자동차 엔진

자동차 엔진(Automotive Engine)은 자동차를 구동하고자는 목적으로 연료중의 화학에너지를 기계 에너지 또는 기계적인 운동으로 전환시키는 장치이다. 자동차 엔진은 발전기와 에어컨, 조향펌프와 같은 액세사리도 구동한다.

초기의 자동차는 스팀과 가솔린 그리고 전기 모터를 포함한 여러 종류의 엔진으로 구동되었다. 1876년에 4행정 오토사이클(Otto cycle)을 적용한 가솔린엔진이 개발되면서 자동차 엔진 시장은 얼마 안지나 가솔린엔진에 지배되었으며 자동차 제조사들이 선택하는 주요 사양으로 되었다. 기본적인 현대 자동차 엔진은 가솔린을 연소하고 액체를 압축하며 스파크로 점화하고 4행정 싸이클로 작동하는 멀티 실린더 엔진이다. 실린더 헤드에는 흡입과 배출 밸브가 설치되며 전자제어 방식으로 점화와 연료분사를 추진한다.

오토 싸이클 엔진

오토 싸이클 엔진은 실린더 내에서 상하로 움직이는 피스톤의 2행정 또는 4행정에서 작동하도록 설계된 내연 피스톤 엔진이다. 통상적으로 자동차 엔진은 가솔린 또는 유사한 탄화수소 연료를 연소하고 4행정을 거쳐 연료중의 화학에너지를 기계에너지로 전환한다. 생성되는 열은 실린더 내에 있는 피스톤을 내리밀어 기계작업에 진입하며 피스톤에 연결되어 있는 연결 로드(connecting rod)는 크랭크 샤프트를 회전시킨다.

엔진의 실린더 보유수량은 1개에서 16개까지 가능하며 직열(in-line), 수평(flat), 수평 대향(horizontally opposed) 또는 V-타입으로 배치할 수 있다. 20세기 초에는 1개 실린더 엔진이 었으나 1930년대에 진입한 뒤에는 복잡한 V-12와 V-16 엔진으로 발전하였다. 이러한 진화 과정에서 늘어나는 자동차의 부피와 무게는 중요한 요소로 역할하면서 배기량과 실린더를 추가하는 방식으로 엔진의 성능을 개선하게끔 요구하였다.

V-8 엔진의 대규모 사용은 1930년대 중반에 시작되었으며 2차 세계대전이 종료된 뒤에 희극적으로 붐이 되어 1950년대 말까지 미국에서 제조하는 자동차들 가운데서 주도적인 엔진으로 되었다. 다른 나라의 제조사들에서 지속적으로 4기통, 6기통 소형 엔진을 대량 생산하는데는 높은 연료가격의 압박이 주요 원인이었다. 차량의 부피와 무게가 늘어나면서 엔진의 평균 배기량은 1970년대 초반까지 지속적으로 올라갔으며 그 때 8L 배기량의 V-8 엔진이 생산중에 있었다. 하지만 1973년-1974년과 1979년-1980년의 석유부족은 이러한 추세를 개변하였으며 4기통과 6기통 엔진에서 덕을 보는 이유로 V-8 엔진의 사용은 많이 줄었다.

소형 엔진으로 접수할 수 있는 자동차의 성능을 제공하기 위해 강제 흡기 방식이 선택 사항으로 되었다. 터보차저(turbocharger) 또는 슈퍼차저(supercharger)는 강제적으로 매니폴드(manifold)에 들어가는 흡입공기의 양을 늘여 엔진이 더 많은 연료를 연소하게 하고 더 많은 출력을 생성하게 한다. 터보차저는 원심형 공기 압축기로서 공동 축에 탑재된 배기 가스 구동 터빈(exhaust-gas-powered turbine)으로 구동되며 배기 가스중의 에너지로 터빈을 회전시켜 압축기를 회전시키고 강제적으로 공기 또는 공기-연료 혼합물을 연소실에 주입시킨다. 엔진의 출력은 승용차 대표 모델에서 40% 이상 향상되었다.

