최근 SUV나 RV 차는 최고의 호황을 누리고 있다. 이렇게 SUV나 RV 차가 많은 인기를 끌고 있는 이유 중에 하나가 바로 디젤 엔진의 장점 때문이다. 디젤 엔진은 가솔린 엔진과 비교해 연료 소비율 및 가격이 저렴하다. 또한 기술적인 문제로 보면 가솔린 엔진에서 나타나는 노킹 문제가 없기 때문에 배기량을 크게해서 출력이 큰 엔진을 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다.

디젤 엔진은 가솔린 엔진과 비교해 보면 다음과 같은 장점을 가지고 있다. ▶압축비가 가솔린 엔진보다 높기 때문에 열효율이 좋다 ▶인화점이 높은 경유를 연료로 사용하기 때문에 위험성이 적다 ▶압축열이 충분히 발생하도록 압축비를 크게 해야 하며 폭발압력도 크다. 따라서 전체적으로 튼튼하게 만들어져 있기 때문에 마력당 중량이 크다 ▶운동부분의 중량이 크기 때문에 최고 회전수가 낮으며, 실린더 용적당 마력도 작아지지만 회전수의 변동에 대한 토크의 변동은 적다. 즉 힘이 좋다 등을 들 수 있겠다.

<그림 1>과 같이 배기가스의 유동 에너지를 이용해 터빈을 구동하면 흡입하는 공기를 가압해 공급할 수 있으며 출력을 용이하게 할 수 있다. 따라서 트럭, 버스 등에서는 이와 같이 ‘배기 터보 과급기’가 사용되는 경우가 많다.

디젤 엔진의 역사

루돌프 디젤은 파리의 린데식 냉동기계제작 주식회사에 다니고 있을 때(1893년, 35세) <합리적 열기관의 이론과 구조>라는 논문을 발표했는데 이것이 디젤 엔진에 관한 최초의 논문이다.  

그 해, 디젤 엔진을 독일의 아우구스부루크 기계제작소에서 시험제작을 했지만 운행도 하지 못하고 실패로 끝났다. 그러나 이 시험제작에서 맨 처음 공기만을 압축해 연료를 주입하면 충분히 연소시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 두 번째의 시험제작도 같은 공장에서 이루어 졌다. 즉 첫 번째의 엔진과 비교할 때 휠씬 진보한 것으로서 실린더에 워터 재킷을 설치해 연료류의 분사에 압축공기를 이용했고, 캠축은 실린더 헤드에 배치되어 있었다. 이 엔진도 역시 실용 단계까지는 이르지 못했지만 운전은 할 수가 있었으며 운전 중 그 엔진의 지압선도 말들 수 있었다. 또한 압축공기의 온도에서도 연료를 확실히 연소시킬 수 있다는 것을 재확인 할 수 있었다.

세 번째의 시험제작 엔진은 1897년에 완성했으나 이 엔진은 두 번째부터 4년이라는 장기간의 연구 끝에 만들어진 것으로, 18마력을 얻는데 성공했다. 열효율은 38%를 나타내고, 그 후 최대 48%를 기록했다고 한다.

디젤 엔진이 상품으로 시장에 나타난 것은 세 번째의 시험제작이 성공해 실용가치를 인정받은 1897년경부터다. 캠프텐의 성냥공장에서 제작한 60마력의 엔진이 역사상 디젤 엔진의 최초가 된다. 그 후 점차로 개량되어 열효율이 높고, 성능이 좋은 엔진이 수 차례 제작되었다.

루돌프 디젤은 이후에도 계속해서 디젤 엔진을 연구해 1909년 4사이클식 4실린더 매분 600회전에서 30마력을 내는 차를 제작했지만 오늘날의 엔진과는 달리 공기분사식이며 자동차용으로는 여러 가지 난점이 있어서 실용화되지 못했다.

그 후 영국의 빅커스 회사에서 1910년 기존의 공기분사 대신 무기분사(Airless Injection System)의 실험에 성공했다. 이 분사방식은 공기분사방식에 비해 많은 특징을 가지며, 디젤 엔진이 처음으로 고속 엔진으로서의 기능을 발휘할 수 있게 되어 실용가치는 결정적인 것이 되었다. 그후 프랑스의 푸조, 독일의 다임러-벤츠에서 고속 디젤 엔진의 연구가 이루어져 우수한 엔진이 완성되었다.

미국도 1931년 ‘커민즈 엔진’이 처음으로 자동차용으로 적용되어 인디아나 폴리스의 800km 시험구간에서 156.8km/h의 속도를 냈다고 한다.

4사이클 디젤 엔진

4사이클 엔진이란 엔진의 기본작동인 흡입, 압축, 연소, 배기를 피스톤의 4행정.

다시 말해 크랭크축의 2회전으로 완료하는 것이다. 디젤 엔진에서는 우선 실린더 내로 공기를 흡입하는 흡입행정, 흡입한 공기를 연소실로 압축해 고온화 하는 압축행정, 고온화 한 공기 중에 연료를 분사해 연소시켜 동력을 발생시키는 연소행정, 배출가스를 실린더 밖으로 배출하는 배기행정이 있다.

▶ 흡입행정

흡입효과를 좋게 하기 위해서는 피스톤이 하강하기 전부터 흡기 밸브는 이미 열려 있으며, 피스톤이 하강함에 따라 신선한 공기가 실린더 내로 흡입된다. 또한 공기를 충분히 흡입하도록 하기 위해 피스톤이 하사점에 도달해도 흡기 밸브는 아직 열린 채로 있게 된다.

