[[이론]]디젤 엔진에 대한 전반적인 이해

[김경관]

디젤 엔진에 대한 전반적인 이해

1. 개요

디젤 엔진은 가솔린 엔진과 마찬가지로 연소실 내에서 연료의 화학적 에너지를 연소 과정을 통해 열 에너지로 변환시키고 이때 발생된 가스의 팽창 압력에 의해 동력을 얻는 내연기관의 일종이다. 가솔린 엔진인 경우 혼합기를 연소실에 흡입하여 압축하고 압축된 혼합기에 스파크 플러그를 통해 불꽃을 공급함으로써 강제로 연소시키는 방식인 반면에 디젤 엔진은 공기만을 연소실에 흡입, 압축하여 고온 고압의 압축공기를 형성시킨 다음 압축 종료 직전에 고압의 연료를 분사함으로써 공기 압축열에 의해 연료를 자기착화 되게 하는 자연 연소 방식이다.

간단히 보면 이 두 가지가 가장 큰 차이점이다 라고 생각할지 모르지만 또 다른 큰 차이점이 있다. 바로 엔진의 출력을 변화시키기 위해 엑셀러레이터 페달을 밟으면 무엇을 움직이는지 생각을 하면 바로 알 수 있을 것이다. 가솔린 엔진인 경우는 공기량을 조정하면 엔진의 출력 변화를 일으키지만 디젤 엔진은 연료량 만을 변화시켜 엔진의 출력 변화를 일으킨다는 점이다. 여기서는 먼저 디젤 엔진의 일반적인 부분에 대해 살펴보기로 하겠다.

2. 디젤 엔진의 작동원리

<그림1> 디젤엔진의 사이클

1) 흡입 행정

가) 흡기 밸브 : 열림 상태(BTDC 40∼5°부터 ABDC 20∼80°까지)
나) 배기 밸브 : 닫힘 상태(ATDC 10∼45°에서 닫힘)

다) 피스톤 이동 : 상사점 (TDC) → 하사점(BDC). 피스톤이 상사점에서 하사점으로 이동함에 따라 연소실 체적이 증가하면서 흡기 밸브를 통해 공기를 흡입한다. 터보 차져 장착 엔진의 경우 흡기 압력은 대기압보다 높다.

2) 압축 행정

가) 흡기 밸브 : 닫힘 상태(ATDC 20∼80°에서 닫힘)

나) 배기 밸브 : 닫힘 상태
다) 피스톤 이동 : 하사점(BDC) → 상사점(TDC). 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하면서 연소실 체적이 감소되고 흡입된 공기는 압축되게 된다. 압축비는 약 14∼25이며 압축온도는 약 500∼800℃에 이른다. 연료는 압축 행정 종료 직전인 BTDC 30∼10°에서 노즐을 통해 연소실 내에 분사된다.

3) 동력 행정

가) 흡기 밸브 : 닫힘 상태
나) 배기 밸브 : 닫힘 상태(BBDC 20∼80°에서 열림)

다) 피스톤 이동 : 상사점(TDC) → 하사점(BDC). 압축 행정 종료 직전에 분사된 연료는 실린더 내에 고온의 공기와 혼합되어 곧 자기 착화에 의한 연소가 시작된다. ATDC 2∼10°에서 연료 분사가 종료되고 폭발 압력에 의해 피스톤은 하강한다. 피스톤에 작용한 연소 압력은 커넥팅 로드를 거쳐 크랭크 축에 전달되어 엔진의 회전력으로 변환된다.

4) 배기 행정

가) 흡기 밸브 : 닫힘 상태(BTDC 40∼5°에서 열림)

나) 배기 밸브 : 열린 상태
다) 피스톤 이동 : 하사점(BDC) → 상사점(TDC). 배기 밸브는 피스톤이 하사점에 다다르는 BBDC 20∼80°에서 개방되면서 연소 가스의 배출을 시작하며 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동함에 따라 실린더 내의 잔류 연소가스를 배출시킨다. 이와 같은 4행정 디젤 엔진은 크랭크 축이 2회전하는 동안에 1사이클을 완료하고 다시 흡기 행정을 반복하게 된다.

