자동차, 엔진의 정의와 작동 (Part.1)

엔진의 정의와 작동

 엔진의 의미를 정의해 보겠습니다. 여러 가지 종류의 엔진이 있지만 결론적으로 엔진은 화력, 전력 등의 에너지를 기계적인 에너지로 변환시켜서 여러 장치를 작동시키는 기계 시스템입니다. 그리고 자동차에서의 엔진은 보통 내연기관 가솔린 엔진에 해당하는 경우가 많고, 이는 가솔린을 연소시켜 기계적인 에너지 혹은 회전하는 기계에너지로 바꾸어 자동차를 작동시키는 역할을 합니다.  정확히는 가솔린 엔진에 가솔린과 공기가 같이 들어가 폭발하여 수증기와 뜨거운 공기가 생기면서 엔진을 작동시키고 연소된 공기는 나가게 됩니다. 이것을 흔히 우리가 많이 들어본 흡입, 압축, 팽창, 배기라는 과정입니다.

 

 위와 같이 열을 기계적인 에너지로 변환할 때에는 유체가 관여하여 힘을 발생시킵니다. 이러한 이유 때문에 에너지 손실이 발생하고, 반대로 브레이크의 경우에는 기계에너지를 열에너지로 변환하기 때문에 제동력을 발생시키면서 일어나는 에너지 손실은 미미합니다.

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흡입, 압축, 팽창, 배기의 과정

 그렇다면 엔진의 작동 방식을 설명할 때 자주 들을 수 있는 흡입, 압축, 팽창, 배기의 단어로 엔진의 작동을 자세하게 설명드리겠습니다. 모든 엔진이 이 같은 과정을 거쳐 작동하는 것이 아니고 주로 4사이클을 가진 가솔린 엔진에서 이와 같은 과정을 거쳐 작동합니다. 

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1. 흡입 행정

 흡입 행정은 흡기 밸브가 열려있을 때, 피스톤이 상사점(위쪽)에서 하사점(아래쪽)을 향해 이동하면서 흡기구로부터 가솔린과 공기가 합쳐진 혼합기가 들어오면서 작동합니다. 이때 흡기 밸브는 피스톤이 상사점에 도달하기 직전에 열리기 때문에 이전 행정에서 이루어지고 남은 연소가스가 배기밸브에서 계속 유출되는 관성력에 의해 흡기구에서 혼합기를 더 끌어들이는 현상이 일어납니다. 그러고 나서 흡기 밸브는 피스톤이 하사점에서 다시 상사점으로 올라가기 시작하고 난 직 후에 닫힙니다. 이로 인해 충분한 혼합기가 엔진 실린더 내부로 들어올 수 있게끔 합니다.

 

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2. 압축 행정

 압축 행정은 실린더에 흡입된 혼합기가 피스톤이 하사점 쪽에서 상사점 쪽으로 향해갈 때 압력에 의해 온도가 상승하여 가솔린이 연소되기 쉬운 상태로 만드는 과정입니다. 흡입 밸브가 닫힌 시점부터 압축행정이 시작되고 이후 팽창행정에서 연소되기 전에 최대압력을 만들어 점화 직전까지 가는 과정이기도 합니다.

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3. 팽창 행정

 팽창 행정은 실린더 내의 압력이 최대 압력 지점에서 연소시키기 위해 피스톤 위치가 상사점 직전에 엔진에 장착된 스파크 플러그로 점화를 시켜 엔진을 실질적으로 작동하는 과정입니다. 상사점 직전에 연소시키는 이유는 혼합기가 연소된 순간에 한 번에 연소되지 않기 때문에 짧은 시간 동안 점진적으로 압력이 높아지기 때문에 최대 압력 지점쯤에서 혼합기가 모두 연소되도록 하는 것입니다. 이것의 시점에 따라 엔진의 효율이 결정되기도 합니다.

 

 이때 가솔린이 연소되는 시간은 짧은 시간 내에 이루어져야 하는데, 피스톤이 하사점으로 근접했을 때도 연소가 이루어지고 있다면 효율적인 측면에서 단점이 될 수 있기 때문입니다.

 

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4. 배기 행정

 마지막으로 배기 행정입니다. 배기 행정은 배기 밸브가 열린 상태에서 피스톤이 하사점에서 상사점을 향해 이동할 때 혼합기를 태운 가스를 배기구로 밀어내는 과정입니다. 배기 밸브는 보통 하사점에 도달하기 직전에 열러 가스를 배출하여 엔진의 효율을 좋게 만듭니다. 이때 배출되는 가스의 관성력을 통해 자연스럽게 피스톤이 상사점을 향해 움직이며 다시 흡입 행정으로 돌아가 엔진을 작동하게 만듭니다.

 

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 이렇게 각각의 행정이 진행될 때 일어나는 상황에 대해서 설명드렸습니다. 이외에도 엔진의 다른 많은 부품들이 유기적으로 작동하여 자동차가 주행하게끔 하기 때문에 이 설명은 엔진에 있어서 아주 기본적인 내용이라고 할 수 있습니다.

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가솔린 엔진의 미래

최근 전기차가 많아지면서 가솔린 엔진을 사용하는 차량이 줄어들고 있지만, 엔진은 자동차뿐만 아니라 다양한 산업 분야에 쓰이고 있는 만큼 중요한 기술입니다. 하지만 가솔린 엔진에서 가솔린을 연소시키면서 나오는 환경오염물질이 많은 만큼 이런 오염요소를 없애기 위해 적절한 사용이 필요하다고 생각합니다.

 

감사합니다.