디젤엔진 이해하기..

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오프로더의 심장 디젤 엔진(DIESEL ENGINE)

국내 4WD의 심장은 대부분 디젤 엔진이다.
수요자의 필요에 의한 선택이 아닌, 국내 실정에 따른 경제성, 또는 세제상에 맞추어 선택이 되어지는 오프로더의 심장.
디젤 엔진은 연료비가 휘발유의 절반이고, 스피드보다는 밀어주는 힘이 강해 무거운 짐을 실어 나르는 자동차용 엔진으로 이상적이다.
그런 디젤 엔진에 대해서 알아보도록 한다.

DIESEL ENGINE
(압축점화방식-compression ignition system)

디젤 엔진은 자동차가 발명되고 나서 4년 후인 1894년 독일의 엔지니어 '루돌프 디젤'이라는 사람이 4년간의 연구 끝에 발명한 것이다. 루돌프 디젤은 불꽃이 있어야 시동을 걸 수 있는 휘발유 자동차 엔진의 위험성에 주목하고 보다 안전한 엔진을 만들기 위해 자신이 발표한 논문을 기본으로 연구 개발하여 성공을 하였다.

디젤 엔진은 약 40기압으로 연소실 내에 압축된 500~550'C 정도의 공기 중에 100~300기압이라고 하는 높은 분사압력으로 연료를 분사하여 동력을 얻는 것.
가솔린 엔진의 출력 조정은 흡입하는 공기와 연료의 양에 따라 행하는 것이지만, 디젤 엔진은 연료의 분사량만으로 파워를 컨트롤하므로 연료 분사 시스템과 연소실 형상(形狀)이 가장 중요한 요소이다.

연료 분사 방식에 따라 직접 분사식과 부연소실식으로 되어 있고, 연소실에 따라 와류실식(渦流室式), 예 연소실식, 공기실식으로 분류된다. 디젤 엔진은 공기의 압축 열로 분사된 연료가 자기 착화를 일으켜 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸며 'CI ENGINE'라고도 부른다.

장점으로는 가솔린 엔진에 비해 엔진의 열효율이 높고 연료 소비량이 적으며, 인화점이 높아 화재의 위험이 적다. 또한 배기가스에 함유되어 있는 유해 성분이 적고 회전력의 변동이 적다. 그러나 마력당 중량이 무겁고 평균 유효 압력 및 회전 속도가 낮으며 진동 소음이 큰 단점이 있다.

디젤 엔진의 특징과 종류

경유를 연료로 쓰는 디젤 엔진은 엔진의 연소실에 연료를 직접 분사한다.
연소는 점화 플러그에 의해 이루어지지 않고 높은 압축 열에 의한 자연발화를 이용하므로 압축 비가 매우 높은 것이 특징이다.

실린더에 들어간 공기는 압축되어 압력이 높아지고 온도가 500°C 이상 올라간다. 펌프의 힘으로 분사된 연료는 압축된 공기에 뿜어진다. 경유의 자연발화 온도는 약 300°C 이므로 스파크 플러그 없이 자연 착화가 일어난다.

휘발유 엔진은 회전수가 올라가면 드로틀 밸브가 더 맣이 열려 공기의 유입량이 늘어난다. 그러나 디젤 엔진은 항상 많은 양의 공기가 필요하므로 드로틀 밸브 없이 펌프로 연료를 공급한다.

디젤 엔진은 높은 압축비와 폭발력으로 큰 토크를 얻을 수 있고 연료의 값이 싸다. 그러나 큰 출력을 얻기 어렵고 엔진 소음이 큰 것이 단점이다. 디젤 엔진은 고압에 견딜 수 있는 무거운 주철 블록과 높은 압축비에 대응하는 긴 스트로크(long stroke) 쓰기 때문에 고 회전이 어렵다.

따라서 엑셀 페달을 힘껏 밟아도 곧바로 회전수가 올라가지 않는다.
이런 특징 때문에 디젤 엔진은 저 회전에서 큰 힘을 필요로 하는 버스나 트럭, 4WD에 주로 쓰인다. 고 회전을 내기 어렵다는 단점을 보완하기 위해 디젤 엔진에 터보를 더하기도 한다.

