자동차 엔진의 원리

‍이세현·2024년 10월 13일
Automobile SW Design
1

엔진의 작동 원리와 특성

4행정 사이클

  • 1876년 니콜라스 오토에 의해 고안
  • 흡입, 압축, 팽창, 배기 과정이 한 사이클로 진행
  • 피스톤의 움직임이 커넥팅 로드를 통해 크랭크 축 회전 운동으로 변환된다.

흡입행정

  • 상사점에서부터 흡기 밸브가 열린 상태로 하사점으로 이동하면서 공기(디젤) 또는 공기와 연료(가솔린)의 혼합기를 흡힙하는 과정
    • 상사점: 피스톤이 실린더의 최고점에 위치하는 것

압축행정

  • 흡기와 배기밸브 두 밸브가 모두 닫혀있는 밀폐 상태에서 피스톤이 하사점에서 상사점으로 움직이는 행정
  • 가솔린의 압축압력: 약 10~20bar
    • 피스톤이 상사점에 이르기 전 압축된 혼합기가 점화 플러그에 의해 연소
    • 점화 플러그에 의해 점화시기 제어
  • 디젤의 압축압력: 약 30~40bar
    • 상사점 전 디젤연료를 초고압으로 연소실 내에 직접 분사하며 자기착화
    • 인젝터에 의해 연료 분사시기로 점화시기 제어

팽창행정

  • 연소가 시작되면 피스톤은 다시 하강한다.
  • 4개의 행정 중 유일하게 동력을 발생시키는 행정
    • 팽창행정 중 일부 에너지를 플라이 휠에 관성력으로 저장해 놓고 동력이 필요할 경우 흡입, 압축, 배기행정 때 이 에너지를 사용하는 원리
  • 가솔린의 최대 연소 압력: 약 50bar 전후
  • 디젤의 최대 연소 압력: 약 80bar 전후

배기행정

  • 팽창한 피스톤이 다시 하사점에서 상사점으로 상승하면서 연소한 가스를 실린더 외부로 배출하는 과정

로타리 엔진(방켈 엔진)

  • 바로 축을 회전시킬 수 있는 동력을 얻기 위해 개발된 엔진
  • 1954년 독일의 펠릭스 방켈이 개발하였다.
  • 로터가 1회전하는 동안 총 3번의 폭발 행정이 발생한다.
    • 상당히 높은 출력을 낸다.
  • 현재는 일본 업체에서 스포츠카용 엔진으로 주로 생산하고 있다.

가솔린 엔진과 디젤 엔진 비교

구분가솔린 엔진디젤 엔진
연료가솔린, 옥탄가가 높다. 자연발화가 어렵다.경유, 세탄가가 높다. 자연발화하기 쉽다.
흡입하는 기체공기와 가솔린의 혼합기, GDI는 공기만 흡입공기
연료의 공급기화기 또는 전자제어, 연료분사장치연료분사펌프로 가압하여 노즐을 통하여 연소실 내에 분사
연료의 분사압력20MPa 이하150~200MPa
출력의 제어흡기스로틀링 벨브에 의해 흡입혼합기의 양 증감연료분사량으로 제어
착화고압전기의 스파크에 의해 혼합기에 점화, 일점착화고온 압축공기 속에 분사하여 연료의 자기착화, 다점착화
압축비8~1015~22
적용 가능한 실린더 치수이상연소가 일어나지 않는 중소형 엔진(100mm 이하)디젤유 분사 및 혼합기 분포를 위한 중대형 엔진(1000mm)
  • 디젤엔진의 장점
    • 가솔린에 비해 10% 정도 연비 우수(압축비)
    • 화재 위험성이 비교적 낮다.
    • 부품수(점화장치)가 가솔린에 비해 다소 적다.
  • 디젤엔진의 단점
    • 엔진의 중량이 무거워지고 체적이 커질 수 있다.
    • 소음과 진동이 가솔린에 비해 크다.
    • 동일 체적의 배기량으로 비교할 경우 가솔린보다 출력이 작다.

