내연기관의 종류

내연기관은 높은 열효율, 컴팩트한 구조, 강력한 기동성, 간단한 작동 및 유지보수로 유명합니다. 100년이 넘는 세월 동안 내연기관은 계속해서 큰 활력을 유지해 왔습니다. 현재 전 세계 내연기관의 수는 다른 어떤 열기관의 수보다 훨씬 많으며 국가 경제에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 현대의 내연기관은 사용량이 가장 많고 사용 범위도 가장 넓은 가장 중요한 열에너지 기계가 되었으며, 누구도 이에 맞설 수 없습니다.

물론 내연기관에도 많은 단점이 있습니다. 연료 요구량이 높고 간헐적인 환기 및 제조상의 어려움으로 인해 저품질 연료 및 고체 연료를 직접 연소할 수 없다는 점입니다. 단일 기계 출력 제한으로 인해 현대 내연 기관의 최대 출력은 일반적으로 40,000킬로와트 미만인 반면, 증기 기관의 단일 기계 출력은 수십만 킬로와트에 달할 수 있습니다. ; 내연 기관의 소음과 배기 가스의 유해 성분은 환경 오염에서 특히 두드러집니다. 100년이 넘는 내연기관 개발의 역사는 이러한 단점을 극복하기 위한 인류의 끊임없는 혁신과 끊임없는 도전의 역사라고 할 수 있다.

내연기관의 개발은 약 150년의 역사를 가지고 있다. 다른 과학과 마찬가지로 내연기관의 모든 발전은 인간의 생산 실무 경험을 요약하고 요약한 것입니다. 내연기관의 발명은 피스톤 증기기관의 연구와 개선으로 시작되었습니다. 개발의 역사에서 독일인 오토(Otto)와 디젤(Diesel)에 대해 특별히 언급해야 합니다. 상대적으로 완전한 오토 사이클을 제안한 사람들은 바로 그들이었으며 디젤 사이클은 지난 수십 년 동안 수많은 사람들의 실천과 창의적 활동을 과학적으로 요약할 수 있게 했습니다. 그들은 전임자들의 피상적이고 순전히 경험적이며 무질서한 경험을 결합하여 계승, 개발, 요약 및 개선하고 규칙성을 발견하고 현대 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 열역학적 토대를 마련했습니다. 내연기관 발전에 큰 공헌을 했습니다.

왕복식 피스톤 내연기관

왕복식 피스톤 내연기관에는 다양한 유형이 있습니다. 주요 분류 방법은 다음과 같습니다. 사용되는 연료에 따라 가솔린으로 구분됩니다. 엔진, 디젤 엔진, 등유 엔진, 가스 엔진(다양한 가스 연료 내연 기관 포함) 등은 각 작업 주기의 스트로크 수에 따라 서로 다른 점화 방식에 따라 4행정과 2행정으로 구분됩니다. 냉각 방식에 따라 점화식과 압축점화식으로 구분되며 실린더 배열에 따라 수냉식과 공냉식으로 구분되며 인라인형, V형으로 구분됩니다. , 대향형, 스타형 등; 농업, 오토바이, 해양 및 고정식 사용 등 이번 글에서는 주로 가스엔진, 가솔린엔진, 디젤엔진의 개발 상황을 소개하겠습니다.

최초의 내연기관 - 가스 엔진

최초의 내연기관은 석탄가스를 연료로 사용한 가스 엔진이었다. 1860년 프랑스의 발명가 르노(Renaud)는 최초의 실용적인 내연기관(단기통, 2행정, 비압축, 전기점화식 가스엔진)을 만들었는데 출력은 0.74~1.47KW, 회전속도는 100r/min, 열효율은 4%입니다. 프랑스 엔지니어 드 로샤(De Rocha)는 내연기관의 열효율을 최대한 향상시키기 위해서는 단위 실린더 부피당 냉각 면적을 최소화해야 하고, 팽창 시 피스톤 속도는 최대한 빨라야 하며, 팽창 범위는 넓어야 한다는 사실을 깨달았습니다. (스트로크)는 가능한 한 길어야 합니다. 이를 바탕으로 그는 1862년 흡입, 압축, 연소 및 팽창, 배기의 유명한 4행정 사이클인 정량 연소를 제안했습니다.

1876년 독일 Otto는 최초의 4행정 왕복 피스톤 내연 기관(단일 실린더, 수평, 가스를 연료로 사용, 출력 약 2.21KW, 180r/min)을 만들었습니다. 이 엔진에 오토는 작동을 원활하게 하기 위해 플라이휠을 추가하고 흡기 덕트를 늘리며 실린더 헤드를 개선하여 혼합물을 완벽하게 형성했습니다. 이것은 당시 증기 기관의 두 배에 해당하는 열 효율을 지닌 매우 성공적인 엔진이었습니다. Otto는 내연, 압축 가스 및 4행정이라는 세 가지 핵심 기술 아이디어를 통합하여 이 내연 기관에 고효율, 소형, 경량 및 고출력과 같은 일련의 장점을 부여했습니다. 1878년 파리 국제 전시회에서는 "와트 이후 동력 기계 분야의 가장 위대한 업적"이라는 찬사를 받았습니다. 정량 연소의 4행정 사이클은 Otto 사이클이라고도 알려진 Otto에 의해 실현됩니다.

