엔진(내연기관)

1. 자동차 엔진이란?

 자동차 엔진은 자동차에 동력을 공급하는 기관으로 크게 4행정 사이클의 휘발유 엔진(SI), 경유 엔진(CI)과 최근에 개발되고 있는 전기 엔진과 하이브리드 엔진으로 나눌 수 있다.

 

2. 4행정 사이클

 자동차의 쓰이는 내연기관은 모두 4행정 사이클 엔진을 이용하며 기통 수에 따라 4, 8, 12 기통 엔진으로 나눌 수 있다. 위 그림에서 알 수 있듯이 흡입-압축-폭발-배기의 과정을 거쳐 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 엔진을 4행정 사이클 엔진이라고 부른다.

 

 1행정-흡입: 피스톤이 상사점에서 하사점으로 하강하는 행정. 크랭크 축의 회전 관성으로 피스톤을 당겨 연소실 부분을 진공으로 만들고 흡기 밸브를 열면서 공기가 들어오는 과정. 공기가 들어오면서 인젝터에서는 연료가 분사되고 공기와 연료가 혼합되어 혼합 가스의 형태로 되는 과정.

 

 2행정-압축: 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하는 행정. 열려있던 흡입 밸브가 닫히고 혼합 가스는 완전 밀폐된 상태로 연소실에서 압축되기 시작. 혼합 가스를 압축하는 이유는 혼합 가스의 온도와 면적당 밀도를 높여 화염 전파 및 연소를 쉽게 하기 위함이며, 연소 가스의 압력을 최대로 높이기 위함이다. 노킹 및 이상 점화가 일어나는 시기이며, 엔진 제작 과정에서 가장 복잡한 경우의 수로 시뮬레이션의 과정을 거치는 행정.

 

 3행정-폭발: 피스톤이 상사점에서 하사점으로 하강하는 행정. 피스톤이 압축 과정에서 상사점에 도달하기 바로 직전에 혼합 가스에 점화가 되는 시점부터 하사점으로 도달하는 과정을 포함한다. 상사점에 도달하기 바로 직전에 점화하는 이유는 화염의 전파 속도 때문인데 완전한 상사점에 도달할 경우 혼합 가스의 압력은 최고점에 이르나 스파크 플러그에서 점화가 일어나 폭발력이 발생하는 시간이 피스톤 운동 시간과 맞지 않아 동력 손실이 발생하기 때문인다. 그로 인해 상사점에 도달하기 직전에 점화를 시킴으로써 화염 전파가 최대치로 될 때, 최대의 폭발력을 얻는 시기와 피스톤이 상사점에서 하사점으로 이동하는 순간을 맞추게 된다. 이것을 점화 타이밍이라고 한다. 점화된 혼합 가스는 연소하여 연소실에서 발생된 힘을 피스톤에 전달하여 기계적 에너지로 바꾼 후 크랭크축을 회전시켜 유효한 힘을 발생시키는 행정이며, 동력행정이라고 부르기도 한다.

 가솔린(휘발유)의 경우 스파크 플러그를 통한 전기 불꽃 점화인데, 경유(디젤)의 경우 자기 착화 점화 방식으로 차이가 있다.

 

 4행정-배기: 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하는 행정. 배기 밸브가 열리고 피스톤의 이동에 의해 연소 가스를 연소실 밖으로 밀어내는 행정으로 배기가스를 외기로 몰아내기 위해 2행정(배기-흡입)동안 배기 밸브는 열려 있다. 이 순간을 밸브 오버랩구간이라고 해서 흡입 밸브와 배기 밸브가 동시에 열려 있는 구간인데 두 개의 밸브가 동시에 열려 있으므로 해서 흡입 과정이 좀 더 원활하게 할 수 있도록 한다. 연소실 내부와 외기의 압력 차이로 인한 자연스러운 이동이기 때문에 흡입과 배기 밸브가 동시에 열려 있는 순간 흡입 과정이 잘 이루어진다. 실린더 밖으로 배출된 배기가스는 배기 매니폴드를 거쳐 촉매, 머플러를 통하여 대기 중으로 방출되게 된다. 일반적으로 배기가스의 온도는 600~700°C이다.

 

3. 가솔린(휘발유, SI: Spark Ignition) 엔진

 위의 그림에서 보는 것이 가솔린 엔진이다. 일반적인 자동차에는 4행정 사이클의 가솔린 엔진이 사용되고 2행정 사이클 엔진은 주로 오토바이나 스쿠터 같은 소형 차량에 쓰인다. 가솔린 엔진에서 연료 분사 방식은 크게 2가지로 나뉘는데 포트 분사식(PFI: Port Fuel Injector)과 직접 분사식(GDI: Gasoline Direct Injector)가 있다.

