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밸브 및 밸브 기구(흡배기 발브)

밸브단면도-2가지
밸브단면도

 

디젤 엔진의 밸브 기구는 가솔린 엔진과 기본적으로 다를 바가 없으나, 특히 다른 점을 들면 다음과 같습니다. 

4사이클 엔진에서는 흡기 밸브(intake valve), 배기 밸브(exhaust valve)가 있으나, 2사이클 엔진에는 흡기 밸브는 없고, 배기 밸브만 설치되어 있습니다. 또한 흡입 및 배기 효율을 좋게 하기 위하여 1 실린더당 밸브 수를 4개 설치한 4밸브 식도 채용되고 있습니다. 4밸브 식은 4사이클 엔진에서는 1실린더당 4개의 밸브 중 2개가 흡기 밸브, 나머지 2개가 배기 밸브이며, 2사이클 엔진에서는 4개 모두 배기 밸브로 되어 있습니다. 밸브 스프링은 일반적으로 내외(안팎) 2개의 스프링을 사용하여 내 피로성, 강인성 등을 주고 있으나, 특히 배기 브레이크의 효과를 향상하기 위하여 스프링력이 강한 것이 사용되고 있습니다. 엔진에 따라서는 수동에 의해 밸브를 기계적으로 열 수 있는 디 콤프 장치라는 기구를 설치하고 있는 것도 있습니다. 이 장치는 저온 시동 시의 시동 준비 회전 또는 회전 중의 엔진 정지 또는 엔진 조정 작업 등을 할 때, 엔진이 회전하기 쉽도록 밸브를 강제적으로 열리게 하는 것입니다. 

 

타이밍 기어 

타이밍 기어는 일반적으로 크랭크 축 기어에서 아이들 기어를 거쳐서 캠 축 및 인젝션 펌프 기어를 구동하도록 되어 있습니다. 구동에 있어서 각 기어는 정확하게 조합되어 회전해야 하므로 타이밍 마크가 각 기어에 설치되어 있습니다. 각 기어는 결합의 원활, 소음의 저감을 도모하기 위하여 일반적으로 헬리컬 기어를 사용하고 있습니다. v형 엔진에 사용되고 있는 크랭크 축의 일례이며 앞으로 설명한 기어 외에 오일펌프 기어, 파워 스티어링 펌프 기어, 에어 컴프레서 기어 등으로 구동하도록 구성되어 있습니다. 

타이밍기어-단면도사진
타이밍기어

 

디콤프 장치 

디 콤프 창지는 캠 축에 관계없이 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 열어 실린더의 압축을 개방하는 구조로 되어 있습니다. 디 콤프 장치를 작동시키지 않을 때는 디 콤프 축의 노치 부분이 로커암의 선단과 접하고 있지 않지만, 디 콤프 축을 레버에 의해 회전시키면, 디 콤프 축이 로커 암의 상면을 밀게 되어, 로커암을 거쳐서 흡기 밸브를 약간 밀어서 연다. 이와 같이 실린더의 압축을 빼내서 엔진이 용이하게 크랭크할 수 있게 합니다. 

크랭크 축 및 저널 베어링

저에게 엔진에 가장 중심이라고 물어보신다면, 저는 크랭크 축이 엔진의 심장이라고 말씀드릴 거 같습니다. 그만큼 중요하게 생각하며, 가장 비싼 축에 들어가는 부품이기도 합니다. 

크랭크 축은 실린더 내의 폭발 압력에 의해 발생한 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸기 위한 기구이지만, 디젤 엔진에서는 특히 강도를 크게 함과 동시에 진동의 발생이나 휨을 방지하기 위하여 축 직경을 굵게 하여 튼튼하게 만들어져 있습니다. 축 앞부분에는 캠 축 및 인젝션 펌프를 구동하기 위한 크랭크 기어가 장치되며 특히 비틀림 진동 방지를 위한 토셔널 댐퍼를 설치한 것도 많습니다. 축의 뒷부분에는 오일 누출 방치 장치나 플라이휠이 장착이 됩니다. 

 

크랭크 축

크랭크 축의 구성은 가솔린 엔진의 것과 같지만, 크랭크 암이 다소 길어지며 형상도 크기 때문에 회전 부분의 중량 밸런스를 가질 필요가 있으며, 이 때문에 밸런스 웨이트를 장치하는 경우가 있습니다. 밸런스 웨이트는 크랭크 축과 일체로 된 것과, 탈착이 가능한 제품이 있습니다. 

