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| + | [[파일:루돌프 디젤.jpg|썸네일|200픽셀|'''[[루돌프 디젤]]'''(Rudolf Diesel) 디젤엔진 발명가]] | ||
| − | + | '''디젤엔진'''<!--디젤 엔진-->(Diesel engine)은 독일에서 '''[[루돌프 디젤]]'''(Rudolf Diesel)이 발명한 [[내연기관]] [[엔진]]이다. 디젤엔진은 [[공기]]를 높은 [[온도]]로 [[압축]]하고 [[경유]], [[중유]]같은 [[연료]]를 [[실린더]] 안에서 분출하여 자연적인 [[발화]]로 인해 [[점화]]되어 [[피스톤]]이 움직여 작동하는 [[장치]]이다. | |
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| − | + | == 개요 == | |
| + | 디젤엔진은 실린더 안에 공기를 압축해서 온도를 높인 후 연료를 실린더 안에 분출하면서 스스로 점화되도록 하는 장치이다. 이때 자연 발화로 구동 에너지를 얻어 작동한다. 온도를 높여서 압축할 때는 실린더 내부 압력이 약 100kg/㎠ 정도가 나오고 연료를 연소할 때는 [[화학에너지]]가 [[열에너지]]로 바뀌면서 온도가 2,480C 정도까지 올라간다. 실린더 내부의 높은 온도로 압축된 공기로 연료가 점화되기 위해서는 실린더 내부의 온도가 일정 온도 이상이 되어야만 한다. 연료 점화에 필요한 압축비가 높을수록 온도가 높아진다. 압축비는 압축 전과 후의 공기의 체적비로 측정하는데, 대형 실린더에는 압축비가 약 13:1, 중형은 약 14.3:1, 소형은 약 20:1 정도 나온다. 디젤엔진에 이용되는 연료는 열 효율이 높으면서 [[휘발유]]보다 저렴한 연료를 사용하며, 주로 [[경유]] 계통을 사용한다. 디젤엔진은 2행정 기관과 4행정 기관으로 이루어져 있다. 대부분 디젤엔진은 4행정기관이고 나머지 대형 기관은 2행정기관이다.<ref name="위키백과">〈[https://ko.wikipedia.org/w/index.php?title=%EB%94%94%EC%A0%A4_%EC%97%94%EC%A7%84&action=edit§ion=5#%EA%B0%9C%EC%9A%94 디젤엔진]〉, 《위키백과》</ref> | ||
| − | + | == 역사 == | |
| − | 실린더 | + | 1890년 [[허버트 아크로이드 스튜어트]](Herbert Akroyd Stuart)는 최초로 압축점화 엔진 특허를 냈다. 1년 뒤 [[리처드 혼스비]](Richard Hornsby)와 그의 아들들이 이 특허를 산 다음 중유 엔진을 생산했다. 이 엔진은 실린더가 아닌 분리된 챔버에서 연소가 이뤄졌으며 처음으로 압축 분사 시스템을 사용했다.<ref name="아이오토카"> 리처드 드렛지(Richard Dredge), 〈[http://www.iautocar.co.kr/news/articleView.html?idxno=5376 한눈에 보는 디젤엔진의 역사]〉, 《아이오토카》, 2018-07-02 </ref> 디젤엔진을 발명한 사람은 독일인 발명가 [[루돌프 디젤]](Rudolf Diesel)이다. 디젤이라는 이름도 루돌프 디젤의 이름에서 비롯되었다. 루돌프 디젤은 카르노가 고안한 순환 과정 즉, 물체가 온도·압력·부피 등에 의해 결정되는 어떤 열역학적인 상태에서 출발해 어떤 경로를 지나 다시 처음의 상태로 되돌아오는 과정을 순환이라 한다는 개념을 근거로 피스톤에 의해 공기를 압축한 실린더 내에서 연소시키고, 대기 압력까지 단열 팽창시키는 열기관을 제작하여 열기관의 작동 사이클과 실행 방법에 대해 특허를 받았고 논문도 발표하였다. 이후 최초의 1기통 기관을 제작하였다. 피스톤은 링이 없는 방식을 사용하였고 연료는 휘발유를 사용하였는데, 혼자서는 주행이 불가하였기에 이 시도는 실패로 돌아갔다. 이후 여러 번의 실험을 거치면서 1897년 2월 17일에 작동이 가능한 최초의 디젤 기관을 완성하였다. 1903년, 선박용 디젤기관이 최초로 제작되었다. 4행정 4기통 기관으로 400rpm에서 140ps를 기록하였고 같은 시기에 출력 400ps의 4행정 4기통 기관을 6대 만들었는데, 이것은 최초의 디젤 발전기가 되었다. 2차 대전 이후 디젤 기관은 자가용은 물론 철도 차량, 중장비, 트럭, 대형 선박, 비행기까지 거의 모든 엔진이 들어가는 물체의 기관으로서의 역할을 해냈다.<ref name="위키백과"></ref><ref name="나무위키">〈[https://namu.wiki/w/%EB%94%94%EC%A0%A4%20%EC%97%94%EC%A7%84 디젤엔진]〉, 《나무위키》</ref> |
| − | == | + | == 원리 == |
| − | [[ | + | 디젤엔진의 원리는 높은 온도로 압축된 공기로 연료를 분출하여 발화하는 압축 발화 방식을 사용한다. 디젤엔진 연료의 특성상 휘발유보다 낮은 온도에서 발화할 수 있다(즉 발화점이 낮다)는 점에서 압축 방화 방식이 가능하다. 그리고 디젤엔진이 동작하는 기본 원리는 [[폭발]]이다. 가솔린 진은 동작을 하기 위해서 공기와 가솔린 연료를 혼합한 기체를 연소실에 넣는다. 그다음 피스톤으로 압축하고 전기 스파크를 발생시켜서 점화하는데 디젤은 척화 점이 낮기 때문에 연료를 압축된 뜨거운 공기에 분사하는 즉시 폭발해 버리는 것이다. 이때 발생하는 폭발은 진동과 소음을 발생시키는데, 이 때문에 가솔린엔진을 쓰는 차량보다 시끄럽다.<ref name="위키백과"></ref><ref> 쫄깃쫄깃붕어빵, 〈[https://withbbang.tistory.com/entry/%EB%94%94%EC%A0%A4-%EC%97%94%EC%A7%84%EC%9D%98-%EB%8F%99%EC%9E%91%EC%9B%90%EB%A6%AC-%EB%B0%8F-%ED%8A%B9%EC%A7%95 디젤엔진의 동작원리 및 특징 ]〉, 《티스토리》, 2018-07-18 </ref> 디젤엔진의 직분사 방식(CRDI)은 연료를 실린더에 직접 분사하는 과정에서 미리 압력을 가해 거의 안개처럼 연료를 분사하는 방식이다. 과거의 엔진은 연료를 미리 공기와 혼합한 다음 벨브를 통해 실린더에 밀어 넣는 방식이었다. 그런데 연료를 압축해서 점화하는 디젤엔진에게 이런 방식은 다소 불리하게 작용했다. 폭발할 수 있는 압력에 도달할 때까지 시간도 많이 걸렸고, 타이밍을 맞추는 것도 쉽지 않았기 때문이다. 그래서 [[플린저]]라는 부품을 이용해 미리 압력을 가하거나 유지시킨 후 주입하는 것이 일반적이었다. 하지만 기계식으로 작동하다보니 기온의 변화나 연료 압력의 변화에 즉각적으로 대처하기가 힘들었고, 그래서 직분사 방식이 개발되었다. 전자식으로 제어를 하기 때문에 유입되는 공기의 온도에 따라서 압력을 조절할 수 있으며, 더 정교하게 분사되는 연료의 양을 조절할 수 있어 폭발에 꼭 필요한 연료만을 소비시킨다는 장점이 있다. 특히 미리 압력을 가해서 분사하기 때문에 정확한 시점에 연료를 폭발시킬 수 있으므로, 고르게 힘을 발휘하며 동시에 연료가 배기가스로 일부 배출되는 현상이나 불필요하게 과연소되어 배기가스를 증가시키는 일도 줄여 준다. 직분사 방식이 보급되기 시작하면서 승용 디젤엔진의 보급도 폭발적으로 증가했는데, 이는 연비와 출력 모든 면에서 유리한 점이 많았기 때문이다.<ref name="쌍용차"></ref> |
