가솔린기관의 노킹 및 방지법

가솔린기관의 노킹

가솔린기관에서 연료와 공기의 혼합기가 불꽃 점화에 의해 연소를 시작하면 점화부로부터 화염이 전파되어 연료 전부가 연소하게 된다. 그러나 실린더 안의 과열에 의해 발생한 고온 부분이 점화원이 되어 조기 점화를 일으키거나, 압축된 미연소가 가스의 자연 발화 등이 발생하면, 혼합기가 순간적으로 급격하게 연소되어 고온·고압의 충격파가 발생한다. 이때 급격한 가스 진동 및 실린더를 쇠망치로 두드리는 것 같은 현상이 나타나면서 운전 부조화와 기관의 출력 저하현상이 일어난다. 또 심한 경우에는 피스톤이나 밸브 등이 타서 손상되는 경우도 있다. 이와 같은 이상 연소 현상을 노크(knock) 또는 노킹(knocking)이라 한다.

노크 발생 원인

1) 흡기온도가 높다.

2) 유효압력이 높다.

3) 화염 전파 속도가 느리다.

4) 점화 시기가 너무 빠르다.

5) 실린더 벽이 과열되었다.

 

노킹을 방지하려면, 노크가 잘 일어나지 않는 연료를 사용하거나, 연소 속도를 빠르게 하여 미연소 가스가 자연발화하기 전에 정상적으로 연소시켜야 한다. 또한 연소실을 개량하거나 점화시기 등을 연구하여 노킹을 억제할 수 있다.

 

가솔린기관의 노크 방지법

1) 안티노크성이 큰 연료를 사용한다.

2) 화염 전파 거리를 짧게 하고 전파 속도를 빠르게 한다.

3) 흡기 온도와 압력을 낮춘다(미연소 가스의 온도와 압력을 낮춘다).

4) 압축비를 낮춘다.

5) 실린더 벽이 과열되지 않게 한다(냉각수의 온도를 낮춘다).

 

노크를 방지하기 위해 일반적으로 많이 선택하는 방법은 노크가 잘 일어나지 않는 연료를 사용하는 것이다. 노크 발생이 잘 일어나지 않는 성질을 안티노크성이라 하고, 이 안티노크성을 수치로 나타낸 것이 옥탄가(octane number)이다. 옥탄가가 큰 연료일수록 노크가 일어나기 어렵다.

옥탄가의 표시 방법은 다음과 같다. 안티노크성이 높은 연료인 이소옥탄(iso-octane, C₈H₁₈)은 옥탄가 100, 안티노크성이 낮은 연료인 노멀헵탄(정헵탄, normal heptane, C₇H₁₆)은 옥탄가 0으로 정한다. 이 두 연료를 적당한 비율로 혼합한 것을 표준연료로 하고, 이소옥탄의 체적 비율로써 혼합연료의 옥탄가를 나타낸다. 예를 들어 옥탄가 85인 시험 연료는 이소옥탄 85%, 노멀 헵탄 15%인 표준연료와 동일한 안티노크성을 가지고 있다.

옥탄가 = [이소옥탄(C₈H₁₈) / 이소옥탄(C₈H₁₈) + 정헵탄(C₇H₁₆)] x 100(%)

 

★ 실제 기관의 열효율

불꽃점화기관(SI 엔진, 가솔린기관)에서 공기와 연료의 혼합기는 연료의 자연발화 온도 이하의 온도까지 압축되고, 점화 플러그의 점화에 의해 연소가 시작된다. 압축착화기관(CI 엔진, 디젤기관)에서는 공기가 연료의 자연 발화 온도 이상까지 압축되고, 이 고온의 공기 속으로 연료가 분사되어 공기와 접촉함으로써 연소가 시작된다. 디젤기관에서는 가솔린기관의 점화 플러그 대신 연료 분사기가 설치되어 있다.

이에 따라 가솔린기관에서는 자연 발화 또는 기관 노크의 발생을 억제하기 위해 압축비를 어느 한도 이하로 제한한다. 일반적으로 가솔린기관의 압축비는 7~10의 범위에 있고, 실제 가솔린기관의 열효율은 25~30% 정도이다. 그러나 디젤기관의 경우에는 압축행정 동안 공기만 압축되므로 자연 발화 가능성이 없다. 이에 따라 디젤기관은 대개 12~24의 높은 압축비에서 작동하도록 설계되어 있다. 따라서 디젤기관이 가솔린기관보다 훨씬 더 높은 압축비에서 작동하므로 일반적으로 가솔린기관에 비해 더 효율적이다. 또한 디젤기관은 가솔린기관에 비해 더 낮은 회전수로 작동하기 때문에 연료를 훨씬 더 완전하게 연소시킨다. 따라서 유해 물질인 일산화탄소(CO)가 적게 배출된다. 대형 디젤기관의 열효율은 35~40% 정도이다. 열효율이 높고 연료비가 적게 들므로 기관차, 대형 선발, 대형 트럭과 같은 큰 동력을 요구하는 기관에서는 디젤기관을 사용하고 있다.