엔진 구동 부분은 피스톤, 커넥팅로드 어셈블리, 크랭크 축, 플라이 휠, 크랭크 축 베어링, 밸브 및 밸브 기구 등으로 구성됩니다. 열 에너지를 기계적 에너지로 바꾸고 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는, 엔진의 주요 기능을 담당 합니다. 이번 포스팅에서는 커넥팅로드와 샤프트 그리고 실린더에 대해 알아보겠습니다.
커넥팅로드와 크랭크샤프트
피스톤의 4행정 사이클로 왕복 운동이 발생한다는 것을 이전 포스팅에서 다루었었죠, 이 왕복 운동을 커넥팅 로드와 크랭크샤프트에서 회전 운동으로 변환 합니다.
커넥팅 로드는 피스톤의 바닥에 부착됩니다. 커넥팅 로드는 평평한 평면에서 회전할 수 있는 메커니즘에 의해 피스톤에 부착됩니다. 커넥팅 로드의 다른 쪽 끝은 크랭크 샤프트에 부착됩니다. 피스톤이 내려갈 때 커넥팅 로드는 크랭크 샤프트를 강제로 돌리는 동작으로 움직입니다.
크랭크축은 회전축으로 구성되어 있으며 여러 "크랭크 핀"이 서로 다른 각도에서 분리되어 있습니다. 크랭크 핀의 축은 회전축의 축에서 오프셋됩니다. 크랭크 샤프트는 피스톤의 상하 운동을 궁극적으로 자동차 바퀴를 돌리는 회전 운동으로 바꿉니다.
실린더
실린더는 자동차 엔진 내부에 있는 피스톤이 상, 하 운동하는 공간을 의미합니다. 실린더 로드를 통해 크랭크샤프트에 연결되며, 위아래로 움직이며 크랭크샤프트를 회전시킵니다. 엔진의 4행정 사이클이 여기에서 이루어지죠. 엔진에 따라 2개에서 12개의 실린더가 있는데, 이 실린더의 갯수에 따라 ‘몇 기통 엔진’이라는 표현을 씁니다. (ex 실린더 4개->4기통 엔진 / 실린더 6개->6기통 엔진) 실린더의 숫자가 많을 수록 엔진의 성능이 좋고 출력이 잘 나오지만 그만큼 엔진이 무거워져서 연비 효율은 떨어집니다.
실린더의 갯수와 배열에 따라 자동차 엔진의 성능 또한 달라집니다. 오늘날의 차량에서 많이 사용하는 배열 방식은 실린더를 한 줄로 배치한 Inline 또는 V자 모양으로 배치한 V-type입니다. Inline 방식은 실린더 개수 대비 토출 효율도 좋고 구조가 간단하여 제조 비용을 절감할 수 있고 유지 관리가 쉽다는 장점이 있죠. V-type은 비교적 컴팩트하여 6~12개의 많은 실린더를 사용하는 엔진에서 채택합니다. Inline과 비슷하게 각 실린더가 적절하게 분배되어 있어 에너지 효율, 파워 등 전체적인 관점에서 밸런스 있는 엔진을 만들 수 있습니다. 실린더 배열에 따른 엔진의 구분과 주요 특징은 추후 다른 포스팅에서 자세하게 다루도록 하겠습니다.
자동차 배기량 cc의 뜻과 실린더 용량 계산
자동차 엔진의 성능을 이야기 할 때 cc라는 단위를 한 번 쯤은 들어 보았을 것입니다. cc는 Cubic Centimeters의 약자로
엔진 배기량을 의미합니다. 이 배기량은 실린더의 갯수 x 실린더의 용량으로 산출합니다. 각 실린더가 500cc의 부피를 배출하는 4기통 엔진의 용량은 대략 2.0리터, 2000cc인 것이죠.
각 실린더의 부피는 피스톤의 직경과 피스톤이 실린더 위아래로 이동하는 길이로 계산을 합니다. 어려울 것 없이 원기둥 부피를 구한다고 생각하면 되는데, 상사점-하사점(그림에서 TDC-BDC)이 원기둥의 높이라고 보고 피스톤의 넓이를 곱해주면 됩니다. 배기량까지 정리하자면 아래와 같습니다.
배기량 = 실린더 단면적 X 행정길이 X 기통수 = (π/4) X 직경의 제곱 X 행정길이 X 기통수
실린더의 직경이 크고 스트로크가 작으면 행정 거리가 줄어들어 때문에 출력이 좋고 토크가 낮은 반면, 실린더의 직경이 작고 스트로크가 크면 작은 면적에 폭발력이 집중되기 때문에 출력이 낮은 대신 토크가 높아집니다.
실린더당 배기량은 과하게 크면 실린더 용적으로 인해 엔진의 소형화가 어려워지고 배기량이 같으면 기통수가 적어져 진동이 심해지며, 반대로 과하게 작으면 회전질감이 좋아지는 대신 실린더의 열효율이 떨어지면서 엔진 성능이 저하 된다는 문제점이 있습니다. 용도에 따라 배기량, 실린더, 기통수의 밸런스를 잘 갖춘 엔진이 잘 만든 엔진이라고 볼 수 있는 것입니다.
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