2행정 기관
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'''Two-stroke engine'''
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.
흔히 자동차나 소형 엔진 등에 사용되었으나, 엔진 오일을 같이 연소해야 하기 때문에 환경규제에 불리하며, 피스톤의 내구도가 짧기 때문에(4행정보다 1사이클에 폭발하는 횟수가 많다 보니 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 채용된 지 오래되어 현재는 50cc도 4행정을 채택하고 있다. 다만 모터크로스 계열에서는 아직 2행정 차량이 양산되고 있다.
종종 90년대 이전에 제작된 구형 250cc급 2행정 기관 바이크도 볼 수 있으며, 아주 레어하지만 V4 형식의 500cc짜리 괴물같은 놈도 있다.[2] 주로 레이서 레플리카 같은 바이크가 대부분으로 2행정 특유의 저중량 고파워를 잘 살린 편이다. 다만 그만큼 내구성과 연비는 안드로메다. 250cc에 150kg 안 나가는 차량의 연비가 에쿠스 급으로 나오기도 한다. 그리고 지금도 엔듀로와 모터크로스, 트라이얼에서는 빠른 반응성과 높은 토크 때문에 아직도 현역이다. 이들은 바이크 장르에서도 마이너한 장르라 판매량이 제한적이고, 애초에 공도 자체를 올라가지 않는 특성 상 행정상 등록을 하는 의미가 없기 때문에, 즉 소비자에게 강제적으로 규제할 방안도 없는데다, 규제 의미도 크지 않아 아직도 환경규제에서 용인이 되고 있다. 규제하려면 사후관리도 해야 하는데, 생산자에게만 규제하면 개조 등으로 쉽게 회피가 가능하다. 실물로 보게 된다면 배기포트의 챔버덩치에 떡실신. 상식을 넘는 아스트랄함을 느낄수가 있다. 2행정 기관의 특성 상 기통당 배기관이 한 개씩 독립적으로 필요하다. 일반적인 4행정 기관처럼 모아서 뭉쳐 나갈 수가 없다!
2행정 기관은 흡기/배기 밸브가 없이 흡기 포트와 배기 포트가 있으며, 이를 실린더로 막거나 열어서 흡기/배기를 하는 방식이다.
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일단 이 모식도를 유심히 보고 아래 글을 읽는 것을 추천한다.
일단 가솔린 2행정 기관을 기준으로 설명하자면, 피스톤이 하사점에서 상사점으로 올라가며 크랭크실과 실린더 사이의 소기포트를 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 되는 것.
피스톤이 연소로 인해 하강할때 크랭크케이스가 압력이 올라가고 이에따라 흡기가 역류하는 현상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 흡기 포트 내부에 로터리 디스크 밸브 혹은 리드(Reed) 밸브를 장착한다. 로터리 디스크 밸브는 엔진이 하사점에 이를때까지 디스크가 흡입포트를 막고 있다가 소기와 함께 흡입행정이 시작될때 디스크의 열린 면이 흡입포트를 개방해서 혼합기가 들어가도록 한다. 당연히 디스크는 크랭크축에 동축으로 물려 돌아가기 때문에 카뷰레터가 크랭크케이스 옆에 붙는 형태를 갖고, 회전 타이밍이 정확해야 하기 때문에 설계나 정비의 부담으로 작용했다. 이러한 불리함 때문에 나온것이 유연한 재질의 판막 구조를 갖는 리드밸브이다. 혼합기의 정방향의 흐름에는 판막이 들려 열리고 역방향으로 흐를려고 하면 판막이 닫히는 구조의 밸브이다. 관성에 의한 흡입 저항을 줄이기 위해 최근에는 카본섬유 복합재로 판막을 제작하기도 한다. 디스크밸브의 단점을 극복한 리드밸브도 단점은 있는데, 판막은 크랭크 1회전마다 열리고 닫힘을 반복하기 때문에 오래 쓰면 피로파괴로 뜯어져 나갈 우려가 있다. 과거에는 이 문제 때문에 리드밸브가 잘 안쓰였는데 소재기술이 발달하면서 그나마 내구성이 올라가서 근래에는 대부분 리드밸브를 쓴다. 따라서 오래쓰면 주기적으로 판막을 점검 및 교환해줘야 한다. 또한 디스크밸브는 개방시점에는 포트가 활짝 열려 흡입저항이 적은데 리드밸브는 판막이 흡입저항을 만들어 극한의 초고성능 구현에는 다소 부적합한 면이 있다.
