1. 디젤 엔진의 개요

디젤 엔진은 흡입 행정에서 공기만 흡입한 후 15～20:1의 높은 압축비로 압축하여 그 온도가 500～600℃가 되게 한 후 연료를 분사 펌프로 가압하여 분사 노즐로 실린더 내에 분사시켜 자기 착화(압축 착화)시키는 엔진이다. 그리고 연소 사이클은 정적과 정압 사이클을 복합한 사바테 사이클(Sabathe Cycle)을 사용하는 고속 디젤 기관이 현재 사용된다.

디젤 연료 계통도

1.1. 디젤기관의 장점

① 열효율이 높고, 연료 소비율이 적다.

② 인화점이 높은 경유를 연료로 사용하므로 그 취급이나 저장에 위험이 적다.

③ 대형 기관 제작이 가능하다.

④ 경부하에서의 효율이 그다지 나쁘지 않다(저속에서 큰 회전력이 발생한다).

⑤ 배기가스가 가솔린 기관보다 덜 유독하다.

⑥ 점화장치가 없어 이에 따른 고장이 적다.

⑦ 2행정 사이클 기관이 비교적 유리하다.

1.2. 디젤기관의 단점

① 폭발압력이 높아 기관 각 부분을 튼튼하게 하여야 한다.

② 기관의 출력 당 무게와 형체가 크다.

③ 운전 중 진동과 소음이 크다.

④ 연료 분사장치가 매우 정밀하고 복잡하며, 제작비가 비싸다.

⑤ 압축비가 높아 큰 출력의 기동전동기가 필요하다.

2. 디젤기관의 연료

2.1. 경유의 물리적 성질

① 색깔 : 흑갈색～담황색

② 비중 : 0.83～0.89

③ 인화점 : 40～90℃

④ 발열량 : 10700Kcal/kgf

⑤ 자연 발화점 : 산소 속에서 245℃, 공기 속에서 358℃

⑥ 경유 1kgf을 완전히 연소시키는데 필요한 건조 공기량은 14.4kgf(11.2m3)

2.2. 경유의 구비조건

① 자연 발화점이 낮을 것(착화성이 좋을 것)

② 황(S)의 함유량이 적을 것

③ 세탄가가 높고, 발열량이 클 것

④ 적당한 점도를 지니며, 온도 변화에 따른 점도 변화가 적을 것

⑤ 고형 미립물이나 유해 성분을 함유하지 않을 것

2.3. 경유의 착화성

착화성은 연소실 내에 분사된 경유가 착화할 때까지의 시간으로 표시되며, 이 시간이 짧을수록 착화성이 좋다고 한다. 이 착화성을 정량적으로 표시하는 것으로 세탄가, 디젤지수, 임계 압축비 등이 있다. 또 연료가 분사되어 착화될 때까지의 시간을 착화지연 기간이라 한다.

착화지연은 연소실내에 분사된 미립상의 연료가 연료 주위의 높은 온도의 공기로부터의 열전달로 자연 발화온도에 도달되어 착화될 때까지의 경과 시간이며, 점도?비중?비등점 및 휘발성 등 연료 고유의 성질에 의해 지배된다. 디젤기관의 노크는 이 착화지연에 원인 하는 것이므로 연료의 착화성은 디젤기관 노크방지 상 매우 중요하다.

(1) 세탄가(cetane number)

세탄가는 디젤기관 연료의 착화성을 표시하는 수치이다. 세탄가는 착화성이 우수한 세탄(C16H34)과 착화성이 불량한 α-메틸 나프탈린의 혼합액이며 세탄의 함량비율(%)로 표시한다. 예를 들어 세탄가 60의 경유란 세탄이 60%, α-메틸 나프탈린이 40%로 이루어진 혼합액과 같은 착화성을 가지는 것을 의미한다. 고속 디젤기관에서 요구되는 세탄가는 45～70이며, 시중에서 판매되는 경유의 세탄가는 일반적으로 60 정도이다.

(2) 디젤지수(diesel index)

디젤지수는 경유 중에 포함된 파라핀 계열의 탄화수소의 양으로 착화성을 표시하는 것이다.

