Internal Combustion Engine

KONKUK UNIVERSITY COMBUSTION & ENGINE LAB Internal Combustion Engine Chapter 7 연소 Combustion

7-1 스파크(SI) 기관의 연소 • 점화 및 화염 발달 • 공기-연료 혼합기의 5 % (어떤 자료는 10%)가 연소하는 기간 • (2) 화염 전파 • 대부분의 연료와 공기 질량 (정의 방법에 따라, 80 – 90%)이 연소하는 기간 • (3) 화염 종료 • 공기 연료 질량의 최종 5% (어떤 자료는 10%)

점화및 화염발달 연소는 점화플러그 전극 사이의 전기 방전(고온 플라스마 방전)에 의해 시작된다(BTDC 10 – 30). 점화후 크랭크가 약 6˚ 회전한 다음에 화염 검출. 전기방전을 일으키는데 필요한 고전압을 만드는 방법: 축전기-코일 조합, 자석발전기 점화플러그 전극사이의 간극은 대략 0.7 – 1.7 mm 이다. 전극의 온도는 650 - 350˚C, 950˚C 이상이면 조기점화, 350˚C이하면 표면오염(탄소부착). 최근의 점화플러그는 재질이 우수한 고가의 재료로 만들어짐 (160,000 km(100,000 마일))

스파크 점화 기관의 화염 전파 초기 5-10%가 연소된 후에는 화염면이 매우 신속하게 전파된다. 난류, 스월 및 스퀴시를 동반하는 화염 전파속도는 층류 화염면의 화염전파 속도보다 약 10배 빠르다. 혼합기 질량의 30%가 연소될 때, 기연가스의 체적이 전체 체적의 거의 60%가 된다는 것을 보여준다.

점화가 너무 빠르면, TDC전에 실린더 압력이 과도하게 증가하여 압축행정의 일이 증가하므로 일이 낭비된다. 점화가 늦어지면 최고압력 발생이 늦어지고 최고 압력이 낮기 때문에 동력 행정초기에 일이 손실된다. 실제 점화시기는 사용연료, 기관형상 그리고 기관속도에 따라 달라지며, 보통 bTDC 10˚에서 30˚ 사이에 있다.

화염종료 aTDC 15 - 20˚ 에서는 공기-연료 질량의 90 – 95%가 연소하고, 화염면은 연소실 맨 끝까지 도달한다. 화염종료 기간에 실린더 압력 상승이 천천히 줄어들어 0이 되므로, 피스톤에 작용하는 힘도 천천히 줄어들어 기관 운전이 원활해 진다.

연소변동 -실린더내의 난류 -흡기다기관의 길이와 형상의 차이는 체적효율과 전달된 공기-연료의 사이클 변동을 일으킴 -흡기다기관의 온도차이 기화율 변동을 유발하고 기화율 변동은 공연비 변동을 일으킨다. -흡기포트 인젝터 -스로틀버디 인젝터나 기화기 -EGR

스로틀판 주위의 공기유동 연료인젝터의 제작편차 실린더내의 공연비 표준편차 2 – 6 % 실린더내에서 normal 난류와 함께 공연비, 공기량, 연료성분 및 온도 변동에 존재하는 변동은 실린더간 그리고 사이클간에 스월과 스퀴시에 약간의 변동을 준다. 실린더 내부의 난류변동과 질량운동 변동은 화염에 영향을 미치며 이것은 상당한 연소변동을 일으킨다.

스파크 플러그 근처의 국부적인 변동과 불완전 혼합은 초기 방전이 달라지기 때문에 사이클마다 연소시작이 달라진다. 연소시작이 다르면 뒤이은 전체 연소과정이 변한다.

모든 실린더의 연소과정이 사이클마다 정확하게 일치한다면, 압축비를 높여 고출력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 공연비도 연료를 절약할 수 있도록 설정할 수 있다.

제어 및 센서 현대식 기관은 출력, 연료 절약 및 배기 유해 성분을 최적화하기 위해서 연소상태를 계속 제어한다. 이러한 제어는 엔진, 흡기계 및 배기계의 적절한 위치에 설치한 센서로 부터의 입력정보를 이용하는 프로그램된 전자제어 장치에 의해 이루어 진다. 이들 센서들은 스로틀 위치, 스로틀 변화율, 흡기다기관 압력, 대기압, 냉각수 온도, 흡기온도, EGR 밸브위치, 크랭크 각, 배기중의 O2, CO, 노크등을 측정한다. 제어변수는 점화시기, 밸브시기, 연료분사기간, 배기용 공기펌프 작동, 공연비, 변속기 변속, 경고등 점멸 전환, 고장진단 기록 복구, 컴퓨터 프로그램 수정 등이다.

7-2 분할 연소실식 기관과 성층 급기 기관의 연소

이중연료기관: 이 기관은 동시에 두 종류의 연료를 사용하는데 통상 하나는 값이 싼 연료이고, 다른 하나는 확실한 점화를 위해 사용되는 소량의 고급 연료를 사용한다.

7-3 기관 작동 특성 • 동력운전 • 정속운전 • 공전및 저속 • 고속에서 스로틀 닫힘 • 저온기관시동

7-4 현대식 급속 연소 연소실 현대식 고속 스파크 점화 기관용 연소실은 배기 유해성분을 과잉으로 생성하지 않으면서 공기-연료 혼합기를 매우 빠르게 연소할 수 있어야 한다. 연소실은 부드러운 동력행정, 낮은 연료 소비율 및 최대 열효율(고압축비)를 얻어야 한다.(그림6-4) 대형기관은 기관속도가 느릴 뿐만 아니라, 연소실이 커서 화염 이동 길이가 길기 때문에, 옥탄가가 높은 연료가 필요하고, 압축비가 낮아야한다. 실린더내의 연소시간이 매우 길기 때문에 노크를 피하는 것은 불가능하다. 대형기관은 거의 압축 착화 기관이다.

7-5 압축착화 기관의 연소 • 무화(atomization)연료 방울을 매우 작은 액적으로 쪼개진다. 인젝터에서 방출될 때의 방울 크기가 작을수록 무화 과정은 신속하고 효과적으로 이루어진다. • 기화(vaporization)액체 연료의 작은 액적들은 증기로 기화한다. • 혼합(mixing)기화후에 연료 증기는 가연 공연비의 혼합기를 형성하기 위하여 공기와 혼합되어야 한다. • 자발화(self-ignition)분사개시후 6~8° 즉 약 bTDC 8° 에서 공기-연료 혼합기는 자발화하기 시작한다. • 연소(combustion)연소는 당량비가 Φ=1~1.5 인 연료제트 내의 약간 농후한 영역의 여러 곳에서 동시에 발생한 자발화로부터 시작한다.

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 해야 하는 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

Combustion In CI Engine SI engine은 연소가 전기적으로 강제 점화되어 시작되는데 데 반해 CI engine 에서는 자연발화에 의해 연소가 시작된다. 연료펌프에 의해 압으로(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 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.

매연 (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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