엔진의 원리

[조아모터스(정윤희)]

가솔린과 공기를 혼합하여, 좁은 용기에 밀어 넣어 점화하면 폭발적인 연소와 자동차정보와 자동차정비시 팽창을 일으키기 때문에 피스톤은 이힘을 받아서 크랭크 축의 회전운동으로 바꿉니다. 이것이 왕복형 가솔린 엔진의 원리입니다. 지금부터 주로 설명하는 4사이클 엔진은 물론, 다음에 설명하는 디젤 엔진과 2사이클 엔진도 같은 왕복형 엔진으로서, 회전식인 로터리 엔진과는 자동차정보,자동차정비시 동작 원리로 보았을 때 종류가 다릅니다.

4사이클이라고 하는 것은, 그림에서 보는 바와 같이 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정을 반복하기 있기 때문에 이 명칭을 쓰고 있으나, 이 4행정 사이에 피스톤은 2회 왕복 운동을 하고 폭발은 1회 발생합니다. 이 작동 원리는 증기엔진의 발명으로부터 지금까지 200여년동안 변함없는 것으로서 현재에도 자동차 엔진의 주류를 이루고 있습니다. 그러면, 각 행정의 움직임을 보도록합니다.

흡입행정 : 흡입 밸브가 열려 가솔린과 공기의 혼합가스가 피스톤의 하강에 의한 실린더 내의 부압(대기압보다 낮은 압력으로서 이 경우에는 진공에 가깝다)에 의해 실린더 내부로 빨려 들어갑니다.

압축행정 : 하강이 끝난 피스톤은 크랭크 샤프트의 작용으로 상승하고, 혼합가스를 약 1/8~1/9의 체적으로 압축합니다. 이때 흡입 밸브는 닫혀 있습니다.

폭발행정 : 피스톤이 상부에 도달했을 때, 점화 플러그에 전기가 흘러 불곷이 튐과 동시에 혼합가스가 폭발하여

생성된 팽창력에 의해 피스톤을 밀어 하강시킵니다.

배기행정 : 폭발에 의해 하강한 피스톤은 다시 상승을 시작하지만, 이때 배기 밸브가 열리므로 연소가 끝난 배기가스를 실린더 밖으로 밀어내어 4사이클의 행정을 끝마치게 됩니다. 이후에는 또다시 흡입 행정부터 반복합니다.

그렇다면 4사이클에 의한 작동은 어느 정도의 속도로 반복해야 엔진으로서의 사용이 가능합니까?

그것은 일반적인 자동차 엔진은 1분간 약 50~7000회전 정도라고 알려져 있고, 이것은 1초간 60회전이라는 고속이 됩니다. 따라서 피스톤도 1초간 60회나 왕복 운동을 반복하는 것이 됩니다. 더욱이 피스톤은 상한 또는 하한에 도달하는 곳에서 속도가 0이 되기 때문에 피스톤 자체는 맹렬한 가감속을 반복하고 있는 것입니다.

실린더의 직경을 보어라고 부르고 피스톤의 작동 행정을 행정이라고 부르며 이들을 곱한 값이 배기량이 됩니다. 피스톤의 작동 행정이라고 하는 것은 피스톤의 상승과 하강에서 각각 한계에 도달한점(상사점,하사점)의 거리를 말하며, 이 점에서 피스톤의 속도는 일단 0이 됩니다.

피스톤이 하강할 때 커넥팅 로드의 관계로 실린더 벽에 측압이 가해지며 이것이 크면, 자동차정비시 실린더나 피스톤의 마모도 심하고 출력도 저하됩니다. 여기서 실린더의 중심선과 크랭크 샤프트의 중심선을 몇 mm정도 편심시켜 커넥팅로드의 경사각을 작게하여 실린더 벽면에 걸리는 측압을 약하게 합니다. 이것을 오프셋 실린더라고 합니다.(눈으로는 식별이 불가능합니다.)

흡입, 압축, 배기의 행정중 피스톤은 커다란 저항을 받기 때문에 폭발 행정의 에너지를 플라이 휠에 비축하여 카오디오와 블랙박스의 엔진을 원활하게 움직이고 있습니다. 플라이 휠은 또한, 외주에 링 기어를 설치하여 스타팅 모터 모터로써 엔진의 시동에 도움을 주기도 하고 원판의 넓은 면적을 이용하여 클러치에 동력을 전달하기도 합니다.

플라이 힐을 설치하여도 피스톤의 오아복 관성력을 일정하게 하는 것은 곤란하지만, 다기통일수록 평형은 좋아집니다. 그러나 완전하게 진동을 제거하는 것은 불가능합니다.

실린더블록은 엔진의 모체로서, 일반적으로 피스톤을 둘러싸고 있는 실린더와 연소실 및 밸브기구 등이 있는 실린더 헤드와 구분되어 있으며, 가장 밑바닥에는 윤활오일이 고여있는 오일 팬이 설치되어 있습니다. 실린더 블록은 주철 또는 알루미늄 합금의 제품으로써 다기통의 경우에는 기통이 일렬로 정렬되어 있습니다. 실린더 블록과 헤드에는 냉각수를 넣는 워터 재킷이 설치되어 있고 (공랭식 엔진은 이것이 없는 대신에 냉각핀이 밖에 붙어있음) 열에 의하여 피스톤이 눌어붙은 것과 마모를 방지해 줍니다.

