자동차상식 + 자동자학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 44강. 디젤엔진의 연료와 연소

44강. 디젤엔진의 연료와 연소

 

▶ 연소 촉진제 경유의 착화지연에 따른 노크를 방지하기 위하여 연소 촉진제를 첨가하고 있는데 여기에는 질 산에틸, 과산화테트랄린, 초산아밀, 아초산아밀, 초산에틸 등이 있다

가. 디젤기관 연료
(1) 경유의 물리적 성질
① 색깔 : 흑갈색~담황색
② 비중 : 0.83~0.89
③ 인화점 : 40~90℃
④ 발열량 : 10700Kcal/kgf
⑤ 자연 발화점 : 산소 속에서 245℃, 공기 속에서 358℃
⑥ 경유 1kgf을 완전히 연소시키는데 필요한 건조 공기량은 14.4kg(11.2m3)

 

(2) 디젤기관의 연료의 구비조건
① 자연 발화점이 낮을 것(착화성이 좋을 것)
② 황(S)의 함유량이 적을 것
③ 세탄가가 높고, 발열량이 클 것
④ 적당한 점도를 지니며, 온도 변화에 따른 점도 변화가 적을 것
⑤ 고형 미립물이나 유해성분을 함유하지 않을 것

(3) 디젤기관 연료의 착화성
연료의 착화성은 연소실 내에 분사된 연료가 착화할 때까지의 시간으로 표시되며, 이
시간이 짧을수록 착화성이 좋다고 한다. 이 착화성을 정량적으로 표시하는 것으로 세탄
가, 디젤지수, 임계 압축비 등이 있다. 또 연료가 분사되어 착화될 때까지의 시간을 착
화 지연기간이라 한다.
착화 늦음은 연소실내에 분사된 미립 상의 연료가 연료 주위의 높은 온도의 공기로
부터의 열전달로 자연 발화온도에 도달되어 착화될 때까지의 경과시간이며, 점도·비
중·비등점 및 휘발성 등 연료 고유의 성질에 의해 지배된다. 디젤기관의 노크는 이 착
화지연에 원인 하는 것이므로 연료의 착화성은 디젤기관 노크방지 상 매우 중요하다.

(가) 세탄가(cetane number)
세탄가는 디젤기관 연료의 착화성을 표시하는 수치이다. 세탄가는 착화성이 우수
한 세탄과 착화성이 불량한 α-메틸 나프탈린의 혼합액이며 세탄의 함량비율(%)로 표
시한다. 예를 들어 세탄가 60의 경유란 세탄이 60%, α-메틸 나프탈린이 40%로 이
루어진 혼합액과 같은 착화성을 가지는 것을 의미한다.
이 정의로부터 세탄의 세탄가는 100, α-메틸 나프탈린의 세탄가는 0이라는 것을
알 수 있다. 고속 디젤기관에서 요구되는 세탄가는 45~70이며, 시중에서 판매되는
경유의 세탄가는 일반적으로 60 정도이다.

(나) 디젤지수(diesel index)
디젤지수는 경유 중에 포함된 파라핀 계열 탄화수소의 양을 알아보는 방법으로 착
화성을 표시하는 것이며, 연료의 API 비중과 어닐린 점(aniline point)을 측정하여 다음 공식으로부터 구한다.

① 어닐린 점 : 먼저 5cc의 경유를 시험관에 넣고 다시 그 속에 같은 양의 어닐린을 넣은 다음
가열하면 양자(兩者)가 용해되어 우유상태로부터 점차로 투명해진다. 이때의 온도를 어닐린
점이라 한다. 이 때 어닐린 점은 연료 속에 포함된 파라핀계 탄화수소(C
nH2n+2)의 양을 표시
하는 것이며 일반적으로 세탄가가 높은 것, 즉 착화성이 우수한 것은 낮은 온도에서 비교적
응고되기 쉬운 결점이 있다. 탄화수소가 모두 파리핀계의 탄화수소로 되어 있을 때의 어닐
린 점은 약 158℉(70℃), 모두 나프텐계(CnH2n-6)인 경우 122℉(50℃) 또 모두가 방향계인 경
우의 어닐린 점은 훨씬 낮다.
② API 비중 : 이것은 API에서 제창한 척도이며 60℉(15.6℃)에서 비중을 알면 다음 식으로 계
산할 수 있다.

