내연기관 실험 보고서: 디젤엔진 성능 평가

본 내용은 " [경북대학교]기계공학실험 내연기관 실험보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.11.15

문서 내 토픽

• 1. 내연기관 성능 평가 인자

  내연기관의 성능을 평가하기 위해 토크와 동력을 측정한다. 토크는 엔진 축에 연결된 동력계로부터 직접 측정되며, 제동마력은 기관이 실제로 외부에 출력하는 마력이다. 연료 소비율(S.F.C)은 축 출력 1kW당 1시간에 소비하는 연료의 양으로 나타내며, 공연비는 연소에 사용된 연료에 대한 공기의 중량비율이다. 체적 효율은 실제 기관으로 흡입되는 공기의 질량과 이론적 질량의 비율이며, 제동 열효율은 기관에서 일어나는 모든 손실을 설명한다.

• 2. 디젤기관 배기 특성 및 유해물질

  디젤기관은 압축 착화 연소방식을 사용하며 공연비가 17:1 이상의 희박 연소이다. CO와 HC의 배출은 가솔린 기관보다 적으나 NOx의 배출은 상대적으로 많다. CO는 산소 부족 시 불완전 연소로 발생하고, HC는 착화 지연기간 동안 분사된 연료에 의해 발생한다. NOx는 대기 중 질소와 산소가 고온에서 반응하여 생성되는 Thermal NO, 연료 내 질소 화합물이 산화되는 Fuel NO, 화염대에서 급격히 반응하는 Prompt NO로 나뉜다. PM은 연료와 윤활유의 불완전 연소에 의해 발생한다.

• 3. SI기관과 CI기관의 비교

  SI(Spark Ignition) 기관은 점화플러그로 점화하는 가솔린 기관이며, CI(Compression Ignition) 기관은 압축점화로 작동하는 디젤 기관이다. SI 기관은 원가가 저렴하고 크기가 작으며 관리가 쉽지만 연료 소비가 많고 효율이 낮다. CI 기관은 제동 열효율이 높고 연비가 좋으며 저속에서 고속까지 회전력이 크지만, 마력당 중량이 무겁고 제작비가 비싸며 소음과 진동이 크다.

• 4. 노킹 현상의 원인 및 해결방법

  노킹은 혼합기가 정해진 시점이 아닌 시점에 비정상적으로 착화되어 발생한다. 디젤 노킹은 착화가 지연되어 피스톤이 거의 내려간 시점에 폭발이 발생하는 현상이며, 가솔린 노킹은 압축행정 중 자연 착화로 발생한다. 디젤 노킹 경감대책은 연료의 착화성 개선, 공기온도 상승, 연소실 벽 온도 유지, 압축비 상향, 착화지연기간 분사량 감소, 분사시기 제어 등이 있다. 가솔린 노킹 방지법은 옥탄가가 높은 연료 사용, 흡기온도 저하, 실린더 벽 온도 저하, 회전수 증가, 점화시기 지연 등이 있다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 주제1 내연기관 성능 평가 인자

  내연기관의 성능 평가는 다양한 인자들의 종합적 분석을 통해 이루어집니다. 열효율, 기계효율, 출력, 토크, 연비 등이 주요 평가 지표이며, 이들은 엔진의 설계 및 운영 조건에 따라 달라집니다. 특히 열효율은 연료의 화학에너지를 기계에너지로 변환하는 효율을 나타내므로 매우 중요합니다. 현대에는 환경 규제 강화로 배출가스 특성도 중요한 평가 인자가 되었습니다. 이러한 다양한 인자들을 균형있게 고려하여 평가하는 것이 엔진 개발 및 개선에 필수적입니다.

• 2. 주제2 디젤기관 배기 특성 및 유해물질

  디젤기관은 높은 압축비와 직분사 방식으로 인해 우수한 연비를 제공하지만, 배기 특성 측면에서 도전과제를 안고 있습니다. 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)이 주요 유해물질로, 이들은 대기오염과 건강 문제를 야기합니다. 현재 배출가스 규제 강화에 따라 선택적 촉매 환원(SCR), 입자상물질 필터(DPF) 등의 후처리 기술이 필수적입니다. 이러한 기술들은 배기 특성을 개선하지만 연비 저하와 비용 증가를 초래하므로, 근본적인 연소 개선 기술 개발이 병행되어야 합니다.

• 3. 주제3 SI기관과 CI기관의 비교

  SI기관(점화 착화)과 CI기관(압축 착화)은 각각 고유한 장단점을 가집니다. SI기관은 낮은 배출가스와 높은 회전속도 특성으로 승용차에 적합하며, CI기관은 높은 열효율과 우수한 연비로 상용차에 유리합니다. 그러나 CI기관은 높은 질소산화물 배출과 소음 문제가 있고, SI기관은 상대적으로 낮은 열효율을 보입니다. 최근 환경 규제 강화로 두 기관 모두 후처리 기술 적용이 필수화되었으며, 하이브리드 및 전기화 추세 속에서 각 기관의 역할 재정의가 필요합니다.

• 4. 주제4 노킹 현상의 원인 및 해결방법

  노킹은 SI기관에서 점화 플러그의 정상적인 점화 전에 미연소 혼합기가 자동 착화되는 현상으로, 엔진 손상과 성능 저하를 초래합니다. 주요 원인은 높은 압축비, 저옥탄가 연료, 과도한 엔진 부하, 높은 흡입 온도 등입니다. 해결방법으로는 고옥탄가 연료 사용, 점화시기 조정, 흡입 온도 제어, 연료 분사 기술 개선 등이 있습니다. 현대에는 노킹 센서를 통한 실시간 감지 및 제어 시스템이 적용되어 노킹을 효과적으로 방지하면서도 엔진 효율을 최적화할 수 있게 되었습니다.