엔진의 성능

증기기관

  • 제임스 와트가 증기기관을 발명
  • 출력 측정 기준이 필요해졌다.
    • 마력: HP(Horse Power) 또는 Ps
    • Ps: 1초에 75kg의 물체를 1m 이동하는 일의 양
    • 1Ps=75kg⋅m/s×9.81m/s2=735.7W=0.7357kW1\text{Ps}=75\text{kg}\cdot\text{m}/\text{s}\times 9.81\text{m}/\text{s}^2=735.7W=0.7357kW
    • 1kW=1.35Ps1kW=1.35\text{Ps}
    • 마력 측정방법
      • 도시마력: 연소실 내의 압력을 측정해서 계산
      • 제동마력: 엔진을 동력계에 연결하여 측정
      • 출력: PimepASnZ/60i(kW)P_\text{imep}ASnZ/60i(kW)
      • PimepP_\text{imep}: 도시평균 유효압력
      • AA: 피스톤 면적
      • SS: 행정
      • nn: 엔진 회전 수
      • ZZ: 실린더 개수
      • ii: 4행정일 때 2, 2행정일 때 1

엔진의 출력

  • Maserati MC12
    • 배기량 5,998cc
    • 12기통 엔진 장착
    • 최대 출력 640 마력
    • 최고속도 시속 330km
    • 시속 100km 도달까지 3.8초
  • 르노의 F1 엔진
    • 배기량 3,000cc
    • 800~900 마력
    • 엔진 회전 수 1만 8000~ 1만 9000 rpm
    • 최고속도 시속 320~360km

엔진의 토크

  • 크랭크 축을 회전시키려는 힘
  • 단위: N⋅m,kgf⋅mN \cdot m, \text{kgf}\cdot m
  • 토크가 클수록 가속력 및 많은 짐을 실을 수 있다.
  • 중속에서 흡입공기량이 많이 최대의 토크를 발휘한다.
  • 출력과 토크 구분
    • 일의 양이 10초에 60인 A와 20초에 100인 B가 있을 때
    • A의 출력은 60/10=6, B의 출력은 100/20=5
      • 스포츠카의 경우 출력이 더 중요하다.
    • 토크에는 시간의 개념이 없으므로 A의 토크는 60, B의 토크는 100
      • 짐을 싣는 차의 경우 토크가 더 중요하다.
    • 출력과 토크는 서로 별개의 것이 아니라 서로 밀접한 관계이다.

엔진의 연비

  • 연료소비량: 엔진이 일정한 시간 또는 거리 내에 소비된 연료량
    • g/h,g/km,km/L\text{g}/\text{h}, \text{g}/\text{km}, \text{km}/\text{L}
  • 연료소비율: 엔진이 일정한 일을 했을 때 소비된 연료량
    • g/kW⋅h,g/PS⋅h\text{g/kW}\cdot\text{h}, \text{g/PS}\cdot \text{h}
    • 단위 출력당의 연료소비량, 연료소비량 / 엔진출력
  • 엔진의 효율: 엔진에 열공급된 에너지 중 얼마만큼이 역학적 일로 변환되었는가
    • 열효율: [일로 전환된 열량] / [공급된 열량]
    • 디젤 터보과급 장착시 최대 열효율 50%
    • 인간의 열효율은 40%(나머지 60%는 체온 유지 및 배설)

엔진의 구조와 부품

엔진의 구조

  • 실린더 헤드: 엔진의 가장 윗부분으로 벨브 기구가 들어가 있다.
  • 개스킷: 엔진 헤드와 블록을 연결하는 부위에서 연소 가스가 새어 나가지 않도록 한다.
  • 워터펌프: 냉각수를 순환시키기 위한 부품
  • 엔진 블록: 경량화를 위해 주철 또는 알루미늄 합금으로 만들어진다.
    • 열전도가 우수하여 고온의 연소실 온도를 빨리 전도시켜 낮출 수 있다.
    • 공기의 양을 효과적으로 흡입할 수 있다.
  • 엔진 내부는 피스톤, 크랭크 축, 커넥팅 로드, 크랭크 레이스, 오일 펌프, 오일 팬으로 구성된다.

엔진의 배기량

VS=π4D2SZ(cm)2\text{VS}=\frac{\pi}{4}\text{D}^2\text{SZ}(\text{cm})^2
  • VS\text{VS}: 실린더 체적
  • S\text{S}: 행정
  • D\text{D}: 실린더 안지름
  • Z\text{Z}: 실린더 수
  • 압축비: 피스톤이 상사점에 위치했을 때 간극체적에 대한 실린더 내의 전 체적의 비
    • 가솔린은 10 전후, 디젤은 20 전후
    • 디젤은 압축 압력과 폭발 압력이 더 크고 효율이 좋지만 소음과 진동이 크다.
    • 압축비 ϵ=V+VcVc\epsilon=\frac{\text{V+Vc}}{\text{Vc}}, (행적체적 + 간극체적) / 간극체적

