내연기관공학

1. 개념 및 정의

내연기관공학(內燃機關工學, internal combustion engine)이란 공기와 화학적 에너지를 갖는 연료의 혼합물을 기관 내부에서 연소시켜 에너지를 얻는 기관으로서 기관의 작동부(연소실)에서 혼합물을 직접 연소시켜 압력과 열에너지를 갖는 가스를 이용하여 동력을 얻는 열기관(熱機關, heat engine)이다. 일반적으로 기계공학(機械工學, mechanical engineering)관련 학과 및 자동차공학(自動車工學, automotive engineering)과에서 주로 다루며 기관의 성능 해석, 엔진 사이클의 이론, 연소이론 및 배출가스 특성 등과 관련한 공학적 이론 및 구조, 작동원리 등을 학습한다.

내연기관(內燃機關)보다 먼저 개발된 외연기관(外燃機關)의 경우에는 내연기관과는 달리 기관 외부의 연소를 통하여 다른 작동유체(作動流體)를 가열하고 압력을 발생시켜 이 압력을 이용하여 피스톤(piston)이나 터빈(turbine)을 회전시켰다. 외연기관은 대표적으로 증기기관(蒸氣機關), 스털링(stirling)기관이 있고 증기기관의 경우 기관의 외부에서 연소를 하여 발생한 열 에너지 중 일부로 보일러를 통해 물을 가열하고 가열된 증기가 갖는 열과 압력 에너지를 이용하여 터빈이나 피스톤을 작동시켰다. 결국 내연기관과 외연기관의 차이는 제한된 공간에서 연소를 일으키고 그 연소 에너지를 직접 동력으로 사용하는 내연기관과 외부의 공간에서 연소를 통하여 다른 작동유체에 발생하는 에너지를 이용하는 외연기관으로 구분할 수 있다.

내연기관은 크게 분사 추진형 기관과 왕복형 기관, 회전형 기관으로 나눌 수 있다. 분사 추진형 내연기관의 종류로는 제트기관, 로켓기관 등이 있으며, 주로 항공기용 기관으로 사용되고 있다. 왕복형(체적형) 내연기관은 왕복 피스톤기관으로서, 연료와 공기의 일정한 양이 주기적으로 들어가며, 연료와 공기의 혼합물이 주기적으로 점화되어 에너지를 얻는다. 왕복형 기관은 현재 대부분의 자동차용 기관에 적용되고 있다. 회전형 기관은 고온, 고압의 연소가스를 터빈의 날개에 충돌시켜 회전 동력을 얻는 가스터빈기관(gas turbine)과 용적형 회전기관으로 정의되는 로터리기관(rotary engine)이 있다. 로터리기관은 현재 많은 기술적 개선 과제를 가지고 있지만 일부 자동차 회사에서는 스포츠카에 적용시키고 있다.

내연기관은 기관 내부에 연료와 작동유체를 끌어들이기 때문에 기관 자신의 힘으로 초기 시동할 수 없는 결점이 있다. 따라서 별도의 시동장치에 의해서 단시간에 시동 시킬 수 있는 구조로 되어 있으며 일반적으로 기관의 중량 및 용적이 작고, 작은 출력부터 큰 출력까지 광범위하게 제작할 수 있기 때문에 자동차, 항공기, 철도, 선박 등의 원동기로서 가장 많이 사용되고 있다. 내연기관의 성능은 출력, 회전수 및 연료소비량의 3가지로 표시된다. 이 3가지 측정은 크랭크축(crankshaft)에 부하(負荷)를 주고 출력축(出力軸)에 걸리는 회전력을 측정하는 기관 동력계로 측정 및 산출한다.

2. 내연기관의 역사와 발전

인류역사상 최초의 내연기관은 1680년경 네덜란드의 화학자 크리스티안 호이겐스(Christiaan Huygens, 1629~1695)가 화약을 폭발시켜 동력을 얻으려고 시도한 것이 최초의 내연기관의 시작이었으나 실용성은 없었다.

