(Internal Combustion Engine)
2012년도 1학기(제 7주)
기계자동차공학부
박 승 운
◈ 학습목표
o 연료 발열량과 이론 공기량에 대한 이해 o 연소실에서의 점화와 연소에 대한 이해
◈ 학습성과
o 연료의 발열량과 이론 공기량을 산출할 수 있어야 함.
o 불꽃점화기관 및 압축점화기관에서의 연소특성을 설명할 수 있어야 함.
강의 내용 및 순서
■ 연료의 발열량과 이론공기량
■ 스파크점화기관의 연소
■ 압축점화기관의 연소
■ 연료의 발열량과 이론 공기량 ◈ 연료의 화학반응식
- 석유계 및 석탄계 연료의 성분 : 탄소(C), 수소(H), 황(S), 수분(W), 회분(A) o 탄소
o 일산화탄소
■ 연료의 발열량과 이론 공기량 ◈ 연료의 화학반응식
- 석유계 및 석탄계 연료의 성분 : 탄소(C), 수소(H), 황(S), 수분(W), 회분(A) o 수소
o 황
■ 연료의 발열량과 이론 공기량 ◈ 원소분석과 가연 수소량
- 원소분석(ultimate analysis) : 연료 1kg을 각각의 원소로 분류하고 백분율로 표시한 것.
- 가연수소(free hydrogen) : 전체 수소 중 산소와 결합하는 수소량을 뺀 값.(H-O/8)
◈ 발열량(heating value, H)
- 연료 1kg을 연소시킬 때 발생하는 열량. [kcal/kg]
- 고위 발열량(higher heating value, Hh) : 연소과정에서 수소가 산소와 결합하면서 물이 발생되는 데, 물이 액체상태로 존재할 때에 측정된 발열량.
- 저위 발열량(lower heating value, Hl) : 물이 기체상태에서 측정된 발열량.
■ 연료의 발열량과 이론 공기량 ◈ 이론 공기량
- 이론 산소량 : 연료의 구성원소 1kg당 소요되는 산소의 양.
■ 연료의 발열량과 이론 공기량 ◈ 공기 과잉율 및 당량비
- 공기 과잉율(excess air ratio, λ) 또는 공기비(air ratio) : 실린더 내에 흡입공기량과 이론공기량의 비.
- 당량비(equivalence ratio, Ψ) : 공기과잉율의 역수
※ 이론 공기체적(Ath) 과 이론 공기중량(Gth) 비교
■ 연료의 발열량과 이론 공기량 ◈ 연소 가스량
- 습 연소가스량(wet combustion gas) : 연소가스중에 수증기 발생분을 포함한 전체 연소 가스량.
- 건 연소가스량(dry combustion gas) : 수증기 발생분을 제외한 연소 가스량.
※ 프로판(C3H8) 연료 1kg을 공기과잉율 1.2로 연소시킬 때 습 연소가스량 및 건 연소가스량
■ 스파크 점화기관의 연소 ◈ 가솔린 기관의 정상연소
- 화염 전파속도(burning velocity) : 화염면의 진행 속도.
⇒ 정상연소시 : 15 ∼ 25 [m/s]
* 연료의 종류, 회전수, 혼합비 등에 따라 변화
- 정상연소(normal combustion) : 말단가스가 화염면에 의해 점화되어 연소하는 경우.
- 이상연소(abnormal combustion) : 말단가스가 자발화나 과열점에 의해 점화되어 연소하는 경우.
■ 스파크 점화기관의 연소
◈ 가솔린 기관의 노크(knock)
- 데토네이션 파(detonation wave) : 말단가스의 온도가 높아져 이상연소가 일어나는 경우 순간적으로 짧은 시간동안에 높은 압력을 동반한 충격파가 발생함.
⇒ 불완전 연소 발생, 비정상적인 굉음 발생, 출력저하, 피스톤의 과열 초래
- 조기점화(pre-ignition) : 점화시기 도달 전에 과열표면에 의해 점화되는 현상.
- 후기점화(post ignition) : 연소가스가 팽창도중에 연소하는 것.
⇒ 열량이 유효일로 전환되지 못하고 기관을 과열시켜 냉각수의 온도만 증가시킴.
- 노크발생시 화염전파 속도 : 300∼2,000 [m/s]←detonation wave - 노킹 존(knocking zone) : knock 가 발생하는 말단가스 부근 영역.
* 출처 : 내연기관, 김동진 외, 문운당, 2010
■ 스파크 점화기관의 연소
◈ 조기점화(pre-ignition)
- 기관이 과열되어 스파크플러그에 의해 점화하기 전에 점화되는 현상.
⇒ 노크와 유사한 현상 발생
- 런온(run on) : 조기점화 현상이 발생되어 점화장치를 차단해도 기관이 계속 운전되는 현상.
