엔진이란?- 정의, 작동 | 엔진의 종류

엔진이란?

엔진은 하나 이상의 에너지 형태를 기계적 에너지로 변환하도록 설계된 기계입니다. 기계적 열기관은 다양한 열역학적 과정을 통해 열을 일로 변환합니다. 차량을 운행하는 데 사용되는 것과 같은 엔진은 다양한 연료, 특히 자동차의 경우 가솔린과 디젤로 작동할 수 있습니다.
내연 기관은 아마도 화학 열 기관의 가장 일반적인 예일 것입니다. 여기서 연료 연소로 인한 열은 연소실의 기체 연소 생성물을 급속하게 가압하여 팽창시키고 피스톤을 구동시켜 크랭크축을 회전시킵니다. .
내연 기관과 달리 반응 엔진(제트 엔진 등)은 뉴턴의 제3 운동 법칙에 따라 반응 질량을 방출하여 추력을 생성합니다.
사용 가능한 에너지 소스에는 위치 에너지, 열 에너지, 화학 에너지, 전위 및 원자력이 포함됩니다. 이러한 프로세스 중 많은 부분이 중간 에너지 형태로 열을 생성하므로 열 엔진이 특히 중요합니다.
대기 대류 셀과 같은 일부 자연 과정은 환경 열을 운동으로 변환합니다. 기계적 에너지는 운송에서 특히 중요하지만 절단, 분쇄, 분쇄 및 혼합과 같은 많은 산업 공정에서도 역할을 합니다.

 

 

엔진의 종류

1. 열기관

가능한 가장 넓은 정의에서 이러한 엔진은 동작으로 변환하기 위해 열원이 필요합니다. 열을 생성하는 방법에 따라 연소(물질을 태우는) 또는 비연소 엔진이 될 수 있습니다.
그들은 추진제의 직접 연소를 통해 또는 일을 생성하기 위한 유체의 변형을 통해 기능합니다. 따라서 대부분의 열 엔진은 화학적 구동 시스템과 일부 겹칩니다. 공기호흡 엔진(대기에서 산소와 같은 산화제를 가져옴) 또는 비공기호흡 엔진(연료에 화학적으로 연결된 산화제가 있음)일 수 있습니다.

1.1 내연기관

내연 기관(IC 엔진)은 오늘날 매우 보편적입니다. 동력 자동차, 잔디 깎는 기계, 헬리콥터 등. 가장 큰 IC 엔진은 109,000HP를 생성하여 20,000개의 컨테이너를 이동하는 선박에 동력을 공급할 수 있습니다. IC 엔진은 연소실이라고 하는 시스템의 특수 영역 내부에서 연소된 연료에서 에너지를 얻습니다.
연소 과정은 결합된 반응물(연료 및 산화제)의 총 부피보다 훨씬 더 큰 총 부피를 갖는 반응 생성물(배기)을 생성합니다. 이 확장은 IC 엔진의 실제 빵과 버터입니다. 이것이 실제로 모션을 제공하는 것입니다. 열은 연소의 부산물일 뿐이며 실제로 물리적 작업을 제공하지 않기 때문에 연료의 에너지 저장에서 낭비되는 부분을 나타냅니다.
IC 엔진은 크랭크축의 전체 회전을 위해 각 피스톤이 만드는 '스트로크' 또는 사이클 수로 구별됩니다. 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 4행정 엔진은 연소 반응을 4단계로 분해합니다.

▷ 연료-공기 혼합물(탄산염)을 연소실로 유도하거나 주입합니다.
▷ 믹스 압축.
▷ 점화 플러그 또는 압축 연료에 의한 점화는 붐을 일으킵니다.
▷ 배기가스 배출.

매 단계마다 4행정 피스톤이 아래로 또는 뒤로 밀려납니다. 점화는 엔진에서 작업이 생성되는 유일한 단계이므로 다른 모든 단계에서 각 피스톤은 외부 소스(다른 피스톤, 전기 스타터, 수동 크랭킹 또는 크랭크 샤프트의 관성)의 에너지에 의존하여 움직입니다. 이것이 잔디 깎는 기계의 코드를 당겨야 하는 이유이며 자동차가 작동하기 시작하려면 작동하는 배터리가 필요한 이유입니다.
IC 엔진을 구별하는 다른 기준은 사용된 연료의 유형, 실린더 수, 총 배기량(실린더 내부 용적), 실린더 분포(인라인, 래디얼, V-엔진 등), 출력 및 출력입니다.

