내연기관은 정해진 시점에 연료와 공기의 혼합기가 착화되여 폭발함으로써 피스톤을 아래로 힘차게 미는 힘으로 동력을 발생시킨다. 이때, " 정해진 시점 " 이 아닌 시점에 혼합기가 비정상적으로 착화, 폭발하는 이상 연소가 발생함으로써, 비정상적으로 높은 압력이 발생, 피스톤이 실린더를 때리는 현상을 노킹이라 한다.
피스톤이 실린더를 때릴 때, 마치 똑똑~ 하는 노크음 같다하여 노킹이라고 한다. 노킹의 의미는 가솔린과 디젤에 있어서 똑같지만, 구체적으로 들어가서 노킹의 발생 시점과 원인, 그리고 대책은 판이하게 다르다.
가솔린
정상적인 경우라면 이상적으로 상사점으로부터 일정시점까지 내려가는 구간에 점화 및 폭발이 이루어져야 힘차게 피스톤을 아래로 밀어내며 높은 힘을 발생시킬 수 있다. 하지만, 피스톤이 상사점까지 올라와서 압축행정을 미쳐 끝내기도 전에(스파크 플러그가 불꽃을 튀기기전에), 이상 착화(자연 착화)가 발생하여 연소압력이 급격이 높아지면,올라오던 피스톤을 높은 압력으로 강제로 아래로 밀어버리기 때문에 피스톤은 실린더 벽을 때리게 되고(knocking),피스톤과 크랭크축은 엄청난 Damage를 입히게 된다.
디젤
디젤은 가솔린처럼 스파크가 불꽃을 튀겨주어 점화를 하는 것이 아니라, 공기를 높은 압력으로 압축한 후, 연료를 고압으로 분사함으로써 스스로 착화를 하게 만들기 때문에 상사점에 도달하기 이전에 이상 폭발이 발생할 수는 없다. 그래서 디젤은 정해진 착화시점(상사점에서 일정 시점까지 내려가는 구간)에 자기 착화 조건이 충족되지 못하고, 착화가 지연될 경우, 피스톤이 하사점에 거의 다 이르러서 비로소 자기 착화 조건이 충족되면서, 피스톤이 실린더를 때리게 되는 현상이 발생한다.
디젤 노킹의 발생 조건은 정해진 시점에 자연 착화 조건이 충족되지 않으면(착화가 지연되면)연소실 내의 압축공기의 온도가 낮거나, 압력이 낮으면, 목표한 시점에 착화가 일어나지 못하고 피스톤이 거의 다 내려간 시점에 폭발이 발생하는 것이다.
점화방식의 차이로 인해, 가솔린과 디젤은 노킹의 발생 조건이 정반대이다. 가솔린은 연료에 불이 잘 붙으면 노킹이 발생하고, 디젤은 연료에 불이 잘 안 붙으면 노킹이 발생한다. 가솔린은 혼합기의 온도가 높으면 노킹이 발생하고, 디젤은 공기의 온도가 낮으면 노킹이 발생한다. 가솔린은 혼합기의 압력이 높으면 노킹이 발생하고,
디젤은 압축공기의 압력이 낮으면 노킹이 발생한다. 역시 점화 방식의 차이로 인해, 가솔린과 디젤은 노킹의 발생 시점도 정반대이다. 가솔린은 피스톤이 상사점을 향해 올라올 때 노킹이 발생하고, 디젤은 피스톤이 상사점을 지나 하사점을 향해 내려갈 때 노킹이 발생한다.
노킹을 방지하는 방법도 가솔린과 디젤은 정반대이다. 가솔린은 높은 온도에서도 스스로 불이 잘 안붙는 성질(옥탄가)이 높은 연료를 사용하면 노킹을 방지할 수 있고, 디젤은 낮은 온도에서도 스스로 불이 잘 붙는 성질(세탄가)이 높은 연료를 사용하면 노킹을 방지할 수 있다.
