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엔진은 건물로 말하면 3층 건물로 되어 있고, 1층은 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변화시키는 크랭크 샤프트가 들어 있는 크랭크 케이스, 2층은 가운데를 피스톤이 왕복하는 실린더(원통)를 일체로 모은 실린더 블록, 3층은 사람으로 이야기하면 머리에 상당하는 실린더 헤드라고 한다.
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피스톤 링이 3 줄인것은 가장 위가 연소 가스가 연소실에서 엔진 내부로 들어가는것을 막고
2번재 링이 오일이 연소실로 들어가는것을 막으며
3번째는 오일을 실린더 내벽에 꾸준히 발라주는 역활 입니다
1.먼저 엔진의 기본 구조
2.4행정 사이클
3.흡기밸브와 배기밸브가
4.스로틀 밸브의 역할
5.V6엔진
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가솔린 엔진 – 나무위키
1. 개요2. 역사3. 원리4. 구조. 4.1. 2행정, 4행정. 5. 장단점6. 참고7. 둘러보기. 가솔린 최초의 휘발유 자동차인 Lacroix De Laville La Nef, 1906 …
Source: namu.wiki
Date Published: 1/29/2022
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- Author: bRd 3D
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- Date Published: 2021. 1. 28.
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자동차 엔진의 30가지 기본 부품
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자동차 엔진의 기초
자동차 엔진은 시계처럼 작동하여 차량을 구동하는 동력을 생성하는 여러 내부 부품으로 설계된 복잡한 메커니즘입니다. 엔진이 제대로 작동하려면 모든 부품의 상태가 양호해야 합니다.
엔진은 자동차의 심장입니다. 그것은 연소 가스의 열을 도로 바퀴를 돌리는 힘으로 변환하도록 만들어진 복잡한 기계입니다. 두 가지 기본 부품으로 구성됩니다. 더 낮고 무거운 부분은 엔진의 주요 움직이는 부품용 케이싱인 실린더 블록입니다. 분리 가능한 상부 커버는 실린더 헤드입니다.
무거운 작업 부하를 견디려면 엔진이 견고한 구조여야 합니다. 엔진은 순간적으로 밀봉된 실린더 내부의 휘발유 증기와 압축 공기의 혼합물을 점화시켜 빠르게 연소시키는 스파크에 의해 작동됩니다. 그래서 이 기계를 내연기관이라고 합니다. 혼합물이 타면서 팽창하여 자동차를 운전할 수 있는 동력을 제공합니다.
실린더 헤드에는 공기와 연료 혼합물이 실린더로 들어가는 밸브 제어 통로와 연소에 의해 생성된 가스가 배출되는 통로가 있습니다.
블록에는 피스톤의 왕복 운동을 크랭크축의 회전 운동으로 변환하는 크랭크축이 있습니다. 종종 블록에는 실린더 헤드의 밸브를 열고 닫는 메커니즘을 작동하는 캠축도 포함됩니다. 때로는 캠축이 머리에 있거나 그 위에 장착됩니다.
자동차 엔진 부품 다이어그램
엔진에는 여러 구성 요소가 있지만 차량에 동력을 공급하는 가장 필수적인 자동차 엔진 부품과 그 기능의 목록을 작성했습니다. 엔진에서 위치를 찾으려면 다이어그램을 참조하십시오.
엔진 부품
1. 엔진 블록
엔진 블록은 엔진의 주요 부품입니다. 종종 알루미늄 또는 철로 만들어지며 실린더를 포함하고 엔진을 냉각하고 윤활하기 위한 물과 오일 흐름 경로를 제공하기 위한 여러 개의 구멍이 있습니다. 오일 경로는 물 흐름 경로보다 좁습니다.
엔진 블록은 또한 피스톤, 크랭크축, 캠축 및 차량에 따라 4개에서 12개 사이의 실린더를 인라인, 플랫 또는 V자 모양으로 알려진 라인으로 수용합니다.
모터의 다른 모든 부품은 기본적으로 볼트로 고정되어 있습니다. 블록 내부는 연소와 같은 마법이 일어나는 곳입니다. 자세한 내용은 엔진 블록의 기본 사항을 참조하십시오.
2. 피스톤
상단에 평평한 표면이 있는 원통형 장치입니다. 피스톤의 역할은 연소에서 생성된 에너지를 크랭크축으로 전달하여 차량을 추진하는 것입니다. 피스톤은 크랭크축이 회전할 때마다 실린더 내에서 위아래로 두 번 이동합니다.
1250RPM으로 회전하는 엔진의 피스톤은 분당 2500번 위아래로 움직입니다. 피스톤 내부에는 압축을 생성하고 실린더의 지속적인 마찰로 인한 마찰을 줄이기 위해 만들어진 피스톤 링이 있습니다.
3. 실린더 헤드
헤드 개스킷으로 밀봉된 실린더 볼트를 통해 엔진에 부착됩니다. 실린더 헤드에는 밸브 스프링, 밸브, 리프터, 푸시로드, 로커 및 캠축을 포함하여 흡기 행정 중에 실린더로 흡입 공기의 흐름을 허용하는 통로와 배기 중에 배기 가스를 제거하는 배기 통로를 제어하는 캠축을 포함한 많은 항목이 포함되어 있습니다. 뇌졸중.
4. 크랭크축
크랭크 샤프트는 크랭크 샤프트 저널(베어링에 놓이는 샤프트 영역) 내의 엔진 블록의 하부 섹션에 있습니다. 이 정밀하게 가공되고 균형 잡힌 메커니즘은 커넥팅 로드를 통해 피스톤에 연결됩니다.
잭 인 박스가 작동하는 방식과 유사하게, 크랭크축은 피스톤을 엔진 속도에서 상하 운동으로 왕복 운동으로 돌립니다.
5. 캠축
차량마다 다르지만 캠축은 엔진 블록 내부 또는 실린더 헤드에 위치할 수 있습니다. 많은 현대식 차량에는 DOHC(Dual Overhead Camshaft) 또는 SOHC(Single Overhead Camshaft)라고도 하는 실린더 헤드에 장착되어 있으며 수명을 위해 오일로 윤활되는 일련의 베어링으로 지지됩니다.
캠축의 역할은 밸브의 개폐 타이밍을 조절하고 크랭크축에서 회전 운동을 받아 상하 운동으로 전달하여 리프터의 움직임을 제어하고 푸시로드, 로커 및 밸브를 움직이는 것입니다. .
6. 타이밍 벨트/체인
타이밍 벨트, 타이밍 체인 또는 캠 벨트는 크랭크 샤프트와 캠 샤프트의 회전을 동기화하여 각 실린더의 흡기 및 배기 스트로크 동안 엔진의 밸브가 적절한 시간에 열리고 닫히도록 하는 엔진의 일부입니다.
간섭 엔진에서 타이밍 벨트 또는 체인은 피스톤이 밸브에 부딪치는 것을 방지하는 데도 중요합니다. 타이밍 벨트는 일반적으로 톱니가 있는 벨트로 내부 표면에 톱니가 있는 구동 벨트입니다. 타이밍 체인은 롤러 체인입니다.
벨트는 캠축과 크랭크축에서 풀리를 잡는 기어가 있는 견고한 고무로 만들어졌습니다. 체인은 자전거 체인과 마찬가지로 톱니가 있는 도르래를 감쌉니다. 자세한 내용은 여기를 클릭하십시오.
7. 엔진 밸브
엔진 밸브는 엔진 작동 중에 연소실 또는 실린더 헤드의 공기, 연료 및 배기 가스 흐름을 조절하기 위해 엔진에 사용되는 기계적 구성 요소입니다.
밸브 작동은 매우 간단합니다. 캠은 밸브를 스프링에 대항하여 실린더로 아래로 밀어 밸브를 열어 가스가 흐를 수 있도록 한 다음 스프링의 힘으로 밸브를 닫습니다. 연소실의 압력은 밸브를 닫는 데 도움이 됩니다. 자세한 내용은 여기를 클릭하십시오.
8. 오일 팬
오일 팬은 간단하지만 엔진 윤활 시스템의 일부입니다. 오일은 엔진 부품을 순환하여 윤활 상태를 유지합니다. 마찰을 줄여 모든 것이 원활하게 작동합니다. 오일이 없으면 마찰로 인해 엔진이 빠르게 파괴됩니다.
오일 팬은 윤활 시스템에 포함된 오일을 유지하므로 오일이 새지 않는 것이 중요합니다. 다른 금속 부품에 부착되는 금속 부품이기 때문에 오일 팬과 부착되는 엔진 부품 사이에는 가스켓이 있습니다.
9. 연소실
연소실은 연료/공기 혼합물이 점화되는 실린더 내의 영역입니다. 피스톤이 연료/공기 혼합물을 압축하고 점화 플러그와 접촉함에 따라 혼합물이 연소되어 에너지 형태로 연소실 밖으로 밀려납니다.
실린더에는 인젝터 노즐, 피스톤, 점화 플러그, 연소실 등을 포함한 내연 기관의 중요한 구성 요소가 많이 있습니다.
10. 흡기 매니폴드
자동차의 흡기 매니폴드는 실린더 사이의 공기 흐름을 분배하는 엔진의 일부입니다. 종종 흡기 매니폴드는 스로틀 밸브(스로틀 바디)와 기타 부품을 고정합니다.
일부 V6 및 V8 엔진에서 흡기 매니폴드는 여러 개의 개별 섹션 또는 부품으로 구성될 수 있습니다.
흡기 공기는 에어 필터, 흡기 부트(스노클), 스로틀 바디, 흡기 매니폴드 플레넘, 러너를 거쳐 실린더로 흐릅니다. 스로틀 밸브(본체)는 공기 흐름의 양을 조정하여 엔진 rpm을 제어합니다.
