내연기관

메카트로닉스공학과

공학박사/교수 윤 천 한

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냉각 장치 및 특수기관

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내연기관에서 연료가 연소할 때 순간적인 온도는 2000~2300℃ 인데, 이 온도는 철의 용융점보다 높다. 이 높은 온도에서도 실린더 및피스톤헤드가 녹지 않은 것은 순간적으로 일어나기 때문이다.또 실린더 내의 평균온도는 800~900℃이다. 철의 재결정 온도가700~900℃ 정도이므로 실린더 내의 평균온도가 재결정온도 보다높아 재료의 성질이 바뀐다. 즉, 상온에서 재료의 성질과 재결정 온도 이상에서의 재료의 성질이 다르므로 쉽게 변형된다.또한 기관의 온도가 상승하면 윤활유의 점성이 작아져서 유막 형성이 되지 않으므로 마찰 부분이 소손된다. 기관이 과열되면 조기점화나 노크가 발생하여 출력이 저하된다. 그러므로 기관을 냉각시켜 적정온도로 유지하여야 연속적으로 출력을 발생시킬 수 있다. 기관을너무 냉각시키면 연소를 나쁘게 하여 열효율이 저하되고 연소가스중의 CO2및 SO2가 물에 흡수되어 부식성이 강한 산성으로 변화해서배기 계통을 부식시킨다.실린더 블록과 실린더헤드를 냉각시키는 방법은 실린더블록과 실린더헤드에 냉각핀을 설치하고 공기를 통과시켜 냉각시키는 공기 냉각식 기관(air cooling engine)과 실린더 블록과 실린더헤드에 워터재킷(water jacket)을 설치하고 이곳에 물을 넣어 냉각시키는 수 냉각식 기관(liquid cooling engine)이 있다.

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강제 통풍식 기관강제 통풍식(forced air cooling)은 실린더 블록 및 실린더헤드에 냉각핀을 설치하고 냉각팬으로 강제통풍하여 냉각시키는 기관이다. [그림9-1]은 강제 통풍식 기관을 나타낸 것이다. 주로 소형 정치용 기관에 사용된다. 냉각팬을 구동하려면 동력이 소모되지만 냉각효과가 좋다. 냉각효과를 더욱 좋게 하기 위해 도풍판(baffle plate)을 설치한다. 도풍판이란냉각핀으로 공기를 유도하는 통로이다.

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수 냉각식 기관수 냉각식 기관은 실린더 블록과 실린더 헤드에 워터 재킷을 설치하고, 여기에 물을 넣어 냉각시키는 기관이다. 수냉식이라고도 하며, 물의순환 방법에 따라 강제 순환식, 가압 냉각식, 증발냉각식 및 특수 액체 냉각식이 있다. 수 냉각식 기관의 장단점

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강제 순환식 기관

강제 순환식(forced circulation system)은 워터재킷 내에 있는 물을 워터펌프로 강제 순환시키는 기관이다.[그림 9-3]은 강제순환식의 구조이다.즉 워터 펌프, 기관의 워터 재킷, 정온기, 방열기 등이있다.냉각수의 적정온도는 80~85℃이며, 이 온도 이상이면정온기가 열려 냉각수가 워터재킷에서 방열기로 유입된다.워터 펌프의 구동은 크랭크축에서 전달되며, 크랭크축,발전기, 워터 펌프가 V벨트로 연결되어 구동된다.

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방열기방열기(radiator)는 기관에서 가열된 냉각수의 열을 대기 중에 방열시키는 기구이다. [그림9-5]는 방열기의구조이다. 즉 상부탱크, 하부탱크, 방열기코어, 방열 핀,방열기 캡, 트레인 콕, 오버플로 관으로 되어 있다. 상부탱크와 하부 탱크 사이에 다수의 수관이 연결되어 있는데 이것을 방열기 코어(radiator core)라고 한다.냉각수가 상부 탱크에서 하부 탱크로 방열기 코어를 통하여 이동하면서 냉각된다. 냉각 면적을 넓히기 위해 방열기 코어의 상하에는 구리판이나 황동판을 파형으로만들어 삽입하는데, 이것을 방열핀(radiator fin)이라고한다.