크랭크-축-단면도
크랭크

 

토셔널 댐퍼

토셔널 댐퍼는 다음과 같은 이유에서 설치가 됩니다. 크랭크 축에는 주기적으로 회전력이 작용하므로 비틀림 진동이 발생합니다. 이 비틀림 진동은 각 실린더의 크랭크 회전력이 클수록, 크랭크 축이 길수록, 또 강성이 작을수록 커집니다. 비틀림 진동은 크랭크 축이 어떤 회전수가 되면 축 자체의 고유 진동과 공진을 일으켜 심할 때는 격심한 진동이 되며, 타이밍 기어나 크랭크 축을 파손하는 원인이 되므로 가능한 한 방지해야 됩니다. 이 때문에 크랭크 축이 긴 경우네는 토셔널 댐퍼라고 하는 비틀림 진동 감쇠 장치를 크랭크 풀리와 일체로 조합시켜 설치해야 합니다. 토셔널 댐퍼는 크랭크 풀리에 댐퍼 매스는 특수 고무로 접착시킨 것으로 이 고무로 진동을 흡수합니다. 지금 크랭크 축이 일정 회전수를 유지하고 있을 때는 댐퍼 매스는 크랭크 축과 일체로 회전하고 있으나, 만약, 크랭크 축이 비틀림 진동이 생겼을 때에도 댐퍼 매스는 그대로 일정 속도로 회전을 계속하려고 하기 때문에 중간의 고무가 변형하여 이것에 의해 감쇠 작용을 하게 됩니다. 흡진용의 플라이휠을 고무나 스프링을 통해서 크랭크 축에 장치하여, 그 마찰에 의해 비틀림 진동을 방지하도록 되어 있는 방식입니다. 

 

저널 베어링 (메인 베어링 , main bearing)

저널베어링-단면도위치
저널베어링

 

저널 베어링 (메인 베어링 , main bearing)은 커넥팅 로드 대 단부 베어링과 같은 인서트식이며, 트리 메탈 또는 켈멧 메탈이 사용되고 있습니다. 크랭크 축은 회전 중, 축 방향으로 이동하려고 하는 힘을 받기 때문에 저널 베어링 중 2개는 플랜지 붙임 베어링을 사용하는데 , 최근에는 별로로 반달형의 스러스트 플레이트를 가진 베어링의 많이 사용되고 있으며, 조립할 때, 이 플레이트를 선별적으로 사용하여 스러스트 간극을 조정할 수 있도록 되어 있다. 

 

크랭크 축의 기능 

크랭크 축은 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸어 전동장치에 전달하는 역할을 하고 있는 외에 선단에 있는 기어를 거쳐서, 캠 축 및 인젝션 펌프를 구동하며 또 풀리에 의해 워터 펌프, 냉각 팬, 교류 발전기 등을 작동시키는 역할을 하고 있습니다. 

수입 & 국산 선박 엔진 베어링 및 부품 

현재 부산에서 선박 엔진 관련 부품 및 엔진 베어링을 취급하는 일을 하고 있습니다. 제 개인적으로 여러 정보를 같이 공유하고자 합니다. 엔진의 세부 세부가 아닌 기본적으로 어려움이 많았던 엔진 부품 하나하나를 세세하게 알아가고자 글을 적게 되었습니다. 

선박 엔진도 자동차 엔진과 마찬가지로 여러 회사의 메이커가 있으며, 수많은 부품들이 모여서 엔진을 구동하게 되어있습니다. 엔진을 구동하는 원리는 비슷할지라도 부품 하나하나는 모두 틀립니다. 그래서 이 주제에는 부품의 형상을 공유하고자 합니다. 일을 하면서 직접 찍은 사진들과 동영상을 포함하고 실물을 사진으로나마 공유하고자 합니다. 많은 도움이 되었으면 좋겠습니다.

 

선박엔진 메이커와 제가 주로 다루는 모델들을 기본적으로 나열해 보겠습니다. 

 

 

MARINE GENSETS DIESEL ENGINE

 

YANMAR ENGINE 

 KFL, CHL, KHL, HAL, LAAL, NY16, N165, S165, N18, EY18, 6 RAL, AL-ST, UL-UT, N185, MAL, ML, M200, 6 N21, M220, T220, T240, GL-UT, Z-L, MF260, Z280, MF28, N280, LD, N330, MF33 등등..

 

DAIHATSU ENGINE 

PKTB14, DL16, PKTB16, PS18D, DS18, DL19, PS20, DL20, DK 20, PS22, DS22, DL22, DL24, DK24, DLM25, PSHTB26, DS26, DLD26, DK26, DL28, DS28, 30D, DL32, DS32, DV32, DK32, DK28, PL20 등등...

