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자동차공학. 건국대학교 기계공학과 박 정 규. 디젤엔진. 디젤 엔진에 대하여 ... 디젤 엔진 이란 ?

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Presentation Transcript
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자동차공학

건국대학교 기계공학과 박 정 규

디젤엔진

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디젤 엔진에 대하여...

디젤 엔진 이란?

디젤엔진과 관련하여 일반사람들은 몇 가지 편견을 갖고 있다.  시끄럽고 엔진 떨림이 심하며 가속력과 순발력도 떨어지며 매연이 많아 환경을 오염시킨다는 것이다. 이것은 어느 정도까지는 사실이었으며, 과거 대우자동차의 로얄레코드와 기아자동차의 콩코드에 디젤엔진을 장착했다가 떨림이 심하고 소음이 많은 관계로 외면을 받다가 판매가 중단된 바도 있다.  또 화물차나 오래된 버스에서 시커멓게 나오는 매연으로 '디젤승용차는 싸구려차'라는 인식도 일조를 하고있는 것도 사실이다.

그러나 디젤엔진은 그 만의 강점이 있다. 차량마다 조금씩 차이는 나지만 디젤엔진의 연비는 압축비가 높아 열효율이 뛰어난 관계로 휘발유엔진보다 좋은 것으로 밝혀지고 있고, 저속토크가 크고 습기에 강하다. 또 엔진구조가 점화시스템이 없는 등 심플해서 고장이 적게 나는 것도 장점이다. 국내보다는 유럽에서 디젤엔진 차량의 선호도가 크며, 유럽에이커의 주도로 상기한 디젤엔진의 강점을 살리는 방향으로 최신 디젤 기술이 잇달아 개발되 나가고 있다.

'저연비차의 상징'이라는 유럽 3L카의 선두인 폭스바겐 루포TDI도 인터쿨러 디젤터보 엔진을 장착하고 있으며, 최근에는 휘발유 엔진을 능가하는 첨단 커먼레일(직접분사) 방식의 엔진까지 나오게 되었다. '청정 엔진'이라 불리는 커먼레일 디젤엔진이란 고압 저장장치인 커먼레일을 통해 일정압력 이상에서 연소실로 초고압의 연료를 직접 뿜는 방식으로 토크는 말할 것도 없고 출력도 높아 최고시속도 모두 200km를 넘을 만큼 가속력도 좋다. 그래서 고급차인 벤츠 S클래스나 BMW 7시리즈, 아우디 A8시리즈 등에 장착하여 양산중에 있는 것이다.

이제 신기술과 첨단 소재의 사용으로 디젤차는 조용하고 공해가 없으며 연비까지 탁월한 차로 인식이 되고 있는 것이다. 현재 유럽의 경우 유럽지역에서 연간 팔리는 1,400만대중 디젤차가 약 30%를 차지할 정도로 인기를 얻고 있으며, 또 2004년까지 전체 자동차시장 규모가 3~4% 늘어나는데 비해 디젤차는 18% 이상의 고성장이 예측되고 있다. 국내에도 이에 부응하여 현대 자동차는 2000년 말경 커먼레일 방식의 승용차용 디젤엔진이 양산될 예정이며 대우자동차도 또한 현재 개발중이다. 이제 국내에도 디젤에 대한 편견이 점차 없어지고 조만간 디젤승용차도 인기를 얻으리라고 생각된다.

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디젤 엔진(Diesel Engine)은 기구학적인 요소에서 가솔린 엔진과 거의 비슷하지만, 연료의 연소과정에 있어 가솔린 엔진은 공기와 연료의 혼합기를 압축한 다음 전기적인 불꽃으로 점화(Spark Ignition)하는데 비해 디젤 엔진은 공기만을 흡입하고, 고압축비(16~23:1)로 압축하여 그 온도가 500℃ 이상되게 한 다음 노즐에서 연료를 안개모양으로 분사시켜 공기의 압축열에 의해 자기착화시키는 점이 다르다.  따라서 디젤 엔진에서는 가솔린엔진에서의 점화장치가 필요치 않고 연료 분사 펌프(Injection Pump)와 연료 분사 노즐(Injection Nozzle) 등으로 구성된 연료 분사장치를 필요로 한다. 디젤엔진에서 사용되는 연료는 자기착화성이 좋은 경유,중유,석유 등을 사용하며 연료 분사장치는 가솔린 엔진의 전자제어 연료분사장치(MPI)와 비슷하지만 연료분사원리는 본질적으로 다른 점이 있다.가솔린엔진은 회전수를 높이기 위해 엑셀 페달로 쓰로틀 밸브를 열어 공기의 양을 증가시키지만, 디젤엔진은 항상 대량의 공기를 흡입해야 흐므로 쓰로틀 밸브는 없고 회전수를 올리기 위해 엑셀 페달을 밟아 연료 펌프로부터 들어오는 경유의 양을 늘리는 방법을 쓰고 있다.

디젤 압축착화의 개요

1. 압축열의 발생  실린더안에 흡입된 공기의 분자는 압축하기 전에는 천천히 돌아다니고 있다가, 압축을 하면 서로 부딪치고 간섭하게 되어 분자의 운동속도가 가속이 된다. 공기분자의 속도가 가속이 된다는 것은 외부로 부터 에너지를 받았기 때문이며 그 결과로 공기의 온도는 높아지게 된다. 이와같은 공기의 압축열은 당연히 공기의 흡입량이 많아질수록 그리고 압축압력(압축비)가 높을 수록 비례하여 높아진다.

2. 연료의 착화온도  연료가 고온이 되면 외부에서의 불을 가까이 하지 않아도 발화가 된다. 이때의 최저온도를 그 연료의 착화온도라 하며, 디젤유인 경유의 착화온도는 가솔린의 그것보다 낮다. 이것이 디젤의 연료로 경유를 쓰는 이유이다. 경유의 착화성을 나타내는 지표로 세탄가(setane number)를 쓰고 있으며 이 값이 클수록 착화하기가 쉽다. 디젤엔진의 착화성을 좋게하기 위해서는 연소실에서 압축된 공기의 온도를 높일수록, 압축압력을 높일수록 그리고 경유의 착화온도를 낮게할 수록 유리하다.

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디젤엔진의 장.단점

1. 장점- 압축비가 높고 흡입공기의 저항이 없으므로 연비가 우수하다.- 높은 압축비와 폭발 압력으로 높은 토오크를 얻을 수 있다.- 값싼 경유를 사용하는 경제적인 이점

2. 단점- 압축비 및 최대 폭발압력이 크기에 관련부품의 강성이 필요하다.- 엔진의 강성보완으로 가솔린엔진 대비 중량이 더 나간다.- 마찰손실이 크다.- 부품의 강도한계로 고회전화가 어렵다.- 연료 분사계의 성능한계로 고회전화가 어렵다.- 순차연소가 아닌 일시연소로 소음/진동이 크다.

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디젤엔진의 역사

디젤엔진의 등장

디젤엔진은 값싼 연료비와 효율성 때문에 세계적으로 휘발유 못지 않게 중요한 존재로 자리를 굳히고 있다. 디젤이 이처럼 대중화되기까지는 숱한 기술적 실패와 고난이 뒤따랐다.

디젤엔진이라는 명칭은 이 방식을 처음 개발한 독일 루돌프 디젤(1858~1913) 의 이름을 따온 것이다. 프랑스에서 태어난 디젤은 1824년에 레오나르도 사디 카르노가 발표한 이론을 실현시키기 위해 연구에 매달렸다. 카르노는 당시 유일한 열기관인 증기엔진이 온도차로 인해 열에너지가 비효율적으로 변화하고 있음을 발견했다. 1880년경의 증기엔진의 열효율은 불과 6~10%에 불과했다. 따라서 이를 개선키 위해서는 가능한 한 높은 온도차와 압력차를 유지해야 한다는 방안을 제시했다. 이 이론을 입증하기 위해 연구에 몰입한 루돌프 디젤은 곧 이 방식이 실현불가능하다는 결론을 내리게 됐지만 결과적으로 디젤엔진의 기초적인 아이디어를 얻게 됐다.

