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[오토저널] 다운사이징 엔진기술 – 1.2 GDI 터보차져 엔진

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-05-02 16:21:36

본문

세계적으로 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 CO2에 대한 문제가 가장 큰 과제 중 하나가 되었다. 이에 따라 본 고에서는 환경문제에 대응하는 르노의 신기술이 적용된 다운사이징 엔진을 소개하고자 한다. 르노는 기존 파워트레인 신기술을 결합하여 CO2 저감을 위한 선도적인 역할을 수행하려는 노력을 기울이고 있으며, 차세대의 터보 디젤 및 가솔린 엔진 ‘Energy’는 다운사이즈 전략에 새로운 전망을 보여줄 것이다.

기본 엔진 사양

●설계 및 개발 목적
1.6 110hp N/A 엔진을 대체 할 목적으로 1.2 TCe 엔진이 개발 되었으며, 이 엔진은 르노 차량뿐 아니라 닛산 차량에도 적용된다. 이 엔진의 개발목적은 다음과 같다.
•CO2와 연료 소비 저감
•저속성능(Low End Torque)과 빠른 토크 응답
•정비비용 절감
•다양한 차량과 트랜스미션에 적용 가능한 패키지

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●주요 특징
• 르노-닛산 “H” 패밀리의 알루미늄 블록을 기본으로, 주철 실린더 블록에 비해 약10kg의 경량화가 가능하다.
• 연소시스템으로는 텀블 포트, GDI, 트윈 VTC 그리고 터보를 채택하였다.
• 마찰 최적화를 위해 가변 오일펌프, DLC 태핏, 그리고 저마찰 드라이브 체인과 같은 혁신적인 기술이 적용되었다.

실린더 블록
알루미늄 실린더 블록은 오픈데크 디자인으로 고압 다이캐스팅 방식으로 제작된다. 알루미늄 주물과의 밀착성을 최적화하고 보어 뒤틀림을 최소화하기 위하여 스파이니 라이너타입(Spiny Liner Type)이 사용되었다.

연소 시스템
GDI는 저속토크의 향상과 높은 압축비를 얻을 수 있으나 오일 희석과 입자성 물질이 배출되는 문제점이 있다. 이런 위험성을 줄이기 위해 흡기 포트(Intake Port), 연소실(Combustion Chamber) 및 분사 표적 최적화 설계에 중점을 두었다.

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●흡기 시스템
• 고정식으로 설계된 포트가 강한 텀블을 일으켜 고속에서 가변 텀블 방식에 비해 우수한 성능을 보인다.
• 연소가스의 환원으로 펌핑로스를 줄여 부분 부하 시(Part Load) 연료 소모가 감소된다.
• 지각 연소(Late Combustion)로 촉매 예열 시간이 단축된다.

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흡기포트는 텀블 강도를 증가시키고 연소 안정성 및 생산성을 극대화하는 것을 목표로 설계되었다. <그림 5>는 시험을 진행한 연소 안정성과 BSFC의 주요한 차이를 보여준다 (2,000rpm Load Sweep, without VTC). 컴팩트한 연소실 설계를 위해, 피스톤 크라운은 Wall-guided 콘셉트로 설계되었고, 이와 함께 분할 분사 방식을 채택하여 급속 촉매 예열이 가능하다. 부분부하와 전부하에서 연료 효율성을 위해 압축비는 10으로 설정되었다.

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●연료 분사 최적화
• 연료 분사 시스템에는 6-hole 인젝터와 최대 200bar의 캠구동방식의 고압펌프를 사용하였다.
• 인젝터의 코킹을 막기 위하여 분사 압력 제어 및 연소실 내 인젝터 노즐 돌출부가 최적화 되었다.
• 배출 가스와 오일 희석을 최소화하기 위해 인젝터 각도와 분무 특성 분석이 수행되었다.

과급(Charging) 콘셉트

●배기 설계
배기 설계의 특징은 배기 밸브와 터빈 사이의 거리를 단축하여 양호한 통기성을 확보하고, 실린더 헤드 냉각에 필요한 적절한 유동을 유지하면서 배기 가스를 효율적으로 분배하는 것이다. 이 엔진은 기존 1.4 TCe 엔진에 비해 배기 밸브와 터빈 사이의 거리는 25% 단축되었으며, 배기 매니폴드 일체형 터보차져는 오스테나이트 스테인레스강 소재에 원심형 터빈 타입으로 설계되었다.

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채택된 재질은 980℃의 최대 온도 조건에서 사용 가능하며, 싱글 스크롤 터빈을 적용한 경량화 설계로도 실린더간 유동의 영향을 제한하고, 터빈 효율향상을 위한 고압력 펄스를 얻을 수 있도록 배기계에 대한 연구가 수행되었다.

●트윈 VTC와 동적 응답성
트윈 VTC는 과급 GDI 엔진의 성능을 확보하기 위한 필수적 요소이다. 저속에서 연소가스를 배출하는 것은 노킹 민감성을 감소시키고 낮은 BSFC 수준을 유지하며 저속토크를 향상시킬 수 있다. 이로 인해 Energy 1.2 TCe의 최대 토크 지점은 300rpm 앞당겨졌다. 트윈 VTC는 터보 시스템의 동적응답성을 향상시켜 1,500rpm에서 1.5초 내에 최대 토크의 90%에 도달한다.

마찰 최적화

●파일럿 가변 오일 펌프
파일럿 가변 오일 펌프는 두 단계의 압력 조절 시스템으로 발전하였다.

