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엔진 본체 및 구조

엔진 본체의 형상은 작동 방법(4사이클, 2사이클), 실린더의 배치(직렬형, 수평형, V형) 등에 의해 어느 정도 다르지만, 그래도 가장 많이 쓰이는 직렬형으로 4또는 6실린더의 엔진에 대해서 설명하고자 합니다. 
엔진 본체는 실린더 헤드, 실린더, 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크축, 플라이휠, 캠 축, 밸브 및 밸브 기구 등으로 구성되어 있습니다. 이 밖에 엔진 본체는 윤활 계통의 유로, 냉각계통의 수로, 흡배기 계통의 통로 등이 설치되며, 외부에는 연료, 시동, 예열, 충전의 각 장치가 장치되어 있습니다. 또한 디젤 엔진의 에너지 발생부가 되는 연소실은 실린더 헤드, 실린더 라이너 및 피스톤 헤드부로 둘러 싸인 부분을 말하며 압축행정에서 발생한 고온고압의 공기 중에 연료가 분사되며, 착화 연소하여 고압가스가 되어 피스톤을 밀어내립니다. 이와 같은 피스톤의 왕복운동은 컨로드, 크랭크축에 의해 회전운동으로 바뀌어 집니다. 

엔진구조-단면도설명
엔진 구조

엔진 본체의 단면도

 

실린더 헤드 및 실린더 헤드 개스킷

실린더 헤드는 일반적으로 주철 제로 만들어 피스톤 헤드부와 함께 연소실의 일부를 형성하는 중요한 부분이며, 그 내부에는 냉각수를 통하기 위한 워터 재킷이 설치되어 있으며, 외부에는 흡기 매니폴드, 배기 매니폴드, 밸브 기구, 노즐 등이 장치되어 있습니다. 또한 실린더 헤드 윗면에는 밸브 기구를 보호하기 위한 헤드 커버가 장치되어 있으며, 실린더 블록과의 기밀을 좋게 하기 위하여 실린더 헤드 개스킷을 집어넣도록 되어 있습니다. 실린더 헤드는 연소실의 일부를 형성하며 확실한 연소가 이루어짐과 동시에 직접 연소에 의한 폭발력을 받아 열변형을 일으키기 쉬우므로 각부의 온도차를 가능한 한 작게 하여 충분한 냉각이 이루어질 수 있는 기능을 가지고 있어야 합니다.

실린더 헤드 개스킷의 구조와 기능 

실린더 헤드 가스켓은 고온, 고압을 받으면서 연소가스의 블로 바이를 방지하고 물이나 오일을 밀봉해야 하므로 충분한 내열성, 내구성이 요구됩니다. 특히 실린더 헤드 개스킷은 높은 성능이 요구되며 디젤 엔진은 강철제의 개스킷을 많이 사용하고 있습니다. 

 

실린더-헤드-단면도
실린더 해드

실린더 헤드의 단면도 

 

실린더 블록 및 실린더 라이너  

실린더 블록은 일반적으로 특수주철제입니다. 내부에는 냉각수 및 윤활유의 통로가 있어 복잡하지만, 실린더 내에 있어서 연소실의 고 압력이나 회전 시의 진동 등에 충분히 견디는 강도를 가지고 있으며 상부에는 실린더 헤드, 하부에는 오일 팬이 장치되어 있습니다. 실린더에는 실린더 블록과 일체로 주조되어 있는 것과 실린더 라이너를 사용한 것이 있으나, 디젤 엔진에서는 실린더 라이너를 사용하는 것이 많습니다. 실린더 라이너를 사용하는 이점은 실린더 블록의 주철과는 별도의 재료나 주조 방법을 사용하여 내마모성이 좋은 것을 사용할 수 있는 점과 정비하기 쉬운 점이 있습니다. 실린더 블록은 엔진의 골격이 되는 부분이며 블록의 내부에는 크랭크 축, 캠 축 등을 메탈을 사용하여 지지하며 상부에는 실린더 헤드를 하부에는 오일 팬을 부착하여 엔진의 주요 부분을 구성하는 역할을 하고 있습니다. 또 블록 각부를 관통하고 있는 통로는 냉각수 및 윤활유의 순환 경로의 역할을 하고 있습니다. 실린더 라이너는 실린더 헤드, 피스톤과 더불어 연소실을 형성하는 외에 피스톤이 원활하게 상하운동하기 위한 실린더 역할을 하고 있습니다. 또한 엔진 작동 중, 연소 행정에서 발생하는 열을 적절히 방산하는 역할도 하고 있습니다. 

