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[기계공학] 엔진성능 평가B괜찮아요

1. 요구되는 성능엔진에는 여러 가지 성능이 요구된다. 각각의 성능은 복잡하게 얽혀있고, 당연한 것은 자동차의 성능과 깊은 관계가 되고 있다는 것이다. 게다가 시대와 함께 그중에 어떤 성능이 특히 중요한 것인지는 변화하여 간다. 그러나, 엔진이라는 동력원이 있어 처음으로 자동차가 성립된 것을 생각하면, 그 성능이라는 것과, 얼마만큼의 동력이 나오는가 하는 출력이 무엇보다도 중시되는 것으로 변화하지는 않을 것이다. 다만, 그것에는 가능한 한 연료를 많이 사용하지 않고, 라는 조건이 붙는다. 예전부터는 엔진에 많은 일을 시키기에는, 거기에 알맞은 연료가 있는 것이 당연한 것으로 되고 있다. 그러나, 최근에는 엔진의 효율을 올리는 것에 의해 연비와 출력의 양립이 계획되는 식으로 되어가고 있다. 엔진의 연소효율을 좋게 하는 것은, 동시에 배기정화에 연결된다. 배기중의 세가지 주된 유해성분 가운데, 일산화탄소와 탄화수소는 이론상 가솔린이 완전연소한다면 없어지는 것이 당연히 생길 것이기 때문이다.또 하나 질소산화물의 처리는 메이커에 따라 중요한 연구 과제로 되고 있다.엔진이 자동차 중량의 10∼15%를 차지하고 있는 것을 생각하면, 출력과 연비를 양립시키는 또 하나의 방법은 엔진을 컴팩트하게, 가볍게 하는 것이다.같은 출력에 엔진이 가볍게 된다면, 자동차로서는 파워-업 한 것과 동일한 효과가 얻어지는 때문이다. 엔진이 경량, 컴팩트하게 되면 자동차의 운동 성능도 변화하여 간다. 자동차가 우수한 조종성을 나타내기 위해서는 차체가 가볍고, 중량 배분은 전후 50:50 에 가까운 것이 바람직하지만, 여기에 조금이라도 근접하는 것이 좋은 것이다.엔진은 고출력과 동시에 파워가 운전자의 의도대로 사용되는 특성을 갖고 있다고 말하는 것도 중요하다. 예를 들면 액셀러레이터를 밟을 때에 운전자가 예상한 이상의 파워가 나오는 식의 엔진은 안전성상 좋지 않다.그 밟는 가감에, 엔진이 어떤식으로 반응하는가 라고 하는 리스펀스도 운전에 큰 영향이 있다. 엔진은 연소가스의 폭발적인 팽창력에 의해은 우수하다고 말하고 있는 것이 우선 생각된다. 힘은 kg으로 표시되지만, 자동차는 최종적으로 타이어를 회전시키는 회전력으로 생각하는 편이 편리하므로, 힘의 크기에 회전 중심으로부터의 힘이 걸리는 점까지의 길이를 곱하여 얻어지는 것, 즉 토크로서 kg m를 단위로 하여 다루는 것이 보통이다. 요컨대 토크의 크기는 엔진 성능을 판단할 때의 목표중 하나라는 것이다.다음으로 엔진성능이라고 말하면, 큰 힘이 얻어질 뿐만 아니라, 그 힘에 따라 어떤 시간내에 얼마만큼 일이 가능한가가 중요한 요소로 생각된다.이 일량은 출력이라고 불려지고 있어, 단위시간에 얼마만큼의 일을 하는가의 목표로서 마력이라고 하는 단위를 사용하고 있다.`3. 출력표시방법일반적으로 엔진 성능 가운데 최고로 중시되는 것은 출력(파워)이다. 신형차에 새로운 엔진이 탑재되고 있다고 들을 경우, 몇 마력인가? 라고 묻는 경우가 많다. 이 마력이라고 하는 것은 일효율, 요컨대 단위 시간에 행해지는 일의 양을 표시하는 단위로, 자동차용 엔진은 이 일효율이라는 것을 동력 또는 출력으로 부르는 것이 보통이다. 최초로 이 개념을 생각한 것은 증기기관의 발명으로 유명한 영국의 와트로, 몇종류인가의 증기기관 동력성능을 비교할 목적의 단위로서 마력의 기호에는 영어의 Horsepower를 약자로 HP로, 독일어의 Pferdestarke 로부터 온 PS 가 있어 혼동하기 쉽지만, PS가 사용되는 쪽이 많다. 