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엔진

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목차

1. 개요

엔진은 연료를 연소하거나 소비하여 토크 또는 추력과 같은 힘을 발생시켜 기계적 일을 수행하는 장치를 의미한다. 고대부터 다양한 형태의 엔진이 존재했으며, 산업 혁명 이후 증기 기관과 내연 기관의 발명으로 더욱 발전했다. 엔진은 열에너지 변환 방식에 따라 내연 기관, 외연 기관, 전동기, 물리적 동력 모터 등으로 분류되며, 속도, 추력, 토크, 일률, 효율, 소음 수준 등을 기준으로 성능을 평가한다. 엔진 작동은 대기 질과 소음 공해에 영향을 미치며, 배출가스로 인한 환경 문제 해결을 위해 다양한 노력이 이루어지고 있다.

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엔진
엔진 지도 정보
엔진
유형동력 기계
기능한 종류의 에너지를 기계적 에너지로 변환
주요 사용기계를 움직이는 데 사용
작동 방식연료를 연소하여 에너지를 생성
작동 사이클흡입
압축
점화
배기
엔진 (모터) 작동 원리
기본 원리에너지 변환을 통해 기계적 운동을 생성
정의에너지를 받아 기계 장치를 구동하는 장치
추가 설명'모터'라는 용어는 전기 모터와 같은 일부 유형의 엔진에 자주 사용됨
추가 정보
추가 정보엔진과 모터는 종종 같은 의미로 사용되지만, 기술적으로 엔진은 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 반면 모터는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 기계로 더 정확하게 정의할 수 있다.

2. 용어

"엔진"이라는 단어는 고대 프랑스어 에서 유래하며, 라틴어 ingeniumla – 라는 단어의 어근이기도 하다. 투석기, 트레뷰셋, 공성용 램과 같은 산업혁명 이전의 전쟁 무기는 "공성 엔진"이라고 불렸으며, 이를 제작하는 방법에 대한 지식은 종종 군사 기밀로 취급되었다. "진(gin)"이라는 단어는, "면화 제진기"에서와 같이, "엔진"의 축약형이다. 산업혁명 동안 발명된 대부분의 기계 장치는 엔진으로 설명되었는데, 증기 기관이 대표적인 예이다. 그러나 토마스 세이벌리의 초기 증기 기관들은 기계식 엔진이 아니라 펌프였다. 이러한 방식으로, 초기의 소방차는 단순히 엔진이 말에 의해 화재 현장으로 운반되는 펌프였다.[3]

현대적인 용법에서 "엔진"이라는 용어는 일반적으로 증기 기관이나 내연 기관과 같이 연료를 연소하거나 소비하여 토크 또는 직선 힘(보통 추력의 형태)을 가하여 기계적 일을 수행하는 장치를 의미한다. 열에너지를 운동 에너지로 변환하는 장치는 일반적으로 간단히 "엔진"이라고 한다.[4] 토크를 발생시키는 엔진의 예로는 흔히 볼 수 있는 자동차 가솔린 및 디젤 엔진과 터보샤프트가 있다. 추력을 생성하는 엔진의 예로는 터보팬과 로켓이 있다.

내연 기관이 발명되었을 때, "모터"라는 용어는 당시 기관차와 증기롤러와 같은 차량에 동력을 공급하는 데 널리 사용되던 증기 기관과 구별하기 위해 처음 사용되었다. "모터"라는 용어는 '움직이게 하다' 또는 '운동을 유지하다'를 의미하는 라틴어 동사 에서 유래한다. 따라서 모터는 운동을 부여하는 장치이다.

표준 영어에서 "모터"와 "엔진"은 서로 바꿔 사용할 수 있다.[5] 일부 공학 용어에서는 두 단어가 다른 의미를 갖는데, "엔진"은 연료를 연소하거나 소비하여 화학적 조성을 변화시키는 장치이고, 모터는 전기, 공기 또는 유압 압력에 의해 구동되는 장치로, 에너지원의 화학적 조성을 변화시키지 않는다.[6][7] 그러나 로켓 기술에서는 연료를 소비하더라도 로켓 모터라는 용어를 사용한다.

열기관은 또한 원동기 – 유체의 흐름이나 압력 변화를 기계 에너지로 변환하는 구성 요소 – 로도 기능할 수 있다.[8] 내연 기관으로 구동되는 자동차는 다양한 모터와 펌프를 사용할 수 있지만, 궁극적으로 이러한 모든 장치는 엔진에서 동력을 얻는다. 다른 관점에서 보면, 모터는 외부 소스에서 동력을 받아 기계적 에너지로 변환하는 반면, 엔진은 압력(연소의 폭발적인 힘이나 다른 화학 반응에서 직접 유래하거나, 공기, 물 또는 증기와 같은 다른 물질에 대한 그러한 힘의 작용으로 간접적으로 유래)에서 동력을 생성한다.[9]

3. 역사

선사 시대부터 곤봉이나 노(지레의 예)와 같은 단순 기계가 존재했다. 인력, 동력, 수력, 풍력, 심지어 증기력을 사용하는 더 복잡한 기계는 고대부터 사용되었다. 캡스턴(Capstan (nautical)), 윈들러스(windlass) 또는 트레드밀(Treadwheel)과 같은 단순 기계를 통해 인력이 집중되었고, 밧줄, 도르래, 블록과 태클 장치와 함께 사용되었다. 이러한 힘은 일반적으로 기계적 이점이 증폭되고 속도가 감속기되는 방식으로 전달되었다. 이러한 장치들은 고대 그리스의 크레인(Crane (machine))과 선박에서, 그리고 고대 로마의 광산, 펌프, 공성병기에서 사용되었다. 비트루비우스, 프론티누스, 플리니우스 등 당시의 저술가들은 이러한 기계들을 일상적인 것으로 다루고 있으므로, 그 발명은 더 오래되었을 가능성이 있다. 1세기경에는 소와 말이 제분소(Mill (grinding))에서 사용되어 이전 시대 인력으로 작동하던 것과 유사한 기계를 구동했다.

