내연기관

내연기관(Internal Combustion Engine)은 연료를 기관의 내부에서 연소시켜 피스톤 또는 터빈등에 작용하여 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸어 동력을 얻는 기관이다.

개요

내연기관은 열에너지를 흡수하여, 그 에너지 중 일부를 역학적 에너지로 변환시키는 장치인 열기관의 한 종류이다. 공기와 연료 등의 산화제를 실린더 내부에서 연소시켜 연료가 가진 열에너지가 직접 피스톤에 작용하여 동력 에너지를 얻는 엔진이다. 대표적인 내연기관으로는 디젤기관과 가솔린기관이 있다. 연소실 내부에서 산화제와 연료의 발열반응으로 반응 시 높은 온도와 압력으로 인한 기체가 만들어진다. 발생한 기체가 연소실 내부의 축차 및 피스톤을 움직이게 하여 내연기관을 가동시킨다. 기관 외부의 열을 이용하는 스털링 엔진이나 증기기관 같은 외연기관과 대비된다.

역사

• 1206년 : 알자자리가 피스톤과 크랭크 축으로 이루어진 2행정 내연기관을 고안
• 1509년 : 레오나르도 다빈치가 압축행정이 없는 내연기관을 고안.
• 1673년 : 크리스티안 하위헌스가 압축행정이 없는 내연기관을 고안
• 17세기 : 영국의 발명가 사무엘 모랜드가 화약을 이용한 양수기를 발명, 이는 최초의 실질적인 내연기관
• 1780년대 : 알레산드로 볼타가 전기 방전에 의해 수소를 연소하여 움직이는 장난감을 만듦
• 1806년 : 스위스의 기술자 프랑수아 이삭 리바츠가 수소와 산소를 이용한 내연기관을 만듦
• 1823년 : 사무엘 브라운이 "레오나르도 행정"이라 부르는 압축행정이 없는 방식의 내연기관을 산업용도의 특허로 등록
• 1824년 : 프랑스의 물리학자 니콜라 레오나르 사디 카르노가 이상적인 열기관의 열역학을 입증
• 1826년 : 사무엘 모레이가 압축 공정이 없는 "기체 및 증기 기관"의 특허를 획득
• 1838년 : 영국의 윌리엄 바르넷이 최초의 실린더 방식 내연기관의 특허를 획득
• 1854년 : 이탈리아의 에우게니오 바르상티와 펠리스 마테우치가 런던에서 최초의 실용적인 내연기관 특허를 획득
• 1856년 : 피렌체의 회사 "폰드리아 데 피그노네"가 바르상티-마테우치의 엔진을 개량 5마력의 엔진을 제작
• 1860년 : 벨기에의 에티엔 르누아르가 휘발유를 연료로하는 내연기관을 발명, 이는 최초로 대량 생산된 내연기관
• 1862년 : 독일의 발명가 니콜라우스 오토가 등유를 이용한 내연기관을 발명
• 1870년 : 오스트리아 빈의 발명가 지크프리트 마르쿠스가 손수레에 가솔린엔진을 담, 이는 내연기관을 이용한 최초의 운송도구
• 1876년 : 니콜라우스 오토가 고틀리프 다임러, 빌헬름 마이바흐와 함께 4행정 기관(오토 행정)을 발명, 4행정 실린더 방식의 내연기관은 전 세계에서 보편적으로 사용됨
• 1879년 : 카를 벤츠가 오토와 다임러, 마이바흐의 엔진을 참조하여 독자적인 2행정 기관을 발명하여 특허를 획득, 기술을 보완하여 독자적인 4행정 기관을 발명하였고 이를 적용한 자동차를 생산(최초의 자동차)
• 1891년 : 허버트 아크로이드 스튜어트가 최초의 저온 시동 엔진을 발명, 자가 시동이 가능한 양수기를 생산
• 1892년 : 루돌프 디젤이 석탄 가루를 연료로 하는 카르노 열기관 형태의 독자적인 내연기관을 발명
• 1893년 : 루돌프 디젤이 디젤 엔진의 특허를 획득
• 1896년 : 카를 벤츠가 수평대향 엔진인 박서 엔진을 발명
• 1900년 : 루돌프 디젤이 땅콩 기름을 사용한 디젤 엔진을 세계박람회에서 전시
• 1900년 : 다임러 자동차 회사의 빌헬름 마이바흐가 에밀 옐리넥의 요청에 따라 "다임러-메르세데스" 엔진을 개발
• 1908년 : 뉴질랜드의 발명가 어니스트 갓워드가 인버카길에서 오토바이 사업을 시작

