기관 25 > 디젤기관의 개요·연소·노크와 세탄가
1. 디젤기관의 개요
디젤기관은 독일인 디젤(Diesel Rudolf) 에 의하여 개발 되었기 때문에 디젤기관이라 부른다 디젤기관은 실린더내 공기를 흡입하여 압축하고, 고온상태로 되게 한 다음,연료를 고압으로 분사하여 자연 착화시켜 동력을 발생하는 기관이다. 디젤 기관도 가솔린 기관과 같이 4행정 사이클 기관과 2행정 사이클 기관이 있으며,그 기본 적인 구조는 가솔린 기관과 같으나 연료 장치가 크게 다르다.
2. 디젤기관의 작동원리
디젤 기관은 흡기행정에서 공기만을 흡입하고 30-50kgf/㎠ 정도를 압축하여 약500℃ 정도 의 고온이 되게 한 다음 연료를 분사하여 자연착화시켜 동력을 발생하는 기관으로서, 압축 비는 16-23 정도이다
1) 4행정 사이클 디젤 기관의 작동
① 흡입 행정: 피스톤이 상사점으로부터 하강하면서 실린더 내로 공기만을 흡입한다.
② 압축 행정: 흡기 밸브가 닫히고 피스톤이 상승하면서 공기를 압축한다.
③ 동력 행정: 압축 행정 말 고온이 된 공기중에 연료를 분사하면 압축열에 의하여 자연착화 한다.
④ 배기 행정: 연소가스의 팽창이 끝나면 배기 밸브가 열리고, 피스톤의 상승과 더불어 배기 행정을 한다. 4행정 사이클 디젤 기관은 이와같은 사이클 과정을 되풀이 하면서 작동된다.
2) 2행정 사이클 디젤 기관의 작동
2행정사이클 디젤기관은 가솔린 기관과 같은 모양으로, 크랭크축 1회전에 소기(흡입, 압축, 동력, 배기의 4행정을 마치면서 1사이클을 완료하게 되어 있으며, 이와 같은 사이클 과정을 반 복함으로써 기관의 운전이 지속된다
3. 가솔린 기관과 디젤 기관의 비교
배기량이 동일한 경우, 가솔린 기관과 디젤 기관을 비교하면 아래 표 및 그림과 같다.
1) 가솔린 기관과 디젤 기관의 비교
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항목 |
연 료 |
연료장치 |
압축비 |
압축압력 (kgf/㎠) |
최 고 폭발압력 (kgf/㎠) |
열효율 (%) |
배기당 출력 (PS/L) |
출력당 기관중량(KGF/PS) |
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가솔린 |
가솔린 |
기화기 (인젝터) |
7-10 |
8-15 |
30-50 |
23-28 |
30-45 |
2.8-1.0 |
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디 젤 |
경 유 |
분사펌프 |
16-23 |
30-50 |
50-90 |
30-34 |
25-35 |
4.2-2.7 |
2) 가솔린 기관과 디젤기관의 특징 비교
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장.단점 |
가솔린 기관 |
디젤 기관 |
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장점 |
1. 배기량당 출력의 차이가 없고, 제작이 용이 하다 2. 가속성이 좋고 운전이 정숙하다 3. 제작비가 적게 든다 |
1. 연료비가 저렴하고, 열효율이 높으며, 운전 경비가 적게 든다. 2. 이상 연소가 일어나지 않고 고장이 적다. 3. 토크 변동이 저거고 운전이 용이하다. 4. 대기 오염 성분이 적다 5. 인화점이 높아서 화재의 위험성이 적다 |
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단 점 |
1. 전기 점화장치의 고장이 많다 2. 기화기식은 회로가 복잡하고 조정이 곤란하다. 3. 연료 소비율이 높아서 연료비가 많이 든다. 4. 배기중에 CO,HC, NOx등 유해 성분이 많이 포함 되어 있다 5. 연료의 인화점이 낮아서 화재의 위험성이 크다 |
1. 마력당 중량이 크다 2. 소음 및 진동이 크다 3. 연료분사장치 등이 고급 재료이고 정밀 가공해야 한다. 4. 배기중의 SO2 유리 탄소가 포함되고 매연으로 인하여 대기중에 스모그 현상이 크다. 5. 시동 전동기 출력이 커야 한다 |
4. 디젤기관의 연소
디젤 기관은 압축된 고온의 공기 중에 연료를 고압으로 분사하여 자연 착화시키는 기관이다. 기관 실린더 내의 압력과 크랭크각 사이의 관계를 압력-체적 선도로 나타내면 그림과 같다.