| − | + | == 종류 == | |
| − | + | ===2행정기관=== | |
| − | + | [[파일:2행정.gif|100픽셀|썸네일|2행정기관]] | |
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| − | + | 2행정기관(Two-stroke engine)은 4행정기관과 비교하여 피스톤이 크랭크축을 한 번 회전하여 동력을 완성하는 내연 기관이다. 각 피스톤 순서가 아래에서 위로 올라가는 형태의 사이클 형식이다. 2행정기관은 4행정기관과는 다르게 피스톤이 크랭크축을 회전하여 구동하고 배기밸브로 동시에 열리는 내연기관이다. 피스톤이 순서가 아래일 때 실린더가 열리면서 배기가스를 배출하고 그러면서 동시에 정화된 깨끗한 공기를 흡입한다. 이 연소한 배기가스는 배기밸브가 열리면서 빠져나간다. 2행정기관은 하강 상승의 과정을 거친 행정만 하여 2행정기관이다. 디젤엔진의 2행정기관은 4행정기관에도 있는 상단의 밸브가 있으나, 4행정기관과 달리 모두 배기밸브로 동시에 열린다. 배기밸브가 열리면 연소된 가스는 압력에 의해 음속에 가까운 속도로 배출된다. 이후 피스톤이 아래로 내려오면서 배기공이 열리고 새로운 공기가 실린더 내로 유입되는데, 이때 슈퍼차저와 터보차저를 통해 순식간에 과급하여 나머지 연소가스를 밀어내고 실린더 내부를 채운다. 이후 배기밸브가 닫히고 다른 디젤엔진과 마찬가지로 공기만 유입시켜 공기를 압축시킨 후 연료를 분사하여 압축 착화로 연소시킨다. 2행정기관은 큰 힘이 필요한 기계에 사용한다.<ref>〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/2%ED%96%89%EC%A0%95_%EA%B8%B0%EA%B4%80 2행정 기관]〉, 《위키백과》</ref> | |
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| − | == | + | ===4행정기관=== |
| − | + | [[파일:4행정.gif|100픽셀|썸네일|4행정기관]] | |
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| − | + | 4행정기관(four-stroke engine)은 내연기관의 일종으로 가장 많이 쓰이는 방식이다. 행정은 위아래의 한 방향에서 실린더 안의 피스톤이 모두 움직이는 것을 의미한다. 4행정기관은 흡입-압축-폭발-배기의 4행정을 하여 1사이클이 완료되는 형식이다. 4행정 엔진의 1사이클이 완료되면 크랭크축은 2회전, 캠축은 1회전, 실린더의 흡기,배기밸브는 각 1회 여닫는다. 각 피스톤의 순서가 아래에서 위 그리고 다시 아래에서 위로 올라가는 순서를 가진 사이클이다. 첫 번째 아래로 갈 때 공기를 흡입하여 실린더에 주입하고 피스톤이 올라가는 과정에서 공기를 압축하는 과정을 거치고 또다시 아래에서 위로 올라가는 과정이 있는데, 이때는 두 번째 하강 과정에서 연료를 분출하여 폭발시키고 두 번째 올라가는 과정에서 연소한 배기가스를 빠져나가게 한다. 이렇게 하강과 상승, 하강과 상승 총 4단계에 거친 행정을 한다.<ref name="4행정">〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/4%ED%96%89%EC%A0%95_%EA%B8%B0%EA%B4%80 4행정 기관]〉, 《위키백과》</ref> | |
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| − | 각 피스톤의 순서가 아래에서 위 그리고 다시 아래에서 위로 올라가는 순서를 가진 사이클이다. | + | ; 작동 순서 |
| + | #흡입(Intake) : 피스톤이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 하강하는데 이때 실린더의 내부 압력이 낮아지면서 공기가 흡기다기관으로 밀려 들어가고, 이 공기가 연료와 혼합되어 혼합기가 된다. 이 혼합기가 흡기밸브를 거쳐 실린더 내부로 들어간다. 크랭크축이 180도로 돌면서 실린더 안에 혼합기가 채워진다. 직접분사식 가솔린엔진 방식과 디젤엔진에서는 공기만 흡입한다. | ||
| + | #압축(Compression) : 흡기 및 배기밸브가 모두 닫힌 상태에서 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하면서 혼합기를 압축한다. 이때 크랭크축이 1회전하게 된다. 압축시 혼합기의 온도는 약 400~500℃ 정도로, 압축 압력은 약 18bar 정도까지 상승한다. 가솔린 기관의 압축비는 7~11:1이며, 압축착화를 통해 폭발하는 디젤엔진은 압축비가 15~22:1로 높다. 엔진의 회전 속도가 빠를 수록 압축비가 상승한다. | ||
| + | #폭발(Ignition) : 실린더 내부의 혼합기가 연소되면서 생성된 연소 가스의 압력으로 피스톤을 밀어내리면서 피스톤이 하강하고 이 과정에서 동력이 발생한다. 가솔린 기관은 점화플러그를 통한 스파크 점화로 연소하며, 직접 분사식 가솔린 기관은 스파크 점화와 동시에 연료를 분사하고, 디젤 엔진은 연료를 분사하면서 압축 압력으로 점화하여 연소한다. | ||
| + | #배기(Exhaust) : 배기밸브가 열리면서 피스톤이 상사점으로 상승하면서 연소 가스를 밀어 올려서 실린더 밖으로 배출시킨다. 여기까지 과정에서 크랭크축은 총 2회전을 한다.<ref name="4행정"></ref> | ||
| + | |||
| + | == 구조 == | ||
| + | === 연소실 === | ||
| + | 연소실은 [[가솔린엔진]]이나 디젤엔진 등 [[내연기관]]에서 혼합기가 주로 연소하는 공간이다. 연소실은 실린더 헤드와 피스톤 헤드 사이의 공간으로, 연소실의 모양은 흡기와 배기의 흐름, 연소 속도 등에 영향을 미쳐 엔진 효율을 결정하는 중요한 부분으로 작용한다. 이로 인해 연소실 형상을 결정하는 것은 매우 중요하다. 연소실의 형상을 결정하는 여러 중요한 변수가 있지만 주요 요소는 연소실의 표면적을 작게 하고 적절한 밸브의 크기와 배치로 홉합기와 배기가스의 유출입이 원활해야 한다는 것이다. 이러한 점들이 적절히 고려되어 만들어진 연소실은 엔진의 출력을 효과적으로 높일 수 있게 된다. 예를 들어 연소실의 표면적이 클 경우 연소실 벽을 통한 열 손실이 증대되어 표면에서 연소가 일어나지 않는 미연소 혹은 불연소가 발생하여 배출가스 중 하나인 탄화 수소의 발생량이 높아지게 된다. 하지만 오히려 지나치게 표면적을 작게 하면 연소실 내 압력과 온도가 높아져 스파크의 작동 없이 연소가 되는 이상연소인 노킹 현상이 발생해 엔진에 데미지를 주게 된다. 따라서 이러한 점을 고려한 적절한 연소실의 설계가 필요하다. 또한 연소실의 형상을 결정하는 요소 중 압축비를 알아보면, 피스톤은 실린더 안의 상사점과 하사점 사이를 왕복하는데 하사점에 있을 때 실린더 안의 용적을 실린더 용적이라고 하며 상사점에 있을 때 용적을 연소실 용적이라고 한다. 이러한 실린더 용적과 연소실 용적 사이의 비율을 압축비라고 한다. 이러한 압축비가 크면 동일한 연료 대비 더 많은 거리를 움직일 수 있어 운동에너지 변환 양이 늘어나 연소 효율을 높일 수 있다. 하지만 지나치게 크면 노킹이 일어나 엔진이 정상 작동하지 못하게 된다. 따라서 가솔린엔진의 경우 이상적인 압축비인 8:1 ~ 10:1로 설정하여 설계되는 경우가 많다. 디젤엔진의 경우 이러한 압축비가 20:1로 높아 동일한 조건 하에서 압축비로 비교하면 디젤엔진의 효율이 더 좋은 것을 알 수 있다.<ref> 휠라이프, 〈[https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=8137622&memberNo=32594659 연소실의 개념과 종류]〉, 《네이버 포스트》, 2017-06-15 </ref> | ||
