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2013-10-09 11:21:15 | Hit : 13218 | Vote : 0 |
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엔진 튜닝의 이해2 |
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6장. 터보 튜닝
1. 개요
터보 튜닝이란 버려지는 배기가스의 에너지로 터빈을 돌려 흡입공기를 압축, 많은 공기를 연소실내로 공급하는 방법이다. 많은 공기를 넣으면 그에 상당하는 많은 연료를 태울수 있고 많은 연료가 타면 많은 에너지가 발생되어 출력이 상승함은 당연한 일이다. 하지만 제한된 하드웨어에서 높은 출력을 뽑자니 많은 문제와 고려점이 있기 마련이다. 터보 튜닝은 일반적으로 높은 성능을 얻을 수 있는 방법으로 널리 사용되어 왔으나 최근에는 연비와 관련되어 다시 연구 대상으로 떠오르고 있다. 터보 엔진은 자연흡기 방식보다 적은 배기량으로 동일 출력을 발생시킬 수 있기 때문에 엔진 무게와 마찰 손실의 감소, 높은 부하에서의 운전 등으로 연비와 배기가스 저감을 얻을 수 있다. 여기서는 교육의 주제에 맞게 성능위주로 살펴보자. 최근 국내 터보 장착의 기술은 많은 발전을 이루워서 하드웨어의 완성도가 높아지고 있으며 과거 항상 걸림돌로 작용하였던 ECU의 튜닝도 발전되어 몇 년 사이 완성도가 매우 높아지고 있는 추세로 과거 터보 튜닝에 대한 소비자의 불신을 불식시켜가고 있다. 과거 문제가 되어왔던 내구성의 문제 과도한 연비 저하 등은 하드웨어와 ECU 튜닝 기술의 발전으로 극복되어가고 있다고 판단된다.
그림 6.1 터보 시스템과 터빈의 구조
2. 터보의 고려사항
1) 터빈의 선정
터보 매칭의 시작에 있어서 가장 중요한 것은 원하는 시스템 컨셉을 결정하고 이 컨셉에 최적인 터빈을 선정하는 것이다. 터빈을 결정할 때 가장 일반적으로 사용되는 터빈의 스펙은 A/R 비와 Trim 비이다.
A/R 비: 초킹 면적/흡입부 중심부터 터빈 축 까지의 거리
Trim 비 : Compressor Blade의 최소직경과 최대 직경의 비
이 두 스펙은 엔진의 터보랙, 최대 부스트, 최대 마력, 배기온도 등 터보와 관련된 모든 성능과 관계가 있는 매우 중요한 수치이다.
2) 연소압
일반엔진의 경우 연소압이 최고 60bar 내외이나 터보차는 부스트에 따라 100bar를 쉽게 넘긴다. 엔진의 각종 무브먼트를 설계할 때 첫째 설계 팩터가 최고 연소압이다. 따라서 이런 고압은 설계 하중을 넘을 수 있고 각종 무브먼트와 블록등의 내구에 심각한 영향을 미칠 수 있다.
3) 고온
고압과 더불어 고온의 연소온도를 생각할 수 있다. 터보 엔진이 내뿜는 열에너지는 일반차보다 훨씬 많다.(많이 태우니 당연히) 따라서, 이는 양산 냉각시스템의 설계치를 넘을 수 있다. 피스톤이나 헤드의 열변형, 용융, 배기계의 파손, 냉각능력 부족, 윤활유의 온도급등에 따른 윤활막 파손등을 가져올수 있다.