스트라보에 따르면, 기원전 1세기에 미트리다테스 왕국의 카베리아에 수력으로 작동하는 제분소가 건설되었다. 제분소에서 수차를 사용하는 것은 그 후 수세기 동안 로마 제국 전역으로 확산되었다. 어떤 제분소는 매우 복잡하여, 물을 유지하고 수로를 만들기 위한 수도교(aqueduct (bridge)), 댐, 그리고 수문과 함께, 회전 속도를 조절하기 위한 나무와 금속으로 만들어진 기어 또는 톱니바퀴 시스템을 갖추고 있었다. 안티키테라 기계와 같이 더 정교한 소형 장치는 복잡한 기어열과 다이얼을 사용하여 달력 역할을 하거나 천문 현상을 예측했다. 4세기의 아우소니우스의 시에는 수력으로 작동하는 돌 절단 톱이 언급되어 있다. 알렉산드리아의 헤론은 1세기경에 풍력과 증기력으로 작동하는 많은 기계, 아이올리필레와 자판기 등을 발명한 것으로 알려져 있으며, 이러한 기계들은 종종 움직이는 제단이나 자동화된 사원 문과 같이 예배와 관련이 있었다.

3. 1. 고대

선사 시대부터 곤봉이나 노(지레의 예)와 같은 단순 기계가 존재했다. 인력, 동력, 수력, 풍력, 심지어 증기력을 사용하는 더 복잡한 기계는 고대부터 사용되었다. 캡스턴(Capstan (nautical)), 윈들러스(windlass) 또는 트레드밀(Treadwheel)과 같은 단순 기계를 통해 인력이 집중되었고, 밧줄, 도르래, 블록과 태클 장치와 함께 사용되었다. 이러한 힘은 일반적으로 기계적 이점이 증폭되고 속도가 감속기되는 방식으로 전달되었다. 이러한 장치들은 고대 그리스의 크레인(Crane (machine))과 선박에서, 그리고 고대 로마의 광산, 펌프, 공성병기에서 사용되었다. 비트루비우스, 프론티누스, 플리니우스 등 당시의 저술가들은 이러한 기계들을 일상적인 것으로 다루고 있으므로, 그 발명은 더 오래되었을 가능성이 있다. 1세기경에는 소와 말이 제분소(Mill (grinding))에서 사용되어 이전 시대 인력으로 작동하던 것과 유사한 기계를 구동했다.

스트라보에 따르면, 기원전 1세기에 미트리다테스 왕국의 카베리아에 수력으로 작동하는 제분소가 건설되었다. 제분소에서 수차를 사용하는 것은 그 후 수세기 동안 로마 제국 전역으로 확산되었다. 어떤 제분소는 매우 복잡하여, 물을 유지하고 수로를 만들기 위한 수도교(aqueduct (bridge)), 댐, 그리고 수문과 함께, 회전 속도를 조절하기 위한 나무와 금속으로 만들어진 기어 또는 톱니바퀴 시스템을 갖추고 있었다. 안티키테라 기계와 같이 더 정교한 소형 장치는 복잡한 기어열과 다이얼을 사용하여 달력 역할을 하거나 천문 현상을 예측했다. 4세기의 아우소니우스의 시에는 수력으로 작동하는 돌 절단 톱이 언급되어 있다. 알렉산드리아의 헤론은 1세기경에 풍력과 증기력으로 작동하는 많은 기계, 아이올리필레와 자판기 등을 발명한 것으로 알려져 있으며, 이러한 기계들은 종종 움직이는 제단이나 자동화된 사원 문과 같이 예배와 관련이 있었다.

3. 2. 중세

중세 무슬림 기술자들은 방앗간과 물을 퍼 올리는 기계에 기어를 사용했으며, 댐을 수력의 원천으로 활용하여 물레방아와 물을 퍼 올리는 기계에 추가적인 동력을 공급했다.[10] 중세 이슬람 세계에서는 이러한 발전으로 이전에는 수작업으로 수행되던 많은 산업 작업을 기계화할 수 있게 되었다.[35]

1206년, 알 자자리는 그의 물을 퍼 올리는 기계 두 대에 크랭크-커넥팅로드 시스템을 사용했다. 원시적인 증기터빈 장치는 타키 알딘[11][36]에 의해 1551년에, 그리고 조반니 브란카[12][37]에 의해 1629년에 기술되었다.[13][38]

13세기에는 중국에서 고체 로켓 엔진이 발명되었다. 화약으로 작동되는 이 가장 단순한 형태의 내연 기관은 지속적인 동력을 제공할 수 없었지만, 전투에서 적에게 고속으로 무기를 발사하는 데 유용했고 폭죽에도 사용되었다. 발명 후, 이 혁신은 유럽 전역으로 확산되었다.

3. 3. 산업혁명

와트 증기 기관은 피스톤을 구동하는 데 대기압보다 약간 높은 압력의 증기를 사용한 최초의 증기 기관 유형으로, 부분 진공의 도움을 받았다. 1712년 뉴커먼 증기 기관의 설계를 개선한 와트 증기 기관은 1763년부터 1775년까지 산발적으로 개발되었으며, 증기 기관 개발에 있어 큰 발전이었다. 연료 효율을 극적으로 높인 제임스 와트의 설계는 그의 사업 파트너인 매슈 볼턴 덕분에 증기 기관과 동의어가 되었다.[14] 이는 수력이 이용할 수 없는 곳에서 이전에는 상상할 수 없었던 규모로 효율적인 반자동 공장의 급속한 발전을 가능하게 했다. 후속 개발을 통해 증기 기관차가 탄생하고 철도 교통이 크게 확장되었다.

내연 피스톤 엔진의 경우, 1807년 프랑스에서 드 리바즈에 의해, 그리고 독립적으로 니에프스 형제에 의해 실험되었다. 이는 1824년 카르노에 의해 이론적으로 발전되었다. 1853~57년 우제니오 바르산티와 펠리체 마테우치는 아마도 최초의 4행정 엔진이었을 가능성이 있는 자유 피스톤 원리를 사용하는 엔진을 발명하고 특허를 받았다.