| − | == | + | ====직접분사식==== |
| − | + | 직접분사식(Direct Injection type)은 단일 연소실에서 고압으로 연료를 분출하여 주로 분출하는 속도에 의해서 공기와 혼합시키는 형식이다. 연소실을 피스톤 헤드에 설치하고 연소실 중앙에 다공 노즐을 배치한다. 공기와 혼합 상태가 연소의 특성을 좌우하고, 분사 밸브의 기능과 연소실 내의 공기 유동이 가장 중요한 역할을 한다. 직접분사식의 장점은 연소실 구조가 간단하고 열 손실이 적고 열 효율이 높다. 또한 연료 소비율이 적으며, 실린더의 열 변형이 적을 뿐만 아니라 평균 유효 압력이 높으며 냉간 이동 시 유리하다. 다만 공기와 연료의 혼합이 불완전하여 엔진의 회전 수가 제한된다는 단점이 있다. 다공성 노즐로 고장이 많고 압축비가 비교적 낮다. 또한 높은 분사 압력을 필요로 하고, 고압펌프가 필요하다.<ref name="공학나라"> 공학 정보 Z국대Z, 〈[https://qkqeo.com/250 디젤엔진 연소실 종류]〉, 《티스토리》, 2021-02-26 </ref> | |
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| − | <ref>〈[https:// | ||
| − | == | + | ====예연소실식==== |
| − | === | + | 예연소실식(Precombustion chamber type)은 연료가 예연소실식에서 먼저 분사되어 연소 되고 예연소실에 의해 생긴 압력 때문에 나머지 연료를 실린더 내로 분출 시켜 연소 와류에 의해 공기와 혼합되는 형식이다. 연료가 분사되어 일부가 연소되고, 그에 의해 생긴 압력차로 미연소 부분이 주연소실에 분출시켜 연소 와류에 의해 공기와 혼합시킨다. 예열 플러그를 사용하여 시동되는 특징이 있다. 예열 소실식은 연료와 공기가 혼합되어 분사 압력이 낮다. 그리고 사용할 수 있는 연료의 범위가 넓고 연소가 원활하게 이루어지며 매연이 적다. 평균 유효 압력이 높고 공회전 운동이 양호하며 연료 장치의 고장이 적어 수명이 길다. 하지만 예열 소실 내의 잔류가스 때문에 체적 효율이 나쁘고 평균 유효 압력이 저하된다. 또한 냉각 면적이 커서 열 손실이 크고, 예연 소실의 반연소 가스의 고속 유출로 마찰 손실이 크다. 그리고 엔진의 시동이 곤란할 때가 있다.<ref name="공학나라"></ref> |
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| − | ===와류실식=== | + | ====와류실식==== |
| − | 와류실식(Turbulence Chamber Type)은 연소실을 특수한 형상으로 하여 압축 행정에 의해서 그 속에 일어난 공기 와류 중에 연료를 분사하여 완전 연소를 시키기 위한 형식이다. | + | 와류실식(Turbulence Chamber Type)은 연소실을 특수한 형상으로 하여 압축 행정에 의해서 그 속에 일어난 공기 와류 중에 연료를 분사하여 완전 연소를 시키기 위한 형식이다. 연소실 체적의 약 70%의 구형의 와류실을 갖는다. 연소실을 구형으로 하여 압축 과정에서 접선 방향으로 유입하는 공기에 의해 와류를 일으켜 연소를 촉진시킨다. 고속 회전에 적당하며 연소실의 형상이 복잡하고 제작이 어렵다. 와류실식은 직분식보다 분사 압력이 낮고 회전 속도의 범위가 넓은 장점이 있다. 또한 엔진의 연비가 낮고 제동 평균 유효 압력이 높다. 와류실식은 높은 압축 와류를 이용하므로 회전 수를 높일 수 있고, 연소가 원활하여 자동차용으로 적당하다. 그리고 녹스와 흑연 발생이 직접분사식에 비해 적다. 단점도 있다. 와류실식은 저온 시동이 어렵고 예열플러그가 필요하다. 그리고 헤드에 와류실이 있어 헤드의 구조가 복잡하고 저속 운전 시 디젤 노크를 일으키기 쉽다. 또한 열 효율, 연료 소비율이 직접분사식보다 나쁘다는 단점이 있다.<ref name="공학나라"></ref> |
====공기실식==== | ====공기실식==== | ||
| − | 공기실식( | + | 공기실식(Air cell Combustion Chamber Type)은 압축 행정 중에 공기를 밀어 넣고 이것을 향해서 연료를 분사하여 공기실 내에서 연소를 일으키고 그에 의해서 생긴 압력에 의해서 주연 소실로 가스를 분출 시켜 와류를 발생시키는 형식이다.<ref>〈[http://www.surae.com/expert/library/edufiles/View.aspx?p=14&bno=34233&rno=206 디젤엔진 연소실의 종류]〉, 《수레닷컴》</ref> |
| + | |||
| + | == 장단점 == | ||
| + | ===장점=== | ||
| + | 디젤엔진은 경유를 사용하여 휘발유보다 가성비가 좋다. 연소할 때 운동에너지가 열에너지로 전환이 되는데, 휘발유는 열에너지의 30%를 운동에너지로 전환하는 것에 비해 디젤엔진은 45%인 휘발유보다 더 많은 양을 운동에너지로 전환한다. 가성비도 좋을 뿐만 아니라 저렴하기까지 하다. 휘발유는 주로 자가용 차가 주행할 수 있도록 하게 하는 연료로만 쓰였지만, 경유는 주로 대형차 중형차 산업용 차량까지 쓰여서 나라마다 각각 세금 감면을 해 주는 혜택을 주기 때문이다. 그래서 대한민국은 가격이 높은 휘발유보다 가격이 더욱 저렴한 경유를 쓰는 디젤엔진 차량을 크게 선호하게 되었다. 최근 휘발유의 가격이 전보다 내려갔음에도 아직도 휘발유가 비싸기 때문에 국내에서 디젤엔진 차의 수요는 줄어들지 않을 것으로 보인다. 그리고 경유는 휘발유보다 안전하다. 경유는 휘발 가능성이 작아 인화성 수증기를 많이 발생시키지 않고 폭발하지 않는다. 그리고 윤활성이 좋고 오래 쓸 수 있다. 경유는 호환성이 좋아 높은 가격대의 차량이든 [[국산차]], 독일산 차 구분할 것 없이 어디에서나 호환이 가능하다. 그리고 가격이 비싸든 싸든 큰 성능 차이는 없다. 또한 디젤엔진은 불필요한 열을 잘 발생시키지 않는다. 열 효율이 가솔린엔진보다 월등한데, 연비도 가솔린엔진보다 훌륭하다. 기술이 더욱 발전할수록 가솔린엔진은 점차 사라질 것이다. 디젤엔진은 연소하고 난 후 단위 질량 당 에너지의 밀도와 온도가 가솔린엔진보다 상당히 낮은 편이다. 이러한 면에서 터빈이 고열에 의해 손상될 위험성이 낮다. | ||
