[자동차 구조] 자동차 엔진

[황제의꿈]

엔진의 작동

4 사이클의 작동순서 - 가솔린과 공기를 혼합시켜 좁은 용기에 밀어넣고 착화시키면 폭발적인 연소팽창이 일어나 이를 피스톤이 받아서 회전운동으로 바꾸는 왕복운동(Recipro)으로 4 사이클인 '흡입압축폭발배기' 각 과정의 움직임은 다음과 같다.
[흡입과정 : Induction] - 흡입밸브가 열리고 여기에 가솔린과 공기의 혼합가스가 피스톤의 하강에 따라 대기압보다 낮아지는 거의 진공상태의 실린더 내로 흡입된다.
[압축과정 : Compression] - 하강이 끝난 피스톤은 크랭크샤후트의 작용으로 상승하여 혼합가스를 1/8~1/9의 체적으로 압축시킨다. 이 때 흡입밸브는 닫혀져 있다.
[폭발과정 : Combustion] - 피스톤이 상한(상사점)에 달했을 때 점화프러그의 전기불꽃에 의해 혼합가스가 폭발(연소)하여 팽창된 힘이 피스톤을 눌러 내린다.
[배기과정 : Exhaust] - 폭발에 의해 하강된 피스톤은 다시 상승을 개시하지만 이 때 배기밸브가 열리기 때문에 연소가 끝난 폐가스를 실린더 밖으로 밀어내어 4 사이클의 최종과정을 종료한다. 그 후는 다시 흡입과정으로 반복한다.
사이클 스피드 - 일반적으로 자동차엔진은 1분간 약 3000~7000회전, 1초당 약 60회전하면 고속이 된다. 따라서 피스톤도 1초에 약 60회나 왕복운동을 반복하고 상사점, 하사점에 달할 때마다 스피드는 제로가 되기 때문에 엄청난 속도로 반복운동을 거듭하는 것이다.
에너지 손실 - 가솔린엔진은 가솔린을 공기와 혼합하여 연소시켜 최종적으로 회전에너지를 얻지만 에너지 전부가 회전에너지로 변환하지 않는다. 엔진출력에 유효한 에너지의 비율은 약 25~30%에 불과하고 약 30~35%는 미소화 상태에서 배기손실로 빠져 나가고 과열엔진의 냉각손실로 약 30~35%가, 기계 마찰로 5~10%가 손실로 빠져나가 버린다.

엔진의 종류

4 사이클엔진 - 오늘날 전세계 자동차용 엔진의 대부분이 4 Cycle 엔진으로 '흡입', '압축', '폭발', '배기'의 4 생정에 의해 1Cycle을 종료시킴으로써 이런 종류의 모든 엔진을 4 Strock Cycle Engine이라고 부르며 왕복운동(Reciprocating)엔진의 가장 대표적 존재이다. 4가지 행정 동안 피스톤은 2회 상하운동을 하고 크랭트샤후트도 2회전을 하지만 흡·배기밸브는 각 1회씩밖에 개폐운동을 하지 않으며 점화프러그도 1회밖에 불꽃을 내지 않는다. 흡·배기밸브가 있는 것이 2 사이클과 가장 다른 구조적 특징이다.
디젤엔진 - 디젤엔진(Diesel Engine)은 독일의 R.디젤이 발명하였기 때문에 그의 이름을 붙여 이런 명칭이 생겼다. 공기를 급격히 압축하면 고열이 되기 때문에 여기에 연료를 직접 주입시켜 자연착화(自然着化)시키는 '압축착화기관'이다. 따라서 다른 엔진에 있는 점화프러그와 연료분사장치가 필요없지만 연료를 고압으로 연소실에 주입시키기 위한 분사펌프와 노즐이 필요하다.
2 사이클 엔진 - 2 사이클엔진은 4 사이클엔진에 있는 버섯 모양의 흡·배기밸브가 없고 대신에 실린더 벽면에 소기구멍과 배기구멍이 있어 피스톤의 상하운동에 따라 이 구멍이 개폐되고 여기로부터 가스가 출입하는 특징을 가지고 있다. 크랭크샤우트가 1회전할 때마다 1회 폭발이 일어나는 엔진으로서 경자동차와 2륜차에 많이 쓰이고 있다.
로타리엔진(Rotary Engine) - 피스톤에 상당하는 부분이 연결형 로타로 회전운동하는 엔진으로 파워로스나 진동이 적고 기구가 간단하며 경량화시킬 수 있다는 특징이 있으나 연비가 나쁜 단점을 갖는다.
전동모터 - 전기를 동력으로 하는 회전모터로 전기자동차의 동력원을 말한다. 배기가스나 소음이 없는 무공해 자동차이지만 전력공급과 저장의 어려움으로 일반 보급에 어려움이 있다. 최근 하이브리드(Hybrid) 방식으로 1대의 차에 2가지 동력원을 탑재하여 장소와 필요에 따라 조합하여 쓸 수 있는 하이브리드 자동차가 일부 실용화되었다.

