< 엔진 연소 >
1) 연소 일반
연소란 적당한 고온에서 연료의 급격한 산화반응을 말하며, 일반적으로 열과 빛을 낸다. 이 연소가 아주 짧은 시간에 완료되고 발생가스가 급속히 팽창하는 현상을 폭발이라 하고, 열과 빛 이외에 압력을 증가로 음향을 발생한다. 엔진의 연소는 대기 중의 공기(물 비는 질소/산소 : 3.76)를 취하여 공기 중의 산소를 산화제로 하여 연소가 이루어진다. 연소과정에서 완전연소를 할 때 공기 중의 산소는 연료인 탄화수소 화합물 중의 탄소 및 수소와 반응하여 이산화탄소와 물이 생산된다.
따라서 완전연소를 하도록 반응 몰 수 결정은 화학식의 평형에서 결정된다.
2) 가솔린엔진의 연소
(1)정상연소
연료와 공기를 연소실내로 흡입 후 압축하고, 점화플러그로 점화하면 황염 핵이 형성되고, 화염이 성장하여 실린더 전면으로 전파하여 연소가 종료되는 과정을 거친다.
대기압 하에서는 2~3 m/s
실린더 속에서는 20~25 m/s
충격파 발생 시(이상 연소)에는 300~2000m/s
(2) 이상 연소
- 노킹 : 가솔린 엔진의 연소 과정 중 연소실 내의 미연부의 말단 가스에서 정규의 화염 전파에 의하지 않고 미 연소된 혼합기가 순간적으로 폭발적인 연소를 일으키는 현상으로 점화시기 이후에 발생하는 현상을 말한다.
- 표면 점화 : 점화플러그에 의한 정규 점화와는 관계없이 연소실 내의 가열된 열 점에서 자연적으로 발화되는 현상을 말한다.
(3) 스파크 노크
- 현상 : 고주파의 압력 진동이 일어나는 것으로 발생과정은 다음과 같다. 점화 플러그로부터 화염이 혼합기에 전파될 때 화염이 통과되어 연소가 완료된 부분은 아주 고온으로 되어 연소된 고온가스의 팽창으로 미 연소된 혼합기는 순간에 압축되어 온도가 높아지면서 화염 핵이 형성되고 미연소 혼합기 전체가 동시에 자연발화 온도에 도달하여 순간적으로 동시에 연소한다. 이때의 화염전파 속도는 300~2000 m/s 가 되고 불연속적인 압력 상승을 일으켜 격렬한 압력파가 발생되어 음속으로 실린더 내를 왕복한다. 이때의 진동 주파수는 대략 3000~7000Hz이다.
- 원인
제동 평균 유효 압력이 높을 때 / 흡기의 온도와 압력이 높을때 / 실린더의 온도가 높거나 적열 된 열원이 있을 때
엔진의 회전 속도가 낮아 화염전파 속도가 느릴 때 / 혼합비가 농후(약 12.5) 할 때 / 전화 시기가 빠를 때 /
연소실의 모양이 화염전파 거리가 멀게 생겼을 때
- 노크의 영향
냉각 손실 증가(냉각수 온도 상승) / 출력 감소 / 소손의 원인 / 운전성의 저하 / 배기의 변색 (정상-청담 색, 노킹-갈색 or흑색)
- 노크의 억제 방법
자연발화 온도가 높은 연료를 사용한다. / 냉각수, 흡기 온도를 낮게 한다 /
화염전파 거리를 짧게 한다 (연소실 형상, 점화플러그 위치의 개선). 화염전파 속도를 향상한다(와류의 발생 등)
3) 디젤엔진의 연소
(1) 정상 연소
제1기간(점화 지연기간) : 연료가 분사되어 연소를 일으킬 때까지의 기간으로 이 기간이 길면 디젤 노크를 일으킨다.
