가솔린엔진에서 가장 이상적인 경우는 연료가 압축행정중에도 폭발하지 않고 오로지 점화플러그에
의해서만 폭발을 조절할수 있다면 압축비를 더 올릴수 있어 출력을 향상시킬수 있습니다.
하지만 현실은 압축비가 높아질수록 휘발유의 자연발화온도에 가까워져 의도하지 않은곳에서 폭발이
일어나 노킹현상을 만들게 됩니다.
1. 엔진 노킹현상
연료의 폭발 과정은 아래와 같이 크게 3가지로 나누어 볼수 있습니다.
a. 정상연소(Normal Combustion)
가장 이상적인 폭발과정으로 연료/공기의 혼합기가 압축되어 점화플러그로 스파크를 발생
시켜 연소된 가스의 압력으로 피스톤을 밀어 동력을 발생시키게 됩니다.
b. 조기점화(Pre-Ignition)
점화플러그가 스파크를 발생시키지도 않았는데 구석에서 의도하지 않게 폭발이 일어나는 경우입니다.
주원인은 연소실내에 퇴적된 퇴적물이 압축행정의 온도로 가열되어 점화원(Hot Spot)을 만든 경우입니다.
이 현상이 계속발생하게 되면 피스톤의 한쪽이 고온,고압의 과열현상으로 변형된 형상을 나타내기도 합니다.
엔진의 과열현상이 발생해도 발생할수 있으며 과열현상은 냉각수의 부족, 워터펌프의 손상,라디에이터의 막힘,
냉각팬의 고장등 냉각라인의 문제인 경우도 많습니다.
c. 이상폭발(Detonation)
노킹현상중 가장 안 좋은 현상으로 점화플러그에 의해 폭발이 일어남과 동시에 저쪽 한쪽귀퉁이에서도 동시에
폭발이 진행되어 양쪽에서 화염이 가운데로 모이는 경우입니다.
이런 현상이 계속되게 되면 피스톤 전체에 손상이 발생하고 화염이 몰리는 가운데 부분은 영구머리같이 구멍이
생기기도 합니다.
주요원인으로는 옥탄가가 낮은 연료를 사용하거나 연소실내 퇴적물, 압축비가 높은 엔진, 연료의 양이 적고 공기가
많은 휘박연소영역 등이 원인으로 알려지고 있습니다.
엔진노킹현상이 발생하면 아래와 같이 연소실내의 최대 압력은 증가하여 각종 베어링부의 손상을 야기할수도
있습니다.
2. GDI엔진의 노킹
GDI엔진의 경우는 압축비가 MPI보다 높습니다. (현기의 2.4 GDI는 11.3 : 1 , 2.4 MPI는 10.5 : 1)
같은 연료를 사용해도 GDI가 압축비를 올릴수있는 것은 연소실내에서 직접분사하는 연료가 증발하면서 주위의
열을 뺏어 연소실내의 온도를 낮출수 있기 때문입니다.
(애기들 열 많이 나서 응급실 가면 알코올로 몸을 닦아주면 열이 많이 내리는것과 같습니다.)
GDI의 노킹현상에 대하여 아래와 같은 내용이 있어 예를 들어 보겠습니다.
"5천 rpm이상 꽉 밟아주면 노킹이 조금 줄어드는것 같습니다.
액티브 에코 기능이 있긴 하나 .. 에코를 키고 달리면 노킹현상이 확실히 심해집니다."
Active Eco기능은 연비절감을 위해 연료분사량을 줄인다고 보면 되고 GDI엔진에서 연료분사량이 줄어들면 그만큼
증발되어 주위의 온도를 낮추는 것이 어려워져 노킹이 심해진것으로 이해됩니다.(MPI도 유사한 현상이 발생할수
있습니다.)
고RPM으로 운전하면 연료의 분사량이 상대적으로 많아져 주위의 온도를 낮출수 있고, 피스톤 상부에 바로 위치
하고 있는 인젝터에서 연료가 분사되므로 피스톤 및 연소실내부의 퇴적물도 제거되어 노킹의 원인인 미연소
탄화물이 어느정도 제거되어 자연발화도 줄어 노킹현상이 줄어든것으로 보입니다.
