디젤엔진
연소실의 공기를 압축하여 이 때 발생한 압축열에 연료를 분사시켜 자연 착화하는 기관으로 압축착화기관이라고도 한다 실린더 내에 공기를 흡입 ·압축해서 고온 ·고압으로 하고, 여기에 액체연료를 분사하여 자연발화시켜 그 폭발에너지(열)로 피스톤을 작동시킴으로써 동력을 얻는 내연기관이다 디젤기관은 처음 중유(重油)를 사용했으나, 회전수(回轉數)의 증가 등 그 개발(改良)이 진전됨에 따라서 착화성(着火性)이 양호한 경유(輕油)를 사용하게 되어, 현재는 매분 4,000회전 이상에 이르는 것도 있다. 처음에는 육상용(陸上用)뿐이었으나, 1930년 이후 선박 ·자동차 ·철도차량에도 동력원으로서 사용되게 되었다. 디젤기관의 열효율은 50%내외로 열효율이 가장 좋은 동력기관으로, 저질연료도 사용이 가능하므로 연료비가 적게 드는 장점이 있다
선박용 엔진의 분류
선박에 사용되는 디젤엔진은 크게 추진기로 사용되는 Main Engine과 발전기로 사용되는 Generator Engine이로 구분된다.Main Engine으로 사용되는 디젤엔진은 저속의 2-Stroke(행정)엔진이 사용되고 Generator Engine으로 사용되는 엔진은 중속의 4-Stroke(행정)의 엔진이 주로 사용된다
주기관 (Main Engine)
선박의 추진기 (Propeller)가 붙어 있는 엔진을 주기관이라 하며, 중요함은 선박의 특수성을 고려할 때 충분히 이해할 수 있다고 본다.
선박의 역사가 오래된 만큼 과거에는 보일러의 증기를 이용하여 증기터빈을 사용하여 선박을 추진하였으나, 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)이 1983년 디젤기관을 특허등록 이래 지금은 경제성의 측면 등에서 디젤엔진이 우수하기 때문에 일반상선에서 추진기관으로는 디젤엔진이 주류를 이루고 있다. 그러나 항공모함이나 LNG선박은 지금도 여러가지 이유에 의해 보일러의 증기를 이용한 증기터빈을 추진기관으로 사용하고 있다.
저속 2-Stroke엔진은 전세계적으로 3개의 Maker가 있다. 덴마크MAN B&W사, 스위스 Wartsila 사 및 일본 미쯔비시UEC엔진이 있으며 특히 MAN B&W Type 및 Wartsila사의 Sulzer Type의 엔진이 세계시장을 양분하고 있으며, 양사의 Licensee들이 엔진을 제작하여 세계의 각 조선소에 공급하고 있다.
현재 한국에서는 두산엔진과 현대중공업이 MAN B&W 사 및 Wartsila사와 기술계약을 체결하고 선박용 대형 디젤엔진을 생산하고 있으며, 전세계 생산량의 약50%를 생산.공급하고있다.
보조기관
추진기관을 주기관(Main Engine)이라면 추진과 관계없는 엔진을 보조기관 (Auxiliary Engine)이라고 한다.
자가 발전을 하는 선박에서는 보조기관은 발전기 엔진을 의미한다. 발전기는 엔진부문과 발전기(Propulsion & Generator)로 구분되며 디젤 엔진으로 구동이 될 수 있고, Gas Turbine 또는 Rotating Shaft로 구동될 수 있는데 전자를 Turbo Generator라고 하고 후자를 Shaft Generator라고 한다.
발전기에서 생산된 전원은 배전반,변압기, 축전기를 거쳐 보기용 전동기, 시동장치, 하역장치, 갑판보기, 주방기기, 전열장치나 전기 기구로 보내진다.
선박의 주전원인 발전기는 선내부하에 충분한 전력이 공급되는 용량을 가짐과 동시에 일반적으로 각 선급협회 규정에 의해 한대가 고장나도 나머지 발전기로서 항해 중 필요한 전력을 공급할 수 있도록 발전기는 2대 이상 설치한다.