2사이클 가솔린 엔진의 배기계통을 보면 소음기와 엔진 사이에 커다란 챔버가 있는데, 이는 배기중에 미연소 혼합기가 같이 딸려 나가는 것을 막고, 반사된 압력파가 불완전 연소된 혼합기를 다시 실린더에 집어넣는 역할을 한다. 이 챔버의 특성 상 특정 rpm에서만 제대로 된 미연소 혼합기를 엔진실로 되돌릴 수 있는데, 이 구간을 '''파워밴드''' 구간이라고 하며 고회전 2행정 기관의 특징성을 부여해 준다. 이 구간 밑이나 위에서는 rpm에 비해 토크가 매우 낮은 상태지만, 이 구간을 확실히 설정해둔 챔버와 흡배기 포트의 설계가 맞아 떨어지는 구간에 들어서면 급격히 토크가 상승하는데[3], 이 구간 덕분에 아직까지도 2행정을 찾는 사람들이 꽤 있는 편이다.(스쿠터에는 장착되지 않는 경우가 많으며 '''개조'''를 하여 장착할 수 있다.)
적당히 작동 속도가 높아지면 애애애애애애애앵하는 주파수가 높은 배기음이 나오는 것이 특징이다. 배기계통의 형상에 따라 달라지지만 2행정 기관 특유의 소음이 발생한다. 베스파 초기모델은 2행정 기관을 사용하였는데 이 높은 배기음 때문에 베스파(말벌)이란 이름이 붙었다.
4행정 엔진은 피스톤의 아래부분은 전부 엔진오일이 돌아다니는 곳이다. 하지만 2행정 기관에서는 오일을 희석하는 혼합기가 날아다닌다. 피스톤이 포트를 열고 막으며 밸브 역할을 하는 구조상 필연적으로 크랭크케이스가 흡기와 배기포트에 의해 개방될 수 밖에 없으며, 보통 4행정 엔진들 처럼 오일팬에 오일을 담아두고 돌리다간 고속으로 회전하는 크랭크샤프트에 튀어올라 비산된 오일이 흡/배기포트로 철철 흘러넘친다. 그래서 2행정용 엔진오일은 혼합기와 날아다니다 실린더로 유입되었다가 연소되는 성격을 가진다. 발화점이 낮기 때문에 4행정 엔진에 2행정용 오일을 사용하면 엔진에 불이 붙을 수가 있다.
'''하여간 이 오일이 혼합기와 날아다니는 특성이 상당한 문제인데,''' 일단 엔진의 작동 환경 자체가 나빠서[4] 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 같이 태우는 오일이 휘발유처럼 물과 이산화탄소만으로 연소되지 않아서이다. 그래서 배기관에서 소독차같은 흰 연기를 풀풀 풍길 수 밖에 없다.
이 문제로 인해 선진국은 2행정 엔진의 사용을 금지해가는 추세에 있으며 현재는 예초기나 엔진톱 처럼 소형에서 고출력을 필요로 하는 저가 기기에서나 사용되고 있는데 이마저도 리튬이온 배터리와 브러쉬리스 모터 기술이 발전하면서 밀려나고 있다.
