열전구 엔진

Hot-bulb engine
열전구 엔진(2행정) 1. 전구. 2. 실린더 3. 피스톤 4. 크랭크케이스
구형 스웨덴 열전구 엔진 작동 중

열전구 엔진은 내연 엔진의 일종으로, 전구 내부의 붉게 달아오른 금속 표면에 접촉하여 연료가 점화된 후 상승 피스톤에 의해 열전구 챔버로 압축된 공기(산소)가 유입된다. 연료가 도입되면 약간의 발화가 일어나지만, 전구에 있는 사용 가능한 산소를 빠르게 소진한다. 활력 있는 발화는 엔진의 압축 행정에서 열전압 챔버에 충분한 산소가 공급될 때에만 발생한다.

대부분의 열전구 엔진은 1, 2기통, 저속 2행정 크랭크케이스 스크래빙 유닛으로 생산되었다.[1]

역사

혼스비-아크로이드 오일 엔진(1905):
4행정 14HP가 작동하고 있다.
2008년 도싯 증기 박람회
참고 항목: 내연기관의 역사

포 스트로크 혼스바이아크로이드 오일 엔진

이 엔진의 개념은 영국의 발명가인 Herbert Akroyd Stuart에 의해 확립되었다. 최초의 프로토타입은 1886년에 만들어졌고 1891년 영국 링컨셔 그랜섬의 리처드 혼스비앤선즈에 의해 라이선스 하에 혼스비 아크로이드 특허 오일 엔진이라는 제목으로 생산이 시작되었다.[2][3]

주요 기사: 혼스비-아크로이드 오일 엔진

2행정 열전구 엔진

몇 년 후, 독일 이민자 미에츠와 와이스에 의해 미국에서 아크로이드-스투아트의 디자인은 더욱 발전되었는데, 그는 같은 크기의 4행정 엔진에 비해 거의 2배의 전력을 공급하기 위해 요셉 데이가 개발한 2행정 청소 원리에 열전 엔진과 결합하였다. 농업과 해양 사용을 위해 유사한 엔진들이 J. V. Svensons Motorfabrik, 볼린더스, Lysekils Mekaniska Verkstad, AB Pigagoras 및 스웨덴의 많은 다른 공장들에 의해 건설되었다.

디젤 엔진과 비교

아크로이드-스투아트의 엔진은 가압 연료 분사 시스템을[4] 사용한 최초의 내연기관이었으며, 별도의 증기 연소실을 사용한 최초의 엔진이기도 했다. 몇 년 후 개발된 유사한 디젤 엔진의 이전 모델이라고 할 수 있는 모든 열전구 엔진의 선구자다.

Hornsby-Akroyd 오일 엔진과 기타 열전구 엔진은 압축의 열만으로 발화가 발생하는 Rudolf Diesel의 설계와는 확연히 다르다. 오일 엔진은 압축비가 3:1에서 5:1 사이일 것이며, 일반적인 디젤 엔진은 보통 15:1에서 20:1 사이 훨씬 높은 압축비를 가지므로 효율성이 더욱 높아진다. 또한 고압 디젤 분사 펌프로 압축의 최고점에 있지 않고 초기 흡입 행정 중에 연료를 쉽게 주입한다.[5]

작동 및 작업 사이클

열전구 엔진은 실린더 내부에 피스톤이 있고 커넥팅 로드와 크랭크축에 의해 플라이휠에 연결되어 있다는 점에서 거의 모든 다른 내연 기관과 기본 배치를 공유한다. 애크로이드-스튜어트의 원래 엔진은 4행정 사이클(유도, 압축, 전력, 배기)으로 작동했고, 혼스비는 블랙스톤, 크로스리 등 다른 몇몇 영국 제조사들과 마찬가지로 이 설계로 엔진을 계속 제작했다. 유럽, 스칸디나비아 및 미국의 제조업체들은 크랭크케이스 청소와 함께 2행정 사이클로 작업하는 엔진을 만들었다. 후자 타입은 열전구 엔진 생산의 대부분을 형성했다. 엔진을 통과하는 기체의 흐름은 4행정 엔진의 밸브에 의해 제어되며, 피스톤이 실린더 벽의 포트를 2행정으로 덮거나 덮는 방식으로 제어된다.

