자동차공학)가솔린 엔진 (크랭크축 구동 기구)

가솔린 엔진에서 크랭크축 구동 기구에 대하여 알아보자. 엔진의 운동부품 중 크랭크축 구동기구에는 피스톤, 피스톤링, 피스톤핀, 커넥팅 로드, 크랭크 축, 사일런트 축, 플라이 휠 등이 있다.

 

1. 피스톤

2. 피스톤 링

3. 피스톤 핀

4. 커넥팅 로드

5. 크랭크 축

6. 크랭크 축 베어링

7. 사일런트 축

8. 플라이 휠

 

1. 피스톤

피스톤(piston)은 상면이 고온 고압의 연소가스와 직접 접촉하고 있고 측면은 실린더 벽면에 접촉하면서 고속으로 왕복운동을 한다. 이 때문에 피스톤의 재질은 가볍고 열전도성이 좋은 알루미늄 합금으로 만들고 있다. 피스톤은 피스톤 헤드 부, 링 부, 핀 보스 부, 스커트 부로 이루어져 있다. 링 부분은 압축링 2개와 오일 링 1개의 피스톤 링이 끼워지는 링 홈(ring groove)과 링 사이의 랜드(land)로 이루어지고, 핀 보스(pin boss) 부분은 피스톤 중앙에 커넥팅 로드와 연결할 피스톤 핀이 끼우지는 부분으로서 보스에는 피스톤 핀 베어링이 끼워진다. 피스톤의 지름은 알루미늄 합금의 열팽창율이 실린더의 재질인 주철보다 약 2배 정도인 점을 고려하여 설계하고 있다. 더욱이 피스톤 헤드부는 고온의 연소가스에 직접 노출되어 있고, 반대로 하단부는 보다 저온이므로 이에  대한 열팽창의 차이도 고려하여 설계된다.

 

2. 피스톤 링

피스톤 링(piston ring)에는 압축 링과 오일 링이 있다. 압축 링은 압축행정이나 폭발행정시에 연소실 내의 기밀을 유지하여 연소가스가 크랭크 케이스로 새는 것을 막고, 또 피스톤이 받는 열을 실린더 벽으로 전달하는 역할을 한다. 오일 링은 실린더 벽면에 있는 오일을 긁어 내려, 오일이 연소실 내로 들어가는 것을 방지하는 역할을 한다. 피스톤 링은 실린더 벽면에 균일한 압력으로 밀착되도록 피스톤 지름보다 약간 크게 설계되어 있으며, 마찰면은 연마 또는 다듬질을 하고 그위에 크롬(Cr) 피막을 입혀 내마모성을 높이고 있다. 재질은 일반적으로 규소(Si) 2.4~2.5%, 망간(Mg) 0.3~0.5%, 탄소(C) 3.4~3.5% 를 함유한 특수 주철이 사용되며, 이것은 고온하에서 탄력을 잃지 않고 마모가 적은 특성을 가지고 있다.

 

3. 피스톤 핀

피스톤 핀(piston pin)은 피스톤과 컨넥팅 로드를 연결하는 원통형의 핀으로서 피스톤이 받는 큰 힘을 커넥팅 로드를 통하여 크랭크 축으로 전달하는 역할을 한다. 피스톤 핀은 설치방법에 따라 고정식, 반부동식, 전부동식이 있으나 현재는 전부동식(full floating type)이 적용되고 있다. 이것은 피스톤 핀이 피스톤이나 커넥팅 로드 어느쪽에도 고정되지 않고 자유로이 회전할 수 있도록 고려한 것이다. 이 때 핀이 빠지지 않도록 양쪽의 보스 부분에는 홈을 설치하여 스냅 링(snap ring)을 끼우게 되어 있다. 따라서 피스톤 핀은 경량, 내모마성, 고강도를 요구하고 있어, 가운데가 비어 있는 중공의 탄소 표면 경화 니켈 강이나 니켈-크롬(Cr)강이 주로 사용되고 있다.

 

4. 커넥팅 로드

커넥팅 로드(connecting rod)는 피스톤과 크랭크 축을 연결하는 봉이다. 커넥팅 로드의 양끝은 피스톤 핀과 결합될 부분을 소단부(small end), 크랭크 축과 연결될 부분을 대단부(big end)라 한다. 대단부는 2부분으로 분할되어 있고, 그 사이에 커넥팅 로드 베어링을 넣어 볼트로 체결하도록 되어 있다. 커넥팅 로드는 항상 압축, 인장, 휨 등의 하중을 반복적으로 받기 떄문에 이에 충분히 견딜 수 있는 강도가 필요하다. 따라서 강도가 우수한 니켈-크롬강, 크롬-몰리브덴강 등 특수강으로 형 단조(forging)로서 제작되지만 기계적 강도를 크게하고 무게를 가볍게 하기 위하여 축 부분은 I형 단면으로 제작되고 있다. 커넥팅 로드의 축 내부에서는 대단부에서 소단부로 통하는 오일 구멍이 설치되어 있다. 이것은 피스톤이 상사점에 도달하였을 때 크랭크 축의 오일 구멍과 연결되어 오일은 크랭크 축 - 대단부 - 소단부 - 실린더 벽면 순으로 압송되어 각 부의 윤활을 행하도록 되어 있다.