제2기간(급격 연소 기간) : 점화 지연기간 중에 분사된 연료와 분사되는 연료가 동시에 연소되어 실린더 내의 압력이 급상승하는 기간(정적연소 기간)이다.
제3기간(제어 연소 기간) : 실린더 내의 온도, 압력이 급상승되어 분사되는 연료의 점화 지연이 짧게 되고, 피스톤이 하향하면서 실린더 속은 거의 정압상태를 갖게 되며, 이 기간 중의 연소율은 연료분사율에 비례하므로 연소속도, 압력상승율등은 연료 분사율에 의해 제어될 수 있으므로 이 기간의 연소를 제어 연소라 한다.
제4기간(후기 연소기간) : 연료분사는 종료되나 연료의 잔유분은 계속 연소되는 기간으로, 연소 생성물이 다량 발생(매연)된다. 매연의 발생은 점화지연이 긴 연료 사용, 노즐의 밀착 불량 등이 원인이 된다.
(2) 디젤 노킹
- 노킹의 현상
점화 온도가 높은 연료를 사용함으로써 점화 자연 기간이 길어져서 실린더 속에 점화될 때까지 분사된 연료가 누적되었다가 점화와 동시에 급격히 연소함으로써 실린더 속의 압력 상승이 비정상적이고, 높은 충격음을 발생하는 현상을 말한다.
- 점화 지연을 짧게 하는 사항(노킹의 방지)
압축 압력을 높게 / 흡기 온도를 높게 / 실린더 온도를 높게 / 압축비를 높게 / 와류 또는 난류 시켜 유동을 크게 /
연료분사 시기(방법)를 개선 / 연료의 성질과 무화 및 분산
< 열정산 >
연료가 가진 열에너지가 모두 유효한 일로 변하는 것이 아니고, 여러 가지의 형태로 손실이 발생한다. 열정산은 엔진에 공급된 연료가 완전히 연소하여 발생된 열량을 100%로 했을 때 열에너지의 분배 형태를 표시하는 것을 말한다.
열에너지의 분배 형태를 보면 엔진의 종류, 회전수, 부하 상태에 따라서 다르지만 대략 다음과 같다.
- 유효일로 변환된 열량(제동마력) - 30%
- 냉각 매질(물, 공기)에 잃어버린 열량(냉각 손실) - 28%
- 배출가스에 잃어버린 열량(배기가스) - 32%
- 기계 마찰, 복사열, 열전달로 주위에 잃은 열량(기타 손실) - 10%
< 신에너지의 동력원 자동차 >
1) 신에너지의 동력원
최근 화석연료의 오염이 날로 증가함에 따라 미국과 유렵, 일본 등 선진국에서 차세대 산업의 동력원으로 주목받을 수 있는 유망한 에너지에 관심을 집중시키고 있다. 그 예로 미국의 캘리포니아 규제인 TLEV(Transient Low Emission Vehicle)로 부터 ULEV(Ultra ~ ), ZEV(Zero Emission Vehicle)로 수준이 강화되고 있으며 2005년까지 ZEV와 동급 수준인 유럽의 EURO IV 규제도 함께 요구되고 있는 실정이다.
이러한 규제는 환경문제로 직결되므로 선진 자동차 생산국들은 현재보다 훨씬 강화된 규제안을 내놓을 것으로 예상되며, 현재 그 첫 단계로 연비 및 배출가스의 극소화와 차량 생산을 촉진하고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 대책으로 차세대 자동차 개념인 하이브리드 전기자동차, 연료전기자동차 및 전기자동차, 천연가스자동차 등의 개발에 전력을 기울이고 있다.
특히, 연료의 분사시기나 점화시기 및 밸브 개폐 시기 등을 전자 제어로 최적화하는 데 주력하고 있다. 최근에 배출가스 저감대책의 방향은 연료 분사를 제어하기 위해 피스톤 상면과 연소실의 형상변경을 통한 연소실 내 공기유동 특성을 바꾸어 체적 효율을 증대시키는 방향 등이 추진되며, 또한 NOx(질소산화물) 및 PM(매연) CO(일산화탄소), HC(미연 탄화수소) 등의 저감을 위해 배기가스 후처리장치 등에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다.