종류

피스톤 엔진

실린더 배치방식

• V형 엔진 : 실린더가 V자를 그리며 지그재그 형태로 배열된 형태
• 성형 엔진 : 실린더가 크랭크축을 중심으로 원형으로 배치되어 마치 별같이 보이는 왕복엔진
• 수평대향 엔진 : 실린더가 마주보며 수평으로 배치 이 엔진은 실린더가 좌우로 움직여 동력을 얻음
• 6직렬 엔진 : 엔진의 실린더가 직각 방향(수직)인 엔진

실린더 개수

• 단기통 : 엔진의 가장 기초적인 형태이며, 고출력이 필요한 4륜형 자동차를 제외한 엔진을 필요로 하는 기계 모두 사용
• 2기통 : 배기량이 600cc가 넘어가는 범용엔진이나 이륜차에 쓰임
• 3기통 : 1리터 이하의 엔진은 대부분 3기통 엔진을 사용하는 차량에 자주 쓰임
• 4기통 : 자동차 중 80% 이상은 이 직렬 4기통 엔진을 사용하고 있을 정도로 매우 많은 빈도를 자랑하는 형식
• 5기통:　실린더가 5개로 이루어진 엔진이며 해외에서　자주 쓰임
• 6기통: 최소 배기량이 2.400~2.500cc 정도부터 6기통 엔진을 사용
• 7기통: 저속용(특수목적)용 엔진이나 성형엔진에 쓰임
• 8기통: 일반적으로 배기량이 4000cc 정도부터 쓰이며, 대부분 V형 엔진을 의미
• 10기통: 양산형 기준으로 보통 5000cc 이상부터 쓰임
• 12기통: 현재의 12엔진들은 5000cc 후반대부터 쓰임
• 16기통: 현재 16기통 모델은 부가티계열을 제외하고는 양산형 차량에서는 나오지 않음

연료

• 가솔린 엔진 : 휘발유를 연료로 하는 내연기관으로, "가솔린 기관" 이라고도 함 공기 14g과 가솔린 1g이 섞인 혼합기체를 8배~10배 압축하여 불꽃 방전을 일으켜 휘발유를 연소시키고 그때 생긴 열에너지로 피스톤을 밀어 운동에너지를 얻는다. 엔진의 구조로는 냉각핀을 사용하는 공랭식도 있으나 보통 냉각수를 사용하는 수랭식이 많으며 다른 엔진들과 달리 기화기라는 장치가 있다. 기화기를 통해 연료와 공기가 혼합된 기체를 흡입한다. 요즘은 기화기를 통한 연료 공급보다 가솔린 분사 펌프에서 실린더 내에 분사하는 가솔린 분사가 실용화되고 있다. 가솔린은 소음과 진동은 적지만, 다른 연료와 비교했을 때 상대적으로 가격이 비싸고, 디젤보다 토크(torque, 회전력)와 압축비가 낮아 회전수가 같아도 힘이 약할 수 있다는 단점이 있다. 또한 열효율이 높지 않아 여러 자동차 업체가 가솔린 엔진의 열효율을 높이기 위해 기술개발을 하고 있다. 그런데도 아직 실린더 내부에서 폭발을 위한 연료의 양이 디젤에 비해 많이 필요하며, 가솔린이 불꽃을 통해 점화되기 전에 스스로 폭발해 버리는 이상점화 증상에도 취약하다. 실린더 내부에서 고압 고온으로 압축된 가솔린이 견디지 못하고 먼저 불이 붙어버리면 피스톤이 압축을 위해 올라가는 상황에서 그와 반대된 방향으로 강한 힘이 발생한다. 이 현상을 노킹(knocking)이라고 부르며 엔진에 큰 무리를 가져온다. 그러므로 엔진의 압축 비율은 노킹 현상을 방지하기 위해서 10:1로 하며 연료와 공기의 혼합 비율을 14:1로 결정한다. 가솔린 엔진은 피스톤의 행정 거리가 짧기 때문에 회전수를 높이기가 쉬워 출력이 높으며, 초반 가속 힘은 약할 수 있지만, 고속주행이나 가속을 즐기는 운전자들에게 적합한 연료 방식이다. 또한, 가솔린 엔진 차량은 디젤 차량에 비해 같은 배기량에도 차량 가격이 저렴한 편이며 유지 보수 비용도 저렴하다. 가솔린 엔진은 일반적으로 승차감을 중요시하는 고급 승용차나 일반 승용차, 소형차 등에 주로 사용되고 있다. 우리가 알고 있는 대부분의 승용차들은 가솔린 엔진을 사용한다.

