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[기관의 기초사항]

열에너지(연료의 연소)를 기계적 에너지(일)로 변환시키는 장치를 열기관(熱機關:Heat Engine)이라고 부르며, 열기관에는 '내연 기관(內燃機關)'과 '외연 기관(外燃機關)'이 있다.

1. 내연 기관(內燃機關)

내연 기관은 연료를 실린더 내에서 연소 / 폭발시켜서 그 동력을 얻는 방식이며, 내연 기관은 다음과 같이 분류한다.

(1) 왕복형(피스톤형, 또는 용적형)

왕복형은 작동 유체의 폭발 압력을 피스톤의 직선 왕복 운동으로 받아서 크랭크축에 회전력을 발생시키는 형식이다. 가솔린 기관, 디젤 기관, LPG 기관 등이 여기에 속한다.

(2) 회전 운동형(유동형)

회전 운동형은 작동 유체의 폭발 압력을 '임펠러(impeller)'로 받아서 축으로 전달하는 방식이다. 로터리 기관, 가스 터빈 등이 여기에 속한다.

(3) 분사 추진형

분사 추진형은 작동 유체의 폭발 압력을 일정한 방향으로 기관 외부로 분출시켜 그 반동력(反動力)을 동력으로 하는 형식이다. 제트 기관, 로켓트 기관이 여기에 속한다.

2. 외연 기관(外燃機關)

외연 기관은 기관 외부에 설치된 연소장치에서 연료를 연소시켜 얻는 열에너지(증기)를 실린더 내부로 도입하여 피스톤에 압력을 가하여 기계적 에너지를 얻는 형식이다. 여기에는 왕복 운동형인 증기 기관과 회전 운동형인 증기 터빈이 있다.

3. 기관의 구비조건

→소형 / 경량이고, 열효율이 높으며, 단위 무게당 출력이 클 것.

→저속에서는 회전력이 크고, 저속에서 고속으로 가속도(가속도)가 클 것.

→연료 소비율이 작아 경제 운전이 될 것.

→가혹한 운전 조건에 잘 견딜 것.

→진동 및 소음이 작고, 점검 / 정비가 쉬울 것.

→유해 배기가스 배출이 없을 것.

[기관의 분류]

1. 기계학적 사이클에 의한 불류

기관의 기계학적 사이클에 의한 불류는 4행정 사이클 기관과 2행정 사이클 기관이 있다.

(1) 4행정 사이클 기관(Four Stroke Cycle Engine)

4행정 사이클 기관은 크랭크축이 2회전하고, 피스톤은 흡입, 압축, 동력, 배기의 4행정(Four Stroke)을 하여 1사이클(One Cycle)을 완성하는 것이다. 즉, 4행정 사이클 기관이 1사이클을 완료하면 크랭크축은 2회전하며, 캠축은 1회전하고, 각 흡 / 배기 밸브는 1번 개폐한다.

※ 참고사항

→행정(行程):피스톤이 상사점에서 하사점으로 또는 하사점에서 상사점으로 이동한 거리를 말한다.

→사이클(Cycle):혼합기나 공기가 실린더 내에 흡입된 후 배기가스가 되어 실린더 밖으로 나갈 때까지 실린더 내에서의 가스의 주기적인 변화를 말한다.

→상사점(上死點:Top Dead Center):피스톤 운동의 상한점, 즉 피스톤이 최대한 상승한 후 내려오려고 하는 지점을 말한다.

→하사점(下死點:Bottom Dead Center):피스톤 운동의 하한점, 즉 피스톤이 최대로 하강한 후 올라가려고 하는 지점을 말한다.

1) 흡입 행정(Intake Stroke)

흡입 행정은 사이클의 맨 처음 행정이며 흡입밸브는 열리고 배기밸브는 닫혀 있으며 피스톤은 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 내려간다. 흡입밸브는 상사점 전(BTDC) 10~20˚ 정도에서 열리고, 하사점 후(ABDC) 40~50˚ 정도에서 닫힌다. 흡입 공기는 피스톤이 내려감에 따라 실린더 내에는 부압(부분진공)이 생겨 흡입(吸入)되며 이때 크랭크축은 180도 회전한다.

2) 압축 행정(Compression Stroke)

압축 행정은 피스톤이 하사점에서 상사점으로 올라가며 이때 흡 / 배기 밸브는 모두 닫혀있다. 이에 따라 디젤 기관은 공기를 압축하며 크랭크축은 360도 회전한다.