디젤엔진은 공기만 흡입해 고압으로 압축한 뒤 점화장치 없이 공기압축으로 발생한 열을 통해 연소실로 들어간 연료를 자기착화시키는 방식이 특징이다. 1897년 루돌프 디젤은 아우구스부르크 기계제작소(현재의 만)와 함께 두차레 의 실패끝에 최초의 디젤엔진을 탄생시켰다.  현재 독일의 한 박물관에 전시돼 있는 이 엔진은 높이 2m가 넘는 대형 세로형 엔진으로 열효율이 26%에 이르러 당시 열기관 중 가장 우수한 성능을 자랑했다. 단기통으로 제작된 이 엔진의 배기량은 무려 1만9,635cc에 달했다. 이같은 거대 덩치가 승용차에 얹힐 만큼 작아지기까지는 40여년의 세월이 더 필요했다.

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디젤승용차의 등장 루돌프 디젤이 최초의 디젤엔진을 개발한 때는 1897년이었으나 자동차에 도입되기 시작한 것은 이보다 30여년이 지난 1920년대 이후부터다. 디젤엔진은 초기의 큰 덩지 때문에 우선 트럭과 버스에 먼저 달렸다. 1934년 베를린 교통주식회사가 최초의 디젤 2층버스를 운행시켰다. 6기통 엔진을 얹은 이 버스는 최고출력이 150마력에 달했다. 승용차에 디젤도입이 늦어진 이유는 엔진의 크기와 무게를 줄이기가 쉽지 않아서다. 엔진의 덩지를 억지로 줄이다보면 성능이 떨어지게 마련이고 이를 보완하기 위해 휘발유처럼 회전속도를 높이는 일도 여의치 않았던 것. 특히 연료의 소량분사 및 고압축을 위해 작은 연소실에 밸브와 분사노즐을 적절하게 배치하기가 어려웠다. 이 때문에 1930년대 이전만 해도 5t급 디젤트럭의 가장 낮은 최대토크 한계가 1,600rpm으로 여겨졌다. 이런 가운데 다임러 벤츠가 1932년 선보인 2t 디젤버스가 2,000rpm을 달성하자 각 자동차전문지들이 디젤승용차의 등장을 밝게 점치기 시작했다. 그리고 4년 뒤 이 예측이 현실로 다가왔다. 벤츠가 1936년 열린 베를린 모터쇼에 최초의 양산 디젤승용차를 출품한 것이다. 이 차는 당시의 휘발유차보다 무겁고 속도가 느리며 값이 비싼 단점이 있었지만 운행비가 싸고 오래 달릴 수 있다는 이점 때문에 특히 택시조합에서 인기가 높았다. 이 차는 4기통 2,550cc 엔진을 얹었으며 최고 45마력의 힘을 냈다. 디젤승용차의 상용화에 두번째로 성공한 메이커는 프랑스의 푸조였다. 1937년 처음 등장한 푸조의 디젤차는 디젤과 휘발유 겸용으로 설계돼 소비자가 자유롭게 선택할 수 있었다. 푸조는 비록 디젤승용차의 발표에서 벤츠에 이어 두번째로 밀렸지만 이미 1922년경부터 15마력을 내는 2스트로크 타입의 디젤엔진을 푸조 156모델에 얹어 파리-보르도간 왕복 레이스에서 실험을 거쳤었다. 이같은 노력의 결과로 푸조는 현재도 유럽에서 디젤승용차를 가장 많이 파는 메이커로 자리하고 있다.  

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디젤연료-경유

  • 디젤엔진(diesel engine)연료 특성
  • 디젤엔진은 휘발성이 가솔린보다도 낮은 경유를 연료로 사용해서 동력을 얻는다. 디젤엔진용 경유의 특성은 다음과 같다. 정유를 정재하면 휘발유 뿐아니라 경유,석유,방커시유,슬러지,항공유등 다양하게 정제된다. 다양하게 나오는 정제된 기름의 특성을 구분하여 사용할 수 있도록 연구 개발이 되었다. 그래서 정제된 오일이나 찌거기는 한가지도 버릴 것이 없고 여러 가지로 개발되어 인류에 보탬이 되고있다. 예를 들면 더 이상 정제할 수 없는 찌거기인 슬러지는 도로바닥에 갈아서 아스팔트로 사용되고 있다. 경유와 석유의 특성을 보면,경유를 태울 때는 끄으름이나오고 폭발력도 석유보다 낮으나 단지 석유보다 점도가 좋다. 석유는 점도가 없고 태울 때 매연이나 끄으름이 거의 없이 깨끗하여 연통없이 실내 난로로 사용하고 있다. 그러나 석유는 디젤엔진에 사용할 수 없다. 그 이유는 점도 때문이다. 연료를 고온 고압으로 압축하는 플런져와 고압의 연료를 실린더에 분사하는 노즐에는 벨브와 실린더, 피스톤이 있어 고압을 만들거나 고압을 분사한다.   실린더 내로 분사하기 위해서는 워낙 고압이여서 실린더가 조금이라도 마모가 있으면 고압을 만들 수가 없다. 그래서 항상 점도가 있는 경유가 플런저의 실린더,피스톤을 윤할하는 작용을 하게 된다.따라서 점도가 없는 석유를 사용하면 플런저의 실린더,피스톤,밸브의 작동중 윤활성분이 없어져 마모가 촉진되고 ,연료를 압축 할 수 없게 된다.
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경유는 착화성이 좋다.

착화성이란 불꽃이 없어도 온도만 올라가면 불이붙는 온도를 말한다.  이 착화성은 휘발유엔진과 디젤엔진이 방식이 다른원인이 되기도 한다. 경유와 휘발유의 성능 비교를 하면 디젤과 가솔린의 특성을 이해할 수 있다. 휘발유를 원료로 사용하는 엔진은 인화성이 좋기 때문에 작은 스파크불꽃으로도 아주 추을 때라도 쉽게 점화할 수 있다. 불꽃없이 휘발유에 불이 붙기 위해서는 550도 이상 온도가 올라가야 스스로 불이 붙는다. 그러나 경유는 불꽃이 있어도 연료의 온도가 65도 이상에서만 인화가 되기 때문에 언제나 연료자체에 온도를 높여 주어야 한다.

그러면 어떻게 연료의 온도를 높일까?

밀폐된 공간에서 순간적으로 압력을 높이면 압력을 높이는데 들어간 힘이 열로 변화하여 공간내의 공기는 열을 포함하게 된다. 4사이클엔진에서의 4단계중에 압축은 폭발의 바로 전단계로서 압축압력을 높여주면 실린더 내의 공기는 순간적으로 높은 열을 포함하게 된다. 압축행정시 경유를 분사하면 순간적으로 큰 폭발이 일어나는 원리를 이용 하였다.  그래서 휘발유 엔진보다 압축력이 세다

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2. 경유의 세탄가 경유는 가솔린 처럼 강제점화가 아니라 자연착화를 한다. 경유에서 자연착화 능력은 가장 중요한 항목이며 그 척도로 세탄가 라는 지수를 사용하고 있다. 세탄가란 디젤연료인 경유의 착화성의 우열을 나타내는 지표로, 발화성이 좋은 세탄과 발화성이 나쁜 알파-메틸나프탈렌의 세탄가를 각각 100과 0으로 하여, 일정한 용적비율로 섞어 표준연료를 만들고, 어떤 연료의 착화성이 세탄 x%의 표준연료와 동일할 때, 이 연료의 세탄가를 x라 한다. 실제시험은 CFR디젤기관을 사용하며, 세탄가를 높이기 위한 발화 촉진제로 아초산아밀이나 아초산에틸렌 등이 사용된다. 세탄가가 높을수록 저온에서의 착화성이 좋아진다. 예를 들어 세탄값이 35인 경유는 엔진 내 압축공기의 온도가 섭씨15도는 돼야 엔진의 시동이 걸리지만 세탄값이 60인 경유는 영하 1도에서도 시동이 가능하다. 그러나 세탄가가 무조건 높은게 좋은건 아니다. 세탄가가 너무 높으면 조기연소의 문제가 생기게 된다. 그러나 반대로 너무 낮은 경우에는 엔진 시동이 제대로 걸리지 않고 하얀 연기를 내뿜거나 탄소 침전물의 찌꺼기를 내놓게 된다. 디젤엔진의 경우 세탄가는 보통 40~60 정도가 적당하다.

