목차
엔진의 기본 개념
내연기관과 외연기관
반응 엔진이란?
엔진의 에너지원
제트 엔진의 작동 원리
내연기관의 종류
엔진의 배출가스
FAQ
엔진의 기본 개념
엔진, 또는 원동기(motor)는 우리가 사용하는 다양한 에너지를 기계적 에너지로 전환하는 기계 장치를 말합니다.
자동차를 움직이게 하는 힘의 근원부터 항공기의 비행을 가능하게 하는 동력까지, 엔진은 현대 사회를 움직이는 핵심 동력원입니다.
엔진은 열에너지, 화학 에너지, 전기 에너지, 심지어는 핵에너지까지 다양한 에너지원을 활용하여 작동하며, 특히 열에너지를 일로 변환하는 열기관은 우리 생활과 산업 전반에 걸쳐 매우 중요한 역할을 합니다.
기계적 에너지는 운송 수단뿐만 아니라 절단, 연삭, 혼합 등 다양한 산업 공정에서도 필수적으로 사용됩니다.
내연기관과 외연기관
엔진은 크게 내연기관과 외연기관으로 나눌 수 있습니다.
대표적인 내연기관으로는 자동차에 널리 사용되는 왕복 엔진이 있습니다.
내연기관은 엔진 내에서 연료를 직접 연소시켜 동력을 얻는 방식입니다.
예를 들어, 4행정 가솔린 엔진은 흡기, 압축, 점화(연료 연소), 배기 단계를 거치며 연소실 내 가스의 급격한 팽창을 통해 피스톤을 움직여 크랭크축을 회전시킵니다.
산업 혁명의 주역이었던 증기 기관은 외연기관의 대표적인 예로, 연료를 외부에서 연소시켜 발생한 열로 작동 유체를 가열하는 방식입니다.
반응 엔진이란?
제트 엔진은 연소열을 이용하여 고속 배기가스를 생성하는 반응 엔진의 한 형태입니다.
이는 뉴턴의 제3 운동 법칙에 따라 작용하며, 배출되는 배기가스의 반작용으로 추력을 얻습니다.
제트 엔진은 항공기의 전기 및 유압 시스템에 필요한 역학적 에너지를 터빈 샤프트에서 공급받지만, 비행을 위한 핵심적인 힘인 추력은 바로 이 배기가스 배출을 통해 생성됩니다.
엔진의 에너지원
엔진이 활용하는 에너지원은 매우 다양합니다.
위치 에너지(수력 발전에서 지구 중력장 활용), 열 에너지(지열 등), 화학 에너지, 전위 에너지, 그리고 핵 에너지(핵 분열, 핵융합) 등이 모두 엔진의 동력원으로 사용될 수 있습니다.
이러한 에너지 변환 과정에서 많은 경우 열이 발생하기 때문에 열기관이 중요한 부분을 차지합니다.
또한, 전기 에너지를 기계 운동으로 바꾸는 전동기, 압축 공기를 이용하는 공압 모터, 탄성 에너지를 사용하는 태엽 시계 모터 등도 엔진의 한 종류로 볼 수 있습니다.
제트 엔진의 작동 원리
제트 엔진은 공기를 흡입하여 압축하고, 여기에 연료를 분사하여 연소시킨 후, 뜨거운 고온 가스를 터빈과 노즐을 통해 빠르게 배출하는 과정을 반복합니다.
이 과정에서 발생하는 고온, 고압의 배기가스가 터빈을 회전시키고, 이 터빈은 압축기를 돌리는 동력을 제공합니다.
배기가스가 노즐을 통해 대기 중으로 분출될 때 발생하는 강력한 반작용 힘이 바로 비행기를 앞으로 나아가게 하는 추력입니다.
항공기 시스템에 필요한 전기와 유압 동력은 이 터빈 샤프트에서 추출하여 얻습니다.
내연기관의 종류
내연기관은 사용되는 연료와 연소 방식에 따라 다양하게 분류될 수 있습니다.
가솔린 엔진, 디젤 엔진, LPG 엔진 등이 대표적이며, 각 연료의 특성에 맞게 설계된 엔진은 서로 다른 연소 사이클과 성능을 보입니다.
예를 들어, 가솔린 엔진은 스파크 플러그의 전기 점화원을 이용하여 연료를 연소시키는 반면, 디젤 엔진은 높은 압축비로 인해 자체적으로 발생하는 열을 이용해 연료를 점화시킵니다.
이러한 내연기관들은 자동차뿐만 아니라 오토바이, 선박, 소형 항공기 등 다양한 운송 수단에 활용됩니다.
엔진의 배출가스
모든 화학 연료 열기관은 작동 과정에서 배출가스를 생성합니다.
가장 이상적인 엔진은 물만 배출하는 ‘제로 배출’ 엔진으로, 이는 순수한 수소와 순수한 산소를 연료로 사용하는 로켓 엔진에서 이론적으로 가능합니다.
하지만 일반적인 내연기관에서는 연료 연소 과정에서 이산화탄소(CO2)와 같은 온실가스, 질소산화물(NOx) 등이 배출될 수 있습니다.
특히 탄화수소를 연료로 사용하는 경우 CO2 배출은 피할 수 없는 부분입니다.
최근에는 이러한 배출가스를 줄이기 위한 친환경 엔진 기술 개발에 많은 노력이 기울여지고 있습니다.
FAQ
또한, 항공기의 전기 및 유압 시스템에 필요한 동력을 공급하는 역할도 합니다.
분자 모터와 같은 생물학적 엔진도 화학 에너지를 사용하지만 열 엔진은 아닙니다.