내연기관
내연 기관(內燃機關)은 연료와 공기 따위의 산화제를 연소실에서 연소시켜 에너지를 얻는 기관이다. 연소실에서 연소되는 연료와 산화제의 발열반응으로 인해 높은 온도와 압력의 기체가 생성되어 엔진의 피스톤 및 축차가 움직이게 하여 엔진을 가동시킨다. 내연기관의 이러한 작동 방식은 기관 외부의 열을 이용하는 증기기관이나 스털링 기관과 같은 외연기관과 대조적이다.
대부분의 내연기관은 피스톤 운동을 통해 구동력을 얻는다. 그러나, 반켈 엔진과 같이 회전 운동을 통해 구동력을 얻는 경우도 있다.
상업적으로 성공한 최초의 내연 기관은 1859년경 에티엔 르누아르가 만들었으며 최초의 현대적인 내연 기관은 니콜라우스 오토가 1876년에 만들었다.
"내연 기관"이라는 용어는 일반적으로 6행정 피스톤 기관 및 반켈 회전형 기관 같은 변종과 함께 친숙한 4행정과 2행정 피스톤 기관 처럼 연소가 간헐적인 엔진을 의미한다. 화기는 내연 기관의 일종이다.
연료와 공기를 혼합하여 구동력을 얻는 기관의 사용은 꽤 오래된 역사를 지니고 있다. 근대 초기에 이르기까지 내연기관은 주로 압축 공정을 이용한 피스톤 운동을 구동력으로 하였다.내연기관은 자동차, 트럭, 오토바이, 보트와 같은 탈것이나 손에 들고 다닐수 있는 비교적 작은 기계의 작동을 위해 주로 쓰인다. 내연기관은 오늘날 이동수단의 구동력을 얻는 기관으로서 증기기관과 같은 외연기관을 대체하게 되었으나, 제트기, 대형 선박과 같이 강력한 힘이 필요한 이동수단에서는 제트엔진과 같은 터빈을 이용한 엔진이 쓰이고 있다.
대표적인 내연기관이라 할 수 있는 휘발유를 연료로 하는 4행정 기관의 작동은 그림과 같이 흡입-압축-폭발-배기의 순으로 이루어진다.
석유를 연료로 하는 내연기관에는 다음과 같은 것들이 있다.
회전형 기관은 유동형 기관이라고 한다. 연료의 폭발압력에 의해 모터를 직접 회전하여 동력을 얻는 방식이다. 반켈 엔진이 대표적이며 가스터빈 중 터보샤프트와 터보프롭도 여기에 해당된다.
연료의 폭발압력을 일정 방향으로 분출시키고 그 반작용을 통하여 동력을 얻는 방식이다. 제트엔진이 대표적인 분사형 기관이며, 로켓의 구동도 분사형으로 사용된다.
왕복 내연 기관의 기본은 일반적으로 무쇠 또는 알루미늄으로 만들어지는 엔진 블록이다. 엔진 블록은 실린더를 포함한다. 1개 이상의 실린더 엔진에서 그들은 일반적으로 1행 (직선 기관)과 2행 (복서 기관 또는 V 기관)으로 배열되어 있다. 3행에서 때때로 현대 엔진 (W 기관)을 사용하고, 다른 엔진의 구성이 가능하며 사용되어 왔다.
내연기관은 행정의 수에 따라 다음과 같은 방식이 있다.
2행정 기관은 피스톤의 2행정, 즉 한 번 왕복에 한 사이클을 끝내는 기관으로 피스톤의 매 두 번의 행정마다 폭발 혹은 강한 왕복운동이 일어난다. 주로 소형 오토바이, 모터보트 등의 소형 기관에 이용된다.
1. 전원: 피스톤이 내려가는 동안 연소 가스가 작동한다. 팽창에 대한 동일한 열역학적인 고려 사항이 적용된다.
2. 소기: 크랭크축이 75°주위를 회전하여 배기 밸브 또는 포트가 열리고 불로우 다운이 발생한다. 잠시후 흡기 밸브 또는 이송 포트가 열린다. 유입되는 충전물은 남은 연소 가스를 배기 시스템으로 옮기고 충전물의 일부는 배기 시스템으로 유입될수 있다. 피스톤이 하사점에 도달하고 방향을 바꾼다. 피스톤이 짧은 거리 위쪽에서 실린더 안으로 이동한후 배기 밸브 또는 포트가 닫힌다. 곧 흡기 밸브 또는 이송 포트도 닫힌다.
