Internal Combustion Engine

Internal Combustion Engine Chapter 7 Combustion in CI Engine

IDI(Indirect Injection) CI Engine DI Diesel engine은 연소실 주연소실(main chamber)과 또 하나의 보조 연소실(또는 부연소실)로 구성되어 있으며 연료는 부연소실에 분사되고 연소가 시작된 후 연소가 일어나고 있는 농후한 공기연료혼합물이 주연소실로 빠르게 이동하여 주연소가 일어나게 된다. IDI Diesel engine은 고속에서도 연소가 일어나기 쉬운 장점이 있는 반면 열전달, 유동 손실이 크고 시동이 어려워 압축비를 과도하게 크게 해야하는 단점이 있다. Auxiliary Chamber Main Chamber • Two Types of Small Indirect-Injection • Diesel Engine Combustion System • Swirl Prechamber • Turbulent Prechamber

DI(Direct Injection) CI Engine DI Diesel engine에서는 연료가 직접 주연소실로 분사된다. DI Diesel engine은 열효율이 좋아 회전속도가 낮은 대형은 물론 회전속도가 높은 소형까지도 점차 DI Diesel engine으로 바뀌고 있다. Common Types of Direct- Injection CI Engine Combustion System (a)Quiescent Chamber with Multihole nozzle typical of Larger Engines (b)Bowl-in-Piston Chamber With Swirl and Multihole Nozzle (c)Bowl-in-Piston Chamber With Swirl and Single-hole Nozzle

Flame Propagation 4 Sprays in DI Engine with Counterclockwise Swirl (b) Large DI Engine With Single Spray (a ) Single Spray With Swirl(C) IDI Swirl Chamber Sequence of photographs from high-speed movies taken in special visualization Diesel Engines

Combustion In CI Engine SI engine은 연소가 전기적으로 강제 점화되어 시작되는데 데 반해 CI engine에서는 자연발화에 의해 연소가 시작된다. 연료펌프에 의해 고압으로(수백에서 2000기압사이) 가압된 연료는 injector에서 실린더 안으로 분사된다. INJECTOR의 NOZZLE은 크기가 매우 작기 때문에 분사된 연료는 작은 DROP이 되며 실린더 안의 가스는 압축에 의해 가열되었기 때문에 분사된 JET의 외부에 있는 DROP들은 곧 증발하게 된다. 보통 실린더 안의 가스는 강한 유동을 하고 있기 때문에 증발된 연료와 drop들은 공기와 섞이게 된다. 이 연료와 공기의 혼합물이 짧은 시간(ignition delay)이 지난 후 자연발화하면 연소가 시작된다. 자연발화 직전까지 실린더 안에 분사되었던 연료는 상당량 공기와 섞였고 일부에서 자연발화가 일어나면 급격히 압력과 온도가 올라가므로 나머지 연료와 공이의 혼합물도 아주 짧은 시간 안에 연소하게 된다 이 과정을 premixed combustion period라 하며 Fig 7-16의 B에서 압력이 급격하게 올라가는 부분에 해당한다. 이렇게 과격하게 압력이 올라가면 피스톤에 갑작스런 힘이 가해지게 되고 이는 디젤엔진 진동과 소음의 원인이 된다.

Combustion In CI Engine End of Injection Start of Ignition Ignintion Delay Start of Injection

Combustion In CI Engine 그러므로 이러한 premixed combustion period에서 연소되는 연료의 양을 줄이는 것이 중요하다. 줄이는 방법은 연료의 세탄가를 올려 ignition delay를 줄이는 방법, 연료가 분사될 때의 실린더 내의 온도를 올리는 방법(예:미리 약간의 연료를 분사하여 연소시킨다든지 압축비를 높인다든지), 연료를 피스톤에 먼저 닿게 하여 증발을 늦춘다든지 하는 방법들이 사용될 수 있다. 국내의 경유의 세탄가는 45정도이고 EU에서는 51이상이 요구된다. 순간적으로 착화 지연 기간 중에 미리 분사되었던 연료가 연소된 후 그 후에도 연료가 분사되는데 이 연료는 공기와의 혼합에 의해 그 연소속도가 정해지게 된다. 이를 mixing controlled period라 하며 상대적으로 느리게 연소가 진행된다.

Soot 이와 같이 CI engine에서는 연소실내의 연료와 공기의 혼합비가 균일하지 않고 일부에서는 농후하고 일부에서는 희박하게 된다. 이론 공연비에 가까운 혼합물에서는 연소가 잘 일어나지만 너무 농후한 부분에서는 높은 온도에 의해 연료의 성분이 변화하여 복잡한 과정을 거쳐 수소 성분은 사라지고 주로 탄소 성분만 남게 되며 이를 soot라 한다. soot은 실린더 내부의 온도가 높기 때문에 팽창과정에서 공기와 섞이며 계속적으로 연소된다. 그러나 이 soot이 완전히 연소되지 않고 배출되면 검댕이라 불리는 매연(smoke)의 주성분이 된다.

PM(Particulate Matter) 실린더 안에서 미처 산화되지 않고 배출되는 연료와 윤활유 성분은 배기 파이프에서 배출된 후 soot에 응축할 수 있으며 이를 PM(Particulate Matter:입자상 물질)이라 한다. PM은 디젤엔진 배기의 주된 오염물질이며 주요 규제 대상이다. 실린더 내에서의 연료와 공기를 완벽하게 균일하게 섞을 수 없기 때문에 연료공기당량비가 0.8이상이 되면 과도한 양의 smoke가 나오게 된다. 그러므로 디젤엔진은 항상 당량비 0.8이하의 희박한 상태에서 운전하게 된다. PM에 영향을 미치는 주요한 변수중의 하나는 연료의 황 함유량이다. 세계적으로 수백 ppm인 황 함유량을 수십 ppm으로 줄이는 노력이 계속되고 있으며 EU에서는 2005년에 50ppm으로 낮추려 하고 있다.

NOx PM과 더불어 가장 중요한 디젤엔진의 규제대상은 NOx이다. 운전조건이 희박하고 압축비가 높기 때문에 디젤엔진에서는 NOx가 많이 배출되게 된다. NOx를 줄이기 위해서는 배기재순환(EGR)을 통하여 산소농도를 낮추는 방법, 분사시기를 늦추어 실린더내의 압력과 온도를 낮추는 방법, 후처리 장치를 이용하는 방법 등이 있다.

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