 

HANSHIN ENGINE

LU24, LUD24, LU26, LUD26, LUS28, LUN28, LH28, MUH28, MX28, LUN30, EL30, LH31, LU32, EL32, LH34, LU35, ELS35, LH36, LU38, EL38, EL40, LU40, LH41, LU46, EL44, LU46, LU50, LU54, LH46LA, LUS58, 37 ASH, LF50 등등...

 

AKASAKA ENGINE

AH25, DM26, K26, K28, AH27, UHS27, A28, A28, U28AK, AH28, DH28, AH30, DH30, A31, K31, A33, DM33, A34, AH36, DH36, DH35. UEC37LA, A37, A38, AH38, DH38, DM38, AH40, DM40, A41, DM46, A45, UEC45 LA, AX33, 등등..

 

B&W ENGINE

16/24, PA5, PA6, 23/30, 28/32AHV, 32/40, 35MC, S26MC, 14 PC22 V, 등등...

 

그 외 메이커로는 

WARTSILA ENGINE, MAKITA ENGINE, FUJI ENGINE, HITACHI ENGINE, KOBE ENGINE, PIELSTICK ENGINE, MTU ENGINE, MITSUBISHI ENGIEN 

 

제가 취급하는 엔진 메이커와 모델만으로도 이렇게 많은 종류가 있습니다. 저의 나이보다 많은 30년이 훌쩍 지난 엔진들이 아직까지 선박에서는 사용 중에 있습니다. 엔진 한대 가격이 수천에서 수십억 인 만큼 메인터넌스를 주기적으로 하고, 관리를 하기에 가능하다고 봅니다.

 

제가 주로 취급하는 것은 메인 베어링(MAIN BEARING, JOURNAL BEARING), 크랭크 핀 베어링(CRANK PIN BEARING, CON ROD BEARING), 캠샤프트 베어링(CAM SHAFT BEARING), 쓰러스트 베어링(THRUST BEARING), 각종 부쉬(핀 부시 PIN BUSH, 로커 암 부시 ROCKER ARM BUSH, 엘오 펌프 부시 LO PUMP BUSH 등)를 재고를 보유하며 취급을 하고 있습니다. 

그 외에도 엔진에 들어가는 모든 부품들을 취급하고 있습니다. 예를 들어 실런더 헷드(CYLINDER HEAD), 실린더 라이너(CYLINDER LINER), 피스톤(PISTON), 피스톤 링(PISTON RING), 흡배기 밸브(EHX' VALVE, SUC VALVE), 작은 오링(O-RING, SEALING), 가스켓(GASKET), 온도계 및 계측 장비 등 엔진에 들어가는 모든 부품을 취급하다고 생각하시면 됩니다. 

 

MTU엔진-옆모습
MTU엔진

 

수리 완료 후 조립완료된 MTU 엔진 

 

MTU헤드내부-사진
MTU해드내부

리컨디션 완료된 CYLINDER HEAD ASS'Y

 

   

커넥팅 로드 및 커넥팅 로드 베어링

이번 시간에는 저의 개인적으로 제일 관심 있는 파트인 커넥팅 로드 및 커넥팅 로드 베어링을 다뤄 보려고 합니다. 제가 가장 관심과 자신이 있는 분야라서 전용 게시판을 만들어서 다뤄 보려고 합니다. 많은 관심 부탁드립니다. 베어링에 대해서 궁금하신 분들은 언제든 질문해주시면 감사하겠습니다. 서로 정보 공유를 하고자 하는 게 이 게시글의 목적입니다. 
 디젤 엔진의 커넥팅 로드는 가솔린 엔진에 비하여 큰 하중이 걸리게 되므로 충분한 강도가 확보되도록 재료 형상이 선택되고 있습니다. 

커넥팅 로드

컨로드-신품
컨넥팅로드

보관 중인 중고 커넥팅 로드 (핀 부시는 박혀있는 상태입니다)

 

로드 베어링   

메인베어링-진열
메인베어링

보관 중인 커넥팅 로드 베어링 

외경은 백 스틸로 즉 철판입니다. 내경 쪽으로는 헬멧 에 화이트 메탈을 입힌 제품입니다. 

왼쪽에는 광이 나는 것은 재질이 알루미늄 재질입니다. 대형 디젤 엔진에서 많이 사용되고 있습니다. 

디젤 엔진은 베어링 압력이 크기 때문에 메탈에는 내압성, 내열성, 내마모성이 뛰어난 켈멧 메탈이 사용되고 있습니다. 켈멧 메탈은 강철제 백셸에 구리와 납을 주성분으로 한 베어링용 합금을 얇게 입힌 인서트식의 것으로 화이트 메탈에 비하여 강도가 크며, 강인성이 풍부하고 열전도율이 좋지만, 길들임성이 떨어지므로 초기 길들임을 좋게 할 목적으로 메탈의 표면에 또다시 화이트 메탈을 극히 얇게 도금한 트리 메탈을 많이 사용하고 있습니다. 
 

