내연기관

내연 기관(Internal combustion engine, IC 또는 IC 엔진)은 작동 유체 흐름 회로의 필수적인 부분인 연소실에서 산화제(일반적으로 공기)를 사용하여 연료의 연소가 발생하는 열 기관입니다.내연기관에서는 연소에 의해 생성되는 고온, 고압의 가스의 팽창이 엔진의 일부 구성요소에 직접적인 힘을 가합니다.힘은 일반적으로 피스톤(피스톤 엔진), 터빈 블레이드(가스 터빈), 로터(완켈 엔진) 또는 노즐(제트 엔진)에 적용됩니다.이 힘은 구성 요소를 멀리 이동시켜 화학 에너지를 운동 에너지로 변환시켜 엔진이 부착된 모든 것을 추진하거나 움직이거나 동력을 공급하는 데 사용됩니다.

상업적으로 성공한 최초의 내연기관은 1860년경 에티엔 르누아르에 의해 만들어졌고,^[1] 오토 엔진으로 알려진 최초의 현대식 내연기관은 1876년 니콜라우스 오토에 의해 만들어졌습니다.내연 기관이라는 용어는 일반적으로 연소가 간헐적으로 이루어지는 기관을 말하는데, 예를 들어 2행정 및 4행정 피스톤 기관과 더불어 6행정 피스톤 기관 및 완켈 로터리 기관과 같은 변종을 말합니다.두 번째 유형의 내연 기관은 연속 연소를 사용합니다. 가스 터빈, 제트 엔진 및 대부분의 로켓 엔진은 앞서 설명한 것과 동일한 원리로 내연 기관입니다.^[1][2]총기는 내연기관의 한 형태이기도 하지만,^[2] 박격포나 대공포와 같은 무기류와 함께 일반적으로 별도의 범주로 취급될 정도로 전문화된 유형입니다.반면에, 스팀 또는 스털링 엔진과 같은 외부 연소 엔진에서는, 에너지가 연소 생성물로 구성되지 않거나, 혼합되거나, 또는 오염되지 않은 작동 유체로 전달됩니다.외부 연소 엔진의 작동 유체에는 공기, 온수, 가압수 또는 보일러 가열 액체 나트륨이 포함됩니다.

많은 고정식 애플리케이션이 있지만 대부분의 ICE는 모바일 애플리케이션에 사용되며 자동차, 항공기 및 보트와 같은 차량의 주요 전원 공급 장치입니다.ICE는 일반적으로 천연 가스, 가솔린, 디젤 연료 또는 에탄올과 같은 탄화수소 기반 연료로 구동됩니다.스파크 점화(SI) 엔진에서 바이오 에탄올로부터 생산되는 압축 점화(CI) 엔진 및 바이오 에탄올 또는 ETBE(에틸터르트-부틸 에테르)는 바이오 디젤과 같은 재생 가능한 연료에 사용됩니다.일찍이 1900년에 디젤 엔진의 발명가인 루돌프 디젤은 그의 엔진을 작동시키기 위해 땅콩 기름을 사용했습니다.^[3]재생 가능한 연료는 일반적으로 화석 연료와 혼합됩니다.거의 사용되지 않는 수소는 화석 연료나 재생 가능한 에너지에서 얻을 수 있습니다.

역사

다양한 과학자들과 기술자들이 내연기관 개발에 기여했습니다.1791년 존 바버는 가스터빈을 개발했습니다.1794년 토마스 미드는 가스 엔진에 대한 특허를 받았습니다.또한 1794년 로버트 스트리트는 액체 연료를 사용하는 최초의 내연 기관에 대한 특허를 받았고 그 무렵 엔진을 만들었습니다.1798년 존 스티븐스는 최초의 미국 내연기관을 만들었습니다.1807년, 프랑스의 기술자 Nicéphore Niepce (사진을 발명하기 시작한)와 Claude Niepce는 제어된 먼지 폭발을 사용하여 원형 내연 기관인 Pyréolophore를 운영했고, Napoleon Bonaparte에 의해 특허를 받았습니다.이 엔진은 프랑스의 Saonne 강에서 보트에 동력을 공급합니다.^[4][5]같은 해 스위스 엔지니어 프랑수아 이삭 드 리바즈(François Isaac de Rivaz)는 수소 기반 내연 기관을 발명하고 전기 스파크로 엔진을 작동시켰습니다.1808년, 드 리바즈는 "세계 최초의 내연 기관 자동차"라는 원시적인 작업 차량에 자신의 발명품을 장착했습니다.^[6]1823년 새뮤얼 브라운은 산업적으로 적용되는 최초의 내연기관 특허를 받았습니다.

1854년 영국에서 이탈리아 발명가 에우제니오 바르산티와 펠리스 마테우치는 "가스 폭발에 의한 동력 획득"이라는 인증을 받았습니다.1857년 그레이트실 특허청은 "가스에서 동력을 얻기 위한 개선된 장치"의 발명에 대한 특허 제1655호를 부여했습니다.^{[7][8][9][10]}바르산티와 마테우치는 1857년에서 1859년 사이에 프랑스, 벨기에, 피에몬테에서 동일한 발명에 대한 다른 특허를 취득했습니다.^[11][12]1860년 벨기에의 기술자 장 조제프 에티엔 레누아르는 가스 연소식 내연 기관을 생산했습니다.^[13]1864년에 Nicolaus Otto는 최초의 대기 가스 엔진에 대한 특허를 냈습니다.1872년, 미국인 조지 브레이튼은 최초의 상업용 액체 연료 내연 기관을 발명했습니다.1876년, 니콜라우스 오토는 고틀립 다임러와 빌헬름 마이바흐와 함께 압축된 4사이클 엔진의 특허를 받기 시작했습니다.1879년, 칼 벤츠는 신뢰할 수 있는 2행정 가솔린 엔진에 대한 특허를 냈습니다.이후 1886년 벤츠는 내연기관 자동차의 첫 상업생산을 시작했는데, 이 자동차는 3륜 4사이클 엔진과 섀시가 하나의 유닛을 구성했습니다.^[14]1892년 루돌프 디젤은 최초의 압축전하 압축 점화 엔진을 개발했습니다.1926년 로버트 고다드는 최초로 액체연료 로켓을 발사했습니다.1939년, Heinkel He 178은 세계 최초의 제트 항공기가 되었습니다.

어원

한때 엔진(구 프랑스어에서 라틴어 인제니움에서 유래한 "능력")이라는 단어는 공성 엔진과 같은 표현에서 지속되는 모든 기계를 의미했습니다."모터"(Motor)는 기계적 동력을 생산하는 모든 기계를 말합니다.전통적으로 전기모터는 "엔진"이라고 하지 않지만, 연소기관은 종종 "모터"라고 합니다. (전기엔진은 전기로 작동하는 기관차를 말합니다.)

보트에서, 선체에 설치된 내연기관을 엔진이라고 하지만, 트랜섬에 설치된 엔진을 모터라고 합니다.^[15]

적용들

왕복 피스톤 엔진은 자동차, 오토바이, 선박 등 육상 및 수상 차량에 가장 일반적인 동력원입니다. (일부는 전기식이지만 대부분 디젤 엔진을^[16][17] 사용함).Wankel 디자인의 로터리 엔진은 일부 자동차, 항공기 및 오토바이에 사용됩니다.이를 통칭하여 내연 기관 차량(ICEV)이라고 합니다.^[18]

높은 출력 대 중량 비율이 요구되는 경우 내연 기관은 연소 터빈 또는 때로는 Wankel 기관의 형태로 나타납니다.동력 항공기는 일반적으로 왕복 엔진일 수 있는 ICE를 사용합니다.비행기는 대신 제트 엔진을 사용하고 헬리콥터는 대신 터빈의 종류인 터보샤프트를 사용할 수 있습니다.항공사는 추진력을 제공하는 것 외에도 별도의 ICE를 보조 동력 장치로 사용할 수 있습니다.완켈 엔진은 많은 무인 항공기에 장착되어 있습니다.

ICE는 전력망에 전력을 공급하는 대형 전기 발전기를 구동합니다.그들은 약 100 MW 범위의 전형적인 전기 출력을 갖는 연소 터빈 형태로 발견됩니다. 복합 사이클 발전소는 증기 터빈을 구동하기 위해 고온의 배기가스를 사용하여 물 증기를 끓이고 과열시킵니다.따라서 연료에서 추출되는 에너지가 연소 엔진만으로 추출할 수 있는 에너지보다 더 많기 때문에 효율이 더 높습니다.복합 사이클 발전소는 50-60% 범위의 효율성을 달성합니다.가스 엔진이나 디젤 발전기와 같은 고정식 엔진은 전력망에 연결되지 않은 부분에 전력을 공급하거나 백업을 위해 사용됩니다.

소형 엔진(일반적으로 2개의 ‐행정 가솔린/휘발유 엔진)은 잔디 깎는 기계, 스트링 트리머, 체인 톱, 리프 블로어, 압력 와셔, 스노우모빌, 제트 스키, 선외기 모터, 모페드 및 오토바이용 일반 동력원입니다.

분류

내연 기관을 분류하는 몇 가지 가능한 방법이 있습니다.

왕복운동

획 수에 따라:

• 2행정 엔진
  • 점원주기^[19]
  • 일주기
• 4행정 엔진(Otto cycle
• 6행정 기관

점화 유형별:

• 압축 점화 엔진
• 스파크 점화 엔진(일반적으로 가솔린 엔진으로 사용됨)

기계적/열역학적 사이클별(이러한 사이클은 드물게 사용되지만 연료^[20] 효율성을 위해 제조된 다른 차량과 함께 하이브리드 차량에서 흔히 볼 수 있음):

• 앳킨슨 주기
• 밀러 사이클

로터리

• 완켈 엔진

연속연소

• 가스터빈 엔진
  • 추진 노즐을 통한 터보젯
  • 터보팬, 덕트 팬을 통해
  • 터보프롭, 전도되지 않은 프로펠러를 통해, 대개 가변적인 피치를 갖습니다.
  • 터보샤프트, 추력 대신 기계적 토크를 생성하는데 최적화된 가스터빈
• 램젯은 ^[21]터보젯과 비슷하지만 차량 속도를 이용해 컴프레서 대신 공기를 압축(램)합니다.
• 초음속 연소를 이용한 램젯의 변형인 스크램젯.
• 로켓엔진

왕복동식

구조.

엔진 블록은 일반적으로 주철(내마모성이 우수하고 가격이 저렴하기 때문에)^[22] 또는 알루미늄으로 제조되는 왕복 내연기관의 기초가 됩니다.후자의 경우 실린더 라이너는 주철이나 강철 또는 ^[23]니카실이나 알루실과 같은 코팅으로 만들어집니다.엔진 블록에는 실린더가 들어 있습니다.두 개 이상의 실린더가 있는 엔진의 경우 일반적으로 1열(직진 엔진) 또는 2열(복서 엔진 또는 V 엔진)로 배열됩니다. 현대의 엔진에서는 3열(W 엔진)이 때때로 사용되기도 하며, 다른 엔진 구성도 가능하며 사용되어 왔습니다.단일 실린더 엔진(또는 범퍼)은 경기계에서 볼 수 있는 오토바이 및 기타 소형 엔진에 일반적입니다.실린더의 외측에는 냉각 유체를 포함하는 통로가 엔진 블록에 주조되는 반면, 일부 헤비 듀티 엔진에서는 통로가 교체 가능한 탈착식 실린더 슬리브 유형입니다.^[22]수냉식 엔진에는 냉각 유체가 순환하는 통로(워터 재킷)가 엔진 블록에 포함되어 있습니다.일부 소형 엔진은 공랭식으로 되어 있으며, 워터재킷 대신 실린더 블록에 핀이 돌출되어 있어 공기에 직접 열을 전달하여 엔진을 냉각시킵니다.실린더 벽은 보통 더 많은 오일을 저장할 수 있는 교차 해치를 얻기 위해 연마를 통해 마감됩니다.표면이 너무 거칠면 피스톤의 과도한 마모로 인해 엔진이 빠르게 손상됩니다.

