내연기관
메카트로닉스공학과
공학박사/교수 윤 천 한
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디젤기관 연료
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디젤기관에서는 공기만 실린더 내로 흡입하여 고압축비로 압축하면 공기의 온도가 높아진다. 여기에 연료의 일정량을 분사하여 착화시키는 기관이다. 연료는 석유계 연료 중에서 착화온도가 낮은 경유나 중유를 사용한다. 연료가 실린더 내 에서 연소하는 연소 속도와 피스톤의 속도 때문에 연료는 상 사점 전5˚(BTDC 5˚)에서 분사하여 상사점 후 30˚(ATDC 30˚) 까지 분사된다.
분사가 시작되는 크랭크 각도를 분사시기(injection timing) 라고 하며, 분사되는 기간을 연료분사기간이라 한다. 고속기 관일수록 분사시기를 빨리 해야 한다. 이것을 분사시기전진 (advance)이라 하고 고속일수록 전진각이 커진다.
연료를 분사하면 분사 즉시 연료가 착화되어야 한다. 즉, 실 린더 내에 연료를 분사하면 연료입자가 착화되기 쉬운 곳부 터 연소하여 이 연소열로 인하여 분사되는 연료를 즉시 연소 시켜야 한다.
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디젤기관용 연료의 구비 조건
• 점도(점성)가 적당해야 한다.
• 착화온도가 낮아야 한다.
• 기화성이 양호해야 한다.
• 발열량이 커야 한다.
• 부식성이 없어야 한다.
• 안정성이 양호해야 한다.
• 내한성이 양호해야 한다.
• 황 성분과 회분 성분이 적어야 한다.
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(1) 디젤기관 연료의 주요 성질
• 점성 : 점성(viscosity)은 디젤기관의 연료에서 중요 한 성질이다. 점성(점도)이란 유동할 때 저항하는 성 질로 내부응력의 크기, 즉 응집력의 크기를 수치적으 로 나타낸 것이다
• 착화성 : 착화성(ignitability)은 연료를 불씨 없이 가 열하여 불붙는 최저온도이다. 디젤기관에서는 공기 의 압축열, 즉 공기의 단열 압축열로 연료를 착화시 키므로 연료의 중요한 성질이다
• 황 성분 : 디젤 연료는 증류 온도가 높은 곳에서 분류 되므로 황 성분(sulfur content)이 2~4% 정도 함유 되어 있다. 황 성분이 있는 연료를 연소시키면 황이 연소하여 SO2로 되고, SO2가 팽창 중에 일부는 SO3로 된다
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• 회분(ash) : 회분은 연료가 연소할 때 타고 남은 재 를 말한다
이 재가 실린더와 피스톤링 사이에 끼어 마모를 촉진 시키고, 실린더 내에 쌓여 조기점화 현상을 일으킨다.
또 배기밸브의 가이드에 끼여서 마모시킨다 그러므로 회분이 적은 연료를 사용해야 한다
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연료의 발열량과 이론공기량
(1) 연료의 화학반응식
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(2) 원소분석과 가연 수소량
연료 1kg을 각각의 원소로 분류하고 백분율로 표시한 것을 원소분석(ultimate analysis)이라고 한다
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(3) 발열량
발열량(heating value)이란 연료 1kg을 연소시킬 때 발 생하는 열량이고, 단위는 kcal/kg이다
내연기관에 사용되는 연료는 대부분 탄화수소로 되어 있 다. 이 탄화수소 중에 수소가 연소하면 물이 생기는데 이 물이 액체 상태로 존재할 때 측정된 열량을 고위발열량 (higher heating value)이라 하고, 탄화수소가 연소할 때 물이 생기는데 이 물이 기체 상태에서 측정된 열량을 저 위발열량(lower heating value)이라고 한다
고위발열량과 저위발열량의 차이는 물이 액체에서 기체 로 될 때 증발잠열 만큼 차이가 있다
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(4) 이론 공기량
연소 방정식에 의하면, 1kg의탄소 수소 황을 연소시키 는데 필요한 이론산소량은 각각 2.67kg, 8kg, 1kg이다 그러므로 이론 산소량은 다음과 같다
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(5) 공기 과잉율 및 당량비
이론적으로 연료 1kg을 연소시키는데 필요한 공기량은 Gth(kg/kg)이다.