그 후 1838년에 영국의 윌리엄 바르넷(William barnett, 1802~1865)이 현재의 내연기관처럼 연료를 연소시켜 그 압력으로 동력을 얻는 내연기관을 고안하여 특허를 획득하였고, 1860년에는 프랑스의 장 조제프 에티엔 르누아르(Jean-Joseph-Étienne Lenoir, 1822~1900)가 실린더 밖에서 가스와 공기의 혼합기를 만들어 이것을 실린더에 흡입하여 연소시키는 방식의 가스기관을 발명하였다.

그 후 1862년에 프랑스의 알퐁스 외젠 보 드 로샤(Alphonse Eugène Beau de Rochas, 1815~1893)가 4행정 사이클 기관의 작동 가능성을 발표하였고, 1876년에는 독일의 니콜라우스 아우구스트 오토(Nicolaus August Otto, 1832~1891)가 4행정 사이클 기관을 발명하였으며 1883년에 그의 조수인 고틀리프 빌헬름 다임러(Gottlieb Wilhelm Daimler, 1834~1900)가 기화기(氣化器, carburetor)를 이용한 4행정 사이클 가솔린기관을 제작하였다.

그 이후 내연기관은 다양하게 개발되어 1885년에는 영국의 윌리엄 덴트 프리스트맨(William Dent Priestman, 1847~1936)이 석유기관을 발명하였고, 1886년에는 허버트 아크로이드 스튜어트(Herbert Akroyd Stuart, 1864~1927)가 열구기관을 발명하였다. 한편 이와 같이 다양하게 발전된 내연기관은 1887년 처음으로 자동차에 장착되었다.

또한 1897년에는 독일의 루돌프 크리스티안 카를 디젤(Rudolf Christian Karl Diesel, 1858~1913)이 공기를 압축하여 연료를 착화시키는 방식의 디젤기관을 발명하였다. 그리고 1903년에 미국의 라이트 형제(Wright brothers, Wilbur wright, 1867~1912 & Orville wright, 1871~1948)는 내연기관을 적용한 비행기를 제작하였고, 1909년에 미국의 헨리 포드(Henry Ford, 1863~1947)는 내연기관을 장착한 자동차를 대량으로 제작하는 자동차의 대량생산체제를 구축하였다.

한편 독일의 펠릭스 하인리히 방켈(Felix Heinrich Wankel, 1902~1988)은 회전형 내연기관인 로터리 기관을 발명하였다.

1960년대 이후 내연기관은 획기적인 발전으로 소형 경량화 및 대 출력화되었으며, 최근에는 화석연료의 고갈에 대비한 대체연료기관과 배기가스에 의한 공해를 원천 차단할 무공해 자동차(ZEV: Zero Emission Vehicle)인 수소 자동차, 연료전지 자동차 및 전기 자동차 등에 관한 연구가 활발하게 진행되어 실용화를 앞두고 있다. 현재 자동차용 내연기관을 제작할 때 가장 중요시되는 사항으로는 저연비(low consumption), 고출력(high performance), 저공해(low emission)이다.

이러한 요구조건을 만족시키기 위해 각 자동차 회사에서는 전자제어 가솔린기관, 전자제어 디젤기관, 하이브리드(hybrid) 및 저공해 대체연료기관 등 신기술을 적용한 자동차 동력원 개발에 총력을 기울이고 있다.

3. 내연기관의 분류

1) 연료의 연소과정에 의한 분류

(1) 정적(오토) 사이클 기관(constant volume cycle engine)

정적 사이클 기관은 실린더 내에서 연소가 일정한 체적하에서 일어나는 기관이며 발명자인 니콜라스 아우구스트 오토(Nicholas August Otto)의 이름을 따서 오토 사이클 기관이라고도 한다. 이 기관은 연료와 공기의 혼합기를 피스톤으로 흡입한 후 압축한 상태에서 점화장치로 연소 할 때 그 체적이 변하지 않고 일정한 체적하에서 연소하게 된다. 이와 같은 방식을 적용한 기관을 혼합기 외부 형성식 기관이라 하며 대표적으로 가솔린기관과 가스기관이 있다.

