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디젤 노크 현상과 대책
디젤노크는 착화지연기간 중에 분사된 많은 양의 연료가 화염 전파기간 중에 일시적으로 연소되어 실린더 내의 압력이 급하게 상승하여 소음이 발생되는 현상이다. 급격한 압력 상승을 방지하기 위하여 연료가 연소될 때 화염전파 기간에 가연혼합비를 가능한 적게 하고 착화지연기간을 짧게 하는 것이 필요하다.
디젤엔진에 노크가 일어나지 않도록 점검 정비해야하는데 그 대책으로 다음과 같다.
① 세탄가가 높고 착화성이 좋은 연료를 사용하다.
※ 세탄가(Catane Number)디젤 연료의 착화성을 나타내는 값으로 세탄가가 클수록 연료의 착화성이 좋고 디젤 노크를 일으키지 않는다.
② 착화기간 중에는 분사량을 적게하고 착화 후 많은 연료가 분사되며 분무를 양호하게 한다.
③ 압축비를 크게하고 압축온도, 압축압력을 높인다.
④ 흡기공기에 와류가 발생되어 많은 양의 공기가 흡입될 수 있도록 한다.
⑤ 분사시기를 느리게 조정한다.
⑥ 엔진온도를 상승시킨다.
그럼 디젤 엔진에서 진동이 발생되는 원인에는 무엇이 있을까?
① 연료 분사량, 분사압력, 분사시기 등이 맞지 아니할 경우
② 연료 공급계통에 공기가 함유될 경우
③ 피스톤 및 엔드 플레이드 간격이 클 경우
④ 분사노즐이 고착될 경우
⑤ 크랭크 축의 메인저널 베어링 간격이 클 경우
⑥ 캠 샤프트 이상 마모, 로크 암 이상마모, 밸브간격이 클 경우
● 디젤의 성분
디젤(경유)의 주성분은 파라핀계와 나프텐계의 탄화수소가 주성분으로 여기에 방향계 및 불포화탄화수소와 소량의 산소, 황, 질소 등의 화합물이 포함되어 있다.
1. 착화성(세탄가)
착화성은 연료가 엔진의 연소실 내에 분사되고 나서 착화할 때까지의 시간의 크기를 의미하고 보통 세탄가로 표시한다. 이 착화성이 나쁘게 되면 연소실 내의 분사된 연료가 미연인 상태로 다량체류 하다가 한꺼번에 연소함으로서 연소 압력은 급상승되고 이로 인해 이상 연소가 되어 운전 상태가 불안정하게 한다. 이것이 소음 증대, 저온 시동성 악화와 백연 등을 발생시키는 것이다.
2. 점 도
경우의 점도는 엔진 연소실내에서의 연료의 무화 및 분사 펌프의 윤활 잘용에 영향을 미친다. 또 너무 낮으면 분사 펌프와 느즐의 니들 밸브 등 연료 자체로 윤활되고 있는 부위의 마모나 그 부위에서 누수되기가 쉽다.
3. 증류성상(휘발성)
경유의 증류 성상은 공기와 충분히 혼합할 필요가 있기 때문에 연소에 있어서는 중요한 성상이다. 고비 점유분이 너무 많으면 적절한 분무가 되지 않아 엔진 출력 저항 등 성능에 나쁜 영향을 미친다.
4. 유황성분
유황은 연소에 의해 산화되고 부식을 유발하는 유산 화합물을 생성하기 때문에 피스톤링, 실린더 라이너 등 엔진 각 부품의 부식 마모에 영향을 미친다.
5. 알로마(Aroma)성분
알로마 성분은 세탄가, 밀도 및 증류성상과 밀접한 관계가 있고 착화성, 배출 가스에 영향을 미친다. 경유 중에 알로마 성분이 많은 미국에서는 환경 문제 때문에 유황성분과 함께 차후로 규제하려 하고 있다.
● 디첼의 성질
1. 저온 유동성
경유는 저온에서 왁스가 석출되고 연료 필터가 막힌다든지 유로 저항을 증가시키기 때문에 저온 유동성은 엔진의 시동성에 대해 중요한 특성이다.