3. 압축: 흡기와 배기가 모두 닫히면 피스톤은 계속 위로 움직여서 충전물을 압축하고 작업을 수행한다. 4행정 기관의 경우와 마찬가지로, 피스톤이 상사점에 도달하기 직전에 점화가 시작되고 충전시 압축의 열역학에 대해 동일한 고려 사항이 적용된다.
4행정 기관은 피스톤의 두 왕복, 곧 사행정으로 흡입·압축·폭발·배기(排氣)의 전 동작을 끝내는 내연기관이다. 피스톤이 처음에는 밖으로 이동했다가 공기와 연료가 혼합되면 다시 안으로 밀려올라가서 혼합물을 압축시키고 혼합물이 팽창되면서 다시 밀려나왔다가 마지막으로 가스를 배출하기 위해 안으로 이동하는 과정을 반복한다.
1. 흡입, 유도: 흡기 밸브는 캠 로브가 벨브 봉을 아래로 밀어넣으면 열린다. 피스톤은 아래로 움직이면서 연소실의 용적 부피를 증가시키고, 공기가 CI 기관 또는 직접 분사를 사용하지 않는 SI 기관의 경우에 공기가 유입되도록 한다. 어떤 경우에도 공기 또는 공기-연료 혼합물을 "충전"이라고 한다.
2. 압축: 이러한 행정에서는 2개의 밸브가 닫히고 피스톤이 위로 이동하여 피스톤이 상사점에 있을때 최소값에 도달하는 연소실 용적 부피가 줄어든다. 피스톤은 압축될때 충전물에 대한 작업을 수행한다. 그 결과 온도는 올라가고 압력과 밀도는 증가한다. 이 문제에 대한 근사치는 이상기체 법칙이 제공한다. 피스톤이 상사점에 도달하기 직전에 점화가 시작된다. SI 기관의 경우, 스파크 플러그는 고압 충격파를 수신하여 스파크를 생성한다. 스파크는 그 이름을 부여하고 충전을 시작한다. CI 기관의 경우, 연료 분사 장치는 스프레이로 연료를 연소실에 신속하게 분사한다. 고온으로 인해 연료가 점화된다.
3. 전원 또는 작동 스트로크: 연소 가스의 압력은 피스톤을 아래로 밀어내면서 충전물을 압축하는데 필요한 것보다 많은 작업을 발생시킨다. 압축 행정을 보충하면 연소 가스가 팽창한다. 그 결과 온도는 내려가고 압력과 밀도는 감소한다. 피스톤이 하사점 근처에 있을때 배기 밸브가 열린다. 연소 가스는 남은 압력으로 인해 비가역적으로 팽창한다. 이것은 "블로우 다운"이라고 한다.
4. 배기: 피스톤이 연소 가스를 배출하도록 위로 움직이는 동안 배기 밸브는 열린 상태로 유지된다. 자연 흡입 기관의 경우 피스톤이 연소실을 거의 닫지 않기 때문에 정상 작동 도중에 연소 가스의 일부가 실린더에 남아있을수 있다. 이러한 가스는 다음 충전시에 용해된다. 이 행정이 끝나면 배기 밸브가 닫히고 흡기 밸브가 열린다. 다음 사이클에서 그 순서가 반복된다. 배기 밸브가 닫히기 전에 흡기 밸브가 열리면서 더 나은 배기가 가능하다.
일부 SI 엔진은 크랭크실이 청소되고 포펫 밸브를 사용하지 않는다. 대신 크랭크실과 피스톤 아래의 실린더 부분이 펌프로 사용된다. 흡기 포트는 리드 밸브 또는 엔진이 구동하는 회전 디스크 밸브를 통해 크랭크실에 연결된다. 각 실린더에 대해, 전송 포트는 일단에서 크랭크실에 연결되고 타단에서는 실린더 벽에 연결된다. 배기 포트는 실린더 벽에 직접 연결된다. 전송 및 배기 포트는 피스톤으로 열고 닫는다. 리드 밸브는 크랭크실 압력이 또다른 압력으로 채워지도록 흡입 압력보다 약간 아래에 있을때 열린다. 이것은 피스톤이 위로 움직일때 발생한다. 피스톤이 아래로 움직이면 크랭크실의 압력이 증가하고 리드 밸브가 즉시 닫힌다. 이 때, 크랭크실의 충전물이 압축된다. 피스톤이 위로 움직이면 배기 포트와 전송 포트가 가려지게 되고 크랭크실의 충전물 압력이 높아지면 전송 포트를 통해 실린더로 들어가 배기가스를 불어 넣는다. 윤활은 연료에 "2행정 오일"을 작은 비율로 첨가하여 이루어진다. "2행정 오일"은 가솔린과 앞서 언급한 오일의 혼합물을 말한다. 이러한 종류의 2행정 기관은 4행정 기관에 비해 효율이 낮으며 다음과 같은 조건에서 보다 오염된 배기가스를 더 많이 배출한다.