1966년부터 미국의 캘리포니아에서 승용차 방출 규제가 실행되었으며 1968년부터는 기타 49개 주에서도 실행되었다. 규제는 크랭크케이스, 배기와 대기로의 증발 배출을 제한하기 시작하였으며 그 후 수년간에 나날이 엄격해져 1975년 모델부터는 촉매변환기와 무연 휘발유(unleaded gasoline)의 사용을 요구하였다. 더욱 더 정밀한 점화시간과 연료의 계측으로 강화된 표준에 대응하기 위해 전자 제어가 필요하게 되었으며 이로 인해 연료분사기가 자동차 엔진의 카뷰레터를 대체하게 되었다.

점화, 연료, 방출 시스템은 엔진 전자 제어 시스템에 통합되었으며 컴퓨터를 활용하여 엔진에 관련된 여러 변수와 방출 장치를 관리한다. 컴퓨터는 파워트레인 컨트롤 모듈로 알려져 있으며 자동변속기의 변속과 트랜스 액슬(transaxle)도 제어한다.

엔진 디자인 추세

많은 자동차 엔진에서 흡입밸브와 배출밸브를 관리하는 캠샤프트를 실린더 블록에서 실린더 헤드로 옮겼다. 이런 오버헤드-캠샤프트(overhead-camshaft) 배치방식은 실린더마다 2개 이상 밸브를 사용 가능하게 하며 많은 멀티밸브 엔진이 3개~5개의 밸브를 사용하게 한다. 일부 오버헤드-캠샤프트 엔진에는 하나의 캠샤프트를 가지고 있는 경우가 있는가 하면 2개의 캠샤프트를 가지는 경우도 있으며 하나는 흡입밸브용으로 다른 하나는 배출밸브용으로 사용한다. V-형 엔진은 4개의 캠샤프트를 가지고 있으며 실린더 뱅크마다 2개씩 있다. 일부 멀티밸브 오버헤드-캠샤프트 엔진은 유사한 크기의 터보차저 엔진과 동등한 출력과 성능을 가지고 있다.

많은 엔진은 캠샤프트의 수량과 그 들의 위치와 관계없이 고정된 밸브 타이밍을 갖고 있다. 특히 멀티밸브 엔진에서 가변 밸브 타이밍은 연료의 경제성을 향상시키고 배기 배출을 줄인다. 고속 조건에서 흡입밸브를 일찍이 열어 용적 효율성(volumetric efficiency)을 높일 수 있다. 한 가지 방법은 전자 유압 메커니즘으로 캠샤프트를 구동하여 엔진 컴퓨터에서 보내주는 신호에 따라 흡입 캠샤프트를 10도 정도 앞으로 회전시킨다. 다른 시스템은 서로 다른 모양의 2개 캠 로브로 밸브 타이밍과 밸브 리프트(lift)를 변경하며 컴퓨터는 필요에 따라 각 밸브의 작동에 참여한다. 밸브의 개폐를 제어하는 컴퓨터 제어 솔레노이드는 자동차 피스톤 엔진에서 가변 밸브 타이밍과 리프트를 제공하면서 캠샤프트를 포함한 전반 밸브 트레인의 삭감을 허용한다.

재료/소재의 추세

역사적으로 엔진 주요 부품은 주조 또는 단조 방식의 철제 부품으로 되어 있었다. 하지만 무게를 줄여 연료의 경제성을 추구하는 경향이 나날이 커지면서 실린더 블록, 실린더 헤드 및 기타 엔진부품에 알루미늄을 사용하는 양이 엄청 늘어났다. 일부 엔진커버와 흡입 매니폴드는 마그네슘으로 제작된다. 커낵팅 로드(connecting rods), 스프로켓(sprockets), 오일 펌프 로터(oil-pump rotors)와 밸브 가이드와 같은 엔진 내장품은 분말 합금(powder metallurgy)으로 주조/단조를 하여 거의 요구하는 모양으로 만든다. 고속 엔진은 티타늄 커낵팅 로드를 사용하여 왕복 질량을 줄인다.

연료 계측 추세

전자 제어 방식이 도입되면서 원래 카뷰레터에 사용하던 장치는 배기가스 산소 센서에서 보내주는 피드백에 대응하고자 자동으로 공기-연료 혼합비를 조절하는 장치로 바뀌었다. 더욱 더 정밀한 연료 계측의 소요는 카뷰레터의 유사한 위치에 스로톨 바디 연료 분사기(throttle-body fuel-injection unit)를 장착하여 카뷰레터를 대체하였으며 컴퓨터의 제어하에 1개 또는 2개의 솔레노이드로 작동시키는 연료분사기의 펄스로 연료의 양을 계측한다. 엔진 출력과 연료의 경제성 및 배기 배출의 성능 향상은 멀티포트 연료분사로 추진되며 개개의 흡입포트에 있는 연료분사기에서 이루어진다. 솔리노이드로 작동되는 연료 분사기는 동시에 또는 그룹으로 또는 순차적으로 펄스를 생성하거나 전기를 통할 수 있으며 마지막에 점화 순서에 따라 각 연료분사기에 전기를 통하게 한다.

