엔진

엔진(engine)

엔진(engine)은 다른 열에너지를 기계적인 에너지로 바꾸는 장치이다. 자동차 엔진은 자동차에 동력을 공급하는 기관으로, 동력을 발생시키기 위해 연료를 연소시킨다.

구성

엔진의 구성요소는 엔진의 종류에 따라 다르지만, 실린더(cylinder), 밸브(valve), 피스톤(piston), 크랭크샤프트(crankshaft), 커넥팅로드(connecting rod) 등의 기본적인 구성요소는 같다. 실린더는 피스톤의 상하 또는 좌우 왕복운동으로 혼합기체가 들어오고 빠져나가며 압축과 폭발이 일어나는 빈 원통형 공간이다. 실린더가 들어갈 자리의 쇳덩어리 부품을 실린더 블록이라고 한다. 밸브는 실린더 위에서 열고 닫히며 혼합기를 흡입하거나 폭발한 뒤 남은 배기가스의 배출을 조절하고 폭발 과정 중 실린더의 밀폐를 유지한다. 흡기밸브는 혼합기의 유입을 조절하고, 배기밸브는 배기가스의 배출을 조절한다. 피스톤은 실린더 안에서 왕복 직선운동을 하면서, 실린더 안에서 생긴 혼합기의 폭발력을 크랭크샤프트로 전달한다. 받은 힘으로 회전하는 크랭크샤프트가 전달하는 힘을 다시 실린더로 이어 압력을 가한다. 크랭크샤프트는 피스톤의 왕복 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 축이다. 회전축에 수평으로 엇갈린 축 여러 개를 묶어놓은 것이며, 커넥팅로드의 움직임은 크랭크샤프트의 회전축 중심과 엇갈린 축 중심의 거리만큼으로 제한된다. 실린더 개수에 따라 회전축 중심을 기준으로 한 엇갈린 축의 배치각도가 다르다. 커넥팅로드는 피스톤과 크랭크샤프트를 연결하는 막대다. 길이가 고정되어 있기 때문에 피스톤과 크랭크샤프트 사이에 힘을 전달하며 두 부품 사이의 움직임을 구속하는 역할도 한다. 이 밖에 엔진이 회전할 때 발생하는 마찰력에 의한 동력의 손실을 줄이기 위해 엔진에 윤활유를 공급하는 윤활장치와 엔진에 발생한 열을 흡수해 엔진 온도를 일정하게 유지시켜 주는 냉각장치가 있다.

작동원리

엔진의 작동 방식을 알기 위해서는 행정에 대한 이해가 필요하다. 피스톤이 한 번 올라가거나 내려가는 것을 1행정이라고 한다. 가장 대표적인 방식은 4행정 방식이며, 2행정, 5행정, 6행정 방식도 있다. 예를 들어 2행정 방식은 피스톤이 한 번 왕복하는 동안 즉, 2행정하는 동안 한 주기가 끝난다. 4행정 방식은 흡입, 압축, 폭발, 배기를 반복한다.

내연기관 자동차 엔진의 4행정 사이클

• 흡입 : 두 밸브가 닫혀 있고 피스톤이 가장 위에 있는 상태에서 시작한다. 피스톤이 아래로 내려가면서 흡입밸브가 열려 혼합기체가 실린더 안으로 주입된다. 그리고 피스톤이 아래로 내려가면서 흡입밸브가 닫히고 흡입이 끝난다.
• 압축 : 플라이휠의 회전운동으로 피스톤이 다시 위로 올라가며 주입된 혼합기체를 압축한다. 압축된 혼합기체는 부피가 줄어들며 밀도가 높아져 폭발력이 강해진다.
• 폭발 : 피스톤이 맨 위에서 불꽃방전을 일으켜 밀도가 높아진 혼합기체가 순간적으로 연소된다. 연소되면서 생기는 폭발로 피스톤을 밀어 내린다. 여기서 연소 기체의 열에너지가 플라이휠의 회전운동 에너지로 바뀐다. 피스톤이 아래로 내려가는 동안 실린더 안에는 배기가스가 남는다.
• 배기 : 플라이휠의 회전운동에 따라 아래로 내려간 피스톤이 다시 올라올 때 배기밸브가 열리며 연소기체를 밖으로 내보낸다. 피스톤이 맨 위로 올라갔을 때 배기밸브가 닫히고 흡기밸브가 열리면서 흡입 과정이 다시 시작된다. 즉, 엔진의 실린더에 연료를 흡입하여 폭발시킨 힘으로 피스톤을 밀어내고 밀려난 피스톤이 축을 회전시켜 그 힘이 바퀴에 전달되어 자동차가 움직이는 것이다.

구분

연료

가솔린 엔진

가솔린 엔진

가솔린 엔진은 휘발유(가솔린)를 연료를 사용하는 엔진이다. 디젤 엔진에 비해 소음과 진동이 적은 것이 가장 큰 장점이다. 하지만 유류비가 비싸고 상대적으로 연비가 좋지 않다는 단점이 있다. 가솔린 엔진은 가솔린에서 구동되도록 설계된 스파크 점화 및 연료와 유사한 휘발성을 가졌다. 가솔린 엔진이란 명칭은 보통 북아메리카에서 쓰는 표현이며 영국 등 다른 영어권에서는 페트롤 기관(petrol engine)이라고 부른다. 프랑스의 출신의 학자가 1862년에 원리를 제안하고, 1876년 독일의 니콜라우스 오토(Nikolaus Otto)가 4행정 내연기관을 발명한 것이 가솔린 엔진의 시초다. 이후 다방면에서 가솔린 엔진이 사용되어 발명가의 이름에서 따와 오토 엔진(Otto engine)이라고도 부른다. 초기에는 카뷰레터를 사용하여 공기와 기화된 휘발유를 혼합하여 공급하는 방식이 대세였으나, 80년대 이후에는 흡기포트에 인젝터를 장착하여 실린더 도달 직전에 공기와 휘발유를 혼합해주는 포트분사식 엔진이 주로 채택되었고, 2000년대 이후엔 거의 대부분의 브랜드에서 포트분사식 엔진을 채용하고 있으나, 일부 제조사에서는 직분사 엔진으로 넘어가고 있는 추세다. 가솔린 엔진은 왕복식 기관과 회전식 기관이 있다. 왕복식 기관은 2행정 기관과 4행정 기관로 나뉘며, 이 중 4행정 기관이 흔하게 사용하며, 2행정 기관은 오토바이, 스쿠터 같은 소형차나, 예취기같은 소형 원동기에 주로 쓰인다. 회전식 기관은 로터리 엔진으로 알려진 방켈 엔진이 있다.