가스 엔진은 증기 엔진에 비해 큰 장점을 갖고 있지만 대량 생산 조건에서는 여전히 운송 산업의 고속, 경량 및 기타 성능 요구 사항을 충족하지 못합니다. 가스를 연료로 사용하기 때문에 거대한 가스 발생기와 파이프라인 시스템이 필요하다. 또한, 가스의 발열량이 낮기 때문에(약 1.75×107~2.09×107J/m3), 가스 기계의 회전이 느리고 비동력도 작습니다. 19세기 후반에는 석유산업이 발달하면서 석탄가스를 연료로 대체하기 위해 석유제품을 사용하는 것이 불가피한 추세가 되었다.

가솔린 엔진의 출현

1883년 다임러와 마이바흐는 최초의 4행정 왕복 가솔린 엔진을 생산했습니다. 이 엔진에는 마이바흐가 설계한 기화기와 점화 장치도 장착되었습니다. 백열등으로 문제를 해결했습니다. 과거 내연기관의 속도는 200r/min을 넘지 않았지만, 다임러의 가솔린 ​​엔진의 속도는 800~1000r/min까지 뛰어올랐다. 고출력, 경량, 소형, 빠른 회전 및 고효율이 특징이며 특히 운송에 적합합니다. 동시에 벤츠는 오늘날에도 사용되고 있는 점화 장치와 수냉식 쿨러를 개발했습니다.

19세기 말까지 주 중앙집중형 피스톤 내연기관은 전반적으로 실용화 단계에 들어섰고 곧 큰 활력을 보였다. 내연기관은 광범위한 응용 분야에서 지속적으로 개선되고 혁신되어 현재까지 높은 기술 수준에 도달했습니다. 오랜 개발 역사에는 획기적인 의미를 갖는 두 가지 중요한 개발 단계가 있습니다. 첫째, 1950년대 엔진에 과급 기술이 널리 적용되었고, 그 다음에는 1970년대에 전자 기술과 컴퓨터가 사용되기 시작했습니다. 엔진 연구 개발에 적용하면 이 두 가지 개발 추세가 여전히 상승세를 보이고 있습니다.

먼저 금세기 가솔린 엔진의 개발 역사를 살펴보겠습니다. 가솔린 엔진은 자동차 및 항공기 산업을 중심으로 큰 발전을 이루었습니다. 가솔린 엔진의 발전은 동력, 열효율, 비동력 등 가솔린 엔진의 주요 성능 지표를 개선하고 연료 소비를 줄이는 과정에 따라 4단계로 나눌 수 있다.

첫 번째 단계는 금세기의 첫 20년 동안 운송 요구 사항에 적응하기 위해 전력 및 특정 전력을 높이는 데 중점을 둡니다. 취해진 주요 기술적 조치는 속도를 높이고 실린더 수를 늘리며 해당 보조 장치를 개선하는 것입니다. 이 기간 동안 회전속도는 지난 세기 500~800r/min에서 1000~1500r/min으로 증가했고, 비동력도 3.68W/Kg에서 441.3~735.5W/Kg으로 증가해 개선에 큰 영향을 미쳤다. 항공기의 비행 성능과 자동차의 적재 용량은 매우 중요합니다.

두 번째 단계는 1920년대에 진행되었으며 주로 가솔린 엔진의 폭발과 연소 문제를 해결했습니다. 이때 가솔린 엔진의 압축비가 4에 도달하면 가솔린 엔진이 폭발하게 됩니다. 미국 GM연구소의 미그레트(Migret)와 보이드(Boyd)는 가솔린에 테트라에틸알루미늄을 소량 첨가해 산소와 가솔린 분자가 결합하는 정상적인 과정을 방해해 압축비를 4에서 8로 높여 노킹 문제를 해결했다. 가솔린 엔진의 출력과 열효율을 크게 향상시킵니다. 당시 가솔린 엔진의 출력과 열효율에 심각한 영향을 미치는 또 다른 요인은 연소실의 형태와 구조였다. 리카르도와 영국의 동료들은 다양한 연소실과 연소 원리에 대한 연구를 통해 연소실을 개선하여 연소실의 성능을 향상시켰다. 가솔린 엔진의 출력은 20%입니다.

3단계는 1920년대 후반부터 1940년대 초반까지로 주로 가솔린 엔진에 과급기를 장착했다. 배기가스 터보차저는 공기압을 1.4~1.6기압까지 높일 수 있으며, 이를 적용하면 가솔린 엔진의 출력과 열 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 방법이 열립니다. 그러나 실제로 널리 적용되는 것은 1950년대 후반이 되어서야 대중화되었습니다.

4단계인 1950년대부터 현재까지 가솔린 엔진 기술은 원리가 크게 바뀌기 전에 최고조에 달했다. 그 구조는 점점 더 소형화되고 있으며 회전 속도는 점점 더 높아지고 있습니다. 기술 상태는 실린더 내 분사, 다중 밸브 기술, 흡입 층화 연소, 작동 조건에 따른 점화 타이밍, 가솔린 분사 및 공연비 정밀 제어와 같은 종합적인 전자 엔진 관리입니다. 순환가스, 메타촉매 등 3가지 배기가스 정화기술 등 이는 최근 몇 년 동안 성공적으로 개발되어 생산에 들어간 실린더 내 직접 분사 층화 차지 희박 연소 가솔린 엔진(GDI)에 구현되어 있습니다.

