가솔린 엔진의 특징

가솔린 엔진은 가솔린(휘발유)을 연료로 사용하여 움직이는 내연기관 엔진을 말한다. 다시 내연기관 가솔린 엔진은 크게 2종류가 있으며, 하나는 피스톤 왕복운동으로 힘을 얻는 레시프로(왕복)엔진 형식과 삼각 모양 로터의 회전운동으로 동력을 발생시키는 로터리 엔진이 있다.

 

가솔린 엔진은 기본적으로 실린더 안에서 흡입, 압축, 폭발, 배기의 순서를 반복적으로 실시하는 사이클에 의해서 힘을 만들어 낸다. 이 기술을 비약적으로 발전시킨 독일인 니콜라우스 오토의 이름을 따서 오토사이클이라고 불리기도 한다.

 

오토사이클은 아래와 같은 사이클을 가진다.

 

1. 혼합, 가스 압축

2. 점화, 연소

3. 연소 가스의 팽창

4. 배기, 흡기

 

오토사이클은 설계상 열효율이 30%에 미치지 못한다. 즉, 가솔린이라는 에너지의 70%가 사이클 중에 열 또는 마찰에너지로 버려진다고 불 수 있다. 이후 이를 부족한 열효율을 개선한 사이클 또한 만들어지는데 대표적으로 도요타의 하이브리드시스템에 쓰이는 앳킨슨 사이클과 마츠다의 가솔린 내연기관 미러 사이클이 있다.

 

가솔린 엔진의 구조(오토사이클)

 

오토사이클에는 필수적인 3가지 구조가 있다.

 

1. 연료분사

2. 스로틀

3. 점화장치

 

연료 분사

액체연료인 가솔린을 공기와 혼합하여 혼합기를 만들기 위해서 가솔린을 한번 기화시켜야 한다. 이를 위해 필요한 것이 바로 연료분사 장치이다. 초창기 가솔린 엔진에는 기화를 위하여 별도의 기화기라는 부품이 있어서 혼합기를 만들었는데 구조가 간단하고 비용도 저렴해서 널리 쓰였다. 하지만 이 기화기는 미세한 연료량을 조절할 수 없으며, 최초로 설정한 분무량이 무엇보다 중요해서 효율이 좋지 못했다. 이 방식은 결국 연비를 개선하는데에도 한계가 분명했다. 그래서 현재는 오토바이 분야에 많이  쓰이고 있으며 자동차 분야에서는 이런 방식을 개선한 전자제어 연료분사 장치 (EFI)가 나왔다. 전자제어 분사장치는 연료펌프에서 고압의 연료를 전자제어로 개폐하는 밸브에 의해 분출량을 조절하는 방식이다. 이는 최적의 연료 분사량을 내보냄으로써 불필요한 연료의 소모를 줄여 효율을 높이게 된다. 비록 전자제어 연료분사 장치는 기화기에 비해 비용이 많이 들지만 동력 효율이 우수하고 그만큼 최소한의 배기가스를 방사하게 되어 현재 전세계적으로 추구하는 배기가스 규제에서도 대응하는 필수적인 장치가 되었다. 현재는 오토바이 분야에서도 이런 EFI 방식이 도입되고 있는 추세이다.

 

스로틀

 

스로틀은 엔진에 공기의 유입량을 제어하는 부품으로, 가속페달(악셀)과 연동하는 부분이기도 하다. 가솔린 엔진의 공연비(Air/Fuel ratio를 뜻하며, 연비가 아니다.)는 기본적으로 공기의 양으로 제어하는 것으로, 기화기로 연료량을 일정하게 해 둔 상태에서, 공기의 양을 바꾸는 것으로 조정을 한다. 이 조정을 실시하는 것이 스로틀로, 버터플라이라고 불리는 밸브의 개폐로 공기 유량을 변화시킨다. 과거에는 이 밸브가 악셀과 연결이 되어 있어서 악셀을 밟으면 스로틀이 열리고 그에 비례하여 엔진의 출력이 올라갔다. 하지만 이런 기계식 방식은 미세한 조절이 안되어 효율이 좋지 못했다. 현재는 이를 개선한 전자제어 스로틀이 나오게 되어 공기량을 전보다 훨씬 미세하게 조절함으로써 효율을 높이게 되었다. 또한 전자제어 연료분사 장치(EFI)에서처럼 배기가스 규제에 대응하기 위해서도 전자제어 스로틀은 필수가 되었지만 스로틀과 악셀이 직결되지 않기 때문에 컨트롤은 엔진의 컴퓨터가 담당하게 되었다. 구체적으로 얘기하자면, 악셀을 밟는 상태를 엔진의 컴퓨터 센서가 감지하여 스로틀이 공기의 양을 미세하게 조절을 하고 경우에 따라서는 악셀을 밟아도(가속) 스로틀을 열지 않는 등의 제어를 해서 효율을 높이는 것이다.

