내연기관

(Internal Combustion Engine)

2012년도 1학기(제2주)

기계자동차공학부

박 승 운

◈ 학습목표

o 내연기관의 구조와 작동원리에 대한 이해

◈ 학습성과

o 내연기관의 구조와 작동원리를 설명할 수 있어야 함.

■ 내연기관의 구조

■ 내연기관의 작동 원리

■ 내연기관의 구조

by 내연기관, 문운당, 2010. 6

■ 내연기관의 구조 ▶ 주요 기관부

○ 실린더 블록(cylinder block)

- 기관의 몸체

- 재료 : 주철합금(주철 + Cr, Ni, Cu)

* 내열성, 내마모성, 고온 충격강도 가 클 것 * 열팽창계수가 작을 것

○ 실린더 라이너(cylinder liner)

- 슬리브라고도 함

- 실린더 블록에 십입하여 실린더로 사용 * 마모시 교환

by www.motorera.com/dictionary/cy.htm

by www.tpr.co.jp

○ 크랭크 실(crank case)

- 윤활유 실(lubrication chamber)라고도 함 - 실린더 블록 하단에 윤활유를 저장하는 곳

○ 실린더 헤드(cylinder head)

- 실린더 블록 상단에 설치

by www.motorera.com

by www.todaracingusa.com

■ 내연기관의 구조 ▶ 주요 기관부

○ 피스톤(piston)

- 실린더 내를 왕복하면서 연소 열을 일로 변환

- 재료 : Y 합금(Al, Cu, Ni 합금), Lo-Ex 합금(Al, Cu, Ni, Mg, Fe의 합금)

http://motorsportengineering.blogspot.com

http://forums.pelicanparts.com

○ 피스톤 링과 피스톤 핀 o 피스톤 링(piston ring)

- 연소가스의 누설방지(기밀 작용) - 실린더 벽에 윤활막 형성

- 피스톤 열을 실린더 벽으로 방열작용

- 피스톤 상부에 압축 링 2~3 개, 하부에 오일 링 1~2개 - 재 질

* 내마모성 및 내충격성이 좋을 것.

* 주철합금(주철 + Si, Mn, P 합금)

by www.b2b-piston.com

■ 내연기관의 구조 ▶ 주요 기관부

○ 피스톤 링과 피스톤 핀 o 피스톤 핀(piston pin)

- 커넥팅 로드의 소단부와 피스톤을 연결 - 내충격성이 좋을 것(특히 전단강도가 클 것) - 재 질 : 저탄소강, Ni 강, Ni-Cr

by www.motorera.com

○ 커넥팅 로드(connecting rod)

- 실린더의 왕복운동을 크랭크의 회전운동으로 전달 - 무게가 가볍고 기계적 강도가 클 것

- 재 질 : Ni-Cr, Cr- Mo강

- 단조 공법으로 I 형이나 H 형으로 만듬

※ 컨넥팅 길이 : 소단부 중심과 대단부 중심간의 거리 - 크랭크 반지름의 3~5배

(행정거리의 1.5 ~ 2.5배)

by birene01.en.made-in-china.com

■ 내연기관의 구조 ▶ 주요 기관부

○ 크랭크 축과 플라이 휠

o 크랭크 축(crank shaft)

- 피스턴의 왕복운동을 회전운동으로 전환

- 크랭크저널, 크랭크핀, 크랭크암 및 평형추로 구성 - 재 질 : Ni-Cr, Cr- Mo강, 고탄소강

※ 크랭크 반지름 : 크랭크 암의 길이

- 크랭크저널 중심에서 크랭크핀 중심까지의 거리

by www.gasgoo.com

o 사이클 : 흡입 → 압축 →팽창 → 배기 o 상사점(top dead center, TDC) o 하사점(bottom dead center, BDC) o 행정(stroke), S

o 행정체적(stroke volume), Vs o 간극체적(clearance volume), Vc

o 실린더 체적(cylinder volume), V = Vs+Vc o 총체적(total volume), Vt= Vs * z(실린더 수) o 압축비( compression ratio), ε= V/Vc

■ 내연기관의 작동 원리

▶ 4 사이클 가솔린기관의 작동원리

o 4 사이클 : 흡입 → 압축 →팽창 → 배기

by 내연기관, 문운당, 2010. 6

o 4 사이클 : 흡입 → 압축 →팽창 → 배기

o 흡입 행정(suction stroke) : 0 → 1 과정 - 흡기관 내의 압력

* 실제상황 : 대기압 이하 * 이론적 : 대기압

o 압축 행정(compression stroke) : 1 → 2 과정 - 압축비(혼합가스) ; 6 ~ 9

- 연소실압력 ; 30 ~ 40[kg/cm²] - 연소실 온도 ; 350~400 [℃]

