Internal Combustion Engine

Chapter 1.Introduction

기계공학과 교수 박정규기계공학과 교수 박정규

열기관 : 연료의 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 장치

- 내연기관 (Internal Combustion Engine) (ex) 왕복동기관

- 외연기관 (External Combustion Engine) (ex) 증기기관

현대적 내연기관의 발전

- 내연기관의 초기발전은 19 세기 후반 자동차의 발달과 시기가 일치 ( 두가지 기술적 발전 ) 1859 년 : 미국 펜실베니아에서 원유 발견 1888 년 : 던롭에 의해 공기 고무타이어 상품화

- 초창기에 자동차 내연기관은 전기나 증기기관과 경쟁 전기의 공급한계 , 증기의 오랜 시동 소요 시간

- 20 세기 : 내연기관과 이를 동력으로 하는 자동차 시대

- 21 세기 : 새로운 형태의 기관에 의해 도전

내연기관의 초기 역사

1860 년경 : 르누아르 엔진 ( 대기기관 )최초의 실용적인 기관 , 출력 4.5 kW, 효율 5% 다음 10 년간 수백 대

1867 년 : 오토 - 랑겐 (Otto Lagen) 엔진 ( 대기기관 )효율을 11% 까지 향상 , 다음 10 년간 5000 대

1876 년 : 오토 (Otto) 엔진Nicholaus A. Otto 가 Beau De Rochas 가 제창한 원리 (1862 년 ) 에 따라 4 행정사이클기관을 제작하였다 .

1880 년 : 오토엔진 (2 행정기관 )

1892 년 : 디젤 (Diesel) 엔진Rudolf Diesel 이 압축 착화기관을 완성시켰다 .

1892 년 최초의 CI Engine 개발최초의 SI Engine(1876)

Atmospheric Steam Engine(1712, Great Britain)

First Successful Gasoline Engine(1893, Fairbanks,Morse& Company)

기관의 분류

- 점화방식스파크 점화기관 (SI 엔진 ), 압축착화 기관 (CI 엔진 )

- 기관사이클4 행정사이클 , 2 행정사이클

- 밸브의 위치I 헤드엔진 , L 헤드엔진 , T 헤드엔진 , F 헤드엔진

-기본설계왕복기관 , 로터리기관 , 가스터빈

-왕복기관의 실린더의 위치와 수 단기통 , 직렬형 , V 형엔진 , 대향 실린더엔진 , W 형엔진 , 대향 피스톤엔진 , 방사형엔진

-공기 흡입 과정 자연흡입 , 수퍼 과급 , 터보과급 , 크랭크실 압축

-SI 엔진의 연료 공급 방식 기화기식 , 다점 연료 분사 방식 (MPI), 스로틀 버디 연료분사 방식 (TBI)

-사용연료 가솔린 , 디젤 , LPG, 알코올 , 수소 , 가스홀

- 응용분야 자동차 , 기관차 , 선박 , 비행기 , 정치기관

-냉각방식 공랭식 , 수냉식

내연기관 용어및 약어- 직경 (bore) : 피스톤 또는 실린던 직경- 행정 (stroke): 피스톤이 상사점에서 하사점까지 움직인 거리- 상사점 (top dead center, TDC) - 실린더내 체적이 가장 작아졌을 때 피스톤 위치- 하사점 (bottom dead center, BDC) - 실린더내 체적이 가장 커졌을 때 피스톤 위치- 간극체적 (clearance volume) - 최소 실린더 체적- 행정체적 (displacement volume) 또는 배기량 (displacement) - 최대 실린더 체적과 최소 체적의 차이- 압축비 (compression ratio) - 최대 실린더체적을 최소 체적으로 나눈 값- 공기연료비 (air-fuel ratio) - 엔진에 공급되는 공기와 연료의 질량비

- 스마트기관 (Smart Engine)

- 기관 관리시스템 (Engine Management System, EMS)

- 스로틀 전개 (Wide-Open throttlw, WOT)

- 점화지연 (Ignition Delay, ID)

- 최대 제동토크 (Brake Maximum Torgue, BMT)

내연기관의 구성C

ylind

er Head

S

ystem

Exh

aust

System

Coolin

g S

ystem

Crank Case

Intake System

4 행정 SI 기관 사이클

(a) 흡입행정 : 피스톤이 TDC 로부터 BDC 로 움직일때 공기 - 연료가 들어감(b) 압축행정 : 피스톤이 BDC 로부터 TDC 로 움직인다 . 전기점화가 압축 말기에 발생한다 . (c) TDC 근처에서 거의 일정한 체적에서 연소 .(d) 동력 혹은 팽창 행정 , 높은 실린더 압력이 피스톤을 TDC 로부터 BDC 로 밀어낸다 . (e) 배기 밸브가 팽창 행정 말기에서 열릴때의 배기 블로다운 .(f) 배기행정 : 피스톤이 BDC 로 부터 TDC 로 움직일때 남아있는 배기 가스가 실린더로부터 밀려난다 .