열전구 엔진을 시동하는 데 사용되는 블로 토치 유형
Lanz 불독 트랙터의 전구를 가열하는 데 사용되는 블로우 램프

열전구 엔진에서 연소는 분리 연소실인 "포화기"("열전구"라고도 함)에서 이루어지며, 일반적으로 실린더 헤드에 장착되며 연료가 분사된다. 좁은 통로로 실린더에 연결되고 주행 중 연소 가스에 의해 가열된다. 블로 토치나 느리게 타는 심지와 같은 외부 불꽃이 시동에 사용되며, 이후 모델에서는 전기 난방이나 폭약 기술이 사용되기도 했다. 또 다른 방법은 스파크 플러그와 진동자 코일 점화장치를 포함하는 것이다. 즉, 엔진은 가솔린(가솔린)에서 시동되고 작동 온도로 예열된 후 오일로 전환된다.

예열 시간은 엔진 설계, 사용 난방 유형 및 주변 온도에 따라 다르지만, 온대 기후에서 대부분의 엔진은 일반적으로 극한에서 작동하거나 엔진이 특히 큰 경우 2~5분에서 최대 30분까지 다양하다. 그리고 나서 엔진은 보통 손으로 뒤집히지만 때로는 압축 공기나 전기 모터에 의해 뒤집힌다.

일단 엔진이 작동하면 압축과 점화 열로 인해 열전구가 필요한 온도로 유지되고 블로우 램프나 기타 열원을 제거할 수 있다. 그 후 엔진은 외부 열을 필요로 하지 않고 공기, 연료 오일 및 윤활유를 공급하기만 하면 작동된다. 그러나 낮은 전력에서는 전구가 너무 많이 식을 수 있고 스로틀이 차가운 신선한 공기 공급을 차단할 수 있다. 또한 엔진의 부하가 증가함에 따라 전구의 온도도 상승하여 점화 기간이 앞당겨지게 되고, 사전 점화에 대응하기 위해 공기 흡입구로 물이 떨어지게 된다.[6] 마찬가지로 엔진에 가해지는 부하가 낮을 경우 연소 온도가 열전구의 온도를 유지하기에 충분하지 않을 수 있다. 이러한 이유로 많은 열전구 엔진은 보조 난방 없이 오프로드로 구동될 수 없다.

엔진이 가동되는 동안 장시간 방치될 수 있다는 사실은 열전구 엔진을 농장 트랙터, 발전기, 펌프, 운하 보트 추진력 등 일정한 전력 출력이 필요한 애플리케이션에서 인기 있는 선택으로 만들었다.

4행정 엔진

피스톤이 하강할 때(유도 스트로크) 공기가 흡기 밸브를 통해 실린더로 유입된다. 같은 스트로크 동안 노즐을 통해 기계식(제르크식) 연료 펌프에[7] 의해 기화기로 연료가 분사된다. 분사된 연료는 기화기의 뜨거운 내부와 접촉할 때 증기가 발생하지만, 발화를 일으키기에 충분한 열은 아니다. 그런 다음 실린더의 공기는 피스톤이 상승할 때(압축 스트로크) 구멍을 통해 기화기로 강제된다(약 3:1의 비율). 이는 공기 전하의 상당한 온도 상승을 일으키기에 충분하지 않으며, 이는 대부분 공기의 내부 표면과의 접촉에 의해 가열되는 공기에 의해 발생한다. 핫 벌브(시동 전 외부 가열 또는 엔진이 작동하면서 연소 열이 유지되기 때문에 빨간색 핫). 압축 행정은 대부분 실린더에서 기화기로의 공기의 난동을 일으키는 역할을 하며, 기화기는 미리 증발한 연료 오일과 혼합된다. 이러한 혼합과 공기가 기화기로 가볍게 압축될 때 산소 함량이 증가하면 연료 오일 증기가 자연적으로 점화된다.[8] 연료 전하의 연소는 전구에서 완료되지만, 배기 가스와 과열된 공기의 전하가 팽창한다. 그 결과 발생하는 압력은 피스톤을 내리게 한다(파워 스트로크). 피스톤의 작용은 크랭크축-플라이휠 어셈블리에 의해 회전 운동으로 변환되어 수행될 작업을 위해 장비를 부착할 수 있다. 플라이휠은 모멘텀을 저장하는데, 그 중 일부는 전원이 공급되지 않을 때 엔진을 회전시키는 데 사용된다. 피스톤이 상승하여 배기 밸브(배기 스트로크)를 통해 배기 가스를 배출한다. 그런 다음 주기가 다시 시작된다.

