자동차 공학)자동차의 역사 (내연 기관 자동차)

내연 기관 자동차의 역사에 대하여 알아보자.

1. 불꽃점화 기관

2. 압축착화기관

3. 열구점화 기관

 

현재 자동차에 장착되어 있는 원동기는 전술한 증기자동차와는 달리 내연기관이며 그 중 왕복식 피스톤 기관이다. 왕복식 피스톤 기관은 불꽃점화 방식의 가솔린 기관과 압축착화방식의 디젤기관 및 열구 점화기관으로 나눠어진다.

 

1. 불꽃점화 기관

실린더 내에서 직접 연료를 연소시켜 동력을 얻는 불꽃점화 기관은 증기기관보다 늦은 1860년 프랑스의 장 조셉 르느와르가 당시의 중기기관과 동일한 형태 복동식 가스기관을 제작한 것이 시초였다. 이것 증기기관과 동일한 형태의 복동식 가스기관을 제작한 것이 시초였다. 이것은 액상의 연료에 헝겊을 적셔 증발한 연료와 공기의 혼합기를 실린더 내로 도입하여 연소시킨 무압축 전기점화식 가스기관이었다. 이 기관은 폭발시의 충격 소음이 심하였지만 실제로 작동되었다. 그러나 엔진의 힘이 약해 실용화하기에는 무리가 있었다. 르느와르는 혼합기를 압축해야 한다는 중요한 사실에 주목하지 않고 또 연소는 완만하게 일어나는 것이 좋다는 잘못된 생각을 갖고 있었기 때문에 효율은 3~4프로에 지나지 않았다. 프랑스의 보드 로샤는 1862년 가스기관의 효율을 향상시키기 위해서는 혼합기를 점화 폭발시키기 전에 가스 압력을 높힐 것, 실린더의 체적에 대한 표면적을 최소로 할 것, 가스는 가능한 한 팽창시켜야 한다고 지적하였다. 이 논문은 당시 기관의 발명과 제작에 종사하고 있던 사람들에게는 명확한 지표가 되었으며 현행 고효율 엔진의 기본이 되는 압축행정을 도입한 4행정을 완전히 제시하여 큰 진보를 가져왔다. 독일의 니콜라스오토와 오이겐랑겐은 1866년 석탄가스를 연료로 한 화염 착화, 자유 피스톤식 가스기관을 발명하였다. 오토는 계속해서 1876년 로샤가 제창한 원리에 근거하여 자유 피스톤식이 아닌 현재와 같은 크랭크 기구를 갖는 4행정 가스기관을 제작하고 정숙한 엔진이라고 명명하였다. 그는 1878년 이것을 파리 만국박람회에 출품하였으며 출력은 2.2HP, 압축비 2.5, 전효율 10.% 내외, 연료는 조명용 석탄가스를 사용하였다. 오토의 가스기관은 그때가지 사용되던 르느와르기관을 물리치고 그 후 10년간 시장을 독점하여 약 5,000대가 제작 되었다고 한다. 오토기관은 4행정 중 단 1회의 행정만이 기계적인 일로 주어지기 떄문에 회전이 불규칙하기 쉬운 단점이 지적되었다. 이에 따라 영국의 듀갈 클럭은 오토보다 4년 늦은 1880년 2행정 가스기관을 만들고, 스콧은 1901년에 2사이클 가솔린 기관을 완성하였다. 오늘날 자동차기관과 같은 가솔린 엔진은 오토와 함께 일하던 골트립 다임러에 의해 1883년 완성되었다. 그는 가스연료 대신에 가솔린을 증발시켜 공기와의 혼합장치, 소위 표면 증발기화기를 만들어 이것을 기관에 장착하였다. 점화는 외부에서 가열된 열관을 실린더 속에 넣어 행하였다. 그는 1883년 엔진의 제작을 시작으로 1885년에 2륜의 목재 자전거에 엔진을 탑재하여 사상최초의 2륜 다동차인 모터사이클을 만들었고, 1887년에는 4륜차에 가솔린 엔진을 얹어 가솔린 자동차를 완성하였다. 이 자동차는 최고속도 시속 15km로 스프링, 냉각기, 클러치, 2단 변속기, 자동기어 등 비록 원시적인 형태였지만 현대식 주행장치를 거의 다 갖추고 있었다. 그러나 같은 시기 같은 독일 내 칼 벤츠가 1885년 수평 단기통에 고압 전기장치와 표면기화기가 부착된 4사이클 가솔린 엔진을 개발하고, 이 엔진을 3륜차에 탑재하여 다임러보다 먼저 1886년 세계 최초로 특허를 취득하게 된다. 그 후 표면 증발기화기는 다량의 가솔린과 공기와의 혼합기를 얻을 수 없기 때문에 오늘날과 같은 가솔린을 미립화시키는 기화기가 개발되었다. 점화법으로는 1900년 이전에는 주로 열간을 사용하였지만, 1893년 로버트 보시 등이 전기점화플러그가 성능이 보다 우수하는 것을 인식하고, 그 당시 자석발전기에 축전기를 결합한 고압 자석 발전식 점화장치를 개발하였다. 그 후 계속해서 많은 우수한 발명가와 연구자들의 노력에 의하여 현재의 자동차용 가솔린 기관이 만들어 지게 되었다.