3. 디젤엔진연료유에 대한 요구성상

  일반적으로 경유는 비등점이 섭씨 200~370도 범위에 속하며, 등유 다음으로 유출된다. 디젤엔진연료유에 대한 요구성상은 다음과 같다.    ① 엔진에 필요한 착화성을 가질 것.  ② 사용온도에서 적당한 점도와 휘발성을 유지할 것.  ③ 유해한 고형물질과 부식성분이 없을 것.  ④ 연소 생성물 중에 고형분이 적을 것.  ⑤ 저온에서 펌프 작동성이 좋을 것.

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디젤엔진 오일

  • 1. 엔진 윤할유의 일반적 기능  윤활유를 사용하는 기본 목적은 기계의 마찰 부분의 고체 마찰을 유체 마찰로 바꾸어 고체 마찰에 의한 저항을 감소 시킴으로써 타서 눌러 붙는 현상이나 마모를 줄이는데 있다. 엔진에서 윤활유가 갖는 기능은, 엔진 운동부품 각부의 마찰 감소, 엔진 부품의 냉각기능, 마찰부품의 부하 분산기능, 세척기능, 방부 방청기능 그리고 가스에 대한 밀봉 기능 등이 있다.
  • 2. 디젤엔진 윤활유 디젤엔진은 공기를 압축하여 고온(약 500'C)으로 만든 후 연료를 직접 분사함으로써 착화하는 시스템이므로 디젤연료의 타다 남은 카본이 엔진오일에 혼입되어 엔진오일을 열화시킬 우려가 있다. 또한 디젤엔진은 연료에 유황함량이 많고 엔진오일 온도가 상대적으로 높기 때문에 산화가 많이 일어나고 이에 따른 슬러지도 많이 생기게 된다. 따라서 디젤엔진의 오일로서 갖추어야 할 성상은 다음과 같다. 고온에서의 열안정성이 특히 좋을 것   가솔린엔진에 비해 디젤엔진의 연소환경은 고온 고압으로 연소실 주위온도가 매우 가혹하므로 내열안정성이 특히 중요. 전알카리가가 적정할 것  디젤연료에 포함되어 있는 유황, 질소분 등의 불순물은 연소시 각종 부식성 가스를 생성, 엔진오일의 산화를 촉진시킬 뿐만 아니라, 엔진 각부 특히 실린더 벽면의 조기마모의 원인이 되므로 이를 중화시킬 수 있는 적정한 전알카리가가 필요. 청정분산성이 좋을 것   디젤엔진의 경우, 블로바이가스의 영향으로 수트(Soot)의 혼입가능성이 높으며 이에 의해 오일중의 불용분이 증가하여 피스톤 상부에 침적, 엔진기능에 나쁜 영향을 미치게 된다. 따라서 유해생성물의 침적을 방지하고 오일중에 고르게 분산시켜 줄 수 있어야 한다.   
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가솔린엔진과 디젤엔진 비교

가솔린 엔진과 디젤엔진의 특성

경유를 연료로 하는 디젤엔진의 작동은 4사이클 가솔린 엔진과 거의 같다. 다른 점은 흡입하는 공기를 압축시켜 분사된 연료를 자연착화 시키는 것이다. 압축비는 20:1 이상으로 가솔린의 약 2배 정도이고 실린더에 흡입하는 공기는 압축되면서 높은 압력으로 500℃에 가까운 고열이 되므로 경유의 착화온도인 300℃를 넘어서기 때문에 자연착화되어 연소되는 것이다.가솔린 엔진이 회전수를 올리려면 쓰로틀 밸브를 열어 공기의 양을 늘려야 한다. 그러나 디젤은 항상 대량의 공기를 흡입하여야 하기 때문에 쓰로틀 밸브는 없다. 따라서 회전수를 올리려면 가속페달을 밟아 연료 펌프로부터 보내지는 경유의 양을 증가시키는 방법을 택한다. 높은 압축비와 폭발 압력으로 높은 토오크를 얻을 수 있고 값싼 경유를 사용하는 경제적인 이점은 있지만 고압에 견디려면 무거운 주철의 블록을 사용하여야 하는 난점과 압축비를 높이기 위한 스트로크의 양이 길어 고회전이 어렵고 또 가속 페달을 밟아도 곧 회전력이 올라가지 않는 단점이 있다.

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불꽃점화(Spark Ignition)엔진과 압축착화(Compression Ignition)엔진의 비교

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디젤엔진 연소과정디젤엔진의 연소과정에 대하여

디젤엔진의 연소과정은 4개의 기간으로 나누어 볼 수 있다.

1. 착화지연기간 (A→B)연료가 안개모양으로 분사되어 실린더안의 압축공기에 의해 가열되어 착화온도에 도달하는 기간이다. 순간적으로 극히 쨟은기간이며, 압력은 급격히 높아지지 않으나 이 기간의 크기는 연소에 큰 영향을 미치므로 가능한한 쨟게 하는것이 좋다. 이 기간의 크기는 연료의 착화성, 공기의 압축압력 및 온도, 연료의 분사상태 등의 영향을 받는다.2. 급속연소기간 (예혼합연소기 B→C) B에서 1점 또는 다점에서 동시에 발화가 일어나 급속히 각부분으로 전파됨과 동시에 연소하여 압력이 급격히 상승하는 구간. C에서 분사된 연료는 대부분이 연소되어 버린다.

3. 확산연소기간(C→D) C를 지나서도 연료는 분사되나 이미 폭발적연소기간에 생긴 불꽃에 의해 분사함과 동시에 연소가 된다.

4. 후연소기간(D→E) 그림의 D에서 연소가 끝나고 연소가스는 팽창하나, 그때까지 완전히 연소되지 않은 것은 팽창기간중에 연소한다. 이 기간이 길면 배기온도가 높아지고 열효율이 저하되므로 쨟아야 한다. 연료입자의 크기, 분포 및 공기와의 접촉이 이 기간의 연소에 영향을 준다.

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디젤 엔진의 연소실

연소실의 종류

디젤엔진에 적용되고 있는 연소실의 종류는 다음과 같다.

1. 직접분사식(Direct Injection Type)

구조가 가장 간단한 형식으로 종래에는 주로 중.대형 디젤엔진에 많이 사용되었으나 최근에는 열효율이 높기때문에 고속형 소형엔진에도 채용이 확산되고 있다.분사압력을 획기적으로 높여 저연비.고출력을 이룰 수 있는 커먼레일 디젤엔진이 유럽의 벤츠를 선두로 개발되어 향후의 주력엔진으로 전망되고 있다. 여기서는 종래의 직분사 디젤엔진에 대해 언급한다. 종래의 직접분사식 연소실의 구조는 실린더헤드와 피스톤헤드 사이에 마련된 연소실안에 연료를 분사하여 연소하도록 되어 있다.  따라서, 연료를 완전 연소시키기 위해 구멍형 노즐을 사용하여 150∼300kg/㎠의 고압으로 분사한다.  

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2. 예연소식(Precombustion Chamber Type)

주연소실 윗부분에 예연소실이 있어 그 속에 연료를 분사하여 연료의 일부를 연소시키면 이때 발생한 압력에 의해 남은 연료를 주 연소실로 분출하여 주연소실의 공기와 잘 혼합해 연소시키는 것이다. 예연소실식은 2단계 연소가 되며, 연료와 공기의 혼합은 예연소실에서 분출된 기류를 이용하는것이 특징이다. 일반적으로 예연소실의 용적은 용적비(전 압축용적에 대한 예연소실 용적의 비율)가 30∼40%이다.  

