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엔진

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파일:4StrokeEngine Ortho 3D Small.gif
4행정 가솔린 연료 내연기관 사이클의 4단계를 전기 점화원과 함께 보여주는 애니메이션:
  1. 흡기 (연료 유입)
  2. 압축
  3. 점화 (연료 연소)
  4. 배기 (배기 가스 배출)
파일:Jet engine.svg
제트 엔진은 연소열을 사용하여 반응 엔진의 한 형태로 고속 배기가스를 생성한다. 항공기의 전기 및 유압 시스템에 전력을 공급하는 역학적 에너지는 터빈 샤프트에서 가져올 수 있지만, 추력은 배출된 배기가스에 의해 생성된다.

기관(機關, 영어: engine 엔진[*]) 또는 원동기(原動機, 영어: motor 모터[*])는 다른 에너지를 기계적 에너지로 전환하는 기계다.[1][2]

사용 가능한 에너지원에는 위치 에너지(예: 수력 발전에서 활용되는 지구 중력장의 에너지), 열 에너지(예: 지열 에너지), 화학 에너지, 전위 및 핵 에너지(핵 분열 또는 핵융합에서 발생)가 포함된다. 이러한 공정 중 다수는 중간 에너지 형태로 열을 생성한다. 따라서 열기관은 특별한 중요성을 갖는다. 대기 대류 세포와 같은 일부 자연 과정은 환경 열을 운동(예: 기류 상승의 형태)으로 변환한다. 기계적 에너지는 운송에서 특히 중요하지만 절단, 연삭, 파쇄, 혼합과 같은 많은 산업 공정에서도 역할을 한다.

기계적 열 엔진은 다양한 열역학적 과정을 통해 열을 일(work)로 변환한다. 내연 기관은 기계적 열 기관의 가장 일반적인 예이다. 연료 연소로 인한 열로 인해 연소실의 가스 연소 생성물이 급속히 가압되어 연소 생성물이 팽창하고 피스톤이 구동되어 크랭크축이 회전하게 된다. 내연 기관과 달리 반응 엔진(예: 제트 엔진)은 뉴턴 운동 제3법칙에 따라 반응 물질을 방출하여 추력을 생성한다.

열 엔진 외에도 전동기는 전기 에너지를 기계 운동으로 변환하고 공압 모터는 압축공기를 사용하며 태엽 장난감의 시계 모터는 탄성 에너지를 사용한다. 생물학적 시스템에서 근육의 미오신과 같은 분자 모터는 화학 에너지를 사용하여 힘을 생성하고 궁극적으로 운동을 생성한다(화학 엔진이지만 열 엔진은 아님).

연료 반응의 일부로 공기(주위 대기 가스)를 사용하는 화학 열 엔진은 공기 호흡 엔진으로 간주된다. 지구 대기 밖에서 작동하도록 설계된 화학 열 엔진(예: 로켓, 깊이 잠긴 잠수함)은 산화제라고 하는 추가 연료 구성 요소를 운반해야 하거나(산소 자체보다 더 강력한 산화제인 플루오린과 같이 로켓에 사용하기에 적합한 슈퍼 산화제가 존재하지만) 응용 부문을 통해 핵반응과 같은 비화학적 수단으로 열을 얻어야 한다.

배출/부산물

모든 화학 연료 열기관은 배기가스를 배출한다. 가장 깨끗한 엔진은 물만 배출한다. 엄격한 제로 배출은 일반적으로 물과 수증기 외에 다른 배출물이 없음을 의미한다. 순수한 수소(연료)와 순수한 산소(산화제)를 연소하는 열기관만이 엄격한 정의에 따라 제로 배출을 달성한다(실제로는 한 유형의 로켓 엔진). 공기와 결합하여 수소를 연소하면(모든 공기흡입 엔진), 대기 중 산소와 대기 중 질소 사이에 부반응이 발생하여 소량의 NOx가 배출된다. 알코올이나 휘발유와 같은 탄화수소가 연료로 연소되면 온실 기체인 CO2가 배출된다. 공기 중 수소와 산소는 연료전지에 의해 부수적인 NOx 생성 없이 물로 반응할 수 있지만, 이것은 전기화학 엔진이지 열기관은 아니다.

