기체동력 사이클(내연기관 개요 및 종류)

내연기관의 개요

서론
열에너지를 기계적 일로 변환시키는 장치를 열기관이라 한다. 열에너지는 보통 연료의 연소에 의해 발생시키지만 물질의 화학반응에 의한 열, 자연에 존재하는 태양열과 지열, 핵반응에 의한 열 등을 이용할 수 있다.
열기관에서 열을 일로 변환하는 데에는 매개 역할을 하는 유체, 즉 작동유체(working fluid)가 필요하다. 이 작동유체의 가열방법에 따라 열기관을 내연기관과 외연기관으로 나눈다. 외연기관은 증기기관과 같이 연료의 연소에 의해 발생한 열이 보일러 벽을 통해 물에 전달되어 증기를 발생하고 이 증기에 의해 일을 얻는 것으로서, 작동유체인 증기와 연소가스가 서로 다른 기관이다. 이에 반해 내연기관은 가솔린기관과 같이 실린더 내에서 연료의 연소에 의해 발생한 고온 고압가스에 의해 직접 일을 하는 것으로서 연소 생성물 자체가 작동유체의 역할을 한다.
내연기관은 비교적 소형으로써 큰 출력을 얻을 수 있으며 열효율이 높고 취급하기가 쉬우므로 자동차, 항공기, 선박 등의 원동기로 널리 사용되고 있다.

내연기관의 작동원리
내연기관(internal combustion engine)이란 기관 내부에서 연료를 연소시켜 고온 고압의 가스를 만들고, 그 열에너지를 기계적인 일로 변환시키는 열기관을 말한다. 내연기관에서는 연소 가스 자체가 작동유체의 역할을 하므로 액체자 기체 연료가 주로 사용된다.
가솔린기관이나 디젤기관과 같은 왕복 운동기관에서는 연소가스가 팽창하면서 원통형 실린더 내에서 피스톤에 에너지를 전달하여 동력을 발생한다. 한편 가스터빈, 제트기관, 로켓기관과 같은 속도형 기관은 연소가스를 고속으로 분출시켜 동력을 얻는다.

 

내연기관의 종류

[1] 왕복 운동기관
왕복 운동기관은 피스톤이 실린더 안을 왕복 운동하면서 동력을 발생시키는 장치이므로 피스톤기관이라고도 하며, 점화 방식에 따라 불꽃 점화기관, 압축 착화기관, 소구기관으로 나눈다.
(1) 불꽃 점화기관(spark ignition engine, SI 엔진) : 실린더 안으로 연료와 공기의 혼합기를 흡입하고 이것을 압축한 다음 전기 불꽃을 사용하여 점화시키는 기관이다. 사용하는 연료에 따라 가솔린기관, 가스기관, 등유기관으로 나누어진다.
이 중 가솔린을 연료로 하는 가솔린 기관은 구조가 간단하고 높은 출력을 얻을 수 있으므로 가장 많이 사용되고 있다.
(2) 압축 착화기관(compression ignition engine, CI 엔진) : 공기를 실린더 안으로 흡입하고 압축하여 고온 고압의 압축 공기를 만든 다음 연료를 분사하여 자연 발화시키는 기관이다. 연료로는 경유와 중유를 사용하며, 열효율이 높으므로 가솔린기관 다음으로 많이 사용되고 있다. 디젤기관(diesel engine)이 대표적인 압축 착화기관이다.
(3) 소구기관(hot bulb engine) : 소구라고 불리는 점화 장치를 시동 버너로써 가열하여 적열 된 상태로 되게 하고 이것을 이용하여 분사된 연료를 점화시키는 기관이다. 소형 선박의 동력원으로 사용되었으나 현재는 거의 사용되지 않고 있다.
[2] 가스 터빈
가스 터빈(gas turbine)은 공기를 압축하여 연소기로 보내고, 그 속에 연료를 분사하여 생성되는 고온 고압의 연소가스로써 터빈을 회전시켜 동력을 얻는 기관이다. 연료로는 경유를 이용하며 주로 항공기나 발전소 등에 사용된다.
[3] 제트기관
제트기관은 기관 안으로 공기를 흡입하여 압축하고 연료를 분사시켜 얻은 고온 고압의 연소가스를 기관의 뒤쪽으로 분사시켜 그 반동력으로 추진력을 얻는 기관이다. 항공기용 기관으로 많이 사용되고 있다.
[4] 로켓기관
로켓기관은 연료와 함께 연소에 필요한 산소를 가지고 있어서 공기가 없는 공간에서도 비행이 가능하도록 만든 기관이다. 제트기관과 같이 연소가스를 분사시켜 추진력을 얻는다. 공기가 없는 공간에서도 비행할 수 있으므로 대기권 밖을 비행하는 인공위성이나 우주선 등의 분사 추진기관으로 사용되고 있다.