3. 와류실식(Swirl Chamber Type)

와류실식은 실린더 헤드에 와류실을 만든 것으로, 압축행정시 와류실안의 공기에 소용 돌이를 일으켜 여기에 연료를 분사하여 연소시키는 것이다. 즉, 예연소실식에서는 연료를 부분적으로 연소시키지만 와류실안에서는 전부를 완전히 연소하도록 되어 있다. 따라서, 와류실의 용적은 전 연소용적의 70∼80%를 차지하고 실린더로 통하는 통로는 하나이다. 와류실식은 직접분사식과 예연소실의 중간적 특성을 가졌다고 할 수 있다.  

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4. 공기실식(Air Chamber Type)

공기실식은 주연소실외에 공기실이 있는데, 연료를 주연소실안에 분사하면 그 일부가 공기실로 들어가 연소되고 이 연소로 인해 공기의 분출에너지를 크게 해 연소를 향상 시키는 것과, 공기실 안에는 연료를 분사하지 않고 피스톤의 하강에 따라 공기실에서 공기를 분출하여 산소를 공급하고 소용돌이를 일으켜 연소시키는 것이 있다.

예열플러그(Grow plug)에 대하여 디젤연료의 압축압력에 의한 열높임으로는 추운겨울에 착화는 불가능하다. 그래서 실린더로 흡입되는 연료의 온도를 임의로 높이기위해 실린더입구에 예열플러그를 설치하여 겨울철시동시 예열플러그를 발열시켜 실린더 내부로 들어가는 공기의온도를 높여주는 역할을하여 시동을 원활하게 한다. 특히, 예연소실식과 와류실식은 시동시시동성이 곤란하여 예열플러그 같은 별도의 예열장치가 반드시 필요하다. 그래서 추운날씨에 시동이 잘안걸리면 실린더의 예열플러그를 의심하면된다.

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연료분사장치

디젤엔진의 연료 분사장치

  디젤엔진의 연료분사장치에 요구되는 기능은 연료의 압송, 엔진의 요구에 맞는 분사량의 조절, 분사시기의 조정과 분무의 형성이다.  분사시기는 분사펌프에서 결정되고 분무는 노즐에서 형성된다.  피드펌프에 의해 분사펌프에 보내진 연료는 가압되어 분사강관을 통해 노즐로부터 연소실내로 분무상태로 분사된다. 노즐에 보내진 연료의 일부는 노즐의 접동부의 윤할을 하고 연료탱크로 돌아간다. 디젤엔진의 연료분사장치는 적정시기에 적정량의 연료를 고압으로 미립화하여 연소실내로 분사하는 기능을 하며 엔진성능에 매우 중요한 역할을 한다. 연료분사장치의 본체는 분사펌프로서 플런져로 연료를 압송하는 저크식(Jerk Type) 분사장치가 대부분이며 열형펌프와 분배형펌프의 두가지가 있다. 열형펌프는 엔진기통수와 같은수의 플런져가 일렬로 배치되어 있으며 중대형엔진으로 널리 사용되고, 분배형펌프는 1개의 플런져로 각기통에 연료를 분배하는 구조로서 부품수가 적고 경량이기 때문에 소형엔진에 주로 사용된다.  최근에 개발된 유닛인젝터는 연료 분사관이 없고 저크식 분사펌프와 노즐이 일체로 된 구조이기 때문에 고압분사에 적합하다

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디젤연료 장치의 구조

디젤연료분사장치는 연료탱크(Fuel Tank), 연료공급펌프(Fuel Feed Pump), 연료필터(Fuel Filter), 분사펌프(Fuel Pump), 분사노즐(Injector) 그리고 이들부품을 연결하는 파이프와 호스로 연결되어 있다.

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연료펌프(Fuel Pump)

연료를 탱크로 부터 흡입하여 연료필터를 거쳐 분사펌프로 보내는 피드펌프, 연료를 고압으로 만들어 분사관으로 압송하는 압송기구, 분사량을 조절하는 조절기구를 가진 펌프 본체, 펌프본체의 분사량 조절기구와 결합되어 엔진회전수와 부하에 따라 분사량을 제어하는 거버너(Governer) 그리고 엔진회전수에 따라 분사시기를 제어하는 타이머(Timer)로 구성된다.

송유율과 적용범위

연료분사펌프의 능력은 송유율로 결정되며, 송유율은 압송되는 단위 캠 각도당 연료분사율로 나타내는데 플런져경과 캠속도에 따라서 결정된다. 일반적으로 부실식엔진은 송유율이 낮은 펌프를, 배기량이 큰 엔진이나 직분엔진은 송유율이 높은 펌프를 사용하며, PM 등의 저감에 연료미립화가 유리하므로 분사펌프는 고압화되는 경향이다.

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작동메커니즘

1. 압송기구 압송기구는 펌프엘리멘트와 딜리버리 밸브로 구성되며 작동순서는 다음과 같다.

  - 흡입  : 피드홀을 통해 연료를 플런져실로 흡입한다.   - 압송 : 플런져가 상승하여 피드홀을 닫으면 플런져실의 연료압력이 상승하여 딜리버리 밸브를 밀어올리고 연료는 분사관으로 송유된다.   - 분사  : 분사관내에 연료압력이 분사노즐 개변압보다 높으면 분사노즐의 니들이 상승하여 연료분사가 시작된다.   - 분사종료  : 플런져가 더욱 상승하여 플런져 리드가 피드홀을 관통하면 고압연료는 연료갤러리로 빠져나가고 압력강하로 압송이 중단된다.

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2. 분사량조절기구

분사펌프의 플런져에는 절홈리드가 있기 때문에 플런져를 회전시키면 유효압송 스트로크가 변하여 분사량이 조절되며 플런져는 컨트롤랙에 의해 거버너(Governer)로 제어된다.

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3. 딜리버리 밸브

딜리버리 밸브는 밸브와 밸브시트로 구성되어 있고, 플런져가 상승하여 배럴안의 연료압력이 높아져 규정값에 도달하면 딜리버리 밸브를 밀어올려 연료는 분사파이프로 공급된다. 압송작용이 끝나면 배럴안의 압력이 급격히 떨어져 딜리버리 밸브는 스프링의 힘으로 밸브는 급격히 닫혀 분사파이프로 부터 오는 연료의 역류를 방지한다. 연료압송 종료후 밸브가 하강할 때 밸브의 컬러부가 플런져실과 밸브실을 차단하고 더 하강하면 시트부에 착지된다.

4. 등압밸브 작은구멍의 노즐을 사용하여 고압분사를 하면 분사종료 후 분사관내 압력이 부압이 되어 캐비테이션이 발생한다. 이를 방지하기 위하여 등압밸브나 댐핑밸브를 사용한다.

5. 분사율 및 분사시기 제어 열형분사펌프의 경우, 프리스트로크가 일정해 송유율이 일정하지만 플런져를 2중구조로 하여 프리스트로크를 가변으로 한 방식이 개발되었다

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타이머

기능 연료분사 펌프의 플런져가 연료압송을 시작한후 실제로 분사가 시작될때 까지는 분사 지연시간이 존재한다. 그 이유는 플런져 압송에 의한 압력파가 노즐에 전달되는 시간과 압력이 노즐개변압력에 도달하는데 시간이 걸리기 때문이다. 분사지연은 엔진회전수가 높아지거나 분사관의 길이가 길어지면은 증가하기 때문에 분사시기의 정확한 제어를 위해서는 압송개시 시기를 빠르게 할 필요가 있으며 타이머가 이 기능을 담당한다. 즉 엔진과 분사펌프의 구동축간의 위상차를 두어 회전속도가 빨라지면 분사시기를 빠르게 하고 회전속도가 떨어지면 분사시기를 늦추는 작용을 한다.

