자동차공학

1. 자동차공학 건국대학교 기계공학과 박 정 규 엔진본체

2. 엔진본체 ◆개 요 • 엔진의 일반적인 구조는 그림과 같이 피스톤(Piston), 커넥팅 로드(Connecting rod), 크랭크 축(Crank shaft)의 기구로 구성되어 있으며, 진원통으로 된 실린더 안에서 피스톤의 기밀을 유지하면서 직선 왕복운동을 하여 그 왕복운동을 커넥팅 로드를 통해 크랭크 축의 회전운동으로 변환시킨다. • 연료의 화학적인 에너지는 혼합기의 연소에 의해 열 에너지(가스의 압력)로 변하고 이 팽창 압력은 피스톤을 밀어 내리면서 크랭크 축을 회전시켜 기계적인 에너지(동력)로 바꾸어 외부에 일을 하게 된다.혼합기의 연소로 피스톤에 가해진 동력은 간헐적인 것이므로 크랭크 축을 원활히 회전시키기 위해서 크랭크축에는 플라이 휠이 달려 있다. 

3. 가솔린 엔진을 구성하는 부품을 크게 나누면 정지부품, 운동부품 및 부속장치가 있다. 정지부품에는 실린더 블록, 실린더 헤드, 로커 커버 등 엔진 전체의 골격과 외곽을 형성하는 구성부분으로 되어 있으며 공기 청정기, 흡배기 매니폴드 및 엔진 베어링 등이 포함된다. 운동부품으로는 위에서 설명한 피스톤, 크랭크 기구 부품과 캠 축, 흡배기 밸브 등의 밸브 개폐기구가 포함된다.  부속장치의 부품으로는 혼합기를 형성하는 연료장치 부품(인젝트, 연료펌프 등), 혼합기에 점화하는 점화장치 부품(배전기, 점화코일 등), 운동부분에 오일을 공급하는 윤활장치 부품(오일펌프, 오일 필터 등), 엔진의 온도를 제어하는 냉각장치 부품(워터 펌프, 서모스탯 등) 및 유해가스를 제어하는 배기가스 대책장치 등이 있다.

4. ◆구 조 부 품 실린더 블록 실린더 블록은 엔진의 기초가 되는 부분으로 자동차 엔진에서는 보통 4~12개의 실린더가 있다. 실린더는 피스톤이 왕복운동을 하는 부분으로 피스톤 행정의 약 2배의 길이이고 진원통으로 가공되어 있으며, 실린더의 직경과 길이에 따라 엔진의 배기량이 달라진다.

5. 실린더 헤드 실린더 헤드(cylinder head)는 실린더 블록 위에 설치되며, 실린더헤드와 블록사이로 가스나 물이 새는 것을 방지하기 위한 가스켓이 실린더헤드와 블록사이에 있다.헤드의 안쪽은 피스톤 및 실린더와 함께 반구형이나 쐐기형(pent roof)의 연소실을 형성하고 있으며, 헤드의 위쪽은 캠축과 밸브의 개폐기구가 설치되어 있고 그 외부에는 흡배기 매니폴드 및 점화 플러그 등이 부착되어 있다.또한 실린더 헤드에는 다음과 같이 보조 흡기 밸브(jet valve)를 설치하여 혼합기에 고속분류(噴流)를 보내서 소용돌이를 일으켜 훨씬 희박한 혼합기라도 연소를 할 수 있도록 되어 있는 모델도 있다.

6. 오일 팬 및 로커 커버 오일 팬은 강판을 프레스로 가공하여 만든 엔진 오일통으로, 가스켓과 함께 실린더 블록의 크랭크 케이스실에 장착된다.이것은 엔진 오일을 저장하기 쉽도록 한 섬프(일부를 더 깊게 만든 부분)와 섬프 아래 부분에는 오일을 배출시킬 수 있는 드레인 플러그가 있다.또한 오일 팬은 가열된 엔진 오일을 식히기 위해 대기중으로 열을 발산시키는 역할(냉각)을 하며, 후륜 구동용(FR)차량 엔진에서는 차량의 전후의 움직임에 따라 발생하는 오일의 유동을 막아 공기가 흡입되지 않도록 하기 위해 칸막이를 설치 하기도 한다. 전륜구동형(FF) 자동차에서는 엔진을 횡배치하기 때문에 칸막이의 설치가 필요없다. 로커 커버는 실린더 헤드 윗 부분에 가스켓과 함께 장착되어 로커 암축 및 밸브 개폐기구를 보호하는 커버로서, 로커 커버의 윗 부분에는 오일을 주입할 수 있는 오일 주입구 및 오일 필러 캡이 있고, 브리더 호스가 연결되는 튜브와 블로바이가스를 제어하는 PCV(Positive Crankcase Ventilation)밸브가 로커 커버의 측면에 부착되어 있다.

