내연기관 자동차 엔진의 구조

H모빌리티클래스 "카인사이드아웃" 엔진과 변속기 강의를 토대로 정리했다.

이번에는 자동차의 핵심이라고도 할 수 있는 엔진에 대해 알아볼 것이다. 물론 최근에는 전기차가 나오면서 엔진 없이도 구동하지만 오랜 기간 엔진은 자동차를 움직이게 해왔다.

엔진 정의 및 분류

• 엔진이란

넓은 의미에서 엔진이란 열 에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 장치라고 할 수 있다.

초기 자동차에는 증기 기관을 이용해 동력을 얻었고, 증기 기관도 엔진의 한 종류인 외연 기관이라 할 수 있다.

외연기관과 내연기관

• 외연 기관
  • 열원이 동력 생산부 외부에 있음
  • 증기기관은 물을 가열하고 이 압력으로 동력을 만든다.

 

• 내연 기관

이에 반해 Internal Combustion Engine 내연기관은 기관 내에서 연소까지 이루어진다. 연소실에서 고온 고압 기체로 인해 피스톤이 움직이고 구동력을 얻는다. 

• 최초 현대적 엔진: 1876년 니콜라우스 오토의 오토 행정(4행정 기관)
• 1879년 카를 벤츠 2행정 기관 발명

엔진의 분류

엔진 연료별 분류

• 가솔린 엔진: 휘발유 사용, 보통 스파크 점화 방식, 정숙성 우수
• 디젤 엔진: 경유 사용, 주로 압축 착화 방식, 높은 토크와 연비
• LPG 엔진: 저렴한 연료비, 친환경적

기타 엔진 분류

엔진의 사이클에 따라 4행정, 2행정, 로터리 엔진 등으로 나눌 수도 있다.

또 엔진의 실린더 배치 방식에 따라 직렬형 엔진, V형 엔진, 수평대형 엔진 등으로 나눌 수 있다.

실린더 수에 따라서는 단기통, 2기통 등으로 나눌 수도 있다. 

엔진 연료 분사 방식에 따라는 GDI(Gasoline Direct Injection), MPI(Multiple Point Injection), TDI(Turbocharged Direct Injection) 등으로 나눌 수도 있다.

• GDI: 연료를 실린더 안에 직접 분무하여 연소
• MPI: 연료를 흡기밸브 뒤에 분사해 공기와 함께 연소시키는 방식
• TDI: 완성차 회사인 폭스바겐에서 디젤 엔진을 통칭해서 부르는 단어 

 

 

 

엔진 구성 요소

이제 엔진의 구성에 대해 알아보겠다.

일반적으로 엔진은 실린더, 밸브, 피스톤, 크랭크, 샤프트, 커넥팅 로드와 같은 요소들로 이루어져 있다. 

• 실린더 & 피스톤
  • 실린더는 빈 원통형 공간으로 연료와 공기의 혼합 기체가 흡입-압축-연소가 일어나는 공간이다.
  • 실린더 내부 직경을 보어라고 하며, 피스톤 상하 운동 간격을 스트로크라 한다. 
  • 피스톤은 그 안에서 상하 운동하는 부품을 말한다.
  • 피스톤은 이 직선 운동을 회전하는 크랭크 샤프트로 전달하는 역할을 한다. 
• 크랭크 샤프트
  • 피스톤의 직선 운동을 회전 운동으로 변환
  • 고속으로 회전하면서 큰 하중을 견뎌야 함 
  •  
• 커넥팅 로드
  • 피스톤과 크랭크 샤프트를 연결하는 막대
• 플라이휠
  • 관성 모멘트가 큰 바퀴 형태 
  • 회전 관성을 이용해 엔진 출력을 고르게 유지하고 급정지 방지
  • 급가속, 정지 시 부드럽게 유지 
• 밸브
  • 흡기 밸브로 실린더 내 기체 유입 조절
  • 배기 밸브로 배기가스 배출 조절
• 캠 샤프트 
  • 캠샤프트는 회전운동을 상하 직선 운동으로 바꿔주며 밸브는 캠 샤프트를 통해 제어된다.
  • 벨트나 체인 등으로 크랭크 샤프트와 연결되어 있다. 
  • 캠 샤프트가 크랭크 샤프트를 따라 회전하면 캠 샤프트의 돌출부에 의해 밸브가 열리고 닫히는 형태로 이루어져 있다.

