안녕하세요. 박사가 직접 답변하는 Q&A 사이트를 운영하는 운영자입니다.
오늘은 연료의 특성에 따른 노킹에 대한 연구를 진행하시는 박사 후 과정 김남호 연구원께서 노킹에 대한 답변을 주신 내용이 있어 공유 드립니다. 엔진 노킹 소음과 이상 소음에 대해 궁금하신분들이 보시면 좋은 정보가 될 것 같습니다.

Q. 어떤 정비업소에서 노킹음은 딱따구리가 쇠판을 딱딱딱 두드릴 때 나는 소리와 비슷하다는 의견을 내놓았습니다. 어떤 분은 딱딱딱 소음 외에도 노킹으로 인해 "쇠갈리는 소리?" 가 날 수도 있다고 합니다. 노킹음 외에도 엔진이 일으키는 흔한 이상 소음 (태핏 불량 소음, 고압 펌프 불량 소음 등)이 어떤 식으로 소음을 유발하는 지 설명 또는 영상자료가 있으면 많은 이들이 자신들의 차량의 건강상태를 진단하는 데 도움이 될 것 같습니다. 이런 이상 소음을 판단할 때 흔히 사용되는 장비는 뭐가 있는 지 추가적으로 안내해주시면 유용할 것 같습니다.

A. 노킹 현상이 발생하게 되면 엔진에서 날카로운 금속 소음 (sharp metallic noise)이 들리게 됩니다. 개인적으로는 쇠젓가락을 서로 강하게 쳤을 때 발생하는 소음과 비슷하다고 생각합니다. 노킹 발생 여부는 일반적으로 “고주파수 영역대 (주로 5~6 kHz)의 소음”의 유무로 알 수 있으며 “특정 소음의 검출”을 위해서는 마이크와 고주파수 신호를 검출할 수 있는 적절한 계측장비 (오실로스코프 등)을 사용해야 합니다. 그러나 엔진운전 조건을 제어해주는 ECU (Engine Control Unit)의 경우 마이크를 이용하여 소음을 측정하는 대신 노킹 현상과 연관되어 있는 엔진 진동의 특정 주파수 성분을 관측함으로써 노킹 발생 여부를 판단하고 있습니다.

노킹에 의한 소음과 기타 이상현상에 의한 소음 (질문지에 명시된 고압 펌프 불량 소음 등)을 구분하기 위해서는 소음이 발생하는 상황을 살펴보는 것이 도움이 될 것으로 생각됩니다. 노킹은 주로 엔진 부하 (혹은 출력)이 높은 운전 조건 혹은 엔진 부하가 높으면서 엔진 회전수가 낮은 조건에서 주로 발생하게 됩니다. 가파른 언덕을 장시간 등판하거나 언덕 등판 시 높은 기어 단수를 사용 (기어 단수가 높을수록 더 낮은 엔진 회전수 사용), 고속주행 중 반복적인 급가속을 하는 운전 조건이 노킹이 일어나기 쉬운 조건에 해당됩니다. 또한 노킹은 여름철 외기 온도가 높은 조건에서 보다 쉽게 발생할 수 있습니다. 노킹이 일어날 수 있는 상황들을 고려할 때 인터넷 상에 보여지는 몇몇 동영상에서 차량이 정차되어 있는 상태에서 잠시 엑셀을 밟거나 쓰로틀을 개방하였을 때 들려지는 소음은 노킹에 의한 소음이라고 판단하기는 어렵습니다. 혹시 엔진에서 특정 조건이 아닌 상시 소음이 발생하고 있다면 노킹에 의한 소음이 아닌 기타 원인에 의한 소음일 가능성이 매우 높다고 판단할 수 있을 것 같습니다.

