내연기관 개요

소개글

내연기관 개요에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 내연기관의 개요
1-1 내연기관의 정의
1-2 내연기관의 발달사
1-3 내연기관의 분류
1-4 각종 엔진종류의 비교
1-5 내연기관의 적용 예
1-6 자동차용 내연기관의 개발 경향
1-7 미래의 엔진

본문내용

산소와 반응해 극소량의 질소 산화물이 생성되지만, 충분히 기술적으로 제어할 수 있기 때문에 이미 수소는 산업용 기초소재에서부터 일반 연료, 자동차, 비행기, 연료 전지 등에 이르기까지 다양한 분야에서 차세대 에너지원으로 평가받고 있다.
수소 자동차의 실용화에 관련된 가장 중요한 문제는 수소 저장 매체이다. 수소와 산소의 반응을 통해 전기를 만들어내는 연료 전지를 사용한다면 저장 방법이 크게 문제가 되지 않으나, 내연기관에 수소를 분사하는 방식의 자동차라면 사정이 다르다. 현재 수소를 저장하는 방식은 물리적으로 압축해 고압상태에서 저장하는 고압 수소 탱크, 액화해 극저온 상태에서 저장하는 액체 수소 탱크, 특수 금속의 가역 반응을 이용한 금속 수소화물(Metal Hydride)탱크 등의 방식이 있다. 고압 수소 탱크는 외부의 작은 충격에도 폭발 위험이 높기 때문에 차량에 탑재하기 힘들다. 로켓 연료로 이용되는 액체 수소는 발열 과정 등에 고급 기술이 필요할 뿐만 아니라 장기간 보관이 힘들고 저장 밀도가 떨어진다. 이런 사정을 고려할 때 가장 가능성이 높은 차량용 수소 저장탱크는 금속 수소화물을 이용한 방식이다.
금속 수소화물은 금속과 수소가 가역적으로 반응해 수소화물(Hydride)이라고 하는 새로운 형태의 화합물을 이루는 것을 말한다. 수소는 적절한 금속을 만나면 금속 내 격자 사이의 공간에 들어가 액체수소보다도 더 밀집된 상태를 이루게 되는데, 금속 수소화물의 부피 당 저장량은 액체 수소 형태의 저장 방법보다 1.5~2배나 높은 것으로 보고 되고 있다. 수소와 결합해 수소화물을 만드는 금속으로는 주기율표상에서 알칼리금속, 알칼리 토금속, 희토류금속, 그리고 전이금속 일부가 수소화물을 이룬다. 여기에 일부 금속상 물질이 합금으로 쓰여 금속 수소화물을 만들게 된다. 티탄(TiH2), 지르코늄(ZrH2), 란탄-니켈합금(LaNi15H6.7) 등으로 수소를 흡수하면, 동일한 부피에서 1000기압으로 압축된 기체 수소 혹은 액체 수소의 2배 정도의 수소의 저장이 가능하다. 이러한 수소화물은 조금만 온도를 높이면 수소 가스를 방출하는데, 이러한 수소 가스의 순도는 대단히 높은 편이다. 이러한 수소를 흡수하는 금속으로는 이외에 마그네슘(Mg), 니오븀(Nb), 바니듐(V), 망간(Mn) 및 이들의 합금이 있다.
자동차용으로 사용될 경우 수소는 천연가스나 석탄 혹은 원자력이나 태양에너지로부터 제조가 가능하다. 수소의 중량은 가솔린의 1/3 정도이나, 보통의 온도와 압력에서는 체적이 액체 가솔린의 약 3000배 정도이므로 자동차의 연료로 활용하기 위해서는 상당히(150배 정도) 압축하여야 한다. 압축 기체나 액체 상태에서 사용할 때의 해결 과제는 천연 가스와 거의 동일하며, 최근에는 고압으로 수소를 금속에 흡착한 수소 저장 합금을 개발하는데 연구를 집중하고 있다. 이론적으로 수소 연료를 연소시키면 물만 발생되는 청정 연료이나, 실제로는 질소산화물(NOx)이 발생되고, 연소 속도가 지나치게 빨라서 역화나 조기 점화가 일어날 가능성이 큰 것이 문제점이다.