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| + | 디젤엔진을 만들 때 설계를 하는 부분에서 실린더 부피의 제약이 거의 없다. 가솔린엔진은 점화플러그 근처의 혼합기부터 전기 불꽃을 당겨 점화시키고 나머지 부분은 연속적으로 반응하는 구조이므로 실린더 부피가 커지면 점화 플러그에서 먼 곳에 있는 혼합기는 엔진 점화가 적절하지 않은 시점에서 점화가 일어나게 되고, 연료의 연소를 제어할 수 없게 된다. 그로 인해 실린더 1개당 낼 수 있는 출력이 제한되면서 실린더의 숫자를 늘리게 되어야 하고, 그에 따라 설계가 늘어나는 실린더의 수만큼 복잡해지는 문제가 있다. 하지만 이에 반해 디젤엔진은 실린더 내의 모든 혼합기가 동시에 점화되므로 계속해서 연속되는 데 문제가 없으며, 대형 엔진을 만들려면 실린더를 크게 만들면 된다. 이러한 설계 도면에서 결정적인 차이 때문에 가솔린엔진은 주로 자가용 엔진으로 발전되지 못했지만, 디젤엔진은 아주 작은 엔진에서부터 엄청나게 큰 엔진까지 제작할 수 있게 되었다.<ref>〈[https://fakesunfish.tistory.com/7 디젤의 장점 ]〉, 《티스토리》, 2012-08-29 </ref> | ||
| + | <ref name="나무위키"></ref> | ||
| + | |||
| + | ===단점=== | ||
| + | 디젤엔진의 가장 큰 단점은 진동과 소음이다. 진동이 심한 이유는 배기가스를 연소시키는 과정에서 미세먼지 등을 완전히 연소시키고 공기만을 실린더 안에 흡입한다. 이때 공기를 고온, 고압으로 압축해야 하므로 연소실 온도를 높게 해 줘야 한다. 이 때문에 압축비를 20분의 1의 비율로 압축하는데, 10분의 1로 압축을 하는 휘발유엔진보다 압축률이 더 높다. 압축률이 높은 데다가 디젤엔진은 열 효율과 내구성을 위해 철로 만든 피스톤을 쓰기 때문에 진동이 더 심해진다. 이 때문에 항공기에서는 디젤엔진을 잘 쓰지 않는다. 그리고 소음이 적은 차들은 진동 문제 때문에 디젤엔진을 잘 쓰지 않는다. 또 하나의 단점은 중량이 무겁다는 점인데, 디젤엔진은 가솔린엔진보다 마력당 중량이 무겁다. 같은 배기량의 휘발유 엔진보다 디젤엔진의 토크가 더 강하기 때문에 전반적으로 강도 높은 부품들이 적용되면서 엔진이 더 크고 무거워지게 된다. 환경 오염의 문제도 있는데, 가솔린엔진보다 배출되는 배기가스는 환경 오염에 미치는 영향이 크다. 디젤엔진에서는 매연이 생성되는 미세먼지가 빠르게 연소하지 못하고 탄소상 입자로 배기로 배출되면서 매연이 된다. 이때 대량의 녹스가 형성되는데, 질소와 산소가 과도하게 공급되면서 실린더 내의 고온에서 서로 반응하면서 형성되며 환경이 오염된다.<ref>〈[https://namu.wiki/w/%EB%94%94%EC%A0%A4%20%EC%97%94%EC%A7%84 디젤엔진]〉, 《나무위키》</ref> | ||
| + | ==가솔린엔진과 비교== | ||
| + | [[파일:1.jpg|300픽셀|썸네일|가솔린엔진과 디젤엔진 비교]] | ||
| + | 먼저 첫 번째 차이점은 연료이다. 연료를 휘발유 엔진은 휘발유 즉 휘발유를 사용하고, 디젤엔진은 경유를 사용한다. 그리고 디젤엔진과 휘발유 엔진의 차이는 먼저 작동 원리부터 차이가 있다. 가솔린엔진은 먼저 연료와 공기를 흡입하고 흡입한 연료와 공기를 압축한다. 이때, 압축 비율은 10분의 일이다. 압축한 연료와 공기를 섞은 후 실린더에서 점화 플러그의 스파크로 점화시키고 폭발하여 연소를 시키고 그다음 구동 에너지를 얻는다. 그리고 연소 가스를 배출한다. 디젤엔진은 앞에서 계속 설명했듯이 공기를 먼저 흡입하고 이 공기를 압축한다. 이때 압축비는 20분의 일이다. 여기서 압축 비율이 가솔린엔진이 공기를 압축하는 비율과 다르다는 차이 가 있다. 그리고 연료를 공기에 분출하고 자연 발화를 하여 점화시키고 구동 에너지를 얻는다. 이때 팽창 방식이 가솔린엔진이 팽창 방식과 다르다. 이렇게 가솔린엔진과 디젤엔진은 발화하는 방식이 다르다. 이러한 팽창방식과 발화 방식의 차이는 연비의 차이로 넘어간다. 보통 가솔린엔진은 약 25%, 디젤엔진은 약 35%의 효율을 갖는데, 이 말은 100중에 가솔린엔진은 25 정도 에너지를 갖는것이고 디젤엔진은 35 정도 에너지를 갖는 것이다. 디젤엔진이 가솔린엔진에 비해 같은 양이라 가정을 했을 때 더 많은 에너지를 생성하기 때문에 디젤엔진이 가솔린엔진보다 당연히 연비가 높을 수밖에 없다. 트럭 같은 대형 차량은 자가용 차량보다 당연히 에너지가 훨씬 많이 필요한데, 이러한 더 많은 에너지가 필요한 차들에 디젤엔진을 사용한다. 하지만 [[가솔린차]]가 우수한 부분도 있는데, 이는 승차감에서이다. 그 이유를 살펴보면, 디젤 차량은 가솔린차보다 더 높게 압축된 공기에서 발화하기 때문에 상대적으로 진동과 소음이 클 수밖에 없는데 따라서 보다 큰 진동과 소음을 피하기 위해서는 가솔린엔진을 가진 차량이 더 괜찮다.<ref>윤지우, 〈[https://skenergy.tistory.com/1739 가솔린 엔진vs디젤엔진]〉, 《sk에너지 블로그》, 2015-07-17</ref><ref>기하영, 〈[https://cm.asiae.co.kr/article/2017060809171439132 (車, 이것이 궁금하다)디젤차 vs 가솔린차…연비·승차감에 물어봐]〉, 《아시아 경제》, 2017-06-09</ref> | ||
| − | = | + | 세탄은 디젤에 적용되며 옥탄은 가솔린에 적용되는 단어이다. 이 두 가지 물질은 모두 엔진 내부에서 연료가 팽창할 때 비 정상적인 폭발을 방지하기 위해 첨가되는 물질이다. 가솔린은 불이 붙는 온도가 굉장히 낮아서 피스톤이 압축을 할 때 발생하는 열로도 쉽게 폭발을 하려는 성질을 지니고 있다. 만약 피스톤이 충분히 연료를 압축하지 않은 상태에서 폭발하게 되면 엔진 내부에서 정상적으로 움직일 수 없는 노킹 현상이 일어난다. 따라서 옥탄은 지정된 압축비에 도달하기 전에 연료가 미리 폭발하는 걸 방지하기 위해 첨가되는 물질이다. 반대로 디젤은 발화점이 높은 연료이므로 높은 압력을 가해야 원하는 점화 온도에 도달할 수 있다. 이런 특성 때문에 이따금 원하는 압력을 가해도 폭발이 일어나지 않을 때가 있다. 주로 기온이 낮거나 혹은 연료의 품질 자체가 떨어질 때 이런 현상이 일어난다. 세탄은 옥탄과 반대로 디젤 연료의 발화점을 낮춰주는 역할을 한다. 마찬가지로 두 연료의 근본적인 차이 때문에 일어나는 현상이다. 디젤 엔진은 가솔린엔진에 비해 최대 회전수가 다소 낮은 편이다. 이는 연료의 차이 때문인데, 압축에 걸리는 시간과 더불어 디젤 연료가 가솔린보다 더 높은 폭발력을 발휘하기 때문에 그 폭발력을 견디기 위해 엔진의 주요 부품들이 더 강하게 제작되다 보니 많이 무거운 편이다. 이런 이유로 엔진의 회전수가 가솔린에 비해 낮지만, 연료 자체가 가진 효율이 가솔린보다 높고, 강한 폭발력을 지니고 있어 주로 [[화물차]]나 [[SUV]]에 많이 쓰여 왔다. 또한 이러한 성질 차이가 혼유로 인해 자동차가 비정상 작동을 일으키게 되는 원인이 된다.<ref name="쌍용차">〈[https://allways.smotor.com/%EB%94%94%EC%A0%A4-%EC%97%94%EC%A7%84%EA%B3%BC-%EA%B0%80%EC%86%94%EB%A6%B0-%EC%97%94%EC%A7%84%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%BC%EA%B9%8C%EC%9A%94/ 디젤 엔진과 가솔린 엔진의 차이, 무엇일까요?]〉, 《쌍용자동차 공식블로그 ALLWAYS》, 2017-08-25 </ref> |