3. 디젤 엔진의 장·단점

<장점>

1) 연료 소비율이 적고 열효율이 높다.
2) 전기 점화 장치가 없어 고장율이 적다(기계식 인젝션 펌프 방식)
3) 경부하 때의 효율이 나쁘지 않다.
4) 연료의 인화점이 높아 화재의 위험이 적다.
5) 대형 엔진의 제작이 가능하다. 6) 배기 가스 유해 성분이 적다. 7) 회전력의 변동이 적다.

<단점>

1) 마력 당 중량이 무겁다.
2) 평균 유효 압력 및 회전 속도가 낮다.
3) 운전 중 진동 소음이 크다.
4) 기동 전동기의 출력이 커야 한다.

4. 디젤 엔진의 연소

디젤 엔진은 공기만을 실린더에 흡입하여 압축 말기에 고온 고압으로 압축된 공기중에 분사 노즐을 통해 연료가 분사된다. 그때 공기의 온도가 연료의 자기 착화 온도보다 높으면 분사된 연료는 압축된 고온의 공기중에서 무화 증발되므로 자기 착화가 가능한 최적의 혼합비가 연소실 내에 형성되어 연소가 시작된다. 이것을 자기 착화라 하며 그후 계속하여 분사되는 연료는 분무 제트를 형성하여 주위의 공기와 혼합함으로써 연소가 계속 진행된다. 따라서 디젤 엔진 연소의 기본은 분사되는 연료를 어떻게 하면 잘 연소 될 수 있도록 무화시키고 주위의 공기와 잘 혼합하게 하는 것이 중요하다.

① 착화 지연 시간(A→B) 분사된 연료가 고온 고압의 공기속에서 무화 증발되어 연소 가능한 혼합기가 형성되는데 까지의 기간. 이 기간의 크기에 따라 연소에 큰 영향을 미치며 될 수 있으면 짧을수록 좋다. 착화지연 기간은 연료의 착화성이 우수하고 공기의 압축압력 및 온도가 높으면 연료의 분사 상태가 미세할수록 짧게 할 수 있다.

② 폭발적 연소 기간(B→C) 착화 지연 기간중에 분사된 연료는 혼합기를 형성하여 착화가 시작되면 연속적인 동시 착화와 화염 전파에 의해 폭발적으로 연소되고 압력은 급상승한다.

③ 제어 연소 기간(C→D) C점 이후에 분사된 연료는 B→C 기간중에 생긴 화염 때문에 분사와 동시에 연소가 이루어지며 이미 피스톤이 하강하기 시작하므로 비교적 완만한 압력 상승을 나타낸다. 이 시점 이후의 압력 변화는 분사되는 연료량을 증감함으로써 제어 할 수 있다.

④ 후 연소 기간(D→E) 연료 분사 종료로부터 연소가 끝날 때까지의 기간을 말하며 미처 연소되지 못한 연료가 피스톤의 하강에 따른 체적 확산과 공기 유동에 의해 산소와 접촉하여 연소한다. 연료의 무화가 좋지 않을수록 후 연소 기간은 길어지며 이 기간이 길면 배기 온도의 상승과 열 효율 저하의 원인이 된다. 후 연소 기간에서도 산소와 미처 결합하지 못한 연료는 매연으로 배출되게 된다.

<그림2> 크랭크 회전각과 압력

5. 디젤 엔진의 연소실

1) 연소실의 종류 - 디젤 엔진의 연소실 형식은 연료 분사 방식에 의해 간접 분사식과 직접 분사식으로 크게 나눌 수 있다.