용어

엔진(engine)이라는 단어는 고대 프랑스어 모듈:Unicode_data 306번째 줄에서 Lua 오류: attempt to index local 'data_module' (a boolean value).에서 유래했으며, 이는 "교묘한"이라는 뜻의 라틴어 ingenium에 뿌리를 둔다. 투석기, 트레뷰셋, 충차와 같은 산업화 이전의 전쟁 무기들은 공성무기라고 불렸으며, 이를 만드는 방법에 대한 지식은 종종 군사 기밀로 취급되었다. 조면기의 진(gin)이라는 단어는 엔진의 줄임말이다. 산업 혁명 동안 발명된 대부분의 기계 장치들은 엔진으로 묘사되었는데, 증기기관이 대표적인 예이다. 그러나 토머스 세이버리와 같은 초기 증기기관은 기계 엔진이 아니라 펌프였다. 이와 같이, 원래 형태의 소방차는 단지 물 펌프였고, 엔진은 말에 의해 불이 난 곳으로 운반되었다.[3]

현대적 용법에서 엔진이라는 용어는 일반적으로 증기기관과 내연기관처럼 연료를 연소하거나 소비하여 돌림힘 또는 선형 힘(보통 추력의 형태)을 가하여 역학적 일을 수행하는 장치를 설명한다. 열 에너지를 운동으로 변환하는 장치는 일반적으로 단순히 엔진으로 불린다.[4] 돌림힘을 가하는 엔진의 예로는 익숙한 자동차 가솔린 및 디젤 엔진과 터보샤프트가 있다. 추력을 생성하는 엔진의 예로는 터보팬과 로켓이 있다.

내연기관이 발명되었을 때, 모터(motor)라는 용어는 당시 널리 사용되던 증기기관과 구별하기 위해 처음 사용되었는데, 증기기관은 기관차 및 증기 롤러와 같은 다른 차량에 동력을 공급했다. 모터라는 용어는 '움직이게 하다' 또는 '움직임을 유지하다'를 의미하는 라틴어 동사 모듈:Unicode_data 306번째 줄에서 Lua 오류: attempt to index local 'data_module' (a boolean value).에서 유래한다. 따라서 모터는 움직임을 부여하는 장치이다.

모터와 엔진은 표준 영어에서 상호 교환적으로 사용될 수 있다.[5] 일부 공학 전문 용어에서는 두 단어가 다른 의미를 가지며, 여기서 엔진은 연료를 연소하거나 화학적 구성을 변경하여 소비하는 장치이고, 모터는 전기, 공기 또는 유압 압력에 의해 구동되며 에너지원의 화학적 구성을 변경하지 않는 장치이다.[6][7] 그러나 고출력 로켓에서는 연료를 소비함에도 불구하고 로켓 모터라는 용어를 사용한다.

열기관은 원동기로도 사용될 수 있는데, 이는 유체의 흐름 또는 압력 변화를 역학적 에너지로 변환하는 구성 요소이다.[8] 내연기관으로 구동되는 자동차는 다양한 모터와 펌프를 사용할 수 있지만, 궁극적으로 그러한 모든 장치는 엔진에서 동력을 얻는다. 다른 관점에서 보면, 모터는 외부 소스에서 동력을 받아 역학적 에너지로 변환하는 반면, 엔진은 압력에서 동력을 생성한다(연소 또는 다른 화학 반응의 폭발력에서 직접 유래하거나, 공기, 물 또는 증기와 같은 다른 물질에 대한 그러한 힘의 작용에서 이차적으로 유래함).[9][더 나은 출처 필요]

역사

고대

지레의 예시인 철퇴와 노와 같은 단순 기계는 선사 시대부터 존재했다. 인력, 동물력, 수력, 풍력 심지어 증기력을 사용하는 더 복잡한 엔진은 고대부터 존재했다. 인력은 캡스턴, 윈치 또는 디딤바퀴와 같은 단순 엔진의 사용과 밧줄, 도르래 및 활차 장치 배열로 집중되었으며, 이 동력은 일반적으로 힘이 곱해지고 속도가 줄어드는 방식으로 전달되었다. 이들은 고대 그리스의 기중기와 선박뿐만 아니라 고대 로마의 광업, 수중 펌프 및 공성무기에도 사용되었다. 비트루비우스, 프론티누스, 가이우스 플리니우스 세쿤두스를 포함한 당시의 작가들은 이러한 엔진을 흔한 것으로 취급했으므로 그 발명은 더 오래되었을 수 있다. 1세기경에는 소와 말이 방앗간에 사용되었으며, 이전 시대에 인간이 동력을 공급하던 것과 유사한 기계를 구동했다.