※ 분사기간 연소과정 : 2 → 3 과정

o 팽창 행정(expansion stroke) : 3 → 4 과정

- 연소에 의해 가스가 팽창(열 에너지 → 일로 변환) ※ 배기과정 : 4 → 1 과정 (blow down)

o 배기 행정(exhaust stroke) : 1 → 0 과정 - 실린더 내의 잔류가스를 완전 배출

■ 내연기관의 작동 원리

▶ 2 사이클 가솔린기관의 작동원리

o 2 사이클 : 소기(흡입) → 압축 →팽창(폭발) → 배기

장 점 단 점

4사이클

-연료소비율이 낮고, 열효율이 높음 -시동 용이

-체적효율이 높음

-저속과 고속에서 회전력 원활 -소음이 적음(정숙운전) -유효일량이 많음

-회전력 불균일 -플라이휠이 큼 -구조 복잡

-마력당 중량이 무거움

2사이클

-출력이 2배(실제 1.7~1.8배) -밸브가 없어 구조 간단 -역회전 가능

-회전력 균일

-마력당 중량이 가벼움

-체적효율이 낮음 -소기펌프 필요 -유효일량이 적음 -윤활유 소비량이 많음 -피스톤링의 파손이 많음 -저속과 고속에서 역화 발생

■ 내연기관의 작동 원리

▶ 4 사이클 디젤기관의 작동원리

o 흡입 행정(suction stroke) : 0 → 1 과정 - 흡기관 내의 압력

* 과급기가 있는 경우 : 대기압 이상 * 과급기가 없을 때 : 대기압 이하

o 압축 행정(compression stroke) : 1 → 2 과정 - 압축비 ; 12 ~ 22

- 압축공기압 ; 35 ~ 70[kg/cm²] - 압축공기 온도 ; 500~600 [℃]

※ 분사기간 연소과정 : 2 → 3 과정

o 팽창 행정(expansion stroke) : 3 → 4 과정

- 연소에 의해 가스가 팽창(열 에너지 → 일로 변환) ※ 배기과정 : 4 → 1 과정 (blow down)

o 배기 행정(exhaust stroke) : 1 → 0 과정 - 실린더 내의 잔류가스를 완전 배출

o 소기·압축 행정(scavenging·compression stroke) : 1 → 2 과정 - 압축공기압 ; 30 ~ 70[kg/cm²]

- 압축공기 온도 ; 500~600 [℃]

o 팽창·배기 행정(expansion·exhaust stroke) : 2 → 3→1 과정 - 연소에 의해 가스가 팽창(열 에너지 → 일로 변환)

※ blow bye : 소기할 때 혼합기의 일부가 배기공으로 빠져나가는 현상 - 가솔린 기관에서는 손실로 처리되나

- 디젤기관에서는 손실이 아님.

■ 내연기관의 작동 원리

▶ 가솔린기관과 디젤기관의 비교

장 점 단 점

가솔린 기관

-출력에 비해 소형으로 제작 가능 -회전이 정숙하고 진동이 작음 -고속운전시 성능이 좋음 -시동이 용이함

-중량당 출력이 큼

-연료비가 고가

-연료 취급시 주의 필요 -대형 대출력 곤란

-2사이클에서 단락손실이 심함

디젤 기관

-열효율이 높음 -고장이 적음

-연료의 취급이 쉬움 -저속 회전력이 큼

-배기가스의 유독성이 적음 -대형 대출력이 가능

-마력당 중량이 무거움 -소음과 진동이 심함 -평균유효압력이 낮음 -과부하시 매연이 심함 -정밀가공 필요

-냉시동이 곤란함 -중량당 출력이 작음

※행정 비교

■ 내연기관의 작동 원리

▶ 가솔린기관과 디젤기관의 비교

※전기 및 연료장치 비교

※운전상태 비교

■ 내연기관의 작동 원리

▶ 밸브의 개폐시기(valve timing)

※ valve over lap(밸브 겹침) : 흡기밸브와 배기밸브가 동시에 열려있는 기간.(상사점 전후; 35도) valve lag(밸브 지연) : 흡기밸브가 하사점 후에 닫히거나, 배기밸브가 상사점 후에 닫히는 것.

(흡기밸브 래그 : 50도, 배기밸브 래그 : 15도)

valve lead(밸브 전진) : 배기밸브가 하사점 전에 열리거나, 흡기밸브가 상사점 전에 열리는 것.

(흡기밸브 리드 : 20도, 배기밸브 리드 : 55도)

by jmcars.com.ne.kr

- 실린더 번호는 플라이 휠(fly wheel)에서 가장 멀리 있는 것이 1번임.

※ 1번 실린더는 사이클 진행 중에 첫 번째로 점화됨.

- 폭발간격 : 기관이 1 사이클을 하는 동안의 크랭크축 회전각을 실린더 수(z)로 나눈 값.

※ 4사이클 기관 , 2 사이클 기관

점화순서 : 1-3-4-2

■ 내연기관의 작동 원리 ▶ 점화 순서

※ 4 사이클 6 실린더 기관 - 폭발간격 :

- 점화순서 : 1-5-3-6-2-4

※ 4 사이클 6 실린더 기관 - 폭발간격 :

- 점화순서 : 1-4-2-6-3-5

END

* 열역학 기초사항 복습 * 이상 사이클이란?

* 실제 사이클에 대한 각종 손실