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가솔린엔진
가솔린엔진(gasoline engine)은 가솔린을 연료로 하는 내연기관 엔진이다.
개요
가솔린엔진(gasoline engine)은 휘발유(가솔린)에서 구동되도록 설계된 스파크 점화 및 연료와 유사한 휘발성을 가진 내연기관이다. 페트롤 기관이라고도 한다. 공기와 연료 혼합물을 압축하고 점화하여 폭발을 일으키고, 그 폭발 에너지를 역학적 에너지로 변환하는 엔진이다. 가솔린 공기와의 적당한 혼합기를 실린더 내에 보내 흡입, 압축, 폭발, 배기의 다작용 폭발력을 피스톤의 직선 왕복 운동을 거쳐 크랭크축에 전하고, 회전 운동으로 바꿔 동력을 얻는다. 각종 교통 기관용, 건설 기계용, 발전용, 농경용 등 1마력부터 3,500마력 정도까지 대단히 광범위하게 사용되고 있다.
역사
프랑스의 드로샤가 1862년에 원리를 제안하고, 1876년 독일의 오토(Otto)가 처음으로 실용적인 가스 엔진을 제작한 이후 다방면에 사용되기 시작했다. 가스 엔진의 원리와 휘발유 엔진의 원리는 몇 가지 기구가 다른 것을 제외하면 거의 같다. 이후 1885년 독일의 다임러(Gottlieb Daimler)와 빌헬름 마이바흐(Wilhelm Maybach)가 최초의 자동차를 만들어내는데, 이때 각각 가볍고 회전속도가 빠른 가솔린엔진을 개발했다. 거의 비슷한 시기에 카를 벤츠(Karl Friedrich Benz)도 휘발유 자동차를 만들었다.[1]
원리
가솔린엔진은 4 사이클(행정)과 2사 이틀(행정)로 나누어지는데, 먼저 4 사이클 작동원리는 2회전, 4행정으로 이루어져 있다. 가장 첫 번째로 흡입행정이 일어나는데, 피스톤이 하강하면서 연료와 공기의 혼합기를 기화기를 통해 흡입한다. 즉, 흡입 밸브 열리고 배기밸브 닫힌다. 압축행정은 피스톤이 올라가면서 흡입된 혼합기를 압축한다. 여기서는 흡입밸브와 배기밸브가 모두 닫힌다. 팽창행정에서는 압축된 혼합기에 전기불꽃으로 점화하고 폭발 시켜 그 가스의 압력으로 피스톤이 내려가면서 동력을 발생시킨다. 여기서는 흡입밸브나 배기밸브가 모두 닫힌다. 배기행정에서는 피스톤이 올라감으로써 연소 가스가 배출된다. 이때는 흡입밸브 닫히고 배기밸브는 열린다. 다시 쉽게 설명하자면, 엔진은 흡입→압축→팽창→배기의 단계로 거쳐서 작동하는데, 가솔린엔진은 먼저 1단계 흡입에서 연료인 가솔린과 공기를 흡입한다. 2단계 압축에서 흡입했던 가솔린과 공기를 10분의 1로 압축한다. 3단계 팽창에서는 압축한 가솔린과 공기를 전기불꽃으로 점화한 후 폭발 시켜 구동 에너지를 얻는다. 마지막으로 4단계 배기에서 연소 가스를 배출하여 가솔린엔진이 작동되는 것이다. 2 사이클(2행정) 기관의 작동원리는 영국의 D.클라크에 의해 1880년에 고안되었는데, 1회전마다 폭발하는 기관이다. 2 사이클(크랭크 케이스 압축식)은 피스톤이 올라갈 때 흡입구에서 크랭크 케이스 안으로 흡입하고, 피스톤이 내려갈 때 이것을 압축하여 배기구가 열리는 동시에 실린더 속으로 보낸다. 기관의 구조는 공랭식도 있으나 보통 수랭식 기관이 많다. 기관 본체는 동력을 발생시키는 부분이며 실린더·피스톤·연결봉·크랭크축·캠축·흡배기 밸브 기구·플라이휠 등으로 구성된다. 연료 장치 중 기화기는 가솔린기관 특유의 장치이며 가솔린과 공기를 적당한 비율로 혼합 시켜 실린더에 보낸다. 기화기의 스로틀 밸브는 열리고 닫음에 의해 흡입되는 혼합기의 양을 조절하여 출력을 조정한다.[2][3]
구조