(3) 임계 압축비

디젤기관은 압축비를 낮추면 노크를 일으키는 성질을 이용한 것으로, CFR(미국 연료 연구단체)기관에서 시험 조건을 일정하게 하고 각종 경유에 대하여 노크를 일으키기 시작할 때의 최저 압축비를 구한 것이다. 이것을 임계 압축비라 한다. 이 임계 압축비는 연료의 착화온도와 거의 일치되며 착화온도가 높은 연료일수록 임계 압축비도 높다.

경유의 착화 지연에 따른 디젤 기관 노크를 방지하기 위하여 연소 촉진제를 첨가하고 있는데 여기에는 질산에틸, 초산아밀, 아 초산아밀, 초산에틸 등이 있다.

(4) 어닐린 점(Aniline Point)

시험 연료와 동일한 양의 순수한 어닐린과의 혼합액을 가열하여 완전히 용해하는 최저온도를 말한다. 이것은 착화하기 쉬운 파라핀족을 표시하는 표준이 된다.

3. 디젤기관의 연소과정과 노크

3.1. 디젤기관의 연소과정

디젤기관의 연소과정은 착화 지연기간 → 화염 전파기간 → 직접 연소기간 → 후 연소기간의 4단계로 연소한다.

디젤기관의 연소과정

(1) 착화 지연기간(A～B기간)

경유가 연소실 내에 분사된 후 착화될 때까지의 기간이며, 약 1/1,000～4/1,000초 정도 소요된다. 이 착화 지연기간이 길어지면 디젤기관에서 노크가 발생한다. 착화 지연기간은 일종의 미약 연소기간이라고도 할 수 있으며 이 기간은 연료 자체의 착화성, 실린더의 온도와 압력, 연료의 미립도, 분산상태 및 공기의 와류 등에 의하여 지배된다.

(2) 화염 전파기간(폭발 연소기간 ; B～C기간)

경유가 착화되어 폭발적으로 연소를 일으키는 기간이며, 정적 연소과정이다. 즉 착화 지연기간을 지나 B점에 도달하면 착화된다. 착화되면 착화 지연기간에 분사된 연료가 거의 모두 동시에 연소하여 실린더내의 온도와 압력이 B에서 C점으로 급상승한다. 이 기간 동안 연료가 연소시 실린더 내에서의 공기의 와류, 연료의 성질, 혼합 상태 등에 의하여 지배된다. 즉 이들의 조건이 양호하면 그 만큼 화염전파가 빨라지고 압력 상승도 빠르다.

(3) 직접 연소기간(제어 연소기간 ; C～D기간)

분사된 경유가 화염 전파기간에서 발생한 화염으로 분사와 거의 동시에 연소하는 기간이며, 정압 연소과정이다. 직접 연소기간의 연소 압력이 가장 크며, 연료 분사량으로 어느 정도의 압력 조정이 가능하다.

(4) 후 연소기간 (후기 연소기간 ; D～E기간)

직접 연소기간 동안 연소하지 못한 경유가 연소?팽창하는 기간이며, 이 기간이 길면 배기가스 온도가 상승해 기관이 과열하며 열효율이 떨어진다.

3.2. 디젤기관의 노크

디젤기관의 노크란 착화 지연기간 중에 분사된 많은 양의 연료가 화염 전파기간 중에 일시적으로 연소해 실린더 내의 압력이 급격히 상승하는데 원인하여 실린더 벽에 피스톤이 충격을 가하여 소음이 발생하는 현상이다. 디젤기관 노크 방지방법은 다음과 같다.

① 착화성이 좋은(세탄가가 높은) 경유를 사용한다.

② 압축비, 압축압력 및 압축온도를 높인다.

③ 기관의 온도와 회전속도를 높인다.

④ 분사 개시 때 분사량을 감소시켜 착화 지연을 짧게 한다.

⑤ 분사시기를 알맞게 조정한다.

⑥ 흡입 공기에 와류가 일어나도록 한다.

4. 디젤기관의 시동 보조기구

디젤기관의 시동 보조기구에는 감압장치, 예열장치가 있으며 이외에 연소 촉진제 공급장치를 두기도 한다. 최근에는 예열장치 이외에는 거의 사용하지 않는다.

