내연기관

3. 작동 방식에 따른 분류

1.흡입 2.압축 3.폭발 4.배기]]

대표적인 내연기관이라 할 수 있는 휘발유를 연료로 하는 4행정 기관의 작동은 그림과 같이 흡입-압축-폭발-배기의 순으로 이루어진다.

# 흡입: 연료와 산화제(대개는 공기)를 실린더 안으로 받아들인다.

# 압축: 실린더안의 연료와 산화제의 혼합물은 피스톤에 의해 압축된다.

# 폭발: 연료와 산화제의 혼합물은 전기방전에 의해 점화되어 급격한 발열반응을 일으킨다. 이때 발생하는 기체의 팽창으로 기관을 움직이는 힘을 얻는다.

# 배기: 반응이 완료된 기체를 기관 밖으로 내보낸다.

내연기관은 행정의 수에 따라 다음과 같은 방식이 있다.

내연기관을 분류하는 방법에는 여러 가지가 있다.

행정 수에 따른 분류:

• 2행정 엔진
• * 클라크 사이클^[19]
• * 데이 사이클
• 4행정 엔진 (오토 사이클)
• 6행정 엔진

3. 1. 2행정 기관

3. 2. 4행정 기관

• 흡입: 흡기 밸브가 열리고 피스톤이 아래로 이동하면서 연소실의 부피가 증가한다. 이때 직분사를 사용하지 않는 점화착화(SI) 엔진의 경우 공기-연료 혼합물이, 압축착화(CI) 엔진의 경우 공기가 유입된다.
• 압축: 두 밸브가 모두 닫히고 피스톤이 위로 이동하여 연소실 부피를 줄인다. 이때 압력, 온도, 밀도가 증가한다. SI 엔진의 경우 점화 플러그에서 스파크가 발생하여 혼합물에 점화하고, CI 엔진의 경우 연료 분사 장치에서 연료를 분사하여 고온으로 인해 점화한다.
• 동력(폭발): 연소 가스의 압력이 피스톤을 아래로 밀어 운동 에너지를 생성한다. 연소 가스가 팽창하면서 온도, 압력, 밀도가 감소한다. 피스톤이 하사점(BDC)에 가까워지면 배기 밸브가 열리고 연소 가스가 비가역적으로 팽창한다.
• 배기: 배기 밸브가 열린 상태에서 피스톤이 위로 이동하여 연소 가스를 배출한다. 자연 흡기 엔진의 경우 일부 연소 가스가 실린더에 남을 수 있다.

3. 3. 크랭크실 소기

• ''전손식 윤활 시스템''을 사용한다. 모든 윤활유는 결국 연료와 함께 연소된다.
• 소기에는 상반되는 요구 사항이 있다. 한편으로는 각 사이클에서 거의 모든 연소 가스를 배출하기 위해 충분한 신선한 혼합기를 도입해야 하지만, 너무 많은 혼합기를 도입하면 일부가 배기구로 들어간다.
• 연소 가스를 배출하기 위해 배기 포트에 도달하기 전에 실린더 전체를 청소하는 기류가 생성되도록 이송 포트(들)을 신중하게 설계되고 배치된 노즐로 사용해야 하지만, 배출되는 혼합기의 양은 최소화해야 한다.
• 4행정 기관은 배기 중 연소실이 최소 부피로 줄어들기 때문에 거의 모든 연소 가스를 강제로 배출하는 이점이 있다. 크랭크케이스 스캐빈지 방식의 2행정 엔진에서는 배기와 흡입이 대부분 동시에 수행되고 연소실이 최대 부피일 때 수행된다.

3. 4. 송풍기 소기

3. 5. 디젤 사이클

3. 6. 오토사이클

4. 회전형 기관

회전형 기관은 유동형 기관이라고 한다. 연료의 폭발압력에 의해 모터를 직접 회전하여 동력을 얻는 방식이다. 방켈 엔진이 대표적이며 가스 터빈 중 터보샤프트와 터보프롭도 여기에 해당된다.