그러나 1970년대 이후 엔진에 전자 기술이 적용되면서 내연기관 기술이 향상될 수 있는 여건이 마련되면서 내연기관은 배기가스 배출, 에너지 절약, 신뢰성, 승차감 등 현재의 요구 사항을 기본적으로 충족할 수 있게 되었습니다. 세계 여러 나라 등의 요구 사항. 내연기관의 전자 제어에는 이제 전자 제어식 연료 분사, 전자 제어식 점화, 공회전 속도 제어, 배기가스 제어, 흡기 제어, 부스트 제어, 경고 메시지, 자가 진단, 고장 방지 및 기타 여러 측면이 포함됩니다.

마찬가지로 내연기관 전자제어 기술의 개발도 크게 4단계로 나눌 수 있다.

1. 내연기관 부품이나 전자오일 등 로컬 시스템을 개별적으로 제어한다. 펌프, 전자 점화 장치 등.

2. 단일 내연기관 시스템 또는 연료 공급 시스템 제어, 최적 공연비 제어 등 여러 관련 시스템을 독립적으로 제어합니다.

3. 내연기관 전자 제어 시스템 등 내연기관 전체에 대한 통합 지능형 ​​제어.

4. 자동차, 선박 및 발전기 세트의 중앙 전자 제어 시스템과 같은 장치 및 내연 기관 전력의 중앙 전자 제어.

전자 제어 시스템은 일반적으로 센서, 액추에이터, 컨트롤러의 세 부분으로 구성됩니다. 이는 다양한 기능과 용도를 가진 다양한 제어 시스템을 형성합니다. . 주요 목표는 엔진 작동 매개변수의 최적 값을 유지하여 엔진 출력, 연료 소비 및 배출 성능의 최상의 균형을 얻고 작동 조건을 모니터링하는 것입니다. 예를 들어 Caterpillar의 3406PEPC 시스템은 3406 디젤 엔진에 가변 프로그램 엔진 제어 시스템을 사용하며 전자 속도 조절 기능을 갖추고 공연비 전자 제어를 사용하여 항상 분사 전진 각도를 최적의 값으로 유지합니다. 미국 Stanaclyne Company는 DB형 분배 펌프를 PFP 시스템이라고 하는 전자 제어식 연료 분사 펌프로 변경했습니다. 이 펌프는 스테퍼 모터를 액추에이터로 사용하여 분사량과 분사 시기를 제어합니다.

디젤 엔진 - 내연 기관 엔진 가족의 또 다른 스타

디젤 엔진은 가솔린 엔진과 거의 동시에 개발되었으며 많은 유사점을 공유합니다. 따라서 디젤엔진의 개발 역시 가솔린 엔진과 많은 유사점이 있다. 내연기관의 개발 역사를 통틀어 서로를 촉진해 왔다고 할 수 있다.

독일의 디젤 박사는 1892년에 압축점화 압축기 기술특허를 취득했고, 1897년에는 최초의 압축착화식 '디젤' 내연기관, 즉 디젤엔진을 만들었다.

디젤 엔진의 높은 압축비는 많은 장점을 제공합니다.

1. 기화기 및 점화 장치가 필요 없으며 열 효율이 향상될 뿐만 아니라 많이 사용할 수 있습니다. 휘발유보다 저렴하다.

2. 디젤 엔진은 압축비가 크기 때문에 출력점이 최대이고 단위 출력당 연료 소비가 낮습니다. 현대의 우수한 엔진 중 디젤엔진의 연비는 가솔린엔진의 약 70% 수준이다. 특히 부분 부하 조건에서 주로 주행하는 자동차의 경우 연비가 가솔린 엔진의 약 60% 수준이다. 디젤 엔진은 현재 가장 열 효율이 높은 내연 기관입니다.

3. 디젤 엔진은 압축비가 높고 엔진이 강하기 때문에 내구성이 뛰어나고 수명이 깁니다.

동시에 높은 압축비로 인해 단점도 발생합니다.

1. 디젤 엔진은 구조가 무겁습니다. 일반적으로 디젤엔진의 단위동력질량은 가솔린엔진의 약 1.5~3배이다. 디젤 엔진은 압축비가 높고 폭발 압력도 높아 가솔린 엔진(슈퍼차저 미포함)의 약 1.5배에 달할 수 있습니다. 높은 온도와 압력을 견디기 위해서는 견고한 구조가 필요합니다. 그래서 디젤 엔진은 처음에는 고정식 엔진으로 사용되었습니다.

