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엔진의 개요 및 분류 Overview and classification of engines

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작성자 월하月下 작성일18-01-08 10:28 조회23,162회 댓글0건

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 엔진의 개요

동력에 의해서 움직이는 물체가 있을 때 그 물체가 움직이기 위해서는 동력발생원이 있어야 한다. 자동차를 움직이기 위한 동력발생원은 바로 엔진이다.
엔진은 열에너지를 기계적인 에너지로 변환하여 동력을 얻으며, 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 방식에 따라 내연기관과 외연기관으로 구분된다.

내연기관이란 기관의 내부에서 화학적 에너지를 갖는 연료(Fuel)를 공기중의 산소와 완전연소가 이루어 지도록 잘 혼합된 상태에서 압축을 한 다음 연소를 시킬 때 발생하는 열에너지를 직접 이용하는 것으로 작동유체와 연소생성물은 동일하다. 자동차 내연기관에서는 연료- 공기혼합기, 연소가스가 모두 작동유체가 된다. 따라서 현재 사용되고 있는 가솔린, 디젤기관과 가스터빈, 제트기관등이 내연기관에 속한다.
내연기관은 엔진내에 연료와 작동유체를 끌어들이기 때문에 엔진 자신의 힘으로 시동할 수 없는 결점이 있으나, 소규모의 시동장치에 의해서 단시간에 시동 시킬 수 있으며 일반적으로 엔진의 중량, 용적이 작고 소출력의 것으로부터 대출력의 것까지 광범위하게 제작할 수 있기 때문에 자동차, 항공기, 철도, 선박 등의 원동기로서 가장 많이 사용되고 있다.

외연기관은 열에너지를 발생하는 부분과 그것을 동력으로 변화시키는 부분이 별도로 되어 있는 기관을 의미하며, 증기기관이 여기에 속한다. 증기기관은 연료의 연소에 의하여 발생한 열에너지가 보일러 벽을 통하여 물로 전달되어 증기를 발생시키고, 고온고압의 증기에 의하여 일을 발생하게 된다. 따라서 증기기관에서는 물 및 수증기가 작동유체가 되어, 작동유체와 연소가스는 전혀 다르므로 혼합되는 일이 없다. 이에 속하는 기관으로는 왕복식 증기기관, 증기터빈등이 있으며, 이외에 독일의 오토와 랑겐이 발명한 자유 피스톤식(Free piston) 가스기관 및 스털링 엔진(Stirling engine)등이 있다.
증기엔진은 석탄이나 중유등의 저질 연료도 사용할 수 있으며, 축의 회전속도의 고저에 관계없이 토크가 일정한 것, 엔진 자신이 회전을 시작하는것 등의 장점이 있으나, 엔진 외부에 용적과 중량이 큰 보일러를 필요로 하며 엔진의 운전을 시작하기 전에 물을 과열증기로 만들 때까지 상당한 시간이 걸리기 때문에 화력발전 등의 대출력 정치용, 철도용, 선박용의 원동기로 장기간 연속 운전하는 것에는 적합하지만, 소형.경량으로 운전과 정지를 반복하고 출력범위가 넓어야 하는 자동차용으로는 적합하지 않다.


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  엔진의 분류

1. 사용연료에 따른 분류
   1) 가솔린 엔진 : 휘발유, LPG
   2) 디젤엔진 : 경유

2. 피스톤 운동 방식에 따른 분류
   1) 왕복엔진(Reciprocating Engine) : 왕복운동을 회전운동으로 변환하는 엔진
   2) 회전엔진(Rotary Engine) : 연결형 로터가 회전운동을 하는 엔진

3. 사이클에 따른 분류
   1) 2행정기관(2 Cycle Stroke Engine)
      현재 탑재차량은 거의 없으며 주로 오토바이에 사용한다.
   2) 4행정기관(4 Cycle Stroke Engine)
      흡입, 압축, 폭발, 배기의 4가지 행정에 따라 2회전이 끝나는 형식으로 대부분의 차량이 이 방식을 채택하고 있다.