가) 간접 분사식 : 예연소실식, 와류실식
나) 직접 분사식

<그림3> 디젤엔진 연소실

2) 연소실의 구조 및 특징

가) 예연소실식 - 연소실의 구조는 예열소실과 주연소실로 구분되어 있고 예연소실이 주연소실의 30∼40%를 차 하고 있으며 연료가 미리 예연소실에 분사되어 연소하여 고온, 고압가스가 발생하면 그 압력에 의해 남은 연료가 분사 구멍을 통해 주연소실로 분출되어 소용돌이를 일으켜 공기와 연료가 잘 혼합되어 완전 연소된다.

① 장점 : 연료 분사개시 압력이 낮아(80∼150kgf/㎠) 연료장치의 고장이 적고 운전 상태가 조용하며 디젤 노킹이 잘 발생되지 않아 주로 소형 상용차에 적용된다.
② 단점 : 실린더 헤드 구조가 복잡하고 냉각 손실이 크며 별도의 예열장치가 필요하다.

나) 와류실식 - 와류실식 연소실은 매연 및 소음 감소에 적합한 방식으로 연소실 체적의 50∼80%정도의 와류실을 두어 이곳에서 1차 연소를 시킨 다음 혼합기의 강한 와류를 형성시켜 주연소실로 분출한다.

① 장점 : 공기의 와류를 이용하므로 공기와의 혼합이 잘되고 회전수 및 평균 유효 압력을 높일 수 있다. 또 분사 압력을 낮게 해도 되며 엔진의 회전 범위가 넓다.
② 단점 : 실린더 헤드의 구조가 복잡하고 연소실 표면적이 크기 때문에 예열 플러그를 필요로 하며 직접 분사식보다 열효율이 낮고 노킹이 발생될 우려가 크다. 당사에서 와류실식 연소실이 적용된 엔진은 주로 소형 디젤 엔진에 적용된다.

다) 직접 분사실식 - 직접 분사실은 실린더 헤드에 연소실이 마련되어 있지 않고 피스톤 상단부에 비교적 얕게 홈을 파서 연소실을 만들고 중앙의 다공 분사 노즐로부터 연소실에 균등하게 연료를 분사한다.

① 장점 : 연소실 구조가 간단하고 연소실이 적으며 열 효율이 높고 연료 소비가 적을 뿐 아니라 시동성이 우수하며 예열 플러그를 필요로 하지 않는다.
② 단점 : 연료의 착화성에 민감하고 다공식 노즐을 사용하므로 가격이 높다. 당사 대부분의 디젤 엔진이 이 직접 분사실식을 적용하고 있으며 중대형 디젤 엔진에 적용하고 최근에는 소형엔진에도 적용되는 예가 있다.

<그림4> 와류실 방식

<그림5> 직접 분사실 방식

6. 디젤 노크 및 방지 대책

1) 디젤 노크

① 노크란 비정상적인 연소에 의해 발생되는 급격한 압력 상승 때문에 실린더 내 가스가 진동 피스톤과 크랭크 기구에 부하를 가하여 심한 타음을 발생시키는 것을 말한다.

② 디젤 노크는 착화 지연 기간 중에 분사된 연료압력이 착화 지연 기간이 길어 증대되면 폭발적 연소 기간에 다량의 연료가 급격히 연소하여 압력 상승이 비정상적으로 높게 될 때 발생한다.

③ 디젤 노크가 발생하기 쉬운 운전상태는 압축공기의 온도가 낮아 착화지연기간이 길어지는 시동시나 공회전시가 된다.

2) 디젤 노크 방지 대책

디젤 노크방지의 최대 관건은 착화 지연기간을 단축시키는데 있으며 그러기 위해서는 착화 지연 기간동안의 연료 분사량, 연료의 무화, 공기와의 혼합상태를 제어하는 것이 중요하다.

