▲ 사진은 자동차용 엔진의 구조
자동차용 엔진 (CAR ENGINE)
자동차용 엔진은 자동차에 사용되는 엔진입니다. 자동차용 엔진은 연료를 공급 받아 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 장치로 열에너지를 기계적인 일로 바꾸기 위해서는 작동물질이 필요합니다. 자동차에 사용되는 엔진은 내연기관이며, 이것은 작동방식에 따라 세 가지로 구분됩니다. 첫째는 2행정사이클기관입니다. 이것은 크랭크축의 1회전마다 폭발이 일어나서 비교적 출력이 크고 회전이 원활하기는 하나, 저속회전에서는 배기·흡기가 완전히 행해지지 않아 회전이 불안정하고 비교적 경제성이 낮은 점 등의 문제가 있습니다. 더욱이 대형 기관에는 맞지 않기 때문에 오늘날 승용차에는 거의 사용되지 않습니다. 그러나 2륜차에는 아직도 상당히 사용되며, 대형 디젤엔진에서도 2행정사이클기관을 사용하고 있습니다. 둘째는 4행정사이클기관입니다. 이것은 자동차용으로 가장 일반적인 것으로, 2회전마다 1회의 폭발이 일어나기 때문에 회전력의 균일을 기하고, 진동방지를 위해 2, 4, 6, 8, 12기통 등과 같이 실린더수를 늘려야 하나, 저속회전이 비교적 안정되고, 또 연료 경제면에서 2행정사이클기관보다 유리합니다. 특히 소형차에서는 크기와 가격 때문에 2기통으로 하나, 배기량 2,000cc 정도까지의 소형차에서는 4기통, 4,000cc 정도까지의 중형차에서는 6기통, 그 이상의 대형차에서는 8기통을 사용하고 있습니다. 일부의 고성능 스포츠카나 경주용 자동차에서는 3,000cc 정도에서 12기통으로 한 것도 있습니다. 4기통이나 6기통에는 실린더를 1열로 세운 직렬형이 많으며, 각 기통의 점화순서에 의해서 평형을 이루도록 되어 있습니다. 8기통인 경우 직렬로 하면 기관 자체가 길어져서 크랭크축의 강성이 약해지고 객실의 공간도 좁아지기 때문에 4기통씩 V자로 대치시키고 하나의 크랭크축을 사용하는 V형 8기통 즉 V8이 압도적으로 많습니다. 이밖에 2기통 이상의 기관에서 반 수씩을 수평으로 대치시킨 수평대향형도 있습니다. 기관은 적합한 시기에 혼합기를 흡입하고 적합한 시기에 연소가스를 배출하는 밸브 장치를 필요로 합니다. 밸브는 실린더 헤드에 있는 연소실에 설치되어 있으며, 크랭크축의 1/2의 속도로 회전하는 캠축에 의해서 열리고 스프링의 힘으로 닫힙니다. 보통의 기관에서는 캠축을 실린더 블록 옆면의 낮은 쪽에 두고 긴 푸시 로드(PUSH LOD)로 로커 암(ROCKER ARM)을 밀어서 밸브를 엽니다. 이 방식을 오버헤드 밸브식(OVERHEAD VALVE TYPE:OHV)이라 합니다. 이 방식은 기관이 고속회전을 하게 되면 푸시 로드의 관성 때문에 밸브의 개폐가 불확실하게 되어 매분 6000회전 이상은 무리이고, 배기량 1ℓ당 70hp 이상을 얻기도 어렵습니다. 따라서 캠축을 실린더 헤드에 설치하고 직접 캠축으로 밸브를 개폐하게 하는 것이 있는데, 이것을 오버헤드 캠축식(OVERHEAD CAMSHAFT TYPE:OHC)이라고 합니다. 오버헤드 캠축식은 구조가 복잡하여 가격이 비싸지고 정비하기도 어려우나, 기관의 회전속도를 올릴 수 있고 1ℓ당의 출력도 높일 수 있어 많이 사용되고 있습니다. 셋째는 로터리엔진(ROTARY ENGINE)입니다. 이것은 회전만으로 출력을 낼 수 있는 기관이며, 1951년경 독일의 F.방켈에 의해 원리가 완성했습니다. 독일의 NSU 회사가 1960년경 공업화에 성공, 1963년부터 소형 스포츠카에 탑재하여 판매하였습니다. 그후 세계의 여러 제조회사가 NSU 방켈의 특허권하에 연구를 계속하고 있으며, 일본 마쯔다 자동차 등이 자동차에 탑재하였습니다. 그 원리는 누에고치 모양의 실린더 안을 피스톤에 상당하는 삼각형 로터(ROTOR)가 편심되어 회전하며, 로터와 실린더 사이에 생기는 공간의 부피 변화에 따라서 흡입·압축·연소·배기하게 됩니다. 따라서 왕복운동 부분이 없어 출력의 손실이 적고, 1ℓ당 100∼120 hp의 출력도 무리없이 낼 수 있으며, 회전이 원활합니다. 또, 1기통으로도 사용할 수 있습니다. 흡·배기는 2행정사이클기관처럼 실린더 벽에 뚫은 구멍으로 하기 때문에 4행정사이클기관과 같은 복잡한 밸브기구가 필요하지 않고, 구조도 간단하고 부품수도 적어 고장이 날 가능성이 적습니다. 내연기관은 그 사용연료에 따라 가솔린엔진·디젤엔진으로 나누어지며, 2행정사이클 기관과 4행정사이클 기관이 있습니다. 승용차는 고성능이고 소음과 진동이 적은 가솔린엔진을 주로 사용하며, 트럭이나 버스에서는 디젤엔진을 주로 사용합니다. 단, 승용차에서도 독일의 메르체데스 벤츠가 1936년부터 디젤엔진을 사용하고 있습니다. 저공해, 에너지 절약의 면에서 디젤 승용차의 보급이 진행되고 있으나, 승용차로서의 몇 가지 문제점은 있습니다. LPG엔진은 기화기의 일부가 다를 뿐 다른 것은 근본적으로 가솔린엔진과 마찬가지입니다. 기화기는 분무의 원리를 이용하여 가솔린을 안개화하여 혼합기를 만드는 것이지만, 이 기화기 대신 펌프로 가솔린을 실린더의 흡입구 쪽으로 압송, 안개 모양으로 분사하는 연료분사방식을 사용하는 것도 있습니다. 출력이 약간 증가되고 저속회전 범위에서도 안정하며, 배출가스 대책면에서도 유리하여 점차 많이 사용되고 있습니다. 기화기와 연료분사의 어느 것이든 흡입관의 일부에 스로틀 밸브(THROTTLE VALVE)가 있어 운전석의 가속 페달과 연동하며, 가속 페달을 밟으면 밸브가 열려서 공기의 유량이 증가하여 회전속도와 출력이 모두 증가합니다. 발화점이 높은 가솔린의 혼합기는 일일이 점화하지 않으면 연소하지 않으므로 연소실에 점화플러그를 둡니다. 점화 플러그는 약 0.5mm의 간극을 둔 2개의 전극 사이에 1만V 정도의 고압 전류로 불꽃이 튀게 하는 것이며, 고압전류는 축전지의 12V(드물게는 6V)의 전류로부터 유도코일에 의해 발생되어 배전기를 통하여 적합한 순서로 각 실린더의 점화 플러그에 전달됩니다. 디젤엔진은 고압·고온의 공기 속에 경유를 분사하면 자연착화되는 성질을 이용한 것이며, 따라서 분사 펌프와 분사 노즐은 필요하나, 기화기나 점화장치는 필요하지 않습니다. 또 공기를 보다 더 압축해야 하기 때문에 기관 자체도 견고하게 제조됩니다. 이에 따라 중량이 커지고 고가이며, 자연착화 때문에 소음과 진동도 커집니다. 배기량 1ℓ당의 출력도 20∼25hp(2행정사이클 기관에서도 35hp 전후)으로 낮습니다. 그러나 디젤엔진은 연료소비율이 낮고 가솔린보다 경유의 값이 싸기 때문에 매우 경제적입니다. 또 저속에서의 토크(TORQUE)가 크므로 대형 자동차에 적합합니다. 배출가스 속의 유해 가스량도 가솔린의 경우보다 적습니다. 가솔린·디젤 따위의 모든 엔진에는 냉각과 윤활이 필요합니다. 엔진은 실린더 내에서 연소를 일으키고 마찰열도 높기 때문에 외부에서 냉각해야 합니다. 냉각장치에서 가장 간단한 것으로는 실린더 바깥쪽에 다수의 냉각핀(COOLING FIN)을 두고 외기로 냉각하는 자연공랭식과, 송풍기로 냉각공기를 보내어 냉각하는 제공랭식이 있습니다. 그러나 이것은 소음이 많다는 이유 등으로 경자동차 및 소형자동차의 일부와 2륜차 등에만 사용됩니다. 일반적인 것은 수냉식이며, 실린더 주위에 물재킷(WATER JACKET)을 두고 물펌프에 의해 순환되는 냉각수로 냉각시킵니다. 열을 받은 냉각수는 가는 파이프와 핀으로 된 라디에어터 속을 통과할 때 외기에 의해 냉각되어 다시 기관에 압송됩니다. 작동 중에 냉각수는 수온조절기(서모스탯)에 의해 항상 80℃ 전후로 유지됩니다. 미리 부등액을 넣고 밀폐된 라디에이터를 사용하는 것도 있습니다. 기관은 실린더와 피스톤을 비롯하여 마찰부분이 많으며, 이러한 곳의 마멸이나 과열을 방지하기 위하여 윤활유를 펌프로 압송하여 각 마찰부분에 보냅니다. 윤활유는 점차 소비되므로 정기적으로 보급하고, 일정 기간을 두고 전부를 갈아넣어야 합니다. 기관은 처음에 다른 힘으로 회전시켜야 시동되므로 축전지로부터의 전력으로 회전되는 시동전동기를 둡니다. 운전석의 점화 스위치를 ON으로 하고 다시 더 돌리면 시동전동기가 작동되고, 기관이 시동되면 자동적으로 기어 물림이 빠져 분리됩니다. 자동차의 축전지는 점화장치·시동장치·각종 등화·라디오·라이터 등의 각종 자동장치에 전력을 공급하므로 전력의 소비가 많습니다. 때문에 기관에 의해 구동되는 발전기를 두고 주행 중에 충전하도록 합니다. 저속회전에서도 충전효과가 큰 교류발전기도 많이 사용됩니다. 기관의 성능을 표시하는 방식에는 마력(hp)과 토크(kgm)가 있습니다. 마력은 그 기관이 ?수 있는 일의 능률을 나타내고, 토크는 절대적인 회전력을 나타냅니다. 따라서 마력은 자동차의 속도를 좌우하고, 토크는 가속력이나 등판능력과 관계가 있습니다. 마력이 커도 토크가 작으면 기관의 융통성이 낮고 끈질기지 못하기 때문에 혼잡한 시가지 등에서 사용하기가 어렵습니다. 보통의 자동차에서는 출력이나 토크가 모두 낮은 회전속도 범위에서 큰 쪽이 사용되기 때문에 최고출력·최대토크 모두 그것이 발생되는 회전속도(매분 회전수:RPM)를 병기합니다.