직접 연료분사식 디젤 엔진(Direct injection type)
실린더 헤드의 연소실 속에 직접 연료를 분사하는 방식.
냉각손실과 가스 유동손실이 적어 연비가 좋다. 그러나 소음과 진동이 큰 것이 단점. 약자로 DI (Direct injection)라고 부른다.

부실식 디젤 엔진(Precombustion)
실린더 헤드와 피스톤에 의하여 형성되는 연소실에 인접하여 실린더 헤드에 부 연소실을 설치하고 이 부연소실에 연료를 분사하여 착화, 연소와 동시에 강한 불꽃을 주연소실에 분출하는 것. 연소실의 형태나 공기의 흡입방식과 연료의 분무방법에 따라 연소를 조정하는 방식.
직접분사식과 비교하면 낮은(100~140기압)분사압력이지만 배기가스가 서늘하여 엔진은 조용하지만 연비가 약간 불량하다.

와류식 디젤 엔진(swirl chamber type)
부 실용적비(副 室容積比) 45~60%의 조금 큰 부연소실 내에 압축 행정 중 주연소실에서 흘러 들어 가는 공기의 강한 소용돌이를 만든다. 따라서 이 소용돌이 내에 연료를 분사하여 완전 연소를 꾀하는 형식이다.

예 연소실식 디젤 엔진(Precombustion chamber type)
예 연소실식은 주연소실 위쪽에 설치된 예 연소실에 연료를 분사하므로써 일부가 연소되어 고온,고압의 가스를 발생시키며, 나머지 연료가 주연소실에 분출되어 공기와 잘 혼합하여 완전 연소시키는 형식이다. 예 연소실 체적은 모든 압축 체적의 30~40%이고 분출구멍은 피스톤 면적의 0.3~0.6%이며, 연료 분사개시 압력은 100~120kg/cm² 이다. 장점으로는 단공 노즐을 사용할 수 있고 분사개시 압력이 낮아 고장이 적으며, 연료의 사용 범위가 넓어 착화 성이 낮은 연료를 사용할 수 있다. 또한 작동이 부드럽고 진동 소음이 적으며 디젤 노크가 적다.

디젤 엔진, 성능 관련 용어 이해

출력(POWER OUT)
엔진에서 발생될 수 있는 동력.
마력이라고도 하며 1분당 엔진 회전수(RPM: revolution per minute)가 몇 회전을 하면 몇 마력(PS)의 최고 출력을 얻을 수 있는가를 나타낸다. 엔진의 동력은 연소가스의 압력에 의하여 발생하므로 출력은 총 배기량과, 피스톤이 받는 압력 및 회전수에 비례하여 커지지만, 고속회전이 되면 충전효율이 저하되고 엔진 자신의 마찰에 소모되는 마력이 커져서 그 이상의 출력은 발생되지 않게 된다. 따라서 어떤 엔진의 최고 출력은 허용 최고 회전수와 이 때 연소가스의 압력을 어떻게 높일 수 있는가에 따라 정해진다고 할 수 있다.

출력(마력)의 단위.
마력을 표시할 때 PS, HP, bHP(BHP), kW등의 여러 표현이 사용된다.
HP는 영어로 Horse-Power의 약자이다. 불어로는 Pferde-Starke라고 하므로 줄여서 PS가 된다. HP를 영(英)마력, PS를 불(佛)마력이라고 한다.
결국 둘 다 마력을 나타내는 말이다.
1마력은 0.736킬로와트(kW)로 표시된다.

토크(torgue)
엔진회전력이 가장 클 때의 힘. kg' m/rpm 으로 표시한다.
엔진회전력이 최대 토크에 가까울수록 달리기가 수월하고 토크의 폭이 넓을수록 사용하기에 편하다. 그러나 일반적으로 토크의 폭이 넓으면 고출력을 내기 어렵다. 따라서 보통 일반자동차가 스포츠카보다 토크의 폭이 넓다.

