가솔린 기관

작동원리

가솔린 기관은 발생된 단위 힘에 대한 크기 및 무게와 기관을 이루는 각 부품의 배치는 다양하지만 기본적으로는 모두 비슷하다.

가솔린 기관의 중요한 형식은 왕복 피스톤 기관이다. 왕복 피스톤 기관은 한번의 작동 사이클이 2행정이냐, 4행정이냐에 따라서 2가지 종류로 나뉜다.

자동차기관의 기본인 4행정기관의 경우, 처음에 흡입행정에서는 피스톤이 아래로 내려가면서 흡기밸브가 열린다. 피스톤이 아래로 내려가면서 생긴 부분진공으로 새로운 연료(기체상태의 가솔린과 혼합된 공기)가 실린더 안으로 빨려들어간다.

그다음 압축행정에서는 흡기·배기 밸브가 닫히면서 피스톤이 위로 올라간다. 이 행정이 거의 끝나갈 즈음에 전기불꽃으로 연료가 점화된다. 이어서 폭발행정이 일어나는데 이때도 두 밸브는 모두 닫혀 있으며, 연소한 연료가 팽창하여 피스톤 크라운에 가스 압력을 가한다. 배기행정을 끝으로 한 사이클이 이루어지며, 이 행정 동안에는 피스톤이 위로 움직이면서 열려 있는 배기밸브로 연소가스가 나가도록 한다.

이렇게 각 사이클은 4행정(흡입·압축·폭발[팽창]·배기 행정)으로 이루어져 계속 반복한다.

그리고 한 사이클 동안에 크랭크 축은 2바퀴 회전한다.

2행정기관에서는 흡입과 배기 행정없이 4행정기관의 압축과 폭발 행정만 되풀이한다. 즉 2행정기관은 피스톤이 위로 한번, 아래로 한번 움직이면 한 사이클이 끝난다. 한 사이클 동안 크랭크 축은 1바퀴 회전한다. 따라서 기관의 HP당 크기·무게·가격이 줄어들어 2행정 사이클 기관은 오토바이나 소형기계(잔디 깎는 기계 또는 잔디밭의 나뭇잎을 긁어모으는 기계)에 많이 사용된다.

가솔린 기관에서 2번째로 중요한 유형은 회전식 기관(rotary engine)이다.

회전식 기관(rotary engine)

수년에 걸쳐 사용되었던 여러 가지 형태의 기관 가운데 영국인이 설계한 트리다인(Tri-Dyne) 기관은 좋은 점이 있기는 하지만, 독일의 공학자 펠릭스 방켈이 설계한 회전피스톤 기관이 가장 실용적이다.

방켈 기관은 왕복피스톤 기관과는 구조가 다르다. 방켈 기관은 실린더 안에서 위아래로 움직이는 피스톤 대신 등변삼각형 모양의 회전자(rotor)가 있다. 회전자는 밀폐된 곳에서 회전하며, 3개의 돌출부는 케이싱 안쪽 표면에 밀착되어 계속 미끄러진다.

회전자의 모양이 굽어 있어 회전자 옆면과 케이싱의 벽 사이에 3개의 초승달 모양의 틈이 생긴다. 각 틈의 부피는 회전자의 운동에 따라 변하며, 회전자의 옆면이 주직경(主直經)과 나란할 때 가장 크다. 회전자의 옆면에 오목하게 들어간 공간이 연소실의 모양을 조절하고 기관의 압축비를 결정한다. 중심축을 중심으로 돌 때 회전자는 케이싱의 기하학적 중심 근처에서 원궤도를 그린다.

고정식 피니언의 중심을 지나는 출력축을 형성하는 편심축은 회전자의 중심 구멍에 끼워져 있어 회전자를 유도한다.

또한 이 편심축에는 회전자가 붙어 있어 연료-공기 혼합기체가 연소되면서 그 가스 압력이 회전자의 옆면에 작용할 때 회전력을 얻는다. 3：1의 기어비 때문에 출력축이 편심축 둘레를 회전하는 회전자보다 3배 빨리 회전한다. 회전자가 각각 1/4회전을 하면서 팽창과 압축 행정을 완성한다. 따라서 회전자가 1회전 하는 동안에 흡입·압축·팽창·배기 행정을 한다.

방켈 기관은 왕복피스톤 기관보다 더 가볍고 소형이며, 기계의 구조가 간단하므로 제작비도 싸다.

또다른 장점은 주로 왕복부(往復部)에서 발생하는 관성력이 없기 때문에 조용하고 진동이 없으며 작동속도도 더 빠르다는 점이다. 자동차와 제한된 규모의 선박에 방켈 기관이 사용되어왔다.

가솔린 기관의 발전

1862년 프랑스의 공학자 알퐁스 보 드 로샤가 4행정 기관의 원리를 확립했다.

1876년 독일의 공학자 니콜라우스 오토가 보 드 로샤의 원리에 따라 기관을 만들었는데, 이것이 오늘날의 자동차기관의 원형이라고 보통 생각한다. 1878년 D. 클러크가 2행정 기관을 개발했다. 더 간단하고 효율적인 2행정 기관은 1891년에 조지프 데이가 만들었다. 20세기에 들어서야 비로소 회전식 가솔린 기관이 개발되었다.

니콜라우스 오토