4. 흡배기 밸브의 수에 따른 분류
   1) SV(Side Valve)
      실린더의 양쪽에 밸브를 설치한 것으로 현재의 자동차용 엔진으로는 거의 쓰이지 않는다. 
   2)OHC(Over Head Camshaft)
      밸브가 실린더 헤드 위에 놓이고 캠샤프트도 실린더 헤드 위쪽에 놓여있다. OVH보다 고속회전에 유리하여 대다수의 승용차가 채택하고 있다.
      OHC는 SOHC(Single Over Head Camshaft)와 같은 뜻이다.
   3) DOHC(Double OHC)
      일명 Twin Cam.이라고 부르는데 일반적인 승용차가 각 실린더마다
      흡입밸브와  배기가 하나씩 있는 2밸브방식인데 고출력을 위해 실린더마다 4개(흡입 2, 배기 2)의 밸브를 눌러주어 2개의 캠샤프트
      (Twin Camshaft)로 작동한다. 따라서 4기통은 모두 16Valve, 6기통은 24Valve를 갖는다.

5. 연료분사방식에 따른 분류
   1) 카브레타식 연료분사장치(Carburetor Fuel Injection)
      공급하는 연료의 양을 결정하는데 엔진으로 흡입된 공기의 유량에 따라
      시소식의 기계가 분출하는 연료를 분무상태로 만드는 방식으로 캬브레타(Carburetor)식이라고도 부른다.
      연료효율이 떨어지고 전자기술의 진보에 따라 최근에는 거의 쓰이지 않고 있다.
   2) 전자식 연료분사장치(Electronic Fuel Injection)
      공기의 유량에 의한 연료의 계량, 연료의 분사시기를 컴퓨터에 의한 전자 제어로 행하는 방식으로 메이커에 따라 EGI, ECI, ECGI, EFI, FBC, TBI 등의 약칭으로 부른다.

6. 실린더의 수와 배열 형식에 따른 분류
   1) 실린더의 수에 따른 분류
      1기통, 2기통, 3기통…으로 분류하는데 승용차는 3,4,5,6,8,12기통이 대부분이다.
   2) 실린더의 배치
      ① 직열형(In-Line Type/Vertical Type) : 실린더가 일렬로 늘어서 있는 병렬형으로 보통 2∼6기통 엔진에 쓰인다.
      ② 수평대향형(Horizon Opposed Type) : 크랭크샤후트를 중심으로 실린더가 마주보는 형으로 엔진자체의 너비는 넓으나 높이는 가장 낮다.
      ③ V형(V-Shaped) : 직열형과 수평대향형의 중간으로 V자 모양으로 배열된 형식이다. 엔진전체를 컴팩트하게 할 수 있으며 보통 6기통∼12기통에 주로 쓰인다.

7. 연소방식에 의한 분류
   1) 정적 사이클
       일정한 용적하에서 연소가 되는 것으로 일반적인 가솔린 엔진이 이에 해당되며, 4사이클을 오토 사이클(Otto cycle), 2사이클을 클러크 사이클(Clerk cycle)이라 한다.
   2) 정압 사이클
       일정한 압력하에서 연소가 되는 것으로 디젤 사이클이라고도 하며 현재의 자동차용 고속 디젤 엔진은 이에 해당하지 않으며, 최고 회전속도가 1,000rpm 이하인 디젤 엔진이 이에 해당된다.
   3) 복합 사이클(Dual Combustion cycle)
       정적 및 정압사이클이 복합되어 일정한 압력하에서 연소가 되는 것으로 이를 사바테 사이클(Savathe cycle)이라고도 하며 대부분 자동차에서 사용되는 디젤엔진이 이에 해당한다.

8. 점화방식에 의한 분류
   1) 스파크 점화식
       연료와 공기의 혼합기를 압축하여 전기 스파크에 의해 점화 연소시키는 가솔린 엔진이 이에 해당된다.
   2) 압축 착화식
       공기만을 압축하여 고온(500~550℃)이 되면 여기에 연료를 분사하여 자연 착화 시키는 것으로 디젤엔진이 이에 해당된다.
 

