내연기관의 작동원리

1. 내연기관의 정의
내연기관이란 “연료의 연소가 기관의 내부에서 이루어져 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기관”으로 정의할 수 있다. 즉, 실린더 내에서 연료와 공기와의 혼합기체가 점화하여 폭발시켜서 피스톤을 움직이는 왕복 운동형 기관을 가리킬 때가 많다.

* 내연기관이란
- 연료의 연소가 기관의 내부에서 이루어져 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기관
- 연료가 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 실린더 내에서 동력을 얻는 기관
- 실린더 내에서 연료와 공기와의 혼합기체에 점화 폭발하여 피스톤을 움직이는 왕복운동형 기관
- 내연기관은 사용하는 연료에 따라 가스기관, 석유기관, 가솔린기관, 디젤기관으로 분류

 

 

2. 내연기관의 장점 및 용어

가. 내연기관의 장점
1) 열효율이 높다.
2) 출력에 비하여 소형이며 중량이 가볍다.
3) 운전취급과 시동 및 정지가 쉽다.
4) 부하변동에 민감하여 순응할 수 있다.
5) 연료 소비율이 낮고 운전비가 저렴하다.

 

나. 내연기관의 용어
1) 행 정 : 상사점과 하사점과의 거리
2) 상사점 : 피스톤이 실린더의 가장 위쪽으로 올라가 있는 위치
3) 하사점 : 피스톤이 실린더의 가장 아래쪽으로 내려간 위치
4) 사이클 : 기관이 어느 한 상태에서 작동을 시작하여 여러 단계를 거쳐 다시 처음 상태로 되돌아오는 과정
5) 배기량 : 피스톤이 1행정을 하였을 때 밀어낸 부피(행정부피)
6) 가솔린기관 : 가솔린과 공기를 적당한 비율로 혼합한 혼합기를 실린더 내에서 압축한 다음, 전기 불꽃에 의해 폭발시켜 크랭크축을 회전 운동시키는 기관

 

3. 내연기관의 작동원리
가. 4행정 사이클 기관
독일의 오토에 의해 고안된 것으로써, 흡입-압축-폭발-배기의 4행정 1사이클 순환을 가지고 있다.
1) 흡입행정 : 피스톤이 아래로 내려가는 있는 동안에 배기밸브는 닫히고 흡기밸브는 열려서 혼합기가 실린더에 흡입되는 행정
2) 압축행정 : 피스톤이 위로 올라가는 동안 흡기 밸브와 배기밸브는 모두 닫히고, 혼합기는 압축되어 혼합기의 온도는 올라간다.
3) 폭발행정 : 점화플러그에서는 전기불꽃이 발생하고, 압축된 혼합기는 점화되어 폭발하는 것을 말하며, 이때 혼합기는 연소되어 고온고압의 연소가스로 변하고, 이 고온고압의 연소가스는 피스톤을 아래로 밀어낸다.
4) 배기행정 : 피스톤이 위로 올라가는 동안에 흡기밸브는 닫혀 있고, 배기밸브는 열려서 연소된 가스는 실린더 밖으로 밀려나간다.

 

4행정 사이클

나. 2행정 사이클 기관
영국의 클러크에 의해 고안된 것으로 클러크 사이클이라고도 하며, 흡입/압축, 폭발/배기의 2행정으로 1사이클을 완성함.
1) 상승행정 : 피스톤이 위로 올라가면서 소기구와 배기구는 닫히고, 피스톤이 더 상승하면 혼합기는 압축함. 아래의 흡기구가 열리면서 새로운 혼합기가 크랭크 실안으로 들어온다.

2) 하강행정 : 피스톤이 최고 높이에 도달하면 점화 플러그에서는 전기불꽃이 발생하여 압축된 혼합기가 폭발되어 피스톤이 아래로 내려와 배기구가 열리면서 연소가스가 배출된다. 피스톤이 조금 아래로 내려오면 소기구가 열리면서 크랭크실에 있던 혼합기가 실린더 안으로 들어온다. 단점으로는 4행정 사이클 기관에 비해 출력이 크므로 연료소비량이 많다.

2행정 사이클

 

 

4. 가솔린엔진과 디젤엔진의 특징
가. 가솔린엔진과 디젤엔진 작동의 차이점
디젤엔진의 경우, 흡입하는 공기를 압축시켜 분사된 연료를 자연 착화시킨다. 디젤엔진의 압축비 20:1 이상으로 실린더에 흡입하는 공기는 압축되면서 높은 압력으로 500’C에 가까운 고열이 되므로 경유의 착화온 도인 300’C를 넘어서기 때문이다.

나. 가솔린엔진과 디젤엔진의 회전수를 올리려면?
가솔린엔진 : 쓰로틀 밸브를 열어 공기의 양을 늘림
디젤엔진 : 가속페달을 밟아 연료 펌프로부터 보내지는 경유의 양을 증가시킴

다. 디젤엔진의 단점
1) 고압에 견디려면 무거운 주철의 블록을 사용
2) 압축비를 높이기 위한 스트로크 양이 길어 고회전이 어려움
3) 가속 페달을 밟아도 곧 회전력이 올라가지 않음.

 

 

 

5. 디젤엔진의 배출가스
가. 디젤엔진의 배출가스 종류
배출가스의 종류에는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물이 있다. 또한, 입자상 물질의 생성도 있다.

나. 디젤엔진의 배출가스 감소대책
1) 엔진 개량에 의한 방법 : 분사시기의 늦춤, 연료분사와 노즐색의 체적, 흡입공기의 냉각, 와류 비율의 감소, 연소실의 개선, 고압연료분사, 파일럿 연료분사, 물 분사, 배기가스 재순환장치, 윤활유 소비량의 감소가 있다.
2) 후처리 장치에 의한 방법 : 질소산화물 촉매, 산화 촉매, 입자상 물질 필터가 있다