1. 연소의 프로세스
엔진의 출력을 크게 하여 연비를 좋게 하기 위해서는, 가솔린과 공기가 혼합된 혼합기를 가능한 한 빠르게, 완전히 연소하는 것이 필요하다. 그래서, 엔진의 성능을 UP하면 좋다고 하는 것은, 연소와는 어떤 것인가를 밝혀내어, 연료를 효율 좋게 연소하기 위해서는 어떻게 하면 좋은지 하는 것에 지혜를 모으는 것이다 로 바꿔 말하는 것도 가능하다.
그래서, 우선 연소는 어떤 것인가, 혼합기는 어떤 식으로 연소되는가를 살펴보자.
카부레타 및 인젝터에 따라 가솔린이 혼합된 공기는, 우선 흡기 밸브 주변으로부터 소용돌이치는 안개와 같은 식으로 되어 실린더에 흡입되고, 다음으로 하사점에서 반전한 피스톤에 의해 와류를 남겨 놓아 압축되어 간다. 이 때, 고온이 되어 있는 연소실의 벽 및 공기의 압축에 의한 열과 공기의 강한 흐름에 의해, 액체인 가솔린은 증발하여 기체가 되고, 성분의 일부는 분해되어 연소하기 쉬운 연료 가스로 된다.
이 고온의 가스 중에 스파크 플러그로 불꽃을 튀기면, 플러그 전극 사이에 화염핵으로 불리는 작은 불씨가 생긴다. 이 불씨는 연료 가스와 공기 중의 산소가 화학 반응을 일으켜 생긴 고온의 연료 가스로, 이 가스가 곧 근처에 있는 혼합기를 가열하고, 이 열에 의해 이 혼합기가 화학 반응을 일으켜 연소 가스로 된다. 이렇게 하여 최초에 생성된 화염은 차례차례로 주변 혼합기를 연소시키고, 연소실중의 혼합기는 순간적으로 전부 연소 가스로 변한다. 이것이 혼합기의 연소이다.
이 때 불꽃이 튀고 있는 시간은 1000분의 2초 ( 2밀리세컨즈 : ms ) 전후라고 하는 극히 조금의 시간이어서, 화염핵이 생겨도 주변의 온도가 낮다든지, 와류의 기류로 화염핵이 불어 없어져 버리면 혼합기는 연소되지 않는다. 이 현상은 미스파이어 (misfire) 로 불린다.
혼합기가 연소되어 가는 과정에서, 이것으로부터 연소되는 가스와 연소해 버린 가스의 경계선은 화염면으로 이름이 붙여져 있고, 화염면의 진행 속도를 화염 속도라고 한다. 이 화염 속도는 연료 가스가 움직이지 않는 상태에서 연소해가는 속도인 연소 속도, 가스가 연소함에 따라 팽창하는 속도인 팽창 속도와, 가스 흐름의 크기와 세기를 믹스한 것이다.
연소 속도는 연료 성분 및 연료와 공기의 중량 비율인 공연비에 따라 변하지만, 매초 수십 cm 정도로 극히 느려, 여기에 가스의 팽창 속도와 흐름이 더해져, 화염 속도는 일반 엔진에서 매초 15∼20m, 빠른 것은 30m 로도 된다. 연소에서 혼합기의 흐름이 중시되는 것은 이 때문이다.
2. 공연비와 화염속도
엔진의 성능을 올리기 위해서는 화염 속도를 크게 하고, 운동 에너지로 변화되는 열 에너지를 가능한 한 많게 하지 않으면 안된다.
화염 속도는 연소 속도, 팽창 속도, 가스 흐름의 크기와 세기의 3가지 요소에 의해 결정된다. 혼합기를 재빠르게 연소시키기 위해서는 이 요소를 최고의 조건으로 하면 좋다.
거기에서 우선 연소 속도와 팽창 속도에 대해 이야기하면, 이것은 연료의 성분, 혼합기 중의 연료와 공기의 비율인 혼합비, 혼합기의 온도와 압력에 의해 결정된다. 온도와 압력은, 연소실의 온도 및 압축비에 좌우되고, 여기에서 함께 고려하면 번잡하므로, 여기에서는 이런 조건은 일정한 것으로 하고, 연료의 성분과 혼합비에 대해서 비교해 보자.
가솔린은, 4∼12개의 탄소 원자가 쇠사슬 식으로 연결되고, 그 주변에 수소 원자로 불리는 여러 가지 분자가 혼합된 액체이다. 이 가솔린을 구성하는 성분 비율을 변화시킨다든지, 연소하기 쉽도록 하는 물질을 무엇인가 첨가하면, 연소 속도와 팽창 속도가 빠르게 될 것은 당연히 예상된다.
