Internal Combustion Engine I.C. Eng.

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1 Internal Combustion Engine I.C. Eng.
내연기관(內燃機關) Internal Combustion Engine I.C. Eng. 내연기관을 사랑하는 여러분 환영합니다. (교재) : 신편 내연기관 한영출, 김동진 공저, 문운당 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

2 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
내연기관 강의 진도 계획표 1-2 주 : 제1장 총론 3-4 주 : 제2장 Cycle 해석 5-7 주 : 제3장 기관의 성능 8 주 : 중간고사 9 주 : 제4장 연료 및 연소 10주 : 제5장 흡-배기 계통 11주 : 제6장 유해 배기가스 12주 : 제7장 냉각 및 윤활 13주 : 제8장 전자제어 분사 14주 : 제9장 신에너지기관 15-16주 : 보강 및 기말고사 [학습평가방법] 중간고사=30%, 기말고사=30% 출석=20%, 과제물=20% [과제물 내용] Otto, Diesel, Sabathe 의 이론열효율,일량, 평균유효압력 공식 유도과정(7주) 2. 기관의 성능에 관련된 공식을 이용한 예제 2개씩 풀이(15주에 제출) HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

3 내연기관(Internal Combustion Eng.)
제1장 총론 : 1. 내연기관의 개요 원동기 Prime Mover 열기관(Heat Engine) 냉기관(Cold Engine) 내연기관(Internal Combustion Eng.) 열기관 Heat Engine 원동기 = 자연의 에너지(화력, 풍력, 수력 등)를 이용하여 인간이 사용하기에 편리한 형태인 기계적 에너지, 즉 동력을 발생시키는 장치를 통틀어서 원동기라 하며, 그 중 열에너지로부터 동력을 얻는 기계를 열기관, 풍력이나 수력으로부터 동력을 얻는 기계를 냉기관이라 한다. 열기관 = 열에너지를 이용하여 동력을 발생시키는 장치 내연기관 = 연료를 연소시켜 열을 발생하는 장치와 고온, 고압의 동작유체를 팽창시켜 기계적 일로 바꾸는 장치를 1 실에서 겸용하도록 만든 기관 외연기관 = 연료를 기관 외부에서 연소시키고, 동작유체를 기관으로 유도하여 기계적 일을 발생하는 기관 외연기관(Outernal Combustion Eng.) 내연기관의 분류, 기본구조, 작동원리, 특징 및 기본용어 등을 알아야 한다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

4 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
Diesel Engine HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

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Gasoline Engine : GDi HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

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선박용 대형 Diesel Engine HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

7 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
                                                                                                                                                       Diesel Engine의 단면도 구조, 명칭을 알아 노면 좋을 거야…! 대형 Diesel Engine의 구조 파악 : 연료, 윤활유, 냉각수, 흡기 및 배기 계통 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

8 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
터빈기관과 왕복동기관의 구조 비교 회전기관과 왕복동기관의 작동원리는? Gas Turbine Engine(상부)과 왕복동기관(4행정)의 구조 및 작동과정 비교 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

9 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
4행정기관과 2행정기관의 작동과정 비교 4행정 가솔린기관과 2행정 가솔린기관의 작동과정 비교 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

10 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
2 Cycle Engine 작동원리 작동원리를 정확히 이해하세요… Crank Chamber를 Scavenging Chamber로 이용하는 2행정기관의 작동원리 파악 공기흡입(1) – 소기(4) – 압축(2) – 팽창 후 배기(4) 제1행정 = 소기 + 압축, 제2행정 = 팽창 + 배기 ---- 행정이 2개이므로 2행정기관이라고 한다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

11 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
4 Cycle Engine 작동과정 4행정기관의 작동과정 파악 (1) 흡입행정 (2) 압축행정 (3) 팽창행정 (4) 배기행정 ---- 행정이 4개 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부 Expansion Stroke

12 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
4 Cycle Engine의 작동 안 돼 이까이꺼 뭐 대---충 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

13 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

14 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
4 Cycle – 4 기통 기관에서 각 기통의 역할 4 cycle – 4기통 엔진 작동과정에서 각 실린더의 기능을 파악한다. 실린더 번호는 우측에서 좌측으로 : 로 하면 : 1번 = 배기 초, 2번 = 팽창 초, 3번 = 흡입 초 , 4번 = 압축 초 이 경우 폭발순서 : 좌측에서 우측으로 : 로 하면 : 1번 = 흡입 말, 2번 = 압축 말, 3번 = 배기 말, 4번 = 팽창 말 폭발순서 : HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

15 Crank Pin Bearing Cap의 종류
Connecting Rod의 구조 파악 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

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Piston Head Compression Ring Oil Ring Piston Pin Snap Ring Piston Boss Piston Skirt Connecting Rod HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

17 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
Valve 구동 방식 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

18 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
2. 내연기관의 분류 2.1 동작방법에 의한 분류 4행전기관(4 cycle engine) 2행정기관(2 cycle engine) 2.2 점화방법에 의한 분류 전기점화기관(spark ignition engine) 소구기관(hot bulb or semi-diesel eng. 압축점화기관(compression ignition eng. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