피스톤은 실린더의 한쪽 끝을 압축 공기 및 연소 생성물의 고압으로부터 밀폐하고 엔진이 작동하는 동안 실린더 안에서 연속적으로 미끄러지는 짧은 원통형 부품입니다.소형 엔진의 경우 피스톤은 알루미늄으로 제작되며, 대형 엔진의 경우 일반적으로 주철로 제작됩니다.^[22]피스톤의 상부 벽은 크라운이라 불리며, 일반적으로 평평하거나 오목합니다.일부 2행정 엔진은 편향기 헤드가 있는 피스톤을 사용합니다.피스톤은 하부에 개방되어 있으며 일체형 보강 구조물(피스톤 웨브)을 제외하고는 비어 있습니다.엔진이 작동할 때 연소실의 가스 압력이 피스톤 크라운에 힘을 가하며, 피스톤 크라운은 웨브를 통해 거전 핀으로 전달됩니다.각 피스톤에는 링이 원주 주위에 장착되어 있어 대부분 가스가 크랭크케이스로 누출되거나 오일이 연소실로 누출되는 것을 방지합니다.^[24]환기 시스템은 정상 작동 중 피스톤을 통과하여 빠져나가는 소량의 가스(송풍 가스)를 크랭크 케이스 밖으로 배출하여 오일을 오염시키고 부식을 일으키지 않도록 합니다.^[22]2행정 가솔린 엔진에서 크랭크케이스는 공기-연료 경로의 일부이며, 2행정 엔진은 지속적인 흐름으로 인해 별도의 크랭크케이스 환기 시스템을 필요로 하지 않습니다.

실린더 헤드는 다수의 볼트 또는 스터드에 의해 엔진 블록에 부착됩니다.여러 가지 기능이 있습니다.실린더 헤드는 피스톤과 반대쪽에 있는 실린더를 씰링합니다. 흡기 및 배기를 위한 짧은 덕트(포트)와 이와 관련된 흡기 밸브가 실린더에 신선한 공기 및 배기 밸브로 채워지도록 개방되어 연소 가스가 배출되도록 합니다.그러나 2행정 크랭크케이스 청소 엔진은 가스 포트를 포핏 밸브 없이 실린더 벽에 직접 연결합니다. 대신 피스톤은 가스 포트의 개폐를 제어합니다.스파크 점화 엔진의 경우 실린더 헤드에 스파크 플러그가 고정되어 있고 직접 분사를 사용하는 엔진의 경우 인젝터가 고정되어 있습니다.모든 CI(압축 점화) 엔진은 연료 분사를 사용하며, 보통 직접 분사를 사용하지만 일부 엔진은 간접 분사를 사용합니다.SI(Spark Ignition) 엔진은 포트 인젝션 또는 직접 인젝션으로서 카뷰레터 또는 연료 인젝션을 사용할 수 있습니다.대부분의 SI 엔진은 실린더당 하나의 스파크 플러그가 있지만 일부는 2개의 스파크 플러그가 있습니다.헤드 개스킷은 실린더 헤드와 엔진 블록 사이의 가스 누출을 방지합니다.밸브의 개폐는 하나 또는 여러 개의 캠축과 스프링 또는 일부 엔진에서 스프링을 사용하지 않는 디모드로믹 메커니즘에 의해 제어됩니다.캠축은 밸브의 스템을 직접 누르거나 로커 암에 직접 또는 푸시로드를 통해 작용할 수 있습니다.

크랭크 케이스는 정상 작동 중에 낙하하는 오일을 모아 다시 사이클링하는 섬프로 하단에 밀봉되어 있습니다.실린더 블록과 섬프 사이에 형성된 공동에는 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 크랭크 샤프트가 수용되어 있습니다.크랭크축은 메인 베어링에 의해 엔진 블록에 대해 제자리에 고정되어 회전할 수 있습니다.크랭크케이스의 벌크헤드는 모든 메인 베어링의 절반을 형성하며, 나머지 절반은 분리 가능한 캡입니다.경우에 따라서는 여러 개의 작은 캡보다는 하나의 메인 베어링 데크를 사용하기도 합니다.커넥팅 로드는 한쪽 끝에서 크랭크축(크랭크 핀)의 오프셋 섹션에 연결되고 다른 쪽 끝에서 거전 핀을 통해 피스톤에 연결되므로 힘을 전달하고 피스톤의 왕복 운동을 크랭크축의 원형 운동으로 변환합니다.거전핀에 부착된 커넥팅 로드의 끝단을 작은 끝단, 그리고 다른 끝단을 크랭크축에 연결하는 큰 끝단이라고 합니다.빅 엔드에는 크랭크축 주위에 조립할 수 있도록 분리 가능한 하프가 있습니다.탈착식 볼트를 사용하여 커넥팅 로드에 함께 고정됩니다.

실린더 헤드에는 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드가 해당 포트에 부착되어 있습니다.흡기 매니폴드는 에어 필터에 직접 연결되거나 카뷰레터가 있을 때 카뷰레터에 연결되며, 카뷰레터는 에어 필터에 연결됩니다.이 장치에서 유입되는 공기를 개별 실린더로 분배합니다.배기 매니폴드는 배기 시스템의 첫 번째 구성 요소입니다.실린더에서 배기 가스를 모아 경로의 다음 구성 요소로 구동합니다.ICE의 배기 시스템은 또한 촉매 컨버터 및 머플러를 포함할 수 있습니다.배기 가스 경로의 마지막 부분은 테일 파이프입니다.

4행정 기관

피스톤의 상사점(TDC)은 밸브에서 가장 가까운 위치이고, 상사점(BDC)은 밸브에서 가장 먼 반대 위치입니다.스트로크는 관련 프로세스와 함께 피스톤이 TDC에서 BDC 또는 그 반대로 이동하는 것입니다.엔진이 작동하는 동안 크랭크축은 거의 일정한 속도로 연속적으로 회전합니다.4행정 ICE에서 각 피스톤은 다음 순서로 크랭크축 회전당 2행정을 경험합니다.TDC에서 설명을 시작하면 다음과 같습니다.^[25][26]

1. 흡입구, 흡입구 또는 흡입구:흡기 밸브는 캠 로브가 밸브 스템을 눌러 열려 있습니다.직접 분사를 사용하지 않는 CI 엔진의 경우에는 피스톤이 아래로 이동하여 연소실의 부피를 증가시키고 공기가 유입되도록 합니다.공기 또는 공기 연료 혼합물은 어떤 경우에도 전하라고 불립니다.
2. 압축:이 스트로크에서는 두 밸브가 모두 닫히고 피스톤이 위쪽으로 이동하여 연소실 부피가 감소하고 피스톤이 TDC에 있을 때 최소량에 도달합니다.피스톤은 압축된 상태에서 전하에 대한 작업을 수행하므로 압력, 온도 및 밀도가 증가합니다. 이 동작에 대한 근사치는 이상 기체 법칙에 의해 제공됩니다.피스톤이 TDC에 도달하기 직전에 점화가 시작됩니다.SI 엔진의 경우, 스파크 플러그는 고전압 펄스를 받아 스파크를 발생시켜 이름을 부여하고 전하를 점화합니다.CI 엔진의 경우 연료 인젝터는 연료를 분사기로 연소실로 빠르게 분사합니다. 고온으로 인해 연료가 점화됩니다.
3. 전원 또는 작업 스트로크:연소 가스의 압력이 피스톤을 아래로 밀어 전하를 압축하는 데 필요한 것보다 더 많은 운동 에너지를 생성합니다.압축 행정과 상보적으로 연소 가스는 팽창하고 결과적으로 온도, 압력 및 밀도가 감소합니다.피스톤이 BDC 근처에 있으면 배기 밸브가 열립니다.블로우다운에서 연소 가스는 남은 압력, 즉 배기구에 작용하는 게이지 압력을 초과하여 비가역적으로 팽창합니다.
4. 배기량:피스톤이 위쪽으로 이동하는 동안 배기 밸브는 열린 상태로 유지되어 연소 가스를 배출합니다.자연 흡기 엔진의 경우 피스톤이 연소실을 완전히 닫지 않기 때문에 정상 작동 중에 연소 가스의 일부가 실린더에 남아 있을 수 있습니다. 이 가스들은 다음 전하에서 용해됩니다.이 스트로크가 끝나면 배기 밸브가 닫히고 흡기 밸브가 열리고 다음 사이클에서 시퀀스가 반복됩니다.배기 밸브가 닫히기 전에 흡기 밸브가 열려 더 나은 청소를 할 수 있습니다.

2행정 기관

이러한 엔진의 정의적 특징은 각 피스톤이 크랭크축 회전마다 사이클을 완료한다는 것입니다.흡기, 압축, 동력 및 배기의 4가지 프로세스는 각각의 스트로크만을 전담할 수 없도록 2 스트로크 만에 이루어집니다.TDC에서 시작하는 사이클은 다음과 같이 구성됩니다.

1. 동력: 피스톤이 하강하는 동안 연소 가스는 4행정 엔진과 같이 피스톤에 작용합니다.팽창에 대한 동일한 열역학적 고려사항이 적용됩니다.
2. 소기:BDC 전에 크랭크축이 약 75° 회전하면 배기 밸브 또는 포트가 열리고 블로우다운이 발생합니다.그 직후 흡기 밸브 또는 트랜스퍼 포트가 열립니다.유입되는 전하가 나머지 연소 가스를 배기 시스템으로 대체하고 일부 전하가 배기 시스템으로 유입될 수도 있습니다.피스톤은 BDC에 도달하여 방향을 반대로 바꿉니다.피스톤이 실린더 위로 짧은 거리를 이동한 후 배기 밸브 또는 포트가 닫힙니다. 흡기 밸브 또는 트랜스퍼 포트도 곧 닫힙니다.
3. 압축:흡기 및 배기 가스가 모두 닫힌 상태에서 피스톤이 계속 위쪽으로 이동하여 전하를 압축하고 작업을 수행합니다.4행정 엔진의 경우와 마찬가지로 피스톤이 TDC에 도달하기 직전에 점화가 시작되고 전하에 대한 압축의 열역학에 대해서도 동일한 고려가 적용됩니다.