⇒ 기관을 멈추기 위해서는 연료계통을 차단해야 함.
※ 노크와 조기점화는 발생원인은 다르나 결과는 같아짐.
※ 와일드 핑(wild ping) : 노크가 일어나지 않고 불규칙적으로 날카로운 굉음(고주파 음)을 발생하는 것.
⇒ 실린더 내의 탄소 퇴적물이 원인
※ 럼블(rumble)현상 : 압축비가 10 이상인 경우, 기관 내에서 규칙적인 저주파 음이 발생하는 현상.
⇒ 실린더 내의 탄소 퇴적물이 원인
※ 서드(thud)현상 : 압축비가 12이상인 경우에서 저주파 음을 발생하는 현상.
⇒ 실린더 내의 온도가 높아져 발생. 점화진각을 늦게하여 해결.
■ 스파크 점화기관의 연소
◈ 가솔린 기관의 노크(knock)
▶ 노킹의 원인 : 말단가스의 비정상연소(이상연소) - 압축비가 지나치게 높을 때
- 점화시기가 적당하지 못할 때 - 흡기의 압력 및 온도가 높을 때 - 실린더 및 피스톤이 과열되었을 때 - 기관을 과부하로 운전할 때
- 불량한 연료를 사용하였을 때 ▶ 노킹의 영향
- 노크 음 발생 - 배기가스의 변색 - 실린더 온도의 상승 - 조기점화
- 배기온도의 강하 - 최고온도의 상승
* 출처 : 내연기관, 김동진 외, 문운당, 2010
■ 스파크 점화기관의 연소
◈ 가솔린 기관의 노크 방지법
o 현상 :
- 굉음과 진동 발생 ⇒ 크랭크축 베어링 균열 초래 - 출력 저하
- 기관의 과열 초래 ⇒ 실린더와 피스톤링이 융착 가능 o 방지법
1) 사용 연료에 의한 방지 - 옥탄가가 높은 연료 사용.
⇒ 착화온도가 높아 말단가스의 자발화를 지연시킬 수 있음 2) 기관의 운전조건에 의한 방지
① 흡기온도를 낮춘다.
⇒ 화염전파속도가 빨라지고, 말단가스의 온도가 낮아진다.
■ 스파크 점화기관의 연소
◈ 가솔린 기관의 노크 방지법
2) 기관의 운전조건에 의한 방지 ② 실린더 벽의 온도를 낮춘다.
⇒ 말단가스의 온도가 낮아진다. 실린더 벽의 냉각 ③ 회전수를 증가시킨다.
⇒ 화염전파속도가 빨라짐.
④ 혼합비를 농후하게 한다.
⇒ 연료의 양이 증가하면 실린더내에 증발열을 흡수하여 실린더 내의 온도 감소
■ 스파크 점화기관의 연소
◈ 가솔린 기관의 노크 방지법
2) 기관의 운전조건에 의한 방지 ⑤ 지나친 조기점화를 피한다.
⇒ 점화시기를 상사점 가까이로 이동시킨다.
⑥ 화염전파 거리를 단축한다.
⇒ 실린더 지름을 작게, 또는 점화프러그의 위치를 적정하게 설치.
⑦ 흡기 압력을 낮게 한다.
⇒ 흡기압력을 높이면 말단가스의 온도가 증가하여 노크발생 원인 제공.
⑧ 교축밸브를 교축시킨다.
⇒ 교축시키면 축력이 감소하여 노크 경감.
■ 스파크 점화기관의 연소
◈ 가솔린 기관의 노크 방지법
3) 연소실 모양에 의한 방지
- 플러그의 위치와 말단가스의 거리가 짧을 수록 노크방지 가능.
■ 스파크 점화기관의 연소 ◈ 연료의 반 노크성
o 반 노크성(anti-knock) : 연료가 노크를 일으키지 않는 성질, 즉 착화가 잘 되지 않는 성질이 큰 것.
; 내폭성(耐爆性) 또는 제폭성(制爆性)이라고도 함 1) 옥탄가(Octane Number, ON)
: 가솔린 연료의 반 노크성을 수치적으로 표시한 것.
※ CFR 기관(Cooperative fuel research Engine) : 옥탄가나 세탄가를 측정할 수 있는 특수한 기관으로 운전중에 압축비를 바꿀 수 있음.
※ ON = 93 ; 이소옥탄 93%와 노멀 헵탄 7% 를 체적비로 혼합한 표준연료와 같은 크기의 노크를 일으키는 연료.
