디젤엔진의 사이클과 연효율

디젤엔진의 사이클과 열효율

 

디젤엔진의 사이클 – 디젤엔진은 공기만을 흡입하고 이를 압축하여 고온, 고압으로 된 다음 연료를 분사하여 자기착화시키는 것을 특징으로 하고 있다. 이 특징은 르돌프 디젤(Rudolf Diesel)이 효율의 높은 엔진을 추구한 결과로서 얻어진 것이며 현재도 디젤엔진은 이 기본적인 사이클에 의해 운전되고 있다. 디젤엔진의 실린더 내에서의 압력의 변화, 연료분사, 착화, 팽창 등 일련의 과정을 보면 다음과 같다.

1) 흡입된 공기를 피스톤의 상승행정에서 단열압축하고 TDC전에 연료를 안개모양인 무상으로 분사, 자기착화에 의해 연소가 이루어진다.

2) 이렇게 하여 얻어진 고온, 고압의 연소가스는 팽창되면서 피스톤에 의해 일을 하게 되고 이 때의 팽창일과 앞에서의 압축일과의 차이가 매 사이클 당의 일로 된다.

왕복동식 엔진의 기초적인 사이클에는 가솔린엔진의 정적사이클(Otto cycle)과 저속디젤엔진의 정압사이클(Diesel cycle), 그리고 자동차용 고속디젤엔진의 기본사이클인 복합사이클이 있다.

 

디젤엔진 발생열의 이용률 – 디젤엔진은 연료의 연소에 의해 발생된 열에너지가 보다 확실하게 피스톤에 전달되고또한 일로의 변환이 큰 것을 가장 큰 메리트로 하는 엔진이다. 가솔린엔진의 경우는 연소의 형태가 정적연소이어서 단 1회만의 급격한 열발생에 의해 에너지가 공급되고 그 공급되는 에너지의 크기에 비해 유효한 일로서 전환되는 율이 디젤엔진의 경우만큼 크지 않다. 이제 대해 디젤엔진의 경우는 가솔린엔진과는 그 연소형태가 다르고 열에너지의 발생과정이 가솔린엔진에 비해 완만하고, 또한 피스톤에 대한 일로서의 전달되는 율이 높다. 즉, 같은 양의 연료로부터 얻어지는 발생열량이 일로 변환되는 비율을 비교할 때 가솔린엔진에 대해 디젤엔진인 경우가 보다 효율적이다.

 

디젤엔진의 연소

디젤엔진의 경우 기본 사이클을 가솔린엔진과 비교할 떄 크게 다른 것은 연료의 공급방법과 연소의 형태이다. 즉, 디젤엔진은 앞에서 기술한 것과 같이 대기중의 공기를 스로틀링 없이 그대로 실린더 내에 흡입한다. 따라서, 흡입 공기량이 가솔린엔진의 경우와는 다르게 운전상태에 무관하게 언제나 크게 달라지지 않는다. 뿐만 아니라 출력은 연료의 분사량에 의해 제어하게 되어 스로틀밸브의 개도를 변화시키는 대신 연료의 분사기간 즉, 연료의 공급량을 조절하여 출력을 제어하도록 되어 있다. 그리고 가솔린엔진의 점화시기에 해당하는 것이 디젤엔진의 경우는 연료의 분사개시기가 된다.

 

디젤연료의 분사와 연소과정

연료의 분사 – 디젤엔진의 압축비는 가솔린엔진에 비해 크게 높고, 따라서 압축 말에는 압축된 공기의 압력과 온도가 대단히 높아져 있다. 그런데 연료로 사용되고 있는 경유나 중유의 자기발화온도는 200-300°C정도 이므로 여기에 연료를 안개 모양으로 분사하면 필연적으로 자기발화된다.

연소과정 – 연료는 TDC에 약간 앞서서 현재 많이 채용되고 있는 일반 사용차용 엔진의 경우는 플런저펌프에 의해 100-400kgf/cm2정도로 가압된 연료를 고압으로 분사노즐을 통해 연소실 내에 분사한다. 이 때 연료의 평균입경은 10-100μm이고 이것이 분무의 형태로 분사된다. 분사의 개시에서 자기발화에 의해 연소가 시작할 때 까지는 1-6ms의 시간이 걸리며 이것이 착화지연이고 연소의 준비기간이다. 이 착화지연은 물리적인 지연과 화학적인 지연으로 구분된다. 즉, 분사된 연료분무의 미립자가 각각 압축공기에 의해 가열되어 표면으로부터 기화되면서 그 때 생성된 연료증기와 공기가 혼합하여 혼합기층이 형성된다. 이렇게 하여 형성된 혼합기층 가운데에서 적정의 혼합기가 형성된 곳부터 공기중의 산소와 연료증기의 산화반응이 진행 된다. 그리고 그 반응열에 의해 온도가 상승, 자기발화가 일어나며 이것이 불씨가 되어 그 때까지 실린더 내에 분사되었던 연료는 연쇄반응적으로 연소하게 된다.

