크랭크실
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1. 개요
크랭크실은 왕복 엔진의 구성 요소로, 2행정 엔진에서는 연료/공기 혼합물을 가압하는 챔버로 사용되며, 4행정 엔진에서는 윤활유를 담는 역할을 한다. 2행정 엔진의 크랭크실은 피스톤의 움직임에 따라 1차 압축을 수행하여 혼합기를 실린더로 보내며, 윤활을 위해 오일을 연료와 혼합하여 사용한다. 반면, 4행정 엔진의 크랭크실은 윤활유를 담아 엔진 내부 부품을 윤활하는 역할을 하며, 블로바이 가스 환기 시스템을 통해 압력을 조절한다. 초기 엔진에서는 크랭크축이 노출된 개방형 크랭크 방식을 사용하기도 했다.
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압축비는 내연기관의 성능을 나타내는 지표로, 실린더 내 피스톤의 위치에 따른 부피 비율을 의미하며, 엔진의 열효율과 출력을 결정하고, 튜닝을 통해 변경하거나 가변 압축비 엔진 기술을 통해 효율성을 높이기도 한다.
크랭크실 | |
---|---|
크랭크케이스 | |
![]() | |
기본 정보 | |
역할 | 내연 기관에서 크랭크축을 지지하고 윤활유를 저장하는 하우징 |
주요 기능 | 크랭크축 지지 및 위치 결정 엔진의 다른 부품 지지 윤활유 저장 엔진 오일의 회수 및 냉각 엔진 내부의 오염 물질 방지 |
재료 | 주철 알루미늄 합금 |
구조 | |
기본 구조 | 엔진의 하부를 구성하는 주요 구조 요소 실린더 블록의 하부에 볼트로 체결 크랭크축의 회전을 위한 베어링 설치 |
습식 섬프 크랭크케이스 | 윤활유를 케이스 바닥에 직접 저장 저장된 윤활유를 펌프를 통해 엔진 각 부분으로 순환 |
건식 섬프 크랭크케이스 | 윤활유를 외부 저장소에 저장 펌프를 사용하여 오일을 크랭크케이스에서 빼내어 저장소로 이동 |
분할형 크랭크케이스 | 크랭크축 조립을 용이하게 하기 위해 두 개 이상의 부분으로 분할 주로 대형 엔진에 사용 |
기타 | |
관련 용어 | 실린더 블록 크랭크축 베어링 오일 섬프 윤활유 |
추가 정보 | |
참고 자료 | 랭킨 케네디, 현대 엔진, 3권 |
2. 2행정 기관
2행정 가솔린 기관에서 크랭크실은 밀폐되어 연료와 공기 혼합물을 위한 가압 챔버로 사용된다. 피스톤이 상승하면 크랭크실에 부분 진공이 발생하여 연료와 공기를 흡입한다. 피스톤이 하강하면 연료와 공기 혼합물이 크랭크실에서 실린더 내부로 가압된다. 2행정 가솔린 기관은 연료와 공기 혼합물을 처리하기 때문에 엔진 오일을 크랭크실에 포함하지 않고, 오일을 연료와 혼합하여 실린더 벽, 크랭크축과 연결봉 베어링의 윤활을 제공한다.[9]
2. 1. 크랭크케이스 압축
많은 2행정 엔진은 크랭크케이스 압축 방식을 사용하는데, 이 방식에서는 피스톤이 상승할 때 부분 진공이 연료/공기 혼합기를 엔진으로 빨아들인다. 그런 다음 피스톤이 하강하면, 흡입 포트가 열리고 압축된 연료/공기 혼합기가 크랭크케이스에서 연소실로 밀려 들어간다.[2]
크랭크케이스 압축 방식은 오토바이, 발전기 및 정원 장비용 소형 가솔린 엔진에 자주 사용된다. 이 설계는 일부 소형 디젤 엔진에도 사용되었지만, 덜 일반적이다.
피스톤의 양쪽이 작동면으로 사용된다. 위쪽은 동력 피스톤이고, 아래쪽은 펌프 역할을 한다. 따라서 흡입 밸브가 필요하지 않다. 다른 유형의 엔진과 달리, 크랭크케이스에는 연료/공기 혼합기를 처리하기 때문에 오일이 공급되지 않는다. 대신, 2행정 엔진 오일을 엔진에서 사용하는 연료와 섞어 연소실에서 연소시킨다.
