왕복 엔진이란? - 유형 및 작동

피스톤 엔진이라고도 하는 왕복 엔진은 압력을 회전 운동으로 변환하기 위해 하나 이상의 왕복 피스톤을 사용하는 공압 및 유압 왕복 엔진도 있지만 일반적으로 열 엔진입니다.
이 문서에서는 모든 유형의 공통 기능에 대해 설명합니다. 주요 유형은 다음과 같습니다. 자동차에 광범위하게 사용되는 내연 기관; 산업 혁명의 중심인 증기 기관; 및 틈새 응용 프로그램 스털링 엔진.
내연 기관은 두 가지 방식으로 더 분류됩니다. 점화 플러그가 연소를 시작하는 점화 점화(SI) 엔진; 또는 실린더 내의 공기가 압축되어 가열되어 가열된 공기가 그 때 또는 더 일찍 분사되는 연료를 점화시키는 압축 점화(CI) 엔진.

 

왕복엔진이란?

왕복 엔진은 화학 에너지(연료)를 기계적 에너지로 변환하는 기본 원리에 따라 작동합니다. 이 변환은 연소 과정을 통해 엔진의 실린더 내에서 발생합니다.

두 가지 주요 왕복 엔진 설계는 스파크 점화 및 압축 점화입니다. 스파크 점화식 왕복 엔진은 수년 동안 동력 장치로 선택되어 왔습니다.

운영 비용을 줄이고 설계를 단순화하며 신뢰성을 향상시키기 위한 노력의 일환으로 여러 엔진 제조업체는 실행 가능한 대안으로 압축 점화를 사용하고 있습니다. 흔히 제트 연료 피스톤 엔진이라고 하는 압축 점화 엔진은 쉽게 구할 수 있고 저렴한 디젤 또는 제트 연료를 사용할 수 있다는 추가 이점이 있습니다.

스파크 점화와 압축 점화 엔진의 주요 기계적 구성 요소는 본질적으로 동일합니다. 둘 다 실린더의 길이를 이동하는 실린더형 연소실과 피스톤을 사용하여 선형 운동을 크랭크축의 회전 운동으로 변환합니다.

스파크 점화와 압축 점화의 주요 차이점은 연료를 점화하는 과정입니다. 스파크 점화 엔진은 미리 혼합된 연료-공기 혼합물을 점화하기 위해 점화 플러그를 사용합니다. (연료-공기 혼합물은 연소될 혼합물의 공기 "중량"에 대한 연료 "중량"의 비율입니다.)

압축 점화 엔진은 먼저 실린더의 공기를 압축하여 연료가 실린더에 분사될 때 자동 점화에 필요한 온도까지 온도를 높입니다.

 

왕복 엔진은 어떻게 작동할까요?

모든 유형에는 하나 이상의 피스톤이 있습니다. 일반적인 엔진 블록 구성에는 실린더의 단일 행(인라인), 한 점으로 수렴하는 두 행(V 엔진), 이중 지그재그(W 엔진) 및 두 개의 수평 행(대향 엔진)이 포함됩니다.

위에서 언급한 엔진(내연, 증기, 스털링)은 모두 사이클을 완료하기 위해 약간 다른 프로세스를 사용하므로 일반적인 경우를 살펴보겠습니다.

흡입

사이클을 시작하기 위해 연료 혼합물이 흡기 포트를 통해 실린더 내부로 유입되어 피스톤이 실린더 바닥으로 확장됩니다.

압축

그런 다음 피스톤이 상단으로 밀려 연료 혼합물을 압축하고 점화 플러그를 통해 점화합니다.

폭발

점화는 피스톤을 아래쪽으로 밀어 엔진에 유용한 작업을 제공합니다.

배기 가스

폐 화학 물질은 배기 포트를 통해 배출되고 사이클이 반복됩니다.

4행정 사이클은 엔진에 에너지를 제공하지만 이제 이 에너지를 변속기, 구동축 및 바퀴의 회전 에너지로 변환해야 합니다. 이것은 크랭크 샤프트에 의해 수행됩니다.
크랭크 샤프트는 이러한 상하 운동을 회전 운동으로 변환하며, 이는 종종 플라이휠과 결합되어 불연속적인 왕복 에너지를 회전 에너지로 유지합니다.

 

 

왕복 엔진 부품

1) 실린더

왕복 엔진의 실린더는 연소가 일어나는 제한된 공간을 나타냅니다. 실린더는 여러 가지 방법으로 배열됩니다. 여기에는 단일 행 배열, V자 배열, W자 배열 및 수평 또는 평면 배열이 포함됩니다.

2) 피스톤

왕복 엔진의 피스톤은 일반적으로 각 실린더에 부착됩니다. 왕복 엔진에서 피스톤은 위아래로 미끄러져 회전 운동을 만듭니다. 피스톤 벽은 일반적으로 실린더 벽에 꼭 맞는 링을 고정하기 위해 홈이 파져 있어 가스가 연소실에서 빠져나가는 것을 방지합니다.

3) 커넥팅 로드

왕복 엔진의 커넥팅 로드는 피스톤과 크랭크 샤프트에 의해 고정된 크랭크 케이스를 연결합니다. 왕복 엔진의 커넥팅 로드는 회전 운동 피스톤에 연결되어 프로펠러를 돌리는 데 사용됩니다. 이로 인해 크랭크 샤프트의 회전 운동이 발생합니다.

