엔진 노킹
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
엔진 노킹은 내연기관에서 정상적인 연소 과정에서 벗어나, 연료/공기 혼합물의 폭발로 인해 발생하는 현상이다. 이는 연료의 옥탄가, 공연비, 점화 시기, 엔진 부하 등 여러 요인에 의해 발생하며, 엔진 부품 손상으로 이어질 수 있다. 노킹을 방지하기 위해 옥탄가가 높은 연료를 사용하거나, 점화 시기를 조절하는 등의 기술이 사용된다. 디젤 엔진의 경우, 연료 분사 지연으로 인해 노킹이 발생하며, 가솔린 엔진과는 다른 양상을 보인다.
이상적인 조건에서 일반 내연 기관은 실린더의 연료/공기 혼합물을 질서 있고 제어된 방식으로 연소한다. 연소는 엔진 속도 및 부하를 포함한 여러 요인에 따라 상사점(TDC)에서 약 10~40도의 크랭크축 각도에서 점화 플러그에 의해 시작된다. 이러한 점화 진행은 연소 과정이 팽창하는 가스로부터 작업을 최대로 회수할 수 있는 이상적인 시간에 최대 압력을 개발할 시간을 허용한다.
화염면 경계 너머의 연소되지 않은 연료/공기 혼합물이 일정 시간 동안(사용된 연료의 지연 시간 초과) 열과 압력의 조합에 노출되면 폭발이 발생할 수 있다. 폭발은 화염 전면 외부의 연료/공기 혼합물의 최소 한 포켓에서 거의 즉각적이고 폭발적인 점화를 특징으로 한다. 각 포켓 주위에 로컬 충격파가 생성되고 실린더 압력이 급격히 상승하여 설계 한계를 넘어 손상을 일으킬 수 있다. 극한 조건이나 많은 엔진 사이클에서 폭발이 지속되면 엔진 부품이 손상되거나 파손될 수 있다.
2. 정상 연소
점화 플러그의 전극을 가로지르는 스파크는 스파크 플러그 갭 크기의 작은 화염 커널을 형성한다. 크기가 커짐에 따라 열 출력이 증가하여 가속 속도로 성장하여 연소실을 통해 빠르게 팽창한다. 이러한 성장은 가연성 연료-공기 혼합물 자체를 통한 화염 전면의 이동과 레일리-테일러 불안정성(고온, 저밀도 연소 가스가 상대적으로 차갑고 밀도가 높은 미연 연료-공기 혼합물로 확장됨)으로 인해 발생한다.) 연소 영역을 단순한 구형의 화염 공보다 훨씬 더 큰 표면적을 갖는 연소 가스의 복합물로 빠르게 확장한다.(이 후자의 프로세스는 연료-공기의 기존 난류에 의해 강화되고 가속된다.) 정상적인 연소에서 이 화염 선단은 특정 혼합물에 대한 특성 속도로 연료/공기 혼합물 전체에서 이동한다. 거의 모든 사용 가능한 연료가 소비되면서 압력이 최고점까지 부드럽게 상승한 다음 피스톤이 하강하면서 압력이 떨어진다. 최대 실린더 압력은 피스톤이 TDC를 통과한 후 몇 크랭크축 각도에 도달하므로 피스톤에 가해지는 힘(피스톤의 상단 표면에 가해지는 압력 증가에서)은 피스톤의 속도와 기계적 이점이 있을 때 정확하게 가장 세게 밀 수 있다. 크랭크 샤프트의 팽창 가스로부터 힘을 가장 잘 회복하여 크랭크 샤프트로 전달되는 토크를 최대화한다.
2. 1. 연소 과정
이상적인 조건에서 일반 내연 기관은 실린더의 연료/공기 혼합물을 질서 있고 제어된 방식으로 연소한다. 연소는 엔진 속도 및 부하를 포함한 여러 요인에 따라 상사점(TDC)에서 약 10~40도의 크랭크축 각도에서 점화 플러그에 의해 시작된다. 이러한 점화 진행은 연소 과정이 팽창하는 가스로부터 작업을 최대로 회수할 수 있는 이상적인 시간에 최대 압력을 개발할 시간을 허용한다.
