내연기관 중간고사 대비 총 정리 자료
1. 내연기관에 사용되는 기본용어
▶ 사점 (dead center)
하사점 (BDC) : 피스톤의 위치가 실린더 헤드에서 가장 멀리 떨어져 있을 때 상사점 (TDC) : 피스톤의 위치가 실린더 헤드에서 가장 가까이 있을 때
▶ 행정 (stroke)
피스톤의 하사점과 상사점 사이를 움직인 직선거리
▶ 주기 (cycle)
연속적으로 일어나는 하나의 돌림을 주기라 한다.
2개의 행정이 하나의 돌림을 이룰 때 (2행정기관)이라 한다.
4개의 행정이 하나의 돌림을 이룰 때 (4행정기관)이라 한다.
▶ 내경 (bore)
실린더 라이너의 안 지름을 내경이라 한다.
▶ 간극용적 (clearance volume)
Vc로 나타낸다. 피스톤이 상사점에 있을 때 피스톤 상부의 부피를 말한다.
압축부피 또는 연소실 부피라고도 부른다.
▶ 행적용적 (stroke volume)
Vs로 나타낸다. 한 행정 중 피스톤이 움직인 부피 또는 피스톤이 상사점과 하사점 사이를 운전 중에 배출한 부피이다.
▶ 실린더 용적 (cylinder volume)
피스톤이 하사점에 있을 때의 실린더 내의 전 부피이다.
행적용적에 간극용적을 합하면 실린더용적이 된다.
▶ 톱 클리어런스 (top clearance)
피스톤이 상사점(TDC)에 있을 때 상부 틈의 거리
피스톤의 톱 클리어런스가 크면 압축비가 적요 압축압력이 낮아지므로 열효율이 낮아진다. 반대로 작으면 연소실 부피가 작아지므로 와류가 나빠지고 연료와 공기의 혼합이 나빠져서 불완전연소를 일으키기 쉬우며, 또 피스톤이 실린더 헤드, 흡기밸브, 배기 밸브 등에 닿을 염려가 있다.
▶ 피스톤 간극(piston clearance)
피스톤은 기관이 작동할 때 열에 의해 팽창을 하기 때문에 상온에서 실린더 사이에 어느 정도 간극을 둔다.
이는 실린더 내경과 피스톤의 최대 외경과의 차이를 표시한다.
▶ 블로우 바이(blow-by)
연소가스가 피스톤과 실린더의 틈새 또는 밸브 등을 통해 누설되는 것.
▶ 오버랩(overlap)
4사이클 기관을 예로 들면, 흡기밸브와 배기밸브가 동시에 열리는 것을 오버랩이라 한다.
2. 내연기관의 특징 (외연기관의 증기터빈과 비교시)
• 내연기관의 장점
- 소형이고 운반이 편리하다.
- 기관의 중량과 체적이 작다.
- 열효율이 높고 연료 소비율이 적다.
- 기관의 시동준비가 간단하다.
• 내연기관의 결점
- 연료에 큰 제한이 있다.
- 기관의 진동과 소음이 크다.
- 자력으로 기동할 수 없으며 저속 운전이 곤란하다.
3. 내연기관 분류
▶ 행정 수에 의한 분류 2가지
- 4행정 사이클 기관 (4 stroke cycle engine) - 2행정 사이클 기관 (2 stroke cycle engine)
▶ 피스톤 왕복동식 내연기관의 분류 l 피스톤 구조에 따라
1) 트렁크 피스톤형 기관(trunk piston type engine) - 피스톤과 커넥팅로드를 직접연결
- 1cycle에 ( 2 )회전
2) 크로스 헤드형 기관(cross-head type engine) - 크로스 헤드가 피스톤 로드와 커넥팅 로드를 연결.