먼저 일반적으로 엔진에서 발생할 수 있는 소음에 대하여 나열해보면 공기 흡입 과정 중 발생하는 소음, 연소 이후에 연소실에서 기체가 배출되는 배기과정 중 발생하는 소음, GDI 엔진의 고압 연료 펌프에서 발생하는 소음, 흡배기 밸브의 닫힘 시기에 발생하는 소음 등이 있으며 모두 비정상적인 소음이 아닌 본래 엔진에서 발생하는 소음들입니다. 공기 흡입 과정 중에 발생하는 소음의 경우, 흡기 시스템에 특정 주파수를 흡수해주는 공명기 (resonator)를 설치함으로써 저감할 수 있으며 GDI 용 고압 연료 펌프의 경우 펌프 내부에서 연료의 압력을 조절해주는 밸브의 개폐를 제어하는 전류신호의 파형을 최적화함으로써 소음을 저감하고 있습니다. 연소가 된 기체가 배기되는 과정 중에 발생하는 소음은 이미 차량에 장착되어 있는 머플러에 의하여 많은 부분 저감되고 있는 상황입니다. 연소 과정에 의한 소음 (연소음)도 엔진에서 발생하는 소음 중 하나이지만 정상 연소 및 비정상 연소에 의한 소음에 큰 차이가 있습니다. 질문으로 주신 노킹에 의해 발생하는 소음이 비정상 연소에 의한 소음에 해당됩니다. 우선 정상적인 연소 과정 중에 발생하는 소음에 대하여 설명을 드리자면 이는 주로 연소실 내부 압력의 상승률에 의해서 결정되게 됩니다. 연소 과정 중 연소실 압력 상승률은 연소 기간이 짧을수록, 즉 연소가 빠를수록 높아지게 됩니다. 연소 기간이 짧은 것이 열효율을 높이는 것에 기여하기 때문에 최신 엔진들에서 오히려 정상 연소에 의한 연소음이 커질 수 있습니다. 그러나 정상 연소에 의하여 발생하는 연소음은 주로 낮은 주파수 영역대를 갖으며 운전자에게 크게 거슬리는 소음이 아닌 것으로 간주되고 있습니다. 정상 연소 과정에 의해서 발생하는 소음은 엔진 자체적으로 저감하기 보다는 차량에 특정 주파수 영역대를 상쇄시켜주는 흡음제를 사용하거나 혹은 추가적인 음향장치를 적용함으로써 운전자에게 전달되는 소음의 크기를 저감하는 방법이 사용되고 있습니다. 반면 노킹 현상 등 비정상 연소에 의한 연소음은 높은 주파수 영역대를 갖고 있습니다. 정상 연소에 의하여 발생하는 소음과 비정상 연소에 의하여 발생하는 소음이 서로 다른 주파수 영역대를 갖는 이유에 대하여 이해하기 위해 엔진 내에서 진행되는 기본적인 연소과정과 노킹이 발생하는 과정에 대한 이해가 필요합니다.