디젤 기관의 압축비는 15~22:1, 압축 압력은 30~35kgf/cm2, 압축 온도는 500~600˚C 정도이다. 기관에서 압축을 하는 목적은 공기의 온도를 상승시켜 연소를 쉽게 하고 폭발 압력을 증대시키기 위함이다. 그리고 디젤 기관의 압축비가 높은 이유는 압축 착화(또는, 자기 착화)방식이기 때문이다. 또 기관의 회전속도가 빨라질수록 압축 압력은 상승한다.

3) 동력(폭발) 행정(Power Stroke)

디젤 기관은 압축된 공기에 분사 노즐에서 연료(경유)를 분사시켜 자기착화하고, 실린더 내의 압력을 상승시켜 피스톤에 내려 미는 힘을 가하여 커넥팅로드를 거쳐 크랭크축을 회전운동을 시키므로 동력을 얻는다. 피스톤은 상사점에서 하사점으로 내려가고, 흡 / 배기 밸브는 모두 닫혀 있으며 크랭크축은 540˚ 회전한다. 폭발 압력은 55~65kgf/cm2 정도이다.

4) 배기 행정(Exhaust Stroke)

배기 행정은 배기 밸브가 열리면서 동력 행정에서 일을 한 연소 가스를 실린더 밖으로 배출시키는 행정이다. 이때 피스톤은 하사점에서 상사점으로 올라가며 크랭크축은 720˚ 회전하여 1사이클을 완성한다. 배기 밸브는 하사점 전 40~50˚에서 열리기 시작하여 상사점 후 10~20˚ 정도에서 닫힌다.

5) 4행정 사이클 기관의 장점 및 단점

장점...

→각 행정의 작동이 확실하다.

→저속에서 고속으로의 넓은 범위 회전속도 변화가 가능하다.

→연료 소비율이 작으며, 체적 효율이 높다.

→기관 기동이 쉬우며, 저속 운전이 가능하다.

→실화(失火)발생이 적으며, 흡입 행정 중 냉각 효과가 커 열부하(熱負荷)가 작다.

단점...

→밸브 개폐 기구가 복잡하다.

→폭발 횟수가 적으므로 실린더 수가 적은 경우에는 작동이 원활하지 못하게 된다.

→동일 출력일 경우 2행정 사이클 기관에 비하여 무겁다.

→회전력이 균일하지 못하다.

※ 참고사항

→체적 효율(體積效率):실린더 내에 넣을 수 있는 공기의 무게와 운전 상태에서 실제로 흡입할 수 있는 공기 무게의 비율을 말한다.

→실화(失火:Miss Fire):어떤 원인에 의하여 실린더 내에서 폭발이 일어나지 못하는 상태를 말한다.

(2) 2행정 사이클 기관(Two Stroke Cycle Engine)

1) 2행정 사이클 기관의 개요

2행정 사이클 기관은 크랭크축 1회전(피스톤은 상승과 하강의 2행정뿐임)으로 1사이클을 완료하는 것이며, 흡입 및 배기를 위한 독립된 행정이 없다. 현제는 대형 디젤 기관에서 사용하고 있다. 이 기관은 흡입 및 배기 포트(port:구멍)를 두고 피스톤이 상하운동 중에 개폐하여 흡입 및 배기 행정을 수행하도록 하고 있다.

2) 2행정 사이클 기관의 작동

2행정 사이클 기관은 피스톤이 하사점에서 상사점으로 올라감에 따라 먼저 소기 포트를 막고, 배기 포트를 막음에 따라 공기를 압축한다. 이때 흡기 포트를 통하여 공기가 크랭크 케이스로 유입된다. 피스톤이 상사점에 도달하면 디젤 기관은 분사 노즐에서 연료가 분사되어 자기 착화하여 고온 / 고압의 폭발을 일으켜 피스톤에 내려 미는 힘을 가한다.

피스톤이 폭발 압력으로 내려가면서 배기 포트(또는, 배기 밸브)를 열어 연소 가스를 배출시키고, 소기 포트가 열리면서 공기가 실린더 내로 들어가며 다시 피스톤이 상승하면서 소기 포트를 닫아 압축 / 동력 행정으로 이어진다.

※ 참고사항

→소기(scavenging):잔류 배기가스를 실린더 밖으로 밀어내면서 새로운 공기를 실린더 내에 충전시키는 작용을 말하며, 그 방식은 다음과 같다.

가. 단류 소기방식(Uniflow Scavenging Type)

ㄱ. 밸브 인 헤드형(Valve in Head Type):실린더 헤드에 배기 밸브를 두고, 실린더 아래쪽에 소기 포트를 둔 형식이며, 배기 행정에서 송풍기로부터 보내진 공기는 실린더 위쪽으로 흘러서 소기하는 방식.