한가지 더 혼합비라고 하는 것은, 연료와 공기가 얼마만큼의 비율로 혼합되어 있는가를 표시하는 수치로, 연소 속도에 큰 영향을 미치는 것도 있어 다양한 표시 방법이 있지만, 空氣燃料比 (略하여 空燃比), 空氣過剩率, 當量比의 3가지가 잘 사용된다.
공연비라고 하는 것은, 혼합기에 함유된 공기의 중량을 연료의 중량으로 나눈 것으로, AIR/FUEL RATIO, 略하여 A/F로도 불린다. 그래서 공기에 연료를 혼합했을때, 이론 계산상, 연료가 완전 연소하는 공연비를 이론 공연비라고 하고, REGULAR GASOLINE의 이론 공연비는 보통 14.7로 되어 있다.
공연비가 이론 공연비보다 작으면 함유된 가솔린이 많으므로 『농후(RICH)』, 역으로 크면 『희박(LEAN)』이라고 한다.
혼합기가 최고로 잘 연소되고, 화염 온도가 최고로 높게 되는 것은, 이 이론 공연비보다 약간 농후하고, 공연비 13.5∼14 일 때이다. 연료가 약간 많은 쪽이 잘 연소된다는 의미이다. 연소 속도는 더 조금 가솔린이 많은 공연비 12∼13 일 때에 최대로 된다.
그러므로 엔진의 출력은 공연비가 12∼13 일 때 최대로 크고, 그것보다 커도 작아도 출력은 작게 된다. 연료 소비율 쪽은 어떤지 말하면, 이것은 역으로 약간 희박한 16 전후에서 최고로 작다 (연비가 좋다). 연소된 뒤 산소가 조금도 남지 않은 정도면, 가솔린은 완전히는 연소되어 없어지지 않는 것이다.
3. 점화 시기
점화 시기란 압축된 혼합기에 언제 불을 붙이는가, 요컨대 스파크 플러그에 전기 불꽃을 튀기는 타이밍을 말한다. 상식적으로 생각하면, 혼합기가 압축되고, 피스톤이 상사점에 온 순간에 점화되면 좋을 것이라고 생각되지만, 그러면 늦다. 그렇다고 하는 것은, 혼합기가 연소되는 속도가 가스 흐름의 크기와 세기에 따라 변하기 때문이다. 요컨대 엔진의 회전이 상승하여, 가스 유동 속도가 빠르게 되면, 그것에 연결되어 화염 속도가 빠르게 되기 때문에 피스톤이 상사점에 왔을 때에 불을 붙이는 것은 지나치게 느린 것이 된다.
그러므로 언제 점화하는 것이 최상인가 라고 하는 것은, 대략적으로 말해 피스톤이 상사점에 왔을 때에 화염면이 연소실의 대략 반 정도로 넓어져 있는 것이 좋다고 되어 있다.
점화 타이밍은, 피스톤이 상사점에 있을 때를 기준으로 하여, 크랭크샤프트의 회전 각도로 하여 몇도 전후 하는가로 표시되지만, 그 각도로 말하여, 점화 시기를 상사점전 40∼30°로 하면, 상사점후 15∼20°에서 연소실은 최고 압력에 도달한다.
이에 따라 점화 시기가 빠르면, 피스톤이 상사점에 도달하지 않은 사이에 연소가 진행되어, 상사점으로 향하는 피스톤을 누르는 힘이 크게 되어 쓸데 없는 것이 생기고, 지나치게 늦으면 내려가고 있을 때 피스톤을 쫓아 누르는 것이 되기 때문에 모처럼의 팽창력이 생기지 않는다.
화염 속도는 엔진 회전이 상승하는 만큼 빠르게 되기 때문에, 피스톤이 상사점을 지난 부근에서 연소실의 압력을 최고로 하기 위해서는, 엔진의 회전 속도에 맞추어 점화 타이밍을 빠르게 할 필요가 있다. 이 조작은, 점화 시기와 동일하게 크랭크샤프트의 회전 각도로 생각하여, 점화할 때의 각도를 앞으로 당기는 것으로 하기 때문에 진각이라고 불린다.
이 진각을 행하는 시스템에는 기계식과 전자식이 있고, 기계식의 진각 장치는 스파크 플러그에 전류를 보내는 디스트리뷰터 사이에 조립해 넣고 있다. 엔진의 회전 속도를 기계적으로 검출하여, 회전 속도가 빠르게 됨에 동반해서 전류를 보내는 타이밍을 빠르게 하여, 스파크 플러그의 점화 시기를 빠르게 하는 것이다. 예를 들면 진공식 진각 장치는 흡기관의 부압이 엔진 회전이 상승함에 따라 크게 되는 현상을 이용하여, 카뷰레타와 파이프로 연결된 장치의 부압 크기에 비례한 작동을 사용해서 진각을 행한다.
