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연료의 연소에 의해 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 장치를 기관이라고 합니다. 왕복운동형 기관은 피스톤의 직선운동이 크랭크축의 회전운동으로 변환될 때 피스톤은 크랭크축이 1 회전할 때마다 일정한 거리를 1번 왕복합니다. 피스톤의 상사점과 하사점 사이의 거리를 행정이라 합니다. 피스톤이 맨 위에 올라갔을 때의 점을 상사점, 맨 아래에 있을 때는 하사점이라 합니다.
기관은 내연기관과 외연기관이 있습니다. 내연기관은 연료를 실린더 내에서 연소, 폭발시켜서 그 동력을 얻는 형식입니다. 내연기관은 피스톤 및 실린더 체적 내에서 작동가스의 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 왕복운동형 기관과 가스터빈과 같이 높은 온도 높은 압력의 작동가스를 팽창시켜 터빈을 회전시키는 회전운동형 기관으로 분류합니다.
외연기관은 실린더 바깥쪽에 설치된 연소장치에서 연료를 연소시켜 얻은 열에너지를 실린더 내부로 도입하여 피스톤에 압력을 가하여 기계적 에너지를 얻는 형식입니다.
내연기관의 분류
1. 작동방식에 의한 분류
피스톤형이 있습니다. 작동유체의 폭발 압력을 피스톤의 직선 왕복운동으로 받아서 크랭크축에 회전력을 발생시키는 형식이며 가솔린 기관과 디젤 기관, LPG 기관 등이 있습니다. 다음은 회전운동형입니다. 이는 작동유체의 폭발압력을 impeller로 받아서 축으로 전달하는 형식입니다. 가스터빈과 로터리 기관이 있습니다. 마지막은 분사추진형입니다. 작동유체의 폭발압력을 일정한 방향으로 기관 외부로 분출시켜 그 반동력을 동력으로 하는 형식으로 제트기관과 로켓기관이 있습니다.
2. 사용연료에 의한 분류
가솔린을 연료로 사용하고 높은 압력의 전기 불꽃으로 연소실 내의 압축된 혼합가스에 점화하여 동력을 얻는 가솔린 기관이 있습니다. 디젤기관은 경유를 연료로 하고 순수한 공기를 흡입하여 높은 압력으로 압축시켜 압축열에 의해 자기착화시켜 동력을 얻는 기관입니다. LPG는 가솔린을 정제할 때 부산물로 얻어지는 가스입니다. 가솔린 기관과 본체의 구조는 비슷하지만 연료공급 계통에 차이가 있습니다.
3. 점화방식에 의한 분류
압축된 혼합가스에 점화플러그에서 높은 압력의 전기 불꽃을 방전시켜 점화 연소시키는 방식이 전기점화 기관입니다. 가솔린 기관과 LPG 기관에서 사용하고 있습니다.
압축착화 기관은 공기만을 흡입하고 피스톤으로 높은 온도와 높은 압력으로 압축한 후 고압 연료펌프에서 보내준 높은 압력의 연료를 인젝터에서 미세한 안개 모양으로 분사시켜 자기착화시키는 방식입니다. 디젤기관에서 사용하고 있습니다.
4. 열역학적 사이클에 의한 분류
오토 사이클이 있습니다. 일정한 체적 아래에서 연소가 일어나는 가솔린 기관의 이론 사이클로 2개의 단열과정과 2개의 정적과정으로 이루어져 있습니다. 디젤 사이클은 일정한 압력 아래에서 연소가 일어나는 저속, 중속 디젤기관의 이론 사이클입니다. 2개의 단열과정과 1개의 정압과정, 1개의 정적과정으로 이루어져 있습니다.
마지막으로 사바테 사이클이 있습니다. 고속 디젤 기관의 기본 사이클입니다. 열 공급이 정적 및 정압의 두 부분에서 이루어지므로 정적 정압 사이클 혹은 복합 사이클이라고 부르고 있습니다.
4 행정 사이클 기관의 작동
4 행정 사이클 기관은 크랭크축이 2회전 하고 피스톤은 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4 행정을 하여 1사이클을 완성합니다. 이는 흡입행정과 압축행정, 폭발행정, 배기행정으로 구분할 수 있습니다.
1. 흡입행정
흡입행정은 사이클의 맨 처음 행정으로 흡입밸브는 열리고 배기밸브는 닫혀 있으며 피스톤은 상사점에서 하사점으로 내려갑니다. 흡입밸브는 상사점 전에서 열리고 하사점 후에 닫힙니다. 실린더 내의 부압에 의해 가솔린 기관은 혼합가스를 디젤기관은 공기가 피스톤이 내려감에 따라 유입되며 이때 크랭크축은 180도 회전합니다.
2. 압축행정
압축행정은 피스톤이 하사점에서 상사점으로 올라가며 흡입밸브와 배기밸브는 모두 닫혀 있습니다. 이에 따라 가솔린 기관은 혼합가스를 디젤기관은 공기를 압축합니다. 크랭크축은 360도 회전합니다. 압축을 하는 목적은 혼합 가스나 공기의 온도를 상승시켜 연소를 쉽게 하고 폭발압력을 증대시키기 위함입니다. 디젤기관의 압축비가 높은 이유는 압축착화 방식이기 때문입니다. 기관의 회전속도가 빨라질수록 압축압력은 상승합니다.
3. 폭발행정
가솔린 기관은 압축된 혼합가스에 점화플러그에서 전기불꽃 방전으로 점화하고 디젤기관은 압축된 공기에 인젝터에서 연료를 분사시켜 자기 착화합니다. 실린더 내의 압력을 상승시켜 피스톤에 내려 미는 힘을 가해 커넥팅로드를 거쳐 크랭크축을 회전시켜 동력을 얻습니다. 피스톤은 상사점에서 하사점으로 내려가고 흡입밸브와 배기밸브는 모두 닫혀 있습니다. 크랭크축은 540도 회전합니다. 그리고 배기행정 초기에 배기밸브가 열려 연소가스 자체압력으로 배출되는 현상을 blow down이라 합니다.
4. 배기행정
배기행정은 배기밸브가 열리면서 폭발행정에서 일을 한 연소가스를 실린더 밖으로 배출시키는 행정입니다. 이때 피스톤은 하사점에서 상사점으로 올라가고 크랭크축은 720도 회전하여 1사이클을 완성합니다. 배기밸브는 하사점 전에서 열리기 시작하여 상사점 후에 닫힙니다.
2 행정 사이클 기관의 작동
2 행정 사이클 기관은 크랭크축 1회전으로 1사이클을 완료하는 형식입니다. 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승함에 따라 먼저 소기구멍을 막고 배기구멍을 막음에 따라 혼합 가스나 공기를 압축합니다. 이때 흡입구멍을 통해 혼합가스나 공기가 크랭크 케이스로 유입됩니다.
피스톤이 상사점에 도달하면 가솔린 기관에서는 점화플러그에서 불꽃 방전으로 점화 연소하며 디젤기관은 분사노즐에서 연료가 분사되어 자기 착화하여 높은 온도와 압력의 폭발을 일으켜 피스톤에 내려 미는 힘을 가합니다. 피스톤이 폭발압력으로 하강하면서 배기구멍을 열어 연소가스를 배출시키고 소기구멍이 열리면서 혼합 가스나 공기가 실린더 내로 들어가며 다시 피스톤이 상승하면서 소기구멍을 닫아 압축 및 폭발행정으로 이어집니다.