HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

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제 3 장 내연기관의 성능 일반목표 내연기관의 성능을 나타내는 변수들은 무엇인가? 각 변수들의 성질과 성능계산에 응용하는 방법을 숙지한다. 세부목표 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

내연기관의 주요 성능 요약 마 력 일 량 평균유효압력 효 율 연료소비율 이론마력 THP Wth Pmth 도시마력 IHP Wi Pmi 제동마력 BHP We Pme 마찰마력 FHP Wf Pmf THP ; Theoretical Horse Power IHP ; Indicated horse power BHP ; Brake Horse Power FHP ; Friction Horse Power HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

성능에 관련된 기본용어 외워라 단위시간당의 연료소비량 기관의 연료소비율 선도계수(Diagram Factor) 기계효율 (Mechanical Efficiency) HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

3.1 기관의 출력(Engine Output) 기관의 출력은 PS(Prede Starke : 프랑스, 독일 기호), HP(Horse Power ; 영국기호) 우리나라는 프랑스 기호를 사용함. 1[PS]=75[kgfm/s]=0.736[kW] 이론마력(Theoretical Horse Power : THP) ; 설계상의 압축비와 Cycle에 따라 계산된 마력 Pmth ; 이론평균유효압력, 단위는 kgf/cm2 A ; cylinder 단면적, 단위는 cm2 L ; Piston의 행정거리, 단위는 m Z ; Cylinder 수, 단위는 없음(숫자이므로) N ; Engine의 분당 회전수, 단위는 R/M =RPM I ; 4행정기관=1/2, 2행정기관=1 ; 회전당의 폭발수 * 앞으로 모든 출력은 이 단위를 기준으로 함 공식 해설 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

2) 도시마력( 圖示馬力 ; Indicator Horse Power : IHP) ; 지압선도(Indicator Diagram) 상에 나타난 면적(일량)을 출력으로 환산한 것. 3) 제동마력(制動馬力 ; Brake Horse Power : BHP) ; Crank Shaft에 직결된 축의 회전력을 동력으로 환산한 것. 축마력( Shaft Horse Power ; SHP ) 유효마력( Effective Horse Power ; EHP ) 정미마력( Net Horse Power ; NHP ) 제동마력의 다른 표현 T = PR ; 축의 회전력 P = 동력계의 하중[kgf] R = 동력계 Arm의 길이[m] 총 배기량 = HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

동력계(Dynamometer) System HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

4) 공칭마력(Royal Automobile Club ; RAC ) ; 과세 또는 면허의 기준이 되는 것으로 SAE 마력이라고도 한다. 선박직원법에 따른 선박기관의 공칭마력 4 cycle : A = 6, B = 29,000 2 cycle : A = 6, B = 16,000 5) 비출력(Specific Horse Power) 리터마력 : 기관의 단위 행정용적당의 축출력 = BHP/Vs = Kl 중량마력 : 기관의 단위 무게당의 축출력 =BHP/WE = Kw 6) 마찰마력(Friction Horse Power) 기관이 작동하는데 필요한 소비동력으로 도시마력과 축마력의 차이다. FHP = IHP - BHP HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

3.2 기관의 효율 1) 제동열효율(Brake Thermal Efficiency) Gf = 연료의 소비량[kgf/s]
3.2 기관의 효율 1) 제동열효율(Brake Thermal Efficiency) Gf = 연료의 소비량[kgf/s] A= 일의 열당량[kcal/kgf m] Hl= 발열량[kcal/kgf] 제동연료소비율(Brake Fuel Consumption Ratio 1[PS]이 1 시간 동안에 한 일을 열량으로 환산하면 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

2) 기계효율(Mechanical Efficiency) 잘 알았지? 선도계수(Diagram Factor) 도시열효율 기계효율 제 동 열 효 율 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

3) 체적효율(Volumetric Efficiency) 운전상태에서 행정용적을 차지하는 신기의 중량(Ga)과 실제로 흡입된 신기의 중량(Ge) 비 4 행정 기관인 경우 (a) HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

4) 충전효율(Charging Efficiency) 표준상태에서 행정용적을 차지하는 신기의 중량(Go)과 운전상태에서 실제로 흡입된 신기의 중량(Ge) 비 4 행정 기관인 경우 (b) 식 (a)와 (b)에서 상태식 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

3.3 공기량과 기관출력의 관계 (c) 흡입 공기량 기관의 출력 식(c) 에서 이것을 출력 식에 대입하면 (d)
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Cycle Engine의 소기방식 단류식 소기법(Uni-flow Type Scavenging) 1) Port type(門孔型) ; 대향 피스톤형(Opposed Piston Type) 逆-U字 실린더형(Inverted U Type) 2) Valve in Head Type(頭上弁型) ; Valve Exhaust-Port Scavenging type(변 배기 - 공 소기형) Valve Scavenging-Port Exhaust type(변 소기 - 공 배기형) 2. 복류식 소기법(Double Flow or Bottom Flow Type) 1) Port Type ; Side port scavenging type(횡진 소기법) Reversed type(반전형) Loop type : Schnurle type, List type, Curtis type 2) Valve Control Type(官制弁型) ; Scavenging Port Control Type(소기공 관제형) Exhaust Port Control Type(배기공 관제형) HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