발전기에 사용되는 Auxiliary Engine은 전세계적으로 보면 핀란드 Wartisila, 스위스의 Sulzer, 덴마크의 MAN B&W Holby, 독일의 MAK, 일본의 Yanmar & Daihatsu등이 대표적이다
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MAN B&W Type(12K90MC-C Mk6) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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MAN B&W 및 Sulzer Type엔진은 초기 엔진이 개발된 이후 계속해서 엔진 성능을 높이기 위해서 경쟁관계에 있다.
자동차 엔진도 마찬가지 이지만 같은 크기의 엔진과 같은 연료소모량으로도 더 많은 출력 (파워)을 만드는 것이 기술력의 척도로 판단되어 졌기 때문에 이 두 Maker는 계속적인 기술개발을 하여 왔다. 엔진에 있어서 출력을 높이는 측면에서 보면 많은 방법이 있다.
예를 들면 연료주입을 증대시키던가, 연소효율을 증대시키던가, 공기주입을 많이 넣어주던가, 회전속도를 상승시키는 방법, 행정(Stroke)을 크게 하여 모우멘트 값을 증가시키는 방법이 있다. 그러나 연료를 엔진에 더 많이 넣어주면 파워가 쉽게 올라가지만 연료가 많이 들어가는 만큼 돈이 많이 들게 된다.
또한 행정(Stroke)을 하기 위해서는 엔진 사이즈가 커져 선박에 설치하는데 어려움이 있으며, 회전속도상승에 의한 출력 증가시 체적효율의 저하 및 마찰손실이 증가하므로 한계가 있다. 마지막으로 남은 것은 엔진에 공기주입을 많이 하여 폭발압력을 높여 파워를 증가시키는 방법이다.
엔진에 공기주입을 담당하는 것이 과급기(Turbocharger)인데 정리하면 과급기의 효율을 높이는 것이다. 그래서 MAN B&W와 Sulzer엔진은 주로 과급기의 효율을 높여 최근 3-4년 동안 출력을 높이는 경쟁을 하여 왔다.
MAN B&W는 같은 엔진으로 파워를 5~6% 증가 시킬 때마다 Mark 4,5,6,7의 Version을 내놓았다. Sulzer엔진도 엔진 Type에 U를 붙여, 예를 들면 12RTA84C-U처럼 새로운Version을 내놓았다. 컴퓨터로 비유하자면 386, 486, 586과 같은 것이다
디젤엔진의 구성및 주요 부품
실린더 ·피스톤 ·크랭크축(軸) 등으로 구성되어 있다. 중유·경유 등의 저질유(低質油)를 사용하므로 연료 기화기(氣化器)나 전기 점화장치는 사용하지 않는다.
실린더 내에 공기를 흡입하여 이 고온 ·고압의 공기 속에 연료분사 밸브로부터 연료를 분사하여 자연발화 시키도록 되어 있다. 연료는 플런저형 펌프에서 분사되며, 연료밸브는 버섯형의 포핏밸브가 많이 사용되고 있다.
니들밸브는 용수철에 의해서 밸브시트에 밀착되어 있으며, 펌프에 의해서 연료가 소정의 압력이 되면 자동적으로 밀어 올려지고 연료는 미립자상(微粒子狀)으로 되어 실린더 속으로 분사된다. 다음에 실린더 속의 고온에 의해 자연 착화 되어 폭발하면, 실린더 내의 고온.고압의 연소가스로 피스톤을 밀어내어서 유효한 일을 한다.
디젤기관에는 가솔린기관과 마찬가지로 2사이클식(式) 및 4사이클식(式)의 2종류가 있으며,단동식(單動式) ·복동식(複動式, 현재 거의 사용되지 않고 있음)이 모두 사용되고 있다. 마력은 몇 마력부터 10만 마력 정도의 것까지 있다. 또 큰 마력을 내기 위해서 과급기(過給器)를 장치하게 되어 있다.