5. 분사형 기관

연료의 폭발 압력을 일정 방향으로 분출시키고 그 반작용을 통하여 동력을 얻는 방식이다.^[21] 제트엔진이 대표적인 분사형 기관이며, 로켓의 구동도 분사형으로 사용된다.

• 가스터빈 엔진
• 램제트 엔진, 터보제트와 유사하지만 압축기를 사용하는 대신 차량 속도를 이용하여 공기를 압축(램)함
• 스크램제트 엔진, 초음속 연소를 사용하는 램제트 엔진의 변형
• 로켓 엔진

6. 왕복 기관

엔진 블록은 무쇠 또는 알루미늄으로 만들어지며, 실린더를 포함한다.^[22][23] 실린더는 1개 이상일 경우 일반적으로 1열(직렬 엔진) 또는 2열(수평대향 엔진 또는 V형 엔진)로 배열된다.^[23] 현대 엔진에서는 3열 또는 4열(W형 엔진)도 사용된다. 왕복 기관은 엔진 블록, 실린더, 실린더 헤드, 크랭크실, 피스톤, 연결봉, 크랭크축, 플라이휠, 밸브, 캠샤프트, 연료 장치, 배기 장치, 점화 장치, 윤활 장치 등으로 구성된다.

• 엔진 블록: 실린더를 고정하고 보호하는 몸체이다. 수랭식 냉각 기관에서는 엔진 블록과 실린더 사이에 냉각수가 흐르는 통로가 있다. 공랭식 엔진은 엔진 블록이 외부에 노출되어 있다.
• 실린더: 피스톤을 감싸는 원통으로, 이 안에서 피스톤이 왕복 운동을 한다. 실린더는 가스가 새지 않도록 피스톤과 맞물려 있다.
• 실린더 헤드: 엔진 블록 위에 있는 실린더의 덮개이다.
• 크랭크실: 크랭크축을 지지하거나 보호하는 틀로, 소형 엔진에서는 엔진 블록과 하나로 되어 있기도 하다.
• 피스톤: 가스 연소에 따라 왕복 운동하는 장치이다. 피스톤 링이 있어 가스 누출을 막는다.

• 연결봉(커넥팅 로드): 피스톤의 움직임을 크랭크축에 전달하여 회전시킨다.
• 크랭크축: 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환한다. 4행정 기관에서는 한 사이클 동안 보통 두 바퀴 회전한다.
• 플라이휠: 폭발 행정에서 생긴 에너지를 저장하고 다른 행정에서 에너지를 내보내 크랭크축을 일정 속도로 회전시킨다.
• 밸브: 4행정 기관에서는 각 실린더마다 최소 한 쌍 이상의 밸브가 있다. 흡기 밸브는 혼합기를 실린더에 넣고, 배기 밸브는 연소된 가스를 밖으로 배출한다. 밸브 배열은 L헤드와 I헤드 방식이 주로 쓰인다. 2행정 기관의 경우 가솔린 엔진에는 없으나, 디젤 엔진에서는 배기 밸브가 있기도 하다.

• 캠샤프트(캠축): 각 행정에 맞게 밸브를 여닫게 한다. 캠축은 크랭크축과 기어로 연결되어 크랭크축의 절반 속도로 회전한다.
• 연료 장치: 연료 저장 탱크, 연료 파이프, 연료 분사 장치, 연료 여과기, 공기 청정기로 구성된다. 초기 가솔린 엔진은 기화기를 사용했다.
• 배기 장치: 배기다기관, 배기관, 소음기로 구성된다. 2행정 기관에는 챔버가 있어 연소되지 않은 혼합기가 다시 실린더로 들어가도록 한다.
• 점화 장치: 가솔린 기관에만 있으며, 점화 플러그에 스파크를 일으켜 혼합기를 연소시킨다.
• 윤활 장치: 기관의 마찰을 막기 위해 윤활유를 공급한다.