그러나 연료를 완전 연소 시키려면 공기를 더 공급해야 한다.
실제로 실린더 내에 흡입공기량 Ga(kg/kg)과 이론공기량 (Gth)의 비를 공기비(air ratio) 또는 공기 과잉율(excess air ratio; λ)이라고 한다
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(6) 연소 가스량
연료가 공기와 혼합하여 완전 연소할 때 연소 가스가 발생된다
이 연소 가스 중에 수증기 발생분을 포함한 전체 연소 가스량을 습 연소 가스량(wet combustion gas)이라 하고, 수증기 발생분을 제외한 전체 연소 가스량을 건 연소 가스량(dry combustion gas)이라고 한다
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스파크 점화기관의 연소
(1) 가솔린기관의 정상 연소
스파크 플러그(spark plug)가 있는 기관, 즉 가스기관 가솔린기관 등유기관에서 연료가 연소하는 것을 말한 다
이들 기관의 기준이 되는 가솔린기관에 대하여 살펴 보기로 한다. 다른 기관도 이와 같다
가솔린기관에서는 혼합기를 실린더 내에 흡입 압축한 후 피스톤이 상사점 전 5 30˚에 있을 때 스파크 플러 그에서 점화하면 스파크 플러그 쪽에서 얼마 후 화염 (flame)이 나타나 화염면(flame front)을 형성한다
점화 후 어느 정도 시간이 경과한 후에 화염면이 나타 나는 것은 연료의 점화지연(ignition lag) 때문이다
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(2) 가솔린기관의 노크
가솔린기관에서 압축비가 높거나 기관이 과열되었을 때, 또는 여름철에 흡기온도가 높을 때, 정상연소와는 아주 다른 이상연소가 일어나 배기관으로 흑연(검은 연기)과 불꽃을 토출하고 출력이 저하되며, 진동이 심하고 굉음 (노크 음)이 발생한다
이것을 노크(knock)라고 하며, 리카르도와 우드버리 (ricardo & woodbury)에 의하면 노크의 원인은 화염면 이 말단가스로 진행되는 동안에 말단 가스 쪽의 미연소 가스가 압축되어 온도가 높아지고 실린더 벽 및 화염 면 에서 열이 전달되어 온도가 더욱 높아진다
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(3) 조기 점화
이상연소가 발생하여 기관이 과열되면 실린더 내로 흡 입되는 혼합기가 실린더 내의 과열점, 즉 배기밸브, 플 러그의 돌출부, 탄소퇴적물에 의해서 점화된다. 이것은 연료가 스파크 플러그로 점화하기 전에 점화되므로 조 기 점화(pre-ignition) 현상이라고 한다
조기점화 현상이 일어나면 점화를 빨리시킨 결과가 되 므로 노크가 발생하게 된다. 조기점화 현상이 일어나면 점화장치 이외의 것에 의해서 연료가 점화되므로 점화 장치를 차단해도 기관이 계속 운전된다.
이것을 런온(run on) 현상이라고 한다. 런온 현상이 일 어났을 때 기관을 멈추려면 연료계통을 차단해야 한다.
또 조기점화가 일어나면 기관이 과열되므로 노크가 발 생한다.