4) 이상연소
터보를 장착하면 고온과 고압의 연소로 녹킹과 프리 이그니션등 이상연소의 증가를 동반하게 된다. 녹킹이란 스파크에서 점화된 화염이 도달하기 전에 미연소 혼합기가 자 발화하는 현상이다. 원인은 여러가지가 있지만 흡입혼합기의 온도와 연소압, 연소온도, 냉각성능 등은 밀접한 관계가 있다. 녹킹이 발생하면 실린더 벽면을 통한 열손실이 증대되고 오일온도 상승에 따른 점도저하로 금속간 마찰현상이 발생하여 마찰손실이 증대되므로 출력이 저하되고 철판을 두드리는 듯한 특유의 충격음이 발생한다. 터보차는 흡입공기를 압축할 때 온도가 올라가고 연소압, 연소온도 역시 높다. 따라서 녹킹이 심해질 수 밖에 없다. 이를 해결하지 않으면 초기에는 피스톤 상면에 못으로 찍힌듯이 자국이 나고 더 심해지면 녹게 된다. 그 충격파로 각종 무브먼트에 악영향을 미침은 물론이다. 프리이그니션은 스파크 플러그에 의한 착화에 앞서 연소실내의 다른 고온점에서 먼저 자발화되는 현상을 말한다. 이 경우 연소가 압축행정중에 대부분 완료되므로 압력이 비정상적으로 상승하고 압축일도 증가하므로 출력이 떨어진다. 또한 연소가스가 압축되므로 온도도 과도하게 높아지며, 따라서 상사점 근방에서 회전력이 감소하고 엔진이 정지될 수도 있다. 조기착화의 원인은 스파크 플러그의 전극 끝단, 배기밸브 등이 녹킹 등에 의해 과열되어 열점이 되어 표면착화 되기 때문인 경우가 많으며, 그밖에도 연소생성물의 재나 그을음 등이 피스톤 상면에 쌓여서 고온이 되거나 이와같은 퇴적물이 벗겨져 나가서 연소실내에서 떠다니다가 고온이 되어 점화원이 되기도 한다. 이는 매우 심각한 현상으로 피스톤이 매우 빠르게 손상 된다.
3. 터보 시스템의 구성
위와 같은 터보의 특성을 이해하고 안정적이고 요구를 만족하는 터보 시스템을 구성하기 위해서는 아래와 같은 내용을 고려하여야 한다.
1) 터빈의 선정
위에서 설명한 바와 같이 터보 시스템 구축에 있어서 터빈의 선정은 매우 중요하다. 원하는 출력과 사용 부스트, 사용 목적 등에 따라 적절한 터빈을 선정하여야 원하는 목적에 부합하는 터보 엔진 시스템을 구성할 수 있다. 터빈의 사이즈에 따라 터보랙, 배기온도, 출력 등이 달라지므로 터빈의 선정이 터보 시스템 구축의 첫걸음이며 최종 시스템을 결정하는 주요한 변수이다.
일반적으로 터빈 메이커에서는 터빈 압력맵(Compressor Map)을 제공한다. 이를 바탕으로 구성하고자 하는 터보 시스템에 적합한 터빈을 선정하는 방법을 알아보자. 참조된 내용이 미국의 자료이므로 터빈에 기초하여 사용된 단위가 영국단위이다. 그림 6.2의 흡입 유량과 그림 6.3의 밀도비에 관한 그래프는 수식으로도 계산할 수 있으나 다소 복잡하게 느낄 수 있고 제시된 그래프를 이용하는 방법이 편할 것으로 판단하여 그래프를 이용하였다.
본 예시에서 사용된 사양은 다음과 같다.
배기량 : 350 in3 (5735cc)
부스트 : 18 psi (1.24 bar)
타켓 rpm : 5000 (일반적으로 최대 토크와 파워가 예상되는 rpm의 중간값으로 선택)
대기압 : 14.3 psi (0.985 bar)
그림 6.2에서 350-CID(in3)에서의 흡입공기 유량은 약405-CFM이다.(그림에서 점선을 따라가면)
현재 사용되는 터빈의 효율은 약 60-75% 정도를 가진다. 이 예에서는 약68% 효율선을 따라 그림 6.3에서 밀도비 1.64를 얻을 수 있다. 이 밀도비를 자연흡기 엔진의 흡입 유량인 405-CFM에 곱하면 2.26 압력비에서의 흡입 유량을 계산할 수 있다.