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방열기 캡의 구조에 따라 개방식과 가압식이 있다. 개방식은 방열기 캡의 오버플로 관이 대기와 연결되어 있어 방열기 내의 압력이 대기압과 같게 한 것이다. 대기압이 1기압이므로 물의 비등점은 100℃이다.냉각수가 증발하면 체적이 증가하므로 냉각효과가 떨어진다. 압력밸브는 냉각수의 압력이 1.3 1.7 kg/cm2

이상이면 열려서 냉각수가 오버플로 관으로 흐르게 한것이다. 냉각수가 1.3~1.7 kg/cm2이면 냉각수의 비등점이 100℃ 이상이 된다.

이와 같이 가압하면 냉각 효과가 증가되고 냉각수 계통이 작아진다. 진공 밸브는 방열기 내의 압력이 대기압이하가 되면 작동하여 열린다. 진공밸브 열리면 방열기내의 압력은 대기압이 된다. 그러므로 방열기가 보호되고 냉각수의 증발을 억제시킬 수 있다.

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냉각수의 빙점을 낮게 하기 위해 냉각수에 첨가하는 물질을 부동액(anti-freezing liquid)이라고 한다. 부동액으로 이용되는 물질은 메탄올, 에탄올, 글리세린, 에틸렌글리콜 등이 있다. 주로 에틸렌글리콜(entylen glycol)을 사용하는데, 이 에틸렌글리콜의 상품명이 프레스톤(preston)이다.프레스톤은 비등점을 높이는 효과와 빙점을 낮추는 효과가 있다. 즉, 물에 프레스톤을 60% 정도 혼합하면 빙점은 -50℃ 정도이고 비등점은 115℃ 정도로 된다.[그림 9-8]은 물에 프레스톤을 혼합할 때 빙점과 비등점을 나타낸 것이다.보통 60% 이상 혼합하여 사용한다. 그림에서 실선은응고점(빙점)을 나타내고, 점선은 비등점을 나타낸 것이다.

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가스 터빈왕복형 내연기관은 실린더 내에서 연료를 연소시켜 고온 고압가스로 만들고 그 압력을 이용하여 일로 전환시키는 데 비하여,가스 터빈(gas turbine)에서는 연소기에서 연료를 연소시켜 고온 고압가스로 만들고 이 가스를 노즐을 통과시켜 속도에너지로 전환한 다음 가스 터빈의 날개에 분출시켜 날개의 회전력을얻는 기관이다.가스 터빈의 주요부는 공기압축기, 연소기, 터빈으로 구성되어있다. 이것을 가스터빈의 3대 요소라고 한다.공기의 압력 비는 4~6정도이며, 연소가스의 온도는 90℃ 정도이다. 시동할 때는 시동 전동기로 공기 압축기와 가스 터빈을회전시키는데, 전력 회전수의 25% 정도 회전시킨다. 이 25%의회전력으로 공기 압축기를 구동시켜 공기를 연소실로 보내고,

여기에 연료를 분사한 다음 점화 시키면 연소 가스가 발생한다. 이 연소 가스가 가스터빈을 회전시키면 공기 압축기도 회전하여 자력 시동이 시작된다. 자력 시동이 시작되면연료량을 증가시켜 터빈을 가속시킨다.

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왕복형 내연기관과 비교할 때 가스 터빈의 장단점

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가스 터빈의 구조가스 터빈은 공기 압축기, 연소기, 터빈으로 되어 있고, 고온고압가스를 분출시키는 노즐과 배기가스의 열을 회수하는 열교환기로 되어 있다. 공기 압축기(air compressor) : 공기압축기는 터빈의 축과연결되어 있고, 연소실로 들어가는 공기를 압축시키는 기구이다.

원심식 공기압축기와 축류식 공기압축기가 있다. 연소기(combustion chamber) : 연소기는 공기와 연료를혼합하여 연속적으로 연소시키는 곳이다.

