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내연기관의 미래 평가B괜찮아요

※내연기관의 역사내연기관이 오토에 의해 실용화된 후 120년 이상이 경과되고 있다. 기술의 진보는 옛사람들의 지혜와 노력과 용기에 의한 것이고, 과거를 안다는 것은 새로운 기술을 잉태하는 첫걸음이기도 하다. 역시 온고지신이다. 르누아르(Lenoir)로부터 오토(Otto)까지피스톤식 내연기관의 최초의 구상으로 생각되는 것은 1670년경의 Huyghens(프랑스)의 화약식 부압 이용기관이다. 그림에는 이 기관을 스케치한 원도와 그의 모식도를 표시하고 있다. 이 기관에서는 실린더의 하부에서 화약을 폭발시켜, 그 폭풍으로 실린더내 가스를 배출시키는 것이고, 상부에 부착된 배기 구멍에 부드러운 가죽을 사용하고 있어 정압에서 열리고, 부압에서 닫히는 소위 밸브의 역할을 겸하게 하고 있다.Huyghens의 화약식 부압 이용기관(1670년경)이 경우, 실린더 내의 가스가 냉각되어 부압이 되는 것을 이용하여 동력을 얻으려고 하고 있지만, 사이클의 구성까지는 생각하지 않고 있다. 그 후에도 내연기관의 구상은 여러 가지가 나왔지만 동력원으로서의 산업화는 증기기관이 먼저이며, 내연기관은 그 후로 되게 되었다. 증기기관은 1712년 Newcomen(영국)이 실용화에 성공하였지만 열효율은 0.5% 정도로 극히 낮은 것이었다. 이 효율을 개선하여 증기기관의 시대를 만든 것은 Watt(영국)이다. 1765년에 발표된 Watt의 증기기관은, 팽창 후의 증기를 응축기를 사용하여 복수하는 방식으로 개량되어 열효율도 2%정도까지 향상되었다.이와 같은 증기기관의 전성기에도 내연기관을 실용화시키려는 노력이 계속되었다. Rivaz(스위스)는 1805년경, Volta의 전지를 이용한 불꽃 점화식 엔진을 발표하였다. 이 엔진의 외관 및 점화기구는 그림처럼 되어 있다. 이 형식의 엔진은 폭발력을 직접 동력으로써 이용하는 방식이 아니고, 폭발 시는 한 방향의 래크(rack) 기구로 피스톤을 상승시켜 실린더내 압력의 감압에 따라 피스톤 하강을 동력으로 이용하려는 것이다. 이 기관의 경우 혼합기 흡입용 피스톤 867년경) Lenoir 기관의 지압선도§Otto의 4사이클 기관Rivaz의 자유 피스톤과 같은 형식의 기관은 독일 사람 Otto도 1867년경 제작하고 있었다. Otto는 이 자유 피스톤식 2사이클 기관으로 열효율을 8% 정도까지 향상시키고 있다. 그러나 자유 피스톤 식에서는 래크부의 소음이 문제이고, 높은 효율을 얻을 수 없어서 새로운 방식의 개발을 시작하였다. 이것이 1862년에 Beau de Rochas(프랑스)가 제창하였던 4사이클 기관이다. 이 방식에서는 압축한 후에 점화하기 때문에 연소압력이 고압으로 되고, 피스톤 실(seal) 또는 강도상의 문제도 발생하였지만, 여러 가지 개선을 하여 1876년에는 실용화되게 되었고, Otto는 내연기관 발명자의 이름을 따른 것이다.Otto 4사이클 엔지의 외관도(1876년경)그림은 1876년에 발표된 오토 엔진의 외관을 나타낸 것이다. 이 기관의 압축비는 약 2.5이고, 연료로는 가스를 사용하고 있지만 연소실 내의 혼합기로서는 연소실 상부가 농후하여 착화하기 쉬운 소위 층상흡기를 고안하고 잇다. 또, 점화계에는 전기식이 아니고, 그림에 표시한 바와 같이 당시 신뢰성이 높았던 슬라이드 밸브를 사용한 토치점화 방식을 개선하여 이용하고 있다. 이 슬라이드 밸브를 사용한 점화기구는 복잡한 것이지만 개략은 다음과 같다.