내연기관
메카트로닉스공학과
내연기관 총론
내연기관의 발달 과정
1680년: 네덜란드의 화학자 Huyghens가 화약을 이용 하여 동력을 얻는 방법을 발표
1833년 : 영국의 Wright가 가스연료의 연소압력을 이용 한 내연기관을 고안
1860년 : 프랑스의 Lenoir가 혼합기 연소 방법에 의한 가스기관 발명
1862년 : 프랑스의 Rochas가 현재의 4행정 사이클 기 관의 작동이론을 발표
1876년 : 독일의 Otto가 Rochas의 작동이론에 의한 4 행정 사이클 기관 발명내연기관의 발달 과정
1883년 : 독일의 Daimler가 기화기를 이용한 4행정 사 이클 가솔린기관 제작
1885년 : 영국의 Preistman이 분무형 기화기에 의한 등 유기관 발명
1886년 : 영국의 Akroyd가 등유증발기를 연소실내에 설 치한 열구기관 발명
1887년 : 4행정 사이클 가솔린기관을 자동차에 장착하 여 주행하기 시작
1890년 : 독일의 Benz가 전기점화식 고속 가솔린기관 제작내연기관의 발달 과정
1893년: 독일의Diesel이 압축착화 디젤기관을 고안하고 4년 후인 1897년 제작
1903년 : 미국의 Wright가 가솔린기관을 비행기에 탑재 하여 비행에 성공
1909년 : 미국의 Ford사에서 자동차 기관과 함께 자동 차의 대량생산을 시작
1930년 : 스웨덴의 Hesselman이 연료분사전기점화기 관을 제작
1954년 : 독일의 Wankel이 로터리 기관 제작 및 1960년원동기의 정의 및 분류
모든 기계는 동력(power)에 의하여 작동되는데 동력 을 얻기 위해서는 풍력, 수력, 화력, 원자력 등 자연계 에 존재하는 여러 가지 형태의 에너지를 사용하기 편 리한 기계적 에너지로 변환시켜야
기계적 에너지(mechanical energy)란?
회전운동이나 직선 왕복운동의 형태로 사용자가 적절 하게 통제(control)할 수 있는 에너지를 말함
원동기(prime power)?
이와 같이 자연계에 존재하는 여러 가지 형태의 에너 지를 기계적 에너지로 변환시키는 장치
에너지원에 의한 분류
① 1차 에너지원 원동기 ⇨ 태양열 원동기
② 2차 에너지원 원동기 ⇨ 열 원동기, 수력 원동기, 풍 력 원동기
③ 3차 에너지원 원동기 ⇨ 원자력 원동기
에너지 형태에 의한 분류① 수력 원동기 ⇨ 수력기관(수차)
② 풍력 원동기 ⇨ 풍력기관(풍차)
③ 열 원동기 ⇨ 열기관
④ 원자력 원동기 ⇨ 원자력기관
열기관의 정의 및 분류
작업유체의 종류에 의한 분류
① 가스 사이클 기관(gas cycle engine)
② 증기 사이클 기관(steam cycle engine)
열 방출 방법에 의한 분류
① 개방 사이클 기관(open cycle engine)
② 밀폐 사이클 기관(closed cycle engine)
③ 반 밀폐 사이클 기관(semi-closed cycle engine)
에너지 전환 방법에 의한 분류① 왕복형 기관(reciprocating engine)
② 회전형 기관(revolving engine)
③ 분사추진형 기관(jet propulsion engine)
연료의 연소 방법에 의한 분류
① 내연 기관(internal combustion engine)
② 외연 기관(external combustion engine)
내연기관(internal combustion engine)
기관 내부인 실린더에 연소실은 설치하고 여기에서 연 료를 연소시켜 발생한 연소가스를 직접 작업유체로 사 용하는 기관으로서 연소가스의 높은 열과 압력으로 피 스톤을 작동시켜 동력을 얻는 기관