흡입유량 = 405 X 1.64 = 664.2 CFM
그림 6.4의 터빈 압력맵에 위에서 얻은 데이터를 삽입하면 그림 6.4의 터빈을 하나 사용하는 경우 효율 55%라인에 위치하게 된다. 일반적으로 최소 60%이상의 효율이 요구되므로 이 터빈을 싱글로 사용하는 것은 좋은 선택이 되지 못한다. 그림 6.5에 나타낸 터빈을 두개 사용하는 경우를 생각해 보자. 한 터빈당 332 CFM으로 계산하면 그림 6.5에서 표시된 바와 같이 효율 68%이상에서 작동되게 된다. 따라서 이 터보 시스템에서는 후자의 터빈 선택이 적절한 것으로 판단할 수 있다. 한가지 주의하여야 할 것은 이 터빈 선정 방법은 좋은 시작점을 제공하는 것이고 최적의 터빈 선정은 결국, 실험을 통해서 결정된다. 하지만, 위와 같은 방법으로 터빈을 선정한다면 실험에서 오는 시행착오를 대폭 줄일 수 있을 것이다.
그림 6.2 자연흡기 엔진의 흡입 유량 (80% 체적효율)
그림 6.3 흡입공기 밀도비와 터보 압력비의 관계
그림 6.4 Rajay Model 300E 터빈 압력 맵
그림 6.5 Rajay Model 300F 터빈 압력 맵
2) 내구성의 고려
전술한 바와 같이 터보는 고출력에 동반되는 고압과 고온의 연소로 N/A보다 훨씬 높은 수준의 내구성이 요구된다. 내구성을 높이기 위해서는 전술한 내구에 영향을 미치는 현상을 줄이기 위한 노력과 고 내구력의 부품을 사용하는 두가지 방식으로 접근할 수 있다.
여기서도 양산 부품의 수준과 자신이 목표로 하는 튜닝수준을 고려하여 가장 경제적이고도 효과적인 방법과 부품을 선정하도록 노력하여야 하겠다. 꼭 필요한 부품과 가공부터 순서를 정하여 예산에 맞도록 튜닝하여야 하겠다. 확보된 자금은 얼마 없는데 고 부스트압으로 튜닝을 시도하면 내구에 문제가 생길 수 밖에 없다. 반대로 부스트압 얼마 안 쓰는데 온갖 비싼 부품들을 다 쓰는것도 튜너의 길이 아니다. 그리고 알고는 있지만 도저히 구할수 없는 부품들도 있습니다. 따라서 무조건 부스트를 높게 쓸수는 없다. 자신이 구할수 있는 부품과 가공의 범위내에서 최선을 다해야 합니다. 예를 들면 특수 주조된 블록은 매우 고가이며 사실상 제조 자체가 어려워 적용불가하다. 따라서 양산 블록이 견딜수 있는 범위내에서 튜닝을 하게 된다. 다행히도 국내 엔진은 설계 마진이 다소 높아 터보 튜닝에 유리한 측면이 있다.
첫째, 터보엔진에서 발생되는 고압에 대한 내구성을 확보하기 위해서는 연소압력을 직접받는 피스톤과 콘로드의 보강이 필요할 수 있다. 제 경험으로 부스트 1bar 정도 이하에서는 꼭 바꿀 필요는 없다고 본다. 다른 고려로 해결할 수 있다고 판단된다. 하지만 1bar 이상에서는 단조 피스톤, 튜닝 용 단조 콘로드 등 고 내구성 부품으로의 교환이 권장된다. 부품 선정 시 또 다른 고려점은 제품이 단조냐 아니냐도 중요하지만 정확히 설계된 제품이냐가 더 중요하다. 피스톤의 예를 들면 피스톤이 대충 보어사이즈 맞춰서 만들면 될 것 같지만 많은 노하우가 필요한 제품으로 피스톤과 링 모션을 고려하여 핀 옵셋, 프로파일, 오벌 등을 설계한 것이다. 이것이 제대로 되어있지 않으면 소음, 진동 및 내구저하와 열전달에도 문제가 발생될 수 있다.
