자동차 작동원리와 진화과정

[만물박사]

‘가자, 키트!’ 깜빡, 깜빡~(알았음!), 붕~~끼익~~(왔음!), 철컥(타세요~!). 예전에 했던 외국드라마에서 어디선가 나타나 주인 앞에 도착해 스스로 문을 열어주던 자동차 ‘키트’가 있었다. 몇몇 SF 영화에선 자동 운전 모드가 있어 스스로 운전을 해주는 자동차도 있었다. 아직 이런 자동차는 현실화되지 않았지만 100km이상의 주행에서 액셀레이터를 밟지 않아도 속도를 유지하여 가는 자동차나 원격시동이 걸리는 자동차는 실용화되었다.

자동차는 처음 나왔을 때는 스스로 움직인다고 하여 ‘Automation(자동장치)’, ‘Oleo Locomotive(기름기관차)’, ‘Motor Rig(모터마차)’, ‘Electrobat(전기박쥐)’ 등이 거론되다가 1876년에 프랑스에서 만든 ‘저절로 움직인다.’의 뜻을 가진 ‘Automobile(자동차)’로 불리게 되었다. 한국공업규격(KS)에 의하면 ‘자동차(Automobile)는 원동기와 조향장치 를 구비하고 그것에 승차해서 지상을 주행할 수 있는 차량‘이라고 설명하고 있다. 따라서 무궤도전차의 일종인 트롤리버스와 피견인 차량인 트레일러, 불도저 등은 자동차로 분류하지만, 궤도전차와 2  륜 자동차, 오토바이 및 스쿠터는 자동차라고 부르지 않는다.  자동차 동력을 어디에서 얻느냐에 따라 자동차는 디젤 자동차, 전기 자동차, LPG 자동차, 가솔린 자동차 등 여러 종류로 나눌 수 있지만 자동차가  움직이는 기본 원리는 같다. 가솔린 자동차를 통해 기본 구조와 작동원리에 대해 알아보자.

자동차는 어떻게 움직일 수 있는 것일까?

자동차는 1891년 프랑스의 파나르 르바소(Panhard Levassor)가 기본 구조를 확립하였고, 현재 많은 후륜 구동식 자동차들이 이 구조를 채택하여 사용하고 있다. 자동차는 3만여 가지의 부품으로 구성되어 있지만 주요 부분은 크게 차체(body & frame)와 그 나머지 부분인 샤시(chassis)로 구분된다. 샤시가 자동차의 기능을 발휘할 수 있게 하는 부분으로 다시 엔진, 동력 전달 장치, 바퀴로 나누어 볼 수 있다.

운전자가 자동차 운전석에 앉아 시동을 걸면 배터리로부터 전기가 공급되어 스타팅 모터가 엔진의 플라이휠(flywheel)을 돌리게 되는데, 이 때 이에 연결된 크랭크축, 피스톤, 밸브가 같이 움직이기 시작한다. 자동차에 필요한 동력을 발생시키는 기능을 가지는 시스템인 엔진은 피스톤엔진을 사용한다. 자동차의 피스톤 엔진은 실린더 내부에서 연료와 산소를 연소시켜, 고압 ․ 고온으로 된 가스의 팽창력이 직접 피스톤을 움직이게 하는 내연 기관 이다. 이 때 위 아래로 움직이는 피스톤의 왕복운동은 크랭크축에 연결된 커넥팅 로드(connecting rod)에 의해 크랭크축에서 회전 운동으로 전환된다. 자동차 엔진은 거의 모두 4행정 사이클로 작동한다. 4행정 사이클이란 한 사이클이 흡입 행정, 압축 행정, 동력 행정, 배기 행정으로 이루어진 것으로, 크랭크축이 2번 회전하게 된다. 이것을 위해 실린더가 4개 이상 존재하며, 순서대로 작동되면 동력이 원활하고 연속적으로 발생하게 된다. 가솔린 엔진에 비해 디젤엔진은 4행정 사이클을 사용하기는 하지만 압축-흡입-동력-배기 순으로 진행되어 먼저 공기를 압축시켜 실린더 내부를 고온, 고압상태로 만들어 놓기 때문에 점화플러그 없이도 발화점이 낮은 경유를 분사하여 발화가 일어나도록 만든 내연기관이다.

