2행정 기관
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1. 개요
2행정 기관은 1881년 개발된 내연 기관의 한 종류로, 피스톤의 2번의 움직임(2행정)으로 작동하며, 4행정 기관에 비해 구조가 간단하고 가벼우며 높은 출력을 낼 수 있다는 장점이 있다. 가솔린 2행정 기관은 소형 기기에, 디젤 2행정 기관은 대형 선박 등에 주로 사용되었으나, 배기가스 문제로 인해 규제가 강화되면서 사용이 감소하는 추세이다. 현재는 일부 분야에서 장점을 활용하기 위한 기술 개발이 이루어지고 있다.
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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.
| 2행정 기관 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 내연 기관 |
| 연소 방식 | 정적 연소 |
| 행정 수 | 2행정 |
| 사용 | 모터사이클 오토바이 잔디 깎이 제트 스키 모형 항공기 체인톱 선외기 |
| 작동 원리 | |
| 흡입 | 크랭크 케이스 흡입 |
| 압축 | 피스톤 하강 시 크랭크 케이스 압축 |
| 연소 | 스파크 플러그 점화 |
| 배기 | 소기 포트 및 배기 포트 개방 |
| 장단점 | |
| 장점 | 구조 간단 높은 출력 대 중량비 낮은 제조 비용 |
| 단점 | 높은 배기가스 배출량 낮은 연료 효율 엔진 수명 짧음 윤활 문제 |
| 기타 | |
| 윤활 방식 | 혼합유 사용 오일 분사 방식 |
| 점화 방식 | 스파크 플러그 |
| 배기 방식 | 소기 포트 및 배기 포트 |
| 관련 기술 | 소기 포트 크랭크 케이스 혼합유 |
| 참고 자료 | |
| 관련 서적 | 内燃機関 (ないねんきかん) 2ストロークエンジンの基礎 (2스트로크 엔진의 기초) |
2. 역사
2행정 기관은 피스톤이 상승하면서 흡입과 압축이 이루어지고, 하강하면서 폭발과 배기가 이루어지는 총 2행정으로 사이클이 완료된다. 2행정 엔진의 한 사이클이 완료되면 크랭크 축과 캠축은 각각 1회전으로 동작한다.
엔진 오일을 같이 연소하는 특성 때문에 환경 규제에 불리하며, 4행정 기관에 비해 사이클 한 번에 폭발하는 횟수가 많아 실린더와 피스톤의 수명이 짧다. 때문에 자동차에는 거의 사용되지 않고 있으며, 유럽 등지에서는 2행정 기관의 제작을 줄여나가고 있다.
2행정 기관은 무게가 가볍고 소형으로 제작할 수 있어 스쿠터 등 소형 원동기와 예취기, 고출력의 선박용 디젤 엔진에서 이용되고 있다. 오토바이의 경우, 과거에는 2행정 기관이 널리 사용되었으나, 현재는 모터크로스 계통을 제외하고는 대부분 4행정 기관으로 제작되고 있다.
한편, 2행정 디젤 엔진은 산업용 디젤 엔진으로 널리 이용되고 있다. 이는 4행정에 비해 출력과 무게, 보수성이 우수하고, 촉매와 필터를 크게 만들어 매연과 미세먼지같은 문제를 해결할 수 있기 때문이다. 단, 4행정과는 달리 연비와 소음, 진동, 배기가스 규제에서는 불리하다. 2행정 디젤 기관은 화물선이나 EMD계 디젤 철도차량에서 사용되고 있다.
전기 스파크 점화 방식의 2행정 가솔린 엔진은 체인톱 및 오토바이와 같은 경량 또는 휴대용 분야에서 특히 유용하다. 그러나 무게와 크기가 문제가 되지 않는 경우, 이 사이클의 높은 열효율 가능성은 해양 추진, 기관차, 디젤 발전기와 같은 크고 무게에 민감하지 않은 분야에서 작동하는 디젤 연료 압축 점화 엔진에 이상적이다. 2행정 기관에서 배기 가스는 4행정 기관보다 냉각 장치로 열을 덜 전달하므로 피스톤과 터보차저(있는 경우)를 구동하는 데 더 많은 에너지를 사용할 수 있다.
2. 1. 초기 개발
1858년에 개발된 가스 연료 기관인 루노아르 엔진은 최초의 실용적인 내연 2행정 기관이었다. 루노아르 엔진은 석탄 기반의 가스등용 가스를 연료로 사용했으며, 전기 점화 장치에 의한 화염 점화 방식을 사용했다. 이 발명은 1860년에 프랑스에서 특허를 취득했다.[16] 소규모 공장에서 정치 동력 등으로 사용되었으나, 열효율이 낮았다.