2행정 가솔린 엔진의 행정에서는, 피스톤의 상승에 따라 혼합기가 크랭크 케이스에 빨려 들어가고, 피스톤이 하강할 때 혼합기는 압축되어 실린더로 보내진다.[9] 따라서 크랭크 케이스는 기밀성이 유지되고, 흡입구에는 역류를 방지하는 리드 밸브가 설치되어 있다. 크랭크 케이스에 의한 압축은 '''1차 압축'''이라고 불리며, 흡기를 수행하는 데 필요한 압력을 생성한다.[9][10] 혼합기의 흡입과 1차 압축을 수행하기 때문에, 오일을 크랭크 케이스에 채울 수 없어 혼합기에 섞어 공급된다. 크랭크 케이스를 윤활한 오일은 혼합기와 함께 연소실로 보내져 연소된다.
2. 2. 윤활 크랭크케이스
대형 2행정 기관은 크랭크케이스 압축을 사용하지 않고, 대신 별도의 스캐빈지 블로어 또는 슈퍼차저를 사용하여 연료/공기 혼합기를 압축실로 끌어들인다. 따라서 크랭크케이스는 4행정 기관과 유사하게 윤활 목적으로만 사용된다.3. 4행정 기관
대부분의 4행정 엔진은 습식 섬프 시스템이나 건식 섬프 시스템을 통해 엔진 윤활유를 포함하는 크랭크케이스를 사용한다. 2행정(크랭크케이스 압축) 엔진과 달리, 4행정 엔진의 크랭크케이스는 연료/공기 혼합물에 사용되지 않는다.
크랭크케이스의 주요 기능은 크랭크축의 베어링 구조를 지지하고, 이물질 등으로 인해 엔진 작동이 방해되는 것을 방지하는 것이다. 엔진의 용도와 설계에 따라서는 소음을 억제하는 기능과 같은 부가적인 기능이 부여되는 경우도 있다. 오토바이용 엔진 등에서는 크랭크케이스가 실린더에서 분리할 수 있는 부품으로 구성되는 경우가 많지만, 오늘날 자동차용 엔진에서는 일반적으로 실린더 블록의 일부에 크랭크케이스의 구성 부위가 일체화되어 있다.
3. 1. 오일 순환
4행정 엔진은 엔진 윤활유를 포함하는 크랭크케이스를 사용하며, 습식 섬프 시스템 또는 건식 섬프 시스템을 사용한다. 4행정 엔진의 크랭크케이스는 연료/공기 혼합물에 사용되지 않는다.엔진 오일은 4행정 엔진 주변을 순환하며 이 과정의 상당 부분은 크랭크케이스 내에서 일어난다. 오일은 습식 섬프 엔진의 경우 크랭크케이스 바닥에, 건식 섬프 시스템의 경우 별도의 저장소에 저장된다.[3] 여기서 오일은 오일 펌프에 의해 가압되어(보통 오일 필터를 통과) 크랭크축과 커넥팅 로드 베어링으로 분사되며 실린더 벽에 뿌려진 후, 크랭크케이스 바닥으로 떨어진다.[4]
습식 섬프 시스템에서도 크랭크축은 섬프 오일과 최소한으로 접촉한다. 그렇지 않으면 크랭크축의 고속 회전으로 인해 오일이 거품이 일어나 오일 펌프가 오일을 이동시키기 어려워져 엔진에 윤활유가 부족해질 수 있다.[5] 섬프의 오일은 중력 가속도 또는 요철이 심한 도로로 인해 크랭크축에 튀어 오를 수 있는데, 이를 풍력 손실이라고 한다.[6]
4행정 기관의 크랭크 케이스에는 1차 압축 기능은 필요 없으며, 크랭크샤프트 베어링을 윤활하는 엔진 오일이 비산하는 것을 방지하는 기능이 있다. 또한, 실린더와 피스톤 틈새로 크랭크 케이스에 불어 들어오는 블로바이 가스에 의해 압력이 걸리기 때문에, 압력을 조절하는 크랭크 케이스 브리더라는 구조가 있다.
