크랭크축이 1회전하는 동안 피스톤의 동력 주기가 2행정으로 완료하는 내연 기관으로 피스톤의 동력 주기가 4행정인 것과는 행정 사이클에서 차이점을 보입니다. 이번 글에서는 2행정 엔진 개념과 구조 및 장단점에 대해 살펴보도록 하겠습니다.
Ⅰ. 2행정 엔진이란?
2행정 엔진에서는 연소 행정의 마지막과 압축 행정의 시작이 동시에 발생하기 때문에 흡기와 배기 기능이 동시에 발생하는 특징을 가지고 있습니다.
파워 밴드라고 하는 2행정 엔진은 종종 짧은 범위의 회전 속도에서 사용할 수 있는 파워와 중량 비율이 높다고 할 수 있습니다.
특히, 4행정 엔진에 비해서 2행정 엔진의 구동 되는 부품 수가 크게 줄어듭니다.
Ⅱ. 2행정 엔진의 작동 원리
동력을 발생하기 위한 2행정 엔진은 피스톤 운동이 하나의 사이클로 이루어져 있으며 이 때 엔진은 가스의 배기와 흡기가 동시에 일어나기 때문에 한 사이클 후에 동력이 발생됩니다.
일반적으로 2행정 엔진에는 두 가지 프로세스가 포함되는데 각각의 구조와 더불어 작동 원리에 대해 살펴보겠습니다.
1. 압축 스트로크
압축 스트로크는 연소실 내의 압력과 온도를 높이는 역할을 하며 압력이 높아지면 폭발 시 발생하는 힘이 커지며 이 때 온도가 높아지면 연료가 더 잘 연소됩니다.
압축 스트로크는 아래와 같은 단계로 진행됩니다.
- 피스톤이 크랭크축의 회전에 의해 하사점으로 내려가면서 실린더 내의 공기-연료 혼합물이 흡입됩니다.
- 피스톤이 상사점으로 올라가면서 흡입 포트가 닫힙니다.
- 피스톤이 계속해서 올라가면서 연료-공기 혼합물이 압축됩니다.
- 피스톤이 상사점에 도달하면 점화 플러그가 점화하고 연료-공기 혼합물이 폭발합니다.
2. 파워 스트로크
파워 스트로크는 2행정 엔진의 가장 중요한 과정으로 파워 스트로크가 효율적으로 이루어지면 엔진의 출력이 증가하는 효과를 얻을 수 있습니다.
이러한 가솔린 엔진의 열효율은 차량의 모델과 디자인에 따라 다르지만 일반적으로 가솔린 엔진은 연료 에너지의 20%를 기계적 에너지로 변환합니다.
그리고 변환된 20%의 에너지 중 15%만 바퀴를 움직이는 데 사용되며 나머지 5%는 마찰 및 기타 기계적 요소로 손실됩니다.
파워 스트로크는 아래와 같은 단계로 진행됩니다.
- 점화 플러그가 점화하고 연료-공기 혼합물이 폭발합니다.
- 폭발로 인해 발생한 가스가 팽창하면서 피스톤을 하사점으로 밀어냅니다.
- 피스톤이 하사점으로 내려가면서 크랭크축을 회전시키고, 이로 인해 동력이 발생합니다.
Ⅲ. 2행정 엔진의 구조
위 그림과 같이 2행정 엔진의 구조는 실린더, 피스톤, 크랭크축, 흡기/배기 포트, 점화 플러그 등과 같은 주요 부품으로 구성되어 있습니다.
1. 실린더
아시다시피 실린더는 연료와 공기 혼합물의 연소 및 배기가스가 발생하는 공간으로 내부에서는 피스톤이 왕복 운동을 하며 연소실의 용적을 변화시킵니다.
2. 피스톤
위 실린더에서 잠깐 언급한 것처럼 피스톤은 실린더 내부에서 왕복 운동을 하며 흡입, 압축, 폭발, 배기의 과정을 수행하며 커넥팅 로드와 연결되어 크랭크축을 회전시키는 역할을 합니다.
3. 크랭크축
피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 부품이며 엔진의 동력을 출력축을 통해 구동 부품에 전달하는 역할을 합니다.
4. 흡기/배기 포트
흡기/배기 포트는 실린더 내부의 공기와 연료의 혼합물과 배기가스를 외부로 배출하기 위한 통로라고 생각하시면 됩니다.
다시 정리하자면 흡기 포트는 공기와 연료의 혼합물을 실린더 내부로 흡입하는 역할을 하고, 배기 포트는 배기가스를 외부로 배출하는 역할을 합니다.
5. 점화 플러그
점화 플러그는 실린더 내부의 연료와 공기의 혼합물을 점화시키는 부품으로 피스톤이 고점에 도달하면 연료와 공기의 혼합물에 전기 스파크를 발생하여 폭발을 일으킵니다.
Ⅳ. 2행정 엔진 장단점
1. 2행정 엔진 장점
- 구조가 간단하고, 부품 수가 적어 유지보수가 쉽습니다.
- 무게가 가볍고, 크기가 작아 소형화하기 쉽습니다.
- 회전력이 균일하여 고회전 운전이 가능합니다.
- 같은 배기량의 4행정 엔진에 비해 출력이 높습니다.
2. 2행정 엔진 단점
- 연소 효율이 낮아 연비가 좋지 않습니다.
- 배기가스에 연소되지 않은 연료가 포함되어 있어 배기가스 배출량이 많습니다.
- 흡기/배기 포트가 실린더 측면에 개방되어 있어 소음이 크고, 오염물질 배출량이 많습니다.
Ⅴ. 마치며
2행정 엔진은 구조가 간단하고, 유지보수가 쉽다는 장점으로 인해 소형 엔진에 많이 사용됩니다.
예를 들어 오토바이, 스쿠터, 모터보트, 제트스키, 톱 기계, 잔디 깎는 기계 등에 널리 사용됩니다.
하지만, 연소 효율이 낮고, 배기가스 배출량이 많다는 단점으로 인해 환경 규제가 강화되면서 4행정 엔진으로 대체되고 있습니다.
최근에는 2행정 엔진의 단점을 개선하기 위해 다음과 같은 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
예를 들어, 흡기/배기 포트의 위치 조절, 연소실 개선, 연료-공기 혼합물 조성 개선 등의 방법으로 연소 효율과 배기가스 배출량을 줄이기 위한 노력이 이루어지고 있습니다.
Ⅵ. FAQ
Q1. 2행정 엔진은 어떤 종류의 엔진입니까?
2행정 엔진은 연료와 공기를 흡입하고 압축한 후, 폭발시켜 피스톤을 움직이는 방식으로 동력을 발생시키는 엔진이며 4행정 엔진과 달리, 흡입, 압축, 연소, 배기의 과정을 한 번의 회전으로 수행합니다.
Q2. 2행정 엔진은 어디에 사용됩니까?
2행정 엔진은 구조가 간단하고, 유지보수가 쉽다는 장점으로 인해 소형 엔진, 예를 들어 오토바이, 스쿠터, 모터보트, 제트스키, 톱 기계, 잔디 깎는 기계 등에 널리 사용되었습니다.
하지만, 연소 효율이 낮고, 배기가스 배출량이 많다는 단점으로 인해 환경 규제가 강화되면서 4행정 엔진으로 대체되고 있습니다.
Q3. 2행정 엔진의 미래는 어떻게 될까요?
2행정 엔진은 연소 효율과 배기가스 배출량을 개선하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 환경 규제가 강화되면서 점차 4행정 엔진으로 대체될 것으로 예상됩니다.