4행정 엔진은 피스톤을 포지티브 변위 펌프로 사용하여 4행정 중 2행정을 수행하는 반면, 2행정 엔진은 파워 스트로크의 마지막 부분과 압축 스트로크의 첫 부분을 복합 흡기 및 배기에 사용합니다.충전 및 배기 가스를 교체하는 데 필요한 작업은 크랭크케이스 또는 별도의 블로워에서 이루어집니다.소기, 연소된 가스의 배출 및 신선한 혼합물의 유입을 위한 두 가지 주요 접근법을 설명합니다.루프 청소, 유니플로우 청소.SAE 뉴스는 2010년대에 '루프 스캐빈징'이 유니플로우 스캐빈징보다 어떤 상황에서도 더 낫다고 발표했습니다.^[19]

크랭크케이스 청소됨

일부 SI 엔진은 크랭크케이스를 제거하고 포핏 밸브를 사용하지 않습니다.대신, 크랭크 케이스와 피스톤 아래의 실린더 부분이 펌프로 사용됩니다.흡기 포트는 엔진에 의해 구동되는 리드 밸브 또는 로터리 디스크 밸브를 통해 크랭크케이스에 연결됩니다.각 실린더에 대해 이송 포트는 한쪽 끝에서 크랭크 케이스에 연결되고 다른 쪽 끝에서는 실린더 벽에 연결됩니다.배기 포트는 실린더 벽에 직접 연결됩니다.이송 및 배기구는 피스톤에 의해 개폐됩니다.리드 밸브는 크랭크케이스 압력이 흡기 압력보다 약간 낮으면 열려 새 전하로 채워집니다. 이는 피스톤이 위쪽으로 이동할 때 발생합니다.피스톤이 아래쪽으로 이동하면 크랭크케이스 내 압력이 증가하고 리드 밸브가 즉시 닫힙니다. 그러면 크랭크케이스 내 전하가 압축됩니다.피스톤이 아래쪽으로 이동하면 배기 포트와 이송 포트도 함께 개방되며 크랭크 케이스의 전하 압력이 높아지면 이송 포트를 통해 실린더로 유입되어 배기 가스가 송풍됩니다.윤활은 연료에 작은 비율로 2행정 오일을 첨가함으로써 이루어집니다.석유는 휘발유와 상기 석유를 혼합한 것을 말합니다.이 종류의 2행정 엔진은 동급의 4행정 엔진보다 효율이 낮고 다음 조건에서 더 많은 오염 배기 가스를 배출합니다.

• 그들은 완전 손실 윤활 시스템을 사용합니다: 모든 윤활 오일은 결국 연료와 함께 연소됩니다.
• 소기에 대해 상반된 요구 사항이 있습니다.한쪽에서는 거의 모든 연소 가스를 배출하기 위해 각 사이클에 충분한 새 전하를 도입해야 하지만, 새 전하를 너무 많이 도입하는 것은 일부가 배기 가스에 들어간다는 것을 의미합니다.
• 이송 포트를 세심하게 설계하고 배치된 노즐로 사용하여 배기 포트에 도달하기 전에 실린더 전체를 휩쓰는 방식으로 가스 전류를 생성하여 연소 가스를 배출하되, 전하 배출량은 최소화해야 합니다.4행정 엔진은 배기 중 연소실이 최소 부피로 감소하기 때문에 거의 모든 연소 가스를 강제로 배출할 수 있는 장점이 있습니다.크랭크케이스 청소된 2행정 엔진의 경우, 배기 및 흡기는 대부분 동시에 수행되며 최대 체적에서 연소실과 함께 수행됩니다.

이러한 유형의 2행정 엔진의 주된 장점은 기계적인 단순성과 4행정 엔진보다 높은 출력 대 중량 비율입니다.사이클당 2배의 출력 스트로크가 있음에도 불구하고 실제로는 동급 4행정 엔진의 2배 미만의 출력을 얻을 수 있습니다.

미국에서는 공해 때문에 도로 차량에 2행정 엔진이 금지됐습니다.오프로드 전용 오토바이는 여전히 2행정인 경우가 많지만 도로에서 합법적인 경우는 거의 없습니다.하지만, 수천 대의 2행정 잔디 관리 엔진이 사용되고 있습니다.^{[citation needed]}

블로워가 청소됨

별도의 블로워를 사용하면 복잡성이 증가하고 유지보수 요구량이 증가하는 대신 크랭크케이스 청소의 단점을 많이 방지할 수 있습니다.이러한 유형의 엔진은 흡기용 포트 또는 밸브를 사용하고 배기용 밸브를 사용합니다. 단, 대향 피스톤 엔진을 제외하고는 배기용 포트를 사용할 수도 있습니다.송풍기는 일반적으로 루츠 타입이지만 다른 타입도 사용되었습니다.이 설계는 CI 엔진에서 일반적으로 사용되며, SI 엔진에서도 종종 사용됩니다.

송풍기를 사용하는 CI 엔진은 일반적으로 유니플로우 스캐빈징(uniflow scaving)을 사용합니다.이 설계에서 실린더 벽에는 BDC에 있을 때 피스톤 크라운이 도달하는 위치 바로 위의 원주를 따라 균일한 간격으로 배치된 여러 흡기 포트가 있습니다.4행정 엔진과 같은 배기 밸브 또는 여러 개가 사용됩니다.흡기 매니폴드의 마지막 부분은 흡기 포트에 공급되는 에어 슬리브입니다.흡기 포트는 실린더 벽과 수평으로 배치되어(즉, 피스톤 크라운 평면에 있음) 들어오는 전하를 스월링하여 연소를 개선합니다.가장 큰 왕복 IC는 이러한 유형의 저속 CI 엔진입니다. 이 엔진은 해양 추진(해양 디젤 엔진 참조) 또는 전기 발전에 사용되며 모든 종류의 내연 엔진 중 가장 높은 열 효율을 달성합니다.일부 디젤-전기 기관차 엔진은 2행정 사이클로 작동합니다.그 중 가장 강력한 것은 약 4.5 MW 또는 6,000 HP의 브레이크 파워를 가지고 있습니다.EMD SD90MAC급 기관차가 그 예입니다.동급의 GE AC6000CW는 거의 동일한 브레이크 파워를 가진 4행정 엔진을 사용합니다.

이러한 유형의 엔진의 예로는 대형 컨테이너선에 사용되는 Vertsilä-Sulzer RT-flex96-C 터보차지 2행정 디젤이 있습니다.열효율이 50%^[27][28][29] 이상으로 세계에서 가장 효율적이고 강력한 왕복동식 내연기관입니다.비교해 볼 때, 가장 효율적인 소형 4행정 엔진은 열효율이 약 43%(SAE 900648)입니다.^{[citation needed]} 크기는 표면적 대비 부피 비율이 증가하기 때문에 효율성 면에서 유리합니다.

광학적으로 접근이 가능한 2행정 오토바이 엔진의 실린더 내 연소 비디오는 외부 링크를 참조하십시오.

역사디자인

듀갈드 클러크는 1879년에 최초의 2사이클 엔진을 개발했습니다.연료 혼합물을 실린더로 이송하기 위해 펌프 기능을 하는 별도의 실린더를 사용했습니다.^[19]

1899년 존 데이는 클러커의 디자인을 오늘날 매우 널리 사용되는 2사이클 엔진의 종류로 단순화시켰습니다.^[30]주간 엔진은 크랭크케이스를 청소하고 포트 타임을 설정합니다.크랭크 케이스와 배기구 아래의 실린더 부분은 펌프로 사용됩니다.데이 사이클 엔진의 작동은 크랭크축이 회전할 때 시작되어 피스톤이 BDC에서 위쪽으로(헤드 쪽으로) 이동하여 크랭크케이스/실린더 영역에 진공이 발생합니다.그런 다음 카뷰레이터는 연료 혼합물을 리드 밸브 또는 회전식 디스크 밸브(엔진에 의해 구동됨)를 통해 크랭크케이스로 공급합니다.크랭크 케이스에서 실린더의 포트로 이어지는 덕트에는 흡기를 제공하는 덕트와 배기 포트에서 배기 파이프로 이어지는 덕트가 주조되어 있습니다.실린더의 길이와 관련된 포트의 높이를 "포트 타이밍"이라고 합니다.

엔진의 첫 번째 시동 시 크랭크케이스가 비어 있으므로 실린더에 연료를 주입할 수 없습니다.이제 다운스트로크 시 피스톤이 연료 혼합물을 압축합니다. 이 연료 혼합물에 오일이 추가되어 실린더 내 피스톤과 베어링이 윤활됩니다.피스톤이 아래로 이동하면 먼저 배기 가스를 방출하지만, 첫 번째 스트로크에서는 배기할 연료가 연소되지 않습니다.피스톤이 아래로 더 이동하면 크랭크케이스로 이어지는 덕트가 있는 흡기 포트가 열립니다.크랭크케이스의 연료 혼합물은 압력을 받기 때문에 혼합물이 덕트를 통해 실린더 안으로 이동합니다.

피스톤이 포트를 닫을 수 있을 정도로 충분히 상승하기 전에 연료의 실린더에 방해물이 없기 때문에 초기 엔진은 연료의 흐름을 늦추기 위해 높은 돔 피스톤을 사용했습니다.나중에 연료는 팽창실 설계를 사용하여 다시 실린더로 "공진"되었습니다.피스톤이 TDC 가까이 상승하자 스파크가 연료에 불을 붙였습니다.피스톤이 동력을 받아 아래쪽으로 구동되면 먼저 연소된 연료가 고압으로 배출되는 배기구를 풀고 그 과정이 완료된 흡기구를 계속 반복하게 됩니다.

이후 엔진은 성능을 향상시키기 위해 Deutz사가 고안한 일종의 포트를 사용했습니다.그것은 슈누를 리버스 플로우 시스템이라고 불렸습니다.DKW는 이 디자인을 모든 오토바이에 허가했습니다.DKWRT 125는 그 결과 100mpg 이상을 달성한 최초의 자동차 중 하나였습니다.^[31]

점화

내연 기관은 스파크 점화(SI) 또는 압축 점화(CI)를 통해 혼합물을 점화해야 합니다.신뢰할 수 있는 전기적 방법의 발명 이전에는 핫 튜브(hot tube) 및 화염(flame) 방법이 사용되었습니다.레이저 점화장치가 장착된 실험용 엔진이 개발되었습니다.^[32]

스파크 점화 프로세스

스파크 점화 엔진은 핫 튜브 점화를 사용한 초기 엔진을 개량한 것입니다.Bosch가 마그네트를 개발했을 때 스파크 플러그에 전원을 공급하기 위한 전기를 생산하는 주요 시스템이 되었습니다.^[33]많은 소형 엔진들은 여전히 마그네틱 점화장치를 사용합니다.소형 엔진은 리코일 스타터 또는 핸드 크랭크를 사용하여 수동 크랭크를 통해 시동됩니다.찰스 F 이전. 델코의 자동차 시동장치를 개발한 케터링은 모든 가솔린 엔진 자동차에 핸드 크랭크를 사용했습니다.^[34]

대형 엔진은 일반적으로 납축 배터리에 저장된 전기 에너지를 사용하여 시동 모터와 점화 시스템에 동력을 공급합니다.배터리의 충전 상태는 자동차 교류 발전기 또는 (이전에는) 엔진 전력을 사용하여 전기 에너지 저장을 생성하는 발전기에 의해 유지됩니다.

