자동차공학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 4. 내연기관의 작동원리 일반

4. 내연기관의 작동원리 일반

▶ 소기(scavenging)란? 잔류 배기가스를 실린더 밖으로 밀어내면서 새로운 혼합가스나 공기를 실린더 내에 충전시키 는 과정을 말한다. 2행정 사이클 디젤기관의 소기방식에는 단류 소기방식, 루프 소기방식, 횡단 소기방식 등이 있다. ▶ 평균 유효압력 전체의 폭발압력이 피스톤에 작용하여 피스톤에서 행한 일과 같은 양의 일을 수행할 수 있는 압력이다. 즉, 1사이클 중 수행된 일을 행정체적으로 나눈 값이며 평균 유효압력을 높이기 위해 서는 압축비 상승 및 흡입 공기량을 증가시켜야 한다.

가. 4행정 사이클 기관
4행정 사이클 가솔린기관의 작동방식은 1876년 독일의 오토(N. Otto)에 의하여, 디
젤기관은 1893년 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)에 의하여 고안된 것이며, 흡입·압축·폭
발 및 배기를 피스톤이 4행정을 하여 1사이클을 완성한다. 현재 대부분의 가솔린기관·
디젤기관 및 LPG기관은 이 방식을 사용한다.

가솔린기관은 공기와 연료의 혼합가스를 흡입한 후 피스톤으로 압축을 한 다음 점화
플러그에서 높은 전압을 방전하여 점화·연소시키면 연소가스는 고온·고압이 된다.
이 고온·고압의 가스가 실린더 내를 상하로 왕복 운동하는 피스톤에 작용하여 열에너
지가 기계적 에너지로 바뀐다.
한편 디젤기관은 순수한 공기만을 흡입한 후 높은 압력으로 압축시켜 실린더 내의 온
도를 높은 온도로 형성시킨 후 여기에 분사노즐에서 고압의 연료를 분사시켜 압축 착화
하여 열에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다. 이때 피스톤은 직선 왕복운동 하는 것이
므로 이것을 회전운동으로 바꾸기 위하여 커넥팅로드와 크랭크축을 사용한다.
피스톤의 운동이 피스톤 핀으로 피스톤과 연결된 커넥팅로드로 전달되고, 다시 이것
이 커넥팅로드의 대단부와 연결된 크랭크축을 회전시킨다. 피스톤이 주기적인 운동을
하여 기계적 에너지를 계속 발생시키려면 연소하여 일을 한 가스는 실린더 밖으로 배출
시키고 새로운 혼합가스나 공기를 공급하여야 한다. 이를 위하여 크랭크축에 의해 구동
되는 캠축을 이용하여 밸브개폐 장치를 구동시켜 흡·배기구멍을 알맞은 시기에 개폐한
다. 혼합가스나 공기가 실린더 내에 흡입된 후 배기가스가 되어 실린더 밖으로 배출될
때까지의 실린더 내에서 가스의 주기적인 변화를 사이클(cycle)이라 한다.

(1) 4행정 사이클 기관의 작동순서
(가) 흡입행정(intake stroke)
흡입행정은 사이클의 맨 처음 행정이며, 흡입밸브는 열리고 배기밸브는 닫혀있다.
이때 피스톤은 상사점에서 하사점으로 이동하며 흡입밸브는 상사점 전 10~30° 정도
에서 열려 하사점 후 45~60° 정도에서 닫힌다. 흡입행정은 피스톤이 내려감에 따라

실린더 내에는 부압(부분진공)이 발생하므로 대기압력에 의하여 혼합가스나 공기가
실린더 내로 들어간다.

(나) 압축행정(compression stroke)
압축행정은 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하며 피스톤이 상사점으로 이동
하기 시작하면 흡입밸브가 닫힌다. 이 때 배기밸브는 이미 닫혀 있으므로 실린더 내
는 완전히 밀폐되어 혼합가스나 공기는 연소실에 압축된다. 압축행정 끝 무렵에 연소
실 내의 압력은 가솔린기관이 8~11kgf/cm2, 디젤기관은 30~40kgf/cm2 정도이며,
피스톤이 상사점에 도달하기 조금 전에 가솔린기관은 이 압축된 혼합가스에 점화플
러그에 의하여 점화된다.
한편 디젤기관은 고온·고압으로 압축된 공기에 분사펌프에서 공급된 높은 압력
의 연료가 분사노즐을 통하여 안개 모양으로 분사된다. 혼합가스나 공기를 압축하는
목적은 온도를 높여서 쉽게 연소하도록 하고 또 연소가스의 압력이 더욱 증대되도록
하기 위함이다. 그리고 크랭크축의 회전속도가 증가할수록 압축 압력은 상승한다.