11. 배기 매니폴드
배기 매니폴드는 일반적으로 여러 실린더에서 엔진 배기 가스를 수집하여 배기 파이프로 전달하는 단순한 주철 또는 스테인리스 스틸 장치입니다. 배기 밸브에 연결됩니다. 그 구성은 흡기 매니폴드와 동일합니다.
배기 매니폴드는 가솔린 및 디젤 엔진 모두에서 동일한 기능을 가지며 두 경우 모두 배기 가스를 운반합니다.
12. 흡배기 밸브
흡기 및 배기 밸브는 연소를 위해 엔진으로 들어오는 차지(또는 공기)와 실린더에서 나가는 배기 가스를 각각 제어하고 조절하는 데 사용됩니다.
실린더 헤드 또는 실린더 벽에 제공됩니다. 그들은 일반적으로 버섯 모양의 머리를 가지고 있습니다.
가솔린 엔진의 경우 공기와 연료 혼합물이 흡입 밸브를 통해 들어갑니다. 그러나 디젤 엔진에서는 흡기 밸브를 통해 공기만 들어갑니다. 두 경우 모두 배기 밸브는 배기 가스를 배출하기 위한 것입니다.
흡기 밸브는 흡기 매니폴드에 연결되고 배기 밸브는 배기 매니폴드에 연결됩니다. 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드는 모두 위에서 논의했습니다.
13. 점화 플러그
스파크 플러그는 점화 시스템에서 스파크 점화 엔진의 연소실로 전류를 전달하여 엔진 내부의 연소 압력을 유지하면서 전기 스파크로 압축된 연료/공기 혼합물을 점화시키는 장치입니다.
스파크 플러그에는 세라믹 절연체에 의해 중앙 전극에서 전기적으로 절연된 금속 나사 쉘이 있습니다. 저항을 포함할 수 있는 중앙 전극은 심하게 절연된 전선으로 점화 코일 또는 마그네토의 출력 단자에 연결됩니다. 자세한 내용은 여기를 클릭하십시오.
14. 커넥팅 로드
커넥팅 로드는 피스톤을 크랭크 샤프트에 연결하는 피스톤 엔진의 일부입니다. 크랭크와 함께 커넥팅 로드는 피스톤의 왕복 운동을 크랭크 샤프트의 회전으로 변환합니다.
커넥팅 로드는 피스톤의 압축력과 인장력을 전달하는 데 필요합니다. 가장 일반적인 형태의 내연 기관에서는 피스톤 끝에서 피벗하고 샤프트 끝에서 회전을 허용합니다.
커넥팅 로드의 전신은 물레방아의 회전 운동을 왕복 운동으로 변환하기 위해 물레방아에서 사용하는 기계적 연결 장치입니다.
15. 피스톤 링
피스톤 링은 내연 기관 또는 증기 기관에서 피스톤의 외경에 부착된 금속 분할 링입니다.
엔진에서 피스톤 링의 주요 기능은 다음과 같습니다.
▷ 연소실을 밀봉하여 크랭크 케이스로의 가스 손실을 최소화합니다.
▷ 피스톤에서 실린더 벽으로의 열 전달 개선.
▷ 피스톤과 실린더 벽 사이의 오일 적정량 유지
▷ 실린더 벽에서 기름통으로 오일을 긁어내어 엔진 오일 소비를 조절합니다.
16. 거전 핀
손목 핀이라고도 하는 거전 핀은 내연 기관의 중요한 구성 요소입니다. 커넥팅 로드와 피스톤 사이에 연결을 생성합니다. Gudgeon 핀은 커넥팅 로드, 휠 또는 크랭크와 함께 사용할 수도 있습니다.
17. 캠
이들은 캠축의 필수적인 부분입니다. 캠으로 인해 캠축은 캠축으로 알려져 있습니다. 캠은 흡기 및 배기 밸브 타이밍을 제어하기 위해 캠축에 장착됩니다.
이제 가장 중요한 자동차 엔진 부품에 대해 이야기하겠습니다. 캠이란 무엇이며 캠의 종류에 대해 자세히 읽어보십시오.
18. 플라이휠
플라이휠은 회전 에너지를 저장하기 위해 각운동량 보존을 사용하는 기계 장치입니다. 관성 모멘트와 회전 속도의 제곱의 곱에 비례하는 운동 에너지 형태.
엔진에서 제공하는 토크는 균일하지 않고 본질적으로 변동합니다. 이 변동하는 힘으로 차량이 계속 움직이는 경우. 그것은 라이더에게 큰 불편을 줄 뿐만 아니라 다른 부품의 수명을 단축시킵니다.
따라서 변동 하중 문제를 처리하기 위해 플라이휠이 사용됩니다. 플라이휠은 일반적으로 캠축에 장착됩니다. 동작 사이클에서 값이 높을 때 토크를 저장하고 값이 낮을 때 토크를 해제합니다. 토크 버퍼 역할을 합니다.
19. 개스킷
개스킷은 누출을 방지하기 위해 조인트, 플랜지 및 기타 결합 표면을 밀봉하기 위해 정적 적용에 사용되는 유연한 재료로 구성된 링 또는 시트입니다.
다음은 엔진에 일반적으로 사용되는 다양한 유형의 개스킷입니다.
헤드 개스킷
헤드 개스킷은 엔진 블록과 실린더 헤드 사이를 밀봉합니다. 그 목적은 실린더 내의 연소 가스를 밀봉하고 냉각수 또는 엔진 오일이 실린더로 누출되는 것을 방지하는 것입니다. 헤드 개스킷의 누출은 엔진 작동 불량 및/또는 과열을 유발할 수 있습니다.
흡기매니폴드 가스켓
흡기 매니폴드 개스킷은 매니폴드와 엔진 사이의 작은 틈을 막아 공기, 냉각수 및 오일이 누출되는 것을 방지합니다. 시간이 지남에 따라 흡기 매니폴드 개스킷은 많은 마모를 견뎌냅니다. 결국 누수가 발생할 수 있는 방식으로 균열이 생기거나 뒤틀릴 수 있습니다.
배기 매니폴드 가스켓
배기 매니폴드 개스킷은 일반적으로 가능한 최상의 밀봉을 제공하도록 설계된 금속 및 기타 재료를 포함하는 다층 개스킷입니다. 배기 매니폴드 가스켓은 배기 시스템의 첫 번째 부품이므로 문제가 발생할 경우 점검해야 하는 매우 중요한 씰입니다.
워터 펌프 가스켓
워터 펌프 개스킷은 다양한 온도를 견딜 수 있는 내구성 있는 재료로 만들어진 링 모양의 부품입니다. 워터 펌프는 엔진 주위로 냉각수를 밀어내는 주요 구성 요소 중 하나이므로 밀봉 상태를 유지하기 위해 잘 맞는 워터 펌프 개스킷이 없으면 워터 펌프와 엔진 블록 사이에서 누출이 시작될 수 있습니다.
오일 팬 가스켓
오일 팬 개스킷 자체는 오일 팬을 엔진 블록의 바닥에 밀봉하고 팬에서 엔진으로 그리고 뒤로 이동할 때 오일이 누출되는 것을 방지합니다. 오일은 지속적으로 흐르기 때문에 오일 누출에 영향을 받지 않는 차량은 없습니다. 종종 오일 누출은 오일 팬이나 마모된 오일 팬 개스킷에서 발생합니다.
20. 실린더 라이너
실린더 라이너는 실린더를 형성하기 위해 엔진 블록에 장착되는 얇은 금속 실린더 모양 부품입니다. 엔진의 내부를 구성하는 가장 중요한 기능 부품 중 하나입니다. 실린더의 내벽 역할을 하는 실린더 라이너는 내부에 윤활유를 유지하면서 피스톤 링의 슬라이딩 표면을 형성합니다.
사용 중 실린더 라이너는 피스톤 링과 피스톤 스커트의 마찰로 인해 마모될 수 있습니다. 이러한 마모는 실린더 벽을 코팅하는 얇은 유막과 엔진이 작동할 때 자연스럽게 형성되는 유약층에 의해 최소화됩니다.
21. 크랭크 케이스
크랭크 케이스는 왕복 내연 기관의 크랭크 샤프트용 하우징입니다. 대부분의 최신 엔진에서 크랭크 케이스는 엔진 블록에 통합되어 있습니다.
2행정 엔진은 일반적으로 크랭크실 압축 설계를 사용하므로 연료/공기 혼합물이 실린더에 들어가기 전에 크랭크실을 통과합니다. 이 엔진 설계에는 크랭크 케이스에 오일 섬프가 포함되어 있지 않습니다.
4행정 엔진은 일반적으로 크랭크 케이스 바닥에 오일 섬프가 있으며 대부분의 엔진 오일은 크랭크 케이스 안에 있습니다. 연료/공기 혼합물은 4행정 엔진의 크랭크실을 통과하지 않지만 소량의 배기 가스가 연소실에서 “블로바이”로 들어가는 경우가 많습니다.
일부 엔진에서는 크랭크 케이스가 메인 베어링 저널을 완전히 둘러싸지만 크랭크 케이스는 종종 메인 베어링 저널의 아래쪽 절반을 형성합니다(베어링 캡이 나머지 절반을 구성함).
22. 엔진 디스트리뷰터
분배기는 기계적으로 시간이 맞춰 점화되는 불꽃 점화 내연 기관에 사용되는 밀폐된 회전 샤프트입니다. 분배기의 주요 기능은 정확한 점화 순서와 시간 동안 점화 코일에서 점화 플러그로 2차 또는 고전압 전류를 전달하는 것입니다.
크랭크 각도/위치 센서를 사용하는 마그네토 시스템과 많은 최신 컴퓨터 제어 엔진을 제외하고 분배기에는 점화 코일의 1차 회로를 열고 닫기 위한 기계식 또는 유도식 차단기 스위치도 있습니다.