2. 동일한 배기량에서 디젤 엔진의 출력은 가솔린 엔진의 약 1/3입니다. 디젤 엔진은 연료를 실린더에 직접 분사하기 때문에 공기를 충분히 활용하지 못하고 그에 따른 출력도 낮다. 가솔린 엔진의 공기 이용률을 100%로 가정하면, 디젤 엔진은 80~90%에 불과하다. 디젤 엔진의 출력이 낮은 또 다른 이유는 가솔린 엔진에 비해 압축비가 크고 엔진의 마찰 손실이 크기 때문입니다. 이 마찰 손실은 회전 속도에 비례하므로, 회전 속도를 높인다고 해서 파워의 증가를 기대할 수는 없습니다. 최고 속도를 내는 가솔린 엔진은 분당 10,000회 이상 작동할 수 있지만(레이싱 엔진 등), 디젤 엔진의 최고 속도는 5,000r/min에 불과하다.

지난 세기 동안 디젤 엔진의 열효율은 거의 80% 증가했고, 비동력은 수십 배 증가했으며, 공기 이용률은 90%에 이르렀습니다. 오늘날의 디젤 엔진의 기술 수준은 다음과 같습니다: 우수한 연소 시스템, 초고압 분사, 과급 및 과급 인터쿨링, 종합 소음 감소형 전자식 인젝터; 엔진 관리 등은 전자 제어식 레일형 연료 분사 시스템을 사용하는 것이 특징인 차세대 디젤 엔진에 집중되어 있습니다. 현재 레일형 전자제어 연료분사 시스템을 연구, 생산하는 주요 기업은 일본 Nippondeno Company(ECDU2), 독일 Bosch(ZECCEL), 미국 Caterpilla Company(HELII) 등이 있다.

슈퍼차저 기술은 가솔린 엔진보다 늦게 디젤 엔진에 적용됐다. 1920년대 초 누군가가 공기 흡입 밀도를 높이기 위해 공기를 압축하는 아이디어를 제안했습니다. 1926년이 되어서야 스위스의 A.J. Boyuchi가 최초로 배기가스 터보차저를 갖춘 과급 엔진을 설계했습니다. 당시의 기술 수준과 공정, 소재의 한계로 인해 여전히 좋은 성능을 지닌 터보차저를 생산하기 어려웠고, 2차 세계대전의 영향까지 더해 슈퍼차저 기술이 급속히 확산되지는 못했습니다. 과급 기술과 응용에 대한 연구가 진지하게 받아들여지는 전쟁. 1950년에 슈퍼차저 기술이 디젤 엔진에 사용되기 시작하여 제품으로 시장에 출시되었습니다.

1950년대 과급정도는 50% 정도, 4행정 엔진의 평균 유효압력은 0.7~0.8MPa 정도였으며, 인터쿨러도 없었고, 낮은 기술 수준. 이후 20년 동안 슈퍼차저 기술은 빠르게 개발되어 널리 채택되었습니다.

1970년대에는 과급 정도가 200% 이상에 이르렀다. 공식적으로 상용 제품으로 제공된 디젤 엔진의 평균 유효 압력은 4행정 엔진의 경우 2.0MPa 이상, 2행정 엔진의 경우 1.3MPa 이상이었다. 스트로크 엔진 인터쿨링이 일반적으로 사용되어 고-Zengya(>2.0MPa) 4행정 기계가 실용적이게 되었습니다. 1단 과급비는 5에 가깝고, 2단 과급과 초고속 과급 시스템이 개발된 것은 1950년대 초반 과급 기술을 막 도입한 엔진 기술 수준과 비교하면 놀라운 발전이다. 30 년.

1980년대에도 이러한 개발 추진력은 여전히 ​​유지되었습니다. 흡기 및 배기 시스템의 최적화된 설계로 충전 효율이 향상되고 배기가스 에너지를 최대한 활용하며 공진 흡기 시스템과 MPC 슈퍼차저 시스템이 등장합니다. 가변 섹션 터보차저를 사용하면 단일 스테이지 터보차저 비율이 5 이상에 도달할 수 있습니다. 초고속 과급 시스템을 사용해 압력비는 10 이상, 엔진 압축비는 6 이하로 낮추고 엔진 출력은 2~3배 높일 수 있다. 파워 터빈과 결합된 2단 터보차저 시스템으로 더욱 발전했습니다. 고과급과 초고과급의 효과가 상당해 엔진의 성능을 한 단계 끌어올리는 것을 알 수 있다.

회전식 내연 기관

증기 기관 개발의 역사에는 왕복 피스톤 증기 기관에서 증기 터빈으로의 진화가 있습니다. 이 점은 내연기관 개발에 큰 영감을 줍니다. 왕복 내연기관의 운동은 크랭크샤프트 커넥팅 로드 메커니즘이나 캠 메커니즘, 진자 메커니즘, 로커암 메커니즘 등을 통해 동력 출력축의 회전으로 변환되어야 합니다. 이는 메커니즘을 복잡하게 할 뿐만 아니라 기계적 성능을 감소시킵니다. 회전 메커니즘의 마찰 손실로 인한 효율성. 또한, 피스톤 그룹의 왕복 운동은 크랭크 커넥팅 로드 기구의 왕복 관성력을 발생시키며, 이 관성력은 회전 속도의 2승에 비례합니다. 회전속도가 증가함에 따라 베어링에 가해지는 관성하중이 크게 증가하고, 관성력의 불균형으로 인해 강한 진동이 발생하게 됩니다. 또한, 왕복 내연기관은 복잡한 밸브 제어 메커니즘을 가지고 있습니다.