최초의 상업용 2행정 기관은 1881년 스코틀랜드의 더갈드 클러크가 개발했다.[2] 그러나 그의 엔진은 별도의 충전 실린더를 가진 구조였다. 크랭크케이스 스캐빈지 방식의 2행정 기관은 1889년 영국의 조셉 데이가 고안했다.[3][4] 1879년 독일의 카를 벤츠도 2행정 가스 엔진을 개발하여 1880년 특허를 받았다. 1908년 영국의 알프레드 앵거스 스콧은 트윈 실린더 수랭식 오토바이를 생산하며 2행정 기관의 실용성을 높였다.[5]
클라크 엔진은 엔진 본체 외부에 독립적인 실린더식 압축 장치·공기 정화 장치를 장착하여 4행정 엔진의 압축 행정을 대신했다. 이는 세계 최초[17]의 과급기 장착 엔진이라고 할 수 있다.
2. 2. 가솔린 엔진의 발전
듀갈드 클라크(:en:Dugald Clark 1854-1932)는 1878년 스코틀랜드 에서 최초로 2스트로크 가솔린 엔진을 제작하였고, 1881년에 영국 특허를 취득했다.[16]
당시에는 압축 행정을 포함하는 4스트로크 오토 사이클 엔진이 이미 실용화되어, 연료 가스 압축을 통해 열효율을 높일 수 있다는 사실이 알려져 있었다.
클라크의 엔진은 엔진 본체 외부에 별도의 실린더식 압축 장치와 공기 정화 장치를 장착하여 4스트로크 엔진의 압축 행정을 대체했다. 이를 통해 4스트로크 엔진에 버금가는 성능을 낼 수 있었지만, 4스트로크 엔진처럼 전용 밸브를 설치해야 해서 구조가 다소 복잡했고, 공기 정화 장치의 마찰 저항에 의한 손실도 발생했다.
클라크가 엔진 본체 외부에 설치한 압축·공기 정화 장치는 사실상 세계 최초[17]의 과급기 장착 엔진이라고 할 수 있다. 이는 이후 더 간결한 구조의 회전식 슈퍼차저로 대체되어 2스트로크, 4스트로크 엔진 모두에 활용되었다. 특히 2스트로크 디젤 엔진은 연료 공급과 점화(디젤 엔진의 경우 착화) 방식을 제외하면 원리적으로 클라크의 방식을 따르고 있다고 볼 수 있다. 다만, 클라크는 "실린더식 공기 정화 장치는 가압 펌프가 아니라 단순히 실린더 내 공기 정화를 돕고 연소 가스를 배기 파이프로 원활하게 배출하기 위한 장치일 뿐"이라고 언급한 것으로 알려져 있다.[18][19]
2. 3. 디젤 엔진의 발전
1930년대 후반 미국에서는 유니플로 스캐빈징 방식의 중·고속 2행정 디젤 기관이 개발되어, 경량 고출력 특성으로 인해 4행정 기관과 경쟁하며 보급되었다. 2행정 디젤 기관의 메커니즘은 연료 공급과 점화(디젤 엔진의 경우 착화) 수단을 제외하면 원리적으로 듀갈드 클라크의 방식을 답습하고 있다고 할 수 있다.[16][17][18][19]2. 4. 대한민국에서의 2행정 기관
대한민국에서 2행정 기관은 과거 경차와 소형 오토바이에 사용되었으나, 1980년대 이후 배출가스 규제가 강화되면서 점차 4행정 기관으로 대체되었다. 과거 스즈키는 1987년까지 짐니에 2행정 기관을 탑재하기도 했다.[6] 현재는 스노모빌, 일부 오토바이, 소형 선박, 건설 기계 등 특수한 분야에서만 2행정 기관이 사용되고 있다.3. 작동 방식
2행정 기관은 1왕복(행정 2회)으로 1주기를 완료하는 기관으로, 피스톤 1왕복(크랭크축 1회전)마다 연료가 연소한다. 작동 방식은 다음과 같다.
# 상승 행정: 피스톤이 상승하면서 '''배기'''와 흡기의 압축을 동시에 수행한다.
# 하강 행정: 연료 연소(폭발)로 피스톤이 하강하고, 후반부에 '''배기'''를 수행한다.
이 과정으로 크랭크축은 1회전한다.
스캐빈지는 2행정 기관 특유의 동작으로, 압력이 가해진 신기(혼합기 또는 공기)를 실린더 내로 도입하고, 그 기세와 피스톤 압축력으로 연소 가스를 배출한다. 스캐빈지 포트는 피스톤 하강 시 열리고 상승 시 닫힌다. 스캐빈지 압력은 피스톤 하강에 따른 크랭크 케이스 용적 변화나 외부 압축기, 과급기로 가해진다.
