Two-stroke engine
1 개요
2행정 기관은 내연기관의 일종으로, 크랭크축이 1회전하는 동안, 피스톤이 상승 1회, 하강 1회, 즉 2번의 행정을 거치며 1사이클을 완료하는 형태의 엔진이다. 흔히 "2스트로크 엔진", "2행정 엔진"으로 부르며, "2T 엔진"이라고도 부른다.
2 2행정 가솔린 기관
2.1 상세
흔히 자동차나 소형 엔진 등에 사용되었으나, 엔진 오일을 같이 연소해야 하기 때문에 환경규제에 불리하며, 피스톤의 내구도가 짧기 때문에(4행정보다 1사이클에 폭발하는 횟수가 많다보니 실린더와 피스톤에 상당한 열로 피로를 주게 된다.) 일반적인 자동차용으로는 거의 퇴출되었다. 가장 많이 이용되는 분야는 예초기[1] 와 같은 소형 원동기와 오토바이, 고출력의 선박용 디젤 엔진 등에 쓰인다. 오토바이에서는 거의 대부분 4행정 기관이 채용된지 오래되어 현재는 50cc도 4행정을 채택하고 있다. 다만 모터크로스계열에서는 아직 2행정 차량이 양산되고있다.
종종 90년대 이전에 제작된 구형 250cc급 2행정 기관 바이크[2]도 볼수 있으며, 아주 레어하지만 V4 형식의 500cc짜리 괴물같은 놈도 있다. 실물로 보게된다면 배기포트의 챔버덩치에 떡실신. 상식을 넘는 아스트랄함을 느낄수가 있다. [3]
2.2 구조
2행정 기관은 흡기/배기 밸브가 없이, 흡기 포트와 배기 포트가 있으며, 이를 실린더로 막거나 열어서 흡기/배기를 하는 방식이다.
2.3 작동원리
일단 이 모식도를 유심히 보고 아래 글을 읽는 것을 추천한다.
일단 가솔린 2행정 기관을 기준으로 설명하자면, 피스톤이 하사점에서 상사점으로 올라가며 소기포트[4]를 막고, 미리 흡기된 혼합기를 압축시키는데, 이 과정에서 크랭크실로 혼합기가 유입된다.
폭발행정이 되어 폭발압력으로 피스톤이 하강하기 시작하면 배기포트가 먼저 열리면서 폭발 압력으로 배기가 시작되고, 이 뒤에 소기포트가 열리면서 다음 사이클에 쓰일 새로운 혼합기가 실린더에 유입된다. 이 이후로 다시 피스톤이 상승하면서 압축을 시작하여 다음 사이클이 이어지게 되는것.
2사이클 가솔린 엔진의 배기계통을 보면 소음기와 엔진 사이에 커다란 챔버가 있는데, 이는 배기중에 미연소 혼합기가 같이 딸려 나가는것을 막고, 불완전 연소된 배기를 다시 실린더에 집어넣는 역할을 한다. 이 챔버의 특성상, 특정 rpm에서만 제대로된 미연소혼합기를 엔진실로 되돌릴수 있는데, 이 구간을 파워밴드 구간이라고 하며, 고회전 2행정 기관의 특징성을 부여해준다. 이 구간 밑이나 위에서는 rpm에 비해 토크가 확 떨어지고 출력이 낮아져 있지만, 이 구간을 확실히 설정해둔 챔버와 흡배기 포트의 설계가 맞아 떨어지는 구간에 들어서면, 급격히 출력이 상승하는데 이 구간덕분에 2행정을 찾는 사람들이 꽤 있는편이다.(스쿠터에는 장착되지 않는 경우가 많으며 개조를 하여 장착할 수 있다.)
적당히 작동속도가 높아지면 애애애애애애애앵하는 주파수가 높은 배기음이 나오는것이 특징이다[5].
보통 스쿠터에는 연료와 엔진오일이 따로 분리되어 카뷰레터에서 자동 혼합되는것이 일반이지만 예초기나 일부 바이크는 분리되지 않고 사용자가 미리 섞어서 주입하는 방식일 수 있으므로 꼭 확인하여야 한다. 만약 그런 바이크에 엔진오일을 혼합하지 않고 연료만 그냥 주입하고 사용하다가는 엔진내 부품들이 윤활이 안되기 때문에 붙을수 있다. 그러므로 미리 확인하여 쓸데없는 지출을 예방하자. 그리고 디젤 2행정에는 엔진오일 넣는곳이 따로 있으니 반드시 체크하자.
4행정 엔진은 피스톤의 아래부분은 전부 엔진오일이 돌아다니는 곳이다. 하지만 2행정 기관에서는 오일을 희석하는 혼합기가 날아다닌다. 그래서 2행정용 엔진오일은 혼합기와 날아다니다 실린더로 유입되었다가 연소되는 성격을 가진다. 발화점이 낮기 때문에 4행정 엔진에 2행정용 오일을 사용하면 엔진에 불이 붙을수가 있다. 하여간 이 오일이 혼합기와 날아다니는 성격은 상당한 문제인데, 일단 엔진의 작동환경 자체가 나빠서 자주 정비를 해줘야 할 뿐만 아니라 대기 오염물질로 가득한 배기가스를 만들기 때문. 또한 아래 단점 단락에도 있듯, 새 기름과 새 엔진오일이 그냥 허공에 날아간다는 점에서, 효율이 낮은 건 필연적이다. 오염물질이 더 심한 이유는 오일이 휘발유처럼 물과 이산화탄소만으로 연소되지 않아서이다. 이 문제로 인해 선진국은 2행정 엔진의 사용을 없애는 추세에 있다.