가솔린엔진의 구조는 엔진의 주요부와 부수장치가있다. 엔진 주요부윈 엔진 본체는 엔진의 외형을 이루고 동력을 발생시키며, 실린더블록, 실린더헤드, 피스톤, 피스톤과 커넥팅 로드 어셈블리, 크랭크 케이스, 크랭크축, 플라이휠, 밸브 등으로 구성되어있다. 엔진의 각 실린더 안에는 피스톤과 커넥팅 로드 어셈블리가 들어있고 커넥팅 로드의 한쪽 끝은 크랭크축에 연결되어 있어서 피스톤이 왕복 운동을 하면 크랭크축은 회전 운동을 한다. 실린더 위쪽 부분에는 실린더 헤드가 설치되어 있으며 실린더 헤드의 안쪽은 연소실의 일부가 되고 이 부분에 흡기 밸브와 배기밸브가 설치되어있다. 밸브는 캠축에 의해 구동되며 흡기 구멍과 배기 구멍을 개폐하여 실린더 안으로 혼합기를 흡입하고 연소 가스를 배출하게 된다. 엔진 베어링은 크랭크축의 삽 동면이나 회전 부분에 설치되어 엔진이 작동할 때 마찰을 감소 시켜 원활한 회전 및 작동이 되도록 한다. 밸브는 연소실에 마련된 흡기와 배기 구멍을 각각 열리고 닫히도록 하여 공기나 연료의 혼합기를 들여보내고 연소한 가스를 내보내는 일을 한다. 자동차용 엔진에는 일반적으로 포핏 밸브가 사용되며 밸브 기구에 의해 작동된다. 밸브 기구는 밸브를 비롯하여 캠축, 밸브리프터, 푸시로드, 로커암 어셈블리 등 그로 구성이되고 밸브 기구에는 오버헤드 밸브 기구 또는 오버헤드 캠축 형식 밸브 기구 등의 형식 있다. 윤활장치는 엔진 내부의 각 작동부에 오일을 공급하여 마찰 손실과 부품의 마멸을 최소로 만들어 기계효율을 높여준다. 이 말인즉슨 운전중 엔진 출력의 일부가 마찰열로 소비되고 이 마찰열이 베어링 소결 등을 일으키기도 한다. 이것을 막기 위하여 작동 면 사이에 유막을 만들어 마찰력이 큰 고체 마찰을 마찰력이 아주 작은 유체 마찰로 바꾸는 역할을 하는 것으로 이작용을 윤활이라고 하고 여기에 쓰이는 오일을 윤활유, 유막을 유지하는 오일 공급 장치를 윤활장치라고 한다. 윤활방식으로는 비산 압력 조합식이 주로 사용되며 비 방식에서는 크랭크축, 캠축, 밸브 기구 등은 압력식에 이해 윤활대로 실린더 벽, 피스톤 핀 등은 비산 식엘 의해 윤활 된다. 그리고 냉각장치는 작동 시 발생되는 열에 의해 과열되는 엔진을 냉각하여 엔진의 온도를 알맞게 유지하고 조절하는 장치로 엔진이 작동 중에 실린더 내에 연소하는 가스는 2000도에서 2500도 정도 되는데, 이 열은 실린더 벽, 실린더 헤드, 피스톤 및 밸브 등의 각 부품에 열이 전달된다. 냉각장치는 이들 부품이 과열되지 않도록 과잉이 열을 흡수하여 엔진의 온도가 항상 일정하게 유지되도록 하는 역할을 하는 장치이다. 엔진이 과열되면 각 부품이 열에 의해 형상이 바뀌거나 또 윤활 불충분하게 이루어져 심할 때는 엔진이 손상이 되어 사용하지 못하게 된다. 그리고 연소상태에도 영향을 주어 엔진이 정상적으로 작동되지 못하게 된다 그의 반대로 엔진이 너무 차가우면 연료의 소비가 증가하고 가솔린에 의해 오일이 변질하여 베어링 등의 접촉부 마멸을 촉진하게 된다. 엔진의 냉각방식에는 공기로 냉각시키는 공랭식과 냉각수를 사용하여 엔진의 내부를 냉각하는 수랭식이 있다. 그리고 점화장치는 실린더에 흡입된 혼합기를 점화하는 것으로 축전지, 감응코일, 단속기, 배전기, 점화플러그, 축전기 등이 있으며 축전지 대신 자석 발전기를 사용하는 것도 있다. 연료 장치 중 기화기는 오직 휘발유 엔진에만 있는 것으로 휘발유와 공기를 적당한 비율로 혼합시킨 뒤 실린더로 보낸다. 기화기의 스로틀밸브 개폐는 흡입되는 혼합기의 양을 조절해서 출력을 조정한다. 예전에는 이 방식이 대세였으나 80년대 이후에는 흡기포트에 인젝터를 장착하는 식으로 실린더에 도달하기 전, 공기와 휘발유를 혼합시켜주는 포트 분사식 엔진이 나왔고 2000년대 이후에는 대부분이 이 방식을 쓰며 일부 자동차 제조사에서는 직분사 엔진으로 넘어가는 추세이다. 그 외에도 흡기 다기관, 연료펌프, 공기 청정기 등의 장치들이 있다.[4]