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종류 플라이 웨이트의 원심력에 의해 구동축과 캠축(피구동축) 사이에 위상차를 발생시키는 기계식 타이머와, 플라이 웨이트 원심력 대신 외부 유압을 이용하여 작동되는 전자 유압식 타이머가 있다. 기계식 타이머는 분사펌프의 구동토크를 이겨내고 피구동축을 움직이기 때문에 타이머의 허용토크와 진각범위에 한계가 있지만 구조가 간단하기 때문에 많이 사용되며 다음과 같은 종류가 있다.

스윙 웨이트식  : 플라이 웨이트와 스프링으로 구성되며 구조가 간단하다. 편심 캠식  : 플라이 웨이트가 발생하는 원심력을 피 구동축으로 전달하는 링크기구를 가지고 있다

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거버너  

역할

엔진은 부하변동에 관계없이 안정된 회전수를 유지하는것이 필요하다. 디젤엔진의 경우 흡입공기량이 엔진 회전수와 관계없이 거의 일정하기 때문에 발생토크의 특성은 분사량의 특성에 의해 결정되며 거버너는 연료분사펌프 본체의 분사량 조절기구(연료펌프의 콘트롤랙)와 연결되어 회전수와 부하에 따라 분사량을 제어하는 기능을 한다. 현재 사용되고 잇는 자동차용 기계식 거버너에는 중간속도 제어특성이 다른 최고최저속도 제어식 거버너(Maximum-Minimum speed Governer)와 올스피드거버너 (All speed Governer)2종류가 있다.

종류

최고최저속도 제어식 거버너(Maximum-Minimum speed Governer)고저속 거버너라고 하며 주로 대형엔진에 쓰인다. 이 거버너의 중간회전수 영역은 직접 외부에서 컨트롤 랙으로 제어되며 거버너는 컨트롤 랙 위치를 제어하지 않는다. 정속 주행중 가속을 하기 위하여 엑셀을 밟아도 엑셀개도에 맟춘 부분부하 토크내에서만 가속되며 올스피드 제어식 거버너와 같은 가속을 얻기 위해서는 엑셀을 전부하 위치까지 밟을 필요가 있기 때문에 가속응답성이 나쁘다.

올스피드거버너 (All speed Governer)중간 회전수 영역에서도 회전수를 제어하며 부하가 변동해도 같은 회전수를 일정하게 유지할 필요가 있는 건설 기계나 특장차 그리고 자동차용 중.소형엔진에도 널리 사용된다. 이 형식은 전부하 분사량 특성이 자유도가 많은 캠기구(Torque cam)에 의해 결정되고 엑셀페달에 거버너 스프링의 반력이 직접 작용하지 않도록 되어 있어 운전성 측면에서 우수하고 정속 주행중 가속응답성이 좋지만 속도 변동율을 너무 작게 하면 엑셀조작이 민감해지고 가속시 쇼크가 커진다.

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디젤엔진의 연료분사 노즐  연료분사 노즐은 연료를 무화시켜 연소실에 공급하는 기능을 하며, 니들이 상하운동을 하는 노즐 어셈블리와 노즐 페변압을 설정하는 스프링이 있는 노즐홀더로 구성된다. 연료공급 압력이 높아져 스프링 힘을 이기면 니들이 상승하여 연료 분사구멍에서 쓰로틀링되므로 무화되어 분사되고 압력이 떨어지면 노즐이 시트에 착좌하여 분사가 종료되는데 이때의 압력을 각각 개변압, 페변압이라 한다.

분사노즐의 종류

  홀형노즐 시트 하부에 섹(Sec)이라고 부르는 공간이 있고 이 섹을 중심으로 여러개의 분사구멍이 가공되며, 직분엔진에 사용된다. 엔진성능과 매칭되도록 분사구멍의 직경, 각도 및 니들 리프트를 변경시킨다.

핀형노즐 시트아래에 분사구멍이 하나있고 니들 끝모양에 따라서 핀틀형과 스로틀형이 있다. 이 형상에 따라서 분무의 퍼짐각이나 분사구멍의 면적이 바뀌며 주로 와류실식에 사용된다.

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노즐사양의 선정

노즐사양의 선정은 다음항목에 유의하여 결정해야 한다.

분사구멍 : 교축시 펌프 및 노즐내부의 압력과 분사관의 캐비테이션 문제를 생각하며 선정한다.

콘각 : 연소실 형상에 맟추어 연소성능에 매칭시킨다.

섹부 : 용적이 크면 HC가 증가하고 작으면 분무특성에 악영향을 준다. 분무구멍길이 : 분무의 퍼짐이나 관통력에 영향을 준다. 노즐홀더 : 노즐의 리프트 및 개변압을 결정하며, 연료를 탱크로 되돌리는 리크오프(Leak-off)출구가 있다. 최근 직분엔진에는 개변압을 2단 제어하는 2스프링 노즐홀더 채용이 증가하고 있다.

유닛인젝터 유닛인젝터는 분사펌프와 노즐을 일체형으로 한것으로 노즐과 같이 엔진의 실린더헤드에 각 실린더마다 부착된다. 분사강관이 없으므로 데드볼륨이 작고 고분사압력의 발생이 쉽다. 또 연결통로가 짧으므로 펌프에서의 압송으로부터 노즐분사 까지의 시간지체가 짧고 잔압,반사파 등의 압력거동에 의한 이상분사가 잘 생기지 않는다.

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디젤엔진 연료 분사조건

  디젤엔진의 연소는 발화지연을 짧게하고 가능한 한 완전 연소시켜 흑연과 악취를 방지해야 하지만 혼합기의 생성에 허용되는 기간은 연료분사후 10~15CA로서 가솔린에 비해 매우 짧다.  이 기간 내에 기화, 혼합, 가열 및 예비반응을 완료하지 않으면 안되므로 연료분사에는 다음조건이 요구된다.

무화(Atomization) 100~1,000바의 고압으로 압축된 연료를 미소한 구멍을 통해 분사하면 연료입자는 최대 수백m/sec의 고속으로 공기분자와 충돌하여 분쇄되고 1~100um의 미립자로 되어 연소실 내로 비산된다. 이 입자가 작을 수록 무화가 잘 되었다고 하며, 총 표면적이 커지기에 기화가 잘되고 산소와의 반응도 월등히 쉬워지므로 무화는 발화 및 완전연소의 필요조건중의 하나가 된다.

관철성(Pnetration) 양호하게 무화가 되었더라도 협소한 공간 내에 밀집되어 있으면 완전연소하기 어려우며, 반대로 입자가 고온의 공기중울 멀리까지 비행해야만 순차적으로 새로운 공기와 접촉할 수 있어 전체적인 공기 이용율을 높일 수가 있다.  따라서 분사된 입자는 도달거리가 클 것이 요구되며 이것을 관철성이라 한다.  일반적으로 입자가 작을수록 운동량에 대한 공기의 저항이 크기 때문에 무화와 관철성은 양립시키기 어렵다.

분포성(Distribution) 한 개의 분사밸브로부터 분사된 연료가 연소실 전체공간에 균일하게 분포되기는 어렵기 때문에 가스유동의 도움을 받아야 하지만 분사만으로도 가능한 한 균일한 분포를 얻어질 수 있도록 하는 것이 바랍직하다.

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디젤엔진 배출가스에 대하여

  배출가스의 근원

  자동차의 배출가스는 크게 가솔린과 디젤자동차의 배출가스로 대별되어 있으며 이들의 배기가스 성분은 약간씩 차이가 있어 대책 기술도 다르게 발전하고 있다. 이들의 근본적인 차이는 연료의 연소방식 차이에 따른 공해배출물의 특성에 있으며, 가솔린 엔진의 경우 CO, HC, NOx가 주 배출물인 반면, 디젤엔진은 CO와 HC 농도는 가솔린 엔진에 비해 상대적으로 적으나 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM)이 주 유해가스로 생성되며, 이들의 저감이 관심의 대상이다. 디젤엔진 연소는 가솔린엔진 연소와 달리 고온,고압의 압축 공기중에 분사노즐을 통해 고압으로 연료가 연소행정 직전에 연소실내에 분사되어 공급됨으로서, 공기와 연료가 충분하게 혼합되기 전에 연소가 시작되며 따라서 공연비 분포가 불균일하고 연소과정이 매우 복잡하다. 배기가스 생성과정은 분사된 연료의 분포와 시간이 지남에 따라 공기와의 혼합에 의하여 형성된 공연비분포가 어떻게 변하는냐에 따라 크게 영향을 받는다.