연소되지도 않은 혼합기가 배기가스와 배출되어버리는 단점을 극복해보고자 1997년 이탈리아의 모터사이클 메이커인 비모타에서 무려 가솔린 직분사를 적용한 2행정 엔진을 만들었었다. 시도는 좋았지만 당시 조악한 이탈리아의 전자기술로 만든 인젝터가 재앙에 가까울만큼 자주 고장나서 리콜을 당했고, 제작사가 이것때문에 한번 도산하게 된다. 그러나 이 2행정 GDI 기술은 최근에 로탁스(Rotax)나[12]KTM같은 메이커에서 부활하여 일부 고가의 레이싱카트와 모터크로스 경기용 바이크에 적용되고 있다.
엔진오일을 같이 태워서 발생하는 대기오염도 완전한 해결까지는 아니지만, 순간혼합형의 경우 부하가 클 때에만 오일을 분사하는 식으로 오일 소모량을 최소화하는 쪽으로 전자제어가 들어가면서 예전처럼 흰연기 풀풀 풍기는 모습은 보이지 않는다.
그렇지만 이러한 진화에도 불구하고 예전처럼 다시 2행정 엔진이 주류로 복귀할 수 있을 가능성은 희박하다. 오일을 아예 안 태우면 촉매를 장착해서 배기가스를 좀 더 정화할 수 있겠지만 그게 불가능하기 때문.[13]
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2행정 디젤 엔진의 모식도.
한 방향으로 일정하게(Uniformly)소기를 한다고 해서 유니플로(Uni-flow) 엔진이라고도 부른다. 가솔린과는 구조 자체가 매우 다르며 상단 밸브 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 되어 있다. 그리고 2행정 가솔린과 다른 건 공기와 연료를 혼합기로 섞지 않고 바로 공기만 들어가며, 폭발행정에서 연료를 분사하여 폭발시키는 것이 다르다. 디젤은 압축착화 방식이라서 직분사로 연료를 투입해야 한다. 자세한 건 디젤 엔진 항목에서. 그래서 2사이클 디젤 엔진은 엔진오일이 따로 들어간다. 그리고 가솔린 엔진과 다르게 터보차저로 매연을 확실하게 빨아들이고 반대로 과급을 해서 가솔린 엔진에 비해서 효율이 좋다. ABB의 터보차저
2행정 가솔린 엔진과 다르게 2행정 디젤은 산업용 디젤 엔진의 대다수를 차지하는데[14], 4행정에 비해서 열효율이 높아 출력, 무게, 연비, 보수성이 우월하고 매연과 미세먼지, NOX 문제도 소형 자동차 디젤엔진과 다르게 촉매와 필터를 크게 만들면 된다. 열효율은 엔진 메이커마다 다르지만 대체로 50%는 기본적으로 넘기고, Wärtsilä RT-flex[15] 같은 최신 기술로 만든 엔진은 55%이다. 하지만 4행정 디젤도 장점이 있는데 소음과 진동, 배기가스에서 2행정에 비해서 훨씬 낫다. 또한 2행정 디젤 기관은 4행정 디젤 기관에 비해 ramp-up era가 극단적으로 짧다. 가령 EMD 16-645E3[16] 엔진의 경우 idle에서 최대 속도까지 올라가는데 1초 남짓의 시간이 필요하다. 이는 일반 상용 자동차 수준으로 매우 빠른 편이다. 무부하에서 정격 부하까지 수 초 이내에 도달해야 하는 비상발전기에 매우 유리하게 작용한다. 그래서 벌크선이나 컨테이너선 같은 화물선과 EMD 계열 디젤 철도차량, 비상발전용 발전기는 2행정을 쓰고 있고, 여객선과 GE 계열과 유럽계 디젤 철도차량, 상시발전용 발전기는 4행정을 쓰고 있다.