기본구조
1. 구조 구조부문
▶ Bed Plate
▶ Frame Box (Column)
▶ Cylinder Frame (Cylinder Jacket)
2.구동부문(Moving Parts)
▶ Crank Shaft
▶ Connecting Rod & Crosshead
▶ Piston & Piston Rod
▶ Cylinder Liner
▶ Cylinder Cover
▶ Exhaust Valve
▶ Bearings (X-Head, Crankpin & Main Bearing)
▶ Chain Drive
▶ Camshaft
▶ Roller Guide Housing
▶ Fuel Pump
▶ Valve & Fuel Pump Gear
▶ Lubricator
▶ Turbocharger System
▶ Stay Bolts (Tie Rod)
3.의장(Outfitting)
▶ Scavenging Air Receiver (소기관)
▶ Exhaust Gas Receiver (배기관)
▶ Gallery
4. 배관(Piping)
▶ High Pressure Pipe (고압관)
▶ Hydraulic Oil Pipe
▶ Pipes
5. 전기계장부문(Electricity & IC)
▶ Electrical Parts (Sensors, Switches & Transmitters)
▶ Governor System
▶ Pneumatic Control System
▶ Instruments (Thermometers & Pressure Gauges)
▶ BMS (Bridge Maneuvering System)
6. 시스템(Auxiliary System)
▶ Fuel Oil System
▶ Main L.O. System
▶ Piston Cooling Oil System
▶ X-Head L.O. System
▶ Camshaft L.O. System
▶ Jacket Cooling Water System
▶ Air Cooler Cooling Water System
▶ Starting Air System
▶ Control & Safety Air System
▶ Scavenge Box Drain System
▶ Stuffing Box Drain System
▶ Air Cooler Cleaning System
▶ Stuffing Box Drain Oil Cleaning System
▶ Fire Extinguishing System
■ 베드 플레이드(Bed Plate)
베드 플레이트는 조립공장의 테스트 베드(Test Bed)에 조립되는 최초의 부품이며, 하부에 철판(Steel Plate)으로 제작된 오일 팬(Oil Pan)과 中心부에 주강품인 메인 베어링 서포트(Main Bearing Support), 그리고 메인 베어링 서포트 주위에 부착된 각종 철판들로 구성된 대형 용접 구조물로서 제관(철판의 절단,절곡,용접)작업후 대형 가공장비에서 가공을 함으로써 제품이 완성된다.
1 블록으로 제작되는 것이 일반적이나 제작설비 및 베드 플레이트의
중량에 따라(150톤 이상) 2블록 또는 3블록으로 제작되는 경우도 있다.
베드 플레이트는 엔진을 선체에 고정시키는 부분이며 엔진에 공급된 각종 윤활유들이 사용된 후 모이는 집합장소이기도 하다. 또한 메인 베어링 서포트에 의해 크랭크 샤프트(Crank Shaft)를 지지하는 역할을 한다.
베드 플레이트에 조립되는 주요부품으로는 메인 베어링(Main Bearing), 엑셜 댐퍼(Axial Damper)및 각종 커버(Cover)류와 Pipe등이 있다.
■ 크랭크 샤프트(Crank Shaft)
크랭크 샤프트는 메인 베어링 셀(MainBearing Shell)과 함께 베드 플레이트(Bed Plate)에 조립되어 피스톤(Piston)의 상하운동을 커넥팅 로드(Connecting Rod)와 연결하여 회전운동으로 바꾸어 주는 역할을 하며 일반적으로 엔진가격의 10%이상을 차지하는 엔진 부품 중 가장 고가의 제품이다.
크랭크 샤프트는 크게 크랭크 스로우(Crank Throw) Part와 저널(Journal) Part로 구분되며, 크랭크 스로우와 저널의 Ingot 소재를 프레스를 이용하여 형상을 만든 다음 전용 가공장비에서 가공한 후 열박음(Shrink Fitting) 공법에 의해서 일체 형상으로 만들어진다.
MAN B&W Type엔진의 크랭크 샤프트의 선미(船尾)측에는 체인 휠(Chain Wheel)과 터닝 휠(Turning Wheel)이 조립되어 크랭크 샤프트의 회전운동을 캠샤프트(Camshaft)로 전달하고, 엔진의 정비 작업시 크랭크 샤프트를 서서히 회전하는 역할을 한다. 또한 스러스트 칼라(Thrust Collar) Part가 있어 스러스트 베어링(Thrust Bearing)과 함께 배의 추진력을 발생시킨다.