종류
직접 분사식
직접 분사식(GDI, Gasoline Direct Injection)은 가장 흔하게 접할 수 있는 가솔린엔진이다. 실린더 내부의 주입기가 연료를 직접 분사하는 방식으로 정확한 양의 연료를 분사하고 폭발력이 강해 연비와 출력이 비교적 높다. 즉, 연료를 엔진 실린더 내부에서 직접 분사하기 때문에 정확한 분사가 가능해 연비가 늘어난다. 그리고 낮은 배기량에도 높은 마력과 토크를 얻을 수 있어 덤으로 연비와 출력이 개선된다. 또 과급기와 궁합이 좋아 엔진 다운사이징에 널리 이용됩니다. 하지만 축비나 분사압이 기존의 연료 다중 분사식 엔진보다 높은 경우가 많아서 대체로 엔진의 진동과 소음이 커지고 기존의 엔진에는 없는 고압 펌프, 고압 인젝터 등 그동안 사용하지 않았던 부품들을 사용하게 되며 실린더 내부에 인젝터를 설치 해야 해서 기존의 엔진보다 더 복잡한 구조로 되어 있다. 따라서 비싸지고 정비가 어려워진다. 그리고 카본 찌꺼기가 더 많이 생산되어 흡기 밸브에 쌓이거나 막게 되면 연비가 낮아지고 엔진에 큰 무리를 줄 수 있다.
연료 다중 분사식
연료 다중 분사식 엔진(MPI, Multi Point Injection) 은 밖에서 먼저 공기와 혼합한 뒤 연료를 주입하고 폭발시키는 방식의 가솔린엔진이다. 그리고 실린더마다 연료 분사 밸브를 설치하여 각각의 흡기 매니폴드에서 연료를 미리 분사하는 방식의 엔진이다. 지금은 직접 분사식 엔진을 쉽게 만날 수 있지만, 그전에는 직접 분사식 엔진을 많이 사용했다. 연료 다중 분사식 엔진의 장점은 정숙하고 더 조용한 운전이 가능하다는 점이다. 진동과 소음이 많이 줄어들기 때문이다. 그리고 연료 품질에 민감하지 않다. 직접 분사식 엔진인 경우 고급 휘발유를 사용해야지 엔진을 깨끗이 사용할 수 있지만, 연료 다중 분사식의 경우 품질에 문제없이 대부분 사용해도 된다. 요즘 직접 분사식 엔진 기술이 많이 늘어서 딱히 문제는 없지만 그래도 아직도 연료 다중 분사식이 훨씬 효율적이다. 구조가 단순하며 정비하기에도 편 하다는 점도 있는데, 구조가 단순하다는 건 그만큼 단가가 내려가고 손이 많이 안 간다는 걸 알 수 있다. 단점으로는 직접 분사식에 비해 아쉬운 출력 엔진의 약 80%의 힘을 낸다. 따라서 순간 가속력이 조금 떨어질 수 있다.[5][6]
장단점
장점
가솔린엔진은 진동과 소음이 적어 승차감이 뛰어나고 정숙성이 좋다. 그 이유는 가솔린엔진은 점화 방식을 사용한다. 공기에 매우 미세한 연료 입자를 섞은 후 엔진 내부에서 압축한 뒤 불꽃을 터뜨려 폭발시키는 것이다. 연료 폭발 과정을 매우 느리게 살펴보면 불꽃을 시작으로 연료에 불이 붙기 시작한다. 이후 실린더 안에 있는 연료로 불이 옮겨붙으면서 폭발력이 발생한다. 이 힘을 바탕으로 피스톤을 밀어내 동력을 만들어내는 것이다. 눈 깜짝할 사이에 연료가 폭발하는 것이지만 디젤과 비교하면 가솔린은 불이 천천히 붙는다고 할 수 있다. 그만큼 소음과 진동이 크지 않고 회전도 부드럽게 이뤄진다. 덕분에 소음과 진동을 중시하는 고급 차들은 가솔린엔진을 탑재하고 있다. 또 엔진의 회전수(RPM)가 높아 빠른 속도를 가진다. 토크는 낮지만, 마력이 높은 특성을 갖는 것이다. 덕분에 일반 승용차뿐 아니라 스포츠카에 많이 사용된다. 또한 디젤 엔진과 비교해 부품이 받는 스트레스도 적기 때문에 경량화를 비롯해 유지 보수가 쉽다.
