자동차공학 개론

자동차의 역사

자동차공학이란

• 자동차는 3만개 이상의 부품들로 이루어져 있다.
  • 자동차공학: 부품들이 작동하면서 고장나지 않도록 설계하고 제작하는 것
• 자동차공학의 주요 과목
  • 고체역학: 차량의 구조, 강도
  • 유체역학: 공기유동을 고려한 차체 설계, 연료공급 시스템 설계
  • 열역학: 자동차의 엔진, 동력원과 관련된 에너지
  • 동역학: 움직이는 부품, 차량 전체에 대한 동적 특성
  • 전지전자 공학: 부품의 제어, 모니터링

태엽을 이용한 자동차

• 레오나르도 다빈치의 태엽을 이용한 자동차
  • 주재료: 나무
  • 바퀴 개수: 3개
  • 동력원: 태엽
  • 후륜바퀴는 조향이 가능하도록 설계

바람을 이용한 자동차

• 실용화는 이루지 못한다.

증기자동차

• 토마스 뉴코먼이 광산의 지하수 배수 문제 해결을 위해 발명
• 양수펌프의 문제점
  • 피스토 수축 시 물을 분사해야하고 실린더의 전체가 냉각되어 효율이 낮다.
  • 효율이 낮으면 석탄 소모량이 많아지고 연비가 낮다.
• 증기기관의 개량(제임스 와트)
  • 응축기를 별도로 설치하여 피스톤을 증기압력에 의해 효과적으로 팽창시키는 방식 고안
  • 효율성이 높아지고 석탄 소모량이 감소했다.
  • 니콜라스 요셉퀴뇨는 증기자동차를 만든다.
    • 자기 자력에 의해 움직이는 최초의 자동차
• 증기자동차의 특징
  • 군사적 목적으로 제작
  • 매우 느린 속도
  • 증기를 만들기 위해 많은 시간과 노력 필요
  • 제동장치 결여

가솔린 자동차

• 니콜라스 오토는 가스연료를 이용한 최초의 4행정 사이클기관 발명
  • 자동차 기술 발전에 가장 중요한 공헌을 한 엔진
• 가솔린 자동차 발명
  • 칼 프리드리히 벤츠는 최초로 4행정 사이클기관을 탑재한 가솔린 자동차를 발명한다.
    • 바퀴 개수: 3개
    • 최고 속도 16km/h
    • 현재의 자동차와 비슷한 구조, 부품 사용
    • 증기기관 자동차보다 가볍고 빠르다.
  • 플라이 휠의 역할
    • 간헐적으로 폭발하는 에너지를 저장하여 엔진의 작동을 원활하게 한다.
    • 폭발행정과 그 외의 행정 사이의 출력 차를 감소시켜 연속적인 동력을 얻을 수 있다.
    • 소음과 진동을 감소시킨다.

디젤엔진 발명

• 루돌프 디젤은 최초의 디젤엔진을 발명하였다.
  • 자기착화 방식: 엔진 내의 피스톤이 상승하여 상사점 근처까지 왔을 때 인젝터에서 연료를 공급해주어 스스로 착화하는 방식
  • 기존의 엔진 효율은 10% 미만이었으나 디젤엔진은 27%로 효율이 우수하였다.
• 디젤 엔진은 다양한 크기의 엔진에 사용되었고 산업화에 기여하였다.

T형 자동차

• 포드는 컨베이어 시스템을 적용해 대량으로 차를 생산했다.
  • 1908~1920년에 1,500만 대 생산
• 대량생산으로 차량 가격이 기존 900 달러에서 1/3으로 감소했다.
  • 자동차 대중화에 기여

자동차의 역사

• 세계 1, 2차 대전 중 자동차 생산이 종료되어 군수물자 생산에 집중되었다.
• 세계 1, 2차 대전 이후 자동차의 기술이 발전하였다.
  • 자동차의 안전, 타이어, 엔진 관련 기술
• 연도별 자동차 엔진의 출력 및 열효율 변이
  • 초기에 가솔린과 디젤 모두 출력이 상당히 낮았다.
  • 지속적인 개선을 통해 가솔린 기관은 리터 당 100KW의 성능을 보인다.
  • 터보 디젤 기관은 60KW의 성능을 보인다.
  • 터보과급 장치의 비약적 발전에 따라 엔진 고출력화를 달성하였다.
• 열효율
  • 공급된 연료의 에너지가 100일 때 열기관이 한 유효한 일의 비
  • 열효율이 높을수록 연비가 높고 기름 소모량이 낮다.