잘 보았지? Double Flow Port-Reversed Scavenging 2 Cycle Engine

3.5 기관 성능곡선도(Engine Performance Diagram)

① 출력은 회전수에 비례한다(회전력이 큰 변화가 없기 때문에). ② 최대 회전력(Tmax)은 엔진 사용회전수의 거의 중간에서 나타난다. ③ 연료소비율( fe )은 부근에서 최소로 되고, 효율도 가장 좋다. 이 때의 회전수를 경제속도 라고 한다. ④ 기계효율은 회전수의 증가와 함께 감소(마찰손실 증가)한다. ⑤ 제동열효율은 연료소비율과는 반대의 변화를 보인다 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

③ 와전류 동력계(Eddy current dynamometer) ④ 전달동력계(항공기관, 선박기관) ⑤ 새시동력계(자동차)
Tokyo Meter Co. E.C.D. 동력계의 종류(교과서 91 page 참조) ① 수동력계 ② 전기동력계 ③ 와전류 동력계(Eddy current dynamometer) ④ 전달동력계(항공기관, 선박기관) ⑤ 새시동력계(자동차) HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

3.7 지압기(指壓器 Indicator ) 1) 정의 ; 실제 기관의 운전 중에 P-V 선도를 채취하기 위한 장치 2) 종류 기계적 지압기 ; Mihak Indicator(저속 기관용) 수인선도, 연속선도, 약 스프링선도(흡-배기 과정용) (2) 전기적 지압기 ; 고속 기관용(실린더 내의 압력변화를 전기신호로 바꾸어 Oscillo Scope나 Computer에 기록 (3) 광학적 지압기 ; Warson Indicator(고속용) (4) 압력 형식 지압기 ; Farnboro Indicator (5) 압전형 지압기 ; 분극 처리한 원판형의 압전소자에 외력을 가하면 소자의 양쪽 에서 전하가 발생되는 압전효과를 이용 (특징) 압력변환기(pressure transducer)에서 실린더 내부의 압력변화가 전기적 에너지로 바뀌고, 증폭기 및 정류기를 거쳐 Oscillo-scope나 Computer에 기록 또는 저장한 후 X-Y Plotter로 그려 낸다(지압선도). HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

지압선도(Indicator Diagram)에서 알 수 있는 사항 ① F.O. Injection Valve 개-폐시기의 적부 ② 압축압력 및 최고압력의 크기와 연소상태 ③ 흡-배기 밸브 개-폐시기의 적부 ④ 평균유효압력 및 도시마력의 산출 지압선도가 뭐야? 실제의 지압선도 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

기관의 평균유효압력에 영향을 미치는 사항 ① Boost pressure(흡기관 압력) 및 Back pressure(배기압력) ② Section Air Temperature(흡입공기 온도) ③ Mixture Ratio(혼합비) : 혼합비 13.5(공기과잉율 λ=0.9) 부근에서 P_mi 가 최대 λ가 커지면 열해리가 발생할 수 있는 가능성이 높다. ④ Compression Ratio(압축비 : ε) : 압축비의 증가에 따라 P_mi 도 증가하나, 고-압축비의 범위로 갈수록 P_mi 의 증가율은 감소한다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

제동평균유효압력을 향상시키기 위한 방법 ① Boost Pressure(PB)를 높인다. ② 흡기관 내의 온도를 낮게 한다(너무 낮으면 연료의 무화가 나빠진다.) ③ 과급을 한다 ④ λ=0.9 정도의 과농 혼합기를 사용한다. ⑤ 마찰손실을 작게 한다. ⑥ 보기의 구동마력을 작게 한다. ⑦ 배압을 낮게 한다. ⑧ Valve Overlap을 크게 한다. ⑨ 흡-배기 밸브에서의 유동저항을 줄인다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

기관출력의 기타 표시법 ① 최대출력 (Maximum Power) : 기관출력의 최고치 ② 연속최대출력(Continuous Maximum Power) : 정해진 시간동안 연속 운전할 경우 얻을 수 있는 최고치 ③ 정격출력(Rated Power) : 장시간 연속운전을 보증할 수 있는 최고출력 ④ 연속정격출력(Continuous Rated Power) : 일정 시간의 정격출력 과부하(Overload) : 정격출력을 넘어 최대출력이나 이에 근접한 값의 운전 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

3.9 열평형(Engine Heat Balance)
기관에 공급된 에너지를 “100” 으로 보고, 그 에너지가 어떻게 변화되었는가를 [%]로 산출한 것으로 열정산(熱定算)이라고도 한다. 유효일 배기손실 냉각손실 마찰손실 복사손실 SI Eng. 25~28% 30~35% 25~30% 5~10 % 1~5 % CI Eng. 30~34% 25~32% 30~31% 5~7 % 엔진 열정산의 일반적 범위 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