PISTONPINBUSH
피스톤핀부쉬

 

피스톤 핀과 커넥팅 로드 사이에 들어가는 피스톤 핀 부쉬 (안쪽을 보시면 오일 홈이 파져 있습니다)

 

 

엔진 본체 및 구조

엔진 본체의 형상은 작동 방법(4사이클, 2사이클), 실린더의 배치(직렬형, 수평형, V형) 등에 의해 어느 정도 다르지만, 그래도 가장 많이 쓰이는 직렬형으로 4또는 6실린더의 엔진에 대해서 설명하고자 합니다. 
엔진 본체는 실린더 헤드, 실린더, 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크축, 플라이휠, 캠 축, 밸브 및 밸브 기구 등으로 구성되어 있습니다. 이 밖에 엔진 본체는 윤활 계통의 유로, 냉각계통의 수로, 흡배기 계통의 통로 등이 설치되며, 외부에는 연료, 시동, 예열, 충전의 각 장치가 장치되어 있습니다. 또한 디젤 엔진의 에너지 발생부가 되는 연소실은 실린더 헤드, 실린더 라이너 및 피스톤 헤드부로 둘러 싸인 부분을 말하며 압축행정에서 발생한 고온고압의 공기 중에 연료가 분사되며, 착화 연소하여 고압가스가 되어 피스톤을 밀어내립니다. 이와 같은 피스톤의 왕복운동은 컨로드, 크랭크축에 의해 회전운동으로 바뀌어 집니다. 

엔진구조-단면도설명
엔진 구조

엔진 본체의 단면도

 

실린더 헤드 및 실린더 헤드 개스킷

실린더 헤드는 일반적으로 주철 제로 만들어 피스톤 헤드부와 함께 연소실의 일부를 형성하는 중요한 부분이며, 그 내부에는 냉각수를 통하기 위한 워터 재킷이 설치되어 있으며, 외부에는 흡기 매니폴드, 배기 매니폴드, 밸브 기구, 노즐 등이 장치되어 있습니다. 또한 실린더 헤드 윗면에는 밸브 기구를 보호하기 위한 헤드 커버가 장치되어 있으며, 실린더 블록과의 기밀을 좋게 하기 위하여 실린더 헤드 개스킷을 집어넣도록 되어 있습니다. 실린더 헤드는 연소실의 일부를 형성하며 확실한 연소가 이루어짐과 동시에 직접 연소에 의한 폭발력을 받아 열변형을 일으키기 쉬우므로 각부의 온도차를 가능한 한 작게 하여 충분한 냉각이 이루어질 수 있는 기능을 가지고 있어야 합니다.

실린더 헤드 개스킷의 구조와 기능 

실린더 헤드 가스켓은 고온, 고압을 받으면서 연소가스의 블로 바이를 방지하고 물이나 오일을 밀봉해야 하므로 충분한 내열성, 내구성이 요구됩니다. 특히 실린더 헤드 개스킷은 높은 성능이 요구되며 디젤 엔진은 강철제의 개스킷을 많이 사용하고 있습니다. 

 

실린더-헤드-단면도
실린더 해드

실린더 헤드의 단면도 

 

실린더 블록 및 실린더 라이너  

실린더 블록은 일반적으로 특수주철제입니다. 내부에는 냉각수 및 윤활유의 통로가 있어 복잡하지만, 실린더 내에 있어서 연소실의 고 압력이나 회전 시의 진동 등에 충분히 견디는 강도를 가지고 있으며 상부에는 실린더 헤드, 하부에는 오일 팬이 장치되어 있습니다. 실린더에는 실린더 블록과 일체로 주조되어 있는 것과 실린더 라이너를 사용한 것이 있으나, 디젤 엔진에서는 실린더 라이너를 사용하는 것이 많습니다. 실린더 라이너를 사용하는 이점은 실린더 블록의 주철과는 별도의 재료나 주조 방법을 사용하여 내마모성이 좋은 것을 사용할 수 있는 점과 정비하기 쉬운 점이 있습니다. 실린더 블록은 엔진의 골격이 되는 부분이며 블록의 내부에는 크랭크 축, 캠 축 등을 메탈을 사용하여 지지하며 상부에는 실린더 헤드를 하부에는 오일 팬을 부착하여 엔진의 주요 부분을 구성하는 역할을 하고 있습니다. 또 블록 각부를 관통하고 있는 통로는 냉각수 및 윤활유의 순환 경로의 역할을 하고 있습니다. 실린더 라이너는 실린더 헤드, 피스톤과 더불어 연소실을 형성하는 외에 피스톤이 원활하게 상하운동하기 위한 실린더 역할을 하고 있습니다. 또한 엔진 작동 중, 연소 행정에서 발생하는 열을 적절히 방산하는 역할도 하고 있습니다. 