◈ 디젤 기관의 연소 과정
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1) 착화 지연기간(A - B 기간) : 압축행정이 끝날 무렵인 점 A에서 연료의 분사가 시작 되나 곧 착화되지 않고 시간적 지연을 거치면서 점 B까지 압력이 상승된 다음 착화된다. 연료가 분사되어 착화될 때까지의 기간 A-B를 착화지연기간(연소준비기간)이라고 한다.
2) 폭팔 연소 기간 (B - C 기간) ; A-B사이에 분리된 연료가 점B에서 착화되면 온도와 압력이 급격하게 상승하면서 폭발적인 연소를 한다. 이 기간을 폭팔 연소기간(화염전파기간)이라고 한다.
3) 제어 연소 기간 (C - D 기간) : 이 기간에는 실린더 내의 온도가 매우 높아서 C-D기간 중에 분사된 연료는 분사되는 즉시 연소하게 되므로, C로부터, D까지는 거의 압력이 완만 상태로 연소가 계속 되면서 압력이 상승 한다. 이 기간은 제어 연소 기간(직접연소기간)이라고 한다. |
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4) 후연소 기간 (D - E 기간) : 점 D에서 연료분사가 끝나지만, 미연소된 연료가 그대로 남아서 점 E까지 연소가 계속된다. 이 기간을 후연소 기간이라고 한다. 이 기간동안에 연소된 열량은 유효하게 사용되지 못하고 온도상승에 소비된다
5, 디젤 노크와 세탄값
디젤 기관에서 착화성이 나쁜 연료를 사용하면 착화 지연 기간이 길어지고, 이 기간 중에 분사되어 축척된 연료가 매우 급격하게 연소하여 디젤 노크(diesel knock) 를 일으키게 된다. 따라서, 착화 지연 기간이 길수록 노크의 세기는 증가한다.착화 지연을 짧게 하기 위하여는 연료의 착화성이 좋은 연료를 사용하는 것이 요망된다. 그러므로 세탄값이 높은 연료일수록 디젤노크가 잘 일어나지 않는다. 세탄값은 옥탄값과 마찬가지로, 가변 압축비 시험기관에 의하여 시험되며, 착화성이우수한 세탄(cetane, C16H34) 의 세 탄값을 100으로 하고, 착화성이 나쁜 α-메틸나프탈린[α-methylnapthalene,C10H7(CH3) 〕의 세탄 값알 0으로 정한 다음, 이들을 각각 적당한 혼합비로 혼합하여 세탄의 체적 백분율로 세탄값을 나타낸다. 이와 같이 혼합된 연료를 표준 연료로 하고, 시험하고자 하는 연료가 같은 세기의 노크를 발 생할 때 표준 연료의 세탄값이 구하고자 하는 연료의 세탄값이 된다.
◆ 세탄값 47 = 세탄 체적 47%, α-메틸나프탈린의 체적비율이 53%
6. 디젤 노크의 방지
노크의 원인되는 요소 : 연료의 종류, 연소실 모양, 회전수, 압축비, 연료 분사시기, 기관의부하, 분사량, 분무장치등
1) 연료의 종류 : 연료가 실린더 안에 분사된 다음 착화 연소하끼 가지는 일정한 기간이 필요하다. 이 기간을 착화 지연기관좋은 연료를 사용 하여야 한다.
2) 압축비 : 압축비를 크게하면 압축온도와 압력이 높아져 노킹을 방지 하는데 도움이 된다. 그러난 압축비를 너무 크게 하면 기관의 시동 토크가 커지고, 연소최고 압력도 높아지고, 기계계효율도 저하되므로 어는 한도 이상은 불리하다.
3) 연료의 분사량 :분사초기에 연료량을 적게하면 최초에 착화되는 연료가 적으므로 압력 상승도 급격하지 않고 노크도 줄일 수 있다.
4) 연소실 모양 :착화지연을 짧게하여 급격한 압력 상승을 방지하기 위하여 적당한 연소실을 사용한다.
5) 분사시기 : 분사시기는 어는정도 빨리해도 착화시기에는 한도가 있으며, 기관의 온도가 낮을 경우 또는 회전속도가 느릴 경우에는 압축온도가 낮아져 착화지연 기간이 길어지기 때문에 노크가 일어나기 쉽다.