단점
가솔린엔진은 열효율이 높지 않다는 단점이 있다. 디젤엔진의 열효율은 40% 수준을 웃돌지만 가솔린엔진은 35~38%에 불과하다. 그 때문에 토요타(Toyota Motor Corporation)를 비롯한 많은 업체가 가솔린엔진의 열효율을 40%까지 높이는 기술을 개발하고 있다. 그런데도 아직 휘발유는 실린더 내부에서 폭발하기 위한 연료의 양이 경유보다 많이 필요하다. 그만큼 연료 소모량이 많아지는 것이고 연비가 하락하게 된다. 이는 곧 이산화탄소 배출량도 많아진다는 뜻과 같다. 이상점화 증상에도 취약하다. 이상 점화란 연료가 불꽃을 통해 점화되기 전 스스로 폭발해버리는 현상이다. 실린더 내부에서 고온 고압으로 압축된 휘발유가 견디지 못하고 먼저 불이 붙어버리기 때문이다. 이렇게 되면 피스톤이 압축을 위해 올라가고 있는 상황과 반대 방향으로 강한 힘이 발생한다. 엔진에 큰 무리를 주게 되는 것이다. 이상 점화 현상을 방지하기 위해 사용하는 연료가 고급 휘발유다. 고급 휘발유는 스스로 불이 붙는 한계가 높다. 이를 옥탄가로 표기한다. 옥탄가가 높을수록 가혹한 조건에서도 스스로 불이 붙지 않기 때문에 원하는 성능을 발휘하기 쉽다. 고급차량이나 고성능 차량에 주로 사용하는 이유다. 하지만 가격이 높아 지출이 커지게 된다.[3][5][7]
각주
- ↑ 〈가솔린엔진〉, 《나무위키》
- ↑ 〈가솔린엔진(gasoline engine)〉, 《사이언스올》, 2015-11-04
- ↑ 3.0 3.1 유지우, 〈가솔린 엔진 vs 디젤 엔진〉, 《티스토리》, 2015-07-17
- ↑ 서우진, 〈가솔린 엔진 구조와 원리 〉, 《다음 블로그》, 2011-10-15
- ↑ 5.0 5.1 금호타이어, 〈자동차 엔진의 종류와 특징 〉, 《금호타이어》, 2017-06-02
- ↑ 루프트바페, 〈GDI 엔진과 MPI 엔진 차이점 및 장단점 〉, 《네이버 블로그》, 2018-02-19
- ↑ 〈가솔린 엔진과 디젤엔진의 장단점 및 특징은? 〉, 《오토뷰》, 2015-11-03
참고자료
- 〈가솔린엔진〉, 《나무위키》
- 〈가솔린 엔진(gasoline engine)〉, 《사이언스올》, 2015-11-04
- 유지우, 〈가솔린 엔진 vs 디젤 엔진〉, 《티스토리》, 2015-07-17
- 서우진, 〈가솔린 엔진 구조와 원리 〉, 《다음 블로그》, 2011-10-15
- 금호타이어, 〈자동차 엔진의 종류와 특징 〉, 《금호타이어》, 2017-06-02
- 루프트바페, 〈GDI 엔진과 MPI 엔진 차이점 및 장단점 〉, 《네이버 블로그》, 2018-02-19
- 〈가솔린 엔진과 디젤엔진의 장단점 및 특징은? 〉, 《오토뷰》, 2015-11-03
같이 보기
