이번 포스팅에서는 엔진 이론적으로 접근해보겠습니다.
엔진의 제원과 성능에 관한 배기량, 압축비, 행정/지름비 정리입니다.
엔진의 배기량과 총배기량
배기량은 엔진의 크기나 출력 성능을 비교하는 하나의 척도로 이용하고 있습니다. 배기량은 왕복 피스톤식 내연기관에서 피스톤이 1행정(왕복 운동) 시 소비하는 가스의 부피로, 행정 거리와 피스톤의 단면적을 곱한 값으로 계산합니다. 단위는 세제곱미터 등을 사용 할 수도 있지만 일반적으로는 cc로 표현하고 있습니다. (1L = 103cm3 = 1,000cc)
| - Vc : clearance volume - Vd : displaced or swept volume - B : cylinder bore - L : piston stroke - l : connecting rod length - a : crank radius - q : crank angle |
- TDC : Top Dead Center - BTDC : Before Top Dead Center - ATDC : After Top Dead Center - BDC : Bottom Dead Center - BBDC : Before Bottom Dead Center - ABDC : After Bottom Dead Center |
실린더의 배기량을 조금 더 공학적으로 자세하게 접근하기 위해서는 우선 위의 그림과 같이 각 부분과 상황별로 치수를 세밀하게 나눠야 하는데요, 왼쪽은 실린더의 단면, 오른쪽은 실린더 회전 시 각 위치를 표현한 그림입니다. 여기에서 배기량(Vd) 은 피스톤이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 움직이는 동안 형성되는 체적으로 아래와 같이 계산 할 수 있습니다.
자동차 엔진에는 여러개의 실린더가 있으므로 엔진의 총배기량은 각 실린더의 배기량(부피)x실린더의 갯수로 계산합니다.
| 총배기량( cc ) Ｖ ＝ Ｚπ（Ｄ²／４）Ｌ Ｄ: bore 내경 Ｌ: stroke Ｚ: cylinder 수 |
압축비 (compression ratio)
압축비는 실린더 안으로 들어간 기체가 피스톤에 의해 압축되는 용적의 비율로 피스톤 엔진의 압축 행정에서 실린더 속의 가스가 몇 분의 1로 압축 되는지를 표시한 값입니다.
실린더 내의 최대 체적과 최소 체적의 비로 표시하며, 위의 수식을 통해 구할 수 있습니다. 최대 실린더 체적은 피스톤이 하사점(BDC)에 있을 때이고 최소 체적은 피스톤이 상사점(TDC)에 있을 때입니다. 여기서 피스톤이 상사점(TDC)에 있을 때 발생하는 체적을 간극 체적(clearance volume)이라고 합니다.
이론상으로는 압축비가 높을수록 엔진의 출력이 올라가고 연비가 향상되지만 실제 엔진에서는 마찰로 인해 효율이 떨어질 수 있고 엔진 고장의 원인이 될 수 있어 적당한 압축비를 설정해야 합니다. 일반적인 엔진에서의 압축비는 디젤은 12~24, 가솔린은 8~12 정도이며, 디젤의 경우 고온·고압의 공기에 연료를 분사하는 방식이라 압축 공기를 고온으로 하기 위해 상대적으로 높게 설정합는다.
행정 / 지름비 (stroke/bore ratio)
행정 / 지름비 (stroke/bore ratio) 는 실린더의 행정 길이를 실린더 지름으로 나눈 값으로 엔진의 출력 및 토크 특성을 결정할 때 활용하는 요소입니다. 크게 아래와 같이 구분합니다.
- 롱 스트로크/ 언더 스퀘어 엔진(long stroke engine ): 행정/지름비가 1 이상인, 스트로크가 보어보다 긴 엔진입니다. 실린더의 행정 거리가 길어 (피스톤이 더 먼 거리를 이동하므로) 상대적으로 엔진의 회전 속도는 느리지만 토크는 증가합니다. 일반적으로 트럭, 버스 및 중장비 등의 차량 엔진과 승차감을 중시하는 자동차에 적용하고 있습니다.
- 쇼트 스트로크 / 오버 스퀘어 엔진 (short stroke engine): 행정 / 지름비가 1 이하인, 스트로크가 보어보다 짧은 엔진입니다. 상대적으로 짧은 행정으로 인해 엔진 회전 속도가 빠르고 마찰 손실 및 베어링이 받는 부하가 감소하며, 설계 시 엔진 높이를 줄여 보닛 라인을 낮출 수 있는 등의 장점이 있으나 출력하는 토크가 롱 스트로크에 비해 작은 편입니다. 일반적으로 스포츠카와 같은 고성능 엔진에 사용하고 있습니다.
- 스퀘어 엔진 squre engine : 행정 / 지름비가 1 인, 보어와 스트로크의 길이가 동일한 엔진입니다. 롱 스트로크 엔진과 쇼트 스트로크 엔진의 중간 성격을 가진 엔진으로 토크와 엔진 가속 사이의 밸런스 있는 엔진입니다.
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