왕복 엔진

이 기사에서는 주로 왕복 엔진을 열 엔진으로 설명합니다.비열 엔진 유형(공압 및 유압 모터)도 참조하십시오.

피스톤 엔진이라고도 하는 왕복 엔진은 일반적으로 하나 이상의 왕복 피스톤을 사용하여 고온과 고압을 회전 운동으로 변환하는 열 엔진입니다.이 문서에서는 모든 유형의 공통 기능에 대해 설명합니다.주요 유형은 자동차에서 광범위하게 사용되는 내연기관, 산업 혁명의 주축인 증기기관, 틈새 분야용 스털링 엔진입니다.내연기관은 스파크 플러그가 연소를 시작하는 스파크 점화(SI) 엔진과 실린더 내부의 공기가 압축되어 가열되어 분사된 연료 또는 그 이전에 ^{[1][2][3][4][5]}점화되도록 하는 압축 점화(CI) 엔진의 두 가지 방법으로 더욱 분류됩니다.

모든 유형의 공통 기능

하나 이상의 피스톤이 있을 수 있습니다.각 피스톤은 실린더 내부에 있으며, 이미 압력이 가해져 있거나(예: 증기 엔진), 연료 공기 혼합물(내연 엔진) 점화 또는 실린더 내 열 교환기(스틸링 엔진)와의 접촉을 통해 실린더 내부에 가열됩니다.뜨거운 가스가 팽창하여 피스톤을 실린더 바닥으로 밀어냅니다.이 위치는 하사점(BDC)이라고도 하며, 피스톤이 실린더에서 가장 큰 부피를 형성합니다.피스톤은 플라이휠에 의해 실린더 탑(상부 사점)(TDC)으로 돌아갑니다. 플라이휠은 피스톤의 반대쪽에서 작용하는 동일한 프로세스에 의해 동일한 축 또는 (복동 실린더에) 연결된 다른 피스톤의 동력을 공급합니다.여기서 피스톤이 실린더에서 가장 작은 부피를 형성합니다.대부분의 유형에서 팽창 또는 "배출된" 가스는 이 스트로크에 의해 실린더에서 제거됩니다.단, 스털링 엔진은 동일한 양의 가스를 가열 및 냉각하는 과정을 반복합니다.스트로크는 단순히 TDC와 BDC 사이의 거리 또는 피스톤이 한 방향으로 이동할 수 있는 최대 거리입니다.

일부 설계에서는 피스톤이 실린더에서 양방향으로 구동될 수 있으며, 이 경우 피스톤이 이중 작용이라고 합니다.

대부분의 유형에서 피스톤의 직선운동은 커넥팅 로드 및 크랭크축을 통해 회전운동으로 변환되거나 스와시 플레이트 또는 기타 적절한 메커니즘에 의해 변환된다.플라이휠은 부드러운 회전을 보장하거나 사이클의 무동력 부분을 통해 엔진을 운반하기 위한 에너지를 저장하기 위해 자주 사용됩니다.일반적으로 왕복 엔진은 실린더가 많을수록 진동이 발생하지 않고(부드럽게) 작동할 수 있습니다.왕복 엔진의 출력은 결합된 피스톤 변위량에 비례합니다.

슬라이딩 피스톤과 실린더 벽 사이에 씰을 만들어 피스톤 위의 고압 가스가 누출되지 않도록 하고 엔진의 효율을 저하시켜야 합니다.이 씰은 일반적으로 하나 이상의 피스톤 링에 의해 제공됩니다.이 링은 단단한 금속으로 만들어진 링으로 피스톤 헤드의 원형 홈에 삽입되어 있습니다.링은 홈에 촘촘히 들어가 실린더 벽에 가볍게 눌러 씰을 형성하며, 연소 압력이 높을 때 내부 표면으로 이동하면 더욱 무겁습니다.

일반적으로 이러한 엔진은 실린더의 수와 정렬 및 실린더 내에서 움직이는 피스톤에 의한 총 가스 변위 부피로 분류됩니다(cmµ 또는 cc), 리터(l) 또는 (L)(US: liter).예를 들어, 내연기관의 경우, 1기통 및 2기통 설계는 오토바이와 같은 소형 차량에서 흔히 볼 수 있는 반면, 자동차에는 일반적으로 4기통에서 8기통, 기관차, 선박에는 12기통 이상의 실린더가 있을 수 있습니다.실린더 용량은 모델 엔진의 경우 10cm† 이하에서 선박 ^[6]엔진의 경우 수천 리터까지 다양합니다.