4.1. 감압장치(de-compression device)

흡입밸브나 배기밸브를 캠축의 운동과는 관계없이 강제로 열어 실린더 내의 압축압력을 낮추어 기관의 시동을 도와주며, 디젤기관의 작동을 정지시킬 수도 있는 장치이다.

또, 감압장치는 기관을 시동할 때 실린더 내의 압축압력을 감압시켜 기동전동기에 무리가 가는 것을 방지할 수 있으며, 기관의 고장을 발견하고자 할 때 크랭크축을 수동으로 가볍게 회전시킬 수 있도록 한다. 감압장치를 작용하였을 때 크랭크축의 회전저항은 압축행정에서 65% 정도이다.

4.2. 예열장치

디젤기관은 압축착화 방식이므로 한랭한 상태에서는 연료(경유)가 잘 착화하지 못해 시동이 어렵다. 따라서 예열장치는 흡기다기관이나 연소실 내의 공기를 미리 가열하여 시동을 쉽도록 하는 장치이다.

(1) 흡기 가열방식

직접분사실식 연소실에서 실린더 내로 흡입되는 공기를 흡기다기관에서 가열하는 방식이며, 흡기 히터와 히트 레인지가 있다.

(2) 예열플러그 방식(glow plug type)

예열플러그 방식은 연소실 내의 압축공기를 직접 예열하는 형식이며, 예열플러그, 예열플러그 파일럿, 예열플러그 저항기, 히트 릴레이 등으로 구성되어 있으며 주로 예연소실식 연소실과 와류실식 연소실에서 사용한다.

예열플러그 방식

1) 코일형(coil type)의 특징

① 히트코일이 노출되어 있어 적열 시간이 짧다.

② 전압 값이 작아 직렬로 결선되며, 예열플러그 저항기를 두어야 한다.

③ 히트코일이 연소가스에 노출되므로 기계적 강도 및 내부식성이 적다.

코일형                                                                     실드형

(2) 실드형(shield type)의 특징

① 히트코일을 보호 금속튜브 속에 넣은 형식이다.

② 병렬로 결선되어 있으며, 전류가 흐르면 금속 튜브 전체가 적열된다.

③ 적열까지의 시간이 코일형에 비해 조금 길지만 1개 당의 발열량과 열용량이 크다.

④ 히트코일이 연소열의 영향을 적게 받으며, 병렬 결선이므로 어느 1개가 단선 되어도 다른 것들은 계속 작용한다.

5. 연소실

디젤기관의 연소실은 단실식인 직접 분사실식과 복실식인 예연소실식, 와류실식, 공기실식 등으로 나누어진다. 연소실의 구비조건은 다음과 같다.

① 분사된 연료는 짧은 시간에 완전 연소시켜야 한다.

② 평균 유효 압력이 높고, 연료 소비율이 적어야 한다.

③ 고속 회전 시 연소 상태가 좋아야 한다.

④ 시동이 용이하고, 디젤 노크가 적어야 한다.

5.1. 직접 분사실식 연소실

직접 분사실식 연소실은 연소실이 실린더 헤드와 피스톤 헤드에 설치된 요철에 의하여 형성되며, 여기에 직접 연료를 분사하는 방식이다. 압축비는 13～16:1, 분사압력은 200～300kgf/cm2, 분사노즐은 구멍형을 사용한다. 직접 분사실식 연소실의 장?단점은 다음과 같다.

(1) 직접 분사실식 연소실의 장점

① 실린더 헤드의 구조가 간단하므로 열효율이 높고, 연료 소비율이 작다.

② 연소실 체적에 대한 표면적 비율이 작아 냉각손실이 작다.

③ 기관의 시동이 쉽다.

(2) 직접 분사실식 연소실의 단점

① 분사압력이 가장 높으므로 분사펌프와 노즐의 수명이 짧다.

② 사용연료 변화에 매우 민감하다.

③ 노크발생이 쉽다.

④ 기관의 회전속도 및 부하의 변화에 민감하다.

⑤ 다공형 분사노즐을 사용하므로 값이 비싸다.

⑥ 분사상태가 조금만 달라져도 기관의 성능이 크게 변화한다.

