디젤엔진

디젤 엔진(Dieselengine)은 독일에서 디젤(Diesel)이 발명한 내연기관으로 공기를 높은 온도로 압축을 하고 경유, 중유 같은 연료를 실린더 안에서 분출하여 자연적인 발화로 인해 점화되어 피스톤이 움직여 작동하는 장치이다.

개요

디젤엔진

디젤 엔진은 실린더 안에 공기를 온도를 높여서 압축을 하는데 이때 연료를 분사하여 자연 발화로 구동 에너지를 얻어 작동한다.

온도를 높여서 압축 할 때는 실린더 내부 압력이 약 100kg/cm2 정도가 나오고 연료를 연소 할 때는 화학 에너지가 열에너지로 바뀌면서 온도가 2,480C 정도까지 올라간다. 실린더 내부 높은 온도로 압축된 공기로 연료가 점화되기 위해서는 실린더 내부의 온도가 일정 온도 이상이 되어야만 한다.

역사

루돌프 디젤(Rudolf Diesel)

디젤 엔진을 발명한 사람은 독일인 발명가 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)이다. 디젤 이란 이름도 루돌프(Rudolf Diesel) 디젤이란 이름에서 따왔다. 루돌프 디젤은 카르노가 고안한 순환과정 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 연소 시키고, 대기 압력까지 단열 팽창 시키는 열기관을 제작하여 열기관의 작동 사이클과 실행 방법에 대해 특허를 받았고 논문도 발표하였다. 이후 최초의 1기통 기관을 제작하였다. 피스톤은 링이 없는 방식을 사용하였고 연료는 가솔린을 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 6대만들었는데, 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.

원리

디젤 엔진의 원리는 높은 온도로 압축된 공기로 연료를 분출하여 발화 하는 압축 발화 방식을 사용한다. 디젤 엔진 연료의 특성 상 가솔린보다 낮은 온도에서 발화가 가능하다(즉 발화 점이 낮다)는 점에서 압축 방화 방식이 가능하다. 그리고 디젤 엔진이 동작하는 기본 원리는 폭발이다. 가솔린 엔진은 동작을 하기 위해서 공기와 가솔린 연료를 혼합한 기체를 연소실에 넣는다 그다음 피스톤으로 압축하고 전기 스파크를 발생시켜서 점화를 하는데 디젤은 척화점이 낮기때문에 연료를 압축된 뜨거운 공기에 분사를 하는 즉시 폭발해 버리는 것이다. 이때 발생하는 폭발은 진동과 소음을 발생시키는데, 이점이 가솔린 엔진을 쓰는 차량보다 시끄럽다.

종류

디젤엔진의 종류에는 2행정 기관 그리고 4행정 기관이 있다 대부분의 디젤 엔진은 4행정 기관이고 나머지 대형 기관은 2행정 기관이다.

4행정기관

4행정기관

각 피스톤의 순서가 아래에서 위 그리고 다시 아래에서 위로 올라가는 순서를 가진 사이클이다. 첫번째 아래로 갈때 공기를 흡입하여 실린더에 주입하고 피스톤이 올라가는 과정에서 공기를 압축하는과정을 거치고 또다시 아래에서 위로 올라가는 과정이 있는데 이때는 두번째 하강 과정에서 연료를 분출하여 폭발 시키고 두번째 올라가는 과정에서 연소된 배기가스를 빠져나가게 한다 이렇게 하강 상승 하강 상승을 하면서 4단계로 거친 행정을 하는 기관으로 4행정 기관이다.

2행정기관

2행정기관

각 피스톤 순서가 아래에서 위로 올라가는 형태의 사이클이다 2행정 기관은 4행정 기관 과는 다르게 피스톤이 크랭크 축을 회전하여 구동하고 배기 벨브로 동시에 열리는 내연기관이다. 피스 톤이 순서가 아래 일때 실린더가 열리면서 배기 가스를 배출하고 그러면서 동시에 정화된 깨끗한 공기를 흡입한다. 이 연소된 배기 가스는 배기 밸브가 열리면서 빠져나간다. 2행정 기관은 하강 상승의 과정을 거친 행정만 하여 2행정 기관이다. 2행정 기관은 큰 힘이 필요한 기계에 사용한다.

