박용 왕복형 내연기관

박용 왕복형 내연기관의 개념 및 용어 정리

 

박용기관의 중소형은 대부분 디젤기관이고 4행정이 많으며 대형은 거의가 2행정 기관이 채용되고 있습니다. 디젤기관은 실린더 내에 공기만을 단열 압축하면 그 압력과 온도는 급격히 상승합니다. 고온, 고압이 된 실린더내의 압축공기에 연료를 분무상으로 분사하면 특별한 장치가 없어도 자연발화하여 연소를 일으키며 이때 압력과 온도는 더욱 올라가며 이 가스 압력에 의해 피스톤을 밀어 내리고 크랭크 기구를 회전시켜 동력을 얻는 장치입니다. 연소되는 연료의 량은 공기량이 비례하므로 발행 마력을 증기 시키려면 실린더의 부피를 크게하거나 과급, 또는 회전수를 증가 시킬 필요가 있습니다.

 

실린더내경 행정비

실린더의 내경과 행정의 비를 말하며 디젤기관에서는 긴 행정을 쓰는 것이 연소실의 모양도 좋고 열손실 및 가수 누설이 적게 되나 기관의 중량, 높이가 증가되는 결점이 있습니다. 이와 반대로 피스톤 행정을 짧게 하면 중량 및 높이를 적게 할 수 있고 피스톤의 평균속도를 올리지 않고도 회전속도를 높일 수 있는 등의 장점이 있으나 회전속도가 증가하면 관성이 크게 되어 실린더의 마모가 빨라지고 피스톤의 냉각이 곤란해집니다. 뿐만 아니라 실린더 내경의 증가로 엔진의 길이가 길어지는 단점이 있습니다.

 

마력당 중량

기관의 중량은 마력당 중량kg/bhp로 나타내며 동일 기관에서도 출력이 커지면 중량도 증가합니다. 일반적으로 출력은 실런더 직경의 2승에 비계하고 중량은 직경의 3승에 비례함으로 마력당 중량은 직겨에 비계하여 변화합니다. 마력당 중량을 경감하기 위해선 평균유효압력을 높이고 엔진회전수를 증가 시킵니다. 또한 2사이클기관은 4사이클보다 마력당 중량이 가볍게 되므로 대형 박용기관에는 2사이클 기관을 많이 채용합니다.

 

사이클 엔진

4사이클 엔진은 실린더 헤드에 흡기 및 밸기밸브를 설치하고 피스톤이 2왕복, 즉 크랭크 샤프트가 2회전으로 1사이클을 완료합니다.

흡입행정

흡기밸브만 열어 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려감에 따라 신선한 공기를 흡입하며 이때 실린더내의 압력은 대기압보다 약간 낮아집니다.

압축행정

흡, 배기밸브를 닫고 피스톤이 하자섬에서 상사점으로 상승함에 따라 흡입된 공기가 압축되어 압력과 온도가 상승합니다. 피스톤이 상사점 부근에 도달하면 압축온도는 650℃ 압축압력은 30~45[kg/㎠]정도로 상승합니다.

동력행정

피스톤이 상사점에 오기 직전에 고온 고압으로 압축된 공기에 연료를 분무상으로 분사 시키면 압축열에 의해 바로 자연 점화되어 연소합니다. 이 연소가스에 의한 팽창력 즉 높은 압력에 의해 피스톤은 다시 상사점에서 하사점으로 움직여 커넥팅 로드를 거쳐 크랭크축에 회전력을 주어 동력을 발생시킵니다.

배기행정

피스톤이 하사점에 오기 전에 배기밸브가 열려 배기를 시작하여 피스톤이 상사점에 오기까지 계속 배출을 합니다. 결과적으로 4사이클 기관은 피스톤이 2회 왕복운동을 하는 동안 크랭크축도 2회전을 하여 하나의 사이클을 완성 시킵니다.

4사이클 시관의 밸브개폐 선도

기관의 밸브 또는 기공의 개폐시기를 크랭크 각도로 나타낸 선도를 밸브개폐선도라 합니다. 즉 흡, 배기밸브는 정확하게 상사점이나 하사점에서 개폐 되지 않고 혼합기나 공기의 흐름 관성을 유용하게 이용하기 위하여 흡기밸브는 상사점 전에서 열려서 하사점 후에서 닫히고 배기밸브는 하사점 전에서 열려 상사점 후에서 닫힙니다.

 

이때 상사점 부근에서 흡, 배기밸브가 동시에 열려있는 기간을 배르 오버랩니라합니다.

 

- 흡기밸브 열림을 빨리하고 닫힘을 늦게 하는 이유

 

흡기밸브에 전직각을 줌으로서 피스톤이 상사점에 도달하였을 때 밸브가 만개하여 교축되는 일이 없으며 또한 상사점 직전에는 배기밸브로 나가는 배기의 토출 차성이 가장 큰 때이므로 자동적으로 신기가 실린더내로 충만하게 되며 닫힘을 늦게 하는 이유는 흡기밸브가 하사점에서 닫히면 그 전부터 흡기 통로가 좁아져서 트로틀링 되므로 흡기 압력이 내려가기 때문입니다. 따라서 하사점 후까지 열어두어 그 타성을 이용하여 공기의 흡입량을 증기시켜 발생 마력을 증가시키기 위해서입니다.

 

- 흡기밸브 열림을 빨리하고 닫힘을 늦게 하는 이유

 

연소가스를 상사점부터 차사점까지 피스톤에 작용시키면 실린더와 시프톤이 과열되고 가스가 지나치게 팽창하여 압력이 낮아져 스스로 도출하기가 곤란해지며 이로 인해 다음 배기 행정 중 배압이 커져서 오히려 동력 손실이 발생합니다. 따라서 하사점 전에서 배기밸브를 열며 닫힘을 늦게 하는 이유는 상사점 부근에서는 피스톤의 속도가 느리므로 배기 기스를 완전히 내보내기 위하여 상ㅇ사점 후까지 배기밸브를 열어둡니다.

 

* 밸브 또는 기고의 개폐 시기는 실린더 지름, 피스톤 행정, 회전수 및 출력 등에 의해 변합니다.

* 트로틀링 : 유체가 좁아진 통로를 지나갈 때 조르기 때문에 일어나는 압력 저하 현상을 말합니다.

 

4사이클 기관의 효율

용적효율

체적효율 또는 용적효을이라고도 합니다.

*2사이클 기관에서는 강압 송풍기를 사용하여 실제공기를 흡입하기 때문에 적용되지 않습니다.

충전효율

* 대기의 상태가 달라지면 용적 효율이 변하여 비교하기 불편하므로 둘러싼 대기가 아닌 표준 대기를 기준으로 한 것이 충전효율입니다.

동기 과잉률

실제 공기량과 이론적 공기량의 비를 말합니다. 과잉 공기율이 커지면 배기의 열손실이 커지므로 연류가 완전 연소하는 범위 내에서 되도록 과잉률이 적은 것이 좋습니다.