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디젤엔진의 유해 배출가스로 저감에 관심을 기울여야 할 성분은 다음과 같다.

질소산화물(Nox) 배기가스중의 공기과잉으로 가솔린엔진과 같은 삼원촉매(3 way catalyst)를 사용하지 못하므로 아직 효과적인 대책이 없고 현재 디젤엔진의 중요한 과제로 남아 있다. 입자상 물질(PM) 소위 디젤흑연으로 종래에는 배출가스 농도 또는 빛의 투과도로 표시했으나 현재는 배출량을 중량으로 규제한다. 보통 PM이라 칭한다. 디젤자동차에서 배출되는 입자상물질의 대부분은 평균직경이 0.1~0.3um인 아주 작은 입자로서 대기 중에 배출되면 큰 입자보다 오랫동안 대기중에 떠돌아 다니며 호흡에 의해 폐 깊숙히 침착되어 암을 유발시키는 것으로 알려져 있다   설파이트(So2) 연료(경유)중에 포함된 유황성분에 기인되며 연료정제 단계에서 저 유황화 하는 것이 좋다. 이산화탄소(CO2) 가솔린과 마찬가지로 석유계 연료를 사용하므로 탄소의 산화로 이산화탄소(CO2)가 발생한다. 이산화탄소는 그 자체로는 독성이 없으나 지구온난화의 주범으로 알려져 있어 배출량 규제가 엄격해 지고 있으며, 저감방법으로는 현재까지는 연료사용의 억제 또는 연료소비율 저감 밖엔 방법이 없다.

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디젤 배출가스 생성 메커니즘

  질소산화물(Nox)의 생성

질소산화물은 공기중의 질소분자와 산소가 고온상태에서 결합하여 생성되는 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 말하며 NO가 대부분을 차지하고 있다.  디젤엔진의 질소산화물은 그 반응에 따라서 Thermal NO와 연료중에 포함된 질소가 산화하여 생기는 Fuel No로 나누어 지는데 대부분의 NO는 Thermal NO이며 생성메커니즘은 다음과 같다. NO의 발생은 젤도비치 메카니즘(Zeldovich mechanism)에 의한 것으로 공기과잉 연소시에 질소분자가 해리하여 NO가 생성되는 반응기구를 갖는다. (N2 + O →NO + N)이 해리 NO의 생성은 강한 흡열반응으로서 온도가 높으면 지수함수적으로 증가하며 팽창행정중 온도가 내려가도 그대로 배출되는 특성이 있다. 즉 NO 발생농도는 연소온도에 크게 지배되며, 반응시간과 산소농도도 중요한 인자이다. 질소산화물은 대기중에서 각종 탄화수소(HC)와 함께 햇빛과 반응하여 광화학반응을 일으켜 오존을 생성한다.

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입자상 물질(PM)의 생성

입자상 물질은 우리가 눈으로 볼 수있는 입자성을 띠고 있다. 이들은 주로 불완전 연소시 발생하며 나쁜 연료와 윤활유도 원인이다. 입자상 물질의 입자는 75%이상이 직경 1um이하의 미세입자이기 때문에 기관지 등에 침투하여 장기간 잠재하며 특히 폐암의 원인으로 판명되고 있어 위해성에 대한 논란이 가중되고 있다. 배기가스 온도가 500도 이상의 고온시 배출되는 입자상 물질은 대부분 직경 0.1~0.3um의 탄소 입자덩어리로서 "드라이 수트(dry soot)"로 불리며 배기온도 500도 이하에서는 유기성용제로 제거할 수 있는 성분인 SOF(soluble organic fraction)가 입자상 물질에 흡착되어 있으며 "웨트 수트(wet soot)"이다. SOF는 액상의 미연 탄화수소로서 연료의 미연분과 연소실내로 흡입된 오일의 미연분으로 구성된다. 입자상 물질은 국소적인 과농혼합기 상태의 공기부족상태에서 연료가 연소할 때 불완전연소, 열분해에 의해 생긴 물질을 미립자핵으로 하여 응집, 표면성장하여 합체 되면서 생성이 되는 것이다. 디젤연소기간중에는 확산연소중에 대량 생성되며 연소후기에 화염중에 공기를 도입하면 재연소가 일어나 급격히 감소하므로 그 생성을 억제할 수가 있다. 엔진 연소실내의 연소온도, 혼합기 운동형태, 연료성분, 확산속도, 반응시간, 연료미립도 등의 요인에 따라 크게 변화한다.

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설페이트(So2)

설페이트는 연소중 유황성분이 산화한 것으로 물과 결합한 유산미스트 상태로 되어있다. 탄화수소(HC)의 생성

탄화수소는 연료의 미연소에 의해 발생되는 것으로, 연소실 벽면이나 공연비가 농후한 상태에서 산소부족으로 생성되기도 하고 연료가 기화하여 산화되지 않은채 배출되기도 한다. 연료의 주유시 증발이나 또는 일산화탄소와 같이 연료가 불완전 연소할 때도 발생한다. 디젤엔진의 연소시 연료분사노즐에서 분무된 연료의 착화는 이론공연비(λ=1)보다 약간 희박한 점에서 발생하며, 희박연소한계(A/F 40)선 바깥영역은 자연발화가 일어나지 못한다.  이와 같은 초희박영역에서는 반응이 제대로 끝나지 못하여 미연소연료(HC)가 생성된다. 초희박영역에서의 탄화수소 발생농도는 착화지연기간동안 분사되는 연료량과 분사된 연료가 공기와의 혼합되는 비율에 크게 지배된다. 즉, 착화지연기간에 분사되는 연료가 많거나 또는 착화지연기간이 길면은 탄화수소 발생량이 증가한다. 반면 분사된 연료가 과농하게 되는 경우는 노즐의 섹 체적(sac volume)에 남아 있던 연료가 연소과정 후기에 느린 속도로 분사되는 경우와, 연료가 처음부터 연소실에 과도하게 공급되는 경우의 두 가지로 볼 수 있다.특히 섹 체적과 탄화수소 발생량은 거의 비례하는 경향을 가지고 있다.

일산화탄소(CO)의 생성 일산화탄소는 연료가 충분한 상태에서 공기 부족으로 인한 불완전 연소시 발생한다. 디젤엔진은 대부분 희박한 공연비영역에서 작동하기 때문에 일산화탄소는 크게 문제시되지 않는다.

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디젤엔진 배출가스 저감대책에 대해

  디젤엔진의 배기저감기술은, 연소자체의 개량, EGR이나 분사시기 등의 제어기술, 산화촉매나 희박 질소산화물 촉매(Lean NOx Catalyst) 등에 의한 후처리기술, 경유의 저유황화 등 연료의 개량으로 대별할 수 있다. 가솔린엔진의 배기저감기술에서 아주 커다란 역할을 담당하고 있는 것은 삼원촉매이나, 현재로서는 다량의 산소를 포함하는 디젤엔진에서 사용할 수 없기 때문에, 디젤엔진의 연소 그 자체를 근본적으로 재검토하려는 움직임이 활발해지고 있다. 디젤엔진 배출가스 저감에는 질소산화물과 PM의 저감이 중요하지만, 이 두가지 성분은 서로 상반되게 트레이드 오프 관계에 있시 때문에 어려움이 많다. 일반적으로 질소산화물 저감에는 예혼합 연소량 감소에 의한 연소온도의 저감, 입자성물질 저감에는 연소의 고온화나 연소후기 공기도입에 의한 재연소 촉진이 유효하다고 알려져 있다.

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디젤엔진의 배출가스 저감 주요 대책은 다음과 같다.