둘째, 터보엔진에서 발생되는 고온으로 인한 문제는 단순히 내구성 있는 부품을 쓴다고 해결되지 않는 경우가 많다. 단조 피스톤도 재질은 알루미늄으로 녹는 온도는 일반 피스톤과 별반 다를게 없으며 윤활유가 고온으로 유막이 깨지면 아무리 내구 좋은 부품 써봐야 순식간에 망가지게 된다. 따라서 이를 해결하기 위해서는 온도가 올라가지 않도록 하는 방안이 효과적입니다. 냉각 효율을 증대시키기 위해 라디에이터를 교환하거나 유량을 증가시키기 위해 워터펌프 쪽을 변경하거나 특히 윤활유 온도는 양산 마진이 거의 없어 터보 튜닝시 오일 쿨러의 사용이 적극 권장되며 고온에서의 윤활 성능이 좋은 합성유의 사용도 좋은 선택이다. 또한, 피스톤의 온도를 낮추기 위해 오일 제트의 사용도 고려할 수 있다. 오일 쿨러를 사용하고 오일 제트를 사용하는 경우 오일압의 저하가 발생되고 이를 보상하기 위해서는 오일 펌프 유량을 늘릴 필요가 있다. 가장 흔히 쓰는 방법은 오일 릴리프 밸브의 스프링에 와셔를 껴서 오일압을 올리는 방법이 있다. 전문가에 따르면 오일압을 설계치 보다 높게 쓸 경우 악 영향이 있을수도 있다고 하지만 오일 쿨러 등을 다는 경우 강하되는 오일압을 보정하기 위해 잘 사용한다면 유용한 방법이 될 수 있다고 본다. 배기온도는 여러가지 요인이 복합적으로 작용된다. 그 중에 연소, 유동적인 것은 빼고 대표적인 것이 공연비, 배기저항, 점화시기 등을 생각할 수 있다.
배기온도를 낮추기 위해 공연비를 농후하게 하는데 이는 여분의 연료가 냉각제로 작용하여 온도를 떨어뜨리기 때문이다. 또한 배기저항을 줄이면 배기가 원활해져 배기온도가 낮아진다. 배기저항을 줄이기 위해서 흔히 쓰는 방법이 머플러의 교체와 촉매 제거인데 촉매를 제거하면 배기저항이 적어져 출력이 증대되고 배기온도가 낮아지므로 공연비를 출력이 높은 점으로 회복시킬 수 있으니 출력이 올라가 이중으로 효과가 있지만 환경규제에 저촉되므로 삼가해야 하겠다. 배기저항과 관련하여 터빈 사이즈에 따라 같은 부스트에서도 배기온도의 변화를 보인다. 터빈의 사이즈가 작을수록 배기 하우징의 크기도 작아져 같은 부스트에서의 배기온도가 높아지기 쉽다. 점화시기를 지각하면 배기온도는 올라간다. 따라서 점화시기를 전진하는 것이 유리한데 이는 녹킹과 연관되어있다. 즉 점화시기를 전진시키면 녹킹이 발생되기 쉬우므로 녹킹을 잘 제어하는 것이 배기온도와도 관련되는 것이다.
셋째, 녹킹과 프리이그니션. 앞에서 밝혔듯이 녹킹과 관련있는 인자들을 최대한 조절한다. 가장 먼저 고려해야할 것은 압축비를 낮추는 것이다. 압축비를 낮추기 위해서는 피스톤을 변경하는 방법이 일반적인데 사용 부스트에 따라 주조 사양과 단조 사양을 선택해야 하겠다. 흡기온을 낮추기 위해 인터쿨러의 사용이 유용하다. 좋은 인터쿨러의 사용은 흡기온도를 낮추어서 공기밀도의 증가에 따른 출력향상은 물론 녹킹성능을 개선하여 점화시기 전진에 따른 성능향상, 점화시기 전진에 따른 배기온도 저감 효과로 공연비를 높일수 있는 것에 따른 출력과 연비향상 등 터보의 모든 부분의 성능향상과 연결되므로 매우 중요한 부품이라 하겠다. 흡기온을 낮추고 부스트를 적게 쓰는것과 흡기온이 높고 부스트를 더 쓰는 경우 출력은 비슷할지 몰라도 녹킹 측면에서 전자가 훨씬 유리하여 내구면에서 권장된다. 또한 냉각 성능을 높이는 것도 도움이 되며, 특히 프리이그니션의 주요 소스가 되는 스파크 플러그는 냉형으로의 교환이 필수적이다.
