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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. 루돌프 디젤은 카르노 사이클의 개념을 근거로 피스톤에 의해 공기를 약 200kgf/cm2로 단열 압축한 실린더 내에 미분탄을 분사하여 연소시키고, 대기 압력까지 단열 팽창시키는 열기관을 제작하여 특허를 받았고 동시에 「증기 기관 및 현용 기관을 대신하는 합리적인 열기관의 이론과 설계」라는 논문을 발표하였다. 이것을 독일의 MAN사에 제시하였을 때 좋은 평가를 받았지만 실제론 그다지 호응을 받지 못하였다. 그러나 1893년 디젤은 MAN사와 기술협약을 맺고 최초의 1기통 기관을 제작하였다. 피스톤은 링이 없는 방식을 사용하였고 연료는 미분탄 대신 가솔린을 사용하였으나 자력으로 운전이 불가하였기에 이 시도는 실패로 돌아갔다. 디젤 기관을 발명한 사람은 독일의 기술자인 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)이다. 디젤 기관이란 명칭도 루돌프 디젤이란 이름에서 따온 것이다. 디젤은 1892년에 ‘새로운 합리적인 열기관에 대한 이론과 구조(；Theory und Aufbau, Neuerationellen Wärmekraftmaschinen)’라는 논문을 발표하였고, 1893년 2월 23일에 독일제국 특허국(Kaiserliches Patentamt in Berlin)으로부터 “열기관의 작동 사이클과 실행방법( : Arbeitsverfahren und Ausführungsart fürVerbrennungskraftmaschinen)”에 관한 특허(DRP 67207)를 받았다.
디젤은 1893년 M.A.N.(；Maschinenfabrik Augsburg in Nürnberg)과 새로운 열기관의 개발계약을 이후 체결하고, 새 기관 개발에 착수하였다. 그해 7월에 첫 시제품을 만들었으나 성공하지 못하였다. 이후에 1895년에 두 번째 시제품을 제작하였으며, 압축공기의 온도로 연료를 충분히 연소시킬 수 있음을 증명하게 되었으나, 실용 가능한 수준에는 이르지 못하였다. 이후 여러 번의 실험을 거치면서 1897년 2월 17일에 작동이 가능한 최초의 디젤 기관을 완성하였다.
1895년에는 160~170RPM에서 20ps의 출력을 내는 기관을 만들었지만 실용 수준은 아니었다. 1903년에는 선박용 디젤기관이 최초로 제작되었는데 4행정 4기통 기관으로 400RPM에서 140ps를 기록하였고 같은 시기에 출력 400ps의 4행정 4기통 기관을 6대 제작하였고 이것이 최초의 디젤 발전기가 되었다.
1923년 12월 메르세데스-벤츠사에 의해 무기분사식 분사장치[7]를 갖춘 최초의 디젤기관 트럭이 발표되었다. 그후 벤츠는 1936년에 최초의 디젤 양산차인 260d 모델을 세상에 선보였다.
2차대전 이후 디젤기관은 소형 자동차에서부터 시작해서 철도차량, 중장비, 트럭, 소-중-대형 선박, 심지어 일부 비행기에 이르기까지 사실상 왕복동엔진이 들어가는 모든 영역에서 기관으로서의 역할을 충실히 수행하고 있다. 이는 자동차와 일부 항공기를 제외하고는 거의 사용 용도가 없는 휘발유엔진과 크게 대비되는 점.
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. 디젤 엔진이 동작하는 기본 원리는 폭발입니다. 가솔린 엔진은 동작을 하기 위해서 공기와 가솔린 연료를 혼합한 기체를 연소실에 밀어넣은 다음 피스톤으로 압축하고 전기 스파크를 발생시켜서 점화를 하는데 디젤은 척화점이 낮기때문에 연료를 압축된 뜨거운 공기에 분사를 하는 즉시 폭발을 시켜버리는 것입니다. 이때 발생하는 폭발은 진동과 소음을 발생시켜 가솔린 엔진보다 정숙성이 나쁘게 합니다. 출처: https://withbbang.tistory.com/entry/디젤-엔진의-동작원리-및-특징 [쫄깃쫄깃붕어빵 블로그] [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
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.[7][8]
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 중형차 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 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.
