CVCC
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1. 개요
CVCC는 1970년대 혼다가 개발한 저공해 엔진 기술로, 당시 미국 머스키 법의 엄격한 배출가스 규제를 통과한 최초의 엔진 중 하나이다. CVCC는 주 연소실과 예비 연소실을 활용한 독특한 연소 방식을 통해 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 배출을 줄이는 데 기여했다. 이 기술은 혼다 시빅 등에 탑재되어 1970~80년대 혼다 자동차의 주력 엔진으로 사용되었으며, 미국 자동차 기술자 협회로부터 20세기 우수 기술로 선정되기도 했다. 하지만, 이후 촉매 기술 발전과 배출가스 규제 강화로 인해 CVCC는 점차 사용이 중단되었다.
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| CVCC | |
|---|---|
| CVCC | |
| 개요 | |
| 명칭 | 영어: Compound Vortex Controlled Combustion 일본어: 複合渦流調整燃焼方式 (Fukugō Uzuryū Chōsei Nenshō Hōshiki) |
| 설명 | CVCC는 혼다가 개발한 저공해 엔진 기술의 명칭이다. 복합 와류 제어 연소 방식 (Compound Vortex Controlled Combustion)의 약자이다. |
| 역사 | |
| 개발 배경 | 1970년대 초, 미국에서 머스키법으로 알려진 엄격한 배기가스 규제가 시행될 예정이었다. |
| 개발 | 혼다는 이 규제를 충족하기 위해 새로운 연소 기술인 CVCC를 개발했다. |
| 발표 | 1972년 혼다는 CVCC 기술을 발표했다. |
| 상용화 | 1975년 CVCC 엔진을 탑재한 혼다 시빅이 미국 시장에 출시되어 큰 성공을 거두었다. |
| 기술적 특징 | |
| 작동 원리 | CVCC 엔진은 주 연소실과 부 연소실로 나뉘어 있다. 얇은 혼합기를 부 연소실에서 점화시켜 화염이 주 연소실로 분사되도록 하여 희박 연소를 실현한다. |
| 장점 | 낮은 배기가스 배출량 높은 연비 |
| 단점 | 복잡한 구조 높은 생산 비용 |
| 파생 및 유사 기술 | |
| 유사 기술 | 다른 자동차 회사들도 CVCC와 유사한 희박 연소 기술을 개발했다. |
2. 역사
1965년 혼다는 대기 오염 연구 그룹을 설립하고,[1] 1971년 2월 12일 혼다 소이치로가 도쿄 지요다구 오테마치에서 CVCC 기술을 처음 언급했다.[1] CVCC는 일종의 층상 충전 기술로, 1972년 10월 11일에 공개되었으며 도요타 (TTC-V로), 포드, 크라이슬러, 이스즈에 라이선스되었다.[1]
CVCC 기술은 1975년 ''ED1'' 엔진에 처음으로 적용되었다.[1] 이후 배출 가스 규제가 강화됨에 따라 모든 혼다 차량에서 CVCC는 PGM-FI (Programmed Fuel Injection) 방식으로 대체되었다. 일본의 일부 혼다 차량은 과도기적인 혼다 D, E 및 ZC 엔진에 전자 제어식 "PGM-Carb" 기화기를 사용했다.
2007년, 혼다 CVCC 기술은 일본의 기계 공학 유산 목록에 추가되었다.