 

 

1.2 외부 연소 엔진

외부 연소 엔진(EC 엔진)은 연료와 배기 제품을 분리하여 한 챔버에서 연료를 연소시키고 열교환기 또는 엔진 벽을 통해 엔진 내부의 작동 유체를 가열합니다. 산업 혁명의 그 할아버지인 증기 기관이 이 범주에 속합니다.
어떤 면에서 EC 엔진은 IC 엔진과 유사하게 작동하며 둘 다 물건을 태워서 얻는 열을 필요로 합니다. 그러나 몇 가지 차이점도 있습니다.
EC 엔진은 열 팽창-수축 또는 위상 이동을 겪지만 화학 성분이 변경되지 않은 상태로 유지되는 유체를 사용합니다. 사용된 유체는 기체(스털링 엔진에서와 같이), 액체(유기 랭킨 사이클 엔진) 또는 IC 엔진의 경우 상 변화(증기 엔진에서와 같이)를 거칠 수 있습니다. 유체는 거의 보편적으로 액체 연료이며 연소하는 공기 혼합물(화학 성분 변경).
마지막으로, 엔진은 IC 엔진처럼 사용 후 유체를 배출하거나(개방형 엔진) 동일한 유체를 계속해서 사용할 수 있습니다(폐쇄형 엔진).
놀랍게도, 산업용으로 사용된 최초의 증기 기관은 압력이 아닌 진공을 만들어 작동을 생성했습니다. '대기 엔진'이라고 불리는 이 기계는 거대하고 연료 효율이 매우 낮습니다.
시간이 지나면서 증기 기관은 오늘날 엔진에서 볼 수 있을 것으로 기대하는 형태와 특성을 갖게 되었고 피스톤 시스템(오늘날에도 IC 엔진에서 여전히 사용)을 도입하는 왕복 증기 기관 또는 유체를 재사용하는 복합 엔진 시스템으로 인해 더욱 효율적이 되었습니다. 추가 '굉음'을 생성하기 위해 감소하는 압력에서 실린더.
오늘날 증기 기관은 널리 사용되지 않고 있습니다. 증기 기관은 무겁고 부피가 크며 IC 엔진보다 연료 효율과 중량 대비 출력 비율이 훨씬 낮고 출력을 빠르게 변경할 수 없습니다.
그러나 무게, 크기에 신경 쓰지 않고 꾸준한 작업 공급이 필요하다면 훌륭합니다. 따라서 EC는 현재 해군 작전 및 발전소용 증기 터빈 엔진으로 큰 성공을 거두고 있습니다.
원자력 응용 프로그램은 EC 엔진과 동일한 원리로 작동하지만 연소에서 동력을 끌어내지 않기 때문에 비연소 또는 외부 열 엔진이라고 하는 구별이 있습니다.

1.3 공기 호흡 연소 엔진

공기 호흡 연소 엔진은 로켓처럼 산화제를 운반하는 대신 대기 중 산소를 사용하여 연료를 산화('연소')하는 연소 엔진입니다. 이론적으로 이것은 로켓 엔진보다 더 나은 특정 충동을 초래해야 합니다.
공기의 지속적인 흐름은 공기 호흡 엔진을 통해 흐릅니다. 이 공기는 압축되어 연료와 혼합되어 점화되어 배기 가스로 배출됩니다.
일반적인 공기 호흡 엔진은 다음과 같습니다.

▷ 왕복엔진
▷ 증기 기관
▷ 가스 터빈
▷ 공기 호흡 제트 엔진
▷ 터보 프로펠러 엔진
▷ 펄스 폭발 엔진
▷ 펄스 제트
▷ 램제트
▷ 스크램젯
▷ 액체 공기 순환 엔진/반응 엔진 SABRE.