기관 (ENGINE)
기관은 자연의 에너지나 열에너지를 사용해서 기계적 일을 하는 장치입니다. 기관은 에니지와 열에너지를 사용해 기계적인 일을 하는 장치를 엔진 또는 발동기라고도 합니다. 넓은 뜻으로는 자연의 에너지를 사용하여 기계적 일을 시키는 장치를 말하지만, 보통 좁은 뜻으로는 석탄·석유 등의 열에너지를 사용해서 계속적으로 기계적 일을 하는 장치, 즉 증기기관·내연기관을 말합니다. 넓은 뜻의 기관은 수력을 이용하는 수차, 풍력을 이용하는 풍차, 증기의 힘을 이용하는 증기기관, 전력을 이용하는 전동기, 연료의 열에너지를 이용하는 각종 엔진, 이온로켓과 같은 전기엔진 등이 포함됩니다.
가솔린엔진 (GASOLINE ENGINE)
가솔린엔진은 가솔린을 연료로 하는 내연기관입니다. 가솔린엔진은 자동차의 가솔린기관이라고도 하며, 작동방식에 따라 4행정(사이클) 기관과 2행정 기관이 있습니다. 4행정 기관의 작동방식은 프랑스 드로샤가 1862년에 원리를 제안하고, 1876년 독일 오토가 처음으로 실용 엔진을 제작하였습니다. 4행정 기관의 작동원리는 2회전·4행정으로 이루어져 있습니다. 즉, ① 흡입행정:피스톤이 하강하면서 연료와 공기의 혼합기를 기화기를 통하여 흡입합니다.(흡입밸브 열림, 배기밸브 닫힘). ② 압축행정:피스톤이 올라가면서 흡입된 혼합기를 압축합니다.(흡입밸브·배기밸브 모두 닫힘). ③ 팽창행정:압축된 혼합기에 전기불꽃으로 점화·폭발시켜 그 가스의 압력으로 피스톤이 내려가면서 동력을 발생시킵니다.(흡입밸브·배기밸브 모두 닫힘). ④ 배기행정:피스톤이 올라감으로써 연소 가스가 배출됩니다.(흡입밸브 닫힘, 배기밸브 열림). 2행정 기관의 작동원리는 1880년 영국의 D.클라크가 고안하였는데, 1회전마다 폭발하는 기관입니다. 2행정(크랭크케이스 압축식)은 피스톤이 올라갈 때 흡입구에서 크랭크케이스 안으로 흡입하고, 피스톤이 내려갈 때 이것을 압축하여 배기구가 열리는 동시에 실린더 속으로 보냅니다. 구조는 공랭식도 있으나 보통 수랭식을 많이 씁니다. 본체는 동력을 발생시키는 부분으로, 실린더·피스톤·연결봉·크랭크축·캠축 ·흡배기 밸브 기구·플라이휠 등으로 되어 있습니다. 연료장치 가운데 기화기(카뷰레터)는 가솔린엔진에만 있는 장치이며, 가솔린과 공기를 적당한 비율로 혼합시켜 실린더에 보냅니다. 기화기의 스로틀밸브는 개폐에 의해 흡입되는 혼합기의 양을 조절하여 출력을 조정합니다. 최근에는 기화기가 없이 연료분사기를 이용하여 공기의 흐름 중에 분사하여 혼합기를 얻거나, 각 실린더 내에 연료를 분사하는 방식이 연비나 배기가스 등의 이유로 많이 사용됩니다. 이 밖에 연료펌프, 공기청정기, 흡기 다기관 등이 있습니다. 점화장치는 실린더에 흡입된 혼합기를 점화시키는 장치로, 축전지·감응코일·단속기·배전기·점화플러그·축전기 등으로 되어 있습니다. 축전지 대신에 자석을 이용한 발전기를 사용하는 것도 있습니다. 윤활장치는 피스톤이나 각 베어링 부분에 윤활유를 보내는 장치로서, 오일펌프·오일청정기·오일팬 등으로 되어 있습니다. 냉각장치는 엔진이 과열하지 않도록 온도를 적당히 유지하기 위한 것으로, 공랭식과 수랭식이 있다. 공랭식에는 냉각용 핀을 장치한 것이 많고, 수랭식에는 물펌프·라디에이터(방열기)·팬·온도조절기 등이 있습니다. 2행정 기관은 작고 가벼우며 큰 출력을 낼 수 있고, 흡배기 밸브가 없으므로 구조도 간단합니다. 또 1회전마다 폭발하므로 회전이 원활한 장점도 있습니다. 그러나 흡입의 배기작용이 완전하지 못하기 때문에 배기 때 혼합가스의 일부가 배기가스와 함께 배출되므로, 연료소모가 많아서 대형기관에는 쓰이지 않습니다. 이 엔진은 다른 기관에 견줘 중량·용적당 출력이 비교적 크고, 운전과 관리가 쉽기 때문에 오토바이·자동차·비행기·모터보트 등의 교통기관용 원동기 외에 경운기·소방 펌프·발전기 등에도 널리 사용됩니다. 모형비행기용의 1마력(hp) 이하의 것을 비롯하여 비행기용의 3,500 마력 정도의 것까지 여러 가지가 있습니다.
DOHC 가솔린엔진 (DOUBLE OVER HEAD CAM SHAFT GASOLINE ENGINE)
DOHC 가솔린엔진은 가솔린은 원료를 사용하고, 실린더 헤드에 2개의 캠 축을 설치하여 흡입 및 배기 밸브를 작동시키는 엔진으로 트윈 캠이라고도 합니다. DOHC 엔진은 SOHC 엔진보다 고출력이므로 고속회전에서는 출력과 토크가 증가 하지만 저속회전에서는 엔진의 출력과 토크가 작아지는 특징이 있습니다.