스파크 플러그의 전극을 가로지르는 스파크는 스파크 플러그 갭 크기의 작은 화염 커널을 형성한다. 크기가 커짐에 따라 열 출력이 증가하여 가속 속도로 성장하여 연소실을 통해 빠르게 팽창한다. 이러한 성장은 가연성 연료-공기 혼합물 자체를 통한 화염 전면의 이동과 레일리-테일러 불안정성(고온, 저밀도 연소 가스가 상대적으로 차갑고 밀도가 높은 미연 연료-공기 혼합물로 확장됨)으로 인해 발생한다.) 연소 영역을 단순한 구형의 화염 공보다 훨씬 더 큰 표면적을 갖는 연소 가스의 복합물로 빠르게 확장한다.(이 후자의 프로세스는 연료-공기의 기존 난류에 의해 강화되고 가속된다.) 정상적인 연소에서 이 화염 선단은 특정 혼합물에 대한 특성 속도로 연료/공기 혼합물 전체에서 이동한다. 거의 모든 사용 가능한 연료가 소비되면서 압력이 최고점까지 부드럽게 상승한 다음 피스톤이 하강하면서 압력이 떨어진다. 최대 실린더 압력은 피스톤이 TDC를 통과한 후 몇 크랭크축 각도에 도달하므로 피스톤에 가해지는 힘(피스톤의 상단 표면에 가해지는 압력 증가에서)은 피스톤의 속도와 기계적 이점이 있을 때 정확하게 가장 세게 밀 수 있다. 크랭크 샤프트의 팽창 가스로부터 힘을 가장 잘 회복하여 크랭크 샤프트로 전달되는 토크를 최대화한다.
3. 비정상 연소 (노킹)
=== 노킹 발생 원인 ===
엔진 노킹은 화염면 경계 너머의 연소되지 않은 연료/공기 혼합물이 일정 시간 동안 열과 압력에 노출되어 폭발할 때 발생한다. 폭발은 화염 전면 외부의 연료/공기 혼합물에서 거의 즉각적이고 폭발적인 점화를 특징으로 하며, 각 포켓 주위에 로컬 충격파를 생성하고 실린더 압력을 급격히 상승시켜 엔진 손상을 유발할 수 있다.
노킹은 다음과 같은 여러 요인에 의해 발생할 수 있다.
이 외에도 흡기 온도, 냉각 시스템, 그리고 납, 증기등이 연소 중에 발생하는 다양한 산화적 변화를 방해하여 노크를 감소 시킨다는 이론들이 존재한다.
=== 노킹 방지 기술 ===
엔진 노킹은 옥탄가가 높은 연료를 사용하거나, 공연비를 농후하게 하여 연소 온도를 낮추고 폭발 마진을 증가시켜 방지할 수 있다. 점화 시기를 지연시키거나 엔진 부하를 감소시키는 것도 노킹 방지에 효과적이다. 또한, 흡기 온도를 제어하거나 애프터마켓 솔루션으로 물 분사 시스템을 사용하여 연소실 최고 온도를 낮추는 방법도 있다.
압축비 감소, 배기 가스 재순환(EGR), 엔진 점화 타이밍 일정의 적절한 보정, 엔진 연소실 및 냉각 시스템의 신중한 설계 역시 최고 연소실 온도를 제어하여 노크를 줄이는 데 기여한다. 초기 공기 흡입 온도를 제어하는 것도 중요하다.
특정 연료 구조도 노킹 발생에 영향을 미치는데, 분지형 사슬 파라핀은 노킹에 저항하는 경향이 있는 반면, 직쇄 파라핀은 쉽게 노킹을 일으킨다. 난기류 역시 중요한 요소로 작용하며, 난기류가 좋은 엔진은 그렇지 않은 엔진보다 노킹 발생 경향이 낮다.
디젤 엔진의 경우, 연료 분사 방식과 연소실 설계 등을 통해 노킹을 줄일 수 있다. 간접 분사 방식은 직접 분사 방식보다 노킹 수준이 낮은 경향을 보인다.
=== 디젤 엔진에서의 노킹 ===
디젤 엔진에서 노킹은 연료 분사 지연으로 인해 발생할 수 있다. 연료가 압축 행정 말기에 고압축 공기에 분사될 때, 분사된 연료와 연소 시작 사이에 짧은 지연이 발생한다. 이 시간 동안 연소실에는 이미 충분한 양의 연료가 존재하며, 이 연료는 완전히 충전되기 전에 산소 밀도가 높은 영역에서 먼저 점화된다. 압력과 온도의 급작스러운 증가는 특유의 디젤 '노크' 또는 '딸깍' 소리를 유발하며, 엔진 설계 시 어느 정도는 허용된다.
인젝터 펌프, 연료 인젝터, 연소실, 피스톤 크라운 및 실린더 헤드의 설계를 최적화하여 노킹을 줄일 수 있다. 전자 커먼 레일 분사 방식을 사용하는 최신 디젤 엔진은 노킹 수준이 매우 낮다. 간접 분사 엔진은 직접 분사 엔진보다 노킹이 적은 경향이 있는데, 이는 연소실 내 산소 분산이 더 잘 이루어지고 분사 압력이 낮아 연료와 공기가 더 잘 혼합되기 때문이다.