왕복식 기관

• 2행정 기관 : 4행정 기관과 비교하여 피스톤이 크랭크 축을 한 번 회전하여 동력을 완성하는 내연기관이다. 먼저 흡입·압축 행정이 이루어지는 동안, 피스톤이 아래에서 위로 올라가면서 사이클이 시작된다. 여기서 크랭크실과 실린더 사이의 소기 포트를 막는데, 이 과정에서 실린더 안에 먼저 들어가 있던 혼합기체를 압축하고, 동시에 다음 사이클을 위해 혼합기체가 크랭크실로 유입된다. 피스톤이 제일 윗부분에 이른 후, 점화 플러그의 전기 스파크로 혼합기체가 폭발한다. 그 압력으로 피스톤이 위에서 아래로 내려가면서 폭발·배기 행정이 진행된다. 이 때 먼저 배기포트가 열리면서 배기가스가 빠져나가고, 이후 소기포트가 열리면서 크랭크실에 대기되어 있던 혼합기체가 소기포트를 통해 실린더에 유입되면서 한 사이클이 완료된다. 2행정 기관에서는 배기 포트와 소음기 사이에 커다란 챔버가 있는데, 배기 중에 연소되지 않은 혼합기체가 같이 배기 되지 않도록 실린더로 유도하는 역할을 한다. 실린더 아래 부분의 크랭크실은 4행정 엔진에선 엔진오일만 들어가지만, 2행정 기관은 엔진 오일과 함께 연소를 준비할 혼합기체도 함께 들어가게 된다. 그래서 실린더에 혼합기체가 유입될 때, 엔진 오일도 함께 유입되어 연소된다. 한편, 2행정 기관용 엔진 오일은 발화점이 낮게 되어 있으므로 2행정 기관용 엔진오일을 4행정 기관에 넣을 경우 화재 위험이 커진다.
• 4행정 기관 : 내연 기관의 일종으로 내연 기관에서 가장 많이 쓰이는 방식이다. 4행정 기관의 작동 순서는 다음과 같다.

1. 흡입 : 피스톤이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 하강하는데 이 때 실린더의 내부 압력이 낮아지면서 공기가 흡기다기관으로 밀려들어가고, 이 공기가 연료와 혼합되어 혼합기가 된다. 이 혼합기가 흡기밸브를 거쳐 실린더 내부로 들어간다. 크랭크축이 180도로 돌면서 실린더 안에 혼합기가 채워진다. 직접 분사식 가솔린 엔진(GDI)방식에서는 공기만 흡입한다.
2. 압축 : 흡기·배기 밸브가 모두 닫힌 상태에서 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하면서 혼합기를 압축한다. 이때 크랭크축이 1회전하게 된다. 압축시 혼합기의 온도는 약 400~500도(℃) 정도로, 압축압력은 약 18 바(bar) 정도까지 상승한다. 가솔린 기관의 압축비는 7~11:1이다. 엔진의 회전속도가 빠를 수록 압축비가 상승한다.
3. 폭발 : 실린더 내부의 혼합기가 연소되면서 생성된 연소 가스의 압력으로 피스톤을 밀어내면서 피스톤이 하강하고, 동력이 발생한다. 가솔린 엔진은 점화플러그를 통한 스파크 점화로 연소하며, 직접 분사식 가솔린 엔진은 스파크 점화와 동시에 연료를 분사한다.
4. 배기 : 배기밸브가 열리고 피스톤이 상사점으로 상승하면서 연소 가스를 밀어 올려 실린더 밖으로 배출시킨다. 이 과정에서 크랭크축은 총 2회전을 한다.

회전식 기관

• 방켈엔진(Wankel engine) : 왕복 운동을 하지 않는 회전 방식을 이용하는 내연기관의 일종이다. 다시 말해 피스톤 왕복 운동을 하지 않고 압력을 회전 운동으로 변환한다. 이 기관은 독일의 기술자 펠릭스 방켈이 발명하였다. 그는 1929년 이 기관에 대한 첫 특허를 받아 1950년대 초에 NSU에서 개발을 착수하였고 1957년에 동작 가능한 프로토타입을 완성하였다. 그 뒤 NSU는 이 개념을 세계 여러 회사에 라이선스하면서 디자인을 계속 개선해나갔다. 21세기에 생산에 들어간 유일한 내연 기관이다. 이러한 소형 디자인으로 말미암아 방켈 기관은 자동차, 자전거, 경주차, 항공기, 레이싱 카트, 수상 제트스키, 설상차, 체인톱, 보조 동력 장치 등 다양한 차량과 장치에 설치되었다.

가솔린 엔진은 다른 내연기관과 마찬가지로 기관 내부에서 연료를 직접 태워 발생하는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 방식을 가지고 있지만, 다른 기관과 달리 기화된 휘발유에 공기를 혼합한 가스를 태우는 힘으로 작동시킨다. 혼합가스를 태울때는 피스톤을 밀어내어 압축을 시킨 후에 점화플러그에서 전기 스파크를 내어 연소시킨다. 가솔린 엔진의 힘의 단위로 보통 마력(hp) 또는 와트(W)로 나타낸다. 가솔린엔진의 연료 분사 방식으로는 기화기, 포트 분사식, 직접 분사식이 있다. 기화기 방식은 초기의 가솔린엔진에 많이 쓰였던 형식으로 기화기(카뷰레터)를 사용하여 공기과 연료를 미리 적절한 비율로 혼합시킨 후 실린더에 흡입하는 방식이다. 기화기에는 스로틀 밸브가 있으며 운전자가 가속 페달로 개폐량을 조절하면서 엔진 내부로 흡입되는 공기의 양이 제어되며, 이에 따라 엔진 출력이 제어된다. 포트 분사식은 1980년대 이후부터 등장하였고 현재 거의 모든 가솔린 엔진에 쓰이는 방식으로 흡기 포트에 연료분사기(fuel injector)를 장착하여 실린더에 도달하기 직전에 공기와 가솔린을 혼합해주는 방식이다. 직접 분사식은 연료를 흡기포트가 아닌 실린더 내에 직접 분사한 후 연소하는 방식이다. 디젤이 아닌 내연기관에서 현대의 2행정, 4행정 가솔린 기관에 들어가는 연료 분사의 일종이다. 휘발유는 고압 처리되어 보통관 연료 라인을 통해 각 실린더의 연소실에 직접 주입되는데, 이는 실린더 포트에 연료를 주입하는 전통적인 멀티포인트 연료 분사와는 다른 것이다. 직접 연료를 연소실에 분사하는 일에는 고압의 분사가 필요한 반면 낮은 압력은 실린더 포트에 분사 시 사용된다. 가솔린엔진은 전기 스파크를 내어 가스를 연소하는데 사용한다. 자동차의 경우 축전지의 전류를 사용하는데, 유도 코일이 전압을 높이면, 이 고압 전류는 배전기를 지나고, 배전기는 압축행정이 끝에 다다를 무렵에 맞추어 각 실린더에 전류를 전달한다. 이 전류가 절연재로 싸인 두개의 점화플러그 사이의 틈을 지나면서 전기 스파크를 발생시키고 이 전기 스파크로 가스를 연소시킨다. 가솔린 엔진의 압축비는 폐쇄 실린더에서 공기와 연료의 압축 혼합물이 모두 발화의 위험을 너무 제기하거나 디젤 기관처럼 움직인다. 속력 및 효율적인 면에서는 가솔린 엔진과 크랭크 축이 봉 디젤보다 빨리 연소로 인해 가솔린과 연결, 부분적으로 인해 가벼운 피스톤으로 디젤 기관보다 더 높은 속도로 작동한다. 가솔린 엔진은 출력하는 힘의 양에 비해 크기가 작고 가벼운 특징이 있기 때문에 중소형차 엔진에 널리 사용되고 있다. 자동차, 오토바이, 에어크래프트, 모터보트, 소형 트랙터 등의 동력으로 많이 쓰이며 예취기, 전기톱, 휴대용 엔진 발전기 등의 소형 엔진에도 사용된다. 디젤 엔진이 등장하기 이전에는 대형 차량인 버스, 트럭, 기관차에도 사용되었다.