디젤엔진 (DIESEL ENGINE)
디젤엔진은 경유 또는 중유를 연료로 압축·점화에 따라 작동하는 왕복운동형 내연기관입니다. 디젤엔진은 원유를 증류하여 얻어지는 연료로서 비점의 범위가 150 ~ 370℃의 유분인 경유를 연료로 사용하는 엔진입니다. 디젤엔진은 디젤기관·압축점화기관이라고도 합니다. 먼저 실린더 안에 공기를 흡입·압축해서 고온·고압으로 합니다. 여기에 액체연료를 분사하여 자연발화시킨 다음 피스톤을 작동시킴으로써 동력을 얻는 내연기관입니다. 디젤엔진은 1893년 독일의 기술자 R.디젤이 처음 만들었습니다. 디젤의 연료는 처음 중유를 사용했으나, 회전수 증가 등 그 개량이 진전됨에 따라서, 착화성이 양호한 경유를 사용하게 되었습니다. 오늘날에는 분당 4,000회전 이상에 이르는 것도 있습니다. 개발 초기에는 육상용뿐이었으나, 1930년 이후 선박·자동차·철도 따위의 동력원으로서 쓰이게 되었습니다. 열효율도 좋아서 현재는 50% 정도의 것이 주로 쓰입니다. 최초의 디젤엔진은 1922년 독일에서 만들어졌는데, 자동차에 사용할 수 있을 만큼 가볍고 작습니다. 그래서 이전의 낮은 출력 때문에 디젤엔진이 응용될 수 없었던 많은 분야에 사용되었습니다. 고속 디젤엔진은 디젤이 개발했던 저속 연소행정방식이 아닙니다. 연료는 압축행정이 거의 끝날 때 실린더에 분사되고, 피스톤이 사점 근처에 있는 동안 압력이 갑자기 상승하면서 급속히 연소됩니다. 초기 디젤엔진의 압축점화와 연료분사만이 현재의 고속 디젤엔진에 남아 있습니다. 1940년대 중반 이후의 디젤엔진은 주로 시간당 마력당 비교적 낮은 소비비로 저급연료를 사용할 수 있습니다. 그래서 전세계적으로 약 5,000마력의 장치에 사용되는 주요 산업의 동력원이 되었습니다. 이때 낮은 연료소비는 높은 압축비에 주로 기인합니다. 여기서 디젤엔진은 연료분사방식과 연소과정의 특성 때문에 비교적 비정제된 연료를 사용할 수 있습니다. 이렇게 디젤엔진은 저급연료도 사용이 가능하므로 연료비가 적게 드는 장점이 있습니다. 반면, 마력당 중량, 초기비용, 대기오염물질과 냄새의 방출, 작동소음이나 진동 등이 크다는 단점이 있습니다.
디젤엔진의 구조
디젤엔진의 구조는 실린더·피스톤·크랭크축 등으로 이루어져 있습니다. 중유·경유 등의 저질유를 사용하므로, 연료 기화기(氣化器)나 전기 점화장치는 사용하지 않습니다. 실린더 안에 공기를 흡입하여 이것을 압축하며, 압축비를 14∼22로 크게 하고(가솔린기관에서는 4∼8), 500∼700℃의 온도로 합니다. 이 고온·고압의 공기 속에 연료분사 밸브로부터 연료를 분사하여 자연발화시키도록 되어 있습니다. 연료는 플런저형 펌프에서 분사되며, 연료밸브는 버섯형의 포핏밸브가 많이 사용되고 있습니다. 니들밸브는 용수철에 의해서 밸브시트에 밀착되어 있습니다. 펌프에 의해서 연료가 소정의 압력이 되면 자동적으로 밀어 올려지고, 연료는 미립자상으로 되어 실린더 속으로 분사됩니다. 다음에 실린더 속의 고온에 의해 자연 착화되어 폭발하면, 실린더 속의 압력이 상승하여 피스톤을 밀어올려서 일을 합니다. 디젤엔진에는 가솔린기관과 마찬가지로 2사이클식 및 4사이클식의 2종류가 있으며, 단동식·복동식이 모두 사용되고 있습니다. 마력은 몇 마력부터 3만 5천 마력 정도의 것까지 있습니다. 또 큰 마력을 내기 위해서 과급기를 장치하게 되어 있습니다. 연소실의 모양에 따라 단실식과 부실식이 있습니다. 단실식은 피스톤 헤드와 실린더 커버에 둘러싸인 연소실에 연료를 분사하는 것으로 직접분사식이라고 합니다. 대형기관은 대체로 직접분사식입니다. 이것은 열효율은 좋지만 부실식에 비해 착화성이 좋은 약간 고급인 연료를 필요로 합니다. 부실식은 주연소실과 부실로 되어 있으며, 연소실에 공기의 난류를 일으켜 연소를 돕도록 되어 있습니다. 이 방법에서는 비교적 착화성이 나쁜 연료도 사용이 가능합니다. 그러나 연소실의 구조가 복잡하게 되고, 온도의 불균일에 의해 열변형을 일으키기 쉬운 결점이 있습니다. 따라서 실린더의 지름이 약 200mm 이하인 소형기관에 채택됩니다. 또 기동을 쉽게 하기 위해 점화장치를 갖춘 것이 많습니다. 핫밸브 기관(열구기관)이 소형선박 등의 동력으로 사용되고 있다. 이것은 연료·작동방식이 모두 디젤기관과 같으므로 준디젤기관이라고 합니다. 연소실의 일부에 고온의 열구를 갖추고, 기동시에는 우선 이 부분을 외부에서 가열하여 적열시킵니다. 그런 후 연료를 이 부분에 분사하여 점화시킵니다. 점화된 후에는 외부로부터의 가열을 중지해도 자연착화하여 운전이 계속됩니다. 취급이 쉽기 때문에 소형선박은 물론 기타 선박의 보조기구동용으로 사용되고 있습니다.
디젤엔진의 특징 및 용도
디젤엔진은 가솔린엔진보다 값싼 중유·경유 등의 연료를 사용할 수 있고, 연료 소비량이 적으므로 운전비가 쌉니다. 또 기동도 쉬워서 내연기관 중에서 가장 널리 사용되고 있습니다. 대형은 대형선박의 주기관으로 사용되며, 5,000마력 이상으로 2사이클의 것이 많습니다. 중형은 발전용·선박용으로 사용되고 있습니다. 1,000마력 이상의 것에는 2사이클도 사용되고 있지만, 일반적으로 4사이클이 사용됩니다. 소형의 것은 자동차용·철도차량용·소형선박용·건설기관용 등 그 용도가 매우 넓습니다. 또 경운기·관개용펌프·분무기 등의 농업용이나 압축기 구동, 양수펌프 구동, 비상용 통신 전원 등에도 사용되고 있습니다. 이밖에 도로공사 등에 사용되는 토사운반용 컨베이어의 구동에도 사용되고 있습니다. 또 큰 빌딩이나 학교·병원 등에서 정전시에 자동적으로 디젤기관이 가동됩니다. 이는 발전기를 회전시켜 송전함으로써 사고를 방지하는 데 사용되고 있습니다.
SOHC 엔진 (SINGLE OVER HEAD CAM SHAFT ENGINE)
SOHC 엔진은 실린더 헤드 위에 달린 캠 하나로 흡기밸브와 배기밸브를 여닫는 엔진입니다. SOHC 엔진은 실린더 헤드에 1개의 캠 축을 설치하여 흡입 및 배기 밸브를 작동시키는 엔진으로 푸시로드와 밸브 리프터가 없습니다. SOHC엔진은 SINGLE을 빼고 OHC엔진이라고도 하며 캠축은 1개입니다. 엔진은 기화한 가솔린과 공기의 혼합물에 점화하여 동력을 얻는데, 실린더에는 이 혼합물과 배기가스를 출입시키기 위한 마개가 있습니다. 이것을 밸브라 하고, 밸브를 여닫는 타원형 기구를 캠, 캠의 동작을 제어하는 회전축을 캠축이라고 합니다. 기존 OHV(OVERHEAD VALVE) 방식에서는 밸브를 여닫을 캠이 연소실 아래에 있어 연소실 위의 밸브를 여닫기 위해 푸시로드라는 연결대가 필요합니다. 하지만 SOHC 방식에서는, 캠이 연소실 위 밸브 가까이 있으므로 캠과 밸브를 연결하는 푸시로드가 필요 없고, 캠이 직접 밸브를 여닫아 연소실의 효율이 높습니다. 한편, 캠축은 점화시기를 조절하는 타이밍체인, 타이밍벨트, 타이밍기어 등을 매개로 하여 크랭크축이 움직이는데, 이들 체인과 벨트는 고속회전 때에 휘거나 늘어날 수 있으므로 텐셔너(TENSIONER)라는 장치로 압력을 가해 점화 타이밍을 놓치는 것을 막습니다. OHV(OVERHEAD VALVE) 방식보다는 고속회전, 고출력을 얻을 수 있어, 상용차나 배기량이 작은 소형 차량, 오프로드 모델 등에 채택하고 있습니다. 실린더 1개당 밸브수는 4개(흡기 2, 배기 2) 또는 5개(흡기 2, 배기 3)입니다.
DOHC 엔진 (DOUBLE OVER HEAD CAM SHAFT ENGINE)
DOHC 엔진은 각각의 단위시간마다 더 많은 공기를 흡입하려고 엔진의 허용 최고 회전수와 흡입 회전율을 크게 하여 출력을 높인 엔진입니다. DOHC 엔진은 실린더 헤드에 2개의 캠 축을 설치하여 흡입 및 배기 밸브를 작동시키는 엔진으로 트윈 캠이라고도 합니다. DOHC 엔진은 SOHC 엔진보다 고출력이므로 고속회전에서는 출력과 토크가 증가 하지만 저속회전에서는 엔진의 출력과 토크가 작아지는 특징이 있습니다. DOHC 엔진은 흔히 DOHC라고 부릅니다. 오버헤드캠샤프트엔진(OVER HEAD CAM SHAFT:OHC엔진)이란 흡기밸브와 배기밸브를 개폐하는 캠축(軸)을 실린더의 윗부분에 장치한 가솔린엔진입니다. 이때 캠축이 1개이면 싱글오버헤드캠샤프트엔진(SINGLE OVER HEAD CAM SHAFT:SOHC엔진)이고, 흡·배기 밸브에 2개의 캠축이 있으면 더블오버헤드캠샤프트엔진(DOUBLE OVER HEAD CAM SHAFT:DOHC엔진)입니다. OHC엔진의 일반 특징은 고속회전에 알맞으며 성능을 향상시키는 데 효과적이라는 데 있습니다. DOHC엔진은 흡기축과 배기축에 각각 2개씩(2개, 3개, 5개로 놓을 수도 있음.) 밸브를 만들 수 있어 동급의 일반 엔진에 비해 흡·배기 효율이 좋고 출력도 20~30％ 향상시킬 수 있습니다. 또 가속 성능이나 마력당 연료 소비량 면에서도 뛰어나기 때문에 차체는 중형이면서 엔진 크기는 소형에 해당하는 1,500cc짜리 자동차에 장착되었습니다. 초기에는 고성능 레이싱카에만 장착하였으나, 오늘날은 보편화되어 일반 승용차에도 장착합니다. 단점은 내구성이 떨어지고, 배기량에 따른 연료소비량이 많으며, 소음이 크다는 것입니다.