나중에 상업적으로 성공한 내연 기관의 발명은 1860년 에티엔느 레누아르에 의해 이루어졌다.

1877년, 오토 사이클은 증기 기관보다 훨씬 높은 출력 대 중량비를 제공할 수 있었고, 자동차나 항공기와 같은 많은 운송 분야에 훨씬 더 잘 작동했다.

3. 4. 자동차

칼 벤츠(Karl Benz)가 만든 최초의 상업적으로 성공한 자동차는 경량이면서 강력한 엔진에 대한 관심을 높였다. 4행정 오토 사이클로 작동하는 경량 가솔린 내연 기관은 경량 자동차에 가장 성공적인 엔진이었지만, 열효율이 더 높은 디젤 기관은 트럭과 버스에 사용되었다. 그러나 최근 몇 년 동안, 특히 미국을 제외한 지역에서 터보차저(turbocharged) 디젤 엔진이 매우 작은 차량에도 점점 인기를 얻고 있다.

자동차에서 내연기관의 지속적인 사용은 온보드 컴퓨터가 제공하는 엔진 관리 프로세스와 전자 제어 연료 분사와 같은 엔진 제어 시스템의 개선 덕분이다.[16] 터보차징과 수퍼차징에 의한 강제 공기 유도는 무게가 더 가볍고 정상 순항 출력에서 연료 효율이 더 높은 소형 배기량 엔진의 출력을 높였다. 유사한 변화가 소형 디젤 엔진에도 적용되어 가솔린 엔진과 거의 동일한 성능 특성을 제공한다. 이는 유럽에서 소형 디젤 엔진 자동차의 인기에서 특히 분명하게 나타난다. 디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 탄화수소와 이산화탄소(CO2) 배출량은 적지만 미세먼지와 오염은 더 크다.[16] 디젤 엔진은 비슷한 가솔린 엔진보다 연료 효율이 40% 더 높다.[16]

20세기 전반기에, 특히 미국 모델에서 엔진 출력 증가 추세가 나타났다. 설계 변경에는 효율 향상을 위한 실린더 내 압력 증가, 엔진 크기 증가, 엔진의 작업 속도 증가 등 엔진 용량 증가의 모든 알려진 방법이 포함되었다. 이러한 변화로 인해 발생하는 더 높은 힘과 압력은 엔진 진동과 크기 문제를 야기했고, 이는 더 길고 직선적인 배열을 대체하는 V형 및 수평대향 실린더 배치를 갖춘 더 견고하고 소형화된 엔진으로 이어졌다.

초기 자동차 엔진 개발은 오늘날 흔히 사용되는 것보다 훨씬 다양한 엔진을 만들어냈다. 엔진은 크기, 무게, 배기량, 실린더 보어에서 차이가 나는 1기통부터 16기통 설계까지 다양했다. 대부분의 모델은 4기통에 19~120마력(14~90kW)의 출력을 가졌으며, 몇몇 3기통 2행정 모델도 제작되었다. 대부분의 엔진은 직렬 또는 인라인 실린더를 사용했으며, V형 모델과 수평대향 2기통 및 4기통 모델도 몇 가지 있었다. 오버헤드 캠샤프트가 자주 사용되었다. 소형 엔진은 일반적으로 공랭식이었고 차량 후면에 위치했으며, 압축비는 비교적 낮았다. 1970년대와 1980년대에는 연비 개선에 대한 관심이 높아져 효율을 높이기 위해 실린더당 5개까지의 밸브를 사용하는 더 작은 V6 및 4기통 레이아웃으로 돌아섰다. 부가티 베이론 16.4는 W16 엔진을 사용하는데, 이는 두 개의 V8 실린더 레이아웃이 서로 옆에 위치하여 동일한 크랭크축을 공유하는 W자 모양을 만드는 것을 의미한다.

지금까지 만들어진 가장 큰 내연 기관은 바르칠라-술저 RTA96-C이다. 이 엔진은 14기통 2행정 터보차저 디젤 엔진으로, 2006년에 출시 당시 세계 최대 컨테이너선인 ''엠마 머스크''호에 동력을 공급하도록 설계되었다. 이 엔진의 무게는 2,300톤이며, 102rpm(1.7Hz)으로 작동할 때 80MW가 넘는 출력을 생성하고 하루 최대 250톤의 연료를 사용할 수 있다.

4. 종류

엔진은 에너지를 얻는 형태와 생성하는 운동의 종류라는 두 가지 기준에 따라 분류할 수 있다.

== 종류 ==

엔진은 두 가지 기준, 즉 운동을 생성하기 위해 받아들이는 에너지의 형태와 출력하는 운동의 유형에 따라 분류될 수 있다.

=== 열기관 ===

열기관은 열에너지를 기계적 에너지, 즉 일로 변환하는 장치이다. 열기관은 크게 내연 기관과 외연 기관으로 나뉜다.[18][19][20][21]

석탄 가스를 연료로 사용하는 3마력 내연 기관


내연 기관은 연료와 산화제(주로 공기)의 연소가 연소실 내부에서 일어나, 이때 발생한 고온, 고압 가스의 팽창력으로 피스톤이나 터빈 블레이드, 노즐 등을 움직여 일을 하는 기관이다.[18][19][20][21]

외연기관은 작동 유체가 외부 연소에 의해 가열되는 기관이다. 가열된 유체는 팽창하여 엔진을 구동시키고, 이후 냉각, 압축되어 다시 사용되거나(폐쇄 사이클) 배출된다(개방 사이클).[22] 작동 유체는 기체, 액체, 또는 증기 기관처럼 상변화를 일으키는 물질일 수 있다.

공기 호흡 엔진은 로켓과 달리 대기 중의 산소를 산화제로 사용하므로, 이론적으로 더 높은 비추력을 낼 수 있다. 공기는 엔진을 통과하며 압축, 혼합, 점화, 배기 과정을 거친다.

