자동차공학)가솔린 엔진 (실린더 헤드)

가솔린 엔진은 작동방식, 실린더 배열, 냉각방식, 연료공급방식 등에 따라 각기 다른 구조를 취하고 있으나 기본적인 구조는 거의 동일하다. 현재 승용차용 가솔린 엔진으로서는 4행정사이클 수냉식 엔진이 가장 많이 사용되고 있다. 배기량은 대체로 5,000cc 이하이고 그중에서도 2,000cc 이하가 거의 대부분을 차지하고 있다. 2행정사이클 가솔린 엔진은 무부하시 부정연소에 의한 진동과 유해 가스가 많이 배출되어 배출가스 규제를 맞출 수 없어 현재는 주로 2륜차(오토바이)에 사용되고 있다. 엔진은 자동차의 동력을 발생하는 장치로서 구조상 엔진 본체 및 부속 장치로 나눌 수 있다. 엔진 본체는 실린더 헤드, 블록 등의 정지부품과 크랭크축, 밸브 구동기구 등의 운동부품으로 이루어져 있다. 부속장치는 엔진의 성능을 충분히 발휘할 수 있도록 설치된 장치로서 연료공급장치, 윤활장치, 흡·배기장치, 냉각장치, 점화장치, 전기장치가 있으며 이 외에 배출가스 정화장치 등이 있다. 최근 가솔린 엔진은 모두 전자제어시스템을 채용하여 연비성능, 출력성능, 유해배출성능 등을 향상 시키고 있다. 가솔린 엔진 중 엔진 본체에 대하여 알아보자. 엔진 본체는 정지 부품과 운동부품으로 나눌 수 있다. 정지부품으로는 실린더 헤드, 헤드 커버, 실린더 블록, 크랭크 케이스 등이 있으며 운동부품으로는 크랭크축 구동기구와 밸브기구가 있다.

1. 실린더 헤드
2. 실런드 블록
3. 실린더 라이너
4. 크랭크 케이스
5. 실린더 헤드 개스킷
 
1. 실린더 헤드

실린더 헤드 : 실린더 블록 위를 덮는 뚜껑모양의 부분으로 밑면은 실린더 블록, 피스톤 헤드와 함께 연소실을 형성한다. 따라서 실린더 헤드는 고온·고압의 연소가스에 직접 노출되기 때문에 재질은 냉각효과가 큰 알루미늄 합금이 많이 사용되고 있다. 실린더 헤드에는 흡·배기 매니폴더, 밸브기구, 점화플러스가 설치될 구멍과 실린더 블록과 체결할 볼트구멍 및 냉각수가 통과하는 워터 재킷이 설계되어 있다. 더욱이 오버 헤드 캠(OHC)식에서는 실린더 헤드의 윗 부분이 캠 축의 베어링 역할을 하는 것도 있어 매우 복잡한 형상을 하고 있다. 알루미늄 합금제 헤드는 냉각효과가 크기 떄문에 압축비를 높일 수 있어 엔진의 출력을 향상시킬 수 있는 장점은 있으나 열 팽창이 크고 부식 및 내식성이 떨어지는 단점도 있기 때문에 흡·배기 밸브가 닫히는 밸브 시트부에는 내마모성의 밸브 시트(valve seat)가 끼워져 있다.
 
연소실 (combustion chamber) : 실린더 헤드의 밑면과 피스톤의 윗면으로 둘러싸인 공간으로서, 그 형상은 밸브의 배치형태나 개폐기구에 따라 다르게 된다. 현재 가솔린 엔진은 주로 오버헤드(OHV, OHC, DOHC 등)식이 채용되고 있어 이형식의 연소실에 대하여 설명한다. 오버헤드식 엔진은 흡기밸브와 배기밸브가 모두 연소실 상부(실린더 헤드 하면)에 부착되어 밸브기구가 복잡해지는 단점이 있으나 연소실이 컴팩트하고 흡기 밸브 면적을 크게 하여 충전효율을 높일 수 있고 압축비를 높일 수 있어 열효율이 좋은 장점이 있다. 연소실의 종류에는 피스톤 윗면이 피스톤 종류와 관계없이 평탄하므로 실린더 헤드의 밑면의 모양에 따라 구분한다.
 
1. 쇄기형(wedge type) : 이 형식은압축할 때 강한 외류(swirl)를 얻을 수 있고 요구 옥탄가가 나자 압축비를 크게 할 수 있다. 큰 밸브는 사용할 수 없으나, 실린더 헤드의 경사진 쪽에 흡·배기 구멍이 설계 되어 가스의 흐름이 좋고 점화플러그의 배치가 용이하다. 그러나 밸브 경사가 크기 때문에 직렬 실린더에서는 밸브 개폐기구의 배치가 곤란하다. 실린더 내경에 대한 행정비가 적은 오버스퀘어 V형 엔진에 많이 채용되고 있다.
 
2. 반구형(hemispherical type) : 이 형식은 구형을 절반으로 자른 형태이므로 연소실 체적당 표면적이 작고, 점화플러그를 중앙에 배치할 수 있어 화염전파거리도 균일하게 작아져 연소효율이 가장 좋다고 알려져 있다. 더욱이 이형식은 큰 밸브를 사용할 수 있고, 흡·배기 구멍의 모양이 원활하므로 고성능을 기대할 수 있으나, 압축 할 때 강한 와류를 얻을 수 없고 요구 옥탄가가 높다. 우리나라에서 생산되는 가솔린 엔진은 이 형식을 많이 채용하고 있다.
 