그림 6.6
전문적인 튜닝에는 온도센서가 장착된 스파크 플러그를 이용하여 온도를 측정하여 열가를 결정하지만 대체로 부스트에 따라 열가 8-10정도면 문제 없을 것으로 판단된다. 열가 선정을 잘못하면 프리이그니션이 발생될 수 있고 프리이그니션이 발생되면 엔진에 심각한 손상을 가져오므로 여유있는 열가 선정을 권장하고 싶다. 냉형중에서도 레이싱 타입의 플러그가 권장된다. 터보로 압축압력이 증대되면 점화에 필요한 점화에너지가 증가되어 실화를 일으킬 수 있다. 레이싱 타입 플러그는 간극이 작고 끝이 뾰족한데 이것은 전자가 쉽게 튀어나가는데 도움이 되어 점화에 필요한 에너지를 줄여서 실화의 위험을 줄인다. 이것 외에 녹킹을 제어하기 위해 주행후 녹킹이 주로 발생되는 부분을 내시경이나 육안, 현미경등을 사용하여 확인한후 그 부위의 냉각을 돕기위한 방안이나 연소실 가공을 통하여 미연소가스가 자발화하기 어렵게 하는 방안이 있다. 앞에서도 밝혔지만 녹킹을 잘 제어하면 점화시기를 전진할수 있어 출력과 배기온도 저하, 내구성 향상 등 세가지를 한꺼번에 얻을수 있으므로 터보 튜닝에 있어 매우 중요한 부분이다.
4. 터보 시스템의 ECU 매칭
터보 시스템의 EMS 매칭은 연료량과 점화시기의 변경이 가장 중요하다. 예전에 ECU의 데이터 변경이 자유롭지 않은 시절에는 추가인젝터를 사용하는 방법이 널리 사용되었지만, 이방법은 전영역에서의 연료량의 정확한 매칭이 어렵고 점화시기 매칭이 어려운 문제점이 있어서 권장되지 않는다.
터보로 차를 개조한후 EMS 관련하여 교환하여야 하는 부품은 공기량 센서와 인젝터를 들 수 있겠다. 흡입공기량이 많아 졌으니 당연히 공기량 센서를 바꿔야 하겠고 거기에 맞게 인젝터도 유량이 큰것으로 교체하여야 하겠다. 고부스트 고출력 차량의 경우 연료의 공급이 모자랄 수 있으므로 대용량 연료펌프로 교체가 필요할 수 있다. 연료량 관련하여 또 중요한 것이 차량의 연료시스템이 리턴(return) 타입인지 리턴리스(returnless) 타입이냐 이다. 리턴 타입은 서지탱크의 압력 변화에 따라 서지탱크와 연료압의 차압을 항상 일정하게 유지하므로 부스트가 올라가서 서지탱크의 압력이 증가되면 연료압도 따라서 증가된다. 리턴리스 타입은 서지탱크 압력 변화에 무관하게 일정한 연료압을 공급하기 때문에 리턴 타입에 비해 부스트가 올라갈수록 연료압의 차이가 나게되어 엔진에 공급되는 연료량이 줄어들게 된다.
공기량 센서는 자신이 쓰고자 하는 부스트 압을 기준으로 정하면 되고 인젝터는 대략 부스트 압을 기준으로 예상 출력을 정한후 양산출력과의 비 만큼 양산 인젝터보다 큰 유량에 다소의 마진을 두어 결정한다. 양산 인젝터도 마진이 있는데 마진을 두는 이유는 터보는 배기온 규제 때문에 양산보다 공연비를 더 농후하게 해야하기 때문이다.