2행정 엔진

연료 주입과 연소의 기본 작용은 4행정, 2행정 등 모든 열전 엔진에 공통적으로 나타난다. 사이클은 피스톤이 스트로크 하단에 있는 상태에서 시작한다. 상승하면서 흡입구를 통해 크랭크케이스로 공기를 끌어들인다. 동시에 기화기로 연료가 분사된다. 피스톤 상단의 공기의 전하가 기화기로 몰리며, 기화기는 분무 연료와 혼합되어 연소된다. 피스톤이 실린더 아래로 구동된다. 하강하면서 피스톤은 먼저 배기 포트를 분리한다. 가압된 배기 가스가 실린더에서 흘러나온다. 배기 포트가 노출된 지 얼마 지나지 않아 내림 피스톤이 트랜스퍼 포트를 분리한다. 이제 피스톤은 크랭크케이스의 공기를 가압하고 있으며, 크랭크케이스는 이송 포트를 통해 피스톤 위의 공간으로 강제된다. 유입되는 공기의 일부는 실린더에서 모든 배기 가스가 제거되도록 하기 위해 여전히 열려 있는 배기 포트에서 손실되며, 이 프로세스는 "청소"라고 알려져 있다. 피스톤은 그 후 스트로크 하단에 도달하여 다시 상승하기 시작하여 크랭크케이스에 새로운 공기의 전하를 끌어들이고 사이클을 완료한다. 유도와 압축은 상향 행정에서는 수행되고, 하향 행정에서는 전원과 배기가스가 발생한다.

크랭크샤프트 베어링을 공급하기 위해 크랭크케이스에 윤활유를 공급해야 한다. 크랭크케이스는 엔진에 공기를 공급하는 데도 사용되기 때문에 엔진의 윤활유는 공기와 함께 실린더로 운반되어 연소 중에 연소되어 배기 가스를 배출한다. 크랭크케이스에서 실린더로 운반되는 오일은 피스톤을 윤활하는 데 사용된다. 이는 2행정 열전구 엔진이 윤활유의 공급을 점차적으로 연소한다는 것을 의미하는데, 이는 "총손실" 윤활 시스템으로 알려진 설계다. 또한 크랭크케이스에서 오일을 제거하여 윤활유 저장소로 돌려보내기 위해 스크럽 펌프 등을 사용하는 설계도 있었다. 란즈 열전압 트랙터와 그들의 많은 모방자들은 이런 특징을 가지고 있었다. 이것은 석유 소비를 상당히 줄였다.

또한 시동 시에 과도한 크랭크케이스 오일이 존재할 경우 회전 및 왕복 구성 요소의 속도 제한을 훨씬 초과하기 위해 엔진 시동 및 가속이 걷잡을 수 없이 발생할 위험이 있다. 이로 인해 엔진이 파괴될 수 있다. 일반적으로 시동 전에 크랭크케이스를 배출할 수 있는 펑크 또는 스톱콕이 있다.

밸브가 부족하고 작동 사이클이 두 배로 늘어난다는 것은 2행정 열전구 엔진이 양방향에서 똑같이 잘 작동할 수 있다는 것을 의미하기도 한다. 소형 2행정 엔진의 일반적인 시동 기술은 정상적인 회전 방향에 대해 엔진을 뒤집는 것이다. 피스톤은 엔진을 올바른 방향으로 회전시키고 시동할 수 있는 충분한 힘으로 압축 단계에서 "바운스"한다. 이러한 양방향 주행은 증기 엔진과 마찬가지로 엔진이 기어박스가 필요 없이 선박을 전진 또는 후진으로 구동할 수 있기 때문에 해양 애플리케이션에서 장점이었다. 방향은 엔진을 정지시키고 다른 방향으로 다시 시동을 걸거나, 또는 충분한 기술과 타이밍으로 작동자 측의 압착에 부딪쳐 튕겨져 반대 방향으로 달릴 수 있을 정도로 충분한 모멘텀을 운반할 때까지 엔진 속도를 늦출 수 있다. 이는 기어박스가 장착된 열전동 트랙터에서는 바람직하지 않은 품질이었다. 매우 낮은 엔진 속도에서는 트랙터가 의도한 방향과 반대 방향으로 주행할 때까지 운전자가 눈치채지 못하고 소리나 작동 품질의 변화 없이 엔진이 스스로 후진할 수 있다. 랑즈 불독 트랙터에는 기계적으로 엔진에 의해 구동되는 다이얼이 달려 있어 회전하는 화살이 보였다. 화살표는 정상적인 엔진 회전 방향을 가리켰다. 다이얼이 반대로 돌면 엔진이 스스로 뒤집힌 상태였다.