엔진의 구조

엔진 본체 - 엔진본체는 실린더를 둘러싸고 보호하는 실린더블럭(Cylinder Bloc), 실린더 상부의 실린더헤더(Cylinder Head), 실린더 헤드와 일체를 이루는 밸브(Valve)와 캠샤휴트(Cam Shaft), 피스톤(Piston), 피스톤과 크랭크샤휴트(Crank Shaft)를 연결하는 커넥팅로드(connecting Rod/Con.Rod), 엔진을 회전시키기 위한 플라이휠(Fly Wheel) 등이 있다. 엔진의 부대장치 또는 보조장치로는 연료공급장치, 냉각장치, 윤활장치, 흡배기장치, 전기장치의 5가지로 나누어진다.
실린더(Cylinder), 실린더 블록(Cylinder Bloc) - 엔진의 중심부로 엔진의 물체와 골격을 이루는 것이 실린더 블록이다. 실린더는 피스톤이 내부에서 상하왕복하면서 혼합기를 연소시키는 원통 또는 원기둥으로 강도와 내열성이 뛰어나지 않으면 안된다. 재질은 주철이 대부분이지만 최근 경량의 알루미늄 합금이 늘어나고 피스톤과의 접촉부위인 라이너(Liner)만은 3~5mm의 특수 주철로 보강하고 있다. 또한 실린더 블록 내에는 엔진 각부를 윤활하여 마찰을 줄이는 오일의 흐름통로와 엔진을 냉각시키는 물의 흐름통로가 있다. 실린더는 수에 따라 3, 4, 5, 6, 7, 8, 12기통이 자동차에 있으며 실린더의 배열에 따라 직렬형(In-Line Type), V형(V-Shaped Type), 수평대향형이 있다.
실린더 헤드(Cylinder Head) - 실린더 블록의 상부에 위치하는 실린더 헤드는 실린더와 함께 연소실을 형성하고 흡입배기 통로를 개폐하는 밸브기구가 있는 부품이다. 또한 냉각수를 통하는 Water-Jacket, 연소실에 불꽃을 튀기는 Spark Plug도 부착되어 있다. 실린더 헤드의 재질은 내열, 내압성이 요구되기 때문에 최근에는 알루미늄 합금제가 많이 쓰이고 있다.
연소실(Combustion Chamber) - 혼합기를 실린더 내에 넣고 또 연소가스를 외부에 배출하기 위하여 실린더에 흡입배기밸브가 있는 곳이며 연소실은 형상이 반구형, 지붕형, 욕조형, 쐐기형 등이 있다.
실린더 헤드 가스켓(Cylinder Head Gasket) - 실린더블럭과 실린더헤드를 접합시키는 부위로 고압고온에 강한 재질로 밀봉성이 뛰어나야 한다.
피스톤(Piston), 피스톤링(Piston Ring) - 피스톤은 실린더 내에서 고속직선 왕복운동을 반복하여야 하므로 경량으로 강도가 높고 열에 의한 팽창이 적어야 한다. 최근에는 주철재에서 알루미늄 합금재로 거의 바뀌었으며 디젤 엔진의 일부만 주철재로 남아 있다. 피스톤링은 피스톤 상부에 있는 3~4개의 링으로 실린더 벽면에 있는 오일은 연소실에 들어가지 못하게 하는 Oil Ring과 연소가스가 새지 못하게 하는 압축링이 있다.
커넥팅로드(Connecting Road/콘로드: Con.Rod) - 왕복운동하는 피스톤과 회전운동하는 크랭크샤후트를 이어주는 기구이다. 이 Con.Rod는 Con.Rod Bearing, Oil Jet, Cap Bolt, Bushing의 부속품이 있다.
크랭크 축(Crank Shaft) - 크랭크 축은 크랭크케이스 안에 설치된 메인 베어링으로 지지되어 있고 각 실린더의 동력 행정에서 발생한 피스톤의 직선동력을 콘로드를 통해 회전동력으로 바꾸고 반대로 다른 행정에서는 피스톤에 운동을 가해 연속하여 동력을 발생시키는 기능을 한다.