4 행정 CI 기관 사이클1.1. 첫번째 행정첫번째 행정 : 흡입행정 SI 기관에서 흡입행정과 같다 . 한 가지

중요한 차이점은 연료가 흡입공기에 첨가되지 않는다는 것이다 .

2.2. 두번째 행정두번째 행정 : 압축행정 공기만이 압축되고 , SI 기관보다 더 조높은 압력과 온도로 압축된다는 점을 제외하면 SI 기관과 같다 . 압축행정 말기에 연료는 연소실에 직접 분사되고 , 연소실에서 매우 뜨거운 공기와 혼합된다 . 이로 인해 연료가 증발되고 자발화하여 연소가 시작된다 .

3.3. 연소연소 : 연소는 TDC 까지 완전히 진행되고 , 연료분사가 완료될 때까지 거의 일정 압력하에서 계속 진행된다 . 이때 , 피스톤이 BDC 를 향하여 계속 움직인다 .

4.4. 세번째 행정세번째 행정 :: 동력행정 동력행정은 연소가 끝나고 피스톤이 BDC로 향해 움직일때 계속된다 .

5.5. 배기 블로다운배기 블로다운 :: SI 기관에서와 같다 .

66. 네번째 행정네번째 행정 :: 배기행정 SI 기관에서와 같다 .

2 행정 SI 기관 사이클

(a) 동력 혹은 팽창행정 . 모든 포트가 닫힌 상태에서 높은 실린더 압력이 피스톤을 TDC 로부터 BDC 로 밀어낸다 . 크랭크케이스 안의 공기는 피스톤의 하향 운동에 의해서 압축된다 .

(b) 배기 포트가 동력 행정의 말기에서 열릴 때의 배기 블로다운 . (c) 흡기 포트가 열리고 공기 - 연료가 압력을 받아 실린더로 들어올때의 실린더 소기 .

흡입 혼합기는 배기 포트로 잔류 배기 가스의 일부를 밀어낸다 . 소기는 피스톤이 BDC 를 지나가고 , 흡기 , 배기 포트를 닫히게 할 때까지 지속된다 .

(d) 압축행정 . 모든 포트가 닫힌 상태에서 피스톤이 BDC 로 부터 TDC 로 움직인다 . 흡입 공기는 크랭크케이스를 채운다 . 전기 점화가 압축 행정 말기에 발생한다 .

(e) TDC 근처에서 거의 일정한 체적에서 연소 .

엔진 배출물 및 공기오염 (Engine Emission & Air Pollution)

내연기관의 주 오염 배출물탄화수소 (HC)일산화탄소 (CO)질소산화물 (NOx)고체입자 (Solid Particulate)

배출물 줄이는 두가지 방법 : 연소 자체를 개선배기가스의 후처리

1900 년대 전반 : 적은 자동차 수로 인해 큰 문제로 인식되지 않음

1940 년대 : 독특한 날씨 , 높은 인구밀도 , 자동차수 증가로 로스앤젤레스에서 최초로 나타남 .

1970 년대 : 세계도처의 많은 대도시

1980 년대와 1990 년대 : 다양한 형태의 배기 배출물 규제 법안은 자동차 엔진개발에 큰 제약을 가함 . 해로운 배출물 1940 년대에 비해 40% 감소

엔진 배출물 및 공기오염 (Engine Emission & Air Pollution)

엔진 배출물 및 공기오염 (Engine Emission & Air Pollution)

엔진 배출물 및 공기오염 (Engine Emission & Air Pollution)

엔진 배출물 및 공기오염 (Engine Emission & Air Pollution)

엔진 배출물 및 공기오염 (Engine Emission & Air Pollution)

내연기관의 원리내연기관의 원리

내연기관은 연료를 공기와 실린더 내에서 반응시키고 거기서 방출되는 에너지를 일로 바꾸는 장치이다 . 대부분의 내연기관은 고압의 연소가스가 피스톤에 힘을 가하고 피스톤을 팽창시켜 일을 발생하며 피스톤의 직선운동이 크랭크샤프트의 회전운동으로 전환되어 최종목적 ( 예 ;자동차의 구동력 ) 에 사용된다 .

단위 실린더 체적에서 일을 많이 얻어 내기 위하여 꾸준히 기술이 개발되어 왔다 . 처음에는 대기압에서 연소를 시켰으나 미리 압축한 후 연소시키면 더 높은 압력을 얻을 수 있다는 것을 안 후로 점차 압축비를 증가시켜 왔다 . 압축비 증가에 따라 효율도 증가하였고 단위 부피당 출력도 증가하였다 . 실제로 매우 복잡한 현상이지만 이를 간단히 하여 쉽게 해석할 수 있도록 한 것이 cycle analysis 이다 . 대표적인 cycle 을 Otto cycle,

Air standard cycle 등으로 부른다 .