스트라본에 따르면, 기원전 1세기 미트리다테스 왕국의 카베리아에 수력 방앗간이 건설되었다. 수차의 사용은 다음 몇 세기 동안 로마 제국 전역으로 퍼졌다. 일부는 수로, 댐, 수문 (토목)을 사용하여 물을 유지하고 흐르게 하며, 회전 속도를 조절하기 위한 나무와 금속으로 만든 톱니바퀴 또는 톱니바퀴 시스템을 갖춘 상당히 복잡한 것이었다. 안티키테라 메커니즘과 같은 더 정교한 소형 장치는 복잡한 기어 트레인과 다이얼을 사용하여 달력 역할을 하거나 천문 현상을 예측했다. 4세기 아우소니우스의 시에서 그는 물로 구동되는 석재 절단 톱을 언급한다. 헤론은 아이올리파일과 자동 판매기를 포함한 1세기경의 많은 바람 및 증기 동력 기계를 발명한 것으로 알려져 있으며, 이 기계들은 종종 움직이는 제단과 자동화된 신전 문과 같은 숭배와 관련이 있었다.

중세

중세 이슬람 엔지니어들은 방앗간과 물 양수기에 톱니바퀴를 사용했고, 댐을 수력원으로 사용하여 물레방아와 물 양수기에 추가 동력을 제공했다.[10] 중세 이슬람 세계에서는 이러한 발전으로 이전에 육체노동으로 수행되던 많은 산업 작업을 기계화할 수 있었다.

1206년, 알 자자리는 그의 두 물 양수기에 크랭크-커넥팅 로드 시스템을 사용했다. 초기 증기 터빈 장치는 1551년 타키 앗 딘[11]과 1629년 조반니 브랑카[12]에 의해 설명되었다.[13]

13세기에는 중국에서 고체 로켓 모터가 발명되었다. 화약으로 구동되는 이 가장 단순한 형태의 내연기관은 지속적인 동력을 전달할 수는 없었지만, 전투에서 적에게 무기를 고속으로 발사하고 불꽃놀이에 유용했다. 발명 이후 이 혁신은 유럽 전역으로 퍼졌다.

산업 혁명

파일:Boulton and Watt centrifugal governor-MJ.jpg
1788년 볼턴 & 와트 엔진

와트 증기기관은 부분 진공의 도움을 받아 대기압보다 약간 높은 압력의 증기를 사용하여 피스톤을 구동하는 최초의 증기기관 유형이었다. 1712년 뉴커먼 증기기관의 설계를 개선하여 1763년부터 1775년까지 점진적으로 개발된 와트 증기기관은 증기기관 개발에 큰 진전을 이루었다. 제임스 와트의 설계는 연료 효율을 극적으로 증가시켰으며, 그의 사업 파트너인 매슈 볼턴 덕분에 증기기관과 동의어가 되었다. 이는 수력 발전이 불가능한 곳에서도 이전에 상상할 수 없었던 규모로 효율적인 반자동 공장의 빠른 발전을 가능하게 했다. 이후의 개발은 증기 기관차와 철도운송의 큰 확대로 이어졌다.

내연 피스톤 엔진의 경우, 1807년 프랑스에서 드 리바즈와 독립적으로 니에프스 형제에 의해 시험되었다. 1824년 카르노에 의해 이론적으로 발전되었다. 1853-57년에 에우제니오 바르산티와 펠리체 마테우치는 자유 피스톤 원리를 사용하는 엔진을 발명하고 특허를 냈는데, 이는 아마도 최초의 4행정 엔진이었을 것이다.[14]

이후 상업적으로 성공한 내연기관의 발명은 1860년 에티엔 르누아르에 의해 이루어졌다.[15]

1877년, 오토사이클은 증기기관보다 훨씬 높은 일률 대 중량비를 제공할 수 있었고 자동차 및 항공기와 같은 많은 운송 응용 분야에서 훨씬 더 잘 작동했다.

파일:Mercedes V6 DTM Rennmotor 1996.jpg
메르세데스-벤츠의 V6 내연기관

자동차

카를 벤츠가 만든 최초의 상업적으로 성공한 자동차는 가볍고 강력한 엔진에 대한 관심을 더했다. 4행정 오토 사이클로 작동하는 경량 가솔린 내연기관은 경량 자동차에 가장 성공적이었지만, 열 효율이 더 높은 디젤 엔진은 트럭과 버스에 사용된다. 그러나 최근 몇 년 동안 터보차저 디젤 엔진은 미국 외 지역에서도 상당히 작은 자동차에까지 점점 더 인기를 얻고 있다.

수평 대향 피스톤

1896년, 카를 벤츠는 수평 대향 피스톤 엔진 설계에 대한 특허를 받았다. 그의 설계는 해당 피스톤이 수평 실린더에서 움직이고 동시에 상사점에 도달하여 개별 운동량에 대해 자동으로 서로 균형을 이루는 엔진을 만들었다. 이러한 설계의 엔진은 모양과 낮은 프로파일 때문에 종종 "플랫" 또는 "복서" 엔진이라고 불린다. 이 엔진은 폭스바겐 비틀, 시트로엥 2CV, 일부 포르쉐 및 스바루 자동차, 많은 BMW 및 혼다 모터사이클에 사용되었다. 수평 대향 4기통 및 6기통 엔진은 소형 프로펠러 구동 항공기에서 계속 동력원으로 사용된다.

