디젤 사이클
디젤 사이클은 압축 착화 방식의 내연 기관인 디젤 엔진에서 일어나는 열역학적 순환 과정이다. 1893년 루돌프 디젤에 의해 고안되었으며, 가솔린 엔진의 오토 사이클과는 달리 연료와 공기의 혼합기를 압축하는 것이 아니라, 공기만을 압축하여 고온으로 만든 후 연료를 분사하여 자연 발화시키는 것이 특징이다.
작동 원리
디젤 사이클은 일반적으로 4가지 과정으로 구성된다.
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단열 압축 (1-2): 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하면서 실린더 내 공기를 압축한다. 이 과정에서 열 교환은 거의 없으며, 압력과 온도가 급격히 상승한다. 높은 압축비 (보통 14:1에서 25:1)가 사용된다.
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정압 가열 (2-3): 압축된 고온의 공기 속에 연료가 분사된다. 연료는 높은 온도 때문에 자연 발화하며, 연소가 일어나는 동안 압력은 거의 일정하게 유지된다. 즉, 일정 압력 하에서 열이 공급된다고 가정한다. 실제 엔진에서는 압력이 완벽하게 일정하지는 않지만, 이상적인 사이클에서는 정압 과정으로 간주한다.
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단열 팽창 (3-4): 연소로 인해 발생한 고온 고압의 가스가 피스톤을 밀어내어 동력을 발생시킨다. 이 과정 또한 열 교환이 거의 없는 단열 과정으로 가정한다.
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정적 방열 (4-1): 피스톤이 하사점에 도달한 후, 배기 밸브가 열려 연소 가스가 배출된다. 이 과정은 일정 부피 하에서 열이 방출되는 것으로 가정한다.
특징
- 높은 열효율: 가솔린 엔진에 비해 높은 압축비를 사용하므로, 일반적으로 더 높은 열효율을 가진다.
- 낮은 연료 소비: 높은 열효율 덕분에 연비가 좋다.
- 낮은 CO 배출: 가솔린 엔진에 비해 상대적으로 낮은 CO 배출량을 보인다.
- 높은 NOx 배출: 고온 연소로 인해 질소 산화물 (NOx) 배출량이 높을 수 있다.
- 진동 및 소음: 높은 압축비와 급격한 연소로 인해 진동과 소음이 큰 편이다.
- 토크: 저속 구간에서 높은 토크를 발휘한다.
활용
디젤 사이클은 높은 효율과 토크 덕분에 트럭, 버스, 기차, 선박 등 대형 차량 및 산업용 장비에 널리 사용된다. 최근에는 승용차에도 디젤 엔진이 많이 사용되고 있다.
개선 노력
NOx 배출량 감소, 진동 및 소음 저감 등을 위한 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다. 대표적인 예로는 Common Rail 직접 분사 방식, 배기 가스 재순환 (EGR), 디젤 미립자 필터 (DPF) 등이 있다.