엔진에서 토크가 발생하는 것은 지렛대 원리와 같다.
무거운 물체를 들기 위해서 지렛대를 길게 하면 힘을 적게 들여 물체를 들 수 있다. 그래서 생겨난 것이 토크개념이다. 토크는 '힘X거리'로 정의된 물리학적 개념이다. 강한 힘을 가하거나 지렛대가 길면 토크가 커진다. 일정한 힘이 크면 지렛대가 짧아도 되고 힘이 부족하면 길게 하면 된다.

엔진의 폭발력이 회전력으로 바뀌는 것도 지렛대 원리와 같다. 실린더에서 생겨난 폭발력이 피스톤을 밀어내고 크랭크 암을 회전시킨다. 이때 크랭크 암의 길이가 곧 지렛대의 길이가 되고 연소가스의 폭발력이 지렛대를 움직이는 힘이 된다.

보어와 스트로크(Bore : 내경 & Stroke : 행정)
실린더의 직경을 보어라고 한다.
실린더 내부를 손보는 보링(boring)이라는 말이 있다. 이 말은 보어에서 나온 것.
보어의 사이즈는 보통 3~4"(76~102mm)이다.

상사점(최고지점)에서 하사점(최저지점)을 왕복하는 피스톤의 이동거리는 스트로크라고 한다. 스트로크의 길이도 3~4" 정도로 크랭크축 저널(journal, 축의 끝 부분) 의 오프셋(offset, 어긋난 정도)에 의해 결정된다.

엔진제원은 주로 '보어X스트로크'로 표시한다. 보어나 스트로크가 크면 출력도 높아진다. 더 많은 연료와 공기를 흡입할 수 있어 강한 폭발력을 내기 때문. 그러나 폭발력이 크면 소음이나 진동에서 불리할 수도 있다.

보어와 스트로크를 이용해 피스톤이 움직이는 부분의 부피를 구할 수 있다.
이것을 피스톤 용량이라고 한다.

피스톤 용량 = 3.14X(보어/2)"X스트로크

보어가 102mm이고 스트로크가 76mm일 경우 피스톤 용량(cc단위)은 3.14X(10.2/2)²X7.62이므로 계산하면 622cc가 된다. 피스톤 용량에 실린더 수를 곱한 것이 엔진의 배기량이 된다. 앞서 계산한 실린더 용량의 엔진이 4기통이면 622X4 = 2488이므로 2.5LITER급 엔진이라고 볼 수 있다.

상사점(上死点)/하사점(下死点)
왕복식 엔진은 피스톤이 위 아래로 운동해 회전한다.
이때 피스톤이 가장 높게 올라간 위치가 상사점, 가장 낮게 내려간 위치가 하사점이다. 상사점과 하사점의 길이가 바로 피스톤의 스트로크이다. 상사점은 압축과 배기 스트로크의 마지막이고, 하사점은 흡입 스트로크의 마지막을 의미한다.

롱 스트로크 엔진(long stroke engine)
보어(내경)보다 스트로크가 긴 엔진.
고 회전에는 부적당하지만 토크를 얻기에 유리해 운전편의성이나 경제성이 좋다.
힘을 쓰는 트럭이나 4wd에 널리 쓰인다.

숏 스트로크 엔진(short storke engine)
보어보다 스트로크가 짧은 엔진.
피스톤의 속도에는 안전한계가 있어 스트로크가 짧으면 고 회전 엔진이 된다. 고 회전으로 높은 출력을 얻기 쉬운 스포츠카에 널리 쓰인다.

스퀘어 엔진(square engine)
보어와 스트로크의 길이가 같은 엔진으로 롱 스트로크 엔진과 숏 스트로크 엔진의 중간 성격을 지녔다.

압축비(compression ratio)
피스톤이 압축하는 공기의 부피 비율.
엔진의 압축 행정에서 연소실의 압축 전 최대 용적과 압축 후의 최소 용적의 비를 나타내는 것. 하사점과 상사점에 있어서 연소실 용적비로, 가솔린 엔진에서는 압축비가 높을수록 출력이 증대되지만, 노킹이 발생되므로 7-11 : 1 이 일반적이며 디젤 엔진에서는 피스톤의 압축으로 생기는 열에 의해 자연점화가 일어나야 하므로 압축비가 높아 두 배 이상의 15~22 : 1이 보통이다.