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| + | {{각주}} | ||
==참고자료== | ==참고자료== | ||
| + | *〈[https://ko.wikipedia.org/w/index.php?title=%EB%94%94%EC%A0%A4_%EC%97%94%EC%A7%84&action=edit§ion=5#%EA%B0%9C%EC%9A%94 디젤엔진]〉, 《위키백과》 | ||
| + | *〈[https://namu.wiki/w/%EB%94%94%EC%A0%A4%20%EC%97%94%EC%A7%84 디젤엔진]〉, 《나무위키》 | ||
| + | * 쫄깃쫄깃붕어빵, 〈[https://withbbang.tistory.com/entry/%EB%94%94%EC%A0%A4-%EC%97%94%EC%A7%84%EC%9D%98-%EB%8F%99%EC%9E%91%EC%9B%90%EB%A6%AC-%EB%B0%8F-%ED%8A%B9%EC%A7%95 디젤엔진의 동작원리 및 특징 ]〉, 《티스토리》, 2018-07-18 | ||
| + | *〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/4%ED%96%89%EC%A0%95_%EA%B8%B0%EA%B4%80 4행정 기관]〉, 《위키백과》 | ||
| + | *〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/2%ED%96%89%EC%A0%95_%EA%B8%B0%EA%B4%80 2행정 기관]〉, 《위키백과》 | ||
| + | *〈[http://www.surae.com/expert/library/edufiles/View.aspx?p=14&bno=34233&rno=206 디젤엔진 연소실의 종류]〉, 《수레닷컴》 | ||
| + | *〈[https://fakesunfish.tistory.com/7 디젤의 장점 ]〉, 《티스토리》, 2012-08-29 | ||
| + | * 윤지우, 〈[https://skenergy.tistory.com/1739 가솔린 엔진vs디젤엔진]〉, 《sk에너지 블로그》, 2015-07-17 | ||
| + | * 기하영, 〈[https://cm.asiae.co.kr/article/2017060809171439132 (車, 이것이 궁금하다)디젤차 vs 가솔린차…연비·승차감에 물어봐]〉, 《아시아 경제》, 2017-06-09 | ||
| + | * 휠라이프, 〈[https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=8137622&memberNo=32594659 연소실의 개념과 종류]〉, 《네이버 포스트》, 2017-06-15 | ||
| + | * 〈[https://allways.smotor.com/%EB%94%94%EC%A0%A4-%EC%97%94%EC%A7%84%EA%B3%BC-%EA%B0%80%EC%86%94%EB%A6%B0-%EC%97%94%EC%A7%84%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%BC%EA%B9%8C%EC%9A%94/ 디젤 엔진과 가솔린 엔진의 차이, 무엇일까요?]〉, 《쌍용자동차 공식블로그 ALLWAYS》, 2017-08-25 | ||
| + | * 리처드 드렛지(Richard Dredge), 〈[http://www.iautocar.co.kr/news/articleView.html?idxno=5376 한눈에 보는 디젤엔진의 역사]〉, 《아이오토카》, 2018-07-02 | ||
| + | * 공학 정보 Z국대Z, 〈[https://qkqeo.com/250 디젤엔진 연소실 종류]〉, 《티스토리》, 2021-02-26 | ||
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2023년 4월 10일 (월) 00:07 기준 최신판
디젤엔진(Diesel engine)은 독일에서 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)이 발명한 내연기관 엔진이다. 디젤엔진은 공기를 높은 온도로 압축하고 경유, 중유같은 연료를 실린더 안에서 분출하여 자연적인 발화로 인해 점화되어 피스톤이 움직여 작동하는 장치이다.
목차
개요[편집]
디젤엔진은 실린더 안에 공기를 압축해서 온도를 높인 후 연료를 실린더 안에 분출하면서 스스로 점화되도록 하는 장치이다. 이때 자연 발화로 구동 에너지를 얻어 작동한다. 온도를 높여서 압축할 때는 실린더 내부 압력이 약 100kg/㎠ 정도가 나오고 연료를 연소할 때는 화학에너지가 열에너지로 바뀌면서 온도가 2,480C 정도까지 올라간다. 실린더 내부의 높은 온도로 압축된 공기로 연료가 점화되기 위해서는 실린더 내부의 온도가 일정 온도 이상이 되어야만 한다. 연료 점화에 필요한 압축비가 높을수록 온도가 높아진다. 압축비는 압축 전과 후의 공기의 체적비로 측정하는데, 대형 실린더에는 압축비가 약 13:1, 중형은 약 14.3:1, 소형은 약 20:1 정도 나온다. 디젤엔진에 이용되는 연료는 열 효율이 높으면서 휘발유보다 저렴한 연료를 사용하며, 주로 경유 계통을 사용한다. 디젤엔진은 2행정 기관과 4행정 기관으로 이루어져 있다. 대부분 디젤엔진은 4행정기관이고 나머지 대형 기관은 2행정기관이다.[1]
역사[편집]
1890년 허버트 아크로이드 스튜어트(Herbert Akroyd Stuart)는 최초로 압축점화 엔진 특허를 냈다. 1년 뒤 리처드 혼스비(Richard Hornsby)와 그의 아들들이 이 특허를 산 다음 중유 엔진을 생산했다. 이 엔진은 실린더가 아닌 분리된 챔버에서 연소가 이뤄졌으며 처음으로 압축 분사 시스템을 사용했다.[2] 디젤엔진을 발명한 사람은 독일인 발명가 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)이다. 디젤이라는 이름도 루돌프 디젤의 이름에서 비롯되었다. 루돌프 디젤은 카르노가 고안한 순환 과정 즉, 물체가 온도·압력·부피 등에 의해 결정되는 어떤 열역학적인 상태에서 출발해 어떤 경로를 지나 다시 처음의 상태로 되돌아오는 과정을 순환이라 한다는 개념을 근거로 피스톤에 의해 공기를 압축한 실린더 내에서 연소시키고, 대기 압력까지 단열 팽창시키는 열기관을 제작하여 열기관의 작동 사이클과 실행 방법에 대해 특허를 받았고 논문도 발표하였다. 이후 최초의 1기통 기관을 제작하였다. 피스톤은 링이 없는 방식을 사용하였고 연료는 휘발유를 사용하였는데, 혼자서는 주행이 불가하였기에 이 시도는 실패로 돌아갔다. 이후 여러 번의 실험을 거치면서 1897년 2월 17일에 작동이 가능한 최초의 디젤 기관을 완성하였다. 1903년, 선박용 디젤기관이 최초로 제작되었다. 4행정 4기통 기관으로 400rpm에서 140ps를 기록하였고 같은 시기에 출력 400ps의 4행정 4기통 기관을 6대 만들었는데, 이것은 최초의 디젤 발전기가 되었다. 2차 대전 이후 디젤 기관은 자가용은 물론 철도 차량, 중장비, 트럭, 대형 선박, 비행기까지 거의 모든 엔진이 들어가는 물체의 기관으로서의 역할을 해냈다.[1][3]
