이번 포스팅의 주제는 ‘엔진’입니다.
최근에는 수소/전기차의 보급이 점차 확대됨에 따라 가솔린/디젤 등 내연 기관은 점차 감소하는 추세이긴 하지만, 엔진은 자동차의 심장과 같은 역할을 하는 가장 중요한 시스템이며 자동차 이론에 있어서도 빼놓을 수 없기 때문에 정리를 한 번 해보려 합니다.
자동차 엔진이란?
자동차 엔진(동력발생장치)이란 자동차에 동력을 공급하는 기관으로, 자동차의 필수 구성 요소입니다.
이 엔진을 중심으로 각종 부품과 시스템이 결합되어 자동차가 동작하는 것이죠.
자동차용 엔진의 동작 원리는 열에너지를 기계적 에너지로의 변환입니다.
가솔린, 디젤 등의 연료를 엔진에 주입한 뒤 연소시켜서 고온의 기체를 만들고, 그 기체의 팽창으로 엔진을 동작 시킵니다. 엔진은 크게 가솔린(휘발유), 디젤(경유) 가스로 구분할 수 있으며 이 세가지 연료를 사용하는 엔진을 내연 기관이라고 합니다.
자동차 엔진의 동작 원리, 4행정 Cycle
오늘날의 자동차 엔진은 흡기, 압축, 폭발(연소 또는 팽창), 배기를 한 cycle로 동작하는 이른바 4행정을 반복하여 작동합니다. 여기서 ‘행정 (行程)’은 위, 아래의 한 방향에서 실린더 안의 피스톤이 모두 움직이는 것을 의미합니다. 4행정은 흡기->압축->폭발->배기 순서대로 작동하며, 피스톤이 실린더 내부의 사장 높은 곳에 위치할 때를 상사점, 가장 낮은 곳에 위치할 때를 하사점이라고 합니다.
흡입(Intake): 흡입은 실린더에 혼합기를 채우는 과정입니다
피스톤이 상사점에서 하사점으로 하강하는 동작을 하는데, 피스톤이 하강하게 되면 실린더 내부의 압력이 낮아지면서 흡기 밸브를 통해 혼합기(공기와 연료가 혼합된 기체)가 실린더 내부로 들어오게 됩니다
압축(Compression): 실린더에 혼합기가 들어온 뒤 외부의 흡기/배기 밸브가 모두 닫힌 상태에서 피스톤을 하사점에서 상사점으로 상승시켜 혼합기를 압축하는 동작입니다. 엔진의 회전속도가 빠를 수록 압축비가 상승하며, 압축 시 혼합기의 온도는 약 400~500°C 정도이고 압축 압력은 약 18bar 정도까지 상승한다고 합니다. 이로 인해 혼합기는 폭발하기 쉬운 상태가 됩니다.
폭발(Ignition): 압축 후 폭발하기 쉬운 상태가 된 혼합기에 점화플러그로 불꽃을 일으킵니다. 순간적인 폭발로 내부 기체가 팽창하게 되며 압력이 발생하고 피스톤을 하사점으로 밀어 내리는데, 이 과정에서 동력이 발생합니다.
배기(Exhaust): 폭발 후 하사점으로 하강한 피스톤이 다시 상사점으로 상승하면서 내부의 연소 가스를 외부로 배출하는 과정입니다. 피스톤이 상승할 때 닫혀 있던 배기 밸브가 열리고, 연소 가스를 밀어 올려서 실린더 밖으로 배출 시킵니다.
4행정 엔진의 1 Cycle 동안 크랭크축은 2번, 캠축은 1번 회전하며 실린더의 흡기, 배기 밸브는 1번씩 열고 닫힙니다.
자동차 엔진의 구성
자동차 엔진에서 주요 운동을 담당하는 파트는 실린더 헤드 / 엔진 블록 / 크랭크 케이스입니다. 크랭크 케이스에는 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변화시키는 크랭크 샤프트가 들어있고, 실린더 블록에는 피스톤이 왕복하는 실린더가 모여 있습니다. 실린더 헤드는 실린더 윗부분을 씌우는 덮개로 피스톤, 실린더와 함께 연소실을 형성합니다
운동 파트 이외에도 자동차 엔진의 주요 구성은 다음과 같습니다.
- 연료 공급: 연료 탱크에서 연료를 이송하는 펌프, 공기와 연료를 혼입하는 기화기, 연료분사장치 등
- 윤활: 엔진 내 구동 부분에 윤활유를 공급하는 펌프, 윤활유 오일 필터 등
- 냉각: 라디에이터(방열기), 워터 펌프 등
- 기타: 흡배기 밸브, 배출가스 저감 장치, 제어 장치 등
여기까지 자동차 엔진의 기본을 정리해 보았습니다. 다음 포스팅부터는 자동차 엔진의 각 구성품에 대해 한층 더 자세하게 다뤄볼 예정입니다.
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