플라이 휠(Fly Wheel) - 크랭크샤후트의 회전력을 균일하게 하여 휠에 연결시켜 회전시키고 엔진 시동시, 전기기동모터(Starter Motor)의 기동력으로 크랭크샤후트를 돌려 피스톤이 왕복운동을 하는데 이용된다.
밸브(Valve) - 4 사이클 행정 가운데 '흡입'과 '배기' 행정 중에는 혼합기를 연소실 안으로 흡입하고 연소가스를 외부로 배출시키는 실린더와 외부의 셔터 역할을 하는 기구를 밸브라고 한다. 일반적으로 흡기밸브가 배기밸브보다 지름이 크고 최근에는 밸브의 복수화가 유행되어 '흡기x2, 배기x2'의 4밸브방식(4기통은 16밸브)이 대부분이다.
캠축(Camshaft) - 캠축은 흡기밸브 및 배기밸브와 같은 수의 캠을 바른 위치와 각도로 배열한 축이며 캠 표면의 곡선은 약간만 변화해도 각 밸브의 개폐시기나 리프트가 달라져 기관의 성능에 큰 영향을 주므로 장시간 사용해도 마모나 비틀림이 없는 고도의 열처리와 내마모성의 소재를 쓴다.
타이밍기어 체인(Timing Gear & Chain) - 캠샤후트를 회전시키는 기어는 크랭크샤후트와 체인으로 연결되어 있는데 샤후터에 부착되어 있는 기어를 타이밍기어라고 하며 체인을 타이밍기어 체인이라고 한다. 타이밍기어는 크랭크샤후트 기어가 2회전시 1회전하도록 2:1로 되어 있어 흡기, 배기밸브의 운동과 Х燒텝분사, 점화시기를 항상 일정하게 유지한다.
밸브개폐기구 - 밸브개폐기구는 Timing Gear, Valve Lifter, Push Rod, Valve, Rocker Arm 등으로 되어 있으며 Sohc(Ohc)방식, DOHC방식이 있다. 밸브시스템은 밸브의 위치에 따라 OHC와 OHV의 2형식이 대부분이다. OHC(Over Head Camshaft)는 SOHC와 DOHC로 분류된다. SOHC는 Single의 의미로 Camshaf가 1개, DOHC는 Double의 의미로 Camshaft가 2개 달려 있다. Overhead는 실린더에 대해 머리 윗부분에 Camshaft가 있음을 가리킨다. 오늘날의 엔진은 흡·배기밸브가 실린더에 따라 나란히 되어 있는 SV(Side Valve)에서 밸브가 실린더 상부에 있는 OHV(Over Head Valve)로 다시 Camshaft를 실린더 바로 윗부분에 위치시키는 OHC로 이행한다. DOHC는 1기통에 밸브가 4개이고 Twin Camshaft이기 때문에 고회전, 고성능의 장점이 있지만 Camshaft가 2개 있고 Chain이나 Belt의 복잡화 등으로 엔진의 무게가 커지고 코스트가 높아지는 단점이 있다.