선박추진용 메인 엔진에 사용되는 디젤 기관은 연료밸브/ 배기밸브 개폐 방식에 따라서 MC와 ME로 나뉜다. MC는 캠을 이용하는 방식으로, 자동차처럼 벨트 풀리를 이용하여 캠축을 회전시킨다.이 때 캠의 회전 형상에 따라 로커 암을 움직이고 배기밸브가 스프링에 가해진 장력으로 열린다. 잠길 때는 스프링 에어라는 것을 따로 사용하여 스프링을 원래대로 되돌린다. MC방식은 캠의 정비가 까다로워 선박기관사들에게서 평판이 별로 좋지 않다. 반면 ME는 2003년경 MAN B&W에서 사용되기 시작한 방식으로, 유압과 유압 액츄에이터를 통해 밸브의 개폐시기를 조절한다. 최근의 최신식 선박들은 대부분 ME방식을 택하고 있다.
'''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 많다 보니 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 채용된 지 오래되어 현재는 50cc도 4행정을 채택하고 있다. 다만 모터크로스 계열에서는 아직 2행정 차량이 양산되고 있다.
종종 90년대 이전에 제작된 구형 250cc급 2행정 기관 바이크도 볼 수 있으며, 아주 레어하지만 V4 형식의 500cc짜리 괴물같은 놈도 있다.[2] 주로 레이서 레플리카 같은 바이크가 대부분으로 2행정 특유의 저중량 고파워를 잘 살린 편이다. 다만 그만큼 내구성과 연비는 안드로메다. 250cc에 150kg 안 나가는 차량의 연비가 에쿠스 급으로 나오기도 한다. 그리고 지금도 엔듀로와 모터크로스, 트라이얼에서는 빠른 반응성과 높은 토크 때문에 아직도 현역이다. 이들은 바이크 장르에서도 마이너한 장르라 판매량이 제한적이고, 애초에 공도 자체를 올라가지 않는 특성 상 행정상 등록을 하는 의미가 없기 때문에, 즉 소비자에게 강제적으로 규제할 방안도 없는데다, 규제 의미도 크지 않아 아직도 환경규제에서 용인이 되고 있다. 규제하려면 사후관리도 해야 하는데, 생산자에게만 규제하면 개조 등으로 쉽게 회피가 가능하다. 실물로 보게 된다면 배기포트의 챔버덩치에 떡실신. 상식을 넘는 아스트랄함을 느낄수가 있다. 2행정 기관의 특성 상 기통당 배기관이 한 개씩 독립적으로 필요하다. 일반적인 4행정 기관처럼 모아서 뭉쳐 나갈 수가 없다!
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
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일단 이 모식도를 유심히 보고 아래 글을 읽는 것을 추천한다.
일단 가솔린 2행정 기관을 기준으로 설명하자면, 피스톤이 하사점에서 상사점으로 올라가며 크랭크실과 실린더 사이의 소기포트를 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 되는 것.
2.3.1. 흡배기 특성
피스톤이 연소로 인해 하강할때 크랭크케이스가 압력이 올라가고 이에따라 흡기가 역류하는 현상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 흡기 포트 내부에 로터리 디스크 밸브 혹은 리드(Reed) 밸브를 장착한다. 로터리 디스크 밸브는 엔진이 하사점에 이를때까지 디스크가 흡입포트를 막고 있다가 소기와 함께 흡입행정이 시작될때 디스크의 열린 면이 흡입포트를 개방해서 혼합기가 들어가도록 한다. 당연히 디스크는 크랭크축에 동축으로 물려 돌아가기 때문에 카뷰레터가 크랭크케이스 옆에 붙는 형태를 갖고, 회전 타이밍이 정확해야 하기 때문에 설계나 정비의 부담으로 작용했다. 이러한 불리함 때문에 나온것이 유연한 재질의 판막 구조를 갖는 리드밸브이다. 혼합기의 정방향의 흐름에는 판막이 들려 열리고 역방향으로 흐를려고 하면 판막이 닫히는 구조의 밸브이다. 관성에 의한 흡입 저항을 줄이기 위해 최근에는 카본섬유 복합재로 판막을 제작하기도 한다. 디스크밸브의 단점을 극복한 리드밸브도 단점은 있는데, 판막은 크랭크 1회전마다 열리고 닫힘을 반복하기 때문에 오래 쓰면 피로파괴로 뜯어져 나갈 우려가 있다. 과거에는 이 문제 때문에 리드밸브가 잘 안쓰였는데 소재기술이 발달하면서 그나마 내구성이 올라가서 근래에는 대부분 리드밸브를 쓴다. 따라서 오래쓰면 주기적으로 판막을 점검 및 교환해줘야 한다. 또한 디스크밸브는 개방시점에는 포트가 활짝 열려 흡입저항이 적은데 리드밸브는 판막이 흡입저항을 만들어 극한의 초고성능 구현에는 다소 부적합한 면이 있다.
