내연기관
메카트로닉스공학과
공학박사/교수 윤 천 한
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가솔린기관
가솔린기관의 연료 계통
연료계통(fuel system)
연료가 연료탱크에서 출발하여 연료여과기를 거쳐 실 린더까지 들어가는 연료 통로를 말한다. 연료계통은 가솔린기관과 디젤기관이 다른데, 디젤기관은 후술하 며 여기서는 가솔린기관의 연료계통에 관하여 설명한 다.
가솔린기관의 연료계통에는 연료탱크, 연료여과기, 연 료펌프, 기화기, 흡기 다기관, 흡기밸브, 실린더, 배기
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(1) 연료 탱크
연료탱크(fuel tank)는 기관이 필요로 하는 연료를 주유 하는 곳으로, 그 크기는 기관이 1일에 필요로 하는 연료 의 양을 기준으로 하여 설계한다.
연료탱크의 재료는 강판을 성형하여 상하 2개의 판을 용접하여 만들고, 내부는 아연을 도금한다. 또 연료의 출렁임을 방지하기 위하여 내부에는 격판을 2~3개 설 치한다. 연료탱크의 가장 밑부분에는 배출구(drain cock)를 설치하여 연료탱크 청소 시, 침전물을 제거시 킬 때 사용한다. 연료탱크에서 발생하는 연료증기를 제 거하기 위하여 상부에는 증발연료관을 설치하고, 증발 연료관과 공기청정기 사이에는 호스를 연결하여 연료증 기를 기화기 쪽으로 보낸다
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(2) 연료 여과기
연료 여과기(fuel filter)는 일명 스트레이너(fuel strainer) 라고 하며 연료 속에 있는 부유물과 물 등 불순물을 제 거하는 장치이다. 연료여과기 내부는 종이여과기나 금 속망이 설치되어 있어서 부유물이 제거된다
(3) 연료 펌프
연료 펌프(fuel pump)는 연료를 연료탱크에서 기화기 의 플로트실(float chamber)까지 송유하는 것으로 펌 프식과 중력주유식이 있다
연료펌프의 중요한 역할은 플로트실 내의 연료의 양을 일정하게 유지시켜 주는 것이다
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(4) 공기청정기
공기청정기(air cleaner)는 연료계통은 아니나 내연기관 에서는 중요하므로 언급한다.
공기청정기는 기관에 흡입되는 공기 중에 먼지나 티끌 등을 제거하는 기구이다.
기관에 흡입되는 공기 중에 먼지나 티끌을 제거하지 않 으면 이것이 실린더 내에 흡입되어 실린더와 피스톤링의 사이에 쌓이게 되고, 피스톤이 왕복 운동할 때 기관을 마 모시킨다.
또 이 불순물이 윤활유실로 흘러 들어가 윤활유를 오염 시키므로 베어링 및 기타윤활부분을 마모시킨다.
흡입공기가 깨끗한 곳에서 운전되는 정치용 기관을 제외 하고는 거의 공기청정기를 설치해야 한다.
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(5) 흡 배기장치
흡 배기장치에는 흡기밸브, 배기밸브, 흡기다기관, 배기다 기관, 배기관, 소음기, 배기가스 정화장치 등이 있다.
흡 배기밸브와 배기가스 정화장치는 후술하기로 하고, 여 기서는 흡기다기관, 배기다기관, 소음기에 관하여 설명한 다.
가솔린기관의 연료 공급 장치로는 기화기(carburettor)와 전자제어 연료분사장치(electronic gasoline injection system)가 있다.
현재는 대부분 전자제어 연료분사장치를 사용하지만 기 화기도 가솔린기관에서 중요한 장치이므로 간단히 설명 한다.
가솔린기관의 연료 공급 장치
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(1) 기화기
1) 기화기의 역할
기화기(carburettor)는 연료펌프에서 보내온 연료와 흡 기관에서 들어온 공기를 혼합하여 혼합기를 만들고, 이 혼합기의 양을 가감시켜 기관의 출력을 가감하는 기구 이다.
가솔린기관에서는 기관의 운전 조건에 따라 요구하는 혼합비가 다르므로 거기에 적응하여 정확한 혼합비가 조성되어야 한다.
기관이 요구하는 혼합비가 가연 한계를 넘으면 실화를 일으킨다.
실화(miss fire)란 스파크 플러그에서 점화를 했는데도 실린더 내의 혼합기가 점화되지 않는 것을 말한다.
기화기의 구비 조건
• 정확한 혼합비가 조성될 것
• 연료의 무화가 잘 될 것
• 기관 출력에 민감하게 순응할 것
• 기화기 내부에 유동 저항이 작을 것
• 공기와 연료가 잘 혼합될 것
• 제작 및 조정이 쉬울 것
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2) 기관이 요구하는 혼합비
혼합비(mixture ratio)는 공기연료비(air fuel ratio)라고 도 하며, 흡입공기량과 연료량의 비를 말한다.
즉, 혼합비 M Ge/Gf이다. 이 혼합비가 기관성능에 크 게 영향을 미치며, 기관의 출력에 따라 다르다.
중요한 혼합비를 요약하면 다음과 같다.
• 가연 혼합비는 6 22이다.
혼합비가 6 이하인 경우에는 실린더 내의 연료의 양이 너무 많으므로 스파크 플러그에서 점화시켜도 연료가 점화되지 않는다
• 시동할 때 혼합비는 1 5이다.
시동할 때는 피스톤의 속도가 낮으므로 흡기관의 부압 (대기압보다 낮은 압력)이 낮게 되어 연료의 일부만 기 화된다
• 저속 운전 시 혼합비는 7 8이다.
기관 실험에 의하면 농후한 혼합비를 요구하므로 연료 의 일부는 기화기의 주 노즐에서 유출되고, 나머지의 일 부는 저속 포트에서 유출되어 농후한 혼합비가 조성된 다
• 최대출력 발생 혼합비는12.8이다.
혼합비12.8을 공기 과잉율로 환산하면 0.89이다.
기관실험에 의하면 혼합비 12.8에서 최대회전력이 발생 한다. 이 혼합비도 이론 혼합비보다 농후하므로 연료는 불완전 연소되면서 기관은 최대출력이 발생한다
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• 이론 혼합비는 어떤 연료를 완전 연소시키는 데 필 요한 이론 공기량과 연료량의 비를 말한다.
연료에 따라 다르나 이소옥탄(iso_octane; C8H18)의 이론 혼합비 14.8≒15를 기준으로 한다.
• 경제 운전할 때 혼합비는 16 18이다.
경제 운전이란 연료소비율이 가장 낮을 때 운전하는 것 을 말한다. [그림 5-8]에서 연료소비율이 가장 낮은 곳 은 16~18 사이이다.
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혼합비가 너무 농후할 때
• 출력이 떨어진다.
• 연료소비량이 많다.
• 매연이 발생하고 가솔린 냄새가 난다.
• 기관이 과열된다(후기 연소되므로).
• 플러그의 돌출부에 탄소퇴적물이 쌓인다.
• 고속 회전이 불가능하다.
• 윤활유를 희석시킨다.
(액체 상태로 윤활유실로 흘러가므로)
혼합비가 너무 희박할 때
• 출력이 떨어진다.
• 가속 시 역화가 발생한다(연소속도가 느리므로).
• 기관이 과열된다.
• 기관 시동이 곤란하다.
• 고속 회전 시 실화된다.
• 저속 회전이 어렵다.
• 배기가스의 색이 담황색이다.