발전

자동차에 내연기관이 계속 사용되는 것은 엔진 관리 프로세스를 제공하는 온보드 컴퓨터 및 전자 제어 연료 분사와 같은 엔진 제어 시스템의 개선 덕분이기도 하다. 터보차징 및 슈퍼차징에 의한 강제 공기 흡입은 일반 순항 동력에서 더 가볍고 연료 효율적인 소배기량 엔진의 출력 증가를 가져왔다. 유사한 변화가 소형 디젤 엔진에도 적용되어 가솔린 엔진과 거의 동일한 성능 특성을 제공한다. 이는 유럽에서 소형 디젤 엔진 구동 자동차의 인기가 특히 두드러진다. 디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 낮은 탄화수소 및 CO2 배출량을 생성하지만, 더 많은 입자상 물질 및 NOx 오염을 발생시킨다.[16] 디젤 엔진은 또한 동급 가솔린 엔진보다 40% 더 연료 효율적이다.[16]

동력 증가

20세기 전반기에는 특히 미국 모델에서 엔진 동력이 증가하는 경향이 나타났다. 설계 변경에는 효율성을 높이기 위한 실린더 내 압력 증가, 엔진 크기 증가, 엔진이 일을 생성하는 속도 증가를 포함하여 엔진 용량을 늘리는 알려진 모든 방법이 통합되었다. 이러한 변경으로 인해 발생하는 더 높은 힘과 압력은 엔진 진동 및 크기 문제를 야기하여 더 길었던 직선 배열 대신 더 견고하고 컴팩트한 V 및 수평 대향 실린더 배열로 이어졌다.

연소 효율

승용차의 최적 연소 효율은 약 110 °C (230 °F)의 냉각수 온도에서 도달한다.[17]

엔진 구성

초기 자동차 엔진 개발은 오늘날 흔히 사용되는 것보다 훨씬 더 다양한 엔진을 생산했다. 엔진은 1기통에서 16기통 설계까지 다양했으며, 전체 크기, 중량, 배기량, 실린더 보어에 해당하는 차이가 있었다. 4기통 및 19~120 hp(14~90 kW)의 출력 등급이 대부분의 모델에서 뒤따랐다. 몇몇 3기통 2행정 사이클 모델이 제작되었지만 대부분의 엔진은 직렬 또는 인라인 실린더를 가졌다. V형 모델과 수평 대향 2기통 및 4기통 모델도 여러 개 있었다. 오버헤드 캠샤프트가 자주 사용되었다. 소형 엔진은 일반적으로 공랭식이었고 차량 후방에 위치했다. 압축비는 비교적 낮았다. 1970년대와 1980년대에는 연비 개선에 대한 관심이 높아져 더 작은 V-6 및 4기통 배열로 회귀했으며, 효율성 향상을 위해 실린더당 최대 5개의 밸브를 사용했다. 부가티 베이론 16.4는 W16 엔진으로 작동하는데, 이는 두 개의 V8 엔진 실린더 배열이 나란히 배치되어 동일한 크랭크축을 공유하는 W자 모양을 만든다는 것을 의미한다.

지금까지 만들어진 가장 큰 내연기관은 Wärtsilä-Sulzer RTA96-C로, 14기통 2행정 터보차지 디젤 엔진이며 2006년 출시 당시 세계 최대 컨테이너선인 엠마 머스크에 동력을 공급하도록 설계되었다. 이 엔진은 2,300톤의 질량을 가지며, 102 rpm(1.7 Hz)으로 작동할 때 80 MW 이상의 출력을 생산하고 하루에 최대 250톤의 연료를 사용할 수 있다.

종류

엔진은 운동을 생성하기 위해 받아들이는 에너지의 형태와 출력하는 운동의 유형이라는 두 가지 기준에 따라 분류될 수 있다.

열기관

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연소 기관

연소 기관은 연소 과정의 열에 의해 구동되는 열기관이다.

