디젤 엔진

3. 작동 원리

디젤 엔진은 가솔린 기관과 달리 전기 점화 장치 없이 공기를 압축하여 발생한 고열을 이용해 연료를 스스로 발화시키는 압축 점화 방식으로 작동한다.

실린더 내로 흡입된 공기는 압축되어 온도가 높아진다. 이후 연료 분사 장치를 통해 연료가 고압으로 분사되면, 고온의 압축 공기와 만난 연료가 자연 발화하면서 연소가 시작된다.

디젤 엔진은 연료 분사량으로 출력을 제어하므로 스로틀 밸브가 필요 없다. 항상 흡입 공기 과잉의 희박 영역에서 운전되지만, 불균일한 확산연소 때문에 부분적으로 입자상 물질(PM)이 발생하고, 연료가 희박한 영역에서는 질소산화물(NO_x)이 발생한다.

연료 분사 장치는 연소실에 연료를 고압으로 분사한다. 연소실 형상에 따라 단실의 직접 분사식과 부실식(예연소실식·와류실식)으로 나뉜다. 1990년대 이후 연료 분사 압력을 높일 수 있게 되면서 소형 배기량 엔진에서도 직접 분사식이 주류를 이루게 되었다. 승용차나 소형 상용차 등 기통당 용적이 700cc 정도보다 작은 엔진에서 일반적이었던 부실식은 질소산화물(NO_x)과 미연소 탄화수소 발생은 적지만, 효율이 낮아 현재는 디젤 연료를 사용하는 대형 가스 엔진 점화에 주로 사용된다.

3. 1. 연소 과정

3. 2. 열역학 사이클

4. 디젤 엔진의 종류

디젤 엔진은 작동 방식에 따라 2행정 기관과 4행정 기관으로 나뉜다. 대부분의 경우 4행정 기관을 사용하며, 일부 대형 기관의 경우에는 2행정 기관을 사용한다.^[1][2]

4. 1. 작동 방식에 따른 분류

• '''4행정 기관''': 대부분의 디젤 엔진이 이 방식을 사용한다. 피스톤이 아래-위-아래-위 순서로 움직이며 한 사이클을 완료한다.

• '''2행정 기관''': 일부 대형 기관에서 사용된다. 피스톤이 아래-위로 움직이며 한 사이클을 완료한다.

• 슈퍼차저와 터보차저를 통해 빠르게 공기를 흡입하고, 배기 밸브를 통해 연소된 가스를 빠르게 배출한다.

• 4행정 기관보다 한 사이클당 폭발 행정이 2배이므로 크기가 작고 큰 힘을 내는 데 유리하다.

## 확산 연소

• 디젤 기관은 분무 연소에서의 액적의 확산 연소이다. 연소실 내의 압축 가열된 공기에 액체 연료를 분사하면, 여러 개의 미세한 액적이 증발하면서 개별적으로 표면의 확산 영역이 연소하기 쉬워지고, 자기 발화와 확산 연소를 반복하여 이웃 액적에 연소가 확대된다. 최근, 액적 간의 연소 확대의 주요 원인은 점화를 수반하는 마랑고니 대류에 의한 증발 가스의 분출이며, 점화를 전파하는 것으로 밝혀졌다. 그리고 중력 하에서는 고압일수록 자연 대류에 의해 마랑고니 대류가 저해되어 연소 확대 속도가 저하된다.^[44]

• 확산 연소는 한꺼번에 점화, 연소하지 않으므로, 화염 점화·균일 예혼합 연소에서 일어나는 점화 플러그를 기점으로 퍼지는 화염면의 전파는 없다. 적절한 점화 지연은 확산, 혼합 영역의 확대로 양호한 확산 연소를 가져오고, 연소실의 구석에는 공기만 남아 있으므로 압축비가 높더라도 이상 연소에 의한 노킹은 발생하지 않는다. 그러나 저온 시동 시나 점화성이 나쁜 연료에서는 긴 점화 지연으로부터 한꺼번에 예혼합적으로 연소하는 디젤 노킹이 발생한다.

