자동차공학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 30. 가솔린기관의 연소

30. 가솔린기관의 연소

가. 가솔린의 연소반응
연료의 연소란 연료의 각 구성성분이 급격하게 산화하는 현상이다. 탄소와 수소의 완
전 연소 반응식은 다음과 같다.

(1) 탄소의 연소반응식
● 반응식 : C+ O2 → CO2
● mol비 : 1kmol + 97,200kcal/kmol
● 중량비 : 12kgf + 32kgf = 44kgf
● 탄소기준 : 1kgf + 2.67kgf → 3.67 + 8,100kcal/kgf

 

(2) 수소의 연소반응식
● 반응식 :
● mol비 : 1kmol +kmol → (1kmol)증기 + 57,000kcal/kmol
● 중량비 : 2kgf + 16kgf → 18kgf
● 수소 기준 : 1kgf + 8kgf → (9kgf)증기 + 28,875kcal/kmol

 

나. 공기의 조성
건조 공기의 성분은 일반적으로 몰(mol) 분률로 산소 21%, 질소 79%, 질량 분률로
는 산소 23.1%, 질소 76.9%로 취급하고 공기의 상당 분자량은 28.97kgf/kmol로 계산한다.

다. 완전연소에 필요한 공기량
연료의 각 성분 1kgf이 완전연소할 때 필요한 산소량은 탄소가 2.67kgf, 수소는
8kgf, 황(S)은 1kgf이다. 그리고 어떤 액체 연료 1kgf에 산소·수소 및 황 등이 포함되
어 있다고 가정하면 완전연소에 필요한 산소량은 다음 식으로 산출한다.

여기서, 는 연료 자체에 포함된 산소로서 연소할 때 바로 연료의 수소와 결
합하여 증기화하므로 그 만큼을 수소에서 뺀다. 이때 연료 중의 산소와 결합되는 연료 중의 수소를 자유 수소라 한다. 연료를 연소시킬 때 필요한 산소는 공기, 즉 대기 중의
산소를 이용하며, 공기 중에는 산소가 중량 비로 23.1% 포함되어 있기 때문에 필요 이
론 공기량은 다음 식으로 구한다.

라. 공기비(air ratio)
기관이 흡입한 공기에 혼합되는 연료량은 공기비 또는 혼합비로 정의된다. 이 관계는
연료가 완전 연소하려면 공기와 연료가 어떤 비율로 혼합되어야 하는지를 나타내는 것
이다. 연료의 질에 따라 다소 차이는 있으나 시중에서 판매되고 있는 가솔린의 경우 이
론 공기비는 가솔린 1kgf에 약 14~14.8kgf의 공기를 혼합시켜야 되는 것으로 되어 있
다. 연료를 완전 연소시키는데 필요한 이론 공기량과 실제로 기관이 흡입한 공기량과의
비율을 공기비 또는 공기 과잉률(excess air factor, λ)이라 한다. 즉

이론 혼합비를 공기비, 즉 람다(λ; lambda)로 나타내면 λ= 1이다. 공기비가 λ<1이
면 공기 부족상태, 즉 혼합기가 농후한 상태를 의미하고, 공기비가 λ>1이면 공기 과잉
상태 즉, 혼합기가 희박한 것을 의미한다. 공기비 λ= 1은 이상적인 값이기는 하지만 기
관 전체 작동영역에서는 알맞은 값은 아니다.
기관이 공전을 할 때에는 원활한 작동을 위해서, 그리고 전부하 운전에서는 출력 증
대를 위하여 공기 부족상태(혼합비 농후상태) 즉 λ< 1로 운전한다. 반대로 부분 부하운
전에서는 경제적 측면에서 공기 과잉상태 즉 λ>1을 목표로 한다. 그리고 공기비 λ= 1
부근에서는 일산화탄소(CO)는 거의 발생하지 않으나 질소산화물(NOx)은 최대값을 나
타내며, 혼합기가 급격히 희박해지면 탄화수소(HC)의 발생량이 급격히 증가한다.

마. 노크(knocking)현상
노크현상이란 실린더 내의 연소에서 화염 면이 미연소 가스에 점화되어 연소가 진
행되는 사이에 미연소의 말단(末端)가스가 고온과 고압으로 되어 자연 발화하는 현상
이다. 노크가 발생하면 화염 전파속도는 300~2500m/sec(정상 연소속도는 20~30m/sec) 정도 된다.

 

(1) 노크발생의 원인
① 기관에 과부하가 걸렸을 때
② 기관이 과열되었을 때
③ 점화시기가 너무 빠를 때
④ 혼합비가 희박할 때
⑤ 저 옥탄가의 가솔린을 사용하였을 때

(2) 노크가 기관에 미치는 영향
① 기관이 과열하며, 출력이 저하된다.
② 실린더와 피스톤이 고착될 염려가 있다.
③ 피스톤 및 밸브가 손상된다.
④ 배기가스의 온도가 저하한다.

(3) 노크 방지방법
① 고 옥탄가의 연료(내폭성이 큰 가솔린)를 사용한다.
② 점화시기를 알맞게 조정하여 준다.
③ 혼합비를 농후하게 한다.
④ 압축비, 혼합기 및 냉각수 온도를 낮춘다.
⑤ 화염 전파속도를 빠르게 하거나 화염 진행거리를 단축시킨다.
⑥ 혼합기에 와류를 증대시킨다.
⑦ 자연 발화온도가 높은 연료를 사용한다.
⑧ 연소실에 퇴적된 카본을 제거한다.