3.10 기관의 성능에 관련된 예제 1) 1[PS-h]는 몇 [kcal] 인가? ① ② ③ ④ 721 2) 3000[kW]의 디젤발전소에서 기관을 전개운전하면 1 일의 연료 소비량은 얼마나 되는가? 단, 연료의 저위발열량은 10200[kcal / kgf ]이고 효율은 40[%]이다. 1 일의 소비량은 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

3) 어느 2 사이클기관의 실린더 지름이 59[mm], 행정이 66[mm], 회전수 2500[RPM]에서 최대출력을 낼 경우 출력은 얼마인가 ? 실린더 수는 2개이고, 제동평균유효압력은 5[kgf / cm2 ]이다. 문제 조타…..! 4) BHP=22[PS], N=5500[RPM]인 기관의 축 회전력을 계산하시오. 에서 회전력은 다음과 같이 계산된다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

5) 실린더 지름 120[mm], 피스톤 행정 150[mm], 회전수 1600[RPM], 실린더 수 6인 4-사이클 디젤기관이 있다. 저위발열량이 10250[kcal/kgf]인 연료를 사용하여 운전 했더니 연료소비량이 22[kgf/h]에서 제동마력이 115[PS]이다. 이 때 연료 소비율은 얼마인가 ? 제동연료소비율 제동마력은 내 전공인데..? 6) 제동연료소비율이 191[g/PSh], 연료의 저위발열량 이 10250[kcal/kgf]인 기관의 제동열효율은 ? HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

7) 총 배기량이 1500[cc], 제동마력이 75[PS], 회전속도 4800[RPM]인 자동차용 4 사이클 가솔린기관의 제동평균유효압력을 계산하시오. 8) 2 cycle engine의 도시마력 공식으로부터 도시평균유효압력 식을 유도하시오. 에서 i=1 이므로 문제 끝.! HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

山是山兮水是水兮日月星辰一時黑欲識箇中深玄意火裏木馬步步行 산은 산이고 물은 물이로다…. 宋國蘇東坡 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

제 4 장 燃料(Fuel Oil) 및 燃燒(Combustion) 1. 연료의 종류 고체 연료 미분탄 ; 등온연소기관에 한때 사용 LPG(Liquefied Petroleum Gas) ; 액화석유가스 LNG(Liquefied Natural Gas) ; 액화천연가스 CNG(Compressed Natural Gas) ; 압축천연가스 발생로(용광로) 가스 기체 연료 액체 연료 Gasoline(가솔린), Petroleum(석유 또는 등유) Light Oil(경유), Heavy Oil(중유) HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

대표적인 액체연료의 성질 (Characteristics of Liquid Fuel) 종 류 비 중 증유온도 `C 인화점 발열량 kJ/kg 용 도 항공용 가솔린 0.65 ~0.78 50~120 -10~-15 46,000 ~47,000 SI Eng. 자동차용 120~200 상동 등유(석유) 0.78 ~0.84 200~250 40~70 45,000 석유 발동기 경 유 0.84 ~0.89 250~300 40~85 44,000 ~46,000 고속 디젤기관 중 유 0.90 ~0.94 350 이상 50~90 42,000 ~44,000 저속디젤 소구기관 교과서 119 page 석유계 연료의 특징 참조 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

2. 석유계 연료 파라핀계(Paraffines Series) 탄화수소-포화체인 결합 Normal Heptane Iso Octane 2) 올레핀(Olefine)계 탄화수소 – 불포화 체인결합 한 개의 2중 결합을 갖는 체인형태 3) 나프텐(Naphthenes)계 탄화수소 - 포화환상결합 Cyclohexane(Normal Hexane) Hexahydrotoluene 4) 방향족(Aromatics) – 불포화 환상구조 Benzene HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

3. 연료의 물리적 성질 1) 비중 15[℃]상태( = 60 ℉)의 물리량(주로 밀도)과 4[℃] 물의 물리량과의 비교 API(American Petroleum Institute) 비중과 60[℉]에서의 비중과의 관계 API度 = ( / 60 oF에서의 비중) 2) 점도(Viscosity) Redwood(50 cc), Saybolt(60 cc), Engula(200 cc) 니들이 기름맛을 알어? 3) 유동점(pour point), 응고점(solidifying point) Oil을 냉각하면 점도가 높아져 유동성을 잃게 되는 최저온도를 유동점이라 하고, 이 유동점보다 2.5[℃] 낮은 온도를 응고점이라 한다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

