왕복 기관

2. 역사

왕복 기관은 18세기 유럽에서 대기 기관으로 처음 개발되었고, 이후 증기 기관으로 발전하였다. 19세기에는 스털링 엔진과 내연 기관이 등장했다. 오늘날 가장 흔한 형태의 왕복 기관은 가솔린, 경유, 액화 석유 가스(LPG) 또는 압축 천연 가스(CNG)를 연소하는 내연 기관이며, 자동차 및 발전소의 동력원으로 사용된다.

왕복 기관의 최초 기록은 네덜란드의 크리스티안 호이겐스가 1680년에 화약을 사용하여 동력을 발생시키는 아이디어를 발표한 것이다. 베르사유 궁전의 물 담당자였던 호이겐스는 피스톤과 진공을 열기관으로 이용하려 한 선구자로 인정받고 있다.^[1] 호이겐스는 실린더 (통) 최하부에 연소실, 최상부에 피스톤을 배치하고, 연소실에서 화약을 연소시켜 발생한 고온의 공기가 상부 변으로 빠져나가게 했다. 밸브는 일방통행 체크 밸브였으며, 공기가 빠져나간 후 실린더가 냉각되면 내부 압력이 낮아져 진공의 힘으로 피스톤이 하강하며 힘을 발휘했다.^[1] 당시에는 화약 폭발은 위험하다고 여겨졌고, 호이겐스의 아이디어는 진공을 이용해 정숙성이 특징이었다. 당시에는 내연 기관과 외연 기관의 구별 없이 "열로부터 동력이 생겨난다"는 생각이었다.^[1]

이후 프랑스의 아베 포토프유와 영국의 모어랜드 등이 아이디어를 냈지만, 시제품은 제작되지 않았다.^[1]

피스톤 엔진은 피스톤형 증기 기관의 시조로 불리는 드니 파팽의 증기 기관으로 실현되었다. 파팽은 호이겐스와 친분이 있었고, 호이겐스의 아이디어를 시제품으로 제작, 검증했지만 당시 기술로는 화약 연소, 피스톤, 체크 밸브 제작이 어려웠다.^[1] 파팽은 화약을 직접 연소시키는 대신 외부에서 발생시킨 증기를 이용하여 압력을 높이는 증기 기관을 만들었다. 이는 화약 연소 대신 증기를 사용하는 점을 제외하면 호이겐스의 아이디어와 같다.^[1]

이후 세이버리가 영국에서 특허를 취득했고, 1705년 토머스 뉴커먼의 개량으로 실용화된 증기 기관이 탄광 배수 펌프 용도로 사용되었다.^[1] 뉴커먼의 "대기압 기관 (Atmospheric engine)"은 밸브 개폐를 사람이 직접 해야 했으나, 1713년 험프리 포터라는 소년이 로프와 도르래를 이용해 최초로 자동화했고, 1718년 헨리 베이튼(Henry Beighton)이 더욱 개량했다.^[1] 존 스미턴은 다양한 개량을 추가했다.^[1]

1770년경까지 50년 이상 개량되며 널리 사용된 뉴커먼식 증기 기관은 왕복 운동을 직선적인 동력으로만 이용했고, 힘은 한쪽 방향으로만 작용했다.^[1] 제임스 와트는 1769년 영국에서 특허를 취득한 왕복 운동 증기 기관을 고안하여, 본격적인 회전 동력 실용화의 길을 열었다.^[1]

피스톤 왕복 운동을 회전 운동으로 이용한 최초의 엔진은 와트의 특허와 같은 해인 1769년 프랑스에서 고안된 증기 동력 견인차 퀴뇨의 포차이다. 피스톤 로드 끝 크랭크에 래칫을 사용해 회전 운동으로 변환했다.^[1] 영국에서 와트 밑에서 일하던 윌리엄 머독은 유성 기어를 이용해 회전 운동을 얻는 증기 자동차를 제작했다. 이 왕복 운동을 회전 운동으로 만드는 특허는 머독이 아닌 와트가 취득했다.^[1] 와트는 크랭크축을 사용하고 싶었지만, 특허 문제로 유성 기어를 사용했고, 후년에 크랭크축 방식으로 전환했다.^[1]