즉, 슬라이드 밸브 A의 이동에 따라서a→b의 순으로 새로운 공기가 도입되고, 그 후 g→b로 연료가스를 흡입하여 층상화를 하다. 이 시점에서 상시 점화되어 있는 버너부에 B가 이동하여 C로부터 화염을 받아서 슬라이드 밸브가 되돌아올 때에 L부분의 혼합기에 점화하는 것이다.Otto 엔지의 연소실 부근의 단면도이 방법으로 300rpm 정도까지의 점화가 가능하며, 열효율도 16%까지 향상되었다.※내연기관 성능의 역사19세기 초기에 상품화된 내연기관은 결코 고성능이라 말 할 수 있는 것은 아니었다.그림은 행정체적 1ι당 출력향상 과정을 나타낸 것이지만, 현재 엔진의 {{ 1} over {100 }로부터 시작되었트 부시현재의 자동차용 가솔린 기관압축 점화 기관(compression ignition engine)1892년 루돌프 디젤MAN사(1893년 시작품 제1호)1901년 트렁크 피스톤(trunk piston)무기 분사식(airless injection)디젤기관열구 점화 기관(hot bulb ignition engine)1890년 영국의 하버트 스튜어트크랭크식 소기식 (crank case scanvenging)의 2 cycle 기관-semi-diesel engine※열기관(heat engine)열에너지(heat energy)를 기계적인 일(mechanical work)로 변환하는 장치를 열기관(heat engine)이라고 한다. 열 에너지원은 태양이나 지열 또는 핵에너지(nuclear energy)까지 생각할 수 있는 데, 자동차용으로 고려하면 일반적으로 연료의 연소에 의해 발생되는 열에너지이다.열에너지는 작동 유체에 주어져, 작동 유체의 팽창에 의해 기계적인 일로 변환된다. 열기관은 작동 유체(working fluid)에 열에너지를 공급하는 방법이다. 즉 열기관은 작동 유체에 열을 공급하는 방법 및 작동 유체가 갖고 있는 열에너지가 기계적인 일로 변환되는 방법에 따라 분류하고 있다.열 공급 방법에 의한 분류열기관은 작동 유체에 열을 공급하는 방법에 따라 내연 기관(internal combustion engine)과 외연기관(external combustion engine)으로 구분하고 있다. 내연 기관은 엔진 내에서 연료의 연소에 의하여 발생한 고온 고압의 가스가 직접 일을 행하는 방식으로, 작동 유체와 연소 생성물은 동일하다. 자동차용 내연 기관에서는 연료 - 공기 혼합기, 연소 가스가 모두 작동 유체가 된다. 따라서 현재 사용하는 자동차용 가솔린 기관 및 디젤 기관은 모두 내연 기관이며, 이외에 가스터빈, 제트 기관 등이 내연 기관에 속한다.체적형 열기관의 분류{열기관내연기관왕복형(체적형)불꽃 점화 기관압축 착화 기관연속 연소속도형가스 터빈제트 기관연속 연소외 상단에 연료 분사 밸브가 부착되고, 여기에 고압의 연료를 공급하는 비교적 대형의 연료 펌프가 엔진에 의해 직접 구동되고 있는 것, 상사점에서 연소실 체적의 태반은 피스톤 헤드 부의 요부에 의해 점유된다. 실린더 헤드의 연소실면은 거의 평면인 것, 최고 압력이 높기 때문에 전체적으로 견고한 구조인 것 등이 가솔린 엔진과 다르다.디젤 엔진의 구성※요구 성능엔진으로서 갖추어야 할 성능은 엔진이 탑재되는 차량의 사용 목적이나 조건에 따라서 중요도, 우선 도에 차이가 있는 것은 당연하다. 또 이러한 각종 요건이 사용자, 구입자 측으로부터의 상품성 면에서뿐만 아니라 앞으로 자동차가 존속하기 위한 사회적 책임이라는 뜻에 부합되는 면에서도 강해진다. 