원리[편집]
디젤엔진의 원리는 높은 온도로 압축된 공기로 연료를 분출하여 발화하는 압축 발화 방식을 사용한다. 디젤엔진 연료의 특성상 휘발유보다 낮은 온도에서 발화할 수 있다(즉 발화점이 낮다)는 점에서 압축 방화 방식이 가능하다. 그리고 디젤엔진이 동작하는 기본 원리는 폭발이다. 가솔린 진은 동작을 하기 위해서 공기와 가솔린 연료를 혼합한 기체를 연소실에 넣는다. 그다음 피스톤으로 압축하고 전기 스파크를 발생시켜서 점화하는데 디젤은 척화 점이 낮기 때문에 연료를 압축된 뜨거운 공기에 분사하는 즉시 폭발해 버리는 것이다. 이때 발생하는 폭발은 진동과 소음을 발생시키는데, 이 때문에 가솔린엔진을 쓰는 차량보다 시끄럽다.[1][4] 디젤엔진의 직분사 방식(CRDI)은 연료를 실린더에 직접 분사하는 과정에서 미리 압력을 가해 거의 안개처럼 연료를 분사하는 방식이다. 과거의 엔진은 연료를 미리 공기와 혼합한 다음 벨브를 통해 실린더에 밀어 넣는 방식이었다. 그런데 연료를 압축해서 점화하는 디젤엔진에게 이런 방식은 다소 불리하게 작용했다. 폭발할 수 있는 압력에 도달할 때까지 시간도 많이 걸렸고, 타이밍을 맞추는 것도 쉽지 않았기 때문이다. 그래서 플린저라는 부품을 이용해 미리 압력을 가하거나 유지시킨 후 주입하는 것이 일반적이었다. 하지만 기계식으로 작동하다보니 기온의 변화나 연료 압력의 변화에 즉각적으로 대처하기가 힘들었고, 그래서 직분사 방식이 개발되었다. 전자식으로 제어를 하기 때문에 유입되는 공기의 온도에 따라서 압력을 조절할 수 있으며, 더 정교하게 분사되는 연료의 양을 조절할 수 있어 폭발에 꼭 필요한 연료만을 소비시킨다는 장점이 있다. 특히 미리 압력을 가해서 분사하기 때문에 정확한 시점에 연료를 폭발시킬 수 있으므로, 고르게 힘을 발휘하며 동시에 연료가 배기가스로 일부 배출되는 현상이나 불필요하게 과연소되어 배기가스를 증가시키는 일도 줄여 준다. 직분사 방식이 보급되기 시작하면서 승용 디젤엔진의 보급도 폭발적으로 증가했는데, 이는 연비와 출력 모든 면에서 유리한 점이 많았기 때문이다.[5]
종류[편집]
2행정기관[편집]
2행정기관(Two-stroke engine)은 4행정기관과 비교하여 피스톤이 크랭크축을 한 번 회전하여 동력을 완성하는 내연 기관이다. 각 피스톤 순서가 아래에서 위로 올라가는 형태의 사이클 형식이다. 2행정기관은 4행정기관과는 다르게 피스톤이 크랭크축을 회전하여 구동하고 배기밸브로 동시에 열리는 내연기관이다. 피스톤이 순서가 아래일 때 실린더가 열리면서 배기가스를 배출하고 그러면서 동시에 정화된 깨끗한 공기를 흡입한다. 이 연소한 배기가스는 배기밸브가 열리면서 빠져나간다. 2행정기관은 하강 상승의 과정을 거친 행정만 하여 2행정기관이다. 디젤엔진의 2행정기관은 4행정기관에도 있는 상단의 밸브가 있으나, 4행정기관과 달리 모두 배기밸브로 동시에 열린다. 배기밸브가 열리면 연소된 가스는 압력에 의해 음속에 가까운 속도로 배출된다. 이후 피스톤이 아래로 내려오면서 배기공이 열리고 새로운 공기가 실린더 내로 유입되는데, 이때 슈퍼차저와 터보차저를 통해 순식간에 과급하여 나머지 연소가스를 밀어내고 실린더 내부를 채운다. 이후 배기밸브가 닫히고 다른 디젤엔진과 마찬가지로 공기만 유입시켜 공기를 압축시킨 후 연료를 분사하여 압축 착화로 연소시킨다. 2행정기관은 큰 힘이 필요한 기계에 사용한다.[6]
4행정기관[편집]
4행정기관(four-stroke engine)은 내연기관의 일종으로 가장 많이 쓰이는 방식이다. 행정은 위아래의 한 방향에서 실린더 안의 피스톤이 모두 움직이는 것을 의미한다. 4행정기관은 흡입-압축-폭발-배기의 4행정을 하여 1사이클이 완료되는 형식이다. 4행정 엔진의 1사이클이 완료되면 크랭크축은 2회전, 캠축은 1회전, 실린더의 흡기,배기밸브는 각 1회 여닫는다. 각 피스톤의 순서가 아래에서 위 그리고 다시 아래에서 위로 올라가는 순서를 가진 사이클이다. 첫 번째 아래로 갈 때 공기를 흡입하여 실린더에 주입하고 피스톤이 올라가는 과정에서 공기를 압축하는 과정을 거치고 또다시 아래에서 위로 올라가는 과정이 있는데, 이때는 두 번째 하강 과정에서 연료를 분출하여 폭발시키고 두 번째 올라가는 과정에서 연소한 배기가스를 빠져나가게 한다. 이렇게 하강과 상승, 하강과 상승 총 4단계에 거친 행정을 한다.[7]
- 작동 순서
- 흡입(Intake) : 피스톤이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 하강하는데 이때 실린더의 내부 압력이 낮아지면서 공기가 흡기다기관으로 밀려 들어가고, 이 공기가 연료와 혼합되어 혼합기가 된다. 이 혼합기가 흡기밸브를 거쳐 실린더 내부로 들어간다. 크랭크축이 180도로 돌면서 실린더 안에 혼합기가 채워진다. 직접분사식 가솔린엔진 방식과 디젤엔진에서는 공기만 흡입한다.
- 압축(Compression) : 흡기 및 배기밸브가 모두 닫힌 상태에서 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하면서 혼합기를 압축한다. 이때 크랭크축이 1회전하게 된다. 압축시 혼합기의 온도는 약 400~500℃ 정도로, 압축 압력은 약 18bar 정도까지 상승한다. 가솔린 기관의 압축비는 7~11:1이며, 압축착화를 통해 폭발하는 디젤엔진은 압축비가 15~22:1로 높다. 엔진의 회전 속도가 빠를 수록 압축비가 상승한다.
- 폭발(Ignition) : 실린더 내부의 혼합기가 연소되면서 생성된 연소 가스의 압력으로 피스톤을 밀어내리면서 피스톤이 하강하고 이 과정에서 동력이 발생한다. 가솔린 기관은 점화플러그를 통한 스파크 점화로 연소하며, 직접 분사식 가솔린 기관은 스파크 점화와 동시에 연료를 분사하고, 디젤 엔진은 연료를 분사하면서 압축 압력으로 점화하여 연소한다.
- 배기(Exhaust) : 배기밸브가 열리면서 피스톤이 상사점으로 상승하면서 연소 가스를 밀어 올려서 실린더 밖으로 배출시킨다. 여기까지 과정에서 크랭크축은 총 2회전을 한다.[7]
구조[편집]
연소실[편집]