점화 추세

많은 엔진에서 점화 배전기(ignition distributor)는 컴퓨터 제어 방식의 무배전기 점화방식으로 대체되었다. 이는 순차적으로 코일 온 플러그(coil-on-plug) 또는 직접 점화로 대체되었으며 여기에서 점화코일은 바로 위에서 스파크 플러그와 연결된다.

참고자료

• 두산백과, 〈자동차엔진〉, 《네이버 지식백과》

같이 보기

• 엔진
• 가솔린엔진
• 디젤엔진
• 자연흡기엔진

이 자동차 엔진 문서는 자동차 부품에 관한 토막글입니다. 위키 문서는 누구든지 자유롭게 편집할 수 있습니다. [편집]을 눌러 이 문서의 내용을 채워주세요.

자동차 : 자동차 분류, 자동차 회사, 한국 자동차, 독일 자동차, 유럽 자동차, 미국 자동차, 중국 자동차, 일본 자동차, 전기자동차, 자동차 제조, 자동차 부품 □■⊕, 자동차 색상, 자동차 외장, 자동차 내장, 자동차 전장, 자동차 부품 회사, 배터리, 배터리 회사, 충전, 자동차 판매, 자동차 판매 회사, 자동차 관리, 자동차 역사, 자동차 인물 자동차 부품 계기 • 레저보어(리저버) • 레저보어 탱크(리저버 탱크) • 보조장치 • 부품 • 비순정부품 • 소모품 • 순정부품 • 스프링 • 아세이(어셈블리) • 옵션 • 운전장치 • 자동차 부품 • 정품 • 케이블 • 튜닝 • 파이프 • 햅틱 • 호몰로게이션 차대(섀시) 3 in 1 • VIN • 강선 • 강판 • 공차 (오차) • 공차 (자동차) • 공차중량 • 단차 • 드레인홀 • 롤링섀시 • 모노코크 • 바디 • 바디온프레임 • 배분중량 • 보일러 • 섀시 • 소자 • 에어백 모듈 • 연결모듈 • 오일 • 오일팬 • 워터펌프(냉각수 펌프) • 인버터 • 인클로저 • 중량 • 차대(섀시) • 차대번호 • 차량 총중량(GVW) • 철판 • 촉매장치 • 충전기 • 캐빈룸 • 캡오버 • 컨버터 • 크러시존(크럼플존) • 프레임 • 프로펠러 • 플러그 • 히트펌프 엔진 2기통 • 4기통 • 5기통 • 6기통 • 7기통 • 8기통 • 10기통 • 12기통 • 16기통 • 18기통 • 20기통 • LPDI엔진 • LPG엔진 • LPI엔진 • OHV • PS • rpm • V형엔진 • 가솔린엔진 • 가스터빈 • 공랭식 엔진 • 기화기 • 내연기관 • 냉각수 • 냉각장치 • 냉각제 • 냉각팬 • 냉간상태 • 노즐 • 다기통 • 디젤엔진 • 라디에이터 • 마력 • 배기밸브 • 밸브 • 봄베 • 부동액 • 분사 • 석유엔진 • 선박 엔진 • 수랭식 엔진 • 수소탱크 • 수소터빈 • 수평대향 엔진 • 슈퍼차저 엔진 • 스로틀바디 • 스로틀밸브 • 실린더 • 싱글터보 • 양자엔진 • 엔진 • 엔진룸 • 엔진마운트 • 엔진오일 • 엔진제어장치 • 연료분사기 • 연료시스템 • 연료전지 • 연료주입구 • 연료탱크 • 연료파이프 • 연료펌프 • 연료필터 • 열기관(열원동기) • 왕복기관 • 외연기관 • 원동기 • 원자력기관 • 원형봄베 • 자동차 엔진 • 자연흡기엔진 • 점화케이블 • 점화플러그 • 제트엔진 • 증기기관 • 증기터빈 • 직렬엔진 • 최고출력 • 최대토크 • 캠 • 캠축(캠샤프트) • 커넥팅로드(연결봉) • 크랭크 • 크랭크축 • 탱크 • 