자동차의 분류

자동차 정의

• 자동차관리법에서 자동차란 원동기에 의해서 육상에서 이동할 목적으로 제작한 용구 또는 이에 견인되어 육상에서 이동할 목적으로 제작한 용구를 말한다.
• 자동차의 구비 조건
  • 안전성
  • 우수한 주행 성능
  • 내구성과 신뢰성
  • 저공해성: 유해성분 배출이 적어야 한다.
  • 저렴하고 편리한 수리
  • 승차감

승용차의 형태에 따른 분류

• 컨버터블(소프트 탑)
  • 지붕을 접어서 개폐할 수 있는 승용차
• 세단
  • 전후 2줄의 좌석, 4개의 도어
  • 실내와 공간적으로 통하지 않는 트렁크
• 왜건
  • 세단의 지붕 후단을 뒤로 연장시킨 형태
  • 화물 운반 가능
  • 뒤쪽에 문이 하나 더 있다.
• 쿠페
  • 앞좌석 2인승 위주의 자동차
  • 보통 2개의 문으로 구성
  • 고속의 스포츠카에 많이 적용
• 해치백
  • 세단의 트렁크 부분을 제거
  • 세단보다 화물 적재량이 적다.
  • 주로 경자동차에 많이 채택되는 형태

자동차의 동력원에 따른 분류

• 내연기관 자동차(엔진에 의해서 구동)
  • 가솔린: 일반 승용차
  • 디젤: 중대형 차량
  • LPG: 택시
  • 에탄올
  • CNG(시내버스)
• 하이브리드 자동차
  • 기존의 엔진과 전기자동차의 배터리 엔진을 함께 사용하는 자동차
  • 내연기관과 전기자동차의 교두보 역할
  • 1997 일본에 이어 전세계적으로 상당수 보급되어 있다.
  • 전기차의 보편화까지는 많은 시간이 필요하다.
• 전기 자동차
  • 일반 전기 자동차(배터리 방식)
  • 수소연료전지 자동차
  • 모든 전기자동차는 전기를 만들어서 모터를 구동시켜 차량이 움직인다.
  • 배터리 성능과 용량, 가격, 충전소 인프라 문제에 따라 실용화의 어려움이 있다.

차량의 구동과 엔진 위치에 따른 분류

• FF 방식(Front Engine, Front Drive)
  • 엔진이 차의 앞부분에 위치하고 앞바퀴로 구동하는 방식
  • 장점: 부품 수 감소, 가격 감소, 엔진룸 활용도가 좋아 실내 공간 활용도 우수
  • 단점: 차체 앞부분이 무거워 코너 주행 시 언더스티어링 발생 가능
  • 경자동차에 흔히 채택되는 형태
• FR 방식(Front Engine, Rear Drive)
  • 엔진이 차의 앞부분에 위치하고 뒷바퀴로 구동하는 방식
  • 뒷바퀴로 구동하기 위해 긴 축을 이용해서 동력을 전달한다.
  • 장점: 설계 용이, 중량이 분배되어 우수한 조정성과 안정성
  • 단점: 많은 동력 전달 부품 사용, 동력 손실 발생 가능
  • 중형 고급 승용차에 많이 채택된다.
• MR 방식(Midship Engine, Rear Drive)
  • 엔진이 차의 뒷부분에 위치하고 뒷바퀴로 구동하는 방식
  • 장점: FR 방식보다 운전성 향상, 조종성이 좋다.
  • 스포츠카에 많이 적용
• RR 방식(Rear Engine, Rear Drive)
  • 엔진이 차의 뒷부분에 위치, 뒷바퀴로 구동하는 방식
  • 장점: 뒷바퀴와 노면과의 접지력 우수, 고속주행에 유리
  • 단점: 코너 주행 시 오버스티어링 발생 가능

방식	FF	FR	MR	RR
중량배분	앞쪽	다소 앞쪽	중앙	뒷쪽
운전 성능	언더스티어링	운전성 우수	운전성 가장 우수	오버스티어링
캐빈(승차 공간)의 넓이	넓음	다소 넓은	좁음	다소 넓음
적용 차량	소형, 중형차	중형, 대형차	스포츠카	버스, 일부 스포츠카