디젤 엔진

디젤 엔진

디젤 엔진은 디젤연료, 즉 경유를 연료로 사용하는 엔진이다. 휘발유에 비해 저렴하고 연비가 좋으며 저속 토크가 강하다는 장점이 있다. 하지만 엔진의 소음과 진동이 크고 가솔린과 비교해 투입되는 부품이 더 많아 수리비가 비싸다는 단점이 있다. 디젤 엔진은 독일의 기술자 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)이 1892년에 발명한 내연기관이다. 열 효율이 높아 주로 대형차, 철도차량, 건설기계, 농업용기계, 선박 등의 엔진에 이용된다. 같은 내연 기관인 가솔린 기관이 전기와 점화플러그를 이용하여 연료를 점화시키는 반면, 디젤 기관은 압축점화기관형태로, 실린더 안에 공기를 압축해서 온도를 높인 후 연료를 실린더 안에 분출하면서 스스로 점화되도록 하는 장치이다. 연료가 연소하면서 화학에너지가 열에너지로 바뀔 때, 각 실린더 안의 온도가 2,480도 정도까지 올라가고, 실린더 내부에 약 100kg/cm2의 압력이 나온다. 이 압력이 실린더 안의 피스톤을 하사점까지 밀어내고, 피스톤에 연결된 크랭크축을 회전시켜서 동력을 만든다. 실린더 안에 압축된 공기가 연료를 점화시키기 위해서는 실린더 안의 온도가 일정 온도 이상이 되어야 한다. 연료 점화에 필요한 압축비가 높을수록 온도가 높아진다. 압축비는 압축 전과 후의 공기의 체적비로 측정하는데, 대형 실린더에는 압축비가 약 13:1, 중형은 약 14.3:1, 소형은 약 20:1 정도 나온다. 디젤 기관에 이용되는 연료는 열효율이 높으면서 휘발유보다 저렴한 연료를 사용하며, 주로 경유 계통을 사용한다. 디젤 엔진을 구분할 때 일반적으로 2행정 기관과 4행정 기관으로 나눈다. 대개의 경우는 4행정 기관이며 일부 대형 기관의 경우 2행정 기관을 쓴다. 4행정 기관은 각 피스톤이 아래-위-아래-위 의 순으로 한 사이클을 완료한다. 첫 번째의 하강행정에서 공기를 실린더로 흡입하고, 상승행정에서 공기를 압축한다. 두 번째의 하강행정에서 연료를 분사하여 폭발 시킨 후, 상승행정에서 연소된 배기 가스를 밖으로 내보낸다. 2행정 기관은 각 피스톤이 아래-위 의 순으로 한 사이클을 완료한다. 하강행정에서 실린더가 열리면서 배기가스를 내보내는 동시에 신선한 공기를 흡입한다. 이 과정에서 슈퍼차저와 터보차저를 통해 공기를 순식간에 빨아내고, 동시에 연소된 가스는 배기 밸브를 통해 순식간에 빠져나간다. 상승행정은 압축행정으로 한 번만 일어난다. 4행정 기관보다 한 사이클당 폭발행정이 2배이므로 크기가 작고 큰 힘이 필요한 기계에 사용한다. 디젤 엔진의 연료 분사 방식으로는 기계적 혹은 전기적 분사와 간접 분사, 직접 분사가 있다.

• 기계적 분사(전기적 분사) : 연료 분사의 대부분의 구성에서 20세기에 걸쳐 사용되어왔다. 오늘날 대부분의 디젤 엔진은 엔진의 크랭크샤프트에 의해 구동되는 단일 기계적 플런저 고압 연료 펌프를 사용한다. 각각의 엔진 실린더에는, 연료 펌프 수단에 대응하는 플런저가 정확한 양의 연료를 분사하고, 각 분사의 타이밍을 정한다. 이 엔진에 쓰이는 분사기는 특정 연료 압력에 따라 여닫는 매우 정밀한 스프링이 장착된 밸브를 사용한다. 별도의 고압 연료는 각각의 실린더로 연료 펌프를 연결한다. 각각의 단일 연소용 연료량은 약간 회전으로 압력이 해제되거나 기계식 조속기 에서 제어되는 플런저의 경사면 홈에 제어되고, 스프링 레버에 의해 엔진 속도가 제한되어 회전 가중치가 구성된다. 분사기는 연료 압력에 의해 분사된다. 고속 엔진에서 플린저 펌프는 하나의 유닛으로 묶여있다. 각 분사기의 펌프로부터 연료 라인까지의 길이는 동일 압력의 지연을 얻기 위해 보통 각각의 실린더에 대해 동일하다. 여섯개 미만의 실린더에서 고속 엔진으로 저렴하게 구성하는 방법으로 축 피스톤 펌프 분배기(axial-piston distributor pump)를 사용하는 것이 있다. 각 실린더 밸브 및 라인에 연료를 제공하는 하나의 회전 펌프 플린저로 이루어진다.
• 간접 분사 : 실린더 내에 분사하여 연소하는 대신 프리챔버에 분사 연소시키고 이를 주 실린더 내로 전파하는 방식이다. 80년대와 90년대에 포드(Ford)와 쉐보레(Chevrolet)가 이러한 방식의 엔진을 생산하였다. 이러한 방식은 직접 분사 방식에 비해 효율이 떨어지는 것으로 알려지고 있다.
• 직접 분사 : 대부분의 디젤 엔진은 다음 중 한 가지 방식의 직접 분사 방식을 사용한다.

디젤 엔진 동작원리

1. 배전기 펌프 직접 분사 : 처음 등장한 직접 분사 방식은 로터리 펌프를 사용하여 마치 간접분사 방식과 흡사하였다. 분사기는 실린더 위에 장착되었고 간접 분사 방식과 같은 별도의 챔버도 없었다. 또한 이러한 방식은 소음이 매우 컸고 매연도 많았다. 다만 간접분사 방식보다 연료가 15-20 퍼센트가량 적게 소모하는 것이 큰 장점이었다. 이러한 방식은 전자적으로 분사 펌프를 조절하게 되면서 성능을 향상시킨다. 분사 압력은 여전히 300바에 머물렀지만 분사 타이밍, 연료양, 배기가스 재순환 등 모든 것이 전자적으로 제어된다. 성능 향상에 따라 이 방식은 경제적이면서도 힘이 좋아져 당시의 간접 분사 방식보다 우수하였고 시장에서 인정받아 시장의 주류로 자리잡는다.
2. 커먼레일 직접 분사 : 고압펌프를 사용하여 연료를 연료 레일에 고압으로 압축해 뒀다가 분사시기에 맞추어 인젝터를 통해 각각의 실린더에 연료를 직접 분사한다. 커먼레일이란 용어는 모든 실린더의 인젝터가 하나의 연료레일에 연결되어 레일을 공유한다(common rail)는 의미에서 유래되었다.