직접 분사실식 연소실

5.2. 예 연소실식 연소실

예 연소실식 연소실

(1) 예 연소실식 연소실의 장점

① 분사압력이 낮아 연료장치의 고장이 적고, 수명이 길다.

② 사용 연료변화에 둔감하므로 연료의 선택범위가 넓다.

③ 운전상태가 조용하고, 노크발생이 적다.

(2) 예 연소실식 연소실의 단점

① 연소실 표면적에 대한 체적비율이 크므로 냉각손실이 크다.

② 실린더헤드의 구조가 복잡하다.

③ 시동 보조장치인 예열플러그가 필요하다.

④ 압축비가 높아 큰 출력의 기동전동기가 필요하다.

⑤ 연료 소비율이 비교적 크다.

5.3. 와류실식 연소실

와류실식 연소실은 실린더나 실린더 헤드에 와류실을 두고 압축행정 중에 이 와류실에서 강한 와류가 발생하도록 한 형식이며, 와류실에 연료를 분사한다. 와류실에 분사된 연료는 강한 선회운동을 하고 있는 공기와 만나 빨리 혼합되어 착화 연소하면서 주 연소실로 분출되어 다시 여기서 연소되지 못한 연료가 새로운 공기와 만나면서 연소하는 형식이다. 와류실의 체적은 전체 압축체적의 50～60% 정도이다. 압축비는 15～17 : 1, 분사압력은 100～140kgf/cm2이다.

와류실식 연소실

(1) 와류실식 연소실의 장점

① 압축행정에서 발생하는 강한 와류를 이용하므로 회전속도 및 평균 유효압력이 높다.

② 분사압력이 낮아 연료 소비율이 비교적 적다.

③ 기관 회전속도 범위가 넓고, 운전이 원활하다.

(2) 와류실식 연소실의 단점

① 실린더헤드의 구조가 복잡하다.

② 분출구멍의 조임 작용, 연소실 표면적에 대한 체적비율이 커 열효율이 낮다.

③ 저속에서 노크 발생이 크다.

④ 기관을 시동할 때 예열플러그가 필요하다.

5.4. 공기실식 연소실

공기실식 연소실은 주연소실과 연결된 공기실을 실린더 헤드와 피스톤헤드 사이에 두고 연료를 주연소실에 직접분사하는 형식이다. 압축행정의 끝부분에서 공기실에 강한 와류가 발생하며 이때 연료가 공기실을 향하여 분사되면 주연소실에서 착화가 일어나고, 또 일부의 연료는 공기실 내로 들어가 착화하여 공기실 내의 압력을 높인다. 공기실 체적은 전체 압축 체적의 6.5～20%이며 압축비는 13～17:1, 분사압력은 100～140kgf/cm2이다. 공기실식 연소실의 장?단점은 다음과 같다.

공기실식 연소실

(1) 공기실 연소실식의 장점

① 연소 진행이 완만하여 압력상승이 낮고, 작동이 조용하다.

② 연료가 주연소실로 분사되므로 시동이 쉽다.

③ 폭발압력이 가장 낮다.

(2) 공기실식 연소실의 단점

① 분사시기가 기관 작동에 영향을 준다.

② 후적(after drop)연소 발생이 쉬워 배기가스 온도가 높다.

③ 연료 소비율이 비교적 크다.

④ 기관의 회전속도 및 부하 변화에 대한 적응성이 낮다.

6. 디젤 엔진의 연료공급 장치

연료 탱크내 연료를 분사 펌프로 가압하여 분사노즐을 통해 실린더에 분사하는 장치며, 구성은 다음과 같다.

디젤연료 공급 장치

6.1. 연료 공급 펌프(Fuel Feed Pump)

연료 공급펌프

공기빼기 작업은 공급펌프 → 연료여과기 → 분사펌프 순서로 빼며 플라이밍 펌프를 작동시키면서 벤트 플러그(vent plug)를 열고 기포가 없어질 때까지 작동한다. 이때 연료가 배출되기 시작하면 벤트 플러그를 잠그고 플라이밍 펌프를 고정한다.