이를 적용하고 엔진에 맞게 튜닝하는 방법으로 애프터 마켓 ECU를 이용하는 방법과 양산 ECU의 데이터를 바꾸는 방법이 있겠다. 애프터 마켓 ECU는 모든 종류의 센서와 부하장치를 구동할수 있다는 장점이 있지만 그 로직은 양산 ECU에 비해 간단해 가속로직, 아이들제어, 시동로직 등에 있어서 양산 ECU의 정교하고 복잡한 로직에는 미치지 못한다. 양산 ECU의 데이터를 바꾸는 방법은 터보차량용이 아닌 ECU를 속인다고도 할 수 있다. 이를 성공적으로 수행하기 위해서는 공기량 센서와 연료량 계산에 관련된 수십개의 변수를 변경된 공기량 센서와 인젝터 유량을 고려하여 바꾸어야 하며 학습로직 관련된 변수도 완벽히 이해하여 속여줘야 원만한 맵핑을 할 수 있다. 이를 잘 수행하였을 시는 양산 차량에 가까운 안전성과 운전성을 가지는 차량의 제작이 가능하다. 또한, 기존의 ECU를 그대로 사용하므로 비용상의 장점이 있다. 애프터 마켓 ECU의 가장 돋보이는 장점은 부스트 조절 밸브의 조절이 가능하다는 것과 데이터를 누구나 바꾸기 쉽고 모든 차량에 대응이 가능하다는 것이다. 또한 양산 ECU에는 없는 레이싱 관련된 독특한 로직을 포함하고 있는 경우가 있다. 양산 ECU를 사용하는 경우 부스트 조절밸브를 조정하는 기능이 없으므로 외부에 별도의 장치를 달거나, 기계식으로 부스트를 고정하는 방법이 있다.
어느것을 사용하던 간에 맵핑의 주요 고려점은 배기가스온도, 출력, 녹킹성능 등을 고려한 정확한 연료량과 점화시기를 결정하는 것이다. 이들은 전술한 바와 같이 상호 연관을 주고 받으므로 이들을 종합적으로 고려하여 적정한 값으로 맵핑해 주어야 엔진 출력의 최대화, 배기계와 엔진의 보호라는 모든 목적을 달성 할 수 있다. 추가적으로 터보의 랙을 최소화할 수 있도록 점화시기를 선정하는 것과 가속 보정을 잘하여 린픽이나 실화가 발생되지 않도록 해야한다. 린픽이란 가속시 순간적으로 공연비가 희박해지는 현상이다. 운전자가 가속을 위해 엑셀 폐달을 밟으면 공기량은 증대되지만 공기량 센서가 이를 감지하여 연료량을 보정하는데는 시간지연이 생기고 연료량 증대에 따른 Wall Wetting으로 엑셀 페달을 밟을 때 순간적으로 희박해진다. 이를 보정하기 위해 1차적으로 시간지연이 없는 쓰로틀 포지션 센서의 변화량 값으로 연료량을 증량하고 가속을 시작하는 운전조건에 따라 같은 쓰로틀 변화에도 공기량의 변화는 다르므로 2차적으로 공기량 센서의 변화량으로 보정한다. 희박해지면 배기온도가 상승되며 특히 실화되기 쉬워지는데 실화되면 미연소된 연료가 배기관에 유입되어 배기관에서 연소, 배기온도를 급격히 상승시키게 된다.. 이와 같은 고려점을 모두 고려하여 ECU의 매칭을 수행하면 내구와 성능 모두를 만족하는 터보 시스템의 구현이 가능하다.
7장. 밸브이상운동, 윤활계, 응답성
1. 밸브 계의 이상 거동
캠에 의해 열린 밸브는, 밸브 스프링에 의해 닫힌다. 스프링에 의해 밸브 시트에 눌려 있는 상태의 밸브를, 캠 노즈로 눌러 연다고 하는 것이 올바르다. 이때 캠샤프트를 회전시키는 힘은 작을수록 좋으므로, 스프링의 탄성계수는 작은 것이 바람직하지만, 엔진을 고성능으로 할 목적으로 밸브를 크게 한다든지(관성이 커짐), 리프트를 크게 하기 위해서는 고 탄성계수의 스프링이 필요하여, 그 균형이 문제이다.