2. 1. 개발 배경
1960년대 후반, 미국을 중심으로 대기 오염 문제가 심각해지면서 자동차 배출가스 규제가 강화되기 시작했다. 1970년 미국에서 제정된 '머스키 법'은 매우 엄격한 배출가스 기준을 제시하여, 당시 기술로는 통과가 불가능하다고 여겨졌다. 혼다는 이러한 시대적 요구에 부응하여, 기존 엔진 기술의 한계를 극복하고 새로운 저공해 엔진 기술 개발에 착수했다.1965년 혼다에 의해 대기 오염 연구 그룹이 설립되었고,[1] 1966년에는 혼다 기술 연구소 내에 "대기 오염 대책 연구실"(통칭 "AP 연구", AP는 Air Pollution의 약자)이 설치되었다.[8] 이는 일본 자동차 공업회의 미국 시찰 여행에 참가한 혼다 기술자가 현지의 배출 가스 연구 상황을 보고, 스기우라 히데오 소장에게 연구실 설치를 건의하여 이루어졌다.[8]
혼다 소이치로는 "기존 왕복 엔진의 개조 수준으로 대응 가능한 기술" 개발을 요구했으며, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 3가지를 동시에 줄이기 위해 희박 연소 방식 연구를 지시했다.[9] 도쿄 대학 교수 아사누마 츠요시의 조언에 따라, 당시 혼다 R&D 이사 데이트 타스쿠, 엔진 성능 연구 블록 책임자 야기 시즈오, 설계 수석 엔지니어 나카가와 카즈오는 희박 연소 연구를 시작했다.[1]
N600용 엔진을 단기통화한 개조 엔진으로 실험을 진행했고,[10] 닛산 자동차 등 타사 엔진을 사용한 연구도 병행했다.[10] 1971년 2월 12일, 혼다 소이치로는 도쿄 지요다구 오테마치에서 CVCC 기술을 처음으로 언급했다.[1]
1971년 2월에 개발 성공이 발표되었지만, 연료 공급 방식은 미정이었고, 특허 출원 중이라 "CVCC" 약칭도 구조를 유추할 수 없도록 정해졌다.[11] 이후 시빅에 탑재하여 머스키 법 통과를 위해 2.0리터급 엔진 개발을 서둘러 1972년 10월에 정식 발표했다.
2. 2. 개발 과정
1965년 혼다는 대기 오염 연구 그룹을 설립하고, 미국 자동차 회사의 배출 가스 데이터를 수집하며 본격적인 연구를 시작했다.[1] 1966년에는 혼다 기술 연구소 내에 "대기 오염 대책 연구실"(약칭 "AP 연구")이 설치되었다.[8] 이는 일본 자동차 공업회의 미국 시찰 여행에 참가한 혼다 기술자가 현지의 배출 가스 연구 상황을 보고 연구실 설치를 건의하여 이루어졌다.[8]혼다 소이치로는 기존 왕복 엔진을 개조하여 대응 가능한 기술 개발을 요구했고, 유해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)을 동시에 줄이기 위해 도쿄 대학 아사누마 츠요시 교수의 지도 아래 희박 연소 기술 연구를 진행했다.[9]
초기에는 부연소실식 디젤 엔진을 가솔린 엔진으로 개조하여 데이터를 수집하고, N600용 엔진을 단기통화한 개조 엔진으로 실험을 진행했다.[10] 닛산 자동차 등 타사 엔진을 사용한 연구도 병행되었다.[10]
1971년 2월 12일, 혼다 소이치로는 도쿄 지요다구 오테마치에서 CVCC 기술을 처음으로 공개했다.[1] 당시에는 연료 공급 방식이 결정되지 않았고, 특허 출원 중이었기 때문에 "CVCC"라는 약칭도 구조를 유추할 수 없도록 정해졌다.[11]
이후 시빅에 탑재하여 미국의 매스키 법을 통과하기 위해 2.0리터급 엔진 개발을 서둘렀고, 1972년 10월에 정식 발표했다.[11] 같은 해 10월 11일, CVCC 기술은 도요타 (TTC-V로), 포드, 크라이슬러, 이스즈 등 여러 자동차 제조사에 라이선스되었다.[1]
2. 3. 연표
- 1973년 (쇼와 48년) 12월 12일: 시빅에 '''CVCC''' 엔진을 탑재하여 출시.[1]
- 1980년 (쇼와 55년) 4월 25일: 어코드 및 프렐류드에 '''CVCC-II''' 엔진을 탑재하여 발표. 부연소실 위치를 중앙으로 변경하고, 토치 구멍(분사구)을 다공화한 센터 토치 연소실과 희박 혼합기 및 EGR (배기가스 재순환) 비율을 주행 조건에 맞춰 조절하는 래피드 레스폰스 컨트롤 시스템을 채용하여 연비 효율 향상을 실현.[1]
- 1981년 (쇼와 56년) 10월 29일: 시티에 새로운 퍼널형 연소실을 채용하고 초롱 스트로크로 높은 연소 효율을 실현한 '''COMBAX''' ('''COM'''pact '''B'''lazing combustion '''AX'''iom: 고밀도 속염 연소 원리) 엔진을 채용.[1]
- 1982년 (쇼와 57년) 11월 25일: 프렐류드에 컴팩트한 루프형 주 연소실과 B・C 토치 ('''B'''ranched・'''C'''onduit 토치: 분기 토치)를 통해 높은 압축비 9.4를 달성한 엔진을 탑재하여 출시.[1]
3. 작동 원리
혼다 CVCC 내연 기관 엔진은 일반적인 흡기 및 배기 밸브 외에 작은 보조 흡기 밸브를 갖추고 있다. 흡입 행정에서 매우 희박한 혼합물이 주 연소실로 다량 유입되고, 동시에 아주 적은 양의 농후 혼합물이 점화 플러그 근처의 예비 연소실(부연소실)로 유입된다. 압축 행정 말에 예비 연소실은 연료가 풍부하고, 예비 연소실 출구 근처의 주 연소실에는 적당히 농후한 혼합물이 있으며, 주 연소실의 나머지 부분은 상당히 희박하다. 점화 시 불꽃이 천공에서 나와 나머지 공기-연료 혼합물을 점화한다. 나머지 엔진 작동 과정은 표준적인 4행정 엔진과 같다.
