외연기관
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대표적인 외연기관인 증기기관의 모식도. 다만 본 모식도에는 연소실과 보일러를 제외한 기관부만 나타나 있다.
外燃機関 / External combustion engine
열기관의 일종으로, 기관 내에서 연소까지 이뤄지는 내연기관과는 달리, 외부에 설치된 연소장치에서 연료를 연소시켜 얻은 열 에너지로 매개물질(증기기관이나 증기터빈의 경우 물)을 가열하고, 가열된 매개물질의 기화 혹은 팽창으로 발생한 압력으로 기계를 작동시키는 형태의 기관이다.
대표적 외연기관인 증기기관은 산업 혁명의 가장 중요한 원동력이 되었으며 증기선이나 증기 기관차의 동력원으로 널리 쓰였고, 특히 철도에서는 내연기관이나 전기를 동력으로 하는 기관차가 발달하는 20세기 중후반 이전까지는 증기 기관차가 교통의 주력을 담당하고 있었다.
그러나 내연기관에 비해 다음과 같은 단점들이 있다.
대표적인 외연기관인 증기기관의 모식도. 다만 본 모식도에는 연소실과 보일러를 제외한 기관부만 나타나 있다.
外燃機関 / External combustion engine
1. 개요
열기관의 일종으로, 기관 내에서 연소까지 이뤄지는 내연기관과는 달리, 외부에 설치된 연소장치에서 연료를 연소시켜 얻은 열 에너지로 매개물질(증기기관이나 증기터빈의 경우 물)을 가열하고, 가열된 매개물질의 기화 혹은 팽창으로 발생한 압력으로 기계를 작동시키는 형태의 기관이다.
대표적 외연기관인 증기기관은 산업 혁명의 가장 중요한 원동력이 되었으며 증기선이나 증기 기관차의 동력원으로 널리 쓰였고, 특히 철도에서는 내연기관이나 전기를 동력으로 하는 기관차가 발달하는 20세기 중후반 이전까지는 증기 기관차가 교통의 주력을 담당하고 있었다.
그러나 내연기관에 비해 다음과 같은 단점들이 있다.
- 연소부와 기관부가 분리되어 있고 매개물질까지 필요하므로 전체적인 무게와 덩치가 커진다. 증기기관의 경우 연료인 석탄보다 매개물질인 물의 무게가 더 나갈 정도. 매개물질을 순환시켜 재사용하면 그나마 낫지만 아무 기관에서나 되는 게 아니고 그래도 무거운 것은 매한가지다. 산업혁명 당시 증기 기관차는 오랫동안 자리잡았어도 증기 자동차는 승용차와 승합차로서 빨리 도태된 이유다. 철도가 아닌 일반 도로에서는 도저히 무게를 버틸 수가 없었기 때문.
- 중간에 매개물질을 거쳐야 하므로 열손실이 발생한다. 즉 그만큼 열효율이 낮다.
- 즉답성이 떨어진다. 매개물질이 가열될 때까지 시간이 걸리고, 심지어 끌 때도 한 번에 꺼지지 않는다. 일례로 증기 기관차의 경우 시동 및 예열에만 1~2시간이 걸린다. 선박용 대형 증기터빈 같은 경우는 최고 출력으로 올리는 데에 무려 6시간 이상 걸리는 경우까지 있다. 오늘날의 일반적인 탈것에서 외연기관이 사장된 가장 큰 이유라고 할 수 있다.
- 연료 선택(열원)의 자유도가 높다. 가장 큰 장점. 내연기관은 연료의 연소압을 직접 이용하므로 해당 기관에 세심하게 맞추어 정제된 유체 연료(휘발유, 경유, 항공유 등)만 이용해야 하지만, 외연기관은 어떻게든 열만 발생시키면 되기 때문에 딱히 정제된 연료를 쓸 필요가 없는 것은 물론이요 석탄이나 장작 등의 고체연료를 포함해 심지어 가연성 쓰레기까지 이론적으로 무엇이든 연소시켜도 된다.[1] 아니, 굳이 연소시키지 않아도 어떻게든 열만 발생시킬 수 있으면 된다. 따라서 전체적인 열효율은 떨어지더라도 오히려 연료비는 적게 든다.
- 기관 내에서 연소가 일어나지 않으므로 기관부를 더욱 단순하게 만들 수 있고, 기관부 내부가 오염될 우려가 적다. 그래서 낮은 기술력으로도 제작, 정비가 가능하다.
- 같은 이유로 연료의 연소를 세심하게 조절할 필요가 없기 때문에 대형화에 유리하다. 반면 내연기관은 커질수록 연료의 연소를 조절하기 어려워 불균일연소가 쉽게 일어나므로 작은 기관 여러 개를 모으는 방식으로 제작해야 하다보니 높은 통제기술과 비용이 요구된다.
- 실제로 앞에서 언급된 이유들은 증기 자동차보다 증기 기관차가 더 오랫동안 도태되지 않고 버틴 이유이고, 증기 버스보다 증기 트럭이 오래간 이유이다. 내연기관이 출력이 커지는 데에는 의외로 오랜 시간이 걸렸다.