6.2. 연료 여과기(Fuel Filter)

연료 속의 먼지나 수분을 제거, 분리하며 여과기내의 압력은 1.5kgf/cm2이다. 연료 여과기는 보디, 엘리먼트, 중심 파이프, 커버, 배출 플러그 등으로 구성되며, 엘리먼트는 여과지식과 견포식이 있다. 오버 플로 밸브가 설치되어 송유 압력이 규정 압력 이상시 탱크로 다시 보낸다. 디젤 연료는 분사 펌프의 플런저나 분사 노즐의 윤활도 겸하기 때문에 여과 성능이 좋아야 한다. 디젤기관은 연료 공급계통에 공기가 침입하면 분사펌프에서 연료 압송이 불량해 노즐에서 분사상태가 불량해져 기관의 회전상태가 불량하고, 진동이 발생한다. 심한 경우는 기관의 작동이 정지된다.

연료 여과기

6.3. 분사 펌프

공급 펌프에서 송출된 연료를 고압으로 변환시켜 분사 파이프를 거쳐 분사 노즐에 보내는 일을 한다. 분사 펌프는 하우징, 캠축, 태핏, 펌프 엘리먼트, 제어 기구 등으로 구성된다. 분사 펌프의 형식에는 독립형, 분배형, 공동형 등이 있다.

(1) 분사펌프의 형식

1) 독립형

이 방식은 기관의 각 실린더마다 분사펌프를 1개씩 갖는 방식이며, 구조가 복잡하고 조정이 어려우나 고속용 기관에 적합하다.

2) 분배형

이 방식은 실린더 수에 관계없이 1개의 분사펌프를 사용하여 각 실린더에 연료를 공급하는 것이며, 구조가 간단하고 조정이 쉬우나 실린더 수가 많은 경우에는 부적합하다.

3) 공동형

이 방식은 분사펌프는 1개이나 어큐뮬레이터(accumulator)가 있어 이곳에 고압의 연료를 저장하였다가 분배기로 각 실린더에 공급한다.

                      독립형                                 분배형                                      공동형

(2) 독립형 분사펌프의 구조와 그 기능

1) 펌프 하우징(pump housing)

펌프 하우징은 분사펌프의 주요 몸체부분이며, 위쪽에는 딜리버리 밸브와 그 홀더가 설치되어 있고, 중앙부분에는 플런저 배럴, 플런저, 제어래크, 제어 피니언, 제어 슬리브, 스프링, 태핏 등이, 아래쪽에는 캠축이 설치되어 있다.

독립형 분사펌프

2) 캠축과 태핏

① 분사펌프의 캠축(cam shaft) : 분사펌프 캠축은 크랭크축에 구동되며 4행정 사이클 기관은 크랭크축의 1/2로 회전하고, 2행정 사이클 기관은 크랭크축 회전속도와 같다. 캠축에는 태핏을 통해 플런저를 작용시키는 캠과 공급펌프 구동용 편심륜이 있고, 캠의 수는 실린더 수와 같고 구동부분에는 타이머가, 반대쪽에는 조속기가 설치되어 있다.

          캠축                                                                       태핏

② 분사펌프의 태핏(tappet) : 태핏은 펌프 하우징 태핏구멍에 설치되어 캠에 의해 상하운동을 하여 플런저를 작동시킨다.

3) 플런저 배럴과 플런저

펌프 하우징에 고정된 플런저 배럴 속을 플런저가 상하 운동하여 고압의 연료를 형성한다.

플런저 배럴과 플런저

① 플런저(plunger) : 플런저에는 분사량 조절을 위한 리드(제어 홈)와 이것과 통하는 배출구멍이 중심부분에 뚫어져 있다. 아래쪽에는 제어 슬리브(control sleeve)의 홈에 끼워지는 구동 플랜지와 플런저 아래 스프링 시트를 끼우기 위한 플랜지가 마련되어 있다.