(2) 정압(디젤) 사이클 기관(constant pressure cycle engine)

정압 사이클 기관은 독일의 디젤(Diesel)에 의하여 발명된 연소과정이 일정한 압력하에서 이루어지는 기관이며 피스톤 속도가 느린 저속 디젤 사이클 기관이라고도 한다. 이 기관은 연료가 분사되는 동안 계속적으로 연소가 이루어지며 피스톤이 하강하여 연소실의 체적이 증가하여도 연소에 의한 압력상승으로 실린더 내의 압력은 낮아지지 않고 일정하게 유지되면서 연소 하는 기관이다. 이와 같은 기관은 혼합기가 실린더 내부에서 형성되기 때문에 내부 형성식 기관이라 하며 중유를 연료로 사용하는 중유기관이 이에 속한다.

(3) 복합(사바테) 사이클 기관(combined cycle engine)

복합 사이클 기관은 정적 사이클과 정압 사이클 기관을 복합하여 적용한 형태의 사이클 기관이며 사바테 사이클 기관(Sabathe cycle engine)이라고도 한다. 이 기관은 연소의 과정이 일부는 정적 하에서 일부는 정압 하에서 이루어지는 기관으로서 피스톤의 속도가 빠르며 고속 디젤기관의 사이클인 디젤 자동차 기관이 여기에 속한다.

2) 사용연료에 의한 분류

(1) 가솔린기관(gasoline engine)

가솔린기관은 상온에서 기화하기 쉬운 가솔린이나 알코올 연료인 에탄올이나 메탄올 등을 연료로 사용하는 기관이다. 이 기관은 연료를 기화시켜 혼합기를 형성하거나 흡입되는 공기에 분사밸브(injection valve)로 연료를 분사시켜 혼합기를 형성하고 피스톤의 흡입행정으로 실린더 내부로 흡입하여 압축 후 스파크 플러그(spark plug)로 점화하여 연소하는 기관을 말한다.

(2) 가스기관(gas engine)

가스기관은 액화석유가스 LPG(Liquefied Petroleum Gas)나 LNG(Liquefied Natural Gas)라 부르는 액화천연가스를 연료로 사용하는 기관이다. 가스기관은 가솔린기관과 구조가 거의 비슷하지만 상온에서 기체 상태인 연료를 사용하기 때문에 기화장치가 필요 없고 고압의 액체 상태의 연료를 저압의 기체 상태로 변화시켜주는 감압기와 기체 연료를 공기와 혼합하여 기관이 필요한 혼합비를 형성 만들어주는 혼합기가 필요하다.

(3) 등유기관(kerosene engine)

등유기관은 통상 석유라고도 하는 등유를 연료로 사용하는 기관으로 상온에서 기화가 잘 안 되는 등유의 특성으로 인하여 별도의 가열장치를 부착하고 연료를 기화하여 연소하는 기관이다. 가열장치는 배기가스에 의하여 기화기 주위를 가열하여 등유의 기화를 촉진 하는 역할을 한다.

(4) 디젤 경유기관(diesel light oil engine)

디젤 경유기관은 착화온도가 낮은 경유를 연료로 사용하여 연소하는 기관으로 대부분의 디젤 자동차가 여기에 속한다. 디젤 경유기관은 일반적으로 디젤기관이라 부르는데 이것은 경유의 상품명이 디젤유(diesel oil)이기 때문이다. 이 기관은 공기를 실린더 내로 흡입하고 고압으로 압축하여 이 때 발생한 공기의 압축열에 경유를 분사하여 스스로 발화시켜 연소를 하는 기관이다. 디젤 경유기관은 가솔린기관과 같은 별도의 점화장치가 없고 압축비(壓縮比, compression ratio)가 높은 엔진으로서 효율적 측면에서 가솔린기관보다 우수한 특징을 갖고 있다.

