◎ 디젤엔진 연소실의 종류 ◎
저속의 중/대형 디젤 엔진에서는 혼합기 형성에 주어지는 시간이 길어지므로 연료 분사만으로도 공기와의 접촉을 충분히 할 수 있으나 소형, 고속의 디젤 기관에 있어서는 공기 와류의 도움없이는 짧은 시간에 연소를 끝내게 하기 어렵다.
와류를 일으키는 데는 흡입할 때 발생시키는 유입 와류, 압축 행정 중에 발생시키는 피스톤 와류, 연소에 의해서 생긴 압력 차이에 의한 연소 와류 등이 있다. 디젤 엔진에 주로 사용되고 있는 연소실의 특징은 다음과 같다.
그림 1. 디젤 엔진의 연소실
1. 직접 분사식 (Direct Injection Type) 연소실
실린더 헤드와 피스톤 헤드와의 사이에 형성되는 단일 연소실로 되어 있고, 그 속에 고압으로 연료를 분사하여 주로 분무 속도에 의해서 공기와 혼합시키는 형식으로, 부실식과 같이 교축 손실, 와류 손실이 없고 또 연소실의 냉각 면적이 작으므로 열 손실이 적으며, 따라서 연료 소비율이 적고 평균 유효 압력이 높다. 또 소형 기관에서도 압축비 13 ~ 15에서 냉시동이 용이하다. 그러나 실린더 내에 가열 부분이 없고 연료의 발화는 단순히 교축 온도만에 의하므로 소형 엔진에서는 발화 지연이 길어서 저 부하에서 노크를 일으키기 쉬우며 최고 압력이 높고 또 연료의 성질에 민감하여 발화성이 좋은 연료를 필요로 한다. 또 부실식에 비해서 와류가 약하므로 공기 이용률이 나쁘고 고속 회전이 어렵다.
그림 2. 직접 분사식 연소실
2. 예연소실식 (Pre-Combustion Chamber Type)
연료는 먼저 예연소실에 분사되어 일부가 연소하고 그에 의해서 생긴 압력에 의해서 나머지 연료를 실린더 내로 분출하여 연소 와류에 의해서 공기와 잘 혼합시키는 형식으로서, 예연소실의 체적은 너무 크면 교축 손실이 크고 너무 작으면 분출 에너지가 부족하다. 또 분기공이 작으면 예연소실과 주연소실의 압력차가 커져서 예연소실로부터 주연소실로 분출하는 가스 속도는 커지나 이 분기공을 지나서 유입, 유출하는 가스의 교축 손실이 커진다. 이 형식에서는 주연소실에서 연소가 일어나면, 압력차가 작아져서 분출이 거의 정지되고 피스톤에 의한 팽창에 의해서 압력이 저하하면 다시 분출이 일어난다.
이렇게 되면 주연소실의 연소가 늦어지므로 되도록 연료를 분기공 가까이에 모아놓고 그 배후에서 발화시켜 최초의 분류에 의해서 주연소실로 분출시켜야 한다.
따라서 분무는 잘 퍼지지 않도록 하고 공기 분류는 벽면을 따라서 유입하도록 하는 것이 좋다.
예연소실의 특징은 예연소실 내로 공기가 유입될 때 분기공에서 가열되고 또 벽면 온도도 높으므로 압축 행정 말기의 온도가 높으며, 따라서 발화 지연이 짧기 때문에 노크가 적고 연료의 성질에 대해서 둔감하며, 또 부하, 회전 속도에 의해서 분사 시기를 조정하는 일이 적어도 된다. 그러나 시동할 때는 유입 공기가 분기공에서 압축되므로 예연소실 내의 압력 상승이 늦어지고 또 벽에 의한 냉각이 크기 때문에 압축 온도가 오래가지 않는다. 따라서 높은 압축비를 사용하여도 시동이 곤란하기 때문에 예열 장치가 필요하다.