 

피스톤 및 피스톤 링 

피스톤은 피스톤 핀을 거쳐서 컨로드에 연결되어 압축 압력이나 폭발압력을 받으면서 실린더 내를 왕복한다. 따라서 강도가 충분하고 관성력도 작으며 방열이 잘 되는 알루미늄 합금 피스톤이 사용됩니다. 알루미늄 합금 피스톤은 경량으로 열전도가 잘 되므로 고속 회전에 적합하지만, 반면에 열팽창계수가 크기 때문에 피스톤 보스 방향의 직경이 그 직각 방향의 직경보다 작은 타원형의 피스톤이나 스커트부의 직경이 크며, 피스톤 헤드에 가까워질수록 작아지는 원추형의 피스톤이 사용되고 있습니다. 
디젤 엔진의 피스톤 헤드 부는 연소실이 일부를 형성하고 있으며, 또 분사된 연료에 와류를 일으키기 위하여 여러 가지 형상이 고안되고 있습니다. 
피스톤 링은 디젤 엔진의 연소실에서 고압축을 하므로 충분한 기밀유지를 할 필요가 있으며, 여러 가지 형상의 링이 사용되고 있으나, 각각의 형상의 특성을 조합시켜 사용하며 일반적으로 압축링 2~3개와 익스팬더 붙임 오일 링 1개로 구성되어 있습니다. 
압축 링의 단면 형상에 의한 특성은 아래와 같습니다. 
플레인형은 가장 기본적인 링 형상이며 기밀성과 열 전도성이 뛰어납니다. 배럴 페이스형은 접동면이 원호 모양으로 되어 있기 때문에 초기 길들임시의 이상마모를 방지할 수 있는 특징이 있으며, 톱 링에 많이 사용됩니다. 
테이퍼 페이스형은 접동면이 테이퍼형으로 되어 있기 때문에 실린더벽에는 선 접촉이 되기 쉽고, 길들임이 용이하고, 오일을 긁어내는 성질이 좋으며 기밀성에도 뛰어납니다. 톱, 세컨드, 서드 링으로 많이 사용되고 있습니다. 
피스톤형은 측면에 테이퍼가 있으며, 링 홈에도 테이퍼 가공이 되어 있는 특수한 링이며, 특히 고 하중의 디젤 엔진의 톱 또는 세컨드 링에 사용되고 있습니다. 

컨로드-연결-부품
컨로드연결

피스톤 & 피스톤링의 그림

디젤 엔진의 연소과정 

고압축으로 고온이 된 공기 중에 분사된 연료는 스스로의 자연발화에 의해 연소를 시작합니다. 착화를 일으키기 쉽게 하기 위해서는 분사된 오일 방울이 휘발하여 가연성의 혼합기를 만들 필요가 있습니다. 가솔린 엔진에서는 혼합기가 전기불꽃에 의해 점화된 다음에 몇 가지 과정을 경유하여 연소하는 것과 마찬가지로 디젤 엔진에 있어서 연료의 연소과정에도 다음과 같이 4단계의 단계가 있습니다.

 

1기 착화 지연 기간 ( 연소 준비기간 )

2기 화염 전파 기간 ( 정용연소기간 )

3기 직접 연소 기간 ( 정압연소기간 )

4기 후기 연소 기간 ( 애프터 번 기간 )

 

디젤 엔진 노크(노킹)

발생 원인 

 

디젤 노크란 앞에서 설명한 화염전파 기간에 있어서 급격한 압력 상승이 일어나면 실린더나 피스톤 등은 충격을 받아, 쿵쿵하고 딱딱한 것을 두드리는 소리를 발생하며 운전이 혼란해지고 출력도 저하되는 증상을 말합니다. 이 형상의 원인은 화염전파 기간에 급격한 압력 상승이 일어나는 것이 원인이며, 이 원인은 착화 지연기간이 긴 것이 원인이 됩니다. 

착화 지연이 길어진다는 것은 연료가 분사된 다음에 연소를 개시할 때까지의 고온의 공기 중에 체류하고 있는 시간이 긴 것을 의미합니다. 이와 같은 경우에는 분사된 연료 입자의 대부분이 휘발하여, 가연 혼합기를 대량으로 생성합니다. 이와 같은 상태에 이른 다음에 착화가 일어나면 그 연소는 매우 급격 해지며, 그것에 따라 압력 상승도 급격해집니다. 

 

 

디젤 노크의 방지법

 

디젤 엔진에 있어서 노크에 관계된 원인을 설명하면 다음과 같습니다. 