4행정 사이클

4행정 사이클을 돈 후 엔진에서 발생한 배기가스는 삼원 촉매 전환 장치 를 거쳐 유독한 가스성분을 일부 제거한 후 머플러를 통해 대기 중으로 방출하게 된다. 머플러를 통하지 않고 그냥 나가면 배기가스가 한 번에 팽창하기 때문에 큰 소리가 난다. 이를 방지하기 위해 머플러는 배기가스의 팽창이 원만히 일어나도록 해서 큰 소리가 나지 않게 한다. 그리고 엔진에서 발생한 열은 냉각수를 통해 라디에이터에서 방출시켜준다. 만약 엔진의 냉각이 잘되지 않으면 연료를 연소시킬 때 엔진에서 발생하는 열 때문에 엔진 주변 부품이 타거나 녹아내리는 오버 히트(over heat)현상이 일어나게 된다. 물론 냉각수만으로는 엔진의 열을 계속 감당할 수 없기 때문에 라디에이터(radiator)로 보내져 덥혀진 냉각수의 열을 공기 중으로 방출시켜 온도를 낮추게 된다.

동력의 전달과 변속

크랭크축의 회전은 플라이휠에 그 회전력을 전달하게 되고 다시 변속기(transmissin)로 전달된다. 그러나 운전자가 클러치를 밟고 있거나 기어가 중립상태로 있을 경우에는 회전력이 변속기를 통해 바퀴로 전달되지 않는다. 기어를 중립상태에서 1단으로 바꾼 후 클러치 페달을 천천히 떼면 클러치 디스크가 플라이휠 면과 압착이 되면서 동력이 전달된다. 이 동력은 변속기로 바로 전달되어 엔진 출력을 달리는 상황에 맞게 구동 토크(구동력)와 회전수(주행 속도)를 조절해 바퀴에 전하는 역할을 한다. 최근 많이 사용하는 자동변속기는 엔진동력을 직접 변속기에 전하는 수동변속기의 경우와 달리 토크컨버터의 유압에 의해 변속이 일어나는 원리를 가지고 있다. 이러한 자동변속기는 자동변속기오일이 반응하는 시간이 필요하므로 엑셀레이터를 밟아 큰 동력을 발생시켜도 수동변속기보다 반응속도가 조금 느리다. 또한 엔진출력이 오일의 압력(유압)을 올리는데 100% 사용되지 못하고 오일 온도로 일부 빼앗기기 때문에 연비 면에서 자동변속기 차량보다 수동변속기 차량이 더 유리하다.

바퀴의 구동과 제동

변속기의 변속비에 의해 결정된 구동력은 구동축 양 끝단에 위치한 바퀴(타이어)로부터 노면에 전달되어 그 결과 자동차가 움직이게 된다. 구동력이 어느 바퀴에 전달되느냐에 따라 자동차는 전륜 구동식 자동차(FF: Front engine Front drive), 후륜 구동식 자동차(FR: Front engine Rear drive), 4륜 구동(4WD: 4wheel drive) 등으로 나눌 수 있다. FF 자동차는 엔진의 힘이 앞바퀴에 전달되어 구동하는 형식이고, FR 자동차는 앞쪽 엔진의 힘이 뒷바퀴에 전달되어 구동하는 형식이다. 험한 산도 달리는 4WD의 경우에는 4개의 바퀴에 모두 엔진의 힘이 전달되어 구동이 되는 경우이다.

바퀴의 구동 못지않게 중요한 것은 원할 때 감속하거나 움직임을 멈추게 하는 제동장치인 브레이크이다. 브레이크는 발로 조작하는 풋 브레이크와 손으로 조작하는 핸드 브레이크가 있다. 주로 주차할 때 많이 사용하는 핸드 브레이크는 보통 뒷바퀴 쪽에 케이블로 연결돼 운전석 옆의 손잡이를 당기면 뒷바퀴에 있는 라이닝과 브레이크 드럼이 서로 밀착돼 바퀴를 멈추게 한다. 풋 브레이크는 브레이크 오일의 압력으로 작동되며 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 오일의 유압이 모든 바퀴에 동시에 전달돼 바퀴가 멈춘다. 브레이크 형태는 주로 앞바퀴에 사용되는 원판 모양 디스크타입과 뒤쪽에 주로 사용하는 원통형 모양의 드럼식으로 구분된다. 흔히 ‘브레이크가 밀린다.’고 하는 것은 브레이크 드럼과 라이닝 간극이 멀어 멈출 때까지의 제동거리가 길어졌을 때를 말한다.

