자동차공학)디젤 엔진 연소실과 연소실 분류

디젤 엔진 연소실에 대하여 알아보고 추가로 디젤 엔진 연소실의 분류에 대하여 알아보자.

1. 디젤 엔진 연소실

2. 디젤 엔진 연소실 분류

 

1. 디젤 엔진 연소실

디젤 엔진은 연료의 착화온도 이상의 고온 고압이 된 압축공기 속으로 연료를 분사시켜, 증발한 연료와 공기가 혼합 착화하여 연소하는 소위 확산연소를 행한다. 따라서 디젤 엔진의 연소실은 압축행정이 끝날 때 강한 소용돌이를 일으키게 하거나, 또는 착화 초기에 생기는 높은 압력을 이용해서 연료 증기와 공기를 양호하게 혼합시키는 구조로 되어 있다. 디젤 엔진은 연소실의 형태에 따라 직접분사실식과 부실식으로 나누어지며, 부실식은 다시 예연소실식, 와류실식으로 나누어진다. 자동차용 디젤 엔진은 이전에는 부실식이 주로 사용되었지만, 부실식은 연소실 내 공기 유동이 격렬하여 냉각손실이 크기 때문에 현재는 직접분사식이 많이 사용되고 있다. 직접분사식은 트럭, 버스용의 중 대형 디젤 엔진에 주로 사용되었으나, 최근에는 150cc급 승용차용 디젤 엔진에도 직접분사식을 적용하고 있다.

 

2. 디젤 엔진 연소실 분류

직접분사식 : 직접분사식 연소실은 구조가 가장 간단하고 주조하기가 쉬워 승용차부터 버스 등의 대형 상용차까지 널리 사용되고 있다. 또한 단실식이라고도 한다. 이형식은 연소에 의한 혼합촉진 효과를 기대할 수 없어 연료를 분사에 의해서만 양호한 혼합기를 형성시켜야 하므로, 분사기를 실린 더 중심에 설치하여 4~7개의 작은 구멍에서 연료를 방사상으로 고압으로 분사시켜 양호한 분무 특성을 얻도록 설계되어 있다. 또한 흡기포트의 형상을 나선형유입형(spiral type)이나 접선유입형(tangential type)으로 제작하거나, 흡기밸브를 마스크 밸브(mask vavle)나 쉬라우드 밸브(shroud vavle)로 제작하여 흡입공기가 강한 오류를 가져오게 하거나, 피스톤 헤드를 반원상으로 설계하여 압축행정 중에 공기의 와류를 일으키는 방식 및 그 방법을 같이 사용하여 공기와 연료의 혼합하여 더욱 촉진시키고 있다.

 

- 연소실 체적에 대한 표면적의 비율이 작기 때문에 냉각손실이 적고, 따라서 열효율이 높다.

- 실린더 헤드 구조가 간단하므로 열에 의한 변형이 적다.

- 대형에서는 시동이 용이하여 예열 플러그가 필요하지 않다.

- 연료의 착화성에 민감하여 양질의 연료를 사용해야 한다.

- 연료 분사압력이 높다.

- 분무특성이 엔진 성능에 민감한 영향을 미친다,

- 분사펌프가 고장 나기 쉽고 수명이 짧다.

 

예연소실식 : 예연소실식은 실린더 헤드에 예연소실이 있는 형식으로서, 그 사이에는 1개 또는 수개의 구멍으로 연결되어 있다. 예연소실의 체적은 전 연소실 체적(전 극간체적)의 30~40%정도로서 고출력용으로 크게, 정숙한운전용으로는 작게 설계한다. 분사구멍의 면적은 피스톤 면적의 0.3~0.6%이다. 연료는 예연소실로 분사하여 일부를 연소시켜 고온 고압의 가스가 만들어지고, 그 압력에 의해 남은 연료가 분사 구멍을 통하여 주연소실 내로 분출되어 공기와 잘 혼합하여(이것을 연소 오류라고 함) 완전 연소하게 된다. 이 형식은 분무 특성이 그다지 중요하지 않으므로 연료 분사압이 낮다. 특징은 아래와 같다.

 

- 연료의 분사압력이 비교적 낮으므로 연료 장치의 고장이 적고 수명이 길다.

- 연료의 종류에 민감하지 않아 비교적 저질 연료에서도 운전이 가능하다.

- 운전상태가 조용하고 디젤 녹이 잘 일어나지 않는다.

- 공기와 연료의 혼합이 잘 되고, 다른 형식보다 엔진에 유연성이 있다.

- 실린더 헤드의 구조가 복잡하다.

- 연소실 표면적이 비교적 크기 때문에 열손실이 크고, 또 예연소실에 출입하는 가스의 펌프 손실 등 때문에 연료소비율이 크다.

- 연결구멍에서 교축에 의한 온도 강하 때문에 시동이 곤란하여 예열장치가 필요하다.

- 시동성 및 냉각 손실을 고려하여 압축비가 커야하며, 이 때문에 가동 토크가 증가하여 마력이 큰 시동 전동기가 필요하다.

- 연료소비량이 직접 분사식보다 많다.

 

와류실식 : 와류연소실식은 예연소실식과유사하게 주연소실 이외에 실린더 헤드에 와류를 설치하여 주연실과의 사이에 통로를 1개 뚫어 놓은 구조로 되어 있다. 이 형식은 압축행정시에 와류실로 공기가 유입도면서 와류를 강하게 일으키게 하고, 여기에 분사된 연료가 공기와 빠르고 균일하게 혼합되어 착화 연소하는 방식이다. 예연소실식과 다른 점은 예연소실식에서는 연료 중 일부가 예연소실에서 연소하지만 와류실식에서는 연료 전부가 와류실에서 연소한다. 와류실의 체적은 전 연소실 체적의 70~80%를 차지하고, 분출구멍의 면적은 피스톤 면적의 2~3.5% 정도이다. 따라서 와류실식의 연소 상태는 직접분사식과 예연소식의 중간 특성을 나타내고 있어 이들의 장점과 단점을 모두 가지고 있다.

 

- 압축행정시에 발생한 와류를 이용하므로 공기와의 혼합이 잘되어, 엔진회전수와 평균유효압력을 높게 할 수 있다.

- 분사 압력이 낮다.

- 엔진의 회전범위가 넓어 원활한 운전을 할 수 있어 소형 고출력 엔진이 얻어진다.

- 실린더 헤드의 구조가 복잡하다.

- 연결구멍의 억제 작용, 연소실 체적당 표면적비가 크므로 직접분사식보다 열효율이 낮다.

- 저속시에 디젤 녹이 일어나기 쉽다.

- 시동시에 예열 플러그가 필요하다.