2사이클 가솔린 엔진의 배기계통을 보면 소음기와 엔진 사이에 커다란 챔버가 있는데, 이는 배기중에 미연소 혼합기가 같이 딸려 나가는 것을 막고, 반사된 압력파가 불완전 연소된 혼합기를 다시 실린더에 집어넣는 역할을 한다. 이 챔버의 특성 상 특정 rpm에서만 제대로 된 미연소 혼합기를 엔진실로 되돌릴 수 있는데, 이 구간을 '''파워밴드''' 구간이라고 하며 고회전 2행정 기관의 특징성을 부여해 준다. 이 구간 밑이나 위에서는 rpm에 비해 토크가 매우 낮은 상태지만, 이 구간을 확실히 설정해둔 챔버와 흡배기 포트의 설계가 맞아 떨어지는 구간에 들어서면 급격히 토크가 상승하는데[3], 이 구간 덕분에 아직까지도 2행정을 찾는 사람들이 꽤 있는 편이다.(스쿠터에는 장착되지 않는 경우가 많으며 '''개조'''를 하여 장착할 수 있다.)
적당히 작동 속도가 높아지면 애애애애애애애앵하는 주파수가 높은 배기음이 나오는 것이 특징이다. 배기계통의 형상에 따라 달라지지만 2행정 기관 특유의 소음이 발생한다. 베스파 초기모델은 2행정 기관을 사용하였는데 이 높은 배기음 때문에 베스파(말벌)이란 이름이 붙었다.
2.3.2. 윤활 특성
4행정 엔진은 피스톤의 아래부분은 전부 엔진오일이 돌아다니는 곳이다. 하지만 2행정 기관에서는 오일을 희석하는 혼합기가 날아다닌다. 피스톤이 포트를 열고 막으며 밸브 역할을 하는 구조상 필연적으로 크랭크케이스가 흡기와 배기포트에 의해 개방될 수 밖에 없으며, 보통 4행정 엔진들 처럼 오일팬에 오일을 담아두고 돌리다간 고속으로 회전하는 크랭크샤프트에 튀어올라 비산된 오일이 흡/배기포트로 철철 흘러넘친다. 그래서 2행정용 엔진오일은 혼합기와 날아다니다 실린더로 유입되었다가 연소되는 성격을 가진다. 발화점이 낮기 때문에 4행정 엔진에 2행정용 오일을 사용하면 엔진에 불이 붙을 수가 있다.
'''하여간 이 오일이 혼합기와 날아다니는 특성이 상당한 문제인데,''' 일단 엔진의 작동 환경 자체가 나빠서[4] 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 같이 태우는 오일이 휘발유처럼 물과 이산화탄소만으로 연소되지 않아서이다. 그래서 배기관에서 소독차같은 흰 연기를 풀풀 풍길 수 밖에 없다.
이 문제로 인해 선진국은 2행정 엔진의 사용을 금지해가는 추세에 있으며 현재는 예초기나 엔진톱 처럼 소형에서 고출력을 필요로 하는 저가 기기에서나 사용되고 있는데 이마저도 리튬이온 배터리와 브러쉬리스 모터 기술이 발전하면서 밀려나고 있다.