4행정 기관의 4행정을 2개씩 동시에 수행하여 피스톤 상사점마다 연소(점화/착화)가 일어난다.
현재 널리 알려진 단순한 2행정 가솔린 엔진은 1889년 영국 조지프 데이(Joseph Day)가 발명했다. 그 작동 메커니즘은 다음과 같은 특이 요소들의 조합으로 이루어진다.
; 밸브리스 실린더 포트 방식
: 실린더 측면 흡배기 전용 포트의 개폐를 상하 왕복하는 피스톤 측면으로 제어한다. 복잡한 밸브 개폐 기구가 생략된다.
; 크랭크케이스 압축 및 연료 가스 소기
: 크랭크 샤프트 주위 크랭크케이스부를 밀폐, 피스톤 상승으로 생기는 부압으로 연료 가스를 유입, 피스톤 하강으로 예비 압축한다. 독립 압축 장치나 4행정 엔진의 압축 행정이 불필요해지나, 크랭크케이스 밀폐성 확보 한계와 흡입 부압이 4행정 엔진만큼 높지 않다는 단점이 있다.
: 연소실 내 점화로 피스톤이 밀려 내려가면, 예비 압축된 새 연료 가스가 소기 포트로 연소실에 유입, 배기 가스를 배기 포트로 밀어낸다. 4행정 엔진의 배기 행정이 불필요해지나, 압축 효율 저하나 미연소 새 가스 일부가 배기 가스와 함께 배출되는 손실이 발생한다.
실린더 포트 구조와 크랭크케이스 압축 기구 성립을 위해 혼합 연료 윤활이 도입되었다.
; 혼합 연료 윤활
: 엔진 내부 가동부 윤활을 위해 연료에 윤활유(2행정 엔진은 2사이클 오일)를 혼합, 연료 사용만으로 엔진 내부 가동·마찰 부분이 윤활되게 한다. 오일 펌프 등 복잡한 메커니즘이 생략되나, 윤활유 소비가 크고 불완전 연소, 열효율 저하, 배기 포트 주위 매연 발생의 원인이 된다.[20]
다양한 2행정 기관의 기계적 세부 사항은 유형에 따라 다르며, 실린더에 혼합기 도입, 실린더 청소(연소된 배기가스를 신선한 혼합물로 교환), 배기 방법에 따라 달라진다.
3. 1. 가솔린 2행정 기관
가솔린을 연료로 사용하는 2행정 기관은 주로 소출력 소형 기기에 사용된다.2행정 가솔린 기관은 가솔린과 공기의 혼합기를 흡기하고, 이를 스캐빈징 (:en:Scavenging (automotive))에도 사용해야 하므로 크랭크 케이스 내에서 1차 압축을 할 필요가 있다. 즉, 연소실 측이 압축 행정일 때, 동시에 피스톤 상승에 의한 부압을 이용하여 흡기를 한다. 이 흡기는 연소실 측이 팽창 행정에서 피스톤이 하강할 때 동시에 압축되어(1차 압축), 하사점 부근에서 열린 스캐빈징 포트를 통해 분출되어 팽창 행정을 마친 잔류 연소 가스를 배기 포트에서 밀어내고(스캐빈징) 동시에 신기로 실린더 내를 채운다.
흡입·압축 행정 동안, 피스톤이 아래에서 위로 올라가면서 사이클이 시작된다. 크랭크실과 실린더 사이의 소기포트를 막는데, 이 과정에서 실린더 안에 먼저 들어가 있던 혼합기체를 압축하고, 동시에 다음 사이클을 위해 혼합기체가 크랭크실로 유입된다.
피스톤이 제일 윗부분에 이른 후, 점화 플러그의 전기 스파크로 혼합기체가 폭발한다. 그 압력으로 피스톤이 위에서 아래로 내려가면서 폭발·배기 행정이 진행된다. 이때 먼저 배기포트가 열리면서 배기 가스가 빠져나가고, 이후 소기포트가 열리면서 크랭크실에 대기되어 있던 혼합기체가 소기포트를 통해 실린더에 유입되면서 한 사이클이 완료된다.
실린더 아래 부분의 크랭크실은 4행정 엔진에선 엔진 오일만 들어가지만, 2행정 기관은 엔진 오일과 함께 연소를 준비할 혼합기체도 함께 들어가게 된다. 그래서 실린더에 혼합기체가 유입될 때, 엔진 오일도 함께 유입되어 연소된다.
