왕복기관

왕복기관의 작동원리

왕복기관(reciprocating engine)은 연료의 폭발로 발생한 압력으로 실린더 안의 피스톤을 왕복운동시켜 동력을 얻는 기관을 뜻한다. 이때 피스톤의 왕복운동을 그대로 이용하는 경우도 있으나 일반적으로 피스톤을 통해서 크랭크축의 회전운동으로 전환시켜 이용한다. 따라서 피스톤 기관(piston engine)이라고도 한다.

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분류 및 기준

실린더 수

왕복기관은 실린더 수에 따라 1~8기통이라고 호칭한다. 여기서 실린더가 하나만 있으면 단기통 기관 그리고 실린더가 여러개 있으면 다기통 기관이다. 이때 다기통 기관은 360도 또는 720도를 기통수로 나누었을 때의 몫이 자연수인 경우에만 제작한다. 예를 들면 7기통이나 11기통 기관은 제작하지 않는다.

실린더 배열

모양에 따른 대표적인 왕복엔진의 종류로는 직렬 엔진, 수평대향 엔진, 성형 엔진, H형 엔진, U형 엔진, V형 엔진 등이 있다.

• 직렬 엔진(inline engine) : 가장 기본적인 엔진의 형태로 실린더의 수에 따라 4기통, 6기통, 8기통 등으로 불린다. 효율성 때문에 가장 작은 공간에서 많은 동력이 발생하도록 하여야 한다. 그러나 효율성 측면에서 직렬 엔진은 공간을 많이 차지하며 엔진룸이 납작해지는 단점이 있어서 공기저항이 많이 발생하므로 지금은 많이 사용되지 않는다. 같은 크기의 왕복엔진에 더 많은 실린더를 설치하기 위해 여러 가지 왕복엔진이 개발되었다.
• 수평대향 엔진(flat engine) : 엔진을 설치하는 공간이 납작해지는 단점을 극복하고 좁은 공간에서 더 많은 동력이 발생하도록 개발된 엔진이다. 수평대향은 실린더가 수평(180 °)으로 마주 보고 있다는 뜻으로 오늘날 세스나(Cessna) 172 기종과 같은 개인용 경비행기에 많이 사용되고 있다. 수평대향 엔진은 1896년에 메르세데스-벤츠(Mercedes Benz)를 창업한 칼 벤츠(Karl Benz)가 발명하였다. 수평대향 엔진은 특성상 실린더의 수가 짝수로만 제작이 가능하다.
• 성형 엔진(radial engine) : 회전축을 중심으로 실린더가 방사형으로 기존의 직렬 엔진의 단점을 보완하기 위해 개발되었다. 성형 엔진은 항공기의 앞쪽에 설치하면 프로펠러를 직접 구동하기 편리하고 공간을 적게 차지하는 장점이 있다. 성형 엔진은 스테펜 볼저(Stephen Marius Balzer)라는 사람이 처음 개발하였다. 성형 엔진은 실린더가 외부로 노출되기 때문에 바람으로 엔진을 쉽게 냉각시킬 수 있다. 그리고 하나의 실린더가 고장이 나도 전체적으로 시동이 꺼지는 경우가 드물고, 작전 도중에 피탄이 되더라도 작동하는데 큰 문제점이 없어서 군용기 엔진으로 각광을 받았다.
• H형 엔진(H engine) : 수평대향 엔진을 2단으로 포개어 배치한 엔진이다. 회전축은 위아래에 하나씩 있으며, 2개의 축은 변속기를 거쳐 하나의 회전축을 구동한다. 16기통이나 24기통 엔진과 같이 실린더가 많은 엔진용으로 특별하게 개발된 엔진이다. 출력을 높이려고 실린더의 수를 늘리면 엔진이 점점 길어지면서 기체도 점차 커지게 된다. 이러한 단점을 해결하기 위해 2대의 엔진을 아래위로 배치했다. 실린더 배치의 특성상 작은 크기에도 불구하고 강력한 힘을 낼 수 있기 때문에 경주용차와 항공기에 사용된다.
• U형 엔진(U engine) : 수평대향 엔진을 2단으로 포개어 배치한 엔진이 H형 엔진이라면, U형 엔진은 직렬 엔진을 좌우로 맞대어 배치한 엔진이다. 직렬 엔진을 나란히 배치한 것과 같으며 좌우 엔진은 회전축이 따로 있다. 좌우 회전축은 변속기를 거쳐 프로펠러를 구동한다. U형 엔진은 이탈리아의 기술자인 에토레 부가티(Ettore Bugatti)가 1916년에 항공기에 탑재하기 위해 특별하게 개발한 엔진이다. 이탈리아의 고급 자동차 생산업체인 부가티를 창업한 그는 고성능 엔진을 작은 크기로 줄이기 위해 U형 엔진을 고안하였다. 출현 당시 U-16 엔진은 16기통 고성능 엔진이었지만 세간의 주목을 받지 못하여 많은 수량이 생산되지는 못하였다. 미국과 프랑스에서 특허권을 구입하여 소량이 생산되었지만 일반적인 엔진으로는 주목을 받지 못하였다.
• V형 엔진(V engine) : 직렬 엔진 다음으로 자동차에 가장 많이 사용되는 엔진이다. V형 엔진은 2개의 직렬 엔진을 V형으로 배치한 것과 엔진이다. 그러나 H형 엔진이나 U형 엔진과 달리 회전축은 하나이며, 작은 크기로 엔진을 제작할 수 있다. 따라서 H형 엔진이나 U형 엔진보다 구조가 간단한 장점이 있다. 또한 실린더에서 발생하는 진동을 양쪽에서 서로 상쇄시켜 주는 효과가 있어서 직렬 엔진보다 진동이 적다. V형 엔진은 자동차와 더불어 항공기에도 많이 사용된다. 성형 엔진이 공랭식 엔진의 대표적인 엔진이라면, V형 엔진은 수랭식 엔진을 대표한다고 할 수 있다. V형 엔진은 구동축의 위치에 따라 V형 엔진과 역 V형 엔진이 있다. 전투기의 경우 V형 엔진은 실린더 중간에 공간이 있어서 유용하다. V형 엔진은 성형 엔진과 달리 냉각수로 엔진을 냉각하기 때문에 엔진의 과열이 적다는 장점이 있다. 그러나 냉각수가 유출되면 계속 운행하기 힘들다는 단점도 있다.