그래서 사람들은 다음과 같이 상상했습니다. 공작 기계의 움직임의 대부분은 샤프트의 회전이므로 왕복 피스톤 증기 엔진에서 증기 터빈까지의 경로를 따라가면 열 에너지가 샤프트의 회전으로 직접 변환될 수 있습니까? ? 그래서 사람들은 이 분야를 탐구하기 시작했습니다.

가스터빈

1873년에 조지 브레이튼(George Brayton)은 정압 연소 엔진을 만들었습니다. 이 기계는 가스를 대기압까지 완전히 팽창시키는 힘을 제공할 수 있습니다. 20세기 초, 프랑스의 Bene Armangaud 등이 브래튼 사이클 원리를 적용하여 가스 터빈을 만드는 데 성공했습니다. 그러나 당시의 제한된 여건으로 인해 열효율이 매우 낮아 개발이 불가능하였다.

1930년대에는 공기 역학, 고온 저항 합금 재료 및 냉각 시스템의 발전으로 가스 터빈이 실용화될 수 있는 조건이 마련되었습니다. 가스터빈은 내연기관이지만 왕복식 내연기관처럼 밀폐된 공간과 제한된 시간 내에 연소해야 하는 제약이 없으므로 가솔린 엔진처럼 걱정스러운 노킹 현상이 발생하지 않으며, 디젤 엔진처럼 마찰이 거의 발생하지 않으며, 연료 연소로 발생하는 가스가 임펠러를 직접 구동하므로 구조가 간단합니다. (피스톤 내연 기관에 비해 구성 요소가 약 1/6에 불과합니다.) 크기), 무게가 가볍고, 부피가 적으며, 운영비가 저렴하고, 다양한 연료 사용이 용이하며, 오작동 가능성이 적습니다. 현재 가스터빈은 짧은 수명, 고급 내열강의 필요성, 높은 비용, 심각한 오염 배출(주로 NOx) 등 몇 가지 단점을 갖고 있지만 가스터빈의 적용은 여전히 ​​항공기, 선박, 발전소, 그러나 기관차의 배치로 인해 가스터빈은 연료에 대한 제한이 적고 위에서 언급한 기타 장점으로 인해 현재와 미래에 사람들이 연구하고 있는 전력 기술 중 하나입니다. 터빈 입구 온도를 초과하면 열효율이 크게 향상되고, 기타 단점도 극복돼 가솔린·디젤 엔진을 가스터빈이 대체할 것으로 기대된다.

로터리 피스톤 엔진

왕복 엔진의 본질적인 복잡성을 피하려는 목표로 로터리 엔진을 제작하려는 노력이 이루어져 왔습니다. 1910년 이전에는 2,000개 이상의 로터리 엔진 제안이 제안되었습니다. 20세기 초 많은 사람들이 다양한 해결책을 제시했지만 대부분은 구조가 복잡하거나 실린더 실링 문제를 해결할 수 없는 문제로 인해 실현되지 못했습니다. 1954년이 되어서야 독일의 펠릭스 반켈(Felix Wankel)이 오랜 연구 끝에 실린더 밀봉의 핵심 기술을 돌파했고, 길고 짧은 폭의 에피트로코이드 실린더를 갖춘 삼각형 회전 피스톤 엔진이 최초로 작동에 성공했습니다. 로터의 각 회전은 Otto 사이클에 따라 작동하는 공기 흡입, 압축, 연소 팽창 및 배기 과정을 실현할 수 있습니다. 1962년에는 삼각로터엔진을 선박용 동력으로 사용했고, 1980년대에는 일본 도요산업이 자동차 엔진에 사용했다.

로터리 엔진에는 일련의 장점이 있습니다.

1. 크랭크 커넥팅 로드 메커니즘, 밸브 메커니즘 등을 제거하여 고속을 달성할 수 있습니다.

2. 경량(왕복식 내연기관에 비해 1/2~1/3 정도 낮음), 구조 및 작동이 간단함(왕복식 엔진에 비해 부품 수가 40% 적고 부피가 50% 적음).

3. NOx 발생량이 줄어드는 등 배기오염도 개선됐다.

그러나 로터리 엔진에도 심각한 단점이 있습니다.

1. 이 구조의 밀봉 성능이 좋지 않아 아직까지는 압축률이 낮은 가솔린 엔진으로만 사용할 수 있습니다. 비율.

2. 고속으로 인한 낮은 토크로 인해 경제적인 연소 과정을 구성하기가 어렵습니다.

3. 장축 및 단축 트로코이드 라인 가공을 위한 특수 공작 기계의 수명이 짧고 신뢰성이 낮으며 구조가 복잡합니다.

