Internal Combustion Engine

Internal Combustion Engine Chapter 1. Introduction 기계공학과 교수 박정규 KONKUK UNIVERSITY COMBUSTION & ENGINE LAB

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 19세기 후반 자동차의 발달과 시기가 일치 • (두가지 기술적 발전) • 1859년: 미국 펜실베니아에서 원유 발견 • 1888년: 던롭에 의해 공기 고무타이어 상품화 • - 초창기에 자동차 내연기관은 전기나 증기기관과 경쟁 • 전기의 공급한계, 증기의 오랜 시동 소요 시간 • 20세기: 내연기관과 이를 동력으로 하는 자동차 시대 • 21세기: 새로운 형태의 기관에 의해 도전

내연기관의 초기 역사 1860년경: 르누아르 엔진 (대기기관) 최초의 실용적인 기관, 출력 4.5 kW, 효율 5% 다음 10년간 수백 대 1867년: 오토-랑겐(Otto Lagen) 엔진 (대기기관) 효율을 11%까지 향상, 다음 10년간 5000대 1876년: 오토(Otto)엔진 Nicholaus A. Otto 가 Beau De Rochas 가 제창한 원리(1862년)에 따라 4행정사이클기관을 제작하였다. 1880년: 오토엔진(2행정기관) 1892년: 디젤(Diesel)엔진 Rudolf Diesel 이 압축 착화기관을 완성시켰다.

최초의 SI Engine(1876) 1892년 최초의 CI Engine 개발

Atmospheric Steam Engine (1712, Great Britain) First Successful Gasoline Engine (1893, Fairbanks,Morse& Company)

기관의 분류 • -점화방식 • 스파크 점화기관(SI엔진), 압축착화 기관(CI엔진) • -기관사이클 • 4행정사이클, 2행정사이클 • -밸브의 위치 • I헤드엔진, L헤드엔진, T헤드엔진, F헤드엔진 • 기본설계 • 왕복기관, 로터리기관, 가스터빈 • 왕복기관의 실린더의 위치와 수 • 단기통, 직렬형, V형엔진, 대향 실린더엔진, W형엔진, 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 구성 Crank Case Cylinder Head System Exhaust System Cooling System Intake System

4행정 SI 기관 사이클 • 흡입행정: 피스톤이 TDC로부터 BDC로 움직일때 공기-연료가 들어감 • 압축행정: 피스톤이 BDC로부터 TDC로 움직인다. 전기점화가 압축 말기에 발생한다. • TDC근처에서 거의 일정한 체적에서 연소. • 동력 혹은 팽창 행정, 높은 실린더 압력이 피스톤을 TDC로부터 BDC로 밀어낸다. • 배기 밸브가 팽창 행정 말기에서 열릴때의 배기 블로다운. • 배기행정: 피스톤이 BDC로 부터 TDC로 움직일때 남아있는 배기 가스가 실린더로부터 • 밀려난다.

4행정 CI 기관 사이클 • 첫번째 행정: 흡입행정SI 기관에서 흡입행정과 같다. 한 가지 중요한 차이점은 연료가 흡입공기에 첨가되지 않는다는 것이다. • 두번째 행정: 압축행정 공기만이 압축되고, SI 기관보다 더 조높은 압력과 온도로 압축된다는 점을 제외하면 SI기관과 같다. 압축행정 말기에 연료는 연소실에 직접 분사되고, 연소실에서 매우 뜨거운 공기와 혼합된다. 이로 인해 연료가 증발되고 자발화하여 연소가 시작된다. • 연소: 연소는 TDC까지 완전히 진행되고, 연료분사가 완료될 때까지 거의 일정 압력하에서 계속 진행된다. 이때, 피스톤이 BDC를 향하여 계속 움직인다. • 세번째 행정:동력행정 동력행정은 연소가 끝나고 피스톤이 BDC로 향해 움직일때 계속된다. • 배기 블로다운: SI기관에서와 같다. • 6. 네번째 행정:배기행정SI기관에서와 같다.

2행정 SI 기관 사이클 • 동력 혹은 팽창행정. 모든 포트가 닫힌 상태에서 높은 실린더 압력이 피스톤을 TDC로부터 BDC로 밀어낸다. 크랭크케이스 안의 공기는 피스톤의 하향 운동에 의해서 압축된다. • 배기 포트가 동력 행정의 말기에서 열릴 때의 배기 블로다운. • 흡기 포트가 열리고 공기-연료가 압력을 받아 실린더로 들어올때의 실린더 소기. 흡입 혼합기는 배기 포트로 잔류 배기 가스의 일부를 밀어낸다. 소기는 피스톤이 BDC를 지나가고, 흡기, 배기 포트를 닫히게 할 때까지 지속된다. • 압축행정. 모든 포트가 닫힌 상태에서 피스톤이 BDC로 부터 TDC로 움직인다. 흡입 공기는 크랭크케이스를 채운다. 전기 점화가 압축 행정 말기에 발생한다. • TDC근처에서 거의 일정한 체적에서 연소.

엔진 배출물 및 공기오염 (Engine Emission & Air Pollution) 1900년대 전반: 적은 자동차 수로 인해 큰 문제로 인식되지 않음 1940년대: 독특한 날씨, 높은 인구밀도, 자동차수 증가로 로스앤젤레스에서 최초로 나타남. 1970년대 : 세계도처의 많은 대도시 1980년대와 1990년대: 다양한 형태의 배기 배출물 규제 법안은 자동차 엔진개발에 큰 제약을 가함. 해로운 배출물 1940년대에 비해 40% 감소 내연기관의 주 오염 배출물 탄화수소(HC) 일산화탄소(CO) 질소산화물(NOx) 고체입자(Solid Particulate) 배출물 줄이는 두가지 방법: 연소 자체를 개선 배기가스의 후처리

엔진 배출물 및 공기오염 (Engine Emission & Air Pollution)

KONKUK UNIVERSITY COMBUSTION & ENGINE LAB 내연기관의 원리 내연기관은 연료를 공기와 실린더 내에서 반응시키고 거기서 방출되는 에너지를 일로 바꾸는 장치이다. 대부분의 내연기관은 고압의 연소가스 가 피스톤에 힘을 가하고 피스톤을 팽창시켜 일을 발생하며 피스톤의 직 선운동이 크랭크샤프트의 회전운동으로 전환되어 최종목적(예;자동차의 구동력)에 사용된다. 단위 실린더 체적에서 일을 많이 얻어 내기 위하여 꾸준히 기술이 개발 되어 왔다. 처음에는 대기압에서 연소를 시켰으나 미리 압축한 후 연소시 키면 더 높은 압력을 얻을 수 있다는 것을 안 후로 점차 압축비를 증가시 켜 왔다. 압축비 증가에 따라 효율도 증가하였고 단위 부피당 출력도 증 가하였다. 실제로 매우 복잡한 현상이지만 이를 간단히 하여 쉽게 해석할 수 있도록 한 것이 cycle analysis 이다. 대표적인 cycle을 Otto cycle, Air standard cycle 등으로 부른다.

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