디젤은 압축공기의 압력을 높여 자연 착화를 촉진시키면 노킹을 방지할 수 있다. 가솔린 엔진의 출력 향상은 노킹과의 전쟁으로 봐도 무방하다. 가솔린 엔진의 노킹은 엔진에 치명적인 영향을 주기 때문에, 통상 노킹을 감지하는 knock sensor를 설치하여 상시 노킹을 감시한다.
Knock sensor는 실린더에 설치되어 일정 수준 이상의 고주파가 발생되면, 노킹으로 판단하여 Ecu에 노킹이 발생되고 있다는 신호를 보낸다.
Ecu는 노킹 발생 신호를 감지하면, 위에서 살펴본 노킹을 억제하기 위한 로직을 가동한다. 연소실의 온도를 낮추기 위해 인젝터의 연료분사량을 늘리고, 연소실의 압력을 낮추기 위해 부스트를 뺀다. 이상 연소로 연소압력이 급격히 상승하는 것이 노킹이라고 했다.
그런데, 연소압력이 급격히 상승하면 피스톤을 누르는 힘이 엄청나게 높아진다. 이때, 피스톤이나 캠을 부러뜨릴 정도가 아니라면, 차량의 출력은 비약적으로 높아질 것이다.
Ecu 튜닝을 하는 업체에서는 Ecu Calibration을 하게 되면, 공연비를 Lean 하게 하거나, 부스트를 높여 폭발력을 높이는 방법으로 출력을 높이는데, 이렇게 되면 필연적으로 Knock sensor 의 감시망을 벗어날 수 없다. 일정 수준의 노킹이 감지되면 Ecu의 보호 로직이 작동하게 되고, 그러면 Ecu 튜너들이 목표한 출력에 채 이르기 전에 출력이 빠지게 된다.
따라서, Ecu 튜너들은 Knock sensitivity는 그대로 두고 점화시기(점화각), 공연비, 부스트 등을 조정하여 이에 대응해야 하는데, 이를 적절히 조정할 수 없는 튜너들은 흔히 쓰는 방법이 바로 knock sensor의 민감도를 떨어뜨리는 것이다. 이건 엔진에 치명적인 Damage를 입히는 것임에도 불구하고, Ecu 튜너들은 출력 경쟁을 위해 Knock sensor의 임계치를 높이는 편법을 사용한다.
즉, Knock sensor가 보내온 수치가 100을 넘어서면 Ecu가 보호로직을 가동하도록 맵이 설계되어 있다면, 이 100이라는 수치를 150으로 상향조정한다는 것이다. 자동차 메이커에서 엔진의 안전성을 고려하여 설정한 수치를 임의로 끌어올리는 작업인 것이다.
디젤에 있어서 노킹의 영향은 가솔린만큼 엔진에 치명적이지는 않다. 그렇다고 장기적으로 좋을 것도 없다. 디젤은 세탄가가 높은 연료를 사용하는 것이 좋지만, 국내 고급경유가 경제성을 이유로 판매되고 있지 않은 상황인 점을 감안하면, 질이 좋은 경유를 사용하는 것이 노킹을 예방하는 가장 좋은 방법일 것이다.
또한, 예열을 충분히 함으로써 연소실의 온도를 높이고 운행을 하는 것도 한가지 방법이 될 것이다. 디젤은 자연착화 방식이고 연료를 고압으로 분사하는 방식의 엔진이다. 따라서, 좋은 연료를 사용하고, 연료필터를 정기적으로 교환해 주는 것이 인젝터의 내구성을 높이고, 노킹을 방지하고, 나아가서는 출력을 높이는 가장 좋은 방법일 것이다.
디젤은 좋은 연료를 사용하고 연료필터를 3만km마다 교환하는 것이 가장 좋은 엔진 관리 방법이자 인젝터 관리 방법임을 잊지말자.
글,사진 출처: blog.naver.com/cogram/140176872362