4) 크랭크축

왕복 엔진의 크랭크 샤프트는 피스톤의 상하 운동을 회전 운동으로 변환합니다. 커넥팅 로드로 피스톤에 연결되어 있는 동안 크랭크축은 피스톤이 위아래로 움직일 때 회전 운동을 합니다.
피스톤 엔진의 흡기 행정 동안 피스톤이 아래로 당겨져 실린더 챔버에 진공이 생성됩니다. 왕복 엔진에서 압축 행정 동안 크랭크 샤프트는 실린더에서 피스톤을 위쪽으로 구동합니다.

5) 밸브

왕복 엔진에는 흡기 밸브와 배기 밸브가 있습니다. 이들은 각각 실린더 상단의 연료-공기 혼합기 입구와 배기 출구에 인접해 있습니다. 왕복 엔진의 흡기 밸브는 공기와 연료 혼합물의 유입을 조절하는 반면 배기 밸브는 연소실에서 배기 가스와 연소된 가스를 배출합니다.

6) 점화 플러그

왕복 엔진의 점화 플러그는 일반적으로 밸브 위의 실린더 상단에 있습니다. 왕복 엔진에서 압축 및 점화 행정 동안 압축 공기와 연료 혼합물을 점화하는 역할을 합니다.
점화는 피스톤이 최고 위치에 도달하기 직전에 발생합니다. 그 결과 매우 뜨거운 가스가 급격히 팽창하여 피스톤을 아래로 밀어내는 동시에 크랭크축을 돌려 회전 운동을 생성합니다.

 

 

왕복엔진의 종류

인라인 엔진

인라인 엔진은 일반적으로 짝수 개의 실린더를 가지고 있지만 일부 3기통 엔진이 제작되었습니다. 이 엔진은 수냉식 또는 공냉식일 수 있으며 실린더 위 또는 아래에 위치한 단 하나의 크랭크축을 가지고 있습니다. 엔진이 크랭크축 아래에 있는 실린더로 작동하도록 설계된 경우 이를 인버티드 엔진이라고 합니다.
인라인 엔진은 정면 영역이 작고 간소화에 더 적합합니다. 실린더가 거꾸로 된 상태로 장착되면 랜딩 기어가 짧아지고 조종사의 가시성이 향상되는 추가 이점을 제공합니다.
엔진 크기가 증가함에 따라 공랭식 인라인 유형은 적절한 냉각을 제공하는 데 추가적인 문제를 제공합니다. 따라서 이러한 유형의 엔진은 매우 오래된 경비행기에 사용되는 중저마력 엔진에 국한됩니다.

반대되는 또는 O 유형 엔진

대향형 엔진은 중앙에 크랭크축이 있는 서로 직접 마주하는 두 개의 실린더 뱅크를 가지고 있습니다. 그림 1. 두 실린더 뱅크의 피스톤은 단일 크랭크축에 연결되어 있습니다.
엔진은 수냉식 또는 공냉식일 수 있지만 공랭식 버전은 주로 항공에서 사용됩니다. 일반적으로 실린더와 함께 수평 위치에 장착됩니다.
대향형 엔진은 마력당 중량비가 낮고 실루엣이 좁아 항공기 날개에 수평으로 설치하는 데 이상적입니다(쌍발 엔진 적용). 또 다른 장점은 낮은 진동 특성입니다.

V형 엔진

V형 엔진에서 실린더는 일반적으로 60° 간격으로 두 개의 인라인 뱅크에 배열됩니다. 대부분의 엔진에는 12개의 실린더가 있으며 이는 수냉식 또는 공랭식입니다. 엔진은 V 다음에 대시와 피스톤 변위(입방인치)로 표시됩니다.
예를 들어, V-1710. 이 유형의 엔진은 2차 세계 대전 중에 주로 사용되었으며 사용은 대부분 구형 항공기에 국한되었습니다.

방사형 엔진

방사형 엔진은 중앙 크랭크케이스를 중심으로 방사상으로 배열된 실린더의 열로 구성됩니다. 이러한 유형의 엔진은 매우 견고하고 신뢰할 수 있는 것으로 입증되었습니다. 행을 구성하는 실린더의 수는 3개, 5개, 7개 또는 9개가 될 수 있습니다.
일부 방사형 엔진에는 크랭크 케이스 주위에 방사형으로 배열된 7개 또는 9개의 실린더가 2열로 구성되어 있습니다. 이를 이중 행 방사형이라고 합니다.
한 유형의 방사형 엔진에는 총 28개의 실린더에 대해 각 행에 7개의 실린더가 있는 4개의 실린더 행이 있습니다. 방사형 엔진은 여전히 ​​일부 구형 화물기, 워버드 및 농작물 분무기에 사용됩니다.
이러한 엔진 중 많은 수가 여전히 존재하지만 사용이 제한적입니다. 1열 9기통 방사형 엔진은 일체형 노즈와 2섹션의 메인 크랭크케이스를 가진 비교적 단순한 구조입니다.
더 큰 쌍열 엔진은 단일 행 엔진보다 약간 더 복잡한 구조입니다. 예를 들어 Wright R-3350 엔진의 크랭크 케이스는 크랭크 케이스 전면 섹션, 4개의 크랭크 케이스 메인 섹션, 후면 캠 및 태핏 하우징, 과급기 전면 하우징, 과급기 후면 하우징 및 과급기 후면 하우징 커버로 구성됩니다.
비슷한 크기의 Pratt 및 Whitney 엔진은 구조와 명명법이 상당히 다르지만 동일한 기본 섹션을 통합합니다.