한편, 크랭크 샤프트의 선수(船首)측에는 튜닝 휠(Tuning Wheel), 엑셜 바이브레이션 댐퍼(Axial Vibration Damper)등이 조립되도록 플랜지(Flange) 형상을 하고 있다.
■ 프레임 박스(Frame Box)
프레임 박스는 베드 플레이트(Bed Plate) 상부에 볼트로 고정되어 베드 플레이트와 함께 엔진의 크랭크 케이스(Crank Case)를 구성하며, 제품의 대부분이 철판(Steel Plate)으로 이루어진 대형 용접 구조물로서 제관(철판의 절단,절곡,용접)작업 후 대형 가공장비에서 가공을 함으로써 제품이 완성된다.
프레임 박스의 내부에는 커넥팅 로드(Connecting Rod)가 상부 피스톤(Piston)와 하부 크랭크 샤프트(Crank Shaft)로 조립되어 직선운동을 회전운동으로 바꾸어 주는 역할을 하고 있으며, 프레임 박스의 선미(船尾)측에는 체인(Chain) 또는 기어(Gear)가 조립되어 크랭크 샤프트의 회전운동을 캠샤프트(Camshaft)로 전달한다.
프레임박스의 펌프 사이드(Pump Side)에는 각 실린더마다 문(Door)이 있고 이를 통하여 엔진의 크랭크 케이스 내부로 출입이 가능하도록 되어 있어 내부 부품의 점검 및 보수가 가능하다.
프레임 박스의 배기 사이드(EXH.Side)에는 릴리프 밸브(Relief Valve)가 각 실린더마다 설치되어 크랭크 케이스 내부에 과도한 압력이 걸릴시 자동으로 개폐하여 엔진의 폭발을 사전에 방지하는 구조로 되어 있다.
■ 커넥팅 로드(Connecting Rod), 크로스 헤드(Crosshead)
커넥팅 로드와 크로스 헤드는 크로스 헤드 베어링 셀을 사이에 두고 조립된 조립품으로 피스톤 로드(Piston Rod)의 왕복운동을 크랭크 샤프트(Crank Shaft)에 전달하여 회전운동으로 바꾸어주는 역할을 하며, 프레임 박스(Frame Box) 내부에 각 실린더별로 한 세트씩 조립되어 있다.
커넥팅 로드와 크로스 헤드는 유사한 재질의Ingot소재를 사용하며, 프레스로 형상을 만든 다음 가공장비에서 가공하여 제품이 완성된다.
크로스 헤드에는 가이드 슈(Guide Shoe)와 가이드 스트립(Guide Strip)이 조립되어 커넥팅 로드가 프레임 박스의 가이드 플레이트(Guide Plate)를 따라 원활하게 상하운동을 할 수 있게 한다.
크로스 헤드 내부에는 오일 통로가 있어 외부에서 공급된 오일을 피스톤 로드에 냉각유로 공급하고, 크로스 헤드 베어링과 가이드 슈, 그리고 크랭크 핀 베어링에 윤활유로 공급한다
■ 피스톤 로드(Piston Rod Ass'y)
피스톤(Piston Rod Ass’y)은 커넥팅로드의 상부에 조립되어 연소실내 공기를 압축시키는 역할을 하며, 크게 피스톤 크라운(Piston Crown), 피스톤 스커트(Piston Skirt), 피스톤 로드(Piston Rod), 스터핑 박스(Stuffing Box)로 구성된다.
피스톤 크라운은 단조강이며 원주방향에 크롬도금이 되어있는 4개의홈이 있어 여기에 피스톤 링(Piston Ring)이 조립되어 연소실의 공기압축, 폭발열을 실린더 라이너로 전달하여 냉각시키는 역할을 한다.
