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가솔린엔진의 기초 연소특성
가솔린엔진은 흡기관 내에 연료를 분사하거나 또는 기화기를 통해 연료와 공기를 미리 혼합하고,압축행정의 후반부에 점화플러그로 강제 점화 시켜 연소를 개시합니다. 이러한 연소형태를 예혼합연소(Pre-Mixed Combustion)라고 하며,액체의 탄화수소연료를 어떻게 빨리 기화 시키고 공기와 균일하게 혼합 시키는가가, 엔진성능의 향상과 유해한 배기가스의 배출을 억제하는 데에 있어서 중요한 요소가 됩니다.
이 예혼합기를 점화 시키면,맨 처음에 점화된 화염핵(Flame Kernel)을 형성 시킨 다음에,화염면에서 아직 연소되지 않은 미연소혼합기로 열에너지를 전달함과 동시에 활성화학종(Active Chemical Species)을 증식 시키면서 화염이 발달되어,점차 화염이 진행하여 실린더 벽면까지 도달하게 됩니다. 화염이 실린더 벽면에 도달하게 되면 연소는 완료됩니다.이때 화염이 진행하는 속도를 화염전파속도(Flame Propagation Speed)라고 하며,특히 정지된 혼합기 내에서의 전파속도를 연소속도라고 합니다.연소속도는 혼합기의 농도,온도,그리고 압력의 영향을 크게 받으며,그 중에서도 혼합기농도는 연소현상 자체를 지배하는 인자입니다.
혼합기의 농도를 표시하는 방법으로 가장 많이 사용되고 있는 것이,공기와 연료의 질량비를 나타내는 공연비인데, 어떤 연료의 완전연소를 위한 이론적인 공연비를 이론공연비라고 하며,가솔린의 이론공연비는 14.7입니다. 즉,가솔린 1Kg을 완전연소 시키기 위해서는 공기 14.7Kg이 필요합니다. 또,실제공연비와 이론공연비의 비(Ratio)를 공기과잉률(λ)이라고 하며, 공기과잉율의 역수를 당량비(φ)라고 합니다. λ>1인 경우는 연료가 이론공연비의 경우보다 적은 상태를 나타내는 것으로 연료희박상태라고 하고,반대로 λ<1인 경우는 연료가 이론공연비의 경우보다 많은 상태를 나타내는 것으로 연료과농상태라고 합니다.
화염이 안정적으로 전파하여 혼합기가 연소 되기 위해서는 혼합기농도가 어느 범위 안에 있어야 합니다. 이 범위를 연소한계라고 하는데, 혼합기 농도가 이 범위 밖에 있으면 연소가 진행되지 않습니다. 연료가 연소한계보다 더 많이 있어도 화염은 전파되지 않습니다. 이때,연소한계의 희박측을 하한계,그리고 과농측을 상한계라고 칭합니다.
위 그림은 가솔린엔진에서 엔진회전수가 2000rpm일 때의 연소실압력 변화를 보인 것입니다. 파란선은 점화를 하지 않은 경우,피스톤의 압축에 의한 압력변화를 보인 것이고,빨간선은 혼합기를 점화시켜 연소가 일어나도록 한 경우의 압력변화를 보인 것입니다. 점화 유,무에 따라 압력이 달라지는 점부터 혼합기가 발화되었다고 생각할 수 있고,점화에서 발화까지의 시간차를 발화지연이라고 합니다. 점화순간부터 연소실 압력이 최고에 도달할 때 까지 2ms이하의 시간이 소요됩니다. 이 짧은 시간 내에 연소를 종결 시키면서 유해한 배출가스의 발생을 억제하기 위해서는 점화시기의 최적화,실린더 내의 가스유종 최적화 등의 기술이 사용됩니다. 압축비를 높게 하면,성능을 개선할 수 있고 따라서 연료소비율도 개선할 수 있으나,너무 높게 하면 이상연소현상인 녹킹(Knocking)이 생겨서 성능이 떨어지고 엔진의 고장을 유발할 수 있습니다. |