2. 일반적인 성질
① 비중은 0.83~0.98정도다
② 인화점은 40~90℃, 착화점은 산소 속에서 254℃, 공기 중에서는 358℃다
③ 1k․f의 경유를 완전 연소하기 위한 공기량은 14.4k․f정도다
④ 발영량은 10,700kcal/k․f정도다
● 디젤의 구비 조건
① 자기착화 방식이므로 착화성이 좋을 것
② 연료의 무화, 분사 펌프의 마모방지를 위해 적당한 점도를 유지할 것
③ 양호한 연소를 얻기 위해 적당한 증류성상을 가질 것
④ 엔진의 부품 부식 마모 방지 및 배출가스 중의 유산화합물 저감을 위해 유황성분의 함량이 적을 것
⑤ 저온 시동성 확보를 위해 충분한 저온 유동성을 가질 것
⑥ 착화성 확보를 위해 알로마 성분 함량이 적을 것
⑦ 분사 펌프내의 녹, 마도 등의 방지를 위해 수분이나 이물질 등의 불순물이 적을 것
● 디젤 엔진의 연소실
디젤 엔진의 연소는 혼합기의 형성 시간이 가솔린 엔진에 비해 1/20~1/20정도로 대단히 짧고 연료 분사 후 크랭크샤프트의 각도로 10~15°이내에서 착화되어야 한다. 이러한 조건에서 양호한 연소를 완료시키기 위해서는 흡입공기의 와류, 스퀴시 등에 의해 공기와 연료의 혼합을 촉진시켜야 한다.
디젤 엔진의 연소시 형식에는 직접 분사식, 와류식, 예연소실식 등이 있다.
※ 스퀴시(Squish) 연소실 내에서 혼합기를 좁은 틈새로 밀어 붙이는 것
1. 직접분사식
직접분사식은 피스톤에 설치된 연소실 내에 연료를 직접 분사하는 구조이고 혼합기 생성은 주로 연료 분사에 의해 이루어진다. 흡입포트의 형상에 의해 흡입 공기의 스웰이 가해지고 압축 상사점에서는 피스톤 중앙에 오목하게 만들어서 스웰을 더욱 더 증가하여 혼합기의 연소를 돕는데 직접 분사식에서는 연소에 중요한 역할을 한다.
직접분사식의 단점으로 연소의 압력과 압력 상승률이 크기 때문에 소음이 크고 공기와 연료를 원활한 혼합을 위해서 연료분사 압력이 높아야 하기 때문에 분사펌프와 분사 노즐의 수명이 짧고 다공형 분사노즐을 사용하여야하며 노즐의 상태가 조금만 달라도 엔진 성능에 영향을 줄 수 있고 또한 질소산화물 발생이 많으며 디젤노크도 일으키기 쉽다. 더불어 엔진의 부하, 회전속도 및 사용연료의 변화에 대하여 민감한 단점을 가지고 있다. 그러나 장점으로는 연소실의 구조가 간단하고 열효율이 좋고 연료 소비량이 적다. 또 실린더 헤드 구조가 간단하고 열에 대한 변형이 적고 냉각손실이 작기 때문에 시동이 쉬워 예열플러그를 사용하지 않아도 되는 장점을 가지고 있다.
직접분사실은 비교적 대형 엔진이며 저속 엔진에 사용하였으나 최근에는 연료소비율이 적고, 시동성이 양호함으로 고속 및 소형엔진으로 사용되고 현재 카니발에 적용되고 최근 커먼레인엔진에 사용하는 연소실 형식이다.
2. 예연소실식
예연소실식은 실린더 헤드와 피스톤 헤드 사이에 형성되는 주연소실과 실린더 헤드에 설치된 예연소실이 있으며 예연소실식에 연료가 분사된다. 예연소실과 주연소실사이에는 분출구멍이 설치되어 있기 때문에 압축행정에서 압축된 공기가 유입된다. 예연소실의 면적은 전 압축체적의 40%로써 분사된 연료의 일부가 착화되어 고온, 고압 가스를 발생시키면 그 압력의 나머지는 연료 분출구멍을 통하여 주연소실로 분출되기 때문에 압축공기와 혼합하여 완전연소하게 된다. 예연소실식은 2단계 연소를 하며 연료와 공기의 혼합은 예연소실에서 분출될 때 발생되는 기류를 이용하는 것이 특징이다.