웻 섬프 방식에서는 크랭크 케이스 하부에 설치된 오일 팬에 오일이 저장된다. 오일 팬의 오일은 크랭크와 콘로드에 설치된 오일 스크레이퍼에 의해 실린더에 비산하는 '''비산 윤활'''이나, 오일 펌프로 흡입하여 엔진 각 부분으로 보내는 '''압송 윤활''', 또는 이러한 방식의 조합에 의해 엔진 윤활에 사용된다. 드라이 섬프 방식에서는 엔진 외부의 독립된 탱크에 오일이 저장되고, 크랭크 케이스는 엔진 각 부분을 윤활한 오일을 모아 스캐빈징 펌프로 보내는 기능을 가진다.
3. 2. 블로바이 가스 환기
피스톤 링은 연소실과 크랭크케이스를 밀봉하도록 설계되었지만, 일부 연소가스가 피스톤 링을 통과하여 크랭크케이스로 유입되는 것은 일반적인 현상이다. 이 현상을 블로바이라고 한다.[7] 이러한 가스가 크랭크케이스 내에 축적되면 크랭크케이스의 원치 않는 압력 상승, 오일 오염 및 응축수로 인한 부식이 발생한다.[8] 이를 방지하기 위해 현대식 엔진은 크랭크케이스 환기 시스템을 사용하여 크랭크케이스에서 연소가스를 배출한다. 대부분의 경우, 가스는 흡기 매니폴드로 통과된다.4행정 기관의 크랭크 케이스에는 1차 압축 기능은 필요 없으며, 크랭크샤프트 베어링을 윤활하는 엔진 오일이 비산하는 것을 방지하는 기능이 있다. 또한, 실린더와 피스톤 틈새로 크랭크 케이스에 불어 들어오는 블로바이 가스에 의해 압력이 걸리기 때문에, 압력을 조절하는 크랭크케이스 브리더라는 구조가 마련되어 있다.
4. 개방형 크랭크 기관
초기 엔진은 크랭크케이스가 없는 "개방형 크랭크" 방식이었다. 즉, 크랭크축과 관련 부품이 환경에 노출되어 있었다. 이 때문에 움직이는 부품에서 튀는 기름이 막히지 않아 매우 지저분했고, 먼지가 엔진의 움직이는 부품에 들어가 과도한 마모와 엔진 고장을 일으킬 수 있었다. 따라서 엔진을 정상 작동 상태로 유지하려면 자주 청소해야 했다.[1]
선박에 사용되는 대형 저속 엔진과 같은 일부 2행정 디젤 엔진은 실린더와 분리된 공간으로 크랭크케이스를 가지거나 개방형 크랭크를 가지고 있다. 크로스헤드 피스톤과 크랭크축 사이의 공간은 정비 접근을 위해 대부분 개방되어 있을 수 있다.[1]
순환식 윤활 방식이 보급되기 이전의 석유기관이나 글로우 엔진 등에는 크랭크축이 외부로 노출된 '오픈 크랭크' 구조를 채택한 것도 있었다. 특히 석유기관은 회전 속도가 느리고, 작동 시간도 그다지 장기간에 걸치지 않는 용도로 사용되는 경우가 많았기 때문에 이러한 구조가 채택되었다. 오픈 크랭크 엔진의 경우, 시동 전과 작동 중에 수시로 기름을 주유할 필요가 있었다. 이러한 구조는 정비성이 좋은 반면, 크랭크에 주유한 기름이 주위에 튀기 쉽고, 이물질에 의해 베어링의 마모가 빨라 빈번한 분해 정비가 필요했다.[1]
참조
[1]
서적
The De Dion-Bouton Engine and Cars
Caxton
1905
[2]
웹사이트
How Two-stroke Engines Work
https://science.hows[...]
2000-04-01
[3]
웹사이트
Why do some engines use a dry sump oil system?
https://auto.howstuf[...]
2000-04-01
[4]
웹사이트
How Car Engines Work
https://auto.howstuf[...]
2000-04-05
[5]
웹사이트
Dear Tom and Ray - October 1996
http://www.cartalk.c[...]
[6]
웹사이트
Oil Pans For Power
http://www.circletra[...]
2006-11-16
[7]
웹사이트
Dear Tom and Ray - September 1999
http://www.cartalk.c[...]
[8]
웹사이트
Dear Tom and Ray - January 2001
http://www.cartalk.c[...]
[9]
웹사이트
The Compression Stroke in Two-stroke Engines
http://science.howst[...]
[10]
간행물
鉄馬メカニズム講座 The History of Harley-Davidson
2014-09
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