내연기관

발달사

기원전부터 열기관을 만들려고 시도했으나, 최초로 성공한 것은 18세기 와트의 증기기관이며, 이것은 그 이전 공학자들의 여러 생각을 실용화한 것이라고 할 수 있다. 내연기관은 증기기관을 개량한 것으로서 한 사람에 의해 발명된 것은 아니다. 실용 가스 기관의 생산과 판매는 1823년에 브라운이 대기압식 가스 기관을 제작·판매함으로써 처음으로 시작되었다.프랑스의 카르노가 처음으로 열역학 분야에서 내연기관을 이론적으로 연구했다.

그는 실물기관으로 실험하지는 않았지만 〈열의 동력에 관한 고찰 Réflections sur la puissance motrice du feu〉(1824)이라는 논문으로 다른 많은 실험 과학자와 공학자들의 생각에 영향을 주었다.

4행정기관은 알퐁스 보 드 로샤에 의해 고안되었으며, 1862년 파리에서 그 이론이 발표되었다. 그는 최적의 효율을 얻기 위해 ① 냉각면적이 최소인 최대의 실린더 부피, ② 최대 팽창속도, ③ 최대 팽창비, ④ 연소 가스(ignited charge)의 최대압력이 필요하며, 동작순서는 ① 피스톤의 하강행정에서 흡기, ② 이어지는 상승행정에서 압축, ③ 상사점(上死點 dead center)에서 흡입가스가 점화되고 다음의 하강행정(동력행정)에서 팽창, ④ 뒤이은 상승행정에서 연소 가스의 배출이 필요하다고 기술했다.

그러나 보 드 로샤의 연구는 너무 추상적이었기 때문에 4행정기관 기본원리의 발명자라는 명성은 그에게 돌아가지 않았고, 보통 오토의 이름이 그 발명자로서 전해지고 있다.

오토-랑겐사는 1867년에 독일에서 자유 피스톤 기관을 생산하기 시작했으며, 1876년에는 오토식 사일런트 기관의 설계에 보 드 로샤의 원리를 응용했다. 이것은 압축행정을 이용한 최초의 4행정기관이었다.

4행정기관

그림1에 4개의 행정이 나타나 있다. 먼저 흡입행정에서는, 흡기 밸브가 열리면서 피스톤이 하강한다. 이 피스톤 하강으로 생긴 부분진공에 의해서 연료-공기 혼합 가스가 실린더 안으로 들어간다. 그리고 흡기·배기 밸브가 닫힌 상태에서 일어나는 압축행정에서는 피스톤이 상승하여 압축행정의 마지막에 달했을 때 전기불꽃에 의해 흡입 가스가 점화된다. 폭발(팽창)행정에서는 흡기·배기 밸브가 닫힌 상태에서 연소 가스의 팽창압력이 가해진 피스톤이 하강하며, 이어지는 배기행정에서는 피스톤 상승으로 열려진 배기 밸브를 통해 연소 가스를 배출한다. 위와 같은 흡입·압축·폭발·배기 행정을 통해 크랭크 축은 2회전한다.

2행정기관

이 기관은 4행정기관보다 일찍 고안되었지만 효율이 낮아 실용화가 늦어졌다. 2행정기관은 구조가 간단할 뿐만 아니라 크랭크 축이 1회전할 때 폭발이 1번 일어나기 때문에(그림2) 4행정기관에 비해 회전능률이 높으며, 오토바이 등 소형에 사용되고 있다.

내연기관에는 디젤 기관, 가스터빈(→ 터빈), 제트기관, 로켓 기관(→ 로켓), 방켈 회전식 기관이 있다. 이들 가운데 회전 피스톤 내연기관인 방켈 기관은 1954년에 독일의 공학자 방켈에 의해 고안된 것으로서, 왕복 피스톤 기관의 구조와는 근본적으로 다르다.

그림 3에 나와 있는 것처럼 방켈 기관은 실린더에서 왕복운동하는 피스톤 대신 등변3각형의 회전자를 사용한다. 회전 피스톤 기관이 뛰어난 점은 ① 단위 HP당 요구되는 공간이 적고 중량이 가볍다는 점, ② 회전이 매끄러워서 진동이 작고 조용하게 움직인다는 점, ③ 구조가 간단하다는 점 등이다. 그러나 연료가 많이 소비되기 때문에 잘 사용되지 않는다.

구조와 원리

개요

여기서는 4행정 자동차기관을 예로써 설명한다.

실린더 블록

크랭크 축 주지지대(主支持臺)의 중심선에서 실린더 헤드의 연결부에 걸친 구조부분으로서 기관의 뼈대 역할을 하며, 섀시에 기관을 지지하는 설치대가 있다.

실린더 블록은 적절히 가공된 표면과 실린더 헤드, 주(主)베어링, 오일팬 등을 끼울 수 있는 구멍으로 이루어진 주조물이다. 크랭크케이스는 실린더 내경 아래에 있는 실린더 블록의 일부분과 기관의 밑바닥 및 윤활유통을 이루는 오일팬으로 구성된다. 실린더는 내부가 미끄럽고 빈틈없는 면을 갖도록 구멍을 뚫고 정밀가공한 원형단면의 통로로서, 실린더 블록의 윗부분에 위치한다.

실린더 블록의 길이방향으로 구멍이 뚫린 통로에는 밸브를 작동시키는 캠 축이 들어가며, 크랭크 축으로 캠 축을 구동하기 위한 체인이나 기어들은 실린더 블록의 앞면 또는 뒷면 끝부분과 덮개판 사이에 위치한다. 실린더 블록의 뒷부분에는 플라이휠을 둘러싸고 전동장치들을 부착시키는 벨하우징이 있다.