  디젤 엔진

1. 디젤 엔진의 특징

경유를 연료로 하는 디젤엔진의 작동은 4사이클 엔진과 거의 같다. 다른점은 흡입할 때 공기만 연소실에서 받아들이며 압축비를 대단히 높게 하고 연료를 연소실에 분사하는 압축비는 16∼23:1 정도로 가솔린의 2배 정도이고 실린더내에 흡입된 공기는 압축시켜 약 500℃에 가까운 고열로 만들어 착화온도가 300℃인 경유를 자연착화시킨다.

가솔린엔진은 회전수를 높이기 위해 엑셀 페달로 트로틀 밸브를 열어 공기의 양을 증가시키지만, 디젤엔진은 항상 대량의 공기를 흡입해야 흐므로 트로틀 밸브는 없고 회전수를 올리기 위해 엑셀 페달을 밟아 펌프로부터 들어오는 경유의 양을 늘리는 방법을 쓰고 있다.

2. 디젤엔진의 연소실과 특징

1) 직접분사식(Direct Injection Type)

구조가 가장 간단하므로 2사이클엔진에는 대부분 이 형식을 쓰고 있다. 구조는 실린더헤드와 피스톤헤드 사이에 마련된 연소실안에 연료를 분사하여 연소하도록 되어 있다. 따라서, 연료를 완전 연소시키기 위해 구멍형 노즐을 사용하여 150∼300kg/㎠의 고압으로 분사한다.

2) 예연소식(Precombustion Chamber Type)

주연소실 윗부분에 예연소실이 있어 그 속에 연료를 분사하여 연료의 일부를 연소시키면 이때 발생한 압력에 의해 남은 연료를 주 연소실로 분출하여, 소용돌이를 따라 공기와 잘 혼합해 연소시키는 것이다.
일반적으로 예연소실의 용적은 용적비(전 압축용적에 대한 예연소실 용적의 비율)가 30∼50%이다.

3) 와류실식(Swirl Chamber Type)

와류실식은 실린더 헤드에 와류실을 만든 것으로, 압축행정시 와류실안의 공기에 소용돌이를 일으켜 여기에 연료를 분사하여 연소시키는 것이다.
즉, 예연소실식에서는 연료를 부분적으로 연소시키지만 와류실안에서는 전부를 완전히 연소하도록 되어 있다.
따라서, 와류실의 용적은 전 연소용적의 70∼80%를 차지하고 실린더로 통하는 통로는 하나이다. 와류실식은 직접분사식과 예연소실의 중간적 특성을 가졌다고 할 수 있다.

4) 공기실식(Air Chamber Type)

공기실식은 주연소실외에 공기실이 있는데, 연료를 주연소실안에 분사하면 그 일부가 공기실로 들어가 연소되고 이 연소로 인해 공기의 분출에너지를 크게 해 연소를 향상시키는 것과, 공기실 안에는 연료를 분사하지 않고 피스톤의 하강에 따라 공기실에서 공기를 분출하여 산소를 공급하고 소용돌이를 일으켜 연소시키는 것이 있다.

  로터리 엔진

로터리 연소기관(Rotaring Combustion Engine)은 독일인 Felix Wankel이 고안한 것으로 1924년 이래 개발되어 1959년에 다시 N.S.U회사가 실험연구에 성공하여 로터리 기관을 장착한 Wankel 승용차를 발표하였다.  그 후 여러 나라에서는 Wankel 회사와 기술 제휴하여 실용화를 위한 독자적 연구를 하고 있다.

로터리 기관과 왕복 피스톤 기관의 다른 점은 회전력(Torque)의 발생 과정에 있다. 종래의 왕복 기관은 가스의 폭발력으로 직선운동을 하는 피스톤의 힘이 커넥팅 로드(Connecting Rod)의 중개로 크랭크축(Crank Shaft)에 회전력을 공급하지만 로터리 기관에서는 로터(Rotor)의 한 면에 가해지는 폭발력으로 로터 주축이 편심을 이루고 있으므로 직접 주축에 회전력이 전달된다.

로터리 기관을 구성하는 주요부로는 하우징, 로터(Rotor), 편심축(Eccentric Shaft)이 있다.   로터리 기관은 회전 피스톤 기관이다. 따라서 왕복 부분이 필요없으며 왕복 부분의 관성력에 의한 충격이 없고 대단히 정숙하고 원활한 작동을 한다.   이 기관을 왕복 기관과 비교했을 때 그 우열성을 한 마디로 표현하기는 힘들지만 내구성과 경제성만 문제가 되지 않는다면 장차 크게 발전 보급될 기관이다.