자동차 제원

자동차의 제원

• 자동차의 제원: 차량의 각종 치수, 중량, 출력, 토크, 연비 등을 일정한 기준에 의거해서 수치로 나타내는 것

자동차의 치수

• 전장: 자동차의 범퍼를 포함한 전체 총 길이
• 전폭: 백미러를 포함하지 않은 자동차의 최대 너비
• 전고: 접지면에서부터 자동차의 가장 높은 부분까지의 높이
• 축거: 전륜의 차축과 후륜의 차축 중심 간의 거리
• 윤거: 차량을 앞에서 보았을 때 좌우 타이어에 접촉한 면의 중심 간 거리
  • 넓을수록 조종성과 안전성이 좋다.
  • 축거와의 밸런스를 고려하여 설계해야 한다.
  • 윤거와 축거는 차량의 전체적 레이아웃을 결정하는 중요한 제원이다.
• 중심고: 접지면에서 자동차 중심까지의 높이
  • 중심고가 높을수록 최대 안정 경사각도가 작아진다.
  • 선회, 커브 시의 운전 성능에 매우 중요한 제원이다.
  • 스포츠카는 안전운전을 위해 중심고를 낮추어서 설계한다.
• 최저 지상고: 자동차의 가장 낮은 부분에서 노면 사이의 높이
  • 대형 차량: 최저 지상고를 높게 설계
  • 스포츠카: 최저 지상고를 낮게 설계
• 최소회전반경: 스티어링 휠을 최대한 돌려 선회할 때 가장 바깥쪽에 있는 타이어의 접지면 중심이 그리는 원의 반지름
  • 윤거, 축거, 조향 정도에 따라 정해진다.
  • 선회, 유턴 시 최소회전반경을 자게 해주는 것이 유리하다.

자동차의 성능 관련 제원

• 최고 속도: 평탄한 노면 위에서 낼 수 있는 자동차의 최고 속도
• 연료 소비량: 연료 1L를 가지고 갈 수 있는 주행 거리(L/km 또는 km/L)
• 등판 성능: 최대 적재 상태의 자동차가 등판 또는 비탈길을 오를 수 있는 능력
  • 탄젠트로 표시
• 가속 성능: 평탄한 노면 위에서 낼 수 있는 자동차의 최고 속도
  • 0-100(제로백): 차량이 정지해 있는 상태에서 시속 100km까지 도달하는데 걸리는 시간(초)
• 제동거리: 어느 일정 속도로 주행하는 도중에 제동장치를 조작해서 정지할 수 있는 거리

자동차의 구성

• 자동차 섀시(Chassis)
  • 섀시 프레임, 엔진, 동력전달장치, 조향, 제동장치, 현가장치, 타이어 포함
  • Body를 제외한 영역으로, 섀시만 가지고 주행이 가능하다.
• 자동차 차체(Body)
  • 차실(Cabin), 엔진룸, 트렁크실, 팬더로 구성된다.
  • 안전과 승차감을 고려해 설계한다.

자동차 장치

• 엔진: 엔진 본체와 윤활장치, 냉각장치, 점화장치, 배기장치
• 동력전달장치: 클러치, 변속기, 차축, 차동기어, 드라이브축 등
• 조향장치: 자동차의 진행방향을 핸들에 의해 조정
  • 안전, 운전 성능에 중요한 장치
• 현가장치: 차체와 타이어 간의 노면 충격 흡수
  • 승차감, 운전 성능에 중요한 장치
• 제동장치: 자동차의 속도를 감소시켜 차속 제어
  • 안전과 직결되는 장치
• 휠, 타이어
  • 노면으로부터 충격 완화
  • 조향 시 노면과의 마찰
  • 노면에 제동력 전달
• 전장장치: 기동장치, 점화장치(가솔린), 충전, 등화(라이트), 에어컨, 히터 등

자동차의 골격

• 프레임 구조 자동차: 스프링, 차축, 엔진, 차체 등을 프레임에 장착한 자동차
• 프레임리스 자동차(모노코크 차량): 최근 소형차 또는 중형차에 적용

엔진의 분류

엔진이란

• 연료가 가지고 있는 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜주는 장치
  • 연료가 산화되며 높은 열과 압력을 발생시키고 이를 기계적 일로 변화하는 장치
• 자동차에 사용되는 엔진은 엔진 내부에서 열을 얻기 때문에 '내연기관'이라고 한다.