6. 1. 구조

• 엔진 블록: 실린더를 고정하고 보호하는 몸체이다. 수랭식 냉각 기관에서는 엔진 블록과 실린더 사이에 냉각수가 흐르는 통로가 있다. 공랭식 엔진은 엔진 블록이 외부에 노출되어 있다.
• 실린더: 피스톤을 감싸는 원통으로, 이 안에서 피스톤이 왕복 운동을 한다. 실린더는 가스가 새지 않도록 피스톤과 맞물려 있다.
• 실린더 헤드: 엔진 블록 위에 있는 실린더의 덮개이다.
• 크랭크실: 크랭크축을 지지하거나 보호하는 틀로, 소형 엔진에서는 엔진 블록과 하나로 되어 있기도 하다.
• 피스톤: 가스 연소에 따라 왕복 운동하는 장치이다. 피스톤 링이 있어 가스 누출을 막는다.

• 연결봉(커넥팅 로드): 피스톤의 움직임을 크랭크축에 전달하여 회전시킨다.
• 크랭크축: 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환한다. 4행정 기관에서는 한 사이클 동안 보통 두 바퀴 회전한다.
• 플라이휠: 폭발 행정에서 생긴 에너지를 저장하고 다른 행정에서 에너지를 내보내 크랭크축을 일정 속도로 회전시킨다.
• 밸브: 4행정 기관에서는 각 실린더마다 최소 한 쌍 이상의 밸브가 있다. 흡기 밸브는 혼합기를 실린더에 넣고, 배기 밸브는 연소된 가스를 밖으로 배출한다. 밸브 배열은 L헤드와 I헤드 방식이 주로 쓰인다. 2행정 기관의 경우 가솔린 엔진에는 없으나, 디젤 엔진에서는 배기 밸브가 있기도 하다.

• 캠샤프트(캠축): 각 행정에 맞게 밸브를 여닫게 한다. 캠축은 크랭크축과 기어로 연결되어 크랭크축의 절반 속도로 회전한다.
• 연료 장치: 연료 저장 탱크, 연료 파이프, 연료 분사 장치, 연료 여과기, 공기 청정기로 구성된다. 초기 가솔린 엔진은 기화기를 사용했다.
• 배기 장치: 배기다기관, 배기관, 소음기로 구성된다. 2행정 기관에는 챔버가 있어 연소되지 않은 혼합기가 다시 실린더로 들어가도록 한다.
• 점화 장치: 가솔린 기관에만 있으며, 점화 플러그에 스파크를 일으켜 혼합기를 연소시킨다.
• 윤활 장치: 기관의 마찰을 막기 위해 윤활유를 공급한다.

7. 실린더 배치방식에 따른 분류

내연기관을 분류하는 방법에는 여러 가지가 있다. 일반적인 실린더 배치는 직렬 또는 인라인 배치, 보다 컴팩트한 V형 배치, 그리고 더 넓지만 더 부드러운 수평대향 또는 박서 배치가 있다. 항공기 엔진은 더 효과적인 냉각을 위해 성형 배치를 채택할 수도 있다. H형, U형, X형, W형과 같은 더 특이한 배치도 사용되어 왔다.

8. 연소 터빈

속도형 내연기관에는 다음과 같은 것들이 있다.

• 가스터빈 엔진
• * 터보샤프트 엔진
• 제트 엔진
• * 터보제트 엔진
• * 터보팬 엔진
• ** 프롭팬 엔진
• ** 기어드 터보팬 엔진
• * 터보프롭 엔진
• * 램제트 엔진
• ** 터보램제트 엔진 (고바이패스비 터보제트)
• ** 스크램제트 엔진
• * 펄스제트 엔진
• * 모터제트 엔진
• 로켓 엔진 (화학 로켓 엔진이 해당)
• * 고체연료 로켓 엔진
• * 액체연료 로켓 엔진