• 경유 디젤이 확실히 저온 시동하기 위해 압축비를 16~18 정도로 해 왔다. 이 고압축비에서는 예열 후 고부하 시에 다량의 연료 분사가 이루어지면 연소실이 발화점을 크게 초과하므로 연료가 현저하게 불균일하고 짙은 영역에서 기화하기 전의 액적까지 조기에 발화하여 저산소 상태에서 불완전 연소하여 다량의 그을음상 PM이 발생했다. PM은 발암성이 있는 대기오염 물질이 된다. 원래는 충분히 확산하여 기화 직전의 액적의 표면에서 내부로 향하여 완전 연소하고 싶다. 또한 완전 연소하는 조건에서도 공기 과잉의 연소 가스가 고온, 고압이 되므로 남은 산소와 질소가 결합하여 질소산화물(NO_x)도 다량 발생한다.

• 종래에는 "압축 점화"의 조건을 우선시하여 "확산 연소"에는 고압이어서 과조기 점화에 의한 불완전 연소로 배기가스가 더럽고 효율도 저하되었다. 고압축의 문제를 저감하면서 상사점에서 점화했을 때의 충분한 팽창비를 고려하면 자동차용 경유 디젤의 압축비는 14 정도가 좋다고 여겨진다. 이 압축비에서 연료가 자기 발화할 수 있는 수단으로 연료 분사의 고압화와 다단 분사가 필요하게 된다. 고압 연료 분사로 유적을 미세화하여 기화하기 쉽게 하고, 다단 연료 분사에 의해 공기를 포함한 확산 영역을 확대하여 고온이 되지 않는 분위기에서 완전 연소시킨다. 저온 시동에는 #예열 기구를 확충한다.

• 이러한 불균일한 확산 연소는 균일 혼합기가 연소실 전체에 퍼지기 전에 발화하는 것과 같으므로 원리적으로 실린더 용적을 다 사용하는 것이 어렵고, 용적당 출력이 낮다. 고압축이므로 연소 속도가 느리고 고회전으로 운전할 수 없다.

• 1995년에는 디젤 기관의 저부하 영역에서 PCCI(Premixed Charged Compression Ignition, [불균일] 예혼합 압축 점화)가 실용화된다. 이것은 흡기 과정에서 연료를 분사하여 불균일한 예혼합기를 생성한 후 한꺼번에 압축 점화시키는 것으로, 제어된 노킹이라고 할 수 있다. 예혼합 연소이므로 PM이 발생하지 않는 데다, EGR과 병용하여 저부하 시의 연소 온도를 저하시켜 디젤 노킹과 NOx를 저감하면서 희박 연소에 의한 연비를 향상시키는 수단으로 여겨진다.^[45]

• 그러나 PCCI는 고부하 시에는 심한 디젤 노킹을 발생시키므로 사용할 수 없다. 고부하 시의 유해 배기 저감에는 압축비 14 정도로 깨끗한 확산 연소를 실현하는 것이 필요하게 된다.

4. 2. 연소실 구조에 따른 분류

4. 3. 회전 속도에 따른 분류

5. 연료 분사

디젤 엔진의 연료 분사는 점화 플러그를 사용하는 가솔린 기관과 달리, 압축된 공기의 고온을 이용하여 연료를 자연 발화시키는 방식이다.

연료가 연소될 때 발생하는 열에너지는 실린더 내부 온도를 2,480℃까지 높이고, 약 100kg/cm²의 압력을 생성한다. 이 압력이 피스톤을 밀어내고, 크랭크축을 회전시켜 동력을 얻는다.

연료 점화를 위한 압축비는 실린더 크기에 따라 다르며, 대형은 약 13:1, 중형은 약 14.3:1, 소형은 약 20:1 정도이다. 디젤 기관은 주로 경유를 사용하며, 이는 휘발유보다 저렴하고 열효율이 높다.

20세기 대부분의 구성에서 연료 분사는 주로 기계식으로 이루어졌으나, 오늘날 대부분의 디젤 엔진은 전자 제어식 연료 분사 시스템을 사용한다. 초기에는 압축 공기를 이용해 연료를 분사하는 '공기 분사' 방식도 있었지만, 효율이 낮고 압력을 높이기 어려워 현재는 사용되지 않는다.