2행정 기관에서는 배기 포트와 소음기 사이에 커다란 챔버가 있는데, 배기 중에 연소되지 않은 혼합기체가 같이 배기되지 않도록 실린더로 유도하는 역할을 한다.[9]
피스톤 포트는 가장 단순한 설계이며 소형 2행정 기관에서 가장 흔하게 사용된다. 모든 기능은 실린더 내에서 위아래로 움직이는 피스톤이 포트를 덮고 노출시킴으로써 제어된다.
1970년대에 야마하는 배기 포트를 넓히면 포트를 높이는 것과 같은 양만큼 출력이 증가하지만, 포트를 높일 때처럼 출력 밴드가 좁아지지 않는다는 것을 발견했다. 그러나 단일 배기 포트의 너비에는 기계적인 제한이 있으며, 합리적인 피스톤 링 수명을 위해 보어 직경의 약 62% 정도이다. 이 범위를 넘어서면 피스톤 링이 배기 포트 안으로 부풀어 오르면서 빠르게 마모된다. 경주용 엔진에서는 보어 너비의 최대 70%까지 가능하며, 링은 몇 번의 경주마다 교체된다.[9]
2행정 기관의 높은 연료 소비량의 이유 중 하나는 유입되는 가압된 연료-공기 혼합물의 일부가 피스톤 상단을 가로질러 냉각 작용을 하고 배기 파이프로 곧바로 배출되기 때문이다. 강력한 역 펄스를 가진 팽창 챔버는 이 유출 흐름을 막는다.[9]
FI(연료 분사 장치)에 대해서는 1960년대부터 오토바이 경주 세계에서 시행착오가 있었지만, 2행정 엔진의 피스톤 속도 범위에 대응하는 것이 어려워 속도 범위가 좁은 선박용을 제외하고는 오랫동안 실용화되지 못했다. 1999년에 오토바이 제조사 아프릴리아가 오비탈사 및 지멘스사와 함께 "Ditech 시스템"을 개발했다. 처음으로 2행정에서 FI와 직접 분사를 실용화하여 50cc 스쿠터에 탑재하여 연비를 기존의 40%, 배출 가스에 포함된 유해 물질을 80% 각각 삭감하는 데 성공했다.[21]
스캐빈징 시에는 실린더 내 잔류 가스(배기)와 신기의 혼합을 피할 수 없어, 잔류 가스를 모두 배기하려고 하면 혼합된 신기(미연소 가스와 오일)도 일부 배출되어 버린다. 이 때문에 배기 가스에는 다량의 탄화수소가 포함되어 있지만, 연소실의 온도가 낮기 때문에 질소 산화물은 적다.
세계 보건 기구(WHO)는 동남아시아와 태평양 지역에서 대기 오염으로 매년 537,000명이 사망하고 있다고 보고했다. 1억 대에 달하는 2행정 엔진 택시와 오토바이가 요인이다.[22][23]
3. 2. 디젤 2행정 기관
디젤 2행정 기관은 4행정 기관에 있는 상단의 밸브가 모두 배기 밸브로 동시에 열리는 구조를 가지고 있다.[20]배기 밸브가 열리면 연소된 가스가 빠른 속도로 배출된다. 피스톤이 아래로 내려오면서 배기공이 열리고, 슈퍼차저와 터보차저를 통해 과급된 새로운 공기가 실린더 내로 유입된다. 이 공기는 연소 가스를 밀어내고 실린더 내부를 채운다. 이후 배기 밸브가 닫히고, 다른 디젤 엔진과 마찬가지로 공기만 압축한 후 연료를 분사하여 압축 착화 방식으로 연소시킨다.[20]
3. 3. 흡기 방식에 따른 분류
2행정 기관은 흡기 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.; 피스톤 제어식
: 피스톤의 상하 운동에 의해 흡기구가 개폐된다. 피스톤 자체가 밸브 역할을 겸한다. 피스톤 밸브식이라고도 불린다. 가장 단순한 방식이다.
; 리드 밸브식
: 실린더 내에 부압이 걸리면 열리는 리드 밸브에 의해 흡기를 한다. 피스톤 밸브보다 더 많은 회전 영역에서 양호한 출력 특성을 나타낸다. 피스톤 밸브식처럼 혼합기를 크랭크 케이스에서 배출하지 않는다. 리드 밸브식이라고도 한다.[55]
: 일반적인 리드 밸브식 2행정 기관은 포핏 밸브를 가진 4행정 기관과 달리 역회전이 가능하다.
: 한편, 리드 밸브식 2행정 엔진을 탑재한 일본의 경차에서는 점화 시기 조정의 부실로 인해 엔진이 역회전하는 사고가 있었고, 알토 등은 이 일이 원인이 되어 2행정 엔진의 채용을 포기한 것으로 알려져 있다.[55]
; 로터리 밸브식
: 크랭크 웹 로터리 밸브식과 로터리 디스크 밸브식으로 나뉜다.