터보랙 • 터보엔진 • 터보차저 • 터빈 • 토크 • 트윈터보 • 파워팩 • 플라이휠 • 피스톤 • 피스톤 엔진 • 항공기 엔진 • 흡입밸브 모터 고정자(스테이터) • 교류모터 • 교류발전기 • 구동모터 • 구동모터 최대출력 • 동기모터 • 듀얼모터 • 모터 • 모터룸 • 발전기 • 시동모터 • 싱글모터 • 용단 • 유도모터 • 인휠모터 • 인휠시스템 • 인휠헥사모터 • 직류모터 • 직류발전기 • 축전지 • 코일 • 토크컨버터 • 트라이모터(트리플모터) • 퓨즈 • 퓨즈박스 • 퓨즈풀러 • 필라멘트 • 회전자(로터) • 회전축 구동장치 4매틱 • AWD 디스커넥터 • B-ISG • HTRAC • IGBT • PE모듈 • TCU • xDrive • 가변축 • 가속기 • 가속기 (자동차) • 감속기 • 공회전 속도조절 장치 • 공회전 제한 장치(ISG) • 구동 • 구동벨트 • 구동장치 • 구동축 • 기어(톱니바퀴) • 기어박스 • 기어비 • 기어오일 • 다운시프트 • 동력전달장치 • 뒷차축(리어액슬) • 듀얼클러치 • 무단변속기 • 미션 • 미션오일 • 배전기 • 벨트 • 변속기 • 사륜구동 • 앞차축(프런트액슬) • 업시프트 • 이륜구동 • 전륜구동 • 전축 • 종감속기어 • 차동기어(디퍼런셜) • 차동장치 • 차축(액슬) • 추진축 • 축 • 클러치 • 타이밍벨트 • 파워트레인 • 프로펠러 샤프트 • 후륜구동 • 후축 조향장치 경사각 • 너클암 • 너클 조인트 • 로어암 • 사륜조향 • 스러스트 • 스러스트 각 • 스티어링(조향장치) • 스티어링너클(너클) • 스티어링박스 • 스티어링 샤프트 • 스티어링암 • 어퍼마운트 • 어퍼암 • 전경각 • 전륜조향 • 조향축 • 캐스터 • 캠버 • 캠버각 • 킹핀 • 킹핀 경사각 • 킹핀 오프셋 • 토우 • 후경각 • 후륜조향 • 휠 밸런스 • 휠 얼라인먼트 제동장치 ABS • EBD • HHC • 경사로 밀림 방지 • 드럼브레이크 • 디스크 브레이크(디스크 로터) • 미끄럼 방지장치 • 베이퍼로크 • 보조제동장치(BA) • 브레이크드럼 • 브레이크라이닝 • 브레이크슈 • 브레이크 어시스트 시스템 • 브레이크오일 • 브레이크패드 • 슈팅 브레이크 • 오버라이드 • 오토홀드 • 전자식 제동력 분배(EBD) • 제동장치(브레이크) • 캘리퍼 • 클램프 • 클램핑력(클램프력) • 트랙션 컨트롤 시스템(구동력 제어장치) 서스펜션 가변댐퍼 • 고무부싱(러버부싱) • 기계식 서스펜션 • 댐퍼(제진기) • 더블위시본 서스펜션 • 마운트 • 매직 바디 컨트롤 • 부싱 • 서스펜션(현가장치) • 서스펜션암(컨트롤암) • 쇼크업소버 • 스트럿 서스펜션 • 액티브 서스펜션 • 에어매틱 • 에어서스펜션 • 에어스프링 • 전자제어 서스펜션 • 주파수 감응형 댐퍼 • 코일스프링 • 판스프링 • 플레이너 시스템 • 하시라 • 하이드로 부싱 • 현가상질량 • 현가하질량 흡배기장치 매연저감장치 • 배기 • 배기음 • 배기장치 • 배출 • 에어덕트 • 흡기 • 흡기장치 • 흡배기 • 흡배기장치 • 흡입 위키 : 자동차, 교통, 지역, 지도, 산업, 기업, 단체, 업무, 생활, 쇼핑, 블록체인, 암호화폐, 인공지능, 개발, 인물, 행사, 일반