엔진의 성능을 올려주는 가변 인테이크 매니폴드 VIM 과 PDA

필요에 따라 전환하다 - 가변 인테이크 매니폴드

 자동차 엔진에서 동력을 얻기 위해 사용되는 재료는 크게 두 가지 입니다. 에너지를 가진 연료와 이를 연소시키기 위한 산소 입니다. 두 재료에 불만 잘 붙여주면 엔진이 돌아가게 됩니다. 

 연료는 자동차 내부의 탱크에서 ,산소는 자동차 외부의 대기에서 공급 받습니다. 

 공기가 외부에서 차량 내부로 들어오는 통로는 '에어필터 – 쓰로틀 바디 – 인테이크 매니폴드 – 밸브' 의 순으로 구성되어 있는데요. 

 이번 포스팅은 공기 통로 중 인테이크 매니폴드에 대한 이야기입니다.

 

www.mustang50magazine.com

 인테이크 매니폴드는 흡입된 공기를 각 실린더로 배분하는 역할을 담당하는 부품입니다. 

 하나의 큰 호스를 통해 들어오는 공기를 네 갈래로 나누어 각각의 실린더에 넣어주는 일종의 분할 통로입니다. (6기통이면 여섯 갈래이고요)

출처 : www.weapon-r.com

 그런데 최근 유체관련 기술발달에 힘입어 특이한 인테이크 매니폴드 (이하 인매니) 들이 사용되어 개발되기 시작했습니다. 

 단순 공기 분배의 역할에서 벗어나 보다 특별한 임무가 부여된 인매니가 등장한 것이지요.

출처 :m.audi-technology-portal.com

 

VIM (Variavble Intake Manifold)

 

 첫번째로 VIM 입니다. 완성차 업체에 따라 사용하는 용어가 약간씩 다르긴 합니다만, 대체적으로 VIM은 매니폴드의 길이를 조정하는 방식의 가변형식을 말합니다. 

출처 : www.924board.org

 위에서 언급된 공기 통로들은 모두 흡기저항을 발생시킵니다. 흡기가 장애물에 닿으면서 유속이 느려지는 현상이 일어나지요. 

 공기의 오염물질을 거르는 에어필터, 공기의 흐름을 분할하는 인매니는 모두 흡기저항을 불러오는 주요 부품입니다.

 이렇게 느려지는 유속을 보완하기 위해 인매니는 보통 가늘고 긴 형상을 하고 있는데요. (베르누이 효과, 유량이 일정하여 압력이 낮아지면 유속이 증가) 

 문제는 고rpm으로 갈수록 엔진이 마시는 공기량이 늘어난다는 점입니다. 

hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

 저속을 중심으로 설계된 인매니는 가는 형상을 가지고 있기 때문에 고속에서 대단히 낮은 흡기 효율을 보여줍니다. 

 고속에서는 소모되는 공기량이 많으므로 인매니가 굵고 짧아져야 효율이 높아집니다.  

 평소에는 괜찮지만 '100m를 전력질주한 후에 물을 빨대로 마시기 힘들 수 있다'는 상황을 떠올려 보시면 이해가 쉬우실 겁니다.

 때문에 공기가 들어가는 런너를 가늘고 긴 형상 하나, 굵고 짧은 형상 하나 각각 두 개씩을 만들어 붙였습니다. 

 평소에는 가는 빨때를 사용하다가 숨이 너무 차면 사용하라고 굵은 빨대를 하다 더 달아준 것과 비슷하지요. 

 이런 방식의 가변 인매니를 VIM, 배리어블 인테이크 매니폴더라고 부릅니다.

출처 : honda-tech.com

 위의 그림을 보면 인매니 내부에 가변 러너를 부착하여, rpm에 따라 선택적으로 공기통로의 길이를 바꾸어 줌을 알 수 있습니다. 길이만 바꾸어줄 뿐 단면적이 바뀌지는 않는 방식이로군요.

 플랩 타입이라는 녀석도 있습니다. 두 개의 고정 런너 사이에 플랩을 달아 놓고 런너사이의 구멍을 여닫으며 롱런너, 숏런러를 선택하는 방식입니다. (단면적과 길이가 다른 롱런너와 숏런너를 믹스해서 사용할 수 있습니다.) 

 

PDA (doubled Port Deactivation)

 VIM이 인매니의 '내부'의 형상을 바꾸어주는 지오메트리 조정방식이라고 한다면, PDA는 인매니의 '출구'의 형상 바꾸어 공기의 유량을 직접 조절해 주는 방식입니다. 

 4기통의 경우 인매니는 4개의 출구를 가져야 정상인데, PDA는 출구를 8개로 만들어서, 반만 열었다 모두 열었다 할 수 있게 되어있지요.

 부하가 적게 걸리는 저 rpm에서는 절반의 포트만 사용합니다. 유속은 빠르게, 유량은 적게 조절이 되겠지요. 고 rpm에서는 모든 포트를 사용합니다. 그러면 유속도 빠르고, 유량이 많게 조절이 됩니다. 

 

출처 : www.ebay.co.uk

 PDA의 포트 역시 VIM과 유사합니다. 

 플랩이 돌아가며 포트의 여닫이를 조절합니다. 그리고 단순 여닫이 조절 뿐만 아니라 각도 조절을 통해 또 다른 효과를 유도합니다. 바로 연소 효율을 올려주는 스월을 만들어 내는 것이지요.

 스월은 일종의 공기의 소용돌이입니다. 흡입된 공기가 플랩에 다으면서 소용돌이를 만들어 내는데요.  실린더 내부에 혼합기와 공기가 더 잘 섞이는 효과를 불러 오게 됩니다. 

 스월 덕분에 연료가 고르게 섞이니 노킹도 줄어들고, 더 적은 연료도 좋은 성능을 낼 수 있게 됩니다.

출처 : pmmonline.co.uk

출처 : gm-volt.com

 PDA와 VIM은 모두 가변 인매니의 한 종류입니다. 다만 PDA는 VIM에 비해 그렇게 많이 사용되는 편이 아닙니다. 

 인매니만 잘 설계하면 되는 VIM에 비해 PDA는 실린더 쪽의 환경도 같이 고려해야 하기 때문에, 개발이 까다롭다고 알려져 있지요.

출처 : mustangsdaily.com

 최근 대두되는 하이브리드 혹은 전기차로 무게 중심이 옮겨지면서 더 이상 인매니를 볼날이 머지 않은 듯 합니다. 

 하지만 현 시점에 여전히 내연기관은 가장 효율적이고 강력한 동력 발생원이고, 효율과 성능을 모두 충족시켜야 하는 조건에서 인매니는 여전히 매우 중요한 엔진의 주요 부품으로 남아 있습니다.

 다음 번에는 연소 조건 차체를 제어하는 가변 실린더 기술을 한번 다루도록 하겠습니다.

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