 

(다) 임계 압축비
디젤기관은 압축비를 낮추면 노크를 일으키는 성질을 이용한 것으로, CFR(미국연
료 연구단체)기관에서 시험조건을 일정하게 하고 각종 연료에 대하여 노크를 일으키
기 시작할 때의 최저 압축비를 구한 것이다. 이것을 임계 압축비라 한다. 이 임계 압
축비는 연료의 착화온도와 거의 일치되며 착화온도가 높은 연료일수록 임계 압축비
도 높다. 아래 표에 각종 연료의 임계 압축비를 나타내었다.

 

<각종 연료의 임계 압축비>

 

나. 디젤기관의 연소과정과 노크
(1) 디젤기관의 연소과정
디젤기관의 연소과정은 착화 지연기간 → 화염 전파기간(폭발 연소기간) → 직접 연
소기간(제어 연소기간) → 후 연소기간의 4단계로 연소한다.

(가) 착화 지연기간[그림 4-2의 A~B기간]
이 기간은 연료가 연소실 내에 분사된 후 착화될 때까지의 기간이며, 약 1/1,000
~4/1,000초 정도 소요된다. 이 착화 지연기간이 길어지면 디젤기관에서 노크가 발생
한다. 착화 지연기간은 일종의 미약한 연소기간이라고도 할 수 있으며 이 기간은 연
료 자체의 착화성, 실린더의 온도와 압력, 연료의 미립도, 분산상태 및 공기의 와류
등에 의하여 지배된다.

(나) 화염 전파기간[그림 4-2의 B~C기간]
이 기간은 연료가 착화되어 폭발적으로 연소를 일으키는 기간이며, 정적 연소과정
이다. 즉 착화 지연기간을 지나 B점에 도달하면 착화가 시작된다. 착화 발생하면 착
화 지연기간에 분사된 연료가 거의 모두 동시에 연소하여 실린더 내의 온도와 압력이
B에서 C점으로 급상승한다. 이 기간은 실린더 내에서의 공기의 와류, 연료의 성질,
혼합상태 등에 의하여 지배된다. 즉 이들의 조건이 양호하면 그 만큼 화염전파가 빨
라지고 압력 상승도 빠르다.

(다) 직접 연소기간[그림 4-2의 C~D기간]
이 기간은 분사된 경유가 화염 전파기간에서 발생한 화염으로 분사와 거의 동시에
연소하는 기간이며, 정압 연소과정이다. 직접 연소기간의 연소압력이 가장 크며, 연
료 분사량으로 어느 정도의 압력조정이 가능하므로 제어 연소기간이라고도 부른다.

(라) 후 연소기간[그림 4-22의 D~E기간]
직접 연소기간 동안 연소하지 못한 연료가 연소·팽창하는 기간이며, 이 기간이 길
면 배기가스 온도가 상승해 기관이 과열하며 열효율이 떨어진다.

(2) 디젤기관의 노크
디젤기관의 노크는 착화 지연기간 중에 분사된 많은 양의 연료가 화염 전파기간 중에
일시적으로 연소하여 실린더 내의 압력이 급격히 상승하는데 원인하여 실린더 벽에 피
스톤이 충격을 가하여 소음이 발생하는 현상이다. 디젤기관의 노크는 기관이 낮은 온도
일 때 주로 발생되며 방지방법은 다음과 같다.
① 착화성이 좋은(세탄가가 높은) 경유를 사용한다.
② 압축비, 압축압력 및 압축온도를 높인다.

③ 기관의 온도와 회전속도를 높인다.
④ 분사개시 때 분사량을 감소시켜 착화지연을 짧게 한다.
⑤ 분사시기를 알맞게 조정한다.
⑥ 흡입공기에 와류가 일어나도록 한다.

▶ 디젤기관에서 진동이 심하게 발생하는 원인 ① 분사압력·분사량 및 분사시기 등이 틀릴 때 ② 다(多)실린더 기관에서 어느 1개의 분사노즐이 막혔을 때 ③ 연료 공급계통에 공기가 침입하였을 때 ④ 피스톤-커넥팅로드 어셈블리 무게 차이가 클 때 ⑤ 크랭크축의 무게가 불평형일 때 ⑥ 실린더 상호간의 안지름 차이가 심할 때