내연기관

내연기관(Internal Combustion Engine)은 연료를 기관의 내부에서 연소시켜 피스톤 또는 터빈등에 작용하여 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸어 동력을 얻는 기관이다.

개요

내연기관은 열에너지를 흡수하여, 그 에너지 중 일부를 역학적 에너지로 변환시키는 장치인 열기관의 한 종류이다. 공기와 연료 등의 산화제를 실린더 내부에서 연소시켜 연료가 가진 열에너지가 직접 피스톤에 작용하여 동력 에너지를 얻는 엔진이다. 대표적인 내연기관으로는 디젤기관과 가솔린기관이 있다. 연소실 내부에서 산화제와 연료의 발열반응으로 반응 시 높은 온도와 압력으로 인한 기체가 만들어진다. 발생한 기체가 연소실 내부의 축차 및 피스톤을 움직이게 하여 내연기관을 가동시킨다. 기관 외부의 열을 이용하는 스털링 엔진이나 증기기관 같은 외연기관과 대비된다.

역사

• 1206년 : 알자자리가 피스톤과 크랭크 축으로 이루어진 2행정 내연기관을 고안
• 1509년 : 레오나르도 다빈치가 압축행정이 없는 내연기관을 고안.
• 1673년 : 크리스티안 하위헌스가 압축행정이 없는 내연기관을 고안
• 17세기 : 영국의 발명가 사무엘 모랜드가 화약을 이용한 양수기를 발명, 이는 최초의 실질적인 내연기관
• 1780년대 : 알레산드로 볼타가 전기 방전에 의해 수소를 연소하여 움직이는 장난감을 만듦
• 1806년 : 스위스의 기술자 프랑수아 이삭 리바츠가 수소와 산소를 이용한 내연기관을 만듦
• 1823년 : 사무엘 브라운이 "레오나르도 행정"이라 부르는 압축행정이 없는 방식의 내연기관을 산업용도의 특허로 등록
• 1824년 : 프랑스의 물리학자 니콜라 레오나르 사디 카르노가 이상적인 열기관의 열역학을 입증
• 1826년 : 사무엘 모레이가 압축 공정이 없는 "기체 및 증기 기관"의 특허를 획득
• 1838년 : 영국의 윌리엄 바르넷이 최초의 실린더 방식 내연기관의 특허를 획득
• 1854년 : 이탈리아의 에우게니오 바르상티와 펠리스 마테우치가 런던에서 최초의 실용적인 내연기관 특허를 획득
• 1856년 : 피렌체의 회사 "폰드리아 데 피그노네"가 바르상티-마테우치의 엔진을 개량 5마력의 엔진을 제작
• 1860년 : 벨기에의 에티엔 르누아르가 휘발유를 연료로하는 내연기관을 발명, 이는 최초로 대량 생산된 내연기관
• 1862년 : 독일의 발명가 니콜라우스 오토가 등유를 이용한 내연기관을 발명
• 1870년 : 오스트리아 빈의 발명가 지크프리트 마르쿠스가 손수레에 가솔린엔진을 담, 이는 내연기관을 이용한 최초의 운송도구
• 1876년 : 니콜라우스 오토가 고틀리프 다임러, 빌헬름 마이바흐와 함께 4행정 기관(오토 행정)을 발명, 4행정 실린더 방식의 내연기관은 전 세계에서 보편적으로 사용됨
• 1879년 : 카를 벤츠가 오토와 다임러, 마이바흐의 엔진을 참조하여 독자적인 2행정 기관을 발명하여 특허를 획득, 기술을 보완하여 독자적인 4행정 기관을 발명하였고 이를 적용한 자동차를 생산(최초의 자동차)
• 1891년 : 허버트 아크로이드 스튜어트가 최초의 저온 시동 엔진을 발명, 자가 시동이 가능한 양수기를 생산
• 1892년 : 루돌프 디젤이 석탄 가루를 연료로 하는 카르노 열기관 형태의 독자적인 내연기관을 발명
• 1893년 : 루돌프 디젤이 디젤 엔진의 특허를 획득
• 1896년 : 카를 벤츠가 수평대향 엔진인 박서 엔진을 발명
• 1900년 : 루돌프 디젤이 땅콩 기름을 사용한 디젤 엔진을 세계박람회에서 전시
• 1900년 : 다임러 자동차 회사의 빌헬름 마이바흐가 에밀 옐리넥의 요청에 따라 "다임러-메르세데스" 엔진을 개발
• 1908년 : 뉴질랜드의 발명가 어니스트 갓워드가 인버카길에서 오토바이 사업을 시작

종류

피스톤 엔진

실린더 배치방식

• V형 엔진 : 실린더가 V자를 그리며 지그재그 형태로 배열된 형태
• 성형 엔진 : 실린더가 크랭크축을 중심으로 원형으로 배치되어 마치 별같이 보이는 왕복엔진
• 수평대향 엔진 : 실린더가 마주보며 수평으로 배치 이 엔진은 실린더가 좌우로 움직여 동력을 얻음
• 6직렬 엔진 : 엔진의 실린더가 직각 방향(수직)인 엔진

