자동차 내연기관 엔진의 구조와 작동 원리

자동차의 엔진은 자동차를 움직이게 하는 핵심 부품이다. 오늘날 대부분의 자동차는 내연기관 엔진을 사용하며, 이는 연료의 연소를 통해 동력을 발생시킨다. 내연기관은 크게 가솔린(휘발유) 엔진과 디젤(경유) 엔진으로 나뉘며, 그 작동 원리에는 공통적인 구조적 특징이 있다. 이 글에서는 일반적으로 가장 많이 사용되는 4행정 사이클의 가솔린 엔진을 기준으로 구조와 작동 원리를 설명한다.

1. 엔진의 기본 구성 요소

내연기관 엔진은 다음과 같은 주요 부품으로 구성된다:

• 실린더(Cylinder): 연소가 일어나는 공간으로, 엔진 블록 내부에 배치되어 있다. 엔진의 실린더 수는 3개, 4개, 6개, 8개 등 다양하며, 실린더 배열 방식에 따라 직렬, V형, 수평대향 등으로 나뉜다.
• 피스톤(Piston): 실린더 내부에서 상하로 움직이는 부품으로, 연소에 의해 발생한 압력을 받아 기계적 운동으로 전환한다.
• 커넥팅 로드(Connecting Rod): 피스톤과 크랭크축을 연결하는 부품으로, 직선 운동을 회전 운동으로 변환시킨다.
• 크랭크축(Crankshaft): 피스톤의 운동을 받아 회전 운동으로 바꾸어 차량의 구동력을 만든다.
• 밸브(Valve): 흡기 밸브와 배기 밸브로 나뉘며, 연료-공기 혼합물의 유입과 연소 후 배출가스를 조절한다.
• 캠축(Camshaft): 밸브의 개폐 타이밍을 조절하는 축이다. 타이밍 벨트나 체인을 통해 크랭크축과 연결되어 회전한다.
• 점화 플러그(Spark Plug): 가솔린 엔진에서 혼합기를 점화시키는 역할을 한다. 디젤 엔진은 압축으로만 점화된다.

2. 4행정 사이클의 작동 원리

가장 일반적인 자동차 엔진은 4행정 사이클 방식으로 작동한다. 이는 흡입–압축–폭발–배기의 네 단계를 반복하여 동력을 얻는 방식이다.

1. 흡입 행정(Intake Stroke)
   피스톤이 하강하면서 흡기 밸브가 열리고, 연료와 공기의 혼합기가 실린더 내부로 흡입된다.
2. 압축 행정(Compression Stroke)
   흡기 밸브가 닫히고, 피스톤이 상승하면서 혼합기를 압축한다. 이로 인해 연료는 더 높은 에너지를 낼 수 있는 상태가 된다.
3. 폭발 행정(Power Stroke)
   압축된 혼합기에 점화 플러그가 불꽃을 튀겨 점화하고, 연료가 연소되면서 고온 고압의 가스가 발생한다. 이 힘으로 피스톤이 다시 아래로 밀려나며 크랭크축을 회전시킨다.
4. 배기 행정(Exhaust Stroke)
   피스톤이 다시 상승하면서 배기 밸브가 열리고, 연소 후 발생한 배기가스가 외부로 배출된다.

이 네 단계가 한 번 반복되면, 엔진은 1회 회전의 절반을 마치게 되며, 실제 차량에서는 수천 번의 사이클이 초당 반복된다.

3. 실린더 수와 성능의 관계

자동차 엔진의 실린더 수는 성능과 밀접한 관계가 있다. 일반적으로 실린더 수가 많을수록 동력은 강해지지만, 무게와 연료 소비량도 증가한다.

• 3기통 및 4기통 엔진: 연비와 공간 효율이 좋아 소형차에 주로 사용된다.
• 6기통 이상 엔진: 동력 성능이 우수하며 중형 이상의 차량이나 고성능 차량에 사용된다.
• V형 엔진, 수평대향 엔진: 구조적으로 무게 중심이 낮고 진동이 적은 특징을 갖는다.

4. 엔진의 보조 시스템

엔진은 단순히 연료를 태우는 것 외에도 다양한 보조 시스템의 도움을 받는다.

• 윤활 시스템: 엔진 오일을 이용해 부품 간 마찰을 줄이고, 냉각 및 오염물 제거 역할도 한다.
• 냉각 시스템: 엔진이 과열되지 않도록 냉각수를 통해 열을 식히며, 라디에이터, 워터펌프 등이 포함된다.
• 흡기 및 배기 시스템: 공기의 흐름을 조절하여 연소 효율을 높인다. 터보차저나 슈퍼차저를 통해 공기량을 증가시키는 방식도 있다.
• 연료 분사 시스템: 연료를 효과적으로 실린더에 공급하기 위해 인젝터가 사용되며, 연비와 출력 조절에 핵심적이다.

5. 가솔린 엔진 vs 디젤 엔진

• 가솔린 엔진은 점화 플러그를 사용하며, 회전 질감이 부드럽고 정숙성이 좋다. 하지만 출력 대비 연비는 낮은 편이다.
• 디젤 엔진은 압축점화를 이용해 점화플러그 없이 연소가 이뤄지며, 고토크 출력과 연비 효율이 우수하지만 진동과 소음이 상대적으로 크다.