19 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
3. 사용연료에 의한 분류 가스기관(gas engine) 2) 가솔린기관(gasoline engine : SI Eng) 3) 석유기관(kerosene engine) 4) 경유기관(light oil engine) 5) 중유기관(heavy oil engine) 6) 다종연료기관(multi-fuel engine) 7) 특수연료기관 가스기관 = LPG, CNG 디젤기관 = 경유, 중유 다종연료기관 = 2종류 이상의 연료를 사용할 수 있도록 고안된 기관 특수연료기관 = 특수농축연료 : 항공기관, 고체연료나 액체수소 : 로켓기관 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

20 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
4. 급열과정에 의한 분류 정적사이클기관(constant volume cycle engine : otto cycle eng.) 2) 정압사이클기관(constant pressure cycle engine : diesel cycle eng.) 3) 혼합사이클기관( mixed cycle engine : sabathe cycle eng.) 1) Otto Cycle = SI Eng. 2) Diesel Cycle = 대형-저속 디젤기관 3) Sabathe Cycle = 소형-고속 디젤기관 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

21 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
5. 동작에 의한 분류 단동기관(single acting engine) 복동기관(double acting engine) 대향기관(opposite piston engine) HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

22 6. Piston 연결방법에 의한 분류 트렁크 피스톤기관(Trunk Piston Engine)
2) 크로스헤드형 기관(Cross Head Engine) Trunk Piston Type = Piston + Connecting Rod + Crank Shaft Cross Head Type = Piston + Piston Rod + Cross Head + Connecting Rod + Crank Shaft Trunk Piston Type = Piston + Connecting Rod + Crank Shaft Cross Head Type = Piston + Piston Rod + Cross Head + Connecting Rod + Crank Shaft HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

23 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
7. 기구학적 분류 왕복기관 회전기관(Gas Turbine) 3) 회전 피스톤기관(Rotary Eng.) 4) 분사기관(Jet, Rocket) HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

24 내연기관의 특징(Characteristics of IC Engine)
소형, 경량이다 마려당 중량이 크다 가속성이 양호하다 연소실이 작아 열효율이 높고, 경제적이다 시동, 정지 및 속도의 조정이 용이하다 매연이 적다(완전연소에 접근한 경우) 장점 진동, 소음이 크다 : 완복운동과 압력변화가 크므로 자력시동이 안되므로, 시동장치(starting motor)가 필요하다 원활한 저속운전 곤란, 관성차(fly wheel) 필요 연소가스가 고온-고압이므로 각 부의 부식, 마모가 심하다. 저질연료의 사용이 곤란하다 운전에 숙련도가 요구된다. 단점 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

25 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
내연기관의 기본용어 상사점(Top Dead Center) : TDC, 상한점) , 수평기관에서는 내사점 하사점(Bottom Dead Center : BDC, 하한점), 수평기관에서는 외사점 행정(Stroke : L) : Down-Stroke, Up-Stroke 시린더 내경(Cylinder Bore or Diameter : D) 행정-내경 비(Stroke-Bore Ratio : = L/D 행정체적(Stroke Volume : Vs ) 총 행정체적(Total Stroke Volume : Vs 간극용적(Clearance Volume : Vc ) 연소실 용적(Volume of Combustion Chamber) : 가솔린기관은 간극용적과 동일, 디젤기관은 Piston의 하향운동 중에 연소가 이어지므로 간극용적과 차이가 있다 상사점 간극(Top Clearance : Lc ) 압축비(Compression Ratio : ) : 실린더 전 용적과 간극용적의 비=1+Vs/Vc 피스톤 속도(Piston Speed : Up ) = 2LN/60 [m/s] HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

26 Valve의 개폐시기(Valve Timing)
흡입밸브 열림(SVO) : 상사점 전(BTDC) 20도 흡입밸브 닫힘(SVC) : 하사점 후(ABDC) 40도 배기밸브 열림(EVO) : 하사전 전(BBDC) 45도 배기밸브 닫힘(EVC) : 상사점 후(ATDC) 20도 Valve Overlap = 40도 흡입기간 = 240도, 배기기간 = 245도 Suction Valve가 TDC 전에 열리는 이유 = 배기의 유출관성으로 간극용적 내의 잔유가스를 최소화 Exhaust Valve가 TDC 후에 닫기는 이유 = 상동 Suction Valve가 BDC 후에 닫기는 이유 = 흡입공기의 유입관성으로 실린더 내에 공기를 충만시키기 위함 Exhaust Valve가 BDC 전에 열리는 이유 = 실린더 하부의 열변형을 피하고, Liner에 흡착되어 있는 Lub. Oil의 소손방지 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

27 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
Valve Timing Diagram(밸브 개폐시기 선도) 각 행정을 색깔로 구분해 보세요 팽창 배기 압축 4행정기관 : 흡입, 압축, 팽창, 배기의 순서로 각도 계산해 볼 것. 흡입 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