2.4. 장점/단점/특징
- 장점
- 밸브 개폐 기구가 없어 구조가 간단하고, 마력당 무게가 적으며, 원가가 저렴한 축이다. 또한 밸브 장치가 없기에, 4행정 엔진의 밸브 서징이 없다! 흡배기 포트의 위치만 조절하면 초고회전형 엔진으로도 비교적 수월하게 제작할 수 있다. (22,000RPM 이상으로도 돌아가는 물건이...)[5]
- 구조가 간단한 만큼 정비성 또한 매우 좋다. 작은 부품도 수가 굉장히 적어 신뢰성 또한 좋다. 엔진의 윤활을 가솔린과 섞은 혼합기로 대체하여 오일펌프 등을 생략할 수 있으며, 오일라인의 설계 등이 필요가 없어져서 엔진 자체의 가격이 하락하고, 보다 작고 단순하게 만들 수 있다. 엔진 정비시 편의성으로 돌아온다.[6]
- 크랭크축이 1회전 할 때마다 동력이 발생하여 회전력의 변동이 적기 때문에, 실린더 수가 적어져도 작동이 원활하다.
- 이론상 동일 배기량의 4행정 엔진에 비해 2배의 출력[7]을 낸다. 과거 WGP(현 모토 GP)에 나오는 이륜차들은 500cc의 배기량으로 200마력을 넘어서기도 했다.
- 엔진 자체의 부피가 작고 가볍다.
- 크랭크축이 오일에 반쯤 잠겨 도는 4행정 엔진에서 발생하는 오일의 섭동저항이 2행정에서는 거의 발생하지 않는다.[8]
- 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....[9]
- 소기 행정에서 흡입포트가 닫히는 순간까지 피스톤이 상승하며 연소실의 체적이 줄기 때문에 혼합기가 역류할 수 있다. 또한 점화 이후 출력행정에서 피스톤의 하강에 따라 크랭크케이스 압력이 증가하여 카뷰레터쪽으로의 역류도 발생한다. 이를 막기 위해 리드밸브나 디스크밸브 같은 역류방지 기구가 추가되어야 해서 크랭크케이스의 부피가 커진다.
- 저속에서 기관의 회전상태를 유지시키기 어렵다.(= 무부하 상태의 연료소모량이 크다.)
- 평균 유효압력을 높이기 어렵다.
- 소기/배기포트가 실린더 측면에 그냥 뚫려있는 형태의 특성 상, 피스톤과 피스톤링의 소모가 크다.
- 대기 오염물질 배출량이 많다.
- 4행정보다 실린더의 피로가 많다.
- 엔진 자체의 부피는 작지만 고출력을 내려면 챔버의 존재로 인해 배기파트의 부피가 커진다.
- 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 주입 후 순간적으로 엔진으로 분사하여 혼합시키는 순간혼합형으로 구분된다.
- 프리믹스 : 연료와 오일이 분리되지 않고 사용자가 미리 섞어서 주입하는 방식으로, 예초기나 일부 저가 바이크는 이 방식일 수 있으므로 꼭 확인하여야 한다. 만약 그런 엔진에 엔진오일을 혼합하지 않고 연료만 그냥 주입하고 사용하다가는 엔진 내 부품들이 윤활이 안 되어 붙을 수 있다. 일반적인 2행정 윤활유는 순간혼합형으로 출시되어서 프리믹스로 사용해도 별 문제가 없으나, 프리믹스 전용 오일의 경우 순간혼합형 엔진에 넣으면 문제를 일으킨다.
- 혼합형 : 연료와 엔진오일이 따로 분리되어 있다가 카뷰레터에서 자동 혼합하거나[10] 다이어프램식 펌프 등으로 오일을 따로 크랭크샤프트나 피스톤쪽으로 뿌리는 방식이다.
- 4행정 기관의 VVT 장치와 비슷하게, 배기 포트의 위치를 조절해서 저회전 특성을 개선시키는 기술을 내놓았었다. 혼다와 야마하의 YPSV와 RC밸브 등의 기술.