배터리는 엔진에 시동 모터 시스템이 있을 때 시동을 위한 전력을 공급하고, 엔진이 꺼져 있을 때 전력을 공급합니다.또한 배터리는 교류 발전기가 13.8V(일반적인 12V 차량 전기 시스템의 경우)를 초과하여 유지할 수 없는 드문 작동 상태에서도 전원을 공급합니다.교류 발전기 전압이 13.8V 아래로 떨어지면서 납축전지는 점점 더 많은 전기 부하를 받게 됩니다.교류 발전기는 정상적인 유휴 상태를 포함한 사실상 모든 작동 상태에서 1차 전력을 공급합니다.

일부 시스템은 스로틀이 크게 열리는 동안 교류 발전기 필드(회전자) 전원을 비활성화합니다.필드를 비활성화하면 알터네이터 풀리 기계적 부하가 거의 0으로 감소하여 크랭크축 출력이 최대화됩니다.이 경우 배터리는 모든 기본 전력을 공급합니다.

가솔린 엔진은 공기와 가솔린의 혼합물을 흡입하여 연료가 최대 압축될 때 하단 데드 센터에서 상단 데드 센터로 피스톤의 이동에 의해 압축됩니다.실린더의 스윕 면적의 크기를 감소시키고 연소실의 부피를 고려하는 것을 비율로 설명합니다.초기 엔진은 6 대 1의 압축비를 가지고 있었습니다.압축비가 증가함에 따라 엔진의 효율도 증가했습니다.

초기 유도 및 점화 시스템에서는 압축비를 낮게 유지해야 했습니다.연료 기술과 연소 관리의 발전으로 고성능 엔진은 12:1 비율로 안정적으로 작동할 수 있습니다.옥탄 연료가 적을 경우 온도 상승으로 연료가 점화되면서 압축비가 증가하는 문제가 발생합니다.Charles Kettering은 더 높은 압축비를 허용하는 납 첨가제를 개발했습니다. 이 첨가제는 1970년대부터 자동차용으로 점차 폐기되었는데, 이는 납 중독 우려 때문이었습니다.

연료 혼합물은 실린더 내 피스톤의 서로 다른 진행 방향에서 점화됩니다.낮은 rpm에서는 스파크가 피스톤 근처에서 발생하도록 타이밍을 맞추며, 이심점에 도달합니다.더 많은 동력을 생산하기 위해 rpm이 상승하면 피스톤 운동 중에 스파크가 더 빨리 진행됩니다.스파크는 rpm이 상승함에 따라 연료가 계속적으로 압축되는 동안 발생합니다.^[35]

필요한 고전압(일반적으로 10,000볼트)은 유도 코일 또는 변압기에 의해 공급됩니다.유도 코일은 플라이백 시스템으로, 동기화된 인터럽터의 일부 유형을 통해 1차 시스템 전류의 차단을 사용합니다.인터럽터는 접점 또는 전원 트랜지스터일 수 있습니다.이러한 유형의 점화의 문제점은 RPM이 증가하면 전기 에너지의 가용성이 감소한다는 것입니다.이것은 특히 문제입니다. 더 밀도가 높은 연료 혼합물을 점화하는 데 필요한 에너지 양이 더 많기 때문입니다.결과적으로 높은 RPM 오파이어가 자주 발생했습니다.

커패시터 방전 점화가 발생하였습니다.상승 전압을 발생시켜 스파크 플러그로 보내집니다.CD 시스템 전압은 60,000 볼트에 이를 수 있습니다.^[36]CD 점화는 스텝업 변압기를 사용합니다.승압식 변압기는 전기 스파크를 발생시키기 위해 정전용량에 저장된 에너지를 사용합니다.두 시스템 중 하나를 사용하면 기계식 또는 전기식 컨트롤 시스템이 적절한 실린더에 주의 깊게 타이밍된 고전압을 제공합니다.이 스파크는 스파크 플러그를 통해 엔진 실린더 내의 공기 연료 혼합물에 불을 붙입니다.

가솔린 내연기관은 디젤 엔진보다 추운 날씨에 시동이 훨씬 쉽지만, 극한 조건에서는 여전히 추운 날씨에 시동 문제가 발생할 수 있습니다.몇 년 동안 해결책은 차를 더운 지역에 주차하는 것이었습니다.세계 일부 지역에서는 실제로 기름을 빼내고 밤새 가열한 후 엔진으로 돌아와 냉간 시동을 걸었습니다.1950년대 초에 가솔린 가스화 장치가 개발되었는데, 추운 날씨가 시작되면 생휘발유를 연료의 일부가 연소되는 장치로 전환하여 다른 일부는 흡기 밸브 매니폴드로 직접 보내는 뜨거운 증기가 됩니다.이 유닛은 추운 기후에서 판매되는 가솔린 엔진에서 전기 엔진 블록 히터가 표준이 되기 전까지는 꽤 인기가 있었습니다.^[37]

압축 점화 프로세스

점화를 위해 디젤, PPC 및 HCCI 엔진은 압축 과정에서 발생하는 엔진의 고온과 압력에만 의존합니다.발생하는 압축 수준은 보통 가솔린 엔진의 두 배 이상입니다.디젤 엔진은 공기만 흡입하며, 피크 압축 직전에 연료 인젝터를 통해 소량의 디젤 연료를 실린더에 분사하여 연료가 즉시 점화되도록 합니다.HCCI 유형의 엔진은 공기와 연료를 모두 사용하지만 압력과 온도가 높기 때문에 보조되지 않은 자동 연소 프로세스에 계속 의존합니다.디젤 엔진과 HCCI 엔진은 한번 시동을 걸면 추운 날씨에도 잘 작동하지만 냉시동 문제에 더 취약한 이유이기도 합니다.자동차 및 경트럭에 간접 분사 기능이 있는 라이트 듀티 디젤 엔진은 글로우 플러그(또는 기타 예열: Cummins ISB#6 참조)를 사용합니다.BT)는 추운 날씨에 시동이 걸리지 않는 조건을 줄이기 시작하기 직전에 연소실을 예열합니다.대부분의 디젤 모델에는 배터리 및 충전 시스템도 있지만, 이 시스템은 보조적이며 시동, 연료 켜기 및 끄기(스위치 또는 기계 장치를 통해 가능), 보조 전기 부품 및 액세서리 작동을 위한 편의성을 위해 제조업체가 추가한 것입니다.대부분의 새 엔진은 전기 및 전자식 엔진 컨트롤 유닛(ECU)에 의존하며, 이는 연소 과정을 조정하여 효율을 높이고 배출을 줄입니다.

윤활

다른 표면과 접촉하고 상대적으로 운동하는 표면은 마찰을 극복할 때 소모되는 전력을 줄여 마모, 소음을 줄이고 효율을 높이거나 메커니즘을 작동시키는 윤활이 필요합니다.또한, 사용되는 윤활유는 과도한 열을 줄이고 부품에 추가적인 냉각을 제공할 수 있습니다.적어도 엔진은 다음과 같은 부분에서 윤활이 필요합니다.

• 피스톤과 실린더 사이
• 소형 베어링
• 빅 엔드 베어링
• 메인베어링
• 밸브 기어(다음 요소가 없을 수 있음):
  • 태핏
  • 로커 암
  • 푸시로드
  • 타이밍 체인 또는 기어.톱니 벨트는 윤활이 필요하지 않습니다.

2행정 크랭크케이스 청소 엔진에서는 크랭크케이스 내부, 따라서 크랭크축, 커넥팅 로드 및 피스톤 바닥이 2행정 오일에 의해 공기-연료-오일 혼합물에 분사된 후 연료와 함께 연소됩니다.밸브 트레인은 오일 펌프가 필요 없도록 윤활유가 채워진 격실에 담겨 있을 수 있습니다.

스플래시 윤활 시스템에서는 오일 펌프가 사용되지 않습니다.대신 크랭크축이 섬프의 오일 속으로 들어가며 속도가 빠르기 때문에 크랭크축, 커넥팅 로드 및 피스톤 바닥을 튀깁니다.커넥팅 로드 빅 엔드 캡에는 이러한 효과를 향상시키기 위해 스쿱이 부착되어 있을 수 있습니다.밸브 트레인은 침수된 구획에 밀봉되거나, 튀긴 오일을 공급받아 섬프로 다시 배출할 수 있도록 크랭크축에 개방될 수도 있습니다.스플래시 윤활은 소형 4행정 엔진에 일반적입니다.

강제(가압) 윤활 시스템에서 윤활은 시스템이 제공하는 표면으로 모터 오일을 운반한 다음 오일을 탱크로 되돌리는 폐쇄 루프에서 이루어집니다.엔진의 보조 장비는 일반적으로 이 루프에 의해 서비스되지 않습니다. 예를 들어, 교류 발전기는 자체 윤활유로 밀봉된 볼 베어링을 사용할 수 있습니다.기름을 저장하는 저장소는 대개 섬프이며, 이 경우 습식 섬프 시스템이라고 합니다.다른 오일 탱크가 있을 경우 크랭크 케이스가 오일 탱크를 잡아 주지만 전용 펌프에 의해 계속 배출됩니다. 이를 드라이 섬프 시스템이라고 합니다.

섬프 하단에는 메쉬 필터로 덮인 오일 흡입구가 들어 있으며, 이 필터는 오일 펌프에 연결된 다음 크랭크케이스 외부의 오일 필터에 연결됩니다.거기서 크랭크축 메인 베어링과 밸브 트레인으로 방향을 전환합니다.크랭크케이스에는 오일 필터에서 오일이 유입되는 적어도 하나의 오일 갤러리(크랭크케이스 벽 내부의 도관)가 있습니다.메인 베어링에는 원주의 전체 또는 절반을 관통하는 홈이 있습니다. 오일은 오일 갤러리에 연결된 채널에서 이러한 홈으로 들어갑니다.크랭크축에는 이러한 홈에서 오일을 채취하여 빅 엔드 베어링으로 전달하는 드릴이 있습니다.모든 빅 엔드 베어링은 이런 방식으로 윤활됩니다.메인 베어링 하나로 0, 1 또는 2개의 빅 엔드 베어링에 오일을 공급할 수 있습니다.유사한 시스템이 피스톤, 거전 핀 및 커넥팅 로드의 작은 끝을 윤활하는 데 사용될 수 있습니다. 이 시스템에서 커넥팅 로드의 큰 끝에는 크랭크축 주위에 홈이 있고 이 홈에 연결된 드릴이 있어 오일이 피스톤의 바닥과 실린더로 분배됩니다.

실린더와 피스톤을 윤활하기 위해 다른 시스템도 사용됩니다.커넥팅 로드에는 오일 제트를 실린더 및 피스톤 바닥으로 분사하는 노즐이 있을 수 있습니다.이 노즐은 실린더와 상대적으로 움직이지만 항상 실린더 또는 해당 피스톤을 향합니다.

일반적으로 강제 윤활 시스템은 냉각을 지원하기 위해 필요한 수준보다 높은 윤활유 흐름을 가지고 있습니다.구체적으로, 윤활유 시스템은 고온의 엔진 부품으로부터 냉각액(수냉식 엔진의 경우) 또는 핀(공냉식 엔진의 경우)으로 열을 이동시키고, 이를 환경으로 전달하는 것을 돕습니다.윤활유는 화학적으로 안정적이고 엔진에서 만나는 온도 범위 내에서 적절한 점도를 유지하도록 설계되어야 합니다.