피스톤 로드는 단조강으로 만들어지며 중앙부는 lang=EN-US> Cooling Pip가 조립되도록 구멍이 있어 이를 통하여 피스톤 로드 하부에서 상부의 피스톤 크라운까지 냉각유의 순환이 가능하도록 되어있다.
실린더 프레임의 내부 하단부에 스터핑 박스가 조립되어 피스톤 로드의 왕복운동중 크랭크 케이스 내부의 윤활유가 피스톤 로드에 묻어서 연소실 내부로 유입되는 것을 방지하고, 또한 연소실의 공기가 크랭크 케이스 내부로 누설되는 것을 방지한다.
■ 실린디 키버(Cylinder Cover Ass'y)
실린더 커버(Cylinder Cover Ass’y는 하부의 실린더 커버 단품과 실린더 커버에 조립된 배기밸브(Exhaust. Valve), 연료밸브(Fuel Valve), 시동밸브(Starting Valve), 안전밸브(Safety Valve)로 크게 이루어진다.
실린더 커버는 단조강(Steel Forging)으로 만들어지며, 중앙부는 배기밸브가 조립 가능하도록 구멍이 있는 일종의 링(Ring)구조를 하고 있고, 윗부분에는 각종 밸브들이 조립될 수 잇도록 가공되어 있다.
실린더 커버는 실린더 라이너(Cylinder Liner)의 상부에 조립되어 연소실을 구성하며 8개의 스터드(Elastic Stud)에 의하여 실린더 프레임(Cylinder Frame)상에 고정된다.
배기밸브는 밸브 하우징(Valve Housing), 밸브 스핀들(Valve Spindle), 밸브 시트(Valve Seat), 오일 실린더(Oil Cylinder) 및 피스톤으로 구성되어지며, 각 실런더 커버 중앙에 1set씩 조립된다.
배기밸브는 에어 실린더 내의 공기압력과 오일 실린더 내의 유압력과의 차이에 의해 밸브 스핀들을 상하 왕복운동케 함으로써 밸브의 개폐가 이루어져, 배기가스가 배출되며, 오일 실린더 내부로의 오일공급 및 방출은 캠샤프트(Camshaft)상에 조립된 배기캠과 롤러 가이드(Roller Guide)의 작동에 의하여 이루어진다.
우리회사는 이들 제품중 실린더 커버의 소재를 업체로부터 공급받아 정삭가공하여 제품을 생산하며, 나머지 부품들은 협력업체로부터 제공받아 소조립장에서 조립한다.
■ 실린더 라이너(Cylinder Liner)
실린더 라이너는 특수 주철로 만들어지며, 실린더 커버에 의해서 실린더 블록의 상부에 밀착되어, 엔진 운전중 가열되었을 때 아래쪽으로 자유롭게 팽창할 수 있도록 실린더 블록에 약 절반정도 끼워져 조립되어 있다.
실린더 라이너의 외부에는 냉각수와 소기가 누설되지 않도록 고무링이 설치되어 있고, 냉각수는 실린더 라이너에 있는 냉각 파이프르 지나 실린더 커버하부로 흐른다.
실린더 라이너 내부는 피스톤 로드(Piston Rod)의 왕복운동이 가능한 원통형상이며 상부에 실린더 오일 분무를 위한 오일 Hole 및 홈(Lubricating Groove)에 의해 지그재그로 연결되어 있고, 하단부는 소기흡입을 휘한 소기공이 원주방향으로 뚫어져 있다.
■ 캠샤프트(Camshaft with Cam)
캠샤프트는 일련의 샤프트상에 연료펌프 작동용 캠(Fuel Cam) 및 배기밸브 작동용 캠(Exhaust Cam), 그리고 인디케이터 드라이브 캠(Indicator Drive Cam)이 조립되고, 커플링 플랜지(Coupling Flange)와 볼트를 이용하여 여러 부분의 샤프트를 조립함으로써 하나의 샤프트를 이루고 있으며, 이 샤프트는 하우징(Housing)과 베어링(Bearing)에 의해 지지되어 있다.