일부 기관은 비연소 과정에서 발생하는 열을 이용하기도 한다. 원자력 발전소는 핵반응열로 증기를 만들어 증기 기관을 구동하고, 로켓 엔진의 가스터빈은 과산화수소 분해로 작동할 수 있다. 열음향기관은 음파를 이용해 열을 이동시키거나 열 차이로 음파를 발생시킨다.[24][47] 스터링 엔진 또한 비연소 열기관의 한 형태이다.[25]

=== 전동기 ===

전동기는 자기장과 전류를 통하는 도체의 상호 작용을 통해 전기에너지를 역학적 에너지로 변환하는 장치이다.[26][48] 역과정, 즉 역학적 에너지를 전기에너지로 변환하는 과정은 발전기 또는 다이나모에 의해 이루어진다. 차량에 사용되는 궤도 전동기는 종종 두 가지 작업을 모두 수행한다. 전동기는 발전기로 작동할 수 있고 그 반대도 가능하지만 항상 실용적인 것은 아니다.

전동기


전동기는 산업용 팬, 송풍기 및 펌프, 공작 기계, 가전제품, 전동 공구, 그리고 디스크 드라이브 등 다양한 분야에서 널리 사용된다. 전동기는 직류(예: 배터리로 작동하는 휴대용 장치 또는 자동차) 또는 중앙 전력 분배망의 교류로 작동될 수 있다. 가장 작은 전동기는 전자 손목시계에서 찾아볼 수 있다. 고도로 표준화된 치수와 특성을 가진 중간 크기의 전동기는 산업용으로 편리한 기계적 동력을 제공한다. 매우 큰 전동기는 대형 선박의 추진 및 파이프라인 압축기와 같은 용도에 사용되며, 정격 출력이 수천 킬로와트에 달한다. 전동기는 전력원, 내부 구조, 그리고 용도에 따라 분류될 수 있다.

전류와 자기장의 상호 작용에 의한 기계적 힘의 생성 원리는 1821년 초에 알려졌다. 19세기 내내 효율이 향상된 전동기가 제작되었지만, 대규모로 전동기를 상업적으로 활용하려면 효율적인 발전기와 전력 분배망이 필요했다.

전동기 및 관련 탄소 발자국으로 인한 전기 에너지 소비량을 줄이기 위해 많은 국가의 다양한 규제 당국은 고효율 전동기의 제조 및 사용을 장려하기 위한 법률을 제정하고 시행했다. 잘 설계된 전동기는 수십 년 동안 입력 에너지의 90% 이상을 유용한 동력으로 변환할 수 있다.[48]

일반적인 산업용 유도 전동기의 전기 에너지 효율은 다음과 같이 개선할 수 있다.

  • 고정자 권선의 전기적 손실 감소(예: 도체의 단면적 증가, 권선 기술 개선, 구리와 같이 전기 전도도가 높은 재료 사용)
  • 회전자 코일 또는 주조의 전기적 손실 감소(예: 구리와 같이 전기 전도도가 높은 재료 사용)
  • 더 나은 품질의 자성 강철을 사용하여 자기 손실 감소
  • 기계적 풍손 감소를 위한 전동기의 공기역학 개선
  • 베어링 개선을 통한 마찰 손실 감소
  • 제조 공차 최소화


관례적으로 ''전기 기관차''는 전동기가 아닌 철도 전기 기관차를 가리킨다.

=== 물리적 동력 모터 ===

일부 모터는 위치 에너지 또는 운동 에너지에 의해 작동된다. 예를 들어 일부 삭도와 로프웨이는 움직이는 물이나 바위의 에너지를 사용했으며, 일부 시계는 중력에 의해 떨어지는 추를 사용한다.[27][49] 다른 형태의 위치 에너지에는 압축 가스(공압 모터), 용수철(태엽장치), 그리고 고무줄이 있다.

역사적인 군사 공성병기에는 큰 투석기, 트레뷰셋, 그리고 (어느 정도) 충각기가 있는데, 이들은 위치 에너지에 의해 작동되었다.

공압 모터는 압축 공기 형태의 잠재 에너지를 기계적 일로 변환한다. 일반적으로 압축 공기를 선형 또는 회전 운동을 통해 기계적 일로 변환한다. 선형 운동은 다이어프램 또는 피스톤 액추에이터에서 발생할 수 있으며, 회전 운동은 베인형 공압 모터 또는 피스톤 공압 모터에서 발생한다. 휴대용 공구 산업에서 널리 사용되고 있으며, 운송 산업으로의 사용 확대를 위한 지속적인 노력이 이루어지고 있다. 그러나 운송 산업에서 실행 가능한 옵션으로 간주되려면 효율성 결함을 극복해야 한다.

유압 모터는 가압된 액체로부터 동력을 얻는다. 이러한 유형의 엔진은 무거운 짐을 옮기고 기계를 구동하는 데 사용된다.

=== 하이브리드 엔진 ===

일부 모터 유닛은 여러 에너지원을 가질 수 있다. 예를 들어, 플러그인 하이브리드 자동차의 전기 모터는 배터리 또는 내연 기관과 발전기를 통해 화석 연료로부터 전기를 얻을 수 있다.

4. 1. 열기관

열기관은 열에너지를 기계적 에너지, 즉 일(물리학)로 변환하는 장치이다. 열기관은 크게 내연 기관과 외연 기관으로 나뉜다.[18][19][20][21]

내연 기관은 연료와 산화제(주로 공기)의 연소가 연소실 내부에서 일어나, 이때 발생한 고온, 고압 가스의 팽창력으로 피스톤이나 터빈 블레이드, 노즐 등을 움직여 일을 하는 기관이다.[18][19][20][21]

외연기관은 작동 유체가 외부 연소에 의해 가열되는 기관이다. 가열된 유체는 팽창하여 엔진을 구동시키고, 이후 냉각, 압축되어 다시 사용되거나(폐쇄 사이클) 배출된다(개방 사이클).[22] 작동 유체는 기체, 액체, 또는 증기기관처럼 상변화를 일으키는 물질일 수 있다.

공기 호흡 엔진은 로켓과 달리 대기 중의 산소를 산화제로 사용하므로, 이론적으로 더 높은 비추력을 낼 수 있다. 공기는 엔진을 통과하며 압축, 혼합, 점화, 배기 과정을 거친다.