23. 디스트리뷰터 O링
디스트리뷰터는 일반적으로 디스트리뷰터의 샤프트에 맞는 특정 크기의 O-링을 사용하여 디스트리뷰터 O-링이라고 하는 엔진으로 밀봉합니다.
분배기 O-링은 분배기 하우징을 엔진으로 간단히 밀봉하여 분배기 바닥에서 오일 누출을 방지합니다. O-링이 고장나면 분배기 베이스에서 오일 누출이 발생하여 다른 문제가 발생할 수 있습니다.
24. 실린더 헤드 커버
많은 현대식 4행정 엔진에서 실린더 헤드 커버에는 엔진 제어 장치의 상부 작동 요소와 모든 주변 장치가 있는 크랭크케이스 환기 밸브가 있습니다. 또한 먼지나 기타 이물질로부터 엔진을 보호합니다.
25. 고무 그로밋
고무 그로밋은 구멍을 보호하거나 덮고 진동을 줄이는 데 사용됩니다. 고무 그로밋을 삽입하면 날카로운 모서리를 제거하고 엔진 밸브가 구멍을 통과하도록 보호하는 데 도움이 됩니다. 고무 그로밋은 밸브가 손상되지 않도록 보호합니다.
26. 캠축 풀리
캠 풀리는 실린더의 공기 흡입 및 배기를 담당하는 포핏 밸브를 제어하는 구성요소인 캠축의 회전 속도를 제어하는 데 사용되는 엔진의 타이밍 시스템의 일부입니다.
캠 풀리는 타이밍 체인과 연결되어 크랭크 샤프트와 동기화하여 캠 샤프트를 회전시킵니다.
27. 오일 필터
자동차 오일 필터는 노폐물도 제거합니다. 자동차 엔진이 원활하게 작동하도록 모터 오일에 있는 유해한 파편, 먼지 및 금속 파편을 포착합니다. 오일 필터가 없으면 유해한 입자가 모터 오일에 들어가 엔진을 손상시킬 수 있습니다. 정크를 걸러내는 것은 모터 오일이 더 깨끗하고 오래 유지된다는 것을 의미합니다.
28. 타이밍 벨트 구동 풀리
타이밍 벨트 도르래는 도르래 몸체 직경의 바깥쪽을 따라 톱니나 포켓이 있는 특수 도르래 시스템입니다. 풀리 외부의 톱니나 포켓은 동력 전달에 사용되지 않습니다. 오히려, 풀리 벨트와 맞물려 타이밍을 돕고 오정렬을 방지합니다.
29. 워터 펌프
차량의 워터 펌프는 엔진의 크랭크축에서 동력을 얻는 벨트 구동식 펌프입니다. 원심 분리기로 설계된 워터 펌프는 펌프의 중앙 입구를 통해 라디에이터에서 냉각된 유체를 끌어옵니다. 그런 다음 유체를 바깥쪽 엔진으로 순환시키고 다시 자동차 냉각 시스템으로 순환시킵니다.
30. 오일 팬 드레인 볼트
오일 배출 플러그는 일반적으로 오일 팬의 엔진 바닥에 있습니다. 오일 교환 시 팬에서 오일을 배출하는 데 사용됩니다. 오일 플러그에서 누출이 발견되면 어떤 경우에는 개스킷을 교체하는 것처럼 간단할 수 있습니다.
볼트 또는 오일 팬이 십자형이면 새 오일 배출 플러그가 필요할 수 있습니다. 어떤 경우에는 대형 오일 배출 플러그가 새 나사산을 절단하여 전체 오일 팬을 교체하는 것을 방지합니다.
일반적인 엔진 문제
매우 많은 메커니즘이 빛의 속도로 많은 작업을 수행하기 때문에 시간이 지남에 따라 부품이 마모되기 시작하여 자동차가 다르게 작동할 수 있습니다. 다음은 가장 일반적인 엔진 문제 및 관련 증상입니다.
열악한 압축 – 전원 손실, 잘못된 발사 또는 시작 불가를 초래합니다.
갈라진 엔진 블록 – 일반적으로 엔진 측면에서 식별되는 과열, 배기 가스에서 나오는 연기 또는 냉각수 누출을 유발합니다.
손상된 피스톤, 링 및/또는 실린더 – 덜거덕거리는 소리, 배기 가스에서 나오는 푸른 연기, 거친 공회전 또는 실패한 배기 가스 테스트를 나타냅니다.
파손되거나 마모된 로드, 베어링 및 핀 – 두드리는 소리 또는 똑딱거리는 소리, 낮은 오일 압력, 엔진 오일에서 발견되는 금속 부스러기 또는 가속 시 덜거덕거리는 소리를 유발합니다.
자동차 엔진은 복잡해 보이지만 그 임무는 간단합니다. 차량을 앞으로 나아가게 하는 것입니다. 이 모션을 만들기 위해 함께 작동하는 많은 구성 요소가 있으므로 차량의 수명을 보장하기 위해 적절한 유지 관리를 받는 것이 필수적입니다.
정기적으로 예정된 오일 교환, 유체 세척, 권장 시간에 벨트와 호스를 교환하는 것은 엔진 고장의 불행한 상황을 예방하는 데 도움이 되는 좋은 방법입니다.
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자동차의 심장, 엔진의 구조
엔진은 자동차에서 가장 중요한 부분이면서 가장 복잡한 부분입니다. 여러가지 기술과 장치가 집약되고 집중된 곳이고 그만큼 이해가 힘든 곳이기도 합니다. 하지만 차의 겉모습과 디자인만 따지는 수박 겉핥기 단계에서 벗어나 차를 제대로 이해하고 알기 위해서는 엔진에 대한 이해는 필수입니다. 가장 복잡한 부분인만큼 하나하나 풀어나가고자 합니다. 이번 포스팅에선 엔진의 기본적인 구조와 주요 부품들에 대해 알아보겠습니다.
엔진은 크게 실린더 블록(cylinder block)과 실린더 헤드(cylinder head), 이렇게 둘로 나뉩니다. 실린더 블록이 엔진의 뼈대가 되고 실린더 헤드가 그 위에 얹힙니다. 실린더 블록을 먼저 살펴볼까요? 실린더 블록은 엔진의 힘이 발생하는 곳이며 그 힘을 엔진 밖으로 전해줘서 바퀴를 굴리는 역할을 하는 곳입니다. 실린더, 피스톤, 피스톤 링, 크랭크축, 커넥팅로드 등으로 이루어지는데 순서대로 살펴보도록 하겠습니다.
-실린더(cylinder): 연료가 들어와서 폭발이 일어나는 공간, 즉 연소실입니다. 주유소에서 넣은 기름이 기체 상태로 들어와서 불이 붙어 폭발하는 곳입니다. 바로 여기서 엔진의 동력이 발생합니다. 실린더는 기통(氣筒)이라고도 하는데 기통은 주로 실린더의 갯수를 세는 단위로 쓰입니다. 예를 들어 4개의 실린더가 있는 엔진이면 4기통 엔진이라고 부르는 식입니다. 이 실린더의 직경, 즉 밑면의 지름은 보어(bore)라고 부르고 높이는 스트로크(stroke)라고 부릅니다.
-피스톤(piston): 실린더에 들어가는 원기둥 모양의 부품입니다. 실린더 안에서 운동하여 동력을 만들어냅니다. 실린더에서 폭발이 일어나면 이 폭발로 인한 힘 때문에 피스톤은 아래로 밀려 내려가고 폭발이 끝나면 피스톤은 다시 올라가며 상하운동을 합니다. 피스톤이 오르내리며 최대로 올라가는 지점은 상사점(上死點, TDP: Top Dead Point), 최저로 내려가는 지점은 하사점(下死點, BDP: Bottom Dead Point)이라고 부릅니다.
-피스톤 링(piston ring): 피스톤에 반지처럼 끼워져서 피스톤을 실린더에 꽉 끼게 만드는 역할을 합니다. 피스톤과 실린더 벽 사이에 틈이 있으면 동력이 손실될 뿐만 아니라 엔진 내구성에도 악영향을 주기 때문에 이 틈을 없애는 게 매우 중요한데 이 역할을 피스톤 링이 합니다.
-크랭크축(crank 軸): 크랭크샤프트(crank shaft)라고도 불리는데 피스톤 아래에 달려서 피스톤의 상하운동을 회전운동으로 바꾸는 역할을 합니다. 피스톤이 위아래로 움직이면 거기에 연결된 크랭크축이 빙글빙글 돌아가며 힘을 전하는 거죠. 때문에 크랭크축은 곧지 않고 꾸불꾸불 구부러진 듯한 모양입니다.
-커넥팅로드(connecting rod): 피스톤을 크랭크축과 이어주는 역할을 합니다. 줄여서 콘로드라고도 부르고 연결해주는 역할을 한다고 해서 연접봉(連接棒)이라고도 합니다.
실린더 헤드는 줄여서 헤드 라고도 부르며 실린더 블록 위에 얹히는 뚜껑 같은 부분 입니다. 실린더에 연료를 넣어주고 폭발시키며 폭발로 인해 생긴 배기가스가 빠져나가는 곳 입니다. 흡배기 밸브, 스파크 플러그, 캠샤프트 등 으로 이루어집니다.
-밸브(valve): 실린더 위쪽에 위치해 연료가 들어가고 배기가스가 빠져나가는 통로 입니다. 동그란 판이 막대 아래에 달려서 나팔 모양 으로 생겼으며 이것이 위아래로 오르내리며 통로를 열고 닫습니다. 흡기와 배기를 맡는 밸브는 따로 있으며 따라서 밸브는 실린더당 최소 2개 가 있습니다. 보통 숫자 뒤에 V를 붙여서 밸브의 갯수를 표시 합니다. 밸브가 16개면 16V라고 표시하는 식입니다.