내연기관

파일:A three-horsepower internal combustion engine that ran on coal gas LCCN2006691790.jpg
석탄가스로 작동하는 3마력 내연기관
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내연기관은 연소실에서 연료(일반적으로 화석연료)가 산화제(보통 공기)와 함께 연소하는 엔진이다. 내연기관에서는 연소에 의해 생성되는 고온 고압 가스의 팽창이 피스톤이나 터빈 날개 또는 노즐과 같은 엔진 구성 요소에 직접 힘을 가하고, 일정 거리를 이동시키면서 역학적 일을 발생시킨다.[18][19][20]

외연기관

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외연기관(EC 엔진)은 내부 작동 유체가 엔진 벽 또는 열교환기를 통해 외부 열원에서 연소열로 가열되는 열기관이다. 그런 다음 유체는 팽창하고 엔진의 메커니즘에 작용하여 운동과 사용 가능한 일을 생산한다.[21] 유체는 그 후 냉각, 압축되어 재사용되거나(폐쇄 사이클), (덜 일반적으로) 배출되고 차가운 유체가 유입된다(개방 사이클 공기 엔진).

"연소"는 열을 공급하기 위해 연료를 산화제와 함께 연소하는 것을 의미한다. 유사하거나 심지어 동일한 구성 및 작동을 하는 엔진은 핵, 태양열, 지열 또는 연소를 포함하지 않는 발열 반응과 같은 다른 열원에서 열을 공급받을 수 있지만, 엄밀히 말하면 외연기관이 아니라 외부 열기관으로 분류된다.

작동 유체는 스털링 기관에서와 같이 기체일 수도 있고, 증기기관에서와 같이 증기일 수도 있으며, 유기 랭킨 사이클에서와 같이 n-펜탄과 같은 유기 액체일 수도 있다. 유체는 어떤 구성이라도 될 수 있으며, 기체가 단연 가장 흔하지만 때로는 단상 액체도 사용된다. 증기기관의 경우 유체는 액체와 기체 사이에서 상태가 변한다.

공기흡입식 연소 기관

공기흡입식 연소 기관은 로켓과 같이 산화제를 운반하는 대신 대기 중 공기의 산소를 사용하여 연료를 산화('연소')하는 연소 기관이다. 이론적으로 이것은 로켓 엔진보다 더 나은 비추력을 가져와야 한다.

연속적인 공기 흐름이 공기흡입 엔진을 통과한다. 이 공기는 압축되고, 연료와 혼합되고, 점화되어 배기가스로 배출된다. 반응 엔진에서는 연소 에너지(열)의 대부분이 추력을 직접 제공하는 배기가스로 엔진을 빠져나간다.

예시

일반적인 공기흡입식 엔진은 다음과 같다:

환경 영향

엔진의 작동은 일반적으로 대기 질과 주변 소음 수준에 부정적인 영향을 미친다. 자동차 동력 시스템의 오염 유발 특성에 대한 강조가 커지고 있다. 이로 인해 대체 동력원 및 내연기관 개선에 대한 새로운 관심이 생겨났다. 일부 제한된 생산량의 배터리 구동 전기 탈것이 나타났지만, 비용 및 작동 특성으로 인해 경쟁력이 없는 것으로 입증되었다. 21세기에는 디젤 엔진이 자동차 소유자들 사이에서 인기가 높아지고 있다. 그러나 가솔린 엔진과 디젤 엔진은 배출 성능을 향상시키기 위한 새로운 배출 제어 장치를 통해 아직 크게 도전받지 않고 있다. 여러 제조업체가 주로 소형 가솔린 엔진과 전기 모터 및 대용량 배터리 뱅크를 결합한 하이브리드 엔진을 출시했으며, 이는 환경 인식으로 인해 인기 있는 옵션이 되기 시작했다.

대기 질

스파크 점화 엔진의 배기가스는 다음으로 구성된다: 질소 70~75%(부피 기준), 수증기 10~12%, 이산화 탄소 10~13.5%, 수소 0.5~2%, 산소 0.2~2%, 일산화 탄소: 0.1~6%, 미연소 탄화수소 및 부분 산화 생성물(예: 알데하이드) 0.5~1%, 일산화 질소 0.01~0.4%, 아산화 질소 <100 ppm, 이산화 황 15~60 ppm, 연료 첨가제 및 윤활제와 같은 기타 화합물, 할로겐 및 금속 화합물, 기타 입자 흔적.[22] 일산화 탄소는 매우 유독하며 일산화 탄소 중독을 유발할 수 있으므로 밀폐된 공간에서 가스가 축적되는 것을 피하는 것이 중요하다. 촉매 변환기는 독성 배출물을 줄일 수 있지만 완전히 제거하지는 못한다. 또한, 현대 산업화된 세계에서 엔진의 광범위한 사용으로 인한 온실가스 배출, 주로 이산화 탄소는 지구 온실 효과에 기여하고 있으며, 이는 지구 온난화에 대한 주요 관심사이다.

비연소 열기관

섬네일을 만드는 중 오류 발생:  이 부분의 본문은 열기관입니다.