일정한 압축비로 피스톤이 혼합기를 압축할 때의 실제압력은 1N의 힘으로 1m²의 면적을 누를 때의 압력인 Pa(pascal)이 국제표준단위지만 미국의 영향력에 의해 1평방인치에 1 파운드의 힘이 작용할 때의 압력인 psi가 많이 쓰인다.

휘발유엔진은 보통 130~180psi의 압력이 생긴다.
이는 896~1240kPa에 해당되고 1000kPa는 몸무게가 100kg인 사람이 가로X세로가 3cmX3cm인 면적 위에 올라섰을 때 누르는 힘과 비슷하다.

출력 대 중량비(power weight ratio)
1마력당 차의 무게. kg/hp으로 표시한다. 이 수치가 작을수록 고성능 차다.
코란도 RSH 6인승을 예를 들 경우, 차체 무게가 1585kg, 출력이 72마력이니까
1hp/22kgs 정도가 된다.

배기량(displacement)
피스톤의 움직임에 의해 배제되는 기체 또는 액체의 용적을 말하며, 왕복형 엔진에서는 실린더의 직경으로부터 산출된 실린더의 용량으로 계산되며, 엔진의 크기에 척도가 되는 수치. 영어로는 'capacity, swept volume 이라고도 한다.

실린더 면적X스트로크X기통 수를 나타내며 cc나 liter로 표시한다.
배기량은 차의 grade를 밝혀주고, 우리나라에서는 자동차 세금이 매겨지는 기준이 된다. 차의 제원에서 가장 기본이 된다고 할 수 있다.

엔진 회전수(RPM: revolution per minute)
크랭크 샤프트의 1분간 회전수를 말한다. RPM으로 나타낸다.
엔진 회전수가 높으면 그만큼 고성능이라는 것이 되며 그 열쇠를 쥐고 있는 것이 엔진의 동력밸브 계통이라고 할 수 있다.

크로스 플로(cross flow)
엔진의 한쪽에서 흡입해 반대쪽으로 배기 하는 구조.
연소실 안의 흐름이 같은 방향으로 진행되므로 흡입과 같은 방향으로 배기하는 경우보다 효율이 좋아져 출력이 커진다.

스월(swirl)
연소실 속에서 흡입 때 생기는 소용돌이.
알맞은 스월은 연소를 안정시키며 조금 엷은 혼합기도 폭발시킬 수 있다.
인덕션 터블런스(induction turbulence)라고도 한다.

스쿼시(squash)
스월과 같은 목적을 가진 연소실 내의 소용돌이로 압축할 때 만들어진다.
혼합기의 연소속도를 높이고 연소를 안정시키는 효과가 있다. 또 노킹을 막으며 연비를 좋게 한다.

프릭션 로스(friction loss)
엔진이 회전할 때 마찰저항으로 생기는 손실.
프릭션 로스가 크면 그만큼 필요없는 낭비가 커지므로 엔진을 설계할 때 내부손실을 줄이기 위해 프릭션 로스가 작아지도록 힘을 기울인다. 출력을 높이기 위해서도 프릭션 로스가 적어야 한다.

최대등판능력(最大登坂能力)
자동차가 오를 수 있는 최대 구배를 말한다.
이것은 엔진의 힘과 중량에 관계가 있으나 tan θ (시타)로 표시한다.
따라서 1.0 이 45°의 경사각이므로 0.4라고 하면 18°의 경사각이 되고,
그 자동차가 오를 수 있는 한계의 언덕이 된다.

최소회전반경(minimum turning radius)
조향 각을 최대로 하고 선회하였을 때 앞바퀴 외측 타이어가 회전할 수 있는
최소 반경을 말하며, 실제로 자동차가 장애물과 접촉하지 않고 회전할 수 있는 것은 보디 외측이므로 그만큼 여분의 공간이 필요하게 된다.