1801년 트레비식은 증기 자동차를 제작, 운전했고, 1804년 세계 최초의 증기 기관차를 제작, 시운전했다.^[1] 1820년 영국의 W. 세실은 수소 가스를 연료로 한 진공 이용 대기압 기관을 제작해 60rpm (회전/분)을 실현했다. 폭발 소음이 문제였지만, 세계 최고(最古)의 가스 기관으로 인정받고 있다.^[1]

1823년 영국의 발명가 새뮤얼 브라운은 가스 진공 기관(진공 엔진, 용기 엔진) 개발에 성공했다. 내연 기관이었지만 폭발 후 생기는 진공으로 피스톤을 되돌려 왕복 운동을 하는, 토머스 뉴커먼 증기 기관과 같은 원리였다.^[1] 1825년 차량에 실렸고, 1826년 시운전에서 10.5분의 1 구배(약 5°26′)를 쉽게 올라갔다. 1827년 템스강에서 배에 싣고 공식 시운전, 11-13km를 기록했다.^[1] 브라운은 내연 기관 역사에 공헌했고, 그의 엔진은 실용화된 최초의 가스 기관으로 인정받지만, 증기 기관 전성 시대여서 보급되지 못했다.^[1]

1833년 영국의 W.L. 라이트는 가스 폭발 기관 특허를 취득했다. 제작 여부는 확인되지 않았지만, 설계가 완벽해 제작되었다면 브라운 이상의 성능을 냈을 것이라고 평가받는다.^[1] 윌리엄 버넷은 1838년 2행정 압축형 엔진과 독자적인 점화 플러그를 개발했다.^[1] 이탈리아의 발산치와 마테우치는 1855년 세계 최초의 프리 피스톤 엔진을 창안했다. 폭발로 위로 올라간 피스톤이 중력으로 낙하하는 것을 이용, 커넥팅 로드에서 래칫이 달린 일방향 회전 기어로 동력을 얻었다.^[1] 매우 시끄럽고 진동도 심했지만, 당시 내연 기관 점화가 불안정했던 시대에는 비교적 효율이 좋았다.^[1]

제2차 세계 대전 시대의 주목할 만한 왕복 기관은 28기통 프랫 & 휘트니 R-4360 와스프 메이저 방사형 엔진이었다. 1944년부터 제트 엔진과 터보프롭 엔진이 등장하기 전 마지막 세대의 대형 피스톤 엔진 비행기에 동력을 공급했으며, 높은 출력 대 중량비를 가졌다.

현재 생산 중인 왕복 기관 중 가장 큰 엔진은 바르질라-설처 RTA96-C로, 바르질라에서 2006년에 제작한 2행정 터보차저 디젤 엔진이다. 엠마 메르스크와 같은 대형 현대식 컨테이너선에 동력을 공급한다. 높이 5층, 길이 27m이며, 가장 큰 14기통 버전은 약 2336908.10kg 이상이고, 84.42MW 이상의 출력을 낸다. 각 실린더 배기량은 1820L이며, 가장 큰 버전의 총 배기량은 25480L이다.

2. 1. 한국에서의 역사

3. 종류 및 특징

전형적인 단일 실린더, 단순 팽창, 복동 고압 증기 엔진의 레이블이 지정된 개략도. 엔진에서 동력 인출은 벨트를 통해 이루어진다.

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대부분의 왕복 기관에서 피스톤의 선형 운동은 커넥팅 로드와 크랭크축, 스와시 플레이트 등의 메커니즘을 통해 회전 운동으로 변환된다. 플라이휠은 부드러운 회전을 돕거나 엔진이 동력 없이 움직이는 구간을 지나도록 에너지를 저장한다. 왕복 엔진의 실린더가 많을수록 일반적으로 진동이 적고 부드럽게 작동하며, 출력은 피스톤이 움직이는 공간의 크기에 비례한다.

피스톤 위의 고압 가스가 새는 것을 막고 엔진 효율 감소를 막기 위해, 피스톤과 실린더 벽 사이에 밀봉이 이루어진다. 이 밀봉은 주로 피스톤 링에 의해 제공된다. 피스톤 링은 단단한 금속 링으로, 피스톤 헤드의 원형 홈에 끼워져 실린더 벽에 가볍게 눌려 밀봉을 형성하며, 연소 압력이 높을수록 더 강하게 밀착된다.