실린더 구성

일반적인 실린더 구성에는 직선 또는 인라인 구성, 더 콤팩트한 V 구성, 더 넓지만 더 부드러운 플랫 또는 복서 구성 등이 있습니다.항공기 엔진은 방사형 구성을 채택할 수도 있어 보다 효과적인 냉각이 가능합니다.H, U, X, W와 같은 더 특이한 구성도 사용되었습니다.

다수의 실린더 엔진은 피스톤이 사이클의 다른 부분에 있도록 밸브 트레인과 크랭크축이 구성되어 있습니다.특히 강제 유도 엔진의 경우 피스톤의 사이클이 균일하게 간격을 유지하도록 하는 것이 바람직합니다(이를 짝수 점화라고 합니다). 이렇게 하면 토크 펄스가^[38] 감소하고 실린더 수가 3개 이상인 인라인 엔진이 주력에서 정적으로 균형을 이루게 됩니다.그러나 일부 엔진 구성에서는 짝수 점화에서 가능한 것보다 더 나은 균형을 유지하기 위해 홀수 점화가 필요합니다.예를 들어, 4행정 I2엔진은 피스톤이 반대방향으로 움직이고 관성력이 일부 상쇄되기 때문에 크랭크핀 사이의 각도가 180°일 때 밸런스가 더 좋지만, 이것은 한 실린더가 다른 실린더에 이어 크랭크축 회전 180°를 발사하고, 그 후 540° 동안 실린더가 발사되지 않는 이상한 발사 패턴을 제공합니다.균일한 점화 패턴을 사용하면 피스톤이 일제히 움직이고 관련 힘이 더해집니다.

다수의 크랭크축 구성은 실린더의 각 단부에 반대 피스톤 설계라고 하는 피스톤을 가질 수 있기 때문에 반드시 실린더 헤드가 필요한 것은 아닙니다.연료 주입구와 배출구는 실린더의 반대쪽 끝에 위치하기 때문에, 4행정 엔진에서와 같이 광범위한 엔진 속도에 걸쳐 효율적인 유니플로우 스캐빈징(uniflow scaving)을 달성할 수 있습니다.실린더 헤드가 부족하기 때문에 열효율이 향상됩니다.이 디자인은 융커스 주모 205 디젤 항공기 엔진에 사용되었으며, 단일 실린더의 양쪽 끝에 두 개의 크랭크축을 사용했으며, 네이피어 델틱 디젤 엔진에 사용되었습니다.이들은 3개의 크랭크축을 사용하여 크랭크축을 모서리에 두고 등변삼각형으로 배열된 3개의 이중 끝 실린더 뱅크를 제공했습니다.단일 뱅크 기관차 엔진에도 사용되었으며, 현재도 해상 추진 엔진과 해상 보조 발전기에 사용되고 있습니다.

디젤 사이클

대부분의 트럭 및 자동차용 디젤 엔진은 4행정 사이클을 연상시키는 사이클을 사용하지만, 별도의 점화 시스템이 필요하기 보다는 압축에 의한 온도 상승으로 점화가 발생합니다.이와 같은 변화를 디젤 사이클이라고 합니다.디젤 사이클에서는 피스톤이 움직일 때 일정한 압력에서 연소가 일어나도록 디젤 연료가 실린더에 직접 분사됩니다.

오토 사이클

오토 사이클은 가솔린을 연료로 사용하는 대부분의 자동차 내연기관에서 가장 일반적인 사이클입니다.4행정 엔진에 대해 설명한 것과 동일한 주요 단계로 구성됩니다.흡기, 압축, 점화, 팽창 및 배기

5행정 엔진

1879년 니콜라우스 오토는 2중 팽창 엔진(이중 및 3중 팽창 원리는 증기 기관에서 충분히 사용됨)을 제작하여 판매했는데, 저압 대형 실린더의 양쪽에 두 개의 작은 실린더가 있어 배기 행정 가스의 두 번째 팽창이 발생했습니다.1906년 EHV(Eisenhuth Horse Vehicle Company)에서 제작한 자동차에 이 개념이 포함되었고,^[39] 21세기 Ilmor는 고출력과 낮은 SFC(Specific Fuel Consumption)를 갖춘 5행정 이중 팽창 내연기관을 설계하고 성공적으로 테스트했습니다.^[40]

6행정 기관

6행정 엔진은 1883년에 발명되었습니다.4종류의 6행정 엔진은 일반 실린더(그리핀 6행정, 바줄라즈 6행정, 벨로제타 6행정, 크라우어 6행정)에 일반 피스톤을 사용하여 크랭크축 회전 3회마다 발사합니다.이 시스템은 공기 또는 물을 주입하여 4행정 오토 사이클의 폐열을 포착합니다.

베어 헤드(Beare Head) 및 "피스톤 충전기" 엔진은 반대 피스톤 엔진으로 작동하며 단일 실린더에 두 개의 피스톤이 있으며 4행정 엔진처럼 4회전마다 점화되지 않습니다.

기타주기

최초의 내연기관은 혼합물을 압축하지 않았습니다.피스톤 다운 스트로크의 첫 번째 부분은 연료 공기 혼합물을 흡입한 다음 입구 밸브가 닫히고 다운 스트로크의 나머지 부분에서는 연료 공기 혼합물이 발사되었습니다.피스톤 상승을 위해 배기 밸브가 열렸습니다.증기 기관의 원리를 모방하려는 이러한 시도는 매우 비효율적이었습니다.이러한 사이클에는 여러 가지 변형이 있는데, 특히 앳킨슨과 밀러 사이클이 대표적입니다.

스플릿 사이클 엔진은 흡기, 압축, 연소 및 배기의 4행정을 별도의 쌍을 이루는 두 개의 실린더로 분리합니다.첫 번째 실린더는 흡기 및 압축에 사용됩니다.그런 다음 압축 공기는 압축 실린더에서 두 번째 실린더로 교차 통로를 통해 전달되며, 여기서 연소 및 배기가 발생합니다.스플릿 사이클 엔진은 실제로 한쪽에는 공기 압축기이고 다른 한쪽에는 연소실이 있습니다.

이전의 스플릿 사이클 엔진은 두 가지 주요 문제를 안고 있었습니다. 즉, 낮은 호흡(부피 효율)과 낮은 열 효율입니다.그러나 이러한 문제를 해결하고자 하는 새로운 디자인이 도입되고 있습니다.스쿠데리 엔진은 다양한 터보차징 기술을 통해 피스톤과 실린더 헤드 사이의 간극을 줄여 호흡 문제를 해결합니다.스쿠데리 설계에서는 밸브의 간섭 없이 피스톤이 실린더 헤드에 매우 가깝게 이동할 수 있도록 바깥쪽으로 열리는 밸브를 사용해야 합니다.Scuderi는 ATDC(Top Dead Center) 후 소성을 통해 낮은 열효율을 해결합니다.

점화 ATDC는 이송 통로 내의 고압 공기를 이용하여 동력 실린더 내의 소닉 흐름과 높은 난류를 발생시킴으로써 수행될 수 있습니다.

연소터빈

제트 엔진

제트 엔진은 여러 줄의 팬 블레이드를 사용하여 공기를 압축한 다음 연소기로 들어가 연료(일반적으로 JP 연료)와 혼합된 후 점화됩니다.연료가 연소되면 공기의 온도가 상승하여 엔진에서 배출되어 추진력을 만듭니다.현대식 터보팬 엔진은 48%의 높은 효율로 작동할 수 있습니다.^[41]

터보팬 엔진에는 6개의 섹션이 있습니다.

• 선풍기
• 압축기
• 연소기
• 터빈
• 믹서
• 노즐^[42]

가스터빈

가스터빈은 공기를 압축해서 터빈을 돌리는 데 사용합니다.이 엔진은 본질적으로 출력을 축으로 유도하는 제트 엔진입니다.터빈에는 1) 압축에 의해 온도가 상승하는 압축기를 통해 공기를 흡입하고, 2) 연소기에 연료를 추가하며, 3) 고온의 공기는 압축기에 연결된 샤프트를 회전시키는 터빈 블레이드를 통해 배출됩니다.

가스터빈은 증기터빈과 원리적으로 유사한 회전식 기계이며, 압축기, 연소실, 터빈의 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다.압축기에서 압축된 공기의 온도는 연료를 연소시킴으로써 증가합니다.가열된 공기와 연소 생성물은 터빈에서 팽창하여 작업 출력을 생성합니다.대해서2 ⁄3의 작업이 컴프레서를 구동합니다. 나머지(약 1 ⁄3)는 유용한 작업 출력으로 사용할 수 있습니다.

가스 터빈은 가장 효율적인 내연 기관 중 하나입니다.General Electric 7HA 및 9HA 터빈 복합 사이클 전기 공장은 61% 이상의 효율성으로 평가됩니다.^[44]

브레이튼 주기

가스 터빈은 원칙적으로 증기 터빈과 다소 유사한 회전 기계입니다.압축기, 연소실, 터빈의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.공기는 컴프레서에 의해 압축되어 온도가 상승합니다.압축 공기의 온도는 공기를 팽창시키는 연소실에서 분사된 연료의 연소에 의해 더욱 증가합니다.이 에너지는 기계적 커플링을 통해 압축기에 동력을 공급하는 터빈을 회전시킵니다.뜨거운 가스는 추진력을 제공하기 위해 배출됩니다.

가스터빈 사이클 엔진은 압축, 연소, 팽창이 엔진 내 여러 곳에서 동시에 일어나 연속적인 동력을 제공하는 연속 연소 시스템을 사용합니다.특히, 연소는 오토 사이클, 일정한 부피보다는 일정한 압력에서 이루어집니다.

완켈 엔진

Wankel 엔진(회전식 엔진)에는 피스톤 행정이 없습니다.이 엔진은 4행정 엔진과 동일한 위상 분리로 작동하며, 위상은 엔진 내 별도의 위치에서 발생합니다.열역학적 용어로 오토 엔진 사이클을 따르므로 "4상" 엔진으로 간주할 수 있습니다.일반적으로 로터 회전당 3개의 파워 스트로크가 발생하는 것은 사실이지만, 편심 샤프트에 대한 로터의 3:1 회전 비율로 인해 실제로는 샤프트 회전당 1개의 파워 스트로크만 발생합니다.구동(이심) 축은 오토 사이클에서와 같이 파워 스트로크 때마다 두 번(크랭크 축)이 아닌 한 번씩 회전하므로 피스톤 엔진보다 파워 대 웨이트 비율이 더 높습니다.이 유형의 엔진은 마쓰다 RX-8, 이전 RX-7 및 기타 차량 모델에 가장 많이 사용되었습니다.엔진은 작은 크기와 무게, 높은 출력 대 무게 비율이 장점인 무인 항공기에도 사용됩니다.

강제유도

강제 유도는 압축 공기를 내연 기관 흡입구로 전달하는 과정입니다.강제 유도 엔진은 공기의 압력, 온도 및 밀도를 높이기 위해 가스 컴프레서를 사용합니다.강제 유도가 없는 엔진은 자연 흡기 엔진으로 간주됩니다.

강제 인덕션은 엔진 출력과 효율성을 높이기 위해 자동차 및 항공 산업에서 사용됩니다.그것은 특히 항공 엔진이 높은 고도에서 작동해야 하기 때문에 도움이 됩니다.

강제 유도는 컴프레서가 엔진 샤프트에서 직접 작동하거나 터보차저의 경우 엔진 배기 가스로 작동하는 터빈에서 작동하는 슈퍼차저에 의해 이루어집니다.