 

피스톤 및 피스톤 링 

피스톤은 피스톤 핀을 거쳐서 컨로드에 연결되어 압축 압력이나 폭발압력을 받으면서 실린더 내를 왕복한다. 따라서 강도가 충분하고 관성력도 작으며 방열이 잘 되는 알루미늄 합금 피스톤이 사용됩니다. 알루미늄 합금 피스톤은 경량으로 열전도가 잘 되므로 고속 회전에 적합하지만, 반면에 열팽창계수가 크기 때문에 피스톤 보스 방향의 직경이 그 직각 방향의 직경보다 작은 타원형의 피스톤이나 스커트부의 직경이 크며, 피스톤 헤드에 가까워질수록 작아지는 원추형의 피스톤이 사용되고 있습니다. 
디젤 엔진의 피스톤 헤드 부는 연소실이 일부를 형성하고 있으며, 또 분사된 연료에 와류를 일으키기 위하여 여러 가지 형상이 고안되고 있습니다. 
피스톤 링은 디젤 엔진의 연소실에서 고압축을 하므로 충분한 기밀유지를 할 필요가 있으며, 여러 가지 형상의 링이 사용되고 있으나, 각각의 형상의 특성을 조합시켜 사용하며 일반적으로 압축링 2~3개와 익스팬더 붙임 오일 링 1개로 구성되어 있습니다. 
압축 링의 단면 형상에 의한 특성은 아래와 같습니다. 
플레인형은 가장 기본적인 링 형상이며 기밀성과 열 전도성이 뛰어납니다. 배럴 페이스형은 접동면이 원호 모양으로 되어 있기 때문에 초기 길들임시의 이상마모를 방지할 수 있는 특징이 있으며, 톱 링에 많이 사용됩니다. 
테이퍼 페이스형은 접동면이 테이퍼형으로 되어 있기 때문에 실린더벽에는 선 접촉이 되기 쉽고, 길들임이 용이하고, 오일을 긁어내는 성질이 좋으며 기밀성에도 뛰어납니다. 톱, 세컨드, 서드 링으로 많이 사용되고 있습니다. 
피스톤형은 측면에 테이퍼가 있으며, 링 홈에도 테이퍼 가공이 되어 있는 특수한 링이며, 특히 고 하중의 디젤 엔진의 톱 또는 세컨드 링에 사용되고 있습니다. 

컨로드-연결-부품
컨로드연결

피스톤 & 피스톤링의 그림

디젤 엔진의 연소과정 

고압축으로 고온이 된 공기 중에 분사된 연료는 스스로의 자연발화에 의해 연소를 시작합니다. 착화를 일으키기 쉽게 하기 위해서는 분사된 오일 방울이 휘발하여 가연성의 혼합기를 만들 필요가 있습니다. 가솔린 엔진에서는 혼합기가 전기불꽃에 의해 점화된 다음에 몇 가지 과정을 경유하여 연소하는 것과 마찬가지로 디젤 엔진에 있어서 연료의 연소과정에도 다음과 같이 4단계의 단계가 있습니다.

 

1기 착화 지연 기간 ( 연소 준비기간 )

2기 화염 전파 기간 ( 정용연소기간 )

3기 직접 연소 기간 ( 정압연소기간 )

4기 후기 연소 기간 ( 애프터 번 기간 )

 

디젤 엔진 노크(노킹)

발생 원인 

 

디젤 노크란 앞에서 설명한 화염전파 기간에 있어서 급격한 압력 상승이 일어나면 실린더나 피스톤 등은 충격을 받아, 쿵쿵하고 딱딱한 것을 두드리는 소리를 발생하며 운전이 혼란해지고 출력도 저하되는 증상을 말합니다. 이 형상의 원인은 화염전파 기간에 급격한 압력 상승이 일어나는 것이 원인이며, 이 원인은 착화 지연기간이 긴 것이 원인이 됩니다. 

