[스터디] 엔진 개요 (1)

 

[목차] 엔진 개요(1)
- 엔진 - 왕복동식 4행정 엔진
- 엔진 원리
- 엔진 구성
     에어클리터 / 스로틀 밸브 / 흡기 매니폴드 & 배기 매니폴드 / 밸브 트레인
     / 실린더헤드&실린더블록 / 피스톤 / 크랭크축

엔진 - 왕복동식 4행정 엔진

엔진은 화학에너지를 기계적에너지로 변환시켜 자동차를 구동시키는 장치이다. 이번 편에는 자동차에서 주로 사용하는 왕복동식 4행정 엔진에 대해서만 다뤄보겠다. 왕복동식 4행정 엔진은 실린더 내 흡입/압축/팽창/배기의 과정이 반복되며, 크랭크 축이 두 번 회전하는 동안 한 번의 사이클이 완료된다.

 

흡입 - 엔진 내로 혼합기 또는 공기가 유입되는 단계 (피스톤 하강)

압축 - 피스톤이 하사점(BC)에서 상사점(TC)으로 상승하면서 실린더 내 혼합기가 압축되는 단계 (피스톤 상승)

폭발 - 혼합기가 스파크 혹은 자기발화에 의하여 연소되는 단계 (피스톤 하강)

배기 - 연소된 가스를 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승시켜 대기 중으로 배출하는 단계 (피스톤 상승)

엔진의 4행정

 

그리고 널리 아는 사실이지만 엔진 내 분사되는 연료로 크게 가솔린, 디젤, LPG가 있다. 가솔린과 LPG 차량의 경우 점화장치에 의하여 연료가 연소하는 방식이며, 디젤 차량의 경우 실린더의 압축으로 연소실 내 공기의 압력과 온도가 높아지며 혼합기가 자기발화하는 방식이다.

 

 

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엔진 원리

엔진으로부터 동력이 생성되는 원리에 대해서 알아보려고 한다. 먼저 일반적인 엔진의 원리에 대해서 알아본 후, 각 단계별 세부 내용에 대해서 자세히 알아보는 것으로 하겠다.

 

엔진의 일반적인 원리는 다음과 같다.

① 운전자가 가속을 위해서 차량 액셀레이터 페달을 밟는다

② 페달에 의해 스로틀 밸브의 개도량이 조절되고 흡기밸브가 열려 공기가 유입되며, 실런더 내 연료와 공기가 혼합된 혼합기 상태로 만든다.

③ 피스톤이 압축되어 실린더 체적이 줄어들며 점화장치(가솔린) 또는 자기발화(디젤)에 의해서 혼합기가 연소된다.

④ 실린더 체적은 혼합기의 연소로 발생한 폭발력에 의해서 부피가 팽창한다.

⑤ 배기밸브가 열리며 연소실의 가스와 압력이 배출된다.

⑥ 실린더 내 압축/팽창 과정을 통해 생긴 피스톤의 직선운동은 커넥팅 로드를 거쳐 크랭크축의 회전운동으로 변환된다.

⑦ 크랭크 축의 운동에너지는 클러치, 알터네이터, 유압펌프 등 다양한 시스템의 동력으로 전달된다. 

 

 

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엔진 구성

가솔린 엔진을 기준으로 엔진을 구성하는 부품들에 대해서 알아보겠다.

 

1. 에어 클리너(Air Cleaner)

엔진룸 내 덕트로 외기가 유입되어 에어클리너(에어필터)를 통해 불순물이 제거되어 흡기 매니폴드로 유입된다. 엔진의 행정 중 '흡기 단계'에서 실린더 내 음압(陰壓)을 발생하며 대기압과의 압력 차이로 공기가 유입된다.

Sonata 2023 THETA III Air cleaner (출처 : 사용설명서-소나타 / HyundaiPartsDeal.com)

 

1.1 Cold air intake / Short ram intake

관련하여 조사하던 중, 애프터마켓에 판매되는 Cold air intake와 Short ram intake라는 흡기구를 알게 되었다. 두 흡기구의 경우, 이론적으로 엔진파워를 상승시키는 효과를 기대하지만 실상은 큰 차이가 없다는 말이 있다.