 

2. 압축착화 기관

압축착화기관은 가솔린기관보다 10년 늦은 1892년 루돌프 디젤에 의해 제안되었다. 그는 1892년 새로운 내연기관에 관한 특허를 얻은 후 다음해인 1893년에 '내연기관 및 금일 알려지고 있는 열기관에 대체해야 할 합리적 열기관의 이론과 구조' 라는 논문을 발표하였다. 이 논문은 실린더 공기를 250기압까지 등온적으로 압축하고, 그 소으로 공기 분사식으로 증유를 불어 넣고 점화하여, 90기압까지 등온적으로 팽창시킨 후 계속해서 단열적으로 팽창시키면 실린더를 냉각 시킬 필요도 없이 열효율ㅇㄴ 73%가 된다고 지적하였다. MAN사는 그에게 재정적 지원을 하여 1893년 시작품 제1호가 제작되었다. 그러나 제1호 엔진은 냉각도 시키지 않고 연료도 단순하게 주입하였기 때문에 운전은 되지 않고 지압계가 폭발하여 디젤의 옆머리를 스치는 위험한 사고가 발생하였다. 그러나 실험에 의하여 압축된 고온고압의 공기 중에 연료를 불어넣으면 폭발한다는 것을 알아, 1896년 제2호기에 이어서 1897년 제3호기를 완성시켰다. 이것은 증기기관고 같은 크로스 헤드와 냉각방식을 채용한 단 실린더 기관으로, 기관의 출력은 18HP, 전효율 38%라는 경이적인 좋은 성적을 얻었다. 이에 힘을 얻어 계속해서 20~25HP 정도의 기관을 시장에 내놓고 1901년에는 크로스 헤드를 폐지하고 트렁크 피스톤을 채용하였다. 디젤기관 자동차는 연료 공급방식이 공기 분사식이었기 때문에 개발이 지지부진하다가 1921년에 비로소 다임러사에 의해 최초로 자동체에 실용화되기 시작하였다. 그러나 디젤 자동차 시대는 1922년 독일의 로버트 보시가 연료 분사펌프를 발명한 후, 1926년 보시사가 오늘날의 무기분사식과 같은 자연 압축착화의 고압 분사 연료펌프를 개발함으로써 디젤 자동차시대도 본격적으로 열리게 되었다.

 

3. 열구 점화 기관

영국의 허버트 스튜어트 애크로이드는 1890년 실린더의 일부를 구형으로 제작하고 기관이 운전되는 동안에는 저경ㄹ상태를 유지하도록 하여, 이 적열상태의 구내에 석유를 분사하여 착화하는 크랭크실 소기식의 2사이클 기관을 발명하였다. 이를 열구 점화기관 또는 소구 점화기관이라고 하며 2사이클 디젤기관의 선구이다. 이 기관은 시동시에만 실린더 헤드의 열구를 외부에서 가열하여 점화시키고, 시동 후에는 디젤기관과 같이 자기착화에 의하여 회전하는 세미 디젤기관으로 발전하게 되었다. 이 기관은 구조 및 취급이 간단하며 가격도 싸고 저급 연료도 사용할 수 있기 때문에 주로 소형 어선 등에 사용되어 왔으나, 현재는 어선도 주로 가솔린기관이나 디젤기관을 사용하기 때문에 거의 사용되지 않고 있다.