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.
종류
왕복기관의 종류는 연료의 연소가 일어나는 장소에 따라 크게 외연기관용 왕복기관과 내연기관용 왕복기관으로 구분할 수 있다. 내연기관용 왕복기관은 연료의 연소에서 발생하는 폭발력을 이용하기 때문에 진동과 소음을 수반한다는 단점이 있으나, 외연기관용 왕복기관보다 부피가 작고, 다양한 요구에 따른 출력을 맞출 수 있어 소형 엔진부터 대형 선박의 디젤엔진까지 널리 사용되고 있다.
- 외연기관 : 외연기관용 왕복기관은 연료의 연소가 밀폐된 내부가 아닌 실린더 외부에서 일어나는 기관이다. 산업혁명을 불러온 증기기관이 외연기관에 해당한다. 보일러에서 연료를 연소시켜 발생한 고온∙고압의 증기를 실린더 내부로 전달해 피스톤을 움직이는 기관으로, 주로 증기기관차에 사용되었다.
- 내연기관 : 내연기관용 왕복기관은 실린더 안에서 연료의 연소가 일어나는 기관이다. 20세기 이후 주요 운송수단인 자동차, 선박 등에 이용된다. 내연기관용 왕복기관은 사용하는 연료에 따라 디젤, 가솔린 등의 종류가 있다. 가솔린은 점화 플러그로 불꽃을 일으켜 연료를 연소시켜 동력을 얻으며, 디젤은 실린더 내부의 공기를 압축시켜 가열된 공기에 연료를 분사하여 연소시켜 동력을 얻는다.[1]
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.[2]
각주
참고자료
같이 보기
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