윤활장치

윤활장치(潤滑裝置 : Lubricating System)는 기관의 작동을 원활하게 하고, 그 작동이 기관의 수명을 다할 때까지 오래 유지하기 위해 운동 마찰부분에 엔진 오일을 공급하는 장치이다. 기관에는 실린더와 피스턴처럼 접동을 하는 부분이나, 크랭크샤프트 및 캠 샤프트와 같이 회전운동을 하는 부분이 있으며, 이러한 운동 마찰부분은 금속끼리 직접 접촉하면 마찰열이 발생하고 마찰면이 거칠어져 빨리 마모하거나 늘어 붙는 고장이 발생하여 기관이 운전할 수 없게 된다. 이것을 방지하기 위해 금속의 마찰면에 오일을 주입하면 그 사이에 유막(油膜 : Oil Film)이 형성되어 고체 마찰이 오일의 유체 마찰로 바뀐다. 따라서 마찰 저항이 적어져 마모가 적고 마찰열의 온도 상승을 방지한다. 윤활 장치는 Pil Pan, Oil Pump, Oil Pressure Regulator, Oil Screen, Oil Cooler로 구성되어 있다.

냉각장치

냉각장치(Cooling System)는 기관을 냉각하여 과열을 방지하고 또 적당한 온도를 유지하는 장치이다. 실린더 안의 연소가스의 온도는 2.000도 이상에 이르며, 이 열의 상당한 양이 실린더, 실린더 헤드, 피스턴, 밸브 등에 전도된다. 이러한 구분의 온도가 과도하게 높아지면 부품 재료의 강도가 저하되어 고장이 생기거나 수명이 단축되고 연소상태도 나빠져 노킹이나 조기 점화가 발생하며 그 결과 기관의 출력이 저하된다. 또 냉각이 불완전한 상태에서는 실린더 벽의 유막이 끊기는 등의 윤활기능 저하와 오일의 변질 등으로 이상마모나 눌어 붙는 등 고장의 원인이 된다. 반대로 지나치게 냉각되면 연소에서 발생한 열량 가운데 냉각으로 손실되는 열량이 크기 때문에, 기관의 열효율이 낮아지고 연료 소비량이 증가하는 등의 문제가 생기므로, 기관의 온도를 알맞게 유지하는 것이 냉각장치의 기능이다. 기관의 냉각 방식에는 외부 공기로 기관을 직접 냉각하는 공냉식과 냉각수를 기관 내부로 순환시켜 냉각하는 수냉식이 있다. 냉각수는 물펌프(Water Pump)를 돌려서 냉각수를 실린더 블록과 실린더 헤드의 물자켓(Water Jacket)으로 보낸 다음, 가열된 냉각수를 Radiator)로 보내 방열하며 식힌 다음 다시 물펌프로 순환시킨다. 물펌프에는 냉각팬(Cooling Fan)이 부착되어 외부 공기를 래디에이타를 통해 강제적으로 흡입하여 방열효과를 좋게 한다.