 

2. 반응 엔진

제트 엔진으로 알려진 이러한 유형의 엔진은 반동 질량을 방출하여 추력을 생성합니다. 반동 엔진의 기본 원리는 뉴턴의 제3법칙입니다. 기본적으로 엔진의 뒷부분에 충분한 힘을 가하면 앞부분을 앞으로 밀어냅니다. 그리고 제트 엔진은 그 일을 정말 잘합니다.
우리가 일반적으로 보잉 여객기에 묶인 '제트' 엔진이라고 부르는 것은 엄밀히 말하면 공기 호흡 제트 엔진이며 터빈 구동 엔진 클래스에 해당합니다. 더 적은 수의 움직이는 부품(최대 없음)을 포함하기 때문에 일반적으로 더 간단하고 더 신뢰할 수 있는 것으로 간주되는 램제트 엔진도 공기 호흡 제트 엔진이지만 램 동력 등급에 속합니다.
둘의 차이점은 램젯은 엔진에 공기를 공급하기 위해 순전한 속도에 의존하는 반면 터보젯은 터빈을 사용하여 공기를 연소실로 끌어들이고 압축한다는 것입니다. 그 외에는 거의 동일하게 작동합니다.
터보제트에서 공기는 엔진 챔버로 유입되고 회전하는 터빈에 의해 압축됩니다. Ramjets는 정말 빠르게 이동하여 압축합니다. 엔진 내부에서는 고출력 연료와 혼합되어 점화됩니다. 공기(따라서 산소)를 농축하고 많은 연료와 섞어 폭발시키면(따라서 배기가스가 생성되고 모든 가스가 열팽창됨) 흡입된 공기에 비해 부피가 큰 반응 생성물을 얻게 됩니다.
이 모든 가스 덩어리가 통과할 수 있는 유일한 장소는 엔진의 뒤쪽 끝으로, 극한의 힘을 가합니다. 가는 길에 터빈에 동력을 공급하여 더 많은 공기를 끌어들이고 반응을 지속시킵니다. 그리고 부상에 대한 모욕을 더하기 위해 엔진의 뒤쪽 끝에 추진 노즐이 있습니다.
이 하드웨어 조각은 모든 가스가 처음에 들어온 것보다 훨씬 더 작은 공간을 통과하도록 하여 물질의 '제트'로 더욱 가속화합니다. 배기 가스는 음속의 최대 3배에 달하는 놀라운 속도로 엔진을 빠져나와 비행기를 앞으로 밀어냅니다.
비공기 호흡 제트 엔진 또는 로켓 엔진은 연소를 유지하기 위해 외부 재료가 필요하지 않기 때문에 앞부분이 없는 제트 엔진처럼 작동합니다. 필요한 모든 산화제가 연료에 포장되어 있기 때문에 우주에서 사용할 수 있습니다. 고체 연료를 지속적으로 사용하는 몇 안 되는 엔진 유형 중 하나입니다.
열기관은 엄청나게 클 수도 있고 아주 작을 수도 있습니다. 하지만 소켓만 있고 물건에 전원을 공급해야 한다면 어떻게 될까요? 글쎄, 그 경우에는 다음이 필요합니다.

 

3. 전기 엔진

고전적인 전기 엔진에는 자기, 압전 및 정전기의 세 가지 유형이 있습니다.
거기에 있는 배터리와 마찬가지로 자기 배터리가 세 가지 중 가장 일반적으로 사용됩니다. 자기장과 전기 흐름 사이의 상호 작용에 의존하여 일을 생성합니다. 발전기가 전기를 생성하는 데 사용하는 것과 동일한 원리로 작동하지만 그 반대입니다. 사실, 전기-자기 모터를 수동으로 크랭크하면 약간의 전력을 생성할 수 있습니다.
자기 모터를 만들려면 자석과 권선 도체가 필요합니다. 권선에 전류가 가해지면 자석과 상호 작용하여 회전을 생성하는 자기장을 유도합니다.
이 두 요소를 분리하는 것이 중요하므로 전기 모터에는 두 가지 주요 구성 요소가 있습니다. 고정자는 엔진의 외부 부품이고 움직이지 않고 유지되고, 회전자는 내부에서 회전합니다.
둘은 에어 갭으로 분리됩니다. 일반적으로 자석은 고정자에 내장되어 있고 도체는 회전자에 감겨 있지만 둘은 서로 바꿔 사용할 수 있습니다. 자기 모터에는 회전자가 회전을 유지하기 위해 회전할 때 전기 흐름을 이동하고 유도 자기장을 조절하는 정류자가 장착되어 있습니다.
압전 드라이브는 작업을 생성하기 위해 전기의 흐름을 받을 때 초음파 진동을 생성하는 일부 재료의 특성을 이용하는 엔진 유형입니다. 정전기 엔진은 유사 전하를 사용하여 서로 반발하고 로터에서 회전을 생성합니다.
첫 번째는 값비싼 재료를 사용하고 두 번째는 비교적 높은 전압을 실행해야 하기 때문에 마그네틱 드라이브만큼 일반적이지 않습니다.
고전적인 전기 엔진은 에너지의 최대 90%를 일로 변환하는 모든 엔진 중 가장 높은 에너지 효율을 가지고 있습니다.