② 플런저의 작용 : 플런저 바깥 둘레는 비스듬한 리드와 구멍을 뚫어 내부의 통로와 연결되어 있다. 이 리드가 비스듬하게 되어 있으므로 플런저를 돌리면 분사 끝의 시기가 달라져 분사량이 조절된다. 플런저의 회전은 랙의 이동으로 하며, 기어 작용으로 플런저의 플랜지를 슬리브가 돌린다. 플런저의 헤드가 흡입구로부터 아래의 위치에 있으며, 연료는 배럴에 흡입되어 상승해서 흡입구를 지나면 압축 작용이 시작된다(분사 시작). 또 상승하여 플런저 리드가 흡입구에 오게 되면 배럴내의 연료는 플런저내 통로를 역류 누출하여 압축 압력은 없어진다(분사 끝). 그 후 상사점까지 흡입구는 누출구로 하여 작용한다(분사 리턴). 하강하여 흡입구를 열면 연료가 유입하여, 압축행정으로 들어간다.

플런저의 작동과정

③ 플런저 예행정(plunger pre stroke) : 플런저 예행정이란 플런저헤드가 하사점에서부터 상승하여 흡입구멍을 막을 때까지 플런저가 이동한 거리를 말한다.

④ 플런저 유효행정(plunger available stroke) : 플런저 유효행정이란 플런저헤드가 연료공급을 차단한 후부터 리드가 플런저 배럴의 흡입구멍에 도달할 때까지 플런저가 이동한 거리이다. 즉, 플런저가 연료를 압송하는 기간이다. 연료의 분사량(토출량 또는 송출량)은 플런저의 유효행정으로 결정된다. 따라서 유효행정을 크게 하면 분사량이 증가한다. 

① 정 리드형(normal lead type) : 분사개시 때의 분사시기가 일정하고, 분사말기가 변화하는 리드이다.

② 역 리드형(revers lead type) : 리드가 플런저헤드에도 파져 있으며, 분사개시 때의 분사시기가 변화하고 분사말기가 일정한 리드이다.

③ 양 리드형(combination lead type) : 상하로 리드를 파서 분사개시와 말기의 분사시기가 모두 변화하는 리드이다.

            정리드                                                      역리드                                                   양리드

5) 플런저 회전기구(분사량 조절기구)

플런저 회전기구

① 제어래크(control rack) : 제어래크는 슬리브에 끼워져 있는 피니언과 결합되어 있으며, 래크의 직선운동을 피니언의 회전운동으로 바꾸어 모든 플런저를 동시에 회전시키는 일을 한다. 제어래크의 한쪽 끝은 링크(link)나 핀(pin)으로 조속기에 연결되어 있어 가속페달의 조작은 모두 조속기를 거쳐 제어래크로 전달된다. 무송출에서 전송출까지의 제어래크 이동량은 21～25mm이다.

② 제어 피니언(control pinion) : 제어 피니언은 래크와 결합되어 래크의 직선운동을 회전운동으로 바꾸어 슬리브를 회전 시켜주며, 슬리브에 클램프 스크루로 설치되어 있어 제어 피니언과 슬리브의 관계위치를 변화시켜 각 플런저의 분사량을 조절할 수 있다.

③ 제어 슬리브(control sleeve) : 제어 슬리브는 아래 홈에 끼워진 플런저의 구동 플랜지를 통해 피니언의 회전운동을 플런저로 전달하여 플런저가 상하 운동을 하면서 연료의 분사량을 증감할 수 있도록 한다.

6) 딜리버리 밸브(delivery valve； 토출밸브)

딜리버리 밸브는 플런저의 상승행정으로 배럴 내의 압력이 규정 값(약 10kgf/cm2)에 도달하면 이 밸브가 열려 연료를 분사파이프로 압송한다. 그리고 플런저의 유효행정이 완료되어 배럴 내의 연료압력이 급격히 낮아지면 스프링 장력에 의해 신속히 닫혀 연료의 역류(분사노즐에서 펌프로의 흐름)를 방지하고 후적을 방지하며, 분사파이프 내에 잔압을 유지시킨다.