일산화 탄소 및 탄화수소 형성은 혼합물의 전반적인 희박함에 의해 최소화되며, 주 연소실에서의 안정적이고 느린 연소는 최고 온도를 낮게 유지하여 질소 산화물 형성을 억제하는 동시에 평균 온도를 충분히 높게 유지하여 탄화수소 배출량을 낮춘다.[7] 이 설계는 배기 가스 재순환 밸브나 촉매 변환기를 사용하지 않고도 엔진이 연료를 덜 효율적으로 연소하도록 했지만, 배출 감소를 더욱 개선하기 위해 이후에 해당 장치들이 설치되었다.
3. 1. 희박 연소
희박 연소(린번)는 일반적인 가솔린 엔진보다 더 적은 연료와 많은 공기를 혼합하여 연소시키는 방식이다. 혼다 CVCC 엔진은 이 기술을 활용하여 배기 가스 중 유해 물질을 줄인다.[7]희박 혼합기는 연료 소비를 줄이고, 일산화 탄소(CO)와 탄화수소(HC) 배출량을 감소시키는 효과가 있다. 하지만 혼합기가 희박하면 실화하기 쉬워져 생가스에 의한 유해 물질이 증가할 수 있다.
CVCC는 이러한 문제를 해결하기 위해 주 연소실 외에 "점화원"을 생성하는 부 연소실을 추가했다. 부 연소실에는 전용 흡기 밸브, 전용 흡기 매니폴드, 전용 기화기가 있으며, 일반 혼합기보다 농후한(리치) 혼합기를 공급하여 점화 플러그로 확실하게 점화시킨다. 점화된 불꽃은 토치 구멍을 통해 주 연소실로 퍼져 나가 희박 혼합기를 연소시킨다.[7]
이 방식은 예연소실식이나 와류실식과 같은 숙성된 디젤 엔진 기술을 응용한 것이다. CVCC 기술은 구 소련의 부실식 엔진에 관한 기술 논문을 기반으로 한다.
CVCC는 엔진 본체를 개량하여 유해 성분을 줄이는 "전처리" 기술을 사용한다. 초기에는 촉매를 사용하지 않아 유연 가솔린 사용이 가능했지만, 배출 가스 감소를 더욱 개선하기 위해 나중에 배기 가스 재순환 밸브나 촉매 변환기 같은 "후처리" 기술들이 추가되었다.
3. 2. 부연소실
CVCC 엔진은 주 연소실 외에 부연소실을 별도로 갖추고 있다. 부연소실에는 농후한 혼합기(연료가 더 많은 혼합기)가 공급되며, 점화 플러그로 점화된다.[7] 부연소실은 작은 천공 금속판으로 둘러싸여 있으며,[7] 점화 플러그가 점화되면 농후 혼합물이 쉽게 점화된다. 부연소실에서 발생한 화염은 토치 구멍을 통해 주 연소실로 퍼져나가 주 연소실의 희박 혼합기(연료가 적은 혼합기)를 점화시키는 역할을 한다.[7] 이 과정을 통해 희박 연소의 단점을 극복하고 안정적인 연소를 구현한다.이러한 부실식 연소실은 연료 공급과 점화 방식은 다르지만, 예연소실식이나 와류실식과 같은 숙성된 디젤 엔진 기술을 응용한 것이다.[7]
4. 장점 및 한계
CVCC의 가장 큰 장점은 흡기 와류에 의존하지 않는 기화기 엔진을 사용할 수 있다는 점이었다. 이전의 성층 연소 엔진은 비용이 많이 드는 연료 분사 시스템이 필요했다. 혼다는 연소실 형태를 통해 흡입 기류의 속도와 와류를 증가시키지 않고도 농후 혼합기와 희박 혼합기를 분리할 수 있었다. CVCC 설계는 실린더 헤드만 수정하면 되므로 기존 엔진에도 적용할 수 있었다.