▶ 압축행정

피스톤이 하사점에서 상승하기 시작해 흡기 밸브가 닫히면 실린더내의 공기에 압축작용이 시작된다. 앞에 설명한 것과 같이 공기를 압축해 연료의 자기 착화 온도 이상의 고온으로 만들 필요가 있으므로 엔진 시동 때의 회전수가 낮을 때도 압축압력은 20∼30kgf/㎠ 정도가 되며 그 압축온도는 400∼500℃에 이른다.

▶ 연소행정

압축행정의 끝 가까이에서 연료를 100kgf/㎠ 이상의 고압으로 노즐에서 안개모양으로 분사하면 압축열에 의해 연료는 자기착화해 연소하며, 온도 및 압력이 급상승해 피스톤은 상사점을 지나서 연소가스압에 의해 하사점으로 밀려 내려간다.

▶ 배기행정

배기가스의 배출을 효과적으로 하기 위해 피스톤이 연소행정의 하사점에 도달하기 조금 전부터 배기 밸브가 열리며 연소가스는 자기의 압력으로 실린더 밖으로 불어낸다. 그 후 피스톤의 상승에 의해 밀려나간다. 또한 배기를 완전히 하기 위해 배기 밸브는 피스톤이 상사점을 지나서부터 잠시 동안 열려 있다가 닫힌다.

흡기 및 배기 밸브의 개폐시기를 밸브 타이밍이라고 하며 <그림 3>는 4사이클 디젤 엔진의 밸브 타이밍을 도표화한 밸브 타이밍 다이어그램의 일례다.

2사이클 디젤 엔진

2사이클 디젤 엔진에서는 흡입, 압축, 연소, 배기의 작용이 피스톤의 2행정.

다시 말해 크랭크축의 1회전으로 완료하는 것으로 흡입과 압축, 연소와 배기의 작용을 각각 피스톤의 1행정으로 해야 하므로 공기의 과급기가 필요하게 된다.

UD형 2사이클 디젤 엔진을 예로 들어 설명하면 예압한 공기를 만들기 위해 과급기가 <그림 4>에 나타낸 것과 같이 엔진의 측면에 장치되어 있으며, <그림 5>의 실린더 라이너의 측면 주변에는 4사이클 엔진의 흡기 밸브에 상당하는 소기구멍이 여러개 뚫려 있으며 개폐는 피스톤으로 하게 된다. 또한 배기 밸브는 4사이클 엔진과 마찬가지로 실린더 헤드 위에 설치되어 있다.

▶ 소제(흡입)  

피스톤이 하강해 라이너의 소기구멍을 피스톤의 상단으로 열어주면 루츠 블로어에서 예압된 신선한 공기가 실린더 내로 진입해 배기가스를 밀어냄과 동시에 흡입작용을 한다.

▶ 압축

피스톤이 상승해 소기구멍이 닫히게 되어 다음에 배기 밸브가 닫히면 공기는 압축된다.

▶ 연소

피스톤이 또다시 상승해 상사점 직전이 되면 고압, 고온이 된 연소실 내의 공기 중에 노즐에서 고압의 연료가 분사되어 자기 착화에 의해 연소를 일으키며, 이 연소가스의 압력으로 피스톤이 밀려 내려간다.

▶ 배기

피스톤이 하강해 연소의 끝 부근에서 배기 밸브가 열리면 연소가스는 자기의 압력으로 실린더 밖으로 밀려나간다. 또다시 피스톤이 내려가면 실린더 라이너의 소기구멍이 열려 루츠 블로어로 예압된 공기가 진입해 남아 있던 배기가스를 완전히 배출하고, 신선한 공기가 실린더 내에 충전된다.

2사이클 엔진의 밸브 타이밍 다이어그램을 나타내면 <그림 6>와 같이 되며, 배기 밸브는 반드시 소기구멍이 열리기 전에 열리며 소기구멍이 닫힌 후에 닫힌다.

2와 4사이클 디젤 엔진의 장·단점과의 비교

2사이클 디젤 엔진을 기준으로 비교해본다. 반대로 생각하면 4사이클 디젤 엔진의 장·단점이 된다.

▶ 크랭크축의 1회전마다 연소행정이 있으므로 4사이클 엔진에 비해 토크가 균일하며 진동도 적다.

▶ 회전수, 정미평균유효압력이 같다고 하면 같은 배기량의 엔진에서는 2사이클 엔진은 4사이클 엔진의 2배의 출력이 나온다. 실제로는 각종 문제가 있기 때문에 1.7배 정도가 된다.

▶ 소형 엔진에서는 밸브기구를 생략할 수 있으므로 취급이 간단해지며 제작비도 저렴하다.

▶ 크랭크축의 1회전마다 연소(팽창)행정이 있으므로 실린더수를 적게 할 수 있다.

▶ 흡입, 배기에 요하는 시간이 짧으므로 소기작용이 불충분해지기 쉽다.

▶ 압축행정의 초기에 실린더 내의 공기가 배기구멍으로부터 빠져나가기 쉽고, 그 때문에 흡입효과가 저하된다. 따라서 출력이 어느 정도 작아지게 된다.

▶ 연소행정이 4사이클 엔진의 2배가 되므로 각부의 열부하가 커진다.

▶ 비교적 대형의 실린더수가 많은 엔진에서는 소기 펌프를 갖출 필요가 있으며 그 때문에 구조가 복잡해지기 쉽다.

※정미평균유효압력이란? 엔진의 실마력으로 구한다. 1

사이클 중에 평균적으로 피스톤 헤드를 밀어내는 힘으로

서 유효하게 작용하는 압력이라고 할 수 있다.

※ 열부하: 부품이 받는 열량과 그 부품이 냉각되는 방열에 의해 방출하는 열량과의 관계로 수열량이 커지는 것을 열부하가 커진다라고 한다.