7. 프론트 케이스 프론트 케이스는 가스켓과 함께 실린더 블록의 앞쪽에 장착되며, 중앙 부위에는 크랭크 축용 오일 씰이 있고 오일 씰 뒷편에는 기어식 오일 펌프가 크랭크 축에 결합된다. 또한 프론트케이스의 측면에는 오일의 압력을 일정한 상태로 조절하는 릴리프 플런저(Relief Plunger)와 오일 필터가 장착될 수 있도록 되어 있다.

8. 베어링  엔진의 정지 부품으로는 실린더 블록, 실린더 헤드, 오일 팬 및 로커 커버 등의 엔진의 전체 골격과 외각을 형성하는 구조부품과 흡배기 장치 및 엔진 베어링 등이 포함된다.

9. ◆흡 배 기 장 치 엔진을 작동시키기 위해서 실린더 안에 혼합기를 흡입하기 위한 공기청정기, 인젝트 및 흡기 매니폴드가 있고, 또 혼합기가 연소한 후 그 연소가스를 외부로 배출하기 위한 배기 매니폴드, 배기 파이프, 3원촉매 및 소음기로 구성되어 있다.

10. 공기 청정기 공기 청정기(Air Filter)는 엔진이 흡입하는 공기 속에 들어있는 먼지를 제거하기 위한 엘리먼트가 있고, 이것은 흡기계통에서 발생하는 흡기 소음을 줄이는 역할도 한다.

11. 흡기 매니폴드  흡기 매니폴드(Intake Manifold)는 흡입되는 공기의 저항을 적게하여 실린더로 유도하는 관이다. 흡기 매니폴드는 보통 알루미늄 합금제로 만들며, 실린더 헤드의 흡기 구멍에 가스켓을 대고 결합된다. 또한 냉각수의 순환통로가 있어 이곳에는 서모스탯(수온조절기)이 장착된다. 배기 매니폴드  배기 매니폴드는(Exhaust Manifold)는 실린더 안에서 연소된 배기가스를 모아서 배기 파이프로 배출하기 위한 부품으로 보통 주철로 되어 있으며, 모양은 흡기 매니폴드와 비슷하고 실린더 헤드에 장착되어 있다. 배기 매니폴드에는 연소되고 난 가스의 잔류산소량을 검출하는 산소센서가 부착된다. 

12. ◆피스톤 및 크랭크 기구 피스톤   피스톤(Piston)은 동력행정에서 고온, 고압의 가스 압력을 받아 실린더 안을 왕복운동하며, 커넥팅로드를 통해 크랭크 축에 회전력을 발생시키는 일을 한다.피스톤 헤드는 고온(2000℃이상)의 연소가스에 노출되고 30~40kg/㎠의 압력을 충격적으로 받으며, 실린더 안에서 고속운동(약 10~20m/s)을 하기 때문에 큰 마찰이 생기므로, 이러한 악조건에서 그 기능을 발휘할 수 있는 알루미늄 합금 피스톤을 쓰고 있다.피스톤의 주요 부분으로는 피스톤 헤드, 링 지대, 스커트(skirt), 보스(boss) 등으로 되어 있으며, 피스톤 헤드는 연소실의 일부를 형성하고 고온에 의한 팽창을 고려하여 스커트 부분의 지름보다 작게 되어 있다

14. 커넥팅 로드   커넥팅 로드(connecting rod)는 피스톤과 크랭크 축을 연결하는 막대로 작은끝(small end)은 피스톤 핀과 연결되고 큰 끝(big end)은 분할되어 크랭크 축과 커넥팅 로드 캡에 의해 연결된다.커넥팅 로드는 운전중 압축력, 인장력, 휨 등의 하중을 반복하여 받기 때문에 이것을 충분히 견딜 수 있는 강도와 강성이 필요하고, 또 무게를 가볍개 하기 위하여 I형 단면으로 되어 있다. 재질은 니켈 크롬강, 크롬 몰리브덴강, 탄소강 등을 사용하여 형타 단조(Drop foring)하여 만든다.