딜리버리 밸브

7) 조속기(governor)

조속기는 디젤 엔진의 연료 분사량 제어를 적절이 증감해서, 엔진회전을 안정되게 하기위한 장치이다. 그러나 이 관계가 민감하면 가속 페달의 밟는 량이 조금이 라도 변하면, 분사량이 변동하여 엔진의 회전이 불안정하게 되기 쉽다. 특히 저속 회전은 분사량도 적기 때문에 엔진 정지의 염려가 있으며, 고회전에서는 분사량이 증가하여 오버런(과회전)을 일으킬 염려가 있다. 따라서 안정된 분사를 항시할 수 있도록 거버너(조속기)를 설치하여, 엔진 회전 상승시에는 분사량을 감소하여 과회전을 방지하고, 가속 페달을 놓더라도 자동적으로 분사량을 증가해서 공회전 상태 를 유지하도록 하고 있다. 가속 페달은 제어 레버, 거버너를 거쳐서 분사량을 제어한다. 흡입시의 유속 부압을 이용하는 공기식 거버너, 플라이 웨이트(원심추)의 원심력을 이용한 기계식 거버너, 이 양자를 조합시킨 복합식 거버너가 이용된다.

8) 앵글라이히장치

앵글라이히장치는 기관의 모든 회전속도 범위에서 공기와 연료의 비율을 알맞게 유지하는 작용을 한다.

9) 분사량 불균율

실린더 수가 많은 기관에서 각 실린더마다 분사량의 차이가 생기면 폭발 압력의 차이가 발생하여 진동을 일으킨다. 불균율 허용범위는 전부하 운전에서는 ±3%, 무부하 운전에서는 10 ～15%이다. 분사량 불균율은 다음의 공식으로 산출한다.

10) 타이머(timer)-분사시기 조정장치

엔진의 부하 및 회전 속도에 따라 분사시기를 자동적으로 조정하며 수동식과 자동식이 있다. 수동식은 조정 레버에 의해 스플라인 부시를 움직이면 플런저와 캠축 위치가 변화되어 진각하며, 자동식은 엔진 회전 속도가 증가되면 원심추의 작용으로 작동한다.

6.4. 분사 파이프(Injection Pipe)

분사파이프는 분사펌프의 각 펌프 출구와 분사노즐을 연결하는 고압 파이프이며, 그 길이는 연료의 분사지연을 줄이기 위하여 가능한 한 짧은 것이 바람직하며 모든 실린더의 분사지연이 같아지도록 길이가 같다. 분사 파이프의 양끝에는 높은 압력의 연료가 누출되지 않도록 하기 위해 유니언 피팅(union fitting)으로 확실하게 결합한다.

6.5. 분사 노즐(Injection Nozzle)

분사 펌프로부터 보내진 고압 연료를 미세한 안개 모양으로 연소실에 분사한다. 분사노즐의 윤활은 디젤연료로 한다. 노즐의 요구 조건은 다음과 같다.

① 연료를 미세한 안개 모양으로 하여 쉽게 착화하게 할 것.

② 분무를 연소실 구석구석까지 뿌려지게 할 것.

③ 분사 끝을 완전히 차단해서 후적이 일어나지 않게 할 것.

④ 고온 고압의 가혹한 조건하에서 장시간 사용 가능할 것.

(1) 분사노즐의 종류

분사노즐의 종류에는 개방형과 밀폐형(또는 폐지형) 노즐이 있으며, 밀폐형에는 구멍형, 핀틀형 및 스로틀형 노즐이 있다.

1) 구멍형(hole type) 분사노즐

구멍형 분사노즐은 니들밸브 앞 끝이 원뿔 모양이며, 분사구멍은 볼록하게 된 노즐 보디의 앞 끝에 노즐 중심선에 대하여 대칭으로 어떤 각도를 두고 1～8개 뚫어져 있다. 분사구멍의 지름은 0.2～0.4mm이고, 분사개시 압력은 200～300kgf/cm2이며, 직접분사실식 연소실에서 사용한다. 이 형식은 분사구멍이 1개인 단공형과, 여러 개의 분사구멍이 있는 다공형이 있다. 다공형은 분무의 미립화와 분산성을 향상시킬 수 있다. 구멍형 분사노즐의 장점은 분사압력이 높아 안개화가 좋고 기관의 시동이 쉬우며, 연료가 완전 연소될 수 있어 연료 소비량이 적다. 단점은 분사구멍이 작아 가공이 어렵고 분사구멍이 막힐 염려가 있으며 분사압력이 높아 분사펌프, 노즐의 수명이 짧고 또 각 연결부분에서 연료가 누출되기 쉽다.