- 챔버의 형상에 따라 엔진의 출력 특성이 크게 변화한다.
- 엔진의 기통 배열이 직렬형과 V형 이외에도 과거에는 병렬형이 많이 있었다. 과거에 크랭크샤프트를 공유하는 V형이 드물었던 이유는 기통간 간격이 좁아 흡/배기 포트를 배치하기 힘들어지고 역류방지를 위한 로터리 디스크 밸브를 적절한 개방 타이밍을 맞춰 설치하기도 힘들었기 때문이다.[11] 외형상 V형 처럼 보이는 2행정 엔진들 중에 내부를 보면 크랭크축이 뱅크별로 따로 있는 것들이 있는데 이것이 병렬형 엔진이다. 리드 밸브가 개발된 이후에는 크랭크를 공유하는 V형 엔진들이 나오기 시작했다.
2.5. 최근의 진화와 한계
연소되지도 않은 혼합기가 배기가스와 배출되어버리는 단점을 극복해보고자 1997년 이탈리아의 모터사이클 메이커인 비모타에서 무려 가솔린 직분사를 적용한 2행정 엔진을 만들었었다. 시도는 좋았지만 당시 조악한 이탈리아의 전자기술로 만든 인젝터가 재앙에 가까울만큼 자주 고장나서 리콜을 당했고, 제작사가 이것때문에 한번 도산하게 된다. 그러나 이 2행정 GDI 기술은 최근에 로탁스(Rotax)나[12]KTM같은 메이커에서 부활하여 일부 고가의 레이싱카트와 모터크로스 경기용 바이크에 적용되고 있다.
엔진오일을 같이 태워서 발생하는 대기오염도 완전한 해결까지는 아니지만, 순간혼합형의 경우 부하가 클 때에만 오일을 분사하는 식으로 오일 소모량을 최소화하는 쪽으로 전자제어가 들어가면서 예전처럼 흰연기 풀풀 풍기는 모습은 보이지 않는다.
그렇지만 이러한 진화에도 불구하고 예전처럼 다시 2행정 엔진이 주류로 복귀할 수 있을 가능성은 희박하다. 오일을 아예 안 태우면 촉매를 장착해서 배기가스를 좀 더 정화할 수 있겠지만 그게 불가능하기 때문.[13]
3. 2행정 디젤 기관
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2행정 디젤 엔진의 모식도.
한 방향으로 일정하게(Uniformly)소기를 한다고 해서 유니플로(Uni-flow) 엔진이라고도 부른다. 가솔린과는 구조 자체가 매우 다르며 상단 밸브 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 되어 있다. 그리고 2행정 가솔린과 다른 건 공기와 연료를 혼합기로 섞지 않고 바로 공기만 들어가며, 폭발행정에서 연료를 분사하여 폭발시키는 것이 다르다. 디젤은 압축착화 방식이라서 직분사로 연료를 투입해야 한다. 자세한 건 디젤 엔진 항목에서. 그래서 2사이클 디젤 엔진은 엔진오일이 따로 들어간다. 그리고 가솔린 엔진과 다르게 터보차저로 매연을 확실하게 빨아들이고 반대로 과급을 해서 가솔린 엔진에 비해서 효율이 좋다. ABB의 터보차저
2행정 가솔린 엔진과 다르게 2행정 디젤은 산업용 디젤 엔진의 대다수를 차지하는데[14], 4행정에 비해서 열효율이 높아 출력, 무게, 연비, 보수성이 우월하고 매연과 미세먼지, NOX 문제도 소형 자동차 디젤엔진과 다르게 촉매와 필터를 크게 만들면 된다. 열효율은 엔진 메이커마다 다르지만 대체로 50%는 기본적으로 넘기고, Wärtsilä RT-flex[15] 같은 최신 기술로 만든 엔진은 55%이다. 하지만 4행정 디젤도 장점이 있는데 소음과 진동, 배기가스에서 2행정에 비해서 훨씬 낫다. 또한 2행정 디젤 기관은 4행정 디젤 기관에 비해 ramp-up era가 극단적으로 짧다. 가령 EMD 16-645E3[16] 엔진의 경우 idle에서 최대 속도까지 올라가는데 1초 남짓의 시간이 필요하다. 이는 일반 상용 자동차 수준으로 매우 빠른 편이다. 무부하에서 정격 부하까지 수 초 이내에 도달해야 하는 비상발전기에 매우 유리하게 작용한다. 그래서 벌크선이나 컨테이너선 같은 화물선과 EMD 계열 디젤 철도차량, 비상발전용 발전기는 2행정을 쓰고 있고, 여객선과 GE 계열과 유럽계 디젤 철도차량, 상시발전용 발전기는 4행정을 쓰고 있다.