전자식 진각 장치는 엔진 회전수와 흡기관 부압을 센서에 의해 검출하고, 컴퓨터에 의해 최적의 점화 타이밍을 결정하는 것이다.
4. 스월 효과
혼합기가 연소하는 빠르기, 화염 속도가 큰 만큼 운동 에너지로 변화되는 열에너지는 많다. 이상적으로는 피스톤이 상사점을 지난 순간에 혼합기가 연소되고, 연소 가스의 팽창력이 쓸데 없어지지 않도록 피스톤에 전달되는 것이지만, 연소에는 크랭크샤프트의 회전 각도로 하여 40∼60°정도의 시간이 걸리므로 그렇게 되지는 않는다.
연소를 빠르게 하기 위해서는 우선 가솔린이 공기와 잘 혼합되어, 탄화 수소 분자가 산소 분자와 바로 화학 반응이 가능한 상태로 하여 두는 것이 바람직하다.
그러기 위해서는, 카뷰레타 및 연료를 분사하는 인젝터로부터 공급되는 가솔린 입자는 가능한 한 미세하게, 기화하기 쉽도록 되어 있는 쪽이 좋다. 또 가솔린의 입자가 가능한 한 인테이크 포트의 벽에 부착하지 않도록, 인젝터 방향은 흡기 밸브 방향으로 향해져 있다. 레이스용 엔진은 인젝터를 하나의 실린더에 2개 붙여져 있는 예도 있다.
게다가 화염 속도를 빠르게 하기 위해서는 가스의 흐름을 빠르게, 크게 하는 것이 유효한 수단이다. 혼합기의 흐름이 특히 문제가 되는 것은 엔진의 회전이 낮을 때이다. 엔진이 고회전으로 회전하고 있을 때에는, 그렇게 되도록 가스가 빠르게 흐르고 있으므로 혼합기는 충분히 섞이고, 화염 속도도 빠르다. 그러나 저속으로부터 중속에 걸쳐서는 피스톤이 하강하는 속도가 늦으므로, 흡기 포트를 통하는 혼합기의 통과 속도도 늦고, 안개 형식으로 된 혼합기 중에 떠 있는 가솔린도 기화하기 어렵다.
그래서, 엔진의 회전이 늦어도, 실린더에 들어가는 혼합기가 충분히 뒤섞여지도록, 흡기 포트의 취부 각도를 연구한다든지, 작은 흡기 파이프로부터 실린더에 공기를 불어 넣도록 한 엔진 및, 흡기 포트를 둘로 나누어 저속시에는 한쪽을 닫고, 흡입 속도를 올려 실린더 중에 와류가 생기기 쉽도록 한 엔진도 있다. 이 와류는 보통 스월이라고 불리고 있지만, 횡방향의 와류를 스월, 종방향의 와류를 공중회전을 의미하는 텀블이라고 불러 구별하는 경우도 있다.
스월에서 중요한 것은, 흡기 행정에서 생긴 와류가 압축 행정에서 감소되지 않고 남아, 더욱 더 와류가 강해져 점화-팽창 행정으로 잘 연결되어 있는 편이 되도록 하는 것이다. 그 수단의 하나로서, 연소실의 플러그로부터 가장 먼 부분과 피스톤 크라운 주위 부분과의 사이에 스퀴시로 불리는 좁은 틈을 설치하여, 피스톤이 상사점에 가까워졌을 때에 이 틈새에 남아 있는 혼합기를 불어 내는 방법도 취해지고 있다.
5. 노 킹
지금은 거의 경험하는 일이 없게 되었지만, 톱 기어로 한가로이 달리고 있을 때 적신호가 보여, 액셀을 되돌려 스피드가 늦게 되었을 때 신호가 파랗게 변하든지, 액셀을 전개로 하면 엔진으로부터 까리까리 또는 콘콘 하는 식의 음이 나는 것이 있다.
이것이 전형적인 노킹으로, 스파크 플러그의 화염핵으로부터 시작한 연소가 화염면의 넓어짐에 의해 행해지지 않고, 화염이 미치지 않는 사이에 본래라면 제일 나중에 연소될 터인, 엔드존에 있는 혼합기가 자연 발화하여 즉시 연소하는 현상이다.
요컨대 화염면을 경계로 하여, 플러그 측에 연소 가스, 외측에 미연소의 혼합기가 있고, 화염면에서 연소가 진행해 간다는 의미이지만, 이 화염면이 도달하지 않는 사이에, 연소실 벽의 열과 연소 가스의 팽창에 의한 압력 등에 따라, 미연소 혼합기가 단숨에 화학 반응을 일으킨다는 의미이다. 노킹이 일어난 부분의 극단적인 고온고압 상태로 된 가스는, 실린더 헤드 및 피스톤을 두드려(노크한다) 엔진에 손상을 주는 것으로 된다. 한 번 노킹이 발생하면, 피스톤 및 실린더의 표면이 이상한 고온으로 되므로, 노킹은 점점 더 발생하기 쉽게 되어 버린다.
