자동차 엔진: 어떻게 작동하나요? 다양한 유형의 엔진은 무엇입니까

자동차 후드 아래를 들여다보면서 금속, 파이프, 전선 사이에서 길을 잃은 듯한 느낌을 받은 적이 있습니까? 자동차 전문가가 아니라면 자동차 엔진은 꽤 혼란스러울 수 있습니다. 모든 자동차의 핵심은 엔진입니다. 연료를 움직이게 만드는 것은 기계적인 발전소입니다. 

아마도 당신은 단지 안에서 무슨 일이 일어나고 있는지 궁금할 수도 있고, 새 차를 구입하면서 "2.5리터 인라인 4", "터보차지", "스타트/스톱 기술"과 같은 용어를 이해하고 싶을 수도 있습니다. 이번 글에서는 자동차 엔진의 작동 원리와 자동차 엔진의 종류에 대한 기본 사항을 자세히 설명하겠습니다.

자동차 엔진은 어떻게 작동하나요?

대부분의 자동차 엔진은 발명가인 니콜라우스 오토(Nikolaus Otto)의 이름을 딴 오토 사이클(Otto Cycle)로 알려진 4행정 사이클로 작동합니다. 이 주기는 다음 네 단계로 구성됩니다.

1. 흡기: 피스톤이 아래로 이동함에 따라 엔진은 흡기 밸브를 통해 공기를 흡입합니다. 동시에 연료가 공기 흐름에 분사되어 가연성 혼합물이 생성됩니다.
2. 압축: 피스톤이 위로 이동하여 공기-연료 혼합물을 더 작은 부피로 압축합니다. 이 압축으로 인해 온도와 압력이 상승하여 연소 준비가 됩니다.
3. 힘:  점화 플러그가 압축된 혼합물을 점화시킵니다. 그에 따른 폭발로 인해 피스톤이 큰 힘으로 아래로 내려가고, 크랭크샤프트가 회전하여 자동차 바퀴에 동력이 전달됩니다.
4. 배기: 사이클이 반복됨에 따라 피스톤이 다시 위로 이동하여 배기 밸브를 통해 연소된 가스를 배출합니다.

자동차 엔진 작업 과정: 상세한 분석 

내부 엔진을 통해 이를 제대로 이해해보자. 내연기관은 자동차의 심장과 같습니다. 휘발유를 태울 때 발생하는 에너지를 차량을 움직이는 데 필요한 동력으로 바꾸는 것입니다. Ford를 운전하든 Ferrari를 운전하든 엔진은 동일한 기본 원리에 따라 작동합니다.

• 피스톤

엔진 내부에는 피스톤이 있습니다. 자전거 페달을 밟고 다리가 위아래로 움직이는 것처럼 생각해보세요. 이 피스톤은 다리가 자전거 체인에 연결되는 것처럼 크랭크샤프트에 연결됩니다. 피스톤이 위아래로 움직이면 자동차 바퀴에 연결된 크랭크샤프트가 회전합니다. 이 회전 동작은 차량을 앞으로 나아가게 합니다.

대부분의 자동차 엔진에는 2개에서 12개 사이의 실린더가 있습니다. 각 실린더에는 위아래로 움직이는 피스톤이 있습니다.

• 연소

그렇다면 무엇이 피스톤을 오르락내리락하게 만드는 걸까요? 매분마다 수천 개의 작은 통제된 폭발이 일어나고 있습니다. 이러한 폭발은 연료가 산소와 혼합된 후 점화될 때 발생합니다. 이러한 점화를 연소 또는 파워 스트로크라고 합니다. 이러한 소형 폭발로 인한 열과 팽창 가스는 피스톤을 실린더 아래로 밀어냅니다.

• 스트로크

대부분의 현대 자동차 엔진(여기서는 가솔린 엔진에 초점을 맞추고 있음)은 4행정 패턴을 따릅니다. 피스톤을 아래로 밀어내는 파워 스트로크 외에 흡입, 압축, 배기의 세 가지 다른 스트로크가 있습니다. 엔진은 연료를 연소하기 위해 공기, 특히 산소가 필요합니다. 흡기 행정 중에 밸브가 열려 피스톤이 아래쪽으로 이동하여 엔진의 흡기 시스템을 통해 공기를 끌어당깁니다. 피스톤이 바닥에 도달하면 흡기 밸브가 닫히고 반대 방향으로 움직이는 압축 행정용 실린더가 밀봉됩니다. 이 스트로크 동안 피스톤이 위쪽으로 이동하여 공기를 압축합니다.