4. 연료의 발열량 계산법 연료의 가연 성분 : 탄소(C), 수소(H), 유황(S), 용존 산소 가연성분의 분자량 : C = 12, H2 = 2, S = 32, O = 16 1[kmol]의 용적은 모두 22.4[Nm3 ]으로 동일하다. 연료 1[kg]의 정량분석 : 탄소=c[kg], 수소=h[kg], 황=s[kg], 산소=o[kg], 물=w[kg] 1) 탄소의 연소 반응식 : + 97,200 kcal ⇒ 1 kg 당 = 8,100 kcal 중량비 : 12 kg + (2×16)kg = 44 kg 단위 중량비 : 1 kg kg = 3.67 kg 체적비 : kg : 22.4Nm3 : 22.4Nm3 단위 체적당 : 1kg : 1.867Nm3 : 1.867Nm3 즉, 탄소 1[kg]의 완전연소 ⇒ 산소는 2.67[kg], [ Nm3]이 필요 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

2) 수소의 연소 반응식 : H2+ O2/2 = H2O(water) + 68,500 kcal ⇒ 1[kg]당 = 34,000[kcal] (steam) + 57,750 kcal ⇒ 1[kg]당 = 29,000[kcal] 중량비 : 2 kg + 16 kg = 18 kg ⇒ 1kg : 8 kg : 9 kg 체적비 : 2 kg : 11.2Nm3 : 22.4Nm3 ⇒ 1 kg : 5.6Nm3 : 11.2Nm3 즉, 수소 1[kg]의 완전연소 ⇒ 산소는 8[kg], 5.6[Nm3]이 필요 3) 황의 연소 반응식 :S + O2 = SO ,860 kcal ⇒ 1[kg]당 = 2200∼2500[kcal] 중량비 : 32 kg + 32 kg = 64 kg 1 kg + 1 kg = 2 kg 체적비 : 32 kg : 22.4 Nm3 : 22.4 Nm3 1 kg : 0.7 Nm3 ; 0.7 Nm3 즉, 유황 1[kg]을 완전 연소시키는데 필요한 산소 ; 무게 1[kg] 체적 0.7[Nm3] HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

4) 고위발열량(Higher Calorific Value) : Hh 중력단위 SI 단위 5) 저위발영량(Lower Calorific Value) : Hl 중력단위 SI 단위 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

6) 연소에 필요한 공기량 계산법 공기 중 산소는 무게 비=23[%], 체적 비=21[%]로 간주한다. 중 량 체 적 7) 공기 과잉율(Excess Air Factor) 어리버리 어지럽네! 실제로 기관 내에 흡입된 공기량 이론적으로 계산된 공기량 이론공기량 ; 가솔린 = 14.7[kg], 11.4[Nm3] 디젤유 = 14.37[kg], 11.1[Nm3] 당량비(Equivalence Ratio)= ; 연료비 또는 혼합기 농도 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

8) 가연한계(Limit of Flammability) 희박 혼합비(Lower Limit) 농후 혼합비(Upper Limit) : 연소 가능한 혼합비의 한계 값 중량혼합비와 연소상황 1: 희박연소(착화 불확실) 1: 하한(Lower Limit) 1:18.5 규칙적 착화 최저한도 1: 최적 경제적 혼합비 1:14.7 이론혼합비 1:13.8 최대출력 유효혼합비 1: 규칙적 착화 최대한도 1:7.6 불규칙 착화 1:6.6 상한(Upper Limit) 객관식문제로 잘 나올걸…! HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

[Ex.1] 가솔린 200[cc]를 연소시키기 위해 몇 [kg]의 공기가 필요한가 ? 단, 혼합비=15, 가솔린의 비중= 0.73 이다. 해 설 문제가 너무 쉽네.. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

[Ex.2] 공기 1[m3]의 무게를 계산하시오. 단, 공기 중에 무게로 산소는 25[%], 질소는 75[%]로 가정한다. 해설 산소[O2] 22.4[Nm3]의 무게 산소 1[Nm3]의 무게 질소 [N2] 22.4[Nm3]의 무게 질소 1[m3]의 무게 공기 1[m3]의 무게 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

9) 연소의 형태 자기발화(self ignition) : 연료-공기 혼합기를 가열하여 어느 온도 이상이 되면 발화지연 (ignition delay)을 거쳐 폭발한다. 이 온도를 자발화 온도라고 한다. (2) 화염전파(flame propagation) : 혼합기의 일부에 열을 가하면 발화온도에 달하여 화염핵(flame core or nucleus)이 발생된 후 화염면(flame front)이 형성되어 미-연소 혼합기로 연소 되어 가는 현상. (3) 정상연소(normal combustion) : 화염핵에서 발생된 연소가 핵으로부터 가장 먼 곳의 혼합기까지 화염전파에 의해 완전히 연소 되는 현상.( 화염 전파속도 = 20 ∼ 25 m ) (4) 이상연소(detonation) : 정상연소 도중에 다른 곳의 혼합기가 자발화를 일으켜 화염전파속도가 빨라지고 압력 이 상승하는 현상(화염 전파속도 = 300 ∼ 2000 m ). 화염속도 : 연소속도 + 연소가스의 팽창에 의한 가스의 이동속도 (5) 확산연소(diffusive combustion) : 가연성 가스 또는 연료증기가 공기와 혼합되면서 연소 될 경우 혼합속도와 반응속도는 평형을 유지하면서 예혼합 층에서 확산에 의해 연소가 진행된다. 이때 예혼합 연소에 이어서 확산연소가 이루어 진다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

