압축비

3. 엔진 형식별 대표적인 압축비

엔진 형식에 따라 적절한 압축비는 다르며, 이는 엔진의 성능, 효율, 그리고 배출가스 특성에 영향을 미친다.

3. 1. 가솔린 엔진 (자연흡기 방식)

3. 2. 가솔린 엔진 (과급기 방식)

3. 3. 가솔린 엔진 (레이스용)

3. 4. LPG/CNG 엔진

3. 5. 2행정 엔진

3. 6. 디젤 엔진

4. 압축 압력 측정을 통한 엔진 진단

엔진 상태를 진단하기 위해 점화플러그를 제거하고 압축 압력 측정기(압력계)를 연결하여 크랭킹함으로써 압축 압력을 측정한다. 이를 통해 엔진을 분해하지 않고도 실린더 헤드나 피스톤 링의 상태를 진단할 수 있다.^[14]

실린더의 압축 압력으로부터 압축비를 알 수는 없지만, 카탈로그 사양표 등에 압축비가 명시되어 있거나, 튜닝 후 계산이나 측정으로 압축비를 산출한 경우 등, 엔진의 압축비를 미리 알고 있는 경우에는 다음 계산식으로 연료에 점화 폭발하지 않는 경우의 상사점(上死點)에서의 압축 압력을 구할 수 있다.

:$p\; =\; p\_0\; C\_r^\backslash gamma$

• ''p''₀는 피스톤 하사점(Bottom Dead Center/BDC)에서의 실린더 압력이며, 일반적으로는 대기압인 1기압이다.
• ''C_r''은 압축비이다.
• γ는 혼합기의 비열비이며, 일반적으로는 공기의 값인 1.4 또는 메탄 혼합물의 1.3 사이의 값을 사용한다.^[14]

• 압축 압력을 측정하여 계산으로 얻은 값(일반적으로 제조사에 따라 기준 값이 수리 설명서 등에 기재되어 있다)보다 극단적으로 낮은 실린더가 발견되면, 플러그 홀에서 작은 술 한 잔 정도의 엔진 오일을 피스톤 헤드에 떨어뜨리고 압축 압력을 다시 측정한다.
• 만약 이것으로 압축이 크게 회복된다면 피스톤 링, 피스톤, 실린더 등 '''하부'''의 결함에 기인하는 압축 누출(출발 시 백연을 내뿜는 경우에는 오일 링 불량에 의한 '''오일 상승'''도 동반하고 있다)이며, 이것으로도 압축이 전혀 회복되지 않는 경우에는 실린더 헤드, 헤드 가스켓, 밸브 시트와 포핏 밸브의 접촉 상태 등 '''상부'''의 결함에 기인하는 압축 누출(출발 시 백연을 내뿜는 경우에는 밸브 스템 실 불량에 의한 '''오일 하강'''도 동반하고 있다)이다. 압축의 회복이 약간이라면 상부와 하부 모두에 결함이 있다고 판단할 수 있다.
• 부품별로 누출 원인을 자세히 조사하려면 leak-down tester를 사용하는 경우도 있다.^[14]

5. 정적 압축비와 동적 압축비

정적 압축비(Static Compression Ratio, SCR)는 피스톤이 하사점(Bottom Dead Center, BDC)에 있을 때의 실린더와 연소실의 전체 부피와 피스톤이 상사점(Top Dead Center, TDC)에 있을 때의 연소실 부피의 비율이다.^[9] 이는 기하학적 부피만을 고려하여 계산되며, 다음 공식으로 표현된다.^[10]

:$$\backslash mathrm\{CR\}\; =\; \backslash frac\; \{\; V\_d\; +\; V\_c\}\; \{V\_c\}$$

• $V\_d$: 배기량 (Displacement Volume). 피스톤이 압축 행정 시작부터 끝까지 움직이면서 밀어낸 부피.
• $V\_c$: 간극 부피 (Clearance Volume). 압축 행정 후 실린더에 남은 공간의 부피.

• $b$: 실린더 보어(Bore, 지름)
• $s$: 피스톤의 스트로크(Stroke, 행정) 길이

• $\backslash gamma$: 비열비에 대한 다변 과정 값 (일반적으로 1.2~1.3 사용)

6. 튜닝에 의한 압축비 변경

엔진 튜닝을 통해 압축비를 변경하는 주된 방법은 다음과 같다.