5. 1. 기계적 또는 전기적 분사

• 커먼 레일 (Common Rail)

• 유닛 인젝터 (Unit Injector)

5. 2. 직접 분사

• 열형(列型) 분사 펌프: 하나의 플런저 펌프가 단기통의 연료 가압과 토출을 담당하고, 기통 수만큼의 펌프가 일렬로 나열되어 있는 구조이다.
• 분배형(分配型) 분사 펌프 (로터리 펌프): 하나의 플런저 펌프가 전 기통의 연료 가압과 토출을 실현한다.

• : 분사 펌프와 분사 밸브가 일체형인 분사 장치로, 1930년대부터 기계식이 존재했으며 1990년대에 전자 제어화되었다.

5. 2. 1. 커먼레일 직접 분사

5. 3. 간접 분사

6. 디젤 엔진의 특징

디젤 엔진은 가솔린 기관과 달리 점화 플러그 없이 공기를 압축하여 발생한 열로 연료를 점화시키는 압축 착화 방식을 사용한다. 실린더 내부에 공기를 압축하여 온도를 높인 후, 연료(경유 계통)를 분사하여 스스로 점화되도록 한다. 연료가 연소되면서 발생하는 높은 압력(약 100kg/cm²)이 피스톤을 밀어내고, 이 힘이 크랭크축을 회전시켜 동력을 생성한다.

디젤 엔진은 연료 분산이 고르지 않은 불균질 공연비 혼합 상태에서 연소가 이루어지며, 공연비(λ)를 조절하여 토크를 제어한다. 흡입 공기를 조절하는 대신 분사되는 연료량을 변경하여 공연비를 조절하며, 일반적으로 높은 공연비를 유지한다.

확산화염 방식으로 연소되기 때문에, 연소 전에 연료와 산소가 미리 섞여 예혼합화염을 형성하는 가솔린 엔진과 달리, 연소 시 산소가 화염으로 확산되어야 한다.

디젤 엔진의 압축비는 대형 실린더는 약 13:1, 중형은 약 14.3:1, 소형은 약 20:1 수준으로 매우 높다. 높은 압축비는 높은 팽창비로 이어져 열효율을 높이는 요인이 된다. 하지만, 높은 압축비는 마찰 손실과 부품 무게 증가에 따른 관성 손실을 증가시켜 기계적 손실을 유발하기도 한다.

최근에는 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 기술 발전으로 인해, 두 엔진의 특징이 서로 융합되는 경향을 보인다. 예를 들어, 마쓰다(Mazda)는 압축비를 14로 통일한 고압축비 가솔린 엔진과 저압축비 디젤 엔진을 출시했다. 또한, 가솔린 엔진에서도 흡기 가변 밸브 타이밍 기구나 저온 다량 EGR 밸브를 통해 흡입량을 조절하여 스로틀 밸브의 필요성이 줄어들고 있다.

디젤 엔진의 주요 특징은 다음과 같다.

• 압축 착화 사용 (점화 장치 불필요)
• 실린더 내부 혼합기 형성
• 흡입 공기 조절 없이 연료량 조절을 통한 토크 제어
• 높은 공기-연료비
• 확산화염 연소
• 불균질 공기-연료 혼합
• 높은 세탄가 연료 선호 (가솔린 엔진은 높은 옥탄가 연료 선호)

6. 1. 장점

• 높은 열효율: 디젤 엔진은 매우 높은 팽창비와 희박 연소로 인해 열 방출을 효율적으로 하여, 현존하는 내연기관 또는 외연기관 엔진 중 가장 높은 열효율을 자랑한다. 저속 디젤 엔진(선박 등)은 최대 55%의 효율을 달성할 수 있다.
• 연료 효율성: 높은 압축비 덕분에 발화점만 확보되면 정제도가 낮은 저렴한 연료(예: 중유, 식용유, 폐윤활유)를 사용할 수 있다. (단, 경우에 따라 아세톤, 나프타, 알코올 및 예열로 유동성을 높일 필요가 있으며, 고가의 전처리 장치나 특수한 엔진 오일이 필요하다.)
• 저렴한 연료: 디젤 기관은 휘발유보다 저렴한 경유 계통의 연료를 주로 사용하며, 열효율이 높다.
• 큰 엔진 제작 가능: 확산 연소의 특징으로 기통 용적당 출력은 낮지만, 기통 용적에 제한이 없어 거대한 엔진을 만들 수 있다. 열효율이 좋기 때문에 필요한 출력을 얻을 때까지 엔진을 대형화할 수 있으며, 이는 대형 선박 등 저속 회전, 대출력이 필요한 용도에 매우 적합하다. 실제로 초대형 저속 디젤 엔진은 대형 상선의 주기관으로 널리 사용된다.
• 과급에 용이: 공기만을 압축한 상태에서 연료가 자기 발화하기 때문에, 예혼합 연소 가솔린 엔진에서 문제가 되는 노킹이나 데토네이션이 발생하지 않는다. 따라서 과급에 의한 흡입 충전량 증가로 기통 용적당 저출력을 보완하기 용이하다. 터보차저를 통해 배기 에너지의 일부를 회수하여 효율을 유지하면서 배기량 1리터당 출력을 100마력 이상으로 높일 수 있다.
• 구조 단순화 및 신뢰성: 점화 장치와 스로틀 밸브가 필요 없어 구조가 단순하고 신뢰성이 높다.
• 안전성: 디젤 연료는 가솔린보다 인화점이 약 80℃ 높아 폭발이나 화재 사고 위험이 적다. 이는 피탄 가능성이 있는 군용 차량에서 특히 중요한 장점이다.