① 세탄가가 높은 연료를 사용하여 착화성을 좋게 한다.
② 압축비를 높게하여 압축온도와 압력을 상승시킨다.
③ 흡입 공기를 예열 또는 과급에 의해 온도 및 압력을 상승시킨다.
④ 연료 분사 방식을 주 분사가 이루어지기 전에 소량을 먼저 분사해서 착화를 시키고 착화가 이루어진 다음 주분사를 함으로써 폭발적 연소 기간중의 연료 분사량을 감소시킨다.

3) 디젤 노크와 가솔린 노크 비교 및 감소 대책

가솔린 노크와 디젤 노크의 경우 가솔린 엔진은 연소 말기에 노크가 발생되고 디젤 엔진의 경우에는 연소초기에 노크가 발생하는 차이는 있지만 모두 자기 착화에 의한 비정상적인 폭발 현상임은 동일하다.

<그림6> 가솔린과 디젤의 노크 차이

<표1> 노크 감소 대책

노크관련 요소	디젤엔진	가솔린 엔진
압축비	높게	낮게
흡입공기	높게	낮게
냉각수 온도	높게	낮게
흡기압력	높게	낮게
연료의 성질	세탄가 높은 연료	옥탄가 높은 연료
연료의 착화지연	짧게	길게
연소실 체적	크게	작게

7. 매연의 발생

디젤 엔진의 최대 출력 한계는 배출되는 매연 농도에 따라 제한되는데 완전연소 될 수 있는 혼합비 이상의 연료가 과잉 공급되면 어느 정도의 엔진 출력은 증대한다. 그러나 산소 부족에 의해 불완전 연소된 연료는 고온에서 열 분해되어 거의 대부분이 탄소 입자로 형성된 매연으로 배출된다.

1) 연료 분사량이 증가하면 농후한 혼합기가 형성되어 불완전 연소에 의해 배출량이 증가한다.
2) 분사 시기를 늦추면 착화 지연기간이 짧게되고 초기 연소 비율이 감소하여 배출량이 증가한다.
3) 연료의 무화와 연소실내의 공기 유동이 좋은 반면 연료와 공기의 혼합상태가 개선되어 배출량은 감소한다.

8. 디젤 연료의 특성

1) 착화성 - 연료 공기 혼합기가 스스로 착화하는 성질을 말한다. 디젤 엔진의 연료는 착화성이 우수하여 착화 지연이 짧아야 만이 노킹을 방지할 수 있다. 디젤 연료(경유)의 착화성은 세탄가로 표시되며 세탄가가 높을수록 착화성이 좋은 연료이다.

2) 점도 - 일반적으로 연료의 비등점이 낮아짐에 따라 점도도 낮게 나타난다. 디젤 엔진의 점도는 분무와 깊은 관계가 있는데 점도가 낮을수록 분산성이 좋기 때문에 가열 증발도 빨라져 그만큼 착화지연이 단축되고 연소성도 개선된다.

* 점도가 낮을 경우 - 관통력이 약해져 실린더 내에서 균일하게 분포되지 않고 공기와의 접촉이 나빠져 연소상태가 불균일해 진다. 또한 인젝션 펌프나 노즐의 윤활 불량과 누설 가능성이 증대된다.

* 점도가 높을 경우 - 불완전 연소로 인해 엔진에 잔류물질을 쌓이게 하고 매연 발생을 증가시킨다.

3) 세탄가 - 세탄가가 높으면 시동성이 좋아지고 운전이 원활해진다. 센탄가 너무 높을 경우 연료의 밀도와 점도가 낮아져 분사된 연료의 관통성이 감소되고 불완전 연소의 원인이 된다. 현재 자동차용 디젤 엔진의 세탄가는 최저 45이상으로 규정하고 있다.

9. 터보 차져(Turbo Charger)

터보 차져는 배기가스의 에너지를 이용하여 흡입 공기를 압축하여 연소실 안으로 공급하는 장치 즉 과급에 의한 엔진 출력의 향상을 도모한 장치로서 엔진의 고출력, 연비 및 배출가스 규제 강화 등으로 최근 그 장착율이 급격히 증가하고 있다.