• 가솔린

오늘날의 엔진에서는 피스톤이 최고 주행 거리에 도달하기 직전에 가솔린이 실린더에 직접 분사됩니다. 점화 플러그는 공기와 연료 혼합물을 점화시킵니다. 뜨거운 가스의 폭발은 연소 행정 중에 피스톤을 아래로 밀어내며, 마치 자전거 페달을 밟는 것처럼 자동차의 바퀴가 회전하게 됩니다. 연소 행정이 바닥에 도달하면 배기 밸브가 열리고 피스톤이 다시 위로 올라갈 때 연소된 가스가 엔진에서 배출됩니다. 배출된 배기 가스는 차량의 배기 시스템을 통해 이동한 후 뒤쪽으로 배출됩니다.

다기통 엔진에서는 연소 행정이 동시에 일어나지 않도록 각 실린더의 주기를 엇갈리게 하여 부드럽고 균형 잡힌 작동을 보장합니다.

엔진 구성 요소

• 실린더 블록(Cylinder Block) : 엔진의 핵심으로 피스톤이 상하로 움직이는 실린더가 들어있습니다.
• 피스톤 : 실린더 내에서 움직이는 원통형 구성 요소이며 공기-연료 혼합물을 압축하는 역할을 합니다.
• 크랭크샤프트(Crankshaft) : 크랭크샤프트는 피스톤의 앞뒤 운동을 회전 운동으로 변환하여 궁극적으로 바퀴를 구동합니다.
• 캠샤프트 : 캠샤프트는 엔진 밸브의 개폐를 담당하여 4행정 사이클이 적시에 발생하도록 합니다.
• 밸브 : 밸브는 실린더 안팎으로 공기와 배기 가스의 흐름을 조절합니다.
• 스파크 플러그 : 실린더 내 공기-연료 혼합물을 점화시키는 스파크를 제공합니다.
• 엔진 블록 : 엔진 블록에는 냉각수 순환과 윤활을 위한 다양한 통로가 있습니다.
• 배기 시스템 : 배기 매니폴드, 촉매 변환기, 머플러 등으로 구성되어 배기가스를 배출하고 소음을 줄여줍니다.

다양한 유형의 자동차 엔진

1.인라인 엔진

직선형 엔진이라고도 알려진 인라인 엔진은 실린더가 한 줄로 배열되어 있는 것이 특징입니다. 소형차에서 흔히 볼 수 있으며 크기가 작고 마찰이 적어 연비가 뛰어납니다. 인라인 엔진은 3, 4, 5, 6기통 구성으로 제공됩니다.

2. V자형 엔진

V자형 엔진에는 일반적으로 60도 또는 90도 각도로 두 개의 뱅크로 배열된 실린더가 있습니다. V6, V8, V10 및 V12 구성으로 제공됩니다. V자형 엔진은 출력과 공간 효율성의 균형을 맞춰 고성능 차량과 고급 차량에 많이 사용됩니다.

3. 박서 엔진

평면 엔진이라고도 알려진 박서 엔진은 크랭크샤프트 양쪽에 수평으로 반대되는 실린더를 가지고 있습니다. 이 디자인은 낮은 무게 중심을 제공하여 안정성과 핸들링을 향상시킵니다. 스바루는 차량에 박서 엔진을 사용하는 것으로 유명합니다.

4. 로터리 엔진

Wankel 엔진이라고도 하는 회전식 엔진은 기존 피스톤 대신 하우징 내에서 회전하는 삼각형 로터가 있는 독특한 디자인을 사용합니다. Mazda의 RX-7과 RX-8은 로터리 엔진 자동차의 주목할만한 예입니다. 부드럽고 고회전 특성으로 유명합니다.

5. 디젤 엔진

디젤 엔진은 가솔린 엔진과 동일한 4행정 사이클로 작동하지만 대신 디젤 연료를 사용합니다. 이 제품은 연료 효율성과 증가된 토크 출력으로 유명하므로 트럭이나 버스와 같은 대형 차량에 이상적입니다.

