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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.
목차
개요
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. [1]
역사
디젤 엔진을 발명한 사람은 독일인 발명가 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)이다. 디젤 이란 이름도 루돌프(Rudolf Diesel) 디젤이란 이름에서 따왔다.
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. [2]
종류
디젤엔진의 종류에는 2행정 기관 그리고 4행정 기관이 있다 대부분의 디젤 엔진은 4행정 기관이고 나머지 대형 기관은 2행정 기관이다. [3]
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.[4]
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. [5]
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. [6]
가솔린 엔진과의 비교
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. 그리고 또 다른 차이점이 있는데, 연료를 가솔린 엔진은 가솔린 즉 휘발유를 사용하고 , 디젤 엔진은 경유를 사용한다.
[7]
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. 그리고 경유는 휘발유 보다 안전한데, 경유는 휘발 가능성이 낮아 인화성 수증기를 많이 발생 시키지 않고 폭발하지 않는다 그리고 윤활성이 좋고 오래쓸수 있다.
디젤 엔진은 불필요한 열을 잘 발생 시키지 않는다.
연료의 휘발성이 낮아서 휘발유에 비해 안전하고[8] 연료의 질에 따른 성능 차이가 상대적으로 덜하다.[9] 벤츠, BMW, 아우디 같은 고급 브랜드에서조차 디젤 차량은 그런 거 없이 그냥 경유라고 써져있으면 문제없이 들어간다는 걸 주장하는 거 보아서 호환성 하나는 전혀 신경 안 써도 된다는 게 실감난다. 연료로 하는 경유의 가격이 거의 모든 나라에서 대체로 휘발유에 비해 저렴하다. 이는 주로 자가용 차량 주행용으로만 사용되는 휘발유와 달리 경유는 주로 업무용 중대형 차량 주행용이나 산업용 유종으로 많이 쓰이는지라 각국에서 정책적으로 경유에 대한 유류세 감면 혜택을 주기 때문이다. 한국의 주유소를 보면 경유의 가격은 휘발유보다 최소 100원 이상 싸다. 사실 경유의 공장도가격 기준의 국제시세는 오히려 운송용 이외의 높은 수요와 정유 시 특성 등으로 인해 휘발유에 비해 약간 높게 책정되는 경우가 대부분이다. 하지만 상술한 바와 같이 세금을 적게 붙이기 때문에 2018년 2월 한국 기준으로 경유는 휘발유에 비해 약 200원 정도 저렴하다. 예외로 미국 같은 경우는 애초에 유류세 비율이 높지 않기 때문에 생산원가가 바로 반영되고 서부텍사스산 원유(WTI) 같은 국내생산 유종의 특성상 휘발유 생산이 용이하기 때문에 경유가 대체로 더 비싸다. 또한 호주도 환경 정책으로 경유의 가격이 비싸고 휘발유 가격이 싸다. 한국의 상황을 생각해보면 정반대. 때문에 한국은 비싼 휘발유보다 싼 경유를 쓰는 디젤 엔진 차량을 크게 선호하게 되었다. 2016년초 유가가 크게 내려갔음에도 여전히 휘발유가 비싸기 때문에 한국에서 디젤 엔진 차의 수요는 줄어들지 않을 것으로 보인다. 디젤 엔진의 열효율은 가솔린 엔진보다 좋고 그에 따라 연비도 더 높다. 