  LPG 엔진

LPG(Liquefied Petroleum Gas./액화석유가스)는 원유를 정제하는 도중에서 나오는 부산물의 하나로 Propane과 Butane을 주성분으로 하며 혼합비율과 온도에 따라 가스압이 변화하므로 가스압이 떨어지면 연료의 공급이 잘 이루어지지 않기 때문에 계절에 따라 혼합비율을 조정하고 있다.

LPG의 발열량은 약 12,000kcal/kg으로 가솔린에 비해 600∼800kcal/kg정도 높고 연료소비량도 적으며 연료가격도 싸기 때문에 경제적이다.   LPG 차량은 증기압을 이용하여 연료를 공급하기 때문에 연료 Pump는 불필요하지만 연료의 강압, 기화, 압력 조절의 기능을 갖는 Vaporizer와 혼합기 유량을 조정하는 Mixer(LPG 전용 차량의 경우)또는 Adaptor + Carburetor(LPG/Gas 겸용 차량 경우)가 필요하다.

한편 연료의 차단과 공급을 맡고 있는 장치도 LPG 전용 차량의 경우는 LPG Solenoid Unit가 있으며 LPG./Gasoline 겸용차량에는 LPG용과 Gasoline용 각각으로 Solenoid Valve가 있다. 또한 LPG 차량에선 엔진성능 향상을 위하여 Pre-heater를 두고 있다.

 

  가솔린 엔진과 디젤엔진의 비교 특성

경유를 연료로 하는 디젤엔진의 작동은 4사이클 가솔린 엔진과 거의 같다.
다른 점은 흡입하는 공기를 압축시켜 분사된 연료를 자연착화 시키는 것이다.
압축비는 1 : 20 이상으로 가솔린의 약 20배 정도이고 실린더에 흡입하는 공기는 압축되면서 높은 압력으로 500℃에 가까운 고열이 되므로 경유의 착화온도인 300℃를 넘어서기 때문에 자연착화되어 연소되는 것이다.

가솔린 엔진이 회전수를 올리려면 Throttle Valve를 열어 공기의 양을 늘려야 한다. 그러나 디젤은 항상 대량의 공기를 흡입하여야 하기 때문에 Throttle Valve는 없다. 따라서 회전수를 올리려면 가속페달을 밟아 펌프로부터 보내지는 경유의 양을 증가시키는 방법을 택한다.

높은 압축비와 폭발 압력으로 높은 토오크를 얻을 수 있고 값싼 경유를 사용하는 경제적인 이점은 있지만 고압에 견디려면 무거운 주철의 블록을 사용하여야 하는 난점과 압축비를 높이기 위한 스트로크의 양이 길어 고회전이 어렵고 또 가속 페달을 밟아도 곧 회전력이 올라가지 않는 결점이 있다.

항목

디젤엔진

가솔린 엔진

연료

경유,석유

가솔린, LPG

연소사이클

사바테사이클

오토사이클

연료공급방식

분사펌프

기화기 혼합(가솔린은 실린더와 흡기매니폴드에 분사)

혼합기의 형성

압축공기에 연료를 안개상태로 분사(불균일 혼합)

흡입전에 연료와 공기가 혼합된 형태로 흡입(균일 혼합)

착화방법

압축열에 의한 자연착화

전기불꽃에 의한 점화

연소실형상

복잡

간단

압축비

16∼23 : 1(공기만)

7 ~10 : 1(혼합기)

압축온도

500~550℃

120~140℃

폭발 압력

45∼70kg/㎠

30∼35kg/㎠

압축 압력

30∼45kg/㎠

7∼11kg/㎠

열효율

32∼38%

25∼32%

연료소비율

150~240g/Psh

230~300g/Psh

기관의 회전수

1600∼4000rpm

2000∼6500rpm

출력당 중량

5∼8kg/㎠

3.5∼4kg/㎠

시동 마력

5 Ps

1 Ps

용도

주로 지프, 버스, 트럭

주로 승용차

장점

·연료소비율이 적고    열효율이 높다.
·연료의 인화점이 높아서    화재의 위험성이 적다.
·전기점화장치가 없어    고장율이 적다
·저질연료를 쓰므로    연료비가 싸다
·배기가스는 유독성이    적다.