• 피스톤 변경: 피스톤 헤드를 가공하거나 교체한다.
• 보어 업(Bore up): 실린더 내경(보어)을 크게 확대한다.
• 연소실 가공: 용접을 통해 압축비를 높이거나, 절삭을 통해 압축비를 낮춘다. 실린더 헤드를 연마하기도 한다.
• 헤드 가스켓 변경: 가스켓 두께를 변경한다. 얇을수록 압축비가 높아지고, 두꺼울수록 낮아진다.

7. 가변 압축비 엔진

가변 압축비 엔진은 엔진 작동 중에 압축비를 조절할 수 있는 엔진이다. 대부분의 엔진은 고정된 압축비를 사용하지만, 가변 압축비 엔진은 피스톤이 상사점에 있을 때 피스톤 상단의 부피를 변경하여 압축비를 조절한다.^[11]

가변 압축비는 낮은 부하에서는 연료 소비를 줄여 효율을 높이고, 높은 부하에서는 출력을 높이기 위해 사용된다. 자동차 엔진의 경우 부하와 주행 요구에 따라 엔진 작동 중에 압축비를 조절해야 한다.

사브는 Saab Variable Compression engine(SVC)이라는 실험용 엔진을 통해 연소실 용적을 변경하여 압축비를 바꾸는 기술을 연구했다. 이 엔진은 크랭크케이스와 실린더를 별체식으로 만들고, 실린더와 크랭크케이스 접합면 한쪽에 경첩을 설치하고 다른 한쪽에 유압식 액추에이터를 배치하여 실린더 자체를 상하로 움직여 연소실 용적을 변화시키는 방식이다.^[19]

SAAB의 SVC는 가변 압축비 기술을 실현한 예시 중 하나이다. 하지만, 가변 압축비 엔진(Variable Compression Ratio/VCR)의 개념 자체는 1920년대에 해리 리카르도에 의해 처음 고안되었다.

SAAB는 '''Office of Advanced Automotive Technologies'''라는 연구 기관을 설립했고, 닛산, 볼보, PSA, 르노 등이 공동 연구에 참가했다. 이후 2016년에 닛산이 가변 압축비 엔진 기술을 실용화하여 양산차에 탑재하기 시작했다. 2019년형 인피니티 QX50은 가변 압축비 엔진을 사용하는 최초의 상용 자동차이다.

앳킨슨 사이클 엔진도 가변 압축비를 실현하기 위한 초기 시도 중 하나였다.

참조

_[1] citation Compression ratio https://www.britanni[...]
_[2] magazine 2012 Mazda 3 gets 40-mpg SkyActiv engine option; diesel expected in 2014 http://www.autoweek.[...] 2011-04-22
_[3] 웹사이트 Mazda's new direct-injection engine family arrives in 2011 https://www.cnet.com[...]
_[4] 웹사이트 Mazda Engine News: Mazda Sky Gas and Diesel Details https://www.caranddr[...] 2010-08-01
_[5] journal High Compression! https://books.google[...] Bonnier Corporation 1949-01-01
_[6] journal Cold Start on Diesel Engine: Is Low Compression Ratio Compatible with Cold Start Requirements? 2009-01-01
_[7] news Difference Engine: Born again https://www.economis[...] 2013-07-08
_[8] 웹사이트 Tractor Vaporising Oil http://tractorbits.c[...] 2005-04-18
_[9] citation Compression ratio https://www.britanni[...]
_[10] 웹사이트 Calculated Compression Ratios https://www.sq-engin[...]
_[11] 웹사이트 Variable Compression Engine https://www.fs.isy.l[...]
_[12] 웹사이트 Cam Timing vs. Compression Analysis https://victorylibra[...]
_[13] citation Compression ratio http://www.britannic[...]
_[14] text
_[15] text
_[16] text
_[17] 웹사이트 ヤマハ・DT50の国内仕様及び現行欧州仕様の諸元比較 http://pro.tok2.com/[...]
_[18] 웹사이트 プラグによる簡単な圧縮比UP http://www.neginolea[...]
_[19] 웹사이트 Saab Variable Compression engine http://www.fs.isy.li[...]