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(4) 가솔린 노크의 방지법 1) 연료에 의한 방지법
2) 기관의 운전 조건에 의한 방지법 - 흡기온도를 낮춘다
- 실린더 벽의 온도를 낮춘다 - 회전수를 증가 시킨다
- 혼합비를 농후하게 하거나 희박하게 한다 - 점화시기를 지연 시킨다
- 화염전파거리를 단축한다 - 흡기압력을 낮게 한다
- 교축밸브를 교축시킨다 3) 연소실 모양에 의한 방지법
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(5) 연료의 반 노크성
가솔린 연료에서 연료가 노크를 일으키지 않는 성질, 즉 착화가 잘 되지 않는 성질이 큰 것을 반 노크성 (anti-knock)이 크다고 한다
가솔린기관에서 노크가 일어나는 것은 연료의 일부가 자발화 되어 일어나므로 자발화를 억제시키면 노크가 감소된다
이 억제시키는 성질을 수치적으로 나타낸 것을 반노크 성 또는 항 노크성이라고 한다
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압축 점화기관의 연소
(1) 디젤기관의 연소
압축 점화기관은 고속 디젤기관, 저속 디젤기관 및 소 구기관을 뜻하며, 여기서는 디젤기관이라고 한다
디젤기관에서의 연소는 공기만 실린더 내에 흡입하고 고 압 축 비 (20~30) 로 압 축 하 면 공 기 온 도 가 500~800℃로 높아지고, 여기에 연료를 분사하면 연 료가 착화된다.
연료가 처음으로 착화되어 화염이 나오는 곳은 매 사 이클마다 다르며, 연료입자가 착화되기 쉬운 요건이 조성되는 곳에서 착화되어 화염이 발생한다.
화염이 발생하면 실린더 내의 여러 곳에서 화염이 발 생하여 분사되는 연료를 계속 연소시킨다.
고속 디젤기관에서는 경유를 사용하고, 저속 디젤기 관에서는 중유를 사용한다
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1) 착화 지연 기간(A~B 구간)
A점에서 연료를 분사하기 시작하면 연료입자가 증발하 고 공기와 혼합하여 착화되기 쉬운 입자가 먼저 착화되 어 화염이 형성되는 기간이다. 분사 초기에 는 분사량이 적으므로 연료가 연소되어도 온도와 압력 상승은 작고, 피스톤의 관성력으로 상사점으로 압축되어 간다.
2) 급격 연소 기간(B~C 구간)
피스톤이 상사점에 있을 때 실린더 내의 압력과 온도가 가장 높고, 분사 초기에 분사된 연료가 연소되어 화염이 형성되어 있으므로 연료가 분사되면 분사 즉시 연소되 는 기간이다
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3) 제어 연소 기간(C~D 구간)
제어기간은 피스톤이 상사점을 지나서 하사점으로 이 동할 때, 즉 연소가스가 팽창하고 있을 때의 기간이다.
연료의 분사 말이므로 연료량은 적으나 연료가 계속 일정한 방향으로 분사되므로 공기가 부족하여 불완전 연소되는 기간이다.
4) 후기 연소 기간(D~E 구간)
제어기간 동안에 공기 부족으로 불완전 연소된 연료와 연소하지 못한 연료가 실린더 내에서 와류를 일으키면 서 공기와 만나 연소하는 기간이다. 이 기간에 산소와 접촉되지 못한 연료는 매연으로 되어 배출된다. 이 기 간 동안에 연소되는 연료는 피스톤이 하사점으로 이동 되어 있으므로 열이 일로 전환되지 못하고 냉각수 온 도만 증가시키는 원인이 된다
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(2) 디젤기관의 노크
디젤기관에서 압축비가 낮거나 또는 실린더 내의 온도 가 낮고 분사 초기에 연료의 분사량이 많으면 분사 초 기에 분사된 연료가 연소되지 않고, 피스톤이 상사점으 로 올라가면 연료가 상사점으로 밀려가 상사점 부근에 정상연소 때보다 많은 연료가 있게 된다.
이 많은 연료가 급격 연소기간에 동시에 연소하므로 연 소압력이 급격히 높아진다.
즉, 정상연소 때의 압력보다 연소압력이 더욱 높아진다.
이 높은 압력 때문에 압력파가 발생하고 진동과 소음이 발생한다.
이것을 디젤 노크라고 한다
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디젤기관의 노크 방지법
• 세탄가가 높은 연료를 사용한다
• 압축비를 높인다.
• 분사 초기에 연료 분사량을 감소시킨다.
• 흡기온도를 높인다.
• 회전수를 낮춘다
• 흡기압력을 높인다
• 실린더 벽의 온도를 증가시킨다
• 실린더 내에서 와류가 일어나도록 한다
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