이와 같은 방식은 가솔린기관, 디젤기관, 가스터빈등과 같은 기관에 적용되고 있으며 작업유체인 연소가스는 한번 사용한 후에는 대기 중에 버리고 새로운 사이클이 시작되면 새로운 동작유체가 들어와 동력 발생
외연기관(external combustion engine)
기관 외부에 별도로 설치된 연소장치에 연료를 공급하 여 연소시키고 여기서 발생한 연소가스를 직접 작업유 체로 사용하지 않고 이 연소가스가 기관 내에 있는 제 3의 물질인 물을 가열
이때 발생하는 고온 고압의 물질인 증기를 작업유체로 사용하여 동력을 얻는 기관
증기기관과 증기터빈이 이와 같은 방식으로 동력을 발 생하는 기관이며, 증기를 작업유체로 사용하기 때문에 증기원동소라고 함
내연기관과 외연기관의 개념도
내연기관의 특징
재료(材料)의 선정(選定)
내연기관을 넓은 의미로 분류① 왕복형 기관 ⇨ 피스톤 기관
② 회전형 기관 ⇨ 가스 터빈, 로터리 기관
③ 분사추진형 기관 ⇨ 제트 기관, 로켓기관
연료의 연소과정에 의한 분류
① 정적 사이클 기관(constant volume cycle engine)
② 정압 사이클 기관(constant pressure cycle engine)
③ 복합 사이클 기관(combined cycle engine)
사용연료에 의한 분류① 가솔린기관(gasoline engine)
② 가스기관(gas engine)
③ 등유기관(kerosene engine)
④ 디젤경유기관(Diesel light oil engine)
⑤ 디젤중유기관(Diesel heavy oil engine)
⑥ 다종연료기관(multi-fuel engine)
⑦ 특수연료기관(special-fuel engine)
점화방법에 의한 분류
① 스파크점화기관(spark ignition engine)
② 압축점화기관(compression ignition engine)
③ 소구점화기관(hot bulb ignition engine)
④ 연료분사스파크점화기관(fuel injection spark ignition engine)
냉각방법에 의한 분류① 공기냉각식 기관(air cooling system engine)
② 수냉각식 기관(water cooling system engine)
③ 증발냉각식 기관(evaporative cooling system engine)
④ 특 수 액 체 냉 각 식 기 관 (special liquid cooling system engine)
작동 사이클에 의한 분류
① 4행정 사이클 기관(four stroke cycle engine)
② 2행정 사이클 기관(two stroke cycle engine)
급기 공급방법에 의한 분류
① 흡입기관(aspirated engine)
② 과급기관(supercharged engine)
연소가스의 작용에 의한 분류
① 단동식 기관(single acting engine)
② 복동식 기관(double acting engine)
③ 대향피스톤 기관(opposed piston engine)
④ U형 기관(U piston engine)
⑤ 관형피스톤 기관(tandem piston engine)
연소실 형태에 의한 분류① L형 기관(L head engine, side valve engine)
② I형 기관(I head engine, overhead valve engine)
③ F형 기관(F head engine)
④ T형 기관(T head engine)
기관 속도에 의한 분류
① 저속 기관(low speed engine)
② 중속 기관(medium speed engine)
기관 출력에 의한 분류① 소형 기관
② 중형 기관
③ 대형 기관
응력과 변형율
실린더 수에 의한 분류
① 단기통 기관(single cylinder engine)
