2행정 사이클 기관의 효율

2행정 사이클 기관의 작동과 종류, 효율 참고

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실린더 라이너에 있는 포트는 피스톤 운동에 의하여 개폐됩니다. 흡기행정과 배기행정이 분리되지 않으며, 팽창행정의 끝 부근에서 압축행정 시작 시간까지 신기와 배기의 교환이 이뤄집니다. 2행정 사이클 기관은 피스톤 행정 2행정에서 1사이클을 완료하며, 크랭크 회전 및 크랭크각 변위로는 1회전 및 360˚에서 1사이클을 완료합니다.

흡입행정

피스톤이 상사점을 지나서 하강함에 따라 소기공을 지날 때에는 실린더 내의 압력이 소기압(외부공기압)보다 낮게 되므로, 외부로부터의 공기는 개방된 소기공을 통해서 실린더 내로 진입하게 됩니다. 이 상태는 피스톤이 하사점을 지나서 피스톤(피스톤링)이 소기공을 막을 때까지 계속됩니다.

압축행정

피스톤이 하사점으로부터 상승함에 따라 소기공이 막히고, 실린더 내의 흡입된 공기는 점차 압축되어 그의 온도와 압력이 상승합니다. 이와 같이 하여 실린더 내에 흡입된 공기를 압축하면서 피스톤이 하사점에서 상사점으로 향하는 상승과정입니다.

동력행정

피스톤이 상사점에 달하면 연료밸브로부터 연료가 실린더내로 분사됩니다. (가솔린기관은 불꽃점화) 분사된 연료는 고곤위 압축공기에 의해 피스톤은 위로부터 강하게 눌리고, 커넥팅 로드를 거쳐서 크랭크축을 회전시킵니다. 연료밸브는 어떤 적당한 시기에 닫히므로 그 이후에는 피스톤이 연소가스의 팽창력에 의해 더욱 눌려서 하사점에 도달합니다.

배기행정

피스톤이 하향행정을 계속하여 하사점 부근에 이르렀을 때 배기포트가 열리면서 연소 가스는 그 자신의 압력에 의해 배기관을 통하여 배출됩니다. 이어서 소기포트가 열리면 크랭크실에 예압되어 있던 새로운 혼합기가 실린더내로 유입되면서 연소가스를 밀어내는 작용을 합니다. 배기포트 또는 배기밸브가 기계적으로 열립니다.

 

실린더 내의 팽창한 연소가스의 압력은 외부공기 압력보다 상당히 높으므로 실린더 밖으로 분출하고, 따라서 실린더 내의 잔존 가스 압력은 외부공기(소기)와 같게 됩니다.

소기작용

2사이클 엔진은 압축·팽창의 2행정 일부(크랭크각 120~150)에서 신구가스를 교체하고 이 신기로 연소가스를 실린더에서 축출하고 동시에 급기를 실린더 내에 채우는 가스교환 작용을 소기라 합니다.

 

보통 소기압은 배기압보다 높고 급배기가 거의 동시에 이루어지기 때문에 충분한 소기를 하려면 신기의 일부가 배기와 함께 배출되는 즉 blow by 현상을 피할수 없습니다.

 

이런 이유 때문에 2사이클 엔진은 연료를 직접 연소실 내에 분사하는 디젤엔진에 많이 채용되고 있습니다.

소기방식

횡단소기

소·배기포트가 실린더 하부에 서로 마주보게 설치되어 소기가 그냥 지나가버려 손실이 많습니다. 현재 대형엔진에는 사용되지 않고 있습니다.

루프소기

배기포트를 벗어나는 방향으로 소기를 흡입하므로 소기가 그대로 통과하지 않아 횡단식에 비해 소기효율이 높습니다. 그러나 소기포트 면적을 크게 할 수 없는 결점이 있습니다. 정압 과급방식이 채용됨에 따라 소기를 비대칭으로 하기위한 소기 관계밸브가 채용되지 않게 되면서 구조가 간단해졌지만 소·배기 흐름의 비대칭으로 인하여 실린더 내의 온도의 불균일로 인한 스트레인과 롱 스트로크 면에서는 소기효율이 불리합니다.

유니플로우 소기

실린더 내에서 항상 한 방향으로만 소기 흐름이 일어나기 때문에 소기와 배기가 혼합되는 일이 거의 없이 소기효율이 높습니다. 특직으로는 비대칭 소기를 하는 것도 배기밸브의 개폐시기에 따라서 가능하고 배기 관제밸브 등 특별한 밸브를 사용하지 않더라도 과급에 대하여 유리한 배기과정이 가능하나 또한 소기포트를 실린더 전 원주에 설치할 수 있어 소기포트 면적을 크게 할 수 있습니다. 3개의 소기방식 중 가장 소기효율이 좋아 소형 고속디젤 기관 및 대형기관에 많이 채용되고 있습니다.

 

< 2사이클 기관과 4사이클 기관의 비교>

4사이클의 장점

• 4행정 중 작동행정은 단 1회 뿐이므로 실린더가 받는 열응력이 적습니다. 따라서 압축, 압력을 높일 수 있고 열효율이 높으며 연료 소비율이 적습니다.
• 각 밸브는 기계적으로 작동하므로 운전이 확실합니다.
• 피스톤에 의해 배기를 배출하므로 환기작용이 완전하여 고속기관에 적합합니다.
• 소기펌프를 필요로 하지 않습니다.
• 피스톤의 냉각이 양호하며 수명이 길어집니다.

4사이클의 단점

• 밸브기구를 가지므로 구조가 복잡하며 실린더헤드에 고장이 일어나기 쉬우며 조정할 곳이 많아집니다.
• 2회전에 1회 작동하므로 원활한 운전을 위해 큰 플라이휠이 필요합니다.
• 같은 부피의 실린더 출력은 2사이클 기관보다 적습니다.
• 마력당 무게가 큽니다.

2사이클 기관의 장점

• 마력당 부피, 무게가 적습니다. 같은 마력이면 실린더지름 및 수가 적어도 되며 대형 박용기관에 많이 채용됩니다.
• 기관의 회전력이 균일하여 플라이휠이 작아도 됩니다.
• 밸브기구가 없어도 되므로 구조가 간단하고 취급이 쉽습니다.
• 역전이 용이하며 4실린더 이상이면 크랭크의 어떠한 위치에서도 시동이 가능합니다.
• 1회전에 1회 연소하므로 기관의 크기 회전수가 같을 때는 이론적으로 2배의 출력을 내야하지만 실제로는 약 1.6배 정도입니다.

2사이클 기관의 단점

• 피스톤 행정의 말기에 소기작용을 해야 하므로 평균 유효 압력이 낮습니다. 또 소기 효율이 4사이클보다 낮고 열응력이 크므로 평균유효압력을 높일 수 없습니다.
• 연료소비율과 윤활유 소모량이 많습니다.
• 소기펌프가 필요하며 소기펌프 운전에 소요되는 동력손실은 전출력 약 7% 정도입니다.
• 직렬 다실린더 기관으로 만들었을 때 소기작용이 불량하여 고속기관에는 부적합합니다.
• 열의 영향이 크고 윤활불량 등으로 실린더 마모가 촉진됩니다.
• 배기의 압력이 높으므로 배기의 소음이 큽니다.