일부 엔진은 비연소 과정에서 발생하는 열을 역학적 일로 변환한다. 예를 들어, 원자력 발전소는 핵반응에서 발생하는 열을 이용하여 증기를 생산하고 증기기관을 구동하거나, 로켓 엔진의 가스 터빈은 과산화 수소를 분해하여 구동될 수 있다. 다른 에너지원을 사용하는 것 외에는 엔진은 종종 내연기관 또는 외연기관과 거의 동일하게 설계된다.

또 다른 비연소 엔진 그룹에는 열음향 엔진("TA 엔진"이라고도 함)이 포함되는데, 이는 고진폭 음파를 사용하여 한 곳에서 다른 곳으로 열을 펌프하거나, 반대로 열 차이를 사용하여 고진폭 음파를 유도하는 열음향 장치이다. 일반적으로 열음향 엔진은 정재파 장치와 진행파 장치로 나눌 수 있다.[23]

스털링 기관은 또 다른 형태의 비연소 열기관이 될 수 있다. 이들은 스털링 열역학 사이클을 사용하여 열을 일로 변환한다. 예를 들어 알파형 스털링 엔진은 가스가 재생기를 통해 뜨거운 실린더와 차가운 실린더 사이를 흐르는데, 이들은 서로 90° 위상차가 나는 왕복 피스톤에 연결되어 있다. 가스는 뜨거운 실린더에서 열을 받아 팽창하고, 크랭크축을 돌리는 피스톤을 구동한다. 팽창하고 재생기를 통과한 후, 가스는 차가운 실린더에서 열을 방출하고 이로 인한 압력 강하는 다른 (변위) 피스톤에 의해 압축되어 뜨거운 실린더로 다시 밀려 들어간다.[24]

비열화학 동력 모터

비열 모터는 일반적으로 화학 반응으로 구동되지만 열기관은 아니다. 예시는 다음과 같다.

전동기

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전동기는 전기 에너지를 이용하여 역학적 에너지를 생산하는데, 이는 일반적으로 자기장과 전류가 흐르는 도체의 상호 작용을 통해 이루어진다. 역과정, 즉 역학적 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 것은 발전기 또는 다이너모에 의해 달성된다. 견인 전동기는 종종 두 가지 작업을 모두 수행한다. 전동기는 발전기로 작동할 수 있으며 그 반대도 가능하지만, 항상 실용적인 것은 아니다. 전동기는 산업용 팬, 송풍기 및 펌프, 공작 기계, 가전제품, 전동 공구, 디스크 드라이브와 같이 다양한 응용 분야에서 널리 사용된다. 배터리 전원으로 작동하는 휴대용 장치나 자동차와 같은 직류 전원으로 작동하거나 중앙 전기 배전망의 교류 전원으로 작동할 수 있다. 가장 작은 모터는 전기 손목시계에서 발견될 수 있다. 고도로 표준화된 치수와 특성을 가진 중간 크기 모터는 산업용으로 편리한 기계적 동력을 제공한다. 가장 큰 전동기는 대형 선박의 추진 및 파이프라인 압축기와 같은 용도로 사용되며, 수천 킬로와트의 정격 출력을 갖는다. 전동기는 전원, 내부 구조 및 응용 분야에 따라 분류될 수 있다.

섬네일을 만드는 중 오류 발생:
전동기

전류와 자기장의 상호 작용에 의한 기계적 힘 생성의 물리적 원리는 이미 1821년에 알려져 있었다. 19세기 내내 효율이 증가하는 전동기가 제작되었지만, 대규모 전동기의 상업적 활용은 효율적인 발전기와 전력 배전망을 필요로 했다.

모터의 전력 소비와 관련된 탄소 발자국을 줄이기 위해 많은 국가의 다양한 규제 당국은 고효율 전동기 제조 및 사용을 장려하는 법규를 도입하고 시행했다. 잘 설계된 모터는 입력 에너지의 90% 이상을 수십 년 동안 유용한 동력으로 변환할 수 있다.[25] 모터의 효율이 몇 퍼센트 포인트라도 높아지면 킬로와트시(따라서 비용)의 절감 효과는 엄청나다. 일반적인 산업용 유도전동기의 전기 에너지 효율은 다음을 통해 향상될 수 있다: 1) 고정자 권선의 전기 손실 감소(예: 도체의 단면적 증가, 권선 기술 개선, 구리와 같이 전기 전도성이 높은 재료 사용), 2) 회전자 코일 또는 주물의 전기 손실 감소(예: 구리와 같이 전기 전도성이 높은 재료 사용), 3) 더 좋은 품질의 자성 강철을 사용하여 자기 손실 감소, 4) 기계적 풍손 감소를 위해 모터의 공기역학 개선, 5) 베어링 개선으로 마찰 손실 감소, 6) 제조 공차 최소화. 이 주제에 대한 추가 논의는 프리미엄 효율을 참조하라.

