내연기관은 피스톤이 실린더 내에서 흡입, 압축, 팽창, 배기 행정순으로 싸이클을 반복하면서 일을 계속한다. 왕복형 내연기관은 싸이클 동작에 의해 분류하면 4싸이클 기관과 2싸이클 기관이 있고, 연소방법에 의해 분류하면 가솔린 기관과 디젤기관이 있다. 내연기관의 작동 원리를 설명하기 전에 간단한 용어를 설명한다. [그림 1]은 내연기관의 용어를 기호로 표시한 것이다.
그림 1. 내연기관의 용어
1. 상사점
상사점 (Top Dead Center, TDC)은 실린더에서 피스톤이 실린더 헤드와 가장 가까이 있을 때 피스톤이 있는 곳의 위치이다. 피스톤은 실린더 내에서 왕복운동을 할 때 일정한 속도로 움직인다. 이 속도는 피스톤이 실린더의 중앙에 있을 때 가장 빠르고 실린더 헤드와 가까워지면 늦어지고 상사점에서는 "0"이다. 피스톤의 속도가 실린더 헤드와 가까운 점에서 "0"이라 하여 상사점이다. 피스톤이 상사점에 있을 때 크랭크축 암은 실린더 축방향으로 수직이 된다. 이 점을 지나면 크랭크축 암은 실린더 축방향에서 어떤 각도를 이룬다.
2. 하사점
하사점 (Bottom Dead Center , BDC)은 피스톤이 실린더 헤드와 가장 멀리 떨어져 있을 때, 즉 실린더 아랫부분에 있을 때 피스톤이 있는 곳의 위치이다. 피스톤의 속도는 하사점에서 "0"이다. 피스톤의 속도가 실린더 아랫부분에서 "0"이라 하여 하사점이라 한다. 피스톤이 하사점에 있을 때 크랭크축 암은 실린더 축방향과 수직이 된다. 이 점을 지나면 크랭크축 암은 실린더 축방향과 어떤 각도를 이룬다. 피스톤이 상사점과 하사점에 있을 때 피스톤의 속도는 "0"이다. 피스톤의 속도가 "0"이라 하여 양자를 사점 (Dead Center)이라 한다.
3. 행 정
행정 (Stroke, S)은 피스톤이 하사점에서 상사점까지의 이동 거리로서 1행정이라 한다. 물론, 피스톤은 상사점에서 하사점까지 이동 거리고 1행정이라 한다. 그러므로 피스톤이 하사점에서 상사점을 거쳐 다시 하사점까지 이동하면 2행정하는 것이고, 이것을 1왕복이라 한다. 피스톤이 1행정할 때 크랭크축은 180° 회전한다. 피스톤이 1왕복하면 크랭크축은 360°로 회전한다. 그러므로 2행정 싸이클 기관은 1싸이클하는데 크랭크 축이 360° 회전, 즉 1회전하고 4행정 싸이클 기관은 1싸이클하는데 크랭크축이 720° 회전, 즉 2회전한다.
4. 간극체적
간극체적 (Clearance Volume, Vc)은 피스톤이 상사점에 있을 때 피스톤 헤드와 실린더 헤드 사이의 체적이다. 피스톤 헤드의 구조가 불규칙하므로 간극체적을 이론적으로 계산하기는 어렵고, 메스 실린더로 액체를 채워서 그 체적을 측정한다. 이론적으로 간극체적은 연소실 체적이다. 그러나 실제기관에서 연소실 체적은 가솔린 기관에서는 점화시키는 시기의 체적이고, 디젤기관의 연소실 체적은 연료가 분사되는 순간의 체적이다. 점화나 연료분사는 상사점 전에 실시하기 때문에 연소실 체적은 간극체적보다 크다. 그러나 이론적으로는 간극체적과 연소실 체적이 같다.
5. 행정체적
행정체적 (Stroke Volume : Vs)은 실린더에서 상사점과 하사점 사이의 체적이다. 실린더 지름을 dcm, 실린더의 반지름을 rcm라고 하면 실린더 단면적 A = (π ÷ 2)d2 = π.r2㎠이다. 행정체적은 실린더의 단면적에 행정을 곱한 것이다. 체적의 단위에서 1㎤ = 1cc = 10-3ℓ이므로 행정체적을 cc나 ℓ로 나타낸다. 행정체적 (Vs)을 식으로 표시하면 다음과 같다. 실린더 단면적 A㎠, 행정 S㎝ 이다.
Vs = A.S㎤ = (π ÷ 4)d2.S㎤ = π.r2.S㎤(cc)
6. 총체적
총체적 (Total Volume, V)은 다 실린더 기관에서 각 실린더의 행정체적을 합한 것이고, 단실린더 기관에서는 행정체적의 총체적이다. 총체적을 자동차 기관에서는 총배기량이라 한다. 총배기량은 cc나 ℓ로 표시한다. 다 실린더 기관에서 실린더 수가 Z개라고 하면 총체적을 식으로 표시할 때 다음과 같다.
V = A.S.Z = (π ÷ 4)d2.S.Z = π.r2..S.Z㎤(cc)
7. 실린더 체적
실린더 체적 (Cylinder Volume)은 실린더에서 간극체적과 행정체적의 합이다. 실린더 체적은 실린더 수 1개를 기준으로 나타낸 것으로 식으로 표시하면 다음과 같다.
실린더 체적 = Vs + Vc㎤ (cc)
8. 압축비
압축비 (Compression Ratio, ε)는 피스톤이 혼합기나 공기를 압축하는 비율이다. 즉, 실린더 내로 흡입되는 공기량을 얼마나 축소시키는지의 비를 나타낸 것이다. 압축비는 기관성능에 커다란 영향을 미치고 효율에 관계된다. 압축비는 기관을 설계할 때 결정되고 실험용 기관을 제외하고는 운전 중에 변경할 수 없다. 압축비를 식으로 표시하면 다음과 같고 단위는 없다.
ε = (Vs + Vc) ÷ Vc = 1 + (Vs ÷Vc)
Vs = V ÷ Z