이점

열전구 엔진이 발명되었을 때, 그것의 큰 매력은 당시 산업에서 지배적인 동력원이었던 증기 엔진에 비해 효율성과 단순성, 그리고 운영의 용이성이었다. 무응축 증기 엔진은 [citation needed]약 6%의 평균 열효율(실제로 유용한 작업으로 전환되는 생성된 열의 비율)을 달성했다. 열전구 엔진은 쉽게 12%의 열효율을 달성할 수 있다.

1910년대부터 1950년대까지 열전구 엔진은 저압 원유 연료 주입으로 제조하기에 더 경제적이었고 디젤의 압축 점화 엔진에 비해 압축비율이 낮았다.

열전구 엔진은 증기 엔진보다 제작과 작동이 훨씬 간단하다. 보일러는 최소한 한 사람이 필요한 경우 물과 연료를 추가하고 압력을 모니터링하여 과압과 그에 따른 폭발을 방지해야 한다. 자동 윤활 시스템과 엔진 속도를 제어하기 위한 거버너가 장착된 경우, 열전구 엔진은 한 번에 몇 시간 동안 방치될 수 있다.

또 다른 매력은 그들의 안전이었다. 노출된 화재와 뜨거운 보일러가 있는 증기기관, 증기 파이프 및 작동 실린더는 군수공장이나 연료 정제소와 같은 인화성 조건에서는 사용할 수 없었다. 또한 열기구 엔진은 더 깨끗한 배기 가스를 배출했다. 증기기관에서 큰 위험은 보일러 압력이 너무 높아져 안전밸브가 고장나면 열전구 엔진이 발명될 무렵에는 비교적 드문 일이었지만 매우 위험한 폭발이 일어날 수 있다는 것이었다. 더 흔한 문제는 증기기관 보일러의 수위가 너무 낮게 떨어지면 용광로 정관의 납 플러그가 녹아 화재가 진화한다는 점이었다. 열전구 엔진에 연료가 고갈되면 간단히 정지하고 더 많은 연료로 즉시 재시동할 수 있다. 수냉은 보통 폐쇄회로였기 때문에 누수가 없는 한 물 손실은 발생하지 않았다. 냉각수가 부족하면 엔진은 과열을 통과하게 되는데, 이는 큰 문제지만 폭발의 위험은 없다.

증기, 가솔린(Otto-cycle), 압축 점화(Diesel-cycle) 엔진에 비해 열전구 엔진은 단순하기 때문에 잠재적 문제가 적다. 가솔린 엔진에서는 전기 시스템이 없고 증기 엔진에서는 외부 보일러와 증기 시스템이 없다.

열전구 엔진의 또 다른 큰 매력은 광범위한 연료로 달리는 능력이었다. 기화기와 압축 발화의 결합은 그러한 연료가 연소되도록 만들어질 수 있다는 것을 의미하기 때문에, 가연성이 낮은 연료도 사용될 수 있다. 통상적인 연료는 연료유여서 현대식 디젤연료와 비슷했지만 천연가스, 등유, 원유, 식물성 오일 또는 크레오소테도 사용할 수 있었다. 이것은 열전구 엔진이 쉽게 구할 수 있는 연료로 작동할 수 있기 때문에 작동하기에 매우 저렴했다. 일부 운전자들은 심지어 중고 엔진 오일로 엔진을 가동하여 거의 자유 출력을 제공하기도 했다. 최근,[when?] 이러한 다중 연료 능력은 개발 도상국에서 열전구 엔진을 사용하는데 관심을 갖게 되었다. 이 엔진은 국내에서 생산된 바이오 연료로 구동될 수 있다.[9]

예열 시간이 길기 때문에, 열전구 엔진은 보통 매우 추운 환경에서도 쉽게 시동이 걸린다. 이로 인해 그들은 증기 엔진을 사용할 수 없고 초기 가솔린 및 디젤 엔진의 작동에 의존할 수 없는 캐나다와 스칸디나비아와 같은 추운 지역에서 대중적인 선택을 하게 되었다. 그러나, 그것은 또한 특히 자동차에서 단시간 운행에 적합하지 않게 만든다.

사용하다

1939년, Lanz Buldog, 열전구 엔진 주위에 건설된 트랙터.
1947-1952년 생산된 두 개의 실린더 열전구 엔진을 장착한 볼린더-멍켈 BM-10
혼스비-아크로이드 "래시스"는 열기구 엔진으로 구동되는 기관차다.