내연기관의 발전 동향

내연기관의 발명은 100년이 넘는 역사를 가지고 있다. 증기기관의 발명이 1차 동력혁명이라면, 내연기관의 출현은 의심할 바 없이 2차 동력혁명이다. 이는 전력 역사상 큰 도약일 뿐만 아니라, 그 적용 범위가 넓고 그 수가 많기 때문에 오늘날 다른 어떤 전력 기계와도 비교할 수 없습니다. 과학과 기술의 발달로 내연기관은 경제성, 동력, 신뢰성 등 여러 측면에서 놀라운 발전을 이루며 인류에게 큰 공헌을 해왔습니다. 증기기관은 탄생부터 완성까지 100년이 걸렸고, 완성부터 최고조에 달할 때까지 100년이 걸렸으며, 최고조에 달해 쇠퇴할 때까지 약 100년이 걸렸다. 내연기관이 발명되기까지 한 세기가 걸렸고, 인류는 이제 내연기관의 전성기를 맞이했다고 할 수 있습니다. 세기가 바뀌는 오늘날, 우리는 내연기관의 미래에 주목하고 있으며, 사람들은 어떻게 될지 지켜보는 가운데, 새로운 세기에도 내연기관이 또다시 눈부신 성과를 이룰 수 있기를 기대하고 있습니다. 여기에서는 새로운 세기의 내연기관 발전 동향을 보여드리겠습니다.

내연기관 과급 기술

내연기관의 중요 매개변수(압력, 온도, 속도)의 개발 규칙을 보면 이 세 가지 매개변수가 1900년 이전의 시간의 흐름. 매우 빠르게 개선되었습니다. 1900년 이후, 특히 1950년 이후에는 온도와 회전속도의 증가가 더 완만하게 이루어졌으나, 평균유효압력은 시간의 흐름에 따라 선형적으로 계속 증가하였다. 실습을 통해 평균 유효 압력을 높이면 효율성이 크게 향상되고 품질이 저하될 수 있음이 입증되었습니다. 평균유효압력을 높이는 기술은 과급 정도를 높이는 것이다. 예를 들어, 디젤 엔진 과급은 디젤 엔진 흡입관의 크기를 크게 줄이고 실린더의 충전 효율을 충분히 높여 디젤 엔진의 출력을 높여 넓은 속도 범위에서 출력과 토크를 모두 높일 수 있습니다.

과급 및 인터쿨러 디젤 엔진은 출력을 두 배로 높이면서도 비용은 15~30%, 즉 마력당 비용을 평균 40% 줄일 수 있습니다. 따라서 과급, 고과급, 초고과급은 현재 내연기관의 중요한 발전 방향 중 하나이다. 그러나 이는 문제의 한 측면일 뿐입니다. 반면에 엔진 강화 및 초강화는 부품에 과도한 기계적 및 열적 부하를 가져오며, 특히 열 부하 문제는 엔진 강화에 한계가 됩니다. 고압비 압축기는 과급 기술의 추가 개발을 제한하므로 과급 정도가 높을수록 좋습니다.

내연기관 전자제어 기술

내연기관 전자제어 기술은 1960년대 후반에 등장했으며, 1970년대 개발 이후 1980년대에 성숙해졌다. 전자 기술이 더욱 발전함에 따라 내연 기관 전자 제어 기술은 더 중요한 임무를 맡게 될 것이며 제어 표면은 더 넓어지고 제어 정확도는 더 높아질 것이며 지능 수준도 더 높아질 것입니다. 연소실 체적 및 형상 변화 제어, 압축비 변경 제어, 작업 조건의 기계적 마모 감지 제어 등 보다 어려운 내연기관 제어가 현실화되어 널리 사용될 것입니다. 내연기관 전자제어는 개별제어에서 종합·중앙집중식 제어로, 저효율·저정밀 제어에서 고효율·고정밀 제어로 발전하고 있다. 인류가 전자시대에 진입함에 따라 21세기 내연기관 역시 '내연기관 전자시대'에 진입하게 되며, 그 발전도 전자기술의 급속한 발전에 적응하게 될 것이다. 내연기관 전자제어기술은 내연기관이 사회발전의 요구에 부응하기 위한 주요 기술기반이자 내연기관이 21세기에도 그 영광을 유지하는데 영향을 미치는 중요한 요소이다.

