레이블이 엔진인 게시물을 표시합니다. 모든 게시물 표시
레이블이 엔진인 게시물을 표시합니다. 모든 게시물 표시

2010년 3월 31일 수요일

한페이지의 자동차 역사

  아주 처음에는 나무를 밑에 깔아서 움직였을지도 모르고 이 때 나무를 매번 앞에다 가져다 놔야 했던게 불편했을지도 모른다. 그래서 바퀴라는 것을 달아서 그러한 불편을 해소했을 것이다. 그리고 그것을 사람이 밀면서 혹은 끌면서 다녔을 것이다. 그러다 어느날 앞에가는 짐승(말?, 돼지?)잎에 물려주며 "니가 끌어라! 도저히 힘들어 못가겠다."라며, 짐승이 끌고 다니기 시작했을 것이다. 그렇게 한참동안 '수레가 혼자서 갈 수 있나?'라는 의문을 가지기 까지 꽤 시간이 걸렸을테고, 그런 계기중에 하나가 혹시 끌고가는 짐승의 똥냄새가 맡기 싫어서가 아닐까라고도 생각을 해본다. 어쨌든, 그 처음은 '바람으로 가는 차'라고 기록되어있다. 1335년 Guido da Vigevano의 설계가 바로 그것이다. 이것은  기어를 이용하였던 것이었는데 실제 만들어지지는 않았다. 후에 Leonardo da Vinci에 의해 키로 조종하고, 태엽구조가 달려있는 삼륜차가 설계되었는데 이 또한 제작되지 못했다.
  다음으로 등장하는 것이 증기차이다. 증기차의 시초로 일컫어 지는 것은 1678년 카톨릭 신부 Ferdinand Verbiest에 의한 것으로 이를 중국 친룽황제에게 바쳤다고 전해지지만 정확한 기록은 없다. 증기기관에서 실린더의 첫 모형을 제작해 낸 사건이 있었는데 이것이 Thomas Newcomen의 증기기관이다. 이 기관은 증기가 윗쪽의 거대한 빔을 밀어올리며 물을 끌어 올리고, 여기에 차가운 물을 뿌려 부압(마이너스 압력)을 유도하여, 올라갔던 빔을 내려오게 하는 방식이다. 이것은 거대하여 지면에 고정한 상태에서 물을 끌어올리는데 사용하였다. 그리고 이후에 그 유명한 James Watt가 Newcomen이 제작한 것보다 더욱 작고 효율적인 증기기관을 만들어 냈다. 스스로의 동력으로 움직이는 차중에 기록으로 남은 그 첫번째는 1769년에 Nicholas Joseph Cugnot에 의해 설계되고,  M. Brezin에 의해 제작되었다. 우리는 이 차를 최초의 교통사고를 낸 차로 많이 기억한다. 위의 그림이 바로 그것이다. 이것의 복제품은 파리의 Conservatoire des Arts et Metiers에 전시되어있다. 두번째 차는 1770년에 제작되었는데 무게가 8000파운드(약 3.6톤, 현대의 소나타는 약1.4톤 임.)였고, 최고속도는 시속 2마일(약 시속 3.2km)이었다. 이것은 당시 사회환경에서는 누구나 선호할 만한 속도였다.(중세 마차의 하루 이동거리는 약 15km) 하지만 이 차는 너무 무거워서 단단하고, 평탄한 길 위에서만 달릴 수 있었다. 그래서 이때부터 철로만든 길이 생겨났고 이것은 무려125년 동안이나 표준으로 정해져 시행되었다. 그리고 차는 승객과 화물을 실을 수 있는 많은 객실이 달린 기차를 끌 수 있도록 더 크고, 무겁고, 힘이 세지는 방향으로 발전해갔다.