DOHC 5 밸브 엔진 (DOUBLE OVER HEAD CAM SHAFT 5 VALVE ENGINE)
DOHC 5 밸브 엔진은 1기통당 흡기 3밸브, 배기 2밸브의 총 5밸브를 배치한 DOHC 엔진입니다. 다음과 같은 특징을 갖습니다. ●밸브 개구 면적을 넓게 잡을 수가 있기 때문에 출력 향상의 포텐셜이 높습니다. (특히 실린더 보어가 작은 경차량 엔진에 유효합니다. ●밸브 1개당의 중량을 경감할 수 있기 때문에 고회전 구간까지 가속성이 양호하고 출력이 증대됩니다. ●흡기밸브 직경이 작고, 흡기포트도 가늘게 할 수 있기 때문에 흡기유 속의 향상 및 스월효과(스월 항목 참조)를 얻을 수 있습니다. 그러므로 공회전을 포함한 저회전 구간에서 안정된 연소가 되며, 연비가 향상되고, 저속토크가 향상됩니다.
DOHC 16 밸브 엔진 (DOUBLE OVER HEAD CAM SHAFT 16 VALVE ENGINE)
DOHC 16 밸브 엔진은 1기통당 4개의 밸브(흡배기 각각 2개)를 갖는 DOHC 4기통 엔진을 말합니다. 1기통당 4 밸브화함으로써 다음과 같은 성능 향상을 도모할 수 있습니다. ●밸브가 소형화될 수 있기 때문에, 밸브의 중량을 경감시킬 수 있고, 동밸브계의 관성중량 및 마찰손실의 저감을 도모할 수 있습니다. 이로 인해 엔진의 고회전 구간까지 밸브의 추종성이 있고, 엔진의 최고 출력을 증가시킬 수 있습니다. ●밸브가 복수이기 때문에 보다 큰 밸브 개구 면적을 얻을 수가 있습니다. 그 때문에 엔진의 고회전시 흡배기 효율이 향상되고 고출력을 얻을 수 있습니다.
DOHC 20 밸브 트윈 스로틀 터보
DOHC 20밸브 트윈 스로틀 터보는 트윈 스로틀 터보차저를 장착한 4기통 5 밸브 DOHC 엔진을 말합니다. DOHC 5 밸브 엔진, 트윈 스로틀 타보차저 항목을 참조하세요.
DOHC 24 밸브 엔진 (DOUBLE OVER HEAD CAM SHAFT 24 VALVE ENGINE)
DOHC 24 밸브 엔진은 1기통당 4개의 밸브(흡배기 각 2개)를 가지는 DOHC 6기통 엔진을 말합니다.
1기통당 4 밸브화함으로써 장점은 DOHC 16 밸브 엔진과 같습니다.
터보 엔진 (TURBO ENGINE)
터보는 터빈, 차저는 채워넣는 물건을 뜻하며 배기가스의 에너지로 배기 터빈을 돌리면 이것에 직결된 컴프레서로 엔진에 공기를 밀어넣어 엔진 출력을 향상시키는 장치로 터보가 달린 엔진입니다.
트윈 터보 엔진 (TWIN TURBO ENGINE)
터보는 터빈, 차저는 채워넣는 물건을 뜻하며 배기가스의 에너지로 배기 터빈을 돌리면 이것에 직결된 컴프레서로 엔진에 공기를 밀어넣어 엔진 출력을 향상시키는 장치로 터보가 두개 달린 엔진입니다.
터보 인터쿨러엔진 (TURBO INTERCOOLER ENGINE)
터보 인터쿨러엔진 은과급기(터보 차저)가 부착된 엔진으로 컴프레서와 흡기 매니폴드 사이에 인터쿨러가 설치되어 공기를 냉각시킵니다.
엔진 피스톤 (ENGINE PISTON)
엔진 피스톤은 엔진의 실린더 속을 왕복하며 혼합기의 폭발력을 커넥팅 로드를 거쳐 크랭크 샤프트에 전달시켜 동력을 발생시킵니다.
엔진 구동력 제어장치 (ETCS : ENGINE TRACTION CONTROL)
엔진 구동력 제어장치는 엔진 토오크를 가감하여 차륜에서 발생되는 구동력을 제어하는 장치로서, 드로틀의 개폐각도를 조절하여 엔진 흡입공기량을 제어하는 방식과 전자제어엔진 실린더내의 연료 분사량 및 점화시기를 직접제어하는 방식이 있으나, 주로 엔진흡입공기량 제어방식을 사용합니다.
엔진 크랭크 축 (ENGINE CRANK SHAFT)
엔진 크랭크 축은 크랭크 케이스 내에 설치되며 각 실린더의 폭발 행정에서 받는 피스톤의 힘을 회전운동으로 바꾸어, 엔진의 회전력를 외부에 전달하고 흡입, 압축, 배기 행정에서는 피스톤에 운동을 전달합니다.
엔진 캠샤프트 (ENGINE CAM SHAFT)
엔진 캠샤프트는 흡배기 밸브를 개폐하기 위한 캠이 설치되어 있는 축으로 흡배기 밸브는 크랭크 샤프트가 2회전하는 사이에 각각1회씩 개폐하므로 크랭크 샤프트의 1/2속도로 회전합니다.
엔진 마운팅 (ENGINE MOUNTING)
엔진 마운팅은 엔진, 트랜스미션을 차체에 지지, 고정함과 동시에 엔진에서 발생하는 진동을 차단하는 기능을 가지고 있습니다. 형상은 2개의 금속 플레이트 사이에 고무를 끼운 각형과 대소의 원통사이에 고무를 배치한 원통형의 2가지로 크게 구별되어지며, 액체의 점성저항, 관성효과를 이용한 액체 봉입 마운트도 실용화 되어 있습니다.
엔진 성능곡선
엔진에 모든 부하를 건 상태에서 나오는 토크와 마력으로 시간당 연료소비율은 회전수와 대비해서 나타낸 그림입니다. 곡선의 꼭대기가 최대토크입니다. 엔진성능곡선이 뾰족한 산 모양을 나타내는 것보다 둥근 쪽이 쓰기 편한 엔진이라 할 수 있습니다.
엔진 실린더 헤드 (ENGINE CYLINDER HEAD)
엔진 실린더 헤드는 엔진의 머리 부분으로 실린더 윗면에 설치되어 기밀과 수밀을 유지하여 열에너지를 얻을 수 있는 곳입니다. 안쪽의 연소실에 점화플러그, 흡배기 밸브가 설치되어 있고, 실린더, 피스톤, 실린더 헤드와 함께 연소실을 형성합니다.
엔진 실린더 블럭 (ENGINE CYLINDER BLOCK)
엔진 실린더 블럭은 주철이나 알루미늄 합금으로 만들어진 엔진의 중심이 되는 부분으로서 주철제는 피스톤을 그대로 넣는 실린더로 되어 있는 것이 많습니다.
엔진 실린더 (ENGINE CYLINDER)
엔진 실린더는 피스톤이 왕복하여 엔진의 동력이 발생되는 곳으로 실린더는 실린더 블록과 같은 재질로 만들어진 일체형과 다른 재료로 만들어진 라이너를 끼워 넣은 것이 있습니다.