- 1cycle에 ( 1 )회전
4. 피스톤 왕복동식 내연기관의 작동과 구조(디젤기관)
• 4행정기관
• 작동 순서 : 흡입→압축→폭발→배기
→ → →
5. 피스톤 왕복동식 내연기관의 작동과 구조(불꽃 점화기관)
• 4행정기관
• 작동 순서 : 흡입→압축→폭발→배기
→ → →
6. 피스톤 왕복동식 내연기관의 작동과 구조(디젤기관)
• 2행정기관
• 작동 순서 : 흡입→압축→폭발→배기
→ → →
참고) 4행정/2행정 구분법
7. 내연기관의 왕복운동 부분
▶ 피스톤 링( piston ring )
- 압축 링( compression ring )의 역할은 피스톤과 실린더 간의 기밀 유지
- 피스톤에서 받은 열을 실린더 벽으로 방출
▶ 오일 링( oil ring )
- 실린더 벽의 윤활유가 연소실로 들어가는 것을 긁어내림 - 윤활유를 균등하게 분포시킴
▶ 크로스 헤드형에는 오일 링이 없는 대신 stuffing box 가 있다.
*** stuffing box 의 역할은
1) 탄화된 cyl.oil과 scav. air 압력 차단
2) system oil이 위쪽으로 올라가는 것을 막음
▶ 피스톤 핀( piston pin, wrist pin )
- piston과 connecting rod 연결 (트렁크 피스톤) - 고정방법: ( 고정식 / 반고정식 / 부동식 )
▶ 피스톤 스커트( piston skirt )
- 피스톤의 측면압력 을 받는 부분으로 피스톤 GUIDE 역할을 해줌으로써 왕복운동 안정화
- 크로스 헤드의 경우, 측압은 크로스 헤드에서 흡수된다.
- 트렁크 피스톤 형 기관: 피스톤 스커트가 길다 - 크로스 헤드 형 기관: 피스톤 스커트가 짧다
▶ 연접봉(Connecting rod), piston rod, cross-head, cross-head - 크랭크 기구의 측압(측면압력)을 피스톤에 전달되지 않게 함.
- 가이드 슈(guide shoe)는
크로스 헤드에 전해진 측면 압력을 프레임으로 받침.
8. 트렁크 피스톤형과 크로스헤드형 기관의 윤활 공급 방식의 차이
실린더 윤활유 (Cylinder lubricant) 시스템 윤활유 (System lubricant) 1. 마찰응력의 감소
2. 기밀작용 3. Sulphuric acid
->Neutralize acids: 중성화 4. 세정제(detergent) 역할 실린더 라이너 부착물 제거 5. 재활용 불가능
1. 냉각 기능 2. 기밀 작용 3. 완충 작용 4. 방청 작용 5. 정화 작용 6. 재활용 가능
▶ 시스템 윤활유 (System lubricant)
▶ 실린더 윤활유 (Cylinder lubricant) l 실린더 라이너의 부식
실린더 라이너는 부식성 생성물에 의한 화학적 부식 마모가 불가피하게 발생 -> 탄화수소 화합물 연소과정에서 발생한 아황산가스 + 실린더 벽 응결수 = 황산 온도 70도 이하로 되면 부식마모 현저히 증가
9. 내연기관의 회전운동부분
▶ 크랭크 축(영어로: Crank shaft)
- 피스톤의 왕복 운동을 connecting rod를 거쳐서 회전운동으로 바꿔 동력을 프로펠러나 기타 동력 흡수 부분에 전달
- 구조
1) 크랭크 저널(Crank journal): 메인 베어링(main bearing) 연결부 2) 크랭크 핀(Crank pin): 연접봉(connecting rod) 연결부
3) 크랭크 암(Crank arm)
4) 평형추(balancing weight or counterweight) 역할은 피스톤, 콘로드, 크랭크 샤프트의 질량에 의한 불평형적 관성력 및 원심력을 보강
- 캠축(cam shaft)을 구동하기 위한 타이밍 기어(timing gear)와 플라이휠(flywheel) 부착
▶ 크랭크 핀 베어링(Crank pin bearing)
- connecting rod와 crank pin의 직접적인 마찰로 인한 마모 손상 방지
▶ 메인 베어링(Main Bearing)
- crank journal과 지지축인 main bearing의 직접적인 마찰로 인한 마모 손상 방지
▶ 화이트 메탈(White metal)
- 크랭크 핀 베어링, 메인 베어링의 재료로 사용
▶ 크랭크 암의 개폐작용 또는 디플렉션(영어로: deflection) - 크랭크 전후의 암 사이에 거리가 확대되거나 축소되는 작용 - 원인 1) 메인 베어링의 불균일한 마멸 및 조정 불량
2) 스러스트 베어링(영어로: thrust bearing)의 마멸 및 조절 불량 3) 메인 베어링 및 크랭크 핀 베어링 틈새가 클 때
4) 과부하 운전
- 측정법: 양 크랭크 암 안쪽, 크랭크 핀의 반대쪽에 펀치 마크(punch mark)를 이용하여 암 사이 거리를 안지름 마이크로미터나 디플렉션 다이얼 게이지로 측정. 허용한도는 각 제작자에 따라 다름.