전구 엔진의 신뢰성, 많은 연료로 달릴 수 있는 능력, 그리고 그것들이 한번에 몇 시간 또는 며칠 동안 작동하도록 내버려 둘 수 있다는 사실 때문에 그들은 펌프와 제분, 톱질, 탈곡 기계에 사용되는 농업, 임업, 해양 사용자들에게 매우 인기가 있었다. 열전구 엔진은 도로 롤러와 트랙터에도 사용되었다.

스웨덴 스톡홀름의 J. V. Svenssons Motorfabrik, i Augustendal은 1912년부터 1925년까지 생산된 그들의 Typ 1 모터 쟁반에 열전구 엔진을 사용했다. 스웨덴 에스킬스투나에 있는 뮌켈 메카니스카 베르크스타드 AB는 1913년부터 열전구 엔진을 장착한 농업용 트랙터를 생산했다. 독일 만하임에 있는 하인리히 란즈 AG는 1921년 란즈 불독 HL 트랙터에서 열전구 엔진을 사용하기 시작했다. 전구 엔진을 사용한 다른 잘 알려진 트랙터 제조업체로는 이탈리아의 부바, 감비노, 란디니와 오르시, 헝가리의 HSCS, 프랑스의 SFV, 폴란드의 우르수스(Wursus C-45, 1934년 랑즈 불독 D 9506의 직본) 등이 있다.

1928년형 랜즈 불독 트랙터.
"열전구"는 실린더 블록 전면에 장착된 프론트 액슬 바로 위에 위치한다.

20세기 초에는 수백 개의 유럽 해양용 열전구 엔진 제조업체가 있었다. 스웨덴에서만 70개 이상의 제조업체가 있었는데, 그 중 볼린더가 가장 잘 알려져 있다. 1920년대에 그들은 세계 시장의 약 80%를 점유했다. 노르웨이산 사브는 소형 어선들에게 매우 인기 있는 열전구 엔진이었으며, 이들 중 상당수는 여전히 정상 작동 중이다. 미국에서는 스탠더드, 웨버, 리드, 스틱니, 오일 시티, 페어뱅크스 모스가 열전구 엔진을 만들었다.

수직형 트윈실린더 열전구 엔진, 70마력 개발. 이 엔진은 최고속도가 분당 325회전이다

엔진 설계의 한계는 상당히 좁은(그리고 낮은) 속도 대역(일반적으로 50~300rpm)에서만 달릴 수 있다는 것이었다. 이 때문에 전구 엔진은 속도가 주요 요건이 아닌 트랙터 등 차량 이외의 차량 사용에 적응하기 어려웠다. 이러한 제한은 열전구 엔진이 매우 인기 있는 정지 응용 프로그램에는 거의 영향을 미치지 않았다.

예열시간이 길기 때문에, 전구 엔진은 장시간 엔진을 가동해야 하는 사용자들에게만 호의적이었으며, 예열 과정은 전체 작동 기간의 작은 비율만을 나타낸다. 여기에는 특히 어선에서의 해양 이용과 양수 또는 배수관세 등이 포함되었다.

전구 엔진은 다이너모스와 전등 시스템이 완성되는 동시에 발명되었으며, 전기 발생은 전구 엔진의 주요 용도 중 하나였다. 이 엔진은 1890년대에 고속 증기 엔진이 개발되었지만, 표준 왕복 증기 엔진보다 높은 R.P.M.을 달성할 수 있었고, 1인만이 작동하고 유지할 수 있는 능력을 포함한 낮은 연료와 유지보수 요건은 소규모 발전에도 이상적이었다. 전구 엔진에 의해 구동되는 발전기 세트는 공장, 극장, 등대, 라디오 방송국 및 중앙집중화된 전기 그리드를 사용할 수 없는 많은 다른 장소뿐만 아니라 특히 시골 지역의 수많은 대형 주택에 설치되었다. 일반적으로 발전기 또는 교류 발전기는 엔진의 플라이휠에서 벗어나 필요한 "기어업"이 가능하도록 하여 엔진보다 빠른 속도로 발전기를 회전시킨다. 암스트롱 휘트워스나 볼튼 폴 같은 회사들은 1900년대부터 1920년대 후반까지 엔진과 발전기를 모두 갖춘 완전한 발전 세트를 제조하여 공급했는데, 이때 전 세계 국가 그리드 시스템의 형성과 디젤 엔진에 의한 전구 엔진의 교체로 수요 감소가 초래되었다.

증기 엔진의 화재가 허용할 수 없는 화재 위험이 있는 지역에서도 엔진을 사용하였다. 아크로이드-스투아트는 이전에는 위험 때문에 기관차 사용이 불가능했던 울리치 로열 아스널을 위해 열전구 오일 엔진인 '라시스'로 구동되는 세계 최초의 기관차를 개발했다. 전구 엔진은 20세기 초 산업용 엔진으로 매우 인기가 있었지만, 더 큰 엔진에 사용될 수 있는 동력이 부족했다.