단점으로는 연소실 표면적에 비해 체적비가 크기 때문에 냉각 손실이 크고 실린더 헤드 구조가 복잡하다. 그리고 시동성이 불량하므로 필히 예열플러그가 있어야 시동이 용이하며 연료 소비율이 비교적 많다. 장점으로는 디젤노크 발생이 적고 세탄가가 낮은 연료사용이 가능하며 예연소실의 압력변화에 비하여 주연소실의 압력변화가 크지 않기 때문에 운전상태가 조용하다. 연료분사 압력(100~120kgf/㎠)이 낮기 때문에 연료장치 고장이 적고 수명도 길다. 또한 사용 연료의 변화에 둔감하므로 연료 선택 범위가 넓고, 공기의 와류에 의하여 혼합기 형성이 양호하여 무화가 잘 되며 질소 산화물 발생이 적다. 지금까지는 중, 대형, 상용차량으로 널리 사용되었으나 국내에 적용한 차량은 쌍용 무쏘 엔진이다.
3. 와류실식
와류실식은 실린더나 실린더 헤드에 와류실을 설치하여 압축행정에서 공기가 와류식에 유일할 때 강항 와류를 발생하도록 하여 연료를 분사시키면 연소가 이루어진다. 와류실에 분사된 연료는 강한 와류에 의하여 공기와 연료를 혼합하여 착화 연소되고 일부 남아있는 연료가 주연소실의 새로운 공기와 혼합하여 연소한다. 와류실의 체적은 피스톤 면적의 1~3.5%이며 연소 상태는 직접분사식과 예연소실식의 중간 특성을 가지며 예연소실과 같이 2단계로 연소하는 경향을 나타내며 와류실에서 발생되는 와류를 최대한 이용하여 연료를 연소시키는데 목적이 있다.
장점으로 압축시 발생되는 와류를 이용함으로서 연료와 공기의 혼합이 원활하여 회전속도 및 평균유효 압력을 높일 수 있다. 그리고 엔진의 회전속도 범위가 넓고 운전이 원활하고 분사압력이 직접분사식에 비하여 낮으며 매연 발생이 적고 공기 과잉율을 1.3정도까지 적게 할 수 있다. 반면 단점으로 와류에 의한 혼합기를 행성하므로 중, 저속 토크를 얻기가 어렵고 연소실 표면적에 대하여 체적비가 크고 열효율이 비교적 낮다 또한 실란더 헤드 구조가 복잡가혹 저속에서 노크발생이 쉬우며 시동이 어려움으로 예열 플러그가 필요하다. 와류실식은 고속운전에 적합함으로 소형 고속엔진에 주로 사용되며 국내 적용 차종으로 봉고, 프론티어, 베스타, 스포티지, 포터, 갤로퍼 등을 대표적으로 꼽을 수 있다.
※ KEY POINT / 가솔린 엔진과의 비교
가솔린 엔진과 디젤 엔진을 비교했을시 가장 큰 차이점은 디젤 엔진은 공기를 다량 흡입하여 압축, 연소실에 연료 분사하여 자기 착화하여 연소를 하나 가솔린 엔진은 혼합기를 흡입하여 압축, 강체점화라는 점이다. 디젤엔진은 공기만을 압축하기 때문에 가솔린 엔진의 최대 문제인 노킹이 발생되지 않으므로 압축비를 높일 수 있고 거의 모든 영역에서 공기과잉의 희박 연소이다. 또 디젤 엔진은 일종의 증상 연소이고 실제연소는 연료 분사 부근의 연료 과잉 부분에서 이루어져 국부적인 공기 부족을 일으키기 쉬워 흑연발생의 문제가 되며 압축 자기착화로 다점 동시 연소가 되기 때문에 가솔린 엔진과 같은 화염전파 연소에 비해 소음이 높다. 특히 아이들시 흡기 교축 없이 통내 압력이 높은 곳도 있어 이 소음의 차이가 크다.
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