|
디젤엔진의 기초 연소특성
디젤엔진은 압축행정에서 공기만을 압축하고,압축의 결과로 고온의 상태가 된 공기 중에 고압으로 분사된 연료분무(Fuel Spray)의 자기발화(Self-Ignition)에 의해 연소가 개시됩니다. 이러한 연소형태를 확산연소(Diffusion Combustion)라고 말합니다.
고압으로 연료가 분무되면,분무상태의 연료와 주위 공기가 만나는 경계부분에서는 크기가 10~30μm정도 되는 연료액적(fuel Droplet)으로 연료가 분열됩니다. 이 작은 연료액적은 고온의 주위 공기로부터 열을 받아 증발하게 됩니다. 그러므로 연료는 고온 중에서 메탄이나 에틸렌과 같이 분자량이 작은 탄화수소로 열분해 되어 공기와의 혼합기를 형성합니다. 이들 탄화수소와 공기의 혼합기가 착화에 필요한 온도(자기 발화 온도)와 농도에 도달한 특정의 장소에서 자기발화하여 이것이 화염핵을 형성하고,형성된 화염핵이 화염을 이루어 연소실 전체로 퍼지면서 연소가 이루어집니다.
연소실 내에는 연료와 공기가 불균일한 상태로 분포되어 있기 때문에 연료가 농후한 영역에서는 산소가 부족하므로 매연이 발생하기 쉽습니다. 이에 반하여, 이론혼합비 부근의 혼합비로 조성된 영역에서는 섭씨1700도 이상의 고온이 되어, 공기 중의 산소와 질소가 열분해되고 반응하여 질소산화물(NOx)이 생성됩니다. 또한 연료가 극히 적은 영역에서는, 온도가 낮아서 연소반응이 진전되지 못하고 도중에서 정지되므로, 그 결과로 부분산화된 탄화수소나 미연탄화수소가 발생합니다.
아래 그림에 크랭크축의 각도에 따른 연소실 압력과 열발생율의 변화를 보입니다. 열발생율은 연소실압력을 기본data로 삼아 열역학제1법칙을 사용하여 산출된 값으로 통상 연소의 진행정도를 나타냅니다.
|
|
그림에서 1구간은 착화지연기간이며, 예혼합연소의 특징을 보이는 2구간에서는 급격한 압력상승을 보입니다. 따라서 급격한 열발생에 의한 고온연소에 의해 다량의 NOx가 생성됩니다. 확산연소가 일어나는 구간의 전반부인 3구간에서는 연료분사는 계속되지만 연료와 공기의 혼합속도가 떨어져서 완만한 연소를 하게 되어 매연이 발생하기 쉬운 상태이고,이러한 상태는 연소종료 때까지 계속됩니다.
그러므로 디젤엔진의 성능을 개선하고 배출가스를 저감하는 데에는,압축행정 말기의 짧은 기간동안에 연료를 미세한 액적으로 만들고,착화에 필요한 조성의 혼합기를 형성 시켜서,착화와 연소를 제어할 수 있는 기술이 중요합니다. 엔진의 기본적인 연소제어인자는 연료분사계,흡기계,연소실 형상 등이 있는데,이를 기본으로 공기유동과 난류를 적극적으로 이용하여 혼합기형성과 연소과정을 최적화하는 기술이 필요합니다. |