▶ 착화 순서(firing order)
1) 회전력을 균일하게 하기 위해 같은 간격으로 폭발시킴 2) 각 실린더 사이의 베어링에 무리한 힘이 가지 않도록 하고, 될 수 있으면 옆 실린더에서 계속 폭발하지 않도록 함 3) 비틀림 진동이 일어나지 않도록 한다.
▶ 위험 회전수(critical revolution)
- 비틀림 진동수와 고유진동수가 일치할 때 공진을 일으켜 진동의 폭이 커져 억제할 수 없는 회전수
- 영향: 위험 회전수로 장시간 운전할 경우 축계가 버티지 못해 금속재질의 피로에 의한 절손 원인
▶ 크랭크 축의 비틀림 진동(torsional vibration)
- 축이 비틀리기도 하고 풀리기도 하며 회전할 때 생기는 진동 - 영향: 재질 피로해져 절손 원인
- 회피법: 크랭크축의 고유진동수를 바꿈/감쇠장치(진동댐퍼, vibration damper) 설치
캠축(Cam-shaft)
- 편심으로 돌출된 여러 개의 캠을 가진 축
- 기관의 폭발 순서에 따라 흡기밸브, 배기밸브, 연소분사밸브, 시동밸브 등 구동 동력은 기어나 체인을 통해 전달 받아 움직임
- 캠이란? : 캠축에 붙어 있는 편심체. 밸브를 직접 작동시킴.
용도에 따라: 연료 캠, 흡기 캠, 배기 캠 등 모양에 따라: 접선 캠, 오목캠, 볼록캠
- 최근에는 연료효율을 위해 캠축 없이 전자제어식으로 대체한 기관(ME engine)들이 제작되고 있음.
플라이 휠(Flywheel)
- 갑작스럽게 부하가 증가 혹은 감소했을 때 변동 제한하고 진동을 흡수.
- 토크가 클 때 에너지 축적했다가 작을 때 방출
- 저속회전을 가능하게 한다. 저속 또는 유속(idle speed)운전 하는 경우 기관의 압축행정 시 피스톤의 상향운동 도움.
- 기관의 시동을 용이하게 함. 시동 시 기관의 속도 증가를 도움.
- 기관의 회전 및 타이밍을 조정. 필요 시 기관을 자유로이 수동 회전 가능.
- 각 밸브의 개폐 및 연료분사시기 등 조정 가능
- 토크를 고르게 함. 4 사이클 기관에서는 작동행정이 1회 뿐이므로 나머지는 축적된 에너지에 의해 회전
- 시동을 위한 터닝 기어(turning gear)취부.
터닝기어는 밸브 조정을 위해 크랭크 축 회전 가능.
10. 내연기관의 고정부분
• 기관의 본체는 대판(bed plate)과 프레임(frame) 또는
크랭크실(crank case or crank chamber), 실린더 블록(cylinder block)로 구성
• 중, 소형 4행정기관에선 주철로 만들어짐
• 대형 2행정기관에선 주강 또는 강판용접으로 만들어짐
• 고속기관에서는 경합금도 사용
• 이들 중 어떤 부분은 일체로 만들어짐
▶ 대판(bed plate)
메인 베어링을(main bearing)을 포함하고 크랭크축과 프레임으로 부터 힘을 받아 모우는 역할을 한다.
▶ 메인 베어링 : 크랭크축을 지지하고 회전 중심을 잡아주는 베어링
▶ 프레임 박스(frame box, column, crank case, crank chamber)
- 대판과 실린더를 연결, 가스압력에 의한 힘을 전달하고 또한 기름이 새지 않도록 크랭크실을 밀폐하는 역할.
- 펌프사이드에는 크랭크 케이스로 출입할 수 있는 도어가 각 실린더마다 설치되어 있다.
