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엔진의 열부하(Thermal Load)는 엔진의 각 부분,구성부품,재료 등에 가해지는 열량의 크기를 말합니다. 엔진에 있는 연소실에서 연료가 연소되면서 열에너지가 방출되기 때문에 엔진에 가해지는 열부하가 크리라는 예상은 당연합니다. 엔진에 가해지는 열부하가 증대될 때 발생할 수 있는 장애로는 엔진의 출력을 급격하게 저하시키고 또 엔진에 손상까지 입힐 수 있는 노킹(Knocking)의 발생, 열응력,열변형,열피로 등에 의한 균열,소착의 발생,온도 상승에 의한 윤활유의 기능저하, 그리고 열손실의 증대에 따른 효율 감소 등을 들 수 있습니다. 그러므로 엔진의 열부하를 효과적으로 관리하는 것은 앞에서 말한 문제점을 제거하는 동시에 성능 및 열효율의 향상을 기대할 수 있다는 것을 의미합니다.
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연소실 내에서 압축된 공기와 연료의 혼합기는 점화플러그에 의해 점화되어 고온,고압의 연소가스로 됩니다. 연소에 의해 발생된 열에너지의 일부는,연소실을 구성하고 있는 피스톤,실린더라이너,실린더헤드,밸브 등을 통하여 열손실로 유출됩니다. 피스톤으로 유입된 열의 대부분은 실린더 벽면과 접촉하는 피스톤 링(Ring),피스톤 스커트(Skirt)를 통하여 실린더 벽면으로 유출되고, 일부는 피스톤 밑면을 통하여 크랭크케이스 쪽으로 유출됩니다. 그 외에도 엔진이 받는 열부하에 관계되는 것은 배기포트,그리고 뜨거운 배기가스에 의해 고온이 된 배기다기관과 접촉된 실린더헤드면 등이 있습니다.
실제 자동차로 시가지와 고속도로를 주행하면서 피스톤 부의 온도를 측정한 시험결과를 보면, 시가지 주행에서는 피스톤 상면 중앙부의 온도가 대략 120 ~ 180℃정도의 분포를 보입니다. 시속 100Km/h정도의 속도로 고속도로를 주행할 경우에는 피스톤 상면 중앙부의 온도가 운전상황에 따라 20℃정도의 변화를 보이지만 대략 150 ~ 200℃정도를 보입니다.
그러나 노킹(Knocking)이 발생하게 되면, 노킹에 의해 발생된 충격파(Shock Wave)에 의해 연소실 벽면 전체의 온도경계층(Thermal Boundary Layer)이 파괴되어 열전도율이 증대하게 되므로, 유입되는 열량이 급격하게 증대되어 연소실 전체 벽면의 온도가 상승하게 된다고 합니다. 이에 따라 피스톤 상면 중앙부의 온도도 상승하는데, 정상연소의 경우에는 시속 100Km/h의 운전조건에서 약 200℃를 보이지만, 노킹이 발생하면 270℃정도를 보인다고 합니다. 그러므로 노킹이 발생되면 엔진의 출력이 떨어질 뿐만 아니라 엔진에 가해지는 열부하도 급격하게 증대됩니다. |