압축비는 대부분의 왕복 엔진 유형에 영향을 미칩니다.피스톤이 스트로크 하단에 있을 때와 피스톤이 스트로크 상단에 있을 때의 실린더 부피 간의 비율입니다.

보어/행정 비율은 실린더 내 이동 길이에 대한 피스톤 직경 또는 "보어"의 비율입니다.이 값이 약 1이면 엔진이 "사각형"이고, 1보다 크면 보어가 스트로크보다 크면 "오버스퀘어"라고 합니다.스트로크가 보어보다 큰 경우 1보다 작으면 "언더스쿼어"가 됩니다.

실린더는 일직선, V 구성, 수평 대향 또는 크랭크축 주위에 방사형으로 정렬될 수 있다.대향 피스톤 엔진은 두 개의 피스톤이 동일한 실린더의 반대쪽 끝에서 작동하며, 이는 Napier Deltic과 같은 삼각형 배열로 확장되었습니다.로터리 엔진과 같은 일부 설계에서는 실린더가 샤프트 주위로 움직이게 되어 있습니다.

일부 증기 엔진에서 실린더의 크기는 다양할 수 있으며, 가장 작은 보어 실린더는 가장 높은 압력의 증기를 작동한다.그런 다음 하나 이상의 점점 더 큰 보어 실린더를 통해 공급되어 점점 더 낮은 압력의 증기로부터 전력을 추출합니다.이러한 엔진을 복합 엔진이라고 합니다.

엔진이 생산할 수 있는 출력을 조사하는 것 외에도 평균 유효 압력(MEP)은 동일한 크기의 왕복 엔진의 출력과 성능을 비교하는 데 사용할 수 있습니다.평균 유효 압력은 파워 스트로크 사이클 동안 생성된 것과 동일한 양의 순 작업을 생성하는 가상 압력입니다.이는 다음과 같이 나타납니다.

${\displaystyle W_{net}= 텍스트{MEP}}\cdot A_{p}S=text{MEP}\cdot V_{d}$

${\displaystyle {여기}_{}}$서 A p$(\$p$$})는 엔진의 총 피스톤 면적, $(\displaystyle$ S$)$는 피스톤의 스트로크 길이, ${\displaystyle V_{}}$ d$(\$$})$는 엔진의 총 변위량입니다.그 때문에,

$디스플레이 스타일MEP}} = flac {W_{net}} {V_{d}}}$

MEP의 가치가 큰 엔진일수록 사이클당 순작업이 많아지고 효율이 ^[1]높아집니다.

운용

증기 엔진 및 내연기관에서는 피스톤 사이클의 정확한 시간에 가스가 들어오고 나갈 수 있도록 밸브가 필요합니다.이것들은 캠, 에크트릭 또는 엔진 축에 의해 구동되는 크랭크로 작동됩니다.초기 설계에서는 D 슬라이드 밸브를 사용했지만 피스톤 밸브 또는 포핏 밸브 설계로 대체되었습니다.증기 엔진에서 증기 입구 밸브가 닫히는 피스톤 사이클의 지점을 차단이라고 하며, 종종 이를 제어하여 엔진에서 공급되는 토크를 조정하고 효율성을 개선할 수 있습니다.일부 증기 엔진에서는 밸브의 작동이 진동하는 실린더로 대체될 수 있습니다.

내연 엔진은 일련의 스트로크를 통해 작동하며 실린더에서 가스를 유입 및 제거합니다.이러한 동작은 주기적으로 반복되며, 엔진은 사이클을 완료하는 데 걸리는 스트로크 수에 따라 2행정, 4행정 또는 6행정이라고 합니다.

가장 일반적인 타입은 4 스트로크로 다음과 같은 사이클이 있습니다.