실린더 개수

• 단기통 : 엔진의 가장 기초적인 형태이며, 고출력이 필요한 4륜형 자동차를 제외한 엔진을 필요로 하는 기계 모두 사용
• 2기통 : 배기량이 600cc가 넘어가는 범용엔진이나 이륜차에 쓰임
• 3기통 : 1리터 이하의 엔진은 대부분 3기통 엔진을 사용하는 차량에 자주 쓰임
• 4기통 : 자동차 중 80% 이상은 이 직렬 4기통 엔진을 사용하고 있을 정도로 매우 많은 빈도를 자랑하는 형식
• 5기통:　실린더가 5개로 이루어진 엔진이며 해외에서　자주 쓰임
• 6기통: 최소 배기량이 2.400~2.500cc 정도부터 6기통 엔진을 사용
• 7기통: 저속용(특수목적)용 엔진이나 성형엔진에 쓰임
• 8기통: 일반적으로 배기량이 4000cc 정도부터 쓰이며, 대부분 V형 엔진을 의미
• 10기통: 양산형 기준으로 보통 5000cc 이상부터 쓰임
• 12기통: 현재의 12엔진들은 5000cc 후반대부터 쓰임
• 16기통: 현재 16기통 모델은 부가티계열을 제외하고는 양산형 차량에서는 나오지 않음

연료

• 가솔린 엔진: 휘발유를 연료로 하는 내연기관으로, "가솔린 기관" 이라고도 함
• 디젤 엔진: 경유및 바이오매스, 대형 선박용은 벙커C유 등을 사용

작동 방식

• 2행정기관 : 1회전하는 동안, 피스톤이 상승 1회, 하강 1회, 즉 2번의 행정을 거치며 1사이클을 완료하는 형태의 엔진
• 4행정기관 : 크랭크축이 2회전 하는동안 흡입-압축-폭발-배기의 4행정을 하여 1사이클을 완성하는 엔진

내연기관 자동차 엔진의 4행정 사이클

1. 흡입 : 두 밸브가 닫힌 상태에서 피스톤이 실린더 속 맨 위에 있을 때 시작한다. 피스톤이 내려가고 흡입 밸브가 열리면서 휘발유 증기와 공기의 혼합 기체가 원통 안으로 주입된다. 그리고 피스톤이 맨 아래로 내려가면서 흡입 벨브가 닫히고 흡입이 끝난다.
2. 압축 : 플라이휠의 회전운동으로 피스톤이 다시 위로 올라가면서 주입된 혼합 기체가 압축되어 피스톤이 맨 위에 있을 때 끝난다.
3. 폭발 : 피스톤이 맨 위에 있을 때 점화플러그가 불꽃방전을 일으켜 압축된 혼합기체가 순간적으로 연소된다. 연소되면서 생기는 열로 고온 고압 상태가 된 연소 기체가 피스톤을 아래로 밀어 내린다. 이 과정에서 연소 기체의 열에너지가 플라이휠의 회전운동 에너지로 바뀐다.
4. 배기 : 플라이휠의 회전운동에 따라 아래로 내려간 피스톤이 다시 올라올 때 배기 밸브가 열리면서 연소 기체를 밖으로 내보내며, 피스톤이 맨 위로 올라갔을 때 배기 밸브가 닫히면서 끝난다.

회전운동형 기관

• 가스터빈: 공기를 압축하여 연소실에서 연료와 함께 연소, 폭발시킨 에너지를 터빈을 통해 운동에너지로 전환하여 동력을 발생시키는 열기관
  • 보샤프트: 기관 내부에서 연료를 연소시켜 그 폭발력으로 터빈을 돌려 회전력을 얻는 내연기관. 가스터빈이라고도 함
  • 보프롭: 가스터빈을 이용하여 프로펠러를 돌려 추진력을 얻는 내연기관
• 반켈 엔진: 실린더와 피스톤으로 구성되어있던 기존의 엔진 형태에서 벗어나 챔버와 로터로 구성된 간단한 구조

분사추진형

• 제트엔진: 고온, 고압의 가스를 고속으로 분출시켜 생기는 반작용으로 추진하는 엔진
  • 제트: 마하 2.5~5 사이의 초음속에서 가장 효율적인 엔진
  • 보제트: 가스터빈 엔진 중 가장 먼저 발명되었고 구조도 가장 단순한 제트엔진
  • 보팬: 연료의 연소배기가스 및 터빈 외측의 팬으로 압축된 공기로 추력을 얻는 제트엔진
• 로켓: 자체 탑재된 추진제만을 가속시켜서 추력을 얻는 모터를 로켓이라 부름

미래

대기오염은 많은 국가들의 문젯거리이다. 각 국가 정부는 대기질 개선을 위해 많은 비용을 쏟아붓고 있다. 그중 큰 비중을 두고 있는 것이 디젤과 휘발유 즉, 내연기관이다. 프랑스와 영국, 독일등 많은 나라와 기업들이 디젤 및 가솔린 엔진 차량의 판매를 금지하려는 계획을 발표하였고, 내연기관을 모두 거부하려는 움직임을 보였다.

참고자료

• 내연기관 위키백과 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%82%B4%EC%97%B0%EA%B8%B0%EA%B4%80
• 내연기관 나무위키 - https://namu.wiki/w/%EB%82%B4%EC%97%B0%EA%B8%B0%EA%B4%80
• 내연기관 네이버 지식백과 - https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=4389975&cid=60217&categoryId=60217

같이 보기

• 가솔린
• 디젤

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