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파일럿 가변 오일 펌프의 채택으로 오일의 유량은 2 또는 4bar의 압력으로 조정된다. 압력 목표치는 ECU에 기록 및 제어되며 펌프에서 필요로 하는 오일 압력과 에너지를 ECU가 매칭시킨다. 부분 부하 시, 2bar의 압력 설정은 단일 가변 오일 펌프에 비해 4%의 BSFC의 이점이 있다. 저속 및 고부하에서 4bar의 압력은 40%의 추가 유량으로 피스톤 오일젯의 냉각 성능을 향상시킨다.

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●밸브 트레인 최적화
이 엔진에는 가볍고 고강성인 조립식 캠샤프트가 채택되었다. 단순성과 고효율의 밸브 리프트를 위해 DLC (Diamond-like Carbon) 태핏이 적용되었으며, ‘슈퍼피니싱(Superfinishing)’ DLC 코팅을 적용하여 표준 태핏 방식보다 30% 마찰을 감소시켰다. 타이밍 체인은 유압 텐셔너를 이용한 사일런트 타입이며, 이러한 밸브 트레인의 이점으로 NEDC 사이클에서 0.5g의 CO2를 저감하였다.

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엔진 제어

●하드웨어

엔진 컨트롤 유닛의 주요 특징은 다음과 같다.
• 트윈 VTC
• 압력 센서
• 분할 분사
• 인젝터 코일의 IGBT
• 능동 양방향 엔진 속도 센서
• 전자식 냉각수 온도 및 흐름 제어
• 파일럿 가변 오일 펌프

●소프트웨어
Energy 1.2 TCe의 EMS는 EMS2010 소프트웨어를 사용한다.
모든 소프트웨어 모듈은 ECU 하드웨어 플랫폼과 독립적으
로 개발되었다.

• 가솔린 분할 분사 관리
• 연료 압력 설정 및 제어
• 압력센서로 트윈 VTC의 공기 유량 모델
• 실린더 헤드 냉각수 흐름 제어
• 2단계의 전자식 수온 조절기

●스톱 & 스타트 기능
GDI와 스톱 & 스타트 기능의 조합으로 빠른 재출발(Restart) 편의성을 제공한다. 양방향 센서를 통해 매 정지 상태의 크랭크의 위치를 정확하게 추정하며, 정지 상태에서도 고압 연료를 유지할 수 있는 분사 시스템으로 스톱 & 스타트 조건을 확대하였다.

엔지니어링 목표

●성능과 운전성
합리적인 연료소비를 하면서 토크와 파워를 이용할 수 있도록 하였다.

• 저속토크는 1,500rpm에서 170Nm 수준으로 부드러움과 유연성을 보장한다.
• 2,000~4,000rpm 영역에서 190Nm 수준으로 적은 변속으로도 민첩함과 우수한 운전성을 보장한다.
• 4,500rpm에서 85kW(71 kW/ℓ)의 최대출력이 가능하다.

●CO2와 연료 소비
CO2 배출 저감은 이 엔진의 주요 목표이다. 기존 1.6 16V Engine과 비교해볼 때, CO2는 40g/km 넘게 저감되었다. 터보, GDI 그리고 트윈 VTC의 조합으로 다운사이즈 및 다운스피드가 가능하였고, 이를 통해 CO2를 급감시킴과 동시에 저부하에서의 효율을 개선하였다. 2,000rpm, 2bar BMEP에서 BSFC는 390g/kWh 이하로, 1.2ℓ 터보 엔진의 주목할 만한 개선사항이다. 이 엔진은 최적의 BSFC와 전 부하 영역에서 연료 효율을 위해 설계 된 한편, 각 차량 설정에 따른 발진성능과 최적의 소비영역을 맞추기 위한 기어박스 튜닝도 최적화되었다.

<그림 13>에서는 고속도로 주행에서의 작동 조건을 확인할 수 있다. 130km/h 0% 경사일 때, 이 엔진은 3,000rpm 근처로 세팅되었고, 최고 BSFC 영역에서 최대 토크 곡선의 중간에 있다. 또한 더 높은 토크가 요구되는 가속 또는 높은 경사에서도 유리한 영역에서 머무른다.

●정비
• 유압식 간극 조절식 타이밍 체인 적용으로 영구적 사용이가능하다.
• 폴리에스테르 코드, EPDM 고무를 이용한 보조 드라이브 벨트는 긴 내구 수명을 보장한다.
• OCS(Optimized Customer Service) 기능과 함께 오일 교환 주기 연장과 친환경 오일필터를 적용하였다.

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Energy TCe 115는 B와 C세그먼트의 중심이 되는 새로운 가솔린 엔진이다. 글로벌 디자인과 본 엔진에 채택된 기술들은 연료소비를 줄이고 최고의 운전성, 정비 최소화를 목표로 하여 지속적으로 혁신을 제공하며 균형 잡힌 최신의 엔진을 얻기 위해서 연구되었다. 그리고, 터보, GDI, 트윈 VTC의 조합과 진보된 제어 전략과 함께 다운사이즈와 다운스피드를 구현하여 토크 증대와 CO2 저감을 제공한다. 또한 적용된 재료들과 솔루션은 고객의 정비 비용을 최소화하도록 설계되었다.

 

글 / Yorick Duchaussoy (Renault s.a.s)

출처 / 오토저널 15년 10월호 (http://www.ksae.org)    

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