내연기관(內燃機關, Internal Combustion Engine)은 연료를 내부의 실린더, 혹은 연소실 등 에서 연소시켜 동력을 얻는 기관을 가리키는 용어로, 외연기관과 함께 열기관의 한 축을 담당한다. 내연기관은 크게 피스톤 기관, 회전운동형, 분사추진형으로 분류된다.
내연기관의 연료로 엔진의 종류를 분류해보면 크게 가솔린 엔진과 디젤 엔진이 있다. 차량용 엔진의 연료로는 가솔린, 디젤 외에도 LPG와 천연가스도 널리 사용되고 있다.
▶엔진의 역할 : 연료가 타면서 생기는 에너지를 기계를 통해 바퀴를 굴리는 힘으로 바꾸는 것.
▶피스톤의 왕복 직선운동 → 회전운동으로 변환
▶엔진의 구성 요소
- 실린더 (Cylinder)
- 밸브 (Valve)
- 피스톤 (Piston)
- 커넥팅 로드(Connecting rod)
- 크랭크 축 (Crankshaft) 등
1. 공기 표준 사이클 (air-standard cycle)
실제 엔진 사이클에서는 실린더 내로 연료와 공기의 혼합기가 흡입되고 연소된 후, 연소 가스가 생성되어 배기되는 개방 사이클로 이론적으로 해석하기 어려운 시스템임.
따라서 열역학적인 해석을 용이하게 하기 위하여 작동 유체를 표준 공기로 가정한 밀폐 사이클로 가정하여 해석한다.
1) 공기 표준 사이클의 기본 가정
- 작동 유체는 이상 기체이며, 비열은 상수이다.
- 열 에너지의 공급(연소 과정) 및 방출(배기 과정)은 외부와의 열전달에 의해서 이루어진다.
- 사이클 과정 중 작동 유체의 양은 항상 일정하다.
- 연소 과정은 정적, 정압 및 복합(정적+정압) 과정으로 이상화 된다.
- 블로 다운(blow-down) 배출은 정적 과정으로 가정한다.
- 사이클을 이루는 모든 과정은 가역 과정으로 이루어진다.
2. 열역학적 사이클에 의한 분류
1) 정적사이클 (오토사이클)
일정한 체적 하에서 연소하는 사이클이며, 가솔린 기관에서 이용된다.
2) 정압사이클 (디젤사이클)
일정한 압력 하에서 연소하는 사이클이며, 저·중속 디젤 기관에서 이용된다.
3) 복합사이클 (사바테사이클)
일정한 압력 및 체적 하에서 연소하는 사이클이며, 고속 디젤 기관에서 이용된다.
3. 오토사이클(정적사이클, 가솔린사이클)
오토사이클(otto cycle)은 불꽃 점화기관(spark ignition engine)의 기본이 되는 이론 사이클이다. 2개의 단열 과정과(단열 압축/팽창) 2개의 정적 과정(정적 가열/방열)으로 이루어지며, 4행정 SI엔진의 공기 표준 열역학적 이상적인 사이클로, 가솔린기관 및 가스기관의 기본 사이클이다.
작동유체에 대한 열공급 및 배출은 일정한 체적 아래에서 이루어지기 때문에 정적 사이 (constant volume cycle) 이라고도 한다.
공기의 비열비는 1.4로하면 압축비에 따라서 이론 열효율이 달라진다. 압축비가 높을 수록 이론 열효율이 증가한다.
그러나 실제 오토 사이클 기관에서는 압축비가 너무 높으면 노킹이 일어나므로 압축비는 제한 받는다.
압축비 (입실론 = ve+vs / ve) ve:연소실체적 vs:행정체적=배기량
1kg의 작동유체에 대한 과정
0 ->1 흡입과정( 흡입-혼합가스 = 공기+연료)
1 ->2 단열압축( 혼합가스를 압축하는 과정)
2 ->3 정적가열( 폭발연소 하는 과정)
3 ->4 단열팽창(폭발 후 피스톤이 내려오는 과정)
4 ->1 정적방열 (연소된 가스의 열에너지가 빠르게 빠져 나가는과정)
1 ->0 배기과정 (피스톤이 올라가면서 연소된 가스가 모두 빠져나가는과정)
1) 실제 기관 사이클과의 차이 (작동 유체의 차이)
- 작동 유체는 표준 공기 사이클과는 달리 공기, 연료 및 잔류 가스 등의 혼합기로 이루어짐.
- 연소 과정 중 작동 유체는 고온으로 인하여 열해리가 일어남.
- 비열비는 온도의 함수로, 실제 사이클에서는 고온에서 작동 유체의 비열비가 변화됨.
- 실제 작동 유체는 연소 반응에 의하여 가스 조성 및 분자 수가 변화됨.
2) 실제 기관 사이클과의 차이 (작동 사이클의 차이)
- 실제 SI기관 사이클에서는 표준 공기 사이클과는 다르게 작동하여 열효율이 이론 열효율과는 많은 차이를 나타냄.
- 이러한 효율의 차이는 표준 공기 사이클에서 가정한 여러 변수들과 다루지 않은 변수들의 작용하여 손실이 존재하기 때문임.