• 디젤 엔진 : 디젤 엔진은 외관(外觀), 구조 모두 가솔린 엔진과 비슷하며, 다른 점은 가솔린 엔진이 혼합기를 전기불꽃으로 점화하여 연소시키기 쉬운데 비하여, 디젤 엔진은 공기를 압축하여 고온이 되었을 때에 연료를 분무(噴霧)하여 태운다는 점뿐이다. 전기와 점화플러그를 사용한 압축착화식의 가솔린 엔진과 비교해 보면, 디젤 엔진은 형태와 생김새는 비슷하지만 연료를 점화하는 방식이 다르다. 디젤 엔진은 실린더 안의 공기를 10분의 1로 압축하여 온도를 600℃ 이상으로 높인 후에 연료를 실린더 안에 분출해 디젤이 스스로 점화하게 하는 방식이다. 그러므로 디젤 엔진을 사용한 차량은 연비 효율과 힘이 좋으며 강한 압축을 견디기 위해서 엔진의 내구성이 좋아야 한다. 또한, 흡입되는 혼합기의 양에 따라 출력이 조절되는 가솔린 엔진과 달리, 분사하는 연료의 양에 따라 출력이 조절된다. 가솔린 엔진의 경우 가솔린과 공기가 섞인 혼합기에 전기 불꽃으로 점화해서 바로 연소되지만, 디젤 엔진은 연료가 미세한 액체로 공기 중에 분사되어 가스가 되기까지 시간이 걸리므로 최고 출력과 최고 회전수가 낮다. 비록 출력은 가솔린 엔진보다 낮을 수 있지만 높은 토크로 초기 가속이 쉽고, 낮은 회전수에도 높은 출력을 낼 수 있어 저속에서도 강한 힘이 필요한 화물차, SUV, 트럭 등에 주로 적용된다. 그렇다면 단순히 공기의 온도를 높여 연료의 연소가 잘 이루어지도록 압축비를 높이는 것이 좋다고 생각할 수 있는데 그만큼 연소가스의 팽창력도 비례하여 커지므로 압축을 견딜 수 있는 견고한 엔진을 만들어야 한다. 디젤은 고압력으로 연소하기 때문에 진동과 소음 문제가 항상 꼬리표처럼 따라다니지만 최근에는 소음 억제 기술의 발달로 정숙성과 힘을 모두 살린 디젤 차량도 나오고 있다. 디젤 엔진은 좋은 연비와 이산화탄소 배출 저감이라는 장점도 있지만 환경오염의 문제점도 가지고 있다. 2012년 6월 세계보건기구(WHO)는 국제암연구소(IARC)의 연구결과에 따라 디젤 배출가스를 1등급 발암물질로 분류했다. 디젤에 함유된 유황분은 공기 중으로 황산화 물질을 배출시키고 공기 중의 황산화 물질은 산화 과정을 거쳐 수증기와 반응하며 황산이 된다. 황산은 사람의 호흡기와 눈에 염증을 일으키고 위장장애의 원인이 되는 등의 문제점이 있다. 또한, 디젤 엔진은 실린더의 용적을 통해 거의 일정한 공기가 흡입되기 때문에 엔진에 부하되는 부담이 적다. 연료의 분사량이 적은 상태에서는 충분한 공기로 완전 연소가 되지만 엔진에 부하가 걸린 상태에서 분사량이 많아지면 공기가 부족하여 불완전 연소가 된다. 불완전 연소는 그을음을 만들어 매연의 원인이 된다. 이러한 이유로 정부에서는 디젤 차량에 환경부담금을 부과하고 있으며 전 세계적으로도 디젤 차량에 대한 규제가 시행되고 있다. 현재 출시되는 디젤 자동차는 다양한 후처리 시스템이 탑재되지만 장치들의 가격도 만만치 않으며, 연비와 엔진의 출력에 영향을 미친다. 대표적인 디젤 차량으로는 BMW의 X7, 기아차의 스포티지, 현대자동차의 투싼 등이 있다.