6. 2. 단점

• 높은 초기 비용: 엔진 본체는 높은 압축비에 견딜 수 있는 구조 강도가 필요하여 크고 무거워지며, 초기 비용이 높다.
• 낮은 회전 영역: 작동 회전 영역은 가솔린 엔진보다 낮고 좁기 때문에 차량 출발에는 유리하지만, 더 많은 단수의 변속기가 필요하다.
• 높은 엔진 가격: 가솔린 엔진과 다른 특성에 맞는 장치(연료 분사 장치, 배기가스 처리 장치 등)가 필요하여 엔진 전체 제작 비용이 높아진다.
• 진동 및 소음: 원리적으로 진동과 소음이 커서 2차 밸런서 추가, 방진 고무 사용, 압축 해제 제동 등의 기술이 필요하다.
• 낮은 출력 중량비: 무게가 많이 나가 엔진의 출력 중량비가 나쁘다.
• 배기가스 문제: 확산 연소로 인해 매연과 미세먼지(PM)가 발생하기 쉽고, 연소실 내부 고온 고압 및 희박 연소 영역에서 산소와 질소 과잉으로 NOx도 발생하기 쉽다. 삼원촉매를 사용할 수 없어 PM과 NOx 대책에 별도의 후처리 장치가 필요하며, 이는 무게 증가와 비용 상승으로 이어진다.^[4]

7. 주요 제조사

디젤 엔진의 주요 제조사는 국가별, 분야별로 다양하게 존재한다.

대한민국과 일본의 제조사들은 하위 섹션에서 상세히 다루고 있으므로, 여기서는 기타 국가의 주요 제조사들을 간략하게 소개한다.

• 독일:
• MTU: 디트로이트 디젤(미국)의 자동차용 엔진을 제외한 사업을 통합했다.
• 다임러(Daimler AG): 메르세데스-벤츠와 디트로이트 디젤(미국) 자동차 엔진 부문, 미쓰비시 후소 트럭버스(일본)를 계열사로 거느리고 있다.
• [http://www.deutz.de/ 도이츠](Deutz AG)
• MAN Diesel & Turbo SE: 디젤 엔진을 개발한 루돌프 디젤을 擁하고 있었으며, 버마이스터 & 와인(B&W)(덴마크)과 SEMT 빌스티크(프랑스)를 인수했다.
• 프랑스:
• 푸조 시트로엥 모터(PSA 그룹의 엔진 제조 담당)
• 르노(Renault)
• 스웨덴:
• 볼보(Volvo)
• 스카니아(Scania)
• 핀란드:
• [http://www.sisudiesel.com/ 시수](Sisu Diesel)
• Wärtsilä바르질라(Wärtsilä): 술저(Sulzer)(스위스)를 인수했다.
• 영국:
• 롤스로이스 홀딩스(Rolls-Royce Holdings): 인수한 구 Bergen社(노르웨이)의 선박용 디젤 엔진이 주력이며, MTU도 인수
• 기타:
• [http://www.perkins.com/ 퍼킨스](Perkins)(영국)
• 캐터필러
• 커민스
• 나비스타 인터내셔널
• 제너럴 모터스: 일렉트로-모티브 디비전(GM-EMD)에서 기관차용 엔진을 생산한다.

