대기환경기사 연소설계 — 공기비가 낮을 때와 높을 때

공기비는 실제로 공급한 공기량을 이론 필요 공기량으로 나눈 값이고, 공연비는 연료에 견준 공기의 비율이다. 둘 다 이론량보다 작아지면 같은 상태를 뜻한다. 공급한 공기가 모자라 산소가 부족해지고, 그러면 탄소가 이산화탄소까지 다 타지 못하고 일산화탄소로 남는다. 그래서 배출가스 가운데 일산화탄소가 늘어나고 매연과 그을음도 함께 늘어난다. 완전연소가 아니므로 열효율은 떨어지고 열손실은 커지며, 타지 못한 미연탄화물이 생겨 연소실 벽면에 붙기도 한다. 공기비가 1보다 작은 상태를 두고 연소효율이 좋아진다거나 미연탄화물이 줄어든다고 적은 선지는 이 인과를 뒤집은 것이다.

연소설계는 이 한쪽만 보고 정할 수 없다. 공기를 이론량보다 훨씬 많이 넣으면 연소는 잘 되지만, 데워서 버리는 배기가스의 양이 늘어 열손실이 커지고 질소산화물도 늘어난다. 황산화물과 질소산화물은 이렇게 기온이 높거나 산소가 지나치게 많을 때 늘어나는 쪽에 속한다. 결국 설계는 산소 부족이 낳는 일산화탄소와 매연, 공기 과잉이 낳는 열손실과 질소산화물 사이에서 알맞은 값을 고르는 일이 된다.

같은 이유에서 기관과 버너의 구조도 연소 조건을 다스리는 쪽으로 잡는다. 연소실을 구형으로 만들고 점화 플러그를 중심에 두며 난류로 혼합을 빠르게 하는 것은 국소적으로 온도가 치솟는 것을 막아 노킹을 억제하는 설계이고, 공기와 연료를 고르게 섞어 예혼합 화염에 가깝게 만드는 것은 불완전연소에서 오는 그을음을 줄이는 설계이다. 두 가지 모두 같은 뿌리, 곧 국소 고온과 혼합 부족을 없애는 데서 나온다.