평상시의 운전에서 일어나는 것은 아니지만, 엔진을 허용회전 이상까지 회전했을 때에, 이 스프링의 탄성계수에 밸브 중량과 강성이 얽혀서, 밸브가 점프, 바운스, 서지 등의 이상한 작동을 하는 것이 있다.
그림 7.1
1) 밸브 점프
캠샤프트가 고속으로 회전하고 있는 상태에서 캠이 밸브를 눌렀을 때, 밸브의 관성력이 커서 스프링의 누름이 효과없이, 밸브가 캠 노즈로부터 떨어져 버리고 마는 것을 말한다. 밸브는 스프링에 눌러져 곧 되돌아 오지만, 이때 캠, 로커암, 밸브 리프터 등 동변계 부품이 서로 격돌하여 심할 때에는 파괴되어 버리고 마는 것도 있다.
2) 밸브 바운스
스프링에 눌러져 밸브가 닫힌 때에, 밸브 페이스가 밸브 시트 (연소실의 밸브가 맞닥뜨리는 부분)에 자연스럽게 밀착하지 않고 뛰어서 되돌아 오는 현상으로, 밸브 점프와 식으로 동변계가 손상을 입는다. 엔진의 회전을 올려 갔을 때, 밸브에 이러한 이상 작동이 일어나기 시작하는 회전수를 크러쉬 속도라고 하고, 이 속도가 엔진을 회전시키는 한계이다.
3) 밸브 서지
스프링의 이상 진동으로, 스프링이 갖고 있는 고유 진동수와 캠에 의한 신축 타이밍이 일치하여, 스프링이 자려 진동을 일으켜 날뛰는 현상을 말한다. 심할 때에는 스프링이 파괴되어 버린다. 이러한 밸브의 이상 작동은 밸브가 무겁고, 리프트가 크고, 고속 회전 엔진에서 발생하기 쉽다.
2. 윤활 방식
그림 7.2
예전 엔진은, Splash 式으로, 오일팬에 담긴 오일을 콘로드의 빅엔드가 칠 때에 분산되는 오일로 윤활하고 있었다. 요즘의 윤활시스템은 오일팬에 회수된 오일을, 필요한 부분에 유압펌프로 보내어 강제적으로 윤활하는 방법이 취해지고 있고, 오일의 순환 방식에 의해 드라이섬프式과 웨트섬프式이 있다. 장치로서는 오일을 담은 오일팬, 오일을 여과하여 불순물을 제거하는 오일필터, 오일을 엔진 각부에 압송하는 오일펌프 등으로 구성되어 있다.
웨트섬프는 대부분의 시판차가 채용하고 있는 방식으로, 우선 오일팬에 담긴 오일을 20 메쉬 전후의 금속 망으로 되어 있는 오일스트레이너로 큰 먼지를 제거하고 오일펌프로 빨아 올려, 이것을 오일필터에 보내어 미세한 이물을 제거한다.
엔진 블록에는 오일갤러리라고 하는 오일을 통과시킬 목적의 油孔이 열려 있어, 오일필터를 나온 오일은 이 유로를 통과하여 실린더 헤드로부터 밸브 트레인계로, 또 메인 메탈로부터 콘로드 메탈로, 그 밖에 피스톤, 실린더 보어 등 필요한 곳으로 보내진다.
윤활이 끝난 오일은, 피스톤, 콘로드, 크랭크샤프트로부터는 직접, 밸브트레인계의 오일은 실린더 블록中의 오일을 떨어뜨리는 구멍을 통과하여 오일팬에 되돌아와서 다시 오일스트레이너에 흡입되게 되지만, 고속으로 코너링을 한다든지, 급가속•감속을 하면, 오일이 오일팬에서 쏠리고 말아, 잘 흡입되지 않게 되어 버린다. 오일이 한쪽으로 치우치지 않도록 세퍼레이터(격벽)로 불리는 간막이板이 붙어 있는 엔진도 있지만, 레이싱카 전용 엔진에서는 스카벤징(Scavenging) 펌프로 오일과 동시에 기포 및 공기 등도 함께 빨아 들이고, 오일 세퍼레이터로 오일과 공기를 나누어, 별개로 설치되어 있는 오일 탱크에 담긴 것을 사용하는 방식이 취해진다. 이것이 드라이섬프 방식이다.