28 2 cycle engine의 Port Timing
Exhaust Port Open BBDC 60 Scavenging Port Open BBDC 45 Scavenging Port Close ABDC 45 Exhaust Port Close ABDC 60 All Port Type Exhaust Valve Open BBDC 60 Scavenging Port Open BBDC 45 Exhaust Valve Close ABDC 30 Scavenging Port Close ABDC 45 Valve=Exhaust Port = Scavenging 과급(super charging)기간 = 15도 : 과급 2사이클 기관 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

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폭발순서(Firing Order) ※ 폭발순서를 결정할 때의 주의 사항 1) 이웃하는 실린더에 연속적인 폭발이 일어나지 않도록 한다. 2) 폭발이 균등한 크랭크 각도를 지나 일어나야 한다. 3) 크랭크축에 비틀림 진동을 일으키지 않을 것. 4) 기관 전체의 관성력, 관성 모우먼트가 최소로 될 것. 5) 吸ㆍ排氣가 서로 간섭하지 않아야 한다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

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Cycle 위상각 : 4 cycle = 720/실린더 수 2 cycle = 360/실린더 수 [ 6 cylinder 직열 기관의 경우 ] 제1번 crank pin을 상사점(TDC) 위치에 놓았을 때 (3 ,4)번 crank pin의 위치가 우측이면 ⇒ 오른손 식 : F.O. = 좌측이면 ⇒ 왼손 식 : F.O. = 4 cylinder 기관의 경우 : F.O. = or 문제 풀때는 폭발순서를 잘 봐야 되걸랑..! HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

31 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
예제) 4사이클, 4실린더 가솔린기관의 폭발순서가 다음과 같을 때 각각의 실린더는 무슨 역학을 하는가? F.O.= , 단 1번 실린더가 흡입초로 가정한다. [해] 사이클 위상각은 720/4 =180도이지만, 이 각을 반으로 줄여서 찾는 방법을 설명한다. TDC 360도 안에 4기통 모두 그려 넣고, 위상 각을 반으로 줄인 90도 간격으로 각 기통의 폭발순서에 따라 위치를 잡는다. 즉 3번은 1번보다 90도 뒤에, 4번은 3번보다 90도 뒤에, 2번은 4번보다 90도 뒤에 따라오는 것이다. 1번 = 흡입 초 2번 = 압축 초 3번 = 배기 초 4번 = 팽창행정의 초에 있는 것이다. 말 초 중 중 1 배기 흡입 초 말 3 2 초 말 팽창 압축 중 중 4 초 (1,4), (2, 3) piston이 같은 위치로 작동하지만 그 기능은 다르다. 말 BDC HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

32 예제) 4사이클, 6실린더 디젤기관의 1번 기통이 흡입-초일 때 다른
예제) 4사이클, 6실린더 디젤기관의 1번 기통이 흡입-초일 때 다른 기통은 각각 무슨 행정인가? 단 FO = 이다. 사이클 위상각 = 720/6 = 120 도, 모든 기통이 120도 간격으로 행정이 이루어 진다. TDC 1번 기통 = 흡입 초일 때 폭발순서에서 다음 기통인 5번은 1번보다 120도 뒤에 오면서 1번의 위치에 오면 1번과 같은 흡입 초의 행정을 하게 된다. 고로 5번은 배기 중이다. 3번은 5번의 위치에서 배기 중이어야 되므로 팽창-말이다 6번은 3번 위치에서 팽창-말이어야 되므로 팽창-초이다 2번은 6번 위치에서 팽창-초가 되려면 압축-중이 된다 4번이 2번 위치에서 압축-중이 되려면 흡입행정의 말이 되어야 한다. 1, 6 5, 2 3, 4 1번 = 흡입 초 2번 = 압축 중 3번 = 팽창 말 4번 = 흡입 말 5번 = 배기 중 6번 = 팽창 초 BDC (1,6), (5,2) 및 (3, 4) 실린더가 같은 위치로 작동하면서, 그 기능은 다르다. HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

33 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부
압축비(Compression Ratio) : 실린더의 전 용적(행정용적+간극용적)과 간극용적의 비 [예제] 압축비가 7인 SI Engine의 압축비를 9로 조정했을 때 변화된 간극용적은 원래의 몇 % 인가? 즉, 25[%] HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

34 Piston의 행정거리는 Crank 원의 지름과 같으며, Crank 원의 반지름인 Crank Arm 길이의 2배이다
예 제 실린더 직경이 8[cm], Crank Arm의 길이가 4[cm], 상사점 간극이 1[cm]인 SI Eng.의 압축비는 얼마인가? 해 압축비의 공식 공식을 보면 행정거리(Ls)가 필요하다 압축비 Piston의 행정거리는 Crank 원의 지름과 같으며, Crank 원의 반지름인 Crank Arm 길이의 2배이다 HOWON UNIVERSITY VEHICLE/MECHANICAL ENGINEERING 자동차/기계공학부

35 [예제] 실린더의 지름이 10[cm], Piston의 행정거리가 10[cm]인 SI Engine의 회전수가 2400[RPM]일 때 이 기관의 Piston Speed는 얼마인가?
피스톤의 속도 공식을 이용하고 단위는 [m/s] 로 계산한다. Piston Speed : 야..문제 쉽네 나도 풀겠다 어리버리 하지만…..!