선박추진용 메인 엔진에 사용되는 디젤 기관은 연료밸브/ 배기밸브 개폐 방식에 따라서 MC와 ME로 나뉜다. MC는 캠을 이용하는 방식으로, 자동차처럼 벨트 풀리를 이용하여 캠축을 회전시킨다.이 때 캠의 회전 형상에 따라 로커 암을 움직이고 배기밸브가 스프링에 가해진 장력으로 열린다. 잠길 때는 스프링 에어라는 것을 따로 사용하여 스프링을 원래대로 되돌린다. MC방식은 캠의 정비가 까다로워 선박기관사들에게서 평판이 별로 좋지 않다. 반면 ME는 2003년경 MAN B&W에서 사용되기 시작한 방식으로, 유압과 유압 액츄에이터를 통해 밸브의 개폐시기를 조절한다. 최근의 최신식 선박들은 대부분 ME방식을 택하고 있다.
[1] 그래서 잔디를 깎는 날이면 풀냄새와 함께 휘발유 냄새를 맡을 수 있다.[2] 대표적으로 가와사키의 마하 시리즈.[3] 경량 이륜차의 경우 저배기량임에도 잘못 당기면 앞바퀴가 올라갈 정도로 토크가 나온다. [4] 오일이 연료랑 희석되면 점도가 저하되니 부품의 마모가 발생할 우려가 높아진다[5] RC용 2행정 니트로엔진 중 좋은것은 회전수가 무려 50,000RPM을 넘길 수 있다.[6] 단 고회전 고출력으로 크랭크 베어링의 부담이 커 강제 윤활이 필요한 기종에는 오일펌프가 장착되어 있으며 연료와 오일이 따로 저장된다. 아래 순간혼합형 참고.[7] 실제론 1.6~1.7배 정도의 출력[8] 단 4행정 엔진도 드라이섬프 방식은 섭동저항이 적다.[9] 비교적 상태가 좋은 2행정 50cc의 연비가 대략 25km/l를 찍고, 정말 상태 안좋은 물건은 5km나올까 말까 하는 수준. 참고로 4행정 50cc는 기본 60km/L.[10] 이런 경우 프리믹스에 가깝다.[11] 본문 상기 사진의 RG500의 로터리 디스크 밸브가 축이 두개인 이유가 이것이다.[12] 오스트리아의 경비행기, 경량항공기 엔진 제조기업. 카 레이싱용 MAX 시리즈 엔진도 생산한다.[13] 같이 태우는 오일 속의 유황이 촉매의 귀금속과 붙어 촉매가 더이상 정화기능을 못 하게 한다.[14] 제너럴모터스에서 처음 상용화하여 자회사인 EMD의 철도기관차에 적용 했다[15] 핀란드의 중공업 회사인 바르질라가 스위스의 중공업 회사인 줄처(Sulzer)의 선박엔진사업부(NSD)를 인수하면서 기존의 2행정 엔진 라인업인 RTA를 기반으로 발전시킨 엔진[16] EMD GT26CW에 올라가는 엔진.