디젤 내연기관은 연료를 점화하기 위해 고도로 압축된 고온의 공기를 이용하며, 스파크 플러그를 사용하는 가솔린의 점화 사이클과는 다르다. 디젤 엔진에서 공기만이 초기 연소 챔버로 도입된다. 연료 분사 장치는 연료를 작은 방울로 분해되는 것을 보장하고, 연료가 고르게 분포된다. 압축 공기의 열은 방울의 표면에서 연료를 기화한다. 연소가 끝날 때 피스톤이 내려가면서 연소 가스는 확장한다. 우측 그림에서 1부터, 피스톤이 하사점에 있고, 양쪽의 밸브는 압축 행정이 시작될때 폐쇄된다. 실린더는 대기압에서 공기가 포함되어 있다. 1과 2사이의 공기는 단열 압축된다. 이것이 압축되는 동안 부피는 감소한다. 이때 온도는 올라가고 압력은 증가한다. 화학에너지가 방출되고 이것은 압축된 가스에 열에너지를 주입한다. 연소 가열은 2와 3사이에 발생한다. 이 구간에서의 압력은 피스톤이 내려가고, 부피가 증가하기 때문에 일정하게 유지된다. 연소 에너지의 영향으로 온도는 올라간다. 3에서의 연료 분사 및 연소가 끝나고, 실린더는 2에서보다 더 높은 온도에서 기체를 포함한다. 작업은 엔진이 연결되는 시스템에서 이루어진다. 이것이 팽창하는 동안, 기체의 부피는 증가한다. 이때 온도는 내려가고 압력은 감소한다. 4에서 배기 밸브가 열리고, 압력은 급격하게 감소한다.

LPG 엔진

LPG 엔진은 액화석유가스(LPG)를 연료로 하는 엔진이다. 연료비가 저렴하고 수명이 길며 다른 엔진에 비해 오염물질이나 이산화탄소, 미세먼지 등의 배출이 적은 장점이 있다. 엔진의 소음도 적은편이다. 하지만 폭발에 대한 위험성과 모든 운전자가 쉽게 구매하기 어렵다는 단점이 있다. 미국의 화학자 월터 스넬링(Walter Snelling)은 1910년 휘발유보다 탄소 배출이 적은 프로판의 존재를 처음 확인한 뒤 액상화에 성공했다. 그리고 상업화를 위해 아메리칸 가솔(American Gasol) 사를 설립하면서 LPG의 대중화가 시작되었다. 이후 여러 분야에 사용되기 시작하면서 1950년 미국에서 LPG 버스가 운행되기 시작했다. 1965년 쉐보레가 상용차에 LPG 전용 엔진을 탑재하면서 자동차 회사들도 LPG 엔진 개발에 뛰어들게 된다. 이후 1966년 대한민국에 LPG 버스를 들여오면서 국내에도 LPG 자동차의 역사가 시작되었다. 1970년대에 액화석유가스가 택시에 사용되도록 법적 정비가 완료된 후 1982년 자동차 회사가 LPG 전용 엔진을 처음 만들어 판매하였다. 이후 국내 LPG 엔진 기술은 글로벌 최고 수준으로 평가되고 있다. LPG 엔진은 봄베에서 나온 기체 및 액체상태의 연료가 고압밸브와 저압밸브를 거쳐 기화기로 이동하여 기화된다. 기화된 액화석유가스는 공기와 혼합되어 실린더에 들어가 폭발하면서 엔진이 구동된다. 하지만 액화석유가스를 그대로 사용하는 LPG 엔진에는 문제가 있었다. 겨울철 시동이 잘걸리지 않고 연비가 급격히 떨어지는 현상이 발생했다. 이는 LPG 연료의 성분을 보면 알 수 있다. LPG는 프로판과 부탄으로 구성되있는데 부탄은 발열량이 프로판보다 높아 출력과 연비를 높여 주는 역할을 하고 프로판은 순간 압력이 강해 부탄과 프로판을 일정한 비율로 섞어쓰는데 출력을 책임지는 부탄의 어는점이 영하 0.5도 이고 프로판이 영하 42.1도라는 점이다. 겨울철이 되면 영하 0.5도 이하로 떨어지는 경우가 많아서 시동이 잘걸리지 않거나 역화가 발생하고 불완전 연소로 인해 연비가 떨어지는 현상을 보이게된다. 이를 해결하기 위해 LPi 엔진이 등장하게 된다.

LPi 엔진

LPi 엔진은 LPG 차량에 사용되는 엔진 시스템이다. 이것은 LPG 연료를 고압의 액상으로 유지하면서 엔진의 흡입구에 있는 인젝터를 이용하여 각 실린더로 분사해주는 장치이다. 이는 기존의 LPG 엔진에서 한 단계 진화한 것이다. LPG 차량은 연비가 나쁘고 겨울에 시동이 걸리지 않으며 고장이 잦은 구조적 문제를 안고 있었다. 그 근본적 원인은 엔진이 기체 상태의 연료를 사용한다는 데 있었다. 기체 상태의 연료는 제어가 힘들기 때문이다. 기존의 LPG 엔진은 기체 및 액체상태의 연료가 베이퍼라이저라는 곳으로 이동하고, 그곳에서 LPG는 모두 기화되어 기체 상태가 된다. 이 기체 LPG는 스로틀바디에 위치한 믹서에서 공기와 혼합되고 이 혼합된 기체가 엔진의 각 연소실에 들어가 폭발하면서 엔진이 구동된다. 반면 LPI 엔진은 연료펌프에서 나온 액상의 LPG가 전자적인 신호에 따라 액체 상태로 분사되면서 연소가 일어난다. 또한 각 실린더 마다 위치한 흡기 매니폴드에 연료를 분사한다. 즉 기체 상태의 연료를 사용하는가 액체 상태의 연료를 사용하는가와 연료와 공기를 혼합하는 위치의 차이인데, 기체 상태의 연료는 제어가 어려운 반면 액체 상태의 연료는 그 양을 쉽게 조절할 수 있고, 각 실린더 별 제어가 가능하기 때문에 엔진의 성능이 더욱 최적화된다. 이 차이로 인해 연비 성능이 획기적으로 개선되고, 겨울철에 시동이 잘 안걸리는 문제도 해결이 된다.

연료분사 방식

직접분사식 가솔린 엔진

직접분사식 가솔린 엔진(GDI; gasoline direct injection engine)은 실린더 내부 인젝터가 연료를 직접 분사하는 방식의 가솔린 엔진이다. 직접분사 방식은 디젤기관에서 쓰이는 기술이지만 디젤과 가솔린 엔진의 장점을 모은 것으로 정확한 양의 연료 분사가 가능하고, 폭발력이 강해 연비와 출력이 높은 반면 가격이 비싸고 소음과 진동이 큰 편이다. 1997년 일본 미쓰비시자동차(Mitsubishi Motors)가 양산에 성공했다. 일반 엔진의 공기와 연료의 혼합기 질량비는 14.7 대 1인데, 린번 엔진(Lean Burn Engine)의 혼합기 질량비는 최대 22~23 대 1까지 희박하게 할 수 있고, 직접분사식 가솔린 엔진은 25~40 대 1이라는 극히 희박한 혼합기 질량비가 가능하다. 이 엔진은 실린더 안에 세로 방향의 강한 소용돌이를 발생시키는 것이 특징인데, 이 소용돌이는 인젝터에서 분사된 가솔린을 효율적으로 점화플러그 주변으로 모아 혼합기가 완전히 연소될 수 있게 도와준다. 또 노킹을 일으키기 쉬운 플러그 주변에 연료를 직접 분사하면 흡기온도가 기화열에 의해 낮아지므로 혼합기의 충전효율이 높아지고, 압축비도 높아진다. 이렇게 하면, 이론적으로는 가솔린 분사량과 분사 시기, 혼합기 질량비 따위를 폭넓게 조정할 수 있게 되어 정속 주행시의 희박 연소, 출력 향상, 이산화탄소 배출 감소 등의 상반되는 요소를 모두 실현할 수 있게 된다. 이론상으로 뛰어난 엔진이지만, 희박 연소 때 여전히 출력이 떨어지고, 실린더 안에 대량으로 발생한 연소 찌꺼기와 카본이 가솔린을 흡수하여 주행거리가 길수록 연비가 떨어지는 문제점이 있다. 이 같은 문제점을 해결하려면 실린더 내부를 계속 청소해야 한다.

