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최근 수정 시각 : 2024-02-19 17:01:22

2행정 기관

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1. 개요2. 2행정 가솔린 기관
2.1. 상세2.2. 구조2.3. 작동원리
2.3.1. 흡배기 특성2.3.2. 윤활 특성
2.4. 장단점
2.4.1. 장점2.4.2. 단점
2.5. 특징2.6. 최근의 진화와 한계
3. 2행정 디젤 기관4. 관련 문서


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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.

80년대 레이스 레플리카 붐에 의해 2행정 기관이 인기를 끌던 시절에 제작된 NSR250R, TZR250이 현재에 남은 물량 대부분이지만 레어하게 당시의 500cc 레플리카 모델이 종종 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 특성상 행정상 등록을 하는 의미가 없기 때문에, 즉 소비자에게 강제적으로 규제할 방안도 없는 데다, 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 특성상 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

파일:external/upload.wikimedia.org/Arbeitsweise_Zweitakt.gif
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 하강할 때 크랭크케이스의 압력이 올라가고 이에 따라 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 이를 때까지 디스크가 흡입포트를 막고 있다가 소기와 함께 흡입행정이 시작될 때 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 나온 것이 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 안 쓰였는데 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.
파일:CarbonRotaryValves.jpg 파일:Reed_Valve.jpg
로터리 디스크 밸브 리드 밸브

2사이클 가솔린 엔진의 배기계통을 보면 소음기와 엔진 사이에 커다란 챔버가 있는데, 이는 배기 중에 미연소 혼합기가 같이 딸려 나가는 것을 막고, 반사된 압력파가 불완전 연소된 혼합기를 다시 실린더에 집어넣는 역할을 한다. 이 챔버의 특성상 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 구간뽕맛 덕분에 아직까지도 2행정을 찾는 사람들이 꽤 있는 편이다.(스쿠터에는 장착되지 않는 경우가 많으며 개조를 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 아래 부분은 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 수밖에 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.

이러한 문제로 인해 선진국은 2행정 엔진의 사용을 금지해가는 추세에 있으며 현재는 예초기나 엔진톱처럼 소형에서 고출력을 필요로 하는 저가 기기에서나 사용되고 있는데 이마저도 리튬이온 배터리와 브러쉬리스 모터 기술이 발전하면서 밀려나고 있다.

2.4. 장단점

2.4.1. 장점

2.4.2. 단점

2.5. 특징

2.6. 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 가까울 만큼 자주 고장나서 리콜을 당했고, 제작사가 이것 때문에 한번 도산하게 된다. 그러나 이 2행정 GDI 기술은 최근에 로탁스(Rotax)나[15] KTM 같은 메이커에서 부활하여 일부 고가의 레이싱카트와 모터크로스 경기용 바이크에 적용되고 있다. 독일제 ECU와 인젝터의 조합으로 유로 4 기준까지 가능해졌으며 몇몇 국가에선 번호판을 부착할 수 있었다.

최근의 고효율 2행정 기관의 경우 디젤 2행정 기관과 비슷하게 유니플로 구조를 적용하고 있으며, internal EGR을 적용하여 효율과 성능을 동시에 잡고 있다. 이들 기관은 엔진오일을 같이 연소시키지 않으므로 배기가스의 청정도도 우수하다. 그러나 이로 인해 터보 또는 슈퍼차저가 필요하게 되며, 기존 2행정 기관과 달리 별도의 엔진 오일이 순환하여야 한다.

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.[16] 아마도 합성 엔진오일을 넘어서 합성연료가 대중화되면 모를까.

하이브리드 자동차에 사용될 목적으로 만들어진 도요타FPEG 프로토타입 발전 엔진은 2행정 사이클(흡기, 배기 - 압축, 점화)을 따르면서도 피스톤의 압축과 힘의 출력부를 담당하는 크랭크샤프트를 기체 스프링과 전자코일로 대체하고, 직분사와 정교한 전자제어를 통해 효율을 올렸다.