2) 핀틀형(pintle type) 분사노즐

핀틀형 분사노즐은 원기둥 모양의 구멍과 구멍 보다 조금 작은 원기둥 모양의 니들 밸브 앞 끝 핀으로 구성되어 있으며, 고압의 연료에 의해 자동적으로 열려 4°정도의 정각을 가지는 원뿔 모양으로 분사한다.

3) 스로틀형(throttle type) 분사노즐

스로틀형 분사노즐은 니들밸브의 앞 끝 부분이 길고 나팔 모양으로 테이퍼 가공되어 있으며 노즐 보디에서 조금 돌출 되어 있다. 이 노즐은 핀틀형을 개량하여 분사개시 때 분사량을 적게 하고 잠시 후 많은 양의 연료를 분사시켜 디젤기관 노크를 방지할 수 있다.

(2) 분사노즐의 구조

분사노즐은 노즐 홀더 보디(nozzle holder body)를 중심으로 옆쪽에는 분사펌프에서 보내준 높은 압력의 연료가 들어오는 입구 커넥터가 설치되고, 위쪽으로는 분사압력 조정용 스크루, 니들밸브가 열릴 때 스프링을 밀어 올려 주는 푸시로드, 그리고 니들밸브(needle valve)를 시트에 밀착시키는 스프링이 있다.

분사노즐

(3) 분사노즐의 작동

분사노즐의 작동은 분사펌프에서 보내준 높은 압력의 연료가 입구 커넥터를 거쳐 노즐홀더 보디 내로 들어오면 스프링에 의해 시트에 밀착되어 있던 니들밸브가 상승하여 연료가 연소실에 분사된다. 분사되는 동안 높은 압력의 연료 일부는 니들밸브와 노즐보디 사이에서 니들밸브와 노즐보디를 윤활하고, 푸시로드와 노즐홀더 보디 사이를 거쳐 연료탱크로 복귀한다. 니들밸브와 노즐보디 사이의 간극은 0.001～0.0015mm 정도이다. 노즐 작동이 불량하면 연소불량, 노크현상, 회전이 고르지 못하고 출력감소와 카본 부착으로 배기의 매연이 증가한다.

(4) 연료 분무의 3대 요건

① 안개화(무화;atomization)가 좋아야 한다.

② 관통력이 커야 한다.

③ 분포(분산)가 골고루 이루어져야 한다.

7. 분배형 분사 펌프

분배형 분사펌프

7.1. 분배형 분사펌프의 개요

연료를 하나의 펌프 엘리먼트로 각 실린더에 공급하는 펌프로 소형 경량이고, 부품수가 적다. 펌프의 윤활을 위한 윤활유가 불필요하며, 캠 양정이 작기 때문에 최고 6000rpm까지 사용이 가능하다. 플런저가 왕복 운동과 회전 운동을 함께하므로 편마멸이 적다. 플런저의 작동 횟수가 실린더 수에 비례하여 증가하므로 실린더 수나 최고 회전 속도의 제한을 받는다.

7.2. 분배형 분사펌프의 구조와 작용

분배형 연료 분사펌프의 구동은 구동축을 사용하며, 캠과의 접촉은 구동 판으로 한다. 캠은 기관의 실린더 수와 같은 수의 페이스 캠(face cam)이 설치되어 있고 구동축에 의하여 회전하며 고정된 롤러 위를 규정된 양정(cam lift)만큼 왕복운동을 한다. 따라서 캠과 접촉하고 있는 플런저는 회전운동과 왕복운동을 하여 연료를 흡입한 후 분배 압송한다. 연료의 압송은 플런저가 더욱 더 상승하여 플런저의 컷오프 구멍(cut off port)이 제어 슬리브에서 벗어나 펌프실 안으로 열린 때 완료한다.

분사펌프의 위쪽 안에 들어있는 원심식 조속기는 원심추 홀더에 원심추가 결합되어 조속기 축에 부착되어 있다. 조속기는 구동축에 부착된 기어로 구동하고, 조속기 축에는 제어 슬리브가 미끄럼 운동을 할 수 있는 구조로 설치되어 있다. 분사펌프의 아랫부분에 있는 타이머는 펌프실 안의 연료압력에 의하여 작동되며, 타이머 피스톤이 롤러 홀더를 움직여서 진각 하여 분사시기를 제어한다.