엔진 오일 (ENGINE OIL)
1. 마찰감소 및 마모방지 작용 - 엔진 오일은 윤활유 본래의 기능이며 엔진의 미끄럼운동부분에 유막을 형성하여 마찰운동부분 및 베어링부분을 윤활하여 표면마찰을 감소시켜서 줌으로서 마모를 줄여 주는 역할을 합니다. 2. 밀봉작용 - 피스톤과 실린더 사이에 유막을 형성하여 연소가스가 엔진 하부로 유입되지 않도록 기밀을 유지해 주는 역할을 합니다. 3. 열전도 작용 - 각 미끄럼 운동부에서 마찰로 인하여 발생된 열을 흡수하여 오일 팬이나 오일 냉각기를 통하여 방열 시키며 엔진 오일은 엔진에서 발생하는 열의 10 ~ 15% 정도를 냉각시켜 줍니다. 4. 세척작용 - 엔진이 작동될 때 엔진 각부에서 발생되는 먼지, 카본, 금속분말 등의 불순물을 흡수하여 오일 팬으로 운반해 주는 역할을 합니다. 이 불순물은 엔진오일이 오일팬에서 다시 윤활부로 공급될때 오일 휠터에 의해 정제되어 공급되게 됩니다. 이 세척작용은 불순물에 의한 엔진 각부의 마모, 마찰 및 열 까지 감소시켜 줍니다. 5. 응력분산 작용 - 엔진이 회전할 때 엔진에서는 순간적으로 큰 압력이 가해지게 (폭발,노킹)됩니다. 이때 유막이 파손되어 소결을 일으킬 수 있는데 이 순간 윤활유는 액체 고유의 성질을 이용하여 부분적인 압력을 액 전체로 분산시켜 순간 압력을 평균화 시키는 작용을 합니다. 6. 부식방지 작용 -유막을 형성하여 외부의 공기나 수분의 침투를 막아 금속의 부식을 방지해 주는 작용을 합니다. 7. 소음완화 작용 - 엔진작동시에 발생되는 충격 및 오일간극에서 일어나는 소음을 흡수 해 주는 작용을 합니다.
엔진 오일팬 (ENGINE OIL PAN)
엔진 오일팬은 엔진의 각부에 공급되어 지는 윤활유를 담고 있는 용기로 엔진의 최하부에 위치하고 있습니다. 본체, BAFFLE PLATE, DRAIN PLUG의 기본 3부품으로 구성되어 있고 Baffle Plate는 주행중의 윤활유 표면의 변동을 억제하고, DRAIN PLUG는 윤활유 교환시에 윤활유를 뽑아낼 때 통로의 역할을 담당하고 있습니다.
엔진회전수 (RPM. REVOLUTION PER MINUTE)
엔진회전수는 내연기관의 효율을 나타내는 지표 중의 하나로 1분간의 회전수를 의미합니다.
기화기 (CARBURETTER)
기화기는 가솔린기관의 실린더 속에 연료와 공기를 적당한 비율로 혼합시켜 공급하는 장치입니다. 기화기는 가솔린과 공기의 혼합비율은 운전상태에 따라 다르며, 중량 비율로는 가솔린 1에 공기 15이고, 부피는 가솔린의 약 50배의 공기가 필요합니다. 기화기로 기체를 만드는 방법은 분무의 원리와 같습니다. 중요한 구성부품은 가솔린의 높이를 일정하게 하는 플로트실, 혼합기를 만드는 벤투리관과 제트노즐, 실린더에 흘러들어가는 혼합기의 양을 가감하여 출력을 제어하는 스로틀밸브, 그리고 기관이 냉각되어 있을 때 과농혼합기를 공급하기 위한 초크밸브가 있습니다. 또 자동차기관에는 급가속할 때 연료의 부족을 보충하기 위한 가속펌프가 붙어 있습니다. 이 외에 항공기용 ·선박용 등 용도에 따라 세부 특성이 다르며, 각기 특징을 가진 특수 구조로 되어 있습니다.
기화기의 작용
기화기는 가솔린을 안개 모양으로 하여 공기와 혼합시켜 실린더에 흡입시킵니다.
커먼레일엔진 (COMMON RAIL DIRECT INJECTION ENGINE)
커먼레일엔진은 정밀 전자제어가 가능한 압축장치(압축 어큐뮬레이터, 레일)와 응답성이 뛰어난 연료 분사장치(인젝터)를 이용하여 운전상태에 맞게 연료를 분사해주는 엔진입니다. 커먼레일엔진은 컴퓨터와 각종 센서로 이루어진 제어계통과 압력펌프, 커먼레일, 전자제어식 분사 노즐로 이루어져 있습니다. 연료 또는 엔진오일을 분사하기 전에 커먼레일이라는 장치 안에 저장해 두었다가 연소효율이 가장 높은 시점에 고압으로 분사합니다. 고압 분사되어 분무상태가 된 연료는 연소효율이 뛰어나 연비가 높고, 배기가스의 질소산화물(NOX:NITROGEN OXIDE)이 크게 줄고, 공회전 때의 소음과 진동도 낮출 수 있습니다. 또 연료 분사 패턴을 저속, 고속 등 속도에 따라 제어할 수 있어 저속 회전 대역에서도 연료 분사압력을 높일 수 있습니다. 디젤엔진과 가솔린엔진 양쪽에 다 적용할 수 있습니다. 연료에 압력을 가하는 방식은 엔진오일을 이용하는 방식과 연료를 직접 가압하는 방식의 두 가지 종류가 실용화되어 있습니다. 일반 SUV용 엔진에는 엔진오일 방식을 쓰고, 중대형 트럭용 엔진에는 직접 가압 방식을 채용합니다. 1998년에 실용화되어 대부분의 승용 디젤차량에 장착되고 있습니다.
린번엔진 (LEAN BURN ENGINE)
린번엔진은 엔진의 실린더로 들어가는 혼합기에서 공기가 차지하는 비율을 높이고, 연료의 비율을 적게 하여 연비 성능을 향상시키는 엔진입니다. 린번엔진은 가솔린엔진에서 연소되기 적합한 공기와 연료의 질량비는 14.7대 1입니다. 이 질량비보다 비율이 적은 경우를 '희박(LEAN)' 상태라고 하는데, 이 희박 상태의 혼합기를 연소시키는 엔진을 린번엔진이라고 합니다. 이 희박 상태 혼합기의 질량비 한계는 22~23 대 1 정도로 알려져 있습니다. 린번엔진은 일정 속도로 달리는 것과 같이 고출력이 필요없는 상황에서 극단적으로 연료가 희박한 혼합기를 연소시킴으로써 연비 향상을 꾀합니다. 시스템이 복잡하지 않아, 설치 비용도 적게 드는 편입니다. 그러나 희박 혼합기 상태에서는 착화율이 떨어져 연소 상태가 불안정하므로 연소실과 흡기 부분을 개량하여 공기와 연료가 잘 섞이도록 해야 합니다. 또 연비가 좋아지는 반면, 이상적인 완전연소가 이루어지지 않으므로 배기가스의 정화에도 특별한 기술이 필요합니다. 희박 혼합기만을 실린더 안에 공급하는 '균질흡기 방식'과 점화플러그 주변에는 고농도 혼합기를 공급하고 그 외의 부분에는 희박 혼합기를 공급하는 '층상흡기 방식'의 두 가지 방식이 있습니다. 이 기술을 한층 더 진보시킨 것이 연료를 연소실에 직접 분사해주는 GDI엔진입니다.
GDI엔진 (GASOLINE DIRECT INJECTION ENGINE)
GDI엔진은 미리 공기를 충전해 놓은 실린더 안에 가솔린을 직접 분사함으로써 혼합기 비율이 린번엔진보다 희박한 상태에서 완전 연소가 가능한 엔진입니다. GDI엔진은 1997년 일본 미쓰비시자동차(주)가 양산에 성공했습니다. 일반 엔진의 공기와 연료의 혼합기 질량비는 14.7 대 1인데, 린번엔진의 혼합기 질량비는 최대 22~23 대 1까지 희박하게 할 수 있고, GDI엔진은 25~40 대 1이라는 극히 희박한 혼합기 질량비가 가능합니다. 이 엔진은 실린더 안에 세로 방향의 강한 소용돌이를 발생시키는 것이 특징인데, 이 소용돌이는 인젝터에서 분사된 가솔린을 효율적으로 점화플러그 주변으로 모아 혼합기가 완전히 연소될 수 있게 도와줍니다. 또 노킹을 일으키기 쉬운 플러그 주변에 연료를 직접 분사하면 흡기온도가 기화열에 의해 낮아지므로 혼합기의 충전효율이 높아지고, 압축비도 높아집니다. 이렇게 하면, 이론적으로는 가솔린 분사량과 분사 시기, 혼합기 질량비 따위를 폭넓게 조정할 수 있게 되어 정속 주행시의 희박 연소, 출력 향상, 이산화탄소 배출 감소 등의 상반되는 요소를 모두 실현할 수 있게 됩니다. 그러나 이론상으로 이 엔진은 뛰어나지만, 희박 연소 때 여전히 출력이 떨어지고, 실린더 안에 대량으로 발생한 연소 찌꺼기와 카본이 가솔린을 흡수하여 주행거리가 길수록 연비가 떨어지는 문제점이 있습니다. 이 같은 문제점을 해결하려면 실린더 내부를 계속 청소해야 합니다.