내연기관 소재 기술

내연기관에 사용되는 전통적인 소재로는 강철, 주철, 비철금속 및 이들의 합금이 있습니다. 내연기관 개발 과정에서 사람들은 경제성, 출력, 배기가스 배출 등에 대한 더 높은 요구 사항을 계속 제시하고 있으며 이에 따라 내연기관 재료에 대한 요구 사항도 증가하고 있습니다. 내연 기관의 향후 개발 목표에 따르면 내연 기관 재료에 대한 요구 사항은 주로 단열, 내열성, 내마모성, 마찰 감소, 내식성, 작은 열팽창 및 경량성에 중점을 둡니다. 내연기관 소재의 개발을 촉진하기 위해, 부품이 요구하는 물리적, 기계적 특성을 달성하기 위해 소재의 화학적 조성과 함량을 변경하는 기존 방법 외에도 표면 강화 공정을 사용하여 소재가 요구되는 요구 사항을 충족하도록 할 수도 있습니다. 그러나 내연기관 소재 산업이 발전함에 따라 다양한 작업 조건에 적합한 새로운 소재를 개발해야 합니다. 세라믹 소재는 기존 내연기관 소재에 비해 단열성과 내열성이 뛰어납니다. 세라믹 소재와 엔지니어링 플라스틱(예: 섬유 강화 플라스틱)은 기존 소재보다 마찰 감소, 내마모성, 내식성이 뛰어납니다. 알루미늄 합금과 비슷하고 강철이나 주철보다 훨씬 가볍습니다. 따라서 세라믹 소재(고성능 세라믹)는 연료 분사 점화 부품, 연소실, 피스톤 탑 등 우수한 종합 특성으로 인해 많은 내연 기관 부품에 사용될 수 있습니다. 취성, 비용 등의 약점이 있는 경우 . 극복할 수 있으며, 새로운 세기에는 널리 사용될 것입니다. 엔지니어링 플라스틱은 내연기관의 각종 커버, 피스톤 스커트, 타이밍 기어, 푸시로드 등 다양한 내연기관 부품에도 사용될 수 있으며, 기술 수준 향상과 가격 인하로 인해 엔지니어링이 적용되고 있습니다. 내연기관의 플라스틱 사용량은 날로 증가할 것입니다. 내연기관의 다양한 소재를 결합하고 약점을 보완하기 위해 신소재를 기반으로 금속, 플라스틱, 세라믹 등 다양한 복합재료가 개발되었으며, 점차 내연기관에서의 활용이 촉진되기 시작했다.

새로운 세기를 바라보며 철강, 주철, 비철금속 및 그 합금은 앞으로도 한동안 내연기관의 주요 소재가 될 것이다. 다양한 표면 강화 공정이 더욱 발전되고 널리 사용될 것입니다. 금속, 플라스틱, 세라믹을 기반으로 한 다양한 복합재료는 10년 안에 놀라운 급속한 발전의 시기를 맞이할 것이며, 동시에 내연기관에 신소재의 사용도 가속화될 것입니다.

내연기관 제조 기술

내연기관의 개발 수준은 부품의 개발 수준에 따라 달라지며, 내연기관 부품의 개발 수준은 다음과 같은 요소에 의해 결정됩니다. 생산 및 제조 기술. 즉, 내연기관 부품의 제조기술 수준은 주엔진의 성능과 수명, 신뢰성에 결정적인 영향을 미친다. 마찬가지로, 제조 기술과 장비의 관계도 뗄래야 뗄 수 없는 관계입니다. 차세대 장비나 공정 재료가 성공적으로 개발될 때마다 제조 기술 혁신에 획기적인 진전이 이루어질 것입니다. 새로운 세기에 접어들면서 과학기술의 발전은 극도로 빨라지고, 새로운 장비의 개발주기는 점점 더 짧아질 것입니다. 따라서 새로운 세기의 내연기관 제조기술은 확실히 급속도로 발전할 것입니다.

주조기술의 향상으로 에어펀치성형, 정압성형, 수지자경사성형 코어제작, 로스트폼주조로 인해 차체, 실린더 등 내연기관 주물의 주요 부품이 헤드는 곡면과 상자 구조를 갖춘 얇은 벽의 주물로 복잡한 모양으로 만들 수 있습니다. 이는 차체의 강성을 크게 향상시키고 소음 방출을 줄이는 동시에 내연기관을 경량화합니다. 스프레이, 재용융, 소결, 표면처리, 전기화학가공, 레이저가공 등 국부적인 표면강화 기술의 발달로 장비수준의 향상과 가공, 제조기술의 향상으로 소재의 기능이 충분히 활용되고 있으며, 고정밀, 고효율, 자동화 방향으로 발전하면서 내연기관 부품 생산이 고도로 집중화되었습니다. 한편, 유연한 제조 기술의 촉진으로 인해 내연기관 제품의 업그레이드가 더욱 유연하고 적응 가능해졌습니다. 다품종 소량 생산을 위한 유연한 제조 시스템은 내연기관 제조사들로부터 널리 인정받았으며, 생산 기술의 발전과 시장 상황의 변화에도 적응해 왔습니다.

설계, 제조, 테스트, 감지 및 프로세스 제어에 전자 기술과 컴퓨터를 적용하면 산업의 기술 발전이 촉진되고 내연 기관의 제품 품질이 향상되었습니다. 신소재의 개발은 내연기관 부품 생산공정의 변화도 촉진시켰으며, 특히 엔지니어링 플라스틱, 세라믹 소재, 복합재료를 내연기관에 적용함으로써 내연기관 제조기술의 발전을 효과적으로 촉진시켰습니다. 내연기관 전자 제어 기술의 발전으로 전자 제어 시스템의 3대 주요 구성요소(센서, 액츄에이터, 제어 장치)는 내연기관 부품 산업의 중요한 분야로 자리잡는 동시에 새로운 이슈를 제기할 것입니다. 전통적인 내연기관 제조업에

이로부터 우리는 21세기 내연기관 제조 기술이 고정밀화, 다양화 방향으로 급속히 발전할 것임을 유추할 수 있다. 개발 속도와 방향은 내연기관의 품질과 관련될 뿐만 아니라 내연기관의 미래에도 직접적인 영향을 미칩니다. 제품의 기술진보 속도로 보면 자동차 내연기관이 가장 빠르게 발전했고, 기관차, 선박, 발전기 세트, 엔지니어링 기계, 농기계 등이 그 뒤를 이었습니다.