·회전수를 많이 높일 수     있다.
·마력당 무게가 적다.
·진동 소음이 적다.
·시동이 용이하다.
·보수와 정비가 용이하며    부속품 값이 싸다.


  4사이클 엔진과 2 사이클 엔진, 로터리 엔진의 비교

왕복형 엔진은  하나의 사이클을 완결하기 위해 필요한 행정의 수로 분류된다.
1사이클에 4행정(2회전)을 효하는 것은 4사이클 엔진, 2행정(1회전)을 요하는 것은 2사이클 엔진이라고 한다.

1) 4 사이클 엔진의 작동

4 사이클 엔진은 4개의 행정(크랭크 각도로 180。, 반회전마다)이 필요한데 흡기행정, 압축행정, 팽창행정, 배기행정을 거치면서 1 사이클을 완성한다.
따라서 4 사이클 엔진은 이상의 일을 크랭크 축이 270。 즉 2회전할 때마다 반복하여 운전이 계속된다.


2) 2 사이클 엔진의 작동

2 사이클 엔진은 압축,팽창행정은 4 사이클과 마찬가지이나, 4사이클에서는 배기, 흡기가 각각 별개이고 엔진 회전에서는 1/2 회전이상, 흡배기 합하여 1회전 이상을 가스 교환 기간으로 하고 있는 반해, 2 사이클에서는 팽창 하사점을 중앙으로 한 1/2 회전 이하의 배기, 소기(Scavenging) 과정에서 가스 교환을 한다.
크랭크 실 소기 형식의 상기 교환과정을 보면 먼저 팽창행정 후반에 배기 구명이 열려 배기가 취출된다음 다시 피스톤이 하강하여 소기 구멍이 열리면 압축된 크랭크 실내의 흡기가 연소실내의 잔류 배기를 밀어내면서 연소실 내로 유입된다(소기), 그 다음 피스톤이 상승하여 배기 구멍이 닫히면 가스 교환과정은 끝나고 압축이 시작되며 상사점 가까이에서 매회 연소가 이루어 진다.
또, 흡기는 피스톤의 상승에 의해 부압이 된 크랭크 실에 리드 밸브로부터 유입되고, 상기의 소기과정으로 연소실내로 들어간다.

가솔린 엔진은 작동방식에 따라 2사이클 엔진, 4사이클 엔진, 로터리엔진이 있는데 그중에서도 4사이클 엔진은 2 사이클 엔진이나 로터리 엔진에 비해 연료 소비와 배기가스(특히 HC) 특성이 양호한 것등의 장점을 살려 자돋차 엔진의 주류를 이루고 있다.
2사이클 엔진은 4 사이클 엔진에 비해 구조가 간단하고 부품 개수가 적으며 제작비가 싸고 비출력이 커서 마력당 중량이 가볍고 회전 변동도 작다. 그러나 배기와 혼합기 가스 교환시의 혼합기가 빨려 나가는 것에 의해 연료소비 및 배기중의 HC가 많은 결점이 있다.
4사이클 엔진은 2 사이클 엔진에 비해 구조는 복잡하지만, 흡입.압축.폭발.배기의 각 행정이 독립되어 있고 가스 교환이 확실하게 실시되기 때문에 저속에서 고속회전까지 폭넓게 사용이 가능하며 연료소비도 2 사이클 엔진이나 로터리 엔진보다 양호하다.
로터리 엔진은 하우징과 로터리로 3곳의 공간이 형성되고 각각 1회전중에 체적을 변화시키면서 흡기, 압축, 폭발, 배기의 각 행정을 반복한다. 왕복 운동 엔진처럼 커넥팅 로드를 필요로 하지 않기 때문에 소형,경량이다. 더욱이 회전 운동 부분만으로 성립되어 있기 때문에 진동이 매우 적은 것 등의 이점이 있으나, 편평한 연소실 형성 때문에 4 사이클 엔진에 비해 연소 비율이 나쁘다.

 

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