일부 기관은 비연소 과정에서 발생하는 열을 이용하기도 한다. 원자력 발전소는 핵반응열로 증기를 만들어 증기 기관을 구동하고, 로켓 엔진의 가스터빈은 과산화수소 분해로 작동할 수 있다. 열음향기관은 음파를 이용해 열을 이동시키거나 열 차이로 음파를 발생시킨다.[24][47] 스터링 엔진 또한 비연소 열기관의 한 형태이다.[25]

4. 2. 전동기

전동기는 자기장과 전류를 통하는 도체의 상호 작용을 통해 전기에너지를 역학적 에너지로 변환하는 장치이다.[26][48] 역과정, 즉 역학적 에너지를 전기에너지로 변환하는 과정은 발전기 또는 다이나모에 의해 이루어진다. 차량에 사용되는 궤도 전동기는 종종 두 가지 작업을 모두 수행한다. 전동기는 발전기로 작동할 수 있고 그 반대도 가능하지만 항상 실용적인 것은 아니다.

전동기는 산업용 팬, 송풍기 및 펌프, 공작 기계, 가전제품, 전동 공구, 그리고 디스크 드라이브 등 다양한 분야에서 널리 사용된다. 전동기는 직류(예: 배터리로 작동하는 휴대용 장치 또는 자동차) 또는 중앙 전력 분배망의 교류로 작동될 수 있다. 가장 작은 전동기는 전자 손목시계에서 찾아볼 수 있다. 고도로 표준화된 치수와 특성을 가진 중간 크기의 전동기는 산업용으로 편리한 기계적 동력을 제공한다. 매우 큰 전동기는 대형 선박의 추진 및 파이프라인 압축기와 같은 용도에 사용되며, 정격 출력이 수천 킬로와트에 달한다. 전동기는 전력원, 내부 구조, 그리고 용도에 따라 분류될 수 있다.

전류와 자기장의 상호 작용에 의한 기계적 힘의 생성 원리는 1821년 초에 알려졌다. 19세기 내내 효율이 향상된 전동기가 제작되었지만, 대규모로 전동기를 상업적으로 활용하려면 효율적인 발전기와 전력 분배망이 필요했다.

전동기 및 관련 탄소 발자국으로 인한 전기 에너지 소비량을 줄이기 위해 많은 국가의 다양한 규제 당국은 고효율 전동기의 제조 및 사용을 장려하기 위한 법률을 제정하고 시행했다. 잘 설계된 전동기는 수십 년 동안 입력 에너지의 90% 이상을 유용한 동력으로 변환할 수 있다.[48]

일반적인 산업용 유도 전동기의 전기 에너지 효율은 다음과 같이 개선할 수 있다.

  • 고정자 권선의 전기적 손실 감소(예: 도체의 단면적 증가, 권선 기술 개선, 구리와 같이 전기 전도도가 높은 재료 사용)
  • 회전자 코일 또는 주조의 전기적 손실 감소(예: 구리와 같이 전기 전도도가 높은 재료 사용)
  • 더 나은 품질의 자성 강철을 사용하여 자기 손실 감소
  • 기계적 풍손 감소를 위한 전동기의 공기역학 개선
  • 베어링 개선을 통한 마찰 손실 감소
  • 제조 공차 최소화


관례적으로 ''전기 기관차''는 전동기가 아닌 철도 전기 기관차를 가리킨다.

4. 3. 물리적 동력 모터

일부 모터는 위치 에너지 또는 운동 에너지에 의해 작동된다. 예를 들어 일부 삭도와 로프웨이는 움직이는 물이나 바위의 에너지를 사용했으며, 일부 시계는 중력에 의해 떨어지는 추를 사용한다.[27][49] 다른 형태의 위치 에너지에는 압축 가스(공압 모터), 용수철(태엽장치), 그리고 고무줄이 있다.

역사적인 군사 공성병기에는 큰 투석기, 트레뷰셋, 그리고 (어느 정도) 충각기가 있는데, 이들은 위치 에너지에 의해 작동되었다.

공압 모터는 압축 공기 형태의 잠재 에너지를 기계적 일로 변환한다. 일반적으로 압축 공기를 선형 또는 회전 운동을 통해 기계적 일로 변환한다. 선형 운동은 다이어프램 또는 피스톤 액추에이터에서 발생할 수 있으며, 회전 운동은 베인형 공압 모터 또는 피스톤 공압 모터에서 발생한다. 휴대용 공구 산업에서 널리 사용되고 있으며, 운송 산업으로의 사용 확대를 위한 지속적인 노력이 이루어지고 있다. 그러나 운송 산업에서 실행 가능한 옵션으로 간주되려면 효율성 결함을 극복해야 한다.

유압 모터는 가압된 액체로부터 동력을 얻는다. 이러한 유형의 엔진은 무거운 짐을 옮기고 기계를 구동하는 데 사용된다.

4. 4. 하이브리드 엔진

일부 모터 유닛은 여러 에너지원을 가질 수 있다. 예를 들어, 플러그인 하이브리드 자동차의 전기 모터는 배터리 또는 내연 기관과 발전기를 통해 화석 연료로부터 전기를 얻을 수 있다.

5. 성능

엔진 성능 평가에는 다음과 같은 요소들이 사용된다.

==== 속도 ====

엔진의 회전 속도는 분당 회전수(RPM) 단위로 측정된다. 엔진은 저속, 중속, 고속으로 분류할 수 있지만, 이 용어들은 언제나 상대적이며 기술되는 엔진의 종류에 따라 달라진다. 일반적으로 디젤 엔진은 가솔린 엔진(자동차 가솔린 엔진 기준으로 ~2200–3400 RPM)에 비해 더 낮은 속도(자동차 디젤 기준으로 ~1500–2000 RPM)로 동작한다. 터보샤프트, 전동기의 경우 매우 빠른 속도(~10,000 RPM 이상)를 낼 수 있다.

속도는 피스톤 엔진에서는 크랭크축 회전 속도를, 압축기/터빈 회전자와 전동기 회전자에서는 회전 속도를 의미하며, 분당 회전수(rpm)로 측정된다.