-스파크 플러그(spark plug): 점화플러그(點火 plug) 라고도 부릅니다. 말 그대로 불을 붙이는 라이터 같은 역할 을 합니다. 연료가 흡기 밸브를 통해 실린더로 들어가면 작동해서 연료를 폭발시킵니다.
-캠샤프트(camshaft): 캠축(cam 軸) 이라고도 합니다. 밸브를 여닫는 역할 을 합니다. 캠 로브(cam lobe) 라고 불리는 달걀처럼 둥글게 생긴 부속품이 끼워져 있으며 그게 돌아가며 밸브 위를 눌러서 밸브를 여닫습니다.
이렇게 엔진의 대략적인 구조와 주요 부품들을 살펴봤습니다. 이외에도 수많은 부품들이 이 주요 부품들에 붙어서 돌아갑니다. 얼핏 보면 굉장히 복잡하고 어려워 보이지만 서로 다르게 생긴 기계들이 맞물려서 돌아가는 원리를 알아가는 재미도 꽤 쏠쏠합니다. 다음 포스팅에선 이 주요 부품들이 어떻게 작동해서 엔진을 돌리는지, 그 원리를 알아보도록 하겠습니다.^^
By 아임시티(rlawodhr93)
엔진의 종류, 구조 및 작동 원리
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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.
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.
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타고 : 엔진 이야기
내연기관 자동차의 심장, 엔진 이야기
김서현, 2021년 2월 18일
자동차를 움직이는 데는 엔진(engine)의 역할이 큽니다. 엔진으로 연료가 주입되면 연료는 엔진 안에서 폭발하면서 순식간에 연소됩니다. 폭발하는 힘으로 피스톤을 밀어내고 피스톤과 연결된 축이 회전하면서 축과 연결된 바퀴에 힘이 전달되어 자동차가 움직입니다. 지금부터 엔진의 구성요소부터 엔진의 구동원리, 실린더를 배열하는 구조에 따라 다양한 엔진 종류에 대해 알아보겠습니다.
엔진의 구성요소
엔진(engine)
실린더(cylinder)는 피스톤의 상하 또는 좌우 왕복운동으로 혼합기체가 들어오고 빠져나가며 압축과 폭발이 일어나는 빈 원통형 공간입니다. 실린더가 들어갈 자리의 쇳덩어리 부품을 실린더 블록이라고 합니다. 밸브(valve)는 실린더 위에서 열고 닫히며 혼합기를 흡입하거나 폭발한 뒤 남은 배기가스의 배출을 조절하고 폭발 과정 중 실린더의 밀폐를 유지합니다. 흡기밸브는 혼합기의 유입을 조절하고, 배기밸브는 배기가스의 배출을 조절합니다. 피스톤(piston)은 실린더 안에서 왕복 직선운동을 하면서, 실린더 안에서 생긴 혼합기의 폭발력을 크랭크샤프트(crankshaft)로 전달합니다. 받은 힘으로 회전하는 크랭크샤프트가 전달하는 힘을 다시 실린더로 이어 압력을 가합니다. 크랭크샤프트는 피스톤의 왕복 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 축입니다. 회전축에 수평으로 엇갈린 축 여러 개를 묶어놓은 것이며, 커넥팅 로드의 움직임은 크랭크샤프트의 회전축 중심과 엇갈린 축 중심의 거리만큼으로 제한됩니다. 실린더 개수에 따라 회전축 중심을 기준으로 한 엇갈린 축의 배치각도가 다릅니다. 커넥팅로드(connecting rod)는 피스톤과 크랭크샤프트를 연결하는 막대입니다. 길이가 고정되어 있기 때문에 피스톤과 크랭크샤프트 사이에 힘을 전달하며 두 부품 사이의 움직임을 구속하는 역할도 합니다.
이 밖에 엔진이 회전할 때 발생하는 마찰력에 의한 동력의 손실을 줄이기 위해 엔진에 윤활유를 공급하는 윤활장치와 엔진에 발생한 열을 흡수해 엔진 온도를 일정하게 유지시켜 주는 냉각장치가 있습니다. 엔진의 구성요소는 엔진의 종류에 따라 다르지만, 기본적인 구성요소인 실린더, 밸브, 피스톤, 크랭크 샤프트, 커넥팅로드 등은 같습니다.실린더(cylinder)는 피스톤의 상하 또는 좌우 왕복운동으로 혼합기체가 들어오고 빠져나가며 압축과 폭발이 일어나는 빈 원통형 공간입니다. 실린더가 들어갈 자리의 쇳덩어리 부품을 실린더 블록이라고 합니다. 밸브(valve)는 실린더 위에서 열고 닫히며 혼합기를 흡입하거나 폭발한 뒤 남은 배기가스의 배출을 조절하고 폭발 과정 중 실린더의 밀폐를 유지합니다. 흡기밸브는 혼합기의 유입을 조절하고, 배기밸브는 배기가스의 배출을 조절합니다. 피스톤(piston)은 실린더 안에서 왕복 직선운동을 하면서, 실린더 안에서 생긴 혼합기의 폭발력을 크랭크샤프트(crankshaft)로 전달합니다. 받은 힘으로 회전하는 크랭크샤프트가 전달하는 힘을 다시 실린더로 이어 압력을 가합니다. 크랭크샤프트는 피스톤의 왕복 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 축입니다. 회전축에 수평으로 엇갈린 축 여러 개를 묶어놓은 것이며, 커넥팅 로드의 움직임은 크랭크샤프트의 회전축 중심과 엇갈린 축 중심의 거리만큼으로 제한됩니다. 실린더 개수에 따라 회전축 중심을 기준으로 한 엇갈린 축의 배치각도가 다릅니다. 커넥팅로드(connecting rod)는 피스톤과 크랭크샤프트를 연결하는 막대입니다. 길이가 고정되어 있기 때문에 피스톤과 크랭크샤프트 사이에 힘을 전달하며 두 부품 사이의 움직임을 구속하는 역할도 합니다.이 밖에 엔진이 회전할 때 발생하는 마찰력에 의한 동력의 손실을 줄이기 위해 엔진에 윤활유를 공급하는 윤활장치와 엔진에 발생한 열을 흡수해 엔진 온도를 일정하게 유지시켜 주는 냉각장치가 있습니다.
엔진의 작동 원리
엔진의 작동 방식을 알아보기 전에 ‘행정’이라는 것을 알아야 합니다. 피스톤이 한 번 올라가거나 내려가는 것을 ‘1행정’이라고 합니다. 가장 대표적인 방식은 4행정 방식이며, 2행정, 5행정, 6행정 방식도 있습니다. 예를 들어 2행정 방식은 피스톤이 한 번 왕복하는 동안 즉, 2행정하는 동안 한 주기가 끝납니다. 4행정 방식은 흡입, 압축, 폭발, 배기를 반복합니다.
내연기관 자동차 엔진의 4행정 사이클
1. 흡입
두 밸브가 닫혀 있고 피스톤이 가장 위에 있는 상태에서 시작합니다. 피스톤이 아래로 내려가면서 흡입밸브가 열려 혼합기체가 실린더 안으로 주입됩니다. 그리고 피스톤이 아래로 내려가면서 흡입밸브가 닫히고 흡입이 끝납니다.
2. 압축
플라이휠의 회전운동으로 피스톤이 다시 위로 올라가면서 주입된 혼합기체를 압축합니다. 압축된 혼합기체는 부피가 줄어들며 밀도가 높아져 폭발력이 강해집니다.
3. 폭발
피스톤이 맨 위에서 불꽃방전을 일으켜 밀도가 높아진 혼합기체가 순간적으로 연소됩니다. 연소되면서 생기는 폭발로 피스톤을 밀어 내립니다. 여기서 연소 기체의 열에너지가 플라이휠의 회전운동 에너지로 바뀝니다. 피스톤이 아래로 내려가는 동안 실린더 안에는 배기가스가 남습니다.
4. 배기
플라이휠의 회전운동에 따라 아래로 내려간 피스톤이 다시 올라올 때 배기밸브가 열리면서 연소기체를 밖으로 내보냅니다. 피스톤이 맨 위로 올라갔을 때 배기밸브가 닫히고 흡기밸브가 열리면서 흡입 과정이 다시 시작됩니다.
간단하게 말하자면 엔진의 실린더에 연료를 흡입하여 폭발시킨 힘으로 피스톤을 밀어내고 밀려난 피스톤이 축을 회전시켜 그 힘이 바퀴에 전달되어 자동차가 움직이는 것입니다.
엔진의 종류
직렬엔진
6기통 직렬엔진
직렬엔진의 모든 부품은 일관된 방향으로 배치되어 있어 다른 방식의 엔진과 비교했을 때 설계가 단순하며 비교적 간단한 구조로 진동에 대한 변수가 적어 진동을 억제하는 방법을 찾기도 쉽습니다. 직렬 6기통 엔진은 사이클 과정에서 1번과 6번 피스톤, 2번과 5번 피스톤, 3번과 4번 피스톤이 똑같은 위치에 있게 됩니다. 즉, 서로 진동을 흡수하는 구조로 이뤄져 있어서 진동만 고려했을 때 가장 이상적인 엔진이 됩니다. 엔진의 실린더가 일정한 직렬로 배열되어 있어 일정한 각도에서 폭발할 수 있고 수직으로 배치되어 있어 중력 방향으로 직접 충격을 주어서 횡진동을 유발하지 않습니다. 그로 인해 엔진마다 조금의 차이는 있지만, 회전이 부드럽습니다. 회전이 부드러워 에너지 효율이 높고 비교적 출력도 높습니다. 이론적으로 가장 균일한 힘을 제공하여 진동이 적습니다. 또한, 다른 병렬엔진에 비해 엔진헤드가 적어 엔진헤드와 관련된 부품 수가 적어지면서 가격이 저렴해집니다.