연소실

  • 가솔린 엔진의 연소실 설계에 요구되는 조건
    1. 화염의 전파거리가 짧도록 설계
      • 연상 연소인 노킹 억제를 위한 것
      • 점화플러그의 위치도 상당히 밀접한 관계
    2. 압축행정에서 적당한 강도의 와류를 형성할 수 있도록 설계
      • 와류를 만드는 이유는 공기와 연료의 원활한 혼합을 위함이다.
    3. 말단가스의 영역에서 적당히 냉각을 잘 시켜주도록 온도를 낮춰주어야 한다.
    4. 밸브면적을 크게 하고 흡배기구 설계 시 유동저항을 적게 해야한다.
    5. 연소실 형상을 가능한 구형에 가깝게 하여 연손실을 줄어야 한다.
    • 지붕형
  • 스월과 텀블
    • Swirl: 연소실 혼합기가 횡방향으로 회전하는 와류
      • 나선형 모양의 헬리컬 흡입구를 적용해서 스월을 만든다.
    • Tumble: 연소실에서 종방향의 와류
      • 흡기포트의 각도를 수직으로 설정하면 텀블을 만들 수 있다.

피스톤

  • 피스톤 헤드: 연소실의 밑부분으로, 그 형태에 따라 압축시 공기의 와류 생성에 관계한다.
  • 리브: 구조적 보강 목적이며 열 방풀을 용이하게 한다.
  • 압축링 홈: 압축링을 끼우는 부분
  • 오일링 홈: 오일링을 끼우는 부분
  • 스커트: 열팽창과 열 전도성을 고려한 형상
  • 피스톤 핀: 피스톤과 커넥팅 로드 연결

커넥팅 로드

  • 하중을 반복적으로 받아야 하기 때문에 강해야 한다.

크랭크축

  • 크랭크 케이스 내에 설치된 축받이 베어링에 의하여 지지
  • 각 실린더의 팽창행정에서 얻어진 피스톤의 왕복운동을 커넥팅 로드를 통하여 회전운동으로 바꾸어주는 중심축 역할
  • 동력: 축 끝의 플라이휠에 설치된 클러치를 거쳐서 변속기 전달
  • 보통 일체형 구조로 만들어진다.
  • 크랭크 저널, 크랭크 암, 크랭크 핀 또는 회전의 평형을 유지하기 위해 크랭크 암에 설치된 평형추로 구성된다.
  • 오일 공급으로 마찰열을 줄이거나 청결을 유지한다.

플라이휠

  • 크랭크축 끝단에 고정되어 있다.
  • 팽창행정 중에서의 회전에너지를 받아서 회전 속도를 일정하게 해준다.
  • 구조는 간단하지마 중요한 부품이다.
  • 재질: 주철 또는 주강
  • 뒷면에는 클러치 기구가 설치되어 클러치의 마찰 면으로도 사용된다.
  • 바깥둘레에는 기어가 설치되어 엔진을 시동걸 때 사용된다.

엔진의 주변부품

흡기시스템

  • 공기 또는 혼합기를 실린더 내로 유도하기 위한 역할
    • 흡입덕트로부터 들어온 공기에서 이물질을 제거하고 에어호스를 거쳐 공기량이 조절된다.
    • 스로틀 밸브를 거쳐 실린더별로 공기가 공급된다.
  • 흡기과정: 흡입행정에 흡기밸브를 적절한 시점에 열어주어야 한다.
  • 배기과정: 배기밸브를 열어줘야 한다.

캠, 캠축

  • 엔진과의 적절한 타이밍에 흡배기 밸브를 개방해주는 역할
  • 캠
    • 캠축의 회전에 따라 태핏을 밀면서 밸브를 개방한다.
    • 밸브가 닫혀 있을 때에는 밸브 스프링 힘에 의해 밸브 시트에 밀착시켜 실리더 내의 밀폐를 유지한다.
  • 캠축
    • 크래크축과 타이밍벨트 또는 타이밍체인에 의해 서로 연결되어 있다.
    • 4행정 사이클의 경우 흡기와 배기 밸브를 한번씩 연다.

연료공급장치

  • 연소에 필요한 혼합가스를 만들기 위한 엔진의 부속장치
    • 엔진의 성능, 출력과 연비, 배출가스에 지대한 영향을 미치는 중요한 장치
  • 가솔린 엔진
    • 연료탱크, 연료필터, 연료펌프, 인젝터(ECU)로 구성된다.
    • 인젝터 내 솔레노이드 코일에 전류를 공급하면 내부 플런저가 작동하고 니들밸브가 열리면서 가압되어 있던 연료가 분사된다.
    • 미들밸브를 이용해서 연료의 분사량을 제어할 수 있다.
  • 디젤 엔진
    • 가솔린에 비해 분사압력이 훨씬 더 높다.
    • 전체적인 연료 공급 시스템은 가솔린과 차이가 있다.