국내에서는 앞으로 환경규제를 만족시키기 위해 해외 기술의 동향을 신속히 파악하고 신기술에 대한 인식뿐만 아니라 개발 가능한 부분을 선정하여 산학 협조체제를 통해 긴밀히 대처할 필요가 있다.
과학기술의 발달과 생활수준의 향상은 지금까지 고성능, 안전성 우선에서 환경성 및 안락성 위주로 전환되는 추세이며, 향후 석유에너지의 위기를 그 복 하기 위해 대체 에너지를 통한 차세대 자동차의 개발이 선형 되어야 할 것이다.
국내 자동차 산업도 해외 의존도를 탈피하여 여러 기술분야를 종합한 인력구조의 개편과 선진 자동차 국가들처럼 부품회사들이 기술력 향상을 위한 자구노력과 자동차 회사의 지원이 우선되어야 할 것이다. 또한 자동차산업이 다른 산업에 미치는 영향을 고려하여 체계적이고 통합적인 연구개발이 필요하다.
2) 하이브리다 자동차
(1) 개요
하이브리드 자동차는 엔진과 축전지로 구동되는 전동모터를 결합한 자동차로 전기자동차에 비해 운전성이 향상되고 주행거리가 대포 증가된 차량을 말한다. 하이브리드 자동차는 부하 변동을 적게 하여 엔진을 특정 부하 조건에 맞추어 설계할 수 있으므로 효율을 높일 수 있고 배출가스 중 유해성분을 대폭 줄일 수 있는 장점이 있다.
배기가스 중 ZEV(Zero emission vehicle)는 무공해인 전기자동차이지만 배터리 생산에 필요한 전기는 화석연료인 석유나 석탄을 이용하여야 하므로 완전 무공해 차량은 아니다. 배터리의 주행거리, 충전 기술이 많이 발전되지 않아, 배터리 기술의 중간단계로 하이브리드 자동차를 적용하게 되었다.
(2) 형태
- 병렬식 :
엔진과 모터를 설치하고 주행 상태에 따라 어느 한편의 동력을 이용하여 구동하는 방식으로 시동부터 일정 속도 도달 전까지는 배터리 동력을 이용하여 전기모터로 주행하고 정속 주행 시는 엔진의 동력을 이용하며, 최고속도로 가속 시에는 엔진과 배터리의 동력을 함께 이용하는 방식이다.
- 직렬식 :
엔진과 모터를 직렬로 연결하여 엔진은 발전기를 회전시켜 모터를 구동시키거나 운전조건에 따라 차량을 직접 구동하는 것이다.
- 구조와 작동원리 :
하이브리드 자동차는 엔진과 제너레이터, 모터, 인버터, 배터리, 무단변속기 등 주요 시스템으로 구성되어 있다. 이러한 장치는 약간의 차이점을 가지고 있으며 구동용 모터는 변속기와 연결되고 발전기는 인버터와 배터리로 연결되어 있다.
발전기와 엔진은 벨트를 이용하여 일체형으로 되어 있으며 제너레이터는 발전기의 역할과 시동을 겸하고 있다.
구동용 모터는 감속 때와 제동 때의 에너지 회수용 모터의 기능을 수행하고 있고 전자클러치를 포함하고 있음 OFF 시에는 모터만 구동되고 ON시에는 엔진과 모터로 주행한다. 또한 배터리를 제어하는 배터리 제어 유닉과 모터를 제어하는 모터 제어 유닛, 엔진을 제어하는 엔진 제어 유닛 및 CVT 유닛 등을 통합하여 제어하는 하이브리드 제어 유닛이 있다.
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