 

 

4. 이온 드라이브 엔진

이온 드라이브는 일종의 제트 엔진과 정전기 엔진을 혼합한 것입니다. 이 종류의 드라이브는 추진력을 생성하기 위해 전하를 사용하여 이온(플라즈마)을 가속합니다. 우주선 주위에 이미 이온이 있으면 작동하지 않으므로 진공 공간 밖에서는 쓸모가 없습니다.
그들은 또한 매우 제한된 전력 출력을 가지고 있습니다. 그러나 그들은 전기와 개별 가스 입자만을 연료로 사용하기 때문에 우주선에 사용하기 위해 광범위하게 연구되었습니다. Deep Space 1과 Dawn은 이온 드라이브를 성공적으로 사용했습니다.
그럼에도 불구하고 이 기술은 이러한 드라이브가 남긴 전자 흔적이 전체 성능에 부정적인 영향을 미치기 때문에 소형 선박 및 위성에 가장 적합한 것으로 보입니다.

 

5. EM 드라이브 엔진

EM/Cannae 드라이브는 마이크로파 공동에 포함된 전자기 복사를 사용하여 추력을 생성합니다. 아마도 모든 유형의 엔진 중에서 가장 특이한 것일 것입니다. 제3법칙을 우회하여 추력을 발생시키는 방전을 일으키지 않는 무반동 구동이기 때문에 '불가능한' 구동이라고도 불립니다.
Andrei는 드라이브에 대해 "연료 대신에 조심스럽게 조정된 반사판 세트에서 반사되는 마이크로파를 사용하여 적은 양의 힘을 얻고 따라서 추진제 없는 추력을 달성합니다."라고 보고했습니다.
이 유형의 엔진이 실제로 작동하는지 여부에 대해 많은 논쟁이 있었지만 NASA 테스트에서 기능적으로 건강한 것으로 확인되었습니다. 앞으로 업그레이드도 하고 있습니다. 미미하지만 추진력을 발생시키기 위해 전력만을 사용하기 때문에 우주 탐사에 가장 적합한 드라이브인 것 같습니다.
그러나 그것은 미래의 일입니다. 모든 것이 어떻게 시작되었는지 살펴보겠습니다. 다음을 살펴보겠습니다.

6. 물리 엔진

이 엔진은 저장된 기계적 에너지에 의존하여 작동합니다. 시계 엔진, 공압 및 유압 엔진은 모두 물리적 드라이브입니다.
그들은 매우 효율적이지 않습니다. 그들은 일반적으로 큰 에너지 매장량을 요구할 수도 없습니다. 예를 들어 시계 장치 엔진은 탄성 에너지를 스프링에 저장하고 매일 감아야 합니다. 공압 및 유압 유형의 엔진은 일반적으로 오래 지속되지 않는 무거운 압축 유체 튜브를 운반해야 합니다.
예를 들어, 1860년에서 1863년 사이에 프랑스에서 건조된 세계 최초의 기계식 잠수함인 플롱저는 12.5bar에서 23개의 탱크가 공급하는 왕복 공기 엔진을 탑재했습니다. 그들은 엄청난 양의 공간(153입방 m/5,403입방피트)을 차지했고 4노트로 5해리(9km/5.6마일) 동안 우주선에 동력을 공급하기에 충분했습니다.
그래도 물리적 드라이브는 아마도 처음으로 사용되었을 것입니다. 투석기, 투석기 또는 공성탄은 모두 이러한 유형의 엔진에 의존합니다. 다른 종류의 엔진보다 오래 전에 사용되어 온 사람이나 야수 동력 크레인도 마찬가지입니다.
이것은 인간이 만든 모든 엔진의 완전한 목록이 결코 아닙니다. 생물학도 드라이브를 생산했으며 우리가 본 것 중 가장 효율적이라는 것은 말할 것도 없습니다. 하지만 이 모든 내용을 읽으면 이 시점에서 연료가 바닥날 것이라고 확신합니다.