냉각장치

  • 수냉식 냉각장치: 냉각수를 사용해서 엔진을 강제적으로 냉각하는 방식
    • 실린더 내에 물재킷이 설치되어 있다.
    • 방열기(라디에터), 물펌프, 냉각팬, 수온조절기로 구성되어 있다.

윤활장치

  • 윤활의 역할
    • 마찰 감소, 마모 방지
    • 밀봉 작용: 가스 누설 방지
    • 냉각작용: 발생한 열을 흡수시켜 순환시키며 방열
    • 세척작용: 엔진 내부를 순환하며 이물질을 세척
  • 오일 공급 펌프 등으로 구성되어 있다.

점화장치

  • 가솔린 엔진에만 점화장치가 필요하다.
    • 공기와 연료 혼합가스를 점화하기 때문이다.
  • 스파크 플러그
  • 승용차는 12V, 대형차는 24V의 전압이 필요하다.
    • 스파크를 생성하기 위해서는 보통 10,000~20,000V 이상의 전압이 필요하다.
    • 전압 코일이 승압을 돕는다.

배기시스템

  • 연소하고 난 배기가스를 원활하게 배출하기 위한 장치
  • 내열성이 우수한 재질로 만들어져야 한다.
  • 유해물질을 줄이기 위한 촉매 변환기가 필요하다.
  • 디젤의 경우 매연필터 같은 후처리 장치가 많이 필요하다.
  • 연소가스로 인한 배압을 줄여주는 것이 중요한 요소이다.

과급기

  • 터보과급기
    • 고온 고압의 배기가스가 배출 과정에서 터빈을 돌리며 압축기에서 혼합기를 압축시켜 연소실 내 더 많은 공기를 보내준다.
    • 들어오는 공기의 양이 증가하면 연소 효율이 좋아지고 출력이 향상된다.

ECU

  • 전자제어장치(Electric Control Unit)
  • 주행조건에 따른 각종 정보를 센서를 통해 전기적 신호로 변환한다.
  • 전기적 신호가 ECU에 입력되면 정보를 분석, 처리, 저장해서 출력회로를 통해 액추에이터에 내보낸다.
  • 엔진 제어를 위해서는 센서, ECU, 액추에이터가 있어야 한다.

엔진 테스트 방법

  • 엔진 동력계: 엔진의 동력 측정
  • 섀시 동력계: 차량의 전체적인 성능 측정

자동차의 디자인과 파워트레인

엔진의 디자인 또는 외형 관련 이슈

엔진 커버의 디자인은 승용차의 상품성을 높여주고 엔진을 돋보이게 하는 요소이지만 정비할 때에는 번거로운 요소

  • 엔진 관련 최근 이슈로는 다운사이징이 있다.
    • 배기량을 줄이는 것
    • 8기통에서 4기통으로 줄여도 성능은 차이가 나지 않는 실태이다.
    • 다운사이징이란 배기량을 줄여 엔진에 부담을 줌으로써 효율성을 높이는 것이다. 다운사이징을 하면 가혹한 조건에서 엔진을 구동시키는 것으로, 내구성이 매우 중요해진다.
    • 다운사이징이 엔진에 미치는 영향
      • 엔진의 과부하로 인한 문제 발생
    • 엔진의 다운사이징은 새로운 이미지를 추구할 수 있는 여지를 제공한다.

디자인 측면에서 터보의 역할

  • 공기흡입구와 터보는 밀접한 관게이다.
  • 적극적이고 고성능 이미지를 주는 소품으로, 소중한 아이템

에어클리너의 형태가 복잡하고 정리가 안 되는 이유

  • 에어클리너는 깨끗한 공기를 흡입하기 위한 것
  • 장기간 먼지가 껴도 문제가 없는 크기인지 고려해서 설계한다.
  • 구조와 형태를 고려한 결과물이라고 볼 수 있다.

엔진을 만들 때 제약조건

  • 엔진의 종류
    • 인라인 타입: 피스톤이 상하로 움직인다.
    • V자 타입: 고급차에 탑재
    • 박서 타입: 수평 모양의 엔진
      • 차량에 가장 적합한 엔진이지만 추가 장치가 필요해 쉽지 않은 기술이다.
    • 정비, 생산성의 문제로 V자 또는 인라인 타입이 일반화 되어있다.
  • 차량의 움직임을 고려하면 박서 타입을 탑재해 차체를 낮추어서 공기저항을 낮추는 것이 가장 좋다.
profile
‍이세현
Hi, there 👋
이전 포스트

자동차공학 개론

다음 포스트

Probability Statistics

0개의 댓글

관련 채용 정보