8. 1. 제트 엔진

8. 2. 가스 터빈

8. 3. 브레이턴 사이클

9. 방켈 엔진

방켈 엔진(로터리 엔진)에는 피스톤 스크로크가 없다. 그것은 4행정 기관과 동일한 위상의 분리로 작동하며, 위상은 엔진의 개별 위치에서 발생한다. 열역학적인 용어에서 오토 기관 사이클을 따르므로 "4상" 기관으로 간주될 수 있다. 회전자가 편심축에서 3:1로 회전하기 때문에 회전당 3번의 파워 스트로크가 일반적으로 발생하지만, 샤프트는 1회전당 1번의 파워 스크로크만 발생한다. 드라이브 (편심) 축은 오토 사이클과 같이 2번 (크랭크축)이 아닌 매번 파워 스트로크 동안 한번씩 회전하며, 피스톤 기관보다 큰 동력비를 제공한다. 이 엔진의 유형은 마쓰다 RX-8, 이전 마쓰다 RX-7 및 기타 차량 모델에서 가장 많이 사용되었다. 이러한 엔진은 또한 무인 비행체에서 사용되며, 크기가 작다.

10. 강제 과급

과급(Forced induction)은 내연 기관의 흡입구에 압축 공기를 공급하는 과정이다. 과급 엔진은 가스 압축기를 사용하여 공기의 압력, 온도 및 밀도를 높인다. 과급이 없는 엔진은 자연흡기 엔진으로 간주된다.

과급은 자동차 및 항공 산업에서 엔진 출력과 효율을 높이는 데 사용된다. 특히 고고도에서 작동해야 하는 항공기 엔진에 도움이 된다.

과급은 압축기가 엔진 축에서 직접 구동되는 슈퍼차저 또는 엔진 배기가스로 구동되는 터빈에서 구동되는 터보차저에 의해 달성된다.

11. 연료 및 산화제

모든 내연 기관은 일반적으로 공기 중의 산소와 함께 연소되는 화학 연료에 의존한다.^[46] 연소 과정은 일반적으로 많은 양의 열에너지를 생성할 뿐만 아니라 매우 높은 온도에서 수증기와 이산화탄소 및 기타 화학 물질을 생성한다. 도달한 온도는 연료와 산화제의 화학적 구성 (화학량론 참조)뿐만 아니라 압축 및 기타 요인에 의해 결정된다. 더 많은 동일한 작용을 하고 출력을 높이기 위해 아산화질소를 주입하는 것도 가능하다.

11. 1. 연료

• 석유:
• * 석유 정신( 북미 용어: 휘발유, 영국 용어: 휘발유)
• * 경유.
• * 자동차용 가스(액화석유가스).
• * 프로판.
• * 압축 천연가스.
• * 항공유(항공 연료)
• * 잔사유
• 석탄:
• * 피셔-트롭슈 공정을 사용하여 탄소(석탄)로부터 휘발유를 만들 수 있다.
• * 피셔-트롭슈 공정을 사용하여 탄소로부터 경유를 만들 수 있다.
• 바이오연료 및 식물성 기름:
• * 땅콩 기름 및 기타 식물성 기름.
• * 고체 목재를 연료로 사용하는 차량 내장 목재 가스 발생기에서 나오는 목재가스.
• * 바이오연료:
• ** 바이오부탄올(휘발유 대체).
• ** 바이오디젤(석유계 경유 대체).
• ** 디메틸 에테르(석유계 경유 대체).
• ** 바이오에탄올 및 바이오메탄올(목정 ) 및 기타 바이오연료 (플렉서블 연료 차량 참조).
• ** 바이오가스
• 수소(주로 우주선 로켓 엔진)

