연소실
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1. 개요
연소실은 내연 기관에서 연료와 공기의 혼합물이 연소되는 공간을 의미하며, 발생한 가스 압력을 기계적 에너지로 변환하는 역할을 한다. 왕복 엔진, 로터리 엔진, 가스터빈, 제트 엔진, 로켓 엔진 등 다양한 형태의 엔진에 존재하며, 각 엔진의 작동 방식과 연소 방식에 따라 연소실의 구조와 역할이 다르다. 가솔린 엔진과 디젤 엔진은 왕복 기관의 대표적인 예시이며, 가스터빈과 제트 엔진에서는 연소기를 연소실로 부른다. 증기 기관과 같은 외연 기관에서는 화실을 연소실로 사용한다.
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| 연소실 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 명칭 | 연소실 |
| 영어 명칭 | Combustion chamber |
| 일본어 명칭 | 燃焼室 (넨쇼-시츠) |
| 설명 | 연료와 산화제가 혼합되어 연소가 일어나는 공간 |
| 내연 기관 | |
| 위치 | 실린더 헤드와 피스톤 사이 |
| 형태 | 엔진 종류에 따라 다양함 |
| 기능 | 연료-공기 혼합기 연소 고온, 고압 가스 생성 열에너지 기계적 에너지 변환 |
| 증기 기관 | |
| 역할 | 보일러에서 생성된 증기를 이용하여 피스톤을 움직이는 공간 |
| 특징 | 실린더 내부에 위치 증기 압력을 이용하여 동력 발생 |
| 기타 | |
| 활용 분야 | 자동차 엔진 로켓 엔진 가스 터빈 보일러 |
2. 내연 기관
내연 기관은 연료와 공기의 혼합물을 연소시켜 발생한 고온, 고압의 가스를 이용하여 기계적인 에너지를 얻는 기관이다. 왕복 기관, 로터리 엔진, 가스 터빈, 제트 엔진 등이 내연 기관에 속한다. 내연 기관에서 연소가 일어나는 곳을 '''연소실'''이라고 한다.
연소로 발생한 고열의 기체(배기 가스)는 팽창하여 큰 압력과 열량을 방출한다. 예를 들어, 가스터빈은 이 압력을 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키고, 로켓 엔진은 분사 노즐을 통해 압력을 추력으로 이용한다.
왕복 엔진은 간헐 연소 방식인 반면, 로켓 엔진, 제트 엔진, 가스터빈은 연속 연소 방식이다. 연속 연소 기관은 연소실 냉각이 기관 수명에 큰 영향을 미친다.
2. 1. 왕복 기관
왕복 기관은 피스톤의 왕복 운동을 이용하여 동력을 얻는 기관이다. 왕복 기관의 연소실은 실린더, 피스톤, 실린더 헤드 등으로 둘러싸인 공간이며, 상사점 부근에서 연료와 공기의 혼합물이 연소된다. 내연 기관에서 연소로 발생한 압력은 피스톤에 직접 힘을 가하여 가스 압력을 기계적 에너지로 변환한다.[1][2]
2. 1. 1. 가솔린 엔진
가솔린 엔진에서 연소실은 보통 실린더 헤드에 위치한다. 오버헤드 밸브 엔진 또는 OHC 엔진을 사용하는 최신 엔진은 상사점 근처에 있을 때 피스톤 상단을 연소실의 바닥으로 사용한다. 이 위에는 연소실의 측면과 지붕에 흡기 밸브, 배기 밸브 및 스파크 플러그가 포함된다.[1][2]연소실, 흡기 포트 및 배기 포트의 모양은 효율적인 연소를 달성하고 최대 출력을 높이는 데 핵심적이다. 실린더 헤드는 종종 특정 "와류" 패턴(가스 흐름에 대한 회전 구성 요소)과 난류를 달성하도록 설계되어 혼합을 개선하고 가스 흐름 속도를 증가시킨다. 피스톤 상단의 모양도 와류의 양에 영향을 미친다.[1][2]
좋은 연료/공기 혼합을 위한 난류를 촉진하는 또 다른 설계 특징은 상승하는 피스톤에 의해 연료/공기 혼합물이 높은 압력으로 "압착"되는 스퀴시이다.[1][2]
점화 플러그의 위치 또한 중요한 요소인데, 이것이 피스톤을 향해 아래로 이동하는 ''화염 전선''(연소 가스의 선두 가장자리)의 시작점이기 때문이다. 좋은 설계는 정체된 "잔류 가스"가 갇혀 엔진 출력을 감소시키고 잠재적으로 노킹을 유발할 수 있는 좁은 틈새를 피해야 한다.[1][2]
일반적으로 실린더 헤드에 점화 플러그나 흡배기 밸브가 설치된 반구형의 오목부가 있으며, 피스톤 관면이나 실린더 상단부와 함께 "혼합기를 연소시키는 방"인 '''연소실'''을 형성한다. 터보차저 등 과급기가 달린 엔진에서는 압축비를 낮추기 위해 홈이 설치되는 경우도 있다.