엔진 작동 원리 -행정

특히 4행정 방식의 엔진의 원리에 대해 알아보겠다. 이때 "행정"이란 피스톤이 한 번 올라갔다가 내려오는 것을 말한다. 4행정 엔진은 흡입-압축-폭발-배기의 4행정이 1사이클로 완료되는 방식으로 피스톤의 왕복 직선 운동이 크랭크 샤프트의 회전 운동으로 변경된다. 

• 흡입: 피스톤 하강 → 흡기 밸브 열림 → 혼합기(또는 공기) 유입

흡기에서는 피스톤이 상단에서 하단으로 내려오고 공기가 실린더로 유입된다. 흡입 밸브가 열리며 연료와 공기 or 혼합 기체가 주입된다. 

gdi 방식 직접 분사식 엔진은 혼합 기체가 아닌 공기만 흡입된다.

• 압축: 피스톤 상승 → 모든 밸브 닫힘 → 혼합기 압축 (압력 및 온도 상승)

압축 사이클에서는 플라이 휠의 회전 운동에 의해 피스톤이 다시 상단으로 이동하며 실린더 내 압축 기체가 압축된다. 이때 압력은 18bar 정도까지 상승하며 가솔린 기관은 7~11:1의 압축비, 디젤은 15~22:1의 압축비를 가진다.

급격한 압력 상승으로 비정상적 연소가 일어나면 노킹(비정상적 연소로 인한 쇳소리와 진동)이 발생할 수 있다.
노킹은 디젤 엔진에서 주로 발생한다. 

• 폭발: 점화(스파크 또는 압축 착화) → 가스 팽창 → 피스톤을 아래로 밀어냄 (에너지 발생)

폭발 사이클에서는 점화 플러그의 스파크 or 압축으로 혼합 기체가 순간적으로 연소된다. 

예를 들어 gdi 방식은 스파크 점화와 함께 연료가 분사되고 디젤 엔진의 경우 압축된 공기에 연료를 분사하며 점화가 이루어진다. 

이때 압력으로 피스톤이 아래로 내려가고 이 직선운동이 크랭크 샤프트의 회전운동으로 변경된다.

• 배기: 피스톤 상승 → 배기 밸브 열림 → 연소 가스 배출

마지막 배기 사이클에서는 피스톤이 회전 관성에 의해 다시 위로 올라가며 배기가스를 실린더 밖으로 배출시킨다. 

 

배기가스의 온도는 약 600에서 700도이며, 배기가스는 배기 매니폴드를 거쳐 촉매 및 머플러를 통하여 대기 중으로 방출됩니다.
배기 사이클이 완료되면 엔진은 다시 처음에 흡입 사이클로 돌아가 4사이클을 다시 반복하게 됩니다.
이러한 4개의 사이클을 거치는 엔진을 자행정 엔진이라고 하며 가장 일반적인 내연 기관의 방식입니다.
이 과정에서 크랭크 샤프트는 총 720도, 즉 2회의 회전을 하게 되며, 1 사이클을 완료하는 동안 각 실린더의 흡기 밸브와 배기 밸브는 각 1회 열리고 닫히게 됩니다.
반면 이렇게 크랭크 축이 2회전을 하는 동안 흡입 압축 폭발 배기의 4행정을 하여 1 사이클을 완성하는 4행정 엔진과는 달리 2행정 엔진의 경우에는 프랭크 축이 1 회전하는 동안 1사이클이 끝나게 됩니다.
이러한 엔진은 기후 변화에 대한 대응 방법으로 온실가스 배출을 줄이고자 탄소 중립에 대한 정책을 각국에서 내놓으면서 많은 변화를 겪고 있습니다.