질문>
내연기관책에 보니 피스톤의 구조에 따라서 트렁크 피스톤형 기관(4행정)과 크로스헤드형기관(2행정)으로 나누는데, 후자는 운동부의 중량이 크게되므로 저속 대형 디젤기관에서만 사용한다고 적혀있습니다.
중소형 선박은 거의 4행정을 엔진을 탑재하잖아요~ 대형선박에는 4행정 엔진을 설치하려면 부피가 너무 커져서 2행정 엔진을 설치하는건 이해가 되는데.
중소형기관에 2행정 엔진을 사용치 않는 이유가 운동부의 중량이 크다? 좀 이해가 안되어서 중소형기관에 2행정 엔진을 탑재하면 어떤문제가 생기는지, 어떤 부분에서 2행정보다 4행정기관이 더 유리한지 설명 좀 부탁드립니다.
추가적으로 4행정엔진의 윤활 방식과 2행정엔진의 윤활 방식도 많이 틀리던데, 그것의 차이도 피스톤의 구조, 엔진의 구조적인 관점에서 설명좀 부탁드립니다
답변>
운동부의 중량이 커서 저속디젤엔진에 사용한다는 말은.. 정말 책에서 그렇게 표현했던가요? 그렇담 저도 몰랐던 사실인데.. 음~ 제가 아는 바를 설명 드리면, 엄밀히 말하면 트렁크 피스톤과 크로스헤드로 나뉘는 것은 피스톤의 구조에 따른 분류가 아니라 피스톤에서 받은 동력을 전달하는 방식에 따라 틀립니다. 물론 피스톤은 구조도 틀리긴 하죠. 트렁크 피스톤 타입은 피스톤에 바로 커넥팅 로드가 연결되어서 크랭크 축으로 동력을 직접 전달하게 됩니다. 반면 크로스헤드형은 피스톤의 동력을 중간에 크로스헤드를 통해 전달하는 방식입니다. 선박 엔진이 저속인 이유는 결국은 효율을 높이기 위해서 입니다. 엔진의 회전수가 낮을수록 프로펠러 효율이 상승하기 때문에 그런것이죠. 중량이 커서 저속 대형에 사용하는 것이 아니라(물론 내가 모르는 이유는 있을지도 모르지만) 대형엔진에 4행정을 달아봐야 효율이 떨어지기 때문입니다. 그럼 소형선박에는 왜 4행정을 사용하냐구요? 소형선박의 경우에 4행정 엔진을 달아도 효율이 좋기 때문이죠.(배가 작은만큼 작은 프로펠러를 사용할 것이고 그럼 요구되는 토크가 작아질테니까요) 간단하게.. 회전동력기계는 회전수와 토크라는 개념을 생각하게 되는데.. 토크를 높이기 위해서는 회전수를 낮춰줘야 합니다. "출력=토크X회전수"이기 때문입니다. 선박의 크기에 따라 프로펠러도 똑같이 커져야 하니까 그 프로펠러를 회전시키려면 더 큰 토크(회전력)가 걸릴거라는 것은 이해가시죠? 그러니까 저속엔진을 설치하게 되는 것이죠. 토크를 높이기 위해선 동일한 힘을 좀더 크게 돌리면 됩니다. "토크=힘X반경"이니깐요. 대신 크게 돌리니까 속도는 낮아지게 될겁니다. 어떻게 보면 크로스헤드는 엔진을 저속화시키기 위한 수단일 수도 있겠군요. 크게 돌려야 하니까 피스톤의 스트로크는 길어지게 되겠죠. 구조적으로도 트렁크 피스톤타입의 크랭크 암의 길이가 크로스헤드형 엔진의 그것보다 짧습니다. 짧으니까 회전반경은 작게 되기 때문에 당연히 빠르게 운전될 수 밖에 없습니다. 그리고 2행정엔진이 반드시 크로스헤드타입이진 않습니다. 트렁크 피스톤 타입도 있죠. 전에 있던 구 한바다가 그런 엔진이었습니다. 참고로 트렁크 피스톤 타입보다 크로스헤드를 채용하게 되면 크랭크 축의 회전에 따라 실린더 내벽에 미치는 측압을 크로스헤드에서 흡수하므로 라이너의 마모율이 더 적게 됩니다. 그건 나중에 승선중에 발전기 라이너 계측값과 주기 라이너 계측값을 비교해보면 금방 알 수 있습니다.(이건 그냥 생각나서..^^;) 그리고 2행정 및 4행정 어느 엔진도 적합하게 사용하면 다 좋습니다. 어느게 더 좋다라고 말할순 없죠. 설계를 잘해서 적재적소에 효율좋게 사용한다라는 말이 옳다고나 할까요? 가령 발전기 엔진으로는 왜 4행정을 사용할까요? 4행정 엔진이 고속화하기가 쉽기 때문입니다. 언급하지 않은 내용입니다만 트렁크 타입은 커넥팅로드 하나로만 동력을 전달하기 때문에 크로스헤드 타입에 비해 동력의 전달길이가 매우 짧습니다. 한번 폭발로 동력을 오랫동안 전달할 수 있다면 그건 효율적이다라고 말할 수 있겠죠. 근데 그건 어디까지나 엔진 자체만의 효율이고요 시스템 전체 효율을 따져보면 글쎄요~ 비슷하지 않을까요? 왜 영화에서 보면 프로펠러가 2개 혹은 3개인 배들 있잖아요? 그런 배들은 또 4행정 디젤 엔진 3개를 사용할 수 도 있습니다. 이건 어디까지나 제 생각이구요. 군함이 그렇죠? 4행정 디젤엔진과 가스터빈을 같이 사용하게 됩니다. 프로펠러는 2개인 걸루 아는데.. 주저리주저리 말이 많습니다. 저도 제대로 정리를 못한 이유이겠죠. 나중에 시간나면 학교 도서관에 marine engineering이란 책을 찾아보세요. 선박 엔진의 설계개념에 대해서 잘 정리해놓았습니다. 참고로 국내서적은 아닙니다.^^;
두번째 윤활방식은 제가 접때 오래전에 댓글 달아놓은 적이 있는데.. 4행정은 커넥팅 로드로 바로 전달하기 때문에 중각연소실과 크랭크 챔버가 단순히 피스톤 링으로만 격리됩니다. 그렇기 때문에 조금씩 누설되는 배기가 크랭크 챔버내 시스템오일을 오손시킬 수 있습니다. 반면 크로스헤드 타입은 중간에 스터핑박스가 한번 격리시켜주기 때문에 시스템 오일의 오손이 비교적 적습니다. 배기가스는 산성을 가지므로 윤활유가 오손된다는 것은 TBN(알카리도)이 쉽게 저하한다는 것을 의미합니다. 그렇기 때문에 4행정용 트렁크 타입의 시스템오일의 경우가 크로스헤드형 엔진에 비해서 TBN이 높은 기름을 사용하게 됩니다. 라이너의 윤활도 트렁크 타입의 엔진은 시스템오일을 흩어뿌려서 하는 반면 크로스 헤드 타입은 따로 외부에서 실린더 오일을 가압해서 급유하게 되죠. 근데.. 내 기억으론 한바다 엔진은 트렁크 타입의 2행정 엔진이었는데 실린더 오일을 따로 급유했던 것으로 기억되는데..^^; 하여간 그런 문제에 있어서는 자료 많이 있으니까 한번 찾아보세요. 아까 말해드린 그 책에도 잘 나와있습니다. 윤활유 편에요.. 주저리주저리 말만 많아서 오히려 이해를 어렵게 한 건 아닌지 몰겠습니다. 부족하나마 답변이었습니다.