왕복 기관은 실린더 수와 배열, 총 배기량으로 분류된다. 배기량은 cm³(cc) 또는 리터(L) 단위로 측정된다. 내연 기관의 경우 단일 실린더 및 2기통 설계는 오토바이 등 소형 차량에, 자동차는 4~8개, 기관차 및 선박은 12개 이상의 실린더를 갖는 경우가 많다. 실린더 용량은 모형 엔진의 10cm³ 이하부터 선박 엔진의 수천 리터까지 다양하다.^[7]

압축비는 피스톤이 하사점에 있을 때와 상사점에 있을 때 실린더 부피의 비율로, 엔진 성능에 영향을 미친다. 보어/스트로크비는 피스톤 지름(보어)과 실린더 내 이동 거리(스트로크)의 비율이며, 1에 가까우면 "정사각형" 엔진, 1보다 크면 "과대 사각형", 1보다 작으면 "과소 사각형"이다.

실린더는 직렬, V자형, 수평 대향, 래디얼 등 다양하게 배열된다. 대향 피스톤 엔진은 하나의 실린더 양쪽에서 두 피스톤이 작동하며, 네이피어 델틱처럼 삼각 배열로 확장되기도 한다. 로터리 엔진은 샤프트 주위로 실린더가 움직인다.

thumb – 베터 스털링 엔진 설계, 실린더 내의 두 번째 변위기 피스톤(녹색)을 표시하며, 작업 가스를 뜨겁고 차가운 끝 사이에서 전환하지만 자체적으로 동력을 생성하지 않는다.

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일부 증기 엔진은 실린더 크기가 다양하며, 가장 작은 보어 실린더가 가장 높은 압력의 증기를 작동시킨다. 이 증기는 압력이 점차 낮아지는 여러 실린더를 거치며 동력을 추출한다. 이러한 엔진을 복합 엔진이라 한다.

엔진의 동력 외에 평균 유효 압력(MEP)을 사용하여 동일 크기 왕복 엔진의 성능을 비교할 수 있다. MEP는 동력 행정 사이클 동안 생성된 순 작업과 동일한 양의 작업을 생성하는 가상 압력이다.

:$\backslash text\{MEP\}\; =\; \backslash frac\{W\_\{net\}\}\{V\_d\}$ (여기서 $W\_\{net\}$은 순 작업, $V\_d$는 총 배기량)^[2]

MEP 값이 클수록 사이클당 더 많은 순 작업을 생성하고 효율적으로 작동한다.

1860년 프랑스의 르누아르는 가스 엔진을 상용화했다. 이는 당시 대규모 공장에서만 사용 가능했던 증기 기관에 비해 작고 가벼워 중소규모 공장에서도 사용 가능했다. 가스등용 석탄 건류 가스 배관을 이용해 연료 공급 문제를 해결한 점이 돋보였으며, 1860년은 내연 기관 실용화의 해로 여겨진다.

르누아르 엔진은 2행정 내연 기관이었으나, 압축 행정의 위험성 때문에 무압축 설계였다. 효율이 낮아 실용 내연 기관의 선구자였지만, 본격적인 시조로 보기는 어렵다. 일본의 내연 기관 연구자 토미즈카 키요시는 "조금 안타깝다"고 평했다. 르누아르는 자동차와 모터보트도 만들었지만, 효율 문제와 연료 공급 제약으로 정지 동력 외에는 성공하지 못했다. 르누아르 엔진 이후 내연 기관 연구가 가속화되었다.

20세기 항공기의 발달은 왕복 기관과 함께였으며, 1950년대 후반까지 비행기 엔진은 왕복 기관을 의미했다.^[14] 항공기 성능은 엔진에 의해 결정되었기에, 각국은 고성능 엔진 개발에 힘썼다. 엔진 성능 향상 연구는 제1차 세계 대전부터 제2차 세계 대전 사이에 대부분 이루어졌다. 종전 후 고출력 항공 엔진은 터보프롭 엔진을 포함한 제트 엔진으로 전환되었고, 현대에 "왕복 기관"은 소형 프로펠러기의 대명사가 되었다.