연료의 종류, 압축비, 분사량, 연소실의 형상, 연료의 분사 시간, 분무 상태, 회전수, 엔진의 부하, 냉각장치 둥.

 

연료의 종류는 실린더 내에 분사된 다음에 발화 연소하기까지에는 연료 자체의 성질로서 어떤 시간을 필요로 합니다. 이 시간을 착화 지연기간이라고 하며, 연료에 따라 크게 달라집니다. 따라서 노크를 방지하기 위해서는 착화 지연기간이 짧은 이른바 착화성이 좋은 연료를 사용할 필요가 있습니다.  

압축비는 압축비를 크게 하면 압축 온도나 압력이 각각 높아져서 노크 방지에 도움이 됩니다. 그러나 압축비를 너무 크게 하면 엔진의 기동 토크가 증대하여 연소 최고 압력이 높아지며 기계효율도 반대로 저하하게 되므로 일정 한도 이상 높이는 것을 오히려 엔진에 무리가 갑니다. 

연료의 분사량은 분사 개시 시의 분사량을 적게 하면 맨 처음에 착화하는 연료가 적어지므로 압력 상승도 급격하지 않아서 노크를 적게 할 수 있습니다. 착화 연소를 개시한 후에 분사되는 연료는 연소실 내가 이미 고온으로 되어 있으므로 즉시 착화하게 됩니다. 따라서 분사 개시 시에 분사량을 교축하여 착화 후, 대량의 연료를 분사하면 해결되며 노즐의 구조에 따라 필요로 하는 성능을 부여할 수 있습니다. 

연소실의 형상은 착화 지연기간을 짧게 하여 급격한 압력 상승을 방지하기 위하여 각종 형상의 열 손실이 있으며, 현재 사용되고 있는 것에는 예비연소실식, 와류실식 및 직접분사식이 있습니다. 분사 시기에 대해서는 어느 정도 이상 진행하여도 착화가 일어나는 시기도 한도가 있으며, 엔진의 온도가 낮은 경우, 회전수가 늦은 경우 등에는 압축 온도가 저하하여 착화 지연 기간이 길어지게 되며, 노크를 일으키기 쉽게 됩니다. 

노즐보디-노즐팁-구조
노즐보디노즐팁

위 그림은 저속 디젤 엔진에 사용되는 FULE INJECTION VALVE입니다. 동그라미 쳐져 있는 노즐팁이 실린더 내부로 연료를 분무해주는 아주 중요한 부품입니다. 노즐팁의 분무할 수 있는 구멍의 개수, 크기, 각도, 형상에 따라서 엔진의 출력이 차이가 나게 됩니다. 

엔진의 출력 및 실린더 체적에 따라 노즐의 결정됩니다. 

해드제거-피스톤사진
해드제거

위 사진은 엔진 피스톤이 상사점에 도달하였을 때의 사진입니다. 실린더 위에 실린더 햇드가 장착이 되며, 

  주위의 볼트들이 실린더 햇드를 고정시켜줍니다. 

 

4사이클 디젤 엔진

4사이클 엔진이란 엔진의 기본 작동인 흡입, 압축, 연소, 배기를 피스톤의 4행정, 즉, 크랭크축의 2회전으로 완료하는 것입니다. 디젤 엔진에서는 우선 실린더 내로 공기를 흡입하는 흡입행정, 흡입한 공기를 연소실로 압축하여 고온화하는 압축행정, 고온화한 공기 중에 연료를 분사하여 연소시켜 동력을 발생시키는 연소 행정, 배기가스를 실린더 밖으로 배출하는 배기행정이 있습니다. 그럼 각 행정에 대하여 자세히 알아보도록 하겠습니다. 

 

1단계 흡입행정 
흡입 효과를 좋게 하기 위하여는 피스톤이 하강하기 전부터 흡기 밸브는 이미 열려 있으며, 피스톤이 하강함에 따라 신선한 공기가 실린더 내로 흡입이 됩니다. 또 공기를 충분히 흡입하도록 하기 위하여 피스톤이 하사점에 도달하여도 흡기 밸브는 아직 열린 채로 있게 됩니다. 
 
2단계 압축행정
피스톤이 하사점에서 상승하기 시작하여 흡기 밸브가 닫히면 실린더 내의 공기에 압축 작용이 시작됩니다. 앞에서 설명한 것과 같이 공기를 압축하여 연료의 자기 착화 온도 이상의 고온으로 만들 필요가 있으므로 엔진 시동 시의 회전수가 낮을 때도 압축 압력은 20~30kgf/cm2 정도가 되며, 그 압축 온도는 400~500'c에 이르게 됩니다. 
 