계량법으로는 이 PS를 사용하여도 좋은 것으로 되고 있지만, 정식으로는 SI 단위의 W (와트) 로 표시하는 것으로 되어 있어, 1PS는 735.4W이다. 100PS가 73.5kW, 100kW가 136PS로 일컬어진다는 뜻이다. 그런데, 이 출력이라는 것이, 카타로그를 잘 보면, PS/rpm의 앞에 (네트) 또는 (그로스) 로 기입되어 있는 것이 있다. 엔진의 출력이라고 하는 것은 계측용의 장치에 엔진을 세팅하여 측정하는 것이므로, 측정 조건에 따라 변화되는 것은 물론, 계측할 때마다 산포가 있다. 그래서, 일부에서는 기로 가솔린을 연소시키면 그것만으로 발열량이 커지고, 힘을 낸다고 하는 의미이다. 그래서, 엔진에 들어가는 공기량과 엔진 회전수와의 관계를 생각해보면, 엔진 회전이 느린 것은 피스톤의 움직임이 늦고, 흡입하는 힘이 약하면 공기량이 적고, 역으로 엔진 회전이 높은 것은 피스톤의 움직임이 빨라 공기가 들어가려 하는 사이에 흡기 밸브가 닫혀버리기 때문에, 이것 역시 실린더에 들어가는 공기량이 적다. 요컨대 토크 커브라고 하는 것은 기본적으로 엔진 회전수에 대하여 山 모양의 곡선이 된다는 의미이다. 예를 들면, 이 산의 피크가, 엔진 회전수가 낮은 2500rpm에 있는 엔진과, 높은 5000rpm에 있는 엔진이 탑재된 차량으로 비교하면, 회전수가 낮은 곳에 피크가 있는 엔진은 시가지에서 엔진을 그다지 회전시키지 않는 상태에서 사용할 때에는 달리기 쉽지만, 고속도로에서 엔진이 빠르게 회전하고 있을 때에 더욱 더 액설러레이터를 밟아도 가속이 나쁘다고 느낀다.역으로 피크가 높은 곳에 있는 엔진은 고속주행에는 힘껏 가속하지만, 일반 주행에서 엔진을 회전시키지 않고 달리면 우물쭈물한 주행이 되어, 활달하게 주행하고자 한다면 낮은 기어를 사용하여 항상 엔진 회전수를 높게 유지할 필요가 있다.5.출력성능과 연비성능엔진의 출력은 일률, 요컨대 단위 시간에 행해지는 일량이 많을수록 크기 때문에, 실린더의 용적이 클수록, 피스톤을 누르는 힘이 클수록, 더욱 더 그 사이클이 가능한 한 빨리 회전될수록, 큰 출력이 얻어진다. 엔진의 크기는 배기량으로 표시하는 것이 보통이다. 피스톤이 하사점으로부터 상사점에 도달하는 사이에 배출하는 기체의 양을 그 실린더 배기량이라고 하고, 엔진 각 실린더의 배기량을 합계한 것이 그 엔진의 총배기량이다.배기량은 실린더의 직경으로부터 계산된 단면적에 상사점으로부터 하사점까지의 길이를 곱하여 구하고, cc로 표기되는 것이 보통이지만 ℓ로 표시되는 것도 있다. 총배기량이 크면 그만큼 많은 가솔린과 공기를 흡입하여 연소하는 것이 가능하기 때문에, 엔진의 출력이 커 연소 및 팽창행정에서 실린더 벽면 등으로 빠져나가는 열손실을 줄인다.- 펌핑손실 저감흡배기 가스교환시 교축저항과 관내에서의 손실을 저감한다. 희박연소나 EGR을 적극 이용하는것도 도움이 된다.- 연소개선연소실에서 연소되어 팽창된 가스가 피스톤을 밀어내는 작용을 하는데는 연소기간이 짧을수록 효과적이며, 연료의 미립화로 공기와 연료가 적절히 혼합되면 미연소연료가 줄어들어 연소효율이 증가한다.-압축비의 증가이론열효율은 기본적으로 압축비와 비열비만의 함수이므로, 압축비의 증가는기관열효율 증가에 매우 효과적이다. 그러나, 압축비를 너무 높이면 이상연소가 생기기 쉬으므로 이에대한 대책이 필요하다.