행정/내경의 비

피스톤 평균속도는 최대 최대 25m/s를 초과하지 않아야 기관의 수명을 장기간 유지할 수 있는 것으로 알려져 있다.

• 단행정 기관{(행정/내경)＜1} : 행정이 내경보다 작은 기관으로 고속, 소형기관에 많다. 피스톤 평균속도가 최대 25m/s를 초과하지 않으면서도 고속을 얻을 수 있다. 행정/내경의 비 0.7~0.9 정도가 많다.
• 정행정 기관{(행정/내경)＝1} : 행정과 내경이 똑같은 기관이다.
• 장행정 기관{(행정/내경)＞1} : 행정이 내경보다 큰 대형트럭이나 버스 등의 기관이 여기에 속한다. 자동차기관에서는 행정/내경 비는 약 1.1~1.3 정도가 주로 이용된다. 저회전속도(2,000~4,000min－1)로 운전할 경우, 약 50만~60만km 정도를 주행목표로 한다.

캠축의 설치위치

• OHC 기관(Over Head Cam-shaft engine) : 캠축이 실린더 헤드의 상부에 설치된 기관이다. 캠축이 2개일 경우 DOHC(double OHC)기관이라 한다.
• CIH 기관(Cam-shaft In Head) : 캠축이 실린더 헤드의 내부에 설치된 형식이다. 실린더 헤드의 내부에 캠축이 설치되므로 OHC 기관에 비해 실린더 헤드의 기계적 강도가 낮다.
• CIC 기관(Cam-shaft In Cylinder-block) : 캠축이 실린더 블록 내부에 설치된 형식으로, OHC기관에 비해 밸브기구가 더 복잡하다. 대형 디젤엔진은 대부분 이 방식이다.