연료 및 산화제

모든 내연 기관은 일반적으로 공기 중의 산소와 함께 화학 연료의 연소에 의존합니다(아산화질소를 주입하여 동일한 작업을 더 많이 수행하고 동력을 얻는 것도 가능합니다).연소 과정은 일반적으로 많은 양의 열 에너지를 생성하고 증기와 이산화탄소 및 기타 화학 물질을 매우 높은 온도에서 생성합니다. 도달된 온도는 연료 및 산화제의 화학 성분에 의해 결정됩니다(화학양론 참조).압축 및 기타 요인에 의해서도 마찬가지입니다.

연료

가장 일반적인 현대 연료는 탄화수소로 구성되어 있으며 대부분 화석 연료(석유)에서 파생됩니다.화석 연료로는 디젤 연료, 휘발유, 석유 가스 등이 있으며, 프로판의 사용은 더 적습니다.연료 전달 부품을 제외한 가솔린용 내연기관은 대부분 천연가스나 액화석유가스로 큰 변경 없이 주행이 가능합니다.대형 디젤은 가스와 혼합된 공기와 파일럿 디젤 연료 점화 분사로 작동할 수 있습니다.에탄올과 바이오디젤(콩기름과 같은 중성지방을 생산하는 작물에서 생산되는 디젤 연료의 한 형태)과 같은 액체 및 가스 바이오 연료도 사용될 수 있습니다.또한, 수소 가스, 목재 가스, 또는 숯 가스를 사용하여 엔진을 구동할 수 있으며, 다른 편리한 바이오매스로부터 제조된 소위 생산 가스를 사용할 수도 있습니다.마그네슘 주입 사이클과 같은 분말 고체 연료를 사용한 실험도 수행되었습니다.

현재 사용되는 연료는 다음과 같습니다.

• 석유:
  • 석유 정령 (북미 용어: 가솔린, 영국 용어: 가솔린)
  • 디젤 연료.
  • 오토가스(액화석유가스).
  • 프로판.
  • 압축 천연 가스.
  • 제트 연료(항공 연료)
  • 잔연료
• 석탄:
  • 휘발유는 Fischer-Tropsch 공정을 통해 탄소(석탄)로 만들 수 있습니다.
  • 디젤 연료는 Fischer-Tropsch 공정을 통해 탄소로 제조할 수 있습니다.
• 바이오 연료 및 식물성 오일:
  • 땅콩 기름 및 기타 식물성 기름.
  • 목재 가스는 고체 목재를 연료로 사용하는 선내 목재 가스화기에서 나온 것입니다.
  • 바이오 연료:
    • 바이오부탄올(휘발유를 대체함).
    • 바이오 디젤(석유 디젤을 대체함).
    • 디메틸 에테르(석유 디젤을 대체함).
    • 바이오에탄올 및 바이오메탄올(나무 알코올) 및 기타 바이오 연료(유연 연료 차량 참조).
    • 바이오가스
• 수소 (주로 우주선 로켓 엔진)

심지어 유동성이 있는 금속 가루와 폭발물들도 일부 사용되었습니다.가스를 연료로 사용하는 엔진은 가스 엔진이라고 불리고 액체 탄화수소를 사용하는 엔진은 오일 엔진이라고 불립니다. 그러나 가솔린 엔진은 종종 구어적으로 "가스 엔진"(북미 이외의 지역에서는 "휘발유 엔진")이라고도 불립니다.

연료에 대한 주요 제한 사항은 연료 시스템을 통해 연소실까지 쉽게 운반할 수 있어야 하며, 연소 시 연료가 충분한 에너지를 열 형태로 방출하여 엔진을 실용적으로 사용할 수 있어야 한다는 것입니다.

디젤 엔진은 일반적으로 가솔린 엔진보다 더 무겁고, 더 시끄럽고, 더 낮은 속도에서 더 강력합니다.또한 대부분의 환경에서 연료 효율성이 더 높으며, 무거운 도로 차량, 일부 자동차(휘발유 엔진보다 연료 효율성이 향상됨에 따라), 선박, 철도 기관차 및 경비행기에 사용됩니다.가솔린 엔진은 대부분의 자동차, 오토바이 및 모페드를 포함한 대부분의 다른 도로 차량에 사용됩니다.유럽에서는 1990년대 이후 고급 디젤 엔진 자동차가 시장의 약 45%를 점유하고 있습니다.수소, 메탄올, 에탄올, 액화석유가스(LPG), 바이오디젤, 파라핀, 트랙터 기화유(TVO)로 작동하는 엔진도 있습니다.

수소

수소는 결국 전통적인 내연 기관에서 기존의 화석 연료를 대체할 수 있습니다.그 대신 연료 전지 기술이 그 가능성을 실현하고 내연 기관의 사용이 단계적으로 중단될 수도 있습니다.

자유 수소를 생산하는 여러 가지 방법이 있지만, 그러한 방법은 가연성 분자를 수소로 변환하거나 전기 에너지를 소비해야 합니다.전기가 재생 가능한 공급원에서 생산되고 다른 용도로 필요하지 않는 한 수소는 에너지 위기를 해결하지 못합니다.많은 상황에서 탄소 연료에 비해 수소의 단점은 저장입니다.액체 수소는 밀도가 매우 낮으며(물보다 14배 낮음) 광범위한 절연이 필요한 반면 기체 수소는 무거운 탱크를 필요로 합니다.수소는 액화 상태에서도 비에너지는 높지만 부피 에너지 저장량은 휘발유보다 약 5배 정도 낮습니다.그러나 수소의 에너지 밀도는 전기 배터리에 비해 상당히 높아 화석연료를 대체할 에너지 운반선으로서 중요한 경쟁자입니다.수소 온 디맨드(Hydrogen on Demand)' 프로세스(직접 붕수화물 연료 전지 참조)는 필요에 따라 수소를 생성하지만, 원료인 붕수화나트륨의 높은 가격과 같은 다른 문제가 있습니다.

산화제

지표면에 공기가 풍부하기 때문에, 산화제는 일반적으로 대기 산소이며, 이는 차량 내에 저장되지 않는 장점이 있습니다.이렇게 하면 중량 대비 전력 및 볼륨 대비 전력 비율이 증가합니다.다른 재료들은 특수한 목적을 위해 사용되며, 종종 전력 출력을 증가시키거나 수중 또는 우주에서 작동할 수 있도록 합니다.

• 압축 공기는 일반적으로 어뢰에 사용되어 왔습니다.^[45]
• 일본 93형 어뢰에는 압축 산소와 일부 압축 공기가 사용되었습니다.어떤 잠수함은 순수한 산소를 운반합니다.로켓은 종종 액체 산소를 사용합니다.^[46]
• 니트로메탄은 동력을 증가시키고 연소를 조절하기 위해 일부 경주용 연료와 모형 연료에 첨가됩니다.
• 아산화질소는 전술 항공기와 특수 장비를 갖춘 자동차에서 휘발유와 공기로 작동하는 엔진의 짧은 추가 출력 폭발을 허용하기 위해 추가 휘발유와 함께 사용되어 왔습니다.이 로켓은 버트 루탄 로켓 우주선에도 사용됩니다.
• 독일 제2차 세계대전 잠수함용 과산화수소 전력 개발 중일부 비핵 잠수함에 사용되었을 수 있으며, 일부 로켓 엔진(특히 블랙 애로우와 메서슈미트 미 163 로켓 전투기)에 사용되었을 수 있습니다.
• 염소나 불소와 같은 다른 화학물질들은 실험적으로 사용되어 왔지만 실용적이지는 않았습니다.

쿨링

과도한 열을 제거하기 위해서는 냉각이 필요합니다. 고온은 엔진 고장을 유발할 수 있으며, 일반적으로 마모, 균열 또는 뒤틀림으로 인해 발생할 수 있습니다.엔진 냉각의 가장 일반적인 두 가지 형태는 공냉식과 수냉식입니다.대부분의 현대 자동차 엔진은 수냉식 및 공냉식이며, 물/액체-냉각제가 공냉식 핀 및/또는 팬으로 운반되는 반면, 더 큰 엔진은 정지해 있고 물-메인 또는 담수를 통해 물이 일정하게 공급되기 때문에 단일하게 수냉식일 수 있습니다.대부분의 전동 공구 엔진과 다른 소형 엔진은 공랭식입니다.일부 엔진(공기 또는 수냉식)에는 오일 쿨러도 있습니다.일부 엔진, 특히 터빈 엔진 블레이드 냉각 및 액체 로켓 엔진 냉각을 위해 연료는 연소실에 주입하기 전에 동시에 예열되기 때문에 냉각제로서 사용됩니다.

시작하는

내연기관은 사이클을 시작해야 합니다.왕복 엔진에서는 크랭크축(Wankel Rotor Shaft)을 회전시켜 흡기, 압축, 연소 및 배기 사이클을 유도합니다.첫 번째 엔진은 플라이휠 회전으로 시동을 걸었고 첫 번째 차량(다임러 라이트바겐)은 핸드 크랭크로 시동을 걸었습니다.찰스 케터링이 자동차용 전기 스타터를 개발할 때까지 모든 ICE 엔진 자동차는 핸드 크랭크로 시작되었습니다.^[47]이 방법은 현재 비자동차에서도 가장 널리 사용되고 있습니다.

디젤 엔진이 커지고 메커니즘이 무거워지면서 에어 스타터가 사용되기 시작했습니다.^[48]전동식 스타터의 토크가 부족하기 때문입니다.에어 스타터는 엔진의 실린더 안으로 압축 공기를 주입하여 회전을 시작합니다.

이륜차는 다음 네 가지 방식 중 하나로 엔진 시동을 걸 수 있습니다.

• 자전거처럼 페달을 밟아서
• 차량을 누른 다음 클러치를 결합하여 "런 앤 범프 시동"이라고 합니다.
• "킥 스타트"라고 알려진 하나의 페달에 아래로 발로 차는 것
• 전기 시동기에 의해, 자동차에서와 같이.

또한 크랭크 운동에 의해 스프링이 압축된 후 엔진 시동에 사용되는 스타터도 있습니다.

어떤 작은 엔진들은 "반동 시동"이라고 불리는 당기는 장치를 사용하는데, 이것은 줄이 엔진 시동을 위해 당겨진 후에 스스로 감겨지기 때문입니다.이 방법은 밀린 잔디 깎는 기계와 엔진을 뒤집는 데 약간의 토크만 필요한 기타 환경에서 일반적으로 사용됩니다.

터빈 엔진은 종종 전기 모터 또는 압축 공기에 의해 시동됩니다.

엔진 성능 측정값

엔진 유형은 다음과 같이 매우 다양합니다.

• 에너지 효율
• 연료/ propell제 소비량(샤프트 엔진의 경우 브레이크 특정 연료 소비량, 제트 엔진의 경우 스러스트 특정 연료 소비량)
• 동력 대 중량비
• 추력 대 중량비
• 토크 곡선(샤프트 엔진용), 스러스트 랩스(제트 엔진)
• 피스톤 엔진의 압축비, 제트 엔진 및 가스 터빈의 전체 압력비

에너지효율

점화 및 연소 시 연소 생성물(뜨거운 가스)은 원래 압축 연료-공기 혼합물(화학 에너지가 높은)보다 가용 열 에너지가 더 높습니다.이 가용 에너지는 엔진에 의해 운동 에너지로 변환될 수 있는 더 높은 온도와 압력으로 나타납니다.왕복동식 엔진에서는 실린더 내부의 고압 가스가 엔진의 피스톤을 구동합니다.