ㄴ. 피스톤 제어형(Piston Controlled Type):실린더 위쪽에는 배기포트를, 아래쪽에는 소기포트를 둔 형식으로 이들 양 포트는 피스톤에 의하여 개폐되는 방식.

나. 루프 소기방식(Loop Scavenging Type):실린더 아래쪽에 소 / 배기 양 포트를 둔 형식으로 소기포트의 방향이 위쪽으로 향해져 있으며 소기는 배기포트를 스치는 방향으로 밀려들어가게 되는 방식.

다. 횡단 소기방식(Cross Scavengine Type):소 / 배기 양포트가 실린더 아래쪽에 대칭으로 마련되어 있으며, 소기가 배기 포트로 흘러 나가는 경향이 있어 소기 효율이 낮다.

→블로 다운(Blow Down):2행정 사이클 기관에서 배기 행정 초기에 배기 밸브(또는, 포트)가 열려 배기가스의 자체 압력에 의하여 자연히 배출되는 현상을 말한다.

→디플렉터(deflector):2행정 사이클 기관에서 피스톤 헤드에 설치한 돌출부를 말하며, 작용은 연료 손실 감소, 연소 가스 배출을 쉽게 해주며 미연소 가스와 와류(渦流)를 일으킨다.

3) 2행증 사이클 기관의 장점 및 단점

장점...

→밸브 개폐 기구가 없거나 간단하여 마력당 무게가 적으며, 가격이 저렴하고 취급하기가 쉽다.

→크랭크축 1회전마다 동력이 발생하므로 회전력 변동이 작다. 이에 따라 실린더 수가 적어도 작동이 원활하다.

→4행정 사이클 기관에 비하여 1.6~1.7배의 출력이 있다.

단점...

→배기행정이 불안정하고 유효행정이 짧으며 연료 소비율이 크다.

→저속이 어렵고, 역화(逆火)현상이 일어나며, 평균 유효압력과 효율을 높이기 어렵다.

→피스톤 및 피스톤링의 손상이 크다.

※ 참고사항

→역화(Back Fire):기관의 흡기 계통으로 불꽃이 나오는 현상을 말한다.

→평균 유효압력(平均有效壓力):전 폭발 압력이 피스톤에 작용하여 피스톤에 행한 일과 같은 양의 일을 수행할 수 있는 압력을 말한다. 즉, 1사이클 중 수행된 일을 행정 체적(배기량)으로 나눈 값이며, 평균 유효 압력을 증가시키기 위해서는 압축비 상승, 흡기량을 증가시켜야 한다.

[점화(點火)방식에 의한 분류]

점화방식에 의한 분류는 전기 점화방식과 압축 착화방식이 주로 사용된다.

(1) 전기 점화기관

이 기관은 압축된 홉합기에 점화플로그에서 고압의 전기 불꽃을 방전(放電)시켜서 점화 연소키기는 방식이며 가솔린 기관 / LPG 기관 및 로터리 기관의 점화방식이다.

(2) 압축 착화기관(자기 착화기관)

이 기관은 공기만을 흡입하고 고온 / 고압으로 압축한 후 고압의 연료(경유)를 미세한 안개 모양으로 분사시켜 자기(自己)착화시키는 방식이며 디젤 기관의 점화방식이다.

[열역학적 사이클에 의한 분류]

열역학적 사이클의 분류에는 오토 사이클, 디젤 사이클 및 사바테 사이클 등이 있다.

(1) 오토 사이클(정적 사이클)

가솔린 기관의 기본 사이클이며, 일정한 체적(定績)하에서 연소가 이루어지며, 2개의 정적 변화와 2개의 단열 변화로 사이클이 구성된다. 이 사이클의 이론 열효율은 다음과 같다.

η。 = 1 - (1/ε)k-1

η。 : 오토 사이클의 이론 열효율

ε : 압축비

k : 비열비(정압 비열/정적 비열)

※ 참고사항

→오토 사이클의 이론 열효율은 압축비와 비열비에 의하여 결정되며, 압축비를 동일하게 할 때 이론 열효율이 사이클 중에서 가장 높다.

(2) 디젤 사이클(정압 사이클)

저속 / 중속 디젤 기관의 기본 사이클이며, 일정한 압력(定壓)하에서 연소가 이루어진다. 이 사이클의 이론 열효율은 다음과 같다.

ηd = 1 - (1/ε)k-1 ρk-1/k(ρ-1)

ρ : 단절비(정압 팽창비)

※ 단절비

→단절비는 실제 사이클에서의 연료의 분사 지속 시간이 길고 짧음에 대한 비율을 말하며, 디젤 사이클의 이론 열효율은 압축비, 비열비, 단절비에 따라서 달라지며 단절비가 클수록 열효율이 저하된다.