연료장치

연료장치는 기관이 필요로 하는 적당한 혼합기(混合氣)를 공급하는 장치로 연료를 저장하는 연료탱크(Fuel Tank), 연료 속의 불순물을 제거하는 연료여과기(Fuel Filter), 연료 분사장치에 연료를 보내는 연료펌프(Fuel Pump), 혼합기를 만들어 기관에 공급하는 연료분사장치 그리고 이러한 장치를 연결하는 연료파이프 등으로 구성되어 있다. 연료공급과 관련된 전자제어시스템은 크랭크 각도 센서, 차속센서, 냉각온도센서, 산소센서, 삼원촉매 장치로 구성되어 있는데 이 시스템들은 흡입공기량을 직접 측정하며, 다양한 차량주행 상태에 따른 엔진요구조건을 정확하게 맞추어 주기 위한 공연비(空煙比) 및 점화시기 등을 제어하여 연비향상과 유해배출가스를 감소시킨다. 특히 전자제어 연료분사 시스템은 하나의 인젝터로 모든 실린더에 분산하는 Single Point Injection(SPI) 방식과 실린더마다 인젝터가 하나씩 달린 Multi Point Injection(MPI) 방식으로 나눌 수 있는데 MPI 시스템은 흡기 밸브 앞 Program된 ECU내의 정보에 의한 연산과정을 거쳐 정밀한 연료량을 각 실린더의 Injector에 동시 또는 순차적으로 공급하는 시스템이다.

흡·배기 장치

기관이 작동하기 위해서는 실린더 안에 혼합기를 흡입하고 연소된 가스를 외부로 배출하는 것이 흡·배기장치이다. 흡기장치(Intake-system)는 흡이하는 공기 속에 들어 있는 먼지 등의 이물질을 제거하는 공기청정기(Air Cleaner)와 기화기에서 만든 혼합기를 공급하는 관으로 흡기 매니홀드(Intake Manifold)로 구성되어 있다. 배기장치(Exhaust System)는 엔진구조의 최후에 있는 부품으로서 배기가스의 통로의 배기관은 소음과 배기가스의 저감에 직접적인 영향을 주는 중요한 부품이며 연소가스를 모으는 배기 매니홀드(Exhaust Manifold)와 외부로 나가는 배기파이프 및 소음기(Muffer) 등으로 되어 있다. 한편 공해저감을 위하여 배기가스장치로서 촉매 컨버터 장치와 배기가스 재순환장치(EGR:Exhaust Gas Recirculation)가 있고 엔진출력향상을 위한 과급(過給) 장치가 있다. 엔진은 배기량마늠 혼합기를 흡입하여야 하는데 실제 배기량의 80% 정도밖에 흡입할 수 없다. 따라서 2000cc엔진도 1600cc분의 혼합기밖에 흡입하지 못한다. 이 흡입량을 늘리기 위해 밸브수를 늘리거나 밸브 직경을 크게 하고 있지만 또 하나의 방법으로 터보차저(Turbo Charger)나 슈퍼차저(Super Charger)를 사용하여 터빈이나 펌프를 강제적으로 돌려 공기의 압력을 1.5배 하면 많은 공기가 실린더 내로 들어가 가솔린의 양도 많아지면서 파워도 상승한다. 이와 같이 실린더 내의 부압을 이용하여 공기를 흡입하는 방식이 자연흡기방식이고 터보차져로 공기를 강제로 보내는 방식을 과급방식(過給方式)이라고 한다.

디젤엔진

경유를 연료로 하는 디젤엔진의 작동은 4 사이클 엔진과 거의 같다. 다른 점은 흡입할 때 공기만 연소실에서 받아들이며 압축비를 대단히 높게 하고 연료를 연소실에 분사하는 것이다. 압축비는 15~22:1 정도로 가솔린의 2배 정도이고 실린더 내에 흡입된 공기는 압축시켜 약 500℃에 가까운 고열로 만들어 착화온도가 300℃인 경유를 자연착화시킨다. 가솔린엔진은 회전수를 높이기 위해 엑셀 페달로 트로들 밸브는 없고 회전 수를 올리기 위해 엑셀 페달을 밟아 펌프로부터 들어오는 경유의 양을 늘리는 방법을 쓰고 있다

디젤엔진은 높은 압축비와 폭발 압력으로 높은 토오크를 얻을 수 있고 값싼 경유를 사용하는 경제적인 이점은 있지만 고압에 견디려면 무거운 주철의 블럭을 사용하여야 하는 난점과 또 가속 페달을 밟아도 곧 회전력이 올라가지 않으며 진동과 소음이 가솔린엔진보다 큰 결점이 있다.