분사시기 지연 실린더내 온도가 낮아져 질소산화물의 저감에 가장 효과가 크다. 그러나 열효율이 저하하여 연비 및 출력 등 성능이 나빠지고 입자성물질, 탄화수소, 일산화탄소가 증가하며 저온시동성이 악화된다. 이 때문에 압축비를 높여야 할 필요가 있으나 상대적으로 피스톤 상부의 연소실 체적이 감소하므로 최적 압축비를 선택하여야 한다. 연료분사 노즐 섹(sec)부의 감소 연료분사 노즐 끝단에는 복수 분무홀 가공 및 유량계수 증대를 위한 자루모양의 작은 체적부가 있는데 이를 노즐섹이라 하며 이 체적을 줄이면 연료분사 종료후 후적이 감소하여 탄화수소가 감소한다. 노즐섹을 제로로한 VCO(Valve Covered Orifice)노즐은 탄화수소는 감소하지만 분무특성과 분무홀간의 편차가 커지는 문제가 있다.

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터보/인터쿨러 과급기에 의해 공기량을 증대시켜 공기과잉률 크게 하면 착화시의 압력과 압축온도가 상승하여 착화지연을 단축하고 산소농도를 높여 연소를 활발하게한다.  하지만 과급에 의한 흡기온도가 상승하면 질소산화물이 증가하고 배기가스 온도가 올라가므로 이를 줄이기 위해 인터쿨러를 통하여 과급된 온도를 냉각하면 공기밀도가 높아져서 연소개선, 연비개선 및 입자성물질 저감효과가 있으며, 연소온도 및 배기온도 저하로 엔진 내구성도 개선된다. 연소실 개량 직접분사식 디젤 피스톤의 연소실 입구부 지름을 작게한 리엔트라(Reentra)형 연소실에서는 팽창행정에서 피스톤이 하강해도 높은 스월이 존재하므로 후연소 기간에서의 연소개선 및 입자성물질 저감에 효과가 있다.그러나 피스톤 에지(Edge)부에서의 온도가 상승하므로 피스톤 냉각에 주의를 기울여야 한다. 연료 분사계 이상적인 연소를 위해서는 연료미립화와 연료 분사의 적절한 시기, 분사량의 제어가 필수적이다. 하지만 기존의 엔진은 기계적인 타이밍에 의존하므로 불균일한 연료 분사로 인해 이상 배출가스가 많이 발생한다. 그래서 요즘에는 기존의 기계식연료분사펌프만으로는 분사시기, 분사율 및 분사량의 최적 제어조건을 만족할수 없기 때문에 유닛인젝터나 커먼레일 등을 적용한 전자식 고압 분사시스템이 도입되고 있다.

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유닛인젝터 기존의 기계식 펌프, 파이프, 노즐이 하나로 구성되어 있으며 연료분사압력도 초고압이 가능하며, 전자제어유닛에 의해 엔진의 작동을 감지하여 운전조건에 맞는 연료량과 분사시기를 제어하여 질소산화물 및 입자성물질을 절감할 수가 있다

  커먼레일 일반적인 연료분사계가 현재까지의 디젤엔진 연료 분사시스템은주로 로터리 펌프와 기계식인젝터 또는 유닛인젝터를 사용하였으나 전자제어기술의 발달로 가솔린엔진의 연료 분사시스템과 같은 시스템을 디젤엔진에 적용하여 연료분사압력, 분사율, 분사시기가 각기 독립적으로 제어가 가능하도록 되어 연비,성능뿐 아니라 배출가스 저감에도 획기적인 기반을 마련하였다.

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파일럿 분사  질소산화물 배출에 큰 영향을 미치는 예혼합 연소량을 감소하기 위해, 초기에 소량의 연료를 파일럿 분사후 연료 분사를 중단했다가 그 연료가 착화단계에 도달했을때 본격적인 분사를 하는 방법이다.질소산화물 저감 및 소음저감에 효과가 있으나 다기통엔진에서 광범위한 회전역에 걸쳐 미소한 파일럿 분사량을 컨트롤 하는것은 대단히 어렵다. 최근에 개발된 커먼레일 엔진방식이 이것을 가능하게 해준다.

EGR 배기가스의 일부를 다시 흡기로 환류하는것으로 혼합기중 비열이 큰 CO2의 농도가 증가하므로 온도저감이 가능해 질소산화물이 저감이 된다. 그러나 산소농도가 충분치 않은 고부하역에서는 베연농도 및 탄화수소가 증가하므로 중.저 부하역에 한정해서 적용해야 한다. EGR은 승용 등 소형디젤엔진에는 실용화 되어 있으나 배기중 드라이 수트나 유황산화물이 엔진내부로 유입이 되면 피스톤,실린더 수명도 단축이 되고 엔진오일 열화가 촉진되며 대형디젤엔진에서는 본체개량도 필요하다.

오일소비량의 저감 입자성물은 드라이 수트와 SOF로 이루어지며 따라서 오일소비를 줄이면 SOF분도 저감할수가 있다. 오일소모 주경로는 피스톤링을 통한 OIl up과 밸브스템실을 통한 oil dowm이며 오일이 연소실에 들어가면 일부는 연소되지만 나머지는 탄화수소로 배출되고 탄화수소중 일부는 드라이 수트에 부착되어 입자성물질이 된다. 특히 터보과급엔진에서는 터빈축 실부에서의 오일누유가 직접적인 입자성물질 증가의 원인이 되기도 한다.

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디젤엔진의 후처리 방안

 디젤엔진은 공기과잉률이 큰 상태에서 연소가 이루어 지기 때문에 일산화탄소(CO)나 탄화수소(HC)의 배출량이 적은반면 질소산화물(NOx)과 입자성물질(PM)의 배출량이 많고 이들의 저감이 관건이다. 입자성물질 저감을 위해서는 연소개선을 통해 개선이 많이 이루어지고 있지만 입자성물질과 질소산화물은 서로 상반되는 관계에 있고 양자를 함께 저감하는 것은 곤란한 상황이다. 이때문에 입자성물질은 보통 후처리 시스템으로 저감하는것이 시도되고 있다. 디젤엔진의 배기가스 후처리 방법에 대한 내용을 살펴보자.

매연여과장치(DPF-Diesel Particulate Filter Trap) 현재 가장 효율적이며 실용화에 접근되어 있는 입자성물질 저감 기술이 매연여과장치(DPF)이다.  이 장치는 디젤엔진에서 배출되는 입자상물질을 필터로 포집한 후 이것을 태우고(재생) 다시 입자성물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서 매연을 80% 이상 저감할 수 있어 성능 면에서는 아주 우수하나 내구성과 경제성이 실용화의 장애요인으로 작용하고 있다.   또한 필터에 입자성물질이 포집됨에 따라 엔진에 배압이 걸리며 이것에 의하여 출력과 연료소비율이 다소 희생되며 이를 최소화하는 기술의 보완도 필요하다. 매연여과장치기술은 크게 PM포집기술과 필터재생기술로 나누어지며 시스템은 기본적으로 필터, 재생장치, 제어장치의 3부분으로 구성되어 있다.

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필터 필터의 필요한 기능으로

입자성물질의 포집효율이 좋고

배압이 낮으며

내구성이 좋고

양산성이 있어야 한다.

현재 세라믹 모노리스필터가 가장 일반적으로 사용되고 있으며, 실린더 모양으로 단면은 원형, 타원형 등이며 내부에는 작은 삼각형이나 사각형 모양의 통로가 벌집모양으로 배열되어 있다. 채널 입구와 출구가 교대로 막혀 있으며, 채널입구로 유입된 배출가스는 채널출구가 막혀있기 때문에 다공질벽을 통과하여 옆 채널 출구로 빠져나가게 되며 이때 입자상물질은 유입된 채널에 남아 포집된다.

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재생방식

포집된 입자성물질은 가능하면 빠른 시간 내에 태워서 필터가 다시 입자성물질을 포집할 수 있도록 하는 재생과정을 마쳐야 하며, 이때 재생에 의해 필터가 과열되어 파손되지 않도록하는 제어기술이 중요하다.