가용 에너지가 제거되면 남은 고온 가스가 배출되고(종종 밸브를 열거나 배기 출구를 노출함으로써) 피스톤이 이전 위치(톱 데드 센터(TDC))로 돌아갈 수 있습니다.그러면 피스톤은 엔진마다 다른 사이클의 다음 단계로 진행할 수 있습니다.작업으로 변환되지 않은 열 에너지는 일반적으로 폐기물로 간주되며 공기 또는 액체 냉각 시스템에 의해 엔진에서 제거됩니다.

내연 기관은 열 기관으로 간주되며(연소 시 화학 에너지 방출은 엔진으로의 열 전달과 동일한 효과를 가지기 때문에), 이론적 효율성은 이상적인 열역학적 사이클에 의해 근사화될 수 있습니다.이론적 사이클의 열효율은 엔진의 낮은 작동 온도와 높은 작동 온도의 차이에 의해 효율이 결정되는 카르노 사이클의 열효율을 초과할 수 없습니다.엔진의 상부 작동 온도는 재료의 열 작동 한계와 연료의 자동 점화 저항이라는 두 가지 주요 요인에 의해 제한됩니다.모든 금속과 합금은 열 작동 한계를 가지며, 보다 높은 열 안정성과 바람직한 구조적 특성으로 제조될 수 있는 세라믹 재료에 대한 연구가 상당합니다.높은 열 안정성은 낮은 작동 온도(주변)와 높은 작동 온도 사이의 온도 차이를 크게 만들어 열역학적 효율을 높입니다.또한 실린더 온도가 올라가면 연료가 자동 점화되기 쉬워집니다.이는 실린더 온도가 전하의 인화점에 근접할 때 발생합니다.이때 점화는 점화 플러그가 점화되기 전에 자발적으로 발생하여 실린더 압력이 과도하게 증가할 수 있습니다.자동 점화는 높은 자동 점화 저항(옥탄 등급)을 가진 연료를 사용함으로써 완화될 수 있지만, 여전히 허용 가능한 피크 실린더 온도에 상한을 둡니다.

열역학적 한계는 엔진이 마찰이 없는 세계, 이상적인 가스, 완벽한 절연체, 무한한 시간 동안 작동하는 이상적인 조건에서 작동한다고 가정합니다.실제 응용프로그램은 효율성을 저하시키는 복잡성을 야기합니다.예를 들어, 실제 엔진은 파워 밴드라고 하는 특정 부하에서 가장 잘 작동합니다.고속도로를 주행하는 자동차의 엔진은 급가속에 필요한 높은 부하를 위해 설계되었기 때문에 보통 이상적인 부하보다 훨씬 낮게 작동합니다.^{[citation needed]}또한, 내풍성과 같은 요소들은 전체적인 시스템 효율성을 감소시킵니다.차량 연비는 갤런당 마일 또는 100km당 리터로 측정됩니다.탄화수소의 부피는 표준 에너지 함량을 가정합니다.

터보차저와 스톡 효율 보조 장치를 사용하는 경우에도 대부분의 엔진은 평균 약 18~20%^[49]의 효율을 유지합니다.그러나 포뮬러 원 엔진의 최신 기술은 열 효율이 50%^[50] 이상 향상되었습니다.IC 엔진의 효율을 높이기 위한 발명품들이 많이 있습니다.일반적으로 실용적인 엔진은 효율성, 중량, 동력, 열, 반응, 배기 가스 또는 소음과 같은 서로 다른 특성 사이의 상충 관계로 인해 항상 손상됩니다.때로는 엔진 자체의 제조 비용뿐만 아니라 연료의 제조 및 분배에도 경제적인 역할을 합니다.엔진의 효율을 높이면 연비가 향상되지만, 에너지 함량당 연료비가 같을 경우에만 연비가 향상됩니다.

연료 효율 및 추진제 효율 측정 방법

프로펠러 엔진을 포함하는 정지 엔진 및 축 엔진의 경우, 연료 소비량은 연료 소비량의 질량 유량을 생산 전력으로 나눈 값인 브레이크 특정 연료 소비량을 계산하여 측정합니다.

제트 엔진 형태의 내연 기관의 경우, 출력이 공기 속도에 따라 크게 달라지며 덜 가변적인 측정이 사용됩니다: 추력 특정 연료 소비(TSFC),파운드 힘 시간 또는 1 킬로 뉴톤 초의 충격을 발생시키는 데 필요한 추진제의 질량입니다.

로켓의 경우, TSFC가 사용될 수 있지만, 일반적으로 특정 임펄스 및 유효 배기 속도와 같은 다른 동등한 측정이 전통적으로 사용됩니다.

대기 및 소음 공해

시리즈의 일부(on)
오염
공장에서 발생하는 대기오염
항공사 산성비 대기질지수 대기분산 모델링 클로로플루오르카본 배기가스 연무 실내공기 내연기관 글로벌 조광 전지구증류 오존층 파괴 미립자 잔류성유기오염물질 스모그 에어로졸 그을음 휘발성유기화합물
생물학적 생물학적 유해성 유전의 도입종 (침습종)
디지털. 정보
전자기학 빛 생태학적 과채광 라디오 스펙트럼
자연의 오존 환경 내 라듐과 라돈 화산재 들불
소음 교통. 땅 물. 항공사 레일 지속 가능한 운송 도시의 소나 해양포유류 및 음파탐지기 산업의 군사의 추상적인 소음제어
방사능 악티니데스 생물매개물질 열화우라늄 핵분열 원자력 낙진 플루토늄 독살 방사능 우라늄 전자기 방사선 및 건강 방사성폐기물
흙 농업 제초제 분뇨폐기물 살충제 토지 황폐화 생물매개물질 배변 전기저항가열 토양지침 값 식물치료
고체폐기물 생분해성 폐기물 갈색폐기물 전자폐기물 배터리 재활용 음식물쓰레기 녹색폐기물 유해 폐기물 생물의료폐기물 화학 폐기물 건설폐기물 납중독 수은 중독 유독성폐기물 국제폐기물 산업폐기물 납 제련 쓰레기 채광 탄광 금광 표층채굴 심해 채굴 광업폐기물 우라늄 채굴 도시 고형 폐기물 가비지 나노물질 플라스틱 미세플라스틱 포장폐기물 소비후폐기물 폐기물관리 매립지 열처리
공간 위성.
보온성 열섬
시각. 항공여행 광고문란 오버헤드 전력선 교통표지판 반달리즘
워 화학전 제초전 (오렌지 요원) 핵 대학살 (핵 낙진 - 핵 기근 - 핵 겨울) 초토화 불발탄 전쟁환경법
물. 농폐수 생체고체 질병. 부영양화 화수 민물 지하수 저산소증 산업폐수 마린 찌꺼기 모니터링 비점원 기타 항목 참조 영양소 해양 산성화 기름유출 의약품 담수 염류화 정화조 오수 정화조 핏라트린 배송. 슬러지 정체 유황수 지표면 유출 탁도 도시유출 수질 폐수
미스크 낭비하다 포인트소스 면적출처 유산오염 목록 질병. 국가별 법률 가장 오염된 도시들 PM2.5 기준으로 가장 오염이 적은 도시 조약 분류 나라별
환경포털 생태포털
v t

대기오염

이 절에서는 출처를 언급하지 않습니다. 신뢰할 수 있는 자료에 인용문을 추가하여 이 부분을 개선하는 데 도움을 주시기 바랍니다. 출처가 밝혀지지 않은 자료에 이의를 제기하여 제거할 수 있습니다.(2022년 11월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법 및 시기 알아보기)

왕복 내연기관과 같은 내연기관은 탄소질 연료의 불완전 연소로 인해 대기오염 배출이 발생합니다.그 과정의 주요 파생물은 이산화탄소 CO
₂, 물 그리고 입자상 물질(PM)이라고도 불리는 일부 그을음입니다. 입자상 물질 흡입의 효과는 사람과 동물에서 연구되어 왔으며 천식, 폐암, 심혈관 질환, 그리고 조기 사망을 포함합니다.그러나 작동 조건 및 연료 공기 비율에 따라 질소 산화물, 황 및 일부 연소되지 않은 탄화수소를 포함하는 연소 프로세스의 일부 추가 제품이 있습니다.

내연기관(특히 가솔린 및 디젤과 같은 화석 연료를 사용하는 기관)에서 배출되는 이산화탄소는 인간이 유발하는 기후 변화에 기여합니다.엔진의 연비를 높이면 탄소 기반 연료 연소로 인해 CO가
₂ 발생하기 때문에 CO
₂ 배출량을 줄일 수는 있지만 제거할 수는 없습니다.엔진 배기가스에서 CO를
₂ 제거하는 것은 현실적이지 않기 때문에 대안에 대한 관심이 높아지고 있습니다.바이오 연료, 신연료, 배터리로 구동되는 전기 모터와 같은 지속 가능한 연료가 그 예입니다.

연소 과정에서 모든 연료가 완전히 소모되는 것은 아닙니다.연소 후 소량의 연료가 존재하고, 일부 연료는 반응하여 포름알데히드 또는 아세트알데히드와 같은 산소산염을 형성하거나, 원래 입력 연료 혼합물에 존재하지 않는 탄화수소를 형성합니다.불완전 연소는 일반적으로 완벽한 화학양론적 비율을 달성하기 위해 산소가 부족하기 때문에 발생합니다.이 불꽃은 비교적 시원한 실린더 벽에 의해 "조용히" 되며, 배기 가스와 함께 배출되는 미반응 연료를 남깁니다.더 낮은 속도로 주행할 경우 천연 가스로 작동하는 디젤(압축 점화) 엔진에서 일반적으로 퀀칭이 관찰됩니다.퀀칭은 효율성을 저하시키고 노킹을 증가시켜 엔진이 정지되는 경우도 있습니다.불완전 연소는 일산화탄소(CO)를 생성하기도 합니다.벤젠과 1,3-부타디엔 또한 유해한 대기 오염 물질입니다.

엔진의 공기량을 증가시키면 불완전 연소 생성물의 배출이 줄어들지만, 공기 중의 산소와 질소의 반응을 촉진하여 질소산화물을 생성할 수 있습니다(NO_x). NO는_x 식물 및 동물 건강에 모두 유해하며 오존(O
₃)을 생성합니다.오존은 직접적으로 방출되는 것이 아니라, 햇빛이 있는 곳에서 NO와_x 휘발성 유기 화합물의 반응에 의해 대기 중에서 생성되는 2차 대기 오염 물질입니다.지상 오존은 인간의 건강과 환경에 해롭습니다.같은 화학 물질이지만, 지상 오존은 성층권 오존, 또는 해로운 자외선으로부터 지구를 보호하는 오존층과 혼동되어서는 안됩니다.

황을 포함한 탄소 연료는 산성비에 기여하는 황단산화물(SO)과
₂ 이산화황(SO)을 생성합니다.

미국에서는 질소산화물, PM, 일산화탄소, 이산화황, 오존 등을 대기오염물질 기준으로 인간의 건강과 복지가 보호되는 수준으로 규제하고 있습니다.벤젠, 1,3-부타디엔 등 다른 오염물질은 기술적, 현실적 고려에 따라 배출량을 최대한 줄여야 하는 유해 대기오염물질로 규제되고 있습니다.