가솔린 엔진의 연소실에는 다양한 형태가 존재하며, 그 형태에 따라 해당 엔진의 압축비가 크게 좌우되며, 엔진의 효율(출력 및 연비)에 영향을 미친다.
엔진 설계자는 연소실 및 실린더 내의 과열(기계적 강도를 저하시키고, NO의 생성을 촉진)을 피하면서 냉각 손실을 줄이고, 혼합기의 완전 연소를 목적으로 다양한 연소실 형상을 고안해 왔다.
이러한 개량 속에서 혼합기가 연소실 내에서 난류를 형성하는 것이 연소 효율 개선에 좋다는 것도 밝혀졌다. 반구형이나 펜트루프형 등에서는, 스월 (가로 와류)이나 텀블 (세로 와류)을 형성하도록 헤드와 인테이크의 형상을 고안하고 있다. 또한 실린더 단면적과 헤드 단면적을 바꾸어 피스톤 상승 시에는 좁혀진 부분에서 분류를 발생시키는 스퀴시 영역이 설치되는 경우도 많다.
연소실에 따른 노킹이 일어나기 어려움은 메커니컬 옥탄가라고 불리며, 이것이 높은 엔진은 더 높은 압축비를 실현할 수 있으므로 고출력에 고연비가 된다. 제조사는 메커니컬 옥탄가를 높이기 위해 다양한 시뮬레이션과 연소 상태 관찰을 하고 있다.
초기의 가솔린 엔진에서 많이 볼 수 있었던 사이드 밸브의 연소실은 평평하고 가로로 긴 형태를 띠고 있으며, 이 형상을 가리켜 플랫 헤드라고 불리는 경우가 많았다.
2. 1. 2. 디젤 엔진
디젤 엔진과 같은 압축 착화 엔진은 연료 분사 방식에 따라 다음과 같이 분류된다.
- '''직접 분사:''' 연료가 연소실에 직접 분사된다. 일반적인 종류로는 유닛 인젝터와 커먼 레일 분사가 있다.
- '''간접 분사:''' 연료가 와류실 또는 예연소실에 분사된다. 연료는 이 챔버에 분사될 때 점화되며, 연소된 공기/연료 혼합물이 주 연소실로 확산된다.
직접 분사 엔진은 일반적으로 연비가 더 좋지만, 간접 분사 엔진은 더 낮은 등급의 연료를 사용할 수 있다.
해리 리카르도는 디젤 엔진용 연소실 개발에 두각을 나타냈으며, 가장 잘 알려진 것은 ''리카르도 코멧''이다. 디젤 엔진의 연소실은 연료 분사 장치 방식에 따라 크게 두 종류로 나눌 수 있다. 디젤 엔진의 실린더 헤드 하단은 평평하며, 흡기 및 배기 밸브 사이에는 밸브 挟み角이 없고, 모두 평행 배치되어 있다.
2. 2. 로터리 엔진
로터리 엔진(반켈 엔진)의 연소실은 상사점 부근에서 로터, 로터 하우징, 사이드 하우징, 점화 플러그로 둘러싸인 편평한 공간이다.[1] 왕복 엔진과는 달리 로터가 회전하면서 연소실이 하우징 내 넓은 범위를 이동한다.[1]2. 3. 가스 터빈
가스터빈 및 제트 엔진(램제트 및 스크램제트 포함)의 연소실은 연소기라고 한다.[3] 연소기는 압축기에서 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시킨 후, 고온, 고압의 배기가스를 엔진의 터빈 구성 요소로 공급하거나 배기 노즐 밖으로 배출한다.연소로 발생한 고열의 가스(배기 가스)는 원래의 연료나 혼합기보다 훨씬 큰 부피로 팽창하여 큰 압력과 열량을 방출한다. 가스터빈의 경우 이 압력을 이용하여 축에 연결된 터빈 블레이드를 회전시킨다.