회전력을 출력하는 기관의 경우, 기관 속도는 회전/분(RPM) 단위로 측정된다. 기관은 저속, 중속, 고속으로 분류할 수 있지만, 이러한 용어는 부정확하며 기관의 종류에 따라 다르다. 추력을 생성하는 기관의 경우, 기관 자체가 움직이는 것이 아니라 기관이 가속하는 작동 매체가 움직이기 때문에 "엔진 속도"에 대해 말하는 것은 더욱 부정확하며, 배기 속도라고 하는 것이 맞다. 배기 속도는 엄밀히 말하면 중력장을 제외한 Isp이다.

==== 추력 ====

추력은 반작용 법칙에 따른 상호작용에 의해 발생하는 힘이다. 비행기의 프로펠러 또는 제트 엔진이 통과하는 공기를 가속하거나, 선박의 프로펠러가 통과하는 물을 가속함으로써 추력이 발생한다. 추력은 두 물체 사이의 상호작용으로 발생하는 힘으로, 두 물체는 각각의 속도 때문에 서로 크기는 같고 방향은 반대인 힘을 작용한다. 힘은 뉴턴(N) 또는 파운드-힘(lbf) 단위로 측정할 수 있다.

==== 토크 ====

돌림힘은 엔진의 출력축에 연결된 이론적인 레버에 발휘되는 힘이다. 토크(Torque)는 축에 작용하는 회전력이며, 회전력을 발생시키는 힘에 그 힘이 작용하는 축으로부터의 거리를 곱하여 계산한다. 토크(トルク)는 기관의 출력축과 연결된 이론적인 지렛대에 작용하는 힘이다.

이는 다음 식으로 표현된다.

:\tau=|\mathbf r\times\mathbf F|=r F\sin(\mathbf r, \mathbf F)

상기 식에서, ''r''은 지렛대의 길이, ''F''는 지렛대에 작용하는 힘, '''r'''×'''F'''는 벡터의 외적이다. 토크는 일반적으로 뉴턴미터(N·m, SI 단위) 또는 피트·파운드(ft·lb, 야드·파운드법) 단위로 측정된다.

==== 일률 ====

일률은 시간 단위 당 완료된 일의 양 또는 생산해낸 에너지의 양이다. 물리학에서 일률은 일이 얼마나 빨리 수행되는지를 측정하는 단위이다. 일률은 단위 시간당 수행된 일 또는 생성된 에너지의 양이며, 다음 식으로 나타낼 수 있다.

:P=\frac{\mathrm d W}{\mathrm d t}

다음과 같이 나타낼 수도 있다.

:P=\mathbf F \cdot \mathbf v

직선력과 속도를 가진 이 식은 기관의 출력 추력과 기관이 미치는 토크 모두에 동일하게 잘 적용할 수 있다.

추진 기관을 고려할 때는 일반적으로 코어 질량 유량 그대로의 힘만 고려된다. 문제가 되는 기관이 축에 출력을 한다면, 다음과 같다.

:P=\tau\omega.

이것이 회전축에 출력하는 기관에 대해 항상 그 정격 출력과 함께 회전 속도에 대한 정보가 주어지는 이유이다.

일반적으로 회전축을 구동하는 기관 중 열기관은 마력(hp)으로 출력이 표시되는 반면, 전기 기관은 와트(W, 일에 대한 수학 기호와 혼동하지 않도록 주의)로 표시된다.

==== 효율 ====

효율은 총 투입량에 비해 유용한 에너지 출력의 비율이다. 사용되는 기관의 종류에 따라 다양한 효율이 달성된다.

열기관에서는 효율이 카르노 효율을 초과할 수 없다.

==== 소음 수준 ====

저속에서는 엔진 소음이, 고속에서는 타이어와 차량 주변 공기 흐름 소음이 차량 소음의 주된 원인이다.[28] 전기 모터는 내연 기관보다 소음이 적다. 터보팬, 터보제트, 로켓과 같은 추력 발생 엔진은 고속 배기가스가 주변 정지 공기와 상호 작용하는 방식 때문에 가장 많은 소음을 발생시킨다.

소음 감소 기술에는 가솔린 및 디젤 엔진의 흡기 및 배기 시스템 소음기와 터보팬 흡입구의 소음 감쇠 라이너가 포함된다. 기관 소음은 저속으로 작동하는 차량이 원인인 소음의 특히 큰 요소이다. 저속에서는 공력 및 타이어 소음의 중요성이 낮다.[50] 일반적으로 가솔린 기관과 디젤 기관은 동등한 출력의 터보샤프트보다 소음이 작다. 전기 모터의 소음은 동등한 화석 연료를 사용하는 기관보다 대부분의 경우 작다. 터보팬, 터보제트, 로켓과 같은 추력 출력 기관은 추력을 생성하는 방식이 소음 발생과 직접적으로 관련되어 있기 때문에 최대량의 소음을 방출한다. 소음을 저감하기 위한 다양한 방법이 고안되었다. 가솔린 기관 및 디젤 기관은 머플러와 결합되어 있다. 보다 새로운 터보팬은 소음의 크기를 줄이기 위해 종종 대형 팬을 가지고 있다(소위 고바이패스 기술). 추력을 감소시키지 않고 로켓의 소음을 줄이는 방법은 알려져 있지 않다.

5. 1. 속도

엔진의 회전 속도는 분당 회전수(RPM) 단위로 측정된다. 엔진은 저속, 중속, 고속으로 분류할 수 있지만, 이 용어들은 언제나 상대적이며 기술되는 엔진의 종류에 따라 달라진다. 일반적으로 디젤 엔진은 가솔린 엔진(자동차 가솔린 엔진 기준으로 ~2200–3400 RPM)에 비해 더 낮은 속도(자동차 디젤 기준으로 ~1500–2000 RPM)로 동작한다. 터보샤프트, 전동기의 경우 매우 빠른 속도(~10,000 RPM 이상)를 낼 수 있다.