 

점화장치

 

엔진으로 온 혼합기를 폭발시키기 위해서는 전기 불꽃을 발생 시키는 스파크 플러그가 사용된다. 스파크 플러그는 실린더의 연소실마다 각각 세팅이 되며, 전기를 이용해 실린더에 전기 불꽃을 발생시킨다. 구체적으로 들여다보면, 12v의 낮은 배터리 전압이 점화코일이라는 전압상승 장치를 통해 단번에 1만v~3만v 정도의 고전압을 일으켜 전기 불꽃을 만들어 점화시킨다. 점화코일은 또한 가솔린 엔진의 점화 타이밍도 컨트롤 하는데 처음에는 디스트리뷰터(분배기)라고 불리는 회전식 접점 기계로 각 실린더에 전기를 공급했다가 현재는 디스트리뷰터 대신 점화코일 자체를 전자제어화 시켜 스파크 플러그 1개 당 컴퓨터에 의해 점화 타이밍을 제어하고 있다. 이는 엔진에서 최적의 상태에서의 점화를 가져감으로써 연비의 향상과 배기가스 제어에 도움을 주고 있다.

 

기타 부품

 

가솔린 엔진에서는 위 3가지 필수 부품 외에도 다양한 구성 부품이 더 있다. 주요부품을 한번 더 간략히 소개하겠다.

 

엔진본체

실린더 블록: 실린더를 구성하는 엔진본체

실린더 헤드: 실린더 상부의 연소실 부분+동 밸브계 수납부

피스톤: 레시프로(왕복)엔진의 동력원

콘로드: 피스톤의 움직임을 크랭크 샤프트에 전달

크랭크 샤프트: 엔진 회전을 출력하는 샤프트

 

동 밸브계

흡, 배기 밸브: 연소실로의 혼합기, 배기가스의 도입 배출을 컨틀롤하는 밸브

캠 샤프트: 밸브 타이밍 제어

타이밍벨트(OHC의 경우): 크랭크 샤프트와 캠 샤프트의 움직음을 연동시키는 벨트

 

윤활계
오일 펌프: 엔진 오일 압송

오일 팬: 엔진 오일 유지탱크

오일 필터: 엔진 오일 정화기

 

냉각시스템

워터펌프: 엔진 냉각수 압송

라디에이터: 엔진 냉각수 냉각

서모 스탯: 엔진 시동시 수온 상승

 

연료시스템

연료 분사 장치: 가솔린 분무 장치

연료 펌프: 가솔린 압송

 

점화시스템

스파크 플러그: 혼합기에 불꽃 점화

점화코일: 스파크 플러그용 고전압 발생+점화 타이밍 컨트롤

 

흡기시스템

흡기 매니폴드: 흡기관

에어 클리너: 흡입 공기 정화

스로틀: 흡입 공기량 조정

 

배기계

배기 매니폴드: 배기관

배기 가스 촉매: 배기 가스 정화 장치

EGR밸브: 배기 가스 순환 장치

 

보조기계

교류 발전기: 배터리 충전용 발전기

에어컨 컴프레서: 에어컨 냉매 압축용

스타터: 엔진 시동

 

제어시스템

ECU: 엔진 제어 컴퓨터

A/F 센서: 공연비 센서

 

이외에도 각종 하네스류(전선), 파이프류, 호스류 등 다양한 부품이 엔진을 구성하고 있으며 이 모든 것들이 제대로 가능해야 최적의 엔진 성능을 낸다고 볼 수 있다. 또한 근래에는 기존 가솔린 엔진의 효율을 높인 하이브리드 차량의 보급으로 인하여 전기모터 관련 부품도 계속해서 추가되어 부품이 더욱 복잡해지고 있는 추세다.