이 형식은 주연소실 내에서의 공기와 연료와의 혼합이 양호하므로 공기 과잉률 λ = 1.2 까지 사용할 수 있고, 따라서 높은 평균 유효 압력이 얻어지나 예연소실의 교축 손실이 커서 연료 소비율은 비교적 적다.
그림 3. 예연소실식 연소실
3. 와류실식 (Turbulence Chamber Type)
연소실을 특수한 형상으로 하여 압축 행정에 의해서 그 속에 일어난 공기 와류 중에 연료를 분사하여 완전 연소를 시키기 위한 것이다. 예연소실에서는 부분적 연소를 목적으로 하는 데 비하여 이 형식에서는 와류실 내에서 완전 연소를 시키려고 하기 때문에 와류실은 전체 연소실 체적의 70 ~ 80%를 차지하고 실린더로 통하는 통로는 1개이고 그 단면적은 2 ~ 3.5%에 달하며 와류실에 접선 방향으로 설치되어 있다.
피스톤 와류는 회전 속도가 높아질수록 강해지므로 고속 회전이 가능하나 실린더 내의 공기의 대부분이 와류실로 밀어 넣어지고 연소 가스가 고온일 때 분기공으로부터 분출하므로 열손실, 교축 손실이 크다. 이와 같은 단점을 개선한 대표적인 연소실은 다음과 같다.
1) Ricardo Conet III (리카르도)형 연소실
와류실을 50% 정도로 하고 와류실 내는 연소 와류, 실린더 내는 연소 와류에 의해서 연소를 촉진하여 좋은 성과를 얻고 있다.
2) Hercules (허어큐리스)형 연소실
압축 행정 말기에 피스톤에 의해서 통로가 교축되어 와류 속도가 증가되도록 하였다.
3) Perkins (퍼어킨스)형 연소실
2개의 분무를 사용하여 1개는 역류로 분사하고 또 와류실을 작게하여 열손실, 교축 손실의 저감을 도모하고 있다. 와류실식은 예연소실과 직접 분사식의 중간에 속하는 특성을 갖고 있다.
와류실에서 공기와 연료가 혼합되고 다시 분출에 의해서 이것을 완전히 혼합하기 때문에 공기 과잉률 λ = 1.3 까지 가능하며 회전수도 높일 수 있으나, 연료의 성질에 대해서 민감하며 직접 분사식 다음으로 노크가 일어나기 쉽다. 시동은 예연소실식 다음으로, 보조 열원 없이는 냉시동이 어렵다.
그림 4. 와류실식 연소실
4. 공기실식 (Air-cell Combustion Chamber Type)
압축 행정 중에 공기를 밀어 넣고 이것을 향해서 연료를 분사하여 공기실 내에서 연소를 일으키고 그에 의해서 생긴 압력에 의해서 주연소실로 가스를 분출시켜 와류를 발생시키는 것이다.
공기실 및 주연소실의 압력 변화는 예연소실의 경우와 같으나 예연소실식에서는 전체 연료가 예연소실을 통과하고 공기 부족의 상태에서 연소하는데 비해서 공기실식에 있어서는 공기실로는 일부의 연료가 들어갈 뿐이고 공기 과잉의 상태에서 연소한다.
공기실의 크기는 전체 연소실 체적의 15 ~ 30%가 사용된다.
공기실식의 장단점으로는 예연소실과 마찬가지로 분기공이 가열되므로 발화 지연이 짧으며 연료의 성질에 대해서 둔감하고 노크가 없으며 최고 압력이 낮고, 다른 어떤 형식보다도 정숙한 운전을 할 수 있다. 그러나 예연소실에 비해서 분출에너지가 작아서 연소가 완만하기 때문에 열효율 평균 압력이 저하하는 경향이 있으나 교축 손실이 적기 때문에 어느 정도 보상이 된다.
그림 5. 공기실식 연소실