작동 방식

• 2행정기관 : 1회전하는 동안, 피스톤이 상승 1회, 하강 1회, 즉 2번의 행정을 거치며 1사이클을 완료하는 형태의 엔진
• 4행정기관 : 크랭크축이 2회전 하는동안 흡입-압축-폭발-배기의 4행정을 하여 1사이클을 완성하는 엔진

내연기관 자동차 엔진의 4행정 사이클

1. 흡입 : 두 밸브가 닫힌 상태에서 피스톤이 실린더 속 맨 위에 있을 때 시작한다. 피스톤이 내려가고 흡입 밸브가 열리면서 휘발유 증기와 공기의 혼합 기체가 원통 안으로 주입된다. 그리고 피스톤이 맨 아래로 내려가면서 흡입 벨브가 닫히고 흡입이 끝난다.
2. 압축 : 플라이휠의 회전운동으로 피스톤이 다시 위로 올라가면서 주입된 혼합 기체가 압축되어 피스톤이 맨 위에 있을 때 끝난다.
3. 폭발 : 피스톤이 맨 위에 있을 때 점화플러그가 불꽃방전을 일으켜 압축된 혼합기체가 순간적으로 연소된다. 연소되면서 생기는 열로 고온 고압 상태가 된 연소 기체가 피스톤을 아래로 밀어 내린다. 이 과정에서 연소 기체의 열에너지가 플라이휠의 회전운동 에너지로 바뀐다.
4. 배기 : 플라이휠의 회전운동에 따라 아래로 내려간 피스톤이 다시 올라올 때 배기 밸브가 열리면서 연소 기체를 밖으로 내보내며, 피스톤이 맨 위로 올라갔을 때 배기 밸브가 닫히면서 끝난다.

회전운동형 기관

• 가스터빈: 공기를 압축하여 연소실에서 연료와 함께 연소, 폭발시킨 에너지를 터빈을 통해 운동에너지로 전환하여 동력을 발생시키는 열기관
  • 보샤프트: 기관 내부에서 연료를 연소시켜 그 폭발력으로 터빈을 돌려 회전력을 얻는 내연기관. 가스터빈이라고도 함
  • 보프롭: 가스터빈을 이용하여 프로펠러를 돌려 추진력을 얻는 내연기관
• 반켈 엔진: 실린더와 피스톤으로 구성되어있던 기존의 엔진 형태에서 벗어나 챔버와 로터로 구성된 간단한 구조

분사추진형

• 제트엔진: 고온, 고압의 가스를 고속으로 분출시켜 생기는 반작용으로 추진하는 엔진
  • 제트: 마하 2.5~5 사이의 초음속에서 가장 효율적인 엔진
  • 보제트: 가스터빈 엔진 중 가장 먼저 발명되었고 구조도 가장 단순한 제트엔진
  • 보팬: 연료의 연소배기가스 및 터빈 외측의 팬으로 압축된 공기로 추력을 얻는 제트엔진
• 로켓: 자체 탑재된 추진제만을 가속시켜서 추력을 얻는 모터를 로켓이라 부름

미래

대기오염은 많은 국가들의 문젯거리이다. 각 국가 정부는 대기질 개선을 위해 많은 비용을 쏟아붓고 있다. 그중 큰 비중을 두고 있는 것이 디젤과 휘발유 즉, 내연기관이다. 프랑스와 영국, 독일등 많은 나라와 기업들이 디젤 및 가솔린 엔진 차량의 판매를 금지하려는 계획을 발표하였고, 내연기관을 모두 거부하려는 움직임을 보였다.

참고자료

• 내연기관 위키백과 - https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%82%B4%EC%97%B0%EA%B8%B0%EA%B4%80
• 내연기관 나무위키 - https://namu.wiki/w/%EB%82%B4%EC%97%B0%EA%B8%B0%EA%B4%80
• 내연기관 네이버 지식백과 - https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=4389975&cid=60217&categoryId=60217
• 가솔린엔진 네이버백과 - https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1054814&cid=40942&categoryId=32351
• 마요네즈, 〈디젤 엔진과 가솔린 엔진의 차이, 무엇일까요?〉, 《쌍용자동차 공식 블로그》, 2017-08-25
• 에이제이셀카, 〈가솔린, 디젤, 전기차, 하이브리드? 자동차연료별 특징 한번에 정리하기〉, 《네이버 블로그》, 2020-02-24
• 디젤 엔진 네이버 지식백과 - https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2429078&cid=51389&categoryId=51389
• 김선웅 기자, 〈가솔린 엔진과 디젤엔진의 장단점 및 특징은?〉, 《오토뷰》, 2015-11-03
• 최승현 기자, 〈'경유값 인상될까?' 공기 중으로 황산화물질 배출…눈이나 호흡기 등에 염증+위장장애〉, 《아주경제》, 2017-06-26
• 김서현, 〈내연기관 자동차의 종류〉, 《타고》, 2020-12-28

같이 보기

• 엔진
• 실린더
• 피스톤
• 연소
• 휘발유
• 경유
• ICE

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