다중연료 분사 엔진

다중연료 분사 엔진(MPI; multi-point injection engine)은 각각의 실린더마다 인젝터를 설치하고 연료를 분사하는 방식이다. 직접 분사방식에서는 실린더 내에, 간접분사방식에서는 각 실린더의 흡기밸브 앞에 분사밸브를 1개씩 설치한다. 각 실린더마다 연료 분배량이 서로 같아지게 된다. 실린더 밖에서 공기와 혼합한 뒤에 연료를 주입하고 폭발시키는 방식의 가솔린 엔진으로, 구조가 상대적으로 단순해 정비하기에 용이하고 직접분사식 가솔린 엔진에 비해 진동과 소음이 적다. 하지만 직접분사식 가솔린 엔진에 비해 80%의 힘을 발휘하며 순간 가속력이 떨어진다.

커먼레일 엔진

커먼레일 엔진(CRDI; Common Rail Direct Injection Engine)은 정밀 전자 제어가 가능한 압축 장치와 응답성이 뛰어난 연료 분사 장치를 이용하여 운전 상태에 맞게 연료를 분사해 주는 디젤 엔진이다. 직접분사식 가솔린 엔진과 같은 방식이지만 커먼레일 엔진은 연료를 압축하고 일정하게 유지하는 장치가 있어 성능과 효율을 높이고 진동과 소음을 낮출 수 있다. 또한 유해 배기가스 배출량을 줄인다. 컴퓨터와 각종 센서로 이루어진 제어 계통과 압력펌프, 커먼레일, 전자 제어식 분사 노즐로 이루어져 있다. 연료 또는 엔진오일을 분사하기 전에 커먼레일이라는 장치 안에 저장해 두었다가 연소 효율이 가장 높은 시점에 고압으로 분사한다. 고압 분사되어 분무 상태가 된 연료는 연소 효율이 뛰어나 연비가 높고, 배기가스의 질소산화물(nitrogen oxide)이 크게 줄어들며, 공회전 시의 소음과 진동도 낮출 수 있다. 또 연료 분사 패턴을 속도에 따라 제어할 수 있어 저속 회전 대역에서도 연료 분사 압력을 높일 수 있다. 디젤 엔진과 가솔린 엔진 양쪽에 다 적용할 수 있다. 연료에 압력을 가하는 방식은 엔진 오일을 이용하는 방식과 연료를 직접 가압하는 방식의 두 종류가 실용화되어 있다. 1998년에 실용화되어 대부분의 승용 디젤 차량에 장착되고 있다.

실린더 배열

직렬엔진

6기통 직렬엔진

엔진의 실린더 방향이 수직 방향인 실린더가 일자로 나란히 나열되어 있는 엔진을 직렬엔진이라고 부른다. 엔진의 가장 전통적인 방식이며 기본 형태다. 직렬엔진은 경차부터 중형차까지 가장 널리 사용되는 엔진의 방식이다. 약자로는 일렬로 늘어서 있다는 의미의 inline(인 라인)의 I(엘)을 따와 사용한다. 예를 들어 4기통 직렬엔진일 경우 L4(Linear)나 I4로 표기한다. 직렬엔진의 모든 부품은 일관된 방향으로 배치되어 있어 다른 방식의 엔진과 비교했을 때 설계가 단순하며 비교적 간단한 구조로 진동에 대한 변수가 적어 진동을 억제하는 방법을 찾기도 쉽다. 6기통 직렬엔진은 사이클 과정에서 1번과 6번 피스톤, 2번과 5번 피스톤, 3번과 4번 피스톤이 똑같은 위치에 있게 된다. 즉, 서로 진동을 흡수하는 구조로 이뤄져 있어서 진동만 고려했을 때 가장 이상적인 엔진이 된다. 엔진의 실린더가 일정한 직렬로 배열되어 있어 일정한 각도에서 폭발할 수 있고 수직으로 배치되어 있어 중력 방향으로 직접 충격을 주어서 횡진동을 유발하지 않는다. 그로 인해 엔진마다 조금의 차이는 있지만, 회전이 부드럽다. 회전이 부드러워 에너지 효율이 높고 비교적 출력도 높다. 이론적으로 가장 균일한 힘을 제공하여 진동이 적다. 또한, 다른 병렬엔진에 비해 엔진헤드가 적어 엔진헤드와 관련된 부품 수가 적어지면서 가격이 저렴해진다. 보통 2,000cc급 전후의 소형 또는 중형 엔진에서는 정숙성과 정비성, 생산성이 모두 뛰어나지만 그 이상의 배기량에는 적합하지 않다. I3, I4, I6이 대표적이며 진동성과 경제성을 고려한 4기통과 6기통이 많다. 이러한 엔진은 하나의 실린더 블록으로 충분하며 캠샤프트, 실린더 헤드 등 부품의 개수를 줄일 수 있기 때문에 경제적이다. 하지만 실린더가 수직으로 장착되기 때문에 박서엔진이나 비스듬히 누워있는 다른 엔진들보다 무게 중심이 높아 차량의 동력성능이 저하되는 점도 있다. 직렬엔진은 보통 최대 6기통이 한계다. 6기통 이상은 실린더가 일렬로 배열된 직렬엔진의 특성상 엔진의 길이가 길어지기 때문이다. I4를 위해 설계된 엔진룸은 약간의 변경으로 V6 엔진을 장착할 수 있지만, 직렬 6기통이 들어가기 위해서는 엔진룸을 길고 넓게 다시 설계해야 하고, 큰 엔진룸은 커다란 차체를 만들어 무거우며, 큰 차체는 많은 연료가 필요하다. 만약 블록의 격벽을 얇게 만들어 부피를 줄인다고 해도 엔진의 내구성이 낮아지는 문제가 생긴다. 또한, 기통수가 많아지면 크랭크축에 비틀림 하중이 증가하여 축에 많은 무리가 가므로 비교적 고속을 요구하는 자동차 엔진에서는 6기통을 초과하지 않는다. 이 단점으로 자동차 제조사들이 직렬엔진보다 공간 효율성이 높은 V형 엔진으로 전환하는 시기가 있었다. 하지만 3기통과 4기통은 정비성과 생산성이 좋아 여전히 승용차 엔진으로 쓰이고 있다. 차체 길이가 긴 트럭이나 중대형 버스에는 승용차에 비해 엔진룸이 넓어 공간 배치의 단점이 사라지기 때문에 6기통 엔진도 사용한다. 한국지엠㈜의 전신인 지엠대우는 국내 연구진이 독자 개발한 6기통 엔진을 가로 형태로 탑재하는 데 성공했다. 각각의 실린더 간격을 6mm로 좁혀 엔진의 내구성을 유지한 것이 기술의 핵심이었다. 볼보(Volvo)의 경우 4기통과 6기통의 사이인 직렬 5기통 엔진을 탑재하기도 했다. 과거에는 직렬 8기통 엔진을 얹은 모델도 있었지만 현재는 존재하지 않는다. 그럼에도 불구하고 비엠더블유(BMW)를 포함해 여러 완성차 업체는 여전히 직렬 6기통 엔진을 고수하는데, 이는 기술의 발달로 직렬 6기통의 장점은 극대화하면서 단점을 극복할 수 있기 때문이다. V형 엔진의 진동 흡수력도 밸런서 기술의 발달로 개선되었다고 하지만 직렬 6기통의 구조적인 장점을 뛰어넘을 수는 없기 때문이다. 직렬 6기통 엔진은 횡방향의 진동을 상쇄해 완전 밸런스를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 고회전에서도 조용하고 섬세하게 움직이는데, 이러한 장점은 엔진이 노후하면서 더 큰 장점이 된다.