 

1) Cold Air Intake

기존 흡기구는 엔진 열로 인하여 흡기구 내부 공기 온도가 상승된다. 공기의 온도 상승은 밀도 감소를 야기하며 실린더 내 흡입되는 공기량이 적어지고 연료의 연소량이 감소한다. Cold air intake는 엔진 열로 인한 흡기의 밀도 감소를 최대한 방지하기 위하는 장치이다. 에어필터를 엔진과 먼 곳에 배치하여 유입되는 공기 온도의 변화를 최대한 낮춘다.

 

2) Short Ram Intake

Short ram intake의 경우, 흡기구 파이프 길이를 짧게 만들어 공기 유입 시 파이프와 공기가 마찰되는 구간을 줄여 손실을 줄인 것이다.

 

pic 1,2) K&N Cold Air Intake Kit, pic 3) Short ram intake

 

 

2. 스로틀 밸브(Throttle Valve)

가솔린 엔진의 경우, 운전자가 액셀레이터 페달을 밟아 스로틀 밸브의 개도량이 조절되며 엔진출력이 결정된다.

액셀레이터 페달을 많이 밟을수록 스로틀 밸브가 더 많이 열리며 유입되는 공기는 많아져 연료 연소량과 엔진의 출력이 증가한다.

 

2.1 전자제어식 스로틀밸브(ETS; Electronic Throttle System)

과거 스로틀 밸브의 경우, 액셀레이터 페달과 케이블이 기계적으로 연결되어 운전자가 페달을 얼마나 밟는냐에 따라서 스로틀 밸브의 개도량이 조절되었다. 현재 대부분의 차량은 전자제어식 스로틀 밸브(ETS)를 사용하고 있으며, 이를 통해 Engine Control, Cruise Control, Electronic Stability Control 등의 제어를 구현한다.

 

ETS의 작동원리는 다음과 같다.

① 운전자가 페달을 밟으면 연결된 Position Sensor가 페달을 얼마나 밟았는지를 측정한다.

② Position Sensor의 측정값은 전기신호로써 ECM(Engine Control Unit)에 전달된다.

③ ECM은 스로틀 밸브의 개도량 조절을 위해 모터를 제어 신호를 전달하여 스로틀 바디의 Butterfly valve를 회전시킨다. 

④ 스로틀 바디에 부착된 Throttle position sensor를 통해서 Butterfly valve의 위치를 측정한다.

⑤ Butterfly valve의 위치는 다시 ECM으로 전달하여 모터의 위치를 다시 피드백한다.

 

왼) 스로틀 시스템 오) 스로틀 바디(ETS)

 

 

 

3. 흡기 매니폴드 & 배기 매니폴드(Intake Manifold & Exhaust Manifold)

1) 흡기 배니폴드는 외부로부터 유입된 공기는 스로틀바디를 통과하여 흡기 매니폴드를 통해서 엔진의 각 연소실로 균등하게 분배된다.

 

2) 배기 매니폴드는 연소실에서 연소된 가스가 배출되는 통로이다. 일부 연소된 가스는 EGR을 통하여 흡기로 순환되거나 머플러를 통해 외부로 배출된다.

Sonata 2023 Intake manifold & Sportage 2021 Exhaust manifold (출처 : HyundaiPartsDeal.com, KiaPartsDeal.com)

 

 

 

4. 밸브 트레인(Valvetrain)

엔진의 흡기 및 배기 과정은 흡배기 밸브의 개폐가 수반된다. 밸브트레인은 흡배기 밸브의 작동을 제어하는 기계시스템이며, 효율적인 엔진운용을 위하여 정확한 타이밍에 밸브 개폐 시기를 조절한다.

 

4.1 OHV(Over Head Valve) & OHC(Over Head Camhshaft)

1) OHV는 크랭크 축의 회전에 의해서 캠 축 기어가 같이 회전하며 캠이 푸시로드를 밀고 푸시로드는 로커암을 밀어 밸브의 개폐가 조절이 되었다. OHV는 흡배기 효율이 좋지 못하여 현재는 사용하지 않는 방이며 현재는 OHC가 보편화되었다.

 

2) OHC는 크랭크 축의 회전에 의해서 체인 혹은 밸트로 연결된 캠 축이 같이 회전한다. 캠 축에 부착된 캠의 회전에 따라 흡배기밸브의 개폐가 조절된다. OHC는 캠 축이 1개 또는 2개냐에 따라 SOHC와 DOHC로 나뉜다.