② 다기통 기관(multi cylinder engine)
기관 용도에 의한 분류① 차량용 기관
② 선박용 기관
③ 항공용 기관
④ 농공용 기관
실린더 방향에 의한 분류
① 수직형 기관(vertical engine)
② 수평형 기관(horizontal engine)
③ 도립형 기관(inverted engine)
내연기관의 구조
(1) 기관 주요부
① 실린더 블록
② 실린더헤드
③ 피스톤
④ 커넥팅로드
⑤ 크랭크축과 크랭크 실 (2) 부속 장치
① 흡기 및 배기 장치
② 연료공급 장치
③ 점화 장치
④ 윤활 장치
⑤ 냉각 장치 (3) 보조 장치
① 시동 장치
② 발전 장치
③ 조종 장치
④ 각종 지시기
실린더 블록(cylinder block)
피스톤이 왕복 운동하는 실린더와 각종 부속장치가 설치 될 수 있도록 만들어진 기관의 본체
기관에서 모든 부속장치와 보조 장치를 제거하고 중심부 에 남아 있는 부분
소형기관의 경우에는 실린더와 워터재킷을 동시에 주물 로 제작하여 실린더 내면을 정밀가공
그리고 실린더 밑면은 크랭크 실을 조립할 수 있게 만듦 대형인 경우에는 실린더 블록에 실린더가 들어갈 수 있 는 구멍을 만들고 실린더 라이너라는 별도의 실린더를 만들어 그곳에 삽입
실린더 블록에는 실린더 외에 수냉식인 경우에는 워터재 킷을 설치하고, 공랭식인 경우에는 실린더 주위에 냉각 핀을 실린더와 함께 주물로 제작
실린더 라이너(cylinder liner)
피스톤이 왕복 운동하는 실린더를 말하며, 소형기관의 경 우에는 실린더 블록에 직접 실린더를 가공하여 사용하므 로 실린더 라이너가 필요 없음
실린더 블록을 가공하여 실린더로 사용하는 경우 피스톤 에 연결된 커넥팅로드의 요동운동으로 측압이 발생
크랭크 실(crank case)
실 린 더 블 록 하 단 에 설 치 된 것 으 로 윤 활 유 실 (lubrication chamber)이라고도 하며, 크랭크축과 기관에 필요한 윤활유가 있는 곳
윤활유가 적정 수준 있어야 하므로 윤활유의 양을 점검하기 위 한 윤활유 게이지(gauge)가 있음
윤활유 게이지에는 윤활유량이 상한계, 하한계로 표시되어 있 어 윤활유량이 그 사이에 있으면 적정량
윤활유량이 규정 이상으로 너무 많으면 크랭크축이 회전할 때 점성 액체의 저항으로 기관출력이 저하하고, 규정 이하의 양이 있으면 기관의 윤활이 잘 되지 않아 윤활부가 융착
크랭크 실에 설치된 크랭크축은 캠축과 배전기축을 구동할 수 있는 타이밍기어(timing gear)와 크랭크축을 지지하는저널베어 링(journal bearing)이 설치되어 있음
실린더 헤드(cylinder head)
실린더 블록 상단에 설치하는 것으로 실린더의 상부를 밀봉하는 것이며, 실린더의 하부는 피스톤이 밀봉
피스톤이 상사점에 있을 때 실린더헤드와 피스톤헤드 사 이의 공간이 연소실이고, 이 체적을 연소실 체적 혹은 간 극 체적이라고 함
그러므로 피스톤이 혼합기를 압축할 때 기밀 유지가 되 어야 하므로 실린더 블록에 부착할 때는 개스킷을 삽입 하고 부착
연소실 모양이 I형인 경우에는 실린더헤드에 흡기밸브와 배기밸브 및 점화플러그가 부착되고, 이것을 구동하기 위한 여러 가지 장치도 부착됨
또한 흡기 다기관과 배기 다기관이 이곳에 부착되므로 실린더헤드가 매우 복잡
피스톤(piston)
실린더 내를 왕복운동하면서 연소가스의 열을 일로 바꾸 는 역할을 하며, 또 실린더헤드와 피스톤헤드 사이에서 연소실을 형성
실린더 내에서 왕복운동하고 고온의 연소가스와 접촉하 므로 그 재료는 가볍고 견고해야
그러므로 피스톤 재료는 알루미늄 합금인 Y합금(Al Cu Ni 의 합금)이나 로엑스(Lo-Ex합금, Al Cu Ni Si Mg Fe의 합 금)를 사용