11. 1. 1. 수소

11. 2. 산화제

12. 냉각

과도한 열을 제거하기 위해 냉각이 필요하다. 고온은 마모(고온으로 인한 윤활 불량), 균열 또는 뒤틀림으로 인해 엔진 고장을 일으킬 수 있다. 엔진 냉각의 두 가지 가장 일반적인 형태는 공랭식과 수냉식이다. 대부분의 현대 자동차 엔진은 수냉식과 공랭식을 모두 사용하는데, 냉각수/액체 냉각제가 공랭식 핀 및/또는 팬으로 운반되기 때문이다. 반면 대형 엔진은 고정되어 있고 상수도 또는 담수를 통해 냉각수가 지속적으로 공급되므로 단일 수냉식일 수 있으며, 대부분의 전동 공구 엔진 및 기타 소형 엔진은 공랭식이다. 일부 엔진(공랭식 또는 수냉식)에는 오일 쿨러도 있다. 특히 터빈 엔진 블레이드 냉각 및 액체 로켓 엔진 냉각의 경우, 연료는 연소실에 분사하기 전에 동시에 예열되기 때문에 냉각제로 사용된다.

13. 시동

내연 기관은 작동 주기를 시작하기 위해 외부 동력이 필요하다.^[48] 왕복 기관에서는 크랭크축(완켈 로터 샤프트)을 돌림으로써 흡입, 압축, 연소, 배기의 주기를 유도한다. 최초의 엔진은 플라이휠을 돌려 시동을 걸었고, 최초의 자동차(다임러 라이트바겐)는 손 크랭크로 시동을 걸었다. 찰스 케터링이 자동차용 전기 시동 모터를 개발하기 전까지 모든 내연 기관 자동차는 손 크랭크로 시동을 걸었다.^[48]

14. 엔진 성능 측정

에너지 효율, 연료/추진제 소비량 (축 엔진의 경우 마력당 연료 소비량, 제트 엔진의 경우 추력당 연료 소비량), 출력 중량비, 추력 중량비, 토크 곡선(축 엔진), 추력 감소(제트 엔진) 등 다양한 측면에서 엔진 성능을 측정한다.

14. 1. 에너지 효율

14. 2. 연료 효율 및 추진제 효율 측정

15. 대기 및 소음 오염

내연기관은 불완전 연소로 인해 대기오염을 유발한다.^[52] 이 과정의 주요 생성물은 이산화탄소(CO₂), 물, 그리고 그을음(또는 미립자 물질(PM))이다.^[52] 미립자 물질 흡입은 천식, 폐암, 심혈관 질환 및 조기 사망을 포함한 건강 문제를 일으킨다.^[53]

작동 조건과 연료-공기 비율에 따라 질소산화물, 황, 그리고 일부 미연소 탄화수소를 포함한 추가적인 연소 과정의 생성물이 발생한다. 연소 과정에서 모든 연료가 완전히 소모되는 것은 아니며, 소량의 연료는 포름알데히드 또는 아세트알데히드와 같은 산소화합물이나 원래 입력 연료 혼합물에는 없던 탄화수소를 형성한다. 불완전 연소는 일반적으로 산소 부족으로 인해 발생하며, 상대적으로 차가운 실린더 벽에 의해 화염이 "소화"되어 반응하지 않은 연료가 배기가스와 함께 배출된다. 이는 효율을 낮추고 노킹을 증가시켜 엔진 정지의 원인이 되기도 한다. 불완전 연소는 또한 일산화탄소(CO)를 생성하며, 벤젠과 1,3-부타디엔과 같은 유해 대기오염 물질도 배출된다.

엔진 내 공기량을 늘리면 불완전 연소 생성물의 배출량이 줄어들지만, 질소와 산소 사이의 반응을 촉진하여 질소산화물(NO_x)을 생성한다. 질소산화물은 오존(O₃) 생성을 유도하는데, 오존은 질소산화물과 휘발성 유기 화합물이 햇빛이 있는 상태에서 반응하여 생성되는 2차 대기오염 물질이다. 지표면 오존은 인체 건강과 환경에 해로우며, 성층권 오존 또는 오존층과는 다르다. 황을 함유한 탄소 연료는 일산화황(SO)과 이산화황(SO₂)을 생성하여 산성비의 원인이 된다.