아니요_x, 일산화탄소 및 기타 오염 물질은 배기 가스 재순환을 통해 종종 제어되며, 이는 배기 가스의 일부를 엔진 흡기로 다시 돌려보냅니다.촉매 변환기는 배기 화학 물질을 CO
₂(온실 가스), HO
₂(수증기, 온실 가스) 및 N
₂(질소)로 변환하는 데 사용됩니다.

비로드 엔진

많은 국가에서 사용하는 배출 가스 표준에는 공공 도로에서 작동하지 않는 장비 및 차량에서 사용하는 비도로 엔진에 대한 특별한 요구 사항이 있습니다.표준은 도로 차량과 분리되어 있습니다.^[51]

소음공해

내연 기관은 소음 공해에 상당한 기여를 합니다.고속도로 및 도로 시스템에서 운행되는 자동차 및 트럭 교통은 소음을 발생시키고, 제트 소음으로 인한 항공기 비행, 특히 초음속이 가능한 항공기는로켓 엔진은 가장 심한 소음을 만들어냅니다.

공회전

내연기관은 공회전 중에 연료를 계속 소비하고 오염물질을 배출합니다.Stop-Start 시스템에 의해 공회전이 줄어듭니다.

이산화탄소 생성

디젤 연료(또는 가솔린) 1리터가 연소될 때 방출되는 이산화탄소의 질량을 추정하는 좋은 방법은 다음과 같습니다.^[52]

좋은 근사치로서 디젤의 화학식은 CH입니다
_n
2n.사실 디젤은 다른 분자들의 혼합물입니다.탄소의 몰 질량이 12 g/mol이고 수소(원자)의 몰 질량이 약 1 g/mol이므로 디젤에서 탄소의 중량에 따른 비율은 약 12 ⁄14입니다.

디젤 연소의 반응은 다음과 같습니다.

2C
_nH
_2n + 3nO
₂ ⇌ 2nCO
₂ + 2nH
₂O

이산화탄소는 산소 원자 2개(16g/mol)와 탄소 원자 1개(12g/mol)로 구성되어 있기 때문에 몰 질량이 44g/mol입니다.그래서 12g의 탄소는 44g의 이산화탄소를 생산합니다.

디젤의 밀도는 리터당 0.838 kg입니다.

디젤 1리터를 연소할 때 생성되는 이산화탄소 질량을 모두 합하면 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

${\displaystyle 0.838kg/L\cdot {\frac {12}{14}}\cdot {\frac {44}{12}}=2.63kg/L}$

이 추정치를 사용하여 얻은 수치는 문헌에서 발견된 값과 유사합니다.

밀도가 0.75 kg/L이고 탄소 대 수소 원자의 비율이 약 6 ~ 14인 가솔린의 경우, 가솔린 1리터를 태울 때의 이산화탄소 배출 추정치는 다음과 같습니다.

${\displaystyle 0.75kg/L\cdot {\frac {6\cdot 12}{6\cdot 12+14}}\cdot 1}\cdot {\frac {44}{12}}=2.3kg/L}$

기생손실

기생 손실이라는 용어는 종종 더 많은 에너지를 생성하거나 에너지를 운동으로 변환하는 엔진의 능력을 향상시키기 위해 엔진으로부터 에너지를 흡수하는 장치에 적용됩니다.내연 기관에서, 드라이브 트레인을 포함한 거의 모든 기계적 부품은 기생 손실을 야기하므로, 기생 부하로 특징지어질 수 있습니다.

예

베어링, 오일 펌프, 피스톤 링, 밸브 스프링, 플라이휠, 변속기, 구동축 및 디퍼렌셜은 모두 시스템의 동력을 빼앗는 기생 부하로 작용합니다.이러한 기생 부하는 엔진 작동에 고유한 부하와 엔진에서 도로로 동력을 전달하는 시스템에서 발생하는 드라이브트레인 손실(변속기, 구동축, 디퍼렌셜 및 액슬 등)의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

예를 들어, 전자 범주(엔진 기생 부하)에는 엔진(호스트)에서 전력을 소비하는 필요한 기생자인 엔진을 윤활하는 데 사용되는 오일 펌프가 포함됩니다.엔진 기생 부하의 또 다른 예로는 과급기가 있는데, 과급기는 엔진에서 동력을 얻어 엔진에 더 많은 동력을 공급합니다.과급기가 소비하는 전력은 기생 손실이며 일반적으로 킬로와트 또는 마력으로 표시됩니다.슈퍼차저가 생성하는 전력과 비교하여 소모하는 전력은 작지만 여전히 측정 가능하거나 계산 가능합니다.터보차저가 슈퍼차저에 비해 바람직한 특징 중 하나는 전자의 기생 손실이 적다는 것입니다.^[53]

드라이브트레인 기생 손실에는 정상 상태 및 동적 부하가 모두 포함됩니다.정상 상태 부하는 일정한 속도에서 발생하며 토크 컨버터, 변속기 오일 펌프 및/또는 클러치 드래그와 같은 개별 구성 요소에서 발생할 수 있으며, 씰/베어링 드래그, 윤활유 출렁임 및 기어 권선/마찰이 시스템 전체에서 발견될 수 있습니다.동적 하중은 가속 상태에서 발생하며 회전 구성 요소의 관성 및/또는 마찰 증가로 인해 발생합니다.^[54]

측정.

드라이브트레인 기생 부하로 인한 15%의 전력 손실과 같은 경험칙은 일반적으로 반복되어 왔지만, 기생 부하로 인한 실제 에너지 손실은 시스템마다 다릅니다.파워트레인 설계, 윤활유 종류 및 온도 및 기타 여러 요인에 의해 영향을 받을 수 있습니다.^[54][55]자동차에서 드라이브트레인 손실은 엔진 동력계와 섀시 동력계로 측정되는 동력의 차이를 측정함으로써 정량화할 수 있습니다.그러나 이 방법은 주로 정상 상태 부하를 측정하는 데 유용하며 동적 부하로 인한 손실을 정확하게 반영하지 못할 수 있습니다.^[54]실험실 환경에서는 실린더 내 압력 측정, 특정 지점에서의 유량 및 온도 측정, 마찰 및 펌핑 손실을 파악하기 위한 개별 부품 또는 서브어셈블리의 테스트와 같은 보다 진보된 방법을 사용할 수 있습니다.^[56]

예를 들어, Hot Rod 잡지의 동력계 테스트에서, 변형된 357ci 소형 블록 Ford V8 엔진과 자동 변속기를 장착한 Ford Mustang의 드라이브트레인 출력 손실은 평균 33%로 측정되었습니다.같은 시험에서 개조된 455ci V8 엔진과 4단 수동변속기를 장착한 Buick은 평균 구동트레인 출력 손실이 21%^[57]로 측정되었습니다.

무거운 디젤 엔진의 실험실 테스트 결과, 물과 오일 펌프와 같은 엔진 부속품의 기생 부하로 인해 연료 에너지 입력의 1.3%가 손실된 것으로 확인되었습니다.^[56]

축소

자동차 엔지니어와 튜너는 일반적으로 효율과 출력을 향상시키기 위해 기생 부하를 줄이는 설계를 선택합니다.여기에는 습식 섬프 시스템보다 건식 섬프 윤활 시스템을 사용하는 것과 같은 주요 엔진 구성 요소 또는 시스템을 선택해야 할 수 있습니다.또는 엔진으로 구동되는 직접 팬을 팬 클러치 또는 전기 팬으로 교환하는 등 애프터마켓의 수정 사항으로 사용할 수 있는 사소한 구성 요소를 교체하여 효과를 얻을 수 있습니다.^[57]일반적으로 선로 전용 차량에서 볼 수 있는 기생 손실을 줄이기 위한 또 다른 수정 사항은 전기 워터 펌프를 위한 엔진 구동 워터 펌프를 교체하는 것입니다.^[58]이러한 변화로 인한 기생 손실의 감소는 마찰 감소 또는 설계를 더 효율적으로 만드는 다른 많은 변수 때문일 수 있습니다.^{[citation needed]}

참고 항목

참고문헌

서지학

• Anyebe, E.A (2009). Combustion Engine and Operations, Automobile Technology Handbook. Vol. 2.
• Denton, T. (2011). Automobile Mechanical and Electrical Systems. Automobile Mechanical and Electrical Systems: Automotive Technology : Vehicle Maintenance and Repair. Taylor & Francis. ISBN 978-1-136-27038-3.
• Heywood, J. (2018). Internal Combustion Engine Fundamentals 2E. McGraw-Hill Education. ISBN 978-1-260-11611-3.
• Nunney, Malcolm J. (2007). Light and Heavy Vehicle Technology (4th ed.). Elsevier Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8037-0.
• Ricardo, Harry (1931). The High-Speed Internal Combustion Engine.
• Singal, R.K. Internal Combustion Engines. New Delhi, India: Kataria Books. ISBN 978-93-5014-214-1.
• Stone, Richard (1992). Introduction to Internal Combustion Engines (2nd ed.). Macmillan. ISBN 978-0-333-55083-0.
• Yamagata, H. (2005). The Science and Technology of Materials in Automotive Engines. Woodhead Publishing in materials The science and technology of materials in automotive engines. Elsevier Science. ISBN 978-1-84569-085-4.
• 특허:
  • ES 433850, Uberna Laciana, "Perfeccionamientos en Motores de Explosion, con Cinco Tiem-Posy Doble Expansion", 1976-11-01 출판
  • ES 230551, Ortuno Garcia Jose, "Un Nuevo Motor de Explosion", 1957-03-01 출판
  • ES 249247, Ortuno Garcia Jose, "Motor de Carreras Distintas", 1959-09-01 출판

추가열람

• Singer, Charles Joseph; Raper, Richard (1978). Charles, Singer; et al. (eds.). A History of Technology: The Internal Combustion Engine. Clarendon Press. pp. 157–176. ISBN 978-0-19-858155-0.
• Setright, LJK (1975). Some unusual engines. London: The Institution of Mechanical Engineers. ISBN 978-0-85298-208-2.
• Suzuki, Takashi (1997). The Romance of Engines. US: Society of Automotive Engineers. ISBN 978-1-56091-911-7.
• Hardenberg, Horst O. (1999). The Middle Ages of the Internal Combustion Engine. US: Society of Automotive Engineers.
• Gunston, Bill (1999). Development of Piston Aero Engines. PSL. ISBN 978-1-85260-619-0.

외부 링크

• 연소 비디오 – 광학적으로 접근 가능한 2행정 엔진에서의 실린더 내 연소
• 애니메이션 엔진 – 다양한 유형을 설명합니다.
• 자동차 엔진 소개 – 잘라낸 이미지와 내연 기관에 대한 좋은 개요
• 월터 E. Lay Auto Lab – 미시간 대학교의 연구
• YouTube – 4기통 엔진의 구성 요소 및 내장 애니메이션
• YouTube – 4기통 엔진의 내부 이동 부품 애니메이션
• 차세대 엔진 기술 2009년 5월 9일 회수
• 자동차 엔진 작동 방식
• 특이한 내연기관
• 항공기 엔진 역사 학회(AEHS) – AEHS 홈