 

 포트 분사식(PFI): 80년대 이후부터 등장했고 현재 거의 모든 가솔린 기관에서 쓰이는 방식으로 흡기 포트에 연료 분사기(인젝터)를 장착하여 실린더에 도달하기 직전에 공기와 연료를 혼합시키는 방식. 분사 압력은 3~5bar 정도이고 액적 크기는 80~100 μm이다.

 

 직접 분사식(GDI): 이론 자체는 오래되었지만 혼합비가 매우 낮아 잘 사용하지 않다가 1996년 미쓰비시 자동차가 일반 승용차용으로 처음 양산하고 나서 여러 회사에서 여러가지 이름의 전자식 직접 분사식 엔진이 탑재된 차량을 출시했다. 포트 분사식과 다르게 연료를 실린더 내에 직접 분사하는 방식으로 실린더에 혼합 가스가 아닌 공기를 많이 집어넣어 적은 연료로 많은 공기를 태워 불완전 연소를 막기 위해 개발된 엔진이다. 일반적으로 혼합 가스의 형태로 실린더로 보내면 제대로 혼합되지 않은 경운 불완전 연소가 발생해 연비와 출력이 떨어진다는 단점이 있는데 이를 보완한 방식이다. 기존의 14.7:1의 공연비에서 22~23:1의 공연비를 가능하게 했다. 분사 압력은 40~150bar 정도이고 액적 크기는 10~30 μm로 매우 작다.

 가솔린 엔진의 4행정 과정을 오토 사이클이라고 표현하는데 이론상으로 위의 그림에서 볼 수 있듯이 2개의 정적 과정과 2개의 단열 과정으로 이루어져 있으며 사이클의 열효율은 압축비와 비열비에 의해서 결정된다.

 

4. 디젤(경유, CI: Compression Ignition) 엔진

 구조 자체는 가솔린 엔진과 크게 다르지 않다. 디젤 엔진은 CI 엔진이라는 이름에서 알 수 있듯이 압축하면서 혼합 가스가 자연 발화하는 엔진으로 인위적으로 전기 불꽃을 만들지 않는다. 엔진은 압축비가 높으면 효율이 좋아 연비가 높아지지만 가솔린 엔진의 경우 압축비를 크게 하면 연료와 공기가 같이 흡입되는 구조이기 때문에 일정한 압축비를 넘어서면 점화 플러그가 작동하기 전에 폭발해버리는 문제점이 생겨서 14나 15정도가 한계였다. 하지만 디젤 엔진의 경우 공기를 흡입하고 압축하는 과정에서 피스톤이 상사점에 도달할 때쯤 연료를 높은 압력으로 분사하는 방식으로 압축비를 높여 사이클의 효율을 증대시키고 연비를 좋게 만든 기관이다. 일반적으로 오토 사이클이 디젤 사이클 보다 열 효율이 좋다고 말하지만 같은 압축비, 비열비를 갖는 경우 오토 사이클의 효율이 더 좋다 단지 디젤 사이클의 경우는 압축비를 크게 가져갈 수 있기 때문에 연비가 좋은 것이다.

 디젤 엔진의 경우 크게 간접 분사식(IDI: InDirect Injection) 방식과 직접 분사식(DI: Direct Injection) 2가지로 나뉜다.

 

 간접 분사식(IDI): 간접 분사 방식은 프리챔버라는 예연소실을 만들어 프리챔버에 분사하여 먼저 연소시키고 이를 주 실린더 내로 전파하는 방식이었다. 80년대와 90년대에 포드와 쉐보레가 이러한 방식을 사용했는데 직접 분사 방식에 비해 효율이 좋지 않다.

 

 직접 분사식(DI): 대부분의 디젤 엔진이 사용하고 있는 방식. 배전기 펌프 직접 분사식과 커먼레일 직접 분사식으로 나눌 수 있는데 배전기 펌프 직접 분사식은 로터리 펌프를 사용하여 간접 분사식과 비슷했다. 인젝터가 실린더 위에 존재하고 별도의 챔버가 없다는 점에서 다르고 이 방식은 소음도 크고 매연이 많이 나온다는 단점이 있다. 간접 분사식에 비해 연료를 15~20%가량 적게 소모한다는 장점으로 사용했다. 이 방식은 전자식으로 연료를 분사하게 되면서 성능이 많이 향상되었는데 분사 타이밍, 연료량, 배기 가스 재순환 등 모든 것이 전자식으로 제어되면서 시장의 주류로 인정받는다. 커먼레일 직접 분사식은 고압펌프를 사용하여 연료를 연료 레일에 고압으로 압축하였다가 분사시기에 맞춰 인젝터를 통해 각각의 실린더에 분사하는 방식으로 모든 실린더의 인젝터가 하나의 연료레일에 연결되어 공유한다는 의미이다. 하나의 레일을 공유하기 때문에 실린더 마다 분사하는 압력에서 조금씩 차이를 보인다.