단점
진동: 굳이 말이 필요없다. 딸딸이라는 이명도 존재 할 정도로 말이다(...) 디젤이 진동이 심한 이유 중 하나는 배기가스 중 미세먼지를 줄이기 위해선 연료를 완전 연소 시켜야 하고, 압축착화를 위해서 높은 연소실 온도를 만들어줘야 하는데, 그걸 충족시키기 위하여 압축비를 가솔린에 비해 높게 쓰기 때문이다. 가솔린 엔진은 높은 편이 11:1이지만 승용형 디젤은 기본적으로 14:1 이상이다. 거기에 디젤엔진은 열효율과 내구성을 위해 철로 만든 피스톤을 쓰기 때문에 더하다.[13] 이 단점은 항공기에서 디젤 엔진을 잘 안쓰는 이유 중 1순위이다. 또한 안락함을 강조하는 고급 차량일수록 이 진동 문제 때문에 디젤 엔진을 덜 쓴다. 물론 6기통 이상으로 넘어가면 디젤 엔진도 진동이 상당히 줄어들긴 하나, 상위 등급으로 올라갈 수록 제한적이긴 하다. 무거운 중량과 그에 따르는 단점들: 동배기량의 가솔린 엔진 대비 토크가 6~70% 더 강하기 때문에 전반적으로 강도 높은 부품들이 적용되면서 전반적으로 엔진이 더 크고 무거워진다.[14] 엔진룸 크기의 제약과 무게 배분의 문제 또한 존재한다. 즉 2.4리터 직렬 4기통 가솔린 엔진까지 수용할 수 있는 엔진룸에 디젤엔진을 넣으면 1.6리터 직렬 4기통까지밖에 안 들어가는 상황이 벌어질 수도 있다. 또한 디젤 엔진의 특성상 복잡한 연료계통과 많은 엔진오일, 고강도의 엔진 블럭과 헤드, 기본장착되는 터보차저로 인해 훨씬 무겁다. 그래서 무게중심도 위로 올라가고, 엔진이 장착된 쪽이 심각하게 무거워지므로 전체적으로 차의 차체 밸런스가 깨지고 운동성능이 떨어진다. 환경 오염: 가솔린 엔진에 비해 배출 가스가 환경에 미치는 악영향이 매우 크다. 청정 연료인 CNG 자동차나 LPG 자동차와는 비교 불가한 수준이다. 디젤 엔진의 경우 크게 두 가지 경로에 의해 오염원이 생성되는데 첫 번째로 매연, 즉 미세먼지의 경우 인젝터에서 분사되는 미세 연료방울들의 크기가 너무 크게 튀어나오면서 빠르게 연소되지 못하고 탄소상 입자로 배기로 배출되면서 매연이 된다. 두 번째는 과급 분위기에서 작동되면서 질소와 산소가 과도하게 공급되면서 실린더 내의 고온에서 서로 반응하면서 대량의 NOx가 형성된다는 점이다. 가솔린 엔진의 경우 첫 번째 문제는 엔진특성으로 인해 거의 발생하지 않고 두 번째 문제는 최적공연비 제어와 삼원촉매장치의 조합으로 인해 거의 해결된 문제이지만 디젤엔진의 경우에는 연료분사방식과 과급이라는 근본적인 특징으로 인해 해결이 쉽지 않은 문제들이다. 결국 이를 위해 커먼레일이 고압화되고 분사노즐이 정교하게 미세화되면서 단가상승 요인으로 작용하고, EGR 등을 통해 실린더 내 온도와 공기 중 과도한 산소량을 조정하면서 NOx 발생을 억제함과 동시에 매연을 재연소 시키고, 그러고도 처리하지 못하는 매연과 NOx는 DPF+LNT+SCR 등의 후처리 기술을 통해 해결해야만 한다. 이는 또 전술한 비싼 가격과 직결된다. 이러한 문제점들을 완전히 해소하지 못한 나머지 디젤게이트라는 희대의 조작 사건으로 이어진다. 상기 서술했듯 이미 생산된 차량이라도 유지관리를 아주 철저히 해야 하는데, 플런저 타입의 구형 디젤엔진도 정비를 철저히 하여 KD-147부하검사모드[15]로도 매연 농도 퍼센티지가 한 자릿수[16]로 찍히도록 하는게 가능하기는 하지만, 반대로 최신 차량이라 한들 정비를 조금이라도 부실하게 할 경우 검사 기준치의 몇 배나 되는 매연 농도가 측정되어 불합 판정을 받기 십상이다. 보시다시피 유로4 이 후 부터는 디젤차량은 DPF를 기초로 온갖 후처리 장치를 장착하여 기준을 맞추고 있는데, 바꿔서 말하자면 그 후처리 장치의 기능이 마비될 경우에는 오염 배출량이 사실상 유로3 이하의 5등급 경유차와 다르지 않은 수준이 되기 때문이다. 스포츠성과 뒤떨어진 특성: 관성모멘트가 크고 터보랙 등의 문제로 인해 엔진 반응 속도가 중시되는 영역에서는 사용이 제한된다. 