일부 초기 CVCC 엔진은 보조 밸브 고정 장치가 진동으로 풀리는 문제가 있었다. 이 문제가 발생하면 오일이 밸브 트레인에서 예연소실로 새어 들어가 출력 손실과 배기 파이프에서 다량의 연기가 나오는 현상이 발생했다. 혼다는 밸브 고정 장치에 금속 고정 링을 추가하여 나사산에서 빠져나오는 것을 방지하는 간단한 방법으로 이 문제를 해결했다.
4. 1. 장점
CVCC의 가장 중요한 장점은 흡기 와류에 의존하지 않는 기화기 엔진을 사용할 수 있다는 점이었다. 이전의 성층 연소 엔진은 비용이 많이 드는 연료 분사 시스템이 필요했다. 혼다는 연소실의 형태를 통해 흡입 기류의 속도와 와류를 증가시키지 않고도 농후 혼합기와 희박 혼합기를 분리할 수 있었다.CVCC 설계는 실린더 헤드만 수정하면 되므로 기존 엔진에도 적용할 수 있었다.
4. 2. 한계
일부 초기 CVCC 엔진은 보조 밸브 고정 장치가 진동으로 인해 풀리는 문제가 있었다. 이 문제가 발생하면 오일이 밸브 트레인에서 예연소실로 새어 들어가, 출력이 갑작스럽게 떨어지고 배기 파이프에서 다량의 연기가 나오는 현상이 발생했다. 이러한 증상은 일반적으로 엔진의 주요 오일 씰 고장을 나타내며, 수리 비용이 많이 드는 경우가 많았다. 그러나 혼다는 밸브 고정 장치에 금속 고정 링을 추가하여 나사산에서 빠져나오는 것을 방지하는 간단한 방법으로 이 문제를 해결했다.5. 평가 및 영향
CVCC는 당시 세계에서 가장 엄격했던 미국의 마스키법 배출 가스 규제치를 최초로 통과한 엔진이었다.[12] 이 공로로 CIVIC CVCC는 SAE의 월간 기관지에서 20세기 우수 기술 차 중 1970년대 우수 기술 차로 선정되었다.[12]
혼다 소이치로는 CVCC 개발 소식에 매출 증대를 기대했지만, 개발진은 "배출 가스 문제를 줄여 조금이라도 공기가 깨끗해지기를 바라며 개발한 것"이라며 환경 문제를 우선시했다. 이에 혼다는 반성했고, 이후 사장직에서 물러났다.[13][14]
이후 촉매 기술과 엔진 본체의 연소 해석 기술 발전으로 CVCC 이외의 엔진에서도 배출 가스 정화가 가능해졌다. 혼다에서 CVCC 기술을 도입했던 다른 회사들은 채용을 중단했고,[15][16] 혼다 역시 CVCC 채용을 중단했다.
5. 1. 긍정적 평가
CVCC 기술은 1970년대 배출 가스 규제 대응에 선구적인 역할을 했다.[12] 일본 기계 학회는 CVCC 기술을 "일본의 배출 가스 저감 기술을 세계 최고 수준으로 끌어올린 역사적인 기계"로 평가하며 기계 유산 (6호)로 지정했다.[12]미국 자동차 기술자 협회(SAE)는 CVCC 엔진을 탑재한 CIVIC CVCC을 1970년대 최고의 기술 차(Best Engineered Car)로 선정했다.[12] CVCC 엔진은 당시 세계에서 가장 엄격했던 미국의 마스키법 배출 가스 규제치를 최초로 통과한 엔진이었다.[12]
사단법인 자동차 기술회 (JSAE)는 "일본의 자동차 기술 180선"의 "가솔린 엔진" 부문에서 CVCC를 "마스키법을 후처리 (에어 펌프나 촉매 등) 없이 클리어할 수 있는 최초의 엔진으로서 미국 환경 보호청 (EPA)으로부터 인정받은 복합 와류 조속 연소 방식"으로 선정했다.