6. 하이브리드 엔진

하이브리드 엔진은 내연기관과 전기모터, 배터리팩을 결합한 엔진이다. 이 엔진은 저속에서 전력만으로 작동할 수 있으므로 연비가 향상되고 배기가스 배출이 줄어듭니다.

7. 전기 엔진

전기 모터라고도 알려진 전기 엔진은 전적으로 배터리에 저장된 전기로 작동합니다. 전기 자동차(EV)는 배기가스 배출이 전혀 없고 즉각적인 토크 전달을 제공하기 때문에 엄청난 인기를 얻었습니다.

8. 수소연료전지 엔진

수소 연료전지 엔진은 수소 가스를 사용하여 전기를 생산하고, 이 전기 모터로 구동됩니다. 이 엔진은 수증기만 배출하며 청정 에너지 대안으로 연구되고 있습니다.

9.터보차저 및 슈퍼차저 엔진

터보차저 및 슈퍼차저 엔진은 강제 유도를 사용하여 출력을 높입니다. 터보차저와 슈퍼차저는 공기를 엔진으로 압축합니다. 따라서 더 많은 연료를 연소하고 더 ​​많은 전력을 생산할 수 있습니다.

10. 앳킨슨 사이클 엔진

Atkinson 사이클 엔진은 효율성으로 잘 알려져 있으며 일반적으로 하이브리드 차량에 사용됩니다. 이 엔진은 기존 엔진과 동일한 4행정 사이클로 작동하지만 흡기 밸브를 평소보다 오랫동안 열어 두는 고유한 밸브 타이밍 메커니즘을 사용합니다. 이 설계는 열 효율을 높이기 위해 일부 전력을 희생하므로 하이브리드 차량에서 흔히 발생하는 정속 작동에 적합합니다. 엔진이 더 넓은 범위의 속도에서 작동할 수 있도록 하여 연비를 극대화하고 배기가스 배출을 줄입니다.

11. 2행정 엔진

2행정 엔진은 4행정 엔진보다 단순하게 설계되었지만 연료 효율이 낮고 배기가스 배출이 더 많습니다. 이러한 엔진은 단 두 번의 스트로크(한 스트로크에서는 흡입 및 압축, 다른 스트로크에서는 출력 및 배기)만으로 전원 사이클을 완료합니다. 컴팩트한 크기와 단순성으로 인해 여전히 오토바이, 모페드, 선외 모터와 같은 작고 가벼운 차량에 사용됩니다.

12. 가변 압축비 엔진

가변 압축비 엔진은 성능과 연료 효율성을 최적화하도록 설계된 최신 혁신 기술입니다. 이러한 엔진은 피스톤의 위치나 엔진의 기하학적 구조를 변경하여 압축비를 조정할 수 있습니다. 압축비를 동적으로 변경함으로써 다양한 주행 조건에 적응하여 필요할 때 출력을 최대화하고 순항 중 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

13. 대향 피스톤 엔진

반대 피스톤 엔진에는 실린더당 두 개의 피스톤이 있어 서로 반대 방향으로 움직입니다. 이 디자인은 실린더 헤드가 필요하지 않아 열 손실을 줄이고 효율성을 높입니다. 대향 피스톤 엔진은 군용 차량 및 발전과 같이 소형화 및 효율성이 중요한 응용 분야에 자주 사용됩니다.

14. 자유 피스톤 엔진

프리 피스톤 엔진은 크랭크샤프트를 제거하여 대향 피스톤 엔진의 개념을 더욱 발전시켰습니다. 대신 선형 발전기를 사용하여 피스톤 운동을 전기로 직접 변환합니다. 이 엔진은 매우 효율적이며 하이브리드 차량의 범위 확장기 또는 발전기로 사용할 수 있습니다.

15. 스털링 엔진

스털링 엔진은 폐쇄 사이클 열역학적 과정에서 작동한다는 점에서 독특합니다. 그들은 태양 에너지나 연소와 같은 외부 열원을 사용하여 밀봉된 챔버 내에서 가스를 팽창 및 수축시켜 피스톤을 구동합니다. 스털링 엔진은 높은 효율과 낮은 배기가스 배출로 잘 알려져 있어 일부 친환경 차량 및 고정형 발전기와 같이 일정하고 저속의 전력이 필요한 응용 분야에 적합합니다.