5. Gasoline Engine의 연소 1) 점화장치 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

2) 점화플러그(Ignition Plug) (구비조건) ① 전기절연이 양호할 것 ② 가스가 새지 않을 것 ③ 고온, 고압가스의 접촉에서도 수명이 길 것(내구성). ④ 카본 등의 부착으로 절연불량이 되지 않을 것. ⑤ 스파크 부의 전극이 손상되지 않는 재료일 것. ⑥ 고온에서도 조기점화를 일으키지 않을 것. ※ carbon bridge 현상 ; 자기청정온도(self cleaning temperature) : 500∼800 ℃ HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

Gasoline Engine의 연소실 형상

3) 연소과정 ① 발화지연(감응, 연소준비) 기간 = 1~2 ② 고속연소 기간 = 2~3 ③ 후 연소 기간 = 3~4 기간 Pre-ignition Detonation Knocking Normal Combustion Post ignition Compression Line 그림 조타.! 1) 정상연소 : 화염전파에 의해서 말단 혼합기 까지 연소 2) knock : 이상연소가 심한 경우 발생 가벼운 이상연소는 평균유효압력의 증가 요인 3) pre-ignition : 점화시기에 도달하기 전에 점화되는 현상(dieseling). 플러그, 배기밸브 등의 과열표면에 의해 발생 4) post-ignition : 점화시기를 지나서 점화되는 현상 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

4) Knocking에 의한 여러 가지 현상 ① 노킹 음 발생 ② 배기의 색 : 황색, 흑색(심한 경우) ③ 실린더 온도 상승 : 조기점화 유발, 진동발생 ④ 조기점화 ⑤ 배기가스의 온도 저하 ⑥ 최고온도의 상승 ⑦ 평균유효압력 저하 5) Knocking 방지법 ① 자연발화온도가 높은 연료 사용 ② 기관의 냉각, 혼합기의 온도를 낮추는 연소실 형상 ③ 착화지연기간이 긴 연료 사용 : 옥탄가(Octane Number)가 높은 연료 ④ 화염전파거리가 짧은 연소실 ⑤ 운전조건 : 점화시기, 흡기온도, RPM HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

6) 옥탄가(Octane Number : ON) : 가솔린 연료의 제폭성(Anti-Knock Property)을 나타내는 수치로서, 표준연료로는 이소- 옥탄( iso-octane : C8H18 )과 정-헵탄( normal heptane: C7H16 )을 사용하며, 이소-옥탄(ON=100)과 정-헵탄(ON=0)의 혼합액 중 이소-옥탄의 체적함율(%)로 나타낸다. 옥탄가 향상 첨가제 : MTBE(methyl tertiary butyl ether) * C.F.R.(Cooperative Fuel Research) 기관 : 가변 압축비 시험기관으로 옥탄가 측정에 사용되는 기관 ① Research 법 : 600±6 RPM ② Motor 법 : 900±9 RPM * 출력가(Performance Number : PN ) 옥탄가가 100 이상인 연료의 제폭성을 나타내는 수치로서 동일 운전조건에서 표준연료에 대한 시료의 지시출력을 [%]로 표시한다. iso-octane : PN = 100 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

P-T Diagram of Gasoline Engine Normal Combustion

6. Diesel Engine의 연소 Knock Normal Combustion Comp. Line A B C D E P TDC T 1) 연소 과정 A = 연료분사, B = 연소시작, C = 최대압력, D = 연료분사 끝, E = 연소 끝 A→B : 착화지연기간(ignition lag period) B→C : 폭발적 연소기간(explosive combustion period) Sabathe' cycle(고속디젤기관)인 경우 = 정적연소기간에 해당된다. C→D : 제어연소기간(controllable combustion period) ; 연료는 계속 분사되기 때문에 분사와 동시에 연소되는 과정, Sabathe' cycle에서 정압연소 기간에 해당된다. D→E : 후연소기간(after burning period) ;D에서 연료분사는 끝났으나 미연소 연료가 계속 연소된다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

2) Diesel Knock 착화지연기간이 길어져서 누적된 연료가 동시에 폭발하여 발생. 즉, B→C 기간의 압력 상승률이 지나치게 높은 경우이다. 따라서 디젤기관에서의 노킹은 연소 초기에 발생한다(가솔린기관은 연소 말기) (1) Diesel Knock의 영향 ① piston pin bearing, crank pin bearing, piston ring 등이 충격압으로 손상 ② cylinder cover, liner, piston, valve 등이 충격압과 고온으로 파손 ③ 순간적 충격압을 유용하게 쓸 수 없으므로 출력 감소 ④ Lub. oil의 변질, 슬러지 형성(piston ring, valve 고착의 원인) (2) Knock 현상의 감지 ① 금속음 및 흑연 배기 발생 ② cylinder cover 및 냉각수 온도의 상승, 배기의 온도는 하강 ③ 최고압력 상승, 평균유효압력 저하, 출력감소 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