내연기관 대체연료

세계적인 석유파동과 엔진 배기가스로 인한 환경오염의 심각성으로 인해 내연기관 기술에 대한 연구가 고효율, 에너지 절약 쪽으로 방향을 바꾸었습니다. 청정 대체 연료의 개발 및 활용. 가솔린 엔진과 디젤 엔진을 개조하거나 재설계하고, 천연가스, 액화석유가스, 수소를 연료로 사용하는 가스 엔진을 개발하는 것은 현재와 미래의 내연기관 기술의 초점 중 하나입니다. 그중에서도 가스엔진의 동력회수 기술과 수소엔진의 연소제어 기술이 최우선 과제다.

개요

내연기관은 응용 분야에서 계속해서 발전하고 있다. 다양한 내연기관이 서로 경쟁하고, 서로 침투하고, 서로 합성하면서 다양한 새로운 하이브리드 엔진이 진화했다. . 예를 들어, 가스터빈의 발명과 개발은 한편으로는 디젤엔진과 경쟁하는 한편, 다른 한편으로는 디젤엔진을 보완하고 디젤엔진의 배기가스 터보차징을 개선하여 결과적으로 디젤엔진의 경쟁력을 향상시킵니다. 가스 터빈은 원래 증기 터빈의 경쟁자였지만 사람들은 서로 다른 열 사이클에 따라 작동하는 두 개의 열 엔진인 가스 터빈과 증기 터빈을 결합하여 새로운 고효율 사이클인 가스-증기 터빈 복합 사이클을 형성했습니다. 열역학 제2법칙에 따르면, 열효율을 높이려면 열기관의 가열온도를 최대한 높이고, 방열온도를 낮추어야 합니다. 증기기관의 방열온도는 낮지만(약 300K) 수증기 자체의 특성과 장비조건의 한계로 인해 가열온도는 너무 높을 수 없으며 현재는 800~900K 이하에서 안정적이다. 야금 및 냉각 기술의 발전으로 인해 가스 터빈의 가열 온도는 현재 약 1300~1500K에 도달하고 있습니다. 그러나 열 방출 온도는 일반적으로 700~800K 이상으로 너무 낮을 수 없습니다. 따라서 현재 이 두 열기관의 실제 열효율은 40%를 초과하지 않습니다. 가스-증기 복합사이클에서는 가스터빈에서 배출된 배기가스가 폐열 보일러로 보내져 증기터빈에서 사용할 증기를 생산합니다. 복합사이클은 가스터빈의 높은 가열온도와 증기터빈의 낮은 배기열 온도라는 두 가지 장점을 동시에 달성할 수 있다. 현재 이 복합사이클 유닛의 최대 열효율은 47% 이상에 도달했습니다. 이를 화력발전소로 활용하여 단위체에서 활용하면 연료이용률은 약 80%에 달할 수 있다.

각각의 장점은 살리고 단점은 보완하기 위해 전기모터와 가솔린 엔진, 디젤 엔진 등 하이브리드 동력이 점점 더 보편화되고 있다. 닛산자동차는 디젤엔진 플라이휠 위치에 고성능 발전기와 전기모터를 탑재해 명실상부한 하이브리드 엔진 개발에 성공했다. 즉, 이를 이용한 원동기(HIMR 엔진) 개발에 성공했다. 동시에 행동하는 두 가지 원칙. 하이브리드 엔진은 미래 동력기술의 화두 중 하나로, 인류가 이미 누리고 있는 편리함을 훼손하지 않으면서도 아름다운 환경을 유지할 수 있는 기계가 될 것으로 기대된다.

내연기관의 개발 역사를 보면 본질적인 장점을 지닌 신기술은 활력이 넘치는 새로운 것이며 발전 전망이 넓어야 한다는 것을 알 수 있다. 최초의 실제 내연기관의 열효율은 4%에 불과한 반면, 당시 증기기관의 열효율은 8~10%에 이르렀습니다. 그러나 내연기관의 '내연기관'의 본질적인 우월성은; 증기기관을 빠르게 능가한다고 판단했습니다.

결론적으로 말하면, 21세기 내연기관은 더 이상 뒤돌아보지 않고 에너지 절약, 연료 다양화, 출력 증대, 수명 연장, 신뢰성 향상 등을 향해 나아갈 것입니다. 배기가스 및 소음 감소, 중량 감소, 부피 감소, 비용 절감, 유지 관리 단순화 등의 방향이 빠르게 발전하고 있습니다. 21세기에는 천연가스, 알코올, 식물성 기름, 수소 등의 대체연료가 내연기관에 새로운 활력을 더하게 될 것이며, 내연기관 전자제어 기술은 품질 향상은 물론 내연기관의 '수명'을 연장시킬 것입니다. 산업. 신소재, 신공정의 기술혁명은 21세기 내연기관 발전의 새로운 원동력을 만들어냈습니다.

21세기 내연기관은 계속해서 자신의 단점을 보완하면서 인류에게 이로움을 주고, 가장 완벽한 모습으로 인류에게 새로운 공헌을 하게 될 것입니다