V형 엔진

V형 엔진

엔진 실린더의 배치가 측면에서 봤을 때 알파벳 V(브이)와 비슷해서 V형 엔진으로 불린다. 자동차에 탑재되는 가장 일반적인 엔진 형식으로 실린더가 지그재그 형태로 배열되어 있다. V형 엔진의 V라는 글자를 사용해서, 6기통 V형 엔진을 V6라고 표기한다. V형 엔진은 직렬엔진과 수평대향 엔진의 중간 형태를 띤다. 실린더를 지그재그로 배치하여 같은 기통의 직렬엔진보다 엔진 길이가 짧아진다는 장점이 있다. 실린더 블록의 각도가 직렬엔진보다 커서 무게중심이 직렬엔진보다 낮아지면서 주행 성능 측면에서도 이점이 있다. V형 엔진의 2분할된 실린더 블록은 뱅크(bank)라고 부른다. 뱅크가 좌우로 나누어져 있어서 필요한 경우엔 한쪽 열은 정지시켜 한쪽 뱅크만으로도 동력을 얻고 달리는 것이 가능하여 연비의 향상을 꾀하고 있는 모델도 있다. 하지만 각 뱅크 캠축에 들어가는 부품이 많아지고 복잡해지기 때문에 엔진의 무게가 증가하는 단점이 있다. V형 엔진의 뱅크는 어느 정도의 각도를 하고 있는가에 따라서, 엔진은 60도 V 또는 90도 V 등으로 나뉜다. 진동을 최소화하기 위해서 8기통에서는 90도, 6기통에서는 60도의 뱅크 각이 보통이며, 뱅크 간의 각도가 커질수록 무게중심은 낮아지지만 대신 수평대향 엔진의 단점을 가지게 된다. 6기통 이상의 승용차용 엔진은 대부분 V형 엔진 구조를 사용한다. 6기통 이상의 직렬엔진은 승용차나 소형 상용차에서는 구조적인 문제 등으로 개발이 어렵다. 대신 흔히 알고 있는 페라리(Ferrari), 맥라렌(McLaren), 람보르기니(Lamborghini) 등의 슈퍼카들이 V형 엔진을 사용하고 있다. 엔진의 길이가 짧아 차의 중심에 탑재할 수 있으며, 차량의 무게 중심을 낮추면 자동차 전체의 무게 균형감을 잡아주어 코너링 속도를 올릴 수 있기 때문이다. 특히 레이싱은 0.1초를 다투는 경주로 이러한 엔진의 각도 하나하나도 중요하다. 자동차 자체의 성능향상을 위해서 다기통 엔진을 장착하는데 한정된 공간에 탑재하기는 V형 엔진이 수월하다. 대표적인 V6의 경우, 전체 길이가 I4와 비슷해 중형급의 앞 엔진 전륜구동 모델에 주로 사용되며 실린더의 직경을 크게 잡아 흡배기 효율을 높여 비교적 쉽게 고출력을 얻을 수 있다. 이러한 이유로 고성능 대배기량 스포츠카와 고급세단의 몇몇 차량에서 V형 엔진을 사용하고 있는 모델이 많다.

수평대향 엔진

수평대향 엔진

수평대향 엔진은 V형 엔진의 뱅크 각도를 최대한 넓힌 수평 형태로 엔진이 누워있기 때문에 보통의 엔진처럼 피스톤 운동이 상하가 아닌 좌우로 움직인다. 피스톤이 움직이는 모습이 마치 복싱선수가 두 주먹을 날리는 모습을 닮아 박서(boxer) 엔진이라고도 불린다. F형 엔진이라고도 불리며 수평대향 엔진만의 독특한 배기음이 특징이다. 자동차에 탑재되기 시작한 건 1903년부터이며, 개발 당시에는 피스톤이 누워있는 상태에서 좌우로 움직이기 때문에 편마모에 취약하다는 내구성 문제가 있었다. 엔진룸의 구조 자체가 복잡하여 정비성도 좋지 못했다. 수평대향 엔진은 엔진의 높이가 낮고 가로 길이가 넓다. 그러다 보니 엔진의 무게중심이 낮아지면서 차량의 무게와 균형를 잡아 핸들링이 좋아지게 된다. 또한, 기존의 피스톤 엔진은 회전력을 일정하게 하기 위해 카운터 웨이트와 같은 평형 추가 붙어 무게가 증가하며, 크랭크축이 필요 이상의 강성을 요구받기 때문에 엔진의 효율성이 떨어지고, 엔진 전체 무게를 증가하는 원인이 된다. 하지만 수평대향 엔진처럼 실린더를 눕혀서 배치하게 되면 양쪽 실린더의 폭발력이 상쇄되어 카운터 웨이트를 사용하지 않아도 된다. 수평대향 엔진의 가장 큰 문제는 원통형의 실린더가 수평으로 배치된 특성상 엔진오일이 실린더 상단까지 공급되지 않는 문제와 중력으로 인한 실린더 내막의 편마모 현상이다. 기술이 발전하면서 치명적 손상을 입는 정도는 벗어났지만 수평대향 엔진의 근본적인 문제로는 여전히 남아 있다. 피스톤 위쪽으로 엔진오일을 인위적으로 분사하는 드라이 섬프를 달지 않는 한 현재로서는 해결할 수 없는 문제다. 직렬이나 V형 엔진은 헤드가 위를 보고 있기 때문에 점화플러그나 개스킷 등을 교환하는 일이 비교적 간단하지만, 수평대향 엔진은 헤드가 안쪽에 숨어 있다. 게다가 가로로 넓어서 공간이 비좁기 때문에 수리를 위해서는 엔진 전체를 꺼내야 하는 불편함이 있다. 엔진 구조도 단순하지 않아 이를 다룰 수 있는 엔지니어도 많지 않다. 엔진이 낮지만 넓게 설계되어 있어 작은 차체에 엔진을 앞에 두는 전륜구동 차량에는 스티어링 기구 때문에 탑재하기가 쉽지 않다. 수평대향 엔진을 탑재하는 자동차로는 스바루(Subaru)와 포르쉐(Porsche)가 있다. 스바루는 4기통 엔진을, 포르쉐는 6기통 엔진을 사용한다. 페라리(Ferrari)는 12기통 엔진을 수평대향 엔진으로 제작하기도 하였고, 토요타(Toyota)의 쿠페인 84에도 4기통 수평대향 엔진을 장착했었다. 수평대향 엔진은 혼다(Honda) 바이크와 비엠더블유(BMW)에서도 활용된다.

