내연기관구조

내연기관의 구조

 

내연기관은 수많은 부품의 조립으로 이루어져 있으며 각 분류별로 구조 및 작동방식에 약간의 차이점이 있다. 일반적으로 현재 적용되고 있는 자동차용 내연기관을 기준으로 각부의 기능과 역할에 따라 기관 주요부, 부속장치, 보조장치로 구분할 수 있다.

1) 기관 주요부

(1) 실린더 블록(cylinder block)

실린더 블록은 피스톤이 왕복운동을 하는 실린더와 각종 부속장치가 설치될 수 있도록 만들어진 기관 본체를 말한다. 실린더 블록에는 냉각수(冷却水)가 흐르는 통로(water jacket)와 엔진오일이 순환하는 윤활통로로 구성되며 실린더 블록의 상부에는 실린더 헤드가 조립되고 하부에는 크랭크축과 윤활유실(lubrication chamber)이 조립된다. 실린더 블록의 실린더는 피스톤이 왕복운동을 하는 부분으로 정밀가공을 해야 하고 압축가스가 누설되지 않도록 기밀성을 유지해야 한다. 따라서 실린더 블록을 만드는 재료는 내열성과 내마모성(wear resistance)이 커야하고, 고온강도가 있어야 하며 열팽창계수(熱膨脹計數)가 작아야 한다.

이러한 이유로 실린더 블록의 재질은 주철합금이 많이 사용되었으나 현재는 무게가 가볍고 강도특성이 우수한 알루미늄 합금이 적용되고 있다.

(2) 크랭크 실(crank case)

크랭크 실은 실린더 블록 하단에 설치된 것으로 윤활유실(lubrication chamber) 또는 오일 팬(oil pan)이라고 말하며 기관에 필요한 윤활유를 저장하는 공간이다. 이러한 윤활유는 크랭크축이 회전할 때 윤활작용을 하는 비산식과 오일펌프(oil pump)를 이용한 압송방식을 동시에 적용한 비산 압송식 윤활시스템을 구성한다.

(3) 실린더 헤드(cylinder head)

실린더 헤드는 실린더 블록 상부에 개스킷을 사이에 두고 조립되며 피스톤이 상사점에 있을 때 실린더 블록과 실린더 헤드 사이의 공간이 연소실이다. 이 공간의 체적을 연소실체적이라 부르며 간극체적이라고도 한다. 실린더 헤드에는 점화플러그 및 흡기, 배기밸브시스템 등의 복잡한 장치들이 조립되고 실린더 블록과 마찬가지로 오일통로와 냉각수 통로가 형성되어 있다.

(4) 피스톤(piston)

피스톤은 실린더 내를 왕복운동하며 연소가스의 압력과 열을 일로 바꾸는 역할을 한다. 실린더 내에서 고온, 고압의 연소가스와 접촉하므로 피스톤을 구성하는 재료는 열전달이 우수하며 가볍고 견고해야 하기 때문에 알루미늄 합금인 Y합금이나 저 팽창률을 가진 로엑스합금(Lo-Ex alloy)을 사용한다. 이 합금의 특성은 비중량이 작고 내마모성이 크며 열팽창계수가 작은 특징이 있다.

피스톤에서는 상부를 피스톤 헤드(piston head)라 하고 하부를 스커트(skirt)부라 한다. 열팽창률을 고려하여 피스톤 헤드의 지름을 스커트부보다 작게 설계한다. 피스톤 상부에는 피스톤 링(piston ring)이 조립되는 홈이 있는데 이 홈을 링 그루브(ring groove) 또는 링 홈이라 하며 상단에 압축 링이 조립되고 하단에는 오일 링(oil ring)이 조립되어 오일제어 작용을 한다. 또한 링 홈에서 링 홈까지의 부분을 랜드(land)라 말한다. 피스톤의 상단에 크랭크축과 같은 방향으로 피스톤 핀(piston pin)을 설치하는 핀 보스(pin boss)부가 있고 이 부분에 커넥팅 로드(connecting rod)가 조립되며 이를 커넥팅 로드 소단부라 말한다.

(5) 피스톤 링과 피스톤 핀

피스톤 링(piston ring)은 고온 고압의 연소가스가 연소실에서 크랭크실로 누설되는 것을 방지하는 기밀작용과 실린더 벽에 윤활유막(oil film)을 형성하는 작용 및 피스톤의 열을 실린더 벽으로 방출시키는 방열작용을 한다. 또한 피스톤 핀(piston pin)은 커넥팅 로드 소단부와 피스톤을 연결하는 부품으로 압축과 팽창행정에 충분한 강도를 가져야 하며 피스톤 핀의 고정방식에 따라 고정식(stationary type), 반부동식(semi-floating type), 전부동식(floating type)으로 구분한다.