 

(다) 폭발행정(동력행정 : power stroke)
폭발행정에서는 피스톤은 다시 상사점에서 하사점으로 이동하며 압축행정에서 피
스톤이 상사점에 도달하기 조금 전에 점화된 혼합가스는 활발한 연소를 일으키며 이
것에 의하여 발생된 압력이 피스톤에 내려 미는 힘을 가하게 된다. 이 힘이 커넥팅로
드를 거쳐 크랭크축을 회전시키는 유효한 힘을 발생시킨다. 폭발행정은 4개의 행정
가운데에서 동력을 발생하는 유일한 행정이고, 나머지 3개의 행정은 플라이휠에 의한 관성으로 작동된다. 폭발행정에서의 최대압력은 가솔린기관이 35~45kgf/cm2, 디젤기관은 55~65kgf/cm2 정도이다.

(라) 배기행정(exhaust stroke)
배기행정에서는 피스톤이 다시 하사점에서 상사점으로 이동하며 폭발행정에서 연
소하여 일을 한 가스를 실린더 밖으로 배출한다. 폭발행정에서 피스톤이 하사점에 도
달하기 조금 전에 배기밸브가 열리므로(흡입밸브는 이미 닫혀 있다) 피스톤이 이동
하기 시작하면 연소가스는 배기구멍과 배기다기관 등을 거쳐 대기 중으로 배출된다.
피스톤이 상사점에 도달하면 배기밸브가 닫히고(실제로는 상사점을 조금 지나서
닫힌다), 흡입밸브가 열려(실제로는 상사점에 도달하기 조금 전에 열린다) 다음의 흡
입행정이 다시 시작된다. 이것으로 피스톤은 흡입·압축·폭발 및 배기의 4행정을 완
료하고 크랭크축은 2회전한다.

(2) 4행정 사이클 기관의 밸브개폐 시기
4행정 사이클 기관의 흡·배기밸브는 행정 중 정확히 상사점이나 하사점에서 개폐되
지 아니하고 상사점 전·후, 또는 하사점 전·후에서 개폐된다. 이것은 혼합가스나 공
기가 관성을 지니고 있기 때문에 가스의 흐름관성을 유효하게 이용하기 위함이다. 밸브
개폐 시기를 표시하는 그림을 밸브
개폐 시기선도(valve timing diagram)라 한다.
[그림 1-9]는 어느 가솔린기관의
밸브개폐 시기선도의 한 예를 나타
낸 것이다. 이 선도에 의하면 흡입밸
브는 상사점 전10°에서 열리고, 하
사점 후 45°에서 닫히며, 배기밸브
는 하사점 전 45°에서 열리고 상사
점 후 10°에서 닫힌다. 또 상사점 부
근에서는 흡·배기밸브가 동시에 열
려 있게 되는데 이것을 밸브 오버랩
(valve over lap)이라 부른다. 이 기
관의 경우 밸브 오버랩은 10°+10°=
20°이다

나. 2행정 사이클 기관
(가) 2행정 사이클 기관의 작동원리
2행정 사이클 가솔린기관은 1880년 영국의 클라크(D. Clerk)에 의하여 고안되었
으며, 4행정 사이클 가솔린기관을 오토 사이클(otto cycle)이라 부르는데 대해 이것
은 클라크 사이클(clerk cycle)이라고도 부른다. 2행정 사이클 기관의 작동은 크랭크
축이 1회전할 때마다 1회의 폭발행정을 하게 되어 있으며, 구조가 간단해 경량화 할
수 있다.
이 형식의 소형 기관에서는 포핏형(poppet type)의 흡·배기밸브를 두지 않고 실린
더에 설치한 소기구멍과 배기구멍을 피스톤이 상하 왕복운동을 하면서 개폐하여 흡·
배기를 한다. 그러나 자동차에서 사용되는 2행정 사이클 디젤기관에서는 흡입(또는
소기)은 실린더에 설치한 구멍으로 하고 배기는 포핏형 밸브를 사용한다.
크랭크축이 1회전할 때마다 폭발행정이 있고 피스톤 2행정으로 4개의 작동을 완
료하기는 하지만 흡입에서 압축·폭발 및 배기의 구별이 4행정 사이클 기관처럼 확
실하지가 않다.