디젤기관의 연소 과정과 디젤 노크

디젤기관의 연소과정

디젤기관에서 압축 행정 후 공기 온도는 400 ~ 700℃에 이르므로 이와 같은 고온의 공기 중에 연료를 분사하면 곧 착화되어 연소하게 된다. 디젤기관의 연소 과정은 다음 네 가지 과정으로 나누어진다.

 

착화지연 기간

연료가 분사되는 시점부터 연소가 시작되는 점까지의 기간을 말한다. 이 기간은 분사된 연료가 압축된 공기에 의하여 착화온도까지 가열되는 기간이다. 이 기간이 길어지면 착화하기 전에 분사되는 연료량이 많아지고 축적된 연료가 착화와 동시에 일시에 연소하게 되어 디젤노크의 원인이 된다. 따라서 이 기간을 짧을수록 좋다. 연료의 착화성이 우수하고 공기의 압축압력 및 온도가 높으며 분사된 연료 입자가 미세할수록 착화지연 기간이 짧아진다.

 

급격연소 기간(폭발연소 기간)

착화가 일어나고, 이후 분사된 연료의 대부분이 연소되어 실린더 안의 압력이 급격히 상승하는 사이의 기간을 말한다. 이 기간 중 압력 상승은 착화 지연 기간 중에 분사된 연료의 양과 분사된 연료의 무화 상태에 크게 영향을 받는다.(무화, atomization : 분사된 연료 미립자의 크기가 작을수록 착화가 빠르게 이루어지고 연소도 촉진된다. 따라서 연료는 연소가 촉진될 수 있도록 작은 입자로서 무화가 잘 이루어져야 한다.)

 

제어연소 기간(직접연소 기간)

압력 상승 후부터 연료 분사가 종료되는 될때까지 기간이다. 이 기간 동안 분사된 연료는 곧바로 연소되어 압력 상승이 완만하다. 이 기간에서는 분사된 연료가 직접 연소되므로 직접연소 기간이라고도 한다. 이 시점 이후 압력 변화는 분사되는 연료량을 증감함으로써 제어할 수 있다.

 

후연소 기간

연료 분사가 끝나는 시점부터 연소되지 않고 남아있는 연료가 연소되는 기간이다. 연료의 무화가 좋지 않을수록 후연소 기간은 길어지며, 이 기간 중의 연소는 배기 온도를 높게 하고 기관 성능을 떨어뜨리므로 그 기간을 짧게 하는 것이 좋다. 후연소 기간에서도 산소와 미처 결합하지 못한 연료는 매연으로 배출된다.

 

디젤 노크

디젤 노크와 세탄가

디젤기관에서 착화지연 기간 중에 분사되어 축적된 연료가 화염전파 기간 중에 일시에 연소되어 실린더 내의 압력이 급상승하고 진동과 소음이 발생하는 현상을 디젤 노크라 한다. 디젤 노크는 기관의 연소 성능을 저해하는 요인이 된다.

 

디젤 노크의 발생 원인

1) 세탄가가 낮은 연료 : 착화성이 낮고 착화지연 기간이 길어진다.

2) 낮은 압축비 : 착화지연 기간이 길어짐으로 연료량이 증가한다.

3) 낮은 연소실 온도 : 착화지연 기간이 길어진다.

4) 과다 연료 분사 : 잔여 연료가 발생하며, 다음 착화시의 연료량에 더해져 압력상승을 유발한다.

 

디젤 노크를 방지하는 방법의 핵심은 착화지연 기간을 짧게 하는 것이며, 다음과 같다.

1) 착화성이 좋은 연료를 사용한다.

2) 착화지연을 짧게 한다(착화온도를 낮게 한다).

3) 연소실 안의 와류를 증대시킨다.

4) 압축비를 높인다.

5) 흡기온도와 압력을 높인다.

6) 실린더 벽의 온도를 높인다.

 

세탄가(cetane number)는 디젤기관의 착화성을 정량적으로 나타낸 것이다. 세탄가가 높은 연료일수록 디젤 노크를 잘 일으키지 않는다. 세탄가의 표시 방법은 다음과 같다.

착화성이 좋은 세탄(C₁₆H₃₄)은 세탄가 100, 착화성이 나쁜 ɑ - 메틸나프탈렌(normal heptane, C₁₀H₇)은 세탄가 0으로 정한다. 이 두 연료를 적당한 비율로 혼합하고 혼합된 연료 중 세탄의 체적 비율로서 혼합연료의 세탄가를 나타낸다. 이와 같이 세탄과 ɑ - 메틸나프탈렌을 혼합한 연료를 표준 연료로 하여 노크의 세기를 측정하고, 시험하고자 하는 연료가 표준 연료와 같은 세기의 노크를 발생할 때 표준 연료 중 세탄의 체적 비율(%)이 시험 연료의 세탄가가 된다.

세탄가 = (세탄 / 세탄 + (ɑ - 메틸나프탈렌)) x 100(%)

 

※ 가솔린기관 노크를 방지하기 위해서는 압축비, 흡기 온도와 압력, 실린더 벽 온도를 낮추고, 디젤기관 노크를 방지하기 위해서는 이들을 높인다.

 

※ 가솔린기관과 디젤기관의 비교

디젤기관에서는 항상 공기 과잉 상태로 운전하므로 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 배출은 적지만 질소산화물(NO_x)과 매연이 많이 배출된다. 이에 반해 가솔린기관에서는 불완전 연소에 의해 일산화탄소(CO)가 많이 배출된다.