보통 2,000cc급 전후의 소형 또는 중형 엔진에서는 정숙성과 정비성, 생산성이 모두 뛰어나지만 그 이상의 배기량에는 적합하지 않습니다. I3, I4, I6이 대표적이며 진동성과 경제성을 고려한 4기통과 6기통이 많습니다. 이러한 엔진은 하나의 실린더 블록으로 충분하며 캠샤프트, 실린더 헤드 등 부품의 개수를 줄일 수 있기 때문에 경제적입니다. 하지만 실린더가 수직으로 장착되기 때문에 박서엔진이나 비스듬히 누워있는 다른 엔진들보다 무게 중심이 높아 차량의 동력성능이 저하되는 점도 있습니다.
직렬엔진은 보통 최대 6기통이 한계입니다. 6기통 이상은 실린더가 일렬로 배열된 직렬엔진의 특성상 엔진의 길이가 길어지기 때문입니다. I4를 위해 설계된 엔진룸은 약간의 변경으로 V6 엔진을 장착할 수 있지만, 직렬 6기통이 들어가기 위해서는 엔진룸을 길고 넓게 다시 설계해야 하고, 큰 엔진룸은 커다란 차체를 만들어 무겁고, 큰 차체는 많은 연료가 필요합니다. 만약 블록의 격벽을 얇게 만들어 부피를 줄인다고 해도 엔진의 내구성이 낮아지는 문제가 생깁니다. 또한, 기통수가 많아지면 크랭크축에 비틀림 하중이 증가하여 축에 많은 무리가 가므로 비교적 고속을 요구하는 자동차 엔진에서는 6기통을 초과하지 않습니다.
이 단점으로 자동차 제조사들이 직렬엔진보다 공간 효율성이 높은 V형 엔진으로 전환하는 시기가 있었습니다. 하지만 3기통과 4기통은 정비성과 생산성이 좋아 여전히 승용차 엔진으로 쓰이고 있습니다. 차체 길이가 긴 트럭이나 중대형 버스에는 승용차에 비해 엔진룸이 넓어 공간 배치의 단점이 사라지기 때문에 6기통 엔진도 사용합니다.
한국GM의 전신인 GM대우는 국내 연구진이 독자 개발한 6기통 엔진을 가로 형태로 탑재하는 데 성공했습니다. 각각의 실린더 간격을 6mm로 좁혀 엔진의 내구성을 유지한 것이 기술의 핵심이었습니다. 볼보(Volvo)의 경우 4기통과 6기통의 사이인 직렬 5기통 엔진을 탑재하기도 하였습니다. 과거에는 직렬 8기통 엔진을 얹은 모델도 있었지만 현재는 존재하지 않습니다.
그럼에도 불구하고 BMW를 포함해 여러 메이커는 여전히 직렬 6기통 엔진을 고수하는데요. 이는 기술의 발달로 직렬 6기통의 장점은 극대화하면서 단점을 극복할 수 있기 때문입니다. V형 엔진의 진동 흡수력도 밸런서 기술의 발달로 개선되었다지만 직렬 6기통의 구조적인 장점을 뛰어넘을 수는 없기 때문입니다. 직렬 6기통 엔진은 횡방향의 진동을 상쇄해 완전 밸런스를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 고회전에서도 조용하고 섬세하게 움직이는데, 이러한 장점은 엔진이 노후하면서 더 큰 장점이 됩니다. 엔진의 실린더 방향이 수직 방향인 실린더가 일자로 나란히 나열되어 있는 엔진을 직렬엔진이라고 부릅니다. 엔진의 가장 전통적인 방식이며 기본 형태입니다. 직렬엔진은 경차부터 중형차까지 가장 널리 사용되는 엔진의 방식입니다. 약자로는 일렬로 늘어서 있다는 의미의 inline의 ‘I’(엘)을 따와 사용합니다. 예를 들어 4기통 직렬엔진일 경우 L4(Linear)나 I4로 표기합니다.직렬엔진의 모든 부품은 일관된 방향으로 배치되어 있어 다른 방식의 엔진과 비교했을 때 설계가 단순하며 비교적 간단한 구조로 진동에 대한 변수가 적어 진동을 억제하는 방법을 찾기도 쉽습니다. 직렬 6기통 엔진은 사이클 과정에서 1번과 6번 피스톤, 2번과 5번 피스톤, 3번과 4번 피스톤이 똑같은 위치에 있게 됩니다. 즉, 서로 진동을 흡수하는 구조로 이뤄져 있어서 진동만 고려했을 때 가장 이상적인 엔진이 됩니다. 엔진의 실린더가 일정한 직렬로 배열되어 있어 일정한 각도에서 폭발할 수 있고 수직으로 배치되어 있어 중력 방향으로 직접 충격을 주어서 횡진동을 유발하지 않습니다. 그로 인해 엔진마다 조금의 차이는 있지만, 회전이 부드럽습니다. 회전이 부드러워 에너지 효율이 높고 비교적 출력도 높습니다. 이론적으로 가장 균일한 힘을 제공하여 진동이 적습니다. 또한, 다른 병렬엔진에 비해 엔진헤드가 적어 엔진헤드와 관련된 부품 수가 적어지면서 가격이 저렴해집니다.보통 2,000cc급 전후의 소형 또는 중형 엔진에서는 정숙성과 정비성, 생산성이 모두 뛰어나지만 그 이상의 배기량에는 적합하지 않습니다. I3, I4, I6이 대표적이며 진동성과 경제성을 고려한 4기통과 6기통이 많습니다. 이러한 엔진은 하나의 실린더 블록으로 충분하며 캠샤프트, 실린더 헤드 등 부품의 개수를 줄일 수 있기 때문에 경제적입니다. 하지만 실린더가 수직으로 장착되기 때문에 박서엔진이나 비스듬히 누워있는 다른 엔진들보다 무게 중심이 높아 차량의 동력성능이 저하되는 점도 있습니다.직렬엔진은 보통 최대 6기통이 한계입니다. 6기통 이상은 실린더가 일렬로 배열된 직렬엔진의 특성상 엔진의 길이가 길어지기 때문입니다. I4를 위해 설계된 엔진룸은 약간의 변경으로 V6 엔진을 장착할 수 있지만, 직렬 6기통이 들어가기 위해서는 엔진룸을 길고 넓게 다시 설계해야 하고, 큰 엔진룸은 커다란 차체를 만들어 무겁고, 큰 차체는 많은 연료가 필요합니다. 만약 블록의 격벽을 얇게 만들어 부피를 줄인다고 해도 엔진의 내구성이 낮아지는 문제가 생깁니다. 또한, 기통수가 많아지면 크랭크축에 비틀림 하중이 증가하여 축에 많은 무리가 가므로 비교적 고속을 요구하는 자동차 엔진에서는 6기통을 초과하지 않습니다.이 단점으로 자동차 제조사들이 직렬엔진보다 공간 효율성이 높은 V형 엔진으로 전환하는 시기가 있었습니다. 하지만 3기통과 4기통은 정비성과 생산성이 좋아 여전히 승용차 엔진으로 쓰이고 있습니다. 차체 길이가 긴 트럭이나 중대형 버스에는 승용차에 비해 엔진룸이 넓어 공간 배치의 단점이 사라지기 때문에 6기통 엔진도 사용합니다.한국GM의 전신인 GM대우는 국내 연구진이 독자 개발한 6기통 엔진을 가로 형태로 탑재하는 데 성공했습니다. 각각의 실린더 간격을 6mm로 좁혀 엔진의 내구성을 유지한 것이 기술의 핵심이었습니다. 볼보(Volvo)의 경우 4기통과 6기통의 사이인 직렬 5기통 엔진을 탑재하기도 하였습니다. 과거에는 직렬 8기통 엔진을 얹은 모델도 있었지만 현재는 존재하지 않습니다.그럼에도 불구하고 BMW를 포함해 여러 메이커는 여전히 직렬 6기통 엔진을 고수하는데요. 이는 기술의 발달로 직렬 6기통의 장점은 극대화하면서 단점을 극복할 수 있기 때문입니다. V형 엔진의 진동 흡수력도 밸런서 기술의 발달로 개선되었다지만 직렬 6기통의 구조적인 장점을 뛰어넘을 수는 없기 때문입니다. 직렬 6기통 엔진은 횡방향의 진동을 상쇄해 완전 밸런스를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 고회전에서도 조용하고 섬세하게 움직이는데, 이러한 장점은 엔진이 노후하면서 더 큰 장점이 됩니다.
V형 엔진
V형 엔진
V형 엔진은 직렬엔진과 수평대향 엔진의 중간 형태를 띱니다. 실린더를 지그재그로 배치하여 같은 기통의 직렬엔진보다 엔진 길이가 짧아진다는 장점이 있습니다. 실린더 블록의 각도가 직렬엔진보다 커서 무게중심이 직렬엔진보다 낮아지면서 주행 성능 측면에서도 이점이 있습니다. V형 엔진의 2분할된 실린더 블록은 뱅크(bank)라고 부릅니다. 뱅크가 좌우로 나누어져 있어서 필요한 경우엔 한쪽 열은 정지시켜 한쪽 뱅크만으로도 동력을 얻고 달리는 것이 가능하여 연비의 향상을 꾀하고 있는 모델도 있습니다. 하지만 각 뱅크 캠축에 들어가는 부품이 많아지고 복잡해지기 때문에 엔진의 무게가 증가하는 단점이 있습니다.
V형 엔진의 뱅크는 어느 정도의 각도를 하고 있는가에 따라서, 엔진은 60˚ V 또는 90˚ V 등으로 나뉩니다. 진동을 최소화하기 위해서 8기통에서는 90˚, 6기통에서는 60˚의 뱅크 각이 보통이며, 뱅크 간의 각도가 커질수록 무게중심은 낮아지지만 대신 수평대향 엔진의 단점을 가지게 됩니다.