;* 크랭크 웹 로터리 밸브식
:: 크랭크축에 있는 크랭크 웹의 일부를 잘라내어 흡기 밸브로 사용하는 방식이다. 흡입 방향은 크랭크 케이스 리드 밸브 방식과 마찬가지로 크랭크축 방사(래디얼) 방향이다.
:: 대표 차종
::* 피아지오: 베스파 125계 (1957 - 1978), 베스파 150계 (1960 - 1975), 베스파 90계 (1963 - 1999), 베스파 180 랠리계 (1966 - 1977), 베스파 P계 (1976 - ), 베스파 PK계 (1979 - 1998)
::* 후지 중공업: 래빗
;* 로터리 디스크 밸브식
:: 전용 원반 밸브를 사용하여 흡기 밸브로 하는 방식이다. 흡입 방향은 크랭크축 동축(축 방향)이다.
:: 대표 차종
::* 야마하: 메이트, YB125, YB50/90/-1
::* 스즈키: RG400/500, K50/90/125, 2 스트로크 버디 50/90, 반반 90/125
::* 가와사키: KV75, KM90, AR125 (리드 밸브 병용), KE125, A1/A7, KR250
3. 4. 스캐빈징(소기) 방식에 따른 분류
2행정 기관은 스캐빈징(소기) 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.- '''크로스 플로우(교차 흐름) 방식'''
크로스 플로우 스캐빈지라고도 불린다. 스캐빈지 포트와 배기 포트가 실린더의 반대편에 위치하며, 피스톤 상단의 디플렉터를 이용하여 신선한 혼합기를 실린더 상부로 유도하고, 남은 배기 가스를 디플렉터의 반대쪽으로 밀어 배기 포트를 통해 배출한다.[10] 디플렉터는 피스톤의 무게와 노출된 표면적을 증가시키며, 피스톤 냉각을 어렵게 하고 효과적인 연소실 모양을 얻기 어렵게 만든다는 점 때문에 1960년대 이후, 특히 오토바이에 사용되는 단방향 스캐빈징 방식에 의해 이 설계 방식은 대부분 대체되었다. 하지만 소형 또는 저속 엔진에서 직접 분사를 사용하는 경우 디플렉터 피스톤이 여전히 허용 가능한 방식이 될 수 있다.
크로스 플로우 방식은 스캐빈지 포트에서 유입된 신기가 그대로 배기 포트로 빠져나가기 쉽다. 이를 막기 위해 피스톤 윗부분을 산 모양으로 솟아오르게 하거나, 스캐빈지 흐름을 위로 향하게 하여 배기 포트로 새는 신기를 줄이는 방식을 사용한다. 그럼에도 불구하고 연소실을 그대로 통과하는 신기가 많고, 연소실 상부에 연소 가스가 남기 쉬워 현재는 잘 사용되지 않는다.[63]
- '''루프(반전) 방식'''
시뉴레식 스캐빈지(Schnuerle)라고도 불린다. 스캐빈징 포트의 특수한 배치와 각도를 통해 혼합기가 연소실을 순환하며 배기가스를 밀어내는 방식이다. 스캐빈지 구멍을 배기 구멍의 정면에서 좌우로 어긋난 위치에 배치하여 스캐빈지 구멍으로부터의 신기를 한 번 실린더 내면에 부딪히게 하거나, 각각의 스캐빈지 구멍으로부터의 신기를 부딪히게 하는 등 반전시켜 연소 가스를 내보낸다.
연료/공기 혼합기는 실린더 헤드에 부딪혀 연소실의 곡선을 따라가며 아래로 꺾인다. 이것은 연료/공기 혼합기가 배기 포트를 통해 직접 빠져나가는 것을 막을 뿐만 아니라 연소 효율, 동력 및 경제성을 향상시키는 소용돌이 난류를 생성한다. 일반적으로 피스톤 반사판이 필요하지 않으므로, 크로스 플로우 방식보다 뚜렷한 장점이 있다.
1920년대 중반, 독일의 발명가 아돌프 슈누르레(Adolf Schnürle)의 이름을 따서 "슈누르레"(또는 "슈뉘를레") 루프 스캐빈징이라고 불리며, 1930년대 독일에서 널리 채택되었고, 제2차 세계 대전 이후 더욱 널리 퍼졌다.
루프 스캐빈징은 현대식 2행정 엔진에 사용되는 연료/공기 혼합기 전달 방식 중 가장 흔한 유형이다. 스즈키(Suzuki)는 유럽 외 지역에서 루프 스캐빈징 2행정 엔진을 채택한 최초의 제조업체 중 하나였다. 이 작동 기능은 독일의 오토바이 제조사인 MZ와 발터 카덴(Walter Kaaden)이 개발한 팽창실 배기 장치와 함께 사용되었다.