1. 흡입구: 유도 또는 흡입이라고도 합니다.피스톤의 이 스트로크는 상사점(T.D.C.)에서 시작하여 하사점(B.D.C.)에서 끝납니다.이 스트로크에서 흡기 밸브는 개방 위치에 있어야 하며 피스톤은 하향 운동을 통해 실린더로 진공 압력을 발생시켜 혼합기를 실린더로 끌어당깁니다.피스톤에 대한 하강 운동에 의해 공기가 흡입되면서 피스톤이 하강하고 있습니다.
2. 압축:이 뇌졸중은 B.D.C. 또는 흡입 뇌졸중의 막바지에 시작해서 T.D.C.에서 끝난다.이 스트로크에서는 피스톤이 파워 스트로크 중 점화 준비를 위해 혼합기를 압축합니다(아래).이 단계에서는 흡기 및 배기 밸브가 모두 닫힙니다.
3. 연소:전원 또는 점화라고도 합니다.이것은 4행정 사이클의 두 번째 회전의 시작입니다.이 시점에서 크랭크축은 360도 회전을 완료했습니다.피스톤이 T.D.C(압축 행정의 끝)에 있는 동안 압축 공기 혼합물은 스파크 플러그(휘발유 엔진 내) 또는 높은 압축으로 생성된 열(디젤 엔진)에 의해 점화되어 강제로 피스톤을 B.D.C로 되돌립니다.이 스트로크는 엔진에서 크랭크축을 회전시키기 위한 기계적 작업을 생성합니다.
4. 배기:콘센트라고도 합니다.배기 스트로크 동안 피스톤은 배기 밸브가 열려 있는 동안 다시 B.D.C.에서 T.D.C로 돌아갑니다.이 동작은 사용 후 공기 혼합물을 배기 밸브를 통해 배출합니다.

역사

회전 운동에서 왕복 운동의 초기 알려진 예는 크랭크 메커니즘입니다.최초의 수동 크랭크는 한 왕조 (기원전 202년–220년)^[7] 동안 중국에서 나타났다.중국인들은 서한 시대(기원전 202년 - 서기 9년)까지 돌격대를 작동시키기 위해 크랭크 앤 커넥팅 로드를 사용했습니다.결국 크랭크 앤 커넥팅 로드는 밀가루 시프팅, 실크 릴링 머신, 디딤돌 스피닝 휠, 말 또는 물레방아로 구동되는 고로 풀무와 같은 다른 용도로 회전과 왕복 운동을 상호 변환하는 데 사용되었습니다.^[8][7] 서기 3~6세기 동안 로마 아시아와 비잔틴 시리아의 몇몇 제재소에는 물레방아의 회전 운동을 톱날의 ^[9]선형 운동으로 바꾸는 크랭크와 커넥팅 로드 메커니즘이 있었다.1206년 아랍의 엔지니어 알-자자리가 크랭크축을 ^[10]발명했다.

왕복 엔진은 18세기 동안 유럽에서 발전했는데, 처음에는 대기 엔진으로, 나중에는 증기 엔진으로 발전했다.19세기에는 스털링 엔진과 내연 엔진이 그 뒤를 이었다.오늘날 왕복 엔진의 가장 일반적인 형태는 가솔린, 디젤, 액화석유가스(LPG) 또는 압축천연가스(CNG)의 연소를 통해 구동되는 내연기관으로, 자동차와 엔진 발전소에 동력을 공급하는 데 사용됩니다.

제2차 세계 대전 시대의 주목할 만한 왕복 엔진은 28기통, 3,500마력(2,600kW)의 Pratt & Whitney R-4360 Wasp 메이저 레이디얼 엔진이었다.1944년 이후 제트 엔진과 터보프롭이 이어지기 전에 그것은 피스톤으로 작동되는 대형 비행기의 마지막 세대에 동력을 공급했다.총 엔진 용량은 71.5L(4,360cuin)로 중량 대비 출력이 높았다.

현재 생산 중인 엔진 중 가장 크지만 지금까지 제작된 엔진 중 가장 크지는 않은 엔진은 베르트실래가 제작한 2006년식 터보차지 2행정 디젤 엔진이다.그것은 Emma Merrsk와 같은 가장 큰 현대 컨테이너선에 동력을 공급하기 위해 사용됩니다.그것은 5층 높이(13.5m 또는 44ft), 27m (89ft)이며, 84.42 MW (114,800 bhp) 이상의 가장 큰 14개의 실린더 버전에서 2,300 미터톤 (2,500 쇼트톤) 이상의 무게가 나간다.각 실린더의 용량은 1,820L(64cuft)이며, 최대 버전의 경우 총 용량은 25,480L(900cuft)입니다.

