10. 실린더헤드(cylinder head)와 연소실
실린더헤드는 헤드 개스킷(head gasket)을 사이에 두고 실린더블록에 몇 개의 볼트
로 설치된다. 실린더 위쪽에는 연소실이 있으며, 바깥쪽에는 흡입 및 배기다기관, 점화
플러그, 밸브개폐 기구가 설치되어 있다.
수랭식 기관의 실린더헤드는 전체 실린더 또는 몇 개의 실린더로 나누어 일체 주조
로 되어 있으며, 내부에는 냉각용 물 재킷이 마련되어 있다. 공랭식 기관의 실린더헤드
는 각 실린더마다 별개로 제작하며 냉각 핀(cooling fin)이 설치되어 있다. 실린더헤드
의 재질은 주철이나 알루미늄 합금이다.
알루미늄 합금 실린더헤드의 특징은 다음과 같다.
① 열전도율이 크기 때문에 연소실의 온도를 낮출 수 있어 조기점화의 원인이 되는 열점이 잘 생기지 않는다.
② 무게가 가볍다.
③ 압축비를 높일 수 있다.
④ 열팽창률이 크고 내부식성 및 내구성이 비교적 적다.
그러나 최근에는 이 결점을 보충할 수 있는 설계로 되어 있어 거의 모든 기관에서 사용되고 있다.
가. 연소실(combustion chamber)
연소실은 실린더 헤드에 의하여 형성되며, 이곳에서 혼합가스의 점화와 연소가스의
팽창이 시작된다. 연소실의 양부(良否)는 기관성능에 큰 영향을 미치므로 형상을 비롯
하여 밸브설치 위치, 점화플러그의 설치위치 등 여러 가지 고려가 필요하다. 또 연소실
체적은 압축비와 관계가 있다. 압축비를 높게 하면 출력이 증가하고, 연료 소비량이 감소한다.
그러나 압축비는 무한대로 높일 수 없을 뿐만 아니라 어느 한계 이상으로 높이면 노
크(knock)가 일어나므로 제한을 받는다. 노크는 가솔린의 옥탄가와도 관계가 있어 옥
탄가가 일정할 때에는 주로 연소실 형상에 큰 영향을 받는다. 노크가 잘 일어나지 않는
연소실이 되도록 하려면 와류가 일어나 혼합가스가 잘 혼합될 수 있어야 하며, 연소가
점화원으로부터 신속하게 진행시킬 수 있는 형상이어야 한다.
(1) 연소실의 구비조건
연소실의 형상은 화염전파 시간, 노크, 체적효율 등과 관계가 있으며, 기관의 출력,
열효율, 운전의 정숙성은 연소실 형상에 따라 좌우된다고 볼 수 있기 때문에 다음과 같
은 구비조건이 요구된다.
① 노크방지 및 열효율 증대를 위하여 화염전파 거리가 짧을 것
② 노크방지를 위하여 압축행정에서 적당한 와류를 줄 수 있어야 하고, 엔드 가스(end
gas)의 영역에 적당한 냉각면적을 두어 엔드 가스의 온도를 저하시킬 것
③ 체적효율을 증가시킬 수 있도록 밸브면적을 크게 하여 가스교환이 원활하고, 저항
이 적은 흡·배기구멍을 둘 것
④ 열효율 증대를 위해 실린더로 전도되는 열량을 적게 할 것
⑤ 조기점화를 방지하기 위하여 가열되기 쉬운 돌출부나 틈새(空隙; dead space)가
없어야 하고, 카본이 퇴적되지 않도록 할 것
⑥ 압축비를 높일 수 있도록 연소실 내의 표면적은 최소가 되도록 할 것
(2) 연소실의 종류
연소실의 형상은 밸브설치 위치에 따라 I-헤드형, L-헤드형, F-헤드형 등이 있으나
현재는 I-헤드형만을 사용하고 있으므로 이에 대해서 설명하도록 한다.
(가) I-헤드형(I-head type or over head valve type) 연소실
이 형식은 실린더 헤드에 흡·배기밸브와 밸브개폐 기구의 일부 및 점화플러그 등
이 설치되어 있고, 그밖에 흡·배기통로와 물 재킷 등이 마련되어 있어 그 구조가 매
우 복잡하나 가장 이상적인 연소실이 되므로 압축비를 높일 수 있고, 밸브헤드의 지름
도 크게 할 수 있다. 따라서 열효율 및 체적효율이 향상되므로 출력을 높일 수 있다.
I-헤드형 기관의 연소실의 형상에는 반구형·지붕형·욕조형 및 쐐기형 등이 있다.
나. 헤드 개스킷(cylinder head gasket)
헤드 개스킷은 실린더헤드와 블록의 접합면 사이에 끼워져 양쪽 면을 밀착시켜 압축
가스·냉각수 및 윤활유가 누출되는 것을 방지하기 위하여 사용하는 석면계열의 물질
이다.
종류에는 구리판이나 강철판으로 석면을 감싸서 만든 보통 개스킷, 강철판의 양쪽 면
에 흑연을 혼합한 석면을 압착하고 표면에 다시 흑연을 발라서 제작하여 높은 열·높
은 부하에 잘 견디는 스틸 베스토 개스킷(steel besto gasket), 그리고 강철판으로만 얇
게 제작한 스틸 개스킷(steel gasket)등이 있다. 헤드 개스킷은 다음과 같은 구비조건이 요구된다.
① 기밀 유지성능이 좋을 것
② 냉각수 및 윤활유가 새지 않을 것
③ 내열성과 내압 성능이 클 것
④ 적당한 강도가 있고, 복원성이 있을 것
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