선박에서는 20세기 초까지 증기 왕복 기관이 주류였으나, 증기 터빈과 내연 왕복 기관의 실용화로 대체되었다. 현재 민간 용도로는 디젤 내연 왕복 기관이 주류이다. 군함은 가스터빈 엔진과 증기 터빈(원자력 동력) 채용률이 높지만, 내연 왕복 기관(가스터빈 병용 포함)도 일정 수 채용된다.

철도 차량은 20세기 전반 증기 기관차가 주류였으나, 전철화 구간은 전기 기관차나 전동차로, 비전철화 구간 및 직통용은 디젤 기관차나 디젤 동차로 대체되었다. 가스터빈 엔진은 터보 전기 방식에서 실용화되었지만 오일 쇼크 이전에 최성기를 맞았고, 일본 국철처럼 가스터빈을 직접 동력원으로 하는 차량은 실용화되지 않았다. 전기식, 액체식, 기계식 모두 디젤 엔진이 대세이다. 보존 철도 (산업 유산)로 증기 기관차가 운행되기도 한다.

자동차는 전기 자동차나 증기 자동차가 초기에 시도되었지만, 내연 왕복 기관이 주류였다. 로터리 엔진 채용이 검토되었으나 주류가 되지 못했고, 가스터빈 엔진 자동차도 실용화되지 않았다. 전기 자동차는 특수 용도에 한정되었지만, 최근 일반용으로 시판되는 경우가 늘고 있다. 그러나 왕복 기관을 대체할지는 미지수이다.

발전기나 펌프 등 정지 동력으로는 20세기 초 증기 왕복 기관이 유일했으나, 이후 다른 동력 기관이 보급되면서 사라졌다. 발전 등 대규모 용도로는 증기 터빈이, 그 외에는 내연 왕복 기관이 주류이다. 20세기 말부터 마이크로 가스터빈을 포함한 가스터빈 엔진이 성장하며 내연 왕복 기관을 대체하고 있다.

초기 왕복 증기 기관은 직선 운동만 가능했다. 항공모함용 증기 캐터펄트가 현대의 유사 사례이지만, 선형 모터 방식도 개발 중이다.

디젤 해머식 말뚝 박는 기계는 21세기 초에도 생산되는 2행정 단기통 프리 피스톤 디젤 엔진 제품이다.

3. 1. 작동 방식에 따른 분류

왕복 엔진은 실린더 내 가열 방식에 따라 외연 기관과 내연 기관으로 나뉜다. 외연 기관은 연료를 엔진 외부에서 연소시켜 발생한 열로 작동 유체를 가열하고, 내연 기관은 연료와 공기를 엔진 내부에서 연소시켜 발생한 고온, 고압 가스로 피스톤을 움직인다.^[7]

대부분의 왕복 엔진에서 피스톤의 선형 운동은 커넥팅 로드, 크랭크축, 스와시 플레이트 등으로 회전 운동으로 변환된다. 플라이휠은 부드러운 회전을 돕거나 엔진이 동력 없이 움직이는 구간을 지나도록 에너지를 저장한다. 왕복 엔진의 실린더가 많을수록 진동이 적고 부드럽게 작동하며, 출력은 피스톤이 움직이는 공간의 크기에 비례한다.^[7]

압축비는 피스톤이 맨 아래에 있을 때와 맨 위에 있을 때 실린더 부피의 비율로, 엔진 성능에 영향을 미친다. 보어/스트로크비는 피스톤 지름(보어)과 실린더 내 이동 거리(스트로크)의 비율이며, 1에 가까우면 "정사각형" 엔진이다.^[7]

실린더는 직렬 엔진, V형 엔진, 수평 대향 엔진, 래디얼 엔진 등 다양하게 배열된다. 대향 피스톤 엔진은 하나의 실린더 양쪽에서 두 피스톤이 작동하며, 로터리 엔진처럼 실린더가 샤프트 주위로 움직이기도 한다.^[7]

1862년 프랑스의 보 드 로샤는 4행정 기관을 제창했고, 1867년 독일의 니콜라우스 오토와 오이겐 랑겐은 자유 피스톤 기관을 제작했다. 1876년 오토는 4행정식 가스 엔진을 완성해 왕복식 가솔린 엔진의 기반을 다졌다.^[13]

3. 1. 1. 외연 기관

외연 기관은 연료를 엔진 외부에서 연소시켜 발생한 열로 작동 유체를 가열하여 동력을 얻는 방식이다. 외연 왕복 기관에는 증기 기관과 스털링 엔진이 있다.