노킹은 연소실의 엔드존에서 발생하는 현상이므로, SHORT STROKE 등에 의해 보어가 커지고, 화염 전파 거리가 긴 엔진에서 발생하기 쉽다. 그래서 현재의 엔진은 센터 플러그로 말하는 스파크 플러그를 연소실의 한가운데에 둔다든지, 엔드존을 좁은 공간으로 하여 혼합기의 흐름을 좋게 하는 스퀴시 에어리어가 설치되어 있는 것이 많아지고 있다.
현재 시판 엔진은 보통 운전하고 있을 때 노킹이 일어나는 식의 것은 대체로 없다. 노킹이 일어나지 않도록 엔진의 연구가 되고 있기 때문이다.
역으로 이 노킹 현상을 잘 이용하여 엔진의 성능을 좋게 하는 구조가 고려되고 있다. 최초에 서술한 엔진의 회전이 늦을 때 발생하는 노킹은, 혼합기의 연소가 늦기 때문에 발생한 것이지만, 보통은, 압축비를 올린다든지, 엔진 회전을 올려 점화 시기를 빠르게 하는 등 혼합기를 빠르게 연소시키면 노킹이 일어난다. 요컨대 파워를 내도록 하면, 그 빠듯한 한계에서 노킹이 발생한다는 의미이다. 그러므로, 이 노킹 현상을 검출하여, 엔진을 노킹이 일어나기 직전의 상태로 회전시키면, 그때 더욱 더 효율 좋은 혼합기가 연소될 터이어서, 이것을 이용하는 것이다.
6. 이상 연소
스파크 플러그로부터 시작한 연소실 전체에 연소하여 퍼지는 보통의 연소 방식과는 틀린 연소 형태를 이상 연소라고 부르고 있다. 노킹은 그 대표적인 것이지만, 그외에도 몇 개인가의 이상 연소가 있으므로, 그것을 살펴 보자.
⑴ PRE-IGNITION 과 POST-IGNITION
PRE는 前, POST는 後, IGNITION은 점화라는 의미로, 스파크 플러그로 점화하는 전후에 플러그 이외의 열원으로부터 혼합기로의 점화가 일어나는 현상을 말한다. PRE-IGNITION은, 플러그 및 연소실 벽이라든가, 피스톤, 밸브 등에 부착하고 있는 카본 등에 남아 있는 불씨에 의해, 압축 행정중에 혼합기에 착화하여 연소가 일어나는 것이고, POST-IGNITION은 MISFIRE 등에 의해 정상적인 타이밍에서 연소되지 않은 혼합기에 팽창 행정에서 점화하는 것을 말한다. 어느 것이나 노킹과 같은 형태의 폭발적인 연소로, 연소실 주변의 부품에 충격을 미치므로 마음에 들지 않는 것은 말할 것도 없다.
⑵ RUN ON
디젤링으로 말하고, 이그니션 스위치를 끊고 있어도 엔진이 회전을 계속하는 현상. PRE-IGNITION 등의 경우와 동일하고, 과열한 카본 등이 발화원으로 되어 자연 발화하는 것으로, 연속 고속 주행 등에서 엔진이 과열 기미 상태에서 키를 오프로 했을 때 일어나는 것이 있다. 디젤 엔진이 점화하지 않고 운전되는 것으로부터 명칭이 붙은 것이다.
⑶ AFTER FIRE
AFTER BURN으로도 불리고, 연소실에서 완전히 연소하지 않은 가스가 배기계 중에서 폭음을 동반하여 폭발적으로 연소하는 것. 액셀을 전개 상태로부터 급하게 되돌린다든지, 액셀을 급하게 몰아친다든지 하여 과잉의 가솔린이 연소실에 들어가 연소를 끝내지 않고, 촉매 컨버터 및 머플러 중에서 연소하여 일어나는 것이 많고, 배기계를 손상시키는 경우도 있다.
⑷ BACK FIRE
배기 행정에서 대부분의 연소 가스가 배출된 상태에서 연소하여 남은 가스가 있어, 흡기 밸브가 열려 흡입되려고 하는 혼합기에 점화가 되어 연소하는 것. 때에 따라서는 에어클리너까지 불이 되돌아가는 케이스도 있다. 카뷰레타가 붙은 엔진에서 일어나는 것이 있고, 연료 분사식 엔진에서 발생하는 것은 적다.
이러한 이상 연소는 평상시의 운전에서 경험하는 것은 드물지만, 엔진의 이상 및 부주의한 운전에 의해 때로는 일어나는 것이 있는 정도이다.