3. 2행정 디젤 기관

파일:external/s.hswstatic.com/diesel-two-stroke.gif 파일:2행정 디젤 움짤.gif
2행정 디젤 엔진의 모식도.
플렌져를 조작해줘야하는건 덤.

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, 이때의 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 주로 터보차저 과급을 해서 가솔린 엔진에 비해서 효율이 좋다. ABB의 터보차저

2행정 가솔린 엔진과 다르게 2행정 디젤은 산업용 디젤 엔진의 대다수를 차지하는데[17], 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[18] 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[19] 엔진의 경우 idle에서 최대 속도까지 올라가는 데 1초 남짓의 시간이 필요하다. 이는 일반 상용 자동차 수준으로 매우 빠른 편이다. 무부하에서 정격 부하까지 수초 이내에 도달해야 하는 비상발전기에 매우 유리하게 작용한다. 그래서 벌크선이나 컨테이너선 같은 화물선EMD 계열 디젤 철도차량, 비상발전용 발전기는 2행정을 쓰고 있고, 여객선GE 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. 이때 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.

4. 관련 문서



[1] 그래서 잔디를 깎는 날이면 풀냄새와 함께 중독성있는 휘발유 냄새를 맡을 수 있다.[2] 대표적으로 야마하에서 제작한 V4엔진의 RZV500R(RD500LC). 스즈키의 스퀘어 엔진을 쓴 RG500Γ이 있다. 천장지구에서 유덕화가 타고 나오는 것으로 유명하다.[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 좋은 것은 회전수를 무려 50,000RPM 이상 넘길 수 있다.[6] 사실 RPM은 밸브서징 따위보다는 실린더 단면적이 더 큰 문제가 된다. 크랭크축 1회전마다 폭발행정이 있기 때문에 실린더 단면적을 줄일 수 있는 것. 이미 그냥 스프링밸브로 20000RPM을 넘나드는 4행정기관 이륜차가 양산된 지 40년이 넘었다. 거기서 더 올리겠다면 데스모드로믹 밸브 같은 것도 있다.[7] 단 고회전 고출력으로 크랭크 베어링의 부담이 커 강제 윤활이 필요한 기종에는 오일펌프가 장착되어 있으며 연료와 오일이 따로 저장된다. 아래 순간혼합형 참고.[8] 실제론 손실이 있기 때문에, 1.6~1.7배 정도의 출력[9] 이 덕분에 보스턴 다이내믹스의 로봇들이 실외작동용 동력원으로 쓰기도 했다.[10] 단 4행정 엔진도 드라이섬프 방식은 섭동저항이 적다.[11] 비교적 상태가 좋은 2행정 50cc의 연비가 대략 25km/l를 찍고, 정말 상태 안좋은 물건은 5km나올까 말까 하는 수준. 참고로 4행정 50cc는 기본 60km/L.[12] 과급한답시고 혼합기나 공기를 밀어넣어봐야 그대로 배기포트로 불려 나가버린다. 같은 이유로 주행풍을 빨아들여 흡기로 몰아넣는 램에어차지(Ram air Charge)역시 못쓰는것을 넘어 이 현상이 생기지 않도록 흡기구 방향 설계에 주의해야 한다.[13] 이런 경우 프리믹스에 가깝다.[14] 본문 상기 사진의 RG500의 로터리 디스크 밸브가 축이 두 개인 이유가 이것이다.[15] 오스트리아의 경비행기, 경량항공기 엔진 제조기업. 카 레이싱용 MAX 시리즈 엔진도 생산한다.[16] 같이 태우는 오일 속의 유황이 촉매의 귀금속과 붙어 촉매가 더이상 정화기능을 못 하게 한다.[17] 제너럴모터스에서 처음 상용화하여 자회사인 EMD의 철도기관차에 적용 했다[18] 핀란드의 중공업 회사인 바르질라가 스위스의 중공업 회사인 줄처(Sulzer)의 선박엔진사업부(NSD)를 인수하면서 기존의 2행정 엔진 라인업인 RTA를 기반으로 발전시킨 엔진[19] EMD GT26CW에 올라가는 엔진.