VTEC엔진 (VARIABLE VALVE TIMING AND LIFT ELECTRONIC CONTROL SYSTEM ENGINE)
VTEC엔진은 저속회전용과 고속회전용 캠을 따로 두고 엔진의 회전수에 따라 흡기·배기 밸브의 개폐량과 개폐 타이밍을 바꾸어 연비와 출력 향상을 동시에 추구하는 엔진입니다. VTEC엔진은 밸브의 개폐 타이밍과 개폐량은 엔진의 성능에 영향을 크게 미칩니다. 밸브가 열려 있는 행정(사이클)을 길게 하고 개폐량을 높게 하면 고회전·고출력을 얻을 수 있지만, 중·저속 때에는 흡입한 혼합기가 빠져나가 토크가 부족해지고 연소가 불안정해집니다. 이 반면에 밸브가 열려 있는 행정을 짧게 하면 중·저속의 토크는 풍부해지나, 출력이 떨어집니다. 이처럼 고속 대역과 중·저속 대역은 요구하는 개폐 타이밍과 개폐량이 다릅니다. 이는 즉 밸브의 개폐 타이밍과 개폐량에 따라서 출력의 특성, 나아가 엔진의 성격이 결정되는 것입니다. 출력 강화를 중시한 DOHC-VTEC엔진은 흡·배기 밸브의 개폐 타이밍과 개폐량을 모두 바꿀 수 있습니다. 이에 견줘 실용을 중시한 단일 캠축 VTEC엔진은 흡기밸브만 가변밸브를 채택하여 저속 및 고속에서 효율적인 출력을 얻을 수 있습니다. VTEC-E엔진은 저속에서 밸브 1개를 쉬게 함으로써 연소실에 최적의 소용돌이를 만들고 희박 연소(린번)을 가능하게 하여 연비 향상을 꾀합니다. 가장 진보된 형태인 3stage-VTEC엔진은 출력 특성을 저속·중속·고속의 3단계로 나누고 흡기밸브에 각 속도별 캠을 1개씩 따로 두어 밸브 개폐 타이밍과 개폐량을 3단계로 조절합니다. 다시 말해 저속 때는 연비 향상, 중속 때는 토크 확보, 고속 때는 출력 향상을 꾀할 수 있습니다. 이 엔진은 로커샤프트 안에 3개의 캠을 제어하는 유압 피스톤이 내장되어 있다는 점에서 다른 VTEC엔진과 다릅니다. 일본 혼다자동차에서 개발했습니다.
VVT엔진 (VARIABLE VALVE TIMING ENGINE)
VVT엔진은 엔진의 회전수 높낮이에 따라 흡기밸브를 여닫는 타이밍 또는 양에 변화를 주어 연비와 출력을 동시에 증가시키는 방식의 엔진입니다. VVT엔진은 자동차의 엔진을 가변 밸브 타이밍 엔진이라고 합니다. 보통 엔진은 특정한 회전대역(RPM)에서 최대출력을 얻을 수 있도록 밸브 개폐 타이밍이 정해져 있습니다. 다시 말하면, 저속회전 대역에서는 혼합기의 팽창과 폭발을 위해 밸브 개폐 타이밍을 늦추어야 하고, 고속회전대역에서는 폭발한 혼합기의 배출을 위해 개폐 타이밍을 빨리 해야 합니다. 저속에 맞추다보면 고속회전 때 혼합기의 배출이 늦어지고, 고속에 맞추다보면 저속회전 때 혼합기의 압축이 늦어져 결국 엔진의 효율이 크게 떨어지게 됩니다. 이 문제를 없애기 위하여 개발한 것이 가변 밸브 타이밍으로, 흡기 또는 배기 밸브의 개폐 타이밍을 엔진의 회전수에 맞게 바꾸어 줌으로써 고속과 저속에서 동시에 높은 연비와 높은 출력을 얻을 수 있도록 한 방식입니다. 방법에는 밸브 개폐 타이밍만 바꾸는 것, 밸브 개폐 타이밍과 개폐량을 바꾸는 것, 개폐량만 바꾸는 것 따위의 세 가지가 있습니다. VVT의 타이밍 전환은 저속회전과 고속회전의 2단계이지만, VVT-i(VARIABLE VALVE TIMING WITH INTELLIGENCE)는 엔진 회전수와 액셀러레이터가 열린 정도에 따라 흡기밸브의 개폐 타이밍을 연속적으로 바꿀 수 있습니다. 또한 VVTL-i(VARIABLE VALVE TIMING AND LIFT WITH INTELLIGENCE)는 연속 가변 밸브 타이밍에 더해 흡기·배기 밸브의 개폐량까지 조절할 수 있어 고출력이 가능합니다.
OHC엔진 (OVER HEAD CAM SHAFT ENGINE)
OHC엔진은 흡기밸브와 배기밸브를 개폐하는 캠축을 실린더의 윗부분에 장치한 가솔린엔진입니다. OHC엔진은 자동차의 엔진을 오버헤드캠샤프트엔진으로도 부릅니다. 실린더 윗부분에 캠축이 달려 있기 때문에 이 이름이 붙었습니다. 이 엔진은 연소실의 효율을 증대하기 위하여 캠샤프트가 실린더 윗부분에 달려 있는 흡기 및 배기 밸브를 직접 구동시키는 방식으로 1970년대 초기에 개발되었습니다. 이때 1개의 캠축이 흡·배기 밸브를 움직이면 SOHC엔진, 2개의 캠축이 각각 흡기밸브와 배기밸브를 움직이면 DOHC엔진입니다. 이 엔진의 특징은 고속회전에 알맞으며, 성능을 향상시키는 데 효과적입니다. 최근에는 승용차 등의 엔진에 널리 사용됩니다.
LPG엔진 (LPG ENGINE)
LPG엔진은 연료로 가솔린 대신에 LPG를 사용하는 내연기관입니다. LPG엔진은 자동차의 엔진을 LPG기관으로 부릅니다. 가솔린엔진에 고압용기에 들어 있는 LPG, 즉 액화석유가스를 감압기화장치를 통해서 기화기로부터 기관에 흡입시키는 엔진입니다. 가솔린엔진과 비교하면 연료비가 싸고, 연소실이나 윤활유의 더러움이 적으며, 엔진의 수명이 길 뿐 아니라 배기가스 속의 일산화탄소(유해가스)도 아주 적어지는 따위의 장점이 있습니다.
CVCC엔진 (COMPOUND VORTEX CONTROLLED COMBUSTION ENGINE)
CVCC엔진은 저공해 자동차 엔진입니다. CVCC엔진은 복합와류조속연소기관으로, 종래의 것과 다른 점은 연소실이 주연소실과 용량이 작은 부연소실로 나누어져 있고 양자는 하나로 연결되어 있으며 각각에 주·부의 기화기·흡입밸브가 있다는 점입니다. 주연소실에는 묽은 혼합기가, 부연소실에는 짙은 혼합기가 흡입됩니다. 압축행정이 끝날 무렵이 되면 부연소실의 점화전 부근에는 짙은 혼합기, 출구 부근에는 중간 정도로 짙은 혼합기, 주연소실에는 묽은 혼합기의 분포가 나타납니다. 부연소실에서 점화되면 화염은 번지면서 주연소실로 전해집니다. 주연소실의 혼합기가 묽기 때문에 일산화탄소의 발생이 적으며, 또 완만한 연소 때문에 연소 때의 최고온도가 낮게 억제되고, 한편 고온상태가 지속되므로 질소산화물이나 탄화수소의 배출이 적습니다. 연료소비 등 경제성에서도 보통 차들과 크게 다르지 않습니다.
▲ 사진은 캐딜락 모델 30의 기관
1913년 미시간주 디트로이트에서 제작되었으며 4실린더 48.7마력의 엔진이 달려있습니다.
내연기관 (INTERNAL COMBUSTION ENGINE)
내연기관은 연료의 연소가 기관의 내부에서 이루어져 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기관입니다. 내연기관은 연료를 연소시켜서 생긴 연소가스 그 자체가 직접 피스톤 또는 터빈블레이드(깃) 등에 작용하여 연료가 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 기관을 말합니다. 실린더 내에서 연료와 공기와의 혼합기체에 점화하여 폭발시켜서 피스톤을 움직이는 왕복운동형 기관을 가리킬 때가 많으나, 가스터빈·제트기관·로켓 등도 내연기관입니다. 내연기관을 사용하는 연료에 의해 가스기관·가솔린기관·석유기관·디젤기관 등으로 분류됩니다. 석유·가스·가솔린 기관은 점화플러그(점화전)에 의해 전기불꽃으로 점화되고, 디젤기관은 연료를 고온·고압의 공기 속에 분사하여 자연발화시킵니다. 피스톤의 행정·동작에 따라 4행정·2행정 사이클 방식이 있습니다. 내연기관(왕복운동형)에서 압축되는 전용적과 압축되지 않고 남은 용적과의 비를 말합니다. 즉 왕복형이기 때문에 상사점과 하사점에 있어서의 실린더 용적의 비가 됩니다. 압축비를 높이면 마력이나 연료소비의 성능은 좋아지나, 기계적 손실은 커집니다. 불꽃으로 점화하는 내연기관에서는 압축비가 5∼8, 압축하여 점화하는 기관에서는 압축비가 보통 15∼18입니다.
