디젤 엔진

내연기관의 일종으로, 경유(디젤)를 연료로 한다.

개요

선박, 발전, 자동차 등에 널리 쓰이는 내연 기관 중 하나이다. 엔진을 개발한 루돌프 디젤의 이름을 따서 디젤 엔진이라 불린다.

가솔린 엔진과 다른점은 가솔린과 혼합된 기체에 점화시켜 연소하는 가솔린 엔진과 달리, 디젤 엔진은 공기를 압축하여 고온이 되었을 때에 연료를 직접 분무하여 발화시킨다는 점이다.

디젤 엔진의 활용처

• 자동차

  아래 설명할 장점중 특히 높은 연료 효율성과 힘이 필요한 대형 차량들, 특히 트럭이나 버스같은 상용차 및 건설용 중장비 등에 폭넓게 사용된다. 또한 세단이나 SUV, 승합차와 같은 차량들에도 소형화된 디젤 엔진이 장착되기도 한다.

• 기차

  이와 관련한 내용은 디젤 철도 차량에서 볼 수 있습니다.

  디젤 엔진을 탑재한 기관차 혹은 동차가 존재한다. 디젤 엔진이 너무 파워풀하다 보니 변속기를 통해 막대한 힘을 직결하기 보다는 발전기-전동기를 중간에 끼워서 간접적으로 동력을 얻는 디젤-전기식을 주로 쓴다.

• 선박

  배수량이 높은 선박들도 기동에 필요한 강력한 출력을 발휘하기 위해서 디젤 엔진이 폭넓게 사용된다. 선박의 크기와 배수량에 최적화된 초대형 디젤 엔진이 별도로 제작되어 설치되기도 하며, 연료비 등을 감안하여 디젤과 중유를 혼합한 연료를 사용하는 경우가 많다.

• 항공기

  흔치는 않지만 항공기용 디젤 엔진도 존재한다! 연구은 일찍부터 시작되어 전간기 힌덴부르크 비행선에 탑재된 다임러-벤츠 DB 602나 융커스 항공기에 장착된 Jumo 205가 한때 만들어지기도 했다. 현대에는 항공기 연료가 상승하고, 내구성, 출력이 상승하면서 경비행기용 액랭식 디젤엔진이 다시 관심을 받고있다.

• 발전소

  발전용으로 특수하게 제작된 디젤 엔진의 경우 열효율이 50%에 달하는 물건들도 존재한다. 크기도 거대하게 만들 수 있어서 실린더 지름이 1미터를 넘고, 피스톤이 왕복하는 행정거리가 2미터에 육박하는 물건들도 존재한다. 이런 디젤 엔진을 활용한 화력발전의 경우 100만 Kw급의 전력 생산이 가능하다.

장점

• 압축 착화 방식

  가솔린 엔진의 경우 공기와 휘발유를 일정 비율로 섞은 혼합기를 실린더에 밀어넣고 점화 플러그를 통해 불꽃을 발생시켜 연소를 진행하지만, 디젤 엔진은 실린더 내에 공기를 주입하고 피스톤을 밀어올려서 강한 압력으로 압축된 고온, 고압의 공기에 직접 경유를 분사하여 자연스럽게 연소가 진행되도록 하는 압축 착화 방식을 사용한다. 이는 휘발유와 경유간의 인화점과 착화점이 다른 특성에 기인하는데, 휘발유의 경우 인화점은 -25℃, 착화점은 대략 300~500℃이며 경유의 인화점은 약 60℃, 착화점은 약 255℃ 정도여서 적정 압축비에서도 경유는 쉽게 착화가 가능한 반면, 휘발유는 더 강한 압축이 요구되며 의도한 시점보다 착화가 빨리 일어나는 이른바 노킹 현상이 발생할 가능성이 높아서 가솔린 엔진에는 압축착화가 사용되기 어렵다. 따라서 가솔린 엔진에 요구되는 점화 플러그같은 부가적인 장비가 필요치 않아서 엔진 구조가 상대적으로 단순한 편이다.