다만 이러한 높은 연비에는 연료인 경유의 밀도가 휘발유 대비 높아서 그만큼 리터당 에너지밀도가 높아지면서 리터 기준 연비로 환산할 경우 밀도만큼의 이득을 보는 부분이 포함된다. 다만 기술이 점차 발전하면서 이제 가솔린 엔진도 열효율이 대체로 40%까지 찍히기 때문에 조만간 사라질 장점. 디젤 엔진은 실린더 내 조기점화에 의한 문제가 없기 때문에 대체로 최대 14.7:1의 이론 공연비에서 벗어나기 힘든[10][11] 가솔린 엔진과는 달리 공연비 범위에 제약을 받지 않는다. 때문에 디젤엔진의 최소 공연비는 가솔린 엔진의 2배가 넘는 30:1부터 시작하며, 심지어는 최대 70:1 까지의 공연비도 찍을 수 있을 정도이고 작동 가능한 공연비 범위가 넓어서 같은 연료분사량에서도 공기를 과급하여 보다 높은 압축비에 도달할 수 있기 때문에 위의 P-v 선도에서의 P점을 높이면서 높은 열효율을 찍을 수 있다. 배기량 대비 토크가 높다. 이는 최근 디젤 차량들이 CRDi에 터보조합을 자주 달고 나와서 그렇게 되는 경우도 많지만. 바로 위의 이유 때문에 같은 차량의 경우 디젤 모델은 배기량이 조금 낮은 엔진을 장착하는데(그래도 내는 힘이 같으니) 상용차가 아닌 이상 배기량에 따라 세금을 매기는 한국에서 이는 꽤 큰 장점이다. 단, 현재에는 가솔린 엔진도 다운사이징 열풍으로 인해 과급기를 장착하게 됨에 따라서, 과거의 이야기가 되었다. 중·저속에서도 강한 힘을 내므로 높은 RPM을 쓰는 고속보다는 중간 이하의 RPM을 주로 쓰는 트럭 등과 같은 상용차와 높은 힘이 필요한 건설장비 등과의 궁합이 좋다. 또한 특정 영역에서 정속특성이 필요한 용도에서는 저속-고토크 운전 영역을 유지할 수 있기 때문에 발전용이나 대형 선박용으로의 용도에도 적절하다. 2행정 엔진으로 만들어도 미연소 혼합기를 뱉어내지 않는다. 고로 가솔린 2행정 기관보다 연비가 좋고 환경오염이 덜하다. 하지만 2행정 디젤기관이 많이 쓰이는 선박들이 검은 연기 뿜뿜 뿜어 대는 것은 애초에 차량용으로 개발된 매연포집 및 억제 기술들의 근간이 되는 CRDi나 DPF 등이 비교적 최근에 실용화된 것들이라서 아직 선박용 초대형 디젤엔진에까지 고루 적용되는 데에 시간이 걸리기 때문. 그리고 애초에 선박용 디젤엔진들은 차량용의 초저유황경유가 아닌 기존의 고유황경유 내지는 중유 계열의 벙커C유 등 저급 연료를 사용하기 때문이다. 과급으로 인한 높은 공연비 덕분에 연소 후 단위 질량당 에너지밀도가 낮고 따라서 배기가스 온도가 가솔린 엔진에 비해 상당히 낮은 편이다. 때문에 터보차저의 터빈이 고열에 의해 손상될 위험성이 낮아서 터보차저를 조합하기가 용이하다. 특히 VGT 같은 복잡한 터보차저도 디젤엔진에서는 무리없이 설계 가능한 편이다. 그리고 무엇보다도 설계 시 실린더 체적의 제약이 거의 없다. 가솔린엔진은 점화플러그 근처의 혼합기부터 전기불꽃을 당겨 점화시키고 나머지 부분은 연쇄반응시키는 구조이므로 실린더 체적이 커지면 점화플러그에서 먼 곳에 있는 혼합기는 점화 타이밍이 늘어져버려서 역노킹이 발생하므로 [12] 그로 인해 실린더 1개당 낼 수 있는 출력이 제한되면서 고출력 대형 가솔린엔진을 제작하려면 실린더숫자를 늘릴 수밖에 없고 그에 따라 설계가 비약적으로 복잡해지는 문제가 있다. 하지만 디젤엔진은 실린더 내의 모든 혼합기가 최대압축시점에서 동시에 점화되므로 딜레이 문제가 없으며 대형엔진을 만들려면 그냥 실린더를 크게 만들면 된다. 이 부분에서의 결정적인 차이 때문에 가솔린엔진은 주로 승용차량용의 엔진으로 머물렀지만 디젤엔진은 초소형엔진에서부터 실린더 직경만 1미터에 달하는 선박용 초대형 엔진까지 제작할 수 있게 된 것.