대체

영국 스톡포트 앤슨 엔진 박물관에 전시된 가드너 4T5 4기통 열전구 엔진

1910년경부터 디젤 엔진은 극적으로 개선되었고, 열전구 엔진이 관리할 수 있는 것보다 더 큰 효율로 더 많은 전력을 사용할 수 있게 되었다. 디젤 엔진은 최대 경제성을 염두에 두고 설계하면 50% 이상의 효율을 달성할 수 있으며, 보다 효율적인 연소 방식으로 인해 주어진 엔진 크기에 더 큰 동력을 제공했다. 그들은 순전히 압축 점화에만 의존하는 열전구가 없었고, 사전 가열도 필요 없기 때문에 사용 편의성을 더 크게 제공했다.

전구 엔진은 속도 및 전체 전력 대 크기 비율 측면에서 범위가 제한되었다. 배나 기관차에 동력을 공급할 수 있는 전구 엔진을 만들려면 엄청나게 크고 무거웠을 것이다. 란디니 트랙터에 사용되는 전구 엔진은 비교적 낮은 출력량을 위한 용량이 무려 20리터나 되었다. 전구 엔진의 동력과 속도의 주된 한계는 연소 방식이었다. 디젤 엔진에서 연소는 압축 공기에 연료를 주입하여 제어된다. 연료가 주입될 때까지 연소가 발생하지 않기 때문에 연소 타이밍과 지속시간을 엄격하게 제어할 수 있다. 열전구 엔진의 연료는 압축이 시작되기 전에 실린더에 주입되었고, 압축 행정 중 공기 전하가 열전구의 기화 연료를 충족함에 따라 연소가 시작될 것이다. 이는 연소가 어느 정도 정밀하게 제어하기 어렵다는 것을 의미했다. 열전구 전체에서 연료 전하의 일부는 피스톤이 압축 행정(compression stroke)을 완료하기 전에 서로 다른 시간에 점화된다. 이는 기존의 스파크 점화 엔진에서 프리 점화되는 것과 동일하며 엔진 내부 부품, 특히 피스톤에 고르지 않은 힘과 높은 열 및 물리적 응력을 초래한다. 전구 엔진에서 이 문제는 전체 엔진 속도, 각 사이클에서 분사되는 연료량, 엔진 구성 요소의 매우 높은 빌드를 낮게 유지해야 극복될 수 있다. 그 결과 매우 내구성이 강한 엔진이 나왔고, 이 엔진은 상대적으로 낮은 출력을 생산하면서도 크고 무거웠다. 물 주입(예비점화를 줄이기 위한 것)과 "핫 튜브" 엔진(엔진 속도에 따라 기화기의 부피를 변경하여 전체 압축비를 변경할 수 있게 한 것)과 같은 아이디어는 복잡성과 비용을 증가시켰고, 여전히 빠르게 발전하고 있는 디젤 엔진과 같은 리그에서 동력 대 중량 비율을 제공할 수 없었다.

멀티실린더 엔진에서 여러 개의 열전구 전체에서 고른 연소를 만드는 것은 어렵다. 디젤 엔진에 비해 전구 엔진의 압축률이 낮아 효율과 출력, 속도가 제한됐다. 대부분의 열전구 엔진은 최대 100rpm 정도로 달릴 수 있는 반면, 1930년대에는 2,000rpm이 가능한 고속 디젤 엔진이 만들어지고 있었다. 또한, 열전구의 설계와 인젝터 시스템에 관한 현재 기술의 한계로 인해, 대부분의 열전 엔진은 고정 속도 또는 매우 좁은 속도 범위에서 작동하는 단속 엔진이었다. 디젤 엔진은 훨씬 더 넓은 속도 범위에서 작동하도록 설계될 수 있으며, 이를 더욱 다용도로 만들 수 있다. 이는 이러한 중형 다이젤을 발전기 세트에 사용하기 위해 매우 인기 있는 선택으로 만들었으며, 소규모 발전용 엔진으로 전구 엔진을 대체했다.