 

연료분무의 형성과 연소

연료분무의 구비조건은 다음과 같이 설명할 수 있다. 디젤 엔진의 출력과 연료소비율은 분사노즐로부터 연소실에 분사되는 연료의 연소상태에 의존한다. 최상의 연소상태를 얻기 위해서는 연료가 연소실 내에 분사, 공급될 때에는 다음과 같은 요건을 만족시켜야 한다.

1) 액체상태인 연료가 연소되기 위해서는 분사와 동시에 많은 양이 연료증기로 되어야 하고 이를 위해서는 연료입자의 미립화로 그 표면적이 커져서 주위와의 열 침 물질교환이 활발하게 이루어져야 한다.

2) 연료증기가 산화제인 공기와 잘 혼합되어 효율적인 연소가 이루어지기 위해서는 연료증기의 입자가 연소실 내의 구석진 곳까지 도달되고 또한 고루 분포됨으로써 공기의이용률이 높아져야 한다.

 

무화 – 연소실 내에 분사된 연료가 미립화, 안개모양의 무상으로 되는 과정을 무화라고 하고 이 안개 모양으로 분사되는 연료를 분무라 한다. 액체상태의 연료가 노즐로부터 분공을 통하여 분출될 때에는 연료의 점성과 압력에 의해 원추형의 분류가 된다. 이 때 연료의 분무군은 분공으로부터 어느 정도의 거리를 나가는 사이에 더욱 미립화 된다. 무화는 연료입자의 표면적을 증대시키는 것으로 실제의 경우 분무유입의 크기는 균일하지 않으며 입경의 크기가 서로 다른 다수의 유입군으로 형성되어 있다. 이와 같이 유입군으로 형성되어 있을 때에는 그 가운데에서 입경이 큰 유입이 포함되어 있는 경우가 연소특성상 오히려 바람직한 것으로 되어 있다. 즉, 미세한 유입은 증발속도가 빠르고 이와 같이 미세한 분무는 분사직후 분공 가까이에서 다량의 연료증기를 발생하게 된다. 그런데 이 농도가 짙은 연료증기는 공기와의 혼합이 어렵고, 뿐만 아니라 혼합시간도 길어져서 그에 따라 연소의 지연으로 유리탄소인 스모크를 배출하게 되는 원인이 된다. 또한 반대로 공기와의 혼합이 빨리 이루어졌다고 하여도 착화지연이 경과된 후에는 한꺼번에 연소가 진행, 압력의 급상승으로 소음을 발생하게 된다.

분포 – 분사된 연료는 미립화가 잘 되었다고 하여도 혼합기가 형성 될 때 연소실 내에서 유입이 도달되지 못한 부분이 있게 되면 그곳에 있는 공기는 연소에 참여하지 못하게 된다. 또한 반대로 유입이 어느 한곳에 지나치게 밀집되어 있으면 그곳은 공기의 부족현상이 생기면서 불완전 연소를 하게 된다. 따라서 분무의 유입은 연소실 내에서 균일하게 분포 되어야 하며 그 분포는 주로 분무각에 의해 지배된다.

 

관통력 – 분사 떄 유입이 분출 도중 어느 한곳에 정지한 상태에 있게 되면 어느 특정의 부위가 연소가스에 둘러쌓이는 형국이 되면서 그 이상은 연소가 진행되지 못하게 된다. 따라서, 분사된 유입은 연소가 종료될 때 까지 이동을 계속할 수 있는 힘, 즉 관통력을 가지고 있을 것이 필요하다. 그러나 연소실의 형상에 따라서는 이 관통력이 지나치게 클 경우 유입이 연소실의 벽면에 부착, 다시 응축되면서 불완전연소를 일으킬 염려가 있다. 그러므로 이 관통력은 연소실의 형상이나 압축공기의 스월, 스쿼시등의 강도에 알맞은 크기의 것이어야 하며 이 관통력은 분무의 도달거리의 크기에 지배 된다.