(3) Knock의 발생원인 ① 연료의 세탄가가 낮다 ② 기관이 고속이다 ③ 연료분사시기가 빠르다 ④ 무화가 불량하다(연료분사의 4 대 조건 불충족) ⑤ 실린더의 과냉, 압축공기의 온도 및 압력의 과저 (4) Diesel Knock의 방지법 ① 압축비, 급기 온도 및 압력의 증가 ② 연료 분사시기 점검(약간 늦추는 등) ③ 냉각수의 온도를 적절히 조정 ④ 분사 개시기의 분사률 감소(착화지연기간 중의 연료 분사량을 작게) ⑤ Pilot Injection(복 연료 사용의 경우) ⑥ 세탄가(발화성)가 높은 연료 사용 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

3) 연료분사의 4 대 조건 ① 무화(霧化 : Atomization) ② 관통력(貫通力 : Penetration) ③ 분산(分散 : Dispersion) ④ 분포(分布 : Distribution) 단공식 연료분사 노즐(Nozzle) HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

분사량 조정기구와 토출밸브 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

4) 세탄가(Cetane Number : CN : 디젤기관 용 연료의 발화성을 표시하는 척도로서, 표준연료로는 고-발화성 유에 Cetane(n-Hexadecane : CN = 100), 저-발화성 유에 α-Methyl Naphthalene(CN = 0) 의 혼합유를 사용하며, 두 용액의 혼합액 중 Cetane의 체적함율(%)로 표시한다. * 세텐가(Cetene Number : CN) : Cetene(n-hexadecene) + Mesitylene(1, 3, 5-Trimethyl Benzene)의 혼합액 중 Cetene의 체적함율로 표시했던 것(지금은 사용치 않음) * 세탄가 = × 세텐가 * 세탄가 측정법(C.F.R 기관을 모터로 기동) ① 한계압축비법 : 발화하는 최저 압축비로 운전 ② 고정발화지연법 : 발화시기를 TDC로 조정하여 기지 혼합유의 한계압축곡선에서 구한다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

5) 아니린 점(Aniline Point : A.P.) : 시료유와 아니린( : Amino-benzene)을 동 용량 혼합하여 서로 용해하는 최저 온도와 서로 분해되는 최고온도를 측정해서 그 평균치로 표시한다. 이것은 디젤유의 발화성의 한 척도로 이용된다. 발화성은 아니린 점이 높을수록 좋으며, 보통 40∼75 정도이다. 6) 디젤지수(Diesel Index : DI 세탄가, 아나란점, 디젤지수의 차이점은 무얼까요.? D.I.가 클수록 발화성이 좋다 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

가솔린기관 디젤기관 착화점 고 저 착화지연 장 단 압축비 흡기온도 흡기압력 실린더 체적 소 대 회전수 와 류 강
7) 가솔린기관과 디젤기관의 Knocking 방지법 비교 가솔린기관 디젤기관 착화점 고 저 착화지연 장 단 압축비 흡기온도 실린더 벽 온도 흡기압력 실린더 체적 소 대 회전수 와 류 강 객관식으로 잘 나오겠는데! HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

Diesel Engine의 연소실 형태 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

변배기-공소기식 대형 2 사이클 기관 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

8. ASTM(American Society for Testing Materials) 증류실험
이런 그림은 어케 분석해야 되나..? 0 점 = 초유점(Initial point : IP) : 응축기에서 메스실린더에 처음 한 방울 떨어질 때의 온도, [%] 점 = 시동성의 척도 35∼65[%] 점 = 가속성의 척도 : 너무 높으면 실화(miss fire) 너무 낮으면 percolation(과농혼합기로 기관 부조 현상) 90[%] 점 = 완전연소성의 척도 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

연료(Fuel Oil)의 구비조건 1) 발열량이 클 것 2) 적당한 휘발성(기화성)을 가질 것 3) 제폭성(Anti-knock property)이 클 것 4) 부식성이 없을 것 5) 연소 퇴적물이 생기지 않고, 배기 정화장치에 영향을 주지 않을 것 가솔린 기 관 착화성이 좋을 것 적당한 점도를 가질 것 금속류를 부식 시키지 말 것 안전성이 있을 것 보관이 용이할 것 디젤 기관 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

※ 임계압축비( critical compression ratio) : 교과서 149 page 참조 : 디젤 연료를 실린더 내에서 착화시킬 수 있는 최저압축비 디젤유의 발화성을 표시함. Diesel Engine의 연료분사 계동 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