관례적으로, 전기 엔진은 전기 기관차를 의미하며, 전동기를 의미하지 않는다.

물리 동력 모터

일부 모터는 위치 에너지 또는 운동 에너지로 구동된다. 예를 들어 일부 푸니쿨라, 중력 경사로 및 삭도 컨베이어는 움직이는 물이나 바위의 에너지를 사용했으며, 일부 시계는 중력으로 떨어지는 추를 가지고 있다. 다른 형태의 위치 에너지로는 압축공기(공압 모터 등), 용수철(시계태엽 모터 등) 및 고무줄이 있다.

역사적인 군대 공성무기에는 대형 투석기, 트레뷰셋 및 (어느 정도) 충차가 포함되었으며, 이들은 위치 에너지로 구동되었다.

공압 모터

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공압 모터는 압축공기 형태의 위치 에너지를 역학적 일로 변환하는 기계이다. 공압 모터는 일반적으로 압축공기를 선형 또는 회전 운동을 통해 역학적 일로 변환한다. 선형 운동은 다이어프램 또는 피스톤 액추에이터에서 나올 수 있으며, 회전 운동은 베인형 공기 모터 또는 피스톤 공기 모터에 의해 공급된다. 공압 모터는 휴대용 공구 산업에서 광범위한 성공을 거두었으며, 운송 산업으로의 사용 확대를 위한 지속적인 시도가 이루어지고 있다. 그러나 공압 모터는 운송 산업에서 실현 가능한 옵션으로 간주되기 전에 효율성 부족을 극복해야 한다.

유압 모터

섬네일을 만드는 중 오류 발생:  이 부분의 본문은 유압 모터입니다.

유압 모터는 가압된 액체에서 동력을 얻는다. 이 유형의 엔진은 무거운 짐을 이동하고 기계를 구동하는 데 사용된다.[26]

하이브리드

일부 모터 장치는 여러 에너지원을 가질 수 있다. 예를 들어, 플러그인 하이브리드 전기 자동차의 전기 모터는 배터리에서 전기를 얻거나 내연기관 및 발전기를 통해 화석연료 입력에서 전기를 얻을 수 있다.

성능

엔진의 성능을 평가하는 데 다음 요소들이 사용된다.

속도

속도는 피스톤 엔진의 크랭크축 회전과 압축기/터빈 로터 및 전동기 로터의 속도를 나타낸다. 일반적으로 분당 회전수(rpm)로 측정된다.

추력

추력은 비행기의 프로펠러 또는 제트 엔진이 공기를 가속시킴으로써 비행기에 가해지는 힘이다. 또한 선박의 프로펠러가 물을 가속시킴으로써 선박에 가해지는 힘이기도 하다.

돌림힘

돌림힘은 축에 작용하는 회전 모멘트이며, 모멘트를 일으키는 힘에 축으로부터의 거리를 곱하여 계산된다.

일률

일률은 일이 얼마나 빨리 이루어지는지를 나타내는 척도이다.

효율

섬네일을 만드는 중 오류 발생:  이 부분의 본문은 엔진 효율입니다.

효율은 총 입력 대비 유용한 에너지 출력의 비율이다.

소음 수준

차량 소음은 낮은 차량 속도에서는 주로 엔진에서 발생하고, 높은 속도에서는 타이어와 차량을 통과하는 공기 흐름에서 발생한다.[27] 전동기는 내연기관보다 조용하다. 터보팬, 터보제트 및 로켓과 같이 추력을 생성하는 엔진은 추력을 생성하는 고속 배기가스 흐름이 주변의 정지 공기와 상호 작용하는 방식 때문에 가장 많은 소음을 방출한다. 소음 저감 기술에는 가솔린 및 디젤 엔진의 흡기 및 배기 시스템 소음기와 터보팬 흡입구의 소음 감쇠 라이너가 포함된다.