드라이섬프 방식은 오일을 담고 있지 않으므로 오일팬을 얕게 할 수 있어, 크랭크샤프트로부터 아래 부분이 작게 되기 때문에, 그만큼 엔진 중심을 낮게 할 수 있다. 또한, 운행중에 비산되는 오일이 회전하는 크랭크 축과 충돌하여 생기는 손실이 없어 출력의 향상을 도모할 수 있다. 그러나, 장치가 대규모가 되므로 일반차에는 포르쉐 및 페라리의 수평 대향 엔진 등 기구상 사용하지 않을 수 없는 경우에 채용되고 있을 뿐이다. 이것에 가까운 구조로, 오일 회수용 펌프를 오일팬중에 설치한 세미 드라이섬프 방식을 BMW가 채용하고 있다.
그림 7.3
3. 엔진의 과도특성(응답성)
아무리 토크가 큰 엔진도, 액셀 페달을 밟을때에 힘껏 가속되지 않는다든지, 코너에서 차량 자세 및 스피드를 컨트롤하고자 액셀을 미묘하게 조정하여도 엔진의 반응이 둔하면 고성능 엔진이라고 말하지 못할 것이다. 차량의 가속 성능이라든가 엔진의 리스펀스는 차량의 특성, 특히 차량 중량이라든가 감속 기어비의 영향을 크게 받지만, 엔진 그 자체에, 액셀 워크에 민감하게 반응하는 성능도 중요하다.
그림 7.4
이런 식으로 엔진 운전 조건을 변화시킬때, 엔진이 운전 조건을 변화시키기 전의 어떤 상태로부터 변경후의 어떤 상태로 되기까지의 도중 상태를 과도 상태라든가 PARTIAL 이라고 하고, 이때의 특성을 엔진 과도 특성이라고 부르고 있다. 과도 특성은 기본적으로 엔진 회전수의 변화, 요컨대 속도 변화를 동반하기 때문에 관성력이 관계되고, 엔진 운동 부분의 무게와, 엔진에 흡입되는 공기 및 공급되는 연료가(ECU의 감가속 맵핑을 포함하여) 액셀 페달의 움직임에 바로 반응하여 주는지 어떤지의 문제가 된다. 엔진 운동 부분의 관성력을 작게 하기 위해서는, 예를 들어 피스톤 등 왕복 운동 부품은 가능한 한 가볍게, 플라이휠 등의 회전 부품은 가볍게 함과 동시에 같은 무게라면 회전 중심이 무겁고, 외측이 가볍도록 하면 좋다. 레이스용 엔진의 플라이휠은 경량화가 도모된 것이 붙어 있다. 운동 부분이 가벼우면 피스톤으로부터의 토크에 재빠르게 반응하여 움직이는 것이 가능하다는 의미이다.
연료 분사식 엔진은 스로틀 밸브와 인테이크 매니폴드 사이에 서지 탱크로 말하는, 대략 총배기량과 같은 정도 용적의 공기 저장 장소가 있어, 액셀 페달을 밟아 스로틀 밸브를 열어도 관성에 의해, 공기가 바로 매니폴드에 들어가기 어렵다. 그렇게되면 엔진 토크의 첫 동작이 지연된다. 이 대책으로 서지탱크의 용적을 너무 작게 하면 맥동의 변화나 실린더 간 공기분배 악화로 엔진 출력이 저하되는 결과를 초래할 수 있다.
연료계는, 인젝터로부터 분사된 가솔린이 흡기 포트 및 흡기 밸브에 부착(wetting)되어, 연소실 내에 연료가 정확히 공급되지 않는 것이 있다. 이렇게 되면, 스로틀 밸브를 급격히 열때에 혼합기가 희박해져서 토크의 첫 동작이 지연된다. 이 현상을 피하기 위해서, 분사량을 그 순간만 증가시켜 연소에 적당한 농도로 되게 하는 가속 보정이 필요하게 된다.
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