연소실 종류

직접분사식

직접분사식(Direct Injection Type)은 단일 연소실에서 고압으로 연료를 분출하여 주로 분출하는 속도에 의해서 공기와 혼합 시키는 형식이다.

예연 소실식

예연 소실식(PreCombustion Chamber Type)은 연료가 예연소실식 에서 먼저 분사 되어 연소 되고 예연소실에 의해 생긴 압력 때문에 나머지 연료를 실린더 내로 분출 시켜 연소 와류에 의해 공기와 혼합되는 형식이다.

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.

공기실식

공기실식(Aircell 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 발생 시키는 형식이다.

가솔린 엔진과의 비교

가솔린 엔진과 디젤엔진 비교

먼저 첫번째 차이점은 연료이다. 연료를 가솔린 엔진은 가솔린 즉 휘발유를 사용하고 , 디젤 엔진은 경유를 사용한다. 그리고 디젤 엔진 과 가솔린 엔진의 차이는 먼저 작동 원리부터 차이가 있다. 가솔린 엔진은 먼저 연료와 공기를 흡입하고 흡입한 연료와 공기를 압축을 한다. 이때, 압축 비율은 10분의 일이다 압축한 연료와 공기를 섞은 후 실린더에서 점화 플러그의 스파크로 점화 시키고 폭발하여 연소를 시키고 그다음 구동 에너지를 얻는다. 그리고 연소 가스를 배출한다. 디젤 엔진 은 앞에서 계속 설명 했듯이 공기를 먼저 흡입하고 이 공기를 압축한다. 이때 압축 비는 20분의 일이다. 여기서 압축 비율이 가솔린 엔진이 공기를 압축하는 비율과 다르다는 차이 가 있다. 그리고 연료를 공기에 분출하고 자연 발화를 하여 점화 시키고 구동 에너지를 얻는다. 이때 팽창 방식이 가솔린 엔진이 팽창 방식과 다르다. 이렇게 가솔린 엔진과 디젤 엔진은 발화 하는 방식이 다르다. 이러한 팽창방식 과 발화 방식의 차이는 연비의 차이로 넘어간다. 보통 가솔린 엔진은 약 25%, 디젤 엔진은 약 35%의 효율을 갖는 데, 이 말은 100중에 가솔린 엔진은 25정도 에너지를 갖는것이고 디젤 엔진은 35정도 에너지를 갖는 것 이다. 디젤 엔진이 가솔린 엔진에 비해 같은 양이라 가정을 했을때 더 많은 에너지를 생성하기 때문에 디젤 엔진이 가솔린 엔진에 비해 당연히 연비가 높을 수 밖에 없다. 트럭 같은 대형 차량은 자가용 차량보다 당연히 에너지가 훨씬 많이 필요한데, 이러한 더 많은 에너지가 필요한 차들에 디젤 엔진을 사용한다. 하지만 가솔린 차량이 우수한 부분도 있는데, 이는 승차감에서 이다. 그 이유를 살펴보면, 디젤 차량은 가솔린 차량에 비해 더 높게 압축된 공기에서 발화하기 때문에 상대적으로 진동과 소음이 클 수 밖에 없는데 따라서 보다 큰 진동과 소음을 피하기 위해서는 가솔린 엔진을 가진 차량이 더 괜찮다.

