노킹

왜 배우는가: 노킹은 엔진 손상과 열효율 저하를 일으키는 대표적인 이상연소이므로 연소 설계와 연료 선택의 기준이 된다. 가솔린과 디젤의 노킹은 발생 위치와 원인이 반대로 나타나 기출에서 비교형 문항으로 여러 번 출제되었다.

출제 이력: 제132회 3교시 1번, 제129회 4교시 2번, 제98회 3교시 3번, 제95회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

노킹은 화염이 도달하기 전에 미연소 혼합기가 자발화하여 압력이 급상승하는 이상연소이다.

노킹을 답안에 옮길 때는 발생 위치, 발화 원인, 결과의 세 가지를 함께 쓴다. 발생 위치는 말단가스이고, 발화 원인은 가솔린에서 자발화, 디젤에서 착화지연이며, 결과는 압력상승률 증가와 금속음이다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 이상연소: 점화시기나 분사시기가 정상 범위를 벗어나 혼합기가 설계와 다르게 연소하는 현상이다.
• 말단가스(end gas): 화염 전파의 마지막까지 남은 미연소 혼합기로, 노킹이 가장 먼저 일어나는 영역이다.
• 자발화: 점화원 없이 고온·고압에서 혼합기가 스스로 연소를 시작하는 현상이다.
• 착화지연: 연료 분사 후 실제 연소가 시작될 때까지 걸리는 시간 간격이다.
• 압력상승률: 단위 시간이나 단위 크랭크각당 연소실 압력이 오르는 비율이며, 노크 강도를 나타낸다.
• 옥탄가: 가솔린이 노킹에 견디는 능력, 즉 내폭성을 나타내는 척도이다.
• 세탄가: 디젤 연료의 착화성을 나타내는 척도이며, 값이 높을수록 착화지연이 짧다.
• 디젤 노크: 착화지연이 길어져 연료가 한꺼번에 연소하며 압력상승률이 커지는 현상이다.

2. 개념 풀이

노킹은 연소실 안의 미연소 혼합기가 정상 화염 전파가 도달하기 전에 자발화하는 현상이다. 가솔린 기관은 점화플러그가 만든 화염핵이 연소실 전체로 퍼져 나가며 혼합기를 태운다. 화염이 가장 늦게 닿는 말단가스는 먼저 연소한 가스에 밀려 압축되므로 온도와 압력이 함께 올라간다. 이 말단가스가 자발화 한계를 넘으면 화염이 닿기 전에 여러 곳에서 동시에 발화하고, 충돌하는 압력파가 실린더 벽을 두드리는 금속음과 진동을 만든다.

가솔린 노킹은 말단가스의 자발화, 디젤 노크는 착화지연에 따른 급격한 압력상승이다.

가솔린 노킹이 연소 후반에 일어나는 이유는 말단가스가 연소의 마지막에 남아 압축과 복사열을 가장 오래 받기 때문이다. 자발화 시점은 압축비, 흡기 온도와 압력, 점화시기에 따라 앞당겨지므로 이 값들이 커질수록 노킹이 쉽게 생긴다. 반대로 연료의 내폭성이 높으면 같은 조건에서도 자발화가 늦어진다.

디젤 기관은 연료를 압축 말기에 분사하여 압축열로 자발착화시킨다. 분사 후 실제 연소가 시작되기까지의 착화지연 기간이 길어지면 그동안 분사된 연료가 많이 쌓인다. 착화가 일어나는 순간 쌓인 연료가 한꺼번에 연소하여 압력상승률이 급격히 커지며, 이것이 디젤 노크이다. 가솔린 노킹과 달리 디젤 노크의 원인은 불안정한 연소가 아니라 압력이 매우 빠르게 오르는 데 있다.

가솔린 기관에서 노킹을 키우는 인자는 다음과 같다.

• 압축비: 압축비가 높을수록 말단가스의 온도와 압력이 올라가 자발화가 쉬워진다.
• 흡기 온도와 압력: 과급이나 흡기 온도 상승은 혼합기의 초기 온도를 높여 노킹 여유를 줄인다.
• 점화시기: 점화시기를 빠르게 하면 말단가스가 높은 압력 상태에서 연소하므로 노킹이 쉽게 생긴다.
• 연소실 형상: 화염 전파 거리가 길어 말단가스 영역이 넓으면 노킹 위험이 커진다.

디젤 기관에서 디젤 노크를 키우는 인자는 다음과 같다.

• 세탄가: 세탄가가 낮으면 착화지연이 길어져 연료 축적량이 많아진다.
• 압축 온도와 압력: 냉시동이나 저부하처럼 압축 온도가 낮으면 착화가 늦어져 착화지연이 길어진다.
• 분사 조건: 분사 초기에 연료가 한꺼번에 많이 들어가면 축적량이 커져 압력상승률이 높아진다.

세탄가는 디젤 연료가 얼마나 쉽게 착화하는지를 나타내는 척도로, 착화성이 좋은 세탄과 착화성이 나쁜 기준 물질인 1-메틸나프탈렌의 혼합비율로 정한다. 세탄가가 높은 연료는 착화지연이 짧아 디젤 노크가 줄어든다.

가솔린의 내폭성은 옥탄가로 나타낸다. 옥탄가는 노킹을 잘 일으키지 않는 이소옥탄과 잘 일으키는 헵탄의 혼합비율로 정하며, 기준은 이소옥탄 100, 헵탄 0이다. 측정 조건에 따라 연구법옥탄가(RON)와 모터법옥탄가(MON)로 나뉘며, 모터법은 흡기 온도와 엔진 회전수가 높은 가혹한 조건이므로 MON이 RON보다 낮게 나타난다.

노킹은 정상 점화 이후 말단가스가 자발화하는 현상이다. 점화플러그 주변이 과열되어 정상 점화보다 먼저 연소가 시작되는 조기점화와는 원인과 발생 시점이 다르므로 구분해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

가솔린 기관은 압축비를 높일수록 열효율이 좋아지지만, 압축비를 올리면 말단가스의 온도와 압력이 함께 올라 노킹 한계도 낮아진다. 그래서 노킹은 압축비와 열효율 향상을 가로막는 중요한 제약이었다. 이 때문에 연료 개량, 연소실 설계, 점화시기 제어가 함께 발전하였다.

노킹 억제 첨가제로는 납 화합물이 사용되었다. 그러나 납 화합물은 환경오염 문제와 배기가스 촉매변환기 손상 문제가 드러나면서 사용이 중단되었다. 이후 옥탄가를 높이는 대체 첨가제로 MTBE 같은 산소화합물이 쓰였다. 이 변화는 노킹을 연료 성질에만 맡겨서는 해결하기 어렵고 엔진 설계와 함께 다뤄야 함을 보여준다.