밸브의 설치위치

• I-헤드 기관(I-head engine) : 흡배기 밸브가 모두 실린더-헤드에 배열된 방식으로 오늘날은 대부분이 이 형식이다.
• L-헤드 기관(L-head engine) : 흡배기 밸브가 모두 실린더블록의 한 쪽에 설치된 방식으로 현재는 사용되지 않는다. SV(side valve)-기관이라고도 한다.
• T-헤드 기관(T-head engine) : 흡배기 밸브가 실린더블록의 좌우에 나누어 설치된 형식으로 현재는 사용되지 않는다.
• F-헤드 기관(F-head engine) : 흡기밸브는 실린더헤드에, 배기밸브는 실린더블록에 배치된 방식으로 현재는 거의 사용되지 않는다.

설계 및 구조

왕복기관의 기본 주요 부품은 실린더, 피스톤, 커넥팅로드, 크랭크축, 밸브 그리고 점화플러그이다. 각 실린더 헤드에는 밸브와 점화플러그가 있다. 밸브 중 하나는 흡기계통으로 통하는 통로에 있고, 다른 하나는 배기계통으로 통하는 통로에 있다. 각 실린더 내부에는 커넥팅로드에 의해 크랭크축에 연결되어 움직이는 피스톤이 있다.

• 실린더 : 왕복기관의 실린더는 연소가 일어나는 제한된 공간을 나타낸다. 실린더는 여러 가지 방법으로 배열된다. 여기에는 직렬, V-자, W-자 배열 및 수평 또는 평명 배열이 포함된다.
• 피스톤 : 왕복기관의 피스톤은 일반적으로 각 실린더에 부착된다. 왕복기관에서 피스톤은 위아래로 미끄러져 회전운동을 만든다. 피스톤 벽은 일반적으로 실린더 벽에 꼭 맞는 링을 고정하기 위해 홈이 파져 있어 가스가 연소실에서 빠져나가는 것을 방지한다.
• 커넥팅로드 : 왕복기관의 커넥팅로드는 피스톤과 크랭크 샤프트에 의해 고정된 크랭크 케이스를 연결한다. 왕복기관의 커넥팅로드는 회전운동 피스톤에 연결되어 프로펠러를 돌리는 데 사용된다. 이로 인해 크랭크 샤프트의 회전 운동이 발생한다.
• 크랭크축 : 왕복기관의 크랭크 샤프트는 피스톤의 상하 운동을 회전운도응로 변환한다. 커넥팅 로드로 피스톤에 연결되어 있는 동안 크랭크축은 피스톤이 위아래로 움직일 때 회전운동을 한다. 피스톤 엔진의 흡기 행정 동안 피스톤이 아래로 당겨져 실린더 챔버에 진공이 생성된다. 왕복기관에서 압축 행정 동안 크랭크 샤프트는 실린더에서 피스톤을 위쪽으로 구동한다.
• 밸브 : 왕복기관에는 흡기밸브와 배기밸브가 있따. 이들은 각각 실린더 상단의 연료-공기혼합기 입구와 배기 출구에 인접해 있다. 왕복기관의 흡기밸브는 공기와 연료혼합물의 유입을 조절하는 반면 배기밸브는 연소실에서 배기가스와 연소된 가스를 배출한다.
• 점화플러그 : 왕복기관의 점화플러그는 일반적으로 밸브 위의 실린더 상단에 있다. 왕복기관에서 압축 및 점화 행정 동안 압축공기와 연료혼합물을 점화하는 역할을 한다. 점화는 피스톤이 최고 위치에 도달하기 직전에 발생한다. 그 결과 매우 뜨거운 가스가 급격히 팽창하여 피스톤을 아래로 밀어내는 동시에 크랭크축을 돌려 회전운동을 생성한다.