연소실

피스톤이 실린더 헤드에 가장 가까이 접근했을 때 그 사이의 공간을 말한다.

기관의 압축비는 행정길이에 실린더의 단면적을 곱한 배기량을 연소실 부피로 나눈 것으로서, 기관 사이클의 이론적 효율과 관련된 매우 중요한 계수이다.

피스톤

피스톤의 외부면은 실린더 내경에 꼭 맞게 가공되며, 피스톤과 실린더 벽 사이의 틈을 막는 피스톤링을 끼우는 홈이 있다.

커넥팅로드와 크랭크 축

커넥팅로드는 피스톤과 크랭크의 돌출부를 연결하며, 피스톤의 왕복운동을 크랭크 축의 회전운동으로 바꾼다.

크랭크의 돌출부 위치는 실린더의 점화순서에 따라 다르며, 점화순서는 진동이 최소가 되도록 기관의 길이를 따라 동력 펄스를 적절히 분배시키도록 결정한다.

밸브·푸시로드·로커암

밸브가 실린더 헤드에 있는 기관에서는 캠 단면이 발생시키는 운동이 푸시로드를 통해 실린더 위에 설치된 로커암에 전달되며, 로커암은 밸브스템을 움직여 밸브를 여닫는다.

흡기 밸브는 흡입행정에서 피스톤이 내려갈 때, 그리고 배기 밸브는 배기행정에서 피스톤이 올라갈 때 열리며, 밸브의 개폐는 크랭크 축이 사점(死點)에 도달하기 직전과 사점에 도달한 직후에 각각 이루어져야 최적의 성능을 얻을 수 있다.

캠 축

밸브를 여닫는 캠 축은 크랭크 축에서 체인이나 기어 전동장치를 통해 구동된다.

캠 축이 1회전하면 기관의 전체 사이클의 밸브 작동이 완결되고, 이때 크랭크 축이 2회전하므로 캠 축은 크랭크 축의 1/2 속도로 회전한다.

플라이휠

내연기관의 각 실린더에서 점화될 때마다 간헐적으로 가해지는 회전력이 불균일한 회전을 일으키므로, 크랭크 축의 한쪽 끝에는 무거운 원판인 플라이휠을 달아 회전을 일정하게 하며 시동할 때 시동전동기를 돌린다.

베어링

크랭크 축에는 각 크랭크 돌출부와 3개 이상의 주베어링에 대한 베어링 면이 있다.

이 면들은 크랭크 축에 가해지는 왕복력과 크랭크 축 및 플라이휠의 무게에 의해 받는 심한 하중 때문에 이 사이에는 윤활유로 두 표면을 분리시키는 유막(油膜)을 만들어 준다.

점화장치

전기점화장치는 자석발전기식과 축전지-코일식이 있다.

축전지-코일 점화장치의 회로는 축전지·회로개폐기·1차회로·2차회로로 구성되며, 1차회로가 회로개폐기에 의해 단락될 때 2차회로에 높은 전압(2만V 이상)이 유도되어 이 전압은 점화 플러그에 전해진다. 점화 플러그는 2차회로의 전압으로 연료-공기 혼합기체를 점화시키는 불꽃을 일으키며, 불꽃이 잘 일어나도록 점화 플러그의 간극은 일정하게 유지되어야 한다.

기화기

가솔린 기화기에서는 기화기목에서 공기압 강하로 기화기 입구와 흡기분배관 사이에 압력차가 생겨 연료가 노즐을 통해 공기흐름 속으로 분사된다.

연료는 공기와 혼합되어 연소될 수 있는 상태로 흡기다기관을 통해 실린더 속으로 흡입된다.

연료분사

가솔린 분사장치는 분사 펌프로 연료를 실린더에 강제주입시키는 장치로서, 정확한 연료-공기비가 유지되고 연료의 가열이 필요없기 때문에 기화기에 비해 경제성이 좋고 높은 출력을 낸다.

과급기

자동차기관에서 연료공급 과정의 효율은 기관의 정격속도에 대해 약 절반에서 최대 80％ 정도 되고, 속도가 높아지면 감소한다.

따라서 최대속도 이상으로 증가하면 사이클당 공급되는 공기가 급격히 감소하며 출력이 감소하기 때문에, 과급기는 펌프나 송풍기로 실린더에 공급되는 공기압을 높여 이러한 출력 감소를 막는다.

냉각장치

내연기관의 실린더는 기관의 연소에 의한 모든 에너지가 가용일로 바뀌지 못하기 때문에 냉각이 필요하다.

대부분의 자동차는 수냉식으로서, 열은 실린더 주위의 재킷을 지나는 액체(보통 물)로 흡수하여 방열기(radiator)에서 대기 중으로 방열된다.

윤활장치

윤활유는 접촉면 사이에 유막을 형성시켜 마찰을 줄인다.

윤활장치는 오일펌프에 의해 기관 속의 유관과 여과장치를 통해 기관 각 부분의 베어링 면에 윤활유를 공급하며, 연결부에서 윤활유가 새는 것을 막기 위해 안전 밸브를 사용한다.

배기 가스

내연기관의 배기장치에는 배기소음을 줄이기 위해 소음기가 붙어 있으며, 최근에는 연료의 불완전연소로 생기는 대기오염 물질을 제어하는 장치를 덧붙이기도 한다.

배기 가스 속에 포함된 대기오염 물질로는 일산화탄소, 탄화수소, 산화질소, 납화합물, 검은 배기 가스 등이 있다.