Nozzle Test HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

Fuel Injection System of Diesel Engine

Plunger Type Injection Pump와 FO Injector

직열식 연료분사펌프의 외형 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

제4장 연습문제 1. 자동차 연료로 사용되는 Gasoline oil의 옥탄가는 어느 정도인가 ? 일반 : 91∼93 , 고급 : 97∼99 2. 가솔린의 비중은 어느 정도인가 ? ① 0.68∼ ② 0.80∼ ③ 0.84∼ ④ 0.89∼0.99 3. 오레핀계 탄화수소는 ? ① CnH2n-2 ② CnH2n ③ CnH2n+2 ④ CnH2n-6 4. 경유의 비중은 어느 정도인가 ? ① 0.89∼ ② 0.80∼ ③ 0.74∼ ④ 0.65∼0.73 5. 다음 중 틀린 것을 고르시오. ① 가솔린 1[kg]을 완전연소 시키는데 약 15[kg]의 공기가 필요하다. ② 가솔린의 안타노크제로는 4 에틸연 또는 MTBE가 있다. ③ 디젤기관 연료는 착화온도가 높을수록 노크를 일으키기 쉽다. ④ 혼합연료의 옥탄가는 표준연료인 이소옥탄의 체적함율로 표시한다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

6. SI Engine의 연소과정을 설명. 7. Diesel Engine의 연소과정을 설명. 8. OHV(over head valve)가 SV(side valve) 기구보다 효율이 좋은 이유는 ? OHV : 연소실 표면적이 작아서 열손실이 적고, 점화플러그로부터 말단까지의 거리가 짧아서 연소가 빨리 진행되어 연소효율이 좋다. SV : 연소실 형상이 좁고 길기 때문에 노크를 일으키기 쉽고, 표면적이 커서 열손실도 크다. 그러나 운전은 비교적 조용하다. 9. Octane Number 및 Cetane Number 에 대해 설명하시오. 10. 디젤기관과 가솔린기관의 실린더 내 연료 공급방법의 차이점은 ? 11. 다음 중 증류온도가 가장 높은 것은 ? ① gasoline ② petroleum ③ right oil ④ heavy oil HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

12. 다음 중 인화점(flash point)이 가장 낮은 것은 ? ① 가솔린 ② 경유 ③ 중유 ④ 등유 13. 세탄은 어느 것인가 ? ① C16H34 ② C8H18 ③ C10H22 ④ C6H6 14. 자동차용 디젤연료의 세탄가는 어느 정도인가 ? ① 45∼50 ② 35∼40 ③ 25∼30 ④ 65∼70 15. 디젤기관의 연소실 중 열효율이 가장 높고 고-분사압력이 필요한 연소실은 ? ① 예연소실식 ② 와류실식 ③ 직접분사식 ④ 공기실식 16. 다음 중 디젤기관을 바르게 설명한 것은 ? ① 연료소비율이 가솔린기관보다 높다. ② 열효율이 가솔린기관보다 낮다. ③?고속보다 저속 회전이 용이하다. ④ 연료비용이 가솔린기관보다 많이 든다. 17. 디젤기관의 압축압력은 몇 [] 정도인가 ? ① 15∼25 ②?30∼55 ③ 50∼70 ④ 10∼30 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

18. 디젤노크를 방지하는 방법이 아닌 것은 ? ① 착화성이 좋은 연료를 사용한다. ②’압축비를 낮게 한다. ③ 실린더 냉각수의 온도를 높게 유지한다. ④ 연소실 내의 공기 와류를 강하게 한다. 19. 가솔린 연료의 구비조건이 아닌 것은 ? ① 발열량이 클 것 ②’휘발성이 낮을 것 ③ 금속류의 부식성이 없을 것 ④ 내한성이 클 것 20. 인화점(flash point) 착화점(fire or burning point) : 자연발화를 시작하는 최저 온도(발화점) 연소점(combustion point) : 인화점 이상(20∼30℃)으로 가열했을 때 인화후 연소가 계속 될 정도로 유증기를 발생시키는 최저 온도. 21. 디젤 기관에서 필요 없는 장치는 ? ① 연료 분사 장치 ② 분사 노즐 ③ 연료 펌프 ④ 연료 여과기 ⑤ 기화기 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