용도별 엔진

특히 주목할 만한 엔진 종류는 다음과 같다:

같이 보기

각주

  1. ↑ “Motor”. Dictionary.reference.com. 2008년 4월 7일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2011년 5월 9일에 확인함. a person or thing that imparts motion, esp. a contrivance, as a steam engine, that receives and modifies energy from some source in order to use it in driving machinery. 
  2. ↑ Dictionary.com: (World heritage) 보관됨 2008-04-07 - Archive-It "3. any device that converts another form of energy into mechanical energy so as to produce motion"
  3. ↑ “World Wide Words: Engine and Motor” (영국 영어). 《World Wide Words》. 2019년 4월 25일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2020년 4월 30일에 확인함. 
  4. ↑ “Engine”. 《Collins English Dictionary》. 2012년 8월 29일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 9월 3일에 확인함. 
  5. ↑ Dictionary definitions:
  6. ↑ "Engine", McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology, Third Edition, Sybil P. Parker, ed. McGraw-Hill, Inc., 1994, p. 714.
  7. ↑ Quinion, Michael. “World Wide Words: Engine and Motor”. 《Worldwide Words》. 2019년 4월 25일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 2월 3일에 확인함. 
  8. ↑ "Prime mover", McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology, Third Edition, Sybil P. Parker, ed. McGraw-Hill, Inc., 1994, p. 1498.
  9. ↑ Goldstein, Norm 편집 (2007). 《The Associated Press Stylebook and Briefing on Media Law》 42판. New York: Basic Books. 84쪽. ISBN 978-0-465-00489-8. 
  10. ↑ Hassan, Ahmad Y. 〈Transmission of Islamic Engineering〉. 《Transfer of Islamic Technology to the West, Part II》. 2008년 2월 18일에 원본 문서에서 보존된 문서. 
  11. ↑ Hassan, Ahmad Y. (1976). Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, pp. 34–35. Institute for the History of Arabic Science, 알레포 대학교.
  12. ↑ “University of Rochester, NY, The growth of the steam engine online history resource, chapter one”. History.rochester.edu. 2012년 2월 4일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2010년 2월 3일에 확인함. 
  13. ↑ Nag, P.K. (2002). 《Power plant engineering》. Tata McGraw-Hill. 432쪽. ISBN 0-07-043599-5. 
  14. ↑ “La documentazione essenziale per l'attribuzione della scoperta”. 2017년 2월 25일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2014년 2월 24일에 확인함. A later request was presented to the Patent Office of the Reign of Piedmont, under No. 700 of Volume VII of that Office. The text of this patent request is not available, only a photo of the table containing a drawing of the engine. This may have been either a new patent or an extension of a patent granted three days earlier, on 30 December 1857, at Turin. 
  15. ↑ Victor Albert Walter Hillier, Peter Coombes – Hillier's Fundamentals of Motor Vehicle Technology, Book 1 Nelson Thornes, 2004 ISBN 0-7487-8082-3 [Retrieved 2016-06-16]
  16. ↑ 가 나 Harrison, Roy M. (2001), 《Pollution: Causes, Effects and Control》 4판, 왕립화학회, ISBN 978-0-85404-621-8 
  17. ↑ McKnight, Bill (August 2017). “The Electrically Assisted Thermostat” (미국 영어). 《Motor.com》. 2021년 5월 3일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2021년 3월 13일에 확인함. 
  18. ↑ Proctor, Charles Lafayette II. 〈Internal Combustion engines〉. 《Encyclopædia Britannica Online》. 2011년 5월 9일에 확인함. 
  19. ↑ “Internal combustion engine”. Answers.com. 2011년 6월 28일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2011년 5월 9일에 확인함. 
  20. ↑ “Internal-combustion engine”. Infoplease.com. 2007. 2011년 5월 15일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2011년 5월 9일에 확인함. 
  21. ↑ “External combustion”. Merriam-Webster Online Dictionary. 2010년 8월 13일. 2018년 6월 27일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2011년 5월 9일에 확인함. 
  22. ↑ Paul Degobert, Society of Automotive Engineers (1995), Automobiles and Pollution
  23. ↑ Emam, Mahmoud (2013). 《Experimental Investigations on a Standing-Wave Thermoacoustic Engine, M.Sc. Thesis》. Egypt: Cairo University. 2013년 9월 28일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2013년 9월 26일에 확인함. 
  24. ↑ Bataineh, Khaled M. (2018). 《Numerical thermodynamic model of alpha-type Stirling engine》. 《Case Studies in Thermal Engineering》 12. 104–116쪽. doi:10.1016/j.csite.2018.03.010. ISSN 2214-157X. 
  25. ↑ “Motors”. American Council for an Energy-Efficient Economy. 2012년 10월 23일에 원본 문서에서 보존된 문서. 
  26. ↑ “Howstuffworks "Engineering"”. Reference.howstuffworks.com. 2006년 1월 29일. 2009년 8월 21일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2011년 5월 9일에 확인함. 
  27. ↑ Hogan, C. Michael (September 1973). 《Analysis of Highway Noise》. 《Journal of Water, Air, and Soil Pollution》 2. 387–92쪽. Bibcode:1973WASP....2..387H. doi:10.1007/BF00159677. ISSN 0049-6979. S2CID 109914430. 

외부 링크

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