2.4 장점/단점
- 장점
- 밸브 개폐 기구가 없어 구조가 간단하고, 마력당 무게가 적으며, 원가가 저렴한 축이다.
- 크랭크축이 1회전 할 때마다 동력이 발생하여 회전력의 변동이 적기 때문에, 실린더수가 적어져도 작동이 원활하다.
- 이론상 동일 배기량의 4행정엔진에 비해 2배의 출력이지만, 실제론 1.6 ~ 1.7배 정도의 출력을 낸다. [6].
- 2행정 가솔린 기관의 경우, 엔진의 윤활을 가솔린과 섞은 혼합기로 대체한다. 그로인해서 오일펌프등을 생략할수 있으며(연료와 오일이 따로 저장되는 스쿠터같은 기종에는 오일펌프가 장착되어 있다.), 오일라인의 설계등이 필요가 없어져서 엔진 자체의 가격이 하락하고, 보다 작고 단순하게 만들수 있다. 이는 엔진 정비시 편의성으로 돌아온다.
- 밸브 장치가 없기에, 4행정 엔진의 밸브 서징이 없다! 흡배기 포트의 위치만 조절하면 초고회전형 엔진으로도 비교적 수월하게 제작할수 있다. (22,000RPM 이상으로도 돌아가는 물건이...)
- 단점
- 배기행정이 불안정하며, 유효행정이 짧고, 동일 배기량일 경우 4행정 기관에 비해 연료소비율이 크다. 위의 이미지를 참조해보면 새로운 혼합기가 들어오며 배기가스를 내보내는데 이 과정에서 연소되지도 않은 혼합기가 배기가스와 배출된다 그래서 연료 효율은 안드로메다로....
- 저속일 경우, 기관의 회전상태를 유지시키기 어렵다.
- 평균 유효압력을 높이기 어렵다.
- 소기/배기포트가 실린더 측면에 그냥 뚫려있는 형태의 특성상, 피스톤과 피스톤링의 소모가 크다.
- 대기 오염물질 배출량이 많다.
- 4행정보다 실린더의 피로가 많다.
- 특이점
- 엔진 브레이크가 잘 걸리지 않는다. 4행정 기관처럼 엔진 브레이크를 걸어도 크랭크실과 연소실에만 압축/흡입이 반복되고, 흡입/압축저항이 생기질 않는다. RPM은 무지 치솟으니 주의.
- 윤활유를 연료탱크에 미리 섞는 프리믹스타입과, 연료탱크와 별도로 된 윤활유 탱크에 주입후, 순간적으로 혼합시켜서 엔진으로 분사시키는 순간혼합형으로 구분된다. 보통은 2행정 윤활유의 경우 순간혼합형으로 출시되어서, 프리믹스로 사용해도 별 문제가 없으나, 프리믹스 전용 오일의 경우 순간혼합형 엔진에 넣으면 문제를 일으킨다.
- 4행정 기관의 VVT 장치와 비슷하게, 배기 포트의 위치를 조절해서 저회전 특성을 개선시키는 기술을 내놓았었다. 혼다와 야마하의 YPSV와 RC밸브등의 기술.
- 챔버의 형상에 따라 엔진의 출력특성이 크게 변화한다.
3 2행정 디젤 기관
파일:2행정 디젤 구조.jpg파일:2행정 디젤 움짤.gif
2행정 디젤 엔진 의 모식도.
가솔린과는 구조 자체가 매우 다르며 상단 벨브 2개는 4행정에서 보는 그것과 그냥 동일하다. 단지 동시에 열릴 뿐. 공기의 유입은 슈퍼차저와 터보차저를 통해 강제로 과급하여 이루어지며 이 때의 압력이 매우 높아 짧은 시간 내에 실린더 전체의 용량만큼 불어넣을 수 있도록 되어있다. 그리고 2행정 가솔린과 다른건 공기와 연료를 혼합기로 섞지않고 바로 공기만 들어가며[7], 폭발행정에서 연료를 분사하여 폭발시키는 것이 다르다. 그래서 2사이클 디젤 엔진은 엔진오일이 따로 들어간다. 그리고 가솔린 엔진과 다르게 터보차져로 매연을 확실하게 빨아들이고 반대로 과급을 해서 가솔린 엔진에 비해서 효율이 좋다. ABB의 터보차져
2행정 가솔린 엔진과 다르게 2행정 디젤은 산업용 디젤 엔진의 대다수를 차지를 하고 있는데. 4행정에 비해서 출력, 무게, 보수성이 우월하고 매연과 미세먼지. NOX문제도 소형 자동차 디젤엔진과 다르게 촉매와 필터를 크게 만들면 된다. 하지만 4행정 디젤도 장점이 있는데 연비와 소음, 진동, 배기가스에서 2행정에 비해서 훨씬 낫다. 그래서 벌크선이나 컨테이너선같은 화물선과 EMD계열 디젤 철도차량, 비상발전용 발전기[8]는 2행정을 쓰고있고, 여객선과 GE계열과 유럽계 디젤 철도차량, 상시발전용 발전기는 4행정을 쓰고있다.