캠샤프트

캠샤프트(camshaft)는 밸브를 열고 닫는 캠(cam)에 붙어 있는 축이다. 캠 표면에 약간의 변화가 있어도 각 밸브의 리프트나 개폐 시기가 달라져 기관의 성능에 영향을 끼치므로 오랜 시간 사용해도 휘지 않도록 주철로 만든다. 연료가 되는 혼합기는 실린더 헤드의 흡기 포트에서 흡입되고, 배기 포트에서 연소 가스의 배출이 이루어진다. 각 포트를 열고 닫는 밸브의 작동은 캠에 의해서 이루어진다.

SOHC, DOHC, OHV의 구조

• 오버헤드 밸브(OHV; Over Head Valve) : 4행정 기관의 흡배기 밸브 구조 형식 중 하나로, 밸브 기구가 실린더 헤드 위에 위치한다. 캠샤프트가 실린더 헤드에 위치한 SOHC나 DOHC도 흡배기 밸브를 실린더 헤드 상부에 놓지만, 일반적으로 OHV라 하면 SOHC와 DOHC를 제외한 것을 뜻한다. 캠샤프트가 실린더 옆에 위치하여 푸시로드(pushrod)라 불리는 긴 봉을 개입시켜 로커 암을 움직여 밸브를 여닫아 푸시로드 엔진이라고 불리기도 한다. 최초의 OHV 엔진은 스코틀랜드계 미국인 데이비드 뷰익(David Buick)이 개발했다. 그 이전에는 사이드 밸브나 슬라이브 밸브가 사용됐다. 사이드 밸브 방식에 비해 OHV가 유리한 것은 밸브를 실린더 헤드 내부에 배치하여 연소실을 작게 할 수 있다는 점이다. 연소실의 표면적이 작아져 헤드로 방출되는 열이 적어졌으며, 노킹을 잘 일으키지 않는 연소실 형상으로 만들기 쉽고 압축비도 높일 수 있기 때문에, 열효율과 출력을 한층 향상시킬 수 있게 되었다. OHV는 왕복운동하는 부품이 많으며, 특히 푸시로드의 중량이 고회전시 밸브의 추종성을 악화시키는 밸브 점프, 왕복운동 기구의 공진에 의한 밸브 서징이 발생하기 쉬워 엔진의 허용 회전수를 올리기 어렵다. 그러나 비행기나 선박 등의 왕복 기관에서는 프로펠러를 정해놓은 회전수보다도 고속으로 회전시킬 필요가 없으며, 내구성과 신뢰성이 우수하기 때문에 OHV를 사용하는 경우가 많다. 그러나 자동차용 등의 소형 엔진의 경우 부품 수의 삭감이나 경량화 측면에서 OHC가 유리하기 때문에, OHV는 중형 이상에서만 볼 수 있게 되었다.

• 오버헤드 캠샤프트(OHC; Overhead camshaft) : 밸브 장치의 구성방법으로서, 왕복 내연기관의 캠샤프트를 실린더 헤드에 두고, OHV나 푸시로드 방식보다 더 직접적으로 밸브나 태핏을 움직이는 방법이다. 캠축이 한 개인 경우를 SOHC라고 하고, 캠축이 두 개인 경우에는 DOHC라고 한다. 1970년도 초기부터 연소실의 효율을 위해서 캠샤프트가 직접 밸브들을 열고 닫을 수 있도록 엔진의 윗부분인 실린더헤드 부위로 올라오게 되었으며 이것을 오버헤드 캠샤프트 엔진이라고 불렀다. 푸시로드보다 더 정확한 밸브 개폐가 가능하여 흡기 및 배기 효율이 높으며 작동 부품이 줄어들어 엔진의 효율이 높아진다.

DOHC와 SOHC의 차이

• 더블 오버헤드 캠샤프트(DOHC; Double OverHead Camshaft) : 실린더 헤드의 밸브의 구동에 있어 흡기측과 배기측에 다른 샤프트를 사용한 것을 의미한다. SOHC에 비해 샤프트 당 부하가 적어진다. 로커 암을 없애고 캠을 사용한 밸브 직동이 가능하기 때문에 고회전화·고출력화가 쉽다. DOHC 방식의 가장 큰 장점은 어디까지나 연소실과 포트 등 실린더 헤드 설계의 자유도가 늘어나는 것이며, 캠축이 늘어나는 것만으로 성능이 향상되는 것은 아니다. 그러나 도요타처럼 상품성 등의 어필을 위해 DOHC를 적극적으로 채용하는 브랜드도 있다. 직동식 SOHC 엔진도 있지만 실린더 헤드 설계 자유도가 낮아져 연소실 형상이나 밸브 수, 밸브 협각 등에 제한이 생긴다. 밸브 레이아웃은 흡기 밸브와 배기 밸브가 실린더의 반원을 경계로 마주보는 크로스 플로우 형, 또는 흡기 밸브와 배기 밸브를 대각으로 배치한 형태 등을 선택할 수 있다. 또 연소실 형상의 설계 자유도가 높은 등 장점이 많아 고성능 엔진에 많이 채용되고 있다. 개인 튠에 대해서는 밸브 타이밍을 흡기·배기에서 따로 조정할 수 있는 높은 자유도도 특징이지만 단점으로는 부품 수가 늘면서 샤프트가 2개가 되기 때문에 실린더 헤드가 커지는 등의 문제가 있다. 이외에는 널리 보급된, 캠의 위상을 변화시키는 가변 밸브 타이밍과 상성이 좋다는 장점도 있다. SOHC에서는 흡배기 밸브가 하나의 캠으로 구동되기 때문에 캠의 위상을 변화시키면 급배기 양쪽의 위상이 똑같이 변화해버려 효과를 얻기 어렵다. 이 때문에 캠 위상을 변화시키는 밸브 타이밍 기구를 채용할 경우 예외를 제외하면 기본적으로는 DOHC 방식을 사용한다.

• 싱글 오버헤드 캠샤프트(SOHC; Single OverHead Camshaft) : 왕복 기관의 한 형태로, 1개의 캠 샤프트가 실린더 헤드에 놓인 엔진을 의미한다. DOHC가 널리 보편적으로 보급되기 이전에는 OHC라고도 불렸지만, 보다 명확한 구별을 위해 SOHC라 불리게 되었다. 또, 직렬식 실린더의 SOHC 엔진에 한하여 싱글 OHC나 1캠 OHC라고 불리는 경우도 있다. 밸브의 위치는 OHV나 DOHC과 같이 연소실 위이다. 샤프트는 실린더 헤드에 1개 놓여 있다. 샤프트는, 타이밍 체인, 기어, 타이밍 벨트등으로 크랭크 샤프트와 이어져 있어 회전한다. 쐐기형 연소실과 배스터브형 연소실을 가진 엔진에서는 캠이 직접 밸브를 구동시킨다. 반구형 연소실이나 다구형 연소실, 펜트 루프형 연소실을 가진 엔진에서는 샤프트와 밸브는 시소가 움직이는 것과 비슷한 로커 암이라는 기능 부품으로 묶여 있으며 움직임을 전달한다. OHV에서는 샤프트 →푸시로드→ 로커 암의 순서로 밸브를 여닫는 움직임이 전해지지만, 그 중에서 푸시로드가 필요없어진다. DOHC와의 차이는 샤프트의 수로, DOHC에서는 흡기 밸브 및 배기 밸브를 각각 전용의 샤프트로 구동시키지만 SOHC에서는 1개의 샤프트를 함께 사용한다.