(3) 사바테 사이클(복합/합성 사이클)

고속 디젤 기관의 기본 사이클이며, 열 공급은 정적과 정압하에서 이루어지므로 복합 또는, 혼합 사이클이라고 부른다. 이 사이클의 이론 열효율은 다음과 같다.

ηs = 1- (1/ε)k-1 αδk-1/(α-1)+kα(δ-1)

α : 폭발비(압력비)

※ 참고사항

→사바테 사이클은 폭발비가 1에 가까워지면 정압 사이클에, 그리고 단절비가 1에 가까워지면 정적 사이클에 가까워진다.

→어느 사이클에서나 압축비가 증가할수록 열효율이 향상되나 압축비에는 제한이 따르며, 압축비가 동일한 경우에는 폭발비가 클수록 또는 단절비가 작을수록 열효율이 향상된다.

→지압(P-V)선도:기관 작동 중 실린더 내의 압력(P)과 부피(V)와의 관계를 나타낸 선도이며 1사이클을 완성하였을 때 피스톤이 한 일의 양을 나타낸다.

→압축비:피스톤이 하사점에 있을 때 실린더 총 체적과 피스톤이 상사점에 도달하였을 때 연소실 체적(간극 체적)과의 비율이며 다음과 같이 나타낸다.

ε = Vc+Vs/Vc or, 1 + Vs/Vc

ε : 압축비 / Vc : 연소실 체적 / Vs : 행정 체적(배기량)

[밸브배열에 의한 분류]

밸브배열에 의한 분류에는 I헤드형, L헤드형, F헤드형, T헤드형 등이 있다.

(1) I-헤드형(I Head Type or Over Head Valve Type)

실린더 헤드에 흡 / 배기밸브를 모두 설치한 형식이다.

(2) L-헤드형(L Head Type)

실린더 블록에 흡 / 배기밸브를 일렬로 나란히 설치한 형식이다..

(3) F-헤드형(F Head Type)

실리더 헤드에 흡입밸브를, 블록에 배기밸브를 설치한 형식이다.

(4) T-헤드형(T Head Type)

실러더 블록에 실린더를 중심으로 양쪽에 흡 / 배기밸브가 설치된 형식이다.

[실린더 안지름과 행정비율에 의한 분류]

실린더 안지름과 행정에 의한 분류는 장행정기관, 정방행정기관, 단행정기관 등이 있다.

(1) 장행정 기관(Under Square Engine)

장행정 기관은 실린더 안지름(D)보다 피스톤 행정(L)이 큰 형식이다. 즉, L/D > 1.0이며 다음과 같은 특징이 있다.

→저속에서 큰 회전력을 얻을 수 있다.

→측압을 감소시킬 수 있다..

→회전수가 비교적 작으며, 기관의 높이가 높아진다.

※ 측압

→피스톤의 상하운동이 커넥팅로드를 거쳐 크랭크축을 회전시킬 때 피시톤 헤드에 작용하는 힘과 크랭크축이 회전할 때의 저항력 때문에 실린더 벽에 피스톤이 압력을 가하는 현상이다. 압축 행정을 할 때와 동력 행정을 할 때 서로 반대쪽에 작용하며 동력 행정에서의 측압이 가장 크다. 또 측압은 커넥팅로드의 길이와 피스톤 행정에 관계한다.

(2) 정방행정 기관(Square Engine)

정방행정 기관은 실린더 안지름(D)과 피스톤 행정(L)의 크기가 똑같은 형식이다. 즉, L/D=1.0이다.

(3) 단행정 기관(Over Square Engine)

단 행정 기관은 실린더 안지름(D)이 피스톤 행정(L)보다 큰 형식이다. 즉, L/D < 1.0이며 다음과 같은 특징이 있다.

→피스톤 평균속도를 올리지 않고도 회전속도를 높일 수 있으므로 단위 실린더 체적당 출력을 크게 할 수 있다.

→흡 / 배기 밸브의 지름을 크게 할 수 있어 체적 효율을 높일 수 있다.

→직렬형에서는 기관의 높이가 낮아지고. V형에서는 기관의 폭이 좁아진다.

→피스톤이 과열하기 쉽다.

→폭발 압력이 커 기관 베어링의 폭이 넓어야 한다.

→회전속도가 증가하면 관성력의 불평형으로 회전 부분의 진동이 커진다.

→실린더 안지름이 커 기관의 길이가 길어진다.

→측압이 크다.