한국의 엔진공업 현황
한국의 조선공업은 종합조립산업으로 후방관련산업, 즉 철강공업·기계공업·전기 및 전자공업·금속공업·석유화학공업 등에 대한 파급효과가 큽니다. 특히 기계공업에 대해서는 건조선가의 30%선, 즉 건조선가의 약 1/3이 기계공업의 수요 창출을 유발하는 효과가 있습니다. 일본에서는 일반 기계공업 분야의 약 60%에 해당하는 물량확보를 조선공업에 의존합니다. 따라서 기계공업의 중심인 엔진공업(ENGINE INDUSTRY)은 그 사활이 자동차공업과 조선공업에 달려 있습니다. 이와 같은 산업정책적인 중요성을 감안하여, 정부 당국은 1970년대 초반에 자동차용 엔진공업을 설립 지원하였습니다. 주기관인 선박용 디젤기관이 건조선가의 15∼20%의 비중을 차지하고 있습니다. 종전까지 이들 주기관을 외국에서 수입함으로써 한국 조선공업이 외국의 엔진공업을 위한 수요 창출을 해 왔다. 그러나 현재는 조선용 기자재의 국산화가 이루어지고 있습니다.
▲ 사진은 4행정 사이클식 디젤기관의 원리도
기관의 종류
기관은 사용하는 연료·작동원리에 따라 가스기관, 가솔린기관, 디젤기관, 열구기관, 석유기관, 가스터빈, 제트엔진, 증기터빈으로 분류합니다. 가스기관은 석탄가스·용광로가스·코크스로가스·목탄가스·액화석유가스(LPG) 등의 기체 연료를 사용하는 엔진이며, 내연기관으로서는 가장 먼저 개발된 것입니다. 오늘날에는 기타 다른 기관들의 발달로 인해서 드물게 사용되는데, 특히 이들 가스가 쉽게 얻어지는 경우 이외에는 사용되지 않습니다. 가솔린기관은 기화하기 쉬운 가솔린을 연료로 하는 엔진인데, 가솔린은 기화기 혹은 연료분사기를 이용하여 기화되고 공기와 혼합되어 흡입행정에서 실린더 내로 흡입됩니다. 다음 이 혼합기는 압축행정에서 6~7atm(기압)으로 압축되어 점화 플러그에 의해 점화·폭발합니다. 폭발압력은 25~30atm으로 상승하여 팽창해서 일을 하고 다음 행정에서 배기됩니다. 자동차·항공기 등에 널리 사용됩니다. 디젤기관은 흡입행정에서 공기만을 흡입하고 압축행정에서 약 35atm으로 압축한 후 연료를 분사해서 연소시킵니다. 연료 분사방법에 따라 무기분사식 기관·공기분사식 기관으로 크게 나눕니다. 열구기관은 압축행정에서 공기만을 흡입하는 것은 디젤기관과 같지만 압축압력이 8~15atm으로 디젤기관에 비해 낮습니다. 이 상태에서 연료를 분사해도 점화되지 않으므로 실린더 헤드에 설치한 열구의 도움으로 점화·폭발합니다. 연료로는 중유에서 경유까지의 범위가 사용됩니다. 구조가 간단하고 가격이 쌀 뿐 아니라, 제작·수리가 용이한 장점이 있지만 연료소비량이 크고, 단위 출력당 중량이 크다는 결점이 있습니다. 오늘날 열구기관 대신에 디젤기관이 사용됩니다. 석유기관은 등유·경유 등을 연료로 하는 기화기를 장치한 엔진으로, 전기착화방식입니다. 구조가 간단하고 취급하기가 용이하며, 가격이 저렴하여 농업용·공업용·소형어선용 등에 사용됩니다. 피스톤 속도는 고속으로 5~7m/s, 압축비는 4~5 정도입니다. 출력은 2~5마력(hp)의 것이 주로 사용됩니다. 가스터빈은 공기를 압축기로 압축하고 여기에 연료를 가해서 연소시켜 얻어진 고온가스를 터빈의 임펠러에 작용시키고 축을 회전시켜서 동력을 얻는 엔진입니다. 무게에 비하여 출력이 크므로 항공기용 엔진으로 많이 사용되어 왔습니다. 왕복운동을 하는 엔진의 고속화에 문제점이 있어서 이것을 개량하기 위하여 급속히 연구·개발되었습니다. 오늘날은 발전·선박·자동차 등에 사용범위가 확대되었습니다. 제트엔진은 제2차 세계대전 말에 개발되어 대전 후부터 실용단계로 들어갔는데 항공용으로 사용되기 시작하면서 크게 발달하였습니다. 제트에 의한 추진에는 로켓 추진과 덕트 추진의 2종류가 있지만 일반적으로 제트엔진과 로켓엔진으로 구별하는 경우도 있습니다. 로켓 추진은 연료와 연소제를 갖추고 이것을 연소실에서 연소시켜 얻어진 고온 고압의 가스를 분출시켜 그 반동으로 추진합니다. 따라서 공기가 없는 대기권 밖에서도 추진이 가능합니다. 덕트 추진은 공기를 앞쪽에서 빨아들여 이를 압축하고 연소실에서 연료와 함께 연소시켜 고열 가스를 급속하게 뒤쪽으로 분출시킴으로써 그 반동으로 추진합니다. 증기터빈은 증기가 가진 열에너지를 동력으로 변환하는 열원동기로서 그 형식은 여러 가지입니다. 충동형 터빈으로는 드라발터빈·커티스터빈·쵤리터빈 등이 있고, 반동형 터빈으로는 파슨스터빈·융그스트름터빈 등이 있습니다. 오늘날에는 원자력을 동력으로 하여 이들의 터빈을 사용해서 선박 등의 추진용, 일반산업용으로 사용합니다.
배기터빈 과급기 (TURBO CHARGER)
배기터빈 과급기는 터보는 터빈, 차저는 채워넣는 물건을 뜻하며 배기가스의 에너지로 배기 터빈을 돌리면 이것에 직결된 컴프레서로 엔진에 공기를 밀어넣어 엔진 출력을 향상시키는 장치입니다.
캠축 (CAM SHAFT)
캠축은 엔진에서 여러 가지 밸브를 작동하는 캠들이 붙어 있는 축으로 크랭크 축과 체인, 벨트 등으로 연결되어 구동됩니다.
캠샤프트 (CAM SHAFT)
캠샤프트는 밸브를 개폐하는 캠에 붙어 있는 축, 사이클 기관에서는 크랭크샤프트의 1/2의 회전속도로 돌아갑니다. 캠샤프트에는 배전기나 연료펌프를 구동하는 기어나 캠이 붙어있습니다. 캠축의 장치 위치에 따라서 OHC(OVER HEAD CAM SHAFT)등 엔진 형식을 나타낼 때도 있습니다.
더블 오버헤드 캠샤프트 (DOUBLE OVER HEAD CAM SHAFT)
더블 오버헤드 캠샤프트는 실린더 헤드에 캠축이 2개 붙어 있는 뜻. 트윈 캠 이라고 하기도 합니다. 캠축이 2개 있기 때문에 흡기밸브와 배기밸브를 각각 직접 캠으로 개폐할 수 있으며, 싱글 오버헤드 캠샤프트(SINGLE OVER HEAD CAM SHAFT)와 비교하여 밸브 작동을 위한 왕복 운동량이 적어지고 고성능을 바랄 수 있는 메카니즘입니다.
엔진 캠샤프트 (ENGINE CAM SHAFT)
엔진 캠샤프트는 흡배기 밸브를 개폐하기 위한 캠이 설치되어 있는 축으로 흡배기 밸브는 크랭크 샤프트가 2회전하는 사이에 각각1회씩 개폐하므로 크랭크 샤프트의 1/2속도로 회전합니다.
배리오캠 플러스 (VARIO CAM PLUS)
배리오캠 플러스는 포르쉐의 가변식 캠샤프트(CAM SHAFT) 장치입니다. 0도에서 40도까지 흡기 밸브 타이밍을 조절할 수 있는 배리오캠 플러스는 출력과 성능을 최적화할 뿐 아니라, 연료절감 효과 및 유해배기가스도 줄여주며 부드럽게 작동합니다.
트윈 터보 엔진 (TWIN TURBO ENGINE)
트윈 터보 엔진은 터보는 터빈, 차저는 채워넣는 물건을 뜻하며 배기가스의 에너지로 배기 터빈을 돌리면 이것에 직결된 컴프레서로 엔진에 공기를 밀어넣어 엔진 출력을 향상시키는 장치로 터보가 두개 달린 엔진입니다.
