자동차공학)자동차의 엔진 (엔진의 작동사이클)

1. 엔진 작동사이클

엔진의  작동사이클에 대하여 알아보자 엔진에서 동력을 얻기 위해서는 작동유체인 연료 공기 혼합기가 주기적인 변화를 하게 되는데 이것을 엔진의 작동사이클이라 한다.

 

1. 4행정사이클 가솔린 엔진

2. 2행정사이클 가솔린 엔진

3. 4행정사이클 디젤 엔진

4. 반켈 엔진

 

1. 4행정 사이클 가솔린 엔진

단 실린더 엔진 : 4행정사이클이란 흡입, 압축, 폭발, 배기과정이 각 1행정씩 총 4개 행정으로 1사이클을 이룬다는 의미이다. 따라서 동력(폭발, 팽창행정)을 1회 발생 시키기 위해서는 4개 행정을 해야 한다. 4행정사이클 기관은 1행정마다 크랭크 축이 1/2회전하므로 피스톤이 2번 회전하여 1사이클이 완료된다. 1개의 실린더에 대하여 이들 4가지 행정은 아래와 같다.

 

흡입 행정 : 흡기밸브가 열리고 배기밸브가 닫힌 상태에서 피스톤이 상사점에서 하사점까지 하강하면서 혼합기를 실린더 내로 흡입한다.

 

압축행정 : 흡기밸브와 배기밸브가 모두 닫힌 상태에서 피스톤이 하사점에서 상사점까지 상승하면서 혼합기를 압축하여 고온고압의 기체로 만든다.

 

폭발, 팽창행정 : 고온 고압의 혼합기가 점화플러그에 의해 점화되어 폭발하여 급격한 압력상승을 일으키고, 폭발압력에 의하여 피스톤을 상사점에서 하사점까지 하강시킨다. 이때 피스톤이 하강하면서 크랭크축을 회전시켜 축의 회전일을 발생시키므로, 이 행정을 동력행정이라고도 한다.

 

배기행정 : 배기밸브가 열리고 흡기밸브가 닫힌 상태에서 피스톤이 하사점에서 상사점까지 상승하면서 연소가스를 배출한다.

 

다 실린더 엔진 : 실린더가 4개 혹은 6개인 다 실린더 가솔린 엔진의 작동을 알아보자. 4실린더 엔진에서는 제 1실린더가 폭발, 팽창행정이면 다른 3개의 실린더는 각각 흡입, 압축, 배기 행정 중 어느 한가지씩 만을 행하게 된다. 따라서 전체적으로는 크랭크 축이 1/2(크랭크 각도 180도)할 때 마다 폭발, 팽창행정으로 동력을 발생하게 된다. 6실린더 엔진에서는 크랭크축이 1/3회전(크랭크 각도 120도)할 때마다 어느 1개이 실린더에서 폭발, 팽창행정이 일어나게 된다.

 

지압 선도 : 4행정사이클 가솔린 엔진에서 임의의 1개의 실린더 내의 압력을 지압계로 측정하여 실린더의 체적에 따라 압력을 나타낸 선도를 지압선도라 한다. 기본적으로는 이론적인 오토사이클(가솔린 엔진의 기본 사이클)의 지압 선도를 말한다. 흡입행정은 압력이하에서 피스톤이 상사점에서 하사점까지 이동하면서 연료 공기 혼합기를 흡입하는 과정이다. 압축행정에서 실린더 내의 혼합기는 점차 압축되어 압력은 상승한다. 압축된 혼합기는 일정 체적하에서 점화플러그에 의해 점화되어 폭발하여 연소 압력은 급상승한다. 이때부터 연소가사의 팽창이 시작되어 피스톤은 하사점까지 이동하여 압력은 저하되고, 배기밸브가 열리면 압력은 또 저하한다. 피스톤은 다시 상사점으로 이동하면서 연소가스를 실린더 밖으로 배출하면서 엔진의 1사이클의 작동을 완료한다.

 

2. 2행정사이클 가솔린 엔진

2행정사이클 엔진도 1 사이클은 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4과정으로 구성되어 있다. 그러나 4행정사이클과 달리 2행정으로 2사이클이 완료되어, 1회전할 때마다 1회의 동력(폭발, 팽창행정)이 발생하게 된다. 따라서 1행정에서 2과정씩 행하도록 되어 있다. 2행정사잌ㄹ 가솔린 엔진은 부정연소와 유해배출가스 문제때문에 주로 오토바이 엔진으로만 사용되고 있다.

 

구조 및 작동 : 2행정사이클 엔진은 흡기밸브와 배기밸브가 없고 단지 흡기구, 배기구, 소기구가 실린더 측면에 설치되어 있으며 또 연소실 외에 크랭크실이 있다. 흡기구, 배기구, 소기구는 피스톤의 상하 운동 시에 피스톤에 의해 열림과 닫힘을 반복하게 되어 있다. 엔진의 작동은 4사이클식과 마찬가지로 연료 공기 혼합기를 압축하여 폭발, 팽창과정은 동일하지만 흡입 및 배기과정이 다르다.

 

흡입과정 : 피스톤이 하사점에서부터 상승하기 시작하면 소기구와 배기구가 피스톤에 의해 닫혀지면서 밀폐된 상타의 하부의 크랭크실은 진공이 되고, 이 때 흡기구가 열리면서 혼합기가 크랭크실로 흡입되기 시작한다.