루프 스캐빈징, 디스크 밸브, 팽창실은 매우 협력적인 방식으로 작동하여 특히 일본 제조업체인 스즈키(Suzuki), 야마하(Yamaha), 가와사키(Kawasaki)에서 2행정 엔진의 출력을 크게 향상시켰다. 스즈키(Suzuki)와 야마하(Yamaha)는 루프 스캐빈징으로 인한 출력 증가에 힘입어 1960년대 그랑프리 오토바이 경주에서 성공을 거두었다.
루프 스캐빈징의 추가적인 이점은 피스톤을 거의 평평하게 하거나 약간 돔형으로 만들 수 있다는 점이다. 이는 피스톤을 가볍고 강하게 만들어 엔진 속도를 높일 수 있게 한다. 또한 "플랫 탑" 피스톤은 열적 특성이 더 좋고, 고르지 않은 가열, 팽창, 피스톤 고착, 치수 변화 및 압축 손실의 가능성이 적다.
SAAB는 루프 차징을 사용하여 성공적인 것으로 입증된 DKW 설계를 기반으로 750cc 및 850cc 3기통 엔진을 제작했다.
루프 스캐빈지는 스캐빈지·배기 구멍의 배치에 따라 시뉴레식 외에도, 스캐빈지 구멍을 배기 구멍 바로 아래에 배치하여 턴 플로우처럼 혼합기를 크게 실린더 내에서 선회시키는 MAN식(루프식), 실린더 내 한쪽 절반에 다수의 스캐빈지 구멍, 다른 절반에 소수의 배기 구멍을 설치한 크로스 플로우 방식의 개량형[64] 등 두 가지가 대표적이다.[65] 그 외에도 소형 모형 비행기용 엔진에서는 시뉴레식 스캐빈지 구멍 배치를 약간 변화시킨 스월식이나 리버스 루프식 등이 있지만,[66] 오늘날에는 시뉴레식이 일반적이다. 고성능 2륜차 엔진에서는 스캐빈지 구멍 면적을 크게 하기 위해, 추가로 한 쌍의 보조 스캐빈지 구멍을 추가(5포트 방식)하거나, 배기 구멍 반대쪽에 보조 스캐빈지 구멍을 설치한 것(7포트 방식, 야마하 발동기는 토크 인덕션이라고 호칭)도 있다.
크로스식에 비해 스캐빈지 성능은 향상되지만, 실린더 내 가스 흐름이 복잡해져 실린더 온도가 불균일해지고 열 변형이 발생하기 쉽다는 단점이 있다.
루프식 스캐빈지를 보조하기 위해 배기 포트를 가변식(후술할 파워 밸브 시스템)으로 하거나, 배기관의 일부를 크게 부풀린 챔버 구조로 하여, 배기 포트 측으로 흘러나간 신기를 실린더 내로 밀어 넣는 반사파를 발생시키는 것도 이루어지고 있다.
- '''유니플로우(단류) 방식'''
유니플로우 흡기 배기란, 신기(공기 또는 혼합기)를 실린더의 뿌리에서 흡입하면서, 실린더 선단에서 연소 가스를 배기하여 흡기 배기를 한 방향으로 하는 것이다. 실린더 한쪽 끝에서 흡기하고 다른 쪽 끝에서 배기하여 가스 흐름을 한 방향으로 만든다. 주로 대형 디젤 엔진에 사용된다. 유니플로우식에도 몇 가지 종류가 있지만, 머리 위 배기 밸브와 실린더 하부 흡기 포트를 병용하여 유니플로우를 실현한 형태가 유일하게 생산 중이며, 대형 선박 등의 저속 디젤 엔진에 사용된다. 유니플로우 흡기 배기에서는 신기와 연소 가스가 섞이기 어렵고, 흡기 효율이 높아진다. 흡기 구멍을 등간격으로 크게 할 수 있으며, 실린더 온도 분포를 균일하게 할 수 있어 열 변형이 발생하기 어렵다. 롱 스트로크일수록 이러한 이점을 살릴 수 있어 고효율 엔진을 실현할 수 있다.
머리 위 밸브식 유니플로우 흡기 배기 2행정은 디젤 엔진에서만 실용화되었으며, 대형 선박용 디젤은 단일 열기관으로 최고의 열효율(50%)을 자랑한다. 과급기에 의한 흡기 배기가 이루어지며, 가솔린 엔진과 같은 크랭크 케이스 압축은 이루어진 적이 없다.