엔진 용량

피스톤 엔진의 경우 엔진 용량은 엔진 배기량, 다시 말해 엔진의 모든 피스톤이 한 번의 동작으로 스위프하는 부피입니다.일반적으로 대형 엔진의 경우 리터(l) 또는 입방인치(c.i.d., cuin 또는 in³), 소형 엔진의 경우 입방센티미터(약칭 cc)로 측정됩니다.다른 모든 요소가 동일할 경우, 더 큰 용량의 엔진이 더 강력해지고 그에 따라 연료 소비량이 증가합니다(모든 왕복 엔진에서는 해당되지 않음). 그러나 출력과 연료 소비량은 엔진 배기량 외의 여러 요인에 의해 영향을 받습니다.

힘

왕복 엔진은 특정 출력으로 특징지을 수 있습니다. 이 출력은 일반적으로 엔진 배기량의 리터당 킬로와트 단위로 표시됩니다(미국의 경우 입방 인치당 마력도 마찬가지).결과는 엔진의 피크 출력에 대한 근사치를 제공합니다.높은 효율은 종종 희박한 연료-공기비를 필요로 하므로, 따라서 낮은 전력 밀도를 요구하기 때문에 이것은 연료 효율과 혼동해서는 안 됩니다.최신 고성능 자동차 엔진은 75kW/L(1.65hp/in³)를 초과합니다.

기타 최신 비내연 유형

압축 공기, 증기 또는 기타 뜨거운 가스로 구동되는 왕복 엔진은 여전히 많은 최신 어뢰를 구동하거나 무공해 동력원으로 사용되는 등 일부 응용 분야에서 사용됩니다.대부분의 증기 구동 애플리케이션은 피스톤 엔진보다 더 효율적인 증기 터빈을 사용합니다.

프랑스 설계 흐름AIR 차량은 실린더에 저장된 압축 공기를 사용하여 국소 공해가 없는 도시형 ^[11]차량에서 왕복 엔진을 구동합니다.

어뢰는 높은 시험 과산화물 또는 연소 없이 가압되는 Otto 연료 II에 의해 생성된 작동 가스를 사용할 수 있다.예를 들어 230kg(510lb) Mark 46 어뢰는 산화제 없이 오토 연료로 연료를 공급하는 74km/h(46mph)의 속도로 수중 11km(6.8mi)를 이동할 수 있습니다.

왕복 양자열 엔진

양자열 엔진은 뜨거운 저장소에서 차가운 저장소로 흐르는 열로부터 전력을 생산하는 장치이다.엔진의 작동 메커니즘은 양자역학의 법칙으로 설명할 수 있다.양자냉장고는 차가운 저장소에서 뜨거운 저장소로 열을 퍼올리기 위해 전력을 소비하는 장치이다.

왕복 양자열 엔진에서 작동 매체는 스핀 시스템 또는 고조파 발진기와 같은 양자 시스템이다.카르노 사이클과 오토 사이클이 가장 많이 ^[12]연구되었다.양자 버전은 열역학의 법칙을 따릅니다.또한 이러한 모델은 내복원 가능한 열역학의 가정을 정당화할 수 있습니다.이론적인 연구는 단일 진동 원자로 구성된 왕복 엔진을 만드는 것이 가능하고 실용적이라는 것을 보여주었다.이것은 미래 연구를 위한 영역이며 나노 ^[13]기술에 응용될 수 있습니다.

기타 엔진

다양한 장점을 가진 비정상적으로 다양한 피스톤 엔진이 있으며, 그 중 많은 수가 현재 사용 중인 경우 거의 볼 수 없습니다.

• 프리피스톤 엔진
• 대향 피스톤 엔진
• 스윙 피스톤 엔진
• IRIS 엔진
• 부르크 엔진
• 열자기 전동기

「 」를 참조해 주세요.

메모들

외부 링크

• 연소 비디오 – 광학적으로 접근 가능한 2행정 엔진에서 실린더 내 연소
• StuffWorks 구조: 자동차 엔진 구조
• 인포플레이스에서 왕복 엔진.
• 미국 100주년 비행 위원회의 피스톤 엔진.