15. 크랭크 축  크랭크 축(Crank shaft)은 크랭크 케이스 안에 설치된 메인 베어링과 캡에 지지되어 각 실린더의 동력행정에서 발생한 피스톤의 직선운동을 커넥팅 로드를 통해 회전운동으로 바꾸고, 반대로 다른 행정에서는 피스톤에 운동을 가해 연속하여 동력을 발생하는 중요한 기능을 가지고 있다. 크랭크 축의 주요부로는- 메인 베어링에 지지되는 메인 저널,  - 커넥팅 로드가 연결되는 크랭크 핀,  - 메인 저널에서 크랭크 핀을 연결하는 크랭크 암,  - 핀의 평형을 유지하기 위해 설치된 평형추(Balance weight),  - 뒤 축 끝에는 플라이 휠을 설치하기 위한 플렌지,  - 플렌지 외경에는 오일의 유출을 막는 리어 오일 씰 장착부,  - 앞쪽에는 캠축을 구동하기 위한 크랭크 스프로킷 장착부,  - 워터 펌프,발전기를 구동할 수 있는 크랭크 풀리가 장착부로 되어 있다. 또한 크랭크 축 내부에는 윤활을 위한 오일 구멍이 저널에서 핀까지 가로 질러 가공되어 있다.

16. 플라이 휠 플라이 휠은 주철제로 만들어 크랭크 축 뒤쪽의 플렌지에 고정되어 있다. 크랭크 축은 동력행정에서만 큰 회전력을 얻을 뿐 그 밖의 행정에서는 회전 관성을 이용하여 회전속도의 변동을 적게하고 원활한 회전을 하도록 하고 있다.따라서 플라이 휠은 관성을 크게 하고 또 중량은 가볍게 하기 위해 중심부분은 얇게 하고 주위는 두껍게 한 원판으로 되어 있다. 플라이휠의 뒷면은 클러치의 마찰면으로 이용하며, 바깥 둘레에는 엔진을 시동할 때 스타트 모터의 피니언 기어와 맞물려 돌아가도록 기어가 열박음으로 압입되어 있다. 자동변속기인 경우에는 토크 컨버터가 플라이휠과 동일한 역할을 한다.

17. ◆밸브 개폐기구  4사이클 엔진의 캠 축은 크랭크 축 2회전마다 1회전하도록 스프로킷의 기어비가 구성되어 있으며 캠 축의 회전에 따라 로커 암 축에 설치된 로커 암이 작동되고 이 로커 암의 운동은 밸브를 개폐시킨다. 피스톤 운동에 따라 정확한 밸브의 개폐작용을 위해 크랭크 스프로킷과 캠 스프로킷에는 조립 표시가 있어 조립할 때에는 이 표시를 맞추어야 한다.

18. 밸브 밸브(Valve)는 동력행정에 필요한 혼합기를 연소실 안으로 흡입시키고 연소가스를 외부로 배출하기 위해 1개의 실린더에 흡배기 밸브를 각각 1개씩(알파 엔진은 흡기 2개와 배기 1개, DOHC 엔진은 흡기 2개와 배기 2개)설치되어 있다.  엔진의 출력은 밸브 헤드부분 지름의 크기에 따라 밀접한 관계를 가지며, 밸브 지름이 큰 편이 흡배기 효율이 좋으나 배기밸브는 냉각이 곤란하므로 흡기밸브보다 밸브 지름을 작게 하고 있다. 

19. ▷ 밸브 시트와 밸브 가이드 밸브 시트는 밸브 페이스(face)와 밀착하여 연소실의 압력이 새는 것을 방지하며 밸브 헤드의 열을 받아 실린더 헤드의 냉각수 통로로 전달도 한다. 밸브시트는 항상 고온가스에 노출되고 또 밸브와 접촉을 하기 때문에 알루미늄제의 실린더 헤드에 내열강으로 만든 밸브 시트링을 열박음한 후 시트자리를 가공한다.밸브 가이드는 보통 주철로 만든 다음 실린더 헤드에 압입시킨 후 가이드 내경을 정밀하게 다듬질하여 밸브의 밀착이 잘 되도록 안내하는 역할을 한다.밸브 가이드와 밸브 스템의 틈새를 통해 엔진 오일이 연소실로 침입하는 것을 방지하기 위해 밸브 스템 부위에는 밸브 스템 씰을 장착한다.  ▷ 밸브 스프링 밸브 스프링은 밸브가 닫혀 있는 동안에 밸브 시트에 밀착시켜 실린더 안의 기밀을 유지하고 또 밸브가 운동하는 동안에는 로커 암을 캠 면에 밀어서 캠의 모양대로 서로 떨어지지 않고 밸브가 확실하게 작동하도록 한다.