가솔린 엔진에서는 고가의 과급기와 머리 위 배기 밸브가 필요한 유니플로우 흡기 배기 2행정 엔진은 실용화되지 않았다. 가솔린 기관에서는 간소한 구조로 저비용화를 하는 것이 2행정 기관의 목적이었으며, 저렴한 크랭크 케이스 압축에 의한 루프 플로우 흡기 배기나 크로스 플로우 흡기 배기가 양산되어 발전했다.
4. 장점 및 단점
2행정 기관은 밸브 개폐 기구가 없어 구조가 간단하고, 4행정 기관에 비해 마력당 무게가 가볍다. 회전력이 균일하여 적은 실린더 수로도 충분한 작동이 가능하며, 같은 크기의 4행정 기관에 비해 높은 출력을 낼 수 있다.[16] 그러나 4행정 엔진에 비해 흡기 및 배기 행정이 불완전하여 연료 소비율이 매우 떨어지고, 평균 유효 압력과 효율이 낮다. 또한, 피스톤과 피스톤 링의 소손과 마모가 발생하기 쉬우며, 열손실이 높고 탄화수소 배출량이 많다. 엔진 오일의 연소로 인해 배기가스의 대기 오염 물질 배출량도 심각하다.[24]
4. 1. 장점
2행정 기관은 밸브 개폐 기구가 없어 구조가 간단하다. 4행정 기관과 달리 밸브 서징이 없어 흡배기 포트 위치를 조절하여 22,000rpm 이상의 초고회전형 엔진 제작이 용이하다. 마력당 무게도 4행정 기관에 비해 가볍다. 회전력이 균일하여 적은 실린더 수로도 충분한 작동이 가능하며, 같은 크기의 4행정 기관에 비해 1.6~1.7배 높은 출력을 낼 수 있다.[16]4. 2. 단점
2행정 기관은 각 행정, 그 중에서도 흡기 행정과 배기 행정이 불완전하다. 4행정 엔진에 비해 배기 행정이 짧아 배기가스가 불안정하고, 유효 행정이 짧아 흡입 효율이 떨어진다. 이로 인해 배기 행정에서 연소되지 않은 혼합 가스의 일부가 배기가스와 함께 배출되어 연료 소비율이 매우 떨어진다. 소기 및 배기공이 열려 있는 시간이 짧아 평균 유효 압력과 효율이 낮다. 또한, 소기 및 배기공이 실린더 벽에 구멍이 뚫려 있는 형태이므로 피스톤과 피스톤 링의 소손과 마모가 발생하기 쉽다. 열손실이 높고, 탄화수소 배출량이 많다.혼합기와 함께 엔진 오일도 함께 섞여 연소되는 특성 때문에 엔진의 작동 환경이 쉽게 나빠져 자주 정비를 해야 한다. 엔진 오일의 연소로 인해 배기가스의 대기 오염 물질 배출량이 심각한 문제가 있다.[24]
5. 현대적 응용
2행정 기관은 기계적 단순성과 경량화, 높은 출력 대 중량비 덕분에 다양한 분야에서 활용된다.
가솔린 엔진의 경우, 오일 저장소가 중력에 의존하지 않아 어떤 방향으로든 작동할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 특성으로 인해 선외기 엔진, 소형 오토바이, 스쿠터, 스노모빌, 고카트, RC 자동차, 초경량 비행기, 모형 항공기, 송풍기, 체인톱, 예초기 등에 널리 사용된다.[8]
디젤 엔진은 4행정 기관에 비해 출력, 무게, 보수성이 우수하여 산업용으로 널리 사용된다. 특히 EMD계 디젤 철도차량이나 화물선에서 주로 사용된다.[11] 다만, 4행정에 비해 연비, 소음, 진동, 배기가스 규제에는 불리한 면이 있다.
선박용 엔진의 경우, 낮은 회전수(60~120rpm)에서 매번 폭발하는 2행정 기관의 장점이 크다. 제2차 세계 대전 이후 1950년대부터는 유니플로우식 과급기 부착 2행정 디젤 엔진이 주류가 되었다. 이 방식은 실린더 라이너 하부의 흡기 포트에서 공기를 흡입하고 연소실 상부의 배기 밸브로 배기하는 방식이다. 선박 후진 시 스크루 역회전에 필수적인 엔진 회전 방향 전환에도 4행정 기관보다 간편하게 대응할 수 있어 상선을 중심으로 널리 사용된다.
선박용 저속 디젤 엔진은 디젤 사이클에 가까운 연소 사이클을 실현하여 높은 열효율을 달성한다. 터보차저, 인터쿨러, 배기 가스 이코노마이저 등을 통해 열효율을 50% 이상으로 높인 엔진도 개발되었다. 이러한 엔진은 질이 낮은 C 중유를 사용할 수 있어 경제적이지만, 엔진 높이가 높아지고 배기 가스 정화 문제가 과제로 남아있다.
