엔진의 종류, 구조 및 작동 원리

 

 

 

 

엔진의 종류

자동차 엔진은 일단 구조 차이에 따라 레시프로와 로터리 엔진으로 분류한다. 그리고 사용하는 연료를 기준으로 분류하면 가솔린(휘발유)과 디젤(경유)로 나눌 수 있다. 이 가운데 현재 주류는 레시프로 가솔린 엔진이며, 탑재 차종과 사용 목적에 맞춰 다양한 유형의 엔진을 생산하고 있다. 한편 최근에는 가솔린 엔진과 강력한 전기 모터를 조합해 충분한 동력을 확보하면서 고연비를 실현한 하이브리드 자동차도 증가하고 있다.

 

레시프로 가솔린 엔진

오늘날 자동차용 엔진의 주류. 실린더 안을 왕복 운동(Reciprocating)하는 피스톤의 힘을 회전 운동으로 변환해 출력한다. 실린더 상부에 흡배기 밸브가 있고 그것을 정확히 움직이는 기구도 필요하기 때문에 구조가 조금 복잡하지만, 긴 역사와 더불어 기술이 꾸준히 발전한 덕분에 현재의 레시프로 엔진은 완성도가 매우 높다. 또한 카탈로그 등에서 자주 볼 수 있는 4밸브라는 용어는 실린더 하나에 흡배기 밸브의 수가 4개라는 의미다. 트윈캠(DOHC)은 밸브를 구동하는 캠샤프트(캠축)가 흡기 밸브와 배기 밸브에 각각 하나씩 2개가 있다는 뜻이다.

 

디젤 엔진

흡기에서 배기까지의 동작 사이클은 가솔로 엔진과 같지만 점화 플러그로 대표되는 전기점화 장치가 없는 것이 디젤 엔진의 가장 큰 특징이다. 실린더 안으로 흡입된 공기는 가솔린 엔진의 약 1.5~2배로 압축되면서 고온이 된다. 여기에 연료를 고압 분사해 착화함으로써 폭발력을 얻는다. 이런 구조 때문에 디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 튼튼하고 무거우며, 고회전화가 불가능하다. 하지만 저속 토크가 강력하고 상대적으로 저렴한 경유를 연료로 사용하는 만큼 경제성 또한 우수하다.

 

레시프로 엔진의 실린더 레이아웃

레시프로 엔진에는 피스톤의 왕복 운동을 통해 원활히 출력을 내기 위한 복수의 실린더(기통)가 사용되는데, 그 수와 배열 방식이 엔진의 크기와 무게, 자동차의 주행감이나 조작성에도 영향을 끼친다. 정비성도 실린더의 배열에 따라 크게 차이가 난다.

 

직렬 엔진

복수의 실린더를 직렬로 나열한 레이아웃, 가장 일반적인 배열로 흡배기 기구렬로 모여 있기 때문에 구조가 단순해서 대부분의 레시프로 엔진이 이 방식으로 만들어진다. 직렬 4기통이 가장 많지만 경차 중 일부는 직렬 3기통이다. 고급차는 좋은 주행감을 위해 직렬 6기통 엔진재하는 경우가 많다.

 

 

 

 

 

V형 엔진

직렬 엔진은 흡배기 기구가 간결하게 모여 있지만 실린더의 수를 늘리면 엔진이 길어져 공간을 많이 차지한다. 그래서 회전축의 방향에서 볼 때 V자가 되도록 실린더를 좌우로 교차 배열한 것이 V형 엔진이다. 6기통일 경우는 3기통 엔진 2기를 합쳐놓은 듯한 모양이 되기 때문에 흡배기 계통이 복잡해지지만, 차량에 탑재할 때 엔진의 길이를 줄일 수 있다.

수평 대향 엔진

V형 엔진의 좌우 실린더열(뱅크) 각도를 더욱 벌려서 수평으로 만든 엔진, 엔진의 폭은 넓어지지만 중량이 무거운 엔진의 무게중심이 낮아지기 때문에 차량의 주행 안정성을 향상하는 데에 이점이 있다.

 

 

 

 

 

 

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엔진의 구조와 작동 원리

 

 

 

 

레시프로 엔진의 주요 구조

엔진의 중핵이 되는 실린더 블록은 현재 대부분이 가벼운 알루미늄으로 만들어진다. 그 내부에서 왕복 운동을 하는 피스톤의 폭발력을 전달하는 것이 커넥팅 로드로, 실린더 블록 하부에 있는 크랭크 샤프트(크랭크축)와 함께 왕복 운동을 회전 운동으로 변환해 출력한다.
실린더 헤드의 아래쪽에는 흡배기 밸브를 갖춘 연소실이 있다. 또 위쪽에는 타이밍 벨트나 체인 등으로 구동되는 캠샤프트 가 있는데, 트윈캠의 경우 흡기와 배기에 각각 하나씩 있다. 캠 하나로 구동하는 OHC는 로커암이라는 지레 같은 부품으로 밸브를 민다.

연료 계통

에어 클리너에서 투과된 공기가 에어 덕트(airduct, 공기 통로)를 지나 에어 플로 미터에서 유입량이 계측된 뒤 실린더 안으로 흡입된다. 여기에 흡기 매니폴드(manifold) 에 부착된 인젝터가 직접 고압으로 연료를 분사함으로써 혼합기를 만드는 전자 제어 연료 분사 방식이 현재 주류이다. 카뷰레터(carburetor)는 흡입 공기의 부압을 이용해 분무기의 원리로 공기와 연료를 섞어 혼합기를 공급한다.

 

점화 계통

점화 계통은 엔진 속으로 ①흡입된 혼합기가 상승하는 피스톤에 ②압축되면 불을 붙이는 역할을 한다. 각 기통의 점화 타이밍을 관장하는 디스트리뷰터(Distributor : 배전기) 또는 12볼트의 전원을 이용해 불꽃을 일으킬 수 있도록 고전압으로 승압하는 점화 코일을 이용한다. 연소실에서 ③폭발해 피스톤에 힘을 완전히 전달한 혼합기는 ④배기가스가 되어 배기 매니폴드로 유도된다. 이후 배기가스는 촉매를 통해 정화되고 머플러에서 소음이 줄어든 뒤 테일 파이프를 통해 배출된다.

 

냉각 계통 / 윤활 계통 

실린더 블록 안에 설치된 워터 재킷*을 통과하는 냉각수는 뜨거워지기 마련이다. 이때 냉각 계통은 라디에이터를 통해 냉각수의 열을 밖으로 내보면서 엔진이 원활하게 돌아갈 수 있는 온도를 유지한다. 윤활 계통은 오일 펌프를 이용해 오일을 엔진의 각 부분에 압송(壓送)한다. 이는 회전부나 접동부(마찰이 일어나는 부분)의 유막이 사라지는 것을 방지한다.