3단계 연소행정 
압축행정의 끝 가까이에서 연료를 100kgf/cm2 이사의 이 고압으로 노즐에서 안개 모양으로 분사하면 압축열에 의해 연료는 자기 착화하여 연소하며, 온도 및 압력이 급상승하여 피스톤은 상사점을 지나서 연소 가스압에 의해 하사점으로 밀려 내려갑니다. 
 
4단계 배기행정
배기가스의 배출을 효과적으로 하기 위하여 피스톤이 연소 행정의 하사점에 도달하기 조금 전부터 배기 밸브가 열리며 연소가스는 자기의 압력으로 실린더 밖으로 불어내며, 그 후 피스톤의 상승에 의해 밀려나갑니다. 또한 배기를 완전히 하기 위하여 배기 밸브는 피스톤이 상사점을 지나서부터 잠시 동안 열려 있다가 닫히게 됩니다. 흡기 및 배기 밸브의 개폐 시기를 밸브 타이밍이라고 합니다. 
 

피스톤-피스톤링-로드-연결구조
피스톤연결부위

 

 

2사이클 디젤 엔진 

2사이클 디젤 엔진에서는 흡입, 압축, 연소, 배기의 작용이 피스톤의 2행정, 즉, 크랭크 축의 1회전으로 완료하는 것으로 흡입과 압축, 연소와 배기의 작용을 각각 피스톤의 1행정으로 해야 하므로 공기의 공급에 과급기가 필요로 하게 됩니다. 
 
1단계 소제(흡입)
피스톤이 하강하여 라이너의 소기 구멍을 피스톤의 상단으로 열어주면 루츠 블로어에서 예 압류된 신선한 공기가 실린더 내로 진입하여 배기가스를 밀어냄과 동시에 흡입 작용을 합니다. 
 
2단계 압축
피스톤이 상승하여 소기 구멍이 닫히게 되어 다음에 배기 밸브가 닫히면 공기는 압축이 됩니다. 
 
3단계 연소 
피스톤이 또다시 상승하여 상사점 직전이 되면 고압, 고온이 된 연소실 내의 고기 중에 노즐에서 고압의 연료가 분사되어 자기 착화에 의해 연소를 일으키며, 이 연소가스 압력으로 피스톤이 밀려 내려갑니다. 
 
4단계 배기 
피스톤이 하강하여 연소의 끝 부근에서 배기 밸브가 열리면 연소가스는 자기의 압력으로 실린더 밖으로 밀려나가며, 또다시 피스톤이 내려가면 실린더 라이너의 소기 구멍이 열려 루츠 블로어로 예 압류된 공기가 진입하여 남아 있던 배기가스를 완전히 배출하고 신선한 공기가 실린더 내에 충전이 됩니다. 

 

4사이클 디젤 엔진 vs 2사이클 디젤 엔진 비교 

2사이클 엔진의 장점을 들면 다음과 같습니다. 
1. 크랭크 축의 1회전마다 연소 행정이 있으므로 4사이클 엔진에 비하여 토크가 균일하며 진동이 적습니다. 
2. 회전수, 정미평균유효압력이 같다고 하면, 같은 배기량의 엔진에서는 2사이클 엔진은 4사이클 엔진의 2배의 출력이 나옵니다. 실제로는 각종 문제가 있기 때문에 1.7배 정도가 됩니다. 
3. 소형 엔진에서는 밸브기구를 생략할 수 있으므로 취급이 간단해지며 제작비도 싸게 먹힙니다. 
4. 크랭크 축의 1회전마다 연소 (팽창)행정이 있으므로 실린더 수를 적게 할 수 있습니다. 
5. 흡입, 배기에 요하는 시간이 짧으므로 소기작용이 불충분해지기 쉽습니다. 
6. 압축행정의 초기에 실린더 내의 공기가 배기 구멍으로부터 빠져 나가기 쉽고, 그 때문에 흡입 효과가 저하되며, 따라서 출력이 어느 정도 작아지게 됩니다. 
7. 연소 행정이 4사이클 엔진의 2배가 되므로 각부의 열 부하가 커집니다. 따라서 냉각장치는 비교적 커지며, 또한 설계상에도 주의해야 합니다. 
8. 비교적 대형의 실린더 수가 많은 엔진에서는 소기 펌프를 갖출 필요가 있으며 그 때문에 구조가 복잡해지기 싶습니다. 

 

가솔린 엔진과 디젤엔진의 비교 

가솔린 엔진에 비하여 압축비가 높기 때문에 유효한 일에 사용되는 열량의 비율이 높으며 열효율이 좋습니다.. 따라서 연료소비량이 적고, 그밖에 연료의 가격도 싸기 때문에 운전 경비가 적게 듭니다. 디젤 연료는 가솔린보다 인화점이 높은 경유를 사용하므로 취급의 위험이 적습니다.