(5) 디젤 중유기관(diesel heavy oil engine)

디젤 중유기관은 점성이 크고 착화성이 낮은 중유를 연료로 사용하는 기관으로 주로 500마력 이상의 대형 선박용 기관에 적용된다. 중유는 상품명으로 벙커유(bunker oil)라 하며 등급에 따라 기관용으로 쓰이는 a급, b급과 난방용으로 쓰이는 c급으로 구분된다. 중유는 착화온도(着火溫度)는 낮으나 점성이 크므로 예열하여 기관에 공급하여야 하고 이러한 이유로 연료 예열장치가 설치되어 있다.

(6) 다중연료기관(multi-fuel engine)

다중연료기관은 필요에 따라 가솔린, 등유, 경유, 중유 등의 여러 가지 연료 중 어떤 연료를 사용해도 기관의 운전이 가능하도록 개발된 기관이다. 이 기관의 작동원리는 디젤기관과 같이 공기를 실린더 내로 흡입, 압축한 후 연료를 분사시키고 스파크 플러그를 이용하여 점화하는 방식으로 여러 종류의 연료를 사용할 수 있다. 일명 헤셀먼 기관(Hesselman engine)이라고도 한다.

(7) 특수연료기관(special-fuel engine)

특수연료기관은 액체수소와 같은 특수농축연료를 사용하는 우주·항공용 기관과, 화약과 같은 고체연료를 사용하는 로켓기관 등이 있다.

3) 작동 사이클에 의한 분류

기관 내에서 작동유체가 몇 단계의 규칙적인 열역학적 상태변화의 과정을 거쳐 다시 처음상태로 되돌아오는 연속적인 변화의 주기를 사이클(cycle)이라 하며 내연기관에서 1사이클은 작동유체가 실린더 내에서 흡입, 압축, 팽창(동력), 배기 과정의 순서로 진행된다. 또한 기관 작동에서 피스톤이 하사점(bottom dead center)에서 상사점(top dead center)까지 이동한 거리를 행정(stroke)이라하고 피스톤이 이동한 거리에 해당하는 체적을 행정체적 이라하며 이를 실린더 1개의 배기량이라 한다.

(1) 4행정 사이클 기관(4 stroke cycle engine)

4행정 사이클 기관은 1사이클을 완성하는데 4개의 행정 즉, 흡입행정, 압축행정, 팽창(동력)행정, 배기행정을 갖는 기관을 말하며 1사이클을 완성하는 동안 기관의 크랭크축은 720° 즉, 2회전을 하는 기관이다.

(2) 2행정 사이클 기관(2 stroke cycle engine)

2행정 사이클 기관은 1사이클을 완성하는 데 2개의 행정 즉, 소기, 압축행정과 팽창, 배기행정(동력행정)을 갖는 기관이며 1사이클을 완성하는 동안 크랭크축은 1회전 즉, 360° 회전을 하게 된다. 따라서 동일한 회전을 할 때 동력 행정이 4사이클 기관에 비하여 2배가 되므로 이론상 출력 또한 2배가 된다.

4) 기관의 속도에 의한 분류

기관의 속도는 통상적으로 피스톤이 실린더 내에서 직선 왕복운동을 하는 속도의 평균값인 피스톤 평균속도를 지칭한다. 이에 따라 저속기관(low speed engine)과 중속기관(medium speed engine), 고속기관(high speed engine)으로 분류되며 저속기관의 경우 피스톤의 평균속도가 6m/s 이내, 중속기관의 경우 6~9m/s인 기관이고 고속기관의 경우 피스톤의 평균속도가 9m/s 이상인 기관을 말한다.

5) 기관의 출력에 의한 분류

내연기관의 출력에 의한 분류는 일반적으로 10마력 이하의 기관을 소형기관, 10마력 이상 500마력 이하의 기관을 중형기관, 500마력이 넘는 출력을 갖는 기관을 대형기관이라 말하나 출력의 크기로 기관을 분류하는 것은 한계가 있다.

위와 같이 기술된 내연기관의 분류 외에도 냉각방식에 따른 분류, 점화방식에 따른 분류, 급기형식에 따른 분류, 연소가스 작용에 의한 분류 등 여러 가지의 분류 형태가 있으나 여기서는 일반적인 내연기관의 분류를 기술하였다.