 디젤 엔진은 이름 그대로 디젤 사이클이라고 표현하고 2개의 단열 과정, 1개의 정압 과정, 1개의 정적 과정으로 이루어져있다. 여기서 체절비는 폭발 행정에서 연료가 분사되어 연소가 시작되는 시점에서 일정하게 압력이 유지되면서 피스톤이 하강하는 구간이 있는데 이때의 부피비를 체절비라고 한다. 디젤 사이클은 오토 사이클과 달리 압축비와 비열비에 체절비가 포함되어 열 효율이 계산된다.

 

5. 엔진의 노킹(Knocking) 현상

 엔진 점화가 적절하지 않은 시점에서 일어나는 현상으로 이상 점화 현상이라고도 한다. 연료의 연소를 제어할 수 없는 현상으로 이 때 나는 소리가 노크 소리와 비슷해서 붙여진 이름이다. 신차 엔진의 경우 이상현상을 감지하면 강제로 시동을 꺼 엔진과 기어박스를 보호하기 때문에 잘 발생하지 않지만 연식이 오래된 중고차나 수동 기어를 사용하는 차량에서 주로 발생하는 현상이다.

 노킹의 원인에는 여러가지가 있다. 엔진 과열, 과도한 연료 압축, 연료실 내 불순물, 옥탄가가 맞지 않을 때 등이 있다.

 

 엔진 과열: 엔진에서 발생하는 열이 비정상적으로 높아지면서 연료 압축이 일어나기 전에 열에 의해 폭발하는 현상이 일어나게 된다. 또는 냉각수 순환이나 냉각수에 문제가 생겨 엔진의 온도가 비정상적으로 높아졌을 수도 있다.

 

 과도한 연료 압축: 높은 출력을 얻기 위해 압축비를 높이는 장치를 사용하시는 분들이 있는데 무리하게 압축비를 높이게 되면 피스톤이 상사점에 도달하기 한참 전부터 연소가 발생하면서 노킹 현상이 발생할 수 있다.

 

 연료실 내 불순물: 연소실 내에 불순물이나 연료 찌꺼기가 남아 있는 경우에도 노킹 현상이 발생할 수 있다. 오래된 엔진이나 저품질의 연료 사용 시 이러한 원인으로 노킹 현상이 일어난다. 엔진 내부에서 폭발한 연료가 불순물과 만나면서 카본 슬러지로 변하는 경우가 있는데 아주 작은 입자로 실린더, 밸브, 점화 플러그 등에 붙어 있다가 그 크기가 점점 커지면서 압축을 방해하고 실린더 내부 온도를 불규칙하게 만들어 노킹을 유발한다.

 

 옥탄가가 맞지 않을 때: 옥탄가(Octane Rating)은 엔진에 연료로 사용되는 휘발유의 특성을 수치로 나타낸 수치로 노킹에 대한 저항성을 의미한다. 고급 휘발유를 주유해야 한다고 안내하는 차량들이 있는데 이런 경우 옥탄가가 맞지 않는 휘발유를 사용하면 노킹 현상이 발생할 수 있다. 최근에 생산된 엔진들은 연료 혼합비나 폭발 등 엔진의 움직이는 조건들을 ECU가 학습하면서 시간에 따라 운전자가 사용하는 연료에 맞춰가는 경우가 대부분이지만 그럼에도 압축비가 높고 회전수가 높은 경우에는 고급 휘발유가 아닌 경우 제대로 된 성능을 발휘하지 못하거나 노킹 현상이 발생해 엔진에 문제를 일으킨다.

 

 디젤 엔진과 가솔린 엔진의 경우 점화 방식에 차이가 있기 때문에 노킹 현상이 발생하는 시점이 달라지게 된다.

 

 가솔린 엔진: 피스톤이 상사점까지 올라와 압축행정을 끝내기도 전에 자연 착화가 발생해 연소압력이 급격하게 높아지면, 올라오던 피스톤을 아래로 밀어 피스톤은 실린더 벽을 때리게 되고(노킹) 피스톤과 크랭크축은 데미지를 입게 된다.

 

 디젤 엔진: 디젤 엔진은 피스톤이 상사점에 도달하고 연료가 분사되어 자연 착화하는 방식으로 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 노킹현상이 발생할 수는 없다. 그래서 디젤은 정해진 착화시점에 착화 조건이 충족되지 않아 착화가 지연될 경우 피스톤이 하사점에 도달할 때쯤 착화조건이 충족되면서 피스톤이 실린더를 때리게(노킹) 되는 경우가 있다.

 

 오늘 포스팅에서는 내연기관을 주제로 엔진에 대해서 알아보았고 다음 시간에는 앞으로 많이 개발될 하이브리드 엔진과 전기 엔진에 대해서 알아보고자 한다.