 

a. SOHC(Single Overhead Camshaft)는 캠 축이 한 개이며 흡배기 밸브를 동시에 제어한다. SOHC는 저/중속 구간에서 높은 토크를 지니며 시내 주행 시에 이점을 갖는다. 다만 고속주행 시 엔진회전수가 빨라지면 충분한 공기가 들어올 시간이 없어지며 출력이 떨어진다.

 

b. DOHC(Double Overhead Camshaft)는 캠 축이 두 개이며 각각 흡기 밸브와 배기 밸브를 독립적으로 제어한다. DOHC를 통해 캠축의 배치, 실린더 헤드, 밸브 등의 설계가 자유로워졌으며 SOHC 대비 연소효율이 높다. 또한 DOHC의 경우 VVT 또는 VVL 기술의 적용이 용이하여 엔진의 효을 끌어올렸다.

OHV, OHC(SOHC, DOHC) / Sonata 2023 Valvetrain (출처 : CJ PonyParts, HyundaiPartsDeal.com)

 

 

 

4.2 VVL(Variable Valve Lift) & VVT(Variable Valve Timing)

Variable valve 기술을 통해서 엔진출력, 연비, 배기가스를 개선할 수 있다. 실제로 두 기능은 아래있는 내용보다 더 복잡한 기능을 수행하겠지만, 대표적인 예시를 몇개 찾아보았다.

 

1) VVL(Variable Valve Lift)

흡배기 밸브의 개폐량 조절하는 기술이다.

- 저속회전대역에서는 연료 분사량이 적으므로 밸브의 개폐량을 줄여 실린더 안으로 공기를 적게 유입시키고 펌핑손실을 줄이고 연비를 개선시킨다.

- 고속회전대역에서는 연료 분사량이 많으므로 밸브의 개폐량을 늘려 공기를 많이 넣음으로써 출력을 높일 수 있다. 

 

2) VVT(Variable Valve Timing)

흡배기 밸브의 개폐 타이밍을 조절하는 기술이다. VVT는 다음과 같은 이점이 있다.

 

a. 흡기 밸브가 닫히는 시기를 늦췄을 때

압축행정에서 흡기 밸브가 열려있는 상태이며, 연소실 속 공기는 흡기밸브를 통해 흡기 매니폴드로 다시 유입된다. 이를 통해 공기량과 연료의 연소를 조절할 수 있고 실린더의 온도를 낮춤으로써 배기가스(NOx)을 줄인다.

 

b. 흡기 밸브가 닫히는 시기 앞당겼을 때

공회전 혹은 저부하/저RPM 상태와 같이, 연료 소비가 크게 필요 없는 환경에서 흡기밸브를 일찍 닫음으로써 실린더 내부로 흡입될 때 소모되는 에너지 손(펌핑로스)를 줄인다.

 흡기

 

c. 흡기 밸브가 열리는 시기를 앞당겼을 때

배기행정에서 흡기 밸브가 열려 있는 상태이며, 연소를 통해 생성된 고온의 배기가스가 흡기 매니폴드로 유입된다. 배기가스는 연소에 참여하지 않은 비활성 기체이며 산소의 농도를 희석시키고 연소실의 온도를 낮추어 배기가스(NOx)를 줄인다. (EGR, Exhaust Gas Recycle의 역할을 한다)

 

d. 배기 밸브가 닫히는 시기를 앞당겼을 때

배기가스를 실린더 내 잔류시킴으로써 비활성기체로 인한 연소량을 줄이고 온도를 낮추어 배기가스를 줄인다. 실린더의 체적을 줄이는 효과

 

e. 배기 밸브가 닫히는 시기를 늦췄을 때

연소 후 배기가스가 최대한 배출되어, 다음 흡기행정에서 유입될 수 있는 공기량을 늘리고 엔진의 출력을 높인다.

VVT의 흡배기밸브 개폐 타이밍이다. (실제 VVT 선도와는 상이)

 

아래 영상은 VVT, VVL에 대해서 다루고 있다.