  내연기관의 개발은 연료가 스스로 연소되는 기술이 개발될 때까지 기다려야 했다. 이때까지 아직 기화기가 개발되지 않아 액체나 고체상태의 연료를 가스상태로 전환할 수 없었다. 그래서 처음에는 가스 그대로를 연료로 사용했다. 이 가스는 주로 보일러에서 발생하는 석탄가스였다. 1860년 파리에서는 Etienne Lenoir가 사상 첫 가스엔진에 대해 특허를 냈다. 이것은 5인치(약 12.7cm)실린더 구멍과, 24인치(약 61cm)의 행정을 가지고 있었다. 하지만 이것 역시 너무 크고 무거웠고, 100rpm정도밖에 발휘할 수 밖에 없었다. Lenoir는 현대의 엔진과는 달리 압축과 발화하는 공간이 따로 있었다. 1862년에 Alphonse Bear de Rochas는 연료가 동일한 실린더에서 압축되고, 연소되는 방법을 알아냈으며, 이 방법은 우리가 현재 사용하고 있다.
  1898년 도이츠에서는 가장 오래되었다고 알려진 가솔린 엔진이 개발되었다. 그리고 이시대의 자동차산업은 다임러, 벤츠, 르노 등과 같은 유럽지역의 회사에 의해 주도되었다. 하지만 1900년대에 이르면서 자동차산업이 미국에도 넘어가게 되었고, 이때 포드사에서 개발한 대량생산체계와 미국내 대규모 유전의 발전으로 미국이 세계 자동차 산업에 중심이 되기 시작했다. 1차 세계대전 이후 자동차 엔진에서 주요 이슈는 노킹(knoking)이었는데 이때 납 성분이 노킹을 억제한다는 사실이 발견되어, 이를 첨가한 연료가 사용되어 엔진효율이 개선되기 시작했다.
 1900년대 초까지 거의 모든차가 기화기를 사용하여 연료를 실린더내에 공급했지만, 이는 1975년 캘리포니아에서 엄격한 배기가스 규제가 시작되면서 변화되기 시작했다.  사실 전자제어식 가솔린 분사장치가 개발된것은 1957년 미국의 Bendix사에 의한 것인데, 이것에 관한 특허를 Bosch사에서 매입하여 계속해서 발전시켜 나갔다. 여러가지 모델이 나오기는 했지만, 당시 전자부품에 대한 신뢰도가 그다지 높지않아 많은 비중을 차지하지는 못했다. 1979년에는 연료분사장치와 점화장치를 1개의 마이크로 컴퓨터로 제어하는 통합제어시스템이 등장하였다. 또한 이당시는 거의 모든 가정에 자동차가 보급되기 시작하며 대중화가 된 시기여서 자동차기술의 급속한 발전이 일어났다. 터보차저가 일반차량에 적용된 시기도 이때이다.
 1980년대와 90년대 들어서는 대기오염 그리고 석유파동으로 인한 연비에관한 이슈가 중점이 되었던 시기였다. 이를계기로 발전된 기술이 배출가스 정화를 위한 촉매장치, 린번엔진등의 개념이 이때 나온것이다. 마침내는 1990년대 후반 2000년대에 접어들면서 사람들의 공해에 대한 관심도는 더욱 높아졌고 캘리포니아에서는 일정 비율의 무공해 차량의 의무적인 판매를 요구했다. 이는 내연기관의 생존기반 위협과 새로운 동력원 개발의 촉진이라는 새로운 시대를 열었고 현재는 우리나라에서도 앞다투어 기술개발에 매진하고 있다. 현재 나와있는 여러 대안으로는 클린디젤, 전기, 연료전지 등이 있다. 결론적으로 현재는 내연기관의 시대가 막을 내릴 것인가, 아님 더욱더 발전된 기술로 내연기관으로 인한 공해 문제를 해결할 것인가에 대한 각각의 기술의 개발이 앞으로 자동차 산업에서의 생존을 결정하는 참으로 긴장되는 시대를 살고 있는 것이다.