1930년대와 1940년대의 소형 고속 디젤 엔진의 개발로 인해 전구 엔진의 인기가 급격히 떨어지게 되었다. 마지막 대규모의 전구 엔진 제조업체는 1950년대에 전구 엔진 생산을 중단했고 현재 개발도상국의 매우 외진 지역을 제외하고는 상업적으로 거의 멸종되었다. 이것의 예외는 해양 사용이다; 열전구 엔진은 유럽의 내륙 바지선과 좁은 보트에 널리 장착되었다. 영국 최초의 자력식 "모터" 협궤 2척인 1911년[10] 캐드베리의 본빌 1호와 본빌 2호는 15마력의 볼린더 단실린더 열전구 엔진으로 동력을 공급받았으며,[10] 1920년대와 1950년대 사이에 이런 유형이 보편화되었다. 일반적으로 열전구 엔진은 수명이 길고 이러한 용도에 이상적으로 적합하기 때문에, 오늘날에도 원래의 열전구 엔진이 장착된 선박을 발견하는 것은 드문 일이 아니다.

흔히 모델 예열 플러그 엔진은 전구 엔진의 변형이라고 오해하지만, 그렇지 않다.[citation needed] 모델 예열 엔진은 촉매 점화 엔진이다. 이들은 예열 플러그 코일의 백금과 메틸 알코올 증기 사이의 반응을 이용하여 특정 온도 및 압력에서 백금이 증기와 접촉하여 빛을 발한다.

전구 유사디젤 개발

1890년대–1990년

전구 엔진은 디젤 엔진과 혼동되는 경우가 많은데,[11] 두 엔진은 매우 유사한 것이 사실이다. 열전구 엔진은 눈에 띄는 열전구 기화기를 특징으로 하지만 디젤 엔진은 그렇지 않다. 기타 유의미한 차이는 다음과 같다.

  • 전구 엔진은 대부분 기화기에 남아 있는 열을 재사용해 연료를 점화시켜 약 12%의 효율을 달성한다.[11]
  • 디젤 엔진은 연료를 점화하기 위해 압축만 사용한다. 열전구 엔진보다 여러 배 높은 압력으로 작동하여 대형 다이젤로 50% 이상의 효율을 낸다.
  • 전구 엔진은 시동 전 약 15분 동안, 종종 토치로 전구를 예열해야 한다.

또한 연료 분사 프로세스의 타이밍에도 중대한 차이가 있다.

  • 열전구 엔진에서 1910년 이전에 (흡입 스트로크 도중) 기화기에 연료가 주입되었다. 이로 인해 연소 시작이 크랭크 각도와 동기화되지 않게 되어 엔진이 저속 또는 부하 한 번에서만 부드럽게 작동하게 된다.[2][12] 엔진의 부하가 증가하면 전구의 온도도 증가하여 점화 주기가 진전되어 사전 점화가 발생하게 된다. 사전 점화에 대응하기 위해, 물을 공기 흡입구로 떨어뜨려 약간의 유연성을 제공한다.[6]: 664
  • 디젤 엔진에서 연료는 압축 행정의 상단 데드 중심에 도달하기 직전에 엔진 속도와 부하에 비례하여 조정된 타이밍으로 실린더에 주입된다.

연료 분사 방법에는 또 다른 세부적인 차이가 있다.

  • 전구 엔진은 중압 펌프를 사용하여 간단한 노즐을 통해 실린더에 연료를 공급한다.
  • 원래의 디젤 엔진에서는 고압 압축 공기에 의해 인젝터를 통해 연료가 실린더로 분사되었다. 캠축은 스프링이 장착된 핀을 들어 노즐을 통해 연료 공급을 개시했다.

제1차 세계 대전 전에는 석유 엔진이 150rpm 이상 더 빨리 달릴 수 있을 정도로 기술이 발전하지 못했다. 이러한 엔진의 구조는 증기 엔진과 유사하며, 압력식 윤활이 없었다.

전구 엔진의 경우 연료가 저압으로 분사되어 보다 경제적이고 안정적이며 간단한 구성을 사용한다. 그러나 압축 공기 주입을 사용하지 않음으로써 효율성이 떨어진다.

이 기간 동안 디젤과 전구 엔진은 4행정이었다.[12] 1902년. 런들로프는 널리 보급된 전구형 엔진으로 거듭난 2행정 크랭크케이스 스캐닝 엔진을 발명했다.

1910-1950년대

소형 직분사 디젤 엔진은 여전히 실용적이지[11] 않았고 시동에 사용할 예열 플러그의 요건과 함께 사전 주입식 간접 분사 엔진이 발명되었다.[13][14] Robert Bosch GmbH 펌프에 의해 개발된 기술로, 인젝터 시스템은 훨씬 더 높은 압력으로 작동하도록 구축될 수 있었다. 고정밀 인젝터와 결합하여 1927년부터 고속 다이젤이 생산되었다.