<그림7> 터보차져 엔진의 구조

1) 터보 엔진의 특징

가) 파워 업에 따른 운전성 향상 차량의 동력이 부족하면 등판 능력, 가속 추월 성능 부족으로 운행 시 운전자의 피로감이 증대되면서 승객 또한 심적 부담감을 느끼게 된다. 반면에 차량의 동력이 충분하면 쾌적한 운전을 보장해 줄뿐만 아니라 엔진의 저속 영역을 상대적으로 많이 사용하게 되므로 엔진의 내구력 또한 커진다.

나) 소음 감소로 인한 정숙성 엔진의 소음은 연소 소음과 기계소음으로 구분되며 연소 소음은 착화 직후의 연소 압력 상승률에 의해 발생되는데 T/C(Turbo Charger : 과급) 엔진의 경우 N/A (Natural Aspiration : 자연 흡기) 엔진보다 흡입 공기 온도가 높아서 착화 지연 시간이 짧아지므로 압력 상승률이 낮고 소음이 감소한다. 기계 소음은 일반적으로 회전수가 클수록 높아지는데 터보 엔진에서는 저속영역의 사용 빈도가 많아 소음 감소 효과가 크다. 일반적으로 터보 엔진의 경우 소음 감소율은 6∼10% 정도이다.

다) 연비 개선 출력이 동일할 경우, 연료 소비율은 부하가 높을 경우 터보 엔진이 N/A 엔진보다 양호해지며 저부하에서는 같거나 더소 불리하나 기어비 변경으로 고부하 운전이 가능하여 전반적으로 연비가 개선된다.

라) 배기 배출물 감소 터보 엔진의 경우 충분한 공기가 흡입되므로 거의 완전 연소되어 매연 발생이 적고 배기 배출물도 감소한다. 특히 HC와 CO 등의 불완전 연소 생성물이 현저히 줄며 NOx의 경우도 조절이 용이하다.

마) 동일 배기량으로 터보엔진의 경우 출력은 20∼50% 정도 증대되고 상대적으로 엔진 크기 및 무게를 감소시킬 수 있다.

<그림8> 터보차저의 공기와 개스 흐름

2) 터보 차져 차량 운행시 주의 사항

가) 터보 차져 차량 운행 전 오일량의 확인 및 정상적인 압력상승이 되는지 확인한다.

나) 신차, 터보 차져 교환 및 엔진 정지후 주행시 엔진 시동 후 1∼2분 정도 충분한 길들이기 후 주행하여야 터보 차져의 내구성 저하의 원인이 될 수 있으므로 주의하여야 한다.

다) 고속으로 주행된 터보 차져 차량을 급속한 엔진 정지시 고온에 있는 터보 차져 내부에 엔진 오일이 냉각 될 수 없으며 또한 오일 공급 차단으로 인한 베어링 및 샤프트 소착의 원인이 될 수 있으므로 고속 주행 후 엔진 급정지는 삼가야 한다.

3) 터보 차져의 윤활 터보 차져에 공급된 엔진오일은 베어링 하우징의 오일 통로를 통하여 베어링을 윤활시키고 오일 출구로 빠져나가 오일 팬으로 되돌아 간다. 좌우 베어링 외측에는 각각 피스톤 링이 조립되어 오일씰의 역할을 한다.

<그림9> 터보차져의 윤활

10. 인터 쿨러(INTER COOLER)

흡입 공기는 터보 차져에서 압축과 배기 터빈에 의한 열 전달로 온도가 상승한다. 따라서 실린더에 실제 충진되는 공기 질량은 온도 상승에 상응하는 만큼 감소된다. 압축 공기를 실린더에 공급하기 전에 과급공기 냉각기(INTER COOLER)를 통과 냉각시키면 체적 효율을 더욱 높일 수 있다. 지금까지 디젤 엔진의 일반적인 부분에 대해 살펴보았다.

<그림10> 인터쿨러의 구조