연소기 유형은 다음과 같다.[3]
- 캔형: 자립형 원통형 연소실이다. 각 "캔"은 자체 연료 분사기, 라이너, 상호 연결기, 케이싱을 가지고 있으며, 개별 개구부에서 공기를 공급받는다.
- 캐뉤라형: 캔형과 마찬가지로, 자체 연료 분사기가 있는 개별 라이너에 포함된 개별 연소 구역을 가지고 있다. 캔형 연소기와 달리 모든 연소 구역은 공통 공기 케이싱을 공유한다.
- 환형: 개별 연소 구역을 제거하고 링(환형)에 연속적인 라이너와 케이싱을 갖는다.
2. 4. 제트 엔진
연속 흐름 시스템에서 압력은 제어되고 연소는 부피를 증가시킨다. 가스터빈 및 제트 엔진(램제트, 스크램제트 포함)의 연소실을 연소기라고 한다.[3]연소기는 압축 시스템에서 고압 공기를 공급받아 연료를 추가하고 혼합물을 연소시킨 다음 뜨겁고 고압의 배기가스를 엔진의 터빈 구성 요소로 공급하거나 배기 노즐 밖으로 배출한다.
연소로 발생한 고열의 가스(배기 가스)는 원래의 연료나 혼합기보다 훨씬 큰 용적으로 팽창하여 큰 압력과 열량을 방출한다. 제트 엔진의 경우 분사 노즐에 의해 압력이 해제되는 방향을 지정함으로써 압력을 추력으로 이용할 수 있다.
제트 엔진은 기본적으로 연속 연소이며, 연소실의 냉각은 기관의 수명에 크게 영향을 미친다.
2. 5. 로켓 엔진
로켓 엔진의 연소실은 연소에 의한 반동으로 추진하기 위해 사용된다.[2] 로켓 엔진은 연료와 산화제를 함께 연소시켜 고온, 고압의 가스를 생성하고, 이를 노즐을 통해 분출하여 추력을 얻는다.[2] 연소실은 매우 높은 온도와 압력을 견딜 수 있도록 특수하게 설계되며, 냉각은 기관의 수명에 큰 영향을 미친다.[2]3. 외연 기관
외연 기관은 연료의 연소열을 이용하여 작동 유체(물, 증기 등)를 가열하고, 이 작동 유체의 팽창력을 이용하여 기계적인 에너지를 얻는 기관이다.
3. 1. 증기 기관
증기 기관에서 연료가 연소되는 곳은 화실이다. 증기 기관의 맥락에서 "연소실"이라는 용어는 화실과 보일러 사이의 특정 영역에도 사용되어 왔다. 이러한 유형의 연소실은 연료의 보다 완전한 연소를 가능하게 하여 연비를 개선하고 그을음과 스케일 축적을 줄이도록 설계되었다. 이는 대형 증기 기관차 엔진에 사용되어 더 짧은 화관을 사용할 수 있게 한다.일반적으로 보일러에서 연료의 연소열을 물에 가해 고압 증기를 얻어 기관을 작동시킨다. 증기 기관차에서 연료를 연소시키는 공간은 화실이라고 하며, 그 부속실을 연소실이라고 한다.
참조
[1]
웹사이트
Setting Your Squish Clearance
http://www.nrhsperfo[...]
2020-08-02
[2]
웹사이트
How to Measure Your Cylinder Head Squish Clearance
http://homes.ottcomm[...]
2018-03-23
[3]
웹사이트
Combustor - Burner
https://www.grc.nasa[...]
2015-05-05
[4]
문서
HEMI 엔진 형상
[5]
서적
勝利のエンジン５０選
이현사
2004-11-10
[6]
문서
DOHC 및 SOHC 밸브 구성
[7]
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https://car.watch.im[...]
Car Watch
2023-10-26
[10]
문서
포트 분사 방식과 직분사 방식
[11]
웹사이트
6BB1
https://www.jsae.or.[...]
自動車技術会
2020-07-21
[12]
웹사이트
（4）副噴口付き渦室式ディーゼル機関の開発
https://www.jstage.j[...]
日本機械学会
2024-07-11
[13]
논문
副噴口付き渦室式ディーゼル機関の開発
1988-05-05
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