22. 디젤 기관의 연료 분사 장치에서 연료 분사의 조건이 잘못된 것은 ? ① 분사된 연료의 입자의 지름이 클 것. ② 연료가 연소실 구석까지 고루 분산될 것. ③ 분사된 연료의 입자의 지름이 고를 것. ④ 알맞은 관통력을 갖을 것. ⑤ 연료 분사가 시기가 정확할 것. 23. 연료 분사 펌프에서 운전자의 가속 페달과 연결되어 분사량을 조절하는 장치는 ? ① 분사 노즐 ② 제어 레크 ③플렌저 ④ 조속기 ⑤ 분사 시기 조정기 24. 처음 디젤 기관이 발명되었을 경우 어떤 형식으로 연료를 공급했나? ㉮ 유기분사식 ㉯ 무기분사식 ㉰ 혼합가스의 흡입 ㉱ 연료분사 후 공기분사 25. 디젤 기관의 연료 공급의 3가지 방식에 들지 않는 것은? ㉮ 독립식 ㉯ 분배식 ㉰ 종합식 ㉱ 공동식 26. 디젤 기관의 보시형 연료장치에서 연료 공급펌프는 무엇에 의해 구동되는가? ㉮ 연료 자체의 압력에 의해 구동 ㉯ 전동기에 의해 구동 ㉰ 공급펌프의 피스톤 작용에 의해 구동 ㉱ 분사펌프 캠축의 회전에 의해 구동 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

27. 다음은 디젤 연료 분사펌프 작동부의 부품이다. 관계없는 것은? ㉮ 제어 래크와 피니언 ㉯ 연료 공급 튜브 ㉰ 딜리버리 밸브 ㉱ 캠과 롤러 태핏 28. 다음 중 분사 초 분사시기를 변경시키고 분사말기를 일정하게 하는 리드는? ㉮ 정 리드 ㉯ 양 리드 ㉰ 역 리드 ㉱ 변 리드 29. 플런저의 유효 행정을 크게 했을 때 일어나는 현상으로 다음 중 가장 알맞은 것은? ㉮ 연료의 송출 압력이 커진다. ㉯ 연료의 송출량이 적어진다. ㉰ 연료의 송출량이 많아진다. ㉱ 연료의 송출 압력이 작아진다. 30. 디젤 기관의 분사펌프 플런저의 딜리버리 밸브의 작용은? ㉮ 분사량을 조절한다. ㉯ 분사 압력을 조절한다. ㉰ 가압된 연료를 분사관에 송출한다. ㉱ 노즐의 후적을 양호하게 한다. 31. 디젤 엔진에서 연료 분사 펌프의 거버너는 어떤 작용을 하는가? ㉮ 분사압력을 조정한다. ㉯ 분사시기를 조정한다. ㉰ 착화시기를 조정한다. ㉱ 분사량을 조정한다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

32. 디젤 기관에서 조속기의 작용이 둔해 파상으로 변동하는 것을 무엇이라 하는가? ㉮ 디토네이션 ㉯ 헌팅 ㉰ 미스 화이어 ㉱ 프리 이그니션 33. 다음은 앵글라이히 장치의 작용이다. 가장 옳은 것은? ㉮ 제어 래크의 위치를 변경시켜 분사량을 적게 한다. ㉯ 동일한 제어 래크의 위치에서 기관의 흡입 공기에 알맞는 연료를 분사한다. ㉰ 제어 래크의 위치를 변경시켜 분사량을 크게 한다. ㉱ 막판의 위치를 조정해 분사량을 알맞게 한다. 34. 다음은 디젤 엔진의 연료 분사 조건이다. 관계가 없는 것은? ㉮ 무화가 잘되고 분무 입자가 적고 균일할 것 ㉯ 분무가 잘 분산되고 관통력이 있을 것 ㉰ 한번에 많은 양을 분사할 것 ㉱ 분사의 시작과 그침이 확실할 것 35. 디젤 기관에서 연료의 분무 형성의 요건에 들지 않는 것은? ㉮ 노크 ㉯ 관통력 ㉰ 분포 ㉱ 무화 36. 밀폐형 노즐의 종류에 속하지 않는 것은? ㉮ 핀틀형 노즐 ㉯ 다공형 노즐 ㉰ 스로틀형 노즐 ㉱ 플런저형 노즐 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

37. 기관의 시동이 쉽고 분사 압력이 높으므로 연료 소비량이 낮으며, 노즐 구멍의 지름이 0.2 ∼ 0.7mm 정도인 노즐은? ㉮ 핀틀형 노즐 ㉯ 개방형 노즐 ㉰ 스로틀형 노즐 ㉱ 구멍형 노즐 38. 분배형 분사 펌프에 대한 내용 중 틀린 것은? ㉮ 실린더수 또는 최고 회전 속도의 제한을 받지 않는다. ㉯ 소형이고 경량이다. ㉰ 플런저의 편마멸이 적다. ㉱ 펌프 윤활을 위해 특별한 윤활유를 필요로 하지 않는다. 39. 디젤 엔진에서 연료 분사펌프의 거버너는 어떠한 작용을 하는가? ㉮ 분사시기를 조정한다. ㉯ 분사압력을 조정한다. ㉰ 분사량을 조정한다. ㉱ 착화성을 조정한다. 40. 디젤 엔진에서 연료 분사펌프의 타이머는 어떤 작용을 하는가? ㉮ 분사량을 조절한다. ㉯ 분사시기를 조절한다. ㉰ 분사압력을 조절한다. ㉱ 분사속도를 조절한다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 I.C. ENGINE

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