열기관

• 내연기관: 가솔린 엔진, 디젤 엔진, 제트 엔진(항공기에 사용하는 가스터빈)
• 외연기관: 증기기관, 증기터빈(화력발전), 스털링 엔진

작동 사이클에 따른 분류

• 4행정 사이클 기관
  • 흡입, 압축, 팽창, 배기
  • 각 행정이 작동될 때 피스톤이 상승하강 왕복운동을 하며 엔진의 출력을 발생시킨다.
  • 피스톤의 움직임은 크랙크축으로 전달되어 회전운동으로 변환된다.
  • 하나의 사이클이 작동되는 동안 크랭크축은 두번 회전한다.
  • 크랭크축 2회전 = 동력 1회 발생
• 2행정 사이클 기관
  • 피스톤이 상승하고 하강하면서 하나의 사이클을 이룬다.
  • 피스톤이 상승하며 압축과 흡기(하단)가 일어나고 피스톤이 하강할 때 연소와 배기가 일어난다.
  • 1사이클 = 크랭크축 1회전 = 엔진 1회전 = 동력 1회 발생
  • 4행정 사이클 기관에 비해 우수한 출력 밀도
  • 영국의 Dugald Clerk에 의해 고안되었다.
  • 구조가 비교적 간단하고 경량화가 가능하여 RC카부터 대형 선박까지 다양한 용도로 많이 사용된다.

연소 방식에 따른 분류

• 전기점화방식
  • 연료: 가솔린, LPG, CNG
  • Spart Ignition 엔진
  • 연료와 공기가 섞인 혼합기를 점화 플러그에 유도시켜 연소시키는 방식
• 압축착과방식
  • 연료: 경유, 등유, 동식물성 기름
  • Compressed Ignition 엔진
  • 공기만 흡입시킨 후 피스톤으로 압축하면서 말기에 연료를 고압 분사시켜 연소하는 방식

연소실 내 압력과 체적 변화에 따른 분류

• 실제 PV 선도는 열역학적 손실과 마찰 손실로 완만한 곡선 형태를 보인다.
• 정적 사이클
  • 공기연료혼합기가 일정한 체적 하에서 연소
  • SI 엔진(가솔린 엔진)
• 정압 사이클
  • 일정한 압력 하에서 연소
  • 대형 디젤엔진에 적용
• 복합 사이클
  • 일정한 체적과 압력 하에서 연소
  • 정적, 정압 사이클을 조합한 형태
  • 자동차용 고속 디젤엔진
  • '사바테 사이클'이라고도 한다.

연료의 공급 방식에 따른 분류

• 기화기
  • 초창기 자동차부터 90년대까지 사용
  • 가솔린 엔진에서 연료와 공기를 혼합하여 공급하는 장치
  • 최근에는 연비와 성능 향상을 위해 다점분사 방식 또는 GDI(연소실에 직접 분사) 방식을 많이 사용한다.
• 인젝터
  • 연료를 가압한 후 흡입 매니폴드나 실린더 내에 직접 고압 분사하는 방식
• 일점분사(SPI): 매니폴드에 분사되어 한곳에서 공급하는 것
• 다점분사(MPI): 각각의 매니폴드에서 분사
• 일점분사(GDI): 연소실 내에 직접 공급하여 엔진제어가 우수하고 연비가 좋다.
  

냉각 방식에 따른 분류

• 공냉식 엔진
  • 냉각핀을 설치해 엔진을 위부 공기로 직접 냉각시키는 방식
  • 구조가 간단하고 별도의 부품이 필요하지 않아 RC카 같은 소형 엔진에 사용된다.
  • 공기의 밀도가 낮아 냉각 효과가 크기 않다.
• 수냉식 엔진
  • 엔진 내 물재킷에서 냉각수가 순환하며 엔진을 냉각하고 라디에이터는 냉각수를 냉각한다.
  • 위 과정이 순환하며 진행된다.
  • 장점
    • 높은 냉각수 밀도
    • 우수한 냉각 효과
    • 자동차에 많이 적용
  • 단점
    • 복잡한 구조
    • 많은 부품 필요