속도는 피스톤 엔진에서는 크랭크축 회전 속도를, 압축기/터빈 회전자와 전동기 회전자에서는 회전 속도를 의미하며, 분당 회전수(rpm)로 측정된다.

회전력을 출력하는 기관의 경우, 기관 속도는 회전/분(RPM) 단위로 측정된다. 기관은 저속, 중속, 고속으로 분류할 수 있지만, 이러한 용어는 부정확하며 기관의 종류에 따라 다르다. 추력을 생성하는 기관의 경우, 기관 자체가 움직이는 것이 아니라 기관이 가속하는 작동 매체가 움직이기 때문에 "엔진 속도"에 대해 말하는 것은 더욱 부정확하며, 배기 속도라고 하는 것이 맞다. 배기 속도는 엄밀히 말하면 중력장을 제외한 Isp이다.

5. 2. 추력

추력은 반작용 법칙에 따른 상호작용에 의해 발생하는 힘이다. 비행기의 프로펠러 또는 제트 엔진이 통과하는 공기를 가속하거나, 선박의 프로펠러가 통과하는 물을 가속함으로써 추력이 발생한다. 추력은 두 물체 사이의 상호작용으로 발생하는 힘으로, 두 물체는 각각의 속도 때문에 서로 크기는 같고 방향은 반대인 힘을 작용한다. 힘은 뉴턴(N) 또는 파운드-힘(lbf) 단위로 측정할 수 있다.

5. 3. 토크

돌림힘은 엔진의 출력축에 연결된 이론적인 레버에 발휘되는 힘이다. 토크(Torque)는 축에 작용하는 회전력이며, 회전력을 발생시키는 힘에 그 힘이 작용하는 축으로부터의 거리를 곱하여 계산한다. 토크(トルク)는 기관의 출력축과 연결된 이론적인 지렛대에 작용하는 힘이다.

이는 다음 식으로 표현된다.

:\tau=|\mathbf r\times\mathbf F|=r F\sin(\mathbf r, \mathbf F)

상기 식에서, ''r''은 지렛대의 길이, ''F''는 지렛대에 작용하는 힘, '''r'''×'''F'''는 벡터의 외적이다. 토크는 일반적으로 뉴턴미터(N·m, SI 단위) 또는 피트·파운드(ft·lb, 야드·파운드법) 단위로 측정된다.

5. 4. 일률

일률은 시간 단위 당 완료된 일의 양 또는 생산해낸 에너지의 양이다. 물리학에서 일률은 일이 얼마나 빨리 수행되는지를 측정하는 단위이다. 일률은 단위 시간당 수행된 일 또는 생성된 에너지의 양이며, 다음 식으로 나타낼 수 있다.

:P=\frac{\mathrm d W}{\mathrm d t}

다음과 같이 나타낼 수도 있다.

:P=\mathbf F \cdot \mathbf v

직선력과 속도를 가진 이 식은 기관의 출력 추력과 기관이 미치는 토크 모두에 동일하게 잘 적용할 수 있다.

추진 기관을 고려할 때는 일반적으로 코어 질량 유량 그대로의 힘만 고려된다. 문제가 되는 기관이 축에 출력을 한다면, 다음과 같다.

:P=\tau\omega.

이것이 회전축에 출력하는 기관에 대해 항상 그 정격 출력과 함께 회전 속도에 대한 정보가 주어지는 이유이다.

일반적으로 회전축을 구동하는 기관 중 열기관은 마력(hp)으로 출력이 표시되는 반면, 전기 기관은 와트(W, 일에 대한 수학 기호와 혼동하지 않도록 주의)로 표시된다.

5. 5. 효율

효율은 총 투입량에 비해 유용한 에너지 출력의 비율이다. 사용되는 기관의 종류에 따라 다양한 효율이 달성된다.

열기관에서는 효율이 카르노 효율을 초과할 수 없다.

5. 6. 소음 수준

저속에서는 엔진 소음이, 고속에서는 타이어와 차량 주변 공기 흐름 소음이 차량 소음의 주된 원인이다.[28] 전기 모터는 내연 기관보다 소음이 적다. 터보팬, 터보제트, 로켓과 같은 추력 발생 엔진은 고속 배기가스가 주변 정지 공기와 상호 작용하는 방식 때문에 가장 많은 소음을 발생시킨다.

소음 감소 기술에는 가솔린 및 디젤 엔진의 흡기 및 배기 시스템 소음기와 터보팬 흡입구의 소음 감쇠 라이너가 포함된다. 기관 소음은 저속으로 작동하는 차량이 원인인 소음의 특히 큰 요소이다. 저속에서는 공력 및 타이어 소음의 중요성이 낮다.[50] 일반적으로 가솔린 기관과 디젤 기관은 동등한 출력의 터보샤프트보다 소음이 작다. 전기 모터의 소음은 동등한 화석 연료를 사용하는 기관보다 대부분의 경우 작다. 터보팬, 터보제트, 로켓과 같은 추력 출력 기관은 추력을 생성하는 방식이 소음 발생과 직접적으로 관련되어 있기 때문에 최대량의 소음을 방출한다. 소음을 저감하기 위한 다양한 방법이 고안되었다. 가솔린 기관 및 디젤 기관은 머플러와 결합되어 있다. 보다 새로운 터보팬은 소음의 크기를 줄이기 위해 종종 대형 팬을 가지고 있다(소위 고바이패스 기술). 추력을 감소시키지 않고 로켓의 소음을 줄이는 방법은 알려져 있지 않다.

6. 환경 영향

엔진 작동은 일반적으로 대기 질과 주변 소음 수준에 부정적인 영향을 미친다. 자동차 동력 시스템의 오염 물질 배출 특징에 대한 관심이 높아지고 있다. 이로 인해 대체 동력원과 내연 기관 개선에 대한 관심이 새롭게 생겨났다. 소량 생산되는 배터리 전기 자동차가 몇몇 등장했지만, 비용과 작동 특성 때문에 경쟁력이 없다는 것이 입증되었다. 21세기에 디젤 엔진은 자동차 소유주들 사이에서 인기가 높아지고 있다. 그러나 가솔린 엔진과 디젤 엔진은 배출 성능을 개선하기 위한 새로운 배출가스 제어 장치가 있음에도 불구하고 아직까지 상당한 도전을 받지 못했다. 여러 제조업체에서 하이브리드 엔진을 출시했는데, 주로 소형 가솔린 엔진과 전기 모터, 대용량 배터리 뱅크를 결합한 방식이며, 환경에 대한 인식이 높아짐에 따라 인기 있는 선택지가 되고 있다.