7. 1. 대한민국

• 현대자동차그룹 (현대자동차, 기아자동차)
• 현대중공업: 자사 4행정 기관과 MAN B&W, Wärtsilä, Mitsubishi UE 2행정 기관의 라이선시

7. 2. 일본

7. 3. 기타 국가

• 독일
• Tognum AG의 자회사인 MTU는 2011년 9월 Daimler AG와 Rolls-Royce plc의 합작회사인 Engin Holding GmbH가 Tognum의 최대 주주가 되었다.
• MTU
• 디트로이트 디젤(미국)의 자동차용 엔진을 제외한 사업을 통합
• 다임러(Daimler AG)
• 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)를 계열사로 거느리고 있다.
• 디트로이트 디젤(미국) 자동차 엔진 부문을 계열사로 거느리고 있다.
• 미쓰비시 후소 트럭버스(Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corporation)(일본)를 계열사로 거느리고 있다.
• [http://www.deutz.de/ 도이츠](Deutz AG)
• Volkswagen AG(폭스바겐 그룹)이 MAN SE(MAN 그룹의 지주회사)를 인수
• MAN Diesel & Turbo SE: 디젤 엔진을 개발한 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)을 擁하고 있었다.
• B&W버마이스터 & 와인(B&W)(덴마크)를 인수
• SEMT 빌스티크(SEMT Pielstick)(프랑스)를 인수하여 MAN DIESEL SAS(프랑스)로 함.
• 프랑스
• 푸조 시트로엥 모터(PSA 그룹의 엔진 제조 담당)
• 르노(Renault)
• 스웨덴
• 볼보(Volvo)
• 스카니아(Scania)
• 핀란드
• [http://www.sisudiesel.com/ 시수](Sisu Diesel)
• Wärtsilä바르질라(Wärtsilä)
• Sulzer술저(Sulzer)(스위스)를 인수하여 (현재 바르질라, 스위스)로 함
• 영국
• 롤스로이스 홀딩스(Rolls-Royce Holdings) 인수한 구 Bergen社(노르웨이)의 선박용 디젤 엔진이 주력이며, MTU도 인수
• 기타
• [http://www.perkins.com/ 퍼킨스](Perkins)(영국)
• 캐터필러
• 커민스
• 나비스타 인터내셔널(en:Navistar International Corporation)
• 제너럴 모터스
• 일렉트로-모티브 디비전(GM-EMD) - 기관차용 엔진을 생산

8. 환경 문제 및 대응

디젤 엔진은 효율이 높지만, 입자상 물질(PM)과 질소산화물(NOx) 등 대기 오염 물질을 배출하여 환경 문제를 일으킨다.^[91] 이러한 문제에 대응하기 위해 다양한 기술적, 정책적 노력이 이루어지고 있다.

디젤 엔진은 액적 형태의 연료를 연소시키는 방식 때문에 연소 찌꺼기 형태로 PM과 검댕이 발생하기 쉽다. 또한, 고온 고압 조건에서 과잉 공기를 흡입하므로 NOx 생성량도 많다. 디젤 엔진은 저부하 시 공연비가 희박하지만, 균일 예혼합 연소가 아니므로 NOx 저감 효과는 없다. 오히려 액적 주변 공기만 소비하는 불균일 확산 연소로 인해 연소 온도가 높아져 다량의 잉여 공기를 가열, 고부하 시보다 더 많은 NOx를 생성한다.

디젤 엔진은 배기가스에 산소가 많아 휘발유 엔진에 쓰이는 삼원촉매를 사용할 수 없다.

세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소(IARC)는 2012년 6월 디젤 엔진 배기가스를 "인체 발암성 있음(그룹 1)"으로 상향 조정했다.^[94][95] 이는 미국 국립암연구소/국립노동안전보건연구소의 대규모 역학조사 결과에 따른 것이다.

8. 1. 배기가스 규제

8. 2. 배기가스 저감 기술

8. 3. 한국의 정책

참조

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_[3] 웹사이트 Every New 2021 Diesel for Sale in the U.S. Today https://www.caranddr[...] 2022-12-05
_[4] 웹사이트 The Best 15 Best Diesel Vehicles of 2021 https://cars.usnews.[...] 2022-12-05
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