공기 압축기에서 공기가 압축되어 분출되고, 연료분사 밸브에서 연료가 분사되어 연소 되므로 연소 가스가 고온 고압이된다. 여기서 분사되는 연료의 양에 따라 출력이 변화한다.시동 시 점화시키기 위하여 점화 장치가 설치되어 있다. 연소실 끝에는 가스터빈 날개 방향으로 노즐이 설치되어 있다. 노즐은 연소 가스의 압력을 속도 에너지로 바꾸어 분출하는 역할을 한다.

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터빈(turbine) : 터빈은 연소 가스의 속도 에너지를 터빈 날개의 회전 운동으로 바꾸는 장치이다.

터빈의 축은 공기 압축기와 연결되어 있다. 자동차용 기관에서는 터빈축의 회전수를 감속시켜 사용한다. 열 교환기(heat exchanger) : 열 교환기는 기관에서나가는 배기 가스를 이용하여 공기압축기에 들어가는공기를 예열시키는 장치이다.

다수의 관으로 되어 있고, 관 내부에는 공기 압축기에들어가는 공기가 흐르고, 관 밖에는 배기가스를 통과시켜 관 내부의 공기를 가열시키는 장치이다. 이와 같이열 교환기를 설치하면 배기가스의 폐열 중에서50~80%를 회수할 수 있다. 즉, 열효율이 높아진다.

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램제트와 펄스제트 기관램제트(ramjet)기관은 기관이 공기 중에 빠른 속도로 진행할 때 연소실로 들어오는 공기를 이용하여 연료를 연소시키는 기관이다.내연기관을 압축비에 의해서 분류하면 왕복형 내연기관과 같은 고압축 기관과, 터보제트나 터보프롭 같은 중압축 기관, 여기서 설명하는램제트 기관과 펄스제트 기관 같은 무압축 기관이 있다. 램제트 기관과 펄스제트 기관은 공기 압축기가 없다. 공기가 압축되지 않으므로연료가 연소할 때 고온 고압의 연소 가스를 발생시킬 수 없다. 그러므로 기관이 공기 중에 진행할 때 연소실로 들어오는 공기를 디퓨저(diffuser)에 통과시켜 압력으로 바꾸고 여기에 연료를 분사하여 연소시킨다.디퓨저는 공기의 속도를 압력으로 바꾸어 주는 역할을 한다. 즉, 노즐의 반대 역할을 한다. 디퓨저는 단면적을 확대시킨 확대 노즐의 일종이다. 이와 같이 공기 속도를 압력으로 바꾸고 연료를 연소시키므로 고온 고압의 연소가스가 발생한다. 이 고온 고압의 가스를 기관뒤에 있는 분출 노즐에 분사시켜 추진력을 얻는 기관이다. 기관의 속도와 연료량에 따라 기관의 분사 추진력은 더욱 증가한다. 이와 같이분사 추진력을 얻는 램제트 기관과 펄스제트기관을 분사 추진형 기관이라고 한다.

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[그림 10-19]는 램제트 기관의 구조이다. 펄스제트 기관은램제트 기관처럼 분사 추진력을 얻는 기관이다. 구조상 램제트 기관과 비슷하나, 공기가 들어오는 디퓨저 후면에 체크 밸브(check valve)의 일종인 플랩 밸브(flap valve)가 설치되어 있어 연소실 내의 압력이 높으면 플랩밸브가 닫혀공기를 차단하게 만든것이다. 즉, 연소실에서 연료가 연소하면 고온 고압의 가스가 발생하는데 이 연소 가스의 압력이 너무 높으면 플랩 밸브가 닫혀 공기가 차단되므로 연료의 연소는 정지된다.

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연소 가스가 분출되어 다시 연소실 압력이 낮아지면플랩 밸브가 열려 공기가 들어오므로 연소가 계속된다.이와 같이 간헐적으로 연료를 연소시키는 기관이다.[그림 10-20]은 펄스제트 기관의 구조이다. 펄스제트기관은 무인(無人) 조정으로 운전된 적이 있다.