2010년 3월 26일 금요일

자동차 엔진 그 모든 것을 파헤친다-(2)냉각 장치 1편(Cooling system)

1. 냉각 시스템이 없으면?
 - 실린더 안의 연소가스 온도는 2000℃ 이상이며, 이 때 발생한열은 엔진 각 부에 전달된다.
 - 그리고 이열을 구성부품의 강도를 저하 시키고, 센서고장을 일으키고, 조기 점화로 인한 불규칙 연소로 노킹을 발생시키며 그 결과 기관의 출력을 저하 시킨다.
2. 수냉식 냉각 시스템(Water cooling system)
가. 전체적 메카니즘
   냉각수를 사용하는 방식으로 냉각수를 펌프에 의해 실린더 블록과 실린더 헤드에 있는 물재킷을 통해 순환시켜 엔진의 열을 흡수한 후 열을 머금은 이 냉각수가, 레디에이터 쪽으로 흘러가고 냉각수 받은 열을 공기중에 방출하고 이때 엔진에 장착된 냉각팬이 이를 돕는 방식이다.
나. 구성요소
  1) 라디에이터(radiator)
   가) 라디에이터 코어(radiator core)
     라디에이터 코어는 흡수한 열을 공기중에 방출하는 핵심부품이고, 이를 위해 재질은 열전도성이 우수한  알루미늄이나 구리를 사용한다. 이전에는 보통 황동이 열전도성이 더욱 우수하기 때문에 이를 사용 했지만, 최근에는 차량경량화 기조로 인해 알루미늄을 사용한다.구조상으로는 물이 흐르는  관의 형태에  따라 냉각 작용을 하는 공기 통로에 따라 구분될 수 있다.
   나) 윗 탱크(upper tank)
   다) 아랫 탱크(lower tank)
   라) 사이드 멤버(side member): 코어를 보호하고 라디에이터를 차체에 고정하기 위한 부분이다.
   마) 팬시리우스: 팬으로부터 오는 공기를 효과적으로 코어에 보낸다.
   바) 라디에이터 캡: 물은 압력이 높아지면 그 비등점이 높아진다. 그리고 비등점이 대기온도와많은 차이가 날 수록 냉각속도가 빨라진다. 이것은 냉각에 필요한 라디에이터 면적을 줄이는데 영향을 주게 되고, 이를 통해 차량 경량화가 이루어지게 된다. 라디에이터 캡은 이런 역할을 하는 핵심 부품이다. 작동방식은 라디에이터 내부의 온도가 110~120℃정도가 되어 캡에 압력을 가하면 압력밸부가 열려 냉각수가 보조탱크쪽으로 나가고, 냉각수가 식어서 라디에이터 안에 부압(마이너스 압력, 진공압)이 생기면 부압밸브가 열려 보조탱트쪽의 냉각수가 유입되어 라디에이터 내부의 압력이 일정하게 유지되는 방식이다.
  사) 물 펌프: 아래 영상은 물 펌프에 대한 영상이다. 작동시 임페러가 회전을 하며 흘러들어오는 물을 바깥쪽으로 뿜어내고, 뿜어진 냉각수는 물재킷 쪽으로 흘러들어가는 방식이다.

        
 아) 수온조절기:  수온조절기는 냉각수 온도에 따라 자동적으로 개폐하여 라디에이터로 흐르는 유량을 제어하는 장치이다. 아래 영상은 펠릿 타입인데 작동과정은 이렇다. 아래 그림에서 동그라미로 표시되어 단면으로 그려진 부분을 보면 냉각수 온도가 상승시 내부 왁스 부피가 증가하고 이에 내부의 고무가 압축된다 이때 연결되어있는 조정나사가 위로 올라가는데 조정나사가 케이스에 고정되어 있으므로, 동그라미 친 부분(펠릿)은 내려가게 된다. 이때, 수온조절기는 개방상태가 되고 온도가 낮아지면 스프링에 의해 모든것이 제자리로 오므로 수온조절기는 폐쇄상태가 된다.

자) 냉각 팬: 보통 워터펌프축과 일체이며, 라디에이터 뒤쪽에 위치한다. 이는 라디에이터로 바람을 불어주어냉각 시스템의 효과를 더욱 배가 시켜준다.



2010년 2월 22일 월요일

자동차 노킹(knocking)

* 인간이 인식할 수 있는 노킹

언덕길에서 기어를 4, 5단으로 바꾸면 rpm은 낮아지고 출력이 떨어지며,'딸까닥 그륵'하는 기계음이 들리는데 이것이 노킹이다.

* 노킹의 원인 및 영향

4행정 기준으로 발화시에 화염이 실린더내에 모든연료에 도달하기전 미연소 연료가 고압에 의해 자기발화하는 경우가 생기고, 이는 실린더내의 무작위적 연소를 유발 시켜(한번에 뻥!이 아니고 실린더 곳곳에서 뻥!뻥!뻥!뻥!하는것)피스톤에 제때 힘을 가하는 것을 방해하여 출력을 약화시키고, 수khz의 진동과 소음을 실린더 벽 및 피스톤 헤드면에 유발한다. 이는 심하게는 실린더면에 크랙 및 피스톤 헤드면에 작은구멍을 내는 경우가 있다.

1. 압축비가 높을시; 자기발화 유발

2. 엔진의 과열

3. 연소실 내에 카본 과다생성: 연료의 질에 아주 많은 영향을 받는다.

4. 엔진이 저속일때

- 압축행정의 시간이 길어지므로 압축 중간에 발화하여 좀 더 큰 볼륨에서 연소가 시작되므로

화염 전파시간 증가이 증가하게되고 그시간동안 실린더 내는 과열상태가 되므로, 미연소

연료가 자기발화할 가능성이 생긴다.