Engineer Explained, Variable Valve Lift vs Variable Valve Timing - VVL vs VVT

 

 

 

6. 실린더헤드 & 실린더블록(Cylinder)

6.1 실린더 헤드

: 엔진의 최상부에 설치되어 실린더블록과 가스킷을 사이에 두고 결합되어 기밀과 수밀을 유지한다.

- 실린더 내부에는 연소실이 있으며 연소실은 밸브, 점화플러그로 구성된다.

- 열전도와 내마모성이 우수한 알루미늄 합금으로 생산한다.

 

6.2 실린더 블록

: 엔진의 하단에 설치되어 실린더와 크랭크케이스를 이루는 몸체이다.

- 물재킷이 실린더를 둘러싸고 있다

- 내마모성과 내부식성이 좋고 기계 가공이 용이한 주철 및 알루미늄 주물이 사용된다.

 

6.3 실린더 - 용어

 

• TDC(Top Dead Center) - 실린더 최상위 위치
• BDC(Bottom Dead Center) - 실린더 최하위 위치
• Bore - 실린더 직경
• Stroke - 행정 길이
• Displacement Volume$(V_d)$ - 배기량
• Clearance Volume$(V_c)$ - 연소실 체적
• Cylinder Volume $(V_t)$ - 실린더 체적(배기량 + 연소실 체적)
• Compression Ratio - 압축비 (실린더 체적/연소실 체적)
• A/F (AFR; Air-Fuel Ratio) - 공기연료비(공기질량/연료질량)
• Stoichiometric AF - 이론공연비, 연료를 완전 연소시키는 공기량일 때의 공연비
• Equivalence Ratio(Φ) - 이론공연비/실제공연비, ( Φ > 1이면 Rich한 상태)
• Excess Air Ratio(λ) - 실제공연비/이론공연비 (1/Φ, λ>1이면 Lean한 상태)

Sonata 2023 Theta III 2.5L Cylinder head & Cylinder Block (출처 : HyundaiPartsDeal.com)

 

 

 

7. 피스톤(Piston)

실린더 내에서 연료가 연소되며 발생한 압력에 의해 피스톤은 상하 직선운동을 한다. 피스톤은 커넥팅로드에 연결되어 크랭크샤프트의 회전운동을 발생시킨다.

 

7.1 피스톤 특성

1) 피스톤 간극(Piston Clearance)

: 피스톤과 실린더 벽 사이의 간극이다.

- 연소실의 높은 온도로 인하여 피스톤과 실린더 블록이 팽창한다. 실린더는 엔진 냉각장치로 인하여 피스톤보다 더 빠르게 냉각되기 때문에 피스톤의 고착을 방지하기 위하여 피스톤 간극이 필요하다. 

- 피스톤 간극에는 마찰을 줄이기 위한 윤활막이 있다.

- 일반적인 피스톤 간극은 0.025 ~ 0.1mm 사이이다. 실린더 보어의 

- 실린더 간극이 너무 크면 피스톤 슬랩, 블로우바이가스 증가, 윤활유 소비량 증가 등의 문제가 있다.

* 피스톤 슬랩(Pistion Slap) : 피스톤의 왕복운동 중 피스톤의 스커트부와 실린더 벽이 부딪히며 발생하는 소음

* 블로우 바이 가스(Blow By Gas) : 연소실에서 미연소된 혼합기이며 실린더 간극으로 새어나와 오일 팬으로 유입된다.

 

2) 재질

피스톤은 연소실의 가혹한 환경을 견딜 수 있도록 기계적 강도와 열전도성이 우수하며 열팽창율이 적고 중량이 가벼워야한다. 따라서 자동차용 엔진의 피스톤은 주로 알루미늄 합금이 사용된다. (Y합금, Lo-Ex합금 사용)

 

7.2 피스톤 구성 및 연관 부품

피스톤 및 크랭크샤프트 구성(출처 : HyundaiPartsDeal.com, How a Car works)

 

1) 피스톤 헤드(Piston head)

: 피스톤의 윗부분이며 연소실의 압력과 고온의 열과 접촉되는 부분이다. 피스톤 헤드의 형상에 따라서 혼합기의 연소와 공기의 흐름, 연료의 분사 등이 영향을 받는다. 대표적인 피스톤 헤드 형상은 다음과 같다.