디젤 엔진의 노킹은 가솔린 엔진의 노킹과는 다른 현상이다. 디젤 엔진의 노킹은 불안정한 연소가 아니라 매우 빠른 압력 상승률 때문에 발생한다. 디젤 연료는 가솔린 엔진에서 쉽게 노킹을 일으킬 수 있지만, 디젤 엔진에서는 연료가 팽창 행정 중에만 산화되므로 노킹이 발생할 시간이 없다.
3. 1. 노킹 발생 원인
엔진 노킹은 화염면 경계 너머의 연소되지 않은 연료/공기 혼합물이 일정 시간 동안 열과 압력에 노출되어 폭발할 때 발생한다. 폭발은 화염 전면 외부의 연료/공기 혼합물에서 거의 즉각적이고 폭발적인 점화를 특징으로 하며, 각 포켓 주위에 로컬 충격파를 생성하고 실린더 압력을 급격히 상승시켜 엔진 손상을 유발할 수 있다.
노킹은 다음과 같은 여러 요인에 의해 발생할 수 있다.
이 외에도 흡기 온도, 냉각 시스템, 그리고 납, 증기등이 연소 중에 발생하는 다양한 산화적 변화를 방해하여 노크를 감소 시킨다는 이론들이 존재한다.
3. 2. 노킹 방지 기술
엔진 노킹은 옥탄가가 높은 연료를 사용하거나, 공연비를 농후하게 하여 연소 온도를 낮추고 폭발 마진을 증가시켜 방지할 수 있다. 점화 시기를 지연시키거나 엔진 부하를 감소시키는 것도 노킹 방지에 효과적이다. 또한, 흡기 온도를 제어하거나 애프터마켓 솔루션으로 물 분사 시스템을 사용하여 연소실 최고 온도를 낮추는 방법도 있다.
압축비 감소, 배기 가스 재순환(EGR), 엔진 점화 타이밍 일정의 적절한 보정, 엔진 연소실 및 냉각 시스템의 신중한 설계 역시 최고 연소실 온도를 제어하여 노크를 줄이는 데 기여한다. 초기 공기 흡입 온도를 제어하는 것도 중요하다.
특정 연료 구조도 노킹 발생에 영향을 미치는데, 분지형 사슬 파라핀은 노킹에 저항하는 경향이 있는 반면, 직쇄 파라핀은 쉽게 노킹을 일으킨다. 난기류 역시 중요한 요소로 작용하며, 난기류가 좋은 엔진은 그렇지 않은 엔진보다 노킹 발생 경향이 낮다.
디젤 엔진의 경우, 연료 분사 방식과 연소실 설계 등을 통해 노킹을 줄일 수 있다. 간접 분사 방식은 직접 분사 방식보다 노킹 수준이 낮은 경향을 보인다.
3. 3. 디젤 엔진에서의 노킹
디젤 엔진에서 노킹은 연료 분사 지연으로 인해 발생할 수 있다. 연료가 압축 행정 말기에 고압축 공기에 분사될 때, 분사된 연료와 연소 시작 사이에 짧은 지연이 발생한다. 이 시간 동안 연소실에는 이미 충분한 양의 연료가 존재하며, 이 연료는 완전히 충전되기 전에 산소 밀도가 높은 영역에서 먼저 점화된다. 압력과 온도의 급작스러운 증가는 특유의 디젤 '노크' 또는 '딸깍' 소리를 유발하며, 엔진 설계 시 어느 정도는 허용된다.
인젝터 펌프, 연료 인젝터, 연소실, 피스톤 크라운 및 실린더 헤드의 설계를 최적화하여 노킹을 줄일 수 있다. 전자 커먼 레일 분사 방식을 사용하는 최신 디젤 엔진은 노킹 수준이 매우 낮다. 간접 분사 엔진은 직접 분사 엔진보다 노킹이 적은 경향이 있는데, 이는 연소실 내 산소 분산이 더 잘 이루어지고 분사 압력이 낮아 연료와 공기가 더 잘 혼합되기 때문이다.
디젤 엔진의 노킹은 가솔린 엔진의 노킹과는 다른 현상이다. 디젤 엔진의 노킹은 불안정한 연소가 아니라 매우 빠른 압력 상승률 때문에 발생한다. 디젤 연료는 가솔린 엔진에서 쉽게 노킹을 일으킬 수 있지만, 디젤 엔진에서는 연료가 팽창 행정 중에만 산화되므로 노킹이 발생할 시간이 없다.
4. 한국 자동차 산업과 연소 기술
4. 1. 연소 기술 개발 동향
4. 2. 친환경 기술 개발 동향
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com