지금까지 개발된 재생처리방법은 다음과 같다.

전기히터나 버너로 강제로 태우는 방식

흡/배기 쓰로틀링 기술

연료에의 촉매첨가 방식

필터에 촉매작용을 갖도록 하여 자기연소시키는 방법

압축공기를 이용하여 반대방향으로 불어 털어내는 방법

플라즈마방식

필터에의 촉매 분무방식

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디젤산화촉매 (DOC-Disel Oxidation Catalyst)

디젤산화촉매기술은 가솔린엔진에서 삼원촉매가 개발되기 이전에 사용되던 산화촉매(이원촉매) 기술과 기본적으로 동일한 기술이기 때문에 기술효과나 성능은 이미 입증되어 있는 기술이다. 산화촉매는 백금(Pt), 파라듐(Pd) 등의 촉매효과로 배기중의 산소를 이용하여 탄화수소, 일산화탄소를 제거하는 기능을 한다. 디젤엔진에서는 탄화수소,일산화탄소의 배출은 그다지 문제가 되지 않으나 산화촉매에 의해 입자성물질의 구성성분인 탄화수소를 저감하면 입자성물질을 10~20%저감할 수 있다. 그러나 경유에 포함된 유황성분에 대해서도 산화작용을 하여 SO3(sulfate)배출을 증가시켜 입자성물질이 증가하므로 산화촉매의 사용에는 저유황연료의 사용이 필수적이다.디젤엔진은 부분부하에서 배기가스온도가 낮기 때문에 산화촉매도 저온활성을 좋게할 필요가 있으나 저온활성이 좋은 촉매는 저온시부터 설페이트 발생이 시작되므로 전체적으로 발생량이 많아질 염려가 있다. 따라서 촉매성분조정에 의해 저온활성화와 설페이트 제어를 함과 동시에 엔진사용부하와 회전수에 맞게 촉매온도 특성을 선택하는것이 중요하다.

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질소산화물(NOx) 촉매

디젤엔진은 대부분의 영역에서 공기과잉상태로 운전되기 때문에 배기중 다량의 산소가 포함된다.

이러한 산소의 존재를 기본으로 질소산화물을 저감하는 방법중에는,

  NO 환원촉매(2NO = N2 + O2) 이 반응을 일으키는 효율이 우수한 촉매는 아직 많이 발견되지 않았으며 현재 가장 주목받고 있는 것은 제올라이트에 구리이온을 코팅한 촉매로 질소산화물을 직접분해하는 방법이다

흡장형 촉매(NOx Adsorber) 산소가 과다한 영역에서 엔진에서 배출되는 탄화수소(HC)를 사용하여 질소산화물(NOx)를 N2로 변환시킨다. 즉 NOx를 흡수하였다가 연료를 일부러 농후하게 공급하여 배기의 hydrocarbon 농도를 높인 후 환원시키는 방법이다.   연료의 황 성분이 높을 경우 오래 견디기 어려우므로 30ppm 이하여야 한다.  

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커먼레일 엔진이란?

고압 연료 저장장치인 커먼 레일(Common Rail)에 연료를 저장해 일정 압력 이상의 고압에서 연료를 분사하는 방식으로 피스톤 상단부의 연소실로 초고압(1,350bar)의 연료를 직접분사해 연소하는 디젤엔진이다.

일반 직분사 디젤엔진은 매번 그리고 모든 분사 싸이클 마다 압력을 다시 발생시켜야 하는 반면 커먼레일 엔진은 분사순서에 관계없이 항상 일정한 압력을 유지한다  이 압력은 연료라인을 따라 일정하게 유지되어 있다. 엔진의 전자 타이밍은 엔진속도와 부하에 따라 분사압력을 조정한다. 전자제어유닛은 캠 및 크랭크 센서로 부터 얻어진 데이타를 근거로 분사압력을 필요에 따라 정밀하게 재 조정하여 압축과 분사를 각각 독립적으로 발생할 수 있게 한다. 이 기술은 필요에 따라 연료를 분사할 수 있게 허용하기에 연료와 배출가스를 저감할 수 있다. 이를 위하여는 1350바 이상의 분사압력을 유지하기 위해 특수한 연소실을 필요로 한다. 이에 커먼 연료레일이 도입된 것이다. 연료의 분사시기와 양을 조정하는 고속 솔레노이드 밸브의 끝단에 4개의 분사노즐이 연결되어 있다. 마이크로 컴퓨터는 밸브가 오픈하는 시간을 조정하며 즉, 엔진의 작동조건에 따라 분사되는 연료의 양과 얼마나 많은 출력이 필요한지를 결정한다. 솔레노이드밸브가 닫히는 순간 연료분사는 그 즉시 중단한다.

디젤 연료 분사장치의 고압화는 직접분사 소형 디젤엔진에서 양질의 혼합기 형성에 중요한 요소로 매연 저감에 기여하며 전자화를 통해 연료분사 시기를 제어함으로써 엔진운전 영역에서 기존의 기계식 연료분사 장치보다 높은 자유도를 확보할 수 있게 되었다. 이에 따라 최적의 분사시기의 분사량의 조절이 가능하며 동일한 출력성능 아래에서 상관관계가 있는 NOx(질소산화물)와 PM(입자상 물질, 흑연)을 줄일 수 있게 되었다.

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커먼레일의 구성요소

고압펌프(Quantity-controlled high-pressure pump)

커먼레일(Common rail)

압력조정밸브(Pressure-control valve)

압력센서(Pressure sensor)

인젝터(Injectors)

전자제어 유닛(ECU)

기타 센서와 액튜에이터(Further sensors and actuators )

Injector: 각각의 실린더에 pilot 및 post분사 가능Rail: 제 1세대에서 1350bar, 제 2세대에서 1600bar 까지 축압 가능한 분사전 저장소High pressure pump: Rail로 연료 공급 하는 고압 펌프ECU: 엔진 운영 및 차량의 기능 통제 및 수행Sensors: 공기질량 (HFM5), 엔진속도 (회전수), 캠축, 온도를 통한 운전자 요구 수행 등의 측정을 위한 주요 센서들

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커먼레일의 장점

배출가스의 감소

 커먼레일 장치는 분사연료를 완전연소에 가깝게 소모시켜 각종 유해 배출가스를 억제할 수 있다.동일 NOx 수준을 유지하면서 CO2 20%, CO 40%, HC 50% & 입자상 배출물을 60% 까지 줄일수 있고, EURO III  & US98를 만족하기 위하여 메인 인젝터 전/후에 분사를 함으로 인하여 NOx를 줄일수있다.

연비향상

기존의 로타리 펌프를 사용하는 엔진에 비하여 A/F를 최대화하여 20% 정도의 연비향상을 이룰수 있다.

성능 향상

분사압력은 엔진속도 및 부하 조건과 무관하기에 저속에서 부하가 많이 걸릴때는 고 분사압력가 가능하므로 기존에 사용되는 일반적인 디젤엔진보다 저속에서 토크 50% 향상 및 출력 25%의 증가를 얻어낼수 있음.

운전성 향상

지금까지 디젤엔진의 특징이라고 불리우던 진동,소음을 파이롯트 분사의 도입으로 인하여 획기적으로 줄임으로서 운전하는데 보다나은 안락감을 얻을수 있으며, 가솔린 엔진과 같은 느낌을 받을수 있음.

컴팩트한 설계 & 경량화

인젝터를 컴팩트화 하여 2밸브 및 4밸브 적용가능하며 기존의 디젤엔진에 비하여 약 20Kg의 중량절감이 된다.

모듈화 시스템

전자적으로 각 엔진 실린더별로분사가 가능하므로 시스템이 모듈화가 가능하며 3,4,5,6 실린더 엔진의 적용이 가능하다. 엔진의 큰 변경없이 컨벤셔널한 인젝션 장착을 커먼레일 시스템으로 대체가능하다.