그런 이유로 경주용 차량에 거의 쓰이지 않는다. 촌각을 다투는 레이스에서는 엔진의 반응 속도가 생명이기 때문. 다만 2007년 르망24시 레이스에서 아우디가 R10 디젤 경주차를 출전시켜 우승했으며 그 후로 2009년을 제외한 2014년 현재까지 R15과 R18의 디젤 경주차를 출전시켜 승리를 거머쥐었다. 이 경우 르망24시라는 레이스가 장시간 주행을 해야 하는 고로 가솔린보다 효율적인 연비와 이를 통한 적은 주유횟수, 내구성이 장점으로 작용하였기 때문. 하지만 주최 측의 디젤엔진에 대한 규제를 매해 강력하게 규제했기 때문에 그 의미가 퇴색되기 시작했다. 참고로 2009년의 우승 차량도 푸조의 908HDi 디젤 경주차였다. 미션에 대한 부담감이 크지만 120kgf•m가 넘는 막강한 토크가 코너 탈출 시 치고 나가는 데 압도적인 위력을 보였다. 높은 연료 민감도: 커먼레일로 넘어가면서 생긴 문제. 전용의 인젝터를 사용하는 가솔린 GDI 엔진 엔진과 비교해보면 고무로 된 호스와 300bar 정도의 인젝터로도 충분하지만, 디젤은 강철 배관으로 이루어진 커먼레일과 2000bar 수준의 초정밀한 인젝터를 요구한다. 그래서 어떠한 불순물도 들어가면 X된다. 옛날 플런저 방식 디젤엔진은 오래된 경유를 넣어도 별 탈이 없었고 심지어는 등유와 섞거나 폐식용유로 개인이 만드는 대체연료로도 구동이 가능했으나,[17] 현대의 CRDi와 DPF 등이 조합된 디젤엔진은 연료의 점도나 수분, 황 등의 불순물에 민감하기 때문에 연료를 가리지 않는다는 신화는 더 이상 통하지 않는다. 만약에 CRDi 디젤 엔진에 오래된 경유나 등유, 폐식용유 같은 것을 넣게 된다면? 엔진은 작살이 나게 돼서 수리비가 폭탄으로 나올 것이다. 재수없으면 연료계통[18]을 완전히 교체해야 할지도 모른다. 최소 500~700이상으로. 한랭에 취약함: 날씨가 아주 추운 겨울에는 경유가 굳어버리는 일이 발생한다.[19] 일단 여름에 저장해 둔 하절기용 경유라면 파라핀 첨가량이 많아 젤리처럼 통으로 굳어지고, 11월 초부터 3월까지 공급되는 동절기용 경유도 영하 19도가 되면 굳어버린다. 강원도와 경기북부, 경북북부에는 혹한기용 경유가 공급되지만, 하절기유>동절기유>혹한기유 순으로 연비가 나온다. 즉 어는점은 낮아지지만 연비 역시 저하된다는 것. 어찌되었든 이런 특성으로 인해 남부의 차량이 출발 전 가득 주유하고 강원도나 스키장으로 놀러갔다 다음 날 아침에 시동을 못 걸어 고생하는 사태가 자주 발생한다. 경유차량을 운행한다면 스키장이나 강원도 여행을 갈 때는 거기서 기름을 주유하고 시동을 끄자. 또한 압축착화를 하는 디젤 엔진 특성상, 차가우면 시동이 가솔린 엔진보다 잘 안 걸리는 것도 문제이나, 엔진이 무거워서 열용량이 큰 탓에 엔진가열이 늦고 그로 인해 냉각수 가열도 덩달아 늦어지면서 시동 초기에 히터가 제 역할을 못한다. 최근의 디젤 승용차에는 보조히터가 장착되지만 FFH 같은 연소식 히터를 채택하는 경우도 있으나 이는 난방을 위해 연료를 따로 연소하게 되어 연비가 나빠지고 전기를 사용하는 PTC 방식의 경우에는 성능이 매우 떨어진다.[20] 비싼 가격 : 상기 서술한 특징들의 콜라보 덕분(?)에 동배기량의 가솔린 엔진에 비해서 가격이 비싸다. 자연흡기식 가솔린 엔진에 비해 엔진 블록 두께도 더 두껍고 커먼레일과 고압 연료펌프, 그리고 터보차저+인터쿨러가 더 붙고 거기에 환경규제를 충족하기 위해 EGR+DPF 등이 또 다시 추가되면서 원가가 상승한다. 기본적으로 엔진부에만 추가되는 비용이 이렇고 차량 자체에 추가되는 방진구조까지 포함되면 가격은 더 올라간다. 그리고 최근에는 환경규제가 빡세지면서 요소수 장치까지 추가되어 가격은 안드로메다 행. 모조리 최신 기술이 집약된 정밀 부품들이라 부품비만도 장난 아니다.[21]
