열기관의 내연기관과 외연기관

열기관의 내연기관과 외연기관의 기초 개념

 

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< 열기관 >

열기관이랑 열에너지로부터 기계적 에너지(동력)를 얻는 장치의 총칭으로 크게 내연기관과 외연기관으로 분류됩니다.

 

외연기관은 실린더 외부에서 연료를 연소시켜 동력을 얻는 장치 즉 주기관과 별개로 장치된 보일러에서 연료를 연소시켜 그 열을 보일러내의 물에 전하여 고압증기를 만들고 이것을 조기관에 작용시켜 동력을 발생시키는 기관입니다. 간접적인 열을 이용하므로 열효율은 20~35% 정도입니다.

 

내연기관은 연소과정이 기관내부에서 행하여지는 것으로 실리더 내에 직접 연료를 분사시켜 연소시키고 그 때 발생한 열에너지로 동력을 얻는 기관입니다. 열의 이용이 직접적 이므로 열효율이 약 25~45% 정도입니다.

 

내연기관의 장점

• 열효율이 높습니다. 기관 전체의 부피와 무게가 적습니다.
• 시동에 소요되는 시간이 짧으며 부하 변동에 민감한 순응을 합니다.배의 항속력이 큽니다.
• 사용연료가 유류 이므로 연료적재가 용이합니다.
• 기관부원이 적어도 됩니다.

내연기관의 단점

• 연소 압력이 높으므로 각부에 강도가 큰 고급재료를 사용해야 합니다.
• 압력변화가 심하므로 충격과 진동이 심합니다.
• 고온, 고압 부분이 많으므로 윤활과 냉각에 특별한 주의를 요합니다.
• 각 부의 마모가 크며 기관의 수명이 짧습니다.
• 저속회전이 곤란하고 속도변화의 범위가 좁습니다.
• 원활한 운전을 위하여 큰 훌라이휠이 필요합니다.
• 고온, 고압으로 인하여 고장이 많습니다.
• 장시간 저속 운전이 곤란합니다.
• 왕복형의 경우 대 출력화가 곤란하며 실린더 용량이 클수록 피스톤의 질량이 커지므로 완복 운동에 제한을 받기 때문입낟.(회전형의 경우는 완복형에 비해 대규모 대출력으로 제작이 가능합니다.)

< 내연기관의 분류 >

 

분류

• 피스톤식 왕복기관 : 디젤기관, 가솔린기관, 가스기관, 소구기관, 석유기관
• 로우터리 식 회전기관 : 로우터리기관
• 터빈 식 회전기관 : 가스터빈 기관, 터보 제트기관, 터보 프로프기관
• 압축기가 업는 제트기관 : 램 제트기관, 펄스제트 기관

실린더 배열에 의한 분류

• 직렬형 기관 : 가장 많이 사용되는 형이며 실린더가 직렬고 평행하게 배열된 기관으로 기관의 전장이 길어지는 결함이 있습니다.
• V형 기관 : 실린더를 2열로 배열한 기관으로 6~20실린더까지 있으며 기관의 길이를 1/2로 줄이는 이점이 있으며 각 뱅크 사이의 각도는 30~120˚까지 있습니다.
• 성형기관 : 뱅크가 4개 이상 16개 까지 있는 기관으로서 하나의 크랭크 핀에 4개 또는 그 이상의 컨넥팅 로드가 취부 됩니다. 기관이 차지하는 면적을 최소화 할 수 있기 때문에 항공 기관에 많이 채용됩니다.
• 수평 대향기관 : 뱅크간의 각도가 180˚인 기관입니다.
• 그 외 X형, H형, W형 등이 있습니다.

점화 방법에 의한 분류

• 압축 점화기관 : 디젤기관은 대표적인 압축점화기관으로 외부에서 실린더 속에 흡입한 공기를 높은 압력으로 압축하여 이때 발생한 압축열에 연료를 분사하여 자연착화 시키는 기관입니다.
• 전기 점화기관 : 가솔린관, 석유 기관, 가스시관이 여기에 속하며 기화기에서 만들어진 공기와 가솔린의 혼합기를 실린더 내에 흡입 압축하여 별도로 장치된 전기장치에 의한 고전압으로  spark plug에서 불꽃의 일으켜 점화하는 기관입니다.
• 소구점화기관 : 디젤기관처럼 공기를 흡입 압축한 열에 연료를 분사합니다. 그러나 고압으로 압축하지 않아 자연착화가 어렵기 때문에 실린더 헤드에 소루를 따로 설치하여 시동시 달구어 소구의 열과 압축열을 이용하여 분사된 연료를 연소 시키는 기관이며 소형 어선에 많이 사용됩니다.

사용 연료에 의한 분류

• 가스기관 : 공기와의 혼합기에 전기 스파크를 일으켜 점화시키는 전기 점화기관입니다. 취급, 유지가 단순하고 편리합니다. 액화 석유가스는 가솔린보다 값이 싸므로 최근 승용차에도 만히 보급되고 있습니다.
• 다솔린기관 : 기화기로 공기와 연료의 혼합길를 만들어 실린더로 보내어 전기점화 시켜 동력을 얻는 기고나으로서 자동차용이나 항공 기관용으로 많이 사용되나 박용 기관으로서는 회전수, 연료비, 내구성 등의 이유로 거의 채용되지 않고 있습니다.
• 석유기관 : 등유 또는 석유를 연료로 사용하며 시동시 소량의 가솔린을 섞고 기화기에 의해 석유를 미립화해 공기와 함께 실린더내의 고온으로 기화시켜 전기 점화시킵니다. 육상 기관으로서는 농업용에 많이 사용되나 선용 기관으로는 소형 선박이나 보조기기로 사용될 뿐입니다.
• 경유기관 : 소구기관이나 고속디젤기관이 여기에 속하며 경유를 연료로 사용하는 기관입니다.
• 중유기관 : 소구기관이나 대형 저속 디젤시관에 사용됩니다. 최근 선박에 요구되는 용적경감, 고속화, 소형화에 중유기관이 점점 줄어들고 있는 추세입니다.

동작상으로 본 분류

• 단동기관 :피스톤의 한쪽에서만 연료가 분사, 폭발하는 기관으로서 매 실린더 마다 하나의 피스톤을 가지며, 현재의 대부분의 가솔린기관과 디젤기관이 여기에 속합니다.
• 복동기관 : 피스톤의 상·하 방향에서 가스 압력이 작용하는 기관으로 각각 독립하여 열 사이클을 반복합니다. 이것은 디젤기관에 한하여 채용되며 마치 증기 완복기관과 흡사합니다. 대마력이 요구되는 선박에 많이 채용 되었으나 구조가 복잡하여 근래에는 거의 자취를 감추고 있습니다.
• 대향 피스톤기관 : 2사이클 디젤기관으로 실린더 헤드가 없이 하나의 실린더에 두개의 시프톤이 마주보고 설치되며 그 중간에 연료를 분사하여 폭발에 의해 2개의 피스톤이 상하로 움직이는 기관으로 각 피스톤은 연접봉에 의해 크랭크축에 의해 연결됩니다. 하부 크랭크축이 상부 크랭크축보다 112˚ 정도 앞서 작동하도록 설계되어 있으며 단동기관에 비해 마력당 무게가 가볍고 실린더 헤드와 밸브장치들이 적은 이점은 있으나 기관의 높이가 높아지는 결점이 있습니다. 모두 2사이클 기관입니다.