내연기관은 연료의 화학적 에너지를 운동 에너지로 변환하는 열기관 중 하나로 고온 고압으로 압축된 연료와 공기의 혼합기를 연소시킴으로써 유효한 일 (출력)을 얻게 됩니다. 연소 과정에 따라서 가솔린 엔진과 디젤 엔진으로, 그리고 필요로 하는 연료가 달라지게 됩니다. 우선 일반적인 디젤 엔진의 경우에는 연료와 공기를 미리 혼합 (예혼합)하지 않고, 공기만을 고온 고압으로 압축한 뒤에 연소실에 액상의 연료를 분사합니다. 분사된 액상의 연료는 작은 크기의 액적으로 미립화가 되어 기화되고, 고온 고압의 공기와 혼합 과정을 거친 후에 일정 기간이 지나면 공기와 적절하게 섞인 연료에서 화학반응이 시작되게 됩니다. 고온 고압에 노출된 공기와 연료의 혼합기가 일정 시간을 거쳐서 시작되는 화학반응에 의한 연소 과정을 자발화 (autoignition)이라 합니다. 또한 연소 과정을 시작하는 별개의 기구 없이 고온 고압으로 “압축”된 공기에 섞인 연료의 자발화에 의하여 “착화”가 이루어지므로 이를 “압축착화”라 부릅니다. 이에 디젤 엔진의 조금 더 정확한 명칭은 디젤 연료 (경유)를 사용하는 압축착화 엔진이라 할 수 있습니다. 반면 가솔린 엔진의 경우에는 공기와 연료를 이론공연비로 예혼합하여 고온 고압으로 압축하게 됩니다. 연소 화학 반응이 시작(착화)되어야 하는 시기에 점화플러그를 이용하여 작은 화염소를 생성하고, 화염소로부터 화염이 연소실 벽면 부근으로 전파되면서 화학반응이 점차 진행되게 됩니다 (그림 1 참조). 이에 가솔린 엔진의 경우 전기점화엔진이라 불리기도 합니다. 정상 연소의 경우에는 연소실 벽면 부근에 있는 (화염소로부터 가장 멀리 떨어져 있는) 공기와 연료 모두가 작은 화염소로부터 전파되는 화염면이 휩쓸고 지나가며 진행되는 화학반응에 참여하게 됩니다. 그러나 화염이 연소실 벽면으로 전파되는 속도가 느린 조건에서는 연소실 벽면 부근에 있는 연료와 공기가 상대적으로 긴 시간동안 고온 고압 조건에 노출되게 됩니다. 이러한 경우 앞서 설명 드렸던 디젤엔진에서 발생하는 자발화, 즉 화염에 의존하지 않고 고온 고압의 공기와 연료에서 자체적으로 연소 화학 반응이 시작되는 현상이 가솔린 엔진에서도 발생할 수 있습니다. 소량의 공기와 연료가 자발화가 되는 것은 크게 문제가 되지 않지만 다량의 공기와 연료가 동시다발적으로 자발화가 되면 노킹으로 발전되게 됩니다.

그림 1 노킹 발생에 대한 예시

다량의 공기와 연료가 동시다발적으로 자발화되면 노킹으로 발전되는 이유는 다음과 같습니다. 화염전파에 의하여 진행되는 연소와 자발화에 의하여 진행되는 연소 모두 연료의 화학에너지를 열에너지로 변환하는 과정입니다. 연료에서 방출된 열에너지는 국부적으로 온도와 압력을 높이는 역할을 하며, 이때 국부적인 압력의 상승정도가 일정 수준으로 높아지게 되면 압력 불균형으로 인하여 압력파 (shock)이 발생하게 됩니다. 화염전파에 의하여 진행되는 연소와 소량의 공기와 연료가 자발화가 되는 것에 의해서는 압력 불균형이 발생할 정도로 빠르게 열에너지가 방출되지 않지만 다량의 혼합기에서 발생하는 자발화의 경우 굉장히 빠르게 많은 열에너지가 방출되면서 압력 불균형을 형성하게 됩니다. 압력 불균형에 의해 생성되는 압력파는 처음 발생한 위치에 머무르지 않고 연소실 내부에서 음속으로 전파되어 연소실 벽면에 충돌과 반사되는 과정을 거치며 연소실 내부 압력에 높은 주파수 영역대 (대략 5~20 kHz)를 갖는 맥동을 야기하고, 고주파수 영역대의 압력 맥동이 엔진 구조물들을 가진하여 소음을 유발하게 됩니다. 이것을 노킹 (knocking)이라고 칭합니다.

> 너무 긴 글은 싫으신 분들을 위한 요약

노킹에 의한 소음은 가솔린 엔진에서 화염 전파에 의한 연소가 아닌 동시다발적인 자발화에 의한 연소로 인하여 연소실 내에 고주파 영역대의 압력 맥동이 발생하고, 고주파 영역대의 압력 맥동이 엔진을 가진하게 되어 발생하는 날카로운 금속 소음이라 할 수 있습니다. 노킹은 상시적으로 발생하는 것이 아닌 엔진의 높은 부하를 사용하는 조건에서 주로 발생하기 때문에 이와 같은 조건에서 고주파수 영역대의 소음이 들리는지에 대한 여부로 발생여부를 판단할 수 있습니다.