특징

• 2행정·4행정 기관 : 왕복기관은 크랭크축의 회전과 가스의 흡입·압축·팽창·배기 관계에서 4사이클과 2사이클으로 분류된다. 4사이클기관은 크랭크축의 2회전, 즉 4행정 사이에 ① 흡입, ② 압축, ③ 팽창, ④ 배기의 사이클을 행한다. 2사이클기관은 크랭크축의 1회전, 즉 2행정 사이에 ① 팽창·배기·흡입과 ② 압축의 사이클을 행한다.
• 냉각 방식 : 왕복기관의 실린더 내에서 연료가 폭발연소하여 생기는 온도는 매우 높으며, 실린더벽이 불에 타고 윤활유의 과조폭발을 일으키므로 실린더벽을 식힐 필요가 있다. 냉각법에는 수냉식과 공냉식이 있다. 수냉식에서는 냉각수를 펌프로 순환케 하고 실린더 둘레로 흐르게 함으로써 열을 빼앗아, 이 온수를 라디에이터로 보내고, 외기로 식혀서 다시금 실린더 둘레로 보낸다. 공냉식에서는 실린더 둘레에 직접 바깥 공기가 닿게 함으로써 실린더에 붙어 있는 핀의 열을 냉각시킨다. 결국 수냉식과 공냉식을 막론하고 공기에 의하여 열이 반출되어 나간다.
• 점화 방식 : 왕복기관에서 연료와 공기의 혼합기체에 착화시키는 데는 스파크와 압축의 두 가지 방식이 있다. 스파크 점화방식에서는 기화기에서 보내는 혼합기체 중에서 스파크 플러그에 의해서 전기불꽃을 튀게 해서 점화한다. 압축 점화방식의 대표적인 예는 디젤엔진인데, 이 기관에서는 미리 공기를 고온이 될 때까지 압축하고 거기에 적당량의 연료를 분사해서 자연히 점화 연소시킨다. 핫벌브 엔진(hot bulb engine) 등에서는 고온의 벽면에 연료를 뿜어 점화하는데, 이것도 일종의 압축점화 방식이다.
• 연료 : 왕복기관의 연료에는 가솔린·LPG(액화석유가스)·중유·경유·혼합유가 쓰인다. 중유와 경유는 디젤엔진에 쓰이며, 혼합유는 특히 배기량이 수십에서 수백 cc급의 소형 2사이클기관에 쓰인다.
• 열 손실 : 열을 이용하는 왕복기관에서는 연료의 연소로 발생한 열량의 전부가 이용되지 않고 일부는 손실된다. 이 손실은 냉각수 혹은 냉각공기 등에 의해 빼앗기는 냉각손실, 배기가스가 가지고 가는 배기손실, 기계적 마찰 등에 의한 기계손실로 나뉜다. 이들 손실은 기관의 크기·운전조건·종류에 따라 서로 다른 값을 갖는다. 기관축의 열효율은 일반적으로 압축 점화기관이 스파크 점화기관에 비해서 높다.

참고자료

• 〈File:4-Stroke-Engine.gif〉, 《Wikimedia Commons》
• 〈왕복기관 ( reciprocating engine, 往復機關 )〉, 《두산백과》
• 〈왕복 기관〉, 《위키백과》
• 이재필 군사 저술가, 〈항공기 엔진 - 항공기술의 ABC (10) - 하늘을 날수 있도록 하는 놀라운 힘의 비밀〉, 《무기백과사전》
• 김재휘, 〈자동차가솔린기관(오토기관) - 왕복피스톤기관의 분류〉, 《최신자동차공학시리즈》, 2012-09-03
• 〈항공정비전공 - 1.3 왕복엔진(Reciprocating Engines)〉, 《항공직업전문학교》, 2019-01-11
• 메카럽, 〈왕복 엔진이란? - 유형 및 작동〉, 《티스토리》, 2021-11-27

같이 보기

• 열기관
• 증기기관
• 항공기 엔진
• 실린더
• 피스톤

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