블로과 헤드는 볼트로 결합되지만 접합면으로부터 가스가 새어나오는 것을 방지하기 위하여 개스킷을 사이에 넣고 볼트로 죄어 접합시킵니다. 엔진의 머리부에 해당되는 실린더 헤드에는 연소실과 그 주위를 냉각시키는 물이 순환하는 워터 재킷, 흡입 및 배기 밸브를 통하는 구멍, 이들 밸브를 통과하는 가스의 통로가 되는 흡기 구멍, 배기 구멍, 점화 플러그를 끼워 넣는 구멍과 윤활유의 통로 등이 복잡하게 설치되어 있습니다.

실린더  블록의 경우, 가벼운 알루미늄 합금제로 만든 것은 피스톤에 의한 실린더 내면의 내마모 특성이 좋지 못하므로 라이너라고 하는 주철제의 원통을 끼워 넣거나, 라이너를 사용하지 않고 실린더 내면에 크롬 도금을 한 것도 없습니다. 주철제 실린더 블록에 라이너를 사용하면 양질의 고급 주철을 그 부분만 사용하면 고열에 의한 실린더 전체의 균열을 방지하는 외에도 생산과 수리에 편리한 장점이 있습니다.

그러나 중량의 증가 및 구조가 복잡해지는 단점은 피할 수 없습니다. 라이너를 주조 할 때 고속회전시켜 원심력을 이용하여 재질의 균일도를 증가시키는 원심 주조법과 내벽면에 포러스 크롬 도금을하여 오일이 유지될 수 있도록 한것이 일반적입니다. 라이너의 두께는 1~3mm로써, 압입할 때는 액체공기로 냉각하여 체적을 작게 하여 끼워 넣습니다.

연소실은 엔진의 헤드부에 있고 여기에 갇혀진 미립화된 연료와 공기(엄밀히 말하면 공기중에 포함되어 있는 산소)를 순간적으로 연소시켜 그 팽창가스의 자동차정보와 자동차정비의 압력으로 피스톤을 밀어서 크랭크 샤프트를 돌리는 힘을 얻는 자동차의 원동력을 생성시키는 방입니다. 그러나, 단순하게 연소시키기만하면 되는 것이 아니라 고효율, 확실, 안전, 무해 등의 조건을 만족하지 않으면 안됩니다.

그러므로 연소실 자체의 모양과 연소실 주위의 여러 기구가 일체가 되어 연소실 성능을 좌우합니다. 그러면 대표적인 연소실의 형태를 소개합니다.

반구형 연소실

열효율적으로 가장 좋다고 알려져 있습니다. 점화 플러그의위치가 연소실 꼭대기에 위치하여 있으므로 화염의 전파 경로가 짧고, 노킹의 제어 및 카본이 쌓이는 정도가 적습니다. 밸브의 경사 각도는 오랜 전부터 90' 라고 하는 큰 각도가 유행하였으나 최근에는 작은 각도로써 얕은 연소실을 형성하는 것이 많습니다.

다구형 연소실

반구형을 복잡하게 한 것으로 흡,배기 밸브의 크기 및 위치를 이동시켜 놓았기 때문에 2개의 구형이 형성된 상태를 말합니다.

펜트루프형 연소실

지붕형의 의미로 연소실 용적을 대단히 작게하여 고압축, 고성능화를 노립니다. 그림과 같이 피스톤의 머리부에 밸브가 접촉하지 안헥 하기 위하여 요부를 설치하는 등, 피스톤 상부에 돌기를 설치하여 연소실 용적을 작게 한 것도 있습니다. 강한 와류 발생에 유리합니다.

쐐기형 연소실

옆에서 본 단면이 쐐기 모양이며, 웨지 타입이라고도 부르며, 직렬식 밸브도 만힝 사용되고 있습니다. 압축할때 와류를 만들기 쉬우며, 냉각 구역이 넓고, 폭발의 제어에 유리하고 압축에 적합합니다. 서양식 욕조와 비슷한 형태의 연소실 형태이므로 이와같은 이름이 붙었습니다. 흡기가스의 온도 상승을 방지하고 잔류 가스를 옆방향으로 배출하는 것이 가능하며 성격은 반구형과 쐐기형의 중간이라고 할 수 있습니다. 또한 쐐기형의 중간 형태로서 압축비를 높게 할 수 있는 경사 욕조형도 있습니다.

연소실 내에서 연료와 공기 효율을 좋게 연소시키기 위하여 와류와 스퀴시라고 하는 방법이 쓰여지고 있습니다. 와류라고 하는 것은 흘러들어가는 소용돌이를 말하며 인덕션 터블런스라고도 합니다. 흡기 다기관을 둥글게 하여 흡입 단계에서 혼합 가스가 소용돌이를 일으켜 연료와 공기를 잘 혼합시키는 것을 말합니다. 스퀴시라고 하는 것은 찌그러뜨리다는 뜻으로 압축 터블런스라고도 부르며, 피스톤에 의해 압축을 받는 혼합 가스가 연소실의 모양에 따라 압축되면서 생기는 소용돌이를 말합니다.