열전구는 균열과 파손이 생기기 시작했고 점차 평탄한 온점을 가진 수냉식 실린더 헤드로 대체되었다.[15] 시간이 지남에 따라 압축비는 3:1에서 14:1로 증가했다. 연료 주입은 압축이 낮은 상사점 이전 135도에서 시작해 상사점 이전 20도에서 시작됐으며, 이후 높은 압축 엔진은 점화용 고온 공기 계수를 증가시키고 연비를 높인다.[11] 예열 플러그는 마침내 블로토치 방식으로 예열을 대체했고 엔진 속도가 증가하여 현재 간접 분사 디젤로 분류된다.[11]

전구 또는 프리챔버 엔진은 직접 주입된 "순수" 다이젤보다 작은 엔진에서 더 적은 양의 연료를 처리할 수 있고,[11] 더 안정적이며,[11] 생산하기 쉬웠다.

생산

스웨덴 노르텔제의 피타고라스 기계공방 박물관에서 피타고라스 엔진 공장에서 원본 도면을 본떠 제조된 드로트 열기구 엔진

열전구 엔진은 많은 제조업체에 의해 만들어졌는데, 보통 보통은 보통 보통 보통 시리즈로 되어 있다. 이들 엔진은 저속 주행(300~400rpm)이었으며 피스톤을 비롯한 주철 부품을 주로 장착했다. 연료 펌프는 보통 황동 하우징과 강철 플런저로 만들어졌으며, 가변 스트로크 길이로 작동했다. 이것은 단순하고 튼튼한 무거운 엔진을 만들었다. 따라서, 그것들은 특별한 도구 없이 보통의 기계 공장에서 가공될 수 있었다.[17][18]

스웨덴 노르텔제의 피타고라스 엔진 공장은 박물관(피타고라스 기계공방 박물관)으로 보존되어 있으며, 기능적인 생산라인과 광범위한 공장 기록보관소를 갖추고 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ http://www.oldengine.org/members/diesel/Marine/othmarin.htm
  2. ^ a b Herbert Akroyd Stuart, 가연성 증기 또는 기체와 공기의 혼합물 폭발로 작동되는 엔진의 개선, 영국 특허 No 7146, Mai 1890
  3. ^ 랜스 데이, 이안 맥닐, "기술사 인명사전"(1996), 페이지 681
  4. ^ Ransome-Wallis, Patrick (2001). Illustrated Encyclopedia of World Railway Locomotives. Courier Dover Publications. p. 27. ISBN 0-486-41247-4.
  5. ^ 미국 특허 502837 엔진은 1893년 8월 8일 기체 또는 탄화수소 증기 및 공기의 혼합물 폭발에 의해 작동된다. 45호선
  6. ^ a b Wrangham, D. A. (1956). The Theory & Practice of Heat Engines. Cambridge University Press. p. 664.
  7. ^ Robinson, William (1931). Heavy-oil Engines of Akroyd Type: Being Developments of Compression-ignition Oil Engines, Including Modern Applications to Land Purposes, Marine and Airship Propulsion, and Railway Traction. Blackie & Son Ltd. p. 136.
  8. ^ McNeil, Ian (1990). An Encyclopaedia of the History of Technology. Taylor & Francis. pp. 310–311. ISBN 0-415-01306-2.
  9. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2006-05-27. Retrieved 2006-05-28.{{cite web}}: CS1 maint: 타이틀로 보관된 사본(링크)
  10. ^ a b Faulkner, Alan H. (1981). Severn & Canal and Cadburys. Robert Wilson. ISBN 0-907381-02-2.
  11. ^ a b c d e f g h "Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2009-02-25. Retrieved 2008-11-09.{{cite web}}: CS1 maint: 타이틀로 보관된 사본(링크)
  12. ^ a b "US Patent 845140: Combustion Engine". 1907-02-26. Line 65.
  13. ^ "(WO/1996/034189) AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE INCLUDING A FUEL VAPORISING CHAMBER".[permanent dead link] 난방 요소 38은 엔진 시동 시에만 필요할 것으로 예상된다.
  14. ^ "PIONIERE DER ZEIT 100 JAHRE DAIMLERCHRYSLER-WERK UNTERTÜRKHEIM" (in German).
  15. ^ [1] 그림 8과 사진
  16. ^ 복합 가스 법칙: =
  17. ^ [2] 그림 1 ~ 7.
  18. ^ 란즈 불독

특허

외부 링크