3. 엔진가공 공차에 의한 노킹
이 경우는 어떻게 할수 없는 “복불복”의 경우라고 볼수 있습니다. 실린더 블럭과 실린더 헤드는 정밀가공후
조립하게 되며 정밀가공시 가공공차라는 것이 있어 가공면이 조금 더 깍일수도 있고 덜 깍일수도 있습니다.
블럭과 헤드의 가공공차가 마침 더 깍이는 쪽으로 공차가 먹어버리고 조립하게 되면 압축비가 높아지는 경우도
발생할수 있습니다.
아래의 동영상은 실린더 헤드의 연삭(Grinding)가공을 하는 것으로 보시면 평면가공을 하게 됩니다. 가공시
사용되는 절삭유는 오래 사용하면 가공정밀도가 떨어지게 되어 있습니다. 절삭유를 교환할 시점에 가공이
되었다면 상대적으로 압축비의 차이가 발생할수도 있습니다.(현기에서 잘 관리했을것으로 믿고 싶습니다.)
4. 연료의 자연발화 온도(Auto-Ignition Point)
피스톤의 상승으로 오라간 온도에서도 자연발화하지 않으면 노킹현상은 줄어들게 됩니다.
각 물질들의 자연발화온도는 다음과 같습니다.
옥탄가가 높은 물질들이 자연발화 온도가 높게 나오고 있습니다.
즉, 연료의 자연발화온도를 높일수 있게 화학물질의 조성을 조정하면 옥탄가는 올라갈수 있다고
보여집니다.
보통휘발유가 246~280도 정도를 나타내고 고급휘발유의 MSDS를 하나 찾아보았습니다.
고급휘발유가 370도 정도를 나타내고 있습니다.(정유사 마다 혼합하는 물질비율이 틀려 차이가 날수 있습니다.)
5. 가솔린 엔진의 점화시기
가솔린엔진의 점화시기는 상사점 전에서 점화가 되는데 이러한 이유는 점화플러그 에서 발생한 스파크가
연료에 전달되어 연료의 화염(Flame)이 연소실의 끝단부까지 도달하는데 시간이 소요되기 때문입니다.
화염의 전파속도는 화학물질의 조성비에 따라 결정되며 그 속도는 일정하게 됩니다.
아래의 그림에서 점화플러그 "A"에서 연소실 끝단부 "B"까지 도달하는데 걸리는 시간 만큼 피스톤이 상사점에
오기전에 점화플러그에서 스파크가 일어나게 하고 있습니다.
크랭크각도에 따라 압력선도를 보면 아래와 같이 나타낼수 있습니다.
A점 : 스파크 발생
B점 : 혼합기의 연소시작
C점 : 최대 압력점
엔진의 RPM이 높아지면 점화시기를 앞당겨야 합니다. 연료의 화염전파속도는 일정하므로 상사점 조금 지나서
최대 압력이 발생하려면 저RPM때 보다는 점화시기를 앞당겨야 노킹현상이 발생하지 않게 됩니다.
아래의 동영상은 투명한 재질로 실린더 블록을 만들어 연소되는 과정 및 점화되는 순간을 볼수 있도록 만든
엔진입니다. 잘 보시면 화염의 전파속도와 피스톤이 상사점에 오기전에 점화플러그에서 점화되는 순간을 보실수
있습니다.
레이싱이나 드레그 레이싱을 하는 차량들은 엔진RPM이 10,000rpm이상 올라가므로 화염전파 속도를 빠르게해
주어야 합니다. 레이싱 연료는 화학물질의 조성이 일반차량용과 조금 다르게 구성되어 있습니다.
가솔린 엔진의 노킹현상은 엔진의 온도와 밀접한 관련이 있으며 엔진의 온도가 높아질수록 노킹의 현상은 발생할
가능성이 커지게 되고 이러한 현상을 막을수 있는 방법으로 연료의 자연발화 온도를 올려 옥탄가를 높인 연료를
사용함으로서 어느정도 해결할수 있도록 하고 있습니다.
자동차 회사와 정유사는 반대의 입장이겠죠!
자동차 회사에서는 옥탄가를 많이 높이면 고출력(고 압축비)차량을 만들수 있는데 연료의 한계로 압축비를 못
올리니 답답하겠죠!
정유사는 쓸데없이 압축비를 높여 원가부담이 되는 고옥탄가를 만들어야 되니 답답하겠죠!
(여러 환경규제로 옥탄가 올리기도 쉽지 않은데 말이죠!)