가솔린 엔진이 전기불꽃에 의한 점화방식인 것에 비해서 디젤 엔진은 공기의 압축열에 의해 연료를 착화시키고 있습니다. 내연기관의 이론 사이클에서는 가솔린 엔진의 정용 사이클인데 비하여 디젤엔진은 적용기관과 정압 기관을 합쳐놓은 복합 사이클로 되어 있습니다. 이것은 착화 온도에 도달한 연료가 일시적으로 연소하는 기간과 연이어 노즐에서 분사된 연료가 연소하는 기간이 있기 때문입니다. 압축열이 충분히 발생하도록 압축비를 크게 하여야 하며 폭발 압력도 큽니다. 따라서 전체적으로 튼튼하게 만들어져 있기 때문에 마력당 중량이 크고, 또 가공 정밀도가 높은 연료 분사 장치가 추가되므로 제작비가 비싸지는 이유입니다. 피스톤 등 운동 부분의 중량이 크기 때문에 최고 회전수가 낮으며, 실린더 용적당 마력도 작아지지만, 회전수의 변동에 대한 토크의 변동은 적습니다. 즉 힘이 좋다고 생각 하시면 됩니다. 

 

디젤 엔진의 추세 

 디젤 엔진은 가솔린 엔진과 비교해서 연료소비율이 적고, 사용연료의 가격도 싸므로 경제적이며 또한 가솔린 엔진에서 나타나는 노킹 문제도 없으므로 배기량을 크게 하여 대량의 연료를 공급하면 출력이 큰 엔진을 만들 수 있습니다. 따라서 트럭이나 버스 선박 등 대형 차용의 엔진으로써는 가장 적합합니다. 배기가스의 유동 에너지를 이용하여 터빈을 구동하면 흡입하는 공기를 가압하여 공급할 수 있으며 출력을 용이하게 증대시킬 수 있습니다. 딸라서 트럭, 버스, 선박 등에서 특히 고속도를 요구하는 경우에는 배기 터보 과급기가 사용되는 경우가 많습니다. 

과급기-터보-내부구조
과급기터보

압축열이란 무엇일까요?

 공기를 고 압축하면 왜 온도가 높아지는 것일까요? 압축열이 발생하기까지의 과정을 생각해 보도록 하겠습니다. 실린더 내에 흡입된 많은 공기 분자의 작용은 압축 전데는 실린더 내의 공간을 천천히 날아다니지만, 압축되기 시작하면 공기 분자는 서로 충돌하거나 또는 간섭하여 분자의 날아다니는 속도가 가속됩니다. 또한 압축 상사점의 시기에 이르면 공기 분자가 날아다는 공간은 매우 작아져서 실린더 내벽에도 충돌하는 횟수가 증가하고 또 피스톤의 움직임도 공기 분자를 향해서 가게 되므로 실린더 내의 공기 분자의 속도는 점차적 가속화됩니다. 공기 분자의 속도가 가속되는 것은 외부로부터 에너지를 받은 것에 의한 것으로 이 결과로 공기의 온도가 높아집니다. 이와 같이 압축열은 흡입된 공기 분자 서로 간에 의해 발생하는 것이기 때문에 공기의 흡입량과 압축비와 비례하여 높아지는 것입니다. 그럼 연소까지의 과정을 알아보면 분사된 연료는 액체 상태로 고온에 노출되어 가열됨으로써 기화하고 이어서 공기와 혼합하여 혼합 가스가 되며, 적절한 혼합비가 되어 발화 연소합니다. 디젤 엔진에 있어서는 고온의 공기 중으로 연료를 안개 모양으로 불어넣기 때문에 당연히 연소실 내에서 기화 공기와 혼합 발화의 순서를 따르게 됩니다. 따라서 분사되는 연료의 분사 상태, 및 연료와 공기의 혼합 상태가 연소의 양부를 좌우하게 됩니다. 가솔린 엔진에서는 연료의 기화, 혼합은 기화기가 하며 흡입된 것은 거의 균일한 혼합 가스로 되어 있지만, 디젤 엔진에서는 연소실 내에서의 연료와 공기의 혼합을 좋게 하기 위하여 연소실의 형상이 여러 가지 연구되어 직접분사식, 예 연소실식, 와류실식 등 각종 연소실이 사용되고 있습니다. 

 

 종 류 1기압에서 착화점  압축공기중  기 압  
가스유  336'c  205'c  27 
석    유 290~435'c  200'c  26 
 파라핀유 388~414'c  228'c  11.5 

 

 

 

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