착화 지연이 길어진다는 것은 연료가 분사된 다음에 연소를 개시할 때까지의 고온의 공기 중에 체류하고 있는 시간이 긴 것을 의미합니다. 이와 같은 경우에는 분사된 연료 입자의 대부분이 휘발하여, 가연 혼합기를 대량으로 생성합니다. 이와 같은 상태에 이른 다음에 착화가 일어나면 그 연소는 매우 급격 해지며, 그것에 따라 압력 상승도 급격해집니다. 

 

 

디젤 노크의 방지법

 

디젤 엔진에 있어서 노크에 관계된 원인을 설명하면 다음과 같습니다. 

연료의 종류, 압축비, 분사량, 연소실의 형상, 연료의 분사 시간, 분무 상태, 회전수, 엔진의 부하, 냉각장치 둥.

 

연료의 종류는 실린더 내에 분사된 다음에 발화 연소하기까지에는 연료 자체의 성질로서 어떤 시간을 필요로 합니다. 이 시간을 착화 지연기간이라고 하며, 연료에 따라 크게 달라집니다. 따라서 노크를 방지하기 위해서는 착화 지연기간이 짧은 이른바 착화성이 좋은 연료를 사용할 필요가 있습니다.  

압축비는 압축비를 크게 하면 압축 온도나 압력이 각각 높아져서 노크 방지에 도움이 됩니다. 그러나 압축비를 너무 크게 하면 엔진의 기동 토크가 증대하여 연소 최고 압력이 높아지며 기계효율도 반대로 저하하게 되므로 일정 한도 이상 높이는 것을 오히려 엔진에 무리가 갑니다. 

연료의 분사량은 분사 개시 시의 분사량을 적게 하면 맨 처음에 착화하는 연료가 적어지므로 압력 상승도 급격하지 않아서 노크를 적게 할 수 있습니다. 착화 연소를 개시한 후에 분사되는 연료는 연소실 내가 이미 고온으로 되어 있으므로 즉시 착화하게 됩니다. 따라서 분사 개시 시에 분사량을 교축하여 착화 후, 대량의 연료를 분사하면 해결되며 노즐의 구조에 따라 필요로 하는 성능을 부여할 수 있습니다. 

연소실의 형상은 착화 지연기간을 짧게 하여 급격한 압력 상승을 방지하기 위하여 각종 형상의 열 손실이 있으며, 현재 사용되고 있는 것에는 예비연소실식, 와류실식 및 직접분사식이 있습니다. 분사 시기에 대해서는 어느 정도 이상 진행하여도 착화가 일어나는 시기도 한도가 있으며, 엔진의 온도가 낮은 경우, 회전수가 늦은 경우 등에는 압축 온도가 저하하여 착화 지연 기간이 길어지게 되며, 노크를 일으키기 쉽게 됩니다. 

노즐보디-노즐팁-구조
노즐보디노즐팁

위 그림은 저속 디젤 엔진에 사용되는 FULE INJECTION VALVE입니다. 동그라미 쳐져 있는 노즐팁이 실린더 내부로 연료를 분무해주는 아주 중요한 부품입니다. 노즐팁의 분무할 수 있는 구멍의 개수, 크기, 각도, 형상에 따라서 엔진의 출력이 차이가 나게 됩니다. 

엔진의 출력 및 실린더 체적에 따라 노즐의 결정됩니다. 

해드제거-피스톤사진
해드제거

위 사진은 엔진 피스톤이 상사점에 도달하였을 때의 사진입니다. 실린더 위에 실린더 햇드가 장착이 되며, 

  주위의 볼트들이 실린더 햇드를 고정시켜줍니다. 

 

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