자동차 엔진

엔진은 자동차의 심장이라고 할 수 있다. 아무리 멋진 차라도 엔진이 없으면 자동차라고 할 수 없다. 엔진기술은 곧 자동차 회사의 기술수준으로 평가되므로 자동차 회사들은 성능 좋은 엔진 개발에 엄청난 노력을 기울인다. 한번 개발된 엔진은 여러 자동차에 사용하기 때문에 부가가치도 높다.

자동차 엔진의 원리는 밀폐된 공간에서 연료를 태워서 순간적으로 발생하는 엄청난 압력을 회전운동으로 변환하여 이용하는 것이다. 그 과정을 살펴보면 연료를 공기와 함께 연소실로 보내고 고압으로 압축한 후 폭발시킨다. 이 폭발을 통해 얻어지는 힘을 회전운동으로 전환시켜 구동축에 전달함으로써 동력을 발생시킨다. 연료와 공기의 흡입 및 압축과 폭발, 배기의 과정이 구동축이 1회전 하는 동안 이루어지는 것을 2행정이라 하며 구동축이 2회전하는 동안 이루어지는 것을 4행정이라고 한다. 4행정 엔진은 2행정에 비해 연비와 에너지 효율, 소음감소 등이 뛰어나 자동차 엔진은 대부분 이 방식을 채택하고 있다.

4행정 엔진 ⓒ

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4행정 엔진의 구조를 크게 살펴보면 실린더 헤드와 실린더 블록으로 구성되어 있다. 엔진의 윗부분에 해당하는 실린더 헤드에서는 연료와 공기를 주입하고 연소된 가스를 배출하는 관과 밸브가 있다. 실린더 블록에는 원통 모양의 실린더가 있는 데 바로 이곳에서 연료와 공기가 혼합된 가스가 압축되고 폭발하는 곳이다. 실린더 내의 피스톤은 주사기 내부의 고무처럼 실린더를 밀폐하고 있으면서 주사기 손잡이를 뒤로 빼었을 때 주사약을 주사기 안으로 넣듯이 공기와 연료를 실린더 내부로 끌어 당겨온다. 헤드에 있는 밸브를 모두 닫은 상태에서 피스톤으로 밀면 혼합된 가스가 압축되며 고압에서 폭발하면 피스톤이 밀려가면서 여기에 연결된 막대인 커넥팅 로드에 힘을 전달한다. 커넥팅 로드는 회전축인 크랭크축을 회전시켜 구동력이 발생한다. 연소가 끝난 배기가스는 주사기를 밀면 주사기 밖으로 주사약이 분출하듯이 피스톤이 밀어낸다.

엔진의 종류는 사용연료에 따라서 가솔린 엔진과 디젤 엔진으로 나누기도 한다. 가솔린 엔진은 휘발유를 사용하고 디젤 엔진은 경유를 사용한다. 연료뿐만 아니라 연소를 일으키는 방식에도 차이가 있는데 가솔린 엔진은 전기적으로 불꽃을 일으켜 폭발을 시키고 디젤 엔진은 높은 압력으로 압축하여 자연적으로 발화하여 폭발하는 방식이다. 따라서 디젤 엔진은 폭발력이 커서 힘이 좋으며 주로 무거운 화물을 운반하는 화물차나 버스 등에 주로 사용된다. 폭발력이 크므로 소음과 진동이 커지는 단점이 있지만 열효율이 가솔린 엔진보다 높아 연비가 좋다.

이외에도 엔진의 실린더의 용량을 합친 부피를 배기량이라고 하며 가솔린과 디젤 등의 사용 연료와 관계없이 부피단위인 cc로 표시하여 1500cc, 2000cc 등으로 표현한다. 또한 전체 실린더의 개수가 몇 개인가에 따라 4개면 4기통, 6개면 6기통이라고 한다. 최근에는 가솔린 엔진에서 연료를 흡기관으로 쏘지 않고 실린더에 직접 쏘는 방식이 있는데 이것을 직접분사 방식(GDI)라고 한다. 예를 들어 자동차 엔진이 “GDI 2.0 V6”라고 한다면 직접분사방식의 배기량 2,000cc인 V형으로 실린더가 배치된 6기통 엔진이라는 의미이다.

벤츠의 V6 엔진 ⓒ 위키백과

글 김동훈 현대자동차 연구개발 총괄본부 책임연구원