선박용 외에도 내연력 발전 기관이나 건설 기계의 말뚝 박는 기계(디젤 해머)에도 2행정 디젤 엔진이 사용된다.
5. 1. 가솔린 엔진
2행정 가솔린 엔진은 기계적 단순성, 경량화, 높은 출력 대 중량비가 중요한 곳에 사용된다. 오일 저장소가 중력에 의존하지 않아 어떤 방향에서도 작동할 수 있기 때문에, 선외기 엔진, 소형 오토바이, 스쿠터, 스노모빌, 고카트, RC 자동차, 초경량 비행기, 모형 항공기, 송풍기, 체인톱, 예초기 등에 사용된다.[8]5. 2. 디젤 엔진
2행정 디젤 기관은 산업용으로 널리 이용되고 있다. 4행정 기관에 비해 출력, 무게, 보수성이 우수하고, 촉매와 필터를 크게 만들어 매연 및 미세먼지 문제를 해결할 수 있기 때문이다. 다만, 4행정에 비해 연비, 소음, 진동, 배기가스 규제에는 불리하다. 2행정 디젤 기관은 주로 화물선이나 EMD계 디젤 철도차량에서 사용된다.[11]선박용 등 회전수가 60~120rpm 정도로 매우 느린 대형 기관에서는 매번 폭발하는 2행정의 장점이 크다. 제2차 세계 대전 이후 1950년대부터 유니플로우식 과급기 부착 2행정 디젤이 주류가 되었다. 이는 실린더 라이너 하부의 흡기 포트에서 급기하고 연소실 상부의 배기 밸브에서 배기하는 유니플로우 방식이다. 스크루의 실용 회전수에 가까운 저속 회전에 적합하며, 선박 후진 시 스크루 역회전에 필수적인 엔진 회전 방향 전환 시에도 4행정 기관보다 간략하게 대응할 수 있어 상선을 주된 대상으로 하는 대형 선박 엔진의 주류 기술이 되었다.
디젤 엔진은 원래 열효율이 높지만, 선박용 저속 디젤 엔진은 이론상의 디젤 사이클에 가까운 연소 사이클을 실현할 수 있다. 효율을 높이기 위해 터보차저나 인터쿨러도 장착되는 것이 일반적이다. 배기 가스 이코노마이저를 장착하여 배열의 일부를 회수, 재이용하는 예도 많다. 이러한 종합적인 시스템을 통해 열효율 50%를 초과하는 고효율 엔진이 실현되었으며, 현재 가장 효율이 좋은 엔진 부류에 속한다.
이러한 종류의 엔진은 질이 낮은 C 중유를 예비 가열, 청정하여 사용할 수 있어 경비를 절감할 수 있다. 하지만, 조악한 연료 사용에는 크랭크 케이스와 연소실과의 구조적 격리가 필수적이며, 엔진 전체 높이가 매우 높아진다. 최근에는 배기 가스 정화의 어려움이 과제로 남아있다.
선박용 외 분야에서는 내연력 발전 기관으로도 이용되고 있다.
건설 기계의 말뚝 박는 기계 중 '''디젤 해머'''는 그 자체가 거대한 2행정 단기통 자유 피스톤 디젤 엔진이다.
6. 환경 문제 및 규제
2행정 기관은 구조적으로 불완전 연소가 발생하기 쉽고, 엔진 오일을 함께 연소시키기 때문에 배기가스 문제가 심각하다. 특히 탄화수소(HC) 배출량이 많고, 소형 공랭식 엔진의 경우 높은 연소 온도로 인해 질소산화물(NOx) 배출도 문제가 된다.[50][51] 이러한 환경 문제 때문에 세계 각국에서는 2행정 기관에 대한 배출가스 규제를 강화하고 있으며, 많은 분야에서 4행정 기관으로 대체되고 있다.
7. 미래 전망
환경 규제 강화로 인해 2행정 기관의 사용은 점차 감소하는 추세이지만, 일부 분야에서는 여전히 그 장점을 활용하기 위한 노력이 계속되고 있다. 파워 밸브 시스템 등 새로운 기술을 적용하여 배출가스 문제를 개선하고 효율을 높이려는 연구 개발이 진행 중이다.[53] 특히, 대형 선박용 디젤 엔진 분야에서는 2행정 기관이 높은 효율과 신뢰성을 바탕으로 여전히 중요한 역할을 담당할 것으로 예상된다. 일부 제조사에서는 4행정 기관 기술을 응용하거나 대향 피스톤형으로 만들어 환경 성능을 개선하려는 시도도 이루어지고 있다.
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