증기 기관은 고온, 고압의 증기를 이용하여 피스톤을 움직인다. 초기에는 토머스 뉴커먼이 만든 대기압의 부압을 이용하는 방식이 사용되었으나, 제임스 와트가 복수기를 조합하여 효율을 높였다. 이후 작업 기술의 발달로 고압 증기를 견딜 수 있는 보일러와 실린더가 개발되면서, 고압 증기를 사용하는 증기 기관이 증기 자동차와 증기 기관차 등에 널리 사용되었다.

스코틀랜드의 목사 로버트 스털링은 증기 기관의 폭발 사고를 보고 더 안전한 열기관을 고안하고자 스털링 엔진을 개발했다. 스털링 엔진은 밀폐된 공간 안의 가스를 가열, 냉각하여 피스톤을 움직이는 방식이다. 고출력에는 적합하지 않지만, 이론적으로 매우 높은 열효율을 가진다. 일반 동력 기관으로는 널리 보급되지 않았지만, 히트 펌프 시스템 분야에서 응용되고 있다.

3. 1. 2. 내연 기관

(1) 흡입
(2) 압축
(3) 연소・팽창
(4) 배기]]

내연 기관은 연료와 공기를 엔진 내부에서 연소시켜 발생한 고온, 고압의 가스로 피스톤을 움직이는 방식이다. 작동 방식은 대략 다음과 같으며, 이를 반복한다. 즉, 피스톤이 왕복 운동함으로써 엔진은 연속적으로 회전 동력을 출력한다.

외부에서 가솔린, 프로판 가스, 경유, 알코올 등 연료와 적절한 양의 공기를 엔진 내부로 공급한다. 액체 연료는 기화하기 쉽도록 미립화(미세화)하여 사용한다. 먼저 실린더 내로 흡입한 공기를 피스톤으로 압축한다. 그 압축 공기 중에서 연료에 어떤 방법으로 점화하여 실린더 내에서 급속하게 (때로는 폭발적으로) 연소시킨다. 충분한 강도를 가진 실린더 내에서 고온 고압의 연소 가스가 팽창하여 피스톤을 밀어내는 힘이 된다. 이 힘을 받은 피스톤의 직선적인 운동을 커넥팅 로드와 크랭크축으로 회전 운동으로 바꾼다. 연소 가스는 충분히 팽창한 후 외부로 배기된다.

내연 기관은 점화 방식 및 행정 수에 따라 다음과 같이 분류된다.

• 점화 방식에 따른 분류
• * 화염 점화 기관
• * 압축 착화 기관
• * 열면 착화 기관
• ** 소옥 기관
• ** 글로 엔진
• 행정 수에 따른 분류
• * 2행정 기관
• * 4행정 기관
• * 6행정 기관

3. 2. 실린더 배치 및 수에 따른 분류

(협각 V, 도립 V)! 수평대향! 성형! W형! X형! U형! H형기타단기통2기통직렬V형수평대향탠덤 22기통 사판 기관3기통직렬V형W형4기통직렬V형, 협각 V형수평대향스퀘어 4H형5기통직렬V형, 협각 V형성형6기통직렬, 대향 피스톤V형, 협각 V형수평대향U형7기통성형8기통직렬V형수평대향WR형X형U형H형9기통직렬성형대향 피스톤
델틱10기통직렬V형수평대향12기통직렬V형, 도립 V형수평대향W형, WR형U형14기통직렬이중 성형16기통V형수평대향WR형X형U형H형18기통V형이중 성형W형대향 피스톤
델틱20기통V형24기통V형X형U형H형28기통사중 성형