이 유형의 엔진은 배기 포트를 사용할수도 있는 대향 피스톤 기관을 제외하고는 흡입 또는 배기 용도로 밸브를 사용한다. 송풍기는 일반적으로 루츠형이지만 다른 유형도 사용되었다. 이 설계는 CI 엔진에서 일반적으로 사용되며 때때로 SI 엔진에서 사용되었다.
송풍기를 사용하는 CI 엔진은 일반적으로 "유니플로 소기"를 사용한다. 이 설계에서 실린더 벽은 하사점에 있을때 피스톤 크라운이 도달하는 위치 바로 위의 원주를 따라 균등하게 배치된 여러 흡기 포트를 포함한다. 배기 밸브 또는 4행정 기관과 같은 여러 밸브가 사용된다. 흡기 매니폴드의 마지막 부분은 흡기 포트에 공기를 공급하는 슬리브이다.
대부분의 트럭 및 자동차 디젤 엔진은 4행정 사이클을 연상시키는 사이클을 사용하지만 별도의 점화 시스템이 필요하지 않고 압축 가열 점화 시스템을 사용한다. 디젤 사이클에서는 디젤 연료가 실린더에 직접 분사되어 피스톤이 움직이면서 일정한 압력에서 연소가 발생한다.
오토사이클은 대부분의 자동차 내연 기관용 가솔린을 연료로 사용하는 전형적인 사이클이다. 오토 사이클은 4행정 기관에 대해 설명한 것과 정확히 같다. 그것은 동일한 주요 단계로 구성된다.제트 엔진은 다수의 팬 블레이드 열을 사용하여 공기를 압축한 후에 연소기로 들어가서 연료와 혼합 (일반적으로 JP 연료)한 후에 점화한다. 연료를 태우면 공기의 온도가 올라가고 연료가 엔진 밖으로 배출되어 추력이 발생한다. 현대식 터보팬 엔진은 48%의 높은 효율로 작동할수 있다.
팬 제트 엔진에는 6개의 섹션이 있다.가스 터빈은 공기를 압축하여 터빈을 돌리기 위해 사용한다. 그것은 본질적으로 출력을 샤프트로 보내는 제트 엔진이다. 터빈에는 3가지 과정이 있다.
1) 공기는 압축기를 통해 흡입되며, 압축되면서 온도가 올라간다.
2) 연료가 연소기에 첨가된다.
3) 뜨거운 공기는 압축기에 연결된 샤프트를 회전시키는 터빈 블레이드 통해 배출된다.
가스 터빈은 원칙적으로 증기 터빈과 유사한 회전 기계이며 3개의 주요 구성 요소로 이루어져 있다. 이것은 압축기, 연소실 및 터빈을 포함한다. 공기는 압축기에서 압축된후 연료를 태우면서 가열된다. 가열된 공기 및 연소 생성물은 터빈 내부에서 팽창하여 작업 결과물을 생성한다. 작업량의 약 3분의 2가 압축기를 구동한다. 나머지 (약 3분의 1)는 유용한 작업 출력으로서 이용할수 있다.
가스 터빈은 가장 효율적인 내연 기관이다. 제너럴 일렉트릭 사의 7HA 및 9HA 복합 사이클 발전소의 효율은 61% 이상이다.
가스 터빈은 원칙적으로 증기 터빈과 유사한 회전 기계이다. 이것은 3가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다. 이것은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 공기는 압축기로 압축되며 온도가 올라간다. 압축된 공기는 공기를 팽창시키는 연소실에서 분사된 연료가 연소되면서 추가로 가열된다. 이 에너지는 기계적인 결합을 통해 압축기에 동력을 공급하는 터빈을 회전시킨다. 뜨거운 가스는 추력을 제공하기 위해 배출된다.
가스 터빈 사이클 기관은 압축, 연소 및 팽창이 엔진의 여러 위치에서 동시에 발생하는 연소 시스템을 사용한다. 특히, 연소는 오토 기관, 일정한 부피보다는 일정한 압력에서 일어난다.
방켈 엔진 (로터리 엔진)에는 피스톤 스크로크가 없다. 그것은 4행정 기관과 동일한 위상의 분리로 작동하며, 위상은 엔진의 개별 위치에서 발생한다. 열역학적인 용어에서 그것은 오토 기관 사이클을 따르므로 "4상" 기관으로 간주될수 있다. 회전자가 편심축에서 3:1로 회전하기 때문에 회전당 3번의 파워 스트로크가 일반적으로 발생하는 것은 사실이지만, 실제로 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.