연소실은 가솔린엔진이나 디젤엔진 등 내연기관에서 혼합기가 주로 연소하는 공간이다. 연소실은 실린더 헤드와 피스톤 헤드 사이의 공간으로, 연소실의 모양은 흡기와 배기의 흐름, 연소 속도 등에 영향을 미쳐 엔진 효율을 결정하는 중요한 부분으로 작용한다. 이로 인해 연소실 형상을 결정하는 것은 매우 중요하다. 연소실의 형상을 결정하는 여러 중요한 변수가 있지만 주요 요소는 연소실의 표면적을 작게 하고 적절한 밸브의 크기와 배치로 홉합기와 배기가스의 유출입이 원활해야 한다는 것이다. 이러한 점들이 적절히 고려되어 만들어진 연소실은 엔진의 출력을 효과적으로 높일 수 있게 된다. 예를 들어 연소실의 표면적이 클 경우 연소실 벽을 통한 열 손실이 증대되어 표면에서 연소가 일어나지 않는 미연소 혹은 불연소가 발생하여 배출가스 중 하나인 탄화 수소의 발생량이 높아지게 된다. 하지만 오히려 지나치게 표면적을 작게 하면 연소실 내 압력과 온도가 높아져 스파크의 작동 없이 연소가 되는 이상연소인 노킹 현상이 발생해 엔진에 데미지를 주게 된다. 따라서 이러한 점을 고려한 적절한 연소실의 설계가 필요하다. 또한 연소실의 형상을 결정하는 요소 중 압축비를 알아보면, 피스톤은 실린더 안의 상사점과 하사점 사이를 왕복하는데 하사점에 있을 때 실린더 안의 용적을 실린더 용적이라고 하며 상사점에 있을 때 용적을 연소실 용적이라고 한다. 이러한 실린더 용적과 연소실 용적 사이의 비율을 압축비라고 한다. 이러한 압축비가 크면 동일한 연료 대비 더 많은 거리를 움직일 수 있어 운동에너지 변환 양이 늘어나 연소 효율을 높일 수 있다. 하지만 지나치게 크면 노킹이 일어나 엔진이 정상 작동하지 못하게 된다. 따라서 가솔린엔진의 경우 이상적인 압축비인 8:1 ~ 10:1로 설정하여 설계되는 경우가 많다. 디젤엔진의 경우 이러한 압축비가 20:1로 높아 동일한 조건 하에서 압축비로 비교하면 디젤엔진의 효율이 더 좋은 것을 알 수 있다.[8]
직접분사식[편집]
직접분사식(Direct Injection type)은 단일 연소실에서 고압으로 연료를 분출하여 주로 분출하는 속도에 의해서 공기와 혼합시키는 형식이다. 연소실을 피스톤 헤드에 설치하고 연소실 중앙에 다공 노즐을 배치한다. 공기와 혼합 상태가 연소의 특성을 좌우하고, 분사 밸브의 기능과 연소실 내의 공기 유동이 가장 중요한 역할을 한다. 직접분사식의 장점은 연소실 구조가 간단하고 열 손실이 적고 열 효율이 높다. 또한 연료 소비율이 적으며, 실린더의 열 변형이 적을 뿐만 아니라 평균 유효 압력이 높으며 냉간 이동 시 유리하다. 다만 공기와 연료의 혼합이 불완전하여 엔진의 회전 수가 제한된다는 단점이 있다. 다공성 노즐로 고장이 많고 압축비가 비교적 낮다. 또한 높은 분사 압력을 필요로 하고, 고압펌프가 필요하다.[9]
예연소실식[편집]
예연소실식(Precombustion chamber type)은 연료가 예연소실식에서 먼저 분사되어 연소 되고 예연소실에 의해 생긴 압력 때문에 나머지 연료를 실린더 내로 분출 시켜 연소 와류에 의해 공기와 혼합되는 형식이다. 연료가 분사되어 일부가 연소되고, 그에 의해 생긴 압력차로 미연소 부분이 주연소실에 분출시켜 연소 와류에 의해 공기와 혼합시킨다. 예열 플러그를 사용하여 시동되는 특징이 있다. 예열 소실식은 연료와 공기가 혼합되어 분사 압력이 낮다. 그리고 사용할 수 있는 연료의 범위가 넓고 연소가 원활하게 이루어지며 매연이 적다. 평균 유효 압력이 높고 공회전 운동이 양호하며 연료 장치의 고장이 적어 수명이 길다. 하지만 예열 소실 내의 잔류가스 때문에 체적 효율이 나쁘고 평균 유효 압력이 저하된다. 또한 냉각 면적이 커서 열 손실이 크고, 예연 소실의 반연소 가스의 고속 유출로 마찰 손실이 크다. 그리고 엔진의 시동이 곤란할 때가 있다.[9]
와류실식[편집]
와류실식(Turbulence Chamber Type)은 연소실을 특수한 형상으로 하여 압축 행정에 의해서 그 속에 일어난 공기 와류 중에 연료를 분사하여 완전 연소를 시키기 위한 형식이다. 연소실 체적의 약 70%의 구형의 와류실을 갖는다. 연소실을 구형으로 하여 압축 과정에서 접선 방향으로 유입하는 공기에 의해 와류를 일으켜 연소를 촉진시킨다. 고속 회전에 적당하며 연소실의 형상이 복잡하고 제작이 어렵다. 와류실식은 직분식보다 분사 압력이 낮고 회전 속도의 범위가 넓은 장점이 있다. 또한 엔진의 연비가 낮고 제동 평균 유효 압력이 높다. 와류실식은 높은 압축 와류를 이용하므로 회전 수를 높일 수 있고, 연소가 원활하여 자동차용으로 적당하다. 그리고 녹스와 흑연 발생이 직접분사식에 비해 적다. 단점도 있다. 와류실식은 저온 시동이 어렵고 예열플러그가 필요하다. 그리고 헤드에 와류실이 있어 헤드의 구조가 복잡하고 저속 운전 시 디젤 노크를 일으키기 쉽다. 또한 열 효율, 연료 소비율이 직접분사식보다 나쁘다는 단점이 있다.[9]
공기실식[편집]
공기실식(Air cell Combustion Chamber Type)은 압축 행정 중에 공기를 밀어 넣고 이것을 향해서 연료를 분사하여 공기실 내에서 연소를 일으키고 그에 의해서 생긴 압력에 의해서 주연 소실로 가스를 분출 시켜 와류를 발생시키는 형식이다.[10]
장단점[편집]
장점[편집]
디젤엔진은 경유를 사용하여 휘발유보다 가성비가 좋다. 연소할 때 운동에너지가 열에너지로 전환이 되는데, 휘발유는 열에너지의 30%를 운동에너지로 전환하는 것에 비해 디젤엔진은 45%인 휘발유보다 더 많은 양을 운동에너지로 전환한다. 가성비도 좋을 뿐만 아니라 저렴하기까지 하다. 휘발유는 주로 자가용 차가 주행할 수 있도록 하게 하는 연료로만 쓰였지만, 경유는 주로 대형차 중형차 산업용 차량까지 쓰여서 나라마다 각각 세금 감면을 해 주는 혜택을 주기 때문이다. 그래서 대한민국은 가격이 높은 휘발유보다 가격이 더욱 저렴한 경유를 쓰는 디젤엔진 차량을 크게 선호하게 되었다. 최근 휘발유의 가격이 전보다 내려갔음에도 아직도 휘발유가 비싸기 때문에 국내에서 디젤엔진 차의 수요는 줄어들지 않을 것으로 보인다. 그리고 경유는 휘발유보다 안전하다. 경유는 휘발 가능성이 작아 인화성 수증기를 많이 발생시키지 않고 폭발하지 않는다. 그리고 윤활성이 좋고 오래 쓸 수 있다. 경유는 호환성이 좋아 높은 가격대의 차량이든 국산차, 독일산 차 구분할 것 없이 어디에서나 호환이 가능하다. 그리고 가격이 비싸든 싸든 큰 성능 차이는 없다. 또한 디젤엔진은 불필요한 열을 잘 발생시키지 않는다. 열 효율이 가솔린엔진보다 월등한데, 연비도 가솔린엔진보다 훌륭하다. 기술이 더욱 발전할수록 가솔린엔진은 점차 사라질 것이다. 디젤엔진은 연소하고 난 후 단위 질량 당 에너지의 밀도와 온도가 가솔린엔진보다 상당히 낮은 편이다. 이러한 면에서 터빈이 고열에 의해 손상될 위험성이 낮다.
디젤엔진을 만들 때 설계를 하는 부분에서 실린더 부피의 제약이 거의 없다. 가솔린엔진은 점화플러그 근처의 혼합기부터 전기 불꽃을 당겨 점화시키고 나머지 부분은 연속적으로 반응하는 구조이므로 실린더 부피가 커지면 점화 플러그에서 먼 곳에 있는 혼합기는 엔진 점화가 적절하지 않은 시점에서 점화가 일어나게 되고, 연료의 연소를 제어할 수 없게 된다. 그로 인해 실린더 1개당 낼 수 있는 출력이 제한되면서 실린더의 숫자를 늘리게 되어야 하고, 그에 따라 설계가 늘어나는 실린더의 수만큼 복잡해지는 문제가 있다. 하지만 이에 반해 디젤엔진은 실린더 내의 모든 혼합기가 동시에 점화되므로 계속해서 연속되는 데 문제가 없으며, 대형 엔진을 만들려면 실린더를 크게 만들면 된다. 이러한 설계 도면에서 결정적인 차이 때문에 가솔린엔진은 주로 자가용 엔진으로 발전되지 못했지만, 디젤엔진은 아주 작은 엔진에서부터 엄청나게 큰 엔진까지 제작할 수 있게 되었다.[11] [3]
단점[편집]