• 높은 연료 효율성

  경유는 휘발유보다 발화점이 높기에 기관 내부에 더 높은 온도를 낼 수 있고, 절대온도의 비율에 비례하는 열기관의 효율의 특성상(카르노의 정리) 높은 에너지 효율을 가진다. 일반적으로 가솔린 엔진의 열효율은 대략 25~30% 전후로 나타나는 반면, 디젤 엔진의 열효율은 40% 수준을 얻을 수 있다. 또한 압축 착화가 가능하기 때문에 피스톤의 왕복 간격이 길어서 같은 연료를 소모해도 더 높은 힘을 얻을 수 있으므로 바퀴를 돌리는데 필요한 강한 회전력(토크)을 얻을 수 있다. 따라서 보통 동일한 배기량의 가솔린 엔진과 디젤 엔진을 비교하면 디젤 엔진이 토크와 연비가 더 높게 나오는 것이다.

단점

• 환경오염

  배기가스에 섞여있는 질소산화물(NOx)로 인한 대기오염 문제가 존재한다. 이 문제로 인해 세계 각국은 디젤 차량의 환경 규제를 강화하는 추세이며, 일부 국가에서는 디젤 차량의 도심 진입을 금지하는 경우도 있다. 한때 “클린 디젤”이라는 이름으로 휘발유보다 효율이 좋고 환경오염이 적다고 선전했었으나 디젤 게이트가 터지면서 신뢰성에 커다란 상처를 얻게 되었다. 질소산화물을 경감시키기 위하여 DPF나 SCR을 장비하는 차량이 생산되고 있으며, 규제가 강력해지면서 디젤 엔진에 질소산화물 저감장치는 필수적으로 장착되는 추세이다.

• 고비용

  가솔린 엔진보다 구조는 간단하지만, 반대로 큰 폭발력을 실린더를 포함한 엔진이 버텨내야 하므로 엔진 제작에 사용되는 소재가 튼튼해야하고 필연적으로 무게와 비용이 증가한다. 또한 자연흡기로도 괜찮은 성능을 발휘하는 가솔린 엔진과 다르게 디젤 엔진은 압축 착화의 효율을 높이려는 목적과 더 높은 열효율을 얻기 위하여 터보차저를 기본적으로 결합하는 엔진이 대부분이기 때문에 비슷한 수준의 엔진이라면 제작 비용은 가솔린에 비해 높은 편이다.

  또한 환경오염 문제로 다운사이징이 자동차 엔진의 대세로 자리잡으면서 더더욱 과급기가 없는 디젤 엔진은 존재하기 어려운 상황이다. 여기에 질소산화물 처리장치인 DPF나 SCR도 필수적으로 장착되므로 차량의 가격이 높을 수밖에 없는 구조. 거기에 DPF는 주기적인 청소가 필요하고, SCR은 요소수를 따로 보충해야 하므로 연료비 외에 추가적인 유지비용이 발생한다.

• 진동 및 소음

  압축착화의 특성상 가솔린보다 강한 힘으로 피스톤을 밀어내고, 피스톤의 왕복 주기도 더 길기 때문에 진동이 크게 발생하며 소음도 더 강하다. 가솔린 엔진은 공회전이나 가속시에도 소음와 진동 억제가 상대적으로 쉬운 편이지만, 디젤은 태생 자체가 강한 진동과 소음이 필연적인 구조라 아무리 진동과 소음 억제를 위해 많은 흡음제나 진동억제 설계를 적용하더라도 한계는 존재하는 편이다.

기타

• 경유의 연료비가 저렴한 편이지만 매일 수백km를 운행하는 트럭이나 버스의 경우 유류비용으로 1개월에 2~3백만원 이상을 깔고 가는 경우가 있어서, 특히 고유가 상황에서 경유와 특성이 비슷한 등유를 암암리에 주유하는 사례가 있다. 등유는 대한민국의 경우 가정용 보일러 연료 등으로 사용되므로 세금이 적게 붙어서 경유에 비해 가격이 저렴하기 때문에 유혹을 못이기는 것. 물론 엔진용 경유에는 순수한 기름 외에 엔진을 보호하는 윤활성분 등이 첨가되기 때문에 이런 성분이 없는 등유를 주유할 경우 엔진이 고장나거나 출력이 저하될 가능성이 높고, 불완전 연소 등으로 심한 매연이 발생할 수 있다. 무엇보다 이러한 행위는 엄연한 탈세에 해당하므로 단속도 자주 이뤄진다.

관련 문서

• 가솔린 엔진
• 터보 디젤 엔진
• 유로규제
• 배기가스 저감장치
• SCR