3. 욕조형(bathtub type) : 연소실이 서양식 욕조와 비슷한 형태이다. 이 형식은 푸시로드와 로커 암식 OHV형 엔진에 많이 채용되고 있으며, 어느 정도의 와류를 얻을 수 있고 요구옥탄가도 보통이며 점화플러그의 배치가 용이한 것 등의 장점이 있다. 그러나 밸브의 크기에 제한을 받고 흡·배기관의 곡률반지름이 작게 되므로 고성능을 기대할 수 없다. 쇄기형과 반구형의 중간적인 특성을 가지고 있다.
 
4. 다구형(4valve) : 이 형식은 실린더 헤드의 형상이 한 개 이상의 구형을 갖는 것으로서, 유동형상이 복잡한 스퀴시(squish, 분출류) 영역을 얻고자 설계된 형이다. 스퀴시 지역이란 연소실 내부에 형성된 틈새 부분으로서 스퀴시 영역이 많으면 피스톤 상승시에 이 틈에서 밀어내는 분출류가 혼합기를 더욱 교반하여 연소속도를 빠르게 하여 연소 효율을 향상시킨다.
 
5. 밴트 루프형(vent roof type) : DOHC 엔진 등에 적용되고 있는 연소실 형상으로서 S/V(연소실 표면적 / 연소실 체적)가 작고, 평면으로 구성되어 있기 때문에 제작하기 쉬우며, 스퀴시의 발생도 많은 특징을 가지고 있다. 다른 종류의 4밸브 엔진에서도 널리 이용되고 있다.
 

2. 실런드 블록

엔진의 골격이 되는 부분으로서, 피스톤 행정의 약 2배 길이의 4~8개의 원통형 실린더를 일체로 주조하여 만들어지고, 워터 재킷(water jacket)이 설계되어 있으며, 피스톤 접촉할 내면은 호닝(honing) 다듬질이 되어 있다. 재질은 니켈-크롬 주철이 가장 많이 사용되고 있다. 최근에는 엔진의 중량을 가볍게 하고 방열효과를 증가시키도록 하기 위하여 주철에 비해 비중이 약 1/3인 알루미늄 합금을 사용하여 주조 또는 다이캐스트로 제작한 실린더 블록도 사용되고 있다. 보아(bore)는 알루미늄을 경화시켜 그대로 사용한 것고 별도의 철 또는 주강 실린더 라이너를 주입한 것이 있다. 
 

3. 실린더 라이너

실린더 피스톤의 왕복운동에 따른 마찰과 마찰열에 의해 오래 사용하면 마모량이 많아진다. 특히 알루미늄제 실린더 블록은 주철로 만든 2~4mm 두꼐의 실린더 라이너를 끼우는 경우가 많다. 실린더 라이너에는 습식 라이너(wet liner)와 건식 라이너(dry liner) 두 가지가 있다.
 
건식라이너 : 냉각수와 직접 접촉하지 않는 라이너를 말한다. 초기에는 실린더가 마모한 경우에 수리 재생용으로 사용하였으나 최근에는 엔진을 제조할 때부터 끼워 넣는 경우가 있다.
 
습식라이너 : 실린더 내 원통부에 끼워지며 라이너 바깥 둘레는 직접 냉각수가 접촉하여 워터 재킷을 형성한다. 따라서 습식 라이터는 블록과 접촉하는 부분에 2~3개의 고무 링을 끼워 열팽창으로 인한 변형을 방지함과 동시에 냉각수가 크랭크 케이스로 새는 것을 방지한다.
 

4. 크랭크 케이스

크랭크 케이스(crank case)는 크랭크축을 둘러싸고 있는 방으로서, 실린더 블록의 하부와 오일 팬 상부의 두 부분으로 분할되어 있다. 일반적으로 크랭크 케이스의 윗부분은 실린더블록과 일체로 주조되어 있어 오일 팬 개스킷을 끼워 오일 팬과 볼트로 채결되어 있다. 크랭크 케이스는 엔진의 회전축인 크랭크축을 지지하고 보호하며 하부는 윤활유 받이인 오일 팬이 위치한다. 크랭크 케이스 앞면은 크랭크축을 연결하여 캠 축을 구동하는 타이밍 기어 또는 체인 스프로켓을 설치하는 구조로 되어 있다.
 

5. 실린더 헤드 개스킷

실린더 헤드 개스킷(gasket)은 실린더 블록과 실린더 헤드사이에 설치되어 압축가스와 냉각수의 누설을 방지하기 위해 사용되는 일종의 패킹(packing)이다. 개스킷은 접촉할 면사이에 끼워져 양쪽 면을 밀착시켜서 압축가스, 냉각수, 엔진 오일, 연소 가스, 연료 등이 누출되는 것을 방지하기 위하여 사용된다. 이것은 고온과 고압에 견딜 수 있도록 주로 강철판으로 제작한 스틸 개스킷이 사용되나 최근에는 동판이나 강철판에 석면을 감싸서 제작한 것과, 강철판의 양면에 흑연을 혼합한 석면을 압착하고 표면에 다시 흑연을 발라서 제작한 것이 많이 사용되고 있다. 개스킷은 실린더 헤드 이외에도 오일 팬, 흡기 매니폴드, 배기 매니폴드, 실린더 사이드 캡, 캠축 캡, 로커 암 커버, 워터펌프, 연료펌프 등 많은 곳에서 사용되고 있다.