16.압축천연가스(CNG) 엔진

CNG 엔진은 가솔린이나 디젤 대신 압축천연가스를 연료원으로 사용합니다. CNG는 배출을 줄이고 비용을 절감할 수 있는 청정 연소 대안입니다. 이러한 엔진은 일반적으로 차량, 대중 교통 및 CNG로 작동하도록 개조된 일부 소비자 차량에 사용됩니다.

17. W 엔진

W 엔진은 문자 'W'를 닮은 독특한 실린더 배열에서 이름을 따온 독특한 유형의 내연 기관으로 돋보입니다. 이 특별한 구성은 많은 실린더가 필요하고 공간 제약이 공존하는 고성능 차량에 가장 자주 적용됩니다.

숨막히는 성능으로 유명한 부가티 베이론은 쿼드 터보차지 W16 엔진을 탑재해 이 디자인의 상징적인 예가 됩니다. W 엔진의 주요 장점 중 하나는 상대적으로 작은 공간에 많은 수의 실린더를 넣을 수 있다는 점입니다. 이러한 특성은 소형 엔진 베이 내에서 상당한 전력 생산을 가능하게 하여 고성능 및 고급 차량에 선호되는 옵션입니다.

구성에 따른 자동차 엔진의 유형

자동차 엔진의 경우 엔진을 구별하는 한 가지 방법은 실린더 구성입니다. 현대 자동차는 각각의 특성과 용도에 따라 다양한 형식으로 제공됩니다. 이러한 엔진 구성을 자세히 살펴보겠습니다.

• 트윈 실린더 엔진

트윈 실린더 엔진은 주로 오토바이나 스쿠터와 같은 이륜차에서 발견됩니다. 이 엔진은 컴팩트한 크기와 단순성으로 유명합니다. 그러나 출력이 낮기 때문에 더 이상 자동차에 일반적으로 사용되지 않습니다.

• 3기통 엔진

3기통 엔진은 소형차와 해치백에서 인기를 얻었습니다. 홀수의 실린더는 약간의 진동과 덜 정교함으로 이어질 수 있지만, 터보차저 통합과 같은 최근의 발전으로 인해 실린더는 승용차에 동력을 공급하는 데 적합한 선택이 되었습니다. 연료 효율성과 성능 사이의 균형을 제공합니다.

• 4기통 엔진

가장 널리 사용되는 엔진 구성 중 4기통 엔진은 많은 승용차와 대형차에서 찾아볼 수 있습니다. 이 엔진은 3기통 엔진보다 정교하고 더 많은 출력을 생산하는 능력으로 유명합니다. 성능과 연비 사이의 균형을 유지합니다.

• 5기통 엔진

상대적으로 드물기는 하지만 볼보나 아우디 같은 일부 자동차 제조업체는 5기통 엔진을 채택했습니다. 이 구성은 출력과 효율성의 독특한 조합을 제공하여 주류 4기통 또는 6기통 옵션과 다른 것을 원하는 운전자에게 적합합니다.

• 6기통 엔진

6기통 엔진은 일반적으로 고급 자동차와 스포츠카용으로 예약되어 있습니다. 상당한 출력 향상을 제공하며 종종 터보차저가 장착됩니다. 제조업체의 설계 철학에 따라 이러한 엔진은 직선 또는 V자형 레이아웃으로 찾을 수 있습니다.

• 8/10/12기통 엔진

슈퍼카와 고성능 고급 차량에는 8개 이상의 실린더가 장착된 엔진이 장착되는 경우가 많으며, 일반적으로 순수한 출력과 성능을 원하는 사람들을 위해 V자형 레이아웃으로 배열됩니다. V8, V10 및 V12로 알려진 이러한 엔진은 비교할 수 없는 수준의 출력과 토크를 제공합니다. 최고 수준의 성능을 위해 설계되었으며 Ferrari, Lamborghini 및 Bentley와 같은 브랜드와 관련이 있습니다.

결론

자동차 엔진은 자동차의 동력원이며 다양한 유형으로 제공됩니다. 일상적인 자동차에 사용되는 표준 4기통 엔진부터 스포츠카에 사용되는 고성능 V8 엔진에 이르기까지 엔진은 우리 일상 생활에서 중요한 역할을 합니다.