6기통 이상의 승용차용 엔진은 대부분 V형 엔진 구조를 사용합니다. 6기통 이상의 직렬엔진은 승용차나 소형 상용차에서는 앞에서 언급한 대로 구조적인 문제 등으로 개발이 어렵습니다. 대신 흔히 알고 있는 페라리, 맥라렌, 람보르기니 등의 슈퍼카들이 V형 엔진을 사용 중입니다. 엔진의 길이가 짧아 차의 중심에 탑재할 수 있으며, 차량의 무게 중심을 낮추면 자동차 전체의 무게 균형감을 잡아주어 코너링 속도를 올릴 수 있기 때문입니다. 특히 레이싱은 0.1초를 다투는 경주로 이러한 엔진의 각도 하나하나도 중요합니다. 자동차 자체의 성능향상을 위해서 다기통 엔진을 장착하는데 한정된 공간에 탑재하기는 V형 엔진이 수월합니다.
대표적인 V6의 경우, 전체 길이가 I4와 비슷해 중형급의 앞 엔진 전륜구동 모델에 주로 사용되며 실린더의 직경을 크게 잡아 흡배기 효율을 높여 비교적 쉽게 고출력을 얻을 수 있습니다. 이러한 이유로 고성능 대배기량 스포츠카와 고급 세단의 몇몇 차량에서 V형 엔진을 사용하고 있는 모델이 많습니다. 엔진 실린더의 배치가 측면에서 봤을 때 알파벳 V자와 비슷해서 V형 엔진으로 불립니다. 자동차에 탑재되는 가장 일반적인 엔진 형식으로 실린더가 지그재그 형태로 배열되어 있습니다. V형 엔진의 V라는 글자를 사용해서, 6기통 V형 엔진을 ‘V6’라고 표기합니다.V형 엔진은 직렬엔진과 수평대향 엔진의 중간 형태를 띱니다. 실린더를 지그재그로 배치하여 같은 기통의 직렬엔진보다 엔진 길이가 짧아진다는 장점이 있습니다. 실린더 블록의 각도가 직렬엔진보다 커서 무게중심이 직렬엔진보다 낮아지면서 주행 성능 측면에서도 이점이 있습니다. V형 엔진의 2분할된 실린더 블록은 뱅크(bank)라고 부릅니다. 뱅크가 좌우로 나누어져 있어서 필요한 경우엔 한쪽 열은 정지시켜 한쪽 뱅크만으로도 동력을 얻고 달리는 것이 가능하여 연비의 향상을 꾀하고 있는 모델도 있습니다. 하지만 각 뱅크 캠축에 들어가는 부품이 많아지고 복잡해지기 때문에 엔진의 무게가 증가하는 단점이 있습니다.V형 엔진의 뱅크는 어느 정도의 각도를 하고 있는가에 따라서, 엔진은 60˚ V 또는 90˚ V 등으로 나뉩니다. 진동을 최소화하기 위해서 8기통에서는 90˚, 6기통에서는 60˚의 뱅크 각이 보통이며, 뱅크 간의 각도가 커질수록 무게중심은 낮아지지만 대신 수평대향 엔진의 단점을 가지게 됩니다.6기통 이상의 승용차용 엔진은 대부분 V형 엔진 구조를 사용합니다. 6기통 이상의 직렬엔진은 승용차나 소형 상용차에서는 앞에서 언급한 대로 구조적인 문제 등으로 개발이 어렵습니다. 대신 흔히 알고 있는 페라리, 맥라렌, 람보르기니 등의 슈퍼카들이 V형 엔진을 사용 중입니다. 엔진의 길이가 짧아 차의 중심에 탑재할 수 있으며, 차량의 무게 중심을 낮추면 자동차 전체의 무게 균형감을 잡아주어 코너링 속도를 올릴 수 있기 때문입니다. 특히 레이싱은 0.1초를 다투는 경주로 이러한 엔진의 각도 하나하나도 중요합니다. 자동차 자체의 성능향상을 위해서 다기통 엔진을 장착하는데 한정된 공간에 탑재하기는 V형 엔진이 수월합니다.대표적인 V6의 경우, 전체 길이가 I4와 비슷해 중형급의 앞 엔진 전륜구동 모델에 주로 사용되며 실린더의 직경을 크게 잡아 흡배기 효율을 높여 비교적 쉽게 고출력을 얻을 수 있습니다. 이러한 이유로 고성능 대배기량 스포츠카와 고급 세단의 몇몇 차량에서 V형 엔진을 사용하고 있는 모델이 많습니다.
수평대향 엔진
수평대향 엔진은 V형 엔진의 뱅크 각도를 최대한 넓힌 수평 형태로 엔진이 누워있기 때문에 보통의 엔진처럼 피스톤 운동이 상하가 아닌 좌우로 움직입니다. 피스톤이 움직이는 모습이 마치 복싱선수가 두 주먹을 날리는 모습을 닮아 박서(boxer) 엔진이라고도 불립니다. F형 엔진이라고도 불리며 수평대향 엔진만의 독특한 배기음이 특징입니다. 자동차에 탑재되기 시작한 건 1903년부터이며, 개발 당시에는 피스톤이 누워있는 상태에서 좌우로 움직이기 때문에 편마모에 취약하다는 내구성 문제가 있었습니다. 엔진룸의 구조 자체가 복잡하여 정비성도 좋지 못했습니다.
수평대향 엔진
수평대향 엔진의 가장 큰 문제는 원통형의 실린더가 수평으로 배치된 특성상 엔진오일이 실린더 상단까지 공급되지 않는 문제와 중력으로 인한 실린더 내막의 편마모 현상입니다. 기술이 발전하면서 치명적 손상을 입는 정도는 벗어났지만 수평대향 엔진의 근본적인 문제로는 여전히 남아 있습니다. 피스톤 위쪽으로 엔진오일을 인위적으로 분사하는 드라이 섬프를 달지 않는 한 현재로서는 해결할 수 없는 문제입니다.
직렬이나 V형 엔진은 헤드가 위를 보고 있기 때문에 점화플러그나 개스킷 등을 교환하는 일이 비교적 간단하지만, 수평대향 엔진은 헤드가 안쪽에 숨어 있습니다. 게다가 가로로 넓어서 공간이 비좁기 때문에 수리를 위해서는 엔진 전체를 꺼내야 하는 불편함이 있습니다. 엔진 구조도 단순하지 않아 이를 다룰 수 있는 엔지니어도 많지 않습니다. 엔진이 낮지만 넓게 설계되어 있어 작은 차체에 엔진을 앞에 두는 전륜구동 차에는 스티어링 기구 때문에 탑재하기가 쉽지 않습니다.
수평대향 엔진을 탑재하는 자동차로는 스바루와 포르쉐가 있습니다. 스바루는 4기통 엔진을, 포르쉐는 6기통 엔진을 사용합니다. 페라리는 12기통 엔진을 수평대향 엔진으로 제작하기도 하였고, 토요타의 쿠페인 84에도 4기통 수평대향 엔진을 장착했었습니다. 수평대향 엔진은 혼다 바이크와 BMW에서도 활용됩니다. 수평대향 엔진은 엔진의 높이가 낮고 가로길이가 넓습니다. 그러다 보니 엔진의 무게중심이 낮아지면서 차량의 무게와 균형를 잡아 핸들링이 좋아지게 됩니다. 또한, 기존의 피스톤 엔진은 회전력을 일정하게 하기 위해 카운터 웨이트와 같은 평형 추가 붙어 무게가 증가하며, 크랭크축이 필요 이상의 강성을 요구받기 때문에 엔진의 효율성이 떨어지고, 엔진 전체 무게를 증가하는 원인이 됩니다. 하지만 수평대향 엔진처럼 실린더를 눕혀서 배치하게 되면 양쪽 실린더의 폭발력이 상쇄되어 카운터 웨이트를 사용하지 않아도 됩니다.수평대향 엔진의 가장 큰 문제는 원통형의 실린더가 수평으로 배치된 특성상 엔진오일이 실린더 상단까지 공급되지 않는 문제와 중력으로 인한 실린더 내막의 편마모 현상입니다. 기술이 발전하면서 치명적 손상을 입는 정도는 벗어났지만 수평대향 엔진의 근본적인 문제로는 여전히 남아 있습니다. 피스톤 위쪽으로 엔진오일을 인위적으로 분사하는 드라이 섬프를 달지 않는 한 현재로서는 해결할 수 없는 문제입니다.직렬이나 V형 엔진은 헤드가 위를 보고 있기 때문에 점화플러그나 개스킷 등을 교환하는 일이 비교적 간단하지만, 수평대향 엔진은 헤드가 안쪽에 숨어 있습니다. 게다가 가로로 넓어서 공간이 비좁기 때문에 수리를 위해서는 엔진 전체를 꺼내야 하는 불편함이 있습니다. 엔진 구조도 단순하지 않아 이를 다룰 수 있는 엔지니어도 많지 않습니다. 엔진이 낮지만 넓게 설계되어 있어 작은 차체에 엔진을 앞에 두는 전륜구동 차에는 스티어링 기구 때문에 탑재하기가 쉽지 않습니다.수평대향 엔진을 탑재하는 자동차로는 스바루와 포르쉐가 있습니다. 스바루는 4기통 엔진을, 포르쉐는 6기통 엔진을 사용합니다. 페라리는 12기통 엔진을 수평대향 엔진으로 제작하기도 하였고, 토요타의 쿠페인 84에도 4기통 수평대향 엔진을 장착했었습니다. 수평대향 엔진은 혼다 바이크와 BMW에서도 활용됩니다.
