자동차공학)엔진의 연소 (가솔린)

가솔린 엔진의 연소에 대하여 알아보자.

가솔린 엔진은 실린더 내로 흡입된 연료 공기 혼합기를 고온 고압으로 압축한 후 점화플러그(spark plug)로 점화시켜 연소를 행하는 불꽃점화기관이다. 화염이 전파되는 속도는 실린더 내의 압력, 온도, 혼합비, 가스 유동및 나류의 영향을 받으나 20~30m/s이고, 실린더 내 가스온도는 1500도~2000도 정도로 매우 높다. 연소는 점화플러그에 전기 불꽃이 튀기면서 시작된 후, 활발한 연소가 일어나기까지는 얼마간의 시간이 필요하다. 이 기간이 끝나면 실린더 내는 화염이 전파되어 압력은 상승하기 시작한다. 혼합기의 연소가 끝나면 피스톤은 이미 팽창행정 중에 있으므로, 실린더 내의 체적은 증가되면서 압력은 떨어진다. 가솔린 엔진은 열효율과 출력의 향상을 위해 최적의 점화시기 및 흡배기 밸브의 개폐시기를 결정하고 있다.

 

점화시기 : 점화시기는 연소과정의 기점이다. 압축행정 말기의 실린더 내 혼합기의 온도는 400도~500도 정도가 되어 가솔린은 증발하여 착화하기 쉬운 상태로 되어 있다. 여기에 전기 불꽃을 튀기면 그 열로서 화염핵이 형성된 후 화염이 전파(착화)하기 시작한다. 점화시기부터 착화가 일어나기까지 기간을 착화지연(ignition delay)이라 한다. 화염전파가 시작되면 혼합기가 활발히 연소하여 실린더 내 압력은 상승하여 곧 최고압력에 도달하게 된다. 이후는 연소속도가 완만한 후연(after delay)의 상태가 된다. 착화시부터 최대압력에 도달하기까지를 연소기간이라 한다. 점화시기는 연소 최고압력이 상사점 후 크랭크 각도 15~20도에서 일어나도록 설정한다. 따라서 점화시기가 너무 빠르게 하면 실린더 내의 온도가 충분히 상승되지 않아 착화지연이 길어지고 압축일이 커지며 연소가스의 실린더 내 체류시간이 길어져 열 손실이 증가한다. 반대로 너무 늦으면 연소가 팽창행정  중에서 일어나기 때문에 엔진의 효율이 떨어지고 후연이 증가하여 배출가스 온다가 상승한다. 따라서 일반적으로 점화시기는 각 엔진의 최적의 특성을 얻도록 회전수나 부하에 따라 설정되어 있다.

 

밸브 타이밍(Valve timing) : 밸브타이밍은 크랭크축의 회전각도로 표시하고 있다. 흡기밸브는 상사점 전(BTDC) 0~30도에서 열리기 시작하여 하사점 후(ATDC) 40~60도에서 닫힌다. 배기밸브는 하사점 전 40~60도에서 열리고, 상사점 전 0~20도부근에서 닫힌다. 흡, 배기밸브가 모두 열려 있는 기간을 밸브 오버렵(Valve overlap)이라 하며 30~40도 정도이다. 이와 같이 밸브의 개폐시기를 설정하는 것은 만약 팽창 행정 말기에서 배기밸브를 빨리 열면 팽창일이 그만큼 감소하고 반대로 늦게 열면 배기 행정 중의 피스톤 배압이 높아져 펌프손실이 증가하며, 또 흡기 밸브를 일찍 닫으면 관성이 붙은 흡기류를 저지하게되어 흡입공기량이 저하되어 출력은 물론 열효율을 떨어뜨리기 때문이다. 실제 엔진에서는 특히 고속회전에서 흡, 배기밸브의 여닫는 시간이 짧고 흡, 배기의 운동에너지는 크기 때문에 밸브 타이밍을 적절히 취하여 펌프손실을 적게 하고 혼합 기의 운동에너지를 효과적으로 이용하여 흡기량을 증가시켜 엔진의 출력을 향상시키고 있다.

 

노킹 : 노킹(Knocking)이란 혼합기의 화염이 정상적으로 전파하기 전에 연소실 말단에 있는 미연소가스(end gas)가 압축열 및 화염면의 복사열에 의하여 자발화하거나 혹은 열점(hot spot), 즉 열을 받아 과열된 부분이 있으면 그 부분에 접한 미연소 가스가 표면 착화(surface ignition)를 일으켜 급격한 연소가 일어나는 현상이다. 일반적으로 엔진은 노킹이 약간 발생되는 운전조건이 출력이나 효율이 가장 좋다. 그러나 정도가 지나치면 엔진 각 부의 과열에 의한 손상 및 융해 등을 가져오고, 방열손실이 증가하여 연료소비율과 출력이 저하된다. 또한 정상연소의 화염 전파속도는 20~30m/s 정도이지만, 노킹시 연소속도는 1000m/s에 이른다. 그 때문에 수kHz 이상의 고주파의 충격음이 생긴다. 점화시기는 노킹과 큰 관계까 있다 점화시기가 너무 빠르면, 상사점 부근에서 압력상승률이 증가하여 엔드가스의 압축압력을 더욱 상승시키기 때문에 노킹이 촉진된다. 따라서 점화시기를 늦추는 것이 노킹을 피하는 가장 효과적인 수단이다.노크 센서 시스템은 노킹이 일어나면 점화시기를 늦추어 노킹 발생을 억제하는 시스템이다.