디젤엔진의 가장 큰 단점은 진동과 소음이다. 진동이 심한 이유는 배기가스를 연소시키는 과정에서 미세먼지 등을 완전히 연소시키고 공기만을 실린더 안에 흡입한다. 이때 공기를 고온, 고압으로 압축해야 하므로 연소실 온도를 높게 해 줘야 한다. 이 때문에 압축비를 20분의 1의 비율로 압축하는데, 10분의 1로 압축을 하는 휘발유엔진보다 압축률이 더 높다. 압축률이 높은 데다가 디젤엔진은 열 효율과 내구성을 위해 철로 만든 피스톤을 쓰기 때문에 진동이 더 심해진다. 이 때문에 항공기에서는 디젤엔진을 잘 쓰지 않는다. 그리고 소음이 적은 차들은 진동 문제 때문에 디젤엔진을 잘 쓰지 않는다. 또 하나의 단점은 중량이 무겁다는 점인데, 디젤엔진은 가솔린엔진보다 마력당 중량이 무겁다. 같은 배기량의 휘발유 엔진보다 디젤엔진의 토크가 더 강하기 때문에 전반적으로 강도 높은 부품들이 적용되면서 엔진이 더 크고 무거워지게 된다. 환경 오염의 문제도 있는데, 가솔린엔진보다 배출되는 배기가스는 환경 오염에 미치는 영향이 크다. 디젤엔진에서는 매연이 생성되는 미세먼지가 빠르게 연소하지 못하고 탄소상 입자로 배기로 배출되면서 매연이 된다. 이때 대량의 녹스가 형성되는데, 질소와 산소가 과도하게 공급되면서 실린더 내의 고온에서 서로 반응하면서 형성되며 환경이 오염된다.[12]
가솔린엔진과 비교[편집]
먼저 첫 번째 차이점은 연료이다. 연료를 휘발유 엔진은 휘발유 즉 휘발유를 사용하고, 디젤엔진은 경유를 사용한다. 그리고 디젤엔진과 휘발유 엔진의 차이는 먼저 작동 원리부터 차이가 있다. 가솔린엔진은 먼저 연료와 공기를 흡입하고 흡입한 연료와 공기를 압축한다. 이때, 압축 비율은 10분의 일이다. 압축한 연료와 공기를 섞은 후 실린더에서 점화 플러그의 스파크로 점화시키고 폭발하여 연소를 시키고 그다음 구동 에너지를 얻는다. 그리고 연소 가스를 배출한다. 디젤엔진은 앞에서 계속 설명했듯이 공기를 먼저 흡입하고 이 공기를 압축한다. 이때 압축비는 20분의 일이다. 여기서 압축 비율이 가솔린엔진이 공기를 압축하는 비율과 다르다는 차이 가 있다. 그리고 연료를 공기에 분출하고 자연 발화를 하여 점화시키고 구동 에너지를 얻는다. 이때 팽창 방식이 가솔린엔진이 팽창 방식과 다르다. 이렇게 가솔린엔진과 디젤엔진은 발화하는 방식이 다르다. 이러한 팽창방식과 발화 방식의 차이는 연비의 차이로 넘어간다. 보통 가솔린엔진은 약 25%, 디젤엔진은 약 35%의 효율을 갖는데, 이 말은 100중에 가솔린엔진은 25 정도 에너지를 갖는것이고 디젤엔진은 35 정도 에너지를 갖는 것이다. 디젤엔진이 가솔린엔진에 비해 같은 양이라 가정을 했을 때 더 많은 에너지를 생성하기 때문에 디젤엔진이 가솔린엔진보다 당연히 연비가 높을 수밖에 없다. 트럭 같은 대형 차량은 자가용 차량보다 당연히 에너지가 훨씬 많이 필요한데, 이러한 더 많은 에너지가 필요한 차들에 디젤엔진을 사용한다. 하지만 가솔린차가 우수한 부분도 있는데, 이는 승차감에서이다. 그 이유를 살펴보면, 디젤 차량은 가솔린차보다 더 높게 압축된 공기에서 발화하기 때문에 상대적으로 진동과 소음이 클 수밖에 없는데 따라서 보다 큰 진동과 소음을 피하기 위해서는 가솔린엔진을 가진 차량이 더 괜찮다.[13][14]
세탄은 디젤에 적용되며 옥탄은 가솔린에 적용되는 단어이다. 이 두 가지 물질은 모두 엔진 내부에서 연료가 팽창할 때 비 정상적인 폭발을 방지하기 위해 첨가되는 물질이다. 가솔린은 불이 붙는 온도가 굉장히 낮아서 피스톤이 압축을 할 때 발생하는 열로도 쉽게 폭발을 하려는 성질을 지니고 있다. 만약 피스톤이 충분히 연료를 압축하지 않은 상태에서 폭발하게 되면 엔진 내부에서 정상적으로 움직일 수 없는 노킹 현상이 일어난다. 따라서 옥탄은 지정된 압축비에 도달하기 전에 연료가 미리 폭발하는 걸 방지하기 위해 첨가되는 물질이다. 반대로 디젤은 발화점이 높은 연료이므로 높은 압력을 가해야 원하는 점화 온도에 도달할 수 있다. 이런 특성 때문에 이따금 원하는 압력을 가해도 폭발이 일어나지 않을 때가 있다. 주로 기온이 낮거나 혹은 연료의 품질 자체가 떨어질 때 이런 현상이 일어난다. 세탄은 옥탄과 반대로 디젤 연료의 발화점을 낮춰주는 역할을 한다. 마찬가지로 두 연료의 근본적인 차이 때문에 일어나는 현상이다. 디젤 엔진은 가솔린엔진에 비해 최대 회전수가 다소 낮은 편이다. 이는 연료의 차이 때문인데, 압축에 걸리는 시간과 더불어 디젤 연료가 가솔린보다 더 높은 폭발력을 발휘하기 때문에 그 폭발력을 견디기 위해 엔진의 주요 부품들이 더 강하게 제작되다 보니 많이 무거운 편이다. 이런 이유로 엔진의 회전수가 가솔린에 비해 낮지만, 연료 자체가 가진 효율이 가솔린보다 높고, 강한 폭발력을 지니고 있어 주로 화물차나 SUV에 많이 쓰여 왔다. 또한 이러한 성질 차이가 혼유로 인해 자동차가 비정상 작동을 일으키게 되는 원인이 된다.[5]
가솔린엔진과 디젤엔진 작동 원리 비교[5] 가솔린엔진 디젤엔진 흡입 가솔린+공기 흡입 공기 흡입 압축 가솔린과 공기를
10분의 1로 압축공기를 15.5분의 1로 압축 팽창 압축된 가솔린, 공기를
전기 불꽃으로 점화압축된 공기에 경유 분사,
자연 발화배기 연소가스 배출 연소가스 배출
동영상[편집]
각주[편집]
- ↑ 1.0 1.1 1.2 〈디젤엔진〉, 《위키백과》
- ↑ 리처드 드렛지(Richard Dredge), 〈한눈에 보는 디젤엔진의 역사〉, 《아이오토카》, 2018-07-02
- ↑ 3.0 3.1 〈디젤엔진〉, 《나무위키》
- ↑ 쫄깃쫄깃붕어빵, 〈디젤엔진의 동작원리 및 특징 〉, 《티스토리》, 2018-07-18
- ↑ 5.0 5.1 5.2 〈디젤 엔진과 가솔린 엔진의 차이, 무엇일까요?〉, 《쌍용자동차 공식블로그 ALLWAYS》, 2017-08-25
- ↑ 〈2행정 기관〉, 《위키백과》
- ↑ 7.0 7.1 〈4행정 기관〉, 《위키백과》
- ↑ 휠라이프, 〈연소실의 개념과 종류〉, 《네이버 포스트》, 2017-06-15
- ↑ 9.0 9.1 9.2 공학 정보 Z국대Z, 〈디젤엔진 연소실 종류〉, 《티스토리》, 2021-02-26
- ↑ 〈디젤엔진 연소실의 종류〉, 《수레닷컴》
- ↑ 〈디젤의 장점 〉, 《티스토리》, 2012-08-29
- ↑ 〈디젤엔진〉, 《나무위키》
- ↑ 윤지우, 〈가솔린 엔진vs디젤엔진〉, 《sk에너지 블로그》, 2015-07-17
- ↑ 기하영, 〈(車, 이것이 궁금하다)디젤차 vs 가솔린차…연비·승차감에 물어봐〉, 《아시아 경제》, 2017-06-09
참고자료[편집]
- 〈디젤엔진〉, 《위키백과》
- 〈디젤엔진〉, 《나무위키》
- 쫄깃쫄깃붕어빵, 〈디젤엔진의 동작원리 및 특징 〉, 《티스토리》, 2018-07-18
- 〈4행정 기관〉, 《위키백과》
- 〈2행정 기관〉, 《위키백과》
- 〈디젤엔진 연소실의 종류〉, 《수레닷컴》
- 〈디젤의 장점 〉, 《티스토리》, 2012-08-29
- 윤지우, 〈가솔린 엔진vs디젤엔진〉, 《sk에너지 블로그》, 2015-07-17
- 기하영, 〈(車, 이것이 궁금하다)디젤차 vs 가솔린차…연비·승차감에 물어봐〉, 《아시아 경제》, 2017-06-09
- 휠라이프, 〈연소실의 개념과 종류〉, 《네이버 포스트》, 2017-06-15
- 〈디젤 엔진과 가솔린 엔진의 차이, 무엇일까요?〉, 《쌍용자동차 공식블로그 ALLWAYS》, 2017-08-25
- 리처드 드렛지(Richard Dredge), 〈한눈에 보는 디젤엔진의 역사〉, 《아이오토카》, 2018-07-02
- 공학 정보 Z국대Z, 〈디젤엔진 연소실 종류〉, 《티스토리》, 2021-02-26
같이 보기[편집]