스파크 점화 엔진의 배기가스는 질소 70~75%(체적 기준), 수증기 10~12%, 이산화탄소 10~13.5%, 수소 0.5~2%, 산소 0.2~2%, 일산화탄소: 0.1~6%, 미연소 탄화수소 및 부분 산화 생성물(예: 알데하이드) 0.5~1%, 일산화질소 0.01~0.4%, 이산화질소 <100 ppm, 이산화황 15~60 ppm, 연료 첨가제 및 윤활유와 같은 기타 화합물의 미량, 할로겐 및 금속 화합물, 그리고 기타 입자로 구성된다.[23] 일산화탄소는 고도로 유독하며 일산화탄소 중독을 일으킬 수 있으므로 밀폐된 공간에서 가스가 축적되지 않도록 하는 것이 중요하다.[23] 촉매 변환기는 유독 배출가스를 줄일 수 있지만 완전히 제거할 수는 없다.[23] 또한, 현대 산업 사회에서 엔진의 광범위한 사용으로 인한 주요 온실 가스 배출인 이산화탄소는 전 세계적인 온실 효과에 기여하고 있으며, 이는 지구 온난화와 관련된 주요 문제이다.[23]

모든 화학 연료를 사용하는 열기관은 배기가스를 배출한다. 가장 깨끗한 기관은 물만 배출하며, 엄격한 무배출은 일반적으로 물과 수증기를 제외한 모든 배출이 없다는 것을 의미한다. 순수한 수소(연료)와 순수한 산소(산화제)를 연소하는 열기관만이 엄격한 정의에 따라 무배출을 달성한다(실제로는 한 종류의 로켓 엔진).[23] 수소가 공기와 함께 연소되는 경우(모든 공기 호흡 엔진), 대기 산소와 대기 질소 사이에 부반응이 발생하여 소량의 가 배출된다.[23] 탄화수소(예: 알코올 또는 가솔린)가 연료로 연소되는 경우, 온실 가스인 가 배출된다.[23] 공기 중의 수소와 산소는 부산물 없이 연료 전지에 의해 물로 반응할 수 있지만, 이것은 열기관이 아니라 전기화학 기관이다.[23]

6. 1. 대기 질

스파크 점화 엔진의 배기가스는 질소 70~75%(체적 기준), 수증기 10~12%, 이산화탄소 10~13.5%, 수소 0.5~2%, 산소 0.2~2%, 일산화탄소: 0.1~6%, 미연소 탄화수소 및 부분 산화 생성물(예: 알데하이드) 0.5~1%, 일산화질소 0.01~0.4%, 이산화질소 <100 ppm, 이산화황 15~60 ppm, 연료 첨가제 및 윤활유와 같은 기타 화합물의 미량, 할로겐 및 금속 화합물, 그리고 기타 입자로 구성된다.[23] 일산화탄소는 고도로 유독하며 일산화탄소 중독을 일으킬 수 있으므로 밀폐된 공간에서 가스가 축적되지 않도록 하는 것이 중요하다.[23] 촉매 변환기는 유독 배출가스를 줄일 수 있지만 완전히 제거할 수는 없다.[23] 또한, 현대 산업 사회에서 엔진의 광범위한 사용으로 인한 주요 온실 가스 배출인 이산화탄소는 전 세계적인 온실 효과에 기여하고 있으며, 이는 지구 온난화와 관련된 주요 문제이다.[23]

6. 2. 배출가스

모든 화학 연료를 사용하는 열기관은 배기가스를 배출한다. 가장 깨끗한 기관은 물만 배출하며, 엄격한 무배출은 일반적으로 물과 수증기를 제외한 모든 배출이 없다는 것을 의미한다. 순수한 수소(연료)와 순수한 산소(산화제)를 연소하는 열기관만이 엄격한 정의에 따라 무배출을 달성한다(실제로는 한 종류의 로켓 엔진).[23] 수소가 공기와 함께 연소되는 경우(모든 공기 호흡 엔진), 대기 산소와 대기 질소 사이에 부반응이 발생하여 소량의 가 배출된다.[23] 탄화수소(예: 알코올 또는 가솔린)가 연료로 연소되는 경우, 온실 가스인 가 배출된다.[23] 공기 중의 수소와 산소는 부산물 없이 연료 전지에 의해 물로 반응할 수 있지만, 이것은 열기관이 아니라 전기화학 기관이다.[23]

스파크 점화 엔진의 배기가스는 질소 70~75%(체적 기준), 수증기 10~12%, 이산화탄소 10~13.5%, 수소 0.5~2%, 산소 0.2~2%, 일산화탄소: 0.1~6%, 미연소 탄화수소 및 부분 산화 생성물(예: 알데하이드) 0.5~1%, 일산화질소 0.01~0.4%, 이산화질소 <100 ppm, 이산화황 15~60 ppm, 연료 첨가제 및 윤활유와 같은 기타 화합물의 미량, 할로겐 및 금속 화합물, 그리고 기타 입자 등으로 구성된다.[23] 일산화탄소는 고도로 유독하며 일산화탄소 중독을 일으킬 수 있으므로 밀폐된 공간에서 가스가 축적되지 않도록 하는 것이 중요하다.[23] 촉매 변환기는 유독 배출가스를 줄일 수 있지만 완전히 제거할 수는 없다.[23] 또한, 현대 산업 사회에서 엔진의 광범위한 사용으로 인한 주요 온실 가스 배출인 이산화탄소는 전 세계적인 온실 효과에 기여하고 있으며, 이는 지구 온난화와 관련된 주요 문제이다.[23]

7. 같이 보기

참조

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