는 부하량이 줄어들게 됩니다. 일반 주행 시 흡입행정 뒤 압축행정의 중∙후반까지 흡기 밸브를 오래 열어 불필요한 흡기를 다시 내보내고, 필요한 공기량만큼만 폭발에 사용해 피스톤의 압축 손실을 최소화했습니다. 그리고 가속할 때는 흡입행정 직후 바로 흡기 밸브를 닫아, 흡입 공기량을 최대화해 폭발력을 높였습니다. 이를 통해 일반 엔진 대비 출력은 4%, 연비는 5% 높일 수 있고 엔진 시동 직후 최적 밸브 타이밍을 통한 촉매의 조기 활성화로 배출가스도 12% 이상 저감할 수 있습니다.
수랭식 인터쿨러
먼저 인터쿨러는 터보차저에서 흡입되는 공기를 압축하여 엔진으로 보내기 전에 공기의 온도를 낮추는 역할을 하는 공기 냉각기입니다. 공기는 온도의 변화에 따라 1/273씩 부피가 팽창합니다. 그래서 공기를 압축하면 생기는 열로 인해 공기가 팽창하여 온도가 높은 공기는 밀도가 낮아집니다. 그 열을 식혀주는 것이 인터 쿨러입니다. 공랭식과 수랭식의 차이는 공기로 열을 식혀주느냐 냉각수를 사용하여 식혀주느냐 차이입니다. 수랭식 인터 쿨러의 장점은 그림에서 처럼 짧은 공기의 이동경로를 통해서 손실을 줄여서 엔진까지 갈 수 있는 것입니다.
2. 보다 효율적인 연소를 위해
듀얼 포트 연료 분사 시스템 (DPFI: Dual Port Fuel Injection)
흡기에 대해 알아봤으니 연료를 분사하는 연료 분사 방식에 대해 알아보겠습니다. 연료의 분사 위치, 압력, 분사 패턴에 따라 공기와 섞이는 정도가 달라지기 때문입니다. 공기와 잘 섞이면 안정적으로 연소돼 연비가 개선되고, 연소되지 않고 배출되는 유해물질을 저감 할 수 있습니다.
MPi (Multi Point Injection) 엔진은 특성상 흡기 포트에 연료가 분사되기 때문에 흡기 포트나 연소실 벽면의 액막(Wall Film) 량을 최소화하는 것이 연비 개선과 배출가스 저감 측면에서 매우 중요합니다.
듀얼 연료 분사 시스템 (Dual Fuel Injection) + 센터 인젝션 (Center Injection)
직접분사(GDi)와 간접(포트) 분사(MPi)는 각각의 장단점이 있습니다. 직접분사의 경우 고압의 연료를 실린더 내에 직접 분사함으로써 정밀한 연료 분사를 통해 높은 출력과 함께 저부하 영역에서 좋은 연비를 얻을 수 있습니다. 그러나 상대적 저속 영역에서의 소음과 진동은 단점입니다. 또한 연료가 미처 공기와 균일하게 섞이지 못할 수 있어 입자상 물질(PM)이 많이 배출될 우려도 있습니다.
그래서 MPi와 GDi 인젝션을 사용하는 이유는 출력을 좋게 하고 연비를 상승시킬 수 있는 장점이 있고 GDi에서 나오는 노킹 현상을 줄여줍니다. 듀얼 연료 분사 시스템(Dual Fuel Injection)은 각 기통에 GDi 인젝터 1개와 MPi 인젝터 1개, 총 2개의 인젝터로 구성돼 기존의 직접분사 방식의 장점과 간접분사 방식의 장점을 모두 합쳤습니다. 즉 일반 시내 주행과 같은 저∙중속 영역에서는 MPi 인젝터를, 고속도로나 자동차 전용도로 같은 고속 영역에서는 GDi 인젝터를 사용해 운전 조건에 따른 최적의 분사 전략으로 연비와 성능을 동시에 향상했습니다.
또한 GDi 인젝터를 연소실 정중앙(센터 인젝션)에 배치해 연료와 공기의 혼합 효율을 최대한 끌어올렸습니다. 우선 중앙에 배치된 인젝터는 점화 플러그 가까이에 위치해 좀 더 세밀한 분사 전략을 구현할 수 있습니다. 점화 직전 점화 플러그 주변에 극소량의 연료를 분사하면 순간적으로 연소실 내 혼합기의 유동이 강화되고 연료와 공기의 균일한 혼합이 극대화되기 때문입니다.
이를 통해 연소 속도가 빨라져 연비와 성능의 개선을 달성할 수 있습니다. 또한 인젝터가 연소실 한가운데 놓이면 대칭되는 분사 패턴의 최적화로 연소실 벽면에 연료가 점착되는 월 웨팅(Wall Wetting) 현상을 저감 시킬 수 있습니다.
이상 읽어 주셔서 감사합니다.
(출처 : 현대자동차 테크 페이지에서 옮겨 왔습니다)
https://tech.hyundaimotorgroup.com/kr/essential-performance/smartstream/