에어크리너 (AIR CLEANER)
에어크리너는 오염된 공기를 정화하여 신선한 공기로 바꾸는 장치입니다. 에어크리너는 엔진에서 연료를 연소 시키려면 산소(공기)가 필요합니다. 그런데 공기속에는 먼지등 다량의 불순물이 포함되어 있어 이것을 직접 실린더 속으로 흡입 시킬 경우 엔진의 실린더, 피스톤등을 마모시키게 됩니다. 이에 따라 공기를 정화 시킬 수 있는 장치를 설치하여 공기 속의 불순물을 제거하도록 해주는 장치가 있는데 이것이 에어크리너입니다. 에어크리너는 오염된 공기를 팬으로 흡입하고 필터에 의해 0.01μm정도까지의 미세한 먼지나 세균류를 집진하여 체취나 담배냄새를 탈취합니다. 또 오염 때문에 감소된 음이온을 이온발생기에 의해 회복시킵니다. 필터에는 몰트프렌이나 유리섬유를 사용해서 집진하는 기계식 필터, 유리섬유와 셀룰로오스 섬유를 사용해서 미립자를 집진하는 고성능 필터 및 활성탄을 사용한 탈취필터의 3종류가 있습니다. 또 이들 필터에 첨가하여 먼지를 고압방전에 의해 대전시켜서 집진하는 전기 집진장치가 함께 사용되기도 합니다. 자동차의 공기청정기는 기관에 흡입되는 공기 속의 먼지나 토사를 제거함으로써 실린더의 마모를 방지하고, 또 공기가 실린더 내로 흡입될 때 일어나는 소음을 방지하는 역할을 합니다. 습식과 건식의 2종류가 있습니다. 습식은 청정기 바닥에 기름이 들어 있어, 흡입된 공기가 이 유면에 충돌하여 방향을 바꿀 때 먼지 등을 제거합니다. 정화효율은 85∼95% 정도입니다. 건식은 여과지 또는 여과포를 여과재로 사용한 것으로, 청정기 내에는 8메시 정도의 철망이 봉입되어 있습니다. 이 철망은 먼지 등의 제거와 역화에 의해 일어나는 화재의 방지를 겸하고 있습니다. 일반적으로 대형기관에는 습식이, 소형기관에는 건식이 사용됩니다. 정화효과는 98%로 높으나, 먼지의 부착에 의한 저항의 증가가 크기 때문에 정기적으로 청소를 해야 합니다. 먼지의 농도가 특히 높을 때는 사이클론식 분리기를 프리클리너(PRECLEANER)로 이용하여 습식 또는 건식과 조합한 것도 이용되고 있습니다.
리어엔진 (REAR ENGINE)
리어엔진은 뒤쪽에 엔진을 장치한 자동차의 한 형식입니다. 자동차의 가장 일반적인 형식은 앞에 엔진을 설치하고 뒷바퀴를 회전시켜 주행하는 것입니다. 그러나 뒤쪽에 엔진을 설치하는 것이 공간을 활용하는 면에서 유리하므로, 소형 승용차의 일부와 대형버스의 대부분은 이 형식을 택하고 있습니다. 이 형식은 엔진과 구동축이 가까우므로 긴 프로펠러 샤프트가 필요 없으며, 출력의 손실이 적고, 또 바닥을 낮게 할 수가 있습니다. 다만 뒤쪽이 무거워지기 때문에 조종성이 프런트 엔진 차와는 조금 다릅니다. 소형 승용차에 앞바퀴 구동이 보급되어 리어엔진은 적어지고 있습니다.
타이밍벨트 (TIMING BELT)
타이밍벨트는 크랭크축에 장착된 타이밍기어와 캠축에 장착된 타이밍기어를 연결해 캠축을 회전시키는 역할을 하는 벨트입니다. 타이밍벨트는 크랭크 샤프트에 장착되어 있는 타이밍 기어와 캠 샤프트의 타이밍 기어를 연결하는 벨트로서 오일 펌프 등 보조기기의 구동에도 사용됩니다. 타이밍벨트는 기어와 맞물리는 톱니가 있어 이붙임벨트 또는 코그벨트라고도 합니다. 엔진에서 가장 중요한 부품 가운데 하나로, 크랭크축에 장착된 타이밍기어와 캠축에 장착된 타이밍기어를 연결해 주는 벨트입니다. 엔진에 흡입되는 공기와 연료의 혼합기가 연소할 때 배기가스의 흡입·배기가 제대로 이루어지도록 크랭크축의 회전에 따라 일정한 각도를 유지하며, 밸브의 열림과 닫힘을 가능하게 하는 캠축을 회전시키는 역할을 합니다. 그밖에 오일펌프와 같은 보조기기를 구동할 때도 이용됩니다. 종류는 고무벨트가 가장 많고, 쇠로 만든 체인·기어 형식도 있습니다. 고무로 만든 타이밍벨트는 거의 모든 일반 승용차량에 적용되고, 체인 형식과 기어 형식은 일부 차량에 적용되고 있습니다. 평균수명은 보통 주행거리 6만~10만㎞입니다. 벨트가 느슨해지면 점화 시기가 부정확해지고, 엔진 출력이 저하됩니다. 또 끊어질 경우에는 시동이 꺼져 운행이 불가능하고, 실린더 헤드가 손상되는 따위의 여러 위험이 생기게 됩니다. 특히, 운행 중에 벨트가 끊어질 경우에는 응급조치도 불가능하기 때문에 주행거리가 6만㎞를 넘으면, 특별한 변화가 없더라도 교환해 주거나 정비를 받는 것이 좋다. 이 벨트를 교환할 때는 워터펌프를 비롯해 각종 벨트도 함께 교환하는 것이 좋은데, 사용 수명이 비슷하기 때문입니다. 벨트가 끊어졌는지를 확인하려면, 타이밍벨트의 커버를 연 뒤, 스타터 모터가 회전할 때 캠축 기어가 같이 도는지 돌지 않는지를 보면 됩니다. 같이 돌면 끊어지지 않은 것입니다.
타이밍체인 (TIMING CHAIN)
타이밍체인은 랭크축의 타이밍기어와 캠축의 타이밍기어를 연결해 캠축을 회전시키는 역할을 하는 체인입니다. 자동차 엔진의 동력 전달 방식은 크게 벨트 타입과 기어물림 타입, 그리고 체인 타입이 있는데, 이 가운데 가장 최근에 등장한 방식이 바로 체인 방식입니다. 즉, 타이밍체인은 크랭크축이 캠축을 구동할 때 체인을 사용해 동력을 전달하는 방식을 말합니다. 타이밍벨트와 다른 점은 고무를 재질로 사용하는 것이 아니라, 체인을 사용한다는 점입니다. 체인 종류는 사일런트 체인과 롤러 체인이 있습니다. 타이밍벨트의 경우 7만~8만㎞를 주행하면 고무가 마모되기 때문에 교체해 주어야 하지만, 타이밍체인은 폐차할 때까지 거의 교체할 필요가 없어 반영구적입니다. 따라서 정비 비용이 적게 들고, 엔진오일로 윤활하기 때문에 소음도 거의 없는 것이 장점입니다. 유럽 등지에서 고급차용으로 인기를 끌고 있으며, 한국에서도 타이밍체인을 적용하는 차량이 늘어나고 있는 추세입니다.
팬 벨트 (FAN BELT)
팬 벨트는 보통 이음이 없는 V벨트를 사용하며, 크랭크샤프트의 회전을 팬 풀리(FAN PULLEY)와 발전기 풀리에 전달하고 냉각팬을 회전시킵니다. 벨트의 장력이 너무 팽팽하면 베어링 등의 마모가 쉽게 되고, 너무 헐거우면 벨트가 미끄러져 라디에이터의 냉각 능력이 저하되고 기관의 과열의 원인이 됩니다.
연료와 배기가스의 흐름
엔진을 돌리는 연료는 연료 펌프로 빨려 나와서 카뷰레터로 보내지며 공기와 섞여 가스 상태가 됩니다. 이 가솔린을 실린더 안으로 보내어 점화하면 폭발하여 움직이는 힘이 얻어집니다. 가솔린과 공기는 엔진에 들어가기 전에 먼지를 없애는 에어클리너와 스트레이너로 깨끗이 되어 있습니다. 연소한 뒤의 배기가스는 익조오스트파이프로 밀려나와 머플러(소음기)에서 배기음을 작게 하여 배출됩니다. 요즘의 차는 이 배기가스를 무해가스로 하는 저공해 장치가 붙어 있습니다. 자동차의 엔진에는 가솔린,디젤,전기모터 등이 있지만 승용차에는 주로 가솔린 엔진, 버스와 트럭에는 디젤 엔진이 쓰이고 있습니다. 가솔린이나 경유를 엔진 속에서 폭발시켜 그 힘을 이용하여 달립니다. 가장 많이 쓰이고 있는 엔진은 실린더(기통) 안을 피스톤이 왔다 갔다 하여 그 왕복 운동을 크랭크샤프트에서 회전운동으로 바꾸는 왕복형(레시프로) 엔진입니다. 로터리엔진과 가스터빈엔진은 가스의 폭발을 그대로 회전력으로써 이용하는 엔진입니다. 또한 배기가스를 깨끗이 하기 위한 장치도 연구되고 있습니다.
엔진의 종류와 성립
자동차의 엔진에는 주로 4스트로우크 엔진과 2스트로우크 엔진이 있습니다. 4스트로우크는 대형차, 중형차에 많고, 2스트로우크 엔진은 소형차에 많습니다. 가스터빈엔진은 트랙터와 같은 특수한 자동차에 맞습니다. 어느 엔진이나 연료를 엔진 내부에서 태우는 내연기관입니다. 엔진은 연소장치, 냉각장치(라디에어터), 발전장치(배터리), 배기장치 등을 짝지워서 비로소 운전할 수 있는 구조로 되어 있습니다. 이러한 장치를 엔진의 본체에 대해 보조기라고 합니다. 엔진은 엔진 본체와 이들 보조기로 이루어져 있습니다.