(6) 커넥팅 로드(connecting rod)

커넥팅 로드는 팽창행정에서 피스톤이 받은 동력을 크랭크축으로 전달하고 다른 행정 때는 역으로 크랭크축의 운동을 피스톤에 전달하는 역할을 한다. 커넥팅 로드의 운동은 요동운동이므로 무게가 가볍고 기계적 강도가 커야한다. 재료로는 니켈-몰리브덴강(nickel-molybdenum steel)이나 크롬-몰리브덴강(chrome-molybden steel)을 주로 사용하고 단조가공으로 만든다. 커넥팅 로드는 크랭크축과 연결되는 대단부(big end)와 피스톤과 연결되는 소단부(small end) 그리고 본체(body)로 구성 된다. 커넥팅 로드는 콘 로드(con rod)라고도 하며 일반적으로 행정의 1.5~2.5배로 제작하여 조립한다.

(7) 크랭크축과 플라이 휠

크랭크축(crank shaft)은 피스톤의 직선 왕복운동을 회전운동으로 변화시키는 장치이며 회전동력이 발생하는 부품이다. 또한 크랭크축에는 평형추(balance weight)가 장착되어 크랭크축 회전 시 발생하는 회전 진동 발생을 억제하고 원활한 회전을 가능하게 한다.

플라이 휠(fly wheel)은 크랭크축 끝단에 설치되어 클러치로 엔진의 동력을 전달하는 부품이며 초기 시동 시 기동전동기의 피니언기어(pinion gear)와 맞물리기 위한 링 기어가 열 박음으로 조립되어 있다. 플라이 휠은 기관의 기통수가 많을수록 작아지며 간헐적인 피스톤의 힘에 대해 회전관성을 이용하여 기관 회전의 균일성을 이루도록 설계되어 있다.

5. 내연기관의 작동원리

내연기관은 일반적으로 4개의 행정(흡입, 압축, 팽창, 배기)에 의하여 작동되며 모든 행정을 마친 후 다시 처음으로 돌아오는 것을 1사이클이라 한다. 왕복형 내연기관의 종류로는 4행정 사이클 기관과 2행정 사이클 기관이 있으며 대표적으로 가솔린기관과 디젤기관이 있다.

1) 내연기관의 주요명칭

피스톤이 실린더의 최고 상부에 위치할 때를 상사점(TDC: Top Dead Center)라 하고 반대로 최고 하단에 위치할 때에 하사점(BDC: Bottom Dead Center)라 하며 피스톤이 실린더의 상사점에서 하사점까지 이동한 거리를 행정(stroke)이라 하고 피스톤이 1행정 했을 때 피스톤이 움직인 거리에 해당하는 체적을 행정체적(stroke volume)이라 한다.

따라서 이 행정체적이 곧 1개의 실린더의 배기량이 되고 실린더의 수를 곱하면 총체적(total volume)이 되며 이 총체적을 일반적으로 자동차에서 배기량이라 말한다. 또한 간극체적(clearance volume)은 피스톤이 상사점에 있을 때 실린더 헤드와 피스톤 헤드 사이의 체적을 말하며 연소실체적이라고도 한다.

한편 간극체적과 행정체적을 더한 것을 실린더체적(cylinder volume)이라 하며 이 실린더체적을 연소실 체적으로 나눈 것이 바로 압축비(compression ratio)이다. 기관의 출력은 행정체적에 비례하고 열효율은 압축비에 영향을 받는다.

2) 4행정 사이클 기관의 작동원리

(1) 흡입행정(suction stroke, intake stroke)

흡입행정은 배기밸브는 닫고 흡기밸브는 열어 피스톤이 상사점에서 하사점으로 이동할 때 발생하는 부압을 이용하여 공기 또는 혼합기를 실린더로 흡입하는 행정이다.

(2) 압축행정(compression stroke)

흡기와 배기밸브를 모두 닫고 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하며 혼합기 또는 공기를 압축시키는 행정이다. 압축작용으로 인하여 혼합가스의 체적은 작아지고 압력과 온도는 높아진다.

(3) 팽창행정(expansion stroke)

흡기와 배기밸브가 모두 닫힌 상태에서 혼합기를 점화하여 고온 고압의 연소가스가 발생하고 이 작용으로 피스톤은 상사점에서 하사점으로 이동하는 행정이다. 실제 기관의 동력이 발생하기 때문에 동력 행정이라고도 한다.

(4) 배기행정(exhaust stroke)

흡기밸브는 닫고 배기밸브는 열린 상태에서 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하며 연소된 가스를 배기라인으로 밀어내는 행정이다.

3) 2행정 사이클 기관의 작동원리

(1) 소기, 압축행정(scavenging, compression stroke)

소기, 압축행정은 피스톤이 하사점에 있을 때 기화기에서 형성된 혼합기를 소기펌프(scavenging pump)로 압축하여 실린더 내로 보내면서 피스톤이 상사점으로 이동하는 행정이다.

(2) 팽창, 배기행정(expansion, exhaust stroke)

피스톤이 팽창압력으로 인하여 상사점에서 하사점으로 이동하는 행정으로 연소가스는 체적이 증가하고 압력이 떨어진다.