- 대표적인 4가지 손실은 냉각 손실(cooling loss), 시간 손실(time loss), 펌프 손실(pumping loss) 및 블로다운 손실(blowdown loss) 등이 있다.
- 이 외에도 불완전 연소에 의한 손실, 작동 가스 누설에 의한 손실 등 기타 여러 손실들이 존재함.
4. 디젤사이클(정압사이클)
4행정 저속 CI 엔진의 공기 표준 열역학적 이상 사이클로 정압 사이클이라고도 함.
저속 CI 엔진에서는 착화 지연과 연료를 분사하기 위해 요구되는 유한 시간 때문에 연료의 분사는 압축 행정에서 시작되어 팽창 행정까지 지속되고, 연소 압력은 상사점을 지나 일정 수준의 압력이 유지됨.
디젤사이클은 2개의 단열과정(단열 압축/팽창)과 1개의 정압과정(정압 가열), 그리고 1개의 정적과정(정적 방열)으로 이루어진다.
디젤기관은 처음에 공기만을 실린더 속에 흡입하여 이것을 높은 압축비로 단열 압축한다.
아래 그래프를 보시면 오토 기관에 비해 훨신 높은 곳까지 올라가는 것을 확인할 수 있다. 이 압축된 공기에 연료를 분사하면 압축된 공기의 온도가 높기때문에 자연 발화한다.
폭발에 의한 압력상승을 피하기위해 연료 공급을 적당히 주기 때문에 정압연소를 할 수 있게 된다.
아래 그림은 저속-중속 디젤기관의 기본 사이클이다.
0-1 흡입과정(공기)
1-2 단열압축(공기)
2-3 정압가열(연료분사-연소)
3-4 단열팽창(연소가스)
4-1 정적방열(연소가스)
1-0 배기과정(연소가스)
디젤기관은 압축비가 높을수록 효율 증가, 차단비가 클수록 이론열효율이 감소한다.
디젤기관은 압축비를 아무리 높여도 노킹의 염려가 없기 때문에 가솔린 기관보다 압축비를 높일 수 있으나, 압축비가 높을 수록 폭발압력이 세기 때문에 기관의 강도를 고려해서 15~22:1정도의 압축비를 주로 사용한다.
5. 복합 사이클 (dual cycle or Sabathe cycle)
압축 착화 방식은 오토 사이클에 비해 고효율이지만 상대적으로 높은 압축비로 작동되는 단점을 갖고 있음.
오토 사이클의 정적 연소 방식은 동일 압축비에서 상대적으로 높은 열효율을 갖고 있음.
따라서 이상적인 사이클은 압축 착화 방식을 취하면서 오토 사이클로 작동되어야 함.
복합 사이클은 압축 행정 후반에 연소가 시작되어 오토 사이클과 같은 정적 연소가 이루어지고, 피스톤이 상사점을 지나면서 디젤 사이클과 같은 정압 연소가 이루어지도록 설계된 4행정 고속 CI 엔진의 공기 표준 열역학적 이상 사이클이다.
따라서 정적-정압 두 부분에서 연소가 이루어지므로 정적-정압 사이클 또는 복합사이클이라 한다.
고속 디젤기관에서는 짧은시간 내에 연료를 연소시킬 필요가 있으므로 압축행정이 끝나기 전에 연료 분사를 시작하여 압축행정 말기에 착화하도록하면 그 동안 공급된 연료는 대부분 정적 아래에서 연소,폭발하고 그 후에 분사된 연료는 대부분 정압 아래에서 연소한다.
그 과정은 다음과 같다.
0-1 흡입과정(공기)
1-2 단열압축(공기)
2-3 정적가열(연료분사연소)
3-4 정압가열(연료분사연소)
4-5 단열팽창(연소가스)
5-1 정적방열(연소가스)
1-0 배기과정(연소가스)
6. 실린더 안지름과 행정 비율에 의한 분류
1). 장행정기관 (Long Stroke Engine)
장행정기관은 실린더 안지름 D 보다 피스톤행정 L이 큰 형식이며 다음과 같은 큰 특징이 있다.
- 흡입공기량이 많고 폭발력이 크다.
- 큰 회전력을 얻을 수 있고, 피스톤이 움직일때 측면 압력을 감소 시킬 수 있다.
- 회전속도가 비교적 낮으며, 기관의 높이가 높아진다.
2). 정방행정기관
실린더 안지름과 피스톤행정의 크기가 똑같은 형식.
3). 단행정기관 (Short Stroke Engine)
실린더 안지름 D가 피스톤행정 L보다 큰 형식.
- 피스톤 평균속도를 높이지 않고 회전속도를 높일 수 있으므로 단위 체적당 출력이 클 수 있다.
- 흡배기 밸브의 지름을 크게 할 수 있어 체적효율을 높일 수 있다.
- 피스톤이 과열되기 쉽다.
- 폭발압력이 커 기관 베어링의 폭이 넓어야 한다.
- 회전 속도가 증가하면 관성력의 불평형으로 회전 부분의 진동이 커진다.
- 실린더 안지름이 커 기관의 길이가 길어진다.