기관의 역사

캐딜락 모델 30의 기관

실린더와 피스톤의 고안은 1680년 C.하위헌스와 그의 제자 D.파팽에 의해서 대기압을 이용한 화약기관으로부터 시작하였다. 1712년 T.뉴커먼은 대기압을 이용하는 증기기관을 만들었다. 그 원리는 실린더 속에 증기를 불어넣고 냉각해서 응결시켜 진공을 만들고, 피스톤을 대기압의 힘으로 아래쪽으로 가동시키고, 그 피스톤 작동을 이용해서 양수(揚水) 펌프를 구동하는 것이었다.

뉴커먼의 기관을 수리·개량한 사람이 글래스고대학교 수리공장에서 일하던 J.와트였다. 와트는 콘덴서를 발명하고 실린더 내에서 냉각하는 것을 개량하여 열을 유효하게 사용할 수 있게 하였다. 또한 증기의 압력을 직접 피스톤에 작용시켜 본격적인 증기기관을 만들었다.

그후 와트의 증기기관은 강력한 동력으로서 많은 공장에서 사용되었다. 이 증기기관의 능률을 향상시키려고 많은 노력을 하였으나 그 어느 것도 성공하지 못하였다. 1882년 스웨덴 과학자 C.G.P.de 라발은 원심크림분리기 고속회전용으로 충동형 증기터빈을 만들었다.

이 터빈은 외주(外周)에 다수의 원호형으로 만곡된 날개를 장치한 지름 30cm 임펠러로 구성되어 있다. 측면에 장치한 노즐로부터 날개를 향하여 증기가 분출할 수 있도록 되어 있다. 그후 커티스가 개량하여 커티스터빈으로서 널리 사용되었다. 1884년 영국 C.A.파슨스는 다수의 날개를 장치한 고정기통(固定氣筒)과 회전기통으로 된 반동형 터빈의 특허를 얻었다.

증기는 고정날개와 가동날개 사이를 차례로 통과해서 증기 압력이 내려가고 속도가 증가하여 가동날개가 달려 있는 축이 고속으로 회전한다. 끝으로 증기는 대기 속으로 유출된다. 이 2가지 형의 터빈은 많은 개량을 거쳐 공장·선박 등에 중요한 동력기관으로서 널리 사용되고 있다.

1859년 프랑스 J.J.E.르누아르는 수평형 복동식 증기기관에 증기 대신에 가스와 공기의 혼합기체를 공급하여 전기 불꽃으로 점화 폭발하게 하는 내연기관을 고안하였다. 1862년 프랑스 B.드로샤는 내연식 기관의 작동방식에 대하여 특허를 얻었다. 이것은 오늘날 많은 내연기관에 채택되고 있는 4행정 사이클에 관한 것이었다.

4행정 사이클이란, ① 피스톤의 흡입행정에서 가스를 흡입하고, ② 다음의 압축행정에서 압축하여 점화하며, ③ 그 결과 가스의 폭발과정을 거쳐 다음의 팽창행정을 행하고, ④ 다음의 배기행정에서 연소가스를 배출하는 것과 같은 피스톤의 4행정, 즉 2왕복으로 1사이클을 완료하는 것이다. 1878년 독일 N.A.오토는 수평형 가스기관을 만들어 운전에 성공하였다. 1885년 오토사(社)에서 일하고 있던 G.다임러는 가솔린을 사용하여 엔진을 작동시킬 것을 생각해서 기화기를 고안하였다.

1889년 다임러가 만든 V형 실린더의 가솔린 엔진은 유럽의 자동차에 장착되었다. 또 다임러와 같은 해에 만하임에 있는 K.F.벤츠도 가솔린 엔진을 제작하였다. 1879년 D.클라크에 의해서 2사이클 엔진이 개발되었으며, 그후 내연기관의 두 방식은 현재까지 채택되고 있다.

1892년 R.C.K.디젤은 공기만을 실린더 내에 흡입하여 그것을 피스톤에 의해 고압으로 압축하고 그때의 고온을 이용하여 분사된 연료를 폭발시키는 새로운 형의 엔진을 제작하였다. 점화장치·기화기 등이 필요없는 것으로 오늘날 대형버스·트럭·기동차(汽動車)·선박 등에 널리 사용된다. 1959년 독일 F.방켈은 왕복운동이 없는 신형 엔진을 고안하여 로터리기관을 개발하였다. 당시 로터리엔진은 그동안 모든 엔진은 피스톤이 상하로 움직이는 왕복운동이었지만 회전운동을 하는 독특한 구조의 엔진으로 각광을 받기도 하였다. 로터리엔진은 자동차에 적용되어 배기량이 적은 엔진으로도 효율적인 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 하지만 상용화에 실패하여 활성화되지는 못했으며 현재 일본 마쓰다 자동차에만 일부 사용되고 있다.