켐샤프트는 크랭트 샤프트의 회전운동을 체인 드라이브(Chain Drive)를 통하여 전달받아 구동하며. 연료캠과 배기캠을 통하여 엔진의 연료분사 시점과 배기밸브의 개폐시점이 결정되는데 이들은 그 엔진의 규정된 성능에 맞추어 일정한 각도위치에 조립되어 있고 유압에 의해 캠샤프트로부터 조립각도를 조정할 수 있다.
■ 배기관(Exhaust Gas Receiver)
배기관(Exhaust Gas Receiver)은 원통형으로 된 제관물로 소기관(Scavenge Air Receiver) 상부에 서포트(Flexible Support)에 의해 조립되며, 엔진 펌프측에 배기밸브와 연결되어 있고 반대편에는 터보차져(Turbocharger)와 연결되어 있다.
배기관은 각 실린더의 배기밸브(Exhaust Valve)로부터의 고온, 고압의 배기Gas를 받아 터보차져로 보내는 역할을 하며, 그 외부는 단열재(Insulation)에 의해 보온처리되고 있다.
■ 과급기(Tubocharger)
과급기(Turbocharger)는 소기관(Scavenge Air Receiver) 상부에 조립되며, 엔진의 부품중 크랭크샤프트에 이어 두번째 고가의 제품이며, 외부의 공기를 흡입하여 소기관으로 보내는 역할을 한다.
배기관을 통과한 배기가스는 과급기의 터빈 블레이드(Turbin Blade)을 회전시켜 같은 축에 조립되어 있는 콤푸렛셔 휠(Compressor Wheel)을 돌준다. 콤푸렛셔는 에어 필터를 통해서 외부의 공기를 흡입한다. 이 공기는 과급기 출구에 있는 공기 파이프를 통하여 공기 냉각기(Air Cooler)로 보내진다
■ 공기 냉각기(Air Cooler)
공기 냉각기는 소기관 하단부에 설치되며, 용접일체물의 하우징(Housing)과 그 내부에 Cooler Elements로 구성되어진다.
냉각기는 과급기의 Compressor로 부터의 압축된 공기를 흡입하여 냉각시키며, 이 과정에서 발생되는 응축수를 분리하여 배출토록 하고, 건냉한 압축공기를 소기관으로 보내는 역할을 한다.
수분 제거기는 공기가 흐르고 있을 때 공기로부터 응축수를 분리시켜주는 여러 개의 박막(Lamella)으로 구성되어 있다.
분리된 수분은 냉각기 하우징의 하부에 모여 배출된다
■ 소기관(Scavenge Air Receiver)
소기관은 배기측의 실린더 프레임(Cylinder Frame)상에 설치되어 공기 냉각기(Air Cooler)를 통과한 소기를 모아서 실린더 내부로 공급하는 역할을 한다.
소기관의 구조는 크게 몸체와 밸브 하우징(Valve Housing)으로 이루어져 있으며, 밸브 하우징에는 과급기의 압력으로 열리는 여러 개의 논-리턴 밸브(Flap Valve)가 설치되어 있다.
소기관의 양쪽 끝부분에는 보조 블로워(Auxillary Blowers)가 조립되는데, 이는 엔진을 시동할 때나 또는 엔진의 회전수가 너무 낮아서 과급기가 엔진의 운전에 필요한 공기를 충분하게 공급하지 못할 경우에 자동으로 작동되어 공기를 공급한다.
2행정기관의 작동 원리 (2-Stroke Engine)
2행정기관의 작동은 흡입, 압축, 작동(팽창) 및 배기행정으로 이루어 지며, 작동 원리는 1880년 영국의D.클라크가 고안하였는데, 1회전 4행정 기관이다.
1) 흡입행정(Suction Stroke)
피스톤이 상사점 (上死點, Top Dead Center : TDC)을 지나서 하강함에 따라 소기공 (掃氣空, Scavenge Port)을 지날때에는 실린더 내의 압력이 소기압(외부공기압)보다 낮게 되므로, 외부로부터의 공기는 개방된 소기공을 통해서 실린더 내로 진입하게 된다.