 

압축과정 ; 피스톤이 더욱 상승하면 실린더내의 혼합기는 압축이 되면서 이와 동시에 크랭크실에는 혼합기가 흡기구를 통해 계속 흡입된다.

 

폭발 팽창과정 : 실린더 내의 고온 고압으로 압축된 혼합기가 점화 플러그에 의해 점화되어 폭발하면 피스톤을 밀어내기 시작한다. 피스톤이 더욱 하강하면 흡기구는 닫히게 되면서 하부의 크랭크실 내의 혼합기는 압축된다.

 

배기 과정 : 피스톤이 하강하면 배기구가 열려 실린더내의 연소가스는 배출되기 시작한다. 피스톤이 더욱 하강하면 소기구도 열려 크랭크실 내의 압축된 혼합기는 실린더 내로 들어오면서 실린더 내에 남아 있는 연소가스를 밀어내 배출하면서 시린더를 채운다. 이것을 소기작용이라 한다.

 

3. 4행정사이클 디젤 엔진

4행정사이클 디젤 엔진은 4행정 사이클 가솔린 엔진과 마찬가지로 1사이클이 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4과정으로 구성되어 있다. 디젤 엔진은 공기만을 교축함이 없이 그대로 실린더 내로 흡입 압축하여 고온, 고압이 된 공기 중으로 연료를 분사하여 자기착화 정압 연소시킨다. 따라서 디젤엔진은 폭발행정만이 가솔린 엔진과 다르고 흡입, 압축, 배기 행정은 동일하다.

 

4. 반켈 엔진

반켈 엔진은 왕복형이 아닌 회전형 엔진(로터리 엔진)이지만 왕복형 엔진과 마찬가지로 흡입, 압축, 폭발, 배기 4과정으로 1사이클을 구성하고 있다. 그러나 반켈 엔진은 피스톤이 없어 피스톤과 같은 왕복 부분의 관성력에 의한 충격이 없으므로 대단히 정숙하고 원활한 작동을 한다.

 

구조 : 반켈 엔진은 로터 하우징, 로터, 편심축, 로터 사이드하우징으로 구성되 있다.

 

로터 하우징 : 왕복동 엔진의 실린더에 해당하는 것으로서 물자켓이 설치되어 있고, 장원형의 한쪽 외주면에는 흡입구와 배기구, 다른쪽 면에는 점화플러그가 장착되어 있다. 내부는 기초원과 전동원의 지름비가 2:1인 2절 에피사이크로이드 곡면으로 되어 있어 하우징 안에 로터를 끼우면 3개의 작동실이 형성된다. 3개의 작동실은 로터의 회전과 더불어 증감하여 그 속에 들어 있던 혼합기가 압축, 폭발, 팽창 등이 행하여진다.

 

로터 : 3각형의 형상으로 피스톤에 해당한다. 로터의 3개의 꼭지점은 아펙스 실이라 부르는 실편이 부착되어 있어 항상 로터 하우징 내면에 밀착되어 기밀을 유지하면서 유동하고 있다. 로터는 로터 베어링과 편심축의 로터 저널이 결합되어 편심축의 회전중심과의 사이에 편심량을 가지고 편심회전 운동을 한다.

 

편심축 : 크랭크 축에 해당한다. 편심축은 출력을 전달하는 회전축으로서 편심축의 로터 저널이 로터 내면에 끼워져 베어링에 의해 로터를 지지하고 있다. 로터 내측의 내부 기어는 사이드 하우징에 고정된 소기어(고정기어)와 서로 물려 있어, 로터는 주축의 주위를 공전하면서 자전한다. 로터의 내부에는 오일통로가 설치되어 오일로서 냉각시키고 있다. 로터 내의 오일량이 항상 일정하게 유지되지 않으면 진동의 원인이 되므로 잉여의 오일을 배출하기 위한 펌프형 원판을 내장하고 있다.

 

로터 사이드 하우징 : 로터 하우징의 측면을 밀폐하는 역할을 한다. 또한 내부에 고정기어가 붙어 있어 로터의 내부기어와 물려 로터의 움직임을 안내한다. 고정기어의 안쪽에는 주축 베어링이 끼워져 있어 편심축을 지지한다.

 

작동원리 

 

흡입행정 : 로터가 회전함에 따라 흡기구가 열려 있어 흡기, 압축, 팽창, 배기 과정에서 작동체적은 증가하여 혼합기의 흡입 입작용이 행하여 진다. 

 

압축행정 : 로터의 움직임에 따라 체적이 감소하여 최소체적이 되면서 압축 행정은 끝나게 된다. 이상태는 상사점에 해당한다.

 

폭발 팽창행정: 최소 체적의 상태에서 점화 플러그에 의해 점화하면 정적연소가 행하여진다. 팽창행정이 시작되고, 연소가스의 압력은 로터의 면에 균일하게 가해지지만 주축이 편심되어 있으므로 로터를 회전시키는 방향으로 분압이 생성되어 주축을 통하여 회전일이 발생하게 된다.

 

배기행정 : 아펙스가 배기구를 통과하면서 연소가스의 배출이 시작되고, 원래 상대로 돌아오면서 1사이클을 완료한다.