2. 자동차의 구조

(2) 디젤 기관

디젤 기관은 독일의 디젤이 발명한 피스톤 기관으로, 가격이 저렴한 경유나 중유를 사용할 수 있고 열효율이 높아 큰 출력이 요구되는 버스, 화물 자동차, 각종 건설 장비 등에 널리 사용되고 있다. 디젤 기관의 주요 구조는 가솔린 기관과 비슷하지만, 사용 연료의 차이에 따른 연료 점화 방식과 연료 공급 장치가 다른 것이 특징이다.

< 디젤 기관 >

① 디젤 기관의 작동 원리
가솔린 기관에서는 공기와 연료의 혼합기를 흡입·압축한 다음 전기 불꽃으로 점화시켜서 폭발시키는 불꽃 점화 기관인데 비해 디젤 기관은 공기만을 흡입한 후 압축하고, 압축된 공기에 연료를 분사하면 작연 착화(self-ignition)하여 연소하는 압축 착화 기관이다.
실린더 안에 흡입된 공기를 급격히 압축하면 공기 분자의 운동 속도가 가속되어 온도가 500∼700℃까지 상승하며, 공기의 온도는 공기의 흡입량과 압축비에 비례하여 높아지게 된다. 고온의 공기에 의해 연료가 가열되면 외부에서 불을 가까이 하지 않아도 발화하게 되는데, 이 때의 최저 온도를 그 연료의 착화 온도(着火點) 라한다.
연료의 착화 온도가 낮을수록 착화하기 쉬우며, 공기와의 온도차가 클수록 공기의 압축열이 빨리 전달되어 빨리 착화하게 된다. 디젤 기관은 공기와 연료를 혼합하는 기화기와 전기 불꽃을 발생하는 점화 장치가 필요 없으나 고압의 공기속에 연료를 분사해야 하는 연료 분사 장치가 필요하다. 작동 방식은 4 행정 사이클식이고, 대형 저속 기관의 경우는 2 행정 사이클식도 있다. 그림 Ⅲ-26은 디젤 기관을 나타낸 것이다.

② 연소실
가솔린 기관은 공기와 연료를 혼합한 혼합기를 실린더에 흡입하여 연소하게 된다. 그러나 디젤 기관은 흡입된 공기를 압축한 다음 연료를 분사하여 공기와 혼합하여 연소하므로, 연소실은 짧은 시간에 연료와 공기를 잘 혼합하여 착화시켜야 한다. 따라서 연소실은 다음과 같은 조건은 갖추어야 한다.
㉮ 분사된 연료를 짧은 시간에 완전 연소시켜야 한다.
㉯ 연료 소비율이 적어야 한다.
㉰ 고속 회전시의 연소 상태가 좋아야 한다.
㉱ 시동이 용이해야 한다.

< 디젤 기관의 연소실>

디젤 기관의 연소실은 그림과 같이 단실식인 직접분사식과 복실식인 예연소실식, 와류실식, 공기실식이 있다. 직접분사식은 실린더 헤드와 피스톤 사이의 연소실에 연료를 직접 분사하여 연소하는 형식으로 구조가 간단하고 시동이 쉽다. 반면 복실식은 연소실이 2 개 있는 형식으로 공기와 연료의 혼합이 잘 되나 시동시 예열 플러그가 필요하다.

③ 연료 분사 장치
디젤 기관은 연료의 분사 상태는 연소실의 모양과 더불어 혼합기 형성과 연소를 결정하기 때문에 기관의 성능을 좌우하는 중요한 요소이다. 따라서 연료의 분사는 분사된 연료의 입자의 지름이 작고(미립화), 연료가 연소실의 구석까지 고루 분산되야 하며(분사 상태), 알맞은 관통력을 갖어야 한다. 또한 기관의 출력은 연료의 분사량과 관계되므로, 분사 시작과 끝이 확실하고, 분사 시기와 양이 정확하며 자유롭게 제어되어야 한다.
연료 분사 장치는 연료 공급 펌프, 연료 분사 펌프, 연료 분사 노즐, 연료 여과기로 구성된다. 연료는 그림 Ⅲ-28과 같이 연료 탱크, 연료 공급 펌프, 연료 여과기, 연료 분사 펌프를 거쳐 분사 밸브에서 실린더에 분사된다.

< 연료 분사 장치 >

< 플런저식 분사 펌프>

㉮ 연료 분사 펌프
연료 분사 펌프는 연료 공급 펌프에서 보내진 연료를 분사 순서에 따라 각 실린더의 분사 노즐로 압송하는 장치이다. 연료 분사 펌프는 기관의 회전속도나 부하에 따라 분사량을 자동적으로 조절하는 조속기와 기관의 분사 시기를 조절하는 분사 시기 조정기가 부착되어 있다. 분사 펌프는 플러저식이며, 캠에 의해 플런저가 상승하며 연료를 압송하고, 캠이 회전하면 스프링의 힘에 의해 하강한다. 분사량의 조정은 운전자의 가속 페달과 연결된 제어 레크가 플런저를 회전시켜 조절한다. 그림 Ⅲ-29는 플런저식 분사 펌프를 나타낸 것이다

㉯ 연료 분사 노즐
연료 분사 펌프에서 연료를 압송하며 고압의 연료를 연소실 내에 분사하는 밸브이다. 연료 분사 노즐은 연료 분사 펌프에서 압송되는 연료의 압력이 스프링의 힘보다 크게되면 니들 밸브가 열리면서 연료를 분사하게 된다. 반대로 스프링의 힘이 연료 압력보다 크면 스프링의 힘으로 밸브가 닫히는 자동 밸브이다.

④ 과급기
실린더 안에 흡입되는 공기량이 많으면 그 만큼 많은 양의 연료를 분사할 수 있어 출력을 증가시킬 수 있다. 그러므로 디젤 기관에서는 출력을 증가하기 위하여 압축한공기를 실린더 안에 밀어 넣어 공기 밀도를 증가시키는 작용을 과급이라 하며, 이 때 사용되는 압축기를 과급기라 한다.
가솔린 기관에서의 과급은 혼합기의 과열로 인한 조기 점화의 원인이 되지만, 디젤 기관에서는 흡입 공기의 압력이 높을수록 압축열에 의해 착화와 연소시에 유리하므로 널리 사용된다.

< 연 구 >
가솔린 기관과 디젤 기관의 주요 구조의 차이점을 알아보자.