1-7-4 층상급기를 이용한 희박 연소 엔진
가솔린 엔진으로 시내 주행을 할 경우 주된 운전 영역인 부분 부하(Part Load)에서의 연비와 배기가스가 저감을 위해, 완성차 업체마다 희박 연소 방식의 엔진에 대한 선행 개발을 진행해 왔다. 현재 국내 대부분의 자동차 업체에서 80년대 후반부터 희박 연소 엔진에 대한 개발이 시작되어 90년대 말에는 일부 양산되고 있다.
엔진에서의 희박 연소란 엔진 흡기 과정 중 상대적으로 많은 양의 공기를 공급하여, 공기 과잉(Excess Air)상태인 공기-연료의 예혼합기(Premixed Mixture)를 연소시키는 메카니즘을 말한다. 공기 과잉 상태의 희박 공연비 상태의 예혼합기는 연소의 관점에서 볼 때, 희박 혼합기로 인한 화염 전파 속도(Flame Propagating Speed)의 저하 요인으로 인하여 상당히 열악한 환경이라고 볼 수 있다. 이러한 불리한 여건에 있는 연소실의 희박 혼합기에 대해 얼마나 안정된 연소를 확보할 수 있는지가 희박 연소 엔진 개발의 성공의 관건이다. 안정된 연소를 얻기 위한 수단으로 현재 널리 적용되는 방식으로는, 점화플러그 주변의 희박한 예혼합기에 화염핵을 형성하기 쉽도록 강력한 점화에너지를 공급하기 위한 점화 코일의 개량, 난류 강도(turbuleace intensity)를 증가시켜 압축 말기 이후에 진행되는 화염 전파 속도를 향상시키는 방법, 연료의 불균일한 분포 즉, 성층급기(Stratified Charge)를 이용하여 초기 화염핵의 형성 및 화염 전파가 잘 되도록 하는 방법 등이 있다. 최근에는 전자 제어의 발달로 인해 압력 센서를 연소실에 장착하여 정밀한 연소 관측을 이용한 제어 방식의 개선을 통한 방법도 채택되고 있는 실정이다. 희박 연소 엔진의 연료소비율은 보통의 엔진에 비해 10~15% 향상되고, 촉매를 통과하기 전에 발생하는 배기가스도 감소한다. 그러나 안정된 공연비(12.5~13)보다 열악한 조건인 20 이상의 희박한 공연비에서 운전이 되기 때문에, 토크의 편차가 심하게 나타나게 되어 일반적으로 엔진의 안정성(Stability)은 떨어지는 것으로 알려져 있다. 엔진의 안정성은 곧바로 승차감(Drivability)과 관련이 되므로 희박연소 엔진에서는 이를 해결하기 위한 수단으로, 스월 조절 밸브(Swirl Control Valve)나 흡기다기관 조절 밸브(Manifold Throttling Valve) 등의 부가 장치를 이용하거나 가변 밸브 기구 장치를 이용하여, 혼합기에 강한 유동을 강제적으로 생성시켜 압축 말기까지 유지되도록 하는 방식을 주로 사용하고 있다. 그러나 적절한 유동을 얻기 위해 부가 장치를 설치하면 이런 장치가 유동의 흐름을 저하시키는 저항 요인으로 작용하여, 유량 계수(Flow coefficient)가 저하하므로 최고 출력의 감소를 피할 수 없게 된다. 최근에는 가솔린 엔진에서도 디젤 엔진에서와 같이 연소실 내로 직접 분사를 시키는 방식을 채택하고 있는데, 이것도 일종의 층상급기를 이용한 희박 연소 방식으로 분류될 수 있다.

키워드

내연기관 개요,   내연기관 정의,   내연기관 분류,   내연기관 적용 예,   내연기관 개발,   내연기관개요