 

5. 크랭크 축

크랭크 축(crank shaft)은 엔진의 척추가 되는 중요한 부분으로 일반적으로 크랭크 저널, 크랭크 암, 크랭크 핀으로 구성되어 있다. 크랭크 축은 큰 하중을 받으면서 고속회전을 하므로 회전의 밸런스를 유지하기 위하여 크랭크 암에 밸런스 웨이트가 일체 또는 별도로 제작하여 볼트로 체결되어 있으며, 회전하는 중심선상에 크랭크 주축이 있고 이 부분을 크랭크 저널이 지지하고 있다. 크랭크 축은 커넥팅 로드의 대단부와 크랭크 핀에 의하여 체결되어 있고, 크랭크 저널부와 크랭크 핀의 윤활작용을 위하여 오일이 순환할 수 있는 오일 통로가 가공되어 있다. 밸런스 웨이트(평형추, balance weight)는 크랭크 암과 크랭크 핀의 중량의 불균형을 바로잡아 엔진의 작동 중 크랭크 축의 진동을 방지하고 회전력의 평형을 유지하기 위하여 사용된다. 평형추는 크랭크 축의 반대쪽에 위치한다. 크랭크 축의 모양은 실린더 수, 실린더 배열, 크랭크 저널 수, 점화순서 등에 따라 다르나, 차량 전방쪽은 캠 축을 구동하기 위한 타이밍 기어, 워터 펌프, 발전기를 구동하는 크랭크 풀리가 장착되어 있고, 반대쪽은 플라이 휠을 장착하기 위한 플랜지가 있다. 예를 들어 V6엔진은 6스로 5웨이트 4베어링 구조의 크랭크 축을 사용한다. V6엔진은 토크 변동을 작게 하기 위해 등간격(120도) 폭발을 사용하고 있으므로 크랭크 축은 6스로(throw)가 된다. 스로는 행정의 의미로서 핀 수를 말한다. 따라서 6스로 5웨이트 4베어링이란 핀이 6개, 웨이트가 5개, 베어링이 4개의 구조를 갖는 크랭크 축이다.

 

6. 크랭크 축 베어링

크랭크 축 저널, 크랭크 핀 등은 마찰에 의한 마모를 최소화하기 위하여 크랭크 축 베어링(crank shaft bearing)을 사용하고 있다. 베어링 표면에 적당한 유막을 만들어 폭발·팽창 행정시 회전부분이 받는 큰 하중이나 충격을 흡수하여 접촉면의 마모나 출력의 손실을 줄이고 있다. 일반적으로 크랭크 축 저널 베어링(journal bearing)과 커넥팅 로드 대단부와 핀에는 분할형이 사용되며 재료에 따라 다음 3가지가 있다.

 

화이트 메탈(white metal) : 재질이 연하고 가공이 쉬우며 축과의 결합성과 윤활유의 흡착성이 양호하다. 이것은 연강 또는 청동제의 백 메탈(back metal) 내면에 주석(Sn), 안티몬(Sb), 구리(Cu), 아연(Zn) 등을 성분으로 한 합금을 융착시킨 다음 정밀하게 다듬질하여 사용한다. 주석계 화이트 메탈은 큰 하중을 견디며, 점성과 인성이 크고 열전도가 좋아서 고속 기관에 적합하다. 베빗 메탈(babbit metal)이라고도 한다.

 

캘밋 메탈(kelmet metal) : 동(Cu) 60~80%에 납(Pb)을 20~40% 혼합한 동연합금이다. 고하중(300kgf/cm^2), 고온도(250도)에 견디어 고성능 가솔린 엔진이나 디젤기관에 사용된다.

 

알루미늄 메탈(aluminium metal) : 알루미늄(Al)과 주석(Sn)이 주성분인 합금이며 베빗 메탈과 캘밋 메탈의 장점을 갖춘 매우 좋은 베어링이다.

 

7. 사일런트 축

사일런트 축(silent shaft)은 4실린더 엔진이 회전수의 2차 관성력을 저감하기 위하여 크랭크축의 양쪽 상부와 하부에 설치한 것으로 밸런스 축(balance shaft) 혹은 카운터 밸런스 축(counter balance shaft)이라고도 한다. 이것은 크랭크 축에 의해 구동되며, 크랭크 축의 2배의 속도로 크랭크 축의 회전 방향과는 반대로 돌면서 피스톤 상하 운동에 따른 상하 진동과 커넥팅 로드의 쏠림에 의한 횡 방향의 진동 등을 잘 조화시켜 없애주는 역할을 하는 언밸런스량을 가진 축이다. 사일런트 축은 직렬 4실린더 엔진에서 6실린더 이상의 정숙성을 얻을 수 있으므로 에너지 절약, 저진동을 위해 상용되고 있다.

 

8. 플라이 휠

 플라이 휠(fly wheel)은 크랭크 축의 후단에 볼트로 체결되는 주철제의 원판을 말한다. 4행정사이클에서 폭발·팽창 행정에 의해서만 크랭크 축에 회전력이 주어지고, 다른 행정(흡입, 압축, 배기)에서는 마찰손실과 흡·배기 작용을 위한 펌프손실 때문에 반대로 크랭크 축의 회전을 멈추려는 힘이 작용한다. 이 때문에 실린더수가 적은 기관은 저속회전을 할 수 없을 뿐만 아니라, 다 실린더 기고나에서도 축 토크가 일정하지 않아 운전이 부드럽게 할 수 없다. 따라서 플라이 휠의 역할은 4행정사이클 동안 축 토크를 평균화하여 회전을 원활하게 하기 위한 것으로 관성모멘트가 큰 바퀴이다. 일반적으로 플라이 휠의 뒷면은 클러치의 마찰면으로 이용되며 클러치 장치의 대부분이 장착되어 있다. 하이드로 플라이 휠(hydro fly wheel)은 플라이 휠을 2분할하여 그 사이에 스프링과 그리스 댐퍼를 설치하여 엔진의 토크 변동을 효과적으로 흡수하는 플라이 휠이다. 이것은 진동, 미소잡음, 실내 소음의 저감 및 저속 회전부터 매끄러운 가속과 저연비가 가능하다.