 

a. Flat : 평평한 형상이며 일반적인 피스톤에 사용된다. 제작이 쉬우며 저가이다.

b. Domed : 돔 형상이며 연소실의 체적을 줄이고 압축비를 높인다. 하지만 연소가 느리다

c. Wedge : 약간의 경사진 형태의 형상이며 압축비를 높이고 흡기의 Swirl 유동을 만든다. 하지만 밸브의 면적이 작아지며   화염의 전파가 잘 이루어지지 않는 단점이 있다. 

d. Dished : 그릇 형상이며 연소실의 체적을 증가시키고 압축비를 줄인다. 슈퍼차저 혹은 터보차저에 사용되며 이상연소를 줄이는데 사용된다.

피스톤 헤드 모양 (출처 : Prism, 피스톤의 원리와 종류,설계에 대해 알아보기)

 

2) 스커트(Skirt)

스커트는 피스톤의 원통형 벽이다. 피스톤이 실린더 내에서 중심을 유지하도록 도와주고, 엔진 오일을 분배하고, 피스톤의 열을 전달하는 역할을 한다.

 

3) 핀 보스(Pin boss)

커넥팅 로드와 피스톤을 결합시켜주는 피스톤 핀을 부착하는 위치이다. 피스톤 헤드에 작용하는 압력을 커넥팅로드로 전달하기 위하여 핀보스부는 설계적으로 보강이 되어있다.

 

4) 커넥팅 로드(Connecting rod)

커넥팅로드는 피스톤과 크랭크샤프트를 사이에 장착되어 왕복운동을 직선운동으로 변환시키는 부품이다.

 

5) 피스톤 링(Piston ring)

피스톤 링의 기능은 크게 3가지이다.

→ 연소실 기밀 유지, 피스톤 냉각, 윤활유 피막 형성

 

a. 연소실의 기밀 유지

: 폭발행정 시 발생한 압력이 피스톤을 아래로 누르면, 피스톤 링이 피스톤 간극의 기밀을 유지하여 효율을 높인다

b. 피스톤링을 통한 피스톤 냉각

: 연소 온도에 의해 달궈진 피스톤은 피스톤링으로 열을 전도시키며 냉각작용을 한다.

c. 윤활유 피막 형성

: 실린더 벽에 엔진오일을 적절히 도포하여 원활한 피스톤 운동을 형성시킨다.

 

이 밖에도 피스톤 링의 위치에 따라 역할을 나눌 수 있다.

- 1st Ring의 경우, 연소실의 기밀을 유지하는 역할을 한다.

- 2nd Ring의 경우, 실린더 벽에 있는 엔진 오일을 긁어 내리는 역할을 한다.(동시에 1st Ring과 마찬가지로 기밀을 유지하는 역할도 한다)

- 3rd Ring의 경우, 2nd에 의해 모아진 오일을 Oil drain hole으로 유입시키며 오일은 커넥팅 로드를 타고 내려간다.

Piston Ring

 

 

 

8. 크랭크 축(Crankshaft)

피스톤의 힘을 회전 운동으로 바꿔 엔진의 회전력을 외부에 전달하는 장치

 

8.1 재질

고탄소강, 니켈-크롬강, 크롬-몰디브덴강 등을 사용하며 고주파 열처리로 표면 강화하여 내마멸성을 크게한다.

 

8.2 구성

1) 메인 저널(Main journals)

크랭크샤프트의 회전 축이며 실린더 블록에 직접 장착되는 부분

 

2) 커넥팅로드 저널(Connecting rod journals)

크랭크사프트 회전축에서 일정거리를 유지하며 커넥팅로드가 장착되는 부분, 크랭크핀(Crank pin)이라고도 부른다

 

3) 플라이휠 마운팅 플랜지(Flywheel flange)

플라이휠이 부착되는 부분

 

4) 크랭크웹(Crank pin)

커넥팅로드 저널과 메인저널을 연결하는 부분이다. 평형추가 포함되어 있기도하여 크랭크샤프트의 균형을 맞춘다.

 

5) 평형 추(Counterweight)

: 크랭크 축의 평형을 맞추기 위한 부분

 

 

크랭크샤프트 (출처 : SAVREE, What is an engine crankshaft?)

 

 

아래 동영상에 가솔린 엔진의 작동원리가 설명되어있다