이 상태는 피스톤이 하사점(下死點,Bottom Dead Center : BDC)을 지나서 피스톤(피스톤링)이 소기공을 막을 때 까지 계속된다. 이 피스톤의 외부 공기 흡입 과정을흡입행정이라 한다.
☞ 상사점 (TDC) : 피스톤이 행정의 최상단에 있을 때
☞ 하사점 (BDC) : 피스톤이 행정의 최하단에 있을 때
☞ 행 점 (Stroke) : 피스톤이 실린더내 상단에서 하단까지,
하단부터 상단까지의 동작, 또는 거리를 말한다
2) 압축행정(Compression troke)
피스톤이 하사점으로부터 상승함에 따라 소기공이 막히고, 실린더내의 흡입된 공기는 점차 압축되어 그의 온도와 압력이 상승한다. 당사에서 생산하고 있는 선박용 대형 디젤엔진의 경우, 피스톤이 상사점 근처까지 상승하면 압축공기의 압력은 120~135 kg/㎤에 달하고, 압축온도는 500~650℃에 달한다.
이와 같이 하여 실린더내에 흡입된 공기를 압축하면서 피스톤이 하단으로부터 상단으로 향하는 상승과정을 압축행정이라 한다.
☞ 압축공기의 압력 : Pcomp(Compression Pressure)
3) 작동행정(Working Stroke) : 팽창행정(Expansion Stroke)
피스톤이 상사점에 달하면 연료밸브(Fuel Injector)로부터 연료가 실린더내로 분사(噴射)된다. 분사된 연료는 고온의 압축공기에 의해 피스톤은 위로부터 강하게 눌리고, 연접봉(Connecting Rod)을 거쳐서 프랭크를 회전시킨다.
연료밸브는 어떤 적당한 시기에 닫치므로 그 이후에는 피스톤이 연소가스의 팽창력에 의해 더욱 눌려서 하사점에 도달한다. 이 피스톤의 하강과정을 작동행정이라 한다.
☞ 연소가스의 높이 압력 : Pmax(Maximum Pressure)
4) 배기행정(Exhaust Stroke)
배기밸브(排氣, Exhaust Valve)가 기계적으로 열린다.
실린더 내의 팽창한 연소가스의 압력은 외부공기 압력보다 상당히 높으므로 배기밸브로부터 실린더 밖으로 분출하고, 따라서 실린더 내의 잔존 가스 압력은 외부공기(소기, 掃氣)와 같게 된다. 이 과정을 배기행정이라 한다.
☞ 소기작용(掃氣作用, Scavenging)
소기공(掃氣作用, Scavenging Port)이 열리면 대기압보다 높은 압력의 소기 (공기펌프로 압축한 것)는 실린더 내로 진입하고, 남아 있는 연소가스를 배기밸브를 통해서 밀어내고, 실린더를 새로운 공기로 채운다.
이것을 소기작용이라 한다
이와같이 흡입, 압축, 팽창, 배기행정으로써 한 사이클(Cycle)이
되며, 계속해서 반복하게 된다
4행정기관의 작동 원리 (4-Stroke Engine)
4행정기관의 작동원리는 프랑스의 드로샤가 1862년에 원리를 제안하고, 1876년 독일의 오토가 처음으로 실용 엔진을 제작하였다. 4행정 기관의 작동원리는 2회전 ·4행정으로 이루어져 있다.
1) 흡입행정:피스톤이 하강하면서 연료와 연소공기가 흡기밸브를 통하여 흡입한다(흡입밸브 열림, 배기밸브 닫힘).
2) 압축행정:피스톤이 올라가면서 흡입된 연소공기를 압축한다(흡입밸브 ·배기밸브 모두 닫힘).
3) 팽창행정:압축된 공기에 연료유를 분사하여 점화 ·폭발시켜 그 가스의 압력으로 피스톤이 내려가면서 Crank축을 회전시킨다.(흡입밸브 ·배기밸브 모두 닫힘)
4) 배기행정:피스톤이 올라감으로써 연소 가스가 배기밸브를 통하여 배출된다(흡입밸브 닫힘, 배기밸브 열림).
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