5. 2. 비판적 평가
촉매 기술과 엔진 본체의 연소 해석 기술이 발전하면서, CVCC 이외의 엔진에서도 배출 가스 정화가 가능해졌다. 이에 따라 혼다로부터 CVCC 기술을 도입하여 연구 및 시험적 출시를 하던 자동차 회사들은 CVCC 채용을 중단했으며[15][16], 이는 세계적인 흐름으로 이어지지 못했다. 오랫동안 CVCC를 채용했던 혼다 자체도 배출 가스 규제가 강화됨에 따라 CVCC에 촉매를 추가했고, 그 후에는 CVCC 채용을 중단했다.5. 3. 영향
CVCC 기술은 전 세계 자동차 제조사들의 저공해 엔진 기술 개발 경쟁을 촉진했다. 당시 세계에서 가장 엄격했던 미국의 마스키법 배출 가스 규제를 최초로 통과하면서, 다른 제조사들도 CVCC 기술을 도입하거나 자체적인 기술 개발에 박차를 가하게 되었다.[12] 희박 연소 기술은 이후 다양한 엔진에 적용되어 발전했으며, 현재까지도 중요한 기술로 활용되고 있다.CVCC 기술 개발 과정에서 축적된 경험은 혼다의 엔진 기술 발전에 중요한 밑거름이 되었다. 특히, 혼다 소이치로는 CVCC 개발 소식을 듣고 매출 증대를 기대했지만, 개발진은 "배출 가스 문제를 줄여 조금이라도 공기가 깨끗해지기를 바라며 개발한 것"이라고 주장하며 회사의 이익보다 환경 문제를 우선시하는 모습을 보였다. 이러한 개발진의 철학은 혼다의 기업 문화에도 영향을 미쳤다고 볼 수 있다.[13][14]
사단법인 자동차 기술회(JSAE)는 "일본의 자동차 기술 180선"의 "가솔린 엔진" 부문에서 CVCC를 "마스키법을 후처리 없이 클리어할 수 있는 최초의 엔진"으로 선정했다. 또한, 2007년에는 일본 기계 학회가 제정한 기계 유산(6호)에 "일본의 배출 가스 저감 기술을 세계 최고 수준으로 끌어올린 역사적인 기계"로 인정받았다.[15][16]
하지만 이후 촉매 기술과 엔진 본체의 연소 해석 기술이 발전하면서 CVCC 이외의 엔진으로도 배출 가스 정화가 가능해졌다. 이에 따라 혼다로부터 CVCC 기술을 도입했던 다른 제조사들은 점차 CVCC 채용을 중단했고, 혼다 자체도 배출 가스 규제가 강화되면서 CVCC에 촉매를 추가하거나 결국에는 CVCC 채용을 중단하게 되었다.
참조
[1]
웹사이트
Honda Global {{!}} Introducing the CVCC / 1972
https://global.honda[...]
2020-12-15
[2]
간행물
Milestones: The Journey of Honda in America.
https://images.squar[...]
2022
[3]
서적
World Cars 1985
The Automobile Club of Italy/Herald Books
[4]
서적
How to Rebuild Your Honda Car Engine
HP Books
[5]
서적
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Hoikusha
[6]
문서
World Cars 1985
[7]
웹사이트
Honda CIVIC CVCC ファクトブック
http://www.honda.co.[...]
[8]
웹사이트
AP研の発足 - Hondaのチャレンジングスピリット
https://www.honda.co[...]
[9]
웹사이트
希薄燃焼の実現に向けた試行錯誤 - Hondaのチャレンジングスピリット
https://www.honda.co[...]
[10]
웹사이트
副燃焼室付エンジンの開発がスタート - Hondaのチャレンジングスピリット
https://www.honda.co[...]
[11]
웹사이트
CVCCと命名 - Hondaのチャレンジングスピリット
https://www.honda.co[...]
[12]
뉴스
プレスインフォメーション、ホンダ、2000年3月24日
http://www.honda.co.[...]
[13]
비디오
プロジェクトX 挑戦者たち Vol.4世界を驚かせた一台の車 ― 名社長と闘った若手社員たち
NHKエンタープライズ
[14]
서적
新しい時代の技術者倫理
放送大学教育振興会
[15]
웹사이트
Honda社史・50年史 P104
http://www.honda.co.[...]
[16]
웹사이트
「技術発達のメカニズムと地球環境の及ぼす影響」
http://www.tokuyama.[...]
山海堂 (出版社)
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