이 합금의 특성은 비중량이 작고 내마모성이 크며 열팽창 계수가 작다
또한 열전달이 양호하여 피스톤의 열을 실린더 벽에 있는 냉각수에 빨리 전달
피스톤헤드는 연소가스와 접촉하여 부식되기 쉽고, 실린 더 내에 들어오는 혼합기를 유동시켜야 하므로 여러 가지 형태로 만들어짐
피스톤 링(piston ring)
고온고압의 연소가스가 연소실에서 크랭크실로 누설되 는 것을 방지하는 기밀작용과 실린더 벽에 윤활유 막(oil film)을 형성하는 작용 및 피스톤의 열을 실린더 벽으로 방열시키는 작용을 함
피스톤 상부에압축 링2~3개와 그 밑에 오일 링1~2개가 있음
피스톤링은 실린더 내를 왕복하므로 그 재질의 특성은 실린더 벽을 마모시키지 않고 고온에서 탄성이 유지되 어야
피스톤 핀(piston pin)
커넥팅로드의 소단부와 피스톤을 연결하는 것으로 압축과 팽창행정에 충분히 견디어야
일반적으로 저탄소강, 니켈 강(Ni강), 니켈 크롬 강(Ni-Cr강)이 사용되며, 피스 톤 핀을 피스톤에 고정하는 방법에 따라 고정식(stationary type), 요동식 (semi-floating type), 부동식(floating type)으로 나눔
• 고정식(stationary type)
피스톤 핀을 피스톤의 보스에 볼트(bolt)로 고정하고 피스톤 핀과 커넥팅 로드 의 소단부 사이에 구리합금의 부싱(bushing)을 넣어 커넥팅 로드의 소단부가 피스톤핀 외부에서 움직이게 한 것
피스톤 핀이 피스톤의 보스에 고정 되었다고 하여 고정식
• 요동식(semi-floating type)
커넥팅 로드의 소단부와 피스톤 핀을 고정하고 피스톤 핀이 피스톤의 보스 사 이에서 움직이게 한 것
커넥팅 로드가 움직이면 피스톤 핀도 그만 큼 피스톤의 보스에서 움직임 이 경 우 피스톤과 커넥팅 로드를 분해하면 커넥팅 로드 소단부에 피스톤 핀이 고정
• 부동식(floating type)
커넥팅 로드(connecting rod)
팽창행정 때 피스톤이 받은 압력을 크랭크축에 전달하고, 다른 행정 때는 역으로 크랭크축의 운동을 피스톤에 전 달하는 역할
커넥팅로드의 운동은 요동운동이므로 무게가 가볍고 기 계적 강도가 커야
재료로는 니켈 크롬강이나 크롬 몰리브덴강을 사용하고, 단조가공으로 I형이나 H형으로 만듬
크랭크축(crank shaft)
피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸는 장치이며 동 력이 발생하는 곳
연소가스의 압력이 피스톤에 작용하여 피스톤이 왕복운 동을 하고, 이 왕복운동이 피스톤 핀과 커넥팅 로드에 전 달되어 크랭크축에서 회전운동으로 바뀜
크랭크축은 크랭크축을 지지하고 베어링을 설치하는 크 랭크 저널(crank journal)과 커넥팅로드의 대단부가 조립 되는 크랭크핀(crank pin) 및 크랭크암(crank arm)으로 구성
크랭크암의 길이를 크랭크 반지름이라 하고 행정의 1/2 이 밖에 크랭크축에는 사점(dead point)를 없애서 회전을
내연기관의 기본용어
• 상사점(TDC) : 피스톤이 실린더의 최고점에 있는 위치, 즉 실린더헤드와 가장 가까이 있는 위치
• 하사점(BDC) : 피스톤이 실린더의 최하위점에 있는 위 치, 즉 실린더헤드와 가장 멀리 있는 위치
• 행정 : 상사점에서 하사점의 거리 혹은 하사점에서 상 사점까지 거리
• 간극체적 : 피스톤이 상사점에 있을 때, 피스톤과 실린 더헤드 사이의 체적, [m3]
• 행정체적 : 실린더 단면적에 행정을 곱한 것, [m3]
• 총체적 혹은 배기량 : 행정체적에 실린더 수를 곱한 것,