20. 캠 축 캠 축(cam shaft)은 흡배기 밸브수와 동일한 수의 캠과 캠 축을 실린더 헤드에 지지하는 저널, 연료 펌프를 구동하는 편심 캠 및 배전기 구동용의 헬리컬 기어가 일체형으로 되어 있으며, 일반적으로 내마멸성이 큰 주철을 사용한다. 또한 캠의 양정부위는 칠드층으로 경화시키고 초기 윤활을 위해 표면 화성처리(Parcolubrite)를 한다.

21. 밸브의 운동상태와 밸브가 열려 있는 기간 및 밸브의 열림량 등은 캠의 형상에 따라 정해지며, 캠이 회전하면 로커 암은 그 양정 곡선을 따라 움직이면서 밸브를 밀어주고, 기초원(Base circle)부에 이르게 되면 밸브는 스프링 힘에 의해 닫히게 된다.캠 축의 구동은 체인이나 벨트로 하며, 근간의 앤진에서는 체인 구동식의 소음 제거와 중량감소를 목적으로 대부분 벨트 구동식이 많이 사용되고 있다. 또한 OHV형(디젤엔진) 경우의 캠 축 구동은 크랭크 기어가 공전기어를 통해 캠 축 기어를 구동하는 기어 구동식이 이용되고 있다.

22. 4 사이클 엔진의 밸브작동   밸브의 역할은 4사이클(Cycle)의 행정중 흡입행정 및 배기행정 때에만 열려서 연소실과 실린더 내의 가스를 공급 및 배출을 행하는 것이다. 크랭크축이 회전을 하면 크랭크 스프로킷으로부터 캠 스프로킷에 연결된 타이밍벨트가 회전하여 캠축을 회전시킨다.(크랭크축 2회전시 캠축은 1회전한다)따라서, 캠축과 일체로 설치된 캠에 의해 스프링 힘으로 닫혀진 흡, 배기밸브를 로커암을 이용하여 흡, 배기밸브를 열어 준다. 

23. 1. 흡입행정피스톤이 하강하는 단계로써, 캠에 의해 들어 올려진 로커암이 흡입밸브를 눌러서 밸브를 연다. 이때 흡기 통로로부터 가솔린과 공기의 혼합기가 대기압과 실린더 내의 압력 차이에 의해 실린더 내로 빨려 들어간다.  • 2.압축행정 피스톤이 하강을 끝내고 상승을 시작한다. 이때 흡입밸브와 배기밸브는 밸브스프링의 힘으로 눌러져 닫혀있는 상태이며, 흡입행정으로 빨려 들어온 혼합기는 압축되어 진다. • 3. 폭발행정 점화 플러그에 전기 불꽃이 튀어서 연소실내의 혼합기가 착화, 폭발한다. 가스는 급격히 팽창하여 피스톤을 눌러 내려서 크랭크 축을 회전시키며 , 이 행정 중 캠은 로커암을 들어 올리는 위치에 도달하지 않으므로 양쪽 밸브는 닫힌 상태이다. • 4.배기행정피스톤이 하사점에 도달하여 다시 상승을 개시하면, 배기밸브쪽 캠이 회전하여 로커암을 들어올리기 때문에 배기밸브가 열리고 연소된 가스를 배기하기 시작한다. 그 이후에는 다시 흡입행정부터 반복하게 된다.

24. ■밸브 타이밍     크랭크축의 회전에 맞추어 밸브의 개폐를 정확히 유지하는 것을 밸브 개폐시기(valve timing)라고하며 밸브타이밍이 맞지 않게 되면 엔진의 부조 및 출력부족의 원인이 될 수 있기 때문에 매우 중요하다.흡입밸브는 배기밸브가 닫히기 전에 열리고 피스톤 하사점 약30도 지난 위치에서 닫히게 된다.배기밸브는 하사점 약 50도전 위치에서 열기 시작하고 피스톤 상사점 후에 닫히게 된다.이때 흡입밸브와 배기밸브가 같이 열려있는 상태를 밸브 오버랩이라 한다. 이는 흡,배기효율을 높이기 위함이다.