이것도 연료와 공기의 양호한 혼합을 향상시킵니다. 이외에 연소실에는 될 수 있는 대로 빨리 흡입시킬 필요가 있기 때문에 배기 밸브보다 흡기 밸브의 직경을 크게 하기도 하고 피스톤 행정을 짧게 하여 고속으로 왕복시키는 등의 방법을 씁니다. 가스의 흡,배기를 빨리 하는 것은 밸브의 직경을 크게 하면 좋지만 밸브 구멍이 원형이기 때문에 한계가 있으므로 4밸브를 사용하여 고성능화를 노린 경우도 있습니다.

연소실 내에서 연료와 곡이 효율을 좋게 연소시키기 위하여 와류와 스퀴시라고 하는 방법이 스여지고 있습니다. 와류라고 하는 것은 흘러들어가는 자동차정보와 자동차정비의 소용돌이를 말하여, 인덕션 터블런스라고도 합니다. 흡기 다기관을 둥글게 하여 흡입 단계에서 혼합 가스가 소용돌이를 일으켜 연료와 공기를 잘 혼합시키는 것을 말합니다.

스퀴시라고 하는 것은 찌그러뜨리다는 뜻으로 압축 터블런스라고도 부르며, 피스톤에 의해 자동차정비와 자동차정보는 압축을 받는 혼합 가스가 연소실의 모양에 따라 압축되면서 생기는 소용돌이를 말합니다. 이것도 연료와 공기의 양호한 혼합을 향상시킵니다.

이 외에 연소실에는 될 수 있는 대로 빨리 흡입시킬 필요가 있기 때문에 배기 밸브보다 흡기 밸브의 직겨을 크게 하기도 하고, 피스톤 행정을 짧게 하여 고속으로 왕복시키는 등의 방법을 씁니다. 가스의 흡, 배기를 빨리 하는 것은 밸브의 직경을 크게 하면 좋지만 밸브 구멍이 원형이기 때문에 한계가 있으므로 4밸브를 사용하여 고성능화를 노린 경우도 있습니다.

연소실은 피스톤이 상사점 위치에 있을 때 실린더 헤드와 피스톤 헤드에 의해 형성되는 공간이지만, 그대로 피스톤이 하강하여 하사점 위치에 있는 경우의 용적은 실린더 용적으로써 여기에는 연소실의 체적도 포함됩니다. 따라서 실린더 용적으로부터 연소실 용적을 뺀 것이 피스톤의 용적(행정체적이라고도 함)으로 엔진의 배기량 cc를 표시합니다. 더욱이 이것이 다기통 엔진이 되면 이것에 엔진의 실린더수를 곱한것이 실제 배기량이 됩니다.

이상과 같이 피스톤이 오아복 운동을 반복하여도 연소실 용적은 변하지 않고 연소실은 실린더 내에서 독립되어 있는 것으로 됩니다. 그러나 피스톤이 하사점에 도달했을 때는 배기량과 같은 체적의 혼합기를 흡입하여 다음에 일어나는 압축 행정에서 이것을 연소실 안으로 압축한다라고 하는 관계가 있습니다. 또한 연소실의 체적은 모양에 따라 결정되는 이상 엔진의 성격을 결정하는 중대한 요소를 지니고 있으므로 그 시대에서의 엔진 성격을 잘 반영하고 있는 셈입니다.

일반적인 연소실 머리 부분에 다른 하나의 작은 연소실이 붙어 있는 것으로 예전에는 디젤 엔진에서만 사용되었으나 최근에는 일부 가솔린 엔진에도 쓰여지고 있습니다. 이것은 대기오염 방지를 목적으로 배기가스를 청정화시키기 위하여 희박한 혼합기를 주연소실에서 연소시킬 때 작은 부연소실에는 짙은 혼합기를 보내어 안정된 '불씨'를 만들어 여기서부터 화염을 널리 퍼지게 하기위해 부연소실에도 작은 밸브가 있습니다.

대표적으로는 1970년혼다에서 개발되어 세계적인 주목을 받은 CVCC엔진이 있습니다.

고압축시킨 옥이게 연료를 분사하여 자연 착화시키는 것이 특징입니다. 부연소실의 형태도 있으나 피스톤의 머리 부분에 오목하게 파낸 공간을 만들어서 그곳에 분사 연료의 소용돌이를 발생시키는 것이 많습니다.

거의 반구형 형태를 하고 있습니다. 이것은 4사이클과 같이 밸브가 없는 것과 압축비가 낮은 것, 혼합기를 연소실에서 반전시키는 등의 이유에 의합니다. 일반적으로 점화 플러그가 돌출하여 있는 이상적인 반구형입니다.

[강만규]

자료감사해요