▶ 실린더 블록(cylinder block)
- 실린더 라이너(cylinder liner)가 있는 부분. 실린더 내부에는 피스톤이 움직이며 피스톤과 실린더 헤드와 더불어 연소실을 형성.
- 실린더 라이너 종류에는 직접 냉각수에 접촉하지 않는 건식 라이너 (dry liner) - 주위가 직접 냉각수에 의하여 냉각되는 습식 라이너(wet liner)
- 건식 라이너 : 냉각수가 실린더 라이너에 직접 접촉하지 않는 형이다.
물이 샐 염려가 없으나, 냉각수로의 열전달이 나쁘게 된다.
- 습식 라이너 : 실린더 지름이 150mm 이상의 경우에는 대부분 이 구조이다.
냉각효과가 좋으며 정비 시에 재킷 내부의 청소를 완전히 할 수 있다.
- 일체식라이너 : 실린더 지름이 260 mm 이하의 기관에 사용된다.
▶ 실린더 헤드 (cylinder head)
- 실린더 블록 상단에 설치하는 것으로 실린더의 상부를 밀봉하는 것이며, 실린더의 하부는 피스톤이 밀봉, 피스톤이 상사점에 있을 때 실린더 헤드와
피스톤헤드 사이의 공간이 연소실이고, 이 체적을 연소실 체적 혹은 간극체적이라고 함.
- 4행정 기관에서는 흡기밸브, 배기밸브, 연료분사밸브, 안전밸브(safety valve), 지압기 설치 및 에어 블로우 (air blow)용 test cock 등 많은 구멍이 대략 대칭으로 설치되고 그 주위는 냉각수가 순환하고 있기 때문에 구조는 매우 복잡하게 되고 따라서 고도의 주조기술이 필요하다.
- 2행정 디젤기관에서는 실린더 측면의 소기공(scavenging port)에 의하여 실린더 헤드에는 흡기밸브가 없다. 따라서, 흡기밸브를 제외한 배기밸브, 시동밸브,
연료밸브, 안전밸브(safety valve), 지압기 설치 및 에어 블로우(air blow)용 test cock 등이 있다.
- 냉각수는 실린더 라이너 윗부분으로부터 공급되고 실린더 커버 아래 공간을 거쳐 배기밸브를 통과한 다음 밖으로 배출.
11. 작동 유체의 교환
▶ 밸브 작동장치 (기계구동 식 밸브)
- 4행정 기관의 홉*배기 작용은 캠축 치차(timing gear)에 의하여 구동되는 캠 운동을 원동력으로 한 밸브의 개폐에 의하여 이루어진다. 캠 축(cam shaft)의 구동력은 크랭크축으로부터 얻어진다.
- 크랭크 축의 동력이 기어나 체인 등을 통해 캠축에 전달된다.
캠축의 동력은 태핏(tappet)에 전달되며 다시 푸시로드(push rod)와
로커암(rocker arm)을 거쳐 밸브에 전달, 흡기 밸브나 배기밸브가 작동된다.
작동 후 동력의 전달이 끝났을 경우, 밸브 스프링의 힘으로 흡기 밸브나 배기밸브가 원위치로 되돌아온다.
▶ 밸브 작동장치 (기계구동 식 밸브)
- 밸브 구동기구의 윤활장치 : 엔진 블록의 유로에서 공급된 윤활유는 연료 분사 펌프, 태핏 룰러 및 로커암 등의 밸브 기구로 흘러간다. 마지막으로 윤활유는 순환 한 후 오일 받이로 되돌아가서 크랭크 챔버로 흘러내린다.
▶ 밸브 작동장치 (기계구동 식 밸브)
- 태핏 간극 조정(tappet clearance adjustment) : 실린더 헤드 상에 설치된 흡/배기 밸브를 로커암 레버에 의해 구동하는 구조의 경우에는 흡/배기 밸브의 완전한 개폐와 타이밍 조절을 위해서 태핏 간격이 필요하다. 이는 룰러가 캠기원에 접하고 있으면 운전 중에 각부 소재의 열팽창으로 밸브가 닫히지 않게 될 우려가 있기 때문이다. 간극은 장기간 운전(1,000~2,000 시간) 하다 보면 변할 수 있으므로 정기적으로 계측해서 변하였으면 재조정해야한다.