기통

엔진 내부에서 피스톤이 상하운동을 하는 공간을 실린더라고 한다. 이 실린더의 개수에 따라 몇 기통인지가 정해지며, 당연히 피스톤의 개수도 기통의 숫자와 동일하다. 중형차는 흔히 2,000 씨씨(cc) 정도의 배기량이기 때문에, 1개의 연소실을 가진 엔진을 자동차에 쓰기에는 한계가 있다. 2,000 씨씨의 배기량을 단기통 엔진으로 만들기 위해서는 엄청난 크기의 연소실을 갖춰야 하며 이를 구성하는 각종 부품도 엄청나게 커지게 된다. 그렇게 되면 엔진 효율이 떨어지는 것은 물론 거대한 연소실에서 생겨나는 폭발력도 크기 때문에 어마어마한 엔진의 내구성도 요구된다. 아울러 발생하는 소음과 진동은 운전자가 감당하기 힘든 수준이다. 그런 거대한 엔진을 자동차에 실을 수는 없기 때문에 큰 배기량을 여러 개의 기통으로 나눠 분담하면서 각 연소실의 부피를 줄이는 것이 좋다.

4기통

4기통 엔진은 세계적으로 소형차, 대형차, 소형상용차 등 다양한 차종에 걸쳐 탑재되는 엔진이다. 모터사이클 등에서는 V형 엔진도 볼 수 있고, 일부 자동차에서는 수평대향 방식의 엔진이 탑재되기도 하지만, 대부분 자동차는 직렬 4기통 방식을 적용하고 있다. 4기통은 2~3기통 엔진보다 상대적으로 소음과 진동이 적고, 6~8기통 엔진보다 연비 효율이 높으며 크기가 작아 여러 면에서 가장 균형적인 형태의 엔진이기 때문에 가장 많이 쓰이고 있는 형태다. 쏘나타(Sonata), 아반떼(Avante), 투싼(Tucson), 싼타페(Santa Fe), K3, K5 등 대부분의 자동차가 4기통 엔진을 사용하고 있다.

6기통

6기통 엔진은 모양에 따라 직렬 6기통과 V형 6기통이 있다. 직렬 6기통 엔진은 6개의 실린더를 일렬로 배치하다 보니 길이가 길어져 V형 6기통(V6)보다 공간을 많이 차지한다. 직렬 6기통 엔진은 V형 6기통 대비 피스톤 운동 균형이 최적화되어 진동이 감소한다. 직렬 6기통이 V6보다는 소음이 덜하며, 효율적인 토크와 파워에 있어서는 유리한 엔진이라고 볼 수 있다. 기술의 발전으로 직렬 6기통 엔진을 사용하는 사례가 늘고 있지만 보편적이지는 않다. 대표적으로 오래된 모델이지만 지엠대우㈜의 토스카(Tosca), 매그너스(Magnus), 쌍용자동차㈜의 체어맨(Chairman) 등이 직렬 6기통 엔진을 사용한다. 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)의 GLE, 비엠더블유(BMW) 5 시리즈가 직렬 6기통을 사용하고 있으며, 제네시스(Genesis)의 GV80에 디젤 직렬 6기통 엔진이 장착된다. V형 6기통 엔진은 부피가 크지만 직렬형과 비교해 효율적인 실린더 배치로 엔진룸 공간 확보가 가능하다. 냉각에도 유리하여 6기통 중 가장 많이 사용되고 있다. 3기통씩 V자 형태로 배열되어 있다. V6의 경우 실린더의 각도가 수직 방향에서 기울어져 있는데 힘 운동이 기울어지게 되면 진동이 커진다. 이 진동은 소음으로 이어지지만, 최근에는 엔진 기술의 발전으로 직렬형과 비교해도 차이가 크지 않다. 그랜저 3.3(Grandeur)이나, K7 3.0, 제네시스 가솔린 모델 등이 V6 엔진을 사용하고 있다.

8기통

사실상 8기통은 V형 배치밖에 없다고 볼 수 있다. 직렬형을 만들 수 없는 것은 아니지만 신경 쓸 부분이 많아지며 비용이 많이 든다. 직렬 8기통을 만들려면 캠샤프트나 크랭크 샤프트가 지나치게 길어지게 되어 비틀림을 막을 수 없는데, 고회전에서 캠이나 크랭크가 휘어진다는 건 바로 엔진의 손상을 의미한다. V형 8기통 엔진은 4기통을 V자 모양으로 병렬로 배치한 엔진이다. 기아 K9과 제네시스 G90, 메르세데스-벤츠의 G 클래스, 랜드로버(Land Rover)의 레인지로버(Range Rover)에 장착되는 엔진이다. 6기통 엔진의 경우 직렬형으로 만드는 경우도 있지만 8기통부터는 직렬로 배치하면 엔진의 길이가 너무 길어져 차체에 넣을 수 없기 때문에 길이를 줄이기 위해서 필연적으로 V형 배치로 만들어진다. 부피를 줄이기 위해서 일부 회사들은 수평대향 8기통이나 V형 4기통 엔진 2개를 옆으로 이은 W형 8기통 엔진 등 독특한 구성의 엔진을 내놓은 적도 있다. 8기통 엔진은 실린더별로 적정 수준의 힘을 내기 위해서는 대략 4,000 씨씨 이상의 배기량을 가지고 있으며, 큰 파워가 필요한 스포츠카나 대형차와 같은 고성능차에 주로 탑재된다. V형 8기통 엔진은 부품이 복잡하여 유지보수에 드는 시간과 비용이 상당하며, 무게가 나가는 편으로 스티어링과 연관이 많다. 오버 스티어의 차량은 큰 운동에너지가 발생하여 스핀이 발생할 수 있으며, 언더스티어의 차량은 코스에서 이탈할 확률이 있다.

12기통

페라리 V12 엔진

V12 엔진은 V자 모양의 두 개의 실린더 블록에 실린더가 각각 6개씩 배열된 엔진이다. V12 엔진은 초호화 세단이나 초고가형 하이퍼카에 탑재된다. V12는 환경규제가 심화될수록 점점 보기 힘들어지는 엔진이다. 실린더가 12개라는 사실 자체로 어마어마한 무게이기 때문에 경량화를 위해 엔진 부품에 마그네슘 합금, 알루미늄을 사용하는 등 다양한 시도가 이루어지고 있다. 12기통의 엔진을 탑재한 차량은 손에 꼽을 정도로 적으며, 쓰임새가 적기 때문에 12기통 엔진은 여유로움과 화려함의 상징이다. 단순한 성능으로는 V8이나 V10으로도 충분하지만 12기통 엔진의 위압감과 상징성에서 차별화된다. V12 엔진이 어쩔 수 없이 공간을 많이 차지할 수밖에 없는 구조이며, 엔진이 내는 큰 힘과 엔진이 들어갈 공간을 감당할 수 없다면 V12 엔진을 얹을 수 없다. 이러한 실용적인 면이 항상 문제로 꼽히지만, V12 엔진은 프리미엄이나 럭셔리 브랜드 모델에 탑재되기 때문에 대중적 자동차에서는 경험할 수 없는 특별함과 엔진 고유의 장점 그 자체가 소비자들의 만족감을 충족시킨다. V12 엔진을 탑재한 대표적인 모델로는 애스턴마틴(Aston Martin) 스피드스터(Speedster), 메르세데스-AMG(Mercedes-AMG) S65L, 롤스로이스(Rolls-Royce)의 아벤타도르S(Aventador S), 비엠더블유(BMW)의 750il, 페라리(Ferrari)의 812 수퍼패스트(812 Superfast) 등이 있다.

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