장점

디젤 엔진은 경유를 사용하는데 경유는 휘발유보다 가성 비 가 좋다. 연소할 때 운동에너지가 열에너지로 전환이 되는데, 휘발유는 열에너지의 30% 운동에너지로 전환하는데 디젤은 45%인 휘발유보다 더 많은 양을 운동에너지로 전환한다. 가성비도 좋을 뿐만 아니라 저렴하기 까지 하다. 휘발유는 주로 자가용 차가 주행할수 있도록 하게 하는 연료로만 쓰인 반면 경유는 주로 대형차 중형 차 산업용 차량까지 쓰이는데 이때문에 나라마다 각각 세금 감면을 해주는 혜택을 주기 때문이다. 그래서 한국은 가격이 높은 휘발유보다 가격이 보다 저렴한 경유를 쓰는 디젤 엔진 차량을 크게 선호하게 되었다. 최근 휘발유의 가격이 전보다 내려갔음에도 아직도 휘발유가 비싸기 때문에 한국에서 디젤 엔진 차의 수요는 줄어들지 않을 것으로 보인다. 그리고 경유는 휘발유 보다 안전한데, 경유는 휘발 가능성이 낮아 인화성 수증기를 많이 발생 시키지 않고 폭발하지 않는다 그리고 윤활성이 좋고 오래쓸수 있다. 경유는 호환성이 좋아 높은가격대의 차량이든 국산차량, 독일산 차 구분 할 것 없이 어디에서나 호환이 가능하다. 그리고 가격이 비싸든 가격이 싸든 그렇게 성능의 차이가 많이 나타 나지 않는다. 디젤 엔진은 불필요한 열을 잘 발생 시키지 않는다. 열효율이 가솔린 엔진보다는 월등한데, 연비도 가솔린 엔진보다 휼륭하다. 기술이 더욱더 발전 할 수록 가솔린 엔진은 점차 사라질 것이다.디젤 엔진은 연소를 하고난 후 단위 질량당 에너지의 밀도와 온도가 가솔린 엔진에 비해 상당히 낮은 편이다.이러한 면에서 터빈이 고열에 의해 손상될 위험성이 낮다. 그리고 디젤 엔진을 만들때 설계를 하는 부분에서 실린더 부피의 제약이 거의 없다. 가솔린 엔진은 점화플러그 근처의 혼합기부터 전기불꽃을 당겨 점화시키고 나머지 부분은연속적으로 반을 하는 구조이므로 실린더 부피가 커지면 점화 플러그에서 먼 곳에 있는 혼합기는엔진 점화가 적절하지 않은 시점에서 점화가 일어나게 되고 연료의 연소를 제어할수 없게된다. 그로 인해 실린더 1개당 낼 수 있는 출력이 제한되면서 실린더의 숫자를 늘리게 되어야 하고 그에 따라 설계가 늘어나는 실린더의 수 만큼 복잡해지는 문제가 있다. 하지만 이에 반해 디젤 엔진은 실린더 내의 모든 혼합기가 동시에 점화되므로 계속해서 연속되는데 문제가 없으며 대형 엔진을 만들려면 그냥 실린더를 크게 만들면 된다.이러한 설계도 면에서 결정적인 차이 때문에 가솔린 엔진은 주로자가용 엔진으로 발전되지 못했지만 디젤 엔진은 아주 작은 엔진에서 부터 엄청나게 큰 엔진까지 제작 가능하게 되었다.

단점

디젤 엔진의 가장 큰 단점은 진동과 소음인데, 진동이 심한이유는 배기가스를 연소시키는 과정에서 미세먼지 등을 완전히 연소 시켜야하고 디젤이 진동이 심한 이유 중 하나는 배기가스 중 미세먼지를 줄이기 위해선 연료를 완전 연소 시켜야 하고,공기만을 실린더 안에 흡입한다. 공기를 고온,고압으로 압축해야 하기 때문에 연소실 온도를 높게 해줘야 한다 이때문에 압축비를 20분의 1의 비율로 압축을 해야하는데 10분의 일로 압축을 하는 가솔린 엔진보다 압축률이 더 높다 압축률이 높은데 다가 디젤 엔진은 열 효율과 내구성을 위해 철로 만든 피스톤을 쓰기 때문에 진동이 더 심해지는 이유이다. 이때문에 항공기에서는 디젤 엔진을 잘 쓰지 않는다고 한다. 그리고 소음 발생 시키지 않는 차량들은 진동 문제 때문에 디젤 엔진을 잘 쓰지 않는다.

같이 보기

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