미국에서는 질소산화물, PM, 일산화탄소, 이산화황, 오존이 청정대기법에 따라 규제되는 대기오염 기준물질로 지정되어 있다. 벤젠과 1,3-부타디엔과 같은 기타 오염 물질은 유해 대기오염 물질로 규제된다.

질소산화물, 일산화탄소 및 기타 오염 물질은 배기가스 재순환을 통해 제어되며, 촉매 변환기는 배기가스 화학 물질을 CO₂(온실가스), H₂O(수증기, 온실가스), N₂(질소)로 변환한다.

화석 연료를 사용하는 내연기관에서 배출되는 이산화탄소는 기후 변화의 주요 원인 중 하나이다. 엔진의 연비를 높이면 CO₂ 배출량을 줄일 수 있지만, 탄소 기반 연료 연소는 CO₂를 생성하기 때문에 완전히 제거할 수는 없다. 엔진 배기가스에서 CO₂를 제거하는 것은 비현실적이므로 바이오연료, 합성연료, 배터리로 구동되는 전기 모터 등이 대안으로 주목받고 있다.

내연기관은 소음 공해에 상당한 영향을 미친다. 고속도로와 도로 시스템에서 운행되는 자동차와 트럭의 교통량은 소음을 발생시키며, 제트기 소음, 특히 초음속 비행이 가능한 항공기의 비행도 소음을 발생시킨다. 로켓 엔진은 가장 강렬한 소음을 발생시킨다.

내연기관은 공회전 중에도 연료를 계속 소비하며 오염 물질을 배출한다. 공회전은 시동-정지 시스템에 의해 줄어든다.

15. 1. 대기 오염

15. 2. 소음 공해

15. 3. 공회전

16. 이산화탄소 생성

경유의 화학식은 근사적으로 C_nH_2n^la으로 나타낼 수 있다.^[55] 실제로 경유는 여러 분자의 혼합물이다. 탄소의 몰 질량이 12 g/mol이고 수소의 몰 질량이 약 1 g/mol이므로 경유에서 탄소의 무게 비율은 대략 12/14이다. 경유 연소 반응은 다음과 같다.

: 2C_nH_2n^la + 3nO₂}}

이산화탄소는 산소 원자 2개(16 g/mol)와 탄소 원자 1개(12 g/mol)로 구성되어 있으므로 몰 질량은 44 g/mol이다. 따라서 12 g의 탄소는 44 g의 이산화탄소를 생성한다. 경유의 밀도는 리터당 0.838 kg이다.

이 모든 것을 종합하면, 1리터의 경유를 연소하여 생성되는 이산화탄소의 질량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

: $0.838\; kg/L\; \backslash cdot\; \{\backslash frac\{12\}\{14\}\}\backslash cdot\; \{\backslash frac\{44\}\{12\}\}=\; 2.63\; kg/L$

이 추정으로 얻은 값은 문헌에서 찾은 값과 유사하다.^[55]

밀도가 0.75 kg/L이고 탄소와 수소 원자의 비율이 약 6:14인 가솔린의 경우, 1리터의 가솔린 연소로 인한 이산화탄소 배출량의 추정값은 다음과 같다.

: $0.75\; kg/L\; \backslash cdot\; \{\backslash frac\{6\; \backslash cdot\; 12\}\{6\backslash cdot\; 12\; +\; 14\}\backslash cdot\; 1\}\; \backslash cdot\; \{\backslash frac\{44\}\{12la=\; 2.3\; kg/L$

17. 기생 손실

'기생 손실'이라는 용어는 엔진의 에너지 생성 능력이나 에너지를 운동 에너지로 변환하는 능력을 향상시키기 위해 엔진에서 에너지를 끌어 쓰는 장치에 적용된다. 내연 기관에서는 동력 전달 장치를 포함한 거의 모든 기계적 구성 요소가 기생 손실을 유발하므로 기생 부하로 특징지을 수 있다.

참조

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