2) 성능수(Performance number, PN) 또는 출력가 : ON이 100이상인 연료의 내폭성 표기
※ ON과 PN과의 관계
■ 스파크 점화기관의 연소 ◈ 연료의 반 노크성
3) 4-에틸납(tetra ethyl lead, TEL) 첨가량
4) 반 노크(anti- knock) 제
: 연료의 옥탄가를 증가시키기 위하여 첨가하는 물질
※ 4-에틸납, 철카르보닐, 니켈카르보닐, 테트라에틸주석, 에틸 아이오다이드, 아닐린, 이실론, 알코올, 벤젠 등
※ 1993년 이후 환경문제로 4에틸납이 첨가되는 것이 금지됨.(무연 휘발유만 판매)
그 대안으로 MTBE(Methyl Tertiary Butyl Ether)가 개발되어 사용되고 있으나 미 EPA에서 2급 발암물질로 분류함.
■ 압축 점화기관의 연소 ◈ 디젤기관의 연소
- 압축비 12 ~ 22 공기 압축 ⇒ 공기온도 500~ 600 ℃ ⇒ 연료 분사
1) A-B 구간(착화지연 기간)
; 분사시작, 착화 시작 ⇒ 실린더 압력 상승 - 저속기관 : CA 1~2 [˚]
- 고속기관 : CA 10 [˚] 정도
2) B-C 구간(급격연소 기간) ; 분사즉시 착화 ⇒ 압력 급상승 - 디젤 노크 발생 구간
3) C-D 구간(제어연소 기간)
; 연소가스가 팽창하는 기간⇒ 불완전 연소 - D 점에서 연료공급 차단
* 출처 : 내연기관, 김동진 외, 문운당, 2010 4) D-E 구간(후기연소 기간)
; 제어기간 동안에 연소하지 못한 연료가 실린더 내에서 공기와 만나 와류를 형성하며 추가 연소하는 구간
- 냉각수 온도만 상승
■ 압축 점화기관의 연소 ◈ 디젤기관의 노크
: 압축비가 낮거나, 실린더내의 온도가 낮고, 분사초기 분사량이 많을 경우 ; ⇒ 많은 연료가 급격연소 기간에 빠른 연소로 연소압력 급상승
⇒ 압력파 발생, 진동 및 소음 발생 - 출력 증가
- 진동과 소음이 심함
■ 압축 점화기관의 연소 ◈ 디젤기관의 노크 방지법
① 세탄가가 높은 연료를 사용한다.
⇒ 착화지연기간이 짧은 연료 사용 ② 압축비를 높인다.
⇒ 실린더 내의 온도가 증가되어 착화지연이 짧아짐.
③ 분사 초기에 연료 분사량을 감소시킨다.
⇒ 교축노즐을 사용하여 초기분사량을 적게함.
④ 흡기온도를 높인다.
⇒ 실린더 내의 온도가 증가되어 착화지연이 짧아짐.
⑤ 회전수를 낮춘다.
⇒ 초기분사 연료의 착화시간을 늘여 줌.
⑥ 흡기압력을 높인다.
⇒ 실린더 내의 온도를 증가시켜 착화지연이 짧아짐 ⑦ 실린더 벽의 온도를 높인다.
⇒ 실린더 내의 온도가 증가되어 착화지연이 짧아짐 ⑧ 실린더 내에서 와류가 일어나도록 한다.
⇒ 연료입자의 증발이 빨라져 착화 촉진
■ 압축 점화기관의 연소
※ 가솔린기관과 디젤기관의 노크방지 대책
항 목 연료의
착화점 연 료 착화지연 압축비 흡기온도 실린더
벽온도 흡기압력 회전수
가솔린
기관 높일것 높은
옥탄가 길게할것 낮출것 낮출것 낮출것 낮출것 높일것
디젤기관 낮출것 높은
세탄가 짧게할것 높일것 높일것 높일것 높일것 낮출것
■ 압축 점화기관의 연소
◈ 디젤기관의 연료의 반 노크성 1) 세탄가(cetane No., CN)
※ CN = 55 : 세탄 55%와 α-메틸나프탈렌 45%를 체적비로 혼합한 표준연료와 같은 크기의 노크를 일으키는 연료
※ ON과 CN의 관계
2) 임계압축비(critical compression ratio)
■ 압축 점화기관의 연소
◈ 디젤기관의 연료의 반 노크성
3) 디젤지수(Diesel Index, DI)
; 세탄가를 측정하지 않고 실험실에서 간단하게 연료의 반 노크성을 측정.
- 세탄가 CN과 거의 일치함.
- 저속기관 : CN= 25 ~ 35, 고속기관 : CN = 45 ~ 55
4) 발화 촉진제(ignition accelerator) : 세탄가를 높이기 위해 첨가하는 물질.
- 초산 에틸 ), 초산 아밀( ), 아초산 에틸( ), 아초산 아밀( ) 등