방켈엔진
방켈엔진(Wandel engine)은 독일의 기술자겸 현재 아우디의 전신이 된 NSU의 기술자인 펠릭스 방켈(Felix Heinrich Wankel, 1902~1988) 박사가 1954년 최초로 고안한 엔진으로 피스톤 대신 삼각형 모양의 로터를 사용하는 로터리 엔진입니다. 일반적인 왕복엔진은 실린더 내부에서 왕복운동을 하는 피스톤이 크랭크축과 커넥팅로드(연결봉)를 이용하여 회전력으로 변환하지만 방켈엔진은 로터가 돌아가면서 내부 공간에서 4행정 사이클이 동시에 진행되는 원리입니다.
1964년부터 생산을 개시하여 자동차에 탑재되기 시작했습니다. 자동차만이 아니라 오토바이, 모터보트와 중장비, 항공기 등에도 방켈엔진을 적용하려고 했지만, 내구성과 연비, 배기가스 등의 문제로 점점 도태되었습니다. 현재 시점에서 이를 개발, 양산해서 자동차에 탑재했던 회사는 독일의 아우디(Audi)와 일본의 마쓰다(Mazda)입니다. 실질적으로 유일하게 방켈엔진을 양산했던 브랜드는 마쓰다였는데, 2012년에는 RX-8가 단종되며 현재는 시판 방켈엔진 모델을 찾아볼 수 없게 되었습니다.
방켈엔진(Wankel engine)
4행정 왕복 엔진은 피스톤 왕복 2회에 1행정이 완료되는 것과 달리, 방켈엔진은 로터가 1회 회전하는 동안 약 3회의 행정이 돌림노래처럼 연속적으로 이루어집니다. 최초 행정에서 연소실에 주입된 혼합기가 압축 및 착화되는 동안, 그 다음 행정을 위한 혼합기가 이미 주입되어 있으며, 폭발 및 배기행정을 하는 동안에도 이미 또 다른 행정을 위한 혼합기가 연소실에 들어옵니다. 이처럼 방켈엔진은 동력을 만드는 폭발행정이 끊임없이 이어집니다.
방켈엔진은 동력을 만드는 폭발행정이 끊임없이 이어지는 덕분에 왕복엔진과는 비교도 안 되는 수준의 적은 배기량으로도 높은 출력을 낼 수 있습니다. 마쓰다의 방켈엔진은 같은 배기량의 4행정 가솔린 엔진에 비해 2배가량 성능을 발휘할 수 있습니다. 엔진의 진동을 유발하는 왕복 과정이 없어 진동이 적은 특성을 가지면서도 상대적으로 고회전으로 출력을 끌어내는 데에 유리합니다. 로터 자체가 엔진 축의 역할을 하므로 고회전 영역 상승의 대응력도 강하다는 점이 특징입니다. 게다가 구조가 간단하여 부품 수가 적어 일반 엔진과 비교했을 때 작고 가벼우며 정비도 쉽습니다.
하지만 방켈엔진은 상용화하기에 위험부담이 따르는 엔진이기도 합니다. 방켈엔진의 모든 장점을 위해서는 기밀유지가 가장 중요하지만 방켈엔진은 구조상 기밀 유지와 윤활이 왕복 엔진에 비해 매우 까다롭습니다. 방켈엔진 로터의 각 첨단부에 기밀유지를 위해 에이팩스 실링을 설치하고, 이를 스프링의 장력으로 밀어 기밀을 유지합니다. 하지만 연소실의 트로코이드 면에 에이팩스 실링이 마찰 진동을 일으켜, 연소실 내벽에 체터마크(chatter mark)라는 물결 모양의 마모를 만듭니다.
따라서 왕복 엔진의 실린더에 비해 성능의 저하 시점이 빨리 찾아옴은 물론, 극단적일 경우에는 하우징을 새로 교체하거나, 아예 새 엔진을 장착해야 하는 등, 유지보수 면에서 왕복엔진에 비해 떨어지는 면이 존재했습니다. 끊임없이 이어지는 폭발행정으로 인해 연료의 소비도 많으며, 저회전 대의 토크가 낮아 고회전을 유지하면 엔진의 과열로 발열이 심한 점 등 여러 가지 문제로 널리 상용화되지는 못했습니다. 엔진 기술과 소재가 크게 발전한 지금도 구조상의 문제점과 특허 및 기술개발 비용 등의 문제도 있으며, 기존의 생산 경험이 없는 브랜드에서 굳이 방켈엔진을 새로 개발하고 생산할 이유가 없어 방켈엔진의 대중화는 어려울 것으로 전망되고 있습니다. 방켈엔진은 기존의 엔진의 실린더와 피스톤에서 벗어나 삼각형의 로터와 챔버로 간단하게 구성되어 있습니다. 내부가 누에고치 형상으로 설계된 챔버 안을 로터가 회전하면서 흡입-압축-폭발-배기의 4행정을 반복합니다. 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 변환하기 위한 크랭크 샤프트와 커넥팅로드가 없는 대신 메인샤프트와 유성기어가 있습니다. 로터가 돌면서 흡기포트가 열리고 혼합기가 챔버 내로 유입되면 로터의 회전에 의해 혼합기가 압축되어 밀도가 올라가면서 점화합니다. 점화한 혼합기는 폭발하고 팽창된 가스가 로터를 돌려 동력이 발생합니다. 발생한 동력으로 로터가 돌면서 배기포트가 열리고 배기가스가 방출됩니다.4행정 왕복 엔진은 피스톤 왕복 2회에 1행정이 완료되는 것과 달리, 방켈엔진은 로터가 1회 회전하는 동안 약 3회의 행정이 돌림노래처럼 연속적으로 이루어집니다. 최초 행정에서 연소실에 주입된 혼합기가 압축 및 착화되는 동안, 그 다음 행정을 위한 혼합기가 이미 주입되어 있으며, 폭발 및 배기행정을 하는 동안에도 이미 또 다른 행정을 위한 혼합기가 연소실에 들어옵니다. 이처럼 방켈엔진은 동력을 만드는 폭발행정이 끊임없이 이어집니다.방켈엔진은 동력을 만드는 폭발행정이 끊임없이 이어지는 덕분에 왕복엔진과는 비교도 안 되는 수준의 적은 배기량으로도 높은 출력을 낼 수 있습니다. 마쓰다의 방켈엔진은 같은 배기량의 4행정 가솔린 엔진에 비해 2배가량 성능을 발휘할 수 있습니다. 엔진의 진동을 유발하는 왕복 과정이 없어 진동이 적은 특성을 가지면서도 상대적으로 고회전으로 출력을 끌어내는 데에 유리합니다. 로터 자체가 엔진 축의 역할을 하므로 고회전 영역 상승의 대응력도 강하다는 점이 특징입니다. 게다가 구조가 간단하여 부품 수가 적어 일반 엔진과 비교했을 때 작고 가벼우며 정비도 쉽습니다.하지만 방켈엔진은 상용화하기에 위험부담이 따르는 엔진이기도 합니다. 방켈엔진의 모든 장점을 위해서는 기밀유지가 가장 중요하지만 방켈엔진은 구조상 기밀 유지와 윤활이 왕복 엔진에 비해 매우 까다롭습니다. 방켈엔진 로터의 각 첨단부에 기밀유지를 위해 에이팩스 실링을 설치하고, 이를 스프링의 장력으로 밀어 기밀을 유지합니다. 하지만 연소실의 트로코이드 면에 에이팩스 실링이 마찰 진동을 일으켜, 연소실 내벽에 체터마크(chatter mark)라는 물결 모양의 마모를 만듭니다.따라서 왕복 엔진의 실린더에 비해 성능의 저하 시점이 빨리 찾아옴은 물론, 극단적일 경우에는 하우징을 새로 교체하거나, 아예 새 엔진을 장착해야 하는 등, 유지보수 면에서 왕복엔진에 비해 떨어지는 면이 존재했습니다. 끊임없이 이어지는 폭발행정으로 인해 연료의 소비도 많으며, 저회전 대의 토크가 낮아 고회전을 유지하면 엔진의 과열로 발열이 심한 점 등 여러 가지 문제로 널리 상용화되지는 못했습니다. 엔진 기술과 소재가 크게 발전한 지금도 구조상의 문제점과 특허 및 기술개발 비용 등의 문제도 있으며, 기존의 생산 경험이 없는 브랜드에서 굳이 방켈엔진을 새로 개발하고 생산할 이유가 없어 방켈엔진의 대중화는 어려울 것으로 전망되고 있습니다.
캠샤프트
캠샤프트(camshaft)는 밸브를 열고 닫는 캠(cam)에 붙어 있는 축입니다. 캠 표면에 약간의 변화가 있어도 각 밸브의 리프트나 개폐 시기가 달라져 기관의 성능에 영향을 끼치므로 오랜 시간 사용해도 휘지 않도록 주철로 만듭니다. 연료가 되는 혼합기는 실린더 헤드의 흡기 포트에서 흡입되고, 배기 포트에서 연소 가스의 배출이 이루어집니다. 각 포트를 열고 닫는 밸브의 작동은 캠에 의해서 이루어집니다.
SOHC, DOHC, OHV의 구조
OHV
OHV는 OverHead Valve(오버헤드 밸브)의 약자입니다. 1960년도 후반에는 엔진의 밸브가 실린더 헤드에 설치되어 있고 캠이 중간 연결대인 푸시로드와 로커 암을 통해 여닫는 방식을 사용했습니다. 노킹(knocking)이 일어나지 않으며 고압축비를 낼 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 일반적으로 많이 사용되었으나 현재는 고속용 엔진에 적합한 OHC 형식이 사용되고 있습니다.