- 간격 조정나사에 의하여 로커 암과 밸브 봉 끝 사이에 필러게이지(feeler
gauge)를 넣어 소요 간격을 갖도록 한다. 간격 조정 후에는 락 너트를 죄여서 운전 중에 풀리지 않도록 조치한다.
▶ 태핏 간격이 없거나 모자란 경우
(1) 밸브시트가 소손하고 자주 래핑 할 필요가 생김 (2) 밸브 가이드가 과열하고 밸브 봉이 고착
(3) 밸브기구에 항상 힘이 걸린 상태가 되기 때문에 밸브 로커암 축 베어링, 캠 및 룰러의 마모가 크게 된다.
(4) 압축공기와 폭발가스가 새기 때문에 연료소비량이 증가하고 시동이 어렵게 됌 (5) 간격이 너무 작을 시 밸브가 열리는 시간은 빠르고 닫히는 시간은 늦다.
▶ 밸브 작동장치 (기계구동 식 밸브) - 필러게이지
▶ 밸브 작동장치 (유압구동식 밸브)
-2행정 기관의 배기 작용은 캠축치차(timing gear)에 의하여 유압에 의한 밸브의 개폐에 행해짐
- 크랭크 축의 동력이 기어나 체인 등을 통해 캠축에 전달
- 캠축의 동력은 유압펌프(hydraulic pump)의 롤러(roller)를 캠으로 눌러 주면서 유압펌프 피스톤이 위로 움직여 유압을 형성
- air spring의 압력보다 높게 압축된 유압은 배기 밸브의 operating pisto을 아래로 눌러 밸브 작동
- 작동 후 동력의 전달이 끝났을 경우 air spring의 힘으로 배기밸브가 원위치로 돌아옴
이름 학번
반 과목
1번 문제 : 각 빈칸에 들어갈 말을 쓰시오.
1번 : (한글) (영어) 2번 : (한글) (영어) 3번 : (한글) (영어) 4번 : (한글) (영어) 5번 : (한글) (영어) 6번 : (한글) (영어)
2번 문제 : 그림과 일치한 것에 동그라미하고 그 기관의 행정 순서를 그리고 설명하시오.
작동 순서
작동 순서
내연기관 모의고사
4번 문제 : 실린더 윤활유와 시스템 윤활유의 역할에 대해 서술하시오. (각 3개씩)
실린더 윤활유 시스템 윤활유
1.
2.
3.
1.
2.
3.
5번 문제 : 메인 베어링과 화이트 베어링의 역할을 서술하시오.
메인 베어링 화이트 베어링
6번 문제 : 빈칸 부분은 내연기관은 회전운동에 해당하는 기계이다. 이 기계의 명칭을 적고, 설치 목적을 3가지 서술하시오.
명칭 :
1.
2.
3.
7번 문제 : 각 위치의 명칭을 서술하고 그 부분의 역할을 1가지 서술하시오.
1. 명칭 : 역할 :
2. 명칭 : 역할 :
3. 명칭 : 역할 :
8번 문제 : 각각은 어떤 라이더 인지 서술하시오
1. 라이너 : 실린더 지름이 260 mm 이하의 기관에 사용된다.
2. 라이너 : 실린더 지름이 150 mm 이상의 경우에는 대부분 이 구조이다.
냉각효과가 좋으며 정비 시에 재킷 내부의 청소를 완전히 할 수 있다.
3. 라이너 : 냉각수가 실린더 라이너에 직접 접촉하지 않는 형이다. 물이 샐 염려가 없으나, 냉각수로의 열전달이 나쁘게 된다.
9번 문제 : 이는 작동 유체의 교환 중 밸브 작동장치 (기계구동 식 밸브)에 해당하는 그림 이다. 각 빈칸에 들어갈 말을 채우고 밸브 작동 순서에 대해 서술하라.
10번 문제 : 이는 작동 유체의 교환 중 밸브 작동장치 (유압구동 식 밸브)에 해당하는 그 림이다. 밸브 작동 순서에 대해 서술하라.
11번 문제 : 태핏 간격이 모자란 경우 어떤 문제점이 발생하는지 서술하라. 또한 오른쪽 그림은 이를 방지할 수 있는 도구이다. 이 도구의 명칭을 서술하라.
1.
2.
3.
명칭 :