자동차의 구조

1. 엔진 : 전방탑재형 4기통(실린더 4개)엔진, 뒷바퀴를 움직이게 한다.
2. 배터리 : 시동 및 기타 전기장치에 전력을 공급하는 납축전지
3. 냉각팬 : 라디에이터와 엔진주변에 공기를 넣어 냉각시킨다.
4. 라디에이터(냉각기) : 수냉식의 경우 물이 가득 찬 라디에이터가 연소과정에서 발생된 열을 발산시킨다.
5. 브레이크디스크 : 주행시 바퀴와 함께 회전하며, 유압으로 바퀴에 압착하여 제동력을 발휘한다.
6. 에어백 : 운전자와 탑승자 앞에 장착된 보호용 백. 충돌 사고 시에 자동으로 팽창한다.
7. 점화플러그 : 실린더 내부 연료를 점화시키는 불꽃을 발생시킨다.
8. 기어박스(변속기) : 엔진의 고속 회전운동을 저속이나 강력한 회전력으로 바꿔 바퀴를 움직이게 한다.
9. 안전벨트 : 충돌사고 시 자동차 탑승자를 보호하기 위한 벨트
10. 디퍼렌셜(차동기어) : 코너를 돌 때 안쪽 바퀴 회전수를 줄이고, 바깥쪽 바퀴 회전수를 늘려 매끄럽게 돌 수 있도록 한다.

11. 머플러 : 배기 장치의 소음을 감소시킨다.

12. 구동축 : 엔진의 회전운동을 기어박스에서 디퍼렌셜로 이어주는 장치

13. 배기 장치 : 엔진에서 나오는 가스가 촉매 변환 장치를 거쳐 머플러를 통과해 배출되도록 한다.

14. 촉매변환장치 : 엔진에서 나오는 가스 중 유해성분을 처리한다.

15. 사이드브레이크(주차용 보조브레이크) : 뒷브레이크를 기계적으로 작동시키는 장치. 주차나 비상시에 사용

미래의 자동차

석유의 고갈로 인해 미래의 자동차는 이러한 연료를 대체할 수 있으면서 친환경적인 자동차로 개발될 것이다. 현재 전기와 가솔린을 같이 사용하는 하이브리드 자동차가 판매가 되고 있고, 전기만으로 달리는 전기자동차와 물을 분해하여 얻는 수소를 연료로 달리는 수소자동차가 개발 중에 있다. 전기자동차는 배출가스가 없어 대기 오염을 일으키지 않는 완전 무공해라는 점에서 각광을 받고 있다. 그러나 필요한 전기를 만드는 과정에서 화력발전이나 수력발전 등이 친환경적이 아니기 때문에 결과만 무공해라고 하기에 전기는 그다지 친환경적이라고도, 석유에 대한 대체에너지라고도 보기 힘들다. 그런 면에서 수소도 물을 분해하여 얻으므로 석유에 대한 대체에너지라 하지만 역시 물의 분해에는 전기분해를 많이 사용하므로 완전한 대체에너지라고 볼 수는 없다. 그렇기 때문에 현재 과학자들은 전기분해가 아닌 지구상에 풍부한 햇빛을 사용한 광촉매로 인한 분해를 연구 중에 있다. 물과 햇빛만으로 가는 수소자동차는 친환경에 완벽한 대체에너지를 이용한 자동차라 볼 수 있다. 그리고 수소자동차 개발을 위해서는 수소의 폭발력 때문에 수소 연료의 저장과 수송의 위험성 문제도 해결해야 한다.

이러한 면에서 아마도 미래의 자동차는 태양열을 이용한 태양 전지 자동차로 가야하지 않을까 생각해본다. 물론 태양 전지판의 집광 능력이 아직은 떨어져 자동차 출력을 내기 위해서는 엄청 많은 태양 전지판을 설치해야하고, 태양 전지가 비싸기 때문에 자동차 생산 비용이 높다. 태양열 자동차가 현실적으로 실용화하기 위해서는 태양 전지와 충전하는 화학 배터리의 기술이 더 발달되어 가격을 낮추고 태양 전지도 크기를 줄일 수 있어야 할 것이다.