엔진을 설계하기 위해서는 매우 광범위하게 각종 성능의 검토에 더해서 각 구성 시스템이나 부품에 대한 고도의 기능과 정확한 해석을 필요로 하게 되어 있다.§출력 성능엔진의 고출력화 경향에 맞추어, 가솔린엔진에서는 DOHC 4밸브 식의 밸브 동작 기구, 각종 과급 기구가 매우 일반적인 기술로 적용되고 있으며, 실차에서도 배기량당 출력이 100 PS/L를 넘는 것이 나타나고 있다.디젤 엔진은 본질적으로 가솔린 엔진에 비해 고속 출력이 떨어지지만, 승용차로의 적용이 늘어남에 따라 고출력화의 움직임이 나타나고 있으며, 소형 디젤 엔진에서도 과급기를 장착한 것이 증가하고 있다.§연료 소비 성능오일 쇼크에 의한 석유 가격의 폭등 등으로 인해 연료 소비 성능에 대한 사용자의 관심이 높아졌고, 최근에는 자원 문제로 각국의 국가적인 과제로서 가장 중요한 품질이 되고 있다. 특히 최근에는 C{{ O}_{2 }가스에 의한 지구의 온난화가 현실적이 문제로 주목을 받기 시작하고 있다.※특수 엔진§가스 터빈(gas turbine)압축기로 대기를 흡입·가압하여 연소기에서 연료를 연소시켜 얻어진 고온 가스를 터빈에 고속으로 공급하고, 터빈은 압축기를 구동시킴과 동시에 기계적 일을 외부로 출력하는 내연 기관이다. 가스 터빈은 일반적으로 고부하측에서의 연비 성 혼합 이용은 미국·서독 등에서 이미 실용화되고 있고, 브라질에서는 에탄올 100% 차도 주행하고 있다. 또 메탄올은 풍부한 천연 가스를 자원으로 하여 오존, {N{ O}_{x }, 저감 등 공기의 질 개선에 효과가 있어 대체 연료로서 가장 가능서이 높은 연료이다.그러나 현재 상태에서는 생산량이 적고 공급체제도 불충분하며 또 재료의 내식성 등 기술적인 문제도 남아 있다. 메탄올은 옥탄가가 높고 희박 혼합 기에서의 연소 안정성이 좋은 것 등 연료로서 우수한 특성을 가지고 있다.§수소 엔진(hydrogen engine)수소는 최소 점화 에너지가 작고, 가연 혼합기 범위가 매우 넓은 등의 특징을 가지고 있어 미래의 연료로서 기대되고 있다.스파크 점화 엔진에 적용시킨 경우 가솔린에 비해 희박 혼합기 연소가 가능하여 저부하에서의 열효율이 높고 {N{ O}_{x }가 낮고 HC, CO는 원리적으로 발생하지 않는다. 또 오일의 열화가 적고 연소실 퇴적물 생성도 적다. 그러나 혼합기 체적당 발열량이 작고, 또 이론 공연비 부근에서 이상 연소를 일으키기 쉬우므로, 예혼합 연소에서는 최고 출력이 가솔린이 약 60%로 된다.수소와 가솔린의 도시 열효율∴자동차용 수소 엔진의 연구 개발 : 수소는 압축착화가 곤란하여 예혼합 스파크 점화 엔진이 주로 개발되어 왔으며, 이상 연소 및 고부하에서의 {N{ O}_{x }대책으로 관내 분사와 수분사 등이 연구되고 있다. 수소의 자동차 탑재 방법에 대해서는 액체 수소 탱크·금속 수소화물 탱크가 개발되고 있으나, 체적당 에너지 밀도가 작고 차량의 항속 거리가 짧은 것 등 해결해야 할 과제가 남아 있다.§세라믹 엔진(ceramic engine)세라믹을 엔진 부품에 적용시킨 것으로, 그 적용 목적에 따라 크게 2가지로 나누어진다. 주로 연소실 부품에 세라믹을 적용하여 열을 빼앗기지 않는 구조로 하여 고효율을 목적으로 한 엔진과 내마멸성 향상이나 경량화 등 개개의 부품 성능 향상을 목적으로 세라믹을 사용한 엔진이다. 그러나 세라믹 엔진이라고 하면 전자.

자연과학| 2000.10.17| 12페이지| 무료| 조회(2,397)

내연기관, 대체연료, 미래엔진

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