OHC
OHC는 OverHead Camshaft의 약자입니다. 1970년도 초기부터 연소실의 효율을 위해서 캠샤프트가 직접 밸브들을 열고 닫을 수 있도록 엔진의 윗부분인 실린더헤드 부위로 올라오게 되었으며 이것을 OHC엔진이라고 불렀습니다. OHC는 푸시로드보다 더 정확한 밸브 개폐가 가능하여 흡기 및 배기 효율이 높으며 작동 부품이 줄어들어 엔진의 효율이 높아집니다. 이때 캠축이 하나면 싱글 오버헤드 캠샤프트 엔진(single over head camshaft engine, SOHC 엔진)이고 흡기, 배기밸브에 각각 총 2개의 캠축이 있으면 더블 오버헤드 캠샤프트 엔진(double over head camshaft engine, DOHC 엔진)이라고 합니다. DOHC는 캠샤프트가 2개 있어 트윈캠(Twincam)이라고 부르기도 합니다.
DOHC와 SOHC의 차이
DOHC
DOHC는 Double Overhead Camshaft(더블 오버헤드 캠샤프트)의 약자입니다. DOHC는 두 개의 캠축을 사용하는 형식으로 흡기밸브와 배기밸브에 각각의 캠샤프트가 연결된 엔진입니다.
엔진의 성능을 높이기 위해서는 흡기량과 배기량이 많을수록 좋습니다. 정해진 공간에서 밸브의 크기를 키우는 것은 어렵기 때문에, 흡배기 밸브의 개수를 늘리게 됩니다. 많은 수의 밸브를 열고 닫으려다 보니 하나의 캠샤프트로는 과부하에 걸리기 때문에 두 개의 캠축이 장착되었습니다. SOHC도 밸브의 수를 늘릴 수는 있지만 구조가 복잡해지므로 캠축을 늘리는 DOHC가 되었습니다. 로커암을 제거하여 밸브의 저항도 줄이며 배기량을 늘리지 않고도 출력을 높일 수 있어 오늘날엔 DOHC 엔진을 사용하는 경우가 많아졌습니다.
DOHC는 캠샤프트를 따로따로 움직이게 하는 방법으로 고회전에서도 밸브 타이밍이 정확한 것이 장점이며, 캠에 무리 없이 밸브의 배치와 수를 자유롭게 변화시켜 연소실의 효율을 높일 수 있어 출력을 향상할 수 있습니다. 고속 회전에서 원활함이 중요한 경주용 자동차 등 모터스포츠 분야에 활용합니다.
DOHC 엔진은 SOHC에 비해 부품 수가 많고, 구조가 복잡하다는 것이 단점이지만, SOHC 엔진에 비해 최대 출력에서 약 20~30% 정도 높게 나옵니다. 대신 캠샤프트가 두 개로 늘어나 구조적으로 복잡해지며 정비성이 떨어집니다. 엔진이 무거워지는 이유 중 하나이기도 합니다. 무엇보다 밸브가 많아지면서 연료소비가 커 연비가 상대적으로 좋지 않고 소음이 크거나, 흡배기량이 많아 엔진의 연료 폭발력이 커 엔진의 내구성 문제도 있었습니다. 하지만 이러한 단점들은 개발 초기에 주로 나타났던 것으로, 현재는 엔진기술의 발전과 가변 밸브 리프트나 가변 밸브 타이밍 등의 기술로 많은 부분이 개선되었습니다.
SOHC
SOHC는 Single Overhead Camshaft(싱글 오버헤드 캠샤프트)의 약자입니다. SOHC는 하나의 캠축을 움직여 흡기, 배기밸브를 열고 닫는 방식으로, 크랭크축에서 벨트나 체인으로 캠축에 동력을 전달하면 캠축이 회전하면서 로커암을 움직여 밸브를 열고 닫습니다. 크랭크축이 2회전하는 동안 캠축은 1회전을 합니다. 높은 속도에서 엔진 회전수가 빨라지면 배기가스 병목 현상이 생겨 토크와 출력이 급격하게 떨어지게 됩니다. SOHC는 엔진 다운사이징을 적용하기 어려운 구조이며 연비 효율이 떨어지는 점이 있습니다. 하지만 중저속에서는 DOHC보다 연비가 좋고 엔진 소음이 적습니다. 구조도 간단하여 정비성이 좋습니다.
엔진 기통
엔진 내부에서 피스톤이 상하운동을 하는 공간을 실린더(cylinder)라고 합니다. 이 실린더의 개수에 따라 몇 기통인지가 정해지며, 당연히 피스톤의 개수도 기통의 숫자와 동일합니다. 중형차는 흔히 2,000cc 정도의 배기량이기 때문에, 1개의 연소실을 가진 엔진을 자동차에 쓰기에는 한계가 있습니다. 2,000cc의 배기량을 단기통 엔진으로 만들기 위해서는 엄청난 크기의 연소실을 갖춰야 하며 이를 구성하는 각종 부품도 엄청나게 커지게 됩니다. 그렇게 되면 엔진 효율이 떨어지는 것은 물론 거대한 연소실에서 생겨나는 폭발력도 크기 때문에 어마어마한 엔진의 내구성도 요구됩니다. 아울러 발생하는 소음과 진동은 운전자가 감당하기 힘든 수준입니다. 그런 거대한 엔진을 자동차에 실을 수는 없기 때문에 큰 배기량을 여러 개의 기통으로 나눠 분담하면서 각 연소실의 부피를 줄이는 것이 좋습니다.
4기통
4기통 엔진은 세계적으로 소형차, 대형차, 소형 상용차 등 다양한 차종에 걸쳐 탑재되는 엔진입니다. 모터사이클 등에서는 V형 엔진도 볼 수 있고, 일부 자동차에서는 수평대향 방식의 엔진이 탑재되기도 하지만, 대부분 자동차는 직렬 4기통 방식을 적용하고 있습니다. 4기통은 2~3기통 엔진보다 상대적으로 소음과 진동이 적고, 6~8기통 엔진보다 연비 효율이 높으며 크기가 작아 여러 면에서 가장 균형적인 형태의 엔진이기 때문에 가장 많이 쓰이고 있는 형태입니다. 소나타, 아반떼, 투싼, 싼타페, K3, K5 등 대부분의 자동차가 4기통 엔진을 사용하고 있습니다.
6기통
6기통 엔진은 모양에 따라 직렬 6기통과 V형 6기통이 있습니다. 직렬 6기통 엔진은 6개의 실린더를 일렬로 배치하다 보니 길이가 길어져 V형 6기통(V6)보다 공간을 많이 차지합니다. 직렬 6기통 엔진은 V형 6기통 대비 피스톤 운동 균형이 최적화되어 진동이 감소합니다. 직렬 6기통이 V6보다는 소음이 덜하며, 효율적인 토크와 파워에 있어서는 유리한 엔진이라고 볼 수 있습니다. 기술의 발전으로 직렬 6기통 엔진을 사용하는 사례가 늘고 있지만 보편적이지는 않습니다. 대표적으로 오래된 모델이지만 GM대우의 토스카, 매그너스, 쌍용의 체어맨 등이 직렬 6기통 엔진을 사용합니다. 메르세데스 벤츠의 GLE, BMW X5 시리즈가 직렬 6기통을 사용하고 있으며, 제네시스의 GV80에 디젤 직렬 6기통 엔진이 장착됩니다.
V형 6기통 엔진은 부피가 크지만 직렬형과 비교해 효율적인 실린더 배치로 엔진룸 공간 확보가 가능합니다. 냉각에도 유리하여 6기통 중 가장 많이 사용되고 있습니다. 3기통씩 V자 형태로 배열되어 있습니다. V6의 경우 실린더의 각도가 수직 방향에서 기울어져 있는데 힘 운동이 기울어지게 되면 진동이 커집니다. 이 진동은 소음으로 이어지지만, 최근에는 엔진 기술의 발전으로 직렬형과 비교해도 차이가 크지 않습니다. 그랜저 3.3이나, K7 3.0, 제네시스 가솔린 모델 등이 V6 엔진을 사용하고 있습니다.
8기통
사실상 8기통은 V형 배치밖에 없다고 볼 수 있습니다. 직렬형을 만들 수 없는 것은 아니지만 신경 쓸 부분이 많아지며 비용이 많이 듭니다. 직렬 8기통을 만들려면 캠샤프트나 크랭크 샤프트가 지나치게 길어지게 되어 비틀림을 막을 수 없는데, 고회전에서 캠이나 크랭크가 휘어진다는 건 바로 엔진의 손상을 의미합니다.
V형 8기통 엔진은 4기통을 V자 모양으로 병렬로 배치한 엔진입니다. 기아 K9과 제네시스 G90, 메르세데스 G class, 랜드로버의 레인지로버에 장착되는 엔진입니다. 6기통 엔진의 경우 직렬형으로 만드는 경우도 있지만 8기통부터는 직렬로 배치하면 엔진의 길이가 너무 길어져 차체에 넣을 수 없기 때문에 길이를 줄이기 위해서 필연적으로 V형 배치로 만들어집니다. 부피를 줄이기 위해서 일부 회사들은 수평대향 8기통이나 V형 4기통 엔진 2개를 옆으로 이은 W형 8기통 엔진 등 독특한 구성의 엔진을 내놓은 적도 있습니다. 8기통 엔진은 실린더별로 적정 수준의 힘을 내기 위해서는 대략 4,000cc 이상의 배기량을 가지고 있으며, 큰 파워가 필요한 스포츠카나 대형차와 같은 고성능차에 주로 탑재됩니다. V형 8기통 엔진은 부품이 복잡하여 유지보수에 드는 시간과 비용이 상당하며, 무게가 나가는 편으로 스티어링과 연관이 많습니다. 오버 스티어의 차량은 큰 운동에너지가 발생하여 스핀이 발생할 수 있으며, 언더 스티어의 차량은 코스에서 이탈할 확률이 있습니다.
12기통
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