가솔린엔진의 경우는 고옥탄가 연료사용, 점화플러그 연소실중심 위치, 콤팩트한 연소실, 흡기온도 감소 및 난류형성이 효과적이며, 디젤엔진의 경우는 고세탄가 연료사용, 흡기온도의 증가, 연료분사의 미립화, 완전연소를 위한 부연소실 또는 피스톤 상면 캐비티 개량등의 방법이 있다.2) 충진효율의 향상- 멀티밸브화종래의 4행정엔진은 보통 흡,배기밸브가 각각 1개씩이었기 때문에 엔진이 고회전화되면 흡입구가 협소하여 충진효율이 떨어지고, 밸브계의 관성질량이 무거워 고회전화에 어려움이 있었다. 그러나 흡기밸브를 2개이상, 배기밸브를 2개로 하면 고회전시의 짧은 흡배기 기간내에서 통로 단면적증가로 충진효율이 향상 된다.- 과급주어진 행정체적에서 체적효율을 높이는데에는 한계가 있으므로, 실린더내에 공기를강제로 압축하여 충진하여 공기의 밀도를 높이는 것이 과급이다. 과급의 방법에는배기가스의 속도에너지를 이용하여 터빈을 돌려 흡기를 압축하는 터보차저방식과 기관의 회전력을 이용하여 압축기를 구동하는 수퍼챠저방식이 있다.- 가변흡기시스템각 실린더로 공급되는 흡기다기관의 일부를 고속용과 저속용 2개의 통로로 분리하여각각 관직경 또는 관길이를 부압이나 스텝모터를 이용하여 기관회전수에 맡게 절환하는 시스템이다. 저속영역에서는 가늘고 긴 흡기관으로 하여 흡기맥동을 충분히 이용하고, 고속영역에서는 굵고 짧은 흡으로 같은 배기량인 엔진의 경우, Short Stroke 쪽이 보다 큰 출력이 얻어지는 Potential(잠재성)을 가지고 있다. 이것은 Short Stroke이고 보아가 커서 밸브경을 크게하는 것이 가능한 것과, 피스톤 스피드를 올리지 않고, 엔진을 고회전화 가능하다는 2가지 이유에 따른 것이다. 우선 보아에 대해서 말하면, 실린더에 출입하는 가스량은 밸브경과 그 열리는 쪽 (Valve Lift) 이 클수록 많다. 흡입하는 가스가 많다고 하는 것은 그만큼 가솔린을 많이 연소시키는 것이 가능하기 때문에 출력도 크게 된다. 게다가 밸브경이 크면 그만큼 리프트량을 작게 하는 것이 가능하고, 고속회전시의 밸브 운동량이 작게 되어버린다. 단 저속회전에는 흡기 포트가 커지면 흡입되는 혼합기의 유속이 늦게 되어, 가스가 빠르게 움직이는 만큼 잘 연소된다고 하기 때문에, 연소라고 하는 관점에서 보면 바람직하지 않다. 피스톤 스피드에 대해서 보면, 엔진회전수가 같은 경우 스트로크가 길다면 피스톤도 그만큼 빠르게 상하로 움직이지 않으면 안된다.그래서 그 속도에도 한계가 있다. 피스톤과 실린더 사이는 오일로 윤활되고 있지만, 피스톤 스피드가 빠르게 되면 윤활이 따르지 못하게 된다든지, 피스톤의 관성력이 크게 되어 무리가 오게 된다. Short Stroke라면, 같은 피스톤 스피드라도, 더욱 회전을 올리는 것이 가능하다. 현재의 승용차용 엔진 평균 피스톤 스피드는 1초에 15∼22mm 정도이다.이렇게 한 것으로부터, 일반적으로 말하면 고회전에 고출력을 지향하는 스포츠 타입 엔진도 Short Stroke이든지 Square이고, 어느쪽인가 말하자면 실용성을 중시하는 엔진은 Long Stroke인 것이 많다.7.압축비와 출력엔진 출력을 높이는 수단에는, 실린더로의 공기 흡입량을 증가시키는 것과, 엔진회전수를 많게 하는 것외에, 흡입된 혼합기를 가능한 한 압축시켜 열효율을 좋게 한다는 등의 방법이 있다. 피스톤이 상사점에 있을 때, 피스톤 상면 (피스톤 헤드) 과 그 위에 있는 흡배기밸이다.

공학/기술| 2002.05.22| 13페이지| 1,000원| 조회(768)

가솔린, 토크, 엔진성능, 연소성능, 출력성능

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